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정수처리에 효과적인 멤브레인 기술 각광
대규모 수처리 수요 증가…저비용·고효율 기술 주목
2014년 09월 05일 (금) 09:57:16 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

Special Report   

정수처리에 효과적인 멤브레인 기술 각광

대규모 수처리 수요 증가…저비용·고효율 기술 주목
각종 산업 특성 맞춤형 적용…재료·기술 다양화 추세


   
▲ 마가라 야스모토(Magara Yasumoto)홋카이도대학교 환경나노·바이오공학연구센터 교수
일본은 한국과 마찬가지로 지자체에 분뇨처리장을 건설할 때 지역 주민들의 반대가 거세다. 이 때문에 주민들이 만족하는 수질을 공급하기 위해 멤브레인 개발 연구를 시작하게 됐다. 멤브레인(membrane) 기술은 도쿄의 분뇨처리장에 처음 적용되어 긍정적인 효과를 검증하고 상수처리시설에 적용하게 됐다.

먹는 물 생산에 멤브레인(막)을 적용하기 위해 1991년부터 2011년까지 20년간 프로젝트를 진행했다. 1991∼1993년 진행된 첫 프로젝트는 ‘멤브레인을 적용한 새로운 정화 시스템’에 초점을 맞췄다. 1994∼1996년 실시된 두 번째 프로젝트는 ‘진화하는 멤브레인 정화 시스템’을 주제로 진행됐으며, 1997∼2001년 프로젝트는 ‘21세기 진화하는 물 정화기술’에 대해 연구했다.


또한, 2002∼2004년과 2005∼2008년은 ‘환경·생태적인 물 정화 시스템’을 주제로 프로젝트를 실시했고 2009∼2011년에는 ‘진화하는 물 정화 시스템 10’이라는 주제의 프로젝트를 진행했다. 이 프로젝트들은 국가 보조금으로 진행됐으며 공공기관, 다양한 민간기업, 국가연구기관, 대학이 협력하여 연구를 실시한 대표적인 사례이다.

일본, 809개 시설에 멤브레인 적용

수처리 분야의 멤브레인 적용은 1992년부터 2013년까지 지속적으로 증가하고 있는 추세로 현재 일본의 809개의 시설에 멤브레인이 적용돼 있으며, 총용량은 150만㎥ 이상이다. 시설 총량 150만㎥을 규모별로 분류하면 △500㎥/일 5% △500∼1천㎥/일 5% △1천∼5천㎥/일 20% △5천∼1만㎥/일 11% △1만㎥/일 59%로, 소규모 멤브레인 플랜트의 수가 많지 않다.  

809개 플랜트의 MF(Micro Filtera-tion)막과 UF(Ultra Filteration)막의 비율은 무기 MF 20%, 유기 MF 27%, 유기 UF 53%로 MF와 UF 비율이 거의 비슷하지만 전체 플랜트 용량에서는 무기 MF 41%, 유기 MF 33%, 유기 UF 26%로 무기 MF가 많은 양을 차지하고 있다.

멤브레인은 건설 기간이 짧고 자동화 운영을 통해 입자성 물질을 제거할 수 있으며 화학물질 사용과 건설 면적을 절감할 수 있는 장점이 있는 반면, 용해성 물질의 제거에 한계가 있고 주기적으로 멤브레인을 청소해야 하며 수명이 정해져 있기 때문에 아직 보완하고 개선해야 할 문제점이 많다.

예를 들면, 시설의 멤브레인 모듈 수명이 다 됐을 때 멤브레인이 호환되지 않아 다른 멤브레인을 사용할 수 없으며, 멤브레인의 수명은 보통 5∼8년으로 5년 동안 새롭게 발전된 모듈로 교체할 수 없다. 이에 멤브레인을 선택할 때 수명과 제조업체가 중요하게 작용하며, 멤브레인 선택이 한정적이다. 따라서 멤브레인 교체 시, 자유롭게 모듈을 선택할 수 있고, 전 세계가 공통적으로 사용할 수 있는 표준 기준을 마련하기 위해 멤브레인 개발 연구를 추진하고 있다.

   
 
   
 

멤브레인 모듈, 6개 형태별로 분류

일본 수도기술연구센터(JWRC)는 적용 가능한 멤브레인 모듈을 개발·운영하고 멤브레인을 인증 및 평가하는 기관으로 모듈 표준화를 위해 힘쓰고 있다. 특히 모듈을 6개 형태별로 분류하고 있다.

Vertical Single Casing 1-A는 수직형태로 6개의 케이싱을 사용하며 케이싱 모듈의 크기는 모두 같지만 멤브레인 종류와 재질은 각각 차이가 있다. 가장 큰 특징은 모듈 교체 시 다른 모듈과 호환되며, 향후 보다 발전된 멤브레인 모듈로 교체할 수 있어 멤브레인 선택의 자유도가 높다는 것이다.

Vertical Single Casing 1-B는 A보다 길이는 짧고 넓은 형태로 현재 돗토리(Tottori) 지방의 정수장에서 하루 8만㎥을, 도쿄 키누타(Kinuta) 지역의 정수장에서 하루 4만㎥을 생산하고 있다.
Horizontal Single Casing 2-A는 수평구조의 형태로, 동일한 유량이 유입되지 않는 문제점이 있어 많이 사용하지 않는 유형이다.

Vertical elements Casing의 3-A, 3-B, 3-C는 하나의 큰 케이싱 안에 여러 모듈이 들어있는 형태로 소규모의 정수장에서 많이 사용되고 있다. 마지막으로 침지식 멤브레인(Sub-merged membrane) 모듈은 유공섬유 멤브레인 모듈과 평평한 시트 멤브레인 모듈이 있으며 침전지에 모듈을 넣어서 사용하고 있다. 다른 모듈과 다르게 압력을 사용하지 않고 중력을 이용해서 여과한다.

   
 

   
▲ Vertical Single Casing 1-A는 케이싱 모듈의 크기는 모두 같지만 멤브레인 종류와 재질은 각각 차이가 있다. 가장 큰 특징은 모듈 교체 시 다른 모듈과 호환되며, 향후 보다 발전된 멤브레인 모듈로 교체할 수 있어 멤브레인 선택의 자유도가 높다는 것이다.
   
 
   
 
   
▲ Vertical Single Casing 1-B는 일본 돗토리(Tottori) 지방의 정수장에서 하루 8만㎥을, 도쿄 키누타(Kinuta) 지역의 정수장에서 하루 4만㎥을 생산하고 있다.
   
 
   
▲ 세라믹 멤브레인(Ceramic membrane) 모듈.
   
 
   
▲ 침지식 멤브레인 모듈.

대부분 유기 MF·UF막 모듈 사용

일본 수도기술연구센터가 인증한 멤브레인 모듈을 사용하는 134개소 중 Vertical Single Casing 88개소, Horizontal Single Casing 5개소, Vertical elements Casing 19개소, Submerged membrane 22개소로 6개 타입의 모듈이 다양하게 사용되고 있다. 이중 유기 MF 65개소, 유기 UF 62개소, 무기 MF 7개소로 대부분 유기 소재를 사용하고 있다.

유기 멤브레인이 많이 사용되는 이유는 유기 멤브레인을 만드는 제조사가 많고 지금까지 많은 연구를 통해 발전했기 때문이다. 반면, 무기 멤브레인은 대부분 세라믹 소재로 세라믹을 만드는 기술 개발이 어렵기 때문에 발전이 더딘 면이 있다. 

한편, 일본은 현재 민간기업의 건설·운영을 통해 지방의 정수장을 개선하는 방향으로 변화를 모색하고 있다. 올해 4월부터 운영되고 있는 요코하마 가와이(Yokohama Kawai) 정수장은 민간기업이 투자해서 건설한 시설로 요코하마시가 20년 간 건설비와 운영비를 갚는 조건으로 운영되고 있다. 정수장의 하루 용량은 17만㎥으로 하루 1만㎥ 정도는 세라믹 멤브레인(Ceramic membrane)을 통해 생산하고 있다.

토요카(Toyooka) 정수장은 새롭게 건설된 정수장으로 하루 10만㎥의 물을 생산하고 있다. 침전지에 침지식 멤브레인 시스템을 사용하여 높은 탱크 위치를 활용, 펌프를 사용하지 않고 중력만으로 시설을 운영하고 있다. 이 정수장에 유입되는 원수는 암모니아 질소(NH4-N), 망간(Mn), NOM, 암모니아(NH₃)가 많이 함유되어 있어 일본 내에서 가장 처리하기 힘든 원수로 분류되며, 정수장 인력이 줄어들고 있어 적은 인원으로 운영이 가능한 설계가 필요하다.

까다로운 원수를 처리하기 위해 멤브레인 염소처리, 응집처리, 활성탄 처리 등 전처리 과정을 통해 NOM를 제거한 후 멤브레인 공정을 실시하고 있다. 또한, 멤브레인은 용존성 물질을 제거하지 못하는 특성을 갖고 있기 때문에 멤브레인 공정 후에도 용존성인 망간이 여전히 남아 있어 후처리로 염소처리를 실시해 망간을 제거하는 시스템을 설계했다. 망간처리 시스템은 하루 400m의 망간만 제거하도록 설계·운영되고 있다.

원수를 전통적인 처리 공정으로 처리할 경우 몇 가지 핵심요소에 따라 정수처리시설을 설비해야 하며, 처음 암모니아 질소를 처리한 후 NOM 종류를 처리해야 한다. 또한, 경우에 따라 생물처리나 염소처리를 겸비해야 한다.

전통적인 처리 공정의 운영방법은 다른 시설과 비슷하게 염소처리로 NOM을 제거한 후 나타나는 물질들이 수질기준에 적합한지의 여부에 따라 소독부산물을 검사한다. 소독부산물 중에도 수질기준이 엄격한 브로마이드(bromide)를 기준으로 수질의 적정 수준을 판단한다.

도쿄지역 막 처리로 발암 위험 감소

우리가 원하는 수질을 만족하는 정수처리 시설을 건설하기 위해서는 복잡한 공정과 시설이 필요하며, 전통적인 처리공정을 채택했을 때는 많은 시설을 도입해야 한다. 반면, 멤브레인으로 시설을 건설한다면 여러 가지 공정을 대체할 수 있으며, MF(Micro Filteration)막과 NF(Nano Filteration)를 조합하면 모든 유형을 처리할 수 있다.

MF와 NF의 조합 공정은 일본에서 실험만 한 상태이지만, 싱가포르의 하수처리장에서는 음용수로 바로 사용할 수 있는 시스템에 도입되어 하수를 MF로 처리한 후 NF를 거쳐 상수로 사용할 수 있게끔 시설을 설계했다. 이처럼 멤브레인 기술의 발전은 하수에서 상수로 연결되는 시스템으로 발전하는 것이 바람직하다고 전망한다.

한편, 도쿄 지역에서 원수의 정수처리 과정에서의 발암 위험을 알아보기 위해 연구를 실시했다. 발암 위험이 낮은 곳은 파랑색, 보통은 연두색, 높은 곳을 빨강색으로 표기했다. 연구 결과, 원수의 발암 위험은 연두색으로 나타났지만 정수장의 발암 위험은 파랑색으로 나타났다. 정수처리에 의해 대부분 지역의 발암 위험이 많이 감소한 것으로 나타났다. 반면, 도쿄 지역과 달리 지바(Chiba) 지역은 원수보다 정수처리장에서 발암 위험이 더 높게 나타났다.

광범위한 수처리 위해 막 기술 주목

결론적으로 동일한 수원을 사용하여 정수처리를 하더라도 상수도 사업을 담당하는 곳에서 적정처리를 하지 못하면 정수처리 후에도 물의 위험도가 다르게 나타나는 문제점을 확인했다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방법으로 멤브레인 기술이 주목받고 있다.

멤브레인은 시간이 지남에 따라 분석 화학 분야에서 많은 발전을 이루고 있으며 화학기술이 발전하면서 소재 분야도 동시에 발전하고 있다. 또한, 멤브레인 기술은 동일한 방식을 소규모에서 대규모까지 적용할 수 있기 때문에 소규모 정수장에 매우 매력적인 기술이며, 다양하게 조합한다면 높은 제거율을 기록할 수 있다.

멤브레인 사업을 지속적으로 발전시키기 위해서는 전 세계 곳곳에서 멤브레인 도입이 이루어져야 하며, 개별 국가와 소통하기 위해 세계 표준 기준이 마련되어야 한다.
또한, 멤브레인 사업의 밝은 미래를 위해 젊은 세대들이 연구에 많이 참여하고 협력해야 한다.

   
▲ 지난 8월 19일 고려대학교 미래융합관 강당에서 열린‘2014년 막여과기술 활성화를 위한 세미나’에서 마가라 야스모토 일본 홋카이도대학교 환경나노·바이오공학연구센터 교수가‘맛있는 물 생산 위해 진화하는 멤브레인 기술’이라는 주제로 특별강의를 하고 있다.

 

[『워터저널』 2014년 9월호에 게재]

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