Global Issue Technology  

“물 재이용, 수질관리 위한
실행 가능한 옵션으로 나타날 가능성 높아”

미국·유럽·중국 등서 물재이용이 하수처리비용 불균형 부추길 수 있는 경향 나타나
가정서 사용되는 많은 물, 재이용할 수 있는 중요한 기회…소독처리 방법 제공해야

광범위한 물 재이용을 촉진할 5가지 요소
5 factors that will drive widespread adoption of water reuse
 
기술은 준비되었지만 세계는 준비되었는가? 물 재이용에 대한 지각변동은 주행 상황이 전환점(tipping point)에 도달할 때만 발생한다.” 워터온라인(www.wateronline.com)이 발행하는『Water Innovation』7월호에서는 드라이렛 엘엘씨(Drylet LLC)의 COO(최고운영책임자) 겸 VP(부사장)인 말콤 파비이(Malcolm Fabiyi) 박사가 기고한 ‘광범위한 물 재이용을 촉진할 5가지 요소(5 factors that will drive widespread adoption of water reuse)’를 게재했다. 그 내용을 소개한다.

미국 샌프란시스코가 1932년에 물 재이용의 가능성을 모색하기 시작한 이래로 ‘지구의 가장 소중한 자원 중 하나를 보존하겠다’는 약속은 우리에게 매혹적으로 다가왔다. 우리가 소비하는 것의 대부분을 재이용함으로써 적절한 물 공급을 확보하려는 생각은 매력적이다. 아무도 이런 장점에 반대할 수는 없다. 그 배려와 채택을 강요하는 원동력이 커지고 있지만, 이 개념을 채택하는 기업과 가정은 거의 없다.

물 재이용을 흥미로운 호기심에서 모든 사무실, 공장, 농장 및 가정에서 볼 수 있는 실천으로 옮기려면 어떻게 해야 하나? 물 재이용이 폐기물 재활용만큼 널리 퍼지게 하려면 어떻게 해야 하나? 이 기사에서는 물 재이용의 채택을 가속화할 수 있는 다섯 가지 요인이 있으며, 재이용 가능성을 실현하려면 해결해야 할 과제뿐만 아니라 활용 가능한 기회를 강조한다.

Since San Francisco began exploring the possibilities of reusing water in 1932, the promise of conserving one of earth’s most precious resources has hovered around us tantalizingly. The idea of securing adequate water supply by reusing all or most of what we consume is appealing. No one can argue against its merits. The drivers that compel its consideration and adoption are growing. Yet, despite its great appeal, few corporations and individual households are adopting the concept.

How do we move water reuse from interesting curiosity to a practice that is seen in every office, factory, farm, and home? How do we enable water reuse to become as widespread as waste recycling? There are five factors that could accelerate the adoption of water reuse, and this article highlights the opportunities available as well as the challenges that must be addressed if the potential of water reuse is to be realized.

기후변화와 가뭄 회복력 강화
Enhancing Climate Change And Drought Resilience

가뭄보다 용수 재이용을 채택하는 데 있어 더 강력한 견인은 없다. 기후변화는 가뭄을 보다 빈번하고 가혹하게 만들고 영향을 받는 지역이 복구되는 데 걸리는 시간을 연장시킨다①. 캘리포니아주에서 텍사스주에 이르기까지 물에 취약한 공동체는 수자원 보전과 재이용을 받아들여야 했다. 캘리포니아에서는 샌프란시스코나 LA(로스앤젤레스)와 같은 도시에서 간접적으로 음용수를 재이용 할 수 있다. 텍사스에서는 위치타 폴스(Wichita Falls)와 빅 스프링(Big Springs)과 같은 도시에서 직접 식수 재이용이 활용되었다.

Nothing has been a more compelling driver for the adoption of water reuse than droughts. Climate change is making droughts more frequent and severe and extending the time it takes for affected areas to recover①. From states like California to Texas, water-vulnerable communities have had to embrace water conservation and reuse. In California, cities like San Francisco and Los Angeles have embraced and utilized indirect potable reuse. In Texas, direct potable reuse has been utilized in cities like Wichita Falls and Big Springs.

Cities in need of water will do whatever is necessary to get it - even if it means considering leading-edge options like direct potable reuse (DPR). The sustainability of water reuse is dependent on what happens afterward, when the drought subsides, and cheaper sources of drinking water become available again. Wichita Falls, TX, might offer a glimpse into how to handle such issues.

At the height of its water crisis, officials set up a DPR system. When the drought subsided, they migrated to an indirect potable water reuse (IPR) system. This approach will potentially allow the city to move to less-expensive IPR options when the drivers for DPR are not present. Their example demonstrates that water reuse can be an essential part of a comprehensive strategy for tackling climate change and enhancing climate resiliency. During drought conditions, water reuse allows cities to tap into treated sewage for direct or indirect potable reuse.

In coastal cities where climate change is leading to rising seawater levels and more frequent floods, increasing the risk of the inundation of freshwater sources with saltwater infiltration, water reuse will reduce the exposure of such cities to the unpredictable effects of climate change-related incidents that compromise water sourcing for drinking water.

환경 위험을 줄이기 위한 기업들의 추진 방향
Corporations And The Drive Toward Mitigating Environmental Risk

지난 20년 동안 기업들은 물 관련 브랜딩과 금융 리스크를 회피해야 하는 불확실성의 증가에 따라 새로운 위험을 추가했다. 기존 환경 규제를 충족시키는 기업의 능력으로 인해 발생하는 일반적인 준수 위험과는 달리, 수자원 관련 환경 위험은 지속가능성 여부와 책임감 있는 기업 시민 정신을 기반으로 한다. 이는 기업이 운영환경에서 수자원을 책임지고 있는 청지기로서 얼마나 잘 작동하고 있는지와 관련이 있다.

네덜란드 아르엔 혹스트라(Arjen Hoekstra) 교수가 도입한 2002년의 물 발자국(footprint) 개념은 조직이 그들의 작업 지역에서 물의 지속가능성에 얼마 만큼의 영향을 미치는지에 대한 척도를 제공했다. 처음으로 제품과 서비스를 생산하기 위해 소비되고 오염된 물의 양을 수치로 나타낼 수 있다는 것을 의미했다. 이를 통해 제품 간, 조직 내, 조직간 물 사용량을 의미 있는 방식으로 비교할 수 있다. 그 결과 기업들은 목표를 정의하고 물 발자국(footprint)②을 관리하기 위한 목표를 세우는 데 상당한 압박을 느끼기 시작했다.

현재 주요 대기업의 물 사용량 통계 및 목표를 포함하지 않는 연례 보고서는 거의 없다. 2004년 환경성과에 대한 주식시장의 영향을 분석한 논문③에 따르면, 환경적 처벌 발표가 주식 시장에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.

기업의 모든 환경적으로 책임 있는 행동은 지속가능성에 대한 진정한 관심이 아니라 리스크 관리에 의해 추진되었다고 말하는 것이 냉소적인 반면 현실은 브랜드 가치를 유지하고 주주 가치를 손상시키지 않는 기업의 관심이 점차 환경에 미치는 영향인 물 발자국 감소와 같은 활동들이다. 그러나 기업의 이익과 환경적 지속가능성은 상호 배타적일 필요가 없다. 예를 들어, 주식시장이 지속가능성을 향상시키는 강력한 도구가 될 수 있다는 전망이 늘고 있다④.

그러나 산업용수 재이용에 강력한 도구를 사용하는 것은 단순한 브랜드와 평가 위험 완화 이상의 것에 의존해야 한다. 세계경제 활동의 대부분은 증권거래소에 상장된 회사가 운영하지 않는다. 기업의 운세와 브랜드는 주주 행동에 영향을 받거나 지속 가능성을 중시하는 뮤추얼 펀드와 같은 기관 투자가 활동에 영향을 받을 수 있다. 일자리의 60% 이상을 창출하는 것은 비상장 중소기업이다.

수자원 재이용 및 재활용이 이들 기업에 합리적인 선택이 될 때까지 실질적인 영향은 미치지 않을 수도 있으며, 그들의 결정은 물 재이용의 경제적 가치에 주도 될 것이다. 이들은 물 중 상당 부분을 재이용할 수 있고 전문 공급자가 현장 물 재이용 플랫폼을 관리할 수 있도록 하는 플러그 앤 플레이(plug-and-play) 시스템 또는 운영 서비스 계약을 제공함으로써 광범위하게 이익을 얻을 수 있는 가성비 좋은 방법이 요구될 것이다. 만약 서비스 비용이 현 상황에 비해 절감 효과를 제공한다면, 이 기업들은 용수 재이용을 쉽게 채택할 것이다.

Over the last two decades, corporations have added a new risk to the growing list of uncertainties that they must hedge against - water-related branding and financial risk. Unlike general compliance risks that stem from the corporation’s ability to meet existing environmental regulations, water-related environmental risk is based on sustainability considerations and responsible corporate citizenship. It is related to how well a corporation is being a responsible steward of the water resources in its operational environment.

The introduction of the water footprint concept in 2002 by Arjen Hoekstra provided a quantifiable metric for how organizations impact water sustainability in their regions of operation. This meant that, for the first time, a metric was available for measuring the amount of water consumed and polluted to produce goods and services. This allows meaningful comparisons of water usage to be drawn between products, as well as within and across organizations. The result was that companies began to feel extensive pressure to define targets and set goals for managing their water footprint②.

There is scarcely an annual report from major corporations today that would not include water footprint metrics and goals. A 2004 paper analyzed③ the stock market impact of environmental performance and found that the announcement of environmental penalties caused a stock market response.

While it would be cynical to say that all environmentally responsible actions from corporations have been driven by risk management and not a genuine interest in sustainability, the reality is that corporate interest in maintaining brand integrity and not compromising shareholder value increasingly plays a role in environmentally impactful activities such as water footprint reduction. But corporate self-interest and environmental sustainability don’t have to be mutually exclusive. For instance, there is a growing embrace of the fact that the stock market could be a powerful tool for enhancing sustainability④.

However, moving the needle on industrial water reuse must rely on more than just brand and valuation risk mitigation. Most of the economic activity in the world is not driven by companies that are listed on stock exchanges, whose business fortunes and brands can be impacted by shareholder behavior or influenced by the activities of sustainability-conscious institutional investors like mutual funds. It is unlisted, privately held small- and medium-sized enterprises that generate over 60 percent of all jobs.

Until water reuse and recycling becomes a reasonable and sensible option for these firms, no substantial impact will be made. Their decisions will largely be driven by the economic value of water reuse. They will require compact, cost-effective solutions that can allow them to reuse some substantial part of their water and benefit extensively from being provided plug-and-play systems or operational service contracts that allow expert providers to manage the onsite water reuse platforms. If the cost of the service offers savings relative to the status quo, then these businesses will readily adopt water reuse solutions.

하수처리 대 수처리의 차별화된 가격 및 더 엄격한 규제의 영향
Differentiated Pricing Of Sewage vs. Water Treatment And The Impact Of More Stringent Regulations

필자는 2000년대 중반, 브라질에서 많은 상업용 물 재이용 프로젝트에 관여했다. 이러한 흥미롭고 혁신적인 프로젝트는 뉴욕, 런던, 스페인, 토론토에서 이루어지는 것이 아니라 상파울루와 리우데자네이루 같은 도시에서 일어나고 있었다. 당시 세계적인 공업용 가스회사인 물 및 하·폐수 계약 운영회사에서 일했던 필자는 운영을 관리하고 때로는 자급 설계, 건설, 운영(DBO)을 하는 물 재이용 프로젝트에 종사하기도 했다.

그 운영회사는 산업 및 주거 고객들로 구성된 다양한 품목을 가지고 있었는데, 그들 대부분은 처리된 하·폐수를 재활용했다. 고객 중에는 고층 건물, 주요 방송사 스튜디오, 여러 쇼핑몰, 3차 교육기관, 자동차 회사 등이 포함되어 있었다. 브라질에서 물의 재이용은 왜 번창하고 있었는가? 브라질의 더 발전된 경제에서 물의 채택에 대한 논쟁이 여전히 진행 중이었는가? 그 이유는 간단했다. 하수 배출 비용이 식수처리 비용보다  2∼3배 높았기 때문이다.

미국, 유럽, 심지어 중국에서도 물 재이용이 경제적으로 가능해지기 시작할 정도로 물과 오수처리 비용의 불균형을 부추길 수 있는 경향이 나타나고 있다. 이것은 특히 질소(N)나 인(P)과 같은 영양소조절과 관련하여 더욱 엄격한 하수처리 규제의 출현이다. 미국 중서부와 북동부 지역사회가 발견하기 시작함에 따라, 저영양 한계를 충족하려면 MBR, 3차 여과 시스템(tertiary filtration systems), 이동식 베드 생물 반응기(moving bed bioreactors), 세분화된 슬러지 반응기(granular sludge reactors) 및 특수 박테리아(예: anammox)와 같은 첨단 기술을 사용해야 한다.

이 기술은 하수처리에 많은 비용이 든다. 또한 처리된 물의 품질이 높다는 것과 재이용 가능한 표준 물을 만드는 ‘수질 차이’가 훨씬 낮다는 것을 의미한다. 처리된 하수안에 영향을 끼치는 미량의 화합물을 규제할 때, 처리비용이 증가할 수밖에 없고, 물 재이용이 전체적인 수질관리를 위한 실행 가능한 옵션으로 자연스럽게 나타날 가능성이 있다.

In the mid-2000s, I was involved in a number of commercial water reuse projects in Brazil. These exciting and innovative projects were not taking place in New York, London, Spain, or Toronto, but in cities like Sao Paulo and Rio de Janeiro. The organization that I worked with at the time, a global industrial gas company, owned a water and wastewater contract operations firm that managed operations and sometimes engaged in self-funded design, build, and operate (DBO) water reuse projects.

The operations firm had a diverse portfolio of industrial and residential clients, the majority of which recycled their treated wastewater. The clients included high-rise residential buildings, a major television studio, several shopping malls, a tertiary institution, and an automobile firm. Why was water reuse thriving in Brazil while debates were still ongoing about its adoption in more developed economies? The driver was simple - sewage discharge costs were up to two to three times higher than drinking water treatment costs. At the time, Brazil had insufficient sewage treatment infrastructure and the higher charge for sewage discharge drove water reuse.

Reusing water was the economically sensible thing to do. The treated wastewater was used for flushing toilets, watering lawns, and doing factory washdowns. The conditions were right for leveraging innovative technologies like membrane filtration, pure oxygen-based aeration, and advanced oxidation with ozone for ensuring the safety of the reused water while also keeping treatment costs low. The first commercial-scale membrane bioreactor (MBR) and advanced oxidation projects I was ever involved with were deployed for water reuse applications during this time in Brazil.

There is a trend emerging in the U.S., Europe, and even China that might drive the disparity in water and sewage treatment costs to the extent that water reuse starts becoming more economically viable. This is the emergence of more stringent sewage treatment regulations, especially regarding the control of nutrients like nitrogen and phosphorus. As communities in the mid-Atlantic and northeastern U.S. are starting to find out, meeting low-nutrient limits requires the use of advanced technologies like MBRs, tertiary filtration systems, moving bed bioreactors, granular sludge reactors, and specialized bacteria (e.g., anammox).

This adds costs - a lot of it - to sewage treatment. Using these technologies also implies that the quality of the treated water is higher and that the “water quality gap” to make the water of reusable standard is much lower. When regulations begin to address compounds of emerging concern that are present in trace amounts in the treated sewage, treatment costs will inevitably increase and water reuse will likely naturally emerge as a viable option to pursue for holistic water management.

가정에서의 물관리 비용 절감
Reduction Of The Cost Of Water Management At The Household Level

가정으로 공급되는 물을 ‘음료’나 ‘음용수’라고 부르지만, 마시거나 요리를 위해 냄비에 넣는 물은 1%도 채 되지 않는다. 나머지 99%의 ‘음용수’는 세탁이나 설거지, 잔디밭 물주기, 화장실 청소, 목욕 등에 쓰인다.

가정에서 사용하는 많은 물을 재이용 할 수 있는 중요한 기회가 있다. 그러나 물을 처리하고 재이용하는 데 드는 비용은 엄청날 수 있다. 소규모 상업 및 가정 처리 시스템의 당면과제는 규모이다. 가계 단위의 용수 사용량은 약 200gpd이며, 4인 가구의 경우 1인당 50갤런이다. 가정용 물 재이용 시스템은 샤워 시스템, 수도꼭지, 의류 세탁 및 식기 세척기 시스템에서 물을 회수하고 화장실, 세차 또는 잔디 관개용으로 사용할 수 있도록 물을 처리할 수 있어야 한다.

경제적인 이유로 미생물 처리 시스템이 가장 실용적인 옵션을 제공한다. 최소한 생물학적으로 매개되는 가정용 처리 시스템은 치료를 위한 충분한 시간을 보장하기 위해 총 일일 물 사용 용량의 1∼5배에 해당하는 양으로 조정해야 한다. 고형물을 제거하고, 물과 기름기를 분리하며, 병원성 박테리아를 제거할 수 있어야 한다. 배설물이 있는 변기는 재사용 흐름에서 제외될 가능성이 높다. 폐기물이 희석되어 혐기성 처리에는 그다지 적응할 수 없기 때문에 호기성 방법이 필요할 것이다. 산소 전달 효율이 도시 하수처리장에서 발견되는 15∼20% 수준을 보장하는 데 필요한 깊이가 부족해 새로운 가스 전달 기술을 도입해야 한다.

이러한 모든 목표를 달성하기 위해서는 미생물이 침입하지 않도록 미량 또는 한외여과 범위의 여과 시스템이 필요하며, 화학물질을 사용하지 않고 소독 등급의 처리를 할 필요가 있다. 기술은 존재한다. 현재 필요한 것은 가정용수 배관과 음용수 소싱(sourcing) 및 재사용 옵션을 재구성 할 수 있는 개발자와 이를 통합할 새로운 방법을 찾는 혁신자들이다.

Although the water that goes to homes is called “drinking” or “potable” water, less than 1 percent of it is drunk or put into a pot for cooking. The remaining 99 percent of the “drinking” water is used for activities like washing clothes and dishes, watering lawns, flushing toilets, and bathing.

There are significant opportunities for reusing a lot of the water used in the household. However, the cost of treating the water and reusing it could be prohibitive. The challenge of small-scale commercial and household treatment systems is scale. Water usage at the household level is about 200 gpd - at 50 gallons per capita for a household of four persons. A household water reuse system must be able to recover water from shower systems, faucets, clothes, and dishwasher systems and treat the water so it can be used for things like toilet flushing, car washing, or lawn irrigation.
For economic reasons, microbial treatment systems would offer the most viable options. At a minimum, biologically mediated household treatment systems would have to be sized at a volume which is one to five times the total daily water usage capacity to ensure there is sufficient holding time for the treatment. They must be capable of removing solids, separating fats and oils from the water, and eliminating pathogenic bacteria. Since toilet flushes with fecal matter will likely be excluded from the reuse streams, the wastes will be diluted and not very amenable to anaerobic treatment, so aerobic methods will be needed. Lacking the depth needed to ensure that efficiencies for oxygen transfer are at the 15 to 20 percent level found in municipal treatment plants, they must incorporate novel gas transfer technologies.

Meeting all these goals might require filtration systems that are in the micro- or ultrafiltration range - small enough to ensure that microbes don’t break through, providing disinfection-grade treatment without the use of chemicals. The technologies exist, and what is now needed are innovators that will find novel ways of integrating them for viable deployment at the household level, as well as developers who will reimagine household water piping and sourcing from drinking water and reuse options.

물 재사용으로 인한 유틸리티 수익관리
Managing Utility Revenue Reduction Due To Water Reuse

물 재사용이 증가함에 따라 유틸리티에게 요구하거나 유틸리티가 처리하는 물도 줄어들 것이다. 대부분의 유틸리티는 이익을 창출하는 회사가 아니므로 식수 및 하수처리 인프라를 유지관리하는 데 필요한 최저 비용만 반영한다. 파이프를 통해 흐르는 물의 양과 상관없이 펌프장은 계속 가동되어야 하며 하수관은 유지되어야 한다.

하·폐수처리 시설은 전체 흐름 면에서 심각하게 감소할 가능성이 있지만, 광범위한 물 재이용을 도입하기 전에 높은 흐름에서 함유된 유기적 함량은 거의 그대로인 하·폐수를 처리할 수 있는 충분한 용량이 있어야 한다. 지자체의 처리비용은 흐름에 따라 감소하지 않을 것이다. 가장 가능성 있는 결과는 물 재사용이 주류가 되면서 유틸리티들이 식수와 하수처리 비용을 증가시키는 것이다. 사실, 용수 재이용이 가속화됨에 따라 유틸리티 자산관리의 많은 측면들이 비싸질 수 있다. 예를 들어, 하수구를 통해 흐르는 물이 적다는 것은 관로 내 농축된 하·폐수의 보존시간이 증가할 것임을 의미한다.

그 결과 하수관은 더 많은 정화조 조건을 갖게 되고 악취와 메탄 배출량은 증가하고 부식 문제는 더 커질 수 있다. 주류화된 물 재사용과 함께 유틸리티의 운영환경이 변화할 것이라는 현실을 받아들이지 않는 한, 물 및 오수 유틸리티가 광범위한 물 재사용의 채택을 가로막는 주요 장애물 중 하나가 되는 상황에 놓이게 될 수도 있다.

As more water reuse occurs, less water will be demanded from or treated by utilities. In essence, the volume of water that utilities can charge to cover their costs would be reduced. Most utilities are not profit-making entities, so their rates reflect the bare minimum costs required to maintain drinking water and sewage treatment infrastructure. Regardless of how much water flows through the pipes, pump stations must still be run, and sewer lines must still be maintained.

Wastewater treatment plants must still have sufficient capacity to treat sewage that will likely be severely reduced in terms of overall flow, but still have almost as much organic content as was contained in the higher flows prior to the wide-scale adoption of water reuse. A municipality’s treatment costs will not reduce proportionally with flow. The most likely outcome will be that utilities will need to increase the costs of drinking water and sewage treatment as water reuse becomes more mainstream. In fact, it is possible that many aspects of utility asset management might become even more expensive as water reuse gathers pace. For instance, less water flowing through sewer systems would imply that the retention time of more concentrated sewage in the lines will increase.

The resulting effect will be that sewer lines will have more septic conditions, odors will increase, fugitive methane emissions will rise, and corrosion problems will be higher. Unless and until we accept the reality that the operating environment for utilities will change along with the mainstreaming water reuse, we might find ourselves in a situation where the water and sewage utilities end up becoming one of the major impediments to the wide-scale adoption of water reuse.

■ 참고 문헌(References)
1. https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4792908/Study-findsdroughts-frequent-severe.html
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Water_footprint.
3. Lorraine et al (2004. An analysis of the stock market impact of environmental performance information. Accounting Forum. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0155998204000031)
4. Siobhan Cleary)http://unepinquiry.org/wp-content/uploads/2015/12/Stock_Exchanges_and_Sustainability.pdf)

▶ 말콤 파비아(Malcolm Fabiyi) 박사 소개
세스 오브라이언(Seth O'Brien)은 미국 플로리다 대학교(University of Florida)에서 기계공학과를 졸업했으며, 위스콘신 대학교(University of Wisconsin)에서 MBA를 받았다.

미국 이튼(Eaton)사의 HVAC 가변 주파수 드라이브, 산업 제어 부문의 제품 매니저이다. 오브라이언은 이튼사에서 다양한 영업 및 마케팅 업무에서 5년의 경력을 쌓았으며 신제품 개발 및 판매 실행을 비롯하여 이튼사의 HVAC 전략을 담당하고 있다.

  [출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/factors-that-will-drive-widespread-adoption-of-water-reuse-0001) / 2019년 7월 1일]

 [『워터저널』 2019년 8월호에 게재]