물리‧화학‧생물학적 수처리 기술은 대부분 자연현상에서 착안한 원리를 응 용하여 발전해왔다. 예컨대 침전공법은 물이 고여 있는 웅덩이에서 상등수가 분리되는 자연현상에서, 여과공법은 토양에서 물이 통과하면서 수질이 개선되 는 자연현상에서, 또한 생물학적 처리공법은 오염수나 하수가 미생물의 먹이로 이용하면서 처리되는 자연현상을 응용한 것이다.
물리‧화학‧생물학적 수처리의 핵심기술인 여과기능은 완속여과시스템과 급 속여과시스템으로 구분하여 설명할 수 있는데, 완속여과시스템은 자연 침전과 여과기능이 혼합되어, 자연적으로 이루어지는 것이므로 처리속도가 느리다.
반면에 급속여과시스템은 응집제를 이용하여 물속의 부유물질을 응집‧침전 시킨 후 여과처리하는 방법으로 처리용량이 많아 대도시 수처리에 사용되고 있다.
또한 하수 및 산업폐수 처리에 사용되는 생물학적공법은 호기성 및 혐기성 미생물을 이용하는 방법으로 기존 모래여과공정 등에서 제거할 수 없는 오염물 질 등을 제거한다. 또한 혐기‧호기방법이 결합된 방법으로 부영양화의 영양물 질인 인을 제거하고 있다. 최근에는 막여과(막분리)공법이 새로운 물재생공정 으로 사용되고 있다(<그림 2-12>).
<그림 2-12> 물재생처리 공정의 변화
2. 최신기술인 막분리공정의 상용 1) 막분리공정의 특성
막분리공법은 특정 크기의 물질을 분리할 수 있는 미세공을 가진 분리막을 이용하여 오염물질을 제거하는 기술이다. 분리막은 난분해성 물질을 제거할 수 있고, 물질을 선택하여 제거할 수 있다. 게다가 이 공법은 시설공간이 작아도 되고 자동화가 가능하여 유지관리가 쉽다. 또한 단일공정으로 제어가 어려운 경우 생물학적 공정 등 타 공정과 조합하여 적용할 수 있다는 특징을 가지고 있어 수처리분야의 고도처리에 적용 가능성이 높다. 분리막의 재질은 유기막과 무기막으로 되어 있는데, 유기막은 주로 고분자막(polymeric membrane), 무기 막은 주로 세라믹, 유리, 금속 등으로 구성되어 있다(<그림 2-13>).
<그림 2-13> 세라믹으로 만든 막(모듈)분리막
2) 막분리공정의 종류
분리막(Membrane)은 미세공의 크기에 따라 정밀여과(MF)막, 한외여과(UF) 막, 나노여과(NF)막, 역삼투(RO)막으로 구분하여 오염물질의 크기 및 특성에 따라 분리막을 선택‧적용할 수 있다(<그림 2-14, 표 2-10>).
<그림 2-14> 분리막 미세기공에 따른 제거 오염물질
구분 오염물질의 크기 분리대상 용도
MF막 100㎛~10㎛ 부유물질, 박테리아 상하수 및 폐수처리
UF막 1㎛~100㎚ 현탁물질, 단백질, 고분자물질 등 산업용 폐수처리
NF막 1㎚ 정도 유기물(선택적) 담수화전처리 상수처리(농약제거) 등
RO막 1㎚이하 이온성 물질, 중금속 담수화, 초순수제조, 정수기 등
<표 2-10> 수처리용 분리막의 종류 및 용도
3. 막분리공정과 타 공정이 조합되어 다양한 활용성 창출
막분리공정을 단위공정으로 사용하여 물재생처리에 활용할 수 있지만 이 경 우 활용에 제한적일 수 있다. 특히 처리공법의 경제성을 확보하기 위해서는 더 욱 그러하다. 따라서 타 공정과 조합하는 시스템으로 구축하면 활용성은 다양 하게 창출될 수 있다. 생활하수와 같이 유기물질이 높은 오염수처리에도 생물 학적 처리(호기/혐기성 처리; 활성슬러지공법, 접촉산화조 등)와 분리막을 조합 한 시스템을 적용하면 그 효과가 높다. 즉 과거에는 생물학적 처리공법에 후속
하는 침전, 여과, 소독 등의 공정을 제외할 수 있어 공간활용과 경제성 등의 확 보가 가능하다.
<그림 2-15> 막분리공정과 타 공정을 조합한 시스템의 예
4. 막산업의 동향
전세계적으로 1970년대 전반 중수도 공정으로 활성슬러지법과 가압식 Crossflow형 막여과를 조합한 공정이 개발되었다. 1980년대 전반 일본을 중심 으로 MBR(Membrane Bioreactor)공법이 실효를 거두면서 하‧폐수처리용 막분 리기술이 발달하였다. 전 세계에 걸쳐 2,000개 이상의 MBR시스템이 가동되고 있다.
분리막을 포함한 막모듈 세계시장 규모는 2003년 80억달러에서 2004년 87억 달러로 커지고 있다.
국내 막분리 제조기술과 모듈화 기술은 상당한 수준에 도달하고 있다. 특히 수처리용 분리막의 개발에는 여러 대기업이 참여하여 주요분리막의 기술을 확 보하고 있다. 특히 해수담수화 플랜트사업단이 발족되어 역삼투기술 개발이 활 발히 진행되고 있다. 그러나 국내에서는 분리막 사용시장이 아직 활성화되어 있지 않고, 시장규모도 작다.
분리막 종류 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 역삼투/나노여과 1,716 1,814 1,934 2,070 2,222 2,391 2,571 한외여과 1,441 1,536 1,653 1,779 1,927 2,090 2,265 정밀여과 2,091 2,257 2,449 2,676 2,928 3,208 3,517 기타 액체여과 1,786 1,946 2,138 2,359 2,605 2,887 3,200
기체분리 453 497 547 610 679 758 846
합계 7,487 8,050 8,721 9,494 10,361 11,334 12,399
<표 2-11> 분리막 모듈의 세계시장 규모
(단위 : 백만달러)
미국 Elsevier Advanced Technology사의 자료를 바탕으로 추정한 막모듈 국 내시장 규모는 <표 2-12>와 같다. 국내시장 규모는 2003년 1,200억원, 2004년 1,300억원, 2008년 1,800억원으로 추정되고 있다.
분리막 종류 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
역삼투/나노여과 263 275 293 312 330 354 379
한외여과 220 232 250 269 287 305 330
정밀여과 324 348 373 403 440 476 519
기타 액체여과 250 269 293 318 354 385 428
기체분리 67 73 79 86 98 110 122
합계 1,124 1,197 1,288 1,388 1,509 1,630 1,778 자료 : 'Profile of the international Membrane Industry, Elsevier Advanced Technology'를 바탕으로 추정,
1달러당 1,000원으로 계산
<표 2-12> 막모듈 국내시장의 규모 및 예측
(단위 : 억원)