우리나라의 상수수원은 현재 하천수가 55%, 호 소수 37%, 복류수 및 지하수가 8%로서 상수원수 의 대부분을 하천 또는 호소수의 지표수에 의존하 고 있다. 이러한 지표수의 수질은 전체적으로 개 선되고 있고 대부분 1, 2급수를 유지하고 있으나 낙동강, 영산강, 금강 등의 하류의 상수원 중 일부 는 3급수로서 수질이 갈수록 악화되고 있는 것으 로 나타났다. 특히 하천 하류나 부영양화된 호소 수에 포함된 이취미물질 및 소독생성물의 전구물 질, 유기염소화합물, 농약 등과 같은 용존성 물질 은 기존의 정수처리 방법인 응집, 침전, 여과 및 염소소독 공정으로는 제거가 불가능하고 따라서 양질의 용수공급에 어려움이 있어 이에 대한 대책 으로 고도정수 처리가 도입이 필요한 상황이다.
고도정수는 크게 오존처리, 활성탄처리, 막여과 로 분류된다. 오존처리는 오존의 강력한 산화력을 이용하여 오염물질을 분해하는 방법으로서 THM 전구물질이나 이취미물질의 제거에 효과적이다.
또한 오존은 살균효과가 우수하여 소량의 접촉에 의해서도 대부분의 세균을 사멸시키며, 염소살균 과는 다르게 THM 등의 유기염소계 화합물을 생 성시키지 않아 이산화염소와 함께 대체살균제로 사용할 수 있다. 활성탄처리는 활성탄의 큰 표면 적을 이용하여 흡착가능한 유해물질들은 제거하 는 것으로서 용해성 유기물질, THM 전구물질, 냄새물질, 농약성분 등의 미량 유해물질을 제거할
름이 0.5~2mm 정도의 입상활성탄을 전면에 설 치한 모래여과지와 같은 흡착조에 물을 통수시켜 흡착을 하는 방법과 착수정 등에 분말활성탄을 투 입하여 용해성분을 흡착한 분말활성탄을 제거하는 2가지 방법이 있다. 막여과는 반투과성 경계막을 이용하여 여과 및 확산에 의하여 오염물질을 제거 하는 방법으로서 자동화가 용이하고 탁도와 미생 물 제거에 탁월한 효과를 나타내는 장점을 가지고 있다. 막여과 중 정밀여과와 한외여과는 탁도 제거 에, 나노여과는 THM제거에 주로 사용된다.
현재 국내에서는 주로 오존과 활성탄 처리를 고 도정수에 적용하고 있다. 초기에는 오존이나 활성 탄 처리 중 하나만을 기존 시스템에 도입하였으나 최근에는 다양한 오염원의 유입으로 인하여 오존 과 활성탄처리를 조합하여 도입하는 시설이 늘어 나고 있는데 대구 두류정수장, 부산 화명정수장, 공주 옥룡정수장이 오존과 생물활성탄을 함께 사 용한 예가 되겠다.
최근 해외의 고도정수 처리의 동향을 보면 막여
과가 주요 연구개발 대상이 되어 실용화 단계에
있는 상황이다. 이는 기존의 살균방법인 소독으로
는 제거되지 않는 Cryptosporidium과 같은 병원
성 미생물이 큰 사회문제가 된 경험이 있었고 점
점 양질의 수돗물에 대한 수요가 증가하고 있는데
다가 막여과가 처리부지의 소요가 적고 자동화가
용이하여 관리인력을 절감할 수 있는 장점이 있기
때문이다. 또한 막여과 시설비용 중 상당부분을 차지하는 멤브레인의 가격이 예전에 비해 상당히 하락한 것이 실용화를 더욱 촉진하고 있다.
국내에서는 아직까지 막여과공정의 경제성에 대한 회의적인 인식이 주를 이루어 외국에 비해 막여과를 이용한 정수처리 실용화에 대한 연구개 발이 미진한 편이며 이를 이용한 상수도시설은 지 금까지 전무하였다. 그러나 국내에서도 바이러스 파동, 이질 발생 증가 등 미생물 오염에 의한 수돗 물에 대한 불신이 높아지고 있고 이것을 해결하기 위한 대책으로 막여과를 이용한 고도정수처리시 설의 도입의 필요성이 점점 커지고 있으며 실제로 최근 수자원공사에서 경기도 시흥시 시흥정수장 에 1일 3,600톤 규모의 막여과 정수처리 시설 설 치를 예정하고 있다. 우리나라와 상수도 환경 및 운영이 비슷한 일본의 경우 상수도 원수수질의 악 화, 수도시설의 노후, 정수장 전문 관리인력 부족 등의 이유로 막여과 공정의 도입이 증가한 사실을 볼 때 국내에서도 막여과를 이용한 고도정수처리 가 실용화될 것으로 예상된다.
기술 현황
막(membrane)이란 두 개의 삼차원 균일상을 분리하는 상으로서 막여과란 이 막을 이용하여 분 자상태의 물질을 분리하는 방법이다. 여과막은 막 의 세공크기(pore size)나 분리현상에 따라 크게 정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration), 나 노 여 과 (nanofiltration), 역 삼 투 압 (reverse osmosis), 전기투석(electrodilaysis) 등으로 분류 되는데 이중 정수처리에 사용되는 것은 정밀, 한 외, 나노여과이다.
정밀여과는 물질크기에 의한 분류조작으로 막 의 분리효과는 근본적으로 막의 공경과 분리대상 물질의 크기에 의하여 좌우된다. 주로 0.1~1㎛ 정 도의 용질이 분리되는데 결국 고분자량 물질은 투
과되지 않고 물, 이온분자, 저분자량 물질을 투과 시킨다. 막의 재질로는 cellulose 계통이나 nylon, PVC, PTFE 등 여러 가지 고분자 물질들이 사용 된다. 정밀여과 공정에서 추진력은 일반적으로 0.5~5bar이다.
한외여과는 분자량 1,000~300,000 정도의 고분 자량 물질들을 대상으로 하는 막분리로서 역삼투 막과 마찬가지로 표면층과 스폰지층의 비대칭막 으로 되어 있으며 분리물질 크기는 정밀여과와 유 사하거나 조금 더 작다. 분리의 구동력은 압력차 인데 일반적으로 1~7bar의 범위이다. 분리대상 물질의 크기 면에서 볼 때 역삼투법과 정밀여과법 의 중간으로서 세공이 더 작은 정밀여과로 볼 수 있다.
나노여과는 저압 역삼투압이라고 칭할 정도로 역삼투압과 유사한 특성을 보인다. 막 표면의 특 수처리로 인하여 2가 이온의 배제율이 높고 1가 이온의 배제율이 낮다는 점을 제외하면 대체로 역 삼투막과 유사하다고 볼 수 있다. 그리고 나노여 과에서는 정밀/한외여과에서는 제거가 불가능한 유기물질의 분리도 가능하다. 이러한 나노여과의 특성으로 인하여 정수처리의 용도로서는 경수의 연화, 상수도에서의 미량 유기물질, 농약, THM 제거 등이 가능하다.
수처리에 있어 막여과의 장점은 다음과 같다.
첫째, 상변화를 수반하지 않아 다른 분리공정에 비해 에너지 소모가 적다. 둘째, 막소재의 물리, 화 학적 기능에 의해 입자크기별, 화학적 친화성에 의하여 분리되므로 특정물질만을 분리하는 기능 을 가지며 부속설비가 불필요하므로 설비를 소규 모화할 수 있다. 셋째, scale-up이 비교적 용이하 고 운전 및 장치가 간단하여 자동화가 용이하다.
정밀/한외여과의 적용은 탁도만을 제거한 후
식수로 사용이 가능한 원수에 주로 적용하였으나
최근에는 원수의 오염으로 인하여 유기물, 암모니
아성 질소, 병원성 미생물을 동시에 제거하기 위 하여 정밀/한외여과막 오존 및 활성탄을 조합한 공정의 연구가 주류를 이루고 있다. 연구내용은 대부분이 막여과와 오존 및 활성탄공정의 다양한 조합에 의한 처리수질의 결과를 평가하는 것이다.
또한 막의 재질평가에 관한 연구에서는 막여과와 오존처리를 조합한 공정에서 잔류오존이 막의 내 구성에 미치는 영향이 주요 연구대상이다. 그 이 유는 잔류오존이 막을 산화시켜 성능을 저하시킬 우려가 있기 때문이다. 연구 결과 PAN재질이나 PVDF재질은 오존에 의해 내구성에 영향을 받지 않을 뿐 아니라 막의 투과수량의 증가 및 막오염 의 방지에 효과가 있는 것으로 보고되고 있다.
나노여과의 경우에도 나노여과 단독으로 정수 처리에 적용하는 경우는 거의 없으며 기존 정수처 리 시스템인 모래여과나 오존 및 활성탄 처리와 조합하여 연구개발 되고 있으며 정밀/한외여과가 병원성 미생물 제거에 주안점을 두고 있는 것과 달리 미량 유기물 제거를 주목적으로 한다.
국외에서는 막여과에 대한 연구가 활발한데 그 중 가장 대표적인 것이 일본의 MAC 21이다.
MAC 21이란 Membrane Aquae Century 21의 약자로서 1991년부터 3년 동안 일본 후생성의 주 도로 추진된 상수도 원수인 하천수를 정수처리하 는 막여과기술 연구개발사업이다. 후생성, 국립공 중위생원, 대학 등에 의한 관·학·민의 합동연구 체제로 진행되었으며 주요 연구내용은 정밀/한외 여과를 실제 하천수에 적용한 경우에 막특성, 처 리성능, 세정방법, 운전제어방법, 비상·긴급시 대 책, 경제성분석, 시스템평가 등을 평가하는 것이었 다. 연구결과 수질향상, 응집제 등의 약품사용량의 저감, 정수장의 부지절약 및 건설기간의 단축, 정 수장시설의 유지관리 용이, 건설비 및 유지관리비 의 절약 등 막여과에 의한 정수처리기술의 실용가 능성이 입증되어 고도처리 MAC 21로 연구가 지
속되게 되었다. 1994년부터 3년 동안 진행된 고도 처리 MAC 21 연구에서는 이전에 실시한 MAC 21의 성과를 토대로 하여 통상의 정수처리로서 제 거되지 않는 THM물질, 미량유기화학물질, 바이 러스 등의 제거가 가능한 막여과를 이용한 고도정 수처리 시스템의 확립을 목적으로 하였다. 이러한 물질을 처리하기 위하여 나노여과에 의한 정수기 술과 더불어 생물처리·오존처리·활성탄처리 등 의 고도처리와 정밀/한외여과법과 조합한 정수처 리기술을 검토하였다. 고도처리 MAC 21이 그전 MAC 21과의 차이점은 나노여과 공정에 대한 본 격적인 연구로서 정밀/한외여과에서는 처리가 불 가능한 소독생성물의 저감화 기술, 농약, 이취미물 질 등의 제거기술, 바이러스 제거기술 등의 중점 적으로 개발되었다. 정수처리 분야 이외에도 하수 와 산업폐수처리분야에서 통산성이 주관한 아쿠 아 르네상스 90계획과 건설성의 바이오포커스 계 획에서도 정밀여과와 한외여과를 막여과 공정의 연구개발이 진행되어 분뇨처리와 처리수 재이용 등으로 실용화가 확대되고 있다고 한다.
국내에서는 고도정수처리 개발에 관한 연구에 서는 대학과 국가연구기관에서 오존 및 활성탄처 리에 대한 연구가 진행되었으나 선진국에 비해서 는 아직 초보적인 단계에 머물고 있다. 더욱이 막 여과 기술은 몇몇 대학과 기업에서 산발적으로 수 행되고 있으며 활발한 연구는 이루어지지 않고 있 는 실정이다.
적용 사례 1) 국외
유럽, 미국, 일본 등의 선진국에서는 막여과를
이용한 고도정수 처리가 상대적으로 오래 전부터
실시되어 왔다. 각 국의 수자원 현황과 이용에 차
이가 있는 것처럼 막여과를 도입한 배경에도 다소
간의 상이한 점이 있다.
유럽의 경우에는 THM 전구물질이나 암모니아 성질소가 주요 고도처리 대상으로서 초기에는 오 존 및 활성탄처리를 주로 사용하였으며 최근에는 이들 방법에 막여과를 조합한 고도정수처리장이 증가하고 있다. 원수 사정에 따라 정밀, 한외, 나노 여과를 선택하여 도입하고 있는데 이는 유럽이 막 여과에 대한 많은 경험을 축적하였고 양질의 음용 수를 필요로 하는 소비자의 요구에 부응한 것이라 고 볼 수 있다. 이러한 노력의 결과로 유럽은 정수 분야에서도 가장 앞서 나가는 지역이 되었는데 오 존, 활성탄, 막여과를 모두 포함하는 고도정수처리 장의 수가 유럽 전역에서 1,000여 개를 상회할 정 도이며 막여과를 도입한 정수장도 최근 들어 증가 하는 추세에 있다. 유럽 내에서도 막여과를 이용 한 고도처리가 가장 활발한 국가는 프랑스이다.
프랑스는 오래 전부터 상수도 분야가 민영화되어 상수도의 80% 이상을 프랑스의 양대 상수도 공급 회사인 비벤디社(Vivendi)와 리요네즈 데조社 (Lyonnaise des Eaux)가 맡고 있다. 비벤디는 제 네랄 데조社(General des Eaux)가 회사명칭을 1998년에 바꾼 이름이다. 파리시의 경우를 보면 우리나라의 수자원공사에 해당하는 파리상수도회 사(SAGNEP)에서 상수도를 생산하고 비벤디社 와 리요네즈 데조社의 자회사가 수돗물 배수와 수 도관 유지 및 요금징수를 맡고 있다. 프랑스에서
막여과를 정수처리에 가정 먼저 도입한 것은 리요 네즈 데조社로 1988년 Amoncourt 정수장에, 1989년에는 Douchy 정수장에 각각 240톤/일과 1,200톤/일 규모의 한외여과 정수처리 시설을 설 치하여 식수를 공급하였다. 대규모의 정수처리에 막여과를 도입한 것은 비벤디로社서 Mery-sur- Oise 정수장에 나노여과를 도입하여 150,000톤/일 의 식수를 65만명의 주민들에게 공급하고 있다.
이 정수장의 경우 여과-1차오존-침전-흡착-저류 모래여과-나노여과-2차오존-활성탄의 총 9단계의 공정을 거치는 고도정수처리를 실시하여 양질의 식수를 생산하고 있다. 다른 유럽국가들의 경우를 보면 오존이나 활성탄을 이용한 고도처리가 광범 위하게 실시되고 있는 것에 비해서는 아직 막여과 를 적용하는 정수장의 수가 적으며 생산되는 상수 도의 양도 적은 편이다.
일본의 경우에는 유기물질의 제거는 거의 오존 이나 활성탄 처리에 의존하고 있으며 막여과를 적 용하는 경우는 정밀/한외여과를 이용한 탁도 및 미생물 제거에 주안점을 두고 있다. 이는 우선 MAC 21계획이 주로 정밀/한외여과에 주안점을 두었고 1996년 일본 사이타마縣 오고세市에서 발 생한 Cryptosporidium의 창궐로 인하여 전 주민 의 70%에 해당하는 8,812명의 주민이 수인성 질 병을 앓고 수돗물 공급이 전면 중단된 사건에 기
표 1. 해외 막여과 고도정수 시설 예프랑스 Amoncourt 240 한외여과
프랑스 Charcenne 600 한외여과
프랑스 Mery-sur-Oise 150,000 나노여과+오존+활성탄
프랑스 Fontgombault 2,000 한외여과
프랑스 Thenive 5,000 한외여과
영국 Carno 240 한외여과+활성탄
미국 Cape Coral 57,000 나노여과
미국 Boynton Beach 15,000 나노여과
미국 Water Factory 19,000 나노여과
도입국가 정수장 용량(톤/일) 여과막
인하는 바가 크다. 이러한 결과로 일본에서의 막 여과 고도정수는 미생물 제거에 초점이 맞추어져 있으며 적용 규모도 수백톤급 이하의 간이상수도 가 주종을 이루고 있다.
미국의 경우는 지리적 환경여건 상 유럽이나 일 본에 비해 고도정수처리의 도입이 활발하지 못한 편이나 막여과 정수처리시설은 용존물질과 염소 이온을 제거하기 위하여 나노여과를 도입한 정수 장이 해안지역을 중심으로 많이 위치해 있다. 정 밀/한외여과는 도입된 예가 적으나 이 경우는 주 로 미생물(특히 Cryptosporidium)을 제거하기 위 한 목적으로 이용되고 있다. 미국도 일본의 경우 처럼 Cryptosporidium로 인한 피해 사례가 있었 는데 1984년 Braun Station, 1987년 Carrollton, 1993년 Milwaukee에서 발생하여 큰 사회문제화 된 적이 있기 때문이다. 특히 Milwaukee의 경우 밀워키 시민 160만 명이 Cryptosporidium에 오염 된 수돗물에 노출되어 전체 인구의 25%인 40만 명이 발병하였으며, 그중 특히 면역력이 약한 AIDS환자 100여 명이 사망한 대형사고였다. 밀워 키市는 미시간호를 상수원수로 하고 응집침전, 여 과, 소독의 통상의 정수처리를 실시하여 수돗물을 공급하고 있었는데, 사고발생 직전에 집중호우로 인하여 상수원수의 탁도가 급격히 높아져 Cryptosporidium의 농도가 증가하고 특히 역세척
수를 그대로 재순환시킨 결과, 정수처리공정에서 농축된 Cryptosporidium으로 인하여 완전한 제거 가 불가능하였던 것으로 알려졌다. 문제는 이러한 사고를 유발한 수질이 기존의 수질기준을 모두 충 족하였고 기존의 소독방법으로는 이 미생물의 완 전한 제거가 불가능한 것으로 드러난 것이다. 이 러한 사건들을 계기로 Cryptosporidium의 허용감 염 위해성 기준이 설정되었고 이 병원성 미생물에 대한 가장 안전한 처리법으로 정밀/한외여과가 제시된 것이다.
2) 국내
전술한 바와 같이 우리나라는 상수수원으로 주 로 하천수를 사용하고 있다. 하천수는 지하수와 달리 수질의 계절적 변동이 커 하절기에는 녹조류 발생에 의한 이취미 물질 발생이, 동절기에는 고 농도 암모니아성 질소의 제거를 위한 염소처리 과 다로 인한 과량의 THM생성 및 냄새발생 등의 문 제가 야기되고 있다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 주로 오존이나 활성탄 처리를 이 용한 고도정수처리가 도입되고 있다. 막여과 공정 은 아직 도입되고 있지 않은 상황인데 이는 아직 수돗물 요금이 원가에 미치지 못하는 현실에서 기 존 정수처리 공정에 비해서는 물론이고 오존이나 활성탄 처리 등의 고도처리 공정에 비해서 비용이
표 2. 해외Cryptosporidium 발생 예미국 1984 Texas, Braun Station 2,000 염소소독
영국 1986 Sheffield 84
미국 1987 Georgia, Carrolton 13,000 모래여과 및 소독
영국 1989 Swindon 516 모래여과 및 소독
영국 1990 Thanet Island 47 모래여과 및 소독
미국 1993 Milwaukee 400,000 모래여과 및 소독
미국 1994 Washington, Walla 113
미국 1994 Nevada, Las Vegas 120
일본 1996 사이타마현 오고세 8,812 모래여과 및 소독
발생국가 연도 발생지역 발생환자수 기존처리법
많이 드는 막여과 공정의 도입은 어려움이 있으며 일본의 예처럼 수십 톤 규모의 간이상수도 시설부 터 적용해 나가는 것이 바람직하다.
결론
20세기초 우리나라에 상수도가 보급된 이후로 21세기에 들어선 현재 상수도 보급률은 90%에 육박하고 있으며 특히 대도시의 보급률은 100%
에 가까워 괄목할만한 양적인 성장을 이루어냈다.
그러나 상수도원수 수질의 악화와 다양한 오염원 의 출현으로 의한 위험으로부터의 국민건강의 보 호를 위해 고도정수처리공정의 도입확대가 요망 되고 있다. 현재 오존 및 활성탄처리가 국내 고도 정수의 주종을 이루고 있는데 이에 막여과를 이용 한 고도처리 공정에 대한 연구개방 및 실용화도 활발히 이루어져야 된다고 본다.
막여과는 아직 국내 실정상 경제적인 부담이 있 는 측면은 있으나 생산된 수돗물의 수질의 우수성, 자동화로 인한 관리인력 절감, 소요부지 축소 등 의 많은 장점을 가지고 있으므로 장기적으로는 고 도정수의 중심이 될 것으로 예상되고 있으며 세계
적인 추세도 그러하다. 선진국의 경 우 보다 양질의 수돗물을 국민들에게 공급하기 위하여 나노여과 등의 최신 기술을 적용하여 미량의 유기물까지 완전히 제거하고 있으며 이에 대한 국민들의 반응도 긍정적이다. 그리고 다행스럽게도 아직까지 국내에서 Cryptosporidium으로 인한 사고가 발생하지는 않았으나 국내에서도 이 병원성 원충이 검출되고 있고 사고 발생의 가능성이 없다고 할 수 없고 또한 Cryptosporidium 이외에도 이 질과 같은 수인성 전염병도 증가추세 에 있으므로 이러한 미생물 오염사고 발생의 소지가 있는 지역을 중심으로 막여과를 이 용한 정수처리에 도입이 시급하다고 할 수 있다.
실제로 부산시 상수도사업본부가 조사한
‘병원성원생동물 분포실태 조사 결과’에 따르면 낙동강 원수에서 병원성 원생동물인 Cryptosporidium과 Giadia가 검출되었는데 덕산정수장에 대한 정수 공정별로 검출 여부에 대한 정밀조사를 10차례 실 시한 결과 Giadia는 덕산정수장 원수에서 5차례에 걸쳐 10ℓ당 1~3마리가, Cryptosporidium은 2차 례 1~3마리가 각각 검출되었다고 한다. 한편 1960년대에 1,000명에 가깝던 연간 이질환자발생 수가 1996년 9명까지 감소하였으나 이후 다시 증 가하여 1997년 11명, 1998년 908명, 1999년 1,786 명, 2000년 2,500명으로 급격히 증가하고 있어 대 책이 요구되고 있는 실정이다.
막여과 공정의 도입이 비교적 용이한 수십 톤 급의 간이상수도 시설부터 시작하여 생산용량을 확대해 나가는 것이 국내 실정상 바람직할 것으로 생각되며 국내 수자원 현실에 적합한 막여과 공정 의 연구개발 및 실용화가 기대된다.
그림 1. 간이상수도용 한외여과 pilot-plant.
