http://www.ntb.or.kr
【기술 및 시장 동향】
오폐수 처리기술
본 자료는 한국기술거래소가 외부전문가에 의뢰하여 작성한 것을 발췌한 자료 로서, 이에 한국기술거래소는 내용에 관해 책임을 지지 않습니다.
본 보고서의 내용을 인용하고자 하는 경우에는 반드시 한국기술거래소의 허락 을 받아야 하며 그 출처가 한국기술은행임을 밝혀 주시기 바랍니다. 또한, 본 보고서를 적법한 절차에 따라 사용할 경우에도 단순한 오류 정정 이외의 내용 에 대한 무단변경을 금지합니다.
한국기술거래소 http://www.kttc.or.kr
1. 국내기술동향
1) ATAD 기술동향
ATAD(고온호기성소화)공법을 기반으로 하는 기술은 현재 국내에서 널리 쓰이지는 않 는 기술이다. 널리 쓰이지 않는 대표적인 이유는 현재까지 대규모 처리시설에 주력해 온 대기업에서 하수 및 오폐수 기술을 채택하여 활용하지 않은 점으로 볼 수 있다. 비록 기 술의 주류를 형성하지 못하고 있지만, 우리나라의 경우에도 1998년 환경부가 주관하여 수 행한 G7 프로젝트의 일환으로 ATAD 방식을 이용한 슬러지 저감기술이 (주)한국정수공 업의 기술연구소를 중심으로 실시된 바 있고 글로벌키퍼 기술연구소에서는 2003년 ATAD및 EGSB기술을 응용한 축산폐수처리연구를 실시하였다.
이 외에도 삼정건설의 <고온 호기성 산화반응과 팽창성 입상 슬러지층을 이용한 축산 폐수의 정화방법 및 그 장치(특허 제 0410895호)>역시 ATAD 기술을 전처리 단계에 응 용한 기술로서 ATAD 기술을 응용한 국내 기술로는 완성도가 가장 높은 기술로 현재 환 경부 신기술 제 282호로 등록되어 있다.
2) 고농도 영양염류 처리 기술동향
고농도 영양염류를 포함한 오폐수는 일반적으로 분뇨와 축산폐수 및 특정 산업폐수로 구분해볼 수 있다. 하지만 현재 가장 문제가 되는 폐수는 축산폐수이다. 축산폐수는 현재 환경부 및 농림부의 이원화된 정책으로 인하여 방류수질기준에 맞는 처리 및 가축분뇨 자 원화라는 두가지 방향으로 처리 및 재활용 되고 있다. 이러한 이원화된 정부의 축산폐수 정책은 많은 지자체의 정책 방향 결정 및 기술 개발 측면에 지대한 영향을 끼치고 있다.
현재 축산폐수 처리에 있어 가장 큰 문제점으로 지적되는 것은 C:N가 낮아 외부 탄소 원 주입, 희석, 처리기준수준으로 처리 불가, 넓은 처리장 부지, 장기간의 처리시간, 다량 의 슬러지 발생 등이 있다.
현장에 널리 적용되어 사용되는 영양염류를 중점으로 하는 오폐수 처리 기술로는 코오 롱건설(주)의 NPR(nitrogen & phosphorus removal), 풍림의 PL 및 PL-II, 그린기술산업 의 Denipho, 바이오메카(주)의 BSTS-II(Biomecca sewage & wastewater treatment), 포 스코건설의 Bio-SAC BNR (Bio-SAC process for biological nutrient removal), (주)에치 투엘의 CNR(cilium nutrient removal) 기술 등이 있다.
현재 공법의 각종 문제점 해결을 위해 기술개발과 병행하여, 기존 공법의 운전로직 개 발, 첨가제 및 담체, 막 사용 등이 고려되고 있다. 또한 우리나라와 같이 비교적 국토가 협소한 국가에서는 폐수처리관련 처리비용 절감과 부지확보는 중요한 과제로서 이를 위 해 하수 및 오폐수 처리기술 분야에서 많은 연구가 환경부, 각종 대학 및 연구기관, 대기 업, 중소기업 등을 중심으로 활발히 진행 중에 있다.
현재 몇몇 국내의 상용화된 기술은 이론적 및 기술적 측면에서 외국의 기술과 견줄만 하다. 하지만 이러한 국내 상용 기술은 내구성 부족, 잦은 고장, 이론상 수치와 운전시 처 리효율의 차이 등이 문제점으로 제기되고 있다. 국내의 하수 및 오수 처리 기술은 상기
기술된 각종 문제점 이외에 유해 부산물의 최소화, 지속적으로 강화되는 법규 기준 준수 를 위한 각종 변수를 고려하는 범위에서 진행될 것으로 예측된다.
2. 해외기술동향
1) ATAD 기술동향
SND는 호기상태에서 동시에 질산화와 탈질을 동시에 수행하는 것으로 Pochana(2000) 의 연구 결과에 의하면, 전체 탄소량과 질소량의 비가 10일때 SND의 효율은 최대가 되 고 비가 낮아질수록 효율이 떨어지는 것으로 나타났다.
ATAD공법은 1978년 Jewell의 연구로 개발된 공법으로 이름이 나타내는 바와 실질적 인 프로세스 간에는 약간의 차이가 있다. 그 차이는 다음과 같다.
1. 실질적으로 전적으로 미생물에 의한 작용이 autothermal하지 않아 믹싱 등을 통한 외 부로부터의 열공급이 필요하다.
2. 해당 프로세스는 전적으로 호기성인 것은 아니다.
3. 프로세스는 간접적으로 전체휘발성고체(TVS: total volatile solids)를 제거하는데 관여 한다.
ATAD공법이 초기 북미에서 활용되었던 이유는 비용 및 공간 절약 측면에서 기존의 혐기성 혹은 호기성 소화공법에 비해 뛰어났기 때문이다. 해를 거듭하면서 기술 발달과 함께 생물학적으로 안정한 바이오솔리드를 ATAD공법으로 생산해 낼 수 있다는 장점이 인정되었고(EPA503 규정에 의거) 이로 인하여 기술의 활용범위가 크게 넓어지게 되었다.
해외에서는 비교적 ATAD공법을 활용한 상용 기술이 우리나라에 비해 많고, 그만큼 많은 연구가 진행되고 있다. ATAD 공법은 그 자체가 하나의 공법으로서 엔지니어링 회 사나 환경 컨설팅, 건설회사에서 그들만의 노하우를 가지고 각각 다른 설계를 하여 건설 하게 된다. ATAD 공법을 적용한 대표적인 업체는 미국 ISMA사, 캐나다 Dayton &
Kight Ltd., 호주의 Henry Walker Ltin사 등이 있다. 한편 콜로라도 Avon시, 인디아나주 의 프린스턴시, 플로리다의 레이크랜드시, 호주 빅토리아주의 벤딩고시에서는 ATAD 공 법을 시의 폐수처리 공정으로 채택하고 있다. 외국 사례에서 ATAD 공법을 채택하는 이 유로는 기존 호기성 공정에 비해 차지하는 부지의 면적이 좁고, 슬러지 발생량을 줄일 수 있다는 장점이 대표적으로 꼽힐 수 있다.
ATAD 공법의 경우 기술이 개발된 70년대부터 공법이 활용되어 왔으며 많은 컨설팅 회사에서 폐수처리 공법으로 현장에 적용해왔다. 제 2세대 ATAD 공법으로 꼽히는 것으 로는 Thermal Process Systems사의 ThermAer공법이 있다. ATAD 공법은 외국에서는 매우 실용화된 공법으로 학계의 연구보다는 각 업체들에서 자체적인 연구를 통해 공정의 최적화를 꾀하고 있다.
2) 고농도 영양염류 처리 기술동향
해외의 경우 유럽이나 일본을 중심으로 고농도 영양염류 처리를 위한 처리공법에 관한 연구가 오래전부터 계속되고 있고, 또한 연구된 많은 공법들이 상업화되어 널리 이용되고 있는 실정이다. 해외의 기술로 가장 널리 알려진 공법은 프랑스 Degremont사의 BioforTM 공법과 일본 Hitachi Engineering & Construction사의 Immobilized Microorganism Treatment Systems (Pegasus)공법 등이 있다.
BioforTM공법은 상용화 기간이 오랜 공법으로, 개발당시에 폐수처리에 있어 가장 중요 했던 유기물 제거를 위해 개발된 공법이다. 지금까지 수많은 실적을 가지고 있는 이 공법 은 운전 및 처리효율 면에서 좋은 평가를 받으며 전 세계의 많은 수처리 시설에서 사용 되고 있다. 하지만 최근 부각된 질소, 인 등의 영양물질 처리라는 장벽을 만나면서 운전 모드 변화를 통한 영양염류 처리방안이 연구되고 있다.
Hitachi Engineering & Construction사의 Immobilized Microorganism Treatment System (Pegasus)의 경우 순수 배양된 미생물이 충진되어 있는 Biocube 미디어를 반응 조에 투입하여 질소 처리 효율을 크게 끌어올린 최신 기술이다. 일본을 중심으로 이 기술 은 실적을 쌓고 있으며, 특히 미국의 돈사 폐수 처리에 적용이 유력한 공법이다.
Fluidyne사의 Fluidyne SBR 공법은 오랜 기간 동안 전 세계적인 명성을 얻어온 Fluidyne사의 제트에어레이터를 사용하여 폐수처리탱크를 에어레이션한다. 또한 폭기기, 휴지기 등을 반복하여 한 조에서 유기물 및 영양염류를 처리할 수 있도록 고안된 SBR 공 법을 이용하므로 비교적 적은 부지를 차지하여 현재 우리나라에서도 많이 적용되고 있다.
위에서 살펴본 바와 같이 해외의 경우에도 국내와 마찬가지로 기존의 폐수처리 공법을 보완하여 영양염류 제거를 위한 메커니즘을 더하는 것과, 미디어 재질 및 운전방법의 혁 신을 통해 유기물 뿐 아니라 영양염류를 동시에 제거할 수 있는 폐수처리 공법개발에 기 술개발의 초점이 맞추어져 있다.
다른 환경기술과 마찬가지로 오폐수 처리 기술은 각 국의 특수한 자연조건과 정부 정 책에 따라 크게 차이가 난다. 일예로 환경법규가 강력한 국가를 중심으로는 법규기준에 맞출 수 있는 집약적 형태의 기술개발이 요구되고, 환경법규가 강력하지 않은 개발도상 국가들의 경우 환경 기술이 아직 미미한 수준에 머물고 있다. 또한 국토 면적이 넓은 국 가의 경우 처리 효율 및 처리에 걸리는 기간이 큰 문제가 되지 않으나 유럽이나 일본, 우 리나라와 같이 인구대비 국토면적이 적은 국가에서는 높은 효율에 비교적 부지를 적게 차지하는 처리 기술이 각광을 받고 있다.
이렇게 각각 다른 국가적 배경 및 필요성에 의해 현재 기술의 문제점을 최소화하고 처 리 비용을 감소시키기 위한 다양한 오폐수 연구가 정부 및 산학기관을 통해 활발히 진행 중이다. 이러한 연구의 전반적 방향은 우리나라의 연구 방향과 비슷하며, 주요 연구 과제 로는 현재 오폐수 처리에 있어 가장 큰 문제로 부각되는 난분해성 물질과 영양염류인 질 소 및 인 제거를 비롯하여 기존의 사용 공법의 효율 제고 및 처리효율, 내구성 향상 등이 있다.
3. 국내시장동향
1) 산업의 특성
폐수처리장치 산업은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.
첫째, 사회간접자본 성격으로 수질환경투자의 대부분은 국가 정책의 최우선에 놓이는 SOC 투자사업으로 기초시장이 확실하다.
둘째, 환경문제는 각국내의 민감한 사회문제이기도 하지만 국가 상호간에 연계되어 있 는 공동의 문제이기 때문에 산업의 장래가 밝다.
셋째, 국내 수질환경 정책은 오폐수처리에 있어서 질소와 인의 처리를 강제하고 있으며 슬러지의 매립도 금지하는 추세에 있다. 이렇게 규제가 강화되면 될수록 투자는 늘어날 수밖에 없기 때문에 환경산업은 장기적으로 시장 성장성을 확보하고 있으며, 선진국은 물 론 중국, 동남아 시장에 대한 수출기회도 급증하고 있다.
넷째, 방류수 수질기준이 강화됨에 따라 수처리 산업은 신규시설은 물론이고 기존시설 에서도 대폭적인 설비투자가 예상된다.
다섯째, 정부는 환경산업을 향후 국가적인 전략산업으로 발전시키기 위하여 환경산업시 장 수요창출, 첨단환경기술 개발 및 보급 추진, 환경산업체의 전문화 및 수출 촉진, 환경 산업 및 투자에 대한 금융 및 세제지원 확대, 친환경생산, 소비체계 구축으로 환경산업 저변확대, 환경산업설비에 대한 직ㆍ간접 투자 확대 등의 정책을 추진하고 있다.
여섯째, 전세계 많은 지역에서 이미 물부족으로 인한 재앙이 나타나고 있으며, 우리나 라도 유엔에 의해 물부족 국가로 분류되고 있다. 이러한 사태를 타개하기 위하여 중수도 등 물의 재활용을 위한 투자가 급증하고 있다.
2) 시장규모 및 전망
환경부에 따르면 국내 환경산업 시장규모는 1999년 약 9조원이었으며, 2003년 약 15조 원, 2005년 19조원, 2010년 약 32조원에 달할 전망으로 이는 1999년 기준으로 세계 환경 산업 시장의 약 2%에 해당되는 미미한 수준이다. 이중 수처리 설비 분야는 1999년 9,910 억원이었고, 2005년 2조 90억원에 달할 전망으로 연평균 12.5%의 성장을 보일 것으로 예 측되고 있다.
<표 1-1> 수처리 설비 시장규모 전망
구분 2002년(억원) 2003(억원) 2005년(억원) 전년비성장률(%)
수처리 설비 시장규모 12,870 14,220 20,090 10.5
주 : 국립환경연구원, 산업연구원 등의 자료를 근거로 삼성경제연구소에서 추정 자료 : 김용태·박종식, 무한한 가능성 환경산업, 삼성경제연구소, 2001
폐수처리시설에 대한 공식적인 시장규모 집계 자료가 없는 관계로 환경부의 2003년도 수처리분야 예산으로 시장규모를 추정해 보면, 2003년 총 수처리 분야 시장규모는 약 2조
1,416억원이다.
<표 1-2> 환경부 2003년도 수처리 분야 예산
구 분 금 액 (억원) 비 고
수질개선지방양여금 15,837
상 수 도 2,433 2003년 환경부예산안
수 질 보 전 3,146 2003년 환경부예산안
합 계 21,416 자료 : 환경부
3) 오수․분뇨 및 축산폐수 처리 현황
환경부 조사에 따르면 2002년 말 국내 분뇨처리시설 설계 시공 업체수는 205개로 총 418개 시설에서 17,119톤을 처리하고 있다. 2003년 오수처리시설 및 축산폐수 처리시설 설계 시공업은 1,428개소로 총 25,410개 시설에서 963,490톤을 처리하고 있다. 업체수는 크게 증가하지 않았으나 시설수가 2002년에 비해 9,799개 증가하였고, 처리용량은 286,940 톤 증가하였다.
<표 1-3> 오수․분뇨 및 축산폐수 설계 시공업 현황
구분 업체수 시설수 용량(톤)
분뇨처리시설 설계 시공업 2002년 205개소 418 17,119
오수처리시설, 축산폐수 처리시 설 설계 시공업
2002년 1,424개소 15,611 676,545 2003년 1,428개소 25,410 963,490 자료 : 환경부, 2002․2003년도 오수․분뇨 및 축산폐수 처리 통계, 2003, 2004
2003년 오수처리시설 제조업체수는 67개소이고, 오수처리시설수는 19,367개로 총 609억 원의 매출규모를 나타내고 있다. 오수처리시설은 처리공법은 주로 부패탱크법을 채택하고 있으며, 다음으로 접촉폭기, 살수형부패탱크, 임호프탱크법 등이 이용되고 있다.
<표 1-4> 오수처리시설 제조업 현황
년도 업체수 오수처리시설수 판매금액(천원)
2002년 49개소 20,388 75,518,106
2003년 67개소 19,367 60,917,636
자료 : 환경부, 2002․2003년도 오수․분뇨 및 축산폐수 처리 통계, 2003, 2004
2002년 분뇨처리시설은 총 191개소로 국비와 지방비를 포함하여 총 5,693억원이 투자되 었고, 축산폐수공공처리시설은 2003년 총 41개소로 총 2,708억원이 투자되어 2002년에 비 해 약 20% 감소하였다. 2003년 축산폐수 처리시설의 허가대상 농가수는 10,600개이고, 신
고대상농가수는 42,678개로 가동 중인 축산폐수처리시설은 주로 퇴비화시설을 채택하고 있으며, 다음으로 저장액비화시설, 정화처리시설 등이 이용되고 있다.
<표 1-5> 분뇨처리시설 현황
구분 시설수 시설용량(㎥/일) 사업비(백만원)
계 국비(양여금) 지방비
분뇨처리시설 2002년 191개소 33,162 563,951 323,855 240,184 축산폐수공
공처리시설
2002년 47개소 10,595 326,905 230,145 96,760 2003년 41개소 9,745 270,899 185,597 85,302 자료 : 환경부, 2002․2003년도 오수․분뇨 및 축산폐수 처리 통계, 2003, 2004
<표 1-6> 축산폐수 처리시설 처리방식별 시설수
구분(개소) 설치대상농가수 정화처리시설 퇴비화시설 저장액비화시설 위탁 및 미처 리
허가대상 2002년 9,872 493 7,968 641 766
2003년 10,600 515 8,476 780 829
신고대상 2002년 40,796 1,904 34,071 2,687 2,133 2003년 42,678 1,076 35,841 2,567 3,194 자료 : 환경부, 2002․2003년도 오수․분뇨 및 축산폐수 처리 통계, 2003, 2004
3) 생산업체 현황
제오텍은 내부 순환 없이 하수중의 질소와 인을 효과적으로 제거하는 시스템인 TEC BNR 기술을 개발하였다. 이 기술은 질소ㆍ인 제거에 필요한 고가의 외부 탄소원(메탄올, 아세트산 등)을 유기산으로 대체함으로써 저렴한 비용으로 질소와 인을 제거할 수 있다.
(주)水엔지니어링&컨설팅은 유기물ㆍ질소ㆍ인을 제거하기 위한 고도처리공정의 최적화 와 ICA(Instrumentation Control Automation)기술을 실용화하기 위하여 1999년부터 1년 간 컴퓨터 모델링 프로그램을 이용한 시뮬레이션과 Pilot 규모 실험을 통하여 WEC-BNR PROCESS를 개발하였다. 이는 연속흐름 간헐폭기방식을 채택함으로써 단일 반응조에서 유기물ㆍ질소ㆍ인을 제거하는 공정으로, 하ㆍ폐수 처리장으로 유입되는 유기물 부하변동 에 탄력적으로 대비할 수 있는 Dynamic Operation이 용이하다.
(주)한미는 토양미생물을 이용한 하·폐수 처리공법 등을 개발하여 국내외에 10여건의 특허를 가지고 있다. 이중 HBR-II 공법은 전체공정의 무취화, 슬러지 안정화, 탈수효율 증대 등을 유지하면서 폭기조 전단부에 혐기조를 추가 설치하고, 폭기조는 간헐적으로 공 기를 공급하는 간헐폭기조로 활용하여 질소 및 인을 동시에 처리할 수 있도록 고안된 고 도처리공법이다.
포스코건설의 Bio-SAC BNR의 경우 생물반응조는 혐기조, 무산소조, 호기조, 내부순환 수조로 구성된 전체 공정에 호기조 내에 폐타이어 담체를 15% 정도 충전 미생물량을 증 가시켜 짧은 체류시간에 오염물을 처리하는 것을 골자로 하는 기술이다. 이 공정은 담체
에 부착한 질산화 세균을 이용한 질산화 및 무산소조에서의 탈질을 유도하고 혐기조에서 방출된 인이 호기조에서 과잉섭취되어 슬러지 인발로 인까지 제거하도록 고안되었다. 우 리나라 울진하수종말처리장, 포항흥해하수종말처리장, 중국 Huma 발전소 폐수처리 및 부 산녹산공단 하폐수 처리설비 등 적게는 몇천톤에서 크게는 몇만톤의 일일 처리용량에 맞 도록 설계되어 현장에 적용되고 있다.
Fluidyne사의 Fluidyne SBR은 jet aeration system을 채택 포기와 교반을 동시에 수행 하여 자동으로 역세가 가능하다. 체계화된 다양한 운정방법으로 처리장의 사정에 따라 최 적의 운전모드로 운전이 가능하며 무동력 벽체고정형 디캔터를 사용 사이폰현상을 이용 하여 처리수를 배출하므로 시설운영비를 크게 절감할 수 있다. 현재 우리나라에는 부안군 에 일일 8,000톤급 처리시설을 비롯 다수의 실적이 있는 기술이다.
4. 해외시장동향
산업연구원의 추정에 따르면 세계 환경시장은 2010년까지 연평균 5%이상의 성장이 예 상되며, 2000년 5,180억 달러에서 2005년에는 7,097억 달러, 2010년에는 8,635억 달러에 이 를 것으로 전망된다. 이중 환경설비산업은 삼성경제연구소의 추정에 따르면 1999년 1,180 억 달러에서 2005년 1,660억 달러의 규모로 연평균 5.9%의 성장률을 보일 것으로 전망하 고 있고, 수처리 설비는 2000년 452억 달러로 1998년 대비 8.7% 증가율을 나타내고 있다.
<표 1-7> 세계 환경 산업 시장 전망
(단위 : 억 달러) 구분 2000년 2003년 2005년 2010년 연평균 성장률(%)
2000∼2005 2005∼2010
시장규모 5,180 6,257 7,097 8,635 5.8 5.0
주) 2005년까지의 전망은 EBJ와 SRI 자료를 이용하고 2010년까지의 전망은 OECD 환경전망(’01) 을 근거하여 산업연구원에서 추정
<표 1-8> 세계 환경산업의 분야별 시장 규모 전망
(단위 : 억 달러)
구분 1999년 2005년 연평균성장률
환경서비스업 2,500 3,340 4.9
환경자원이용업 1,270 1,940 7.3
환경설비산업 1,180 1,660 5.9
합계 4,950 6,940 5.8
주 : 국립환경연구원, 산업연구원 등의 자료를 근거로 삼성경제연구소에서 추정 자료 : 김용태, 박종식, 무한한 가능성 환경산업, 삼성경제연구소, 2001
<표 1-9> 세계 수처리 설비 시장 규모 전망
(단위 : 억 달러)
구분 1998 2000 증가율
수처리설비 418 452 8.7%
자료 : OECD, Environmental Goods and Services, The Benefits of Further Global Trade Liberalization, 2001.
아시아의 경우 1999년 1,040억 달러에서 2010년 2,680억 달러로 세계시장 규모 성장률 에 비해 빠른 성장을 보이고 있다. 또한 전체 아시아 시장 중에 일본이 차지하는 비중이 점차 줄어들고 있는 실정이어서 중국 및 동남아시아권의 개발도상국의 시장 성장률은 매 우 커질 것으로 전망하고 있다.
환경오염을 방지하고자 하는 각종 국제무역협약 등에 의거 환경오염물 배출기준을 어 긴 국가에 대해서는 각종 무역규제가 가해지고 또한 국제적 규제가 강화되는 추세를 고 려해볼 때, 환경 기술개발에 대한 수요 및 이에 따른 시장규모의 확대는 자명한 것으로 평가되고 있다.
※ 참조자료
[1] http://www.dure.com/dream.htm
[2] Pochana, Klangduen (2000) Simultaneous nitrification and denitrification in wastewater treatment process, University of Queensland, Australia
[3] Kelly, H. G., and Warren, R. (2003) Autothermal thermophilic aerobic diegestion research, application and operational experience, WEFTEC 2003 workshop W104 [4] http://www.samjungcon.co.kr/adroom/index.asp?Menu=01&Gubun=View&boardcode =5&PID=1360&number=11&page=1
[5] http://web.hanseo.ac.kr/~leeys/globalkeep.htm [6] http://www.haji.co.kr/company_2.htm
[7] http://www.koetv.or.kr/koetv/kor/apply/ap_progressview.jsp?TTitle=20050282&idx=10 [8] http://princeton-indiana.com/wastewater/pages/biosolids/atad-system.html
[9] http://www.dayton-knight.com/Projects/ATAD/avon-vail%20ATAD.htm
[10] Alkhaddar, R. M., Phipps, D. A., and Cheng, C. (2005) Today and Tomorrow!
Research prospects for aerobic biological liquid waste treatment for reduction of carbon load. E-WAter
