Issue
수직형 정수처리 기술개발을 통한 분산형 03
용수공급 체계 구축
1. 서 론
세계 각국의 지속적인 물 수요 증가와 요구수준 증가에 따라 물시장이 확대 추세이고 그에 따라 물 분야 인프라 시설에 대한 대규모 투자가 진행되고 있다. 상하수도서비스를 WTO 교역 대상에 포함시 키려는 움직임이 보이는 가운데 각 국 정부는 자국 의 물 시장 보호와 해외진출 확대를 위해 정책적으 로 물산업 공기업을 육성하고 물산업 클러스트 구축 을 통한 연관 산업을 육성하는 사례가 증가하고 있
다. 우리 정부도 IT 기반의 지능형 물 생산 및 공급 시스템을 개발해 세계 상하수도 기술을 선도하고, 향후 고도 수처리에 필요한 원천기술을 개발하여 물 산업 토탈 솔루션 능력을 보유한 물 전문기업을 육 성하는 등 물산업 육성 및 수출 전략화를 추진하고 있다.
국내 용수공급 분야에 있어서도 물관리의 새로운 패러다임인 Smart Water Grid 개념을 도입하여 물 의 공급과 운영의 첨단화 및 지능화를 달성하기 위 한 노력을 시작하고 있으며, 수돗물 공급에 있어서 는 용수의 안정적 공급을 위한 공급확대에서 고도정 수처리시설 도입을 통한 안전한 수돗물의 공급패러 다임을 지나 현재는 건강한 수돗물의 공급으로 전환 하고 있는 상황이다. 그러나, 공급확대 측면에서 대 용량 시설로 건설되었던 현재의 용수공급 인프라는 점차 노후되고 있어 개량이나 교체가 요구되는 상황 에 도달한 지역도 있다. 이러한 시점에서 현재의 용 수공급 체계가 가지고 있는 근본적인 문제점을 해결 하고 미래사회 패러다임에 부합되는 신개념 용수공 급체계 마련을 위한 요소기술 개발이 필요한 상황이 다.
현재 수돗물에 대한 국민 만족도는 한자리수의 직 접 음용율을 보면 매우 낮은 상황이라 할 수 있고, 이러한 원인으로는 정수장을 떠나는 정수의 수질에 기인한 문제가 아닌 배급수 관망에서의 2차오염과 소독을 위해 투입한 염소 냄새 등이 주 원인으로 나 김 성 수 ●●●
K-water연구원 선임연구원 [email protected]
김 정 현 ●●●
K-water연구원 수석연구원 [email protected]
서 인 석 ●●●
K-water연구원 수석연구원 [email protected]
타나고 있다. 즉, 국내 용수공급시스템은 정수장에 서 생산한 정수를 이송하는 송수관로가 길고 노후되 어 2차 오염에 취약하고 유지관리 비용이 지속적으 로 증가하고 있어 안정성 확보가 필요하다. 또한, 수 원 및 수도시설의 문제 발생시 위험을 분산하고 비 상 대응이 가능하며, 가뭄 및 수질사고 등 재해시를 대비한 국가 비상용수 및 물 안보 체계 구축이 시급 하다. 현재의 용수공급시스템의 문제를 근본적으로 해결하고 다가올 미래사회 패러다임에 대비하며, 세 계 용수공급 인프라 건설 시장에서 우위를 확보하기 위해서는 새로운 브랜드 기술인 분산형 용수공급시 스템의 개발이 필요한 시점이다. 분산형 용수공급시 스템 구축에 필요한 핵심요소 기술 개발을 위해 국 토교통부 물관리 연구사업의 일환으로 2010년 12월 부터 2014년 09월까지 K-water를 중심으로 총 15 개 기관이 연구단 과제를 수행하고 있다.
2. 분산형 용수공급시스템
전 세계적으로 보편적인 용수공급시스템의 형태 는 국내와 마찬가지로 단일 목적 용수를 단일 수원 에서 공급하는 중앙집중형 인프라 시설을 구축하여 공급하고 있다. 즉, 기존 정수시설은 수원에서 취수 후 대규모 정수장에서 정수를 장거리 이송관로를 통 해 소비자에게 공급하는 중앙집중형 용수공급 방식 이다. 이러한 중앙집중형 대규모 용수공급 시스템은 사전 수립된 정확한 도시 개발계획에 따라 양적으로 개발되는 도시 거주 주민에게 물을 공급하는 데에 적합하며, 특히 고도의 경제성장을 수립한 선진국의 경우 그 만족도가 매우 높은 것으로 보여 지고 있지 만, 최근 이러한 중앙 집중형 대규모 용수공급 시스 템의 한계성이 점차 나타나고 있는 현실이다. 특히, 단일수원을 사용하는 대규모 수용가의 경우 물안보 (Water Security) 측면에서의 용수공급 중단은 점 차 이슈화되고 있다.
분산형 용수공급시스템은 크게 3가지 형태의 시 스템으로 구분할 수 있으며, POU(Point of use), POE(Point of entry), 지역사회 소규모 시스템의 3 가지 형태이다. 이중에서 분산형 용수공급시스템 구 축 연구팀은 정수시설을 소규모로 분산 배치해 배/
급수 관로 길이를 기존 시스템보다 줄이는 분산형 용수공급시스템 구축 기반기술을 개발하고 있다. 분 산화 된 소규모 정수장의 적정 위치, 규모 등을 결정
그림 2. 중앙집중형 및 분산형 용수공급시스템 그림 1. 현 대규모 중앙 집중형 정수장 전경
하기 위한 방법론의 개발과 개발된 방법론을 모델도 시를 대상으로 구현함으로써 기존시스템과의 비교 평가하고, 기존 중앙 집중형 용수공급시스템과의 연 계방안을 마련하는 등 다양한 기술개발이 진행 중에 있다. 각 용수공급 방식별 장단점을 평가하고 장점 을 극대화하기 위하여 집중형 시스템과 분산형 시스 템의 장점을 조합한 하이브리드 용수공급시스템 개 념을 개발하여 평가하고 있다. 하이브리드 용수공급 시스템의 개념은 급수구역 내 용수수요 패턴을 분석 하고 용수수요량의 기저량은 직결급수 형태로 공급 하고 변동폭은 기존의 배수지 형태의 저류공간을 통 하여 대처하는 개념으로서 용수공급의 안정성과 경 제성을 극대화하기 위한 시스템이다.
깨끗하게 정수된 물이 소비자에게 도달하기까지 의 시간이 매우 짧아지며, 단축된 배급수 관로상의 2차 오염 가능성을 줄이고, 관말까지의 소독제 농도 유지를 위해 투입되는 염소를 최소화 함에 따라 안 정적이고 안전한 용수의 공급과 음용률 제고가 가능 하게 될 것이다. 또한 비상시 대체수원 및 저류조의 활용이 가능하고 용도별 맞춤형 고도처리공정 구성 으로 음용수 뿐 아니라 산업용수 공급 등 다양한 활 용이 가능하다.
3. 수직형 정수처리 기술
분산형 용수공급시스템은 소비자 가까이에 소규 모 컴팩트 한 수처리 시설을 분산 설치하고 각 개별 시설을 네트워크화 하여 용수를 공급하는 시스템으 로서 분산형 용수공급 체계를 마련하기 위해서는 몇 가지 핵심 요소기술의 개발이 요구된다.
분산형 용수공급시스템 구축 연구단에서는 여러 가지 필요 기술 중 우선적으로 정수처리 시설의 소 비자 인근 설치를 위해 필요한 소요부지 저감형 컴 팩트 한 정수처리 기술을 개발하고 이를 실증시설 구축을 통해 검증하고 있다. 현재의 넓은 부지면적 을 차지하는 정수장은 표준정수처리 공정과 고도정
수처리 공정이 원수 수질에 따라 조합되어 설계 운 영되고 있다. 반면에 연구단에서 개발하는 수직형 정수처리 설계기술은 탁질 제거용 막여과 기술 도입 을 통해 기존 표준정수처리 공정의 넓은 소요 부지 를 축소하고, 후속되는 오존 및 입상활성탄 공정 또 한 기존의 중력식 설계에서 압력식으로 변형되어 설 계 적용되었다. 각 공정 간에 저류조 또한 제외하여 최초 공정인 막여과 시설의 공급펌프 유입 압력을 활용하여 전체 공정을 처리하는 설계기술(Tankless system)을 개발하여 컴팩트화 시키고, 이를 1,000
㎥/day 규모의 실증시설에서 검증 평가를 수행하고 있다.
향후 연구단에서 개발한 수직형 정수시설은 도심 그림 3. 공정간 저류조가 없는 Tankless system
그림 4. 청주정수장에 설치 운영중인 수직형 정수처리 실증 시설 전경
지의 경우 빌딩형으로, 공원이나 시설물 지하에 타 워형으로 설치가 가능하여 지역별 특성에 따라 환경 적으로 미적 또는 감성설계 기법을 적용하여 주민 친화적 공간의 스마트 형 구조물로 설치가 가능하 다.
연구단에서는 소비에너지 효율화율 30 % 달성을 위하여 용수공급시스템에서 소요되는 에너지를 절 감하고 신재생에너지 생산설비를 적용하여 에너지 를 생산하는 기술을 최적화하여 접목하고 이를 검증 하는 연구를 수행하고 있다. 용수공급 인프라에서 적용 및 활용할 수 있는 다양한 신재생에너지 생산 설비 중 태양광 발전 설비, 소수력 발전시스템, 수온 차 히트펌프 시스템 등의 신재생 에너지를 적용하여 검증 평가를 수행하고 있다. 또한, 에너지 효율을 향 상하고자 DC 배전을 구축하고, LED 조명을 사용해 조명 부하를 최적화하며, 고효율 펌프와 제어 설비 를 도입하는 등 에너지 효율화 기술을 적용하였다.
이러한 신재생에너지 및 에너지 효율화 기술을 접 목하여 평가함에 있어 기존의 용수의 처리위주의 운 영관리시스템에서 발전시켜 에너지관리시스템을 개 발하고 이를 용수 및 에너지 통합운영관리시스템을 구축하여 정수처리 생산관리 뿐 아니라 각종 에너지 생산 및 사용현황 등을 관리할 수 있는 시스템을 개 발 적용하여 평가하고 있다. 또한, 비상대응시스템, LCC 및 자산관리시스템 등 용수공급 인프라의 운영 및 유지관리를 위한 다양한 시스템도 구축하여 평가 를 수행하고 있다. 환경 친화적 저탄소 시설로 개발 중인 수직형 정수처리 기술은 향후 수량면에서 안정 적이고, 수질면에서 안전한, 고품질의 수돗물을 소 비자 가까이에서 생산·공급하기 위한 분산형 용수 공급시스템의 핵심기술이 될 것으로 예상되고 있다.
4. 맺음말
연구단은 미래사회의 안정적이고 안전한 용수를 공급하기 위한 분산형 용수공급시스템을 구축하기 표 1. 수직형 정수처리 실증시설 적용기술
적용기술 기술내용 및 수준
신개념 정수처리 설계 기술
•수직형/빌딩형 구조 - 소요 부지면적 축소
- 지상, 지하 등 다양한 형태 적용
• 공정 간 저류조가 없는 (Tankless system) 신개념 기술 적용
- Compact 한 공정 구성 가능
•압력식 구조 단위공정 적용 - 오존, 입상활성탄 공정
신재생 에너지 활용
•15kW급 태양광 발전 설비
- 옥상 고정식, 벽면 건물일체형 BIPV
•COP 2.5이상 수온차 히트펌프 시스템 - 물 대 물 열교환 방식 적용 - 건물 냉난방, 막여과 CIP 가온 활용
•PICO급 소수력 발전 시스템(별도검증) - 2~3만톤/일, 3m내외 저낙차부 적용
에너지 효율화 기술
•DC 배전 시스템 구축 - 에너지 변환효율 향상 (6% 에너지 절감)
•무선 센서 네트워크 시스템 (USN)
•u-IT 제어관리 시스템 - LED 조명 및 디밍 제어 (외부광, 인체감지)
•고효율 펌프 및 제어설비 - 고효율 인버터, BLDC 모터 적용
용수 및 에너지 통합운영
관리 시스템
•통합운영유지관리 시스템 - 분산화 정수장 통합 운영시스템
•에너지 관리 시스템 (EMS)
•비상대응 시스템
•LCC 및 자산관리 시스템
•SCADA 시스템
•가상화 기반 모바일 시스템
그림 5. 미래도시 소비자 인근 수직형 정수처리시설 적용 모식도
위한 요소기술을 개발할 뿐 아니라 이를 적용하기 위한 법 및 제도적 기반마련을 위한 연구도 수행중 이며, 이를 통하여 향후 미래지향적 용수공급시스템 구축을 위한 국가전략 수립의 토대를 마련하고 있 다. 또한, 국가 R&D에 의해 개발된 부품과 소재기 술을 연계해 기술력을 동반 상승시키고 연관 기술의 중복 투자를 방지해 국가 개발기술로서 물산업의 경 쟁력을 높일 수 있을 것이다.
분산형 정수처리 시스템이 활용될 경우 정수처 리 공정과 최종 수질의 안전성이 보장되어, 언제 어 디서나 안심하고 마실 수 있게 되므로 수돗물의 직 접 음용율이 높아질 것이다. 그리고 비상용수 확보 를 통한 물안보 체계가 구축되면 재해에 강한, 중단 없는 용수 공급 인프라 구현으로 단수율 제로를 실 현할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해서는 본 연
구단에서 수행하지 않거나 부족한 부분의 연구를 좀 더 보완 수행하여 향후 신도시 개발 사업이나 노후 용수공급 시설 개량시 개발 성과를 적극적으로 반영 활용하고, 이 후 국민의 물 복지 향상 효과를 산정하 는 것이 요구된다. 이를 토대로 재해에 강한 미래사 회의 안정적 물 공급체계 구축의 시발점으로 삼아야 할 것이다.
5. 사 사
본 연구는 국토해양부 건설기술혁신사업의 연구 비 지원(과제번호 : 10기술혁신 C01)에 의해 수행되 었습니다.
1. OECD (2007), “Infrastucture to 2030 Vol. 1, Vol. 2
2. OECD(2009), Alternative Ways of Providing Water : Emerging Options and Their Policy Implications
3. 김관엽, 김성수, 박노석(2014) “물안보 및 지속가능성 제고를 위한 분산형 용수공급시스 템의 도입 타당성에 관한 연구” 상하수도학회지, Vol. 28, No. 1, pp.111-124.
4. 최계운 외(2014), “물과 창조경제” 도서출판 피어나 참고문헌
