FATHER OF BBF

왜 그는 “300억의 사나이”로 불리우는가?

DAVID RHU, CTO

PhD in Environmental Engineering Korea University

BS in Environmental Engineering Kookmin University

Key Project List (50+ Projects)

• Dangjin Municipal WWTP

• Songdo Water Reuse Center

• Buahn Municipal WWTP

• Pochun Municipal WWTP

• Kwangjoo YangbulMunicipal WWTP

• Kwangyang Municipal WWTP

• Yangjoo Okjung Municipal WWTP

• Seoul Jungnang Municipal WWTP

• Gumi Municipal WWTP

• Seoul Seonam Municipal WWTP

• Mokpo Municipal WWTP

• Namyangju Municipal WWTP

• Ulsan Municipal WWTP

• Osan Municipal WWTP

• Seoul Seonam Water Reuse Center

and 20+ more projects

• Kwangjoo Dochuck Municipal WWTP

• Pyungchang Changli Municipal WWTP

• China Qufu Municipal WWTP

• Kwangjoo Opo Municipal WWTP

• Boryung Municipal WWTP

• Kwangjoo-1 Municipal WWTP

• Kangwon Moonmak Station WWTP

• Jeungpyung Municipal WWTP

• Seosan Daejuk WWTP

• Chungbuk Municipal WWTP

• Yangpyung Municipal WWTP

• Hamahn Pasu Municipal WWTP

• Pohang Water Reuse Center

• Kwangjoo Samri Municipal WWTP

유대환 박사는 대림, 현대, 한솔, GS, 대우, 포스코 그리고 다른 전문 기술 회사들에서 많은 경험을 하였으며, 이중 폐수처리 산업 분야에 15년의 경력을 가지고 있다. 2005년 CTO로 부강테크에 입사 전 KNT 프로젝트 감독, 그리고 LG 건설 선임연구원이었다.

Q1. Bio filtration 기술에 대하여 간단히 설명해 주기 바란다.

생물학적 처리나 화학적 처리, 또는 물리학적인처리 등 한가지 기술에 기반하던 하수처리 기술들이 융합되는 추세에 있다. 가뭄으로 인한 하수 재이용, 집중강우로 발생하는 초기우수(CSO/WWF)처리, 수질기준 강화 필요성이나 내분비계 호르몬 등에 따른 신규 규제는 과거와 다른 복합기술을 요구하고있기 때문이다. Membrane 기술과 생물학적 처리를 결합시킨 MBR이나 다양한 종류의 Media를 이용하여 생물학적 처리와 여과 기능을 결합시킨 Bio-filtration 기술은 그런 흐름을 반영한 것이다. MBR은 최고의 수질을 만들어 공업용수나 상수로 재이용하는데 사용되지만 주기적인 membrane 교체, 막의 세정을 위한 전력과 약품 소모가 많고 유지관리가 어려운 단점이 있다.

Bio-filtration을 이용한 수질은 MBR보다 못하지만 조경용수나 관개용수, 친수공간 조성, 청소 용수 등에 재이용 가능한 수질을 보다 경제적으로 만들어 낸다. 결국 모든 기술들은 강, 약점을 가지고 있기 때문에 고객요구나 사용처, 그리고 경제성을 따져 사용해야 한다. 재이용 계획도 없고 방류 수질도 엄격하지 않은 곳에서 MBR이나 Biofiltration같은 고가 기술을 사용하는 것은 바람직하지 않다.

전술한 바와 같이 Bio-filtration은 Biological treatment와 Physical filtration이 결합된 기술이다. 고형물 농도가 낮고 Nitrate, Perchlorate같은 용존성 물질 제거가 목표인 지하수 등의 처리 시에는 Biological treatment 기능을 강화하여 사용하고 하수 1차 처리나 초기 강우 유출수(WWF: Wet Weather Flow) 처리 같이 고형물 농도가 높은 경우에는 여재막힘에 의한 잦은 역세를 방지하기 위한 Physical filtration 기능 강화가 중요하다. 통상적인 하수처리에서는 생물학적 처리와 여과기능 모두가 다 잘 작동해야 하는데 다양한 처리 목적에 따라 잘 작동하는 Bio-filtration 기술과 엔지니어링 능력이 중요하다.

Q2. 처음엔 가축분뇨 처리를 위해 BBF를 개발하게 되었다고 들었다. 개발 동기와 성과는?

BBF는 본래 가축분뇨의 Tertiary treatment 용으로 개발되었다. 한국은 좁은 국토에서 소규모로 축산업을 영위하는 농민들이 가축분뇨를 살포할 부지나 처리기술, 경제적인 여유가 없어 어려움을 겪어 왔다. 결국 정부가 나서 식수로 사용하는 Surface water 오염 방지를 위해 가축분뇨를 수거하여 처리하는 공공처리시설을 짓게 되었다. 가축분뇨는 오염물질 농도가 하수대비 보통 100배 이상 높고 난분해성 COD와 질소 제거가 가장 골치 아픈 문제이다.

BBF는 가축분뇨 주처리 공정에서 제거되지 않은 NBD(난분해성 물질)를 오존을 이용하여 BD(Bio-degradable) 물질로 전환한 뒤에 잔류한 유기물과 질소를 제거하기 위한 후처리 기술로 개발 되었다. 주 공정을 거쳐 후처리 공정에 유입되는 가축분뇨도 통상 높은 고형물(SS: Suspended Solid) 농도를 유지하므로 이 경우에 BBF는 하부의 Fixed media를 통해 SS를 제거한 후 Floating media로 폐수가 들어오도록 Dual media를 사용한다. 단일 여재만 사용할 경우 SS가 Floating media에 너무 빨리 쌓여 역세가 자주 이루어 지기 때문이다. BBF는 하수에 버금 가는 가축분뇨 방류 수질을 안정적으로 만드는데 크게 기여하였고 BKT가 10년 이상 가축분뇨 공공처리시설에서 거의 100%의 시장 점유율을 달성하는데 이바지하여 왔다.

Q3. 이후 하수나 지하수 정화분야로 BBF 적용 범위를 지속적으로 늘려왔다던데…

BBF는 고농도 가축 분뇨에서 경험을 바탕으로 하수나 지하수로 적용 영역을 확대하였다. 하수나 지하수는 농도가 낮아 Floating media 하나만으로 오염물질의 처리가 가능하다. Media 표면에 미생물 부착을 극대화하여 처리 속도를 증가시킴과 동시에 반응조 사이즈와 부지면적을 획기적으로 줄여 경제성을 높인다. BBF가 신규 하수 처리 시설뿐만 아니라 부지 제약이 있는 기존 하수 처리장의 질소 제거나 강화된 방류 수질 충족을 위한 Retrofitting에 많은 실적을 갖게 된 동기이다.

BBF는 하수를 재이용하여 10년 이상 중국 산동성에서 발전소 냉각용수를 공급하여 왔고 인천 송도 인공호수에 유지용수를 공급하거나 당진 등에서 하수를 재이용하여 갈수기에 농업용수를 공급해 왔다. 한편 BBF를 이용한 첫 오염 지하수 정화 프로젝트가 미국 California 주의 City of Barstow에서 진행 중이다. BBF는 기존 지하수 정화 기술인 Ion exchange나 RO의 문제점으로 지적되는 Brine water나 농축수를 생산하지 않고 생물학적으로 질소나 Perchlorate, Selenium 등을 제거한다.

아울러 활성탄 등을 이용한 타 Biofiltration 기술과 비교하여 여재 유실이 없어 유지관리가 용이하고 여재를 계속 순환시키는 FBR(Fluidized bed reactor)보다는 에너지를 획기적으로 절감하는 강점이 있다.지난 15년 간 50개 이상의 프로젝트에 적용한 BBF는 왼쪽연혁과 같이 수없이 많은 최초, 최고의 기록을 보유하고 있다.

Q4. BBF의 강점이나 특징은 무엇인가?

BBF의 강점은 크게 Versatile, Proven, Innovative로 표시할 수 있을 것이다. 이미 설명한 것처럼 고농도 가축분뇨에서 지하수, 하수 처리까지 BBF의 광범위한 적용이 가능하다. 특히 하수는 생물학적 질소처리 외에 Biofiltration 기술로는 유일하게 1차 처리와 WWF까지 처리가 가능하다는 점에서 다재다능(Versatile)하다고 할 수 있다. 또한 다양한 규모와 분야에서 50여 개 이상의 BBF가 안정적으로 운영되어 왔고 미국에서는 Title 22 나 LIFT Program을 통하여 기술을 입증하여 왔다.

생물막 여과 기술 분야 후발 주자인 BKT는 타 기술과의 융합과 지속적인 혁신으로 사용처를 지속적으로 확대하여 왔다. 예를 들어 최근 가장 혁신적인 기술 중 하나로 꼽히는 AMX(Anammox) 기술에 BBF를 결합하여 종균 유출을 방지하고 최고 수준의 수질을 확보한다. 아울러 BBF를 구성하는 가장 혁신적인 기술인 Media는 Bio-filtration 기술 최초로 BBF가 하수 1차 처리나 간이 공공 하수 (WWF: Wet Weather Flow)까지 영역을 확장하여 미국 WERF의 LIFT program에 등록 되기도 하였다.

Q5. BBF 상용화 과정에서 그 숱한 문제와 난관을 만났다고 들었다. 기억에 남는 에피소드는?

한국 최초로 오염 총량제를 실시한 경기도 광주에 처음 BBF를 적용했을 때, 하수 유입으로 받는 힘을 잘못 계산한 탓에 산기관 연결 부분이 모두 파손되어 물위로 떠 오른 적이 있었다. 부지가 협소한 처리장은 BBF 반응조의 여재층 중간에 산기관을 설치하는데 상부는 공기를 공급하여 질산화를 시키고 하부는 탈질을 위한 무산소구간으로 구성한다. 즉 질소제거 공정인 MLE공정을 세워 놓은 형태라고 보면 된다. 이 경우 compact한 구성은 가능하지만 산기관이 여재 이동에 따른 힘을 부담하게 되어 파손이 발생한 것이다. 현재는 반응조 내의 부력 등을 충분히 감안한 구조계산을 통해 이런 문제를 방지하고 있다.

또 기억에 남는 것은 온도에 대한 것이다. 일반적으로 생물막여과 기술은 현존하는 생물학적 처리공정 중 가장 수온에 대한 영향이 적은 공정이다. 일반공정의 경우 13℃이하 에서는 질산화율이 급격이 저하되는데 생물여과공정은 8℃에서도 안정적인 질산화가 가능하다. 그럼에도 불구하고 공교롭게도 1년 중 수온이 가장 낮은 설(구정) 전후에 시운전을 시작한 경우가 많았다. 어떤 경우에는 지하수나 하천수가 유입되어 유입수온이 7℃ 이하인 경우도 있어 마음 편하게 명절을 보낸적이 없다. 많은 현장을 경험한 지금은 적어도 8℃ 이상만 되면 BBF 가 안정적인 질산화를 이룬다는 점을 신뢰하고 있다.

Q6. 정작 회사를 파산 일보 직전으로 끌고 간 사건에 대해서는 언급을 안 하였다. 200억원을 받고 300억원을 써서 “300억의 사나이” 이라는 별명을 얻게된 중랑 하수 처리장 현대화 사업에 대해서 이야기 해보자.

Q6-1. 우선 문제가 발생한 이유는 무엇인가?

개인적으로나 회사차원에서 사연이 많은 사업이다. 중랑하수처리장은 서울시 한복판에 위치한 우리나라 최초의 처리장으로 대한민국 하수처리역사에서 매우 중요한 의미를 갖는 곳이다. 1970~80년대에 건설된 처리장이라 시설이 노후화 되어서 서울시가 하수처리장 현대화 및 지하화 3단계 계획을 세웠고 그 중 1단계 사업에 BBF가 적용된 것이다. 실제로는 기존에 포스코가 개선사업을 수행하였으나 여러 이유로 설계유량 대비 50%밖에 처리하지 못한 상황에서 시작된 실질적인 최초의 현대화 사업이다.

턴키방식으로 진행된 본 사업은 현대건설과 GS건설이 경쟁하였는데 최초 설계시에 현대건설은 프랑스 데그레몽 기술을, GS건설은 베올리아 기술을 적용했었다. 제안서 제출 1달을 남겨놓고 GS가 국산기술을 사용하기로 결정하는데, 유로화가 급등하여 경제성 확보에 문제가 생겼고 기술협조가 제대로 이루어지지 않아 설계진행에 어려움이 있었기 때문인 것으로 알려졌다. 턴키보고서를 작성해 본 사람은 제안서를 1달 안에 수정하고 완성한다는 것이 얼마나 어려운 지 알 것이다. 시간이 촉박했지만 BBF와 유사한 베올리아 생물막 여과로 기본 구도가 잡힌 상태여서 큰 변화 없이 여재만 바꾸어 사용하기로 전제하고 제안작업에 들어 갔다.

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그런데 기존 베올리아 설계에는 많은 문제가 있었다. 가장 문제가 된 것은 암모니아성 질소의 규제 없이 총질소만 규제하는 한국의 방류수 기준을 악용하여 하수 내의 암모니아를 전량 제거하지 않고 부분질산화 후 외부 탄소원을 넣어 탈질하는 방식으로 공사비를 줄이려고 한 것이다.

암모니아성 질소가 방류되면 BOD보다 4.57배의 수계 내의 산소를 더 소모하게 되어 환경적으로 더 큰 악영향을 미치기 때문에 우리나라와 일본을 제외한 세계 거의 모든 나라가 규제를 한다. 또 다른 한가지 문제는 베올리아 설계대로 부분 질산화할 경우 매년 20억 원에 달하는 외부 탄소원을 넣어 탈질을 해야 하는 구조라 하수 처리장 존속 기간인 30~40년간 막대한 세금이 낭비되는 결과를 초래한다.

우리는 영리 기업의 목표가 이익 창출이라고 하나 그 업을 영위하면서 지켜야 할 본질적인 가치를 훼손해선 안 된다고 믿었다. 많은 고민 끝에 암모니아성 질소 Zero 를 만들어 방류하고 약품사용량이 최소화 되도록 완전 질산화와 유입수 내의 유기물을 이용한 탈질 방식으로 설계 변경을 하는 것이 옳은 방법이라고 결정했다.

문제는 이렇게 설계할 경우 여재 층을 통과하는 하수량이 두 배로 증가하기 때문에 기존 반응조 사이즈와 투입 여재량이 베올리아 설계 보다 늘어야 한다는 것이었다. 그러나 한 달밖에 남지 않은 제안서 제출 기한을 생각할 때 거대한 토목 구조물 변경은 불가능한 옵션이었다.

우리는 당시 타사 대비 우수한 성능을 보이던 우리 여재를 통해 이 문제를 풀기로 했다. 기존 모든 생물막 여과기술들이 적용하던 설계기준 대비 절반의 반응조 사이즈로 이 대규모 처리장의 하수를 처리한다는 무모한 도전에 나셨던 것이다. 생물막 여과 부분에서 후발 주자인 우리회사가 이 기회를 살리지 못하면 절대로 세계시장에서 베올리아 같은 선두 주자와 경쟁할 수 없다는 절실함, 앞 선 프로젝트에서 얻은 결과에 대한 과신, 그리고 사업 수주에 대한 우리의 욕심이 어우러진 결론이었다.

돌이켜 보면 그때 우리가 보유한 여재를 너무 과신했었던 것 같다. 여재의 통수능을 너무 높게 예측했고, 공기주입에 따른 통수능 저하를 간과하는 치명적인 실수를 하였다. 더구나 그러한 문제점을 인지하고 개발에 들어 간 여재는 번번히 우리의 기대를 져 버렸다. 결국 우리는 신형 여재를 완성하지 못한 상태에서 행운을 바라는 마음으로 계약 기간에 쫓겨 기존 여재를 납품하게 된다.

Q6-2 그러면 이후에 어떻게 문제를 풀었는가?

공사가 완료되고 시운전이 시작되었을 때 하늘이 무너지는 소식을 접하게 된다. 그때 나는 미국지사 발령을 받아서 미국에서 근무하고 있었는데 한국의 시운전팀에서 설계유량을 처리할 수 없다는 연락을 받았다. 이유는 여재의 통수능에 한계가 있어 하수가 설계유량의 70% 정도 밖에 유입 자체가 안 된다는 것이다.

소식을 접하고 서둘러 귀국해서 한 달동안 현장에서 여러 가지 방법을 시도해 보았으나 문제를 해결할 수 없었다. 우리가 찾은 유일한 해결 방법은 통수능이 개선된 여재로 기존 여재를 전량 교체하는 것이었다. 늦었지만 다행인 것은 마침 그 때 우리가 사전에 설정한 성능을 충족시키는 신형여재 개발이 완료되어 현장 테스트를 거치게 되었다는 것이다.

여재교체 및 산적한 문제를 현장 직원들에게 맡기고 미국행 비행기에 몸을 실었을 때의 심정은 참담하기 그지 없었다. 1년여에 걸친 여재교체 작업이 이루어 지는 동안 개인적으로 많은 것을 돌아보는 시간이었다. 기술적 한계를 정확하게 인지하지 못한 무능함을 깨닫게 되었고, 경쟁에서 이겨야 한다는 이유로 안전율 없이 설계를 한 결과에 대해 뼈저린 반성을 하게 되었다.

지하 현장에서 1m 높이로 쌓았을 때 축구장 5.5개를 덮을 분량의 여재를 교체하고 재이용이 불가능한 종전 여재를 폐기하는 데 엄청난 노력과 비용을 쏟아 부었다. GS에서 받은 돈이 200억 인데 회사가 쏟아 부은 돈이 300억이 넘어 12년간 흑자 경영을 하던 회사가 2016 년부터 2년 연속 적자를 기록하며 부도 위기에 몰리기도 했다. 다행히 지난 달부터 진행된 12번의 준공 채수 결과, 우리는 설계 유량 전량을 방류 수질 이하로 완벽히 처리하였다.

현장 직원들의 헌신적인 노력과 전사적인 지원에 힘 입은 결과이다. 중소기업이 짊어 지기 힘든 경제적인 손실과 정신적인 고통을 겪었지만 우리는 올바른 일을 올바르게 해내는 책임정신을 보여 주었고 세계최고의 생물막여과기술을 가제 되었다. 앞으로도 많은 난관이 있겠지만 그때마다 중랑의 교훈을 되새겨 실수를 줄이기 위해 최선을 다할 것이고, 설사 실수가 있더라고 반드시 극복할 수 있을 것이라는 신념을 갖게 된것은 큰 소득이다.

Q7. 중랑문제를 해결하며 BBF의 핵심 기술로 떠 오른 신형 Media에 대해서 좀더 자세히 설명해 주기 바란다.

중랑하수 프로젝트를 성공적으로 마무리하게 한 일등공신인 신형 십자형 여재는 3가지 면에서 혁신을 이루었다. 우선 여재 사이 공간이 늘어 여과 과정에서 고형물을 억류하는 능력이 극대화 되었다. 일반적으로 완전 구형의 공극율이 가장 높다고 알려져 있는데 신규여재는 이보다 높은 공극률을 자랑하다.여재층에 고형물을 더 많이 붙잡아 놓을 수 있다는 것은 더 많은 양의 하수를 역세없이 처리할 수 있다는 것이고 이는 운전의 편의성과 경제성에 직결된다는 측면에서 매우 중요한 사항이다.

둘째는 여재 비표면적의 증가이다. 일정 공간에 위치한 여재에 얼마나 많은 미생물을 부착시킬 수 있느냐를 결정하는 여재 비표면적의 증가는 결과적으로 단위 부피당 오염물질 제거속도가 증가를 의미한다.

셋째는 구조적인 안정성이다. 물속에 위치하기 때문에 부력을 받는 상부 여재는 하부에 위치하는 여재의 부력까지 견뎌야 한다. 기존여재와 달리 신규여재는 상부에 사람이 올라서도 변형이 없을 정도로 구조적인 강도가 증가되었다. 현존하는 많은 부상식여재가 압력에 의하여 찌그러지거나 축소되어 지속적인 보충이나 교체가 필요한 반면 신규 여재는 반 영구적으로 쓸 수 있다는 점에서 최고의 여재라고 생각한다.

이와 같은 신규여재의 혁신적 기능은 그 동안 생각해 보지 않은 새로운 시장을 여는 원동력이 되었다. 기존중력식 침전지 면적의 5-10%만으로 1차처리가 가능하여 부지 제약을 획기적으로 해소하거나 초기 우수(WWF) 처리 시 고형물과 용존성 BOD를 모두 처리할 수 있게 만들었다. 한편 본 신형여재는 차세대 하수 처리 기술인 Mainstream Anammox에도 적용될 예정이며 여재 유출이나 변형 등으로 지속적인 문제를 노출하고 있는 타사의 여재 대체에도 적용이 가능하다.

Q8. 향후 BBF와 관련 사업의 전망과 비전이 있다면?

여재 혁신으로 얻은 성과에 전사적으로 추진 중인 Water industry 4.0을 접목하려 한다. 당사는 현장에서 얻은 각종 데이터를 시뮬레이터와 연결하여 설계 자동화와 처리장 최적 운전이 가능한 인공지능(AI) 소프트웨어를 개발 중에 있다. 고객이 유입 수질과 방류수 기준 및 부지 등의 기본 정보를 입력하면 자동으로 물질 수지(Mass balance)가 나오고 기본적인 설계도면과 3D 도면이 생성되는 것이다. 엔지니어들은 이렇게 생성된 기본 자료에 질적인 특성을 감안하여 최종적인 설계를 마치게 되고 이를 기반으로 현장에서 시운전 시 추가된 자료로 최적 운전이 가능하다. 이미 version 1 의 데모 프로그램이 완성되어 시험 운영에 돌입한 바, 프로세스가 갖는 우수성 외에 IT 기술을 접목하여 보다 완성도 높은 고객 서비스가 가능해 질 것으로 기대한다.

우리 회사는 그저 단순히 마시거나 사용한 뒤 버리고 정화해서 내 보내는 전통적인 물의 개념에 도시의 가치를 높이는 기능을 더 하도록 하자는 비전을 가지고 있다. 우리는 하수를 재 이용하여 인공하천을 만든 인천 송도의 경우처럼 청계천에도 하수를 재이용한 물이 공급되길 바란다.

“도시의 가치를 높이는 물”이라는 우리의 비전에 따르면 물은 쾌적한 생활 환경을 만들어 사람들의 삶을 풍요롭게 하고 부동산 가치를 높일 뿐만 아니라 열섬 효과나 미세먼지 조절에도 도움을 줄 수 있기 때문이다.

FATHER OF BBF

왜 그는 “300억의 사나이”로 불리우는가?

DAVID RHU, CTO

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