가장 경제적인 무방류 공정 개발

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김상욱 파트장
Water Innovation Center

최근 하∙폐수 처리수를 공업용수로 재이용하는 사례가 늘고 있다. 국내 산업구조가 반도체, 디스플레이, 소재분야 등 고부가가치 산업으로 전환되면서 일반 공업용수 수질이 아닌 순수 수질을 공업용수로 활용하는 기업과 산업단지가 증가하고 있고, 부족한 수자원 확충을 위해 근처 하수처리장과 폐수처리장에서 방류수를 끌어와 순수 수질로 재처리하여 공정에 활용하고 있다.

[Table 1] 하수처리수 재이용 사례(RO기술 적용 공업용수 활용 부분)

하∙폐수 처리장의 방류수를 순수에 가까운 고급 공업용수로 재처리하는 공법은 주공정인 RO(Reverse Osmosis)공정과 RO공정 앞단의 전처리 공정과 후단의 농축수 처리공정으로 구성된다.

[Figure 1] 하수처리수 재이용 공정(고급 공업용수 활용 부분)

[Figure 1]은 RO공정을 활용하여 고급 공업용수를 생산하는 하수처리수 재이용 공정을 개략화하여 보여주고 있다. 전처리 공정은 RO에서 발생하는 파울링 물질(막 오염 물질)을 제거하기 위한 공정(주로 응집 침전, 연수화, MF(Micro-Filtration)여과막으로 구성)으로 구성되고, 주처리 공정인 RO공정과 RO공정에서 배출되는 농축수를 처리하기 위한 후처리 공정으로 구성된다.  

RO공정은 필연적으로 오염물이 농축된 농축수가 발생하는데, 이 농축수에 포함된 물질에 따라 처리공정이 선정된다. 부강테크(BKT)는 농축수 처리기술로 BBF(생물여과)를 통한 오염물 제거 후 방류하는 공정과 FMX(와류발생형 분리막 장비)를 통해 농축수를 추가 농축하여 농축수량을 최소화한 후 증발 건조시키는 무방류 기술을 제공하고 있다.

무방류(ZLD: Zero Liquid Discharge) 공정은 RO농축수를 모두 증발 건조시키는 공정으로 가장 운영비가 많이 드는 기술이다. 1톤 처리에 RO공정은 3~5kW/m3 의 전력이 소요되고, 증발 건조 공정은 30~40kW/m3로 RO공정 10배의 전력이 소요된다. 그러나 높은 운영비에도 불구하고 증발 건조를 통해 농축수가 포함하고 있는 모든 오염물질들을 건상 슬러지로 배출하여 매립 처리할 수 있는 장점이 있다.

무방류 공정은
1) 산업단지에서 배출되는 폐수처리장의 방류수를 재이용하는 경우
2) 농축수를 배출하는 지역이 상수원에 위치해 있는 경우
3) 과불화화합물 같은 발암물질, 환경호르몬물질, 난분해성 오염물이 포함되어 있는 경우에는 농축수를 재처리하여 다시 수계로 방류하기보다 무방류 공정을 구성하여 유해물질로부터 상수원을 보호하고 유해물질 배출사고를 원천 차단하기 위해 반영되어야 한다.

BKT는 무방류 공정의 효율화(공정 단축, 운영비 감소)를 위해 BKT의 대표적인 막 여과기술인 FMX를 적용한 무방류 효율화 공정을 개발하고, 대구 성서산업단지에서 수자원공사가 운영하고 있는 폐수 무방류 오픈 플랫폼 파일럿에서 지난 1년간 성능 검증을 진행했다.

[Figure 2] 대구 성서폐수처리장 오픈 플랫폼 파일럿 운영

하∙폐수 재이용 공정을 무방류 공정으로 구성할 경우 아래와 같은 문제점들이 나타났다.

1) RO농축수 전량 증발 건조 시 운영비 과다 및 처리비용 상승

[Figure 3] RO농축수 전량 증발 건조 공정

2) 농축수 후처리 후 처리수 리턴 시 추가 처리 공정 필요 및 시설비 상승

[Figure 4] RO농축수 처리 리턴 공정

CDI(Capacitive Deionization)를 통해 TDS(Total Dissolved Solids)를 제거한 후 난분해성 물질과 질소 제거를 위해 AOP(Advanced Oxidation Process)공정과 A2O(Anaerobic Anoxic Oxic Process)공정을 추가하여 시설비가 상승하였으며, 과불화화합물*은 AOP공정을 구성하더라도 제거가 불가능하였다.

BKT는 이 같은 문제점을 해결하기 위하여 FMX를 적용한 무방류 효율화 공정을 [Figure 5]와 같이 구성하였다. 나노 멤브레인을 장착한 FMX는 농축수를 5분의 1로 농축하여 증발 건조 공정에서 전체 유입 유량의 4%만 건조하면 되기 때문에 증발 건조에 소요되는 전력비를 80% 감소시켰다. FMX 추가 농축 공정에 소요되는 전력비 또한 7kW/m3로 증발 건조 소요전력 30~40kW/m3에 비해 5분의 1 정도로 경제적이었다.

[Figure 5] FMX 적용 무방류 효율화 공정

[Figure 6] FMX의 유입수, 처리수, 농축수

[Table 2] FMX의 RO농축수 처리 수질

[Table 3] FMX의 과불화화합물 제거율

FMX는 난분해성 물질인 색도까지 제거하여 맑은 상태로 배출되었고 처리수를 앞단 공정으로 리턴 시 AOP공정의 추가 시설은 필요하지 않았다. RO의 스케일 유발물질인 경도성분까지 90% 이상 제거하여 처리수를 앞단 공정으로 리턴 시 스케일 물질이 누적되는 문제를 해결하였다.

성서폐수처리장 파일럿에서 배출된 RO농축수의 과불화화합물(PFOS+PFOA)의 농도는 4.2 ug/L로 미국 먹는 물 권고기준인 0.07ug/L 보다 60배 높은 농도를 나타내어 산업단지 폐수의 경우 무방류를 구성하지 않고 일반 수처리를 통해 처리 후 방류하였을 때 처리되지 않은 높은 농도의 과불화화합물이 수계로 배출된다는 것을 확인할 수 있었다. FMX는 난분해성 발암물질인 과불화화합물에 대한 제거율이 97% 이상으로 과불화화합물 제거 공정 구성에 대안을 제시하였다.

낙동강 물을 상수원으로 사용하는 시민들의 안전을 위해 환경부가 추진하고 있는 낙동강 주변 공단 폐수에 대한 무방류 사업 적용 검토는 부족한 수자원의 효율적인 운영을 위한 하∙폐수 처리수 재이용 사업의 확장과 함께 상수원 보호를 위해 반드시 검토되어야 하는 공정이다. BKT의 FMX를 적용한 무방류 효율화 공정은 무방류 공정의 걸림돌이었던 경제성을 확보함으로써 상수원 주변 공단의 하∙폐수 처리수 재이용 무방류 공정에 최적 기술을 제공할 수 있을 것이다.

*과불화화합물이란?

과불화화합물 PFAS는 자연적으로 발생하지 않는 인공합성수지로 식품포장, 세제, 조리기구, 반도체를 비롯한 각종 기기의 코팅재 및 마감재로 사용되고 있다. 화학구조로는 유기불소계 화합물의 일종으로 불소를 함유한 소수성 탄소 사슬이 다양한 친수성 구조에 부착된 형태이며 산, 염기, 산화, 환원 등에 의해서도 쉽게 분해되지 않는 난분해성 물질이다. 따라서 환경에 배출되면 오랫동안 존재하며 지표수, 호수, 해양, 생물체 등에서 검출된다. 환경과 생체에서 가장 흔히 검출되는 과불화화합물은 PFOA와 같이 카르복실기를 갖는 PFCAs, PFOS와 같이 술폰기를 갖는 PFASs이다.

과불화화합물은 내분비계장애추정물질(EDCs, Endocrine disrupters)로 그 자체로는 독성이 크지 않을 수 있지만 인체에 축적되면 만성 독성을 일으킬 수 있기 때문에 이에 대한 영향을 평가할 필요가 있다. 특히 발암성, 산모 및 태아 기형 등에 인체 유해성이 밝혀지면서 미국을 포함한 주요 국가들에서는 관련 제품의 생산을 금지하고 있으며, 식품 외에 과불화화합물 노출에 영향을 미치는 생활환경 요인들, 식수원 및 음용수 등의 역학관계 연구와 오염 관리가 지속적으로 수행되고 있다. 미국에서는 98%의 미국인 혈액에서 과불화화합물이 검출되면서 광범위한 오염 상태로 인해 경각심을 주고 있다.

#1. 출처: 2015 과불화옥탄산(PFOA) 및 과불화옥탄술폰산(PFOS) 위해성 평가. 식품의약품안전처

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