고효율산업폐수처리기술개발동향 그린프라 ( 주 ) 어명철책임연구원 Ⅰ. 개요 1. 연구개발의배경및필요성 최근생분해도가낮은난분해성폐수( 전자, 제약, 화학, 피혁, 염색, 침출수) 는처 리공정이복잡하고처리효율및안전성이낮으며높은운전비용에대한문제점으 로인하여산업체의큰부담으로작용하고있다. 또한일련의폐수처리과정에서 유해배가스및폐기물발생이동반되기때문에에너지소비문제가심각하며근본 적이고종합적인처리기술의개발이필요하다. 특히폐수처리과정에서발생하는 다량의슬러지는점차해양투기금지로인하여소각및열분해를통한방안으로전 환되고있으며이로인한에너지소비문제가고유가문제와결부되어심각성이커질 전망이다. 따라서폐수처리과정에서유해배가스및슬러지를포함한폐기물발생을 근본적으로감소시키면서안정적이고효율적으로폐수처리를수행할수있는기술 개발이필요하다. 최근산업폐수발생동향을살펴보면발생량은 2002년부터큰변화없이 7,800,000ton/day정도로유지하고있으나배출시설과슬러지발생량은매년 4-5% 정도증가하고있다. 이러한동향은폐수발생원이다양성해지고있으며각종환경 규제의강화로인하여폐수처리설비의증가와고효율화가이루어지고있음을예측 할수있다. 대응방안이필요하다. 따라서각종산업폐수처리에대한비용상승이예상되며이에대한 < 표 1> 폐수배출업소 ( 단위 : 개소) 허가기관 계 1종 2종 3종 4종 5종 2005 55,405 307 558 1,135 1,889 51,516 2006 39,012 317 480 979 1,686 35,550 2007 40,409 318 477 1,071 1,764 36,779 2008 45,163 324 508 1,220 2,054 41,057 2009 47,155 342 551 1,197 2,195 42,870 2010 46,860 323 523 1,186 2,264 42,564 2011 46,980 337 538 1,227 2,239 42,639 2012 48,266 346 539 1,207 2,336 43,838 자료 : 환경부, 환경통계연감 25 호, p 437, 2012-1 -
Ⅱ. 동향분석 1. 국내기술개발현황 가. 산업폐수처리에대한국내현황및전망 국내방류수수질기준과배출허용기준이계속강화되면서수질관리의선진화가 요구되고있고, 일부지역및공단지역의물부족으로인한대체수자원의확보를 위해서는용수재이용이최선의대안으로제시되고있다. 산업화의과정에서파생된미량의각종유해화학물질들이생태계에유입되고, 저 농도에서고독성의난분해성물질의생산과사용이증가하고있다. 도금, 정밀화학, 석유화학, 피혁, 일부염색산업등에서는유기용매, 중금속, 난분 해성유기화합물의배출로인한생산활동이지장이초래되고있다. 이에기존생물학적처리공정들을보완하여산업폐수의저비용고효율처리에적 합한시스템을구성, 처리된산업폐수를공정에재이용하기위해서는첨단기술을 도입하여새로운단위공정의개발및시스템구성, 운전, 현장적용을체계적으로동 시에추진함으로써이러한효과적인시스템을조기실용화해야할것으로생각된 다. 고도처리기술은 럽등선진국에서진행되어 1970년대부터화학반응메카니즘에기초한연구가미국이나유 1980년대후반부터처리공정의정립및상수와지하수 처리에실용화되기시작했으며 1990 년대초반부터폐수처리, 정수처리, 지하수처 리에실용화되고있으나각처리방식및공정별기준정립과현장적용을위한 scale-up 관련기술은미진한상태이다. 핵심기술의높은해외의존도가높은처리시스템개발에중점을두고연구가수 행되어야하며, 단순처리에서더나아가처리수를재이용하는종합처리및재활용 시스템화연구가필요하다. 나. 관련핵심기술별국내기술동향 최근수처리를안정적이고효율적으로운영하기위하여여러가지생물학적고도 처리기술들이개발되고있으며그중처리시간을효과적으로단축하여공간및에 너지를절감할수있는생물분리막반응기(MBR, Membrane Bio-Reactor) 가오수 및하수처리분야에상용화되어보급률이증가추세에있다. 그러나난분해성물질 이다량포함되어있으며무기물함량이비교적높은폐수처리영역에 MBR공법에 대한현장적용성공사례가국내외적으로드물며많은해결과제가남아있다. 이를 위하여분리막의재질및모듈설계를폐수처리에적합하도록개발해야하며운전 - 2 -
및관리방법또한개선의필요성이크다. 또한현재오수및하수처리분야에서상용되고있는대부분의분리막은 MBR공 법의핵심소재임에도불구하고일본및미국의유명메이커사에서수입의존률이 높아향후가격경쟁력재고를위해서라도분리막의국산화율과폐수로의적용성이 개선되어야한다. 기존의일반적인폐수처리공정을통하여발생하는슬러지는침 전조의침강성과탈수성을높이기위하여무기계와고분자계응집제를다량사용하 고있으며난분해성물질이다량포함될경우 Fenton oxidation를수행하기때문에 다량의철염을사용하고있어일반적인하수나오수처리보다슬러지내무기물함 량이매우높다. 슬러지에함유된무기물은슬러지를재이용하는과정에서큰문제 가되고있으며발열량이낮아소각및열분해시에너지상승을초래한다. 따라서 슬러지내무기물함량을근본적으로저감할수있는폐수처리기술의도입이필요 하다. 하수종말처리장과염색폐수처리장에서에서발생하는탈수슬러지케이크의 성상분석을조사한결과를보면염색폐수처리장에서난분해성물질을제거하기위 하여 Fenoton oxidation를수행하는과정에서무기물함량이하수슬러지보다약 2 배이상증가하였으며이로인하여 1,500Kcal/kg수준의발열량이감소함을볼수 있다. 따라서산업폐수처리시발생하는슬러지의무기물함량을감소시킬수있다 면약 20-30% 정도의에너지절감효과를기대할있다. 근래에생물학적처리방법의여러가지문제점에대응하기위한접근과정에서최 근 MBR 기술이도입되고있다. MBR 기술은막을이용하여활성미생물의농도를 기존의 2-3배정도높일수있어처리시간이짧고별도의슬러지분리가필요하 지않아처리면적을크게줄일수있다. 그러나부착성미생물의표면증식및잔 류고분자응집제등으로인하여막의막힘현상이일반적인하수처리적용보다잦 고세척및장기간운전으로인한막자체의손상그리고수입에의존하는고가의 막가격등적용상의문제점이발견되고있다. 따라서막의국산화를통한경제성 확보를위하여정부차원의지원이증가하고있으며국내기업으로새한, KMS, SK 케미칼, 이엔이, 코레드, 퓨어엔비텍등에서일부국산화하고있으나대부분수입에 의존하고있다. 막자체의개발과더불어현장적용에서중요한요소기술이막세 척시스템개발이필요하며현재하수처리를중심으로 SMBR 기술이상용화되고 있다. SMBR 기술은소형화및운전의편리성측면에서장점이있으나생물처리에 근간을두고있는만큼난분해성산업폐수적용시생물독성물질유입에의한미 생물의안정성문제와난분해성물질에서기인되는색도처리문제는기존의생물학적 처리공법과마찬가지로완전하게해결할수없는과제이다. - 3 -
< 표 2> 국내제조사별분리막제품현황 회사명 제조형태 특기사항 H엔지니어링 일본의 MRC로부터 Module Sterapore 분리막독점공급권체결, 만수입 Frame은자체제작 DT사 일본의 MRC로부터 Module Sterapore 분리막독점공급권체결, 만수입 Frame은자체제작 KF사 일본의 MRC로부터일부 Sterapore 구형모델에한하여 Module 수입, Module만수입 Frame은자체제작 KL사 SKC에서제작 SKC에서 퓨어엔비텍으로부터주문제작하는분리막 Module을침출수처리에이용 SH사 Canada Zenon사로부터분리 새한의RO막을Zenon사에공급하며막설비일체를수입반대로 MF막설비 Package 일체를수입 AT사 S.Africa의 Membratek사로부 Housing이없는 Membrane Module일체를터수입들여와 Biosuf공정으로개발 KT 사 일본의 Taka로부터수입 일본의 Yuasa로부터분리막Module을국내독점공급,Frame 자체제작 J엔지니어링 UF 관형막을수입하여공급하며, MF침지식평 한국아크바로부터관형막구막은 Yuasa부터 2000년부터 Module을수입입 YUASA로부터평막수입판매 J연구소 일본의 Yuasa로부터수입 일본의 Yuasa로부터 1999냔부터 Module을수입판매 Frame 자체제작 SK사 일본의Mitsui Chemical사로 2000년일본의 UBIS시스템을도입하여영업부터수입을시작 SKC사 MF, UF중공사막자체제작 ( 주) 퓨어엔비텍으로부터주문제작하여분리막판매 KM사 MF중공사막자체제작 PP재질의 MF중공사막시제품생산중 AC사 영국의 PCI사로부터수입 PCI사의분리막국내독점공급 EV사 미국의 LNI사로부터설비일 UF, NF, RO로구분된 VSEP설비를수입하여체를수입공급 전기화학적처리방법은생물독성, 온도, 용존산소등외부환경에영향을받지않 고오직전자의이동에의한산화및환원에의하여질소를처리할수있으며 간이내의짧은처리시간으로 1시 MBR 기술과연계시부지공간을최소화할수있다. 특히전기화학적처리는유기물을완전히이산화탄소로산화시키는데경제적이지 못하나 MBR 기술을통하여경제성확보및 MBR 공법의난분해성물질, 질소화 합물및색도제거에대한부하를줄일수있다고판단된다. 부수적인효과로생물 학적처리의일정부분을전기화학적방법으로대체함으로서미생물슬러지의발생량 을줄일수있다. 전기화학적처리방법은국내에서테크윈, 에이엠티기술, 테크로스 등의업체에서최근상용화에힘쓰고있다. 그러나, 전기화학적처리방법을이용한 상용화기술이국내에서는아직초기화단계로현장시공실적이미비하며응용범위 또한전기분해를이용한살균또는응집처리등의비교적낮은단계의기술수준으로 이용되고있다. 전기화학적산화및환원반응이용기술은핵심요소인전극에의 해크게의존되며상용화시설비의안전성및경제성을결정하는기술집약적핵심 분야이다. 전기화학적산화및환원반응을이용하여폐수처리에사용되는전극은 - 4 -
불용성촉매전극(Dimensionally Stable Electrode) 을주로사용하게되며현재국 내에서는욱영전해시스템, 테크윈, 에이엠티기술등에서생산중이나다원계촉매물질 선정시외국의제품과비교하여현저한품질저하및경제성문제가있어수입에의 존하고있다. 현재국내불용성촉매전극생산업체들은주로활성촉매물질을단일계로구성 하는전극을생산하고있다. 따라서생산전극의종류가한정되어있기때문에전 기화학반응을이용한고농도암모니아를처리하기위한전극을생산하는데한계가 있으며통상적인활용범위를제외하고는주로수입에의존하고있다. 또한전극의 성능및수명에대한정량적데이터확보가미비하여기술경쟁력이낮게평가되고 있음은물론활성촉매물질의코팅층두께가 Denora전극과비교시대체적으로두 껍게형성되어있어가격경쟁력면에서도개선의여지가많다. ( 국내전극평균 10um, DeNora 전극평균 : 5um) 이는수명에대한정량화된데이터확보가미비 하기때문에전극수명을확보하기위하여촉매물질의코팅두께를두껍게하는과 정에서기인되며특히대량생산시가격면에서많은불이익을초래할수있음. 불 용성촉매전극은표면반응이기때문에촉매코팅물질의균일성과치밀도를이루 어지지체로의산소침투를최소화한다면두께는크게중요한요소가될수없음. 6) 폐수처리를위한전극셀및전기화학반응조의설계기술수준이낮아현재성 공적인상용화실적이미비하다. 최근 A 사에서축산폐수, 전자폐수처리에전기화 학처리공정을도입하여상용화하였으나장기간운전시효율저하와안정성에많 은문제점이도출되어시장에서혹평을받은사례가발생하였다. 이는전기화학반 응의적용성및처리능력에비하여폐수성상별최적화된전극성능및시스템설계 기술의수준이부족하기때문으로판단되며기술의신뢰성제고를위하여이에대 한보안이필요하다. 2. 국외기술개발현황 가. 관련핵심기술별국외기술동향 MBR 공법의핵심요소인 membrane( 분리막) 은주로일본, 미국의업체가대표 적이다. 대표업체는 KUBOTA, YUASA, Mitsubishi NLI, Asai Kasei, Zenon 등에 서주로생산되며분리막은준공사막, 평막의형태로제작하여주로하수및오수 처리분야에적용되고있다. 상기의대표업체들또한분리막을폐수분야보다오수및하수분야에적용한실 적을다량보유하고있어특히산업폐수리분야로적용시분리막의재질선정, 모듈 설계, 적용공법등의개발여지가많이남아있다. - 5 -
< 표 3> 유명분리막제조사들의분리막생산현황 Company Trade Name Membrane Vivendi /OTV BIOSEP Zeweed, HF Degremont/ Suez-LDE BRM Ceramic Mem./ Organic Mem. Zenon ZenoGem Zeeweed Mitsubishi Rayon Pore Size/ MWCO 0.035 μm/ 200,000 Country/ Membrane Type France, UF 0.1 μm France, MF/UF 0.035 μm/ 200,000 Canada, UF Sterapore Sterapore 0.1 0.4 μm Japan, MF Ross/Membratek ADUF Memtuf 0.02 μm/ 40,000 S. Africa, UF Mitsui Petrochemical UBIS/ASMEX - 0.025 μm Japan, UF Dorr-Oliver MSTS/MARS - - U.S.A, UF Memtec MEMBIO - - Australia, UF Rochem - UT-DT 0.01 μm German, UF KUBOTA BIOREM Ceramic Mem. KUBOTA MBR Yuasa 0.2/0.45 μm Japan, MF < 그림 1> 유명분리막제조사에서개발된분리막모듈 불용성촉매전극은세계굴지의기업인 DeNora에서기술을선점하고있으며주 로열분해방법을이용하여생산하고있다. 불용성촉매전극의성능과수명을결 정하는주요요소는활성촉매의선택과제조공정이라할수있으며이때고려해야 할사항은원하고자하는전기화학반응의전류효율확보와동시에가격, 성능, 수 명이고려되며이것이조화를이룰때기술과가격면에서경쟁력을발휘할수있다. DeNora는 100년이상의축척된노하우를통하여고품질의전극을생산하고있으 나폐수처리를위한전극생산은아직데이터를정량화하지못하고있어국내기 업의약진을통한기술경쟁이유리한분야이다. 전기화학반응을이용한주요응용분야는주로나트륨전해(Chlor-alkali) 공업, 금속전해석출, 유기물전해합성, 도금, 브라운가스발생장치, 연료전지시스템등 이있으며 DeNora는언급된응용분야별로많은정량적데이터및노하우를축적하 고있다. 그러나폐수처리용전극의경우폐수성상과처리대상별전극의특성이다 - 6 -
양하기때문에 DeNora 또한개발의여지가많이남아있다. 역시이분야에서는취약하며전기화학반응기의설계기술 1990년대말 DeNora와 Dupont이공동으로고농도알데히드함유폐수를전기 화학방법으로처리하기위한연구가진행되어 Dupont의폐수처리장에적용한사례 가있으나이는산소발생전극을개발한내용으로산소발생분위기에서장수명을유 지하며동시에염소과전압이낮은전극을개발해야하기때문에이에대한유사연 구사례가매우드믄것으로파악된다. 미국및유럽에서는고농도난분해성물질의완벽한처리를위한새로운기술로 산화력이우수한매개체(Mediator) 인금속이온을산화제로사용하는전기화학적매 개산화(Mediated Electrochemical Oxidation, 이하 MEO) 또는전기화학적촉매산 화(Catalyzed Electrochemical Oxidation, 이하 CEO) 에대한연구가진행되고있 으며, 이기술을이용하여무해한고형폐기물부터쉽게처리할수없는고독성또 는방사능폐기물까지다양한폐기물을처리할수있다고보고되고있다. 미국에위치한 PNNL(Pacific Northwest National Lab.) 과 LLNL(Lawrence Livermore National Lab) 에서세륨(Ce) 이나은(Ag) 와같은매개금속이온을이용 한전기화학적산화공정(MEO) 으로유해한고농도유기성물질을상온 상압에서안 전하게이산화탄소와물로완전히분해시키기위한연구가수행되어왔으며 PNNL 에서전기화학적으로매개체인 Ce 금속이온의산화가를변화시켜강력한산화력을 발생시키고, 산화력을이용하여유기물을분해하는 MEO 공정을개발하여, 1995년 2월 EOSystems Inc. 와 MEO 및 CEO 기술에대한독점적기술사용계약을체결 하였다. Ⅲ. 향후전망 1 차적으로기존의생물학적고도처리에어려움을겪고있는산업인도금, 피혁, 염색폐수, 매립장침출수를주대상으로선정하여기술의상용성을높인후전자, 화학등의난분해성산업폐수전범위로확대적용할수있다. 또한, 산업폐수내에난분해성물질을효율적으로처리함으로서환경규제농도준 수및방류수재이용성높일수있으며, 미생물슬러지발생량을 30% 이상을줄임 으로서친환경적공정으로경쟁력높일수있다. 난분해성산업폐수의고도처리를위한초소형공정의페키지화를통하여환경산 업표준화를유도하며, 산업폐수의다양성에대한호환성을높임으로서수요시장 확대하고산업화가가속화되고있는중국및동남아시아의환경사업진출에대한 국가경쟁력높일수있다. - 7 -
< 참고문헌 > 1. 강철구외, 경기도환경산업육성방안, 경기개발연구원, 2000 2. 김동하 정철호, 최근중국정부의정책변화와시사점, 포스리 CEO Report(2008. 5. 20), 포스코경영연구소, 2008 3. 김주영, 최근중국의환경규제조치와우리기업의대응, 수은해외경제, 2007 4. 대외경제정책연구원, " 중국지방간부평가의환경조항추가와시사점, KIEP 지 역경제포커스 (2008. 4.4), 2(6), 2008 5. 원동욱, 중국의경제발전과환경위기, 중국의환경위기와동북아협력, 제 2 회해성세미나, 해성국제문제윤리연구소주최, pp. 1-18, 2008 6. 이승호, " 중국수자원관리의현안과대책, 중국의환경위기와동북아협 력, 제2 회해성세미나, 해성국제문제윤리연구소주최, pp. 19-37, 2008 7. 하준수, 중국환경시장과국내산업의접근성, 2007 8. 환경부, 2012 환경통계연감제25 호, 2012-8 -