Journal of Korean Society on Water Quality, Vol. 25, No. 1, pp.1-6 (2009) 총설 MF/UF 막표준화해외사례및표준화연구의동향 홍승관 김세진 김하나 * 허현철 * 최영준 * 고려대학교건축 사회환경공학과 * 서울시상수도연구원 Standardization of MF/UF Membranes for Drinking Water Treatment Seungkwan Hong Sejin Kim Hana Kim * Hyunchul Hur * Youngjune Choi * Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University * Water treatment Section, Waterworks Research Institute, Seoul Metropolitan Government 1. 서론 1) 최근막여과정수처리기술에대한연구개발이활발히진행되면서, 정수처리용 MF/UF 막여과공정의적용에대한관심이높아지고있다. 정수처리공정에막여과처리시설을확대보급하기위해서는수도용막모듈의성능및시설등의품질적정화를도모하여수도사업자등에게일정수준이상의막모듈을공급하는것이중요하다 ( 홍승관, 2005). 정수처리공정에막여과처리기술을먼저도입한미국과일본등의경우, NSF(National Sanitation Foundation) 및 AMST(The Association of Membrane Separation Technology of Japan) 에의한막모듈및시설에대한성능평가와인증제도를운영하여수도용막모듈및시설의성능을평가함으로써안정적인막여과기술도입을유도하고있다. 최근우리나라도막여과정수시설도입에관한관심이크게높아지면서수도법개정 (2006년 6월 30일 ) 으로시설용량 5천 m 3 / 일이상의막여과정수시설은환경부장관이고시하는기준에따라 2009년 7월부터설치가능하게되었다. 이에안정적인막여과정수시설의설치를위하여막모듈의종류및계열구성, 전처리여부, 공정구성등기술적인사항에대해설치기준고시가마련 (20008년 12월 ) 되었다. 또한수도용막여과시설에대한인증제도연구가진행되면서앞으로이를통하여국내의막여과처리시설도입이활발하게이루어질것으로기대된다 ( 한국상하수도협회, 2005). 그러나, MF/UF 막여과시설의도입에있어수도사업자들이가장우려하고있는부분중의하나는특정 MF/UF 막모듈및시설을도입하였을때, 막제조사별막모듈과시설의호환성결여로특정막여과기술에대한의존도가높아진다는점이다. MF/UF의경우가압식, 침지식, 내압식, 외압식등막제조사별로다양한모듈형태및시설이상용화됨에따라정수장에 MF/UF 막여과시설을도입함에있어특정업체의막모듈을선택하는데어려움이있다. 또 To whom correspondence should be addressed. skhong21@korea.ac.kr 한, 현재우리나라의막제조기술은선진국에비해뒤져있는것이사실이기때문에초기국내막시장은해외선진막제조사들에의해선점될우려가있어각제조사들의막모듈및시설의호환성을강화시킬수있도록표준화에대한연구와고찰이필요하다. 2. 막표준화의해외사례미국 미국의경우, 막모듈및시설에사용되는제품을 US EPA로부터권한을위임받아 NSF(National Sanitation Foundation) 에서인증하고있으며, 먹는물처리시설에대한단체표준제정과오염물질제거기준설정에대한업무를수행하고있다. 현재 NSF기준은 ANSI(America National Standard Institute; 미국국립규격협회 ) 에의해공인되고있으며, NSF는 US EPA 후원아래구체적인막여과시설에대한인증절차를 ETV(Environmental Technology Verification) Protocol에제시하고있다 (NSF International, 2002). EPA와 NSF에의해설립된인증절차를바탕으로미국의 LT2ESWTR(Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule) 을위반하지않는범위내에서주마다다양한형태의막여과시설을수도시설로써인증하고있다 (AWWA, 2005). 따라서, 미국에서는각주의주정부가실정에적합하게각기다른막인증제도를시행하고있거나마련중에있는실정이다. 그결과병원성미생물제거능인증을비롯하여, Pilot testing 실행유 무및막완결성시험절차등에대해주마다다른형태로시행되고있다 (EPA, 2001, 2003). 이렇게주별로다양한형태의제도및막여과시설의도입은막표준화를어렵게하고있다. 2002년에미국의수도전문가들을대상으로실시한설문조사에서 50% 는앞으로 MF/UF 모듈또는시스템이표준화될것이라고예측하였으나, 36% 는기술적인측면과막제조사간의이해관계등을이유로표준화는이루어지지않을것이라고전망하였다 (AWWA, 2005; Fig. 1). Journal of Korean Society on Water Quality, Vol. 25, No. 1, 2009
2 홍승관 김세진 김하나 허현철 최영준 Fig. 1. 미국의막표준화가능성에대한전문가설문조사결과 특히시장원리와다양성을추구하는미국의현상황에서당분간막모듈의표준화는시장의자율적인조정에의해추진될것으로예측하였고, 실제설문조사에서도대부분의전문가들이앞으로 10개이하의대기업이전세계시장을독점하고이들을중심으로자연스럽게표준화가이루어질것으로내다보았다. 이러한의견을종합해볼때, 미국의경우 MF/UF 막모듈의표준화는쉽게이루어지지않을것으로보여지고, 표준화가되더라도국가주도가아닌시장원리에의한자연스런표준화가추진될것으로판단된다 ( 한국물환경학회, 2006). 일본일본의경우, 막모듈에대한인증을막분리기술진흥협회 (AMST) 에서제정한성능조사항목및기준에의해막제조사에서수행한실험결과를검증하여, 수도용막모듈로서성능을인정해주고있다 ( 서울시상수도연구원, 2007). 또한, 일본에서는막여과처리시설을도입할때, 막모듈은 AMST에서인증을받아야하며, 막여과시설의경우 ( 재 ) 수도기술연구센터에서인증한시설에한해정부에서보조금을지급하고있다. 일본의막산업은국가의면밀한주도아래구체적인발전계획을수립하여단계적인기술도입을추진하였다. 이를통해일본의막관련산업은막제조및엔지니어링기술력을축적하여국제경쟁력이있는산업으로양성되었다. 1991년부터 2007년까지민 관 학공동연구프로젝트로 MAC21, New MAC21, ACT21 및 e-water사업을추진해오면서, 440 여개소의정수장에총 360,000 m 3 / 일용량의막 (a) (b) Fig. 2. 일본의막표준화필요성에대한전문가설문조사결과여과처리시설을도입하였다. 특히 e-water 사업에는막여과시설을도입하고있거나, 시설도입을검토해본적이있는수도사업자를대상으로막표준화에대한설문조사가포함되었는데설문자의 95% 는제조사에대한종속성탈피, 막모듈의교체용이, 비용절감등을이유로표준화가필요하다고답변하였다 (Fig. 2(a)). 또한, 막표준화의가장중요한요소로는막모듈의외형이나크기및연결배관등의표준화 (60%) 를꼽았다 ( 서울시상수도연구원, 2007; Fig. 2(b)). 이와같은막여과시설의호환성요구에의해 ( 재 ) 수도기술연구센터에서는기존에사용되고있는막모듈을형태에따라크게세가지로분류하여 2007년에표준화형식을 Table 1과같이제시하였다. Table 1에나타난일본의막모듈표준화는일본내막제조사에서제안된사양을중심으로진행되었음을알수있다 ( 한국물환경학회, 2006). 일본의막표준화안이도입된시기를살펴보면막여과시설이도입되기시작하여시설적용이급격히증가하는시점이자 (Fig. 3(a)), 대용량막여과시설의적용을앞두고진행되었다 (Fig. 3(b)). 현재우리나라의경우막여과시설도입사례가적고향후대용량시설도입을앞두고있으므로표준화안이제시되면그파급효과는매우클것으로예상된다 ( 서울시상수도연구원, 2007). 이러한일본의막모듈표준화과정은막제조및엔지니어링기술이미비한국내실정을감안할때, 앞으로우리나라가나아가야할막산업발전모델을제시하고있으며, 일본의표준화연구사례는국내막모듈및시설의표 Table 1. 일본의막모듈표준화안 No. 형식명막모듈형식설명센터사양품막모듈군 1 2 3 종케이싱일체형 횡케이싱수납형 종케이싱수납형 막엘리먼트와케이싱 ( 수납용기 ) 이일체로제작된세로형구조 일반적으로교환은케이싱체로함 막엘리먼트와케이싱이각각독립되어있고, 복수의막엘리먼트가수납되어있는가로형구조 일반적으로케이싱은항구적인재료로제작되며, 수납되어있는막엘리먼트만교환한다. 막엘리먼트와케이싱이각각독립되어있고, 복수의막엘리먼트가수납되어있는세로형구조 일반적으로케이싱은항구적인재료로제작되며, 수납되어있는막엘리먼트만교환한다. 타입 1-A : 모듈의직경이가늘고, 길이가긴것 (φ200 * L2300) 타입 1-B : 모듈의직경이크고, 길이가짧은것 (φ300 * L1700) 타입 1-C : 타입 1-B 의대형 (φ450 * L1700) 타입 2-A : 기성품을기준으로함 (φ200 * L3600) 막엘리먼트의표준화가필요하며, 그내용에따라 3 종류로분류 타입 3-A : φ600 타입 3-B : φ900 타입 3-C : φ1200 수질보전한국물환경학회지제 25 권제 1 호, 2009
MF/UF 막표준화해외사례및표준화연구의동향 3 (a) Fig. 3. 일본의막표준화안도입시기분석준화연구에좋은자료를제공하고있다. 침지식막모듈의경우, 2007년에제정된모듈의표준화에포함되지않았는데, 일본내침지식막여과시설의적용실적이미비하여성능평가가제대로이루어지지않았다는판단하에, 앞으로 3~4년간의심도있는연구를수행한뒤표준화를추진할것으로판단된다. 일본의표준화연구는 6가지특징으로요약된다. 1 새로운형태의막모듈보다기존의검증된막모듈군으로표준화를도출하여기술적선도성과경제적인측면등을강조하였으며, 2 기술력이검증된막모듈에대해서기술적인우위성보다는사업적측면으로접근하여표준화모듈을분류하였다. 3 또한형태별, 규모별막모듈의복수표준화를도출하여, 처리시설의규모에따라적합한막모듈을선택해사용할수있는융통성있는표준화를이끌어냈고, 4 강제사항이아닌일본 ( 재 ) 수도기술연구센터의추천사양으로수도사업자들이자유롭게막모듈을선택할수있도록하였다. 5 중 대규모막여과처리시설의본격적인도입을앞두고일본내제조업체들의제품을중심으로표준화모듈을도출하였고, 6 무엇보다표준화를통해막모듈간호환성을확보하도록하여수도사업자의편의를고려하였다. 유럽유럽의경우정수처리분야의 MF/UF가아닌하 폐수처리분야의 MBR(Membrane Bioreactor) 기술에대한표준화연구를수행한것으로조사되었다. MBR기술은생물학적수처리기술과침지식막여과기술이결합된것으로본연구과제는침지식막여과기술의표준화와매우밀접한관계가있다고판단된다. MBR의경우, 다양한기술의발달로크기나용량, 운영방식등기술적인측면에서제조사마다많은차이를보여수요자들에의해 MBR 기술의표준화에대한필요성이언급되었다. 이에유럽표준화위원회는 2005년부터 AMEDEUS(Accelerate Membrane Development for Urban Sewage purification) 프로젝트를추진하여 MBR 시설의막모듈표준화를통한호환성확보와시설의표준화를통한성능평가기준확보의두가지측면에대한연구를시작하게되었다. AMEDEUS 프로젝트는전세계 MBR 시장에서중요한비중을차지하고있는그룹 ( 유럽 10 (b) 개국, 비유럽 4개국, 80개기관소속전문가 ) 을대상으로자문을의뢰하여새로운정보를확보하고시장경향을파악하였다 (AMEDEUS, 2007). AMEDEUS 프로젝트에서는시장기대치 (Market expectation) 와기술적항목두가지측면으로설문조사를하였다. 먼저시장기대치에대한설문조사중 MBR의표준화필요성에대해서는설문자의 78% 가긍정적인대답을하였고, 전체의 60% 는 MBR시설의호환성이확보되면그에따른투자시장이증가할것이라고대답했다 (Fig. 4). 또한, MBR의표준화연구시기에대한질문에는전체설문자의 70% 이상이적절하다고응답을하였다 (AMEDEUS, 2007; Fig. 5). 기술적항목으로막모듈및시스템의표준화시수요자와공급자간의장 단점에대한설문조사가이루어졌는데, 수요자에게는선택의기회와운전의용이성등이장점으로거론된반면, 공급자에게는기술개발저해에따른문제점이단점으로거론되었다. 자세한내용은 Table 2와같다. 또한, 호환성확보에필요한기술적요건의항목별중요도는 Table 3과같이조사되었는데대부분이평막과중공사막의두형태로복수추진할것을권고하고있다. 하지만표준화시중요한요소인호환성확보는실질적인어려움이많을것으로예상하였다. 반면, 정수처리공정에서의침지식막여과시설은해외의제조사에서높은시장점유율을확보하고있고, 광범위한특허를보유하고있다 (Table 4). (a) (b) Fig. 4. (a) MBR 표준화필요성에대한설문조사결과 (b) 막표준화를통한시장확대가능성에대한설문조사결과 Journal of Korean Society on Water Quality, Vol. 25, No. 1, 2009
4 홍승관 김세진 김하나 허현철 최영준 Fig. 5. 유럽 MBR 표준화시기에대한설문조사결과 Table 2. 유럽 MBR 표준화의장단점분석 장점 단점 일반수요자공급자 막선택의판단기준명확히제공 신뢰도향상 운영의용이성과비용최적화 시간절약및모듈비용감소 막기술개발저해 시험방법의신뢰성부족 - 최적의방법찾기어려움 운영비증가 기술개방으로인한문제점발생 독점방지 공급의안정성 비용감소 신뢰도향상 입찰시표준화적용 모듈경쟁력향상 운영의용이성 토목구조물부지면적증가 추가비용및작업필요 공정과플랜트운전의부조화가능성 개런티문제 시장범위확대 디자인및건설시표준화적용에따른비용절감 새로운제품및서비스에대한홍보시간단축 경쟁심화 이익감소 기술개발의제한 신규개발업체의참여제한 Table 3. 유럽 MBR 표준화및호환성확보를위한기술적고려사항 중요도 기술적항목 높음ㆍ모듈크기ㆍ모듈용량 중간 낮음 ㆍ전처리스크린타입ㆍ전처리보조시설ㆍ처리수의연결관수, 직경ㆍ여과탱크규격ㆍ에어레이션파이프치수, 숫자ㆍ크레인 ㆍ전처리 mesh 폭, bypass ㆍ여과수집수파이프종류ㆍ에어레이션연결종류ㆍ여과수펌프의종류 ㆍ여과탱크의여과수, 슬러지, 에어레이션, 커버 ㆍ여과탱크의 MLSS ㆍ여과수펌프의여과와역세척도ㆍ슬러지리사이클펌프ㆍ버블에어레이션유량ㆍ화학약품첨가펌프와저장용기ㆍ에너지효율성 ㆍ블로어형식, 압력, 여분ㆍ화약약품종류, 열처리ㆍ생산성보증 ph 및운영온도ㆍ바이오리엑터의슬러지, 커버 따라서, 국내침지식막모듈및시설의표준화는해외제조사의특허범위분석및특허료, 기술전수여부에관한조사가먼저필요하다. 현재, 침지식막여과시설의표준화에대한국제적합의가이루어지지않았으며, 국내막제조사의기술개발성과를고려하여표준화시기를조절하는것이타당할것으로판단된다. 3. 국내막표준화연구기본방향및추진방안 표준화의궁극적인목표는수도사업자관점에서다양한기술에대한호환성확보가중심이되어야하기때문에국내외복수의업체가표준화된막모듈및시설을생산하고경쟁할수있는체제를갖출수있는방향으로추진하여야할것이다. 막모듈및시설의표준화연구는기본적으로기술적, 경제적, 제도적인측면에서의면밀한검토가필요한데, 1 표준화하고자하는막모듈의성능은제조기술, 엔지니어링기술및적용실적등이검증된제품으로미래발전가능성이있는제품이어야할것이다. 2 국내막관련산업보호 수질보전한국물환경학회지제 25 권제 1 호, 2009
MF/UF 막표준화해외사례및표준화연구의동향 5 Table 4. 주요선진막제조사의침지형막모듈에대한특허보유현황 주요선진막제조사현황 Zenon 社 - 하 폐수처리를위한침지식모듈특허다수 - 특허및기타기술공개에매우민감 Memcor 社 - 가압식과침지식모두주력제품으로생산 - 상수도적용에많은실적보유 - 최근카세트방식의하 폐수용모듈개발 침지식막여과관련특허보유현황 - 운영방법 : 공정제어기술, 막파단감지기술등관련특허다수 - 통수방식 : 통수 ( 여과 ) 방식에대한특허다수 - 막재질 : 막제조방법, 표면재질등특허다수 - 모듈구조 : 막의배열방법, 유닛구조변화등을통한 Fouling 저감기술등다수 - 모듈크기 : 사이즈에대한특허는없음 와해외시장진출에대한발전가능성이검토되어야하며, 3표준화된막모듈에대한법적강제성을최소화하고시장원리에따른도입을원칙으로막모듈의상용화를추진하여야할것이다. 세가지측면이모두고려된막모듈및시설의표준화는앞서조사된해외선진국의막표준화사례를토대로국가주도아래선진막제조사들의우수한기술을협력및제휴할수있도록접근하여야할것이다. 이렇게도출된막의표준화는강제규정이아닌전문기관 ( 협회등 ) 에의해권장사항으로진행되어야할것이다. 다만, 이러한표준화의확산과보급을위하여전문기관을통해인증받은표준화막모듈및시설을정수처리공정으로도입할때, 사업비를지원하는등제도적인지원이뒷받침되어야할것이다. 전문기관을통해막모듈및시설의인증을받게함으로써, 무분별한도입을방지할수있으며안정적인막여과처리시설을수도사업자들에게공급할수있을것이다. 그러나, 현실적으로국내막제조기술및시설의적용실적이해외업체들에비해뒤져있기때문에국내막표준화를통한호환성확보를위해서는해외업체들의적극적인참여를유도하여야할것이다. 따라서, 이러한표준화과정을통해얻어진국제협력과호환성확보는막산업시장확대를유도하여국내막제조및엔지니어링기술개발을촉진하는계기가될것이다. 표준화내용및범위앞서거론된기술적, 경제적, 제도적인측면이고려된기본방향과추진방안을바탕으로, 막여과시설에서사용되는모듈간의호환성확보를위해국내막표준화는제품사양에관한기준과성능에관한기준이고려되어야할것이다 (Table 5). 구체적으로 MF/UF 막모듈의경우, 중공사막의특성과막모듈의형태, 여과방식등이매우다양하기때문에하 나의통일된기준을마련하는것은어려운일이므로, 가압식과침지식의막모듈형태에대해별도의기준을마련하여야할것이다. 가압식과침지식의막모듈사양에관한기준으로모듈형태별막모듈의사이즈 ( 길이, 직경 ) 및외형 ( 통수방식등 ) 의복수표준화를최소화하고, 막모듈성능에관한기준으로투과유속및운전압력등을제시하여막여과처리시설의호환성이확보되도록표준화기준을도출하여야할것으로판단된다. 국내막표준화연구는 2005년이후환경부 Eco-STAR Project의일환으로연구가수행되어, 막표준화의기본개념을검토하고표준화추진전략에대한기본방향을제시한바있다 ( 서울시상수도연구원, 2007). 이를계기로 2006년 6월에국내막표준화공청회를개최하여막여과관련산 학 연및수도사업자등각계의의견을수렴하였고 2007 년 3월에는일본, 유럽의막표준화연구추진책임자들이세계최초로한자리에모여국제막표준화연구동향을발표하는국제막표준화공청회를성공리에개최하였다. 이러한연구노력을바탕으로국내막인증제도가확립된후인증된막모듈을대상으로구체적인국내수도용막표준화안이제시될예정이다. 4. 결론 MF/UF 막모듈에대한표준화의필요성은해외에서도충분한공감대가형성되어있지만여러가지이유로인해현재까지국제적인표준화가이루어지지못하고있는실정이다. 그러나, 이미일본에서는가압식막모듈에대한표준화기준이확정되었고, 유럽에서는침지식 MBR 표준화를위한연구가진행되는등막표준화에대한관심이높아지고있다. MF/UF 막의표준화의본질적인의미는다양한형태의 Table 5. 국내막표준화내용및중요성 표준화내용및범위필요성비고 제품사양에관한기준 제품성능에관한기준 막공극크기 중 MF/UF 구분은없어도수도용도에적합한상하한선은필요할수도있음 중공사직경 하 막재질및특성에따라다를수있음 모듈당막면적 하 막모듈당생산성과관계하나막재질및특성에따라다를수있음 모듈길이 상 막모듈교체시호환성을위해서는필수요소임 모듈직경 상 ( 중 ) 막모듈교체시호환성을위해서는필요 모듈외형 ( 통수방식 ) 상 ( 중 ) 막모듈교체시호환성을위해서는필요 투과유속 하 막모듈당생산성과관계하나막재질및특성에따라다를수있음 운전압력 중 막여과운전시배관및펌프등의설비호환성을위해필요할수도있음 Journal of Korean Society on Water Quality, Vol. 25, No. 1, 2009
6 홍승관 김세진 김하나 허현철 최영준 막모듈및시설의호환성을강화시키는것이다. 즉, 제조사별다양한치수와외형등을일정한규격으로통일함으로써호환성을증가시키는것이그목적인셈이다. 표준화가이루어지면막의호환성이증가되므로수도사업자는막여과처리시설의도입을결정하는데적어도호환성미흡문제로인해주저하지는않을것이다. 비록막의표준화에따라막제조회사들은심한경쟁을겪게되겠지만막관련업체들은기술개발에더많은투자를하게될것이고, 시민들은수준높은수질의물을공급받을수있어, 새로운수처리산업의성장동력으로주목받을것으로판단된다. 막표준화는국내뿐아니라국제적인동조를얻을수록그에따른효과가커지므로반드시공동의표준을갖도록노력하여야한다. 이와같이막표준화기술개발등을통해국제적으로경쟁력있는막산업기술을확보하게되면, 국내막산업의발전을도모할수있을것으로기대된다. 따라서, 하루빨리국내실정에맞는막표준화기준을도출하고시행하여국제표준화시선도적인역할을하고국내막산업의발전및국제적인위상을높을수있는계기를마련하여야할것이다. 참고문헌 서울시상수도연구원 (2007). 중대형막분리고도정수처리시스템개발및상용화. 환경부 Eco-Star Project 2 단계연구결과보고서. 한국물환경학회 (2006). 수도용막모듈및시설인증제도도입에관한연구. 한국상하수도협회 (2005). 국내막기술발전을위한중장기계획수립. 홍승관 (2005). 세계화를지향하는한국의물산업. 고려대학교부설환경기술정책연구소. AMEDEUS (2007). Towards standardisation of MBR technology. American Water Works Association (2005). Microfiltration and Ultrafiltration Membranes for Drinking Water. EPA (2001). Low-pressure Membrane Filtration for Pathogen Removal : Application Implementation, and Regulatory Issues. EPA (2003). Membrane Filtration Guidance Manual. NSF International (2002). Environmental Technology Verification Protocol. 사 사 본연구는환경부 Eco-STAR Project 수행기관인수처리선진화사업단 ( 과제번호 : I2WATERTECH 04-2) 의연구비지원에의해수행되었으며이에감사드립니다. 수질보전한국물환경학회지제 25 권제 1 호, 2009