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[해외논단] 일본의 막(membrane) 표준화 추진현황
다케오 모니와 교수 / 일본 동해대학교
2007년 05월 21일 (월) 00:00:00 편집국 waterjournal@hanmail.net

크리토스포리디움 제거 위해 ‘대공경막’ 개발

일본, 1991년부터 정부 주도 아래 막여과 기술개발 활발
최근에는 막 가격 인하·유지관리 편리성 등에 초점 맞춰


   
일본 동해대학교 다케오 모니와 교수는 지난 3월 30일 서울시 상수도연구소 대강당에서 수처리산진화사업단 주최로 열린 ‘막 표준화 공청회’에서 ‘일본의 막(membrane) 표준화 추진현황’에 대해 발표를 했다.
모니와 교수는 이날 발표에서 “막여과 기술은 이미 전세계적으로 선진국뿐만 아니라 개도국까지 상수처리용으로 널리 보급되어 있지만 미국과 유럽이 대부분의 기술 및 데이터를 차지하고 있으며, 일본, 한국을 비롯한 아시아 국가들은 아직 기술적인 면에서 뒤떨어져 있다”고 했다.
그는 특히 “상수도 수질의 경우는 여러 가지 다른 원수에 비해서 다른 성상을 가지고 있으므로 상수 용도에 맞는 막을 개발하는 것이 필요하며, 아울러 비용을 감소시키기 위해 투과플럭스(Flux)를 높이는 것이 필요하고, 막이 차단되었을 때 검출할 수 있는 sensing용 기술이 필요하다”고 주장했다. 
다케오 모니와 교수가 발표한 ‘일본의 막(membrane) 표준화 추진현황’을 요약했다. 

막 모듈 호환성·성능 향상 과제

막여과시설은 새로운 정수여과시스템으로서 현재 가동되고 있는 완속여과 및 급속여과 방식의 대체 방안으로 세계적으로 큰 규모를 갖고 있다.

막여과는 MF(Micro Filter·정밀여과막), UF(Ultra Fiter·한외여과막), NF(Nano Filter·나노여과막), RO(Reverse Osmosis·역삼투막) 등으로 나누어지며, 현재 일본에서는 MF와 UF를 주로 사용하고 있다.

MF와 UF의 특징은 저분자를 제외한 대부분의 물질을 거의 완벽하게 제거할 수 있으며, 스케일 층만으로 세균보다 작은 물질을 제거하기 때문에 급속여과나 완속여과에 비해 상당히 간단한 구조를 가지고 있다. 

일본에서는 MF를 대공경막과 기존의 정밀여과막으로 나누고 있다. 이와 같은 분류는 대공경막이 원수 여과시 상태성분을 충분하게 제공하지 않아 박테리아 및 바이러스를 제거하지 못하는 구조를 갖고 있으나, 기공크기가 2㎛로, 2㎛보다 큰 병원성미생물인 크립토스포리디움을 완벽하게 제거하는 특성을 가지고 있기 때문이다. 즉 대공경막은 크리토스포리디움을 제거하기 위해 개발된 막으로 MF의 새로운 분류로 인정한 것이다.

   
▲ 막여과 기술은 이미 전세계적으로 선진국뿐만 아니라 개도국까지 상수처리용으로 널리 보급되어 있다. 그러나 일본을 비롯한 아시아 국가들은 아직 기술력에서 뒤떨어져 있는 실정이다. 사진은 지난 3월 27일 준공된 한국수자원공사 수자원연구원 상하수도연구소 정밀여과막 시설.
막여과 기술은 이미 전세계적으로 선진국뿐만 아니라 개도국까지 상수처리용으로 널리 보급되어 있다. 그러나 미국과 유럽이 대부분의 기술 및 데이터를 차지하고 있으며, 일본을 비롯한 아시아 국가들은 아직 기술력 면에서 뒤떨어져 있는 실정이다.

이에 일본은 1991년부터 정부 주도하에 체계적인 막 공정 연구를 통해 막여과 기술 개발을 추진해오고 있다. 1991년부터 1994년까지 ‘MAC21’ 프로젝트를 시행, 5천 톤 미만의 소규모 시설에 막여과 보급을 시작했다. 이 프로젝트는 현재 한국에서 진행중인 ‘Eco-Star’프로젝트와 동일하며 같은 수온의 물을 가지고 21개의 엔지니어링 업체가 참여해 평가를 받았다.

‘MAC21’ 프로젝트 결과를 토대로 1994년부터 1997년까지 3년에 걸쳐 ‘고도처리 MAC21’ 프로젝트를 실시했다. 이 프로젝트는 막 프로세스와 고도처리 프로세스를 복합화 시켰을 때 어떠한 효과를 나타낼 수 있는 지에 대한 검증이 목적이었다.

이후 ‘ACT21’ 프로젝트를 1997년부터 2001년까지 5년간 MBR의 대용량 적용과 이때 발생하는 문제점의 해결을 목표로 진행했다. 2002년부터는 막여과의 효율성 증가를 위한 ‘e-Water’ 프로젝트를 3년간 진행했으며, 현재는 2005년부터 실시하고 있는 ‘e-WaterⅡ’ 프로젝트가 진행 중이다. 이 프로젝트는 기존 정수시설에 막여과 시설 도입시 발생할 수 있는 문제점과 응집제에 알루미늄 대신 철을 사용했을 때의 효과 분석 등을 종합적으로 검사한다.

이와 같은 프로젝트의 진행으로 일본은 2005년 기준 막여과 도입시설이 550개소로 하루 62만2천 톤의 물을 정수하고 있으며, 올해 4월부터는 정수용량 8만 톤의 막여과 정수장이 도입된다.

그렇다면, 막여과는 종전의 정수시스템에 비해 어떤 장점이 있기에 많은 연구와 개발이 진행되는 것일까?

첫째, 간단한 공정 체계로 인해 건축기간을 크게 단축시킬 수 있다. 둘째, 유지관리 비용을 절감시킬 수 있으며, 때에 따라서는 물리공정이 가능하다. 셋째, 유지관리를 외부에 위탁을 줄 수 있고 넷째, 시설의 분산, 자동화, 원격제어 IT기술 등을 충분히 활용할 수 있다. 분산형 시스템이 가능하다는 것은 재해 시 물량을 확보할 수 있다는 장점을 가진다.

특히 일본처럼 지진이 많은 나라에서 재해 발생시 물을 확보할 수 있다는 것은 커다란 장점으로 작용한다. 그러나 역으로 분산형이 가능하다는 것은 막여과 기술이 규모 확장에 경제성이 없다는 것을 말할 수도 있다.

이러한 막여과 시설이 더욱더 발전하기 위해서는 △막 모듈의 호환성 △막의 성능 향상 △비용의 감소 △막 모듈의 선택성 향상 등이 필요하다.

유기막 등은 소모품이기 때문에 여러 업체에서 막을 제조하고 있지만 통일된 규격이 없어 한 회사 제품을 계속해서 사용해야 하는 문제점이 있다. 또한 막 관련 설비들은 비용이 높기 때문에 이에 대해 어떻게 가격을 낮출 것인지가 큰 과제중 하나이다.

특히 막 자체의 성능향상이 무엇보다 필요한데 예를 들면 높은 여과능력을 유지하면서 긴 수명을 유지할 수 있는 막의 성능향상이 막여과 시설의 발전 및 도입에 도화선이 될 것이다. 그리고 막 모듈의 선택성의 향상도 큰 과제중의 하나이다. 수도용 막은 원수의 성량에 따라 큰 차이를 나타내기 때문에 큰 기능을 가진 모듈을 선택하는 것이 가장 중요한 과제이다.

또한 대용량 시설의 막을 도입하기 위해서는 수도전용 막을 개발하는 것과 유지 관리비를 얼마만큼 감소시킬 수 있느냐가 중요하다. 지금까지 상수도에 사용하던 막은 상수용이 아닌 다른 용도의 막을 사용하는 방식이었다.

그러나 앞으로는 특히 상수도 수질의 경우는 여러 가지 다른 원수에 비해서 다른 성상을 가지고 있으므로 상수 용도에 맞는 막을 개발하는 것이 필요하다. 아울러 비용을 감소시키기 위해 투과플럭스(Flux)를 높이는 것이 필요하고, 막이 차단되었을 때 검출할 수 있는 sensing용 기술이 필요하다.

대규모의 정수시설에서 약품세정은 on-site로 시행한다. 따라서 on-site 약품세정을 했을 때 막 모듈을 완벽하게 회복시킬 수 있는 기술이 필요한데 이는 세정제까지 관리하는 것을 포함한 것이다.

그리고 앞서 설명했듯이 막 모듈의 호환성, 즉 표준화가 필요하다. 일본 수도사업은 공공사업이기 때문에 “왜 그 막을 사용했는지?”에 대한 명확한 근거가 필요하다. 또 장래에 좋은 막이 개발돼 그 막을 사용하려고 해도 의회에 승인을 얻을 수 있는 근거가 없다. 이외에도 폐색된 막에 대한 폐기 및 재이용에 대한 명확한 규정과 약품 세정 등 유지관리를 할 수 있는 공통의 회사를 설립하는 것도 필요하다.

일본 수도기술연구센터(JWRC)가 ‘e-Water’ 프로젝트에 참가한 기업 및 지자체에게 막여과와 관련 설문조사를 한 적이 있다.

‘산업체에서 생각하는 표준화란 무엇인가?’에 대한 질문에 60%가 ‘완전히 호환되는 것’이라고 대답했으며, ‘유기별로 호환성’20%, ‘접속부분만 호환성’10%라고 답변했다.

‘막 도입 및 시설을 검토한 적이 있는가?’ 라는 질문에는 45%가 ‘있다’고 했으며, 15%는 ‘검토중’이라고 대답했다. 이중 검토하고 있다고  대답한 지자체에게 ‘다수의 막을 검토해 본적이 있는가?’라는 질문을 했는데, 89%가 ‘다수의 막을 검토했다’고 대답했다.

또한 ‘현재 막 도입의 일정한 규율이 없다는 부분에 대해 어떻게 생각하는가?’ 에 대한 질문에 62%가 ‘불편함을 느낀다’고 했으며, ‘막 표준화가 필요한가?’라는 질문에는 무려 95%가 반드시 표준화를 해야 한다고 대답했다.

그 이유에 대해서는 ‘한 회사에 제한되지 않는다’, ‘다양한 모듈의 호환성을 가지고 있기 때문에 어떤 막이든 교체할 수 있다’, ‘가격이 떨어지고 공급 불황이 해소된다’ 등의 의견이 있었다.

이러한 설문조사 및 수도사업체의 요구에 따라 JWRC는 막 표준화의 필요성을 느끼고 표준화 도입을 검토했다. 더욱이 표준화 도입은 중·대규모 막여과 시설의 도입 배경으로 작용할 수 있으며, 입찰 및 갱신 시에 여러 모듈을 검토할 수 있는 기반을 마련할 수 있기 때문에 도입 추진은 신속하게 이루어졌다. 이밖에 표준화 도입은 모듈의 호환성을 통해 비용을 절감시키며, 재해 시에도 물 공급에 대한 위험을 감소시키는 작용을 한다.

역삼투막, 세계적으로 표준화

막 모듈 표준화에 대해 역삼투막(RO)은 이미 세계적으로 표준화가 되어 가고 있으나, MF나 UF는 아직까지 표준화가 이루어지지 않고 있다. 이는 막 자체의 복잡성에 기인한 것이다.

막은 소재에 따라 유기막과 무기막으로 구분할 수 있다. 유기막은 유지관리 비용을 절감시키며 시설규모가 작다는 장점이 있으나 수명이 5∼10년 밖에 안되는 단점이 있다. 반면, 무기막은 수명이 길고 외압 및 내압에 우수하다는 장점이 있으나 유지관리 비용이 비싸고 설치면적이 크다는 단점이 있다.

   
▲ 일본은 지난 1991년부터 정부 주도하에 체계적인 막 공정 연구를 통해 막여과 기술개발을 추진해오고 있다.
또한 분리막 모듈 형태에 따라 △나권형(Spriral-wound) △중공사형(Hollow-Fiber) △관상형(Tubular type) △평판형(Plate&Frame type) △모노리스형(Monolith type)으로 분류할 수 있다.

‘나권형 모듈’은 입구가 한쪽인 봉투와 같은 형태의 평막 사이에 물이 흐를 수 있는 공간을 두었으며, 막과 막 사이에는 폴리프로필렌 재질의 Mesh Space를 두어 원수가 흐를 수 있도록 했다. 나권형 모듈은 가격이 싸기 때문에 많이 사용되며, 중공사형 모듈만큼 촘촘하지는 않지만 형태가 정해져 있지 않기 때문에 여러 가지 환경과 공정에 다양하게 적용할 수 있다.

‘중공사형 모듈’은 가압용기(Pressure vessel) 속에 빈 공간이 있는 섬유성 실을 수천 개에서 수만 개씩 배열시킨 형태이다. 투과방식에 따라 내압식과 외압식으로 분류되며, 내압식은 원수가 막 내부에서 흐르며 막 외부로 처리수를 흐르게 하는 형식이고, 외압식은 원수는 막 외부에 위치, 처리수는 막 외부에서 내부로 흐르는 형식이다.

‘관상형 모듈’은 내압용기 안에 파이프 형상의 분리막 구성요소를 여러 개 모아 놓은 형태로, 다른 모듈에 비해 공급액 유로 입구가 크고, 공급액의 유속을 크게 할 수 있는 구조로 되어 있다. 때문에 막 면상에 스케일 형성이 적다.

‘평판형 모듈’은 각 모듈의 간격 조절 및 고농도의 현탁물질을 함유한 원수의 적용이 가능하다. 여과 면적을 넓게 하기 위해 부채형태로 접기도 한다. 이 모듈은 지지판의 양면에 평막을 붙인 것이고, 작은 공간을 경계로 일정한 간격으로 층을 이루어 모듈화 한 것이다.
‘모노리스형 모듈’은 유기막과 무기막이 있으며, 충진밀도는 작으나 유로 면적이 커 고농도 현탁물질을 함유한 원수에 적용 가능하다.

이와 같이 막에는 여러 가지 형태가 있으며, 전세계적으로 수백 종류가 있다고 추정하고 있다. 수백 종류의 막을 획일화하고 표준화하는데 있어 해결해야 될 문제들은 앞에서도 언급했듯이 △막 모듈의 호환성 미흡 △시장원리 적용의 어려움 △단일 메이커 공급에 따른 공급 불안 등의 과제가 있다.

JWRC에서 진행한 막 표준화에 대해서 그 경과보고를 간략하게 설명을 하면 다음과 같다. JWRC는 2004년 5월 막 표준화를 위해 ‘막표준화위원회’를 설립했다. 필자는 지금 위원회의 위원장을 맡고 있는데, 막표준화위원회는 일년간 총 3회의 심의를 걸쳐 각 분과의 의견을 종합해 시행계획을 수립, 2005년 5월 JWRC에 제출했다. JWRC는 이 시행계획을 토대로 위원회에서 수정안을 작성 그해 7월에 첫 번째 안을 발표했다.

   
현재 일본에는 막과 관련해 JWRC를 비롯해 3개의 인증제도가 있다. 첫째, 막 모듈 자체의 성능을 평가해 인증하는 제도가 있으며, 둘째, 막의 투과플럭스 및 내압성, 재료 등을 평가 인증하는 제도가 있다. 이 평가는 막 관련 산업체가 설립한 ‘막분리기술진행협회’에서 평가하고 인증서를 발급하고 있다.

셋째, JWRC에서는 막분리기술진행협회에서 인증한 막에 관해 상수도 설비에 적합한지를 평가해 인증한다. 다시 말해 엔지니어링 업체가 각각의 막을 사용해 실제로 원수를 정수할 수 있는지, 운전이 가능한지, 어떤 설비를 하는지에 대한 평가를 JWRC에서 하고 있다.

이 평가는 6개월 이상 일정조건에서 시행하며, 실험결과에 대한 타당성여부를 평가받아야 비로써 수질에 대한 막으로 사용할 수 있다. 각 사업체는 이러한 인증제도를 통한 결과를 토대로 실제 시공계획에 반영한다. 

탱크 침지형 등 4가지 표준화

앞서 설명했듯이 막 여과 시설에 사용되는 막 모듈은 여러 종류가 있으며, 표준화에 있어 가장 어려운 과제는 “그것을 어떻게 정리하느냐?”이다. 막 모듈 표준화를 위해 JWRC가 실시한 것은 각각에 시판되고 있는 막을 분리하는 작업이었다.

첫 번째 단계에서는 여러 카테고리를 나누어 그 카테고리에 각각의 막을 정리했다. 두 번째 단계에서는 각 카테고리 속의 모듈 형상을 동일화시키는 작업을 했다. 형상의 동일화에는 특허문제 등이 발생한다. 이에 JWRC는 특허문제 발생 시 그 특허를 보유한 업체에게 발전된 단계로의 개량을 염두에 두고 있는지에 대한 사전질문을 통해 “그렇다”고 대답한 카테고리에 대해서만 표준화를 진행했다.

이때 로열티 지불 등의 문제가 발생할 수 있는데, 그 부분에 대해서는 막 메이커 자체 내의 조율을 통한 합의를 할 수 있도록 JWRC가 조정한다. 세 번째 단계에서는 중규모 이상에 사용되는 모듈과 현재 연구·개발되고 있는 모듈에 대해서도 카테고리에 포함시켰다. 이는 신기술에 대한 연구의 보호를 통해 지속성을 유도한 것이다.

JWRC가 표준화에 있어 가장 중점을 둔 것은 상호 호환성이며, 투과플럭스 및 내구성 등은 제외 시켰다. 이는 모듈 자체에 대한 인증은 막분리기술진행협회에서 주관하고 있기 때문이다. 다만 최소한의 유색과 박테리아 제거성능을 검토했으며, 치수 및 구조부문에 일정한 규격을 가져야 한다는 것에 중점을 두었다.

이러한 절차를 통해 JWRC는 각 모듈에 적합하다는 라벨을 부여하게 된다. 그러나 이 라벨을 부착한 모듈만 사용해야 한다는 강제성이 있는 것이 아니며, 어디까지나 시공사가 막을 선정하는데 있어 참고용일 뿐이다.

현재 JWRC가 표준화한 모듈은 △수직형 케이싱(cssing) 일체형 △수평형 케이싱 수납형 △수직형 케이싱 수압형 △탱크 침지형 등 4가지 부분이다.

수직형 케이싱 일체형은 막 엘리먼트와 케이싱이 일체로 제작된 세로형 구조로 케이싱과 엘리멘트를 동시에 교환해야 한다. 크기에 따라 1-A([원지름 마크 O+/ ] 200㎜ × L 2천300㎜), 1-B(O+/ 300㎜ × L 1천700㎜), 1-C(O+/ 450 × L 1천700㎜)으로 분류했다.

수평형 케이싱 수납형은 막 엘리먼트와 케이싱이 각각 독립되어 있고 복수의 막 엘리먼트가 수납되어 있는 가로형 구조이다. 케이싱은 항구적인 재료로 제작되며, 수납된 막 엘리멘트만 교환한다. 이 모듈은 현재 한 가지 타입으로 2-A(200㎜ × L 3,600㎜)으로 분류했다.

수직형 케이싱 수납형은 막 엘리먼트와 케이싱이 독립되어 있고 복수의 엘리멘트가 수납되어 있는 세로형 구조이며, 탱크 침지형은 일반적으로 개방형 탱크에 복수의 막 엘리멘트가 수납되어 있는 구조이다. 이 두 가지에 대한 표준화 타입은 검토 중에 있다.

현재 모듈 표준화는 1-A가 3개, 1-B 2개, 2-A 2개 등 7개의 모델이 있으며, 이러한 표준화 모델에 대한 장치 인증을 받은 곳은 85군데가 있다.

최근 일본에서는 막 모듈에 대한 생산단가가 많이 저하가 되고 있다. 이는 막 모듈 표준화의 효과로 파악되고 있으며, 막 모듈 표준화는 올해 4월부터 추진되는 대용량 모듈 도입에도 크게 기여할 것으로 생각된다.

향후 일본은 막과 관련, 모듈의 성능 및 비용 등에 대한 교정이 큰 이슈가 될 것으로 판단되며, 저 가격이라든가 유지관리의 편리성 등에 초점이 맞추어 질 것으로 예상된다.


 

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