친환경 수처리 기업 부강테크(대표 최문진, www.bkt21.co.kr)의 주력 기술인 Proteus가 세계 시장에서 전통적인 중력식 침전지를 대체할 ‘하수 1차 처리의 새로운 표준’으로 주목받고 있다. 

하수처리장의 1차 처리 시설은 침사 및 스크린 설비와 구분되는 시설로, 중요한 에너지원으로 사용되는 생찌꺼기(슬러지)를 회수해 바이오가스 시설의 에너지 생산량을 증대하고 후속 공정의 부하 저감 및 안정적인 운영을 통해 사용 에너지를 크게 절감할 수 있어, 최근 세계적으로 하수처리장의 에너지 자립화를 위한 필수 공정으로 인식되고 있다. 

과거에는 1차 처리 시설로 중력식 침전지를 주로 이용했지만 큰 면적의 부지가 필요하고 유입수의 성상에 따라 처리효율도 불안정해, 최근에는 소요부지를 줄이고 성능을 크게 향상시킨 다양한 1차 처리 기술이 시장에 등장하고 있다. 

특히 최근 활발히 진행되고 있는 국내 대형 하수처리장의 지하화 사업에 부지집약이 가능한 1차 처리 기술은 필수적이며, 해외에서도 기존 침전지의 기능을 향상시키고 여유 부지를 확보하기 위해 기존 중력식 침전지의 구조물을 그대로 활용하면서 신기술로 대체하는 사업이 활발히 추진 중이다. 이런 시대적 요구를 충족할 수 있는 기술이 바로 부강테크의 Proteus다. 

하수처리장 에너지 자립화를 위한 혁신적이고 다재다능한 1차 처리 기술

Proteus는 여과지 내부에 십자 형태의  부상 여재(media)를 투입하고 유입수를 높은 선속도로 통과시켜 부하 변동과 슬러지 침강성에 영향을 받지 않고 유입수 내 고형물과 유기물을 빠르게 제거하는 상향류식 고속여과 공정으로, 전통적인 중력식 1차 침전지를 대체할 수 있는 획기적인 기술이다.

특히, 기존 중력식 침전지의 20% 정도의 부지만 사용하고 타 기술과 달리 화학물질을 전혀 사용하지 않고 하수 내 고형물과 유기물을 더 많이 처리하는 신기술이다. 또한 여재 교체가 필요 없고 역세척이 간단해 최근 문제가 되고 있는 마스크나 물티슈 등의 이물질이 유입되더라도 운영에 문제가 없어, 1차 처리 시설의 새로운 패러다임으로 주목받고 있다.

하수 1차 처리 과정에서 고형물과 유기물(에너지원)을 최대한 빠른 속도로 많이 분리해 낼수록 하수처리에 필요한 에너지를 더 많이 생산할 수 있고 후속 공정의 에너지 소모도 최소화된다. Proteus는 고형물 회수율이 최대 80%로, 기존 중력식 침전지에 비해 높은 에너지원 확보가 가능하다. 따라서 하수 슬러지 등 각종 유기성 폐자원의 통합 소화를 통해 신재생에너지 생산을 극대화할 경우 하수처리장의 에너지 자립화와 탄소저감을 통한 기후변화 대응에 핵심적인 역할을 할 수 있다. 

Proteus는 제거 목적에 따라 하·폐수 1차, 2차, 3차 고도처리에 필요한 전 공정을 최적화할 수 있는 장점도 갖고 있다. 1차 처리에 사용할 경우 기존 3시간 정도의 체류시간을 필요로 하는 중력식 침전지 대신 물리적 고속여과를 통해 약 15분 이내에 처리가 가능한 획기적인 공정이다. 2차, 3차 고도처리의 경우 미생물을 이용한 생물학적 처리와 물리적 여과를 동시에 수행하여 유기물뿐만 아니라 질소까지 빠른 속도로 처리할 수 있도록 해준다. 뿐만 아니라 1차 고속여과에 생물학적 기능을 추가하여 유기물까지 처리가 가능하여 초기우수 또는 간이공공 시설까지 적용이 가능한 다재다능한 기술이다. 

부강테크는 물리적 여과와 생물학적 처리 기술을 결합해 다양한 하·폐수 처리에 적용 가능하고 하수처리장의 절감된 부지를 다양한 용도로 활용할 수 있는 특징을 고려해 기술 명칭을 ‘그리스 신화에 등장하는 변신이 자유로운 신’인 Proteus로 명명했다. 

세계시장이 주목한 ‘검증된’ 부지절감 기술력

Proteus의 최대 강점은 획기적인 부지집약 기술이다. 부강테크는 2018년, 국내 1호 하수처리장인 서울시 중랑물재생센터 현대화 사업을 진행하면서 하루 25만㎥ 규모의 1처리장에 기존 중력식 침전지 대신 Proteus를 적용해, 1차 침전지 부지 85%, 전체 하수처리장 부지 60% 이상을 절감함으로써 하수처리장을 지하화하는 데 기여했다. 

또 2021년에는 국내 최대 하수처리장인 서울시 서남물재생센터에 중력식 1차 침전지 대신 Proteus를 적용해 기존 1차 침전지 부지를 83% 절감했다. 특히 서남물재생센터에 적용된 Proteus는 평상시 하루 36만㎥의 유입 하수 내 고형물을 제거하고 강우 시에는 하루 72만㎥의 초기우수를 처리할 수 있는 개량 하이브리드형 기술로, 초대형 하수처리장에서 이 같은 부지 절감을 실증한 기술은 Proteus가 세계에서 유일한 것으로 알려졌다. 

미국 물환경연구재단(이하 WERF)이 운영하는 기술지도자혁신포럼(이하 LIFT)은 부강테크가 중랑물재생센터에서 거둔 부지 절감 성과를 인정해 2019년 11월, Proteus를 ‘이달의 기술’에 선정했다. LIFT는 WERF 공식 홈페이지에서 ‘Proteus는 기존 기술에 비해 부지를 획기적으로 절감해 하수처리장의 부지 부족 문제를 해결하고 더 많은 고형물을 초기에 분리해 냄으로써 에너지 효율을 높인 기술’이라고 평가했다. LIFT는 하수처리를 수행하는 미국 지방정부의 요구에 부합하는 혁신 기술을 엄선해 시장 조기 진입을 지원하는 프로그램이다. 

한편, 부강테크가 중랑물재생센터와 서남물재생센터에서 거둔 성과를 정리한 Proteus 논문은 미국 물환경연합 주최 세계 최대 물 산업 이벤트인 ‘WEFTEC 2021’에서 블루테크 리서치(BlueTech Research)로부터 ‘The 50 Abstracts’에 선정돼 큰 관심을 받았다.

기후변화 시대, 하수 1차 처리의 새로운 표준

부강테크 미국 자회사 Tomorrow Water(대표 김동우, www.tomorrowwater.com)는 세계 최초로 초기우수 처리에 생물학적 공정을 적용하는 현장 평가를 진행해 안정적인 TSS(84%)와 BOD(81%), 대장균(45〜78%) 처리효율을 증명했다. 이는 미국 미시간주 제네시 카운티 앤서니 라그논 하수처리시설(Anthony Ragnone Treatment Plant, ARTP)에서 일반 하수는 물론 실제 초기우수를 처리하며 2019년 6월부터 2020년 4월까지 1년여에 걸쳐 입증해낸 결과다. 블루테크 리서치는 초기우수 처리에 대한 시장의 높은 관심을 반영해 Proteus+ 현장평가 논문을 ‘WEFTEC 2020’에서 가장 주목해야 할 베스트 프레젠테이션 Top 10에 선정했다. 

도시화와 기후변화 등으로 인해 하수처리장이 처리해야 하는 용량과 패턴에 급격한 변화가 발생하면서 하수처리장의 처리 능력, 처리 방식 등에도 신속한 변화가 요구되고 있다. 하지만 기존 처리장의 성능을 개선하기까지는 의사 결정이 오래 걸리고, 결정이 신속히 내려진다 해도 기존 처리장의 부지 제약으로 인해 원하는 방식의 개선이 어려운 상황이다. 기존 구조물을 최대한 활용하고 1차 침전지를 개선해 부지를 만들어 낼 수 있는 Proteus 기술에 대한 관심이 높아지는 이유다.

미국 물위원회(The Water Council, 이하 TWC)는 2021년 10월, ‘파일럿 콘테스트’에서 초기우수 문제를 해결할 최고의 기술로 Proteus+를 선정했다. 세계 유수의 물기업들을 제치고 우승한 Tomorrow Water는 TWC, 밀워키 메트로폴리탄 하수처리시설(Milwaukee Metropolitan Sewerage District)과 협약을 체결하고 6개월 일정으로 현장 적용성 평가를 진행했다. 밀워키시의 사우스 쇼어(South shore) 하수처리장에서 Proteus 성능 검증을 성공적으로 마친 Tomorrow Water는 현재 밀워키시가 준비중인 1차 침전지 개선 및 초기우수 관련 사업 수주에 박차를 가하고 있다. 

최근 미국에서는 오염물질을 다량 포함한 초기우수(Wet Weather Flow)를 신속히 처리하기 위해 기존의 중력식 침전지를 최신 1차 처리 기술로 대체하고 동일 부지에서 1차 처리와 동시에 강우 시 2〜4배 이상의 유량을 처리할 수 있도록 시설을 개량하는 사업이 활발히 진행되고 있다. 

김동우 Tomorrow Water 대표는 “기후변화에 의한 집중 강우가 잦아지면서 전 세계 하수처리장들이 초기우수 처리 문제로 고민하고 있다. 미국과 영국 정부 등은 이미 대규모 사업 예산을 짜기 시작했는데, 현실적으로 Proteus 외에는 검증된 기술이 거의 없는 상태다. 서울 중랑과 서남물재생센터 등에서 수년간 대규모 초기우수 처리를 성공적으로 수행한 실적과 경험이 미국 사업에 큰 도움이 되고 있다”라고 말했다. 

김동우 대표는 이어서 “최근 환경 선진국인 미국의 밀워키시에서 오히려 서울시에 초기우수 처리 및 Proteus 성능 관련 인터뷰를 요청하고 있는 실정이다. 미국 물위원회가 소재한 밀워키시는 150년 미국 하수처리 역사상 최초로 생물학적 처리를 도입한 곳으로 미국 하수처리장의 성지와 같은 도시다. 그런 밀워키시가 환경 분야의 변방으로 알려진 한국이 오래 전에 이미 이러한 시설을 건설했다는 사실에 놀라고 있다. Tomorrow Water는 현재 미국 지방정부로부터 60여 개 이상의 제안과 현장 검증 요청을 받고 있는데, 이런 시장 요구를 충족시켜 부강테크 핵심기술인 Proteus가 기존 중력식 침전지를 대체하는 1차 처리 기술의 새로운 표준으로 자리잡도록 하겠다”고 덧붙였다.

‘개도국의 물복지 확대’ 위한 TWP 핵심기술

부강테크는 개도국의 물 복지 확대를 위해 ‘투모로우 워터 프로젝트(Tomorrow Water Project, 이하 TWP)’를 추진하고 있다. 2016년, UN SDGs(유엔 지속가능개발목표) 플랫폼에 공식 이니셔티브(#SDGAction 40493)로 등재된 TWP는 하수처리장과 바이오가스 생산시설, 데이터센터를 한 부지에 경제적으로 통합 건설하는 프로젝트다.

부강테크는 이를 위해 단일반응조에서 단 15분〜20분이라는 짧은 체류시간(HRT) 동안 고형물과 용존성 유기물을 최대 10mg/L까지 처리할 수 있는 Proteus+와 메인스트림 아나목스(Mainstream AMX)를 결합한 다운스트림(Downstream) 공정을 구성하고, 현재 유입부터 방류까지 6〜10시간이 걸리는 하수처리 소요시간을 획기적으로 단축하는 R&D를 진행하고 있다. 

중랑물재생센터 1처리장 현대화 사업에 Proteus를 적용해 하수처리에 걸리는 시간을 이미 2.8시간으로 단축했지만, 현재는 2시간 이내로 줄이기 위해 노력 중이다. 하수처리 소요시간을 2시간 이내로 단축하면 처리시설의 용적을 줄일 수 있고 에너지 사용량도 60% 이상 절감할 수 있다.

미국 LA시, 세계적인 엔지니어링 기업인 블랙 앤 비치(Black & Veatch)와 함께 진행 중인 Mainstream AMX 공정 개발이 현재 막바지 단계에 돌입함에 따라 조만간 세계 최초의 Mainstream AMX의 성공과 함께 2시간 이내의 초고속 하수처리 시대가 열릴 전망이다. 

김동우 대표는 “Proteus+는 한 반응조로 미국 연방정부의 방류수 수질기준(BOD, SS<30㎎/L)을 충족시킬 수 있고, Mainstream AMX와 연동하면 2시간 이내의 HRT도 가능해진다. 우리는 이 기술로 ‘적정기술’이라는 타협 하에 수질을 제대로 지키지 못하는 현실을 개선해 개도국도 안전하고 깨끗한 물을 누릴 수 있도록 하겠다”고 말했다.

부강테크는 TWP 추진을 통해 경제적인 하수처리를 위한 다운스트림 공정과 유기성 폐자원 통합 소화를 위한 업스트림(Upstream) 공정 개발, 그리고 하수처리장의 설계·시공·운영 등 가치사슬(Value Chain)을 개선하는 Water AI 등이 성과를 내면서 SDGs 리더십을 인정받고 있다. 부강테크는 최근 UN SDGs협회가 발표한 ‘2022 지속가능개발목표경영지수(SDGBI) 글로벌지수’에서 수처리 기업 중 유일하게 4년 연속 최우수그룹에 선정되었으며, 김동우 대표는 4년 연속 ‘글로벌 지속가능 리더 100인’에 선정되었다.

혁신기술 적용 막는 현행 하수도 설계기준 개정 절실

세계적인 물 시장 조사기관인 글로벌 워터 인텔리전스(Global Water Intelligence, GWI)는 지난해 하수 1차 처리 관련 ‘세계 10대 선도기술’에 Proteus를 선정했다. 미국 환경부도 중력식 침전지를 대체할 차세대 1차 처리 기술로 Proteus를 소개하고 있다. Proteus는 세계적인 하수처리 공정 모델링 소프트웨어인 GPS-X와 BioWin에 고속여과(High-rate Filtration) 표준기술로 등재된 유일한 한국 수처리 기술이기도 하다. 

1차 처리 시설로 Proteus를 도입해 운영 중인 중랑물재생센터와 서남물재생센터에는 테트라 테크(Tetra tech), 씨디엠 스미스(CDM Smith) 등 세계 유수의 엔지니어링 기업들의 방문 의뢰가 이어지고 있다. 하지만 Proteus는 정작 자신의 고향인 한국에서는 제대로 된 대접을 받지 못하고 있는 실정이다. 

부강테크 대형사업팀 윤용준 팀장은 “최근 국내에서 진행되고 있는 하수처리장 지하화 사업은 부지 집약화가 관건이지만 현행 하수도 설계 기준은 1차 처리 시설을 중력식 침전지로 제한하고 있어, 큰 소요부지가 필요하고 공사비가 많이 들더라도 울며 겨자 먹기로 중력식 침전지를 사용할 수밖에 없는 실정이다. Proteus와 같은 신기술은 설 자리를 찾지 못하고 있으며, 공사비를 감당하지 못해 아예 1차 처리 시설을 생략하는 웃지 못할 일들이 벌어지고 있다”고 말했다. 

실제로 가장 최근에 진행된 제주하수처리장 현대화 사업에서도 이 같은 모순이 발생했다. 기술의 해외 진출을 위해서는 기술 보유국에서의 실적용 사례는 반드시 필요하다. 정부가 기술의 세계화를 강조하면서 다양한 방법으로 지원을 모색하고 있지만 정작 국내 사업은 참여조차 못하는 아이러니한 상황인 것이다.

미국의 경우 하수처리시설과 관련한 중요한 기술적 진보 사항을 수시로 체크해 설계 기준을 개정하고 있다. 최근에는 하수처리장의 에너지 생산 및 에너지 저감이라는 목표를 세우고 새로운 기술이 적용된 1차 처리 시설을 도입하는 데 힘을 쏟고 있다.

한국도 하수처리시설 설계 기준과 관련해 상시개정 제도를 운용하고는 있지만 오랜 기간이 소요되고 기준 개정의 최종 심의권도 국토교통부로 이원화돼 있어 세계적인 환경 트렌드에 신속히 따라가지 못하고 있다. 한국 시설 기준이 외국과 동일할 수는 없겠지만 기술 검토 실무자들이 실질적으로 사용하는 하수도 시설 기준 등의 지침서에 에너지 자립과 같은 중요한 이슈들이 신속하게 반영돼야 하고 국가적 차원의 신기술 개발과 도입 지원도 절실한 실정이다.

[『워터저널』 2022년 12월호에 게재]