국내 막 기술 발전방향에 관한 공청회 2005년 7월

국내 막 기술 발전방향에 관한 공청회 (2005년 7월 29일) 해외 선진국 막 산업 발전 사례 홍 승 관 교수 (공학박사/기술사) 고려대학교 공과대학 사회환경시스템공학과 (구 토목환경공학과)

발표 목차 • 해외 선진국의 막 정수처리 산업 현황 • 미국 막 산업 발전 과정 • 일본 막 산업 발전 과정 (발표 자료 수집 및 준비 : 명지대 김한승, 정범석 교수)

세계 분리막 시장 현황 요약 • 1990년대까지만 해도 제조공정에 들 어가는 공업용수 위주로 매년 10% 이 상 성장 • 2000년대 들어서면서 부족한 음용수 수자원을 확보하는 쪽으로 급성장 • 수질 기준이 선진국을 중심으로 한층 강화될 전망이어서 분리막 수요가 더 크게 증대 • 전방산업별 분리막의 세계시장: 수처리의 비중이 가장 높고, 의료/의 약, 전자, 화학 분야에서 높은 비중을 차지

정수처리용 분리막 시장 성장의 구동력 해외 정수처리 용도 중 MF/UF 비중 • 경제성장 확대 국가 싱가포르 호주 네덜란드 미국 영국 이스라엘 MF/UF 비중 12. 0% 4. 0% 3. 1% 2. 5% 2. 0% 1. 2% • 환경규제의 강화 • 물부족 현상 및 가격급등 • 분리막 가격의 하락 정수분야에서 막 기술의 성장 가능성 매우 큼

해외의 막 관련 정수 처리 기술 현황 요약 • 자국의 상황에 적합한 막 분리 Integrated 시스템(IMS) 기술개발 - 일본과 유럽 ; 병원성 미생물 제거를 목적으로 정밀 및 한외여과 개발 - 미국 ; 주로 무기염 성분이 많고 오염도가 심한 원수 대상으로 나노 및 역삼투 여과 개발 • 기존 및 고도정수처리시설과 연계 · 대규모 막 분리 혼성시스템을 개발 - 운영·유지 관리 등이 용이하고 경제성이 뛰어난 대용량 막 분리 혼성 시스템 개발 • 소수의 다국적 대기업이 표준화되지 않은 시스템으로 세계 시장을 독점 - 미국, 일본, 프랑스, 캐나다, 호주 등의 선진국 MF/UF 제조사 중심

막분리 조합공정 (Integrated Membrane System) 다양한 Hybrid 공정의 개발 새로운 개념의 정수처리공정 기존 고도정수처리 공정과 연계·통합

전세계 및 국가 별 막 모듈 시장 현황 • 작년도 세계 분리막 시장규모: 87억 달러 (MF: 24억 달러, UF: 17억 달러) • 수처리 분야 크게 성장 • 국가별 시장규모: 미국, 일본, 독일 순 • 미국의 분리막 모듈 시장규모: 약 28 억 달러 (전체시장의 32%) • 일본의 분리막 모듈 시장규모: 약 11 억 달러 (전체시장의 13%) 미국과 일본은 각기 다른 막 기술 발전 과정을 거 침

막 기술 발전 과정 (미국) • 1960년대 상업적 역삼투막 개발 등 막 제조기술 개발 (UCLA, UF) • 1970년대 pilot 규모의 desalting plant 연구 • 1980년대 소독부산물의 문제 대두 ⇒ LPRO (NF) 막 소재 및 고효율 막 여과 시스템 개발 • 1990년대 병원생 미생물 규제 강화 ⇒ 제균 제탁의 중공사형 MF/UF 막 공정의 수처리 적용 활발 • Florida 경우, 연수화 NF 막여과 공정의 대규모 시설 적용 활발 • 현재 10, 000톤/일 이상의 중 대규모 막여과 시설 40 여개 가동중 • 관 (US EPA) 및 민 (AWWARF)의 막 정수 처리 공정 적용 연구지원: ⇒ 수도법에 따른 개별적인 막 규정 (예, 지표수처리법) ⇒ 막여과 시설의 설계 및 운전 매뉴얼 막 제조 원천기술을 바탕으로 수질 강화에 따른 필요성에 의해 점진적 으로 막여과 정수처리 기술이 발달

미국 수도사업자의 Regulatory Dilemma 위험 도 병원성 미생물 소독부산물 Agreement Zone 소독제사용 • 소독부산물을 저감을 위해 유기물 제어 : RO/NF membranes • 병원성 미생물 제거: MF/UF membranes

막여과 기술 도입의 필요성 (미국) 기존 정수처리공정의 병원성미생물 제어상 문제점 응집제 모래여과 응집 침전 Cl 2 병원성미생물을 제어하는 지표수처리법 확대 소독부산물에 대한 수질기준 강화 원생동물의 완벽한 제거 소독제 사용량 저감

막여과 시설 도입 현황 (미국) 소규모시설 : 5, 000㎥/d 이하 81개소 (67%) 중규모시설 : 5, 000 - 50, 000㎥ /d 35개소 (30%) 대규모시설 : 50, 000㎥/d 이상 4개소 (3%) UF/MF: 300 mgd as of 2001 (US EPA)

미국의 지표수처리법의 변천 과정 • SWTR ; 3 -log Giardia, 4 -log Virus • IESWTR 10, 000명 이상에 공급되는 시스템 유출 탁도제어에 초점 (0. 3 NTU), 2 -log Cryptosporidium • LT 1 ESWTR 10, 000명 이하에 공급되는 시스템 • LT 2 ESWTR Cryptospotidium 의 평균 유입농도에 따라 추가적인 Cryptosporidium 제거기준을 만족시킬수 있는 수처리 시스템 요구

LT 2 ESWTR (Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule) 추가처리 요구 사항 현 여과 공정 농도 (oocysts/ L) 표준여 과 직접여 과 완속 및 규 조토여과 막여과 등 기타여 과 기술 1 < 0. 075 2 0. 075~1. 0 1 log 1. 5 log 1 log 총 제거율: 4 log 3 1. 0~3. 0 2 log 2. 5 log 2 log 총 제거율: 5 log 4 3. 0 2. 5 log 3 log 2. 5 log 추가처리 필요 없음 처리기술 명시: 오존, 이산화염소, UV소 독, 막여과, 카트리지 필터, 강변여과 총 제거율: 5. 5 log

미국 지표수처리법상 막여과 시스템의 법적 요건 미생물 제거율 인증을 받기 위한 세가지 요건 1. 2. 3. 막여과 공정은 규정에서 제시하는 것과 같이 막여과 정의에 따라야 한다. 막여과 공정의 제거 효율은 product-specific challenge test 와 직접 안정성 시험을 통해 확정되어야 한다. 막여과 시스템은 운전하는 동안에 주기적인 직접 안정성시 험과 연속적인 간접 안정성 시험을 수행해야 한다. 막여과 시스템에 대한 적정 미생물 제거능 인증 구체적인 미생물 제거율제시보다는 제거율 인증절차 마련

미국의 병원성 미생물에 대한 제거율 인증 현황 • 음용수법 강화에 따른 필요성에 따라 주 별로 막공정 도입 결정 • 주마다 다양한 제거율인정 • 주마다 다양한 형태의 막 조합 공정 기술 발달 Source: EPA Report 815 -C-01 -001, April 2001

막 기술 발전 과정 (일본) MAC 21 (1991 - 1993) - 막여과 처리의 실증실험 및 가능성 연구 New MAC 21 (1994 - 1996) - 고도처리용으로서 막여과 기술의 연구 ACT 21 (1997 - 2001) - 고효율정수기술개발연구 e - Water (2002 - 2004) - 환경영향저감화 정수기술개발연구 - 제탁 제균 - 유기물 제거 - 시설의 개선 및 고도화 - 대규모 막처리 기술개발 정부주도하에 체계적인 막 공정 연구 를 통해 막 제조 및 엔지니어링 기술확보: 소규모 시설도입 l 막 여과 시설 기준 등 통합적인 제도적 기반 마련 l 중대규모의 막 시설 도입시기에 막 모듈 및 시설 표준화를 통해 막 관련 산업의 육 성 l

MAC 21 • 목적：소규모수도의 MF/UF 정수처리기술 • 기간： 1991~1993년 (3년간) • 실험：에도가와 하천수로 35종류의 막장치를 6개월간 연 속운 전 • 검증：처리성능, 세정방법, 운전제어, 소비전력량, 신뢰성, 긴급시 대 응법, 경제성 • 결과：막여과법의 정수처리시설로서 적용가능 § 현탁물질, 콜로이드 등의 확실한 제거 § 막여과유속 0. 5 m 3/일 (98. 1 k. Pa) 이상 확보가능 § 필요한 정수장용지가 적게 소요된다 § 응집제 사용량이 적게 든다 § 간단하고 신뢰할 수 있는 기술

New MAC 21 • • 목적：소독부산물, 농약, 미량화학물질, 맛냄새, 바이러스 제거 기간： 1994~1996 (3년간) 실험：전국 10개소 정수장, 취수장 장기간 연속운전 검증：나노여과법(NF막), MF 및 UF법과 활성탄/오존 조합에 의한 제거성능 • 결과：막을 이용한 고도정수처리 적용가능 § THMFP나 색도제거 양호 § 나노여과법으로 회수율 80~90% 가능 § MF/UF법과 오존/활성탄의 조합은 나노여과법과 동 등 § 정수장 배수의 농축처리에 MF/UF법 유효

ACT 21 (고효율정수기술: 막 관련) • 목적： 막여과법의 중대규모정수장 적용 　　 - 막모듈의 효율적 세정법 　　 - 막여과와 오존산화의 조합 막여과법 • 기간： 1997~2001 (5년간) • 실험： 막관련 13건 (전체 37건) • 검증： 보다 높은 성능의 막 개발, 효과적 물리세정방식, 막오염 방지를 위한 전처리 • 결과： 막여과와 오존, 활성탄, 생물산화 등 조합처리가 유효 § 막여과와 응집침전, 오존처리, 활성탄, 생물 산화 등의 조합처리의 유효성 입증 § 오존내성막 개발 § Air scrubbing 세정의 유효성

e-Water (환경영향저감화 정수기술 개발 연구) <연구배경> 물의 유효이용을 통한 하천 및 하수도에 대한 부하저감과 에너지절 약, 자원절약, 발생 오니 삭감, 폐기물삭감을 통한 환경영향 저감화 ( 친환경기술) <연구목표> • 에너지 절약형 정수처리시스템 개발 • 물의 유효이용 • 발생 오니 감량 • 수도수원의 감시기술개발 • 사업비 절감 <연구기간> 2002 -2004년

막여과 시설 도입 현황 (일본) 2005. 3. 31 기준

막여과 시설의 규모별 도입현황 2005. 3. 31 기준 규모의 범위 (m 3/일) 건수 (건) 비율 (%) 10, 000 이상 5, 000~10, 000 2, 500~5, 000 1, 000~2, 500~1, 000 250~500 100~250 50~100 0~50 계 4 7 19 51 63 79 77 61 81 442 0. 9 1. 6 4. 3 11. 5 14. 3 17. 9 17. 4 13. 8 18. 3 100 계획1일 최대급수량 (m 3/일) 88, 400 46, 054 63, 652 74, 576 42, 572 28, 069 11, 942 4, 323 2, 225 361, 813 비율 (%) 24. 4 12. 7 17. 6 20. 6 11. 8 7. 8 3. 3 1. 2 0. 6 100 간이상수도규모(500 m 3/d) 이하 : 298건(67. 4%), 46, 559 m 3/일 (12. 9%)

일본 수도용 막 모듈 규격의 변천 (사)수도정수프로세스협회(현재 수도기술연구센터)는 1991년부터 3년간 관, 학, 민의 협력체제를 기반으로 막이용형 신정수기술 개발연구 (MAC 21: Membrane Aqua Century 21) 추진 1995년 수도용 막모듈규격 WPPA-001 제정 2000년 2월 공포된 후생성령 제 15호 및 후생성고시 제 45호에 대응하기 위해 종래의 규격을 재검토 2000년 AMST 규격 마련 ‘ 91 ∼’ 93 ’ 95. 1 ’ 00. 3 ’ 01. 5 ’ 03. 4 ’ 04. 5 막이용형 신정수기술 개발연구 (MAC 21계획) 수도용 막 모듈 규격 WPPA-001 제정 후생성령 제 15호 (수도시설의 기술적기준을 정하는 성령) 후생성고시 제 45호 (기자재 등의 재질에 관한 시험) 수도용 막모듈 규격 (AMST-001, -002 및 -003)의 제정 수도용 막모듈 규격 일부 개정(잔류염소측정법개정, 막기술적용범위확대) 수도용 막모듈 규격 일부 개정(수질기준의 일부개정에 따른 재검토) 수도용 막모듈 규격 일부 개정(수도용 대공경 막모듈 추가 AMST-004)

일본 수도용 막 모듈의 규격 • AMST- 001 수도용 정밀여과 막모듈 및 한외여과 막모듈 규격 ⇒ 입자성 물질의 제거 목적 • AMST- 002 수도용 역삼투 막모듈 및 나노여과 막모듈 규격 ⇒ 용존성 물질의 제거목적 • AMST- 003 수도용 해수담수화 역삼투 막모듈 규격 • AMST- 004 수도용 대공경 여과 막모듈 규격 ⇒ Criptosporidium 이나, 큰 입자성 물질의 제거 목적

단계별 막 정수처리 기술 도입 정수처리로의 막여과 기술 도입 타당성 평가 도입단계 소규모 막여과시설 도입 수도용 막모듈 규격 제정 (AMST 규격 제정) 제도정비 다양한 수도용 막모듈 개발 고효율 막여과 정수처리 기술 개발 (고유속, 대용량, 고회수율) 수도용 막모듈 표준화 실규모 정수처리 적용

막 모듈의 표준화에 대한 공감대 형성 (일본) 제조사에 대한 종속성 탈피 새로운 막의 도입 용이 공급의 불확실 비용의 감 성으로부터 해방 소 기타 기타 공정의 호환성 연결의 호환성 외형, 크기, 연결의 통일성 막 표준화의 범위

막 모듈의 표준화에 대한 공감대 형성 (미국) Will MF/UF systems becomes standardized? • 현 MF/UF 제조업체: 다양한 다국적 기업: Memcor (Australia), Aquasource (France), Zee. Weed (Canada), Toray (Japan) • 미래 MF/UF 제조업체 전망: Less than 5: 38 %, 5 to 10: 67 % 미래 MF/UF system 전망: • • • Submerged, high energy efficiency, low flux, less cleaning More automated with smaller footprint Integrated systems / Distributed (Satellite or POU)

일본 막 모듈 표준화의 기본 개념 • 표준화 목표 모듈 입자성 물질 제거를 위한 AMST 모듈 ; WPPA-001, AMST-004 • 5, 000 m 3/d 이상 시설에 대한 모듈의 표준화 (중 대규모) • 현재 모듈의 시장, 새로운 모듈 개발 및 미래 시장을 고려한 표준화 • 같은 구조와 성능이 아니더라도 교체가 용이하도록 표준화 *현재 진행사항: • 제안된 타입을 바탕으로 차례로 표준화 진행 • 모듈의 구조와 크기를 제외하고, AMST 규격에 적합하도록 표준화 • 침지형의 표준화는 특이한 구조 때문에 표준화 보류

일본 막 모듈 표준화 (안) 분류 번호 분류 형식명 1 세로 케이싱 일체형 막 엘리먼트와 케이싱(수납용기)이 일체로 제작된 세로형 구조 케이싱과 엘리먼트는 동시에 교환 가로 케이싱 수납형 막 엘리먼트와 케이싱이 각각 독립되어 있고 복수의 막 엘리먼트가 수납되어 있는 가로형 구 조 케이싱은 항구적인 재료로 제작되며, 수납되어있는 막 엘리먼트만 교환 3 세로 케이싱 수납형 막 엘리먼트와 케이싱이 각각 독립되어 있고 복수의 막 엘리먼트가 수납되어 있는 세로형 구 조 케이싱은 항구적인 재료로 제작되며, 수납되어있는 막 엘리먼트만 교환 4 조 침지형 5 기타 - 분류 형식명 센터 사양품 막모듈 군 2 분류 번호 설명 일반적으로 개방형의 조에 복수의 막 엘리먼트가 수납되어 있는 구조 조는 항구적인 재료로 제작되며, 수납되어 잇는 막 엘리먼트만 교환 1 세로 케이싱 일체형 타입 1 -A ; 모듈의 직경이 가늘고, 길이가 긴것 (Φ 200 * L 2300) 타입 1 -B ; 모듈의 직경이 크고, 길이가 짧은것 (Φ 300 * L 1700) 타입 1 -C ; 타입 1 -B 의 대형 (Φ 450 * L 1700) 2 가로 케이싱 수납형 타입 2 -A ; 기성품을 기준으로 함 (Φ 200 * L 3600) 3 세로 케이싱 수납형 막 엘리먼트의 표준화가 필요하며, 그 내용에 따라 3종류로 분류 타입 3 -A ; Φ 600 , 타입 3 -B ; Φ 900, 타입 3 -C ; Φ 1200 4 조 침지형 5 기타 특수한 구조로 된것이 많아, 장치인정이 좀더 증가된 후 검토 막모듈 또는 유닛 중 어느것을 표준화로 할 것인지 검토 -

감사합니다