Hot Tech - 물 사업의 다크호스 해수담수화 기술
신기술 개발 등 최신 산업기술의 개념과 특성, 업계동향, 향후전망 등을 살펴봅니다.
글_ 김지훈
포스코건설 토목환경사업본부
담수사업그룹 과장(공학박사)
해수담수화 패러다임 변화
세계는 지금, ‘물’ 위기(Water Peak)와 ‘에너지’ 위기(Energy Peak)에 직면해 있다.
전 세계적으로 이상기후와 가뭄, 물 부족과 수질오염, 후진국 및 개도국의 인구증가와 산업화로 인해 물의 가치는 ‘석유’(Oil)의 지위를 위협할 정도로 중요성이 강조되고 있다. 이에 수많은 국내·외 기업들이 물산업을 ‘Blue Gold’로 인식, 이 분야 진출을 가속화하고 있다.
물산업분야 중 해수담수화 기술은 에너지 소비가 많은 증기(Steam)를 이용한 증발법인 다단증발법(MSF; Multi-Stage Flash), 다중효용법(MED; Multi-Effect Distillation)에서 에너지(전력) 소비가 상대적으로 적은 ‘필터’(Membrane) 방식의 역삼투(RO; Reverse Osmosis)법01으로 재편되고 있다.
(01 역삼투(RO; Reverse Osmosis)법이란 해수 또는 폐수 등 용액 속에 함유되어 있는 염류(Salts, Minerals, 용존성 이온)를 삼투압 현상과 반대로 고압펌프(High Pressure Pump)를 이용하여 압력을 가해 역삼투(RO) 필터로 여과하여 제거하는 공정이다. 오수 및 하수처리수의 재이용 또는 반도체 및 발전소 초순수 생산 등과 같이 바닷물을 처리하는 해수담수화는 역삼투(RO) 공정이 핵심공정이라고 말할 수 있다.)
또한, 시장은 중동국가 중심에서 아프리카, 동남아시아, 중앙아메리카, 남아메리카 국가 등 전 세계적으로 확대되고 있다.
발주형태는 EPC 중심에서 BOT와 같은 민간투자 제안사업으로 전환되고 있으며, 지난해 담수화분야의 민간투자 제안사업의 비율은 70%를 상회하는 등 발주형태의 트렌드 또한 변화하고 있다.
▲ 포스코건설 해수담수화 Pilot 실증단지(Test Bed). 우도담수장(위), 광양제철소(아래)
포스코건설 해수담수화
(1) 국내최초 환경신기술 인증획득(해수담수화 분야)
포스코건설은 해수담수화 분야의 기술경쟁력을 확보하기 위해 2012년부터 약 25억원을 투자하여 제주 우도담수장 내 500톤/일 규모의 신기술 Pilot 실증단지를 운영해 왔으며, 상용화 설비를 사전 검정하기 위하여 광양제철소내 약 15억원을 투자하여 600톤/일 규모의 Pilot 장치를 운영하고 있다.
제주 우도 신기술 Pilot 실증단지의 운전결과를 활용하여 포스코건설은 2014년 1월 국내최초 해수담수화 분야 환경신기술 인증(제424호. 유효기간 5년)을 획득했다.
포스코건설의 해수담수화 기술(POSSTAR)02은 운영관리에 최적화된 해수담수화 기술로서 MF 필터, RO 필터, 고압펌프, ERD 등 핵심 기자재를 스마트하게 선택 및 제어할 수 있는 친환경, 저에너지 공정기술이다.
(02 포스코건설의 해수담수화 브랜드 기술명인 POSSTAR(POSCO E&C Sustainable Tomorrow with Advanced Reverse Osmosis)는 경제성을 확보한 고도의 해수담수화 기술력을 바탕으로 친환경적 지속가능한 미래에 기여하고 물산업을 개척한다는 의미를 함축하고 있다.)
본 기술은 ‘고효율 세라믹 전처리 공정과 빗물 블렌딩을 적용한 저에너지 RO 해수담수화 기술’이고, 신기술 공정도에서와 같이 세라믹막 역세척 MF 공정, 담수 Blending 제어공정, 유지약품세척 RO 공정의 3가지 핵심적인 특징을 갖고 있다.
첫째, 내구성·내화학성이 우수한 세라믹 무기막(Ceramic Membrane)을 전처리 MF 공정에 사용하고, 포스코건설의 고유특허인 역세척 펌프와 고압의 압축공기를 이용한 역세척(BW, Back Washing) 기법을 적용하여 막오염(MembraneFouling)을 50% 저감하고, 고플럭스(10m3/m2.day), 고회수율(99%), 농축수 발생량(1%), 긴 여과주기(4시간)로 운전이 가능한 기술이다.
둘째, 조수간만의 차, 강우 또는 강설에 따른 지하수 수위 차, 계절변화에 따른 수온 차 등 원수 수질의 변화에 따라 대상 원수인 해수에 빗물, 재이용수 등의 담수를 희석(Blending) 제어할 수 있는 포스코건설의 고유특허를 적용하여 최종 목표 수질을 만족하는 RO 처리수를 생산할 수 있는 기술이다.
이를 통해 막오염, 전력사용량(2.98 kwh/톤. 국내 현수준 4 kwh/톤)을 저감하고 RO 생산수의 수질을 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 포스코건설의 고유특허인 유지세정기법을 적용하여 역삼투 필터의 수명을 연장하고, 누적 처리수량을 증가시키며, 화학약품 사용을 절약함에 따라 운영비를 절감할 수 있는 기술이다.
여기서, 유지세정기법은 두가지로 모두 주기적으로 수행되는데, 화학약품을 기반으로 한 유지화학세정(MCC; Maintenance Chemical Cleaning)과 삼투압을 기반으로 한 여과의 반대방향으로 적용하는 삼투역세정(FOB;Forward Osmosis Backwashing)이 있다.
이를 통해 응집제, 염소제, pH조정제, 환원제, 안티스케일런트 등의 연속적인 약품주입 없이도 안정적으로 막오염을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 총 약품비를 99% 절감시킬 수 있다.
또한, 운영관리비는 기존의 정수장보다 20~40% 저렴하게 공급할 수 있다. 이로 인해 일반적으로 갖고 있는 선입견인 해수담수화가 ‘수돗물’보다 ‘비싸다’는 인식을 전환시킬수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.
그림 1 포스코건설 POSSTAR 환경신기술 인증시설 해수담수화 공정도
(2) 산업용수 국내 최대 규모 광양 동호안 해수담수화 사업
광양 동호안 해수담수화 설비(3만톤/일)는 포스코건설이 자력 엔지니어링 기반하에 2011년부터 약 2년간의 타당성조사(Feasibility Study)와 설계, 구매, 시공을 체계적으로 추진해오고 있다.
2012년부터 가동한 광양제철소내 Pilot 장치의 운전결과를 피드백하여 지난 2월 말 설치공사를 완료하고, 3월 초부터 시운전 중에 있다.
본 설비는 2014년 7월 말 종합준공을 완료하여 이후 30년간 당사가 상업운전을 수행하게 된다.
포스코건설의 해수담수화기술(POSSTAR)은 본 설비의 운영관리시 적용될 예정이며, 국내에서 초기투자비와 운영관리비가 가장 경제적인 해수담수화 설비가 될 것으로 전망된다.
또한, 포스코건설은 신기술과 광양 동호안 해수담수화 설비의 건설, 운영경험을 바탕으로 국내 해수담수화 시장은 물론 중동, 중남미 등 해외 해수담수화 시장에 진출할 계획이다.
▲ 광양 동호안 해수담수화 시설(전경)
▲ 광양 동호안 해수담수화 시설(UF 전처리공정 SKID 시설)
해수담수화는 필수 수자원
지난 3월 22일은 UN이 지정한 ‘세계 물의 날’이다. 2025년에는 전 세계 인구의 절반 이상이 물부족을 겪게 될 것이라는 전망을 쏟아내고 있다.
우리나라의 대부분 국민들은 강물과 댐수를 정수장에서 처리한 수돗물을 공급받고, 식수는 생수를 활용하거나 수돗물을 한 번 더 정수기로 처리하여 마시는데, 대다수의 정수기에는 이온을 제거하는 역삼투(RO) 필터가 탑재되어 있다.
그렇다면, 우리나라에서 해수담수화 시설은 수돗물을 만드는 ‘정수장’이 될 수 없는 것인가?
우리나라는 3면이 바다인 해수를 활용하기에 유리한 지형적 조건을 갖고 있지만, 실제적으로 물부족 국가로 분류되고 있다. 근래의 이상기후로 인한 가뭄의 해결과 물부족으로 인한 시·도간 분쟁이 증가하고 있다.
이러한 분쟁해소 및 지역 균형발전을 위한 산업화의 확대를 위해서라도 이제 우리는 해수담수화를 ‘대체’ 수자원이 아닌 ‘필수’ 수자원으로 인식해야 할 것이다.