| 초록 |
1. 개요 인간 생활과 산업 활동을 위해서는 반드시 물이 필요하며, 이에 따라 많은 양의 하·폐수가 발생한다. 물이 부족한 지역에서는 발생된 하수를 재이용하기도 한다. 공장폐수의 경우, 폐수에 존재하는 염 또는 자원의 회수나 공업용수의 확보가 어려울 때 폐수를 재이용하기도 한다. 또한 상수원 보호구역과 같이 배출 수역의 수질기준이 엄격한 지역과 오염총량제 적용 지역에서는 폐수의 배출이 전면 금지되기도 한다. 이와 같은 상황에서 적용될 수 있는 방법이 무방류 시스템(zero liquid discharge; ZLD)이다. ZLD는 방류되는 하·폐수가 전혀 없으므로 수질오염을 원천적으로 차단하고 물 재이용을 극대화할 수 있다. 그러나 설치비와 운영비가 많이 소요되므로 제한적으로만 적용되었다. 하지만 최근 전 세계적으로 물 부족과 수질기준의 강화로 인하여 북미와 유럽, 중국과 인도 등지에서 ZLD에 대한 관심이 고조되고 있다. 본 리포트에서는 미국, 중국, 인도에서 ZLD를 도입한 배경과 ZLD에 필요한 기술, 그리고 향후 전망에 대해 서술하였다. 2. ZLD 도입 배경 ZLD를 도입하는 주요 원인은 수질기준의 강화이다. 국내의 경우 수질기준 초과에 따른 부과금이 높지 않지만, 미국은 부과금이 ZLD 설치 비용을 초과하기도 한다. 이외에도 담수의 부족, 폐수처리비용 증가, 환경보호에 대한 대중의 인식 고도 등이 ZLD 도입 배경이 되고 있다. 여기서는 전 세계에서 가장 큰 ZLD 시장인 미국, 중국, 인도에 대해서 살펴보고자 한다. 2.1. 미국 미국은 1970년대 콜로라도 강 주변에 발전소가 건설되면서 염분 농도가 증가하자 수질기준이 강화되었다. 이에 따라 콜로라도 강 주변의 공장 신축 및 증설 시 공장폐수 배출 허가에 수년이 소요되자 허가 기간의 단축을 위해 ZLD를 도입하기 시작했다. 발전소에서는 이온 농도가 높은 배연탈황(flue gas desulfurization; FGD) 폐수와 냉각탑 배출수가 폐수로 발생한다. 이들 폐수는 이온 농도가 높기 때문에 이를 수계로 배출하면 염 농도가 증가한다. 따라서 이러한 폐수의 수계배출을 최소화하기 위해 발전소 폐수에 ZLD가 적용되었고, 2008년을 기준으로 ZLD가 적용된 사이트 82개 중 60곳이 발전소(나머지는 전자, 비료, 화학 공장과 광산)로 나타나 발전소는 ZLD 적용에 최적의 장소이다. 미국은 최근 바닥재와 비산재 이송수, 배연 수은 제거 시스템에서 배출되는 폐수에 대해 ZLD를 우선적으로 적용하도록 관련 법규를 개정했다. ZLD는 탈염처리 시설에서 발생되는 농축수 처리에도 적용이 가능하다. 해수담수화 시설은 농축수를 해상으로 방류하지만, 내륙(Las Vegas, Phoenix, Denver 등)에 존재하는 지하수 담수화 시설에서 발생되는 농축수는 하천으로 배출하지 못하기 때문에 이의 처리에 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제를 ZLD 적용으로 해결하였지만, 여전히 많은 비용과 에너지가 소요되는 단점은 존재한다. 2.2. 중국 중국은 급격한 경제성장으로 물 수요가 증가하고 있지만 담수의 오염은 더욱 심각해지고 있다. 이에 따라 중국은 수자원과 생태계 보호를 위해 2020년까지 수계로의 오염물질 배출을 억제하고 물의 재이용을 촉진하는 계획을 수립하여 ZLD 도입을 유도하고 있다. 미국과 마찬가지로 중국도 발전소가 ZLD의 가장 큰 시장이다. 발전소는 많은 양의 물이 필요한 반면, 중국의 발전소는 대부분 물 부족 지역에 설치되어 있기 때문에 ZLD가 해결책으로 부각되고 있다. 중국에서는 석탄으로 화학원료를 생산(coal-to-chemicals)하는 산업이 활성화되고 있다. Coal-to-chemicals 시설은 석탄이 많이 매장되어 있는 지역에 설치되는데, 일반적으로 이러한 지역은 담수가 풍부하지 않은 것이 특징이다. 따라서 물을 많이 사용하는 coal-to-chemicals 시설의 특성상 ZLD는 필수적이라고 할 수 있다. 이미 중국의 coal-to-chemicals 시설에 시간당 110~2,300㎥ 규모의 ZLD가 적용되었거나 건설 중에 있는 것으로 알려져 있다. 2.3. 인도 인도에서도 수질오염을 방지하기 위해 강력한 규제를 하고 있으며, 이에 따라 2015년에는 하루 25㎥ 이상의 폐수를 방류하는 섬유 공장에 ZLD 설치를 의무화했다. 인도에서는 2008년을 기준으로 29개의 염색 공장에 ZLD가 설치되어 물을 재이용하고, 폐수에 존재하는 염을 회수하여 사용하고 있는 것으로 조사되었다. 인도에서는 섬유 공장 이외에도 양조 공장, 알코올의 증류, 발전소, 석유화학 공장 등이 잠재적으로 ZLD를 적용할 수 있는 시장이다. 3. 기존의 ZLD 기술 3.1. 증발 기술 최초의 ZLD 시스템은 열을 이용한 공정의 연속 배열로 구성되었다. 원수(탈염 농축수)는 스케일을 유발하는 이온을 제거하는 전처리를 거친 후 열을 이용한 공정인 염분 농축기(brine concentrator)와 염분 결정화기(brine crystallizer)를 거친다. 이 과정에서 증발된 물은 이온 성분이 매우 적은 순수이므로 재이용하고, 최종산물인 고형물은 일부 가치 있는 물질은 회수하여 재이용하고 나머지는 매립된다. 염분 농축기는 수분을 증발시키기 위해 일반적으로 기계식 증발 압축기(mechanical vapor com-pression; MVC)를 사용한다. 원수의 수온은 열교환기를 통과하면서 상승한다. 이때 사용되는 열원은 증발 농축조에서 증발된 수증기에 존재하는 열이다. 수온이 상승한 원수는 농축기 하부로 유입되어 농축기에 존재하는 염분 슬러지와 혼합된 후 농축기 상부로 이송되어 살포되고, 전열관(heat transfer tube) 내부를 통해 농축기 하부로 흘러내린다. 농축기 상부에서 살포된 염분수는 전열관 내부를 흘러내리면서 얇은 막을 형성한다. 이때 MVC에 의해 열원이 전열관 외부를 가열하고, 이 열이 내부로 전달되면서 증발이 일어난다. 응축수는 전열관 하부로 이동하여 수집되며 열교환기에서 열원을 회수한 후 재이용된다(여기서 회수된 열이 원수의 수온을 상승시키는 데 이용된다). MVC를 이용한 염분 농축기의 회수율은 90~98%, 농축수의 염 농도는 250,000 mg/L, 처리수의 TDS는 10 mg/L 이하이다. 우수한 처리 성능에도 불구하고 염분 농축기는 많은 열을 필요로 하므로 에너지가 많이 소요된다. 에너지사용량 절감을 위한 다양한 노력에도 불구하고 여전히 원수 1㎥당 20~25kWh의 에너지가 필요하다. 또한 부식방지를 위해 고가의 재료를 사용하므로 설치 비용도 많이 소요된다. 농축된 염분수는 추가적인 물의 회수를 위해 염분 결정화조(brine crystallizer)로 이송된다. 염분 결정화조는 염분 농축조와 마찬가지로 열원을 공급하기 위해 MVC를 사용하고, 공정 운영도 유사하다. 결정화조는 원수 1㎥당 52~66kWh의 에너지를 사용하며, 이는 염분 농축기의 최대 3배에 해당한다. 결정화조로 유입되는 폐수의 염분 농도와 점도가 높기 때문에 물의 증발에 많은 양의 에너지 사용이 불가피하다. 염분 결정화조 대신 증발연못(evaporation pond)의 사용이 가능하다. 증발연못은 열원으로 태양열을 사용하기 때문에 에너지가 적게 소요되는 장점이 있으나, 적은 용량의 처리에 적합하다. 또한 태양이 강하고 바람이 잘 불어야 하며, 넓고 저렴한 땅이어야 한다는 지역적인 조건도 필요하다. 게다가 연못 주변의 환경오염 우려도 존재한다. 3.2. RO 전처리 후 증발 염분 결정화조는 많은 단점에도 불구하고 ZLD 시스템 구축을 위해 반드시 필요한 공정이다. 따라서 염분 결정화조의 운영비를 절감하기 위해 결정화조로 유입되는 폐수의 양을 줄이는 노력이 필요하다. 역삼투(reverse osmosis; RO) 기술은 thermal ZLD와 매우 잘 결합할 수 있는 기술로 에너지소요량이 적은 것이 특징이다. RO를 이용하여 50%의 회수율로 해수를 처리할 때 소요되는 에너지는 처리수 1㎥당 최대 2KWh(이는 참고문헌 [1]에서 제시한 값이며, RO 기술의 급격한 발전으로 현재는 더 적은 에너지 소요)인 것으로 보고되고 있다. 이에 따라 RO 농축수를 다시 RO를 이용하여 처리한 후 농축과 증발연못을 이용한 결정화를 한 결과, 에너지사용량과 처리비용을 50% 이상 절감하였다는 보고가 있었다. RO를 ZLD 시스템에 |
