국내 막 산업의 문제점과 발전 추진방안 고려대학교 최 승 일 2005년 7월 29일 대한상하수도학회 국내 막기술 발전을 위한 중장기 계획 수립 -공청회- 국내 막 산업의 문제점과 발전 추진방안 고려대학교 최 승 일 2005년 7월 29일 대한상하수도학회

연구 개요 사업명 : 국내 막기술 발전을 위한 중장기계획 수립 발주기관 : 한국상하수도협회 주관연구기관 : 대한상하수도학회 막여과수처리연구회 연구책임자 : 고려대학교 최승일 사업기간 : 2004.12.20 ~ 2005.8.20 (6개월) 사업예산 : 30,000 천원

목 차 현 황 문제점 대 책 초기, 중기, 장기 발전 방안 국내 관련 산업 육성방안

현 황

세계의 환경 및 반도체 관련 막분리 시장 미국의 경우 고도 수처리 공정에서만 역삼투 시장이 1997년 4.9억 달러, 200년에는 각각 6.5억달러, 8.9억달러로 평균 10.6% 성장 정밀여과 시장의 경우 1997년 2.9억 달러, 2000년과 2003년에는 각각 4억달러, 5.2억 달러로 평균 9.7% 성장.

대부분 연수화, 담수화, brackish water처리용 세계 멤브레인 정수시장 요약 국 가 총 시설수 타 입 비 고 일본(UF급 이하만) 231개소 UF/MF 222개소 NF 2개소 RO 7개소 4,000톤/일 이상 총 11개 4,000톤/이상 NF 1개소 영국 86개소 MF 8개소 UF 30개소 NF 37개소 RO 11개소 4,000톤/일 이상 총 20개 (MF 5, UF 12, RO 3) NF정수장의 경우, 1,000톤/일 이하의 소규모 미국 플로리다주 137개소 NF 13개소 RO 124개소 대부분 연수화, 담수화, brackish water처리용

세계의 정수막 보급상황 (누적/막종류별)

분리막 비용의 감소추세

국내외 분리막 공정기술의 현황 국내에서는 90년부터 분리막공정에 관심 외국 선진국의 경우 막분리공정에 의한 하폐수처리 및 재이용과 음용수 생산은 이미 보급단계 국내는 아직 초기 단계 막분리 공정기술에 대한 이해가 부족하여 단순히 시스템을 도입하여 설치, 운전하면 되는 것으로 오인 현장적용에서 많은 난관과 시행착오

막분리 공정의 확대 막분리 공정을 이용한 수처리 기술은 유럽, 일본 미국을 중심으로 1960년대 이후 기초 연구와 상업화 막분리 공정을 이용한 수처리 기술은 유럽, 일본 미국을 중심으로 1960년대 이후 기초 연구와 상업화 가 밀접한 관계를 가지면서 발전 시스템의 응용을 제한하는 주요한 요인은 막오염 및 높은 에너지 소비. 막오염 제어기술 및 에너지 효율성 확보를 위한 연구 하수분야의 MBR공정과 상수도의 여과, 고도정수 공정의 대체

분리막 공정의 개발방향 2000년대의 개발공정 다양한 전처리 공정 에너지 저소비형 고도처리, 집적화된 막분리 공정 상수 및 하폐수의 특성에 따라 다양한 혼성 시스템과 package화 된 시스템의 개발

하폐수 처리 MBR 공정의 확산 일반생물학적의 공정의 가장 큰 단점은 미생물의 침강성과 관련된 수질악화 세계적으로 1970년대 전반 중수도 공정으로 활성슬러지법과 가압식 Crossflow형 막여과를 조합한 공정이 개발. (제 1세대 MBR) 1980년대 전반 일본을 중심으로 MBR(Membrane Bioreactor)이 실효를 거두면서 하폐수처리용 막분리 기술 최근까지 전 세계에 걸쳐서 2,000개 이상의 MBR 시스템이 가동 약 55%가 침지형 분리막, 약 45%가 순환형 (Side stream) MBR을 채택.

MBR 공정 가압식

국내 MBR 현황 2002년에 총 MBR 설치 대수가 559개소였으나 2003년에는 734개소. 아직까지 전체 MBR 개소의 62%가 처리 용량 50 ㎥/d 이하의 소규모 시설(기술의 초기 시장진입 현상) 짧은 역사에도 불구하고 500 ㎥/d 이상의 MBR 시스템도 17개소로 전체의 4.2%를 차지 최대 처리용량도 2002년에 1,400 ㎥/d에서 2003년에는 4,000㎥/d로 증가

Nix-MBR 공법 (침지형 평막) HANT 공법 (침지형 중공사막) VSEP 공법 HS-aMBR 공법 (침지형 중공사막) BIOSUF 공법 (순환형 관형막) KMS 공법 (침지형 평막)

정수용 분리막 공정의 확산 1980년대 후반 프랑스를 중심으로 음용수 처리용 막분리 기술이 상용화되면서 미국, 유럽, 일본 등의 선진국에서 급속하게 성장

Typical MF/UF Membrane Process Raw Water Source MF/UF RO/NF or GAC Coag/Floc/Sed Coag/Floc Filtered Water Type 1 : MF/UF - alone Type 2 : Pretreatment (Chemical Addition) + MF/UF Type 3 : Pretreatment (Chemical Addition w/ Sedimentation) + MF/UF Type 4 : MF/UF + Post-treatment

국내의 분리막 도입 현황 현재는 MF/UF방식이 유일하며 대부분 고도정수처리 개념이라기 보다는 기존 여과시설을 대체하거나 보완하는 형식으로 도입. 소규모 간이상수도 시설에는 간혹 나노막이 현재 가동 중에 있거나 이를 이용한 파일럿 규모 실험이 수행되었거나 진행 중 서울시 구의 정수장에 5개의 pilot plant운전 수자원공사의 자체공정 개발연구

국내 멤브레인 정수시설 및 연구요약 장 소 운영주체 시공/Eng. 멤브레인 규 모 비 고 시흥 수공 한화건설 MF/UF Asahi chemicals 3,600톤/일 공정;호소수-스크린-막소독 막; PAN 여과 20분, 30초 억제 공주 30,000톤/일 3개사 분리막 Pilot 평가후 선정예정 (Zenon Environmental, Toray, Asahi chemicals) 포천 이동 태영(Genix) UF 1,500톤/일 김천 지례 Degrement (삼성 Eng.) 300톤/일 간이상수도 정수처리 공정개발 양평 양동 Aquasource 1,000톤/일 울릉도 새한 Zenon Environ. 400톤/일 청주 525톤/일 고부하 대체공정개발 충남서산, 서천, 당진 NF 각 3.5톤/일 간이상수도시설 수지 Hydranautics, Film Tec. 약 20톤/일 고도정수개념 Pilot 실험(‘03~04) 구의정수장 서울시 각100여톤/일 구의정수장원수-전처리-막여과

문 제 점

막분리 공정 확산의 난이점 첫째, 해외 막회사의 진출 대상이 되고 있으나, 국내 막 제조 및 설계기술 의 국제적 경쟁력 미진 국제경쟁력의 강화 둘째, 해외 막회사의 공정 도입이 된 후에 국내 막 산업들의 진출이 난이 국내 막산업의 진출 방안 마련

막분리 기술 미진의 원인 첫째, 시장 형성과 연계된 기술개발을 주도하는 추진력이 없었음. 멤브레인 정수기술 도입에 대한 가이드라인이 없음. 막분리 수처리 기술의 발전을 수도법 등이 제도적으로 뒷받침해 주지 못하고 있음. 막분리 기술이 기존 공정에 대하여 비용측면에서 경쟁력에 대한 연구가 전무. 협회, 기업의 연구소, 학계 및 연구소, 정부의 정책 등을 유기적으로 조합하고, 효율적으로 단계적 계획에 의하여 진행시키는 추진기관의 부재

막분리 기술 미진의 원인 둘째, 막분리 공정을 설계 또는 운전할 수 있는 전문 엔지니어가 절대적으로 부족. 셋째, 정수분야의 미래대비형 오염물질에 대한 예측 없이 현재의 문제만을 해결하는 형태로 멤브레인 기술도입이 되고 있음.

국내 막산업 진출 제한의 원인 첫째, 막관련 산업의 영세성 현재 국내에는 약 350여 개의 막관련 산업체가 존재 몇 개의 사업체를 제외하고는 영세한 규모 분리막 제조회사는 약 10여 개 존재하며 대기업은 약 3개이고 나머지는 소규모 기업. 기술 개발여건이 열악하고 개발된 분리막을 적용할 수 있는 능력이 미흡.

국내 막산업 진출 제한의 원인 둘째, 현재 모든 국내의 막공정 기술은 외국의 기술을 중심으로 도입되고 있어, 국내 막 산업의 후속 진출이 어려워 개발 동기부여가 매우 부족함 중대규모 정수시설에 분리막을 적용하기에는 현재 국내 제조회사가 생산해 낼 수 있는 막모듈이 없음. 국산 분리막을 이용하여 적용한 사례가 lab 규모로도 파일럿 규모로도 너무 적어 실적이 거의 없음. 해외 막 공정이 선점한 시장은 후속진출이 난이

대 책

대책 1 시장 형성과 연계된 기술개발을 주도하는 상설 위원회 또는 적합한 기구조직을 구성, 필요한 사업의 추진 대책 1 시장 형성과 연계된 기술개발을 주도하는 상설 위원회 또는 적합한 기구조직을 구성, 필요한 사업의 추진 분리막공정 도입 가이드라인의 작성(시설도입 및 운전관리) 수도법 등 관련법령의 정비 공정 및 막의 성능인증 제도의 확립 국제적 경쟁력이 있는 막제조 및 모듈기술의 개발 기존 공정에 대하여 고효율, 저에너지 공정 및 비용측면에서 경쟁력에 대한 연구 미래대비형 오염물질에 대한 기술 연구

대책 2 표준화(또는 규격화)를 통하여 사용자 위주의 시장형성 상설위원회를 통한 표준화 작업 주도 국제적 연대의 확산 대책 2 표준화(또는 규격화)를 통하여 사용자 위주의 시장형성 상설위원회를 통한 표준화 작업 주도 국제적 연대의 확산 막제조 기업의 참여유도 시장확대 후발 주자의 시장진입 가능, 산업육성 효과 기술경쟁이 강화, 기업의 대형화 유도

막 위원회의 역할 국내 및 해외진출 수처리선진화사업단 막 제조기술의 개발 막 제조사 학회 막 인증지침 및 제도의 정비 협회 규격화 및 국내 엔지니어링 기술의 향상 수처리선진화사업단 막 제조사 학회 협회 학회, 정부, 산업계, 해외 미,영,불,일 및 ISO 동향 국내 및 해외진출 정부, 산업계

각 단계별 (초기, 중기, 장기) 발전 방안

단계별 발전계획 초기 상설위원회의 구성 시설도입에 대한 위원회의 임시 인정권한 도입 막의 성능인증 제도의 확립 막의 성능인증 제도의 확립 막 공정 도입 및 운전 가이드라인의 작성 공정 및 막의 개발 연구 표준화의 시작 인력의 육성-산학공동 교육과 실험

단계별 발전계획 중기 표준화 설정, 국제적 연대 추진 실적 확보를 위한 제도의 도입 수도법 등 관련법령의 정비 장기 업체의 대형화, 전문화 유도 해외진출 방안의 확보

국내 관련 산업 육성 방안

국내 막산업 육성 대상 엔지니어링, 건설 및 수처리 전문회사 막제조산업

국내 막 정수기술을 위한 단계별 문제점 및 도입방향 막연구 및 발전 단계 발전방향 구체적 추진방향 I단계 현재 혹은 미래 정수분야 문제점 파악 및 최적 대처공정 조사: 대처공정 중 하나가 막기술 4대강 유역별, 정수원수 수계별, 지역 대권 정수장별 NOM, 독성물질발생, 환경호르몬, 의약품, PCP물질 현황조사 II단계 막정수기술 설계, 최적운영조건 조사단계 수계별, 정수장별로 문제가 되는 물질을 분류하고, 그룹화된 막기술의 적용/평가/데이타베이스화 필요 III단계 막정수기술 실제 도입단계 노후정수장, 신설정수장 막도입 설계기술, 최적운영에 기반한 운영가이드라인제시(인공지능형 설계/운영기술 개발 등)

막 산업의 육성 방안 표준화 및 인증제도의 확립으로 호환성 확보 전문성 및 대형화 된 수처리 회사들의 육성 시장의 확보 - 소, 중규모 중심으로 확대 해외시장의 진출의 기반 및 제도 정비

해외진출의 기반 및 제도 정비 해외의 인력 network 구축 해외 투자의 제도 정비 해외 수처리회사와 연합 또는 협력 관계 구축 해외 홍보전략의 수립 독자적 모델의 구축 및 엔지니어링 기술 축적

국내 막관련 제도의 개선방안

시설기준에 관한 관련 법령 수도법 (2002. 12. 26) 수도법시행령 (2001. 9. 29) 수도법시행규칙 (2003. 4. 3) 정수처리에 관한 기준 (환경부 고시 제2002-106호, 2002. 7. 5)

시설기준에 관한 법령 내용 수도법 수도법시행령 제18조(시설기준) 제1항 4호 침전지, 여과지, 소독설비 등의 정수시설을 갖출 것 (간이상수도에 대해서는 소독시설 이외의 설비에 대하여 제외할 수 있도록 예외 규정: 수도법시행령 제3조) 수도법시행규칙 제6조(시설기준) 제3호 하천, 호소, 지하수를 수원으로 하는 경우 정수시설에 여과지를 설치할 것. 정수처리에 관한 기준 (환경부고시 제2002-106호) 여과에 관한 정의와 여과방식별 미생물 제거범위를 설정함.

개정의 요점 막분리공정을 여과 또는 고도정수 공정으로 인정. 막분리 공정을 사용시에 상황에 따라 침전 또는 응집·침전 공정의 설치를 생략 가능하도록 함.

막여과시설의 인증과 관련된 규정 막여과 시설을 기타여과 방식으로 규정. 인증지침 수립시 서로 다른 여과막에 의한 바이러스, 크립토스포리디움 포낭 지아디아 포낭 등에 관한 제거율을 일괄적으로 설정. 제거율 산정에 있어 국내외 공인 시험기관에 의한 인증자료 활용방안, 제조사가 보증하는 자료의 활용방안 등을 검토 제거율 시험방법에 대한 지침을 함께 마련, 정수처리에 관한 기준에 적용하여야 함.

개정에 따른 기대효과 강화되는 수질기준에 최적의 정수처리공정을 채택할 수 있는 기술적, 제도적 환경을 확보 신규 고도정수처리 공정의 대안으로 막여과 기술 활용 노후화된 정수시설의 개량에 있어서 기존 모래여과 시스템을 교체 국내 분리막 관련 제조 산업 및 건설, 엔지니어링 산업 분야의 활성화 및 대외 경쟁력 확보

국내 막제조 기술 개발 및 발전방안

Membrane manufacturer 주요 상용화된 MF/UF 중공사막 제품 특성 Membrane manufacturer Material Nominal pore size (micron, MWCO) Fiber dimension (mm) Filtration type Koch PS 0.01 0.76 ID Inside-out Asahi Kasai PVDF 0.1 1.2 OD Outside-in Memcor PVDF, PP 0.65 OD Toray 0.9 OD ZENON 0.04, 100K 1.9 OD Hydranautics PES 150K 1.3 OD NORIT 1.5 OD Daicen CA Organo 0.8 OD Aquasource Regenerated CA 0.01, 80K 0.93 ID 日本電工 20K 1.1 ID

국내의 분리막 제조현황 국내 분리막 생산은 아직 초보단계 SKI가 87년 분리막 사업팀을 구성, 91년 UF분리막을 생산해 산업용, 가정용으로 공급 코오롱과 효성T＆C가 88년 분리막을 개발하기 시작해 95년 UF분리막을 가정용 정수기에 적용해 공급. 새한은 90년 분리막 연구를 착수해 95년 가정용 정수기 RO분리막을 판매, 96년 산업용 RO분리막을 생산, 삼성전자, 자체 보일러용수, 삼광수기 폐수재활용, 기아자동차 공업용수 등 다양하게 공급.

국내 분리막 공급 현황 97년도 RO분리막의 산업용은 미국 Film Tec, Hydronautics, Fluid Systems과 일본의 Toray 등에서 80%이상 수입하여 사용 국산화율은 10% 미만 현재는 국산화율이 향상 RO분리막의 가정용은 미국 Film Tec, Desal, PPCM, Cuno 등에서 공급하고 있으며, 새한이 97년 RO 정수기 시장의 국산화율 50%확대를 목표로 하여 사업을 추진 2004년도 국산화율을 60%까지 확대 추정.

국내 분리막 공급 현황 국내 제조 분리막의 경우는 공극의 크기, 막의 타입, 막 재질, 또는 모듈 타입 등이 다양화되어 있지 않음. 공극은 통상 0.1 μm 나 0.4 μm 막재질 역시 폴리 술폰 계통 다양한 원수 조건에 맞추어 적절하게 분리막을 선정하는 데 한계가 있음. 다양한 소재의 우수한 막과 모듈의 개발이 필요

분리막의 발전방향 전처리의 효용성을 극대화하므로 내산화성을 가진 막을 선호 염소, 오존, 기타 전처리용 산화제에 강한 막의 효용성 증가 염소에 민감한 polypropylene 막과 제한된 pH내성을 가지는 cellulosic 막의 한계 flux의 증가, 막의 오염감소, 세정주기의 연장을 보장하는 막재질