최승일 / 고려대 환경시스템공학과 교수
21세기를 맞이하면서 미국의 몇몇 기관들이 인류에 가장 공헌한 20세기의 발명을 꼽아본 결과 상하수도의 보급이 높은 순위를 차지했다는 보도가 있었다. 위생적으로 안전한 음용수를 보급하고 생활에서 나오는 하수를 주변으로부터 신속하게 제거한 덕분에 인간의 평균 수명이 20년 이상 연장되었다는 것이다. 지금도 안전한 식수를 공급받지 못하는 지역의 유아사망률은 매우 높으며, 전세계적으로 8초에 한 명 꼴로 사망한다는 분석도 있다. 우리나라의 유아사망률은 100여 년의 역사를 가지고 있는 상수도의 보급으로 선진국과 같은 정도이다.
우리나라는 최근 더 안전한 물을 공급하기 위해 고도정수기술을 도입했다. 1990년대에 낙동강 유역을 중심으로 전국의 20개 정수장에 도입했고, 최근에는 서울시와 수자원공사의 수도권 정수장을 중심으로 고도정수시설을 확대하고 있다.
음용수 생산공정의 발돋음
하천이나 댐의 물을 안전한 먹는 물로 생산하는 기존의 급속여과 공정이 주로 입자성 물질들과 미생물의 제거에 초점이 맞추어져 있다면 고도정수기술은 주로 맛, 냄새물질의 제거, 발암성 물질로 의심되는 미량유기물질의 제거를 목적으로 하고 있다. 현재는 주로 기존의 급속여과 공정에 오존과 활성탄 흡착공정을 추가하는 것으로 구성되어 있으며 차차 막분리 공정을 조합하는 형태로 진행되고 있다.
하천이나 댐의 물을 안전한 먹는 물로 생산하는 기존의 급속여과 공정이 주로 입자성 물질들과 미생물의 제거에 초점이 맞추어져 있다면 고도정수기술은 주로 맛, 냄새물질의 제거, 발암성 물질로 의심되는 미량유기물질의 제거를 목적으로 하고 있다. 현재는 주로 기존의 급속여과 공정에 오존과 활성탄 흡착공정을 추가하는 것으로 구성되어 있으며 차차 막분리 공정을 조합하는 형태로 진행되고 있다.
오존공정은 공기나 산소에 강력한 전기적 에너지를 가하여 산소원자 3개가 결합된 오존을 발생시켜 물에 주입하는 것인데, 오존은 매우 불안정한 물질이므로 안정된 형태의 산소분자로 되돌아가려는 힘이 강하다. 이 과정에서 오존이 수중의 유기물질들을 산화시켜 무해한 물질로 바꾸어 주는 것이다. 활성탄은 고도로 발전된 숯과 같다. 예전에 장을 담글 때 숯을 띄워 맛이나 냄새를 내는 이물질을 걸러내던 선조들의 지혜를 극대화한 것이다. 유연탄이나 야자껍질을 숯과 유사하게 처리한 상업적인 활성탄 1g은 약 1,000㎡의 표면적을 가지고 있다. 물을 활성탄에 통과시키면 수중의 비극성 유기물질들이 활성탄에 흡착되어 제거되므로 유해한 미량유기물질들이 제거된다.
최근에는 이 과정에 막분리 공정을 결합하고 있다. 막분리 공정에 사용되는 막은 정밀여과막(MF), 한외여과막(UF), 나노여과막(NF), 역삼투막(RO)의 4가지 종류로 구분하는데 정밀여과막과 한외여과막은 입자성물질을 제거하는 기능을 가지고 있고, 나노여과막과 역삼투막은 저분자 미량유기물질들을 제거하는 기능을 가지고 있다. 특히 역삼투막은 해수의 담수화에도 사용된다. 우리나라에서 막분리 공정은 주로 노후된 모래여과지를 정밀여과나 한외여과막으로 대체하는 정도이나 추후에는 나노막이나 역삼투막을 이용하여 오존과 활성탄 공정을 대체할 가능성이 있다. 프랑스나 미국에서는 나노막의 활용이 확대되어가는 추세이다.
에너지 효율화와 정수기술의 개발
고도정수기술을 활용함으로써 더 안전하고 맛있는 음용수를 생산하기는 하지만 공정이 추가되므로 에너지의 소요량은 증가할 수밖에 없다. 기존의 급속여과법에서는 물 1㎡를 생산하는 데 평균 0.19kwh가 소요되었으나 한외막여과를 사용하는 경우에는 약 0.2~0.4kwh의 에너지가 소모되며, 오존공정이나 활성탄공정을 사용할 때는 수리적 상황에 따라 다르지만 약 0.1~0.2kwh의 에너지가 추가로 소요된다. 결국 우리는 갈수록 더 많은 에너지의 사용을 필요로 하게 된다. 에너지 사용의 증가가 불가피하다면 에너지를 효율적으로 적게 사용하는 분리막의 개발이 관건이 될 것이다.
고도정수기술을 활용함으로써 더 안전하고 맛있는 음용수를 생산하기는 하지만 공정이 추가되므로 에너지의 소요량은 증가할 수밖에 없다. 기존의 급속여과법에서는 물 1㎡를 생산하는 데 평균 0.19kwh가 소요되었으나 한외막여과를 사용하는 경우에는 약 0.2~0.4kwh의 에너지가 소모되며, 오존공정이나 활성탄공정을 사용할 때는 수리적 상황에 따라 다르지만 약 0.1~0.2kwh의 에너지가 추가로 소요된다. 결국 우리는 갈수록 더 많은 에너지의 사용을 필요로 하게 된다. 에너지 사용의 증가가 불가피하다면 에너지를 효율적으로 적게 사용하는 분리막의 개발이 관건이 될 것이다.
전세계적으로 만년설이나 빙하의 감소로 인하여 남미나 아프리카 등지에서 상수원이 고갈될 것으로 예상되며 중동 이외의 지역에서도 해수담수화가 확대될 전망이다. 해수담수화로 음용수를 1㎡ 생산하는데 약 2~3kwh의 전력이 소요될 것으로 전망되고 있으며, 해안지방에서 생산된 물을 내륙지방으로 이송하기 위해서도 막대한 에너지가 소용될 것이므로 기후변화로 인해 음용수를 공급하는 데는 갈수록 더 많은 에너지가 소용될 것으로 추정된다. 그러므로 앞으로 차세대 정수기술 개발의 관건은 에너지의 효율화로 집약될 것이다. 특히 풍력이나 태양열 등 자연에너지를 활용하여 생산이 가능한 소규모 정수시설이 각광을 받을 것으로 보인다.