전 세계 바닷물 담수화 시장에서 국내업체가 세계시장을 선도하고 있다는 기사를 읽은 적이 있다. UN에서 물 부족 국가로 분류되는 우리나라는 앞으로 새로운 수자원 확보를 위한 기술이 필요하다. 이 분야의 새로운 기술이 계속 발전되고 있으며, 그중 현재까지 가장 많이 실용화된 기술은 역삼투압방식이다.

축산농가 중에 짠물이 나오는 지역에 농장을 세운 후 물로 인해 고통받는 분들이 늘어나고 있다. 실제로 농장에서 바닷물이 섞여 나오는 짠물을 맛보면 처음에 다른 이물질과 섞여 짠맛을 잘 느끼지 못한다. 그러다 색도물질인 철분, 망간을 제거하든, 탁도물질을 제거하든, 1차 정수처리를 한 후 물맛을 보면 짠맛이 아니라 쓴맛으로 느껴진다. 이런 지역에서 짠물을 민물로 바꾸는 데 사용하는 장치가 바로 역삼투압장치이다.

역삼투압의 원리

배추를 소금으로 절이면 배추의 속 수분은 급격히 소금물 쪽으로 이동하여 배추의 부피가 감소된다. 이것은 소금물의 농도가 진해서 배추의 속 수분이 삼투현상을 일으켜 급격히 밖으로 이동하기 때문이다.

농도가 다른 두 용액 사이에 배추껍데기와 같은 반투막이 존재한다면 농도가 낮은 쪽에서 농도가 진한 쪽으로 용액이 점차적으로 이동하는 현상이 생기고, 이 반투막은 용매(Solvent)는 자유로이 통과시키지만 용질(Solute)은 통과시키지 못하는 성질을 지닌 막의 역할을 한다.

농도가 다른 두 용액 사이에서 발생되는 용액의 이동 현상은 어느 한계점에 도달하면 두 용액 사이에 평행을 이루게 된다. 이 한계점은 농도가 진한 쪽의 용액과 농도가 희박한 용액 사이에서 더 이상의 용매 이동상태가 없는 상태가 되는데, 이 삼투압보다 더 큰 압력을 농도가 진한 용액에 가한다면 반투압을 통과하는 용액은 용질이 제외된 순수한 용액의 이동현상이 발생하게 된다. 이 현상을 역삼투라 한다.

이 역삼투는 삼투현상의 반대방향으로 용액의 흐름을 유도하는 기술적인 장치이며, 이 장치를 역삼투압장치라 한다(Reverse Osmosis System).

역삼투압장치가 널리 활용되는 이유

멤브레인(Membrane)이라 불리는 막을 이용한 정수가 전 세계적으로 널리 사용되는 이유는 원수에 포함된 일정 크기 이상의 현탁물질뿐만 아니라 이온 상태의 물질까지 제거하는 장치로 정밀여과기능이 필요한 모든 곳에서 요구되기 때문이다. 주로 오염된 지하수정수용(불소, 알루미늄, 비소·암모니아성질소, 질산성질소, 칼슘, 마그네슘, 대장균, 염분 등 제거), 화장품, 페인트 등 산업용 초순수물 생산, 해수담수화, 펄프폐액 정화, 도금폐수 처리, 방류수 색도제거용 등에 다양하게 쓰인다. 또한 시설이 작으므로 소요면적이 작고 자동화 운전이 용이하며, 필요시 소량으로 운전관리가 간단해서이다.

반면에 단점으로 색, 냄새, 맛 등에 관계되는 용해성 물질을 제거하기 위하여 재래식 처리와 병합하기도 하고, 막이 오염되어 생산효율이 떨어지면 막의 수명에 따라 멤브레인을 교체하거나 약품 세정을 하는 것이 필요하고, 고농도의 농축수가 다량 배출되므로 이를 처리하는 시설이 필요하다.

이런 좋은 역할과 기능을 가진 장치를 처음 접하고 현장에 설치하며 겪은 경험담을 먼저 소개하겠다.

역삼투압장치 입문기(시행착오)

짠물을 제거할 수 있는 장치라고 하는데, 역삼투압장치가 이러한 짠물과 관련된 심각한 문제를 모두 해결할 수 있을까? 초기에는 시행착오를 많이 겪었다.

바닷물이 섞인 짠물은 일반 지하수와 달리 염소이온 외에도 다른 부적합 성분들을 많이 함유하고 있다는 특징이 있다. 비싼 돈을 들여 설치한 역삼투압장치를 오래 써보고 유지관리를 용이하게 하기 위한 전처리장치를 복합적으로 설치해도 몇 달이 지나면 여지없이 다시 막힘이 생긴다. 이론적으로 이온화된 성분까지 100% 다 제거한다고 하지만 미량이라도 통과하기도 한다.

그러다 보니 시간이 오래 지나다 보면 정수장치 후단의 물탱크 등에 오염물질들이 축적되고 착색되는 것을 피할 수 없었다. 심한 경우에는 배관 용접부위가 변색되고 미세한 틈이 생겨 압력이 걸리면 물이 압력을 받아 미세하게 새어 나오는 바람에 구부러진 부분의 용접부위는 덧대기 용접으로 누더기가 된 적이 많았다.

그리고 산화된 검정색 점액질로 떡칠된 마이크로필터를 1주일에 한 번씩 끊임없이 교체해 주던 경우도 있었고, 장비 내부의 스테인리스 부속도 부식되어 전산볼트가 부러졌던 기억도 있다.

또 다른 포인트는 생산수량의 감소시 멤브레인만 교체하면 된다고 하지만 실제로 원인을 파악해 보면 다른 원인인 경우도 있고, 기본적으로 역삼투압장치는 유지관리가 더 중요한 장비라는 점이다. 다른 정수장치는 초기 설치와 간헐적인 유지관리만 하면 되는 것이 관리 매뉴얼이지만, 역삼투압장치는 초기 설치비도 약간 고가이지만, 유지관리의 주기와 빈도, 정도를 정확히 지켜가는 것이 더 중요한 장비이다.

자연의 힘을 이기기보다는 지연시키며 안전하게 사용하는 방법을 터득해 왔다는 것만으로도 만족하고 있다. 용접방법도 초기의 맞대기, 덧대기에서 돈이 들고 시간이 소요하더라도 퍼지용접을 안팎으로 하는 것이 좋겠다는 점도 알게 되었다. 무서운 자연의 힘이 느껴진다.

결론적으로 진보된 물 처리 기술은 이러한 성분상의 문제를 해결할 수는 있다. 그러면 그 기술에 대해 원리와 설치사례까지 살펴보도록 하겠다.

설치자 입장에서의 주요 고려사항

역삼투압(R/O) 공정 설계시 원수의 농도, pH, 전처리공정, 운전조건, 분리막의 소재에 따라 변수가 생긴다. 원수의 농도가 올라갈수록 투과율이 감소하지만 용질 배제율은 크게 변하지 않는다. 그러나 농도에 따라 용액의 성질변화가 있을 경우 막의 배제능이 변할 수 있다.

육안으로 보기에 원수 상태가 일반 샘물처럼 깨끗하지만 염도가 아주 높은 경우도 있고, 건수를 잡아 원수 상태는 흙탕물처럼 보이지만 염도는 많이 함유하지 않은 경우도 있으므로 선(先)수질검사가 중요한 이유이기도 하다.

pH(수소이온농도)는 용질의 특성을 변화시켜 막과 용질 간의 상호 친화도 및 흡수도를 변화시킨다. 산성이나 알카리도가 높은 물보다는 중성의 물이 멤브레인 처리하기에 용이하다.

그리고 기기와 장비를 보호하기 위해 모래여과기나 철분망간제거장치, 정밀여과장치 등 입자를 최대한 줄여 멤브레인을 보호하고자 설치하는 전처리장치에 따라 막의 투과흐름을 개선시킬 수 있다. 또 장치를 운전하는 조건상에서 아주 높은 압력을 가하면 용매의 투과율이 증가하나 막 내부에 오염물질이 빨리 축적이 되고 멤브레인과 결합되어 오염을 가속화시키기도 한다.

또한 분리막의 소재가 무엇인지에 따라 막의 친수성 및 소수성, 막 표면에 코팅전하의 분포, 표면의 거칠기, 공극률(porosity) 및 입경분포에 따라 용매투과율 및 배제율이 변한다. 이런 인자들이 장치의 수명이나 유지관리 소모품의 수명단축을 야기하는 경우가 많으므로 설계시 필히 고려해야 한다.

역삼투압장치의 주요 구성품

1. 멤브레인(Membrane, 막)

베슬 내부에 내장된 멤브레인은 외견상 유리섬유로 코팅된 것처럼 보이는 형태이다. 물속에 존재하는 눈으로 볼 수 있는 입자부터 이온화된 물질들까지 제거효율을 매우 뛰어나다.

역삼투압장치의 핵심부품은 멤브레인이다. 멤브레인은 R/O System의 핵심부분으로, 반투막에 의해 모든 공급원수에 대하여 85%~99.5%의 고형물질(이온물질 포함) 제거능력을 갖추고 있다. 원수가 미세공의 반투막을 통과할 때 투과된 물은 다음 단계로 이동하며, 미세공의 반투막을 통과하지 못한 물은 농축된 상태로 외부로 방출된다.

이것이 R/O system의 핵심인 Membrane의 역할이다. 소형 System의 경우에는 재생공정 없이 Membrane을 교체해 줌으로써 지속적인 운영이 가능하다.

막의 공경(구멍크기)은 0.001~0.0001㎛이고 해수의 담수화에도 사용되고 있다. 일반적인 막 모듈의 형태는 나선(spiral-wound)형 모듈이다. 나선형 모듈은 입구가 한쪽인 봉투와 같은 형태의 평막 사이에 생산수가 흐를 수 있는 공간을 두었으며, 막과 막 사이에는 Mesh space를 두어 원수가 흐를 수 있도록 하였다.

즉, 막 모듈은 두 장의 평막 사이에 통수가 가능한 지지체를 넣고 막의 외면에는 그물 형태의 Spacer를 적층시킨 후 롤케이크 형태로 말아서 만든다. 실제 공정에서 사용하는 경우, 막 모듈을 압력 베슬에 1~6개를 직렬로 넣어 연결하여 사용한다.

모듈은 보통 1m 정도의 길이에 8inch, 4inch 등의 직경을 가지며 통상 직경을 기준으로 16인치막, 8인치막, 4인치막이라고 부른다. R.O Membrane은 최적 조건 하에서 1～3년간 지속적으로 사용이 가능하며 간단한 방법으로 교체할 수 있다.

2. 베슬

멤브레인을 보호하고 고압을 이겨내도록 특수 설계한 FRP나 스테인리스 소재가 있다. 긴 원통형의 관 끝에는 고압을 견디기 위한 고정쇠가 설치되어 있고, 양 끝이나 베슬 앞쪽으로 원수를 공급하거나 생산수를 뽑아내거나 농축수를 버리기 위한 배관 소켓이 부착되어 있다.

3. 고압펌프

멤브레인에 원수를 고압으로 가압시켜 멤브레인을 통해 원하는 수질의 물을 뽑아내기 위한 장치로 입형다단부스터펌프가 많이 사용되고 있다. 상부 모터 하단에 다수의 임펠러를 다단으로 내장하여 원하는 압력으로 원하는 양의 물을 일정하게 공급하여 안정적으로 생산수를 만들어내도록 하는 장치이다.

처리하는 물이 일반적인 담수라면 N/F용으로 7bar 압력의 펌프를 사용하고, R.O.용의 경우 10~15bar 압력을 낼 수 있는 제품을 사용하고 있다. 해수 담수화 장비의 경우 45~60bar의 압력을 견딜 수 있는 소재로 제작되어 해수에서 정수물을 뽑아낼 수 있도록 만들어진 브란자펌프를 사용한다.

물론 그런 경우, 부식도와 내구성을 고려하여 베슬에서 장치로 이어진 배관은 STS316L이나 특수코팅을 사용하고, 특히 용접하는 경우 안전을 위해 퍼지용접방식을 사용한다. 참고로 화재시 고층건물에 쏘아 올리는 소방관정의 수압은 25bar이다.

4. 계측 및 제어장치
 
일반적으로 역삼투압장치에는 원수 유량계, 생산수 유량계, 농축수 유량계, 재생수 유량계가 배관에 장착되어 전체적인 유량을 한눈에 파악할 수 있도록 해주고 있다. 이외에도 원수 압력계, 고압펌프 압력계가 부착되고, 역삼투압장치 제어장치에 PLC프로그램과 TDS메터, 온도계, 도전계, 그리고 각종 누전차단기, 릴레이 등을 사용하고 각자 수치에 따라 자동제어 된다.

5. 전처리장치
 
역삼투압장치에서 전처리장치의 중요성은 여러 번 강조해도 아깝지 않다. 가장 신경을 많이 써줘야 할 부분이기 때문이다.

막 성능을 장기간 유지하기 위하여 막에 영향을 주는 물질 및 투과율을 감소시키는 오염원을 제거하는 것이 주목적이며 막의 화학적 분해, 스케일, 기계적 열화 및 투과율 감소 등의 문제를 해결해야 한다. 특히 원수의 SDI(Silt Density Index), pH, 탁도 및 온도, 오염원 등을 사전에 분석하여 분리막 공정에 적절한 수준의 전처리공정을 선택해야 한다.

일반적인 전처리 기법으로 물리적 전처리를 적용하는데 막에 부착되어 투과율을 감소시키는 탁도물질을 제거하기 위한 공정이 큰 부분을 차지하며, 활성탄여과와 카트리지 필터 복합형을 사용하기도 하며, 원수의 온도를 적절한 수준으로 맞추어 주는 것도 분리막의 수명을 길게 할 수 있는 방법이다. 또한 원수에 함유되어 있는 유분이나 막 표면에 부착이 용이하여 투과율을 감소시키는 막 코팅 물질 등은 사전에 정확히 처리해야 한다.

현장설치 및 운영사례

역삼투압장치뿐만 아니라 모든 정수처리장치 상담시에는 항상 수질분석을 선행해서 실시하고 있다. 이를 통해 국가기준 음용수 및 생활용수 기준에 부적합한 성분을 파악해서 장치를 효율적으로 설계를 하여 불필요한 기능의 중복 설비를 방지하는 것이 기본업무이다. 또한 설치 현장의 건폐율이나 용적률을 고려하여 장비 보호시설을 따로 건축하기 어려운 경우 컨테이너 내장형을 고려해 보기도 한다.

아는 지인의 소개로 방문한 농장에서 지하수 원수를 채수해서 수질검사를 받아보니 경도, 과망간산칼륨소비량, 맛, 망간, 세레늄, 염소이온, 일반세균, 황산이온 항목 등 8개 항목이 기준에 부적합하다는 평가를 받았다.

수질검사 결과를 확인한 후 멤브레인을 보호하기 위해 우선 전처리장치를 선정하였다. 농장 상황과 타 농장의 물 사용량을 고려하여 필요 물량을 계산해보니, 약 30톤의 물을 생산할 수 있는 장치가 필요한 것으로 나타났다.

농장장과 협의과정에서 비용부담 때문인지, 공간부족 때문인지 굳이 하루 10톤에서 최대 20톤만 생산해도 된다고 우기는 것이었다. 물 부족이 예상되기에 설득하여 추가시설을 설치하여 30톤용으로 설치하였다.

결국 다음 해 여름철 물 소비량이 늘자 추가시설로도 위태위태한 정도까지 물 부족 압박을 받아 가슴을 쓸어내린 적이 있다. 물론 지금은 서로 웃으며 지내고 있다.

고압펌프는 1일 사용량 및 가압 압력을 기준으로 12bar 전후의 능력을 가지고 있는 입형다단펌프를 선정하였다. 그리고 원수 이송펌프는 기동압력과 유량을 고려하여 선정하였고 정수공급 펌프는 인버터방식으로 1~7bar까지 농장에서

임의로 설정하여 사용할 수 있는 제품을 선정하였다. 특히 다른 현장보다 신경을 더 쓴 점은 모든 사용 펌프를 두 대씩 병렬로 설치하고 바이패스 기능을 추가해서 돼지들에게 공급하는 물이 끊어지지 않도록 하였다.

특히 전체 시스템에서 정수량보다 원수량 확보가 더 필요하므로 충분한 원수탱크 시설을 요청하였다. 현장에 장치를 설치하기 위해 사전에 공장에서 선정된 부품과 자재를 취합해서 확정된 장치배치계획에 맞춰 장치 조립 완료후 모듈별로 분해하여 현장으로 이동시켰다. 장치 이동시 충격에 노출되지 않도록 호이스트를 이용하여 띄워 상차하였고 이동차량 바닥에 완충소재를 사용하여 확실하게 고정을 한 후 이동시켰고, 전 과정에서 안전사고에 유의하여 하차를 시켰다.

현장설치는 역순을 기준으로 설치한다. 지하수 급수라인에서 전처리장치까지 물의 처리순서대로 설치를 하면 정수과정에서 발생하는 농축수 배출라인을 확보하지 못해 설치후 두 번 작업하는 경우가 생기므로, 도면을 기초로 배치를 하고 드레인라인을 먼저 정리한 후 정수장치를 설치한다.

 
설치후 서서히 물을 통수시키며 장치나 배관 이음새 부분에 누수가 발생하지 않는지 꼼꼼하게 체크한다. 이상이 없으면 충진된 압력을 빼고, 전기배선공사를 하고 모터밸브와 각종 제어장치 시운전을 통해 기기의 오작동 여부와 안전점검을 병행해서 실시한다.

설치 및 시운전과정에서 제일 중요하게 생각하는 부분이 담당자 교육이다. 농장 입장에서 제일 중요한 부분이다. 장치별 용도와 사용법, 관리방법을 설명하고 직접 시연해보도록 하여 실질적인 관리가 되도록 하고 소모성부품인 마이크로필터, 펌프 압력개폐기, 질소탱크, 부품내부 오링교체법, 계측장비의 교체 시 부품교체법 등에 대해 샘플과 설명을 곁들여 인수인계를 실시하는 것이 중요하다.

그러나 현장에서 담당자나 농장장이나 계속 바빠서 잠깐 둘러보고 다시 뛰어가고 인수인계 시간은 늘어지고…. 결국 기계 앞에 매뉴얼을 걸고 매직펜으로 기계마다 메모하여 긴급조치가 되도록 하고 겨우 납품완료를 마쳤다.

역삼투압장치 후기…개념은 간단하지만 현장에서는 유지관리가 중요하다는 점을 명심해 달라!

역삼투압장치는 사전계획과 설치준비를 철저히 하고 꼼꼼하게 설치하는 것이 중요하다. 하지만 그게 다가 아니다. 더 중요한 것은 유지관리를 규칙적으로 정확하게 해 주는 것이다.

아무리 믿을만하고 안정적인 제어장치, 정확한 계측장치, 내구성 있는 펌프를 설치했어도 정기적인 장치점검과 멤브레인 관리, 마이크로필터 교체, 여과용 미디어 교체 등이 장기적인 사용을 위해서 새로 설치하는 것보다 중요하다. 다른 정수장치보다 초기 설치비도 비싸지만 유지관리를 잘하면 10년에서 20년 이상 쓸 수 있는 장치가 바로 이 장치이다.

이런 훌륭한 장치로 바닷물에서 맹물을 뽑아낸, 비용을 엄청 들여 생산한 물이지만, 이 물을 먹고 마시고 자란 돼지들의 사육성적이 좋았다는 평을 듣고 보면 보람도 두배이다. 아마 살결도 다르고 고기맛도 더 좋지 않겠냔 생각을 해본다.

장치를 설치한 현장이 늘어갈수록 유지관리를 하면서 스스로가 부족함을 느끼게 되는 점이 오히려 다행이라고 본다. 이를 통해 정수처리전문가로서 더 나은 서비스를 한돈인 여러분들에게 제공하겠다는 의지를 다져간다.

다음 호에서는 구제역과 AI 등으로 발생한 매몰지 인근에서 채수할 때 불안감을 느끼는 지하수의 관리방안에 대해 제안해보겠다.

본고에 대한 궁금한 사항은 필자(010-9780-8588)에게 문의하시길 바랍니다.

<월간 피그 2017년 1월 호>