산업용수 재이용을 위한 정제공정 설계

산업용수 재이용의 필요성과 정제공정 설계의 원칙

산업용수는 생산, 세척, 냉각, 공정 보조 등 다양한 산업 활동에서 필수적으로 사용되며, 공정 종료 후 대부분 폐수 형태로 배출된다. 그러나 환경규제 강화와 수자원 부족 문제가 심화되면서, 배출보다는 재이용의 방향으로 전환하는 흐름이 전 산업 분야에서 확대되고 있다. 산업용수 재이용은 단순한 절수 차원이 아니라, 기업의 지속가능경영과 공정 최적화를 위한 전략적 선택으로 자리잡고 있다. 이를 가능하게 하기 위해서는, 산업용 폐수를 고품질의 용수로 정제하는 복합적 공정 설계가 핵심이 된다.

정제공정 설계는 일반적인 하수처리 설계와 달리, 용수의 최종 용도에 따라 매우 세분화된 요구 조건을 충족해야 한다. 예를 들어 반도체 제조에 사용되는 초순수는 1ppb 이하의 불순물만 허용되며, 이 경우 초고도 처리 공정이 필수적이다. 반면 보일러 급수나 냉각탑 순환수는 상대적으로 낮은 품질 수준으로도 재이용이 가능하다. 이처럼 산업용수 재이용 정제공정은 단일한 표준이 아닌, ‘공정 맞춤형 설계’가 요구되며, 처리 효율, 비용, 유지보수 편의성, 안정성을 종합적으로 고려해야 한다.

설계의 첫 단계는 원수의 수질 특성과 변동성 분석이다. 원수 수질은 시간과 생산 공정에 따라 크게 달라질 수 있으며, 실시간 모니터링과 다중 샘플링을 통해 대표성을 확보하는 것이 중요하다. 두 번째 단계는 재이용 용도의 수질 목표 설정이다. 이를 통해 제거해야 할 주요 오염물질 목록과 제거율 목표가 정해지고, 이에 따라 적합한 공정 단계를 조합하는 방식으로 설계가 진행된다. 이 과정에서 가장 중요한 원칙은 ‘단순화된 공정 체계 내에서 다중 장벽(Multi-barrier) 시스템을 구축하는 것’이다. 이는 안정성을 높이고 공정 중단 리스크를 줄이는 데 기여한다.

 

전처리 단계: 입자성 물질 및 오일 제거 시스템 구성

전처리 단계는 산업용 폐수를 정제공정에 적합하도록 안정화시키는 중요한 과정이다. 이 단계에서는 주로 부유물질(SS), 유분, 큰 입자성 오염물 등이 제거된다. 전처리 과정이 제대로 수행되지 않으면, 이후 고도처리 장비들의 막힘이나 손상이 발생할 수 있으므로, 전체 공정의 신뢰성을 좌우하는 핵심 구간이라 할 수 있다.

일반적인 전처리 공정은 스크리닝–침전–유분 분리–혼화·응집–여과 등의 단계로 구성된다. 스크리닝은 펌프 손상을 유발할 수 있는 큰 입자를 제거하며, 침전조는 밀도가 큰 입자성 물질을 중력에 의해 분리한다. 산업 폐수의 경우 오일이 함께 포함된 경우가 많은데, 이를 위해 DAF(Dissolved Air Flotation) 시스템이 자주 사용된다. DAF는 미세 공기를 수중에 주입해 오염 입자와 기포가 결합하게 만든 후, 이를 부상시켜 제거하는 방식으로, 섬유, 식품, 금속 가공 등 유분이 많은 폐수에 효과적이다.

혼화·응집 단계에서는 알루미늄 또는 철계 응집제를 투입하여 미세 부유물질을 응집·응결시키고, 이를 여과지나 모래여과기를 통해 제거한다. 이 단계는 후단 막공정이나 이온교환장치에 부하를 줄여주는 역할을 한다. 특히 응집제를 자동 제어하는 스마트 계량 시스템을 도입하면 계절별 수질 변화에 신속하게 대응할 수 있다. 전처리의 설계에서 가장 중요한 점은, 가능한 한 유기물과 무기물 간의 분리 효율을 높여 후단 처리비용을 줄이는 구조로 설계해야 한다는 것이다.

 

고도처리 단계: 막여과, 이온교환, RO의 최적화 설계

전처리를 마친 폐수는 고도처리 구간에서 본격적인 정수화 과정을 거치게 된다. 이 단계는 재이용 목적에 따라 기술 선택이 매우 달라지며, 보통 막분리기술, 이온교환, 활성탄 흡착, 역삼투압(RO), 정전기 분리, 나노여과(NF) 등의 고급기술이 활용된다. 이들 공정은 독립적으로 작동하기보다는 조합적으로 설계되어야 하며, 각 공정 간 상호작용까지 고려한 통합적 최적화가 중요하다.

막여과는 MF(Microfiltration), UF(Ultrafiltration) 등으로 나뉘며, 입자성 물질과 세균, 바이러스 등 미세 오염원을 제거하는 데 효과적이다. UF는 지름 0.01~0.1㎛의 오염물 제거가 가능하므로, 대부분의 산업용수 재이용 공정에서 핵심적으로 사용된다. UF 후단에는 RO가 배치되며, RO는 물 속에 녹아 있는 용존 이온, 중금속, 유기물, 나노입자 등을 제거할 수 있다. 다만 고농도 농축수 발생과 막 오염(fouling)의 리스크가 높기 때문에, 전단에 충분한 전처리와 주기적인 역세척 설계가 병행되어야 한다.

이온교환 수지는 RO로도 제거하기 어려운 특정 이온성 물질을 선택적으로 제거하는 데 유용하다. 특히 경도 물질(칼슘, 마그네슘), 질산염, 암모늄 이온 제거에 효과적이며, 재생주기를 고려한 다층 수지탑 설계가 이루어진다. 고도처리 단에서는 이온교환과 RO, 그리고 활성탄 흡착이 상호보완적으로 설계되며, 제거물질의 특성에 따라 유연한 조합이 필요하다. 예를 들어 휘발성 유기화합물이 주요 대상이라면 GAC(입상활성탄) 흡착 공정을 병렬로 설치하는 방식이 유리하다.

 

에너지 절감과 공정 통합을 고려한 재이용 시스템 설계 전략

산업용수 재이용 정제공정의 설계에서 최근 더욱 주목받는 요소는 에너지 효율성과 시스템 통합성이다. 특히 RO와 같은 고압 공정은 전력 소모가 크기 때문에, 에너지 절감이 가능한 역삼투압 회수장치(ERD), 저압 멤브레인, 스마트 압력제어 시스템을 함께 적용하는 방식이 도입되고 있다. 이를 통해 전체 공정의 에너지 사용량을 30~40%까지 줄일 수 있으며, 설비 운영비도 크게 절감된다.

또한 정제수의 품질 안정성을 확보하기 위해, 수질 모니터링과 제어 시스템을 자동화하고, 공정 간 연결 로직을 유기적으로 설계하는 것이 중요하다. 예를 들어 전처리 단계의 탁도 상승이 UF나 RO 공정에 미치는 영향을 실시간으로 분석하고, 자동으로 응집제 투입량을 조절하거나 막 역세척 주기를 조정할 수 있도록 설계한다면, 오염 사고를 방지하면서 연속적인 수질 확보가 가능하다.

산업 현장에서 정제공정의 또 다른 중요한 변수는 공간 제약과 유지보수의 편의성이다. 이를 위해 모듈형 패키지 시스템으로 공정을 구성하거나, 컨테이너화된 이동식 정제설비(Mobile Water Reuse Unit)를 사용하는 방식도 점점 확대되고 있다. 이 방식은 특히 임시 생산설비나 비상공급 체계에 유용하며, 설치시간 단축과 유연한 운용이 가능하다.

궁극적으로, 산업용수 재이용 정제공정 설계는 단순히 오염물 제거에만 국한되지 않고, 기업의 ESG 전략, 탄소배출 절감, 물발자국 관리까지 포함하는 통합적 접근이 필요하다. 기술의 정교함뿐 아니라, 장기 운전의 경제성과 지속 가능성을 보장하는 설계가 기업 경쟁력을 좌우하게 되는 시대다. 이제 폐수는 버려지는 물이 아니라, 전략적 자원이자 자산으로 재인식되고 있다.