3.2.1 흡착

흡착은 저농도로 존재하거나 화학적ㆍ생물학적 분해가 어려운 오염물질을 처리하는 데 유용한 방법으로, 특히 1차적으로 처리된 물을 추가처리하여 미량오염물질의 농도를 줄이는 데 매우 효과적이다. 흡착 프로세스는 카트리지형 모듈 제작을 통해 수도꼭지나 물병과 같이 매우 작은 크기로부터 대형 정수장에 이르기까지 매우 다양한 규모에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 국외 여러 나라에서는 수돗물을 직접 음용할 때 사용하는 간단한 활성탄 필터 제품의 인기가 매우 높은데, 이것은 흡착 프로세스가 분산형 물관리에 매우 적합하다는 것을 반증한다. 흡착과 흡착제 재생의 프로세스를 결합하여 활용하면 자원회수형 시스템(일명 trap-and-recover 시스템)을 구축할 수도 있다. 가스상 물질의 분리ㆍ회수에는 이미 pressure swing adsorption 또는 temperature swing adsorption과 같은 시스템이 자주 사용되고 있다. 이 두 시스템은 압력이나 온도차에 의해 흡착능에 큰 차이가 나는 것을 활용한 것이다. Pressure swing adsorption은 고압에서 분리하고자 하는 가스상 물질을 선택적으로 흡착제에 흡착시킨 후 저압에서 다시 탈착시켜 그 물질을 회수하는 방법이며, temperature (또는 thermal) swing adsorption은 저온에서 흡착, 고온에서 탈착시키는 방법으로 물질을 분리ㆍ회수하는 방법이다(^{Hedin et al., 2013}). 이러한 개념을 수처리에 잘 적용한다면 오염수에 존재하는 유용자원을 회수하여 에너지 또는 자원으로 활용할 수도 있을 것이다.

흡착을 이용한 분산형 수처리의 효율, 적용성, 경제성을 향상시키기 위해서는 흡착속도, 선택성, 흡착용량, 재생효율 등의 측면에서 우수한 흡착제가 지속적으로 개발되어야 한다. 바람직한 흡착제의 특성은 i) 되도록 짧은 시간에 흡착 반응이 일어나고, ii) 제거하고자 하는 물질에 대한 선택성이 높으며, iii) 간섭물질의 영향에 상대적으로 덜 민감하고, iv) 단위부피 또는 단위중량당 흡착용량이 높아 컴팩트한 시설 또는 제품 구현이 가능하면서 흡착매질의 교체주기가 길고, v) 여러 차례 재생시켜 사용하여도 원래의 성능을 거의 유지하는 것이다. 여기에서 흡착제의 성능은 흡착능뿐만 아니라 물리적 강도 등 실제 적용성을 좌우하는 여러 인자들을 포함한다. 흡착-재생 주기를 이용한 trap-and-recover 시스템에서는 흡착제의 흡착용량, 흡착 선택성, 재생효율이 모두 우수해야 하는데, 일반적으로 흡착능과 흡착 선택성이 높을수록 흡착제로부터 흡착물질을 탈착시키는 것이 어렵다는 사실이 이 회수 시스템의 걸림돌이 된다(^{Zodrow et al., 2017}). 따라서 trap-and-recover 시스템의 효과적인 구현을 위해 이러한 흡착-탈착의 딜레마를 극복할 수 있는 신소재나 신개념 시스템의 개발이 필수적이다.

흡착의 분산형 수처리 적용성을 탐구하고자, 다양한 연구자들은 분산형 생활하수, 분리뇨(source-separated urine) 및 의약품폐수 내 오염물질 흡착 제거 가능성을 연구해왔다. ^{Ebie et al. (2008)}은 분산형 “Johkasou” 소규모 생활하수 처리모듈의 인 제거성능 향상을 위해 zirconium 재질의 흡착모듈을 설치하였고, 모든 분산형 수처리 적용 현장에서 90일 동안 인 배출농도 1 mg P/l 이하를 유지했다(^{Ebie et al., 2008}). 사용된 흡착제 내 인은 탈착 및 결정화를 통해 회수될 수 있었다. 목적 물질에 높은 친화도를 갖는 흡착제 발굴을 통해, 분산형 수처리의 성능을 향상하였으며, 인 자원회수도 달성했다는 측면에서 큰 의의가 있다. ^{Tarpeh et al. (2017)}은 분산형 NoMix 소변기에서 회수된 분리뇨를 제올라이트, 바이오차 또는 이온교환수지로 구성된 흡착탑을 활용해 처리하였으며, 흡착된 암모니아성 질소의 95% 이상을 탈착-자원화 가능함을 검증했다. ^{Alvarino et al. (2020)}은 의약품폐수의 분산형 수처리를 위해 생물학적 수처리와 활성탄 흡착을 결합하였고, 활성탄 투입을 통해 의약품류 유기오염물질의 90% 이상 제거를 달성했다. 고효율 분산형 처리를 통해 의약품류 유기오염물질의 수계 및 집중형 수처리 시스템으로의 방출을 방지했다는 점에서 큰 의의가 있다. 이처럼, 흡착은 다양한 계층의 분산형 수처리 시스템에 적용이 시도되고 있으며, 가능성을 보여주고 있다.

분산형 수처리 플랫폼 내 흡착 적용을 위해서는, 흡착제 생산이나 흡착 제품 또는 공정의 전주기적 환경영향(온실가스 배출량 등)을 저감하기 위한 기술 개발도 필요하다. 아직까지 수처리용 흡착제로는 활성탄이 가장 널리 사용되며, 이온성 물질 및 특정 오염물질의 선택적 제거를 위해 이온교환수지가 일부 사용되기도 하는데, 이러한 흡착제들을 사용하는 공정의 전주기적 탄소배출은 비교적 큰 것으로 알려져 있다(^{Choe et al., 2015}; ^{Choi et al., 2016}), 여러 연구로부터 이런 흡착제나 흡착 공정을 대체함으로써 전주기적 환경영향을 상당히 낮출 수 있음이 밝혀졌는데, 대표적인 사례로는 기존의 활성탄을 재생활성탄이나 바이오차로 대체하는 것이 있다(^{Alhashimi and Aktas, 2017}; ^{Choi et al., 2016}).

3.2.2 막여과ㆍ막접촉

막여과는 입자상 물질, 용존상 물질, 병원균 등 다양한 오염물질에 대한 적용성이 뛰어나고 신속한 처리가 가능하다는 장점이 있다. 또한, 흡착과 마찬가지로 모듈화를 통해 대형 정수장으로부터 개인용 제품에 이르기까지 다양한 규모의 장치에 적용이 가능하다. 우리나라에서 사용되는 가장 대표적인 분산형 수처리 장치인 정수기에 막여과가 사용된다는 점은 이를 증명한다. 막여과와 흡착은 유입점(point-of-entry) 수처리, 사용점(point-of-use) 수처리 등 물공급 시스템 말단에서의 분산형 수처리에 가장 많이 사용되는 오염물질 제거 기작이다(^{Lykins et al., 1992}; ^{Wu et al., 2021}).

막접촉기(membrane contactor)는 오염수를 가압하지 않고 막을 사이에 두고 일어나는 확산에 의해 오염수로부터 물질을 제거하거나 회수하는 장치이다. 막접촉기에서는 물이 통과하지 않고 미세공극이 기체로 차 있는 소수성 막을 사용한다. 이 막을 사이에 두고 오염수 반대편에 회수할 유용자원에 친화력이 높은 용매/용액을 흘려보내거나(Fig. 2, 왼쪽) 기체 흐름/진공압을 가하면(Fig. 2. 오른쪽) 오염수로부터 휘발성 물질이 공극을 통해 막의 반대편으로 이동하여 회수된다. 이 방법은 막여과에 비해 상대적으로 기술 성숙도가 낮으나, 여러 연구를 통해 오염수로부터 암모니아, 메탄 등의 유용자원 회수에 매우 효과적인 것으로 밝혀져 왔다(^{Hou et al., 2019}; ^{Jang et al., 2022}; ^{Lee et al., 2021}).

Fig. 2. Principle of resource recovery from wastewater using membrane contactor (MC) devices. Left: MC applying air flow or vaccum on the recovery side; right: MC applying solvent or aqueous solution flow on the recovery side.

분산형 수처리의 요소기술로서, 막여과 및 막접촉 기술의 적용가능성은 다양하게 탐구되어 왔다. ^{Li et al. (2008)}은 실제 greywater를 한외여과로 처리하여 80% 이상의 TOC를 제거했으며, 농업용수 및 조경용수로 사용하기에 적합한 중수를 얻을 수 있었다. ^{Ray et al. (2020)}은 분리뇨를 대상으로 정삼투 공정을 적용하여, 전기적 중성 저분자인 암모니아를 선택적으로 draw solution으로 분리하였으며, 분리뇨 내 암모니아의 85% 이상을 회수할 수 있었다. ^{Zhang, Xie et al. (2020)}은 분리뇨를 대상으로 막접촉 공정을 적용하여, 기체상 확산 가능한 암모니아만 선택적으로 stripping solution으로 분리하였으며, 80% 이상의 암모니아를 황산암모늄 비료 형태로 회수했다(Fig. 3). 막을 이용한 분산형 분리뇨 처리 기술은 불순물의 혼입을 최소화하며, 높은 선택도로 암모니아 회수가 가능하는 장점을 지닌다. 막 기반 기술은 수처리와 동시에 고품질 자원회수를 달성하기에 더욱 높은 잠재력을 지닌다. 막여과기 및 막접촉기는 카트리지 형식의 소형 모듈화가 가능하며, 유지관리가 용이하기에, 분산형 수처리 플랫폼의 핵심 기술로서 주목받고 있다.

Fig. 3. Ammonia and phosphate recovery from source-separated urine using membrane contactor. Reprinted from Separation and Purification Technology, 239, Zhang, Xie et al., Recovery of ammonium nitrogen from human urine by an open-loop hollow fiber membrane contactor, 116579, Copyright 2020, with permission from Elsevier.

이미 널리 사용되고 있는 막여과기와 현재 중소규모 또는 파일럿 규모의 적용사례만 존재하는 막접촉기 모두 다양한 규모와 유입수질 특성, 처리목표를 가지는 분산형 물 인프라에 대한 적용성을 향상시키기 위해 다음과 같은 기술 개발이 필요하다. 보다 내구성과 강도가 높고 막오염(membrane fouling), 막젖음(membrane wetting)에 대한 저항성이 뛰어난 멤브레인 소재 및 제조기술의 개발이 필요하다. 멤브레인 소재와 제조기술에 대한 연구는 매우 활발하게 이루어지고 있으나, 매우 제한적인 숫자의 기술만이 시장에 적용되고 있다. 이렇게 낮은 상용화율의 이유 중 하나는 제조공정의 간편성 및 규모 확대(scale up) 가능성, 막의 물리적 강도, 내화학성 및 장기성능 등에 대해 심도 있게 고려하고 그것을 검증한 사례가 그리 많지 않기 때문이다(^{Lee and Choi, 2022}). 따라서, 앞으로는 멤브레인 소재 및 제조기술 개발 연구에서 본래의 성능 목표 이외에도 상용화 측면에서 필요한 여러 지표들에 대해서도 충분히 검토하고 검증할 필요가 있다. 또한, 여러 유입수 특성에 따른 맞춤형 막여과기/막접촉기 운영 방안과 막오염 제어 및 막세척 방안을 마련하여야 한다. 분산형 인프라의 특징인 유량 및 농도의 높은 변동성에 대응 가능한 운영기술 및 막오염/막젖음 제어기술 개발 또한 앞으로 연구자들이 많은 관심을 가져야 할 과제이다.

3.2.3 고도산화ㆍ고도환원

고도산화공정 또는 고도환원공정 역시 분산형 물 인프라에 적용성이 높을 것으로 기대되는 기술이다(^{Hodges et al., 2018}). 고도산화공정은 난분해성물질을 포함한 하ㆍ폐수 내 다양한 오염물질을 무해화할 수 있으며, 병원균 제어에도 큰 효과가 있다. 고도환원공정은 질산염, 크롬산염, 과염소산염 등 산화처리가 어려운 오염물질을 제거하는 데 효과적인 공정이다(^{Yang et al., 2020}). 다만, 분산형 물 인프라에서는 폭발성ㆍ인화성ㆍ유해성 등으로 전문기술인력에 의한 관리가 필요한 화합물이나 현장 발생장치가 필요한 화합물(예: 오존, 과산화수소, 수소 등)의 사용이 매우 제한적이다. 따라서, 분산형 물 인프라에서 보다 적용성이 높을 것으로 기대되는 고도산화ㆍ환원 공정은 자외선ㆍ가시광선, 촉매, 전기화학, 또는 이들의 조합을 활용하는 공정이다. 자외선이나 가시광선은 LED 램프나 태양광 집광 등을 통해 쉽게 얻을 수 있다(^{Loeb et al., 2019}). 반응성이 지속적으로 유지됨을 전제로, 촉매 또는 광촉매를 이용한 고도산화ㆍ환원 공정은 경제성과 전주기적 환경영향 측면에서 장점이 있는 녹색화학 기술이다(^{Choe et al., 2015}; ^{Polshettiwar and Varma, 2010}). 전기화학 역시 화학물질의 생산ㆍ수송ㆍ관리ㆍ폐기에서 오는 부담을 최소화하고 기존 전력 인프라를 활용한 산화력 또는 환원력의 생산이 가능하다는 면에서 분산형 물 인프라에 대한 적용성이 높은 기술이다(^{Cho et al., 2014}).

과거에는 고도산화공정 및 고도환원공정을 활용한 분산형 수처리는 화학물질 관리 어려움과 설비의 복잡성으로 인해 제한적이었다(^{Barazesh et al., 2015}). 그러나 최근에는 분산형 플랫폼에 적용성을 높이기 위한 설비 단순화와 화학물질 현장생산(in-situ) 반응조의 연구가 이어지고 있다. ^{Zhang, Wang et al. (2020)}은 전기화학적 Cl₂ 현장생산과 UV/Cl₂ 공정을 결합하여 분산형 수처리에 적합한 고도산화공정을 개발하였으며, 미량오염물질(metoprolol, carbamazepine, ciprofloxacin, trimethoprim)의 99% 이상 제거효율을 달성했다(Fig. 4). ^{Barazesh et al. (2015)}은 전기화학적 H₂O₂ 현장생산과 UV/H₂O₂ 공정을 결합하여 소규모 분산형 수처리 내 적용성을 높였으며, 최대 80% 이상의 carbamazepine 제거효율을 보였다. 화학물질의 외부투입이 불필요한 고도산화공정의 등장은 분산형 수처리 플랫폼이 보다 다양한 오염물질에 대응 가능하게 한다. 또한, 전기화학 기술의 발전도 분산형 수처리 및 자원회수의 요소기술로 주목받고 있다. ^{Dong et al. (2022)}은 전기투석과 이온교환수지의 결합을 통해, 분리뇨 내 암모니아의 흡착과 이온교환수지의 전기투석 기반 탈착을 달성하였으며, 분리뇨 내 80% 이상의 암모니아를 안정적으로 처리 및 회수할 수 있었다(Fig. 5). 흡착과 전기화학 기술의 결합을 통해서, 흡착 및 탈착이 외부 시약투입 없이 한 장소에서 이루어지게 했다는 점에서 큰 의의가 있다. 이처럼, 고도처리공정과 전기화학공정의 발전 과정에서 설비의 혁신적 단순화와 화학시약 자체생산 기능이 개발되는 것을 고려했을 때, 이들 기술이 분산형 수처리에 적용될 잠재 능력은 충분하다고 할 수 있다.

Fig. 4. Development of electrochemically driven UV/Cl2 process for decentralized water treatment system. Reprinted from Water Research, 183, Zhang, Wang et al. Removal of micropollutants by an electrochemically driven UV/chlorine process for decentralized water treatment, 116115, Copyright 2020, with permission from Elsevier.

Fig. 5. Ammonia recovery from real urine using novel electrified ion exchange stripping process. Reprinted from Environmental Science & Technology, 56, 22, Dong et al., Electrified Ion Exchange Enabled by Water Dissociation in Bipolar Membranes for Nitrogen Recovery from Source-Separated Urine, 16134, Copyright 2022, with permission from American Chemical Society.

자외선ㆍ가시광선, 촉매 및 전기화학 반응의 경제성ㆍ적용성은 간섭물질에 의한 영향, 촉매의 재사용성, 전극의 장기성능 등에 크게 좌우되므로, 앞으로 이를 향상시키는 연구가 꾸준히 이루어져야 한다. 기존의 많은 화학적 수처리 연구는 매우 이상적인 수용액 조건에서 이루어졌으나, 최근에는 처리수의 용존유기물, 이온 등 조건을 충실히 고려한 연구가 보다 인정받는 추세인데, 이는 매우 바람직한 현상이다. 앞으로 분산형ㆍ배출원분리형 물 인프라에서 발생 가능한 수질 조건을 전제로 하는 고도산화ㆍ환원 공정의 효율 및 촉매 재사용성, 전극 장기성능에 대한 연구가 더욱 활성화될 필요가 있다. 또한, 고도산화ㆍ환원 공정의 경제성을 향상시키고 탄소발자국을 줄이기 위하여 태양에너지 등 재생가능한 에너지를 최대한 활용하는 시스템 구성방안을 지속적으로 강구할 필요가 있다.