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중소기업 기술로드맵 조회결과

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수처리 공정 전처리 설비
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

수처리 공정 전처리 설비 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 정의 : 수처리 공정의 유입수에 공정의 효율을 감소시키거나 오염을 유발하는 물질을 제거하거나 감소시키는 기술 및 시설로 정의
  • 범위 : 스크린, 분쇄기, 여과, 응집 침전 등 재래식 처리시설, 분리막 또는 고도처리 기술을 이용한 처리시설 및 상기 시설과 동등하거나 그 이상의 방지효율을 가진 시설을 기타로 분류하여 범위를 설정함
나. 주요 제품

[ 수처리 공정 전처리 설비 분야 기술범위 ]

수처리 공정 전처리 설비 분야 기술범위
기술개발 테마관점세부기술
수처리용
전처리설비
생물학적 오염 염소처리시설, 산화시설(산화조 또는 산화지), 분리막 시설
입자성 오염 분쇄기, 여과시설, 스크리닝 시설, 침사지시설, 흡착시설, 부상시설, 소각시설, 응집시설, 침전시설, 침전물 개량시설
콜로이드 오염 유수분리시설, 부상시설, 화학적 침강시설, 응집시설, 침전시설, 여과시설, 분리막 시설
유기물 오염 화학적 침강시설, 응집시설, 침전시설, 여과시설, 분리막 시설, 고도산화 시설
미네랄 오염 스케일링방지제, 산성화시설, 연수화시설, 나노여과시설
산화제 오염 산화제제거제, 활성탄흡착시설
3. 시장현황 및 전망분석
가. 세계시장

정삼투용 분리막 세계 시장 규모는 ‘16년 8,023억 원 규모에서 ’21년 9,856억 원 규모로 성장할 것으로 전망

[ 정삼투용 분리막 세계 시장 규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

정삼투용 분리막 세계 시장 규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
세계시장 8,023 8,360 8,712 9,077 9,459 9,856 4.2

* 출처 : GWI 2007, Lux Reserch 2009/ Toray IR Report 2006, WPM 3세부 보고서 2015 참조, 그리고 국내시장이 세계시장의 8%를 점유하는 것으로 추정

기후변화에 따라 대체수자원 시장의 성장이 두드러지고 있으며 이와 관련된 수처리 공정의 전처리설비 수요가 증가할 것으로 예측됨

  • 기후변화, 물 부족 등 전 지구적인 문제로 인해 세계 물 시장은 연 평균 4.9%씩 증가하여 2025년에는 8,650억$2)까지 확대될 전망
  • 도시화의 진전, 인구 밀집형 메가시티(Mega City)의 부상으로 대체수자원 시장은 빠르게 성장할 전망이며, 활용 또한 향후 예상되는 물 수요량을 안정적으로 확보하고 효율적으로 관리하기 위해 꾸준히 증가할 것으로 예상
  • 해수담수화 중심의 대체수자원 시장은 2007년 대비 3배 이상으로 시장규모가 확대되고, 물 시장에서 비중도 2배 이상 증대될 전망이며 연평균 시장 증가율 18.4%로 전체 물 시장 평균을 크게 상회할 것으로 예상
  • 하수 재이용 분야는 2007년 0.1백억$에서 2025년 2.1백억$로 21배 성장할 전망이며 연평균 증가율은 18.4%로 예상되어 물 시장에서 가장 급성장할 분야로 부각되고 있음

[ 세계 물시장 규모 및 전망 ]

(단위 : 억 달러, %)

세계 물시장 규모 및 전망
구분2007년2025년연평균 증가율
세계 물시장 3,620 8,650 4.9
상수 1,720 3,880 4.6
하수 1,530 3,550 4.8
해수담수화 120 440 7.5
공업용수,공업하수 240 570 4.9
재이용수 10 210 18.4

*자료 : Global Water Intelligence(2008), 한국무역협회(2010) 재인용

대체수자원으로써 해수담수화 시장

  • 담수화 시장은 물 공급 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 수단으로 떠오르고 있으며, 부품·소재 분야와 함께 가장 빠르게 성장하는 분야임
  • 2013년 기준으로 세계 담수화 시장 규모는 62억 달러 수준으로, 2018년 152억 달러 시장으로 성장할 전망임. 2013년 62억 달러 중 상수용 32억 달러, 산업용 30억 달러 규모의 시장을 형성하고 있으며, 향후 상수용 시장 비중이 2018년 65%에 달할 것으로 예상되며 지역별로는 미국이 8억9천300만 달러로 최대 시장이며, 사우디아라비아가 8억8천600만 달러, UAE 6억7천100만 달러 규모의 시장을 형성하고 있음
  • 1965년 이후 지속적으로 성장하고 있고, 2012년까지 누적기준 설치량은 7천460만㎥/일 수준이며 2000년 이후 지구온난화로 인한 기후변화 등으로 물 부족 문제가 심각한 이슈로 떠오르고 있어 담수화시장의 성장이 가속화되고 있음
  • 전 세계 담수화 처리량은 7천500만㎥/일이며, 담수화를 위해 사용되는 물은 바닷물 59%, 기수(brackish water) 21%, 강물 9%, 하수 6%, 순수 물 5%로 구성됨
  • 담수화 방식으로는 역삼투압 방식(RO, Reverse Osmosis), 다단플래쉬 증류법(MSF, Multi Stage Flash), 다중 효용 증류법(MED, Multiple effect distillation) 등의 3가지 방식이 대표적으로, 열을 이용한 증류 방식과 분리막을 이용한 역삼투압 방식으로 구분할 수 있음

역삼투(RO)공정의 선전

  • 2006년부터 2012년까지 계약된 담수화 기술 중 RO 방식이 가장 높은 비중을 차지하며, 담수화 방식의 표준으로 자리매김하고 있음
  • 하루 처리용량 기준으로 2011년 계약된 담수화 방식 중 역삼투압 방식이 440만㎥/일로 전체 480만㎥/일 중 92%를 차지했으며 2012년의 경우, 전체 130㎥/일 중 120㎥/일을 차지, 담수화시장에서 절대적인 비중을 차지하는 것으로 나타남

[ 2006 ~ 2012년 계약된 기술별 담수화 처리량 ]

2006 ~ 2012년 계약된 기술별 담수화 처리량

* 자료: Global Water Intelligence

물 재이용은 사용처에 따라 여러 가지 공정이 사용되며 청소용수 등 잡용수로 재이용되는 경우에는 모래여과가 많이 사용되고, 인체 접촉 또는 생산 공정의 원수공급에는 MF(Microfiltration, 정밀여과), NF(Nanofiltration, 나노여과), RO(Reverse Osmosis, 역삼투) 등과 같은 막여과를 주로 이용함

  • 이에 따라 담수화 공정과 유사한 전처리설비 도입이 요구됨
  • 전 세계 재이용수 이용량은 연간 하수처리수의 약 5% 정도인 71억톤(세계 물 수요량의 0.18%) 정도이며, 이용률은 지속적으로 증가하고 있음
  • 2010년 GWI의 보고서에 따르면 하수재처리수 시장의 성장률은 급격한 산업화가 진행 중인 중국이 연간 29%로 가장 높고 그 뒤를 이어 미국과 중동/아프리카의 순서임
  • 또한 2009년부터 2016년까지 하수재처리수 최대 시장은 미국, 중국, 사우디아라비아, 호주, 스페인 등이 될 것이며, 미국의 하수재처리수 시장 규모는 약 100억$에 달할 것으로 예측

[ 세계 재이용수 시장 성장 전망 ]

세계 재이용수 시장 성장 전망

* 자료: Global Water Intelligence 2010

기존에는 전처리 공정은 스크린, 염소처리, 침전, 카트리지 여과 등과 같은 재래식 방법이 사용되었지만 최근에는 처리시설의 소형화와 공정의 간편화로 분리막을 이용한 전처리 공정이 주목받고 있음

  • 정밀여과 (MF)와 한외여과 (UF) 설비를 이용한 전처리 공정은 재래식 방법보다 부유물질과 생물 입자를 효과적으로 제거해 RO공정의 분리막 오염을 저감해 막의 투수과도와 수명을 향상하는데 도움을 줌
  • NF는 RO보다 수투과도가 높으며 염분도 제거할 수 있어 다른 분리막 공정보다 고압에서 운전되지만 RO설비에서 발생하는 오염을 효과적으로 방지할 수 있음
  • 또한 UF분리막을 사용하는 분리막 생물반응기(MBR)도 유기물과 생물입자를 효과적으로 제거해 전처리공정으로 주목받고 있음

전 세계 분리막 시장은 매년 20억 달러 이상으로 추산되며, 전체 분리막 시스템의 40%정도만 분리막 모듈 비용으로 계산되기 때문에 분리막 관련 산업은 50억 달러 이상으로 예측

  • 매년 분리막 시장의 성장속도는 12~15%에 달하며, 기체 분리막은 향후 10여 년간 더 높은 성장세를 나타낼 수 있을 것으로 예측
  • GWI보고서에 따르면, 세계 분리막 기반 수처리 시장은 2014년 25조 원에서 2022년 107조 원 규모로 성장할 것으로 예상
  • 주요 성장 요인으로는 음용수에 대한 수요 증대, 하수의 재이용율 및 분리막 기반의 담수화 시설의 증가, 환경 기준의 강화 등을 들 수 있으며 특히, 향후 급속한 산업화, 인구의 증가, 첨단 기술에 대한 요구에 기반하여 아시아-태평양 지역의 시장이 크게 증가할 것으로 예상
  • 세계 분리막 모듈 시장은 미국과 일본 그리고 일부 유럽국가들이 대부분을 차지하고 있으며 중국의 큰 내수시장과 싱가폴 정부 지원을 기반으로 기타 아시아 국가들도 활발히 연구개발에 참여하고 있는 추세임

[ 분리막 수처리 세계 시장 규모 ]

단위 : 조 원

분리막 수처리 세계 시장 규모

* 자료 : GWI 보고서, A Market Report Worth Its Salt: Desalination Markets(2010)

나. 국내시장

국내 물시장은 가격경쟁 위주의 저수익 구조가 고착화되어 있으며, 수자원, 상하수도 인프라 완비 등 시설투자 위축에 따른 물기업 매출액 및 일자리가 감소하는 추세임

  • ‘13년 34.8조원에서 ’15년 31.4조원, 일자리 12.8만명에서 12.4만명으로 감소(물산업통계). 그러나 세계는 인프라 확충 및 개․보수, 대체수자원 등을 겨냥해 스마트 물관리, 재이용 등 기술투자를 본격화하고 있음
  • 물시장은 수자원, 용수(생활, 공업,농업)생산․공급, 하․폐수 처리 및 재이용 등 물순환 전과정을 포괄하는 전후방 연관 산업이 광범위해서 고용 유발 및 경제적 파급효과가 큼

[ 2015년 물산업 통계조사 결과 ]

(단위 : 억 원, %)

2015년 물산업 통계조사 결과
구분주요 분야일자리(‘15, 12.4만명)
설계ㆍ건설 물산업 인프라 설계ㆍ시공, 컨설팅 4.2만명
운영 상하수도 등 시설 운영 및 서비스 3.5만명
제조업 파이프, 펌프, 밸브 등 기자재 생산 4.2만명
기타 정수기, 먹는 샘풀 등 0.5만명

* 출처 : 환경부 (통계진흥원 위탁 수행, 2015)

국내 해수담수화 시설은 1980년 후반 공업용수 공급을 위해 중ㆍ소규모의 담수화시설 도입 이후 연안ㆍ도서지역 생활용수 공급을 목적으로 소규모 시설이 운영되고 있음

  • 석유화학단지 등의 산업 시설에서 공업용수로서 해수담수화 시설을 사용하는 규모는 총 137,420m³/일 규모이며, 대표적 담수화 시설로는 포스코 광양제철소(30,000m³/일), 부산시 기장군(45,000㎥/일) 등이 있음
  • 우리나라 해수담수화 플랜트 수출은 지난 30년간 9배 이상 증가하였고, 두산, 웅진, 효성 등이 이미 해외에 진출해 있으며, 신규 사업진출을 위한 인수합병도 활발히 진행 중임

국내 하수재이용에 대한 활성화는 2001년 하수도법 개정으로 공공 하수처리 시설에 방류되는 처리수의 재이용계획 및 재이용시설의 설치에 관한 사항이 포함되면서 시작됨

  • 2014년 말 전국 597개 공공하수처리시설(500m³/일 이상) 중 564개 공공하수처리시설에서 처리수를 재이용하고 있으며, 연평균 하수처리량 6,998백만m³/년 중 13.5%인 942백만 톤/년을 재이용하고 있음
  • 전체 하수처리수 재이용수 중 처리장 장외용수의 용도 변화를 살펴보면 하천유지용수가 가장 많이 사용되고 있으며 기타 용수, 농업용수, 공업 용수의 순서

[ 국내 하수처리수의 이용 현황 ]

국내 하수처리수의 이용 현황

* 자료: 하수도 종합 정보 관리 시스템

환경부는 ‘물 재이용 기본계획(2011~2020)’에서 향후 하수처리수 재이용사업 확대 추진 및 수요처 확보를 통해 하수처리수 사용량 (장외)연간1,576백만m³까지 증대할 것을 목표로 제시하고 있으며 물 재이용 산업육성을 위한 정부 지원을 통해 10조 2,700억 원 규모의 국내시장 창출 및 해외진출 기반 확립 계획을 수립하였음

정삼투용 분리막 국내 시장 규모는 ‘16년 642억 원 규모에서 ’21년 789억 원 규모로 성장할 것으로 전망

[ 대기관리 국내 시장 규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

대기관리 국내 시장 규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
국내시장 642 669 697 726 757 789 4.2

* 출처 : GWI 2007, Lux Reserch 2009/ Toray IR Report 2006, WPM 3세부 보고서 2015 참조, 그리고 국내시장이 세계시장의 8%를 점유하는 것으로 추정

4.기술분석
가. 기술환경 분석

기존의 연구개발된 수처리용 전처리기술은 하수로 유입되는 머리카락, 낙엽 등 큰 이물질 제거를 중심으로 이루어져왔음

  • 재래식 전치리 기술은 아래 그림과 같이 하폐수처리 공정 앞단에 위치해 유입수에 존재하는 부유물질 및 콜로이드 물질을 물리적으로 제거하는 방법임
  • 하·폐수처리장에 유입되는 폐수의 경우, 사업장의 방지시설에서 폐수종말처리시설의 기능에 영향을 주는 물질을 제거한 후 종말처리시설로 유입되는 것을 원칙으로 함
  • 그러나 원폐수자체에 생물학적 난분해성물질이 다량 포함되었거나, 사업장 방지시설의 운전불량 및 사고 등에 유해물질이 유출되거는 경우에는 유량조 정조를 통한 수질의 균등화를 도모하거나, 후속공정에 저해를 주는 중금속 등의 유해물질과 강산 및 강알칼리성 유입수를 예비처리하기 위해 화학적 응집 침전조와 중화조를 전처리공정으로 적용하기도 함
  • 약 80%의 BOD가 제거되며 50~60%의 부유물질(suspended solid)가 제거됨
  • 일반적으로 사용되는 방법으로는 스크린, 침전법, 부상법, 여과법, 폭기법, 마이크로 스트레이너 등이 있으며 화학적인 방법으로는 pH조정, 화학응집침전 등이 있음

[ 일반적인 하·폐수처리 공정 ]

일반적인 하·폐수처리 공정

* 자료: azom.com

최근 물 재이용과 해수담수화로 역삼투(RO) 공정이 주목받으며 이와 관련된 전처리 기술개발이 활발히 이루어지고 있는 추세임

  • 일반적인 하폐수처리에 비해 깨끗한 수질의 유입수가 요구되기에 기존의 응집, 침전과 같은 1차 처리 기술도 사용됨
  • 하·폐수처리 플랜트의 전처리 공정과 1차 처리 기술이 RO 공정에서는 재래식(conventional) 전처리 기술로 분류되며 이는 오래전부터 연구개발이 된 탓에 기술개발이 한계점에 도달한 상태임
  • 이에 반에 한외여과는 (UF) 신공정으로 부상하며 일부 RO플랜트에서 최근에 전처리로 사용되고 있으며 분리막 소재 개발 및 공정 최적화 연구가 활발히 진행되고 있음

[ 역삼투 설비 오염별 전처리 방법 ]

(단위 : 억 원, %)

역삼투 설비 오염별 전처리 방법
구분오염 원인전처리 방법
생물학적 오염 세균, 미생물, 바이러스, 원생동물 염소처리
입자 오염 모래, 진흑 여과
콜로이드 오염 유기물과 무기물 complex, 콜로이드 입자, 조류 응집+침전
유기물 오염 천연유기물질(NOM): 부식산(humic acid), 풀부산 (fulvicacid), 생체고분자 등 응집+침전+활성탄 응짐+한외여과
미네랄 오염 칼슘, 마그네슘, 바륨, 황산염, 탄산염 등 antiscalant 산처리
산화제 오염 Chlorine, ozone, KMnO4 산화제 스캐빈저 투입 Na2S2O5, GAC

* 자료 : Lenntech

물 산업 관련 기업은 대형건설사 및 전문기업을 제외하면 주로 10인 미만 소기업으로 구성되어 있어 R&D 수행 역량 및 주체별 네트워크가 부족

  • 물 산업에 종사하고 있는 기업체 수는 2015년 기준으로 11,035개로 그 중 건설 및 시공업 분야가 41.8%, 종사자 수는 제조업이 53,329명으로 41.3% 차지

[ 국가 물산업 R&D 수행 기업 ]

(단위: 백만원)

국가 물산업 R&D 수행 기업
No.기업명참여 사업과제 매출액
1 (주)대우건설 하폐수처리 고도화 324,090
2 삼성엔지니어링(주) 수처리사업단 270,545
3 GS건설(주) 에코스마트 상수도 시스템 개발 사업단 207,269
4 (주)한화건설 하폐수 고도처리 기술개발 사업단 90,371
5 (주)포스코건설 하폐수 고도처리 기술개발 사업단 78,453
6 (주)케이엠에스 하폐수처리 고도화 48,180
7 (주)티에스케이워터 하폐수 고도처리 기술개발 사업단 44.154
8 코오롱워터앤에너지(주) 하폐수 고도처리 기술개발 사업단 33.197
9 코오롱글로벌(주) 하폐수 고도처리 기술개발 사업단 32.667
10 (주)환경비전이십일, (주)케이엔티, (주)부강테크 하폐수처리 고도화 18.915

*출처: NTIS

국내 대학교․대학원들을 대상으로 환경공학과 보유 현황을 조사한 결과 총 76개 대학과 67개의 대학원이 있음. 그리고 한밭대 등 일부 대학을 제외하고는 물관련 전문학위 과정이 없으며 주로 환경, 토목 관련 학과에서 물산업 관련 인력을 배출

  • 2015년 수자원공사는 한밭대와 통합물관리학과를 개설하기 위한 협약을 체결, 2016년부터 30여명을 선발하여 업무와 학업을 병행하는 커리큘럼을 제공

[ 환경공학 대학 및 대학원 설치현황 ]

환경공학 대학 및 대학원 설치현황

*출처: 교육부, 대학정보공시센터

5. 핵심요소기술 선정

확정된 요소기술을 대상으로 중소기업에 적합한 핵심요소기술 선정

[ 수처리 공정 전처리 설비 분야 핵심요소기술 선정 ]

수처리 공정 전처리 설비 분야 핵심요소기술 선정
분류핵심요소기술키워드
여과 기술 고효율 여과제
또는 스크린 소재
고효율 협잡물 분리/제거 설비
고효율 흡착제를
이용한 탈염소 기술
RO분리막에 손상을 주는 염소를 효과적으로 제거하기 위한 흡착제 여과 기술
분리막 기술 MF/UF 분리막을
이용한 전처리 기술
고효율 분리막 소재 개발 및 MF/UF분리막을 이용한 전처리공정 최적화 기술
NF 분리막을
이용한 전처리 기술
고효율 분리막 소재 개발 및 스케일링 유발 물질 제거 RO용 전처리 기술
살균·고도 처리 기술 고효율 산화장치 플라즈마, UV, 오존 또는 초음파의 고강도의 산화력을 이용한 난분해성 유기물 또는 중금속 제거 기술
고효율 살균소재
및 설비
화학적 산화제 없이 단시간에 물을 살균하여, 전력소모를 최소화할 수 있는 정수처리 기술
MBR을 이용한
전처리 공정
MBR을 활용해 본 공정의 생물막 오염, 유기물 오염을 저감하는 공정
anti-scaling 설비
및 공정 최적화
분리막으로도 제거하기가 쉽지 않은 스케일링 유발 물질 제거 기술