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수처리 기술 변화가 물 산업 판도 바꾼다

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LG경제연구원 유호현 책임연구원 hhyou@lgeri.com

미래에 예상되는 물 부족 현상과 수질 오염 문제를 해결하기 위해 멤브레인 방식의 수처리가 부상하고 있다. 멤브레인 수처리는 이제까지 지역 산업, 국가내 산업으로 인식되던 물 산업을 글로벌 경쟁, 기술 혁신 경쟁, 역동적 경쟁 패러다임으로 변화시킬 것이다.

지금 중국은 100년에 한 번 있을 심각한 가뭄 피해를 보고 있다. 특히 운남성의 경우 강수량이 평년의 30% 수준으로 떨어져 주민들의 생활에도 심각한 위협을 가하고 있는 상황이다.

중국 정부는 금년의 가뭄 피해 규모를 약 190억 위안, 한화 약 3조 원 규모로 추정하고 있다. 문제는 이러한 가뭄이 일시적인 현상으로 그치지 않을 것이라는 점이다. 물을 둘러싼 환경이 과거와 달라지고 있기 때문이다.

미래의 물 환경

● 부족한 물

물은 더 이상 풍부한 자원이 아니다. 현재 지구상에 존재하는 물의 총량은 14억 입방킬로미터(km3)로 지구 전체 표면을 3,000 미터 깊이로 덮을 수 있는 어마어마한 양이다. 그럼에도 불구하고 물을 희소 자원이라고 말할 수 있는 것은 사람들이 이용할 수 있는 담수량이 전체의 단 2.5%에 불과하기 때문이다.

이 가운데 빙하를 제외하고 강, 호수, 지하수 등 현실적으로 접근 가능한 담수의 양은 0.8%로 줄어든다. 더 큰 문제는 지구 온난화의 영향으로 가뭄 현상이 심화되고, 지하수의 고갈 및 사막화가 진행되고 있다는 점이다. 풍부하지 못한 물이 이마저도 줄어들고 있다.

물 공급량이 제한된 상황인 반면, 미래의 물 수요는 인구의 증가, 식생활의 변화, 산업화의 진전으로 인해 꾸준히 증가 할 것으로 예상되고 있다.

일인당 연평균 2,000 리터를 소비하는 인류는 매년 8,000만 명씩 증가하여 2025년에는 2000년 대비 30%가 증가한 80억 명에 이를 것으로 예상된다. 더구나 경제 발전에 따른 육식 증가 등 생활양식의 변화는 인구 증가로 인한 물 소비를 배증시키고 있다.

밀 1kg을 얻기 위해서는 900 리터의 물이 필요하지만, 닭고기 1kg 생산에는 4,500 리터, 쇠고기 1kg은 20,000 리터의 물이 필요하다. 산업화도 물의 사용량을 배가 시킨다. 전지구적인 산업화가 추가적인 물 사용을 만들어내기 때문이다. 미국의 경우 지난 30년간 물 사용량이 300% 이상 늘어났는데, 그 주요 원인으로 꼽히는 것이 산업용 물 수요의 증가였다.

이용 가능한 담수의 감소와 물 수요의 증가는 지금까지 보지 못했던 심각한 물 부족 현상을 만들어 낼 것으로 보인다. 유엔환경계획(UNEP)에 따르면 현재 중동·북아프리카 지역 수준인 연평균 천 리터 이하의 물 사용 인구가 2000년 5억 명에서 2025년에는 약 40억 명으로 급증할 것이라고 한다.

설상가상으로 도시화로 인해 지역별 물 부족 현상은 더욱 심화될 것이다. 1950년 전 세계 도시화율은 29%였지만, 2025년에는 58%에 이를 것으로 예상된다. 이는 물은 산재되어 존재하는 반면, 물 수요는 지역 단위로 집중되는 현상이 심해지는 것을 의미한다.

물은 액체 상태로 지역간 이동이 자유롭지 못하기 때문에 지역간 물 수급의 불균형은 쉽게 해소되지 못할 것이며, 결과적으로 지역 단위의 물 부족은 더욱 심해질 것이다. 이를 바탕으로 유엔은 전 세계 국가의 1/5이 심각한 물 부족 사태를 겪을 것으로 예상했다.

● 더러워지는 물

물 부족 문제와 더불어 물의 오염 문제도 걱정스럽다. 2004년 기준으로 전 세계 하수 처리율은 42%에 불과하다. 과반 이상의 하수가 그대로 방류되어 지표수 및 지하수를 오염 시키고 있다. 세계 물 포럼(World Water Forum)에 따르면 현재 11억 명이 안전한 물을 마시지 못하고 있으며, 전쟁으로 인한 사망자의 10배에 해당하는 매년 500만 명 이상이 수인성 질병으로 사망하고 있다고 한다.

물론 이러한 처리 시설 미비로 인한 오염은 새로운 인프라 건설을 통해 해결할 수 있다. 보다 걱정되는 점은 물을 정화하는 과정에서 발생하는 오염 문제와 기존 처리 방식으로 해결할 수 없는 새로운 오염원이 나타나고 있다는 부분이다.

일반적으로 물을 정화하는 과정에서 슬러지라는 일종의 찌꺼기가 발생한다. 슬러지는 고체화된 불순물로 주로 매립의 형태로 처리되고 있다.

하지만 슬러지 매립은 토양의 오염을 유발할 수 있으며, 결과적으로 지하수의 오염도를 심화시킨다.

새로운 오염원의 발생 문제는 1993년 미국 밀워키 지역의 수질 오염 사고가 대표적 사례이다. 밀워키 오염 사고는 염소 처리 방식으로 걸러내기 어려운 크립토스포리디움(Cryptosporidium)이라는 미세한 병원성 물질로 인해 수돗물이 오염되어 40만여 명의 환자가 발생하고 100여 명이 사망한 사건이다.

백 년 전에는 물속의 콜레라균, 대장균 처리가 주요 이슈였다면 지금은 산업화의 영향으로 인공 화학 물질이나 크립토 같은 우리가 몰랐던 미세 물질의 처리가 새로운 화두가 된 것이다.

멤브레인 처리 방식의 부상

● 미래의 문제를 해결하기 위한 대응 방향

시장은 물의 새로운 공급 방안으로 바닷물을 민물로 만드는 담수 시설과 사용한 물을 다시 쓰는 재이용 시설에 주목하고 있다. 바다에 인접한 물 부족 지역인 중동, 미국 서부, 호주, 지중해 연안의 스페인 등에서 담수 시설이 늘어나고 있으며, 대도시 및 산업 단지를 중심으로 재이용 시설이 적용되고 있다.

물 부족 문제가 심각한 싱가포르의 경우는 약 4조원의 재원을 들여 싱가폴 도시 전체의 물을 재이용 할 수 있는 DTSS(Deep Tunnel Sewerage System) 프로젝트를 진행하고 있다. 이 프로젝트는 싱가폴을 관통하는 거대한 지하 하수 터널을 만들어 도시 양 끝 단에 위치한 대규모 재이용 처리 시설로 물을 보내는 시스템이다.

처리 시설의 컴팩트화도 진행되고 있다. 처리 용량 대비 시설 규모를 줄이게 될 경우 수요처에 가깝게 시설을 만들 수 있고, 이는 송·배수 과정에서의 누수를 줄이고, 오염원 처리를 효과적으로 하는 장점을 가진다. 특히 하수 처리장 시설의 경우 혐오 시설이라는 부정적 인식을 피하기 위해 시설물 지하화 작업도 진행 중이다.

기존에 인지하지 못했던 오염원을 미연에 제거할 수 있는 미세 처리 방식과 슬러지 발생 최소화 및 재이용 방안도 모색 중이다. 즉 기존 처리 방식에서 제거하지 못하는 미생물들을 최대한 걸러냄과 동시에, 슬러지 발생량 자체를 줄이고, 슬러지를 바이오매스 발전의 원료화하여 처리 시설의 전력 공급원으로 재활용하는 것이다.

마지막으로 규제의 강화를 통해 시장의 변화를 유도하고 있다. 하수 처리 기준 및 상수 처리 기준을 강화하여 기존 처리 방식의 개선을 독려하는 것이다. 새로운 시설은 추가적인 비용이 발생하지만, 국민 건강 증진과 환경 보전을 위해 정부 차원에서 정책적인 규제를 활용하는 것이다. 이러한 정책은 프랑스 등 수처리 선진국들이 중심이 되어 글로벌 단일 규제의 움직임으로 확산되고 있다.

● 멤브레인 수처리의 확산

멤브레인 방식의 수처리는 실온에서 물리적인 막을 사용하여 물을 걸러내는 것으로, 막의 포어 (Pore) 사이즈에 따라 마이크로 필터(MF), 울트라 필터(UF), 나노 필터(NF), 역삼투압 필터(RO)로 나뉜다.

이러한 멤브레인 수처리는 물을 끓이는 방식보다 효율적인 비용으로 담수 처리를 할 수 있으며, 하수 재이용이나 오염원 제거 측면에서도 기존 방식 대비 효과적이다. 또한 정수 처리의 모래여과를 대체할 수 있고, 하수 처리의 미생물 농도를 높일 수 있어 처리 용량 대비 시설 사이즈를 획기적으로 개선할 수 있는 장점이 있다.

이러한 담수 시설 및 재이용 시설의 확산, 처리 시설의 컴팩트화, 새로운 오염원 제거, 슬러지 발생량 최소화, 규제의 강화라는 시장의 대응에 최적화한 방법으로 멤브레인 방식의 수처리가 부상하고 있다. GWI(Global Water Intelligence) 예측에 의하면 2007년 멤브레인 시스템 시장은 61억 달러 수준으로 추산되고 있으며, 연평균 19.5%로 성장하여 2016년에는 303억 달러 규모로 커질 것으로 예상된다.

물 산업 전체의 시장 성장률이 같은 기간 연평균 4.7%임을 놓고 본다면 4배 이상 빠른 성장률이다. 반면, 기존의 수처리 방식에서 자주 사용되었던 화학 처리제 관련 시장은 2007년에는 멤브레인의 3배 규모인 180억 달러 규모였으나, 연평균 3%의 낮은 성장으로 2016년에는 250억 달러 수준으로 멤브레인 시스템 시장보다 작아질 것으로 예상된다(<그림 4> 참조).

사실 멤브레인 기술은 이미 20여 년 전에 개발된 방식이다. 그럼에도 불구하고 높은 제품 가격과 과도한 전기 소모량 등으로 경제적 효용이 낮아 시장 확산이 더디었다. 하지만 제조 기술의 발달로 가격 경쟁력을 확보하면서 빠르게 성장하고 있다.

예를 들어 담수 분야의 역삼투압 방식(RO) 필터 가격은 10년간 75% 하락 했고, 전기 소모량도 5년 전에 비해 절반 수준으로 떨어졌다. 이러한 가격 경쟁력 확보는 시장 확산으로 이어져, 2015년에는 역삼투압 멤브레인을 활용한 담수 방식이 전체 시장의 57% 이상을 차지할 것으로 예상된다. 즉 멤브레인 가격 경쟁력이 높아짐에 따라 시장 확산은 예상보다 더욱 빨라 질 수도 있다.

물 산업 지도의 변화

멤브레인의 확산은 새로운 수처리 아이템의 부상을 넘어서는 의미가 숨어있다. 바로 100여 년간 지속된 물 산업의 패러다임을 바꿀 수 있다는 점이다. 파편화된 시장 (Fragmented Market), 저기술 시장 (Low Tech Market), 안정적 시장 (Stable Market)인 물 산업이 글로벌 경쟁, 기술 혁신 경쟁, 역동적 경쟁으로 변화할 수 있기 때문이다.

● 글로벌 경쟁으로 전환

지금까지 100여 년 간 물 산업은 지역(Local) 단위로 발전되어 왔다. 선진국뿐만 아니라 개발도상국에서도 자국의 기술력을 바탕으로, 수처리 시설을 건립하고 필요한 자재를 조달하고, 직접 운영을 하였다. 이는 토목 시설 기반의 자연 여과 방식, 염소 처리 등의 화학 처리 방식, 생물학적 처리 방식 등이 그 지역에 맞게 개발되고 적용되었기 때문이다. 즉, 시장에서 활동하는 기업은 많으나 영세할 수밖에 없는 구조였다.

하지만 멤브레인 방식의 수처리는 다르다. 멤브레인을 만드는 기술 자체가 진입 장벽이 될 수 있다. 무엇보다도 기존의 선진 업체들보다 더 성능이 뛰어나고 가격 경쟁력을 가지는 멤브레인을 만드는 것이 쉽지 않기 때문이다.

그 결과 멤브레인 부품 제조 영역은 국지적 경쟁에서 글로벌 경쟁으로 양상이 바뀌고 있다. 실제로 멤브레인 종류별로 시장을 선도하는 업체들은 다르지만 각 영역에서 글로벌 Top 5의 시장 점유율이 80%에 육박한다. 이들 영역의 대표적인 Top 5 업체들은 DOW, Nitto Denko, Toray, GE, Siemens, Asahi 등과 같은 글로벌 기업들이다.

이러한 선진 업체들은 오랫동안 쌓아온 관련 분야의 기술력과 실제 시설에 적용한 사업 실적(Reference)을 가지고 자신의 영역을 공고히 하고 있다. 인프라 분야에서 사업 실적은 해당 제품 및 시설의 안정성을 담보하는 중요한 평가 기준이기 때문에 쉽게 극복하기 어려운 분야이다.

어떤 기업이 자사 제품을 10년 보장한다고 주장할 경우에, 실제로 그 제품을 10년 이상 시설에 적용한 기업이 그렇지 못한 기업보다 신뢰를 주기 때문이다. 많은 기업들이 새롭게 멤브레인을 개발하고 있지만, 선진 기업 수준의 제품 효율과 축적된 사업 실적을 갖추지 못하여 글로벌 경쟁에서 어려움을 겪고 있는 상황이다.

● 기술 혁신 경쟁으로 전환

멤브레인 기반의 수처리 방식의 확산은 기술 혁신에 의한 시장 침투를 가능하게 한다. 멤브레인 자체에 기술 진입 장벽이 존재하지만, 이를 근원적으로 뛰어 넘는 기술 혁신을 통해 시장을 선도 할 수 있기 때문이다. 즉, 기술 혁신을 만들어 낸다면, 멤브레인 전환의 과도기 시장에서 헤게모니를 잡을 수 있을 것이다.

대표적인 것이 에너지 비용 문제다. 멤브레인 방식은 막에 물을 통과 시켜 정화를 하는 작업으로 물을 통과시키기 위한 압력이 필요하다. 문제는 이 압력에 사용되는 에너지 비용이 높다는 것이다. 이 점에 착안하여 다양한 기술적 혁신이 이루어지고 있다.

한 예로 2008년 GWI에서 주관한 물 분야 혁신 상을 수상한 미국 기술 벤처 기업 NanoH2O는 나노 기술을 역삼투압 멤브레인에 적용하여 기존 멤브레인 대비 성능(시간당 처리 용량)을 2배로 향상시키는 혁신을 만들어냈다. 역삼투압 멤브레인 성능이 20여 년간 30% 밖에 향상되지 않았다는 점에서 매우 획기적인 진보다.

인위적인 역삼투압이 아닌 자연 삼투압을 적용하여 에너지 비용을 줄이는 혁신도 나타나고 있다. 즉 반투과막 멤브레인을 활용하여 자연 현상인 정삼투압을 응용해 담수 작업을 하는 것으로 역삼투압 방식 대비 에너지 소모량을 10% 수준으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

기존 멤브레인 방식을 뛰어넘는 기술 혁신으로 시장에 진입하는 기업들이 나타남에 따라 점차 물 산업은 하이테크 기술 혁신 시장으로 바뀌어가고 있다. 글로벌 고객들에게 보다 더 효율적으로, 보다 더 경제적으로 깨끗한 물을 공급하기 위해 수처리 장치 분야의 기술 혁신이 강조되고 있는 것이다.

● 역동적 경쟁으로 전환

멤브레인 수처리 방식의 확산으로 인해 글로벌 경쟁, 기술 혁신 경쟁이 나타남으로써 시장의 기존 강자들이 위협 받고, 새로운 강자들이 또한 등장하고 있다.

과거 전통적인 수처리 분야에서 경쟁 우위를 만들어온 기업들이 새로운 멤브레인 방식의 적용에 주저하는 반면, 멤브레인 기술을 적극적으로 활용한 신흥 업체들이 사업 실적을 쌓아가면서 도약하고 있는 것이다. 기존 수처리 기업들의 사업 확장이 쉽지 않은 이유는 멤브레인 방식에 특화한 새로운 수처리 프로세스가 필요하기 때문이다.

이러한 현상을 대변하는 사례가 담수 시장의 경쟁 양상이다. 2007년 전통적 담수 처리 방식인 증발 방식(Thermal)의 상위 10 개 기업과 멤브레인 방식(RO)의 상위 10 개 기업에 동시에 속한 기업으로는 프랑스 수처리 전문 업체 베올리아(Veoila)와 스페인의 건설 기업 OHL 두 기업뿐이었고, 시장 1위 업체도 증발 방식은 두산중공업인 반면, 멤브레인 방식은 GE였다.

특히 멤브레인 담수 분야에서 혜성같이 등장한 싱가폴 기업, 하이플럭스(Hyflux)의 성장은 시장의 역동성을 잘 보여준다. 하이플럭스는 10여 년 전만 해도 시장에 잘 알려지지 않은 벤처 기업 수준이었다.

하지만 UF 멤브레인 개발을 통해 멤브레인 수처리 프로세스를 익히고, 2003년 싱가포르 정부가 발주한 투아스 플랜트 프로젝트에 참여했다. 싱가폴 정부는 물 부족 해소와 물 산업 육성을 위해 당시 세계 최대 규모였던 담수 플랜트 사업인 ‘투아스 플랜트(Tuas Plant)’ 사업을 기획하고 자국 업체인 하이플럭스를 참여시킨 것이다.

이 사업에 참여한 하이플럭스는 자사의 멤브레인을 적용, 전처리(pre-treatment) 시스템을 설치했다. 이 사업을 통해 멤브레인 기반의 담수 플랜트 사업 경험을 획득한 하이플럭스는 중동과 중국에 공격적으로 사업을 확대하고, 2009년에는 GE 컨소시엄을 누르고 세계 최대 담수 시설인 알제리 막타 담수 플랜트(50만톤/일)를 수주하는 성과를 만들어 냈다.

미래를 위한 준비

기술 기반의 글로벌 경쟁 시장이 된 물 산업에서 신흥 기업들은 기술 혁신을 통해 새로운 기회를 만들어 낼 수 있다. 이제 기업 스스로 물 산업의 변화의 바람을 읽고 수처리 방식의 기술 혁신을 도모해야 한다.

물론 지금의 멤브레인 선도 기업들은 수 십 년 이상의 기술 개발 역사를 가지고 있어, 이들을 뛰어 넘는 것은 쉽지 않을 것이다. 이를 극복하기 위해서는 그 동안 쌓아온 기반 기술 역량을 효과적으로 응용하는 내부 혁신과 외부의 뛰어난 역량을 결합하는 노력을 경주해야 할 것이다.

수처리 시장에서는 기술력 뿐 아니라 실제 장기간 수처리 시설에 적용해온 사업실적(Reference)도 매우 중요하다. 싱가포르의 예에서처럼 기술력 있는 기업이 사업실적을 쌓을 수 있는 국가적 프로젝트의 추진도 국내기업들이 글로벌 경쟁력을 갖출 수 있는 중요한 발판이 될 수 있을 것이다.

LG경제연구원 유호현 책임연구원 hhyou@lgeri.com