분리막 및 슬러지 처리와 고도처리 기술·장비를 포함한 하·폐수 처리기술의 특허 조사·분석을 통한 기술개발 동향 Trends of Technology Development through Investigation and Analysis of Domestic Patent Related to Wastewater Treatment Technology including Membrane, Sludge Treatment and Advanced Treatment Technology and Equipment원문보기
하 폐수 처리 기술은 종래 단순 오염물질 처리에서 에너지 및 자원 절약형의 고도처리 기술로 발전되고 있으며, 공공 수역으로의 오염 물질과 유독 물질 배출을 최소화하고 설치 운영의 효율성을 높이기 위해 IT 및 BT와 같은 다양한 기술을 접목한 융합형 기술로 진화하고 있다. 국내 하 폐수 처리기술의 발전 추이를 살펴보기 위해 등록된 특허기술을 수집 조사하여 연도별 부문별로 분류하여 분석하였다. 본고에서 2010년~2017년 5월 간의 관련된 특허 등록 내용을 생물학적 물리화학적 처리공정, 장치 및 기기, 소재 제재, 슬러지처리, 분리막, 공정제어기술 등 10개 분야의 42개 세부 영역으로 나누어 추세를 분석했다. 총 3,356건의 특허가 등록되었으며 2013년에 638건으로 최고치를 기록한 이후 다소 감소하여 연간 3~400여 건을 유지하고 있다. 등록된 특허 총 건수는 아직 다른 국가에 비해 적지는 않으나 공정 제어 및 기기 분야, 신개념 처리 기술과 같이 세계 시장을 선도할 수 있는 첨단 기술의 특허는 타 분야에 비해 미흡한 것으로 나타났다.
하 폐수 처리 기술은 종래 단순 오염물질 처리에서 에너지 및 자원 절약형의 고도처리 기술로 발전되고 있으며, 공공 수역으로의 오염 물질과 유독 물질 배출을 최소화하고 설치 운영의 효율성을 높이기 위해 IT 및 BT와 같은 다양한 기술을 접목한 융합형 기술로 진화하고 있다. 국내 하 폐수 처리기술의 발전 추이를 살펴보기 위해 등록된 특허기술을 수집 조사하여 연도별 부문별로 분류하여 분석하였다. 본고에서 2010년~2017년 5월 간의 관련된 특허 등록 내용을 생물학적 물리화학적 처리공정, 장치 및 기기, 소재 제재, 슬러지처리, 분리막, 공정제어기술 등 10개 분야의 42개 세부 영역으로 나누어 추세를 분석했다. 총 3,356건의 특허가 등록되었으며 2013년에 638건으로 최고치를 기록한 이후 다소 감소하여 연간 3~400여 건을 유지하고 있다. 등록된 특허 총 건수는 아직 다른 국가에 비해 적지는 않으나 공정 제어 및 기기 분야, 신개념 처리 기술과 같이 세계 시장을 선도할 수 있는 첨단 기술의 특허는 타 분야에 비해 미흡한 것으로 나타났다.
Wastewater treatment (WWT) technology has been developing from simple pollutant treatment to energy and resource-saving advanced technology, and various technologies combined with IT and BT are developed to minimize the amount of pollutant and toxic substance discharge to the public water areas and ...
Wastewater treatment (WWT) technology has been developing from simple pollutant treatment to energy and resource-saving advanced technology, and various technologies combined with IT and BT are developed to minimize the amount of pollutant and toxic substance discharge to the public water areas and to improve operational efficiency. To examine the development trend of domestic wastewater treatment technology, the registered patent technologies were surveyed, classified and analyzed by year and sector. This paper considers the status of patent registration related to WWT from 2010.1 to 2017.5 in terms of the number of specific technical areas, and the trends are analyzed based on the 10 categorization field such as biological and physicochemical treatment process, equipment and device, material, sludge treatment, membrane, process control and 42 specific technical areas. A total of 3,356 patents have been registered since 2010, and the number of patents has been decreasing since the peak at 2013 and maintains 3~400 per year. The total number of patents has not yet been less than other countries, but the number of patents of more advanced technologies, which can lead the global market, such as process monitoring, new concept processing and equipment technologies is still insufficient compared to developed countries.
Wastewater treatment (WWT) technology has been developing from simple pollutant treatment to energy and resource-saving advanced technology, and various technologies combined with IT and BT are developed to minimize the amount of pollutant and toxic substance discharge to the public water areas and to improve operational efficiency. To examine the development trend of domestic wastewater treatment technology, the registered patent technologies were surveyed, classified and analyzed by year and sector. This paper considers the status of patent registration related to WWT from 2010.1 to 2017.5 in terms of the number of specific technical areas, and the trends are analyzed based on the 10 categorization field such as biological and physicochemical treatment process, equipment and device, material, sludge treatment, membrane, process control and 42 specific technical areas. A total of 3,356 patents have been registered since 2010, and the number of patents has been decreasing since the peak at 2013 and maintains 3~400 per year. The total number of patents has not yet been less than other countries, but the number of patents of more advanced technologies, which can lead the global market, such as process monitoring, new concept processing and equipment technologies is still insufficient compared to developed countries.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
21C들어 선진국을 중심으로 기후변화와 물 부족 현상, 에너지난에 대응하고 청정 수자원을 확보하기 위해 전통적 처리기술을 업그레이드한 고효율 처리기술을 꾸준히 개발하고 있다. 영양물질과 미량유해물질 제거, 유효자원 회수를 위해 고도처리 기술을 기반으로 에너지절감 및 방류수 수질개선 효과를 극대화하는 첨단기술을 지향하고 있는 것이다. 수처리 기술은 전체 공정 및 시스템 기술을 기반으로 단위 장치⋅기기 및 소재 기술이 효과적으로 조합되어야 하며 아직까지 핵심 공정 및 장치기술은 주요 선진국의 기술 수준에는 미흡한 실정이다[1].
이러한 국내외 여건을 감안하여 2010년 이후 국내 하⋅폐수 처리기술 관련한 특허 등록 내용을 수집하여 연도별, 세부기술 영역별로 분류한 후, 이를 토대로 국내 신기술 개발의 주요 내용과 추세를 분석하고자 한다.
제안 방법
3단계로 10개 분야를 기술 영역에 따라 세부분야 42 개로 재분류하였으며(분야별 2~6개), 분야별, 세부분야 별 특허등록 기술에 대한 건수와 주요 내용을 종합하고 연차별 추이를 분석하였다.
슬러지의 재이용을 위한 비료화, 탄화, 연료화, 고형화기술(고화제 포함) 등은 제외하였으며 재이용을 위한 처리 이전 단계까지와 최종처리를 위한 가공기술을 포함하였다. 각 단계별로 중복되거나(예 : 탈수와 건조가 동시에 발생), 단계별 기술이 복수로 포함된 경우(예, 탈수기술과 농축기술, 이송기술과 가공기술 등)에는 핵심 기술이 포함된 세부분야로 분류하였다. 슬러지 가공처리는 발생된 슬 러지의 최종 처분을 위한 각종 생물학적, 물리화학적 처리기술을 의미하며 혐기성 소화기술은 [분야 6]으로 별도 분리하였다.
기본적으로는 물, 하수, 폐수와 관련된 특허 전체를 발췌하기 위하여 “하수처리(Sewage Treatment)”, “폐수처리(Wastewater Treatment)”를 키워드로 검색한 후 하⋅폐수 처리기술과 관련된 특허만을 발췌하였다.
[분야 2]는 5개 세부분야로 분류하였고 생물학적 처리기술의 특허내용이 함께 포함된 경우는 [분야 1]의 세부분야(12)로 분류하였다. 물리적 처리기술과 화학적 처리기술의 경계가 모호한 경우에는 핵심기술에 따라 분류하였으며 고도산화처리기술(AOP)의 경우 개발 수요가 많으므로 별도로 분류(23)하였다(Table 4). 여과장치가 포함된 복합공정의 경우에 여과장치 및 공정이 특허내용의 핵심인 경우는 [분야 4]에 포함하였다.
분리막 자체는 하⋅폐수 처리 분야뿐 아니라 타 분야에도 적용할 수 있는 범용화 기술로서 여기서는 적용 대상에 수처리 용도를 포함한 특허를 발췌하여 분석하였다.
하⋅폐수 처리공정이 대부분 복합적으로 구성되므로 특정 분야로 분류하기 어려운 경우가 많으나, 핵심기술이 포함된 분야로 분류하는 것을 원칙으로 하였다. 예로서 생물학적 반응조 기술이 핵심이고 침전기술 등 통상적인 물리적 처리기술이 포함된 경우는 생물학적 처리기술[분야 1]로 분류하였으며, 화학적 처리기술이 핵심이고 공정 전단에 기존의 생물학적 처리공정이 포함된 경우는 화학적 처리기술[분야 2]로 분류하였다. 여과기술은 물리화학적 처리기술의 하나로 [분야 2]로 분류할 수도 있으나 특허건수가 많고 적용 범위도 다양하여 [분야 4]로 별도 분류하였다.
장치⋅기기 기술은 결국 처리공정에 적용되므로 [분야 1]이나 [분야 2] 기술의 개발 목적과 본질적으로 유사하나 공정의 핵심기술로 장치⋅기기 기술의 중요성이 강조되고 있으므로 별도로 구분하였다.
특허 기술의 질적 수준을 객관적으로 평가하기는 용이하지 않으나 특허 등록 추세를 분석하여 주요 기술개발 대상 아이템을 분석하였다. 2010년 이후 국내 하⋅ 폐수 처리기술 분야에서 등록된 총 3,356건의 내용과 등록 추이는 아래와 같은 시사점을 나타내고 있다.
대상 데이터
하⋅폐수 처리기술과 관련된 특허의 수집⋅분석을 위해 다음과 같은 절차와 방법으로 연구를 수행하였다. 먼저 1단계로 특허청에서 제공하는 키프리스(KIPRIS) 특허정보검색서비스에서 2010년~2017년 5월까지 7년 여 간의 하수 및 폐수 처리기술과 관련된 특허를 발췌하였다. 기본적으로는 물, 하수, 폐수와 관련된 특허 전체를 발췌하기 위하여 “하수처리(Sewage Treatment)”, “폐수처리(Wastewater Treatment)”를 키워드로 검색한 후 하⋅폐수 처리기술과 관련된 특허만을 발췌하였다.
장치⋅기기 기술은 결국 처리공정에 적용되므로 [분야 1]이나 [분야 2] 기술의 개발 목적과 본질적으로 유사하나 공정의 핵심기술로 장치⋅기기 기술의 중요성이 강조되고 있으므로 별도로 구분하였다. 반응조 관련장치(33)에 포함된 기포발생장치는 (35)의 부상분리장치와 대부분 결합되어 사용되므로 중복되는 경우가 많으므로 발생장치 자체를 특허 등록한 것으로 한정하였다. 교반기는 슬러지 처리기술 [분야 5]의 공정에 포함되는 경우도 있으나 교반기만을 특허 등록한 경우는 (35)로 분류하였다(Table 5).
이 분야에는 총 574건이 등록되었다. 슬러지 가공 후 재이용하는 연료화, 비료화 기술 등을 제외했음에도 타 분야에 비해 많은 특허가 등록되었으며 연차별로는 2013년에 117건으로 최고치를 기록하였다(Fig.
혐기성 소화기술은 전처리 기술과 소화 기술로 구분할 수 있으나 통상 일체형으로 결합하여 운영되므로 모두 세부분야(60)에 포함하였으며 세부분야 (61)에는 혐기성 소화기술 외에 모든 혐기성 수처리 기술과 호기성 소화기술(발효 포함), 분해소멸기술 등을 포함하였다. 혐기성 소화기술은 슬러지뿐 아니라 기타 유기성 폐기물(축산분뇨, 음식물쓰레기 등)에도 적용할 수 있으며, 특허 기술의 적용 대상물질을 특별히 한정한 경우를 제외하고는 분석대상에 포함하였다. 혐기성 소화공정은 슬러지의 전처리, 소화조, 후처리 공정을 대 부분 포괄하므로 바이오가스 생산 측면에서 보면 증산 기술, 정제기술, 활용기술로 세분할 수 있는데 여기서는 슬러지 처리기술이라는 측면에서 정제 및 활용기술은 제외하였다[14].
이론/모형
기본적으로는 물, 하수, 폐수와 관련된 특허 전체를 발췌하기 위하여 “하수처리(Sewage Treatment)”, “폐수처리(Wastewater Treatment)”를 키워드로 검색한 후 하⋅폐수 처리기술과 관련된 특허만을 발췌하였다. 이 과정에서 IPC (International Patent Classification) 분류표를 참고하였으며 이 중 C섹션(화학 및 야금)의 C02 (물, 폐수, 하수 또는 오니의 처리) 세부분야를 중점 분석하였다. 도출된 특허 중에 상수(정수) 또는 해수 담수화, 유기성폐기물 분야와 중복되는 특허의 경우 하 ⋅폐수를 특허 기술 적용 대상에 명기한 특허는 포함하였다.
성능/효과
넷째, 하⋅폐수 처리기술 특허 등록 건수는 개략적으로 비교해 볼 때 선진국에 비해 적지 않은 것으로 나타나 국내 기업이나 연구기관의 기술개발이 아직까지 활발히 진행되고 있음을 알 수 있다.
둘째, 10개 기술 분야별로 분석한 결과 공정기술의 경우 영양물질 제거를 위한 고도처리기술[세부분야 12, 14, 20, 22], 장치⋅기기 기술[분야 3], 분리막 관련 기술[분야 8, 9]이 큰 비중을 차지하고 지속적인 증가 추세를 보이는 반면, 공정 제어기술[분야 10]은 건수도 적고 증가 추세도 보이지 않고 있어 취약한 분야로 분석된다.
셋째, 규제기준이 강화되어 투자 소요가 증가되는 분야에서 특허 등록 건수가 증가함을 알 수 있다. 화학적 처리기술 및 여과기술이 총인처리시설 신규 투자에 비례하여 증가하였고 또한 하⋅폐수 재이용 추세에 맞춰 분리막 관련 특허가 전반적으로 증가 추세를 보이고 있으며 슬러지 해양투기 금지 조치와 더불어 슬러지 처리 기술 역시 증가하였다.
첫째, 국내 특허 등록 건수는 2012년~2013년을 피크로 이후 다소 감소하였고 2015년 이후 350~400건을 유지하는 추세이다. 기본적인 처리기술들의 특허가 상당수 누적되어 신규 특허 대상기술이 감소하는 측면도 있으나, 국내 하⋅폐수 처리시설이 대부분 완비되어 신규 투자 수요가 감소하고 기존시설의 개선 필요성이 적어 기술 수요가 감소하는 것이 주요 요인으로 보인다.
화학적 처리기술 및 여과기술이 총인처리시설 신규 투자에 비례하여 증가하였고 또한 하⋅폐수 재이용 추세에 맞춰 분리막 관련 특허가 전반적으로 증가 추세를 보이고 있으며 슬러지 해양투기 금지 조치와 더불어 슬러지 처리 기술 역시 증가하였다.
후속연구
분리막 적용공정은 상대적으로 안정적인 방류수질을 담보할 수 있고 재이용 수질 확보가 용이하나 아직까지는 설치⋅운영비가 상대적으로 고가라는 인식이 있으므로 향후 처리효율 향상을 기반으로 경제성으로 제고하는 방향으로 MBR을 포함한 분리막 적용 처리기술 개발이 촉진될 것으로 보여[21] 특허도 지속적인 증가세를 보일 것으로 예상된다.
넷째, 하⋅폐수 처리기술 특허 등록 건수는 개략적으로 비교해 볼 때 선진국에 비해 적지 않은 것으로 나타나 국내 기업이나 연구기관의 기술개발이 아직까지 활발히 진행되고 있음을 알 수 있다. 향후 국내 수요시장이 확대되고 기술역량이 보다 업그레이드되면 국내 기업들이 해외시장에서도 선진국 선도 기업들과 경쟁할 수 있는 기술력을 확보할 것으로 예상되며, 이를 위해 국내 수질기준의 강화, 기존 시설의 고도화 등 시설투자 확대, 해외시장 진출 지원정책 등을 보다 강화할 필요가 있다.
향후 이번 연구 결과를 토대로 주요 선진국의 기술 개발 추이와의 비교⋅분석을 통해 국내 기술의 취약 분야와 보완 방안을 분석하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 하 폐수 처리기술의 특허기술 현황은 어떠한가?
본고에서 2010년~2017년 5월 간의 관련된 특허 등록 내용을 생물학적 물리화학적 처리공정, 장치 및 기기, 소재 제재, 슬러지처리, 분리막, 공정제어기술 등 10개 분야의 42개 세부 영역으로 나누어 추세를 분석했다. 총 3,356건의 특허가 등록되었으며 2013년에 638건으로 최고치를 기록한 이후 다소 감소하여 연간 3~400여 건을 유지하고 있다. 등록된 특허 총 건수는 아직 다른 국가에 비해 적지는 않으나 공정 제어 및 기기 분야, 신개념 처리 기술과 같이 세계 시장을 선도할 수 있는 첨단 기술의 특허는 타 분야에 비해 미흡한 것으로 나타났다.
현재의 하 폐수 처리 기술은 어떤 발전을 겪고 있는가?
하 폐수 처리 기술은 종래 단순 오염물질 처리에서 에너지 및 자원 절약형의 고도처리 기술로 발전되고 있으며, 공공 수역으로의 오염 물질과 유독 물질 배출을 최소화하고 설치 운영의 효율성을 높이기 위해 IT 및 BT와 같은 다양한 기술을 접목한 융합형 기술로 진화하고 있다. 국내 하 폐수 처리기술의 발전 추이를 살펴보기 위해 등록된 특허기술을 수집 조사하여 연도별 부문별로 분류하여 분석하였다.
국내 하⋅폐수 처리시장의 특징은 무엇인가?
국내 하⋅폐수 처리시장은 공공 하수처리시설은 물론 산업폐수 처리시설도 대부분 구축되어 신규 투자가 제한적이다. 그러나 기존 처리시설의 운영 효율성은 제고의 여지가 많고 해외 시장이 큰 폭으로 성장하고 있으므로 국내 기업들이 지속적으로 성장하기 위해서는 유해물질 및 독성물질 처리를 위한 초고도 처리기술, 맞춤형 재이용기술, 에너지 및 유효자원의 절감⋅회수 기술을 유기적으로 연계한 선진형 고도처리 기술 확보가 요구되고 있다[2].
참고문헌 (27)
D. I. Oh, J. S. Choi, M. S. Yoon, and S. I. Kim, "The trends of future-oriented sewage treatment system technologies", The report of technological trends, pp. 3-9, KEITI (Korean environmental industry and technology institute), Seoul (2011).
J. T. Kim, H. Y. Hwang, B. P. Hong, and H. S. Byun, "The background and direction of R&D project for advanced technology of wastewater treatment and reuse", Membr. J., 21, 283 (2012).
H. G. Kim, D. H. Ahn, E. H. Cho, H. Y. Kim, H. Y. Ye, and J. S. Mun, "A study on the biological treatment of RO concentrate using aerobic granular sludge", J. Kor. Soc. Environ. Eng., 38, 80 (2016).
M. H. Halim. A. Anuar, S. Azmi, N. Jamal, N. Wahab, Z. Ujang, A. Shraim, and M. Bob, "Aerobic sludge granulation at high temperatures for domestic wastewater treatment", Bioresource Technol., 185, 445 (2015).
J. M. Lee, J. H. Choi, W. I. Lee, G. D. Kim, and T. H. Chung, "A study on characteristics of aerobic granule in sequencing batch reactor", Proc. of Joint Autumn Conference, Kor. soc. of water and wastewater and Kor. soc. of water environ., Seoul, pp. A-111 (2006).
C. S. Cho and S. H. Lee, "Biological nutrient removal using porous media", J. Digital Policy & Management, 11, 238 (2013).
S. H. Park, D. J. Kang, K. S. Yang, S. B. Jeon and K. J. Oh, "Efficiency of nutritive salts removal and algae growth inhibition using a fibrous carrier", Clean Technol., 21, 258 (2015).
S. K. Lee, M. S. Park, S. J. Yeon, and D. H. Park, "Optimization of chemical precipitation for phosphate removal from domestic wastewater", J. Kor. Soc. Water and Wastewater, 30, 664 (2016).
G. Y. Lee, J. C. Kim, J. H. Lim, J. W. Lee, J. M. Park, S. H. Lee, J. K. Nam, and Y. W. Lee, "Study of inorganic photocatalyst media for reused wastewater", J. Kor. Soc. on Water Environ., 31, 42 (2015).
Y. D. Lim, K. S. Shin, J. H. Kim, S. K. Park, and E. Y. Song, "Study on total dissolved solid removal and fouling of capacitive deionization process for wastewater treatment", Proc. of Joint Spring Conference, Kor. soc. of water and wastewater and Kor. soc. of water environ., Seoul, pp. 706 (2014).
B. G. Kim and H. S. Kim "Future technology to produce energy simultaneously with wastewater treatment : Microbial Fuel Cell(MFC)", Water for future, 47, 10 (2014).
I. S. Oh and B. S. Kim, "Development of eco-friendly automatic dissolving system for emulsion polymer", J. Kor. Soc. of Mechanical Technol., 17, 184 (2015).
S. Y. Mo, P. E. Lee, B. S. Kim, and T. J. Lee, "A study of sewage treatment using self-cleaning filtration unit", J. Kor. Soc. Environ. Eng., 38, 309 (2016).
C. Y. Lee, W. J. Chung, and J. T. Kim, "A Study on the development trends of wastewater sludge treatment technology". J. Kor. Geo-Environmental Soc., 17, 6 (2016).
J. K. Bae, B. T. Kim, J. I. Kim, J. H. Park, I. K. Ching, C. I. Park, D. J. Kim, H. D. Bae, and K. J. Na, "The disposal and recycling method of sewage sludge", pp. 96-252, Environmental Management Corporation, Seoul, (2005).
A. Mahmoud, J. Olivier, J. Vaxelaire, and A. Hoadley, "Electrical field: A historical review of its application and contributions in wastewater sludge dewatering", Water Research, 44, 8 pp. 2381-2407 (2010).
S. J. Baik, I. S. Han, S. M. Hong, and S. H. Kang, "Research on drying characteristics of sewage sludge by indirect heating device using thermal oil", J. Kor. Soc. of Waste Management, 31, 575 (2014).
G. Skouteris, D. Hermosilla, P. Lpopez, C. Negro, and A. Blanco, "Anaerobic membrane bioreactors for wastewater treatment: A review, Chem. Eng. J., 198, 139 (2012).
J. W. Park, H. J. Park, M. H. Kim, Y. K. Oh, and C. H. Park, "A study on fouling characteristics and applicability of fouling reducer in submerged MBR process", J. Kor. Soc. Environ. Eng., 35, 371 (2013).
S. H. Hyun, E. D. Kim, S. K. Hong, W. Y. Ahn, S. K. Yim, and G. T. Kim, "Treatment of secondary municipal wastewater by submerged hollow fiber MF membranes for water Reuse", J. Kor. Soc. of Water and Wastewater, 19, 48 (2005).
I. H. Cho and J. T. Kim, "Trends in the technology and market of MBR for wastewater treatment and reuse and development directions", Membr. J., 23, 39 (2013).
S. G. Kang, H. G. Lee, J. W. Kim, and K. B. Han, "Application of microfiltration and reverse osmosis system to sewage reuse for industrial water", Membr. J., 12, 151 (2002).
Y. J. Choi and K. H. Lee, "Advanced treatment of sewage and wastewater using an integrated membrane separation by porous electrode-typed electrolysis", Membr. J., 22, 96 (2012).
B. Marrot, A. Barrios-Martinez, P. Moulin, and N. Roche, "Industrial wastewater treatment in a membrane bioreactor: A review", Environ. Progress, 23, 59 (2004).
K. T. Park, J. W. Park, J. H. Park, H. S. Kang, J. H. Kim, and H. S. Kim, "Evaluation of membrane fouling by MBR operation conditions in MBR-RO", J. Kor. Soc. of Water and Wastewater, 30, 546 (2016).
Y. H. Yoon, J. S. Ji, J. R. Park, and T. Y. Lee, "The study on improving method of high efficient management of wastewater treatment plant by the integrated control system", Proc. of Spring Conference, Kor. Soc. Environ. Eng., pp. 1555, Seoul (2005).
Y. W. Kim, I. S. Seo, H. S. Kim, and J. Y. Kim, "Assessment on economies-environmental affect of smart operation system(SOS) in sewage treatment plant", J. Environ. Impact Assessment, 22, 582 (2013).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.