실시간 환경 모니터링의 핵심 장비

친환경, 에너지, 지구온난화, 기후위기, 녹색성장 등 누구나 한 번씩은 접해 본 키워드들과 국제 기조, 정책 방향, 과장을 보태어 사회적 염원까지 아우르는 근간을 꼽으라면, 주저 없이 탄소를 최우선으로 꼽는다. 자신 있게 언급하자면, 인류와 탄소는 절대로 분리될 수 없다. 탄소를 기고의 목적에 맞게 구분하면, 유기탄소와 무기탄소로 나눌 수 있다. 이 중 유기탄소가 핵심이다. 우리는 음식을 통해 유기탄소를 섭취하고, 에너지원으로 활용하여 자손을 번창한다. 논밭에 비료를 시비하여 작물의 생장을 돕기도 한다. 또 하천이나 해양에서 미생물이 대량 증식하면 녹조나 적조가 발생한다.

여러 기관에서 유기탄소를 분석 중이며, 수질·퇴적물·토양·폐기물 등 기관별 성격에 맞게 시료를 분석한다. 이는 민간 실험실에서도 마찬가지다. 또한 우리의 일상생활 주변에서 365일 유기탄소를 분석하는 실험실도 있다. 하수처리장이 대표적이다. 공휴일, 명절에 상관없이 매일 분석한다. 아예 법으로 명시되어 좋든 싫든 의무적으로 탄소를 분석해야 한다. 시험 방법 역시 법으로 정해져 있다. 임의로 시험 방법을 변경해 분석하면 그 결과를 인정하지 않으며, 분석을 안 한 것으로 간주된다. 하수처리장의 공인 시험 방법인 수질오염공정시험기준을 살펴보자.

수질오염공정시험기준에는 총유기탄소(TOC) 시험법이 2개 명시되어 있어, 실험자는 2개 중 하나를 선택하여 지표수, 지하수, 하폐수 등의 TOC 분석을 통해 오염 정도를 확인한다(물론 유기탄소뿐만 아니라 다양한 항목이 있음). TOC는 수중의 유기탄소를 이산화탄소로 산화시켜 정량한다. 시험법은 산화 방식에 따라 ‘고온연소산화법’과 ‘과황산산화법(약어)’으로 구분된다. 공정시험기준 총칙을 보면, 따로 규정이 없는 한 항목별 공정시험기준의 1법을 주시험법으로 명시하고 있다. TOC의 1법은 고온연소산화법이다. 그리고 2개 시험법 모두 산화된 이산화탄소를 정량하기 위해 무기탄소를 사전에 제거하여 측정하는 NPOC법과 무기탄소를 측정 후 총 탄소에서 감하여 유기탄소의 양을 구하는 가감법을 제시하고 있다. 실험자는 총 탄소 중 무기탄소의 비율에 따라 정량 방법을 선택해야 한다. 익숙하지 않은 독자는 혼동하기 쉽다. ‘TOC고온연소산화법-가감법, NPOC법’ / ‘TOC과황산산화법-가감법, NPOC법’으로 구분하여 혼동을 방지한다.

국내 유일의 스마트 기술이 접목된
‘TOC 분석기’

수질오염공정시험기준에 의해, 실험자는 TOC를 분석하기 위해 가감법을 분석하여 무기탄소 비율을 확인하고, 비율에 따라 NPOC법을 추가로 분석해야 한다. 분석장비마다 차이가 있지만, TOC 분석은 소요 시간이 길어 대부분의 경우 다음날 결과를 확인할 수 있다. 가감법 분석에 하루, NPOC 분석에 하루, 이틀이 소요된다. 월요일의 수질 상황을 수요일에 확인할 수 있는 것이다. 이를 하천이나 해양에 대입한다면, 이틀 동안 오염이 얼마나 확산될지 생각도 하기 싫다. 분석 장비를 개선하여 소요 시간을 단축할 수 있다면, 스마트 기능을 통해 가감법 분석 이후 자동으로 선택적 NPOC 분석까지 진행된다면...? 자연스럽게 실험자들의 니즈가 발생한다.

㈜라스코리아(대표이사 : 한성호)는 니즈에 성공적으로 대응했다. 2니들 방식을 채택하여 분석과 NPOC 전처리를 동시에 진행함으로써 소요 시간을 단축했고, 국내에서 유일하게 스마트 NPOC 기능을 제공 중이다. 스마트 NPOC 기능은 가감법을 분석하고, 소프트웨어가 IC 비율을 계산하여 NPOC 분석 여부를 자동으로 결정한다. 실험자가 미리 입력한 값을 기준으로 IC 비율이 낮으면 다음 단계로 넘어가고, IC 비율이 높으면 자동으로 NPOC를 추가 분석한다. 실험자 입장에서는 장비를 구동하고 다른 업무를 하는 동안, 가감법 NPOC법 모든 결과를 쉽게 확인할 수 있다. 필자는 소프트웨어적으로 조금만 손보면 되는 기술이 아니라 기능적 개선으로 판단했다. 본격적으로 TOC 분석이 도입되고 대략 6년이 흐른 지금, 아직도 유일한 기능이다. 이 외에도 스마트 Dilution, 스마트 Sparging, 상부 교반, 세라믹 연소관, 2분화 펌프 튜빙 등 경쟁업체가 따라가지 못하는 기술이 수두룩하다. 기술력 부족이 아니라 개선 의지가 부족한 것이라면, 장비 수요자는 그 업체들을 배제해야만 한다. 보통 분석 장비를 한번 구매하면 10년가량 운영한다. 이러한 시장 상황에서 개선 의지가 없는 업체는 없을 것으로 믿는다. 아니, 그래야만 한다.

수질관리 스마트 시대로

국내에서는 환경 및 건강 보호, 생태계 보전, 국제 기준과의 조화를 위해 환경부를 비롯한 정부기관에서 수질오염 관리 기준을 강화하고 있다. 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률에 따라 BOD, COD(Mn) 등 43개의 수질 항목에 대한 배출 허용 기준을 설정하고, 이를 규제 및 관리하며, 미량의 유기오염물질도 생태계 및 먹는물 안전성에 악영향을 미칠 수 있어 TOC 기반의 정밀한 분석이 필수적이다. 1999년, 몇몇 공공하수처리장에 실험적으로 설치된 폐수 감시 장비가 이제는 전국 수질관리의 핵심 인프라로 자리 잡았다.

국내 수질 TMS(Tele-Monitoring System)는 하폐수의 오염 여부를 실시간으로 감시해 불법 배출을 차단하고, 수질 재난을 미연에 방지하는 ‘디지털 환경지킴이’이다. 국내 수질 TMS의 출발점은 1999년 환경부가 제정한 ‘수질자동측정기기 부착 및 원격감시 운영지침’이다. 당시 환경 사고의 주요 원인으로 지목되던 무단 방류 문제를 해결하고자, 일부 폐수배출사업장을 대상으로 pH, 수온, SS(부유물질)을 측정하는 간이 TMS를 시범 적용했다. 초기에는 단순 경고와 수동적 기록 중심이었으나, 2000년대 중반으로 접어들며 환경부는 TMS 데이터를 법적 근거로 삼아 과징금 부과와 행정처분을 집행하는 제도를 정착시켰다. 또한 2007년도에 TN(총질소), TP(총인) 등 영양염류 항목도 자동 감시 대상으로 포함되었다.

2010년대 들어 국내 수질 TMS는 기술적으로 한 단계 도약했다. 기존의 COD(화학적산소요구량)를 대체할 지표로 TOC(총유기탄소)가 도입된 것이다. TOC는 오염물의 산화 반응이 아닌 실제 탄소 함량을 측정하므로, 더욱 정밀하고 신속한 감시가 가능하다. 2012년부터 TOC는 일부 업종에 한해 시험 적용됐고, 2020년에는 환경부 고시 개정을 통해 TOC가 COD를 공식 대체하는 기본 지표로 전환되었다. 수질 TMS는 단순한 배출 모니터링을 넘어 유역 수질 종합관제 체계로 진화했다. 2020년대에 들어서 수질 TMS는 디지털 뉴딜 정책과 함께 ‘스마트 환경 관리 플랫폼’으로 거듭나고 있다. 환경부는 2021년부터 AI 기반 이상 징후 탐지 시스템을 일부 사업장에 시범 도입했다. 이를 통해 TOC 수치 급변 등 오염 징후를 자동 인식하고, 관제 센터 및 관리자에게 실시간으로 경고 알림을 전송하는 구조다. 이 밖에도 모바일·클라우드 연동 플랫폼, 기기 자동 교정 알고리즘, 예지 정비 로직 등 다양한 스마트 기능이 추가되었다.

온라인 TOC 분석기

온라인 TOC 분석기는 시료를 실시간으로 채취하고 분석하여 유기물의 농도를 지속적으로 모니터링하는 장비다. 기존의 오프라인 방식이 시료채취 후 실험실 분석에 의존한 반면, 온라인 장비는 연속적이고 자동화된 감시가 가능하다는 점에서 큰 차별성을 가진다. 측정값은 실시간으로 중앙 관제 시스템이나 원격 모니터링 플랫폼으로 전송된다. 폐수 무단 방류나 공정 이상 여부를 자동으로 감지·경보하는 체계가 가능한 이유다.
온라인 TOC 분석기는 실험실 분석기와 마찬가지로 산화 방식에 따라 구분된다. 고온연소산화 방식은 고온에서 백금·산화코발트 등 산화성 촉매를 활용해 유기물을 완전히 산화시키는 방식이다. 폐수처럼 복합 유기물이 많이 섞여 있는 경우, 이 방식이 가장 정확한 결과를 보여준다. 다만 고온연소로와 촉매의 지속적인 유지보수가 필요하며, 전력 소모도 크다는 단점이 있다. 반면 과황산산화법은 자외선과 과황산을 활용해 저온 환경에서도 유기물을 산화시킨다. 이 방식은 전력 소모가 적고, 시약 교체만으로도 관리가 가능해 반도체·제약 등 청정 환경에서 선호된다. 다만 산화력이 다소 떨어지기 때문에 고분자 유기물이나 농도가 높은 폐수에는 부적합할 수 있다. 각 방식은 시료 특성과 현장 조건에 따라서 적용할 수 있다.

이제는 국내 기술로

공공수역의 난분해성 유기물질의 증가, 분석 기술의 발달에 따른 고도화 필요성 등으로 인해 온라인 TOC 분석기가 활발히 보급 및 가동되고 있지만, 대다수가 외국산으로 국내산 분석 장비의 보급은 미미한 실정이며, 다수의 현장에서는 수입 제품에 의존하고 있다. 하폐수처리장, 정수장, 반도체·제약 산업 등 다양한 분야에서 TOC 분석기가 쓰이지만, 주요 부품과 소프트웨어는 독일·일본·미국 등 해외 기술에 크게 의존하고 있는 실정이다.

국내 수질 특성은 산업 폐수·하수·축산폐수 등 다양하며, 계절 및 기온 변화 폭이 큰 편이다. 수입 장비는 이 조건을 충분히 반영하지 못하고 있다. 국산화된 장비는 우리나라 수질 특성에 맞는 센서 정밀도, 시약 반응 조건, 통신 프로토콜, 방한 설계 등을 적용할 수 있어, 현장 적합성과 신뢰성이 더 높다. 또한 KS·환경부 인증 기준 등 국내 제도에 최적화된 제품 설계가 가능해, 사업자 입장에서 인증 획득 및 설치 적합성 확보도 쉬워진다. 국산 장비를 도입할 경우 장비 가격 자체가 20~40% 절감될 수 있으며, 해외 부품 수급 지연, AS 지연, 가격 인상에 대비하여 부품 교체 및 기술 지원을 국내에서 즉각 대응할 수 있어 운영비 절감 효과가 매우 크다. TO C 분석기 국산화는 단순한 ‘가격 절감’을 넘어, 중장기적인 기술 자립성과 장비 운용 안정성을 보장하는 수단이다. 이를 통해 정부의 수질 관리 체계도 외부 변수에 흔들리지 않는 자립형 구조로 발전할 수 있다.

라스코리아가 독자 개발한 온라인 TOC 분석기(모델명 LAS-TOC-850)에는 다음과 같은 다양한 기술이 적용되었다. 수질오염공정시험기준 총유기탄소 고온연소산화법을 적용하여 온도 제어와 유지가 가능한 850℃ 이상의 초고온 연소를 통해 다양한 샘플에 적용 가능하며, 특히 고농도 샘플에 대해 더 정확한 측정을 구현하는 장비를 선보였다. 이러한 고온연소로 사용에 따른 교체 및 유지보수 시 상온에서 850℃ 이상의 온도를 식히는 데 따른 불편함을 간편한 촉매 구조의 반응부를 적용하여 획기적으로 변화시켰고, 유지보수 시간 절감이 가능한 기술을 선보였다(특허출원 제10-2023-0029354호). 또 측정 오차를 발생시키는 이산화탄소의 제거가 중요한 부분인데, 산(Acid) 자동 주입 장치와 고순도 가스를 필요에 따라 공급할 수 있는 복합 밸브 장치로 구성된 무기탄소 제거부를 채용한 기술도 적용되고 있다. 1대의 측정기로 최대 8개 지점 수질 모니터링이 가능하며, 유입수·중간 처리수·방류수까지 모니터링이 가능한 장비로 스마트 운영에 활용도를 높이고 있다.
최근 중소벤처기업부로부터 그 기술력을 인정받아 조달혁신제품(인증번호 제2025–171호)으로 지정되어 많은 공공기관에서 관심을 보이고 있으며, 라스코리아의 실험실 장비와 온라인 장비를 함께 구축하여 TOC 장비의 유지 관리를 더욱 효율적으로 운영하는 실험실이 늘어나는 추세이다. 이미 검증된 기술력이 얼마나 더 올라갈지, 온라인 분석기의 다음 행보는 어디로 이어질지 귀추가 주목된다.

sungho.han@las-korea.com sangdo.park@las-korea.com