Chapter 09

폐수 처리와 물 재이용

5장에서 팹은 하루 수만 m³의 물을 초순수로 만들어 웨이퍼를 씻었다. 그 물은 사라지지 않는다. 불산, 슬러리, 유기 용제, 암모니아를 품은 채 배수관으로 흘러나온다. 이 장은 그 물의 뒷이야기다. 왜 배수를 수십 갈래로 나눠 모으는지, 불산을 석회로 가라앉힐 때 화학량론과 용해도곱이 무엇을 정하는지, 나노 크기 슬러리 입자는 왜 가라앉지 않는지, 그리고 쓴 물을 얼마나 되살려 써야 원수를 줄이고 가뭄을 견딜 수 있는지를 팹 전체의 물 수지로 계산한다.

팹 폐수를 불산계·CMP계·유기계·산알칼리계·암모니아계로 분리 수집하는 이유를 처리 화학과 재이용 관점에서 설명할 수 있다.
Ca(OH)₂로 불소를 CaF₂로 침전시킬 때의 약품량·슬러지량을 화학량론으로, 잔류 불소를 용해도곱으로 계산하고, 실제 잔류 불소를 정하는 것이 고액 분리임을 말할 수 있다.
중화 적정 곡선으로 pH 제어가 어려운 이유를, 스토크스 법칙과 표면 부하율로 침전조 설계를 설명할 수 있다.
CMP 나노입자가 가라앉지 않는 이유와 응집·막분리 처리를, 유기·질소 폐수의 생물학 처리를 SRT와 세척(washout)으로 설명할 수 있다.
원수 → UPW → 사용 → 회수·재활용·방류의 팹 물 수지를 세우고, 재이용률을 바꿀 때 원수 사용량이 얼마나 줄어드는지 계산할 수 있다.
가뭄 시 급수 제한이 생산에 미치는 영향을 저장량·절수 속도로 추정할 수 있다.

팹 폐수는 왜 나눠서 모으는가

팹의 배수관은 하나가 아니다. 장비 뒤편의 배수구는 종류별로 다른 배관에 연결되고, 서브팹을 지나 폐수처리장의 서로 다른 저류조로 간다. 큰 팹은 배수 계통이 열 가지를 넘기도 한다. 이렇게 번거롭게 나누는 데는 세 가지 이유가 있다.

처리 화학이 다르다. 불소는 칼슘으로, 슬러리 입자는 응집제로, 유기물은 미생물로, 암모니아는 탈기나 질산화로 처리한다. 섞으면 한 처리가 다른 처리를 방해한다. 예를 들어 암모니아는 구리와 착물을 만들어 구리 침전을 막고, 유기 용제는 생물 처리에는 먹이지만 막 처리에는 오염원이다.
희석은 처리가 아니다. 진한 폐수를 묽은 폐수와 섞으면 농도는 내려가지만 제거해야 할 총량은 그대로이고 처리할 유량만 커진다. 이 장의 시뮬레이터가 보여 주듯, 침전 처리 후 남는 잔류 농도는 유량과 무관하게 거의 일정하므로 유량이 커지면 방류되는 총량이 오히려 늘어난다.
깨끗한 배수를 살리기 위해서다. 마지막 헹굼수처럼 거의 UPW에 가까운 배수는 따로 모으면 UPW 설비 앞으로 되돌릴 수 있다. 다른 배수와 섞이는 순간 재이용 가치가 사라진다.

그림 9-1. 팹 배수의 분리 수집 예. 마지막 헹굼처럼 깨끗한 배수는 회수수로 UPW 설비에 되돌리고, 불소·슬러리·암모니아·유기물을 품은 배수는 각각 맞는 처리 계통으로 보낸다. 진한 폐액은 배수관에 흘리지 않고 따로 모아 재생하거나 위탁 처리한다.

계통	주 오염물	대표 농도 (약)	핵심 처리	재이용 가능성
회수수	미량 이온·TOC	TDS 수~수십 mg/L, TOC < 1 mg/L	활성탄·UV·RO (UPW 앞단)	높음 (UPW 원료)
불산계	F⁻, 산	F 수백~수천 mg/L	Ca(OH)₂·CaCl₂ 침전, Al 응집	슬러지 재활용, 처리수는 방류 위주
CMP	SiO₂·CeO₂·Al₂O₃ 입자, 구리	SS 수백~수천 mg/L	응집·침전, UF/MF, 이온교환(Cu)	중간 (냉각탑·스크러버)
암모니아계	NH₄⁺, H₂O₂	N 수십~수백 mg/L	탈기 회수, 생물학적 질산화·탈질	회수 NH₃ 재활용
유기계	IPA, TMAH, 아민, 용제	TOC 수십~수천 mg/L	생물학 처리, 고급 산화	처리 후 중간
산알칼리	H₂SO₄, HCl, NaOH 등	pH 2~12	중화	중간 (유틸리티 용수)

농도 범위는 공정과 세정 레시피에 따라 크게 다르며, 위 값은 크기 수준만 보여 주는 교육용 범위다.

불산 폐수: 석회로 불소를 가라앉히기

불산(HF)은 실리콘 산화막을 녹이는 핵심 케미컬이고, 완충 불산(BOE)과 각종 세정액, 그리고 PFC 배기를 씻는 스크러버(8장) 배수에서도 불소가 나온다. 불소는 사람과 생태계에 독성이 있어 방류 기준이 엄격하다. 가장 널리 쓰는 처리는 칼슘을 넣어 물에 거의 녹지 않는 불화칼슘(CaF₂, 형석의 주성분)으로 가라앉히는 것이다.

$$\mathrm{Ca(OH)}_2 + 2\,\mathrm{HF} \longrightarrow \mathrm{CaF}_2\downarrow + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O},\qquad K_{sp} = [\mathrm{Ca}^{2+}][\mathrm{F}^{-}]^2 \approx 3.5\times10^{-11}\ (25\,{}^\circ\mathrm{C})$$

화학량론: 불소 38.0 g(2 mol)에 Ca(OH)₂ 74.1 g, CaF₂ 78.1 g. 즉 불소 1 kg에 소석회 약 1.95 kg이 필요하고 CaF₂ 약 2.05 kg(건조 기준)이 생긴다. $K_{sp}$는 문헌에 따라 $10^{-11}$~$10^{-10}$ 범위로 보고된다(약).

용해도곱은 처리 후 물에 녹아 남는 불소의 하한을 정한다. 칼슘을 화학량론보다 더 넣어 여분의 Ca²⁺ 농도를 높이면 공통 이온 효과로 F⁻가 더 줄어든다.

$$[\mathrm{F}^{-}]_{\text{잔류}} = \sqrt{\frac{K_{sp}}{[\mathrm{Ca}^{2+}]_{\text{여분}}}}$$

예: 여분 Ca²⁺ 400 mg/L(0.01 M)이면 $[\mathrm{F}^{-}] = \sqrt{3.5\times10^{-11}/0.01} = 5.9\times10^{-5}$ M ≈ 1.1 mg/L. 여분 Ca가 40 mg/L로 적으면 약 3.6 mg/L.

이론대로라면 1 mg/L 근처까지 내려가야 하지만, 실제 1단 석회 처리의 처리수 불소는 흔히 10~20 mg/L 정도다. 차이는 고액 분리에서 온다. 빠르게 생긴 CaF₂ 결정은 수 µm 이하로 매우 작아 침전조에서 다 가라앉지 않고 처리수에 섞여 나간다. 원수 불소 1,000 mg/L 중 99 %를 결정으로 만들었더라도, 그 결정의 1 %만 넘어가면 처리수에 10 mg/L의 불소가 실려 나간다. 그래서 실제 공정은 반응조를 2단으로 두고, 알루미늄 응집제(PAC)와 고분자 응집 보조제로 미세 결정을 큰 플록으로 묶고, 슬러지 일부를 반응조로 반송해 결정이 자랄 씨앗으로 쓰며, 마지막에 여과를 더한다.

그림 9-2. 불산 폐수 처리의 전형적 구성. 소석회로 대부분을 침전시키고 2차 반응조에서 염화칼슘으로 여분 칼슘을 보충한다. 응집제로 미세 결정을 묶어 침전·여과하고, 침전 슬러지 일부를 반송해 결정 성장을 돕는다. 탈수한 CaF₂ 케이크는 순도가 높으면 시멘트·제철용 형석 대체재나 불산 원료로 재활용된다.

SIMULATOR

CaF₂ 침전: 약품량 · 슬러지 · 잔류 불소

분리 수준

불산계 폐수 유량 유입 불소 농도 칼슘 투입비 (화학량론 배수)

용해 잔류 F⁻—

처리수 총 불소—

여분 Ca²⁺—

Ca(OH)₂ 사용량—

CaF₂ 슬러지 (건조 / 케이크 35 %)—

계산: 총 칼슘 $C_{Ca}$와 총 불소 $C_F$에서 침전량 $x$를 $(C_{Ca}-x)(C_F-2x)^2 = K_{sp}$로 수치 풀이($K_{sp} = 3.45\times10^{-11}$, 활동도 계수 무시). 처리수 총 불소 = 용해 F⁻ + (1 − 분리 효율) × 침전된 불소. 해볼 것: ① 칼슘 투입비를 1.0 아래로 내리면 칼슘이 모자라 불소가 크게 남는다. ② 투입비를 1.5에서 3으로 올려도 총 불소는 거의 안 줄어든다. 미세 결정 유출이 지배하기 때문이다. ③ 분리 수준을 “+여과”로 바꾸면 비로소 한 자릿수 mg/L가 나온다.

활동도, 착물, 그리고 더 낮은 불소

실제 용액에서는 이온 세기 때문에 활동도 계수가 1보다 작아 잔류 불소가 이상적 계산보다 높게 나온다. 또 알루미늄이나 규소가 있으면 AlF₆³⁻, SiF₆²⁻ 같은 착이온이 생겨 칼슘으로 잘 안 가라앉는다. 방류 기준이 수 mg/L 이하로 엄격한 곳은 석회 처리 뒤에 알루미늄 수산화물 공침, 불소 선택성 흡착제, 혹은 결정화 반응기(유동층에서 큰 CaF₂ 알갱이를 키워 고순도로 회수)를 덧붙인다.

중화, 응집, 침전: 물리화학 처리의 기본기

중화: pH 7 근처가 가장 어렵다

일반 산알칼리 폐수는 섞어서 서로 중화시키고 부족한 쪽을 가성소다(NaOH)나 황산으로 보충해 방류 범위(한국 기준 대략 pH 5.8~8.6)에 맞춘다. 단순해 보이지만, 강산·강염기만 있는 물의 적정 곡선은 당량점 근처에서 거의 수직이다. 약품을 0.1 %만 더 넣어도 pH가 몇 단위씩 뛴다. 그래서 중화 설비는 2~3단 반응조로 나누어 거칠게 먼저 맞추고 뒤에서 미세 조정하며, 완충 성분(탄산염 등)이 있으면 제어가 훨씬 쉬워진다.

$$[\mathrm{H^+}] + [\mathrm{Na^+}] = [\mathrm{OH^-}] + [\mathrm{A^-}] + [\mathrm{HCO_3^-}] + 2[\mathrm{CO_3^{2-}}]$$

$[\mathrm{A^-}]$: 강산 음이온(황산·염산 유래, 1가 당량으로 표시), $[\mathrm{Na^+}]$: 투입한 NaOH. 탄산은 $\mathrm{p}K_{a1} = 6.35$, $\mathrm{p}K_{a2} = 10.33$. 이 식을 [H⁺]에 대해 풀면 적정 곡선이 나온다.

SIMULATOR

중화 적정 곡선과 pH 제어 여유

산 농도 (H⁺ 당량) 탄산 완충 (총 탄산) NaOH 투입 (당량 대비) 폐수 유량

처리수 pH—

pH 5.8~8.6 허용 투입 폭—

투입 1 % 오차 시 pH 변화—

NaOH 사용량 (100 % 기준)—

당량 = 산의 H⁺ 당량(탄산은 CO₂ 형태로 들어 있어 당량에 넣지 않음). 해볼 것: ① 완충 0에서 투입을 99 %, 100 %, 101 %로 바꿔 보자. ② 완충을 5 mmol/L로 올리면 허용 투입 폭이 몇 배로 넓어지나? ③ 산 농도를 100 mmol/L로 올리면 같은 1 % 오차라도 더 위험하다. 진한 폐액을 배수에 섞지 않는 또 하나의 이유다.

응집과 침전: 작은 입자를 크게 만들어 가라앉힌다

물속 입자가 중력으로 가라앉는 속도는 작은 입자에서 스토크스 법칙(Stokes' law)을 따른다.

$$v_s = \frac{g\,(\rho_p - \rho_w)\,d^2}{18\,\mu},\qquad \text{표면 부하율 } q = \frac{Q}{A},\qquad \eta = \min\!\left(1,\ \frac{v_s}{q}\right)$$

$d$: 입자 지름, $\mu$: 물의 점도(20 °C 약 1.0 mPa·s), $Q$: 유량, $A$: 침전조 수면적. 이상적 침전조(하젠 이론)에서는 침강 속도가 표면 부하율보다 큰 입자는 모두 제거되고, 작은 입자는 $v_s/q$만큼만 제거된다. 침전조의 깊이가 아니라 면적이 성능을 정한다는 것이 이 이론의 요점이다.

침강 속도가 지름의 제곱에 비례하므로, 입자를 10배 크게 만들면 100배 빨리 가라앉는다. 응집(coagulation)은 알루미늄·철 염(PAC, 황산알루미늄, 염화제2철)으로 입자 표면 전하를 중화해 서로 붙게 하고, 플록 형성(flocculation)은 고분자 응집제로 느리게 저어 수십~수백 µm의 플록으로 키운다. 다만 플록은 물을 많이 품어 밀도가 1.01~1.1 g/cm³ 정도로 낮다는 점도 함께 고려해야 한다.

그림 9-3. 이상적 침전조의 입자 궤적. 입자는 물과 함께 수평으로 이동하면서 자기 침강 속도로 내려간다. 침강 속도가 표면 부하율 $q = Q/A$보다 크면 출구 전에 바닥에 닿는다. 0.1 µm 실리카는 하루에 1 mm도 가라앉지 않으므로 응집 없이는 침전 처리가 불가능하다.

SIMULATOR

스토크스 침강과 침전조 면적

입자

입자 지름 입자 밀도 수온 처리 유량 침전조 수면적

침강 속도 v_s—

표면 부하율 q—

제거율 (이상적)—

완전 제거에 필요한 면적—

점도는 $\mu(T) \approx 1.79\,e^{-0.0263\,T}$ mPa·s로 근사하고, 입자 레이놀즈 수가 0.5를 넘으면 경고한다(스토크스 영역 밖). 해볼 것: ① CMP 실리카 원입자의 완전 제거 면적을 보자. 국토 면적을 넘는다. ② 응집 플록으로 바꾸면 수십 m²로 줄어든다. ③ 겨울(5 °C)에는 점도가 커져 같은 침전조의 제거율이 떨어진다.

CMP 폐수: 가라앉지 않는 나노입자

CMP(Chemical Mechanical Planarization)는 슬러리 속 연마 입자(콜로이달·흄드 실리카, 세리아, 알루미나, 지름 수십~200 nm 안팎)로 웨이퍼 표면을 평탄화한다. 슬러리는 일부러 입자가 뭉치지 않도록 만든 제품이다(7장). 입자 표면이 같은 부호로 강하게 대전되어 있어(제타 전위 수십 mV) 서로 밀어내기 때문이다. 이 성질이 폐수 처리에서는 그대로 골칫거리가 된다. 앞의 스토크스 식으로 보면 100 nm 실리카는 하루에 1 mm도 가라앉지 않는다.

그림 9-4. CMP 폐수 처리의 두 길. (a) 슬러리 입자는 같은 부호의 전기 이중층 때문에 서로 밀어내 분산 상태를 유지한다. (b) 다가 금속 이온 응집제로 표면 전하를 중화하고 고분자로 묶으면 침전 가능한 플록이 된다. (c) 한외·정밀여과 막으로 입자를 직접 걸러 내면 응집제가 적게 들고 처리수 수질이 좋아 재이용에 유리하다.

CMP 폐수는 양이 많다. 연마 중 슬러리는 대량의 UPW로 희석되어 나오므로 입자 농도는 수백~수천 mg/L이지만 유량은 큰 편이다. 처리 방식은 크게 응집·침전과 막 분리로 나뉜다. 응집·침전은 운전이 단단하지만 약품 슬러지가 많고, 막 분리는 처리수가 깨끗해 재이용에 유리하지만 막 오염 관리가 필요하다. 구리 배선 CMP의 폐수에는 구리 이온과 착화제, 과산화수소가 함께 있어서, 과산화수소를 먼저 분해하고 구리는 킬레이트 수지 이온교환이나 황화물 침전으로 따로 잡는다. 세리아 슬러리는 희토류 자원이라 회수·재생 연구도 활발하다.

슬러리 폐수를 다시 슬러리로?

사용한 슬러리를 막으로 농축해 재조정하는 슬러리 재생도 시도된다. 그러나 연마 중 생긴 웨이퍼 파편, 패드 찌꺼기, 응집된 거대 입자(이것이 스크래치의 주범이다)를 완전히 걸러야 해서 첨단 공정 적용은 제한적이다. 폐수 처리는 대부분 “입자를 물에서 떼어 내 물을 재이용”하는 쪽에 초점을 둔다.

유기물과 질소: 미생물에게 맡기기

노광 공정의 현상액 TMAH(tetramethylammonium hydroxide), 세정용 IPA, 포토레지스트 스트리퍼의 아민·용제 등은 유기 폐수로 모인다. 유기물은 산소를 소비하므로 그대로 방류하면 하천의 용존산소를 고갈시킨다. 농도가 낮고 양이 많은 유기물을 가장 싸게 없애는 방법은 미생물이 먹게 하는 생물학 처리다. 활성슬러지 공정은 폭기조에서 미생물 덩어리(슬러지)가 유기물을 CO₂와 새 세포로 바꾸고, 침전조나 막(MBR, Membrane Bioreactor)으로 슬러지를 걸러 다시 반응조로 돌린다.

질소도 문제다. SC1 세정의 암모니아와 TMAH가 분해되며 나오는 암모니아는 하천 부영양화의 원인이다. 생물학적 질소 제거는 두 단계다. 호기 조건에서 질산화균이 암모니아를 질산으로 바꾸고(질산화), 무산소 조건에서 탈질균이 질산을 질소 가스로 바꾼다(탈질). 고농도 암모니아는 pH를 올려 공기로 뽑아낸 뒤 황산에 흡수시켜 황산암모늄으로 회수하는 방식도 쓴다.

그림 9-5. 무산소조-호기조-막분리조 구성. 호기조에서 유기물이 산화되고 암모니아가 질산으로 바뀌며, 질산을 품은 물을 무산소조로 반송하면 탈질균이 유입 유기물을 써서 질산을 질소 가스로 날린다. 잉여 슬러지 인출량이 미생물의 평균 체류 시간(SRT)을 정한다.

생물 반응조 설계의 핵심 변수는 고형물 체류 시간(SRT, Solids Retention Time), 즉 미생물이 반응조에 머무는 평균 시간이다. 미생물이 증식하는 속도보다 빨리 빼내면 미생물이 씻겨 나가는 세척(washout)이 일어난다. 모노 동역학(Monod kinetics)과 완전혼합 반응조의 물질수지에서 처리수 농도가 나온다.

$$S = \frac{K_s\,(1 + b\,\theta_X)}{\theta_X\,(\mu_{\max} - b) - 1},\qquad \theta_{X,\min} \approx \frac{1}{\mu_{\max} - b}$$

$S$: 처리수 기질 농도, $\theta_X$: SRT(일), $\mu_{\max}$: 최대 비증식 속도(1/일), $K_s$: 반포화 상수, $b$: 내생 사멸 계수. 온도 보정 $\mu_{\max}(T) = \mu_{\max,20}\,\theta^{T-20}$. 질산화균은 $\mu_{\max}$가 유기물 분해균보다 훨씬 작아(약 0.5~0.9/일 대 수/일) 긴 SRT가 필요하고 겨울에 약하다.

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활성슬러지: SRT · 수온 · 세척(washout)

대상

SRT θ_X 수온 유입 농도 유량

처리수 농도—

제거율—

최소 SRT (세척 한계)—

잉여 슬러지 (VSS)—

동역학 상수(교육용 대표값): 유기물 $\mu_{\max,20} = 2.0$/일, $K_s = 60$ mg COD/L, $Y = 0.4$, $b = 0.10$/일, $\theta = 1.07$. 질산화 $\mu_{\max,20} = 0.75$/일, $K_s = 0.5$ mg N/L, $Y = 0.12$, $b = 0.08$/일, $\theta = 1.10$. 잉여 슬러지 = $Q\,Y_{obs}(S_0 - S)$, $Y_{obs} = Y/(1 + b\theta_X)$. 해볼 것: ① 질산화로 바꾸고 수온을 10 °C로 내려 세척 한계가 어디로 가는지 보자. ② 유기물은 SRT 2일만으로 대부분 분해되지만 질산화는? ③ SRT를 늘리면 슬러지가 줄어드는 이유는 $Y_{obs}$에 있다.

TMAH는 미생물에게도 독이다

TMAH는 사람에게 신경독성이 있는 물질로, 고농도에서는 미생물 활성도 떨어뜨린다. 그래서 고농도 TMAH 폐액은 따로 모아 이온교환·증류로 회수하거나 별도 전처리를 거친 뒤 생물 처리로 보낸다. 생물 반응조는 독성 충격(유기 용제가 한꺼번에 쏟아지는 경우 등)에 약하므로, 유입 저류조로 농도를 평준화하고 TOC·pH를 감시하다 이상 시 우회시키는 운전이 필요하다.

팹 물 수지: 원수에서 방류까지

이제 팹 전체의 물 흐름을 하나의 수지(water balance)로 묶어 보자. 물 수지의 원칙은 단순하다. 들어온 물 = 증발·손실 + 나간 물. 팹으로 들어오는 원수는 크게 세 곳에 쓰인다. UPW 설비의 공급수, 냉각탑 보충수(11장), 그리고 스크러버·조경·생활용수 같은 기타 용도다. UPW 설비는 공급수의 일부만 UPW로 만들고 나머지는 RO 농축수 등으로 내보낸다. 팹에서 쓴 UPW는 일부가 증발하고 나머지는 배수가 되어, 분리 수집된 뒤 일부는 UPW 설비로 회수(reclaim)되고, 일부는 처리 후 냉각탑 등에 재활용(recycle)되며, 나머지는 처리해 방류한다.

그림 9-6. FAB-E의 현재 물 수지(교육용 가정). UPW 25,000 m³/일을 만들려고 UPW 설비에 35,700 m³/일을 넣는다(회수율 70 %). 사용한 UPW 23,750 m³/일(5 % 손실) 중 15 %를 UPW 설비로 회수하고 10 %를 냉각탑·기타 용수로 재활용하며, RO 농축수의 20 %도 냉각탑으로 돌린다. 그 결과 원수는 약 39,600 m³/일로 FAB-E 표의 약 40,000 m³/일과 맞는다. 냉각탑 증발은 농축 배수 5배 운전 가정.

이 수지를 식으로 쓰면 다음과 같다. UPW 생산량 $P$, UPW 설비 회수율 $r$, 팹 내 손실률 $\ell$, 사용 후 배수의 회수 비율 $x_r$(UPW 설비로), 재활용 비율 $x_c$(냉각탑·기타로), RO 농축수 재활용 비율 $y$, 냉각탑 보충수 $M$, 기타 용수 $O$라 하면,

$$F = \frac{P}{r},\quad J = F - P,\quad S = (1-\ell)P,\qquad W_{\text{원수}} = (F - x_r S) + \max\!\big(0,\ M + O - x_c S - y J\big)$$

$F$: UPW 설비 공급수, $J$: UPW 설비 배출수(RO 농축수 등), $S$: 사용 후 배수. 이 장에서 재이용률은 사용 후 배수 중 다시 쓰는 비율 $x_r + x_c$로 정의한다. 기관과 회사마다 정의(원수 대비, 총 사용량 대비 등)가 달라 숫자를 비교할 때는 정의부터 확인해야 한다.

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팹 물 수지: 재이용률과 원수 사용량

시나리오

UPW 생산 P UPW 설비 회수율 r 배수 회수 → UPW x_r 배수 재활용 → 유틸리티 x_c 농축수 재활용 y 냉각탑 보충수 M

원수 사용량—

웨이퍼당 원수—

재이용률 (x_r + x_c)—

방류량—

증발·손실—

고정 가정: 팹 내 손실 $\ell$ = 5 %, 기타 용수 $O$ = 3,000 m³/일(30 % 소모), 냉각탑 농축 배수 5배(보충수의 80 % 증발), 하루 웨이퍼 3,333장. 재활용수가 냉각탑·기타 수요를 넘으면 남는 양은 방류한다. 수지 검산: 원수 = 증발·손실 + 방류. 해볼 것: ① “현재”와 “목표”를 비교해 재이용률 25 → 50 %가 원수를 몇 m³ 줄이는지 보자. ② 재활용 $x_c$만 40 %로 올리면 어느 순간 원수가 더 줄지 않는다. 냉각탑 수요가 한계이기 때문이다. ③ UPW 설비 회수율 r을 70에서 80 %로 올리는 것과 회수 $x_r$을 10 %p 올리는 것 중 어느 쪽이 효과적인가?

FAB-E: 재이용 목표 50 %의 의미

FAB-E 표의 원수 약 40,000 m³/일은 현재 운전(재이용률 25 %: 회수 15 % + 재활용 10 %) 기준이다. 목표 50 %(회수 30 % + 재활용 20 %)를 달성하면 원수는 $ (35{,}714 - 7{,}125) + (12{,}000 - 4{,}750 - 2{,}143) \approx 33{,}700$ m³/일로 약 15 % 줄고, 웨이퍼당 원수는 약 11.9 m³에서 10.1 m³로 내려간다. 회수를 더 늘리려면 회수수의 TOC·불순물이 UPW 설비를 오염시키지 않도록 회수 계통을 더 잘게 나누고, 온라인 TOC·전도도 감시로 이상 배수를 즉시 우회시키는 설비가 필요하다. UPW 쪽 숫자는 5장의 FAB-E 노트와 같다.

그림 9-7. 수질에 따른 재이용 계층. 깨끗한 물일수록 더 높은 용도로 되돌린다. 재이용률을 높일수록 아래 계층으로 갈 물에 염과 불순물이 농축되므로, 마지막 단계의 농축수 처리가 재이용의 한계를 정한다.

농축수와 무방류(ZLD)

물을 재이용할수록 염은 점점 적은 물에 모인다. RO로 회수율을 높이면 농축수는 진해지고, 결국 막으로는 더 짤 수 없는 염수가 남는다. 이를 증발 농축기와 결정화기로 말려 고체 염만 남기는 것이 무방류(ZLD, Zero Liquid Discharge)다. ZLD는 방류를 없애지만, 증발에 큰 에너지가 든다(기계적 증기 재압축 방식으로 약 20~40 kWh/m³, 약). 농축수 1,000 m³/일을 증발시키면 하루 수만 kWh, 연간 수 GWh 규모다. 그래서 대부분의 팹은 일부 계통만 ZLD로 처리하고, 나머지는 방류 기준을 지켜 공공 하수처리장이나 하천으로 내보낸다. 물을 아끼는 일과 에너지·탄소를 아끼는 일(16장)이 충돌하는 지점이다.

희석은 해법이 아니다: 분리 처리의 숫자

앞에서 “섞으면 손해”라고 했다. 불소로 직접 계산해 보자. 불산계 폐수만 따로 처리하는 경우와, 다른 폐수와 섞은 뒤 처리하는 경우를 비교한다. 두 경우 모두 같은 여분 칼슘 농도로 처리한다고 하면, 용해도곱이 정하는 잔류 F⁻ 농도는 같다. 그런데 섞은 경우 그 농도가 훨씬 큰 유량에 곱해진다. 그리고 그 여분 칼슘 농도를 큰 유량 전체에 만들어 주려면 약품도 훨씬 많이 든다.

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분리 처리 vs 혼합 처리: 불소 방류량과 약품

불산계 유량 불산계 불소 농도 섞이는 다른 폐수 유량 처리 후 여분 Ca²⁺ 농도 미세 결정 유출

불소 방류량 (분리 / 혼합)—

처리수 불소 농도 (분리 / 혼합)—

Ca(OH)₂ (분리 / 혼합)—

분리 처리: 불산계만 처리하고 다른 폐수는 불소가 없으므로 그대로. 혼합 처리: 전체 유량에 같은 여분 Ca²⁺를 만들어 처리. 미세 결정 유출 비율은 두 경우 같다고 둔다(실제로는 묽은 용액에서 결정이 더 작아 혼합이 더 불리하다). 해볼 것: ① 혼합 처리의 처리수 농도가 오히려 낮게 나오는 것을 확인하자. 농도 기준만 보면 희석이 이득처럼 보인다. ② 그러나 방류 총량과 약품량은 몇 배인가? 총량 규제가 있는 이유다.

방류 기준과 감시

처리수를 하천이나 공공 하수처리장으로 내보내려면 법정 배출허용기준과 인허가 조건을 지켜야 한다. 한국은 「물환경보전법」에 따라 지역(청정·가·나·특례지역)별로 기준이 다르고, 대규모 사업장은 인허가에서 이보다 엄격한 조건이나 수계 오염 총량 관리를 받는 경우가 많다. 유기물 지표는 2020년대에 들어 COD(화학적 산소 요구량)에서 TOC(총유기탄소)로 바뀌었다. 아래는 크기 감을 잡기 위한 대략의 범위다.

항목	대략의 기준 범위 (한국, 지역별, 약)	팹 폐수에서의 주 발생원	주 처리
pH	5.8~8.6	모든 산·알칼리	중화
불소 (F)	약 3~15 mg/L	HF·BOE, 스크러버	CaF₂ 침전 + Al 응집
부유물질 (SS)	약 30~120 mg/L	CMP, 슬러지 유출	응집·침전·여과·막
TOC	약 25~75 mg/L	IPA, TMAH, 스트리퍼	생물학 처리, 고급 산화
총질소 (T-N)	약 20~60 mg/L	암모니아, TMAH, 질산	질산화·탈질, 스트리핑
총인 (T-P)	약 2~8 mg/L	인산 식각액	화학적 침전 (Al·Fe)
구리 (Cu)	약 1~3 mg/L	구리 CMP·도금	이온교환, 황화물·수산화물 침전

값은 법령 개정과 지역 구분, 업종 특례에 따라 달라지는 대략의 범위다. 실제 사업장의 허가 조건은 이보다 훨씬 엄격한 경우가 많으며, 정확한 수치는 최신 법령과 인허가 문서를 확인해야 한다. 다른 나라도 유사한 항목을 규제하지만 수치와 체계가 다르다.

방류구에는 pH, TOC, SS, T-N, T-P 등을 실시간으로 재는 원격 감시 장치(한국의 수질 TMS(Tele-Monitoring System))가 붙어 측정값이 관할 기관에 자동 전송된다. 불소처럼 실시간 측정이 어려운 항목은 정기 채수 분석으로 관리한다. 폐수처리장이 멈추면 팹도 멈춘다. 저류조 용량을 넘는 배수를 받아 줄 곳이 없기 때문이다. 그래서 폐수처리 설비도 다른 유틸리티처럼 이중화와 비상 저류조를 갖추고(15장), 불산 누출 같은 사고 시의 비상 대응도 함께 설계한다(14장).

가뭄 리스크와 용수 확보

하루 수만 m³의 물을 쓰는 팹에게 물은 전력만큼 중요한 입지 조건이다(17장). 팹의 원수는 광역 상수도·공업용수도, 하천 취수, 지하수, 그리고 점점 늘고 있는 하수처리수 재이용수에서 온다. 도시 하수처리장의 방류수를 고도 처리해 공업용수로 공급하면, 강수량과 무관한 안정적인 수원이 생긴다. 반대로 저수지와 하천에 의존하는 지역은 가뭄에 급수 제한을 받는다. 2021년 대만의 극심한 가뭄 때는 반도체 공장들이 급수 제한에 대응해 재이용을 늘리고 급수차로 물을 실어 날랐다는 보도가 많았다. 이 사례는 팹이 물 공급 충격에 얼마나 민감한지를 보여 준다.

급수 제한에 대응하는 수단은 세 가지다. 저장(원수·처리수 저류조로 며칠을 버티기), 절감(재이용 확대와 비필수 사용 중지, 단 설비 변경에는 시간이 걸린다), 외부 조달(급수차, 비상 관로). 급수차 한 대가 약 20~25 m³를 실으므로, 하루 1만 m³의 부족분을 메우려면 하루 400~500대가 필요하다. 급수차는 보조 수단일 뿐이고, 결국 평소의 재이용률과 저장 용량이 가뭄 내성을 정한다.

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가뭄 시나리오: 급수 제한 · 저장량 · 절감 속도

시나리오

평상시 원수 수요 급수 제한율 제한 기간 저류 용량 비상 절감 가능량 절감 도달 기간

저류조 고갈—

최저 가동률—

손실 웨이퍼 투입—

부족분 급수차 (최대, 25 m³/대)—

일 단위 모델: 제한은 5일째부터 시작. 수요 $D(t) = D_0\,[1 - s\cdot\min(1, t'/t_{\text{ramp}})]$, 공급 $S = D_0(1 - c)$. 저류조가 $D - S$를 메우고, 바닥나면 가동률을 $S/D$로 낮춘다(물 사용이 생산량에 비례한다고 가정). 제한이 풀리면 평상시 수요의 10 % 여유 공급으로 저류조를 다시 채운다. 해볼 것: ① “심각”에서 비상 절감 15 %와 30 %를 비교하자. ② 같은 절감량이라도 도달 기간이 30일이면? 평소 재이용 설비를 갖춰 두는 것이 비상 절감보다 빠르다. ③ 저류 용량을 1.5일에서 5일로 늘리면 무엇이 달라지나?

물도 이중화한다

전력을 2회선으로 받듯(10장), 대형 팹은 수원도 둘 이상으로 나눈다. 서로 다른 수계의 광역 상수도, 하천 직접 취수, 하수 재이용수를 조합하고, 수원별로 수질이 달라 UPW 설비의 전처리가 각 수원을 감당할 수 있게 설계한다. 하수 재이용수는 가뭄에 강하지만 질소·유기물·미량 오염물이 많아 전처리 부담이 크다. 수원 다변화와 높은 재이용률, 충분한 저장 용량이 함께 갖춰져야 물 리스크가 줄어든다.

핵심 정리

팹 폐수는 처리 화학과 재이용 가치가 다르기 때문에 회수수·불산계·CMP계·암모니아계·유기계·산알칼리계·폐액으로 분리 수집한다. 섞으면 처리가 서로 방해받고, 깨끗한 배수의 재이용 가치가 사라진다.
불소는 Ca(OH)₂로 CaF₂를 침전시켜 제거한다. 불소 1 kg에 소석회 약 1.95 kg, 슬러지 약 2.05 kg(건조)이 나온다. 용해 잔류 F⁻는 $\sqrt{K_{sp}/[\mathrm{Ca}^{2+}]}$로 1 mg/L 근처까지 내려가지만, 실제 처리수 불소는 미세 결정 유출(고액 분리 효율)이 지배한다.
강산·강염기 중화는 당량점 근처에서 pH가 수직으로 변해 제어가 어렵다. 다단 중화와 완충 성분이 제어 여유를 넓힌다.
침강 속도는 스토크스 법칙으로 지름의 제곱에 비례하고, 침전조 성능은 깊이가 아니라 표면 부하율 $Q/A$가 정한다. 응집·플록 형성으로 입자를 키우는 것이 핵심이다.
CMP 슬러리 입자는 표면 전하로 안정 분산되어 수십~수백 nm에서 거의 가라앉지 않는다. 응집제로 전하를 중화해 침전시키거나 UF/MF 막으로 걸러 재이용한다.
유기물과 질소는 활성슬러지·MBR의 미생물이 처리한다. SRT가 세척 한계보다 짧으면 미생물이 씻겨 나가고, 질산화균은 증식이 느려 긴 SRT가 필요하며 저온에 약하다.
팹 물 수지: 원수 = (UPW 설비 공급 − 회수) + (냉각탑·기타 − 재활용). FAB-E는 재이용률 25 %에서 원수 약 39,600 m³/일, 50 %에서 약 33,700 m³/일이다. 재활용은 냉각탑 수요가 상한이고, 재이용이 높아질수록 농축수 처리(ZLD)의 에너지 부담이 커진다.
희석은 처리가 아니다. 섞으면 처리수 농도는 낮아 보여도 방류 총량과 약품량이 늘어난다.
가뭄 내성은 저장 용량, 평소의 재이용률, 수원 다변화가 정한다. 급수차는 하루 수백 대가 필요한 보조 수단일 뿐이다.

확인 퀴즈

1. 불소 800 mg/L인 불산 폐수 2,000 m³/일을 화학량론의 1.0배 Ca(OH)₂로 처리할 때 필요한 소석회(100 % 기준) 양에 가장 가까운 것은?

불소 부하 = 800 g/m³ × 2,000 m³ = 1,600 kg/일. 불소 2 mol(38 g)에 Ca(OH)₂ 1 mol(74.1 g)이므로 1,600 × 74.1/38 ≈ 3,120 kg/일. 실제로는 1.2~2배 정도 과량을 넣는다.

2. CaF₂ 처리에서 칼슘 투입을 화학량론의 1.5배에서 3배로 늘렸는데도 처리수 총 불소가 15 mg/L에서 거의 줄지 않았다. 가장 그럴듯한 원인과 대책은?

여분 칼슘이 이미 충분하면 용해 F⁻는 수 mg/L 이하다. 남는 불소의 대부분은 고체 CaF₂ 미세 결정이 침전조를 넘어가는 것이다. 칼슘을 더 넣어도 이 부분은 줄지 않는다. pH를 낮추면 HF가 생겨 오히려 불리하다.

3. 유량 4,000 m³/일인 폐수에서 침강 속도 0.5 m/h인 플록을 이상적 침전조로 모두 제거하려면 필요한 최소 수면적은?

$A = Q/v_s$. Q = 4,000/24 ≈ 167 m³/h, A = 167/0.5 ≈ 333 m². 하젠 이론에서는 깊이가 제거율에 들어가지 않는다. 실제 설계는 난류·단락류를 고려해 여유를 둔다.

4. 겨울철 수온이 20 °C에서 10 °C로 내려간 뒤 생물 처리의 암모니아 제거가 급격히 나빠졌다. 유기물(COD) 제거는 거의 그대로였다. 가장 적절한 설명은?

질산화균의 $\mu_{\max}$는 20 °C에서도 0.5~0.9/일 수준이고 온도 계수가 커서 10 °C에서는 절반 이하로 떨어진다. 최소 SRT $\approx 1/(\mu_{\max}-b)$가 길어져 운전 SRT보다 길어지면 세척된다. 산소 용해도는 저온에서 오히려 커진다. 대책은 SRT 연장(슬러지 인출 감소)이다.

5. 이 장의 FAB-E 물 수지에서 사용 후 배수의 회수율 $x_r$을 15 %에서 30 %로 올리면(다른 조건 동일) 원수는 대략 얼마나 줄어드는가? (사용 후 배수 $S$ ≈ 23,750 m³/일)

원수 = $(F - x_r S) + \ldots$이므로 $\Delta W = \Delta x_r \times S = 0.15 \times 23{,}750 \approx 3{,}560$ m³/일. 회수한 물 1 m³가 UPW 설비 공급수의 원수 1 m³를 그대로 대체한다.

6. 불산계 폐수 2,000 m³/일을 다른 폐수 12,000 m³/일과 섞어 처리했더니 처리수 불소 농도가 분리 처리 때보다 낮아졌다. 이에 대한 올바른 평가는?

용해도곱이 정하는 잔류 농도는 유량과 무관하므로, 같은 여분 칼슘으로 처리하면 잔류 F⁻ 농도는 같고 그것이 7배 유량에 곱해진다. 미세 결정 유출분은 묽어져 농도가 낮아 보이지만 총량은 같다. 여분 칼슘을 큰 유량 전체에 만들려면 약품도 훨씬 많이 든다.

7. 냉각탑 보충수 수요가 9,000 m³/일, 기타 용수가 3,000 m³/일인데 처리한 배수 재활용량을 15,000 m³/일까지 늘리려 한다. 예상되는 결과는?

재활용수는 냉각탑·스크러버 같은 저등급 용도에만 쓸 수 있다. 그 수요(12,000 m³/일)를 넘는 재활용수는 쓸 곳이 없어 방류된다. 더 줄이려면 수질을 UPW 원료 수준으로 높여 회수($x_r$)로 돌려야 한다.