전 세계가 기후변화의 심각성을 실감하며 온실가스 감축, 특히 이산화탄소 배출 저감에 대한 필요성이 어느 때보다도 높아지고 있다. 2021년 영국에서 열린 UN 기후협약 총회(COP26)에서는 탄소중립에 대한 강력한 의지가 국제 사회의 주요 이슈로 부각되었으며, 주요 선진국은 2050년까지, 개도국은 2060년까지 탄소중립을 달성하겠다고 선언했다. 또 각국은 2030년 온실가스 감축 목표(NDC)를 설정하여 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 구체적인 계획을 제시했다. 글로벌 기업들도 탄소 배출 제로를 경영 목표로 삼고, 지속 가능한 발전을 위한 다양한 전략을 모색하고 있다.

이처럼 물, 에너지, 탄소 배출량 간의 밀접한 상관관계를 인지한 선진국들은 물 분야의 탄소 배출 저감을 위해 스마트 물관리 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 그중에서도 유기성 폐자원에서 바이오에너지 생산이 가능한 통합 바이오가스 시설은 탄소중립과 에너지 생산 측면에서 중요한 기술로 주목받고 있다. 통합 바이오가스는 음식물류 폐기물, 축산 폐수, 분뇨, 하수처리 과정에서 발생하는 슬러지를 하나로 병합해 처리함으로써 에너지를 효율적으로 생산하는 방식이다. 이를 통해 화석연료 의존도를 줄이는 동시에 온실가스 배출을 감소시킬 수 있다. 특히 유럽과 북미를 중심으로 통합 바이오가스 설비가 확대되고 있으며, 다양한 유기물의 병합 처리를 통해 경제성과 환경 보호 두 가지 목표를 동시에 달성하고 있다.

한국에서도 바이오가스화 시장이 빠르게 성장하고 있다. 국내에서는 농업·축산업·음식물 쓰레기 처리 등에서 발생하는 유기 폐기물을 활용해 바이오가스를 생산하는 사례가 늘어나고 있으며, 정부는 바이오에너지 기술을 확대하기 위해 2022년 12월 ‘유기성 폐자원을 활용한 바이오가스의 생산 및 이용 촉진법’을 시행했다. 이 법안은 바이오가스 생산과 이용을 촉진하기 위한 규제와 지원책을 포함하고 있으며, 바이오에너지 산업의 발전과 국내 탄소중립 실현에 중요한 역할을 하고 있다.

그러나 탄소중립을 위한 통합 바이오가스화 시설은 혐기성 소화 과정에서 발생하는 슬러지 처리에 따른 애로 사항이 있다. 슬러지를 고액 분리하는 과정에서 고농도의 질소 폐수가 발생한다. 질소는 물 부영양화의 주범으로 우리나라에서는 배출 농도를 제한하고 있어 반드시 제거해야 한다. 고농도 질소 폐수의 처리는 물리적·화학적·생물학적 방법이 이용되고, 각각의 방법에는 한계가 존재한다. 물리학적 방법은 과도한 운전 및 소모품 비용이 소요되어 잘 이용되지 않고, 화학적 방법 중 염소 처리는 암모니아 제거와 병원균 사멸에 효과적이지만 발암물질이 생성될 수 있다. 또 파과점 염소 주입법, 이온교환법, 탈기법 등이 있지만, 경제성과 2차 오염 문제로 인해 널리 사용되지 않는다.

대부분의 처리 시설은 비교적 단가가 저렴한 생물학적 처리 공법을 사용하여 고농도 질소 폐수를 처리하고 있으나, 에너지 소비가 높아 탄소중립 목표를 달성하는데 한계가 있다. 특히 생물학적 처리 과정에서(질산화를 위해) 다량의 송풍 전력을 소모하기 때문에 오히려 탄소 배출이 증가된다. 이는 탄소중립 정책에 부합되지 않는 방법이다. 따라서 문제를 해결하기 위해 새로운 기술 개발과 에너지 효율성을 고려한 폐수 처리 방안이 요구된다.

국내에서는 해결책으로 아나목스(Anammox) 공정이 주목받는다. 아나목스는 혐기성 암모니아 산화 공정으로, 별도의 유기 탄소원 없이 암모니아와 아질산염을 직접 질소로 변환시켜 에너지 소비를 크게 줄일 수 있다. 이 공정은 기존의 생물학적 처리 방식보다 효율적이고, 탄소중립 목표 달성에도 기여할 수 있어 더욱 각광받는다.

아나목스 : 고농도 질소 폐수의
특성에 따른 전략

일반적인 고농도 질소 함유 폐수는 유기물의 함량은 적고 알칼리도도 완전 질산화가 가능한 50%만 함유하고 있기 때문에 기존 질산화/탈질 기작으로 하는 공정에서 과도한 약품 주입과 폭기 비용을 통해 전체적인 폐수처리장 및 하수처리장의 운영 비용 증대로 이어진다.

(1) 하수슬러지 탈리액
하수처리장의 유입 하수량 중 1~2%를 차지하며, 하수 처리 과정에서 방류수 수질 기준을 만족시키지 못해 반송되는 폐수다. 고농도 질소(약 500~1,200 mg/L)는 유입 부하량 대비 15~40%의 질소 부하량을 가지지만, 유기물은 C/N비 0.5 이하로 낮아 일반적인 질산화/탈질 기작의 생물학적 공정으로는 처리가 어렵고, 대부분이 하수와 병합 처리된다.

(2) 쓰레기 매립장 침출수
매립장 침출수는 일반적인 폐수와는 다르게 고농도의 질소뿐만 아니라 난분해성 유기물 중금속, 유해화학물질, 염분을 포함하는 경우가 많다. 그대로 병합하여 여타 바이오매스를 처리하기에는 미생물에 부정적 영향을 줄 수 있기 때문에 별도의 전처리가 요구된다. 그리고 별도의 처리장에서 전처리 된 침출수는 하수처리장으로 이송되어 병합 처리된다.

(3) 통합 바이오가스화 시설과 소화 폐액
바이오가스화 시설에서 발생되는 소화 폐액은 대부분이 하수슬러지, 가축분뇨, 음폐수와 같은 원료에서 발생되어 고농도의 질소(약 1000~4000mg/L)와 인, 유기물을 가지는 것을 특징으로 한다. 해당 폐수는 자체 처리 후 공공 처리시설로 이송되는데, 이때 자체 처리가 원활히 이뤄지지 않으면 공공 하수처리장의 급격한 질소 부하 변동이 발생하여 공공 처리시설의 운영을 어렵게 하고, 방류 수질 악화를 초래한다. 그러나 소화 폐액은 혐기 소화 후 대부분의 유기물이 메탄가스로 전환되어 농도가 낮아지는 반면, 질소는 대부분 암모니아로 전환되어 농도가 증가됨으로써 유기물/질소 비율(이하 C/N비)이 매우 낮다(평균 약 2.0). 따라서 질산화/탈질 기반의 생물학적 공정으로 처리하면 질산화에 소요되는 산소 공급을 위한 다량의 공기가 송풍되므로 에너지 소비가 크고, 유입수 내 C/N비가 낮을 경우 탈질을 위한 탄소원(메탄올 또는 에탄올)의 지속적인 투입이 필요하여 높은 에너지 사용과 과도한 운영비를 초래한다.

고농도 질소 폐수로부터 파생되는 문제 해결과 질산화/탈질화 기작을 기반으로 한 생물학적 고도 처리 공정인 MLE(Modified Ludzack-Ettinger)와 BNR(Biological Nutrient Removal) 방법이 도입되어 왔고. 무산소조와 호기조·혐기조를 추가하거나, 공정 배열을 변형한 A2/O, UCT, 5-stage Bardenpho와 같은 다양한 변형 공정이 약 2만 가지 이상 개발되고 사용되었다. 위와 같이 반응기의 순서를 변경하거나 슬러지 반송 라인 및 반송량을 조정하는 방식이 사용되지만, 이러한 접근은 에너지 효율적인 측면보다 질소 처리의 효율 향상에 초점이 맞춰져 있으며, 탄소중립 공정으로 적합하지 않다.

따라서 유기성 폐기물 혐기성 소화 탈리액과 같은 질소 농도와 높은 폐수의 생물학적 처리에서 발생하는 에너지 효율 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 아나목스 미생물을 이용한 단축 질소 제거 기술이 주목받고 있다. 이 기술은 외부 탄소원을 공급받지 않고도 아질산성 질소를 전자 수용체로 사용하여 암모니아를 질소로 전환하는 방식으로서, 에너지 효율적인 질소 제거를 가능하게 한다.

단축 질소 제거 기술은 유럽에서, 특히 네덜란드에서 다양한 연구와 적용 실적을 보이고 있으며, 유럽의 성공 사례를 바탕으로 미국과 중국에서도 연구와 적용이 증가하고 있다. 국내에서도 수질오염총량관리제 시행에 따라 하수 및 폐수처리장 방류수 내 질소 규제가 강화되고 있으며, 슬러지 감량화와 에너지 생산을 위한 혐기성 소화 시설이 증가하고 있다. 이러한 배경 속에서, 국내 실정에 적합한 에너지 효율적인 단축 질소 제거 기술의 필요성이 더욱 커지고 있다.

아나목스 공정 개발 현황

2002년도 첫 번째 아나목스 공정 개발 당시만 하더라도 (공정을 구성하는) 각 기작에 대한 이해가 부족해 부분 아질산화와 아나목스 반응은 별도의 반응조로 구현되고 적용되었다. 하지만 다양한 Full-scale 적용 경험의 축적과 함께 반응조 구성은 2005년부터 급격하게 단일 반응조 구성으로 전환되었으며, 전 세계 200여 개소의 현장이 운영되고 있다.

2단 반응조의 경우, 현장 조건에서 변수가 발생하면 조절해야 할 운전 파라미터가 여러 가지 있다. 예를 들어 부분 아질산화조에서는 HRT와 DO를 조절해야 하고, 아나목스 반응을 위한 NO2-/NH4+ 기질비와 아나목스조의 HRT 등도 조절해야 하므로 공정이 복잡해질 수 있다. 반면 단일 반응조 기반의 아나목스 공정은 유입 질소 부하 변동에 유동적으로 대응할 수 있으며, 입상 형태의 미생물을 사용해 높은 침강성과 여러 독성 영향을 견디는 내성을 가진다. 또 내부에서 일어나는 기작이 복잡할 수 있지만, SBR 사이클의 유입수 분할 주입 횟수와 양과 같은 적은 수의 관리 포인트만 있으면 된다. 결국 공정의 안정성과 부지 절약 측면에서 이점이 있다.

삼진정밀은 작년 11월 24m3/d 규모의 고농도 질소 폐수처리시설을 통해 단일 반응조 구성의 아나목스 공정 성능을 검증하여 환경 신기술 인·검증(NET)을 취득했다. 그림 5는 단일 아나목스 공정의 계통도로 원수(소화슬러지 탈리액)를 가압 용존공기 부상 장치(DAF)를 통해 SS와 인을 전처리하였고, 단일 반응조 구성의 생물반응조(부분아질산화/아나목스)를 통해 질소와 유기물을 제거하는 과정을 보여준다.

본 신기술은 기존 질산화/탈질 기작을 가지는 생물학적 처리 공정 대비 높은 약 4배의 질소 제거 속도와 약품을 거의 필요로 하지 않아 폐수의 톤당 처리 비용을 약 67% 감축할 수 있는 뛰어난 질소 제거 성능이 검증되었다.

Ubiwaters-NRX
: 센서 기반의 자동제어 로직이 적용된 Single-stage 아나목스 공정

앞에서 서술한 바와 같이 아나목스 공정은 질소 제거에 효과적이지만, 몇 가지 주요 문제를 고려해야 한다. 가장 큰 문제는 아질산성 질소의 독성이다. 아질산성 질소는 아나목스균의 기질로 사용되지만, 동시에 강한 저해제로 작용하므로 그 농도를 50mg/L 이하로 유지해야 한다.

실제로 유입되는 소화슬러지 탈리액의 질소 농도는 고농도(1,000~2,500mg/L)로 아나목스 공정의 부분아질산화 이후, 생성되는 아질산성 질소 농도는 500~1,250mg/L로 독성으로 인한 아나목스균 활성도에 저해를 유발한다. 또한 소화슬러지 탈리액의 특성상 부분아질산화를 위해 최소한의 알칼리도를 함유하고 있어 기액 평형에 의해 알칼리도가 대기 중으로 스트리핑 되는 것을 최소한으로 해야 한다.

단일 반응조 구성의 아나목스 공정은 SBR을 기반으로 한 유입수 분할 주입을 진행할 때 극복할 수 있다. 또 유입수 분할 주입을 구현하기 위해서는 SBR cycle 동안 공급되는 질소량의 절반을 부분아질산화 반응에 의해 산화시킨다는 가정하에 50mg/L 이하의 아질산성 질소 농도를 유지할 수 있도록 원수 주입량은 암모니아성 질소를 약 100mg/L 증가시키는 양이 공급되어야 한다.

SBR을 기반으로 한 유입수 분할 주입 전략을 통해 운영되므로 유입수 질소 농도 변화에 관계없이 반응조 내 잔류 질소 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 다시 말해 부분 아질산화에 의해 산화된 아질산성 질소의 농도를 일정하게 유지할 수 있음을 의미하며, 이는 공정의 안정성 향상과 직접적인 상관관계를 나타낸다.

단일 아나목스 공정은 운전자에 의하여 주기적으로 원수 내 암모니아성 질소 농도를 확인하고, SBR cycle마다 유입되는 원수 교환비를 결정한다. 하지만 반류수는 유입 질소 부하 변동이 큰 폐수이기 때문에 지속적인 모니터링과 암모니아성 질소 농도 측정이 수행되지 않으면 Cycle에서 질소가 100mg/L보다 많거나 적게 유입된다.

또한 고농도의 질소가 유입되면 부분아질산화로 50mg/L 이상의 아질산염이 축적되어 아나목스 미생물 독성 영향이 발현되고, 저농도의 질소가 유입되는 경우는 과폭기로 의해 질소 제거 효율이 감소한다. 전문가가 운전하는 경우에는 문제가 발생하면 즉각 대응하지만, 실제 현장에서는 비전문가가 운전하기 때문에 바로 대응이 어렵다.

따라서 아나목스 공정을 현장 맞춤형으로 개발하기 위해 유입 질소 부하 변동에 관계없이 포기 단계에서 공급된 암모니아성 질소를 약 50%까지만 산화시키기 위한 운전 전략과, 실시간으로 유입 암모니아성 질소 농도를 예측하여 유입량을 결정하는 전략을 마련했다.

‘Ubiwaters-NRX(단일 아나목스)’ 공정에서 운전자가 조절하는 항목은 유입수 분할주입량을 결정하는 ‘ΔpH’ 단 하나다. 반류수는 HCO3-/NH4+-N이 1~1.2 내외로(현장별로 일정한 비로) 유입되고 있으며, 이는 알칼리도와 긴밀한 pH와 암모니아성 질소 농도의 비례관계를 보여준다. pH, ORP, NH4+ -N, 수위, DO 등의 항목이 상시 모니터링되며, 이 중 pH, DO, 수위에 의해 분할주입 전략이 자동으로 조절된다.

또 유입 구간과 폭기 구간에서 유입수 공급량은 ΔpH를 활용해 SBR cycle을 결정하고, 폭기 단계에서 과폭기가 진행되는 기질 임계치를 pH 측정값을 통해 예측하였고, SBR sub-cycle 호기 단계에서 폭기 종료 시점을 결정한다.

실증 테스트를 통해 위 로직을 적용하였다. 그 결과 유입 질소가 508.0~744.9mg/L로 변동함에도 불구하고 질소 제거 효율이 약 90%로 유지하였다. 결과적으로 SBR 공정의 HRT, Cycle 교환 비율, 호기 단계의 시간이 적정 암모니아성 질소 농도를 조절함과 동시에 실시간으로 최적화됨에 따라 질소 제거 속도가 전체적으로 0.1~0.15kg/m3/d 향상되었으며, 전체 공정의 소비 전력량도 6.5% 저감할 수 있었다.

마무리하며

고농도 질소 폐수를 경제적으로 처리 가능한 아나목스 공정은 폐수 처리 운영비용을 절감하였고, 탄소중립 실현에 필요한 기술이다.

국내에 아나목스를 기반으로 한 에너지 절감형 공정 도입이 2023년 부산에 처음 도입된 만큼, 고농도 질소 폐수 처리 운영 비용 절감에 대한 관심이 높아지고 있다.
 
삼진정밀의 Ubiwaters-NRX 공정(SBR 기반 단일반응조 아나목스 공정)을 통해 높은 질소 제거와 동시에 운영 비용을 절감할 수 있다. 또 유입 폐수의 질소 부하 변동에 안정적으로 대응하고, 운전자가 쉽게 관리할 수 있는 자동제어 시스템이 구축되어 있다.
 
따라서 Ubiwaters-NRX 공정이 고농도 질소 폐수처리의 패러다임을 바꿀 수 있을 것으로 기대되며, 통합 바이오가스화 시설뿐만 아니라 다양한 고농도 질소 폐수 처리의 운영 비용 및 탄소 배출을 저감에 기여할 수 있도록 노력할 계획이다.

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