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• 하수 속 골칫덩어리 암모니아, 유용 자원으로 재탄생 하수 속 골칫덩어리 암모니아, 유용 자원으로 재탄생 ▲ 환경연구본부 - 하수에서 암모니아를 선택적으로 회수할 수 있는 흡착 소재 개발 - 탄소중립형 하수처리장 구축을 위한 핵심기술 확보 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 다양한 오염물질이 존재하는 하수로부터 선택적으로 암모니아를 제거 및활용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 하수 속 암모니아는 대표적인 오염물질이다. 깨끗하게 정화하지 않으면 하천에는 부영양화(녹조)를 일으키고, 하수처리장에는 악취를 발생시킨다. 또한, 토양 산성화를 일으키는 동시에 미세먼지의 원인이 되어 문제로 거듭되고 있다. 하수 내 질소 성분은 하수처리시설을 통해 암모니아로 전환한 후 질산화 및 탈질공정을 거쳐 처리하고 있으나, 처리 과정에서 많은 에너지와 자원이 투입되는 문제점이 있다. 2019년을 기준으로 국내 하수처리시설에서 사용되는 전력 사용량은 3,650GWh에 이른다. 이 사용량은 국내에서 공급된 총 전력량(520,499GWh)중 0.7%에 해당하며, 암모니아와 같은 수중 질소를 제거하기 위해 사용되는 전력은 약 30%에 이른다. 암모니아는 비료나 요소수 생산에 사용되며 다양한 산업 활동에 필요한 유용 자원으로 취급된다. 생산량이 지속적으로 증가하고 있으나, 국내에서 소비되는 암모니아는 전량을 수입에 의존하고 있다. 또한 고온·고압 조건을 요구하는 하버-보슈법(Haber-Bosch Process)을 통해 생산되어 에너지 소모량이 많다. 만일 암모니아를 기존 방법처럼 제거가 아닌 회수하여 사용할 수 있다면 어떨까? 하수처리와 암모니아 생산에 사용되는 에너지를 획기적으로 줄이며, 궁극적으로 탄소배출 저감효과도 기대할 수 있을 것이다. 하수 내 암모니아를 회수하기 위한 연구가 전 세계적으로 수행되고 있다. 다만, 회수 과정에서 발생하는 암모니아 누출로 인한 악취 문제와 개발 소재의 기술적 한계로 인해 상용화된 기술은 찾기가 어렵다. 이에 KICT 환경연구본부 강성원 박사 연구팀은 제작과정이 단순하고 대량생산이 가능한 암모니아 흡착 소재 개발에 성공했다. 기존 암모니아를 선택적으로 흡착하는 Copper hexacynoferrate(이하 CuHCF)라는 나노 물질은 수처리에 직접 적용했을 때 회수가 어려워 실용화에 한계가 있었다. 강성원 박사 연구팀이 개발한 흡착제는 이온교환 수지에 CuHCF를 화학적으로 결합한 흡착제다. 1~2mm 입자로 이뤄져 있어 수처리에 활용할 수 있는 특징이 있다. 또한, 다양한 오염물질이 혼재하는 조건에서도 높은 암모니아 선택성을 가지면서 암모니아 흡착효율 또한 다른 흡착제에 비해 월등하다. 흡착된 암모니아는 간단한 재생과정을 통해 하수로부터 분리할 수 있어 고농도 암모니아수를 회수할 수 있다. 개발된 기술은 암모니아 처리 과정에서 배출되는 온실가스를 획기적으로 저감하여 탄소중립에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대한다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 목적형 R&R사업 ‘탄소중립을 위한 차세대 환경 기술 연구(2021년~2022년)’ 과제를 통해 개발되었으며, 환경 공학 분야 세계 최고 수준의 저널인 ‘Chemical Engineering Journal’ 2월호에 게재되었다. 환경연구본부 게시일2023-04-24 조회수 1340
• 하수 역학 대시보드 하수 역학 대시보드 ▲ 이재엽 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 하수 기반 역학(Wastewater-Based Epidemiology, WBE)은 하수시설에서 수집한 시료를 분석하여 하수 집수구역 내 사람들의 정보를 얻고 공공정책에 반영하는 체계로서 줄여서 하수 역학이라고 한다. 환자로부터는 감염 여부를, 범죄자에게는 미약 성분을 검출하는 것과 같이 하수 역학에서도 주로 감염성 병원균과 의약·마약류 등의 화학물질을 분석 대상으로 한다. 약품류는 검출 기술이 발달하여 하수 내에서도 나노 수준의 미량까지 검출이 가능하며, 집수구역 내 거주민의 건강 상태와 생활상을 보여준다. 예를 들어 어떤 하수시설에서 당뇨병 관련 약물이 다른 지역보다 높게 검출되었다면, 집수구역에 거주하는 당뇨병 환자의 수가 많다는 것이다. 이와 같은 정보를 접한 보건소는 해당 지역 주민에게 당뇨병 검사를 제안하여 질환 여부를 모르는 환자들을 더 발견하고 식단 개선과 치료를 권고할 수 있다. 특히 하수 내 마약류의 검출은 음성적 마약 유통에 대한 경각심을 일깨운다. 우리나라도 예외는 아니다. 식품의약품안전처는 지난해 4월부터 1년 동안 전국 27개 대규모 하수처리장을 대상으로 마약류를 분석한 결과, 모든 처리장에서 메트암페타민(필로폰)이 검출되었다고 발표했다. 엑스터시도 21개소에서 검출되었으며 암페타민, 코카인이 발견된 처리장도 있었다. 한국에서도 마약이 유통되고 사용된다는 것이 하수 역학을 통해 시사된 사례이다. COVID-19 신종코로나바이러스와 하수 역학 2019년 말부터 시작되어 지금까지 만 3년이 되어가는 COVID-19 신종코로나바이러스(이하 COVID-19 바이러스)의 대유행도 하수 역학 관점에서 접근할 수 있다. 증상 환자의 분비물에서 병원균을 검출하여 감염 여부를 알아내듯이 하수 내에도 집수구역 내 감염 환자의 병원균이 포함되어 있다. 하수에서는 이물질이 많고 병원균의 농도가 낮지만 고도의 미생물 분석 기술로 하수 시료에서 COVID-19 바이러스를 검출한 사례가 국내외 다수 보고되고 있다. 미국, 일본 등 하수시설 인프라 선진국에서는 하수 역학 개념을 도입한 COVID-19 바이러스 모니터링을 정책에 도입하였다. 미국 국립하수감시시스템(NWSS)은 질병통제예방센터(CDC)와 협력하여 전국 500개 지역의 하수 샘플을 수집할 계획이며, 일본 국토교통성은 하수에서 COVID-19 바이러스 조사를 위한 가이드라인을 발표하였다. 국내에서는 2020년 8월 지역감염이 유행하던 대구 하수처리장에서 COVID-19 바이러스를 검출한 사례가 있다. 당시 해당 구역은 COVID-19 바이러스 환자가 없었기 때문에 무증상 감염자의 발생을 확인할 수 있었던 사례이다. 질병관리청에서도 ‘지역 기반 하수를 이용한 감염병 감시체계’구축을 위한 정책연구 사업을 주관하고 있으며 시도 보건환경연구원과 연계하여 전국적으로 사업 확대를 추진할 예정이다. 한국건설기술연구원과 하수 역학 대시보드 한국건설기술연구원에서는 COVID-19 바이러스와 관련하여 「KICT-CSIRO-KU 공동 인류 유래 신종 유해인자 환경감식 연구」 국가연구개발사업(한국연구재단)을 수행하고 있다. 본 사업은 미생물 검출 및 하수 역학 분야 해외 선진 연구기관인 호주 CSIRO(연방과학산업연구기구), 일본 교토대학교와 협력하여 하수 내 COVID-19 바이러스를 포함한 신종 유해인자를 감식하여 하수 역학 체계를 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 관련하여 한국건설기술연구원에는 세계보건기구(WHO)가 권고하는 생물안전 2등급에 상응하는 실험실을 마련하고미생물 분석에 최적화된 고도의 분석 장비를 구축하였다. 「COVIDPoops19 - Summary of Global SARS-CoV-2 Wastewater Monitoring Efforts by UC Merced Researchers」라는 웹페이지가 있다. 전 세계의 하수 COVID-19 바이러스 모니터링 현황을 국가별로 보여주고 있으며, 각국에서 운영하는 하수 역학 대시보드(게시판), 보도기사, 연구기관 등을 한눈에 볼 수 있다. 우리나라는 지난 2월 TV에 보도된 기사가 실려있다.하수 역학은 COVID-19 바이러스와 같은 감염성 병원균뿐 아니라 앞에서 언급하였듯이 건강 정보를 알려주는 의약물질과 음성에서 유통되는 마약류의 사용을 감식할 수 있는 유용한 툴이다. 한국건설기술연구원을 비롯하여 국내 하수 역학 체계가 구축되고 지속적인 모니터링 사업을 수행하여 하수 내 신종 유해인자 검출 현황 대시보드를 운영하면 COVID-19 바이러스를 비롯한 신종 유해인자의 대응에 선제적으로 기여할 것으로 기대된다. 환경연구본부 게시일2023-02-27 조회수 347
• ‘쓰레기 팬데믹’ 대비 미세플라스틱 관리 기술 동향 ‘쓰레기 팬데믹’ 대비 미세플라스틱 관리 기술 동향 ▲ 박새롬 KICT 환경연구본부 전임연구원 들어가며 매일 아침 눈뜨자마자 우리는 무의식 속에 플라스틱 세상에서 살아간다. 이제는 없으면 허전한 일회용 마스크, 커피 한잔을 담은 플라스틱 컵, 퇴근 후 마트에서 산 음식 용기, 비닐 백, 배달 음식 용기 등등. 삶의 편리성을 위해서 사용된 플라스틱에 우린 중독되어 살아가고 있다. 플라스틱은 인공적 또는 반인공적으로 탄소와 수소를 합성한 유기 폴리머 (organic polymer) 를 의미한다. 열과 압력을 가함으로써, 쉽게 원하는 모양으로 가공할 수 있다는 점에서 다양한 범위로 사용하고 있다. 전 세계 플라스틱 연간 생산량이 1950년에는 200만 톤의 생산량을 보여주었는데, 2019년에는 3억 7천만 톤에 육박하고 있다. 또한, 최근 COVID-19 팬데믹으로 플라스틱의 사용이 급증함에 따라 국내 2020년 상반기 일회용품 쓰레기가 전년 대비 폐비닐 11.1%, 폐플라스틱 15.2%가 증가함이 보고되었다. 플라스틱의 가장 큰 오염문제는 분해속도가 느리다는 점인데, PET 물병의 경우는 최대 250년, HDPE 플라스틱 용기는 최대 5,000년이 걸린다고 추정되고 있다 (Gewert et al., 2015). 국내에서는 2020년 12월, ‘제120차 국정현안조정점검회의’에서 ‘2050 탄소중립을 위한 생활폐기물 탈 ( 脫 ) 플라스틱 대책’을 발표하면서, 관련 연구가 다부처 사업으로 확대 추진되고 있다. 이 글에서는 미세플라스틱에 대한 개괄적인 소개와 국내외 연구현황 및 향후 연구방향에 대해 소개하고자 한다. 미세플라스틱이란? 미세플라스틱 (Microplastics)은 1 ㎛~5 ㎜ 크기의 플라스틱 입자를 의미한다. 화장품 각질제거제 또는 치약 등에 사용되고 있는 의도적으로 미세한 크기로 제조된 마이크로비드 (microbeads)는 1차 미세플라스틱 (primary microplastics) 으로 분류되고, 플라스틱 제품이 인위적 또는 자연적으로 풍화되어 미세화 된 2차 플라스틱 (secondary microplastics) 으로 분류된다 (그림 1) . 최근에는 1~100 nm 크기의 나노 플라스틱 (nanoplastics) 또한 주목을 받고 있다. 미세플라스틱은 중합 방법에 따라 화학조성이 달라지고 이에 따라, polyethylene (PE) , polypropylene (PP) , polystyrene (PS) , polyvinyl chloride (PVC) , acrylic, polyethylene terephtalate (PET) , polyurethane (PUR)등으로 구분된다. 2004년, 사이언스지에서 현미경으로 식별되는 미세플라스틱의 양이 해양에서 증가하고 있다고 보고되면서 새로운 오염물질 중 하나로 인식되기 시작하였다 (Thompson et al., 2004) . 미세플라스틱의 작은 크기로 인해 인체에 빠르게 흡수될 수 있는데, 인체 유입 후, 소수성 특성 때문에 세포벽을 통과 후 생물농축 (bioaccumulation) 을 유발할 수 있음이 밝혀지면서 국민의 관심이 높아지고 있다. 또한, 플라스틱은 사용 목적에 따라 가소제, 난연제 등과 같은 첨가 물질을 사용하게 되는데, 미세플라스틱이 풍화 과정 중 이러한 첨가 물질을 자연으로 용출시키거나 (유해 물질의 오염원) , 환경 내 공존하고 있는 타 유해 물질 등을 흡착하여 이동할 수 있기 때문에 (유해 물질의 이동 매개체) , 수서생물 및 인체의 유해성을 증폭시킨다고 알려져 있다. 국내외 미세플라스틱 연구 동향 최근 미세플라스틱에 관한 연구 동향을 살펴보면, 다양한 환경매체 중 해양에서의 미세플라스틱에 관한 연구가 46.6%로 우세하고, 다음으로는 지표수 (36.3%) , 토양 (9.7%) , 하수 (6.6%) , 그리고 지하수 (0.9%)가 차지하고 있다 (그림 2-a) . 현재까지 미세플라스틱에 관한 대부분의 연구가 분석법 개발 및 오염현황 조사에도 집중되고 있다 (그림 2-b) . 그러나, 미세플라스틱에 대한 표준화된 미세플라스틱의 시료 채취 및 분석법 부재로, 연구 결과들의 정량적인 비교가 어렵다는 한계가 있다. 따라서, 국내에서는 2022년~2023년에 표준화된 미세플라스틱 분석법이 공표될 것으로 예상 된다. 또한, 미세플라스틱의 위해성 평가 등 생물학적 영향에 관한 연구과 더불어 다양한 환경매체에서의 이동 및 거동 연구 또한 10~15% 정도 진행되고 있다. 그러나, 미세플라스틱에 관한 제거·저감기술 연구는 매우 미비하다. 향후 미세플라스틱에 관한 연구 제언 현재 진행 중인 미세플라스틱 특성 평가, 오염조사, 거동 연구를 기반으로 미세플라스틱의 오염원 추적 기술 개발을 통해 미세플라스틱 유출 사후 관리 기술뿐만 아니라, 사전 예방에 관한 연구가 필요하다. 또한, 최근 미세플라스틱의 재활용, 업사이클링 및 생분해 기술에 관한 연구가 활발히 진행되면서 융합연구를 통해 다양한 분야 ( 예: 도로 및 건축재료 ) 에서 재활용된 플라스틱, 생분해가 가능한 플라스틱을 적용 기술 연구를 통해 더욱 지속이 가능한 미세플라스틱의 연구가 이루어지길 기대한다. 환경연구본부 게시일2022-12-27 조회수 3291
• 재생자원을 활용한 도시 그린인프라 조성 기술 재생자원을 활용한 도시 그린인프라 조성 기술 ▲ 안창혁 KICT 환경연구본부 수석연구원 들어가며 우리는 어느 때보다 재생자원(renewable resources)이 필요한 시대에 살고 있다. 재생자원은 지속해서 순환 공급이 가능한 자원을 의미한다. 이는 태양열·공기·물·에너지와 같은 자연자원뿐만 아니라 식량·제품과 같은 인공자원을 포함한다. 지구적으로, 1950년대 이후부터 급증한 자원 활용 요구와 거대 도시화(megalopolis)는 신속한 산업 고도화를 이루었지만, 그 이면에는 막대한 폐기물 증가와 신종 유해물질 노출과 같은 악영향이 있었다. 또한, 국민소득증대와 경제발전은 자원의 대량생산/대량소비 체제로 이어지면서 기존의 선형(linear)이 아닌 순환경제(circular economy)로의 전환을 강력히 요구하고 있다. 뿐만 아니라 최근 강조되고 있는 기후변화 이슈는 인간 활동과 생존에 직접적으로 관여하면서 재생자원 이용에 대한 관심과 필요성을 더욱 증대시키고 있다. 이러한 지구적/국가적 악영향을 해결하기 위해서는 기존 폐기물 생산을 최소화하고, 재생자원의 활용을 최대화하는 3R 전략(Reuse, Recycle, Recovery)이 필요하다. 국제적으로 UN은 2030 아젠다의 지속가능한 목표(SDGs, ’15.9)에서 ‘Ensure sustainable consumption and production patterns’과 같은 새로운 패러다임을 제시하였으며, 국내에서도 최근 2050 탄소중립 선언을 통해 WtR(Waste to Resources) 전략 수립에 적극적이다. 특히 국내에서는 1992년 이후 시행된 분리배출과 1995년 이후의 쓰레기종량제 정책 등의 성공으로 약 86.4%(2017년)의 높은 재활용률을 달성한 바 있다. 또한, 2018년 국내 1인 하루 폐기물 배출량은 약 0.93kg/person/day로써 타 국가 대비 우수한 지표를 나타내었다. 그런데도 연간 폐기물 발생량은 지속해서 증가하는 추세이며, 여전히 상당량의 재생 가능한 폐기물들이 한정된 매립지로 집결되고 있고, 해양투기 금지에 따른 막대한 유지비용 절감을 위해서는 가까운 미래에 인류가 반드시 해결해야 하는 이슈임에 틀림없다. 도시 고형 폐기물(Municipal Solid Waste, MSW)은 가정과 사업체에서 발생하는 대표적인 폐기물이다. 이는 액상이나 가스상이 아닌 불용성 고형물질로써 주로 도시에서 발생하는 특징이 있다. 많은 연구에서 MSW에 대한 3R 전략을 수행한 바 있으며 최근에는 에너지 회수나 안전처리와 같은 분야에 집중하고 있다. 대표적인 MSW 중 하나인 음식물쓰레기는 가장 높은 비율을 차지하는 유기성 도시 고형 폐기물(Organic Fraction of Municipal Solid Waste, OFMSW)이다. 이는 기후변화 이슈와 밀접하게 관련될 뿐만 아니라 다양한 형태로 개질되거나 현장 적용에 대한 가치가 있어 많은 연구에서 관심을 받고 있다. 국내 음식물쓰레기는 사료, 퇴비, 에너지화 등의 공정을 거쳐 상당 부분이 중앙시스템을 통해 재활용되고 있으며 국외에 비해 잘 관리된 모범사례 중 하나로 꼽힌다. 하지만 생산·유통, 품질, 수요·공급 불균형, 양적 증가 등의 환경 경제적 이슈로 보다 지속 가능하고 활용처를 다변화할 수 있는 융합연구개발이 필요한 실정이다. 이 글에서는 자원순환 경제를 향상시키기 위한 대안으로, 대표적인 OFMSW인 음식물쓰레기를 포함한 재생자원을 활용하여 국토환경 가치를 생태공학적으로 향상시키고 궁극적으로 탄소중립에 기여할 수 있는 도시 그린인프라(green infrastructure) 조성 기술에 대한 현황과 방향을 간단히 소개하고자 한다. 그린인프라 기술의 개념과 개발 방향 그린인프라는 ‘전략적으로 계획된 자연에 가까운 공간 네트워크’로 정의된다. 이는 기존 녹지가 가진 일반적인 생태 기능을 확장하여 환경·사회·경제적 기능이 고려된 종합적인 시스템으로 볼 수 있다. 도시 그린인프라는 단순한 녹지공간 창출뿐만 아니라 도시홍수 및 기후변화 완화, 오염물질의 환경적거동(environmental fate) 제한과 같은 다양한 수단으로 활용된다. 따라서 최근에는 국내외 도시계획을 기획할 때 사회·경제·환경적 요소들이 종합적으로 접목된 신개념 인프라 시설 구축이 부각되고 있다. 무엇보다 그린인프라는 도시화 영향(urbanisation impacts)을 완화시키기 위한 목적을 가진다. 도시화 과정은 불투수층의 확장, 토양 다짐(soil compaction), 집중된 토지이용 활동을 수반하므로 필연적인 오염물질의 빠른 유출을 야기한다. 특히 도로나 주차장과 같이 아스팔트로 구성된 넓은 불투수층은 강우유출수의 강제적인 배수를 촉진하고 도시유역에 특화된 오염물질(중금속, 유기오염물질 등)의 이송과 확산에 기여한다. 여기서 유입된 오염물질은 도시 그린인프라의 구성요소인 토양이나 식생에 여과/흡착되거나 화학적 결합이나 미생물 분해와 같은 기작을 통해서 제거 또는 격리된다. 그림 1과 같이 bioretention cell, 초지수로(swale), 초지여과대(grass filter strips) 등은 도시화 영향을 완충할 수 있는 대표적인 도시 그린인프라 시설 중 하나로 인식된다. 최근에는 도시 그린인프라의 기능과 효과 검증을 위해 다양한 분야(수자원·환경·지반·재료 등)에서 연구적 협업이 이루어지고 있다. 재생자원과 도시 그린인프라 연계 방향 재생자원 활용이라는 새로운 패러다임은 탄소중립을 지향하고 자원순환 경제의 선순환을 유도하기 위한 전략이다. 또한, 이의 실용적인 접근법 중 하나인 도시 그린인프라 기술과의 연계는 도시화에서 발생한 환경적으로 부정적인 영향을 완화하고 지속가능성에 다가갈 수 있는 생태공학적 국토환경 시스템이다. 이러한 상호연계적인 목표를 달성하기 위해서는 자원순환에 도움이 될 수 있는 재생자원의 적절한 개질, 반응 산물을 포함하는 재료의 개발 및 검증, 도시 그린인프라에서 작동 가능성 검토 등의 단계적 절차가 필요하다. 뿐만 아니라 현장에서 토양환경과 상호관계를 나타내는 토양미생물의 분포와 영향, phytotoxicity test, 중금속 및 소수성유기오염물질의 흡착과 생물이용성, 위해성 평가, 유출모델 평가 등을 병행하여 고도화시킬 필요가 있다. 본 기술을 기반으로 광의적으로는 지구환경을 고려한 진보된 친환경 녹색기술 플랫폼 구축이 가능하며, 향후 국가 산업적으로는 관련 신수종 산업을 창출이 가능한 사회문제 해결형 안전한 국토인프라 기술을 기대한다. 환경연구본부 게시일2022-08-23 조회수 1343

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