KICT 한국건설기술연구원

연구자: 안창혁 KICT 환경연구본부 수석연구원

들어가며

인류가 지구의 지배 세력이 된 이후 20세기부터 이루어진 급격한 자원 이용과 인프라 개발은 글로벌 물질 소비량의 드라마틱한 증가를 야기하였다. 20세기 이후 인류 유래 생산품(anthropogenic or human-made product)으로 정의되는 건물, 도로, 기계 등의 인프라 요소(콘크리트, 아스팔트, 금속 등)와 이를 구성하는 시설들의 질량(mass)이 급격히 증가하면서, 이용자의 편의성이 개선되는 한편 건설환경의 지속가능성 측면에서 잠재적 문제가 제기되고 있다. 바이오매스(biomass)는 관점에 따라 그 범위와 의미의 차이를 보이는데, 주로 생태학적으로는 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물과 이들을 먹이로 하는 동물·미생물 등 생물 유기체의 현존량을 총칭하지만, 산업계를 포함한 보다 일반적인 관점에서는 에너지 및 재생자원 활용 측면을 고려하여 생물의 생사(生死)나 형태에 관계없이 보다 넓은 의미를 나타낸다(예: 유기성 폐기물, 하수슬러지, 바이오가스, 숯 등).

Nature에 소개된 최신 연구에 따르면(Elhacham et al.,2020), 2013~2020년에 인류 유래 생산품 및 그 폐기물들의 질량이 지구상에 존재하는 생태학적 바이오매스의 건조질량 수준에 이미 도달하였으며, 2031~2037년에는 습윤질량 수준을 돌파할 것으로 예측되었다(그림 1). 이를 세계 기상기구(WMO)에 보고된 연평균 지구 기온(1850~2018, 세계 기상 기구 데이터)을 묘사한 ‘Warming stripes(Ed Hawkins, 2018)’에 대입해 보면 글로벌 물질소비량의 급격한 증가가 지구적 기후변화에 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 추정할 수 있다(그림 2).

국내 건설환경 분야 지속가능 전략

2025년 환경부 업무계획에 따르면 기후위기 대응은 국민 안전과 경제를 좌우하는 최우선 이슈로 보고되었으며, 특히 이상기후, 온실가스 관리, 글로벌 탄소무역에 대한 국제적 경쟁력 확보를 중요한 세부 추진과제로 보고 있음을 알 수 있다. 유럽연합(EU)의 본격적인 탄소무역 규제에 따라 국제 탄소규제의 지속적인 강화가 전망됨과 함께, 글로벌 녹색시장 규모의 증가(2024년 1분기 기준 7.2조 달러)는 ESG 공시 의무, 자원 안보 및 순환 경제 등과 관련 기술 수요의 필연적인 확장이 예상되므로, 이는 결국 국내외 건설환경 분야의 패러다임 전환을 예고하고 있다. 그뿐만 아니라 「순환경제사회법」 시행에 따른 ‘규제샌드박스’는 폐자원의 순환이용 기반을 강화하기 위한 발판 제공 목적에 따라 국내 바이오매스 활용에 대한 규제 특례를 부여할 것으로 예상된다. 이러한 노력은 가시적으로 UN 기후변화협약에 대응하기 위한 2035 국가 온실가스 감축목표(Nationally Determined Contribution, NDC) 달성을 위함이며, 향후 법제화 과정을 통해 지역적 탄소중립 이행을 주도하기 위한 여건 확보를 세부과제로 한다. 이러한 배경에 따라, 건설환경 분야를 포함한 관련 학계에서는 국내뿐만 아니라 글로벌 규모에서 자원 활용과 건설환경 인프라를 포함한 사회경제적 대사의 물질흐름을 정량적으로 평가하고 모니터링함으로써 물질 재고의 질량과 구성, 투입 및 산출 흐름을 예측하고, 바이오매스 총량과 비교하거나 활용함으로써 전체적인 자원 관리에 대한 그림을 정량적으로 예측할 수 있다. 결국, 문제해결 과정에서 과학기술적으로 확립된 재생 바이오매스의 개선이나 신규 활용처 확보에 따라 기존에 해결할 수 없었던 다양한 환경문제에 대한 난해한 질문들을 지속가능한 개발 측면에서 재고할 수 있을 것이다.

건설환경 인프라의 환경적 이슈와 재생 바이오매스 이용 방안

도시화로 인해 잠재적으로 유해한 인위적 오염물질(anthropogenic contaminants)의 증가 및 노출은 건설환경 인프라 개발에 비례하면서 나타나는 중요한 환경적 이슈이며, 이는 혁신적인 솔루션이 필요한 지속적인 글로벌 문제이기도 하다(Akhtar et al., 2021). 일반적으로 도시화 지역에서 다루는 인위적 오염물질에는 중금속(heavymetals), 소수성 유기오염물질(hydrophobic organic contaminants), 염료(dyes), 살충제(pesticides), 미생물 및 바이러스(microorganisms and viruses) 등 다양하게 존재한다. 지난 수십 년 동안 도시 지역에서 유래된 유해 오염물질들을 제거하기 위해 다양한 환경 기술이 개발되었으나, 주로 현장 외(ex-situ) 환경시설에서 오염물질을 포집하고 수송한 후 제거하기 위한 제한된 기술요소로 이루어져 왔다. 그러나 공정 복잡성, 분산 관리, 맞춤형 현장 적용 및 비용 효율성 문제를 포함한 재료와 요소기술의 선형적 관리는 해당 시스템이 직면한 한계점 중 하나로 인식된다.

반면에, 재생 바이오매스를 개량하거나 개질하여 현장내(in-situ) 정화 시스템으로 재구성하는 방안은 지속 가능한 제조 관행을 채택하는 패러다임의 전환을 유도할 수 있는 효과적인 전략일 수 있다. 재생 바이오매스를 환경 관리에 통합하는 전략은 녹색 인프라를 구현하고, 에너지 효율성과 폐기물 처리를 위해 재생 에너지를 활용할 뿐만 아니라, 순환경제 원칙을 촉진함으로써 자원 순환과 환경오염 관리 목표를 동시에 달성할 수 있는 장점이 있다. 예시 중 하나로써 재생 바이오매스와 미생물과의 협력을 통한 재료 표면의 특정 화학구조(ex: humic-like substances)의 개질은 다양한 물리화학적 메커니즘(흡착, 침전, 이온교환 등)을 통한 인위적 오염물질의 제거를 유도할 수 있다. 이러한 가능성을 가시화한다면, 과거에 우리가 활용을 포기했던 재생 바이오매스에 대한 새로운 관점을 가지고 다양한 환경 매체에서 유해한 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 폐기물 처리를 위한 매립지, 소각, 또는 정화 시스템에 대한 경제적 대안을 제공할 수 있다. 따라서 향후 연구방향은 재생 바이오매스를 적절하게 활용하고 환경정화에 활용할 수 있는 물리화학적 특성을 극대화하여 도시에서 발생할 수 있는 오염물질의 거동을 효과적으로 제한할 수 있는 전략을 고려할 필요가 있다.

재생 바이오매스 활용 기술의 미래 방향

재생 바이오매스 활용 기술 적용 및 확장을 위해서는 기존 분야에 대체가능한 요소기술 개발뿐만 아니라 전체적인 시스템적 접근이 필요하다. 자연과 인간 환경에서 발생하는 오염물질의 거동 특성과 이동경로(pathway) 분석, 오염물질의 타입에 따른 수용처에 대한 위해성과 환경적 영향을 고려할 필요가 있다. 확장 중인 도시화에 대응 가능하기 위해 자연기반해법(nature-based solutions)이나 생태공학적 접근이 고려될 필요가 있으며, 순환경제요소를 도입한 물질순환의 선순환 체계를 고려한 산업생태학적 전 과정평가(lifecycle assessment) 기법이 검토되어야 할 것이다. 또한, 전통적인 과학과 공학의 융합적 접근을 통한 응용공학의 시도는 관련 연구에서 학술적 기반이 되는 접근법으로 고려된다. 앞서 설명한 것처럼 바이오매스의 범위는 매우 넓기 때문에 다양한 유·무기 물질을 재료로 활용하여 하이브리드 형태로 가공 및 개질한 방법론과 생산품들은 건설환경 분야의 지속 가능한 상용화를 기대할 수 있다. 향후 관련 접근법을 적극 활용하여 건설환경 분야에 기여할 수 있는 미래지향적 기술개발 발전을 기대한다.