조류(algae) 100% 활용백서

 

조류(algae) 100% 활용백서

녹조현상의 원흉, 미세조류?

 환경문제에 관심이 있는 사람이라면 ‘녹조라떼’라는 말을 들어본 적이 있을 것이다. 녹조로 인해 물빛이 녹색으로 변하는 현상을 빗댄 표현인데, 강과 하천의 부영양화에 따라 녹색을 띠는 녹조류와 같은 미세조류들이 대량　증식하는 것이 원인이다. 녹조가 강, 호수와 같은 호소의 표면을 덮으면 햇빛이 차단되고 산소가 유입되지 않아 물고기와 수중생물이 죽고, 수중 생태계가 파괴되는 심각한 문제가 발생한다. 그런데 녹조현상의 원인인 이 미세조류로 반대로 폐수를 정화하고, 에너지까지 생산할 수 있다고 말한다면 어떤가, 아이러니하면서 신기할 것이다. 실제로 미세 조류를 통해 방사능 폐수, 중금속 폐수와 같은 난분해성 폐수들의 오염원을 줄이는 연구가 전 세계적으로 진행 중이며, 미세 조류로 바이오에너지를 생산하는 연구는 전부터 꾸준히 진행 중이다.

[사진 1. 녹조라떼]

출처: 환경운동 연합 

미세 조류의 친환경적인 활용 - 녹조로 녹조를 해결하다

 

 바이오 리파이너리는 물리적, 화학적, 생물학적 기술 등을 이용해 바이오매스로부터 재생 가능한 바이오 연료, 화합물을 생산하는 것이다. 미세 조류를 이용하는 바이오 리파이너리 공정을 친환경적인 영역에 접목하는 연구가 국내외로 활발히 진행 중이다.

 Algal Turf Scrubber 기술이 이 연구의 예시 중 하나이다. Algae scrubber는 우리말로 하면 조류 거름장치쯤 될 것이다. 이 기술은 물을 정화하기 위해 반대로 녹조를 만드는 기술이라고 할 수 있다. 녹조 때문에 물이 썩어난다는 말을 바로 앞에서 말했는데, 녹조를 없애기는커녕 만든다니. 말도 안 되는 소리처럼 들리겠지만 이 기술은 분명 녹조를 인위적으로 만든다. 다만 차이점이 있다면 녹조의 발생 위치가 다르다는 점이다.

 Algae scrubber는 유속이 빠르고, 매우 밝은 환경, 즉 태양광이 잘 드는 환경에서 필터 내부에 조류를 엄청나게 증식시킨다. 물 표면에 생기는 녹조와 달리 산소와 햇빛을 차단하지 않는 것이다. 이 조류들이 자라면서, 물속에 있는 질산염, 인산염, 아질산염 등의 금속을 먹어치운다. 그러면서 수중의 금속들을 없애 물고기와 수중생물이 폐사하는 것을 방지하고, 필터 외부에 조류가 자라나는 것을 막아 녹조 현상을 막을 수 있다. 필터 내부의 조류들은 언제든지 제거할 수 있고, 수중생물의 먹이로도 쓸 수 있다.

 최근에는 기술개발이 더 이루어져 인공적으로 물이 떨어지게 만들어 유속을 빠르게 하고, 점점 두꺼워지고 흑갈색을 띠는 turf algae 보다는 green hair algae를 쓰는 추세이다. 가장 중요한 것은 이렇게 증식된 조류를 바이오에너지의 연료로 사용할 수 있다는 것이다.

 미국에서 이 기술을 활용하는 모습을 찾을 수 있었는데, 미국의 메릴랜드주에서 Algal Turf Scrubber(ATS) 공정을 운영하여 (Patuxent River)에서 제곱미터 당 질소, 인을 각각 250mg, 45mg 줄였다. 또한. 플로리다주에서도 대규모 중앙식 ATS 설비를 운영하고 있다.

              [사진 2. 수족관용 algae turf scrubber]        [사진 3. 최근의 방식을 사용한 waterfall turf algae filter]

출처: aquarium store depot/ algae scrubbing

 이밖에 폐수 정화, 난분해성 오염 물질, 방사성 오염원 제거를 위해 미세조류를 이용하는 노력이 이어지고 있다. 뉴질랜드 Aquaflow Bionomic 사는 블레넘 하수처리장에서 미세조류를 활용한 폐수 정화를 하였고, 국내 농어촌공사에서는 농어촌 지역에서 발생하는 축산, 농경 폐수의 처리에 미세조류 공정을 적용하여 90% 이상의 질소, 인 처리 효율을 보였다. 또한, 미국의 석유회사 쉐브론이 정유공장의 폐수처리 시스템에 미세조류를 활용하기도 했다.

 일본의 후쿠시마 원전의 방사성 폐수 처리에 다양한 미세조류를 이용해 오염원을 줄이는 연구가 진행되어있고, 한국원자력연구원에서도 미세조류를 이용해 방사성 폐수 내의 스트론튬 이온을 제거하는 데 성공하였다.

 한국과학기술연구원에서는 실제로 강릉 영동탄광 내 중금속 폐수를 정화하기 위해 미세조류를 이용한 연구를 수행해 금속이온의 감소 효과를 입증했다.

미세조류를 통한 에너지 생산 - 차세대 바이오매스

 미세조류에 대해 말하기 전에 바이오 에너지에 대해 조금은 알 필요가 있다. 바이오 에너지는 연료로 사용하는 바이오매스에 따라, 옥수수 등의 농작물을 사용하는 1세대. 목재 팰릿 등의 목질계 바이오매스를 사용하는 그리고 미세조류를 이용하는 3세대로 분류할 수 있다. 1세대의 경우, 옥수수 같은 식용 바이오매스를 이용해 애그플레이션 등의 논란도 많고, 효율도 2세대, 3세대에 비해 떨어진다. 2세대는 이전의 기사에서 소개한 적이 있는데, 예전엔 가격이 발목을 잡았었지만, 한국의 GS칼텍스 등의 기업들이 꾸준한 연구를 통해 원가 문제 등을 해결해나가고 있다.

 이제 미세조류를 이용하는 3세대 바이오 에너지를 살펴보자. 앞에선 미세조류를 통한 폐수 정화에만 초점을 맞췄지만, 사실 폐수 정화 과정에 사용되는 미세조류들 자체로도 바이오 디젤, 바이오 에탄올을 생산해낼 수 있는 훌륭한 바이오 연료들이다. 국내에서도 연구가 많이 되는 바이오 디젤부터, 바이오에탄올, 이외의 바이오 연료 순으로 살펴보자.

바이오디젤

 바이오디젤은 식물성 유지, 동물성 지방, 폐식용유 등을 원료로 한다. 석유 디젤과 성질이 비슷하기 때문에 경유에 혼합하여 쓰는 등 현재의 디젤 엔진에 바로 적용할 수 있다는 장점이 있다. 일단 미세조류에서 지질을 추출해내면, 동식물성 원료를 사용할 때의 공정에 그대로 쓰는 것은 무리가 없기에, 지질 추출과정에서의 효율성을 높이는 것이 상용화의 첫 단추라고 할 수 있다. 이전엔 미세조류를 통해 바이오디젤을 합성하는 과정은 반응시간도 길고 수득률도 50% 정도로 낮았다. 하지만 최근 연구로 초음파, 마이크로파 등을 이용해 반응시간을 줄이고 수득률 또한 80% 이상까지 증가시키는 데 성공했다. 그런데 왜 아직 사용하지 않는 걸까? 답은 간단하다. 아직은 미세조류 유래 바이오디젤은 기존의 것들보다 발열량, 동점도 등이 떨어진다. 이로 인해 안정성이 떨어지고, 저온에서의 사용이 까다롭다.

[그림 1. 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산]

출처: KDI 경제 정보 센터

바이오에탄올

 바이오 에탄올은 녹말 작물에서 포도당을 얻어 발효시켜 만드는 것이다. 그래서 이전에는 옥수수, 사탕수수 등의 1세대 바이오매스를 많이 활용했다. 하지만 앞서 말했듯이, 1세대 바이오매스는 ‘식량’이기에 이를 에너지 생산에 대량으로 쓰기엔 논란거리가 너무 많다. 반면 미세조류는 비 식량자원이고 녹말, 셀룰로스 등의 탄수화물을 가진다. 익히 들어본 클로렐라가 바이오 에탄올 생산이 가능한 대표적인 종이다. 미세조류와 박테리아를 활용해 바이오에탄올을 생산하는 공정은 기술적으로는 문제가 없고, 1세대 바이오매스보다 생산성은 높지만, 미세조류의 배양 비용, 효모와 효소 이용 등의 이유로 경제성이 확 떨어진다는 단점이 있다.

 바이오 디젤과 바이오 에탄올의 단점을 적어놨는데, 이런 단점에도 불구하고 연구를 지속하는 이유는 뭘까. 당연히 이런 단점을 해결하게 되면 갖게 되는 장점들이 무수히 많기 때문일 것이다. 미세조류의 장점을 한번 들어보자. 미세조류는 같은 면적에서 1.2세대 바이오매스들의 20~100배에 달하는 생산량을 가지며, 미세조류를 활용하여 생산된 바이오 연료는 연료가 연소하면서 발생하는 CO2를 미세조류를 배양하는 데 이용하기 때문에 이산화탄소 감소 효과를 지닌다, 또한, 전 처리 과정에서의 용이성과 단백질, 탄수화물, 지질, 저분자 물질 등 여러 유용한 물질들을 함유한다는 장점이 있다. 게다가, 미세조류로 바이오 디젤, 에탄올 외에도 다양한 활용이 가능하다.

바이오 항공유

 미세조류를 원료로 해 생산된 바이오 오일은 수소첨가 반응을 통해 바이오 항공유로 전환할 수 있다. 기존의 화석연료로 생산하던 항공유에 비해 40~82% 정도의 온실가스를 줄이는 효과를 가진다는 큰 장점을 가진다. 기존 석유제품에 50%까지 섞어서 사용할 수 있는데, 기존의 항공유와 발열량, 어는점 등에서 유사한 특성을 가진다.

바이오 가스

 미세조류를 통해 생산한 바이오가스는 천연가스에 비해 높은 메탄 함량을 가진다. 다만 아직 바이오가스 생산에는 넘어야 할 산이 많다. 원료의 높은 단가로 인한 낮은 경제성, 메탄생성 반응에 악영향을 미치는 요인들의 처리 기술 한계 등 상용화를 위해 기술개발이 더 이루어질 필요가 있다.

국내외의 연구

 우리나라의 경우는 삼면이 바다로 둘러싸여 해양 조류를 이용하기에 좋은 환경이다. 그래서인지 국가 차원에서도 여러 해양 바이오에너지 기술개발사업에 대한 계획을 세우고, 추진하고 있다. 다양한 정부 부서와 연구기관에서 바이오에너지를 생산하는 기술 개발을 진행하고 있다. 하나씩 예를 들어보자면, 국토해양부의 경우 국토면적의 2배 이상의 해양을 이용해 해양바이오매스를 생산하는 기술 개발 연구에 착수했고, 해양바이오에너지 생산기술개발연구센터에서는 화력발전소에서 나오는 이산화탄소로 해양 미세조류를 키워 바이오 디젤 생산에 이용하려는 연구를 진행하고 있다.

 미국항공우주국 NASA에서는 OMEGA 프로젝트라는 미세조류를 이용해 대체에너지를 개발하는 연구를 2008년부터 이어오고 있다. 또한, 일본, 뉴질랜드 등의 나라들도 폐수처리 및 바이오디젤 생산에 미세조류를 이용하고 있다.

[사진 4. 미세조류에 대한 보도]

출처: 대구 MBC 뉴스

 바닷가에 놀러 갈 때면 물 위에 둥둥 떠다니는 것이 보기에도 별로고, 괜히 발에 걸리고... 전혀 도움이 될 것 같이 보이지 않았던, 녹조현상이나 일으키는 원인인 줄만 알았던 조류가 이토록 유용한 자원이라니 놀랍지 않은가? 물론 아직 갈 길은 멀었지만, 우리의 후손들은 ‘발전소’라는 말을 들으면 굴뚝으로 연기가 나오는 발전소보다, 초록빛의 조류들로 이루어진 축구장 같은 발전소를 떠올릴지도 모른다.

[사진 5. 작은 잔디밭 같은 미세조류 발전소]

출처: the natural patriot

참고 자료

1. 미세조류 바이오매스의 자원화 활용에 대한 연구 - 지민규, 최상기, 조지혜

2. 미세조류를 이용한 바이오 디젤 기술 개발 동향 - 국가환경정보센터 KONETIC REPORT

3. 미세조류 유래 바이오연료 생산 기술에 관한 고찰 - 박조용, 김재곤, 박천규