[특별기획] 생물학적 수처리 고도화 기술 개발

정하기 위해 다양한 오염 조건 하에 반응 실험을 수행할 계획이다. 이러한 연구의 체계적인 실험을 위해서 우선적으로 반응 챔버를 제조하고 이러한 챔버 내부를 대기 오염에 해당하는 가스 또는 VOC 등의 분위기로 조성한 후, 대기 오염 물질의 반응에 따른 바이오 나노소재의 전기적, 광학적

특성의 변화를 정밀하게 측정할 계획이다. 특히 오염 물질 흡착에 따른 전기적 특성의 변화를 측 정하기 위해 시간 및 대기오염 물질의 농도에 따 라 변화하는 conductance를 실시간으로 측정할 계획이다. 한편 광학적 특성의 변화에 의한 계측 연구로서 대기오염 물질의 흡착에 따른 광 흡수 및 발광 스펙트럼을 측정하여 어떤 파장에서 주목 할 만한 변화가 발생하는 지 연구하고 이를 센서 개발에 이용하고자 한다. 이외에도 바이오 소재가 대기오염 물질과 반응함에 따라 발생하는 열 등을 계측함으로서 새로운 센서를 개발할 수 있으리라 기대된다.

바이오 센서 시스템의 제조 및 특성 평가

위의 기초 연구를 수행함으로서 얻어진 결과를 토대로 실제로 적용할 수 있는 센서 개발을 위해 다양한 형태의 센서 시스템을 제조하고자 한다.

효율이 높고 경제적인 센서 시스템을 제조하기 위 해 다양한 형태의 시스템을 제조하고 특성을 평가 하고 비교 분석할 계획이다.

그림 4. 실리콘 nanowire에 기초한 나노센서(Science, 2001).

염 익 태

성균관대학교 건축·조경·토목공학부/차세대바이오환경기술연구센터 [email protected]

수질관리의 최근경향은 점오염원에 대해서는 수처리 부산물을 포함한 배출허용 기준의 지속적 인 강화, 비점오염원에 대해서는 소규모 처리시설 의 도입과 환경친화적 자연정화 공정의 도입으로 요약될 수 있다. 좀 더 구체적으로 살펴보면 수처 리 과정에서 발생하는 슬러지나 유기성 물질의 원 천 감량화 및 에너지 회수, 소규모 처리시설의 통

합운영을 위한 공정자동제어 시스템 구축, 비점오 염원에 대한 자연정화 촉진 등을 들 수 있다. 수처 리시설 기준강화와 비점오염원 관리는 선진국형 수질관리로 발전해 나가는 과정으로 볼 수 있으며, 향후 더욱 강화될 것으로 예상된다. 선진국 사례 에서도 볼 수 있듯이 새롭게 대두되고 있는 수질 관리 경향과 이에 따른 기술수요에 효과적인 대응

을 위해서는 기존 수처리 기술의 단순 개선이나 연결보다는 환경친화적인 최신 생물 공정기술을 수처리 공정에 응용하는 생물학적 수처리 기술의 고도화/첨단화가 요구되고 있다.

이와 관련 본 센터에서는 유기성 수처리 부산물 의 감량 및 재활용을 위한 슬러지 감향형 고도수 처리기술 및 유기성 폐수를 이용한 고효율 바이오 에너지 생성기술 개발, 생물학적 수처리 공정의 효율을 높이기 위하여 시스템을 정확히 정의할 수 있는 수학적 또는 실험적 모델개발과 이를 바탕으 로 차세대 신경망 및 다변량 통계 제어기법을 이 용한 공정제어 시스템 기술 개발, 다양한 생태계 를 가지고 있는 인공 또는 자연습지에서 수질정화 기작을 규명하고 습지토양-수체-식물상 간의 물 질 순환 및 이에 관여하는 미생물들의 활성을 촉 진하기 위한 기술 개발, 미생물을 이용한 수질 오 염 측정용 광섬유 센서의 개발을 목표로 하여 현 재 연구 수행 중에 있다. 각 분야별 연구내용 및 기대효과는 다음과 같다.

슬러지 감량형 고도 수처리기술 개발

하수처리공정에서 발생하는 슬러지 처리를 위 하여 하수처리비용 중 40~60%가 소요되고 있는 것으로 평가되고 있다. 뿐만 아니라 2003년부터 국내에서 하수슬러지의 직매립이 금지되고 있기 때문에 효과적인 슬러지 처분방법이 절실히 요구 되고 있다. 가장 효율적인 슬러

지 처분방법은 수처리 단계에서 슬러지의 발생량 자체를 저감시 키는 방법이라 할 수 있다. 이를 위해 여러가지 물리, 화학적 전 처리 방법이 연구되고 있지만 근본적으로 슬러지에는 질소와 인이 포함되어 있기 때문에 슬 러지를 인발하지 않고 슬러지를

감량화시키는 방법만으로는 강화된 기준을 만족 시키기가 어렵다. 따라서 막분리나 2차처리수에 대한 고도처리과정을 병합시키는 방법 등을 통해 슬러지 발생량의 획기적인 저감과 고도 수처리를 동시에 달성할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

슬러지 발생량의 효과적인 저감을 위해 생물학 적 슬러지 감량화 방법을 선택하였기 때문에 우선 슬러지의 전처리 과정이 필요하다. 전처리는 슬러 지의 생분해도를 향상시키므로 생물학적 하수처 리 공정과의 연계 운전시 슬러지 발생량을 저감시 킬 수 있으며 필요할 경우 전처리된 슬러지를 생 물학적 질소, 인제거를 위한 외부탄소원으로도 활 용가능하다. 슬러지 전처리 방법으로는 오존, 열, 알칼리, 효소, 볼밀처리 등이 많이 사용되며, 전처 리 효율은 전처리 전후의 SCOD 변화에 따른 가 용화율을 이용하여 평가한다. 일례로 오존처리와 알칼리처리에 따른 슬러지의 가용화율은 [그림 1]

과 같다. 오존첨가량 0.1O3/gSS일 때 약 26%, 알 칼리 첨가량 30meq/L일 때 약 19%의 슬러지 가 용화율을 얻을 수 있었다.

현재 pilot 규모로 운전 중인 슬러지 전처리를 조합한 생물학적 하수고도처리 공정의 개요는 [그림 2]와 같다. 이러한 pilot 운전을 통해 개발 공정의 성능 및 장기적 안정성 시험과 공정의 경 제성 검토 및 상용화 패키지를 준비하고자 한다.

슬러지 감량형 하수고도처리 기술은 2003년부터

그림 1. 오존 또는 알칼리 처리에 따른 슬러지 가용화율 변화.

시행되고 있는 슬러지의 직매립 금지(수분함량 75% 이상)에 대응할 수 있는 환경친화적 슬러지 감량화 방안으로의 활용이 기대되며, 기타 소각 및 해양투기 등에 따른 슬러지 처리, 처분 비용의 대폭적인 절감이 가능할 것으로 판단된다.

유기성 폐수를 이용한 고율 바이오 에너지 생성 혐기성 반응은 크게 산생성균과 메탄생성균으 로 분류되는 혐기성 미생물에 생물학적으로 분해 가능한 유기고형물 또는 용존 유기물 등이 메탄과 이산화탄소로 분해되고, 처리과정에서 미처리된 고형물 또는 새로이 생성된 물질은 안정한 형태로 배출된다. 이러한 혐기성 반응 공정은 그 특성상 고농도 유기물이 함유된 폐수의 처리 또는 폐수 처리시 발생된 슬러지의 소화 등이 이용된다. 최 근에는 혐기성 조건에서의 수처리보다는 유기성 고형물의 혐기성 처리를 통

해 에너지원으로 이용할 수 있는 바이오가스의 생성에 더 큰 관심을 두고 있다. 바 이오가스 즉, 혐기성 세균 이 유기물을 분해하면서 발 생시키는 메탄가스(CH4) 는 환경오염과 에너지 문제 를 모두 해결하므로 큰 효 과를 기대할 수 있으며, 이

러한 메탄생성균은 생태학적으 로도 중요한 위치에 있다. 이와 같은 바이오가스 발전이 최근 급속히 보급되고 있는 것은 이 들 폐기물성 바이오메스 자원은 재활용되거나 에너지로 재순환 되지 않으면 폐기물로 환경문제 를 일으키게 되기 때문이다. 또 다른 이유는 바이오메스 에너지 를 이용하면 화석연료와 달리 대기 중의 이산화탄 소를 증가시키지 않고 순환되기 때문이다. 그러나 메탄생성균은 절대 혐기성 상태, 온도, 유기물부 하, 유기물의 종류 및 독성물질 등의 환경요인에 매우 민감하여 환경요인이 변화하면 메탄생성균 이 먼저 영향을 받아 유기산의 분해능력이 줄어들 게 되므로 이러한 현상이 장시간 유지되면 유기산 이 축적되어 모든 박테리아의 활성에 영향을 미쳐 결국 혐기성 처리는 실패하게 된다. 따라서 메탄 생성균의 미생물 군집의 특성화와 특히 미생물 조 합 안에서 세균 속과 종의 위치에 대해 더 많은 연 구가 이루어진다면 미생물 메커니즘을 밝혀내고 적정 생육 조건을 적용하여 혐기성 미생물의 생육 을 더욱 촉진하여 바이오가스의 발생량을 증대시 킬 수 있을 것이다.

본 연구에서는 환경보존을 위한 기존의 사후처 그림 2. 슬러지 전처리와 MBR(Membrane Bio-Reactor)을 조합한 A2/O 공정.

그림 3. 혐기성 처리 및 혐기균 배양을 위한 (A)Fully automated(DO, pH, Temp, Foam control) bioreactor, (B)Anaerobic chamber.

(A) (B)

리 방법(end-of-pipe technology)을 탈피하여 차 세대 생물환경기술인 생물학적 재생(biological cogeneration) 공정을 개발하고자 한다. 미동정된 메탄세균들을 분리동정하고, 우점 세균의 적정 생 육조건에 대한 연구를 수행하여 유기 폐수의 고속 혐기 발효 및 메탄가스 생성을 촉진하는 대체 에 너지 실용화 기술을 확립한다. 또한 통계-수학적 인 기법을 접목시켜 생물공정의 최적화 및 자동화 등 체계적인 확대공정(scale-up process)을 통하 여 생물전환공정의 성공적인 산업화를 추구하고 자 한다.

우량 미생물개발을 위하여 methanogen (methanosarcina sp.)의 유전자를 조작하여 제조 합 균주를 개발하고 이를 공정에 응용할 경우, 세 계적으로 기술적 우위를 점할 수 있는 핵심기술로 성장하리라 판단된다. 또한 이러한 균주를 이용하 여 바이오가스 생산 공정을 최적화할 경우 기술의 독창성 및 경제성을 확보함으로써 기술수준의 우 위를 바탕으로 선진국으로의 기술수출 가능성이 기대된다.

고도 수질정화 공정의 모니터링 및 자동제어 수질정화 및 폐수처리 공정의 경우, 폐수 내에 고농도의 질소, 염, 유기물 및 난분해성 물질이 함 유되어 있고 처리공정 부하가 불규칙적으로 변동 하므로 공정 데이터를 활용한 감시 및 제어가 필 수적이다. 특히 유입폐수의 물성들은 측정에 많은 비용과 시간이 소모되므로 공정 데이터와 이들 간 의 상관모델을 구축함으로써 간접적으로 물성을 추정하고 추정된 물성에 기반하여 조절가능한 변 수를 제어해 줌으로써 처리공정 부하를 효과적으 로 관리할 수 있다.

현재 수질정화 공정에 대한 감시 및 제어는 국 내의 경우, 제철산업과 화성공정 폐수처리장에서 DO제어, 식품산업의 폐수처리장에서 유입수의

pH 및 반응기 내 DO, MLSS 농도제어가 수행된 사례가 있으며, 1980년대부터 유럽의 대부분의 하 수처리장에서 자동제어를 수행하고 있는 실정과 비교하면 아직 현장에서의 성과는 미약한 편이다.

그러나 공정의 감시 및 제어를 통해 얻을 수 있는 안정성 증대와 운전비용 절감 등을 감안한다면 조 만간 대부분의 수질정화 공정에 이러한 기법들이 도입될 것으로 예측된다. 특히 수질정화와 관련된 많은 학술적인 연구성과는 이러한 예측을 뒷받침 하고 있다. 지금까지 시뮬레이션, 자동제어 기법, 인공지능과 같은 여러가지 방법론들이 사용되어 왔으나 다변량 통계기법을 활용한 공정감시 및 품 질 추정 기법이 수질정화 공정에 적용된 사례는 많지 않다. 따라서 이들 방법론의 적용시, 용이성 과 측정 비용 절감을 고려한다면 파급효과가 클 것으로 예상된다.

본 연구에서는 수질 정화공정의 품질을 정확하 게 추정하고 제어하기 위해 조업 데이터에 기반한 다변량 통계 기법을 활용할 계획이다. 이를 위해 1단계에서는 현장 데이터 수집을 통해 공정의 특 성을 파악하고 본 작업에 앞서 데이터를 전처리하 는 데 중점을 둔다. 현장에서 수집된 데이터에는 missing data가 존재할 뿐만 아니라 각 공정변수 가 서로 다른 단위를 사용하고 있으므로 이들을 같은 basis에서 사용해 주어야 한다. 따라서 missing data에 대한 처리, mean-centering, unit-variance-scaling 등이 이 단계에서 수행된 다. 그리고 raw data에는 중요한 변수에 대한 정 보가 없으므로 의미있는 변수만을 추출하는 변수 선별법이 적용될 예정이다. 이러한 조업 데이터의 전처리 및 분석작업은 공정특성에 관한 많은 정보 를 줄 수 있다. 2단계에서는 파악된 공정 특성에 맞는 품질 및 제어 기법을 다변량 통계 기법을 적 용하여 개발한다. 수질정화 공정의 선형성 및 비 선형성의 정도에 따라 주성분 분석법(principle

component analysis), 부분 최소자승법(partial least squares), 인공신경망 모델(artificial neural networks)과 같은 다양한 방법론을 적용하고 시 간에 따른 autocorrelation을 고려하기 위해서 시 계열 모델(time-series model)도 적용될 것이다.

이러한 기법들 중에서 수질 정화공정의 특성이 반 영되어 가장 높은 예측 성능을 보이는 방법론을 조사하고 더 나아가 이들 방법론의 성능 향상을 위한 수정된 방법론에 대한 연구도 이루어질 것이 다. 3단계에서는 개발된 방법론을 현장에 직접 적 용하여 유효성을 평가하고 사용자가 편하게 사용 할 수 있도록 알고리즘으로 구축하고 GUI를 만들 어 프로그램으로 완성할 예정이다. 이러한 과정을 통해서 개발된 수질정화공정의 감시 및 제어기법 을 현장으로 파급시키고 활용도를 극대화한다.

통계적 공정제어 및 모니터링의 예시도를 [그 림 4]에, 공장 전체 및 단위 공장 규모 모니터링 및 진단과 모델 성능 평가 및 자동 모델 개선 과정 을 [그림 5]에 제시하였다.

고도 수질정화 공정의 모니터링 및 자동제거 기 술 개발에 따른 기대효과로는 첫째, 강화되는 환 경규제에 능동적으로 대처가 가능하다는 점이다.

둘째, 폐기물 생산량 관리로 인한 환경오염 비용 이 감소된다. 셋째, 품질 측정과 관련된 비용과 시 간 감소로 인한 생산성이 극대화된다. 넷째, 조업 데이터를 활용함으로써 품질 관리에 관련된 부대

비용이 절감된다. 다섯째, 안정적 조업을 통한 사 고비용이 절감된다.

습지를 이용한 환경친화적 수처리 기술 습지는 다양한 산화환원전위와 생물상을 보유 함으로써 생지화학적 물질순환에 중요한 역할을 담당하고 있다. 이러한 특성을 이용하여 습지를 이용한 환경친화적이고 경제적인 수처리 방법이 최근에 많이 연구되고 있고, 특히 대규모 수처리 시설을 설치하기 어려운 지역에서 비점오염원의 처리 방안으로 널리 적용되고 있다. 기존의 연구 들은 주로 농경지/폐광/매립지 유출수, 하수처리 장의 배출수 등에서 무기영양염류, 중금속 이온, BOD, 농약 등의 제거에 관해 초점을 맞추었다.

그러나, 실제로 습지로 유입되는 유출수에는 다양 한 종류의 오염물질이 포함되어 있으며 따라서 습 지내에서 이러한 복합오염수의 거동은 매우 중요 한 연구분야이다.

복합오염수가 습지에 미치는 영향에 대한 기존 의 연구들은 주로 중금속이나 합성물질들이 습지 식물이나 조류의 성장을 억제함으로써 무기염류 의 제거효율을 낮춘다는 점에 초점을 맞추어 연구 가 진행되었다. 또한, 습지내 토양이나 식생에 의 한 처리에 초점을 맞추었고, 미생물의 반응들에 대해선 단편적인 연구들만이 진행되었다. 본 연구 그림 4. 통계적 공정제어 및 모니터링의 예시도. 그림 5. 공장 전체 및 단위 공장 규모 모니터링 및 진

단/모델 성능 평가 및 자동 모델 개선 과정.

에서는 다음과 같은 관점에서 기존의 습지를 이용 한 수처리 연구와 차별성을 보이는 연구를 진행하 여 복합오염수의 처리효율을 극대화한 환경친화 적 수처리 기술을 개발하고자 한다. 첫째, 인과 질 소의 함량이 높은 오염수를 중금속이 함유된 폐수 와 함께 습지에 처리될 때, 오히려 중금속의 처리 효율이 높아질 수 있다는 가설을 가지고 이를 검 증하고자 한다. 둘째, 각 오염물질별로 처리의 주 요기작이 다르며, 기존의 연구가 미흡한 미생물을 중심으로 biomarker를 개발하고 미생물 활성이 복합오염수 처리에 미치는 영향을 조사하고자 한 다. 셋째, 실험실 수준의 연구, 야외 조사, Mesocosm 수준의 연구를 동시 혹은 순차적으로 진행하여 최종적으로 실제 수처리에 이용할 수 있

는 인공습지 건설의 디자인이나 관리 방안에 대한 결과물을 제공하고자 한다.

본 연구를 통하여 기대되는 효과는 다음과 같 다. 첫째, 환경친화적인 수처리 기법으로 알려져 있는 인공습지를 이용한 수처리 기술에 관련된 기 초적인 기작들을 밝힐 수 있다. 특히 기존의 연구 가 미흡한 토양내 미생물의 구조와 기능에 대한 많은 새로운 정보를 얻을 것으로 예상된다. 둘째, 실제 오염지역에서 관찰되는 중금속 함유의 복합 오염수의 처리방법에 대한 새로운 기술을 개발할 수 있고, 이는 향후 고농도 오염지역이나 폐광 유 출수의 처리 등에 널리 응용될 수 있으리라 판단 된다.

수질 오염 측정용 고감도 bio-optical sensor 개발

고도의 산업화와 도시화 및 인구증가에 따른 공 장폐수, 생활하수 및 각종 오염물질의 증가는 지 하수, 하천수 및 대양을 다양한 형태로 오염시키 고 있으며, 이러한 오염원에 대한 신속, 정확한 감 시체계는 날로 심각해지는 수자원 확보 대책에 있 어 근본적인 출발점이라 할 수 있다. 즉, 시료의 처리 분석에 있어 수 일을 요구하는 현재의 감시 체계를 획기적으로 개선하여, 각종 오염원 및 수 질 감시 대상에 대한 상수원, 하천 및 지하수 등의 실시간 감시 체계 구축이 오염에 대한 신속한 대 응에 있어 절실히 필요하다.

광섬유 센서의 경우, 광섬유가 감지 대상을 파 악하는 동시에 그 신호를 전달하는 역할을 하므로 화학적 내구성이 뛰어나며, 소형화가 가능하고, 접 근이 어려운 지역으로의 진입이 매우 용이하며, 광섬유 통신을 이용한 원거리 감시에 있어 뛰어난 장점을 지니고 있다. 따라서, 다양한 형태의 수자 원 관리 및 오염도 측정에 있어 광섬유를 이용한 센서는 최적의 조건을 지니고 있으며, 향후 지속 그림 7. 실험실 규모의 인공습지.

그림 6. 인공지의 해석에 적용되는 integrated biochemical model system.

적인 실시간 및 원거리 수질 관리에 있어 근본적 인 해결책을 제시할 것으로 기대된다. 특히, 수질 오염의 척도인 생화학적 산소요구량(BOD), 부영 양화 물질, 휘발성 유기화합물(VOC) 및 각종 독 성 물질들은 이들에 민감하게 반응하는 미생물들 이 존재하며, 적절한 조합을 통해 자외선 또는 가 시광선 영역의 빛을 흡수 또는 발광하는 미세 유 기체의 개발이 가능하다. 이를 광섬유에 부착하여 이용할 경우 반응 및 응답시간이 빠르고 민감도가 높은 수질 오염원 감시용 미생물 광섬유 센서를 창출할 수 있다. 특히, 이러한 미생물 광섬유 센서 의 경우, 각 오염원별 센서를 통합하기가 매우 용 이하여 경제적인 동시에 종합적인 오염원의 감시 가 가능하다. 또한 광성유를 통해 적외선 신호의 전송이 가능하므로 이를 이용한 수질 내의 화학물 질 감시도 동시에 가능한 장점이 있다. 즉, 가까운 미래에 요구되는 원거리 및 실시간의 종합적인 오 염물질의 감시를 위해서는 이와 같은 bio-optical sensor의 개발이 필수적이다.

수질 오염 감시용 미생물 광섬유 센서 기술이 성공적으로 개발될 경우, 국내의 다양한 수자원에 대한 중앙집중적, 유기적 감시체계의 구성이 가능 하여 수자원 오염방지 및 그 대책에 있어 획기적 인 전기를 마련할 것으로 보인다. 즉, 산업, 경제면 에서 매우 중요한 수자원의 각종 오염원에 대한 즉각적이고 신속한 대처가 가능할 것으로 기대된 다. 또한 소형화와 집적화에 성공할 경우, 여러 오 염원의 종합적인 분석이 현장에서 가능한 휴대용 분석기기의 개발이 가능하며, 이것은 수자원의 보 호가 전 지구적인 관심사인만큼 향후 그 수요가 막대하여 경제적 이윤의 창출이 충분히 가능할 것 으로 보인다. 본 연구로부터 얻어질 새로운 미세발 광유기물체 조합기술 및 광섬유 부착기술, 광섬유 센서 구조 등은 향후 새로운 오염원에 대한 센서 개발을 매우 용이하게 할 것이며, 이들 기술은 모 두 센서 개발에 있어 가장 중요한 원천 기술로서, 이를 이용한 부가가치의 창출도 가능할 것이다.

환경관련 선진국에서는 1970년대 후반부터, 우 리나라의 경우는 1994년을 기점으로 토양 및 지하 수 오염도가 법적 기준을 초과한 경우 복원이 강 제되고 있기 때문에 효율적이고 2차적인 환경 부 담이 최소화되는 정화, 복원 기술은 법적인 복원 명령을 수행하기 위해서라도 꼭 필요한 기술이 되 었다. 따라서, 효율적이고 환경친화적인 복원 기술 의 확보는 바로 국가, 공공단체, 기업 및 개인의

환경비용 절감과 환경 보전에 직결된다. 생태친화 적 토양/지하수 시스템 복원 기술은 토양과 지하 수에 있는 생태계의 역할을 이용하거나 촉진시켜 오염을 정화하여 환경 복원을 이루고자 하는 기술 이며, 따라서 이 기술은 2차적인 오염의 확산이나 부가적인 환경 훼손이 없는 환경친화적 근원 기술 로 향후 그 활용성이 크게 부각될 것으로 예상된다.

본 연구개발에서는 오염 물질 분해 및 저감과

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이 강 근

서울대학교 지구환경과학부/차세대바이오환경기술연구센터 [email protected]