미세조류를 이용한 이차처리 기술 적용 가능성

 

미세조류 기반 처리 기술의 원리와 이차처리로의 확장 가능성

미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 생물학적 생물체이며, 최근에는 폐수처리 분야에서도 그 활용 가능성이 활발히 논의되고 있습니다. 특히 이차처리 단계에서 미세조류를 활용하는 기술은 기존의 활성슬러지 기반 공정이 갖는 한계를 보완하면서, 에너지 소비를 절감할 수 있는 대안으로 떠오르고 있습니다.

전통적인 이차처리 공정은 호기성 미생물을 이용하여 유기물을 분해하고, 질소 및 인을 생물학적으로 제거하는 과정을 포함하고 있습니다. 그러나 이 과정에서는 대량의 산소 공급이 필수적이기 때문에, 블로워 가동에 따른 전력 소비가 크며, 미생물 군집의 불안정성으로 인해 계절에 따른 처리효율 편차가 발생하기도 합니다. 이러한 한계를 극복하기 위한 기술로 미세조류의 이용이 제안되고 있습니다.

미세조류는 광합성을 통해 자체적으로 산소를 생성하므로, 외부로부터 송풍을 하지 않더라도 호기성 환경을 유지할 수 있습니다. 또한 암모니아, 질산염, 인산염 등을 흡수하여 자체 성장에 활용하기 때문에, 질소와 인 제거에 있어서도 효과적인 생물학적 대안이 될 수 있습니다. 이로 인해 미세조류 기반 공정은 에너지 절감과 영양염류 제거를 동시에 달성할 수 있는 가능성을 지닌 기술로 평가받고 있습니다.

현재 미세조류 기반 공정은 기존 이차처리 기술을 완전히 대체하기보다는 보완하는 형태로 적용되는 경우가 많으며, 특히 중소규모 하수처리시설이나 분산형 공정 시스템에서의 적용 가능성이 더욱 높다고 말씀드릴 수 있습니다. 이차처리 공정에 미세조류를 접목함으로써 기존 처리공정에서 부족한 부분을 보완하고, 방류수 수질을 개선할 수 있는 효과를 기대할 수 있습니다.

 

질소 및 인 제거에 대한 미세조류의 생리적 기여

이차처리 공정에서 가장 중요한 목적 중 하나는 질소와 인을 안정적으로 제거하는 것이며, 미세조류는 이 두 영양염류에 대해 생리학적으로 특화된 제거 메커니즘을 보유하고 있습니다. 일반적인 호기성 미생물은 암모니아를 질산염으로 산화한 뒤 탈질 과정을 거쳐 질소가스로 전환하지만, 이 과정은 산소와 탄소의 균형이 맞지 않으면 쉽게 효율이 떨어질 수 있습니다.

반면 미세조류는 암모니아와 질산염을 직접 흡수하여 세포성장에 활용할 수 있으며, 인산염 또한 세포 내 저장 형태로 축적할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 미세조류는 광합성 활동을 통해 산소를 생성함과 동시에 질소와 인을 생물학적으로 제거할 수 있어, 외부 탄소원을 별도로 투입하지 않더라도 운영이 가능하다는 장점이 있습니다.

미세조류의 질소 제거 능력은 조류의 종, 광 주기, 수온, pH 등 다양한 조건에 따라 달라지며, 일반적으로 25도에서 30도 사이의 온도와 중성 pH에서 가장 활발한 제거 효율을 나타내는 것으로 보고되고 있습니다. 또한 미세조류는 성장 후 쉽게 침전되어 바이오매스로 회수할 수 있기 때문에, 슬러지 발생량이 적고 관리도 용이하다는 평가를 받고 있습니다.

이러한 생리적 특성은 기존의 미생물 기반 공정에서 겪던 불안정성을 줄이고, 장기적으로는 공정 운영의 안정성과 지속가능성을 높이는 데 기여할 수 있습니다. 특히 계절별 미생물 활력 변화에 영향을 적게 받기 때문에, 연중 일정한 처리 성능을 유지하는 데 유리한 생물학적 처리 주체로 자리 잡을 수 있습니다.

 

실제 적용 사례와 파일럿 연구 결과 분석

국내외 여러 지자체 및 연구기관에서는 미세조류를 활용한 이차처리 기술을 실제 공정에 적용하기 위한 다양한 실증 연구를 수행하고 있습니다. 대표적으로는 미국 캘리포니아의 하수처리장에서 운영 중인 모듈형 미세조류 반응조 시스템과, 유럽의 고형물 회수형 조류-막 결합 시스템이 있습니다. 국내의 경우에도 경기도에 위치한 중소규모 하수처리장에서 미세조류를 활용한 방류수 고도처리 시스템이 파일럿 형태로 운영된 바 있습니다.

이러한 사례들에서는 미세조류를 반응조 내에 배양하여 일정한 조류 밀도를 유지하고, 광합성 활동을 통해 산소를 공급하면서 영양염류를 제거하는 방식이 적용되고 있습니다. 일부 사례에서는 총질소 제거율이 약 30~40%, 총인 제거율이 약 50% 이상에 이르며, 미세조류의 성장 조건을 최적화하면 기존의 이차처리 효율을 뛰어넘는 결과도 확인된 바 있습니다.

또한 이들 시스템에서는 블로워를 통한 산소 공급이 줄어들어, 전체 에너지 소비량이 20~30%까지 감소하는 효과가 확인되었습니다. 특히 슬러지 발생량이 감소하고, 미세조류를 바이오매스 자원으로 활용할 수 있다는 점에서 경제성까지도 확보할 수 있다는 평가를 받고 있습니다.

이처럼 다양한 실증 사례는 미세조류 기반 이차처리 기술이 이론 수준의 개념을 넘어 실제 현장에서 구현 가능한 수준까지 기술이 진보했음을 의미합니다. 향후에는 설계 기준과 운영 매뉴얼이 표준화된다면, 보다 다양한 지역과 처리조건에서의 적용이 가능해질 것으로 전망됩니다.

 

기술 적용을 위한 설계 및 운전 조건 고려사항

미세조류를 이차처리에 적용하기 위해서는 설계 및 운전 조건에 대한 사전 검토가 매우 중요합니다. 우선 가장 핵심적인 요소는 광합성을 위한 빛의 공급입니다. 미세조류는 광합성을 통해 에너지를 얻기 때문에, 반응조 내 광 투과가 원활해야 하며, 실외형 또는 실내형 시스템에 따라 설계 방식이 달라져야 합니다.

실외형 시스템은 자연광을 이용할 수 있어 에너지 비용이 낮은 장점이 있지만, 날씨나 일조 시간의 영향을 많이 받기 때문에 계절별 효율 차이가 발생할 수 있습니다. 반면 실내형 시스템은 인공광원을 사용하여 일관된 조도를 유지할 수 있으나, 초기 설치비와 전력비용을 고려해야 합니다. 이에 따라 처리시설의 규모, 지리적 위치, 설치 예산 등에 따라 적합한 광원 설계가 필요합니다.

또한 조류의 회수 방식도 중요한 고려 대상입니다. 미세조류는 크기가 작고 부유성이 강하기 때문에 일반적인 중력 침전 방식으로는 효과적인 분리가 어렵습니다. 따라서 막여과, 전기응집, 부상분리와 같은 고도 분리기술이 병행되어야 하며, 이러한 장비들의 유지관리 및 주기적인 점검체계도 함께 마련되어야 합니다.

계절에 따른 조류 성장률 변화에 대응하기 위해, 기존 공정과의 하이브리드 운전 전략도 검토할 수 있습니다. 예를 들어 여름철에는 미세조류 기반 공정을 집중적으로 운영하고, 겨울철에는 호기성 미생물 기반의 기존 시스템을 중심으로 공정을 구성하는 방식이 처리 안정성을 높이는 데 효과적입니다.

 

향후 미세조류 기반 이차처리 기술의 확산 가능성과 정책 방향

현재 미세조류 기반 이차처리 기술은 여러 연구에서 실효성이 입증되고 있으며, 향후에는 상용화를 위한 다양한 기반 마련이 필요합니다. 기술의 표준화, 경제성 검토, 정책적 지원이 동시에 추진되어야 현장 적용이 원활하게 이루어질 수 있습니다.

무엇보다 기술의 실효성을 객관적으로 입증할 수 있도록, 다양한 지역 조건에서의 장기 파일럿 실증 운영이 필요합니다. 환경부 및 지자체 차원에서 이러한 실증사업에 대한 지원과 데이터를 축적하고, 성능 평가 기준을 마련하여 전국 단위로 확산할 수 있는 기반을 조성해야 합니다.

또한 미세조류 처리공정을 도입하고자 하는 중소규모 하수처리시설을 대상으로 설치비 보조나 운전비 지원 등의 제도적 유인을 제공한다면, 민간 및 공공 부문 모두에서 기술 도입이 활발해질 수 있습니다. 이는 폐수처리 공정의 에너지 자립도 향상과 탄소중립 실현에도 긍정적인 영향을 미치게 됩니다.

장기적으로는 미세조류 기반 이차처리 기술이 농촌 지역, 도서 지역, 산업단지 등 다양한 현장에 맞춤형으로 적용되어, 우리나라 수처리 기술의 새로운 경쟁력이 될 것으로 기대됩니다. 공정 설계 단계에서부터 이러한 기술을 고려하는 체계가 자리 잡는다면, 지속 가능한 수처리 생태계 구축에도 큰 기여를 하게 될 것입니다.