폐수의 자원화 가능 물질별 회수기술: 인, 질소, 금속 중심

폐수 자원화 기술이 주목받는 이유와 자원별 가치 재조명

지속 가능한 수자원 관리가 전 지구적 과제로 부각되면서, 폐수는 더 이상 단순한 처리 대상이 아닌 활용 가능한 자원의 공급원으로 인식되고 있습니다. 특히 산업·농업·생활 하수 속에는 다양한 고부가가치 성분이 포함되어 있으며, 그중에서도 인(Phosphorus), 질소(Nitrogen), 금속류(Metals)는 회수 기술이 가장 활발히 연구되고 있는 핵심 자원입니다. 인과 질소는 농업 비료의 주요 성분이면서도 과잉 배출 시 수질 오염을 일으키는 양면성을 지닌 자원이며, 일부 금속류는 전자산업, 배터리, 촉매 분야 등에서 경제적 가치가 매우 큽니다. 특히 인은 세계적으로 매장량이 한정된 ‘전략 자원’으로 분류되며, 특정 국가에 집중된 채굴 의존도를 낮추기 위한 회수 기술 개발이 활발히 이루어지고 있습니다. 폐수 자원화 기술은 이제 단순한 기술적 옵션이 아니라, 환경 보호와 자원 순환을 동시에 달성할 수 있는 필수 전략이 되었습니다. 이 글에서는 폐수 속에서 회수할 수 있는 자원 중 ‘인, 질소, 금속’을 중심으로 각 물질별 회수 기술의 원리와 적용 사례를 심층적으로 분석합니다.

인 회수 기술: 스트루바이트 형성과 결정화 기반 처리

폐수 속 인은 주로 유기인 화합물 또는 인산염 형태로 존재하며, 하수처리장에서는 농축된 슬러지 탈수액이나 소화조 상등액에 고농도로 포함되어 있습니다. 인 회수 기술 중 가장 널리 사용되는 방식은 스트루바이트(struvite) 결정화입니다. 이 반응은 마그네슘, 암모늄, 인산염이 일정한 비율로 존재하는 환경에서 이루어지며, MgNH₄PO₄·6H₂O라는 고체 결정이 형성됩니다. 이 결정체는 퇴비화 과정 없이도 비료로 직접 사용이 가능할 정도로 안정적이며, 상용화된 인 비료와 비교해도 손색이 없습니다. 반응을 유도하기 위해 마그네슘 염(MgCl₂ 또는 MgO)을 주입하고 pH를 8.0~9.5 사이로 조정하면 스트루바이트가 자연스럽게 침전되며, 바닥에 쌓인 결정체는 기계적 방식으로 수거됩니다. 이 기술은 유럽과 일본에서 활발히 적용되고 있으며, 국내에서도 시화, 안산, 대전 등의 공공하수처리장에서 시범 도입된 바 있습니다. 스트루바이트 회수는 단순히 인을 제거하는 것을 넘어서, 고부가가치 자원을 창출하고 슬러지 탈수과정에서 발생하는 스케일링 문제를 예방하는 부수적 효과도 제공합니다. 미래에는 도시 농업, 스마트팜, 친환경 비료 산업과 연계되어 더욱 확대될 가능성이 높습니다.

질소 회수 기술: 기체 전환, 이온 교환, 생물학적 탈질의 융합

질소는 폐수 중에서 암모니아, 아질산염, 질산염 등의 다양한 형태로 존재합니다. 질소는 대기 중에 풍부한 성분이지만, 폐수 내 농축된 질소는 수생 생태계에 직접적인 영향을 미치는 주요 오염물질로 간주됩니다. 따라서 기존에는 대부분 탈질화 공정을 통해 질소를 질소가스(N₂)로 전환하여 대기 중으로 방출하는 방식이 사용되었습니다. 그러나 최근에는 이 질소를 회수 가능한 자원으로 바라보는 시각이 확대되고 있으며, 몇 가지 주목할 만한 기술이 개발되고 있습니다.

첫째, 기체 형태 회수 기술(Ammonia Stripping)은 알칼리 조건에서 암모니아를 NH₃ 기체 형태로 전환시킨 후 이를 포집하여 농축 암모니아수로 재활용하는 방식입니다. 이 기술은 단순하면서도 암모니아 농도가 높은 탈수액이나 음식물 폐수 등에 적합합니다. 둘째, 이온 교환 수지(ion exchange resin)를 이용한 기술은 특정 이온을 선택적으로 흡착하여 분리해내는 방식으로, 재생이 가능하다는 장점이 있습니다. 셋째, 최근에는 아나목스(Anammox) 반응을 활용한 생물학적 회수 기술도 연구되고 있습니다. 아나목스는 암모니아와 아질산염을 직접 질소가스로 전환하는 무산소 조건의 미생물 반응이며, 산소나 외부 탄소원이 필요하지 않아 에너지 소모가 적습니다. 이 기술은 탈질 공정에서 에너지 절감뿐 아니라, 아나목스 반응 중 일부 생성되는 중간 생성물을 자원화 가능성 있는 물질로 전환하는 연구도 진행 중입니다. 질소 회수는 기존의 제거 중심 패러다임에서 벗어나, 자원화와 에너지 절감을 동시에 추구하는 방향으로 전환되고 있습니다.

금속 회수 기술: 산업폐수에서의 고부가가치 자원 추출

폐수 중 금속 회수는 일반 하수보다는 전자제품 제조업, 도금 산업, 반도체 공정, 폐배터리 세척수 등 산업계에서 배출되는 특정 폐수에 주로 적용됩니다. 대표적인 금속 회수 대상 물질은 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 아연(Zn), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 등이며, 이들은 시장 가격이 높고 재활용 가치가 커서 자원화 기술 개발이 활발히 진행되고 있습니다.

금속 회수 방식은 크게 화학적 침전, 이온교환, 막 분리, 전기화학적 회수로 나눌 수 있습니다. 가장 단순한 방법은 화학적 침전이며, 금속 이온에 특정 pH에서 반응하는 약품을 투입하여 고형 금속염 형태로 분리하는 방식입니다. 그러나 이 방법은 금속의 선택성이 낮고 슬러지 발생량이 많다는 단점이 있습니다. 이에 비해 이온 교환 수지나 흡착제(예: 제올라이트, 활성탄)는 선택적으로 특정 금속만 흡착할 수 있어 고순도의 회수가 가능하며, 재생도 용이합니다. 더 나아가 최근에는 전기화학적 회수 기술(Electrowinning)이 주목받고 있습니다. 이 방식은 전류를 이용해 금속 이온을 전극에 직접 도금시켜 회수하는 방식으로, 순도 높은 금속을 얻을 수 있고, 부가가치가 매우 높은 자원 확보가 가능합니다. 특히 폐배터리나 촉매 세척수에 포함된 리튬이나 니켈은 이 방식으로 회수 시 경제성이 뛰어납니다. 금속 회수 기술은 단순한 폐수처리의 개념을 넘어, 도시광산(Urban Mining)의 실현 수단으로 인식되고 있으며, 향후 산업 재생 자원 전략의 핵심으로 자리 잡게 될 것입니다.