아나목스(Anammox, AMX) 공법이 국내 최초로 적용된 부산광역시 녹산하수처리장 소화조 시설이 지난 5월 31일 준공돼 안정적으로 운영되고 있다. 부산광역시(시장 박형준)는 녹산하수처리장 반류수 처리시설에 아나목스 공법과 하수 슬러지 및 음식물 폐수 통합처리시설을 도입해 연간 15억 원 이상의 예산을 절감하게 됐다고 밝혔다.

녹산하수처리장 반류수 처리시설 시운전을 앞두고 업계에서는 아나목스 기술의 여러 강점을 인정하는 한편 어려운 기술이라는 인식도 많았다. 하지만 녹산하수처리장 소화조 설치사업이 성공적으로 준공되면서 아나목스 기술은 더 이상 어려운 기술이 아닌 현장에서도 충분히 안정적으로 운영되는 기술임이 입증됐다.

국내 최초 AMX 실증사례는 아나목스 신기술의 장점을 먼저 알아보고 현장에 도입한 부산시의 혁신행정과 부강테크의 혁신기술 그리고 프로젝트의 성공을 위한 철저한 준비로 가능했다. 국내 최초 아나목스 기술 개발부터 현장 적용까지 책임진 부강테크 최문진 대표는 “기업에서 한 기술을 개발하고 실적을 확보하기까지에는 많은 분들의 도움이 필요하다”며 “지자체에서 환경기업에게 선도적으로 신기술이 적용될 수 있는 기회를 주는 것이 환경산업 육성이고 해외사업 지원이라고 생각한다. 앞으로 부산 녹산에서의 실적을 토대로 해외사업을 본격적으로 추진할 계획이다”라고 말했다.

국내 최초로 아나목스 공정 도입을 추진해 화제가 됐던 부산시가 국내 최초로 아나목스 실증 프로젝트를 성공시키며 다시 한번 주목받고 있다. 부산시는 지난 2016년 유기성 폐자원 통합처리 환경부 시범사업에 선정돼 통합처리시설(유기성 폐자원 780톤/일: 슬러지 580톤, 음식물 폐수 200톤) 도입을 추진했다.

통합처리시설은 고농도 유기물을 소화조에서 분해하여 메탄가스를 생산하는 시설과 소화조에서 나오는 고농도 질소 함유 폐수(반류수)를 처리하는 시설로 구분된다. 통합 소화 후 발생하는 고농도 질소를 함유한 반류수 처리를 놓고 고민하던 부산시는 이 난제를 해결하기 위해 국내 최초로 반류수 처리에 아나목스 공법을 도입했다.

질소 제거 효율 높아…부지 사용 면적·유지관리비 적게 들어

아나목스 공법은 하수처리시설의 대표적 오염물질인 질소 제거에 아나목스 미생물을 사용하는 방법으로 타 공법 대비 부지사용 면적과 유지관리비가 적게 들고 질소 제거효율이 높다. 뿐만 아니라 하수처리장에서 에너지를 가장 많이 소모하는 설비인 송풍기의 송풍량을 60% 이상 획기적으로 절감시켜주는 기술로써 생물학적 하·폐수 처리 공법 중 ESG(환경·사회·지배구조) 대응이 가능한 사실상 유일한 질소 제거 기술로 평가받고 있다.

사실 아나목스 공법은 고농도 질소를 제거하는 생물학적 처리방법 중 가장 혁신적인 공법으로 알려져 있었지만 국내 적용실적이 없어 도입을 망설이는 지자체가 많았다. 하지만 부산시는 부강테크의 ‘이단반응조 아나목스 공정’이 가지고 있는 ‘안정성’에 주목했다.

단일반응조로 운영되는 대부분의 해외 기술들과 달리 부분아질산화조와 아나목스조를 분리·운영하는 부강테크의 이단반응조 아나목스는 높은 부유물질량(SS)과 생물화학적 산소 요구량(BOD)의 유입으로 발생하는 위험을 최소화하여 운전의 안정성을 보장하고 비상시 신속하고 원활한 대응이 가능하다.

실제로 시운전 중 순간적인 탈수기 효율 저하로 인해 아나목스 공정에 고농도의 SS가 유입됐었지만 높은 SS 유입에도 안정적인 운영이 가능한 이단반응조 아나목스 공정의 특성 상 문제없이 시운전을 지속할 수 있었다.

부산시는 아나목스 공정을 적용한 녹산하수처리장 반류수 처리시설 준공으로 기존 질산화탈질공정 대비 전력비는 60%, 약품비는 99%, 슬러지 처리비는 49%를 절약해 전체 하수처리시설 운영비를 연간 15억 원 이상 절감하고 하수처리장의 에너지 자립 및 탄소중립을 선도하는 아나목스의 메카로 자리 잡을 것이다.

6월 15일 녹산하수처리시설 회의실서 열려

부산시는 국내 최초로 도입한 아나목스 공정의 실효성이 입증됨에 따라 지난 6월 15일 ‘아나목스 공정의 실증사례와 발전방향’이라는 주제로 워크숍을 개최했다. 녹산하수처리시설 회의실에서 열린 이날 워크숍에는 환경부와 한국환경공단, 부산시, 부산환경공단 등 유관기관 관계자들과 대학 및 연구기관의 전문가들, 그리고 부강테크 관계자 등 60여 명이 참석해 아나목스 신기술에 대한 높은 관심을 확인할 수 있었다.

발표, 토론 및 질의응답, 현장 견학 순으로 진행된 이날 행사에서 주제발표를 맡은 영남대 최대희 박사는 ‘질소 함유 폐수 처리를 위한 아나목스 공정 적용사례 및 발전방향’을, 부강테크 최문진 대표는 ‘부산 녹산하수처리시설의 아나목스 공정 실증사례’를 발표했다. 최문진 대표는 발표에서 시운전 중 문제가 되었던 아나목스 저해인자(황산이온)에 대한 대응방안을 공유했다.

부강테크는 시운전 초반, 아나목스 미생물의 성장이 더뎌 어려움을 겪었는데, 이는 녹산하수처리장으로 유입되는 황산염 이온(SO42-)의 농도가 설계 당시 예측치를 크게 초과했기 때문이었다. 녹산하수처리장으로 유입된 황산염 이온의 농도는 500〜600㎎/L로, 문헌에서는 180㎎/L 이상에서 아나목스의 효율이 50% 이상 떨어지는 것으로 알려져 있다.

현재 녹산하수처리장에 유입되는 폐수는 유입량의 50〜60%가 인근 녹산산업단지로부터 유입되는 폐수다. 이 때문에 일반 하수처리시설에서는 볼 수 없는 고농도의 황산염이 유입돼 시운전 초기 아나목스 미생물의 활성이 44%까지 떨어졌다.

부강테크의 아나목스 기술진은 아나목스 활성을 증가시키기 위해 먼저 아나목스 공정 유입 전단의 저류조의 운영조건을 황산염 이온 농도를 완화시킬 수 있도록 변경하고 아나목스 반응조 내에도 약품(철염)을 투입하여 잔류 황산염 이온 농도를 낮추고 아나목스 미생물의 성장을 유도했다. 그 결과 이번 사업 입찰안내서에 제시된 총질소(T-N) 제거 기준인 75%와 성능보증 목표인 T-N 82% 제거율을 상회하는 84.6%의 T-N 제거 효율을 확보해 안정적인 고농도 질소 제거 성능을 시현했다.

이 같은 실증 운영 사례를 바탕으로 수원대 김극태 교수, 건국대 박기영 교수, UNIST(울산과학기술원) 배효관 교수, 롯데건설 유성인 박사 등 토론회에 참여한 전문가들은 “반류수 처리에 있어 아나목스 기술은 더 이상 논란의 여지가 없는 검증된 기술”이라고 의견을 모았다.

토론회 좌장을 맡은 경북대 민경석 명예교수(전 한국물기술인증원장)는 “오늘 부강테크 발표 내용과 같이 고농도 황산이온뿐만 아니라 현장마다 소화조로 유입되는 원료가 다르고 슬러지를 탈수하는 방법이 다양하기 때문에 아나목스 공정의 운영 방법, 적용 기술, 혹은 전처리 기술들이 현장에 맞게 적용되어야 아나목스 기술이 안정적으로 운영될 수 있을 것”이라며 “부산 녹산하수처리장의 아나목스 현장이 국내 환경산업을 해외에 자랑할 수 있는 성공사례가 되었으면 좋겠다”고 말했다.

부산시 이근희 환경물정책실장은 워크숍을 마치며 “2016년부터 사업을 시작하며 걱정이 많았지만 책임감을 가지고 이번 사업을 지휘했다”며 “아나목스 기술 같은 신기술의 현장 적용은 우리 같은 지자체 공무원이 도와주지 않으면 영원히 시장에 적용하기가 힘들다. 현장 적용은 기술자들이 해결해야 할 문제이기 때문에 지자체에서는 현장에 도움이 될 수 있는 신기술을 적극 사용하되 성공할 수 있는 방안에 대해 철저하게 논의하고 준비해야 한다”고 강조했다.

환경부 류연기 물환경정책관은 “우리나라 하수처리장에 적용되는 기술 대부분이 운영비가 과도하게 소모되고 있다. 오늘 워크숍에서 논의된 내용을 반영해 앞으로 사용 에너지를 획기적으로 절감시킬 수 있는 기술이 실제 현장에 적용될 수 있도록 환경정책을 펼쳐 나가겠다”고 말했다.

세계에서 가장 안정적·경제적인 아나목스 기술 

부강테크의 이단반응조 AMXⓇ

단일반응조 AMX 공정을 뛰어넘는 안정성·경제성 확보
국내 유일의 아나목스 미생물 공급 생태계 구축
다양한 분야 선도적 적용…세계 최초 메인스트림(Mainstream) AMX 성공 앞둬

국내 대표적인 친환경 수처리 기업 부강테크(대표이사 김동우, www.bkt21.co.kr)가 국내 최초로 아나목스 상용화 프로젝트를 성공시키며 기술혁신 선도기업 이미지를 다시 한번 각인시켰다. 세계에서 유일하게 가축분뇨와 음식물 폐기물 통합 소화 후 발생하는 폐수 적용실적을 바탕으로 환경신기술 인·검증을 획득한 부강테크의 AMX(아나목스)는 2020년 특허청으로부터 ‘특허기술대상(세종대왕상)’ 수상, 세계적인 물산업 조사분석기관인 GWI(Global Water Intelligence)로부터 ‘세계 10대 아나목스 기술’ 선정 등 국내외에서 우수성을 인정받고 있다.

‘안정성’과 ‘경제성’ 다 잡은 이단반응조 AMX

단일반응조보다 2배 빠른 질소 제거 속도
소요 부지도 절반으로 절감

부강테크가 개발한 이단반응조 AMX 기술의 가장 큰 장점은 비상시 신속한 대응과 유지보수가 가능하다는 데 있다. 단일반응조의 경우 산소를 필요로 하는 부분아질산화 미생물과 산소가 없어야 잘 사는 아나목스 미생물을 한 반응조에서 운영하는데 고농도 오염물질이 유입될 경우 미생물의 생존율과 활성이 크게 떨어지는 단점이 있다.

최근 유럽과 미국 등 AMX를 선도적으로 도입한 국가들은 이에 대한 해결책으로 고형물 농도 저감과 유기물 저해 방지를 위해 단일 반응조 앞단에 부상분리나 호기조 등을 보완하고 있다. 하지만 이러한 보완책은 전처리에 소요되는 약품비와 슬러지 처리비용의 급격한 증가를 유발하여 AMX의 본질적 강점인 경제성을 훼손한다.

부강테크는 이런 문제점을 해결하기 위해 특성이 다른 미생물을 이단의 반응조로 분리 운영함으로써 높은 부유물질량(SS)과 생물화학적 산소 요구량(BOD) 유입에 의한 리스크를 최소화하면서 운전의 안정성도 높일 수 있었다. 기술 개발 초기 소요 부지가 늘어날 수 있다는 우려도 제기됐지만 운영의 효율성이 높아지면서 소요 부지도 절반으로 줄어 단일반응조 아나목스 기술을 뛰어넘는 안정성과 경제성을 확보했다.

국내 유일 아나목스 미생물 대량배양시스템 구축

아나목스 공정은 종균 확보와 배양, 유지가 핵심
비상시 신속하고 원활한 미생물 공급 체계 구축

현재 전 세계적으로 120여 개의 아나목스 플랜트가 운영되고 있지만 국내 도입까지 오랜 시간이 걸렸던 이유 중 하나는 성장속도가 더딘 아나목스 미생물의 특성 때문이다. 높은 질소 농도, 낮은 유기물 부하, 35℃ 내외의 수온 등 기존 미생물과는 다른 조건에서 성장하는 아나목스 미생물은 성장속도가 매우 느리기 때문에 초기 식종 시 많은 양의 미생물을 확보하기 어렵다.

부강테크의 아나목스 연구팀은 수많은 시행착오를 겪으며 끈질긴 연구 끝에 대전하수처리장에 대량배양시설을 갖추고 다양한 스케일업(Scale-Up)을 거쳐 누구도 넘볼 수 없는 배양 노하우를 확보하고 국내 유일의 아나목스 미생물 공급 생태계를 구축하고 있다.

유기성 폐자원 통합 소화 후 발생하는 탈리액은 탄소 대 질소(C/N) 비율이 낮고 고농도의 질소를 포함하는데, 아나목스 기술은 혐기소화 탈리액 처리 시 운영비를 절감할 수 있는 획기적인 기술이다. 그러나 문제가 발생해 공정 운전이 어려워질 경우, 아나목스 미생물의 느린 성장 속도 때문에 회복할 수 없는 상황이 발생할 수 있다. 그만큼 AMX 공정의 성공 여부는 종균의 확보와 배양, 유지에 달려 있다고 할 수 있다.

특히 아나목스 미생물 사멸과 같은 비상 상황 시 빠른 미생물 공급을 통해 시설을 정상화시켜야 하지만 해외 기술을 적용할 경우 아나목스 미생물 확보에 많은 시간과 비용이 소요될 수밖에 없어 막대한 손실을 입을 수 있다.

부강테크가 구축한 아나목스 미생물 공급 생태계는 이번 부산 녹산하수처리장 시운전 과정에서 그 진가를 발휘했다. 아나목스 미생물의 상시 배양 체제가 없었다면 비상시 신속하고 원활한 대응은 이뤄질 수 없었을 것이다. 비상 상황 발생 시 아나목스 시설의 안정적인 운영을 도모할 수 있는 국내 유일 아나목스 미생물 대량 배양시스템은 해외기술이 따라올 수 없는 부강테크만의 장점이다.

세계 10대 아나목스 기술

매립지 침출수, 가축분뇨, 반도체, Sidestream, Mainstream 등 다양한 분야 선도적 적용
수도권매립지공사와 외부탄소원 절감 공동연구 “AMX 적용 시 운영비 74억원 절감”

전 세계적으로 아나목스 적용 실적 대부분은 온도에 민감한 아나목스 미생물의 특성상 Sidestream(소화 슬러지 탈리여액)에 집중돼 있다. 하지만 부강테크는 Sidestream 외에도 가축분뇨, 음식물 폐액, 매립지 침출수, 산업 폐수 등에 선도적으로 적용해 다양한 실적을 보유하고 있다.

부강테크는 세계 최초로 가축분뇨에 AMX를 적용하는 프로젝트를 미국 인디애나주 대형 목장 B dairy에서 성공적으로 수행했으며, 수도권매립지관리공사와는 AMX를 적용해 외부 탄소원을 절감하는 공동연구를 통해 AMX 적용 시 연간 약 74억 원의 운영비 절감이 가능하다는 결과를 도출했다. 또한 세계 최고 전자회사인 삼성전자에서는 폐수에서 질소를 제거하는 테스트를 진행하는 등 기술력은 물론 시장 창출에서도 진정한 리더십을 보여주고 있다.

미국 LA시 하이페리온 하수처리장에서는 2017년 Sidestream과 Mainstream 모두에 AMX 기술을 적용하는 테스트를 시작했다. 1925년에 건설된 하이페리온은 20세기 미국의 대표적인 공공인프라 중 하나로, 당시 한국에서 온 작은 기업이 이 사이트에서 테스트 기회를 얻었다는 것 자체로 화제가 됐다.

부강테크의 AMX는 하이페리온 하수처리장에서 Sidestream 적용 시 높은 총부유물질(TSS)과 생물화학적 산소 요구량(BOD) 농도에서도 별도의 희석 없이 효과적인 처리가 가능하고 질소부하량도 기존의 부하농도를 훨씬 초과하는 것으로 나타났다. 부강테크 미국 법인 투모로우 워터(Tomorrow Water)는 이 같은 성과를 북미 최대 물산업 이벤트인 ‘WEFTEC 2020’에서 발표해 업계로부터 커다란 주목을 받았고, 세계적인 물산업 조사분석기관인 GWI는 2021년, 부강테크의 AMX를 ‘세계 10대 아나목스 기술’로 선정했다.

하이페리온 하수처리장에서 LA시, 세계적인 엔지니어링 기업인 블랙 & 비치(Black & Veatch)와 함께 개발 중인 Mainstream AMX 공정은 현재 마지막 테스트 단계에 돌입하면서 세계 최초로 성공을 눈앞에 두고 있다. 부강테크의 주력 하수처리 기술인 프로테우스(Proteus)와 Mainstream AMX를 결합해 다운스트림(Downstream) 공정을 구성할 경우 유입부터 방류까지 6〜10시간 소요되는 하수처리 시간이 2시간 이내로 단축되면서 그만큼 부지절감이 가능해지고 에너지 소모도 60% 이상 절감할 수 있게 될 전망이다.

통합 에너지화 사업 본격 추진

바이오가스 생산·질소 폐액처리·슬러지 감량 등 통합 에너지화 핵심기술 모두 보유
“하수처리장 에너지 자립화와 탄소중립 달성에 기여할 것”

하수처리장 에너지 자립화와 탄소중립 실현을 위한 유기성 폐자원 통합 에너지화가 전 세계적으로 확대되고 있다. 하수처리과정에서 발생하는 하수 슬러지와 음식물류 폐기물, 가축분뇨 등 에너지 잠재력이 높은 유기성 폐자원을 통합 소화하면 단독 소화에 비해 바이오가스 생산에 규모의 경제(Economies of Scale)가 실현돼 하수처리장의 에너지 자립이 가능해지고 온실가스인 메탄을 대기 중으로 방출하는 대신 신재생에너지(바이오가스)로 전환시켜 효과적인 기후변화 대응책이 될 수 있다.

하지만 통합 소화 시 발생하는 고농도 질소제거에 더 많은 비용이 투입되면서 경제성 하락이 통합 에너지화 사업에 걸림돌로 작용해 왔다. 통합 에너지화 사업 성공을 위해서는 바이오가스 생산을 통한 에너지화도 중요하지만 소화 폐액 내 고농도 질소와 슬러지를 얼마나 안정적이고 경제적으로 처리하느냐가 관건이다.

부강테크는 이러한 문제점을 해결하기 위해 경제적으로 질소를 제거하는 아나목스 기술과 슬러지 감량기술인 Draco를 개발하고 부강테크만의 차별화된 통합 에너지화 솔루션을 완성했다. 통합 에너지화 사업에 필요한 바이오가스 생산기술(AAD)과 고농도 질소 폐액 처리기술(AMX), 바이오가스 증산 및 슬러지 감량기술(Draco)을 모두 보유한 기업은 세계에서 부강테크가 유일하다.

부강테크는 앞으로 국내 최초 AMX 상용시설 준공을 계기로 국내 혐기소화 폐액 처리시장에 AMX가 활발히 적용될 것으로 예상됨에 따라 AMX가 핵심기술로 적용되는 유기성 폐자원 통합 에너지화 사업을 통해 하수처리장 에너지 자립화와 탄소중립 달성에 기여할 계획이다. 

[배민지 기자]

[『워터저널』 2023년 7월호에 게재]