“미세조류 활용해 바이오 에너지 생산해야”

하·폐수 분야, 바이오가스 생산목표제·온실가스 저감 위해 녹조 활용해야
미세조류, 비점오염원 저감 가능…유럽에선 활성 슬러지 대체 기술로 주목받아

수거된 녹조는 바이오가스나 바이오 항공유 등 바이오 에너지를 생산하거나 오염 저감, 하·폐수 처리에 이용하는 등 활용 방법이 다양하다. 현재는 이러한 방법이 상용화돼 있지 않지만 국내에서 시행되고 있는 「바이오가스법」, 「이산화탄소 포집·수송·저장 및 활용에 관한 법률(이하 「CCUS법」)」 및 온실가스 배출 감소 등과 연계해 녹조를 자원화하는 방법을 고려할 필요가 있다.

생물 유래 유기물을 바이오매스(Biomass)라고 하며 이를 통해 생산되는 에너지를 바이오 에너지라고 한다. 화석연료를 바이오 에너지로 대체하는 것은 탄소 감축을 위해 필수적이다. 바이오매스는 용도에 따라 △폐기물계 바이오매스 △미이용계 바이오매스 △자원식물계 바이오매스 △신(新)작물로 분류된다. 이때 신작물은 바이오 에너지 생산을 위해 새로 재배·경작하는 바이오매스로, 미세조류(Microalgae) 등이 포함된다.

미세조류는 유망한 바이오 에너지 연료 중 하나다. 미세조류는 △높은 광합성 효율 △높은 성장률 등을 특징으로 하며, 질소(N) 및 인(P) 제거 효율이 뛰어나다. 또한 식량 안보와 경쟁이 필요 없는 비식량 기반(Feedstock Resource)이며, 육상 유지 식물에 비해 지질 생산성이 상대적으로 높다. 미세조류를 활용한 바이오 에너지로는 △바이오 디젤(Biodiesel) △바이오가스(Biomethane) △바이오 항공유(Jet fuel) △바이오 에탄올(Bioethanol) △바이오 하이탄(Biohythane) △생물전기(Bioelectricity) △합성가스(Syngas) △바이오 수소(Biohydrogen) 등이 있다. 이 중 경제·환경적으로 바이오가스, 바이오 항공유, 바이오 디젤 등이 가장 유망하다.

공공 부문, 바이오가스 생산목표제 내년부터 적용 

국내에서는 지난해 12월 31일부터 「유기성 폐자원을 활용한 바이오가스의 생산 및 이용 촉진법(이하 「바이오가스법」)」이 시행되고 있다. 이 법에 따라 공공의무생산자는 2025년부터, 민간의무생산자는 2026년부터 바이오가스 생산목표제가 적용되며, 바이오가스 생산목표는 유기성폐자원 발생량에 회수·생산계수 및 대통령령으로 정하는 생산목표율을 곱해 산정한다. 

공공의무생산자의 경우 하수찌꺼기, 분뇨, 가축분뇨, 음식물류폐기물에 대해 생산 목표를 설정해야 하며 민간의무생산자의 경우 가축분뇨, 음식물류폐기물에 대해 생산목표를 설정해야 한다. 생산 목표를 달성하지 못할 경우, 과징금이 부과되거나 이산화탄소 배출권 거래처럼 다른 지자체로부터 구매해야 한다.

바이오 생산목표제에 따라 공공의무생산자는 2025년 50％를 시작으로 2045년에는 80％의 바이오가스를, 민간의무생산자는 2026년 10％로 시작해 2050년까지 80％의 바이오가스를 생산해야 한다. 이처럼 바이오가스를 의무적으로 더 많이 생산해야 하기 때문에 바이오 가스 생산 시 조류 바이오매스를 활용하는 방안을 고려하는 것이 중요하다.

하·폐수 처리, 바이오가스 통해 온실가스 저감해야 

아울러 탄소중립 이행을 위해 「저탄소 녹색성장기본법」에 의거해 「온실가스 배출권의 할당 및 거래에 관한 법률」이 제정돼 지난 2015년부터 시행되고 있다. 이 법은 배출권거래제 대상 업종과 사업장에 총량 단위의 온실가스 감축목표를 설정해 국가 온실가스 감축목표 달성을 목표로 마련됐다. 이 법에 따라 배출권거래제를 적용받는 폐기물 부문 업종은 △하·폐수 및 분뇨 처리업 △폐기물 처리업 △해체, 선별 및 원료 재생업으로 대상 사업장은 △매립장 △소각장 △하수처리장 △음식물처리장 등이다. 

각 대상 사업장은 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)에 따라 온실가스 배출을 감축해야 한다. 이처럼 하·폐수 처리 같은 경우 배출권거래제 대상이고, 적극적인 탄소 저감 의무가 있다. 따라서 하·폐수 처리에서 바이오가스 기능의 바이오 에너지를 생산해 온실가스 배출을 저감할 필요가 있다. 

미세조류, TS농도 낮아 농축기술 개발 필요 

미세조류의 메탄 생산 잠재량(BMP)은 대체로 음식물쓰레기보다 낮고, 하수슬러지나 가축분뇨보다 높다. BMP는 △음식물쓰레기 272~532 △미세조류 130~420 △하수슬러지 206~324 △가축분뇨 184~202 순으로 높다. 이는 미세조류를 활용해 바이오가스를 생산할 경우 많은 양의 바이오가스 생산량 증가를 기대할 수 있다는 점을 보여준다. 또한 이 수치는 열을 가하거나 화학적 방법을 이용한 전처리 과정을 거치면 더 높아질 수 있다. 따라서 바이오가스 수율 향상을 위해서는 바이오가스화 전단에서 전처리 고려가 필요하다. 

또한 배양 후 침전·부상된 미세조류의 총고형물(TS)농도는 0.1〜0.5％로 타 유기성 폐자원 대비 현저히 낮았으며, CSTR 소화조 적정 유입 수치(TS농도 5％ 내외)보다 낮았다. 따라서 미세조류의 낮은 침강성을 고려해 응집제, 막분리 등을 활용한 농축(Harvesting) 기술 개발 및 실증이 시급하다. 아울러 미세조류의 C/N비(탄질율)는 혐기성 소화 적정 C/N비인 12-13에 가까운 경우가 많았으나 고농도 주입 시에는 암모니아가 잠재적인 저해 요인이 될 수 있어 소화조 운영 시 암모니아 농도 모니터링 및 고농도 암모니아에 대한 기술 적용이 필요하다. 

지질 함량 높은 별도 미세조류 배양 필요 

미세조류 기반 바이오 디젤은 △미세조류 배양 및 수거 △미세조류 바이오매스에서 지질 추출 △에스터 교환 반응(Transesterification Exchange Reaction)을 통해 생산한다. 이때 바이오 디젤 생산량은 지질 추출 및 에스터 교환 반응에 따라 달라지기 때문에 스트레스 유도를 통해 지질 생산을 최적화할 필요가 있다. 

바이오가스는 전체 유기물을 다 활용할 수 있는 반면 바이오 디젤은 지질밖에 활용할 수가 없고, 실제로 미세조류의 지질의 함량이 20％를 넘는 경우가 많지 않아 바이오 디젤 및 바이오 항공유 생산 시에는 지질 함량이 높은 종 및 조건에 적합한 별도 배양이 필요하다. 

최근에는 조류 바이오매스를 항공유의 대체로 활용하는 방안이 활발히 연구되고 있다. 바이오 항공유 연료인 식물성 유지의 수요가 증가함에 따라 지속 가능한 대체 원료로서 미생물 오일이 주목받고 있다. 자연계에는 세포 내에 다량의 오일을 축적할 수 있는 유지성 미생물 또는 미세조류 등이 있다. 

지속가능 항공유(Sustainable Aviation Fuel, SAF) 생산기술에는 △수첨 에스테르 지방산(Hydropreocessed Esters and Fatty Acids, HEFA) △ATJ(Alcohol-to-Jet) △가스화(Gassification)/FT △PTL(Power-to-Liquid) 등 크게 4가지 방식이 있다. 

그 중 HEFA은 고전적인 정제 공정에서 후속 처리되기 전에 환원 반응을 통해 산소 및 기타 헤테로원자(S, N 등)를 제거하는 방식이다. 2030년까지는 다양한 SAF 생산 경로 중 기술성숙도가 높은 HEFA 중심의 SAF 시장이 형성될 것으로 예상되며, 2050년까지 비슷한 수준의 HEFA 수요가 유지될 것으로 전망된다. 

조류 이용 하·폐수 처리 및 비점오염 저감 

녹조는 비점오염원 저감 방안으로 활용할 수 있다. 미세조류는 생물흡착(Biosorption), 생물축적(Bioaccumulation), 생물분해(Biodegradation) 과정을 거쳐 오염물질을 분해한다. 또한 조류는 세균에 비해 상대적으로 질소 동화 효율이 높으며 광합성을 통해 탄소를 발생시킨다. 실제로 기존의 세균 기반 활성 슬러지(Acticated Sludge)를 이용한 하수처리방법을 조류로 대체하는 방식이 스페인이나 이탈리아, 노르웨이와 같은 유럽 지역에서 활성화되고 있다. 

또한 녹조균 과립(Algal-Bacterial Granule)은 조밀한 구조로 인한 우수한 침감성과 높은 처리 효율, 미세조류가 발생하는 산소에 의한 폭기량 감소 효과, 폐활성슬러지 대비 높은 생분해도로 인해 기존의 활성 슬러지를 대체할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 

미세 조류를 자원화하는 방법에는 바이오가스화, 바이오 디젤, 바이오 항공유 등이 있다. 수거된 미세조류의 경우 지질 함량이 높지 않기 때문에 통합 바이오가스화에 이용하고, 미세조류를 통해 오염 저감 및 하·폐수처리에 활용할 수 있다. 이를 통해 나온 슬러지는 바이오 디젤이나 바이오 항공유 생산으로 연결할 수 있다. 한편 낮은 TS농도나 침강성, 낮은 지질 함량에 대한 개선 방안도 마련돼야 한다. 

아울러 미세조류 자원화를 위해 관련 법에 지원을 받을 수 있는 방안을 검토해야 한다. 먼저 수거된 조류 및 수계를 활용해 배양한 조류 유래 바이오 연료 생산이 「CCUS법」 관련 지원을 받을 수 있는 방안에 대한 검토가 필요하다. 또한 조류를 이용한 하·폐수 처리 및 오염부하 저감을 폐기물 분야 탄소 저감 이행 방안으로 추진해야 한다.

[『워터저널』 2024년 3월호에 게재]