고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법_109

고효율 녹조 회수기술 및

바이오매스 자원화 배양공법

K-water연구원 | 신재기 박사

Ⅰ. 개 요 ········································································ 111

1. 녹조 회수기술 개발 ················································ 111

2. 바이오매스 배양공법 개발 ····································· 112

Ⅱ. 동향 분석 ································································· 113

1. 국내 동향 ································································ 113

2. 해외 동향 ································································ 114

Ⅲ. 향후 전망 ································································· 115

<참고문헌> ······································································· 116

고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법_111

고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법

K-water연구원 | 신재기 박사

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개요

1. 녹조 회수기술 개발

댐 저수지를 포함하는 호소(湖沼)는 상수원, 농업용수, 산업용수, 생태서비스 용수 등 다양한

용도로 사용되는 중요한 담수자원이다. 그러나 호소는 지구상에서 전체 육수(陸水, Inland

water) 총량의 1.45%에 불과해 근원적으로 양적 부족이라는 한계가 있고, 산업화 및 도시화

과정을 거치면서 수질 또한 악화되고 있는 실정이다. 세계적으로 담수자원의 양적․질적 악화는

기후변화 및 인간 활동에 의한 수질오염이 가장 큰 원인이며, 수생태계의 파괴와 자연적 불균형

현상을 초래하였다. 이러한 현상들은 수자원의 효율적 이용을 크게 저해하며, 물 부족현상을

더욱 가중시킨다.

부영양화(Europhication)는 수질 및 생태계 악화를 통해 수자원의 가치를 하락시키는 표적인

현상으로(Kalff, 2003) 집수역(Drainage area)으로부터 점오염원(Point pollutant source),

비점오염원(Nonpoint pollutant source)의 유입이 직접적인 원인이 된다. 수중미생물의 증가,

하위단계 먹이사슬을 구성하는 생물들의 성장률 및 종 조성 변화, 생물상의 단순화와 파편화, 자생

및 외부기원 유기물에 의한 퇴적층 유기물 축적과 내부부하(Internal loading) 등을 유도하는

등 퇴행적이고 비가역적인 생태계 변화를 촉진한다. 최근 들어 우리나라 4 강과 주요 상수원에서

이와 같은 부영양화의 징후가 크게 나타나고 있다. 정부나 지자체에서는 과거 20여 년간 하·폐수

처리장의 증설, 관거의 정비 등 점오염원과 유기물 억제를 통한 물 관리정책을 꾸준히 추진하여

4 강의 BOD(생물학적 산소 요구량)를 개선하여 왔지만 여전히 COD(화학적 산소 요구량) 농도

는 증가하고 있다(환경부, 2006). 이는 부영양화에 의한 조류 발생이 주된 원인으로 해석되고

있다.

수자원의 질적 하락을 일으키는 부영양화 및 수질 환경 개선을 위한 다양한 기술개발이 국내

외적으로 활발하게 진행되고 있다. 이러한 기술들은 실험실 및 소규모시설 수준에서 상당한

효과들이 입증되었으나(농림부 2005; Cooke et al., 2005), 실제로 현장에서 기술의 실효성과

적용성이 충분히 검증되지 못하고 있으며, 물리·화학적 기술의 적용에 따른 2차 환경오염 등의

문제점들을 해결해야 한다. 따라서 이러한 문제 해결을 위하여 기존에 개발된 다양한 기술들의

112_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

실효성과 현장 적용 가능성을 높이고 기술적용에 따른 환경교란을 최소화할 수 있는 방법에 한

실제적인 연구가 필요하다.

2. 바이오매스 배양공법 개발

여름철 녹조 발생은 부영양화에 의해 반복적으로 발생하는데, 영양염류(Nutritive salts)의

유입을 차단하는 것이 장기적 관점에서 근본적 해결책이다. 그러나 발생된 녹조는 이산화탄소를

흡수하고 바이오매스를 생성하기 때문에, 인위적 공간에서 미세조류를 배양하여 호소로의 영양염류

유입을 차단하는 동시에 생성된 조류 바이오매스를 바이오연료 생산에 활용함으로써 저탄소,

녹색성장에 기여할 수 있다.

미세조류의 배양을 통해 질소, 인 등 영양염류의 농도를 저감시켜 방류하면 부영양화를 억제

할 수 있다. 이는 전 세계적으로 연구가 활발한 바이오디젤 생산을 위한 미세조류 배양 공정과

고도처리 공정을 접목한다는 데 의미가 있다. 미세조류가 잘 자라는 여름철 외에 봄, 가을 등

낮은 기온에서도 잘 자라는 부착성 미세조류를 배양하여 바이오매스의 생산시기를 연장할 수 있다.

자료 : K-water연구원, “고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법 개발”, 2012

<그림 1> 녹조를 이용한 저탄소 및 바이오매스 자원화 기술 개발

하수처리장의 폐수를 방류하기 전에 미세조류 배양 공정에 사용함으로써, 영양염류가 호소에

유입되지 못하게 차단하는 동시에 생성된 미세조류 바이오매스를 바이오연료로 전환할 수 있으

므로 고도처리와 바이오연료 생산이라는 두 가지 목적을 충족할 수 있다.

고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법_113

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

국내의 호소환경 개선 분야는 급속한 부영양화와 생태계 교란 등 환경적 문제의 사후해결에

주안점을 두고서 외국의 원천기술을 도입하여 적용하는 방향으로 기술발전이 이루어졌다. 이로

인해 국내의 호소 수질개선기술은 체로 외국에서 차용된 기술이 부분이며, 이를 국내 현실에

맞게 개량, 보완, 적용하는 수준에 머물고 있다. 오염물질 침강지 준설 등을 이용한 물리적 기법,

초미세기포를 이용한 가압부상방법(加壓浮上分離法), 폭기(曝氣) 등 기계적 방법, 또는 응집처리,

인불활성화처리, 살조제처리 등 화학적 처리기법을 개량하여 사용하고 있다. 그러나 이러한 물리·

화학적 기술들을 호소에 직접 투여한 사례는 거의 없으며, 일부 시험 사례만 있을 뿐이다. 담수

호를 포함한 정수시스템의 수질관리와 관련한 국내의 연구개발 결과들은 몇 가지 문제점이 있다.

국내에서 시도되었던 부분의 물리·화학적 기술은 아직 연구개발 단계를 크게 벗어나지 못하여

실질적인 실용화 및 적용성 부분에서 취약점을 안고 있다. 그 동안 적용한 기술에는 준설, 응집제,

가압부상( 청호, 팔당호), 수중폭기( 청호, 달방댐), 황토살포(팔당호, 청호), 조류펜스(서낙동강)

등이 있으나 부분 개별기술을 단편적으로 적용한 수준에 머물고 있으며, 성공적인 적용사례가

거의 없는 실정이다.

연구수행기관 연구개발 내용 성과활용 현황

국내

벽산 +지오마린

선박형 용존공기가압부상장치 기술

한국환경공단에서 추진하여 시험연구단계임 (팔당호)

K-water 녹조제거선 기술녹조 회수기술로서 국내외 최초 사례 (57% 효율 달성)

K-water 조류방제선 기술 충주호, 강정고령보, 창녕함안보에 보급

K-water황토(처리제) 분사장치 기술(이동식)

사연댐에서 시험운영 완료상태

<표 1> 국내 녹조회수 관련기술의 개발 현황

자료 : K-water연구원, “고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법 개발”, 2012

국내 바이오연료 사용량은 국내 체연료 사용량의 약 3.7%를 차지하였으나, 지속적으로 증가

할 전망이다. 바이오디젤은 국내 바이오연료 중 가장 주목받고 있으며, 2002년부터 168개 지정

주유소에서 시범 공급되었다. 바이오디젤이 5% 이하로 기존경유와 혼합한 경유인 BD5는 2006년

7월부터 일반 주유소에 보급되었다. 국내에는 유기성 폐기물을 처리하여 얻어진 메탄가스 등 일부

바이오에너지 기술이 상용화되고 있다. 바이오디젤의 보급이 확 됨에 따라 국내에서도 수송용

바이오연료를 중심으로 바이오에너지의 중요성이 인식되고 있으며, 바이오디젤에 한 국제적인

연구 및 생산이 활발하게 이루어지고 있다. 국내에서는 유채를 이용한 바이오디젤을 생산 중이며,

114_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

국내 바이오디젤 생산 업체들은 주로 두 및 유채로부터 생산하고 있으나 부분의 원료를

해외에서 수입하고 동남아시아 등 현지 원료로 생산하고 있다. 바이오디젤 생산업체로 등록한

기업은 2007년 16곳이며 연간 생산규모는 40만 톤에 이른다. 기존의 바이오디젤 생산 업체는

부분 중소기업이었으나 2007년 SK케미칼, 애경유화 등 기업이 생산업체 허가를 획득하였다.

국내 바이오디젤 기술개발 현황은 2003년에 기초연구가 수립되었고 2013년에 응용․실용화

연구를 통해 상용화 단계에 이르 다.

연구수행기관 연구개발 내용 성과활용 현황

국내

한국생명공학 연구원

미세조류은행, 대량배양, Chlamydomonas 형질전환, 고지질 축적 미세조류 분석

토착 미세조류 자원 확보 및 균주의 특성연구, 형질전환에 의한 지질 변이체 확보

한양대학교 규조(diatom) 특성연구 미세조류로부터 고부가가치 자원 생산

충남대학교 남조류 광합성 연구 남조류 광합성 변이체 확보

한국해양연구원다양한 미세조류 채집 및 바이오디젤 생산 공정 연구

해양미세조류 연구

<표 2> 국내 바이오매스 배양공법 관련 기술의 개발 현황

자료 : K-water연구원, “고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법 개발”, 2012

2. 해외 동향

해외의 수질개선 및 관리기술 개발은 상당히 진전되어(NALMS, 2001) 저수지를 포함한 호소

생태계의 세계적 수처리 및 관리기술(특히, 공학적 처리부분) 수준은 상업화 단계로 진입하였다

(Cooke et al., 2005). 북미, 유럽, 일본을 포함한 선진국에서는 호소관리를 위해 다양한 기술

들이 이미 실용화되어 보편적으로 적용되고 있다. 외국에서 상품화된 호수관리방법에는 미생물제재,

수초제거기법, 흡입식준설, 폭기, 응집부상 방법 등이 있다. 한편, 선진국에서는 홍보와 교육적

측면에도 상당한 노력을 기울이고 있다. 미국은 환경보호청(EPA), 북미호수관리학회(NALMS),

국제호수환경위원회(ILEC)에서 호소관리에 관한 가이드라인을 제공하고 있으며, 일반인을 상

으로 교육과 홍보가 꾸준히 진행되고 있다. 또한 선진국에서 물리․화학적인 개선기법들은 파일럿

(Pilot) 수준 또는 전체호수 수준에서 이루어지고 있으며, 이를 통해 축적된 평가 자료를 토 로

호소관리기술의 효율과 활용도를 높이는 방향으로 연구개발이 집중되어 있다.

미국의 Greenfuel Technologies사는 발전소의 배기가스를 회수하고 농축하여 미세조류 배양

기에 공급하여 바이오연료 생산에 이용하고 있으며, 미국 Green Star Products(GSPI)사는

이산화탄소 저감을 목표로 100에이커 규모의 Hybrid Algal Production System(HAPS)을 설치

하여 발전소의 배기가스를 처리하고 바이오디젤을 생산할 계획이다. 뉴질랜드의 National Institute

of Water & Atmospheric Research(NIWA)는 크라이스트처치에 5헥타르 규모의 수로형 연못

(Raceway pond)을 조성하고 하수처리장의 폐수를 이용하여 바이오디젤 생산용 미세조류를 배양

하고 있다. 미세조류를 이용해 바이오연료를 생산하기 위해 설립된 Solazyme사는 벤츠 자동차에

고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법_115

최초의 해조류 바이오디젤인 솔라디젤을 공급하였고 쉐브론 테크놀로지사와 원료물질 개발 및 시험

협약을 체결하였다. Solazyme사는 기존 에스테르화(Esterification) 공정 또는 수소처리 공정을

이용하여 해조류 바이오디젤을 생산하기 위해서 수천 갤런의 해조류 오일을 생산하고 있다.

<표 3> 국외 바이오매스 배양공법 관련 기술의 개발 현황

연구수행기관 연구개발 내용 성과활용 현황

국외

미국 에너지부(DOE)

바이오연료 생산용 미세조류 탐색 및 유전자 조작 남조류 확보

미세조류 3,000 여종 확보 및 미세조류 생리, 대사, 유전자 조작 기술 확보

캘리포니아대학교(San Diego)

시아노박테리아의 분자 유전학바이오에너지 생산에 적합한 형질전환 균주 개발

애리조나 주립대학교자체 파괴되는 바이오연료 (Self-destructing biofuel), 시아노박테리아

미세조류 액상연료 전환기술 개발미세조류를 이용한 바이오에너지 대량생산 파일럿 시스템 구축

미국 농무부 (USDA) 해양 미세조류의 동정 해양 미세조류의 지질생산 분석

페트로알지 (PetroAlgae)미세조류를 이용한 바이오디젤 생산

효율적인 바이오디젤 플라스틱원료 생산

오리진오일 (OriginOil) 조류(Algae)에서 오일(Oil) 생산효율적인 조류 배양 기술과 오일 추출 기술 개발

엑슨 모빌 (Exxon Mobil)/ 신테틱 제노믹스(Synthetic Genomics)

인공합성 조류(Algae)에서 오일 (Oil) 생산

2009년부터 연구과제(5~6년)로 시작

자료 : K-water연구원, “고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법 개발”, 2012

Ⅲ. 향후 전망

미세조류(Microalgae)가 온실가스 배출량 증가에 의한 기후변화와 화석연료의 고갈 문제를

완화할 수 있는 원료로 부상하고 있다. 미세조류는 이산화탄소를 고정하고 오일을 생산하여

온실가스 저감과 바이오연료 생산이라는 두 마리 토끼를 한꺼번에 잡을 수 있는 생물체이다. 생물

학적 이산화탄소 고정화 시스템은 화력발전소, 제철소, 시멘트 공장, 기타 이산화탄소 량 배출

업체에 유용하게 활용될 수 있다. 또한, 미세조류 바이오매스는 사료 첨가제, 식품 착색제, 건강

식품, 진단용 의약품, 항암․항생 물질 등의 고부가 유용 물질로 전환되어 국내에서 연간 500억 원

규모의 시장이 형성될 것으로 예상된다. 미세조류를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 경우 환경

친화적 특성으로 인해 수요는 매우 클 것으로 예상된다. 그러나 기존 석유연료에 비해 약 5배

정도의 높은 생산원가가 장애 요인이므로 새로운 기술개발로 바이오디젤의 생산원가를 낮추어야

116_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

한다. 세계 각국의 바이오연료 활성화 정책이 계획 로 추진될 경우 2015년에는 73Mtoe, 2030년

에는 147Mtoe로 연평균 8.3% 성장률을 기록하면서 수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상된다.

녹조 회수기술과 관련하여 우리나라는 유역과 호소생태계를 포함하는 통합적인 계획과 관리

보다는 주로 공학적인 하·폐수처리에 중점을 두어 왔으며, 다양한 기술의 특성화뿐 아니라 현장

적용 부분에서 해외와 비교할 때 미흡한 실정이다. 여기에는 여러 가지 이유들이 있겠으나, 호수를

종합적인 생태계로 인식하는데 미흡하였고 유역의 관리시스템을 고려하지 못한 측면도 있다.

또한 댐․저수지의 유역 및 구조적 특성과 호수 내부의 특성을 충분히 이해하지 못한 상태에서

이미 개발된 기법이나 기술들을 그 로 접목하고자 한 데에도 한계가 나타났다. 특히, 재원 문제로

인해 가능성 있는 기법이나 기술들이 충분히 지원되지 못하였다. 따라서 개발된 기법이나 기술의

적용성, 경제성과 효율 문제는 향후 호소 관리에 있어서 해결해야 할 가장 중요한 부분이라 할

수 있다.

하천과 저수지 관리를 위해서는 많은 기술들이 적용될 수 있으나, 경제적․친환경적․적용성 있는

현실적인 방법을 고려하는 것이 중요하다. 예를 들면, 바닥에 유기물이 많이 축적되어 이로 인해

내부적인 오염부하가 큰 특성을 가진 호수 관리를 위해서는 우선적으로 퇴적물을 처리하는 것이

1차적인 안이며, 이 경우 친환경적인 퇴적물 제거가 기존의 토목 준설의 안일 수 있다. 또한

현실적으로 하수처리장에서 부영양화의 원인이 되는 질소와 인을 제 로 처리하지 못하고 있으

므로 호소 내에서의 이러한 제한 영양염을 제거하는 기술을 적용해야 한다. 또한 기존 물리·

화학적 기술을 개선하여 보다 친환경적인 수질개선 기법을 통한 장기적인 효과를 도모하는 것이

중요하다. 기존의 다양한 물리․화학적 수질개선 기술은 고비용, 한시적 효과 등의 문제점을 가지고

있으므로 이와 차별화된 저비용, 고효율, 지속 가능한 기술 개발이 요구된다. 국내외적으로 다양한

개별 기술에 한 실험실 수준에서의 단독적인 효과는 부분 검증되고 있으나, 현장에서는 많은

기술들이 효율성, 친환경성, 경제성 등에서 한계를 보이고 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기

위해 기존 기술의 개선 및 현장 적용성을 높일 수 있는 방법에 한 실제적인 연구가 필요하다.

<참고문헌>

1. 농림부, “농업용저수지의 녹조제어 기법개발”, 2005

2. 환경부, “물환경관리기본계획”, 2006

3. Cooke, G. D., E. G. Welch, S. P. Peterson, and P. R. Newroth, “Restoration and

management of lakes and reservoirs(3rd ed.)”, 2005

4. Kalff, J., “Limnology- Inland water ecosystems.”, Prentice Hall, New-Jersey, 2003

5. K-water연구원, “고효율 녹조 회수기술 및 바이오매스 자원화 배양공법 개발”, 2012

6. NALMS and US EPA, “Managing lakes and reservoirs”, 2001