산업 폐수, 이제는 말할 수 있다

산업 폐수, 이제는 말할 수 있다

대학생신재생에너지기자단 25기 남궁성

 

[수생태계의 악몽, 난분해성 산업 폐수]

[자료 1. 산업 폐수]

출처 : 에너지 경제 신문 

난분해성 폐수는 미생물에 의해 분해되기 어려운 유기물 오염 폐수를 총칭하는데, 대표적으로 오염유기물 자체가 난분해성인 경우와 분해성 유기물 폐수 내 미생물 활동을 저해하는 독성 물질이 함유되어 있는 경우로 나뉜다. 여기서 난분해성을 세 가지로 분류하여 알아볼 수 있다. 첫 번째는 합성물질에서와 같이 분해에 필요한 효소가 자연의 미생물 중에 미처 준비되어 있지 않거나 부족한 경우(xenobiotic)다. 두 번째는 효소의 활동이 저해받는 경우(toxic)며, 세 번째는 유기물의 분자량이 커서 미생물 내로 운반되기 어려운 경우(high molecular)다. 분류기준에서도 알 수 있듯이 난분해성 산업폐수 처리는 미생물을 많이 활용해 왔으며, 특히 최근에는 미생물 기술을 응용해 난분해성 폐수를 처리하려는 노력이 많이 이뤄지는 추세다.  

 

[늘어나는 물 사용량]

산업폐수 처리는 점차 어려워질 것으로 전망되고 있다. 대표적인 이유는 물 사용량 증가 때문이다. 산업이 고도화되고 다양해질수록, 생활수준이 향상될수록 물 사용량은 올라간다. 그렇다면 우리나라의 국민소득과 산업활동의 다변성은 변화 추세가 어떤지 살펴보자.

[자료 2. 우리나라 국민소득]

출처 : KOSIS

위의 사진과 같이 국민소득은 계속 증가하는 추세를 보이고 있으며, 산업활동에 관해서는 전 산업분야에서 생산은 0.4%, 소비는 0.8% 증가했다. 증가세는 3개월째 지속되고 있으며, 이는 24개월 만에 발생하고 있는 현상이다. 그러나 반도체와 기계장비에서 각각 8.6%, 11.2% 생산이 줄었다. 이는 갤럭시S24 핸드폰과 노트북 등 신제품 증가 영향이 작용한 결과로 보인다.

[자료 3. 우리나라 1인당 물 사용량]

출처: KOSIS

산업활동의 생산 및 소비 증가와 더불어 1인당 물 사용량도 지속해서 증가하는 추세를 보이고 있다. 산업활동이 활발하게 이뤄지기 위해서 물 사용량이 늘어나고 있다는 점은 고무적이며, 경기가 침체되지 않으므로 긍정적인 모습이라고 할 수 있다. 하지만 최근 활발하게 이뤄지는 산업활동들은 큰 골칫거리를 유발하고 있다. 난분해성 폐수 발생량이 증가하고 있는 것이다. 특히 전자제품 및 식품 산업이 문제인데, 이들은 염폐수 및 고농도 유기성 폐수를 유발하고 있다.

 

[이차전지 염폐수]

먼저 염폐수에 대해 알아보자. 염이란 산의 음이온과 염기의 양이온에 의해 만들어지는 화합물이다. 그리고 이러한 물질이 다량으로 공공수역으로 배출될 경우, 담수생물에 이온불균형문제를 초래하게 되며, 염분이나 이온장력에 의한 영향은 쉽게 판별하기 어렵기 때문에 생태독성평가에 의한 규제나 이행평가에 많은 문제를 초래하게 된다. 염은 화합물이다. 화합물은 어떤 물질들이 얼마나 많이 결합하느냐에 따라 분해의 난이도 및 생태독성 수치가 완전히 달라진다.

 최근 문제가 되고 있는 이차전지 염폐수는 높은 분해 난이도와 생태독성 수치를 지닌다. 주요 물질로써 가지는 원소들은 아래와 같다. 

• 리튬
• 니켈
• 황산염
• 코발트
• 망간
• 알루미늄
• 아연

이들은 대부분 중금속에 해당하며 미생물이 분해하여 처리하기 어려운 난분해성 물질들에 속한다. 앞서 살펴본 것들은 난분해 원소들이었다면, 다음으로 살펴볼 것들은 난분해 화합물이다. 해당 화합물들이 발생하는 이유는 이차전지의 양극활물질 때문이다. 양극활물질들은 전기 에너지를 저장하는 역할을 한다. 가장 많이 사용되는 것은 리튬코발트산화물이지만, 최근에는 원료물질의 가격 급등과 다양한 분야에 적합한 리튬이차전지에 대한 수요 증가로 인해 3원계 물질들이 연구되고 있다. 이에 따라 분해가 어려운 화합물들이 폐수를 통해 방출되고 있는 것이다. 

[자료 4. 양극활 물질의 분류에 따른 폐수 성분]

출처 : ARK 칼럼

표를 보면 알 수 있듯이 폐수를 통해 방출되는 화합물들의 구성원자 개수가 4개 이상인 것들이 많다. 구성원자수가 많을수록 분해하기 어려우며, 특히나 구성성분들이 중금속일 경우에는 높은 생태독성 수치마저 가지게 되므로 처리가 곤란해지게 되는 것이다. 최근에는 이차전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 다양한 분야에 적용되기 위한 변형 연구가 주를 이루고 있다. 이는 난분해 화합물들이 더 많이 생겨날 것이라는 의미이다.

주로 이차전지 관련 기업들은 새만금 산업단지에 자리하고 있는데, 새만금 산업단지의 25%가 이차전지 관련 기업들이다. 입주기업 68개 중 17개가 이차전지 기업이며 앞으로 늘어날 전망이다. 다행인 점은 최근 들어 이차전지 생산 기업들과 폐수처리 기업들이 폐수처리에 대한 높은 관심도를 가지고 있다는 점이다. 

 

[염폐수를 처리하자]

환경부는 2월 26일 산업계·학계 등과 ‘산업폐수 관리정책 선진화 토톤회'를 개최해 이차전지 기업의 고농도 염폐수 처리를 지원하기 위한 정책 방향을 논의했다. 해당 포럼에서 환경부 관계자는 "이차전지 염폐수가 기존의 생물학적 처리 공정들만으로는 처리하기 어렵다"고 설명했다. 포럼에서는 또한 이차전지 폐수 특성과 처리기술 현황을 공유했고, ‘염 증명 제도’ 개선 방안을 포함해 이차전지 기업의 폐수처리를 지원하기 위한 제안 등에 대해 의견을 나눴다. 여기서 염 증명 제도란 염폐수 성분이 주로 바닷물 성분으로 이뤄져 생태독성이 없음을 증명하는 경우, 해양 방류를 허용해 주는 제도다. 해당 제도는 해양 방류를 어느 정도 허용함으로써 염폐수 문제를 부분적으로 해결해 줄 것으로 기대된다. 하지만 해양 방류에 대한 여론이 좋지 않은 상황이고, 염폐수를 본격적으로 해양에 방류를 할 때 나타날 문제점들에 대해 제대로 된 검사가 이뤄져야 한다는 의견이 나왔다. 

뿐만 아니라 폐수처리 기업인 '카리'는 지난달 22일 자사 특허기술 상용화 플랜트의 EPC 파트너사인 필즈엔지니어링과 공동수주, 공동영업에 관한 업무 협약(MOU)을 체결했다. 해당 기업은 고농도 염폐수의 적정처리 및 자원화에 대해 특허 기술을 보유 중이다. 해당 기술에 대해 김선원 카리 기술이사는 “회사에서 보유한 기술은 기존 생태독성을 유발하는 고농도 염폐수를 고부가가치 자원으로 만들어 내는 공법”이라며 “기술고도화를 통해 폐수에서 오염원을 결정화한 뒤 분리해 재활용하고, 최종 처리수도 공업용수로 재이용하거나 농업용수로 재활용 수 있게 한 친환경 신기술”이라고 설명했다. 해당 기술을 더욱 개발하여 미국, 유럽에도 선보여 대한민국 순수 기술로 글로벌 이차전지 산업에 기여할 계획”이라고 밝혔다. 

[자료 5. 카리의 자사 특허기술 상용화 플랜트]

출처 : 뉴데일리경제

이처럼 이차전지 생산기업뿐만 아니라 폐수처리 기업들도 고농도 염폐수 처리에 발 벗고 나서는 중이다. 

 

[고농도 유기성 폐수]

염폐수만큼이나 처리에 곤란을 겪고 있는 폐수가 있는데 바로 고농도의 유기성 슬러지 등을 포함한 폐수이다. 유기성 슬러지는 현재 우리나라에서 2007년 이후 연간 15,000톤가량이 발생 중이며, 이 중 폐수 슬러지의 발생량이 40%가량이다. 해당 폐수 슬러지의 성분분석을 진행해 본 결과, 유기물의 함량이 45% 이상인 것으로 나타났다. 유기성 슬러지는 하수처리장 총운영비의 50~60%를 차지하는 만큼 간과할 수 없는 문제다. 과거에는 해양에 투기하거나 연소시켜 처리해 왔지만, 런던협약에 의해 해양투기가 금지됐다. 더군다나 최근 발생하는 유기성 슬러지들은 고복합 유기물을 함유하는 경우가 많기에 연소로 완벽하게 처리하는 것은 불가능에 가깝다. 고농도의 유기성 폐수를 유발하는 대표적인 산업에는 석유 및 화학산업과 식품 산업이 있다.

[자료 6. 우리나라 유기성 슬러지 처리단가 그래프]

출처 : 부강테크

 

[유기성 폐수를 처리하자]

고복합 유기성 폐수를 처리하기 위해서는 먼저 유기물의 결합을 풀어야 한다. 이 과정부터 복잡한 공정이 들어가며 마지막으로는 무해한 부산물을 발생시켜야 하는데 마찬가지로 쉽지 않다. 유기물은 탄소를 기반으로 하고 수소 및 산소 등을 함유하는 물질을 일컫는데, 탄소를 기반으로 한다는 것은 부산물로써 이산화탄소가 발생할 가능성이 있다는 걸 의미한다. 이렇듯 복잡한 공정을 필요로 하기에 과거에 자주 사용했던 연소와 같은 물리 화학적 처리 공정은 잘 쓰이지 않는다. 최근에는 미생물을 이용한 생물학적 분해기술을 많이 사용한다. 생물학적 기술에는 물벼룩을 이용해 중금속 및 유기물을 분해하는 기술, 폐수 속의 미생물들을 활성화시켜 처리하는 활성 슬러지 공법 등이 있지만, 그중에서 유망하다고 평가받는 기술은 폐수 처리와 동시에 전력 생산, 바이오가스 생산을 할 수 있는 미생물 연료전지 기술이다.

 

[폐수 처리, 바이오가스 생산, 폐수 처리를 동시에]

미생물 연료전지는 기존 연료전지와 비슷한 공정을 유지하되, 촉매에 미생물을 활용하는 기술이다. 그리고 기질로써 유기물이 포함된 폐수를 사용하며 작동한다. 이렇게 되면 촉매 대신에 미생물을 활용하고, 기질로써 폐수를 사용하게 됨으로써 기존 연료전지 기술에 비해 비용이 상당히 감소하게 된다. 또한 부산물로 바이오가스를 얻을 수 있고, 폐수 처리 효과까지 얻게 된다. 미생물 연료전지는 이름에서도 알 수 있듯이 미생물의 활동성이 큰 중요성을 지닌다. 전극소재보다도 어떤 미생물을 활용하느냐가 성능에 영향을 미치는 정도가 더 크다. 

[자료 7. 기질 및 작동 방식에 따른 미생물 연료전지의 최대 전력량]

출처 : 미생물 연료전지 논문

표에서는 기질, 작동모드의 차이에 따라 성능이 천차만별인 모습을 볼 수 있다. 미생물, 전극재료 종류에 따라서도 성능 차이는 나타나며 주로 사용되는 미생물들은 shewanella putrefaciens, aeromonas hydrophila다. 하지만 기질과 미생물의 궁합이 얼마나 좋은지에 따라 주로 쓰이는 미생물들은 달라지며, 최근에도 지속적인 연구를 통해 미생물들이 발견되고 있다. 

 

[폐수 처리는 멸종위기종도 돌아오게 한다]

이렇게 난분해성 폐수가 다양하게 증가하고 있음에도 불구하고 폐수 배출 기업들은 오염도 측정 기기를 조작하는 등 폐수 수질 개선에 만전을 기하지 않는 모습을 보여왔었다. 이에 대해 금강유역환경청과 한국환경공단이 함께 작년부터 합동 점검에 나서는 등 개선 노력이 이어지고 있다. 그러나 이는 감시를 철저히 하는 것일 뿐이었고 폐수 배출 기업들의 적극적인 노력이 보이고 있지는 않았다. 그런데 작년 9월에  폐수 수질 개선이 얼마나 중요한지 알 수 있게 되는 일이 벌어졌다. SK 하이닉스가 폐수를 방류하는 죽당천에서 멸종위기종 1급인 수달이 관찰된 것이다. 

[자료 8. 깨끗한 죽당천 상류의 모습]

출처 : Business Post

SK 하이닉스는 폐수 처리 공정을 매우 세분화하는 것으로 알려져 있다. 물리화학적 공법, 고도처리 공법, 막 공법 등 폐수를 처리할 수 있는 다양한 공법들을 광범위하게 적용하는 것이다. 덕분에 SK 하이닉스가 폐수를 방류하는 죽당천에는 삵, 황조롱이, 독수리, 원앙 등 법종보호종들이 최근 들어 나타나고 있는 것으로 보인다. 폐수 처리가 생물다양성 보존에 직접적으로 기여할 수 있다는 것이다.

 

[R&D 지원이 확대되어야 한다]

난분해성 폐수를 일으키는 대표적인 산업들은 식품산업, 석유화학산업, 제지산업, 전자제품 산업 등이다. 모두 활발하게 개발이 이루어지고 있는 산업들이며, AI 시대에 있어서 도태될 확률이 낮은 산업들이다. 게다가 트렌드의 급변이 이루어지고 있는 요즘, 활발한 연구와 함께 처리하기 곤란한 폐수가 발생할 가능성도 높다. 산업활동이 활발하게 이루어질수록 난분해성 폐수도 발생할 것이기에, 환경분야에 대한 R&D 지원이 앞으로 더욱 필요해질 것으로 보인다. 현재는 R&D 예산이 크게 삭감된 상태이지만 긍정적이게도 지난 3월 15일에 '국가과학기술자문회의 제7회 심의회의'가 개최됐다. 해당 회의에서는 글로벌한 난제를 해결할 수 있는 혁신도전형 R&D에 예산을 지급하겠다는 내용과 함께 물관리 기술에 대한 예산지원 및 기술발전 목표가 공개됐다.

 

[자료 9. 물산업 핵심 성과목표]

출처 : 전국매일신문

표를 보면 알 수 있듯이 물관리 기술에 예산을 투입하려는 모습이 보이는데, 향후 5년간 약 4천100억 원을 투입해 미래 물산업을 견인할 핵심 물관리 기술을 중점 개발하기로 했다고 볼 수 있다. 또한 이를 위해 수량 등 수자원 정보를 디지털 기술로 관리하고 집중호우에 대한 대책을 스마트로 관리하는 기술까지 동원된다. 최근 유행하고 있는 스마트 모니터링 기술이 적용되는 것이다. 

 이렇듯 수생태계의 보존은 멸종위기종도 돌아오게 할 만큼 사회 현안의 중요 문제인 것을 알 수 있다. 즉 수생태계를 위협하는 난분해성 폐수의 처리 및 전반적인 물 관리를 철저히 할 필요가 있다. 그리고 이를 위해서는 미생물 연료전지와 같은 생물학적 폐수 처리 기술개발에 예산 지원이 적극 이루어져야 하며, 정책적 뒷받침 또한 이루어져야 한다고 보인다. 

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폐기물 처리 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "산업단지 물 부족의 떠오르는 해결책, 하수 재이용", 작성자(23기 송태현), https://renewableenergyfollowers.org/4169

산업단지 물 부족의 떠오르는 해결책, 하수 재이용

2. "네가 그냥 커피라면, 나는 '지속가능한 커피'", 작성자(24기 유현지), https://renewableenergyfollowers.org/4388

네가 그냥 커피라면, 나는 '지속가능한 커피'야

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참고문헌

[수생태계의 악몽, 난분해성 산업 폐수]

1) 시흥녹색환경지원센터 최고관리자, 시흥녹색환경지원센터, 난분해성 폐수, 2020.09.10,

http://shgec.or.kr/bbs/board.php?bo_table=g83&wr_id=1199&page=6

[늘어나는 물 사용량]

1) 뉴시스, "생산·소비 미약한 증가세…건설 12년1개월 만에 최대폭", 뉴시스, 2024.03.04,

https://www.newsis.com/view/?id=NISX20240304_0002646649&cID=10401&pID=10400

[이차전지 염폐수]

1) ARK 칼럼, "이차전지 염폐수란 무엇인가?", 2023.11.21,

https://ar-korea.com/blog/%EC%88%98%EC%B2%98%EB%A6%AC%EB%89%B4%EC%8A%A4/%EC%97%BC%ED%8F%90%EC%88%98%EB%9E%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%B8%EA%B0%80/

[염폐수를 처리하자]

1) 장정욱, "환경부, 이차전지 염폐수 처리 위한 ‘산업폐수 관리 정책 토론회’ 개최", 데일리안, 2024.02.27,

https://www.dailian.co.kr/news/view/1332978/?sc=Naver

2) 전지윤, "카리, 이차전지 염폐수 처리·자원화 기술 플랜트 상용화 MOU", 시장경제, 2024.03.02,

https://www.meconomynews.com/news/articleView.html?idxno=89688

3) 주문정, "환경부, 산업·학계와 이차전지 폐수처리 지원 논의", 디지컬경제, 디지털 경제, 2024.02.27,

https://zdnet.co.kr/view/?no=20240227211540

[고농도 유기성 폐수]

1) 한국일보, 다양한 폐수슬러지를 재활용해 자원화, 한국일보,  2024.02.15,

https://www.hankookilbo.com/News/Read/A2024021410380003989?did=NA

[유기성 폐수를 처리하자]

1) 김나윤, '물벼룩' 살아있는 청소기였네...산업폐수·약물까지 걸러낸다고?, 뉴스트리, 2023.09.30,

https://www.newstree.kr/newsView/ntr202309270016

[폐수 처리, 바이오가스 생산, 폐수 처리를 동시에?]

1) 손성훈, 유기성 폐자원을 처리하는 에너지 공급형 하폐수처리장을 위한 미생물 연료전지 기술의 최근 동향 및 전망, 대한환경공학회지, 43권, 10호, 629, 2021.10

[폐수 처리는 멸종위기종도 돌아오게 한다]

1) 장상유, "공장 물이 '시냇물' 되자 수달 돌아와, SK하이닉스 폐수 처리시설로 마른 하천도 살렸다", Business Post, 2023.09.22,

https://www.businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=328186

2) 정은모, "금강유역환경청-한국환경공단, 공공하·폐수처리시설 수질TMS 합동점검", 전국매일신문, 2023.05.03,

https://www.jeonmae.co.kr/news/articleView.html?idxno=955566

[R&D 지원이 확대되어야 한다]

1) 박희범, "혁신·도전형 R&D에 연구예산 5% 투자", ZDNET Korea, 2024.03.15,

https://zdnet.co.kr/view/?no=20240315104919