효율적인 환경 폐기물 처리 방법 확보로 다음 세대 좋은 유산을 준비해 나갈 것
효율적인 환경 폐기물 처리 방법 확보로 다음 세대 좋은 유산을 준비해 나갈 것
  • 정이레 기자
  • 승인 2020.04.22 02:36
  • 댓글 0
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경북대학교 환경공학과 김웅 교수
경북대학교 환경공학과 김웅 교수 ©정이레 기자
경북대학교 환경공학과 김웅 교수 ©정이레 기자

대한민국에서 발생하는 환경 5대 폐기물 음식물 쓰레기’, ‘음폐수’, ‘가축분뇨’, ‘하수슬러지’, ‘동식물성 잔재물2013년 국내 해양투기가 금지된 이후로 경제적이고 효율적인 육상 처리의 중요성이 꾸준히 대두되고 있다. 이에 음식물 쓰레기를 에너지화하는 경북대학교 김웅 교수의 산발효조 공정 최적화 연구’, ‘미세조류와 박테리아를 이용한 방사선 물질 처리등의 연구는 효율적인 폐기물 처리뿐만 아니라 국내 탈원전 시대를 준비하는 데 있어 그 의의가 크다고 할 수 있다. 이에 본지는 5월호 BEST R&D 기획을 맞이해 경북대학교 김웅 교수를 만나 진행하고 있는 연구와 그에 담긴 비전을 들어보았다.

 

효율적인 폐기물 처리 방안 마련을 위한 연구

경북대학교 환경공학과 김웅 교수팀이 주력하고 있는 핵심 연구 주제는 더욱 효율적인 환경 폐기물 처리 방안을 마련하는 점이다. 이에 유기성 폐자원을 이용한 바이오가스화 공정 최적화’, ‘미세조류를 활용한 질소와 인의 제어’, ‘방사성 폐기물 내 세슘 저감을 위한 미생물 활용’, ‘머신러닝기법을 이용한 바이오에너지화공정 빅데이터 학습 및 예측 시스템 개발등의 세부 연구를 통해 지역사회 애로사항을 극복할 기술을 개발 및 이전하여 미래의 먹거리와 에너지 자원을 보다 안정적으로 확보하는 등의 실효성 있는 결과를 만들어가고 있다.

이 중 유기성 폐자원을 이용한 바이오가스화 공정 연구는 이미 대전에 위치한 부강테크와의 공동연구를 통해 폐자원 기질을 2가지 이상 선정하여, 바이오가스 생산을 위한 메탄생성균의 먹이가 되는 유기산 생성률을 극대화하는 공정을 현장에 직접 적용하는 단계까지 이른 상태이다.

현재 바이오가스화 공정 최적화는 실제 산업에도 적용될 만큼 의미 있는 결과들을 도출했습니다. 이와 더불어 미세조류의 성질을 활용한 질소와 인, 그리고 여러 유해물질들의 처리 및 제어 연구도 진행하고 있습니다. 식물성 플랑크톤의 일종인 미세조류는 오염물질 처리 수율이 타 생물의 추종을 불허할 만큼 높습니다. 특히 질소나 인은 수계에서 부영양화를 일으키는 대표적인 영양물입니다. 여기서 부영양화란 하천과 호수에 유기물과 영양소가 들어와 물속의 영양분이 많아지는 것을 말하며 이는 우리가 알고 있는 녹조와 적조를 만드는 원인이 되기도 합니다. 이를 미세조류를 통해 확실히 제어할 수 있다면 부영양화 감소와 미세조류 자체의 활용도를 증대시킬 수 있다는 점에서 그 의의가 크다고 생각하고 있습니다.”

 

미래자원 확보를 위한 빅데이터 기반 바이오에너지화 공정

최근 머신러닝 기술은 4차산업혁명 화두에 따라 빅데이터 기반 학습 및 예측 측면에서 크게 각광을 받고 있다. 이러한 추세에 발맞춰 김 교수 또한 머신러닝 기술을 접목한 미생물 기반 공정분야 연구 및 관련 투자를 추진하고 있다.

현대사회에서도 아직 밝혀지지 않은 미생물 물질대사 경로가 무궁무진하게 많은 상황입니다. 이에 저는 머신러닝 기술을 연구 주제들에 접목하여 유효한 결과들을 효율적으로 도출하고자 합니다. 특히 국내 혐기소화공정에 대해 말씀드리면 지난 2017년 기준으로 전국에 98개소 공정이 있는 것으로 확인되고 있습니다. 이 바이오에너지화공정을 통해 쏟아져 나오는 데이터는 그 규모가 매우 방대하므로 사람이 일일이 들여다보며 관계성을 고려하여 최적의 공정을 진단 및 예측하는 것은 불가능에 가깝다고 할 수 있습니다. 이에 구글의 알파고 개발의 기본 도구가 되었던 파이썬(Python)’을 활용하여 미생물 군집 구조에 빅데이터를 주입하고 목적변수에 따른 학습을 통해 환경변수와 응답변수 간 상관관계를 발견, 모델을 도출하여 바이오가스 생산량을 극대화하고자 합니다. 또한, 가스의 생산부터 수요처 사용에 이르기까지 모든 과정을 빅데이터로 관리해서 향후 바이오에너지 분야의 공정과 정책적 수요 개발에 기여하고자 합니다.”

김 교수는 이처럼 머신러닝 기술을 적극 활용하여 국내뿐만 아니라 전 세계의 에너지 유목민으로 살아가고 있는 사람들에게 에너지 풍족의 꿈을 실현할 미생물 기반 공정 연구를 선도하는 것이 목표라 말한다.

빅데이터 기반 바이오에너지화 연구를 좀 더 세부적으로 말씀드리고 싶습니다. 현재 바이오가스는 총 98개 시설에서 연간 321062000m3의 양이 생산될 만큼 신재생에너지의 큰 축을 담당하고 있습니다. 그러나 현재 태양광발전이나 바이오디젤처럼 신재생에너지 공급의무화제도(RPS)’와 같은 정책적 뒷받침이 아직 무르익지 않은 채 겨우 시장이 형성 되고 있습니다. 현재 마땅한 수요처를 찾고 있지 못하는 것이 지금 처한 현실이지요. 그나마 버려지는 바이오가스에서 수소를 추출해 수소융복합충전소에 공급하겠다는 방안을 시범사업으로 추진할 예정이지만 이도 고작 10~27%의 매우 낮은 에너지효율을 보이고 있습니다. 반면 바이오가스를 원 상태 그대로 활용할 때는 70% 이상의 효율을 가져갈 수 있습니다. 이에 저희 연구팀은 가스의 타 용도로의 전환보다도 바이오가스를 원천적으로 활용할 수 있는 방안에 주목하고 있습니다.”

현재 국내 1가구당 연평균 도시가스 사용량은 2018년 기준으로 대략 532m3 정도이며 이 중 버려지는 바이오가스 양을 이번 연도 2월 가스 시세로 환산하면 약 370억 원 정도로 막대한 비용에 다다른다. 김 교수는 이러한 상황에서 바이오가스만 잘 활용한다면 약 10만 가구가 사용할 수 있는 가스양을 확보할 수 있다고 밝혔다.

사회환경적으로뿐만 아니라 경제적으로도 상당한 기대효과를 만들고자 합니다. 이를 위해서는 무엇보다 현재 바이오가스 설비를 늘리는 시설 중심의 공급 증대보다도 기존 시설의 효율을 높이는 것이 더 효과적이라고 판단하기 때문에 앞서 말씀드린 머신러닝 기법을 이용한 빅데이터 기반 바이오에너지 연구 전문인력 양성이 저의 중요한 과제라고 할 수 있습니다.“

 

탈원전 시대, 방사능 폐기물 처리가 관건

우리나라와 일본을 비롯하여 다양한 국가에서 탈원전 시대를 맞아 방사성 폐기물의 처리가 불가피한 상황에 직면하고 있다. 이를 대비해 김웅 교수의 연구팀은 어떤 연구를 진행하고 있을지 궁금했다.

최근 연구결과에 따르면 특정 종의 미세조류 및 박테리아가 알칼리족 원소 중 세슘을 이용할 수 있다는 능력이 보고되면서 이에 대한 공정 제어 연구를 진행하고 있습니다. 생물이 생명현상을 위한 물질대사에 세슘을 우선으로 사용하는 것은 흔한 사례가 아니므로, 이러한 과학적 사실을 잘 활용한다면 세슘과 같은 원전 폐기물 내의 미량원소들에 대한 획기적 처리를 기대해볼 수 있습니다.”

김웅 교수가 미세조류와 박테리아를 이용한 세슘 처리에 관심을 두게 된 것은 무엇보다 일본 후쿠시마 원전의 방사능 유출 사건의 영향이 컸다. 2019년 후쿠시마 지역을 강타한 19호 태풍 하기비스가 홍수를 유발하면서 일본 내륙의 강물을 범람하게 했다. 이 과정에서 방사능 물질 세슘의 농도가 급증한 것이 보고되었다. 환경단체 그린피스가 특수 드론을 이용해 측정한 방사능 수치에 따르면 이 일대에서 검출된 방사선 신호가 방사능 위험지역에서 검출되는 신호에 비해 50% 이상 높았다. 이러한 양은 2017년과 비교했을 때에도 3배 이상 높은 수치다. 방사능 물질의 반감기가 30년인 것을 고려하면 앞으로도 제법 긴 시간이 지나야 제염이 가능할 것으로 전문가들은 보고 있다.

이처럼 세슘과 같은 방사능 물질로 해양오염이 진행되면 우리나라에도 직간접적으로 영향을 줄 수 있다는 게 김웅 교수의 설명이다.

현재 우리나라에서 방사성 폐기물을 처리하는 과정을 살펴보면, 기체의 경우 활성탄식 불활성 가스 홀드업 장치라는 것을 이용해 시료를 수집하고 필터로 걸러 대기로 내보냅니다. 액체의 경우에는 세탁배수 탱크에, 세탁배수 이외의 물은 증발시키고 농축을 통해 농출폐수로 만든 뒤 냉각수로 활용하거나 고체화하여 저장하고 있는 정도에 불과합니다.”

고체폐기물도 마찬가지다. 적극적으로 처리한다기보다는 압축과 소각을 통해 부피를 줄인 뒤 저장하는 정도. 김 교수는 이를 생물학적으로 처리하면 어떨까, 하는 데에서 착안해 미세조류 중 몇 종과 일본에서 채취한 박테리아 중 일부가 세슘을 물질대사로 활용할 수 있다는 사실을 알게 되었다.

미세조류는 국립낙동강생물자원관을 통해 분양받고, 박테리아는 일본에 요청해 관련 종을 공수해 와서 연구를 진행했습니다. 특히 박테리아의 경우 본격적으로 연구가 진행된 지 얼마 되지 않은 종이라 배양이라든가 배지 조건을 찾는 데에 시간을 제법 투자했습니다. 그 결과 지금은 해당 종이 특정 조건에서 세슘을 안정적으로 처리할 수 있는 조건을 확립하게 되었습니다. 현재 우리 연구진은 고분자공학과의 이동윤 교수 연구진과 함께 이 생물종을 무기 재료로 감싸서 처리효율은 약 15% 이상 높이면서 생물종 안정성은 더욱 높이는 연구결과를 얻어내 논문과 관련 특허를 준비하고 있습니다.”

 

환경, 다음 세대를 위한 유산

김웅 교수는 개인 연구 성과에 만족하는 것이 아니라 지역사회에 그 결과를 널리 알려 정책으로 입안되게끔 하는 일도 큰 관심을 보이고 있다. 그는 대구시 북구 도시계획위원회 위원으로 도시계획 및 환경조성에 대한 정책심의 일을 맡고 있으며 한국폐기물자원순환학회 국제위원회, 한국환경공단의 기술자문위원, 환경시설 민자사업 평가위원 등의 다양한 학회 및 자문 역할을 담당하고 있다.

특히 김 교수는 지난 2019년 경상북도의회 친환경에너지연구회 및 정책연구위원회 위원으로 한국환경정책평가연구원 조지혜 박사와 함께 우리나라 5대 유기성 폐기물의 메탄 잠재량에 대한 논문을 발표한 바 있다. 5대 폐기물이란 음식물 쓰레기, 음페수, 가축분뇨, 하수슬러지, 그리고 동식물성 잔재물을 말하며 현재 대한민국은 세계에서 음식물 분리배출을 가장 잘하는 나라이긴 하지만 매일 배출되는 음식물 쓰레기의 양이 증가하고 있으므로 음식물 쓰레기 처리 문제 이슈도 주목을 받는 상황이다.

그런 측면에서 국내 음식물 쓰레기를 에너지화하기 위한 산발효조 공정 최적화연구를 진행하고 있습니다. 이미 수년 전에 포항에서 가축분뇨를 대상으로 한 연구를 통해 관련 특허를 등록하고 기술이전에 성공한 경험이 있으므로 음식물 쓰레기 처리 방안도 같은 프로세스로 진행하고 있습니다.”

김 교수는 자신의 환경 연구가 다음 세대를 위한 좋은 유산이 되었으면 좋겠다고 말한다. 베이비붐 세대가 이룩한 경제 성장의 대가로 얻은 환경문제들을 다음 세대에게 그대로 물려줄 수는 없기 때문이다.

김 교수의 이러한 연구 가치관은 관련 후학을 양성하는 데도 적용된다. 자기 일에 전문성을 가지되, 타인과는 서로 협력하고, 나아가 사람 위에 사람 없고 사람 밑에 사람이 없듯이 서로 간에 공정한 대우를 함으로써 이 사회도 그렇게 사랑과 공정이 통하는 사회가 되도록 이바지하자는 것이 그의 후학 양성 방향성이자 삶의 모토이다.

마지막으로 말씀드리고 싶은 점은 현재 코로나19로 인해 우리 사회가 안전 부문에 대해 많은 관심을 두고 있습니다. 이에 발맞춰 정부 관계부처가 국내 연구자분들이 더욱 안전하게 실험하고 연구할 수 있도록 연구실 시스템 등의 연구현장 개선 등의 다양한 과학기술계 지원책들이 나오길 바라는 마음이 있습니다.”

최근 김 교수는 과학기술정보통신부로부터 안전관리 우수연구실로 선정되어 경북대학교로부터 특별상을 수상하였다. 이는 자율적 안전관리 역량 강화와 안전관리 표준모델 구현 등의 노력을 통해 얻은 값진 열매라고 할 수 있다. 이처럼 그의 우리 사회와 과학기술계를 향한 열정에 정부 및 지자체의 정책적, 경제적 지원이 더해진다면 분명 우리 다음 세대에게 소중하고 값진 유산을 물려줄 멋진 그 날을 맞이하게 될 것이다.

 

 


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