Pioneer of Two-Stage AMX

 
 
정민기  AMX 팀장

정민기 AMX 팀장

 

학력: 고려대학교 환경시스템공학 박사 수료

특허: 암모늄산화 박테리아 그래뉼 생성조를 연계한 회분식 부분 아질산화 반응조
및 혐기성 암모늄 산화를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치 외 다수

논문: Study on the optimization of partial nitritation using air-lift granulation reactor for two stage partial nitritation-Anammox process (2019) 외 다수

하·폐수 질소 제거에 투입되는 전력비 60% 이상과 외부 탄소원 100%를 줄여 하수처리장 에너지 자립화의 핵심 기술로 주목받고 있는 AMX(Anammox, 아나목스). 부강테크는 세계 최초로 하수 반류수(Sidestream)와 원수(Mainstream), 가축분뇨와 음식물 처리 폐액, 매립장 침출수와 고농도 산업폐수 등 다양한 분야에 이단 반응조(Two-Stage) AMX를 접목하는 등 AMX 분야를 선도하고 있다. 부강테크의 AMX 기술 개발과 사업을 이끌고 있는 정민기 AMX 팀장을 인터뷰했다.


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부강테크가 보유한 AMX 기술의 특징은 무엇인가요?

현재 대부분의 AMX 처리기술이 아질산과 아탈질을 단일 반응조(Single-Stage)에서 수행하지만, 부강테크는 아질산균(AOB)이 자라는 아질산 반응조와 AMX균이 자라는 아탈질 반응조를 구분한 이단 반응조(Two-Stage) 기술을 개발했습니다.

이단 반응조는 성장조건이 다른 AOB와 AMX 미생물을 각각의 반응조에서 안정적으로 농화 배양하고 부하변동에 유연하게 대응할 수 있습니다. 특히 미생물이 저해를 입은 경우에도 각각의 미생물을 보충해 주면 쉽고 빠르게 정상화할 수 있는 장점이 있습니다.

그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 이단 반응조는 더 많은 부지를 사용하는 것이 단점으로 알려져 있습니다. 부강테크는 가장 빨리 질소 제거가 가능한 AMX 종균과 그래뉼 형태의 아질산 반응조로 체류시간을 단축시켜 이 문제를 해결했습니다.


 
 
부산 강변하수처리장 탈수기 정전으로 인한 저류조 슬러지 축적

부산 강변하수처리장
탈수기 정전으로 인한 저류조 슬러지 축적

— 최근 부산 강변과 미국 하이페리온 하수처리장에서 배양조를 운전하는 과정에서 발생한 수차례 위기를 성공적으로 극복하며 우리는 우리의 판단이 옳다고 확신하게 되었습니다. —

 
미국 하이페리온 하수처리장 소화조 효율저하에 따른 탈리액 상태

미국 하이페리온 하수처리장
소화조 효율저하에 따른 탈리액 상태

부산 강변 하수처리장 탈수기 정전시의 탈리액 상태

부산 강변 하수처리장
탈수기 정전시의 탈리액 상태

 

단일 반응조(Single-Stage)가 아닌 이단 반응조(Two-Stage) 기술을 선택한 이유는 무엇입니까?

전 세계적으로 120개 정도의 AMX 플랜트가 운영 중인데 공식 보고되지 않은 수많은 실패 사례가 전해지고 있습니다. 혐기성 소화효율 저하에 따른 유기물 유입이나 소화조 후단의 탈수기 성능저하로 인한 고형물 유입은 AMX 반응조에 치명적인 피해를 유발합니다. 더 큰 문제는 이런 상황이 매우 빈번하게 발생하는 것입니다. 한 번 충격을 받아 무너진 AMX 반응조는 정상 가동에 오랜 시간을 필요로 하고 이 기간 중 처리하지 못한 폐수는 큰 문제로 남게 됩니다.

이 문제에 대응하기 위해 최근 유럽과 미국 등 AMX를 선도적으로 도입한 국가들은 고형물 농도저감과 유기물 저해방지를 위해 단일 반응조 전단에 부상분리나 저류조 등을 보완하기 시작했습니다. 그러나 이런 보완책은 전처리에 소요되는 약품비와 슬러지 처리비용의 급격한 증가를 유발하여 AMX의 강점인 경제성을 훼손하고 있습니다.

역사가 짧은 AMX를 시장에 성공적으로 도입하기 위하여 우리는 많은 고민 끝에 이단 반응조 개발이 해답이라고 생각하고 남들과 다른 길을 걷게 되었습니다. 앞쪽 반응조인 아질산조는 혐기소화조나 탈수기의 비정상 운영으로 초래된 이슈들로부터 AMX 반응조를 보호하여 별도 전처리 없이 안정적인 공정 운영을 도모합니다.

최근 부산 강변과 미국 하이페리온 하수처리장에서 배양조를 운전하는 과정에서 발생한 수차례 위기를 성공적으로 극복하며 우리는 우리의 판단이 옳다고 확신하게 되었습니다.

 

 
Okabe 교수 집무실에서

Okabe 교수 집무실에서

부강테크를 방문한 Okabe 교수와의 미팅

부강테크를 방문한 Okabe 교수와의 미팅

 

부강테크가 보유하고 있는 AMX 종균이 세계에서 가장 뛰어나다고 하는데, 어떤 균인가요?

수처리의 생물학적 처리에 이용되는 미생물들 대부분은 조건만 맞추어 주면 저절로 생기지만 AMX 종균은 자연계에 잘 존재하지 않고 성장이 너무 느려 외부에서 투입해 주어야 합니다. 또 AMX 종균마다 반응속도나 성장속도가 달라 어떤 종을 사용하느냐에 따라 공정 구성과 경제성 확보에 큰 차이를 보입니다. 따라서 우수한 종균의 확보가 AMX 사업성공에 매우 중요한 열쇠라고 할 수 있습니다.

부강테크는 2015년 일본 홋카이도 대학의 Okabe 교수로부터 AMX 종균을 도입했습니다. 이 균은 타 AMX균 대비 성장률이 뛰어나고 높은 반응 속도를 보여 세계에서 가장 뛰어난 균주 중 하나로 학계에 보고되고 있습니다.

부강테크는 Okabe 교수로부터 도입한 종균을 배양하면서 많은 실패와 오류를 겪었지만 대전과 부산에 대량 배양시설을 구축하고 다양한 Scale-up 단계를 거치면서 누구도 넘볼 수 없는 확실한 배양 노하우를 쌓게 되었습니다.

— AMX 종균마다 반응속도나 성장속도가 달라 어떤 종을 사용하느냐에 따라 공정 구성과 경제성 확보에 큰 차이를 보입니다. 따라서 우수한 종균의 확보가 AMX 사업성공에 매우 중요한 열쇠라고 할 수 있습니다. —

 
홋카이도 대학 Okabe 교수의 AMX 배양균

홋카이도 대학 Okabe 교수의 AMX 배양균

 
 

 
수도권 매립지 침출수 처리 파일럿 전경 (2㎥/일)

수도권 매립지 침출수 처리 파일럿 전경 (2㎥/일)

미국 하이페리온 하수처리장 Mainstream AMX(20㎥/일), Sidestream AMX(5㎥/일) 파일럿 전경

미국 하이페리온 하수처리장 Mainstream AMX(20㎥/일), Sidestream AMX(5㎥/일) 파일럿 전경

한국과 미국에서 동시에 하수 반류수 외에 하수 Mainstream, 가축분뇨, 음식물 폐액, 산업폐수에도 도전하고 있다고 들었습니다. 특히 수도권 매립지, 삼성전자 폐수에 대한 AMX 테스트 등에 대한 소개를 부탁합니다.

AMX균은 높은 질소 농도, 낮은 유기물 부하, 35도 내외의 수온 등 까다로운 조건 하에서 성장합니다. 따라서 전 세계 거의 대부분의 AMX 적용 실적이 이런 폐수 특성을 가진 하수 Sidestream(소화 슬러지 탈리액)에 집중되어 있습니다.

부강테크는 하수 Sidestream 외에도 하수 Mainstream, 가축분뇨, 음식물 폐액, 매립지 침출수, 그리고 산업폐수 등 다양한 분야에 선도적으로 AMX를 적용하고 있습니다. 우리는 늦게 출발했지만 이 분야에서 기술뿐만 아니라 시장 창출 등에서 진정한 리더십을 창출하고 싶습니다.

홍천 친환경 에너지타운은 가축분뇨와 음식물 폐기물 병합소화 이후에 발생하는 폐수 처리에 우리회사 주력 기술인 BCS가 적용돼 있습니다. 하지만 송풍 에너지나 외부 탄소원 투입에 부담을 느끼는 지자체를 위해 BCS를 AMX로 대체하는 테스트를 완료하였고 현재는 환경신기술 인•검증 절차를 수행하고 있습니다. 아울러 미국 인디애나 주에서도 대형목장인 B dairy에서 강화된 가축분뇨 질소 배출기준 충족을 위한 실증실험을 성공적으로 수행하고 사업화에 대한 논의가 진행 중입니다. 전 세계적으로 가축분뇨 질소 제거에 대한 AMX 적용은 부강테크가 최초일 것입니다.

또한 수도권 매립지와 삼성전자에서도 AMX 테스트를 진행 중에 있습니다. 일 평균 4600톤의 침출수를 처리해야 하는 세계 최대 매립지라는 수도권매립지공사와는 AMX로 외부 탄소원을 절감하는 공동연구가 진행 중이며, 세계 최고의 전자회사인 삼성전자에서는 폐수의 질소 제거 테스트가 진행 중입니다.

하수 Mainstream 분야에서는 최초의 상용 기술 개발을 위해 세계적인 AMX 선도기업들과 경쟁하고 있습니다. 온도에 민감한 AMX의 특성상 기후가 온화한 미국 LA에서 부강테크 미국 법인이 연구를 수행 중입니다. 지금은 우리가 보유한 전형적인 Two-Stage AMX에 바탕을 두고 미국 JWPCP에 이어 하이페리온에서 LA시 정부 소속 연구자들 및 세계적인 엔지니어링사인 Black & Veatch와 공동 연구를 수행하고 있습니다. 또한 이 분야에서는 MBfR(Membrane Biofilm Reactor)을 이용한 신규 공정까지 개발하고 특허 등록을 마쳤습니다. 멤브레인 산기관 산소전달율이 거의 100%에 달한다는 점을 이용해 산소 전달부인 멤브레인 표면에 AOB를 키우고 혐기 상태인 나머지 공간에 AMX를 키우는 것이 새 특허의 핵심 내용입니다. 부강테크는 AMX 관련 특허를 지속적으로 출원하고 있습니다.

 

 
미국 JWPCP 하수처리장 AMX 파일럿 설치 현장

미국 JWPCP 하수처리장 AMX 파일럿 설치 현장

Black & Veatch와 Mainstream AMX 공동 연구결과 발표

Black & Veatch와 Mainstream AMX 공동 연구결과 발표

 

세계적인 엔지니어링 회사인 Black & Veatch와는 어떻게 협력하고 있나요?

부강테크 미국법인은 Black & Veatch와 공동으로 AMX 공정을 연구하고 있습니다. 부강테크가 개발한 원천기술을 Black & Veatch가 검증하는 방식입니다.

LA 카운티 JWPCP 하수처리장은 기존 지하수 층에 하수를 보충하는 재이용 프로젝트를 진행 중입니다. 그러나 현재 고려 중인 전통적인 질소 제거 공정은 20년간 무려 $1 Billion(1조 원)에 달하는 외부 탄소원 비용이 들 것으로 추정된 바, 대안으로 AMX 공정이 검토되고 있습니다. 부강테크 미국법인은 2016년 JWPCP의 요청으로 주공정 AMX 실증연구에서 생물막 여과기술인 BBF와 연계한 AMX 공정으로 5.5 kg/㎥/d의 높은 질소 부하 제거율을 확인하였습니다. 이것은 기존 종속 영양탈질 공정보다 2~3배 이상 높은 제거율입니다.

부강테크와 Black & Veatch는 이 같은 결과를 LA 단축질소제거공정 스페셜 컨퍼런스, 캘리포니아 물산업박람회, 싱가폴 국제워터위크 등에 발표해 크게 주목을 받았습니다. 지금은 이 연구결과를 바탕으로 2017년부터 미국 하이페리온 하수처리장에서 Sidestream과 Mainstream AMX 실증 테스트를 진행하고 있습니다.

 
미국 JWPCP 하수처리장 하수 Mainstream AMX 파일럿 (20㎥/일)

미국 JWPCP 하수처리장 하수 Mainstream AMX 파일럿 (20㎥/일)

 
 

 
대량 배양조 내의 AMX 균

대량 배양조 내의 AMX 균

끝으로, 국내 AMX 활성화를 위해 제안하고 싶은 것이 있으신가요?

국내 최초로 AMX가 적용된 부산 녹산 소화조의 반류수 처리가 곧 시운전에 들어갑니다. 이 프로젝트가 성공하면 연간 10억 원이 넘는 운영비를 절감할 수 있게 됩니다. AMX는 이렇게 경제적인 이득이 큰 반면에 관리가 무엇보다 중요한 기술입니다. 만약 관리 미비로 인해 공정 운전이 어려워진다면, AMX 미생물의 느린 성장속도 때문에 회복할 수 없는 길로 들어서게 됩니다.

단일 반응조는 AOB와 AMX 미생물이 하나의 덩어리를 만들어 존재하는 형태이기 때문에 공정에 문제가 생기면 두 미생물이 함께 공존하는 상태로 공급해야 합니다. 따라서 유럽 등 해외 기술은 이를 위해 동일 기술이 적용된 처리장 간에 균을 지원해 주는 생태계를 운영하고 있습니다. 문제는 대부분의 해외 기술이 국내에 기술을 공급할 때는 본인들이 운영하는 생태계와는 다르게 AOB와 AMX 미생물을 본인들만 공급할 수 있다는 행태를 보인다는 것입니다.

반면에, 부강테크의 기술은 AOB와 AMX 미생물이 이단 반응조에 별도로 존재하기 때문에 어느 한 공정이 망가져도 그에 해당하는 미생물만 넣어주면 쉽게 해결되는 장점이 있습니다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 국내 모든 처리장이 에너지 자립화를 달성하고 경제적인 이득을 얻기 위해서는 유럽과 같은 생태계 구축이 시급합니다.

단지 기술을 공급한 회사가 이득을 얻는 구조가 아니라 AMX 기술이 적용된 처리장끼리 서로 상호보완을 통해 안정적 운영이 가능한 생태계 구축이 중요하다고 생각합니다.


최근 대부분의 AMX 기술들이 채택하고 있는 단일 반응조에 대한 불안한 예측들이 조금씩 힘을 얻어가고 있는 모습이다. 단일 반응조가 대세인 AMX 시장에서 과감하게 이단 반응조 기술을 개발하고 국내 AMX 활성화를 위한 생태계 구축을 주도하고 있는 부강테크의 뚝심과 혜안이 어떤 명승부를 펼칠 지 기대된다.