[맑은 물 이야기] AMX®, 국내 최초 넘어 세계 최고 꿈꾼다

부강테크 미국 법인 ‘Tomorrow Water’는 미국 서부 최대규모의 하이페리온 하수처리장에서 세계적인 엔지니어링사인 BLACK & VEATCH와 공동으로 수행한 AMX® 현장평가 결과를 정리한 논문을 ‘WEFTEC 2020’에서 발표해 주목을 받았다.

부강테크(BKT)의 아나목스(Anammox, AMX) 기술이 기술력과 시장 창출에서 진정한 리더십을 만들어가고 있다. 하수 Sidestream뿐만 아니라 Mainstream, 가축분뇨, 음식물쓰레기, 음폐수, 매립지 침출수, 반도체 폐수 등 다양한 분야에 아나목스 기술을 선도적으로 적용하고 있는 BKT는 특허청이 주최하는 2020년 하반기 특허 기술상에서 대상인 세종대왕상을 수상하고, 환경신기술 인∙검증을 획득하며 기술력을 인정받았다. 지난 10월에는 수처리 분야에서는 유일하게 ‘그린 뉴딜 유망기업 100’ 프로젝트에 선정되며 아나목스 기술에 인공지능(AI)을 도입하는 R&D로 아나목스 기술 업그레이드를 추진 중이다. 국내 최초에서 세계 최고의 수처리 기술을 꿈꾸는 BKT의 아나목스 기술, AMX®를 만나 보자.

유레카! ∙∙∙ 아나목스균을 발견하다

모든 위대한 발견과 발명이 모두 위대한 계획 아래 이뤄지는 것은 아니다. 뉴턴의 사과처럼 일상 속 사소하지만 흥미로운 경험과 질문에서 출발하는 경우가 허다하다. “이 반응 중 일부는 아나목스 반응이 아닐까?” 국내 최초 AMX 공정 개발도 이 작은 질문에서 시작됐다. BKT가 운영하는 가축분뇨처리장에서는 여름철이면 높은 수온으로 인한 아질산 축적 현상이 자주 목격됐는데, 분석해 보니 질소 성분 중 일부가 어딘가로 사라지는 현상이 발견됐다. BKT R&D센터는 이 현상이 아나목스 미생물에 의한 효과가 아닐까 하는 의구심을 갖게 되었고, 가축분뇨처리장 10여 곳의 미생물을 분석한 결과 아나목스 미생물의 존재를 확인할 수 있었다. BKT는 즉시 AMX 연구팀을 구성하고 아나목스 활성이 높은 처리장에서 미생물을 회수하여 배양에 들어갔다.

국내에서 아나목스균을 이용한 기술이 전무했던 이유 중 하나는 성장 속도가 더딘 아나목스균의 특징으로 인해 대량 배양이 힘들었기 때문이다. 2015년, 연구팀은 1년여의 끈질긴 연구 끝에 아나목스균 우점화 배양에 성공하고, 균종 분석 결과 Brocadia Sinica균이라는 것을 알아냈다. 타 아나목스균에 비해 성장속도가 빠르고 고농도와 저농도 모든 환경에서 성장률이 뛰어나 세계에서 가장 뛰어난 균주로 학계에 보고되고 있는 종균이었다. 연구팀은 이 종균을 이용한다면 국내에서도 아나목스균의 대량 배양이 가능할 것으로 판단하고 일본 홋카이도 대학의 Okabe 교수로부터 종균 도입을 추진했다. 연구팀의 연구 열정과 BKT의 기술력은 Okabe 교수의 마음을 움직였고, 2015년 11월, 연구팀은 마침내 Brocadia Sinica균을 확보하여 대량 배양에 착수했다.

세계에서 가장 안정적인 아나목스 ∙∙∙ Two-stage AMX®를 개발하다

2019년 3월, 미국 하이페리온 하수처리장에서 소화조 효율 저하로 처리되지 않은 검은 탈리액이 BKT의 파일럿 시설로 유입되고 있다. BKT는 본사 아나목스 전문가인 오태석 팀장을 현장에 급파해 정상화했다.

현재 상용화된 아나목스 기술은 대부분 부분아질산과 아나목스 반응을 단일 반응조(Single-stage)에서 수행한다. 그러나 이러한 단일 반응조 기술은 공식 보고되지는 않았지만 많은 실패 사례들이 전해지고 있다. 혐기성 소화효율 저하에 따른 유기물 유입이나 소화조 후단의 탈수기 성능 저하로 인한 고형물의 유입은 아나목스 반응조에 치명적인 피해를 유발한다. 한 번 충격을 받아 무너진 아나목스 반응조는 정상 가동에 오랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라 이 기간 중 처리되지 못한 폐수는 큰 문제로 남게 되는데, 더 큰 문제는 이런 상황이 매우 빈번하게 발생한다는 점이다.

최근 유럽과 미국 등 AMX를 선도적으로 도입한 국가들은 이에 대한 해결책으로 고형물 농도 저감과 유기물 저해 방지를 위해 단일 반응조 전단에 부상분리나 호기조 등을 보완하고 있다. 그러나 이러한 보완책은 전처리에 소요되는 약품비와 슬러지 처리비용의 급격한 증가를 유발하여 AMX의 강점인 경제성을 훼손하고 있다. 세계 AMX 시장에서 후발주자인 BKT는 Demon, Paques, Veolia 등과는 달리 상대적으로 역사가 짧은 AMX를 성공적으로 시장에 도입하기 위해서는 이단 반응조 개발이 해답이라는 판단 하에 암모니아산화균(AOB)이 자라는 부분아질산 반응조와 아나목스균이 자라는 AMX 반응조를 구분한 이단 반응조(Two-stage) 기술을 개발했다. 이는 높은 SS와 BOD 유입에 의한 위험을 최소화하여 안정적인 운전에 중점을 두기 위한 결정이었다.

부분아질산 반응조는 혐기소화조나 탈수기의 비정상 운영으로 초래된 이슈들로부터 AMX 반응조를 보호하여 별도의 전처리 없이 안정적인 공정 운영을 가능하게 한다. 기존 단일 반응조 기술은 서로 성질이 다른 호기조건의 암모니아산화균과 혐기조건의 아나목스 미생물을 단일 반응조에서 운영하다 보니 공기를 너무 많이 넣어주면 아나목스 미생물의 효율이 떨어지고 너무 적게 넣어주면 암모니아산화균의 효율이 떨어지게 되어 미생물 각각의 최적 효율 달성이 쉽지 않다. 그러나 BKT의 이단 반응조는 전단의 부분아질산 반응조에 충분한 공기를 공급하여 부분아질산화 효율을 극대화하고, AMX 반응조에는 산소를 공급하지 않아 아나목스 효율을 극대화하여 기존 상용화된 아나목스 기술 대비 체류시간(HRT)을 50% 단축시킴으로써 결과적으로 부지를 2배 이상 절감할 수 있다.

국내 유일 대량배양조 운영 ∙∙∙ 아나목스 생태계 구축을 시작하다

2019년 6월, Okabe 교수가 대전하수처리장 내 AMX® 실증시설 및 홍보관을 방문해 둘러보고 있다.

2016년 2월, 20L의 AMX균을 300L 배양조에 재배양한 것을 시작으로 1년 반 동안 300L 2기, 900L 1기, 900L 4기까지 AMX 배양조의 스케일업(Scale-up)을 진행했다. 이와 동시에 Lab에서도 1L 반응기를 시작으로 15L, 50L, 300L 2기, 500L 4기까지 스케일업이 진행됐다. 2018년에는 Pilot과 Lab에서 배양되고 있는 모든 아나목스 미생물을 200m³/d 규모의 대량배양조로 스케일업하고, 2020년에는 유입 펌프 용량만 변경해 400m³/d 규모의 대량배양조로 스케일업해 운영하고 있다. 또한 2018년 말, 부산 강변하수처리장에 70m³/d급 대량배양조를 추가 설치하여 운영했으며, 현재는 대전 위생매립장에서 발생하는 침출수를 처리하는 동시에 아나목스 미생물 배양을 위해 50m³/d급의 대량배양조를 추가 구축하여 침출수에서 AMX 대량배양조를 운영하고 있다.

대량 배양이 처음부터 순탄하게 진행된 것은 아니었다. 2015년 11월, Okabe 교수로부터 도입한 종균 80L 중에서 60L를 부직포에 부착하고 300L 반응기 2기에 나눠 배양을 시작했다. 아나목스균은 무럭무럭 잘 자랐다. 그러나 2016년 2월, 설 연휴를 마치고 돌아온 연구팀에게 청천벽력과도 같은 소식이 전해졌다. 온도에 민감한 아나목스균에게 최적의 온도 조건(30~40℃)을 제공하기 위해 설치한 온도조절기가 오작동을 일으킨 것이었다. 70℃가 넘는 고온에 아나목스 미생물이 하얗게 삶아진 채로 발견됐다.

활성을 모두 잃어버린 아나목스 미생물을 살리기 위한 연구팀의 노력은 모두 허사였다. 그러나 연구팀은 포기하지 않고 남겨 두었던 20L의 종균으로 다시 배양을 시작했다. 당시 현장 확인 차 방문했던 Okabe 교수는 하얗게 변해버린 아나목스균의 모습에 실망감을 감추지 못했다. 연구팀은 같은 실수를 되풀이하지 않기 위해 언제 어디서든 원격제어가 가능한 프로그램을 설치하고 현장 상황을 24시간 실시간으로 모니터링하며 다시 아나목스균 배양에 매진했다. 2019년 6월, 한국을 다시 찾은 Okabe 교수는 대전 AMX 실증시설과 BKT가 운영하고 있는 AMX 적용 현장들을 둘러보고 놀라움을 감추지 못했다. 그는 “이렇게 짧은 시간에 아나목스균 대량 배양에 성공하고 이렇게 다양한 현장을 운영하고 있는 사례는 극히 드물다”면서, “그동안 연구팀이 보여준 열정과 축적된 노하우에 경의를 표한다”고 말했다. 균 배양 노하우 전수와 함께 지속적인 기술 지원 약속도 잊지 않았다. 3년 전 악몽이 깨끗이 사라지는 순간이었다.

아나목스 기술은 혐기소화 탈리액 처리 시 운영비를 절감할 수 있는 획기적인 기술이다. 그러나 관리 미비로 공정 운전이 어려워질 경우에는 아나목스 미생물의 느린 성장 속도 때문에 회복할 수 없는 상황이 발생할 수 있다. 그만큼 AMX 공정의 성공 여부는 종균의 확보와 배양, 유지에 달려 있다고 할 수 있다. 특히 균 사멸과 같은 비상시에는 빠른 균 공급을 통해 정상화가 이뤄져야 하지만 해외 기술을 적용할 경우 균 확보에 많은 시간과 비용이 소요될 수밖에 없다. BKT는 AMX® 기술이 적용된 처리장끼리 아나목스균을 상호보완하고 안정적인 운영을 도모할 수 있는 생태계 구축을 모색하고 있다. 최근 대전 AMX® 실증시설의 처리용량을 200톤/일에서 400톤/일로 증설한 것도 더 많은 양의 아나목스균을 확보함으로써 비상시 원활한 균 공급체계를 갖추기 위한 방안 중 하나였다.

검증된 기술력 ∙∙∙ 환경신기술 인∙검증을 획득하다

2019년 7월, AMX팀이 홍천 친환경에너지타운 내 아나목스 파일럿 시설에서 환경신기술 검증을 위한 현장 평가 및 채수를 위해 현장을 점검하고 있다.

한국환경산업기술원은 환경신기술 인∙검증 제도를 운영하고 있다. 국가에서 환경기술을 평가하여 우수한 기술을 신기술로 인증해 줌으로써 기술 사용자들이 믿고 사용할 수 있도록 하고, 기술 개발자는 개발한 기술을 현장에 신속하게 보급할 수 있도록 해 신기술 개발을 촉진하고 환경산업 육성에도 기여하는 제도다. 따라서 개발된 신기술을 현장에 적용하기 전에 국가에서 직접 평가하여 기술의 신규성, 우수성, 현장 적용성을 인증해주는 환경신기술 인∙검증 획득은 공신력 있는 객관화된 성능 실적을 의미한다.

BKT는 2018년 3월부터 홍천 친환경에너지타운에서 송풍에너지나 외부 탄소원 투입에 부담을 느끼는 지자체를 위해 가축분뇨와 음식물 폐기물 병합소화 이후 폐수 처리에 적용된 BCS를 AMX로 대체하는 테스트를 진행했다. 고농도 유기성 폐기물을 혐기소화 공정에 적용할 경우 많은 양의 바이오가스 생산이 가능하지만 이 과정에서 발생되는 고농도 질소를 제거하는 데 많은 양의 에너지가 소요된다. BKT의 아나목스 기술은 기존 기술에 비해 투입 에너지를 60% 이상 절감할 수 있어 바이오 에너지 생산성을 획기적으로 높인 새로운 차원의 기술이다. 연구팀은 홍천 친환경에너지타운에서 확보한 데이터를 바탕으로 2019년 6월, 환경 신기술 인증에 이어 2020년 12월, 환경 신기술 검증을 획득했다.

BKT의 환경신기술 인∙검증 획득은 전 세계적으로 유일하게 가축분뇨와 음식물 폐기물 병합소화 이후에 발생하는 폐수처리에 적용된 국내 최초의 아나목스 실적이다. 30회의 현장 평가 및 채수를 진행하면서 기존 생물반응조의 스컴이 넘쳐 34℃가 넘는 현장에서 악취와 싸워야 했고, 신기술 인증 신청 직전에 아나목스 반응조 계측기(pH) 오작동으로 아나목스 효율이 떨어지며 대전 AMX 대량배양조에서 배양 중인 아나목스 미생물을 긴급하게 재식종해 안정화 운전을 거쳐 현장 정상화를 진행하기도 했지만 BKT 특유의 책임정신과 국내 유일의 AMX 대량배양조를 통해 난관을 극복했다.

시장 다변화 ∙∙∙ 후발주자에서 선두주자로 나서다

미 서부 최대 하수처리장인 하이페리온 하수처리장에서 Mainstream과 Sidestream에 BKT의 아나목스 기술을 적용하는 파일럿 시설을 운영하고 있다.

아나목스 미생물은 높은 질소 농도, 낮은 유기물 부하, 35℃ 내외의 수온 등 까다로운 조건 하에서 성장한다. 따라서 대부분의 아나목스 적용 실적은 이런 폐수 특성을 가진 하수 Sidestream(소화 슬러지 탈리액)에 집중되어 있다. 그러나 BKT는 하수 Sidestream 외에도 하수 Mainstream, 가축분뇨, 음식물 폐액, 매립지 침출수, 산업폐수 등 다양한 분야에 아나목스 기술을 선도적으로 적용하는 등 비록 세계 AMX 시장에서 후발주자로 출발했지만 기술뿐만 아니라 시장 창출에서도 진정한 리더십을 보여주고 있다.

미국 인디애나 주 대형 목장 B dairy에서는 강화된 가축분뇨 질소 배출기준 충족을 위한 실증 실험을 성공적으로 수행하고 사업화를 위한 논의를 진행하고 있다. 가축분뇨 질소 제거에 AMX를 적용한 것은 BKT가 세계 최초일 것이다. 수도권 매립지와 삼성전자에서도 AMX 테스트를 진행했다. 일 평균 4,600톤의 침출수를 처리해야 하는 세계 최대 매립지인 수도권 매립지공사와는 AMX로 외부 탄소원을 절감하는 공동 연구를 완료했고, 세계 최고의 전자회사인 삼성전자에서는 폐수에서 질소를 제거하는 테스트가 진행 중이다.

하수 Mainstream 분야에서는 최초의 상용 기술개발을 위해 세계적인 AMX 선도기업들과 경쟁하고 있다. 온도에 민감한 아나목스균의 특성상 기후가 온화한 미국 LA에서 BKT 미국 법인이 관련 연구를 수행하고 있다. BKT가 보유한 Two-stage AMX®에 바탕을 두고 미국 JWPCP에 이어 하이페리온 하수처리장에서 LA시 정부 소속 연구자들 및 세계적인 엔지니어링사인 Black & Veatch와 공동연구가 진행 중이다. 하이페리온에서 거둔 연구성과는 ‘WEFTEC 2020’에서 발표되어 주목을 받았다. 하이페리온은 과거 타사와 진행했던 테스트에서 혐기소화조의 높은 온도가 Sidestream의 온도와 TSS, COD 농도를 높여 희석하지 않으면 AMX 처리 효율이 저조했지만, BKT의 종균과 Two-stage AMX®를 적용할 경우에는 희석이 필요 없고 높은 TSS와 COD 농도에서도 처리 효율이 높을 뿐만 아니라 질소부하량도 기존 업계의 부하 농도를 초과하는 것으로 나타났다.

BKT의 아나목스 기술은 장기간에 걸친 아나목스 미생물의 배양과 스케일업 기술을 바탕으로 배양 관련 특허를 포함해 15개의 AMX 공정 관련 특허를 출원했다. 2020년 현재, 11개의 특허 등록을 마치고 3개는 등록 절차만 남겨두고 있어 대부분의 특허가 등록될 정도로 독보적인 기술력을 보유하고 있다. 뿐만 아니라 해외시장 진출을 위해 7건의 PCT 출원을 완료하고 이 중 5건에 대해 미국과 유럽, 중국, 인도 등에서 등록 절차를 진행 중에 있다. 국내 최초의 AMX 상용화 프로젝트인 부산 녹산 슬러지 감량화 사업 중 반류수 처리시설도 곧 시운전에 들어가면 연간 10억의 운영비 절감이 가능해져 BKT의 AMX®는 하수처리장의 에너지 자립도를 높이는 국내 최고의 수처리 기술로 자리잡을 전망이다. 국내 최초를 넘어 세계 최고의 수처리 기술로 자리잡을 때까지 BKT AMX팀의 도전은 계속될 것이다.

AMX® 개발 연혁

2014년

그래뉼 기반 반류수 아질산화/아탈질 실증화 | 2014. 06 - 2016. 10 (환경부 미래유망)

- 처리용량: 100톤/일
- 주관기관 부강테크 / 위탁 명지대학교
- 아질산화 최적 운전조건 도출
2015년

아나목스 미생물 발현 및 배양조건 도출 | 2015. 05 - 2016. 10 (환경부 미래유망)

- 주관기관 부강테크/ 위탁 부산대학교
- 실험실 규모 배양실험
- 가축분뇨 생물반응조로부터 아나목스균 발현

아나목스 미생물 우점화 대량배양 운전 2015. 11 - [현재] (자체운영)

- 2015. 11 - 2016. 03 합성폐수 배양 (300L 반응기 2기 운전)
- 2016. 08 - 2018. 03 실폐수 배양 (900L 반응기 4기 운전 + 500L 반응기 4기
- 2018. 04 - [현재] 대전 대량배양조 설치운전(65톤 반응기 1기 운전)
- 2018. 11 - [현재] 부산 대량배양조 설치 운전(18톤 반응기 2기 운전)
2016년

아질산 그래뉼 형성 운전인자 도출 | 2016. 08 - 2016. 12 (자체연구)

- 처리용량: 10톤/일 (파일럿)
- 에어리프트 반응기 최적 운전조건 도출

반류수 처리를 위한 AMX 공정 평가 | 2016.12 - 2017. 12(자체연구)

- 처리용량: 10톤/일(파일럿)
- AGR + 아나목스 연계 운전 성능평가
2017년

부산 녹산하수처리장 반류수 처리 공법 적용

특허출원 2건 | 2017. 02

미국 가축분뇨 처리 AMX 공정 평가 | 2017. 09 - 2018. 08 (중기청, 해외수요처)

- 처리용량: 5톤/일(파일럿)
- 성능 AGR + 아나목스 연계 운전 성능평가
2018년

매립지 침출수 처리 AMX 평가 | 2018. 01 - 2019 (공동연구/수도권 매립지 관광공사)

- 처리용량: 1톤/일

특허등록 5건

- 제10-1869069호
- 제10-1861099호
- 제10-1830896호
- 제10-1830902호
- 제10-1828296호

고농도 질소처리 AMX 평가 | 2018. 03 - 2020. 12 (홍천 친환경 에너지타운)

- 처리용량: 2.6톤/일
- 성능검증 및 신기술 평가
2019년

특허등록 1건 | 2019

- 제10-1937828호

반도체 폐수 AMX 평가 | 2019.03 - [현재] (삼성전자)

- 실험실 규모 실험

대전시 환경대상 연구개발 부문 수상 | 2019. 06

- 제 23회 대전광역시 환경상 심사위원회

MWT 논문 publish

- 이단 부분아질산/아나목스 공정을 위한 에어리프트 그래뉼 형성 부분아질산조의 최적화 연구

AMX 홍보관 개관 | 2019 - [현재]

- 위치: 대전 AMX 실증시설
2020년

AMX 대량배양조 구축 | 2020. 06 - [현재] (대전위생매립장)

- 처리용량: 50톤/일
- 침출수 대상 AMX 대량 배양

제 14회 대한민국 우수특허 대상 | 2020. 07

- 주최: 한국일보, 수상부문: 환경

특허등록 3건

- 제11-2144118호
- 제11-2111059호
- 제10-2099380호

WEFTEC 2020 발표

Chemosphere 저널 1건 (IF:5.778)

2020 녹색혁신기업 선정 (그린뉴딜 유망기업 100)

- 주최: 환경부, 선정부문: 연구

대한민국 특허기술 1위 | 세종대왕상 수상

- 주최: 특허청

환경신기술 인검증 획득