유레카! ∙∙∙ 아나목스균을 발견하다

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

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.

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

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, 오카베 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 오카베 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 오카베 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 Two-stage AMX® 기술이 적용된 처리장끼리 아나목스균을 상호보완하고 안정적인 운영을 도모할 수 있는 생태계 구축을 모색하고 있다. 최근 대전 Two-stage 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

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

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 Two-stage 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.