하수 속 암모니아, 유용한 자원으로 '탈바꿈'

한국건설기술연구원, 선택적 흡착소재 개발

하수 내 암모니아 자원화 공정 개념도. 건설연 제공

하수 속 암모니아를 선택적으로 제거해 유용한 자원으로 활용하는 기술이 개발됐다. 암모니아 회수 과정에서 질소가스를 대기로 배출하는 기존 기술과 달리 물리적으로 암모니아를 하수로부터 분리해 회수하고 자원화해 온실가스 배출 저감에도 기여할 것으로 보인다. 

한국건설기술연구원은 강성원 환경연구본부 연구원 연구팀이 다양한 오염물질들이 존재하는 하수에서 손쉽게 암모니아를 선택적으로 제거해 활용할 수 있는 흡착소재를 개발했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ’케미컬 엔지니어링 저널‘ 2월호에 게재됐다. 

하수 속 암모니아는 대표적인 오염물질로 깨끗하게 정화하지 않으면 하천의 부영양화(녹조)를 일으키고 하수처리장에서 악취를 발생시킨다. 토양 산성화를 일으키거나 미세먼지의 원인이 되기도 한다. 

하수 내 질소 성분은 하수처리시설을 통해 암모니아로 전환한 후 질산화와 탈질 공정을 거쳐 처리하고 있으나 처리과정에서 많은 에너지와 자원이 투입된다는 문제가 있다. 2019년 기준 국내 하수처리시설에서 사용되는 전력 사용량은 3650기가와트시(GWh)로 국내에서 공급된 총 전력량인 52만499GWh의 0.7%에 해당한다. 이 중 30% 이상의 전력이 암모니아를 포함한 수중 질소를 제거하기 위해 사용된다.

암모니아는 비료나 요소수 생산에 사용되는 등 다양한 산업 활동에 필요한 유용한 자원으로 생산량이 지속적으로 증가하고 있으나 국내에서 소비되는 암모니아는 전량을 수입에 의존하고 있다. 하수 내에 있는 암모니아를 제거하지 않고 회수해 사용할 수 있다면 하수 처리와 암모니아 생산에 사용되는 에너지를 획기적으로 줄일 수 있으며 궁극적으로는 탄소배출 저감효과도 기대할 수 있다. 

연구팀은 제작과정이 단순하고 대량생산이 가능한 암모니아 흡착소재 개발에 성공했다. 개발한 흡착제는 다양한 오염물질이 혼재하는 조건에서도 암모니아 선택성이 높고 암모니아 흡착효율도 다른 흡착제보다 월등히 높다. 흡착된 암모니아는 간단한 재생과정을 통해 하수로부터 분리가 가능해 고농도 암모니아수를 회수할 수 있다. 흡착제는 결합구조가 단단해 반영구적으로 사용할 수 있는 장점도 있다.

개발된 흡착제는 이온 교환을 위한 매개체 역할을 하는 '이온교환수지'에 암모니아를 선택적으로 흡착하는 '나노물질(CuHCF)'이 화학적으로 결합된 복합체다. 1~2mm 입자로 이뤄져 있어 수처리에 활용할 수 있으며 방사성 세슘 흡착용 소재 개발 과정에서 도출된 나노복합체 합성 원천기술을 토대로 개발됐다. 

김병석 건설연 원장은 “기존 하수처리시설은 전력이 많이 소모되고 온실가스가 많이 배출돼 탄소중립적 관점에서 개선의 여지가 컸다"며 "개발한 흡착제가 하수처리장에 상용화돼 보급되면 전력소비량과 온실가스 배출량을 획기적으로 저감할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

[윤영혜 기자 yyh@donga.com]