▲ 김충환 박사

근래 선진외국에서는 새로운 이미지의 해수자원으로서 해양심층수에 대한 개발 및 이용이 추진되어 관련된 산업활동이 활발히 진행되고 있다.

‘해양심층수’란 태양광이 도달하지 않는 수심 200m 이상의 깊은 바다에 존재하여 수온이 연중 2°C 이하로 안정되어있는 청정한 해수이다. 해양심층수는 그린랜드 근처의 빙하가 녹으면서 밀도가 커진 물이 해저로 가라앉아 대서양, 인도양, 태평양을 순환하는 것으로 알려져 있다.

우리나라의 동해는 표면적이 30만 ㎢에 달하며, 평균 수심 1천500m로 깊은 반면 대양과 연결된 곳은 좁은 그릇 모양의 바다로 북태평양에서 용승한 해양심층수가 유입될 뿐만 아니라 동해 내부에서 순환하는 고유수로서 형성되어 있다.

 

Ⅰ. 해양심층수 특성

해양심층수는 저온안정성, 청정성, 부영양성, 숙성성, 미네랄성 등의 자원적 특성을 갖고 있다. 이러한 해양심층수의 특성은 육상의 청정양식, 고급 음용수 개발, 고부가가치의 신물질추출, 청정에너지 개발, 수산, 유용물질생산, 에너지 회수 등의 여러 분야에 있어서 자원적 가치가 높고 재생순환형이므로 잘 이용하면 고갈의 염려가 없는 깨끗한 대형자원이라 할 수 있다.

▲ 해양심층수의 이용이 기대되어지는 분야는 먹는물과 식품 등의 제조 분야를 비롯해 에너지, 수산, 농업 분야 등으로 다양하다. 사진은 해양심층수 분수시설.

해양심층수는 표층수와 비교하여 영양염물질 특히 식물성장에 필요한 질산염, 인산염 및 규산염 등의 무기영양염물질이 풍부하다. 해양심층수는 원소의 조성비가 생물체의 조성비와 유사하며 지구상에 존재하는 대부분의 원소를 함유하고 있고, 수질을 악화시키는 입상형태 및 용존형태의 가분해성 유기물과 현탁물이 적으며 병원균, 세균류, 유해한 기생충, 부착생물 및 환경호르몬 등의 유해한 인공오염물이 적다.

또 해양심층수는 연중 수온이 표층수에 비해 낮다. 해수로서는 무기화가 진행되고 있고 수질이 물리 화학적 및 미생물학적으로 안정하고 수질의 변동이 적어 안정적이다.


Ⅱ. 해양심층수의 산업성

해양심층수의 자원적 특성은 높은 산업성을 가지며, 새로운 사업의 발굴 외에도 기존산업과의 연계를 고려한 해양심층수의 이용이 기대되어지는 분야는 에너지 분야, 수산분야, 농업분야 그리고 식품 등의 제조분야 등으로 다양하다.

▲ 미국, 일본 등에서는 해양심층수를 이용한 산업이 급성장하고 있다. 사진은 일본의 해양심층수 관련상품들.

에너지 분야에서는, 해양심층수의 저수온을 냉매로 하는 냉난방이나 열원체의 냉각 또는 표층수와의 온도차에 의한 발전 등에 가능성이 있다. 수산분야에서는 부영양, 청정 그리고 이들의 안정한 성질을 배양수로 이용함으로써 조류의 생산이나 유용물질의 생산이 기대된다. 저수온, 청정 등을 사육수로 이용함으로써 냉수성생물, 심해성생물 등을 사육, 생산이 기대되며 여름철의 고온시기나 온해역에도 이들의 사육이나 생산이 가능하게 될 수도 있다.

 

또한 해양심층수를 냉매로 한 기온이나 습도의 조절에 의해 생산물의 출하조정 혹은 저장보전의 가능성도 있다. 인공적인 오염물질이 적고 안전하고 청정한 해양심층수는 담수제조와 수산어획물 등 생선물의 세정수로서도 유망하다. 그 외에도 소금, 발효·제조, 수산가공, 청량음료 등의 여러 식품, 화장품과 위생용품 등의 제품, 그리고 해수온천 등의 건강증진과 피부암치료 등의 의료분야에도 그 이용이 기대된다.

이처럼 해양심층수는 다양한 자원성과 용도를 가지고 있으며 이용연구가 진행함에 따라 그 용도가 넓어질 것은 틀림없다. 이미 수산분야, 식품, 제조, 건강증진 등의 분야에서는 해양심층수의 유용성이 실증되어져 있으며 일부 실용화되고 있다.

1. 해양심층수 산업화 동향
해양심층수에 관련된 연구가 최초로 제안된 사례는 1881년 프랑스의 달슨바르가 심층수의 냉열을 이용해서 표층수와의 온도차에 의한 발전에 관한 연구로 비교적 오래 전부터 수행되었었다. 반면, 해양심층수를 자원으로 파악하여 이용하려고 하는 생각은 비교적 근래의 일이며 1970년 미국의 젤라드와 로엘은 양식, 발전, 담수생산 등에 해양심층수의 자원적 가치를 활용하고자 했다.

그래서 로엘은 1972년, 카리브해에 있는 버진제도의 센트크로이섬에서 수심 870m의 심층수를 육상으로 퍼 올리는 인공용승실험장치를 건설하고 이후 식물플랑크톤, 조류 등의 생육배양에의 심층수의 유효성을 실해역에서 실증했다. 1980년대 이후에 와서 미국, 일본 등에서 해양심층수를 온도차발전, 농업, 수산업, 식품, 의약품 등에 이용기술의 개발과 함께 관련산업이 급속히 성장되었다.

①미국=  미국의 경우, 하와이주에서 하와이주립 자연에너지연구소(NELH, Natural Energy Laboratory of Hawaii)가 주축이 되어 해양온도차발전, 농업, 양식어업분야에서 연구 및 실용화가 되고 있다. 하와이주정부는 1981년에 NELH에 심도 583m로부터 6천㎥의 해양심층수를 육상으로 취수하는 내경 30.5cm의 경질폴리에틸렌제의 취수관을 부설하였다.

1984년에 하와이주정부는 하와이 해양과학기술공원(Hawaii Ocean Science & Technology park, HOSTpark라 명칭)계획에 착수했다. HOSTpark는 기업이 NELH에 축적한 성과를 살려서 사업전개가 되도록 해양심층수와 토지 등을 유상으로 제공하여, 기업화를 지원하기 위한 과학기술지원단지이다.

 NELH는 1990년에 하와이 자연에너지연구기구(Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority, NELHA라 칭함)라는 새로운 조직을 겸비하여 해양온도차발전연구를 중심으로 민간기관의 활력을 도입하여 해양심층수의 다목적이용을 추진하고 있다. 현재 NELHA는 해양심층수의 취수규모로는 최대의 시설을 가진 기관으로 해양심층수의 취수관은 현재 9개(그 중 7개는 가동정지)를 정비하고 있고, 수심 600∼700m의 해양심층수가 1일 약 9만㎥이 양수될 수 있는 시설을 갖추게 되었다.

2001년 9월에 내경 140㎝의 경질폴리에틸렌관을 사용한 터널방식에 의해 취수시설이 완성되었다. 이 취수시설이 본격적으로 가동되면 추가로 수심 914m의 해양심층수를 1일 약 15만㎥ 양수할 수 있게 된다.

더욱이, 해양심층수를 이용한 새우, 전복 등의 수산양식, 미세조류 배양에 의한 유용물질의 생산분야, 건강식품 등의 분야에서는 1999년의 시점에서 이미 13개 기업이 사업화에 성공하고 있고 130명 이상 고용되어 연간 약 200억 원 이상의 경제효과를 얻었다. 이후, NELHA는 수산양식, 바이오기술 분야 등의 벤처기업과 연계해서 에너지 관련연구와 해양심층수이용의 사업화를 추진하고 있다.

②일본=  일본에서의 심층수 이용연구는 1976년 해양과학기술센터에서 개시하여 기술개발을 위한 기초 자료가 수집되었고 1984년에 육상형, 해상형 등의 심층수 이용기술의 개념검토가 이루어졌다. 이것을 받아들여 1986년부터 과학기술진흥조정비(과학기술청)주관으로 「해양심층자원의 유효이용기술개발에 관한 연구」가 5개년 계획으로 개시되었다.

이러한 연구프로그램에는 주로 수산 분야에의 심층수 유효성의 실증을 목적으로 연구개발이 진행되어져 1989년에 육상형의 심층수 취수장치가 해양과학기술센터에 의해 개발되어 건설되었으며 고치현에 의해 연구지원시설이 정비되었고, 일본 최초의 심층수 이용실험시설인 해양심층수연구소가 고치현 무로토시에 완성되었다.

고치현 해양심층수연구소에서는 심층수의 자원적 유효성의 실증과 그 실용화를 목적으로, 산·학·관이 연계한 수산, 유용물질생산, 담수생산, 에너지회수 등의 다 분야에 걸친 기초와 응용연구를 수행하고 있다. 고치현 해양심층수연구소의 심층수 취수장치는 내경 12.5㎝, 길이 2천650㎝의 경질폴리에틸렌제의 취수관으로 수심 320m부터 1일 460㎥의 해양심층수 및 표층수를 연속적으로 공급할 수 있다.

더욱이 1994년 3월에 완성한 동일 규모의 심층수취수관(수심 344m)이 일본 해양과학기술센터와 고치현의 공동연구프로그램에 의해 건설되어 취수량은 심층수와 표층수 모두 배로 증가되었다. 또 취수한 심층수와 표층수의 수질, 시설내의 가동상황 등을 집중 관리하는 모니터링 장치, 표층수와 심층수의 온도차를 이용한 저 에너지형의 수온제어장치(종래형에 비해 30∼50%의 저에너지가 가능)가 개발되고 있다.

고치현의 경우 2000년 기준으로 1일 평균 4천 톤(㎥)을 취수하고 있으며, 지자체 및 민간기관에 의해 60종류 이상의 다양한 상품들이 개발되어 74개 기업이 약 2천500억 원의 매출실적을 올린 것으로 나타났다.

 

▲ 먹는해양심층수 제조장치-RO장치.

해양심층수는 이미 앞서 언급한 바와 같이 식품업, 수산업, 농업, 의료, 생활용품(미용, 건강)등의 산업 분야에 적용되고 있으나 사용되는 원수의 수질에는 차이가 있다. 일반적으로 수산업, 농업분야에는 취수원수를 별도의 처리 없이 원수를 사용하나, 식품, 의료, 생활용품의 원료 또는 첨가물로 사용하기 위해서는 성분의 조정(수질조정) 또는 처리(성분조정은 없음)하여 사용한다.

특히 원수를 사용하는 경우에는 원수 중에 포함된 탁질 성분을 제거하고, 수질조정의 경우에는 염분의 농축 또는 경도성분의 분리, 농축이 주요 대상이다. 적용되는 기술은 일반적으로 수처리에 널리 사용되고 있는 기술로서 청정한 원수를 얻기 위해 탁도 성분 및 소독을 위한 막여과, 모래여과기술, 자외선소독기술, 성분의 조정을 위한 역삼투 및 나노여과기술, 전기투석기술 등이다.

또한 먹는해양심층수(「해양심층수의 개발 및 관리에 관한 법률(안)」)는 수질기준(TDS, 경도, 보론)에 따라 차이는 있으나 나노여과, 역삼투법 및 전기투석, 증발법(증발농축)을 조합한 기술을 적용하여 제조한다.

수질조정에는 청정원수, 염수, 미네랄염수, 미네랄수, 담수 등으로 공정으로는 역삼투법, 나노법 및 전기투석법이 사용되고 최종 생산수에 대해서는 자외선소독을 실시한다. 본 처리공법은 일본에서 해양심층수 관련 제품을 생산하기 위해 사용되고 있는 공법으로써, 우리나라의 경우는 「해양심층수 개발 및 관리에 관한 법률(안)」이 제정 중으로, 제정 후에 하부 시행령으로 시설기준을 정할 예정이다. 청정원수는 원수를 자외선 소독하거나 모래 또는 정밀여과막을 하여 사용하여 탁도를 제거한 것이다.

전기투석공정으로 처리하여 경도성분(Ca2+, Mg2+)이 제거된 염분성분(NaCl)이 풍부하게 포함된 것이 염수, 경도성분이 풍부하게 포함된 것이 미네랄수이다. 또한 역삼투 처리하여 경도 및 염분이 제거된 담수와 염분 및 경도가 농축된 미네랄염수가 얻어진다. 나노여과공정은 막의 종류에 따라 수질이 다양하여 황산이온 및 염분이 선택적으로 제거되고 경도성분이 농축된 미네랄수를 얻을 수 있다.

 

1. 막여과기술(NF/RO)
나노여과막은 저압으로 운전 가능한 역삼투막으로써 일반해수담수화의 경우에 10∼15kgf/㎠로 운전할 수 있으나, 해양심층수를 이용한 해수담수화의 경우에 20∼30kgf/㎠로 운전하였다. 더욱이 막 표면의 재질상의 특징으로 하전을 가지므로 입자의 하전성 및 막과의 친화성과 긴밀한 관계를 나타내며, 이온의 종류에 따라서 특징 있는 분리특성을 나타낸다.

원수에 고농도의 Cl-, Na+, K+의 1가 이온성분과 Ca2+, Mg2+, SO42-의 2가 이온성분이 존재한다고 한다. 나노여과의 원리상, Na+, K+, Cl-등과 같은 1가 이온성분은 통과시키면서, Ca2+, Mg2+등의 2가 이온성분은 농축시키게 되며 공존하고 있던 Si, Mn, Sr 등도 높은 제거율을 나타낸다. 그러므로 농축수에는 2가 이온성분인 Ca2+, Mg2+성분이 1가 이온성분인 Cl-, Na+, K+ 에 비해 높은 농도로 회수되며, 나노여과에 의한 여과수에서는 반대로 2가 이온성분에 비해 1가 이온성분이 비교적 높게 된다.

나노여과막을 심층수의 수질조정기술에 사용함에 있어서는 경도성분의 분리에 적용이 유리한 기술로 사료되며, 향후 본 연구에서는 나노여과법에 의한 수질조정에 있어서 적절한 분리와 목표 수질을 얻기 위한 적합한 운전조건을 설정 및 유지 관리 방안을 제시하는 것이 필요하다.

역삼투법에서는 물은 통과시키면서 염은 통과하기 어려운 반투과성막을 통해 삼투압이상의 압력을 가하여 각종 염을 분리한다. 일반적인 해수담수화 기술로 사용되어져 왔으며 보통 운전 압력은 나노여과막보다는 높은 운전압력인 45∼100kgf/㎠로 운전된다. 역삼투법에서는 대부분의 용존 입자들이 분리되어 여과수에서의 이온성분의 농도는 극히 줄어들며, 농축수에서 이온 성분들이 대부분 농축되어진다.

이는 나노여과에 비해서 고압으로 운전되어지는 운전 특성에서부터 얻어지는 결과이기도 하며 역삼투막 자체의 재질이나 Skin Layer의 구성의 차이로부터 투과현상이 다르게 나타나기 때문이기도 하다. 역삼투막의 경우 고농도의 염분 및 경도 성분의 회수가 가능하며 이와 동시에 미량으로 함유되어 있던 금속성분들도 함께 제거된다.

 

▲ 전기투석장치.

역삼투막으로 처리했을 때는 총이온농도의 감소율에 비례하여 Mg 농도가 감소한다. 그러나 전기투석막에서는 이온성분 중 1가 이온이 먼저 제거되며, 대부분의 1가 이온이 제거되면 그 후 Mg 이온이 제거되는 경향을 보였다. 일반적인 해수담수화에 역삼투막을 사용할 경우 가장 많은 성분인 Na와 Cl외에도 경도성분인 Ca, Mg 등이 Na와 Cl의 제거율에 비례해서 같은 비율로 제거된다.

전기투석조에서 한번 통과에 의해 얻어지는 염제거율은 일반적으로 30∼50% 정도이다. 공정의 설계에서 필요한 염제거율은 원수수질 및 처리수의 용도에 따라 개별적으로 결정되지만 염제거율을 결정하는 운전방식은 회분식, 내부순환 다단연속식 및 한방향통과 다단연속식 등이 있다.

일반적으로 원수의 염분농도가 수만 ppm(㎎/L)이상에서 높은 염제거율이 필요할 때는 회분식, 농도에 관계없이 낮은 염분제거율을 요구할 때는 한방향 통과 다단연속식의 사용이 가능하다.

 

1. 해양수산부(한국해양연구원)
우리나라의 해양심층수 개발사업은 해양수산부가 2000년 기획연구를 통해 추진계획을 수립하고, 2001년 7월에 발표한 ‘해양심층수 개발사업 추진계획’에 따라 강원도 고성군 죽왕면 오호리 4천 평 부지에 해양심층수연구센터를 조성하고 2010년까지 총 사업비 300억 원을 들여 해양심층수 연구개발 및 실용화촉진을 도모하고 있다.

 

▲ 강원도 고성군에 있는 해양연구원 해양심층수연구센터.

더욱이 해양수산부에서는 안전하고 깨끗한 천연자원인 해양심층수의 종합적·체계적인 개발 및 실용화를 위한 제도적 장치를 마련하여 새롭고 다양한 관련 산업의 창출을 통한 부가가치의 증진과 국민의 삶의 질을 향상시키는 한편, 해양심층수의 난개발 방지 및 지속가능한 이용이 확보될 수 있는 자원관리 및 해양환경보전 등에 필요한 제반 기준을 정립하기 위해서 「해양심층수의 개발 및 관리에 관한 법률제정(안)」을 2004년 9월에 입법예고(해양수산부공고 제2004-118호)하여 관계기관, 단체 또는 개인의 의견을 수렴하였다.

입법예고안은 심층수의 규정, 개발권리, 용수권, 취수용량에 대한 규정뿐만 아니라 심층수로부터 개발된 음용심층수, 관련제품 등에 관한 기준과 규격도 규정하여 수원부터 생산, 판매까지 일체적으로 종합 관리하는 법안으로 제시되었다.

2. 한국수자원공사
한국수자원공사는 해양심층수 연구개발사업의 참여의 일환으로 2004년부터 2010년까지 한국해양연구원과 해양심층수의 수자원화 공동연구를 위한 투자약정 및 해양수자원의 개발·이용을 위한 연구협력 약정(MOU)을 맺었다. 투자약정내용으로는 한국수자원공사가 20억 원을 연구개발비로 투자한다.

 

▲ 한국수자원공사와 강릉시는 지난 1월 10일 강릉시청에서 해양심층수 개발을 위한 협약서를 체결, 본격 개발에 착수했다.

양 기관은 해양심층수의 해수담수화에 의한 ‘수돗물 및 음용심층수’ 이용에 대한 연구개발을 공동으로 강원도 고성에 2005년 건립예정인 해양심층수공동연구센터에서 수행한다. 해양심층수공동연구센터는 해양심층수 실용화를 위한 연구개발 기반 및 지원체계 구축을 목적으로 한국해양연구원의 주관으로 부지 2천200평, 건평 770평에 연구개발동, 산업특성화 실험동, 수산특성화 실험동, 전시홍보관 등으로 조성될 예정이며 해양심층수 최대 1천 ㎥/일을 취수할 수 있게 된다.

기반조성비로는 총 80억 원이 소요되며 한국수자원공사가 20억 원을 투자하고 연구실 2실(총 34㎡, 연구실 및 다용도실), 실험실 2실(총 88㎡, 간이분석실/기기실 및 플랜트실) 및 해양심층수 원수 60㎥/일의 무상제공을 투자지분으로 확보하게 된다.

특히, 해양수자원의 개발·이용을 위한 연구협력 약정(MOU)에서는 해양심층수의 다목적 개발, 해저용출수의 개발 및 이용, 자연에너지를 이용한 해수담수화, 기타 해양수자원의 지속가능한 개발 및 이용을 위한 연구개발을 추진하게 된다.

 

해양심층수는 청정하고 고품격의 해수자원으로써 미국, 일본에서는 이미 연구개발 및 산업화가 활발히 진행되어지고 있으며, 국내에서도 해양수산부를 중심으로 한국해양연구원 및 한국수자원공사가 연구개발에 주력하고 있다.

더욱이 해양심층수의 이용방안 및 경제성에 있어서는 해양심층수의 원수취수대금을 비롯해서 기능성 생수, 기능성 소금, 냉방 및 냉장, 어패류양식 등에 상당한 경제적 이득이 발생할 것으로 추산되며 산업 활성화가 촉망된다.

그러므로 해양심층수 자원을 이용하여 물 부족 현상의 완화와 국민에게 청정하고 유익한 신규수자원의 제공이 기대되며, 이를 위해서는 해양수자원의 개발 및 그 특성을 고려한 해수담수화와 공급관리 체계화 등에 대한 효율적인 연구개발이 절실히 필요하다.