폐수에서 전기를 생산하는 혁신적 성과                         
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-08-16
 

미국 오레곤 주립대학(OSU; Oregon State University) 공학자들은 미래 폐수 처리장이 자체적으로 동력을 생산할 뿐 아니라, 여분의 전기를 판매하게 될 기원을 연 폐수(wastewater)에서 직접 전기를 생산할 수 있는 미생물 연료 전지(microbial fuel cell) 수행력에서 혁신적인 성과를 이루었다.

 

OSU 연구진이 개발한 새로운 기술은 기존의 대부분의 미생물 연료 전지를 이용한 다른 접근 방법보다 부피당 10~50배 더 많은 전기를 생산할 수 있으며, 일부 방안보다는 100배 이상 더 많은 전기를 생산할 수 있다.

 

 연구진은 이 방법이 실제적으로 거의 1세기 동안 전 세계적으로 광범위하게 이용되고 있는 활성 오니(activated sludge) 공정을 대체할 수 있는 방안으로 폐수를 처리하는 방법에 변화를 줄 수 있을 것이라고 밝혔다. 새로운 접근 방법은 폐수를 효과적으로 정화하는 동시에 상당한 양의 전기를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

 

연구 결과는 미국 국립과학재단(NFS; National Science Foundation)이 지원하는 전문 저널인 Energy and Environmental Science에 발표됐다.

 

만약 이 기술이 연구진이 믿는 것처럼 상업적 규모의 방안으로 작동된다면, 폐수의 처리는 엄청난 에너지 비용을 소모하는 대신 거대한 에너지 생산자가 될 것이라고 OSU 생물 및 생태 공학부(Department of Biological and Ecological Engineering) 소속의 조교수인 Hong Liu는 밝혔다. 이 방법은 전 세계에 영향을 끼칠 수 있으며, 상당한 비용을 절감하면서 보다 더 우수한 폐수 처리뿐 아니라 에너지 지속 가능성을 독려할 수 있을 것이다.

 

전문가들은 미국과 다른 선진국에서 소비되는 전기 에너지의 약 3%가 폐수를 처리하는 데 사용되고 있는 것으로 추정하며, 전기의 대다수는 전 세계 온난화에 기여하는 화석 연료에 의해 생산된다. 그러나 만약 이러한 가능성이 충분히 이용된다면, 폐수의 생물 분해가 가능한 특성은 이론적으로 부가적인 온실가스를 추가하지 않고 현재 사용되고 있는 에너지의 몇 배를 제공할 수 있을 것이다.

 

OSU 연구진은 이러한 기술의 전망을 몇 년 전 보고했지만, 당시 사용된 시스템은 훨씬 더 적은 전기 에너지를 생산했다. 미생물과 새로운 분리기 재료가 관여하는 양극-음극 공간(anode-cathode spacing)을 축소시키는 새로운 개념을 이용하며, 이 기술은 액체 반응기 부피의 제곱미터당 약 2킬로와트 이상의 에너지를 생산할 수 있다. 이러한 동력 밀도의 양은 미생물 연료 전지로 처리하는 어떤 것보다 더 큰 양이다.

 

또 이 시스템은 메탄을 생성시키는 혐기성 소화(anaerobic digestion)를 기반으로 하는 폐수로부터 전기를 생성시키는 대체 방안 이상으로 우수한 작동이 가능하다. 이 시스템은 보다 더 효과적으로 폐수를 처리하고, 원하지 않는 황화수소(hydrogen sulfide) 또는 잠재적 온실가스인 메탄의 가능한 배출 등과 같은 환경 측면의 단점이 없는 기술이다.

 

OSU 시스템은 현재 실험실에서 상당한 규모로 입증됐다고 Liu는 밝혔다. 다음 단계는 시범 연구가 될 것이다. 연구진은 이러한 테스트를 지원할 기금을 찾고 있는 중이다. 초기에 테스트를 수행할 우수한 대상자는 상당한 양의 전기를 제공할 수 있는 특정 폐수의 유형을 지속적으로 공급해주는 용기로 구성된 시스템을 갖춘 식품을 처리하는 공정이 될 수 있다.

 

지속적인 연구를 통하여 요구되는 미생물의 최적의 사용을 규명하고, 재료비용을 낮추며 상용 규모로 기술의 기능을 개선할 수 있을 것이라고 OSU 과학자들은 밝혔다.

 

일단 이루어진 혁신적 진보는 높은 초기 비용을 낮출 수 있다. 연구진은 이러한 새로운 기술의 자본 구축 비용이 현재 널리 이용되고 있는 활성 오니 시스템의 비용에 상응하는 것으로 추정하고 있으며, 심지어 여분의 전기를 판매한다고 할 때 더 저렴할 수 있다고 밝혔다.

 

이러한 기술은 과거에 사용되던 혐기성 박테리아와는 매우 다른 접근 방식으로 폐수를 정화시킨다. 박테리아는 유기물을 산화시키고, 이러한 공정에서 연료 전지 내에서 양극에서 음극으로 이동하는 전자를 생성시켜 전류가 생산된다. 폐수뿐 아니라 밀짚과 동물 폐기물에서 와인, 맥주 또는 낙농 산업 등과 같은 운영에서 발생하는 부산물에 이르기까지 거의 모든 유기 폐기물 재료가 이 기술을 이용하여 전기를 생산할 수 있다.

 

또 이러한 접근의 경우 전기 접근이 제한적이며, 폐수처리장이 멀리 떨어져 있어 어렵거나 불가능한 개발도상국에 특별한 가치가 있다. 전기를 생산하기 위한 미생물의 능력은 수십 년 동안 확인됐지만, 최근에서야 상업적으로 이용하기 충분한 정도의 전기 생산을 가능하게 하는 기술적 진보가 이루어졌다.

 

그림1> 미생물 연료 전지를 이용하여 폐수에서 전기를 생성시키기 위하여 개선된 방안을 발견한 오레곤 주립대학 공학자인 Hong Liu