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[미국] 두 가지 문제를 해결하는 폐수에서 유래한 조류
 미국 라이스 대학(Rice University) 소속의 과학자들은 도시 폐수(municipal wastewater)를 조류 기반의 바이오연료(algae-based biofuel)의 원료로 이용하는 가능성을 처음으로 조사한 연구에서, 오일이 풍부한 고부가 가치의 조류 가계를 쉽게 재배하는 한편, 폐수로부터 질산염(nitrate)의 90%, 인(phosphorous)의 50% 이상 제거할 수 있다는 것을 확인했다.
휴스턴 폐수 처리장에서 5개월에 걸쳐 수행된 연구에서 얻은 결과는 Algae 저널에서 온라인으로 확인할 수 있으며, 해당 논문의 제목은 “낮은 조류 다양성 시스템이 개방형 반응기에 주입된 폐수에서 바이오디젤 생산을 위하여 유망한 방안이 될 수 있다(Low algal diversity systems are a promising method for biodiesel production in wastewater fed open reactors)”이다.
바이오연료는 5년 전 농업 분야에서 이슈가 되었지만, 조류 산업이 더 고부가가치이며, 더 적은 용량의 제품을 생산하는 약학, 영양 보충제, 화장품 및 다른 제품을 생산하는 방향으로 이동했기 때문에 관심이 식었다고 이 논문의 주저자인 Meenakshi Bhattacharjee는 밝혔다. 고부가 제품으로의 이동은 조류 배양 산업을 단단하게 만들었지만, 제조사들은 화학 비료에 과도하게 의존하게 되었다. 나아가 제조사들이 만약 고부가가치의 친환경 석유 대체물과 연료를 생산하는 방향으로 진보하고자 한다면, 제조사들은 지속 가능한 문제를 해결해야만 한다.
Bhattacharjee는 이윤을 억제하고, 비료에 대한 식품 제조업자와의 경쟁 관계에 전락시키기 때문에, 화학 비료(chemical fertilizer)에 대한 조류 산업의 의존성이 2배로 증가했다고 밝혔다. 2012년 국립 연구 위원회(National Research Council)는 현재 기술을 이용하여, 미국 수송 연료 필요량의 5%를 충족하기 위하여 조류 바이오연료의 생산의 규모 확대는 에너지, 물 및 영양분 자원 등에 대한 비지속 가능한 수요를 창출할 수 있다고 보고했다.
또 2012년 보고서는 가능한 방안으로 폐수 기반의 경작이 조류 생산을 지속 가능하게 만들 수 있다고 지적했다. 부가적으로 이것은 미국 수로에서 과도한 질소와 인으로 야기되는 영양분 오염(nutrient pollution)을 발생시키는 환경 문제를 해결할 가능성이 있다. 질소와 인은 화학 비료의 두 가지 주요 구성 원소이며, 이러한 영양분 오염의 확산은 미국 내에서 고가의 비용을 유발하는 환경 문제로 부상하고 있다.
폐수 처리장은 현재 처리된 폐수에서 다량의 질산염 또는 인을 제거하는 비용 효과적인 수단을 보유하고 있지 못하고, 따라서 폐수를 이용한 조류 생산은 한 번에 두 가지 문제를 해결할 수 있는 가능성이 있다고 이 연구의 공동 저자인 Evan Siemann, Harry C 및 Olga K. Wiess 교수 등은 밝혔다.
이러한 아이디어는 개방형 탱크(open tank)에서, 단일 배양(monoculture)을 채용할 수 있는가에 달려 있다.
Siemann은 라이스 대학 연구가 Houston Department of Public Works and Engineering의 참여로 가능했다고 말했다. 연구팀은 2013년 7월 폐수 처리장에 12개의 상단이 개방된 600갤런 탱크를 배치했다. 탱크는 하수에서 부유 고체를 제거하는 식물의 정화기로 폐수를 여과하여 주입됐다.
다양한 형태의 조류가 각각의 탱크에서 테스트됐다. 일부는 오일이 풍부한 조류 가계의 단일 배양이 이루어졌으며, 다른 탱크는 휴스턴 내 하천으로부터 얻어진 지역적인 조류 가계 일부를 포함하여 혼합된 배양이 이루어졌다. 일부 탱크는 조류를 먹는 동물성 플랑크톤의 포식자인 어류가 투입됐다.
이전 연구는 조류 종의 다양한 집합이 개방형 탱크에서 더 우수한 수행력을 나타낼 수 있으며, 어류가 조류를 섭취하는 동물성 플랑크톤이 생산량에 부정적으로 영향을 끼치는 것을 방지한다고 제안했다고 Siemann은 밝혔다.
연구진은 12개의 탱크 모두에서 조류의 성장을 기록했다고 그는 밝혔다. 연구진의 결과는 어류가 없는 단일 배양과 교차 오염(cross-contamination)이 없는 사례가 최적의 성능을 보여주었기 때문에, 조류 제조자에게 매우 고무적인 것이라고 Siemann은 밝혔다.
Bhattacharjee는 폐수 기반의 조류 배양(algaculture)이 비용 효과적이며 어떤 환경에서 수행되어야 하는가를 결정하기 위하여 더 많은 연구가 필요하다고 밝혔다. 예를 들면, 라이스 대학 연구에서 조류는 이전에 캔자스 폐수 처리장에서 대규모로 수행된 연구보다 인을 제거하는데 4배 더 효과적이었다. 그녀는 휴스턴에서 이루어진 테스트가 여름과 가을에 수행되어 탱크가 캔자스에서 수행된 테스트의 탱크보다 평균적으로 약 30도로 더 따뜻했기 때문이라고 밝혔다.
폐수를 이용하는 것은 조류 배양을 지속 가능하게 만드는 최적의 방안 중 하나이다. 만약 온도가 핵심이라면, 배양은 동남과 서남 지역에서 더 경제적이 될 것이라고 Bhattacharjee는 밝혔다. 그녀는 질소와 인의 출발 수준과 같은 다른 요인이 속도를 제한하는 효과를 유발할 수 있다고 지적했다. 이것은 미래 연구가 공정을 최적화하기 위하여 해결할 필요가 있는 의문이라고 그녀는 밝혔다.
Siemann은 조류 배양을 위하여 폐수의 이용에 대한 추가적인 조사를 수행하는 미래 연구를 위하여 휴스턴 시와 협력하기를 바란다고 밝혔다.
폐수로부터 과도한 영양분을 제거하는 혁신적이며 지속 가능한 접근을 개발하는 한편, 조류 기반의 바이오연료를 제조하는데 협력할 수 있어서 기쁘다고 Houston Department of Public Works and Engineering 소속의 Carol La Breche는 밝혔다.
그림1> 조류 기반의 바이오연료를 위한 원료로 도시 폐수를 이용하는 가능성을 조사하기 위한 테스트.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 4월 8일]
[원문보기]
Algae from wastewater solves two problems
In one of the first studies to examine the potential for using municipal wastewater as a feedstock for algae-based biofuels, Rice University scientists found they could easily grow high-value strains of oil-rich algae while simultaneously removing more than 90 percent of nitrates and more than 50 percent of phosphorous from wastewater.
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The findings, which are based on a five-month study at a wastewater treatment facility in Houston, are available online in the journal Algae.
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"Biofuels were the hot topic in algaculture five years ago, but interest cooled as the algae industry moved toward producing higher-value, lower-volume products for pharmaceuticals, nutritional supplements, cosmetics and other products," said study lead author Meenakshi Bhattacharjee, a 28-year veteran of algal research who joined Rice's biosciences faculty in June. "The move to high-value products has allowed the algaculture industry to become firmly established, but producers remain heavily dependent on chemical fertilizers. Moving forward, they must address sustainability if they are to progress toward producing higher-volume products, 'green' petrochemical substitutes and fuels."
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Bhattacharjee said the algae industry's reliance on chemical fertilizers is a double whammy for algae producers because it both reduces profit margins and puts them in competition with food producers for fertilizers. A 2012 National Research Council report found that "with current technologies, scaling up production of algal biofuels to meet even 5 percent of U.S. transportation fuel needs could create unsustainable demands for energy, water and nutrient resources."
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The 2012 report also pointed to wastewater-based cultivation as a potential way to make algae production sustainable. An added appeal is that the method could potentially address a looming environmental problem: nutrient pollution in U.S. waterways. According to the Environmental Protection Agency, nutrient pollution from excess nitrogen and phosphorous -- the two primary components of chemical fertilizers -- is "one of America's most widespread, costly and challenging environmental problems."
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Wastewater treatment facilities currently have no cost-effective means of removing large volumes of nitrates or phosphorous from treated water, so algae production with wastewater has the potential of solving two problems at once, said study co-author Evan Siemann, Rice's Harry C. and Olga K. Wiess Professor of BioSciences.
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"The idea has been on the books for quite a while, but there are questions, including whether it can be done in open tanks and whether it will be adaptable for monoculture -- a preferred process where producers grow one algal strain that's optimized to yield particular products," he said. "We were surprised at how little had been done to test these questions. There are a number of laboratory studies, but we found only one previous large-scale study, which was conducted at a wastewater facility in Kansas."
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Siemann said the Rice study was made possible by the participation of the Houston Department of Public Works and Engineering, which helped Rice's research team set up a test involving 12 open-topped 600-gallon tanks at one of the city's satellite wastewater treatment plants in July 2013. The tanks were fed with filtered wastewater from the plant's clarifiers, which remove suspended solids from sewage. Various formulations of algae were tested in each tank. Some were monocultures of oil-rich algal strains and others contained mixed cultures, including some with local algal strains from Houston bayous. Some tanks contained fish that preyed upon algae-eating zooplankton.
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"Prior research had suggested that diverse assemblages of algal species might perform better in open tanks and that fish might keep algae-eating zooplankton from adversely affecting yields," Siemann said.
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"We recorded prolific algal growth in all 12 tanks," he said. "Our results are likely to be very encouraging to algae producers because the case they would prefer -- monocultures with no fish and no cross-contamination -- was the case where we saw optimal performance."
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Bhattacharjee said more research is needed to determine whether wastewater-based algaculture will be cost-effective and under what circumstances. For instance, the algae in the Rice study was four times more effective at removing phosphorous than were the algae in the Kansas study. She said that could be because the Houston test was performed in summer and fall, and the tanks were about 30 degrees warmer on average than the tanks in Kansas.
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"Using wastewater would be one of the best solutions to make algaculture sustainable," she said. "If temperature is key, then cultivation may be more economical in the Southeast and Southwest." She noted that other factors, like starting levels of nitrogen and phosphorous, might have caused a rate-limiting effect. "These are the kinds of questions future studies would need to address to optimize this process and make it more attractive for investors," she said.
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Siemann said he hopes to partner with the city for future studies to further investigate the use of wastewater for algaculture.
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| "We are excited to be collaborating with Rice to develop innovative, sustainable approaches that remove excess nutrients from wastewater while producing algae-based biofuels, all to the benefit of Houston's bayous," said Carol La Breche, supervising engineering of wastewater operations at the Beltway Lab of the Houston Department of Public Works and Engineering.
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