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한국지하수지열협회·바이오밴코리아㈜

‘환경미생물을 이용한 하천·

저수지 정화·녹조관리’ 적극 나서

하천·저수지 관리와 제어대책 수립, 미래 지하수 관리에 있어 시급한 과제 공동 인식

해마다 여름철이 되면 하천과 강에서 녹조발생이 연례화 되고 있어 상수원을 위협하고 있다.

급기야 환경부는 국내 주요 연구기관들의 고유 특성에 따라 분야별로 추진되고 있는 녹조 연구개발(R&D)의 시너지 효과를 높이기 위해 지난해 12월 20일 서울 팔래스호텔에서 환경부, 한국과학기술연구원, 한국농어촌공사, 한국생명공학연구원, 한국수자원공사, 국립환경과학원, 한국환경산업기술원 등과 함께 ‘녹조R&D 협의체 구성에 관한 MOU’를 체결했다.

최근 바이오밴코리아㈜는 ‘환경미생물을 이용한 하천·저수지 정화 및 녹조류 관리기술’을 개발했다. 이 기술은 저수지, 하천, 늪, 용수로의 생물학적 치유를 효과적으로 이룰 수 있는 기술로, 천연의 환경 미생물과 효소의 농축 혼합물을 현장 물과 혼합 후 미생물 유도기를 거치게 한 다음 기계적 방법으로 수면 위나 하천의 상류에 살포하면 T-N(총질소), T-P(총인), COD(화학적산소요구량), BOD(생물화학적산소요구량), SS(부유물질), NH3-N(암모니아성 질소)를 60% 이상 낮출 수 있고, 오염된 침적토양도 정화하여 지하수 오염을 막을 수 있다.

이에 한국지하수지열협회(www.kogga.or.kr·회장 안근묵)와 바이오밴코리아(주)(대표이사 김준홍)은 하천 및 저수지의 관리와 제어대책 수립은 미래 지하수 관리에 있어 시급한 과제임을 인식, ‘환경미생물 이용한 녹조류 관리기술’을 활용하여 지하수 수질개선에 힘쓰기로 했다. 이 기술을 소개한다.  [편집자 주]

지구환경을 생태학적 측면에서 볼 때, 자연상태에서 각각의 환경요인은 독립적으로 작용하지 않고 서로 상호작용과 보완적으로 그 영향을 생물체에 미치게 된다. 즉, 환경요인들의 복잡한 상호작용으로 환경요인이 생물체에 미치는 영향은 상승효과(synergism)를 주기도하고, 상쇄효과(antagonism)를 주기도 한다. 이러한 관계 속에 생물체는 환경의 영향을 받기도 하지만 환경을 변화시키고 영향을 미치는 역할을 하기도 한다.

환경에 대한 관심이 증가하면서 환경 미생물의 중요성도 크게 부각되고 있다. 환경 미생물은 환경 전반에 적용되는 미생물을 총칭하는 것으로 산업 발전에 따른 오염 물질의 처리에 있어 응용 범위가 매우 크다. 지구상의 다양한 환경에는 100만종 이상의 다양한 미생물들이 서로 균형을 유지하며 편리공생 또는 상조공생을 하기도 하지만 공격적인 관계를 가지고 살아가기도 한다. 이것들은 대기, 수중, 토양환경에서 미생물들과 상호작용뿐 아니라 동식물 사이에서도 상호작용하고 있다. 특히, 자연계의 주요 자원인 탄소, 질소, 황, 인의 순환에 밀접한 관계를 가지고 있으며, 중요한 역할을 담당하고 있다. 환경미생물은 응용미생물 중의 하나이다([표 1] 참조).
 

질소는 미생물과 식물이 가장 많이 요구하는 무기 영양분이고, 세포 구성 원소 중 4번째로 많은 원소로 세포중량의 약 12%를 차지하며, 질소 순환은 크게 미생물에 의한 질소 고정, 암모늄 산화, 질산염 환원, 암모니아화 반응 및 암모늄 동화과정을 거친다. 용해도가 큰 암모늄염, 아질산염, 질산염과 같은 무기염은 생태계에 희석된 수용액 상태로 널리 분포하고 있으며, 특히, 암모늄과 아질산염은 수중 녹조류의 먹이로 이용되어, 녹조류 번식에 큰 기여를 하고 있다([표 2] 참조).

인은 중성이나 알칼리 상태에서 2가금속(Ca2+, Mg2+)과 철(Fe3+)이온에 의한 침전 경향 때문에 제한적이다. 인산염(PO43-) 저장소는 해양과 생태계의 퇴적토이며, 저장량이 크고 매우 천천히 순환되는 특징이 있다. 인은 모든 생체의 필수 원소이며, 생물계에서 가장 풍부한 인의 형태는 인산염이다.

세포 내 인(P)이 가장 많이 존재하는 곳은 핵산, ATP 분자, 세포막의 주요 성분인 인지질 등인데 미생물에 의한 순환계에서 인의 산화도는 변하지 않고, 무기인산염에서 유기인산염으로 또는 불용성의 고정된 형태에서 용해성이나 유동성 화합물로 미생물에 의해 전환된다([표 2] 참조).

광합성 : CO2 + 2H2O → (CH2O) + O2 + H2O
호  흡 : CH2O + O2  → CO2 + H2O

CO2는 낮에는 산소를 배출하여 미생물과 공생관계를 갖기도 하지만, 밤에는 용존 산소를 소모하여 수중 동물에게 악영향을 끼치기도 한다.

적조 예방 위해 부영양화 최소화 우선

■ 환경미생물에 의한 정화전략 오니 침적현상(sludge accumulation phenomenon)은 공업단지의 산업폐수나 생활폐수, 축산폐수, 화학비료와 농약 등의 화학물질이 포함되어 하천이나 저수지, 바다 등에 부정적 영향을 준다. 특히, 유기·화학오염원들은 하천과 저수지의 생태계 파괴는 물론이며, 쓰레기들이 바닥에 쌓이기 시작하면서 나쁜 냄새까지 동반하게 된다.

오염층의 증가로 자정능력을 상실하게 될 경우 비록 물이 선처리(pre-cleand) 되었을 지라도 그 하천이나 저수지는 상당기간 자정능력을 회복 할 수 없게 된다. 그러므로 하천이나 저수지를 처리하는데 있어서 중요한 문제는 수질을 개선하기 이전에 하상의 유기성 슬러지(organic sludge)층을 완전히 치유하지 않으면 악취나 녹조 발생으로부터 자유스러울 수 없다. 따라서 하천이나 저수지, 바다의 적조를 예방할 수 있는 조건은 하천의 자정능력을 회복시켜 T-N(총질소), T-P(총인)의 유입 농도(부영양화)를 최소화시키는 작업이 선결되어야 한다.

농경지에서 흘러 들어오는 물은 매우 높은 양의 화학비료, 살충제와 동물들의 배설물을 포함하고 있다. 높은 COD 저감 효율을 얻기 위해서는 더욱 많은 산소를 필요로 한다. 이것은 물에 서식하는 동식물에 의한 것과 견줄 수 있다. 이런 모든 작용들은 더러워진 저수지의 생태계를 더욱 나쁘게 만들며, 동식물에 의한 자연적인 정화작업을 방해한다. 결국 그 저수지는 하나의 시궁창으로 변하게 된다.

이런 저수지를 정화할 때 쓰는 화학 물품과 장비들의 비용은 너무 비싸다. 저수지 밑에 있는 쓰레기들을 퍼내고 말려 다른 곳으로 버려야 하는 작업이 필요하다. 이런 방법은 큰 공사를 필요로 할 뿐만 아니라, 저수지 밑에 있는 쓰레기를 치우는 것뿐이지 근본적인 원인을 제거하지는 못한다. 산화제나 응집제를 물에 분무하는 것 같은 정화 방법은 짧은 기간 동안에만 효과를 볼 뿐이며 저수지의 생태계를 파괴할 위험성도 매우 높다. 그리고 산화제와 응집제를 쓰는 것을 중단한다면 곧 저수지는 더 이상 효과를 보지 못하고 더러워질 것이다. 
  
미생물 작용으로 생성된 물, 농업용수로 적합

Bio-Remediation은 생물학적인 방법으로 저수지 생태계를 본래의 모습으로 돌아가게 해준다. 현미경으로 관찰할 수 있는 미세한 세계에서, 미생물들은 농약과 화약 비료들, 생활하수, 축산 폐수 등으로 잔존한 유기화합물들을 유기·산화·환원 반응을 일으켜 오염 농도를 저감시키며, 저수지의 화학물질과 고분자 유기물질들을 성공적으로 정화시키기 위해서는 혐기성(anaerobic), 호기성(aerobic) 및 통성혐기성(facultative anaerobic)의 복합미생물이 필요하다.

이 기술 연구에서 저수지, 하천, 늪, 용수로의 생물학적 치유를 효과적으로 이룰 수 있는 방법은 천연의 환경 미생물과 효소의 농축 혼합물을 현장 물과 혼합 후, 미생물 성장 중 유도기를 거치게 한 다음 기계적 방법으로 수면 위나 하천의 상류에 살포하는 것이다. 하상 바닥에 아교질처럼 단단하게 붙어 있는 침적 유기성 슬러지 층에 침투하여, 유기 합성물을 분해하기 시작해 변화된 강이나 저수지의 바닥 층은 미생물의 분해로 푸석푸석해져서 부력에 의해 수면 위에 부상하게 된다.

준설을 하지 않고 생물학적 처리가 진행되면 저수지 바닥에 단단하게 아교질처럼 달라붙은 슬러지가 혐기성 미생물의 침투에 의해 유기물을 분해하여 푸석푸석하게 하고 깨뜨려서 강바닥으로부터 떨어져 나오게 하여 수면으로 부상시킨다. 즉, 오니의 산화와 탄화(carbonization)가 촉진되면서 일어나는 현상이다([그림 1] 참조).

미생물을 이용한 전환 과정 동안 하상의 수표 면에 떠오른 오니는 고형의 찌꺼기로 전환되는데 이러한 물질은 주로 섬유질이나 탄화물질, 토양 등의 혼합물로 이루어져 있다. 미생물에 의한 신속한 산화 전환과정 동안 대부분의 오니는 탄화되어 어두운 색깔로 변한다([그림 1] 일월 저수지 참조).

미생물의 작용으로 생성된 물은 많은 양의 유기효소를 포함하고 있는데 이러한 물은 농업용수로 적합하다. 추가적으로 토양의 생물학적 구조를 개선하여 생산성을 증가시키게 된다. 즉, 유기농법에 적합한 물로 사용할 수 있게 되며, 병충해로부터 예방의 효과를 거두게 되는 장점이 있다. 

환경미생물을 이용한 녹조류 관리기술 개발

■ 환경미생물을 이용한 연구 사례 환경 미생물(Environ-ment microbes)은 크게 혐기성, 호기성, 통성혐기성균으로 나뉜다. 오래된 하천이나 저수지의 경우 바닥 층이 심하게 오염된 경우엔 혐기성 미생물과 통성혐기성 미생물의 작용이 절실하게 필요하다.

이때 유기물을 섭취하기 위하여 혐기성 미생물은 산소가 없는 ‘Organic Sludge층’으로 파고들어 유기물을 섭취하게 된다. 특히, Bacilli는 호흡기질로서 화학종속 영양체이고 유기탄소를 탄소원으로 이용하여 유기·산화·환원반응을 에너지원으로 이용하는 미생물이다. B. licheniformis는 강력한 탈질소 세균으로 질산의 존재하에서는 비 발효성 유기질을 이용하여 혐기적으로 증식 할 수 있는 유일한 미생물이다.

바이오밴코리아㈜에서 연구 개발된 특허(제10-1238626호)는 혐기, 호기, 통성혐기, 저온성, 중온성 미생물을 오염된 하천과 저수지, 바다 물에 잘 적용 될 수 있도록 혼합하여 만들어진 복합 미생물 제제이며 T-N, T-P, SS, NO2, NO3, NH4-N, Oily Soil 등과 난분해성 오염물질을 효율적으로 저감시킬 수 있는 기능을 가지고 있으며, 다양한 방법의 실증을 거치며 일어난 현상을 통해 확정된 기술이다. 특히, 지속성(본 기술에 의한 하상 토양이 정화되어 자정능력을 갖게 된 후)이 뛰어나며, 지구환경의 생태학적 균형을 이뤄낼 수 있으며, 어떠한 경우라도 지구환경 생태계의 교란을 일으키지 않는다. 

지류에서의 수질 악화, 4대강 녹조발생 원인 

4대강에서 녹조류가 많이 발생함은 지류에서 흘러 들어온 수질 악화가 그 원인임을 부인할 수 없다. 우리나라 소하천 및 저수지의 수질은 농토에서 들어오는 비점오염원과 축산폐수, 생활하수, 산업폐수 등이 부유물질과 엉켜 하상에 슬러지가 쌓이면서 대기온도가 상승하게 되면 하상퇴적물 층에서 CO2, NH3-N가 용출되어 생물학적 반응에서 나타난 NH3-N, NO2가 조류의 먹이로 작용하기 때문이다([표 2], [그림 2] 왕송 저수지 참조).

원생생물계인 녹조류의 화학 분자식은 C5H8O2N이다. 즉, 녹조의 체적 속에 질소가 다른 원소와 비율이 1:15가 되며, 이론적으로 녹조(원생생물계)는 질소를 더 필요로 하는 원핵 생물계(박테리아)와 먹이 경쟁에서 열세에 있다. 원핵생물계인 박테리아의 화학 분자식은 C5H7O2N이다. 즉, 체적 속에 질소가 다른 원소와 비율이 1:14이다.

따라서 근소한 차이로 박테리아가 녹조보다 번식 속도가 빠르고, 질소를 더 필요로 하며, 먹이 경쟁에서 녹조는 박테리아의 관계에서 먹이사슬이 잘려 탄화된다. 먹이사슬이 잘리게 되면 녹조와 플랑크톤의 사체가 탄화되어 수면위에 부상한다([그림 2] 남성제 참조).

곰팡이류(균계)의 화학 분자식은 C10H17O6N이다. 곰팡이 종류의 균계는 다른 원소와 비율이 1:33이다. 즉, 녹조류보다도 질소를 흡수하는 먹이사슬 경쟁에서 열세에 있다는 증거이다. 특히, 혐기성균이 아닌 미생물은 오염된 하천과 저수지에서 산소가 없는 토양의 자정능력을 높이는 데는 한계가 있다. 즉, 녹조류 제거와 토양 자정능력을 높이는데 경제성과 효율적인 면에서 많이 뒤떨어진다.

환경 미생물과 조류는 호흡기질이 거의 같다. 그러므로 먹이사슬 경쟁에서 열세에 몰리면 어느 한쪽은 성장이 멈추게 된다. 앞서 밝힌 바와 같이 조류는 박테리아보다 질소 함량 체적이 약간 작다. 따라서 먹이경쟁에서 박테리아는 조류보다 우세한 경쟁자이다.

환경 미생물은 그 기질이 N, P, K와 각종 미네랄, 효소들이다. 오염된 저수지나 하천의 바닥층에는 많은 양의 유기물질이 쌓여있다. 이것들은 풍부한 미생물의 먹이이다. 미생물들은 이것들을 섭취하여 자라고 번식하는 것이다. 대기 온도가 상승하게 되면 저수지 전체에서 동시에 용출되는 NH3-N, NO2, NO3, CO2가 급속도로 증가한다.

그와 비례하여 녹조 역시 번식한다. 부영양화를 단절하지 않는 한 매년 발생한 녹조와 적조는 더욱 심해질 것이다. 즉 저수지나, 하천의 침적 토양에서 용출되는 NH3-N, NO2, CO2를 잡아내지 않고 녹조를 잡는다는 것은 수질관리 차원에서 논리에 맞지 않는다.

응집제를 사용하여 녹조를 잡는 방법은 전기적 방법으로 해결하는 것이다. 양전기를 띠고 있는 부유물질과 조류는 음전하를 띤 물질을 투입하게 되면 1시간 내에 응집되어 바닥에 가라앉아 물이 맑아진다. 그러나 침적 토양에서 용출되는 암모니아와 이산화탄소에 의해 며칠이 못가서 다시 녹조가 발생하게 되며, 바닥에 가라앉은 녹조의 사체를 건져내지 못하면 유기질 층을 한층 높이는 결과를 초래하게 되고, 오히려 오염을 가중시키게 될 것이다. 이는 황토 사용을 반대하는 이유 중 하나이다.

따라서 응집제 사용은 근본 치유 방법이 아니며, 준설하지 않고 하상에 누적된 유기성 슬러지(organic sludge)층을 제거하는 길은 강력한 혐기성, 통성혐기성 및 호기성 미생물이 복합적으로 작용할 수 있도록 유도하는 것이다. 또한, 생물학적 수질개선 방법은 하상 토양의 자정능력을 높여주므로 조류 발생을 근본적으로 치유할 수 있는 대책이며, 현재 국내·외 수질개선을 위한 동원된 기술을 볼 때 수질개선과 토양을 동시에 처리할 수 있는 방법으로는 바이오밴코리아㈜의 기술이 유일하며, 가장 경제적이고 효율적이라 할 수 있다. 

유입수·관계수로 동시에 개선시키는 효과

■ 현장적용 방법 및 기대효과 이 기술은 저수지, 하천, 늪, 용수로의 생물학적 치유를 효과적으로 이룰 수 있는 방법론으로서 천연의 환경 미생물과 효소의 농축 혼합물을 현장 물과 혼합 후 미생물 유도기를 거치게 한 다음 기계적 방법으로 수면 위나 하천의 상류에 살포하면 된다. 저수지의 경우 유입하천 상류에 기계장치를 해주면 유입수와 관계수로를 동시에 개선시키는 효과를 얻을 수 있다.

기술적용 효과로서는 흐르는 하천에서 T-N(총질소), T-P(총인), COD, BOD, SS(부유물질), NH3-N를 60% 이상 낮출 수 있다. 또한 오염된 침적토양의 정화, 생태계의 균형으로 물고기 떼죽음 사건이 발생하지 않는다. 미생물 분해 작용으로 인한 결과로서 유기물이 풍부한 농업용수로 활용이 용이해지며, 녹조 발생억제와 악취제거, 수생 생태계의 균형 유지 및 회복이 이루어진다([그림 3] 군포시 안양천).

[『워터저널』 2014.2월호에 게재]