미국 오리건 주립대학(Oregon State University College, OSU) 공학부의 연구원들은 하수 처리수를 농작물 관개(irrigate)와 비료를 동시에 주는 제품으로 전환하는 기술을 개발하고 있다.

이 대학 환경공학부의 쉐진(Xue Jin) 조교수가 이끄는 연구팀이 3년간에 진행될 이 프로젝트는 미국 농무부(United States Department of Agriculture, USDA)로부터 75만 달러(9억 7천만 원)의 자금을 지원 받으며 농민, 하수처리장 및 미 농무부 과학자들과의 파트너십을 맺을 계획이다.

쉐진(Xue Jin) 조교수는 “이용 가능한 모든 담수의 70%를 농업이 차지한다”라면서 “전 세계적으로 식량 생산에 대한 수요는 인구와 함께 계속해서 증가하고 있다지만, 가뭄이 빈번해지고 심각해짐에 따라 농업 관개를 위한 안전한 재생수(reclaimed water)를 제공하는 효과적인 처리 기술이 절실히 필요하다”고 강조했다.

이 프로젝트는 또한 제한된 천연자원을 소비하고 상당한 환경적 영향을 미치는 광업 및 제조공정에 의해 생산되는 화학비료에 대한 의존도를 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 비료가 농경지에 살포된 후에 더 많은 영향이 발생한다.

쉐진(Xue Jin) 조교수는“비료 유출은 지표수의 주요 오염원으로 이로 인해 식수원을 오염시키고 하류에 더 해로운 생태계 영향을 미치는 녹조가 번성하게 된다”고 말했다.

연구원들은 혐기성 소화기(anaerobic digester)에서 나오는 탁한 액체(murky liquid)를 처리하기 위해 2단계 하이브리드 막 여과 기술(hybrid membrane filtration technology)을 개발하고 있다. 혐기성 소화기는 수처리 장과 일부 대규모 농장에서 사용되는 생물반응기(bioreactor)의 일종이다. 소화기는 산소가 없을 때 유기물을 분해하기 위해 박테리아에 의존한다.

첫 번째 단계에서, 전하를 띤 막은 암모늄(NH4), 인(P), 칼륨(K)과 같은 이온을 끌어당겨 비료가 풍부한 소금물로 농축한다. 2단계에서는 정삼투막(forward-osmosis membrane)이 박테리아와 같은 오염물질을 제거하고 박테리아가 없는 물을 소금물과 재결합하여 작물에 적용할 수 있는 영양 강화 용액을 생성한다.

이번 연구의 핵심 참가자인 캉 응옥 트란(Quang Ngoc Tran) 대학원생은 “실험실 규모의 실험에서 우리는 80%의 물을 회수할 수 있었다”라면서 “최적의 작동 조건으로 기술을 확장하면 그 수는 훨씬 더 늘어날 수 있다. 산출물은 기본적으로 순수한 물이며 식물의 영양분인 용해된 소금이 약간 포함되어 있다”고 말했다.

오리건 주립대학(OSU)의 환경공학부 부교수인 탈라 나바브-다네쉬만드(Tala Navab-Daneshmand)와 오리건주 코르발리스(Corvallis)에 있는 미 농무부(USDA) 농업연구서비스(Agricultural Research Service)의 데이비드 브라일라(David Bryla) 연구원예가는 식물 성장에 처리된 물의 효과와 결과 작물의 생물 안전성을 모두 평가하기 위해 온실 연구를 수행하고 있다.

이 연구팀은 또한 경제적 타당성 조사를 수행할 계획이다. 쉐진(Xue Jin) 조교수는 “이 기술이 그들만의 혐기성 소화기를 운영하는 농장이나 심지어 도시 하수처리장 근처에 위치한 첨단 수직농장(high-tech vertical farms)에 직접 배치될 가능성이 있다”고 말했다. 수직농법은 땅만 이용하는 것이 아니라 겹겹이 쌓아 농작물을 키우는 것을 말한다.

“우리는 여러 가지 잠재적인 사용 사례 시나리오를 검토하고 있다”고 쉐진(Xue Jin) 조교수는 말한다.

그녀는 “이 기술의 재정적 영향은 이 기술이 널리 채택되는지 여부에 대한 핵심 고려사항이 될 것이다. 목표는 농업을 환경적으로 뿐만 아니라 경제적으로도 더 지속가능하게 만드는 것이다. 만약 우리가 농작물 생산비용을 효과적으로 줄일 수 있는 저렴한 시스템을 개발할 수 있다면, 그것은 농부들에게 매우 매력적일 수 있다”고 역설했다.

오리건 주립대학(OSU)의 공과대학은 인공지능, 로봇 공학, 첨단 제조, 깨끗한 물과 에너지, 재료 과학, 컴퓨팅, 탄력적인 인프라 및 건강 관련 엔지니어링 분야의 글로벌 리더이다. 미국에서 가장 크고 생산적인 공학 프로그램 중에서 이 대학은 미국의 다른 어떤 기관보다 컴퓨터 공학학사 학위를 더 많이 수여하고 있다. 

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Oregon State researchers developing technology to make wastewater usable for irrigation

CORVALLIS, Ore. - Researchers in the Oregon State University College of Engineering are developing technology to convert wastewater into a product that would simultaneously irrigate and fertilize crops.

The three-year project led by Xue Jin, assistant professor of environmental engineering, will be supported by $750,000 in funding from the U.S. Department of Agriculture and will involve partnerships with farmers, wastewater treatment plants and USDA scientists.

“Agricultural activity accounts for 70% of all available freshwater,” Jin said. “Worldwide, demand for food production continues to grow along with the population. As droughts become more frequent and severe, there is a critical need for effective treatment technologies that provide safe reclaimed water for agricultural irrigation.”

The project also aims to reduce reliance on chemical fertilizers, which are produced by mining and manufacturing processes that consume limited natural resources and create significant environmental impacts. Further impacts occur after fertilizers are applied to fields.

“Fertilizer runoff is a major source of pollution for surface water,” Jin said. “This results in algal blooms that contaminate drinking water sources and produce further harmful ecological effects downstream.”

The researchers are developing a two-stage, hybrid membrane filtration technology to treat the murky liquid discharge from anaerobic digesters, a type of bioreactor used in water treatment plants and on some larger farms. The digesters rely on bacteria to break down organic matter in the absence of oxygen.

In the first stage, an electrically charged membrane attracts ions such as ammonium, phosphorus and potassium and concentrates them into a fertilizer-rich brine. In the second stage, a forward-osmosis membrane removes contaminants such as bacteria, and the bacteria-free water is then recombined with the brine to produce a nutrient-enhanced solution that can be applied to crops.

“In laboratory-scale testing, we were able to recover 80% of the water,” said Quang Ngoc Tran, a graduate student who has been a key participant in the research. “When the technology is scaled up with optimal operating conditions, that number could go even higher. The output is basically pure water, with a little bit of dissolved salts that are the plant nutrients.”

Tala Navab-Daneshmand, an associate professor of environmental engineering at Oregon State, and David Bryla, a research horticulturist with the USDA Agricultural Research Service in Corvallis, will conduct greenhouse studies to evaluate both the effectiveness of the treated water in plant growth and the biosafety of the resulting crops.

The team will also perform economic feasibility studies. Jin says the technology could potentially be deployed directly on farms that operate their own anaerobic digesters, or even on high-tech vertical farms situated adjacent to municipal treatment plants. Vertical farming refers to growing crops in stacked layers rather than just using the ground.

“We are examining multiple prospective use-case scenarios,” Jin said. “The fiscal impacts of this technology will prove to be a key consideration in whether it becomes widely adopted. The goal is to make agriculture more sustainable not just environmentally but economically as well. If we can develop an affordable system that will effectively reduce the costs of crop production, that could be very attractive to farmers.”

About the OSU College of Engineering: The college is a global leader in artificial intelligence, robotics, advanced manufacturing, clean water and energy, materials science, computing, resilient infrastructure and health-related engineering. Among the nation’s largest and most productive engineering programs, the college awards more bachelor’s degrees in computer science than any other institution in the United States. The college ranks second nationally among land grant universities, and fifth among the nation’s 94 public R1 universities, for percentage of tenured or tenure-track engineering faculty who are women.

[출처=오리건주립대학(OSU)(Oregon State researchers developing technology to make wastewater usable for irrigation | Oregon State University) / 2023년 7월 14일]

[번역 = 배철민 편집국장]