국내 하수관거 유래 온실가스 잠재량 산정 및 저감 기술에 대한 리뷰
The Estimation of Domestic Greenhouse Gas Potential from Sewer Pipeline and the Review on Reducing Technologies
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Abstract
최근 가속화되고 있는 지구온난화 및 기후재난은 단기적인 온실가스 배출 저감에 대한 중요성을 부각시키고 있다. 이에 따라 기존의 100년 주기 GWP(Global warming potential, GWP100)뿐만 아니라 20년 주기의 GWP (GWP20) 적용의 필요성이 제시되고 있으며, 타 온실가스 대비 짧은 수명을 지닌 메탄 배출 억제의 중요도가 높아지고 있다. 하수관거는 혐기성 조건하에 생물학적 기작을 통해 메탄이 배출될 수 있는 곳으로서, IPCC에서도 그 중요성에 대해 언급한 바 있다. 하지만, 데이터의 부재 등의 이유로 현재 공식적인 배출원으로 인정되고 있지 않으며, 국내에서 현재까지 관련 연구는 전무하다. 본 연구에서는 먼저 다양한 인자를 고려 시 국내 하수관거에서 배출될 수 있는 메탄 잠재량을 산정해보았다. 하수 내 유기물 농도, 유기물 분해율에 따라 GWP100 고려 시 메탄 배출 잠재량은 3.2백만-13.4백만 ton CO2 eq./yr로 계산되었으며, GWP20을 적용하게 되면 그 양은 3배가 증가해 최대 40.2백만 ton CO2 eq./yr가 배출될 수 있는 것으로 확인되었다. 이 양은 현재 국내 공식적인 메탄 배출량(2019년 기준 27.8백만 ton CO2 eq.)을 초과하는 양으로서 하수관거 내 메탄 배출량 저감의 필요성을 시사한다. 이어서 기존에 연구되었던 온실가스 저감기술들을 크게 화학적, 물리적 저감 방법으로 나누어 각각의 기술을 소개하고, 장단점을 분석 후, 보완점을 제시해보았다. 본 연구는 하수관거 유래 온실가스 배출에 대한 국내 최초의 연구로서, 향후 하수관거 유래 세부적인 온실가스 배출량 산정 및 국가 탄소중립 달성에 크게 이바지할 수 있을 것으로 판단된다.
Trans Abstract
The recent accelerating global warming and its consequent disasters call for the immediate greenhouse gas (GHG) reduction. In this regard, the time has arrived to consider applying global warming potential (GWP) value of 20 years’ time-scale rather than 100 years’ one, and the importance of reducing methane emissions has rapidly increased due to its short life span. Sewer pipeline is the source of emitting methane through biological anaerobic conversion. However, it is not recognized as the official source from IPCC due to lack of data and investigation. In Korea, to our knowledge, there has been no study on GHG emissions from sewer pipeline. In the present work, at first, the amount of methane potential from domestic sewer pipeline was calculated considering various parameters. Depending on the organic concentration of sewage and its degradation rate, the potential amount ranged 3.2-13.4 m ton CO2 eq./yr, when GWP100 value was considered. By using GWP20, this amount could reach up to 40.2 m ton CO2 eq./yr, which exceeds the current total domestic methane emissions (27.8 m ton CO2 eq./yr in 2019). The calculation results clearly tells the importance of developing technologies for reducing GHG from sewer pipeline. Later on, the former technologies were largely divided into chemical and physical methods, and reviewed by each. In addition, the limitation of current technologies were mentioned with addressing future works. In Korea, this is the first study regarding on GHG from sewer pipeline, which will be used for estimating the exact amount and establishing carbon neutrality.
1. 서 론
2021년 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 총회에서는 산업화 이전(1850-1900) 대비 지구의 평균 온도 상승 폭이 1.5℃에 도달할 시점을 2040년 이전으로 전망하였으며, 이 시점은 불과 3년 전 예측하였던 것 대비 10년 이상을 앞당긴 것이다[1,2]. 이는 지구온난화 진행 정도의 심각성을 의미하며, 현재 전 세계적으로 가뭄, 홍수, 산불 등의 기후 재난 현상이 기하급수적으로 늘어나고 있다. 이에 대한 해결을 위해 우리나라를 포함한 대부분의 유럽 국가들과 중국, 일본 등 주요국에서 “탄소중립” 목표를 선언하였고, 미국에서도 향후 파리협정에 재가입하고, 2050년까지 탄소 배출 “0”을 목표로 내세웠다. 하지만, 지구온난화에 따른 피해가 급증하고 있는 상황에서, 좀 더 단기간에 온도상승 억제 효과 달성을 위한 방안 제시가 중요한 시점이다.
전체 온실가스 배출량의 약 17.3%를 차지하고 있는 메탄(CH4)은 주로 농축산업, 폐기물 처리 산업에서 유래되는 것으로 알려져 있으며 대기 중 메탄 농도는 최근 10년간 지속적으로 증가하고 있다[3]. 한편, 메탄은 대기 중 평균수명이 약 12년으로 수백년에 달하는 이산화탄소(CO2)대비 매우 짧은 수명을 지니고 있다. 이에 따라 메탄 배출 관리는 타 온실가스에 비해 대기 중 온실가스 농도 저감, 나아가 단기간의 지구온난화 현상 완화에 가장 효과적인 방법 중 하나로 거론되고 있다[4]. 이러한 이유로 2021년 11월 제26차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP26)에서는 단기적인 기온 상승을 억제하고자 온실가스 중 처음으로 메탄에 대해 별도로 2030년까지 30%의 감축한다는 ‘국제메탄서약’을 발표한 바 있다[5].
올바른 메탄 배출 관리를 위해서는 현황 파악이 선행되어야 하며, 2019년 IPCC 개정안에서는 현재의 메탄 배출량 및 온실효과가 적게 산정되고 있음을 지적하고 있다[6]. 온실가스 배출량 산정 시 현재 GWP(Global warming potential, 지구온난화지수)100값을 이용하고 있으나, 이는 단기적인 관점에서 온실효과의 영향이 간과되고 있다고 한다. 특히 짧은 대기 수명을 가진 메탄의 GWP100은 28로 산정하고 있지만, GWP20 적용 시 84로 그 영향이 약 3배 증가한다. 이에 따라 단기적인 측면에서 메탄의 배출 비중은 더욱 증가할 수 있고, 이러한 전환이 시급한 시점으로 인식되고 있다[7-9]. 또한, 더욱 정확한 메탄 배출량 산정을 위해서는 현재까지 고려되지 않은 새로운 메탄 배출원의 발견도 중요한 부분이 될 수 있다. 현재 IPCC에서는 메탄 배출원을 크게 가축사육, 농사 등을 포함한 농업 분야와 가스, 석탄, 기름 등의 에너지 분야 및 폐기물 분야로 구분하고 있다. 그러나 하수처리 분야 중 하나인 하수관거는 IPCC에서도 메탄 배출원으로 고려해야함을 인지하고 있지만, 온실가스 배출량 산정 기준 및 데이터 부재로 메탄 배출량 산정은 공식적으로 이뤄지지 않고 있다.
하수관거는 대부분 맨홀 및 틈새 주변을 제외하고는 제한적인 공기 유입 및 순환으로 인해 혐기성 조건을 형성하고 있다. 이에 따라 “메탄”은 하수관거에서 발생되는 주요 온실가스로 보고되고 있으며, 생물학적 반응에 의해 생성된다[10]. 메탄은 주로 하수 내 유기물이 하수관거에 서식하는 혐기성 미생물인 메탄생성균(Methanogenic Archaea, MA)의 활동에 의해 분해되어 생성되는 것으로 알려져 있어 하수 내 유기물량과 하수관거에서의 유기물 분해율이 메탄 배출량에 영향을 끼친다. 또한, 미생물은 생존력을 향상시키고 외부로부터 자신들을 보호하기 위해 끈적끈적한 세포 외 고분자 물질(Extracellular Polymeric Substance, EPS)을 형성하여 하수관 벽면에 바이오필름 형성을 통해 서식한다. 이를 바탕으로 많은 연구진은 하수관거가 더이상 하수의 이동통로 역할만이 아닌 하나의 큰 바이오리액터, 특히 혐기성 반응기로 인식해야 한다고 주장하고 있다[11,12]. 하수관거 내의 유기물 분해는 하수처리장 오염 부하 저감에는 도움이 될 수 있지만, 그 과정 중에 배출되는 메탄의 발생량이 상당하다면 이는 전 지구적 온실가스 관리 측면에서 일어나지 않도록 해야한다. 현재까지 하수관거 유래 온실가스 관련 연구는 호주, 홍콩, 중국 등에서 주로 연구되고 있으며, 특히 2015년 호주 연구진은 하수처리 과정에서 발생하는 총 온실가스 중 하수관거 유래 온실가스 배출량이 약 18%를 차지해 그 양이 상당할 것으로 추정하고 있다[13].
하수관거 주요 연구 국가들은 하수관거로부터 배출되는 온실가스 저감을 위해 다양한 연구가 수행 중이며 크게 화학적 처리 방법, 수리학적 처리 방법, 물리적 처리 방법 등으로 기술 구분을 할 수 있다. 화학적 처리 방법은 미생물 활성도 억제 또는 화학반응을 이용한 메탄 생성 억제 기작을 이용하고 있고, 수리학적, 물리적 방법들은 주로 하수관거에 부착된 바이오필름의 탈락 유도 및 생성 억제를 목적으로 하고 있다[14,15]. 주요 연구 국가들의 다양한 연구 실적에도 현재까지 국내에서는 하수관거 유래 온실가스 배출량 산정 및 온실가스 저감 기술 관련 연구의 수행 사례가 전무하다.
따라서, 본 연구에서는 국내 하수관거 유래 메탄 배출량을 유기물의 농도 및 분해율 변화에 따라 추정해보았으며, 더불어 GWP 주기도 함께 고려하여 장ㆍ단기적인 온실효과를 산정하였다. 더 나아가 현재까지 하수관거 유래 온실가스 저감 관련 선행 연구 기술에 대해 알아보고, 한계점 및 보완점을 통해 후속 연구 주제의 방향성을 제안하고자 한다. 본 연구는 하수관거 유래 온실가스에 대한 국내 최초 연구로서, 향후 탄소중립 달성을 위한 국내 정책 수립에 적극 활용되기를 바란다.
2. 국내 하수관거 유래 온실가스 배출량 산정
2.1. 총 유기물 배출량 산정
하수관거 유래 온실가스 배출량을 산정하기 위해 IPCC에서 제시된 가이드라인 및 산정식은 아직 존재하지 않는다. 하지만 IPCC의 하수처리 분야에서 일반적으로 사용되는 방법과 유사한 접근 방법을 이용하여 국내의 하수로부터 배출되는 총 COD(chemical oxygen demand, 화학적산소요구량) 양을 식(1)을 이용하여 산정하였다. 연간 하수의 유기물 배출량(TOPR)은 환경부에서 발표한 일일 하수 배출량인 약 21,000,000 ton/d, 하수의 유기물 농도는 일반적인 COD농도 범위를 고려하여 0.2-0.5 kg COD/tonsew를 이용하여 유기물량을 산정하였다[16-20]. 최근 수질오염총량제 등의 도입과 관련하여 전유기탄소량 (Total organic carbon, TOC)을 기준으로 산정하는 것을 고려할 수도 있으나, TOC내에는 혐기성조건하 생물학적으로 분해가 어려운 부분이 존재하고, 생물학적메탄잠재량 (Biological methane potential, BMP)값이 일반적으로 COD 기준으로 표기되므로 본 연구에서는 유기물량을 COD농도를 기준으로 하였다.
여기서,
TOPR: Total Organics Production Rate (ton COD/yr)
PRsew: Sewage Production Rate (ton/yr)
CODsew: COD Concentration of Sewage (ton COD/tonsew)
2.2. 유기물 분해량 산정
2.1에서 계산된 TOPR 중 메탄 생성에 사용된 COD 양(TODRsew)은 하수관거 이동과정에서의 COD 분해율을 기반으로 식(2)에 적용하여 계산하였다. 하수관거에서 COD 분해도는 바이오필름 내에 존재하는 미생물의 군집, 활성도가 큰 영향을 미치나, 그 외에도, 그 외에도, 관거내 용존산소량, 하수체류시간, 관거의 경사도 등 다양한 물리화학적 인자 등에 의해 결정된다. 중력 하수도의 바이오필름은 자유수면의 존재로 인해 얕은 호기성 구역이 존재하지만, 수면 아래의 퇴적물은 모두 부분적으로 혐기성이거나 산소의 침투가 제한된다. 또한 대량 폐수에 산소가 존재하는 경우에도 메탄생성균은 바이오필름의 가장 하부에 서식하기 때문에 혐기성 조건을 형성하여 메탄 생성이 가능하다[21]. 즉, 용존산소는 메탄생성균 활성에는 큰 영향을 끼치지 못하지만 호기성 층으로 확산되는 과정에서 메탄이 산화될 수 있음이 보고되었다[22]. 하수체류시간 및 관거의 경사도는 관벽에 발생하는 전단응력과 관련이 있으며, 전단응력은 관벽 및 관거 하부에 침전 또는 부착된 미생물의 탈락을 유도한다. 2022년 중국의 연구결과에 따르면 하수관거 내 퇴적물을 2.3 cm 제거하기 위한 임계 전단응력은 약 0.06 N/m2이며 깊이를 3.8 cm까지 제거하기 위해서는 0.62 N/m2으로 급격히 증가함을 확인할 수 있었다[23]. 위의 선행 연구들의 실험 결과를 기반으로 COD의 분해율을 30-40%로 추정할 수 있었으며, 많게는 50%까지 확인되기도 한다[21,22,24]. 본 연구에서는 30-50%의 다양한 COD 분해율을 적용하여 메탄 생성량을 산정하였다.
여기서,
TODRsew: Total Organic Degradation Rate in Sewage (ton COD/yr)
Rsew: Organic Removal Rate in Sewer Pipelines (%)
2.3. 메탄 배출 잠재량 산정
국내 하수관거 유래 온실가스 잠재량을 식(3)을 이용하여 계산하였다. 하수관거에서 분해되는 COD의 양인 TODRsew는 본 연구에서 가변 인자로 설정한 하수의 COD 농도, 하수관거에서의 COD 분해율에 따라 계산될 수 있다. 그 후 메탄 생성량은 계산된 TODRsew에 유기물이 미생물에 의해 완전히 사용되어 메탄을 생성할 때의 이론적 수율인 0.25 g CH4/g COD를 이용해 산정하였다[24]. 또한, 장ㆍ단기적인 측면의 메탄 배출 영향을 확인하기 위해 100년, 20년 주기의 GWP를 적용하여 CO2 당량으로 변환하였고 결과를 그림 1, 2에 제시하였다. 생성된 메탄 중 일부는 용존 상태로 존재할 수 있으나, 하수처리시설에서 처리 및 배출될 수 있으므로 이에 대한 양은 고려하지 않았다.
앞서 설정한 하수의 COD 농도 및 COD 분해율의 조건에서 GWP100을 적용한 하수관거 유래 온실가스의 잠재량은 Fig. 1과 같이 약 3.2백만-13.4백만 ton CO2 eq./yr로 확인되었다. 예를 들어, 50%의 COD 분해율 조건에서 하수의 농도가 200 mg/L에서 500 mg/L로 증가하였을 때 온실가스 배출량은 5.4백만 ton CO2 eq.에서 13.4백만 ton CO2 eq.로 증가함을 확인할 수 있었다. 설정된 조건에서의 최대 메탄 배출 잠재량 결과인 13.4백만 ton CO2 eq.는 2019년 국내 총 메탄 배출량의 약 49%에 해당하는 상당한 양이다. 또한 메탄의 영향력은 GWP20 고려 시 더욱 커져 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 약 9.7백만-40.2백만 ton CO2 eq./yr로 잠재량이 3배 증가하여 상당한 양의 온실가스가 하수관거로부터 배출될 수 있음을 확인하였다.
GHG emission potential in the sewer pipelines using GWP100.
GHG emission potential in the sewer pipelines using GWP20.
본 연구를 통해 얻은 여러 변수에 대한 결과값을 실제 2019년 온실가스 배출량과의 적용 및 비교를 통해 메탄의 영향력을 확인해 보았다. 2019년 기준 국내 이산화탄소 배출량은 약 655.2백만 ton CO2 eq.이며, GWP100을 적용한 2019 국내 메탄 배출량은 27.8백만 ton CO2 eq.로 메탄의 배출량은 이산화탄소 대비 약 4.3%를 차지하고 있다. 여기에 하수관거 유래 온실가스 배출 잠재량인 13.4백만 ton을 함께 고려하게 된다면 메탄 배출량은 41.2백만 ton으로 이산화탄소 배출량 대비 약 6.3%까지 증가할 수 있다. 추가로 단기적인 관점의 메탄에 대한 영향력을 확인하기 위해 GWP20을 적용할 경우, 2019년 메탄 배출량은 82.5백만 ton CO2 eq.로 증가될 것으로 계산할 수 있으며, 하수관거 유래 온실가스를 함께 고려할 경우, 총 메탄 배출량은 123.7백만 ton까지 증가하여 2019년 배출량 기준 4.3%였던 이산화탄소 대비 메탄 배출 비율은 최대 18.9%까지 늘어나 메탄의 영향력이 4배 이상 증가할 수 있고 그로 인한 하수관거 유래 메탄 배출 관리는 더욱 중요해질 수 있을 것으로 예상된다.
여기서,
0.25: Theoretical CH4 yield (g CH4/g COD)
GWPCH4: Global Warming Potential of CH4
3. 하수관거 유래 온실가스 저감 기술
하수관거로부터 발생되는 온실가스 배출량을 줄이기 위해 현재까지 연구된 하수관거 유래 온실가스 저감 기술을 크게 화학적 방법과 물리적 방법 등으로 구분해 Table 1에 나타내었다.
GHG reduction technologies in sewer pipelines.
3.1. 화학적 방법
현재까지 가장 많이 연구된 화학적 방법은 약품을 투입한 것으로서 (1) 대체 전자수용체 첨가, (2) pH 조절, (3) 금속 이온 첨가 등으로 구분할 수 있다.
첫 번째로 메탄 생성 억제를 위해 질산염(NO3-), 아질산염(NO2-) 등의 대체 전자 수용체를 첨가하는 기술이 있으며, 이는 메탄 생성 과정 대비 열역학적 우세라는 점을 기반으로 한다[25]. 기존 연구에 따르면 실험실 규모의 하수관거에 30 mg N/L의 NO3-를 190일 이상 투여한 하수로부터 90%의 MA 활성 억제효율과 유출수에서 42%의 메탄 농도 저감을 확인하였다[26]. 2015년 호주 연구진은 적은 양의 NO3-의 투여가 장기적인 측면의 온실가스 저감에 효율적인지 검증하기 위해 실험실 규모의 하수관거를 이용한 연구를 진행하였다. 그 결과 초기 50 mg NO3--N/L의 투여 이후 110일간 간헐적인 질산염 투여를 통해 27%의 메탄 생성량 저감률을 달성했지만 단 2일 후 메탄 생성량이 기존 수준으로 회복하는 결론를 얻었다[27]. 질산염과 아질산염의 투여는 장기적인 온실가스 저감에 크게 효율적이지 못하며. 특히, 중력식 하수관거의 용존산소에 의한 GWP값이 265인 아산화질소(N2O) 생성에 대한 영향을 검토할 필요가 있다.
두 번째로는 MA의 활성에 필요한 pH 5.5-9.0 조건을 수산화나트륨(NaOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 등을 첨가하여 충족시키지 않는 방법을 이용한 메탄 생성 억제 방법이다. 2009년 호주의 연구진은 총 300일 이상의 운전 기간 중 120일 동안 pH를 8.6-9.0으로 유지하여 매우 낮은 메탄 생성률(<0.7 mg CH4-COD/L/d)의 결과를 보고한 바 있으며, 2014년에는 하수관을 6시간 동안 pH 11.5에 노출시켜 2주 이상 메탄 생성의 대부분을 억제하는 실험 결과를 얻었다[28,29]. 뿐만 아니라 높은 pH에 노출된 MA는 성장 및 회복이 늦어져 약품 투여 17일 이후에도 5-15%만 회복됨을 확인해 높은 pH가 메탄 생성 및 MA 회복 억제에 효과가 있음을 입증하였다.
마지막으로는 금속 이온인 철염(Fe2+, Fe3+)를 투여해 항균 효과를 이용하는 방법들이 연구되고 있다. 철염의 투여는 주로 하수관거에서 발생하는 악취 원인 중 하나인 황화수소(H2S)를 황화철(FeS)로 침전시켜 악취 억제 방법으로 연구되었다. 2009년 수행된 연구에 따르면 21 mg Fe3+/L의 철염투여를 통해 유출수에서 기존 대비 약 43%의 메탄 농도 저감 효과를 보였다[30]. 실제로도 Fe3+를 포함한 금속 이온은 황산염 환원균(Sufate Reducing Bacteria, SRB)의 배양에 억제 효과가 있는 것으로 보고되었으며 이를 포함한 혐기성 바이오필름에 서식하는 MA도 유사한 억제 효과를 받는 것으로 나타났다[30,31].
현재까지 연구된 방법 이외에도 다른 하수관거 분야에서 연구된 결과를 메탄 생성 저감과 연계해 보는 것도 하나의 대안이 될 수 있을 것이다. 하나의 예시로 일반적으로 하수관 균열을 억제하기 위해 연구된 하수관거 코팅은 하수관거에 아연(Zn), 주석(Sn), 납(Pb) 등의 금속 물질을 도포하여 균열을 억제하는 방법이다. 앞서 언급한 바와 같이 철염을 포함한 구리(Cu), 아연, 납, 니켈(Ni) 등 각종 금속 이온은 SRB의 배양이 억제되는 것으로 나타났다[32]. 금속 이온은 음전하를 띄는 세포벽과 금속 이온 반응을 통해 복합 화합물을 형성하고 효소의 생명 필수 활동을 억제해 미생물에게 영향을 끼치며 세포의 삼투압도 방해하여 세포 내 주요 구성성분의 배출을 초래해 90% 이상의 살생 및 정균 효과가 확인된 바 있다[32-36]. 2011년 실험을 통해 납, 주석, 아연 등을 이용한 코팅에 대한 균열 억제 효과가 각각 61%, 48%, 22%로 확인되었다[37]. 이러한 코팅에 대한 실험 결과들은 SRB 활성 억제에 효과적일 것으로 예상되며 이와 유사한 MA에 대한 영향도 확인해 볼 필요가 있음을 시사한다.
현재까지 연구된 화학적 방법을 이용한 온실가스 저감 연구는 효과적인 결과를 도출하였지만 짧은 지속 시간과 현장 적용의 어려움으로 실제로 적용되는 사례가 드물며 실험실 규모 연구 단계에 머물러 있다[38-42].
3.2. 물리적 방법
화학약품과 같이 직접적으로 메탄 생성 또는 미생물 활성을 조절하는 방법 이외에도 하수관거 벽면에 부착된 바이오필름의 생성 억제 및 탈락 유도도 하나의 메탄 생성 및 배출 저감 접근 방법이 될 수 있다. 하수가 하수관거를 따라 흐르는 과정에서 하수와 관 벽 사이에 발생되는 전단력은 바이오필름이 벽에 부착되는 것을 방해하는 요소다. 즉, 큰 전단력을 형성하는 요인인 높은 하수관거 경사 또는 빠른 유속과 같은 조건은 하수관거 표면에 바이오필름의 생성 억제 및 탈락을 유도하여 결과적으로 온실가스 생성을 저감할 수 있다. 2016년 중국의 연구진은 하수관의 경사를 조절하여 각각 1.12, 1.29 1.49 Pa의 조건에서 실험을 진행해 1.12 Pa의 조건에서 40%였던 COD 제거율이 1.49 Pa에서는 32%로 감소함을 확인하였다. COD 제거율뿐 아니라 바이오필름의 두께, 바이오필름의 구성요소인 EPS 농도의 변화에서도 전단력의 증가는 바이오필름 형성의 억제를 가리키고 있어 결론적으로 메탄 형성 억제를 의미한다[43].
최근에는 하수관 내 침전물에 초음파처리를 해 초음파가 전파되는 동안 미세기포를 형성하고 기포가 터지면서 주변에 전단력을 생성하는 원리를 이용한 연구도 진행된 바 있다. 초음파를 통해 생성된 전단력은 직접적으로 미생물을 죽이거나 온실가스 및 악취물질을 저감시키지는 않지만, 수리학적 저감 기술과 유사하게 간접적으로 하수관 벽에 형성된 바이오필름을 탈락시키거나 하수 흐름을 통해 자가 세척이 가능하도록 유도하여 온실가스의 생성 및 배출을 억제하는 방법이다. 2020년 중국 퉁지대학의 연구팀은 0.3-1.5 W/mL의 초음파를 450초 이상 처리한 하수 내 침전물의 응집력을 약 77% 감소시키고 입자의 직경도 최대 71% 감소시킨 결과를 통해 하수관거 내 형성된 바이오필름의 탈락 유도를 위해 초음파처리가 효과적으로 작용함을 확인하였다[44].
4. 기존 연구의 한계점 및 보완점
2000년대 후반 본격적으로 시작된 하수관거 유래 온실가스 관련 연구는 다른 분야에 비해 비교적 늦게 시작되어 현재까지도 보완과 후속 연구의 필요성이 중요한 분야이다. 특히, 국내에서는 본 연구를 시작으로 지속적인 연구의 발전이 필요할 것으로 생각된다. 따라서, 보다 정확한 온실가스 배출량, 온실가스 저감 기술 개발을 위해 현재 상황의 한계점과 향후 미래에 수행될 연구에서 고려해야 할 사항들을 파악해보고자 한다.
첫째, 본 연구를 통해 제시한 국내 하수관거 유래 온실가스 배출 잠재량은 실제와 다를 수 있다. 국내에는 약 19만 km 이상의 하수관거가 설치되어 있어 각 하수관거의 조건에 따른 온실가스 배출량을 산정하기란 굉장히 어려운 과정일 것이다. 가장 정확한 방법은 실제로 다양한 조건의 하수관거로부터 하폐수 성상에 따라 발생되는 온실가스 배출량을 산정하는 것이다. 하지만, 이를 현시점에서 수행하기는 불가능하나, 시민들의 주요 관심사인 악취와 함께 동시 측정하는 것은 가능할 것으로 판단된다. 악취의 발생 원인도 메탄의 발생 원인과 동일하며 비슷한 조건하에서 생성된다. 이에 따라 악취 민원이 자주 발생하는 구역에 실시간 메탄 조성 측정기를 설치하는 것을 시작으로, 실험적 모델링 기법과 실제량과의 차이 등의 파악을 통해 점진적으로 데이터베이스를 구축해 나가는 것이 필요하다.
둘째, 향후 IPCC에서 하수관거 유래 온실가스 배출량을 고려할 경우를 대비해 내부적인 연구 수행이 필요하다. 본 연구에서는 대략적인 온실가스 배출량을 제시하였지만, 미래에는 상세한 온실가스 배출량 산정식 및 정확한 계수 개발이 요구된다. 특히, 하수관거의 특성상 다른 조건을 지니고 있는 상황에서 정확도 높은 배출량 산정을 위해서 IPCC의 Tier 1 수준보다는 TIer 2, Tier 3의 도시별, 지역별 배출계수를 구축하는 방향이 바람직할 것으로 예상된다. 또한 향후 감축 기술 적용 시 탄소배출권 확보를 위한 방법론 연구도 준비되어야 한다.
셋째, 하수관거로부터 배출되는 다량의 온실가스를 저감하기 위한 실질적인 대안 마련이 필요하다. 앞서 소개한 화학적, 수리학적, 물리적 기술들은 경제성 부족, 적용의 어려움 등의 다양한 문제점들로 인해 현재 하수관거에 직접 적용하기는 어려운 상황이다. 따라서, 각 기술들의 단점을 보완하거나 실제 적용에 적합한 기술의 개발이 필요하며, 제거 기술의 고도화 및 실증화 가능성을 염두한 연구가 수행되어야 한다. 국내에서는 관련 분야 연구가 전무하지만, 국내 환경공학 분야 연구 위상 및 환경인프라 시설 관리 능력 등을 감안하였을 경우, 빠른 실내에 선진 기술을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
넷째, 하수관거 유래 온실가스 저감 기술 적용에 따른 향후 영향을 고려해야 한다. 하수관거는 가정의 하수를 집수하여 하수처리시설로 이송시키는데 가장 큰 목적성을 지니고 있다. 즉, 하수관거의 온실가스 저감 기술 적용은 반드시 하수처리시설의 변화를 유발한다. 기술 적용으로 현재 많게는 50%의 COD 분해율을 상당량 줄이게 된다면 고농도의 하수가 하수처리시설로 유입되게 된다. 즉, 하수처리시설로부터 더 많은 온실가스 배출 가능성을 제공할 수도 있을 것이다. 따라서 하수관거의 온실가스 저감 기술 적용은 하수관거뿐 아니라 하수처리시설에 미치는 영향도 반드시 함께 고려해야 한다. 구체적으로 활성슬러지공정내의 폭기 요구량과 슬러지 발생량이 증대될 수 있으며, 이는 온실가스 배출을 유발시키는 요인이 될 수 있다. 한편으로 슬러지 처리량 증대에 따라 혐기성소화조에서 메탄이 함유된 바이오가스 생산량이 증대될 수 있으며, 신재생에너지 생산 및 활용을 통해 온실가스 저감의 요인이 될 수 있다. 따라서, 이 모든 것들을 고려하여 전주기적 관점의 온실가스 배출량 산정과 하수처리장 에너지자립도 달성에 미칠 수 있는 영향에 대한 세심한 계산이 필요할 것으로 판단된다.
마지막으로 미래사회의 하수관거에 하수 이외의 다른 유기성 폐기물의 유입을 예상해야 한다. 현재 국내의 음식물류 폐기물은 매립, 소각으로 처리되고 있지만 향후 다른 나라와 유사하게 분쇄 후 하수관거로의 직접 유입이 가능해질 수 있다. 홍콩, 호주 등 많은 나라에서는 이미 하수관거에 음식물류 폐기물이 유입됨에 따라 발생할 수 있는 문제점과 변화를 연구하고 있어 국내에서도 이러한 연구가 함께 수반되는 것이 필요할 것으로 생각된다.
5. 결론
대기 중 온실가스 농도의 지속적인 상승은 기온 상승 억제의 중요성을 강조하고 있으며, 이러한 대안으로 짧은 대기 수명을 지녀 단기적인 온실가스 감축에 효과적인 메탄이 부각되고 있다. IPCC에서 언급한 숨은 메탄 배출원 중 하나인 하수관거에서는 상당량의 메탄이 배출될 것으로 예상되며, 국내의 온실가스 배출 잠재량은 하수의 COD 농도, 하수관거에서의 COD 분해율, GWP 설정 조건에 따라 약 3.2백만-40.2백만 ton CO2 eq./yr로 추정된다. 하수관거로부터 다량의 온실가스 배출을 억제하기 위해서 크게 화학적, 물리적 방법을 적용한 기술들이 연구되고 있으며 추가적으로 하수관거 코팅과 같은 다른 분야의 연구를 하수관거 온실가스 배출 저감에 접목시키는 방법도 함께 고려해보는 것이 필요하다.
현재까지 연구된 하수관거 유래 온실가스 관련 연구들은 일부를 제외하고 하수관거만 고려하고 있지만 하수관거는 반드시 하수처리시설과 연계되어있어 하수관거로 인한 하수처리시설의 변화를 고려해야 한다. 또한, 정확한 온실가스 배출량 산정을 위해 실제 배출량에 대한 데이터베이스 구축과 데이터베이스를 기반으로 한 Tier 2 이상의 온실가스 배출량 산정 방법의 국내화를 위한 꾸준한 연구 수행이 필요하다. 게다가 미래사회에는 하수 외의 유기성 폐자원의 하수 유입의 가능성이 있어 이에 따른 영향 파악도 중요할 것으로 예상된다. 이러한 문제점 및 한계점이 후속 연구에 적절히 반영되어 수행된다면 하수관거 유래 온실가스를 더욱 정확히 이해하고 나아가 실질적인 메탄 배출 저감 효과를 확인할 수 있을 것이다.
Acknowledgements
본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요사업)사업으로 수행되었습니다(과제번호 20220232-001, 수소도시 기반시설의 안전 및 수용성 확보기술 개발).
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.