[가뭄의 실패학④]가뭄 해결사 R&D 대표주자들

출연연 연구 지속 '빗물 집수, 누수 원천차단까지'···기업들, 물관리 산업군 형성
가뭄 해갈에 빠른 도움 줄 인공강우 연구는 부재
지질자원연 복합인공함양 기법을 이용한 지하수 확보활용기술.<사진=지질자원연>지질자원연 복합인공함양 기법을 이용한 지하수 확보활용기술.<사진=지질자원연>

우리나라의 평균 강수량은 적은 편이 아니다. 연평균 1245mm로 세계 평균인 880mm 보다 많다. 하지만 실제 이용 가능한 수자원량은 세계 평균인 1만9635톤의 약 8분의 1 수준인 2591톤에 불과하다. 수자원의 상당 부분이 버려지는 셈이다.

올해는 최악의 가뭄이 들며 농작물이 타들어 가고 농민들은 모내기를 하지 못해 큰 고통을 겪고 있다. 인공지능, 빅데이터, 자율자동차 등 최첨단 과학기술이 인류의 변화를 이끌고 있고 우리나라는 과학기술 강국을 자부하고 있지만 여전히 자연현상에 대해서는 하늘 보기만 반복해 왔던 것이다.

다행히 가뭄을 대비하고 빗물과 지하수 등 물 활용도를 높이기 위해 정부출연연구기관과 기업에서 연구개발에 박차를 가하고 있다.

버려지는 지하수를 회수하기 위한 연구부터 녹조 문제를 해결해 생활수와 농업용수로 활용할 수 있는 연구, 오염된 물을 정화하는 기술개발까지 연구분야도 다양하다. 특히 기업에서는 직접 시장에 상품을 내놓으며 물 관리 분야를 새로운 산업군으로 성장시켜가고 있다.

하지만 가뭄 문제를 직접 대응할 수 있는 인공강우 분야 연구는 거의 없는 실정이다. 그런 가운데 가뭄과 물 문제 해결 등 수자원 관리를 위해 고군분투하고 있는 연구팀과 기업들의 활약이 주목받고 있다.

◆ 버려지는 지하수 모으고 누수 막고

지질자원연의 지하수가 흐르는 유로 옆 집수시스템.<사진=대덕넷> 지질자원연의 지하수가 흐르는 유로 옆 집수시스템.<사진=대덕넷>

국내 연구 대표주자들 중 가장 주목할 부분은 버려지는 지하수를 모으는 연구다. 연구팀은 한국지질자원연구원한국건설기술연구원이다. 기업의 물 관리 선두주자는 삼진정밀을 꼽을 수 있다.

지질자원연 지질환경연구본부 지하수생태연구센터(센터장 하규철) 연구팀은 지난해까지 '복합 인공함양 기법을 이용한 지하수 확보·활용기술' 연구를 추진했다. 이를 바탕으로 지하수를 수자원 공급은 물론 에너지 생산, 생태보존까지 고려할 수 있는 '지하수 융합평가 시스템'을 개발 중이다.

연구팀은 복합 인공함양(대수층에 인위적으로 물을 주입하거나 침투시켜 지하수량을 증진) 기법을 이용한 지하수 확보 및 활용기술 연구사업을 현장에 적용하기 위해 인공함양 후보지를 선정했다. 지난해에는 인공함양지역의 대수층 특성화 기술 개발, 대수층 저장회수, 대수층저장이동회수, 저류지 함양 등을 복합적으로 설계했다.

하규철 센터장은 "가뭄처럼 광범위하고 지속적인 재해는 미리 대책을 세우지 않으면 즉각적인 해결책 마련이 쉽지 않다"며 "사전에 미래 기술을 확보해 놓아야 가뭄 등을 극복할 수 있기에 관련해 지하수를 효율적으로 관리할 시스템을 연구 중"이라고 밝혔다.

건설연 연구팀(총괄 정일문)은 지하수 고갈문제를 해결하기 위해 스왓케이(SWAT-K) 기술을 개발했다.

국내 농가 대부분은 겨울철 비닐하우스를 이용해 화훼류, 과수류 등을 재배하고 있다. 온실 난방에 지하수를 사용하는 '수막재배'를 활용한다.

수막재배는 겨울철에도 15도의 일정 온도를 유지하는 위해 지하수를 비닐하우스 지붕에 분사해 형성된 수막으로 비닐하우스 보온에 이용하는 방식이다. 이렇다 보니 겨울철 지하수 사용량이 많아져 지하수 고갈 문제까지 우려하고 있다.

스왓케이는 지표수-지하수 통합해석 모델로 농촌·도시 지역의 인위적 물 이용 변화와 지표수·지하수의 움직임을 동시에 분석할 수 있다. 비닐하우스 설치 지역 내의 장기적인 물 부족량을 예측하고 가뭄에 따른 대응 전략을 제시할 수 있다.

이미 건설연은 충북 청원군 상대리 지역에 스왓케이 기술을 도입해 분석한 결과 장기적으로 지하수 부족을 예측해 냈다. 이를 방지하기 위해 사용된 지하수의 최소 10%를 땅 속에 재충전해야 장기적인 물 수지(물 유입·유출 균형상태)도 안정을 확보할 것이라는 결과를 내놓았다.

정일문 박사는 "스왓케이는 수막재배지역에서 지표수와 지하수를 동시에 고려한 물 부족 진단 및 예측 기법"이라며 "비닐하우스 농가지역을 포함한 전국 농업지역의 지하수 부족 문제 해결의 좋은 사례가 될 수 있을 것"이라고 말했다.

삼진정밀(대표 정태희)은 마을 단위의 소규모 정수 시설의 활용도를 높이는 활동에 주력하고 있다. 기존 마을 단위의 정수 설비는 표준화되지 않은 설비를 사용, 유지관리비가 많이 들어 설치 후에도 사용하지 않고 있는 실정이다.

때문에 삼진정밀은 표준화된 형태의 모듈 타입과 특수 흡착 여제를 사용해 유지 관리비를 낮췄다. 또 모듈 형태를 수요량에 따라 쉽게 연결할 수 있는 구조로 제품을 개발해 지원 중이다. 연구개발 속도를 높이기 위해 협력에도 적극 나서고 있다. 한양대와 단국대 뿐만 아니라 한국건설기술연구원과의 협업을 통해 연구개발을 진행하고 있다.

최근에는 환경부에서 진행하는 국책과제의 총괄 주관사로 물 누수를 사전에 막는 연구도 한창이다. 플랜트 개발이 완료되면 상용화에 들어갈 계획이다.

◆ 오염수라 못쓴다고? 수처리로 다시 활용
삼진정밀 마을 정수 시스템.<사진=삼진정밀>삼진정밀 마을 정수 시스템.<사진=삼진정밀>

인류의 물·에너지·환경·천연자원 문제 해결을 위한 연구를 진행하는 KAIST EEWS대학원 자패르 야브즈 교수 연구팀은 물 속 오염물질을 제거할 수 있는 흡착제를 개발했다.

이 흡착제는 물 속의 유기 오염물질을 선택적으로 제거할 수 있다. 기존 수처리는 활성탄, 오존 분해, 역삼투 박막 등의 기술로 이뤄졌다. 이는 물에 잘 녹지 않는 성질을 갖고 크기가 큰 유기 분자를 대상으로 해 잘 녹고 크기가 작은 유기 분자들은 제거가 어려웠다.

야부즈 교수는 "흡착제는 값싸고 손쉽게 합성할 수 있을 뿐 아니라 재생도 할 수 있다"며 "불소 기능기가 가지는 전하의 선택성은 향후 담수화 재료 또는 수처리용 박막 개발 등 다양한 기술에 응용 가능할 것"이라고 전망했다.

수처리 전문기업 부강테크(회장 정일호)는 오염수 정화에 주력한다. 성과를 바탕으로 파라과이 호수의 물을 생물여과기술을 기반으로 정화하는 파일롯 단계도 거친 바 있다. 최근에는 가뭄이 극심한 미국 캘리포니아주 물부족 해결을 위한 사업을 추진하고 있다. 캘리포니아 지역은 가뭄으로 인해 지하수를 끌어 쓰다 보니 수위가 낮아지는 악순환이 반복되고 있는데 강물을 정화하면서 문제해결에 나서고 있다.

최문진 부강테크 이사는 "가뭄으로 인해 물확보가 중요해지고, 지하수가 주요 식수원으로 사용되는데에도 아직까지 정부부처를 비롯해 지하수 정화 필요성에 대한 인식은 낮은데 이제는 적극적으로 이야기가 필요한 상황"이라면서 "금강 유역 등 충남 지역은 가축분뇨로 인한 지하수 오염이 심하기 때문에 이에 비점오염 지역에 대한 집중 관리가 필요하다"고 말했다.

최문진 이사는 "한국은 오염원 고도 처리 기술 등 경쟁력은 많다고 생각한다"면서 "다만 환경기술 사이클은 최소 5년 이상의 주기로 지켜보는 것이 필요하며 환경 기술에 대한 배려와 신기술에 대한 지원이 필요하다"고 덧붙였다.

정호영 삼진정밀 전무에 따르면 이미 설치된 정수장도 기후 변화에 따라 특정 시기의 가뭄과 홍수에 대비를 하는 방향으로 개선되지 않으면 불필요한 비용이 소모된다.

기존 정수장의 여과시설에서 오염원을 제거하기 전에 전처리 공정을 거치는 것은 일반적인 공정이다. 이때 사용되는 방법은 오염원을 침전시키는 방법이나, 아니면 침전하는데 시간이 많이 걸리는 부유물질은 미세한 공기방울을 사용해 부상시켜 걷어 내는 방법을 사용하고 있기 때문이다.

정 전무는 "기존 설비들은 기후변화가 적었던 때를 기준으로 설치되다 보니, 지금처럼 특정 시점에 오염원이 많은 원수를 처리하기 위해선 많은 시간이 필요 해 원하는 정수물을 공급하지 못하는 상황도 일어나고 있다. 비상급수차를 동원해서 물을 공급하는 사태까지 벌어지고 있다"고 지적한다.

이에 삼진정밀은 침전 방식과 부상 방식에 대해 각각 새로운 아이디어를 통해 특정 시점에 따른 오염원을 적절히 처리하는 시스템을 개발하고 있다.

침전 방식의 경우 기존 침전 속도를 10배 이상 빠르게 하는 가중 응집제를 활용하는 시스템을 개발하고 있으며, 부상 방식의 경우는 단위 면적당 부상 속도를 3배까지 올릴 수 있는 시스템을 개발 중이다. 특히, 이런 시스템은 기존 설비보다 좁은 면적에 설치할 수 있을 뿐만 아니라 기존 설비에 부가적으로 설치할 수 있기 때문에 주목을 받고 있다.

수처리 설비는 규모도 큰데다 실증 운영 데이터를 확보하지 않으면 신뢰성이 떨어지기 때문에 삼진정밀은 실증할 수 있는 실제 사이트를 운영하면서 설비 및 시스템에 대한 실제 운전 노하우를 습득하고 있다.

정 전무는 "삼진정밀의 부상 방법을 사용하는 설비의 경우 최근 논란이 되고 있는 녹조류나 남조류와 같은 조류가 발생한 원수의 처리 방법에도 적용하고 있다"면서 "단위 면적당 처리 속도를 높이면서도 조류에서 나오는 이상한 맛, 냄새 물질을 흡착하는 설비까지 갖추고 있고 원격 및 무인으로도 작동할 수 있는 IoT 기술을 적용하고 있어 기대가 된다"고 설명했다.

◆ 녹조때문에 안된다고? 우리가 문제 해결사

여름만 되면 문제가 되는 '녹조'를 해결하기 위한 연구도 활발하다다. 이상협 KIST 물자원순환연구단은 물속 녹조를 효율적으로 제어하는 기술을 개발했다. 연구팀은 기존 산화제인 염소·오존 부작용을 최소화하면서 안전한 수돗물을 생산할 수 있는 정수 공정을 개발했다.

과망간산염(MnO4-)을 대체 산화제로 도출하고 기반 기술을 확보했다. 과망간산염을 정수처리 공정에 적용할 경우 염소에 비해 남조류 독소물질(마이크로시스틴)의 50배 이상의 빠른 산화 속도를 나타내며 소독부산물 생성을 100% 방지할 수 있다.

오존 사용에 따른 브롬계 부산물의 생성 억제와 장치설치 비용 절감의 효과가 있다. 또 과망간산염 산화제는 독성을 유발하는 변형 아미노산의 연결고리를 파괴시키는 역할을 한다.

연구팀은 과망간산염과 분말활성탄의 순차적 적용을 통해 ▲녹조 유래 독소물질 제거 ▲소독 부산물 최소화 ▲맛·냄새·색도(color) 물질 처리 ▲잔류 망간 문제 등을 해결하는 공정 조건을 확보했다.

이상협 박사는 "복잡 미묘한 수생생태계와 녹조를 함께 바라보는 조망자 입장에서 연구해 왔다"라며 "향후 녹조를 통합적으로 바라볼 수 있는 ‘해탈 녹조 연구단’이 탄생할 것"이라고 전망했다.

◆ 바닷물 이용 '해수 담수화' 연구도 활발

요즘처럼 극심한 가뭄에는 바닷물을 담수화하는 기술이 더욱 필요하다. 양적으로 시급한 가뭄문제를 해결할 수 있다는 생각에서다. 때문에 연구현장에서도 관련 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

이상준 포스텍 교수 연구팀은 해안지역에서 자라는 바다 염생식물인 '맹그로브 뿌리'의 메커니즘을 모방한 해수 담수화 기술을 올해 개발했다. 연구팀은 맹그로브 뿌리를 모방해 정전기적 특성을 갖는 담수화 거름막(멤브레인)을 제작했다.

멤브레인을 이용해 100밀리몰(mM)의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 필터링한 결과 약 96.5%의 염분이 걸러졌다. 이는 기존의 해수 담수화 기술과 맞먹는 성능이다. 멤브레인으로 필터링 횟수를 늘리면 실제 바닷물(약 310mM)도 토출 유량 2.3L(단위면적, 단위시간당, m2h)로 담수화시킬 수 있다.

연구팀이 개발한 해수 담수화 기술은 제작과정이 간단하고 작은 규모의 설비로 구동할 수 있다. 오지와 같은 작은 마을에서도 활용할 수 있다는 것이 특징이다.

이상준 교수는 "저렴한 비용으로 효율적이고 안정적으로 해수를 담수화할 수 있다"며 "향후 해수 담수화를 통해 생활·농업 용수는 물론이고 식수를 바닷물로부터 얻을 수 있을 것"이라고 말했다.

김경식 연세대 교수 연구팀은 태양 에너지를 이용해 증기를 발생시키는 필름을 개발했다. 필름은 폐수·바닷물 등을 고온으로 끓여 증기를 발생시킨다. 이를 정수로 만드는 담수화 기술의 일종이다.

연구팀이 개발한 필름은 '플라즈모닉 블랙 골드 메타 필름'이다. 이는 광대역 태양 빛을 흡수하고 검은색을 띄는 금-산화 알루미늄 나노 구조체 필름이다.

물 위에 이 필름을 띄우면 태양 빛에 의해 물이 가열되고 이후 증기를 생성하게 된다. 연구팀이 개발한 필름은 태양광 영역에서의 흡수율은 약 91%였다. 태양광으로부터의 증기 생성 효율은 실험적으로 최대 90%까지 얻었다.

김경식 교수는 "현재 필름을 크기를 20cm까지 만들었다. 공정만 가능하다면 최대 규모로 제작할 수 있다"라며 "자연에서 발생하는 태양 에너지로만 폐수를 정수할 수 있는 기술이다. 물 부족 해결에 기여할 것"이라고 설명했다.

◆ 출연연과 협력하며 물관리 산업군 일구는 벤처기업들

우영엔지니어링 비소오염지하수 처리 시스템.<사진=우영엔지지어링>우영엔지니어링 비소오염지하수 처리 시스템.<사진=우영엔지지어링>

국가핵융합연구소, 한국기초과학지원연구원, 한국지질자원연구원 등 출연연과 함께 기술을 개발하고 수자원 확보에 나서는 사례도 다수다.

서울 소재 지오그린21(대표 이명재, 천정용)은 지하수토양환경 관련 진단, 방지 기술 개발, 정화시설설비공사 등을 수행하고 있다. 지난 4년간 한국기초과학지원연구원과 협력해 수행한 오염원 판별은 대표적인 연구 중 하나다. 지하수 시료를 분석해 기존에 간접적으로 추적했던 것은 직접적으로 추적해 오염 방지를 추진하는 것.

류종식 기초지원연 지구환경연구부 책임연구원은 "지하수 수위가 높으면 오염되어도 희석되는데 가뭄이 들면 오염 농도가 높아지게 된다"면서 "지오그린21과 함께 시료를 채취해서 동위원소 도구로 오염원 판별과 분석 연구를 수행하고 있다"고 설명했다.

김정우 지오그린21 이사는 "지하수 오염 지역, 매몰지 정화 관련 수처리, 시설개선 등을 수행하고 있다"면서 "가뭄으로 인한 피해 중 가정용 음용 관전은 시설 노후화로 인한 관리를 수행하고 있다"고 설명했다.

김 이사는 "우리나라는 지하수 의존도가 높은 반면 오염 관리가 미흡하다"며 "지하수 오염 책임자 정화 책임 부과문제는 고도의 분쟁소지가 있기 때문에 과학적인 자료를 획득하는데 주력하고 있다"고 덧붙였다.

경기도 성남 소재 우영 엔지니어링(대표 홍문일)은 지난 2014년 설립이래 지질자원연과 수처리 관련 공동연구를 수행하고 있다.

박승일 우영엔지니어링 센터장은 "충청도 지역은 특히 가뭄으로 인해 강물이 낮아지면서 지하수가 중요해지고 있으며, 특히 농업 용수 관개에 대한 문제해결이 시급하다"면서 "지하수는 비소로 오염되는데 충남 금산에 정화시설을 실증화해서 12톤의 비소 오염 지하수를 처리하고 있다"고 설명했다.

폐광의 경우에도 중금속에 오염될 수 있다. 광산배수가 지하수에 흘러 들어가서 오염을 유발할 수 있다. 또 빗물의 경우에도 집수해야 하는데 미세먼지로 인해 빗물에도 중금속이 많아서 정화하는 것이 필요하다.

박승일 센터장은 "중소기업은 R&D 위주이기 때문에 마케팅, 상품화 역량이 다소 부족하다. 환경부 차원에서 지속적인 지원정책이 필요하다"고 말했다.

플라즈마 기술을 이용한 물 관리 연구도 한창이다. 엔팩(대표 조성윤)은 플라즈마 기술을 활용, 녹조와 폐수 처리를 위한 연구를 진행 중이다. 정화 안되는 폐수를 처리할 수 있는 기술로 녹조 문제도 해결할 수 있어 현장의 요구가 많다는 관계자의 설명이다.

이엔씨테크놀로지(대표 이근구)는 어민들이 고통을 받는 녹조를 제거할 수 있는 핵심 기술을 보유하고 있다. 이 대표는 "가뭄이 들면 농민 뿐만이 아니라 어민들도 녹조로 고통을 받는다. 양식장에 녹조가 들면 용존 산소가 부족해 키우던 물고기가 폐사하고 만다"면서 "핵융합연의 살균 기술을 이전받아 상용화를 통해 어민들에게 도움을 주고 있다"고 설명했다.

한국수자원공사는 환경재난 선제적 대응 기술을 개발하기 위해 지난 2014년 '수재해 정보플랫폼 융합기술 연구단'을 출범했다. 연구단은 2019년까지 총 301억원의 예산으로 자연재해 저감을 위한 대책을 마련할 예정이다.

연구단은 수재해 예측 정보를 기존 71%에서 95%까지 향상 시키겠다는 목표를 갖고 있다. 국지적 침수재해 평가·예측 체계를 만들고 위성정보 서비스를 기반으로 해외 시장까지 공략하겠다는 것이다. 과제에 참여하고 있는 대표 기업은 인스페이스(대표 최명진). SAR 위성 관측자료의 수집·처리·배포를 위한 시스템을 개발하며 과학적인 수자원 모니터링을 진행하고 있다.

물관리 분야 한 전문가는 "우리나라는 그동안 풍부한 수자원으로 관리가 제대로 이뤄지지 못했던 게 사실"이라며 "하지만 우리도 물 부족 국가 중 하나다. 물 관리는 평소에 이뤄져야 문제가 발생했을 때 대응할 수 있다. 정부 차원에서 로드맵을 그리며 각 분야가 힘을 모아야 한다. 지금 하지 않으면 가뭄때 마다 하늘만 바라보는 일이 반복 될 것"이라고 조언했다.
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