기후변화 시대 깨끗한 수질과 안정적인 물 저장 가능성 제시

- 1년 이상의 장기간 지중저장 환경 모사 실험을 통한 물 저장 안정성 평가

물리적 침전 공정과 연결된 지중저장 모사 시스템에서 안정적 수질 확보

김혜원 삼성엔지니어링 책임연구원 (제1저자), 정성필 KIST 책임연구원 (교신저자), 조경진 KIST 책임연구원 (교신저자), 추쿼안나 KIST 학생연구원 (제1저자)

최근 전 세계적으로 기후변화로 인한 극한 홍수 및 가뭄이 반복되고 있다. 이에 대응하기 위해 미국, 네덜란드, 호주 등의 국가에서는 지중저장(인공함양)기술이 실제 물 공급에 활용되고 있다. 우리나라도 여름철에 비가 집중적으로 내리고, 극심한 강우가 발생해 도시 지역을 제외한 도서 지역과 농촌 지역에서는 물 공급에 어려움이 커지고 있다. 이런 상황에서 안정적으로 물을 저장하고 공급하기 위한 방법으로 지중저장 기술이 주목받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 물자원순환연구단 정성필, 조경진 박사 연구팀은 안정적 물 저장 가능성을 향상시킬 수 있는 지중저장 기법을 개발했다고 밝혔다.

적절한 처리 없이 지표수를 지하 대수층에 주입할 경우, 주입수 내 존재하는 동화유기탄소(Assimilable organic carbon)와 같은 유기물을 먹이로 성장하는 미생물로 인한 공극 막힘 현상이 발생하는 한계가 있을 수 있다. KIST 연구팀은 기존 연구에서 인공적으로 제조한 원수에 함유된 동화유기탄소가 지중저장 모사 조건에서 미생물에 의해 감소될 수 있음을 확인한 바 있었다. 이번 연구는 인공적으로 제조한 원수가 아닌 실제 강물을 유입 원수로 이용해 지중저장의 주기적인 주입 및 회수 과정까지 모사했다.

지중저장 모사 파일럿 시스템 개념도

약 13개월 동안 실험을 진행했으며 2주 간격으로 강물을 땅속 모래층에 주입하고 2주 후에 다시 물을 회수하는 방식을 반복하면서 그 과정에서 유기물과 미생물의 변화를 관찰했다. 실험을 통해 강물의 계절적 변화에도 불구하고 토양 유기물 및 저장된 물의 유기물 농도가 안정적으로 유지된다는 사실을 확인했으며, 이는 화학적 처리 없이 간단한 물리적 침전 공정만으로도 1년 동안 공극 막힘 현상 없이 안정적인 수질이 유지됐음을 시사한다.

연구팀은 지중저장 시스템에서 수질이 안정적으로 유지되는 이유를 규명하기 위해 미생물의 변화를 조사했다. 연구 결과 실제 강물에 존재하는 유기물을 먹이로 활용할 수 있는 마이크로바이옴이 계절별로 변화됨을 확인했다. 이는 지중저장 시스템 내 미생물이 유기물을 저감시켜 공극 막힘 현상을 방지하고 안정적인 수질 확보에 기여했음을 밝혔다.

이 연구에서 사용된 실험 기법은 국내 지중저장 부지를 테스트하고, 유입수 조건에 맞는 전처리 공정을 제안하는 데 활용될 수 있으며, 향후 지중저장 시스템의 안정적인 운영을 위해 유기물과 미생물에 대한 지속적인 분석이 필요할 것으로 사료된다. 또한, 회수된 물의 수질 평가와 적절한 전처리 공정을 통해 시스템을 안정적으로 유지할 수 있는 조건을 마련해야 한다.

토양 컬럼 내부 및 회수된 물에서의 유기물 농도 변화

KIST 정성필 박사와 조경진 박사는 “이 연구 성과는 물 공급의 불균형 문제를 해소하기 위한 물의 대규모 저장 기술로서 활용되고 있는 지중저장 기술의 안정적 운영에 기여할 수 있는 성과”라고 말하며 “파일럿 규모의 대수층 모사 시스템 내에서의 장기간 유기물 및 마이크로바이옴 변화에 대한 연구는 전 세계적으로 초기 연구로서 향후 확장 가능성이 있다”라고 강조했다.

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화영향최소화기술개발사업(2020M3H5A1080712) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal」 (IF 13.3, JCR 분야 3.1%)에 최신 호에 게재됐다.

* (논문명) Comprehensive assessment for the seasonal variations of organic compounds and core soil microbiome in the simulated pilot-scale aquifer storage and recovery (ASR) system

저자는 (제1저자) 한국과학기술연구원(KIST) 추쿼안나 학생연구원, (제1저자) 삼성엔지니어링 김혜원 책임연구원, (공저자) 한국과학기술연구원(KIST) 최재우 책임연구원, (공저자) 한국과학기술연구원(KIST) 이승학 책임연구원, (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 정성필 책임연구원' (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 조경진 책임연구원 등이다.

토양 컬럼 내부 마이크로바이옴 변화

□연구개요

전 세계적으로 기후변화에 따른 물순환 변동이 심각하게 발생하고 있으며, 홍수 및 가뭄과 같은 물순환 관련 기후 재난이 국내외적으로 자주 발생하고 있음. 안정적인 물 공급을 할 수 있는 방법으로서 미국, 네덜란드, 호주 등의 국가에서는 지중저장(인공함양) 기술을 활용하여 물을 저장하고 필요 시 회수하여 공급하는 사업이 실제로 활용되고 있음. 하지만, 물의 지중저장 과정에서 시스템의 안정성을 위협하는 공극 막힘(pore-blocking) 문제에 대한 이해 및 해결 방안 도출을 위하여, 지표수를 유입수로 하여 지속적으로 주입 및 회수하는 지정저장 과정에서의 유기물 및 미생물에 대한 연구가 필요함.

□얀구과정

이 연구에서는 실제 강물을 약 1년 이상(13개월) 약 2주 간격으로 주기적으로 주입하고 저장된 물을 회수할 수 있는 토양 컬림 기반 파일럿 규모 지중저장 모사 시스템을 설치하여 운영하였음. 그 결과, 계절적 차이에 따라 토양 컬럼 내부에 존재하는 우점하는 마이크로바이옴(microbiome)이 유의미한 수준의 차이를 보였음. 파일럿 규모 토양 컬럼의 약 1년 이상의 모사 실험에서는 전처리 공정으로 약품 적용 없이 물리적 침전 공정만 적용하였으나, 토양 컬럼 내부에서 보이는 유기물의 누적 및 미생물의 변화와 상관없이, 저장된 후 회수된 물에서의 유기물 농도는 안정적으로 유지되었음. 따라서, 실제 강물을 이용한 현장 실험을 바탕으로 안정적으로 지중 저장 시스템이 운영될 수 있는 가능성을 확인함.

□기대효과

전 세계 물 공급의 불균형 문제를 해소하기 위하여, 물의 대규모 저장 기술로서 활용되고 있는 지중저장(인공함양) 기술의 안정적 운영에 기여할 수 있는 성과이며, 아직까지 파일럿 규모의 대수층 모사 시스템 내에서의 장기간 마이크로바이옴 변화에 대한 연구는 전 세게적으로 초기 연구에 해당함. 향후, 국내외 지중저장 시스템 내에서 실제로 변화하는 마이크로바이옴에 대한 연구의 형태로 확장 되는 경우, 지중저장 시스템의 공극 막힘 문제를 방지하고 안정적인 운영에 기여할 수 있을 것으로 판단함.

□용어해설

1. 지중저장(인공함양) 기술

평상 시에 물을 지하 대수층에 저장하여 두었다가 필요 시 물을 회수하여 사용할 수 있게 해주는 물 저장 기술

2. 대수층

지하에서 지하수가 흐르고 있는 층

3. 마이크로바이옴(Microbiome)

일반적으로 환경에는 여러 종의 미생물이 군집(community)을 이루며 함께 존재하고, 이러한 미생물 군집을 마이크로바이옴이라고 지칭함. 환경에 존재하는 마이크로바이옴은 오염물질을 분해시키는 등 다양한 역할을 수행함

KIST 홍보실 제공

노벨사이언스 science@nobelscience.co.kr

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