많은 이들이 이해하기 어려운 샌프란시스코의 어느 한 40층짜리 아파트 거주민은 호화로운 생활을 할 수도 있다. 하지만 알고 보면, 샤워, 손 씻기, 빨래 세탁 등 평범한 이들과 같은 생활을 한다. 미국에서는 보통 가정에서 사용한 물이 처리 시설로 이동하고, 결국에는 호수와 같은 넓은 공간으로 흘러간다. 미국에서는 매일 같은 방식으로 폐수 340억 갤런을 처리한다. 그러나 극도로 높은 열과 물 부족, 급격한 인주 증가 등 각종 문제가 발생하는 가운데, 과학계에서는 갈수록 시민이 사용 후 흘려보내는 폐수에서 더 많은 물을 추출하기 위한 영리한 방법을 찾고 있다.
앞서 언급한 샌프란시스코 아파트 지하에서 에픽 클린텍(Epic Cleantec)이라는 기업은 아파트에서 배출되는 인간의 대소변, 음식물 부스러기 등은 포함되지 않은 오수를 추출하고는 탱크와 미로와 같은 파이프로 흘려보내고는 염소와 자외선 빛을 이용한 정교한 분류 및 소독 작업을 진행한다. 최종적으로 처리한 물을 아파트 꼭대기 층으로 돌려보내고는 화장실과 소변기 물을 채우고는 폐수 중 적어도 일부를 사용하도록 한다.
에픽 클린텍 공동 창립자 겸 CEO 아론 타르타코프스키(Aaron Tartakovsky)는 “엄격한 관리 과정에 따라 식수가 아닌 물에만 정화한 물을 사용한다. 과학적으로 식수와 같은 수질의 물을 생성할 수도 있다”라고 주장했다. 실제로 에픽 클린텍은 아파트에서 재활용한 물을 이용하여 쾰슈(kölsch)라는 맥주를 주조했다. 타르타코프스키는 “에픽 클린텍은 폐수를 정화를 마친 물, 재생에너지, 토양에 공급할 물로 전환할 수 있다. 개인적으로 폐수라는 표현은 명칭 변경이 절실히 필요하다고 생각한다”라고 말했다.
이론상 가정에서 사용한 뒤 흘려보내는 물에는 처리 시설에서 처리하는 물보다 10배 더 많은 에너지가 포함되었다. 수자원 시설의 지원을 받는 미국 비영리단체인 물연구재단(Water Research Foundation) CEO 피터 그레바트(Peter Grevatt)는 인간이 사용한 물에는 영양분과 미네랄도 풍부하다고 말한다. 물을 재활용하는 것과 마찬가지로 에픽 클린텍은 아파트의 폐수에서 에너지를 추출하고는 윗층으로 다시 전달하는 물의 온도를 높이는 데 사용하여 결과적으로 공과금 부담을 줄일 수 있는 열 교환소 실험을 진행 중이다. 에픽 클린텍은 주민의 오물과 주방 싱크대, 식기세척기 등에서 발생한 식품 유기체를 포함한 폐수를 토양개량제로 활용하도록 처리하는 시스템도 개발 중이다.
아파트 건물이 있는 전체 길거리 영역에서 타르타코프스키는 병원균을 없애도록 폐수를 처리하여 몇 가지 물질을 확보했다. 그는 “거리낌이 없는 것은 무엇이든 접촉과 냄새 맡기가 가능하다”라고 말했다. (필자는 폐수 처리로 얻은 물질을 직접 잡고, 냄새를 맡기도 했다. 촉감과 냄새 모두 퇴비와 같다.)
시 정부 단위에서도 갈수록 물 재사용 노력을 한다. 현 상태를 유지하는 처리 시설에서는 모든 폐수를 자연으로 내보내는 대신 처리 과정을 마친 폐수를 재사용한다. 에픽 클린텍은 기본적으로 물 재활용 공장의 역할을 다층 건물 지하에 맞는 시스템에 적합한 작업으로 축소하고는 시 정부 폐수 처리 작업의 부담을 덜면서 물 공급 압박을 줄였다.
[사진=Pixabay]
물 사용량 증가
시스템이 어떤 형태이든 앞으로 수십 년 동안 물 재활용 속도를 대폭 높여야 할 것이다. 오늘날 전 세계 도시 거주 인구 비율은 56%이지만, 2050년이면 그 비율이 70%로 증가할 것이다. 대도시 여러 곳에서 물을 다량으로 사용하게 될 것이다. 또, 도시 인구가 부를 축적하면서 결과적으로 물 사용량이 증가하는 것은 물론이고 도시산업 활동도 증가할 것이다. 그와 동시에 기후변화 때문에 미국 남서부 지역 등 많은 인구가 떼 지어 모인 지역이 건조해지는 추세이다. 그레바트는 “이미 물 공급 스트레스 수준이 가장 심한 상황을 접하고 있다. 물 공급 압박에 시달리는 지역 중 다수 지역은 가장 빠른 속도로 성장한 곳이다. 자원 회복 속도를 찾는 일이 매우 중요하다”라고 설명했다.
최근, 어느 한 연구 논문은 도시 성장 전개 양상의 놀라운 변수를 상술했다. 도시가 성장하면서 온실가스 규모는 증가 속도가 둔화한다. 즉, 인구 증가 비율보다는 더 낮은 비율로 온실가스 규모가 증가한다는 의미이다. 그 부분적인 원인은 대중교통과 같은 요소의 효율성이다. 결국, 매립지로 향하는 폐수 증가 비율은 도시 성장 속도와 같다. 인구 변화 수준에 따라 폐수 증가율도 변한다는 의미이기도 하다. 폐수는 인구 증가보다는 더 느린 속도로 증가하지만, 인구 증가 시 더 빠른 속도로 증가한다.
다시 말해, 도시 규모가 커질수록 에너지 효율성이 향상하는 것과는 달리 폐수는 더 증가한다. 해당 연구 논문의 공동 저자이자 뉴욕대학교 산업생태학자 밍전 루(Mingzhen Lu)는 “그 이유를 찾는 데 어려움이 있었다. 가장 적합한 설명으로 도시 규모보다 더 느린 속도로 증가하는 부의 창출 수준과의 관련성을 이야기할 수 있다. 인간 사회에서 1달러씩 창출할 때마다 물을 소비한다. 동시에 부의 축적 수준이 증가한다면, 물을 더 낭비하게 된다”라고 설명했다.
도시 내 물 사용량이 증가하면서 폐수 처리를 평소와 같이 자연으로 흘려보내는 일이 계속될 위험성이 있다. 논문의 공동 저자이기도 한 산타페연구소 소속 물리생물학자 크리스 켐페스(Chris Kempes)는 “미래 사회에서 지난 수백 년 전의 인류 생활을 돌아보면서 폐수를 정화하여 농장에서 재사용하지 않고, 바로 해양으로 버리는 것을 가장 어리석은 일이라고 평가하게 될 것이다”라고 주장했다.
폐수에서 깨끗한 물을 추출하는 기술은 수십 년 동안 존재한 기술이다. 1981년부터 물을 재사용한 샌디에이고에서는 폐수 처리 공장 두 곳에서 재사용할 물을 하루 평균 2,100만 갤런을 생성한다. 더 나아가 앞으로 몇 년 후에는 처리 시설을 추가로 설치할 계획이다. 엄밀히 말하자면, 폐수 처리 후 재사용한 물은 식수로 고려하지 않고, 농업 및 공업용 물로 사용한다. 그러나 2026년에는 식수도 전달할 계획이다. 정화 기술이 발전한 덕분이다. 폐수는 오존과 접촉하여 박테리아와 바이러스를 죽이고, 필터로 걸러낸 뒤 모공처럼 매우 미세한 막을 통과한다. 기본적으로 물 분자만 통과할 수 있을 정도로 매우 작다. 샌디에이고 지역은 매일 물 3,000만 갤런을 생성하면서 2035년까지 지역 식수 절반을 공급하고자 한다.
폐수를 이용하여 식수를 재공급하는 데 드는 비용 부담이 크다. 폐수 처리 시설 여러 곳을 대거 설치하여고는 액체가 깨끗한 물을 걸러낼 미세한 막을 통과하도록 해야 한다. 기술 완성도는 향상하면서 비용은 줄어드는 추세이다. 샌디에이고 공공시설 책임자 후안 헤레이로(Juan Guerreiro)는 “다른 정부 기관과 물이 풍부한 지역에서 샌디에이고의 폐수 처리 시설을 방문한 이들이 많았다. 폐수 처리를 통한 물 재사용에 관심이 있어서 타지에서 찾아온 것이라고 생각할 수도 있다. 하지만 이미 폐수 시스템 내에 물 재사용 과정이 포함된 사실을 깨닫게 괸다. 환경 보호 측면에서 이익이 되는 일이다”라고 말했다. 물을 재사용한다면, 지역 어종 보호에도 도움이 될 수 있다.
폐수 재사용 작업
폐수 재사용 작업의 까다로운 나머지 절반 작업은 시설에서 생물 침전물로 축적하는 인간의 분뇨를 처리하는 과정이다. 미국에서는 처리된 쓰레기 56%를 토양에 사용하고, 27%는 매립지에 버린다. 그리고 16%는 소각한다. 인간이 섭취하는 음식의 탄소 이외에도 퇴적물은 인간과 산업 현장에서 사용 후 버리는 폐수의 화학물질과 융합한다.
2022년, 마인주는 PFAS라는 이름으로 알려진 암, 호르몬 질환과 연결된 여러 화학 물질 오염 우려 때문에 처리된 폐기물을 비료로 사용하는 행위를 금지했다. 폐기물은 미세 플라스틱이 가득 포함된 것으로 악명 높다. 예를 들어, 세탁 도중 무수히 많은 합성 섬유가 분해되고, 폐수 처리 시설로 흘러 들어간다. 토지로 향하는 처리된 폐기물은 환경 파괴 주범인 미세플라스틱의 주요 원천이다.
산업 현장에서는 환경 보호와 안전한 폐수 탄소 및 영양분 포집이 모두 가능하도록 오염원을 격리할 방안을 모색 중이다. 그레바트는 “매우 어려운 일이다. 폐수 처리 운영 시설은 정화된 물을 생성하는 기관이 아니라 여러 원천의 PFAS를 받아들이는 역할을 한다”라고 말했다.
처리된 폐기물을 대체 수단으로 바이오차(biochar)에 주목할 수 있다. 특수 공간에서 유기 물질을 가열하는 열분해 과정을 처리한다면, 탄소 농도가 상승한다. 이미 여러 스타트업이 열분해 작업으로 농업 폐기물을 처리하여 지하에 매장하는 숯과 기름을 생성하기 시작했다. (식물이 자라면서 탄소가 분해되므로 실질적으로 토양으로 다시 매립하는 방식으로 대기의 탄소를 없앤다.) 농부도 농지에 바이오차를 뿌린다. 작물 수확량과 토양의 탄소 공급량 모두 증가할 수 있다.
연구팀은 같은 기법을 이용한 폐수 응고 작업도 실험 중이다. 기본적으로 처리된 폐기물을 고체로 전환한다. 코넬대학교에서 폐수를 연구하는 엔지니어 펑치 유(Fengqi You)는 “열화학이자 열처리 과정인 열분해 작업을 한다면, 박테리아와 병원체, 바이러스를 죽일 수 있다. 폐수 처리 전보다 훨씬 더 깨끗해진다”라고 말했다. 게다가 처리된 폐기물은 무겁고, 시설에서 농장으로 운송하는 과정에서 의도치 않게 폐수를 생성할 수도 있다. 이에, 유는 “운반 과정에서 폐수를 대거 운반할 수 있다. 폐기물의 밀도 자체는 낮다. 그러나 바이오차는 가방에 넣고 다닐 수 있을 정도로 가벼우면서 운반이 수월하다”라고 설명했다. 따라서 먼 공장으로는 물론이고, 폐수 원천 지역과 가까운 도심 농장으로 운반하여 지역 내에서 처리하기도 훨씬 더 수월하다.
폐수 시설은 미생물이 응고된 폐수를 먹고, 메탄 바이오가스를 부산물로 생성하는 산소가 없는 공간에서 연료를 생성할 수도 있다. 유는 “바이오가스를 태워서 열을 생성할 수 있다”라고 전했다. 뉴욕 이타카 지역에서는 바이오가스로 폐수 시설 전체 연료를 공급할 수 있다. 그러나 바이오가스를 이용하여 의료 시설을 포함한 인근 건물 여러 곳의 온도를 높일 실험도 진행 중이다. 천연가스를 이용한 건물 난방은 대기 중 탄소 배출량을 늘릴 수 있으나 바이오가스는 인간이 먹는 곡물과 폐수 시스템의 분뇨에서도 발생한다. 시간이 지날수록 탄소를 대기 아래로 끌어내리는 방식으로 늘려 바이오가스 소각으로 탄소 순환 고리를 형성한다.
미생물군은 바이오가스를 생성하기 전 휘발성이 높은 지방산을 생성하기도 한다. 콜로라도주립대학교에서 폐수를 연구 중인 환경 공학자 시빌 샤벨레(Sybil Sharvelle)는 제트 연료로 구성되거나 도시 교통수단의 연료 역할을 할 수도 있다고 말한다. 그는 “휘발성이 높은 지방산은 가치가 매우 높다”라고 언급했다.
샤벨레는 에픽 클린텍의 실험처럼 퇴비를 응고된 폐기물로 사용하는 것 외에도 작물 재배용으로 소독한 재사용 물을 이용하는 행위로 이익을 볼 수도 있다는 점에 주목했다. 도심 농장에서 재사용할 수 있는 작물 재배용 재활용 물에는 식물의 기본적인 영양분이지만, 물에서 제거하기 어려운 질소와 인이 남아있다. 샤벨레는 “처리 과정을 거친 후에도 질소와 인이 남아있다면, 에너지 효율성을 훨씬 더 높이면서 영양분을 직접 사용할 수 있다”라고 말했다.
모두 폐수 자원부터 도시, 바다까지 폐수 이동 경로가 바뀌기 시작했다는 의미이다. 미래 폐수는 순환되면서 식수, 도심 농장의 퇴비, 에너지 등으로 돌아올 것이다. 화장실에서 폐기한 폐수를 식수로 처리하는 작업은 자연이 의도한 풍부한 자원 공급 과정이다. 자연스럽지 않은 작업이 전혀 아니다. 켐페스는 “재활용은 자연적으로 흔한 일이다. 사용하지 않은 에너지나 영양분이 남아있다면, 누군가가 활용할 방법을 찾을 것이다. 비료 생성 방법과 물을 정화할 방법, 열과 전기를 동시에 생성할 방법을 알고 있다면, 수십억 년 동안의 생물학 발전 과정을 반영할 것이다”라고 말했다.
** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
![[사진=Pixabay]](/news/photo/202402/5371_6956_253.jpg)
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