절약, 재사용, 재활용: 지속 농업을 향한 여정

지속 농업이 전 세계 식량 생산 부문에 미치는 영향

전세계의 총 식량 수요는 2010년부터 2050년까지 35~56% 증가할 것이라고 예측되며, 전세계 인구가 꾸준히 늘어나면서 상황은 더욱 악화될 것으로 전망됩니다. 최근에는 COVID-19 팬데믹, 러시아와 우크라이나의 전쟁, 기후변화, 지역 분쟁으로 인해 식량 생산 및 유통 비용이 증가하고 있습니다. 국제통화기금은 국가, 그중에서도 빈곤 국가의 식량 불안정성을 줄이고 비료 접근성을 개선하기 위해서는 정책의 변화가 필수적임을 강조했습니다.

합성 비료와 유기 비료는 지속적인 농업을 위한 핵심적인 요소입니다. 합성 비료는 인광석에서 얻은 인, 칼륨 광석에서 얻은 칼륨, 공중 질소 고정을 통해 얻은 질소를 사용하는데, 이러한 자원의 추출 공정은 많은 에너지를 필요로 하며, 채광 작업을 수행하고 생산 과정에서 화석 연료 에너지원을 사용하기 때문에 장기적으로 보았을 때 환경에 악영향을 미치게 됩니다. 유기 비료에는 여러 동물로부터 얻은 거름, 알팔파 가루, 혈분, 어분, 재거름, 하수 폐기물이 포함됩니다. 유기 비료를 형성하는 거름과 기타 폐기물은 부피가 크고 밭에 뿌리거나 처리할 때 운반 비용이 비싸지만, 이러한 유형의 폐기물을 생산 현장이나 그 부근에서 가공한다면 비싼 운반 비용을 지출할 필요 없이 양분을 얻어 활용할 수 있습니다.

지속 농업 시스템은 현세대와 미래 세대가 번창할 수 있도록 물, 에너지, 양분을 제공하는 자원을 효율적으로 사용하여 환경에 미치는 영향을 줄이고 경제력을 유지하고 공급량이 적은 유한한 자원에 대한 의존성을 최소화합니다. 하수에서 양분을 회수하여 이를 비료로 재사용, 재활용하는 방식을 그림 1에서 확인할 수 있습니다.

이처럼 유한한 자원 중 하나가 바로 비료의 대량영양소입니다. 예를 들어의 인광석 매장량의 경우 50~100년 내로 완전히 고갈될 수 있습니다. 또한 폐기물을 활용한 농산물도 환경에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있는데, 작물이 약물, 병원균, 금속 폐기물에 오염되거나 지표수의 부영양화가 발생할 수 있습니다. 그러나 이러한 폐기물에는 많은 양분이 함유되어 있어 큰 잠재력을 가집니다.

지속 농업을 향한 여정: 혁신 활용 기회

순환형 바이오경제라는 용어는 생물학적 자원의 관리를 통해 토지, 식량, 보건 및 산업 시스템을 변화시키고 관리하여 자연과 더불어 지속 가능한 방식으로 행복한 삶을 영위하는 방법을 나타냅니다. 지속 농업 부문의 혁신적인 기술을 활용하면 폐기물에 포함되어 있는 양분을 이용해 식량 생산량을 늘리고 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다. 일반적으로 사용하는 생물학, 화학, 물리 측면의 양분 회수 방법이 표 1에 요약되어 있습니다. 다음은 최근 몇 년간 주목을 받은 지속 가능성이 있는 방법들입니다.

• 스마트 나노 비료: 질소 나노 비료의 경우 식물에 질소가 더 잘 흡수되게 만들고 배출되는 질소의 양을 줄여 질소 이용 효율을 높여줄 것으로 예상됩니다. 이러한 작업은 다양한 방식으로 진행할 수 있는데, 비료의 크기를 나노입자 수준으로 줄이거나 비료에 나노 물질을 추가하거나 캡슐화를 통해 나노 복합물 구조를 구성하거나 나노포어를 활용해 영양분 용출을 제어합니다.

• 바이오리파이너리: 기본 원료로 작물을 활용한 1세대 바이오리파이너리와는 다르게 다르게 2세대 바이오리파이너리는 잔여 및 폐기 스트림을 활용합니다. 바이오매스가 다양한 전환 플랫폼을 사용하는 효소 및 미생물로 인해 액체 연료와 화합물로 전환됩니다.

• 바이오차 (숯): 탄소 격리와 관련해 바이오차를 사용한다는 것은 상대적으로 새로운 개념이지만 이 숯과 유사한 물질의 이력은 2000년 전으로 거슬러 올라가는데, 그 당시 아마존 분지에서는 숯이 된 바이오매스를 토양과 섞으면 토양의 질과 생산력이 높아질 수 있다고 생각했습니다. 죽은 식물이나 낙엽과 같은 유기물의 혐기성 열분해를 통해 깨끗하고 에너지 효율적인 방식으로 안정된 형태의 탄소를 만들어낼 수 있습니다.

• 그린 암모니아: 재생 가능한 에너지, 질소, 물을 사용하여 100% 재생 가능하고 탄소가 없는 암모니아를 만듭니다. 물의 전기분해를 사용하여 H2를 공급하는 그린 암모니아 합성 프로젝트는 최근 몇 년간 Air Products, Siemens, OCP, thyssenkrupp, Grupo Fertiberia를 비롯한 주요 기업들을 통해 상업화되었습니다.

• 스트루바이트: Guanite 또는 인산암모늄마그네슘(MAP)이라고도 알려진 스트루바이트는 하나의 결정체로, Mg²⁺, (NH₄)⁺, PO₄³가 분자비 또는 화학량론적 비율인 1:1:1로 결합되어 있습니다. 스트루바이트는 단독으로 사용하거나 다른 폐기물 기반 산물들, 미생물 접종원, 또는 일반적인 무기 비료와 함께 화성 비료 제형에 활용할 수 있습니다. 많은 양분이 함유되어 있는 구성으로 완효성을 띠고 있어 상업적 비료 생산에 유용합니다

표 1. 일반적으로 사용하는 폐기물 양분 회수 공정 개요

지속 농업의 비료 연구 및 양분 회수 관련 추세

CAS Content Collection™은 전문가가 엄선한 리소스로, 이 리소스를 사용하여 양분 회수 방법과 혁신을 주도하여 순환형 바이오경제를 유지시켜 주는 개념을 평가했습니다. 광범위한 비료 검색 결과, 2001년부터 2021년까지 121,213개 특허와 125,228개의 학술지를 찾았습니다(그림 2). 학술지 관련 주제의 경우 비료가 농작물의 성장에 미치는 영향, 생물학적 반응에 초점을 맞추었고 토양 비옥도를 연구했으며, 일부는 비료의 양분 회수 공정과 공급 받는 물의 부영양화를 초래하는 오염 물질로써의 양분, 또는 오염 물질을 포함하는 농업 폐기물 및 토양에 초점을 맞추었습니다. 특허 관련 주제의 경우 비료 양분 회수와 관련한 공정과 유기물, 비료 제형, 그리고 거름, 재, 발효 같은 바이오폐기물에 초점을 맞추었습니다.

질소, 인, 칼륨을 양분원으로 활용하는 것에 대한 지속 농업 관련 추세와 해당 회수 공정을 식별하기 위해 검색을 수행했습니다.

학술지와 특허 모두에서 "유기/무기 저분자", "원소", "염류/화합물"과 같은 물질 분류가 가장 두드러졌으며 특허에서는 "혼합물"도 널리 사용되었습니다.

양분 회수의 경우 생물학적 공정을 가장 많이 사용하였는데, 학술지/특허 간행물의 66%가 이 공정을 활용하였고 물리적 방법(22%)과 화학적 방법(12%)이 그 뒤를 이었습니다.

또한 하수 처리 슬러지, 바이오차, 재 양분 회수 관련 주제에 많은 관심을 보였습니다. 그중에서도 바이오차 생산, 스트루바이트 침전, 그린 암모니아 합성에 대한 추세가 눈에 띄었습니다.

특허와 학술지 부문에서 숯/바이오차에 대한 인기가 높아지고 있는 것을 확인할 수 있었는데, 학술지의 경우 2019년에 약간 주춤하였으나 계속해서 성장세를 이어 나가고 있습니다. 지속 농업 관련 특허 간행물의 경우 2013년 이후로 대폭 증가하였으나 매년 변동이 큰 편입니다(그림 3). 개념 분석은 “혐기성 생물학적 소화”를 통해 “하수 처리 슬러지”와 “거름” 간의 관계를 밝혀냈습니다.

연구 기간 동안 스트루바이트에 대한 간행물이 대폭 증가했습니다. [(NH₄)Mg(PO₄).6H₂O] 형태의 스트루바이트가 가장 두드러졌으며 칼륨 스트루바이트[MgK(PO₄).6H₂O](그림 4) 관련 간행물은 매우 적었지만, 일부 연구에서는 회수가 가능하며 인산마그네슘 비료 역할을 할 가능성이 있다고 명시했습니다. 스트루바이트 생산과 관련된 주요 개념에는 "화학적 침전", "결정화", "하수 처리 침전물", "흡착성 하수 처리" 등이 포함되었습니다.

학술지에는 주로 그린 암모니아에 대한 논의가 게재되었으며 2020년에는 총 간행물 중 20%가 특허 문서였습니다. 또한 2017년부터 2021년까지 그린 암모니아 합성 촉매와 관련해 물질의 수가 극적으로 증가하였는데, 2017년에는 고유 물질이 100개 미만이었지만 2021년에는 약 500개의 고유 물질이 존재하게 됩니다. 여기서 이목을 끄는 물질은 그린 암모니아 합성에 사용되는 새로운 촉매제를 구성하는 물질들이었으며, 여기에는 무기 재료, 유기/무기 저분자, 원소, 배위화합물이 포함됩니다(그림 5). 또한 광촉매 또는 전기촉매 질소의 감소와 관련된 학술지의 비율을 보면 2001년에는 1%였지만 2021년에는 25%로 증가하여 이 방법이 빠르게 발전하고 있다는 사실을 알 수 있습니다.

기후 탄력적 농업의 전망

전 세계의 인구가 급증하면서 농식품 업계는 엄청난 압박을 받고 있습니다. 비료의 생산과 쌓여 가는 농업 폐기물은 환경의 파괴에 기여하고 있으며, 이러한 피해는 돌이킬 수 없습니다. 지속 가능성과 순환형 바이오경제라는 개념은 이제 책임감 있는 농업의 핵심 원칙이 되었습니다. 지속 농업 원칙의 영향을 받아 폐기물 처리, 양분 회수, 에너지 효율성과 관련이 있는 통합형 시스템을 개발하기 위한 연구가 시작되었습니다.

그린 암모니아 합성과 폐기물 및 미생물 제형의 비료 양분 회수와 같이 "보다 친환경적"이며 대안적인 비료 생산 공정은 식량의 생산 방식을 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있으며 폐기물을 소중한 부산물로 변환시킬 수 있습니다.

양분 회수 공정은 효율성을 높이고 비용을 절감하고 환경에 미치는 영향을 최소화할 목적으로 상업화되고 있습니다. 아래에서 몇 가지 주목할 만한 지속 농업 관련 기술을 소개합니다.

• Pearl® 및 WASSTRIP®(Waste Activated Sludge Stripping to Remove Internal Phosphorus) 기술(Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., 캐나다)은 지속 가능한 방식으로 회수되며 인, 질소, 마그네슘을 포함한 완효성 비료인 Crystal Green®을 생산하는 데 사용된 핵심 탈인 공정입니다. Root-Activated™ 비료는 흡수율을 최적화하고 현지 수자원을 보호하면서 생산량을 높여 줍니다.

• AirPrex®(CNP CYCLES GmbH, 독일)는 특허 받은 슬러지 최적화 공정으로 생물학적 인산염 제거 방식의 효율을 높여줍니다. 소화된 슬러지는 AirPrex® 반응기에서 처리되며 궁극적으로 비료로 사용이 가능한 MAP 또는 스트루바이트의 침전으로 이어집니다.

• AshDec® 열화학 인 회수 시스템(Metso Outotec, 핀란드)은 식물 가용성을 개선하여 하수 슬러지 재에서 인을 회수하여 중금속 함량을 낮춰줍니다. 이 경우 인 산물이 구용성을 띠고 있어 친환경적입니다. 또한 인의 용출이 제어되어 작물의 뿌리 분비물이 존재할 때에만 용출됩니다.

• RecoPhos 프로젝트(RecoPhos 컨소시엄)는 학계, 업계, 그리고 기업의 여러 전문가들이 함께 진행하는 프로젝트입니다. 이 프로젝트의 목표는 혁신적인 반응기를 사용하여 하수, 슬러지, 재에서 인(백린 또는 인산 형태)을 회수하는 것입니다. 이러한 작업은 완벽하게 작동하는 벤치 스케일 반응기와 파일럿 스케일 플랜트의 설계를 구현하기 위한 토대를 제공합니다. RecoPhos 공정의 경제적, 환경적, 사회적 영향력도 평가됩니다.

• Aqua2™N 공정(Easymining Services, 스웨덴)은슬러지 액체에서 질소를 회수합니다. 질소는 흡수되어 결정체로 채취된 후 비료 생산에 즉시 활용 가능한 형태로 회수됩니다. 흡수제는 간단히 재사용할 수 있습니다.

이러한 이니셔티브들은 과학, 기술, 업계 부문을 초월하는 협업을 통해 식량 생산 관련 과제를 극복하고 폐기물의 회수 절차를 간소화할 수 있다는 사실을 보여 줍니다. 지속 농업은 우리 사회가 미래에 대비할 수 있는 확실한 방법을 알려줍니다.

통찰력 보고서에서 양분 회수 공정과 관련이 있는 지속 농업의 추세에 대해 자세히 알아보십시오.