전 세계 식량 생산에서 지속 가능한 농업이 갖는 핵심 역할
전 세계 총 식량 수요는 지속적인 세계 인구 증가와 맞물려 2010년에서 2050년 사이에 35~56% 증가할 것으로 예측됩니다. 최근 몇 년간 식량 생산 및 유통 비용 상승은 코로나19 팬데믹, 러시아-우크라이나 전쟁, 기후 변화, 지역 분쟁의 영향을 받아왔습니다. 국제통화기금(IMF)은 식량 불안을 줄이고 특히 빈곤국들의 비료 접근성을 개선하기 위해 정책 변화가 필수적임을 강조했습니다.
합성 비료와 유기 비료는 농업 관행을 유지하는 데 여전히 중요합니다. 합성 비료는 인광석에서 채굴한 인, 칼륨 광석에서 채굴한 칼륨, 대기에서 고정한 질소를 사용하지만, 이러한 자원을 추출하는 과정은 에너지를 많이 소비하며 채굴 활동과 생산 과정에서의 화석 연료 사용으로 인해 환경에 장기적으로 해로운 영향을 미칩니다. 유기 비료에는 다양한 동물의 분뇨, 알팔파 가루, 혈분, 어분, 목재 재뿐만 아니라 물이나 하수에서 나온 폐기물이 포함됩니다. 유기 비료를 형성하는 분뇨 및 기타 폐기물은 부피가 크고 현장 적용이나 처리를 위해 운송하는 데 비용이 많이 들지만, 이러한 폐기물에서 영양분을 추출하면 현장이나 생산지 근처에서 처리할 수 있어 값비싼 운송 비용을 절감할 수 있습니다.
지속 가능한 농업 시스템은 물, 에너지, 영양 자원의 효율적인 사용, 환경 영향 감소, 경제적 강점 유지, 고갈되는 유한 자원에 대한 의존도 최소화를 포함하며, 이를 통해 현세대와 미래 세대 모두가 번영할 수 있도록 합니다. 폐수에서 영양분을 회수, 재사용 및 재활용하여 비료로 사용하는 방법의 예는 에 나와 있습니다.
비료의 다량 영양소는 고갈되는 유한 자원 중 하나입니다. 예를 들어, 인산염 매장량은 향후 50~100년 이내에 고갈될 수 있습니다. 또한, 농업 폐기물은 의약품, 병원균 또는 금속 폐기물로 인한 작물 오염 및 지표수의 부영양화와 같은 문제를 일으켜 환경에 해로울 수 있습니다. 그러나 이러한 폐기물은 영양분 함량이 높아 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.
지속 가능한 농업으로 가는 길: 혁신을 활용할 기회
순환 바이오 경제라는 용어는 생물학적 자원 관리를 통해 토지, 식량, 건강 및 산업 시스템을 변화시키고 관리하여 자연과 조화를 이루는 지속 가능한 웰빙을 달성하는 방식을 의미합니다. 지속 가능한 농업의 혁신을 활용함으로써 폐기물에 포함된 영양분을 활용하여 식량 생산을 촉진하고 환경 영향을 최소화할 수 있는 상당한 잠재력이 있습니다. 일반적으로 사용되는 생물학적, 화학적, 물리적 영양분 회수 방법은 표 1에 요약되어 있습니다. 최근 몇 년간 관심을 받고 있는 잠재적으로 지속 가능한 방법은 다음과 같습니다.
- 스마트 나노 비료: 질소 나노 비료는 식물에 대한 질소 전달 효율을 높이고 환경으로의 질소 손실을 줄임으로써 질소 이용 효율을 높일 것으로 기대됩니다. 이는 여러 가지 방식으로 수행될 수 있는데, 비료의 부피를 나노 입자로 줄이거나, 비료에 나노 물질을 보충하거나, 캡슐화 또는 나노 기공에 저장하여 영양분 방출을 제어하는 나노 복합 구조를 형성하는 방식이 있습니다.
- 바이오 리파이너리: 작물을 원료로 사용했던 1세대 바이오 리파이너리와 비교하여, 2세대 바이오 리파이너리는 잔류물 및 폐기물 흐름을 사용합니다. 바이오매스는 다양한 전환 플랫폼을 사용하여 효소와 미생물에 의해 액체 연료 및 화학 화합물로 전환됩니다.
- 바이오차 (숯): 바이오차의 사용은 탄소 격리 측면에서 비교적 새로운 개념이지만, 이 숯과 같은 물질의 역사는 2,000년 전 아마존 분지로 거슬러 올라갑니다. 당시 토양에 탄화된 바이오매스를 추가하면 토양의 질과 비옥도가 향상된다고 여겨졌습니다. 죽은 식물이나 낙엽과 같은 유기물을 혐기성 열분해하는 것은 안정적인 형태의 탄소를 생산하는 깨끗하고 에너지 효율적인 접근 방식입니다.
- 그린 암모니아: 이는 재생 에너지, 질소, 물을 사용하여 암모니아를 100% 재생 가능하고 탄소 배출이 없는 상태로 만드는 과정입니다. 수전해를 통해 수소를 공급하는 그린 암모니아 합성 프로젝트는 최근 몇 년간 Air Products, Siemens, OCP, thyssenkrupp, Grupo Fertiberia와 같은 주요 기업들에 의해 상용화되었습니다.
- 스트루바이트: 구아나이트 또는 마그네슘 암모늄 인산염(MAP)으로도 알려진 스트루바이트는 Mg2+, (NH4)+, PO43-가 1:1:1의 몰비 또는 화학량론적 비율로 결합된 결정입니다. 이는 단독으로 사용하거나 다른 폐기물 유래 제품, 미생물 접종제 또는 기존 무기 비료와 혼합된 복합 비료 형태로 사용할 수 있습니다. 높은 영양 성분과 서방성 특성 덕분에 상업용 비료 생산을 위한 매력적인 후보 물질입니다.
표 1. 폐기물로부터의 일반적인 영양분 회수 공정 개요
비료 연구 및 영양분 회수를 위한 지속 가능한 농업 동향
CAS Content Collection™ 은 전문가가 엄선한 리소스로, 영양분 회수 방법과 순환 바이오 경제를 유지하기 위한 혁신 개념을 평가하는 데 활용되었습니다. 광범위한 비료 검색을 통해 2001년부터 2021년까지 121,213건의 특허와 125,228건의 저널 간행물을 확보했습니다(그림 2). 저널 관련 주제는 작물 성장, 생물학적 반응, 토양 비옥도에 미치는 비료의 영향에 초점을 맞추었으며, 일부는 비료를 위한 영양분 회수 과정, 수역의 부영양화를 유발하는 오염원으로서의 영양분, 또는 오염 물질을 포함한 농업 폐기물 및 토양에 관한 연구를 다루었습니다. 특허 관련 주제는 비료 영양분 회수와 관련된 유기 물질 및 공정, 비료 제형, 그리고 거름, 재, 발효와 같은 바이오 폐기물 주제에 집중되었습니다.
질소, 인, 칼륨을 영양분 공급원으로 활용하기 위한 지속 가능한 농업 동향과 그 회수 공정을 파악하기 위한 검색이 수행되었습니다.
저널과 특허 모두에서 "유기/무기 저분자", "원소", "염/화합물"과 같은 물질 분류가 주를 이루었으며, 특허에서는 "혼합물" 또한 흔하게 나타났습니다.
생물학적 공정은 영양분 회수를 위한 가장 두드러진 방법으로, 전체 저널/특허 출판물의 66%를 차지했으며, 물리적 방법(22%)과 화학적 방법(12%)이 그 뒤를 이었습니다.
주요 관심 주제는 하수 처리 슬러지, 바이오차, 재로부터의 영양분 회수에 집중되었습니다. 바이오차 생산, 스트루바이트 침전, 친환경 암모니아 합성 분야에서 주목할 만한 동향이 나타났습니다.
특허와 저널 모두에서 숯/바이오차 관련 주제가 뚜렷한 증가세를 보였으며, 저널 출판물은 2019년에 소폭 감소했음에도 불구하고 지속적인 성장을 입증했습니다. 지속 가능한 농업 관련 특허 출판물은 특히 2013년 이후 증가했으나, 연도별 수치는 다소 변동이 있었습니다(그림 3). 개념 분석 결과, "하수 처리 슬러지" 및 "거름"과 "혐기성 생물학적 소화" 간의 관계가 밝혀졌습니다.
스트루바이트 관련 출판물은 연구 기간 동안 크게 증가했습니다. [(NH4)Mg(PO4).6H2O] 형태의 스트루바이트가 지배적이었으며, 칼륨 스트루바이트 [MgK(PO4).6H2O]에 관한 출판물은 매우 적었습니다(그림 4). 다만 일부 연구에서는 마그네슘 인산염 비료로 활용될 가능성이 있는 칼륨 스트루바이트의 회수 가능성을 제시하고 있습니다. 스트루바이트 생산과 관련된 주요 개념으로는 "화학적 침전", "결정화", "하수 처리 침전", "흡착식 하수 처리" 등이 포함되었습니다.
(2001–2021).
친환경 암모니아는 주로 저널 출판물에서 논의되었으며, 특허 문서는 2020년 전체 출판량의 20%에 도달했습니다. 2017년부터 2021년까지 촉매를 이용한 친환경 암모니아 합성에서 물질의 역할이 극적으로 성장했습니다. 2017년 100개 미만이었던 관련 물질은 2021년 약 500개로 증가했습니다. 관심 대상 물질은 친환경 암모니아 합성에 사용되는 새로운 촉매를 구성하는 물질들, 예를 들어 무기 재료, 유기/무기 저분자, 원소, 배위 화합물 등이었습니다(그림 5). 또한 광촉매 또는 전기촉매 질소 환원을 다룬 저널 출판물의 비중은 2001년 1%에서 2021년 25%로 증가하여 이 방법의 급격한 발전을 보여주었습니다.
기후 회복력이 있는 농업이 다가오고 있는가?
세계 인구의 급증은 농식품 산업에 가중되는 압박으로 이어지고 있습니다. 비료 생산과 농업 폐기물의 축적 모두 돌이킬 수 없는 환경 피해를 초래하고 있습니다. 지속 가능성과 순환 바이오 경제 개념은 책임 있는 농업 관행의 핵심 원칙이 되었습니다. 지속 가능한 농업 원칙은 폐기물 처리, 영양분 회수, 에너지 효율을 위한 통합 시스템 개발 연구에 영감을 주었습니다.
친환경 암모니아 합성 및 폐기물과 미생물 제형으로부터의 비료 영양분 회수와 같은 대안적인 "친환경" 공정은 식량 생산 방식을 변화시키고 폐기물을 가치 있는 부산물로 전환할 잠재력을 가지고 있습니다.
영양분 회수 공정은 효율성을 간소화하고 비용을 절감하며 환경 영향을 최소화하기 위해 상용화되고 있습니다. 주목할 만한 지속 가능한 농업 기술은 다음과 같습니다:
- Pearl® 및 WASSTRIP®(내부 인 제거를 위한 폐활성 슬러지 스트리핑) 기술(Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., 캐나다)은 인, 질소, 마그네슘을 함유한 지속 가능하게 회수된 완효성 비료인 Crystal Green®을 생산하는 데 사용되는 핵심 인 제거 공정입니다. Root-Activated™ 방출 기술은 영양분 흡수를 최적화하고 지역 수자원을 보호하는 동시에 수확량을 증대시킵니다.
- AirPrex®(CNP CYCLES GmbH, 독일)은 생물학적 인산염 제거를 개선하는 특허받은 슬러지 최적화 공정입니다. AirPrex® 반응기에서 소화 슬러지는 최종적으로 비료로 사용할 수 있는 MAP, 즉 스트루바이트의 침전을 유도하도록 처리됩니다.
- RecoPhos 프로젝트 (The RecoPhos Consortium)는 학계, 산업계, 기업이 참여하는 다학제적 프로젝트입니다. 이 프로젝트의 목표는 혁신적인 반응기를 사용하여 하수, 슬러지, 재에서 인(백린 또는 인산 형태)을 회수하는 것입니다. 이 연구는 완전히 작동 가능한 벤치 규모 반응기를 구현하고 파일럿 규모의 플랜트를 설계하는 기반을 제공할 것입니다. 또한 RecoPhos 공정의 경제적, 환경적, 사회적 영향도 평가될 예정입니다.
- Aqua2™N 공정(스웨덴, Easymining Services)은 슬러지 여액에서 질소를 회수합니다. 질소는 흡착되어 결정 형태로 수확되며, 비료 생산에 즉시 활용 가능한 형태로 회수됩니다. 흡착제는 간단히 재사용할 수 있습니다.
이러한 이니셔티브는 과학, 기술, 산업 간의 분야를 넘나드는 협력이 식량 생산 문제를 극복할 뿐만 아니라 폐기물 회수 과정을 효율화하는 미래 지향적 방법임을 입증합니다. 지속 가능한 농업은 우리 사회의 미래를 보장하는 확실한 길입니다.
영양분 회수 공정의 지속 가능한 농업 트렌드에 대해 자세히 알아보려면 인사이트 리포트를 확인하세요.
