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극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치 기술

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2014-12-30 (화) 19:40 조회 : 4244

혐기성소화를 위한 가온효과 및 처리효율 향상을 위한 가용화
효과와 같은 일석이조의 효과가 기대되는 차세대 원천기술

 

 aa-11.jpg 강원대학교 춘천캠퍼스 공과대학 안종화 환경공학과 조교수
극초단파를 이용한 혐기성 소화장치 외 5건 출원 기술 보유

 

기술개요

정부는 2015년까지 국내 물 산업 규모를 20조원 이상으로 확대하고 세계 10위권 기업을 2곳 이상을 육성한다는 목표로 지난 2010년 9차 녹색성장위원회에서 물 산업 핵심기술 개발, 전문 물 기업 육성을 위한「물 산업 육성 전략」을 발표했다.
이에 국내 물 산업 시장은 지난 2008년 12조원 규모로 이 중 상수도 5조4천억원, 하수도 4조 5천억원, 먹는 샘물 4천
500억원으로 구성되어 있으며, 물 산업 전체 시장이 지난 2013년에는 17조원, 오는 2020년에는 26조원으로 확대될 전망이다.
하수시장의 경우 지난 2013년 30억달러 시장이 오는 2018년 38억달러 규모로 큰 폭 성장할 것으로 전망이다. 하수 처리율을 높이기 위한 하수처리 시설 및 관망 정비 부분에 연 5% 이상의 투자 증가가 예상되어 물 시장 중 가장 사업 기회가 많을 것으로 예상된다.
특히 산업용 폐수는 오염도가 높아 상대적으로 전문적인 기술이 요구되는 분야로 산업용 수처리 시장은 막분리 기술에 따라 역삼투 막분리 RO(reverseosmosis) 기술이 필요한 용·폐수 처리산업과 단순 폐수처리 중심 산업으로 구분된다.
산업용폐수의 水처리 비용은 고도의 기술이 요구되는 용·폐수 처리가 일반 폐수 대비 약 2∼3배의 비용이 소요된다.
국내 하수 처리량의 지속적 증가로 하수 슬러지의 발생도 증가하고 있으며, 정부정책으로 하수슬러지의 해양배출규제가 대폭 강화됨에 따라 하수 슬러지 등 폐자원의 육상처리의 대안으로 활용될 것으로 예상된다.
이처럼 폐자원으로부터 청정에너지를 생산할 수 있는 혐기성소화 공정은 환경 산업화 가능성이 높은 실용적 신·재생에너지기술이라 할수 있겠다.
특히 혐기성소화는 유기물질이 혐기성 미생물 군집에 의하여 메탄을 주성분으로 하는 바이오가스로 전환되는 과정으로, 전자빔 조사 및 초음파와 오존의 조합 등을 이용한 전처리도 활발히 연구되고 있었다.
하지만 환경공정분야에서 극초단파 적용은 아직까지 세계적으로 기초연구 단계에 머물고 있는 실정이며, 슬러지 외 폐자원에 대한 적용사례는 거의 없으며, 더욱이 극초단파 가열을 통한 혐기공정 운전에 관한 실용화 기술개발 연구는 전 세계적으로 전무한 상황이었다.
이러한 상황에 따라 국내의 극초단파를 이용한 연구 또한 대부분 하수슬러지에 대해 적용하고 있었으며, 하수처리장에서 발생되는 슬러지는 대부분 혐기성 소화에 의해서 안정화되고 있으며,
보다 효율적인 혐기성 소화를 위하여 여러가지 슬러지 전처리 공정이 연구되고 있으나 유기물의 안정화 정도, 경제적인 측면에서 만족할만한 결과를 얻지 못하여 실제 처리장에 슬러지 전처리시설이 가동되고 있는 곳은 없는 실정이다.
현재 실험실 수준으로 연구되고 있는 대표적인 전처리 공정으로는 열적 전처리, 초음파처리, 강산·강염기에 의한 전처리 등이 있으며, 이러한 공정들은 미생물의 세포를 파괴하는 전처리 효과를 통하여 혐기성 소화효율을 향상시킬 수 있다고 보고되고 있으나 운전비용, 시설비, 악취 등 아직도 해결해야할 많은 문제점들을 안고 있어 실용화를 위한 추가 기술개발이 필요한 상황이다.
그동안 국내에서는 극초단파를 이용한 혐기성 소화 공정 기술개발은 거의 진행되고 있지 못하고 있었으며, 선진국에서 이와 관련한 연구 및 개발이 조만간 착수될 것을 감안, 국내에서도 조속히 연구가 진행 될 것으로 보인다.

 

1. 기술개발 설명

본 기술은 강원대학교 환경공학과 안종화 조교수가 지난 2008년 4월 개발 시작으로 2010년 3월까지 연구 개발한 기술이며, 특허 번호 10-0998604, 발명의 명칭「극초단파를 이용한 혐기성 소화 장치」기술이다.
이 기술은 극초단파의 가열을 혐기 소화 장치의 가온장치로 사용하여 극초단파를 이용한 전처리 및 폐자원의 혐기 소화를 통해 신재생에너지화는 데 목적을 두고 있다.
또한 폐자원의 극초단파 전처리에 따른 가용화 및 소화 효율 제고하고, 폐자원의 혐기성 소화 공정 후 소화 슬러지 발생 최소화가 가능한 공정 장치 제공을 목적으로 개발된 기술이다. 혐기성 소화는 유기물을 여러 미생물의 분해 작용에 의하여 메탄으로 전환하는 일련의 프로세스로서 고형상의 유기물을 액상화 → 가수분해 → 저급지방산 생성 → 분해 → 메탄 생성의 단계로 이루어진다.

s13.jpg

혐기성 소화 공정은 유기 고형분에 대한 긴 체류시간(20∼30일)과 유기 건조물 대비 낮은 분해효율(30∼50%)의 기술적 문제점을 지니고 있으며, 그 원인은 슬러지 구성성분이 미생물 대사 중에 나오는 세포외 고분자 물질(extracellular polymericsubstances, EPS)과 결합하여 슬러지의 탈수와 분해를 방해하기 때문이다.
또한 혐기성 소화 공정 중 가수분해가 일어나는 동안 세포벽이 붕괴되고 세포외 고분자 물질이 분해되면서 산 생성 미생물에 의해 이용 가능한 유기물질로 변화미생물 분해에 저항성을 가지기 때문에 슬러지 소화에서 많은 시간이
요구된다. 또한 미생물 세포외벽은 펩티드(peptide) 결합과 연결된 글라이칸(glycan) 구조물을 가지고 있는데, 이것은 미생물을 삼투압으로부터 보호하기 위한 단단한 층으로 구성되어 있어 가수분해에 저항성을 가짐
에 따라 슬러지의 가수분해 과정은 혐기적 소화의 율속단계(rate-determining step)로 규정된다.
이에 따라 세포벽을 파괴하여 난분해성 유기 고형분을 용해성 저분자로 전환시켜 율속단계를 줄일 필요가 있으며, 다양한 슬러지 가수분해 방법이 전처리 공정으로 사용되고 있다. 이러한 전처리 공정은 혐기성 소화 효율을 높이고 메탄가스 생성율을 높이며, 체류시간을 단축시켜 반응기의 크기를 축소할 수 있는 장점을 지닌다.
즉 본 기술은<그림 1>에서와 같이 극초단파 전처리를 통한 하수슬러지의 가용화율 및 혐기성 소화 공정의 효율을 평가하고자 하였으며,
또한 극초단파를 적용한 소화슬러지 배출 최소화 공정 및 가온과 전처리의 두 가지 효과를 얻을 수 있는 신개념의 에너지 절감형 극초단파 가온 반응기 개발 기술이다. 하수슬러지의 극초단파 전처리 조건(출력, 전처리온도 등)에 따른 가용화 특성을 평가하고, BMP test를 통해 소화효율을 평가하여 메탄수율을 높이기 위한 최적조건을 도출한 것이다.
특히 본 기술은 슬러지 전처리 기술에 있어서 기존의 열적처리, 초음파 처리, 산·염기 처리, 냉동처리에 비해 많은 장점을 갖고 있다.

 

2. 개발 기술 및 기술의 구성

 1) 폐자원의 극초단파 전처리에 따른 가용화 특성 및 BMP test를 통한 소화효율 평가
- 극초단파 조사시간, 가열온도, 출력변화 등에 따른 효율 평가로 가용화율 10%까지 증가할 수 있으며, 회분식 혐기 반응기 운전(BMP Test)을 통한 소화효율 평가와 폐자원의 극초단파 전처리에 따른 가용화율 특성 평가로 구성했다.

2) RSM에 의한 최적화
독립변수 2개 이상 선정하고, 통계·수학적 공정 최적화를 위한 최적점 산출했다.

3) 반 연속식 혐기성 소화운전에 따른 효율 평가 및 극초단파 전처리 유·무에 따른 효율 비교
- 혐기성 소화조 반응기 4개 운전
- RSM에 의해 도출된 최적 조건을 이용하여 폐자원의 혐기성 소화조 운전조건에 따른 효율 평가(HRT, 온도)
- 극초단파 전처리 유·무에 따른 효율 비교(control, 단순가열)
- 폐자원의 혐기성소화에 따른 성상분석(온도, pH, TCOD, SCOD, TS, VS, Alkalinity, Gas(CH₄, CO₂), VFA 등)
- 가스발생량 10%이상 증가
- HRT 15일 이내로 단축

4)소화슬러지 발생 최소화 시스템 운전을 통한 소화 효율 평가 및 자원화 효과 분석
소화슬러지 발생 최소화 시스템 운전에 의한 소화효율 평가(가스생성량, SCOD 제거율 등)
- 공정 내 발생 슬러지량 0% 달성
- 혐기성 소화에 따른 성상분석 (온도, pH, TCOD, SCOD, TS, VS, Alkalinity, Gas(CH₄, CO₂), VFA 등)

5) 극초단파 가열 장치 개발
실험실 규모의 극초단파 가열 장치 제작과 온도 및 극초단파 제어의 가능 여부는 확인된 상태이다.


3. 기술 활용 및 전망

본 기술은 가율성과 슬러지 배출량을 줄이기 위하여 혐기성 소화공정에서 극초단파 전처리를 실시하고 극초단파 가온 반응기를 포함한 혐기성 소화 장치에 관한 기술이다.

s14.jpg


이에 <그림 2>는 극초단파 전처리 및 극초단파 가온 반응기는 하수 내 슬러지 처리를 위한 혐기 소화공정으로 사용되어 방류수의 수질을 개선하고 슬러지의 배출을 감소시켜 하수처리장, 반도체, 도금 공장 등 생산 시설의 하수 처리 시설 등에 적용 가능하다.
즉 본 기술은 국내외적으로 어려움을 겪고 있는 폐자원의 효율적인 처리문제에 대한 해결책을 제시함과 동시에 에너지 자원화 공정을 상용화함으로써 미래형 에너지 산업 육성에 이바지 할 것으로 판단된다.
또한 혐기성소화 공정 운전 시 외부가온 및 처리효율증대로 인해 폐자원 처리를 위한 공정 전반에 큰 기술적 파급효과를 가질 것으로 예상된다.
공정운전을 위한 운전조건을 최적화함으로써 공정 운전의 효율 및 성능이 크게 향상될 것으로 판단되며 기존 및 신설되는 혐기소화공정에 적용 및 응용할 수 있어 시장 창출 및 처리장 개선 시 경제적 비용 절감 등의 효과도 꾀할 수 있다.
향후 관련 기술과 전문 인력을 확보할 경우 선진국에 대한 기술 종속에서 벗어나 기술의존도를 줄이고 기술부문의 해외수출도 기대할 수 있어 선진국으로의 진출을 모색할 수 있을 것으로 기대된다.
극초단파 가열 혐기소화 공정응용 기술은 환경뿐만 아니라 에너지 기술이 상호 접목되어 있어 폐자원의 자원화 및 처리, 그리고 이를 대체에너지로 전환할 수 있는 차세대 기술이다.
따라서 대체 효과가 가시적인 경제적 효과이외에도 눈에 보이지 않는 사회적, 산업적 비용 절감 등의 효과도 기대할 수 있을 것으로 보인다.
즉 극초단파 전처리를 적용하여 하수슬러지의 혐기소화공정으로 기존 소화 고정보다 시간은 줄이고 10% 이상의 높은 가용화와 및 가스 생산이 가능하며 극초단파 가열을 혐기 소화공정의 가온 장치로 활용하여 에너지의 10%의 절감효과를 기대할 수 있다.
따라서 본 기술을 활용하여 사업화를 진행하기 위해서는 기존 하수슬러지 처리장에 극초단파 가온 장치를 설치하고, 실증규모의 실험을 통해 scale-up을 한다면 하수슬러지 처리 및 신재생에너지 생산 산업에의 적용이 확실할 것으로 예상된다.
산업 통계에 따르면 지난 2013년 세계 물 시장 규모는 5천560억 달러로 추정되며, 오는 2018년 6천890억 달러 시장으로 연 평균 4.2% 성장할 전망이다.
한편 지난 2014년 세계 물 시장은 양적 완화 축소에 따른 세계 경제 불확실성으로 감소세를 보였다.
2015년 이후 세계 경제안정과 개도국의 성장세 회복과 맞물리면서 연 평균 5%대의 빠른 성장세를 기록할 것으로 보인다.
개도국의 경제성장 및 소득수준 향상에 따른 물수요 증가로 세계 물 시장성장의 가장 큰 원동력인 물 산업은 인류의 삶에 없어서는 안되는 중요한 기반산업으로서 역할을 하고 있으며, 21세기 가장 빠르게 성장할 거대산업으로 자리매김 할 것으로 여겨진다.


hi
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