KES21, 비용 안드는 바이오발전소 폐수처리 기술 개발

음식물쓰레기나 축분 등을 발효하여 나오는 메탄가스로 발전하는 바이오발전소가 법제화되면서 각 지자체를 중심으로 바이오발전소 붐이 일고 있다. 그러나 바이오발전소에서 나오는 폐수의 처리가 가장 큰 문제로 이 폐수를 처리하기 위해 톤당 10만원 정도의 비용을 내야 해 바이오발전소의 경제성을 위협한다.

바이오발전소 폐수는 유기물 폐수로 완전히 정화하여 내보내야 하기에 많은 비용이 드는 것이다.

이러한 바이오발전소의 폐수를 돈 하나 들이지 않고 처리하면서 암모니아를 뽑아 냄으로서 일석이조의 효과를 얻어 탄소중립에 크게 기여하는 기술이 나와 크게 주목되고 있다.

KES21(대표 김경민)에서 개발한 이 기술은 바이오발전기 내의 발효조에서 나오는 폐수는 발효과정에서 기본적으로 50도 정도의 열을 지닌 채 배출되기에 이 폐수를 탱크에 넣어 특수 감압처리로 60~70도에서 끓게 한다.

수분은 끓으면서 증발하므로 대부분의 수분을 증발시키고 남는 탄소를 함유한 아주 작은 양의 찌꺼기는 뭉쳐 고형화하여 처리하기에 끓이는 비용이 들지 않는 다는 것이다. 증발한 수증기에서는 특수 기술로 암모니아를 추출하는 원리이다.

바이오발전소는 음식물쓰레기를 톤당 12만원 정도를 받고 수거해 온다. 이를 발효조에 넣고 발전을 하면 전기를 판매할 수 있어 또 수입원이 생긴다. 그러나 폐수처리에서 10만원~12만원의 비용이 들어 그만큼 수익성을 깎아 먹는다는 것이다. 

바로 이 폐수처리에 전혀 비용이 들지 않는 기술로서 암모니아까지 추출해 내니 전국 바이오발전소에서 너나 할 것 없이 환영하고 있다.  

암모니아의 화력발전소 활용

현재까지 한국 화력발전소의 주요 열원 원료는 석탄을 사용하고 있고 탄소배출, 지구 온난화, 대기오염등의 많은 문제를 낳고 있지만 이를 소거할 결정적 대안이 부족하였다. 

화력발전소는 물론 소각장, 제철소, 열병합발전소등 다양한 화석 연료를 연소하여 산업기반 소재를 생산하는 대부분의 공정은 유해성분이 다양하게 함유된 배기화합물을 배출하고 특히 가장 주요하게 지적되는 질산화합물의 처리는 매우 중요한 후공정으로 강조되어왔다. 현재까지 이 질산화합물의 환원제로 사용되는 상용 소재는 암모니아로서 화력발전소 기준으로 수십- 수백억원의 비용을 지출하고 있다.

암모니아는 인류 근대 산업화 혁명에 가장 중요하게 기여한 화학소재로서 120년전 하버보쉬의 합성으로 양산된 이후 비료원료로서 인류 식량생산의 중요한 전기점을 만들고 이는 질소비료 생산에 기인하여 기아에서 해방시킴으로 인간 수명을 현재 상태로 향상시킨 혁혁한 원인이었다. 이 암모니아는 최근 수소에너지의 매개 소재로 제2의 주목을 받고 있고 또다른 중요한 사용처로 질산화합물의 환원제로 사용되는 것이다.

우리나라의 암모니아 소모량은 연간 122만톤이며 전량 수입되고 있고, 이중 환원재로서 소요비용으로 막대한 비용이 소요되고 있다.

한편 위 환원재용 암모니아를 폐기물에서 대량 생산할 수 있는 신기술을 연구개발한 연구소 업체가 이 부분의 신공법을 발표하고 이를 공법화하여 산업화하는 신개념 환경사업으로 관심을 모으고 있다.  KES21(대표 김경민)은 경희대학교 산학단 소속 연구소 스타트업으로 흔하지 않은 환경 신사업에 출사표를 낸 매우 유망한 연구소 업체로서 윤민진 연구책임이 이 연구개발을 주도적으로 지도하고 있다.

국내 유기폐기물 발생량은 연간 6천만톤 이상으로 대부분 축분이고 음식물폐기물과, 하수오니로 구성되어 있으며 현행 고형물 분리후 처리하는 다양한 방법이 있으나 환경, 사회, 경제적 요구 조건을 만족하지 못하고 있다. 2022년 12월에 정부는 국내 발생 모든 유기폐기물의 바이오가스 플랜트 의무화를 명시한 촉진법을 제정하여 25년부터 공공, 민간 처리장의 큰 변화를 갖게 되었다.

이 관련 시행은 신재생 바이오에너지 측면과 환경적 기여를 낳게 되겠지만 실제 이 가스화 공정후 생산되는 2차폐수의 권장처리가 하수처리 병합 이라면 추가의 사회적 비용이 막대하게 소요 될 것으로 예측 된다. 즉 현행 고농도 유기 폐수의 탈질 및 폐수처리 공정은 직접비용과 시간 그리고 갖가지 간접비용이 소요된다는 것이다.

KES21 연구팀은 혐기소화후 발생하는 2차 폐수는 소화온도로 인하여 고온이고, 암모니아 농도가 상승되어 있으며 고형물 농도가 3~5% 이므로 감압증류로 운영비용이 매우 낮은 암모니아 증류액을 회수하는데 성공하였다. 이때 회수된 암모니아 증류액은 후처리 공정하여 발전소, 소각장등의 질산화합물 환원제로 공급할수 있다. 이를 위하여 현재 발전소 관계자와 협의하여 상호 협의를 추진하고 있다.

한편 화력발전소(서부, 동서) 측 견해는 막대한 소비성 약품 구입비를 효과적 방법으로 유기폐기물의 암모니아 증류액으로 대체할수 있으면 수백억원의 비용이 대체될수 있고 국가적 관점에서는 매우 큰 경제적 환경적 효과가 기대된다고 밝혔다. 

한국은 매일 16천톤의 음식물 폐기물과 54천톤 이상의 유기폐기물이 생산되고 있고, 2000년 해양투기 금지 이후 각 지자체는 징수한 세금으로 수거, 처리하고 있으며 약 70% 이상의 고농도 유기폐수로 재생산되어 일부는 바이오 가스플랜트로 일부는 하수처리장 연계처리 하고 있으나 처리후 악성 폐수처리가 심각하다. 

KES21 연구팀은 이 고농도 암모니아성 폐수를 수거하고, 전처리후 증류 (VDU) 과정으로 암모니아를 회수하여 발전소, 소각장, 열병합발전소의 질소산화물을 제거하는 환원제로 사용하는 기술을 한국과학기술원과 협력 연구개발 하였고 현재 실증검증 파일럿을 운여하여 현장에 적용하는 사업을 구현하고 있는 것이다.

폐수처리 과정

KES21의 기술은 음식물 쓰레기를 반입하는 제1 단계; 상기 반입된 음식물 쓰레기를 분리 및 선별하는 제2단계; 상기 선별된 음식물 쓰레기를 파쇄하는 제3 단계; 상기 파쇄된 음식물 쓰레기를 고액(固液) 분리 공정을 거쳐 고형물은 미생물 공정으로 퇴비 및 사료로 재활용하는 제4 단계; 고액 분리 공정 후의 폐액은 고온 혐기 소화를 통하여 바이오 가스로 폐유기물을 전환 회수하는 제5 단계; 소화조에서 소화 폐액은 진공펌프로 감압된 감압조로 이송되는 제6 단계; 상기 이송된 소화 폐액을 감압하여 소화액을 증발시키는 제7 단계; 증발되는 암모니아성 질소는 증류되는 증류액에 농축되어 열교환기를 통하여 회수되는 제8 단계; 회수된 응축액의 암모니아의 농도는 5,000 ~8,000ppm 이며, 상기 회수된 응축액을 농축하는 제9 단계; 농축된 암모니아 응축액은 발전소, 제철소 및 소각장의 어느 한 곳에서 발생되는 산화질소 제거용 환원제로 사용하는 제10 단계; 를 포함하는 음식물 쓰레기 폐수의 혐기 소화폐액으로부터 얻어진 암모니아를 회수하여 질소 산화물의 환원제로 이용하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본원발명은 상기 제5 단계에서 고액 분리된 폐액의 고형물은 3 내지 5중량%인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 폐수의 혐기 소화폐액으로부터 얻어진 암모니아를 회수하여 질소 산화물의 환원제로 이용하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본원발명은 상기 제5 단계에서 고온 혐기 소화의 온도는 50 내지 60℃인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 폐수의 혐기 소화폐액으로부터 얻어진 암모니아를 회수하여 질소 산화물의 환원제로 이용하는 방법에 관한 것이다 

바이오가스, 감압증류, 암모니아수(NOX 환원제)

혐기성소화처리는 예전부터 기술이확립되어 발전되어오고 있는 전통적인 기술로서,비교적 기온이 온난한 지역에서액상 및 반고상폐기물의처리에 이용되었다. 대부분의 공정에서 고형물의 함량이 10% 이내인 것에 적용되고 있으며, 최근의 기술발전에 의하여 고형물이 25%전후인 고형상폐기물에도적용이 시도되고 있다. 혐기성소화처리는 일명 “메탄발효”라고도 하며, 주된 목적은 폐수 혹은 폐기물처리와 동시에 메탄이라는 에너지를 회수하기 위하여적용 되고 있다. 혐기성소화라는 용어 내에 포함된 것과 같이 산소가없는 무산소상태에서 분해 가능한 유기물을 분해시켜 메탄으로 전환시키는 것이다. 생물학적 처리범주 내에 포함되며, 초기에는 통성혐기성균이 작용하여 가수분해와 산발효를 시키고, 산소가 고갈되는 지점에서 편성혐기성균인 메탄균이 메탄을 생성하게 된다.

예전에는 중국등에서 분뇨처리목적으로 사용이 되었으나, 1900년경부터 하수처리의 슬러지 감량화기 술로서 환경분야에 접근이 되었으며, 1950년대 후반에는 효모제조폐수 등의 공장폐수처리에 응용화되었다.

초기에는 1개의 반응에서 처리하는 단상메탄발효조가 주로 이용되었으나, 1970년대 후반부터 산 분해과정과 메탄생성단계를 분리한 2상식메탄발효조로 발전하였으며, 여기에 미생물군을 담체에 고정화 한 고정상식, 유동상식 등 고효율 메탄발효조가 개발되었다.

메탄발효는 활성오니법이 보급되면서 적극적으로 사용되는 않았으나, 1970년대 중반 석유쇼크 이후에 회수가스(CH4 60～70%, CO2 30～40%)를 연료로하여 이용하는 것이 가능하고, 많은 량의 공기를 통기시켜야하는 활성오니법에 비교하여 소비전력이 적은 장점으로부터 적극적인 석유대체 에너지수단으로서 분뇨와 하수오니 뿐만이 아닌, 도시쓰레기 등의 많은 유기성폐기물로부터 에너지를 회수하는 목적으로 연구가 진행되었다.. 현재에는에너지사정이안정되고,메탄이 지구온난화의 요인으로 말해지고 있는 것으로부터 적극적으로 에너지를 회수하기 위한 목적으로 설치된 플랜트는 드물지만, 폐기물, 폐수저처리를 목적으로하고,에

너지를부수적으로 얻는 에너지절약플랜트로서 많이 가동되고 있다.

혐기성소화는유기물을여러 미생물의 분해작용에의하여 메탄으로 전환하는 일련의 프로세스이지만,이 프로세스는 4단계로 구분하는 것이 가능하다. 즉 고형상의 유기물을 액상화하고,가수분해하는 과정,식초산, 프로피온산, 부틸산을 생성하는 저급지방산(휘발성유기산,VF A)을 생성하는과정, 이들을 식초산 및 H2가스로 분해하는과정,이들 산물을이용하여 메탄을 생성하는 과정이다. 각각의 반응과정에 작용하는 미생물도 각각 틀린 것으로 최근에 알려지고 있다.