- 음식물쓰레기, 가축분뇨 등 폐기물을 고부가 자원으로 재탄생 시켜

- 정읍 소재 바이오가스화 시설을 대상으로 97% 이상의 바이오메탄 생산 실증 완료

- 동남아시아 바이오가스 산업 현장에도 적용 가능해, 해외 진출 발판 마련

□ 국민의 생활수준이 향상되면서 음식물쓰레기, 가축분뇨 등 유기성 폐자원*이 급격히 늘어나고 있다. 유기성 폐자원은 에너지 자원으로 재활용이 가능하지만 실제 활용되는 비율은 5.7%에 불과하며, 대부분 퇴·액비로 활용되고 있다. 하지만 이마저도 토양·수질 오염, 전염병 등의 발생을 야기해 장기적이고 친환경적인 처리가 필요한 상황이다.

* 유기성 폐자원: 에너지 잠재력이 큰 하수찌꺼기, 분뇨, 가축분뇨, 음식물쓰레기, 동·식물성잔재물 등 육성 물질을 말하며, 2019년 기준 발생량은 6,537만 톤으로, 2010년 대비 14.7%증가하였다.

□ 이에 최근 정부는 「유기성 폐자원을 활용한 바이오가스의 생산 및 이용 촉진법*」을 제정해 유기성 폐자원에서 발생하는 바이오가스를 적극 활용하겠다는 의지를 밝혔고, EU도 2050년 가스 수요의 35~50%를 바이오메탄으로 대체하는 정책을 수립하는 등 국내외 모두 발 빠르게 움직이고 있다.

* 유기성 폐자원을 활용한 바이오가스의 생산 및 이용 촉진법(’22.12.30): 하수찌꺼기, 음식물쓰레기, 축산분뇨 등의 유기성 폐자원에 대해 2050년까지 단계적으로 최대 80% 이상을 바이오가스로 생산해야 된다. 바이오가스 생산목표제를 도입하여 목표를 달성하지 못할 경우 과징금이 부과되며, ‘23.12.31 시행을 앞두고 있다.

■ 이러한 가운데, 한국에너지기술연구원(원장 이창근) 청정연료연구실 김선형 박사 연구진은 에코바이오홀딩스와(대표 송효순) 함께 고농도의 황화수소를 포함한 바이오가스*를 고순도 메탄으로 변환하는 기술을 개발했다. 또한 파일럿 규모의 현장 실증에도 성공해 실용화 가능성을 높였다.

* 바이오가스: 하수찌꺼기, 분뇨, 가축분뇨, 음식물류 폐기물, 동·식물성 잔재물 등의 유기성폐자원이 공기가 없는 상태에서 미생물에 의해 분해(혐기성 소화)되면서 생성되는 가스

□ 바이오가스는 주로 메탄(45~65%), 이산화탄소(35~55%). 황화수소로 구성되어 있으며, 이중 황화수소를 제거하면 발전과 난방에 활용할 수 있다. 여기에 이산화탄소까지 제거하면 천연가스와 유사한 고순도의 메탄가스를 만들 수 있어 도시가스와 수송 부문에도 사용할 수 있다.

■ 연구진이 개발한 기술은 바이오가스에서 황화수소, 이산화탄소, 수분을 제거해 97% 이상의 고순도 바이오메탄을 생산하는 기술로, 수천 ppm의 고농도 황화수소가 포함된 바이오가스를 저비용으로 제거할 수 있어 동남아시아 바이오가스 산업에 최적화 된 기술이다.

□ 바이오가스 고질화 공정은 악취와 부식을 유발하는 황화수소를 미생물 공법을 통해 바이오황으로 전환하는 전처리 공정, 이산화탄소와 수분을 물 흡수법으로 제거해 바이오메탄을생산하는 고질화 공정으로 구성된다.

□ 전처리 공정에서는 알칼리 용액을 사용해 고농도의 황화수소를 제거하고, 미생물의 산화반응을 통해 용액을 재생시켜 경제적 운영이 가능하다. 특히 동남아시아의 바이오가스 성질과 유사한 4,000ppm 이상의 고농도 황화수소가 포함된 바이오가스로부터 황화수소가 거의 검출되지 않을 정도로 우수한 성능을 보였으며, 부가적으로 비료로 활용 가능한 바이오황도생산된다.

□ 고질화 공정에서는 설비를 여러 등분으로 나눠 패키지화해 이동과 설치가 용이하고 해외운반이 가능하게 설계됐으며, 공정에서는 친환경적이고 안전한 물을 고압으로 접촉해 이산화탄소를 제거하고, 흡착기술로 수분을 제거해 고순도의 바이오메탄이 만들어진다.

■ 연구진은 정읍정애영농조합법인*의 바이오가스화 시설에 파일럿 시설을 설치해 하루 평균 3톤의 바이오가스를 처리하는 실증 과정을 진행했다. 그 결과 고농도의 황화수소를 포함하는 바이오가스에 적용 시 97% 이상의 고순도 메탄을 안정적으로 생산하는데 성공했으며,실험 결과에 대한 한국산업기술시험원 인증을 획득했다.

* 정읍정애영농조합법인(대표 김종환): 전북 정읍시 이평면에 소재. 가축분뇨와 음폐수를 처리해 하루 5,000 Nm3의 4,000~5,000 ppm의 고농도 황화수소를 포함한 바이오가스를생산하고 있다.

■ 연구책임자인 김선형 박사는 “바이오가스의 생산량과 성상은 원료·운전조건에 따라 크게 변동되는데, 개발 기술은 넓은 농도 범위의 황화수소, 이산화탄소를 처리할 수 있어 다양한 바이오가스화 시설에 적용 가능하고 안정적으로 고순도의 메탄을 생산할 수 있다.”고 밝혔다.

■ 연구진이 실증한 바이오가스는 동남아시아의 팜유잔사물*로부터 생성되는 바이오가스의 성질과 유사하다. 개발기술은 운전, 유지관리, 운반, 설치가 간단해 인프라가 부족한 동남아시아의 팜오일 산업 현장에 최적화되어 있다. 연구진은 이번 국내에서의 실증 실적을 발판으로 해외 팜오일 산업 분야 진출을 시도하고 있으며, 향후 기술을 상용화해 해외기술 수출과 함께 국가탄소배출권 확보에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

* 팜유잔사물(POME, Palm Oil Mill Effluents): 팜오일을 생산하는 공장에서 발생하는 폐수.팜오일 산업이 지속적으로 성장함에 따라 팜유잔사물 방출로 인한 수질오염, 지구온난화, 에너지 손실 등의 환경적·에너지적 문제가 대두되고 있으며, 이를 바이오가스화 하여 에너지 연료로 활용할 수 있다.

□ 이번 연구는 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.