유기물을 이용한 바이오메탄 제조방법{METHOD FOR PREPARATION BIOMETHANE USING ORGANIC MATERIAL}

본 발명은 유기성 폐기물을 포함하는 유기물을 전처리함으로써 혐기소화효율 및 이에 따른 바이오메탄을 생산하는 방법에 관한 것이다.

유기성슬러지와 축산분뇨 등 유기성 폐기물을 포함하는 유기물은 소각, 발효, 직·간접 건조 등의 기술을 이용하여 처리하고 있다. 그러나 소각의 경우에는 다이옥신을 비롯한 유해물질을 발생시키고 많은 양의 외부에너지가 필요한데다 설치비용이 많이 들어 경제적이지 못하다는 단점이 있다. 또한, 직·간접 건조시에는 80%의 수분을 15%까지 낮추는데 상당한 양의 에너지가 소비되고 건조과정 및 건조후의 고체연료에서 악취 발생이 심하다는 문제점이 있다. 또한 발효의 경우에는 이러한 악취 발생이 특히 심한데다, 에너지 효율이 낮고, 많은 시간이 소요되며 폐수를 처리하여야 하는 문제점이 있다. 또한, 해양배출은 협약의 발효로 2012년1월 이후 하수슬러지 및 축산분뇨는 금지가 실시되고 있으며, 또한 2013년 1월 이후 음식물쓰레기 처리 중 발생하는 음폐수에 대해서도 해양투기가 금지되고 있다.

이에 상기 유기물은 혐기성 미생물로 분해하하는 혐기소화에 의하여 바이오메탄가스를 생산하는 기술이 개발되어 있다. 이러한 혐기소화는 산소가 없는 무산소 상태에서 활동하는 혐기성 미생물을 이용하여 고농도의 유기물을 깨끗하게 분해/처리함과 동시에 에너지원인 바이오메탄을 생산하는 필수적인 공정으로서, 유기물 농도가 높은 폐수처리에 유기물농도를 낮추는 1차 처리공법으로 우수할 뿐만 아니라 메탄가스를 비롯한 바이오가스 신재생에너지를 얻을 수 있어서 혐기소화공정이 지속적으로 증가하고 있다.

상기 혐기소화 공정은 가수분해(hydrolysis), 산생성(acidogenesis), 메탄생성(methangenesis)의 생화학적 반응단계로 구성되는데, 가수분해단계는 고분자 유기물질이 발효미생물의 체외 효소에 의하여 용해성 유기물질로 분해되는 단계로서 혐기소화공정의 율속단계이고, 산생성단계는 가수분해에 의해 생성된 저분자 유기물을 유기산, 알콜류 등으로 전환하는 단계이며, 메탄생성단계는 혐기성 분해반응의 최종산물인 메탄을 생성하는 단계이다.

이러한 혐기소화에 있어서 산생성단계의 효율은 가수분해단계에서 유입된 저분자 유기물의 크기, 함유성분 또는 상태 등에 따라 크게 달라지는데, 상기 유기물이 세포로 이루어진 경우에는 세포막이나 세포 보호물질이 효소의 작용을 방해하여 산발효에 의한 산 생성이 제대로 이루어지지 못하게 되는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는, 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로, 수열반응에 의한 가수분해와 급감압에 의한 세포벽 파쇄를 통해 유기물을 효과적으로 분해함으로써 혐기소화효율을 현저히 증대시킬 수 있는 유기성 폐기물을 포함하는 유기물을 이용한 바이오메탄 생산방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 일 양태로서,

유기성 폐기물을 포함하는 유기물을 Fe 계열의 반응기에 투입하고, 상기 반응기에 고온의 증기를 가하여 가압한 후, 교반함으로써 상기 유기물을 가수분해하는 단계;

상기 반응기 내부의 증기를 배출시켜 반응기 내부를 급감압시킴으로써 상기 가수분해된 유기물의 세포벽을 파쇄하여 저분자화하는 단계; 및

상기 저분자화된 유기물을 혐기성 발효조에 투입하여 바이오메탄를 생산하는 단계;를 포함하는, 유기성 페기물을 포함하는 유기물을 이용하여 바이오메탄을 생산하는 방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 다른 양태로서, 상기 방법으로 생산된 바이오메탄을 이용하는 에너지 발전 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 전처리 공정으로서 고온고압의 수증기와의 수열반응에 의한 가수분해단계와 급감압에 의한 저분자화 단계를 거치도록 함으로써 유기물의 가수분해를 촉진하면서 급감압에 의한 세포벽 파쇄를 통해 효과적으로 유기물을 분해하여 메탄발효 전체 공정의 속도를 향상시킬 뿐만 아니라, 유기물의 분해에 의하여 메탄생성 효율을 50% 이상 증대생산하는 효과가 있다. 또한, 이러한 전처리 공정시 Fe 계열 반응기를 이용하여 펩톤반응에 의해서 기존 메탄발효에 방해가 되는 잡균의 제거 및 악취물질의 제거가 가능하며, 급감압에 의한 유기물 입자의 파쇄효과에 의해서 입자의 크기를 메탄발효에 적합한 크기인 1mm이하로 처리 가능하며, 가수분해에 의한 유기산 생성이 가능하고 메탄발효에 방해가 되는 염분농도를 낮출 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 전체 공정효율이 현저하게 높아짐으로써 결과적으로는 유기물의 처리 비용도 절감시키게 되고, 열수 전처리가 포함됨에 따라 기존 장치보다 전체 공정을 간단하게 함으로써 공장부지를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 이러한 본 발명의 방법에 따라 생산된 바이오메탄가스를 에너지원으로 이용하는 발전시스템에 적용함으로써 자원으로 활용가능하게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유기성 폐기물을 포함하는 유기물을 이용한 바이오메탄의 생산 및 이를 이용하는 발전 및 리사이클링 시스템을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 Fe 계열 반응기 내에서 일어나는 반응 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 3은 물의 이온적 변화와 유전율 변화 곡선을 나타낸 것이다.
도 4는 급감압 처리 전(a), 후(b)에 따른 물질의 변화를 나타낸 SEM 사진이다.

본 발명은 수열반응에 의한 가수분해와 급감압에 의한 세포벽 파쇄의 전처리단계를 거침으로써 혐기소화효율을 현저히 증대시킬 수 있는 유기성 폐기물을 포함하는 유기물을 이용한 바이오메탄 생산방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 유기성 폐기물을 포함하는 유기물을 이용한 바이오메탄의 생산 및 이를 이용하는 발전 및 리사이클링 시스템을 도식화하여 나타낸 것이다. 이하 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

일 양태로서 본 발명은, 유기성 폐기물을 포함하는 유기물을 Fe 계열의 반응기에 투입하고, 상기 반응기에 고온의 증기를 가하여 가압한 후, 교반함으로써 상기 유기물을 가수분해하는 단계; 상기 반응기 내부의 증기를 배출시켜 반응기 내부를 급감압시킴으로써 상기 가수분해된 유기물의 세포벽을 파쇄하여 저분자화하는 단계; 및 상기 저분자화된 유기물을 혐기성 발효조에 투입하여 바이오메탄를 생산하는 단계;를 포함하는, 유기성 폐기물을 포함하는 유기물을 이용하여 바이오메탄을 생산하는 방법에 관한 것이다.

바람직하게는 상기 유기성 폐기물은, 축산 분뇨, 하수 슬러지, 음식물 쓰레기 중에서 선택되는 1종 이상으로서 수분함량이 80% 이상인 고함수 유기성 폐기물인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는 상기 유기물은 종이류 및 플라스틱류를 포함하는 도시쓰레기를 더 포함할 수 있다. 도시쓰레기를 더 포함시킴으로써 급감압에 의한 저분자화 단계에서 급감압에 의하여 저분자화된 유기물과 팽창하면서 증대된 비표면적을 갖는 종이류 및 플라스틱류 도시쓰레기가 반응하여 함수율을 낮출 수 있고, 석유계 유기성 물질인 플라스틱류 도시쓰레기가 포함됨으로써 메탄가스의 생산량을 증대시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 도시쓰레기 중 종이류는 50~55중량%, 플라스틱류는 40~45중량%를 포함하도록 한다.

가수분해 단계

본 발명에 있어서 상기 가수분해 단계는 유기물을 Fe계열 반응기에 투입하고, 상기 반응기에 고온의 증기를 가하여 가압한 후, 교반하는 단계이다. 이 단계에서 투입된 유기물은 가해진 고온고압의 수증기에 의하여 수증기 라디칼의 분해력, Fe 반응 촉매에 의한 펩톤반응의 촉진으로 인한 유기물 및 악취성분을 분해하게 된다. 즉, 상기 가수분해 단계에서 가압에 의하여 유기물을 이루는 물질이 분해되어 저분자화되면서도, 황산성분을 포함하는 악취성분이 분해되어 악취를 제거하면서 고온에 의하여 유기물의 함수율을 현저하게 낮추게 되는 것이다. 이 때, 바람직하게는 상기 유기물은 70~90%의 충전율로 상기 반응기에 투입하여 혼합하도록 한다. 이는 상기와 같이 높은 충전율로 목적하는 유기물이 반응기 내부로 투입되어도 반응기 외부로부터 고온고압의 수증기가 공급되어 포화수증기와의 접촉반응이 유지될 수 있기 때문에 유기물의 처리 용량을 최대로 하여 반응의 효율을 높일 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 가수분해단계는 Fe 계열의 반응기 내부에서 이루어지게 됨에 따라, Fe의 촉매작용으로 특히 반응기 내 포화수증기가 차지하는 영역에서 펩톤반응을 촉진할 수 있어 반응의 효율을 현저하게 높일 수 있게 되고, 반응기의 처리운전에 따라 반응기 내부에는 1~2mm의 유기막이 형성됨으로써 NaCl 등에 의한 부식이 방지될 수 있다. 즉, 상기 유기물의 처리 과정 중에 발생한 약한 산성을 나타내는 유기산에 의하여 반응기 내부 표면이 코팅됨으로써 염분이 반응기 내부에 접촉함으로써 발생되는 부식에 영향을 미치지 않게 되고, 도 2에 나타낸 바와 같이 포화수증기에서 생성된 H ₂ O ₂ 혹은 ㆍOH와의 접촉에 의해서 펩톤반응이 충분히 일어날 수 있게 된다. 따라서, 별도의 촉매/화학물질의 투입 없이도 특히 악취성분인 황화합물, 페놀 등의 유해 화학물질의 분해를 짧은 시간에 유도하는 효과를 가져오게 된다. 이에 펩톤반응을 유도하여 유기물을 분해하기 위하여 Mn, Fe, Cu 등의 촉매 하에서 ㆍOH의 생성을 위해 화학물질인 H ₂ O ₂ 를 임의로 투입하여야 하는 문제점을 해결하여 친환경적이며 처리비용을 절감하게 된다.

이 때 바람직하게는 도 1에 도시한 바와 같이 상기 반응기와 연결된 보일러를 이용하여, 상기 반응기에 200~250의 증기를 가하여 반응기 내부압력이 20~25기압이 되도록 한 후, 교반함으로써 가수분해 반응이 이루어지도록 한다. 도 3에 물의 이온적([H+][OH-]) 변화와 유전율 변화를 나타내었는 바, 도 3에 나타낸 바와 같이 200~250에서 이온반응이 가장 활발하여 상온과 비교할 때 약 1000배 이상의 활성이 나타나게 되고, 유전율이 상온에 비해서 1/3~1/4 수준으로 낮아지게 되므로 이온사이에 전위차가 발생하여 유기물 분해력을 증가시킬 수 있게 된다. 이에 상기 온도 및 압력 범위 미만일 경우 유기물의 분해 및 악취의 저감 효과가 감소하여 원하는 효과를 얻을 수 없게 되고, 상기 온도 및 압력 범위를 초과할 경우 에너지 손실을 초래하게 된다.

또한 상기 본 발명에 있어서 증기의 공급은 도 1에 도시한 바와 같이 상기 반응기와 연결된 보일러를 이용하여 공급하도록 하고 있어, 온도가 낮은 유기물에 직접 접촉 분사함에 의하여 고온수로 변화하는 과정 없이, 반응기 내의 유기물은 보일러로부터 공급된 수증기와 접촉하여 물리화학적인 반응을 일으킬 수 있게 되어 반응의 효율을 현저하게 향상시키게 된다. 또한 상기와 같이 외부로부터 공급되는 보일러를 이용하여 증기를 공급함으로써 고온수와 반응하는 현이 발생하지 않으므로 반응기 내부에 충전되는 유기물의 양이 증가되어도 반응을 유지할 수 있게 되어, 처리하고자 하는 유기물의 혼합물을 반응기의 70~90%에 이르도록 충전하여 수증기와의 접촉반응을 일으킬 수 있게 된다.

상기 가수분해 단계를 거친 후의 성분을 분석하여 하기 표 1에 나타내었다.

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, Fe계열 반응기에서 고온고압의 수증기를 가하여 가수분해 반응을 시킨 경우 알데히드와 유기산류는 증가하였고, 악취성분인 황성분은 줄어들었음을 확인할 수 있었다.

저분자화 단계

또한 본 발명에 있어서 상기 저분자화 단계는 상기 반응기내에서 고온고압의 수증기에 의하여 가수분해된 유기물의 세포벽이 파쇄되도록 상기 반응기 내부의 증기를 배출시켜 급감압시키는 단계이다. 이러한 급감압에 의하여 상기 가수분해된 유기물의 부피를 증대시켜 세포벽을 파쇄하여 유기물의 저분자화가 이루어지게 된다. 이러한 저분자화에 의하여 상기 유기물 입자의 크기를 메탄발효에 적합한 크기인 1mm 이하로 처리가능하게 되며 이 때 상기 저분자화 단계는, 상기 반응기 내부의 증기를 10~120초간 배출하여 0.9~1.1 기압이 되도록 급감압하는 것이 바람직하다.

도 4는 급감압 처리 전(a), 후(b)에 따른 물질의 변화를 나타낸 SEM 사진으로, 가수분해 반응 후 급감압의 처리 전, 후를 비교하면 세포벽의 파괴된 모습을 확인할 수 있고, 부피는 8배 이상 증가되었음을 확인할 수 있다.

바이오메탄의 생산 단계

또한 본 발명에 있어서 바이오메탄을 생산하는 단계는, 상기 저분자화된 유기물을 혐기성 발효조에 투입하여 혐기소화반응을 시킴으로써 바이오메탄을 생산하게 된다. 이 때, 상기 혐기소화반응은, 본 기술분야에서 알려진 통상의 혐기성 발효방법을 사용할 수 있다.

상기 본 발명에 따른 고온고압의 수증기에 의한 가수분해 및 급감압에 의한 저분자화하는 전처리를 거친 시료와, 기존의 시설을 이용한 시료(스테인리스 반응기, 급감압단계 )에 대하여 혐기소화반응을 시키고 10일 경과후에 메탄가스 발생량을 가스크로마토그래프로 측정하였다. 그 결과, 전처리를 거친 경우 발생량이 전체 발생된 바이오가스 중 바이오메탄가스가 75%인 것으로 나타났으나, 기존의 시설을 이용한 시료의 경우 50%인 것으로 나타났다. 즉, 상기 고온고압의 수증기에 의한 수열반응으로 가수분해 후 급감압에 의하여 저분자화시킨 유기물은 1mm 이하의 크기를 가지게 됨에 따라 혐기소화에 의한 메탄생성의 효율을 50%이상 향상시키게 된다.

또한 다른 양태로서 본 발명은 상기 방법으로 생산된 메탄가스에 의한 발전시스템을 제공한다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.