수열처리방식을 적용한 하수슬러지의 연료자원화 기술

김우현,임정빈,이주완 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계

일반적으로 하수처리장의 하수처리공정에서 발생하는 하수슬러지는 대부분 1차 탈수공정을 거쳐 80%가 넘는 수분을 함유한 상태로 배출되고 있으며, 하수슬러지는 하수처리공정이나 소화조의 운전상태, 사용하는 응집제, 배수유역의 지형, 차집관로 방식 등에 따라 각각 다른 특성을 나타낸다. 현재, 하수슬러지를 건조하여 신재생에너지로 활용하는 방식이 바람직한 방안으로 대두되고 있으나, 건조에 소요되는 에너지소비량이 많아 경제성에 어려움이 있다. 하지만 저렴한 운영비용과 유기물의 가용화 촉진으로 건조효과를 극대화 할 수 있는 수열처리 기술을 통하여, 하수슬러지 내 유해원소 제거 및 고형분말 연료화 하는 기술의 보편성과 실효성이 입증될 경우 신재생에너지로 활용하는 측면에서 큰 효과가 예상된다. 지금까지 하수슬러지는 퇴비화, 소각 그리고 매립 등의 처리방법으로 대부분이 처리되고 있으며 매립을 제외한 처리기술은 건조나 탄화방식으로 감용화하거나 연료화하는 방식이 주를 이루고 있다. 하지만, 건조 또는 탄화는 높은 에너지 소비로 경제성이 취약하고, 일부 열량을 높이기 위해 첨가하는 혼합재(톱밥, 유연탄분말, 화석연료의 폐유)로 인한 연소가스 내 유해원소가 많이 함유되어 있는 문제를 가지고 있다. 본 연구는 수열처리기술을 통해 하수슬러지를 저비용으로 효과적인 처리를 하고자 한다. 수열처리기술은 고온과 고압 상태에서 물의 아임계수(Subcritical water) 조건을 이용하여 유기물의 분해 및 탄화를 진행하는 방법을 말하며, 다른 촉매 사용없이 빠른 시간내에 반응이 진행되고 기존의 탄화 조건인 400~500℃ 보다 낮은 온도인 약 200℃ 정도에서 반응이 이루어진다. 물은 아임계근처에서 특이한 물리적 특성을 가지게 되고 강한 용매특성을 지녀, 유기성물질을 분해하여 고분자특성을 가용화되는 저분자 특성으로 변태하는 과정에서 물질의 점성을 현저히 낮추고, 아울러 물질입자의 미세화를 수반한다. 이는 물질내부의 건조가 어려운 내부수를 물질외부로 노출시킴으로서, 내부수를 표면수화하여 반응 후 건조를 용이하게 만들어 건조 비용을 낮추는 효과가 있다. 당사가 보유하고 있는 수열처리장치(HTE , Hydrothermal Treatment Equipment)는 운영상 에너지투입이 비교적 적고(반응온도가 낮음) 반응과정에서 증기와 함께 배출되는 가스 그리고 반응물을 고액 분리할 때 발생하는 탈리액을 통하여 유해원소를 배출시킴으로서 연료로 사용하고자 하는 최종 반응 잔류 고형물은 유해원소가 적은 비교적 청정한 연료로 활용할 수 있다는 장점이 기대된다.

수열처리를 이용한 하수슬러지의 NOx 저감 고형연료화

배다은,김대기,이관용,유민성,박기영 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2014 No.-

우리나라의 하수슬러지 등의 유기성 폐기물의 해양배출이 금지됨에 따라 유기성 폐기물의 육상처리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 유기성 폐기물인 슬러지는 에너지 가능성이 높게 평가되고 있다. 이번 연구에서는 수열처리를 이용한 슬러지의 고형연료 생산 및 고형연료의 질적 개선, NOx 저감 가능한 재생에너지 생산을 목표로 연구를 진행하였다. 열화학적 처리 방식인 수열처리를 이용하여, 수열처리 반응 온도에 따른 슬러지의 물리적·화학적 특성 변화를 분석하였다. 수열처리를 통해 슬러지의 물리적 구조가 변화하였으며, 그 결과 탈수성 및 건조 특성을 개선되었다. 처리 후 슬러지의 화학적 특성을 원소분석 및 공업분석, 발열량 등을 통해 분석한 하였으며, 그 결과로 탄소함량, 고정탄소함량 및 발열량이 증가하는 결과를 보였다. 특히, 수열처리를 통해 슬러지 내의 질소의 함량이 감소하였으며, FT-IR 분석 결과 N-O의 구간이 감소하는 결과를 얻었다. 이는 수열처리를 통해 생산되는 고형연료에서 NOx emission을 감소시킬 수 있음을 보여주는 결과이다. 수열처리를 통해 얻어진 고형연료를 일반 선탄의 특징과 비료 분석 결과, 그 특징이 갈탄 (Lignite coal)의 화학적 특성에 가까워 졌다.

수열처리를 이용한 의료폐기물의 멸균 및 화학적 변화 분석

주유진(Yujin Ju),류도윤(Do-yoon Ryu),우선영(Sunyoung Woo),김대기(Daegi Kim) 유기성자원학회 2022 유기성자원학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.추계

인구의 고령화에 따른 인구 증가는 의료기관의 이용률을 증가시키고 있으며, SARS, MERS, COVID-19 등과 같은 대규모 펜데믹 시대가 도래함에 따라 의료폐기물 발생량은 매년 증가하고 있다. 의료폐기물은 일반적으로 일반⋅위해⋅격리 의료폐기물로 구분되어 배출되고 있으며 감염 우려가 있는 위해⋅격리 의료폐기물의 경우에는 폐기물관리법상 다른 폐기물과 혼합하여 처리할 수 없기때문에 전용 소각시설에서 소각처리되고 있다. 하지만 대량으로 발생하는 의료폐기물을 처리하기에는 국내 의료폐기물 전용 소각시설이 부족한 실정이며 지리적 위치, 주민의 반대 등으로 인해 추가증설 또한 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 수열처리를 이용하여 의료폐기물의 화학적인 특성 변화를 분석하였으며 그에따른 의료폐기물 멸균처리로써의 활용 가능성을 평가하고자 하였다. 수열처리는 국내 멸균처리 기준인160~190℃와 그 이상 온도인 260℃까지 온도 변화를 주었으며, 그에 따른 의료폐기물의 화학적 특성을 분석하였다. 의료폐기물 중 솜과 거즈는 반응온도가 증가함에 따라 탄소 및 고정탄소 함량, 발열량이 증가하였으나 마스크와 주사기의 경우에는 오히려 고온처리 시 연료로써의 특성이 낮아지는 경향을 나타냈다. 연소테스트 결과, 수열처리를 하지 않은 의료폐기물에 비해 수열처리 한 의료폐기물은 고정탄소 증가로 인해 연소시간이 늘어났으며, 불완전 연소가 감소함에 따라 CO의 농도가 낮아짐을 확인하였다. 반면, 의료폐기물은 점화되는 연소초기에 대량의 CO가 발생하였으며, 연소가 안정화되면서 점차 낮아졌다.

하수슬러지 가스화 효율 향상을 위한 수열처리 연구

이상엽 ( Sang-yeop Lee ),장하나 ( Ha-na Jang ),서용칠 ( Yong-chil Seo ),김우현 ( Woo-hyen Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

하수슬러지 처분은 공중 보건의 위험과 대기, 토양, 수질 오염과 같은 환경적으로 부정적인 영향을 초래 할 수 있으므로 적절한 처리와 신중한 관리가 중요하다. 기존의 하수슬러지의 처리는 대부분 해양투기와 소각으로 처리하였지만, 런던의정서에 의하여 해양투기를 중단하면서 하수슬러지 처리에 대한 관심이 급증하였다. 이에 따라 하수슬러지를 안전하게 처리 할뿐 아니라, 에너지원으로 활용하기 위한 기술·정책적 노력들이 이루어지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 하수슬러지의 효율적인 에너지화를 위해 수열처리기법을 적용하여 수분함량을 저감시키고 발열량을 증가시켜 연료로써 가치를 높이고자 하였다. 최적조건인 200℃, 1시간에서 수열처리 반응을 거친 하수슬러지는 생슬러지보다 자연건조상태에서 함수율은 10% 이상 감소하였으며, 고위발열량은 증가하였다. 이를 에너지로 활용하기 위하여, 열화학적 처리기술인 가스화기술에 도입하였다. 가스화 특성인 CGE(Cold Gas Efficiency)의 경우, 생 슬러지 가스화가 수열처리를 거친 슬러지에 비해 10% 높게 나타났다. 열효율 뿐 만 아니라 가스화 공정에서 발생하고 있는 입자상 오염물질인 HCN, HCl, NH3와 타르의 발생량도 수열기법을 거친 후에 감소된 수치를 보여주었다. 수열기법을 통해 생슬러지 대비 20%의 수분감축, 10%의 발열량 증가, 오염물질 저감을 확인할 수 있었으며, 전반적인 특성을 보았을 때 가스화 기술을 적용하기에 충분히 가능성 있다고 판단된다.

버섯 폐배지의 수열전처리 과정 중 중간산물 생성이 바이오가스 수율에 미치는 영향

이종근,김대기 유기성자원학회 2023 유기물자원화 Vol.31 No.1

In this study, spent mushroom substrate (SMS), which consits of lignocellulosic material, was pretreated by hydrothermal method; the changes of biodegradability and methane production yield of pretreated SMS were determined according to formation of lignocellulosic biomass degrading byproducts formation during thermal pretreatment. Based on the results, all hydrothermal pretreatment temperatures showed improved solubilization performance for biomass, and the optimum pretreatment effect was observed at an pretreatment temperature of 150℃ with the highest methane production yield. However, the induced formation of furan derivatives (i.e., 5-hydroxymethylfurfural and furfural) as byproducts during hydrolysis of hemicellulose and cellulose at severe condition lowered biodegradability and methane yield when the hydrothermal pretreatment temperature was higher than 180℃. Thus, this study revealed that hydrothermal pretreatment could promote anaerobic digestion efficiency of lignocellulosic biomass and is of great importance for preventing byproducts formation through pretreatment condition control. 본 연구에서는 버섯 폐배지의 혐기성소화 효율 향상을 위해 수열전처리를 실시하고, 리그노셀룰로오스계 물질의고온 가수분해 과정에서 생성될 수 있는 중간산물이 기질의 생분해도와 바이오가스 전환 효율에 미치는 영향을 함께판단하였다. 수열전처리 온도의 범위를 150, 180, 210℃로 설정하였으며, 모든 수열전처리 온도에서 기질의 가용화율이향상되는 결과를 확인할 수 있었다. 추가적으로, 150℃로 버섯 폐배지를 전처리한 경우에는 혐기성소화 효율에 영향을미칠 수 있는 C/N 비가 개선되는 효과를 함께 확인하였다. 다만 전처리 온도가 180, 210℃인 경우에는 오히려 150℃로전처리를 수행한 경우에 비해 메탄 생성량이 저하되는 경향을 보였는데, 이는 리그노셀룰로오스 물질의 중간분해산물인 퓨란유도체의 형성으로 인해 메탄생성균이 영향을 받은 것으로 판단된다. 결국, 수열전처리를 통해 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 가용화율 향상을 통한 메탄 생성 향상을 기대할 수 있으나, 혐기성소화 효율을 저해할 수있는 중간산물이 생성되지 않는 적정 전처리 온도의 확인과 적용이 중요할 것으로 판단된다.

하수슬러지 건조효율 향상을 위한 최적 수열처리 조건

임정빈 ( Jung Bin Yim ),이주완 ( Ju Wan Lee ),김우현 ( Woo Hyun Kim ),김혁진 ( Hyeok Jin Kim ),오세천 ( Sea Cheon Oh ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

최근에는 하수슬러지를 건조하여 신재생에너지로 활용하는 방안이 대두되고 있으나, 건조에 소요되는 에너지소비량이 많아 경제성에 어려움이 있다. 하지만 유기물의 가용화를 촉진하여 건조효과를 극대화하므로써 운영비용을 저감할 수 있는 수열처리기술을 통하여, 하수슬러지 내 유기물의 가용화 및 고형분말 연료화하는 기술의 보편성과 실효성이 입증될 경우 신재생에너지로 활용하는 측면에서 큰 효과가 얻을 수 있다. 본 연구에서는 수열처리기술을 통해 C시와 N시에서 발생하는 하수슬러지의 효과적이고 저비용으로 건조처리하기 위한 실험을 수행하였다. 수열처리기술은 고온과 고압 상태에서 물의 아임계수(Subcritical water) 조건을 이용하여 유기물의 분해 및 탄화를 진행하는 방법을 말하며, 다른 촉매 사용없이 빠른 시간내에 반응이 진행되고 기존의 탄화 조건인 400~500℃ 보다 낮은 온도인 약 200℃ 정도에서 반응이 이루어진다. 물은 아임계근처에서 특이한 물리적 특성을 가지게 되고 강한 용매특성을 지녀, 유기성물질을 분해하여 고분자특성을 가용화되는 저분자특성으로 변태하는 과정에서 물질의 점성을 현저히 낮추고, 아울러 물질입자의 미세화를 수반한다. 이는 물질내부의 건조가 어려운 내부수를 물질외부로 노출시킴으로서, 내부수를 표면수화하여 반응 후 건조를 용이하게 만들어 건조 비용을 낮추는 효과가 있다. 따라서, 본연구는 저비용으로 하수슬러지를 수열처리하여 기존 하수처리 건조방식보다 1/2 정도의 처리 비용 절감과 유해물질 함유량 저감과 미세분말화를 유도할 수 있는 처리기술 효과 등을 통하여 최종적으로는 화력발전소에서 석탄과의 혼합소각이 가능한 연료화 개발을 목표로 하고 있다.

수열처리를 이용한 하수 슬러지 고형연료의 특성분석

김혁진,( Poudel Jeeban ),이유민,장혁진,오세천 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.0

2000년 이후 급격한 도시화 및 산업화로 인한 하수 슬러지 발생량은 꾸준히 증가하고 있다. 이렇게 발생한 하수슬러지는 해양투기, 재활용, 소각, 육상매립순으로 처리해왔다. 그러나 ’96 교토의정서 발효에 따라 2012년부터 해양 투기가 금지되면서 하수슬러지, 음식물류폐기물, 가축분뇨 등의 높은 함수율을 가진 유기성 폐기물의 처리에 관한 대책이 시급한 상황이다. 특히 하수슬러지의 경우 건조 중량 기준으로 유기물 함량이 높은데 반해 수분 함량이 약 90%에 달하고 있어 건조 및 처리에 필요한 전처리 비용이 상당히 높은 것으로 평가되고 있다. 따라서 본 연구에서는 하수슬러지의 연료화 및 재활용 처리의 방안으로 열화학적 처리 중 무촉매 반응 기반으로 아임계수 조건의 물을 이용한 고온 고압의 수열처리를 통해 분해 및 탄화를 통해 고형연료화 하여 그 특성을 분석하였다. ** 이 논문은 환경부의 폐자원에너지화 전문인력 양성사업으로 지원되었습니다.

도축폐기물의 수열 전 처리가 혐기성 수소발효 효율에 미치는 영향

조성완 ( Sungwan Cho ),이종근 ( Jongkeun Lee ),이관용 ( Kwanyong Lee ),박기영 ( Ki Young Park ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

육류 가공 산업의 성장과 함께 소, 돼지 등 가축류의 사육 및 도축 관련 산업은 지속해서 발전해왔다. 이로 인해 소, 돼지 도축 시 발생하는 부산물 발생량이 함께 증가하였으며, 2014년 기준 국내 소, 돼지의 도축 부산물 발생량은 각각 66,216, 190,077 톤에 이른다. 현재 이들 도축부산물 중 이용가치가 없는 비식용 내장류와 지방 등은 폐기되고 있으며, 일부 재활용 방안들은 BSE(광우병), FMD(구제역), ASF(아프리카돼지열병) 등 가축전염병 파동에 따른 안정성에 대한 우려로 인해 널리 활용되지 못하는 실정이다. 도축폐기물(Slaughterhouse Waste, SHW)은 높은 유기물 함량과 풍부한 지방과 단백질 성분으로 혐기성 조건에서 분해할 경우 바이오가스 등의 유용한 물질로 전환될 수 있는 것으로 알려져 있다. 다만, 도축폐기물 내 동물성 지방과 불용성 단백질 등은 혐기성 분해의 율속을 제한하여 전체 공정의 효율을 저해할 우려가 있는데, 율속단계는 가수분해 단계로서 분해될 기질의 전 처리를 통해 공정 효율 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 도축폐기물의 분해효율 향상을 위한 수열 전 처리(Hydrothermal Pretreatment, HTP)를 실시하고, 처리온도별 도축폐기물의 성상변화 및 혐기성 수소발효 효율에 미치는 영향을 확인하였다. 실험에는 전라북도 A 도축업체에서 채취한 소, 돼지 도축폐기물을 사용하였으며, 전 처리는 소와 돼지로 각각 구분하여 실험실 규모의 수열처리 장치에서 수행되었다. HTP 후의 각각의 도축폐기물 성분과 생화학적 수소 생산 시험(Biochemical Hydrogen Potential Test, BHP Test) 결과를 비교하여 HTP에 따른 도축폐기물의 물리·화학적 조성변화와 혐기성 수소발효 효율을 관찰할 수 있었다. 하지만, 도축폐기물 내 단백질 성분 일부가 수열처리 과정에서 일정수준 이상의 고온으로 인해 마이야르 변성작용(Maillard Reaction)을 거치며 수소발효 효율이 감소하는 것이 확인되었다. 결국, HTP를 통한 도축폐기물의 전 처리는 혐기성 수소발효 효율을 향상 시킬 수 있지만 기질 내 단백질의 변성작용을 막기 위한 적절한 처리온도의 설계가 수반되어야 할 것으로 판단된다.

바이오매스 중 커피박의 수열탄화 특성에 관한 연구

김혁진 ( Hyeok Jin Kim ),이유민 ( You Min Lee ),박찬 ( Chan Park ),오세천 ( Sea Cheon Oh ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2020 No.1

수열탄화는 고압 반응기에 시료와 물을 넣고 아임계 조건까지 가열하여 고온, 고압의 수증기와 시료를 반응시켜 시료를 분해하고 물질 특성을 변화시켜 습식 조건에서 탄화를 유도하는 공법이다. 수열탄화 공법에는 하수슬러지, 바이오매스, 폐플라스틱 등 다양한 시료가 이용되며 본 연구에서는 바이오매스계 폐기물 중 커피박으로 연구를 수행하였다. 대게 바이오매스계 연료의 구조적 특성상 이질성과 낮은 에너지밀도 등이 문제가 되는데 본 연구에서는 수열탄화 공법을 통해 이러한 문제점들을 해결하고자 하였다. 우선, 반응 온도와 수분함량을 각각 다르게 하여 반복 실험을 진행하였으며 위 조건들이 분해정도 및 물질특성에 미치는 영향과 최적조건을 고찰하기 위하여 원시료 및 수열처리를 거친 시료의 질량 수율, 발열량 분석을 통한 에너지 수율 측정, 공업분석, 원소분석을 수행하였다.

수열처리가 커피박의 연료특성 변화에 미치는 영향에 관한 연구

김혁진,정종혜,이유민,박찬,오세천 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

최근 온실가스, 미세먼지 등 발전소의 유해가스 문제가 대두되면서 이를 줄이기 위한 방안으로 어느 정도 이상의 비율의 바이오매스를 혼소하는 방법이 주목받고 있다. 특히 수열처리는 위와 같은 공정에서 바이오매스의 에너지 효율을 높이고, 연료 특성을 개질시키는 탄화 효과뿐만 아니라 연소 특성에도 많은 영향을 끼치기 때문에 바이오매스를 혼소하는 과정의 전처리 과정으로 주목받고 있는 공법 중 하나이다. 본 연구에서는 커피찌꺼기를 시료로 하여 가장 중요한 조건인 온도뿐만 아니라 시료와 물의 비율을 다르게 하여 실험을 수행하였다. 또한 결과의 타당성을 위해 반복 실험을 수행하였으며 각각의 조건들이 수열처리 후 시료의 물질특성에 미치는 영향을 원시료 및 수열처리를 거친 시료의 질량 수율, 발열량 분석, 원소분석, 공업분석, COD 분석을 수행하여 에너지 효율, 물성변화 등을 확인하였다.