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하수찌꺼기가 쓰레기가 아니라고요?

 

  [사진 1. clean water]

출처: pexels  

 우리가 사용하는 물은 복잡한 과정을 거쳐 처리된 후 안전한 상태로 우리에게 전달된다. 이 과정에서 각종 오염물질은 하수찌꺼기, 또는 하수슬러지라 불리는 폐기물(우리나라에서 분류)의 형태로 분리되어 배출된다. 이렇게 생성된 하수슬러지들은 과거 대부분 해양에 투기하는 방식으로 처리되었다. 하지만 런던협약에서 하수슬러지 육상처리가 의무화되면서 하수슬러지의 새로운 처리 방법들이 대두되기 시작했다소각, 매립과 같은 일반적인 폐기물 처리방법과, 비료화, 그리고 최근에는 재생에너지 자원으로서 새로운 변신이 시작되고 있다.

 하수슬러지는 각종 오염물질과 미생물 등 유기물질이 풍부하기 때문에 바이오매스의 한 종류로 볼 수 있다. 바이오매스는 연소, 가스화, 열분해, 생물학적 전환 기술 네 가지의 방법으로 에너지를 생산할 수 있는데 이번 기사에서는 가스화를 이용한 하수슬러지의 에너지 생산을 위주로 살펴보려 한다.

 

[사진 2. 하수슬러지]

출처: KEITI

-하수슬러지란?

 슬러지는 하폐수 처리 과정과 정수과정에서 오염물질의 침전물이라고 할 수 있다. 원수의 종류, 생활양식, 하수처리방식, 도시의 구조, 하수의 배제 방식 등에 따라 슬러지의 특성도 달라진다.

 보통 슬러지는 유기물질과 미생물, 유기휘발성 물질을 대량 함유하고 있기 때문에 높은 온도에서 다양한 가연성 가스들과 타르가 생성된다. 하수슬러지는 폐수슬러지와 달리 다량의 다당류를 포함하고 있고 고온으로 건조 시 다당류의 호화특성으로 인해 점성이 증가하고 악취가 발생한다는 단점이 있다. 또한 수분의 양에 따라서도 생성 가스의 발열량등이 달라지기 때문에 이러한 점을 고려하여 적절한 형태의 처리된 슬러지를 사용해야 한다.

 

-가스화란?

 가스화는 일반적으로 석탄을 고온 고압 하에서 산소, 수증기와 반응시켜 합성가스를 생산하기 위해 사용되는 기술이다.

 이러한 기술을 하수슬러지에 적용시켰다. 하수슬러지(바이오매스)가 완전연소하기 위해 필요한 산소의 양보다 적은 양의 산소를 이용해 연료물질(하수슬러지)를 부분 산화시키는 공정을 의미한다. 산소, 연료물질, 산화유도물질(산화제)를 이용해 가연성 가스를 생산해 내는 것을 목표로 한다.

 

 [그림 1. DOWNDRAFT GASIFIER]

출처: BiofuelsACADEMY

 가스화 공정 과정은 건조, 열분해, 연소, 환원반응으로 진행된다. 이 반응들이 온도의 구배를 가지며 순차적으로 일어나는 고정층 가스화기와 모래와 같은 고체입자들이 부유하면서 유체상태에서 시료가 혼합되어 온도가 같은 상태에서 반응이 거의 동시에 일어나는 유동층 가스화기가 대표적으로 사용된다. 위 사진은 고정층 가스화기 중에서도 DOWNDRAFT 형식의 가스화기이다.

 고정층 가스화기에 연료물질(시료)과 산화제가 가스화기 내부에 투입되면 건조단계-에서 시료 내의 수분이 증발하고 열분해 단계-에서 높은 열에 의해(150~700) 연료물질(고분자)이 수소, 일산화탄소 등과 탄화수소류를 포함하는 가연성 가스들뿐만 아니라 타르, 촤 등의 생성물 등 저분자로 분해된다. 이후 연소단계-에서 타르와 촤는 완전 또는 불완전 연소되어 열을 발생시키고 분자들이 더 작은 분자들로 쪼개지며 가연성 가스를 생성하기도 한다.

 이렇게 생산된 합성가스는 가스터빈을 이용하여 전기를 생산할 수 도 있고 수소를 분리하여 수소에너지를 만들어낼 수도 있다. 또한 합성가스 내의 수소와 일산화탄소는 다양한 화학원료 합성을 위해 사용이 가능하다. 가스화는 하수슬러지의 부피를 감소시켜 처리를 돕고, 독성물질 제거가 가능하며 소각 시 발생하는 대기오염물질 배출 위험도 없다는 장점이 있다.

 

 

[사진 3. 가스화]

출처: KEITI

 

 가스화기술을 이용하면 하수슬러지를 효율적으로 처리하는 것이 가능하며 유용한 에너지를 생산해 낼 수 있다는 장점이 있다. 바이오매스를 직접 이용하는 방식보다 효율적이고 다양한 화합물의 생성으로 활용이 무궁무진하다.

 하지만 생성가스에 불순물 함량이 높으며 대기오염을 일으키는 NOxSOx, 타르 등이 생산된다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 각종 조건에서의 가스화실험을 통해 최적의 조건을 찾는 도전이 계속되고 있다.

 관련 연구가 다양하게 이루어지고 있지 않고 초기단계이기 때문에 이 기술을 실용화하기 까지는 많은 노력이 필요하다. 이러한 노력들이 계속된다면 한낱 쓰레기일 뿐이던 하수슬러지가 기존의 화석연료들을 대체할 수 있는 새로운 가치를 가진 재생에너지원으로 더 큰 관심을 받을 것이다.

                      

 

- 참고 자료

1. 논문 [저타르 청정 프로듀서 가스 생산을 위한 다단 가스화기와 활성탄 이용 건조 하수슬러지 가스화, 최영곤]

2. KEITI

 

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  1. BlogIcon R.E.F. 10기 김미리 2018.07.09 22:39 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    다양한 곳에서 에너지를 얻네요! 바이오 매스의 주원료가 다양한 만큼 가치있는 원료중 하나라는 생각이 들어요!
    좋은기사 감사합니다 ^-^

  2. BlogIcon R.E.F. 11기 강병근 2018.07.12 14:48 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    요즘 제가 공부하고 있는게 바이오에너지라 그런지 좀 더 집중해서 읽었습니다. 진짜 다양한 부분에서 에너지를 만들어내네요ㅋㅋㅋ 좋은 기사 잘 읽었습니다!