“A Clean and Beautiful World Beyond Waste!”

‘BKT의 맑은 물 이야기’는 쓰레기나 낭비를 넘어서 깨끗하고 아름다운 세상을 만들어가는 부강인들의 도전 이야기다. 환경기술이 지속가능하기 위해서는 더러운 것을 정화 처리하는 데 그치지 않고 유용자원으로 회수할 수 있어야 한다. 유기성 폐기물을 가장 경제적이고 친환경적으로 처리하는 열가수분해기술, Draco 이야기를 만나보자.

Draco: 기후변화 시대의 슬러지 레시피

하늘은 스스로 돕는 자를 돕는다

런던 협약으로 폐기물의 해양투기가 금지되면서 그동안 바다에 버리던 하수 슬러지를 육상에서 처리해야 하는 필요성이 대두됐다. 당사는 이에 발맞춰 2012년 1월 에너지팀을 신설하고 치열한 논의를 거쳐 슬러지 처리에 열가수분해기술을 적용하기로 최종 결정했다. 열가수분해는 혐기소화조 전단의 가용화 기술로 에너지 생산을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 해양투기금지(런던 협약), 온실가스저감(파리기후협약)이라는 세계적인 요구에 부응하고, 추후 정부의 유기성 폐기물 에너지화 정책, 온실가스 감축목표(BAU) 달성 정책에도 부합했다.

당시 환경부는 구제역으로 매몰된 가축사체가 법적 매몰기간이 끝날 때까지도 제대로 썩지 않는 난관에 봉착해 있었다. 발굴이 허용되는 시점에 미분해 사체를 안전하게 소멸시켜 매몰지를 긴급 복원할 수 있는 기술이 필요했다. 에너지팀은 열가수분해, 연소로, BGP 등 각종 Upstream 기술을 접목한 유기성 폐기물 종합처리단지 구축을 최종 목표로 정하고 해당기술을 개발하기 위해 정부 연구과제를 수주했다. (2012. 4. 환경부의 구제역 매몰사체 처리 과제 수주)

매몰사체 처리를 위한 열가수분해 기술개발에 착수한 에너지팀은 기존 기술과의 차별화, 고효율 처리에 기술개발의 성패가 달려있다고 판단했다. 타 기술의 경우 스팀을 1곳이나 많아야 2~3곳에서 분사하는 방식을 채택하고 있어 효과적인 열전달이 어려웠다. 에너지팀은 열전달효율을 극대화할 수 있는 스파저 파이프를 이용한 다점 증기분사기술을 개발하여 기존 기술과의 차별성을 확보했다. (특허: 제10-1339718호: 다점 증기 분사방식의 반응장치 및 이를 구비한 유기성 폐기물 처리장치, 2013.12)

당사가 개발한 열가수분해기술, Draco는 반응기 내부에 효과적인 열전달과 혼합을 위한 다점 스팀 분사기와 내부 교반기가 설치되어 있다. 이는 타 기술(단점 증기분사방식)과 차별되는 부분으로 특허에 의해 보호받고 있다.

기술개발 과정은 결코 순탄치 않았다. 구제역으로 매몰된 가축사체를 반응기에 투입하기 위해서는 무엇보다 고약한 냄새와 사투를 벌여야 했는데 음식물처리장에서 일한 경험이 있는 베테랑들을 투입해도 한 시간을 버티지 못했다. 임금을 2-3배 줘도 소용이 없었다. 심지어 화장실을 다녀오겠다며 사라진(?) 경우도 있었다. 결국 에너지팀이 직접 사체를 분해하여 열가수분해 반응기에 투입해야 했고 이 과정에서 파쇄기와 투입 설비를 추가로 구성했다. 비지땀을 흘리며 작업을 하고 나면 또 다른 난관이 기다리고 있었다. 온 몸에서 지독한 냄새가 나니 식당에 가면 문전 박대를 당하기 일쑤였고 고속도로 휴게소 식당에서도 구석자리에서 눈치를 보며 밥을 먹어야 했다. 파리까지 주변을 맴돌며 식사를 방해했다. 현장에 한번 갔다 오면 몸에 벤 냄새가 일주일 넘게 없어지질 않아 대중교통을 이용하기도 어려울 지경이었다.

에너지팀은 파일럿 규모의 열가수분해 설비를 운영하며 증기생산을 위한 보일러 설비, 탈수 설비 등도 발굴해 열가수분해 패키지 시스템을 구축하고 열전달 최적화를 위한 최적 운전조건을 도출했다. 파일럿 운영결과와 노하우는 환경부로부터 녹색기술인증을 획득하는 바탕이 됐다. (제GT-14-00114호, 다점 증기 분사방식의 열가수분해 공정을 이용한 유기성 폐기물 감량화 기술, 2014.07) 과제 마지막 단계에서는 이천시 매몰지 내에 Draco 실증화 단지를 구축하여 사체 처리를 완료하고 열가수분해 패키지 시스템 성능을 입증했다. (2016 환경부 과제 완료)

Upstream에서 Upcycling까지

2014년, 농림부가 발주한 ‘동물복지, 환경오염 등이 고려된 AI 감염 가금류의 효율적 살처분 및 열가수분해 사체처리 기술개발’ 과제는 열가수분해기술의 사업화 기반을 마련하는 계기가 됐다. 실험은 강원도에 위치한 서울대학교(위탁기관) 평창캠퍼스에서 진행됐는데, 열가수분해 반응 중에는 지독한 냄새가 나는 데다 반응기의 온도가 크게 올라가 옆에 서 있기가 힘들 정도였다. 하지만 밖으로 나오면 엄청난 추위가 기다리고 있어 냄새와 추위라는 두 적과 싸워야 했다. 여기서 끝이 아니었다. 구제역 매몰사체와는 달리 이번 과제에서는 평창캠퍼스 내 사육장에서 처분 예정인 산 닭을 받아서 실험을 진행하곤 했는데 반응기 투입구가 좁아 살아있는 상태에서 투입이 불가능했다. 중식당에서 쓰는 중식도나 실톱으로 산 닭을 2등분해야 했는데 내장과 피가 튀기 일쑤였다. 한동안 닭이 날아다니는 악몽을 꿨고 닭고기를 먹지 못했다. 하지만 고생은 헛되지 않았다.

에너지팀은 가금류(닭, 오리)를 처분하는 과정에서 열가수분해 반응으로 털과 뼈 등의 제거가 가능하다는 사실을 알게 되었다. 당시 도축장에서 발생하는 돼지 털, 발굽, 소뿔, 적내장은 처리가 어려워 대형 도축장마다 폐기물 처리기술이 절실한 상황이었다. 도축폐기물을 대상으로 다양한 테스트를 진행하고, 기술이 필요한 도축장을 대상으로 시연회와 기술설명회를 진행했다. 에너지팀의 이러한 노력은 결국 국내 최초로 Draco를 적용하는 부경양돈 농협 슬러지 감량화 사업 수주로 이어졌다. (2016 부경양돈 농협 슬러지 감량화 사업 수주)

국내 Draco 사업 진척에 발맞춰 미국 법인은 도축폐기물의 단백질에 케라틴과 같은 유용자원이 함유돼 있다는 점에 착안해 유용자원을 회수하는 연구를 자체적으로 수행했다. Upcycling 연구를 주도하고 있는 켄 타사키(Ken Tasaki) 박사는 소형 열가수분해 장치를 이용해 돼지 털이나 발톱 등을 열가수분해하고, FMX를 이용해 케라틴, 아미노산 성분을 분리/농축하는데 성공하며 유용자원의 회수 가능성을 보여주었다. (특허 등록 제10-19766568, 유기성 폐기물에서 열가수분해와 분리막을 이용하여 단백질과 아미노산을 회수하는 방법) 도축장에서 나오는 털이나 발톱은 재이용처가 없어 적지 않은 비용을 들여 매립해 왔다는 점을 감안하면 경제적 잠재력이 큰 것으로 평가되고 있다.

슬러지를 요리하는 두 가지 레시피: 가용화 & 감량화

하수처리장에서 발생하는 슬러지(탈수 케이크 등)는 혐기성소화나 건조 등을 통해 바이오가스를 생산하거나 감량해 왔지만 이 과정에서 많은 에너지 소모되고 효율성도 떨어졌다. 에너지팀은 바이오가스 생산량을 증대하고 탈수케이크의 감량화를 효과적으로 달성하기 위해 자체연구를 수행해 가용화 운전과 감량화 운전 조건을 도출하고 슬러지에 대한 열가수분해 패키지 시스템을 완성했다.

일반적으로 하수처리장에서 탈수를 거친 탈수케이크는 수분함량이 80%인 상태에서 Draco로 유입된다. Draco 적용 후 세포벽이 완전히 파괴돼 액상 상태가 되며 약품 투입 없이 필터프레스를 통해 함수율은 50% 미만, 슬러지 감량율은 80%로 떨어진다. 만약 더 많은 감량율을 원할 경우 건조 공정을 추가할 수 있다. 이렇게 해서 Draco-필터프레스-건조 공정을 거치면 슬러지의 함수율은 20% 미만, 슬러지의 감량율은 90%에 이르게 된다. 이때 필터프레스 탈수과정에서 발생하는 고농도 탈리액을 문제없이 처리할 수 있는 기술력은 고농도 축산폐수를 처리해온 당사만이 갖고 있는 강점이다.

2017년, KISTI 지원사업을 통해 슈퍼컴퓨터를 활용한 3D 해석기술로 열가수분해 반응기의 열전달 및 교반기의 최적화를 달성하고 최적설계를 위한 설계인자를 도출했다. 열가수분해기술은 반응기의 내부에 전달되는 증기(열)의 효과적인 전달이 핵심이며, 효과적인 열전달을 통해 소요되는 에너지를 최소화하고 반응효율을 증가시킬 수 있다. 감량화 기술의 핵심인 열가수분해와 필터프레스 탈수 케이크에 대한 건조기 성능과 건조 후 생성물에 대한 성능평가도 진행하고 현장 파일럿 테스트를 통해 감량화 성능을 입증했다. 여기에 해외 사업을 위한 2개의 해외특허(중국 특허 CN 105392572 B, 미국 특허 US 10,016,794 B2: Multi-injection steam type reactor and organic waste processing apparatus including same)를 취득하고, 열가수분해기술의 녹색인증기간을 연장해 사업화 기반을 완성했다. (녹색기술 인증(연장) 제GT-17-00277호, 다점 증기 분사방식의 열가수분해 공정을 이용한 유기성 폐기물 감량화 기술, 2017.07)

기후변화 시대, Draco의 기회

2019년 말, Draco 기술이 국내 최초로 실증화된 부경양돈 농협 슬러지 감량화 시설은 도축장에서 발생하는 도축폐기물과 도축장 시설 내 폐수처리장에서 발생하는 슬러지 감량화 목표를 달성하며 상쾌한 출발을 알렸다. 에너지팀은 최근 Upstream으로 팀 이름을 바꾸고 첫 실증사이트를 기반으로 다양한 시장 기회를 마주하고 있다.

전 세계가 기후변화 대응과 경제위기 탈출을 목표로 그린 뉴딜에 주목하고 있는 가운데 Draco는 가용화와 감량화라는 두가지 목표를 동시에 달성할 수 있는 최고의 슬러지 레시피로서의 위상을 정립해가고 있다. 더 맑은 물을 향한 부강인들의 도전정신이 만들어 낸 Draco의 무한한 잠재력이 빛을 발하기 시작했다.

열가수분해기술(Draco) 개발 연혁

2012년: 에너지팀을 신설하고 열가수분해기술 자체개발 결정

환경부의 “매몰지 기원 오염물질 판별 및 침출수/오염지하수 정화처리 시스템 개발”과제 수주

2013년: 열전달효율 극대화를 위한 스파저 파이프 이용기술 개발 및 관련 특허 등록(제10-1339718호: 다점 증기 분사방식의 반응장치 및 이를 구비한 유기성 처리장치, 2013.12)

2014년: Draco 파일럿(1m³ 반응기) 운영으로 각종 설계인자 도출 및 검증

녹색기술인증 획득(제GT-14-00114호, 다점 증기 분사방식의 열가수분해 공정을 이용한 유기성 폐기물 감량화 기술, 2014.07)

농림부의 “동물복지, 환경오염 등이 고려된 AI 감염 가금류의 효율적 살처분 및 열가수분해 사체처리 기술개발” 과제 수주

2015년: 이천 매몰지 내 Draco 실증단지를 구축하고 매몰사체 처리 완료

2016년: 부경양돈 농협 슬러지 및 도축폐기물 감량화 사업 수주

2017년: 슈퍼컴퓨터를 이용한 최적 교반기 형태 검증 및 성능 개선

녹색기술인증 연장(제GT-17-00277호, 다점 증기 분사방식의 열가수분해 공정을 이용한 유기성 폐기물 감량화 기술, 2017.07)

2019년: 부경양돈 농협 감량화 시설 설치 운영

2020년: 슬러지 감량화 민자사업 추진 중

[맑은 물 이야기] 열가수분해기술, Draco