막 분리 운전방식에 따른 음폐수 소화가스의 도시가스용 바이오메탄 생산연구를 상업용 시설을 대상으로 수행하였다. 연구결과 바이오메탄의 순도는 4SBR과 3SDR 모두 98.9%를 달성할 수 있었다. 소화가스 내 메탄 회수율은 4SBR 88.1%, 3SDR 79.4%이었고, 처리 소화가스량 대비 바이오메탄 생산율도 4SBR이 53.5%로 3SDR의 49.4%보다 높았다. 그러나 막 분리시설에 공급되는 가스 중 반송 가스의 비율은 4SBR이 56.5%로 3SDR 보다 두 배가량 컸으며, 이로 인해 최대 처리량에 있어서는 3SDR이 양호한 결과를 보였다. 따라서 소화가스 200 Nm3/day 이하는 4SBR, 240 Nm3/day 이상에서는 3SDR이 경제성이 좋은 것으로 판단되었다. 공정 운전변수들의 평균값 대비 운전 값들의 상대편차는 전반적으로 4SBR이 컸으며, 또한 주 운전조절 수단인 바이오메탄 인출압력 대비 주요 지표들의 상관관계에 있어서는 3SDR가 보다 직접적인 관계를 보여주었다.

기존의 육상 및 근해에서의 석유 생산량은 점차 감소하는 추세로 심해에서 석유 및 가스 생산량이 증가하고 있는 추세이다. 심해용 해상 생산 설비가 필수적이나 육상에 비해 설치비용이 2배이상 들어가기 때문에 설치면적당 가스처리량이 높은 기체분리막이 주목 받고 있는 상황이다. 현재 외산 분리막이 중용되고 있으며, 이를 대체할 국산화 제품 개발이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 폴리이미드계 고분자인 폴리에테르이미드 고분자를 사용하여 기체분리 막을 제조 하였으며, 투과도와 선택도를 높이기 위해 코팅제로 polyether black amide (PEBAX)를 사용하여 이산화탄소/메탄의 분리 정제 효율을 증가시키기 위한 연구를 진행하였다.

음식물 및 축산 폐기물 처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 주성분은 50~70% 메탄과 20~40% 이산화탄소로 구성되어 있다. 바이오 가스 내 메탄을 95% 이상의 고순도로 농축할 경우 도시가스와 이송수단의 연료로 사용이 가능하며 온실가스 감축에도 큰 효과가 있어 신재생 에너지로써 큰 주 목을 받고 있다. 본 연구에서는 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 순수기체 투과도와 혼합기체 투과성능을 알아보았고 폴리설폰 분리막을 이용하여 3, 4 단의 분리막 공정을 설계하여 분리 농축 실험을 실시하였다.

온실가스로 인한 지구 온난화 현상이 기후 변화를 초래하고 있기 때문에 메탄과 이산화탄소 감축에 대한 저감 기술이 절실하다. 바이오가스는 음식물쓰레기 처리장, 축산분뇨처리장, 등에서 발생하는데, 본 연구는 음식물쓰레기처리장에서 바이오가스를 분리정제 하기 위해 제습, 탈황, 탈실록산 처리된 바이오가스를 막분리 공정으로 운전하였고, 유량, 압력, 막 면적에 변화에 따른 공정개선으로 98% 이상의 고순도 메탄가스와 90% 이상의 회수율을 만족하는 결과를 얻었다.

국내에서 생산되는 바이오가스는 경제적 가치를 창출하지 못하고 있어 활용 방안 확대를 위한 고효율의 바이오가스 정제 및 메탄 농축시스템 개발이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 바이오매스 기반의 바이오가스를 도시가스로 공급하기 위한 최적의 정제 및 메탄 농축시스템 개발을 목적으로 하였다. 농축 공법으로는 멤브레인 공법이 최적의 결과를 도출하였고 다단 멤브레인 공법별 비교분석을 통하여 상황별 최적의 시스템을 개발하였다.

장래 화석연료의 고갈 및 지구온난화에 대비한 대체에너지의 개발･보급이 시급함에 따라, 이제 폐기물은 새로운 자원으로 인식되고 활용하는 단계에 이르렀다. 우리나라는 세계 10위의 에너지 소비국으로써 97%를 수입에 의존하고 있는 실정이다. 국내 폐기물 관리는 매립, 소각 등의 처리방식에서 폐기물을 자원화 할 수 있는 자원순환형 폐기물 관리로 변화되고 있으며, 이러한 상황에서 생활폐기물의 다양한 처리기술을 통해 고부가가치의 에너지로 활용이 가능하며, 이 중 폐기물 가스화 기술은 열적처리 기술 중 진보적인 기술이다. 본 연구에서는 전처리된 생활폐기물을 고정층 pilot 공기가스화 시스템에서 가스화하여 합성가스를 생산하였으며, 고부가가치 에너지로 활용하기 위해 습식정제 장치를 구축하여 실험을 진행하였으며, 실험에서 발생된 정제폐수를 채취하여 폐기물관리법과 수질 및 수생태계 관련 법률에서 명시하는 40종의 항목에 대한 분석을 진행하였다. 분석결과 배출 허용 기준에 근접하거나 초과되는 주요 분석 항목은 수소이온농도, 부유물질, COD, BOD, 노말핵산 추출물질, 페놀류, 시안, 총질소, 벤젠, 생태독성(TU), DEHP(디에틸헥실프탈레이트), 아크로니트릴이 있으며 이에 대한 화학적·생물학적 처리 방법의 검토가 필요할 것으로 예상된다.

폐기물을 이용한 가스화 공정을 통해 생성되는 합성가스는 적용하고자 하는 후단공정에 따라 적합한 품질을 얻기 위해 다양한 정제 설비를 거쳐 정제된다. 가스터빈을 가스화 시스템 후단 공정으로 적용할 경우 터빈의 블레이드가 마모되지 않기 위해서 합성가스 내 입자상 물질의 입자사이즈는 5 μm 이하까지 제거되어야 한다. 따라서 합성가스 내 입자상 물질들을 제어하기 위해서는 각 정제 설비에서 발생하는 입자상물질 또는 정제설비에서 제거된 입자상물질들의 입자 사이즈에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 pilot scale의 폐기물 가스화 시스템 내의 세정 설비에서 발생하는 폐수 내 존재하는 입자상물질의 입자사이즈를 비교함으로써 각 세정설비의 특징을 파악하고, 더 나아가 각 설비에서 제거된 입자상물질의 입도 거동을 통해 상용규모 단계까지 scale-up 하였을 때 세정설비에 대한 성능을 예측할 수 있다. 가스화공정에서 발생한 합성가스 내 입자상 물질은 분진제거탑, 중화세정탑 그리고 습식전기집진기를 통과하여 대부분의 입도가 큰 물질은 제거되었다. 입도분석 결과 가스화로에서 발생한 입자상 물질의 입자사이즈는 24.0 μm 이며, 분진세정탑에서는 23.0 μm, 중화세정탑은 14.2 μm 그리고 습식전기집진기에서는 12.8 μm의 입자상 물질을 제거하는 것으로 분석되었다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 pilot 규모의 폐기물 가스화 시스템에서 생성된 합성가스는 사이즈가 큰 입자상 오염물질이 대부분 제거되어 가스터빈이나, IC engine에 후단공정으로 활용이 가능함을 확인할 수 있다.

폐기물을 사용한 가스화 공정에서 발생되는 합성가스는 폐기물의 특성상 분진, 타르 외에도 HCl, HCN, NH3 등 다양한 종류의 가스상 물질을 함유하고 있어 이들 가스상 물질로 인해 생물체에 해를 주거나 환경의 정상적인 기능을 저해하는 대기오염문제를 야기할 수 있다. 따라서 폐기물 기반의 합성가스를 활용하기 위해 이러한 대기오염물질들을 제어할 수 있는 정제 과정이 필요하다. 본 연구에서는 폐기물에서 발생한 합성가스에서 가스상 대기오염물질을 포집하여 각 정제설비 후단에서의 농도를 확인하여 정제설비의 가스상 대기오염물질 제거 효율을 파악하였다. 본 연구에서의 합성가스 정제설비는 급속냉각탑, 벤츄리 스크러버, 중화세정탑, 탈황세정탑, 습식전기집진기를 사용하였으며, 가스상 대기오염물질은 가스화로 후단, 중화세정탑 후단, 습식전기집진기 후단에서 각각 포집하였다. 3종류(HCl, HCN, NH3)의 포집을 위해 HCl은 0.1 N-NaOH, HCN은 0.5 N-NaOH, NH3는 0.5wt%의 H3BO3을 사용하였으며, 분당 2L의 유량으로 20분간 포집하였다. 폐기물 기반 합성가스의 가스상 대기오염물질 정제설비의 총괄 제거 효율은 HCl이 98.58%, HCN은 87.30%, NH3 는 99.68%로 나타났다. 또한, 급속냉각탑, 벤츄리스크러버, 중화세정탑의 가스상 대기오염물질 제거 효율은 HCl 92.13%, HCN 66.02%, NH3 91.40%로 나타났다.

석탄을 이용한 대규모 가스화 설비들은 전력생산과 연료합성에 있어서 실제 상업적으로 많이 적용되어 이용되고 있다. 그러나, 상대적으로 수급과 가격에 있어 장점이 있는 폐기물을 원료로 이용한 가스화기술의 적용과 상용화기술의 개발은 석탄가스화기술과 비교하여 적용실적 및 분야가 다소 부족한 것이 사실이다. 이러한 필요성에 의해 폐기물을 원료로 이용한 가스화기술의 개발이 국내뿐 아니라 국외에서 많은 연구와 관심의 대상이 되고 있다. 폐기물 가스화시 폐기물을 구성하는 원료 물질들은 대부분 가스상 오염물질들로 전환된다. 이런 과정을 통해 가스화기에서 생산된 합성가스는 분진, H2S, COS, HCl, NH3, HCN, 중금속등의 다양한 오염물질들을 포함하고 있다. 폐기물을 원료로 하여 개발되고 있는 에너지생산 및 화학합성 공정들은 장치의 부식방지, 촉매피독, 오염물 농도 규제치를 만족시키기 위해 엄격한 정제수준이 요구된다. 이러한 정제수준의 달성을 위해 석탄과 폐기물을 원료로 한 가스화 공정에 대하여 고온조건에서 필터와 흡착제를 활용한 정제기술들이 개발되어왔다. 본 연구는 파일럿 규모의 실험설비를 이용하여 폐기물 합성가스 내에 존재하는 오염물질들의 처리, 제거 특성을 살펴보고 기초적인 운영특성을 알아보았다. 유량, 온도, 압력등의 다양한 공정조건에서 기초적인 기능을 수행하는 고온백필터 운영을 통한 집진성능을 알아보았다. 사업장폐기물과 폐자동차에서 발생하는 ASR을 대상으로 가스화 후 발생되는 분진에 대한 집진성능을 평가하였으며 1차백과 2차백으로 구성된 2개의 필터를 이용하여 총괄 집진이 이루어졌다. 1차백에서 평균 입구농도가 36,923 mg/m³, 출구농도가 4,351 mg/m³으로 나타났으며 평균 제거효율은 90.05%로 나타났다. 2차백의 평균 입구농도는 4,351 mg/m³, 출구농도가 7.2 mg/m³으로 나타났으며 2차백의 평균 제거효율은 99.83%로 나타났다. 1차/2차백을 모두 통과한 전체 가스의 총 제거효율은 99.98%로 입구평균농도가 36,923 mg/m³인 조건에서 출구농도가 7.2 mg/m³를 나타내었다.

The purpose of this study was to improve low digestibility in anaerobic digestion facility of the sewage treatment plant. To perform this research, sludge digestion and digestion gas purification facilities in sewage treatment plant was applied. In the result of this study, it was very effective for sludge reduction from the improvement of digestive efficiency. In addition, it was confirmed that high purity CH4 (methane) was produced. This results can be useful as basic data to improve the low digestibility in anaerobic digestion processes.

순산소 가스화기로부터 발생한 합성가스는 분진, 황화합물, 염화수소 등의 오염물질을 포함하고 있기 때문에 후단공정에서 합성가스를 화학원료로 사용하기 위해서는 적절한 정제시스템을 통한 오염물질의 정제가 필요하다. 본 연구에서는 급속냉각탑, 분진세정탑, 중화세정탑 및 탈황세정탑으로 구성된 합성가스 정제설비로부터 발생한 합성가스 정제폐수의 적정 처리공정 구성을 위한 정제폐수의 여과, 응집, 침전 및 탈수 특성을 분석하였다. 본 연구에 사용된 합성가스 정제폐수는 다량의 부유물질(940 mg/L)을 함유하고 있으며, 이는 규조토코팅 여과를 통해서 2 mg/L 이하로 제거가 가능한 것이 확인되었다. Polymer, Alum, PAC, FeCl₃ 총 4가지의 응집제중 Polymer를 사용한 경우가 가장 높은 응집율을 보였으며, 또한 폐수 원액의 pH를 총 세 가지 조건으로 조절하여 침전특성을 분석한 결과 침전 시간 약 30분 경과 후 부유물질의 침전 상태를 확인할 수 있었다. 그리고 실험 조건별 규조토코팅 여과기에서 발생한 탈수 슬러지와 탈수액의 성분을 분석한 결과 탈수 슬러지의 경우는 철의 함량이 그리고 탈리액의 경우는 인의 함량이 높게 나타났다.