바이오가스 생산공정은 폐기물의 종류와 형태의 일관성 및 탄소, 질소 인 등의 함량에 따라 다양한 처리방법이 있으며 유기성 성분의 소화처리를 통해 바이오가스를 생산하여 에너지화하는 기술이다. 유기성 폐기물의 처리를 통한 바이오가스의 생산에는 어느 특정 기술만이 우수하고 사용될 수 있는 것이 아니라 사용하고자 하는 폐기물에 대한 보다 정확한 분석을 통해 어떠한 처리방법이 적합하며 적은 비용으로 최대의 효과를 낼 수 있는지에 대한 보다 합리적인 검토를 통해 바이오가스 원료의 형태와 조건에 적합한 최적의 처리방법을 선정하는 것이 중요하다는 것을 지적하고 싶다.
여기에서는 앞으로 몇 차례의 연재를 통해 수년간의 운전을 통해 상업적으로 사용되고 안정성이 검증된 기본 기술에 대해 소개할 예정이다. 이번에는 2004년부터 2007년까지 독일의 코트 부스 대학에서 개발되고 기콘(GICON)사에 의해 전세계적으로 상업화된 바이오가스 분야 최신 기술에 초점을 맞추고자 한다.
대부분의 기존 바이오가스 기술은 축분을 기본으로 하여 유기성 원료를 동시에 사용한다. 고형물층이 형성되는 것을 방지하기 위해 혼합기가 설치된 단일공정으로 많은 에너지를 소비했다. 모든 공정에서 acidogenic, acetogenic 및 메탄생성균은 내부 물질전달을 포함한 복잡한 내부구조의 생물학적 군락으로 여겨지는 bioce nosis를 만들어낸다. 이러한 구조는 기계적인 충격에 취약해 bioce nosis를 고속으로 혼합하는 것은 기하학적 구조에 심각한 영향을 주어 결과적으로 바이오가스 생산량을 상당히 줄어들게 한다. 이러한 기존기술의 많은 문제점을 극복한 새로운 공정이 기콘의 바이오가스 생산공정이다.
이른바 ‘기콘 프로세스’라는 공정은 전체 바이오가스 공정이 매우 안정적으로 운전될 수 있는 고액공정이다. 크게 보면 두 단계의 공정을 기본으로 하면서 ▲폴리머의 효소분해(발효) ▲지방산의 형성(acidogenic 단계) ▲모노모와 유기산에서 초산으로의 변환(acetogenic 단계) ▲메탄 생성 등 총 4개의 세분화된 연속 바이오가스 생산과정으로 구성된다.
앞의 두 단계는 산성 조건 하에서 최대로 반응되며 메탄생성은 중성적인 조건을 필요로 한다. 그래서 각 단계에서 요구되는 유사한 조건을 기준으로 반응단계를 분리하여 공정상의 설비를 구성하는 것이 이상적이다. 전자의 두 공정은 가수분해 단계 후자의 두 공정은 메탄생성 단계이며, 이들 덕분에 모든 단계와 과정이 이상적인 조건하에서 운전될 수 있는 것이다.
첫번째 단계인 고형 바이오물질의 가수분해에 있어서는 여과시스템을 사용해야 하는데 액체가 천천히 고형기질 안으로 스며들면서 기본적인 반응이 일어나고 지방산, oligomers, monomers와 같은 분해된 유기물을 흡수, 침출시킨다. 소위 가수분해물이라고 하는 액체는 분해된 물질로 이루어져서 메탄생성 공정으로 이송되는데 고형물질은 거의 포함되어 있지 않다.
공정의 특징을 살펴보면 가수분해단계는 부분적으로 개방된 공정으로 전체 Co₂발생량의 약 50% 정도를 생성·배출하는 약간의 혐기성 공정이다. 가수분해공정은 SH₂의 생성을 어느 정도 이하로 억제하는 약산의 혐기성공정 하에서 운전되며 메탄공정은 기본적으로 70~80%의 높은 순도의 메탄을 생산한다는 것이 장점이다. 여과공정 동안에는 고형 바이오기질과 효모 그리고 가수분해균의 접촉시간이 증가하며 이는 단상습식발효보다 훨씬 빨리 기질분해가 일어나게 하는 주된 이유로 일반적인 체류시간의 30~50%내에 가수분해가 완료되도록 한다.
여과액(가수 분해물)은 생물 반응기로 이송되며 반응기에서 메탄생성균은 플라스틱 충진물에 바이오필름 형태로 고정되어 아주 빠르고 효율적인 소화과정을 거쳐 18~20시간 안에 가수분해물을 메탄가스로 생성시킨다. 반응기 사이즈를 축소시켜 투자비를 줄일 수 있는 이유 중 하나다. 이렇게 두 단계로 이루어진 공정에서는 가수분해물은 산의 소비를 최소화하고 전혀 문제가 없는 운전을 통해 모든 공정을 조화롭게 제어할 수 있게 된다.
