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탄소중립 실현 위한 ‘유기성 폐자원 통합 에너지화 솔루션’ 완성·사업화

연간 200〜300억원대 머물던 사업 수주액, 올해 1천500억원 돌파 전망

자체 기술로 유기성 폐자원 통합 에너지화 솔루션 개발

기후위기를 극복하기 위한 ‘C테크’ 열풍이 불고 있다. C테크는 Climate(기후), Carbon(탄소), Clean(청정)의 첫 글자인 ‘C’와 기술을 의미하는 ‘테크(Tech)’를 조합한 용어로, 탄소배출 감축을 비롯해 기후변화에 대응·적응하는 모든 기술을 말한다.

글로벌 컨설팅 기업 맥킨지&컴퍼니는 국가온실가스감축목표(NDC) 달성 시점인 오는 2030년이면 전 세계 C테크 시장 규모가 약 9천조 원에 이르고, 이에 따라 관련 선도 기술을 보유한 국가나 기업이 막대한 사업 기회를 거머쥘 것으로 전망했다.

물환경 분야에선 탄소중립과 하수처리장 에너지 자립 달성이 화두로 떠오른 가운데, 친환경 수처리 전문기업 ㈜부강테크(대표 최문진)가 자체 기술로 ‘유기성 폐자원 통합 에너지화 솔루션’을 완성해 사업화하면서 주목 받고 있다.

㈜부강테크는 20년 이상의 고농도 폐수처리 노하우를 토대로 개발한 환경신기술을 활용해 하수처리장의 부지 집약과 에너지 자립을 위한 통합 솔루션을 구현한 국내 대표 기업이다. 특히, 바이오가스 생산부터 슬러지 감량, 고농도 폐수처리까지 진행되는 유기성 폐자원 통합 에너지화 사업에 자사 핵심 특허기술을 모두 적용한 기업은 국내에서 ㈜부강테크가 유일하다.

Draco·AMX 등 최적 기술 조합…경제성 확보

하수처리 과정에서 발생하는 하수슬러지와 음식물류 폐기물, 가축분뇨 등 에너지 잠재력이 높은 유기성 폐자원을 통합 소화하면 단독 소화 때보다 바이오가스 생산에 규모의 경제가 실현돼 하수처리장의 에너지 자립이 가능해진다.

또 매립지 등에서 부패 시 발생하는 메탄을 대기 중으로 방출하는 대신 신재생에너지(바이오가스)로 전환시켜 기후변화에도 효과적으로 대응할 수 있다. 하지만 통합 소화 과정에서 발생하는 고농도 악성 폐수를 처리하는 데 바이오가스 생산량보다 많은 에너지가 투입되는 탓에 경제성 하락은 유기성 폐자원 통합 에너지화 사업에 큰 걸림돌로 작용해 왔다.

유기성 폐자원 통합 에너지화는 바이오가스 생산을 통한 에너지화도 중요하지만 소화 폐액 내 고농도 질소와 슬러지를 얼마나 안정적이고 경제적으로 처리하느냐가 관건이다. ㈜부강테크는 주력 하수처리기술인 ‘Proteus’에 바이오가스를 생산하는 ‘혐기성소화기술(AAD)’, 바이오가스를 증산하고 슬러지 감량 능력을 극대화한 ‘열가수분해기술(Draco)’, 소화 폐액 내 질소를 경제적으로 제거하는 ‘아나목스기술(AMX)’ 등 자체 개발 기술을 유기적으로 조합해 유기성 폐자원 처리의 안정성과 경제성을 동시에 확보한 ㈜부강테크만의 ‘유기성 폐자원 통합 에너지화 솔루션’을 완성했다.

㈜부강테크의 주력 하수처리기술 ‘Proteus’가 적용된 서울시 중랑물재생센터.

통합 에너지화 사업 성공을 위한 키워드 5가지

다양한 물질이 혼합·투입되는 유기성 폐자원 통합 에너지화는 바이오가스 생산과 슬러지 감량, 폐수처리까지 일괄 진행되기 때문에 전 과정이 유기적인 흐름을 유지해야 안정적인 운영이 가능하다. ㈜부강테크는 유기성 폐자원 통합 에너지화에 필요한 요소기술을 선제적으로 개발하고 검증해 안정적이고 경제적인 운전 노하우를 확보하고 있으며, 이를 토대로 탄소배출권 확보·판매 사업도 추진 준비 중이다.

Ⅰ. 하수 내 유기물 최대 회수 및 부지확보 기술 : Proteus

㈜부강테크의 주력 하수처리기술인 ‘Proteus’는 1차 침전지 부지를 최대 85% 절감할 수 있어 에너지 생산시설을 위한 부지 제약을 해결할 수 있다. ㈜부강테크는 2018년 준공된 서울 중랑물재생센터의 1처리장에 Proteus를 적용, 1차 침전지 부지를 15%만 사용하면서 20m/시 이상 높은 선속도의 고속여과를 구현하고, 높은 유기물 처리효율을 확보했다. 하루 25만 톤의 하수를 처리하는 대규모 시설에서 이 같은 부지절감 기술력을 입증한 기술은 전 세계에서 Proteus가 유일하다.

Proteus 기술은 다른 기술과 달리 화학물질을 전혀 사용하지 않고 특허기술인 십자형 부상여재를 활용한 고속여과로 유입수 내 유기물(에너지원)을 집중 회수하는 1차처리 기술이다. 1차처리 과정에서 유기물을 최대한 많이 회수할수록 후속공정에서 제거해야 할 유기물이 최소화되므로 에너지 소모는 줄이고 에너지 생산량은 최대 80%까지 늘릴 수 있다.

Proteus 기술은 지난해 국내 수처리 기술 중 최초로 ‘GPS-X’와 ‘Biowin’ 등 세계적인 모델링 소프트웨어에 고속여과(High-rate Filtration) 표준기술로 등재됐으며, 세계적인 물시장 조사기관인 글로벌 워터 인텔리전스(GWI) 등으로부터 ‘세계 10대 수처리 기술’로 선정되는 등 부지절감 및 탄소저감에 최적화된 1차처리 기술로 평가받고 있다.

㈜부강테크의 주력 하수처리기술 ‘Proteus’가 적용된 서울시 중랑물재생센터.

Ⅱ. 바이오가스 생산 기술 : AAD

유기물에서 바이오가스를 생산하는 혐기성소화기술은 하수처리장의 에너지 자립을 위한 바이오가스 생산 및 슬러지 감량 공정에 적용되고 있다. ㈜부강테크는 홍천군 친환경에너지타운에 혐기성소화기술을 도입한 경험을 바탕으로 고효율 수중 교반기와 퇴적물 배출장치를 결합한 ‘AAD(Advanced Anaerobic Digester)’를 개발, 밀양시, 김해시, 성주군, 화천군 가축분뇨공공처리시설 등에 성공적으로 적용해 왔다.

순수 국산기술인 AAD는 상하·좌우 유동이 가능한 교반기를 통해 침전물 퇴적에 의한 효율 저하를 방지하고 바이오가스를 안정적으로 생산한다. AAD는 동력 전달효율이 높은 다극모터(12P)식 구동방식과 자동제어 시스템을 통해 교반 에너지를 50% 절감하고, 특허기술인 퇴적물 배출장치를 통해 소화조 하부에 침전물이 쌓이는 것을 막아 퇴적물 준설을 위한 운영 중단 시 발생할 수 있는 준설비 및 위탁처리비를 절감할 수 있다.

Ⅲ. 바이오가스 증산 및 슬러지 감량 기술 : Draco

열가수분해는 고온고압의 증기를 활용해 바이오가스 생산량을 증대하고 슬러지 탈수 능력을 향상시키는 기술이다. ㈜부강테크는 특허기술인 ‘다점 증기분사방식’과 ‘특수 교반기법’을 접목해 반응기 내부의 열전달 효율 극대화 및 슬러지 감량에 최적화된 ‘열가수분해기술(Draco)’을 개발했다.

Draco는 혐기성 소화조 전단 ‘에너지화’ 공정에 적용할 경우 바이오가스 생산량을 최대 40% 증산하는 효과가 있고, 혐기성 소화조 후단 ‘에너지화+감량화’ 공정에 적용할 경우에는 바이오가스 20% 증산과 동시에 외부로 반출되는 탈수케이크의 양을 75~85% 감소시켜 슬러지 위탁처리비를 획기적으로 절감할 수 있다.

㈜부강테크의 ‘에너지화+감량화’ 공정은 Draco와 필터프레스를 거친 탈수케이크의 함수율이 50% 미만이기 때문에 기존 건조방식의 한계로 지적된 점착구간(Glue-zone, 함수율 55~65%) 없이 안정적인 건조기 운영이 가능하다.

더 많은 슬러지를 감량하기 위해 건조공정을 추가하는 경우에도 건조기 규모가 작아 에너지 사용량이 적고 장비 가격도 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다. ‘Draco-필터프레스-건조기’ 공정의 최종 슬러지 감량률은 85〜90%(함수율 10%)로 높고, 소요되는 에너지는 톤당 23만㎉로 단독 건조(80만㎉) 대비 에너지 소모를 약 77% 줄일 수 있다. ㈜부강테크는 2019년 부경양돈 슬러지 감량화 시설(100톤/일)에 Draco 기술을 적용, 슬러지 감량률 80%를 달성하고 연간 약 35억 원의 슬러지 처리비용을 절감했다. 이는 열가수분해를 이용한 국내 최초의 슬러지 감량화 실적이다.

해외에서도 반응이 뜨겁다. 최근 미국에서는 영원한 화학물질이라 불리는 ‘PFAS(Perfluoroalkyl Sulfonate, 과불화옥테인술폰산)’가 포함된 하·폐수 슬러지 처리가 환경 분야 최대 이슈로 떠오르고 있다. 현재로서는 소각이 PFAS 처리의 유일한 해법이지만, Draco를 이용할 경우 관련된 대형 소송을 예방할 수 있고 ESG 실천도 가능해진다. 지난해 세계적 컨설팅 기업 CDM스미스(CDM Smith)는 PFAS 등으로 인한 슬러지 감량화에 대비 ㈜부강테크의 Draco 파일럿을 현장 검증 후, 미국 현지에서 테스트 및 사업화를 추진하자고 제안한 상태다.

Draco가 적용된 부경양돈 슬러지 감량화 시설.

Ⅳ. 경제적 폐수처리 기술 : AMX

하·폐수 내 질소를 경제적으로 제거하는 AMX(Anammox, 아나목스) 기술은 송풍기 전력을 60%, 외부탄소원을 100% 절감할 수 있어 하수처리장 에너지 자립화를 위한 핵심기술로 꼽힌다. ㈜부강테크는 단일반응조(Single-stage)를 채택한 대부분의 AMX 기술과 달리, 부분아질산조와 아나목스조를 분리해 유입수 내 유기물 및 부유물질 부하 변동에 안정적으로 대처하고, 아나목스 저해인자를 사전에 차단해 균주를 보호하는 ‘이단반응조(2-stage) AMXⓇ’를 개발했다.

일반적으로 이단반응조는 단일반응조에 비해 부지를 더 많이 사용하는 것으로 알려져 있지만, ㈜부강테크의 AMXⓇ는 기존 상용화된 AMX 기술 대비 높은 질소제거효율로 체류시간(HRT)을 50% 단축시키고, 전처리 설비 없이 기존 기술의 절반 크기 부지에 설치가 가능해 단일반응조를 뛰어넘는 경제성을 보장한다.

아나목스 미생물은 높은 질소 농도, 낮은 유기물 부하, 35℃ 내외의 수온 등 까다로운 조건에서 성장하기 때문에 전 세계 대부분의 AMX 적용 실적이 이러한 폐수 특성을 가진 하수 소화 슬러지 탈리액(Sidestream)에 집중되어 있다. 그러나 ㈜부강테크는 국내 최대 규모의 아나목스 미생물 대량배양조를 통해 국내 유일의 아나목스 미생물 공급체계를 갖추고, Sidestream 외에도 Mainstream, 가축분뇨, 음식물 폐액, 매립지 침출수, 산업폐수 등 다양한 분야에 선도적으로 적용하고 있다.

아나목스 미생물 대량배양조 및 AMXⓇ 실증시설.

㈜부강테크는 홍천 친환경에너지타운에서 가축분뇨와 음식물류 폐기물 통합 소화 후 발생하는 폐수처리에 AMX를 적용했으며, 이 데이터를 바탕으로 국내 최초로 AMXⓇ 환경신기술 인·검증을 획득했다. ㈜부강테크 미국 법인이 세계적 컨설팅 기업 블랙앤비치(Black & Veatch)와 함께 LA시 하이페리온 하수처리장에서 4년 이상 테스트해 온 Mainstream AMXⓇ는 마지막 테스트 단계에 돌입해 세계 최초 상용화 성공을 눈앞에 두고 있다.

AMXⓇ가 국내 최초로 적용되는 부산 녹산하수처리장 반류수 처리시설은 올 11월 준공을 앞두고 있다. 이 시설은 하루 유기성 폐자원 780톤(하수 슬러지 580톤/일, 음폐수 200톤/일)을 통합 소화 후 발생하는 반류수를 처리하는 시설로, AMXⓇ 적용 시 전력비 55%, 약품비 97%, 슬러지 처리비 100%를 절감해 연간 10억 원 이상의 유지관리비를 아낄 수 있다.

국내 최초 AMXⓇ 상용화 시설인 부산 녹산하수처리장 반류수 처리시설 조감도.

2020년 대한민국 특허대상(세종대왕상)을 수상한 AMXⓇ는 블루테크 리서치(BlueTech Research) 선정 ‘WEFTEC 2021 우수 논문 50’, GWI 선정 ‘글로벌 핵심 AMX 기술’로 지정되는 등 해외에서도 기술력을 인정받고 있다. ㈜부강테크는 여기에 만족하지 않고 유입 부하에 따른 능동 제어를 위해 빅데이터와 인공지능(AI) 기술을 접목하는 등 에너지 사용량을 추가로 절감하기 위한 R&D를 지속하고 있다.

Ⅴ. 탄소배출권 확보

탄소배출권은 일정기간 동안 6대 온실가스(이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소, 과불화탄소, 육불화황)의 일정량을 배출할 수 있는 권리로, 배출권을 할당받은 기업은 할당 범위 내에서 온실가스를 의무적으로 사용하고, 배출한 탄소량이 할당량보다 많으면 탄소배출권을 사들여 부족분을 메워야 한다.

탄소 가격이 상승할수록 기업은 온실가스 배출을 저감하기 위해 노력하기 때문에 탄소 배출에 가격을 책정하는 방식은 글로벌 기후변화에 대응하는 효과적인 방안으로 인식되고 있다.

2020년 한국물환경학회의 ‘공공하수처리시설에서의 에너지 사용현황 및 절감방안 연구’에 따르면, 유입수질 상승과 방류수 수질기준 강화, 시설 고도화 등의 이유로 2018년 하수처리장의 연간 소비전력량이 2008년 대비 3배 가까이 증가한 것으로 조사됐다. 기후변화 대응을 위한 탄소중립 및 하수처리장의 에너지 자립을 위해서는 하수처리장의 에너지 사용량을 줄이고 하수처리장을 에너지 생산시설로 전환해야 한다.

㈜부강테크는 에너지 생산 최대화 기술(Proteus, AAD, Draco)과 에너지 소비 최소화 기술(Draco, AMX, WAI)을 결합한 최적 공정을 기반으로 한 유기성 폐자원 통합 에너지화 사업을 통해 탄소배출권을 확보·판매할 수 있는 CDM(Clean Development Mechanism, 청정개발체제) 사업 등록을 추진하고 있다.

유기성 폐자원 통합 에너지화 솔루션 검증

㈜부강테크는 지난 2015년 환경부 시범사업으로 조성이 추진된 ‘홍천 친환경에너지타운’ 준공 실적으로 유기성 폐자원 에너지화 시장에 진출했다. 홍천 친환경에너지타운은 하수처리장과 가축분뇨처리장 등 기존에 있던 기피·혐오시설을 친환경 에너지 생산시설로 전환해 온실가스 감축, 악취민원 해소 등 환경과 에너지 문제를 동시에 해결하고 주민 소득증대에도 기여하고 있는 국내 1호 친환경에너지타운이다.

홍천군 친환경에너지타운 성공에 핵심 역할을 하고 있는 국내 최초 가축분뇨 바이오가스화 시설은 가축분뇨 80톤과 음식물류 폐기물 20톤을 통합 소화하고, 이 과정에서 생산된 바이오가스를 도시가스로 전환해 주변 마을에 공급하고 있다. 또 소화 폐액은 필요할 때 액비로 생산해 자체적으로 활용하거나 인근 마을에 판매하고 있으며, 나머지는 ㈜부강테크의 폐수처리기술(BCS, vDAF)을 적용해 현재까지 안정적인 처리수질을 확보하고 있다. ㈜부강테크는 지자체의 운영비 경감을 위해 2018년 이 시설에서 폐수처리에 적용된 ‘혐기소화 폐액처리 기술(BCS)’을 AMXⓇ로 대체하는 자체 R&D를 수행하고, 기술 우수성과 현장적용성 등을 인정받아 환경신기술 인증(2019년) 및 검증(2020년)을 획득했다.

지난해 산업통상자원부 지원으로 대구시에 설치된 유기성 폐자원 바이오가스화 실증연구시설에서는 혐기성소화기술(AAD)과 경제적 폐수처리기술(AMX)을 적용해 에너지 자립을 검증했다. 이 시설은 음식물류 폐기물과 하수슬러지 20톤을 통합 소화해 자체 생산한 바이오가스 생산량의 50%만으로 실증시설의 에너지 자립률 100%를 달성하고, 반류수 처리에 필요한 전력 사용량을 73.6% 절감하는 등 ‘에너지 생산형 실증시설’로 인정받고 있다.

홍천군 친환경에너지타운 내 바이오가스화 시설(왼쪽)과 대구시 바이오가스화 실증연구시설.

포천에코플랜트 설립…민간투자개발사업 진출

지난 4월, ㈜부강테크는 유기성 폐자원 통합 에너지화 사업을 본격적으로 추진하기 위해 포천에코플랜트를 설립하고 민간투자개발사업(PFI)에 진출했다. 바이오가스를 생산하고 슬러지를 감량하는 유기성 폐자원 통합 에너지화 사업은 민간과 지자체가 공동으로 추진하는 민관합작투자사업(PPP, Public-Private Partnership) 및 민간투자개발사업(PFI, Private Finance Initiative)에 적합한 사업모델로, 환경산업 활성화에 기여할 전망이다.

포천에코플랜트는 첫 사업으로 포천시 영중면 영송리에 소재한 포천바이오가스 제1플랜트를 인수하고, 필요한 500억 원 규모의 자금을 프로젝트 파이낸싱(PF) 방식으로 조달하기로 했다. 포천바이오가스 제1플랜트는 부강테크의 유기성 폐자원 통합 에너지화 솔루션을 기반으로 기존 폐수처리 공정을 개선하고 슬러지 감량화 공정을 추가하여 사업성을 개선한 후 2024년 말 재가동될 예정이다.

2027년 준공되는 국내 최대 규모의 하수처리장 민간투자사업인 대전하수처리장 이전 현대화 시설에도 ㈜부강테크의 유기성 폐자원 통합 에너지화 솔루션이 적용된다. ㈜부강테크는 최근 농축슬러지(490톤/일)를 대상으로 슬러지 가용화(Draco)와 혐기성소화(AAD), 반류수 처리(AMX) 등 ‘Upstream’ 통합 공정을 적용하는 실시설계를 마쳤다.

“탄소중립 시대, 환경산업 선도기업으로 도약”

1998년 6월 1일, 환경산업에 진출한 ㈜부강테크는 국내 가축분뇨처리시장 점유율 1위를 시작으로 수처리 분야에서 핵심 역량을 발휘해 온 환경기업이다. 2008년 업계 최초로 미국 법인을 설립해 미주, 유럽 등 환경선진국 시장에 진출했고, 2014년에는 베트남 법인을 설립해 아시아 시장으로 활동영역을 넓혔다.

2016년부터 개발도상국의 물복지를 확대하기 위한 ‘투모로우 워터 프로젝트(Tomorrow Water Project, 이하 TWP)’를 추진하는 과정에서 개발한 경제적 수처리 신기술들이 상용화에 성공하면서 연간 200~300억 원에 머물던 ㈜부강테크의 사업 수주액은 2020년 처음으로 1천억 원을 돌파했고, 올해는 1천500억 원을 넘어설 것으로 예상된다.

TWP는 2016년, ㈜부강테크가 UN SDGs(지속가능개발목표) 플랫폼에 공식 등재한 이니셔티브(#12177)로, 하수처리장과 에너지 생산시설, 데이터센터를 한 곳에 함께 지어 기후변화 대응(SDG 13)을 중심으로 깨끗한 물과 위생(SDG 6), 신재생에너지(SDG 7), IT 인프라(SDG 9) 동시 달성을 추구하는 하수처리모델이다.

㈜부강테크는 TWP에 기반한 사업전략을 수립해 탄소중립 및 ESG 실천을 통한 영향 리더십(Impact Leadership)을 실행하는 데 더욱 박차를 가한다는 계획이다. 최문진 대표는 “본격적인 탄소중립 시대가 열리며 전 세계적으로 C테크 경쟁이 치열해지고 있다”면서 “국내 대표 환경기업 ㈜부강테크가 그 최전선에서 차별화된 기술력과 영향 리더십을 통해 환경산업 선도기업으로 도약하고 있다”고 말했다.

[동지영 차장]

[『워터저널』 2022년 6월호에 게재]