펄프 및 제지공장에서 발생하는 폐수에서 다량의 유기물질이 포함되어 있으며, 이 유기물질은 바이오가스(biogas)로 전환될 수 있다는 사실이 스웨덴 린쉐핑(Linkoping University)대학 WES(Water and Environmental Studies)의 연구팀에 의해 발견되었다.

WES 연구팀은 7곳의 공장에서 70개의 폐수 샘플을 채집하여 분석한 결과, 이 폐수로부터 추출할 수 있는 바이오가스의 양이 메탄 기준으로 연간 최소한 7천만 Nm3(normal cubic metre)에 달하는 것으로 나타났다. 1Nm3의 기체는 대기압 0°C에서 기체가 1m3의 부피를 갖는 것과 동일하다.

개발된 공정을 최적화할 경우 1억 Nm3 정도를 성취할 것으로 WES의 Bo Svensson 교수는 희망하고 있다. 이 정도 용량은 바이오가스 생산량이 대략 65% 증가하는 것을 의미한다고 밝혔다.

 

본 연구에는 Bo Svensson 교수, Annika Bjorn 박사, Jorgen Ejlertsson 박사 및 대학원생들이 참여하였으며, Scandinavian Biogas Fuels AB, Poyry Sweden AB 및 몇몇 펄프 및 제지회사도 동참하였다.

연구 시작 첫 2년의 결과는 매우 전망이 밝아서, 스웨덴 에너지부, 린쉐핑 대학 및 여러 산업체 파트너들이 2년 이상 자금을 지원할 것을 약속한 상태다. 필요한 실험은 WES 실험실에서 진행되어 왔으며, 박사과정 학생인 Eva-Maria Ekstrand과 Madeleine Larsson이 일차적으로 각 공장에서 시료를 채취하였다.

 

첫 2년 동안의 연구결과가 매우 좋았기 때문에, 파일럿 실험은 공장에서 시행될 예정이다. 오늘날 대부분의 공장은 산소를 사용하는 기술을 사용해 폐수를 정화함으로써 많은 양의 에너지를 사용하고 있다.

 

연구팀이 개발하여 입증된 산소를 사용하지 않는 혐기성 기술 두 가지는, 이제 용량을 확대할 예정이다. 두 가지 공정 모두 본 공정에서 만들어진 바이오가스를 사용하게 된다.

간단히 얘기하면, 두 가지 기술 모두 폐수로부터 유기물질을 분리하고 미생물과 추출물을 반응기에서 충분한 시간 동안 체류시켜 메탄을 형성하지만, 원천 기술은 서로 다르다.

실험실의 반응기에서 사용한 첫 번째 기술인 UASB(upflow anaerobic sludge blanket) 폐수를 정화하기 위한 용기로, 아래로부터 저장소로 유입된다. 슬러지(sludge) 층은 저장소의 중간에 형성된다. 이후 작은 입자와 덩어리들이 만들어지고 그 표면은 메탄을 형성하는 미생물들이 둘러싸게 된다.

 

그 입자층을 통과하여 위로 물이 흐르게 되며, 유기물질은 저장소 하부에 남게 되고 미생물이 메탄을 형성할 때 물은 정화된다. 기체 형태로 생성된 메탄은 반응기 상부에서 포집된다. 실험실에서 테스트해 본 결과, 4리터 반응기의 용량을 70리터로 키울 수 있는 것으로 나타났다.

 

서로 다른 온도에서의 성능을 점검하기 위한 실험은 실험실에서 지속되고 있다. 선도 업체 중 한 곳에서 섭씨 20~35도 사이에서의 반응기의 성능을 알고자 했기 때문이다. 이런 이유로, Marielle Karlsson은 반응기 중 하나의 온도를 섭씨 25도로 낮추었다.

 

현재 미생물에 의한 공정이 진행 중이다. 저온에서는 미생물에 의한 반응이 더 서서히 진행되며, 미생물은 저온에 적응하여 생존하거나 아니면 새로운 개체를 통해 생존하게 된다.

두 번째 기술인 CSTR(completely stirred tank reactors)은 재순환된 슬러지를 이용하는 것으로 폐쇄된 용기 내에서 슬러지가 휘저어지는 동안 반응하게 된다. 그 이후 미생물에 의해 소화된 슬러지와 액체 물질을 원심분리한다.

 

슬러지의 일부는 반응기로 다시 보내져 미생물의 체류시간을 증가시키고 수율을 향상시킨다. 때문에 섬유질과 미생물이 반응기에서 체류하는 시간이 길어지는 반면, 물은 통과하도록 설계되어 있다. 이 기술은 황산염을 사용하는 펄프 공정에서 잔류 부산물 처리에 적합하다.

공장에서 반응기로 슬러지를 재순환시키기 위한 방편도 있다. 대규모 침전 장치를 사용해, 공장에서 이미 사용하고 있는 산소 공급 정화조로부터 슬러지를 저장하게 된다. 영양분 함량 및 생분해도를 증가시키기 위해 체류시간을 낮추게 된다.

 

이로써 공장의 슬러지와 섬유를 처리하여 탈수 비용 및 산소 공급을 위한 부대비용을 감소시키고 바이오가스의 수율을 증가시킬 수 있다.

공장에서는 슬러지가 많아지는 것을 원하지 않지만, 이것을 조기에 처리하여 바이오가스 형태로 사용할 수 있다는 것을 연구팀은 보여주고자 하였다. 또한 혐기성 환경에서 분해하기 어려운 물질을 이 단계에서 생분해함으로써, 쉽게 생분해되는 슬러지 형태로 전환할 수 있음을 의미한다.

 

본 프로젝트를 통해 몇 가지 독창적인 해법들이 제시되었다. 본 연구는 이미 국제적으로 상당한 관심을 받고 있다. 특히 핀란드 연구팀은 이미 접촉을 해 온 상태이다.