개요
과거 급격한 산업화와 문명 발달의 원동력이었던 화석연료는 과다한 사용으로 지구 온난화 및 에너지 고갈과 같은 지구적 문제를 야기 시켰으며, 이는 친환경적이며 지속가능한 대체에너지의 개발에 관심을 집중시켰다.

 

선진국을 주축으로 많은 나라들이 대체에너지 개발과 온실가스 감량화에 참여하고 있으며(Pavan etal., 2000년), 국내에서도 정부의 저탄소 녹색성장 정책 아래 신·재생 에너지의 개발과 보급을 독려하고 있다.

 

2009년 기준 우리나라의 생활 폐기물 발생량은 약 50,906톤/일 발생되었으며, 생활 폐기물중 대표적 유기성 폐기물인 음식물 쓰레기는 27%(13,701톤/일)로 가장 많은 부분을 차지하고 있다.

 

음식물 쓰레기는 2005년 이후 직 매립이 금지되어 대부분 재활용(퇴비화 및 사료화) 처리되고 있으나 품질이 낮아 수요가 낮고 재활용 과정에서 음폐수가 발생하는 문제점이 있다(환경부, 2010).

 

또한, 매립지로 유입되는 종량제 봉투에서 가장 많은 부분을 차지하는 것은 종이류로서 35%를 차지하고 있으며 추가적인 선별 없이 대부분 매립이 된다. 폐기물은 매립과정에서 산소가 없는 혐기 조건에서 생물학적으로 분해되고 이 과정에서 지구 온난화의 주범으로 인식되는 메탄가스가 발생된다.

 

메탄가스를 매립가스발전시설(LFG) 등을 통해 회수하더라도 잠재된 메탄가스의 90% 이상은 대기로 방출 된다고 한다(Theme-lis et al., 2007). 이러한 메탄가스의 회수를 위해 많은 노력들이 시도되고 있지만 그중에서도 혐기성 소화가 많은 관심을 받고 있다.

혐기성 소화는 유기성 폐기물이 혐기 조건에서 다양한 미생물에 의해 가수분해, 산생성 과정을 거쳐 최종적으로 메탄가스로 전환되는 과정을 말하며 다양한 유기성 폐기물에 적용이 가능하고, 폐기물의 처리와 동시에 유용한 에너지인 메탄가스를 생산할 수 있다는 장점이 있다(Angelidaki et al., 2005).

 

혐기성 소화는 주입되는 폐기물의 고형물 함량(Total Solid)을 기준으로 건식(TS 15% 이상), 습식(TS 15% 이하)으로 구분되며 1980년대에는 습식 공정이 주를 이루었지만, 1990년대 이후부터는 고형물 함량 15% 이상의 건식 공정이 EU를 중심으로 발전하였다(Bolzonella et al., 2003)(Eckhard et al., 2000).

 

음식물쓰레기, 축산분뇨, 하수슬러지 같은 고형물 함량이 높은 쓰레기의 경우에 건식 공정의 적용되어 왔으며 상용화 공정으로는 DRANCO(Six et al., 1992), KOMPO GAS(Willinger et al., 1993), VALORGA(Lac-los et al., 1997)이 대표적이다. 국내에서는 이재선 등(2008)이 음식물 쓰레기 자원화를 위한 건식 단상공정 연구와 오세은 등(2010)이 음식물 쓰레기와 축산분뇨의 건식공정연구에서 운전 인자에 대해 평가하였다.

 

혐기성 소화 공정은 매립장에서 생활 폐기물 전처리 시설인 MBT(Mechanical Biological Treatment)를 통해 유기성 폐기물의 선별 후 혐기 소화를 통해 자원화 공정으로 연계되어 질 수 있다. 유럽에서는 이미 이러한 사례들이 적용되어 운영되고 있으며, 국내 지방 자치단체들도 생활폐기물 전처리 시설의 도입을 계획하고 있다.

 

 혐기성소화공정
 
혐기성소화과정은 가수분해, 산생성, 메탄생성 3단계로 이루어지며 각 단계를 거치며 미생물이 유기물을 순차적으로 분해한다.

 

 

 

○ 가수분해(hydrolysis)단계 : 발효공정의 첫 단계로서 복잡한 구조의 유기화합물(탄수화물, 단백질, 지질)이 가수분해균과 발효균의 가수분해효소에 의해 분해되는 과정으로 다당류, 탄수화물, 단백질, 지방, 리그닌, 셀룰로오스 등의 복잡한 유기물이 용해성의 당, 알콜, 지방산, 아미노산, 폴리펩타이 등의 monomer나 oligonomer로 분해된다. 고형물이 크고 많은 폐수인 경우 가수분해단계가 전체공정의 처리시간에 중요한 요소가 되기 때문에 유입고형물의 크기를 미세화 시키면 효율 향상이 가능하다.
 
○ 산생성(acidiogenesis 또는 fermentation)단계 : 아미노산, 당류, 일부 지방산은 더 분해되어 수소, 이산화탄소와 함께 아세트산, 프로피온산, 부틸산과 소량의 발레르산이 생성된다. 프로피온산과 부틸산은 더 분해되어 메탄생성의 전구물질인 수소, 이산화탄소, 아세테이트를 생성한다.
 
○ 메탄생성(methanogenesis) 단계 : 메탄미생물(methanobacterium, methanococcus, methanosarcina, metahanospirippium)은 아세트산, 수소, 이산화탄소, 포름산, 메탄올을 직접 기질로 이용하고 그 외의 지방산과 알콜 등은 비 메탄미생물과 메탄 세균의 협력 하에 메탄과 이산화탄소로 전환된다. 메탄생성균은 산형성균에 비해 pH, 온도, 독성물질 등 환경변화에 매우 민감하다.

 

국외 보급 현황
 
고농도 유기성 폐기물 대상 처리시설의 혐기성 소화조는 유럽에서 가장 발전된 상황이다. 유럽은 고농도 유기성 폐기물 처리시설의 80% 이상이 혐기성 소화조로 운영되며, 발생된 바이오가스를 적극적으로 에너지화하고 있다.

 

유럽 및 중국의 경우, 농가용으로 소형 혐기성 소화조가 대량 보급되어 있으며, 독일 및 덴마크 등의 지역에서 20여개 이상의 대규모 혐기성소화 설비가 가동 중이다.

 

 

이용 데이터베이스
 
본 보고서의 주제인 혐기성소화 처리기술의 특허정보를 분석하기 위하여 한국과 미국, 두 국가에 대하여 특허동향을 분석하였으며, 이용한 데이터베이스는 한국특허정보원에서 제공하는 특허정보검색서비스(KIPRIS)를 통해 검색된 한국 공개특허와 미국 공개특허 데이터베이스이다.

 

본 특허분석에서는 국내와 미국의 특허를 각각 분석하고 그래프 등을 통해 시각적으로 보여 주어 복잡하게 얽힌 기술·권리관계를 한 눈에 쉽게 이해하도록 하여 활용하고자 함이 목적이다.

 

▶ 검색 방법 및 대상
● 특허·실용신안의 항목별 검색 중 초록(AB) 검색에 특허검색 연산을 이용
● 분석 데이터베이스: 특허정보검색서비스(KIPRIS)
● 분석도구: PIAS(Patent Information Analysis System), EXCEL

 

 연도별 출원건수 분석
 
1990년 혐기성소화 처리기술과 관련된 2건의 특허출원을 시작으로 현재까지 관련 기술에 대한 특허 출원이 지속적으로 증가되는 추세를 보인다. 특히 2010년에는 80건으로 가장 많은 특허가 출원되었다.

 

 

미국 특허 분석

미국의 경우 우리나라 보다 앞선 1972년에 1건의 특허 출원을 시작으로 현재까지 관련 기술에 대한 특허 출원이 지속적으로 증가되는 추세를 보인다. 특히 2009년에는 50건으로 가장 많은 특허가 출원되었다.