바이오인

바이오디젤 생산 과정에서 발생하는 고농도 유기폐수의 처리 방안에 관한 고찰

◈ 목차

1. 개요

2. 바이오디젤의 제조

3. 폐수 성상

4. 처리 방법

 4.1. 산성 탈유화(acidification de-emulsification)

 4.2. 응집/부상

 4.3. 혐기성처리

 4.4. 호기성처리

5. 결론

요약문

동/식물성 기름과 메탄올의 에스테르화반응에 의해 생산된 바이오디젤은 친환경 연료로 인정되어 생산량이 급격히 증가하고 있다. 바이오디젤은 생산 시 다량의 용수를 사용하고, 고농도 유기성 폐수가 발생하는 특징이 있다. 바이오디젤 생산과정에서 발생하는 폐기물(폐수)의 처리 방안으로 물리화학적처리와 생물학적처리(혐기성/호기성) 방안을 검토하였다. 본 보고서의 목적은 바이오디젤 생산공정에서 발생되는 폐수의 최적 처리 방법을 검토하는 것이다.

바이오디젤, 생물학적처리, 탈유화

Biodiesel, biological treatment, De-emulsification

◈본문

1. 개요

 화석에너지 사용에 의한 이산화탄소 증가는 지구온난화의 원인이 되고 있어 친환경 에너지원으로 바이오에너지의 사용이 확대되고 있다. 바이오디젤의 가장 큰 장점은 자동차에서 발생하는 매연을 저감시킬 수 있다는 것이다. 바이오디젤은 내연기관의 연료로 사용 가능하고, 디젤연료보다 온실가스 배출량이 낮아 친환경 연료로서 각광받고 있다(바이오 작물의 육성 과정에서 배출된 이산화탄소가 광합성을 통해 회수). 바이오디젤은 폐식용유 등 식물성기름에서 글리세린을 분리한 뒤 정제 과정을 거쳐 만들어진다. 바이오디젤은 기존 디젤엔진을 별다르게 개조/변경할 필요 없이 바로 사용 가능하다는 장점이 있다. 또한 바이오디젤은 폐식용유나 팜유 등을 원료로 하여 만들어지기 때문에 에너지 수급의 안전성을 확보할 수 있다. 바이오디젤은 신재생에너지연료혼합의 무화제도(RFS, Renewable Fuel Standard)에 맞춰 일반 경유와 혼합해 사용되고 있다. 바이오디젤의 의무 혼합 비율을 현재 3.5%에서 2030 년까지 8.0%로 증가시킬 예정이다. 따라서 바이오디젤 생산량은 대폭 늘 것으로 판단되며, 바이오디젤 생산공정에서 발생되는 폐수도 급증할 것으로 예상 되고 있다.

표 1. 경유 대비 바이오디젤의 공해 저감 효과 (출처: 미국 NREL/TP-580-24772 등)

2. 바이오디젤의 제조

바이오디젤은 원료가 되는 기름(폐식용유, 팜유 등)에 알코올(메탄올)과 촉매를 첨가하여 에스테르교환반응(가수분해)을 통해 글리세린과 함께 만들어진다. 한국의 경우 국산 폐식용유와 수입산 팜유 부산물을 많이 사용하고 있다. 식물성기름의 경우 지방산, 인지질, 물 등 불순물을 포함하고 있으며, 점도가 높기 때문에 직접적으로 디젤연료로 사용할 수 없다. 이런 문제 해결을 위해 에스테르화 같은 화학적 반응을 거쳐야 한다. 에스테르교환반응은 오일의 점도를 낮출 수 있기 때문에 바이오디젤 생산에 가장 중요한 반응으로, 에스테르화는 바이오디젤을 생산하는 가장 일반적인 방법이다. 에스테르교환반응에 일반적으로 사용되는 알코올은 메탄올로, 메탄올은 물리화학적인 장점과 저렴한 가격 때문에 주로 사용되고 있다. 또한 촉매는 반응을 촉진시켜 전환율을 증가시키고 염기성 촉매, 산성 촉매, 생촉매 등 3 가지 종류가 사용 중이며, 원료물질에 따라 선택적으로 사용된다.

그림 1. 에스테르교환반응에 의한 바이오디젤 생산

그림 2. 바이오디젤 생산공정 (출처: 한국바이오연료포럼)

3. 폐수 성상

바이오디젤 공정 폐수는 바이오디젤의 생산과정 중 사용하는 세척수로, 생산공정에 따라 다소 차이가 있으나 일반적으로 고농도 유기물을 함유하고 있다. 또한 강산성/강염기성이며 난분해성 물질 혹은 독성물질을 일부 포함하는 특성이 있다. 생산공정에서 발생되는 세정폐수에는 반응에 사용된 메탄올, 부산물인 글리세롤과 바이오디젤이 완전한 분리되지 않고 일부 잔류하게 된다. 세정폐수의 경우 유분이 에멀션 형태로 존재하여 유수 분리가 매우 어렵다. 바이오디젤 폐수는 높은 화학적산소요구량(COD), 부유 물질(SS), 오일 및 그리스를 포함하고 있으며, 불투명한 노란색을 띠고 점성이 있다.

바이오디젤 원료로 식물성기름은 대두, 유채, 팜, 코코넛, 자트로파, 카스토르, 님(neem)유가 있으며 동물성 유지로 소, 닭, 생선 기름 등이 사용되고, 사용되는 원료와 공정에 따라 폐수 성상에 영향을 미치게 된다.

표 2. 바이오디젤 생산공정 폐수의 성상

A: 글리세린이 포함된 바이오디젤 부산물을 이용한 자원화 네크워크 구축

B: 국내 A 사 바이오디젤 공정 폐수

C: Enhanced efficiency of dissolved air flotation for biodiesel wastewater treatment by acidification and coagulation processes.

바이오디젤 공정폐수는 고농도 유기물을 함유하고 있으나 상대적으로 질소, 인 등의 영양물질 농도가 낮아, 안정적인 생물학적처리를 위하여 H3PO4, Urea 같은 영양물질의 추가적인 투입이 필요하다. 또한 미생물의 원활한 성장을 위해서는 질소, 인 등 이외의 미량원소 등을 지속적으로 공급해주어야 한다.

...................(계속)

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