66 대한설비공학회

유기성 폐기물 에너지화 기술(DBS공법) 및 음식물쓰레기 적용사례 소개

조시진

대우건설(sijin.cho@daewooenc.com)

머리말

최근 국제유가의 지속적 상승, 환경오염문제

발생, 신재생 에너지 개발 필요성 제기 등에 의해

바이오 가스가 다시금 주목받고 있다. 정부는 저

탄소 녹색성장 기조아래 농식품부, 환경부, 지식

경제부 등 7개 부처에서 음식물쓰레기, 가축분뇨,

하수슬러지 등의 유기성 폐기물로 인한 환경오염

을 줄이고 유기성 폐자원으로 활용하기 위해 심

혈을 기울이고 있다. 이에 대우건설은 신재생에

너지의 하나로서 유기성 폐기물의 에너지화 사업

을 적극 추진하고 있다. 바이오 가스 생산 기술은

우리에게 그다지 낯선 기술은 아니다. 1970, 80

년대 시골 주민들 사이에서 일명 ‘똥가스’라 불렸

던 것이 바이오 가스이며 여기에 현대 기술을 접

목하여 재구성한 것이 현재의 바이오 가스 기술

이다. 바이오 가스란 혐기적 소화작용으로 발생

되며 바이오매스에서 생성되는 메탄과 이산화탄

소의 혼합 형태인 기체를 말하며 이러한 혼합기

체에서 분리된 메탄을 바이오메탄가스라고 한다.

생성된 가스는 약간의 정제 과정을 거친 후 열병

합발전에 의한 전기 및 온수 생산 등으로 활용하

거나 고질화 과정을 거쳐 바이오메탄(CBM)을 생

산 활용하는데 사용된다. 당사는 DBS(Daewoo

Biogas System)공법을 가지고 전북 장수, 전남

보성, 대구광역시 등 국내 최대/최다 바이오 가

스 플랜트 기술적용 실적을 가지고 있으며, 국내

특허등록 8건, 2009년 대한민국 10대 신기술 선

정 등 그 기술력을 인정받고 있다. 이 기술력을 바

탕으로 적용범위를 확대 정부 및 지자체에서 추

진하는 대규모 플랜트사업과 동시에 당사에서는

건축/주택 분야의 대형건축물이나 공동주택에서

발생되는 음식물쓰레기 활용에 초점을 맞춰 한전

신사옥에 실적용 단계에 이르게 되었다.

이에 본고에서는 바이오 가스 생산 및 활용에

관한 일반적 특징 및 당사가 가진 DBS공법에 대

한 소개 그리고 일반건축물로는 국내최초 적용되

는 음식물쓰레기 전용 바이오 가스발전에 관해

설명하고자 한다. 그림 1은 환경지속적인 생태계

의 순환사이클을 보여주고 있다.

유기성 폐기물의 에너지화 개요

그림 2와 같이 유기성 폐기물이 바이오 가스를

생산하기 위해서는 전처리, 혐기성 소화, 악취처리,

바이오 가스 발전의 4가지 공정으로 구성된다.

혐기성소화는 산소가 없거나 산소의 농도가

아주 낮은 곳에서 살며 자라는 세균의 성질을 이

용하는 방식이다. 이는 유기물을 여러 미생물의

분해작용에 의하여 메탄으로 전환하는 일련의 프

로세스이며, 이 프로세스는 그림 3에 나타낸 것과

같은 4단계로 구분하는 것이 가능하다. 즉 고형상

일반원고

설비저널 제41권 2012년 9월호 67

의 유기물을 액상화하고, 가수분해하는 과정, 식

초산, 프로피온산, 부틸산을 생성하는 저급지방

산(휘발성유기산, VFA)을 생성하는 과정, 이들을

식초산 및 H₂가스로 분해하는 과정, 이들 산물을

이용하여 메탄을 생성하는 과정이다.

유기성 폐기물의 에너지화 필요성

유기성 폐기물의 전량 육상처리 정책

2005년에 유기성 폐기물(음식물쓰레기, 가축[그림 1] Biogas Cycle

[그림2] 유기성 폐기물 에너지화 전체 계통도

[그림 3] 혐기성소화에 의한 유기물의 분해단계

CO₂ + H₂O고형폐기물다당류단백질지질

단당류아미노산글리세롤

고급지방산

저급지방산알콜 등

CO₂, H₂, NH₃, S⁻² CO₂, H₂CO₂, H₂

메탄(CH₄)

CH₃COOH 메탄(CH₄)

액화·가수분해 산생성H₂생성식초산생성 메탄생성

68 대한설비공학회

일반원고

분뇨, 하수슬러지)의 직매립이 금지되었으며, 런

던 협약에 따라 해양배출도 2013년에 금지될 예

정이다.

온실가스 감축정책

2020년까지 배출전망치 대비 30% 감축목표

가 확정되었으며 탄소 배출권 거래제 및 탄소세

가 도입될 예정이다.

폐기물 에너지화 정책

국제 원유가격 상승에 따른 신재생에너지 개

발이 필요한 시기이며 저탄소 녹색성장 추진에

따른 대응 기술 개발이 절실히 필요한 시기이다.

국내 및 해외 바이오 가스 이용실태

국내 바이오 가스 플랜트 전망

국내 시장은 초창기 외국기술을 도입하여 시

공하였으나 운전효율이 높지 않은 문제점이 있었

으며, 현재 일부 국내사가 혐기소화(습식) 기술

개발을 일부 완료, 사업화를 추진중이며 현재까

지 건식소화기술은 기술개발 후 실 검증 중이다.

정부는 바이오 가스를 포함한 폐자원에너지화를

통해 2050년에 전체 에너지 중 10%를 보급하겠

다는 계획이다. 이는 2050년 신재생에너지로서

보급목표인 20%의 절반에 해당되는 규모다. 국

내 바이오 가스 사업시장은 추후 ▲ 플랜트시공

▲ 해양폐기물 육상전환시 발생하는 수익 ▲ 탄

소배출권 판매수익 ▲ 전기판매 또는 CNG가스판

매 수익으로 구성 될 수 있으며 그림 4는 연간 유

기성 폐기물 발생량 및 경제적 효과를 수치로 표

현하였다.

외국의 바이오 가스 이용현황

유럽에서 바이오 가스 생산 1,2위는 독일

과 영국이다. 이 두 나라의 생산량을 합치면 총

3,377 Ktoe로 전체의 67.7%를 차지한다. 유럽의

경우 바이오 가스는 대부분 열을 생산하거나 전

기를 생산하는데 이용된다. 바이오 가스를 난방

에 이용하는 경우에는 열만 생산하는 경우와 열

병합으로 동시에 이용하는 경우로 나누어진다.

과거에는 단순히 열을 공급하는 데 이용했지만

이제는 발전과 열 이용을 동시에 이용하는 경향

이 강하다. 그림 5는 EU 국가별 바이오 가스 1차

유기성 폐기물의 전량 육상처리 정책 온실가스 감축정책 폐기물 에너지화 정책

[그림4] 국내 유기성 폐기물 발생량 및 경제성

(자료출처: Waste-to-Energy Report, 한국환경자원공사,

2008.10)

설비저널 제41권 2012년 9월호 69

생산량 추이를 보여주고 있다.

DBS(Daewoo Biogas System) 공법

기술 개요

DBS(Daewoo Biogas System)공법은 음식물

쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지 등 고농도 유기성

폐기물을 처리함과 동시에 신재생에너지인 바이

오 가스를 생산하는 기술이다. 생산된 바이오 가

스는 열병합발전기의 연료로 이용되어 전기와 온

수를 동시에 생산하여 에너지원으로 사용된다.

이는 향후 해양배출 전면 금지에 따른 유기성 폐

기물 전량 육상처리 정책에 부합되며, 바이오매

스의 한 유형인 유기성 폐기물을 처리하는 탄소

중립적 시스템으로서 온실가스를 배출하지 않는

다. 또한 DBS 공법은 신재생에너지 기술 개발 및

유기성 폐기물 에너지화를 강력히 추진하는 정부

의 정책에 완벽히 부합하며 부가적으로 탄소배출

권(CER; Certified Emission Reduction)도 확보

할 수 있다. 최근에는 고형물 농도가 높은 유기성

폐기물을 보다 효율적으로 처리하기 위해 수평형

소화조를 적용한 건식소화기술 및 바이오 가스의

고순도 정제 기술에 대한 실증연구를 마무리하

여, 실보급중에 있다(그림6 참조).

[그림5] EU 바이오가스 1차 생산량(2006)

국명2005년 2006년

열플랜트

CHP플랜트

총생산량

열플랜트

CHP플랜트

총생산량

독일 86.0 188.7 274.7 86.0 172.0 258.0

영국 61.6 - 61.6 64.8 - 64.8

프랑스 53.9 - 53.9 53.9 - 53.9

이탈리아 - 36.9 36.9 - 38.0 58.0

폴란드 4.3 22.4 26.7 6.0 28.1 34.2

덴마크 3.4 24.1 27.6 3.5 25.1 28.6

체코 10.0 14.1 24.1 10.0 13.1 23.1

핀란드 2.5 19.7 22.1 2.5 19.7 22.1

스웨덴 6.2 14.5 20.7 6.2 14.5 20.7

벨기에 0.1 20.3 20.4 0.1 20.3 20.4

EU 265.1 359.8 624.9 280.8 350.2 631.1

[그림6] DBS 공정 모식도

70 대한설비공학회

기술 특징

DBS공법은 음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수슬

러지 등 여러 종류의 유기성 폐기물을 혼합하여

처리하는 통합(병합) 소화 또는 한 종류의 유기

성 폐기물만을 처리하는 단독 소화 모두 가능한

신공법이다. DBS 플랜트로 반입된 유기성 폐기

물은 종류와 성상에 따라 선별, 파쇄 등 먼저 적절

한 전처리 과정을 거친 후 발효조로 유입된 후 산

발효조, 메탄발효조에서 혐기성 소화과정을 거

친다. 메탄발효조만으로 이루어진 기존의 단상

(single phase) 혐기소화 공정과 비교하여 산발

효조가 전단에 추가되어 처리 효율이 향상된 이

상(two phase) 혐기소화 공정을 채택하였다. 산

발효조에서 유기성 폐기물의 가수분해 및 산발효

가 2일 내외의 짧은 체류시간 동안 이루어지며,

양질의 유기산이 생성된 후 메탄발효조에서 혐기

소화 과정을 거쳐 바이오 가스가 생산된다. 생산

되는 바이오 가스의 메탄가스 함량은 75~80%로

서 기존 혐기소화 공정의 60% 내외보다 높아 바

이오 가스 단위 부피당 에너지량이 25% 이상 향

상되었다. 메탄발효조의 체류시간은 5~7일 정도

로 기존 공정의 20~40일에 비해 훨씬 짧아 반응

조의 부피가 기존 공정의 20~30%에 불과하고,

반응조내 상향 플러그(plug) 흐름을 유지하여 교

반기가 불필요하므로 시설비/운영비를 절감할

수 있다.

DBS(습식)공법

고효율 메탄발효조 : 구조가 간단하고 부하

변동에 강하며 유입 폐수가 반응조 하부에서 유

입되어 반응조 내부의 슬러지층(sludge bed)

을 통과하는UASB(Upflow Anaerobic Sludge

Blanket) 형태의 생물반응조이다(그림 7 참조).

또한 반응조 내에 접촉제, 충진제, 유동입자 등 생

물막을 부착시키는 여재를 이용하지 않고, 입상

슬러지에 의해 고농도의 혐기성 미생물을 반응조

내에 배양하여 유기성 폐기물을 처리하는 일종의

자기고정화(self immobilization) 방식의 혐기소

화 공법이다. 표 1에서는 외국기술 및 재래방식과

DBS(습식)공법을 비교하였다.

DBS(건식)공법

수평형 혐기성 소화조 : 고형물 농도가 높은

(TS>15%) 유기성 폐기물(예 : 음식물류 폐기물)

을 처리하기 위하여 개발되었다. 수평형 혐기성

소화조의 주요한 특징은 사각지역을 방지하기 위

해 하부는 반원형으로 제작되었고 침전물의 제거

를 위한 장치가 구비되었으며, 생물탈황 효율을

높이기 위해 소화조 내에 담채를 설치하였다. 또

한 교반기는 회전하는 수평축에 임펠러가 구비되

<표1> DBS(습식)공법 특징

항 목 DBS공법 유럽기술(일반) 재래식공정

반응기 형태이상(two phase)

혐기공정반응조수: 3개

단상(single phase) 혐기공정, 반응조수:1-2개

2단 또는 단상 혐기공정반응조수: 1~2개

체류시간 10일이내 15~30일 30~60일

유기물 제거율 80~85% 65~75% 55~65%

메탄가스 순도 70~75% 60~65% 50~60%

메탄가스발생량(m³/일) 14.0 12.5 10.5

발전기 형태 전소형 혼소형(보조연료 필요) 혼소형(보조연료 필요)

주요 장점- 입상 메탄박테리아 배양기술 확보- 반응조의 용적 : 기존대비 1/3 ~1/6

전처리시설이 간단 운전이 간단

주요 단점 고액분리 추가시설 필요 문제발생시 회복속도 느림 저효율

일반원고

설비저널 제41권 2012년 9월호 71

타기술과 비교하였다.

최적 설계 및 공정 연계/통합 기술

DBS공법은 전처리 공정에서 고액분리 장치

는 후단 공정에 미치는 영향이 크므로 선정시 효

율 및 성능, 안정성, 동력비, 유지관리 편의성 등

을 충분히 고려하여 개발하였다. 혐기소화 및 바

이오 가스 열병합발전 공정은 유기물의 부하에

따라 운전조건의 조절이 용이하고 주요 운전인자

들을 모니터링하여 안정적 운전이 가능하도록 설

계하였다. 악취처리는 약액세정, 바이오필터, 활

성탄흡착의 3단 처리 설비를 도입 경제적이며 민

원발생의 소지를 없애도록 하였다. 상기 4가지 공

정이 메인 시스템에 연계 및 통합되어 자동운전

이 가능하도록 설계가 되었으며 야간 무인운전,

원격 모니터링 및 콘트롤이 가능한 운영시스템이

설치되었다.

적용실적

DBS공법은 20년에 걸친 자체 연구개발의 결

과로 기술개발에 성공한 기술로써 전남 보성(가

축분뇨 52 톤/일, 음식물 8 톤/일), 전북 장수(가

축분뇨 150 톤/일), 대구시(음식물 300 톤/일) 등

에 적용되었으며, 국내 최다/최대의 실적을 보유

[그림 7] 메탄발효조의 구조 및 입상슬러지 배양에 의한 슬러지층의 형성

<표2> DBS(건식)공법 특징

구 분 타 기술 대우건설 수평형 소화시스템

혐기소화조구조

□원통형 혐기소화조-가장 일반적인 형태로 제작/설치가 용이함-대형화 용이함-시설 지하화 어려움

□수평형 혐기소화조-연료에 따라 건식/습식소화 모두 가능-플러그 흐름형 시스템으로 소화효율 향상-사각지역(dead space) 최소화

교반 방식

□수평 교반 방식-TS 10% 이상 폐기물의 효율적 교반 어려움-소화조 내 슬러지 축적(유효 부피 감소)-거품/스컴 제거 어려움

□수직(상하)교반 방식-고농도 폐기물의 효과적 교반 가능-비중차이를 가지는 음식물 교반에 효과적-거품/스컴 제거 용이함

바이오가스 탈황□별도 탈황 설비 필요-일부 시설 생물탈황 설비 구비

□소화조-생물탈황 일체형으로 바이오가스 탈황설비의 설치비/운전비 절감 가능

기타 특징□제작/설치비가 비교적 저렴유지 관리 비교적 용이, 운영비 저렴

□교반 및 반송 에너지 소비량 낮음, 약품 불필요□소요 부지면적 크나 시설 지하화 유리□단위 규모 작은편이나 다계열 병렬설치 유리

[그림 8] 수평형 소화조 모식도

투입

교반축

임펠러

반송

배출

바이오가스

정면

생물탈황용 담체

슬러지/침전물 제거옆면

투입

어 소화조내 물질의 효율적인 상하교반을 가능하

게 하였고 슬러지 침전 및 상부 스컴 형성이 최소

화 되도록 하였다. 그림 8은 수평형 소화조의 단

면 및 교반기 설치상태를 보여주는 그림이다. 표

2에서는 수평형 소화조방식의 DBS(습식)공법을

72 대한설비공학회

[그림 9] DBS 공법 적용실적

이천, 20톤/일(돈분뇨),2006

무주,50톤/일(돈분뇨),2009

장수, 150톤/일(돈분뇨),2011

송도, 200톤/일(음식물),2006

보성, 60톤/일(돈분뇨+음식물),2010

진주,150톤/일(음폐수),2012 완공예정

아산, 100톤/일(음식물+돈분뇨+슬러지),2008

정읍, 50톤/일(돈분뇨),2010

대구, 300톤/일(음식물),2012 완공예정

일반원고

[그림10] 대구 음식물 자원화 시설 공정도

하고 있는 기술이다(그림9 참조).

특히 2012년 11월 완공예정인 대구DBS는 음

식물류 폐기물 300 톤/일로써 습식/건식 병렬 혐

기성소화 방식으로 국내 최대 규모를 자랑한다.

그림10은 대구 음식물 자원화 시설 공정도 및 실

제 설치 장비를 보여 주고 있다.

음식물쓰레기 이용 바이오 가스 발전(기술 확장)

2009년 8월 당사는 주택시장에 친환경, 신재

생에너지 상품인‘그린 프리미엄’을 업계 최초로

발표하였다. 특히 신재생에너지 활용방안의 하나

로서 ‘음식물쓰레기 이용 바이오 가스 발전’이라

는 항목을 제안한 바 있다. 음식물쓰레기 이용 바

이오 가스 발전은 일반 건축물 또는 공동주택 세

대 내에서 발생된 음식쓰레기를 각 가정의 주방

에 설치된 음식물쓰레기 투입구에 투하하면 단

지 내의 별도 집하장으로 이송되어 바이오에너지

를 생성하는 DBS공법의 확장 연계 시스템이다.

그러나 악취와 같은 민원발생 우려되고 소화수액

처리를 위한 폐수처리시설 연계 및 소형설치에

따른 경제성 문제에 대한 해결책을 찾고 있었다.

이러한 상황에서 당사는 음식물쓰레기 처리

시스템을 통해 음식물을 별도의 집하장에 모아

바이오 가스 에너지를 생성하는 DBS(건식)시스

템을 에너지절약 홍보에 상징적인 최초의 일반건

축물인 한국전력 신사옥현장에 제안하게 되었으

며 현재 시공 중에 있다. 그림11은 한전신사옥에

실 적용된 바이오 가스 플랜트 개요도이다.

- 개요 : 음식물쓰레기를 이용하여 전기를

설비저널 제41권 2012년 9월호 73

생산하여 건물 내 전등, 전열로 소모함.

- 특징

·건축물 내 음식물 에너지화 시설로는 국내

최초 적용 사례

·음식물쓰레기 처리비용 절감으로 운영비

절감

·유기성 폐기물의 신재생 에너지화를 통한

온실가스 감축

·음식물쓰레기 위탁처리비용 절감: 비용

5만 원/일 발생→ 연간 15,000천 원/년 절감

또한 당사는 한전신사옥의 설계 및 시공경험

을 바탕으로 궁극적으로 공동주택 내 음식물쓰레

기를 바이오 가스 에너지화하여 연료전지를 통해

단위세대내의 전력을 공급하고 연료전지가 발전

을 하면서 나오는 60℃의 물을 이용하여 천장 부

착형 빌트인 가습 공기청정기를 가동시켜 항상

쾌적한 환경을 조성하고 에너지를 절약하는 친환

경시스템을 구축할 예정이다. 음식물쓰레기 이용

바이오 가스 발전 시스템은 음식물쓰레기의 발생

즉시 단위 세대 내에서 바로 처리함으로써 청결하

고 고순도의 메탄가스를 발생시켜 효율이 높으며

음식물쓰레기를 재활용해 신재생에너지를 생성하

여 친환경적이다. 그림12는 당사가 추진하는 바이

오 가스 발전 시스템 개념도를 보여준다.

결 론

본고에서는 유기성 폐기물 에너지화 기술인

당사의 DBS공법 소개 및 향후 일반 건축물의 음

식물쓰레기의 에너지화 방향을 살펴보았다. 현재

국제유가 상승 및 에너지수급 불안정에 따라 신

재생에너지 보급 확대는 불가피하며 특히 대중화

된 신재생에너지(태양열, 태양광, 풍력 등)에서

벗어나 다양한 에너지의 적용을 모색해야 할 시

기이다.

바이오 가스 에너지화 사업을 통해 얻을 수 있

는 기대효과는 3가지 정도로 요약할 수 있다.

1) 신재생에너지의 확실한 대체에너지라는 점이

다. 대표적인 고농도 유기성 폐기물인 음식물

쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지 등을 처리와 동

시에 에너지화 할 수 있다는 장점이 있다.

2) 환경적인 면에서 유기성 폐기물의 해양투기

금지에 대한 효율적인 대안으로 적용할 수 있

다. 또한 저탄소화 구현이 가능해 일일 100톤

처리규모의 바이오 가스 시설을 통해 연간 약 2

천톤의 이산화탄소 저감 효과를 얻을 수 있다.

3) 유기성 폐기물의 바이오 가스화를 통해 폐기

[그림11] 한전 신사옥 바이오가스 플랜트 개요도 [그림12] 그린프리미엄 제안 공동주택 음식물 쓰레기 이용

바이오 가스발전 시스템 개념도

가스저장조 매탄발효조 산발효조

바이오가스에너지

계통연계

음식물처리시스템

빌트인 가습 공기청정기

연료전지

74 대한설비공학회

물처리비 절감, 원유대체효과, 온실가스 감축

효과 등 상당한 경제적 효과가 달성 가능하다.

최근 들어 바이오 가스 생산 효율성 증대,

CDM(Clean Development Mechanism, 청정개

발체재) 사업과의 연계 가능성 검토, 국가적인 제

도개선 등을 통해 경제성 향상 방안이 마련되고

있다. 이러한 노력의 결과로 국내의 유기성 폐기

물을 이용한 바이오 가스 생산기술은 조만간 한

단계 상승할 것이고 국가 녹색성장의 중심이 될

것으로 전망된다. 이런 관점에서 바이오 가스 활

용기술에 지속적인 관심과 기술확장에 힘써야 할

것으로 판단된다.

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