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음폐수 처리 효율 향상을 위한 일체형 2상 혐기성 소화조 개발

Development of Integrated Two-phase Anaerobic Digester for Improving Treatment Efficiency of Food Waste Leachate

송한철

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국문 초록 음폐수 처리 효율 향상을 위한 일체형 2상 혐기성 소화조 개발 본 연구의 목적은 기존의 음폐수 처리를 위한 분리형 2상 혐기성 소화 공정의 문제점을 개선하여 유기물 제거 효율과 바이오 가스 생산 효율을 개선한 일체형 2상 혐기성 소화조를 개발하는데 있다. 산 발효조와 메탄 발효조가 분리되어 있는 기존의 혐기성 소화 공정은 음폐수의 수집 운반 과정에서 산 생성 반응과 아세트산 생성으로 강한 산성의 상태인 낮은 pH상태로 메탄 반응조에 투입하게 된다. 낮은 pH의 산 생성균은 중성의 메탄 생성균에게...
국문 초록 음폐수 처리 효율 향상을 위한 일체형 2상 혐기성 소화조 개발 본 연구의 목적은 기존의 음폐수 처리를 위한 분리형 2상 혐기성 소화 공정의 문제점을 개선하여 유기물 제거 효율과 바이오 가스 생산 효율을 개선한 일체형 2상 혐기성 소화조를 개발하는데 있다. 산 발효조와 메탄 발효조가 분리되어 있는 기존의 혐기성 소화 공정은 음폐수의 수집 운반 과정에서 산 생성 반응과 아세트산 생성으로 강한 산성의 상태인 낮은 pH상태로 메탄 반응조에 투입하게 된다. 낮은 pH의 산 생성균은 중성의 메탄 생성균에게 충격을 주어 메탄 미생물이 사멸하거나 정상화에 시간이 소요되는 문제점이 있었다. 또한 산발효조와 메탄발효조가 분리되어 넓은 부지가 필요할 뿐만 아니라 운영에 필요한 에너지 소요도 많은 단점이 있다. 음폐수의 특징은 유기물의 농도도 높지만 지역적인 특성이나 계절적인 특성에 따라 그 농도의 편차도 매우 크다. 본 연구는 기존 혐기성 소화 공정의 단점을 보완하고, 음폐수의 특성을 반영하여 유기물 편차 부하에 따른 대응성을 높은 일체형 2상 혐기성 소화조 개발에 있다. 연구는 크게 세 단계로 구성 하였다. 첫 번째 연구에서는 국내 음폐수를 기질로 하는 혐기성 소화 과정에서 유기물 분해 및 바이오 가스 생산량과 밀접한 관련이 있는 수리학적 체류시간(HRT; Hydraulic Retention Time)을 도출하고자 연구를 진행하였다. 실험의 규모는 산발효조 1L와 메탄발효조 5L이고 혐기 소화 온도는 중온에서 진행하였다. 실험일수 165일 동안 유기물 부하량은 HRT가 유기물 분해에 미치는 효과를 분석하기 위해 HRT 20일은 유기물부하를 2.8kgVS/㎥/일, HRT 25일은 유기물부하를 3.5kgVS/㎥/일으로 투입하였다. HRT 20일 실험결과 VS(Volatile Solid)의 제거 효율은 평균 83.6%, 화학적 산소요구량(CODcr; Chemical Oxygen Demand)의 제거 효율은 평균 86.8%, 바이오 가스 발생량은 평균 음폐수 톤당 72.8㎥, HRT 25일 실험결과는 VS의 제거 효율은 평균 약 81.0%, CODcr의 제거 효율은 평균 85%, 바이오 가스 발생량은 음폐수 톤당 평균 약 65.1㎥이였다. 두 번째 연구는 음폐수를 하루 약 5톤 정도 투입할 수 있는 일체형 2상 혐기성 소화조를 Pilot Scale 규모로 진행하였다. 실험의 목적은 일체형 2상 혐기성 소화조의 유기물 분해 효율 및 바이오 가스 생산량 등을 측정하여 기존 분리형 혐기성 소화조와의 효율 비교를 통해 실증 플랜트의 설계 및 운영인자를 검토하였다. 실험 기간 130일 동안 소화조 내 유기물의 변화, 바이오 가스의 생산량, 바이오 가스의 메탄 함량을 분석하였다. 실험 기간 동안 평균 음폐수 투입량은 4.1㎥/일이었으며 이때 VS의 제거 효율은 평균 77%, CODcr의 제거 효율은 평균 75%, 바이오 가스의 생산량은 음폐수 톤당 평균 63.0m³, 생산된 바이오 가스의 메탄함량은 평균 61.3%로 분석되었다. 세 번째 연구는 280일 동안 하루 24톤의 음폐수를 투입(실증 플랜트의 규모)할 수 있는 일체형 2상 혐기성 소화 시설을 설치하여 진행하였다. 실험 기간 동안 음폐수의 유기물 제거 효율, 바이오 가스 생산량, 미생물의 종류 및 개체수 등에 대한 분석을 실시하였다. 실증 플랜트 설계 전에 유동해석을 통하여 일체형 2상 혐기성 소화조 교반기의 최적 회전속도를 선정하였다. 교반기의 최적 회전속도 선정기준은 소화조 내부에 분해 불가능한 물질이나, 유기물의 분해 결과물인 슬러지가 소화조 내부 유체의 흐름이 정체되는 사공간에 퇴적되지 않도록 하고, 산 발효 미생물과 혐기성 미생물이 유기물과 공간적으로 가깝게 그리고 시간적으로 긴 시간 동안 접촉할 수 있는 구조로 설계 하였다. 또한 소화조 내에서 기질의 온도와 농도가 소화조 전체에서 균일하게 유지 될 수 있도록 교반기의 유동해석을 수행 하였다. 실험결과, 음폐수 투입량은 평균 23.1톤/일이었으며, 투입되는 음폐수의 성상은 TS(Total Solid)농도는 평균 61,338mg/L, VS 평균농도는 51,931mg/L, COD 평균 농도는 103,996mg/L이었다. TS의 제거 효율은 평균 65.1%, VS의 제거 효율은 73.3%, COD의 제거 효율은 73.0%로 분석되었다. 바이오 가스 생산량은 평균 음폐수 톤당 54.4㎥였으며 바이오 가스 메탄함량은 평균 58.5%로 분석되었다. 본 논문의 일체형 2상 혐기성 소화조는 기존의 분리형 소화조에 비해 시설 규모에 따라 16%∼47% 정도의 설치면적을 축소가 가능할 것으로 예측되고, 혐기성 소화조 운영비 중 많은 부분을 차지하는 혐기성 소화조의 가온을 위한 에너지 사용량은 13%∼18% 정도 절감할 수 있을 것으로 판단된다. 본 논문에서 개선된 일체형 2상 혐기성 소화조는 분리형의 문제점인 pH충격에 의한 메탄 생성균의 사멸, 산 생성균과 메탄 생성균의 공생조건 부조화, 기질과 미생물의 반응시간 부족의 문제점을 일체형 2상 혐기성 소화조에서는 Buffer Zone을 통하여 해결 하였다. Buffer Zone을 통하여 pH의 충격 없이 산 생성균에서 생성된 아세트산과 유기산이 메탄 생성균에 의해 신속하게 메탄으로 전환될 수 있도록 하였으며, 산 발효균과 메탄 발효균이 상호 공생관계를 형성하여 기존 분리형의 문제점이 개선되었다. 일체형의 구조적 특징으로 설치 면적의 축소를 통한 혐기성 소화조의 간편화에 기여했으며, 운영비 중에서 많은 부분을 차지하는 소화조 가온에 들어가는 에너지 비용도 절감할 수 있었다. 운영적인 측면에서도 메탄 발효조의 온도만 관리하면 산 발효조의 온도 관리는 별도로 관리할 필요가 없는 관리의 편의성도 있다. 따라서 일체형 2상 혐기성 소화조 개발은 유의미한 결과를 도출 했다고 판단된다. 키워드 : 일체형 2상 혐기성 소화, 음폐수, 수리학적 체류시간, 고농도 유기물, 미생물 개체수, Buffer Zone
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목 차

국문초록 i
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목 차

국문초록 i
목 차 ⅳ
표 목 차 ⅷ
그림목차 ⅹ

제 1 장 서 론
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 범위 및 내용 3
1.3 연구 동향 5
1.3.1 일체형 2상 소화조의 형식 5
1.3.2 교반 방식에 따른 음폐수 처리 효율 7
1.3.3 혐기성 소화조의 유동해석 8
1.3.4 메탄 생성 미생물 증대 8

제 2 장 이론적 배경
2.1 국내 음폐수 발생 현황 및 특성 10
2.1.1 국내 음폐수 발생 현황 10
2.1.2 국내 음폐수 발생 특성 13
2.2 혐기성 소화를 이용한 음폐수의 처리 이론 15
2.2.1 혐기성 소화의 개요 15
2.2.2 혐기성 소화 이론 16
2.3 국내 현장 특성을 감안한 혐기성 소화 공정의 설계 인자 27
2.3.1 국내 혐기성 소화 공정의 분석 27
2.3.2 국내 실정에 적합한 혐기성 소화조의 설계 인자 28
2.4 기계식 교반기 적용을 통한 혐기성 소화 공정의 효율 개선 30

제 3 장 현장 적용성을 고려한 일체형 2상 혐기성 소화조 개발
3.1 일체형 2상 혐기성 소화조 개발 시 주요 검토 인자 32
3.2 일체형 2상 혐기성 소화조의 공정 설계 33
3.3 Buffer Zone설정을 통한 혐기성 소화의 공정 개선 36
3.3.1 Buffer Zone에서의 수소 분압의 형성 및 메탄 생성 36
3.3.2 Buffer Zone에서의 미생물의 지속적 공급 40
3.4 일체형 2상 혐기성 소화조의 유동해석 41
3.4.1 유동해석을 위한 기본 조건 41
3.4.2 유동해석 모델1-소화조에 음폐수를 투입할 경우 45
3.4.3 유동해석 모델2-음폐수를 투입하지 않고 교반기만 회전할 경우 55
3.4.4 일체형 2상 혐기성 소화조의 교반기 회전 속도 결정 64
3.5 일체형 2상 혐기성 소화조 개발을 위한 실험 장치 및 방법의 결정 67
3.5.1 Lab Scale 실험을 통한 Pilot Scale 설계 및 운전 조건 도출 67
3.5.2 Pilot Scale 실험을 통한 실증 플랜트 설계 및 운전 조건 도출 68
3.5.3 일체형 2상 혐기성 소화조 실증 플랜트 적용성 평가 71
3.6 일체형 2상 혐기성 소화조의 실증 적용성 검토를 위한 항목 및 분석 방법 73
3.6.1 일체형 2상 혐기성 소화조의 실증 적용성 평가를 위한 분석 항목 73
3.6.2 일체형 2상 혐기성 소화조의 실증 적용성 평가를 위한 바이오 가스 측정 76

제 4 장 Lab 및 Pilot Scale실험을 통한 적용 결과 분석
4.1 Lab Scale실험을 통한 Pilot Scale설계 및 운전 조건 도출 77
4.1.1 Lab Scale실험에서의 pH변화 77
4.1.2 Lab Scale실험에서의 VS 및 VSS변화 78
4.1.3 Lab Scale실험에서의 COD 및 SCOD변화 80
4.1.4 Lab Scale실험에서의 영양 성분 변화 81
4.1.5 Lab Scale실험에서의 VFA변화 83
4.1.6 Lab Scale실험에서의 바이오 가스 생산량 및 메탄 함량 변화 87
4.1.7 Lab Scale실험에서의 QPCR미생물 정량 분석 88
4.1.8 Lab Scale실험에서의 연구 결과 분석 90
4.2 Pilot Scale실험을 통한 일체형 2상 혐기성 소화 공정의 음폐수 처리 효율 평가 93
4.2.1 Pilot Scale실험의 유입 음폐수 처리량 및 성상 93
4.2.2 Pilot Scale실험의 유입 음폐수 오염물질 제거 효율 96
4.2.3 Pilot Scale실험의 바이오 가스 생산량 101
4.2.4 Pilot Scale실험의 혐기성 소화 미생물 군집 분석 103
4.2.5 Pilot Scale실험의 연구 결과 분석 104

제 5 장 일체형 2상 혐기성 소화조 실증 플랜트 실험을 통한 적용성 결과 분석
5.1 일체형 2상 혐기성 소화조 실증 플랜트 적용성 실험 결과 분석 106
5.1.1 일체형 2상 혐기성 소화 실증 플랜트의 유입 음폐수 특성 106
5.1.2 일체형 2상 혐기성 소화 실증 플랜트에 유입 되는 음폐수 처리량 109
5.1.3 일체형 2상 혐기성 소화 실증 플랜트의 유입 음폐수 유기물 제거 효율 110
5.1.4 일체형 2상 혐기성 소화 실증 플랜트의 바이오 가스 생산 효율 114
5.1.5 일체형 2상 혐기성 소화 실증 플랜트의 소화조 가온 열원 사용량 116
5.1.6 일체형 2상 혐기성 소화 실증 플랜트의 Buffer Zone효율 117
5.2 개발된 일체형 2상 혐기성 소화조의 성능 123
5.2.1 개발된 일체형 2상 혐기성 소화조 실증 플랜트의 대형 실증화 적용성
분석 123
5.2.2 개발된 일체형 2상과 기존의 분리형 2상 혐기성 소화조 효율 비교 125
5.2.3 개발된 일체형 2상과 기존의 분리형 2상 혐기성 소화조 경제성 분석 127

제 6 장 결 론 133
참 고 문 헌 136

ABSTRACT 141