건식 혐기성 소화조의 효율적 운전 방안 :Efficient Operating Methods of Dry Anaerobic Digestion

조남춘

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조남춘 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 배재근

발행연도: 2015

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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최근 에너지 고갈에 대한 위기가 대두되고 있고, 유기성 폐기물의 자연 훼손을 방지하고 자원순환의 관점에서 유기성 폐기물의 유효활용방안으로 에너지로 전환시키는 방법인 메탄발효를 이용한 바이오가스플랜트가 주목받고 있다.
그러나 우리나라에서는 바이오가스화 보다 음식물류폐기물 처리에 퇴비화, 사료화 등의 호기성 처리방법이 선호되어 왔으며, 현재 국내에서 유기성 폐기물을 이용한 혐기성 소화시설이 일부 운영되었지만 혐기성 소화 공정에 대한 이해 부족, 소화대상 유기성 폐기물의 부적절한 전 처리, 단계별 부적절한 설비로 인한 설비의 잦은 고장 등으로 인하여 시설 운영상의 어려움을 야기하고 있다.
본 연구는 실증 설치시설의 운전 자료를 토대로 건식단상 혐기성 소화 공법으로 안정적이며 효율적인 운전 조건을 제시하기 위하여 수행되었다.
연구에 사용된 건식혐기성 소화조의 관찰기간은 131주이고, 유기물로 사용된 탈수음식물의 조성은 TS 26.3%, VS/TS 84.2%이었다.
건식 혐기성 소화조 최적 운전 조건은 순환주기 3일, 탈수음식물 주입량은 61 ~ 67 tadded/d, VS제거율은 77 ~ 81 %, 바이오가스 발생력은 150 ~ 175 N㎥/tadded 이었다. 순환주기와 관계없이 CH4:CO2비율은 64.8%:33.9%로 측정되었다.
H2S 평균 318 ppm로 유지 되었으며, FeCl2의 주입은 평균 4.3 kgFeCl2 /tadded 이었다. 이때 산성의 FeCl2 주입으로 인한 pH와 알칼리도 저하는 없었다. pH는 8.1 ~ 8.4, 알칼리도는 30,000 ~ 41,000 mg/L as CaCO3일 때 VFA가 3,500 mg/L이하로 안정적이었으며, NH3-N은 평균 4,724 mg/L 이었고, 6,000 mg/L 까지 NH3-N로 인한 독성은 나타나지 않았다.
건식 혐기성 소화공정의 안정화를 위해 유기물 감량 및 순환주기를 달리하여 30주간 관찰한 결과 유기물 감량을 많이 하고 순환주기 3일을 유지한 AD1이 가장 효과적이었으며, VFA 3,500 mg/L이하로 저감하는데 13주가 소요되었고, 탈수 음식물 정상 처리까지 26주가 소요 되었다.
본 연구에서 도출된 모든 결과는 실증시설의 운전 자료이므로, 유사시설의 공정운영 및 설계의 참고자료로서의 이용가치가 크다고 판단된다.

Recently the world has faced the crisis of energy depletion and methane fermentation-based bio plant became highlighted in converting the energy as a valid utilization of organic wastes from perspective of preventing the nature from being damaged by organic wastes and resource circulation.
However in Korea, aerobic treatments, such as composting and feed are preferred in treating food wastes than the dry anaerobic digestion. Currently in Korea, some anaerobic digestion facilities were being operated in treating the organic wastes; however, a lack of understanding on anaerobic digestion process, improper pre-treatment of organic wastes for digestion and frequent breakdown of facilities caused by improper operation at each stage faced difficulty operating the facility.
This study was conducted to propose a stable, effective operation condition of dry anaerobic digestion based on the substantiation of facility operation.
The dry anaerobic digestion tank used in this study was observed for 131-week long and the dehydrated food used as organic matter is composed of TS 26.3%, VS/TS 84.2%.
The dry anaerobic digestion tank was circulated at 3-day interval with the injection of 61 ~ 67 tadded/d, VS removal rate of 77 ~ 81% and biogas generation of 150 ~ 175 N㎥/tadded. Regardless of circulation interval, The ratio of CH4 : CO2 was estimated at 64.8% : 33.9%.
The H2S was maintained at 318 ppm averagely and the injection of FeCl2 was 4.3 kgFeCl2 /tadded averagely. No reduction in pH and alkalinity by the injection of acidic FeCl2 was observed. VFA less than 3,500 mg/L was considered to be stable when pH ranged from 8.1 to 8.4 and alkalinity ranged from 30,000 to 41,000 mg/L as CaCO3. NH3-N was estimated at 4,724 mg/L averagely and no toxicity has been observed due to NH3-N up to 6,000 mg/L.
Organic matters were reduced and the different circulation interval was applied to stabilize the process of dry anaerobic digestion and as a result of 30-week observation, AD1, which achieved the most reduction in organic matters and maintained circulation interval for 3 days, was shown to be most effective. It took about 13 weeks to reduce VFA less than 3,500 mg/L, whereas it took 26 weeks to properly treat the dehydrated food.
All results drawn from this study were data based upon the demonstration of facility operation, which is considered highly valuable reference data used in operating and designing the process for similar facilities.

#건식 혐기성 소화 #혐기성 소화 #바이오 가스

1.서 론 1
1.1연구 추진배경 1
1.2연구 목적 2
1.3선행 연구결과의 고찰 및 차이점 3
2.이론적 고찰 5
2.1음식물류폐기물 발생 및 처리현황 5
2.1.1음식물류폐기물 발생 현황 5
2.1.2음식물류폐기물 처리 현황 6
2.2음식물류폐기물 재활용 처리시설의 처리방법 8
2.2.1퇴비화 8
1)호기성 퇴비화 8
2)지렁이 퇴비화 9
3)사료화 10
(1)습식 사료화 10
(2)건식 사료화 11
4)퇴비·사료 복합 방식 11
5)하수병합 11
6)버섯재배 12
2.3혐기성 소화 개론 12
2.3.1혐기성 소화 정의 12
2.3.2혐기성 소화 단계 및 소화 원리 13
1)가수분해(Hydrolysis) 단계 14
2)산생성 (Acidogenesis) 단계 14
3)메탄생성 (Methanogenesis) 단계 15
2.3.3혐기성 분해에 관여하는 미생물 17
1)가수분해, 유기산생산균 18
2)메탄생산균 19
3)황환원균 20
2.3.4혐기성 소화에 영향을 주는 인자 20
1)주입 폐기물의 조성 및 부하 20
2)영양소 21
3)pH 및 알칼리도 21
4)휘발성 지방산 (Volatile Fatty Acid, VFA) 22
5)온도 22
6)독성물질 23
7)체류시간 (HRT) 24
2.3.5유기성 폐기물의 혐기성 소화 공정기술 분류 24
2.3.6혐기성 소화시설 25
1)VALORGA 공정 25
2)DRANCO 공정 25
3)BIOCELL 공정 26
4)SEBAC 공정 26
2.3.7바이오가스 활용 기술 28
2.3.8바이오가스 정제 기술 29
1)수분 제거 29
2)황화수소(H2S) 제거 29
3)실록산 제거 30
4)바이오가스 고질화 31
3.실험 장치 및 방법 33
3.1실험 장치 33
3.1.1건식혐기성 소화조의 구조 및 특징 33
3.2실험 재료 36
3.2.1음식물류폐기물 36
3.2.2탈수음식물류폐기물 37
3.2.3식종 미생물 39
3.2.4염화 제1철 (FeCl2) 41
3.3실험 방법 41
3.3.1건식혐기성 소화조의 탈수음식물 주입 및 순환 41
3.3.2건식혐기성 소화조의 TS 유지와 소화슬러지 처리 43
3.3.3온도 유지 43
3.3.4염화 제1철 (FeCl2) 주입 43
3.3.5미생물의 식종 44
3.3.6시료의 채취 44
1)탈수음식물 44
2)건식혐기성 소화 슬러지 44
3.3.7바이오가스 측정 44
3.3.8분석계획 45
4.실험 결과 및 고찰 47
4.1요일별, 일간 바이오가스 생산력 및 조성의 변화 47
4.1.1요일별 바이오가스 생산력 변화 47
4.1.2CH4 농도 일간 변화 48
4.1.3바이오가스 조성의 변화 49
4.2순환주기에 따른 비교 51
4.2.1순환 주기별 바이오가스 생산력 비교 51
4.2.2순환주기별 VS제거율, 탈수음식물 주입량 비교 52
4.3운전 인자별 적적 농도와 적적 탈수음식물 주입량 산정 55
4.3.1건식혐기성 소화 슬러지의 적정 VFA농도 55
4.3.2건식혐기성 소화 슬러지의 적정 TS 57
4.3.3건식혐기성 소화 슬러지의 적정 VS, VS 제거율 57
4.3.4건식혐기성 소화 슬러지의 적정 pH, 알칼리도 59
4.3.5건식혐기성 소화조의 적정 바이오가스 생산력 60
4.3.6건식혐기성 소화조의 적정 탈수음식물 주입량 산정 61
4.3.7건식혐기성 소화 슬러지의 적정 NH3-N농도 62
4.4H2S의 효과적인 제어를 위한 FeCl2 주입량 산정 65
4.5건식혐기성 소화조 운전시 저해요인과 해결방법 67
4.5.1바이오가스 meter, 바이오가스 Analyzer 오작동 67
4.5.2순환(교반) 직후 대량의 가스 발생 67
4.5.3음식물류폐기물의 급격한 성상 변화 68
4.5.4 독성 또는 유애한 물질의 유입 68
4.5.5 건식소화조 미생물의 활성도 저하 68
4.6건식혐기성 소화조 상태 악화에 따른 회복운전 69
5.결 론 74
참고문헌 78
영문초록(Abstract) 81
감사의 글 83

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