• 한국물환경학회지
• /
• 제37권2호
• /
• pp.128-136
• /
• 2021

It is generally known that a wastewater treatment plant (WWTP) consumes immense energy even if it can produce energy. With an aim to increase the energy independence rate of WWTP from 3.5% in 2010 to 50% in 2030, the Korean government has invested enormous research funds. In this study, cost-effective operating alternatives were investigated by analyzing the energy efficiency and economic feasibility for biogas and power generation using new and renewable energy. Based on the US EPA Energy Conservation Measures and Korea ESCO projects, energy production and independence rate were also analyzed. The main energy consumption equipment in WWTP is the blower for aeration, discharge pump for effluent, and pump for influent. Considering the processes of WWTP, the specific energy consumption rate of the process using media and MBR was the lowest (0.549 kWh/㎥) and the highest (1.427 kWh/㎥), respectively. Energy-saving by enhancing anaerobic digester efficiency was turned out to be efficient when in conjunction with stable wastewater treatment. The result of economic analysis (B/C ratio) was 2.5 for digestive gas power generation, 0.86 for small hydropower, 0.49 for solar energy, and 0.15 for wind energy, respectively. Furthermore, it was observed that the energy independence rate could be enhanced by installing energy production facilities such as solar and small hydropower and reducing energy consumption via the replacement of high-efficiency operating.

• 유기물자원화
• /
• 제29권4호
• /
• pp.67-76
• /
• 2021

바이오가스화는 유기성폐기물을 안정적으로 분해하여 처리하는 과정에서 발생하는 메탄(CH₄)가스를 이용해 환경친화적인 연료를 생산하는 기술이다. 바이오가스화는 수분함량이 높은 유기성폐기물의 에너지화에 가장 많이 활용되는 방법이며, 직매립(2005) 및 해양투기(2013) 등의 금지에 따른 유기성폐기물 처리에 유용한 공법이다. 최근 국내에서 발병한 아프리카돼지열병(ASF, African Swine Fever)으로 습식사료화 재활용이 금지되고, 건조 사료화 및 퇴비화 등의 생산제품 수요처가 부정적으로 인식되면서 음식물류폐기물의 처리에 어려움을 겪고 있다. 이에, 음식물류폐기물의 처리 및 자원화를 위해 바이오가스화가 더욱 주목받고 있다. 우리나라 에너지소비 규모는 268.41 10⁶toe에 이르며 세계 9위 수준이다. 하지만 공급에너지의 약 95.8 %를 해외수입에 의존하고 있는 에너지 빈곤 국가이다. 따라서 국내에서는 신·재생에너지 공급의무화제도(RPS, Renewable energy portfolio standard)를 도입하고 있다. 국내의 RPS 제도는 다른 신재생에너지와 비교하여 폐기물에너지의 신·재생에너지 공급인증서(REC, Renewable energy certificate)의 가중치를 낮게 설정하고 있다. 따라서 폐자원에너지의 활성화를 위한 추가적 인센티브 제도가 요구된다. 본 연구에서는 음식물류폐기물, 음폐수 및 다양한 유기성폐기물이 처리되는 혐기소화조의 운영방식을 알아보고, 일정 기간의 정밀모니터링을 통해 폐자원에너지 인센티브제도를 마련하는 기초자료로써 활용하고자 하였다. 유기성 폐기물로 바이오가스를 생산하여 발전과 중질가스로 활용하는 4개소를 대상시설로 선정하였고, 현장조사 및 시료채취를 실시하였다. 채취된 유기성폐기물의 유입물 시료와 처리공정에 따른 유출물 시료의 기초 성상분석을 수행하였다. 성상분석 결과, 소화조 유입물의 총 고형물은 평 균 12.11 %이며, 총 고형물 중 휘발성 고형물은 85.86 %로 확인되었다. BOD와 CODcr 제거율은 소화조의 유입·유출 대비 각각 60.8 %와 64.8 %로 나타났으며, 유입물의 휘발성지방산은 평균 55,716 mg/L로 나타났으며, 혐기소화 후 감소율이 평균 92.3 %로 대부분 분해되어 제거된 것을 확인할 수 있다.

• 한국토양비료학회지
• /
• 제45권4호
• /
• pp.515-523
• /
• 2012

본 연구는 메탄생성에 직접적으로 관여하는 혼합 메탄균과 셀롤로스 등의 고분자 물질의 가수분해 반응에 활성이 뛰어난 반추위 내 혐기성 섬유소분해균 중에서 대표적인 Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus flavefaciens 및 Ruminococcus albus를 biochemical methane potential (BMP) 시험에 첨가하였을 때 메탄 발생에 미치는 영향을 조사하고자 수행되었다. BMP시험은 멸균증류수를 첨가한 control과 각각의 미생물 배양액을 첨가한 혼합 메탄균 첨가구 (M), F. succinogenes 첨가구 (FS) R. flavefaciens 첨가구 (RF), R. albus 첨가구 (RA) 및 RA+FS 혼합첨가구와 M+RA+FS 혼합 첨가구로 총 7개 처리구로 각 처리구별 3반복으로 진행되었다. 미생물 배양액의 첨가량은 식종액과 기초혐기배지 (anaerobic basic medium) 혼합액 50 mL에 1% (0.5 mL), 3% (1.5 mL) 및 5% (2.5 mL) 씩 첨가 하였고 배양을 위한 기질로는 cellulose ($2.0g\;VS\;L^{-1}$)이 이용되었다. BMP 시험을 위해 40일간 배양이 지속되었고 중온소화를 위해 $38^{\circ}C$의 배양기에서 수행되었다. 실험의 결과 총 바이오가스 및 메탄 발생량은 5% FS에서 다른 처리구와 비교하여 각각 10.4~22.7% 및 17.4~27.5% 높았다 (p<0.05). 총고형물 (TS) 분해율도 가스발생 결과와 유사하였는데, 전반적으로 FS가 높게 나타났으며, 5% FS에서 64.2%로 가장 높았다. 휘발성 고형물 (VS) 분해율은 5% FS와 5% RF가 각각 68.4 및 71.0%로 가장 높았다. BMP 종료시 배양액내 pH는 모든 처리구가 6.4이상으로 메탄발효에 큰 영향을 주지 않았음을 알 수 있었다. 결론적으로 본 실험의 결과 혐기소화에 대한 회분식 배양에서는 메탄생성단계보다는 가수분해단계에서 특히, F. succinogenes 배양액의 첨가량이 증가할수록 메탄의 생성량을 증가시킴을 알 수 있었다.

• 유기물자원화
• /
• 제25권3호
• /
• pp.99-111
• /
• 2017

본 연구는 유기성폐자원 (가축분뇨, 음식물류폐기물, 음식물류폐수 등)을 병합 소화하는 시설을 대상으로 적정 설계 기준치를 충족하기 위한 설계 및 운전 기술지침서 마련하고자 현장조사와 정밀모니터링을 실시하였다. 현장조사시 도출된 결과를 바탕으로 설계 및 운전 사항, 모니터링 항목 및 주기, 시운전 기간 등 바이오가스화 시설의 전반적인 가이드라인을 제시하였다. 초기 혐기소화 처리용량 설계시 유입 원료별 배출 특성을 고려하여 처리용량의 10~30 %의 여유율을 적용하였다. 공정별 설계 지침의 경우, 반입 및 전처리 설비의 유기물 반입 농도를 TS 10 % 이하로 제한하고 혐기소화조 운전시 저해요인 제한 농도을 제시하였다. 또한 병합기준 유기물부하율 $1.5{\sim}4.0kgVS_{in}/(m^3{\cdot}day)$, 소화가스 이용설비는 탈황 및 제습 방법, 호기액비화조의 적정 설계 운영인자 등을 제안하였다. 바이오가스화 시설의 운전인자는 pH (산발효조 4.5~6.5, 메탄발효조 6.0~8.0), 온도변화폭 $2^{\circ}C$ 이내, 휘발성지방산과 암모니아를 각각 3,000 mg/L 이하로 유지할 것을 권장하였다.

• 대한환경공학회지
• /
• 제38권11호
• /
• pp.618-626
• /
• 2016

상온조건($25^{\circ}C$)에서 하수슬러지처리를 위한 생물전기화학 혐기성소화조의 성능에 미치는 제2철 이온($Fe^{+3}$)의 영향을 연구하였다. 생물전기화학 혐기성소화조를 상온에서 운전하였을 때 pH, 알카리도, COD 및 VFAs 등의 상태변수들은 안정하였으며, VS 제거율과 비메탄발생율은 각각 65.9% 및 370 mL/L/d이었다. 생물전기화학 혐기성소화조에 제2철 이온(200 ppm)을 주입한 후 상태변수들의 안정도는 더욱 향상되었으며, VS 제거율 및 비메탄발생량은 각각 69.8%, 396 mL/L/d로 증가하였다. 그러나, 제2철 이온을 주입 이후에 바이오가스의 메탄함량은 76.6%로 주입 이전의 77.3%에서 비하여 약간 감소하였다. 부유슬러지의 미생물 군집을 변화를 분석한 결과 공생 혐기성미생물(Cloacamonas) 및 가수분해균(Saprospiraceae, Ottowia pentelensis) 등의 우점균의 비율이 제2철 이온의 주입으로 증가하였다. 이것은 철이온의 주입으로 부유혐기성미생물(planktonic anaerobic bacteria, PAB)의 활성이 증가하였음을 나타낸다. 제2철 이온은 상온조건에서 하수슬러지처리를 위한생물전기화학 혐기성소화조의 성능을 향상시킨다.

• 대한환경공학회지
• /
• 제34권3호
• /
• pp.155-161
• /
• 2012

본 연구에서는 고순도 메탄을 회수하기 위해서 Plug Flow Reactor와 External $CO_2$ Stripper를 결합한 중온 Methane Enhancement System을 개발하였다. 반응조 운전인자로서 알칼리도와 Leachate 순환율(LRR, Leachate Recycle Rate)이 바이오가스의 조성과 생성량 및 TVS 제거효율에 미치는 영향을 규명하였다. 고순도 메탄회수 공정 운전결과 OLR 2 g TVS/L-d, 알칼리도 4 g/L as $CaCO_3$, Leachate 순환율 3 v/v-d일 때 평균 94%의 높은 메탄함량을 나타내 고순도 메탄회수를 위한 최적조건임이 밝혀졌다. 이때 1일 반응조 단위 부피당 0.71부피의 메탄이 생성되었으며, TVS 제거율은 79%로서 Control Reactor의 94% 수준을 달성하였다.

• 유기물자원화
• /
• 제19권2호
• /
• pp.55-69
• /
• 2011

수분함량이 많은 음식물 쓰레기의 특성상 아파트에서는 디스포저를 사용하여서 음식물 쓰레기를 처리하여야한다. 쾌적한 아파트 생활을 위해 배수전처리시설을 설치하여 집단적으로 잉여 오염물을 경제적으로 처리하되, 지나친 BOD 제거 기준 등은 도시하수 종말치리장에서 질소 인의 처리에 지장이 없도록 BOD/N의 비율을 5이상으로 유지하여야 한다. 배수전처리시설의 관리 및 규제는 배관방식에 따라 다양한 방법이 개발될 수 있으며 BOD/N을 동시에 전처리시설에서 함께 처리하는 것은 win-win 전략이라고 할 수 있다. 스크린 혹은 침전 방식에 의하여 분리된 입자는 메탄발효로 바이오가스를 발생시켜 혐기조보온용으로 사용하거나 혹은 탈질용 휘발성유기산(volatile fatty acids, VFAs)으로 만들어 탈질용 electron donor로 활용하는 것이 타당하다. 정부는 서울시 시범사업과 같은 사업을 약 5년간 기한을 정하여 디스포저 음식물쓰레기 기술개발업체와 아파트 건설업체가 공동으로 기술개발/활용하도록 한다.

• 유기물자원화
• /
• 제24권4호
• /
• pp.95-103
• /
• 2016

본 연구는 젖소분뇨를 원료로 하여 반 건식 혐기소화 방법을 적용하였을 경우의 혐기소화 가능성을 분석하고 혐기소화 과정에서 배출되는 젖소분뇨 혐기소화 잔재물의 고체연료로서의 가치를 평가하기 위하여 수행되었다. 젖소분뇨의 반 건식 혐기소화 가능성을 평가하기 위하여 950 mL 용량의 반응조를 제작하여 회분식 혐기소화를 실시하였다. 이와 동시에 젖소분뇨 혐기소화 원료를 가로 1,000 mm, 세로 450 mm 크기의 기밀형 아크릴 반응조에 투입하고 항온실에서 중온 혐기소화를 실시한 후에 배출되는 혐기소화 잔재물을 고체연료화 실험원료로 사용하였다. 혐기소화 기질로 사용된 젖소분뇨의 수분함량은 80.64%였으며 젖소분뇨에 첨가한 식종액의 수분함량은 96.83% 수준이었다. 젖소분뇨를 혐기소화하기 위하여 젖소분뇨와 식종액을 1:1 비율로 혼합하였을 때의 수분함량과 VS/TS(휘발성 고형물/총고형물) 함량은 89.74%와 83.35% 수준이었다. 이 젖소분뇨를 혐기소화 한 결과 식종액을 혼합하였을 때 바이오가스가 생성된 반면에 식종액을 혼합하지 않은 경우에는 바이오 가스가 거의 발생되지 않았다. 반 건식 혐기소화를 거친 젖소분뇨 혐기소화 잔재물은 신선분에 비해 열량가가 약 20% 정도 감소하였다. 반면에 회분은 15%에서 18.4%로 증가하였다. 젖소분뇨 혐기소화 잔재물울 고체연료 형태로 펠릿화하였을 경우 크롬과 납, 카드뮴, 황 등의 농도가 규제 수준보다 낮았다. 따라서 젖소분뇨를 혐기소화 하여 바이오가스를 회수하고 난후 혐기소화 잔재물을 고체연료화하여 연료로 활용하는 방법을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국토양비료학회지
• /
• 제45권6호
• /
• pp.1049-1057
• /
• 2012

본 연구는 메탄생성에 직접적으로 관여하는 혼합 메탄균과 셀롤로스 등의 고분자 물질의 가수분해 반응에 활성이 뛰어난 반추위 내 혐기성 섬유소분해균 중에서 대표적인 Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus flavefaciens 및 Ruminococcus albus를 biochemical methane potential (BMP) 시험에 첨가하였을 때 메탄 발생에 미치는 영향을 조사하고자 수행되었다. BMP시험은 멸균증류수를 첨가한 control과 각각의 미생물 배양액을 첨가한 혼합 메탄균 첨가구 (M), F. succinogenes 첨가구 (FS) R. flavefaciens 첨가구 (RF), R. albus 첨가구 (RA) 및 RA+FS 혼합첨가구와 M+RA+FS 혼합 첨가구로 총 7개 처리구로 각 처리구별 3반복으로 진행되었다. 미생물 배양액의 첨가량은 식종액과 양돈슬러리에 1% (0.5 mL), 3% (1.5 mL) 및 5% (2.5 mL) 씩 첨가 하였다. BMP 시험을 위해 60일간 배양이 지속되었고 중온소화를 위해 $38^{\circ}C$의 배양기에서 수행되었다. 실험의 결과 총 바이오가스 발생량은 5% RF와 RA+FS가 대조구에 비하여 8.1 및 8.4%로 가스발생량이 유의적으로 높았다(p<0.05). 메탄발생량은 3% 미생물 배양액 첨가구 중 M+RA+FS를 제외하고 대조구에 비하여 증가시키는 경향을 보였으며, 5% 배양액을 첨가하였을 때는 대조구에 대하여 5%의 M, FS, RF, RA, RA+FS, 및 M+RA+FS RF가 각각 12.1, 12.6, 17.3, 13.7, 17.9 및 14.7%로 메탄가스발생량을 증가시켰다 (p<0.05). TS 및 VS 분해율은 가스발생량과는 관계없이 모든 처리구에서 미생물 배양액의 첨가량이 증가하더라도 차이가 없었다. BMP 종료시 배양액내 pH는 모든 처리구가 7.527~7.657의 범위로 메탄발효에 큰 영향을 주지 않았다. 결론적으로, 본 실험에서는 양돈 슬러리의 성분특성으로 인해 가수분해단계와 메탄생성단계 모두에 첨가한 미생물 배양액이 효과가 있었으나, 5% 첨가수준을 제외하고 낮은 첨가수준에서는 첨가효과가 나타나지는 않았다.

• 대한환경공학회지
• /
• 제31권11호
• /
• pp.997-1006
• /
• 2009

본 연구에서는 음폐수를 대상으로 5 톤/일 처리규모의 막결합형 2상 혐기성 소화(TPADUF) 플랜트를 운영하며 유기물 제거효율 및 메탄 발생량을 파악하고, 소화가스를 이용한 발전 가능성 및 분리막 적정 운영방안을 검토하였다. 고온 산발효조, 중온 메탄조 및 UF 막으로 구성된 처리 시스템에서 평균 TCOD가 150 g/L인 음폐수를 유기물 부하 11.1 g COD/L/d까지 증가시키며 처리한 결과 최종 유출수의 TCOD는 6 g/L 이하이었으며, TCOD 및 SCOD 제거효율은 모두 95% 이상이었다. 소화 가스의 메탄 구성비는 65%이었으며, 회수된 메탄량은 시스템에서 일부 가스가 누출되었음에도 39 $m^3/m^3$ 음폐수 주입량, 260 $m^3$/톤 COD유입량, 또는 270 $m^3$/톤 COD제거량 이었다. 소모된 가스량 당 발전량은 0.96 kWh/$m^3$ 가스, 또는 1.49 kWh/$m^3$ 메탄으로 다소 낮았으나 이는 소용량 발전기(15 kW급)의 저효율에 기인한 것이다. 분리막은 평균 flux 10 L/$m^2$/hr에서 운전하였으며, 운전 중 flux가 감소하였을 때는 물 또는 화학적(NaOCl)세정을 실시하여 회복시킬 수 있었다. TPADUF 플랜트에서는 메탄조 내액 또는 분리막 농축액을 산발효조로 반송함으로써 산발효조의 pH를 별도의 약품 주입 없이 적정 수준을 유지할 수 있었으며, 산발효조에서 부분적인 메탄생성을 통해 메탄조의 유기물 부하를 낮추는 효과도 있었다.