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문제 정의
- 본 연구에서는 국내 자원화 사업소에 설치되어 시운전되고 있는 건식혐기성소화방식인 Dranco system의 단기간 정상상태 진입과 장기간 정상상태 진입에 따른 운전 영향인자를 비교하고자 한다. 이를 위하여 2개월과 8개월 시험운전에 따른 투입량, 바이오가스 발생량,바이오가스의 CH4함량, 소화슬러지의 pH, NH3-N, VFA농도 등을 조사하였다.
제안 방법
- 1. 음식물류폐기물을 초기에는 소량씩 자주 투입하고 1주일 주기로 전 주 대비 10%씩 증량 투입하여 미생물을 증식시키는 방식으로 투입하여, 11주부터 설계 용량으로 정상 운전하였다.
- 즉 운전 초기에는 격일로 1일 1회 음식물류폐기물을 35 ton/day씩 3차에 걸쳐 투입하고, 2주와 3주째에는 2 ~ 3일 간격으로 소화조 슬러지 설계용량의 1/20에 상응하는 130 ton/week을 분할 투입하였다. 4번째 주에는 350 ton/week로 증가시켜 매주 월요일 마다 주 1회 투입하고, 5주 이후에는 전주 투입량보다 10%씩 증량하여 11주부터 설계용량 90 ton/day씩 투입하였다.
- 건식단상혐기성소화조에 음식물류폐기물을 투입하는 방법은 장기간 정상운전실험도 단기간 실험에서 적용하였던 것과 같이, 초기에는 소량씩 자주 투입하여 미생물량을 점차 증식시키면서 1주일 단위로 투입하고 투입량을 증가시켜, 11주부터 정상적으로 운전하는 방법을 사용하였다.
- 국내 자원화 사업소에 설치되어 시운전되고 있는 건식혐기성소화방식인 Dranco system의 단기간 정상상태 진입과 장기간 정상상태 진입에 따른 운전영향인자를 비교 하기 위하여 투입량, 바이오가스 발생량, 바이오가스의 CH4함량 소화슬러지의 pH, NH3-N, VFA농도 등을 조사하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 단기단 정상 운전실험과 같은 방법으로 음식물류폐기물을 8개월 동안 투입하며, 바이오가스 발생량, 바이오가스의 CH4농도와 소화조의 운전영향인자를 측정 분석하였다.
- 본 연구에서는 초기에는 소량씩 자주 투입하여 미생물량을 증식시키고, 나중에는 1주일 단위로 투입하고 투입량을 점차 증가 시키는 방법을 사용하였다.
- 위 사항을 종합하면 건식단상혐기성소화조를 단기간에 정상운전하기 위해서는 음식물류폐기물의 투입량 조절이 중요하며, 초기에는 소량을 자주 투입하고 1주일 주기로 증량 투입하여 미생물을 증식시키는 방식으로, 처음 3주 동안은 설계슬러지 용적의 1/20에 상응하는 130 ton/week을 2 ~ 3일간씩 투입하고, 4주부터 350 ton/week로 증가시키고 이후 전 주 대비 10%씩 증량하여 11주부터 정상 운전하였다. 바이오가스의 CH4함량은 음식물이 투입되는 주초에는 55 % 정도로 저하한 후 주말에 65% 이상으로 회복되는 경향을 나타내었다.
- 음식물류폐기물을 소량 투입으로부터 설계용량 투입까지 주입회수를 줄이고 주입량을 늘려가며 1주일 간격으로 증량하는 방법으로 2개월 동안 투입하며, 바이오가스 발생량, 바이오가스의 CH4농도와 소화조의 운전영향인자를 측정 분석하였다.
- 본 연구에서는 국내 자원화 사업소에 설치되어 시운전되고 있는 건식혐기성소화방식인 Dranco system의 단기간 정상상태 진입과 장기간 정상상태 진입에 따른 운전 영향인자를 비교하고자 한다. 이를 위하여 2개월과 8개월 시험운전에 따른 투입량, 바이오가스 발생량,바이오가스의 CH4함량, 소화슬러지의 pH, NH3-N, VFA농도 등을 조사하였다.
- 즉 운전 초기에는 격일로 1일 1회 음식물류폐기물을 35 ton/day씩 3차에 걸쳐 투입하고, 2주와 3주째에는 2 ~ 3일 간격으로 소화조 슬러지 설계용량의 1/20에 상응하는 130 ton/week을 분할 투입하였다. 4번째 주에는 350 ton/week로 증가시켜 매주 월요일 마다 주 1회 투입하고, 5주 이후에는 전주 투입량보다 10%씩 증량하여 11주부터 설계용량 90 ton/day씩 투입하였다.
대상 데이터
- 바이오가스의 CH4 농도는 gas chromatography (Yanaco, R2-201C)를 이용하여 분석하였으며, 분석에 사용한 표준가스의 조성은 CH4 gas 62.2%, CO2 gas 37.8% 및 H2 gas 100%이다.13)
- 시료는 소화조 하단에서 매일 6시에 1회 채취하였다.
- 실험장치는 부산시에 설치되어 시운전 중인 시설로서 물을 가하지 않고 음식물류폐기물을 처리하는 건식단상혐기성소화조를사용하였으며, 설계용량은 90 ton/day이다.
이론/모형
- 소화조 운영의 영향인자인 pH, NH3-N, VFA, CH4농도, Gas 발생량 등의 측정분석은 환경오염공정시험법과 Standard Method에 준하여 시험하였다. 즉 pH는 pH meter(#620, Fisher Co.
- 농도, Gas 발생량 등의 측정분석은 환경오염공정시험법과 Standard Method에 준하여 시험하였다. 즉 pH는 pH meter(#620, Fisher Co.)를 사용하고, NH3-N는 인도페놀법, VFA는 적정법으로 분석하였다.
성능/효과
- 2. 바이오가스의 CH4함량은 음식물 투입초기와 말기에는 높고, 주중에 저하하는 양상을 반복하고, 바이오가스 발생량이 많을 때 CH4농도가 낮았으며, 단기간 운전보다 약간 높은 농도로 유지되었다.
- 3. 바이오가스 발생량은 투입량에 따라 증가하였고 설계용량으로 정상 운전하는 동안 발생량은 100 ㎥/ton이었다.
- 4. 소화조의 pH는 단기간 운전에서는 초기부터 설계용량으로 정상 운전한 이후까지 pH 8 ~ 8.5 범위로 안정되고, 장기간 운전에서는 초기 pH 7.1 ~ 8.1에서 점차 저하하여 4주 이후 pH 7.45 ~8.15로 안정되었다.
- 4주 이후 바이오가스의 CH4함량을 단기간 정상운전 실험 때와 비교하면, 단기간 운전 때바이오가스의 CH4함량 55 ~ 65 % 보다 약간 높아진 55 ~ 72 %인데, 그 이유는 이번 운전에서 사용되는 미생물이 단기간 실험에 사용된 것이고, 투입되는 음식물의 조성이 달라진데 기인한다고 사료된다.
- 함량은 음식물류폐기물이 105 ton/week씩 투입된 초기 3주 동안은 55 ~ 65 % 범위를 유지하면서 투입 초기에는 55 % 정도로 저하하고 나중에는 65% 이상으로 회복되는 양상을 보였다. 4주부터 350 ton/week로 증가시키고 주당 10%씩 증가함에 따라 주초에는 55 % 정도로 저하한 후 주말에는 다시 65% 이상으로 회복되는 경향을 반복해서 나타내었고, 11주 만에 정상상태로 운전되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 5. 소화슬러지의 NH3-N농도는 단기운전에서 초기 4,500 ~ 5,500ppm부터 단계적으로 감소하여 설계용량으로 정상 운전에서 2,000 ppm으로 낮아지고, 장기간 운전에서는 초기 5,000 ppm정도이었으나 정상 운전에서 3,800 ppm정도로 낮아졌다.
- 6. 소화슬러지의 VFA농도는 단기운전에서 초기 2,000 ppm부터 완만하게 감소하여 정상 운전한 후에는 900 ppm이하로 낮아지고, 장기간 운전에서는 초기 3,000 ppm이상에서 단계적으로 감소하여 정상 운전에서 2,500 ppm이하로 낮아졌다.
- 바이오가스 발생량과 바이오가스의 CH4함량을 비교하면, 발생량이 많을 때에는 농도가 낮아지고, 발생량이 적을 때에는 농도가 높아지는 경향이 나타났는데, 이는 소화 슬러지의 유기물분해 특성이 음식물 투입 초기에는 유기산을 생성하고 유기산이 다시 분해되어 가스를 생성하게 되는데, 산생성 단계에서 CH4함량이 다소 저하하는 것으로 판단된다.
- 바이오가스 발생량은 음식물류폐기물을 105 ton/week로 소량 투입한 초기 3주 동안은 4,000 ㎥/day 정도이고, 넷째 주에 350 ton/week로 증가하여 투입하고 이후 1주 주기로 전 주 대비 10 %씩 증량함에 따라 6,000㎥/day에서 9,000㎥/day로 단계적 증가하는 경향을 나타내었다.
- 바이오가스 발생량은 음식물류폐기물을 1주일 단위로 투입하고 투입량을 증가시킴에 따라 단계적으로 증가하고, 바이오가스의 CH4함량은 음식물이 투입된 초기에는 바이오가스의 CH4함량이 55 % 정도로 저하하고 주말에는 65% 이상으로 증가하는 경향을 나타내었다.
- 바이오가스 발생량은 초기 1개월 동안은 4,000㎥/day 정도 발생하였으나 6개월 이후에는 6,000㎥/day로 증가하고, 8개월 이후에는 10,000㎥/day이상 생산됨으로써, 소화조의 음식물류폐기물 투입량이 단계적으로 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 설계용량으로 투입하여 정상 운전하는 동안 음식물류폐기물 투입량 당 평균 발생량은 약 100 ㎥/ton이었다.
- 바이오가스의 CH4함량은 음식물 투입초기에는 55 ~ 68 %, 3일 후 55 %로 저하한 후 다시 65 ~ 72 %로 회복되는 양상을 반복하고, 바이오가스 발생량이 많을 때 CH4농도가 낮았으며, 단기간 운전보다 약간 높은 농도로 유지되었다.
- 바이오가스의 CH4함량은 음식물류폐기물 투입량이 350 ton/week로 증가한 4주 이후부터 에는 55 ~ 72 % 범위를 유지하며, 투입되는 주초에는 저하하고, 주말에 회복되는 양상이 설계용량까지 증량하여 투입한 11주 이후에도 4개월 동안 반복되었다. 이로써 11주 만에 정상상태로 운전되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 바이오가스의 CH4함량은 음식물류폐기물이 105 ton/week씩 투입된 초기 3주 동안은 55 ~ 65 % 범위를 유지하면서 투입 초기에는 55 % 정도로 저하하고 나중에는 65% 이상으로 회복되는 양상을 보였다. 4주부터 350 ton/week로 증가시키고 주당 10%씩 증가함에 따라 주초에는 55 % 정도로 저하한 후 주말에는 다시 65% 이상으로 회복되는 경향을 반복해서 나타내었고, 11주 만에 정상상태로 운전되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 위 사항을 종합하면 건식단상혐기성소화조를 단기간에 정상운전하기 위해서는 음식물류폐기물의 투입량 조절이 중요하며, 초기에는 소량을 자주 투입하고 1주일 주기로 증량 투입하여 미생물을 증식시키는 방식으로, 처음 3주 동안은 설계슬러지 용적의 1/20에 상응하는 130 ton/week을 2 ~ 3일간씩 투입하고, 4주부터 350 ton/week로 증가시키고 이후 전 주 대비 10%씩 증량하여 11주부터 정상 운전하였다. 바이오가스의 CH4함량은 음식물이 투입되는 주초에는 55 % 정도로 저하한 후 주말에 65% 이상으로 회복되는 경향을 나타내었다.
- 소화슬러지의 NH3-N과 VFA농도는 음식물류폐기물 투입량이 증가함에 따라 단계적으로 감소하였고, 설계용량이 투입된 11주 이후 NH3-N는 2,000 ppm, VFA농도는 900 ppm이하로 낮아졌다.
- 소화조의 pH는 운전초기에 7.1 ~ 8.1범위에서 음식물류폐기물 투입에 따라 불안정하게 증감하는 양상을 보였으나, 4주 이후 투입량이 증가하면서 pH 7.45 ~ 8.15범위의 안정된 상태를 유지하였다.
- 운전 초기 3주 동안 바이오가스의 CH4함량은 투입 초기에는 45%, 나중에는 65~ 72 %로 증가하며 불안정한 형태의 증감현상이 반복되었다. 이러한 경향은 단기간 정상운전 실험 때와는 약간 다른 양상인데, 그 이유는 이번 운전에서 사용되고 있는 미생물은 이미 단기간 운전실험에 사용된 것들이고, 투입되는 음식물의 조성이 달라졌기 때문이라고 판단된다.
- 위 사항을 종합하면 건식단상혐기성소화조의 장기간 실험에서도 음식물류폐기물을 초기 소량투입 후 1주일 주기로 증량 투입하며 단계적으로 미생물을 증식시켜 11주 이후 정상 운전하는 방식이 도입될 수 있음을 알 수 있다.
- 위 사항을 종합하면 바이오가스 발생량은 음식물류폐기물을 1주 주기로 증량 투입함에 따라 3,000㎥/day에서 9,000㎥/day로 단계적으로 증가하고, 설계용량이 투입되어 정상운전되기까지 평균 발생량은 약 100㎥/ton이었다.
- 위 사항을 종합하면, 바이오가스의 발생량은 음식물류폐기물의 투입량이 증가함에 따라 점차 증가하여 설계용량으로 정상 운전하는 동안 약 100 ㎥/ton이었고, 소화슬러지의 NH3-N농도는 초기 5,000 ppm에서 점차 감소하여 정상 운전하는 동안에는 3,800ppm정도로 안정화되었으며, VFA농도는 초기 3,000 ppm이상에서 완만하게 감소하여 정상 운전하는 동안에는 2,500 ppm이하로 낮아졌다.
- 음식물류폐기물 투입량이 증가함에 따라 바이오가스 발생량이 단계적으로 증가하고, 바이오가스의 CH4함량은 투입 초기에는 62~ 65 %이었으나, 3일 후에는 55 %로 저하하고, 다시 4일후부터 62 ~ 65%로 회복되는 현상을 반복하였다.
- 이와 같은 결과는 단기운전에서 소화슬러지의 NH3-N농도가 운전초기 4,500 ~ 5,500ppm에서 음식물류폐기물 투입량이 증가한 4주 이후 5,000 ppm으로 감소하고 음식물류폐기물 투입량이 증가한 4주 이후 5,000 ppm에서 단계적으로 감소하여 설계 용량이 투입된 11주 이후 2,000 ppm으로 낮아지고, VFA농도가 운전초기에 2,000 ppm에서 매우 완만하게 감소하여 설계용량이 투입된 11주 이후 900 ppm이하로 낮아진 것과는 큰 차이가 있다.
후속연구
- 단기간 운전과 장기간 운전에 따른 소화조의 pH, NH3-N 및 VFA농도의 차이는 소화조를 장기간 운전함에 따라 쉽게 분해되지 않는 유기물이 축적되어 서식하는 미생물의 종이나 분해성이 달라지고, 투입되는 음식물류폐기물의 성상이 다르기 때문이라고 판단되며, 정확한 원인을 규명하기 위해서는 체계적이고 종합적인 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
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