본 연구에서는 고농도 유기성 폐기물인 음폐수와 돈분뇨를 혐기성 소화조(KH-ABC)에서 병합처리하여 대체 에너지원인 바이오가스를 생산하는 바이오가스 Pilot Plant의 성능을 검증하고 평가하였다. 그리고, 혐기성 소화 공정의 독성물질에 대한 저해 여부 가능성 및 소화액의 액비 활용 가능성에 대하여 살펴보았다. 원료 투입량, 수리학적 체류시간, 원료 배합비율(음폐수와 돈분뇨의 혼합비율) 등 운전조건의 변화에 따른 유기물(VS) 분해율, 바이오가스 생산량 및 메탄농도 등을 분석한 결과 원료의 유기물부하가 증가($1.2{\sim}2.0kg-VS/m^3{\cdot}d$)함에 따라 투입 유기물 당 바이오가스 생산량은 $0.60{\sim}0.69m^3/kg-VS_{input}$로 증가하는 경향을 보였다. 특히 원료투입량 $6m^3$/일, 원료배합비율 음폐수:돈분뇨=4:6, 수리학적 체류시간(HRT) 25일의 조건에서 유기물 분해율 70%, 바이오가스 생산량 $220m^3$/일, 메탄농도 64%로 비교적 높은 성능을 나타냈다. 그리고, 소화액을 분석한 결과 혐기성 소화공정에 저해 작용을 유발하는 양이온 및 중금속 등의 독성물질은 기준농도 이하로 존재하였으며, 소화액(원료배합비율 음폐수:돈분뇨=3:7)은 액비 활용기준인 비료공정규격을 만족하였다.
본 연구에서는 고농도 유기성 폐기물인 음폐수와 돈분뇨를 혐기성 소화조(KH-ABC)에서 병합처리하여 대체 에너지원인 바이오가스를 생산하는 바이오가스 Pilot Plant의 성능을 검증하고 평가하였다. 그리고, 혐기성 소화 공정의 독성물질에 대한 저해 여부 가능성 및 소화액의 액비 활용 가능성에 대하여 살펴보았다. 원료 투입량, 수리학적 체류시간, 원료 배합비율(음폐수와 돈분뇨의 혼합비율) 등 운전조건의 변화에 따른 유기물(VS) 분해율, 바이오가스 생산량 및 메탄농도 등을 분석한 결과 원료의 유기물부하가 증가($1.2{\sim}2.0kg-VS/m^3{\cdot}d$)함에 따라 투입 유기물 당 바이오가스 생산량은 $0.60{\sim}0.69m^3/kg-VS_{input}$로 증가하는 경향을 보였다. 특히 원료투입량 $6m^3$/일, 원료배합비율 음폐수:돈분뇨=4:6, 수리학적 체류시간(HRT) 25일의 조건에서 유기물 분해율 70%, 바이오가스 생산량 $220m^3$/일, 메탄농도 64%로 비교적 높은 성능을 나타냈다. 그리고, 소화액을 분석한 결과 혐기성 소화공정에 저해 작용을 유발하는 양이온 및 중금속 등의 독성물질은 기준농도 이하로 존재하였으며, 소화액(원료배합비율 음폐수:돈분뇨=3:7)은 액비 활용기준인 비료공정규격을 만족하였다.
A pilot-scale test for production of biogas was conducted in an specially designed anaerobic digester (KH-ABC) in which the highly concentrated organic waste (food-waste and piggery-manure) was treated. The effect of inhibitive material to the reaction on anaerobic digestion and the feasibility of d...
A pilot-scale test for production of biogas was conducted in an specially designed anaerobic digester (KH-ABC) in which the highly concentrated organic waste (food-waste and piggery-manure) was treated. The effect of inhibitive material to the reaction on anaerobic digestion and the feasibility of digested fluid for the liquefied fertilizer were investigated. The production rate of biogas, the concentration of methane($CH_4$) in biogas, and the digesting rate of volatile solid(VS) were analyzed in the variance of the operating conditions ; the influent rate, the mixture ratio of food waste and piggery manure, and the hydraulic retention time(HRT), etc. The production rate of biogas increased from 1.2 to $2.0kg-VS/m^3{\cdot}d$ with the organic loading rate(OLR). The most suitable operating conditions were recorded at $6m^3/day$ of an influent rate, 2:3 of the raw material mixture ratio(food waste : piggery manure) and 25 days of HRT, respectively. Under those conditions, the production rate of biogas, the concentration of methane($CH_4$) in biogas and the digesting rate of volatile solid(VS) were $220m^3/day$, 64%, and 70%, respectively. The concentration of inhibitive materials was below toxic standard and the anaerobic digested fluid(raw material mixture ratio of 3:7) could meet the condition of the liquefied fertilizer.
A pilot-scale test for production of biogas was conducted in an specially designed anaerobic digester (KH-ABC) in which the highly concentrated organic waste (food-waste and piggery-manure) was treated. The effect of inhibitive material to the reaction on anaerobic digestion and the feasibility of digested fluid for the liquefied fertilizer were investigated. The production rate of biogas, the concentration of methane($CH_4$) in biogas, and the digesting rate of volatile solid(VS) were analyzed in the variance of the operating conditions ; the influent rate, the mixture ratio of food waste and piggery manure, and the hydraulic retention time(HRT), etc. The production rate of biogas increased from 1.2 to $2.0kg-VS/m^3{\cdot}d$ with the organic loading rate(OLR). The most suitable operating conditions were recorded at $6m^3/day$ of an influent rate, 2:3 of the raw material mixture ratio(food waste : piggery manure) and 25 days of HRT, respectively. Under those conditions, the production rate of biogas, the concentration of methane($CH_4$) in biogas and the digesting rate of volatile solid(VS) were $220m^3/day$, 64%, and 70%, respectively. The concentration of inhibitive materials was below toxic standard and the anaerobic digested fluid(raw material mixture ratio of 3:7) could meet the condition of the liquefied fertilizer.
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문제 정의
따라서 본 연구시설에시 발셍하는 소화액의 액비 사용 가능여부들 판난하기 위해[Table 3]에서와 같이 비료공정규격에 따른 액비 규격에 적합한지를 분석하였다. 규격 항목 중 가장 중요한 항목은 진소와 염분 농도로서, 가장 중요한 비료 성분인 질소 농도는 0.
따라서, 본 연구에서는 유기성 폐기물의 효과적인 처리 및 에너지화 방안의 일환으로서, 고농도 유기성폐기 물인 음폐수와 돈분뇨를 특수 세작된 혐기성 소화조에서 병합치리하여 대체 에너지원인 Bio—gas를 생산하는 바이오가스 Pilot Plam의 성능과 안정성을 평가하고 소화액의 액비 활용 가능성을 평가함으로써 그 우수성을 입증하였다.
부여구에서는고농도 유기성폐기물(음폐수, 가축분뇨)을 병힙-처리하는 혐기소화 시설의 성능 및 안정성을 검증함으로써 대체 에너지원인 바이오가스 생산을 극대화하고 소화엑을 엑비로 자원화할 수 있는 방안에 대하여 살펴보았다. 주요 결과는 다음과 같다.
제안 방법
즉정 방법은 Standard Method(2305)와 수질오염공정시헌법(2007)을 이용하였다. 그리고, 혐기성 소화액의 액비 활용 가능성을 살펴보기 위하여 비료공정규격 성상에 대한 소화액의성상을 분석하였다.
3]과 같이 원료 투입량 및 수리학직 체류시간(HRT), 원료 내 돈분뇨와 음폐수의 비윤 등의 운전 조건을 변화시키면서 CASE1~CASE3의 3단계로 진행하였다. 돈분뇨와 음폐수의 비윤은 일본과 연구협력을 통하여 가축분뇨와 음폐수의 비율이 7:3인 경우 가장 안정적인 양상을 나타내어 이러한 결과를 기구으로 본 연구의 여건에 맞게 조건을 벼화시켜 CASE들분류하였다.
따라서, 이러한 독성 유반물길에 대한 저해여부를 파악하기 위하여 원료 및 소화액에 내한 해당 성분의 농도를 보석하였으며, 그 결과는 [Table 2]에서 보는 바와 같다.
먼지 CASE1은 돈분뇨:음폐수=7:3의 원료를 5E/일투입(HRT=30일)하였으며, CASE2게서는 Case 상태에서 조성비율은 유지하고 투임량만을 20% 증가시킴으로써 체류시간을 30인에서 25인로 단축시켰다. Case3에서는 원료 투입량은 6m, 인로 유지하여 체류 시간을 25인로 고징하면서 원료 조성을 돈분뇨:음폐수 = 6:4로변화시 켜 신험을 진행하였다-
소화조의 pH와 온도는 소화조에 장착된 pH 미터와 온도계를 사용하여 실시간 즉정 및 기록된 지-료를 이용하였다. 바이오가스 생산량과 메단농도는 현장에 설치된 유량계 와 가스분석 장치들 이용하여 측정하었다.그리고, 총고형물과 휘발성 고형물의 분석에 있어시는 원료조에시 소화조로 투입 되는 유입 관에서 원료조 시료들, 소화조에서 배출되는 배출관에시 소화조 시료를 긱각 1L씩 채취하여 분식시까지 4℃에서 보관하였으며, 보관인은 하루 이상 되지 않도독 하였다.
이용하였다. 본 시설은 2008년 1월 가동을 시작하였고, 3개월 가량의 시 운전을 거쳐 안정 화에 도달한 후, 겨울철을 포함하여 장기간 운전 및 처리 효율 테스트들 수행하었다.
본 실험은 중운(38C) 혐기성 소화조의 안정화가 유지된 상대에서 [Fig. 2] 및 [Fig. 3]과 같이 원료 투입량 및 수리학직 체류시간(HRT), 원료 내 돈분뇨와 음폐수의 비윤 등의 운전 조건을 변화시키면서 CASE1~CASE3의 3단계로 진행하였다. 돈분뇨와 음폐수의 비윤은 일본과 연구협력을 통하여 가축분뇨와 음폐수의 비율이 7:3인 경우 가장 안정적인 양상을 나타내어 이러한 결과를 기구으로 본 연구의 여건에 맞게 조건을 벼화시켜 CASE들분류하였다.
성능과 안정성을 평기-하였다. 소화조의 pH와 온도는 소화조에 장착된 pH 미터와 온도계를 사용하여 실시간 즉정 및 기록된 지-료를 이용하였다. 바이오가스 생산량과 메단농도는 현장에 설치된 유량계 와 가스분석 장치들 이용하여 측정하었다.
돈사 저장조에 설치된 이송펀프 주위에는 스크린을 설치 히-여 협 삽물이 이 송되 는것을 방지 하였다. 음페수는 음식물쓰레기 습식사료화 시설(200톤/일 처리에서 협삽물 제거, 파쇄, 기계식 압축에 의한 선별 및 분쇄 후 사료화 등의 과정에시 발생한 탈리 엑과 세척수 등을 포함한 것으로서 차량으로 이송 후 원료조에 투입하였다.
이 과징에서 소화조의 pH, 온도, 알칼리도와 휘발성고형물(VS)의 농도 및 제거율, 비이오가스 생산량, 메탄가스 농도 등을 측정하여 운진조건별 현기성 소화 공정의 성능과 안정성을 평기-하였다. 소화조의 pH와 온도는 소화조에 장착된 pH 미터와 온도계를 사용하여 실시간 즉정 및 기록된 지-료를 이용하였다.
지동 제어되고 있다. 특히 소화조는 그 니부에 분할 막 ,미생물 부착 여재, 교반 및 슬러지 이송을 위한 특수 설계된교반기 등을 갖춤으로써, 고액분-리없이 고형물을 다량 함유한 유기성 떼기물의 처리가 가능하도록 설계되었다. 소화조는 소화조 내부에 설치된 온수배관을 통해 38℃로 유지되었으며, pH 조절을 위해 벌도로 약품을 투입하지는 않았다.
한편, 혐기성소화 공정의 저해물길에 대한 영향 여부를 파악하기 위하여 소화액에 내한 염분, 양이온류, 중금속류의 농도를 측정하였다. 즉정 방법은 Standard Method(2305)와 수질오염공정시헌법(2007)을 이용하였다.
대상 데이터
돈분뇨는 만생 후돈사 지하저장조에 평균 약 1개월 동안 저상한 후 펌프를 통히 본 시설의 원료조로 이송하였다. 돈사 저장조에 설치된 이송펀프 주위에는 스크린을 설치 히-여 협 삽물이 이 송되 는것을 방지 하였다.
본 연구에서는 5m3일 처리 규모의 파일럿 를랜트 설비를 이용하였다. 본 시설은 2008년 1월 가동을 시작하였고, 3개월 가량의 시 운전을 거쳐 안정 화에 도달한 후, 겨울철을 포함하여 장기간 운전 및 처리 효율 테스트들 수행하었다.
한펴, 대상 원료는 경기도 안성시 소재 ◯◯축산영농조합의 돈사에시 발생한 슬러리 상태 의 돈분뇨와 안성시 소새 음식물쓰레기 사료화시선에서 반생하는 음폐수를 사용하였다. 논분뇨와 음폐수의 성상은 계절이나 수거 당시 해당시선의 저장조 상태 등에 따라 상당한 차이를 보였다.
이론/모형
농도를 측정하였다. 즉정 방법은 Standard Method(2305)와 수질오염공정시헌법(2007)을 이용하였다. 그리고, 혐기성 소화액의 액비 활용 가능성을 살펴보기 위하여 비료공정규격 성상에 대한 소화액의성상을 분석하였다.
성능/효과
1.소화조의 pH는 약품 주입이 잆있음에도 불구하고 적정 pH 범위인 7.0~7.5에 근접한 7.8~8.1 을 유지할 수 있었다.
2. 돈분뇨:음폐수가 = 6:4, 6 /일의 투입량, 원료의 VS 5.3%, 유기물 부하율 2.0 kg-VS/ma·일, 체류시간 25일로 가동되는 운전조건에서 유기물분해율 70%, 바이오가스 생산랑220m3/인, 바이오가스 중 메탄가스 농도 64%, 투입 유기물 당 바이오가스 생산랑 0.69m1/kg—VSinput의 비교적 높은 성능을 나다내었다.
3. 체류시간을 동일하게 유지하고 원료의 조성을 변화시켜 유기물 부하율을 증기시킨 셩우 유기물분해율, 바이 오가스 생산량, 투입 유기물 당 바이오가스 생산량 등이 크게 증기하였다. 비이오가스 처리시설의 경제성과 환경성을 높이기 위해서는 음폐수와 샅이 유기물 농도가 높은 유기성 폐기물을 첨가하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
4. 소화액의 양이 은류와 중금속류의 농도들 분석한 결과, 지해 유발 범위 이하의 농도로 존재하였다.
5. 본 연구시설에서 발생한 소화액은 실험 조건(돈분뇨:음폐수=7:3)으로 운전될 경우 비료공정규격에 따른 액비기준을 모두 충족하는 것으로 분식 되었다. 따라서 원료 중 음폐수의 비율이 30%를 초과하지 않는 범위 내에서는 소화액을 액비로 사용 가능한 것으로 판단된다.
바이오가스 생산량은 VS분해율 및 원료의 VS농도와 비슷한 양상 보였다. CASE1에서는 평균 110m3/ 일 정도의 바이오가스가 발생되었으며, CASE2 중 VS 농도 및 VS보히율이 낮은 기간 동안에는 바이오가스 발생량이 상대적으로 감소하였다. CASE3에시는 평균 220m7일 정도의 바이오가스가" 발생하였다.
반면 음폐수의 녕우는 TS의 농도가 비교적 균일하였다. TS의 농도는 (평균 13%), TS 중 VS의 비율은 80~88%(평균 85%), pH는 3.5~4.3( 평균 4.0)로 측정 되었다.
각 단계변로 살펴보면 CASE 1 조건에서는 소화조에 M급된 원료액의 VS농도가 평균 3.6%이었고 전체적으로 큰 편차를 보였다. 투입먕을 6m7일로 증가시킨 CASE 2에서는 원료액의 유기물 농도가 평균 3.
각 분석 물질에 대한 원료액과 소화액의 농도 차는 크지 않았으며, 소화액에 있어서 양이온 물질의 농도는 Na + = 1,270mg/L, Mg2+= 145mg/L,K+=2, 390mg/L,Ca2+=1,080mg/L이었고, 그리고 중금속 물질의 농도는 Cr = 1.4mg/L, Cu=6.9mg/L, Ni=1.7mg/L, Cde 검출되지 않았다.
논분뇨와 음폐수의 성상은 계절이나 수거 당시 해당시선의 저장조 상태 등에 따라 상당한 차이를 보였다.
CASE 1과 2에서 61% 정노의 유기물 분-히율과는 달리 CASE 3에서는 70% 정도의 유기물 분해율을 보였다. 따라시 CASE 1과 2에시는 본 연구시설이 소화할 수 있는 유기물 부하보다 적게 원료가 투입되고 있었고, CASE 3에시 유기물 부하를 증대시킴으로씨 더 높은 유기물 분해율을 단성할 수 있있음을 알 수 있다. 또 다른 원인으로서는 원료액 중 유기물 분해윤이 더 높은 음폐수의 비율이 높아짐으로써 전체직인 원료의 유기 물 분해 윤이 상승하는 효과를 가져 왔다고 할 수 있다.
이 기간 동안 돈사의 세척수 사용량이 급증하여 원료 중 유기물 농도가 크게 감소하였으나, 소화조의 체류시간은 25인이므로 소화액의 유기 물 농도는 상대적으로 적게 감소하였다. 띠라서 유기물 분해율이 이 기간 동안 크게 감소한 것으로 나타났으나 돈사의 돈보뇨 원료가 평균적인 성상을 회복하면서 유기물 분해율도 60% 내외로 안정화 되었다. CASE 1과 2에서 61% 정노의 유기물 분-히율과는 달리 CASE 3에서는 70% 정도의 유기물 분해율을 보였다.
CASE3에시는 평균 220m7일 정도의 바이오가스가" 발생하였다. 바이오가스 중의 메단가스는 CASE 1과 CASE2에시는 67~68,CASE3에서는 64% 정도로 전체적으로 큰 변화를 보이지 않았으나, 원료 중 음폐수의 농도가 증가함에 따라 바이오가스 중의 메탄함랑은 감소하는 경향을 보였다.
3% 이하이어야 한다. 본 연구시설에서 발생 한 소화액은 질소 농도 0.59%, 염분 농도 0.29%로서 비료공정규격을 만족하였으며, 다른 항목에 대해서도 모두 충족시키는 결과를 언음으로써 소화액을 액비로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
따라시 원료 중 음폐수의 비중이 증가 할수록 소화액의 염분농도는 증가하게 된다. 이 당시에 사용된 원료의 조성은 돈분뇨:음폐수 = 7:3이있는데 염분 농도가 0.29%로 기준농도에 매우 근접하게 만족하고 있으므로, 음폐수의 비율이 30%를 조과하게 되면 소화액 중 염분의 농도는 0.3%를 초과하여 액비 기준을 충족시키지 못한 가능성이 내우 높게 될 것으로 판단된다. 따라서 소화액을 폐수처리히지 않고 액비로 사용하는 것을 고려한다면 소화액의 염분 농도를 추정하여 원료의 조섬을 결정해야 할 것이 다.
한편, 혼합원료의 pH는 5.3~6.6(평균 6.1)이었으나, 소화액의 pH는 약품 투입이 진혀 없이 7.8~8.0(7.9)로 안정적으로 유지되었다. Alkalinity의 경우에는 혼합원료는 7, 200~14, 800mg/L(평균 10, 200mg/L), 소화액은 15,000~19,000mg/L(평균 17,000mg/L)로 혼합원료 보다 증가하는 경향을 보었다.
9]과 같다. 혼합 원료의 TS농도는 3.3 ~7.9%(평균 5.1%), VS 농도는 2.3 ~ 6.0(평균 3.8%)로 신험기간 동안 차이가 컸고, 소화액의 TS 농도는 2.2~3.0%(평균 2.5%), VS농도는 1.2~1.8%(평균 1.4%)로혼합원료의 경향에 맞추어 작은폭으로 변화하였다.
후속연구
이러한 결과로서 현지 사용되는 주된 화석 연료인 석유의 가채년수는 49년 정도 밖에 남지 않았으며, 향후 40~60년 내에 획기적이 대체 에너시가 나오지 않는 한 심각한 에너지 문제에 직면할 진망이다. 또한 화석연료 사용의 증가는 데기 중으로 CO2 방줄을 가속화시킴에 따라 지구온난화와 기후변화를 일으키는 원인이 되고 있다.
단순 처리 되거나 해양으로 배출되고 있는 유기성폐기물까지에너지화 하는 경우 그 효과도 제고될 수 있으므로 유기성페기물의 에너지화를 위한 기술개발이 시급한 실정이다. 이러한 기술개발을 동하여 폐기물의에너지화를 실현할 경우 폐기물자체에서 발생하는 온실가스를 저감할 수 있다는 본연의 목적 외에도 이를에너지화함으로시 화석연료의 소비를 대체하는 등 일거양득의 온실가스 감축효과가 있을 것으로 판단된다. 이를 위한기술 개발은 가까운 미래에 다가오는 온실가스 의무감축에 대비한다는 국가정책 측면에서도 매우 큰 의미가 있다고 하겠다.
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