[논문]음식물류폐기물의 고효율 바이오가스화를 위한 설계 및 운전 기술지침 마련 연구(I) - 현장조사 결과 중심으로

이동진; 강준구; 이수영; 김기헌; 배지수

음식물류폐기물의 고효율 바이오가스화를 위한 설계 및 운전 기술지침 마련 연구(I) - 현장조사 결과 중심으로
A Study on Establishment of Technical Guideline of the Installation and Operation for the Efficient Bio-gasification Facility of Food Wastes (I) - Results of the Field Investigation 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.23 no.1, 2015년, pp.11 - 20

이동진 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과) , 강준구 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과) , 이수영 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과) , 김기헌 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과) , 배지수 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과)

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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 음식물류폐기물의 특성을 감안한 설치·운영시 설계인자 및 운전인자에 대한 가이드라인을 제시하는 기술지침서를 마련하고자 한다.
본 연구는 유기성폐자원 바이오가스화 시설의 실질적인 효율 증대를 목적으로 설계·운전 기술 지침서를 작성하고자 한다.

제안 방법

에 명시된 삼성분 분석법을 바탕으로 시료의 수분, 가연분, 회분 등 함량(무게 % 기준)을 나타내었다. 가연분 함량과 회분 함량을 아래의 계산식에 적용하여 총고형물(TS)의 함량과 휘발성고형물(VS)의 함량을 계산하였다.
음식물류폐기물 원료의 성상분석을 위하여 삼성분(수분, 고형물, 회분), 영양성분(탄수화물, 단백질, 지방), CODcr, 질소(TN, NH₄⁺), 인(TP, PO₄^3-), 휘발성지방산(VFAs)을 분석하였다. 또한 공정 분석 및 현장자료 검토를 위하여 유기물부하율, 체류시간, 유기물 함량(TS, VS), 메탄발생량 등을 분석하였다.
공정별 영향인자로는 바이오가스 생산율, 온도, 소화조 유입농도, 유기산, pH, 미량원소, 암모니아, 스컴 등을 제시한다. 상기 영향인자를 바탕으로 시설 모니터링 및 자동화, 장애관리, 기술의 최적화를 기술하였다.
시설 특성을 반영한 시계열별 운영 및 분석 데이터 제공을 목적으로 3∼7월 동안 반입량, 온도, pH, 가스발생량, 유기물부하량(kg/(m3 ·day)), 메탄농도, 체류시간 등을 조사하였다.
본 연구는 유기성폐자원 바이오가스화 시설의 실질적인 효율 증대를 목적으로 설계·운전 기술 지침서를 작성하고자 한다. 연구방법은 기초조사, 정밀조사, 기술매뉴얼 마련 등 세부분으로 구분되며, 국외 매뉴얼조사, 국내 사례조사, 대표시설의 현장조사, 기술지침서 마련 등의 과정으로 진행되었다. 총 3차 전문가 워크샵과 기술지침서 초안에 대해 이해관계자 설명회 등 5회에 걸쳐 의견수렴하여 기술지침서(안)을 마련하였다.
유기성폐자원 바이오가스화 시설의 기술지침서 마련을 위하여 정밀모니터링을 실시하였다. 고효율 시설(음폐수 톤당 바이오가스 생성량 30 Nm3/ton)을 중심으로 울산 용현, 광주 송대, 청주, 광주 유덕, 대구, 송파 시설을 조사대상으로 선정하였다.
현재 운영 중인 음식물류폐기물 바이오가스화 시설을 대상으로 현장조사를 실시하였다. 음식물류폐기물 바이오가스화 시설의 일반적인 처리흐름에 따라 현장 조사를 진행하였으며, 각 공정별 발생하기 쉬운 문제점들은 [Table 4]와 같다.
바이오가스화 시설의 분석방법은 다음과 같다. 음식물류폐기물 원료의 성상분석을 위하여 삼성분(수분, 고형물, 회분), 영양성분(탄수화물, 단백질, 지방), CODcr, 질소(TN, NH₄⁺), 인(TP, PO₄^3-), 휘발성지방산(VFAs)을 분석하였다. 또한 공정 분석 및 현장자료 검토를 위하여 유기물부하율, 체류시간, 유기물 함량(TS, VS), 메탄발생량 등을 분석하였다.
음식물류폐기물의 바이오가스화시설의 설계·운전 기술지침서 마련을 위하여 전국 9개 시설(송파, 청주, 광주 송대, 울산 용현, 광주 유덕, 대구, 부산 생곡, 양산, 정읍)을 대상으로1, 2차에 나누어 조사를 실시하였으며 공정별 특징 및 문제점(반입·공급 공정, 전처리 공정, 혐기소화 공정, 바이오가스 생산·이용 공정, 부산물·악취·폐수 등 처리공정)을 중점으로 조사하였다.
연구방법은 기초조사, 정밀조사, 기술매뉴얼 마련 등 세부분으로 구분되며, 국외 매뉴얼조사, 국내 사례조사, 대표시설의 현장조사, 기술지침서 마련 등의 과정으로 진행되었다. 총 3차 전문가 워크샵과 기술지침서 초안에 대해 이해관계자 설명회 등 5회에 걸쳐 의견수렴하여 기술지침서(안)을 마련하였다. 이와 같이 기초조사와 전문가 자문단 운영, 정밀조사와 기술지침서(안) 마련에 대한 구체적인 연구방법의 체계도는 [Fig 1]에 나타내었다.
해당 지침서는 메탄가스화에 관한 기본적 사항, 메탄가스화 시설의 구성장비 및 사양결정, 운전·관리상 유의점을 중점으로 다룬다.
해당 지침서는 실제 혐기성 소화시설 운영자들의 의견을 반영하였으며, 운전·관리상의 문제해결(Troubleshooting)에 중점을 두었다.
현재 운영 중인 바이오가스화 시설에 대한 기초자료 수집 및 문제점을 분석하기 위하여 현장조사를 실시하였다. 음식물류폐기물의 바이오가스화시설의 설계·운전 기술지침서 마련을 위하여 전국 9개 시설(송파, 청주, 광주 송대, 울산 용현, 광주 유덕, 대구, 부산 생곡, 양산, 정읍)을 대상으로1, 2차에 나누어 조사를 실시하였으며 공정별 특징 및 문제점(반입·공급 공정, 전처리 공정, 혐기소화 공정, 바이오가스 생산·이용 공정, 부산물·악취·폐수 등 처리공정)을 중점으로 조사하였다.

대상 데이터

유기성폐자원 바이오가스화 시설의 기술지침서 마련을 위하여 정밀모니터링을 실시하였다. 고효율 시설(음폐수 톤당 바이오가스 생성량 30 Nm3/ton)을 중심으로 울산 용현, 광주 송대, 청주, 광주 유덕, 대구, 송파 시설을 조사대상으로 선정하였다. 시설 특성을 반영한 시계열별 운영 및 분석 데이터 제공을 목적으로 3∼7월 동안 반입량, 온도, pH, 가스발생량, 유기물부하량(kg/(m³ ·day)), 메탄농도, 체류시간 등을 조사하였다.
지침서에 적용되는 대상은 가축분뇨 원료의 기존/신규 소화조, 가축분뇨와 다른 유기원료를 병합 처리하는 기존/신규 소화조, 집중형(Centralized) 소화조 및 병합소화조, 최종 에너지산물(전력, 바이오가스) 등이다.
현재 운영 중인 음식물류폐기물 바이오가스화 시설을 대상으로 현장조사를 실시하였다. 음식물류폐기물 바이오가스화 시설의 일반적인 처리흐름에 따라 현장 조사를 진행하였으며, 각 공정별 발생하기 쉬운 문제점들은 [Table 4]와 같다.

이론/모형

식품공정시험법6 (제 10. 일반시험법, 1.1.3.1 나. 단백질 분석기를 이용하는 방법; 1.1.5.1.1. 에테르추출법)에 근거하여 단백질과 지방을 분석하였다.
탄수화물은 식품공정시험법6 (제 10. 일반시험법, 1.1)에 근거하여 수분, 회분, 지방과 단백질 함량 분석 값을 이용하여 도출하였다(아래의 계산식 참고).
폐기물공정시험방법⁵ 에 명시된 삼성분 분석법을 바탕으로 시료의 수분, 가연분, 회분 등 함량(무게 % 기준)을 나타내었다. 가연분 함량과 회분 함량을 아래의 계산식에 적용하여 총고형물(TS)의 함량과 휘발성고형물(VS)의 함량을 계산하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2012년 국내 음식물류폐기물 발생량은 어느정도인가?	폐기물의 해양배출 기준 강화와 함께 해양환경관리법에 따라 2013년부터 육상에서 발생되는 음식물류폐기물의 해양배출(Ocean dumping)이 전면 금지되었다. 2012년 국내 음식물류폐기물 발생량은 전체 생활폐기물의 25.61 %인 13,036.9 톤/일 규모로 배출되고 있으며, 처리비용은 최근 3년 동안 그 규모가 3배 이상 급증하고 있다2. 최근 음식물류폐기물은 바이오매스 에너지원으로써 새로운 신재생에너지원으로 각광받고 있다.
	유기성폐기물의 직매립은 언제 금지되었는가?	유기성폐기물(음식물류폐기물 및 음폐수)의 직매립이 2005년 1월부터 금지되었다1. 폐기물의 해양배출 기준 강화와 함께 해양환경관리법에 따라 2013년부터 육상에서 발생되는 음식물류폐기물의 해양배출(Ocean dumping)이 전면 금지되었다.
	국내 바이오가스화 시설 운전의 문제점은 무엇인가?	유기성폐기물의 해양투기 금지와 함께 바이오가스화 시설의 신규건설이 본격적으로 이루어지고 있다. 그러나 운전 효율성(메탄가스 생성률, 유기성 분해율 등)은 처리효율 기준에 미치지 못하고 있는 시설들이 많은 실정이며, 운전 및 유지관리 기술 부족 등의 문제로 정상 가동률에 미치지 못하는 사례가 많았다. 또한 국내 바이오가스화 시설은 음식물류폐기물의 특성을 반영한 설계 및 운전 지침이 없는 실정이다.

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