[논문]가축분뇨 병합처리 바이오가스화를 위한 설계 및 운전 기술지침 마련 연구(III) 설계 및 운전 지침(안) 중심으로

이동진; 문희성; 손지환; 배지수

doi:10.17137/korrae.2017.25.3.99

가축분뇨 병합처리 바이오가스화를 위한 설계 및 운전 기술지침 마련 연구(III) 설계 및 운전 지침(안) 중심으로
A Study on Establishment of Technical Guideline of the Installation and Operation for the Efficient Bio-gasification Facility of Pig Manure and Food Waste(III): Design and Operation Guideline 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.25 no.3, 2017년, pp.99 - 111

이동진 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과) , 문희성 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과) , 손지환 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과) , 배지수 (국립환경과학원 폐자원에너지연구과)

초록
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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.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to provide a design and operation technical guideline for meeting the appropriate design criteria to bio-gasification facilities treating organic wastes. Based on the results obtained during the field surveys, the overall design and operation guidelines for bio-gasification facilities, monitoring items, cycle and commissioning period were presented. According to the flow of anaerobic digestion process, Various design factors for bio-gasification facilities were proposed in this study. When designing the initial anaerobic digestion capacity, 10 ~ 30% of the treatment capacity was applied considering the discharge characteristics by the incoming organic wastes. At the import storage hopper process, limit concentration of transporting organic wastes was limited to TS 10 % or less, and limit concentration of inhibiting factor was suggested in operation of anaerobic digester. In addition, organic loading rate (OLR) was shown as $1.5{\sim}4.0kgVS_{in}/(m^3{\cdot}day)$ for the combined bio-gasification facilities of animal manure and food wastes. Desulfurization and dehumidification methods of biogas from anaerobic digestor and proper periods of liquifization tank were suggested in design guideline. It is recommended that the operating parameters of the biogasification facilities to be maintained at pH (acid fermentation tank 4.5~6.5, methane fermentation tank 6.0~8.0), temperature variation range within $2^{\circ}C$, management of volatile fatty acid and ammonia concentration less than 3,000 mg/L, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 가축분뇨 및 음식물류폐기물 바이오가스화 시설에 대한 현장조사, 정밀모니터링, 농가 발생원 특성 조사 등을 실시하여 현장 문제점 및 물리·화학적 특성 등을 조사하고, 바이오가스화 시설의 설계지침(안), 운전지침(안), 모니터링 항목 및 주기, 시운전 및 성능보증 기간 등을 운영관리 지침서(안)에 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 가축분뇨와 음식물류폐기물 병합처리 바이오가스화 시설에 대한 운영 실태조사를 기반으로 바이오가스화 시설의 세부 검사방법에 대한 적정성을 검토하여 기술지침(안)을 제한하고자 한다.

제안 방법

2. 바이오가스화 시설에 유입되는 농가 발생원(축사) 15 곳을 대상으로 가축 분뇨 성상분석을 실시하였다. 농가 발생 가축분뇨의 평균 TS 함량은 10.
4. 병합처리 바이오가스화 시설의 효율성 증대를 확보하기 위해 시설용량 산정 및 공정별 설계 고려사항 등을 제시하였다. 시설용량은 각 유입 원료별 배출특성을 고려하여 처리용량의 10~30 %의 여유율을 적용하여 산정하였다.
공정별 지침(안)은 반입· 전처리설비에 TS 10 %의 유입물 제한농도, 저류조는 유효용량의 3일 이상 등, 혐기성소화 설비에 저해요인의 운영관리 농도, 병합 기준 유기물부하율 1.5~4.0 kgVSin/(m3·day) 등, 소화가스 이용설비에는각 원료의 가스발생량을 산술·적용한 가스저장조의 설계, 탈황 및 습기 제거 방법 등, 폐수처리 및 액비화 시설에는 호기액비화조의 적정 운영인자 등, 악취 제거 설비에는 공정별 환기횟수 및 모니터링 농도기준 마련 등을 제안하였다.
또한 바이오가스화 시설의 정상운영 여부를 파악할 수 있도록 운전 모니터링 인자 및 측정·기록 주기를 제공하였다.
병합처리 바이오가스화 시설의 효율성 증대를 확보하기 위해 시설용량 산정 및 공정별 설계 고려사항 등을 제시하였다. 시설용량은 각 유입 원료별 배출특성을 고려하여 처리용량의 10~30 %의 여유율을 적용하여 산정하였다. 공정별 지침(안)은 반입· 전처리설비에 TS 10 %의 유입물 제한농도, 저류조는 유효용량의 3일 이상 등, 혐기성소화 설비에 저해요인의 운영관리 농도, 병합 기준 유기물부하율 1.
가축분뇨 병합처리 바이오가스화 시설의 운전인자 및 저해요인 등을 고려하여야 한다. 운전 지침(안)은 운전인자에 대하여 pH (산발효조 4.5~6.5, 메탄발효조 6.0~8.0), 온도 (중온 35~42 ℃, 고온 50~60 ℃, 단, 온도 변화폭 2 ℃ 이내) 등이며, 저해 인자에 대하여 휘발성지방산(VFAs) (3,000 mg/L 이하), 암모니아 (3,000 mg/L 이하), 탈황 방안 등을 마련하였다. 또한 바이오가스화 시설의 정상운영 여부를 파악할 수 있도록 운전 모니터링 인자 및 측정·기록 주기를 제공하였다.

대상 데이터

1. 운영 중인 가축분뇨 및 음식물류폐기물 바이오가스화 시설 9 개소를 대상으로 정밀모니터링을 실시하였다. 정밀모니터링 결과, VS 기준 유기물분해율은 59.
이 특집원고는 총 3편으로 구성되어 있으며, 1편은 유기물자원화 25권 2호에 게재되었으며, 3편이 마지막입니다.

성능/효과

3. 회분식 분석결과, 가축분뇨 대비 음폐수 비율이 60 : 40 ~ 40 : 60에서 적정 혐기성소화 조건인100 gTS/L 이하, pH 6.0~8.0, 알칼리도 1 gCaCO3/L 이상, TN 6 g/L 이하, COD/N 12~30로 초기 혐기소화의 적정 비율이라 할 수 있다. 연속식 반응기 분석 결과, 음폐수의 비율이 높아질수록 메탄 발생량은 0.
067 낮아지며 확고한 안정성을 보였다. 결과적으로 기질 내 음폐수의 병합비율이 증가할수록 메탄생성율은 증가하지만 휘발성지방산/알칼리도는 낮아져서, 가축분뇨를 약 40 % 정도 투입할 때까지 메탄생성율이 현저히 낮아지지 않으면서 소화조의 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
바이오가스화 시설에 유입되는 농가 발생원(축사) 15 곳을 대상으로 가축 분뇨 성상분석을 실시하였다. 농가 발생 가축분뇨의 평균 TS 함량은 10.6%, VS 함량은 7.6 %로 분석되었고, 바이오가스화 시설로 유입은 평균 TS 함량 3.9 %, VS 함량 2.8 % 으로 농가에서 약 60 % 이상 감소되어 바이오가스화 시설로 유입되었다. 또한 휘발성지방산은 평균 12,895 mg/L, TN 6,804 mg/L, NH3-N은 4,403 mg/L 등으로 조사되었다.
0, 알칼리도 1 gCaCO3/L 이상, TN 6 g/L 이하, COD/N 12~30로 초기 혐기소화의 적정 비율이라 할 수 있다. 연속식 반응기 분석 결과, 음폐수의 비율이 높아질수록 메탄 발생량은 0.3 Sm³CH₄/kgVS에서 0.4 Sm³CH₄/kgVS로 증가하는 경향이었으나, 안정성 인자인 휘발성지방산/알칼리도 비율은 0.156에서 0.067 낮아지며 확고한 안정성을 보였다. 결과적으로 기질 내 음폐수의 병합비율이 증가할수록 메탄생성율은 증가하지만 휘발성지방산/알칼리도는 낮아져서, 가축분뇨를 약 40 % 정도 투입할 때까지 메탄생성율이 현저히 낮아지지 않으면서 소화조의 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
원소분석시 혐기성소화조의 C/N비는 유입 10.7, 유출 8.7로 나타났으며, 혐기성소화조 유출수의 휘발성지방산은 1,137 mg/L, NH3-N은 유입 2,430 mg/L, 유출 2,918 mg/L 등으로 조사되었다.
정밀모니터링 결과, VS 기준 유기물분해율은 59.7 %, CODcr 제거율은 68.2 %, 메탄가스생성율은 0.36 Sm3CH4/kgVS, 영양성분 제거율은 탄수화물 71.3 %, 지방 60.9 %, 단백질 7.0 % 등으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오가스화 시설 설계시 시설용량 산정에서 10~30% 여유를 두는 이유는 무엇인가?	음식물류폐기물은 지역별, 계절별, 요일별 배출 특성을 고려하여야 하며, 그 배출량 변동 폭이 매우 크다 (Fig. 15 참고).20 또한 가축분뇨는 Fig. 16과 같이 농가 발생원 형태별 (재래식, 슬러리, 스크래퍼,톱밥 돈사 등), 가축 종류별 (자돈, 육성돈, 비육돈, 모돈, 임신돈 등)에 의하여 배출량 및 농도가 매우 상이하게 배출된다. 따라서 바이오가스화 시설 설계시 시설용량 산정은 그 특성을 반영하여, 여유율로 시설용량의 약 10∼30 % 정도를 감안하여야 한다.
	음식물류폐기물은 무엇을 고려하는가?	음식물류폐기물은 지역별, 계절별, 요일별 배출 특성을 고려하여야 하며, 그 배출량 변동 폭이 매우 크다 (Fig. 15 참고).
	유기성폐자원은 무엇이 있는가?	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.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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