바이오가스 이용 기술지침 마련을 위한 연구(I) - 현장조사 결과 중심으로 A Study on Establishment of Technical Guideline of the Installation and Operation for the Biogas Utilization of Power Generation and Stream - Results of the Field Investigation원문보기
본 연구는 유기성폐자원(가축분뇨, 음식물류폐기물, 음식물류폐수 등)의 바이오가스 이용에 대한 적정 설계 및 운전 기술지침서 마련하고자 현장조사와 정밀모니터링 등을 실시하였다. 정부의 중장기 바이오가스화 정책에 따라 폐자원의 자원화 시설 확충이 활발히 추진되고 있다. 하지만 생산된 바이오가스를 이용하여 발전 및 스팀으로 활용하는 시설은 효율이 아직은 저조하고 잦은 고장이 발생되고 있다. 현재 운영 중인 바이오가스화 11개소를 대상으로 바이오가스 이용 공정별 특징 및 문제점을 분석하고 혐기소화조 현장 시료의 계절별 정밀모니터링을 실시하여 바이오가스 이용 공정 흐름에 따른 설계 운영 가이드라인을 제시하였다. 현장조사 수행 결과, 바이오가스 이용 공정에서 바이오가스의 적정 제습, 황화수소전처리, 발전시설의 적정처리 등이 주요 문제점으로 조사되었다. 따라서 유기성폐자원의 바이오가스화 시설의 단점을 보완하고 바이오가스 이용 최적화 방안을 마련하기 위하여 현장지설에 대한 정밀조사를 실시하여 공정별 문제점들을 정리하였다.
본 연구는 유기성폐자원(가축분뇨, 음식물류폐기물, 음식물류폐수 등)의 바이오가스 이용에 대한 적정 설계 및 운전 기술지침서 마련하고자 현장조사와 정밀모니터링 등을 실시하였다. 정부의 중장기 바이오가스화 정책에 따라 폐자원의 자원화 시설 확충이 활발히 추진되고 있다. 하지만 생산된 바이오가스를 이용하여 발전 및 스팀으로 활용하는 시설은 효율이 아직은 저조하고 잦은 고장이 발생되고 있다. 현재 운영 중인 바이오가스화 11개소를 대상으로 바이오가스 이용 공정별 특징 및 문제점을 분석하고 혐기소화조 현장 시료의 계절별 정밀모니터링을 실시하여 바이오가스 이용 공정 흐름에 따른 설계 운영 가이드라인을 제시하였다. 현장조사 수행 결과, 바이오가스 이용 공정에서 바이오가스의 적정 제습, 황화수소 전처리, 발전시설의 적정처리 등이 주요 문제점으로 조사되었다. 따라서 유기성폐자원의 바이오가스화 시설의 단점을 보완하고 바이오가스 이용 최적화 방안을 마련하기 위하여 현장지설에 대한 정밀조사를 실시하여 공정별 문제점들을 정리하였다.
The purpose of this study is to provide a design and operation technical guideline for meeting the appropriate design criteria to biogas utilization treating organic wastes. In accordance with the government's mid-to long-term policies on bio-gasification and energization of organic wastes, the expa...
The purpose of this study is to provide a design and operation technical guideline for meeting the appropriate design criteria to biogas utilization treating organic wastes. In accordance with the government's mid-to long-term policies on bio-gasification and energization of organic wastes, the expansion of the waste-to-energy (WTE) facilities is being remarkably promoted. However, because of the limitation of livestock manure containing low-concentration of volatile solids, there has been increased in combined bio-gasification without installing new anaerobic digestion facilities. The characteristics and common problems of each treatment processes were investigated for on-going 11 bio-gasification facilities. The seasonal precision monitoring of chemicophysics analysis on anaerobic digestor samples was conducted to provide guidelines for design and operation according to the progress of biogas utilization. Consequently, Major problems were investigated such as large deviation of organic materials depending on seasons, proper dehumidification of biogas, pretreatment of hydrogen sulfide, operation of power generation and steam. This study was conducted to optimize biogas utilization of type of organic waste(containing sewage sludge and food waste, animal manure), research the facilities problem through field investigation.
The purpose of this study is to provide a design and operation technical guideline for meeting the appropriate design criteria to biogas utilization treating organic wastes. In accordance with the government's mid-to long-term policies on bio-gasification and energization of organic wastes, the expansion of the waste-to-energy (WTE) facilities is being remarkably promoted. However, because of the limitation of livestock manure containing low-concentration of volatile solids, there has been increased in combined bio-gasification without installing new anaerobic digestion facilities. The characteristics and common problems of each treatment processes were investigated for on-going 11 bio-gasification facilities. The seasonal precision monitoring of chemicophysics analysis on anaerobic digestor samples was conducted to provide guidelines for design and operation according to the progress of biogas utilization. Consequently, Major problems were investigated such as large deviation of organic materials depending on seasons, proper dehumidification of biogas, pretreatment of hydrogen sulfide, operation of power generation and steam. This study was conducted to optimize biogas utilization of type of organic waste(containing sewage sludge and food waste, animal manure), research the facilities problem through field investigation.
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문제 정의
본 연구는 유기성폐자원(하수슬러지, 음식물류, 가축분뇨 등) 바이오가스화 시설의 바이오가스 생산 및 이용(발전⋅스팀)을 최적화하기 위한 바이오가스화시설에서 메탄 생산량을 극대화하고, 생산된 바이오가스를 최대한 이용할 수 있는 공정별 설계 및 운전 가이드 기술지침서를 제안하고자 한다.
본 연구에서는 유기성폐자원의 바이오가스 생산 및 이용을 최적화를 위해 현장시설의 정밀모니터링과 시설 별 에너지수지를 분석하고, 현장문제 해결방안에 대해서 조사하여 전처리시설 및 발전기 등의 설계 및 운전 가이드라인을 제시하고자 한다.
투입된 기질이 전량 메탄과 이산화탄소 등의 바이오가스로 전환된다고 가정하였을 때, 아래의 식[Eq-2]로 이론적 메탄가스 발생량을 산정할 수 있다. 본 연구에서는 유입물의 영양성분 분석 값을 활용하여 정밀모니터링 대상 시설의 이론적 메탄가스 발생량을 도출하였다.
가설 설정
주2) 음폐수의 측정발열량은 음식물과 동일한 것으로 간주함.
제안 방법
11개소 정밀모니터링 시설의 2016년 운전기간 자료를 수집하여 실제 현장에서 발생되는 메탄가스 발생량을 산정하였다. 또한 실제 데이터와 이론적 메탄가스 발생량을 비교하여 시설의 운전 효율을 점검하였다.
기기분석시 Standard method 5560D. gas chromatographic method 4.a에 근거하여 Diethylether 액상 시약으로 전처리된 용액을 추출하고 GC 기기 (GC-FID, Aglient 6890, USA)를 이용하여 분석하였다. 수분석시 원심분리기로 분리한 상등액을 취하여 분석을 실시하였다.
계절 별 소화조 내 미생물 군유전체의 양상을 확인하고자 분자생물학적 시퀸싱 (Sequencing) 분석을 실시하였다. 정상 운전상태의 정밀모니터링 대상 시설 중 11개소의 혐기소화조 유출액에 존재하는 박테리아와 고세균 (Archaea)의 염기 서열을 증폭/추출하여 rRNA 데이터베이스와 상동성을 비교하였다.
대상 시료를 105 ℃로 4시간 완전 건조시켜 수분을 제거한 후, 입경 0.05 mm 이하의 미세분말 상태로 분쇄하여 C, H, O, N, S의 원소 함량 (%)을 분석하였다 (원소분석기, Leco Co. 628 series, 2012).
11개소 정밀모니터링 시설의 2016년 운전기간 자료를 수집하여 실제 현장에서 발생되는 메탄가스 발생량을 산정하였다. 또한 실제 데이터와 이론적 메탄가스 발생량을 비교하여 시설의 운전 효율을 점검하였다.
또한 워크숍 및 전문가 자문회의 등 의견 수렴과정을 거쳐 기술지침서(안)을 수정⋅보안하였다.
바이오가스화의 에너지수지 분석기준으로 유입원료에서 기인하는 유입에너지는 유입원료의 고위발열량을 기준으로 산정하였으며, 유출에너지는 생산 바이오가스 중 메탄의 고위발열량을 기준으로 하여 산정하였다. 바이오가스 시설의 에너지수지 분석기준으로는 바이오가스 발전에 의한 전력 생산을 고려하여 전기에너지(Wh)를 기준 단위로 산출하였다.
음식물/음폐수 단독처리 시설 5개소(동대문, 청주, 전주, 수도권매립지, 광주 유덕), 가축분뇨 병합처리 시설 2개소 (정읍, 논산), 하수슬러지 단독 및 병합처리 시설 4개소 (안산, 서울 서남, 군산, 부천)을 대상으로 시설의 특성을 반영한소화조 유입, 유출 등의 사계절 샘플링을 진행하였다. 바이오가스 이용 가이드라인 수치를 제시하기 위해 메탄가스 발생량과 가스성분 함량과 수분함량을 조사하였다.
바이오가스에 대부분의 성상은 메탄과 이산화탄소이며,이를 측정하기 위해 BIOGAS 5000 (Geotechnical Instruments (UK))을 사용하였고, 각 항목의 측정 범위 및 오차범위는 CH4: 0~70 % ±0.5 %(vol), CO2:0~60 % ±0.5 %(vol), O2: 0~14 % ±1.0 %(vol), H2S:0~10,000 ppm ±5.0 %(오차범위), NH3: 0~1,000 ppm±1.0 %(오차범위)이다.
바이오가스의 메탄 발생량과 성상 및 수분함량을 조사하기 위한 가스포집은 소화조 후단, 탈황설비 후단 및 제습설비 후단에서 실시하였으며, 성상 측정값은 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 황화수소(H2S), 암모니아(NH3)이며, 수분함량 측정을 위해 배출가스의 노점온도(dew point temperature) 및 절대습도(absolute humidity)와 가스온도 및 상대습도(relative humidity)를 측정하였다.
바이오가스화의 에너지수지 분석기준으로 유입원료에서 기인하는 유입에너지는 유입원료의 고위발열량을 기준으로 산정하였으며, 유출에너지는 생산 바이오가스 중 메탄의 고위발열량을 기준으로 하여 산정하였다. 바이오가스 시설의 에너지수지 분석기준으로는 바이오가스 발전에 의한 전력 생산을 고려하여 전기에너지(Wh)를 기준 단위로 산출하였다.
소화조에서 발생한 바이오가스는 많은량의 수증기를 포함하고 있으며, 제습효과 및 바이오가스 효율화 분석을 위해 노점계(S505 Sensor)를 이용하여 시설 지점 별 바이오가스의 노점온도(℃)와 절대습도(g/m3), 가스온도(℃)에 따른 상대습도(%)를 측정하였다.
유기성폐자원 바이오가스화 8개의 시설에 대해서 에너지수지를 분석하고자 하였으며, 에너지수지 분석은 Fig. 3.과 같이 다양한 유기성폐자원의 원료 유입에서 기원하는 유입에너지와 바이오가스화 설비운전을 위한 전력 소비에너지를 유입에너지로 설정하였으며, 유출에너지는 혐기소화를 통한 바이오 메탄의 잠재에너지와 혐기소화조에서 유출되는 미분해 유기물의 잠재에너지로 산정하고자 하였다.
계절 별 소화조 내 미생물 군유전체의 양상을 확인하고자 분자생물학적 시퀸싱 (Sequencing) 분석을 실시하였다. 정상 운전상태의 정밀모니터링 대상 시설 중 11개소의 혐기소화조 유출액에 존재하는 박테리아와 고세균 (Archaea)의 염기 서열을 증폭/추출하여 rRNA 데이터베이스와 상동성을 비교하였다.
하수슬러지와 음식물류폐기물 (또는 음폐수), 가축분뇨를 단독 또는 병합처리하는 바이오가스화 시설에 대한 기초자료 수집 및 운전현황을 파악하기 위하여 현장조사를 실시하였다. 바이오가스 생산 및 이용공정의 설계⋅운전 사항에 대한 특징 및 문제점을 조사하기 위해 전국 12개 시설 (동대문, 청주,전주, 수도권매립지, 광주 유덕, 고창, 정읍, 논산, 안산, 서울 서남, 군산, 부천)을 대상으로 현장조사를 수행하였다.
현장조사 대상 시설 중 설비 고장으로 고창에 축분 바이오가스화시설을 제외한 11개소를 선정하여기술지침서(안) 마련을 위한 기초분석과, 바이오가스 분석을 실시하였다. 음식물/음폐수 단독처리 시설 5개소(동대문, 청주, 전주, 수도권매립지, 광주 유덕), 가축분뇨 병합처리 시설 2개소 (정읍, 논산), 하수슬러지 단독 및 병합처리 시설 4개소 (안산, 서울 서남, 군산, 부천)을 대상으로 시설의 특성을 반영한소화조 유입, 유출 등의 사계절 샘플링을 진행하였다.
대상 데이터
바이오가스 생산 및 이용공정의 설계⋅운전 사항에 대한 특징 및 문제점을 조사하기 위해 전국 12개 시설 (동대문, 청주,전주, 수도권매립지, 광주 유덕, 고창, 정읍, 논산, 안산, 서울 서남, 군산, 부천)을 대상으로 현장조사를 수행하였다.
현장조사 대상 시설 중 설비 고장으로 고창에 축분 바이오가스화시설을 제외한 11개소를 선정하여기술지침서(안) 마련을 위한 기초분석과, 바이오가스 분석을 실시하였다. 음식물/음폐수 단독처리 시설 5개소(동대문, 청주, 전주, 수도권매립지, 광주 유덕), 가축분뇨 병합처리 시설 2개소 (정읍, 논산), 하수슬러지 단독 및 병합처리 시설 4개소 (안산, 서울 서남, 군산, 부천)을 대상으로 시설의 특성을 반영한소화조 유입, 유출 등의 사계절 샘플링을 진행하였다. 바이오가스 이용 가이드라인 수치를 제시하기 위해 메탄가스 발생량과 가스성분 함량과 수분함량을 조사하였다.
이론/모형
CODcr은 수질오염공정시험기준의16) 화학적 산소요구량-적정법-다이크롬산칼륨법(ES 04315.3)에 준하여 분석하였고, 암모니아성 질소는 자외선/가시선 분광법(ES 04355.1), 총 질소는 자외선/가시건 분광법-산화법(ES 04363.1), 인은 총 인 자외선/가시선 분광법(ES 04362.1), 인산염인 자외선/가시선 분광법-아스코빈산환원법(ES 04360.2)로 모두 수질오염공정시험기준에16) 근거하여 분석을 실시하였다.
1)에 근거하여 시료의 수분, 고형물의 양 (무게 % 기준)을 나타내었다. 산출된 수분과 총 고형물 (TS) 함량을 강열감량 및 유기물 함량중량법(ES 06301.1b)의 내용을 활용한 아래 계산식에 적용하여 가연분 (VS)과 회분 (FS)의 함량을 산정하였다.
식품공정시험법15) (제 7. 일반시험법, 1.1.3.1 나. 단백질 분석기를 이용하는 방법; 1.1.5.1.1. 에테르추출법)을 바탕으로 단백질과 지방을 분석하였다. 탄수화물은 식품공정시험법15) (제 7.
유기성폐자원은 바이오가스화 과정에서 최종적으로 이산화탄소와 메탄으로 전환된다. 유기물의 구성 원소 (C, H, O, N)로 부터 발생되는 메탄가스 발생량은 Tchobanoglous et al. (1993)19)의 화학적 양론식 [Eq-1]을 이용하여 산정한다.
에테르추출법)을 바탕으로 단백질과 지방을 분석하였다. 탄수화물은 식품공정시험법15) (제 7. 일반시험법, 1.1.4 탄수화물)에 근거하여 다음의 식과 같이 수분, 회분, 지방과 단백질 함량 분석 값을 이용하여 도출하였다.
폐기물공정시험기준14)에 명시된 수분 및 고형물중량법(ES 06303.1)에 근거하여 시료의 수분, 고형물의 양 (무게 % 기준)을 나타내었다. 산출된 수분과 총 고형물 (TS) 함량을 강열감량 및 유기물 함량중량법(ES 06301.
휘발성지방산은 GC-FID를 이용한 기기분석17)과황산을 이용한 적정법18) (이하 수분석법)에 따라 실험을 수행하였다. 기기분석시 Standard method 5560D.
성능/효과
1),2) 하수슬러지의경우, 2003년도 이후 연 4.6 % 씩 증가하고 있는 추세이고 15년 기준 전국 625개 공공하수처리시설(500 m3/d 이상)에서 약 10,527 ton/d 발생하였다.2),3) 음식물폐기물의 경우, 전국 346개소에서 13,903 ton/d 처리하고 있으며,4) 가축분뇨의 발생량은 173,304 m3/d로 돼지의 경우 91,834 m3/d 약 53 % 발생량을 나타내고 있다.
6 % 씩 증가하고 있는 추세이고 15년 기준 전국 625개 공공하수처리시설(500 m3/d 이상)에서 약 10,527 ton/d 발생하였다.2),3) 음식물폐기물의 경우, 전국 346개소에서 13,903 ton/d 처리하고 있으며,4) 가축분뇨의 발생량은 173,304 m3/d로 돼지의 경우 91,834 m3/d 약 53 % 발생량을 나타내고 있다.5) 돼지의 경우 분(糞) 0.
후속연구
따라서 유기성폐자원의 바이오가스화 시설의 단점을 보완하고 바이오가스 생산⋅이용 최적화 방안을 마련과 혐기성소화조 및 시설 운전 효율 개선 및 안정적인 운영을 도모해야한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오가스 이용 최적화 방안 마련에 있어 고려해야할 문제점은?
현재 운영 중인 바이오가스화 11개소를 대상으로 바이오가스 이용 공정별 특징 및 문제점을 분석하고 혐기소화조 현장 시료의 계절별 정밀모니터링을 실시하여 바이오가스 이용 공정 흐름에 따른 설계 운영 가이드라인을 제시하였다. 현장조사 수행 결과, 바이오가스 이용 공정에서 바이오가스의 적정 제습, 황화수소 전처리, 발전시설의 적정처리 등이 주요 문제점으로 조사되었다. 따라서 유기성폐자원의 바이오가스화 시설의 단점을 보완하고 바이오가스 이용 최적화 방안을 마련하기 위하여 현장지설에 대한 정밀조사를 실시하여 공정별 문제점들을 정리하였다.
유기성폐자원의 바이오가스화란?
유기성폐자원의 바이오가스화는 혐기소화를 통한 메탄가스(CH4)를 생산하는 시설로 현 상황에 대응하는 방안으로 15년도 기준 전국 61 개소의 하수처리장에서 하수슬러지 소화시설을 운영 중에 있다.3),9),10)국내 유기성폐자원의 바이오가스화 시설은 신규설치가 많이 이루어지는 반면, 시설의 메탄가스 생산량이 아직 미흡하거나 생산된 바이오가스를 이용하지 못하는 경우가 많은 실정이며, 15년도 유기성 폐자원 바이오가스화 시설 중 하수슬러지를 이용한바이오가스 발생량은 10.
국내 유기성폐자원의 바이오가스화 시설의 현황은 어떠한가?
유기성폐자원의 바이오가스화는 혐기소화를 통한 메탄가스(CH4)를 생산하는 시설로 현 상황에 대응하는 방안으로 15년도 기준 전국 61 개소의 하수처리장에서 하수슬러지 소화시설을 운영 중에 있다.3),9),10)국내 유기성폐자원의 바이오가스화 시설은 신규설치가 많이 이루어지는 반면, 시설의 메탄가스 생산량이 아직 미흡하거나 생산된 바이오가스를 이용하지 못하는 경우가 많은 실정이며, 15년도 유기성 폐자원 바이오가스화 시설 중 하수슬러지를 이용한바이오가스 발생량은 10.99 m3/ton이며, 음식물 72m3/ton, 가축분뇨 14.
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