[논문]바이오가스 이용 기술지침 마련을 위한 연구(II) - 정밀모니터링 결과 중심으로

문희성; 배지수; 박호연; 전태완; 이영기; 이동진

doi:10.17137/korrae.2018.26.1.65

바이오가스 이용 기술지침 마련을 위한 연구(II) - 정밀모니터링 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 Precision Monitoring 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.26 no.1, 2018년, pp.65 - 78

문희성 (국립환경과학원 환경자원연구부) , 배지수 (국립환경과학원 환경자원연구부) , 박호연 (국립환경과학원 환경자원연구부) , 전태완 (국립환경과학원 환경자원연구부) , 이영기 (국립환경과학원 환경자원연구부) , 이동진 (국립환경과학원 환경자원연구부)

초록
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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. 전국 11개소 유기성폐자원 바이오가스화 시설을 대상으로 정밀모니터링을 실시하였다. 사계절 평균으로 정밀모니터링 결과를 정리하였을 때, 유기성폐자원 별 효율성 분석에서 유기성분해율은 VS기준 음식물/음폐수는 68.2 %, 가축분뇨는 66.8 %, 하수슬러지의 경우 46.2 %로 전체 평균 58.8 %로 분석되었다. 전처리 전후 바이오가스 성상을 분석한 결과 철염 및 탈황(건식, 습식)을 이용하여 전체 시설의 $H_2S$ 평균은 560 ppm으로 측정되었으며, 저감효율이 90% 이상인 경우 약 40 ppm 까지 감소할 수 있는 것을 확인하였다. 특히 소화조 내에 철염을 투입하면 처리효율 약 93 %이며, 평균 150 ppm까지 감소하는 것을 확인하였다. 제습의 경우 노점온도를 적용한 절대습도와 가스온도에 따른 상대습도를 분석하였으며, 제습설비가 유지보수가 잘되어 가동 중인 시설의 노점온도는 $14^{\circ}C$, 절대습도는 $12.6g/m^3$이며, 상대습도는 35 %로 측정되었다. 따라서 유기성폐자원의 바이오가스화 시설의 단점을 보완하고 바이오가스 이용 최적화 방안을 마련하기 위하여 정밀모니터링을 실시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

According to the in social aspects such as population growth, urbanization and industrialization, development of livestock industry by meat consumption, amount of organic wastes (containing sewage sludge and food waste, animal manure, etc) has been increased annually in South Korea. Precise monitoring of 11 organic wastes biogas facilities were conducted. The organic decomposition rate of organic wastewater was 68.2 % for food wastes, 66.8 % for animal manure and 46.2 % for sewage sludge and 58.8 % for total organic wastes. As a result of analyzing the biogas characteristics before and after the pretreatment, the total average of the whole facility was measured to be 560 ppm using iron salts and desulfurization, and decreased to 40 ppm when the reduction efficiency was above 90 %. Particularly, when iron salt is injected into the digester, the treatment efficiency is about 93 %, and the average is reduced to 150 ppm. In the case of dehumidification, the absolute humidity and the relative humidity were analyzed. The dew point temperature of the facility where the dehumidification facility was well maintained as $14^{\circ}C$, the absolute humidity was $12.6g/m^3$, and the relative humidity was 35 %. Therefore, it is necessary to compensate for the disadvantages of biogasification facilities of organic waste resources and optimize utilization of biogas and improve operation of facilities. This study was conducted to optimize biogas utilization of type of organic waste(containing sewage sludge and food waste, animal manure) through precision monitoring.

주제어

AI 본문요약
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대상 데이터

이 특집원고는 총 3편으로 구성되어 있으며, 1, 2편은 유기물자원화 26권 1호에 게재되었으며, 3편은 유기물자원화 26권 2호에 게재될 예정입니다.

이론/모형

Angelidaki and Sanders (2004)가²⁴⁾ 제시한 Table 8.의 기질별 이론적 메탄 수율을 활용하여 이론적인 메탄가스 발생량을 산정하였다. 영양성분 조성식에 따른 잠재적인 이론 메탄가스 발생량은 각각 단백질 0.

성능/효과

7 %, VS 함량은 9. 1%, VS 기준 평균 유기물분해율은 68.2 %로 나타났다. 단 유입방식의 차이로 DM 시설의 값을 제외하면 평균 TS 함량은 8.
8 %로 나타났다. 가축분뇨 바이오가스화 시설의 유입물 평균 TS 함량은 8.6 %, VS 함량은 7.0 %, VS 기준 평균 유기물분해율은 66.8 %로 나타났으며, 하수슬러지 바이오가스화 시설의 유입물 평균 TS 함량은 4.5 %, VS 함량은 3.2 %, VS 기준 평균 유기물분해율은 46.2 %로 나타났다.
9 %증가하였으며, NH₃-N은 감소하는 추세이다. 가축분뇨 시설의 총 질소 (TN)는 32.6 %증가하였으며, NH₃-N은 감소하는 추세이다. 하수슬러지 시설의 총 질소 (TN)는 6.
409 Nm³CH₄/kgCODcr이다. 가축분뇨 폐기물 평균 메탄가스 발생량 실측치는 VS 기준 0.250 Nm³CH₄/kgVS, CODcr 기준 0.251 N³CH₄/kgCODcr로 나타났으며, 평균 유기물분해율인 66.8 % (VS)와 65.5 % (CODcr)를 적용할 경우, 0.375 Nm³CH₄/kgVS, 0.383 Nm³CH₄/kgCODcr이며, 하수슬러지 폐기물 평균 메탄가스 발생량 실측치는 VS 기준 0.199 Nm³CH₄/kgVS, CODcr 기준 0.251 Nm³CH4/_kgCODcr로 나타났으며, 평균 유기물분해율인 46.2 % (VS)와 45.1 % (CODcr)를 적용할 경우, 0.430 Nm³CH₄/kgVS, 0.556 Nm³CH₄/kgCODcr이다.
2 %로 나타났다. 단 유입방식의 차이로 DM 시설의 값을 제외하면 평균 TS 함량은 8.9 %, VS 함량은 7.6 %, VS 기준 평균 유기물분해율은 76.8 %로 나타났다. 가축분뇨 바이오가스화 시설의 유입물 평균 TS 함량은 8.
9 %로 감소하였다. 반면 제습시설이 미흡한 시설인 JJ, GJ, BC, SN, AS, GS는 절대습도 24.6 g/m³ 에서 전처리 후 26.5 g/m³으로 증가하였고, 상대습도도 83.7 %에서 86.7 %로 증가하였다.
7로 나타났다. 분석결과 하수슬러지 처리시설의 C/N비가 음식물/음폐수와 가축분뇨 처리시설의 값보다 낮은 경향을 보였다. 이는 하수슬러지 단독으로 바이오가스화 할 때 낮은 C/N비로 소화의 저해요소를 갖지만, 고영양원(탄소)인 음식물/음폐수와 가축분뇨는 탄소함량이 더 높아 바이오가스 발생에 도움 줄 것으로 판단된다.
과 같다. 소화조 후단에서 측정한 평균 결과, 음식물/음폐수의 경우 ,노점온도 26.8 ℃, 절대습도 25.7 g/m³, 상대습도 82.9 %(30.3℃) 으로 측정되었고, 가축분뇨의 경우 노점온도 28.7 ℃, 절대습도 28.0 g/m³, 상대습도 82.7 %(32.4℃), 하수슬러지의 경우 노점온도 24.8℃, 절대습도 22.6 g/m³, 상대습도 77.2 %(29.3℃)으로 측정되었다.
과 같다. 소화조 후단에서 측정한 평균 결과, 음식물/음폐수의 경우 CH₄61.7 %, NH₃ 622.6 ppm, H₂S 1,208.6 ppm으로 측정되었고, 가축분뇨의 경우 CH₄ 65.7 %, NH₃ 614.0 ppm, H₂S 1,448 ppm, 하수슬러지의 경우 CH₄ 65.5 %, NH₃ 681.3 ppm, H₂S 3,459 ppm으로 측정되었다.
하수슬러지의 기기분석은 평균 유입 997 mg/L, 유출 297 mg/L로 나타났다. 수분석시 VFAs의 농도는 평균 유입 1,259 mg/L, 유출 637 mg/L로 기기분석의 수치보다 높은 값을 보였다.
가축분뇨의 기기분석은 평균 유입 11,535 mg/L, 유출 3,641 mg/L로 나타났다. 수분석시 VFAs의 농도는 평균 유입 16,511 mg/L, 유출 3,911 mg/L로 기기분석의 수치보다 높은 값을 보였다. 하수슬러지의 기기분석은 평균 유입 997 mg/L, 유출 297 mg/L로 나타났다.
음식물/음폐수의 기기분석은 평균 유입 3,970 mg/L, 유출 2,418 mg/L로 나타났다. 수분석시 VFAs의 농도는 평균 유입 3,412 mg/L, 유출 3,798 mg/L로 기기분석의 수치보다 높은 값을 보였다.
시설 별 황화수소와 암모니아는 탈황 및 제습처리의 종류 및 운영방식에 따른 차이가 큰 것으로 확인되었으며, 소화조 후단에서 측정시 철염투입 유무에 따라 황화수소의 농도가 큰 차이를 나타내고 있다. DM, JJ, JE, SN 시설에서는 소화조에 직접 철염을 투입하는 것을 확인하였다.
6 % 증가하였다. 연계처리되는 탈리여액의 평균 질소 농도는 음식물/음폐수가 TN 2,172 mg/L, NH₃-N 157 mg/L, 가축분뇨가 TN 5,668 mg/L, NH₃-N 483 mg/L, 하수슬러지가 TN 1,019 mg/L, NH₃-N 221 mg/L로 탈수과정에서 질소 계열 물질이 저감되는 것으로 판단된다.
유기성폐자원 별 바이오가스화 시설의 지점 별바이오가스 수분함량 측정 결과는 Fig. 10.과 같이 제습시설이 유지보수가 잘되는 DM, CJ, SM, JE, NS시설은 절대습도 값이 발전기 전단에서 감소하는 것으로 분석되었으며, CJ시설의 경우 감소율이 약 74.8 %로 가장 많이 감소하였다.
에 비교하였다. 유기성폐자원 별 시료의 단백질, 지방, 탄수화물의 평균 몰 비율로 재환산된 이론적 메탄가스 발생량은 음식물/음폐수 폐기물이 0.457 Nm³CH₄/kgVS, 0.350Nm³CH₄/kgCODcr로 나타났고, 가축분뇨 폐기물이 0.491 Nm³CH₄/kgVS, 0.350 Nm³CH₄/kgCODcr, 하수 슬러지가 0.501 Nm³CH₄/kgVS, 0.350 Nm³CH₄/kgCODc으로 나타났다.
유기성폐자원에 따른 유입물의 기질의 이론적인 메탄가스 발생량과 실제 현장에서의 발생된 수치와 연간 바이오가스 발생량을 통한 메탄발생량 비교시 계산값이 대부분 비슷한 추세로 유사한 점이 있으나, 음식물/음폐수 폐기물의 메탄발생량이 상이한 것으로 나타났다.
실제 현장에서 발생되는 메탄가스 발생량은 건조가스 및 표준상태 (0 ℃, 1기압)를 기준으로 재산출하였다. 음식물/음폐수 폐기물 평균 메탄가스 발생량 실측치는 VS 기준 0.207 Nm³CH₄/kgVS, CODcr 기준 0.251 Nm³CH₄/kgCODcr로 나타났으며, 평균 유기물분해율인 68.2 % (VS)와 61.4 % (CODcr)를 적용할 경우, 0.303 Nm³CH₄/kgVS, 0.409 Nm³CH₄/kgCODcr이다. 가축분뇨 폐기물 평균 메탄가스 발생량 실측치는 VS 기준 0.
에 나타냈다. 음식물/음폐수 폐기물의 유입물 투입량 대비 바이오가스발생량은 84.2 Nm³/ton이며, 메탄생산량은 0.52 Nm³CH₄/kgVS,으로 나타났으며, 가축분뇨의 바이오가스발생량은 34.6 Nm³/ton이며, 메탄생산량은 0.27 Nm³CH₄/kgVS,, 하수슬러지 바이오가스 발생량은 16.0 Nm³/ton이며, 메탄생산량은 0.32 Nm³CH₄/kgVS, 으로 나타났다.
탈황 및 제습 전처리 후단에서 즉 발전기 앞단에서 측정한 평균 결과, 음식물/음폐수의 경우 ,노점온도 19.6 ℃, 절대습도 18.4 g/m³, 상대습도 59.5 %(30.9℃)으로 측정되었고, 가축분뇨의 경우 노점온도 16.4 ℃, 절대습도 13.3 g/m³, 상대습도 36.7 %(34.5℃), 하수슬러지의 경우 노점온도 26.2 ℃, 절대습도 25.1 g/m³, 상대습도 81.0 %(29.9℃)으로 측정되었다.
탈황 및 제습 전처리 후단에서 즉 발전기 앞단에서 측정한 평균 결과, 음식물/음폐수의 경우 CH₄60.8%, NH₃ 393.02 ppm, H₂S 722.6 ppm으로 측정되었고, 가축분뇨의 경우 CH₄ 61.75 %, NH₃ 7 ppm, H₂S 16.5 ppm, 하수슬러지의 경우 CH₄ 69.35 %, NH₃ 325.0 ppm, H₂S 629.75 ppm으로 측정되었다.
에 도식화 하였다. 평균 총 인 (TP)의 농도는 음식물/음폐수가 유입 566 mg/L, 유출 2,792 mg/L, 탈리여액 1,265 mg/L로 나타났다. 가축분뇨는 유입 2,157 mg/L, 유출 4,030 mg/L, 탈리여액 2,614 mg/L로 나타났고, 하수슬러지는 유입 378 mg/L, 유출 843 mg/L, 탈리여액 522 mg/L로 나타났다.
6 %증가하였으며, NH₃-N은 감소하는 추세이다. 하수슬러지 시설의 총 질소 (TN)는 6.1 % 감소하였으며, NH₃-N은 10.6 % 증가하였다. 연계처리되는 탈리여액의 평균 질소 농도는 음식물/음폐수가 TN 2,172 mg/L, NH₃-N 157 mg/L, 가축분뇨가 TN 5,668 mg/L, NH₃-N 483 mg/L, 하수슬러지가 TN 1,019 mg/L, NH₃-N 221 mg/L로 탈수과정에서 질소 계열 물질이 저감되는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학적 산소요구량은 무엇인가?	화학적 산소요구량 (CODcr)은 유입물 농도와 연계수질 부하에 관련된 하수처리장의 대표적인 수질 지표이다. 유기성폐자원에 따른 바이오가스화 시설의 사계절 시료 CODcr 분석 결과는 Fig.
	바이오가스화 시설의 바이오가스 수분함량 측정 결과 중 발전기 앞단에서 측정한 평균 결과는?	탈황 및 제습 전처리 후단에서 즉 발전기 앞단에서 측정한 평균 결과, 음식물/음폐수의 경우 ,노점온도 19.6 ℃, 절대습도 18.4 g/m3, 상대습도 59.5 %(30.9℃)으로 측정되었고, 가축분뇨의 경우 노점온도 16.4 ℃, 절대습도 13.3 g/m3, 상대습도 36.7 %(34.5℃), 하수슬러지의 경우 노점온도 26.2 ℃, 절대습도 25.1 g/m3, 상대습도 81.0 %(29.9℃)으로 측정되었다.
	유기성폐자원의 종류에는 어떤 것들이 있는가?	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.

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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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