[논문]고품질화 바이오가스 이용 기술지침 마련을 위한 연구(II): 도시가스 및 수송용 - 정밀모니터링 결과 중심으로

문희성; 권준화; 박호연; 전태완; 신선경; 이동진

doi:10.17137/korrae.2019.27.2.57

고품질화 바이오가스 이용 기술지침 마련을 위한 연구(II): 도시가스 및 수송용 - 정밀모니터링 결과 중심으로
A Study on Establishment of Technical Guideline of the Installation and Operation for the Biogas Utilization of Transportation and City Gas: Results of the Precision Monitoring 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.27 no.2, 2019년, pp.57 - 66

문희성 (국립환경과학원) , 권준화 (국립환경과학원) , 박호연 (국립환경과학원) , 전태완 (국립환경과학원) , 신선경 (국립환경과학원) , 이동진 (국립환경과학원)

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 도시가스 및 수송용으로 활용하는 시설은 효율이 아직은 저조하다. 전국 7개소 유기성폐자원 바이오가스화 시설을 대상으로 정밀모니터링을 실시하였다. 사계절 평균으로 정밀모니터링 결과를 정리하였을 때, 유기성폐자원 별 효율성 분석에서 유기성분해율은 VS기준 평균 66.3 %로 분석되었다. 전처리 전후 바이오가스 성상을 분석한 결과 철염 및 탈황(건식, 습식)을 이용하여 전체 시설의 $H_2S$ 평균은 949.7 ppm으로 측정되었으며, 고품질화 정제설비 전단 및 후단에서 29.0 ppm과 0.3 ppm으로 나타났다. 메탄 함량은 소화조 후단에서 65.6 %, 고품질화 정제설비 전단 및 후단에서 63.5 %와 97.5 %까지 감소하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study carried out on-site investigation and precision monitoring to prepare proper design and operation technical guidelines for the use of bio gas in organic waste resources (fertilizing urine, food waste, food waste, food waste, etc.). According to the government's mid- and long-term policy on bio gasification, the expansion of waste resources is actively being pushed forward. However, facilities that use the biogas produced for urban gas and transportation are still under-efficient. Precision monitoring was carried out for biogasification facilities of organic waste resources in seven locations nationwide. When the results of precision monitoring were summarized with the four-season average, the efficiency analysis of each organic waste resource showed that the organic breakdown rate was 66.3% on average on VS basis. Analysis of biogas characteristics before and after pretreatment revealed that the $H_2S$ average of the entire facility was measured at 949.7 ppm using iron salts and desulfurization (dry, wet) and that the quality refining facility shearing and rear end was 29.0 ppm and 0.3 ppm. The methane content was found to be reduced by 65.6% at the rear of the fire tank, 63.5% at the back and 97.5% at the rear.

주제어

표/그림 (21)

표 Table 4. Results of TS, VS and VS Removal Efficiency(Four Seasons)
그림 Fig. 5. Results of moisture contents, FS and VS(four seasons).
그림 Fig. 7. Results of CODcr in biogasification facilities(four seasons).
그림 Fig. 6. Results of VS removal efficiency by season.
그림 Fig. 8. Results of CODcr removal efficiency by season.
표 Table 5. Results of CODcr in Biogasification Facilities(Four Seasons)
표 Table 6. Results of Nitrogen and Phosphorus in Biogasification Facilities(Four Seasons)
표 Table 7. Results of VFA and Removal Efficiency in Biogasification Facilities(Four Seasons)
그림 Fig. 9. Results of VFA in biogasification facilities (four seasons).
그림 Fig. 10. Results of VFAs (before digester) by season.
그림 Fig. 11. Results of VFAs (after digester) by season.
표 Table 8. Results of Elemental Contents Ratio in Biogasification Facilities(Four Seasons)
그림 Fig. 12. Results of C/N ratio in biogasification facilities (four seasons).
표 Table 9. Estimation of Biogas and Methane Production by Organic Wastes Inflow Rate
표 Table 10. Measurement of Biogas by Facility in After-digester(AD)
그림 Fig. 14. Measurement of biogas (CH₄, CO₂, O₂).
그림 Fig. 15. Measurement of biogas (NH₃, H₂S).
표 Table 11. Measurement of Biogas by Facility in Before-upgrading System(BU)
표 Table 12. Measurement of Biogas by Facility in After-upgrading System(AU)
표 Table 13. Measurement of Biogas Moisture by Facility(Summer, Autumn) in After Digester(AD)
표 Table 14. Measurement of Biogas Moisture by Facility(Summer, Autumn) in Before Upgrading System

AI 본문요약
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제안 방법

바이오메탄을 제조시설의 노점온도, 절대습도, 상대습도를 측정한 결과 (Table 13, 14)이다. 바이오가스 수분함량 측정은 여름철과 가을철에 진행하였으며, WJ, SDG, HC시설은 소화조 후단 측정이 어려워 가스저장조 또는 탈황설비 전단에서 측정하였다. 소화조 후단에서 수분함량을 측정한 평균결과 노점온도 27.

대상 데이터

이 특집원고는 총 3편으로 구성되어 있으며, 1편은 유기물자원화 27권 1호에 게재되었으며, 3편은 다음 페이지에 이어서 게재됩니다.

데이터처리

사계절 대상 시설의 VFAs 분석은 기기와 수분석으로 분석하였고, 기기분석 결과는 (Fig. 9)와 (Table 7) 에 도식화하였다. 대상시설 사계절 평균 유입 5,556mg/L, 유출 1,870 mg/L로 나타났으며, 유입대비 유출에서 모두 낮아지는 추세였다.

성능/효과

(Table 6)와 같이, 사계절 대상 시설의 혐기소화 전⋅후의 TN 농도를 비교하였을 때 33% 증가하고, DG(d)시설의 경우 유입 4,003 mg/L에서 유출 6,830 mg/L로 증가하여 약 71%의 증가율을 나타냈다.
21%로 나타났다. DG 건식시설의 TS는 20.58%로 가장 높게 분석되었으며, VS는 17.41%로 나타났다. JR시설의 TS 값은 4.
47로 나타났다. DG(w) 시설의 경우 유입 되는 11.82와 유출 12.73으로 유입대비 유출의 C/N 비가 더 높은 것으로 분석되었다.
평균값으로 유입물 613mg/L 에서 유출수 428mg/L으로 나타났다. PO₄-P 분석결과 JR 시설에서만 증가현상이 나타났으며, 평균 유입물 332mg/L에서 유출수 170mg/L으로 나타났다.
휘발성지방산(VFAs)의 기기분석 결과를 활용하여 계절별 유입폐기물과 유출슬러지의 차이를 나타낸 결과, 계절별 유입폐기물의 VFAs의 차이가 나는 것을 확인하였다. 겨울과 봄철에는 시설별 VFAs 변동이 없는 추세였지만 여름과 가을철 VFAs 분석결과 UJB, JR을 제외한 시설에서 증가하는 추세로 나타났다. 유입폐기물의 계절별 VFAs는 겨울철 2,618 mg/L, 봄철 3,786 mg/L, 여름철 8,447 mg/L, 가을철 7,375 mg/L이다(Fig.
48%로 가장 낮게 나타났다. 계절 별로 구분하여 유기물분해율을 (Fig. 6)와 같이 나타 냈으며, 시설운영 및 중단 등의 사유로 DG(w), HC, JR시설의 유기물분해율이 불규칙한 것을 확인하였다. HC 시설의 경우 도시가스 품질기준 검사 시 부적합에 따른 유입물 조절과정으로 유기물분해율이 달라진 것으로 사료된다.
계절별 제거효율을 분석한 결과 (Fig. 8)과 같이 분석되었으며, DG(w)과 HC을 제외한 대부분의 시설이 겨울철에 제거효율이 낮아지는 것을 확인하였고, 대부분의 시설이 여름철과, 가을철에 제거효율이 높은 경향을 보이고 있다.
고품질 정제설비 전단(BU: before upgrading system)에서 평균 결과 메탄(CH₄) 63.5%,이산화탄소(CO₂) 37.4%, 산소(O₂) 0.4%, 암모니아(NH₃) 13.2 ppm, 황화수소 (H₂S) 29.0 ppm으로 측정되었다. 시설별 암모니아와 황화수소 농도는 제습 및 탈황 등의 가스 전처리설비로 인해 대부분 제거되는 것으로 나타났으며, 그 과정으로 인해 메탄의 농도가 약 2% 감소하고 이산화탄소와 산소의 농도가 증가하는 것으로 나타났다.
고품질 정제설비 후단(AU: after upgrading system) 에서 측정된 자료를 분석한 결과, 메탄(CH4) 97.5%, 이산화탄소(CO2) 2.1%, 산소(O2) 0%, 황화수소(H2S) 0.3 ppm으로 나타났다.
고품질화 설비 전단에서 수분함량을 측정한 평균결과 노점온도 25.8℃, 절대습도 25.0g/m³ , 상대습도69.1%(33.2℃)으로 측정되었다.
9)와 (Table 7) 에 도식화하였다. 대상시설 사계절 평균 유입 5,556mg/L, 유출 1,870 mg/L로 나타났으며, 유입대비 유출에서 모두 낮아지는 추세였다. DG(w)시설의 경우 감소추세를 보이기는 하였으나 차이가 미비한 것으로 나타났다.
반면 유출슬러지의 계절별 VFAs의 차이는 미비한 것으로 나타났으며, SDM 시설은 감소하는 추세를 나타났다. 유출슬러지의 계절별 VFAs는 겨울철 1,094 mg/L, 봄철 2,066 mg/L, 여름철 2,061 mg/L, 가을철 2,258 mg/L이다(Fig.
14, 15)으로 나타났다. 소화조 후단(AD: after digester)에서 평균 결과 메탄(CH₄)65.6%, 이산화탄소(CO₂) 36.6%, 산소(O₂) 0.1%, 암모니아(NH₃) 411.0 ppm, 황화수소(H₂S) 949.7 ppm으로 측정되었다.
바이오가스 수분함량 측정은 여름철과 가을철에 진행하였으며, WJ, SDG, HC시설은 소화조 후단 측정이 어려워 가스저장조 또는 탈황설비 전단에서 측정하였다. 소화조 후단에서 수분함량을 측정한 평균결과 노점온도 27.9℃, 절대습도 27.7g/m³, 상대습도 83.9%(31.1℃)으로 측정되었다. WJ, SDG, HC시설의 노점온 도와 상대습도의 경우, 소화조 후단에서 직접 측정 하지 못한 영향 때문에 평균 수분함량보다 낮게 측정된 것으로 예측되며, 지중배관을 통해 바이오가스가 이동하면서 응축되어 제거되는 수분은 워터트랩 등으로 제거되고 있다.
DG(w)시설의 경우 감소추세를 보이기는 하였으나 차이가 미비한 것으로 나타났다. 수분석 결과 유입 3,850 mg/L, 유출 2,751 mg/L으로 감소하는 추세이나 기기분석과는 차이가 나타났다.
0 ppm으로 측정되었다. 시설별 암모니아와 황화수소 농도는 제습 및 탈황 등의 가스 전처리설비로 인해 대부분 제거되는 것으로 나타났으며, 그 과정으로 인해 메탄의 농도가 약 2% 감소하고 이산화탄소와 산소의 농도가 증가하는 것으로 나타났다.
시설별 유기물분해율을 분석한 결과 사계절 평균66.27%로 나타났으며, CJ시설이 85.99%로 가장 높았고, JR시설이 40.48%로 가장 낮게 나타났다. 계절 별로 구분하여 유기물분해율을 (Fig.
7)에 도식화하였다. 유입물에 대한 사계절 평균 CODcr는 116,003 mg/L이며, 유출수는 37,356 mg/L로 나타나 67.8%의 제거율을 보였다. 음식물/음폐수 투입시설의 CODcr 값이 상대적으로 높은 것으로 나타났으며, 제거율이 높은 시설로는 WJ, CJ 시설이 있다.
5)와 (Table 4)에 명시하였다. 유입물의 대한 총고형물(TS)은 평균 9.74%이며, 휘발성고형물(VS)은 8.21%로 나타났다. DG 건식시설의 TS는 20.
이외의 시설의 수분측정 결과가 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 고품질화 설비 후단에서 수분제어를 할 수 있는 칠러설비와 수분제어필터를 운영하는 것으로 조사되었다. 바이오메탄 정제공정 별(PSA, WAS, MEM 등) 특징에 따라 제습처리의 위치와 설비종류가 설정되어있지 않고, 운영미숙과 잦은 고장 으로 인해 운영이 잘되지 못하는 경우가 있는 것으로 조사되었다.
전체시설에 유입물투입량 대비 바이오가스 평균 발생량은 71.9 Nm³/ton이며, 메탄생산량은 0.63Nm³ CH₄/kgVS으로 나타났다. 음식물과 음폐수를 처리하는 UJB, WJ, SDG 시설의 경우 평균 0.
. 탄소함량은 사계절 유입 평균으로 45.91%이며, 유출 평균으로 31.46%으로 나타났다. 황(S)원소 함량은 소화조 이후 모두 증가 하여 유입 0.
2배 증가하여 가장 높은 증가율을 나타냈다. 하지만 최종 유출수 (탈수처리 이후)는 선행연구에서 가축분뇨를 제외한 시설에서 유입물보다 질소계열 물질이 저감되는 것을 확인하였다.
휘발성지방산(VFAs)의 기기분석 결과를 활용하여 계절별 유입폐기물과 유출슬러지의 차이를 나타낸 결과, 계절별 유입폐기물의 VFAs의 차이가 나는 것을 확인하였다. 겨울과 봄철에는 시설별 VFAs 변동이 없는 추세였지만 여름과 가을철 VFAs 분석결과 UJB, JR을 제외한 시설에서 증가하는 추세로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사계절 평균 원소분석을 통한 C/N 비의 경우 유입 11.42, 유출 8.48로 나타났는데 음식물, 가축분요를 처리하는 시설은 어떠한가?	음식물/음폐수, 가축분뇨를 처리하는 시설의 경우 사계절 평균과 유사한 경향으로 나타났으며, 하수병합 시설(JR)의 경우 유입 7.98, 유출 7.
	화학적 산소요구량이란?	화학적 산소요구량 (CODcr)은 유입물 농도와 연계수질 부하에 관련된 하수처리장의 대표적인 수질지표이다. 유기성폐자원에 따른 바이오가스화 시설의 사계절 시료 CODcr 분석 결과는 (Table 5)와 (Fig.
	폐자원의 자원화 시설 확충이 진행된 이유는?	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 도시가스 및 수송용으로 활용하는 시설은 효율이 아직은 저조하다.

참고문헌 (15)

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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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