[논문]공주 축산폐수공공처리장에서의 바이오가스-마이크로터빈 분산발전시스템 개발

박정극; 허광범; 이기철; 강호; 임상규

문제 정의

혐기성소화 후단에 위치하는 일반적인 탈질 과정을 거친 처리수의 수질은 총 질소량 항목 관련 환경 기준치를 초과하는데 이는 탈질 과정이 충분히 일어나지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 폭기조 이후의 처리 폐수를 혐기성소화조로 재순환 시키는 과정을 추가하여 재순환 폐수의 유기물을 소비하여 탈질 과정이 충분히 이루어지도록 공정을 설계한 것이다.
한전전력연구원은 버려지고 있는 바이오가스의 활용을 촉진시키고자 국내 최초로 바이오가스 -마이크로터빈 분산형 발전 시스템 설치 과제를 수행 중에 있다. 본 과제의 목적은 공주 축산폐수 처리장의 공정 개선을 통해 바이오가스 생산을 증대시키고 바이오가스 연료화 시스템의 설치 등을 통해 효율적으로 바이오가스를 이용하는데 있다.
본 과제의 주된 목표는 에너지원으로 이용되지 않거나 난방을 위해 보일러 연소용으로만 사용되던 바이오가스를 보다 효율적으로 이용하는 것이다.
혐기성 소화 공정 이후 처리된 폐수는 HRT 20일, 운전 온도가 35~40℃인 질산화포기조로 보내진다. 질산화포기조의 운전 온도가 다소 높은 이유는 탈질 성능 개선하기 위해 폐수 내부 반송이 이루어지는 혐기성소화조의 온도를 유지하기 위한 것이다. 폐수 내부 반송은 탈질 성능을 개선하기 위한 것으로 처리수가 액비 등으로 재활용되는 것이 아니라 인근 금강으로 방출되기 때문에 필요하다.

가설 설정

⁹⁾ H₂S는 부식성이 있어 압축기와 터빈 부품의 마모를 유발할 수 있다.¹⁰⁾ 암모니아의 연소는 대기 중에서 반응하여 다른 질소산화물을 형성시키는 NO를 생성한다.¹¹⁾ 바이오가스에 포함된 실록산은 열교환기에 퇴적되거나 가스 엔진 구동부를 마모시키는 등의 문제를 유발할 수 있다.

제안 방법

바이오가스 전처리 설비가 설치되었고 시운전을 통해 성능 시험을 수행하였다. 성능 시험 결과 바이오가스 전처리 설비는 바이오가스 내에 포함된 H₂S와 NH₃를 각각 99.
Table 5는 설치된 바이오가스 전처리 시스템의 성능 실험 결과를 요약한 것이다. 실험은 전처리시스템의 전단, 탈황탑 이후, 압축기 이후 그리고 최종단에서의 바이오가스 샘플링을 통해 각 단계의 성능을 매주 측정하는 방법으로 진행되었다. 표에 나타난 실험 결과는 각 실험의 평균값이다.
Table 1에는 공주 축산폐수 처리장 유입수의 분석결과가 요약되어 있다. 유입 폐수 분석은 2004년에서 2006년에 걸쳐 매월 2회 시행되었다.
기수 분리기는 디퓨져, 노즐 및 내부의 PVC 충진물로 구성되어 바이오가스에 포함된 액상 수분을 제거한다. 탈황탑의 내부는 활성탄소층으로 구성되어 H₂S를 흡착하는데 충진물 교체 주기를 6개월이 되도록 설계되었다.

대상 데이터

공주 축산폐수 공공처리장에서 발생되는 바이오가스를 이용할 마이크로터빈으로 CH₄ 발생량과 기타 조건을 검토하여 미국 Capstone 사의 CR-30(30kW)을 선정되었다. 현재 마이크로터빈 설치를 위한 전기 공사가 완료되었으며 시운전을 위한 사전 시험이 성공적으로 수행되었다.

성능/효과

7%에 해당하는 양이다.¹⁾신재생에너지 이용량은 매년 지속적으로 증가하고 있다. 수력발전량은 1994~2004년 사이에 총 4060억 kWh가 증가하여 연평균 1.
¹⁰⁾ 암모니아의 연소는 대기 중에서 반응하여 다른 질소산화물을 형성시키는 NO를 생성한다.¹¹⁾ 바이오가스에 포함된 실록산은 열교환기에 퇴적되거나 가스 엔진 구동부를 마모시키는 등의 문제를 유발할 수 있다.¹²⁾
2003년 기준으로 수력발전을 제외한 신재생에너지 이용 발전량은 1994년 대비 약 200배에 해당한다.²⁾ 더욱이 수력을 포함한 신재생에너지 이용 규모는 2003년에서 2030년 사이에 연평균 6.7%의 증가율을 보일 것으로 EIA는 예상하는데 이는 타 국가에 비해 매우 빠른 속도이다.
1%에 달한다.²⁾ 수력발전을 포함한 신재생에너지 공급량의 증가율은 앞으로 더 빨라질 전망이어서 2003년에서 2030년까지 연평균 증가율은 2.4%에 달할 것으로 EIA는 전망하였다.³⁾
7) 공주 축산폐수 처리장에 설치된 혐기성 소화조의 용량은 1,800m³이고 HYCEM 혐기성 소화조에는 미생물 농도를 높게 유지시키기 위해 세라믹 다공성 담체가 설치되어 있다.
CH₄ 농도로 표시되는 바이오가스의 발열량은 동일 열출력을 내기 위해 발열량에 따라 바뀌는 연료 유량으로 인한 터빈 연소기 내의 화염 안정성 변화와 관련이 있다.⁹⁾ H₂S는 부식성이 있어 압축기와 터빈 부품의 마모를 유발할 수 있다.¹⁰⁾ 암모니아의 연소는 대기 중에서 반응하여 다른 질소산화물을 형성시키는 NO를 생성한다.
유입 폐수의 TN의 평균 농도는 4,114mg/L 이었다. HYCEM 소화조의 TN 제거 기여도는 70.3%로 나타났다. 혐기성 소화조의 질소 제거 기작은 미생물 슬러지의 생흡착을 통한 것으로 일반적으로 질소 제거량이 적은 것이 일반적이다.
공주 축산폐수처리장 유입 폐수의 조성은 우리나라 축산폐수 평균 조성과 다소 차이를 보였다. COD, BOD 그리고 SS로 표현되는 유기물 농도가 평균치에 비해 매우 낮았다.
바이오가스의 이슬점 온도 또한 산화 알루미늄 타입의 센서를 이용하여 측정하였는데 측정된 이슬점 온도는 -17.25℃로 최종 가스 온도 설계 값인 12℃와는 약 30℃의 차이를 보여 터빈 내로 액상 수분이 유입되는 일은 없을 것으로 보인다.
바이오가스 전처리 설비가 설치되었고 시운전을 통해 성능 시험을 수행하였다. 성능 시험 결과 바이오가스 전처리 설비는 바이오가스 내에 포함된 H₂S와 NH₃를 각각 99.9%, 90.2% 제거하여 만족할 만한 성능을 보였으며 결과로 목표로 한바이오가스 연료 품질을 달성할 수 있었다.
실험 결과를 살펴보면 CH₄ 농도가 전처리 시스템 후단으로 갈수록 감소하는 것을 볼 수 있다. 활성탄이 CH₄를 흡착하는 현상과 관련이 있을 것으로 보인다.
Table 2는 공주 축산폐수 처리장의 폐수 처리 공정별 BOD, SS, TN 그리고 TP의 제거 효율을 요약한 것이다. 유입 폐수의 포함된 BOD중 0.01%가 SBR 후단의 처리수에 포함되어 총 제거율은 약 99.9%인 것으로 나타났다.
유입수의 평균 TP 농도는 483mg/L 이었고 최종 유출수의 평균 TP 농도는 49mg/L로 전체 제거효율은 89.3% 이었다.
전처리 시스템의 설치 및 시운전을 통한 시험 결과, 전처리시스템의 성능은 매우 좋은 것으로 판단이 되며 목표 바이오가스 품질 또한 달성된 것으로 나타났다.
1에서 설명한 것과 같이 질산화조 유출수를 반송시켜 HYCEM소화조에서 탈질을 유도하기 때문에 HYCEM 소화조에서의 TN 제거율이 높았다. 질산화조 유출수의 TN 평균 농도는 464mg/L로 질산 화공정까지의 TN 제거율은 유입 농도 대비 88.7%였다
축산폐수는 국내 오폐수 발생량의 1% 미만에 불과하지만 오염 물질 발생 부하 기준으로는 25% 이상을 차지하는 고농도의 유기성 폐수이다. 축산폐수의 미처리 방류 시 발생하는 환경오염을 방지하기 위해 발생된 축산폐수를 에너지화 하였다면 전체 신재생에너지 이용량인 530만 TOE의 6.8%에 해당하는 총 360,000TOE의 에너지가 생산되었을 것으로 전망된다. 그러나 국내 바이오가스 생산량은 음식물 쓰레기로부터의 바이오가스 생산량까지 포함한 경우에도 2005년 기준으로 43,782TOE에 그쳐⁵⁾ 바이오가스 이용 증가가 절실한 상황이다.

후속연구

36%로 나타났는데 이는 탈황탑 내 활성탄 층의 메탄 흡착능이 압력이 증가할수록 커지기 때문이다.¹⁴⁾ CH₄ 농도의 감소는 폭이 크지 않는 이상 시스템 안정성에 영향을 끼치지는 않지만 장기적으로 볼 때 시스템 경제성에는 악영향을 끼칠 수 있으므로 CH₄ 손실을 줄이는 방안이 연구되어야 할 것이다.
본 과제가 성공적으로 수행될 경우 바이오가스 이용 발전 및 폐열 회수로 인한 에너지 절약 효과는 전력 115,871kWh와 열에너지 579GJ 이를 것으로 기대되며 앞으로 온실가스 배출권 거래제가 확립되면 경제적 효과는 보다 증가할 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UASB 공정이란 무엇인가?	UASB 공정은 입자상 슬러지를 형성하여 미생물의 농도를 매우 높게 유지할 수 있는 고효율의 시스템이고6) HYCEM 혐기성 소화조는 UASB와 AF가 결합되고 보다 높은 미생물 농도가 반응조 내에서 유지될 수 있도록 하는 Hybrid UASB/AF 시스템의 일종이다.7) 공주 축산폐수 처리장에 설치된 혐기성 소화조의 용량은 1,800m3이고 HYCEM 혐기성 소화조에는 미생물 농도를 높게 유지시키기 위해 세라믹 다공성 담체가 설치되어 있다.
	폐수처리장 유입수의 물리, 화학적 특성을 파악하는 것이 중요한 이유는?	폐수처리장 유입수의 물리, 화학적 특성을 파악하는 것은 바이오가스 생산량 및 품질을 높이는데 있어 매우 중요하다.
	한국전력연구원에서는 국내 최초로 바이오가스 -마이크로터빈 분산형 발전 시스템 설치 과제를 진행하고 있는데, 본 과제의 주요 목적은 무엇인가?	한전전력연구원은 버려지고 있는 바이오가스의 활용을 촉진시키고자 국내 최초로 바이오가스 -마이크로터빈 분산형 발전 시스템 설치 과제를 수행 중에 있다. 본 과제의 목적은 공주 축산폐수 처리장의 공정 개선을 통해 바이오가스 생산을 증대시키고 바이오가스 연료화 시스템의 설치 등을 통해 효율적으로 바이오가스를 이용하는데 있다.

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