디스포조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 음폐수 처리를 위한 M-THAD 공법 개발

영문 : A Study on the Development of M-THAD

과제 팀명

디스포조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 3월 ~ 2018년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20098900** 윤**

서울시립대학교 환경공학부 20128900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 한**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 정**

서울시립대학교 환경공학부 20128900** 한**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

-‘M-THAD’ 공법의 개발을 연구하였다. 디스포저를 사용한 고농도의 음폐수를 효과적으로 처리하기 위해 개발한 공법으로써 기존의 혐기성처리의 공정 효율을 높이고 경제성부분을 더욱 높이기 위하여 노력하였다.

-혐기성 소화 공정에 메탄발효조와 산발효조를 통합한 단일이상처리공법을 주 공법으로 활용하여 공간성을 높이고 지속가능한 개발을 실현하고자 노력했다. ‘Buffer zone’을 형성하여 메탄생성균과 산생성균의 공존을 가능할 수 있게 설계하였다.

-기존의 ‘N-THAD’ 공법에 단일이상혐기성 처리조의 개념을 융합시켜 ‘M-THAD’ 공법으로 발전시켰다.

개발 과제의 배경

1.1 음폐수 처리의 중요성

음폐수는 일반적으로 음식물류 폐기물 폐수(음폐수), 음식물 침출수, 음식물 탈리액 등으로 불리며, 대부분 음식물류 폐기물의 재활용 과정에서 염분제거를 위한 세척수와 음식물류 폐기물에 함유되어 있는 수분 등에 의해 발생되고 있다. 처리 시설로 반입되는 음식폐기물 대비 배출되는 음폐수 비율은 퇴비화시설의 경우 약 50%, 사료화 시설의 경우 약 70% 정도로 그림에 나타낸 것과 같이 음폐수 해양 배출량과 비율은 2004년 1,989 톤/일 (49.6%)에서 2006년 최대 5,420 톤/일 (55.9%)까지 증가하였으며, 2009년에는 4,007톤/일 (42.2%)로 감소된 것으로 보고되었다. 이는 하수처리장이나 수도권매립지 등에서 침출수와의 병합 처리 등 육상 처리량의 증가에 따른 영향이다.

농업화 사회에서는 지금의 인구보다 훨씩 적고 적절한 자원 사용으로 인한 폐기물 발생이 적어 자연 정화 능력으로도 충분히 폐기물의 처리가 가능하였다. 하지만, 오늘날 산업발전으로 인한 도시화에 따른 급격한 입구증가는 유해한 폐기물을 대량 발생시켜 그 처리에 한계성을 갖게 되었다. 음식물류 폐기물의 자원화 과정은 염분제거를 위한 세척과 수분을 제거하는 탈수과정 등을 거친 후 발생하는 고농도의 유기성 폐수인 ‘음폐수(음식물 탈리액)’의 문제가 대두되고 있다. 일일 약 8,470톤에 달하는 음폐수가 발생하는데, 이 음폐수는 부패하기 쉬우며 악취유발 및 침출수 유출 시 2차 오염이 우려되는 문제점을 가지고 있다. 그동안 이러한 음폐수의 절반 이상을 해양투기로 처리하였으나 2006년 3월부터 ‘런던 96 의정서’가 발효되고 2013년 1월부터 해양 배출이 금지됨에 따라 국내의 음폐수의 육상 처리 방안 개발이 시급해졌다. 현재 중요한 현안으로 대두되고 있는 음폐수로 인한 문제점을 해결함으로써 환경 오염 부하를 현장에서 실질적으로 절감할 필요성이 높아지고 있다.

1.2 온실가스 배출 감축 목표

교토 의정서에 의해 독일, 영국, 핀란드는 2050년까지 온실가스 배출량을 1990년의 80% 수준까지 감축해야 한다. 이를 위해 각국은 온실가스 감축을 위해 탄소 포집과 저장을 위한 연구와 개발뿐만 아니라 재생에너지 사용을 촉진하고 있으며 혐기성 소화 기술은 하나의 재생에너지 생산 방법으로 장려되고 있다.

1.3 재생에너지 최소 비율

대부분의 국가는 특정 기한 내에 전체 에너지 소비량 중 특정 비율만큼을 재생에너지로 공급하고자 하는 목표를 세우며 이를 renewable energy targets(RETs)라고 한다. 예를 들어, 유럽연합과 미국은 2020년까지 RETs를 각각 전체 에너지의 17%, 18%로 정하였고, 브라질은 70% 달성을 목표로 하고 있다. 뉴질랜드는 2025년까지 전체 에너지 사용량의 90%를 재생 에너지로 공급하고자 하는 목표를 가지고 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해 각국 정부는 재생에너지 생산을 촉진할 수 있는 다양한 세제 혜택을 제공하고 있다. 예를 들어, 독일은 재생 에너지 생산을 촉진할 수 있는 다양한 세제 혜택을 제공하고 있으며, 재생에너지를 전력망에 우선 공급하도록 하고, 에너지 시장에서 바이오연료가 차지하는 최소 비율을 규정하고 있다. 이러한 정책과 규제로 인하여 독일은 전 세계에서 가장 많은 대규모 혐기성 소화 시설을 가지고 있으며 바이오가스 생산량의 65%가 전기 생산에 직접적으로 이용되고 34%는 열, 나머지 1%는 차량용 연료로 사용된다.

1.4 폐기물 관리 정책

유기성폐기물의 매립을 제한하는 법규는 혐기성 소화 기술의 사용을 촉진한다. 폐기물의 발생은 점차 증가하는 반면 NIMBY 와 인구증가에 따른 도시 확장 등으로 인하여 폐기물을 매립할 수 있는 부지의 확보는 점차 어려워지고 있다. 이에 따라 기존 폐기물 매립지의 사용연한을 증대시키기 위한 방법으로 재활용이 가능한 폐기물의 매립지 반입을 제한하고 있다. 또한 음식폐기물, 하수슬러지 등 수분을 많이 포함하고 있는 유기성폐기물은 침출수의 발생을 증가시키고 매립 시 분해로 인하여 매립지의 침하를 유발하기 때문에 수분 함량이 높은 유기성폐기물의 매립을 제한하고 있다. 이러한 폐기물 정책으로 인하여 수분함량이 높은 유기성폐기물의 처리에 혐기성 소화가 이용되고 있다.

1.5 세제 혜택

혐기성 소화는 많은 시설비, 장기간의 운영에 필요한 수선비용, 인건비, 교육훈련 등 많이 비용이 소요되는데, 농촌지역에서 혐기성 소화를 통해 발생되는 바이오가스의 이용 또는 판매만으로는 시설비와 운영비를 회수하기 어렵다. 따라서 다양한 세제 혜택과 인증서 발급으로 소요되는 비용을 보존하고 수익이 발생할 수 있도록 하여 혐기성 소화 기술의 보급을 촉진하고 있다.

발전차액 지원제도(feed-in tariff)는 재생에너지로 생산한 전기의 가격이 정부 고시 기준가격보다 낮을 경우 차액을 보전하는 제도이다. 독일에서는 혐기성 소화로 생산한 전기에 대해 최대 150kW 까지 kWh 당 $0.35 를 지원하고 있다. 게다가 독일에서는 혐기성 소화의 기질에 따라 별도의 보너스를 지급한다. 이러한 제도로 인하여 독일의 혐기성 소화조시설은 1992 년 140 개에서 2013 년 7,720 개로크게 증가하였다. 결론적으로 보조금 지원 등의 혜택이 혐기성 소화 기술을 장려하는 데 중요한 요소라고 할 수 있다. 혐기성 소화 기술을 적용하면 메탄의 배출을 감소시키고 청정한 가스로 전기를 생산하여 화석연료의 사용을 절감할 수 있기 때문에 탄소배출권을 부여받을 수 있으며, 이 탄소배출권은 거래가 가능하다. 호주에서는 돼지와 소 분뇨를 이용한 혐기성 소화 시 탄소배출권을 부여받으며, 미국의 캘리포니아에서도 혐기성 소화 적용 시 탄소배출권을 받는다.

세금 면제와 장려금 또한 혐기성 소화 기술의 보급을 촉진하는 중요한 정책 중 하나이다. 세금 면제는 혐기성 소화 시설의 설비 등에 대해서 가능하다. 핀란드에서는 바이오메탄의 생산과 소비 시 소비세를 면제해주고 있다. 또한 미국에서는 목질계 바이오매스 잔류물, 매립지 가스, 도시 고형 폐기물과 같은 유기물 물질로부터 생산한 전기에 대해 초기 10 년간 kWh 당 $0.11 의 장려금을 지급하고 있다. 일부 국가에서는 화석연료를 재생에너지로 대체하기 위해 재생에너지 차량 연료에 대한 규제를 하고 있다. 예를 들어, 미국에서는 연료의 일정 비율을 재생에너지로 생산된 연료와 혼합하여야 한다. 만약 이 비율을 혼합하지 않을 경우 재생에너지를 초과하여 혼합한 단체로부터 해당 권리(renewable identificationnumber)를 구매하여야 한다. 독일에서는 이산화탄소 배출량 저감을 위해 천연가스 차량의 보급을 늘리기로 결정하였으며 이를 위해 천연가스의 20%를 바이오가스로 혼합하는 계획을 추진하고 있다. 유기성폐기물의 혐기성 소화 처리는 환경으로 배출되는 질소와 인을 감소시키므로 캐나다, 이탈리아, 미국 정부는 감소된 양에 대해 인증서를 발급하는 제도를 운영하고 있다. 농가는 발급된 인증량만큼 자신의 경작지에 화학비료를 살포할 수 있는 권리를 가지며, 남은 인증량은 판매를 할 수 있다. 또한 이탈리아와 영국에서는 재생에너지를 이용하여 빌딩의 난방을 공급하면 건물 주인에게 장려금을 지원하는 제도도 운영하고 있다

개발 과제의 목표 및 내용

1. 목표 본 설계의 목적은 기존의 음폐수 처리를 위한 분리형 2상 혐기성 소화 공정의 문제점을 개선하여 유기물 제거 효율과 바이오 가스 생산 효율을 개선한 일체형 2상 혐기성 소화조를 개발하는 데 있다. 기존의 소화조의 문제점인 pH 충격에 의한 메탄 생성균의 사면, 생성균과 메탄 생성균의 공생조건 부조화 문제를 해결하고자 한다. 송한철,「음폐수 처리 효율 향상을 위한 일체형 2상 혐기성 소화조 개발」,2017 또한, 기존의 소화조보다 경제적인 측면에서 비용이 절감되고, 운영적인 측면에서 관리의 편의성을 띠는 소화조를 개발하고자 한다.

2. 개발 과제의 내용

2.1. 혐기성 처리의 개요

유기성 폐기물의 생물학적 처리 공정 중 혐기성 처리방법은 적은 에너지 소모와 유용한 가스로의 전환, 고농도의 유기화합물을 분해할 수 있는 능력 그리고 잉여슬러지의 감소 등으로 다른 생물학적 처리나 물리화학적 처리 공정에 비하여 환경 오염 방지 측면과 폐기물로부터의 에너지 재활용이라는 측면을 고려할 때에 상당히 바람직한 폐기물 공정이 될 수 있다. 그러나, 수일간에 이르는 장기간의 처리시간과 알코올의 산생성과 메탄생성간의 불균형 성장에서 비롯되는 안정도, 운전의 어려움, 가스에서 나오는 악취 발생, 메탄가스의 정제와 저장 등의 문제들을 해결하기 위한 연구가 계속되고 있다. 유기물의 혐기성 소화에 의한 메탄으로의 전환은 여러 가지 미생물군의 수를 포함한 복잡한 생물학적인 과정이다. 모든 전환 과정은 산소가 없는 상태에서 여러 미생물 군에 의하여 복잡한 유기물을 와 의 형태로 분해하는 것을 말한다. 혐기성 소화 공정에서 분해 과정은 4단계로 구분된다. 첫 번째 단계는 고형물 및 용해성 유기물이 가수분해 되어 고리가 긴 유기산 및 알코올, 수소, 이산화탄소 등을 생성하는 단계이다. 가수분해는 여러 종류의 미생물이 분비하는 Cellobiose, Amylase, Protease 등의 체외효소(extracellular enzymes)에 의해 고분자 물질인 당, 지방산, 아미노산, 글리세롤과 같은 가용성 저분자 물질로 분해되는 과정으로 이 과정에 의하여 고분자 물질이 미생물의 세포막을 통해 체내로 흡수되어 대사와 성장 에너지원으로 이용된다. 이 가수 분해 반응은 pH, 온도뿐만 아니라 고형물의 형태, 크기 및 잔류농도에 영향을 받고, 가수분해 반응의 산물인 유기산에 의해서도 저해를 받는 등의 복잡한 반응으로, 전체 혐기성 소화 반응의 속도결정단계라고 알려져 있다. 두 번째 단계는 첫 번째 단계에서 생성된 생성물을 발효하여 acetic acid, , 를 생성하는 단계이다. 세 번째 단계는 와 를 생성하는 단계로서 산생성단계이다. 그리고 마지막으로 acetic acid를 분해해서 및 를 생성하거나 와 를 로 전환시키는 메탄생성단계이다. 각 단계는 서로 밀접하게 관련되어 있는 것으로 Gujer 와 Zehnder 등에 의해 보고되고 있다.Gujer, W. and Zehnder, A.J.B, 「Conversion Process in Anaerobic Digestion」,1983 Jerris McCarty 등은 서로 다른 4가지 그룹의 박테리아가 기질 분해에 관여하는 것으로 보고하였다. 가수분해와 발효를 묶어서 한 그룸의 미생물로 보기도 하는데 그 기능은 복잡한 유기물을 간단한 저분자 알코올, 유기산 및 수소가스로 전환시키는 것이다.

혐기성 소화는 또한 여러 종류의 미생물이 관여하는 복잡한 생물학적 반응으로 알려져 있으며, 이러한 다양한 미생물들은 크게 산생성미생물과 메탄생성미생물로 나눌 수 있다. 산생성미생물은 주로 통성 혐기성 미생물로 구성되어 있다. 이들은 주로 단백질, 탄수화물, 리그닌, 지방산 등의 복잡한 유기물을 비교적 간단한 유기물로 전환시키는 일을 담당한다. 이때 생성되는 주된 생성물들은 Acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid 등의 휘발산과 등이다. 메탄생성미생물 (methanogenic bacteria)은 절대 혐기성 미생물로 이들은 산성미생물이 만들어 낸 생성물들을 이용하여 혐기성 소화의 최종산물인 와 를 생성한다.

2.2 혐기성 소화를 이용한 음폐수 처리 이론

혐기성 소화 과정 중에는 병원 세균, 기생충 알이 사멸되고, 고형물의 감량화도 동반된다. 메탄 생성 세균의 생육 조건은 매우 까다로워서 공기와 빛이 존재할 때에는 즉시 활동을 정지하기 때문에 절대 혐기 조건의 형성이 중요하다. 생육 최적 pH는 7~7.6 이고 pH 범위에서 벗어나면 생육이 크게 저해 받는다. 최적 온도는 중온 세균은 30~37℃2℃, 고온 세균은 53℃0.5℃ 이다. 온도의 급격한 변동과 독성 물질에 대해 대단히 민감하게 반응하여 존재할 수 있는 환경조건이 매우 협소하다. Barlett and Hariss, 「Review and Assessment of Methane Emissions from Wetlands, Chemosphere」, pp89~91

이처럼 혐기성 소화에 있어서 유기물의 분해 및 가스화는 산 생성 세균과 메탄 생성 세균의 활동에 의해 행해진다. 메탄 생성 세균은 생육 조건을 맞추기 어려운데다 생육에 적합한 조건 하에서도 그 증식 속도가 매우 낮은 것이 혐기성 소화의 단점으로 작용한다. 하지만 바이오 가스와 같은 가연성 가스를 생산하고, 부패성 유기물을 분해해서 안정화시키기 위해 투입되는 에너지가 호기성 활성 슬러지 법에 비해 약 1/10 정도 낮다. 병원성 세균의 사면, 고형물의 감량화율도 크고, 유기 관리의 용이성, 유지 관리비의 저렴 등의 이점을 가지고 있다.

현재는 메탄이 지구 온난화의 원인 물질로 밝혀지면서 고농도 유기성 폐기물의 매립을 금지하고 혐기성 처리를 통하여 메탄이 대기로 방출되지 않고 대체 연료로 활용될 수 있도록 노력하고 있다. 지금까지 폐기물을 최종 처분하는 수단으로 사용된 매립지도 기본적으로는 혐기성 소화 원리와 같은 공정을 거치게 된다. 따라서 매립지에서도 매립 가스 (LFG; Landfill Gas)가 발생되고 있으나 대기로 방출되는 매립가스를 완벽하게 포집하기란 쉬운 문제가 아니다. 따라서 최근에는 매립 제로화 정책을 수립하여 2018년부터 매립세를 부과할 계획을 추진하고 있다.

아직까지는 바이오 가스를 회수하기 위한 목적으로 설치된 혐기성 플랜트는 드물다. 하지만 고농도 유기성 폐기물과 폐수 처리를 목적으로 하고, 에너지를 부수적으로 얻는 에너지 절약 플랜트로서는 건설이 많이 추진되고 있다. 또한 최근에 폐수의 고도 처리에서도 탈질을 유도하기 위하여 호기성 처리와 혐기성 처리를 병용하고 있다. 혐기성 처리의 한계점은 혐기성 소화액이 방류수 기준에 적합한 수질기준을 만족시키는 것이 어렵기 때문에 반드시 소화처리 이후 유출되는 소화액에 대해서는 별도의 호기성 처리가 연계되어야 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

R2S Anaerobic Reactor 기술 ·제지전문회사인 VOITH Paper의 기술 ·산업폐수의 혐기성 처리를 위해 설계된 고효율 반응장치 ·특히 제지폐수, 주정폐수등 고농도 유기성 폐수의 처리에 효과적 특징 ·2 Three-Phase-Separators system ·Internal-External Recirculation System ·Stand Pipe를 이용한 안정적 운전 ·나선형 흐름을 위한 특이한 구조의 Distribution System ·최대 60kg CODCr//day의 고부하 운전 ·CODCr 제거 효율 70~90%

• 특허조사 및 특허 전략 분석

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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