[혐기성 소화]
혐기성소화
기출 유형
1. 슬러지 안정화 목적, 호기성소화와 혐기성소화 개요 및 장단점
2. 혐기성처리 조건, 유기물의 혐기성 분해과정과 단계, 혐기성처리 장단점
3. 혐기성 소화조 효율 저하의 원인 및 개선방안
4. 혐기성소화 처리시설 설계시 고려사항
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키워드
혐기성 소화 3단계
가수분해, 율속단계
해양배출금지 런던협약
슬러지 감량화
에너지자립화
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Tip
슬러지 직매립 금지 > 하수슬러지 해양배출 금지(런던협약) > 슬러지 감량화 필요 >
혐기성 소화를 통한 슬러지 감량화 및 메탄회수로 에너지자립화 가능
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○개요
1) 2010년부터 10,000m3/d 이상의 하수처리장 슬러지 직매립 금지(단 함수율 75%이하 제외)
2) 음폐수, 가축분뇨(2012~),하수슬러지(2015~) 해양배출금지(런던협약)에 따라 슬러지 감량화문제 대두
3) 슬러지 감량화와 메탄회수로 에너지 회수가 가능한 혐기성소화 적극 활용필요
4) 혐기성소화의 경우 슬러지 소화율 저조의 문제점이 있어 가축분뇨, 음폐수 병합소화 필요
○ 혐기성 소화 목적
1) 미생물에 의한 유기물 분해
2) 슬러지 안정화
3) 슬러지 감량화
4) 병원균 사멸
5) 자원생산(CH4)
○혐기성 소화 원리
1) 가수분해단계
분바구조가 크고 복잡한 탄수화물, 단백질등이 가수분해균에 의해 분해되어 분자량이 적은 단당류, 아미노산 생성
2) 산생성 단계
가수분해된 단당류 아미노산 등을 산생성미생물이 분해하여 초산, 프로피온산 등의 휘발성 유기산(VFA)을 생성
3) 메탄상성단계
산생성단계에서 생성된 휘발유 유기산을 메탄생성염의 영양원으로 이용되어 메탄, 이산화탄소등의 최종물이 된다.
구분
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내용
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pH변화
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가수분해
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슬러지 혐기성 소화과정 중 율속단계로 전 소화 과정의
효율을 정하는 단계
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-
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산생성 단계
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가수분해된 유기물 > 고분자 유기산 > 아세트산, H2, CO2
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pH 저하
(6.0~6.5)
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메탄생성 단계
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아세트산 > CH4, CO2
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pH 상승
(7.5 이상)
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○혐기성소화의 특징
혐기성 분위기에서 혐기성 미생물을 이용하는 방법으로 산소가 존재하지않는 밀폐공간에서 유기물을 환원, 분해 하는것으로 함수율, 악취, 안정화등에 효과적이다.
1) 장점
(1) 부산물인 메탄이 생성된다
(2) 탈수성이 좋다
(3) 슬러지 안정화가 잘된다
(4) 슬러지 생산량이 적다
(5) 유지 동력비가 적다
2) 단점
(1) 메탄의 폭발 위험성이 있다.
(2) 암모니아, 황화수소에 의한 악취가 발생된다.
(3) 부대시설이 많아 초기비용이 많이 소요된다
(4) 슬러지 분해속도가 느려 처리속도가 느리다
○혐기성소화에 비교한 호기성 소화의 장단점
구분
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장점
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단점
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호기성
소화
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혐기성소화에 비해 부대설비가 적어 공사비가 적게 소용
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혐기성소화에 비해 건설부지가 많이 소요된다
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혐기성소화에 비해 운영 및 유지관리가 용이하다
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혐기성소화에 비해 동력비가 많이 든다
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혐기성 소화에 비해 상등수의 수질이 좋다
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혐기성소화에 비해 탈수성이 떨어진다
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혐기성 소화에 비해 체류시간이 짧다
(슬러지 분해속도가 혐기성소화보다 빠르다)
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혐기성소화에 비해 동절기 처리 효율이 떨어진다
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혐기성 소화에 비해 슬러지 냄새가 없다
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혐기성 소화의 메탄가스 처럼 부산물의 가치가 없다
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혐기성 소화처럼 메탄가스에 의한 폭발 위험이 없다
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혐기성소화에 비해 안정화가 어렵다
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○혐기성소화 영향인자
1) C/N비 : 12~16 적정범위
2) 온도 : 중온(35도), 고온(55도)
3) 미량원소 : Fe, Ni, Co, Ca등 메탄발효 촉진제
4) pH : 6.5이하로 떨어질시 효율저하
5) 독성물질 : 알칼리성 양이온, 암모니아, 중금속, 산소 등
6) 알칼리도 : 적정범위 2,500~5,000mg/L (HCO3^-)
○혐기성소화 문제점 및 대책
상태
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원인
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대책
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1. 소화가스
발생량 저하
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1) 저농도 슬러지 유입
2) 소화슬러지 과잉배출
3) 조내 온도저하
4) 소화가스 누출
5) 과다한 산생성
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1) 저농도의 경우는 슬러지 농도를 높이도록 노력한다.
2) 과잉배출의 경우는 배출량을 조절한다.
3) 저온일 때는 온도를 소정치까지 높인다. 가온시간
이 정상인데 온도가 떨어지는 경우는 보일러를 점
검한다.
4) 조용량감소는 스컴 및 토사 퇴적이 원인이므로 준
설한다. 또한 슬러지농도를 높이도록 한다.
5) 가스누출은 위험하므로 수리한다.
6) 과다한 산은 과부하, 공장폐수의 영향일 수도 있으
므로, 부하조정 또는 배출 원인의 감시가 필요하다
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2. 상징수 악화
BOD, SS가 비정상
적으로 높다.
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1) 소화가스발생량 저하와
동일원인
2) 과다교반
3) 소화슬러지의 혼입
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1) 소화가스발생량 저하와 동일원인일 경우의 대책은
1.에 준한다.
2) 과도교반시는 교반회수를 조정한다.
3) 소화슬러지 혼입시는 슬러지 배출량을 줄인다.
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3. pH저하
1) 이상발포
2) 가스발생량 저하
3) 악취
4) 스컴 다량 발생
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1) 유기물의 과부하로 소화의
불균형
2) 온도 급저하
3) 교반부족
4) 메탄균 활성을 저해하는
독물 또는 중금속 투입
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1) 과부하나 영양불균형의 경우는 유입슬러지 일부를
직접 탈수하는 등 부하량을 조절한다.
2) 온도저하의 경우는 온도유지에 노력한다.
3) 교반부족시는 교반강도, 회수를 조정한다.
4) 독성물질 및 중금속이 원인인 경우 배출원을 규제
하고, 조내 슬러지의 대체방법을 강구한다.
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4. 이상발포
맥주모양의
이상발포
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1) 과다배출로 조내 슬러지 부족
2) 유기물의 과부하
3) 1단계조의 교반부족
4) 온도저하
5) 스컴 및 토사의 퇴적
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1) 슬러지의 유입을 줄이고 배출을 일시 중지한다.
2) 조내 교반을 충분히 한다.
3) 소화온도를 높인다.
4) 스컴을 파쇄․제거한다.
5) 토사의 퇴적은 준설한다
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○ TPAD
개요
1) 고온혐기성 소화조와 중온혐기성 소화조를 직렬로 연결한 교효율 혐기성 소화조
구성
고온혐기성 소화(SRT : 3~5일)
중온혐기성 소화(SRT : 7~15일)
원리
고온반응조에서 높은 가수분해와 생물학적 활성작용 이용
특징
-유입부하 변동에 강함
-동절기 메탄 생성량 증가
-유출수 수질 양호
-악취저감 가능
-높은 소화율(중온소화의 약 4배)
-온도, 유기물 부하 등 환경조건에 강함
-거품 발생 완화
○ 혐기성소화 한계점 및 개선사항
한계점
-하수 슬러지의 낮은 소화율(감량율)
낮은 생분해도와 두꺼운 세포벽 때문에 가수분해에 많은 시간이 소요됨
감량율이 약 25~60%로 낮음
-음,페수의 경우 가수분해율이 80%이상으로 높음
○대책
-가용화 : 열가수분해, 초음파 처리, 수리동력학적 처리
-분뇨 및 음폐수 병합소화
-고효율 소화조 채용 : TPAD
○설계시 고려사항
조의 크기
(1) 소화조에 유입되는 찌꺼기(슬러지)의 양과 특성
(2) 고형물 체류시간 및 온도
(3) 소화조의 운전방법
(4) 소화조내에서의 슬러지 농축, 상징수의 형성 및 슬러지 저장을 위하여 요구되는 부피
소화방식
소화방식은 일단소화 또는 이단소화방식으로 한다.
소화조용량
소화조의 용량은 다음에 주어진 공식을 이용하여 계산할 수 있다.
소화효율
소화일수, 소화온도, 유입찌꺼기(슬러지)의 유기성분함량 등에 따라 정해진다.
소화조의 수와 형상
① 형상은 원통형, 계란형으로 하고 2조 이상으로한다
② 바닥은 가능한 한 기울기를 크게 하는 것이 좋다.
소화조의 구조
① 소화조는 수밀성, 기밀성 그리고 내식성의 구조로 한다.
9. 결어
1) 슬러지 직매랩, 해양배출금지 협약에 따라 슬러지 감량화 및 에너지자립화가 가능한 혐기성 소화 이용 검토 필요
2) 혐기성 소화 운전시 동절기 온도 저하로 효율이 저하되므로 보온장치, 열교환기등 검토 필요
3)혐기성 소화 탈리액은 C/N비가 낮으므로 외부탄소원 필요없는 Anammox 공법이 효과적임
4) 호기성소화는 송풍동력으로 인한 에너지 다 소비 시설이므로 지양할 필요가 있음.
5) 소화 효율 저하시 고온+중온소화의 장단점을 보완함 TPAD 공법 도입 검토 필요
이상 소화(Two phase)
- 유기성 폐기물을 처리하기 위한 2상 혐기소화장치로서,
- 유기성 폐기물을 저장하는 저장조
- 가수분해 및 산 생성이 일어나는 제1 반응조 및 메탄 생성이 일어나는 제2 반응조로 구분
- 제1 반응조와 상기 제2 반응조는 운전조건이 서로 다르게 제어되고, 상기 제2 반응조는 상기 제1 반응조보다 유효체적이 큰 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치
혐기성 소화 공법에서 각 단계별 미생물의 생장 조건이 상이하여 제어에 어려움이 있었고, 단위 유기물당 발생 바이오가스가 충분하지 못하여 경제성이 부족했기 때문이다.
따라서 본 발명의 목적은 혐기성 소화 공법에 있어서, 각 단계별 미생물의 생장 조건을 달리할 수 있으며 각 단계별 조건을 자동적으로 조절할 수 있고, 그 결과 전체적인 공정 효율을 향상시킬 수 있는 2상 혐기소화장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 또한 소화 공정이 단순하고 전처리나 완충조를 요하지 않으며 바이오가스 생산율이 높은 2상 혐기소화장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 유기성 폐기물을 처리하기 위한 2상 혐기소화장치를 제공한다.
전체적인 혐기소화공정의 소요 시간을 고려할 때, 피처리물은 제1 반응조에 머무르는 시간보다 메탄 생성조인 제2 반응조에 머무르는 시간이 더 긴 것이 바람직한 것으로 알려져 있다.
상기 제2 반응조는 운전조건이 서로 다르게 제어되고, 상기 제2 반응조는 상기 제1 반응조보다 유효체적이 큰 것을 특징으로 한다.
각 반응조에서 피처리물의 체류시간을 다르게 즉, 제2 반응조의 체류시간을 상대적으로 더 길게 할 수 있다. 제2 반응조는 제1 반응조보다 유효체적이 3배 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 체적 비는 유기성 폐기물의 기질에 따라서 다르게 설정될 수 있다. 예컨대, 유기성 폐기물이 축산폐수인 경우 제1 반응조 대 제2 반응조의 유효체적 비는 약 1:9인 것이 가장 바람직하고, 유기성 폐기물이 음식물 탈리액인 경우 제1 반응조 대 제2 반응조의 유효체적 비는 약 1:5인 것이 가장 바람직하다.
상기 운전조건은 각 반응조 내의 pH, 온도, 피처리물의 체류시간 등을 포함한다.
운전조건 중 특히 pH가 중요한데 각 반응조에 적합한 혐기성 미생물이 pH에 매우 민감하게 반응하고, 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물의 최적 pH 범위가 다르기 때문이다.
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