4.1.10 매립가스 이용방안 • 우리나라 : 매립가스 회수 초기 단계를 지나 이용가능성을 연구하고 개발하 는 시기 • 미국 -EPA나 연방기관을 중심으로 민간 가스회사나 전력회사, 자치단체 조직으로 가스추출 개발연구를 폭넓게 진행 -대체에너지로 메탄가스의 중요성이 강조되면서 쓰레기 감량과 에너지화에 대한 기술 개발 연구가 적극 추진되면서 바이오에너지를 이용하는 메탄가스 추출 설비 건설이 증가추세에 있으며, 현재 미국 내 120개 이상이 있음 • 일본 -메탄회수는 1984년 동경 안에 위치한 중앙방파제 매립지에 가스추출 플랜 트를 설치하여 하루에 6,200m3 용량의 가스를 추출하고 1986년부터 시운전 을 거쳐 매립지 내에 발전용 연료(3,940L/일)와 폐플라스틱 용융회전로의 연 료로 공급 • 이외에도 외국에서 현재 매립가스를 중질가스, 전력생산, 전기발전, 전기생 산, 자동차 연료 등으로 이용하고 있음

○ 우리나라 • 대부분 중․소규모로 매립지 가스의 발생량은 소량이며, 주변 인근지역에 대기 환경적인 측면에서 상당히 유해를 가하고 있으며, 일부 지역에서는 매립지 가스를 포집하여 연소 처리하고 있음 • 매립가스 이용은 경제적 이익과 에너지의 이익 등을 고려하여야 하며, 운 영할 제반시설 투자비와 손익 분기점을 파악하고 타 에너지와의 비교 분 석을 하여 결정 • 선진 외국 매립지가스 이용사례를 분석한 경제성 있는 매립지 -매립 용량 100만 m3 이상, 매립이 진행 중이거나 매립경과 완료 후 2~3 년이 경과되지 않은 곳으로 매립 깊이가 12m 이상 되어야 하며, 매립가스 최소 1일 1만 m3 이상 배출 • 매립가스 이용 - 발생량과 밀접한 관계 -포집된 매립가스의 적정처리 및 이용을 위해서는 탈수시설과 휘발성 유 기화합물(VOC)제거시설, 탈황처리시설, CO2 제거시설 필요, 에너지원으로 공급하기 위한 부대시설 필요 -매립지 인근에 발전시설을 설치하여 전력 생산후 지역전원을 공급하거 나 매립지 주 전력의 보조 전원으로 사용, 주변 공업지역의 산업용 전력으 로 공급 가능 • 매립가스 전력생산기술 : 가스엔진, 가스터빈, 증기터빈 등 -전력 생산의 기술을 결정짓는 것은 발전용량과 메탄의 농도에 따라 결정 할 수 있으나 절대적이지는 않음

① 가스엔진 : 메탄농도 45~50% -발전효율이 높고 소형에 적합하며, 부하변동에 효과적으로 대처할 수 있어 매립지 가스의 발생량이 변동될 수 있는 매립지에 유용, 발전용량 3MW 이 하에서 많이 사용 ② 가스터빈 : 메탄농도 35~40% -가스엔진과 비교하여 NOx 발생이 낮기 때문에 환경규제 심한 지역이나 주 거 지역에 적합, 발전 용량이 3~4MW 이상의 중대 매립지에 적용 가능 ③ 증기터빈 : 메탄농도 20% -발전 용량이 10MW 이상일 때 경제성이 향상되므로 대규모 매립지에 적합 하고 대기오염물질이 적으며, 전기에너지와 열에너지를 병용해서 사용가능 한 장점이 있어 대단위 주거지역 주변에서 사용 가능한 방식 • 매립가스를 탈수, 정제한 후 인근 주거 지역에 난방 가스로 공급하여 지역 열원 사용 -매립가스 정제 후 메탄 함량이 98% 이상을 유지해야 하며, 물리 화학적 방 법으로 매립가스의 메탄 함량을 높임 -장점 : 정제과정에서 매립지 가스의 100% 회수가 가능하고 정제된 가스도 고순도이므로 연료로서의 가치가 탁월하며, 대기오염물질이 거의 없음 -단점 : 가스관을 통해 공급해야 하므로 압축에 따른 비용상승 및 가스관이 설치되어 있지 않은 지역에는 초기 투자비용이 높음

• 지역특성에 따른 매립가스 이용방안 - 농촌지역 : 매립가스를 온실의 열원과 CO2 공급원으로 활용 ․ 매립가스를 직접 온실에 공급시 매립가스에 함유되어 있는 휘발성유기화합 물(VOC)이 식물성장에 치명적일 수 있기 때문에 대부분 매립가스를 연소하 여 발생하는 폐열과 이산화탄소를 온실에 활용 ․ 매립지에서 가까운 온실 이용 가능 - 도시지역과 공장지역 ․ 발전시설을 이용하여 전력을 이용하는 방안 ․ 매립가스를 정제한 후 인근 지역에 지역난방용 가스로 공급하는 방안 ․ 보일러 또는 산업 공정에서 직접 연료로 활용하는 방안 • 난지도 쓰레기 매립지 -매립가스를 가스 포집공 106개와 13km에 달하는 이송관로를 설치하여 2002년 월드컵 관련시설에 지역난방 열공급, 매립가스를 연료로 하는 신규택지 및 기존아파트 시설 등 총 12,425세대에 열과 전기 생산 중 • 대구 방천리 매립장 -중질가스 생산 : 포집된 매립가스를 기수 분리기, 습식 세정탑 등을 이용 수 분 및 황화수소 등을 제거하고 필터를 거쳐 미세먼지 제거 후 압축기로 승압 시켜 7.9km 떨어진 한국지역난방공사 대구지사로 공급

※ 환경부 -메탄가스 발생 잠재량을 평가하여 매립가스의 발생량에 따라 3㎥/분 이상, 2㎥/분, 1㎥/분 미만으로 나누어 매립가스 자원화사업 추진

<표> 매립가스 발생량에 따른 자원화 추진방안

발생량 자원화 방법

3㎥/분 이상

< 단독으로 자원화 추진 > ․ 수분과 H2S 등의 불순물 제거를 위한 간단한 전처리 과정을 거쳐 발전시설 가동 ․ 고도의 정제과정을 통해 고품질 연료를 생산, 자동차연료 또는 도시가스 등으로 공급

2㎥/분 < 음식물 등 유기성폐기물 바이오가스와 공동 이용 >

․ 음식물 등의 유기성폐기물 바이오가스화 시설 설치 가능한 매립장을 대상 으로 매립가스와 바이오가스를 함께 에너지로 이용

1㎥/분 미만 < 소각을 통한 그룹화 CDM사업 추진 >

․ 소각기(Flare Stack) 설치 및 소각량을 계량, 2~4개 매립장 그룹화 하여 CDM 사업 추진

• 호주 -1980년대 중반부터 매립가스를 이용하여 전력을 생산함으로써 매립가스 자원화 시작 -주요 기술 : 가스터빈, 증기터빈, 가스엔진 등, 규모는 수백 kW에서 수 MW -50만m3 이상 매립폐기물로부터 700kg/m3의 메탄 발생, 폐기물 백만톤 당 350만m3 가스 발생할 것으로 예상 -매립가스 이용 전력생산 최초매립지 : 멜버른 소재 노스코트 매립지(1995 년) -EDL(Energy Development Ltd) 등 전문기업 중심으로 매립가스 프로젝트 수행 - EDL 생산 262 MW 중 매립가스로부터 약 80MW(20개소)정도 전력 얻음 -벨로스매립지, 루카스 하이트 매립지에 현장 포집시스템 및 가스추출설비 설치, 1MW 발전기 4대 설치로 전력 판매 -매립가스 자원화로 인한 전력생산은 2000년까지는 100MW

• 영국 - 가정계 폐기물 90% 이상 매립 처분 -10,000개소 이상 매립지 중 수백 개소에 이르는 매립지에서 매립가스 이 용가능성 -1995년 75개 매립가스 이용시설 가동중이며 62개소 시설에서 100MW 전 력 생산 - 주로 가스터빈, 가스엔진 사용하여 대체로 1~5MW 수준 전력생산

가. 직접 연료로 활용 • 보일러 연료, 건조공정, 시멘트 및 아스팔트 제조공정, 침출수 증발공정 같은 산업공정에 중질가스로 이용 • 장점 -설치비용이 낮고 보일러 등의 매립가스 내 불순물에 대한 부식문제가 적어 적용성이 쉬운 방법으로 매립가스 내의 응축물과 분진 등을 제거하여 기존 설비 에 적용 • 단점 -불순물이 처리된 매립가스의 이송 배관에 많은 비용이 소모되므로 가스공급 자와 수요자의 거리를 충분히 고려 -매립가스 저장 방법이 없기 때문에 연속적으로 연료를 소비할 수 있는 곳이 필요하며, 매립가스 발생량과 수요자의 필요량 고려 • 폐기물 백만톤에서 발생되는 가스를 보일러 연료로 사용시 스팀 약 8,000~ 10,000 lbs/hr 발생

나. 매립가스 발전 • 매립가스 에너지 전환사업 중 가장 많이 적용된 분야 • 전력만 생산, 전력과 난방열 동시 생산하는 열병합 발전으로 나누고 전력만 생산시 효율이 20~50%밖에 미치지 못하지만 열병합 발전은 전력과 스팀, 온 수를 동시 생산하므로 효율이 높음 • 열병합 발전에서 발생된 열은 매립지 현장 난방, 인근 소비자, 산업공장에 이용 • 전력발전 시스템 : 내부 연소엔진, 연소터빈, 스팀터빈 -내부 연소엔진 : 설치비 저렴하고 가장 널리 이용(전체 전력발전 시스템 80% 차 지), 소규모 매립지에 적당(12MW가 가장 큰 규모) -연소터빈(가스터빈) : 발전규모가 최소 3~4MW 이상인 중간규모나 대규모 매립 장에서 주로 이용, 배기가스가 적고 운전 및 유지비가 적게 듬 -스팀터빈 : 보일러를 사용하여 스팀을 발생시켜 터빈을 돌려서 발전하는 방식, 규모가 클수록 경제적

다. 고질가스(High BTU)로 활용 • 정제된 매립가스의 메탄 함량 98% 이상 유지 • 매립가스에 존재하는 수분, 미량의 휘발성유기화합물, 이산화탄소 등을 물 리 화학적 방법으로 제거하거나 정제하여 매립가스의 메탄 함량을 높여야 함 - 수분 : 냉각제 이용, 수분을 응축 제거 - 휘발성유기화합물 : 활성탄 등 흡착제로 제거 -이산화탄소 : 성분 함량이 40% 정도이므로 이를 선택적으로 제거할 수 있 는 공정 도입 • 가스관 공급을 위해 일정 압력을 유지시키기 위한 압축 필요 • 장점 : 매립가스 100% 회수 가능, 정제가스는 고순도로 연료가치 탁월, 대 기오염물질 배출도 적음 • 단점 : 고순도 메탄 생산을 위해 복잡한 정제과정을 거쳐야 하므로 설치 운 영 비용 상승

라. 중질가스(Medium BTU)로 활용 • 가스 수요자가 매립지와 인접 시 사전에 공급 가능량, 운송방법, 가스 질, 수요 처의 시설, 관계법규 등을 검토하여 매립가스를 중질가스로 정제 후에 직접 연 료로 사용가능 • 보일러 연료로 사용하는 방법 : 수분과 미세입자 등의 불순물 제거, 매립가스 중 부식성 물질인 H2S와 NH3 제거 후 직접 보일러 연료로 사용 -침출수 처리장 보일러 등에 사용가능하며 전처리가 단순하고 가장 경제적인 방법 • 고열량인 다른 연료와 혼합하여 중질가스로 제조, 판매하는 방법 -매립가스 중 H2S와 악취물질만을 탈황시설과 활성탄으로 제거 후 중질가스(도 시가스)와 비교해 부족한 열량을 액화석유가스(LPG, 23,000 kcal/m3)와 혼합하 여 약 10,500 kcal/m3 정도로 만들어 도시가스(LNG)로 공급하는 방법 -가장 간단하면서 비용이 적게 들며 보일러, 건조기, 시멘트나 아스팔트 제조공 정 등에 직접 이용 - 잉여가스 보관이 곤란하므로 가스 발생량과 수요량이 일치하여야 효율이 좋음 -직접 연료로 사용시 매립가스의 높은 수분함량(3~7%)을 제거하기 위한 장치가 필요하며 포집과정에서 섞인 공기가 열량을 저하시킬 수 있으므로 이에 대한 대비 필요 -장점 : 간단한 정제과정을 거쳐 가스관이 갖추어져 있는 지역에서는 용이하게 설치하여 운영될 수 있으며, 단순연료 사용으로 인한 오염물질 배출에 따 른 부담이 적음 -단점 : 가스관에 압축하여 공급해야 하므로 압축공정 필요, 비용 상승, 가스관 미설치 지역에는 초기 투자비용 상승

마. 기타 용도 -매립지 요구, 규모, 가스의 질 등에 따라 활용가능성 다름

• CNG 차량 연료 -LA 카운티 보건국 푸엔테힐스 매립지에서 매립가스를 차량연료 활용에 성 공 -매립지에 압축 매립가스 주입기 설치하여 쓰레기 수거 차량에 연료로 공급

• 메탄올 생산 -1980년대 초부터 미국에서 연구되어 왔으나 메탄올 가격이 낮아 경제성이 맞지 않아 실질적인 생산을 이루어지지 않음 -1990년대에 메탄올 가격의 상승으로 매립가스로부터 고급 메탄올 생산

• 연료전지 -매립가스와 같은 연료로부터 얻어지는 수소에 공기 중의 산소를 전기화학 적으로 반응시켜 에너지를 얻는 기술 - EPA가 1996년 시험 가동

4.1.11 부산 생곡매립지 매립가스 • 부산광역시 생곡동 매립가스 발전사업 - 매립가스를 포집하여 발전하고 계통전력망에 공급하는 사업 - 온실가스인 메탄가스 및 이산화탄소 감축 - 2001년부터 2020년까지 진행될 예정(1996년부터 매립 개시) 가. 적용기술 • 주요공정 : LFG 포집시스템, LFG 정제시스템, 전기 발전시스템 • 주요설비 : 가스포집공 및 가스정, 압축 분리기, 탈황기, 열교환기, 가스필터, 블로어, 가스터빈 발전기 등

그림 4.4 생곡매립장 LFG 공정도

• LFG 포집시스템 - 70개 수직포집정 설치 -가스량 조절, 계량 및 샘플링이 가능한 6개의 가스정이 10~12개의 수직포집 정과 연결, 포집가스는 파이프라인을 통해 CSV(응축수 분리기)로 이송 • LFG 전처리 시스템 -매립가스 : CH4(50~65%), CO2(35~39%), N2, O2, H2S, NH3(미량) 등으로 구 성되어 있으며 소량의 황화수소, 암모니아, CFCs(1% 이하 극소량이더라도) 등이 금속 부식 등 심각한 문제 야기하므로 적절히 정제 필요 - 응축수 분리기(CSV) : 매립가스의 수분 제거 -열교환기 : 가스온도를 적정 온도로 조절하며, 암모니아가 이 과정에서 냉각 되어 물에 용해되고 폐수처리 설비로 보내짐 - 탈황설비 : 황화수소 흡수, 가스엔진 부식 방지 - 가스여과기 : 미세머지 제거 -블로워 : 매립가스 유량 및 속도 통제

• 발전시스템 - 1,058MW급 6기 설치(연간 약 41,830MWh 전력생산) -생산전력은 자가소모분을 제외하고 한국전력공사(KEPCO)의 배전망으로 공 급

4.1.12 매립가스 자원화 기술의 평가 - 자원화 기술의 환경성, 기술성, 경제성 측면의 평가 필요 -환경성 : 메탄가스 저감, 악취물질 및 휘발성유기화합물 저감효과, 2차오염 물질 발생량 - 기술성 : 기술의 효율성, 안정성, 내구성 - 경제성 : 설치 운영비 측면에서 분석 가. 환경성 • 매립가스 배출로 인한 환경적 효과 - 메탄 및 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화 효과 - 악취발생 - 유해 특정 휘발성유기화합물 배출로 인한 건강상 위험 - 비메탄계 유기물 배출 및 그의 광화학반응으로 생성되는 오존의 영향 - 메탄가스 폭발 가능성 • 매립가스 자원화에 따른 환경적 효과 -온실가스 저감효과 : 회수된 매립가스를 에너지원으로 활용시 최종산물로 이산화탄소와 물 생성, 메탄가스가 지구온난화 지수가 약 1/21인 이산화탄 소로 전환되기 때문에 온실가스 저감 - 휘발성유기화합물 발생 저감효과 - 에너지 자원 절약 효과 : 매립가스의 에너지화

나. 기술성 • 기술성 : 기술의 효율성, 안정성, 내구성 -가스엔진 : 전력생산 측면에서 가스엔진이 가스터빈보다 유리하고 폐열도 적음 -증기터빈 : 증기생산에 대다수 에너지 사용, 전력생산은 상대적으로 훨씬 적 음 -가스엔진은 소규모, 가스터빈은 중규모 이상, 증기터빈은 대규모 매립지에 적합 -가스엔진이 발전효율이 가장 높으며, 미국에서 보급된 설비 중 60%가 가스 엔진 적용 -증기터빈 : 열에너지와 병행하여 사용가능하고, 열에너지 활용에 유리하므로 전력생산 과정에서 발생되는 폐열을 활용하여 전체 에너지 효율 향상 • 효율성 - 기술적 효율성 : 가스엔진 탁월 > 증기 터빈 > 가스 터빈 - 발전효율은 큰 차이 없음

• 안정성 - 가스엔진 유리 : 현재 가장 많이 보급되어 현장 적용 완성도 큼 - 가스터빈(13%)도 현장 적용사례가 많아 큰 문제 없음 -증기터빈(3%)은 안정성에서는 가스엔진과 가스터빈에 비해 떨어짐

• 내구성 -증기터빈 유리 : 매립가스 중 부식성 및 휘발성 가스 등이 설비와 접촉하지 않음 -가스엔진 : 매립가스와 접촉으로 장치 부식이 자주 발생, 내구성 측면에서 불 리, 최근 가스엔진 부식방지 기술 개발로 부식 최소화 • 부대시설 - 모두 전처리시설(탈수, 탈황 설비 필요) - 가스엔진, 가스터빈 : 고압 압축시설 필요 -증기터빈 : 증기응축설비, 보일러 부대 설비 필요

• 소규모 매립지 - 가스엔진, 중대규모 - 가스터빈, 대규모 - 증기터빈 적절

다. 경제성 - 메탄가스 발열량 9,500~10,000 kcal/Nm3 정도 - 매립가스 메탄함유량을 50%로 가정하면 매립가스 발열량은 약 4,8000 kcal/Nm3 -메탄가스 연소설비 발전 효율을 30%로 가정시 1MW의 전기 생산에 약 10Nm3/min의 매립가스 필요 -2004년 기준 국내 매립가스 자원화시설 발생 총 매립가스량은 약 1,250Nm3/min 이고 발전 가능량은 130MW 정도 - 전력시장 평균 가격 60원 kWh로 환산시 약 700억원 전력 생산 - 국내 매립가스 자원화시설 매립지는 전체 매립지 중 약 4%에 불과

비용 천원 발전수익 천원

포집 및 관리설비 운영비 152,000/년

신재생에너지 발전차액 기준가격

75원/kWh 발전설비 운영비 270,000/년

LFG 발전설비 설치비 3,000,000

합계(20년) 11,440,000 합계(20년) 26,300,000

- 9년 이후 손익분기점 도달, 20년 동안 발전시 약 150억원 순이익 발생 - 순이익은 발전에 관한 것으로 온실가스 및 악취 저감 등을 고려 시 수익성은 더욱 증가

표 4.3 100만톤 규모 매립지에 매립가스 발전설비 설치에 따른 예상 비용과 수익

4.2 바이오가스 자원화 4.2.1 바이오가스 현황 • 우리나라의 혐기성 소화기술 -하수처리장 슬러지 감량 목적으로 재래식 혐기성 소화조를 외국에도 도입하여 사용 - 1970년대 초부터 연구 시작 - 1980년대 외국의 기술을 접목하여 개량된 형태의 반응조 연구 -1988년부터 대체에너지개발 및 이용, 보급촉진법에 따라 정부차원에서 기술 개발, 농림부를 중심으로 농가 단위의 가축분뇨를 이용한 난방 및 취사 연료용 에너지의 활용이 가능한 간이 혐기성 소화기술이 개발됨. -1990년대 초반 다양한 고효율 혐기성 반응조들이 외국에서 발표됨에 따라 국내에 서도 기업과 학교 등을 통해 연구되기 시작하였으나 1~2기의 실증설비 적용후 추 가적인 보급의 확대와 운용자의 기술 습득 부족으로 보급이 확대되지 못함. -상용화 단계 기술 현황을 살펴보면 국제적인 기후변화 협약의 가시화 및 유가 급 상승과 국내적으로 유기성 폐자원 매립 및 해양투기가 금지됨에 따라 정부에서는 유기성폐자원의 자원화와 육상처리 대안으로 혐기성 소화를 통한 감량화 및 에너지 회수의 기술 개발에 대하여 적극적인 관심을 보임 -국내에는 공장폐수 및 축산분뇨를 처리하기 위해 도입된 외국기술 위주의 혐기성 소화시설이 대부분을 차지, 유기성폐자원을 중심으로 자체개발 기술과 외국기술을 도입한 국내업체 그리고 외국기업의 자체투자 등의 방법으로 상업화 이루어짐 -주로 음식물 쓰레기와 하수슬러지, 축산분뇨와 음식물의 병합처리 등으로 적용실 적이 발생(대부분 소규모)

4.2.2 혐기성 소화의 영향인자 • 혐기성 소화공정 -연속적인 반응으로 이루어지지만 각 단계의 반응은 거의 동시에 일어나며 중간대사 생성물과 많은 미생물 종의 상호작용으로 이루어짐 -미생물들의 반응이 혐기성 조건에서 정상적으로 진행되면 최종산물로 대부 분 메탄과 이산화탄소 발생. -운전조건이 적합하지 않을 경우 아세트산, 프로피온산, 부티르산 등 중간생 성물이 메탄으로 전환되기보다 그 자체가 주요한 최종생산물이 되어 반응조 에 축적 ⇒ 혐기성 소화 효율 저해 원인 -혐기성 소화공정의 소화효율을 극대화하기 위해서는 반응조 내 미생물에 적 합한 환경조성 필요(특히 메탄생성균의 활성 증진이 중요). • 혐기성 소화시 미생물 성장 주요 영향인자 : 반응온도, pH, 기질 부하량, 체 류시간, 혐기조건, 독성물질 등

가. 반응온도의 영향 • 혐기성 소화에서 온도 중요, 미생물 온도 특성에 따라 저온소화(10~25℃), 중온소화(35~40℃), 고온소화(50~60℃)의 3종류로 구분 - 고온소화 : 중온소화에 비해 유기물 감량 효율이 높으며, 병원균 사멸율이 상 대적으로 크나 고온성 미생물의 온도와 유기물의 부하에 따른 안정성, 복원력, 처리수의 수질 등의 문제점이 따름 - 중온소화 : 고온소화보다 바이오가스 생성이 뛰어나며 소화조의 가온을 위해 에너지가 적게 소비되어 운전시 고온소화보다 조작성이 좋음, 대부분 공정은 고온소화에서 이루어짐 • 메탄 생성 공정의 미생물은 온도 변화에 민감 : 45℃ 부근에서 미생물의 성장 조건에 적합하지 못하여 소화 효율이 감소하므로 주의를 요함

나. pH의 영향 • pH : 혐기성 소화에서 가장 중요한 영향 인자 중 하나 • 일반적인 혐기성 소화는 pH가 중성범위에서 이루어짐 • 단상혐기성 소화조 - 초기에 산성을 유지, 안정되면 중성으로 전환 - 가능한 중성에서 약알칼리 영역을 빠른 시간에 유지 필요 • 이상혐기성 소화조(산생성 반응조, 메탄생성 반응조 분리) : 각 반응조 적 정 pH 있음. - 산생성단계 : pH 5.5~6.0에서 유기산 최대 발생 - 메탄생성 단계 : pH 6.8~7.4에서 메탄가스 발생량 최대 - 각 발효단계의 pH 영역 유지가 중요. • 축산폐수 처리시 pH가 10.0~11.0 정도로 상승하는 경우 - 유입 원료의 C/N비가 낮게 유지되어 소화가 진행됨에 따라 질소성분이 암모니아로 전환되기 때문 - 소화조의 적정운전을 위해서 pH는 항상 일정하게 유지되어야 하며, 암모 니아성 질소와 암모늄 이온의 농도에 따른 알칼리도의 균형을 유지하기 위해서 외부에서 산을 가하여 적정 pH를 조절해야 함. • 반응조의 완충능력이 감소하면 pH가 감소하고 분해되지 않은 유기물이 미생물의 성장을 억제하므로 메탄발효 능력이 떨어지게 됨 - pH가 5.0 이하로 3일 이상 유지되면 그 이후에 pH를 조절해도 반응조가 정상적으로 가동하기 어려워지므로 혐기 반응조 내 pH 민감성에 대처하 는 방법 필요

다. 기질부하량 • 기질부하량 : 슬러지의 유기물량으로 휘발성 고형물을 기준으로 하며, 균체 의 성질이나 발효 온도에 의하여 적절한 함량이 필요. - 과잉 유기물이 공급되면 영양이 과다하게 되어 발효가 원활하게 이루어지 지 않음. - 단상 반응조에 의한 고온 발효 에서는 5~6 kg․vs/m3/d가 최적이라고 알려 져 있으나 메탄발효의 부하량은 발효 온도에 따라 다르며 고온 발효는 중 온 발효의 약 3배 정도. - 단상 반응조의 유기성 폐액 메탄발효법에서 중온발효는 2~3 kg․vs/m3/d 가 최적이며, 이상 반응조는 6 kg․vs/m3/d가 최적 라. 체류시간 • 고형물 체류시간 증가로 바이오 가스 증가 • 다량의 바이오가스 회수 : SRT를 길게 하여 혐기성 미생물 중 메탄생성균 의 균체를 증가시키면 메탄생성 효율 증가 • 혐기성 소화공정에서 온도가 높을수록 소요되는 체류시간은 줄어들며 저 온성 소화에서 평균 고형물 체류시간은 100일 이상. • 낮은 온도에서 운전될 경우 보다 높은 SRT를 필요로 함 • 중온성 소화조는 전형적으로 20~35일, 고온성 소화조는 12~15일 정도로 운영됨.

다. 기질부하량 • 기질부하량 : 슬러지의 유기물량으로 휘발성 고형물을 기준으로 하며, 균체의 성질이나 발효 온도에 의하여 적절한 함량이 필요. - 과잉 유기물이 공급되면 영양이 과다하게 되어 발효가 원활하게 이루어지지 않음. - 단상 반응조에 의한 고온 발효 에서는 5~6 kg․vs/m3/d가 최적이라고 알려져 있으나 메탄발효의 부하량은 발효 온도에 따라 다르며 고온 발효는 중온 발효 의 약 3배 정도. - 단상 반응조의 유기성 폐액 메탄발효법에서 중온발효는 2~3 kg․vs/m3/d가 최적이며, 이상 반응조는 6 kg․vs/m3/d가 최적 라. 체류시간 • 고형물 체류시간 증가로 바이오 가스 증가 • 다량의 바이오가스 회수 : SRT를 길게 하여 혐기성 미생물 중 메탄생성균의 균체를 증가시키면 메탄생성 효율 증가 • 혐기성 소화공정에서 온도가 높을수록 소요되는 체류시간은 줄어들며 저온성 소화에서 평균 고형물 체류시간은 100일 이상. • 낮은 온도에서 운전될 경우 보다 높은 SRT를 필요로 함 • 중온성 소화조는 전형적으로 20~35일, 고온성 소화조는 12~15일 정도로 운 영됨.

4.2.3 바이오가스에 의한 생성물 가. 가스발생량(메탄가스) • 유기물 종류에 따라 차이가 있으나 유기물 kg당 400~600L, 유기성 폐기물 1 톤당 100~200m3의 가스 발생 • 조성 : 메탄가스 50~60%, 나머지 이산화탄소 • 유기물 가스생성량 : 고온발효나 중온발효나 큰 차이 없음 • 생성가스 : 6.5 kWh/m3의 열량을 가지고 있어 메탄가스를 태워 발전가능 • 전력과 열 : 소화조 보온 및 처리장 전력으로 활용가능하여 발효과정 중 경 제성 개선 • 폐기물과 분뇨에 포함된 유기물은 탄수화물, 단백질, 지방이며 구성원소를 알고 있다면 식(4.5)의 메탄발생량 산출 가능

- 탄소, 수소가 많아야 메탄발생량 조성이 크며, 이산화탄소 양 적어짐 - 산소가 많은 유기물에 대해서는 탄산가스량 증가

(4.5)

나. 고형물 • 유기성 고형물 : 혐기성 소화과정에서 고형물은 종류에 따라 이물질 의 형태 및 최종 소화액 내에서 고형물의 형태로 발생되며 BOD로 환산하여 10~20% 정도의 유기물이 미분해되어 잔존 - 이러한 고형물은 탈수과정을 거쳐도 수분함량이 80% 전후를 나타 내어 매립처리 불가능 - 분해가능한 유기물에 대해서는 호기성 퇴비화 공정에 투입하여 유 기물의 안정화 과정이 수반되어야 함 ⇒ 퇴비, 토양개량제로 재활용 - 최종 생산물 품질은 숙성과정에서 안정화 정도에 따라 더 향상될 수 있음 - 최종 생산물 품질은 원료에 따라 다르게 나타나는데 이물질이 제거 될수록 분해 과정의 청결정도가 높을수록 좋은 제품으로의 유통이 가능하게 됨

4.2.4 바이오가스의 생성 • 바이오가스 : 혐기성 소화작용으로 메탄생성 박테리아가 바이오매스를 분해할 때에 발생하는 대사산물의 하나로, 메탄과 이산화탄소의 혼합 형태인 기체를 의미 • 바이오가스의 형태 : 퇴비가스, 습지가스 등 자연적으로 생성되는 것과 제조된 가스 • 바이오가스 생산시 이용 가능한 유기성 폐자원 : 음식물 폐기물, 하수 슬러지, 가축분뇨 등 가. 혐기성 소화의 원리 • 혐기성 소화 : 산소 부재 상태에서 유기물을 분해하기 위해 미생물을 이용하는 생물학적 공정 • 공학적 설계에 의한 혐기성 소화조 내에서의 유기물 소화는 밀폐 공간 인 반응조 내에서 일어나며, 가스발생량과 폐기물 분해속도를 극대화 하기 위해서는 반응조 내 수분함량, 온도, pH와 같은 환경 조건들이 중 요하며, 혐기성 소화는 다양한 유기물을 분해시키고 안정화시키는데 필요한 가수분해 단계, 산생성 단계, 메탄생성 단계로 구성됨

그림 4.5 유기성 폐자원의 혐기성 소화단계

① 가수분해 단계 - 복잡한 유기화합물(탄수화물, 단백질, 지질)이 가수분해균과 발효균의 가 수분해 효소에 의해 분해되는 과정 - 다당류, 탄수화물, 단백질, 지방, 리그닌, 셀룰로오스 등의 복합 유기물이 용해성의 당, 알코올, 지방산, 아미노산, 폴리펩타이드 등의 저중합체로 분 해 - 고형물이 많은 폐수인 경우 가수분해 단계가 전체 공정의 율속단계가 되 기 때문에 유입고형물의 크기가 미세할수록 효율 향상 ② 산생성단계 - 산생성균에 의해 가수분해 산물이 프로피온산, 부틸산, 아세트산, 기타 저 분자 유기산 및 수소, 이산화탄소로 전환 - 가수분해 단계에서 생성된 용존성 저분자 유기물을 프로피온산, 부틸산으 로 분해시키는 미생물은 산생성균이고 이들 미생물에 의해 생성된 유기 산을 아세트산으로 분해하는 미생물은 아세트산생성균임 - 산생성균은 메탄생성균에 비해 증식율과 기질 이용속도가 빠르고 환경변 화에 더욱 안정적인 특성을 가지고 있음

- 산생성단계 : 가수분해되어 생성된 단당들이 프로피온산이나 부틸산까지 분 해되며, 프로피온산 등이 최종적으로 아세트산으로 분해되며, 기질이 분해 되어 메탄 형성의 기질인 아세트산, 수소가스, 이산화탄소가 만들어짐

③ 메탄생성 단계 - 수소를 기질로 이용하여 메탄 생성 - 미생물군은 절대 혐기성균 - 메탄생성균은 산생성균에 비해 pH, 온도, 독성물질 등 환경변화에 매우 민감하고 증식 속도나 기질 이용률이 낮음. • 혐기성 소화조의 효율 향상을 위해서 운영관리상 여러 가지 환경조건을 적절하게 관리 • 특히 가수분해 단계가 전체 공정의 율속 단계로 작용하고 있기 때문에 혐기성 소화공정에 있어서 가수분해를 촉진시키기 위한 기술의 도입은 전체 혐기성 소화공정의 소화효율 및 바이오가스 생산을 향상시키는데 있어서 가장 중요