혐기성 소화법의 개요

1. 개요

   혐기성소화는 밀폐된 탱크에 슬러지를 투입하면 미생물의 작용으로 슬러지 속의 유기물이 비교적 안정된 유기물 또는 불활성 무기물로 분해하는 것을 말한다. 또 이 생물작용의 과정에서 병원균(병균)과 그 매개물이 박멸됨과 동시에 슬러지 중의 유기물 절반이상이 액화, 가스화됨으로 인해 슬러지가 감량 및 안정화 된다. 이 슬러지소화 과정은 소화온도(약40℃)를 경계로하여 고온소화와 중온소화로 구분된다. 통상은 소화온도 35℃의 중온소화법이 채용되고 있다. 고농도의 유기물을 포함하는 분뇨는 혐기성 상태에서 혐기성 세균의 활동에 의해 분해된다. 유기물을 분해 시킬 때 혐기성 세균은 무기물 중의 산소 및 수중의 아질산염, 질산염, 황산염 등의 화합물 중의 산소를 이용하고 분해된 산물로서 메탄, 황화수소, 탄산가스 등을 발생시킨다. 이 슬러지의 소화과정을 단순하게 말하면 산발효와 메탄발효의 두가지 공정으로 진행된다.

a. 산발효
    유기물 중의 셀룰로스(Cellulose)나 전분 등의 탄수화물은 보다 간단한 구조의 당류로 분해한다. 또 단백질은 아미노산(Amino Acid)류로 되고 지방질은 글리세롤이나 지방산으로 가수분해 된다. 이와 같은 작용은 산생성균의 역할에 의하여 이루어지며 pH가 저하한다. 이런 소화과정을 산발효기라고도 불리운다.

b. 메탄발효
    다음의 가스화 과정에서는 앞에서 생성된 유기산이 절대혐기성의 메탄생성균에 의하여 가스 상태의 최종생성물로 된다. 이와 같은 혼합가스의 주성분은 탄산가스(CO₂) 및 메탄(CH₄) 이다. 소화의 균형이 유지될 때는 산발효 및 메탄발효는 동시에 진행된다. 소화반응을 촉진시키기 위해서 조 내부의 교반과 수온이 낮을 때는 가온을 행한다. 또 생성된 메탄가스는 소화조 가온용 보일러의 연료 및 가스 발전용 엔진 연료로 회수 재이용되고 있다.

　

2. 혐기성소화의 과정

    혐기성 소화는 여러가지의 혐기성 미생물에 의해 슬러지 중의 유기물을 단계적으로 분해하여, 최종적으로는 유기물을 메탄, 탄산가스, 물 등으로 변화시켜 슬러지를 안정화 시키는 과정을 말한다. 소화에 관여하는 미생물은 통성혐기성세균군[기질분해균, 산생성균(Acid Former)]과 편성(절대)혐기성세균군[메탄균]등 2종류의 세균군으로 대별할 수 있다.
    슬러지 중의 유기물질은 대부분 탄수화물, 단백질, 지방의 3영양소로 이루어져 있으며, 이들 유기물질의 소화과정은 상기 2종류의 세균에 의하여 그림과 같은 2단계의 소화과정을 거친다. 제1단계에서는 탄수화물, 지방, 단백질, 섬유질 등의 고분자 유기물이 통성혐기성균에 의해서 저분자화 되면서 저급지방산인 유기산, Alcohol, 이산화탄소, 수소 등을 생성한다. 제2단계에서는 제1단계에서 생성한 유기물질이 편성혐기성세균의 작용으로 더욱 분해되어, Methane, 이산화탄소, Ammonia, 황화수소, 물 등의 최종생성물까지 분해된다.

< 혐기성 소화의 2단계 > 

 

 　

3. 혐기성 소화에 미치는 영향인자

a. 소화시간과 가스발생량
    분해속도, 즉 단위시간당 가스발생량은 슬러지 중에 잔존하는 유기물량에 비례하는 것이 된다. 혐기성소화법에 있어서 가스발생량은 통상 유기물 1㎏당 400~700ℓ 로써 평균 500ℓ 정도이다. 또 조성가스는 메탄 60%, 이산화탄소 35%와 소량의 질소, 수소, 유화수소 등이 각각 0.005~0.01%씩 함유한다.
    소화조를 양호한 상태로 유지관리하기 위해서는 숙성된 소화슬러지가 충분히 존재하여야 한다. 연속투입식의 소화조에서 정상적인 운전이 유지되고 있으면, 숙성한 소화슬러지는 충분히 존재한다. 일반적으로는 1일 투입하는 분뇨 및 축산폐수량에 대하는 소화조내의 슬러지량은 적어도 10이상 필요하다고 되어 있다.

b. 유기물질
    혐기성소화에 있어서 지극히 다종류의 유기물이 분해되어 메탄과 이산화탄소를 발생시킨다. 표는 Rodger 에 의한 분해 가능한 유기물 1g당 가스발생량을 나타낸 것이다. 일반적으로 유기물 중에 포함되는 셀룰로즈 등의 탄수화물에 비율이 많아지면, 가스 중에 이산화탄소의 농도가 높아지게 된다. 또 분해속도는 탄수화물이 가장 빠르고 일반적으로 소화 가스 중에 이산화탄소의 농도가 높아지게 된다. 또, 분해속도는 탄수화물이 가장 빠르고 일반적으로 소화 가스중의 이산화탄소 함유비의 증가는 유기물부하와 온도와 소화일수의 균형이 허물어져 소화가 불완전 하게 된 것을 가리키며, 더욱 악화되면 거품이 일어나는 현상이 생긴다.
    소화조에서 유기물 부하는 중온소화법(35℃내외)에서 0.48~1.6㎏/㎥·일, 고온소화법(55℃내외)은 1.6~8㎏/㎥·일까지 가능하다.

c. 영양조건
    혐기성소화가 지장 없게 행하여지기 위해서는 C,N,P 및 그 밖의 영양소가 적당한 비율로 유입수 중에 포함되어 있는 것이 필요하다. 특히 투입 유입수 중의  C/N비는 가스발생량과 기질의 분해속도에 크게 영향을 준다.

d. 저해물질
    혐기성소화의 저해물질로서는 중금속류, 시안, 페놀 등의 독물, 강산, 강알카리, 강산화제 등이 있으며, 가용성의 동, 아연, 니켈 등은 저농도라도 혐기성 처리에 저해물질로써 작용한다.
    고농도의 암모니아도 소화기능을 저해한다. 그 독성은 암모늄이온 농도와 pH상승의 양쪽에 기인하는 것으로 NH₃가 pH 7.4~7.6 이상에서  1,500~3,000㎎/ℓ이거나, pH에 관계없이 3,000㎎/ℓ 이상 되면 방해작용을 한다.

e. 소화온도와 소화일수
    일반적으로 생물반응은 어떤 온도범위 내에서는 온도가 상승하면 반응속도도 빨라진다. 산성발효에서는 혐기성세균의 종류가 많기 때문에 온도가 변화하더라도 온도에 대응하는 세균이 우선하게 되어 온도의 영향이 크지는 않다. 알카리성 발효로서는 메탄균의 생육에 적합한 최적온도가 존재하기 때문에 최적온도 이외의 범위에서는 소화의 진행속도가 느리게 된다.
    소화온도에 따라 중온소화법(Mesophilic Digestion : 30~37℃)과 고온소화법(Thermophilic Digestion : 50~55℃)으로 분류하며, 소화조내의 일정한 온도를 유지하기 위한 가온법은 다음과 같다.
소화조내에 온수관을 배치하는 방법
탈리액의 일부를 소하조외로 인발하여 외부에서 열교환을 시킨 다음 다시 소화조로 보내는 방법
수증기를 직접 소화조내에 분출하는 방법

f. 유입량
    유입량을 다량 투입하면 소화조의 온도가 저하되어 소화액 중에 중탄산염(HCO₃^-) 농도가 낮아지게 된다.

g. 소화조의 부하
   소화조에 투입되는슬러지량이 과잉의 경우는 유기산의 과잉생성을 초래하며 반대로 투입부족은 영양부족이 되어 메탄발효가 저해된다. 소화조의 부하는 소화온도, 소화일수, 소화방식 등의 여러가지 조건을 고려하여 정할 필요가 있다.

h. 소화율
    투입슬러지의 유기분을 A%, 소화슬러지의 유기분을 B%로 하면 소화율과 슬러지으 ㅣ감소율은 다음 식으로 표시된다.

                 (100-A)B
소화율(%) = [ 1- ----------] × 100
                 A(100-B)

                   100-A
슬러지의 감소율= ----------
                   100-B 　

i. pH
    메탄균의 활성에 최적의 pH 범위는 7.0~7.2정도이고, 이 범위로부터 크게 벗어나면 메탄균의 증식은 급격히 감소한다. 메탄균은 pH에 민감하여 과부하 투입, 온도저하, 유해물질의 혼입 등 소화방해가 일어나면 휘발산이 축적되어 pH에 민감하여 과부하 투입, 온도저하, 유해물질의 혼입 등 소화방해가 일어나면 휘발산이 축적되어 pH가 5.0~6.8 또는 그 이하로 저하하고 가스발생도 억제된다.

j. 알카리도(Alkalinity)
    혐기성소화에 있어서 알카리도는 주로 혐기성분해 과정에서 발생되는 암모니아의 중탄산염에 의한 것이며, 소화조에 투입되는 슬러지의 질, 질소산화물의 양 및 소화의 정도에 의해서 다르다. 소화액의 완충능력은 알카리도에 의한 것으로 유기산이 증가하면 다음식과 같이 반응한다.

CH₃COOH ＋  NH₄HCO₃ →  CH₃COONH₄↑ ＋  H₂O  ＋  CO₂

알카리도를 측정하면 pH치의 측정보다도 쉽게 변화를 감지할 수가 있다.

k. 유기산
    소화슬러지 중의 유기산 농도는 소화상태를 알기 위하여 가장 좋은 지표의 하나가 된다. 농축슬러지 상태, 유기물부하, 소화일수, 소화온도에 따라 유기산 농도가 변하지만 유기산 농도를 단독으로 이용하는 것보다 알카리도와 비교해서 관리지표로 삼는 것이 편리하다.
    유기물의 혐기성분해 결과 발생되는 초산, 프로피온산, Formic산, 유산 등의 저급 지방산은 소화조가 정상으로 관리되어 있으면 축적되는 일없이 메탄과 이산화탄소로 분해된다. 그러나, 유기산농도가 허용농도 이상으로 되면, 메탄균의 활동이 저해되어 유기산으로 분해되는 속도보다도 생성되는 속도쪽이 빠르게 되어 가속도적으로 축적된다. 정상적으로 소화상태에서의 유기산농도는 300~500㎎/ℓ 정도라고 되어 있고, 2,000㎎/ℓ 이상에서는 pH가 저하하며, 가스발생량이 억제됨으로 통상 300~2,000㎎/ℓ 범위를 유지하는 것이 가장 좋다.

l. 교반
    소화조의 교반 목적은 다음과 같다.
투입 유입수와 미생물과의 충분한 접촉을 위함
소화조내의 물리적, 화학적, 생물적인 반응이 균일하게 하기 위함
대사생성물이나 유입저해물질을 급속히 확산시켜, 저해효과를 희석
표면에 스컴층이 형성하거나 소화조 하부(밑바닥)에 부유물질이 퇴적하는 것을 방지하여 소화조의 용량을 유용하게 한다.
    소화조는 교반하지 않으면 슬러지가 소화조 하부에 퇴적된다. 그 슬러지 중에는 유기산, 이산화탄소 등의 가스농도가 높게 되어, 세균의 활동이 저해되므로 교반에 의해 소화조내에 균일히 분산되거나, 투입슬러지에 의해서 희석됨과 동시에 용해하고 있는 이산화탄소를 배출시킬 수 있다. 또한 세균은 농도변화에 민감하므로 교반에 의해 소화조 내부온도를 균일하게 하여 가급적 일정하게 유지할 필요가 있다.
    스컴발생 그 자체는 소화과정에서 발생되는 것이므로 이상하게 생각할 필요는 없지만, 스컴을 방치하면 점차로 고형화 되고 누적되어 소화조의 유효용량을 감소시키는 결과를 초래하게 된다. 또한 소화가스의 배출에 방해가 되고 소화의 촉진을 방해함과 동시에 경우에 따라서는 소화조내의 가스압을 상승시킬 수도 있다.

　

4. 구조와 기능

a. 형상
    소화층의 형상은 강도상 고려는 물론 적은 동력으로도 조내에 사(Dead) 영역이 생기지 않고 충분히 교반되어 스컴의 축적이나 퇴사·퇴니가 방지되는 것이어야 한다. 또한 가온효율의 관점에서 비표면적(표면적/체적)이 작은 것이 좋다. 더욱이, 시공의 용이성도 고려할 필요가 있다. 통상 이러한 조건을 충족하기 위하여 상하부가 원추상으로 된 원통형의 소화조가 사용되고 있다. 스컴 파양(破壤)의 관점에서는 액면적을 작게 하는 것이 좋다. 예컨대, 스컴이 누적하여도 가스 인출관이 폐색 되는 등의 장해가 생기지 않도록 소화조내의 액면과 천정 슬라브간의 거리는 충분히 두어야 한다.

b. 주요 부속설비

가. 조내 교반장치
    조내 교반장치는 가스교반 또는 기계교반에 의하는 것으로서 혐기성 소화의 촉진 및 스컴방지가 충분히 발휘되는 것이어야 한다.
① 가스교반 방식
    원리는 극히 간단하며 조내에서 발생한 가스의 일부를 가스압축기로서 가압하여 다시 소화조로 보내 하부에 설치한 분출장치에서 미세한 기포가 되어 산기 된다. 기포의 상승으로 생긴 상승류는 소화조의 저부에 모인 슬러지를 흡입하여 선회류로 조 내를 혼합 교반하고, 분뇨 및 소화슬러지와의 접촉을 높인다. 가스교반 방식에는 다점교체식, 드래프트튜브(Draft tube)식, 저부흡입식이 있다.
다점교체식 : 소화조의 중심 및 방사상에 수개소의 토출구를 설치, 자동밸브에 의하여 가스 토출구를 새로 바꾸는 방식이다.
드래프트튜브식 : 소화조의 중심에 드래프트튜브를 설치, 이곳에서 가스를 토출하는 방식으로 에어리프트(Air lift) 효과를 응용하는 것이다.
저부흡입식 : 소화조의 저부에 가스토출구를 설치한 방식이다.
② 기계교반방식
    기계장치에 의하여 교반하는 방식으로서 교반기의 설치 또는 드래프트튜브 교반기를 사용하여 조내하부의 슬러지를 수면으로 불어 올려서 조내에 확산, 순환시키는 것이다.

나. 가온장치
    가온장치는 조외 가온 또는 직접 가온 등의 방식에 의하는 것으로서 열효율, 재질, 가온의 평균화 및 유지관리의 관점에서 적절한 것이어야 한다. 제1소화조에는 35±2℃의 소화온도를 유지하기 위하여 보일러에 의한 가온이 필요하다. 가온방법으로는 열교환기에 의한 조외 가온과 증기흡입에 의한 직접 가온 등이 있다. 가온에 요하는 열원에 소화가스가 이용되며 특히 겨울철에는 발생가스만으로 충분한 열량이 얻어지지 않을 경우에 대비하여 보조열원으로서 중유에 의한 연소를 고려해 두는 것이 바람직하다. 보일러의 용량은 가온에 요하는 열량과 가온시간으로 결정한다. 가온시간은 열효율 등에서 경제적으로는 24시간 가동이 바람직하지만 노동조건 등 관리체제와의 관련이 있어 일반적으로는 8시간 정도로 한다.

다. 가스압 안전장치
    혐기성 소화조는 통상 가스압이 150~200㎜Aq가 되도록 설계되고 있지만 분뇨투입 조작, 탈리액 및 소화슬러지의 인발 조작, 교반혼합 조작의 유무에 따라 가스압은 변동한다. 급속한 액인발 조작은 조내 가스압을 부압으로 하여 소화조 구조보호의 관점에서 볼 때 좋지 않다. 역으로 가스배관 또는 액배관 폐색 등의 사고로 인하여 조 전체가 손상되는 등 이상고압으로 되는 것도 예상해야 한다. 따라서 소화조에는 이와같은 조작오인 또는 사고에 따라서 일어날 우려가 있는 이상 압력을 피하기 위한 가스압 안전장치를 설치해 둘 필요가 있다. 통상 사용되고 있는 가스압 안전장치는  이상 고압시에는 고압용 감압밸브(Relief valve)를 열어 조내 가스를 대기로 방출하고 이상부압의 경우는 부압용 감압밸브를 열어 대기에서 조내로 공기를 유입할 수 있도록 되어 있다.

라. 가스배관
    소화조에서 배출되는 소화가스는 수증기로 포화 되어 있어 배관내에서 온도가 저하하면 응축수가 생성한다. 따라서 관내 특히 곡부에 배치된 관부에는 응축수가 축적되어 관부를 폐색시킬 우려가 있다. 더욱이 가스배관의 적절한 개소에 취수기를 설치 응축수가 관내에 축적하지 않도록 하여야 한다. 가스배관의 관경을 추정할 때에는 발생 가스량과 함께 투입조작에 따른 가스 이동량도 고려해야 한다.
    또한 소화가스는 부식성이기 때문에 가스배관에는 내식성 아연도금 동관 또는 경질염화비닐관, 스테인레스 강관 등이 사용된다.

마. 탈황장치
    탈황방식에는 습식과 건식이 있으며, 건식이 널리 이용되고 있다. 습식탈황은 기액접촉탑의 하부에 소화가스를 도입하여 상부에서 떨어지는 NaOH액과 접촉시켜 가스 중에 함유된 황화수소를 NaOH액에 흡수시키는 것이다. 이 방식은 장치는 간단하지만 소화가스에 함유된 CO₂가 NaOH를 소비하기 때문에 운전경비는 크게 된다. 건식탈황에는 황화수소와 선택적으로 반응하는 산화철계의 탈황제가 사용된다. 탈황제는 기체와의 접촉면이 크게 되도록 형성되고 있어 이것을 충진한 탑상 반응기에 소화가스를 통기함에 따라 탈황이 행해진다. 탈황제의 교환은 주기적으로 행하여도 좋지만 반연속적으로 교반을 행하는 탈황반응기도 있다. 이 반응기로는 상부에서 보충용 탈황제를 도입하여 소화가스가 도입되고 있는 하부에 의해 사용 완료된 탈황제를 배출한다. 이와 같은 조작에 의거 탈황제의 사용효율이 높아짐과 동시에 황화수소의 제거율도 높게 된다.

바. 가스탱크
    가스탱크에는 고압형, 중압형, 저압형이 있으며 분뇨처리시설에서 널리 이용되는 것은 저압형이다. 저압형은 다시 수봉을 이용하는 유수형과 무수형으로 분류된다.

사. 잉여가스 연소기(Waste gas burner)
    잉여가스 연소기는 연소용 공기를 드래프트(Draft) 효과에 의한 자연통풍에 따라 노내에 끌어 넣어 소화가스를 연소시키는 형식의 것이 많이 사용되고 있다. 장치의 작동은 우선, 가스압력이 규정치 이상임을 압력 스위치에 의거 검출하고, 전기 점화에 의해 착화한다. 연소상태는 불꽃 검출장치에 의해 감시하고, 불이 꺼지게 되는가 또는 가스탱크가 설정위치까지 강하한 경우에는 긴급차단 밸브를 작동시켜서 소화가스를 차단하여 소화한다.


출처 : DAUM 신지식