• 혐기성 소화 관여 미생물 -

나. 혐기성 소화과정

• 혐기성 소화 관여 미생물

- 통성 혐기성 세균군(기질분해균, 산생성균), 편성(절대) 혐기성 세균군(메탄균) 등 2종류의 세균군

• 음식물 중 유기물질 : 탄수화물, 지방, 단백질의 3대 영양소로 나누어짐

• 제1단계 : 탄수화물, 지방, 단백질, 섬유질의 고분자 유기물이 통성 혐기성균 에 의해서 저분자화되면서 저급 지방산인 유기산, 알코올, 이산화탄소, 수소 등을 생성

• 제2단계 : 제1단계에서 생성한 유기물질이 편성 혐기성 세균의 작용으로 더 욱 분해되어 메탄, 이산화탄소, 암모니아, 황화수소, 물 등 최종 생성물까지 분해됨

• 음식물의 소화과정을 pH에 의해 분류하면 다음 3단계로 나눌 수 있음 (1) 산 발효기

- 당이나 전분 등의 탄수화물이 분해되어 저분자의 지방산, 즉 초산, 락산 및 프 로피온산이 생기는 단계

- 산의 급격한 생성 때문에 pH가 5.0~6.8까지 저하되고 이때 발생되는 가스 중 에는 CO₂가 대부분이며, 악취를 냄

- 이 과정은 주로 산생성균에 의해 이루어지며 여기서 생긴 불포화 지방산은 수소와 화합해서 포화 지방산이 됨

(2) 산성 감퇴기

- 유기산과 용해성 질소화합물의 분해가 일어나게 되면 암모니아, 아민 및 소량의 CO₂, N₂, CH₄, H₂ 가스가 생기는 단계(이중 대부분이 CO₂)

- 이 기간 중에는 pH가 서서히 상승의 경향을 보여 6.6~6.8 정도가 됨

- 이 시기의 음식물은 거품이 발생하는 현상을 보이며, 가스 발생량은 약간 감퇴하고 H₂S, 인돌, 스카톨 및 메르캅탄 등이 생김

(3) 알칼리성 발효기

- 셀룰로오스(섬유질)와 질소화합물 등이 분해되는 시기

- 각 과정에서 생긴 저분자의 유기산은 CO₂와 CH₄로 분해됨

- pH는 7.0~7.4 가까이에 도달하고 CO₂가 감소하며, 메탄가스 발생량 증대 - 악취가 없어져 타르냄새를 띄며 소화오니의 색이 흑색을 나타내고 침전성 이 양호한 과립 형태 형성

• 소화과정을 단계적으로 나누어 기술하였지만 이것은 어디까지나 소화를 단계적으로 다루어 기술한 경우이고 실제 시설에서는 연속적으로 이루어 지기 때문에 모든 단계가 동시에 존재하며, 메탄균은 통성 혐기성세균에 비 하여 환경조건의 변화에 민감하므로 소화 반응속도에 영향을 미치는 것은 주로 메탄균임.

4.2.5 바이오가스의 전처리기술 가. 탈황기술(건식, 습식 탈황방법)

• 혐기성 소화조에서 생성된 바이오가스는 CH₄이 55~65%, CO₂가 35~45%로 주를 이루며, 1% 이내의 미량가스로 구성

- 미량가스는 NH₃와 H₂S, 기타 휘발성 물질 등으로 이루어져 있음

• 이 중 H₂S는 가스배관용 파이프나 기타 사용기기의 부식작용을 초래하는 원인으로 작용하므로 대부분의 혐기성 소화공정은 H₂S 제거시스템 포함

• 바이오가스 중 포함된 황화수소 제거방법 : 크게 물리적, 화학적, 생물학적 처리방법으로 나눌 수 있으며, 세부적으로는 건식과 습식, 생물학적 처리방 법으로 나눔

• 황화수소를 제거하는 화학적 방법 중 흡착법

- 흡착제에 악취물질을 통과시키는 과정에서 악취물질이 흡착제의 공극사이 에 흡착되는 특성을 이용하여 악취물질을 제거

- 장점 : 건식 조작으로서 습식조작과 달리 배수나 배액을 처리할 필요가 없 으며, 설치비가 비교적 싸고 유지관리가 쉬우며 광범위한 악취가스 제거에 효과적.

- 단점 : 활성탄 등의 흡착제 재생문제로서 유지관리비용 및 원활한 흡착제의 주기적인 교체가 필수적임

• 습식법 : 수 세정식과 알칼리 세정식, 약액 세정식 등

- 수 세정식 : 지하수나 2차 처리수로 바이오가스를 세정하는 방법으로 건설 비는 적으나 다량의 세정수가 발생하며, 황화수소 제거효율도 비교적 낮음.

- 알칼리 세정식 : 2~3%의 탄산나트륨(Na₂CO₃) 또는 수산화나트륨 용액과 바이오가스를 접촉시키는 것으로 약품액은 순환 사용가능하며, 일부는 새 로운 약품과 교체,

․ 약품농도의 관리가 필요하지만 황화수소 제거율은 높음

- 약액세정식 : 흡수탑과 재생탑을 결합한 것으로 알칼리 세정 후 약액은 재 생탑에서 촉매를 사용하여 황화물을 분리 재생시켜 반복 사용

․ 약액세정식은 건설비가 많이 드나 황화수소가 고농도이고 바이오가스량 이 많은 경우 유지관리비가 싸게 듬

나. 연소법

• 직접연소법, 축열식 연소법, 촉매연소법 등

- 직접연소법 : 전반적으로 악취제거 효과가 뛰어나나 연소시 발생하는 질소산 화물(NOx), 황산화물(SOx) 등의 유독가스에 의한 2차 대기오염을 발생시킬 우려가 있음

․ 연료소비량이 커서 운영경비가 높은 단점이 있음

- 촉매연소법 : 직접연소법에 의해 저온(직접연소법 650~800℃, 촉매연소법 150~400℃)에서 연소가 가능하므로 직접적인 연료비 절감과 배가스의 질소 산화물 발생량을 감소시킴

- 축열식 연소법의 경우는 기존의 직접 연소법에서 열효율을 향상시킨 형태이 므로 직접연소법의 한 형태로 보아도 무방함

다. 생물학적 탈황방법

• 주로 미생물의 활동에 의한 산화작용을 이용하는 방법

• 반응기로 통과된 가스내의 황화수소는 표면에 부착되어있는 생물막의 각종 미생물들에 의하여 생물학적으로 산화 분해되어 미생물의 에너지원 으로 이용됨으로써 제거

• 생물학적 방법

- 건설비와 운전조건이 까다롭기는 하나 다른 방법에 비해서 장치 설치비 가 저렴하고 유지관리가 쉬우며 반영구적으로 사용이 가능하고 약품사용 과 부대비용이 적게 들어 경제적으로 유리

• 바이오필터의 경우 저농도와 고용량에 적합하며, 미생물을 이용하기 때 문에 운전비가 낮고 2차 오염이 없음.

- 고온, 고농도의 가스처리에는 한계가 있으며, 온도, 습도 등의 미생물 생 장이 가능한 환경을 유지하기 위한 환경조성에 제한을 많이 받게 됨

• 연소법의 경우 고농도에서도 이용이 가능하나 바이오필터와 비교해 상 대적으로 높은 초기투자비가 소요

- 처리가스가 저농도이거나 간헐적으로 발생할 경우 바이오필터 등의 기 술에 비해 경제성이 떨어지는 단점이 있음

4.2.6 바이오가스 정제기술

• 바이오메탄 : 슬러지류, 유기성 폐자원(음식물 쓰레기, 가축분뇨 등)이 미 생물에 의해 분해되면서 생성되는 메탄과 이산화탄소 등이 포함된 바이오 가스 중에서 이산화탄소를 제거한 순수한 메탄가스를 말하며, 천연가스와 같이 청정하면서 연료로 사용되고 있는 에너지원임.

• 바이오가스의 경우 함유된 메탄조성이 60~80% 수준인데 반해 운송용 연료인 CNG나 도시가스 등은 대체로 메탄의 구성비가 91%임.

• 천연가스와 비슷한 발열량을 맞추기 위해 바이오가스의 메탄 함량을 96% 이상으로 향상시키고 생성된 바이오메탄은 천연가스와 같은 공급설 비를 통해서 공급할 수 있도록 함

• 메탄함량을 향상시키기 위한 고질화 방법을 정제기술이라 하고 바이오 가스 중에 메탄 다음으로 많은 이산화탄소 등을 제거함으로써 메탄의 순 도를 향상시킬 수 있음

• 바이오가스에는 많은 성분을 함유하고 있지만 대부분은 메탄과 이산화 탄소이며, 바이오가스 중 메탄가스는 에너지원으로서 고순도의 메탄가스 를 분리 및 회수하여 자동차 연료 혹은 도시가스 연료로 이용함

가. 흡수법

• 흡수제의 흡수량이 CO₂의 분압에 비례하는 Henry의 법칙에 따라 이산화 탄소가 흡수되는 특성이 있으므로 처리하는 가스원이 고압이고 이산화탄 소 농도가 비교적 높은 경우에 유리한 방법

- 이산화탄소를 분리하기 위하여 최적의 흡수 조건을 유지할 수 있는 별도 의 처리공정 필요

• 물리 흡수법에 이용되는 흡수제 : 대부분이 TBP(tri-n-butyl phosphate), 프 로필렌, 메탄올, 프로필렌글리콜, 탄산염 및 물과 같이 주로 약 염기성 유 기계 흡수제

- 이들 흡수제는 약알칼리성이므로 이산화탄소를 제외한 산성 가스인 황산 화물, 질소산화물 및 황화합물 등이 존재하면 이산화탄소에 대한 흡수제의 흡수 능력 감소.

• 흡수제와의 물리적 특성에 의해 이산화탄소를 분리하는 물리 흡수 공정 은 매우 다양하게 상용화 되었는데 이들은 주로 사용되는 흡수제의 특성 에 따라 구분되어짐

- 메탄올을 흡수제로 사용하는 공정이 대표적 흡수공정이 기상의 원료가 스와 액상의 흡수제가 접촉하여 목적 성분을 회수하는 특성이 있는 공정 이므로 이들의 접촉효율을 향상시켜 흡수효율을 증대시킬 수 있음

• 화학 흡수공정 : 물리 흡수와 같이 흡수제와 원료 가스와의 접촉을 위한 흡수탑과 흡수된 이산화탄소의 탈착을 위한 재생탑 및 원료 가스의 전처 리 설비로 구성되어 있는데 이들 공정은 사용 흡수제의 종류에 따라 구 분됨

- 활성화된 MDEA법의 흡수 온도는 40~90℃이며, 원료 가스 중 CO₂ 분압 은 2~6kg/cm²임.

- 열탄산 칼륨법의 경우 원료가스를 가압하에서 온도 약 120℃의 탄산칼륨 수용액과 접촉시킴으로써 CO₂를 제거하는 것이며, CO₂를 흡수한 흡수제 는 상압에서 재생탑으로 보내, 리보일러로부터의 수증기로 가열시켜 CO₂

를 방출하며, H₂S도 동시에 제거 가능.

나. 심냉분리법

• 바이오가스 중 메탄을 회수하기 위해 바이오가스에 함유된 이산화 탄소를 심냉 공정을 거쳐 액체상태로 변화시켜 고순도의 메탄을 회 수

• 이산화탄소는 -78℃ 이하에서는 액체로 존재하게 되며 이산화탄소 는 압력과 온도조건에 따라 기체, 액체 및 고체로 전환할 수 있음

• 메탄은 -161.6℃ 이하일 때 액체 및 고체로 전환

• 이산화탄소와 메탄의 어는 점 차이를 이용하여 이산화탄소와 메탄 을 분리하게 되며 가스 중 함유된 수분도 제거

다. 실록산(siloxane) 제거

• 유럽의 경우 1980년대 후반부터 매립가스를 연료로 하는 가스엔진 발전설비가 설치되어 상업 운전을 하기 시작하였는데, 초창기에 매립가스 전처리 설비없이 가스엔진을 운전한 경우 3,500 시간 만에 가스 엔진에 모래류(규소산화물)의 유입에 의해 파손되는 사례들이 나타남.

• 이에 가스 필터를 장착하는 등 임시적 방편으로 대처하였으나 문제들이 개선되지 않았으며 1990년대 초반에 들어 매립가스 전처리 설비를 설치하여 엔진의 수명을 유지하는 방안 도입

• 실록산

- 메틸, 에틸 또는 다른 작용기를 가지고 있는 실리콘에 산소와 결합된 실리콘 화합물

- 샴푸, 화장품 등 생활용품과 세제류, 코팅류 등에 사용되는 공업용품 등에 함유되어 있는 실리콘이 사용 후 폐기된 인위적인 실리콘 화합물로 하수처리장, 매립장에서 발생하는 바이오가스에 함유

- 유기기를 함유한 규소와 산소 등이 실록산 결합으로 연결된 화합물로 분자구조상 무기적인 성질과 유 기적인 성질을 동시에 갖게 됨

- 분자구조상 실록산 결합에 기인하는 무기적 특성 때문에 내열성, 화학적 안정성, 전기 절연성, 내마모성, 광택성 등이 우수하며 사슬구조의 유기적 특성 때문에 반응성, 용해성, 작업성이 우수함

- 화학적 성질로 열 및 산화에 대해 강함

- 실록산 화합물은 세제, 샴푸, 냄새 제거제, 화장품 등의 생활용품과 수지와 합성고무 등의 산업용품 전 반에 걸쳐 광범위하게 이용되고 있음.

- 실록산 화합물이 혐기성 소화조로 유입되어 혐기성 상태에서 시간이 지남에 따라 저분자가 되어 바이 오가스와 같이 발생.

- 실록산 물질은 바이오가스의 미량성분이지만 바이오가스를 이용하여 에너지를 생산할 때 보일러 또는 가스엔진 등의 연소 공정에서 산화되어 이산화규소 형태의 침전물을 형성함으로써 바이오가스 자원화 시설과 배출가스 처리 시스템 등의 효율 저하 및 가동중지 등을 유발하는 중요한 원인이 됨

- 가스엔진의 경우에도 마모와 부정합 등에 의한 설비의 손실 및 과다한 유지보수비를 초래

․ 수분을 제거하기 위한 응축․제습 설비와 규소화합물류를 흡착하기 위한 활성탄 필터로 구성되며 채용 되는 실록산 제거설비는 2단 활성탄 필터 방식으로 이미 유럽에서 상용화됨

그림 4.6 실록산 제거 공정

4.2.7 바이오가스 이용방안 가. 부산생곡사업소

• 2005년부터 음식물 쓰레기의 매립장 반입금지와 매립금지가 법제화되는 등 환경관련 규제강화에 대응하고 음식물류 폐기물 해양투기가 2012년 종료됨에 따라 각 지방자치단체별로 폐기물 종합처리센터 마련이 당면과 제가 됨

• 음식물자원화 발전시설 : 2005년부터 부산광역시 강서구 생곡동에 음식 물 200톤/일 처리시설을 준공하여 현재 상업 운영 중

• 혐기성소화 시 발생하는 메탄가스를 이용해 인공적으로 미생물을 배양, 분해하여 바이오가스를 추출하고 이를 연료로 에너지를 생산하는 방식으 로 친환경적인 음식물 쓰레기 자원화 기술

• 적용기술

- 벨기에 OWS사가 개발한 DRANCO 공법(건식단상혐기성소화방식)

- 유럽 10개국 이상에서 상용화되어 운영, 적용되고 있어 이미 우수성 및 적용성이 입증된 공법이며, 국내 특허도 보유중

- 혐기성 소화조로 들어온 음식물 쓰레기는 1차 소화과정을 거친 뒤 소화조 밑부분에 연결된 파이프를 거쳐 탈수기로 보내어짐

- 물기를 짜낸 뒤 남은 고형물은 새로 들어온 음식물 쓰레기와 함께 다시 혐 기성 소화조에 투입되며 음폐수는 폐수처리설비에서 1차 처리된 후 하수 처리장으로 보내짐.

- 30일간 이런 과정을 되풀이하다 보면 국물이 많이 섞인 음식물 쓰레기를 소화조에 바로 투입하더라도 점차 고형물 비중이 높아져 건식시스템에 적 응해 감

- 이러한 과정을 거치게 되면 바이오가스(메탄 65% 내외) 생산

- 생성된 바이오가스를 모아서 발전기를 돌려 2,000kW/h의 전기 생산

- 생산된 전기는 일차적으로 생곡사업소에서 사용하게 되고 남은 전력은 한 전에 판매(매달 8천만원 이상의 수익 발생)

- 혐기성 소화과정에서 발생되는 부산물 퇴비는 진주 소재 청솔영농협동조 합에 유상판매

- 호기성 소화과정으로 음식물 쓰레기를 처리하는 민간업체에서 생산되는 퇴비보다 질이 좋음

- 우리나라 음식은 염분이 많아 바로 퇴비로 쓰기에는 한계가 있으나 건식 혐기성 소화과정을 거치게 되면 염분의 농도가 기준치 이하로 낮아져 양질 의 퇴비가 됨

그림 4.7 DRANCO 공정도

○ 서희건설 : 서울 동대문구 용두동 일대에 음식물 자원화 시설인 동대문 환경자원센터 운전 중

- 폐기물 종합처리센터를 지하화한 국내 최초 시설

- 지상 근린공원, 지하 처리시설로 나누어지며, 지하 처리시설의 규모는 음식물 98톤/일, 사전압축시설 270톤/일, 재활용설비 20톤/일, 대형쓰레 기 처리 20톤/일 규모

- 하루 처리용량이 약 100톤 정도인 소화조에서 처리된 가스는 메탄가스 로 시간당 1,000 KW/h의 전력을 생산함(2000가구 한달 사용량)

- 가스발전 시설을 통해 전력을 생산하고 발생열을 회수하여 재사용, 생산 전력은 한국전력공사에 팔아서 전력수입을 얻음

- 폐수는 폐수처리시설을 거쳐 나가며, 최종적으로 하수처리장에서 한번 더 처리

- 부산물들은 염도를 낮춘 후 퇴비로 만들어서 추가적인 수익도 기대됨 - 도심에 설치되는 최초의 폐기물처리시설로 성공여하에 따라 도시에서 발생하는 쓰레기 처리에 획기적인 발전이 있을 수 있음

나. 대우건설 DBS 공법

• 고농도 유기성 폐기물 및 폐수의 혐기성 소화에 의한 에너지화기술 (DBS : Daewoo Two-phase Anaerobic Biogas System) 개발

• 2001년 고농도 황산염이 함유된 주정폐수의 혐기성 소화 및 바이오가스 생산효율을 증대시키고자 이상 혐기성소화 공정 개발

• 2003년 축산연구소에서 양돈분뇨 10톤/일을 대상으로 고농도 암모니아 를 함유한 축산분뇨의 이상 혐기공정의 운전성능 검증

• 2005년부터 2006년까지 지식경제부 에너지관리공단의 신재생에너지 시범보급사업을 통해 이천시 모전영농조합법인의 양돈분뇨 20톤/일을 이용하여 발생되는 바이오가스를 활용한 국산 열병합발전기를 적용한 사업을 시작하여 국내 축산분뇨 바이오가스 생산기술의 시범적 모델 제 공 • 2008년 12월 준공을 목표로 에너지관리공단 지방보급사업으로는 최초 로 무주군 축산폐수 공공처리장에 유입되는 50톤/일의 축산분뇨를 이용 하여 1,500kWh/일을 생산하는 바이오가스 열병합발전시설을 시공하는 등 기술적용 영역을 확대 중

- 유입되는 유기성 폐기물을 고액분리하여 고형분은 퇴비화하고 액상성분을 산발효조와 메탄발효조로 구성된 이상 고효율 혐기성 소화를 통하여 바이오 가스로 전환하고 처리액은 하수처리장 연계처리 및 자체 후처리시설로 이송 되어 최종 처분함

- 발생 바이오가스는 70~75%의 메탄과 25~28% 이산화탄소, 황화수소, 암모 니아, 실록산 등으로 이루어져 있어, 열병합발전기의 연료 및 정제를 통한

CNG 및 LNG의 혼입연료로 사용되기 위해서는 수분제거, 탈황, 실록산 제거, 미세입 제거 공정을 통해야 함

- 축산분뇨 단독처리시에 실록산 발생량이 미미하여 별도 처리시설이 필요치 않으나 하수슬러지 및 음식물 처리시설에서는 반드시 실록산 제거시설을 준 비하여 열병합발전기의 엔진마모를 방지하여야 함

- DBS 공정의 이상 고효율 혐기성소화 장치는 단상공정의 운전시 발생되는 유입부하 변동과 독성물질 유입시 우려되는 혐기소화조의 비정상운전을 방 지하고 혐기소화의 안정성을 증대시키기 위하여 산발효조와 메탄발효조로 분리되며, 산발효조는 완충조 및 양질의 유기산을 생성하여 메탄생성 미생 물의 원료와 고도처리 시설의 외부 탄소원으로 활용할 수 있음.

그림 4.8 DBS 공정 구성도

그림 4.9는 메탄발효조 공정으로 유기산 을 이용하여 메탄을 생성하는 메탄발효 조는 고효율 입상슬러지로 구성된 Bed 층을 보유하여 반응기 하부를 통하여 유 입된 폐수가 입상 슬러지 층을 상향류 흐름으로 통과하며, 80% 이상의 유기물 제거효율을 보임

-메탄발효조는 별도의 교반장치를 두지 않고 유입되는 폐수와 입상슬러지와의 접촉에 의해 자연 교반이 발생되며, 생성 된 바이오가스는 입상슬러지 표면에 부 착하여 반응조 상부로 부상함

- 상부로 부상된 입상슬러지와 바이오가 스는 가스고형물분리장치(GSS)내부에서 가스와 입자로 분리되어 입상슬러지는 재침전하여 입상슬러지 Bed 층 형성하

게 됨 그림 4.9 메탄발효조

다. 국외사례

○ 스웨덴

- 바이오가스화와 바이오메탄 분야에서 가장 앞서가는 국가는 스웨덴으로 천연가스 자동차의 50%가 바이오메탄으로 운영되고 있음.

- 2009년 천연가스 자동차는 자동차 연료의 0.5%를 차지하고 있으며, 바이 오 메탄은 천연가스 자동차 연료 중에서 50%를 점유하고 있고 그 비율은 지속적으로 증가될 것으로 예상됨

- 2020년 석유제로 국가를 선언하면서 석유를 제외한 신재생에너지 개발에 매진하고 있으며, 석유제로에 가장 중요한 에너지원으로 바이오가스를 지 목하고 있음

- 바이오가스는 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 매립장 등에서 생산되며 생산 된 바이오가스는 전처리 과정과 정제 설비를 거쳐 고순도 메탄을 생산하 여 자동차 연료와 가스 배관망, 보일러 연료 등에 사용하고 있으며, 특히 바이오가스의 정제기술은 흡수법, 흡착법 등을 주로 사용하고 있는 실정임.

- 2007년 바이오메탄/CNG가 6400백만 리터 휘발유를 대체하였고 115개의 CBG(Compressed Biogas)와 CNG 충전소가 있으며, 101,000톤의 CO₂를 감축함

○ 독일

- 유럽에서 바이오가스 생산량이 가장 많은 나라로 1991년에 120개의 바 이오가스 플랜트가 운영되었고 2005년에는 3,000개 이상의 바이오가스 플랜트가 운영되고 있으며, 바이오가스 산업에 8,000명이 종사하고 있음 - 바이오가스를 주로 전기 생산 목적으로 이용하며, 바이오가스의 원료는 산업폐수나 축산분뇨 또는 바이오가스 생산용 에너지 작물임

- 바이오가스 반응기는 바이오가스 뿐만 아니라 바이오 디젤이나 바이오 에탄올을 생산할 수가 있지만 바이오가스가 바이오디젤보다 4배의 생산 량을 가지고 있음

- 바이오가스 생산량 증대와 천연가스 차량의 보급 확대로 인하여 바이오 가스의 차량용 연료로서의 사용이 급증하게 되었고, 2006년 자동차연료 공급을 위한 바이오가스 충전소가 설치되었으며, 독일가스협회는 2006 년 차량용 연료로 바이오가스 사용목표를 2010년에 10%, 2020년에 20%

를 설정.

○ 아시아 : 혐기성 발효방식에 대하여 오랜 역사를 지닌 국가는 중국

-농촌지역에 사는 중국인이 만들어내는 농업부산물, 인분, 축분, 음식물 쓰레기를 처리하기 위하여 분산식 시스템엔 혐기성 소화조를 설치하기 시작.

-1970년부터 시작되었으며, 현재 중국에는 농촌지역 주택의 약 5백만 가구에 혐기 성 소화조가 설치되어 있음

-혐기성 소화조를 설치한 가구에서는 인분, 축분, 볏짚, 감자줄기, 잡초 등의 농업 부산물을 함께 처리하고 상한 음식, 곡식껍질, 잡초 등 타 유기물질은 소량 첨가 - 대부분 반응조는 축사와 변소의 설치시 연계하여 설치

- 설치기간은 1주일 정도이고 자재비와 인건비 포함 총비용은 80$ 정도

-보고에 따르면 6m³ 반응조에 매일 주입되어야 할 투입물은 30kg의 분뇨 및 타유 기물과 50kg 정도의 물과 뇨라고 함.

- 반응조로 유입되는 순수한 고형물은 대략 8% 정도

- 농부 입장에서 반응조를 설치 이유는 60% 메탄을 함유하는 소화가스 활용 -가스생산은 온도에 영향을 받는데 평균 대기온도 10℃ 이하에서는 생산이 장해 를 받음

-소화가스는 주로 취사와 광열에 이용되며, 한 가족이 사용하는 전기량의 약 60%

공급 -대부분 부엌에는 가스버너와 함께 전통적인 연료 스토브가 설치되어 가스 생산 이 낮아지는 동계에는 볏짚, 목재, 석탄 등을 취사용으로 이용

- 반응조 유출수는 무취의 흑색슬러지로 주로 농업용 퇴비로 이용

4.2.8 바이오가스 활용

• 다량의 메탄을 포함하고 있기 때문에 신재생 에너지원으로 사용

• 보일러와 가스엔진, 연료전지설비의 연료로 사용하여 열과 전기 생산

• 바이오가스를 정제하여 CNG 또는 LNG를 생산하여 천연가스와 동일한 연료 원으로 사용

가. 보일러

• 우리나라 하수처리장 및 대부분 혐기성 소화조 시설에서 바이오가스의 유효 이용은 거의 혐기성 소화조의 가온용 연료로서 사용

• 보일러 설비에서 바이오가스 사용시 수분과 황화수소 정도만을 전처리한 후 연료로 사용하며, 보일러 효율은 약 70~80% 정도로 열에너지(온수)를 생산할 수 있음

- 장점 : 다른 설비보다 설치비와 운전비가 저렴

- 단점 : 보일러가 주로 겨울에 사용되고, 여름과 같이 날씨가 따뜻하게 되면 사 용하기 어려워 계절적으로 사용이 제한되는 단점이 있음

• 보일러를 통한 혐기성 소화조 가온방법

- 소화가스를 연료로 보일러에서 수증기를 증발시켜 조내에 직접 주입

- 혐기성 소화조로 인입되는 폐기물과 보일러에서 발생되는 수증기의 간접 열 교환을 통해 인입되어 폐기물의 온도를 상승시켜 혐기성 소화조를 가온

나. 열병합 발전

• 열병합 발전 : 내연기관에 연료를 주입하여 연소시키면서 전기를 생산하고 연소과정에서 발생되는 열(내연기관 냉각열, 배기가스 열)을 이용하여 온수 를 생산하는 설비

- 열병합 발전기의 발전효율은 약 30~40% 정도이며, 열효율은 약 40~50%

정도로서 종합효율은 약 80~90% 정도를 갖는 설비

- 전기 : 플랜트 내 소요전력으로 사용 또는 한국전력으로 송전하여 판매

- 열 : 혐기성 소화조 가온 또는 실내 난방에 사용함, 흡수식 냉동기 설비를 설 치하여 실내 냉방까지 할 수 있음

• 열병합 발전설비의 연료로 대부분 천연가스를 사용하였으나 천연가스 대신 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오가스를 연료로 사용한 플랜트가 유럽 등에서 많이 건설

- 바이오가스 중 메탄의 농도가 40% 이상이 되어야 연료로서 사용가능 - 바이오가스 중 수분이나 황화수소, 실록산 화합물을 제거해야 함

- 수분 : 바이오가스의 열량을 감소시켜 열병합 발전설비의 효율 감소

- 황화수소 : 열병합 발전시 연소되어 SOx를 생성하게 되는데 SOx가 수분과 반응, H₂SO₄ 등의 산성물질이 생성되어 배관 및 발전기에 손상으로 저온부 식현상을 발생시킴

다. 연료전지

• 연료전지 : 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응시켜 직접 전기 에너지 생산

- NOx, SOx 등 대기오염물질을 거의 배출하지 않음

- 열기관을 이용한 종래의 화력발전에 비하여 5~20% 정도의 높은 발전효율 - 저소음 및 무진동으로 도시 내부에서도 발전 가능

- 폐열을 활용시 종합발전효율 80%까지 높일 수 있음

• 연료전지 공급 연료는 대부분 천연가스를 이용하고 있으나 연료 다변화의 일환으로 혐기성 소화조에서 발생하는 바이오가스를 연료로 사용하고자 하 는 연구가 많이 진행됨

• 바이오가스를 연료전지의 연료로 사용하기 위해서는 불순물 제거 필요 -황화수소 : 연료전지 전극과 개질촉매 활성화를 저해하여 메탄의 수소로의 개질반응을 떨어뜨림

-실록산 화합물 : 메탄 개질 촉매에 실록산 화합물이 연소되어 실리카를 형 성하게 되고 연료전지 수명에도 영향을 미침

-연료전지의 효율을 높이기 위해서는 고농도의 메탄이 필요하므로 메탄과 이산화탄소를 분리할 수 있는 전처리 공정 필요

라. CNG, LNG

• 보일러 열병합 발전설비는 에너지 활용성이 떨어지는 문제점이 있음

⇒ 단점을 보완하고 에너지 활용성을 높이기 위해서 바이오가스의 고질 화 기술 발전

• 바이오가스 고질화

- 수분과 황화수소, 실록산 화합물 뿐만 아니라 약 45~70% 정도의 농도 를 가지고 있는 바이오가스의 메탄농도를 98% 이상으로 정제하기 위 해 이산화탄소를 분리 제거할 수 있는 전처리 기술 필요

• 전처리 공정을 통해 고질화된 바이오가스를 CNG 또는 LNG 형태로 제 조하여 천연가스와 같이 연료로 사용