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에너지·자원기술개발사업 최종보고서 초록
요약문
목차
제1장 서론 18
제1절 연구개발의 필요성 및 목적 18
제2절 연구개발 내용 및 범위 21
1. 하이브리드 반응기 개발을 위한 기초이론 및 문헌고찰 21
2. 유기성 폐기물 처리를 처리를 위한 하이브리드형 반응기의 실험실적 기초연구 22
3. 유기성 폐기물 처리를 위한 하이브리드형 반응기 Pilot Plant 운전연구 22
4. 하이브리드형 반응기의 운전자동화를 위한 방법 도출 22
제3절 보고서의 구성 22
제2장 국내외 기술개발 현황 24
제1절 국내 유기성 폐기물의 발생 및 현황 24
1. 음식물쓰레기 발생량 및 처리현황 24
2. 축산분뇨 발생량 및 처리현황 28
제2절 축산분뇨 및 음식물쓰레기 처리 기술현황 32
1. 음식물 쓰레기 처리 기술 현황 32
2. 축산분뇨 처리 기술 현황 33
제3절 국내외 기술 개발 현황 35
제3장 연구개발 수행내용 및 결과 38
제1절 하이브리드 반응기 개발을 위한 기초이론 및 문헌고찰 38
1. 혐기성 소화 공정의 이론적 배경 38
2. 혐기성소화기술의 설계 및 운전인자 55
3. 퇴비화 기술의 이론적 고찰 69
4. 액비 제조 원리 및 방법 79
제2절 유기성 폐기물 처리를 위한 하이브리드형 반응기의 실험실적 기초연구 89
1. 하이브리드형 반응기의 실험실적 연구를 위한 장치 설계 및 제작 89
2. 유기성폐기물 처리를 위한 저온 혐기성 소화기술의 활용가능성 평가 96
3. 하이브리드형 반응기의 저온 혐기성 소화공정의 최적 운전조건 도출 105
4. 저온 혐기성소화조의 유기성 폐기물 처리시 가수분해 속도해석 142
5. 저온 혐기성 소화조의 Pilot plant 운전조건 제시 146
6. 특정토양미생물을 이용한 액비공정의 개발 147
제3절 유기성 폐기물 처리를 위한 하이브리드형 빈응기 Pilot Plant 운전연구 181
1. 하이브리드형 반응기 Pilot plant의 설계 및 제작 181
2. 저온 혐기성 소화조의 Dead Space 최소화를 위한 최적 교반방법 도출 191
3. Pilot Plant 의 식종 및 Start-up기간 동안 저온혐기성 소화조 효율 평가 194
4. 하이브리드형 반응기의 저온 혐기성 소화공정 최적 운전조건 도출 200
5. 저온 혐기성 소화조에서 생산된 Biogas의 에너지화 215
6. 저온 혐기성 소화조의 상용화시(30㎡/day) 재생에너지 경제성 평가 223
7. 특정토양 미생물을 이용한 액비조의 운전 조건 도출 및 액비평가 226
제4절 하이브리드형 반응기의 운전자동화를 위한 방법 도출 239
1. 하이브리드 반응기 자동제어시스템 개발을 위한 기초 모니터링 인자 선정 240
2. 선정된 모니터링 인자를 바탕으로 제어시스템 프로그램 구성 및 설치 242
제5절 결론 258
제4장 연구개발목표 달성도 및 연구결과의 활용계획 264
제1절 연구개발목표 달성도 264
1. 저온 혐기성 소화조의 개발목표 및 달성도 264
2. Bacillus Sp.를 우점종으로 하는 액비 생산조 개발 265
3. 바이오가스 활용시설 266
제2절 연구개발결과의 활용계획 267
제5장 참고문헌 270
표 2.1.1-1. 음식물쓰레기의 연간 발생량 추이 24
표 2.1.1-2. 음식물쓰레기 발생분류별 처분 현황 25
표 2.1.1-3. 음식물쓰레기 최종처리방법별 연도별 추이 25
표 2.1.1-4. 음식 폐기물 자원화시설 현황 26
표 2.1.1-5. 시·도별 자원화시설 현황 27
표 2.1.2-1. 가축사육 두수 및 사육 가구의 변화 29
표 2.1.2-2. 축산폐수발생량의 변화 30
표 2.1.2-3. 가축분뇨 처리시설 설치현황 31
표 2.1.2-4. 축산폐수공동처리장의 슬러지 발생 및 처리량 31
표 2.1.3/2.3-1. 혐기성 소화를 이용하여 분뇨, 음식 폐기물, 돈분, 축산폐수 등을 처리한 연구사례 37
표 3.1.1-1. 각 기질들이 아세트산으로 분해되는 과정과 관여하는 미생물 43
표 3.1.1-2. 메탄생성 세균들의 분류와 메탄생성에 이용하는 기질 46
표 3.1.1-3. 혐기성 소화를 자극하거나, 저해를 일으키는 양이온의 농도 52
표 3.1.1-4. 혐기성소화조에 유기물 인입 조건 54
표 3.1.2-1. 혐기성소화조의 형상에 따른 특징 비교 55
표 3.1.2-2/3.2.1-2. 혐기성소화조의 형태별 특성 비교 56
표 3.1.2-3. 정상상태에서 기질별 가스발생량 57
표 3.1.2-4. 기질종류에 따른 바이오가스 발생량 특성 57
표 3.1.2-5. 중온소화와 고온소화의 장단점 58
표 3.1.2-6. 기질의 특성과 운전인자 59
표 3.1.2-7. 혐기성 소화조의 교반방식 61
표 3.1.2-8. 혐기성 소화조의 혼합 방법의 장점과 단점 63
표 3.1.2-9. 혐기성 소화조의 가온 방식별 특성 66
표 3.1.2-10. 혐기성소화조의 열교환 방식별 특성 66
표 3.1.2-11. 바이오가스 사용방법에 따른 전처리 67
표 3.1.2-12. 열병합발전 시스템용 원동기의 비교 69
표 3.1.3-1. 교반의 방법 또는 공기공급방법에 따라 퇴비화에 소요되는 운전기간 75
표 3.1.3-2. 대상물질에 따른 적정 수분함량 77
표 3.1.3-3. 폐기물의 일반적인 C/N비 78
표 3.1.4-1. 가축분뇨 퇴비화 및 액비화의 장단점 79
표 3.1.4-2. 액비 살포 면적 81
표 3.1.4-3. 외국 액비 살포 면적 81
표 3.1.4-4. 가축분뇨액비 호기성발효처리를 위한 폭기량 기준 83
표 3.1.4-5. 고액분리기 종류별 우분뇨 액비의 처리효율 84
표 3.1.4-6. 혐기성 액비화와 호기성 액비화 비교 86
표 3.1.4-7. 가축분뇨 액비 제조 방법별 특성 비교 86
표 3.1.4-8. 액비 살포 방법별 악취농도 87
표 3.1.4-9. 저장조의 슬러지 표면처리 형태별 암모니아 휘산 감소율 88
표 3.2.2-1. Batch 실험에서의 운전조건 97
표 3.2.2-2. Batch 실험에서의 유입수 성상 98
표 3.2.2-3. Batch 실험에서의 실험방법(APHA, 1995) 98
표 3.2.2-4. Batch 실험의 결과 103
표 3.2.3-1. 최적 HRT 결정을 위한 운전조건 106
표 3.2.3-2. 최적 HRT 결정을 위한 유입수 성상 107
표 3.2.3-3. 실험방법(APHA, 1995) 108
표 3.2.3-4. 이론적 메탄가스 발생량과 실제 메탄가스발생량과의 비교 118
표 3.2.3-5. 각 HRT에 따른 물질수지 121
표 3.2.3-6. 혼합비에 따른 최적 HRT 결정을 위한 운전조건 125
표 3.2.3-7. 혼합비 및 HRT에 따른 TCOD 유입부하율 126
표 3.2.3-8. 혼합비에 따른 유입수 성상 127
표 3.2.5-1. Pilot Plant에서의 운전조건 제시 146
표 3.2.6-1. 운전조건 150
표 3.2.6-2. HRT별 혐기성 여액의 특성 151
표 3.2.6-3. 실험방법(APHA, 1995) 153
표 3.2.6-4. 액비조의 수분함량 156
표 3.2.6-5. 액비조의 유기물 함량 157
표 3.2.6-6/3.2.7-6. 공기희석 관능법에 의한 악취도 169
표 3.2.6-7. 직접관능법에 의한 악취도 170
표 3.2.6-8. 액비조의 미생물 수 175
표 3.2.6-9. 액비화 조건비교 180
표 3.3.1-1. Pilot plant 단위기기별 사양 189
표 3.3.2-1. 저온 혐기성 소화조 Pilot Plant 용량 및 실험 조건 192
표 3.3.2-2. 교반 방법에 따른 분산도 계산 결과 194
표 3.3.3-1. 경상남도 밀양시 축산폐수 및 음식물쓰레기 유입수 성상 195
표 3.3.4-1. 저온혐기성 소화조의 혼합비에 따른 최적 HRT 선정의 운전조건 200
표 3.3.4-2. 혼합비에 따른 최적 HRT 선정시의 유입폐수 성상 201
표 3.3.4-3. 혐기성 소화조의 혼합조건 도출을 위한 운전방법 211
표 3.3.4-4. Pilot Plant에서의 최적 운전조건 214
표 3.3.5-1. 바이오가스 활용 기술 비교 216
표 3.3.5-2. 저온 혐기성 소화조 Pilot plant에서의 에너지 생산량 216
표 3.3.5-3. 바이오가스 보일러 사양 217
표 3.3.5-4. 각종 보온재의 열전도율 221
표 3.3.5-5. 건설재질에 따른 열전달 계수 221
표 3.3.5-6. 혐기성소화조로부터 손실되는 열량 222
표 3.3.5-7. 운전온도에 따른 혐기성소화조 기온에 필요한 열량 223
표 3.3.6-1. 30㎡/day 상업용 플랜트 설비시 설계인자 및 재생에너지 산출 223
표 3.3.6-2. 30㎡/day 상용화시 생산되는 재생에너지의 활용을 위한 마이크로 터빈 사양 224
표 3.3.6-3. 열병합발전기의 효율 및 절감액 산정 225
표 3.3.7-1. 운전조건 227
표 3.3.7-2. HRT별 혐기성 여액의 특성 228
표 3.3.7-3. 실험방법(APHA, 1995) 229
표 3.3.7-4. 액비조의 수분함량 231
표 3.3.7-5. 액비조의 유기물 함량 231
표 3.3.7-6. 액비화 조건비교 238
표 3.4.1-1. 혐기성 소화조의 모니터링 인자 241
표 3.4.1-2. 제어시스템의 구성요소 247
표 3.4.1-3. 단계별 제어항목 248
그림 3.1.1-1. 혐기성소화조의 원리 39
그림 3.1.1-2. 혐기성소화조 운전온도에 따른 운전시간 49
그림 3.1.1-3. pH에 따른 TVFA와 CH₄ 생산량 변화 50
그림 3.1.2-1. 바이오가스의 에너지 전환 공정 67
그림 3.1.2-2. 중질, 고질 바이오가스의 사용방법 68
그림 3.1.3-1. 퇴비화공정의(퇴비와공정의) 온도변화에 따른 미생물종의 변화 70
그림 3.1.3-2. 퇴비화 과정에서의 pH변화 76
그림 3.1.4-1. 가축분뇨의 물질순환 과정 80
그림 3.2.1-1. Batch 실험시 사용한 혐기성 소화조의 모식도. 90
그림 3.2.1-2. 저온 혐기성 소화조 모식도 92
그림 3.2.1-3. 항온실 내부 92
그림 3.2.1-4. 혐기성 소화조 93
그림 3.2.1-5. 기액 분리기 93
그림 3.2.1-6. 가스포집조 94
그림 3.2.1-7. 기액 및 고액 분리기 94
그림 3.2.1-8. 전체 혐기성소화조 시스템 95
그림 3.2.1-9. 유입수조 및 Cooling dip시스템 95
그림 3.2.2-1. 운전기간에 따른 COD변화(유입 COD 부하/VSS 농도＝0.69). 100
그림 3.2.2-2. 운전기간에 따른 COD변화(유입 COD 부하/VSS 농도＝1.01). 101
그림 3.2.2-3. Batch 실험시 총가스발생량 및 메탄가스발생량 104
그림 3.2.3-1. HRT 변화에 따른 pH 및 알칼리도의 변화 110
그림 3.2.3-2. 각 HRT에 따른 TCOD의 변화 112
그림 3.2.3-3. 각 HRT에 따른 SCOD의 변화. 112
그림 3.2.3-4. 각 HRT에 따른 고형물의(고형뮬의) 농도변화 114
그림 3.2.3-5. 각 HRT에 따른 VS제거량당 메탄가스 발생량. 114
그림 3.2.3-6. 각 HRT에 따른 NH₄+-N(이미지참조) 와 NH₃의 변화. 116
그림 3.2.3-7. HRT 30일에서의 총 가스발생량, 메탄가스발생량(메탄가스발량) 및 메탄가스 함유율. 118
그림 3.2.3-8. HRT 40일에서의 총 가스발생량, 메탄가스발생량(메탄가스발량) 및 메탄가스 함유율 119
그림 3.2.3-9. HRT 50일에서의 총 가스발생량, 메탄가스발생량(메탄가스발량) 및 메탄가스 함유율 119
그림 3.2.3-10/23.2.3-710. HRT 50일에서의 총 가스발생량, 메탄가스발생량(메탄가스발량) 및 메탄가스 함유율. 120
그림 3.2.3-11. 혼합비 및 각 HRT에 따른 pH의 변화. 122
그림 3.2.3-12. 혼합비 및 각 HRT에 따른 알칼리도의 변화 123
그림 3.2.3-13. 각 HRT에 따른 알칼리도 완충곡선 124
그림 3.2.3-14. 혼합비 5:3에서의 각 HRT별 유입수 및 유출수 TCOD 농도변화 129
그림 3.2.3-15. 혼합비 5:2에서의 각 HRT별 유입수 및 유출수 TCOD 농도변화 130
그림 3.2.3-16. 혼합비 5:1에서의 각 HRT별 유입수 및 유출수 TCOD 농도변화 130
그림 3.2.3-17. 혼합비 5:3에서의 각 HRT별 유입수 및 유출수 SCOD 농도변화 131
그림 3.2.3-18. 혼합비 5:2에서의 각 HRT별 유입수 및 유출수 SCOD 농도변화 131
그림 3.2.3-19. 혼합비 5:1에서의 각 HRT별 유입수 및 유출수 SCOD 농도변화 132
그림 3.2.3-20. 각 HRT별 혼합비에 따른 VFA/알칼리도의 비 134
그림 3.2.3-21. 각 HRT별 혼합비에 따른 TS 농도변화 135
그림 3.2.3-22. 각 HRT별 혼합비에 따른 VS 농도변화 136
그림 3.2.3-23. 각 HRT별 혼합비에 따른 TSS 농도변화 136
그림 3.2.3-24. 각 HRT별 혼합비에 따른 VSS 농도변화 137
그림 3.2.3-25. 각 HRT별 혼합비에 따른 TAN의 농도변화 139
그림 3.2.3-26. 각 HRT별 혼합비에 따른 free ammonia의 농도변화 139
그림 3.2.3-27. 각 HRT별 혼합비에 따른 VS제거량당 메탄발생량 141
그림 3.2.3-28. 각 HRT별 혼합비에 따른 COD제거량당 메탄발생량 141
그림 3.2.4-1. Schematic diagram of continuous reactor. 143
그림 3.2.4-2. 각 HRT에 따른 가수분해 속도 145
그림 3.2.6-1. Bacillus sp. 의 성장 특성을 고려한 액비조의 장치도. 149
그림 3.2.6-2. 각 HRT에 따른 pH 및 알칼리도의 변화 158
그림 3.2.6-3. HRT에 따른 T-N의 변화 160
그림 3.2.6-4. HRT의 변화에 따른 암모니아성 질소의 변화 161
그림 3.2.6-5. HRT에 따른 N, P, K의 함량. 162
그림 3.2.6-6. HRT에 따른 미량원소 함량. 163
그림 3.2.6-7. 생산된 액비내에 포함되어 있는 Zn의 농도 164
그림 3.2.6-8. 생산된 액비내에 포함되어 있는 Cu의 농도 165
그림 3.2.6-9. 생산된 액비내에 포함되어 있는 Pb의 농도 166
그림 3.2.6-10/3.2.6-9. 생산된 액비내에 포함되어 있는 Cr, Ni, Hg의 농도 168
그림 3.2.6-11/3.2.6-8. 포자형성과정 171
그림 3.2.6-12/3.2.6-9. 유기물 제거 과정. 173
그림 3.2.6-13/3.2.6-10. HRT 34일에서의 우점 미생물 176
그림 3.2.6-14/3.2.6-11. HRT 46일에서의 우점 미생물 177
그림 3.2.6-15/3.2.6-12. HRT 57일에서의 우점 미생물 178
그림 3.2.6-16/3.2.6-13. HRT 68일에서의 우점 미생물 179
그림 3.3.1-1. 하이브리드 반응기의 Pilot Plant 주공정 흐름도 181
그림 3.3.1-2. 저온협기성 소화조 설치전경 183
그림 3.3.1-3. 일반적인 혐기성 반응기의 내부 교반방법 184
그림 3.3.1-4. 하이브리드형 Pilot plant의 저온 혐기성소화 반응기 설계도 185
그림 3.3.1-5. Pilot Plant 의 건식 가스저장조 현장 설치 장면 186
그림 3.3.1-6. Pilot Plant 가스 저장도 설계도면 187
그림 3.3.1-7. 액비 생산공정 설계 도면 188
그림 3.3.1-8. Pilot plant 공정 흐름도 190
그림 3.3.2-1. 시간에 따른 추적자 측정농도 193
그림 3.3.3-1. 초기 Acclimation 기간동안 단계적 온도 변화에 따른 TCOD 와 SCOD 제거율 196
그림 3.3.3-2. Acclimation 기간동안 Total gas 발생량과 Methane gas 발생량 197
그림 3.3.3-3. HRT 30일에서의 COD 농도 변화 199
그림 3.3.3-4. HRT 30일에서의 가스발생량 및 메탄가스발생량의 변화 199
그림 3.3.4-1. 혼합비 5:2에서의 HRT변화에 따른 COD 농도변화 203
그림 3.3.4-2. 혼합비 5:3에서의 HRT변화에 따른 COD 농도변화 203
그림 3.3.4-3. 혼합비별 HRT에 따른 TVFA/Alk.의 비교 205
그림 3.3.4-4. 혼합비 5:2에서 HRT변화에 따른 유출수의 고형물 농도 변화 206
그림 3.3.4-5. 혼합비 5:3에서 HRT변화에 따른 유출수의 고형물 농도 변화 206
그림 3.3.4-6. 혼합비 5:2에서 TS, VS, TSS 및 VSS의 평균 유출수 농도 207
그림 3.3.4-7. 혼합비 5:3에서 TS, VS, TSS 및 VSS의 평균 유출수 농도 207
그림 3.3.4-8. 혼합비별 HRT 변화에 따른 TAN 및 free ammonia의 농도 변화 209
그림 3.3.4-9. 혼합비별 HRT에 따른 VS제거량당 메탄가스발생량 210
그림 3.3.4-10. 혼합비별 HRT에 따른 COD제거량당 메탄가스발생량 210
그림 3.3.4-11. HRT 40일에서의 혼합방식에 따른 총가스발생랑 및 메탄가스 발생량 213
그림 3.3.4-12. HRT 50일에서의 혼합방식에 따른 총가스발생랑 및 메탄가스 발생량 213
그림 3.3.5-1. 저온 혐기성 소화조 기온 공정도 218
그림 3.3.7-1/3.3.7.1. 액비조의 과폭기 구간 및 저폭기 구간 현장 설치 사진 226
그림 3.3.7-2. HRT에 따른 pH 및 알칼리도의 농도 변화 232
그림 3.3.7-3. HRT에 따른 T-N의 변화 233
그림 3.3.7-4. HRT에 따른 암모니아성 질소의 농도변화 234
그림 3.3.7-5. HRT에 따른 N, P, K의 함량. 236
그림 3.3.7-6. HRT에 따른 중금속 항목별 농도 236
그림 3.3.7-7. 과폭기 구간에서의 미생물 동정사진(HRT 40일) 237
그림 3.3.7-8. 과폭기 구간에서의 미생물 동정사진(HRT 40일) 237
그림 3.4.1-1/3.4-1. 하이브리드 반응기 제어시스템 개발을 위한 작업 흐름도. 240
그림 3.4.1-2. 하이브리드형 반응기 각 공정의 안정적인 운전을 위한 모니터링 인자 241
그림 3.4.1-3. 혐기성 소화조 알고리즘 242
그림 3.4.1-4. 액비조의 알고리즘 243
그림 3.4.1-5. Hybrid system의 연산과정 245
그림 3.4.1-6. 자동제어시스템 구상도 247
그림 3.4.1-7. 기초 제어화면 예시도 249
그림 3.4.1-8. 제어프로그램 초기화면 251
그림 3.4.1-9. 전체 공정제어화면 252
그림 3.4.1-10. 각 공정별 주요인자 제어화면 253
그림 3.4.1-11. 각 공정별 주요인자의 실시간 그래프 254
그림 3.4.1-12. 각 공정별 주요자동측정 인자 Alarm화면 255
그림 3.4.1-13. 통합관리시스템을 위한 통신연결화면 256
그림 3.4.1-14. 각 자동측정장치의 연결상태 확인화면 257
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