유기성폐기물의혐기성소화 처리기술

제주대학교 교수 허 목

< 폐기물공학 >

Lab.of Waste&Wastewater Eng., Dept. of Env. Eng., Cheju National University.

목 차

II II 음식물쓰레기 특성과 통합소화음식물쓰레기 특성과 통합소화

II 혐기성소화 기술 개요혐기성소화 기술 개요

IIIII I

혐기성소화 공정구성 및 성능혐기성소화 공정구성 및 성능

ⅥⅥBiomass Town Project (Biomass Town Project ( 일본일본 ))

II 혐기성소화 기술 개요혐기성소화 기술 개요

1. 1 유기성폐기물의 자원순환 시스템

1. 3 혐기성소화 공정의 분류

1. 4 기질의 종류 및 메탄가스 발생량

1. 2 혐기성소화 원리

1. 1 혐기성소화와 유기성폐기물의 자원순환 시스템

Volatile Volatile FattyFattyAcids Acids

(VFAs)(VFAs)

BiogasBiogasComplexComplexSoluble Soluble

Org.Org.

ParticulatParticulatee

OrganicsOrganics

Hydrolysis(Hydrolysis(kk11))

Hydrolysis(Hydrolysis(kk11))

AcidificationAcidification((kk22))

AcidificationAcidification((kk22))

MathanizatioMathanization(n(kk33))

MathanizatioMathanization(n(kk33))

CarbohydratCarbohydrates,es,

Proteins,Proteins, LipidsLipids

CarbohydratCarbohydrates,es,

Proteins,Proteins, LipidsLipids

Sugars,Sugars, Amino Amino acids, acids,

Fatty acidsFatty acids

Sugars,Sugars, Amino Amino acids, acids,

Fatty acidsFatty acids

Ethanol,Ethanol, Acetic acid,Acetic acid, Propionic Propionic acid,acid,

Butyric acid,Butyric acid, Valeric acid,Valeric acid, Caproic acid,Caproic acid, etc.etc.

Ethanol,Ethanol, Acetic acid,Acetic acid, Propionic Propionic acid,acid,

Butyric acid,Butyric acid, Valeric acid,Valeric acid, Caproic acid,Caproic acid, etc.etc.

CHCH44, CO, CO22

HH22S, NHS, NH33

etc.etc.

CHCH44, CO, CO22

HH22S, NHS, NH33

etc.etc.

Acid former Methane former

1. 2 혐기성소화의 원리

Microorganisms

Reaction ratek1 >

>k2 k3>

>k1 <

<k2 <

<k3

Food waste

Sewage sludge

중온소화중온소화 : 35℃: 35℃ 고온소화고온소화 : 55℃: 55℃

중온소화중온소화 : 35℃: 35℃ 고온소화고온소화 : 55℃: 55℃

단상소화단상소화 : : 단일 소화조단일 소화조 이상소화이상소화 : : 두개 소화조두개 소화조 단상소화단상소화 : : 단일 소화조단일 소화조 이상소화이상소화 : : 두개 소화조두개 소화조

습식소화습식소화 : : 고형물 고형물 10% 10% 이하이하

건식소화건식소화 : : 고형물 고형물 20% 20% 이상이상

습식소화습식소화 : : 고형물 고형물 10% 10% 이하이하

건식소화건식소화 : : 고형물 고형물 20% 20% 이상이상

반응온도반응온도

소화조 구성소화조 구성

회분식 소화회분식 소화 : : 반연속 주입반연속 주입 연속식 소화연속식 소화 : : 연속 주입연속 주입 회분식 소화회분식 소화 : : 반연속 주입반연속 주입 연속식 소화연속식 소화 : : 연속 주입연속 주입

기질 주입방식기질 주입방식

혐기성 소화조혐기성 소화조

고형물 농도고형물 농도

1. 3 혐기성소화 공정의 분류

1. 4 기질의 종류 및 메탄가스 발생량

TS contentType of

SubstrateWastewaters & Wastes

Digestion Process

< 5.0 % Low Solid

- Paper mill wastewater - Alcohol wastewater - Crops manufacturing wastewater - Other agro-industrial wastewater

WAD

6~15%Medium

Solid

- Manures - Slaughterhouse waste - Municipal sewage sludge - Different agro-industrial wastes

WAD

>15% High Solid

- Organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) - Plant biomass - Crop residues - Household waste

DAD

WAD: Wet Anaerobic Digestion, DAD: Dry Anaerobic Digestion

혐기성소화 기질 구분혐기성소화 기질 구분

1. 4 기질의 종류 및 메탄가스 발생량

Organic Wastes

Methane Yield(m3 CH4/kg

VS)

Organic Wastes

Methane Yield(m3 CH4/kg

VS)

Manures - Cow - Swine - Poultry

0.252-0.3480.252-0.3230.320-0.3480.285-0.330

Municipal solid waste (MSW) - OFMSW - Yard wastes - Paper waste - Sewage sludge - European food waste - Korean food waste

0.140-0.564

0.401-0.4890.140-0.2090.215-0.3690.225-0.3200.321-0.540

0.356-0.471

Agro-Industrial wastes - Sugarbeet - Tomato - Orange - Brewer’s grain - Sorghum

0.310-0.3900.3700.3200.3300.3100.390

유기성 폐기물의 메탄 발생량유기성 폐기물의 메탄 발생량

2. 1 국내 음식물쓰레기의 특성

2. 2 국내 적용 혐기성소화 기술

2. 3 통합소화 개요 및 기술현황

IIII 음식물쓰레기 특성과 통합소화음식물쓰레기 특성과 통합소화

2. 4 음식물쓰레기 혐기성소화 처리시설 현황

2. 1 국내 음식물쓰레기의 특성

구분 중량분율 함수율 비고

음식물 82.2 % 80 %생분해성 유기물 (VS)

(VS/TS: 0.92)

비닐류 협작물 5.38 % 75.2 %쓰레기의 성상은

발생지역에 따라 차이 있음

뼈 /조개류 협작물 4.40 % 56.9 %

침출수 8.0 % 98.0 %

계 100 % 78.0 %

음식물쓰레기 원소조성 (wt % TS)

항 목 탄소(C)

수소(H)

산소(O)

질소(N)

황 (S) 회분 계

구성비 46.1 6.8 36.7 3.43 4.8 2.17 100

이론적 메탄수율 : 0.507 CH4 m3/kg VSadded

(0.780 biogas m3/kg VSadded )

처리방식 소화공법 기술명 시설용량

전용소화건식

Dranco process ( 부산 , 시운전 가동중 )

200 T/d

습식2 상 혐기성소화

( 경기 파주 )30 T/d

통합소화습식

음식물 하수병합( 서울 , 부산 외 6 개도

시 )440 T/d

습식음식물 축분 통합소화

( 경기 파주 )80 T/d

처리목표

• 음식물쓰레기 감량화• 바이오가스의 에너지화 및 퇴비의 자원화• 오염물질 ( 폐수 , 악취 ) 의 친환경적 처리

2. 2 국내 적용 혐기성소화 기술

유기성 농 / 공산업

폐기물

고농도유기성 폐수

생분해성 도시고형폐기물

축산분뇨

하수슬러지

폐기물의 효과적인 관리와 단일 소화조 이용에 따른 처리비용 절감 효과

Co-digester

폐기물 혼합에 따른 소화공정의 불안정 문제 해소 ( 부하변동 , 영양염의 불균형 , 독성물질 유입 , 암모니아 독성 등 )

바이오가스 ( 메탄 ) 회수율 증대에 따른 에너지 이용효율 증대

2.3 통합소화 개요 및 기술 현황

통합소화 기술 개요통합소화 기술 개요

소화조운전변수

폐기물 특성통합소화 효과

음식물 하수슬러지

pH 및 알칼리도 낮음 높음소화조 적정 pH 유지및 부족 알칼리도 보충

영얌염류 낮음 높음 유기물과 영양염의 균형 , 소화균의

활성도 증가 C/N 비 높음 낮음

암모니아 농도 높음 낮음 암모니아 저해 감소

고형물농도 높음 낮음 생분해성 유기물 증가로 biogas

회수율 증대생분해도 높음 낮음

통합소화 기대효과통합소화 기대효과

CountryProcess (Temp.)

Types of waste

Digester volume(m3)

Capacity (ton/year)

Gas yield (m3/day)

Sweden

Bigadan

(WD38 )℃

Manure, OIW, OHW

4,500 73,000 8-9,000

Kruger

(WD35 )℃ MSW, SS

? 62,000 2,400Denmark

Sweden

Germany

Finland

Korea

Bigadan

(WD38 )℃

?

(WD38 )℃

Vaasa

(WD38 )℃

(WD35-38 )℃

Manure, OIW

SS, OIW, OHW

SS, MSW

FW, SS

Manure

2,250

3,000

1,500

대구 신천하수처리장 , 부산 수영하수처리장 ,

경남 밀양하수처리장 , 울산 용연하수처리장

강원 속초하수처리장 , 파주 축분혼합처리장

44,000

38,690

40,000

3-4,000

5,300

4,000

WD: Wet Digestion, OIW: Organic Industrial Waste, OHW: Organic Household Waste,

SS: Sewage Sludge MSW: Municipal Solid Waste, FW: Food Waste

국내외 통합소화 적용 현황국내외 통합소화 적용 현황

소재지 시설명 (7 개소 )시설용량( 톤 /일 )

대전 유성구 유성구 퇴비화 시설 10

부산시 부산 음식물자원화시설 200

경기 광주시 광주시 퇴비화 시설 20

경기 의왕시 의왕시 퇴비화 시설 30

경기 파주시 파주시 퇴비화 시설 30

강원 고성군 고성 환경자원사업소 10

충남 태안군 태안 음식물자원화시설 10

경북 영덕군 영농조합법인 20

처리시설 용량 합계 330

2. 4 음식물쓰레기 혐기성소화 처리시설 현황

전용 혐기성소화 처리시설전용 혐기성소화 처리시설고성

밀양

파주

의왕

광주

대전태안

부산

소재지 시설명 (8 개소 )시설용량( 톤 /일 )

서울 강서구 서남하수병합시설 20

부산 수영구 수영하수병합시설 120

대구 북구 신천하수병합시설 200

울산 남구 용연하수병합시설 40

경기 파주 음식 /축분 혼합시설 80

강원 속초 속초 음식물자원화시설 20

경남 밀양 음식물류처리시설 20

경남 사천 음식물공공처리시설 20

처리시설 용량 합계 520

서울

속초

밀양

파주

대구

2. 4 음식물쓰레기 혐기성소화 처리시설 현황

통합 혐기성소화 처리시설통합 혐기성소화 처리시설

울산

부산사천

3. 1 단위공정 설비

3. 2 각 단위공정 특징 및 기능

3. 3 실증 혐기성소화 공정 운영 현황

IIIIII 혐기성소화 공정 구성 및 성능혐기성소화 공정 구성 및 성능

국내 음식물쓰레기의 특성을 반영

소화공정 운전상 발생되는 문제점 최소화 3.1 단위공정 설비

전처리전처리설비설비

전처리전처리설비설비 소화설비소화설비소화설비소화설비 자원화자원화

설비설비자원화자원화설비설비++ ++ 환경설비환경설비환경설비환경설비 후처리후처리

설비설비후처리후처리설비설비

산 발효조 메탄 발효조

산 발효조 메탄 발효조

발전 및 열회수 설비

부숙 및 퇴비저장 설비

발전 및 열회수 설비

부숙 및 퇴비저장 설비

Humus 완충조

탈수설비

Humus 완충조

탈수설비

반입 /저장 및 이송설비 협작물 선별 - 파쇄선별기 - 혼화조 - 비중선별기

반입 /저장 및 이송설비 협작물 선별 - 파쇄선별기 - 혼화조 - 비중선별기

침출수 저장 폐수처리 설비 탈취설비

침출수 저장 폐수처리 설비 탈취설비

계절계절 //요일별 요일별 편차편차

높은수분 함량높은수분 함량

이물질 다량 포함이물질 다량 포함

계절계절 //요일별 요일별 편차편차

높은수분 함량높은수분 함량

이물질 다량 포함이물질 다량 포함

높은 유기물 함량 높은 유기물 함량

(VS/TS: 0.92)(VS/TS: 0.92)

유기물의 빠른 가유기물의 빠른 가

수분해 및 산성화 수분해 및 산성화

높은 유기물 함량 높은 유기물 함량

(VS/TS: 0.92)(VS/TS: 0.92)

유기물의 빠른 가유기물의 빠른 가

수분해 및 산성화 수분해 및 산성화

유기물의 높은유기물의 높은

생분해도 특성생분해도 특성

유기물 제거율유기물 제거율

80% 80% 이상이상

유기물의 높은유기물의 높은

생분해도 특성생분해도 특성

유기물 제거율유기물 제거율

80% 80% 이상이상

침출수 다량 발생 침출수 다량 발생

다량의 폐수 발생다량의 폐수 발생

심한 악취 발생심한 악취 발생

침출수 다량 발생 침출수 다량 발생

다량의 폐수 발생다량의 폐수 발생

심한 악취 발생심한 악취 발생

높은 염분농도높은 염분농도

(0.5~3.0%) (0.5~3.0%)

섬유질 다량 함유섬유질 다량 함유

높은 염분농도높은 염분농도

(0.5~3.0%) (0.5~3.0%)

섬유질 다량 함유섬유질 다량 함유

국내 음식물쓰레기 특성국내 음식물쓰레기 특성

3.2 단위공정 특징 및 기능

투입저장조

선별 /파쇄기

혼화조정조

비중선별기

1 1 전처리 공정전처리 공정

공정 특징 조대 /미세 파쇄 , 건식 /습식 혼화 선별

설비기능

투입 저장조 : 음식물쓰레기 저장 및 침출수 분리 선별 /파쇄기 : 이물질 선별 및 음식물 조대 /미세 파쇄 혼화 조정조 : 음식물 균질화 및 고형물 농도 조절 비중 선별기 : 미세 협작물 제거로 후속 소화공정 영향 최소화

2 2 이상 소화공정이상 소화공정

공정 특징 입자상 유기물의 가수분해 /산 발효 반응과 메탄 생성반응 분리

설비기능

가수분해 / 산 발효조 : 유기물 가용화와 유기산 생성 메탄 발효조 : 생성 유기산의 biogas 로 전환 각 소화조의 반응속도 증가를 위해 기계교반

전처리음식물

유기산발효조

메탄발효조

3 3 탈수 및 소화슬러지 탈수 및 소화슬러지 부숙부숙

공정 특징 고효율 탈수 및 소화슬러지 부숙 공정

설비기능

슬러지 완충조 : 소화슬러지 저장 및 균등이송 처리 고율 탈수기 : 소화슬러지 고액분리 ( 슬러지 함수율 75%) 부숙 교반기 : 탈수 슬러지의 퇴비생산 ( 함수율 45%) 부숙기 35 일 이상 유지

소화슬러지

슬러지완충조

고효율탈수기

슬러지부숙기

4 4 에너지 자원화 공정에너지 자원화 공정

공정 특징 Biogas 정제 및 에너지 자원화 공정

설비기능

건식 탈황탑 및 가스 저장조 : Biogas 의 정제 및 저장 기능 가스 보일러 : 열회수에 의한 소화조 가온 및 온수 공급 발전기 : 전력 생산 - 대규모에 적합

건식 탈황탑

가스저장조

가스보일러 발전기

Biogas

5 5 악취처리 공정악취처리 공정

공정 특징 에어커튼과 부압덕트에 의한 악취확산 방지 , Bio-filter 로 최종처리

설비기능

주요 악취 발생원 : 투입구 , 전처리 공정 , 탈수 및 부숙 공정 투입구 : 에어커튼 및 이중 밀폐 방식으로 공장동내 악취확산 방지 전처리 공정과 탈수 및 부숙공정 : 부압 흡입 Duct 설치하여 악취 누설방지 포집 악취는 최종적으로 Bio-filter 에 의해 정화

에어커튼 Duct,후드

Bio-filter

정화공기

Food waste

Hopper

Separator/

Crusher

Landfill/ Incinerati

on

Mixing

tank

Gravity separat

or

Sludge storage

Acid reactor

Methane reactor

Biogas

storage

Steam

boiler

Electric generat

or

Screw press

Aerobic compostin

g

Process

water

Leachate

Leachate

DewaterTo WWTP

Inert materials

Compost

Process water

Discharge Sludge

cake

Information

- Plant is located at Paju city, start-up in

1999

- Treatment Capacity: 30 ton/day

- Total solid (TS) in mixing tank: 8 %

Performances

- Organic removal: 75~80% (basis VS)

- Biogas production: 2,500 m3/day (CH4:

65%)

- Compost production: 2.0 ton/day (W.C.

45%)

3. 3 실증 혐기성소화 공정 운영 현황

22 상 혐기성소화 공정상 혐기성소화 공정

Information

- Plant is located at Miryang city, Start-up

in 2003

- Treatment Capacity of FW: 20 ton/day

- Total solid (TS) in mixing tank: 8.0%

Performances

- Organic removal: 50~60% (basis VS)

- Biogas production: 2,105 m3/day

- Methane content of biogas: 65~75%

Food waste

Hopper

Separator/

Crusher

Landfill/ Incinerati

on

Mixing

tank

Gravity separat

or

Hydrolysis reactor

Existing

digester in STP

Biogas

storage

Steam

boiler

Electric generat

or

Belt or Screw press

Process

waterLeachate

DewaterTo STP

Inert materials

Sea dumping , Incineration,

Landfill, Reuse

Process water

Discharge Sludge

cake

WAS

PS

Sludge thicken

er

STPSewage

하수병합 혐기성 소화공정하수병합 혐기성 소화공정

Information- Plant is located at Paju city, Start-up in

2004- Treatment Capacity: 80 ton/day (Food waste: 20 ton/day, Manure: 60 ton/day)- Total solid (TS) in mixing tank: 8~12 %

Performances- Organic removal: 60~65% (basis VS)

- Biogas production: 4,800 m3/day

- Methane content of biogas: 65~75%

- Compost production: 18 ton/d (W.C.

60%)

Food waste

Hopper

Separator/

Crusher

Landfill/ Incinerati

on

Mixing

tank

Gravity separat

or

Hydrolysis /acid reactor

Biogas

storage

Steam

boiler

Electric generat

or

Belt or Screw press

Process

waterLeachate

DewaterTo STP

Inert materials

Process water

Discharge Sludge

cakeCompos

t

Methane reactor

Sludge storage

Storage

Manure

Aerobic compostin

g

음식물음식물 //축분 혐기성 축분 혐기성 통합소화통합소화

구 분 음식물 쓰레기 통합처리 ( 축분 + 음식물 쓰레기 )

용량 30 톤 /일80 톤 /일

( 축분 60 + 음식물 20)

사업비 32 억원 104 억원

공법 중온이상혐기소화공법 중온이상 통합혐기소화공법

공정구성전처리 + 산발효 + 메탄발효 + 슬러지저장조 + 탈수기 + 연계 (

통합시설 )

전처리 + 가수분해조 + 소화조 + 슬러지저장조 + 가압부상 +

탈수기 + 퇴비화설비 + 폐수처리설비

바이오가스 설비 가스저장조 + 연계 ( 통합시설 ) 가스저장조 + 발전기 ( 보일러 )

부대설비 계량대 , 탈취설비 탈취설비 , 퇴비화설비 , 폐수처리설비

부산물 발생량( 운영치 )

음식물 30 + 시수 20 ( 톤 /일 )⇒ 슬러지혼합액 50 톤 /일

통합연계처리

축분 36 + 음식물 27 ( 톤 /일 )⇒ 슬러지혼합액 63 톤 /일

- 바이오가스 : 4,392Nm3/ 일 - 퇴비 : 5 톤 /일 ( 함수율 50%)- 폐수 : 160 톤 /일 ( 해양투기 45 톤 /일 ) - 협잡물 : 6 톤 /일 ( 함수율 70%)

플랜트 현황플랜트 현황

3. 4 바이오가스 에너지화 사례 ( 파주시 )

구 분 설계 및 시공 조건 운전 현황

반입량음식물 : 30 톤 /일

축분 + 음식물 : 80 톤 /일 (60+20)

음식물 : 30 톤 /일축분 + 음식물 : 63 톤 /일

(36+27)

바이오가스 생산량4,920 Nm3/ 일

( 발전가능량 : 469kW)4,392 Nm3/ 일

( 발전가능량 : 412kW)

소요 부하발전 : 400kW, 수전 : 100kW

/ 계 500kW발전 : 250kW, 수전 100kW

/ 계 350kW

폐열회수 340Mcal/hr ( 반응조 열교환 ) 210Mcal/hr ( 반응조 열교환 )

기타- 한전 병렬운전중- 소요전력의 70% 대체 (1.1 억원 /년 절감 ) 중이나 , 향후 발전가능 전량 발전예정

바이오가스 바이오가스 이용현황이용현황

파주시 혐기소화시설 성능

FlowsheetFlowsheet

IV Biomass Town Project (Biomass Town Project ( 일본일본 ))

PlantPlant

Yamada Biomass Town Photo