목 차 - envex.or.kr—코데이.pdf2012년해양배출금지에따른유기성폐기물의육상처리 ... 하수슬러지등) ... 구성된pfr 반응조

목 차 (CONTENTS)

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기술 개발 배경1

혐기소화기술 개요2

E.PFR 혐기소화조 개요3

E.PFR 공법 소개4

참조 : 해양오염방지법 시행규칙 개정안, 해양수산부신재생에너지 RD&D 2030전략, 산업자원부(2007)

해양오염방지법

시행규칙 개정

해양배출금지

2006년 2월 22일 해양오염방지법 시행규칙 개정안 공포(해양수산부)

• 해양배출관련 국제협약인 ‘런던협약 96의정서’를 수용한 개정안 공포

• 음식물, 가축분뇨, 하수슬러지 등의 유기성폐기물의 해양배출 젂면 금지

: 2012년부터 시행

UN 기후변화협약

온실가스의무감축

UN 기후변화 협약 및 발리 로드맵 이행에 따른 온실가스 의무 감축 요구

- 온실가스 규제 및 국내 배출권 거래시장 도입 등 적극적 정책 마련 (CDM사업)

- 정부의 적극적인 싞재생 에너지 사업 촉진 및 유기성 폐기물의 에너지화 추진

녹색기술을 새로운 성장 동력으로

• 녹색기술연구개발투자두배이상확대

• 청정개발체제 (CDM) 사업, 싞재생 에너지 사업, 탄소배출권 거래제 등 집중 육성

온실가스 줄이는 저탄소 정책

•자원 이용의 효율성 최대화와 홖경오염의 최소화

저탄소

녹색 성장 전략

2012년 해양배출 금지에 따른 유기성 폐기물의 육상 처리 전환

- 해양 배출 유기성 폐기물의 에너지화 추진 (혐기소화)

- 연갂 163만톤 (해양투기량의 22 %)의 유기성 폐기물과 32만톤의 민갂부분 슬러지 등

국고 지원 통해 에너지화 추진 (총 195만톤 목표)

유기성폐기물의

에너지화정책

참조 : 폐기물에너지화 종합대책, 환경부 (2008)

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1. 기술개발 배경

혐기성소화

혐기성소화란 산소 부재상태에서 유기물을 미생물이 분해하는 생물학적 공정으로, 밀폐공간인 혐기성 소화조

내에서 가스발생량과 분해속도를 극대화하기 위하여 반응조 내의 혼합, 온도, pH 등의 환경조건들이 중요하다.

유기성폐기물(음식물, 가축분뇨하수슬러지 등)

단순분자 유기물(당류, 아미노산,

유기산)

휘발성 유기산(Volatile Fatty

Acid)

메탄가스(CH4)

혐기성박테리아 산발효균 메탄생성균

Ⅰ.가수분해단계

가수분해효소

Ⅱ.산발효단계 Ⅲ.메탄발효단계

GAS

GASGAS

혐기성소화기술변화

재래식 혐기성반

응조

UASB E·PFR

단순 저장 및 혼합CSTR형 반응조

Sludge blanket을이용한 미생물 유지

상향류식 다단으로구성된 PFR 반응조

E·PFR 반응조 개발의 필요성..

- UASB의 최대 단점 (낮은 고형물 부하)

극복 필요

- 다단 구조에 의한 PFR 흐름 유도 를 통한

빠른 분해 속도 유도 필요

- 반응기 내부에 기체 체류 공간 형성으로

원활한교반 유도 및 스컴 제어 필요

- 유체유동성증가로 기액 접촉 촉진 필요

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2. 혐기 소화 기술 개요

분류기준 분 류 특 징

함수율

건식혐기성

-함수율: 75 ~ 85 %(탈수공정필요) , 고형물 15~25%-주로 단상법으로 설계-함수율 60% 이하에서 반응기 내부의 이송을 방해하고, 미생물의 분해홗동을 저해할위험성 증가

-반응기 용량의 최소화

습식혐기성

-함수율: 90%내외(탈수공정불필요), 고형물 10% 미만 (통상 2 ~ 5 %)-반응기 내에서 혼합과 이송이 용이-소화가스 방출 및 열과 물질의 이송과 교홖조건이 양호-반응기 용량 증가

반응온도

중온소화-온도조건: 35~37℃-고온소화에 비해 에너지 소비 및 암모니아 발생비율이 낮음-고온소화에 비해 적용 사례가 많음

고온소화

-온도조건: 50~55℃-위생적인 측면에서 중온소화보다 양호-중온소화에 비해 약 10% 더 높은 가스 생산율 및 유기물 분해율-소화과정 중에 가온에 필요한 높은 에너지 소비-혐기분해에 장애가 되는 암모니아 발생비율이 높음

상(Phase)

단상소화-한 반응기 내에서 혐기박테리아 대사의 모든 과정이 병행으로 실시-초기설치비는 저렴하나 메탄생성 효율이 낮아 2상소화의 경우가 많음

2상소화

-두개의 반응기에서 가수분해 및 산생성과 메탄생성단계의 조건을 구분하여 운영

☞ 가수분해 및 산 생성을 위한 1단계, 아세테이트 및 메탄생성을 위한 2단계로 반응기가나뉨으로 각 공정의 극대화 운젂을 할 수 있는 장점이 있음

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자료: 김일배 (2004)

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VALORGA Process

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SEBAC Process

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Anaerobic Baffled Reactor(ABR)

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조 건\공법명 DBS 정봉 E.PFR

분 류 습식 중온 습식 고온 습식 중온

기술 보유사 대우건설 ㈜㈜ 정봉 ㈜ 에코데이

HRT (days) 5 20 15

소화조 온도 (⁰C) 35 55 35

주입 형태 축분+음폐수+슬러지 음폐수 음식물폐수 / 음식물

고형물 부하 (g TS/L∙d) n. a. n. a. 7 ~ 15

유기물부하 (Organic Loading Rate: kg

CODCr/m3/day)

n. a. n. a. 5 ~ 12

가스 발생율 (Gas Production Rate: m3/ton

waste)12 30 55 ~ 65 / 80 ~ 120

메탄가스 함량 (%) 70 65 65 ~ 75

TVS 제거율 (%) 90 n. a. 85

비 고고형물 부하가 낮아 고액

분리 전처리 필요소화액 고액분리, 연계처리

(BOD 3,000 mg/L 이하)소화액 고도처리

(환경신기술 제278호)


대우건설 (DBS 공법)

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정봉

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구분 중량분율 함수율 비고

음식물 82.2 % 80 %생분해성 유기물 (VS)

(VS/TS: 0.92)

비닐류 협잡물 5.38 % 75.2 %쓰레기의 성상은

발생지역에 따라

차이 있음

뼈/조개류 협잡물 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 )(음식물 톤당 약 140 Nm3)

☞유럽 기술은 교반 기술 강화를 통한 건식소화 기술로 접근 가스 발생량 증대와 경제성 강화

☞한국은 전처리 공정에서의 고형분 제거를 통한 운영의 안정성 위주로 개발 가스 발생량 감소와 슬러지 처리비용 증가로 경제성 악화

☞ 국내 음식물 쓰레기 혐기성 분해의 최적 조건 검토

높은 MLSS 를반응조내에유지시킬수있을것 (큰유입부하변동에견딜수 있어야함)

스컴제어가능할것

pH의순차적제어가능할것 (PFR 혹은 Serial CSRT 흐름유지필요)

고농도고형물유입에대한대응가능할것

기질 - 미생물접촉상태유지할것 (기체이탈)

높은가스발생량과발생가스중 메탄가스함량이높을것

결국 적절한 강도의 연속적이고 균일한 교반이 문제다!!

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☞ 국내 음식물 쓰레기의 성상

구 분BOD

(g/L)

CODCr

(g/L)

T-N

(mg/L)

T-P

(mg/L)

TS

(%)

VS

(%)

염분(Salt, %) pH 비 고

음식물쓰레기

53.7 ~ 157.8

93.0 ~ 263.4

4,317 ~ 13,713

133.5 ~ 723

16.5 ~ 21.3

8.9 ~ 21.3

0.4 ~ 1.54.0 ~ 4.7

유분 등스컴 발생

음폐수42.3 ~ 80.0

80 ~ 132.7

3,686 ~ 4,200

2,443 ~ 1,518

7.0 ~ 15.0

5.5 ~ 12.0

0.3 ~ 1.23.4 ~ 4.3

pH 문제


5E·PFR-2 (혐기성 소화조) 특성

유입 : 산발효액 용적부하 10 kgCOD/㎥·d

이상, 100,000mg/L 이상의 TS 포함폐수

처리수순환 : 혐기성소화조 최하단의 pH

조정을 위한 순환 및 최하단 교반 촉진

자체가스교반 : 기포크기 변형을 통한 교반

(교반 동력비 절감, 미생물 기질접촉용이)

가스간헐교반 : 자체가스 교반으로 부족한

경우(유입유입 농도에 따라서 월 1~5회)

바이오가스 회수 : 메탄함량 70% 이상,

총 가스 발생량 1.0 N㎥/kg-VS제거, VS

제거율(1-VS유출/VS유입) 80% 이상

최하단 교반 : 펌프를 이용한 최하단 교반

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3. E.PFR 혐기소화조 개요

•상단으로 갈수록 슬러지의 압밀성이 낮음을 볼 수 있음.•가벼운 물질들은 상단으로 이동, 무거운 물질들은 하단으로 이동함.•활성이 높은 무거운 미생물이 반응기 최하단 (폐수 유입구역)에 가장 높은 농도로 존재하므로 초기 고부하에 매우 유리하게 대응하면서 충격부하 대응 능력이 높고, 초기에 높은 유기물 제거율을 보임으로써 전체 분해 속도를 크게 증가시킴

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에코데이 E.PFR 혐기성소화 기술 기존 혐기성소화 기술

각단에서 수두압, 가스압, 체류시간 증가 및

교반 효과로 스컴 발생 차단 및 상단

수면으로의 이동 차단

결과: 스컴으로 발생될 성분을 메탄가스로 전환

또는 완전분해

Scum이 단일수면인 최상단으로 이동, 누적

Scum 누적이 심화되면 상단으로부터 pH저하

결과: 반응기 유효용적 감소, 처리 효율 저하,

주기적인 청소 필요 (반응조 청소시. 2~3개월

정상운전 불가)

◊ 소화조의 스컴 발생 제어(소화효율 저하 차단)

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다단으로 구성, 자동화에 의한

각 단의 상태파악 용이 → 하단부 저해 요인이

상부로 이동되기 전에 사전 차단 가능

하단 고농도 미생물 유지로 운전 안정성 확보

결과: 환경 비전문가도 안정적 운영 가능

문제 발생과 동시에 반응조 전체에 저해 →

사전차단 불가능하고 긴 회복시간이 필요

소화조 내부에 다수의 미생물 개체수 확보가

어려워 저해요인에 쉽게 노출됨

결과: 환경 전문가도 안정적 운영이 어려움

◊ 외부 저해요인 (충격 부하 등) 대처능력

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블록단위 교반, 유동성 증가로 교반 효과 증가

대형기포발생 및 단별 균일한 이동으로

혼합 사각지대가 없음

미생물 주위 미세기포제거, 물질전달 속도 상승

결과: 소화조의 안정성과 효율성 확보

동력에 의한 교반 – 교반기 또는 펌프

(동력비 발생)

부분적이고 낮은 교반 효과와 편류 형성

결과: 소화조의 안정성과 효율성 미확보

◊ 교반 조건 개선 (효율촉진)

M

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Biomass

BiomassBiomass

Biomass

큰 기포 이동 및 강한 난류에 의해

발생 가스가 미생물로부터 신속히 이탈

폐수와의 접촉면적 증가로 반응속도 상승

결과: 충분한 미생물 확보

가스가 자체 부력으로만 미생물로부터

이탈되므로 이탈 속도가 느림

미생물 주변을 둘러쌓아 반응속도 감소

결과: 충분한 미생물 확보 불가능

◊ 미생물 홗성 증가와 개체수 확보

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반응기가 Block에 의해 계열별로 적용됨으로

Scale up 시, 계열의 개수가 증가하는 형태

결과: 규모에 따라 설계조건 동일

→ 규모에 의한 영향을 받지 않아

기술에 대한 신뢰성 높음

규모에 따라 교반 방법, 가스이탈방식,

MLSS제거가 달라짐 → 설계조건 불일치

미운영 규모에 대해 효율에 대한 불확실성

(스컴 층 형성, 낮은 교반 효과, 온도조절 등)

결과: 규모가 클수록 낮은 효율

◊ Scale up의 용이성 (규모가 클수록 경제적)

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◊기술의 개요

Gas Holdup (가스 체류 공간) 기술을 적용한 다단 상향류식 흐름을 가진 PFR형 반응기(E-

PFR) 기술을 적용한 고농도 유기성 폐수의 혐기성 소화 (에너지화) 시스템 설계 기술임

◊시설 개요

시설명: 난지 물 재생센터 내 음폐수 에너지화 시설

처리대상물: 음식물쓰레기 자원화 과정에서 발생하는 음식물 탈리액 (폐수)

용량: 3㎥/일

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4. E.PFR 공법

• 기술 개요도 및 신기술 범위

전처리

산발효조

E-PFR 2혐기소화조

E-PFR 1호기성소화

질소, 인 고도처리

처리수 방류 또는 재이용

측정 데이터 전송

운전상황

실시간

전송

운전 조건 제어

: 현재 운용 중인 범위

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4. E.PFR 공법

• 수리학적 체류시간

: 산발효조

: 혐기성소화

: 소화액 호기성 소화

운젂 조건 및 수질 평가 항목별 분석 결과

• 농도 변화

: 혐기 소화 시 감량

: 혐기 소화로 인한 유기물 감량화 율은

제거

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항목 에코데이 혐기성소화 일반 혐기성소화

HRT (일) 15 (10~18) 25 (20~30)

소화형태 중온 습식 소화, 음폐수 중온 혹은 고온

가스발생량(㎥Biogas/kgVS제거)

1.0(0.8~1.2)

0.6(0.5~0.7)

고형물 저감율 (%) 80 % 40 ~ 50 %

바이오가스 회수량 55 ~ 65 m3-biogas/m3-폐수 10 ~ 40 m3-biogas/m3-폐수

4. E.PFR 공법 소개

◊ Pilot plant 운젂 결과 (음폐수)

구 분 pHTS

(mg/L)VS

(mg/L)HRT (day)

원수 3.8 147,280 111,800

15소화조 유출 7.2 27,050 15,790

제거율 (%) - 82 86

구 분BOD

(mg/L)CODCr

(mg/L)T-N

(mg/L)T-P

(mg/L)가스량

(m3/kg-VS 제거)

원수 76,500 132,695 3,920 1,518

1.0소화조 유출 8,000 30,198 3,712 826

제거율(%) 90 77 5 46

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HRT에 따른 바이오가스 생산량

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MLSS 농도

구분 MLSS평균 MLSS 최저 MLSS 최대

유입부(1단) 13,780 12,333 15,133

유출부(5단) 8,401 5,900 11,843

소화조 (E.PFR-2 반응기) 내의 pH

3.5

4.5

5.5

6.5

7.5

8.5

Inflow 1st

step

2nd

step

3rd

step

4th

step

5th

step

pH

• EㆍPFR의 으로 인해, 별도의 알카리

투입없이, pH 3~4의 산발효액을 산발효조에

투입, pH 6.5~7.5로 소화조 운전 제어

되어, 높은

유기물 부하, 충격부하 혹은 독성물질 유입 등에

견딜 수 있음


▣ E-PFR을 이용한 호기성 처리 (국내특허 10-0862367, 해외출원 PCT/KR2008/004196,

홖경신기술 제278호)

을 통해 고농도 유기물 부하에도 운전가능

(15,000~20,000mg/L) 및 로 별도의 가온 설비 없이 고온으로

운전되며 (약 ), 발생열을 하여 혐기성 소화 시 가온 열원으로 재이용 가능

그림. E-PFR 각 단에서의 유체흐름 및 산소전달 과정 모식도그림. 블록형 E-PFR 반응기 개념도

유출

유입

Bulk air volume공기층 (Gas

Holdup)

난류에 의한 공기, 폐수혼합층

폐수층

E·PFR 상단

으로 이동

E·PFR 상단

으로 이동

E·PFR 하단으로부터 유입

미생물 담체

: 큰 기포

: 미세기포

: 유체의 흐름

: 기체의 흐름

산기장치종류

산기식 기계식

E․PFRPorous diffusers

Nonporousdiffuser

(경사방해판)Jet

Radial flowlow speed(20-100rpm)

Axial flowhigh speed

(900-1800rpm)수중터빈

산소전달효율(kgO2/kWh)

1.9-6.6(4.3)

2.5-7.0(4.8)

2.2-3.5(2.9)

1.5-2.1(1.8)

1.1-1.4(1.3)

1.5-3.0(2.3)

4.0-10.0(7)

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4. E.PFR 공법 소개 (소화액 폐수처리)

항 목 BOD CODMn T-N T-P TS VS

원수(음식물 탈리액)

79,000 46,250 3,525 1,132 95,500 76,400

E·PFR-2(혐기) 반응기 유출수

8,040 4,382 3,520 792 15,000 7,720

소화액(고액분리 후)

4,350 2,860 582 174 3,000 1,350

E·PFR-1(호기) 반응기 유출수

96 96.5 54 7 - -

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호기 발열전처리

E·PFR-3(산발효조)

E·PFR-2(메탄발효조)

원심탈수 무산소조E·PFR-1

(호기성처리)침전조

반송

가압부상Sand filterA/C filter

퇴비화시설

발전시설 • 수리학적 체류시간

: 산발효조

: 혐기성소화

: 소화액 호기성 소화

4. E.PFR 공법 소개 (소화액 폐수처리)

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시설 현황

- 시설명 : 파주 환경순환센터 음식물쓰레기 처리시설

- 주공정 : 중온 혐기성소화

- 시설용량 : 20톤/일

- 준공년도 : 1999년

- 개선공사 착공 : 2009년 10월

- 개선공사 완공: 2009년 12월

- 시운전: 2010. 1 ~ 2010. 3월

개선 사업 범위 및 목표- 메탄발효조를 E.PFR-2로 개선

- 목표 처리 물량 달성 및 메탄생성효율 개선

운전 현황 및 계획- 2월말 현재 파주시 목표 처리량(30톤/일) 달성 및 가스발생량 5배 이상 증가 달성

- 향후, 목표량을 초과하여 음식물 최대 40톤/일, 가스발생량 1,400㎥/일 이상까지

효율 향상 예정

4. E.PFR 공법 소개 (실증화 사례)

파주시 공정 개요도 (개조공사 완료)

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그림 출처: 배재근 외, 2007


파주시 공정 개요도

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현장 모식도

M

혼화조 산발효조메탄발효조(개선범위)

전처리된 음식물

소화액

B

소화액 처리시설

내부순환

바이오가스 이용


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운전 현황

구 분 개조전 (일반방식) 개조후 (E.PFR-2)

평균 음식물처리량(톤/일) 20 20

체류시간(일) 26~27 17~18

평균 가스발생량(㎥/일) 500~600 1,800~2,000

톤당가스발생량(㎥/톤) 30~40 90 ~ 120

메탄함량（%） 60~65 70~75

운전온도（℃） 35~37 35~37

유기물 제거효율（%） 40 85


음식물 50 % 이상 추가 처리 가능함

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운전 현황


혐기소화방식 1)국내기존 2)국내최대 3) “E”(유럽) 4) “S”(유럽) 5) “B”(유럽) E-PFR

음폐수 처리비(억원/년) 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0

전력생산량(kWh/d) 0.0 2,703 0.0 615 11,273 25,932

전력판매비용(억원/년) 0.0 0.6 0.0 0.1 2.4 5.6

CER가격(억원/년) - 0.4 - 0.1 1.7 3.9

잔류슬러지 처리(억원/년) 9.2 3.5 6.9 4.3 4.6 2.0

일반 생물학적 탈질(억원/년) 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0

에코데이 기술(억원/년) 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6

인건비(억원/년) 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8 4.8

가온에 필요한 경유값(억원/년)

16.0 - 5.1 - - -

일반 수처리 시 총 계(억원/년)

-15.0 7.7 -1.8 6.1 10.4 17.7

에코데이 수처리 시 총 계(억원/년)

-13.6 9.2 -0.4 7.5 11.8 19.1

자료: 1) 신재생에너지기술개발사업 RFP: 고농도 유기성 바이오매스의선택적 고율 혐기성 공정 적용을 통한 바이오가스발전, 산업자원부신재생에너지과, 2006.

2) 해양배출 음식물폐수의육상처리 및 에너지화 종합대책, 환경부, 2008.02.

3) 경기도와 MOU 체결 기술

4) 울산하수처리장도입 기술

5) 미랜 발표자료

(국내에서 사용되고 있는 혐기성소화 기술은 이 범주 안에 포함됨 )

음식물폐기물 100㎥/d, 유입수 온도 25℃ 일 때,

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4. E.PFR 공법 소개 (경제성 분석)

처리대상 공 사 명 처리용량 비 고

슬러지 구리하수처리장내 하수슬러지 감량화 Pilot Plant 0.1 ㎥/일 완 료

혐기성소화난지물재생센터 내 음식물 혐기성소화 Pilot Plant 3~5 ㎥/일 완 료

파주시 환경순환센터 음식물쓰레기처리시설 개조 30 m3/일 완 료

축 산

폐 수

만해농장 축산폐수처리시설공사 (07.03) 30 ㎥/일 완 료

금암농장 축산폐수처리시설공사 (08.02) 30 ㎥/일 완 료

충북 청원군 등곡 축산폐수공공처리시설공사 설계 중 (09.03) 15 ㎥/일 실시설계반영

주방

음폐수디스포저 / 주방용 오물분쇄기 시범사업 (서울시) (09.03) 30 ㎥/일 완 료

음식물

폐 수

충남 홍성군 음식물자원화시설 폐수처리시설공사 (08.01) 30 ㎥/일 완 료

경북 울진군 음식물자원화시설 폐수처리시설공사 (07.12) 20 ㎥/일 완 료

경북 울진군 음식물자원화시설 폐수처리시설공사 (08.11 증설) 20 ㎥/일 완 료

경기 파주시 음식물자원화시설 폐수처리시설공사 (08.10) 130 ㎥/일 완 료

전북 김제시 음식물자원화시설 폐수처리시설공사 (08.12) 30 ㎥/일 완 료

강원 삼척시 음식물자원화시설 폐수처리시설공사 (09.03) 30 ㎥/일 완 료

서울 동대문구 음식물자원화시설 폐수처리시설공사 150 ㎥/일 완 료

부산 피마 음식물자원화시설 폐수처리시설공사 125㎥/일 완 료

식 품

폐 수

경기도 양평군 지제농협 장류가공공장 폐수처리시설공사 20 ㎥/일 완 료

경기도 양평군 양동농협 단무지가공공장 폐수처리시설공사 49 ㎥/일 완 료

4핵심기술 적용실적

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4. E.PFR 공법 소개 (적용 실적)

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목 차 - envex.or.kr—코데이.pdf2012년해양배출금지에따른유기성폐기물의육상처리 ... 하수슬러지등) ... 구성된pfr 반응조