유기성폐기물의 혐기성소화 처리기술 제주대학교 교수 허 목 <폐기물공학> 제주대학교 교수 허 목 Lab.of Waste&Wastewater Eng., Dept. of Env. Eng., Cheju National University.

목 차 I 혐기성소화 기술 개요 II 음식물쓰레기 특성과 통합소화 III 혐기성소화 공정구성 및 성능 Ⅵ 목 차 I 혐기성소화 기술 개요 II 음식물쓰레기 특성과 통합소화 III 혐기성소화 공정구성 및 성능 Ⅵ Biomass Town Project (일본)

I 혐기성소화 기술 개요 1. 1 유기성폐기물의 자원순환 시스템 1. 2 혐기성소화 원리 1. 3 혐기성소화 공정의 분류 1. 4 기질의 종류 및 메탄가스 발생량

1. 1 혐기성소화와 유기성폐기물의 자원순환 시스템

1. 2 혐기성소화의 원리 Hydrolysis(k1) Acidification(k2) Mathanization(k3) Particulate Organics Complex Soluble Org. Volatile Fatty Acids (VFAs) Biogas Carbohydrates, Proteins, Lipids Sugars, Amino acids, Fatty acids Ethanol, Acetic acid, Propionic acid, Butyric acid, Valeric acid, Caproic acid, etc. CH4, CO2 H2S, NH3 etc. Microorganisms Acid former Methane former Reaction rate Food waste k1 >> k2 >> k3 Sewage sludge k1 << k2 << k3

1. 3 혐기성소화 공정의 분류 반응온도 소화조 구성 기질 주입방식 혐기성 소화조 고형물 농도 중온소화: 35℃ 고온소화: 55℃ 단상소화: 단일 소화조 이상소화: 두개 소화조 습식소화: 고형물 10% 이하 건식소화: 고형물 20% 이상 반응온도 소화조 구성 회분식 소화: 반연속 주입 연속식 소화: 연속 주입 기질 주입방식 혐기성 소화조 고형물 농도 일반적으로, 혐기성소화 공정은 반응온도에 따라 중온과 고온소화, 고형물농도에 따라 습식과 건식소화, 소화조 구성에 따라 단상과 이상소화, 그리고 기질 주입방식에 따라 회분식과 연속식으로 구분되며, 당사의 혐기성소화 공정은 중온 조건에서 고형물농도 10%인 음식물을 연속 주입하는 이상소화 공정으로 구성하였습니다.

WAD: Wet Anaerobic Digestion, DAD: Dry Anaerobic Digestion 1. 4 기질의 종류 및 메탄가스 발생량 혐기성소화 기질 구분 TS content Type of Substrate Wastewaters & 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 >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

1. 4 기질의 종류 및 메탄가스 발생량 유기성 폐기물의 메탄 발생량 Manures Organic Wastes Methane Yield (m3 CH4/kg VS) Manures - Cow - Swine - Poultry 0.252-0.348 0.252-0.323 0.320-0.348 0.285-0.330 Municipal solid waste (MSW) - OFMSW - Yard wastes - Paper waste - Sewage sludge - European food waste - Korean food waste 0.140-0.564 0.401-0.489 0.140-0.209 0.215-0.369 0.225-0.320 0.321-0.540 0.356-0.471 Agro-Industrial wastes - Sugarbeet - Tomato - Orange - Brewer’s grain - Sorghum 0.310-0.390 0.370 0.320 0.330 0.310 0.390

음식물쓰레기 특성과 통합소화 II 2. 1 국내 음식물쓰레기의 특성 2. 2 국내 적용 혐기성소화 기술 2. 3 통합소화 개요 및 기술현황 2. 4 음식물쓰레기 혐기성소화 처리시설 현황

이론적 메탄수율: 0.507 CH4 m3/kg VSadded 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 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 )

2. 2 국내 적용 혐기성소화 기술 처리방식 소화공법 기술명 시설용량 전용소화 건식 Dranco process (부산, 시운전 가동중) 200 T/d 습식 2상 혐기성소화 (경기 파주) 30 T/d 통합소화 음식물 하수병합 (서울, 부산 외 6개도시) 440 T/d 음식물 축분 통합소화 80 T/d 처리목표 음식물쓰레기 감량화 바이오가스의 에너지화 및 퇴비의 자원화 오염물질(폐수, 악취)의 친환경적 처리

2.3 통합소화 개요 및 기술 현황 Co-digester 통합소화 기술 개요 유기성 농/공산업 폐기물 고농도 유기성 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

생분해성 유기물 증가로 biogas 회수율 증대 통합소화 기대효과 소화조 운전변수 폐기물 특성 통합소화 효과 음식물 하수슬러지 pH 및 알칼리도 낮음 높음 소화조 적정 pH 유지 및 부족 알칼리도 보충 영얌염류 유기물과 영양염의 균형, 소화균의 활성도 증가 C/N 비 암모니아 농도 암모니아 저해 감소 고형물농도 생분해성 유기물 증가로 biogas 회수율 증대 생분해도

국내외 통합소화 적용 현황 Country Process (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 2,400 Denmark 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

2. 4 음식물쓰레기 혐기성소화 처리시설 현황 전용 혐기성소화 처리시설 고성 밀양 파주 의왕 광주 대전 태안 부산 소재지 시설명 (7개소) 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 강원 고성군 고성 환경자원사업소 충남 태안군 태안 음식물자원화시설 경북 영덕군 영농조합법인 처리시설 용량 합계 330

2. 4 음식물쓰레기 혐기성소화 처리시설 현황 통합 혐기성소화 처리시설 파주 속초 소재지 시설명 (8개소) 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 경남 밀양 음식물류처리시설 경남 사천 음식물공공처리시설 처리시설 용량 합계 520 서울 대구 울산 밀양 사천 부산

혐기성소화 공정 구성 및 성능 III 3. 1 단위공정 설비 3. 2 각 단위공정 특징 및 기능 3. 3 실증 혐기성소화 공정 운영 현황

+ + + + 3.1 단위공정 설비 국내 음식물쓰레기의 특성을 반영 소화공정 운전상 발생되는 문제점 최소화 국내 음식물쓰레기 특성 계절/요일별 편차 높은수분 함량 이물질 다량 포함 높은 유기물 함량 (VS/TS: 0.92) 유기물의 빠른 가 수분해 및 산성화 유기물의 높은 생분해도 특성 유기물 제거율 80% 이상 침출수 다량 발생 다량의 폐수 발생 심한 악취 발생 높은 염분농도 (0.5~3.0%) 섬유질 다량 함유 전처리 설비 자원화 설비 후처리 설비 + + + + 소화설비 환경설비 반입/저장 및 이송설비 협작물 선별 - 파쇄선별기 - 혼화조 - 비중선별기 산 발효조 메탄 발효조 발전 및 열회수 설비 부숙 및 퇴비저장 설비 침출수 저장 폐수처리 설비 탈취설비 Humus 완충조 탈수설비

1 전처리 공정 3.2 단위공정 특징 및 기능 투입 저장조 선별/ 파쇄기 혼화 조정조 비중 선별기 공정 특징 1 전처리 공정 투입 저장조 선별/ 파쇄기 혼화 조정조 비중 선별기 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 이상 소화공정 전처리음식물 유기산 발효조 메탄 공정 특징 입자상 유기물의 가수분해/산 발효 반응과 메탄 생성반응 분리 2 이상 소화공정 전처리음식물 유기산 발효조 메탄 공정 특징 입자상 유기물의 가수분해/산 발효 반응과 메탄 생성반응 분리 설비기능 가수분해/ 산 발효조: 유기물 가용화와 유기산 생성 메탄 발효조: 생성 유기산의 biogas로 전환 각 소화조의 반응속도 증가를 위해 기계교반

3 탈수 및 소화슬러지 부숙 소화 슬러지 완충조 고효율 탈수기 부숙기 공정 특징 고효율 탈수 및 소화슬러지 부숙 공정 설비기능 3 탈수 및 소화슬러지 부숙 소화 슬러지 완충조 고효율 탈수기 부숙기 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 35일 이상 유지

4 에너지 자원화 공정 Biogas 건식 탈황탑 가스 저장조 보일러 발전기 공정 특징 Biogas 정제 및 에너지 자원화 공정 4 에너지 자원화 공정 Biogas 건식 탈황탑 가스 저장조 보일러 발전기 공정 특징 Biogas 정제 및 에너지 자원화 공정 설비기능 건식 탈황탑 및 가스 저장조: Biogas의 정제 및 저장 기능 가스 보일러: 열회수에 의한 소화조 가온 및 온수 공급 발전기: 전력 생산 -대규모에 적합

5 악취처리 공정 Duct, 후드 Bio- filter 에어커튼 정화 공기 공정 특징 5 악취처리 공정 Duct, 후드 Bio- filter 에어커튼 정화 공기 공정 특징 에어커튼과 부압덕트에 의한 악취확산 방지, Bio-filter로 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-filter에 의해 정화

Landfill/ Incineration 3. 3 실증 혐기성소화 공정 운영 현황 Food waste Hopper Separator/Crusher Landfill/ Incineration Mixing tank Gravity separator Sludge storage Acid reactor Methane reactor Biogas storage Steam boiler Electric generator Screw press Aerobic composting Process water Leachate Dewater To WWTP Inert materials Compost Discharge Sludge cake 2상 혐기성소화 공정 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%)

하수병합 혐기성 소화공정 Information Performances Food waste Hopper Separator/Crusher Landfill/ Incineration Mixing tank Gravity separator Hydrolysis reactor Existing digester in STP Biogas storage Steam boiler Electric generator Belt or Screw press Process water Leachate Dewater To STP Inert materials Sea dumping , Incineration, Landfill, Reuse Discharge Sludge cake WAS PS Sludge thickener STP Sewage 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%

Hydrolysis /acid reactor Landfill/ Incineration 음식물/축분 혐기성 통합소화 Steam boiler Food waste Biogas storage Electric generator Process water Storage Manure Leachate Sludge storage Hopper Separator/Crusher Mixing tank Gravity separator Hydrolysis /acid reactor Methane reactor Belt or Screw press Inert materials Process water Dewater To STP Landfill/ Incineration Discharge Sludge cake Aerobic composting Compost 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%)

3. 4 바이오가스 에너지화 사례 (파주시) 플랜트 현황 구 분 음식물 쓰레기 통합처리 (축분 + 음식물 쓰레기 ) 용량 3. 4 바이오가스 에너지화 사례 (파주시) 플랜트 현황 구 분 음식물 쓰레기 통합처리 (축분 + 음식물 쓰레기 ) 용량 30톤/일 80톤/일 (축분 60 + 음식물 20) 사업비 32억원 104억원 공법 중온이상혐기소화공법 중온이상 통합혐기소화공법 공정구성 전처리 + 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 50톤/일 통합연계처리 축분 36 + 음식물 27 (톤/일) ⇒ 슬러지혼합액 63톤/일 - 바이오가스 : 4,392Nm3/일 - 퇴비 : 5톤/일 (함수율 50%) - 폐수 : 160톤/일 (해양투기 45톤/일) - 협잡물 : 6톤/일(함수율 70%)

파주시 혐기소화시설 성능 바이오가스 이용현황 구 분 설계 및 시공 조건 운전 현황 반입량 음식물 : 30톤/일 축분 + 음식물 : 80톤/일 (60+20) 축분 + 음식물 : 63톤/일 (36+27) 바이오가스 생산량 4,920 Nm3/일 (발전가능량 : 469kW) 4,392 Nm3/일 (발전가능량 : 412kW) 소요 부하 발전 : 400kW, 수전 : 100kW / 계 500kW 발전 : 250kW, 수전 100kW / 계 350kW 폐열회수 340Mcal/hr (반응조 열교환) 210Mcal/hr (반응조 열교환) 기타 - 한전 병렬운전중 - 소요전력의 70% 대체(1.1억원/년 절감)중이나, 향후 발전가능 전량 발전예정

Biomass Town Project (일본) IV Biomass Town Project (일본) Flowsheet

Yamada Biomass Town Photo Plant