혐기성 소화조 설계 및 운전

왜 배우는가: 혐기성 소화조는 하수슬러지 감량과 바이오가스 에너지화의 핵심 설비라서 실무 설계와 운전 모두에서 기본이 된다. 6개 회차에 걸쳐 분해 원리, 설계 고려사항, 운전 문제와 대책이 반복해 출제되므로 원리와 영향인자를 정확히 이해해야 한다.

출제 이력: 제137회 3교시 4번, 제135회 2교시 5번, 제131회 2교시 5번, 제128회 2교시 5번, 제110회 4교시 3번, 제97회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

혐기성 소화는 산소가 없는 조건에서 미생물이 유기성 슬러지를 가수분해·산생성·초산생성·메탄생성의 단계로 분해하여 메탄과 이산화탄소를 생성하고 슬러지를 안정화·감량하는 공정이다.

• 혐기성 소화, 메탄생성균, 가수분해, 산생성, 소화가스, 체류시간, 휘발성 지방산(VFA), 알칼리도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 산소 없이 미생물이 슬러지 속 유기물을 먹고 가스와 안정된 찌꺼기로 바꾸는 과정이다. 쓰레기 더미가 산소 없이 썩으면서 나는 메탄 가스를 설비로 모아 쓰는 것과 같은 원리다.

정식 정의는 혐기성 조건에서 혼합 미생물군이 고분자 유기물을 단계적으로 분해하여 소화가스와 소화슬러지를 생성하는 생물학적 처리 공정이다. 하수처리에서는 슬러지 처리 공정의 핵심으로 쓰인다.

분해는 네 단계로 진행한다. 첫째, 가수분해(Hydrolysis) 단계에서 탄수화물·단백질·지질 같은 고분자 물질이 가용성 단량체로 분해된다. 둘째, 산생성(Acidogenesis) 단계에서 당과 아미노산이 이산화탄소, 수소, 암모니아, 유기산으로 전환된다. 셋째, 초산생성(Acetogenesis) 단계에서 유기산이 초산과 수소, 이산화탄소로 바뀐다. 넷째, 메탄생성(Methanogenesis) 단계에서 메탄생성균이 초산과 수소·이산화탄소를 메탄과 이산화탄소로 전환한다.

이 네 단계 중 메탄생성 단계가 전체 속도를 지배하는 경우가 많다. 메탄생성균은 증식이 느리고 pH 변화에 민감하기 때문이다. 메탄생성균은 고세균(Archaea)에 속하며, 이들이 제거하지 못한 수소와 산이 쌓이면 공정이 불안정해진다.

소화가스의 조성은 메탄이 주성분이고 이산화탄소를 함께 포함하며, 그 밖에 질소, 수소, 황화수소를 소량 포함한다. 소화슬러지는 유기물이 분해되어 안정화된 찌꺼기이며, 고형물 감량 효과가 크다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리장에서 발생하는 슬러지는 유기물 함량이 높아 그대로 매립하거나 처분하면 부패와 악취 문제가 생긴다. 우리나라는 2012년부터 하수슬러지의 해양 투기를 원칙적으로 금지하여 전량 육상 처리가 요구되었고, 이에 따라 처리비용이 올랐다. 이 상황에서 발생원 감량과 에너지 회수를 함께 얻을 수 있는 방법으로 혐기성 소화가 가장 보편적으로 채택되었다.

혐기성 소화의 장점은 에너지 회수와 감량이 동시에 이루어진다는 점이다. 소화가스는 메탄을 주성분으로 하므로 연료로 쓸 수 있고, 혐기 소화를 거치면 슬러지 고형물이 크게 줄어든다. 또 호기성 공정에 비해 폭기 동력이 필요 없어 에너지 소모가 적고, 생성되는 미생물 잉여량이 적어 슬러지 처리 부담이 줄어든다.

온실가스 측면에서도 필요성이 있다. 메탄은 이산화탄소보다 온실효과가 크므로, 슬러지에서 자연 발생하는 메탄을 방치하지 않고 포집하여 에너지로 이용하는 것이 기후 대응에도 도움이 된다. 음식물 쓰레기나 분뇨를 함께 넣는 병합 소화는 유기물 투입량을 늘려 가스 발생량을 높이는 방법으로 추진되고 있다.