혐기성소화조 성능개선

왜 배우는가: 혐기성소화조는 하수슬러지 감량과 바이오가스(메탄) 에너지화의 핵심 설비이며, 성능저하 원인 진단과 개선 대책은 하수처리장 운영 현장에서 매번 요구되는 실무 과제다. 시험에서는 원인분석, 대책, 가스발생량 증대 방안이 연결되어 반복 출제된다.

출제 이력: 제108회 3교시 1번, 제90회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

혐기성소화조 성능개선은 무산소 상태에서 유기물을 메탄(CH4)과 이산화탄소로 분해하는 혐기성 소화의 분해율과 소화가스 발생량을 높이도록 조 내 환경과 운전 조건을 바로잡는 일이다.

키워드

• 혐기성 소화(Anaerobic Digestion)
• 소화가스(Biogas)
• 메탄 생성균(Methanogen)
• 체류시간(HRT·SRT)
• 유기물 부하율(VS Loading)
• 스컴(Scum)
• 가온·교반

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 소화조는 슬러지를 오래 두고 미생물이 유기물을 먹고 가스를 만들게 하는 밀폐된 반응조다. 성능이 떨어지면 가스가 덜 나오고 슬러지가 덜 줄어든다.

정식 정의는 다음과 같다. 혐기성소화 공정에서는 일차 침전슬러지와 생물학적 슬러지의 혼합액 속 유기물이 기밀성 반응조 안에서 혐기성 미생물에 의해 메탄과 이산화탄소를 포함한 최종생성물로 변환된다. 안정화된 슬러지는 유기물과 병원균 함량이 낮고 더 이상 부패하지 않는다.

분해는 세 단계로 진행된다. 첫째, 가수분해 단계에서 고분자 물질이 아미노산, 당, 지방산으로 나뉜다. 둘째, 산발효 단계에서 저분자 유기산과 알코올, 암모니아가 생긴다. 셋째, 메탄발효 단계에서 메탄 생성균이 이들을 메탄과 이산화탄소로 바꾼다. 세 단계 가운데 가장 느린 단계가 전체 속도를 정하며, 메탄 생성균은 증식이 느리고 pH 변화에 민감하다.

소화 방식은 저율과 고율로 나뉜다. 저율소화는 가열과 혼합을 하지 않으며 체류시간이 30~60일이다. 고율소화는 가열하고 완전 혼합하며 체류시간이 흔히 15일 이하다. 두 방식의 혼합형이 2단 공정이다. 고율 방식은 반응이 빠르지만 가열 에너지가 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리 과정에서 생기는 슬러지는 함수율이 높고 부피가 커서 처리비용이 크다. 우리나라는 2009년 1월 런던협약 96 의정서에 가입하여 2012년부터 하수슬러지의 해양투기를 원칙적으로 금지하였다. 이에 따라 슬러지를 전량 육상에서 처리해야 하며, 처리비용이 올라갔다.

이 상황에서 혐기 소화는 슬러지 감량의 가장 보편적인 방법으로 쓰인다. 혐기 소화를 거치면 슬러지 고형물이 약 50% 줄고, 그 과정에서 메탄을 회수해 에너지로 쓸 수 있다. 그래서 기존 소화조를 개량해 효율을 높이거나, 음식물과 분뇨를 병합 처리해 가스 발생량을 늘리는 방안이 정책적으로 추진되고 있다.

소화조 성능이 떨어지면 감량 효과가 줄고 가스 회수량이 감소하여 전체 에너지 수지가 나빠진다. 또한 스컴이 쌓여 유효용량이 줄고 가스 배출을 방해하며, 조 내 가스압이 올라 안전 문제로 이어질 수 있다. 따라서 성능저하의 원인을 찾아 개선하는 일이 운영의 핵심 과제가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

혐기성소화조는 유기성 슬러지를 산소가 없는 조건에서 분해하여 메탄(CH4) 과 이산화탄소를 주로 하는 소화가스(바이오가스) 를 얻고, 고형물을 줄여 안정화하는 밀폐형 반응조다. 구성요소는 소화조 본체, 교반장치, 가온설비, 스컴 처리설비, 가스 포집·저장설비로 나뉜다. 성능은 이들 설비가 미생물 활동에 알맞은 환경을 얼마나 안정적으로 유지하는지에 따라 결정된다.

혐기성 분해는 가수분해, 산발효, 메탄발효의 3단계로 진행되며 메탄생성균이 율속 단계를 이룬다. 가수분해 단계에서는 고분자 유기물이 아미노산, 당, 지방산으로 바뀐다. 산발효 단계에서는 이들이 유기산, 알코올, 암모니아로 바뀐다. 메탄발효 단계에서는 저분자 물질이 메탄, 이산화탄소, 황화수소 등으로 가스화된다.

교반장치는 소화조 내 온도와 농도를 균일하게 하는 핵심 설비다. 가스교반 방식은 발생 가스의 일부를 압축하여 하부 분출장치로 보내 기포를 만들고, 상승류로 저부 슬러지를 끌어올려 선회류를 만든다. 가스교반에는 다점교체식, 드래프트튜브식, 저부흡입식이 있다. 기계교반은 동력을 더 쓰지만 교반 강도를 조절하기 쉽다.

소화 과정의 주요 제어 항목은 다음 순서로 점검한다.

• 투입 슬러지의 고형물 농도와 부하량을 조절한다.
• 소화 온도를 목표 범위로 유지하고 가온 효율을 확인한다.
• 교반으로 스컴과 저부 퇴적을 막는다.
• 소화가스량과 메탄 함량을 측정해 소화 효율을 판단한다.
• 탈리액과 소화슬러지의 TS, VSS 를 측정해 인출량을 조정한다.

소화조의 고형물 부하는 소화일수에 제약을 받는다. 2단 소화에서 소화온도 35℃, 소화일수 30일일 때 고형물 부하는 2~2.8kg/㎥·일 를 표준으로 한다. 유기물 부하는 대략 1.3~1.7kg/㎥·일 를 기준으로 본다.

소화 효율은 유기물 분해율로 평가한다. 식은 다음과 같다.

$\eta = \frac{V_{in}\,C_{in} - V_{out}\,C_{out}}{V_{in}\,C_{in}} \times 100$

여기서 \eta는 VSS 분해율(%), V는 슬러지 유량(㎥/일), C는 VSS 농도(kg/㎥)다. 아래첨자 in은 투입, out은 인출을 뜻한다.

소화가스 발생량은 투입 VSS 중 분해된 양에 비례한다. 표준 조건에서 VSS 1kg 이 완전 분해되면 메탄이 생성되며, 그 양은 관련 기준이 정한 값으로 확인한다. 실제 발생량은 분해율과 메탄 함량에 따라 줄어든다.

5. 관련 법령·기준·표준

혐기성소화조는 하수도법 시행규칙과 하수처리시설 설계기준의 적용을 받는다. 소화조의 구조·용량·가온·가스 안전에 관한 세부 기준은 하수도 설계기준과 가스 안전 관련 규정을 함께 따른다. 소화가스는 메탄과 황화수소를 포함하므로 폭발·중독 예방 기준을 먼저 확인한다. 현행 기준 명칭과 조문 번호는 작성 시점의 개정본을 기준으로 쓴다.

위 표의 값은 설계와 운전에서 널리 쓰이는 기준이다. 실제 적용은 해당 처리장의 설계 조건과 개정된 기준을 함께 검토해야 한다. 저해물질 기준으로는 구리 1mg/L, 아연 5mg/L, 6가크롬 50mg/L, 식염 1.5%, 질산성질소 50mg/L, 황산염 50mg/L 를 참고한다.

개정 연혁으로는 하수도 설계 기준 체계가 시설별 기준으로 정비되었고, 소화가스의 에너지 이용과 안전 관리 요구가 강화되었다. 이 부분은 근거가 제한적이므로 세부 연도는 쓰지 않는다.