혐기성 소화 설비와 원리

혐기성 소화의 정의

혐기성 소화는 산소가 없는 조건에서 미생물이 유기물을 분해하는 공정이다.

하수슬러지의 감량과 바이오가스 에너지화를 동시에 이루는 핵심 설비다.

분해 결과로 소화가스와 안정된 소화슬러지가 만들어진다.

4단계 분해 과정

분해는 네 단계로 진행된다.

첫째 가수분해에서 탄수화물, 단백질, 지질 같은 고분자 물질이 단량체로 분해된다.

둘째 산생성에서 당과 아미노산이 휘발성 지방산 등으로 바뀐다.

셋째 초산생성에서 유기산이 초산과 수소, 이산화탄소로 바뀐다.

넷째 메탄생성에서 메탄생성균이 초산과 수소·이산화탄소를 메탄과 이산화탄소로 전환한다.

메탄생성 단계가 전체 속도를 결정하므로 메탄생성균의 활성 유지가 운전의 핵심이다.

소화 설비 구성

소화조는 본체, 가온과 교반, 가스 포집, 슬러지 투입과 배출 설비로 구성된다.

슬러지는 농축과 전처리를 거쳐 소화조에 투입된다.

소화조 안에서는 교반과 가온으로 온도와 혼합을 맞춘다.

생성된 소화가스는 포집해 탈황 후 이용하고, 안정화된 슬러지는 탈수 등으로 보낸다.

중온소화와 고온소화

중온소화와 고온소화는 운전 온도에 따라 구분한다.

중온소화는 약 35~37℃, 고온소화는 약 50~55℃에서 운전한다.

고온소화는 반응 속도가 빨라 체류시간을 줄일 수 있지만 가온 에너지 소비가 커 경제성이 떨어진다.

중온소화는 운전이 안정적이어서 하수처리장에서 보편적으로 채택된다.

VFA 축적과 소화 정지

산생성이 메탄생성보다 빨리 진행되면 휘발성 지방산이 쌓인다.

그러면 pH가 떨어져 소화가 정지할 수 있다.

운전에서는 주입량 조절, 알칼리도 확보, 온도 유지, 교반 점검으로 대응한다.

가스 중 메탄 비율이 줄고 VFA가 늘어나면 과부하 신호로 본다.

정리와 시험 포인트

정답은 휘발성 지방산이다. 이 산이 쌓이면 pH가 떨어져 소화가 멈춘다.

시험에서는 네 단계 반응, 운전 조건, 저해 요인과 대책을 함께 쓴다.

메탄생성균이 율속 단계가 되기 쉬우므로 온도, pH, VFA를 함께 관리해야 한다.

고온소화는 체류시간을 줄이지만 가온 에너지가 많이 든다는 장단점을 함께 쓴다.

혐기성 소화는 감량과 에너지 회수를 함께 고려해 설계하고 운전한다.