혐기성 소화는 미생물이 산소가 없는 상태에서 생분해성 물질을 분해하는 과정입니다 . 이 과정에서 나오는 생성물은 바이오가스(이산화탄소(CO2)와 메탄의 혼합물)와 소화물(질소가 풍부한 비료)입니다. 바이오가스는 연소하여 열을 생성하거나, 천연가스나 자동차 연료와 같은 방식으로 세척하여 사용할 수 있습니다. 폐기물 소화물은 미네랄이 풍부하여 농업 비료 나 토양 개량제로 사용할 수 있습니다.
내용물
애플리케이션
습식 혐기성 공정은 투입 물질의 부피와 질량을 감소시키기 때문에 폐수 슬러지와 유기성 폐기물을 처리하는 데 널리 사용됩니다. 통합 폐기물 관리 시스템의 일부로서 혐기성 소화는 매립지 가스가 대기 중으로 방출되는 것을 줄입니다.
건식 혐기성 소화도 널리 사용되었습니다. 예를 들어 Axpo Kompogas AG 시스템이 있습니다. 이것은 완전히 개발된 시스템이며 2009년에 2,700만 Kwh의 전기와 바이오가스를 생산했습니다. 이 회사의 가장 오래된 트럭은 지난 15년 동안 가정 쓰레기에서 바이오가스로 1,000,000km를 주행했습니다. [1]
혐기성 소화는 재생 에너지 원입니다. 이 과정은 화석 연료를 대체하는 데 도움이 되는 에너지 생산에 적합한 메탄과 이산화탄소가 풍부한 바이오가스를 생산하기 때문입니다. 또한 소화 후 남은 영양이 풍부한 고형물은 비료 로 사용할 수 있습니다.
프로세스
2가지 유형의 공정이 존재합니다. 습식 혐기성 소화 공정 과 건식 혐기성 소화 공정 입니다. 두 가지 유형의 공정 모두 혐기성 소화 공정에 관여하는 다수의 박테리아가 있으며, 여기에는 아세트산 형성 박테리아(아세트생성균)와 메탄 형성 박테리아(메탄생성균)가 있습니다. 이러한 박테리아는 초기 원료를 먹고, 이는 여러 가지 다른 공정을 거쳐 당, 수소 및 아세트산을 포함한 중간 분자로 전환된 후 최종적으로 바이오가스로 전환됩니다.
다양한 종류의 박테리아는 서로 다른 온도 범위에서 생존할 수 있습니다. 35~40°C 사이의 온도에서 최적으로 사는 박테리아를 중온균 또는 중온성 박테리아라고 합니다. 일부 박테리아는 55~60°C의 더 뜨겁고 적대적인 조건에서도 생존할 수 있으며, 이를 호열균 또는 호열성 박테리아라고 합니다. 메탄생성균은 원시 고균군에서 유래합니다. 이 과에는 열수 분출구의 적대적인 조건에서 자랄 수 있는 종이 포함됩니다. 이러한 종은 열에 더 잘 견디기 때문에 호열성 온도에서 작동할 수 있는데, 이는 박테리아과에 속하는 독특한 특성입니다.
호기성 시스템에서와 마찬가지로 혐기성 시스템에서도 박테리아는 자라면서 번식하는데, 미생물은 생존을 위해 원소 산소 공급원이 필요합니다.
혐기성 시스템에서는 기체 산소가 없습니다. 혐기성 소화조에서 기체 산소는 밀폐된 탱크의 물리적 격리를 통해 시스템으로 유입되는 것을 방지합니다. 혐기성 미생물은 주변 공기가 아닌 다른 공급원에서 산소에 접근합니다. 이러한 미생물의 산소 공급원은 유기 물질 자체일 수도 있고, 아니면 투입 물질 내의 무기 산화물에서 공급받을 수도 있습니다.
혐기성 시스템에서 산소 공급원이 유기 물질 자체에서 유래하는 경우 '중간' 최종 산물은 주로 알코올, 알데히드, 유기산과 이산화탄소입니다. 특수 메탄생성균이 있는 경우 중간생성물은 미량의 황화수소가 포함된 이산화탄소인 메탄의 '최종' 최종 산물로 전환됩니다. 혐기성 시스템에서는 시작 물질에 포함된 대부분의 화학 에너지가 메탄생성균에 의해 메탄으로 방출됩니다.
혐기성 박테리아 개체군은 일반적으로 완전히 효과적이 되기까지 상당한 시간이 걸립니다. 따라서 기존 개체군이 있는 재료에서 혐기성 미생물을 도입하는 것이 일반적인 관행입니다. 이 과정을 소화조 '파종'이라고 하며 일반적으로 하수 슬러지나 가축 분뇨를 추가하여 이루어집니다.
단계
혐기성 소화에는 4가지 주요 생물학적, 화학적 단계가 있습니다.
- 가수 분해
- 산생성
- 아세트산생성
- 메탄생성
대부분의 경우 바이오매스는 큰 유기 중합체로 구성됩니다. 혐기성 소화조의 박테리아가 물질의 에너지 잠재력에 접근하려면 이러한 사슬을 먼저 더 작은 구성 요소로 분해해야 합니다. 이러한 구성 요소 또는 당과 같은 단량체는 다른 박테리아가 쉽게 이용할 수 있습니다. 이러한 사슬을 분해하고 더 작은 분자를 용액으로 용해하는 과정을 가수분해라고 합니다. 따라서 이러한 고분자량 중합체 성분의 가수분해는 혐기성 소화의 필요한 첫 번째 단계입니다. 가수분해를 통해 복잡한 유기 분자는 간단한 당, 아미노산 및 지방산으로 분해됩니다.
첫 번째 단계에서 생성된 아세트산과 수소는 메탄생성균이 직접 사용할 수 있습니다. 아세트산보다 사슬 길이가 긴 휘발성 지방산(VFA)과 같은 다른 분자는 먼저 메탄생성균이 직접 활용할 수 있는 화합물로 분해되어야 합니다.
산생성의 생물학적 과정은 산생성(발효) 박테리아에 의해 남은 성분이 추가로 분해되는 과정입니다. 여기서 VFA는 암모니아, 이산화탄소, 황화수소 및 기타 부산물과 함께 생성됩니다. 산생성 과정은 우유가 시큼해지는 방식과 유사합니다.
혐기성 소화의 세 번째 단계는 아세트산 생성입니다. 산 생성 단계를 통해 생성된 단순 분자는 아세트산 생성체에 의해 추가로 소화되어 대부분 아세트산과 이산화탄소, 수소를 생성합니다.
혐기성 소화의 최종 단계는 메탄 생성의 생물학적 과정입니다. 여기서 메탄 생성균은 이전 단계의 중간 생성물을 활용하여 메탄, 이산화탄소 및 물로 전환합니다. 이러한 구성 요소가 시스템에서 배출되는 바이오가스의 대부분을 구성합니다. 메탄 생성은 높고 낮은 pH에 모두 민감하며 pH 6.5와 pH 8 사이에서 발생합니다. 미생물이 먹을 수 없는 나머지 소화 불가능한 물질과 죽은 박테리아 잔해가 소화물을 구성합니다.
위에 설명된 전반적인 과정에 대한 단순화된 일반 화학 방정식은 다음과 같습니다.
C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4
혐기성 소화조의 구성
혐기성 소화조는 다양한 공정 구성을 사용하여 작동하도록 설계 및 엔지니어링될 수 있습니다.
- 배치 또는 연속
- 온도: 중온성 또는 호열성
- 고형분 함량: 고형분 함량 또는 저고형분 함량
- 복잡성: 단일 단계 또는 다중 단계
배치 또는 연속
배치 시스템은 가장 간단한 소화 형태입니다. 바이오매스는 배치 형태로 공정 시작 시 반응기에 추가되고 공정 기간 동안 밀봉됩니다. 바이오가스 생산은 시간이 지남에 따라 정상적인 분포 패턴으로 형성됩니다. 운영자는 이 사실을 사용하여 유기물 소화 공정이 완료되었다고 생각하는 시점을 결정할 수 있습니다.
온도
혐기성 소화조에는 두 가지 기존 작동 온도 수준이 있으며, 이는 소화조 내의 메탄생성균 종류에 따라 결정됩니다.
- 중온균은 37°-41°C 주변 또는 20°-45°C 사이의 주변 온도에서 최적으로 발생하며 이 경우 중온균이 주요 미생물로 존재합니다.
- 호열균은 최대 70°C의 높은 온도에서 50°-52°에서 최적으로 발생하며, 이 때 주요 미생물은 호열균입니다.
중온균은 호열균보다 더 많은 종이 있습니다. 이러한 박테리아는 또한 호열균보다 환경 조건의 변화에 더 잘 견딥니다. 따라서 중온 시스템은 호열성 소화 시스템보다 더 안정적이라고 여겨집니다. 호열성 소화 시스템은 덜 안정적이라고 여겨지지만, 온도가 상승하면 반응 속도가 더 빨라지고 따라서 가스 수율이 더 빨라집니다. 더 높은 온도에서 작동하면 최종 소화물의 살균이 더 잘 됩니다.
호열성 온도에서 작동하는 것의 단점은 올바른 작동 온도를 달성하기 위해 더 많은 열 에너지 입력이 필요하다는 것입니다. 이러한 에너지 증가는 시스템에서 나오는 바이오가스 출력의 증가로 상쇄되지 않습니다. 따라서 이러한 시스템에 대한 에너지 균형을 고려하는 것이 중요합니다.
고체
일반적으로 소화조에 공급하는 원료의 고형물 함량과 관련된 두 가지 다른 운영 매개변수가 있습니다.
- 고형분 함량
- 저고형분
소화조는 총 부유 고형물(TSS) 농도가 20% 이상인 높은 고형물 함량에서 작동하도록 설계되거나, 고형물 농도가 15% 미만인 낮은 고형물 농도에서 작동하도록 설계될 수 있습니다.
고고형물 소화조는 원료를 이동하고 처리하는 데 더 많은 에너지 입력이 필요한 진한 슬러리를 처리합니다. 재료의 두께는 마모와 관련된 문제로 이어질 수도 있습니다. 고고형물 소화조는 일반적으로 습기와 관련된 부피가 낮기 때문에 토지 요구 사항이 낮습니다.
저고형물 소화조는 상당히 낮은 에너지 입력이 필요한 표준 펌프를 사용하여 시스템을 통해 물질을 운반할 수 있습니다. 저고형물 소화조는 소화조의 액체:공급원료 비율이 증가함에 따라 부피가 증가하기 때문에 고고형물 소화조보다 더 많은 토지가 필요합니다. 액체 환경에서 작동하면 박테리아와 먹이 사이의 물질 순환과 접촉이 더 철저해지므로 이점이 있습니다. 이를 통해 박테리아는 먹이로 삼는 물질에 더 쉽게 접근할 수 있고 가스 수율 속도가 증가합니다.
단계 수
소화 시스템은 다양한 수준의 복잡성으로 구성될 수 있습니다.
- 1단계 또는 단일 단계
- 2단계 또는 다단계
단일 단계 소화 시스템은 모든 생물학적 반응이 단일 밀폐형 반응기 또는 저장 탱크 내에서 발생하는 시스템입니다. 단일 단계를 활용하면 건설 비용이 절감되지만 시스템 내에서 발생하는 반응을 덜 제어할 수 있습니다. 산 생성 박테리아는 산을 생성하여 탱크의 pH를 낮춥니다. 메탄 생성 박테리아는 엄격하게 정의된 pH 범위에서 작동합니다. 따라서 단일 단계 반응기에서 다른 종의 생물학적 반응은 서로 직접 경쟁할 수 있습니다. 또 다른 단일 단계 반응 시스템은 혐기성 석호입니다. 이 석호는 분뇨의 처리 및 장기 보관에 사용되는 연못과 같은 흙 분지입니다. 여기서 혐기성 반응은 풀에 포함된 천연 혐기성 슬러지에 포함되어 있습니다.
2단계 또는 다단계 소화 시스템에서는 다양한 소화 용기가 최적화되어 소화조 내에 사는 박테리아 군집을 최대한 제어할 수 있습니다. 산 생성 박테리아는 유기산을 생성하고 메탄 생성 박테리아보다 더 빨리 성장하고 번식합니다. 메탄 생성 박테리아는 성능을 최적화하기 위해 안정적인 pH와 온도가 필요합니다.
일반적으로 가수분해, 아세트산 생성 및 산 생성은 첫 번째 반응 용기 내에서 발생합니다. 그런 다음 유기 물질은 메탄 생성 반응기로 펌핑되기 전에 필요한 작동 온도(중온성 또는 고온성)로 가열됩니다. 메탄 생성 반응기 이전의 초기 가수분해 또는 산 생성 탱크는 공급 원료가 추가되는 속도에 대한 완충 장치를 제공할 수 있습니다.
거주
소화조 내 체류 시간은 공급 물질의 양과 종류, 소화 시스템의 구성, 단계식인지 2단계식인지 여부에 따라 달라집니다.
단일 단계 호열성 소화의 경우 체류 시간은 약 14일일 수 있으며, 이는 중온성 소화에 비해 비교적 빠릅니다. 이러한 시스템 중 일부의 플러그 흐름 특성은 이 기간 내에 재료의 완전한 분해가 실현되지 않았을 수 있음을 의미합니다. 이 경우 시스템에서 빠져나가는 소화액은 색이 더 어둡고 냄새가 더 강합니다.
2단계 중온소화에서는 체류시간이 15일에서 40일 사이로 달라질 수 있습니다.
중온성 UASB 소화의 경우 유압 체류 시간은 (1시간-1일)이고 고체 체류 시간은 최대 90일 까지 가능합니다 . 이런 방식으로 UASB 시스템은 슬러지 블랭킷을 활용하여 고체와 유압 체류 시간을 분리할 수 있습니다.
연속식 소화조는 재료의 고형물 수준에 따라 기계적 또는 유압적 장치를 사용하여 내용물을 혼합하여 박테리아와 식품이 접촉할 수 있도록 합니다. 또한 과도한 재료를 지속적으로 추출하여 소화 탱크 내에서 비교적 일정한 부피를 유지할 수 있습니다.
건조혐기소화
이 공정은 분뇨를 전혀 사용하지 않으므로 분뇨를 처리할 필요가 없는 특정 응용 분야에 더 적합합니다. 이 공정은 여러 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 예를 들어 Wiessmann-Bioferm "Kompoferm" 공정이 있습니다. [2] [3] 또한 Axpo Kompogas AG 시스템, [4] OWS가 설계한 Dranco 공정, [5] Jan Klein Hesselink의 시스템도 있습니다. [6] [7]
제품
혐기성 소화의 세 가지 주요 생성물은 바이오가스, 소화물, 물입니다.
바이오가스
바이오가스는 박테리아가 생분해성 원료를 섭취하는 최종 폐기물이며, 대부분 메탄과 이산화탄소이며, 소량의 수소와 미량의 황화수소가 포함되어 있습니다. 대부분의 바이오가스는 박테리아 개체군이 성장한 후 소화 중간에 생성되고 부패성 물질이 고갈됨에 따라 감소합니다. 가스는 일반적으로 팽창식 가스 버블로 소화조 위에 저장되거나 추출되어 가스 홀더에 시설 옆에 저장됩니다.
바이오가스의 메탄은 열과 전기를 모두 생산하기 위해 연소될 수 있으며, 일반적으로 왕복 엔진이나 마이크로터빈을 사용하여 종종 열병합 방식으로 전기와 폐열을 사용하여 소화조를 따뜻하게 하거나 건물을 난방합니다. 초과 전기는 공급업체에 판매하거나 지역 전력망에 투입할 수 있습니다. 혐기성 소화조에서 생산된 전기는 재생 에너지로 간주되며 보조금을 받을 수 있습니다. 바이오가스는 가스가 대기 중으로 직접 방출되지 않고 이산화탄소가 탄소 순환이 짧은 유기물에서 나오기 때문에 대기 중 이산화탄소 농도를 증가시키는 데 기여하지 않습니다.
바이오가스는 연료로 사용하기 위해 정제하기 위해 처리 또는 '스크러빙'이 필요할 수 있습니다. 황화수소는 원료의 황산염에서 형성되는 독성 생성물이며 바이오가스의 미량 성분으로 방출됩니다. 가스의 황화수소 수준이 높으면 가스 스크러빙 및 세척 장비(예: 아민 가스 처리)가 필요하여 바이오가스를 지역적으로 허용되는 수준(미국 환경 보호국 또는 영국 및 웨일스 환경청에서 결정) 내로 처리해야 합니다. 이에 대한 대체 방법은 황화수소 생성을 억제하기 위해 소화 탱크에 염화제1철 FeCl3을 추가하는 것입니다. 휘발성
실록산도 바이오가스를 오염시킬 수 있습니다. 이러한 화합물은 가정용 폐기물과 폐수에서 자주 발견됩니다. 이러한 물질을 원료의 구성 요소로 수용하는 소화 시설에서 저분자량 실록산은 바이오가스로 휘발됩니다. 이 가스가 가스 엔진, 터빈 또는 보일러에서 연소되면 실록산이 이산화규소(SiO 2 )로 전환되어 기계 내부에 침전되고 마모가 증가하여 바이오가스를 오염시킬 수도 있습니다. 이러한 화합물은 가정용 쓰레기와 폐수에서 자주 발견됩니다.
이러한 물질을 원료의 구성 요소로 수용하는 소화 시설에서 저분자량 실록산은 바이오가스로 휘발됩니다. 이 가스가 가스 엔진, 터빈 또는 보일러에서 연소되면 실록산이 이산화규소(SiO 2 )로 전환되어 기계 내부에 침전되고 마모가 증가합니다.
소화물
소화액은 혐기성 소화 후 남은 물질로, 질소, 인, 칼륨이 포함되어 있어 비료로 사용됩니다. 소화 불가능한 물질과 죽은 유기체로 구성되어 있으며 소화가 발생한 후 일반적으로 가방의 90-95%를 채웁니다. AD 동안 영양소가 손실되지 않으므로 영양소 순환이 닫히고 재료를 재사용할 수 있습니다. 토양에 소화액을 사용하는 데는 많은 인센티브가 있으며 토양에 더 영양가 있고 건강한 것으로 간주됩니다. 그 함량으로 인해 침입성 씨앗을 중화하고 침입성 종은 토종 종에 대한 경쟁을 일으키므로 이 비료는 이러한 위협을 크게 줄일 것입니다. 소화조 내부의 미생물과 시스템의 전처리로 인해 병원균이 크게 감소합니다. 소화액을 사용하면 과도한 물과 오일을 사용하여 방출되는 배출물이 줄어듭니다. 혐기성 소화 및 생물자원 협회에 따르면 "인공 비료 1톤을 소화액으로 대체하면 석유 1톤, 물 108톤, CO2 배출량 7톤을 절감할 수 있다"고 합니다.
물
AD의 부산물인 물은 매우 적으며 이후 사이클에 재사용될 수 있습니다.
혐기성 소화의 장점
유기성 폐기물이 매립지에 매립되면 이산화탄소와 메탄을 포함한 엄청난 양의 온실 가스가 생성됩니다 . AD는 유기성 폐기물을 처리하고 보다 효율적인 포집 및 처리를 통해 이러한 온실 가스 배출을 제거하는 수단으로 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이를 유용한 제품으로 전환합니다. AD는 그렇지 않으면 대기로 손실될 에너지를 회수하고 귀중한 생물 비료를 생산합니다. 바이오가스는 전기, 열, 바이오연료를 생성하는 데 사용하거나 세척하여 가스 그리드에 주입할 수 있습니다. AD 시스템은 비용을 절감하고 이를 생성하는 사람들에게도 소액의 수입을 창출할 수 있습니다. 분뇨에서 비료로의 변환은 보다 영양가 있는 비료를 만드는 데 도움이 되고 질병을 일으킬 수 있는 박테리아를 제거합니다. AD는 대부분의 농장에 맞게 만들 수 있으며 소규모라도 가스 사용과 배출을 상당히 줄일 수 있습니다.
관련 프로젝트
또한보십시오
- 보카시 혐기성 소화 : 가정용 혐기성 소화 공정, 즉 주방 쓰레기용
- 농업 폐기물을 재활용하여 뜨거운 물을 생산합니다.
참고문헌
- ↑ 트럭은 생분해성 폐기물에서 나온 가스를 이용해 지구를 25바퀴 돌았습니다.
- ↑ http://www.zerowasteenergy.com/content/dry-anaerobic-digestion
- ↑ www.graskracht.be에서 브로셔 Bioferm_Trockenfermentation.pdf를 참조하세요.
- ↑ http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/OSTREM%202004%20Kompogas.jpg
- ↑ www.graskracht.be에서 graskracht_25-11-2011_Isabella Wierinck_OWS.pdf를 참조하세요.
- ↑ www.graskracht.be에서 25092012 Droogvergisten Jan klein Hesselink Ekwadraat.pdf를 참조하세요.
- ↑ 퇴비화 와 비슷해 보이지만 동일하지는 않습니다. 건식 소화는 혐기성 소화를 사용하는 반면 퇴비화는 호기성 소화를 사용합니다. 공기는 기밀 밀봉을 사용하여 건식 소화 과정에서 차단됩니다(여전히 바이오가스는 배출할 수 있음)
