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혐기성 소화

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목차

1. 개요

혐기성 소화는 유기물을 미생물이 분해하여 바이오가스를 생산하는 기술로, 역사적으로 17세기에 연구가 시작되어 20세기 초에 혐기성 소화 시스템의 형태를 갖추었다. 혐기성 소화는 가수분해, 산 생성, 아세트산 생성, 메탄 생성의 4단계 과정을 거치며, 배치식, 연속식, 중온성, 고온성, 단일 단계, 다단계, 고형물 함량에 따른 다양한 방식으로 분류된다. 혐기성 소화는 폐기물 및 폐수 처리, 에너지 생산, 비료 생산 등 다양한 분야에 적용되며, 온실 가스 배출 감소에 기여한다. 그러나 억제 물질, 낮은 효율, 사고 발생 가능성과 같은 문제점이 존재하며, 안전 관리 강화가 필요하다. 한국은 혐기성 소화 기술을 적극 도입하여 가축 분뇨, 음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등을 처리하고 있으며, 농촌 지역을 중심으로 혐기성 소화 시설을 운영하고 있다.

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혐기성 소화
개요
정의산소가 없는 상태에서 미생물이 생분해성 물질을 분해하는 과정
관련 분야지속 가능 에너지
상세 정보
주요 특징혐기성 조건에서 진행
미생물의 작용으로 유기물 분해
바이오가스 생성 (주로 메탄)
관련 미생물세균
고세균 (특히 메탄 생성 고세균)
이용 분야바이오가스 생산
폐수 처리
유기성 폐기물 처리
퇴비화
관련 기술혐기성 소화조
활용 분야 상세
바이오가스 생산농업 폐기물, 음식물 쓰레기 등을 원료로 사용
메탄을 주성분으로 하는 바이오가스 생산
생산된 바이오가스는 난방, 발전 등에 활용
폐수 처리유기물 함량이 높은 폐수 처리
슬러지 감소 효과
에너지 회수 가능
유기성 폐기물 처리음식물 쓰레기, 축산 분뇨 등 처리
매립지 가스 발생량 감소
퇴비 생산 가능
추가 정보
중요성지속 가능한 에너지 생산 및 환경 보호에 기여
연구 동향효율 증대 및 다양한 폐기물 활용 연구 진행 중

2. 역사

가스 가로등


유기물이 자연적으로 분해되면서 생성되는 가스 제조에 대한 과학적 관심은 17세기부터 보고되었다. 로버트 보일(1627-1691)과 스티븐 헤일스(1677-1761)는 하천과 호수의 퇴적물을 뒤섞으면 가연성 가스가 방출된다고 언급했다.[135] 1778년, 이탈리아 물리학자 알레산드로 볼타(1745-1827)는 그 가스를 메탄으로 확인했다.[136][137]

1808년 험프리 데이비는 소 분뇨에서 생성되는 가스에 메탄이 존재함을 증명했다.[138] 1859년 인도 봄베이의 나병 환자 수용소에 최초의 혐기성 소화조가 건설되었다.[139] 1895년 영국 엑서터에서는 정화조를 사용하여 하수 가스 소멸 램프(가스 조명의 일종) 가스를 생성하는 기술이 개발되었다. 1904년 영국 햄프턴에는 침전과 슬러지 처리를 위한 최초의 이중 목적 탱크가 설치되었다.

임호프 탱크


20세기 초, 혐기성 소화 시스템은 오늘날과 유사한 기술로 발전하기 시작했다.[140] 1906년 칼 임호프가 임호프 탱크를 개발했는데,[141] 이는 20세기 초 혐기성 소화조의 초기 형태이자 모델 폐수 처리 시스템이었다.[142][143] 1920년대 이후 밀폐된 탱크 시스템이 혐기성 라군(휘발성 고형물 처리에 사용되는 덮개형 토제 분지)을 대체하기 시작했다. 혐기성 소화 연구는 1930년대에 본격화되었다.[144]

제1차 세계 대전 즈음, 바이오 연료 생산은 석유 생산 증가와 그 용도 확인으로 둔화되었다.[145] 제2차 세계 대전 중 연료 부족으로 혐기성 소화가 다시 주목받았지만, 전쟁 후 관심이 감소했다.[140][146] 1970년대 에너지 위기는 혐기성 소화에 대한 관심을 다시 불러일으켰다.[140] 혐기성 소화 시스템 채택에는 높은 에너지 가격 외에도 혁신 수용성, 오염 벌금, 정책적 인센티브, 보조금 및 자금 지원 기회 가용성이 영향을 미쳤다.[147][150]

오늘날 혐기성 소화조는 분뇨로 인한 질소 유출 감소를 위한 농장이나 슬러지 처리 비용 절감을 위한 폐수 처리 시설에서 흔히 발견된다.[140] 에너지 생산을 위한 농업 혐기성 소화는 독일에서 가장 인기가 많아 2014년에 8,625개의 소화조가 있었다.[148] 영국에는 2014년까지 259개 시설이 있었고, 2019년까지 500개 프로젝트가 가동될 예정이었다.[149] 미국에는 2012년 34개 주에 걸쳐 191개 플랜트가 가동 중이었다.[150]

독일의 발전차액지원제도(FIT)는 1991년 제정되어 재생 에너지 발전에 대한 장기 계약을 제공한다. 1991~1998년 독일 혐기성 소화조 플랜트 수는 20개에서 517개로 증가했다. 1990년대 후반 독일 에너지 가격 변동으로 투자자들은 시장 잠재력에 대한 확신을 잃었다. 독일 정부는 2000~2011년 FIT를 네 번 개정, 관세를 인상하고 혐기성 소화 수익성을 개선하여 바이오가스 생산에 대한 신뢰성 있는 수익과 전국적 채택률 증가를 이끌었다.[150][148]

2. 1. 한국에서의 역사

한국에서 혐기성 소화 기술은 여러 단계를 거쳐 도입, 발전되었다. 1970년대 새마을 운동의 일환으로 농촌에 소규모 혐기성 소화조가 보급되기 시작했다. 초기에는 주로 가축 분뇨 처리에 활용되었으며, 1980년대 이후 음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등 다양한 유기성 폐기물 처리로 적용 범위가 확대되었다.

2000년대 이후, 정부의 신재생 에너지 정책 지원과 기술 발전으로 혐기성 소화 시설은 대형화, 현대화되기 시작했다. 특히, 더불어민주당 정부는 혐기성 소화 기술을 활용한 에너지 자립 마을 조성, 바이오가스 생산 및 이용 확대 등 관련 정책을 적극적으로 추진해 왔다.

3. 혐기성 소화의 과정

혐기성 소화는 아세트산 생성 세균(아세토젠)과 메탄 형성 고세균(메탄 생성균)을 포함한 많은 미생물들이 관여하는 복잡한 과정이다. 이들은 바이오매스를 바이오가스로 전환하는 데 필요한 여러 화학 반응을 촉진한다.[13]

혐기성 소화는 기체 산소가 차단된 상태에서 진행되며, 혐기성 미생물은 유기물 자체 또는 투입 물질 내의 무기 산화물에서 전자 수용체를 얻는다. 유기물에서 산소를 얻는 경우, 중간 생성물로 알코올, 알데히드, 유기산, 이산화탄소가 생성된다. 특수한 메탄 생성균이 존재하면 이 중간 생성물들은 최종적으로 메탄, 이산화탄소, 미량의 황화 수소로 전환된다.[14] 혐기성 미생물 군집은 일반적으로 완전히 활성화되기까지 상당한 시간이 걸리므로, 하수 슬러지나 소의 분뇨를 첨가하여 미생물 군집을 "씨딩"하는 과정이 필요하다.[15]

혐기성 소화 공정 흐름도: 모든 공정 흐름은 단백질, 탄수화물 및 지방 간의 균형에 달려 있습니다.


혐기성 소화는 다음 네 단계로 진행된다.[138]

  • '''가수분해'''
  • '''산 생성'''
  • '''아세트산 생성'''
  • '''메탄 생성'''


전반적인 과정은 유기물(예: 포도당)이 혐기성 미생물에 의해 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)으로 분해되는 화학 반응으로 나타낼 수 있다.

C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4

미생물이 사용할 수 없는 소화 불가능한 물질과 죽은 박테리아 잔해는 소화액을 구성한다.[21]

3. 1. 가수분해

대부분의 경우, 바이오매스는 큰 유기 고분자로 구성된다. 혐기성 소화조의 박테리아가 물질의 에너지 잠재력에 접근하려면, 이러한 사슬이 먼저 더 작은 구성 요소로 분해되어야 한다. 이러한 구성 요소 또는 단량체(예: 당류)는 다른 박테리아에 쉽게 접근할 수 있다. 이러한 사슬을 분해하고 더 작은 분자를 용액에 용해시키는 과정을 가수분해라고 한다. 따라서 이러한 고분자량 고분자 성분의 가수분해는 혐기성 소화의 필요한 첫 번째 단계이다.[16] 가수분해를 통해 복잡한 유기 분자는 단당류, 아미노산 및 지방산으로 분해된다.

3. 2. 산 생성

가수분해 산물이 산 생성균에 의해 휘발성 지방산(VFA), 알코올, 이산화탄소, 수소 등으로 전환되는 과정이다. 산 생성(발효) 박테리아는 나머지 성분을 분해하여 암모니아, 이산화탄소, 황화 수소와 함께 휘발성 지방산을 생성한다.[18] 이 과정은 우유가 시어지는 과정과 유사하다.

3. 3. 아세트산 생성

아세트산 생성은 혐기성 소화의 세 번째 단계이다. 산 생성 단계에서 생성된 단순 분자들은 아세트산 생성균(아세토젠)에 의해 주로 아세트산, 이산화탄소, 수소로 소화된다.[19]

3. 4. 메탄 생성

메탄 생성균은 혐기성 소화의 마지막 단계에서 이전 단계의 중간 생성물인 아세트산, 수소, 이산화탄소를 사용하여 메탄, 이산화탄소 및 물을 생성한다.[20] 이 과정은 혐기성 소화 시스템에서 배출되는 바이오가스의 주성분이다. 메탄 생성은 pH 변화에 민감하여 pH 6.5에서 8 사이에서 가장 활발하게 일어난다.[20]

4. 혐기성 소화조의 구성 및 유형

혐기성 소화조는 배치 방식과 연속 방식, 중온 조건과 고온 조건, 고형물 비율, 단일 단계와 다단계 등 다양한 기준으로 분류할 수 있다.[22] 연속 공정은 설계가 복잡하지만 배치 공정보다 경제적일 수 있다. 고온 시스템은 중온 시스템보다 더 많은 열 에너지를 필요로 하지만, 처리 시간이 짧고 가스 생산량이 많으며 메탄 함량이 높다.[23]

고형물 함량 15%를 기준으로 이보다 낮으면 저농도, 높으면 고형물 함량이 높은 것으로 간주하여 건식 소화라고 한다.[24] 단일 단계 공정에서는 하나의 반응조에서 4단계 혐기성 소화가 모두 진행되는 반면, 다단계 공정은 메탄 생성 단계와 가수분해 단계를 분리하여 두 개 이상의 반응조를 사용한다.[25]

최근 혐기성 반응기 설계에서 개발된 기술로는 고압 혐기성 소화(HPAD) 또는 자가발생 고압 소화(AHPD)가 있다. 이 기술은 생산된 이산화탄소가 메탄보다 압력 하에서 물에 더 잘 용해되는 원리를 이용하여 메탄 함량이 높은 바이오가스를 생산한다. 흐로닝겐 대학교 연구에 따르면 압력은 세균 군집 구성에 영향을 미치는 것으로 나타났다.[46]

4. 1. 배치식 vs 연속식

일반적인 바이오가스 기술 비교
일반적인 바이오가스 기술 비교


혐기성 소화조는 다양한 방식으로 설계 및 제작될 수 있는데, 크게 배치식과 연속식으로 나눌 수 있다.[22]

  • 배치식(Batch process): 한 번에 일정량의 유기물을 반응기에 투입하고, 소화가 완료될 때까지 밀봉하여 진행하는 방식이다. 구조가 단순하고 초기 설치 비용이 저렴하며, 더 적은 장비와 낮은 수준의 설계 작업이 필요하다는 장점이 있다.[27] 하지만 바이오가스 생산량이 시간에 따라 변동하며(정규 분포 패턴), 소화 완료 전에 반응기를 개방하면 심한 악취가 발생할 수 있다.[26] 또한, 연속식에 비해 동일한 양의 폐기물을 처리하기 위해 더 많은 초기 건설 비용과 더 큰 용량의 소화조가 필요하다.[22]

  • 연속식(Continuous process): 유기물을 지속적으로 또는 단계적으로 반응기에 투입하고, 소화된 물질(소화액)을 지속적으로 또는 주기적으로 배출하는 방식이다. 바이오가스 생산이 일정하게 유지되며 배치식보다 경제적일 수 있다는 장점이 있지만,[22] 설계가 복잡하다는 단점이 있다. 연속식 소화조의 종류로는 연속 교반 탱크 반응기, 상향류 혐기성 슬러지 담요, 팽창 입상 슬러지 베드, 내부 순환 반응기 등이 있다.[28][29]

4. 2. 중온성 vs 고온성

중온성 소화는 약 30~38°C 사이의 온도에서 최적으로 이루어지며, 이 온도 범위에서는 중온성 미생물이 주로 활동한다.[30] 반면, 고온성 소화는 약 49~57°C의 높은 온도에서 최적으로 진행되며, 고온성 미생물이 주로 활동한다.[30]

고온성 소화는 중온성 소화에 비해 더 많은 열 에너지가 필요하지만, 반응 속도가 빨라 소화 시간이 짧고 가스 생산량이 많으며 메탄 함량이 높다는 장점이 있다.[23] 중온성 소화는 고온성 소화보다 안정적인 시스템으로 간주되지만, 에너지 투입량이 적어 유기물 제거 효율이 낮을 수 있다.[32]

온도가 높을수록 반응 속도가 빨라져 가스 수율이 높아지고, 병원균 감소 효과도 커진다.[32] 유럽 연합 등 일부 국가에서는 동물 부산물 규정에 따라 소화물이 특정 수준의 병원균 감소를 충족해야 하므로, 고온성 소화가 유리할 수 있다.[32]

4. 3. 단일 단계 vs 다단계

혐기성 소화조는 다양한 방식으로 설계 및 작동될 수 있다. 주요 분류 방식은 다음과 같다.

  • 연속 공정 vs 배치 공정: 연속 공정은 복잡하지만 경제적일 수 있으며, 배치 공정은 초기 비용이 더 많이 든다.[22]
  • 중온 소화 vs 고온 소화: 고온 소화는 더 많은 열 에너지가 필요하지만, 처리 시간이 짧고 가스 생산량이 많으며 메탄 함량이 높다.[23]
  • 고형물 비율: 고형물 함량 15%를 기준으로 낮으면 저농도, 높으면 건식 소화로 구분한다.[24]
  • 단일 단계 vs 다단계: 단일 단계는 하나의 반응조에서 모든 소화 과정을 진행하고, 다단계는 메탄 생성과 가수분해 단계를 분리하여 효율을 높인다.[25]

단일 단계 소화 시스템에서는 모든 생물학적 반응이 하나의 반응기에서 일어난다.[33] 이 방식은 건설 비용이 저렴하지만, 반응 제어가 어렵다. 산 생성 박테리아가 pH를 낮추면 메탄 생성 고세균의 활동이 저해될 수 있다.[38] 혐기성 라군은 단일 단계 시스템의 예시로, 분뇨 처리 및 저장을 위한 흙으로 된 분지이다.[39]
2단계 소화 시스템(다단계)은 소화조를 분리하여 박테리아 군집을 최적화한다.[33] 산 생성 박테리아는 유기산을 만들고, 메탄 생성 고세균은 안정적인 pH와 온도에서 메탄을 생성한다.[40] 일반적인 다단계 공정에서는 가수분해, 아세트산 생성, 산 생성이 첫 번째 반응조에서 일어나고, 유기물은 가열되어 메탄 생성 반응기로 이동한다.[41]

4. 4. 고형물 함량에 따른 분류

혐기성 소화조는 투입되는 원료의 고형물 함량에 따라 고형물(건조), 고형물(습식), 저고형물(습식)의 세 가지로 분류할 수 있다.[33]

건조/고체상 혐기성 소화 (AD) 바이오가스 공장 설계
건조/고체상 혐기성 소화 (AD) 바이오가스 공장 설계


고형물(건조) 소화조는 고형물 함량이 25%에서 40% 사이인 물질을 처리하도록 설계되었다.[33] 물을 추가하지 않고 고체 기질을 처리하며, 주요 방식으로는 연속 수직 플러그 흐름과 배치 터널 수평 소화조가 있다. 연속 수직 플러그 흐름 소화조는 원료가 소화조 상단으로 지속적으로 공급되고 소화 중에 중력에 의해 아래로 흐르는 직립형 원통형 탱크이다. 배치 터널 소화조는 가스 밀폐형 문이 있는 터널형 챔버에 원료를 침전시킨다. 두 방식 모두 소화조 내부에 혼합이 없다. 연속 수직 건조 소화조는 유효 체류 시간이 짧고 수직 설계로 인해 면적이 더 작다.

고형물(습식) 소화조는 원료를 이동하고 처리하는 데 더 많은 에너지 투입이 필요한 두꺼운 슬러리를 처리한다. 수분과 관련된 부피가 작기 때문에 일반적으로 토지 요구 사항이 더 적다.[35] 습식 소화조는 총 부유 고형물(TSS) 농도가 20% 이상인 고형물 함량 또는 15% 미만인 저고형물 농도로 작동하도록 설계할 수 있다.[33][34]

저고형물(습식) 소화조는 표준 펌프를 사용하여 시스템을 통해 재료를 운반할 수 있어 에너지 투입을 줄인다. 소화조의 액체 대 원료 비율이 증가함에 따라 부피가 커져 고형물 소화조보다 더 많은 토지가 필요하다. 액체 환경에서 작동하면 재료의 순환과 박테리아와 먹이 사이의 접촉이 용이하여 가스 생산 속도가 증가한다.[37]

5. 혐기성 소화의 적용 분야

혐기성 소화는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 혐기성 소화 시스템 적용을 고려할 때 가장 중요한 것은 공정의 공급 원료이다.[52] 거의 모든 유기 물질이 혐기성 소화로 처리될 수 있지만,[53] 바이오가스 생산이 목표라면 부패성이 핵심 요소이다.[54]

미국 캘리포니아 폴리텍 축산 농장의 혐기성 라군과 발전기


혐기성 소화에 필요한 시간은 물질의 화학적 복잡성에 따라 다르다. 당이 풍부한 물질은 빠르게 분해되지만, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 중합체가 풍부한 리그노셀룰로오스 물질은 분해에 더 오랜 시간이 걸린다.[56] 혐기성 미생물은 일반적으로 바이오매스의 난분해성 방향족 성분인 리그닌을 분해할 수 없다.[57]

기질 조성은 바이오매스 소화로부터 메테인 수율 및 메테인 생산 속도를 결정하는 주요 요인이다. 공급 원료의 구성 특성을 결정하는 기술이 있으며, 고형물, 원소 및 유기 분석과 같은 매개 변수는 소화조 설계 및 작동에 중요하다.[68]

혐기성 소화 시설에서 생산된 메탄과 전력은 화석 연료를 대체하여 온실 가스 배출을 줄일 수 있다. 바이오가스 연소로 방출된 탄소는 식물이 성장하기 위해 제거한 것이므로, 식물을 다시 재배하면 시스템은 탄소 중립이 된다.[88][89]

일부 국가에서는 녹색 에너지 생산을 보조하기 위해 발전 차액 지원 제도와 같은 인센티브를 제공한다.[1][94]

이스트 베이 지방 자치 시설 지구 (EBMUD)는 음식물 쓰레기를 1차 및 2차 생활 하수 고형물 및 기타 고강도 폐기물과 함께 혼합 소화한다. 음식물 쓰레기 혼합 소화는 생활 하수 고형물만 소화하는 것보다 더 높은 에너지 이점을 제공한다.[95][96]

5. 1. 폐기물 및 폐수 처리

혐기성 소화는 유기성 폐기물(음식물 쓰레기, 가축 분뇨, 하수 슬러지 등)을 처리하여 환경 오염을 줄이고, 바이오가스를 생산하여 에너지원으로 활용하는 방법이다. 거의 모든 유기 물질이 혐기성 소화로 처리될 수 있지만, 바이오가스 생산이 목표라면 부패성이 중요하다.[52][53][54]

공급 원료에는 폐지, 잔디, 남은 음식, 하수, 동물 배설물과 같은 생분해성 폐기물이 포함될 수 있다.[1] 목재 폐기물은 리그닌 때문에 예외지만, 고온 전처리 등을 통해 분해할 수 있다. 혐기성 소화조는 사일리지와 같은 에너지 작물로 공급될 수도 있다. 혼합 소화는 두 가지 이상의 투입 물질을 동시에 소화하는 방식이다.[55]

혐기성 소화에 필요한 시간은 물질의 화학적 복잡성에 따라 다르다. 당이 풍부한 물질은 빠르게 분해되지만, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 중합체가 풍부한 물질은 분해에 더 오랜 시간이 걸린다.[56] 혐기성 소화조는 원래 하수 슬러지 및 배설물을 사용하도록 설계되었지만, 다른 공급 원료를 혼합하면 가스 생산량이 증가할 수 있다.[58][59] 예를 들어, 유제품 배설물 외에 잔디, 옥수수, 도축장 폐기물, 식당의 지방, 기름, 유기 가정 폐기물 등을 추가할 수 있다. 전용 에너지 작물을 처리하는 소화조는 높은 수준의 분해와 바이오가스 생산을 달성할 수 있다.[34][60][61]

투입물의 수분 함량 및 탄소:질소 비율(최적 20–30:1)도 고려해야 한다.[64] 건조한 기질은 터널형 챔버에서의 소화에 적합하며, 젖은 재료는 펌프로 처리하기에 적합하다. 과도한 질소는 소화를 억제할 수 있다.[60] 원료 물질의 오염 수준은 습식 소화 또는 플러그 흐름 소화를 사용할 때 중요하다. 플라스틱, 유리, 금속 등의 오염 물질은 제거해야 한다.[65] 제거하지 않으면 소화조가 막힐 수 있다.

혐기성 소화 기술은 다음과 같은 방법으로 온실 가스 배출을 줄이는 데 도움이 된다.[73]

  • 화석 연료 대체
  • 폐수 처리 시설의 에너지 발자국 감소
  • 매립지에서 발생하는 메탄 배출 감소
  • 산업적으로 생산된 화학 비료 대체
  • 자동차 이동량 감소
  • 전력망 수송 손실 감소
  • 요리용 액화석유가스 사용 감소


혐기성 소화는 산업 폐수, 폐수 처리 및 하수 슬러지 처리에 일반적으로 사용된다.[74] 혐기성 소화는 유기물의 양을 크게 줄여, 매립지나 소각로로 가는 폐기물을 줄일 수 있다.[76] 가정 폐기물을 수거하는 국가에서 지역 혐기성 소화 시설을 사용하면 중앙 집중식 매립지나 소각 시설로 운송해야 하는 폐기물의 양을 줄일 수 있다.

하수 처리장의 혐기성 소화조. 메탄 가스는 가스 플레어를 통해 연소하여 관리한다.

5. 2. 에너지 생산

혐기성 소화를 통해 생산된 바이오가스는 난방, 발전, 차량 연료 등 다양한 용도로 활용될 수 있다.

1.3배

  • 난방: 바이오가스는 천연가스처럼 난방에 사용될 수 있다. 디드콧 하수 처리장은 영국 최초로 최대 200가구에 바이오메탄 가스를 생산하여 국가 그리드에 공급했다.[101]
  • 발전: 하수 슬러지 처리에서 발생하는 바이오가스는 가스 엔진을 가동시켜 전력을 생산하는 데 사용될 수 있다.[91] 생산된 전력의 일부 또는 전부를 하수 처리 시설 가동에 사용할 수 있다. 엔진에서 발생하는 폐열은 소화조를 가열하는 데 사용되는데, 일반적으로 소화조를 필요한 온도로 유지하기에 충분하다. 영국의 경우 하수 처리 시설의 전력 잠재력은 약 80MW로 제한적이지만, 에너지 작물, 음식물 쓰레기, 도축장 폐기물 등 하수 외 폐기물에서 바이오가스를 생성하면 약 3,000MW까지 전력을 얻을 수 있다.[92]
  • 차량 연료: 바이오가스를 바이오메탄으로 변환하여 개조된 차량의 연료로 사용할 수 있다. 스웨덴에서는 38,600대 이상의 가스 차량이 있으며, 차량용 가스의 60%가 혐기성 소화 플랜트에서 생산된 바이오메탄이다.[104]


바이오가스 그리드 주입은 천연가스 그리드에 바이오가스를 주입하는 것이다.[97] 이를 위해 바이오가스는 바이오메탄으로 정제되어야 하며, 정제 과정에서는 황화수소, 실록산, 이산화탄소 등의 오염 물질을 제거한다. 이 과정에는 압력 스윙 흡착(PSA), 물 또는 아민 스크러빙, 멤브레인 분리 등의 기술이 사용된다.[98]

혐기성 소화는 PFAS로 오염된 슬러지 정화에도 사용될 수 있다. 활성탄 흡착 및 전압 적용과 결합하면 하수 슬러지에서 최대 61%의 PFAS를 제거할 수 있다는 연구 결과가 있다.[82]

혐기성 소화 기술은 다음과 같은 방법으로 온실 가스 배출을 줄이는 데 기여한다.

  • 화석 연료 대체
  • 폐수 처리 시설의 에너지 발자국 감소 또는 제거
  • 매립지에서 발생하는 메탄 배출 감소
  • 산업적으로 생산된 화학 비료 대체
  • 자동차 이동량 감소
  • 전력망 수송 손실 감소
  • 요리용 액화석유가스 사용 감소
  • 제로 웨이스트 이니셔티브의 중요한 구성 요소.[73]


선진국에서는 폐기물 처리 관련 환경 법률의 압력으로 혐기성 소화의 적용이 증가했다. 혐기성 소화는 생활 폐기물의 분리된 부분을 처리하거나, 기계적 분류 시스템과 결합하여 혼합된 잔류 생활 폐기물을 처리할 수 있다.

가정 폐기물을 수거하는 국가에서는 지역 혐기성 소화 시설을 통해 중앙 집중식 매립지나 소각 시설로 운송해야 하는 폐기물의 양을 줄일 수 있다. 또한, 지역 혐기성 소화 시설이 전기 배전망 내에 포함되면 국가 전력망을 통한 전기 수송 손실을 줄이는 데 도움이 된다.[81]

개발도상국에서는 가정 및 농장 기반 혐기성 소화 시스템이 요리와 조명을 위한 저렴한 에너지를 제공할 수 있다.[83][84][85][86] 중국과 인도는 1975년부터 대규모 정부 지원 계획을 시행해 왔다. 개발도상국의 혐기성 소화 프로젝트는 유엔 청정 개발 체제를 통해 재정적 지원을 받을 수 있다.[87]

바이오 소화조를 사용하면 분해에 필요한 박테리아가 생성되어 취사용 가스가 생성된다. 유기 폐기물은 분쇄 장치로 공급되어 소량의 물과 혼합된 후, 바이오 소화조로 공급되어 고세균에 의해 분해된다.

5. 3. 비료 및 토양 개량제 생산

혐기성 소화를 거친 소화물(소화액)의 고체 성분은 토양의 유기물 함량을 높이는 토양 개량제로 사용될 수 있다. 소화액은 많은 에너지를 들여 생산하고 운송해야 하는 화학 비료 대신, 토양에 필수 영양소를 공급하는 비료로 사용될 수 있다. 따라서, 화학 비료를 사용하는 것보다 혐기성 소화액 비료를 사용하는 것이 탄소 집약도가 낮다. 스페인과 같이 많은 토양이 유기적으로 고갈된 국가에서는 소화된 고형물의 시장이 바이오가스만큼 중요할 수 있다.[105]

6. 혐기성 소화의 장점 및 단점

(원문 소스 부족으로 내용 보강 불가)

혐기성 소화는 다양한 장점을 가진 기술이다.

7. 혐기성 소화의 문제점 및 해결 방안

혐기성 소화에는 여러 가지 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위한 다양한 방안이 연구되고 있다.

혐기성 소화 과정은 다양한 화합물에 의해 억제될 수 있는데, 이는 유기물 분해의 각 단계를 담당하는 세균 그룹에 영향을 미친다. 억제 정도는 소화조 내 억제제의 농도에 따라 달라진다.[48] 잠재적 억제제로는 암모니아,[47] 황화물, 경금속 이온(Na, K, Mg, Ca, Al), 중금속, 일부 유기물(클로로페놀, 할로겐화 지방족, N-치환 방향족, 장쇄 지방산) 등이 있다.[48]

총 암모니아성 질소(TAN)는 메탄 생산을 억제하고 미생물 군집을 불안정하게 만들어 아세트산 합성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 아세트산은 메탄 생산의 주요 원료 중 하나이다. 1700–1800mg/L 이상의 TAN 농도는 메탄 생산을 억제하며, 농도가 높을수록 수율이 감소한다. 높은 TAN 농도는 반응을 산성화시켜 연쇄적인 억제 효과를 유발한다.[49]

황화 수소는 먹이의 황산염에서 형성된 독성 생성물이며, 바이오가스의 미량 성분으로 방출된다. 미국 환경 보호국(U.S. Environmental Protection Agency) 또는 잉글랜드 및 웨일스의 환경청(Environment Agency)과 같은 국가 환경 규제 기관은 황화 수소를 포함하는 가스의 수준에 엄격한 제한을 두며, 가스 내 황화 수소 농도가 높을 경우 지역적으로 허용되는 수준으로 바이오가스를 처리하기 위해 가스 스크러빙 및 세정 장비(예: 아민 가스 처리)가 필요하다.[117] 또는, 염화 철(FeCl2)을 소화 탱크에 첨가하면 황화 수소 생성을 억제할 수 있다.[118]

혐기성 소화조는 폭발, 누출 등의 사고 발생 가능성이 있으므로, 안전 관리 강화 및 사고 예방 시스템 구축이 필요하다.[47][48]

7. 1. 억제 물질

혐기성 소화 과정은 다양한 화합물에 의해 억제될 수 있으며, 이는 유기물 분해의 각 단계를 담당하는 세균 그룹에 영향을 미친다. 억제 정도는 소화조 내 억제제의 농도에 따라 달라진다.[48] 잠재적 억제제로는 암모니아,[47] 황화물, 경금속 이온(Na, K, Mg, Ca, Al), 중금속, 일부 유기물(클로로페놀, 할로겐화 지방족, N-치환 방향족, 장쇄 지방산) 등이 있다.[48]

총 암모니아성 질소(TAN)는 메탄 생산을 억제하고 미생물 군집을 불안정하게 만들어 아세트산 합성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 아세트산은 메탄 생산의 주요 원료 중 하나이다. 5000mg/L의 TAN을 초과하면 반응을 안정적으로 유지하기 위해 pH 조절이 필요하다.[49] 1700–1800mg/L 이상의 TAN 농도는 메탄 생산을 억제하며, 농도가 높을수록 수율이 감소한다. 높은 TAN 농도는 반응을 산성화시켜 연쇄적인 억제 효과를 유발한다.[49] 총 암모니아성 질소는 유리 암모니아와 이온화된 암모니아의 조합이다. TAN은 질소가 풍부한 물질(주로 단백질) 분해로 생성되며 혐기성 소화 과정에서 자연적으로 축적된다. 이는 시스템에 공급되는 유기물 원료에 따라 달라진다.

일반적인 폐수 처리 과정에서 TAN 감소는 질산화를 통해 이루어진다. 질산화는 호기성 종속 영양 세균에 의해 TAN이 소비되는 호기성 과정이다. 이 세균은 질산염과 아질산염을 방출하며, 이는 나중에 탈질화 과정을 통해 질소 가스로 변환된다.[50] 가수분해 및 산 생성 역시 TAN 농도에 영향을 줄 수 있다. 중온 조건에서 가수분해 억제는 5500mg/L TAN에서, 산 생성 억제는 6500mg/L TAN에서 발생하는 것으로 밝혀졌다.[51]

황화 수소는 먹이의 황산염에서 형성된 독성 생성물이며, 바이오가스의 미량 성분으로 방출된다. 미국 환경 보호국(U.S. Environmental Protection Agency) 또는 잉글랜드 및 웨일스의 환경청(Environment Agency)과 같은 국가 환경 규제 기관은 황화 수소를 포함하는 가스의 수준에 엄격한 제한을 두며, 가스 내 황화 수소 농도가 높을 경우 지역적으로 허용되는 수준으로 바이오가스를 처리하기 위해 가스 스크러빙 및 세정 장비(예: 아민 가스 처리)가 필요하다.[117] 또는, 염화 철(FeCl2)을 소화 탱크에 첨가하면 황화 수소 생성을 억제할 수 있다.[118]

7. 2. 낮은 효율

혐기성 소화 과정은 여러 화합물에 의해 억제될 수 있으며, 이는 다양한 유기물 분해 단계를 담당하는 하나 이상의 세균 그룹에 영향을 미친다. 억제 정도는 소화조 내 억제제의 농도에 따라 달라진다. 잠재적 억제제는 암모니아,[47] 황화물, 경금속 이온(Na, K, Mg, Ca, Al), 중금속, 일부 유기물(클로로페놀, 할로겐화 지방족, N-치환 방향족, 장쇄 지방산) 등이다.[48]

총 암모니아성 질소(TAN)는 메탄 생산을 억제하고 미생물 군집을 불안정하게 만들어 아세트산 합성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 아세트산은 메탄 생산의 주요 원료 중 하나이다. 5000mg/L의 TAN이 초과되면 반응을 안정적으로 유지하기 위해 pH 조절이 필요하다.[49] 1700–1800mg/L 이상의 TAN 농도는 메탄 생산을 억제하며, TAN 농도가 높을수록 수율이 감소한다. 높은 TAN 농도는 반응을 산성화시켜 연쇄적인 억제 효과를 유발한다.[49]

총 암모니아성 질소는 유리 암모니아와 이온화된 암모니아의 조합이다. TAN은 질소가 풍부한 물질, 일반적으로 단백질을 분해하여 생성되며 혐기성 소화 과정에서 자연적으로 축적된다. 이는 시스템에 공급되는 유기물 원료에 따라 달라진다. 일반적인 폐수 처리 과정에서 TAN 감소는 질산화를 통해 이루어진다. 질산화는 호기성 종속 영양 세균에 의해 TAN이 소비되는 호기성 과정이다. 이 세균은 질산염과 아질산염을 방출하며, 이는 나중에 탈질화 과정을 통해 질소 가스로 변환된다.[50] 가수분해 및 산 생성 역시 TAN 농도에 영향을 받을 수 있다. 중온 조건에서 가수분해 억제는 5500mg/L TAN에서 발생하는 것으로 밝혀졌으며, 산 생성 억제는 6500mg/L TAN에서 발생한다.[51]

7. 3. 사고 발생 가능성

혐기성 소화조는 폭발, 누출 등의 사고 발생 가능성이 있다. 따라서 안전 관리 강화 및 사고 예방 시스템 구축이 필요하다.[47][48]

혐기성 소화 과정은 여러 화합물에 의해 억제될 수 있으며, 이는 다양한 유기물 분해 단계를 담당하는 하나 이상의 세균 그룹에 영향을 미친다. 잠재적 억제제로는 암모니아, 황화물, 경금속 이온(Na, K, Mg, Ca, Al), 중금속, 일부 유기물(클로로페놀, 할로겐화 지방족, N-치환 방향족, 장쇄 지방산) 등이 있다.[48]

총 암모니아성 질소(TAN)는 메탄 생산을 억제하고 미생물 군집을 불안정하게 만들어 아세트산 합성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 1700–1800 mg/L 이상의 TAN 농도는 메탄 생산을 억제하며, TAN 농도가 높을수록 수율이 감소한다. 높은 TAN 농도는 반응을 산성화시켜 연쇄적인 억제 효과를 유발한다.[49]

바이오가스는 연료로 사용하기 위해 정제 과정이 필요할 수 있다.[116] 황화 수소는 먹이의 황산염에서 형성된 독성 생성물이며, 바이오가스의 미량 성분으로 방출된다. 국가 환경 규제 기관은 황화 수소를 포함하는 가스의 수준에 엄격한 제한을 두며, 가스 내 황화 수소 수준이 높을 경우 가스 스크러빙 및 세정 장비(예: 아민 가스 처리)를 통해 바이오가스를 처리해야 한다.[117] 또는, 염화 철(FeCl2)을 소화 탱크에 첨가하면 황화 수소 생성을 억제할 수 있다.[118]

휘발성 실록산 또한 바이오가스를 오염시킬 수 있다. 이러한 화합물은 가정 폐기물 및 폐수에서 자주 발견된다. 실록산이 가스 엔진, 터빈 또는 보일러에서 연소되면 이산화 규소(SiO2)로 변환되어 기계 내부에 침착되어 마모를 증가시킨다.[119][120]

8. 한국의 혐기성 소화 현황 및 정책

1970년대 에너지 위기는 혐기성 소화에 대한 관심을 불러일으켰다.[140] 높은 에너지 가격 외에도 혁신 수용성, 오염 벌금, 정책적 인센티브, 보조금 및 자금 지원 기회 가용성이 혐기성 소화 시스템 채택에 영향을 미치는 요인으로 작용했다.[147][150]

오늘날 혐기성 소화조는 분뇨로 인한 질소 유출을 줄이기 위한 농장이나 슬러지 처분 비용 절감을 위한 폐수 처리 시설과 함께 흔히 발견된다.[140] 독일의 발전차액지원제도(FIT)는 1991년에 제정되어 재생 에너지 발전에 대한 투자를 보상하는 장기 계약을 제공함으로써 혐기성 소화조 플랜트 확산에 기여했다. 1990년대 후반 독일의 에너지 가격 변동으로 인해 투자자들이 시장 잠재력에 대한 확신을 잃기도 했으나, 독일 정부는 2000년에서 2011년 사이에 FIT를 네 번 개정하여 관세를 인상하고 혐기성 소화의 수익성을 개선하여 바이오가스 생산에 대한 신뢰를 확보하고 전국적인 채택률을 높였다.[150][148]

참고로, 2014년 기준 독일에는 8,625개, 영국에는 259개의 혐기성 소화 시설이 있었으며, 미국에는 2012년에 34개 주에 걸쳐 191개의 플랜트가 가동 중이었다.[148][149][150]

8. 1. 현황

1970년대 에너지 위기는 혐기성 소화에 대한 관심을 불러일으켰다.[140] 높은 에너지 가격 외에도 혐기성 소화 시스템 채택에 영향을 미치는 요인으로는 혁신에 대한 수용성, 오염 벌금, 정책적 인센티브, 보조금 및 자금 지원 기회의 가용성이 있다.[147][150]

오늘날, 혐기성 소화조는 분뇨로 인한 질소 유출을 줄이기 위해 농장이나 슬러지 처분 비용을 절감하기 위한 폐수 처리 시설과 함께 흔히 발견된다.[140] 에너지 생산을 위한 농업 혐기성 소화는 독일에서 가장 인기가 많아 2014년에 8,625개의 소화조가 있었다.[148] 영국에는 2014년까지 259개의 시설이 있었고, 2019년까지 500개의 프로젝트가 가동될 예정이었다.[149] 미국에는 2012년에 34개 주에 걸쳐 191개의 가동 중인 플랜트가 있었다.[150] 정책이 이러한 국가들 간의 채택률이 다른 이유를 설명할 수 있다.

독일의 발전차액지원제도(FIT)는 1991년에 제정되었으며, 재생 에너지 발전에 대한 투자를 보상하는 장기 계약을 제공한다. 결과적으로, 1991년과 1998년 사이에 독일의 혐기성 소화조 플랜트 수는 20개에서 517개로 증가했다. 1990년대 후반에 독일의 에너지 가격이 변동하여 투자자들이 시장의 잠재력에 대해 확신을 갖지 못하게 되었다. 독일 정부는 2000년에서 2011년 사이에 FIT를 네 번 개정하여 관세를 인상하고 혐기성 소화의 수익성을 개선했으며, 그 결과 바이오가스 생산에 대한 신뢰할 수 있는 수익과 전국적으로 높은 채택률이 지속되었다.[150][148]

8. 2. 정책

1970년대 에너지 위기는 혐기성 소화에 대한 관심을 불러일으켰다.[140] 높은 에너지 가격 외에도 혁신 수용성, 오염 벌금, 정책적 인센티브, 보조금 및 자금 지원 기회 가용성이 혐기성 소화 시스템 채택에 영향을 미치는 요인으로 작용했다.[147][150]

오늘날 혐기성 소화조는 분뇨로 인한 질소 유출을 줄이기 위한 농장이나 슬러지 처분 비용 절감을 위한 폐수 처리 시설과 함께 흔히 발견된다.[140] 에너지 생산을 위한 농업 혐기성 소화는 독일에서 가장 인기가 많아 2014년에 8,625개의 소화조가 있었다.[148] 영국에는 2014년까지 259개의 시설이 있었고, 2019년까지 500개의 프로젝트가 가동될 예정이었다.[149] 미국에는 2012년에 34개 주에 걸쳐 191개의 가동 중인 플랜트가 있었다.[150] 이러한 국가 간 채택률 차이는 정책에 따라 설명될 수 있다.

독일의 발전차액지원제도(FIT)는 1991년에 제정되었으며, 재생 에너지 발전에 대한 투자를 보상하는 장기 계약을 제공한다. 그 결과 1991년과 1998년 사이에 독일의 혐기성 소화조 플랜트 수는 20개에서 517개로 증가했다. 1990년대 후반 독일의 에너지 가격 변동으로 인해 투자자들은 시장 잠재력에 대한 확신을 잃게 되었다. 독일 정부는 2000년에서 2011년 사이에 FIT를 네 번 개정하여 관세를 인상하고 혐기성 소화의 수익성을 개선했으며, 그 결과 바이오가스 생산에 대한 신뢰할 수 있는 수익과 전국적인 높은 채택률이 지속되었다.[150][148]

9. 혐기성 소화의 미래 전망

혐기성 소화는 여러 사고 사례에서 보듯이 안전 문제가 지속적으로 제기되어 왔다. 물고기 떼죽음 (예: 데번주 몰강[151], 테이피강[152], 아본 린피강[153])과 에이번머스 폭발 사고[154] 같은 인명 피해는 혐기성 소화조의 위험성을 보여준다.

9. 1. 기술 발전

혐기성 소화 기술의 발전과 관련하여, 과거 발생했던 사고 사례들은 기술 발전의 필요성을 보여준다.

물고기 떼죽음(데번주 몰강[151], 테이피강[152], 아본 린피강[153]) 및 인명 피해 (에이번머스 폭발 사고[160])는 혐기성 소화조와 관련된 위험성을 보여준다.

미국에서는 혐기성 소화조 폭발 사고가 여러 건 발생했다.[154] 메인주 제이 픽셀 특수 솔루션의 앤드로스코긴 제재소[155], 플로리다주 캔턴먼트 (2017|2017년영어 1월 22일, 카미르 소화조 폭발)[156], 오리건주 오움스빌 (EPDM 파손, 2013|2013년영어 3월)[157], 펜실베이니아주 폐수 처리 시설 (1987|1987년영어 2월 6일, 작업자 2명 사망)[158], 미주리주 스프링필드 남서부 폐수 처리 시설[159] 등에서 사고가 발생했다.

영국에서도 에이번머스와 셔롭셔주 뉴포트의 하퍼 아담스 대학교에서 사고가 발생했다.[161] 유럽에서는 2005|2005년영어부터 2015|2015년영어 사이에 약 800건의 바이오가스 공장 사고가 발생했으며(예: 프랑스 생-파르조)[162][163], 이 중 인간에게 직접적인 영향을 미친 '심각한' 사고는 거의 없었다.[164][165] 한 자료에 따르면 인간에게 영향을 미친 사고는 12건 미만이었으며, 독일 라데레이슈테트 사고에서는 4명이 사망했다.[166]

2016|2016년영어 혐기성 소화(AD)와 관련된 169건의 사고 데이터베이스를 분석한 안전 분석 연구도 진행되었다.[167][168][169][170][164]

9. 2. 정책 확대

탄소 중립 정책 강화, 신재생 에너지 확대 정책 추진, 순환 경제 활성화 정책 추진 등으로 혐기성 소화 기술의 중요성이 더욱 커질 것으로 예상된다.

9. 3. 한국의 역할

원문에 따르면, 혐기성 소화조는 물고기 떼죽음(데번주 몰강[151], 테이피강[152], 아본 린피강[153])과 에이번머스 폭발 사고[154] 같은 인명 피해를 유발했다. 이는 혐기성 소화 기술의 안전 문제에 대한 경각심을 불러일으키며, 한국도 이러한 문제에서 자유로울 수 없음을 시사한다.

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