바이오가스 플랜트의 공정 최적화 및 안전성 평가에 관한 연구 = A study on the process optimization and safety evaluation for biogas plants

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스 플랜트의 보다 효율적 운전을 위하여, 공정 운전에 필요한 여러 공정 변수에 대한 데이터 분석을 통하여 공정 최적화 조건을 제시하고, 바이오가스 플랜트의 안전성 평가를 위하여, 가스 누출, 폭발 등의 중대사고에 대한 위험성을 평가하고, 그에 따른 개선조치를 제시하는 데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 현재 상업적으로 가동중인 바이오가스 플랜트의 실제 운전 자료를 활용하여 공정 최적화 및 안전성 평가에 관한 연구를 수행하였다. 대상 소화조는 운전온도 37.5℃, TS(total solid content) 12%미만인 중온 습식 혐기성 소화조이며, 산 발효와 메탄 발효가 동시에 이루어지는 전통적인 단상 소화조이다.
바이오가스 생산의 원료는 유기성 폐기물인 음식물류 쓰레기와 하수 생슬러지이며, 원료 효율성 및 그 상관관계를 검증을 위하여 회귀분석과 데이터 분석을 실시하였다. 그 결과, 음식물류 쓰레기는 바이오가스 생산량에 많은 기여를 하고, 하수 생슬러지는 바이오가스의 메탄 함량에 많은 기여를 함을 확인하였다.
전처리 공정에서의 음식물 쓰레기 입자 크기 및 온도에 따른 하수 생슬러지의 응집력을 확인하였으며, 혐기성 소화조 내의 미생물 분리 공정을 실시하여 우점화된 미생물에 대하여 확인하였다. 소화일수에 따른 소화효율, 미량원소와 pH, 유기물 부하에 대한 데이터 분석, 염화철 사용과 황화수소 농도의 상관관계 회귀 분석, 탈황 흡착제 개발 및 소화탈리액의 총질소 부하에 대한 검증을 실시하여, 공정 최적화 조건을 제시하였다.
음식물쓰레기 전처리의 경우, 입자크기 5㎜에서 최적의 효율을 보였으나, 협잡물 비중을 개선해야 할 필요성이 확인되었다. 하수 생슬러지 전처리의 경우, emulsion type의 고분자 응집제를 약 200ppm dosing하고 온도를 11℃이상 유지하여야 최적의 효율을 보였다.
미생물 분리 동정 결과, methanosarcinales, methanomicrobiales와 chloroflexi, bacteroidetes의 우점화가 약 10%의 혐기성 소화효율을 향상시키는 것으로 확인되었으며, 염화제일철이 염화제이철에 비하여 황화수소 제어에 보다 효과적인 것으로 나타났으나, 두 물질의 화학적, 물리적 특성을 고려하여, 바이오가스 공정이 설치되는 지역의 기후, 운전 방식에 따라 결정하여야 한다.
국내 바이오가스의 경우, 실록산에 대한 특별한 규제 또는 품질 규격을 요구하는 곳이 없으나, 유럽의 경우, 바이오가스 연소과정에서 효율을 저해할 수 있는 실록산에 대한 규제를 하고 있어, 건식 탈황 흡착제를 신규 개발하였다. 유럽에서 상용화된 복합 탈황제의 성능과 개발한 복합 탈황제의 성능을 비교 확인하였다. 개발한 복합 탈황제는 황화수소 98% 이상, 실록산 70% 이상의 제거율을 보여, 유럽 제품보다 우수한 성능을 보였다.
바이오가스 공정의 경우, 환경부에서 관리감독하는 환경플랜트로 구분되어, 공정 위험성 분석을 실시한 사례가 없다. 본 연구에서는 바이오가스 공정에 대한 위험성 분석을 위하여 HAZOP study를 실시하였으며, 각 구간에서 많은 위험 요소들이 발굴되어, 이에 따른 개선조치가 제시되었다. 바이오가스 플랜트에 대한 안전성 평가를 통하여, 향후 발생할 수 있는 사고에 대한 방지책을 제시함으로써 보다 안전한 플랜트 운영을 기대할 수 있게 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is that, as first, the conditions for process optimization are suggested with actual process operation data by data analysis and regression method, and, as second, the corrective actions for plant safety improvement are suggested by HAZOP study.
A commercial operating biogas plant is verified and applied for this study. The anaerobic digester of target has that the operating temperature is 37.5℃, TS(Total Solid Content) is less than 12%. Therefore, this digester has middle temperature and wet type anaerobic digestion process. Thus, an acid fermentation is built upon prior methane fermentation in same digester.
The fuels of biogas production are food waste and sewage primary sludge. This study carries out a data analysis and regression to verify the effectiveness with each fuel. The results are food waste contributes to increase the amount of biogas than sewage primary sludge, and sewage primary sludge contributes to improve methane content of biogas than food waste. In case of food waste pre-treatment process, the best particle size is 5㎜ for optimization, but it has still another issue to improve the ratio of grit. In case of sewage primary sludge pre-treatment process, the best conditions are the emulsion type polymer cohesion is used with about 200ppm concentration, and the temperature should be over than 11℃. The result of microbial separation identification is that the dominant species are methanosarcinales, methanomicrobiales, chloroflexi, and, bacteroidetes. Those microorganisms lead to improve the digestion efficiency about 10%. Ferrous chloride is better than ferric chloride to control H2S, but these two chemicals have different characteristics, especially, the freezing point, therefore, it has to consider the conditions of new built biogas, for instance, weather of location and operating condition. Korea doesn’t have a guideline and standard for siloxane content in biogas, but most of European countries have a standard for it. To remove the siloxane with hydrogen sulfide in biogas, new multifunctional absorbent is developed in this study. This absorbent has over than 98% of H2S rejection and over than 70% of siloxane rejection performance. It should be better performance than European company’s commercial product.
Biogas plant isn’t chemical plant in Korea, it is environmental plant. For this reason, there is no record to carry out the safety evaluation. This study carries out HAZOP study to evaluate a safety and to identify the risks in biogas plant. A lot of risks are checked by HAZOP study, and the corrective actions are suggested. HAZOP study expects to prevent accidents and to make secure for more safe operation of biogas plant.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구 배경 및 목적 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 5
• 제2장 이론적 배경 7
• 제1절 혐기성 소화 7
• 제2절 혐기성 공정의 영향 인자 16
• 1. 유기물 부하량 16
• 2. 반응온도 19
• 3. 영양조건 19
• 4. 균 농도 23
• 5. pH 23
• 제3절 바이오가스의 정제 및 이용 24
• 1. 메탄 가스의 정제 및 이용 24
• 2. 응축수의 제거 26
• 3. 탈황 26
• 4. 이산화탄소의 제거 28
• 제4절 공정 안정성 평가 29
• 1. 공정 위험성 평가 29
• 2. 위험과 운전 분석기법(HAZOP) 30
• 제3장 바이오가스 플랜트의 공정 최적화 36
• 제1절 실 험 36
• 1. 공정흐름도 36
• 2. 공정조건 37
• 3. 물질수지 37
• 4. 플랜트 설비 41
• 제2절 결 과 51
• 1. 물질수지 51
• 2. 전처리 공정 57
• 3. 혐기성 소화 63
• 4. 바이오가스 정제 75
• 5. 소화탈리액 91
• 제3절 고 찰 96
• 1. 전처리 공정 96
• 2. 혐기성 소화 98
• 3. 바이오가스 정제 102
• 4. 소화탈리액 104
• 5. 기타 104
• 제4장 바이오가스 플랜트의 안전성 평가 105
• 제1절 실 험 105
• 1. 혐기성 소화조 108
• 2. 바이오가스 처리 108
• 3. 염화철 저장 및 공급 109
• 제2절 결 과 110
• 제3절 고 찰 110
• 1. 위험성 평가 결과 110
• 2. 개선조치 111
• 제5장 결 론 139
• 참고문헌 140
• 부록 1. P&ID for HAZOP 155
• 부록 2. The result sheets for separation identification 160
• ABSTRACT 169

참고문헌 (Reference)

1 백경일, 조웅현, 정상순, 장정익, 이수구, 이범구, 이만호, 이규성, "물처리공 학", 형설, 형설출판사, 2010

2 Tchobanoglous, George, "『수질관리』", 동화기술, 동화기술, 2003

3 배재근, "“혐기성총론”", 2003

4 김신동, "황화수소 및 실록산 동시 제거용 흡착제", ㈜이 앤켐솔루션, 특허출원 10-2014-0154530, 2014

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6 정재춘, "“음식물류폐기물 자원화시설 운영매뉴얼”", 수도권 매립지관리공사, 2005

7 한국산업안전보건공단, "연속공정의 위험과 운전분석 (HAZOP)기법에 관한 기술지침", 한국안전보건공단, 2012

8 김남천, 배재근, 정연구, 허관, 김영준, 안중우, 유기영, "혐기성 소화공정에 의한 바이오가스화의 기술 원리 및 응용", 유기성자원학회, 한국유기성 폐지원 학회 편집위원회, 2002

9 고재욱, 이재민, 유진환, "중, 소 화학공장에 적합한 위험성 평 가 기법 개발에 관한 연구", 한국화학공학회, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 45, No. 1, 2007, 103-108, 2007

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11 안재동, "“혐기성 발효와 오존에 의한 페놀폐수 처리특성에 관 한 연구”", 건국대학교 대학원, 1996

12 한성국, "“음식물 쓰레기로부터 바이오가스 전환을 위한 최적 운전조건”", 충북대학교 대학원 석사학위 논문, 2011

13 오기양, "“염분을 함유한 음식물쓰레기의 혐기소화에 미치는 내 염제의 영향”", 명지대학교 대학원, 2007

14 배재근, "음식물류 폐기물의 혐기성소화과정에 있어서 TS, VS, pH농도가 미치는 영향", 서울지역환경기술 개발센터, 2007

15 송인상, "“Polyethylene Glycol Bead를 이용한 돈사폐수의 혐 기성처리공정에 관한 연구”", 연세대학교 대학원, 연세대학교 대학원, 2008

16 김진한, "바이오가스내 황 화합물 및 실록세인 정제를 위 한 흡착특성 연구 실습 연구 보고서", SL공사, 2014

17 이병헌, "“물질수지에 의한 용연수질개선사업소의 총질소 부하 량 변화율 산정에 관한 연구”", 부산녹색환경지원센터, 2012

18 김정래, 최홍복, 최은주, 이재기, 박주형, "“유체유동을 이용하여 오폐수 분해 및 분리장치개발(하수고도화 및 슬러지처리 중심으로)”", 환경부, ㈜에코 데이, 2006

19 박여식, "“유동층 생물 반응기를 이용한 유기물의 혐기성 분 해시 담체 크기에 따른 층팽창 및 생물막 성장 특 징”", 건국대학교 대학원 석사학위 논문, 2002