혐기성 소화

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혐기성 소화는 산소가 없는 상태에서 미생물이 생분해성 물질을 분해하는 과정입니다 . 이것의 생성물은 바이오가스(이산화탄소(CO2)와 메탄의 혼합물)와 소화물(질소가 풍부한 비료)입니다. 바이오가스는 연소되어 열을 생산할 수도 있고, 천연가스나 자동차 연료와 같은 방식으로 청소하여 사용할 수도 있습니다. 폐기물 소화액에는 미네랄이 풍부하여 농업용 비료 나 토양 개량제로 사용할 수 있습니다.

애플리케이션

습식 혐기성 공정은 투입 물질의 부피 및 질량 감소를 제공하기 때문에 폐수 슬러지 및 유기 폐기물 처리에 널리 사용됩니다. 통합 폐기물 관리 시스템의 일부인 혐기성 소화는 매립 가스가 대기로 배출되는 것을 줄입니다.

건식 혐기성 소화도 널리 사용되었습니다. 예를 들어 Axpo Kompogas AG 시스템이 있습니다. 이는 완전히 개발된 시스템으로 2009년에 2,700만 Kwh의 전기와 바이오가스를 생산했습니다. 회사 소유 트럭 중 가장 오래된 회사는 지난 15년 동안 가정 폐기물에서 추출한 바이오가스를 사용하여 1,000,000km를 주행했습니다. ^[1]

혐기성 소화는 화석 연료를 대체하는 데 도움이 되는 에너지 생산에 적합한 메탄과 이산화탄소가 풍부한 바이오가스를 생산하기 때문에 재생 가능한 에너지 원입니다. 또한 소화 후 남은 영양분이 풍부한 고형물은 비료 로 사용할 수 있습니다.

프로세스

두 가지 유형의 공정이 존재합니다: 습식 혐기성 소화 공정 과 건식 혐기성 소화 공정 . 두 가지 유형의 공정 모두 아세트산 형성 박테리아(아세토젠)와 메탄 형성 박테리아(메탄 생성균)를 포함하여 혐기성 소화 과정에 관여하는 수많은 박테리아가 있습니다. 이러한 박테리아는 초기 공급원료를 먹으며 최종적으로 바이오가스로 전환되기 전에 이를 당, 수소 및 아세트산을 포함한 중간 분자로 전환하는 다양한 공정을 거칩니다.
다양한 종의 박테리아가 다양한 온도 범위에서 생존할 수 있습니다. 35~40°C 사이의 온도에서 최적으로 사는 박테리아를 중온성 박테리아 또는 중온성 박테리아라고 합니다. 일부 박테리아는 55~60°C의 더 뜨겁고 더 적대적인 조건에서 생존할 수 있으며, 이를 호열성 박테리아 또는 호열성 박테리아라고 합니다. 메탄생성균은 원시 고세균 그룹에서 유래합니다. 이 과에는 열수 분출공의 적대적인 조건에서 자랄 수 있는 종이 포함됩니다. 이들 종은 열에 더 강하므로 호열성 온도에서 작동할 수 있는데, 이는 박테리아 계열에 고유한 특성입니다.

호기성 시스템과 마찬가지로 혐기성 시스템의 박테리아도 그 안에서 성장하고 재생하는 미생물이 생존하려면 원소 산소 공급원이 필요합니다.

혐기성 시스템에는 기체 산소가 없습니다. 혐기성 소화조에서는 밀봉된 탱크의 물리적 봉쇄를 통해 기체 산소가 시스템에 유입되는 것을 방지합니다. 혐기성 생물은 주변 공기가 아닌 다른 공급원으로부터 산소에 접근합니다. 이러한 미생물의 산소 공급원은 유기 물질 자체일 수도 있고, 입력 물질 내의 무기 산화물에 의해 공급될 수도 있습니다.
혐기성 시스템의 산소 공급원이 유기 물질 자체에서 파생되는 경우 '중간' 최종 생성물은 주로 알코올, 알데히드, 유기산과 이산화탄소입니다. 특수한 메탄 생성 물질이 있는 경우 중간체는 미량의 황화수소가 함유된 이산화탄소인 메탄의 '최종' 최종 생성물로 전환됩니다. 혐기성 시스템에서 출발 물질에 포함된 화학 에너지의 대부분은 메탄 생성 박테리아에 의해 메탄으로 방출됩니다.

혐기성 박테리아 개체군은 일반적으로 완전히 효과적인 것으로 확립되기까지 상당한 시간이 걸립니다. 따라서 기존 개체군이 있는 물질로부터 혐기성 미생물을 도입하는 것이 일반적인 관행입니다. 이 과정을 소화조 '파종'이라고 하며 일반적으로 하수 슬러지 또는 소 슬러리를 추가하여 수행됩니다.

단계

혐기성 소화에는 네 가지 주요 생물학적, 화학적 단계가 있습니다.

1. 가수 분해
2. 산생성
3. 아세트산생성
4. 메탄생성

대부분의 경우 바이오매스는 대형 유기 중합체로 구성됩니다. 혐기성 소화조의 박테리아가 물질의 에너지 잠재력에 접근하려면 먼저 이러한 사슬을 더 작은 구성 부분으로 분해해야 합니다. 이러한 구성 부분이나 설탕과 같은 단량체는 다른 박테리아에 의해 쉽게 이용 가능합니다. 이러한 사슬을 끊고 더 작은 분자를 용액으로 용해시키는 과정을 가수분해라고 합니다. 따라서 이러한 고분자량 중합체 성분의 가수분해는 혐기성 소화에 필요한 첫 번째 단계입니다. 가수분해를 통해 복잡한 유기 분자는 단순한 당, 아미노산 및 지방산으로 분해됩니다.

첫 번째 단계에서 생성된 아세트산과 수소는 메탄생성물질에 의해 직접 사용될 수 있습니다. 아세테이트보다 긴 사슬 길이를 가진 휘발성 지방산(VFA's)과 같은 다른 분자는 먼저 메탄생성균에 의해 직접 활용될 수 있는 화합물로 분해되어야 합니다.

산생성의 생물학적 과정은 산생성(발효) 박테리아에 의해 나머지 성분이 추가로 분해되는 곳입니다. 여기서 VFA는 암모니아, 이산화탄소, 황화수소 및 기타 부산물과 함께 생성됩니다. 산생성 과정은 우유가 신맛이 나는 방식과 유사합니다.

혐기성 소화의 세 번째 단계는 아세트산 생성입니다. 산생성 단계를 통해 생성된 단순 분자는 아세트산 생성 물질에 의해 추가로 소화되어 주로 아세트산과 이산화탄소 및 수소를 생성합니다.

혐기성 소화의 최종 단계는 메탄 생성의 생물학적 과정입니다. 여기서 메탄생성물질은 이전 단계의 중간 생성물을 활용하여 이를 메탄, 이산화탄소 및 물로 전환합니다. 시스템에서 배출되는 바이오가스의 대부분을 구성하는 것은 바로 이러한 구성 요소입니다. 메탄생성은 높은 pH와 낮은 pH 모두에 민감하며 pH 6.5와 pH 8 사이에서 발생합니다. 미생물이 먹을 수 없는 소화되지 않는 잔여 물질과 죽은 박테리아 잔여물이 소화액을 구성합니다.

위에 요약된 전체 공정에 대한 단순화된 일반 화학 반응식은 다음과 같습니다.

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3CO ₂ + 3CH ₄

혐기성 소화조의 구성

혐기성 소화조는 다양한 공정 구성을 사용하여 작동하도록 설계 및 제작될 수 있습니다.

• 일괄 또는 연속
• 온도: 중온성 또는 호열성
• 고형분 함량: 높은 고형분 또는 낮은 고형분
• 복잡성: 단일 단계 또는 다단계

일괄 또는 연속

배치 시스템은 가장 간단한 소화 형태입니다. 바이오매스는 공정 시작 시 배치로 반응기에 추가되며 공정 기간 동안 밀봉됩니다. 바이오가스 생산은 시간이 지남에 따라 정규 분포 패턴으로 형성됩니다. 운영자는 이 사실을 사용하여 유기물의 소화 과정이 완료되었다고 생각하는 시기를 결정할 수 있습니다.

온도

혐기성 소화조에는 두 가지 일반적인 작동 온도 수준이 있으며 이는 소화조 내 메탄 생성 물질의 종류에 따라 결정됩니다.

• 중온성(Mesophilic)은 37°~41°C 주변 또는 중온체가 주요 미생물로 존재하는 주변 온도 20°~45°C에서 최적으로 발생합니다.
• 호열성은 호열성이 주요 미생물로 존재하는 최대 70°C의 높은 온도에서 약 50°-52°에서 최적으로 발생합니다.
  

호열성 종보다 중온성 종의 수가 더 많습니다. 이 박테리아는 또한 호열성 박테리아보다 환경 조건 변화에 더 잘 견딥니다. 따라서 중온성 시스템은 호열성 소화 시스템보다 더 안정적인 것으로 간주됩니다. 호열성 분해 시스템은 안정성이 떨어지는 것으로 간주되지만, 온도가 증가하면 반응 속도가 빨라지고 가스 생산량이 빨라집니다. 더 높은 온도에서 작동하면 최종 소화액의 살균이 더욱 촉진됩니다.
호열성 온도에서 작동할 때의 단점은 올바른 작동 온도를 달성하기 위해 더 많은 열 에너지 입력이 필요하다는 것입니다. 이러한 에너지 증가는 시스템에서 나오는 바이오가스 생산량의 증가보다 중요하지 않습니다. 따라서 이러한 시스템의 에너지 균형을 고려하는 것이 중요합니다.

고체

일반적으로 소화조에 대한 공급원료의 고형물 함량과 관련된 두 가지 다른 작동 매개변수가 있습니다.

• 고고형분
• 저고형물

소화조는 총 부유 물질(TSS) 농도가 20%를 초과하거나 15% 미만의 낮은 고형물 농도로 높은 고형물 함량에서 작동하도록 설계될 수 있습니다.

고형분 소화조는 공급원료를 이동하고 처리하는 데 더 많은 에너지 투입이 필요한 두꺼운 슬러리를 처리합니다. 재료의 두께로 인해 마모와 관련된 문제가 발생할 수도 있습니다. 고형분 소화조는 일반적으로 수분과 관련된 부피가 적기 때문에 토지 요구량이 더 낮습니다.

저고형물 소화조는 상당히 낮은 에너지 투입이 필요한 표준 펌프를 사용하여 시스템을 통해 물질을 운반할 수 있습니다. 저고형물 소화조는 소화조의 액체:공급원료 비율 증가와 관련된 부피 증가로 인해 고고형물 소화조보다 더 많은 양의 토지를 필요로 합니다. 액체 환경에서의 작동과 관련된 이점은 물질의 보다 철저한 순환과 박테리아와 음식물 간의 접촉을 가능하게 하기 때문입니다. 이를 통해 박테리아는 자신이 먹고 있는 물질에 더 쉽게 접근할 수 있고 가스 생산량 속도가 빨라집니다.

단계 수

소화 시스템은 다양한 수준의 복잡성으로 구성될 수 있습니다.

• 1단 또는 단일 스테이지
• 2단계 또는 다단계

단일 단계 소화 시스템은 모든 생물학적 반응이 단일 밀봉 반응기 또는 저장 탱크 내에서 발생하는 시스템입니다. 단일 스테이지를 활용하면 건설 비용이 절감되지만 시스템 내에서 발생하는 반응을 덜 제어할 수 있습니다. 산성 박테리아는 산 생산을 통해 탱크의 pH를 감소시킵니다. 메탄 생성 박테리아는 엄격하게 정의된 pH 범위에서 작동합니다. 따라서 단일 단계 반응기에서 다양한 종의 생물학적 반응은 서로 직접 경쟁할 수 있습니다. 또 다른 1단계 반응 시스템은 혐기성 라군입니다. 이 석호는 분뇨의 처리 및 장기 저장에 사용되는 연못 모양의 흙통입니다. 여기서 혐기성 반응은 수영장에 포함된 천연 혐기성 슬러지에 포함되어 있습니다.
2단계 또는 다단계 소화 시스템에서는 다양한 소화 용기가 소화조 내에 서식하는 박테리아 군집을 최대한 제어할 수 있도록 최적화되어 있습니다. 산생성 박테리아는 유기산을 생산하고 메탄생성 박테리아보다 더 빠르게 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 메탄생성 반응기로 펌핑되기 전에 필요한 작동 온도(중온성 또는 호열성)로 가열됩니다. 메탄생성 반응기 앞의 초기 가수분해 또는 산생성 탱크는 공급원료가 추가되는 속도에 대한 완충 장치를 제공할 수 있습니다.

거주

소화조의 체류 시간은 공급 물질의 양과 유형, 소화 시스템의 구성, 1단계인지 2단계인지에 따라 달라집니다.

단일 단계 호열성 소화의 경우 체류 시간은 14일 정도일 수 있으며, 이는 중온성 소화에 비해 상대적으로 빠릅니다. 이러한 시스템 중 일부의 플러그 흐름 특성은 이 기간 동안 재료의 완전한 분해가 실현되지 않았을 수 있음을 의미합니다. 이 경우 시스템에서 배출되는 소화액의 색상이 더 어두워지고 냄새가 더 심해집니다.

2단계 중온성 소화에서 체류 시간은 15일에서 40일 사이로 다양합니다.

중온성 UASB 분해의 경우 수리학적 체류 시간은 (1시간~1일)이고 고체 체류 시간은 최대 90일 입니다 . 이러한 방식으로 UASB 시스템은 슬러지 블랭킷을 활용하여 고체와 수리학적 체류 시간을 분리할 수 있습니다.

연속 소화조에는 물질의 고형분 수준에 따라 기계적 또는 유압 장치가 있어 박테리아와 식품이 접촉할 수 있도록 내용물을 혼합합니다. 또한 초과 물질을 지속적으로 추출하여 소화 탱크 내에서 합리적으로 일정한 부피를 유지할 수 있습니다.

건식 혐기성 소화

이 공정은 분뇨를 전혀 사용하지 않으므로 분뇨를 처리할 필요가 없는 특정 용도에 더 적합합니다. 이 프로세스는 여러 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 예를 들어 Wiessmann-Bioferm "Kompoferm" 프로세스가 있습니다. ^{[2] [3]} Axpo Kompogas AG 시스템, ^[4] OWS가 설계한 Dranco 프로세스, ^[5] Jan Klein Hesselink의 시스템도 있습니다. ^{[6] [7]}

제품

혐기성 소화에는 바이오가스, 소화액, 물의 세 가지 주요 생성물이 있습니다.

바이오가스

바이오가스는 투입된 생분해성 공급원료를 공급하는 박테리아의 최종 폐기물이며, 대부분이 메탄과 이산화탄소이며, 소량의 수소와 미량의 황화수소가 포함되어 있습니다. 대부분의 바이오가스는 박테리아 개체수가 증가한 후 소화 중간에 생성되며, 부패성 물질이 고갈됨에 따라 점점 줄어듭니다. 가스는 일반적으로 팽창 가능한 가스 기포로 소화조 상단에 저장되거나 가스 홀더의 시설 옆에 추출되어 저장됩니다.
바이오가스의 메탄은 연소되어 열과 전기를 모두 생산할 수 있으며, 일반적으로 왕복 엔진이나 마이크로터빈을 사용하여 생성된 전기와 폐열이 소화조를 따뜻하게 하거나 건물을 가열하는 데 사용되는 열병합 발전 장치에서 흔히 사용됩니다. 잉여 전기는 공급업체에 판매하거나 지역 전력망에 투입할 수 있습니다. 혐기성 소화조에서 생산된 전기는 재생 가능 에너지로 간주되며 보조금을 받을 수 있습니다. 바이오가스는 가스가 대기로 직접 방출되지 않고 이산화탄소가 탄소 순환이 짧은 유기 공급원에서 나오기 때문에 대기 이산화탄소 농도를 높이는 데 기여하지 않습니다.
바이오가스는 연료로 사용하기 위해 정제하기 위해 처리 또는 '스크러빙'이 필요할 수 있습니다. 황화수소는 공급원료의 황산염으로부터 형성되는 독성 생성물이며 바이오가스의 미량 성분으로 방출됩니다. 가스 내 황화수소 수준이 높으면 바이오가스를 지역적으로 허용되는 수준(US EPA 또는 영국 및 웨일스 환경청에서 결정) 내로 처리하기 위해 가스 세정 및 청소 장비(예: 아민 가스 처리)가 필요합니다. . 이에 대한 대체 방법은 황화수소 생성을 억제하기 위해 소화 탱크에 염화제이철( _{FeCl3 )을 첨가하는 것입니다.}
휘발성 실록산도 바이오가스를 오염시킬 수 있습니다. 이러한 화합물은 가정 쓰레기와 폐수에서 흔히 발견됩니다. 이러한 물질을 공급 원료의 구성 요소로 받아들이는 소화 시설에서는 저분자량 실록산이 휘발하여 바이오가스로 변합니다. 이 가스가 가스 엔진, 터빈 또는 보일러에서 연소될 때 실록산은 이산화규소(SiO ₂ )로 변환되어 기계 내부에 침전되며 마모가 증가하여 바이오가스를 오염시킬 수도 있습니다. 이러한 화합물은 가정 쓰레기와 폐수에서 흔히 발견됩니다.
이러한 물질을 공급 원료의 구성 요소로 받아들이는 소화 시설에서는 저분자량 실록산이 휘발하여 바이오가스로 변합니다. 이 가스가 가스 엔진, 터빈 또는 보일러에서 연소될 때 실록산은 이산화규소(SiO2)로 변환되어 기계 내부에 침전되어 마모가 증가합니다.

소화하다

소화액은 혐기성 소화 후 남은 물질로 질소, 인, 칼륨을 함유하고 있어 비료로 사용됩니다. 이는 소화되지 않는 물질과 죽은 유기체로 구성되며 일반적으로 소화가 발생한 후 가방의 90-95%를 채웁니다. AD 중에는 영양분이 손실되지 않으므로 영양 순환이 닫히고 재료를 재사용할 수 있습니다. 토양에 소화액을 사용하는 데에는 많은 이점이 있으며 토양에 더 영양가 있고 건강한 것으로 간주됩니다. 그 함량으로 인해 침입성 종자를 중화시키고 침입종은 자생종에 대한 경쟁을 일으키므로 이 비료는 이러한 위협을 크게 줄일 것입니다. 시스템의 전처리와 소화조 내부의 미생물 처리로 인해 병원균이 크게 감소됩니다. 소화액을 사용하면 방출되는 배출이 줄어들고 과도한 물과 기름이 사용됩니다. 혐기성 소화 및 생물자원 협회(The Anaerobic Digestion and Bioresources Association)에 따르면 "1톤의 인공 비료를 소화액으로 대체하면 1톤의 석유, 108톤의 물, 7톤의 CO2 배출량을 절약할 수 있습니다".

물

AD의 부산물인 물은 매우 적으며 이후 주기에 재사용할 수 있습니다.

혐기성 소화의 장점

유기성 폐기물이 매립지에 쌓이면 이산화탄소, 메탄 등 엄청난 양의 온실가스가 발생합니다 . AD는 유기 폐기물을 처리하고 보다 효율적인 포집 및 처리를 통해 이러한 온실가스 배출을 제거하는 수단으로서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 유용한 제품으로 바꿔드립니다. AD는 대기로 손실될 에너지를 회수하여 귀중한 생물비료를 생산합니다. 바이오가스는 전기, 열, 바이오 연료를 생성하는 데 사용되거나 정화되어 가스 그리드에 주입될 수 있습니다. AD 시스템은 비용을 절약하고 이를 생성하는 사람들에게도 소액의 수입을 창출할 수 있습니다. 거름에서 비료로의 전환은 보다 영양가 있는 비료를 만드는 데 도움이 되며 질병을 일으킬 수 있는 박테리아를 제거합니다. AD는 대부분의 농장에 맞게 제작할 수 있으며 소규모라도 가스 사용과 배출을 상당히 줄일 수 있습니다.

관련 프로젝트

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• 보카시 혐기성소화 : 국내 혐기성소화 공정, 즉 부엌쓰레기용
• 농업 폐기물을 재활용하여 온수 생산

참고자료

페이지 데이터

키워드	낭비를 방지하다 , 낭비하다
SDG	SDG12 책임 있는 소비와 생산
저자	도아 발파키(Doaa Balfakih) , KVDP , 케이틀린 피크스(Katelyn Peakes) , 에단(Ethan)
특허	CC-BY-SA-3.0
언어	영어 (en)
번역	터키어 , 포르투갈어 , 중국어
관련된	3개의 하위 페이지 , 52개의 페이지는 여기에 링크되어 있습니다.
별칭	생물소화조 , 혐기성소화조 , 혐기성소화조
영향	페이지 조회수 4,300회
만들어진	2008년 4월 16일 Doaa Balfakih 작성
수정됨	2024년 2월 29일 Kathy Nativi 작성
다음으로 인용	Doaa Balfakih , KVDP , Katelyn Peakes , Ethan (2008-2024). "혐기성 소화" . Appropedia . 2024년 3월 7일에 확인함 .
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