2024년에는 재생 에너지로의 전 세계적 전환이 더욱 강화되었고, 바이오가스는 지속 가능한 에너지 솔루션의 핵심 요소로 부상했습니다.
국제 에너지 기구(IEA)에 따르면, 바이오가스 생산량은 40년까지 2030% 증가할 것으로 예상됩니다.혐기성 소화 기술의 발전과 깨끗한 에너지에 대한 수요 증가에 힘입어 이러한 추세가 가속화되고 있습니다.
유기성 폐기물의 최대 생산국 중 하나인 인도는 압축 바이오가스(CBG) 생산을 촉진하는 SATAT(Sustainable Alternative Towards Affordable Transportation) 계획과 같은 정부 이니셔티브를 통해 분산형 에너지 솔루션으로 바이오가스에 집중해 왔습니다.
폐기물 관리와 에너지 안보에 대한 우려가 계속 커지면서 유기물 분해로부터 에너지를 활용하는 것이 강력한 해결책으로 제시됩니다.
에너지는 창조되거나 파괴되지 않습니다. 에너지는 한 형태의 에너지에서 다른 형태의 에너지로 변환됩니다.
모든 사람은 열역학 법칙을 잘 알고 있습니다.
따라서 유기물이 분해될 때 어떤 일이 일어나는지에 대한 많은 의문이 제기됩니다.
유기물 분해로 인해 생성되는 에너지를 활용하기 위해 무엇을 할 수 있을까?
간단히 말해서, 유기물 분해로부터 에너지를 생산하는 것은 폐기물을 최대한 활용하는 모든 전략에서 기대할 수 있는 이상적인 결과입니다!
유기물이 분해될 때는 공기의 가용성과 환경 조건에 따라 호기성 또는 혐기성 소화 경로를 따릅니다.
호기성이란 산소가 있는 상태를 의미하고, 혐기성이란 산소가 없는 상태를 의미합니다.
두 가지 완전히 다른 유형의 과정이기 때문에 두 소화 과정은 서로 다른 박테리아 집단에 의해 수행되며 서로 다른 최종 산물을 생성합니다.
유기성 폐기물의 생분해 과정에서 방출되는 에너지는 활용되어 유용한 제품으로 변환될 수 있습니다.
유기물의 조절된 호기성 소화를 통해 우리는 퇴비라고 불리는 영양이 풍부한 비료를 얻을 수 있습니다.
유사하게, 혐기성 소화 과정은 바이오가스 생산으로 이어질 수 있습니다.이는 수많은 응용 분야에 사용될 수 있는 매우 유용한 에너지원이 될 수 있습니다.
혐기성 소화의 자연스러운 과정은 반추동물이나 습지의 위에서 일어납니다.
혐기성 공정에서 미생물은 유기 물질을 분해하여 바이오가스를 생성합니다. 바이오가스는 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 일산화탄소(CO), 수소(H2), 질소(N2) 및 수증기의 혼합물입니다.
혐기성 소화에서 얻어지는 모든 최종 산물 중에서 메탄은 그 특성으로 인해 가장 흥미로운 가스입니다.
바이오가스에서 생성된 메탄은 가연성이 있어 에너지원으로 사용할 수 있습니다.
바이오가스 생산 과정은 각 단계마다 다른 박테리아가 수행하는 다단계 과정입니다.
유기물질은 가수분해, 산생성, 아세트산생성, 메탄생성 등 일련의 분해 단계를 거칩니다.
이러한 일련의 과정이 끝나면 유기물은 메탄 및 기타 최종 산물로 전환되며 이 과정을 바이오가스 생산이라고 합니다..
혐기성 소화조에 첨가되는 유기물질은 본질적으로 복잡한 중합체입니다.
가수분해 과정은 본질적으로 유기 거대 분자를 더 작은 화합물로 분해합니다.
가수분해 박테리아는 아밀라아제, 셀룰로오스, 프로테아제, 리파아제와 같은 효소를 분비하는데, 이 효소는 탄수화물을 단당류와 이당류와 같은 단순 당으로 분해하고, 단백질은 아미노산으로, 지질은 다양한 지방산 사슬로 전환합니다.
The 가수분해를 위한 최적 pH는 6~7이고, 온도 범위는 30~50°C입니다..
이는 바이오가스 생산을 향한 첫 번째 단계이며, 복잡한 물질의 분해가 많을수록 바이오가스 생산에 사용할 수 있는 기질이 많아지기 때문에 중요합니다.
가수분해 단계는 산 생성 박테리아의 세포막을 통과할 수 있는 최종 생성물로서 작은 분자 화합물을 제공합니다.
산생성 박테리아는 전구체 화합물을 중간체 화합물로 전환합니다. 휘발성 지방산(VFA), 메탄올, 에탄올, 알데히드와 같은 알코올 및 CO2.
VFA는 아세트산과 같은 유기산과 프로피온산, 부티르산, 펜타노산과 같은 더 큰 유기산으로 구성되어 있으며, 그 비율은 다양합니다.
아세트산은 메탄생성의 기질로 직접 사용되지만, 고급 유기산의 경우는 그렇지 않습니다.
아세트산생성은 프로피온산과 부티르산과 같은 고급 유기산이 아세트산 분해세균에 의해 아세트산과 수소로 전환되는 과정입니다.
아세트산 생성 과정으로부터 아세트산염 생산은 약 25%이고 수소 생산은 약 11%입니다..
메탄생성은 혐기성 소화의 마지막 단계입니다.
메탄생성세균은 아세트산, 수소, 메탄올, 메틸아민 등 이전 단계의 중간체를 메탄과 H2O로 전환합니다.
아세트산은 아세트산 분해성 메탄생성균에 의해 소비되어 메탄으로 전환됩니다.
또 다른 수소영양 메탄생성균은 CO를 감소시킵니다.2 아세트산 생성 단계에서 수소를 사용하여 메탄을 생산하고 이를 메탄으로 전환합니다.
메탄생성 과정은 높은 pH에서 일어납니다. 생성된 메탄의 2/3는 아세트산 분해성 메탄생성을 통해 생성되고, 1/3은 수소영양 메탄생성을 통해 생성됩니다.
가수분해 과정은 Streptococcus 및 Enterobacterium과 같은 발효 박테리아로도 알려진 혐기성 박테리아 그룹에 의해 수행됩니다..
그들은 세포외 효소를 분비하는데, 이 효소는 소화된 폐기물에 흡착됩니다.
가수분해된 폐기물은 다음과 같은 박테리아 속에 의해 유기산으로 추가로 전환됩니다. 슈도모나스, 바실러스, 클로스트리디움, 미크로코쿠스및 플라 보 박테 리움.
미생물의 다양한 개체군에 따라 산생성 과정 아세트산염, 수소, CO2가 직접적인 최종 생성물인 수소화 공정이나 폐기물이 고급 유기산으로 전환되는 탈수소화 공정을 통해 수행될 수 있습니다.
통성 산생성 세균의 또 다른 기능은 다음 과정에서 절대 혐기성 세균이 활동할 수 있는 환경을 조성하는 것입니다.
통성혐기성균은 소화조에 존재하는 모든 산소를 활용하여 완전한 혐기성 환경을 조성합니다.
아세트산 생성 과정은 신트로포모나스(Syntrophomonas)와 신트로포박터(Syntrophobacter) 속에 의해 수행되는데, 이들은 부티르산과 프로피온산을 아세트산과 수소로 전환하고, 메타노박테리움 수복시단스(Methanobacterium suboxydans)와 같은 일부 박테리아는 펜탄산을 프로피온산으로 전환하고, 메타노박테리움 프로피오니쿰(Methanobacterium propionicum)은 프로피온산을 아세트산으로 전환합니다.
아세트산 생성의 결과로 방출되는 수소는 아세트산 생성 박테리아에 대한 억제 작용을 합니다. 이 경우 수소영양 박테리아는 공생적으로 작용하여 방출된 수소를 메탄으로 전환하는데, 이 과정을 공생이라고도 합니다.
메탄 생성의 마지막 단계 역시 메탄 생성에 사용되는 기질에 따라 두 종류의 다른 박테리아에 의해 수행됩니다.
메타노사르시나(Methanosarcina)와 메타노사에타(Methanosaeta)와 같은 아세트산영양세균은 아세트산에서 메탄을 전환하는 가장 흔한 아세트산영양세균 속이고, 메타노박테리아과(Methanobacteriaceae)와 메타노쿨레우스(Methanoculleus) 속은 메탄 생성을 위한 중간체로 수소를 이용하는 흔한 수소영양세균입니다.
일반적으로 혐기성 소화는 민감한 과정이므로 특정 종류의 재료를 사용해야 합니다.
인간과 동물에게 사용되는 사료나 그 부산물은 바이오가스 생산을 위한 원료로 사용될 수 있습니다.
바이오가스 생산을 위한 원료를 결정하려면 해당 원료의 수분 함량, 총 고형물, 휘발성 고형물을 고려해야 합니다.
모든 물질에는 물과 건조물질이 포함되어 있습니다.
건조 물질은 총 고형물 함량(고형물의 총 질량)과 휘발성 고형물(분해 가능한 유기 물질의 총량)로 더 분류됩니다.
휘발성 고형분 함량이 높은 재료를 사용하는 것이 좋습니다.
식품 부산물은 바이오가스 생산을 위한 원료로 사용될 수 있습니다.시장 폐기물, 식품 가공 공장, 식당 등에서 저렴한 가격으로 쉽게 구할 수 있습니다.
식품 부산물은 쉽게 분해될 수 있습니다.
원료로 사용할 재료를 일관되게 확보하기 위해 바이오가스 생산을 위해 일관된 식량 공급원을 사용하는 것이 좋습니다.
분뇨는 소화되지 않은 동물 사료에 물과 깔짚을 더한 것입니다. 또한 미생물의 좋은 공급원이기도 합니다.
가축 분뇨가 대부분 선호되는 반면 돼지와 가금류 분뇨에는 질소 함량이 높아 낮은 수준으로 이어질 수 있습니다. C:N 비율 반응계의.
신선한 분뇨는 혐기성 소화에 가장 좋습니다.
2차 공급 원료로 에너지 작물을 추가하면 바이오가스 생산량을 늘릴 수 있습니다.
에너지 작물에는 풀, 옥수수 사일리지, 건초사료 등이 있습니다.
에너지 작물은 일반적으로 시장에서 구입해야 하므로 에너지 생산량은 원자재 비용을 충당할 수 있어야 합니다.
혐기성 소화조는 유기물을 통제된 조건 하에서 혐기성 소화하여 소화액과 바이오가스 생산을 돕는 처리 장치입니다.
혐기성 소화조는 밀폐된, 공기가 들어오지 않는 구조입니다.
소화조에 원료를 추가할 수 있는 유입 파이프가 있습니다.
유입 파이프는 소화조에 연결됩니다. 소화조는 모든 혐기성 소화가 일어나는 곳입니다.
소화조 용량은 바이오가스 생산 중 필요한 양의 슬러리와 가스 축적을 위한 헤드스페이스를 유지하도록 나뉩니다.
소화조 상단에는 바이오가스 생산이 시작되면 가스 유출을 제어하는 밸브가 달린 가스 파이프가 있습니다.
과도한 슬러리를 수용하고 필요 시 넘칠 수 있는 배출구 영역과 오버플로 영역이 있습니다.
혐기성 소화 및 바이오가스 생산에 가장 일반적으로 사용되는 운영 매개변수는 중온 조건에서 작동하는 단일 단계 연속 시스템이며, 이 경우 습한 폐기물이 원료로 이상적으로 선호됩니다.
이러한 매개변수를 고려하고 확장성에 따라 바이오가스 생산을 위한 이상적인 기술은 고정 돔 반응기, 부유 드럼 반응기, 풍선형 반응기입니다.
고정형 돔 소화조는 벽돌과 시멘트로 만들어진 밀폐된 시스템입니다.
소화조 구역은 지하에 건설되고, 입구, 가스 조절 밸브, 출구는 지상에 위치합니다.
이 유형의 소화조는 바이오가스 생산에 사용되는 반응기 중에서 비교적 수명이 깁니다.
지하에 건설하면 공간을 절약할 수 있고, 외부에서 발생하는 온도 변화를 없앨 수 있습니다.
부유 드럼은 고정 돔과 비슷한 원리로 작동하지만, 주요 차이점은 소화 탱크가 지하에 건설되는 반면 가스 축적 드럼은 지면 위에 떠 있다는 것입니다.
바이오가스 생산 시 가스 압력이 증가함에 따라 드럼이 위쪽으로 이동하고, 가스가 소모되면 물 재킷이나 슬러리 위에 떠 있는 자체 무게로 인해 아래로 내려갑니다.
가스 저장 드럼은 금속, 플라스틱 또는 유리 섬유를 사용하여 제작할 수 있습니다.
플라스틱이나 고무로 만든 관 모양의 풍선처럼 생긴, 바이오가스 생산에 사용되는 저가형 바이오가스 소화조입니다.
소화조의 바닥은 땅 아래 구덩이 같은 곳에 배치됩니다.
입구와 출구는 동일한 재질로 만들어졌으며 풍선에 붙어 있습니다.
비용 효율적인 솔루션이기는 하지만 기계적 손상에 취약하고 수명이 짧습니다.
훌륭한 인프라만으로는 만족스러운 메탄 생산이 가능하지 않습니다.
복잡한 시스템이기 때문에, 좋은 바이오가스 생산을 위해서는 처음부터 끝까지 여러 가지 매개변수를 유지해야 합니다.
원료의 유기성 폐기물 부분에는 휘발성 고형물이 많이 포함되어야 합니다.
원료의 입자 크기는 약 2cm 정도로 매우 작아야 합니다..
넓은 표면적은 빠른 분해를 촉진하므로, 분쇄기를 사용하면 균일한 크기의 원료를 얻을 수 있습니다.
이러한 미생물은 바이오가스 생산 과정을 수행합니다.
특수 미생물 컨소시엄과 함께 소분뇨 슬러리를 추가하면 효율적인 바이오가스 생산에 도움이 됩니다.
A 바이오가스 생산 공정을 시작하려면 반응기 부피의 최소 10~15%가 소분뇨로 이루어져야 합니다..
중온성 미생물은 호열성 미생물에 비해 가동 시간이 더 오래 걸린다.
바이오가스 생산에서 생성되는 메탄의 양과 순도는 투입 물질의 C:N 비율에 따라 달라집니다.
바이오가스 생산에 적합한 C:N 비율은 30:1입니다.
즉, 박테리아가 30단위를 소비할 때마다 음식 공급원으로 질소 1단위가 필요합니다..
탄소와 질소의 비율이 적절하면 혐기성 소화를 통해 최적의 바이오가스를 생산할 수 있습니다.
유기물 부하율은 하루에 추가되는 기질의 질량을 의미합니다.반응기의 용량에 따라 최적화된 바이오가스 생산을 보장합니다.
OLR은 하루에 1m3당 총 휘발성 고형물의 킬로그램으로 측정됩니다.
교반되지 않는 탱크 반응기의 이상적인 OLR은 <2 kg VS/ m3/일인 반면, 교반되는 탱크 반응기에는 약 4 – 7 kg VS/ m3/일이 필요합니다.
중온성 세균에 적합한 온도 범위는 30~40°C이고, 호열성 세균에 적합한 온도 범위는 45~60°C입니다.
15°C 이하의 낮은 온도는 공정 속도를 늦춥니다. 추운 날씨에는 바이오가스 생산이 저해되는 것으로 알려져 있습니다.
The 바이오가스 생산을 위한 최적 온도는 중성이며 6.5~7.6입니다..
산생성 과정은 pH를 산성 수준으로 낮춥니다.
pH 값이 7~7.5일 때, 기체 상태의 CO2는 VFA로 인한 pH 변화를 완충하는 데 필요한 알칼리성을 제공합니다.
산생성에 의한 pH 충격 부하의 경우 OLR을 낮추거나 석회나 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 정상으로 높일 수 있습니다.
시스템의 pH는 최적의 바이오가스 생산에 가장 중요한 매개변수입니다.
물질이 반응기 내에 머무르는 기간은 반응기의 크기와 분해 속도에 따라 달라집니다.
중온성 반응 과정은 보통 10~40일이 걸리는 반면, 호열성 반응 과정은 약 10~25일이 걸립니다.
바이오가스 생산은 유기물을 연료원으로 사용할 수 있는 메탄으로 전환하는 과정으로 보일 수 있지만, 바이오가스 생산 과정은 환경적, 재정적으로 더 큰 영향을 미칩니다.
결론적으로, 바이오가스 생산은 생물학적 고형 폐기물 관리 비용을 국가의 수익 창출 기회로 바꿀 수 있습니다.
바이오가스 생산은 난방, 운송용 연료, 전기 생산에 대한 대체 방안을 창출할 수 있으며, 이를 통해 온실가스 발생과 화석 연료 의존도를 줄이고 전 세계적으로 점점 더 불안정해지는 경제에서 일자리를 창출할 수 있습니다.
이뿐만 아니라, 바이오가스 생산의 결과로 생성되는 소화액은 농업에서 토양에 비료를 주는 데 사용되는 화학 투입물의 대안으로 사용될 수 있습니다.
많은 장점을 고려할 때, 바이오가스 생산은 더욱 푸르고 나은 미래를 위한 열쇠입니다.
