개념 한 쪽
혐기성 소화는 산소가 없는 조건에서 미생물이 유기물을 분해하여 메탄과 이산화탄소를 생성하는 공정이다. 공정은 가수분해, 산생성(산발효), 메탄생성의 단계로 나뉘며 각 단계별 생성물과 역할을 이해해야 문제를 정확히 풀 수 있다. 계산 문제는 몰비·질량비·함수율·고형물 비율 등을 단계적으로 적용하는 방식으로 출제되므로 정형화된 풀이 패턴을 숙지해야 한다.
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출제기준 단원 「혐기성 소화 기술」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 단계별 생성물 판별 | 1 | 산생성단계의 대표 생성물을 고르도록 요구 |
| 혐기성 메탄 발생량 계산 | 1 | 포도당량으로부터 메탄 질량·부피를 산정하도록 요구 |
| 유기물 부하율 계산 | 1 | 함수율·고형물·유기물률로 유기물 부하율을 계산하도록 요구 |
혐기성 소화는 유기물을 미생물이 분해하여 가스(메탄·이산화탄소)와 소화잔류물을 만드는 공정이다. 전체 과정은 가수분해로 큰 유기물이 가수분해되어 단량체가 되고, 산생성단계에서 저급지방산·알코올·알데하이드·케톤 같은 중간 생성물이 만들어지며, 마지막으로 메탄생성 단계에서 메탄이 생성된다는 단계를 따른다.
산생성단계의 대표 생성물 목록은 저급지방산·알코올·알데하이드·케톤으로 정리한다. 지방 분해의 중간물질인 글리세린은 산생성의 전형적인 대표 생성물 목록에 포함되지 않으므로 관련 문제에서 함정으로 출제될 수 있다.
혐기성 소화의 계산 문제는 두 가지 유형으로 나뉜다. 하나는 화학양론적 계산으로 포도당(C6H12O6) 같은 유기물의 몰수와 반응계수, 표준상태 기체몰량(22.4L/mol)을 이용해 메탄의 질량과 부피를 산정하는 유형이고, 다른 하나는 슬러지의 함수율·총고형물·유기물 비율·소화율을 단계적으로 적용해 소화 후 총량 또는 유기물 부하율을 구하는 유형이다.
슬러지 관련 문제에서 반드시 기억할 원칙은 무기물(회분)은 소화 전후에 질량이 보존된다는 점이다. 이 원칙을 이용하여 소화 후 총량을 역산하거나 남은 고형물량을 계산하는 방식이 빈번히 출제된다는 점을 유의한다.
대표 계산 1 — 포도당 3.0kg에서 생성 메탄 부피 계산 절차를 보인다. 반응식 C6H12O6 → 3CH4 + 3CO2에 따라 몰수 계산을 한다. 3,000g ÷ 180g/mol = 16.67mol → CH4는 16.67 × 3 = 50mol → 표준상태에서 50 × 22.4L = 1,120L = 1.12Sm3이므로 메탄 발생량은 1.12Sm3가 된다.
대표 계산 2 — 함수율과 유기물 비율이 주어진 슬러지의 유기물 부하율 계산 절차를 보인다. 비중 1.0 기준으로 20m3/일 유입 시 질량은 20,000kg/일이고 함수율 95%이면 고형물은 5%이므로 20,000 × 0.05 = 1,000kg 고형물이다. 총고형물 중 유기물 비율이 60%이면 VS는 1,000 × 0.6 = 600kgVS/일이 되고, 유기물 부하율은 600 ÷ 소화조 용적으로 계산하여 단위 kgVS/m3·일을 얻는다.
대표 계산 3 — 소화율 문제의 역산 패턴을 보인다. 예를 들어 소화 전 유기물 80kg·무기물 20kg에서 소화 후 조성이 유기물 60%·무기물 40%라면 무기물 20kg이 소화슬러지의 40%이므로 소화 후 총량은 20 ÷ 0.4 = 50kg이다. 남은 유기물은 50 × 0.6 = 30kg이고 분해된 유기물은 80 − 30 = 50kg이므로 소화율은 50/80 = 62.5%가 된다.
혐기성 소화단계를 가스분해단계, 산생성단계, 메탄생성 단계로 나눌 때 산생성단계에서 생성되는 물질과 가장 거리가 먼 것은?
정답 ① · 혐기성 소화의 산생성단계에서 생성되는 물질이 아닌 것을 묻는 문제이다. 산생성단계에서는 산발효균에 의해 고분자 유기물이 분해되어 저급지방산과 함께 알코올, 알데하이드, 케톤 등이 생성된다.
산생성단계의 생성물은 저급지방산·알코올·알데하이드·케톤이며 글리세린은 여기에 해당하지 않는다.
유기물(C6H12O6) 1kg에서 혐기성 소화 시 생성될 수 있는 최대 메탄의 양(kg) 및 체적(Sm3)은?
정답 ② · 포도당(C6H12O6, 분자량 180) 1몰이 혐기성 소화되면 이론적으로 메탄(CH4) 3몰과 이산화탄소(CO2) 3몰이 발생합니다(C6H12O6 -> 3CH4 + 3CO2). 1kg 포도당은 1,000g / 180g/mol = 약 5.56몰입니다.
C6H12O6 → 3CH4+3CO2, 포도당 180g당 CH4 48g·67.2L → 1kg에서 0.27kg, 0.37Sm³.
용적 1,000m³인 슬러지 혐기성 소화조가 함수율 95%의 슬러지를 하루에 20m³를 소화시킨다면 이소화조의 유기물 부하율(kgVS/m³·d)은? (단, 슬러지 고형물줄 무기물 비율은 40%이고, 슬러지의 비중을 1.0 이라고 가정한다.)
정답 ③ · 혐기성 소화조의 유기물 부하율을 계산하는 문제이다. 일일 투입 슬러지 20m³에 비중 1.0을 적용하면 20,000kg이다.
유기물 부하율 = VS 유입량 ÷ 소화조 용적 = (20,000kg × 5% 고형물 × 60% 유기물) ÷ 1,000m³ = 0.6.
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