개념 한 쪽
혐기성 소화는 무산소 환경에서 미생물이 유기물을 분해해 메탄가스를 생성하는 공정이며, 운전조건과 질량·에너지 수지 계산이 핵심이다. 운전 안정성은 온도·pH·ORP·소화율 등으로 판단하며, 처리량·고형물률·VS비율 등을 이용한 부하 및 가스발생량 계산이 자주 출제된다.
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출제기준 단원 「2차 환경오염방지 기술」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 가온 열량 계산 | 1 | 분뇨 질량과 ΔT로 필요 열량을 계산하는 방법 |
| 일일 가스 발생량 계산 | 1 | 유입량·고형물·VS·소화율로 가스량을 산정하는 계산 |
| 탈질 최종 산물 판별 | 1 | 생물학적 탈질이 최종적으로 생성하는 질소 형태를 가리는 것 |
혐기성 소화는 가수분해·산생성·메탄생성 등의 단계로 이루어지며 각 단계의 특성에 따라 운전조건이 달라진다. 가수분해에서는 고분자가 단당류·아미노산·지방산과 글리세린으로 분해되며, 이 생성물이 뒤따르는 산발효와 메탄발효의 기질이 된다.
메탄생성 단계의 주요 미생물인 메탄균은 pH에 민감하므로 소화조는 중성 근처, 약알칼리성(pH 약 7 내외)을 유지해야 한다. 또한 혐기성 조건을 유지하기 위해 산화환원전위(ORP)는 음의 값을 나타내는 것이 적정하며, 일반적으로 환원 분위기가 유지되어야 미생물군의 균형이 깨지지 않는다.
혐기성 소화가스의 조성은 메탄(CH4)이 대다수로 약 60~70%를 차지하고 이산화탄소(CO2)가 30~40% 정도이며, 수소와 산소는 극미량으로 취급된다. 유입 유기물의 종류에 따라 세포 수율이 달라 슬러지 발생량이 변하며, 탄수화물은 슬러지 발생이 가장 크고 지질은 메탄 전환이 커 슬러지가 적게 남는다.
운전·설계 문제에서 수치 계산은 다음의 연쇄 곱셈 패턴으로 접근한다. 부피·고형물률·VS율·소화율·가스발생계수를 순서대로 적용해 일일 가스량을 산정하고, 가온 필요 열량은 질량·비열·온도차의 곱으로 구한다. 단위 환산(예: m³→kg, kL→L→kg)을 정확히 처리하는 것이 실수 방지의 핵심이다.
예 1 — 가온 열량 계산(자료 기반) 문제 요지: 분뇨 20 kL/일(평균 20℃)을 소화온도 35℃로 가열할 때 필요한 열량을 구한다. 비중 1.02, 비열 1.1 kcal/kg·℃라 가정한다. 풀이: 부피 20 kL = 20,000 L이고 비중 1.02를 곱해 질량은 20,400 kg/일이다. 온도차 ΔT = 35 − 20 = 15℃이다. 따라서 Q = m·c·ΔT = 20,400 kg × 1.1 kcal/kg·℃ × 15℃ = 336,600 kcal/일 ≈ 3.4×10⁵ kcal/일이다.
예 2 — 일일 가스발생량 계산(자료 기반) 문제 요지: 슬러지 유입 350 m³/일, 고형물 3.5%, VS 70%, VS 소화율 60%, 가스발생계수 0.75 m³/kg-VS일, VS 비중 1.0일 때 일일 가스량을 구한다. 풀이: 유입 고형물량 = 350 × 0.035 = 12.25 m³/일. VS량 = 12.25 × 0.70 = 8.575 m³/일 = 8,575 kg-VS/일(비중 1.0 적용). 소화되어 가스화되는 VS = 8,575 × 0.6 = 5,145 kg-VS/일. 가스발생량 = 5,145 × 0.75 ≈ 3,858.75 m³/일 ≈ 3,859 m³/일이다.
소화조로 유입되는 슬러지의 양이 350 m³/일이고 고형물과 고형물 중 VS함량이 각각 3.5%와 70% 이다. 소화조의 VS소화율은 60%이고, 소화조의 가스발생량은 0.75m³/kg-VS일 때 일일 생성되는 가스량은? (단, VS의 비중은 1.0 이다.)
정답 ② · 슬러지 혐기성 소화 시 일일 가스 발생량을 구하는 연쇄 곱셈 계산 문제이다. 유입 슬러지 중 고형물량은 350 x 0.035 = 12.25세제곱미터 매일이고, 그중 VS는 12.25 x 0.7 = 8.575세제곱미터 매일이다.
가스량 = 350×0.035×0.7×1000×0.6×0.75 ≈ 3,859m³/일.
질소가 생물학적인 탈질제거공정에 의해 처리될 때 질소의 최종 제거물 형태는?
정답 ③ · 생물학적 탈질공정에서 질소의 최종 제거 형태를 묻는 문제이다. 생물학적 탈질은 무산소 조건에서 탈질균이 질산염을 전자수용체로 이용하여 유기물을 산화하면서 질소를 단계적으로 환원하는 과정이다.
생물학적 탈질은 무산소 조건에서 NO3⁻를 단계적으로 환원해 최종 N2 기체로 만들어 제거한다.
평균온도가 20℃인 수거분뇨 20kL/일을 처리하는 혐기성 소화조의 소화온도를 외부 가온에 의해 35℃로 유지하고자 한다. 이때 소요되는 열량(kcal/일)은? (단, 소화조의 열손실은 없는 것으로 간주, 분뇨의 비열 = 1.1 kcal/kg·℃, 비중 = 1.02)
정답 ② · 혐기성 소화조 가온에 필요한 열량을 계산하는 문제이다. 가온 열량은 Q = m·c·ΔT로 구한다.
가온 열량은 Q=m·c·ΔT이며, 20,400kg×1.1kcal/kg·℃×15℃≈3.4×10⁵ kcal/일이다.
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