개념 한 쪽
바이오가스 생산은 혐기성 반응기에서 미생물이 유기물을 분해하며 발생시키는 가스를 뜻한다. 혐기성 공정 운전에서는 미생물(고형물)의 유지와 VS 부하율, 슬러지 함수율과 비중 계산, 고형물 체류시간(SRT) 관리가 핵심 관리 항목이 된다.
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출제기준 단원 「바이오가스」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 혐기성 고형물 유지 판단 | 1 | 고형물 유지 수단과 HRT 영향 판단 |
| 소화조 용적 산정 계산 | 1 | 유량·TS·VS·부하율로 소화조 용적을 역산하기 |
| 혼합물 비중 계산 | 1 | 함수율과 성분 비중으로 전체 비중을 계산하기 |
혐기성 반응기는 미생물이 느리게 성장하므로 미생물이 반응기 내에 오래 머물도록 설계하고 운전해야 한다. 이를 위해 슬러지 블랭킷 형성, 고정화 표면 제공, 고형물 재순환 같은 방법으로 고형물을 유지하거나 증가시킨다. 반대로 수리학적 체류시간(HRT)이 너무 짧으면 미생물이 반응기에서 유실되어 처리 효율이 떨어지므로 짧은 HRT는 고형물 유지 방법이 아니다.
바이오가스 생산 관련 설계에서는 휘발성 고형물(VS) 부하율과 유입 고형물량을 기준으로 소화조 용적을 산정한다. 유입 유량에 고형물 함량과 VS 비율을 곱해 VS 부하량을 구한 뒤, 허용 VS 부하율로 나누어 필요한 소화조 용적을 계산한다. 이 절차는 '총량 × 구성비율 = 설계 기준량' 형태로 역산하는 방식이다.
슬러지의 함수율과 구성성분 비중이 주어지면 전체 혼합물의 비중을 구할 수 있다. 전체 질량을 편의상 100으로 가정하고 수분과 건조고형물의 질량을 분리한 뒤, 각 성분의 체적을 질량÷비중으로 계산하여 전체 체적을 합산하고 전체 질량을 전체 체적으로 나누어 비중을 구한다. 이때 고형물 내부의 유기물과 무기물 비율을 이용해 고형물의 합성 비중을 먼저 계산한 뒤 함수율을 반영하는 순서를 따른다.
슬러지 건조 문제에서는 '고형물 질량은 보존된다'는 원칙을 기본으로 계산한다. 초기 고형물량을 고정값으로 사용하여 건조 후의 전체 중량을 고형물 비율로 역산하면 제거된 수분량을 구할 수 있다. 활성슬러지 장치의 고형물 체류시간(SRT)은 시스템 내 총 고형물량을 하루 폐기되는 고형물량으로 나눈 값이며, 이를 역으로 이용해 일일 폐기 슬러지량을 산정한다.
운전·설계 계산에서는 단위 변환과 농도의 백분율 처리, 절대압력과 게이지압력의 차이 등을 정확히 구분하여 공식을 대입하는 것이 중요하다.
예1 — 소화조 용적 계산 대표풀이: 유입 슬러지량 300m³/day, TS 4%, TS 중 VS 70%일 때 VS 일일량을 구한다. 유량×비중(1.0)×TS×VS비율 = 300 × 1.0 × 0.04 × 0.70 = 8,400kg/day이다. VS 부하율이 5kg/m³·day이므로 필요한 용적은 8,400 ÷ 5 = 1,680m³가 된다. 계산 순서는 '유량→TS→VS→부하율로 나누기'이다.
예2 — 슬러지 전체 비중 계산 대표풀이: 슬러지 전체 질량을 100으로 가정하면, 함수율 80%이므로 물 80, 건조고형물 20이다. 건조고형물 중 유기물과 무기물 각 10씩이라면 각 성분의 체적은 물 80/1.0 = 80, 유기물 10/1.0 = 10, 무기물 10/2.5 = 4로 총체적 94가 된다. 전체 비중은 전체 질량 100 ÷ 전체 체적 94 ≈ 1.064가 된다. 핵심은 각 성분의 질량을 해당 비중으로 나누어 체적을 구한 뒤 합산하는 절차이다.
혐기성 반응기에 있어서 생물학적 고형물량을 유지하고 증가시키는 방법으로 옳지 않은 것은?
정답 ① · 문항은 혐기성 반응기에서 생물학적 고형물을 유지·증가시키는 방법 중 부적절한 것을 묻고 있다. 혐기성 시스템에서는 고형물의 유실을 방지하기 위해 체류시간을 길게 하거나 슬러지 블랭킷 개발, 고정된 성장 표면 제공, 유출 슬러지의 회수 및 재순환 등의 방법이 사용된다.
혐기성 반응기에서는 MBR, UASB 등 고형물 유지 기술이 필수적이며, 짧은 HRT는 고형물 유실을 초래한다.
슬러지량이 300m³/day로 유입되는 소화조의 고형물(VS기준) 부하율은 5kg/m³ㆍday이다. 슬러지의 고형물(TS) 함량은 4%, TS중 VS 함유율이 70%일 때 소화조의 용적은? (단, 슬러지 비중은 1.0)
정답 ④ · 유입 슬러지의 TS(총 고형물)는 300m³/day × 4% = 12,000 kg/day입니다. 이 중 VS(휘발성 고형물)의 함유율이 70%이므로 VS의 양은 12,000 × 0.7 = 8,400 kg/day입니다.
슬러지 유량에 함량과 VS 비율을 곱해 VS 부하량을 구한 후 부하율로 나누어 용적을 계산한다.
슬러지 건조고형물 무게의 1/2이 유기물질, 1/2이 무기물질이며 이 슬러지 함수율은 80%, 유기물질 비중은 1.0, 무기물질 비중은 2.5라면 슬러지 전체의 비중은?
정답 ③ · 슬러지의 함수율 80%(즉 물 80, 고형물 20)이며 고형물 20 중 유기물 10, 무기물 10이라는 가정에서 각 체적을 계산합니다. 물(비중 1.0)은 80/1 = 80, 유기물(비중 1.0)은 10/1 = 10, 무기물(비중 2.5)은 10/2.5 = 4입니다.
슬러지 전체 질량을 100으로 가정하고, 물과 고형물의 체적을 각각 비중으로 나누어 합산한 후, 전체 질량을 전체 체적으로 나누어 비중을 계산한다.
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