음식물 쓰레기의 혐기성 소화를 통해 매립지를 "에너지 충전소"로 전환
- Robin Whitlock
- 2023년 2월 16일
- 5분 분량
전 세계적으로 난방, 냉방 및 발전에 재생 에너지 사용이 확대되면서, 유기성 폐기물을 처리하는 매립지의 대안으로 혐기성 소화(AD)에 대한 관심이 커지고 있습니다.
AD 기술은 음식물 낭비 문제를 해결하는 것 외에도 농장에서 가축과 작물 생산 시 발생하는 폐기물을 처리하는 데 널리 사용되고 있으며, 에너지 비용을 줄이려는 소매업체와 식품 생산업체 사이에서도 각광받고 있습니다.
AD는 대기 중으로 방출되는 이산화탄소와 메탄의 양을 줄이는 일반적인 수단으로도 점점 더 인기를 얻고 있으며, 정부는 인센티브를 제공하여 이를 지원하고 있습니다.
혐기성 소화란 무엇이고 소비자, 기업, 환경에 어떤 이점이 있습니까?
혐기성 소화와 그 작동 원리
AD는 음식물 쓰레기, 동물 분뇨, 폐수 처리 시설의 고형물과 같은 유기물을 바이오가스로 전환하는 공정입니다 . 이는 차량에서 재생 가능한 연료로 사용할 수 있으며 열과 전기를 생성할 수 있습니다. 이는 천연 가스를 대체하고, 국가의 가스 그리드에 공급되며, 국가 전력망에 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다.
AD 공정은 혐기성(또는 산소 없음) 분위기에서 유기물을 분해하는 박테리아에 의해 구동됩니다. 그렇게 하면서 박테리아는 바이오가스를 생산하는데, 바이오가스는 주로 메탄(CH4)과 이산화탄소, 황화수소, 수증기 및 소량의 다른 가스와 같은 다른 원소로 구성됩니다.
©Thzorro77/Wikimedia (CC BY-SA 4.0)
이 과정은 특정 자연 환경에서 발생하는 유사한 과정을 반영합니다. 1776년 알레산드로 볼타가 발견했듯이, 때때로 " 습지 가스 "라고도 불리는 메탄은 해양 유역의 일부 토양, 호수 및 퇴적물에서 생성됩니다.
혐기성 소화조에서 이 바이오가스는 소화실 위로 올라가고 폐기물 고형물(소화물)은 바닥으로 떨어집니다. 영양소가 풍부한 이 고형 물질은 추출하여 농업에서 비료나 가축 깔짚으로 사용하거나 바이오플라스틱 생산을 위한 기본 재료로 전환할 수 있습니다. 바이오가스는 정제하여 바이오메탄이나 재생 가능 천연가스(RNG)를 생성하여 국가 가스 그리드에 공급할 수 있습니다.
세균 배양 및 "파종"
AD는 박테리아 가수분해라는 과정으로 시작하는데, 여기서 원료의 화학 결합, 특히 탄수화물과 같은 불용성 유기 중합체가 분해됩니다. 그런 다음 산생성(산 생성) 박테리아가 당과 아미노산을 다루어 아세트산, 암모니아, 이산화탄소, 수소, 암모니아 및 유기산으로 전환합니다. 마지막으로 메탄생성균(메탄 생성 박테리아)이 이러한 생성물을 메탄과 이산화탄소로 전환합니다.
이러한 박테리아 군집이 자리를 잡는 데 시간이 걸리기 때문에 AD 과정은 일반적으로 가축 분뇨나 하수 슬러지와 같은 다른 물질을 도입하여 "점프 스타트"를 합니다. 이 관행을 "파종"이라고 합니다.
일부 소화조는 공동 소화를 통해 여러 가지 다른 원료를 수용할 수 있습니다. 이러한 공동 소화된 물질에는 일반적으로 거름, 음식물 쓰레기, 에너지 생산을 위한 원료를 생산하기 위해 특별히 재배된 작물(에너지 작물), 작물 잔여물, 그리고 식당에서 나오는 지방, 오일, 그리스가 포함됩니다.
이러한 공동 소화 과정은 일반적으로 소화하기 어렵거나 그 자체로 소화하더라도 적은 양의 바이오가스를 생성하는 물질로부터 바이오가스를 생성할 수 있다는 점에서 특별한 이점이 있습니다.
혐기성 소화는 미국, 영국, 독일, 덴마크 등 여러 국가에서 중요한 재생 에너지 및 환경 기술로 점차 인정받고 있습니다.
현재 영국에서는 320만 톤의 음식물 쓰레기가 수거되어 AD 공장으로 운반됩니다. 현재 전국에 650개의 AD 공장이 있습니다 . 많은 공장이 국제 표준화 기구의 ISO 9001(관리 표준 참조) 및 ISO 14001(특히 환경 표준 관련)에 따라 인증을 받았습니다. 이들은 다양한 형태를 띠며, 공급되는 폐기물(원료)에 따라 다양한 모양과 크기로 설계됩니다.
온도의 중요성
다양한 세균 배양과 함께 혐기성 소화에 중요한 요소 중 하나는 온도입니다.
예를 들어 스웨덴에서는 2017년에 혼합 슬러지를 처리하는 폐수 처리 시설(WWTP)에서 특정 온도가 AD에 미치는 영향을 조사하는 프로젝트가 시행되었습니다 .
실험실 규모 연구 프로그램에서 34°C(93°F), 38°C(100°F), 42°C(107°F)의 온도를 사용한 결과, 온도를 42°C로 높이면 공정 불안정성, 메탄 수율 감소 및 비용 증가 가능성이 커지는 것으로 나타났습니다.
온도를 34°C로 낮추면 슬러지 물질의 양이 증가하고 바이오가스 생산 속도가 낮아졌습니다. 결과적으로 이 프로젝트는 WWTP에서 AD의 최적 온도는 38°C라는 결론을 내렸습니다.
이 스웨덴 실험의 WWTP 프로젝트는 중온(적당한 온도) 시스템이 혐기성 소화를 통한 슬러지 처리에 더 적합하다는 것을 보여주었습니다.
일반적으로 혐기성 소화조는 두 가지 유형으로 나뉜다 . 중온성 소화조가 가장 흔하며, 일반적으로 35°C(95°F)에서 40°C(104°F) 사이의 온도 범위를 활용한다. 반면, 호열성 소화조(열을 좋아하는 박테리아 포함)는 50°C(122°F) 이상의 온도를 활용하지만 작동 요구 사항이 더 높아 덜 흔하다.
소화조의 온도를 지속적으로 모니터링하는 것은 매우 중요하며, 최적의 효율을 위해 소화조를 냉각하는 것이 필수적일 수도 있습니다. 이는 혐기성 소화조의 박테리아가 온도에 매우 민감하고 "온도 충격"이 메탄 생산을 줄일 수 있기 때문입니다.
압력은 AD에서 또 다른 중요한 요인이 될 수 있습니다 . 압력은 생성된 메탄의 함량을 증가시키고 바이오가스 업그레이드 및 가스 그리드 주입에 대한 에너지 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그러나 고압 소화조는 대규모 자본 투자가 필요하며, 이는 이 분야의 연구를 제한하는 경향이 있습니다.
AD의 환경 및 농업적 이점
혐기성 소화는 전 세계적으로, 특히 선진국에서 심각한 문제인 음식물 쓰레기의 양을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
영국의 한 저명한 AD 운영자 에 따르면 , 매립지로 가는 대신 혐기성 소화조에 공급된 1톤의 음식물 쓰레기는 0.5~1.0톤의 CO 2가 대기로 유입되는 것을 방지합니다. AD는 유기물을 포집하고 처리함으로써 메탄이 대기로 유입되는 것을 방지하는 데에도 도움이 됩니다. 이는 메탄이 이산화탄소보다 기후에 더 큰 피해를 주는 것으로 여겨지기 때문에 유익합니다.
하지만 음식물 쓰레기 감소를 위해 AD를 활용하기 위해서는 여전히 몇 가지 과제가 남아 있다 .
그 중 하나는 음식물 쓰레기가 처리 과정 초기 단계에서 휘발성 지방산을 생성하는 경향이 있다는 것입니다.
AD 공정이 제대로 제어되지 않고 최적화되지 않으면 음식물 쓰레기 소화는 다양한 중간 화합물을 생성할 수 있습니다. 이는 거품 발생과 낮은 메탄 수율을 초래하여 공정의 효율성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 높은 운송 및 운영 비용은 또 다른 문제입니다.
바이오가스의 품질은 그것이 어떻게 사용되는지를 결정합니다 . 정제되지 않은 바이오가스는 소화조에서 바로 나와 버스와 코치에 사용되는 것을 포함하여 더 튼튼하고 덜 효율적인 내연 기관에 공급될 수 있습니다.
미량 원소가 정화된 바이오가스는 더 효율적이고 민감한 엔진에서 사용할 수 있습니다. 가스 그리드 표준을 충족하도록 처리된 최고 품질의 바이오가스는 천연 가스 파이프라인을 통해 분배되어 가정과 사업장에서 사용할 수 있습니다. 바이오메탄 또는 압축 천연 가스(CNG) 및 액화 천연 가스(LNG)로 업그레이드된 바이오가스는 자동차와 트럭에서 사용할 수 있습니다.
©Tiia Monto/위키미디어(CC BY-SA 3.0)
남은 소화물은 고체와 액체로 분리할 수 있으며, 고체는 비료 펠릿으로 가공하거나 분해하여 사용할 수 있고, 액체는 액상 비료로 사용할 수 있습니다.
이러한 재료가 토양에 미치는 이점은 다음과 같습니다. 토양 유기물 함량 증가, 화학 비료 및 살충제 사용 감소 또는 대체, 식물 성장 개선, 영양소 유출 및 토양 침식 감소, 토양 압축 방지, 토양이 물을 유지하는 데 도움이 되어 관개 필요성이 줄어듭니다.
그러나 여러 국가, 특히 미국에서는 이 절차를 시행하기 전에 토양 및 영양소 관리 계획이 필요합니다.
농업 및 식품 부문에서의 AD 사용
혐기성 소화는 스미스필드 푸드(세계적인 대형 돼지고기 생산업체), 미국의 소매업체 크로거, 스포츠 경기장과 같은 대형 식품 공급업체 등의 농업 및 식품 부문에서 일반적으로 사용됩니다 .
영국에서 대부분의 농장 내 소화조는 1987년과 1995년 사이에 건설되었습니다 . 영국 정부가 도입한 재생 에너지 생산에 대한 새로운 인센티브는 AD 접근 방식의 활성화로 이어질 것입니다.
중요한 청정 에너지 부문
여러 국가에서 입수 가능한 모든 증거를 고려할 때, 혐기성 소화는 광범위한 글로벌 청정 에너지 산업의 중요한 부분으로 명확하고 널리 이해되고 있습니다. 이해할 수 있게도, 음식물 쓰레기는 이상적으로는 식량 부족에 시달리는 인구에게 재분배되어야 하지만, 현재의 현실은 세계가 여전히 너무 많은 음식을 낭비하고 있으며, 대부분은 매립지로 간다는 것입니다.
이를 혐기성 소화로 전환하면 문제가 줄어들 뿐만 아니라 기후 변화에 대처하는 데 필요한 깨끗한 에너지도 생산됩니다. 비슷한 이유로 유기 농장 폐기물과 WWTP의 고형물을 혐기성 소화로 전환하는 것도 합리적이며, 폐기물을 줄이고 추가 수입원을 창출하여 농장과 수산업 운영 비용을 절감하는 추가 이점이 있습니다.
따라서 혐기성 소화의 지속적인 성장을 기대할 수 있습니다.
*Robin Whitlock is an England-based freelance journalist specializing in environmental issues, climate change, and renewable energy, with a variety of other professional interests including green transportation.
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