소개글
"폐수를 처리하면서 동시에 수소를 얻는 기술"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
2. 폐수 처리 및 수소 생산 기술
2.1. 폐수 처리를 통한 메탄 발생
2.2. 폐수 처리와 동시에 수소 생산
2.3. 메탄 발효와 수소 발효의 비교
3. 메탄 발효 기술
3.1. 메탄 발효의 정의와 원리
3.2. 메탄 발효의 장단점
3.3. 메탄 발효 공정
4. 수소 발효 기술
4.1. 수소 발효의 정의와 원리
4.2. 수소 발효의 운전 인자
4.3. 수소 발효 공정
5. 결론
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
21세기는 급증하는 생활 폐기물과 기후 위기를 동시에 해결해야 하는 과제에 직면해 있다. 매년 전 세계에서 발생하는 생활 폐기물이 꾸준히 증가하고 있으며 이 중 상당량이 매립되거나 소각되어 환경 오염과 탄소 배출이 악화되고 있다. 특히 유기성 폐기물은 적절히 처리되지 않을 경우 메탄과 같은 온실가스를 배출하여 지구 온난화를 가속화시키는 주범이 된다. 따라서 폐기물을 단순한 쓰레기로 취급하기보다 자원 순환과 에너지 회수의 중요한 대상으로 인식하고 환경 보전과 에너지 자원화를 동시에 실현할 수 있는 기술 혁신이 필수적으로 요구되고 있다. 이러한 맥락에서 메탄발효와 수소발효는 유기성 생활 폐기물을 에너지로 전환하는 대표적인 생물학적 공정으로 알려져 있다. 메탄발효는 혐기성 조건에서 미생물이 유기물을 분해하여 메탄을 생산하는 전통적인 방식으로 이미 상용화된 기술로서 안정적인 에너지 회수에 강점을 지닌다. 반면 수소발효는 최근 부상하는 기술로 수소를 고순도로 생산함으로써 수소 에너지 경제의 기반을 마련할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 두 기술은 모두 폐기물 감량과 에너지 생산을 동시에 달성할 수 있다는 공통점을 지니지만 그 원리, 과정, 결과물, 그리고 활용 방안에서 뚜렷한 차이를 보인다. 이 글에서는 메탄발효와 수소발효의 기술적 특성, 환경적 영향, 경제성을 비교 분석하여 각 기술의 장단점을 명확히 하고 이를 바탕으로 미래 폐기물 자원화 전략에 대한 방향성을 알아보고자 한다. 특히 메탄발효의 환경적 리스크와 수소발효의 기술적 한계를 균형 있게 서술함으로서 두 기술이 환경오염 문제와 에너지 자립 문제를 해결하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 탐구할 것이다.
2. 폐수 처리 및 수소 생산 기술
2.1. 폐수 처리를 통한 메탄 발생
메탄발효는 혐기성 조건 하에서 유기물이 메탄생성균에 의해 분해·안정화되고, 그 결과로서 메탄가스라는 최종산물을 얻는 과정이다. 저습지 또는 담수된 논토양의 환원상태에서 메탄생성세균이 유기물을 에너지로 이용하면서 메탄을 생성하는 생화학적 반응이 일어난다. 자연계에서 메탄을 생성하는 미생물로는 Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanosarcina, Methanogenium, Methanospirillum, Methanomicrobium, Methanoplanus 속의 편성혐기성 세균 등이 있다.
농업부문에서 메탄발효에 의해 배출되는 메탄량은 110Tg · yr－1으로 전체 자연계 배출량의 21% 가량을 차지한다. 메탄은 아산화질소와 함께 농업부문에서 배출되는 주요 온실가스로서 지구온난화에 영향을 미친다. 토양 속에 유기물이 분해된 상태로 있을수록, 또한 산화적 분해가 잘되는 조건에 있을수록 메탄생성량은 적다.
유기물은 혐기성 조건에서 분해되어 최종적으로 메탄, 이산화탄소, 소량의 황화수소 및 암모니아 등과 같은 가스로 전환된다. 메탄가스는 예전부터 하수처리장에서 소화조 가온, 플랜트 난방 또는 기계운전에 사용되어 왔다. 폐수처리장에서 발생되는 메탄의 양은 도시가스로의 전환을 고려할 만큼 충분한 양은 아니지만 폐기물을 이용하여 메탄가스를 생산할 경우 그 잠재력은 도시가스로의 전환을 고려할 수 있을 만큼 크다.
메탄 발생량을 추정하기 위해서는 혐기성 조건에서 분해되어 가스로 전환되는 과정을 분석해야 한다. 호기성 반응의 경우 세포수율이 높아 슬러지 발생량이 많고 고농도 폐수의 경우 산소전달 제한으로 인해 처리가 어려운 단점이 있다. 반면 혐기성 반응은 운전비용이 저렴하고 세포수율이 낮아 슬러지 발생량이 적으며 고농도 폐수도 처리가 가능하다는 장점이 있다. 다만 메탄균의 성장이 느리기 때문에 반응속도가 더딘 단점이 있다.
혐기성 분해과정은 총 4단계로 이루어지는데, 가수분해, 산생성, 초산생성, 메탄생성 순으로 진행된다. 초기 가수분해 단계에서 복합유기물질이 단순유기물질로 분해되고, 이후 산생성균에 의해 유기산과 알코올이 생성된다. 초산생성균은 유기산을 초산과 수소로 분해하며, 마지막으로 메탄생성균이 초산과 수소를 이용하여 메탄을 생성한다. 메탄생성균은 다른 미생물에 비해 성장이 느리고 환경변화에 매우 민감하여 적절한 운전조건 관리가 필요하다.
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미생물 활용, 혐기성 소화 통해 50% 이상의 메탄 생산, 2022, [연재] ① 바이오가스 생성 원리와 친환경 효과미생물 활용, 혐기성 소화 통해 50% 이상의 메탄 생산
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