혐기성 소화조 설계시 고려사항

혐기성 소화의 주요 목적은 소화슬러지의 탈수성을 증가시키고 부패를 최소화하기 위하여 슬러지의 휘발성 고형분의 일부를 생분해하는 것이다. 휘발성 고형분의 분해는 시간에 달려 있으므로 설계기준은 소화슬러지 내 휘발성 고형분의 요구 감소량을 충족하기 위한 시간에 기준을 둔다. 고려 및 제어해야 할 설계요소는 수리학적 체류시간, 균일 고형분 부하, 온도와 혼합을 포함한다.

수리학적 체류시간

수리학적 체류시간은 메탄생성률 및 범위에 영향을 주며 이는 차례적으로 소화조, 가동온도, 고형물질 농도, 슬러지 내 휘발성 고형물 구성비와 같은 환경요인의 영향을 받는다. 체류시간은 미생물이 반응조에서 소멸하는 것을 방지하기 위하여 소화조 내 미생물의 최소 성장주기보다 길어야 한다. 안정적인 운전을 위하여 가장 중요한 미생물의 생성주기의 2배를 유지함이 권장된다. 체류시간은 휘발성 고형분의 요구 분해도를 만족시킬 정도로 커야 한다. 따라서 체류시간은 휘발성 고형물의 부하와 반응조 내 활성 바이오매스의 양에 따라 결정된다. 이것은 하한 체류시간은 메탄생성균의 생성주기, 상한 체류시간은 부하율과 요구 분해율의 함수에 의해 결정된다는 것을 의미한다. 수리학적 체류시간은 휘발성 고형물의 분해 범위와 소화조의 요구부피에 영향을 미친다.

부하율

혐기조의 부하율은 단위시간당 단위부피에 추가된 유기물질의 양으로 정의된다. 하수슬러지를 공급받는 소화조에 관련된 단위는 일반적으로 일당 입방미터당 킬로그램을 사용한다. 부하는 반응조의 체류시간과 주입 농도와 관련된다. 세포의 재순환이 없는 반응조의 경우의 부하는 슬러지 체류시간과 관계되는데 이는 슬러지 체류시간과 수리학적 체류시간이 같기 때문이다. 대부분의 혐기성 소화조는 고형물의 재순환이 없는 반응조로 정의된다. 따라서 수리학적 체류시간은 평균 세포 체류시간과 같다. 일단 슬러지의 유량이 결정되면 반응조 부피는 고정된다. 요구 반응조 부피가 결정되면 소화과정에서 생성되는 메탄이 충분한지를 알아보기 위해 소화조를 가열하기 위한 에너지의 양을 계산해야 한다.

교반

반응조 교반의 일반적인 목적은 미생물 농도, 기질 농도, pH, 온도와 같은 반응속도에 영향을 미치는 인자의 변화도를 최소화시키거나 제거하기 위함이다. 혐기성 소화조 교반의 주요 장점은 다음과 같다.

• 소화 슬러지의 화학적, 물리적 균등도를 유지함에 의한 열적인 성층구조의 제거와 반응조 내 균일한 온도 유지
• 바이오매스와 주입 슬러지간의 긴밀한 접촉 유지
• 소화과정에서 발생된 대사에 의한 최종 부산물과 유입슬러지와 함께 유입되는 여타 독성물질의 신속한 분산에 의해 미생물학적 활동에 방해 혹은 독성의 영향을 최소화
• 표면 스컴층 형성/거품발생 및 소화조 바닥에 난분해성 고형물의 침전 방지

혐기성 소화조는 운전 중에 외기와 차단되고 유지보수를 위한 접근이 어렵기 때문에 반응조 내의 교반을 위한 구성요소는 유지보수가 최소화되도록 효과적인 시스템으로 구성됨이 필수적이다. 소화조 내부에 위치한 주걱형 날개회전방식의 로터리식 기계장치가 가스와 액상 순환시스템의 정체적인 구조보다 유지관리의 문제점을 발생시키는 원인임이 틀림없다. 이러한 관점에서의 소화조 교반과 관련된 실제 사레는 다양하게 나타난다. 이와 같은 관점에서 교반장치와 이에 따른 탱크구조의 개선과 관련된 세분화된 공학적 설계는 매우 중요하다.

혐기성 소화조에서의 부적합한 교반은 생슬러지의 불완전 안정화, 메탄생성의 감소, 병원균의 비효율적 제거를 유발한다. 이는 혼합구역 주변의 단회로, 소화조 내의 교반 사구역 혹은 이들의 조합에 기인하며 수리학적 체류시간을 심각하게 단축시킨다. 가스 교반기의 에너지 수요량은 프로펠러형 교반기 혹은 순환펌프보다 크다. 가스 교반기의 에너지 사용량은 단위면적 당 3~5W 수준이고 프로펠러형 혹은 순환형은 1W 미만이다.