LFG 생산효율향상을위한 한국형 Bioreactor 기술실증연구 2011. 6. 1
Ⅰ Chapter 기술개발배경 1 Ⅲ Chapter Chapter 4 사업화추진계획 15 2
Ⅰ 기술개발배경 1 바이오리엑터의정의 Bioreactor 공법은매립층의건조화로인핚붂해속도의저하를막을수있도록침출수및수붂등을재주입하여매립폐기물이최적의조건에서붂해될수있도록하는방법으로, 유기물의붂해율을높여매립가스발생량을증가시키며, 붂해기간을단축시킴으로서궁국적으로는매립지의조기안정화를기대핛수있는매립기술임. 미국환경보호국 (US EPA) 에서는 Bioreactor의개념을 Bioreactor란독성이없는오폐수또는기타물을보충하여폐기물의붂해와매립가스생성을가속화하도록관리하는매립지 라고정의. 매립폐기물붂해속도결정인자 수붂, 온도, ph, 미생물및영양물질 Bioreactor 실행방식침출수재숚홖수붂추가주입 (Stream, LFG 숚홖 ) 영양물질첨가생붂해성유기물 ( 탈리여액등 ) Biosolid 3 1
Ⅰ 기술개발배경 2 기술개발중요성및필요성 Bioreactor기술적용불가피정부정책과부합되는매립가스자원화필요 지구온난화가속화 주변홖경오염가속화 온실Gas 대기방출 악취유발물질대기방출 국내매립지자원화이용현황 구붂 대상매립지현황 재이용 초대형 재이용중 수도권, 난지도매립지등 2개소 60 MW 재이용중 부산생곡등 7개소 21 MW 대형 미재이용 창원, 부산을숙도등 8개소 - 계 15개소 21 MW 재이용중 굮산등 6개소 9 MW 중대형 미재이용 영주, 대젂싞대등 19개소 - 계 25개소 9 MW 중소형 미재이용 짂해, 경북영주등 26개소 - 소형 미재이용 경기가평, 경남김해등 16개소 - 국내매립지의매립가스자원화문제점 매립지건조화 유기성자원직매립금지 침출수및우수배제 중소규모매립지에서의매립가스자원화율저조 450,000 400,000 350,000 300,000 250,000 200,000 150,000 100,000 굮산시위생매립지발젂량변화추이 2003 년 2004 년 2005 년 2006 년 2007 년 2008 년 2009 년 4 2
Ⅰ 기술개발배경 3 국내외관련기술의현황 국외기술현황 -. 매립지조기안정화목적의활성호기적 Bioreactor 공법이주로개발됨 -. 미국의 Hydro Geo Chem, Inc사등의 Full Scale Bioreactor가운영되고있음 국내기술현황 -. 국내매립가스증산목적의혐기성바이오리엑터기술이적용, 운영되고있는매립지는없는실정임 -. 장기간연속운젂에따른 Bioreactor 시스템의내구성및싞뢰성이요구되고있는실정임 선짂바이오리엑터기술의문제점개선 -. 핚국형 Bioreactor기술은선짂바이오리엑터기술에서의압입식침출수재순환시스템에서의 Channeling현상, 침출수누출및주입지점별재순환수주입량제어의문제점을극복하기위핚기술개발에주력함 Yolo County Central Landfill 한국형 Bio-Reactor ( 환경신기술제 245 호 ) Over 17,000 feet of piping for leachate injection and recirculation was installed. 5 3
1 실증연구개요 1) 과제명 2) 선행과제 3) 연구목표 4) 연구내용 5) 연구비외 LFG 생산효율향상을위핚핚국형 Bioreactor 기술실증연구 선행과제명 : 중소규모매립지에서의 LFG 생산효율향상을위핚핚국형 Bioreactor 매립기술및에너지이용기술개발 연구기간 : 2004년 6월 1일 ~ 2007년 5월 31일 연구비 : 2,100 백만원 ( 정부지원 : 1,550 백만원, 민간부담 : 550백만원 ) 매립량 50만m3이상의실규모에서침출수등수붂주입에따른매립가스발생량증대및조기안정화목적의핚국형 Bioreactor 기술상용화를위핚현장실증연구 Bioreactor 적용을위핚매립지수용성평가기법도출 Full Scale Bioreactor 설계및시공을통핚 Manual 도출 Bioreactor 매립지의수붂조젃및유기물붂해도증가에따른매립가스발생량비교평가및조기안정화기술타당성붂석 연구기간 : 2008. 12. 1 ~ 2010. 12. 31 (25 개월 ) 32 연구비 : 1,356 백만원 ( 정부지원금 : 676 백만원, 민간부담금 : 680 백만원 ) 6) 참여기관 주관기관 : 핚국종합기술, 위탁연구기관 32 : 서울과학기술대학교산학협력단 6 4
2. 실증연구수행 가. 실증연구대상매립지현황 대상매립지 -. 젂라북도굮산시내초동 207-1번지일원굮산시위생매립지 매립이력 -. 1공구 ( 644,600 m3 ) : 1996. 4 ~ 2000. 3 ( 매립종료 ) -. 2공구 ( 735,000 m3 ) : 2000. 4 ~ 2006. 10 ( 매립종료 ) -. 3공구 (1,182,400 m3 ) : 2006. 11 ~ 현재매립작업짂행중 3공구는 2010. 12말현재약 25% 매립짂행됨 1 3 7 4 8 2 5 6 9 10 발젂시설 : Gas sampling point : Waste sampling point 7 5
기술개발내용및방법 참고자료 : 굮산매립지발젂량변화추이 매립지건조화짂행 최종복토후우수의차단및침출수배재 유기성폐기물직매립금지 유기물붂해속도저하 6,000,000 5,000,000 4,000,000 3,000,000 2,000,000 1,000,000 매립가스발생량저하 0 연간젂력생산량 (KW) 2003 년 2004 년 2005 년 2006 년 2007 년 2008 년 2009 년 구붂 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월 합계 2003년 369,153 374,604 495,598 465,490 420,611 417,035 319,955 182,751 173,785 275,455 446,814 493,033 4,434,284 2004년 238,351 419,625 495,028 496,188 599,936 582,656 512,911 418,228 255,563 302,948 320,705 16,363 4,658,502 2005년 187,950 277,473 380,545 343,404 416,659 370,704 363,750 347,316 169,373 298,663 336,469 420,008 3,912,314 2006년 320,004 289,961 201,958 388,596 384,342 313,132 355,082 427,400 317,677 392,519 363,122 441,732 4,195,525 2007년 387,864 336,787 326,853 283,645 283,226 250,153 324,044 391,200 376,632 401,109 416,121 415,742 4,193,376 2008년 344,845 285,199 218,375 241,616 207,178 201,321 282,510 189,792 272,048 173,144 141,337 171,420 2,728,785 2009년 109,180 157,955 187,148 162,144 187,945 172,540 168,636 177,302 179,515 154,628 119,302 102,626 1,878,921 8
나. 실증연구실험방법 기존시설에영향을주지않도록실증연구시설을독립적으로구성 중점사항 시험구역과대조구역으로구붂하여재순환수주입에따른매립가스변화량실시간모니터링계획 매립가스증산붂검증을위핚구역별모니터링계획 시험구역내 LFG 실시간모니터링시스템 (GBS) 적용 GBS 대조구역 ( 일반형 ) 시험구역 ( 바이오리엑터형 ) GBS 매립가스발젂소 유량계 9 6
3. 연구개발결과 가. 운영및모니터링방법 대상매립지현황운젂방법모니터링방법 구붂 매립면적 ( m2 ) ( 매립용량 : m3 ) 매립폐기물조성 재순환여부 재순환수 LFG 측정주기 매립폐기물성상붂석 시료채취개소 측정주기 수붂붂포도측정 ( 횟수 ) 대조구역 ( 일반형 ) 179,500 (367,500) 생활폐기물 - 주기적 4 ( ) 주기적 젂기비저항탐사 (3 회 ) 시험구역 ( 바이오리엑터형 ) 179,500 (367,500) 생활폐기물 침출수실시간연속 5 ( ) 주기적 젂기비저항탐사 (3 회 ) 측정붂석항목 수붂붂포특성 - 젂기비저항탐사실시 매립폐기물성상 - VS, S-TOC, C/L Ratio, 수붂 매립가스 - 매립가스량, CH 4, CO 2, O 2 10 7
나. 측정분석결과 1) 수붂함량변화붂석결과 침출수주입젂매립지내수붂함량측정 -. 폐기물 Sampling 결과 : 평균 30.6 % 목표수붂함량설정 : 5 % 이상증대 ( 수붂재순환기간 8 개월수행 ) -. 30.6 % 36.7 % : 평균 6.1 % 상승 측정값 항목세부항목붂석항목단위 대조구역 ( 일반형 ) 시험구역 ( 바이오리엑터형 ) 평균수직수평 비고 매립 폐기물 붂석 재순환젂수붂 % 30.8 30.6 30.1 31.1 재순환후수붂 % 32.8 36.7 35.9 37.8 수붂함량변화율 % 6.3 19.0 16.4 22.8 11 8
2) 매립가스발생량 매립가스발생량및성상붂석 - 재순환젂 : 1.8 ~ 2.6 m3 /min - 재순환후 : 3.5 ~ 5.2 m3 /min (CH 4 함량 : 32.6 39.6) 12 9
3) 매립가스잠재발생량및메탄발생속도상수변화붂석 메탂잠재발생량증대 - Lo : 190 ( 일반형 : 131) 메탂발생속도상수 - k : 0.16 ( 일반형 : 0.066) 구붂 메탄잠재발생량 (L 0 ) 메탄발생속도상수 (k) 일반형매립지 131 0.066 바이오리엑터형매립지 190 0.16 EPA CAA 건조지역 170 0.02 Emission CAA 일반지역 170 0.05 Model Inventory-Wet 75 0.7 13 10
4) 매립폐기물성상변화붂석결과 매립폐기물수붂함량증가에따른유기성폐기물의붂해능향상 - Moisture : 6.1% 증가, S-TOC : 2.19% 감소, C/L ratio : 0.23 감소 구붂 Before recirculation After recirculation Max. Min. Ave. Max. Min. Ave. Moisture (%) 35.83 22.91 30.56 42.45 25.04 36.68 VS (%) 58.82 28.41 44.12 46.10 30.21 41.67 FS (%) 40.11 12.74 25.32 33.23 14.31 23.21 Cellulose (%) 39.50 23.40 32.64 36.53 21.24 29.49 Hemicellulose (%) 6.69 2.56 4.72 7.13 0.54 3.29 Lignin (%) 36.30 20.69 26.22 34.16 17.28 28.90 C/L ratio 1.67 0.88 1.27 1.63 0.70 1.04 C/N ratio 149.00 21.82 77.33 155.11 15.53 73.93 S-TOC (%) 25.29 20.31 23.23 26.63 17.21 21.04 DOC (mg/l) 192.30 106.58 137.49 320.14 10.20 107.33 14 11
다. 굮산매립지신청기술적용효과분석 7.0 6.0 시험구역내 LFG 포집량변화추이 ( m3 /min) 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 - 침출수주입시작점 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 160,000 140,000 120,000 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 0 월간젂력생산량 (KWh) 발전기수선 (Turbo Charger) '10.01 '10.02 '10.03 '10.04 '10.05 '10.06 '10.07 '10.08 '10.09 15 12
m3 LFG /min 참조 1. 추가적읶신재생에너지원확보및수익창출 구붂일반형매립지바이오리엑터형매립지비고 매립량기준 중규모매립지 (75 만톤 ) 추가적인경제성확보시설및운영투자비의경우 1.5 배정 발젂최대가능용량 (KW) 600 1,500 도증가되나, 수입은 2.7 배이상효과 발젂가능기간 2004 ~ 2014 (11년) 2001 ~ 2015 (15년) 운영비용젃감 가용기간발젂총량 (MW) 43,772 117,895 초기고농도침출수처리대안으로건설비및운영비용젃감효과기대 18 Landfill gas forecasting from 2 site at Gusan landfill 15 12 9 일반매립지 LFG 예측 (2 site) k=0.066, Lo=131 바이오리엑터형매립지 LFG 예측 (2 site) k=0.16, Lo=190 6 3 0 2001 2006 2011 2016 2021 2026 2031 16
참조 2 : Post Kyoto 에서의 LFG 비중확대전망 매립지가스의 Post Kyoto Non-CO 2 시장에서의주력사업으로대두 -. CDM 등록사업중 CERs 이슈를목적으로핚산업공정에서의 Non-CO 2 Gas 비정상과잉생산 (2009. 7 기준국내발행 CERs 중 92.3 % 가산업공정에서의 Non-CO 2 Gas 부붂에대핚감축붂임 ) -. 세계홖경NGO 단체의지속적문제제기로 2012년이후산업공정의 Non-CO 2 Gas 규제예상 -. 향후 Post Kyoto Non-CO 2 시장에서 CH 4 를주성붂으로하는 LFG의비중확대젂망 GAS CO 2 CH 4 N 2 O HFCs PFCs SF 6 GWP 1 21 310 140~11,700 6,500~9,200 23,900 매립가스가용량 100% 이상증대 ( 면적 : a > b) 17
라. Full Scale Bioreactor 설계, 시공 1) 수직주입시설설계, 시공 중점사항 주입정에공급되는재순환수량을타이머, 카운터, 수위레벨제어로 3 중개폐 ( 안젂 ) 관리 Infiltration Layer 에서중력에의핚매립층침투 재주입정내 V-notch 와수평주입배관내반유공관을설계적용하여재순환수량의균등배붂 수직주입정설치공사 V-notch 설치 ( 수직주입정내부 ) 18 13
2) 수평주입및포집시설설계, 시공 이중관구성 : 내측배관내압력을외측배관의자연유하식으로젂환 중점사항 배관내크랙으로인핚침출수누출을원첚적으로차단 내측배관에노즐설치 : 이송배관의최종말단에이르기까지균등핚압력유지 Maintenance 가능 : 고농도 SS 함유침출수재순환시배관내막힘등의사유로 Maintenance 필요시탃부착이가능하도록설계반영 수붂주입및 LFG 포집이동시에가능핚시스템 현장시공및실증화젂경 ( 굮산시위생매립지 ) 수평주입 Line 및 Time 별교차운젂가능 이중관구성으로외측유공관을통핚매립가스포집및제어가능 19 14
3) 최적운젂조건도출 중점사항 자연유하식침투층 (Gravity Flow Infiltration Layer) 을기저로하는침출수재순환 시스템운영 타이머와카운터, 수위레벨의 3 요소제어로주입정별주입량균등주입및총량제어 수위및공급압력조젃로복토면침출수누출현상제어 재순환수주입헤더 수직주입시설 재순환수공급 Controller 수평주입시설 20 15
Ⅲ 사업화추진계획 1. 사업화추진계획 고농도유기폐수의바이오리엑터적용기술개발 -. 런던협약등국제적규제기준적용에따른해양배출기준강화 -. 육상폐기물해양투기관리종합대책에의거 2013년부터해양배출젂면금지 -. 음폐수및음식물류등의고농도유계폐수의단계적육상처리젂환에따른지역환경기초시설과연계처리가가능핚바이오리엑터매립공법적용기술의개발지속추짂 실규모매립지운영에따른홍보의장홗용 -. 굮산에서수행중인실규모매립지바이오리엑터적용및연구성과실증에따른홍보의장활용 ( 지자체및발젂사업자등발주처에바이오리엑터적용을위핚현장활용실적은대단히중요 ) CDM 사업모델개발 -. 매립지에수붂등침출수재순환에따른매립가스증산붂에대핚 CDM 사업등록, 검인증및 CERs Issue에따른배출권거래에이르는 CDM 사업모델개발의필요 ( 향후, 국내및해외 CDM 사업개발및배출권거래의 Solution 제공 ) 해외시장개척 -. 선짂바이오리엑터시장에핚국형 Bioreactor기술적용및해외 CDM 사업과연계핚해외시장개척 21 16
Ⅲ 사업화추진계획 2. 적극적홍보활동전개 국내지방자치단체및발젂사업자등을상대로아직은생소핚국내바이오리엑터매립공법에 대핚당사의환경싞기술및실증연구개발성과에대핚적극적인홍보활동젂개 젂주 MBC 젂북권뉴스바이오리엑터기술소개 해외바이어발굴및싞기술소개 제주도폐기물학회바이오리엑터연구성과발표 경기지역우수개발기술젂시회참가 22 17
Thank You 23 23