실 규모 음식물류폐기물 바이오가스화 시설의 운영인자 분석 및 생산목표제 달성도 평가 = Analysis of Operating Factors and Evaluation of Biogas Production Target System Achievement in a Full-Scale Food Waste Biogasification Facility

국문 초록 (Abstract)

2023년 12월 「유기성 폐자원의 바이오가스의 생산 및 이용 촉진법」（이하 바이오가스법）이 시행됨에 따라, 국내 유기성 폐기물 처리시설에는 단계적 바이오가스 생산목표가 부과되고 있다. 본 연구는 2019년부터 2023년까지 음식물류 폐기물의 발생 추이를 분석하고, 고양바이오매스에너지시설의 혐기성 소화 시스템 운영 효율을 평가함으로써 법정 바이오가스 생산목표의 달성 가능성을 검토하는 것을 목적으로 하였다.
본 시설은 음식물류 폐기물 250 t/d와 가축분뇨 10 t/d를 포함하여 일일 260 t, 연간 46,390 t의 유기성 폐기물을 처리한다. 소화조의 물리화학적 특성은 총고형물（TS） 5.9±1.1%, 휘발성 고형물 대 총고형물 비（VS/TS） 83.7±3.3%, 화학적 산소요구량（CODCr） 102.0±16.7 g/L, 휘발성 지방산（VFA） 12.8±3.5 g/L, pH 4.1±0.3으로 나타났으며, 평균 유기물 부하율（OLR）은 1.1±0.2 kg VS/ m3·d（범위 1.0–1.2 kg VS/ m3·d）, 평균 수리학적 체류시간（HRT）은 45일로 운영되었다.
분석 결과, 1인당 음식물류 폐기물 발생량은 2019년 241 g/인·일에서 2023년 204 g/인·일로 15.4% 감소하였다. 세 가지 인구 추계 시나리오（보수적·중도적·낙관적）를 적용하여 추정한 2035년 음식물류 폐기물 발생량은 연간 78,183~87,381 t 범위로 산출되었다. 제거효율은 TS 62.2±3.8%, VS 73.4±3.2%, CODCr 81.5±3.3%로 확인되었으며, VFA/알칼리도 비는 연평균 0.30, 동절기 최대 0.49로 나타나 혐기성 소화 성능의 계절적 불안정성을 시사하였다. 유기물 제거량과 바이오가스 생산량 간의 Pearson 상관분석（n=186） 결과, 상관계수（r）는 CODCr 0.85, VS 0.83, TS 0.80으로 모두 통계적으로 유의하였으며（p〈0.05）, 회귀분석에서의 결정계수（R2）는 각각 0.96, 0.92, 0.86으로 높은 설명력을 보였다.
연간 바이오가스 생산량은 5,365,629 Nm3, 메탄 함량은 62.6%로 측정되었고, 단위 바이오가스 생산량은 115.7 Nm3/t에 도달하였다. 이는 바이오가스법에서 규정한 법정 생산계수 102.7 Nm3/t를 12.6% 상회하는 수준으로, 우수한 에너지 회수 성능을 입증하였다. 현 생산 수준은 2025년 1단계 목표（50%, 4,487,014 Nm3）를 이미 초과하였으며, 2035년 2단계 목표（60%, 5,384,417 Nm3）에도 근접하여 중기 정책 목표 달성이 가능한 시설임을 확인하였다. 다만 본 시설의 설계 내구연한이 2035년 목표 강화 시점 이전인 2029년 5월에 만료되는 점을 고려할 때, 바이오가스법상 단계적 의무 생산량을 지속적으로 준수하기 위해서는 시설의 개·보수 및 증설을 위한 선제적 계획 수립이 필수적이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since the enforcement of the ＂Act on the Promotion of Production and Use of Biogas from Organic Waste Resources＂ （hereinafter, the Biogas Act） in December 2023, stepwise biogas production targets have been imposed on organic waste treatment facilities in the Republic of Korea. This study analyzed food waste generation trends from 2019 to 2023 and evaluated the operational efficiency of the anaerobic digestion system at the Goyang Biomass Energy Facility, thereby assessing the feasibility of meeting the statutory biogas production targets.
The facility treats 260 t/d of organic waste, comprising 250 t/d of food waste and 10 t/d of livestock manure, with an annual treatment capacity of 46,390 tons. The physicochemical characteristics of the digester influent were as follows: total solids （TS）, 5.9 ± 1.1%; volatile solids-to-total solids ratio （VS/TS）, 83.7 ± 3.3%; chemical oxygen demand （CODcr）, 102.0 ± 16.7 g/L; volatile fatty acids （VFAs）, 12.8 ± 3.5 g/L; and pH, 4.1 ± 0.3. The digester was operated at an average organic loading rate （OLR） of 1.1 ± 0.2 kg VS/m³·d （range: 1.0–1.2 kg VS/m³·d）, with an average hydraulic retention time （HRT） of 45 days.
Per capita food waste generation decreased from 241 to 204 g/capita·day between 2019 and 2023, representing a 15.4% decline. Based on three population projection scenarios （conservative, moderate, and optimistic）, the projected food waste generation for 2035 ranged from 78,183 to 87,381 tons/year.
The removal efficiencies were determined as 62.2 ± 3.8% for TS, 73.4 ± 3.2% for VS, and 81.5 ± 3.3% for CODcr. The VFAs-to-alkalinity ratio averaged 0.30 on an annual basis but reached a winter maximum of 0.49, indicating seasonal instability in anaerobic digestion performance. Pearson correlation analysis （n = 186） between organic matter removal and biogas production yielded correlation coefficients （r） of 0.85 for CODcr, 0.83 for VS, and 0.80 for TS （all p 〈 0.05）, and regression analysis yielded coefficients of determination （R²） of 0.96, 0.92, and 0.86, respectively.
Annual biogas production reached 5,365,629 Nm³, with a methane content of 62.6%, resulting in a specific biogas yield of 115.7 Nm³/ton. This value exceeds, by 12.6%, the statutory production coefficient of 102.7 Nm³/ton stipulated by the Biogas Act, demonstrating superior energy recovery performance. The current production level surpasses the first-phase target for 2025 （50%; 4,487,014 Nm³） and has nearly attained the second-phase target for 2035 （60%; 5,384,417 Nm³）, confirming that the facility is on track to meet medium-term policy objectives.
However, the facility reaches the end of its design service life in May 2029, prior to the scheduled target escalation in 2035. This represents a critical policy constraint, as structural aging may compromise operational efficiency before the mid-term target is reached. Accordingly, proactive planning for facility renewal and reinforcement is essential to ensure sustained compliance with the progressive production mandates of the Biogas Act.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 목적 1
• 2. 연구 범위 및 방법 5
• 2.1 연구 범위 5
• 2.2 연구 방법 6
• Ⅱ. 연구사 8
• 1. 음식물류폐기물 발생 현황 및 처리 시설 현황 8
• 2. 혐기성소화 원리와 개요. 15
• 2.1 혐기성소화의 단계별 반응 기작 15
• 2.2 혐기성소화 반응조의 구조적 분류 16
• 2.3 이론적 메탄 생성률 18
• 3. 혐기성소화조에서 미생물 군집 구조와 기능적 역할 22
• 4. 혐기성소화조 환경 요인. 26
• 4.1 온도 26
• 4.2 HRT 27
• 4.3 pH 및 alkalinity. 28
• 4.4 TS（Total Solids） 및 VS（Volatile Solids）농도 29
• 4.5 염분농도 32
• 4.6 C/N Ratio 32
• 5. 방해물질 33
• 5.1 암모니아 33
• 5.2 황산염 34
• 5.3 VFAs 35
• 5.4 중금속 36
• 5.5 미량원소 37
• 5.6 유기화합물 38
• 5.7 입자 크기 및 기타 방해 물질 39
• 6. 혐기성소화 연구 동향 41
• 7. 바이오가스 생산목표제 도입의 정책적 필요성 44
• Ⅲ. 연구방법 47
• 1. 연구대상 및 시설 소개 47
• 2. 분석방법 49
• 3. 혐기성소화조 운영 자료 수집 방법. 49
• 4. 통계 분석 방법 . 50
• 5. 바이오가스 생산 목표 달성도 평가 및 처리시설 수요예측 51
• 6. 현장 운영 중 발생한 주요 문제점 및 대응방안 분석 52
• Ⅳ. 혐기성소화조 운영 및 운전 특성 53
• 1. 반입량 53
• 2. 협잡물 발생량 55
• 3. 소화조 투입량（HRT） 56
• 4. 소화조 유입 성상 58
• 4.1 소화조 유입수 성상 분석 및 계절별 변동 특성 58
• 4.2 소화조 유입 통계분석 62
• 5. 소화조 운전 특성 72
• 5.1 소화조 운전 특성 72
• 5.2 소화조 운전 통계분석 99
• Ⅴ. 바이오가스법 생산목표 달성도 평가 107
• 1. 음식물류폐기물 발생 특성 분석 107
• 2. 장래 음식물류폐기물 발생량 추정 110
• 3. 바이오가스 생산 목표 검토 113
• 4. 바이오가스 생산목표의 정책적 적합성 검토 118
• Ⅵ. 현장 운영 중 발생한 주요 문제점 및 대응방안 120
• 1. 전처리 공정 운영 문제점과 대응방안 120
• 2. 하절기 고온 환경에서의 공정 수온 관리 121
• 3. 동절기 VFAs 관리 방안 123
• 4. 기후변화 적응 관점의 중장기 대응 방안 124
• VII. 결 론 126
• 1. 결론 126
• 참 고 문 헌 133