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문제 정의
- 본 연구는 농가 부산물과 미생물을 이용한 악취 제거용 바이오 필터 기술과 우리나라 축산 농가에 적합한 보급형 바이오 필터 시스템을 개발하기 위해 수행되었다.
- 본 연구는 환경 친화적인 악취 제거 미생물을 이용하여 축사내 암모니아를 제거하기 위한 pilot 규모의 바이오 필터 시스템을 개발하고자 수행되었으며, 구체적인 목적은 다음과 같다.
제안 방법
- 20일 동안 바이오 필터 시스템을 시운전하면서 미생물을 투입하였을 경우와 투입하지 않은 경우의 시간에 따른 암모니아 제거율은 입 - 출구 농도를 측정하여 계산하였으며, 그 결과는 Fig. 15와 16에 나타낸 바와 같다. 미생물 접종을 하지 않은 경우 초기 흡착에 의한 영향으로 제거율이 높다가 시간에 따라 차츰 낮아져 90% 이하로 떨어지는 경향을 보였고 (Fig.
- 가스 유입구와 가스 배출구에 각각 센서를 설치하였으며, 두 센서가 반응하는 시간 차이로부터 가스의 체류 시간을 알 수 있으며, 두 센서의 출력 값의 차이로부터 초기 제거율을 획득할 수 있었다.
- 개발된 바이오 필터 시스템을 20일 동안 운전하면서, 미생물을 투입하였을 경우와 투입하지 않았을 경우, 시간에 따라 pH 변화량, 악취 제거율을 측정하고 성능을 평가하였다.
- 유량에 따른 초기 제거율은 송풍량이 증가할수록 점차 낮아짐을 알 수 있다. 따라서, 초기 제거율이 급감하는 시기와 표준 체류시간의 변화가 일어나는 시점의 용량을 사용된 필터의 처리 용량 (0.267 1/min/h)으로 결정하였다. 여기서 h는 바이오 필터의 충진물의 높이(cm)를 나타낸다.
- 바이오 필터 시스템의 환경제어는 미생물의 활성에 가장 중요한 영향을 미치는 온도와 함수율을 대상으로 하였고, pH는 모니터링 하였다. 필터 내부 온도 측정에 사용된 온도 센서는 SENTECH-PT-100 모델로 20cm 길이의 막대봉 끝에서 15cm 위치에 2 개의 센서를 부착하여 사용하였다.
- 바이오 필터의 환경제어를 위한 프로그램은 Fig. 6 과 같이 Labview 5.()1 로 작성되었으며, 데이터 획득률, 입력채널 등을 조절할 수 있고 스트링 형태로 10 초마다 현재의 환경정보를 하드웨어에 저장할 수 있게 하였다.
- 본 연구에서 구성한 바이오 필터 시스템은 암모니아 가스를 대상으로 여러 조건에서 성능을 구명하였으며, 필터 설계시 중요 인자인 송풍량, 온도, 함수율, 압력강하, 체류시간들간의 관계를 구명하였다. 필터 내부의 온도 변화는 악취가스의 체류시간과 압력손실에 거의 영향을 주지 않았다.
- 가스 유입구에는 직경 5 cm의 파이프를 부착하여 송풍기와 연결하였다. 송풍기는 측면의 개폐구를 통해 풍량 조절이 가능하며, 유량계와 연결되어 있어 유량을 측정하도록 하였다. 사용된 악취 제거 미생물은 농촌진흥청 산하 축산기술연구소에서 악취 제어용으로 동정 보관 중인 균주로써 Bacillius.
- 여재 내부의 온도와 함수율을 각각 20 ℃ 와 45%로 유지하고, 바이오 필터의 높이는 1m로 고정시킨채 바닥면의 면적을 변화시키면서 바이오 필터를 통과한 후의 압력손실을 측정하였다. Fig.
- 제어 시스템은 2개의 온도 센서와 1개의 수분 센서로 구성된 환경 계측장치, 입력된 온도와 함수율에 따라 적절한 제어 신호를 출력하는 NI PCI-6023E가 탑재된 컴퓨터, 출력된 신호를 이용하여 솔레노이드밸브와 면상 발열체를 On/Off 제어하기 위한 신호변환기로 구성되었다. 함수율 제어를 위한 살수장치는 솔레노이드 밸브를 사용하였다.
- 축사내의 악취 제거를 위해 Fig. 2와 같은 실험실 규모의 바이오필터 장치를 설계하였다.
- 후와 가습 전 . 후의 암모니아 가스농도의 측정을 위해 검지관(Gasteck Co., Japan)과 TG-2400KA(CEA Instruments Inc., USA)을동시에 사용하여 암모니아 가스 농도를 측정하였다. Table 2는 사용된 가스 센서에 대한 사항이다.
대상 데이터
- PVC 원통형 아크릴로 제작된 바이오필터는 높이 100 cm, 내경 20 cm로 설계하였고 내부에 여재로서왕겨(chaff)를 30 cm 높이로 충진하였다. 가스 유입구에는 직경 5 cm의 파이프를 부착하여 송풍기와 연결하였다.
- coagulans NLRI T-6과 Pseudo- nonas. putida NLRI S-21 을 분양받아 사용하였다. 이들 균주는 NHJ을 기질로 이용하며 자연계에서 가장 흔한 미생물이다.
- 포화시켜서 사용하였다. 균주와 왕겨를 V- MIX로 24시간 동안 혼합하여 균주의 서식에 최적 조건인 온도 25℃, 10%의 수분 함량을 만들기 위해 며칠간우점화 시킨 후 충진 여재로 사용하였다.
- 본 연구는 실험실에서 암모니아 가스만을 대상으로 수행되었다. 따라서 실제 축사에서 발생하는 다양한 성분의 악취와 농도에 대한 성능 검증과 개선에 대한 연구가 보다 장기간에 걸쳐 이루어져야 할 것이다.
이론/모형
- 필터 내부 온도 측정에 사용된 온도 센서는 SENTECH-PT-100 모델로 20cm 길이의 막대봉 끝에서 15cm 위치에 2 개의 센서를 부착하여 사용하였다. 수분센서는 토양의 수분을 측정하는 GMK- 770G 모델을 사용하였으며 이들의 구체적인 사양은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 16). 따라서 미생물을 접종하는 것이 균일하고 안정된 암모니아 제거율을 얻을 수 있을 것으로 판단 되었다.
- 15와 16에 나타낸 바와 같다. 미생물 접종을 하지 않은 경우 초기 흡착에 의한 영향으로 제거율이 높다가 시간에 따라 차츰 낮아져 90% 이하로 떨어지는 경향을 보였고 (Fig. 15), 미생물을 접종한 경우 시운전 기간 동안거의 100%에 가까운 제거 성능을 보였다(Fig. 16). 따라서 미생물을 접종하는 것이 균일하고 안정된 암모니아 제거율을 얻을 수 있을 것으로 판단 되었다.
- 송풍량은 바이오 필터 효율에 절대적으로 영향을 미치는 인자로서 송풍량이 증가할수록 체류시간은 감소하며 초기 제거율도 떨어진다. 미생물의 투입 여부에 따른 제거율은 미생물 접종을 하지 않은 경우 초기 흡착에 의한 영향으로 제거율이 높다가 시간이 지남에 따라 차츰 낮아져 90% 이하로 떨어지는 경향을 보였고, 균주를 접종한 경우에 있어서는 시운전 기간 동안 거의 100% 가까운 제거 성능을 보였다.
- 비이커를 이용, 10회 반복하여 측정한 왕겨의 공극률은 평균 71%로 Deshusses, M.A가 제시한 60~80%를 만족하는 조건이다.
- 왕겨를 사용하기 위한 기초 연구로 왕겨의 수분 보유능력에 대하여 실험한 결과 왕겨의 수분 보유능력은 약 67% 정도로 나타나 미생물의 활성에 적절하여 여재로서 사용 가능한 것으로 판명되었다.
- 7와 8에 나타낸 바와 같다. 함수율이 증가할수록 충진 여재의 공극률이 감소하므로 체류시간은 5초 범위 이내에서 감소하였으며, 압력 강하는 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 체류시간과 압력 손실을 일정하게 유지하기 위해서는 함수율을 일정하게 유지해야 한다.
후속연구
- 수행되었다. 따라서 실제 축사에서 발생하는 다양한 성분의 악취와 농도에 대한 성능 검증과 개선에 대한 연구가 보다 장기간에 걸쳐 이루어져야 할 것이다. 또한 소요되는 에너지와 운전비용의 절감 등의 유지관리, 바이오 필터와 타 방식과의 조합, 그리고 다양한 전처리 방식의 개발 등 여러 측면에서 바이오 필터 성능 개선에 대한 연구가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
- 따라서 실제 축사에서 발생하는 다양한 성분의 악취와 농도에 대한 성능 검증과 개선에 대한 연구가 보다 장기간에 걸쳐 이루어져야 할 것이다. 또한 소요되는 에너지와 운전비용의 절감 등의 유지관리, 바이오 필터와 타 방식과의 조합, 그리고 다양한 전처리 방식의 개발 등 여러 측면에서 바이오 필터 성능 개선에 대한 연구가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
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