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문제 정의
- 본 연구에서는 가축분뇨와 음식물 쓰레기 등의 유기성 자원을 이용한 혐기소화 후 소화액의 농업적 활용기준을 설정하기 위하여 가축분뇨와 음식물 쓰레기 혼합비율에 따른 바이오가스 생산성과 혐기성소화액의 성분 평가를 통한 한계 혼합비율 설정을 목적으로 연구를 수행 하였다.
제안 방법
- 실험은 3반복으로 수행하였고, 1 set의 시료병은 반응초기 pH를 7.0∼7.5 범위로 조절하여 대조구로 사용하였다.
- 음식물 쓰레기와 가축분뇨의 혼합비에 따른 바이오가스 발생특성을 측정하기 위하여 0:10, 2:8, 4:6, 5:5, 6:4, 8:2, 10:0 비율로 혼합하였고, 혼합비에 따른 초기 유기물 함량 및 기타 원수 성상은 Table 2와 같다.
- 가스의 포집은 1000 mL 테프론 bag을 이용하여 포집하였으며, 반응시간은 50일 동안 실시하였다. 주입된 시료의 분석은 일정한 반응시간 간격으로 바이오가스량을 분석하였다.
- 1과 같고, 식종슬러지는 증류수를 이용하여 3∼4회 이상 세척하여 슬러지에 부착되어 있는 유기물을 제거한 후 250 mL 시료병 (serum bottle)에 식종하였다. 질소 (nitrogen)가스를 이용하여 잔류 용존산소를 제거한 후 음식물 쓰레기와 가축분뇨를 각각 혼합비에 맞추어 주입하였다. 음식물 쓰레기와 가축분뇨를 주입한 혼합액을 교반기 (shaker)에 고정한 후 35 ± 1℃에서 80 rpm으로 교반하여 완전히 혼합되도록 하였다.
대상 데이터
- 실험재료 실험에 사용된 시료는 슬러리 형태의 돼지 사육시설에 설치되어 있는 가축분뇨 저장조에서 채취하여 이용하였고, 음식물 쓰레기는 통합바이오가스 시스템에 유입되는 전처리된 음식물 쓰레기를 이용하였다.
- 실험재료 실험에 사용된 시료는 슬러리 형태의 돼지 사육시설에 설치되어 있는 가축분뇨 저장조에서 채취하여 이용하였고, 음식물 쓰레기는 통합바이오가스 시스템에 유입되는 전처리된 음식물 쓰레기를 이용하였다. 음식물 쓰레기와 가축분뇨의 혼합비에 따른 바이오가스 발생특성 및 소화액 특성 평가를 실시하기 위하여 P시에 위치한 유기성폐기물 공공처리시설의 소화조에서 식종 슬러지를 채취하여 이용하였다. 실험기간 동안 실제로 사용된 원료 및 식종 슬러지의 성상은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 운전기간 동안 누적 바이오가스 발생량은 30일차에 최고점에 도달하였다. 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 혼합비는 가축분뇨가 많이 혼합되는 조건에서 CH4와 CO2의 발생량도 높게 나타났다.
- 14로 낮아지는 경향이었는데, 이는 본 시험에 사용된 가축분뇨의 질소함량이 음식물 쓰레기 보다 낮은 시료를 사용한데 기인하는 것으로 판단된다. 그러나 시험 후 TN 함량 증가율은 가축분뇨의 혼합비율이 높아질수록 48%에서 121%로 크게 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 Jeong et al.
- 통합소화에 의한 누적가스발생량을 비교하였을 때에도 가축분뇨 60%와 음식물 쓰레기 40%를 투입한 처리 (60:40)에서 가장 많은 가스 발생량을 나타내었다. 그러나 통합소화액의 염분함량을 고려할 때 가축분뇨 0.1%, 음식물 쓰레기 0.6%의 염분을 함유한 원료를 대상으로 혼합비율을 달리하여 투입하였을 때 음식물 쓰레기 100% 투입의 경우에 소화액의 염분함량은 0.45%, 음식물 쓰레기 60%와 가축분뇨 40% 투입에서 0.32, 음식물쓰레기 40%와 가축분뇨 60% 투입에서 0.27%, 음식물 쓰레기 20%와 가축분뇨 80% 투입에서 0.21로 나타났다. 따라서 본 연구 결과를 토대로 하여 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 통합소화하고 소화액을 액비로 농경지에 안정적으로 사용하기 위해서는 음식물 쓰레기의 투입 한계비율은 30%이하가 적정 하다고 판단할 수 있었다.
- 그러나 혐기성소화에 미치는 영향이나 통합소화 후 소화액의 염분함량을 기준으로 할 때 60:40 (가축분뇨: 음식물 쓰레기) 범위까지 가능할 것으로 판단되나, 음식물 쓰레기 중의 염분함량 분포가 다양한 점을 고려할 때 적정 혼합비율은 70:30 이하가 적합할 것으로 판단되어 진다. 이는 가축분뇨와 음식물 쓰레기 통합소화에서 음식물 쓰레기의 투입 한계비율은 30%이하가 타당성을 가짐을 의미한다.
- 3%이하로 규정하고 있어, 이를 만족하여야 액비로 사용이 가능하다. 따라서 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 통합 소화에서 혼합비율은 바이오가스 최대 발생량을 기준으로 결정할 수 있을 것으로 생각된다. 혐기소화액을 액비로 사용할 경우에는 혐기소화에 투입되는 음식물 쓰레기는 염분함량 범위가 넓게 분포하고 있어 사용량 설정에 어려움이 따른다.
- 21로 나타났다. 따라서 본 연구 결과를 토대로 하여 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 통합소화하고 소화액을 액비로 농경지에 안정적으로 사용하기 위해서는 음식물 쓰레기의 투입 한계비율은 30%이하가 적정 하다고 판단할 수 있었다. 하지만 통합 소화액을 액비로서 농경지에 지속적으로 사용 가능하게 하기 위해서는 원료별, 발생원별로 너무 다양한 음식물 쓰레기의 염분함량에 대한 조사와 더불어 통합소화를 위한 적정 혼합비율 설정 및 토양 및 작물 재배를 통한 검증이 이루어져야 할 것으로 생각된다.
- 또한 CH4 등 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 혼합 혐기성 소화에 따른 가스성분 비율은 Table 5와 같이 가축분뇨의 혼합비율이 높을 때 메탄 함량도 높게 나타났으며, 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 비가 60:40 (6L4F)일 때 메탄함량은 최고 83%까지 도달하였다.
- 7에서와 같이 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 비가 40:60 (4L6F) 일 때 가장 많았으며, 60:40 (6L4F), 20:80 (2L8F) 순으로 낮았다. 또한 pH 조정에 따른 누적 바이오가스 발생량은 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 비율이 60:40 (6L4F)일 때 높았으며, 단위 부하량당 누적가스 발생량은 가축분뇨의 함량이 많을수록 높게 발생하였으나 1회 실험조건으로 재현성에 차이를 보일 수 있을 것으로 생각된다.
- 본 연구에서 음식물 쓰레기의 투입비율이 높을수록 소화액의 pH는 낮게 나타났지만 가축분뇨의 투입비율이 높은 조건에서는 pH가 약간 높은 경향을 보였다.
- 4와 같다. 염분 함량은 가축분뇨보다 음식물 쓰레기의 함량이 높을수록 높았지만 소화율에 크게 영향을 주지 않았다.
- 음식물 쓰레기와 가축분뇨의 함량비에 따라 차이를 보였으며, 가축분뇨의 함량이 높아질수록 고형물 함량은 낮아짐을 확인할 수 있었다. 이는 음식물 쓰레기 중의 고형물 농도가 높기 때문에 가축분뇨 함량이 증가할수록 혼합액의 고형물 농도가 낮아지는 것으로 나타났다.
- 이와 달리 가축분뇨의 혼합비율이 클수록 혐기성소화 실험기간 동안 단위 부하량당 누적가스 발생량이 높게 나타났다. Sung et al.
- 5는 간이적인 방법 (식 1)을 이용하여 적정 혼합비율을 설정할 수 있다. 통합 소화액의 염분 함량을 0.3% 이하로 유지하기 위해서는 염분이 1.2%인 음식물쓰레기의 경우에는 0.2%인 가축분뇨와 음식물쓰레기의 비율을 90:10 이내가 적정하고 염분이 0.4%인 음식물쓰레기의 경우에는 0.2%인 가축분뇨와 음식물쓰레기의 비율을 50:50 이내로 사용이 가능하다고 판단된다.
- 혐기성소화에서 원료로 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 혼합비에 따른 유기물 제거율은 60:40에서 총고형물 (TS) 및 휘발성고형물 (VS)이 각각 약 80%로 가장 높은 제거효율을 보였다. 통합소화에 의한 누적가스발생량을 비교하였을 때에도 가축분뇨 60%와 음식물 쓰레기 40%를 투입한 처리 (60:40)에서 가장 많은 가스 발생량을 나타내었다. 그러나 통합소화액의 염분함량을 고려할 때 가축분뇨 0.
- 이는 음식물 쓰레기 중의 고형물 농도가 높기 때문에 가축분뇨 함량이 증가할수록 혼합액의 고형물 농도가 낮아지는 것으로 나타났다. 혐기성 소화에 따른 TS 및 VS 제거율은 Fig. 2와 같이 전체적으로 70% 정도로 높은 경향을 확인할 수 있었지만, 가축분뇨 100L의 경우 VS 제거율은 약 67% 정도로 가장 낮은 수준이었는데, 다른 혼합비에 비해 가축분뇨 내 난분해성 고형물 수준이 높기 때문에 메탄으로 전환되는 유기물 제거율이 낮은 것으로 판단된다. VS의 제거율은 60:40의 혼합비에서 80% 이상의 높은 제거율을 나타내었다.
- 혐기성소화에서 원료로 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 혼합비에 따른 유기물 제거율은 60:40에서 총고형물 (TS) 및 휘발성고형물 (VS)이 각각 약 80%로 가장 높은 제거효율을 보였다. 통합소화에 의한 누적가스발생량을 비교하였을 때에도 가축분뇨 60%와 음식물 쓰레기 40%를 투입한 처리 (60:40)에서 가장 많은 가스 발생량을 나타내었다.
- 혼합비에 따른 바이오가스 발생량 가축분뇨와 음식물 쓰레기의 통합 혐기성소화에 의한 누적 바이오가스 발생량은 Fig. 6과 같이 소화기간이 늘어남에 따라 점차 증가하였고 일정기간이 지난 후 발생량에 변화가 없음을 확인할 수 있었다. 특히 혐기성소화에 가축분뇨와 음식물쓰레기의 혼합비율이 60:40일 때 가장 많이 발생하였으며, 그 외 혼합비에서는 낮은 발생량을 보였다.
후속연구
- 따라서 본 연구 결과를 토대로 하여 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 통합소화하고 소화액을 액비로 농경지에 안정적으로 사용하기 위해서는 음식물 쓰레기의 투입 한계비율은 30%이하가 적정 하다고 판단할 수 있었다. 하지만 통합 소화액을 액비로서 농경지에 지속적으로 사용 가능하게 하기 위해서는 원료별, 발생원별로 너무 다양한 음식물 쓰레기의 염분함량에 대한 조사와 더불어 통합소화를 위한 적정 혼합비율 설정 및 토양 및 작물 재배를 통한 검증이 이루어져야 할 것으로 생각된다.
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