[논문]돈분과 유기성 부산물을 혼합한 혐기소화에서 바이오가스 생산

김운걸; 오인환; 양상엽; 이경민; 이승일

돈분과 유기성 부산물을 혼합한 혐기소화에서 바이오가스 생산
Biogas Production from Anaerobic Co-digestion Using the Swine Manure and Organic Byproduct 원문보기

축산시설환경학회지 = Journal of livestock housing and environment, v.17 no.1, 2011년, pp.49 - 54

김운걸 (건국대학교 자연과학대학 생물산업기계공학) , 오인환 (건국대학교 자연과학대학 생물산업기계공학) , 양상엽 (건국대학교 자연과학대학 생물산업기계공학) , 이경민 (건국대학교 자연과학대학 생물산업기계공학) , 이승일 (건국대학교 세계와 지역연구원)

초록
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가축분뇨와 유기성 부산물의 혼합형태가 바이오가스 발생에 미치는 영향을 규명하고 자 시험을 수행한 결과는 다음과 같다. 1. 모돈분을 원료로 했을 때 가스발생량은 건물함량 5%에서 최대 7 L/d, 내용물 용적대비 0.389 L/$L{\cdot}d$ 이었으며, 고형물 10%에서는 최대 10 L/d, 0.556 L/$L{\cdot}d$ 이었다. TS 10% 일 때 최대 가스발생량이 TS 5%의 약 1.4배가 되었다. 2. 유기성 부산물을 혼합하였을 때 옥수수 사일리지에서 고형물 함량을 10%로 한 시험구에서 가스발생량은 1.11 L/$L{\cdot}d$이다. 대조구의 가스 발생량 0.556 L/$L{\cdot}d$과 비교하면 약 2배 가까이 되었다. 또한 음식물쓰레기를 첨가하였을 때 고형물 함량 10%에서 최대 18.17 L/d, 용적대비 1.01 L/$L{\cdot}d$로 나타났다. 3. 유기건물함량 대비 바이오가스 발생량은 모돈분만을 사용한 대조구에서 최대 203L/kg odm ${\cdot}d$, 음식물쓰레기를 첨가한 시험구에서 최대 216 L/kg odm${\cdot}d$, 옥수수사일리지 를 첨가한 시험구에서 최대 362 L/kg $odm{\cdot}d$로 나타났다. 4. 메탄가스의 농도는 대조구가 초반에 40%가 나왔고 후반에 약 70% 정도였으며 옥수수사일리지를 첨가한 시험구에서 초반에 52% 후반에 약 70%, 음식물쓰레기를 첨가한 시험구에서 초반에 약 40% 후반에 약 70%로 일반적인 농도보다 높았다. 5. 소화액의 성분분석결과 모든 시험구의 소화액은 작물이 필요로 하는 영양분을 골고루 함유하고 있어 액비로 이용할 수 있으리라 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Animal manure is produced annually 43.7 million tonnes in Korea. Among them, about 85.6 % are used as compost or liquid fertilizer to the agricultural land. The animal manure can be effectively utilized by mixing with organic byproducts that result in generation of biogas from anaerobic co-digestion process. This study aimed to optimize the content of total solid materials (TS) and determine the effect of organic byproduct on the co-digestion process. Prior to the byproduct treatments, determination of proper content of TS was conducted by controlling at 5 or 10 %. For the byproduct treatments, swine manure without adding the byproduct was used for control treatment, and swine manure mixed with either corn silage or kitchen waste was used for other treatments. Volume of biomethane ($CH_4$) generated from digested materials was quantified before and after byproduct treatments. In result, a 1.4-fold higher biomethane, about 0.556 L/$L{\cdot}d$, was produced when the content of TS was controlled at 10 %, compared at 5 %, about 0.389 L/$L{\cdot}d$. When the swine manure was mixed with the corn silage or kitchen waste, a two-fold higher biomethane was produced, about 1.theand 1.0heL/$L{\cdot}d$, respectively, compared to the control treatment. Biogas production from organic dry matter (odm) was a3, 362eand 2h6 L/kg odm${\cdot}$d for control, corn silage, and kitchen waste treatment, respectively. The lower biogas production in the treatment of kitchen waste than that of corn silage is associated with its relatively high odm contents. The methane concentration during the whole process ranged from 40 at the beginning to 70 % at the end of process for both the control and kitchen waste treatments, and ranged from 52 to 70 % for the corn silage treatment. Hydrogen sulfide ($H_2S$) concentration ranged between 350 and 500 ppm. All the integrated results indicate that addition of organic byproduct into animal manure can double the generation of biogas from anaerobic fermentation process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 질소함량이 높은 가축분뇨와 탄소원이 많은 옥수수사일리지, 음식물쓰레기와 같은 지역에서 발생하는 유기성 부산물을 연계하여 혐기성소화시스템을 구축하여서 축산농가에서 현실적으로 이용 가능한 혐기소화모델을 제시하고자 고형물함량과 유기물 종류에 따른 바이오가스의 발생량을 규명하고자 하였다.

제안 방법

8 L이며 실용량은 18 L이었다. 2차 시험에서는 이틀에 한 번씩 대조구에는 돈분 1.2 L 를 투입하였으며 시험구에는 1.15 L의 돈분과 100 g의 옥수수 사일리지를 혼합하여 고형물함량이 10%가 되도록 하였다. 음식물쓰레기 혼합의 실험에서도 같은 조건으로 투입하였으며, 유기성 부산물과 돈분의 혼합비율은 부피로 25:75로 하였다.
8%이었다. Fig. 4는 건물함량 10%인 돈분과 옥수수사일리지 및 음식물쓰레기를 사용한 시험구에서의 가스발생량을 내용물 용적대비 5주간에 걸쳐 분석한 자료를 하루 기준으로 비교하였다.
돈분은 충주시 가금면에 소재한 B농장에서 신선한 모돈분을 가져다가 물로 희석하여 고형물함량 (TS)이 5%, 10%가 되도록 조절하여 고형물함량에 따른 바이오가스 발생량을 규명하였다. 초기에 메탄균을 접종하기 위하여 1차 실험에서 발효가 잘 되었던 소화조의 소화액을 각각의 소화조에 4.
옥수수사일리지는 C/N 비가 27:1로 적정한 범위에 있으며 옥수수 사일리지의 첨가로 탄소 부족분을 보완해 줄 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 소화액 역시 돈분만을 사용한 것과 옥수수사일리지를 첨가한 소화조의 것과 성분상 큰 차이를 보이지 않는다 표 2는 대조구와 시험구에서 가스 생산이 양호한 소화조의 소화액을 분석하였다.
1은 설치된 소화조의 겉모양과 측면 단면도이다. 생산되는 가스는 습식가스메타 (W-NK-1A, Sinagawa, Japan)를 이용하여 가스량을 측정하였다. 바이오가스는 CH₄와 CO₂가 거의 대부분이나 수분을 많이 함유하고 있어 이에 습식가스메타를 선택하였다.
이 기기는 메탄을 부피로 100%까지 측정이 가능한 기기이며, 그 외에도 NH₃, H₂S를 측정할 수 있다. 소화조 내부의 pH를 측정하기 위해 pH 메타 (Cyberscan pH1500, EUTECH, Singapore)를 사용하였다. pH 메타는 주기적으로 보정을 하여 최대한 오차를 줄일 수 있도록 하여 사용하였다.
시험구는 소화조에 대조구와 같은 돈분에 유기성 부산물인 옥수수사일리지와 음식물쓰레기를 첨가하여 고형물 함량 10%로 하여 실험을 진행하였다. 시험구의 초반 가스 발생량은 대조구 보다 낮았으나 옥수수사일리지의 첨가로 낮아진 pH를 Ca(OH)₂를 첨가하여 약 7 정도로 높여준 후 가스 발생량이 급격히 증가하였다.
교반회수는 1시간에 15분 주기로 교반하도록 하였다. 원통주위를 열선으로 감아서 온도가 35~40℃를 자동으로 유지하도록 하였다. 발생하는 가스는 호스로 연결하여 가스팩에 저장되도록 하였다.
15 L의 돈분과 100 g의 옥수수 사일리지를 혼합하여 고형물함량이 10%가 되도록 하였다. 음식물쓰레기 혼합의 실험에서도 같은 조건으로 투입하였으며, 유기성 부산물과 돈분의 혼합비율은 부피로 25:75로 하였다. 온도는 약 35℃를 유지하도록 하였다.
556L/L·d의 약 2배 가까이 되었다. 이틀간격으로 5주 동안 측정한 자료를 토대로 통계처리를 하였으며 막대는 표준 에러를 나타낸다.
25%인 돈분을 사용하여 얻은 가스량을 함께 나타내었다. 이틀간격으로 6주 동안 측정한 자료를 토대로 통계처리를 하였으며 막대는 표준에러를 나타낸다.
온도는 약 35℃를 유지하도록 하였다. 체류기간은 30일로 하였으며, 재료의 성분분석은 제일분석센터에 의뢰하였다.
돈분은 충주시 가금면에 소재한 B농장에서 신선한 모돈분을 가져다가 물로 희석하여 고형물함량 (TS)이 5%, 10%가 되도록 조절하여 고형물함량에 따른 바이오가스 발생량을 규명하였다. 초기에 메탄균을 접종하기 위하여 1차 실험에서 발효가 잘 되었던 소화조의 소화액을 각각의 소화조에 4.5 L와 TS 5%와 10%로 만든 돈분 13.5L를 혼합하였다. 혐기소화에서 C/N의 최적비율은 25:1로 돈분에 부족한 탄소성분을 첨가시키기 위해 옥수수 사일리지 또는 음식물쓰레기를 첨가하였으며, 이 2차실험은 고형물함량 10%에서 수행되었다.
혐기소화에 있어 중요한 C/N의 비율을 알기 위해 투입 재료의 성분분석을 하였으며 결과는 다음과 같다.
5L를 혼합하였다. 혐기소화에서 C/N의 최적비율은 25:1로 돈분에 부족한 탄소성분을 첨가시키기 위해 옥수수 사일리지 또는 음식물쓰레기를 첨가하였으며, 이 2차실험은 고형물함량 10%에서 수행되었다. 소화조의 총 용량은 22.

대상 데이터

혐기성 소화조 6조를 설계 제작하였다. 소화조의 직경은 내경이 20.

성능/효과

1. 모돈분을 원료로 했을 때 가스발생량은 건물함량 5%에서 최대 7 L/d, 내용물 용적대비 0.389 L/L·d 이었으며, 고형물 10%에서는 최대 10 L/d, 0.556 L/L·d 이었다.
2. 유기성 부산물을 혼합하였을 때 옥수수 사일리지에서 고형물 함량을 10%로 한 시험구에서 가스발생량은 1.11 L/L·d이다.
3. 유기건물함량 대비 바이오가스 발생량은 모돈분만을 사용한 대조구에서 최대 203L/kg odm·d, 음식물쓰레기를 첨가한 시험구에서 최대 216 L/kg odm·d, 옥수수사일리지를 첨가한 시험구에서 최대 362 L/kg odm․d 로 나타났다.
4. 메탄가스의 농도는 대조구가 초반에 40%가 나왔고 후반에 약 70% 정도였으며 옥수수사일리지를 첨가한 시험구에서 초반에 52% 후반에 약 70%, 음식물쓰레기를 첨가한 시험구에서 초반에 약 40% 후반에 약 70%로 일반적인 농도보다 높았다.
5. 소화액의 성분분석결과 모든 시험구의 소화액은 작물이 필요로 하는 영양분을 골고루 함유하고 있어 액비로 이용할 수 있으리라 판단된다.
돈분에 옥수수사일리지를 첨가한 재료의 유기건물함량 (ODM)은 8.8%이었다. Fig.
또한 음식물쓰레기를 첨가하였을 때 고형물 함량 10%에서 최대 18.17 L/d, 용적대비 1.01 L/L·d로 나타났다.
메탄가스의 농도는 대조구가 초반 40%에서 후반 70% 정도였으며 옥수수사일리지를 첨가한 시험구에서 초반 52% 후반 70%, 음식물쓰레기를 첨가한 시험구에서 초반 40% 후반 70%로 일반적인 농도 60% 보다 높았다. 황화수소 농도는 대부분의 소화조에서 350~500 ppm 정도가 검출되었다.
556L/L·d이었다. 위 그림에서 알 수 있듯이 TS 10%일 때 최대 가스발생량이 TS 5% 보다 약 1.4배가 되었다. 돈분만을 사용시 C/N 비율은 최적 C/N 비율인 25~30:1에 못미치는 12:1의 비율을 가진다.
유기건물함량 대비 가스발생량은 모돈분만을 사용한 대조구에서 최대 203 L/kg odm^․d, 음식물쓰레기를 첨가한 시험구에서 최대 216 L/kg odm^․d, 옥수수사일리지를 첨가한 시험구에서 최대 362 L/kg odm^․d로 나타났다.
표 1에서 알 수 있듯이 돈분은 혐기소화에 중요한 C/N가 개략적으로 12로 혐기소화에 최적인 C/N 비율이 25:1에 못 미치는 것을 알 수 있으며, 또한 음식물쓰레기를 투입한 시험구에서 음식물의 C/N 비율이 3.5:1로 되어 초반 발효가 잘 되지 않았다. 옥수수사일리지는 C/N 비가 27:1로 적정한 범위에 있으며 옥수수 사일리지의 첨가로 탄소 부족분을 보완해 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가축분뇨자원화를 실행할 때 냄새가 발생하며 암모니아 가스가 휘산되는 문제가 발생하는 이유는?	가축분뇨자원화 방안의 일환으로 저장액비화 사업이 전국적으로 실시되어 있으나 호기성 처리를 함으로 냄새가 발생하며 암모니아 가스가 휘산되는 문제가 있다. 이용 가능한 물질이 풍부한 가축분뇨를 단순 액비화 하는 것 보다는 지역에서 발생하는 유기성 부산물을 활용하는 혐기성소화를 통하여 메탄가스를 생성시켜 에너지로 이용하고 혐기소화 후의 여액은 악취가 감소된 액비로 이용한다면 부가가치를 높이며 민원을 줄이는 효율적 처리가 될 수 있다.
	가축분뇨의 대부분은 어떤 처리를 하는가?	가축분뇨 발생량은 연간 약 4,370만톤 수준이며, 그 대부분인 85.6%가 퇴액비로 자원화 되고 있으며, 정화처리는 주로 양돈의 경우에 해당되는데 2.7%, 공공처리 6.
	바이오가스 플랜트의 일반적인 처리공정은?	2007). 일반적인 처리공정은 가축분뇨혼합물을 메탄발효시켜 소화액은 액비로 농경지에 이용하고, 바이오가스로는 발전기를 가동시켜 열과 전기를 이용하는 시스템이다 (Aschmann et al. 2006, Hartmann 2007, Klages et al.

참고문헌 (8)

Adolph, J., J. Beck, M. Mukengele and T. Jungbluth. 2004. Monofermentation of Nutritional Waste in Biogas Plants. Agrartechnische Foschung 10 (2004) Heft 1, S. E 16-E 22.
Aschmann, V., R. Kissel and A. Gronauer. 2006. Abags- und Leistungsverhalten biogasbetriebener BHKW an Praxisanlagen. Agricultural Engineering research 12 (2006) 46-52.
Besgen S., Kempkens K., Lammers P. 2007. Energieumsetzung in Biogasanlagen. Agricultural Engineering Research 13 57-66.
Hartmann, K., 2007. Oekobilanz Biogas. 62 LANDTECHNIK 2/2007 96-97.
Hopfner-Sixt K., Amon Th., Bodiroza V., Kryvoruchko V., Milovanovic D., Zollitsch W., Boxberger J. 2006. Biogaserzeugung aus agrarischen Rohstoffen. Landtechnik 61 148-149 3/2006.

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Klages, S., P. Jager, A. Niebaum, H. Dohler, H.-W. Schneichel, M. Helm, and W. Philipp, 2005. Biogas. 60 LANDTECHNIK 1/2005 38-39.
Misi, S. N. and C. F. Forster. 2001. Batch co-digestion of multi-component agro-wastes. Bioresource Technology 80 (2001) 19-28.

상세보기
신현관. 2010. 한국의 가축분뇨 에너지화 정책방향. 가축분뇨 이용 바이오가스 생산의 산업화 방안 국제심포지엄. 국립축산과학원, 한국축산시설환경학회 15-31.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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