가축 분뇨 액비화 시설의 폭기효과 개선과 악취발산 감소효과를 동시에 달성하기 위한 목적으로 폭기방법이 돈분뇨 슬러리 액비 주요 부숙요인인 액비조내 슬러리의 혼합효율, 질소와 SS 그리고 냄새 발생정도에 미치는 영향을 분석하였다. 파일롯 시험조를 대상으로 한 폭기방법의 차이에 따른 혼합효과를 분석한 결과, 배관 내 혼합형 시험조의 교반 및 혼합효과가 더 높았다. 폭기방법별 처리효과 시험결과, 질소와 SS 모두 폭기가 진행됨에 따라 바닥층에서의 농도는 감소하고 반응조 상층부에서의 농도는 증가하는 경향을 보였다. 액비제조용 돈분뇨 슬러리 내에 녹아들어 간 용존산소 변화정도를 조사한 결과, 배관 내공기 혼합방식에 의한 용존산소농도가 더 높게 조사됨으로써 더 높은 산소전달 효율을 가지는 것으로 분석되었다. 바닥 고정식 공기공급 방식(A)과 배관 내 산소 혼합방식(B)에 의한 용존산소 농도는 큰 차이를 보였다. 반응조 A에서는 폭기 개시시 4.3mg/L 수준이었던 용존산소 농도가 30 분간 폭기한 후에 분석한 결과 7.0mg/L로 상승하였다. 반면에 반응조 B에서는 폭기 개시시 5.0mg/L 수준이던 용존산소 농도가 반응조 A와 동일한 폭기시간이 지난 후에 14.5mg/L로 상승함으로써 더 높은 산소전달 효율을 가지는 것으로 분석되었다. 현수식 폭기방법에 따른 용존산소 변화 정도는 바닥 고정식 공기공급 방식에서와 유사한 결과를 나타냈다. 슬러리 내부에서의 기포형성 정도를 비교하였을 때 배관 내 혼합형 방식에서 기포의 형성이나 상승 정도가 바닥 고정식 공기공급 방식에서보다 상대적으로 더 적었다.
가축 분뇨 액비화 시설의 폭기효과 개선과 악취발산 감소효과를 동시에 달성하기 위한 목적으로 폭기방법이 돈분뇨 슬러리 액비 주요 부숙요인인 액비조내 슬러리의 혼합효율, 질소와 SS 그리고 냄새 발생정도에 미치는 영향을 분석하였다. 파일롯 시험조를 대상으로 한 폭기방법의 차이에 따른 혼합효과를 분석한 결과, 배관 내 혼합형 시험조의 교반 및 혼합효과가 더 높았다. 폭기방법별 처리효과 시험결과, 질소와 SS 모두 폭기가 진행됨에 따라 바닥층에서의 농도는 감소하고 반응조 상층부에서의 농도는 증가하는 경향을 보였다. 액비제조용 돈분뇨 슬러리 내에 녹아들어 간 용존산소 변화정도를 조사한 결과, 배관 내공기 혼합방식에 의한 용존산소농도가 더 높게 조사됨으로써 더 높은 산소전달 효율을 가지는 것으로 분석되었다. 바닥 고정식 공기공급 방식(A)과 배관 내 산소 혼합방식(B)에 의한 용존산소 농도는 큰 차이를 보였다. 반응조 A에서는 폭기 개시시 4.3mg/L 수준이었던 용존산소 농도가 30 분간 폭기한 후에 분석한 결과 7.0mg/L로 상승하였다. 반면에 반응조 B에서는 폭기 개시시 5.0mg/L 수준이던 용존산소 농도가 반응조 A와 동일한 폭기시간이 지난 후에 14.5mg/L로 상승함으로써 더 높은 산소전달 효율을 가지는 것으로 분석되었다. 현수식 폭기방법에 따른 용존산소 변화 정도는 바닥 고정식 공기공급 방식에서와 유사한 결과를 나타냈다. 슬러리 내부에서의 기포형성 정도를 비교하였을 때 배관 내 혼합형 방식에서 기포의 형성이나 상승 정도가 바닥 고정식 공기공급 방식에서보다 상대적으로 더 적었다.
Three types of aeration system were installed in experimental liquid fertilization tanks to investigate the change of characteristics of pig slurry used as a raw material for making livestock liquid fertilizer. The aeration systems of the reaction tanks were composed of three major part: the air sup...
Three types of aeration system were installed in experimental liquid fertilization tanks to investigate the change of characteristics of pig slurry used as a raw material for making livestock liquid fertilizer. The aeration systems of the reaction tanks were composed of three major part: the air suppling part (blower), the air pipe part, and the air diffuser part. In the first tank (reactor A), the air was supplied from the bottom of the reaction tank through air pipe system connecting air diffuser with commercial ordinary blower. In the second tank (reactor B), the air diffuser was located 10cm above the bottom of the reactor. In the third tank (reactor C), the pure air was supplied with circulating pjg slurry. The oxygen content of pure air was about 90%. The pure air was mixed with pig slurry by mechanically in the air suppling part (blower) and the air pipe part. The agitation effect was highest in the reactor C than other reactors. The contents of SS, COD, T-N and T-P of each samples collected at middle part of all reactors were 8,500, 4,188, 694 and 422mg/L; 9,000, 4,247, 813 and 356mg/L; 8,667, 6,910, 973 and 269mg/L, respectively.
Three types of aeration system were installed in experimental liquid fertilization tanks to investigate the change of characteristics of pig slurry used as a raw material for making livestock liquid fertilizer. The aeration systems of the reaction tanks were composed of three major part: the air suppling part (blower), the air pipe part, and the air diffuser part. In the first tank (reactor A), the air was supplied from the bottom of the reaction tank through air pipe system connecting air diffuser with commercial ordinary blower. In the second tank (reactor B), the air diffuser was located 10cm above the bottom of the reactor. In the third tank (reactor C), the pure air was supplied with circulating pjg slurry. The oxygen content of pure air was about 90%. The pure air was mixed with pig slurry by mechanically in the air suppling part (blower) and the air pipe part. The agitation effect was highest in the reactor C than other reactors. The contents of SS, COD, T-N and T-P of each samples collected at middle part of all reactors were 8,500, 4,188, 694 and 422mg/L; 9,000, 4,247, 813 and 356mg/L; 8,667, 6,910, 973 and 269mg/L, respectively.
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문제 정의
본 연구는 현재 운용되고 있는 가축분뇨 액비 부숙탱크에서의 폭기효율을 개선할 수 있는 방안의 개발 가능성을 구명하기 위하여 수행되었다. 가축분뇨 액비화조 운영효율과 관련하여 액비품질 증진이나 침전 슬러지 관리 그리고 냄새통제 문제 등의 굵직한 현안과제들이 많이 있지만, 본 연구에서는 축산농가들이 호기성 액비 제조과정에서 어려움을 겪고 있는 냄새확산을 줄이는 동시에 액비 부숙 효과를 증진하기 위한 폭기방법 개선기술 개발 가능성과 그 이용효율을 분석하였다. 본 연구에서 적용한 시험용 반응조 구성방법은 세 가지로 구분된다.
본 연구는 현재 운용되고 있는 가축분뇨 액비 부숙탱크에서의 폭기효율을 개선할 수 있는 방안의 개발 가능성을 구명하기 위하여 수행되었다. 가축분뇨 액비화조 운영효율과 관련하여 액비품질 증진이나 침전 슬러지 관리 그리고 냄새통제 문제 등의 굵직한 현안과제들이 많이 있지만, 본 연구에서는 축산농가들이 호기성 액비 제조과정에서 어려움을 겪고 있는 냄새확산을 줄이는 동시에 액비 부숙 효과를 증진하기 위한 폭기방법 개선기술 개발 가능성과 그 이용효율을 분석하였다.
제안 방법
시험용 반응조에는 고액분리한 액상 돼지분뇨 슬러리를 채우고 실험에 착수하였다. 시험 중 강우에 의한 액비성분 변화를 방지하기 위하여 반응조에 지붕을 설치하였다.
이와는 별도로 실험실 수준의 분석을 하기 위한 실험실 규모의 실험장치를 설치하여 운용하였다. 실험실 규모용 실험용 반응조도 상기 현장 파일롯형 시험기와 동일한 세 가지 형태로 구분하여 운용하였고, 실험용 반응조는 3m3 용량의 원형 통을 이용하여 제작하였다. pH와 용존산소 농도 등 현장 측정항목을 제외한 성분을 분석하기 위한 시료로 이용할 분뇨는 흡입용 파이프를 이용하여 채취한 후 실험실로 즉시 이송하여 표준 분석법에 준하여 성분분석을 실시하였다(AOAC, 1990).
시험조는 바닥 고정식 폭기장치, 현수식 폭기장치, 배관 내 산소 혼합장치 등을 설치한 구로 구분하여 운용하였다. 실험용 반응조 운용은 여름부터 초겨울 까지 약 5개월간에 걸쳐 수행하였으며 세 가지 폭기방식을 지닌 형태의 반응조를 동시에 가동하여 동일한 운영 시간 동안 각 반응조 내의 액비의 변화상태를 분석하였다. 분석용 시료는 반응조의 바닥부와 중간층 그리고 상층부에 설치된 시료채취용 밸브를 이용하여 채취하였다.
파일롯 실험에 사용된 초기원료는 고액분리한 후의 슬러리로서 Table 1에 나타난 바와같이 4,742mg/L 수준의 COD 농도와 6,667mg/L의 SS 농도를 가지고 있었다. 이 슬러리를 대상으로 하여 폭기방법에 따른 슬러리 내 성분의 변화정도를 분석하였다. 바닥 고정형 폭기장치와 배관 내 혼합형 폭기방식을 설치한 실험용 폭기조에 슬러리의 성분이 동일하게 유지될 수 있도록 주의하면서 펌프를 사용하여 반응조 내에 채웠다.
첫 번째, 기존 바닥부분에 고정식으로 설치된 산기장치를 기준으로 제작된 반응조, 두 번째, 기존 바닥부분 고정 설치식 산기장치를 보완하기 위해 현수식 산기부를 설치한 반응조, 세 번째, 공기 공급용 배관 내에 액비를 순환하면서 산소를 공급하는 방식의 반응조 등이다. 이상 세 가지 폭기 방법을 적용하여 폭기방법이 액비부숙 환경에 미치는 영향과 냄새발산 억제 잠재력 차이정도를 조사하였다. 고정식 바닥송풍 방식 반응조, 현수송풍식 반응조, 배관 내 공기혼합방식 반응조 등의 시험용 반응조 내 중층부분에서 채취한 시료의 용존산소 농도는 다음과 같다.
본 연구에서 적용한 시험용 반응조 구성방법은 세 가지로 구분된다. 첫 번째, 기존 바닥부분에 고정식으로 설치된 산기장치를 기준으로 제작된 반응조, 두 번째, 기존 바닥부분 고정 설치식 산기장치를 보완하기 위해 현수식 산기부를 설치한 반응조, 세 번째, 공기 공급용 배관 내에 액비를 순환하면서 산소를 공급하는 방식의 반응조 등이다. 이상 세 가지 폭기 방법을 적용하여 폭기방법이 액비부숙 환경에 미치는 영향과 냄새발산 억제 잠재력 차이정도를 조사하였다.
파일롯 규모의 실험조를 대상으로 하여 폭기방법별 액비특성 변화를 조사하였다. 폭기방법에 따른 돈분뇨 슬러리중의 폭기 전과 폭기 후의 실험조 상층부와 중층부 그리고 하층부의 COD값을 분석한 결과는 Fig.
대상 데이터
경기도 H시에 위치한 가축분뇨 공동처리장에 본 연구진행을 위한 파일롯형 시험반응조를 설치하였다. 실험재료로서는 돼지의 분과 뇨가 혼합된 돈분뇨 슬러리를 사용하였다.
파일롯 실험을 위해 설치한 반응조에 돈분뇨 슬러리를 채워 넣었다. 농가에서 반입된 돈 분뇨 슬러리를 고속 데칸타와 스크루 압출식으로 고액분리한 후 액체상 분뇨를 시험에 사용하였다. 돈분뇨 슬러리를 시험조에 투입한 후 채취한 초기 원료 돈분뇨 슬러리의 특성은 Table 1에 표기된 바와 같다.
실험용 반응조 운용은 여름부터 초겨울 까지 약 5개월간에 걸쳐 수행하였으며 세 가지 폭기방식을 지닌 형태의 반응조를 동시에 가동하여 동일한 운영 시간 동안 각 반응조 내의 액비의 변화상태를 분석하였다. 분석용 시료는 반응조의 바닥부와 중간층 그리고 상층부에 설치된 시료채취용 밸브를 이용하여 채취하였다. 이와는 별도로 실험실 수준의 분석을 하기 위한 실험실 규모의 실험장치를 설치하여 운용하였다.
각 실험용 반응조의 용량은 25m3 규모로 하였으며 시험조 실제 운전용량은 20m3로 운용하였다. 시험조는 바닥 고정식 폭기장치, 현수식 폭기장치, 배관 내 산소 혼합장치 등을 설치한 구로 구분하여 운용하였다. 실험용 반응조 운용은 여름부터 초겨울 까지 약 5개월간에 걸쳐 수행하였으며 세 가지 폭기방식을 지닌 형태의 반응조를 동시에 가동하여 동일한 운영 시간 동안 각 반응조 내의 액비의 변화상태를 분석하였다.
경기도 H시에 위치한 가축분뇨 공동처리장에 본 연구진행을 위한 파일롯형 시험반응조를 설치하였다. 실험재료로서는 돼지의 분과 뇨가 혼합된 돈분뇨 슬러리를 사용하였다. 각 실험용 반응조의 용량은 25m3 규모로 하였으며 시험조 실제 운전용량은 20m3로 운용하였다.
이론/모형
실험실 규모용 실험용 반응조도 상기 현장 파일롯형 시험기와 동일한 세 가지 형태로 구분하여 운용하였고, 실험용 반응조는 3m3 용량의 원형 통을 이용하여 제작하였다. pH와 용존산소 농도 등 현장 측정항목을 제외한 성분을 분석하기 위한 시료로 이용할 분뇨는 흡입용 파이프를 이용하여 채취한 후 실험실로 즉시 이송하여 표준 분석법에 준하여 성분분석을 실시하였다(AOAC, 1990). 실험실용 실험기에서의 공기 공급량은 각 각 분당 5m3 수준으로 설정하여 운영하였다.
성능/효과
4는 실험실용으로 제작한 3m3 규모의 반응조를 이용하여 폭기를 실시하였을 경우에 액비제조용 돈분뇨 슬러리 내에 녹아들어 간 용존산소 변화정도를 조사한 결과이다. 바닥고정식 공기공급 방식(A)과 배관 내 산소 혼합방식(B)에 의한 용존산소 농도는 큰 차이를 보였다. 반응조 A에서는 시험 개시 후 4.
5mg/L로 상승함으로써더 높은 산소전달 효율을 가지는 것으로 분석되었다. 본 실험에서 사용된 배관 내 혼합방식에서는 통상적인 용존산소 포화량보다 약간 높은 용존산소 값을 보였는데 이 결과는 투입된 공기 중의 산소농도가 90%이고, 혼합용 배관 내에서 압력이 가해진 상태에서 산소가 용해되어 들어간 것에 기인한 것으로 판단된다. 현수식 폭기방법에 따른 용존산소 변화 정도는 바닥 고정식 공기공급 방식에서와 유사한 결과를 나타냈다.
이산화탄소 역시 상기 황화수소와 암모니아 농도 분포와 유사한 결과를 가진 것으로 나타났다. 실험실 규모의 배관 내 혼합형 반응조 내부의 황화수소와 이산화탄소 농도가 외부보다 높은 측정값을 보이는 경향이 있었다. 이 결과는 두 실험조의 폭기방식 차이에 기인한 것으로 판단된다.
Table 2의 결과를 보면 SS는 폭기가 진행됨에 따라 바닥층에서의 농도는 감소하지만 반응조 상층부에서의 농도는 증가하는 경향을 보이고 있으며 그 변화정도가 배관 내 혼합형 시험조에서 더 크게 나타났다. 이 결과를 근거로 하여 폭기방법별로 혼합효과를 비교해 보면 배관 내 혼합형 시험조에서의 혼합효과가 전 층에서 더 바람직한 결과를 보이고 있는 것으로 판단할 수 있다. 질소함량도 배관 내 혼합형 시험조에서 액비조 내 전 층에 걸쳐서 상대적으로 더 균질하게 존재하는 혼합효과를 보였다.
이 결과를 근거로 하여 폭기방법별로 혼합효과를 비교해 보면 배관 내 혼합형 시험조에서의 혼합효과가 전 층에서 더 바람직한 결과를 보이고 있는 것으로 판단할 수 있다. 질소함량도 배관 내 혼합형 시험조에서 액비조 내 전 층에 걸쳐서 상대적으로 더 균질하게 존재하는 혼합효과를 보였다. 실험실 규모 반응조 실험을 위해 채워 넣은 후 채취한 돈분뇨 슬러리의 특성은 Table 3에 표기된 바와 같다.
고정식 바닥송풍 방식 반응조, 현수송풍식 반응조, 배관 내 공기혼합방식 반응조 등의 시험용 반응조 내 중층부분에서 채취한 시료의 용존산소 농도는 다음과 같다. 폭기 개시시 고정식 바닥송풍 방식 반응조의 중층에서 4.3mg/L 수준이었던 용존산소 농도가 폭기시간이 경과한 후에는 동일한 위치에서 약 7.0mg/L 수준으로 높아졌다. 현수식 산기부 설치 반응조에서의 폭기에 따른 용존산소 증가수준은 고정식 바닥송풍 방식 반응조와 비슷한 수준으로 증가하였다.
후속연구
이 결과는 반응조 외부로 배출되는 공기량이 바닥 고정형 산기형에 비해 배관 내 혼합형 반응조에서 상대적으로 더 적은데 기인한 것으로 판단된다. 이 결과는 비료성분인 질소의 손실방지와 악취의 발산예방에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로서 액비제조 및 액비품질 측면에서 긍정적인 결과를 가져올 수 있을 것으로 판단된다. Table 6은 폭기시에 반응조 내·외부에서의 이산화탄소 농도를 조사한 결과이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가축분뇨를 유기성 비료자원으로 재활용하는 대표적인 방법 두 가지는?
현재의 기술수준과 사회적 여건을 고려하였을 때, 발생된 가축분뇨를 퇴비화나 액비화 등의 부숙과정을 거친 후에 유기성 비료자원으로서 자연으로 순환되도록 하는 유기농업적 차원의 형태로 처리하는 것이 가장 합리적인 방향이다. 국내에서 가축분뇨를 유기성 비료자원으로 재활용하는 방법으로서는 퇴비화와 액비화가 대표적이다.
현재 가축분뇨 처리를 위해 가장 합리적인 방법은?
실제로 2011년 기준으로 볼 때, 한·육우, 젖소, 돼지, 닭 등의 가축이 배설한 가축분뇨 총 발생량은 약 4,269만톤 정도에 달하였다. 현재의 기술수준과 사회적 여건을 고려하였을 때, 발생된 가축분뇨를 퇴비화나 액비화 등의 부숙과정을 거친 후에 유기성 비료자원으로서 자연으로 순환되도록 하는 유기농업적 차원의 형태로 처리하는 것이 가장 합리적인 방향이다. 국내에서 가축분뇨를 유기성 비료자원으로 재활용하는 방법으로서는 퇴비화와 액비화가 대표적이다.
폭기방법에 따른 반응조 내부와 반응조 상층부에서 암모니아 농도를 측정한 결과, 배관 내 혼합형 시험조 내부에서 더 농도가 높았는데 그 이유는?
암모니아는 배관 내 혼합형 시험조 내부에 상대적으로 더 높은 농도로 존재하고 있는 것으로 조사되었다. 이 결과는 반응조 외부로 배출되는 공기량이 바닥 고정형 산기형에 비해 배관 내 혼합형 반응조에서 상대적으로 더 적은데 기인한 것으로 판단된다. 이 결과는 비료성분인 질소의 손실방지와 악취의 발산예방에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로서 액비제조 및 액비품질 측면에서 긍정적인 결과를 가져올 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (6)
AOAC. 1990. Official methods of analysis(15th) of the association of official analytical chemists. Washington DC.
Choi, Dong-Yoon, Kyu-Hyun Park, Sung-Back Cho, Seong-Hak Yang, Ok-Hwa Hwang, Jung-Hoon Kwag, Hee-Kwon Ahn, and Yong-Hee Yoo. 2011. Comparison of greenhouse gas emission from liquid swine manure according to aeration levels in summer. J. Livestock Housing Environ. 17(3): 163-170.
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RDA. 2010. Technical manual on utilization of livestock manure compost & liquid fertilizer.
Ryu, Hee-Wook, Kyung-Suk Cho, Tae-Ho Lee and Mook Huh. 2003. Management of offensive odors in swine production facilities : II. Odor management plans. Korean Society of Odor Research and Engineering. 2(2): 78-85.
Korean Statistical Information Service. 2012. Statistics Korea (Livestock statistics).
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