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문제 정의
- 이를 위한 기술개발은 농축산분야의 위생적 측면에서도 매우 중요하며, 친환경적 이용방안에 있어서도 필요하다. 본 연구는 가축분뇨의 적정처리와 자원화라는 측면에서 우분뇨를 이용한 고형연료의 생산과 고액분리여액의 고온호기산화 (Thermophilic Aerobic Oxidation, TAO) 공정 적용 가능성에 대하여 기초자료를 수집하고자 하였다.
- 본 연구는 우분뇨를 이용한 고형연료의 생산과 고액분리여액의 고온호기산화 (Thermophilic Aerobic Oxidation, TAO system) 공정 적용 가능성에 대한 기초자료를 수집하고자 수행하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- TAO system에 약 120 L의 우분뇨를 투입 하여 60시간 동안 처리하였으며, 시간의 경과에 따라 주요 항목에 대하여 이화학적 성상을 분석하였다. 반응기에 투입된 우분뇨의 초기 유입수 성상은 Table 2와 같다.
- 이러한 고온특성은 반응속도를 촉진시켜 고농도 유기 물질을 단기간에 발효처리할 수 있으며, 이용성과 안전성이 확보된 발효액의 생산이 가능하다. 본 연구에서는 TAO system에 약 120 L 의 우분뇨를 투입하여 60시간 동안 처리하였으며, 처리에 따른 내부액상물의 온도 및 이화학적 성상 변화에 대하여 분석하였다.
- 채취한 시료는 패각 등의 칼슘질을 일정 비율로 혼합하여 자체 제작한 Pilot 규모의 축분 고형연료화 장치를 통해 우분고형연료 chip을 생산하였다. 생산된 우분고형연료 chip은 고형연료제품 품질 기준에 근거하여 저위발 열량, 수분, 회분, 염소, 황, 금속성분 함유량 등을 분석하였다. 고액분리여액은 축분고형 연료화 장치 및 농가현장의 세척수량을 고려 하여 우분뇨와 지하수를 약 1:7로 혼합한 후 3mm 체를 통과한 액상물을 시료로 하여고 온호기산화반응기에 처리하였다.
- 시료는 12시간 간격 구분하여 채취하였으며, 채취된 시료는 즉시 실험실로 이송하여 분석을 실시하였다. 시료의 pH, 전기전도도(Electrical Conductivity, EC)는 수질 다항목 측정기 (Multi Sensor Meter, YSI-556 MPS, USA)를 이용하여 측정하였다.
- 시료는 12시간 간격 구분하여 채취하였으며, 채취된 시료는 즉시 실험실로 이송하여 분석을 실시하였다. 시료의 pH, 전기전도도(Electrical Conductivity, EC)는 수질 다항목 측정기 (Multi Sensor Meter, YSI-556 MPS, USA)를 이용하여 측정하였다. 화학적산소요구량 (Chemical Oxygen Demand, SCODcr), 수 용성화학적산소요구량 (Soluble Chemical Oxygen Demand, SCODcr), 총킬달질소 (Total Kjedahl Nitrogen, TKN), 암모니아성질소 (Ammonia Nitrogen, NH4+ -N)을 Standard method (AHPA, 1989)에 따라 분석하여 각 처리방법에 따른 시료의 이화학적 변화 특성을 알아보았다.
- 시료의 pH, 전기전도도(Electrical Conductivity, EC)는 수질 다항목 측정기 (Multi Sensor Meter, YSI-556 MPS, USA)를 이용하여 측정하였다. 화학적산소요구량 (Chemical Oxygen Demand, SCODcr), 수 용성화학적산소요구량 (Soluble Chemical Oxygen Demand, SCODcr), 총킬달질소 (Total Kjedahl Nitrogen, TKN), 암모니아성질소 (Ammonia Nitrogen, NH4+ -N)을 Standard method (AHPA, 1989)에 따라 분석하여 각 처리방법에 따른 시료의 이화학적 변화 특성을 알아보았다. SCODMn 분석은 시료를 원심분리관에 20 ㎖ 분취하고, 10,000 rpm에서 10분간 원심분리한 후 상등액을 이용하여 분석하였으며, NH4+-N 의 경우 일본하수시험방법 (下水試驗方法, 1984)에 따라 분석하였다.
대상 데이터
- 연구에 사용된 우분뇨는 강원도 원주시에 소재한 축산농가에서 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 패각 등의 칼슘질을 일정 비율로 혼합하여 자체 제작한 Pilot 규모의 축분 고형연료화 장치를 통해 우분고형연료 chip을 생산하였다.
- 연구에 사용된 우분뇨는 강원도 원주시에 소재한 축산농가에서 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 패각 등의 칼슘질을 일정 비율로 혼합하여 자체 제작한 Pilot 규모의 축분 고형연료화 장치를 통해 우분고형연료 chip을 생산하였다. 생산된 우분고형연료 chip은 고형연료제품 품질 기준에 근거하여 저위발 열량, 수분, 회분, 염소, 황, 금속성분 함유량 등을 분석하였다.
이론/모형
- 화학적산소요구량 (Chemical Oxygen Demand, SCODcr), 수 용성화학적산소요구량 (Soluble Chemical Oxygen Demand, SCODcr), 총킬달질소 (Total Kjedahl Nitrogen, TKN), 암모니아성질소 (Ammonia Nitrogen, NH4+ -N)을 Standard method (AHPA, 1989)에 따라 분석하여 각 처리방법에 따른 시료의 이화학적 변화 특성을 알아보았다. SCODMn 분석은 시료를 원심분리관에 20 ㎖ 분취하고, 10,000 rpm에서 10분간 원심분리한 후 상등액을 이용하여 분석하였으며, NH4+-N 의 경우 일본하수시험방법 (下水試驗方法, 1984)에 따라 분석하였다.
성능/효과
- 48 mS/cm 로 감소하였다. COD와 SCOD는 각각 16,800 에서 10,400 mg/L, 4,600에서 2,040 mg/L로 감소하여, 각각 약 38%, 56%의 제거율을 나 타냈다. TKN, NH4-N 및 T-P의 경우 742에서 616 mg/L, 126에서 56 mg/L, 237에서 56 mg/L로 각각 감소하였다.
- 둘째, 우분뇨의 TAO system 처리시 외기 온도는 처리기간 동안 20~30℃로 나타났으며, 반응기의 내부온도는 시스템의 가동 후 외기온도와 관계없이 점차 상승하여 20시간 이후부터 병원성미생물 제어조건인 50℃ 이상을 유지하였다.
- 4에는 우분뇨의 TAO reactor 처리 시 COD와 SCOD의 변화를 나타내었다. 반응시간은 60시간이었으며, 분석결과 COD와 SCOD는 각각 16,800에서 10,400 mg/L, 4,600 에서 2,040 mg/L로 감소하였고, 각각 약 38%, 56%의 제거율을 나타냈다. 가축분뇨는 고농도의 유기물질을 함유하고 있으므로, 적절한 처리를 하지 않으면 토양환원 시 토양 및 주변수계에 환경피해가 유발 될 수 있으므로 유의해야 한다.
- 계분은 계사로 부터 수거될 때 수분이 약 30% 정도로 건조되어 있으며, 이는 발열량이 2,000~3,000 kcal/kg인 연료가 된다 (Kim, 2008). 본 연구에서는 자체 제작한 축분고형연료화 장치를 통해 우분 고형연료 chip을 생산하였으며, 특히 저위발열량의 경우 3,150 kcal/kg로 나타났다. 그 밖의 물리화학적 성상과 고형연료제품에 대한 품질․등급기준 (환경부, 2013)을 Table 1에 나타내었다.
- 셋째, 우분뇨의 TAO system 처리에 따라 액상물의 이화학적 성상은 pH 7.3에서 pH 9.18 로 증가하였으며, EC는 4.6에서 3.48 mS/cm 로 감소하였다. COD와 SCOD는 각각 16,800 에서 10,400 mg/L, 4,600에서 2,040 mg/L로 감소하여, 각각 약 38%, 56%의 제거율을 나 타냈다.
- 외기온도는 처리기간 동안 20~30℃로 나타났으며, TAO system의 내부온도는 시스템의 가동 후 외기온도와 관계없이 점차 상승하여 20시간 이후부터 병원성미생물 제어조건인 50℃ 이상을 유지하였다. 반응기 내부 액상 물의 온도가 계속적으로 유지되는 것으로 보아 고온호기성미생물에 의한 유기물 분해과정이 활발히 진행되는 것으로 사료된다
- 우분 고형연료 chip의 분석결과 대부분의 항목에서 환경부 고형연료기준 (일반 고형연료제품)에 만족하는 것으로 조사되었다. 축분을 이용한 고형연료는 연소과정 중 유기물질 은 연소되어 열량을 발생시키면서 산화되지만 무기물은 남아 재(Ash)의 형태로 남게 된다.
- 우분뇨의 TAO system 처리 시 pH의 경우 반응 초기 pH 7.3의 중성부근에서 시간이 경과함에 따라 pH 9.18로 다소 증가하였으며, EC의 경우는 초기 4.6 mS/cm에서 3.48 mS/ m로 감소하는 경향을 나타냈다. 일반적으로 돈분뇨의 경우 폭기처리를 통한 호기성 액비 화시 부숙이 진행됨에 따라 pH는 증가하고 EC는 감소하는 경향을 보이며 (Han, 2008; Kim, 2010), 이와 같은 연구보고는 TAO system 통한 우분뇨의 처리에서도 유사한 결과가 도출되었다.
- 첫째, 우분 고형연료 chip의 물리화학적 성상은 수분 0.12%, 저위발열량 3,510 kcal/kg, 회분 11.9%, 염소 0.82%, 황분 0.5%, 수은 불 검출, 카드뮴 1.0 mg/kg, 납 2 mg/kg, 비소 불검출로 나타났으며, 대부분의 항목에서 환경부 고형연료 품질기준 (일반 고형연료제품)에 만족하는 것으로 조사되었다.
후속연구
- 일반적으로 COD는 BOD (생물학적산소요구량)와 더불어 오염물질 정도의 지표로 이용되고 있다. TAO system 처리를 통한 우분뇨의 COD의 제거효과는 축분고 형연료화 및 고액분리에서 발생되는 액상물질 오염부하의 효율적인 저감이 기대되며, 향후 다양한 유입농도에 대한 추가적인 공정 특성 연구가 필요하다.
- 그러나 축분 고형연료화 기술에서 발생되는 고액분리 여액은 가축분뇨의 친환경적 관리를 위한 해결과제이다. 본 연구결과를 통하여 우분뇨를 이용한 에너지원 및 비료자원 확보 가능성을 검토할 수 있었으며, 향후 고형연료화 및 축분 여액의 액비 자원화에 대한 기초자료로서의 활용이 기대된다.
- 축분을 이용한 고형연료는 연소과정 중 유기물질 은 연소되어 열량을 발생시키면서 산화되지만 무기물은 남아 재(Ash)의 형태로 남게 된다. 연소 후 남은 재는 인산, 칼륨, 칼슘 등의 비료성분이 많기 때문에 토양개량제 및 비료자원으로서의 자원순환이 가능할 것으로 기대된다.
- , 2012). 처리된 액상물의 질소 및 인의 농도가 비교적 낮게 나타내는 것은 실험특성에 따른 시료 전처리에 기인한 것으로 사료되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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