[논문]퇴비단을 이용한 혐기소화폐액의 액비화에 대한 연구

한덕우; 이동현; 정광화; 김중곤; 최동윤; 곽정훈

doi:10.11109/jaes.2014.20.2.69

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This study was aimed at investigating a filtration bed system for the production of liquid fertilizer using wastewater generated after anaerobic digestion of animal manure. Slurry, Compost, & Biofiltration-Methane System, designed by Korean National Institute of Animal Science, is now a standard met...

This study was aimed at investigating a filtration bed system for the production of liquid fertilizer using wastewater generated after anaerobic digestion of animal manure. Slurry, Compost, & Biofiltration-Methane System, designed by Korean National Institute of Animal Science, is now a standard method to recycle anaerobic digestion wastewater. However, currently provided protocol to run the system needs continuous upgrades as the system is relatively new and can be more cost-effective if few adjustments are made. In this study, we tried to enhance the capability of the system to process anaerobic digestion wastewater by replacing the bed materials with the cheaper one, and determining the time point of operation from which filtrates can be utilized for fertilization.

주제어

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문제 정의

최근에는 Slurry, Composting, & Bio-filtration(SCB) 처리기법을 혐기소화폐액에 적용한 SCB-Methane(SCB-M) 기법이 등장한 바 있다. 본 연구에서는 SCB-M 기법을 이용하여 돈분뇨 슬러리 혐기소화폐액을 여과처리할 경우, 여과액의 성상이 어떻게 변하는 지를 분석하였으며 톱밥, 왕겨, 목편 등의 여과재로서 이루어진 다층구조 퇴비단을 구성하여 여과재 조합에 따른 여과 효율도 비교 검토하였다.
본 연구의 주요한 목적의 하나는 고가의 퇴비단 원료인 톱밥을 저가의 왕겨 또는 목편으로 일부 대체하였을 때 퇴비단의 여과 능력에 어떠한 변화가 발생하는지를 분석하는 것이었다. 이를 검증하기 위해 다양한 여과재 조합의 여과능력을 여과단으로 이용해 보았다.
본 연구의 주요한 목적의 하나는 고가의 퇴비단 원료인 톱밥을 저가의 왕겨 또는 목편으로 일부 대체하였을 때 퇴비단의 여과 능력에 어떠한 변화가 발생하는지를 분석하는 것이었다. 이를 검증하기 위해 다양한 여과재 조합의 여과능력을 여과단으로 이용해 보았다. 결과적으로 여과재의 구성에 따른 여과 효과의 차이는 미미했다.

제안 방법

1) 여과재의 조합에 따른 여과효율을 측정하기 위해 3종의 퇴비단(T1, T2, and T3)을 조합하였다(Table 1). 공기를 주입함으로서 퇴비단 내부의 호기성 환경을 유지하였는데 링－블로어를 이용하여 하부에서 상향으로 공기공급이 이루어지도록 하였다. 송풍량은 시험용 여과상 1 m³당 50 L/min 수준으로 설정하였다.
송풍량은 시험용 여과상 1 m³당 50 L/min 수준으로 설정하였다. 돈분뇨혐기소화폐액의 1일 투여량은 140 L이며 2회에 나누어 투여하였다. 시험과정에서 수집된 여과액은 채취하는 즉시 실험실로 이송하여 수질오염공정시험법(Ministry of Environment, 2011)에 준하여 분석되었다.
실험 공간 뿐 아니라 퇴비단 내부의 온도를 추적하기 위하여 막대온도계를 퇴비단의 내부의 상중하 3곳에 설치하여 온도 변화를 추적하였다(Fig. 3). 외부기온과 마찬가지로 계절적인 원인으로 측정 온도가 점차 하락하였으나 퇴비단 내부의 온도는 영상의 온도를 유지하였다.
실험기간 동안 퇴비단이 위치한 실험공간의 온도를 추적하였다(Fig. 1). 오전 10시를 기준으로 24시간 동안의 최고온도와 최저기온 그리고 현재온도를 기록하였으며 예상대로 계절적인 원인으로 인해 퇴비단이 위치한 공간의 온도는 점차 하락하였다.
퇴비단 여과상 제작을 위하여 두께 10 mm인 아크릴 평판으로 가로 1,000 mm, 세로 2,000 mm, 높이 1,800 mm 크기의 장방형 시험기를 제작하였으며(Fig. 1) 여과재의 조합에 따른 여과효율을 측정하기 위해 3종의 퇴비단(T1, T2, and T3)을 조합하였다(Table 1). 공기를 주입함으로서 퇴비단 내부의 호기성 환경을 유지하였는데 링－블로어를 이용하여 하부에서 상향으로 공기공급이 이루어지도록 하였다.

대상 데이터

시험과정에서 수집된 여과액은 채취하는 즉시 실험실로 이송하여 수질오염공정시험법(Ministry of Environment, 2011)에 준하여 분석되었다. 본 연구는 2013년 9월 26일 시작하여 12월 26일 종료되었으며 총 수행기간 92일이었다.

이론/모형

돈분뇨혐기소화폐액의 1일 투여량은 140 L이며 2회에 나누어 투여하였다. 시험과정에서 수집된 여과액은 채취하는 즉시 실험실로 이송하여 수질오염공정시험법(Ministry of Environment, 2011)에 준하여 분석되었다. 본 연구는 2013년 9월 26일 시작하여 12월 26일 종료되었으며 총 수행기간 92일이었다.

성능/효과

소화폐액의 경우, COD은 매우 불규칙한 변화를 보였는데 초기 25일까지는 1,200 mg/L 이상의 높은 수준을 유지하였으나 그 후 실험 종료까지 1,000 mg/L 수준을 유지하였다. 25일 이후 혐기소화폐액의 COD가 급감하는 원인은 TSS 데이터에 근거하여 판단해 볼 때(Fig. 4) 세척용수 사용의 증가에 기인하지는 않는 것으로 보이며 아마도 돈사에서의 분뇨의 발생량 감소에 의하거나 혐기발효조의 메탄 생성의 효율성이 향상됨으로서 결과적으로 호기성 발효에 필요한 산소의 요구량이 감소하기 때문으로 판단된다. BOD의 경우(Fig.
외부기온과 마찬가지로 계절적인 원인으로 측정 온도가 점차 하락하였으나 퇴비단 내부의 온도는 영상의 온도를 유지하였다. 모든 처리구에서 퇴비단의 상층부의 온도가 상대적으로 높게 유지되었으며 하층부로 갈수록 온도가 하강하였다. 이는 아마도 퇴비단의 상층부가 상대적으로 산소의 공급이 원활하고 혐기소화폐액의 부유물이 집중적으로 걸러지는 곳이므로 호기성 발효가 가장 원활하게 진행되었기 때문으로 여겨진다.
(2013)에 의하면 혐기소화폐액과 달리 여과액(SCB-M)의 질소성분중 암모니아의 비중은 크지 않은 것으로 보고되어 있다. 본 실험의 결과에서 판단하건데 퇴비단 여과 처리 과정 중 휘발에 의한 질소성분의 손실은 거의 발생하지 않는 것으로 여겨진다. 일반적으로 암모니아의 경우 스트리핑의 과정이 없다면 암모니아가 휘발하여 제거되는 비중은 크지 않은 것으로 알려져 있다(Lee, 2005).
이는 해당기간 동안 퇴비단 내에서 미생물에 의한 여과기능(유기물 분해)이 충분히 작동하지 않았음을 의미하는데 이미 언급한 것처럼 여과단 톱밥의 표면에 충분한 수의 호기성 미생물이 존재하여야만 혐기소화폐액의 BOD를 낮출 수 있다. 소화폐액에 풍부한 혐기성 미생물은 호기성 환경에서 사멸하며 또한 호기성미생물은 아직 충분히 증식하지 않아 종합적으로 이 시기 동안 미생물에 의한 분해작용은 대단히 부진하다고 할 수 있다. 따라서 사용된 지 15일을 경과하지 않은 퇴비단(또는 퇴비단의 일부분)을 통과한 여과액은 액비저장고로 이송하지 말고 반복적으로 여과단에 투여하여 BOD 측정치가 충분히 낮아진 이후에 저장고로 이송하는 것이 바람직할 것이다.
혐기소화폐액의 경우 암모니움(NH₄⁺), 칼슘, 마그네슘과 같은 양이온 그리고 인산, 아질산, 질산 성분과 같은 음이온에 의해 결정된다고 볼 수 있다. 실험기간 동안의 원수인 혐기소화폐액의 EC는 8 mS/cm 이상으로 유지되었으며 여과액의 경우 퇴비단 구성에 상관없이 초기 10여 일 동안 4~5 mS/cm 수준을 유지하다가 이후 6~7 mS/cm 이상으로 급상승하였다가 점차 안정화되었으며 실험 후반에 다시 점차적으로 상승하는 추세를 보였다.

후속연구

소화폐액에 풍부한 혐기성 미생물은 호기성 환경에서 사멸하며 또한 호기성미생물은 아직 충분히 증식하지 않아 종합적으로 이 시기 동안 미생물에 의한 분해작용은 대단히 부진하다고 할 수 있다. 따라서 사용된 지 15일을 경과하지 않은 퇴비단(또는 퇴비단의 일부분)을 통과한 여과액은 액비저장고로 이송하지 말고 반복적으로 여과단에 투여하여 BOD 측정치가 충분히 낮아진 이후에 저장고로 이송하는 것이 바람직할 것이다.
8), COD과 마찬가지로 25일 이후 급감하는 경향을 보이는데 이는 돈사에서의 슬러리 생산량이 감소했기 때문으로 여겨진다. 슬러리의 생산량이 감소할 경우 상대적으로 전반적인 처리기간이 길어지게 되고 이로 인해 발효가 더욱 충분히 진행되어 생물화학적 산소요구량이 감소하는 결과를 낳게 될 것이다. 본 실험이 실시된 돈사의 경우 총 200~300여 마리에서 배출되는 분뇨를 혐기소화방식으로 처리하고 있는데 9월 25일부터 11월 26일까지 3차례에 걸쳐 총 100두의 성숙한 수컷돼지를 출하하였으므로 이 시기 동안 배출되는 돈분뇨슬러리의 량이 상당히 감소되었을 것이다.
결과적으로 여과재의 구성에 따른 여과 효과의 차이는 미미했다. 이로보아 여과재를 구성함에 있어서 가장 우수하지만 가격이 고가인 톱밥을 대체하여 상대적으로 저가인 왕겨나 목편을 여과단의 하부에 배치함으로서 여과효과는 유지하면서 비용의 절감 효과를 기대할 수 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오가스 생산의 장점은 무엇인가?	생산된 퇴액비는 대부분 경작지에 살포되는데 경작지 면적당 살포되는 량이 계속적으로 증가하여 적정 수준을 이미 넘어선 상황이다. 분뇨의 처리법 중퇴액비를 비교적 적게 생산하는 방법으로서 바이오가스 생산을 들 수 있는데 가축분뇨의 처리와 동시에 에너지의 획득이라는 장점이 있어서 그 효용가치가 높다고 할 수 있다. 그러나 가축분뇨를 이용하여 바이오가스 생산시설을 운용함에 있어서 발생하는 문제점은 혐기소화 과정 완료 후 다량의 액상 페기물인 혐기소화폐액이 발생되므로 이의 처리를 위한 추가적인 과정을 필요로 한다는 점이다.
	바이오가스 생산시설에서 발생되는 혐기소화폐액 처리를 위한 방법으로 제시된 것은 무엇이 있는가?	그러나 가축분뇨를 이용하여 바이오가스 생산시설을 운용함에 있어서 발생하는 문제점은 혐기소화 과정 완료 후 다량의 액상 페기물인 혐기소화폐액이 발생되므로 이의 처리를 위한 추가적인 과정을 필요로 한다는 점이다. 발생한 혐기소화폐액은 정화처리 후 방류되거나 액비로 이용될 수 있으며 최근 들어 자원의 순환 개념이 강조되면서 액비화후 경작지 환원의 방법이 제시되고 있다 (Alburquerque et al., 2012; Kim et al., 2011a; Kim et al., 2011b). 최근에는 Slurry, Composting, & Bio-filtration(SCB) 처리기법을 혐기소화폐액에 적용한 SCB-Methane(SCB-M) 기법이 등장한 바 있다. 본 연구에서는 SCB-M 기법을 이용하여 돈분뇨 슬러리 혐기소화폐액을 여과처리할 경우, 여과액의 성상이 어떻게 변하는 지를 분석하였으며 톱밥, 왕겨, 목편 등의 여과재로서 이루어진 다층구조 퇴비단을 구성하여 여과재 조합에 따른 여과 효율도 비교 검토하였다.
	바이오가스 생산시설 운용으로 발생하는 문제점은 무엇인가?	분뇨의 처리법 중퇴액비를 비교적 적게 생산하는 방법으로서 바이오가스 생산을 들 수 있는데 가축분뇨의 처리와 동시에 에너지의 획득이라는 장점이 있어서 그 효용가치가 높다고 할 수 있다. 그러나 가축분뇨를 이용하여 바이오가스 생산시설을 운용함에 있어서 발생하는 문제점은 혐기소화 과정 완료 후 다량의 액상 페기물인 혐기소화폐액이 발생되므로 이의 처리를 위한 추가적인 과정을 필요로 한다는 점이다. 발생한 혐기소화폐액은 정화처리 후 방류되거나 액비로 이용될 수 있으며 최근 들어 자원의 순환 개념이 강조되면서 액비화후 경작지 환원의 방법이 제시되고 있다 (Alburquerque et al.

참고문헌 (12)

Alburquerque, J.A., Fuente, de la., Campoy, M., Carrasco, L., Najera, I., Baixauli, C., Caravaca, F., Roldan, A., Cegarra, J., Bernal, M.P., 2012. Agricultural use of digestate for horticultural crop production and improvement of soil properties. European Journal of Agronomy 43, 119-128.

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Argun, M.E., Dursun, S., Ozdemir, C., Karatas, M., 2007. Heavy metal adsorption by modified oak sawdust: Thermodynamics and kinetics. Journal of Hazardous Materials 141, 77-85.

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Estelles, F., Calvet, S., Melse, R.W., Ogink, N.W.M., 2012. Uncertainty modelling to evaluate nitrogen balances as a tool to determine $N_2\;and\;N_2O$ formation in ammonia bioscrubbers. Environmental Engineering Science 29(6) 520-525.

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Han, D.W., Lee, D.H., Kim, J.G., Yang, S.H., Bae, J.W., Kwag, J.H., Choi, D.Y., Chung, K.H., 2013. A study on the filtration of swine anaerobic digestate using multi-layered compost beds. Journal of Korea Organic Resources Recycling Association 21(4) 72-80.
Kim, H.C., Yeo, J.K., Koo, Y.B., Shin, H., Choi, J.Y., Lee, H.H., 2011. Growth and Biomass Production of Fast Growing Tree Species Treated with Slurry Composting and Biofiltration Liquid Fertilizer. Korean Journal of Soil Science and Fertilizer 44(2), 206-214.

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Kim, H.Y., Gwak, K.S., Kim, H.Y., Ryu, K.O., Kim, P.G., Cho, D.H., Choi, J.Y., Choi, I.G., 2011. Effect of Treatment amounts of slurry composting and biofiltration liquid fertilizer on growth characteristics and bioethanol production of yellow poplar. Korean Wood Science & Technology 39, 459-468.

원문보기 상세보기
Lee, D.H., Chung, K.H., Khan, M.A., Kim, J.K., Kwag, J.H., Ahn, H.K., Kim, E.J., 2013. Filtration efficiency of anaerobic digestion wastewater could be maintained when three sets of filter media were tested. Journal of Animal Housing and Environment Science. 19(1), 39-46.

원문보기 상세보기
Lee, Y.W., 2005. A technical improvement to eliminate nitrogen from animal manure using a skimming process(A report submitted to Gwangju-Regional environment technology development center, No. 05-4-10-17).
Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs. 2013. Outcome of animal waste generation and recycling('06-'12).
Ministry of Environment, 2011. Official Testing Method with Respect to Water Pollution Process.
Rural Development Administration, 2010. How to use compost and liquified fertilizer rightly, a guide for users who want a satisfaction, Chapter 4, Techniques to produce liquified fertilizer using animal manure. 54-58.
Yasemin, B., Zeki, T., 2007. Removal of heavy metals from aqueous solution by sawdust adsorption. Journal of Environmental Science 19, 160-166.

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