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문제 정의
- 37% 수준으로 구분하여 각 슬러리를 혐기소화 하는 실험을 수행하였다. 그리고 그 3가지 시료의 고형물을 분쇄 처리하였을 경우의 메탄 농도를 분석하기 위한 실험을 실시하였다. 상기 돼지분뇨 슬러리를 분쇄함에 따라 슬러리의 고형물 농도가 각각 1.
- 37% 수준으로 구분하여 각 슬러리별 메탄 발생량 측정 실험을 실시하였다. 그리고 그 3가지 시료의 고형물을 분쇄 처리하였을 경우의 메탄 생성 효율을 분석하기 위한 실험을 실시하였다. 상기 돼지분뇨 슬러리를 분쇄함에 따라 슬러리의 고형물 농도가 각각 1.
- 따라서 본 연구는 돼지분뇨 슬러리 중의 고형물 입자 크기를 물리적 분쇄에 의해 감소시키는 방법이 돼지분뇨 슬러리의 혐기소화 효율에 미치는 영향을 분석하기 위한 목적으로 수행되었다.
제안 방법
- 실험기간 중 바이오가스 발생량과 바이오가스의 성상을 분석하였으며, 반응기를 일정한 주기로 흔들어서 반응기내의 기질을 교반하였다. BMP 측정을 위한 회분식 혐기반응기의 발생가스량 정량은 수주차식 습식 가스측정기를 이용하였다.
- 첫 번째 실험을 위한 처리구는 돼지분뇨 슬러리 중에 함유된 고형물 농도의 수준을 달리한 처리구로 구분하여 실험을 실시하였다. 그 다음 실험을 위한 처리구로서는 분쇄 처리되지 않은 신선한 상태의 돼지분뇨 슬러리(Raw slurry)와 분쇄 처리된 돼지분뇨 슬러리(Grinded slurry)를 각각 식종액과 혼합한 다음 중온조건에서 혐기소화 하였을 때의 메탄 발생효과를 분석하였다.
- 첫 번째로는 돼지분뇨 슬러리중의 고형물 농도 수준에 따른 메탄생성 효율을 분석하였다. 그리고 두 번째 실험으로는 슬러리중의 고형물을 분쇄 처리 하였을 경우와 그렇지 않은 경우의 메탄 생성효율을 분석하였다.
- 슬러리중의 고형물 농도수준별 혐기소화 효율을 비교, 분석하였다. 그리고 슬러리중의 고형물을 분쇄한 시료와 분쇄하지 않은 시료의 혐기소화 효율을 분석하였다. 두 가지 실험을 수행하는 동안 각 반응기에 주입된 시료 모두를 동일한 실험조건으로 하여 혐기소화 실험을 실시하였다.
- 다음으로는 분쇄 처리된 돼지 분뇨 슬러리와 분쇄되지 않은 돼지분뇨 슬러리 간의 메탄 발생 누적량을 비교하였다. 고형물 농도가 1.
- 53 배의 메탄 발생 누적량을 나타냄으로서 고형물 농도와 메탄 발생 누적량이 비례적인 관계를 가지는 것으로 분석되었다. 다음으로는 상기 3가지 수준의 고형물 농도를 가진 돼지분뇨 슬러리를 분쇄 처리하였을 때의 메탄 발생량 누적량을 분석하였다. 아래의 [Fig.
- 비육돈 슬러리 돈사에서 수거한 돼지분뇨 슬러리를 원료로 하여 실험을 실시하였다. 돼지 분뇨 슬러리 중에 함유된 고형물을 분쇄한 시료와 분쇄하지 않은 시료로 구분하여 두 시료의 혐기소화 효율을 비교, 분석하였다. 돼지분뇨 슬러리를 분쇄 처리하기 위한 분쇄용 실험장치의 형태를[Fig.
- 1]에 나타낸 장치를 이용하여 돼지분뇨 슬러리중의 고형물을 분쇄 처리하였다. 돼지분뇨 슬러리를 저장호퍼에 투입하고 분쇄장치를 가동하였다. 돼지분뇨 슬러리가 분쇄되는 방식을 요약하면 다음과 같다.
- 돼지분뇨 슬러리에 대한 혐기소화 실험을 실시하기 위하여 [Table 1]에 수록된 특성을 가진 슬러리를 사용하여 2 가지 형태의 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험을 위한 처리구는 돼지분뇨 슬러리 중에 함유된 고형물 농도의 수준을 달리한 처리구로 구분하여 실험을 실시하였다.
- 돼지분뇨 슬러리의 고형물 농도를 각각 1.34%, 1.76% 그리고 2.37% 수준으로 구분하여 각 슬러리를 혐기소화 하는 실험을 수행하였다. 그리고 그 3가지 시료의 고형물을 분쇄 처리하였을 경우의 메탄 농도를 분석하기 위한 실험을 실시하였다.
- 돼지분뇨 슬러리의 고형물농도를 각각 1.34%, 1.76% 그리고 2.37% 수준으로 구분하여 각 슬러리별 메탄 발생량 측정 실험을 실시하였다. 그리고 그 3가지 시료의 고형물을 분쇄 처리하였을 경우의 메탄 생성 효율을 분석하기 위한 실험을 실시하였다.
- 그리고 슬러리중의 고형물을 분쇄한 시료와 분쇄하지 않은 시료의 혐기소화 효율을 분석하였다. 두 가지 실험을 수행하는 동안 각 반응기에 주입된 시료 모두를 동일한 실험조건으로 하여 혐기소화 실험을 실시하였다.
- 비육돈 슬러리 돈사에서 수거한 돼지분뇨 슬러리를 원료로 하여 고형물 농도를 달리하여 혐기소화 실험을 수행하였다. 또한 돼지분뇨 슬러리 중에 함유된 고형물을 분쇄한 시료와 분쇄하지 않은 시료로 구분하여 두 시료의 바이오가스 발생효율을 비교, 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 32% 수준으로 변화하였다. 먼저 대조구(Control) 개념으로서 각기 다른 3가지의 고형물 농도 수준을 지닌 원 슬러리(Raw slurry)를 대상으로 하여 바이오가스 발생량 측정 실험을 수행하였다. 아래의 [Fig.
- 먼저 대조구(Control) 개념으로서 각기 다른 수준의 고형물 농도를 가진 3가지 시료를 대상으로 하여 메탄 발생량 실험을 실시하였다. 아래의 [Fig.
- 바이오가스 생성량 측정을 위한 회분식 반응기는 950 ml bottle을 이용하였다. 반응기질(돼지분뇨 슬러리)과 식종액을 반응기에 혼합 주입한 뒤 마개를 닫고 속건성 연성 실리콘(silicon gasket maker)으로 기밀처리한 후 실험용 반응 기의 양측에 각각 설치된 밸브를 열고, 99.99%의 고 순도 질소(N2)가스로 퍼징하면서 밸브를 닫은 다음에 35℃에서 75일간 실험하였다.
- 분쇄 처리에 따른 입자크기별 분포 상태를 알아보기 위하여 2.0 mm ∼125 ㎛ 사이의 눈 크기를 가진 체를 조합하여 분쇄 처리에 따른 입자크기별 분포변화 정도를 분석한 결과를 [Fig. 3]에 도시하였다.
- 분쇄에 의한 전처리가 메탄생성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 분쇄 처리를 거친 시료와 원 슬러리를 원료로 하여 혐기소화 실험을 실시하였다. 혐기소화 실험을 수행한 항온 실험실의 온도를 35℃로 조절하여 운영하였다.
- 비육돈 슬러리 돈사에서 수거한 돼지분뇨 슬러리를 원료로 하여 고형물 농도를 달리하여 혐기소화 실험을 수행하였다. 또한 돼지분뇨 슬러리 중에 함유된 고형물을 분쇄한 시료와 분쇄하지 않은 시료로 구분하여 두 시료의 바이오가스 발생효율을 비교, 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 그리고 그 3가지 시료의 고형물을 분쇄 처리하였을 경우의 메탄 생성 효율을 분석하기 위한 실험을 실시하였다. 상기 돼지분뇨 슬러리를 분쇄함에 따라 슬러리의 고형물 농도가 각각 1.25%, 1.75% 그리고 2.32% 수준으로 변화하였다.
- 슬러리중의 고형물 농도수준별 혐기소화 효율을 비교, 분석하였다. 그리고 슬러리중의 고형물을 분쇄한 시료와 분쇄하지 않은 시료의 혐기소화 효율을 분석하였다.
- 시료를 분쇄하지 않았을 때와 분쇄 처리하였을 때의 입자크기 변화를 조사하였다. 분쇄 처리에 따라 돼지분뇨 슬러리의 입자 크기가 작아짐으로써 조대성 입자비율이 줄고 미세 입자의 비율이 늘어나는 것으로 나타났다.
- 식종액으로부터 생성되는 바이오가스에 의한 실험오차를 상쇄하기 위하여 본 실험에 앞서 식종액 만을 투입한 반응기를 별도로 비치하고 실험구와 동일한 실험조건에서 혐기소화를 먼저 실시함으로써 식종액 중의 잔여 유기물이 충분히 분해되도록 하였다. 본 실험에서 사용한 식종액의 수분함량은 97.
- 실험기간 중 바이오가스 발생량과 바이오가스의 성상을 분석하였으며, 반응기를 일정한 주기로 흔들어서 반응기내의 기질을 교반하였다. BMP 측정을 위한 회분식 혐기반응기의 발생가스량 정량은 수주차식 습식 가스측정기를 이용하였다.
- 돼지분뇨 슬러리가 분쇄되는 방식을 요약하면 다음과 같다. 연속 흐름 방식으로 분쇄기 내로 유입된 돼지분뇨 슬러리는 고정체와 회전체를 지나면서 분쇄되는 과정을 거치도록 하였다. 회전체와 고정체의 공차를 0.
- 혐기소화 실험을 수행한 항온 실험실의 온도를 35℃로 조절하여 운영하였다. 원활한 혐기소화 진행을 유도하기 위하여 식종액을 무게를 기준으로 하여 실험용 돼지분뇨 슬러리의 50% 수준으로 혼합하여 실험을 수행하였다. 식종액은 국내 B 군에서 운영 중인 돼지분뇨 슬러리 혐기소화 시설의 메탄 반응조에서 채취해 온 소화액을 10일간 35℃ 조건에서 혐기 배양시키고, 잔여가스를 제거한 후 실험용 식종액으로 사용하였다.
- 돼지분뇨 슬러리에 대한 혐기소화 실험을 실시하기 위하여 [Table 1]에 수록된 특성을 가진 슬러리를 사용하여 2 가지 형태의 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험을 위한 처리구는 돼지분뇨 슬러리 중에 함유된 고형물 농도의 수준을 달리한 처리구로 구분하여 실험을 실시하였다. 그 다음 실험을 위한 처리구로서는 분쇄 처리되지 않은 신선한 상태의 돼지분뇨 슬러리(Raw slurry)와 분쇄 처리된 돼지분뇨 슬러리(Grinded slurry)를 각각 식종액과 혼합한 다음 중온조건에서 혐기소화 하였을 때의 메탄 발생효과를 분석하였다.
- 본 실험에서는 두 가지 형태의 실험을 실시하였다. 첫 번째로는 돼지분뇨 슬러리중의 고형물 농도 수준에 따른 메탄생성 효율을 분석하였다. 그리고 두 번째 실험으로는 슬러리중의 고형물을 분쇄 처리 하였을 경우와 그렇지 않은 경우의 메탄 생성효율을 분석하였다.
- 회전체와 고정체의 공차를 0.2∼0.5mm로 하여, 돼지분뇨 슬러리가 고정체를 지나 1,750rpm 속도로 회전하는 회전체를 지나면서 분쇄되도록 하였다.
대상 데이터
- 비육돈 슬러리 돈사에서 수거한 돼지분뇨 슬러리를 원료로 하여 실험을 실시하였다. 돼지 분뇨 슬러리 중에 함유된 고형물을 분쇄한 시료와 분쇄하지 않은 시료로 구분하여 두 시료의 혐기소화 효율을 비교, 분석하였다.
- 원활한 혐기소화 진행을 유도하기 위하여 식종액을 무게를 기준으로 하여 실험용 돼지분뇨 슬러리의 50% 수준으로 혼합하여 실험을 수행하였다. 식종액은 국내 B 군에서 운영 중인 돼지분뇨 슬러리 혐기소화 시설의 메탄 반응조에서 채취해 온 소화액을 10일간 35℃ 조건에서 혐기 배양시키고, 잔여가스를 제거한 후 실험용 식종액으로 사용하였다. 바이오가스 생성량 측정을 위한 회분식 반응기는 950 ml bottle을 이용하였다.
이론/모형
- 본 실험과정에서 발생한 모든 시료의 분석방법은 표준공정시험법에 준하여 실시하였다.13,14)
성능/효과
- 1. 분쇄 처리에 따라 돼지분뇨 슬러리의 입자 크기가 작아짐으로써 조대성 입자비율이 줄고 미세입자가 늘어났다.
- 15) Izumi, K (2010) 등은 음식물 쓰레기의 입자크기에 따른 협기소화 효율 분석실험을 실시한 결과, 입자크기를 감소시킴에 따라 혐기소화 미생물활력이 증진되고 메탄 생산량을 개선한다고 보고하였다.16) 국내외 실험자들의 이러한 보고 결과는 본 실험에서 나타난 결과와 유사한 것으로서 입자크기 감소가 혐기소화 효율증대에 긍정적 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.
- 2. 고형물 농도별 효과 측면에서는 고형물의 농도가 높은 경우가 낮은 경우에 비해 더 많은 메탄 발생효과를 나타냈다.
- 또한 2017년까지는 750천톤을 처리할 계힉이다.3) 따라서 현재 국내에서 가축분뇨를 이용한 혐기소화 시설이 민간과 공공부문을 통틀어서 약 20 여개소가 운영되고 있지만 앞으로는 그 개소 수가 더 늘어날 것으로 예측된다.
- 3. 고형물을 분쇄 처리 한 시료에서의 메탄 발생효과가 분쇄 처리 되지 않은 시료에서의 메탄 발생효과보다 더 좋은 것으로 나타났다.
- 4. 각기 다른 고형물 함량을 가진 세 가지의 돼지분뇨 슬러리를 혐기소화 하였을 시에 생성되는 바이오가스 중의 메탄 함량은 고형물 농도에 비례하여 더 높게 나타났다.
- 5. 분쇄 처리를 함으로써 바이오가스 중에서 차지하는 메탄 함유량이 높아졌으며 이 경우에도 고형물 농도가 높은 시료를 분쇄 처리 한 시료에서의 메탄 함량이 고형물 농도가 낮은 시료를 분쇄 처리 한 시료에서 발생한 바이오가스 중의 메탄 함량보다 더 높은 것으로 나타났다.
- [Fig. 5]에 나타난 바와 같이 고형물을 분쇄한 돼지분뇨 슬러리중의 고형물 함량에 따른 메탄 발생을 분석한 결과, 고형물 농도가 1.25%인 돼지 분뇨 슬러리 분쇄시료에 비해 고형물 농도가 2.32% 수준인 돼지분뇨 슬러리 분쇄시료에서의 메탄 발생 누적량이 1.43 배 높게 나타났다. 또한 고형물 농도가 1.
- 다음으로는 분쇄 처리된 돼지 분뇨 슬러리와 분쇄되지 않은 돼지분뇨 슬러리 간의 메탄 발생 누적량을 비교하였다. 고형물 농도가 1.34%인 돼지분뇨 슬러리를 분쇄 처리함으로써 고형물 농도는 1.25%로 변화하였고 또한 메탄 발생 누적량은 분쇄 처리되지 않은 원 슬러리에 비해 1.46배가 높아졌다. 고형물 농도가 2.
- 46배가 높아졌다. 고형물 농도가 2.37% 수준인 돼지분뇨 슬러리 역시 분쇄 처리에 의해 고형물 농도가 2.32%로 변화하였고 메탄 발생 누적량도 분쇄 처리하지 않은 슬러리에 비해 약 1.16배정도 많은 메탄 발생 누적량을 기록하였다. 따라서 동일한 고형물 함량을 지닌 돼지분뇨 슬러리라 하더라도 분쇄하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 메탄 발생 누적량이 더 많은 것으로 판단할 수 있다.
- 고형물의 농도에 따른 메탄 발생을 분석한 결과, 고형물 농도가 1.34% 수준인 돼지 분뇨 슬러리에 비해 고형물 농도가 2.37% 수준인 슬러리에서의 메탄 발생 누적량이 1.8 배 높게 나타났다. 이 결과는 고형물 함량이 높을수록 메탄으로 전환되는 기질의 양이 많아지는 데에 그 원인이 있는 것으로 판단된다.
- 돼지분뇨 원 슬러리중의 고형물 농도를 3가지 수준으로 하여 혐기소화를 진행한 결과를 나타낸 [Fig. 7]을 보면 각 반응조에서 발생한 바이오가스 중의 메탄 농도는 혐기소화 초기에는 고형물 농도와 비례하여 높게 나타나는 경향을 보이다가 혐기소화 일수가 경과함에 따라 고형물 농도와의 비례관계가 약해지는 것으로 나타났다. 혐기소화 초기에 고형물 농도가 2.
- 43 배 높게 나타났다. 또한 고형물 농도가 1.75%인 돼지분뇨 슬러리 분쇄 시료의 메탄 발생 누적량도 고형물 농도가 1.25%인 돼지 분뇨 슬러리 분쇄시료에 비해 1.18 배의 메탄 발생 누적량을 나타냈다. 이상의 실험결과로 판단해 볼 때 돼지분뇨 슬러리중의고형물을 분쇄 처리한 경우와 분쇄하지 않은 경우 모두에서 고형물 농도와 메탄 발생 누적량이 비례적 관계를 가지는 것으로 나타났다.
- 시료를 분쇄하지 않았을 때와 분쇄 처리하였을 때의 입자크기 변화를 조사하였다. 분쇄 처리에 따라 돼지분뇨 슬러리의 입자 크기가 작아짐으로써 조대성 입자비율이 줄고 미세 입자의 비율이 늘어나는 것으로 나타났다. 아래의 [Fig.
- 상기 3가지 수준의 고형물 농도를 가진 돼지분뇨 슬러리를 분쇄 처리하였을 경우에 있어서도 혐기소화 초기에 고형물 농도 2.32% 인 슬러리에서 발생한 바이오가스중의 메탄 함량이 73.78%로 최고치를 기록한 시점에서 고형물 농도가 1.25인 슬러리에서는 63.29%, 고형물 농도 1.75%인 슬러리에서는 68.45% 수준의 메탄 함량을 보였다. 이 결과로 볼 때 돼지분뇨 슬러리 중의 고형물을 분쇄한 경우에도 역시 고형물 농도와 메탄 함량이 비례한다는 것을 알 수 있다.
- 상기 [Fig. 7]과 [Fig. 8]의 실험결과를 요약하면 각기 다른 고형물 함량을 가진 세 가지의 돼지분뇨 슬러리를 혐기소화 하였을 시에 생성되는 메탄의 양과 메탄 농도는 시료에 함유된 고형물 농도에 비례하여 높게 나타난다는 것을 알 수 있다. 또한 동일한 고형물 농도일 경우에는 분쇄 처리된 슬러리부터 발생하는 메탄의 양과 농도가 분쇄되지 않은 슬러리에서 발생하는 메탄의 양과 농도보다 높다고 할 수 있다.
- 45% 수준의 메탄 함량을 보였다. 이 결과로 볼 때 돼지분뇨 슬러리 중의 고형물을 분쇄한 경우에도 역시 고형물 농도와 메탄 함량이 비례한다는 것을 알 수 있다. 분쇄 처리한 경우에도 혐기소화 일수가 경과함에 따라 고형물 농도 수준에 따라 각기 다른 농도를 비율을 보였던 메탄 함량의 차이가 점차 줄어들었다.
- 18 배의 메탄 발생 누적량을 나타냈다. 이상의 실험결과로 판단해 볼 때 돼지분뇨 슬러리중의고형물을 분쇄 처리한 경우와 분쇄하지 않은 경우 모두에서 고형물 농도와 메탄 발생 누적량이 비례적 관계를 가지는 것으로 나타났다.
- 7]을 보면 각 반응조에서 발생한 바이오가스 중의 메탄 농도는 혐기소화 초기에는 고형물 농도와 비례하여 높게 나타나는 경향을 보이다가 혐기소화 일수가 경과함에 따라 고형물 농도와의 비례관계가 약해지는 것으로 나타났다. 혐기소화 초기에 고형물 농도가 2.37% 인 슬러리에서 발생한 바이오가스중의 메탄 함량이 72.94%로 최고치를 기록한 시점에서 고형물 농도가 1.34%인 슬러리에서는 59.44%, 고형물 농도 1.76%인 슬러리에서는 62.06% 수준의 메탄 함량을 보여 고형물 농도 수준과 메탄 함량이 비례하는 것으로 나타났다. 그러나 혐기소화 일수가 경과함에 따라 그 차이가 점차 줄어드는 경향을 보였다.
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