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문제 정의
- 가축 분뇨의 데이터베이스를 위한 국내 분뇨의 특성 평가, 분석방법 및 바이오가스 생산 잠재성 평가 기준이 마련되어 있지 않다. 국외의 평가기준 및 분석방법, 바이오가스 잠재성평가 방법을 비교하여 바이오매스의 자원화 기준을 마련하고 향후 연구에 도움이 되고자 본 연구가 수행되었다.
- 위와 같은 사례를 종합하여 볼 때 국내에서 발생하는 가축 분뇨에 대한 각 연구별, 특성별 고상가축분뇨 원료 평가와 데이터베이스화가 필요할 것으로 여겨진다. 따라서, 본 연구는 국외에서 발생하는 고상가축분뇨의 특성 조사, 분뇨 분석방법 및 바이오가스 잠재성 평가 방법을 고찰하여 국내 고상가축 분뇨 자원화 데이터베이스 제작에 기여하고자 수행되었다.
- 바이오메탄 잠재성 평가의 파라미터는 기질, 기질의 입자도, 접종원, 접종원 활성도, medium, blank 및 대조구, 교반 강도 등이 있으며 메탄 발생량에 영향을 주는 요인이다. 이러한 다양한 각 요인들을 기존연구를 통하여 정리해 보았다.
제안 방법
- 가축 분뇨 데이터베이스 작성을 위한 분석 성분은 AOAC 및 AHPA를 바탕으로 선정하였으며, 각 자원화 과정별 중요도를 고려하여 선정하였고, 분석에 사용되는 공인 분석법은 AOAC 및 AHPA에서 사용되는 분석 방법을 정리하였다(Table 2). ASAE standard 내의 고형분은 총 고형분(Total solids) 및 휘발성고형분(Volatile solids) 값만 나타내었으나, 각 자원화 과정별 마다 중요한 지표가 다른 부분을 고려하여 총 고형분, 휘발성고형분, 강열잔류고형물(Fixed solids), 총 부유성고형물(Total volatile solids), 휘발성부유물(Volatile suspended solids), 강열잔류부유물 (Fixed dissolved solids), 총 용존고형물(Total dissolved solids) 및 휘발성용존고형물(Volatile dissolved solids) 값을 모두 나타내는 것이 유리할 것으로 사료된다.
- 가장 많은 분뇨 성분을 제시한 ASAE의 경우 여러 분야에 활용할 수 있도록 다양한 특성을 나타낸 것으로 사료된다. 게다가, 1997년과 2005년 출간된 ASAE standard를 비교해 보면, 2005년에 새롭게 NRC(National research council) 사양표준을 기반으로 계산한 각 동물 소화율 수치를 이용한 분뇨 성분 발생량 추정식을 제공하였다. 이러한 광범위한 추정 모델은 미국 내 발생한 분뇨 특성을 예측하여 빠른 정책반영과 바이오매스를 통한 에너지화 효율 등의 예측에 활용도가 클 것으로 사료된다.
- 3 g CH4-COD/g VSS․d으로 보고하였다. 게다가, 접종원의 여러가지 특성을 고려한 활성도 평가에 대한 방법을 제시하였다(Fig. 1).
- 보수력의 경우 국내의 대부분의 농장 형태가 깔짚 우사의 형태이며, 발생된 분뇨를 1차적으로 퇴비사에 저장하는 형태라는 점과 수분의 함량이 혐기소화에 영향을 주는 중요한 요인이기 때문에 포함하였다. 그 외의 분석 요인은 ASAE 및 기존의 연구를 바탕으로 선정하였다. 각 분석 방법에 사용된 공인 분석법은 비료, 물, 사료 및 AHPA 성분 분석에 사용 되는 분석 방법이지만 분뇨의 성분을 분석하는 방법으로 많이 사용되어지는 분석법이다.
대상 데이터
- C, H, O의 값은 열량을 나타내는 지표로 탄화 및 수열탄화 같은 고형연료화 측면에서 중요한 성분으로 인식되어 추가하였다. 그리고 cellulose, hemicellulose, 및 lignin 성분은 고상가축분뇨 자원화가 우분을 기반으로 진행되고, 우분에는 섬유소의 함량이 각 연구의 공정에 영향을 미치기 때문에 제시 성분으로 선정하였다. 보수력의 경우 국내의 대부분의 농장 형태가 깔짚 우사의 형태이며, 발생된 분뇨를 1차적으로 퇴비사에 저장하는 형태라는 점과 수분의 함량이 혐기소화에 영향을 주는 중요한 요인이기 때문에 포함하였다.
성능/효과
- 가축 분뇨 데이터베이스 작성을 위한 분석 성분은 AOAC 및 AHPA를 바탕으로 선정하였으며, 각 자원화 과정별 중요도를 고려하여 선정하였고, 분석에 사용되는 공인 분석법은 AOAC 및 AHPA에서 사용되는 분석 방법을 정리하였다(Table 2). ASAE standard 내의 고형분은 총 고형분(Total solids) 및 휘발성고형분(Volatile solids) 값만 나타내었으나, 각 자원화 과정별 마다 중요한 지표가 다른 부분을 고려하여 총 고형분, 휘발성고형분, 강열잔류고형물(Fixed solids), 총 부유성고형물(Total volatile solids), 휘발성부유물(Volatile suspended solids), 강열잔류부유물 (Fixed dissolved solids), 총 용존고형물(Total dissolved solids) 및 휘발성용존고형물(Volatile dissolved solids) 값을 모두 나타내는 것이 유리할 것으로 사료된다. C, H, O의 값은 열량을 나타내는 지표로 탄화 및 수열탄화 같은 고형연료화 측면에서 중요한 성분으로 인식되어 추가하였다.
- , 2009). 기존 연구를 종합해 볼 때 고상 가축분뇨의 기질입자도의 평준화가 바이오가스 생산에 긍정적인 영향을 줄 것으로 사료된다. 하지만, 수분이 함유되어 있는 기질의 균일화 방법과 입자도 평가가 어렵기 때문에 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- , 2009). 기질의 특성을 고려한 분석법을 통한 정확한 데이터베이스가 객관적인 바이오메탄 잠재성 평가에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 사료된다.
후속연구
- (2012) 연구에서 기질과 접종원의 비율보다 기질의 종류가 더 큰 영향을 미치며, 암모니아성 질소값에 기질농도와 기질 / 접종원 비율이 미치는 영향이 독립적이라고 보고하였다. 결과적으로 단순 기질 / 접종원 비율로만 바이오 메탄잠재성을 예측하기 보다는 기질의 종류에 따른 비율에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 다양한 바이오메탄 잠재성 평가에서 교반의 강도는 정형화 되어있지 않고 다양한 방법을 가진다. 교반은 바이오메탄 발생과정과 운동성 평가에서 중요한 요소가 될 수 있기 때문에(Baststone et al. 2009), 다양한 교반의 방법과 운동성평가, 소화조 크기, 소화물의 용적, 교반의 횟수 등의 여러 조건을 종합적으로 평가하여 실제 혐기소화시 적용해야하는 교반의 최소량 및 적정수준에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- , 2009). 그러기 위해서는 단일 균주만을 사용하기보다 여러 가지 접종원을 혼합하여 적응시켜 사용하는 것이 유리할 것으로 사료된다. 예를 들어, 돈분 슬러지 유래 접총체와 하수 슬러지 유래 접종원을 혼합 적응시키면 더 광범위한 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- 이러한 연구 결과를 통해서 각각 전혀 다른 조건으로 사용되던 접종원의 균일화된 기준을 만들 수 있을 것으로 사료된다. 그러나, 각각 다른 종류의 접종원 특성에 따른 활성도를 적용하는 방법은 제시하고 있으나 접종원의 종합적인 평가를 하는 구체적인 방법은 제시되어 있지 않기 때문에 접종원 활성을 종합적으로 평가할 수 있는 모델에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 아울러, 이러한 모델을 바탕으로 균일한 접종원을 이용하여 추가적인 연구를 진행한다면 객관적인 바이오메탄 잠재성 평가 수치를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- , 2010). 그러나, 국내 수열탄화에 대한 연구는 아직까지 부족한 상황이며, 추가적인 연구가 필요하다.
- , 2012). 메탄가스의 농도 분석은 분석 장비에서 발생하는 오류보다 샘플 채취에서 발생되는 오류의 값이 더 크게 영향을 미치므로 정확한 샘플 채취 방법을 통한 정확한 분석이 필요할 것으로 사료된다.
- 그러나, 각각 다른 종류의 접종원 특성에 따른 활성도를 적용하는 방법은 제시하고 있으나 접종원의 종합적인 평가를 하는 구체적인 방법은 제시되어 있지 않기 때문에 접종원 활성을 종합적으로 평가할 수 있는 모델에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 아울러, 이러한 모델을 바탕으로 균일한 접종원을 이용하여 추가적인 연구를 진행한다면 객관적인 바이오메탄 잠재성 평가 수치를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 위와 같은 사례를 종합하여 볼 때 국내에서 발생하는 가축 분뇨에 대한 각 연구별, 특성별 고상가축분뇨 원료 평가와 데이터베이스화가 필요할 것으로 여겨진다. 따라서, 본 연구는 국외에서 발생하는 고상가축분뇨의 특성 조사, 분뇨 분석방법 및 바이오가스 잠재성 평가 방법을 고찰하여 국내 고상가축 분뇨 자원화 데이터베이스 제작에 기여하고자 수행되었다.
- 게다가, 1997년과 2005년 출간된 ASAE standard를 비교해 보면, 2005년에 새롭게 NRC(National research council) 사양표준을 기반으로 계산한 각 동물 소화율 수치를 이용한 분뇨 성분 발생량 추정식을 제공하였다. 이러한 광범위한 추정 모델은 미국 내 발생한 분뇨 특성을 예측하여 빠른 정책반영과 바이오매스를 통한 에너지화 효율 등의 예측에 활용도가 클 것으로 사료된다. 그러나 ASAE standard에 나타난 분뇨의 특성들은 각 자원화 방법별 특징을 모두 반영하기에는 다소 부족하다고 사료된다.
- 이러한 연구 결과를 통해서 각각 전혀 다른 조건으로 사용되던 접종원의 균일화된 기준을 만들 수 있을 것으로 사료된다. 그러나, 각각 다른 종류의 접종원 특성에 따른 활성도를 적용하는 방법은 제시하고 있으나 접종원의 종합적인 평가를 하는 구체적인 방법은 제시되어 있지 않기 때문에 접종원 활성을 종합적으로 평가할 수 있는 모델에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- -COD/g VSS·d)으로 계산할 수 있다고 보고하였다. 이러한 연구는 기질과 접종원 간의 비율을 결정할 수 있는 중요한 연구로 사료되지만, 액상상태의 기질과 접종원간의 비율에 대해서만 한정적으로 연구되어 고상기질에 대한 연구가 부족하고 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 이러한 이유로 가축분뇨 자원화 효율성을 극대화하기 위해서 혐기소화, 연료화 및 퇴·액비화를 통합하여 처리하는 연구가 필요하며, 돈분 이외의 가축분뇨에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 보인다.
- 그 외에도 고기, 물고기 등의 동물성 부산물을 이용한 혐기소화 실험에서는 젤라틴을 양성 대조구로 사용한 경우도 있다. 이와 같은 양성 대조구 설정은 바이오메탄 잠재성 평가에서 메탄의 발생량을 통해 실험의 정량적 정확성을 평가할 수 있을 것으로 사료된다.
- 하지만, 이러한 실험 결과들은 각각 다른 조건과 분석방법에 다른 영향을 받기 때문에 논문에 명시되어있는 단위당 메탄의 발생량을 객관적으로 평가할 수 있는 기준이 필요할 것으로 사료된다. 정확한 메탄 발생 잠재력을 평가하기 위해서는 실험에 사용된 다양한 조건과 분석방법을 정확히 명시하여 이를 바탕으로 객관적인 지표 연구도 필요할 것으로 사료된다.
- 기존 연구를 종합해 볼 때 고상 가축분뇨의 기질입자도의 평준화가 바이오가스 생산에 긍정적인 영향을 줄 것으로 사료된다. 하지만, 수분이 함유되어 있는 기질의 균일화 방법과 입자도 평가가 어렵기 때문에 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 바이오메탄 잠재성 평가의 결과는 각 논문 별로 완벽히 동일하지는 않지만 거의 유사한 형태의 표기방법을 갖는다. 하지만, 이러한 실험 결과들은 각각 다른 조건과 분석방법에 다른 영향을 받기 때문에 논문에 명시되어있는 단위당 메탄의 발생량을 객관적으로 평가할 수 있는 기준이 필요할 것으로 사료된다. 정확한 메탄 발생 잠재력을 평가하기 위해서는 실험에 사용된 다양한 조건과 분석방법을 정확히 명시하여 이를 바탕으로 객관적인 지표 연구도 필요할 것으로 사료된다.
- 현재 국, 내외 연구 바이오가스 잠재성 평가 연구논문을 기초하여 살펴보면 다양한 유래의 접종원을 사용하고 있는 것으로 나타났으나, 이러한 접종원에 대한 비교 연구가 부족한 것으로 보이며 효율적인 접종원을 만드는 방법에 대한 연구도 필요할 것으로 사료된다.
- 이러한 medium의 차이는 이미 확고한 환경을 이루고 있는 반추위 환경에 비하여 바이오가스 생산에 사용되는 접종원은 반추위액과 비교하여 영양성 부족하기 때문으로 사료된다. 혐기소화를 위한 적절한 버퍼의 사용은 실제 혼합혐기 소화과정에서 보다, 단일 원료를 통한 바이오메탄 잠재성을 평가 하는데 기여할 것으로 사료된다.
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