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문제 정의
- 본 연구는 혐기소화액을 고온호기산화 공정에 적용 하였을 때 처리 액상물의 이화학적 성상 변화 및 반응기 내·외부 온도 특성을 평가하고, 혐기소화액의 고온호기산화공정 및 열에너지 회수기술 적용 가능성에 대한 기초자료를 수집하고자 수행하였다.
- 본 연구는 혐기소화액을 이용하여 고온호기산화 공정에 적용하였을 때, 내부액상물의이화학적 성상 변화 및 반응기 내․외부 온도의 특성을 평가하고, 소화액의 고온호기산화공정 및 열에너지 회수 기술 적용 가능성에 대한 기초자료를 수집하고자 수행하였다.
제안 방법
- TAO 반응에 혐기소화액 100L를 투입하여 7일간 (168시간) 처리하였으며 총 4회 반복실험을 하였다. 반응기 내․외부의 온도는 실시간으로 모니터링 하였으며, 실험기간 동안 TAO 반응기 처리 액상물은 24시간 간격으로 시료를 채취하여, 산도(pH), 전기전도도(Electrical Conductivity, EC), 총고형물 (Total Solid, TS), 화학적산소요구량 (Chemical Oxygen Demand, CODcr), 총질소 (Total Nitrogen, TN), 유기성질소 (Organic Nitrogen, Org-N), 암모니아성질소 (Ammonia Nitrogen, NH4-N), 총인 (Total Phosphorus, TP)을 분석하였다.
- TAO 반응에 혐기소화액 100L를 투입하여 7일간 (168시간) 처리하였으며 총 4회 반복실험을 하였다. 반응기 내․외부의 온도는 실시간으로 모니터링 하였으며, 실험기간 동안 TAO 반응기 처리 액상물은 24시간 간격으로 시료를 채취하여, 산도(pH), 전기전도도(Electrical Conductivity, EC), 총고형물 (Total Solid, TS), 화학적산소요구량 (Chemical Oxygen Demand, CODcr), 총질소 (Total Nitrogen, TN), 유기성질소 (Organic Nitrogen, Org-N), 암모니아성질소 (Ammonia Nitrogen, NH4-N), 총인 (Total Phosphorus, TP)을 분석하였다. pH, EC는 수질다항목측정기 (Multi Sensor Meter, YSI-556 MPS, USA)를 이용하여 시료채취 즉시 측정하였으며, TS, CODcr, TP (Ascorbic acid method)는 Standard method (AHPA, AWWA, WEF, 2012)에 따라 분석하였다.
- 1). 반응기에 소화액 100L (반응기의 약 50%)를 투입하여, 운영시간에 따른 반응기 내부․외부온도 및 내부 액상물의 이화학적 성상 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- TAO 반응기는 스테인레스 재질로 64 cm (D) × 160cm (H) 규격의 약 200L 용량 Labscale 장치를 이용하였다 (Fig. 1).
- 실험에 사용된 시료는 경기도에 소재한 바이오가스시설에서 발생하는 소화액을 이용하였다. 시설의 일일처리량은 양돈분뇨 42톤과 음식물폐수 18톤 혼합액 약 60톤이며, 혼합된 유입원수는 80℃에서 30분간 전처리 후 37~42℃ 중온 혐기소화조에서 45일 처리과정 거친다.
- 이후 고형물은 퇴비화로 처리하며, 액상물(소화액)은 정화처리 하여 최종 방류하는 공정 운영을 하고 있다. 실험에 사용된 시료는 혐기소화조에서 최종 처리하여 발생된 소화액을 이용하였다.
이론/모형
- 반응기 내․외부의 온도는 실시간으로 모니터링 하였으며, 실험기간 동안 TAO 반응기 처리 액상물은 24시간 간격으로 시료를 채취하여, 산도(pH), 전기전도도(Electrical Conductivity, EC), 총고형물 (Total Solid, TS), 화학적산소요구량 (Chemical Oxygen Demand, CODcr), 총질소 (Total Nitrogen, TN), 유기성질소 (Organic Nitrogen, Org-N), 암모니아성질소 (Ammonia Nitrogen, NH4-N), 총인 (Total Phosphorus, TP)을 분석하였다. pH, EC는 수질다항목측정기 (Multi Sensor Meter, YSI-556 MPS, USA)를 이용하여 시료채취 즉시 측정하였으며, TS, CODcr, TP (Ascorbic acid method)는 Standard method (AHPA, AWWA, WEF, 2012)에 따라 분석하였다. 그 외 TN, Org-N, NH4-N는 Kjeldahl method에 따라 분석 하였다 (JSWA, 1984).
- pH, EC는 수질다항목측정기 (Multi Sensor Meter, YSI-556 MPS, USA)를 이용하여 시료채취 즉시 측정하였으며, TS, CODcr, TP (Ascorbic acid method)는 Standard method (AHPA, AWWA, WEF, 2012)에 따라 분석하였다. 그 외 TN, Org-N, NH4-N는 Kjeldahl method에 따라 분석 하였다 (JSWA, 1984).
성능/효과
- 넷째, 소화액의 초기 TN, NH4-N, Org-N, 농도 평균은 각각 4,813 mg/L, 3,815 mg/L, 998 mg/L에서 처리 7일 후 각각 1,733 mg/L, 812 mg/L, 921 mg/L로 나타났다. 이때 TN과 NH4-N의 저감율은 각각 64.
- 둘째, 소화액의 TAO 반응기 처리 시 pH의경우 초기 pH 8.1 부근에서 처리시간이 경과 함에 따라 pH 9.8 정도로 증가하였으며, EC의 경우 초기 29.8 mS/cm에서 12.0 mS/cm로 감소하는 경향을 나타냈다. TS의 초기 평균은 약 24,021 mg/L 이며, 처리 후 19,964 mg/L 로 다소 감소하였다.
- 3(E)). 따라서 TN의 감소는 대부분 NH4-N의 탈기 (혹은 소량 질산화) 등에 따른 저감과 직접적인 연관이 있는 것으로 사료되며, TN 과 NH4-N의 저감율은 각각 64.0%, 78.7%로 나타났다.
- 셋째, 소화액의 초기 CODcr 농도는 평균 22,654 mg/L, 7일 처리 후 18,843 mg/L로 제거율은 약 16.82%로 나타났으며, 이는 돈분뇨 슬러리 혹은 우분뇨 슬러리를 이용한 TAO system 처리 선행연구에 비해 현저히 낮은 수준으로 나타났다. 이는 1차 처리인 혐기소화조에서 이분해성 물질들이 상당부분 분해및 안정화 되었기 때문으로 사료된다.
- 소화액의 TAO 반응기 유입 초기 TS의 평균은 약 24,021 mg/L로 나타났으며, 처리 7일후에는 19,964 mg/L로 다소 감소하는 경향을 나타내었으나 큰 변화를 보이지는 않았다 (Fig.3(C)).
- 소화액의 TAO 반응기 처리 시 pH의 경우 반응 초기 pH 8.1 부근에서 처리시간이 경과 함에 따라 pH 9.8 정도로 증가하였으며, EC 의 경우 초기 29.8 mS/cm에서 12.0 mS/cm 로 감소하는 경향을 나타내었다. 일반적으로 돈 분뇨의 폭기처리를 통한 호기성 액비화의 경우 부숙이 진행됨에 따라 pH는 증가하고 EC 는 감소하는 것으로 알려져 있으며, 이는 돈 분뇨, 우분뇨의 TAO system 처리 선행연구와 유사한 경향으로 나타났다 (Kim et al.
- , 2004). 소화액의 TAO 반응기 처리 시 외기온도는 평균 25℃ 수준이었으며, 반응기 내부의 온도는 초기 평균 11℃에서 점차 상승하여 시스템 가동 후 2일 차 이후부터 7일차까지 (약 120시간) 평균 51℃ 이상을 유지하였다.
- 가축분뇨를 이용한 액비화에 있어서 비효성분 중 특히 질소성분은 토양환원 시 식물 생육에 필수적인 주요 영양물질이므로 토양및 작물의 양분균형을 고려한 액비제조의 핵심사항이라 할 수 있다. 소화액의 초기 TN, NH4-N, Org-N 농도 평균은 각각 4,813 mg/L, 3,815 mg/L, 998 mg/L로 TN에 대해 NH4-N이약 79.3%, Org-N이 약 20.7% 비율로 존재하였다. 처리시간이 경과함에 따라 7일 후에는 TN, NH4-N이 각각 1,733 mg/L, 812 mg/L로감소하였으며, 이에 비해 Org-N는 921 mg/L 로 변화는 미미한 것으로 나타났다 (Fig.
- 3(F)에는 소화액의 TAO 반응기 처리에 따른 TP의 변화를 나타내었다. 소화액의 초기 TP 평균 농도는 614 mg/L이었으며, TAO 반응기 처리 1일차에 급격히 감소되어 이후 7일차 까지 유지되는 경향을 보였으며 평균농도는 212 mg/L로서 약 65% 저감되었다.
- 7% 비율로 존재하였다. 처리시간이 경과함에 따라 7일 후에는 TN, NH4-N이 각각 1,733 mg/L, 812 mg/L로감소하였으며, 이에 비해 Org-N는 921 mg/L 로 변화는 미미한 것으로 나타났다 (Fig. 3(E)).
- 첫째, 소화액의 TAO 반응기 처리시 외 기온도는 평균 25℃ 수준이었으며, 반응기 내부의 온도는 처리시간에 따라 2일 차 이후부터 7일차까지 (약 120시간) 평균 51℃ 이상을 유지하였다. 반응기에서 발생하는 열에너지는 온수로서 회수 가능 할 것으로 예상되며, 혐기소화조 (중온혐기소화: 30~40℃, 고온혐기소화: 50~60℃)의 가온에 적절하게 이용될수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 이와 같은 반응기 내부의 온도상승은 회수 가능한 열 에너지원이므로 이를 이용하여 혐기소화조의 가온에 적절하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 혐기소화조에서 발생하는 소화액은 그 원료에 따라서 이화학적 성상과 주요물질의 함유량이 각기 다르기 때문에 온도상승 및 발효열에 영향을 미치는 핵심인자들에 대한 추가적인 실험이 필요하다.
- 이와 같은 반응기 내부의 온도상승은 회수 가능한 열 에너지원이므로 이를 이용하여 혐기소화조의 가온에 적절하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 혐기소화조에서 발생하는 소화액은 그 원료에 따라서 이화학적 성상과 주요물질의 함유량이 각기 다르기 때문에 온도상승 및 발효열에 영향을 미치는 핵심인자들에 대한 추가적인 실험이 필요하다.
- 따라서 소화액의 안정적인 농지환원 유도를 위해서는 소화액의 후처리로서 무악취 부숙 액비 생산기술 도입은 매우 필수적인 요소이며, 소화액의 작물생산 및 양분 이용기술 체계 확립을 위한 소화액의 품질 즉, 위해성 (중금속, 병원성미생물, 항생제 등), 안정성 (부숙도 평가, 악취 등), 균질성 (전기전 도도, 생물학적산소요구량, 부유물질, 염분등), 비효성 (질소, 인산, 가리 함량 등)과 같은 항목 검증이 필수적이다.
- 또한 이용성과 안전성이 확보된 발효액을 생산할 수 있는 국내 개발 기술로서 양돈분뇨의 고온액상발효 처리 시 유입되는 유기물질의 농도를 일정하게 조절 할 경우 50~60℃의 온수 (열에너지)를 안정적으로 생산 할 수 있다 (Lee and Lee, 2000b; Lee and Lee, 2000c). 따라서 혐기소화조에서 발생하는 소화액을 고온호기산화 공정에 적용이 가능하다면 혐기소화조에 필요한 열에너지를 소화조 가온에 이용할 수 있을 뿐 만아니라 병원성미생물의 사멸, 악취 유발물질인 암모니아, 휘발성고형물 및 유기물질 등의 저감효과로 안정적인 액비생산이 가능 할 것으로 예상된다.
- 첫째, 소화액의 TAO 반응기 처리시 외 기온도는 평균 25℃ 수준이었으며, 반응기 내부의 온도는 처리시간에 따라 2일 차 이후부터 7일차까지 (약 120시간) 평균 51℃ 이상을 유지하였다. 반응기에서 발생하는 열에너지는 온수로서 회수 가능 할 것으로 예상되며, 혐기소화조 (중온혐기소화: 30~40℃, 고온혐기소화: 50~60℃)의 가온에 적절하게 이용될수 있을 것으로 기대된다.
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