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문제 정의
- 본 연구에서는 이에 대한 대안으로 가금류 사체 처리에 열가수분해 기술을 적용하여 최적 운전조건을 도출하고 연료화 가능성을 판단하고자 하였다. 열가수분해 기술은 세포액의 분해와 탈수를 방해하는 세포막과 단백질 효소를 고온(150-220℃)⋅고압(5-23 kg/cm2)의 물에서 생성되는 수소이온과 수산이온의 힘으로 고분자 고리를 끊어 수용성 아미노산으로 성상을 변화시키는 기술이다.
- 가금류 사체 열가수분해 처리 후 발생한 액상생성물은 조류인플루엔자 긴급행동지침(SOP)에 의거 환경기초시설에 연계처리 하는 것이 원칙이지만 국내 지자체 환경기초시설에서는 처리장의 부하 증가 및 용량 부족을 사유로 들며 처리를 기피하고 있는 상황이다. 따라서 가금류를 처리하고 발생하는 액상생성물을 현장에서 연소하여 설비의 열원으로 이용하고자 하였다. 액체생성물의 특성과 연료화 가능성을 평가하기 위해 가금류 사체처리 최적 운전 조건인 운전온도 190℃에서 60분간 운전하고 발생한 액상생성물에 대해 삼성분 분석과 원소분석, 발열량 분석을 실시하였고, Table 6과 Table 7에 그 결과를 나타내었다.
- 본 연구에서는 가금류 사체처리에 열가수분해 기술을 적용하여 친환경적으로 처리하고 처리과정 중 발생한 액상생성물의 연료화 가능성을 판단하고자 하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 실험에 사용된 열가수분해 장치는 현장 이동이 용이하도록 이동형 컨테이너 타입으로 제작하였으며, 스팀을 생산하기 위한 보일러와 가수분해를 하는 반응기, 반응 후 고온의 반응물을 배출하기 위한 응축설비와 배출된 반응물을 연소하여 처리하는 연소기로 구성된다. 반응기의 온도 및 압력조건은 제어시스템을 통해 조절하며, 반응의 효율을 높이기 위해 교반기로 교반하여 반응을 진행한다.
- 실험장치는 사체처리 성능검증을 위해 일 처리용량을 80 L(kg)/일로 계획하였으며, 1cycle에 40 kg 씩 하루 2cycle 운전하도록 계획하였다. 가축사체는 단백질과 지방이 주성분이기 때문에 170℃ 이상에서 분해가 가능한 것으로 알려져 있다.
- 0 kg/cm2까지 증가되었다. 운전시간은 문헌연구 및 사전연구를 통해 도출한 최적 운전온도인 60분을 기준으로 하여 40분에서 70분까지 10분 단위로 변화를 주며 최적 온도를 찾고자 하였다. 운전에 총 소요된 시간은 승온시간 60분, 증기 투입시간 60분, 운전(반응)시간 40-70분, 감온⋅감압 시간 60분으로 총 220-250분이었다.
- 가금류를 처리하고 발생한 액상물에는 지방이 함유되어 있기 때문에 시간이 지나면 굳게 된다. 따라서 연소기로의 원활한 투입을 위해 액상물을 중탕 가열하여 50℃ 온도로 맞추고 펌프를 통해 60 kg/hr의 속도로 연소로에 투입하였다.
- 실험 후 발생된 액상생성물의 성상을 분석하기 위하여 수질오염공정시험기준에 따라 수질분석을 실시하였으며, 화학적 조성을 분석하기 위해 Elemental Analyzer(Flash EA 1112 series)를 이용하여 원소 분석을 진행하였다. 또한 연료로서의 가치를 평가하기 위해 KS E3707, KS M2057 규정에 근거하여 삼성분 분석과 발열량을 측정하였으며, 연소로에서 발생한 배출가스가 대기에 미치는 영향을 평가하기 위하여 가스 계측기(Testo 350K)를 이용하여 배가스 성분을 분석하였다.
- 상기 실험을 통해 도출한 최적 운전온도인 190℃에서 운전 시간 40분부터 70분까지 10분 단위로 변화를 주면서 운전시간에 따른 생성물의 특성을 분석하고자 하였다. 열가수분해 반응 후 생성된 액상 생성물의 수질분석 결과, Table 4와 같이 운전 시간이 증가함에 따라 가용화율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 가금류를 처리하고 발생하는 액상생성물을 현장에서 연소하여 설비의 열원으로 이용하고자 하였다. 액체생성물의 특성과 연료화 가능성을 평가하기 위해 가금류 사체처리 최적 운전 조건인 운전온도 190℃에서 60분간 운전하고 발생한 액상생성물에 대해 삼성분 분석과 원소분석, 발열량 분석을 실시하였고, Table 6과 Table 7에 그 결과를 나타내었다. Table 7과 같이 액상생성물은 탄소(C) 함유량과 발열량이 높기 때문에 연소가 용이하고 발생한 열을 회수하여 연료화 하기에 좋은 조건을 가지고 있다.
- 액상물에는 유분이 함유되어 있기 때문에 시간이 지나면 굳게 된다. 따라서 연소기로의 원활한 투입을 위해 액상물을 중탕 가열하여 온도를 50℃로 맞추고, 펌프를 통해 60kg/hr의 속도로 연소로에 투입하였다. 또한 원활한 연소를 위해 계면활성제(1%)와 등유(10%)를 혼합하여 시간당 60 kg을 연소로에서 연소하였다.
- 따라서 연소기로의 원활한 투입을 위해 액상물을 중탕 가열하여 온도를 50℃로 맞추고, 펌프를 통해 60kg/hr의 속도로 연소로에 투입하였다. 또한 원활한 연소를 위해 계면활성제(1%)와 등유(10%)를 혼합하여 시간당 60 kg을 연소로에서 연소하였다. 연소로에서 발생한 연소열의 총 열량은 179,000 kcal이었다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 가금류는 A대학교 실험목장에서 폐기되는 닭 중 레그혼종과 오골계를 40 kg(약 25마리) 씩 정량하여 열가수분해 반응기에 투입하였다.
데이터처리
- 실험 후 발생된 액상생성물의 성상을 분석하기 위하여 수질오염공정시험기준에 따라 수질분석을 실시하였으며, 화학적 조성을 분석하기 위해 Elemental Analyzer(Flash EA 1112 series)를 이용하여 원소 분석을 진행하였다. 또한 연료로서의 가치를 평가하기 위해 KS E3707, KS M2057 규정에 근거하여 삼성분 분석과 발열량을 측정하였으며, 연소로에서 발생한 배출가스가 대기에 미치는 영향을 평가하기 위하여 가스 계측기(Testo 350K)를 이용하여 배가스 성분을 분석하였다.
성능/효과
- 4) 가축사체를 고온⋅고압 수증기(steam)에 의해 열가수분해 처리하면, floc을 구성하는 미생물의 세포벽(막)이 깨지면서 내부수가 유출되고, 생물체 및 세포를 구성하는 고분자 물질이 가수분해에 의해 저분자화되어 생분해도가 크게 증가되며, 그 결과 혐기성 소화 시에 가수분해 단계를 크게 단축하게 된다.
- AI는 2010년 재발생하여 큰 피해를 입힌데 이어, 2014년 1월 17일 전북 고창에서 다시 발생하여 전국적으로 확산되어 지난 2008년의 피해를 뛰어넘는 약 1,100만 마리의 가금류가 살처분 되는 등 심각한 경제적, 환경적 피해를 입혔다.1) AI는 철새 이동경로를 타고 확산되어 확산속도가 매우 빠르고 광범위하게 확산되는 특성이 있기 때문에 발생 후 계속해서 살처분 가금류 수와 매몰지 수가 증가하였다. 2008년부터 2014년까지 AI 발생으로 인해 전국적으로 살처분한 가금류 수는 약 4,000만 마리에 이르며 이를 대부분 매몰처리 하였고 일부 소각처리 하였다.
- 매몰처리 시 매몰지 확보의 어려움과 지하수오염, 악취발생이 되고, 소각처리 시에는 높은 처리비용과 분진, 악취발생 등 환경적인 문제 발생으로 각종 민원과 환경단체의 반대 등 많은 어려움을 격고 있다.2) 기존 가축사체 처리방법에는 혐기성 분해(Anaerobic Digestion), 랜더링(Rendering), 퇴비화(Composting), 소각(Incineration), 매몰(Burial), 알칼리 가수분해(Alkaline Hydrolysis), 젖산 발효 (Lactic Acid Fermentation) 등이 있다. 국내에서 랜더링을 할 수 있는 곳은 총 4개소로 매우 적을 뿐만 아니라 그동안 구제역, AI 등 발병축(의심축)은 이동을 최소화하여 현장에서 처리하는 것을 원칙으로 하여 오염 가축을 장거리 이동시켜 랜더링 처리하는 것은 실질적으로 불가능하다.
- 가축사체는 단백질과 지방이 주성분이기 때문에 170℃ 이상에서 분해가 가능한 것으로 알려져 있다.6) 따라서 본 실험에서는 운전온도를 170℃에서 210℃까지 10℃ 단위로 변화를 주면서 최적온도를 찾고자 하였으며, 운전압력은 설정 운전온도 증가에 따라 9.0-23.0 kg/cm2까지 증가되었다. 운전시간은 문헌연구 및 사전연구를 통해 도출한 최적 운전온도인 60분을 기준으로 하여 40분에서 70분까지 10분 단위로 변화를 주며 최적 온도를 찾고자 하였다.
- 열가수분해 반응 후 생성된 액상생성물의 수질분석 결과, Table 2와 같이 운전온도가 증가함에 따라 가용화율을 나타내는 대표적인 지표인 SCODCr/TCODCr 비율이 최대 84%까지 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, NH3-N/T-N의 비율도 2배 이상 증가하였다. 이는 열가수분해 반응이 진행되면서 유기성 질소들이 암모니아성 질소로 변환된 것으로 사료된다.
- 운전온도 180℃에서부터 입자 크기가 급격히 감소하여 190℃에서부터 안정화되었다. 열가수분해 후 액상생성물의 입자 크기는 평균 40-50㎛인 것으로 나타났다. 실험 결과를 종합하여 판단하면, 190℃가 가금류 사체 액상화에 필요한 최소온도인 것으로 사료되며, 가용화율을 나타내는 지표인 SCODCr/TCODCr 비율 또한 190℃에서 급격하게 증가하는 것을 봤을 때 경제성까지 고려한 가금류 열가수분해 반응 최적온도는 190℃인 것으로 판단된다.
- 운전온도 180℃에서부터 입자 크기가 급격히 감소하여 190℃에서부터 안정화되었다. 열가수분해 후 액상생성물의 입자 크기는 평균 40-50㎛인 것으로 나타났다. 실험 결과를 종합하여 판단하면, 190℃가 가금류 사체 액상화에 필요한 최소온도인 것으로 사료되며, 가용화율을 나타내는 지표인 SCODCr/TCODCr 비율 또한 190℃에서 급격하게 증가하는 것을 봤을 때 경제성까지 고려한 가금류 열가수분해 반응 최적온도는 190℃인 것으로 판단된다.
- 열가수분해 후 액상생성물의 입자 크기는 평균 40-50㎛인 것으로 나타났다. 실험 결과를 종합하여 판단하면, 190℃가 가금류 사체 액상화에 필요한 최소온도인 것으로 사료되며, 가용화율을 나타내는 지표인 SCODCr/TCODCr 비율 또한 190℃에서 급격하게 증가하는 것을 봤을 때 경제성까지 고려한 가금류 열가수분해 반응 최적온도는 190℃인 것으로 판단된다.
- 상기 실험을 통해 도출한 최적 운전온도인 190℃에서 운전 시간 40분부터 70분까지 10분 단위로 변화를 주면서 운전시간에 따른 생성물의 특성을 분석하고자 하였다. 열가수분해 반응 후 생성된 액상 생성물의 수질분석 결과, Table 4와 같이 운전 시간이 증가함에 따라 가용화율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 반응시간이 증가함에 따라 SCODCr/TCODCr 비율은 최대 84%까지 높아졌고 SS 농도는 93,430 mg/L에서 52,420 mg/L로 48% 감소하였다.
- 열가수분해 반응 후 생성된 액상 생성물의 수질분석 결과, Table 4와 같이 운전 시간이 증가함에 따라 가용화율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 반응시간이 증가함에 따라 SCODCr/TCODCr 비율은 최대 84%까지 높아졌고 SS 농도는 93,430 mg/L에서 52,420 mg/L로 48% 감소하였다. Fig.
- 열가수분해 후 액상생성물의 입자 크기는 평균 40~50 ㎛인 것으로 나타났다. 실험 결과를 종합하여 판단하면, 반응시간 60분이 가금류 사체 처리의 최적시간으로 판단된다.
- 연소로에서 발생한 연소열의 총 열량은 179,000 kcal이었다. 가금류 사체를 처리하기 위해 열가수분해 장치의 1cycle 운전에 필요한 열량은 약 170,000 kcal로 별도의 보조 연료 투입 없이 연소 시 발생하는 폐열만을 활용해 열가수분해 설비를 운전하는 것이 가능하였다.
- 연소로에서 발생하는 폐열은 대부분 열가수분해 장치의 열원으로 재활용되고 소량이 가스형태로 외부로 방출되기 때문에 연소시설의 대기오염물질 배출 허용기준에 해당되지 않는다. 하지만, 향후 설비의 용량을 확대할 것을 감안하여 대기환경보전법 시행규칙 15조의 대기오염물질 배출허용기준을 적용하여 분석한 결과, 배출허용기준인 CO 200(12) ppm 이하, NO2 90(12) ppm이하, SO2 40(12) ppm 이하를 모두 만족하여 대기에 미치는 영향은 적은 것으로 나타났다.
- 1. 열가수분해 기술을 적용하여 가금류 사체처리를 한 결과, 모래주머니 속에 포함되었던 일부 모래를 제외하고 모두 액상화 되는 것을 확인하였다. 열가수분해 후 생성된 액상생성물의 분석 결과, 운전 온도와 시간이 증가함에 따라 가용화율을 나타내는 대표적인 지표인 SCODCr/TCODCr 비율이 증가하고, SS의 농도가 감소하는 등 용존성 물질이 증가하고 입자의 크기가 감소하는 경향을 나타냈다.
- 열가수분해 기술을 적용하여 가금류 사체처리를 한 결과, 모래주머니 속에 포함되었던 일부 모래를 제외하고 모두 액상화 되는 것을 확인하였다. 열가수분해 후 생성된 액상생성물의 분석 결과, 운전 온도와 시간이 증가함에 따라 가용화율을 나타내는 대표적인 지표인 SCODCr/TCODCr 비율이 증가하고, SS의 농도가 감소하는 등 용존성 물질이 증가하고 입자의 크기가 감소하는 경향을 나타냈다.
- 2. 가금류 열가수분해 처리 시 운전온도 190℃, 운전시간 60분에서 최적효율을 나타냈으며, 그 이상의 온도와 시간에서는 처리효율의 증가가 미미한 것으로 나타났다.
- 3. 열가수분해 후 발생한 액상생성물은 탄소(C) 함유량이 43.7%, 고위발열량이 5,765 kcal/kg으로 높고, 회분의 함량은 0.4%로 낮아 연소가 용이하고 연소 후 발생하는 잔류부산물도 적어 연료화 하기에 좋은 조건을 가지고 있는 것으로 나타났다. 또한 별도의 보조연료 투입 없이 연소 시 발생하는 폐열만을 활용해 열가수분해 설비를 운전하는 것이 가능하였다.
- 4%로 낮아 연소가 용이하고 연소 후 발생하는 잔류부산물도 적어 연료화 하기에 좋은 조건을 가지고 있는 것으로 나타났다. 또한 별도의 보조연료 투입 없이 연소 시 발생하는 폐열만을 활용해 열가수분해 설비를 운전하는 것이 가능하였다.
- 4. 연소 중 발생하는 배출가스의 양과 성분을 분석한 결과, 연소로에서 발생하는 폐열은 대부분 열가 수분해 장치의 열원으로 재활용되어 외부로 방출되는 양이 적고, 배출허용기준인 CO 200(12) ppm, NO2 90(12) ppm, SO2 40(12) ppm 이하를 모두 만족하여 대기에 미치는 영향은 적은 것으로 나타났다.
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