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문제 정의
- 7%로서 습식 혐기소화 원료로서는 고형물 함량이 너무 높은 것으로 나타났다. 따라서 고형물이 더 높은 원료를 대상으로 혐기소화를 진행할 수 있는 반 건식 혐기소화방법을 젖소 분에 적용할 수 있는지의 가능성을 판단하기 위하여 젖소 분만을 단독으로 하여 반 건식혐기소화를 실시하였다. 젖소 분의 반 건식 혐기소화 조건을 조성해줄 목적으로 기존 가축분뇨 혐기소화 시설의 혐기소화조에서 채취한 소화액을 10일간 더 공배양하여 잔여가스 발생원을 최소화 한 혐기소화액을 식종액으로서 젖소 분의 1/2에 해당하는 양을 혼합하였다.
- 젖소 분과 돈분 슬러리로부터의 메탄발생 잠재량을 측정하기 위한 실험을 실시하였다. 두 가지 축분을 각기 다른 비율로 혼합하여 혐기소화 시험용 기질로 사용하였다.
제안 방법
- 식종액은 기존의 상용 돈 분 슬러리 혐기소화 시설에서 소화액을 채취하여 10일간 35℃ 조건에서 혐기배양시켜 잔여가스를 제거한 후 식종액으로 사용하였다. 고순도 질소가스를 실험용기에 주입시켜 실험용기 내의 산소를 제거한 뒤 뚜껑을 닫아 기밀상태가 되도록 한 후, 35℃로 유지되는 항온 진탕수조에서 회분식 혐기소화를 실시하였다. 본 실험에서 사용한 BMP 측정용 실험장치의 구조는 Fig.
- 젖소 분을 대상으로 한 혐기소화 가능성을 분석하기 위해 젖소 분과 돈분 슬러리의 메탄발생 잠재량을 분석하였다. 그리고 젖소 분만을 단독으로 반건식 혐기소화 실험을 실시하였다. 두 가지 실험결과를 요약한 결론은 다음과 같다.
- 돈분 슬러리와 젖소 분을 휘발성 고형물 함량을 기준으로 각각 2:1, 1:1, 1:1.5, 1:2의 비율로 혼합하여 200 mL로 만든 후 균질화하여 500 mL 용량의 실험용 용기에 각각 투입하였다. 이후 돈분 슬러리와젖소 분 혼합물의 원활한 혐기소화를 위하여 각 실험용기에 투입된 분뇨혼합물의 1/2(W:W)에 해당하는 100 mL 씩의 식종액을 각각의 실험용기에 주입하여 총 용량 300 mL의 혼합물을 만들어서 혐기소화용 기질로 사용하였다.
- 국내 젖소축사의 대부분이 분뇨처리 및 청결한 축사환경을 유지하기 위한 목적으로 우사바닥에 톱밥을 깔짚재로 사용한다. 따라서 국내 현실에 맞도록 깔짚우사 바닥의 젖소 분을 수거하여 혐기소화실험을 수행하였다. 실험용 젖소 분의 TS는 20.
- 따라서 본 연구에서는 톱밥 깔짚우사에서 수거한 젖소 분을 원료로 한 반 건식 혐기소화 효과와 젖소분과 돈분뇨 슬러리를 혼합하여 반 건식 혐기소화방식을 적용하였을 때의 바이오가스 발생효과를 분석하였다.
- 55v/v-d 수준이었다. 바이오 가스 발생량과 함께 소화조에 주입한 젖소 분의 TS 농도와 HRT에 따른 메탄 생성효과도 분석하였다.
- Zhou 등(2006)은 혐기소화시 유기물 부하 수준이 높은 상태로 운전되는 경우에는 슬러지 층의 과잉 팽창, 미생물의 소화조 외부로의 배출량 증가현상 등으로 인해 혐기소화 반응조의 상태가 악화된다고 하였다13). 본 실험에서는 반 건식 혐기소화조에 투입되는 젖소 분의 TS함량, 즉 유기물 부하율에 따른 소화조에서의 메탄 생성량을 분석하였다. 혐기소화조에 투입되는 젖소 분의 TS 농도를 13%, 15%, 17% 수준으로 하고 소화조를 운영하는 HRT에 따른 메탄 발생량의 차이를 분석하였다.
- 실험과정에서 채취한 시료는 즉시 실험실로 이송하여 분석하였으며 시료 전 처리와 성분분석은 공정실험기준에서 정하는 방법을 적용하였다10,11).
- 회전축 접속부를 통해 반응조로 공기가 유입되는 현상을 방지하기 위하여 Water sealing 방식을 사용하였다. 실험기간 동안 발생된 바이오가스는 가스 포집용 백에 포집한 후 가스성분 분석을 실시하였다. 본 실험을 위해 제작한 혐기소화 반응조의 구성은 Fig.
- 실험장치로부터 포집한 바이오가스중의 CH4, CO2의 농도는 TCD(Thermal Conductivity Detector)를 장착한 GC로 분석하였고, 그 조건은 Table 1에 나타난 바와 같다.
- 2에 도시된 3 리터 용량의 반 건식 혐기소화조를 제작한 뒤 35℃의 조건에서 젖소 분을 대상으로 하여 혐기소화 실험을 실시하였다. 실험장치에 투입된 젖소 분의 교반을 위해 교반용 회전축을 설치하고 전기모터를 이용하여 80rpm의 속도로 회전시켰다. 회전축 접속부를 통해 반응조로 공기가 유입되는 현상을 방지하기 위하여 Water sealing 방식을 사용하였다.
- 앞선 실험결과로 미루어 볼 때 젖소 분 단독으로도 반 건식 혐기소화가 가능한 것으로 판단되어 용량 3 리터의 반 건식 혐기소화 장치를 이용하여 젖소 분의 반 건식 혐기소화 실험을 실시하였다. 혐기소화 반응조를 가동하고 그에 따른 Biogas와 메탄의 생성량을 분석하였다.
- 젖소 분과 돈분 슬러리 그리고 젖소 분과 돈분 슬러리 혼합물을 대상으로 하여 중온 혐기소화 조건에서 메탄발생 잠재량을 측정한 결과, 젖소 분에서의 메탄발생량이 돈분 슬러리에 비해 더 높은 것으로 나타났다. 이에 따라 젖소 분을 대상으로 하여반 건식 혐기소화 실험을 실시하고 그 효과를 분석하였다.
- 젖소 분의 반 건식 혐기소화 조건을 조성해줄 목적으로 기존 가축분뇨 혐기소화 시설의 혐기소화조에서 채취한 소화액을 10일간 더 공배양하여 잔여가스 발생원을 최소화 한 혐기소화액을 식종액으로서 젖소 분의 1/2에 해당하는 양을 혼합하였다. 이와는 별도로 젖소 분의 반 건식 혐기소화 효과와 비교 분석하기 위한 목적으로 돈 분 슬러리를 대상으로 하여 혐기소화를 실시하였고, 젖소 분과 돈분을 각기 다른 비율로 혼합한 분뇨에 대해서도 모두 다 동일한 조건하에서 동시에 혐기소화를 실시하였다. 각 분뇨에 대한 혐기소화를 실시한 결과를 Fig.
- 젖소 분을 대상으로 한 혐기소화 가능성을 분석하기 위해 젖소 분과 돈분 슬러리의 메탄발생 잠재량을 분석하였다. 그리고 젖소 분만을 단독으로 반건식 혐기소화 실험을 실시하였다.
- 따라서 고형물이 더 높은 원료를 대상으로 혐기소화를 진행할 수 있는 반 건식 혐기소화방법을 젖소 분에 적용할 수 있는지의 가능성을 판단하기 위하여 젖소 분만을 단독으로 하여 반 건식혐기소화를 실시하였다. 젖소 분의 반 건식 혐기소화 조건을 조성해줄 목적으로 기존 가축분뇨 혐기소화 시설의 혐기소화조에서 채취한 소화액을 10일간 더 공배양하여 잔여가스 발생원을 최소화 한 혐기소화액을 식종액으로서 젖소 분의 1/2에 해당하는 양을 혼합하였다. 이와는 별도로 젖소 분의 반 건식 혐기소화 효과와 비교 분석하기 위한 목적으로 돈 분 슬러리를 대상으로 하여 혐기소화를 실시하였고, 젖소 분과 돈분을 각기 다른 비율로 혼합한 분뇨에 대해서도 모두 다 동일한 조건하에서 동시에 혐기소화를 실시하였다.
- 혐기 소화조의 운전 기간은 약 200일, 소화조의 초기 HRT는 40일로 하였으며, 시료의 TS를 각각 13%, 15%, 17% 수준으로 구분하여 각각의 혐기소화 효과를 분석하였다. 젖소 분의 반 건식 혐기소화시의 적정 HRT를 결정하기 위하여, 운전기간 동안 HRT를 40일에서 20일까지 점진적으로 줄여가며 운전하였다. 실험을 수행하기 위하여 깔짚을 깔아놓은 젖소우사의 바닥에서 채취한 실험용 젖소 분의 특성을 분석한 결과는 Table 3에 나타난 바와 같다.
- 두 가지 축분을 각기 다른 비율로 혼합하여 혐기소화 시험용 기질로 사용하였다. 추가로 기질 대비 0.5(W/W)의 비율로식종액을 주입하고 중온조건에서 회분식 반응방식으로 혐기소화 실험을 실시하였다. 실험에 사용된 식종액과 돈분 슬러리 그리고 젖소 분 과 혼합분뇨의 특성을 분석한 결과는 Table 2에 나타난 바와 같다.
- 혐기소화 반응조를 가동하고 그에 따른 Biogas와 메탄의 생성량을 분석하였다. 혐기 소화조의 운전 기간은 약 200일, 소화조의 초기 HRT는 40일로 하였으며, 시료의 TS를 각각 13%, 15%, 17% 수준으로 구분하여 각각의 혐기소화 효과를 분석하였다. 젖소 분의 반 건식 혐기소화시의 적정 HRT를 결정하기 위하여, 운전기간 동안 HRT를 40일에서 20일까지 점진적으로 줄여가며 운전하였다.
- 앞선 실험결과로 미루어 볼 때 젖소 분 단독으로도 반 건식 혐기소화가 가능한 것으로 판단되어 용량 3 리터의 반 건식 혐기소화 장치를 이용하여 젖소 분의 반 건식 혐기소화 실험을 실시하였다. 혐기소화 반응조를 가동하고 그에 따른 Biogas와 메탄의 생성량을 분석하였다. 혐기 소화조의 운전 기간은 약 200일, 소화조의 초기 HRT는 40일로 하였으며, 시료의 TS를 각각 13%, 15%, 17% 수준으로 구분하여 각각의 혐기소화 효과를 분석하였다.
- 본 실험에서는 반 건식 혐기소화조에 투입되는 젖소 분의 TS함량, 즉 유기물 부하율에 따른 소화조에서의 메탄 생성량을 분석하였다. 혐기소화조에 투입되는 젖소 분의 TS 농도를 13%, 15%, 17% 수준으로 하고 소화조를 운영하는 HRT에 따른 메탄 발생량의 차이를 분석하였다. 투입되는 젖소 분의 TS 농도와 소화조를 운전하는 HRT에 따른 메탄 발생량을 분석한 결과는 Fig.
대상 데이터
- Fig. 1에 도시된 실험장치와는 별도로 젖소 분을 단독으로 이용한 반 건식 혐기소화 실험을 위하여 Fig. 2에 도시된 3 리터 용량의 반 건식 혐기소화조를 제작한 뒤 35℃의 조건에서 젖소 분을 대상으로 하여 혐기소화 실험을 실시하였다. 실험장치에 투입된 젖소 분의 교반을 위해 교반용 회전축을 설치하고 전기모터를 이용하여 80rpm의 속도로 회전시켰다.
- 젖소 분과 돈분 슬러리로부터의 메탄발생 잠재량을 측정하기 위한 실험을 실시하였다. 두 가지 축분을 각기 다른 비율로 혼합하여 혐기소화 시험용 기질로 사용하였다. 추가로 기질 대비 0.
- 이후 돈분 슬러리와젖소 분 혼합물의 원활한 혐기소화를 위하여 각 실험용기에 투입된 분뇨혼합물의 1/2(W:W)에 해당하는 100 mL 씩의 식종액을 각각의 실험용기에 주입하여 총 용량 300 mL의 혼합물을 만들어서 혐기소화용 기질로 사용하였다. 식종액은 기존의 상용 돈 분 슬러리 혐기소화 시설에서 소화액을 채취하여 10일간 35℃ 조건에서 혐기배양시켜 잔여가스를 제거한 후 식종액으로 사용하였다. 고순도 질소가스를 실험용기에 주입시켜 실험용기 내의 산소를 제거한 뒤 뚜껑을 닫아 기밀상태가 되도록 한 후, 35℃로 유지되는 항온 진탕수조에서 회분식 혐기소화를 실시하였다.
이론/모형
- 실험장치에 투입된 젖소 분의 교반을 위해 교반용 회전축을 설치하고 전기모터를 이용하여 80rpm의 속도로 회전시켰다. 회전축 접속부를 통해 반응조로 공기가 유입되는 현상을 방지하기 위하여 Water sealing 방식을 사용하였다. 실험기간 동안 발생된 바이오가스는 가스 포집용 백에 포집한 후 가스성분 분석을 실시하였다.
성능/효과
- 1. 젖소 분과 돈분 슬러리 그리고 젖소 분과 돈분 슬러리 혼합물을 대상으로 하여 중온 혐기소화 조건에서 메탄발생 잠재량을 측정한 결과 젖소 분에서의 메탄발생량이 돈분 슬러리에 비해 더 높았다.
- 2. TS 농도가 13%인 젖소 분의 최적 HRT는 25일인 것으로 분석되었다. 젖소 분의 TS 농도가 13%인 반응조에서의 바이오가스 발생량은 1.
- 3. 젖소 분의 TS 농도를 15% 수준으로 설정한 혐기소화 반응조에서의 최적 HRT는 30일이었고 실험용 반응조에서의 바이오가스 발생량은 1.47v/v-d 수준이었다.
- 4. TS 농도가 17% 수준인 젖소 분의 혐기소화시 최적 HRT는 30일인 것으로 분석되었다. 이 반응조에서의 바이오가스 발생량은 1.
- 5. TS 함량이 13%인 젖소 분이 투입된 혐기소화 반응조의 경우 최적 운전조건은 HRT 25일이었으며 이 조건에서의 메탄 발생량은 1.03~1.19v/v-d 범위였으며 평균은 1.12v/v-d 수준이었다. TS 함량이 15%인 젖소 분이 투입된 혐기소화 반응조의 경우 최적 운전조건은 HRT 30일이었으며 이 조건에서의 메탄 발생량은 1.
- 5%로서 습식 혐기소화에 적합한 수준이었다. 반면에 젖소 분의 고형물함량은 10.7%로서 습식 혐기소화 원료로서는 고형물 함량이 너무 높은 것으로 나타났다. 따라서 고형물이 더 높은 원료를 대상으로 혐기소화를 진행할 수 있는 반 건식 혐기소화방법을 젖소 분에 적용할 수 있는지의 가능성을 판단하기 위하여 젖소 분만을 단독으로 하여 반 건식혐기소화를 실시하였다.
- 14v/v-d 수준이었다. 반응조에 투입되는 TS 함량이 17%인 처리구의 최적 HRT는 30일이었으며 이 조건에서의 메탄 발생량은 1.07~1.28v/v-d 범위였으며 평균은 1.18v/v-d 수준이었다.
- 소화조를 운영함에 있어서 HRT 수준에 따른 메탄 생산량은 투입되는 젖소 분의 TS 농도를 13%, 15%, 17%로 처리한 실험구 모두에서 HRT 40일에서 30일까지는 전반적으로 상승하는 경향을 보였다. 그러다가 HRT 25일 이후에는 감소하기 시작하였고, HRT 20일 이후에는 메탄 생산량의 감소정도가 더 커졌다.
- 14v/v-d 수준이었다. 소화조에 투입되는 TS 함량이 17% 인 처리구의 적정 HRT는 30일이었으며 이 조건에서의 메탄 발생량은 1.07~1.28v/v-d 범위였으며 평균은 1.18v/v-d 수준이었다.
- 식종액과 돈분 슬러리의 고형물함량은 각각 2.4%와 3.5%로서 습식 혐기소화에 적합한 수준이었다. 반면에 젖소 분의 고형물함량은 10.
- 5% 로서 다른 실험 구에 비해 상대적으로 낮고, 액상분뇨 상태로 존재해 왔던 관계로 혐기분해 속도가 더 빨라진 것으로 볼 수 있다. 실험 결과를 전반적으로 분석해 볼 때 젖소 분이 포함된 처리구에서 메탄 발생량이 많았고 젖소 분 단독 (100%) 처리의 경우에도 식종액과 혼합하여 반 건식 상태의 혐기소화를 실시할 경우에는 메탄 발생이 양호한 것으로 판단할 수 있다.
- 따라서 국내 현실에 맞도록 깔짚우사 바닥의 젖소 분을 수거하여 혐기소화실험을 수행하였다. 실험용 젖소 분의 TS는 20.1~32.3% 수준이었으며 VS는 17.0~23.6% 범위였고, VS/TS(%)는 84.5~86.2% 수준이었다. Alkaya et al.
- 이 결과는 식종액(R1)의 경우 바이오가스로 전환될 수 있는 유기물질이 이미 많이 소진된데 기인한 것으로 보이며, 젖소 분(R3)은 고형물 함량이 높아 혐기소화 진행에 필요한 가수분해 단계의 진행이 늦어진 것에 원인이 있는 것으로 판단된다. 젖소 분(R3)은 실험 개시 7일 이후부터는 활발한 가스발생 현상이 나타나기 시작하였으며 혐기소화 실험기간 동안 발생된 메탄가스의 누적량도 돈분 슬러리와 젖소 분과의 혼합비율이 1.0 : 1.5 (R6)인 처리구에 이어서 두 번째로 높은 결과를 나타냈다. 돈분 100%(R2) 처리구는 혐기소화 개시 30일 이후부터는 메탄발생이 현격하게 감소하였다.
- 젖소 분과 돈분 슬러리 그리고 젖소 분과 돈분 슬러리 혼합물을 대상으로 하여 중온 혐기소화 조건에서 메탄발생 잠재량을 측정한 결과, 젖소 분에서의 메탄발생량이 돈분 슬러리에 비해 더 높은 것으로 나타났다. 이에 따라 젖소 분을 대상으로 하여반 건식 혐기소화 실험을 실시하고 그 효과를 분석하였다.
- 44v/v-d 수준이었다. 혐기소화조의 HRT를 20일로 줄여 운전하였을 경우에는 혐기소화 효율이 급격하게 저하되는 결과를 보였다. 젖소 분의 TS 농도를 15% 수준으로 설정한 혐기소화조에서의 최적 HRT는 30일이었다.
후속연구
- 이렇듯 최근 들어서는 국내에서도 음식물쓰레기 등을 이용한 반 건식 혐기소화 방식이 일부 적용되고 있으며 관련연구도 이루어지고 있다6,7). 또한 국내 동남부 P시에서도 음식물 폐기물을 이용한 건식 혐기소화 방식을 적용한 사례가 있어서 향후에는 가축분뇨를 비롯한 다양한 유기물을 이용한 건식 또는 반 건식 통합 혐기소화 기술이 발달할 것으로 기대된다8). 하지만 아직까지는 가축분뇨를 이용한 반 건식 또는 건식 혐기소화 관련 국내기술은 초보적 연구수준에 머물고 있다9).
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