[논문]저온 저장의 역할과 원리: 우분의 메탄 배출과 미생물 군집

임성원; 오세은; 홍두기; 김동훈

doi:10.17137/korrae.2019.27.2.41

[국내논문] 저온 저장의 역할과 원리: 우분의 메탄 배출과 미생물 군집
Role and Principle of Lowering Storage Temperature : Methane Emission and Microbial Community of Cattle Manure 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.27 no.2, 2019년, pp.41 - 49

임성원 (인하대학교 사회인프라공학과) , 오세은 (한밭대학교 건설환경공학과) , 홍두기 ((주)성지환경건설) , 김동훈 (인하대학교 사회인프라공학과)

초록
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가축분뇨 유래 온실가스 배출량은 상당하며, 특히 저장 기간 중에 메탄을 포함한 상당량의 온실가스가 배출된다. 본 연구에서는 고형물 농도가 높은 우분의 저장 시 메탄 배출량 저감을 위해 낮은 온도 저장의 영향을 살펴보았다. 우분이 60일 저장되는 동안 배출된 최대 메탄의 양은 $35^{\circ}C$ 조건에서 $63.6{\pm}3.6kg\;CO_2\;eq./ton\;CM$으로 나타났으며 저장온도가 30, 25, 20, $15^{\circ}C$로 낮아질수록 각각 $51.6{\pm}1.8$, $24.1{\pm}4.4$, $14.9{\pm}0.5$, $3.7{\pm}0.1kg\;CO_2\;eq./ton\;CM$으로 감소하였다. 우분을 $35^{\circ}C$에서 저장하는 동안 30%의 COD가 감소하였지만 $15^{\circ}C$에서는 단 6%의 COD만이 감소되어 우분 내 유기물의 손실은 저장온도가 높을수록 증가하였다. 제거된 COD의 3~10%만이 메탄으로 전환이 되었으며 대부분은 호기 분해에 의해 진행된 것으로 사료된다. 우분의 주요 우점종으로는 Methanobrevibacter과 Methanolobus이 발견되었고 저장온도가 낮아질수록 저온 메탄생성균인 Methanolobus psychrophilus의 우점율(48%, $15^{\circ}C$)이 증가하였다. 수소를 이용한 SMA 실험 결과, 25, $15^{\circ}C$에서 저장한 메탄생성균의 지체기간은 10~11일, 최대 메탄생성속도는 22 mL/g VSS/d으로 $35^{\circ}C$에 저장한 경우(1일, 12~17 mL/g VSS/d)보다 지체기간은 증가하였지만 메탄생산속도는 높은 것으로 나타났다. 이런 결과로 미루어보아 저온저장은 메탄생성균에게 일시적인 저해는 줄 수 있지만, 적절한 조건이 주어지면 그 활성도는 다시 회복될 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Livestock manure is a significant source for greenhouse gas (GHG) emission, and a huge amount of GHG emission is generated during its storage. In the present work, lowering temperature was attempted to mitigate methane ($CH_4$) emission from cattle manure (CM) with high solid content. CM was stored for 60 d at $15-35^{\circ}C$ ($5^{\circ}C$ interval). $CH_4$ emission reached $63.6{\pm}3.6kg\;CO_2\;eq./ton\;CM$ at $35^{\circ}C$, which was reduced to $51.6{\pm}1.8$, $24.1{\pm}4.4$, $14.9{\pm}0.5$, and $3.7{\pm}0.1kg\;CO_2\;eq./ton\;CM$ at 30, 25, 20, and $15^{\circ}C$, respectively. After storage, 30% of COD reduction was observed in the CM stored at $35^{\circ}C$, while the COD removal decreased to only 6% at $15^{\circ}C$. It was found that only 3-11% of COD removal was done by anaerobic process, while the rest of COD removal was done by aerobic biological process. Methanobrevibacter and Methanolobus were found to be the dominant species in the CM, and the dominance of Methanolobus psychrophilus increased at lower storage temperature. Specific methanogenic activity test results showed that the inhibition by low temperature was temporal.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Properties of Cattle Manures Before and After 60 d of Storage at the Temperatures Between 15 to 35℃
그림 Fig. 1. CH₄ emission from cattle manure stored at different storage temperatures for 60 d.
표 Table 2. Archaeal Communities in Species Level Identification of the Dominant Sequences
그림 Fig. 2. Microbial community structure at genus level for archaea from fresh and stored cattle manure (storage temperature: 35, 25 and 15℃).
표 Table 3. Batch Anaerobic Digestion Performance with Cattle Manure Stored at 35, 25 and 15℃ and H₂/CO₂, and Kinetic Results Obtained by Using the Modified Gompertz Equation.
그림 Fig. 3. The amount of H₂ residual in the headspace of the bottles.
그림 Fig. 4. The variation of SCOD concentration in CH₄ fermentative broth in H₂/CO₂ fed tests during operation.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 저장온도가 우분의 장기간 저장 시 발생하는 메탄에 미치는 영향을 조사하고 그 기작에 관한 이해도를 증진시키는 것이다. 계절별 실제 우분의 저장온도를 고려하여 우분의 저장온도는 35-15℃(5℃ 간격)로 결정하였으며 60일 동안 저장하였다.

제안 방법

저장 실험이 진행되는 동안 가스 배출량 및 성상은 주기적으로 분석하였으며, 신선한 우분과 60일간 저장한 우분을 채집하여 성상분석을 진행하였다. NGS(next generation sequencing) 방법을 활용하여 저장온도가 미치는 우분 내 미생물의 군집 변화를 조사하였고 SMA(specific methanogenic activity) 실험을 통해 우분 내 메탄생성균의 활성도 평가를 실시하였다.
본 연구의 목적은 저장온도가 우분의 장기간 저장 시 발생하는 메탄에 미치는 영향을 조사하고 그 기작에 관한 이해도를 증진시키는 것이다. 계절별 실제 우분의 저장온도를 고려하여 우분의 저장온도는 35-15℃(5℃ 간격)로 결정하였으며 60일 동안 저장하였다. 저장 실험이 진행되는 동안 가스 배출량 및 성상은 주기적으로 분석하였으며, 신선한 우분과 60일간 저장한 우분을 채집하여 성상분석을 진행하였다.
계절별 실제 우분의 저장온도를 고려하여 우분의 저장온도는 35-15℃(5℃ 간격)로 결정하였으며 60일 동안 저장하였다. 저장 실험이 진행되는 동안 가스 배출량 및 성상은 주기적으로 분석하였으며, 신선한 우분과 60일간 저장한 우분을 채집하여 성상분석을 진행하였다. NGS(next generation sequencing) 방법을 활용하여 저장온도가 미치는 우분 내 미생물의 군집 변화를 조사하였고 SMA(specific methanogenic activity) 실험을 통해 우분 내 메탄생성균의 활성도 평가를 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 우분은 톱밥을 깔짚으로 활용한 논산시 소재 200 두 규모의 한우농장에서 확보하였으며, 운반하는 동안 우분의 성상 변화를 최소화하기 위해 냉장 저장하였다. 우분의 성상은 Table 1에 나타냈으며 일반적인 톱밥한우분의 성상과 큰 차이를 보이지 않았다¹⁴⁾.

이론/모형

우분의 pH, TCOD, SCOD, TS, VS, TSS, VSS는Standard Methods에 따라 분석하였다. 바이오가스 발생량은 pressure-lock glass syringe를 이용하여 측정하였고, 메탄과 이산화탄소 분압은 열전도도 검출기(thermal conductivity detector, TCD)가 장착된 Gas Chromatography (Series 580, GowMac Instrument Co.

성능/효과

1. 우분을 35~15℃에서 60일 저장한 결과, 35℃에서 가장 많은 양의 메탄 배출량(63.6±3.62 kg CO₂ eq./ton CM)을 얻을 수 있었으며 저장온도가 30, 25, 20, 15℃로 낮아질수록 메탄 배출량은 각각 19%, 62%,77%, 94% 감소하였다. 또한, 우분이 저장되는 동안 유기물 손실도 온도가 높을수록 증가하였으며 15℃에서 유기물 손실이 가장 적은 것으로 나타났다.
2. Methanobrevibacter sp.과 Methanolobus sp.이우분 내 주요 메탄생성균으로 검출되었으며 35,25℃ 조건에서는 Methanobrevibacter olleyae과Methanobrevibacter thaueri이 우점종으로 발견되었지만 저장온도가 낮을수록 저온 메탄생성균인 Methanolobus psychrophilus(similarity 99%)의 점유율이 증가하여 15℃ 조건에서는 우점종으로 발견되었다. 이러한 변화는 우분의 메탄 배출량이 저온에서 감소하는 하나의 원인으로 사료되고 15℃ 온도에서도 메탄이 계속적으로 배출할 수 있음을 의미한다.
3. 수소를 기질로 하는 SMA 실험 결과, 35℃에서 저장한 우분 내 메탄생성균에 의해서만 수소의 메탄전환이 직접적으로 일어났으며 공급한 수소의 대부분은 수용성 유기물질로 전환이 된 후 메탄으로 전환되었다. 저온 저장은 우분 내 hydrogenotrophicmethangens의 활성도를 일시적으로 저해할 수 있었지만 다시 중온 조건에서 저장이 될 경우 우분내 메탄생성균의 활성도는 다시 회복되었다.
4. 상기 결과들을 바탕으로 우분의 메탄 배출 저감과 유기물 손실 최소화를 위해서는 저온저장이 효과적이라는 것을 알 수 있지만, 국내 농가에서 배출되는 우분은 야적형태로 주로 저장되고 있으므로 특정 시설 없이는 적용하기는 어려울 것으로 판단된다. 하지만 상대적으로 평균기온이 높은 여름철에는 우분의 메탄 배출 및 유기물 손실이 클 것으로 예상되므로 겨울철에 비해 우분 수거 기간을 짧게 한다면 우분 저장 시 문제점을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

상기 결과들을 바탕으로 우분의 메탄 배출 저감과 유기물 손실 최소화를 위해서는 저온저장이 효과적이라는 것을 알 수 있지만, 국내 농가에서 배출되는 우분은 야적형태로 주로 저장되고 있으므로 특정 시설 없이는 적용하기는 어려울 것으로 판단된다. 하지만 상대적으로 평균기온이 높은 여름철에는 우분의 메탄 배출 및 유기물 손실이 클 것으로 예상되므로 겨울철에 비해 우분 수거 기간을 짧게 한다면 우분 저장 시 문제점을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가축분뇨의 저장과 처리 과정 중 발생하는 메탄은 어떤 기작을 통해 발생하는가?	가축분뇨의 저장 중 발생되는 주요 온실가스는 메탄이며, 가축의 장내에서 유래된 혐기성 미생물과 저장조의 깊은 수심에 따른 공기와의 제한된 접촉조건이 유기물의 혐기성소화를 유발시켜 발생되는것으로 알려져 있다5). 혐기성소화는 일반적으로 가수분해, 산생성, 메탄생성 단계를 통해 유기물을 메탄과 이산화탄소로 전환하는 생물학적 분해과정으로서 가축분뇨의 처리 방법으로 활용되어 신재생에너지원을 생산하는 기술이기도 하나, 가축분뇨의 저장 과정 중에는 온실가스를 배출하는 역할을 한다6,7).
	가축분뇨는 어떤 과정을 통해 처리되는가?	이 중 전체 배출량의 30-50%가 가축분뇨에서 기인하고 있으며, 가축분뇨의 저장과 처리 과정 중에서 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)로 구성된 온실가스를 방출한다2). 가축분뇨는 주로 퇴비화, 액비화, 공공처리, 혐기성소화를 통해 처리가 되며 이 과정 중에 배출되는 온실가스양에 대해서는 세계적으로 표준화 관련 연구가 진행된 반면, 저장 기간에 발생하는 배출량에 대한 연구는 상대적으로 미비한 편이다3,4). 특히 우리나라의 경우, 가축분뇨가 처리플랜트로 이송 전 1-6개월 저장되는데, 이 때 발생하는 온실가스에 대한 연구는 전무한 상황이다.
	축산업 분야의 온실가스는 주 발생원은 무엇인가?	축산업 분야의 온실가스 배출량은 수송 분야와 상응할 정도로 많은 양이 배출되고 있으며, 주로 가축의 장내발효와 분뇨에서 기인하는 것으로 알려져 있다1). 이 중 전체 배출량의 30-50%가 가축분뇨에서 기인하고 있으며, 가축분뇨의 저장과 처리 과정 중에서 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)로 구성된 온실가스를 방출한다2).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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