돈 슬러리(Pigslurry, PS)가 저장되는 동안 상당량의 온실가스가 배출되고 있으며 메탄($CH_4$)이 주요 온실가스로 알려져 있다. 메탄 배출을 줄이기 위해서 진한 황산을 이용하여 돈 슬러리의 pH를 5.0-6.0까지 낮춰서 저장하는 방법이 사용되고 있다. 하지만 부식성이 있고, 사람과 동물에 위험하다는 단점이 있어 사용에 한계가 있다. 본 연구에서는 돈 슬러리가 저장되는 동안 배출하는 메탄을 줄이기 위해 친환경적 방법인 설탕 첨가를 시험해보고자 한다. 설탕을 이용한 돈 슬러리의 산성화 이후, 돈 슬러리의 pH는 7.1에서 설탕의 첨가량(10, 20, 30, 40, 50 g/L)에 따라 $5.8{\pm}0.1$, $4.6{\pm}0.1$, $4.4{\pm}0.1$, $4.1{\pm}0.1$, $4.0{\pm}0.1$으로 감소하였다. 주요 유기산으로는 lactate, acetate, propionate가 검출되었으며 20 g/L 이상의 농도에서는 lactate의 비중이 전체 유기산의 42-72%(COD 기준)까지 증가하였다. 대조군을 41일 동안 저장하는 동안 $20.6{\pm}2.3kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$가 배출되었으며 10, 20 g/L에서만 메탄이 검출되었다. 특히, 10 g/L에서는 30일 이전까지는 소량의 메탄이 배출되었으나 그 이후부터는 메탄 배출량이 증가하여 $8.7{\pm}0.4kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$(대조군의 40%)까지 도달하였다. 이러한 현상의 원인은 돈 슬러리의 pH 상승(pH 7.0)으로 인한 메탄생성균의 활성도 회복으로 판단된다. 저장 후 돈 슬러리 내 유기물 제거율은 VS 24%, COD 27%로 나타났지만 산성화를 할 경우 유기물 손실(VS 15-4%, COD 12-17%)을 크게 낮출 수 있음 보였으며 저장하는 동안 감소한 COD의 90% 이상이 호기 분해에 의해 일어난 것으로 보인다.
돈 슬러리(Pig slurry, PS)가 저장되는 동안 상당량의 온실가스가 배출되고 있으며 메탄($CH_4$)이 주요 온실가스로 알려져 있다. 메탄 배출을 줄이기 위해서 진한 황산을 이용하여 돈 슬러리의 pH를 5.0-6.0까지 낮춰서 저장하는 방법이 사용되고 있다. 하지만 부식성이 있고, 사람과 동물에 위험하다는 단점이 있어 사용에 한계가 있다. 본 연구에서는 돈 슬러리가 저장되는 동안 배출하는 메탄을 줄이기 위해 친환경적 방법인 설탕 첨가를 시험해보고자 한다. 설탕을 이용한 돈 슬러리의 산성화 이후, 돈 슬러리의 pH는 7.1에서 설탕의 첨가량(10, 20, 30, 40, 50 g/L)에 따라 $5.8{\pm}0.1$, $4.6{\pm}0.1$, $4.4{\pm}0.1$, $4.1{\pm}0.1$, $4.0{\pm}0.1$으로 감소하였다. 주요 유기산으로는 lactate, acetate, propionate가 검출되었으며 20 g/L 이상의 농도에서는 lactate의 비중이 전체 유기산의 42-72%(COD 기준)까지 증가하였다. 대조군을 41일 동안 저장하는 동안 $20.6{\pm}2.3kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$가 배출되었으며 10, 20 g/L에서만 메탄이 검출되었다. 특히, 10 g/L에서는 30일 이전까지는 소량의 메탄이 배출되었으나 그 이후부터는 메탄 배출량이 증가하여 $8.7{\pm}0.4kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$(대조군의 40%)까지 도달하였다. 이러한 현상의 원인은 돈 슬러리의 pH 상승(pH 7.0)으로 인한 메탄생성균의 활성도 회복으로 판단된다. 저장 후 돈 슬러리 내 유기물 제거율은 VS 24%, COD 27%로 나타났지만 산성화를 할 경우 유기물 손실(VS 15-4%, COD 12-17%)을 크게 낮출 수 있음 보였으며 저장하는 동안 감소한 COD의 90% 이상이 호기 분해에 의해 일어난 것으로 보인다.
The major problem encountered during the storage of pig slurry (PS) is the release of huge amounts of greenhouse gases (GHGs), which are dominated by methane ($CH_4$). To reduce this, concentrated sulfuric acid has been used as an additive to control the pH of pig slurry to 5.0-6.0. Howev...
The major problem encountered during the storage of pig slurry (PS) is the release of huge amounts of greenhouse gases (GHGs), which are dominated by methane ($CH_4$). To reduce this, concentrated sulfuric acid has been used as an additive to control the pH of pig slurry to 5.0-6.0. However, other low-risk substitutes have been developed due to some limitations to its use, such as corrosiveness, and hazards to animal and human health. In this study, sugar addition was proposed as an eco-friendly approach for limiting $CH_4$ emission from PS during storage. The pH of PS has been reduced from $7.1{\pm}0.1$ (control) to $5.8{\pm}0.1$, $4.6{\pm}0.1$, $4.4{\pm}0.1$, $4.1{\pm}0.1$, and $4.0{\pm}0.1$, by the addition of 10, 20, 30, 40, and 50 g sugar/L, respectively. Lactate, acetate, and propionate were detected as the dominant organic acids and at sugar concentration above 20 g/L, lactate concentration represented 42-72% (COD basis) of total organic acids. For 40 d of storage, $20.6{\pm}2.3kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$ was emitted in the control. Such emission, however, was found to be reduced to $8.7{\pm}0.4$ and $0.4{\pm}0.1kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$ at 10 and 20 g/L, respectively. Small amount of $CH_4$ from PS at 10 g/L was emitted until 30 d of storage, while for rest of storage period, it has increased to $8.7{\pm}0.4kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$ ( 40% of the control) when methanogens have recovered by increasing pH to 7.0. By the end of storage, VS and COD removal in the control reached 24% and 27%, while their ranges reached 15-4% and 12-17% in the sugar added experiments, respectively. It was found that more than 90% of COD removal was done by aerobic biological process.
The major problem encountered during the storage of pig slurry (PS) is the release of huge amounts of greenhouse gases (GHGs), which are dominated by methane ($CH_4$). To reduce this, concentrated sulfuric acid has been used as an additive to control the pH of pig slurry to 5.0-6.0. However, other low-risk substitutes have been developed due to some limitations to its use, such as corrosiveness, and hazards to animal and human health. In this study, sugar addition was proposed as an eco-friendly approach for limiting $CH_4$ emission from PS during storage. The pH of PS has been reduced from $7.1{\pm}0.1$ (control) to $5.8{\pm}0.1$, $4.6{\pm}0.1$, $4.4{\pm}0.1$, $4.1{\pm}0.1$, and $4.0{\pm}0.1$, by the addition of 10, 20, 30, 40, and 50 g sugar/L, respectively. Lactate, acetate, and propionate were detected as the dominant organic acids and at sugar concentration above 20 g/L, lactate concentration represented 42-72% (COD basis) of total organic acids. For 40 d of storage, $20.6{\pm}2.3kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$ was emitted in the control. Such emission, however, was found to be reduced to $8.7{\pm}0.4$ and $0.4{\pm}0.1kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$ at 10 and 20 g/L, respectively. Small amount of $CH_4$ from PS at 10 g/L was emitted until 30 d of storage, while for rest of storage period, it has increased to $8.7{\pm}0.4kg\;CO_2\;eq./ton\;PS$ ( 40% of the control) when methanogens have recovered by increasing pH to 7.0. By the end of storage, VS and COD removal in the control reached 24% and 27%, while their ranges reached 15-4% and 12-17% in the sugar added experiments, respectively. It was found that more than 90% of COD removal was done by aerobic biological process.
그러므로 본 연구에서는 무기산 대체물질로 미생물에 의해서 유기산으로 전환이 가능한 설탕을 돈슬러리에 첨가하여 저장되는 동안 배출하는 메탄량을 줄이고자 하였다. 돈 슬러리 내 설탕의 첨가 농도가 10-50 g/L가 되도록 첨가한 후 산성화를 진행하였고 이 기간 동안 pH 변화를 모니터링하였다.
제안 방법
6 L의 원통형 아크릴 산발효조를 이용하여 수행하였다. 0.4 L의 돈 슬러리를 산발효조로 옮기고 설탕 농도가 10, 20, 30, 40, 50 g/L가 되도록 한 후 외부의 공기가 산발효조 내부로 공급이 되지 않도록 밀봉하였다. 산발효조 내부는 질소가스(순도 99.
그러므로 본 연구에서는 무기산 대체물질로 미생물에 의해서 유기산으로 전환이 가능한 설탕을 돈슬러리에 첨가하여 저장되는 동안 배출하는 메탄량을 줄이고자 하였다. 돈 슬러리 내 설탕의 첨가 농도가 10-50 g/L가 되도록 첨가한 후 산성화를 진행하였고 이 기간 동안 pH 변화를 모니터링하였다. 산성화를 거친 돈 슬러리는 41일 동안 항온조에서 저장되었으며 주기적으로 배출되는 바이오가스의 양을 측정하였다.
돈 슬러리 내 설탕의 첨가 농도가 10-50 g/L가 되도록 첨가한 후 산성화를 진행하였고 이 기간 동안 pH 변화를 모니터링하였다. 산성화를 거친 돈 슬러리는 41일 동안 항온조에서 저장되었으며 주기적으로 배출되는 바이오가스의 양을 측정하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용한 돈 슬러리는 피트 형태의 사육장에서 1,000두 규모의 돼지를 사육하고 있는 논산 소재 농장에서 확보하였으며, 약 4시간의 운반기간 동안 성상 변화를 최소화하기 위해 냉장 저장하였다. 초기 돈 슬러리의 성상은 Table 1에 나타냈으며 일반적인 돈 슬러리의 성상과 큰 차이를 보이지 않았다7,12).
이론/모형
돈 슬러리의 pH, TCOD, SCOD, TS, VS, TSS, VSS는 Standard Methods에 따라 분석하였으며 유기산(acetate, propionate, lactate, and butyrate)은 High performance liquid chromatography (Model VP, Shimadzu Co., Japan)을 이용하여 분석하였다18). 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. 돈 슬러리에 설탕을 첨가 후 중온에서 산성화를 진행한 결과, 설탕 첨가량이 증가할수록 돈 슬러리의 pH 감소폭이 전반적으로 증가하는 경향을 보였으며 10 g/L에서는 pH 5.8-5.9, 20 g/L 이상의 조건에서는 pH 4.1-4.7으로 크게 감소하였다. 산성화한 돈 슬러리 내 유기산은 주로 lactate, acetate, propionate으로 구성되어 있으며 20 g/L 이상의 설탕 첨가 조건에서는 유기산 축적으로 인해 pH 5 이하로 감소하면서 lactate의 함량이 크게 증가하였다.
2. 돈 슬러리를 35℃에서 41일 저장하는 동안 20.6±2.3 kg CO2 eq./ton PS의 메탄이 배출되었다. 산성화한 돈 슬러리에서는 약 30일의 저장 기간까지는 낮은 pH로 인해 모든 설탕 첨가조건에서는 메탄이 소량 검출되거나 불검출 되었으나 설탕 첨가량 10 g/L 에서는 30일 이후부터 돈 슬러리의 pH 상승으로 인해 메탄이 배출되었다.
3. 돈 슬러리가 41일 저장되는 동안 VS 및 COD 제거율은 각각 24%, 27%로 나타났다. 이에 반해 설탕을 이용한 산성화를 거친 돈 슬러리의 유기물 제거율은 VS는 15-4%, COD는 12-17%까지 크게 감소하였다.
35 L CH4)에 해당하므로 메탄으로의 COD 손실률은 약 9%에 해당한다. 그러므로 기존의 연구 결과와 유사하게 대부분의 유기물 손실은 저장조 내부로 공급한 공기 내 산소로 인해 이루어지는 호기성 분해로 인해 일어난 다는 것을 알 수가 있었다22).
후속연구
이러한 결과들을 미루어 보아, 설탕을 이용한 돈 슬러리의 산성화는 pH를 급격히 낮춤으로써 돈 슬러리로부터 메탄 배출을 억제할 수 있으며 저장하는 동안 발생하는 돈 슬러리 내 유기물 손실을 줄일 수 있는 것으로 판단된다. 하지만, 충분한 양의 설탕을 첨가하지 않고 돈 슬러리를 저장하거나 저장조에 장기간 저장하면 메탄 배출이 시작하므로 이를 보완할 수 있는 연구가 필요한 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가축분뇨의 산성화는 무엇인가?
가축분뇨가 저장되는 동안 배출되는 메탄량을 줄이기 위해서 활용되고 있는 방법은 가축분뇨의 산성화이다. 이 기술의 최초 연구 목적은 산성 물질을 가축분뇨에 첨가하여 암모니아(NH3)의 휘발로 인한 N 손실을 줄이기 위해 도입되었으며 덴마크에서는 돈 슬러리(Pig slurry, PS)를 저장하는데 보편적으로 사용하고 있다9). 돈 슬러리가 저장되는 동안 N 손실은 대부분 암모니아 휘발로 인한 것으로 알려져 있는데, 산 첨가를 통하여 pH를 낮추면 free ammonia의 함량이 낮아지게 되고 결과적으로 암모니아 휘발량을 줄일 수 있다10).
가축분뇨에서 주로 배출되는 온실가스는?
일반적으로 농장에서 배출되는 가축분뇨는 최종처리 시설로 이송되기 전까지 짧게는 7일에서 길게는 6개월까지 저장되었다가 처리시설로 이송되는데,이 기간 동안 상당량의 온실가스가 배출 된다3,4). 가축분뇨에서 배출되는 온실가스는 주로 메탄(CH4)과아산화질소(N2O)로 알려져 있으며 상대적으로 낮은 온난화지수(global warming potential, GWP)에도 불구하고 상당량이 메탄으로부터 기인하고 있다1,5). 메탄 배출은 가축의 장내 미생물들 복합작용에 의해 이루어지며 일반적인 혐기성소화와 동일하게 가수분해, 산생성, 메탄생성 단계를 거쳐 배출 된다6).
메탄 배출을 위해 이용하는 진한 황산의 한계는?
0까지 낮춰서 저장하는 방법이 사용되고 있다. 하지만 부식성이 있고, 사람과 동물에 위험하다는 단점이 있어 사용에 한계가 있다. 본 연구에서는 돈 슬러리가 저장되는 동안 배출하는 메탄을 줄이기 위해 친환경적 방법인 설탕 첨가를 시험해보고자 한다.
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