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문제 정의
- 이에 정부는 새만금 간척지의 내부개발계획 수립에 있어 경·축순환형 친환경농업단지 조성사업을 검토하고 있는 바, 본 연구에서는 다양한 농축산바이오매스를 대상으로 혐기성소화 처리 가능성과 에너지 자원으로의 효용성을 평가하기 위하여 BMP test를 통해 메탄가스 발생량과 생분해도를 조사하였다.
제안 방법
- 생성 바이오가스는 온도에 따른 부피팽창을 고려하여 표준상태(0℃ 1atm)에서 dry biogas 부피로 환산하였다. 바이오가스의 메탄함량은 TCD가 장착된 Shimadzu GC-14A를 이용하여 정성 분석 하였다.
- 수욕조내 소화조의 일정한 온도를 유지하기 위하여 자동적으로 온도 조절이 가능한 Water circulator를 부착하여 55℃의 일정한 온도를 유지하였다. 소화조 내부에서 시료와 소화균간의 원활한 접촉을 위해 기계식 교반기를 부착하여 80rpm의 속도로 교반하였고, 각 반응조로부터 발생되는 가스의 부피와 성분을 측정하기 위하여 Teflon 재질의 Gas bag을 부착하였으며, 바이오가스 발생량은 wet gas-meter를 이용하여 측정하였다. 생성 바이오가스는 온도에 따른 부피팽창을 고려하여 표준상태(0℃ 1atm)에서 dry biogas 부피로 환산하였다.
- 5L 용적의 소화조는 스테인레스 재질로 제작되었다. 소화조 유효용적은 3.0L이며, 소화조에 대상시료와 식종균 추가에 의해 S/I(VS mass of substrate to VS mass of inoculum)비를 0.5가 되도록 조절하였고, 식종균 분해에 의해 발생되는 바이오가스 발생량을 보정하기 위해 1개의 소화조에는 식종균만 주입하였다. 수욕조내 소화조의 일정한 온도를 유지하기 위하여 자동적으로 온도 조절이 가능한 Water circulator를 부착하여 55℃의 일정한 온도를 유지하였다.
- 5가 되도록 조절하였고, 식종균 분해에 의해 발생되는 바이오가스 발생량을 보정하기 위해 1개의 소화조에는 식종균만 주입하였다. 수욕조내 소화조의 일정한 온도를 유지하기 위하여 자동적으로 온도 조절이 가능한 Water circulator를 부착하여 55℃의 일정한 온도를 유지하였다. 소화조 내부에서 시료와 소화균간의 원활한 접촉을 위해 기계식 교반기를 부착하여 80rpm의 속도로 교반하였고, 각 반응조로부터 발생되는 가스의 부피와 성분을 측정하기 위하여 Teflon 재질의 Gas bag을 부착하였으며, 바이오가스 발생량은 wet gas-meter를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위한 농축산바이오매스는 가축분뇨로 우분, 에너지 작물로 4종류의 사료작물과 갈대 그리고 농공산폐기물로 식품폐수슬러지, 도축장폐수슬러지를 이용하였다. 우분과 갈대 시료는 서산간척지에서 채취하였고, 동계사료작물은 성안에 소재한 농진청 축산과학원 농장에서 그리고 농공산업폐기물은 대전에 소재한 제분공장과 도축장에서 채취하였다.
- 수거된 시료는 dry oven의 50℃ 조건에서 건조하였고, 분쇄기를 이용하여 입경 0.5∼1cm 이하로 파쇄 후 기질로 활용하였으며, 고온소화 식종 소화균은 창원시 인근에서 가동중인 혐기성소화조로부터 채취하였다.
- 특히 우분의 경우 향후 새만금 간척지내 대규모 한우축사 도입을 고려하여 생초를 섭취한 소로부터 분뇨를 수거하여 연구대상 시료로 활용하였다. 에너지작물로 청보리, 귀리, 호밀 그리고 이탈리안라이그라스(IRG)와 같은 동계사료작물을 이용하였다.
- 본 연구를 위한 농축산바이오매스는 가축분뇨로 우분, 에너지 작물로 4종류의 사료작물과 갈대 그리고 농공산폐기물로 식품폐수슬러지, 도축장폐수슬러지를 이용하였다. 우분과 갈대 시료는 서산간척지에서 채취하였고, 동계사료작물은 성안에 소재한 농진청 축산과학원 농장에서 그리고 농공산업폐기물은 대전에 소재한 제분공장과 도축장에서 채취하였다. 특히 우분의 경우 향후 새만금 간척지내 대규모 한우축사 도입을 고려하여 생초를 섭취한 소로부터 분뇨를 수거하여 연구대상 시료로 활용하였다.
- 우분과 갈대 시료는 서산간척지에서 채취하였고, 동계사료작물은 성안에 소재한 농진청 축산과학원 농장에서 그리고 농공산업폐기물은 대전에 소재한 제분공장과 도축장에서 채취하였다. 특히 우분의 경우 향후 새만금 간척지내 대규모 한우축사 도입을 고려하여 생초를 섭취한 소로부터 분뇨를 수거하여 연구대상 시료로 활용하였다. 에너지작물로 청보리, 귀리, 호밀 그리고 이탈리안라이그라스(IRG)와 같은 동계사료작물을 이용하였다.
이론/모형
- 5∼1cm 이하로 파쇄 후 기질로 활용하였으며, 고온소화 식종 소화균은 창원시 인근에서 가동중인 혐기성소화조로부터 채취하였다. 시료의 메탄가스 발생량에 기초한 생분해도를 평가하기 위하여 Owen 등(1)과 Shelton과 Tiedje(2)에 의해 제안된 BMP test 방법을 이용하였다.
성능/효과
- 1. 연구대상 시료의 물리화학적 특성을 분석한 결과, 총고형물내 포함하는 휘발성고형물 비율은 사료작물, 갈대의 경우 약 92%, 우분84.0%, 폐수슬러지 65∼79% 범위를 나타냈고, 폐수슬러지 TN 함량은 사료작물에 비하여 약 5∼7배 높은 것으로 조사되었다.
- 2. 갈대 및 가축분뇨를 비롯한 사료작물의 C/N 비는 17.4∼27.0 인데 반하여, 폐수슬러지의 경우 탄소함량이 높음에도 불구하고 단백질함량이 높은 폐수의 특성으로 인해 5.53∼6.55의 낮은 값을 나타내었다.
- 3. 메탄가스 발생량에 기초하여 생분해도를 평가한 결과, 사료작물의 경우 77.0∼87.3%의 높은 생분해도 특성을 나타낸 반면, 우분 및 갈대 그리고 폐수슬러지의 경우 42.7∼61.0%의 낮은 생분해도 특성을 나타내었다.
- IRG와 청보리는 85.6∼87.3%의 가장 높은 생분해도를 나타내었고 다음으로 귀리와 호밀의 생분해도는 77.0∼77.4%, 우분과 도축폐수슬러지 경우 60.6∼61.0%로 조사되었고, 갈대와 전분폐수 슬러지 경우 42.7∼47.1%의 가장 낮은 생분해도 특성을 나타내었다.
- 본 연구대상 농축산바이오매스의 물리화학적 특성을 분석한 결과를 Table 1에 나타내었다. 동계사료작물과 갈대의 TS와 VS 함량은 평균 90% 이상이며, 슬러지의 경우 TS 함량 50-60%, VS 함량 65-80%이고 우분의 경우 TS와 VS 함량 각각 23%와 83%로 조사되었다. 사료작물, 우분 그리고 갈대의 TN 함량은 25-60mg/g 수준을 나타낸 반면, 식품가공 및 도축장 폐수슬러지의 TN 함량은 각각 149mg/g, 278mg/g으로 초지류 대비 약 5∼7배 높은 것으로 조사되었다.
- 2에 나타내었다. 메탄가스 발생량은 배양 27일까지 꾸준한 증가를 보이다 이후 완만한 증가 추세를 나타내고 60일 이후 가스발생량 증가가 거의 없음을 보여주고 있다. 귀리의 메탄가스 생산 추이를 다른 사료작물과 비교해 볼 때, 느린 가스 생산속도를 나타내는데이는 귀리에 포함하는 유기성분이 액상으로 용출되는 속도가 느리기 때문이다.
- 본 조사에 따르면 CHON 기본 원소 중 탄소(C)가 40∼53%로 가장 높은 비율을 차지하였으며, 다음으로 산소(O)가 29∼40%로 높게 나타났다.
- 사료작물, 갈대, 우분의 질소(N) 함량은 1.64∼2.56% 범위로 C/N비는 17.4∼27.0을 나타낸 반면, 상대적으로 식품 및 도축장슬러지의 경우 단백질함량이 높은 폐수의 특성으로 인해 7.25%와 9.65%로 높게 나타남에 따라 C/N비는 각각 6.55, 5.53의 낮은 수준으로 조사되었다.
- 사료작물, 우분 그리고 갈대의 TN 함량은 25-60mg/g 수준을 나타낸 반면, 식품가공 및 도축장 폐수슬러지의 TN 함량은 각각 149mg/g, 278mg/g으로 초지류 대비 약 5∼7배 높은 것으로 조사되었다.
- 연구대상 시료의 원소조성에 의해 산정된 이론 메탄발생량(TMY)과 실제 메탄발생량(UMY)에 기초하여 산정된 생분해도(AB)를 Table 3에 정리하였다. 생분해도 평가 결과 갈대, 우분, 폐수슬러지의 생분해도는 사료작물에 비하여 상대적으로 상당히 낮음을 확인 할 수 있었다.
- 총인(TP)은 전체적으로 3.0∼11.5mg/g범위이며, IRG 11.5mg/g으로 가장 높은 함량을 보였다.
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