초록

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
□ 가축분뇨 혐기발효 효율증진을 위한 주요 바이오매스의 관리기술 개발
□ 가축분뇨 혐기발효 목표에 맞는 주요 바이오매스별 부하율 설정
□ 지역농업의 특성에 맞는 혐기발효시스템의 운용기술 확립
□ 농축산 바이오매스의 혐기발효에 적합한 바이오매스 이용방안 확립

Abstract ▼

Due to the current efforts put into reducing the amount of CO₂ to cope with the climate changes, interests about biomass resources are increasing. Biomass resources are the energy which can continuously be circulated and possess carbon neutral properties as they do not increase the amount

Due to the current efforts put into reducing the amount of CO₂ to cope with the climate changes, interests about biomass resources are increasing. Biomass resources are the energy which can continuously be circulated and possess carbon neutral properties as they do not increase the amount of CO₂. In terms of biomass conversion technology, direct combustion(pellet, chip), diverse energy conversion technology such as thermochemical conversion (hydrothermal experiment, carbonization, hydrothermal carbonization etc.), and biological conversion(biogas, bio-ethanol) are being applied, but in case of biomass wastes occurring in the agricultural field, biogas technology is being evaluated as the most commercialized technology. Anaerobic digestion technology which apply the domestic agricultural biomass are being evaluated as in the early stage of supply in the empirical commercialization, and even though about 15 locations are currently in-operation, all the facilities are localizing piggery slurry and food wastes as the raw material. Therefore, this study researched and calculated the occurrence units of biomass waste from 36 types of vegetables and animals in the agricultural field and analyzed the anaerobic digestion characteristics according to each biomass characteristic. Additionally, through the analysis of biochemical methane potential which applies the batch anaerobic reaction, anaerobic organic matter decomposition efficiency and biochemical methane potential of various agricultural biomass were analyzed. In order to do so, foreign biochemical methane potential standard method(Germany VDI4630, America ASTM) were examined and standard method needed for the evaluation of anaerobic decomposition efficiency of vegetable and animal raw materials were developed and established. Additionally, agricultural anaerobic microbial reactions were analyzed through the kinetics analytical techniques and influence factors of anaerobic digestion through statistical analysis were derived and analyzed. As a r esult, biochemical methane potential of agricultural biomass waste was displayed as 0.220∼0.646 N³/kg-VSadded for animals and 0.207∼0.417 Nm³/kg-VSaddedfor vegetables and displayed about 30~70% of decomposition efficiency compared to analytical biochemical methane potential. In terms of anaerobic decomposition efficiency of organic matters, regulation VDI4630 and method of constraint suggested in this study have been compared for animal raw material. It has been displayed that it can increase the accuracy to the maximum of 0.9%∼3.1% and the optimal S/I ratio of anaerobic digestion was evaluated as 0.5. Furthermore, as a result of conducting statistical analysis, representing factors which cause great influence on anaerobic digestion were displayed as crude fat(either extract, EE), crude fiber(crude fiber, CF), nitrogen(N), and copper(Cu). It has been evaluated that crude fat acts from lag phase time, crude fiber acts from the decrease of biochemical methane potential, and nitrogen and copper act through restraints of anaerobic digestion.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 5
• 목차 ... 7
• 제 1장 서 론 ... 12
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 15
• 제 1 절 농축산 바이오매스 현황 ... 15
• 1. 발생현황 ... 15
• 가. 농산 바이오매스 발생현황 ... 16
• 나. 축산바이오매스 발생현황 ... 18
• 제 2 절 혐기소화 기술 ... 22
• 1. 유기물의 분해 원리 ... 22
• 가. 가수분해 단계 ... 23
• 나. 산생성 단계 ... 23
• 다. 메탄생성 단계 ... 24
• 2. 혐기소화 기술현황 ... 25
• 가. 국외 현황 ... 25
• 나. 국내 현황 ... 26
• 다. 국내 혐기소화공정별 바이오가스 플랜트 운영사례 ... 30
• 제 3 절 메탄생산퍼텐셜 ... 33
• 1. 이론적 메탄생산퍼텐셜 ... 33
• 2. 실험적 메탄생산퍼텐셜 ... 33
• 제 4 절 농산 바이오매스 메탄생산퍼텐셜 연구현황 ... 36
• 1. 국내 연구현황 ... 36
• 2. 해외 연구현황 ... 38
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 46
• 제 1 절 농축산 바이오매스 발생특성 ... 46
• 1. 축산 바이오매스 발생특성 ... 46
• 가. 축산 부문 바이오매스 시료채취 목록 ... 46
• 나. 축산부문 바이오매스 발생특성 ... 47
• 다. 축산부문 바이오매스 발생단위 ... 50
• (1) 소 도축과정 발생 바이오매스 ... 50
• (2) 돼지 도축과정 발생 바이오매스 ... 50
• (3) 도계 도축과정 발생 바이오매스 ... 51
• (4) 기타 사업장 발생 바이오매스 ... 52
• 2. 농산 바이오매스 발생특성 ... 53
• 가. 경종부문 바이오매스 시료채취 목록 ... 53
• 나. 경종부문 바이오매스 발생특성 ... 54
• 다. 경종부문 바이오매스 발생단위 ... 55
• (1) 시설 오이 ... 55
• (2) 시설 방울토마토 ... 56
• (3) 시설 파프리카 ... 56
• (4) 노지 율무 ... 57
• 제 2 절 농축산 바이오매스 이화학적 특성 ... 58
• 1. 축산바이오매스 이화학적특성 ... 58
• 2. 농산바이오매스 이화학적특성 ... 61
• 제 3 절 바이오매스의 혐기소화 연구 방법의 확립 ... 64
• 1. 이론적 메탄생산퍼텐셜 ... 64
• 2. 실험적 메탄생산퍼텐셜 ... 65
• 가. 바이오가스 중 수분함량 및 온도 압력 보정 ... 65
• 나. 반응기 빈 공간(head space) 보정 ... 65
• 다. CH4와 CO2 농도 보정 ... 66
• 라. 접종액에 의한 가스발생량 보정 ... 66
• 마. Modified Gompertz model ... 67
• 3. 유기물의 혐기적 분해율의 계산 ... 67
• 가. 이론적 메탄생산퍼텐셜 대비 분해율 ... 67
• 나. VDI4630에 의한 유기물 분해율 ... 68
• 4. 반응속도 분석(Parallel first order kinetics)에 의한 유기물 특성분석 ... 68
• 5. 바이오매스 유기물 분해율 분석 표준화 ... 70
• 가. 혐기적 유기물 분해율 기존 분석 방법 비교 ... 70
• 나. 혐기적 유기물 측정 방법 표준화 ... 71
• 다. VDI4630을 기초로하는 유기물 분해율 보정식 개발 ... 72
• 6. 반응수분과 알칼리도 보정이 유기물 분해율에 미치는 영향 ... 74
• 가. 공시시료의 특성 ... 74
• 나. 공시재료의 이론적 메탄생산퍼텐셜 및 반응 수분량 ... 75
• 다. 공시재료의 메탄생산퍼텐셜 ... 75
• 라. 바이오가스 성분별 발생 특성 ... 77
• 마. 혐기적 유기물 분해율 비교 ... 78
• 7. S/I 비율이 유기물의 분해율에 미치는 영향 ... 81
• 가. S/I 비율별 시험 반응기 준비 ... 81
• 나. 공시재료의 이화학성 ... 81
• 다. S/I 비율별 메탄생산퍼텐셜 ... 83
• 라. S/I 비율별 Gomperts parameter 분석 결과 ... 85
• 마. S/I 비율별 메탄생산 퍼텐셜 비교 ... 86
• 제 4 절 농축산 바이오매스 혐기소화 특성 ... 88
• 1. 농축산 바이오매스의 이론적 메탄생산퍼텐셜 ... 88
• 가. 축산 바이오매스의 이론적 메탄생산퍼텐셜 ... 88
• 나. 농산 바이오매스의 이론적 메탄생산퍼텐셜 ... 89
• 2. 농축산 바이오매스의 실험적 메탄생산퍼텐셜 ... 91
• 가. 축산 바이오매스의 메탄생산퍼텐셜과 Gompertz식에 의한 parameter 분석결과 ... 91
• 나. 축산 바이오매스의 메탄생산 퍼텐셜 곡선 ... 93
• 다. 농산 바이오매스의 메탄생산퍼텐셜과 Gompertz식에 의한 parameter 분석결과 ... 99
• 라. 농산 바이오매스의 메탄생산 퍼텐셜 곡선 ... 101
• 3. 농축산 바이오매스의 혐기적 유기물 분해율 ... 107
• 가. 축산 바이오매스의 혐기적 유기물 분해율 ... 107
• 나. 농산 바이오매스의 혐기적 유기물 분해율 ... 108
• 다. 축산 바이오매스의 parallel first order kinetic 분석 ... 110
• 라. 농산 바이오매스의 parallel first order kinetic 분석 ... 113
• 4. 농축산 바이오매스 연속식 반응조 혐기소화특성 ... 116
• 가. CSTR형 Lab 규모 혐기반응기 제작 설치 ... 116
• 나. 농축산 바이오매스 통합소화를 위한 적정 유기물 부하도 (OLR) 산출 (CSTR 기준 ... 117
• (1) 축산 부산물 (HRT 20일) ... 118
• (2) 농산 부산물 (HRT 20일) ... 119
• (3) 축산 부산물 (HRT 30일) ... 120
• (4) 농산 부산물 (HRT 30일) ... 121
• (5) 축산 부산물 (HRT 40일) ... 122
• (6) 농산 부산물 (HRT 40일) ... 123
• 제 5 절 농축산 바이오매스별 혐기소화 액비 특성 ... 124
• 1. 농축산 바이오매스별 혐기소화 액비 특성 변화 ... 124
• 가. 연속식 혐기 반응기에서의 부식 생성특성 조사 ... 124
• 나. 농축산 바이오매스별 연속 혐기소화조의 부식물질 특성 ... 127
• 2. 혐기소화액비의 미생물 안전성 평가 ... 128
• 가. 유해미생물 살균효과 분석 ... 128
• 나. 유해균의 사멸 효과와 혐기 총균수 분석 ... 128
• 다. Total coliforms ... 128
• (1) 무처리 ... 128
• (2) 가열 전처리 60℃ ... 129
• (3) 가열 전처리 70℃ ... 129
• (4) 가열 전처리 80℃ ... 129
• 라. 살모넬라 ... 129
• 제 6 절 실규모 혐기소화시설의 운전 효율 ... 130
• 1. 오이 부산물 purls type 투입시 혐기소화조 운전 조건 ... 130
• 2. 오이 부산물 purls type 투입시 혐기소화조 운전 인자 변화 ... 131
• 제 7 절 농축산 바이오매스 전처리별 혐기소화 효율 ... 132
• 1. 농축산 전처리 시험용 회분식 혐기반응장치 구축 ... 132
• 2. 가열 전처리가 혐기소화에 미치는 영향 ... 132
• 가. 열처리별 메탄생산 퍼텐셜 ... 132
• 3. 분쇄도가 혐기소화에 미치는 영향 ... 133
• 가. 분쇄수준별 메탄생산퍼텐셜 ... 133
• 나. 분쇄수준별 메탄생산퍼텐셜 곡선 ... 134
• 4. 건조도가 혐기소화에 미치는 영향 ... 135
• 가. 건조 방법별 메탄생산퍼텐셜 ... 135
• 나. 건조 방법별 메탄생산퍼텐셜 곡선 ... 137
• 제 8 절 혐기소화 목적별 바이오매스 이용체계 ... 138
• 1. 동물성 및 식물성 바이오매스의 혐기소화 특성 비교 ... 138
• 가. 회귀 상관분석 ... 138
• 나. 중회귀 분석 ... 140
• 2. 동·식물성 바이오매스의 메탄생산에 영향인자 ... 140
• 가. 동물성 바이오매스의 메탄생산 특성 영향인자 ... 140
• 나. 식물성 바이오매스의 메탄생산 특성 영향인자 ... 145
• 3. 농축산 바이오매스 혐기소화 목적별 원료 분류 체계 기준 ... 151
• 제 9 절 모델 분석을 위한 바이오매스 잠재량 평가인자 확립 ... 158
• 1. 돼지 바이오매스 발생단계별 메탄생산 잠재량 단위 평가 ... 158
• 가. 돼지 바이오매스 발생단계별 바이오매스 발생 특성 ... 158
• 나. 돼지 바이오매스 발생 단계별 메탄생산 잠재량 단위 평가를 위한 산출식 ... 159
• 다. 돼지 바이오매스 발생 단계별 바이오매스 발생원단위 ... 159
• 라. 돼지 바이오매스의 메탄생산 퍼텐셜 ... 161
• 마. 돼지 바이오매스 발생 단계별 메탄생산 잠재량 단위 ... 163
• 2. 닭 도계가공장 바이오매스 발생단계별 메탄생산 잠재량 단위 평가 ... 164
• 가. 도계가공장 바이오매스 발생 특성 ... 164
• 나. 닭 도계 가공장 바이오매스 발생 단계별 메탄생산 잠재량 단위 ... 165
• 3. 주요 시설채소 부산물의 메탄생산 잠재량 단위 평가 ... 165
• 제 10 절 바이오매스 특성별 혐기소화시설 운영모델 ... 167
• 1. 농축산 바이오매스 집하·저장 관리 방안 ... 167
• 2. 선진지 조사 결과 ... 167
• 가. 동물성 부산물 EU의 관리사례(European Regulation (EC) No 1774/2002) ... 167
• 나. ABP(animal by-product) regulation에 따른 분류 ... 168
• 다. EU에서 동물성 부산물의 바이오가스 생산 원료이용 방법 ... 169
• 라. 돼지 부산물의 혐기소화 이용 사례 ... 169
• 마. 소 부산물의 혐기소화 이용 사례 ... 170
• 3. 바이오매스 특성별 혐기소화시설 운영모델 ... 170
• 가. 모델 도출의 고려사항 ... 170
• 나. 지역 농업 특성별 혐기소화시설 운영 모델 ... 171
• 다. 농축산 바이오매스 이용 바이오가스 시설 운영 모델 ... 172
• 4. 유형 II 운영모델 물질수지 분석(10a 시설채소 오이농가 촉성재배 기준) 사례 ... 173
• 가. 물질수지 도출 인자 ... 173
• 나. 시설채소 오이농가(10a, 1,000m2) 기준 물질 및 에너지(동절기 가온에너지) 수지 ... 175
• 다. 시설채소 오이농가(10a, 1,000m2)의 작형별 동절기 가온에너지 소요량 분석 ... 177
• 라. 시설채소 오이농가(10a, 1,000m2)형 바이오가스 시설 설계 인자(양돈분뇨 이용) ... 178
• 마. 시설채소 오이농가(10a, 1,000m2)형 바이오가스 시설 용량 ... 179
• 바. 촉성재배형 시설채소 오이농가(10a, 1,000m2) 바이오가스 시설 물질 및 에너지수지 ... 180
• 사. 반촉성재배형 시설채소 오이농가(10a, 1,000m2) 바이오가스 시설 물질 및 에너지수지 ... 181
• 제 4 장 연구개발 목표 달성도 및 대외기여도 ... 182
• 제 1 절 목표대비 달성도 ... 182
• 1. 제 1세부과제 연구목표 및 달성도 ... 182
• 2. 제 2세부과제 연구목표 및 달성도 ... 183
• 제 2 절 정량적 성과 ... 184
• 1. 성과목표 ... 184
• 2. 연구성과 ... 184
• 제 5 장 연구성과 활용계획 ... 185
• 1. 표준 분석법 확립 ... 185
• 2. 영농활용 ... 185
• 3. 정책건의 ... 185
• 제 6 장 참고문헌 ... 186