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Kafe 바로가기주관연구기관 | 강원대학교 Kangwon National University |
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2015-03 |
과제시작연도 | 2013 |
주관부처 | 농촌진흥청 Rural Development Administration(RDA) |
등록번호 | TRKO201500010637 |
과제고유번호 | 1395031052 |
사업명 | 국책기술개발 |
DB 구축일자 | 2015-07-11 |
DOI | https://doi.org/10.23000/TRKO201500010637 |
Ⅳ. 연구개발결과
<제1협동과제: 젖소분뇨 깔짚대체 방법 및 부숙퇴비 재활용 기술 개발>
1. 유우사 깔짚이용 실태 및 젖소분뇨 특성조사
모든 농가에서 깔짚재로 톱밥을 가장 선호하였으나 비용상의 문제로 인해 왕겨나 야자밥과 같은 다른 깔짚재를 사용하는 것으로 조사되었다. 젖소분뇨 및 깔짚우사내 깔짚과 분뇨가 혼합된 시료의 평균 pH 및 수분함량은 각각 7.8과 9.1, 81.2%와 59.1%이었으며, VS함량은 86.8%와 78.4%로 나타났다.
2. 젖소농가 분뇨처리 방법 조사
젖소농가의 분뇨처리
Ⅳ. 연구개발결과
<제1협동과제: 젖소분뇨 깔짚대체 방법 및 부숙퇴비 재활용 기술 개발>
1. 유우사 깔짚이용 실태 및 젖소분뇨 특성조사
모든 농가에서 깔짚재로 톱밥을 가장 선호하였으나 비용상의 문제로 인해 왕겨나 야자밥과 같은 다른 깔짚재를 사용하는 것으로 조사되었다. 젖소분뇨 및 깔짚우사내 깔짚과 분뇨가 혼합된 시료의 평균 pH 및 수분함량은 각각 7.8과 9.1, 81.2%와 59.1%이었으며, VS함량은 86.8%와 78.4%로 나타났다.
2. 젖소농가 분뇨처리 방법 조사
젖소농가의 분뇨처리 방법은 대부분 퇴비화이며, 일부 농가의 경우 액비저장조를 설치하여 액비를 활용하고 있으나 처리과정의 복잡함과 노동력 및 운영비용상의 문제로 인해 활용이 낮은 실정이다.
3. 젖소분뇨 부숙퇴비 및 억새를 재활용한 젖소분뇨 혼합퇴비 특성
젖소분뇨의 퇴비화시 부숙퇴비 또는 억새를 수분조절재로 사용이 가능할 것으로 기대되며, 수분조절재의 혼합비율은 부숙퇴비의 경우 부피비로서 가축분뇨 50%, 부숙퇴비 25%, 톱밥 25%로 혼합하는 것이 적당할 것으로 판단되며, 억새의 경우도 가축분뇨 50%, 부숙퇴비 25%, 톱밥 25%로 혼합하는 것이 적당할 것으로 판단된다. 수분 조절재로서 부숙퇴비 또는 억새를 이용할 경우 톱바 사용량의 50%의 절감 효과를 얻을 수 있다.
<제2협동과제: 스크레이퍼 유우사용 축분 고액분리 기술연구>
1. 스크레이퍼 유우사 배출분뇨 물성조사 및 고액분리 요인 구명
가. 젖소분뇨 배출분뇨 물성조사
스크레이퍼 유우사를 사용하는 4개 목장의 가축분뇨를 수거하여 함수율, 점도, 입자분포를 조사한 결과, 함수율은 84.9∼90.1%, 점도는 450∼44,000 cP로 함수율에 비하여 큰 차이가 있었다. 4개의 농가 중 2농가는 고액분리를 하고 있었는데 유럽에서 수입한 고액분리기를 사용한 농가에서는 분리된 고형분 함수율이 75.3%로 나타났으며 분리된 고형분을 수분조절 없이 퇴적발효 시키고 있었다.
나. 분뇨의 적정 고액분리 요인 구명
스크루의 회전속도가 9.8에서 19.5, 29.2 rpm으로 증가함에 따라 고형분 함수율이 68.32%, 71.62%, 74.22%로, 처리량은 7.88, 12.37, 21.80 kg/분으로, 소요에너지는 1,298, 1,632, 2,259 W로 증가하였다. 스크루의 회전 속도를 29.2 rpm으로 고정 시킨 후 망 간격 0.5 mm와 1.0 mm에서 압력실에 걸리는 압력을 달리하며 고형분의 함수율과 분당 처리량을 측정한 결과 0.5 mm 망의 경우는 압력이 27.3, 29.9, 42.5 kPa로 높아짐에 따라 고형분 함수율은 79.72, 78.34, 74.73%(w.b.)로 낮아지며 분당 처리량은 10.51, 11.22, 11.83 kg으로 약간씩 증가하였다. 1.0 mm 망의 경우는 압력이 27.3, 34.8, 42.8 kPa로 증가함에 따라 고형분 함수율이 77.14, 75.27, 72.21%로 감소하고, 분당처리량은 17.31, 18.38, 15.87 kg으로 약간 증가하다 감소하는 경향이 있었다.
2. 고액분리기 설계제작 및 성능시험
가. 시험용 고액분리기 제원
나. 젖소분뇨 고액분리기 사양
다. 젖소분뇨 고액분리기 작업성능
<제1세부과제: 젖소농가 착유세척수 정화처리 기술 개발>
1. 젖소 착유 세척수 특성에 대한 자료 확보
젖소 착유농가 39곳의 시료를 분석한 결과, T-N의 경우 평균 약 381 mg/L 였으며 최대 5,583.6 mg/L에서 최소 9.0 mg/L로 농가마다 편차가 매우 심한 것을 알 수 있었고 착유기 타입별로 정리한 결과, 파이프라인 방식에서의 평균 T-N값이 가장 높게 나타났으며, 그 다음으로 로봇 착유, 텐덤, 헤링본 타입 순으로 나타났다.
2. 농가형 생물막 여과 시스템 개발
농가에서 필요로하는 고효율 저비용의 충격부하에 견딜 수 있는 공정을 개발하고자 하였다. 생물막 여과 시스템을 개발하고 HRT변화에 따른 유출수 내의 BOD와 T-N의 평균값과 부하량을 비교한 결과, BOD의 경우 유기물 부하량(Organic loading rate, OLR) 0.5 kg BOD/m3/.d에서 안정적인 시스템 성능을 얻을 수 있었으며, 질소 부하량(Nitrogen loading rate, NLR), 폭기량, 산기관의 위치를 시험ㆍ평가한 결과 NLR 0.4 kg T-N/m3.d 이하, 폭기량 0.25 m3/m3.min, 바닥에서 1/3 위치의 산기관 조건에서 안정적인 수질을 얻을 수 있었다.
3. 고효율 전기화학적 착유세척수 정화처리 공정 개발 및 운전인자 최적화 농가에 적용하기 위하여 60 cm2/L의 전극면적 하에서 처리시간에 따른 농도변화를 예측할 수 있는 모델을 확립하였으며 착유세척수 내 우유의 함량이 1% 증가함에 따라 질소제거율은 0.054 mg/L.min씩 감소하는 것으로 나타났다.
4. 생물막 여과 장치와 전기화학반응장치의 연계시스템 개발
생물막 여과 시스템의 유출수가 전기화학반응장치를 거치게 되는 처리효과의 극대화를 위한 연계시스템을 개발하였다. 생물막 여과 시스템의 유출수를 이용하여 비용을 고려한 실질적인 운전수준을 고려한 전기화학반응장치의 최적 운전조건은 [CD, 0.03 A/cm2; EA, 20 cm2/L; EC, 3.87 mg/L as NaCl; RT, 120 min]인 것으로 나타났다.
5. 현장 실증 시험
실규모의 생물막 여과 시스템 + 전기화학적 처리 장치 융합형공정을 젖소착유 농가에 설비하고 이에 대한 시스템의 안정성을 분석하였다. 시스템 안정화기를 포함하여 270일경 가동한 결과 정상가동기간 동안에 특정지역 허가대상 배출시설의 방류수수질기준 이하로 처리할 수 있는 성능을 보여 주었으며 각 공정별 세부 설비비 산출을 통해 운전비용을 산출하였다.
<제3협동과제: 젖소분뇨 생건조 및 이용기술 개발>
본 연구에서는 톱밥깔짚 우사에서 수거한 젖소분뇨와 깔짚 혼합물의 Water holding capacity를 깔짚 유형별로 비교·평가한 후 이를 바탕으로 톱밥깔짚우사의 톱밥 및 왕겨등의 깔짚 관리지침 개발에 필요한 기초자료를 구축하였으며, 깔짚과 젖소분뇨 혼합물을 생건조한 후 재활용시 흡수 가능한 수분량 평가를 통해 생건조된 젖소분뇨와 깔짚 혼합물 재활용 가능성을 구명하였다.
젖소분뇨와 깔짚 혼합물의 생건조 효율 증진을 목적으로 생건조에 적합한 최적 함수율을 구명하였으며, 아울러 젖소분뇨 생건조 특성을 평가한 결과 톱밥깔짚과 혼합된 한우분뇨의 젖소분뇨의 생분해 에너지 잠재력은 408 J/g-VS·d(97.5 cal/g-VS·d), 톱밥깔짚과 혼합된 한우분뇨의 생분해 에너지 잠재력은 179 J/g-VS·d(43 cal/g-VS·d), 그리고 왕겨깔짚과 혼합된 한우분뇨의 생분해 에너지 잠재력은 452 J/g-VS·d(108 cal/g-VS·d)의 결과를 얻었다.
본 연구에서는 톱밥깔짚과 혼합된 젖소분뇨를 생건조하는 시스템을 개발하고 생건조 시스템의 처리효율을 평가한 결과 생건조 시스템의 송풍량을 0.2∼0.6 L/kg-VS·min의 범위로 조절한 상태에서 원료 1톤당 28,273∼72,879 kcal의 건조 에너지를 절감할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 생건조된 젖소분뇨와 톱밥깔짚 혼합물을 톱밥깔짚 대용으로 51∼57%를 재활용할 경우 126,300∼141,660원/톤 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있었다. 또한 본 연구에서는 가변형 구조물을 이용한 에너지 절약형 전업 규모 농가용 퇴비화 장치를 개발해 특허를 출원하였다(출원번호 10-2014-0158484).
IV. Research Results
< The 1st cooperative project: Development of bedding substitution and recycle of matured compost >
The aim of this study is to investigate the physicochemical characteristics of dairy cow manure mixed with bedding in accordance with kind of bedding materials to
IV. Research Results
< The 1st cooperative project: Development of bedding substitution and recycle of matured compost >
The aim of this study is to investigate the physicochemical characteristics of dairy cow manure mixed with bedding in accordance with kind of bedding materials to use as basic data for composting of dairy cow manure. The other aim is to investigate the feasibility for using of decomposed manure and miscanthus(M) as moisture control material in composting of dairy cow manure(DCM). Bedding materials are used in most types of housing for dairy cow, and sawdust or rice husks are generally used as bedding materials in Korea. pH, moisture content and VS of dairy cow manure were 7.8, 81% and 87%, respectively. On the other hand, those of dairy cow manure mixed with sawdust were 9.1, 56%, 76.5%. In case of dairy cow manure mixed with rice hulls, the values were similar with the properties of dairy cow manure mixed with sawdust. The concentrations of COD, T-N, T-P, NH4-N and NO3-N in dairy cow manure were 92,765 mg/L, 4,128 mg/L, 1,032 mg/L, 965 mg/L, 107 mg/L, respectively. The properties of cow manure mixed with bedding materials were 202,742 mg COD/L, 7,882 mg T-N/L, 2,065 mg T-P/L, 851 mg NH4-N/L, 154 mg NO3-N/L. According to the volumetric micing ratio of dairy cow manure(DCM) and moisture control materials such as decomposed manure(DM) and sawdust(S), 6 reactors(DCM only, DCM:DM=1:1, DCM:DM=1.5:0.5, DCM:DM=0.5:1.5, DCM:DM:S=1:0.5:0.5 and DCM:S=1:1) were used for composting of dairy cow manure. Initial moisture content of each composting reactors were 71.8%, 64.4%, 66.1%, 62.1%, 65.3% and 64.5%, respectively. After 3 weeks composting, moisture content of R5 and R6 were 51% and 51.3%, respectively. These values were satisfied with the moisture content standard of livestock manure compost of Korea. Among the composting reactors, composting reactor of R5(DCM:DM:S=1:0.5:0.5) was shown the highest temperature of the compost as a 66℃ during composting period. After composting, organic matters content of each reactors were 76.3%, 75.8%, 77%, 77.2%, 82.2% and 86.2%, respectively. We concluded that decomposed manure may be a good moisture control material for dairy cow manure composting when it is used in mixture with sawdust. The optimum volumetric mixing ratio of dairy cow manure and moisture control materials was 50% of livestock manure, 25% of decomposed manure and 25% of sawdust. In case of miscanthus using as a moisture control materials, According to the mixing rate of dairy cow manure and moisture control materials such as miscanthus(M) and sawdust(S), 7 reactors(DCM only, DCM:M=1:1, DCM:M=1.5:0.5, DCM:M=0.5:1.5, DCM:M:S=1:0.5:0.5, DCM:S=1:1 and DCM:S=1.5:0.5) were used for composting of dairy cow manure. Initial moisture content of each composting reactors were 68.4%, 50.1%, 65.3%, 40.9%, 55.8% 57.9% and 65.6%, respectively. After 5 weeks, final moisture content of each composting reactors were 60.8%, 48.6%, 60.1%,37.5%, 51.9% 53.8% and 62%, respectively. Among the composting reactors, compostingreactor of DCM:M=1.5:0.5 was shown the highest temperature of the compost as a 58℃during composting period. However, in view of the final moisture content, DCM:M:S=1:0.5:0.5 is determined to best mixing condition of moisture control material.
< The 2nd coopertive project: Study on the development of technology for solid/liquid separation of dairy cow manure from scraper barn >
Current manure separators were developed for pig farms in Korea, so they are inappropriate to use for cow manure. Meanwhile, imported separators from Europe are too expensive. In this study, a manure separator using screw press for dairy farms was developed.
The prototype separator was composed of a dewaterer unit, a press controller unit, a drive unit, a slurry entry, solid and liquid outlets, and a supported frame. A dewaterer unithas an wedge-wire screen and a double screw auger. The screen slit size was 1.0 mm, and the screw diameter was 258 mm. The press controller maintains consistent pressure regardless of thickness of the separated solid. The end of the screw blade was plated with chromium in order to resist an abrasion. Performance tests of the prototype separator were conducted by using the slurry with 85.3% moisture content.
The results of the test showed that the separation efficiency was 2.48 ton/hour, the separated solid moisture content was 76.8%, and the separated liquid moisture content was 91.2%.
The efficiency analysis showed that approximately 20 million won per year for this manure separator because the use of the separator will reduce costs of saw dust which is supposed to control moisture.
< The 1st detailed project: Development of milking center wastewater treatment technology >
In order to ensure the documents of milking center wastewater characteristics, the investigation of 39 dairy farms had been conducted and the average total nitrogen concentration was about 381 mg/L ranged from 9.0 to 5,583.6 mg/L with high variation. Categorizing milking machines, the highest total nitrogen concentration was found with Pipeline type and Robot, Tandem, and Herringbone in order.
Development of biofilm filtration system for farms has been accomplishment. In order to meet the farmer’s demand, the development of a cost effective process was carried out with consideration of endurance of shock-loading on site. Biolfilm filtration system was designed and its operational parameters were optimized. The selected operational parameters were nitrogen loading rate, aeration rate, and the position of air-diffuser of which conditions were optimized in 0.4 kg T-N/m3.d, 0.25 m3/m3.min, and 1/3 height from the bottom of the reactor, respectively.
Development of electrochemical treatment process and optimization of operational conditions in high efficiency had been carried out to increase the feasible to remove the pollutants in milking center wastewater. Electrochemical reactor was developed and its operational parameters were optimized with respect to electrode area, current density, electrolyte concentration, and reaction time considering with total nitrogen and color removal efficiencies and power required to operate. The increase of milk content in milking center wastewater by 1% inhibited the total nitrogen removal reaction with –0.054 mg/L.min.
The combined process including biofilm filtration system and electrochemical process showed the rigid performance of nitrogen removal in milking center wastewater. The effluent of biofilm filtration system was applied to electrochemical reactor and the combined process was optimized. Biofilm filtration system was normally operated with the selected operational conditions above. Through the statistical analysis of performance in electrochemical reactor, the combination of operational parameters was selected with [CD, 0.03 A/cm2; EA, 20 cm2/L; EC, 3.87 mg/L as NaCl; RT, 120 min].
The final test of demonstration process was constructed on site. Biofilm filtration system combined with electrochemical reactor in farm-scale was built up on site and the stability of the process was evaluated. The operation of the process was started from April, 2014 to January, 2015 containing pre-operation and normal operation. The capital and operating costs were assessed and the performance of each unit process was delineated.
< The 3rd cooperative project: Development of bio-drying methods and its application >
The dairy manure is generally collected by using bedding materials such as sawdust and rice hull in Korea, thus composting is the most common treatment method of collected cattle manure and bedding material mixtures. More than 95% of cattle manure produced in Korea are treated using composting process. In order to utilize treated cattle manure properly as fertilizer or recycled bedding material, biological stabilization of nutrients and organic materials should be accomplished appropriately. Recently, farmers have problems with composting of manure and bedding material mixtures contain too much moisture due to the increased stocking density. Increased bedding material price led the farmers to use less bedding materials in their barn resulted in too high moisture content of cattle manure and bedding material mixtures for proper composting. In order to develop alternative cattle manure treatment system to conventional composting, bio-drying process has been evaluated in this study. Bio-drying process can save energy required to dry out moisture contained cattle manure and bedding material mixtures because it uses the thermal energy generated through biological decomposition. Total four separate batches of experiment has been conducted using three sets of 1m3 volume pilot-scale bio-drying reactor. Aeration rate is one of the most important operating parameters to accomplish proper bio-drying. 0.6 L/kg-VS·min of aeration rate showed the better bio-drying performance than 0.2 L/kg-VS·min. In case of recycling bio-dried dairy manure and sawdust bedding mixtures as bedding material instead of fresh sawdust bedding, about ₩141,660 per ton of bedding material can be saved when 57% of fresh sawdust bedding replaced with bio-dried materials. Bio-dried dairy manure and sawdust bedding mixtures can be used as alternative energy resource because it has high energy value (3,736 kcal/kg as Higher Heating Value).
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