초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
□ 대규모 돈분뇨 액비화시설 전처리(고액분리) 과정에서 분리된 고형물의 특성
고속 데칸터를 이용해 고액분리하는 것을 선호하는 사업장이 많이 있으나, 초기 투자비용이 높고 고장 시 수리비용 부담이 큰 단점이 있어 현장 적용에 어려움이 있는 것으로 나타났음. 본 연구에서 평가한 결과에 의하면 저속 데칸타 및 원심분리기는 액비화 후속공정의 부하 저감 기여도는 고속 데칸터 만큼 높지는 않지만, 고액분리 고형물의 함수율이 75% 수준을 유지하므로 HSAD(High solid anaerobic digestion)

Ⅳ. 연구개발결과
□ 대규모 돈분뇨 액비화시설 전처리(고액분리) 과정에서 분리된 고형물의 특성
고속 데칸터를 이용해 고액분리하는 것을 선호하는 사업장이 많이 있으나, 초기 투자비용이 높고 고장 시 수리비용 부담이 큰 단점이 있어 현장 적용에 어려움이 있는 것으로 나타났음. 본 연구에서 평가한 결과에 의하면 저속 데칸타 및 원심분리기는 액비화 후속공정의 부하 저감 기여도는 고속 데칸터 만큼 높지는 않지만, 고액분리 고형물의 함수율이 75% 수준을 유지하므로 HSAD(High solid anaerobic digestion) 시스템을 이용한 바이오가스 생산에는 적합한 것으로 평가됨. 휘발성 고형물(VS) 또한 약 90% 수준으로 높아 바이오가스 생산 잠재력이 높을 것으로 사료되며, 공동자원화시설 및 액비유통센터에서 초기 투자비 및 유지·관리비 절감 측면에서 저속 테칸터로부터 분리된 고형물을 대상으로 바이오가스를 생산하는 기술개발을 우선적으로 수행하는 것이 바람직하다고 판단됨. 또한, 저속 데칸타를 이용해 고액분리한 고형물의 경우 Free air space도 50% 이상으로 높아 HSAD 시스템의 운영비 절감을 목적으로 침출수 재순환 방법을 접목시키는데도 유리한 특징을 갖고 있는 것으로 나타남.
□ 실험실 규모 시스템을 이용한 HSAD 시스템 운영인자 구명
HSAD 시스템 운영인자 중 고액분리된 돈분 고형물(Substrate, S)에 대한 혐기소화 접종액(Inoculum, I)의 적정 비율을 평가한 결과, S/I ratio를 4.0으로 유지할 경우 가장 우수한 메탈발생 효율(약 10 CH4 V/V)을 보이는 것으로 나타남. 고액분리된 돈분 고형물을 접종액 없이 HSAD 시스템을 이용해 혐기소화 할 경우 약 45일의 지연기(Lag phase)가 소요되는 문제가 발생될 수 있음을 확인할 수 있었음.
□ 고농도 고형물 혐기소화 시스템 유형 선정
Bag type digester와 Chamber type digester는 바이오가스 발생효율 측면에서 큰 차이를 보이지는 않았으나, 각각 유형별 장단점을 고려할 경우 Chamber type digester가 Bag type digester에 비해 대단위 액비유통센터에 접목하는데 유리한 특성을 지니고 있음. Bag digester는 설치비용이 상대적으로 매우 저렴한 PE (Poly ethylene)나 HDPE (High density poly ethylene)를 재질로 제작이 가능하나, 내구성 좋지 않아 장기적으로 사용할 목적으로 구성되는 시스템에는 적용이 곤란할 것으로 보임. 반면에 Chamber digester는 초기투자비용이 Bag digester에 비해 상대적으로 높은 단점이 있으나, Chamber 내부에 설치된 스크린에 의해 고상물과 액상물 층을 중력에 의해 분리하는 것이 가능하며, 고상물 교반 및 액상물 재순환등의 운영전략 접목이 용이한 장점이 있어 대규모 액비유통센터에 적용할 HSAD 시스템 유형으로 적합할 것으로 사료됨.
□ Lab-scale HSAD 시스템 유형별 고액분리된 돈분 고형물의 Biogas 생산능력 평가
Chamber와 Bag digester의 TVS(총휘발성 고형물) 기준 누적 유기물 제거율은 각각 44.4%, 43.6%로 유사한 값을 보였고 BVS(분해가능한 휘발성 고형물) 기준으로 환산한 경우도 79.9%, 77.2%로 큰 차이를 보이지 않았음. Bag digester가 Chamber digester에 비해 메탄발생량과 Lag phase 소요일수 측면에서 약간 우수한 것으로 나타났지만 통계적으로 유의적인 차이를 보이지 않는 것으로 보아 혐기성소화조 유형(Chamber와 Bag digester)은 고상혐기소화 효율에 큰 영향을 미치지 않는다고 사료됨. Bag digester는 상대적으로 시설비용이 저렴한 장점을 가진 반면, 기계적인 연계공정을 구축하는데 한계가 있고 내구성이 낮으므로 소규모 시스템에 적용하는 것이 바람직하며, Chamber digester는 초기 투자비용이 상대적으로 높은 반면, 침출수 회수와 유지관리가 용이하고 기계적인 연계공정 구축이 가능하기 때문에 대규모 시스템에 적용하는 것이 유리하다고 판단됨. 고액분리 돈분뇨 고형물은 개별 농가에 비해 공동자원화시설에서 다량 발생되므로 Chamber 형태의 고상혐기소화조를 기존의 공동자원화시설과 연계하는 것이 타당함. 따라서 이와 같은 연구결과를 바탕으로 Chamber type Pilot-scale 고상혐기소화 장치를 구축해 추가 연구를 수행함.
□ Pilot-scale (500L 용량) HSAD 시스템의 Biogas 생산능력 평가
SI 비를 약 12-13으로 조절한 상태에서 연구를 수행한 결과 약 100일 간 누적 메탄 발생량은 133-237 N·L/kg·vs 수준을 유지함. 고액분리된 돈분 고형물의 경우 약 20-25일 정도의 지연기(Lag phase)로 인해 처리효율이 감소화는 문제가 있으므로 이를 해결하기위한 운용전략을 개발할 필요가 있음.
□ 대규모 액비화시설과 고농도 고형물 혐기소화 시스템의 연계 가능성 평가
대규모 액비화시설의 전처리(고액분리) 과정에서 발생되는 고형물을 HSAD 시스템을 이용해 처리할 경우 고액분리된 돈분뇨 고형물을 퇴비화하는 기존 공정에서 발생되는 악취 문제를 완화시킬 수 있고 바이오가스와 양질의 퇴비를 부수적으로 얻을 수 있다. 또한, 고액분리된 돈분뇨 고형물을 HSAD 시스템을 이용해 처리하는 과정에서 온실가스 저감이 가능하므로 탄소 배출권과 관련된 부수적인 소득원 창출효과를 부수적으로 얻을 수 있다. 1일 100톤의 돈분뇨를 처리하는 대규모 액비화시설을 HSAD 시스템과 연계할 경우 연간 약 6천만 원의 매전수익을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. HSAD 시스템을 구성하고 있는 토목 및 기계장비에 대한 감가상 각비를 고려할 경우 연간 매전수익은 약 2천만 원 정도가 될 것으로 본다.

Abstract ▼

Ⅳ. Research Results
□ Characteristics of solid swine manure separated during solid-liquid separation process in centralized animal manure treatment plants.
Although high-speed decanters have better solid-liquid separation performance than low-speed decanters, they are not being used by many pl

Ⅳ. Research Results
□ Characteristics of solid swine manure separated during solid-liquid separation process in centralized animal manure treatment plants.
Although high-speed decanters have better solid-liquid separation performance than low-speed decanters, they are not being used by many plants because they require a lot of capital and management costs. Even if low-speed decanters have less solid-liquid separation performance than high-speed ones, they produced separated solid swine manure has favorable characteristics for high solid anaerobic digestion(HSAD). Moisture contents were ranged around 75%(w.b.), volatile solid contents were greater than 90%, and free air space levels were above 50%.
□ Appropriate operation parameters determined through lab-scale HSAD of separated solid swine manure.
The results of this study showed that the inoculation had a significant effect on digestion time, the methane production rate, and digester stability. Inoculation shorten the lag phase period about 54–57 days. The best methane production performance (about 10 CH4 V/V) were observed when the substrate/inoculation ratio was 4.
□ Evaluation of biogas production efficiency of lab-scale HSAD system
The performance of chamber and bag digesters for HSAD of separated solid fraction of swine manure was investigated using lab-scale digester (4,460 mL total volume and 1,800 mL of effective volume) operating at 37℃ for 63 days. The performance of two different digester types was evaluated in terms of the kinetic constants of methane production obtained from the Gompertz and Gaussian equations. Methane production potential of chamber and bag digester was 202 and 218N·mL CH4/g·VS. Time to produce 95% methane production potential(T95) and calculated effective anaerobic digestion time were 55.5 days and 41.8 days for chamber digester and 52.8 days and 43.5 days for bag digester, respectively. Our results reveal that the performance was not significantly different between chamber and bag digester.
□ Evaluation of biogas production efficiency of 500L volume pilot-scale HSAD system
Methane production potential of 500L volume pilot-scale HSAD system ranged from 133 to 237N·mL CH4/g·VS when the SI ratios were adjusted around 12-13. In order to improve biogas production performance of HSAD system, best operating strategy should be developed to shorten lag period.