생물활성액 순환형 돈사시스템의 적정 운전인자

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생물활성액 순환형 돈사시스템의 적정 운전인자

김승수¹ · 심수민¹ · 이태훈¹ · 전태빈¹ · 원승건² · 송준익³ · 정배동⁴ · 이종재¹ · 라창식^1*

강원대학교 동물생명과학대학 동물산업융합학과¹, 대구대학교 과학생명융합대학 동물자원학과², 천안연암대학 축산계열³, 강원대학교 수의과대학 수의예과⁴

Optimal Parameters of Bio-liquor Circulation Type Swine Manure Management System

Seung Soo Kim¹, Soo Min Shim¹, Tae Hoon Lee¹, Tae Been Jeon¹, Seung Gun Won², Jun Ik Song³, Bae Dong Jung⁴, Jong Jae Lee¹ and Changsix Ra^1*

1Department of Animal Industry Convergence, College of Animal Life Science, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea

2Department of Animal Resources, College of Natural and Life Sciences, Daegu University, Gyeongsan 38453, Korea

3Animal Husbandry, Cheonan yonam College, Cheonan 31005, Korea

4Department of Veterinary Science, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea

ABSTRACT¹⁾

Due to lack of established operating conditions, the swine manure management process circulates bio-liquor between the slurry pit and the bioreactor process cannot be effectively used yet. Therefore, a lab scale study comprising a single bio-reactor and slurry pit was conducted to investigate the optimal operating conditions.

The main experiment was performed after conducting a preliminary study on the operating conditions. In the preliminary study, the volume ratio of the bioreactor to the slurry pit was fixed at 1 and hydraulic retention time (HRT) of the bioreactor was set as 5, 10 and 15 d. In the main experiment, the HRT of the bioreactor was fixed at 5 d based on preliminary results and the ratio of bioreactor to slurry pit was set at 1:3, 1:5, 1:7 and 1:10. Since, a decrease in bioreactor performance occurred when NH4-N loading rate reached 60 g/m³/d, the loading rate of NH4-N was required to be maintained below 55 g/m³/d to achieve stable operation.

Although manure excretion can definitely increase the loading rate into the bioreactor as well as NH4-N concentration in the slurry pit, the NH4-N in slurry pit can be kept consistent with the circulation rate above 9.5Q (ratio to manure excretion). The optimal volume ratio of the bioreactor to the slurry pit and HRT of the bioreactor to fulfill these operating conditions was 1:3 and 5d, respectively. Notably, studying of the individual farm situation is very important to establish an ideal method to apply the optimal operation conditions suggested in this study.

(Key words: Bioreactor, Bio-liquor, Loading rate, Slurry pit, Swine manure)

* Corresponding author: Changsix Ra, Department of Animal Industry Convergence, College of Animal Life Science, Kangwon National University, Chuncheon 24341, Korea. Tel: +82-33-250-8620, E-mail: [email protected]

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Ⅰ. 서론

국내 양돈 산업은 규모화 및 기업화를 통해 생산량을 증

대시켜왔으나 그에 따른 가축분뇨 발생량 증가로 인해 다 양한 사회적·환경적 문제를 야기하게 되었다. 가축분뇨로 인한 환경오염문제는 과거부터 야기되어 온것으로 이를 해

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결하기 위해 가축사육 농가 및 분뇨처리에 대한 규제가 강 화되고 있다(Lee et al., 2006). 2012년 가축분뇨 해양투기 전면 금지 이후, 정부는 환경부 ‘가축분뇨의 관리 및 이용 에 관한 법률’ 개정을 통해 가축분뇨 정화처리 시설의 방 류 수질기준을 단계적으로 강화시키는 등 환경 보전을 위 한 배출기준은 지속적으로 강화될 것으로 전망된다. 따라 서, 가축분뇨 정화방류의 대부분을 차지하고 있는 양돈분 뇨의 처리 및 관리 문제는 점차 중요해질 것으로 예상된 다. 그러나 유기물, 질소 및 인을 고농도로 함유하고 있는 양돈분뇨는 처리시설에 대한 부하가 높아 처리가 어렵고 복잡한 처리체계, 운영자의 전문성 부족 및 운전미숙 등으 로 인해 방류수의 방류 수질기준 충족을 확신하기 어렵다 (Jeon, 2014; Park, 2000). 2015년 농촌진흥청 주관으로 수 행된 가축분뇨 정화처리 실태조사에 의하면 32개의 표본 농가 중 T-N, T-P, BOD5, SS 부분에서 각각 22, 6, 9, 34%

의 농가가 당시 방류 수질기준을 충족하지 못하는 상태인 것으로 보고되었으며 기존 시설의 처리효율을 향상시키지 못 할 경우 방류수질기준이 대폭 강화되는 올해(2019년)의 각 항목 당 미충족 농가 비율은 47, 6, 9, 44%로 증가될 것 이라고 예측한 바 있다(RDA, 2015).

양돈분뇨의 적절한 관리는 양돈업계가 직면한 또 하나 의 이슈인 악취 관리 측면에서도 중요성이 부각되고 있다. 최근 들어 축산농가 인근까지 도시화, 아파트단지화가 진 행됨에 따라 악취로 인해 민원이 증가하고 있으며 환경부 보고에 의하면 2015년 기준 국내 축산악취 민원 중 46%가 양돈업계에서 발생한 것으로 나타나 양돈 농가의 악취에 대한 효과적인 대책마련이 요구되고 있다(ME and MAFRA, 2015). 악취를 저감하기 위한 기본원칙은 발생원 에 대한 제어와 이미 방출된 기체가 확산하기 전 제거하는 것이다(Rappert and Muller, 2005). 악취제거 측면에서 효 과적인 방법은 첫 번째 발생원에 대한 제어이나 제어범위 에 한계가 있어 기존의 악취제거 기술은 대부분 이미 발생 한 기체를 대상으로 하는 것이 주종을 이루고 있다. 그러 나 양돈시설에 적용할 수 있는 기술은 극히 제한적이고 효 율성, 경제성, 안전성 및 편의성 면에서 만족할만한 기술개 발은 실현되지 않고 있다(Oh, 2015; Le et al., 2005). 양돈 분뇨는 미 소화 영양물, 돼지의 내생 분비물, 미생물 및 대 사산물이 복합적으로 함유된 물질로 168가지 이상의 악취 물질을 방출한다(Mackie et al., 1998). 이러한 특성에 의해 특정 기체를 대상으로 하는 악취제거 방법이 양돈시설에 서 효과를 나타내기란 쉽지 않다. 따라서, 악취 관리 체계 는 악취 발생원인 가축분뇨의 관리방법을 개선하는 방향 으로의 전환이 필요하다. 악취 발생의 근본적인 원인은 분

뇨 내 미생물의 작용이며 혐기성 미생물이 유기물을 분해 하는 과정에서 생성되는 불완전한 혐기분해 산물이 휘발 되어 악취를 유발한다(Sutton et al., 1999; Zhu et al., 2000;

Blanes et al., 2009). 이러한 관점에서 볼 때, 분뇨 내 악취 유발원의 함량을 낮춰주거나 혐기성 미생물의 생물학적 활성을 억제하면 분뇨로부터의 악취를 저감할 수 있다 (Chapin et al., 1998).

최근 생물학적 반응조와 슬러리피트를 연계하여 생물활 성액을 지속적으로 순환시키는 개념이 도입된 분뇨 관리 방법이 주목받고 있다. 현장에서는 통상 액비순환시스템으 로 지칭되고 있으며 생물반응조를 거쳐 악취유발물질이 산화되고 호기적으로 안정한 상태의 유기물이 순환되어 슬러리피트 내 분뇨의 물성을 개선하는 특징이 있다. 또한, 분뇨의 발생 및 저장 단계에서부터의 적극적인 분뇨관리 방법으로 악취저감 효과가 뛰어난 것으로 알려지면서 농 가에 도입하려는 움직임이 활발히 이루어지고 있으며 관 련 특허 또한 다양하게 등장하고 있다. 그러나 액비순환시 스템은 활성슬러지가 이용되는 고도의 하수처리방식을 모 방하고 있어 운전조건이 까다롭고 그에 준하는 수준의 각 종 시설이 필요하다. 예로 현재 운영되고 있는 액비순환시 스템 적용 농가들은 복수의 폭기조 및 무산소조 뿐만 아니 라 유량조정조, 침전조, 저장조 등을 확보해야 한다. 이러 한 시설구조는 설비 및 시공을 위한 토지 확보가 필수적이 며 생물학적 처리에 대한 이해가 부족한 농가에서 시스템 을 관리하는데 어려움으로 작용할 수 있다(Ha, 2016). 또 한, 과학적인 운전조건 설계 없이 순환 자체에 중점을 두 는 개념적인 도입으로 인해 시스템을 효과적으로 운용하 기 어려운 실정이다. 이를 개선하기 위해서는 슬러리피트 와 생물반응조간의 적정 비율, 생물반응조의 적정 수리학 적체류시간(Hydraulic retention time, HRT), 적정 순환율 등 운전조건에 대한 연구와 자료가 필요하다.

따라서, 본 연구에서 단일생물반응조와 슬러리피트로 이루어진 순환식돈사시스템을 구성하고 생물반응조의 적 정 HRT, 슬러리 피트와 생물반응조의 적정 비율 및 적정 순환율을 파악하고자 하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 실험 설계

본 연구는 실험실 수준으로 수행되었으며 현재까지 슬

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Experiment type Reactor HRT by circulation (d) Ratio (Reactor : slurry pit)

Volume (L) Reactor Slurry pit Preliminary experiment

5

1:1 10 10

10 15 NC^*

Main experiment 5

1:3 10 30

1:5 6 30

1:7 4.7 30

1:10 3 30

*NC, Non-circulation

Table 1. Experimental design of preliminary & main experiment

Fig. 1. Schematic diagram of bioreactor and slurry pit circulation system.

러리피트와 연계되어 운영되는 생물반응조의 적정 운전조 건 수립을 위한 연구가 수행된 바 없기 때문에 생물반응조 의 대략적인 운전조건을 설계하기 위한 예비실험 후에 본 실험을 수행하였다. 예비실험(1차 실험) 및 Main실험(2차 실험)의 설계 및 운전조건은 Table 1에 나타내었다.

1차실험의 경우 반응조 및 슬러리 피트의 비율을 1:1로 고정하고 순환량을 조절하여 생물반응조의 HRT를 달리하 였다. 순환에 따른 분뇨관리 효과를 비교하기 위하여 순환 하지 않는 슬러리 피트를 대조구로 두었으며 반복실험을 위해 실험조건 별로 생물반응조+슬러리피트를 각각 2 세 트씩 두어 두 값의 평균치를 결과도출에 이용하였다.

2차 실험에서는 예비실험(1차 실험) 결과에 의거하여 생물반응조의 HRT를 5일로 설정한 뒤, 생물반응조의 규모 를 슬러리피트 대비 1:3, 1:5, 1:7, 1:10으로 축소하여 순환 에 따른 변화양상을 파악하면서 생물반응조와 슬러리피트

와의 적정 규모 비를 파악하였다. 2차 실험은 예비실험과 마찬가지로 조건별로 각각 2반복 수행되었다.

2. 시스템 구성 및 운전·실험방법

각각의 생물반응조와 슬러리피트는 순환을 위하여 하 나의 set로 구성하였다(Fig. 1). 1차 실험에서는 반응조와 슬러리 피트의 유효용적을 10L로 동일하게 하였으며[생물 반응조의 경우 지름 0.14m의 원통형, 슬러리피트의 경우 바닥면적 0.058m²의 직육면체(W0.18m, L0.32m, H0.3m)], 2차 실험에서는 슬러리피트의 유효용적을 30L [바닥면적 0.17m²(W0.32m, L0.54m, H0.3m)]로 고정하고 생물반응조 의 유효용적을 조절하여 슬러리피트와의 비율을 1:3, 1:5, 1:7, 1:10으로 조정하였다.

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Item Farm

Average

A B C D

(1)- Breeding density (head/m²) 0.91 1.96 1.03 1.86 1.44±0.54

(2)- Pit depth (m) 1.10 1.60 1.20 0.60 1.10±0.41

Manure excretion (kg/m³/day),

[(1) / (2) X SMEU^*] 4.27 6.32 4.43 16.00 7.75±5.57

*SMEU, swine manure excretion unit from Ministry of Environment (5.1 kg/head/day) Table 2. Swine farm information

슬러리피트와 생물반응조에는 현장관행을 반영하여 생 물활성액을 채운 후 실험을 수행하였다. 실험에 이용된 생 물활성액은 C시에 위치한 가축분뇨 처리시설의 말단 폭기 조에서 활성슬러지가 포함된 생물활성액을 수거한 다음 실험실에서 1주일간 공폭기하여 제조하였다.

생물반응조는 가축분뇨자원화시설표준설계도에서 액비 화를 위해 제시하는 수준인 0.03L/L/min의 공기를 공급하 면서 연속 포기방식으로 운전하였으며, 24시간 반응 후 실 험설계에 의거 일정량을 슬러리피트로 순환하고 슬러리피 트 하부의 분뇨가 생물반응조 상부에 위치한 stainless steel 망(40 mesh, opening 0.435mm)을 통과하여 생물반응 조로 유입되도록 하였다. 생물반응조와 슬러리피트간 순환 은 시스템에 설비된 펌프를 통해 이루어지도록 하였다. 또 한, 각각의 슬러리피트로의 분뇨 투입(분뇨배설)에 의한 수 위상승을 방지하기 위하여, 생물반응조에서 슬러리피트로 의 순환 시 분뇨배설량 만큼 액비저장조로 수거하여 슬러 리피트와 생물반응조간의 균형을 조절하였다.

현장여건이 반영된 실험실 수준의 분뇨 발생량을 산정 하기 위하여 농가를 대상으로 한 현장조사 결과 농가의 평 균 일일 분뇨 발생량은 슬러리피트 m³당 약 7.8kg인 것으 로 나타나(Table 2), 이 결과를 각 실험 별 슬러리피트의 비율로 축소하여 적용하였다. 슬러리 피트에 투입되는 분 뇨는 인근 돼지 농가(Table 2)에서 1주일 간격으로 수거하 여 4℃ 냉장 보관하면서 실험에 이용하였다.

3. 분석 항목 및 방법

순환에 따른 생물반응조 및 슬러리피트 내 물성변화 분 석을 위하여 3~4일 간격으로 시료를 채취하였다. 각각의 시료는 순환이 이루어지기 직전에 채취하여 4°C에서 냉장 보관하였으며 1주일 내에 고형물 및 화학적 성분 분석을 완료하였다. 고형물 항목으로는 total solids(TS), total volatile solids(TVS), suspended solids(SS), volatile suspended

solids(VSS)를 분석하였다(APHA, 1995). 각 시료의 NH4-N 및 NOX-N 농도는 자동 수질분석기(QuickChem 8000, LACHAT)를 이용하여 분석하였으며 용존 총 유기탄소 (soluble total organic carbon, STOC)는 TOC analyzer (Torch, Teledyne Tekmar)를 이용하여 분석하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 순환에 따른 생물반응조 및 슬러리피트 내 NH4-N 농 도 변화

예비실험인 1차 실험을 위해 사용된 초기 생물활성액 및 분뇨의 특성은 Table 3에 나타내었다. 생물반응조와 슬 러리피트에 투입된 초기 생물활성액의 NH4-N 농도는 4.6±0.1mg/L로 매우 낮은 반면 NOX-N 농도는 392.7

±12.3mg/L로 높게 나타났는데, 이는 생물활성액을 가축분 뇨 처리시설의 말단 폭기조에서 수거한 후 생물활성액을 만들기 위한 1주일간의 공폭기 과정에서 질산화 반응이 진 행되어 나타난 결과로 판단된다.

1차 실험에서(Table 4), 생물반응조를 HRT 5, 10, 15일로 운전함에 따른 슬러리피트로의 순환율은 각각 분뇨 발생 량의 28.6, 14.3, 9.5Q이었다. 생물반응조 HRT를 5, 10, 15 일로 다르게 운전하였음에도 생물반응조 내 NH4-N 농도 는 2.9~3.4mg/L로 큰 차이가 없었던 반면, 슬러리피트 내 NH4-N 농도는 각각 59.3±22.5, 77.9±31.6, 94.5±40.8mg/L 로 차이를 보였다. 순환을 하지 않은 대조구 슬러리피트의 평균 농도 179.6±108.6mg/L 대비 농도저감 효율은 생물반 응조 HRT 5, 10, 15일 각각 69.9, 56.6, 47.3%로 순환율이 높을수록 즉 HRT가 짧을수록 슬러리피트 NH4-N 농도가 낮아지면서 저감효과가 큼을 알 수 있었다.

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Item TS (g/L) TVS (g/L) SS (g/L) VSS (g/L) NH4-N (mg/L) NOX-N (mg/L) STOC (mg/L)

Bio-liquor 16.5±0.3 7.5±0.4 8.5±0.4 5.1±0.2 4.6±0.1 392.7±12.3 1860.4±98.2

Swine manure¹⁾ 66.4±35.4 48.5±26.9 58.7±28.8 41.1±20.2 2769.0±447.0 ND²⁾ 7076.1±805.4

1)Collected from swine farms;²⁾ND, not detected

Table 3. Characteristics of initial bio-liquor and raw swine manure for the first (preliminary) experiment

Item Bioreactor HRT (d)

0 5 10 15

Circulation rate into slurry pit

(Q, circulation/manure excretion) 0 28.6 14.3 9.5

NH4-N in bioreactor (mg/L) - 3.4±1.6 2.9±1.4 3.4±1.1

Slurry Pit NH4-N (mg/L) 179.6±108.6 59.3±22.5 77.9±31.6 94.5±40.8

Reduction efficiency (%) 0.0 69.9 56.6 47.3

Table 4. NH4-N concentration in bioreactor and slurry pit

Fig. 2. Changes of NH4-N in bioreactor and slurry pit.

시간 경과에 따른 NH4-N 변화양상을 살펴보면 순환이 시행되지 않은 슬러리피트(control)의 경우 농도가 지속적 으로 상승하였으나, 순환하는 경우 실험 초기에 농도가 상 승하다가 일정하게 유지되는 안정기(plateau)가 나타났다.

또한 슬러리피트 내 NH4-N의 plateau는 연동된 생물반응 조의 HRT가 짧을수록 빨리 나타날 뿐만 아니라 NH4-N 농도 또한 낮게 유지하는 것으로 밝혀졌다(Fig. 2). 이는 반 응조의 HRT가 짧을수록 순환율이 높아서 나타나는 지극 히 자연스러운 현상이나 반응조의 NH4-N 농도가 지속적 으로 낮게 유지되었기 때문에 가능한 결과로 판단된다.

1차 실험조건에서, 슬러리피트 내 NH4-N 농도를 가장 낮게 유지할 수 있는 반응조의 HRT는 5일로 나타났다. 이 러한 결과는 생물반응조의 규모가 슬러리피트와 동일한 수준으로 크고, 실험초기 슬러리피트에 채워진 생물활성액 의 NH4-N 농도가 매우 낮은 상태에서 생물반응조와 슬러 리피트간 지속적인 순환으로 슬러리피트 내 NH4-N 농도 가 낮게 유지되고 이는 연쇄적으로 생물반응조의 부하율 을 낮춘 결과 생물반응조의 체류시간이 짧은 조건에서도 NH4-N 부하량이 생물반응조 제거능력을 초과하지 않았기 때문으로 판단된다.

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생물반응조의 HRT에 따른 슬러리피트 내 NH4-N 농도 변화(dNH4-N/dHRT)를 분석한 결과(Fig. 3) dC/dHRT = 3.5로 나타났다. 즉, 슬러리피트와 연동된 생물반응조의 HRT가 5-15일 범위인 경우 생물반응조의 HRT가 1일 증가 할수록 슬러리 피트 내 NH4-N 농도(dC)는 3.5mg/L 가량 증가하고 NH4-N 농도 저감 효율은 약 2%씩 감소하는 것 으로 나타났다(Fig. 3). 이러한 결과는 생물반응조에서 NH4-N을 완전히 제거하여 순환할 수 있다면 HRT를 짧게 하여 순환율을 높여주는 것이 슬러리피트 관리에 더 효과 적임을 보여준다. 그러나 이는 반응조와 슬러리피트가 동 일한 규모에서 수행된 실험의 결과이므로 현장에서 이를 반영하기는 어려울 것으로 판단된다.

따라서, 2차 실험에서는 1차 실험에서 슬러리피트 내 NH4-N 농도 저감 효율이 가장 높았던 HRT 5일을 선별·적 용하고 생물반응조 규모를 축소하여 생물반응조:슬러리피 트의 비율에 따른 NH4-N 농도의 변화양상을 파악하였다.

또한, 1차 실험에서 생물반응조 HRT가 5일 이하로 운전될 때의 변화양상을 확인하지 않았기 때문에 2차 실험 개시 후 77일경 생물반응조의 HRT를 3일로 단축하여 순환율 변화에 따른 생물반응조 및 슬러리피트 내 NH4-N의 변화 양상을 파악하였다.

2차 실험을 위해 사용된 초기 생물활성액 및 슬러리 분 뇨의 성분은 Table 5에 나타내었다. 1차 실험과 마찬가지 로 생물활성액의 NH4-N(0.8±0.0mg/L) 농도는 매우 낮고 NOX-N(273.0±17.8mg/L)의 농도는 높아 생물활성액 제조 과정에서 완전 질산화가 이루어졌음을 알 수 있었다.

생물반응조:슬러리피트의 규모비율이 1:3, 1:5, 1:7, 1:10 으로 조정됨에 따라 슬러리피트로의 순환율은 생물반응조 의 HRT가 5일인 경우 각각 분뇨 발생량의 9.5, 5.7, 4.1, 2.9Q로 나타났으며 HRT가 3일인 경우에는 각각 15.7, 9.5, 6.8, 4.7Q로 나타났다.

Fig. 3. Changes of NH4-N concentration and reduction efficiency in the slurry pit according to bioreactor HRT.

Item TS (g/L) TVS (g/L) SS (g/L) VSS (g/L) NH4-N (mg/L) NOX-N (mg/L) STOC (mg/L)

Bio-liquor 14.3±0.1 5.2±0.0 5.6±0.3 4.0±0.5 0.8±0.0 273.0±17.8 1,541.5±44.2

Swine manure¹⁾ 45.4±31.8 33.2±26.1 31.0±22.3 25.3±18.7 3432.0±882.2 ND²⁾ 11,256.9±2982.9

1)Collected from swine farms;²⁾ND, not detected

Table 5. Characteristics of initial bio-liquor and raw swine manure for the second experiment (main experiment)

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Fig. 4. Changes of NH4-N concentration in the bioreactor.

Fig. 5. Changes of NH4-N concentration in the slurry pit.

시간의 흐름에 따른 생물반응조 및 슬러리피트 내 NH4-N 농도변화를 Fig. 4와 5에 나타내었다. 동일한 생물 반응조 HRT 조건에서의 슬러리피트 및 생물반응조 내 NH4-N 농도 변화양상은 생물반응조:슬러리피트 규모비율 에 따라 차이가 나타났다. 생물반응조 HRT 5일, 반응조와 슬러리피트의 규모 1:3 조건 일 때, 실험 초기 14일까지 슬 러리피트 내 NH4-N 농도가 증가하다가 이후 160mg/L 수 준으로 일정하게 유지되었으나, 1:5, 1:7, 1:10 수준에서는

슬러리피트 내 NH4-N 농도가 일정하게 유지되지 않고 지 속적으로 상승하는 것을 알 수 있었다. 생물반응조 내 NH4-N 농도 또한 1:3 수준일 때에는 안정적으로 낮게(약 1mg/L) 유지된 반면, 1:5의 경우 70일경, 1:7의 경우 42일 경, 1:10의 경우 35일경부터 증가하기 시작하였다.

생물반응조의 HRT를 3일로 단축하여 운전한 결과 생물 반응조와 슬러리피트 1:3 규모 비율에서는 HRT 5일에서와 같이 슬러리피트 및 생물반응조내 NH4-N의 농도가 일정

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하고 낮게 유지되었으나 1:5, 1:7, 1:10인 경우, 생물반응조 의 기능을 점차 상실하면서 슬러리피트내 NH4-N 농도가 빠르게 증가함을 관찰할 수 있었다.

전반적으로, HRT가 동일한 경우 생물반응조의 규모가 클수록 슬러리피트 내 NH4-N 농도를 낮게 유지하는 것으 로 나타났지만 슬러리 피트 내 NH4-N 농도를 일정하게 유 지할 수 있는 규모비는 1:3 비율이 유일하였으며 1:5, 1:7 및 1:10의 규모비에서는 슬러리피트 내 NH4-N 농도가 지 속적으로 증가하였다. 이러한 경우, 슬러리피트 내 농도 증 가에 상응하여 시간이 흐를수록 생물반응조의 NH4-N 부 하율이 증가하기 때문에 비록 시간의 차이는 있으나 결국 생물반응조 처리부하 한계 시점에 도달하게 될 것으로 판 단된다. 따라서, 생물반응조와 슬러리피트의 안정적인 순 환을 위하여 슬러리피트 내 NH4-N 농도를 일정하게 유지 시킬 수 있는 운전조건의 확보가 필수적이라 할 수 있다. 즉, 생물반응조의 처리능력이 초과된 상태에서 순환이 지 속될 경우 시스템의 운전효과가 사라지기 때문에 생물반 응조의 처리능력을 초과하지 않으면서 슬러리피트 내 NH4-N 농도를 일정하게 유지할 수 있는 적정 순환율 및 운전조건을 파악하는 것이 필수적이다.

2. 적정 생물반응조 규모 및 순환율

순환에 의한 생물반응조 내 NH4-N의 농도 변화(Fig. 4) 와 생물반응조 부하율의 변화(Fig. 6)를 비교 분석한 결과

NH4-N 부하율이 약 60g/m³/d 이상되는 시점에 NH4-N이 축적되기 시작하는 것으로 나타났다.

생물반응조:슬러리피트의 규모가 1:3 수준인 경우 HRT 가 5일로 운전되는 구간동안의 NH4-N 부하율은 최대 38g/m³/d로 생물반응조내 NH4-N 농도는 증가하지 않고 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 이후, HRT가 3일로 단축됨에 따라 87일경 부하율이 일시적으로 56.7mg/L 까 지 증가하였지만 생물반응조 내 NH4-N 농도는 증가하지 않았고 오히려 순환율 증가로 인해 슬러리피트 내 NH4-N 농도가 감소하여 NH4-N 부하율은 점차 원래 수준으로 감 소하였다. 그러나 1:5, 1:7 및 1:10 규모의 생물반응조에서 는 다른 양상이 나타났다. 생물반응조 및 슬러리피트의 규 모가 1:10, 1:7인 경우, 생물반응조의 NH4-N 부하율이 60g/m³/d 수준으로 증가한 35 및 42일 시점부터 반응조 내 NH4-N의 농도가 증가하기 시작하는 것으로 나타났으 며 생물반응조의 HRT를 3일로 단축한 이후부터는 부하율 은 물론 생물반응조와 슬러리피트 내 NH4-N 농도가 급격 하게 상승하였다. 1:5인 경우에도 생물반응조의 HRT가 5일 로 운전되었던 70일경까지 NH4-N 부하율이 60.0g/m³/d 이하로 유지되며 생물반응조 내 NH4-N 축적은 나타나지 않았으나 HRT가 3일로 단축됨에 따라 NH4-N 부하율이 약 110g/m³/d 로 급증하면서 생물반응조 내 NH4-N 농도 가 급격히 증가하기 시작하는 것을 확인하였다. 이러한 결 과로 볼 때, 생물반응조의 한계 NH4-N 부하율은 약 60g/m³/d 수준인 것으로 판단되며 안정적인 시스템 운전

Fig. 6. Changes of NH4-N loading rate according to bioreactor scale compared to slurry pit.

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Parameters Bioreactor : slurry pit

1:3 1:4 1:5 1:6 1:7 1:8 1:9 1:10

Bio- reactor HRT

(d)

3 15.9^* 11.9^* 9.5^* 7.9 6.8 6.0 5.3 4.8

4 11.9^* 8.9 7.1 6.0 5.1 4.5 4.0 3.6

5 9.5^* 7.1 5.7 4.8 4.1 3.6 3.2 2.9

6 7.9 6.0 4.8 4.0 3.4 3.0 2.6 2.4

7 6.8 5.1 4.1 3.4 2.9 2.6 2.3 2.0

8 6.0 4.5 3.6 3.0 2.6 2.2 2.0 1.8

9 5.3 4.0 3.2 2.6 2.3 2.0 1.8 1.6

10 4.8 3.6 2.9 2.4 2.0 1.8 1.6 1.4

*Circulation rate above 9.5Q

Table 6. Circulation rate(Q, quantity based on manure excretion) according to bioreactor-slurry pit ratio and reactor HRT

을 위해 생물반응조의 부하율을 약 55g/m³/d 이하로 꾸준 히 유지해주는 것이 바람직할 것으로 여겨진다.

2차 실험결과 생물반응조의 NH4-N 제거 기능을 지속적 으로 유지하면서 슬러리피트 내 NH4-N 농도를 안정적으 로 낮게 유지할 수 있는 생물반응조:슬러리피트 규모 비는 1:3 비율이 유일했으며 1:5, 1:7 및 1:10 비율은 슬러리피트 내 NH4-N 농도 상승으로 인해 생물반응조의 부하율이 증 가하고 결국에는 생물반응조의 기능이 상실되기 때문에 슬러리피트의 NH4-N 농도를 일정하게 유지시킬 수 있는 순환율을 파악 하였다. 그 결과 슬러리피트로의 순환율이 분뇨 발생량의 28.5, 14.3, 9.5Q이었던 1차 실험에서 비록 순환율이 높을수록 슬러리피트 내 NH4-N 농도가 낮아지 는 차이는 있었으나 9.5Q 이상의 모든 순환율에서 슬러리 피트의 NH4-N 농도가 일정하게 유지되고(Fig. 2 and Table 4), 순환율이 분뇨발생량의 9.5, 5.7, 4.1, 2.9Q이었던 2차 실험에서 9.5Q이하의 나머지 순환율에서 슬러리피트 NH4-N 농도가 지속적으로 증가하는 양상이 나타남에 따 라(Fig. 5), 슬러리피트 내 NH4-N의 농도를 일정하게 유지 하기 위해서는 시스템 가동과 동시에 슬러리피트로 분뇨 배설량의 9.5Q 이상의 순환율이 제공되어야 함을 알 수 있 었다. 상기 결과에 따라, 생물반응조와 슬러리피트의 생물 활성액 순환을 통한 안정적 분뇨관리를 위해서는 생물반 응조 NH4-N 부하율이 약 55g/m³/d 이하의 수준에서 운 전하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 시스템 가동과 동 시에 분뇨 발생량의 9.5Q 이상의 순환율이 제공되어야 하 고, 생물반응조 HRT는 제시된 NH4-N 부하율만 초과하지 않는다면 3일까지도 가능할 것으로 판단된다. 비록 본 연 구에서 3일 미만의 HRT 조건에서의 생물반응조와 슬러리 피트 NH4-N 변화 양상을 확인하지는 않았으나 3일 미만 의 짧은 HRT에서는 1회 순환 시 과량의 생물활성액이 슬

러리피트로 이송될 뿐만 아니라 생물반응조로의 부하량이 적정 수준 이상으로 증가하기 때문에 생물반응조의 처리 능력 저하를 유발할 것으로 판단된다.

생물반응조:슬러리피트 규모 비율별 생물반응조의 HRT 변동에 따른 분뇨발생량 기준 일일 순환량(Q)을 산출 한 결과(Table 6), 생물반응조의 HRT 3일 이상의 조건에서 분 뇨발생량의 9.5Q 이상의 순환율을 제공하는 것이 가능한 반응조:슬러리피트의 비율은 1:3 ~ 1:5 범위인 것으로 나타 났다. 1:3의 비율에서는 생물반응조 HRT를 3~5일로 조절 하며 운전하여 9.5Q 이상의 순환율을 제공하는 것이 가능 한 것으로 나타났으나 1:4 ~ 1:5 규모에서는 반드시 생물반 응조의 HRT를 3일로 운전해야만 함을 알 수 있었다.

생물반응조의 규모가 슬러리피트 규모에 근접할수록 분 뇨관리 효과가 극대화되기 때문에 생물반응조:슬러리피트 의 비율을 1:1 ~ 1:2 수준으로 설계할 경우 비교적 자유로 운 운전조건의 적용이 가능할 것으로 여겨지나, 현장적용 시에는 토지확보, 시공 및 운전 비용 등이 고려되어야 하 므로 생물반응조:슬러리피트의 적정 비율은 1:3 수준이며 1:5 수준이 한계치일 것으로 판단된다. 그러나, 현장 여건 은 개별 농가 별로 편차(Table 2)가 있고 사육 밀도 및 분 뇨 발생량 등이 상이 하므로, 해당농가의 분뇨 발생량을 예상하여 9.5Q 이상의 순환율을 제공하면서 생물반응조의 HRT를 3일 이하로 하락시키지 않는 수준의 생물반응조 규모산정이 이루어져야 할 것으로 판단된다.

생물반응조의 NH4-N 부하율과 운전조건은 슬러리피트 분뇨의 물성, 내부 순환율 및 생물반응조 규모와 HRT, 계 절적 요인에 따른 미생물의 활성변화 등 다양한 인자가 복 합적으로 관여하기 때문에 수처리 전문가가 없는 개별 농 가 수준에서는 적정운전조건을 상시유지하여 최적의 부하 율을 일정하게 조절하는 데 많은 어려움이 있다. 따라서,

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Item TS (g/L) TVS (g/L) SS (g/L) VSS (g/L) NH4-N

(mg/L) NOX-N

(mg/L) STOC (mg/L)

BR¹⁾

1/3 scale 15.2±1.6 5.4±0.8 10.1±4.2 6.7±2.4 1.3±1.2 255.6±93.4 2210.8±462.1 1/5 scale 14.8±1.8 5.3±1.0 9.4±4.0 6.3±2.4 34.0±76.6 284.7±138.8 2458.4±686.9 1/7 scale 14.7±2.0 5.2±1.2 9.7±4.5 6.5±2.7 59.8±133.7 264.6±124.1 2627.8±784.5 1/10 scale 15.3±2.2 5.6±1.1 9.7±4.1 6.5±2.5 130.9±213.3 216.5±138.2 2654.5±863.0

SP²⁾

9.5 Q 15.4±1.6 5.9±0.9 10.0±3.1 6.9±1.6 136.3±53.4 68.2±122.9 2435.7±578.0 5.7 Q 14.9±1.1 5.8±0.5 10.1±3.8 7.3±2.4 244.8±118.5 54.6±121.1 2706.5±731.4 4.1 Q 15.8±1.2 6.3±0.8 11.1±4.3 7.8±2.8 300.7±161.4 51.6±120.1 2983.0±879.5 2.9 Q 15.8±1.4 6.6±1.1 11.9±4.8 8.4±3.1 374.0±230.1 51.9±122.5 3078.2±1014.4 Swine manure³⁾ 45.4±31.8 33.2±26.1 31.0±22.3 25.3±18.7 3432.0±882.2 ND⁴⁾ 11256.9±2982.9

1)BR, Bio-reactor; ²⁾SP, slurry pit;³⁾Collected from swine farms;⁴⁾ND, not detected Table 7. Characteristics of bio-liquor and swine manure at point of circulation

개별 농가에서의 원활한 시스템 운전을 위해서는 분뇨물 성 및 미생물 활성 변화와 생물반응조 운전상태를 모니터 링하면서 스스로 진단·조치하는 ICT 기술을 활용한 알고 리즘 기반 제어기술의 개발과 적용이 필요할 것으로 판단 된다.

3. 생물활성액 순환에 따른 분뇨관리 효과

악취저감 측면에서 가장 효과가 높은 방법은 저장단계 에서부터 슬러리분뇨의 적절한 관리라 할 수 있다. 이는 수용액 내 총 ammonia는 이온화 형태인 NH4+와 비이온화 형태인 NH3로 존재하고 두 물질 간 상대 농도는 pH에 의 해 결정되며(Korner et al., 2001), 가축분뇨 내 고농도로 존 재하는 NH4-N은 잠재적인 NH3 유발원이기 때문에 분뇨 저장과정에서 NH4-N 농도를 저감시키면 당연히 NH3 발 생이 저감되기 때문이다. 또한, NH3뿐만 아니라 슬러리피 트 내 또 다른 악취 발생원인 유기물도 함께 저감시키는 방안은 악취저감 효과를 더욱 높일 것으로 여겨진다.

2차 실험 결과를 토대로 한 순환 시점의 생물활성액 및 슬러리피트 내 분뇨 성분의 평균 농도를 Table 7에 나타내 었다. 비록 생물반응조와 슬러리피트의 규모비에 따라 차 이는 있었으나 슬러리피트와 생물반응조를 연계한 생물활 성액의 순환으로 슬러리피트내 악취발생물질(암모니아 및 유기물)의 농도가 현저히 감소함을 알 수 있었다(슬러리피 트로 유입되는 원분뇨 및 일반슬러리돈사 피트와 비교하 여 현저히 낮은 농도를 유지). 이러한 결과는 생물반응조 와 슬러리피트를 연계한 생물활성액의 순환을 통해 슬러 리피트 내 분뇨를 효과적으로 관리하는 것이 가능함을 보

여준다. 나아가 생물활성액의 순환으로 분뇨처리 공정의 부하를 현저히 저감하는 것이 가능할 것으로 판단되며, 정 화처리공정의 경우 생물반응조에서 슬러리피트로의 생물 활성액 순환 시 매일 일정량 배출되는 액비를 저장하기 위 한 액비저장조 후단에 무산소조 및 침전조를 추가하여 일 정 수준의 탈질화 공정을 거친다면 배출수 내 질소를 방류 수질 기준 이하로 제거하는 것이 가능하기 때문에 방류수 질의 개선효과로도 이어질 수 있을 것으로 판단된다. 자원 화 측면에서는 생물반응조 후단에 저장되는 액비를 완전 부숙된 고품질 액비로 시비하는 것이 가능하기 때문에 미 부숙 액비의 시비로 인한 악취발생을 예방할수 있을 것으 로 판단된다. 참고로 NH4-N은 자연계에 가장 풍부한 질소 원이지만 고농도 시 작물독성을 일으키고(Gerendas et al., 2001; Britto and Kronzucker, 2002), ammonium(NH4-N) 과 nitrate(NO3-N)가 복합 적용된 토양이 작물생산에 더 효과적이며(Adriaanse and Human, 1993; Schortemeyer et al., 1997), 농업 토양에는 이미 고농도 NH4-N이 축적되어 있을 가능성이 높기 때문에(Wolt, 1994) 생물반응조로부터 NH4-N이 NOX-N으로 전환된 생물활성액을 액비로 활용할 경우 작물과 환경에 매우 유익할 것으로 판단된다.

Ⅳ. 요약

최근, 돈사 내 슬러리피트와 생물반응조를 연계하여 생 물활성액을 지속적으로 순환시키는 양돈분뇨 관리방법이 주목받고 있지만 과학적 운전조건 설계가 이루어지지 않 아 현장에서 효과적으로 이용하지 못하고 있는 실정이다.

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따라서, 본 연구에서는 단일생물반응조와 슬러리피트로 구 성된 분뇨관리 시스템을 구성하고 생물활성액을 슬러리피 트로 순환시키는 분뇨관리 방법의 적정 운전조건을 조사 하고자 하였다. 본 연구의 목적과 관련된 선행 연구가 수 행된바 없어 운전조건 설계를 위한 예비실험을 수행한 후 그 결과를 기반으로 2차실험을 진행하였다. 예비실험에서 는 생물반응조와 슬러리피트의 비율을 1로 설정하고 생물 반응조의 HRT를 5, 10, 15일로 달리하여 생물활성액을 슬 러리피트로 순환하였다. 2차 실험에서는 예비실험 결과에 의거하여 모든 생물반응조의 HRT를 5일로 설정하고 용적 을 슬러리피트 대비 1:3, 1:5, 1:7, 1:10 규모로 축소하여 수 행하였으며, HRT 5일 이하에서의 변화양상을 파악하기 위 해 일정시간 경과 후 HRT를 3일로 단축하였다. 생물반응 조 공기공급량, 슬러리피트 분뇨 발생량 등은 현장조사연 구 결과를 반영하였다. 실험결과 생물반응조의 경우 NH4-N 부하율이 60g/m³/d를 초과하면 처리능력이 상실 되는 것으로 나타나 안정적인 운전을 위해서는 55g/m³/d 이하의 부하율을 유지해주는 것이 적절한 것으로 판단되 었다. 또한 돈사에서의 분뇨 배설은 슬러리 피트 내 NH4-N 농도를 상승시키고 연쇄적으로 생물반응조의 NH4-N 부하율을 증가시키지만 분뇨 배설량의 9.5Q 이상 의 순환율에서는 슬러리피트 내 NH4-N 농도가 일정하게 유지되는 것으로 분석되었다. 이러한 조건을 충족할 수 있 는 적정 생물반응조:슬러리피트 비율과 생물반응조 HRT는 각각 1:3, 5일 수준인 것으로 나타났다. 생물반응조 HRT의 경우 제시한 적정부하량 55g/m³/d만 초과하지 않는다면 3일까지도 가능할 것으로 판단되었으며, 또한 현장여건은 농가마다 상이하기 때문에 해당 농가의 여건을 사전 조사 하여 본 연구를 통해 제시한 적정 운전조건을 제공할 수 있는 방법을 마련하는 것이 매우 중요할 것으로 여겨진다.

사사

본 연구는 농촌진흥청 지원“돈사 내 가축분뇨 적정 관 리 및 처리기술 개발(과제번호, PJ011623)”연구사업의 일환 으로 수행되었으며, 일부 2019년도 강원대학교 대학회계의 지원을 받아 수행한 연구입니다.

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(Received 09 May 2019, Revised 21 August 2019, Accepted 04 September 2019)