서 론
재료 및 방법
1. 공시재료
2. 실험 방법
3. 시료의 분석
결과 및 고찰
1. 폭기처리에 따른 혐기소화액의 이화학적 성상 및 비료성분 변화
2. 폭기처리에 따른 혐기소화액의 NaCl, 미량영양소의 변화 및 부숙도 평가
결 론
서 론
우리나라의 가축사육 두수는 2023년 3분기 기준으로 한육우 371만 2천 두, 젖소 38만 6천 두, 돼지 1천 139만 8천 두, 산란계 7천 312만 6천 수, 육용계 8천 985만 4천 수가 사육되고 있다 (Statics Korea, 2023). 이와 함께 가축분뇨 발생량은 2021년 기준 연간 5,188만톤에 달하고, 이중 약 87%를 퇴·액비화로 활용되고 있으며, 나머지 정화방류 및 기타로 처리되고 있다 (ME, 2021). 가축분뇨의 자원화 처리에는 퇴비화와 액비화 방법이 있으며, 그 중 액비화는 크게 혐기성 소화와 호기성 소화 방식으로 나뉜다. 혐기성 소화 방식은 유기성폐기물과 에너지작물 등을 원료로 사용하여 혐기성 미생물의 생물학적 기작에 의해 바이오가스를 생산하는 기술이다. 축산분야에서는 돈분뇨 슬러리를 주로 원료로 사용하고 있으나, 돈분뇨 단독 혐기소화 시 높은 함수율과 질소 함량으로 메탄 수율이 낮고, 암모니아에 의해 메탄 발생이 저해됨에 따라 수익성 확보 등을 위해서 음식물쓰레기와 같은 원료를 혼합하여 통합 처리가 선호되는 추세이다 (Byeon, 2022; Park et al., 2011). 혐기소화 기술은 바이오가스를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 혐기소화액을 화학비료를 대신하여 이용이 가능하다는 장점이 있으나, 다양한 원료와 투입량, 농도에 따라 성상이 달라 소화액의 품질을 표준화하기 어렵기 때문에 바이오가스시설을 운영할 때에는 반드시 소화액에 대한 활용방안을 사전에 구축해야 한다 (Byeon, 2020).
현재 국내 대부분의 바이오가스 시설에서는 혐기소화 후 발생하는 소화액은 정화처리 또는 액비화 방법에 의해 처리 및 자원화되고 있다 (Kim et al., 2015). 혐기소화액은 분해되지 않는 유기물과 함께 무기염류 등을 다량 함유하고 있기 때문에 소화액을 정화처리 할 경우 처리비용이 높아져 바이오가스 플랜트의 경제성을 악화시키는 요인이 된다. 따라서 이를 액비화하여 농경지에 시용하는 것이 가장 경제적이고 자원순환 원리에 맞는 처리 방법이라 할 수 있다 (Ryoo, 2020). 그러나 지속적인 경지면적 감소에 따른 액비 살포지 감소, 토양 양분관리 등 환경친화적 자원순환은 앞으로도 해결해야 할 과제이며, 이를 위해서는 소화액의 품질관리는 우선적으로 고려되야 할 핵심 요소이다. 그동안 가축분뇨 유래의 바이오가스 고효율 생산과 관련된 다양한 연구 결과가 보고되었으나, 혐기소화액에 대한 호기적 후처리, 품질관리, 농지 이용 등에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 이에 본 연구는 가축분뇨 유래 혼합 혐기소화액을 호기적으로 후처리하였을 때 변화되는 이화학적 성상 및 부숙도 특성에 대해 비료공정규격 기준의 부합 여부를 검토하여 소화액의 친환경적 농지환원 시스템 구축을 위한 기초자료를 수집하고자 수행하였다.
재료 및 방법
1. 공시재료
본 연구에서는 돈분뇨 70% 및 음식물폐수 30%를 혼합하여 처리하는 바이오가스 플랜트 시설에서 생산된 혐기소화액을 수집하였으며, 수집한 혐기소화액은 호기적 처리가 용이하도록 잔여 유기물 및 고형물 등을 제거하기 위해 고액분리기로 전처리한 분리 액상물을 공시재료로 이용하였다. 고액분리 시에는 혐기소화액 1 m3에 대하여 황산알루미늄 (3.4%) 63 L, 가성소다 (13.5%) 3L, 양이온 고분자응집제 (1.0%) 10 L를 투입하여 교반·응집 및 2시간 침전 후의 상등액을 원심분리기 (J-1050A, Hanil S-M, Korea)로 회전수 8,000 rpm, 원심효과값 4,000 xg 조건에서 30분간 처리하였다 (Figure 1). 고액분리 처리에 따른 혐기소화액의 이화학적 성상은 Table 1에 나타냈다. 한편, 비료공정규격에서는 가축분뇨발효액 내 중금속의 허용 가능 최대량을 As 5 mg/kg, Cd 0.5 mg/kg, Hg 0.2 mg/kg, Pb 15 mg/kg, Cr 30mg/kg, Cu 50 mg/kg, Ni 5 mg/kg, Zn 130mg/kg로 규정하고 있다. 본 연구의 공시재료 (고액분리 처리 후 혐기소화액)에서는 8가지 중금속 항목에 대해 모두 불검출로 분석되었으며, 병원성미생물인 E. Coil (O157:H7)와 Salmonella spp.도 검출되지 않았다.
Table 1.
The physicochemical characteristics of digestate used in the experiment (n=3).
| Unit | AD | Removal rate | ||
|
Before solid-liquid separation treatment |
After solid-liquid separation treatment1 | (%) | ||
| T-N+P2O5+K2O | (%) | 1.14 | 0.52 | - |
| T-N | (mg/L) | 7186.29 | 2661.02 | 62.97 |
| NH4-N | 4991.23 | 2278.86 | 54.34 | |
| NO3-N | 352.91 | 142.42 | 59.64 | |
| P2O5 | 312.78 | 41.66 | 86.68 | |
| K2O | 3913.09 | 2456.81 | 37.22 | |
| As | (mg/kg) | ND2 | ND | - |
| Cd | ND | ND | - | |
| Hg | ND | ND | - | |
| Pb | ND | ND | - | |
| Cr | ND | ND | - | |
| Cu | 5.43 | ND | 100 | |
| Zn | 17.32 | ND | 100 | |
| Ni | 0.38 | ND | 100 | |
| E. Coil (O157:H7) | - | ND | ND | - |
| Salmonella spp. | ND | ND | - | |
| Mechanical Maturity | semi-mature | immature | - | |
| Germination Index | 0 | 0 | - | |
| NaCl | (%) | 0.43 | 0.43 | - |
| Moisture Content | 96.53 | 97.95 | - | |
| TS | (mg/L) | 34,729.27 | 20,822.14 | 40.04 |
| pH | - | 8.49 | 7.02 | - |
| EC | (mS/cm) | 56.6 | 29.93 | 47.12 |
| CODMn | (mg/L) | 28,941.24 | 661.98 | 97.71 |
| BOD5 | 1,176.90 | 264.90 | 77.49 | |
| CaO | (mg/kg) | 205.46 | 150.04 | 26.97 |
| MgO | 4.13 | ND | 100 | |
| Al | ND | ND | - | |
| Fe | 140.97 | 42.89 | 69.58 | |
| Mo | ND | ND | - | |
| MnO | 2.61 | ND | 100 | |
| B2O3 | 24.92 | 23.21 | 6.86 | |
2. 실험 방법
본 연구에서 사용된 호기성 액비화 반응기는 투명한 폴리카보네이트 (PC) 재질로 10리터 용량의 원통형 반응기 (D 180mm, H 600mm)를 사용하였으며 (Figure 2), 고액분리된 혐기소화액을 처리구별로 각각 8 L씩 투입하였다. 반응기의 공기공급량은 혐기소화액이 일반 돈분뇨 원수 보다 고농도인 점을 고려하여 가축분뇨 자원화시설 표준설계도에서 제시된 호기성 액비화시설의 공기공급량 보다 다소 높게 설정하였으며, 공기공급량에 따라 각각 무처리구, 처리구 A (1 L-air/min), 처리구 B (2 L-air/min)로 구분하였다. 또한 반응기 내 산소전달이 용이하도록 공기투입 노즐에는 에어스톤을 설치하였으며, 각 처리구는 상온조건 (20°C)의 실내에서 28일간 3반복으로 진행하였다.
3. 시료의 분석
각 처리구 반응기 내의 pH, 전기전도도 (EC), 산화환원전위 (ORP)는 24시간 간격으로 측정하였으며, 그 외 총질소 (T-N), 암모니아성질소 (NH4-N), 질산성질소 (NO3-N) 인산 (P2O5), 가리 (K2O), 비소 (As), 카드뮴 (Cd), 수은 (Hg), 납 (Pb), 크롬 (Cr), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 니켈 (Ni), 염분 (NaCl), 생물학적 산소 요구량 (BOD5), 화학적산소요구량 (CODMn), 석회 (CaO), 마그네슘 (MgO), 붕소 (B2O3), 망간 (MnO), 철 (Fe), 몰리브덴 (Mo), 발아지수 (GI; Germination index), 기계적부숙도, 병원성미생물 (E. coli (0157:H7), salmonella spp.)는 실험기간 동안 7일 간격으로 시료를 채취하여 분석하였다.
T-N, NH4-N, NO3-N은 각각 황산법, 증류법, 데바루다합금법으로 측정하였다. P2O5, K2O, As, Cd, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn, Ca, Mg, Fe, Mo, Mn, B는 마이크로웨이브 (QWave1000, Questron Technologies, USA)로 산 가수분해 후 ICP (Spectro Blue, SPECTRO Analitical Instruments, Germany)로 각각 측정하였으며, Hg는 마이크로웨이브 (QWave1000, Questron Technologies, USA)로 산 가수분해 후 수은분석기 (RA-5, NIC, Japan)를 이용하여 측정하였다. 염분농도는 ICP (Spectro Blue, SPECTRO Analitical Instruments, Germany)로 정량한 후 NaCl로 환산하여 계산하였고, 병원성미생물인 E. coli (0157:H7), salmonella spp.은 미생물 시험법으로 분석하였다. 부숙도는 암모니아와 색도을 이용한 기계적부숙도 측정방법 (LMQ-2000, KSP, Korea)과 종자발아법을 이용한 발아지수를 측정하였다. 그 외 pH, EC, ORP의 경우 수질다항목측정기 (Hi-8424N, Hanna, USA)를 이용하여 측정하였으며, BOD, COD 및 수분함량은 수질오염공정시험방법에 따라 분석하였다.
결과 및 고찰
1. 폭기처리에 따른 혐기소화액의 이화학적 성상 및 비료성분 변화
(1) pH, EC, ORP의 변화
혐기소화액의 폭기처리에 따른 각 처리구의 pH, EC, ORP의 변화를 Figure 3에 나타냈다.
무처리구의 경우 초기 pH 7.02에서 기간이 경과함에 따라 서서히 증가하여 28일차에는 pH 8.2를 나타낸 반면, 처리구A (1 L-air/min) 및 처리구 B (2 L-air/min)의 경우 3~4일차까지 pH 8.5로 급격하게 증가한 이후 5일차부터는 감소 경향을 나타내어 실험이 종료되는 28일차에는 모두 pH 7.5로 중성에 가깝게 변화하였다 (Figure 3 (a)). Jeong et al. (2013)의 연구에 따르면 돼지분뇨 슬러리의 폭기처리에 따라 액상 내 pH는 증가하다가 부숙이 진행됨에 따라 다시 낮아지는 경향을 보였으나, 폭기를 실시하지 않은 반응조에서는 시간이 경과에 따라 pH가 약간 증가하는 경향을 나타낸다고 보고하였는데, 이는 본 실험에서도 유사한 경향으로 나타났다. 이러한 돼지분뇨 등 유기성폐수의 폭기처리 시 초기 pH의 증가 현상은 이산화탄소가 액 중에서 용해되지 못하고 탈기되는 현상과 유기물의 분해속도와 요소의 가수분해 속도가 증가하여 암모니아 생산이 증가하는 것에 기인하며, 이후 알칼리조건 및 폭기에 의해 암모니아 가스가 탈기 되어 감소됨과 동시에 질산화 과정에서 수소이온이 생성됨에 따라 pH가 감소하는 것으로 알려져 있다 (Jeong et al., 2022).
폭기처리에 따른 혐기소화액의 EC의 변화는 무처리구의 경우 실험 초기 29.93 mS/cm에서 실험 종료 시까지 거의 변화하지 않았으나, 처리구A (1 L-air/min) 및 처리구B (2 L-air/min)는 폭기처리에 따라 점점 감소하여 각각 22.12 mS/cm 및 22.01 mS/cm로 저감율은 유사하게 약 26.7%로 나타났다 (Figure 3 (b)). EC는 수용액 중 전해질 이온의 농도를 나타내는 척도이다. 이온의 농도가 높을수록 EC도 값이 높아지는데, EC가 높은 경우 염류집적이 발생하여 발아불량 등의 문제가 발생할 수 있으므로 EC의 값은 퇴비나 액비의 시용량 결정 및 부숙도 평가에 중요한 요소이다 (Jeon, 2006). Jeon et al. (2012)의 연구에 따르면 부숙으로 판정된 가축분뇨 액비 (n=55)의 EC평균값은 10 mS/cm 수준에서 분포한다고 하였는데, 본 연구에서는 상대적으로 높게 (약 22 mS/cm) 나타났으며, 이는 음식물폐수 등 유입원료의 특성에 기인되는 것으로 사료된다.
ORP는 수중의 산화 혹은 환원의 경향을 측정하는 지표이며, 일반적으로 돈분뇨의 액비화 과정에서 폭기처리 시 액비의 부숙도가 향상될수록 ORP가 상승하는 경향을 나타낸다 (Ahn, 2023). 본 연구에서는 혐기소화액의 ORP는 고액분리 전 –285 mV에서 고액분리 후 (공시재료) +200 mV로 증가하였는데, 이는 응집을 위한 약품처리에 기인한 것으로 사료된다. 무처리구의 경우 ORP는 200 mV에서 58 mV로 지속적으로 감소한 반면, 폭기처리한 한 처리구A (1 L-air/min) 및 처리구B (2 L-air/min)는 5일차까지 모두 약 +50 mV로 급격히 감소한 뒤 점점 증가하여 실험종료 시점에는 각각 +164 mV 및 +167 mV로 측정되었으며, 두 처리구에서는 큰 차이를 나타내지 않았다 (Figure 3 (c)).
(2) T-N, P2O5, K2O의 변화
혐기소화액의 폭기처리에 따른 각 처리구의 T-N, P2O5, K2O의 변화 및 NPK 합계량 (T-N+P2O5+K2O) 변화를 각각 Figure 4과 Figure 5에 나타냈다.
일반적으로 가축분뇨와 같은 유기성폐수의 폭기 처리 시에는 시간이 지남에 따라 내 질소가 저감이 되는데, 이는 액상 내 pH의 상승 및 폭기에 따른 암모니아가스의 탈기 현상에 기인하며, 인위적으로 액상 내 pH를 낮게 조정하거나 낮은 폭기량을 유지할 시 질소 농도의 저감 현상이 상대적으로 적게 나타나기도 한다 (Ryoo, 2020; Han et al., 2015). 본 연구에서 T-N의 농도 변화는 초기 0.27%에서 실험 종료시점인 28일차에 무처리구, 처리구A (1 L-air/min), 처리구B (2 L-air/min) 각각 0.24%, 0.23%, 0.22%로 측정되었으며, 저감율은 처리구B (19%) > 처리구A (15%) > 무처리구 (11%) 순으로 나타났다 (Figure 4 (a)). P2O5의 경우는 처리구A (1 L-air/min)와 처리구B (2 L-air/min) 초기 농도 0.004%로부터 실험 종료시점 28일차에서 각각 동일하게 0.002%로 감소하는 경향을 나타냈으나, 무처리구의 P2O5 농도 변화는 관찰되지 않았다 (Figure 4 (b)). K2O의 경우는 모든 처리구에서 다소 증가하는 경향을 나타냈다. K2O의 초기 농도 0.25%에서 무처리구, 처리구A (1 L-air/min), 처리구B (2 L-air/min)는 각각 0.30%, 0.29%, 0.29%로 증가하였다 (Figure 4 (c)). 한편, NPK 합계량의 경우 초기 농도 0.52%에서 28일차에 무처리구, 처리구A (1 L-air/min), 처리구B (2 L-air/min) 각각 0.54%, 0.51%, 0.51%로 나타났으며, 모든 처리구에서 비료공정규격 상 NPK 합계량 기준인 0.3% 이상에 대하여 부합하였다. 국내에서 생산되는 가축분뇨 발효액비 (n=36)의 비료성분 품질을 분석한 연구에 따르면 T-N 0.20~0.22%, P2O5 0.06~0.09%, K2O 0.28~0.33%의 범위로 보고하였는데 (Kim et al., 2023; Ahn et al., 2021), 본 연구에서 폭기처리된 혐기소화액비의 T-N과 K2O의 농도는 유사한 것으로 나타났으나 P2O5 농도는 다소 낮게 나타났다. 이는 고액분리 전처리에 따른 영향인 것으로 사료된다.
(3) NH4-N, NO3-N의 함량 변화
수중의 질소는 요소와 아미노산 같은 유기질소를 포함하여 NH4-N, NO2-N, NO3-N과 같은 무기질소로 존재하는데 (Lee et al., 2008), 폭기 처리와 같이 호기적 조건이 유지되면 암모니움 (Ammonium, NH4+) 산화세균과 아질산염 (Nitrite, NO2-) 산화세균이 순차적으로 관여하여 최종적으로 질산성질소로 전환되는 질산화 반응이 일어나게 된다 (Jung et al., 2016). 질산화는 호기성 처리의 정도, 또는 부숙에 가까운 안정성을 나타내는 척도이기도 하다. 따라서 NH4-N과 NO3-N의 농도 및 비율은 액비화에서 중요한 지표인자 중 하나이다. 이러한 원리에 기인하여 혐기소화액에 함유된 질소의 대부분은 암모니아성질소 형태로 존재하는데 (Choi et al., 2012), 본 연구에서 실험 초기 NH4-N 농도 2,278 mg/L에서 실험 종료 시점인 28일차에는 무처리구, 처리구A (1 L-air/min), 처리구B (2 L-air/min)는 각각 1,997 mg/L, 1,984 mg/L, 1,957 mg/L로 모든 처리구에서 다소 감소하는 경향을 나타냈으나 처리구별 큰 변화는 관찰되지 않았다 (Figure 6 (a)). 또한 NO3-N의 농도는 초기 142 mg/L로부터 폭기처리 직수 모든 처리구에서 다소 증가하는 경향이 있었으나 최종적으로 28일차에는 무처리구, 처리구A (1 L-air/min), 처리구B (2 L-air/min)는 각각 120 mg/L, 140 mg/L, 200 mg/L로서 질산화 반응이 뚜렷하게 나타난 처리구는 없는 것으로 분석되었다 (Figure 6 (b)).
(4) BOD5, CODMn 함량 변화
일반적으로 유기성폐수의 호기성 처리 시스템의 BOD:N:P 또는 COD:N:P 비율은 100:5:1의 범위 (혹은 C/N 20의 범위)가 적정한 것으로 알려져 있는데, 이는 생물반응조 내 바이오매스를 충분히 성장시키기 위해 필요한 영양분 요구량을 만족시키기 위함이다 (Hamza et al., 2019). 한편, 바이오가스화 공정은 혐기조건의 반응조 내에서 유입 유기물로부터 최종산물인 메탄과 이산화탄소를 발생시킴에 따라 소화액 내의 BOD는 낮고 질소는 상대적으로 높은 농도로 존재하는 경향을 가진다. 본 연구에서 실험 초기 BOD:N:P와 COD:N:P 비율은 각각 100:1,008:7 및 100:402:3 으로서 나타났는데, 이는 고농도 질소, 저농도 BOD의 특성을 가진 소화액의 특성과 함께 전처리 (고액분리)에 따른 유기물 제거 영향에 기인된다. BOD의 경우 실험초기 264.9 mg/L에서 실험 종료 시점인 28일차에는 무처리구, 처리구A (1 L-air/min), 처리구B (2 L-air/min)는 각각 110.5 mg/L, 6.3 mg/L, 3.2 mg/L로 측정되었으며, 저감율은 처리구B (98.8%) > 처리구A (97.6%) > 무처리구 (58.3%) 순으로 나타났다. 또한 COD의 경우는 초기 662.0 mg/L에서 28일차에는 무처리구, 처리구A (1 L-air/min), 처리구B (2 L-air/min)는 각각 741.2 mg/L, 629.4 mg/L, 620.5 mg/L로 측정되었으며, 저감율은 처리구B (6.3%) > 처리구A (4.9%) > 무처리구 (-12.0%) 순으로 나타났다 (Figure 7). 폭기처리에 따른 혐기소화액의 COD 농도는 처리구별로 크게 감소하지 않았는데, 이는 1차 처리인 혐기소화조에서 이분해성 물질들 및 탄소 성분이 상당부분 분해 및 안정화 되었기 때문으로 사료된다 (Kim et al., 2015).
2. 폭기처리에 따른 혐기소화액의 NaCl, 미량영양소의 변화 및 부숙도 평가
(1) NaCl의 변화
폭기처리에 따른 혐기소화액의 NaCl의 변화는 무처리구의 경우 실험 초기 0.43%에서 점점 증가하는 경향을 나타내어 실험 종료 시점인 28일차에는 0.45%를 나타냈다. 반면, 처리구A (1 L-air/min)와 처리구B (2 L-air/min)는 각각 동일하게 0.41 mg/L 수준으로 저감하는 경향을 나타냈으나 큰 감소율을 나타내지는 않았다 (Figure 8). Kim and Kim (2000)에 따르면 고염분의 음식물쓰레기 퇴비화 시 유기물의 분해율은 시간이 지남에 따라 증가되는 반면, 염분은 유기물의 분해와 수분 증발에도 불구하고 퇴비화 공정 중에 그대로 남아 농축된다고 하였는데, 본 연구에서도 폭기처리에 따른 소화액 내 염분의 변화는 유사한 경향으로 나타났다.
(2) 미량영양소의 변화
식물의 미량양소인 철, 붕소, 망간, 마그네슘, 칼슘 등은 식물의 광합성, 호흡, 세포분열과 같은 다양한 생리적 과정에서 중요한 역할을 한다. 폭기처리에 따른 혐기소화액 내 미량영양소의 변화 특성을 파악하고자 Fe, B2O3, CaO를 분석한 결과, 무처리구의 경우 각각 성분 함량변화가 거의 없거나 다소 낮아지는 경향을 나타냈으며, 처리구A와 처리구B는 무처리구에 비해 상대적으로 큰 폭의 감소율을 나타냈다. 한편, 처리구A와 처리구B와의 농도함량 분포는 큰차이를 보이지 않았고, 평균적으로 Fe 29.2 mg/L, B2O3, 13.0 mg/L, CaO 131.5 mg/L의 농도 수준으로 나타났다 (Figure 9). 폭기처리에 따른 감소율은 Fe, B2O3, CaO 각각 31.8%, 49.0%, 12.6%로 분석되었다.
(3) 부숙도 평가
가축분뇨 액비의 부숙도 평가는 기계적 부숙도 측정 방법과 생물학적 부숙도 측정 방법으로 구분된다. 기계적부숙도 측정방법은 액비의 색도 및 가스 분석 (NH3, H2S)을 통해 통계처리와 분류모델링 적용한 후 항목별 점수를 합산하여 부숙 정도에 따라 부숙, 중숙, 미숙의 등급으로 부숙도를 신속하게 측정하며 (Jeon et al., 2012), 생물학적 북숙도 측정방법인 종자발아법은 생물독성 등 안정성을 검토할 수 있는 방법으로서 발아지수 (GI, Germination Index)가 70 이상이면 부숙으로 판정한다.
폭기처리에 따른 혐기소화액의 부숙도를 평가한 결과, 기계적 부숙도 측정의 경우 0~7일차까지 모든 처리구에서 미숙 또는 중숙으로 판정되었으나, 28일차에는 무처리구를 제외한 처리구A 및 처리구B에서 모두 부숙으로 판정되었다 (Table 2). 한편, 기계적 측정방법으로 부숙으로 판정된 28일차 샘플을 이용하여 종자발아법 (생물학적 부숙도 측정 방법)을 실시한 결과 처리구A 및 처리구B는 각각 GI 24, GI 43로 나타났으며, 무처리구의 경우도 GI 0로 측정되어 모든 처리구에서 미부숙으로 판정되었다 (Figure 10). 이는 기계적 부숙도 측정방법으로는 분석되지 못하는 염분나 암모니아 농도에 따라 생물독성의 영향이 미친 것으로 사료된다.
Table 2.
Variation of mechanical maturity during operation period (n=3).
결 론
본 연구는 가축분뇨 유래 혼합 혐기소화액의 적정 농지환원의 목적을 가지고 호기적으로 후처리하였을 때 변화되는 이화학적 성상 및 부숙도 특성과 비료공정규격 기준의 부합 여부를 검토하고자 수행하였으며, 그 결과의 요약은 다음과 같다.
1.처리구A (1 L-air/min) 및 처리구B (2 L-air/min)의 경우 3~4일차까지 pH 8.5로 급격하게 증가한 이후 점차 감소하여 28일차에는 pH 7.5로 중성에 가깝게 변화하였다. 또한 EC의 경우 무처리구는 큰 변화양상이 나타나지 않는 반면 처리구처리구A 및 처리구B는 약 22 mS/cm (저감율 약 26.7%)로 저감되었다.
2.T-N의 농도 변화는 초기 0.27%에서 저감율은 처리구B (19%) > 처리구A (15%) > 무처리구 (11%) 순으로 나타났다. 그 외 P2O5의 경우는 처리구A와 처리구B에서 0.004% → 0.002%로 다소 감소하는 경향을 나타냈으나 무처리구의 변화양상은 관찰되지 않았다. K2O의 경우는 모든 처리구에서 다소 증가하는 경향을 나타냈다.
3.NH4-N 초기농도는 2,278 mg/L에서 모든 처리구는 1,957~1,997 mg/L로 다소 경향을 나타냈으나 처리구별 큰 변화는 관찰되지 않았다. 또한 NO3-N 초기농도 142 mg/L로부터 폭기처리 직후 모든 처리구에서 다소 증가하는 경향이 있었으나 최종적으로 처리구B (NO3-N 200 mg/L) 외에는 농도가 감소되거나 유지되는 경향을 나타냈다.
4.BOD. 초기농도 264.9 mg/L로부터 각 처리구별 저감율은 처리구B (98.8%) > 처리구A (97.6%) > 무처리구 (58.3%) 순으로 나타났으며, COD의 경우 초기농도 662.0 mg/L에서 각 처리구별 저감율은 처리구B (6.3%) > 처리구A (4.9%) > 무처리구 (-12.0%) 순으로 나타났다.
5.NaCl의 초기농도 0.43%에서 무처리구의 경우 점점 증가하는 경향 (0.45%)을 나타낸 반면, 처리구A 및 처리구B는 저감하는 경향 (0.41%)을 나타냈으나 큰 감소율을 나타내지는 않았다.
6.실험 28일차 미량영양소의 경우 처리구A와 처리구B와의 농도함량 분포는 큰차이를 보이지 않았고, 평균적으로 Fe 29.2 mg/L, B2O3, 13.0 mg/L, CaO 131.5 mg/L의 농도 수준으로 나타났다.
7.기계적 부숙도는 실험 21일차에서 무처리구를 제외한 처리구A 및 처리구B에서 모두 부숙으로 판정되었으나 종자발아법 분석 결과 처리구A 및 처리구B는 각각 GI 24, GI 43로 나타났으며, 무처리구의 경우도 GI 0로 측정되어 모든 처리구에서 미부숙으로 판정되었다.
종합적으로 각 처리구에 대하여 비료공정규격의 기준 부합 여부를 검토한 결과 모든 처리구에서 염분함량 (NaCl 0.3% 이하)의 기준을 충족하지 못하였으며, 폭기처리한 처리구A 및 처리구B는 기계적 부숙도가 ‘부숙’으로 판정되었음에도 불구하고 종자발아지수는 GI 70기준을 만족하지 못하였다. 따라서 향후 바이오가스 플랜트에서 발생하는 혐기소화액의 농지환원 시에는 반드시 원료 유입단계에서의 염분 등의 관리가 필요할 것으로 판단되며, 또한 소화액의 호기적 후처리 시에는 생산되는 혐기소화액의 BOD:N:P (혹은 C/N비)의 농도 특성을 고려하여 가축분뇨 발효액비 등 기타원료의 혼합처리 가능성에 대해서도 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 바이오가스 플랜트의 규모, 운영방식, 투입 원료의 성상 및 혼합비율 등이 상이하기 때문에 생산되는 혐기소화액의 이화학적 조성이 다를 수 없으므로 본 연구 결과에서 도출된 부숙도 및 이화학적 성상들은 대표성을 확보하기에 한계성을 가진다. 따라서 향후 바이오가스 플랜트에서 생산되는 혐기소화액 및 혐기소화액비에 대한 유입원수 특성, 계절 조건 등을 고려한 추가적인 조사연구가 필요할 것으로 사료된다.
