서 론

최근에는 가축사육이 대규모화, 전업화, 집단화 추세로 인하여 가축분뇨의 관리가 중요한 사회적 이슈가 되고 있다. 가축사육과정에서 발생하는 가축분뇨는 고농도 유기물질을 함유하고 있어 미처리 상태로 배출하면 지표수 및 지하수오염, 토양오염을 가속시키고, 뿐만 아니라 질소와 인의 함유농도가 매우 높기 때문에 정체수역의 부영양화를 초래할 수 있다. 축산시설에서 발생하는 가축분뇨로 인한 공공수역의 수질오염 문제가 대두되면서 가축분뇨를 효율적으로 관리하기 위해 가축분뇨공공처리시설 설치 및 퇴비화사업 등을 꾸준히 추진하였으나 여전히 가축분뇨로 인한 악취와 수질오염 문제가 상존하고 있음을 확인하였다 (Kim and Lee, 2009; Kim et al., 2020). 위탁자원화 시설은 개별 농가의 발생 가축분뇨를 수거하여 퇴, 액비의 자원화로 처리하는 시설을 말하는데 농 축협 및 자원화 기업에서 운영하고 있다. 지자체가 직접 또는 위탁 운영하는 ‘공공처리시설’과 구분하여 ‘공동자원화 시설’이라 부르기도 하는데 현재 국내 운영 중인 위탁 자원화 시설은 총 75개소로 이중 58개소는 액비와 고형분 처리를 위한 퇴비화 시설을 갖추고 있는데 액비 6,034 톤/일, 퇴비 2,125 톤/일의 시설 용량을 갖추고 있으며, 나머지 17개소는 퇴비화 공정만을 운영하고 있다 (Oa et al., 2017). 가축분뇨 처리 공공정화시설은 플랜트 설비 및 대규모 부지가 필요하여 소규모 농가 위주의 국내 축산환경에서는 비용 및 집하에 다른 애로사항이 많으며 영세 소규모 농가에서 즉시 가축분뇨를 처리가능한 장치가 필요한 실정이다.

본 논문에서는 전처리 시설에서 사용되는 고액분리기 공정중 탈수장치에 대한 연구를 하고자 한다. 고액분리기란 고형물을 함유한 폐수로부터 고체와 액체를 분리하는 장치로서 가축분뇨와 같은 폐수의 효과적인 처리를 위해서는 고형물을 걸러내는 전처리 공정이 필수적으로 필요하다 (Moon et al., 2009). 현재, 가축분뇨의 수분을 제거하기 위한 방법은 탈수방식에 따라 고속원심분리기, 진동스크린, 드럼스크린, Hybrid 원심탈수기, 드럼압축식, 롤러압착식, 스크류 압축식 등 다양한 탈수장치가 이용되고 있음을 확인하였다 (Park et al., 2000; Jun et al., 2004; Yu et al., 2014).

축산농가의 사례를 살펴보면 소 100두 기준으로 하루에 약 3 ton 가량의 분뇨가 발생하고 있는 것으로 조사 (Min et al., 2009)되었으며, 소의 경우 섬유질이 포함된 재료를 먹기 때문에, 수분 함유량이 80% 이상 포함되어 있어 섬유질을 포함한 가축분뇨의 수분제거 기술이 필수적으로 필요함을 알 수 있다. 섬유질이 포함되지 않은 돼지나 닭의 분뇨의 경우, 기존 고액분리기술방식으로 가축분뇨 처리가 가능하였지만, 젖소의 경우에는 섬유질이 포함된 재료를 먹기 때문에 가축분뇨 처리시스템의 스크린이 자주 막히는 고장이 발생하여 장기간 농가에서 사용하기 어려운 실정이다. 섬유질을 포함한 가축분뇨 처리시스템의 구조는 Figure 1과 같이 교반탱크, 이송장치 (이물질 제거장치), 탈수기계, 액비저장탱크 등으로 구성되어 있다 (Yu et al., 2014; Choi and Lee, 2015; Lee et al., 2021).

Figure 1.

Livestock manure treatment system structure.

본 연구는 탈수기계의 핵심부품인 스크린을 적용하여 낮은 수분함수량을 갖기 위한 여러 인자를 파악하고, 이것에 영향을 미치는 요인에 대한 영향도를 분석하고자 실험을 수행하였다.

재료 및 방법

1. 시험목적 및 계획

현장에서 실제 발생하고 있는 탈수장치의 고장 사례를 살펴보면 스크린 막힘과 내부 하중 및 이물질 (돌, 쇠) 등으로 인한 스크린 파손으로 인한 고장이 주요 요인으로 발생하고 있다. 또한, 소의 경우 섬유질이 포함된 재료를 먹기 때문에 스크린의 슬롯 사이즈가 클 경우 수분 함유량이 높아질 수 있으며, 너무 작을 경우 수분 함유량이 낮아질 수 있지만 섬유질을 통과하지 못하고 막히는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 가축분뇨의 수분 함유량이 낮게 유지되면서 막히지 않게 탈수할 수 있는 장치로 설계하기 위해서는 고장의 주요 요인인 스크린 사이즈와 이에 영향을 미치는 요인에 대한 최적 설계가 필요하다.

본 논문에서는 탈수장치의 압축특성과 관련된 인자를 파악하기 위해 다양한 조건 (스크린 사이즈, 하중, 분뇨량)과 이 인자들간의 상호교호작용이 있는지에 대해 파악하고자 한다. 주요 인자들에 대한 최적의 조합을 찾아내기 위해 실험계획법 (Design of Experiments, DOE)을 적용하여 시험결과를 얻고자 한다.

가축분뇨 탈수장치의 최적 설계를 위한 스크린 압축시험시 고려한 인자로 스크린 사이즈, 압축 하중, 분뇨량 3가지 요인을 고려하여 Table 1과 같이 각 수준으로 선정하여 시험을 계획하였다.

스크린 압축시험은 3인자 요인시험에서 각 수준이 4수준, 3수준, 2수준이므로 4¹ × 3¹ × 2¹ 요인실험으로 교호작용을 고려하기 위해 각 조건에서 반복시험을 수행한 48가지 조합으로 실험계획을 수립하였다.

정하중 압축시험을 하기에 앞서 스크린에 걸리는 하중을 예측이 필요하여 스크린 구조해석을 실시하였다. 스크린의 모델링은 Figure 2와 같이 표현하였으며, 스크린의 재질은 SUS 304로 재료 물성치 정보는 Table 2와 같이 표현하였다.

스크린 실린더 내경 375 mm, 내부 압력 3.3 MPa 조건에서의 구조해석 결과를 통해 스크린에 걸리는 소재의 최대 항복응력은 215 MPa 이상의 압력이 발생됨을 확인할 수 있었다. 실린더 내경 단면적을 구하고, 그 값에 내부압력을 곱하면 하중이 되며, 면적을 계산하였을 때 실제로 걸리는 최대 하중은 약 6 ton 이상이 발생함을 확인할 수 있었다. 따라서 정하중 시험시 압축하중은 7 ton을 넘지 않을 것으로 판단되어 압축하중은 7 ton 으로 설정하였다.

Figure 2.

3D modeling.

2. 시험장치 설계 및 시험방법

스크린의 압축시험은 구조해석을 통해 확인된 최대하중 7톤을 상회하는 Figure 3의 20 ton 압축 인장 시험장비를 이용하였으며, 시험장치의 성능은 Table 3과 같다.

Figure 3.

Compression & tensile testing equipment.

압축시험 전과 압축시험 후에는 실제로 수분량이 어떻게 변화하였는지 확인하기 위하여 Figure 4의 수분측정기를 활용하여 수분량을 측정하였다. 수분측정기는 일본에서 제작한 A&D 메이커의 MX-50 모델을 이용하였으며 수분측정기의 사양은 Table 4와 같다. 표준가열방법을 적용하여 수분량을 측정하였으며, 이는 측정정밀도와 가열조건 및 가열온도를 지정하면 자동으로 수분량을 측정하는 방법이다.

Figure 4.

Moisture meter.

정방향의 압축하중을 가할 경우 실제 지그에 받는 변형률을 확인하기 위해 Figure 5와 같이 지그에 스트레인게이지를 부착 (스크린 3채널, 케이스 2채널)하여 변형률을 측정하였으며, 예상한대로 2번 채널에서 하중이 가장 크게 받음을 확인하였다.

Figure 5.

Strain gauge attachment position.

압축시험의 시험방법은 정확한 분뇨량을 계측하기 위해 Figure 6과 같이 전자저울을 이용하여 정확한 양을 측정하여 실험을 진행하였으며, 지그에 분뇨를 투입 후 평탄화 작업을 실시한 후 압축시험을 실시하였다. 압축된 분뇨의 샘플은 Figure 7과 같이 일정한 5개 위치에서 채취하여 수분 함유량을 측정하였다.

Figure 6.

Manure volume measurement.

Figure 7.

The location of the manure sample collection.

결과 및 고찰

1. 수분 함유량 측정 결과

상기에서 언급한 스크린 압축시험 실험계획과 방법에 따라 48가지 조건에서의 수분 함유량을 측정하였고, 그 결과 중 일부를 정리한 것은 Table 5와 같다.

시험 전 분뇨의 수분 함유량은 약 85%이었으며, 압축시험의 조건별 시험결과는 Table 5와 같이 스크린 사이즈 0.75 mm, 하중 3 ton, 분뇨량 250 g일 때 최고 수분 함유량은 79.69%로 확인이 되었고, 최저 수분 함유량은 스크린 사이즈 1 mm, 하중 7 ton, 분뇨량 250 g 조건에서 44.96%로 측정되었다.

2. 분산분석 결과

본 논문에서는 가축분뇨 탈수장치의 수분 함유량에 영향을 미치는 인자를 분석하기 위해 Table 5와 같이 측정된 결과를 기초로 Minitab을 활용하여 분산분석 (ANalysis Of VAriance, ANOVA)을 수행하였고, 3가지 인자를 독립변수로 보고 각 수준에서 측정된 수분 함유량을 반응변수로 정의하여 독립변수와 반응변수간의 선형 관계를 같이 고찰하였다 (Lee, 2017).

수분 함유량에 대한 분산분석 결과 중에서 스크린 사이즈, 압축 하중, 분뇨량 중 수분 함유량에 영향을 미치는 인자를 파레토 그래프로 확인할 수 있는 결과는 Figure 8과 같다.

Figure 8.

Pareto chart of moisture content.

수분 함유량 측정결과로부터 유의수준 5%에서 3가지 인자 중 스크린 사이즈와 압축 하중이 통계적으로 수분 함유량에 영향을 미치는 인자로 확인되었고, 분뇨량과 각 인자들간의 교호작용은 수분 함유량에 영향을 미치지 않는 것으로 파악되었다.

가축분뇨 수분 함유량에 영향을 미치는 스크린 사이즈와 압축 하중에 대한 주요 효과를 도시한 것은 Figure 9와 같다.

Figure 9.

Main effects plot for moisture content.

주효과 그래프에서 스크린 사이즈와 압축 하중이 클수록 수분 함유량이 작아지고 있음을 알 수 있다.

Table 6은 파레토 차트를 통해 수분 함유량에 유의한 영향을 미치는 인자가 스크린 사이즈와 압축 하중이라는 것을 확인한 후 주요한 인자에 대해 분산분석을 수행한 결과이다.

Table 6에서 Model 항목에 “Linear”은 수분 함유량과 주요한 2인자간의 선형 관계가 유의한지 검정할 수 있는 항목으로 P-value가 0.000으로 유의수준 0.05보다 작으므로 선형 관계가 유의하다고 파악할 수 있고, 가축분뇨 수분 함유량과 2인자 각 수준간의 선형 회귀식은 다음과 같이 적합되었다.

여기서, S는 스크린 사이즈, C는 압축 하중이며 각 사이즈 및 하중을 아랫첨자로 표기하였다. 예를 들면, S0.5는 스크린 사이즈가 5 mm인 변수이며, C3은 압축 하중이 3 ton인 변수로 정의한 것이다.

또한, 스크린 사이즈와 압축 하중에 대한 P-value가 각각 0.018, 0.000으로 유의수준 0.05보다 작으므로 각 인자가 수분 함유량에 영향을 미치고 있다는 것을 확인할 수 있다.

결 론

본 연구에서는 탈수장치 스크린을 적용한 축분 압축특성과 관련된 인자를 파악하고 고장의 영향을 미치는 요인에 대한 최적설계를 하고자 실험계획법을 적용하여 다음과 같은 결과를 확인하였다. 현장에서의 고장사례를 살펴보면 내부 하중 및 스크린 막힘과 이물질 (돌, 쇠) 등으로 인한 스크린 파손이 주요 요인으로 발생하고 있음을 확인하였다. 압축하중의 허용 하중을 확인하기 위하여 스크린 구조해석을 통하여 스크린에 받는 내부하중은 약 6 ton 이상이 발생함을 확인하여, 실제 압축시험은 7 ton으로 결정하였다. 압축시험 전/후의 수분 함유량은 최고 79.69%, 최저 44.96%로 측정되었으며 차이는 약 35% 발생함을 확인하였다. 가축분뇨 탈수장치 스크린의 최적 설계를 위해 수분 함유량에 영향을 미치는 인자를 파악하기 위해 3가지 (스크린 사이즈, 압축하중, 분뇨량) 인자와 각 수준을 선정하여 요인실험을 수행하였으며, 실험계획법을 적용하여 그 결과를 확인하였다. 파레토 그래프 결과로부터 유의수준 5%에서 수분 함유량에 영향을 미치는 3가지 주요 인자 중 스크린 사이즈와 하중이 통계적으로 영향을 미치는 인자로 확인되었고, 분뇨량과 각 인자들의 2인자 교호작용은 수분 함유량에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.