닭똥 바이오가스 발효

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닭똥은 비교적 우수한 유기질 비료로, 순질소, 인(P2O5), 칼리(K2O) 함량이 각각 약 1.63%, 1.54%, 0.085%입니다.닭분뇨는 시용하기 전에 충분히 부패시켜야 하며, 닭분뇨에 존재하는 기생충과 그 알, 그리고 전염성이 있는 세균들은 부패 과정을 통해 무력화된다.닭똥이 부패하는 과정에서 고온이 발생하여 질소 손실이 쉽게 일어납니다.따라서 부숙되기 전에 적당량의 물을 추가하고, 5%의 과인산칼슘을 섞어주면 비료 효과가 더욱 좋아집니다.부숙시키는 방법으로는 닭똥을 분뇨통에 넣어 발효시키거나, 표면에 흙을 덮어 쌓아 발효시킬 수도 있습니다.닭똥은 충분히 분해된 후 작물 재배에 사용되는 우수한 기질 비료가 되며, 과수를 재배할 때는 겨울에 시용하여 일년 내내 활용하는 기질 비료로 자주 사용됩니다. 　　닭의 생리적 특성을 고려할 때, 닭이 섭취한 사료는 완전히 소화·흡수되지 않아 약 40%–70%의 영양분이 체외로 배출됩니다. 따라서 닭똥은 모든 가금류 및 축산동물의 분뇨 중에서 가장 영양가가 높습니다.하지만 닭똥을 처리하거나 부패시키지 않고 그대로 작물에 시용하면 큰 해악과 위험이 있습니다. 토양에 그대로 시용되면 적절한 조건 하에서 발효되면서 많은 열이 발생하여 작물의 뿌리를 태워버립니다.동시에 닭똥 자체에는 다량의 세균이 함유되어 있어 작물에 질병의 위험을 초래합니다.따라서 닭똥은 무해화 처리와 완전한 부패 과정을 거친 후에야 작물에 시용할 수 있다.　 　　전통적인 방법은 닭똥을 밀폐하여 숙성시켜 혐기성 발효를 진행하는 것으로, 보통 3~4개월이 걸려야 분해됩니다. 하지만 현재는 생명공학 기술을 활용한 호기성 발효 방식을 사용함으로써, 전통적인 방법보다 분해 속도가 10~20배 빨라집니다. 이를 통해 닭똥에 포함된 단백질과 같은 대분자들이 소분자로 분해되어 작물이 직접 흡수할 수 있게 됩니다.완전히 부패한 닭똥에서는 냄새가 거의 나지 않습니다. 바이오가스의 주요 성분은 메탄입니다.바이오가스는 50％～80％의 메탄(CH4), 20％～40％의 이산화탄소(CO2), 0％～5％의 질소(N2), 1％ 미만의 수소(H2), 0.4％ 미만의 산소(O2), 그리고 0.1％～3％의 황화수소(H2S)와 같은 기체들로 구성되어 있습니다.메탄가스에는 소량의 황화수소가 포함되어 있어 약간의 악취가 납니다.그 특성은 천연가스와 유사합니다.공기 중에 부피비로 8.6~20.8%의 메탄가스가 포함되어 있으면, 폭발성이 있는 혼합 가스가 만들어집니다. 1 습지가스 발효 미생물 (박테리아 간의 관계 연상: 촉진, 억제, 경쟁 등) 　　습지가스 발효 미생물은 발효성 박테리아, 수소 및 아세트산 생성 박테리아, 수소 소비형 아세트산 생성 박테리아, 수소 섭취형 메탄 생성 박테리아, 아세트산 섭취형 메탄 생성 박테리아 등 5대 그룹을 포함하는 총칭이다.5가지 주요 세균 군집은 하나의 먹이사슬을 형성합니다. 각 세균 군집의 생리적 대사 산물이나 그들의 활동이 발효액의 pH 값에 미치는 영향을 고려할 때, 바이오가스 발효 과정은 가수분해 단계, 산생성 단계, 메탄생성 단계로 나눌 수 있습니다.처음 세 종류의 박테리아는 활동을 통해 유기물로부터 다양한 유기산을 생성할 수 있으므로, 이들을 통칭하여 메탄을 생성하지 않는 박테리아라고 부른다.후자의 두 그룹에 속하는 박테리아들은 다양한 유기산을 메탄으로 전환시킬 수 있으므로, 이들을 통칭하여 메탄생성균이라고 합니다. 　　(1) 메탄을 생성하지 않는 박테리아 　메탄을 생성하지 않는 박테리아는 복잡한 대분자 유기물을 단순한 저분자량의 물질로 변환할 수 있다.그 종류는 매우 다양하며, 작용하는 기질에 따라 섬유 분해균, 반섬유 분해균, 전분 분해균, 단백질 분해균, 지방 분해균과 함께 수소를 생성하는 균, 아세트산을 생성하는 균과 같은 특수한 균들이 있습니다. 　　(2) 메탄생성균 메탄생성균은 바이오가스 발효의 주요 성분인 메탄을 생성하는 미생물입니다.이들은 메탄가스 발효 미생물의 핵심으로, 엄격한 혐기성을 가지며 산소와 산화제에 매우 민감합니다. 가장 적합한 pH 범위는 중성 또는 약알칼리성입니다.이들은 이산화탄소와 수소를 에너지로 삼아 성장하며, 폐기물 형태로 메탄을 배출하는, 성장에 필요한 물질이 가장 적은 미생물입니다. 　　2. 습지가스 발효의 원리 (미생물의 성장 및 대사와의 연관성) 습지가스 발효는 혐기성 소화라고도 하며, 다양한 유기물들이 혐기적 조건 하에서 여러 종류의 습지가스 발효 미생물에 의해 분해·전환되어 최종적으로 습지가스가 생성되는 과정을 말합니다.현재 널리 인정받고 있는 메탄가스 발효 과정은 다음과 같습니다:
(설명: ① I, II는 3단계 이론이며, ② I, II, III, IV는 4개 그룹 이론입니다.)
3. 3단계 이론
3.1 메탄가스 발효 과정의 액화 단계
메탄가스 발효의 원료로 사용되는 유기물에는 가축의 분뇨, 작물의 줄기, 식품 가공 과정에서 나오는 폐기물 및 오수, 그리고 알코올 제조 과정에서 나오는 폐기물 등이 있습니다. 이러한 유기물들의 주요 화학 성분은 다당류, 단백질, 지질입니다.그중 다당류는 발효 원료의 주요 성분으로, 전분, 셀룰로오스, 반섬유소, 펙틴 등이 포함됩니다.이러한 복잡한 유기물들은 대부분 물에 용해되지 않습니다. 따라서 먼저 발효균이 분비하는 세포외 효소에 의해 가용성 당, 펩타이드, 아미노산, 지방산으로 분해된 후에야 미생물들이 이를 흡수하여 활용할 수 있습니다.발효성 박테리아는 위에서 언급한 용해성 물질들을 세포 내로 흡수한 후, 발효 작용을 통해 이들을 아세트산, 프로피온산, 부티르산과 같은 지방산과 알코올, 그리고 일정량의 수소와 이산화탄소로 전환시킨다.바이오가스 발효 측정 과정에서, 발효액 내의 아세트산, 프로피온산, 부티르산의 총량을 중간 휘발성 산(TVA)이라고 합니다.단백질류는 발효성 박테리아에 의해 아미노산으로 분해되며, 이 아미노산은 다시 박테리아에 의해 세포 물질로 합성되어 활용될 수 있다. 남은 단백질은 더욱 분해되어 지방산, 암모니아, 황화수소 등으로 전환될 수도 있다.단백질의 함량은 바이오가스 내 암모니아와 황화수소의 양에 직접적인 영향을 미치며, 아미노산이 분해될 때 생성되는 유기산들은 추가로 변환되어 메탄, 이산화탄소, 물을 만들어냅니다.지질 물질은 박테리아 지방효소의 작용에 의해 먼저 가수분해되어 글리세롤과 지방산이 생성됩니다. 글리세롤은 당 대사 경로를 통해 더욱 분해될 수 있으며, 지방산은 미생물에 의해 여러 개의 아세트산으로 더욱 분해됩니다. 　　3.2 습지 가스 발효 과정의 산 생성 단계 　　3.2.1 수소 및 아세트산을 생성하는 세균 　　발효성 세균들이 복잡한 유기물을 분해하여 생성하는 유기산과 알코올들은, 포름산, 아세트산, 메탄올을 제외하고는 메탄생성균에 의해 활용될 수 없습니다. 따라서 이러한 물질들은 반드시 수소 및 아세트산을 생성하는 세균에 의해 아세트산, 수소, 이산화탄소로 전환되어야 합니다. 　　3.2.2 수소를 소비하여 아세트산을 생성하는 박테리아
수소를 소비하여 아세트산을 생성하는 박테리아는 동형 아세트산균이라고도 불립니다. 이들은 자영생활과 혐영생활을 모두 할 수 있는 혼합영양형 박테리아입니다.그들은 Hz+c0z를 이용해 아세트산을 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 대사를 통해도 아세트산을 만들어낼 수 있다.위에서 언급한 미생물들의 활동을 통해, 다양한 복잡한 유기물들이 유기산이나 Hz/c0z와 같은 물질로 전환될 수 있습니다. 　　3.3 습지 가스 발효 과정에서의 메탄 생성 단계 　　3.3.1 메탄 생성균의 종류 　　메탄 생성균에는 수소를 먹고 사는 메탄 생성균과 아세트산을 먹고 사는 메탄 생성균이라는 두 가지 유형이 있습니다.바이오가스 발효 과정에서 메탄이 생성되는 것은, 생리적으로 매우 특화된 고세균인 메탄생성균들 때문입니다. 메탄생성균에는 수소를 먹고 메탄을 생성하는 균과 아세트산을 먹고 메탄을 생성하는 균이 있습니다. 이들은 혐기성 소화 과정의 먹이사슬에서 가장 마지막 단계에 위치하는 균들입니다. 비록 그들의 형태는 다양하지만, 먹이사슬에서의 위치 때문에 그들은 공통된 생리적 특성을 가지고 있습니다.이들은 혐기적 조건에서 앞의 세 그룹의 박테리아의 대사 최종 산물을, 외부의 수소 공급원이 없는 상태에서 아세트산과 H2/CO2로 전환시킨다.가스로 전환되어 -CH4/CO2를 생성함으로써, 혐기성 조건에서 유기물의 분해가 원활하게 이루어집니다.현재 알려진 메탄 생성 과정은 위의 두 그룹의 서로 다른 메탄생성균에 의해 이루어집니다. 　　① C02와 H2로부터 메탄이 생성되는 반응은 다음과 같습니다: C02 + 4H2 → CH4 + H2O
② 아세트산이나 아세트산 유도체로부터 메탄이 생성되는 반응은 다음과 같습니다:
CH3COOH → CH4 + CO2; CH3COONH4 + H2O → CH4 + NH4HCO3
3.3.2 메탄생성균의 생리적 특성
① 메탄생성균은 엄격한 혐기적 환경에서만 성장할 수 있습니다.
메탄생성균은 수중 퇴적물이나 동물의 소화관과 같은 극도로 혐기적인 환경에 널리 서식합니다. 　　② 메탄생성균의 먹이는 단순하며, 메탄생성균은 소수의 탄소 기질만을 대사하여 메탄을 생성할 수 있다. 　　③ 메탄생성균은 pH 값이 중성인 조건에서 잘 자랍니다.
④ 메탄생성균의 성장 속도는 느립니다.
아래 그림은 바이오가스 발효 과정에서의 먹이사슬과 에너지 분배를 나타낸 것입니다.
4. 네 가지 군집 이론
일부 사람들은 생화학적 변환 과정에 따라 발효 과정을 다음과 같이 분류합니다:
① 가수분해 작용: 펩토박터스나 프로테우스와 같은 박테리아가 탄수화물이나 단백질과 같은 대분자 유기물을 포도당이나 아미노산과 같은 소분자 유기화합물로 분해하는 과정입니다； 　　②발효 작용: 포도상구균속, 유사구균속 및 기타 박테리아(예: 젖산균류, 프로피오니박터속)가 가수분해된 생성물을 더욱 분해하여 소분자의 알코올류, 유기산류, 이산화탄소, 수소, 암모니아 등으로 만듭니다； 　　③아세트산 및 수소 생성 작용: 발효 과정에서 생성된 소분자 알코올과 일부 지방산을 아세트산, 포름산, 이산화탄소, 수소로 분해합니다.사람들은 이러한 박테리아에 대해 아는 바가 거의 없으며, 종이나 속조차 명확하게 정해지지 않았습니다.하지만 이러한 박테리아가 생성하는 수소가 그 자체의 추가적인 성장과 증식을 억제한다는 것은 확실하다.따라서 아세트산과 수소를 생산하는 박테리아는, 메탄을 생산하는 박테리아나 우드스톡 아세틱박테리아와 같이 수소를 활용할 수 있는 박테리아들과 함께 공존해야 합니다； 　　④메탄 생성 작용: 메탄 생성 박테리아가 앞의 3단계에서 생성된 수소, 이산화탄소, 그리고 포름산, 아세트산, 메탄올, 메틸암모니아 등을 메탄으로 전환시킵니다.메탄을 생산하는 박테리아는 형태가 다양하지만, 생리적 특성은 대체로 유사하여 저산소 조건에서는 모두 메탄을 주요 대사 산물로 생성한다. 　　바이오가스 발효 미생물들 간의 생태학적 관계
바이오가스 발효 과정에서, 메탄을 생성하지 않는 박테리아와 메탄을 생성하는 박테리아는 서로 의존하며, 상대방이 생명 활동을 유지하는 데 필요한 적절한 환경 조건을 제공해 줍니다. 하지만 동시에 서로를 제약하기도 하여, 발효 과정 내내 균형 상태를 유지합니다.이들 사이의 주요 관계는 다음과 같은 몇 가지 측면에서 나타납니다:
① 메탄을 생성하지 않는 박테리아는 메탄을 생성하는 박테리아가 성장하고 메탄을 생산하는 데 필요한 기질을 제공합니다.
② 메탄을 생성하지 않는 박테리아는 메탄을 생성하는 박테리아에게 적절한 산화환원 전위 조건을 제공합니다.
③ 메탄을 생성하지 않는 박테리아는 메탄을 생성하는 박테리아로부터 유해 물질을 제거해 줍니다.
④ 메탄을 생성하는 박테리아는 메탄을 생성하지 않는 박테리아의 생화학적 반응에 대한 피드백 억제를 해소해 줍니다.
⑤ 메탄을 생성하지 않는 박테리아와 메탄을 생성하는 박테리아는 함께 환경 내의 적절한 pH 값을 유지합니다.
5. 발효 공정
발효에 사용되는 원료와 조건에 따라, 사용되는 발효 공정도 다양합니다. 　　5.1 바이오가스 발효의 기본 공정 흐름
규모에 상관없이, 모든 대형 및 중형 바이오가스 발효 공정에는 다음과 같은 공정들이 포함됩니다: 원료(폐수)의 수집, 전처리, 발효탱크에서의 처리, 생성된 가스의 정화 및 저장 등입니다. 아래 그림을 참조하십시오.

5.2 바이오가스 발효 공정의 기본 조건들 (미생물 배양 조건 및 배지 준비와 관련됨)
(1) 적절한 발효 온도
발효탱크의 온도 조건은 다음과 같이 나뉩니다: ① 상온 발효(저온 발효라고도 함): 10℃～30℃. 이 온도 조건에서는 가스 생성률이 0.15～0.3 m3/m3•일입니다.② 중온 발효는 30℃～45℃에서 이루어지며, 이 온도 조건 하에서는 탱크당 가스 생산량이 약 1m3/m3•일 정도가 됩니다.③고온 발효는 45℃～60℃에서 이루어지며, 이 온도 조건 하에서 탱크당 가스 생산량은 약 2～2.5 m3/m3•일 정도가 됩니다.바이오가스 발효에 있어 가장 경제적인 온도 조건은 35℃로, 이는 중온 발효입니다. 　　(2) 적절한 발효액 농도 　발효액의 농도 범위는 2~30%입니다.농도가 높을수록 가스가 더 많이 생성됩니다.발효액 농도가 20% 이상인 경우를 건조 발효라고 합니다.농촌 가정용 바이오가스 탱크의 발효액 농도는 원료의 양과 가스 사용량, 그리고 계절 변화에 따라 조절할 수 있습니다.여름에는 온보료의 농도를 5~6%로 유지합니다；겨울에는 재료로 온도를 10~12% 보충합니다. 　　(3) 발효 원료의 적절한 탄소와 질소의 비율(C:N)
바이오가스를 생산하는 미생물들은 탄소를 가장 많이 필요로 하며, 그 다음으로는 질소가 필요합니다. 미생물이 필요로 하는 탄소와 질소의 양의 비율을 탄소질소비율이라고 하며, 이를 C:N으로 표시합니다.현재는 일반적으로 C:N=25:1을 사용합니다.하지만 그다지 엄격하지는 않아서, 20:1, 25:1, 30:1의 비율에서도 정상적으로 발효됩니다. 　　(4) 적절한 산도와 알칼리도(pH 값)
바이오가스 발효에 적합한 산도와 알칼리도는 pH=6.5～7.5입니다.pH 값은 효소의 활성에 영향을 주므로, 발효 속도에도 영향을 미칩니다. 　　(5) 충분한 양의 균주　바이오가스 발효 시 균주의 양과 질은 바이오가스의 생산량과 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.일반적으로 발효 원액 총량의 10~30%에 달해야만 정상적인 시작과 활발한 가스 생성이 보장됩니다. 　　(6) 낮은 산화환원 전위(혐기성 환경)　바이오가스를 생성하는 메탄균은 산화환원 전위가 -330mV보다 높은 조건에서만 성장할 수 있다.이 조건은 바로: 엄격한 혐기성 환경입니다.그러므로, 바이오가스 탱크는 밀폐되어야 합니다.