돼지와 양의 분뇨 및 그 혼합물을 이용한 메탄가스 발생 실험에 관한 예비 보고서

Thread Content

농업 폐기물을 효율적으로 활용하여 바이오가스를 생산하는 것은 오늘날 농업이 직면한 중대한 과제입니다.국내외의 과학연구기관과 대학들이 이 분야에서 많은 연구를 진행해 왔습니다.류더장의 연구에 따르면, 단일 발효 원료만을 사용하여 바이오가스를 생산하는 경우와 비교할 때, 가축 분뇨를 혼합하거나 가축 분뇨와 짚을 함께 사용하면 바이오가스 생산량을 효과적으로 높일 수 있다. 발효 원료 중 소똥의 비율이 증가할수록 가스 내의 CH4 함량도 현저히 증가한다. 반면, 돼지분뇨는 혐기성 발효 과정에서 산화되기 쉬워서 가스 생산량이 감소하거나 심지어 멈출 수도 있다. 하지만 양분뇨와 소똥은 산화되기 어려워서 가스 생산량에 거의 영향을 주지 않는다.이문철의 연구에 따르면, 온도와 원액 농도가 높고 물의 체류 시간이 길어질 때, 발효액 내의 프로피온산 함량도 증가하며, 이는 이후의 메탄 생성 단계에 부정적인 영향을 미친다.　　미생물이 바이오가스를 생산하는 데 있어 적절한 탄소와 질소의 비율은 25:1입니다. 단일 발효 원료만으로는 이러한 요구사항을 충족시키기 어렵기 때문에, 다양한 비율로 혼합된 원료를 사용한 발효에 대한 연구가 매우 중요합니다.이 실험은 동일한 온도에서 돼지분뇨와 양분뇨를 단독으로 발효시키거나 서로 다른 비율로 혼합하여 발효시킬 때의 바이오가스 생산량 및 CH4 함량에 미치는 영향을 조사함으로써, 바이오가스의 생산량과 질을 향상시키기 위한 이론적 근거를 마련하고자 한다.　　1 재료 및 방법　　1.1 재료　　시험에 사용된 원료는 선양농업대학교 뒷산에 위치한 축사에서 얻은 신선한 소똥과 양똥입니다；시험 접종물은 선양시 동릉구 농가의 자가용 메탄올 탱크 내 바닥의 슬러지에서 채취되었다.발효 원료의 탄소-질소 함량은 표 1을 참조하십시오. 　　1.2 방법 1.2.1 발효 실험 자체적으로 설계한 항온 혐기성 발효 장치로, 이 장치는 발효병, 가스 수집병, 물 수집병의 3부분으로 구성되어 있다.발효병과 집기병으로 1500mL짜리 아크릴 컵을 사용하였으며, 발효병과 집수병에 각각 샘플 채취용 구멍과 물 배출용 구멍을 뚫고, 샘플 채취용 구멍은 워터클램프로 막았다.발효병과 집기병 사이는 10mm×8mm의 실리콘관으로 연결됩니다.　　집수병은 100mL의 측정용 용기를 사용하며, 아래로 물을 빼내어 가스를 모으는 방식을 사용합니다. 모든 연결 부분은 밀폐 처리가 되어 있습니다.구조도는 그림 1에 나타나 있습니다. 　　이번 실험에서는 접종 농도를 20%, 총 고형분 농도를 8%로 설정하였습니다.발효액 배합은 다음 4개 그룹으로 나뉩니다: 그룹 I: 순수 돼지분뇨 발효；그룹 II: 순수 양분뇨 발효；그룹 III: 돼지분뇨 : 양분뇨(건조물 비율) = 1:1 혼합 발효；그룹 IV: 돼지분뇨 : 양분뇨(건조물 비율) = 1:2 발효.각 배합의 발효액은 2개의 평행 실험을 진행한다.Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ의 4개 실험군을 각각 1500mL 용량의 발효병에 넣고 개방 상태에서 9일간 예비 처리한 다음, 각각 밀봉하고 유도관과 집기병을 연결하였다. 그 후 발효 장치를 항온 배양실에 넣어 (28±1)℃의 일정 온도 조건에서 30일간 혐기성 발효를 진행하였다.　　1.2.2 분석 측정 방법
일일 가스 생성량과 누적 가스 생성량은 하향 배수법을 이용하여 측정합니다. 발효액의 pH 값은 스마트 pH계(PSH225형)를 사용하여 측정됩니다. 가스 중의 CH4 함량은 ZS22형 바이오가스 분석기를 이용하여 측정됩니다.　　2 결과 및 분석　　2.1 전처리 과정에서의 다양한 발효군의 pH 값 변화　　조제된 비율에 따라 준비된 발효액 혼합물을 잘 저어준 뒤, 1500mL 용량의 발효병에서 실온(20℃)에서 9일 동안 호기성 발효를 진행했다.퇴비화 과정에서는 매일 시스템의 pH 값을 측정하며, 발효액의 pH 값 변화 양상은 그림 2에 나타나 있습니다.그림 2를 보면, 그룹 I의 pH 값은 전체 전처리 과정 동안 항상 낮은 수준을 유지하여 산성 상태를 보였습니다.그룹 II의 pH 값은 전처리가 끝날 때까지 계속해서 알칼리성 범위 내에서 변동했습니다；혼합 원료 발효 실험군 중: 그룹 III은 퇴비화가 시작될 때 pH 값이 7.50이었으며, 3일째에는 pH 값이 6.95로 떨어져 산성을 보였다. 그 후 다시 상승하여 알칼리성을 유지했으며, 전처리가 끝날 때 그룹 III의 pH 값은 7.50이었다；그룹 IV는 전체 전처리 과정에서 pH 값의 변화 추이가 그룹 III과 유사하여, 먼저 하락한 후 다시 상승하다가 결국 안정된 상태에 이르는 과정을 거쳤습니다. 하지만 그룹 III에 비해 그룹 IV의 pH 값 변동 폭은 더 작았으며, 전체 전처리 과정 동안 항상 알칼리성 범위를 유지했습니다.http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uTKVJ37bGDJGMdhFsiblTs3FUZOY2Z3XGDJicaTiaGM01Yskwj81BRqpaA/640?wx_fmt=jpeg　　2.2 혐기성 발효 과정에서의 다양한 발효군의 pH 값 변화　　혐기성 발효 실험 중에는 3일마다 한 번씩 발효액의 pH 값을 측정한다.바이오가스 발효 실험 과정에서의 발효액 pH 변화 현황은 그림 3에 나타나 있습니다.그림 3을 보면, 그룹 I의 경우 발효 9일째에 pH 값이 6.20으로 떨어졌습니다. 이를 인위적으로 알칼리를 첨가함으로써 pH 7.00으로 조절했습니다. 그 후의 발효 과정에서도 pH 값은 계속해서 6.50 이상을 유지했으며, 발효가 끝날 때의 pH 값은 7.10이었습니다；그룹 II의 pH 값은 전체 발효 과정 동안 비교적 높은 수준을 유지했으며, 발효가 15일째 되는 날에 6.70으로 하락했습니다. 발효가 끝날 때의 pH 값은 7.20이었습니다.혼합 원료 발효군에서: 그룹 III은 발효가 시작될 때 pH 값이 급격히 하락하여 12일째에는 6.45까지 떨어졌으나, 그 후 다시 상승하기 시작해 6.50 이상을 유지했으며, 발효가 끝날 때 그룹 III의 pH 값은 7.30이었다；그룹 IV의 pH 값 변화 폭은 가장 작았으며, 발효 6일째에 pH 값은 6.90으로 떨어졌다가 다시 상승하기 시작하여 15일째에는 7.31까지 올랐습니다. 발효가 끝날 때의 pH 값은 7.20이었습니다.http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ubK0aNS4JzGgol1y8cq2fD3AjciaQlmokVHuf9JWnt0509byUYm4vGnQ/640?wx_fmt=jpeg　　2.3 다양한 발효 원료의 비율에 따른 가스 생성량의 변화　　다양한 발효 원료의 비율에 따른 발효액의 일일 가스 생성량 변화는 그림 4를 참조하십시오.그림 4를 보면, 그룹 I은 가스 생성이 가장 빠르게 시작됩니다. 혐기성 발효가 시작된 지 1일 만에 소량의 가스가 생성되었으며, 4일째에는 하루에 100mL의 가스가 생성되었습니다. 그 후에는 가스 생성량이 급격히 감소했고, 발효가 8일째가 되자 그룹 I의 가스 생성은 완전히 멈췄습니다. 이때 인위적으로 알칼리를 첨가하여 시스템의 pH 값을 조절하자 다시 가스 생성이 시작되었으며, 11일째에는 하루에 246mL의 가스가 생성되는 최고치에 도달했습니다；그룹 II의 가스 생성 시작은 그룹 I에 비해 느렸으며, 발효 9일째에 가스 생성이 시작되어 16일째에는 하루당 325mL의 가스가 생성되는 최고치에 도달했습니다. 그 후에는 점차 감소하기 시작했지만, 그래도 하루당 가스 생성량은 계속해서 그룹 I보다 높았습니다.혼합 원료 발효군에서, 그룹 III은 6일째부터 가스를 생성하기 시작했으며, 일일 가스 생산량은 10일째에 375mL/d라는 최고치에 도달한 후 서서히 감소하기 시작했습니다. 24일째에는 175mL/d로 줄어들었으며, 발효가 진행된 30일째에는 그룹 III의 일일 가스 생산량이 47mL/d에 불과했습니다；그룹 IV는 발효 4일째부터 가스를 생성하기 시작했으며, 그 후 발효가 진행됨에 따라 하루당 가스 생산량이 증가하여 발효 9일째에는 하루 350mL/d라는 최고치에 도달했습니다.http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ujrmByvKlibcgnFstzdHrjgjvgxTVmuBJnz91XhlZo8PRGChyBl5zP6w/640?wx_fmt=jpeg 다양한 발효 원료의 비율에 따른 발효액의 CH4 함량 변화는 그림 5에 나와 있습니다.그룹 I의 CH4 함량은 계속 낮은 수준을 유지했으며, 발효가 11일째 되는 날에 60%에 도달한 후 급격히 감소하기 시작하여, 발효가 25일째가 되면 생성된 가스에는 CH4가 전혀 포함되지 않았습니다.그룹 II의 경우, 발효 9일째에 가스가 생성되기 시작할 때의 CH4 함량은 21%였으며, 발효 15일째에는 79%라는 최고치에 도달한 뒤 서서히 감소했습니다. 발효가 끝날 때의 CH4 함량은 30%였습니다.그룹 III은 발효 5일째에 가스 생성이 시작된 후 CH4 농도가 35%에 도달했으며, 그 후 계속 상승하여 발효 9일째에는 최고치인 82%에 이르렀습니다. 이러한 높은 수준은 발효 14일째까지 유지되다가 서서히 감소하기 시작했으며, 발효가 끝날 때에도 CH4 농도는 30% 수준을 유지했습니다；그룹 IV는 발효 8일째에 CH4 함량이 70%라는 최고치에 도달한 후 점차 감소하기 시작했으며, 발효가 끝날 때에는 그 CH4 함량이 10%에 불과했습니다.혼합 원료 발효군에서, 그룹 III은 그룹 IV에 비해 더 높은 CH4 함량의 최대값과 더 긴 지속 시간을 보였다.　　다양한 발효 원료 비율에 따른 발효액의 총 가스 생성량과 건조 물질당 가스 생성률은 표 2에 나와 있습니다.표 2에 따르면, 28℃의 일정한 온도에서 30일간 진행된 혐기성 발효 실험 결과, 다양한 발효 원료들의 총 가스 생성량은 그 순서가 그룹 III > 그룹 IV > 그룹 II > 그룹 I인 것으로 나타났습니다.　　그룹 I의 누적 가스 생성량은 가장 낮았으며(2749mL), 이는 그룹 III의 누적 가스 생성량(6258mL)의 1/2에 불과했습니다.혼합 원료의 누적 가스 생성량은 단일 원료보다 모두 높았으며, 그룹 III의 누적 가스 생성량은 그룹 IV보다 높았다.누적 가스 생성량만을 고려할 때, 그룹 III는 그룹 IV보다 현저히 우수하여 922mL 더 높았습니다.건물질 가스발생률은 높은 순서대로 다음과 같습니다: 그룹Ⅲ > 그룹Ⅳ > 그룹Ⅱ > 그룹Ⅰ.http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uDNYwUV7CwaJcpV0y9VDc7ZJzRkfdO5yuHt5jBJ2P7XqESH5LarsdibA/640?wx_fmt=jpeg　　3논의　　혐기성 발효를 진행하기 전에, 발효 원료와 접종 물질의 혼합물을 9일간 호기성 상태에서 사전 처리하면, 발효 원료 내의 복잡한 유기물들이 분해되어 산이 생성되는 데 도움이 됩니다. 돼지똥의 경우 산이 가장 빨리 생성되고, 양똥의 경우는 가장 느립니다.4개 그룹의 서로 다른 원료 발효액 pH 값은 모두 먼저 낮아졌다가 다시 상승하는 과정을 거쳤습니다. 그 이유는 산생균이 원료에 포함된 복잡한 유기물을 분해하여 휘발성 지방산(VFA)과 유기산을 생성함으로써 시스템의 pH 값이 낮아지기 때문입니다. 그 후, 산은 가스를 생성하는 균에 의해 분해되면서 pH 값은 다시 상승하여 안정화됩니다.돼지 분뇨는 혐기성 발효 과정에서 쉽게 산성화되어 가스 생성량이 감소하거나 심지어 멈출 수 있으므로, 가스 생산을 유지하기 위해서는 인위적으로 시스템의 pH 값을 조절해야 한다；반면 양분뇨 및 혼합 원료 발효군은 산화 현상이 발생하지 않는다.돼지 분뇨에는 고함량의 조지방과 조단백질이 포함되어 있어, 혐기성 발효 초기에 미생물에 의해 분해되면서 산이 생성됩니다. 이로 인해 시스템의 pH 값이 급격히 하락하고, 메탄생성균의 활동이 억제됩니다.양분 퇴비 발효군의 가스 생성 시작이 상대적으로 지연되는 것은, 미생물들이 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 분해하는 속도가 느려 메탄균이 충분한 대사 기질을 얻지 못하기 때문입니다.혼합 원료 발효군에서 돼지분뇨의 산화 과정에서 생성된 산은 목질 섬유 원료의 화학 구조를 손상시킬 수 있습니다. 이로 인해 목질셀룰로오스의 가수분해가 촉진되고, 생물학적 분해율이 향상됩니다. 또한, 고셀룰로오스 원료의 분해와 산 생성이 빨라져, 가스 생성량과 CH4 함량이 증가하여 더 우수한 발효 효과를 얻을 수 있습니다.이 연구에 따르면, 동일한 건조 물질 농도와 온도 조건에서 축적된 가스 양 및 건조 물질당 가스 생성률은 다음과 같은 순서로 나타났습니다: 그룹 III > 그룹 IV > 그룹 II > 그룹 I. 그룹 III의 돼지 분뇨와 양분뇨의 비율(건조 물질 기준)이 1:1인 경우가 가장 적합한 발효 원료의 혼합 비율입니다. (이목자, 손군덕 선양농업대학교 토지 및 환경학과)