Research Article

Journal of Agricultural, Life and Environmental Sciences. March 2020. 44-53
https://doi.org/10.22698/jales.20200005


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   공시 원료

  •   혐기소화액의 액비화 시험

  •   혐기소화조 폭기처리 기간별 성분 분석

  •   통계 처리

  • 결과 및 고찰

  •   용존산소(DO), 산화환원전위(ORP) 변화

  •   질소전량(T-N) 및 암모늄태 질소(NH4-N), 질산태 질소(NO3-N) 함량 변화

  •   폭기 전 후 생화학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD) 변화

  •   폭기처리 전 후 BOD5/T-N, CODMn/T-N 변화

  •   폭기 전 후 비료 성분 변화

  • 요 약

서 론

현재 바이오가스 플랜트들은 가동에 따른 기술적 문제 보다는 혐기소화 후 남은 혐기소화액의 처리에 어려움을 겪고 있다. 현재, 혐기소화액은 정화처리를 하거나 농경지에 시용할 수 있도록 액비화를 하고 있다. 유기성 폐기물을 혐기소화한 후 배출되는 소화폐액을 폐수처리하는 국가는 많지 않다. 바이오가스 플랜트 보급이 먼저 이루어진 국가인 독일에서는 발효 후 발생하는 잔여물인 소화액(digestate)은 축산농가의 경종농가의 밭 등에 비료자원으로 살포한다. 유럽에서는 혐기소화액 직접 살포하거나, 호기 처리 방법으로 액비화하여 사용하는 것이 주된 처리 수단이다. 또한 소화폐액을 고액분리하여 고형물은 퇴비, 액상은 액비로 사용하고 있다. 혐기소화액을 직접 살포할 경우 점도, 약해, 악취로 작물에 적합하지 않을 경우도 있으므로 호기성(aerobic degradation)처리를 통하여 작물의 적용성을 높이는 것이 필요하다.

호기적 액비화는 악취 제거에 뛰어나고 온도 상승으로 인해 위생해충 사멸이 가능할 뿐만 아니라(Lee, 2012) 혐기소화액 내의 미분해 되어 존재하는 유기성고형물을 분해시켜 준다. 또한 점도가 낮아져 살포 시에 혐기성 액비화보다 문제가 적다(Oh, 2007). 액비화를 하기 위한 폭기 방법에는 여러 가지 종류가 있는데 폭기 방법 중 산기식 폭기는 공기를 폭기조에 공급시키면서 폭기조에 존재하는 물질을 혼합시키는 것으로 공기방울의 크기, 산기 장치의 송기량 등에 따라 물속에 녹아 들어가는 산소전달량이 달라진다(Park, 2011).

공동자원화센터 및 액비유통센터에서 채취한 액비 중 부숙으로 판정된 액비는 질소전량(T-N)과 암모늄태 질소(NH4-N)가 1,000 mg/L (0.1%)이하의 농도에서 각각 74%, 90%로 집중적으로 분포되어 있었으며, 질산태 질소(NO3-N)는 42%가 100 mg/L 이상 이였다. 전기전도도(EC)는 55%가 10 mS/cm 이하였으며, 산화환원전위(ORP)는 67%가 –150 mV 이상 이였다(Jeon et al., 2012).

돈분을 단독으로 사용하여 혐기소화하는 것보다 돈분에 음식물쓰레기를 혼합한 후 혐기소화하는 것이 가스발생량이 증가한다는 연구결과가 있다(Park et al., 2011). 그러나 혐기소화 후 발생하는 혐기소화액을 처리하기 위해서는 후처리 과정이 필요하다. 본 시험에서는 돈분 슬러리를 이용하여 혐기소화 후 남은 혐기소화액과 가축분뇨 슬러리(돈분, 우분)와 과실착즙박(사과착즙박, 감귤착즙박)을 혼합한 시료를 이용하여 혐기소화 후 남은 혐기소화액을 폭기처리함으로써 화학적 성상의 변화를 알아보고자 실시하였다.

재료 및 방법

공시 원료

시험에 이용된 혐기소화액은 돈분 슬러리 단독 혐기소화액(Swine Slurry 100% Anaerobic Digestate, SS AD), 돈분 슬러리 70%와 우분 슬러리 30% 혼합 혐기소화액(Swine Slurry 70% + Cow Slurry 30% Anaerobic Digestate, SS + CS AD), 돈분 슬러리 70%와 사과착즙박 30% 혼합 혐기소화액(Swine Slurry 70% + Apple Pomace 30% Anaerobic Digestate, SS + AP AD), 돈분 슬러리 70%와 감귤착즙박 30% 혼합 혐기소화액(Swine Slurry 70% + Mandarin Pomace 30% Anaerobic Digestate, SS + MP AD), 돈분 슬러리 35%와 우분 슬러리 35%와 사과착즙박 30% 혼합 혐기소화액(Swine Slurry 35% + Cow slurry 35% + Apple Pomace, SS + CS + AP AD), 돈분 슬러리 35%와 우분 슬러리 35%와 감귤착즙박 30% 혼합 혐기소화액(Swine Slurry 35% + Cow Slurry 35% + Mandarin Pomace, SS + CS + MP AD)이다. 이 혐기소화액은 컨테이너 내부 온도를 38°C 중온을 유지시키면서 약 100 rpm으로 20분 교반 후 10분 중단되도록 설정하여 96일간 혐기소화 시킨 혐기소화액이다.

공시 원료로 이용된 혐기소화액의 질소전량(T-N)은 0.40-0.56%로 나타났으며, 생화학적 산소요구량(BOD5)의 농도는 8,600-10,850 mg/L였고, 화학적 산소요구량(CODMn)는 7,240-13,200 mg/L였다. 통합 혐기소화액인 가축분뇨 슬러리와 과실착즙박 혼합 혐기소화액은 돈분 슬러리 단독 혐기소화액 보다 T-N 함량은 0.09-0.16%, BOD5는 1,470-2,250 mg/L, CODMn는 180-4,600 mg/L 낮았다.

혐기소화액의 액비화 시험

통합 혐기소화액의 폭기처리에 따른 화학적 성상의 변화를 알아보고자 액비화 시험을 실시하였다. 혐기소화액의 액비화 시험에 사용된 혐기소화액은 혐기소화 후 생산된 혐기소화액을 사용하였다. 시험은 컨테이너에서 히터를 이용하여 실내온도 30°C를 맞춘 후 진행하였으며, 20 L 통에 처리구별 혐기소화액을 10 L씩 채우고 산기관 방식으로 폭기처리를 하였다. 폭기처리 기간 중 공기의 량은 브로워를 유량계에 연결하여 모든 처리구에 0.1 m3 air/m3·min씩 연속으로 주입하였다. 폭기처리 시 물이 증발되어 시료량이 줄어들 경우에는 부족한 양만큼 증류수를 투입해주었다.

혐기소화조 폭기처리 기간별 성분 분석

폭기처리 기간 동안 용존산소(Dissolved Oxygen, DO)는 DO meter (Pro 20i, YSI, U.S.A.)로 산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential, ORP)는 pH/ORP/ISE meter (HI3222, Hanna Instrument, U.S.A.)로 시료 100 mL를 이용하여 측정하였다. 폭기처리 기간 동안 질소전량(Total Nitrogen, T-N)은 황산분해법, 질산태 질소(Nitrate nitrogen, NO3-N)는 데바루다합금황산법을 이용하여 분석하였다. 폭기처리 전 후 인산전량(Total Phosphorus, T-P)은 비색법(바나드몰리덴산암모늄법), 칼륨전량(Total Potassium, T-K)은 염광광도법, 생화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD)는 BOD5, 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD)는 과망간산 칼륨법을 이용하여 분석하였다.

통계 처리

측정값은 R package Agricolae을 이용하여 Duncan의 다중범위검정법(Duncan’s new multiple rage test)을 통해 평균제곱오차를 고려하여 평균값을 5% 유의수준에서 비교하였다. 또한 Excel 2013을 이용하여 T-test를 실시하였다.

결과 및 고찰

용존산소(DO), 산화환원전위(ORP) 변화

혐기소화액의 액비화를 위한 폭기 일수 경과에 따른 용존산소(DO)의 변화는 Fig. 1 왼쪽과 같다. 폭기처리 전 모든 혐기소화액의 용존산소 농도가 0.1 mg/L 수준이었으나 폭기시간이 54일 경과한 후에는 약 0.2-0.5 mg/L 수준으로 높아졌다. 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD)은 폭기처리 전 0.1 mg/L 수준이었던 용존산소 농도가 폭기 54일 후에는 0.5 mg/L 수준으로 증가한 것으로 분석되었으며, 이것은 혐기소화액 반응조 중 가장 높게 나타난 수치이다. 돈우분과 감귤착즙박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)은 0.22 mg/L로 가장 낮았다. 액비화의 효율을 높이기 위해서는 산소전달효과를 높여야한다고 한다. Jeong et al. (2012)의 연구에 의하면 돈분뇨 액비화 시 3 m3의 용량에 분당 5 m3 수준으로 공기량을 설정하여 바닥 고정식 공기공급 방식을 이용하였을 때 30분간 폭기한 후 용조산소 농도가 2.7 mg/L이 증가하였다(Jeong et al., 2012). 본 시험에서도 폭기처리 후 용존산소의 농도가 증가하였으나 폭기 전 보다 폭기 후 0.1-0.4 mg/L정도가 높아졌다.

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Fig. 1.

The amounts of DO and ORP in co-digestates over the time course (0-54 days) of aeration treatment. The symbols represent the different digestates; Swine Slurry (SS), Cow Slurry (CS), Anaerobic Digestate (AD), Apple Pomace (AP), and Mandarin Pomace (MP).

혐기소화액의 액비화를 위한 폭기 일수 경과에 따른 산화환원전위(ORP)의 변화는 Fig. 1 오른쪽과 같다. ORP는 O2에 민감하게 반응하여 급격한 ORP 값이 상승하고 산화가 진행됨에 따라 전위가 높아진다고 한다(Cho, 2014). 본 시험에서도 폭기 처리 전 초기 산화환원전위 값은 -505.7--450.2 mV 사이로 낮았지만 혐기소화액의 폭기기간이 경과함에 따라 증가하였다. 폭기처리 54일차의 산화환원전위는 돈분과 사과착즙박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD)이 7.5 mV로 가장 높아졌다.

최종적으로 가축분뇨 슬러리 단독 및 혼합 혐기소화액의 산화환원전위는 2.0-2.5 mV 사이로 나타났으며, 가축분뇨 슬러리와 감귤착즙박이 혼합된 혐기소화액의 산화환원전위는 4.0-4.5 mV 사이를 나타내었다. 가축분뇨 슬러리와 사과착즙박이 혼합된 혐기소화액은 2.4-7.5 mV로 나타났다.

혐기소화액을 폭기처리 전과 종료 시 화학적 성분 변화는 Table 1과 같다. 폭기처리 전 용존산소(DO)는 돈분 혐기소화액(SS AD)과 돈우분 혼합 혐기소화액(SS + CS AD)이 0.15 mg/L로 혐기소화액 중 가장 높았지만 돈우분 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)과 유의성의 차이가 없었다. 폭기처리 후 용존산소는 모든 혐기소화액에서 폭기처리 전보다 증가하였으며, 혐기소화액 중 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD)이 0.50 mg/L로 가장 높았다.

Table 1. The amounts of DO and ORP before and after aeration treatment

Treatments DO (mg/L) ORP (mV)
Before After T-test Before After T-test
SS AD 0.15 ± 0.02a 1) 0.42 ± 0.03b ***2) -505.7 ± 0.2f 2.5 ± 0.3c ***
SS + CS AD 0.15 ± 0.01a 0.32 ± 0.02c *** -450.2 ± 0.4a 2.0 ± 0.4c ***
SS + AP AD 0.07 ± 0.01c 0.50 ± 0.02a *** -498.3 ± 0.3d 7.5 ± 0.2a ***
SS + MP AD 0.07 ± 0.03c 0.32 ± 0.01c *** -501.9 ± 0.2e 4.5 ± 0.5b ***
SS + CS + AP AD 0.11 ± 0.02b 0.32 ± 0.04c ** -473.3 ± 0.2b 2.4 ± 0.3c ***
SS + CS + MP AD 0.12 ± 0.01ab 0.22 ± 0.02d ** -474.4 ± 0.4c 4.0 ± 0.2b ***
1)Values are average of 3 replicates. Letters of row indicate a statistically significant difference between days according to Duncan’s Multiple-Range Test (DMRT) at P ≤ 0.05. Means with the same letter are not significantly different.
2)T-test is the difference between before and after of aeration of anaerobic digestate.
*Significant P ≤ 0.05; **P ≤ 0.01; ***P ≤ 0.001; ns = non-significant.

산화환원전위(ORP)는 폭기처리 전 돈분 혐기소화액(SS AD)이 -505.7 mV로 혐기소화액 중 가장 낮았으며, 돈우분 혼합 혐기소화액(SS + CS AD)이 –450.2 mV로 혐기소화액 중 가장 높았다. 폭기처리 후 모든 혐기소화액에서 폭기처리 전보다 산화환원전위가 증가하여 + 값을 나타내었으며, 혐기소화액 중 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD)이 7.5 mV로 가장 높았다.

혐기소화액의 산화환원전위는 가축분뇨공동자원화센터 및 액비유통 센터 중 150개소에서 생산‧유통되고 있는 액비 샘플 중에 부숙으로 판정된 액비의 산화환원전위는 –117.12 mV이라고 보고하였다(Kim, 2015). 본 시험에서는 산화환원전위가 모든 혐기소화액에서 2.0-7.5 mV가 나타나 부숙으로 판정된 액비의 산화환원전위인 -117.12 mV보다 높았다.

질소전량(T-N) 및 암모늄태 질소(NH4-N), 질산태 질소(NO3-N) 함량 변화

혐기소화액의 액비화를 위한 폭기처리 경과에 따른 질소전량(T-N)의 변화는 Fig. 2 왼쪽과 같다. 폭기처리 기간이 경과함에 따라 모든 혐기소화액에서 질소전량이 낮아졌다. Kim(2014)의 연구에서도 폭기과정을 거치면서 질소전량이 감소하였는데 이는 폭기처리로 인해 질소가 대기 중으로 휘발되어 나타난 것으로 판단하였다(Kim, 2014). 폭기처리 최종일인 54일차에는 돈분 혐기소화액(SS AD)의 질소전량이 0.22%로 가장 높았으며, 돈우분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)과 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD)의 질소전량은 폭기처리 후 0.11%로 가장 낮았다. 공동자원화센터 및 액비유통센터에서 채취한 액비 중 부숙으로 판정된 액비들의 질소전량은 74%가 1,000mg/L (0.1%)이하의 농도에서 집중적으로 분포되었다(Jeon et al., 2012). 이와 달리 54일간 폭기처리된 모든 혐기소화액은 질소전량이 0.1% 이상 이였다.

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Fig. 2.

T-N and amount of Nitrate nitrogen in co-digestates over the time course (0-54 days) of aeration treatment. The symbols represent the different digestates; Swine Slurry (SS), Cow Slurry (CS), Anaerobic Digestate (AD), Apple Pomace (AP) and Mandarin Pomace (MP).

혐기소화액의 폭기처리 기간 동안 암모늄태 질소(NH4-N) 함량의 변화는 폭기처리 기간이 경과될수록 모든 혐기소화액에서 낮아졌다. 돈분 혐기소화액(SS AD)은 폭기처리 전 4,841.8 mg/L에서 폭기처리 후 1,120.8 mg/L로 감소하여 혐기소화액 중 폭기처리 후 암모늄태 질소 함량이 가장 높았으나 돈우분과 감귤착즙박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)은 폭기처리 후 518.4 mg/L로 암모늄태 질소 함량이 가장 낮았다(Byeon et al., unpublished data).

혐기소화액의 액비화를 위한 폭기처리 경과에 따른 질산태 질소(NO3-N) 함량의 변화는 Fig. 2 오른쪽과 같다. 질산태 질소 함량은 폭기 초기 19.5-72.9 mg/L에서 폭기 이후 31.1-112.1 mg/L로 증가하는 경향을 나타냈다. Han(2009)의 연구에 의하면 돈분뇨 슬러리 폭기처리구의 질산태 질소가 13주차 이후 큰 폭으로 증가하는 경향을 보였다(Han, 2009). 폭기처리 54일차에 돈분 혐기소화액(SS AD)이 112.1 mg/L으로 혐기소화액 중 질산태 질소 함량이 가장 높았으며, 돈우분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)은 31.1 mg/L로 혐기소화액 중 질산태 질소 함량이 가장 낮았다.

폭기 전 후 생화학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD) 변화

폭기 전 후 생화학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD) 함량은 Table 2와 같다. 폭기처리 전보다 폭기처리 후 모든 혐기소화액에서 BOD5와 CODMn가 낮아졌다. Kim(2016)의 연구결과 혐기소화액을 저·고속으로 폭기처리하였을 때 저속폭기, 고속폭기 모두 폭기처리가 진행될수록 BOD5와 CODCr가 감소하였으며(Kim 2016), Jeong(2014)의 연구결과에서도 축산분뇨를 고액분리한 유입수를 2번에 걸쳐 폭기처리한 발효액비는 폭기처리를 하지 않은 유입수보다 BOD5와 CODMn가 낮았다(Jeong, 2014).

Table 2. The amounts of BOD5 and CODMn before and after aeration treatment

Treatments BOD5 CODMn
Before
(mg/kg)
After
(mg/kg)
T-test Decomposition
rate (%)
Before
(mg/kg)
After
(mg/kg)
T-test Decomposition
rate (%)
SS AD 10,850 ± 9.0a 1) 8,540 ± 12.0a ***2) 21.29 ± 0.18e 13,200 ± 20.0a 11,540 ± 10.0a *** 12.28 ± 0.06d
SS + CS AD 9,910 ± 10.0b 8,340 ± 27.0b *** 15.84 ± 0.19f 7,240 ± 40.0f 6,350 ± 30.0f *** 12.29 ± 0.07d
SS + AP AD 8,540 ± 12.0e 4,380 ± 11.0e *** 48.71 ± 0.06c 8,020 ± 20.0e 6,680 ± 20.0e *** 16.71 ± 0.46b
SS + MP AD 9,380 ± 13.0c 4,220 ± 20.0f *** 55.01 ± 0.15a 8,320 ± 30.0d 7,740 ± 40.0b *** 6.97 ± 0.15e
SS + CS + AP AD 9,380 ± 10.0c 4,670 ± 12.0d *** 50.21 ± 008b 13,020 ± 30.0b 7,500 ± 30.0c *** 42.40 ± 0.37a
SS + CS + MP AD 8,600 ± 20.0d 6,360 ± 17.0c *** 26.05 ± 0.03d 8,600 ± 10.0c 7,360 ± 20.0d *** 14.42 ± 0.13c
1)Values are average of 3 replicates. Letters of row indicate a statistically significant difference between days according to Duncan’s Multiple-Range Test (DMRT) at P ≤ 0.05. Means with the same letter are not significantly different.
2)T-test is the difference between before and after of aeration of anaerobic digestate.
*Significant P ≤ 0.05; **P ≤ 0.01; ***P ≤ 0.001; ns = non-significant.

혐기소화액 중 생화학적 산소요구량(BOD)의 분해율은 돈분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + MP AD)이 55.01%로 가장 높았으며, 돈우분 혼합 혐기소화액(SS + CS AD)이 15.84%로 가장 낮았다. 그러나 Lee(2012)의 연구에서는 고액분리과정을 거친 양돈분뇨 유입수를 혐기소화조에서 반응시킨 후 호기소화조로 이송되어 2차 반응시켰을 때 BOD5는 90%이상의 제거율를 보여(Lee, 2012) 본 시험 결과보다 분해율이 높았다. 따라서 향후 이 결과에 대한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다. 화학적 산소요구량(COD)의 분해율의 경우는 돈우분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + CS + AP AD)이 42.40%로 가장 높았으며, 돈분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + MP AD)이 6.97%로 가장 낮았다. Kim et al. (2015)의 연구에 의하면 혐기소화액을 폭기처리을 하였을 때 폭기처리 7일에 CODcr의 제거율이 약 16.82%로 낮게 나타났는데 이는 혐기소화조에서 이분해성 물질 및 탄소성분이 상당부분 분해되어 안정화되었기 때문이라고 보고하였다(Kim et al., 2015).

종합적으로 COD의 분해율은 돈분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + MP AD)이 가장 낮았으나 대부분의 과실박 혼합 혐기소화액이 가축분뇨 단독 및 혼합 혐기소화액보다 COD의 분해율이 높았으며, BOD의 분해율은 과실박이 혼합된 모든 혐기소화액에서 가장 높았다.

폭기처리 전 후 BOD5/T-N, CODMn/T-N 변화

폭기처리 전 후 BOD5와 CODMn의 값을 이용하여 BOD5/T-N, CODMn/T-N을 환산하였을 때의 결과는 Table 3와 같다. 폭기처리 전 돈우분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + CS + AP AD)에서 2.35로 혐기소화액 중 BOD5/T-N이 가장 높았다. 폭기처리 후 돈분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + MP AD)을 제외한 모든 혐기소화액에서 폭기처리 전보다 BOD5/T-N이 높아졌으며, 폭기처리 후 돈우분 혼합 혐기소화액(SS + CS AD)이 5.98로 가장 높았다. 그러나 돈우분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)과는 유의성의 차이가 없었다.

Table 3. BOD5/T-N and CODMn/T-N before and after aeration treatment

Treatments BOD5/T-N CODMn/T-N
Before After T-test Before After T-test
SS AD 1.94 ± 0.11bc 1) 3.90 ± 0.35b ***2) 2.36 ± 0.13b 5.25 ± 0.48abc ***
SS + CS AD 2.02 ± 0.09b 5.98 ± 0.45a *** 1.48 ± 0.07d 4.55 ± 0.35c ***
SS + AP AD 1.86 ± 0.13bc 4.07 ± 0.74b ** 1.75 ± 0.12c 6.21 ± 1.17ab *
SS + MP AD 1.68 ± 0.03d 2.70 ± 0.50c ns 1.49 ± 0.03d 4.95 ± 0.92bc *
SS + CS + AP AD 2.35 ± 0.12a 3.97 ± 0.68b * 3.26 ± 0.16a 6.37 ± 1.10ab *
SS + CS + MP AD 1.83 ± 0.04cd 5.81 ± 0.52a ** 1.83 ± 0.04c 6.73 ± 0.60a **
1)Values are average of 3 replicates. Letters of row indicate a statistically significant difference between days according to Duncan’s Multiple-Range Test (DMRT) at P ≤ 0.05. Means with the same letter are not significantly different.
2)T-test is the difference between before and after of aeration of anaerobic digestate.
*Significant P ≤ 0.05; **P ≤ 0.01; ***P ≤ 0.001; ns = non-significant.

CODMn/T-N도 폭기처리 전 돈우분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + CS + AP AD)이 3.26으로 혐기소화액 중 가장 높았다. 폭기처리 후 모든 혐기소화액에서 폭기처리 전보다 CODMn/T-N가 높아졌으며, 돈우분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)이 6.73으로 가장 높았다. 그러나 돈분 혐기소화액(SS AD), 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD), 돈우분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + CS + AP AD)과 유의성의 차이가 없었다.

폭기 전 후 비료 성분 변화

본 시험에서 생산된 액비가 비료공정규격에 적합한지를 알아보기 위해 질소전량(T-N), 인산전량(T-P), 칼륨전량(T-K)을 분석하였다. 혐기소화액별 폭기처리 전 후 질소전량(T-N), 인산전량(T-P), 칼륨전량(T-K)을 비교해보면 Table 4와 같다.

Table 4. T-N, T-P, and T-K before and after aeration treatment

Treatments T-N (%) T-P (%) T-K(%) N + P + K(%)
Before After T-test Before After T-test Before After T-test Before After T-test
SS AD 0.56 ±
0.03a 1)
0.22 ±
0.02a
***2) 0.066 ±
0.004a
0.110 ±
0.001a
*** 0.38 ±
0.02a
0.41 ±
0.01a
ns 1.01 ±
0.06a
0.74 ±
0.03a
**
SS + CS AD 0.49 ±
0.02b
0.14 ±
0.01bc
*** 0.048 ±
0.003b
0.050 ±
0.001c
ns 0.32 ±
0.04b
0.36 ±
0.03b
ns 0.86 ±
0.06b
0.55 ±
0.04b
**
SS + AP AD 0.46 ±
0.03b
0.11 ±
0.02c
*** 0.053 ±
0.003b
0.064 ±
0.004b
* 0.33 ±
0.03b
0.37 ±
0.02b
ns 0.84 ±
0.01b
0.54 ±
0.05b
**
SS + MP AD 0.56 ±
0.01a
0.16 ±
0.03b
*** 0.060 ±
0.005a
0.029 ±
0.002e
*** 0.33 ±
0.01b
0.35 ±
0.01b
ns 0.95 ±
0.03a
0.54 ±
0.04b
***
SS + CS + AP AD 0.40 ±
0.02c
0.12 ±
0.02c
*** 0.036 ±
0.002c
0.049 ±
0.002c
** 0.29 ±
0.02b
0.31 ±
0.03c
ns 0.73 ±
0.05c
0.48 ±
0.05bc
**
SS + CS + MP AD 0.47 ±
0.01b
0.11 ±
0.01c
*** 0.037 ±
0.003c
0.034 ±
0.001d
ns 0.30 ±
0.02b
0.30 ±
0.01c
ns 0.81 ±
0.04b
0.44 ±
0.03c
***
1)Values are average of 3 replicates. Letters of row indicate a statistically significant difference between days according to Duncan’s Multiple-Range Test (DMRT) at P ≤ 0.05. Means with the same letter are not significantly different.
2)T-test is the difference between before and after of aeration of anaerobic digestate.
*Significant P ≤ 0.05; **P ≤ 0.01; ***P ≤ 0.001; ns = non-significant.

모든 혐기소화액은 폭기처리 전보다 폭기처리 후 질소전량이 감소하였다. Kim(2016)의 연구에서도 혐기소화액을 저·고속으로 폭기처리하였을 때 저속폭기, 고속폭기 모두 폭기처리 후 질소전량이 감소하였다(Kim, 2016). 폭기처리 후 돈분 혐기소화액(SS AD)의 경우 질소전량은 0.22%로 혐기소화액 중 가장 높게 나타났으며, 이를 제외한 혐기소화액은 0.20%이하로 나타났다. 즉, 돈분 혐기소화액(SS AD)의 질소전량이 과실착즙박 혼합 혐기소화액의 질소전량인 0.11-0.16% 보다 1.3-2배 높았다.

인산전량은 대부분 고형물에 존재하는 특성에 따라 큰 차이를 확인할 수 있다고 한다(Han et al., 2015). 돈우분 혼합 혐기소화액(SS + CS AD), 돈우분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)은 폭기처리 전 후 큰 차이가 없었다. 그러나 돈분 혐기소화액(SS AD), 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD), 돈우분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + CS + AP AD)에서 폭기처리 후 증가하였고 돈분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + MP AD)에서는 폭기처리 후 감소하였다. 돈분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + MP AD)과 같이 Han et al.(2015)의 연구에서도 혐기소화액 고액분리 전 3.5 L/min로 폭기할 경우 T-P가 감소하였는데 이는 초기에 스컴 발생으로 인해 나타난 것이라고 하였다(Han et al., 2015). 폭기처리 후 돈분 혐기소화액(SS AD)이 0.11%로 혐기소화액 중 인산전량이 가장 높았으며, 돈분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + MP AD)이 0.029%로 혐기소화액 중 가장 낮았다.

칼륨전량은 모든 혐기소화액이 폭기처리 전과 후 큰 차이가 나타나지 않았다. 칼륨전량은 폭기처리로 인해 변화되지 않는 것으로 사료된다.

혐기소화액에 관한 비료공정규격이 설정되어 있지 않아 농촌진흥청 고시 제 2019-38호 [별표 3] 비료 공정규격 설정 및 지정에 고시된 가축분뇨 발효액 비료공정규격을 기준으로 평가하였다. 가축분뇨 발효액 비료공정규격의 기준치를 보면 질산전량, 인산전량, 칼리전량 합계가 0.3% 이상이여야 하는데 Table 4와 같이 혐기소화액의 폭기처리와 관계없이 모두 합계 0.3% 이상이 나타나 가축분뇨발효액의 공정규격 기준치에 적합하였다.

요 약

본 시험은 혐기소화액을 액비화 하였을 때 화학적 성분 변화를 비교하였다. 처리구는 돈분 혐기소화액(SS AD), 돈우분 혼합 혐기소화액(SS + CS AD), 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD), 돈분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + MP AD), 돈우분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + CS + AP AD), 돈우분과 감귤박 혼합 혐기소화액(SS + CS + MP AD)으로 총 6개의 처리구이다. 폭기처리는 연속폭기를 실시하였으며, 공기는 0.1 m3 air/m3·min을 주입하였다.

혐기소화 처리 후 생산된 혐기소화액을 폭기처리 전과 후를 비교했을 때 용존산소(DO) 함량은 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD)이 폭기처리 후 0.50 mg/L로 혐기소화액 중 가장 많이 증가하였다. 산화환원전위(ORP)는 모든 혐기소화액이 폭기처리 후 약 2.0-7.5 mV로 증가하였으며, 혐기소화액 중 돈분과 사과박 혼합 혐기소화액(SS + AP AD)은 7.5 mV로 가장 높은 산화환원전위를 나타내었다.

생화학적 산소요구량(BOD)와 화학적 산소요구량(COD)는 모든 혐기소화액에서 폭기처리 후 감소하였으나 BOD5/T-N와 CODMn/T-N는 폭기처리 후 모두 증가 하였다.

혐기소화액에 관한 비료공정규격이 설정되어 있지 않아 가축분뇨발효액의 공정규격의 기준치에 적합 여부를 볼 때 질소전량과 인산전량, 칼리전량의 합이 0.3% 이상이여야 하는데 모든 혐기소화액이 폭기처리와 관계없이 0.3% 이상이었다.

혐기소화액이 비료공정규격의 기준치에 적합하지만 산화환원전위가 부숙된 액비의 평균 산화환원전위보다 매우 낮아 높여줄 필요가 있다. 혐기소화액을 폭기처리한 후 비료공정규격의 기준치에 적합할 뿐만 아니라 산화환원전위가 +값으로 증가하였으므로 폭기처리 후 액비를 시용하는 것이 바람직할 것으로 보인다.

Acknowledgements

사 사

본 연구는 농촌진흥청 연구과제인 가축분뇨와 농업분야 재활용 자원을 이용한 통합혐기소화 및 혐기소화액 처리기술 개발(PJ012851022019) 과제에 의해 이루어졌으며, 이에 감사드립니다.

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