KR101347218B1 - 지하매설 돈사를 이용한 에너지 중립 하우스 식물재배 시스템 - Google Patents

지하매설 돈사를 이용한 에너지 중립 하우스 식물재배 시스템 Download PDF

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Abstract

지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템이 제공된다. 식물재배 시스템은 식물을 재배하기 위하여 지상에 설치된 하우스, 하우스의 하부 지하에 매립되어 가축을 사육하도록 건축된 축사, 가축에서 배출되는 가축의 분뇨를 수집하기 위한 가축분뇨 저장조, 가축분뇨 저장조에 수집된 가축의 분뇨를 이용하여 바이오가스를 생산하기 위한 혐기발효 장치, 혐기발효 장치로부터 생성된 바이오가스를 포집하여 저장하기 위한 가스저장 장치, 가스저장 장치에 저장된 바이오가스에 함유된 메탄(CH4) 및 이산화탄소를 분리하는 가스분리 장치 및 가스분리 장치로부터 분리된 이산화탄소를 여과하여 하우스에 공급하기 위한 이산화탄소 저장조를 구비한다.

Description

지하매설 돈사를 이용한 에너지 중립 하우스 식물재배 시스템 {Energy neutral system for a greenhouse integrated with an underground swine house}
본 발명은 하우스 식물재배 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 지하1층에 건축된 축사의 상부에 지상 하우스를 건축하여 식물을 재배함으로써 축사로부터 배출되는 이산화탄소를 식물의 광합성을 제고(提高)하기 위하여 공급하고, 가축으로부터 발생한 분뇨를 자중에 의하여 지하2층으로 낙하시켜 바이오가스를 생산할 수 있는 혐기발효조를 매설하여 지상에 하우스 식물재배 시스템, 지하1층 돈사 및 지하2층 혐기발효조(바이오가스 생성)에 관한 융복합시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 돈사는 충분히 넓은 공간을 확보할 수 있고, 주거지와 충분히 이격한 장소에 위치한다. 돈사는 돼지의 사육과정에서 돈분, 돈뇨 및 청소용 오수가 혼합된 폐수를 발생시키고, 양돈업이 대형화됨에 따라 악취의 발산, 오염물질의 배출이 증가하고 있는 실정이다. 이러한 오염물질은 하천, 지하수 및 생태계의 오염 등 환경파괴의 주요인으로 작용하기 때문에 도시지역 근교는 물론이고 농촌 지역에서도 돈사의 신축 및 확장에 대해 부정적인 주민들이 많아 이미 마을이 형성된 곳에는 주민들의 민원으로 인해 돈사의 신축이 어려워지고 있다.
이러한 종래 기술에 따른 돈사시설에 대한 기술의 일례가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 종래 기술에 따른 돈사를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 돈사의 측단면도를 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 돈사는 작업통로(1-1)를 사이에 두고 복수의 돈방(1-2)이 작업통로(1-1)의 길이 방향을 따라 배치된다. 작업통로(1-1)의 좌우에 오수로(1-3)가 설치되어 있고, 돈방(1-2)은 수직철봉(鐵棒)(1-4)에 의해 구획된다. 사조(飼槽)(1-5)는 돈방(1-2)의 입구면에 연결되어 있다.
작업통로(1-1) 좌우 돈방(1-2)의 지하에 소정의 폭과 길이를 갖는 폐수저장조(1-7)가 설치되어 있다. 폐수저장조(1-7)는 돈방(1-2)의 다공(多孔) 바닥체를 통하여 폐수저장조(1-7)로 낙하하며, 저장된 돈분뇨 등의 폐수는 소정 기간이 지난 후에 처리시설에 의해서 처리된다. 그러나, 이러한 돈사는 폐수저장탱크에 저장된 분뇨의 부패과정에서 나오는 악취와 병균으로 인해 돼지 및 주변 사람들에게 유해한 환경을 제공한다.
또한, 관행 돈사는 지상에 건축되어 있기 때문에 외부 온도편차가 큰 환경에서 가축의 주거환경을 열악하게 하고, 이러한 주거환경을 개선하기 위해 냉난방 장치의 시설을 갖추는 경우에는 별도의 시설비 및 장치의 가동으로 인해 에너지 소비가 증가한다는 단점을 갖는다. 또한 지상의 돈사악취가 주변 정주(定住) 마을로 쉽게 확산되어 민원의 대상이 되고 있기도 한다.
본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 지하1층에 매설된 축사로부터 발생하는 분뇨를 지하2층의 혐기발효 장치에서 혐기발효조를 통하여 생성된 바이오가스 중에 함유되어 있는 이산화탄소를 축사의 상부에 건축된 지상의 식물재배 하우스에 공급하여 작물의 광합성을 촉진함으로써 식물의 생육을 활성화할 수 있는 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 축사 내부의 온도 및 습도를 일정하게 유지하도록 축사를 지하에 매설함으로써 가축의 주거환경을 향상시킬 수 있고, 지상 공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 악취의 발생을 원천적으로 차단함으로써 주거지와의 접근성을 향상시킬 수 있는 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 가축 분뇨를 이용하여 혐기발효조에서 생성된 바이오가스를 에너지화함으로써 환경오염 및 지구 온난화 방지에 기여할 수 있는 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템에 의하면, 식물을 재배하기 위하여 지상에 설치된 하우스, 그 아래 지하에 매립되어 가축을 사육하도록 건축된 축사, 그 아래 가축의 분뇨를 수집하기 위한 가축분뇨 저장조, 수집된 가축 분뇨를 이용하여 바이오가스를 생산하기 위한 혐기발효장치, 그 장치로부터 생성된 바이오가스를 포집하여 저장하기 위한 가스저장 장치, 그 장치에 저장된 바이오가스에 함유된 메탄(CH4) 및 이산화탄소를 분리하는 가스분리 장치 및 그 장치로부터 분리된 이산화탄소를 정제하여 하우스에 공급하기 위한 이산화탄소 저장조를 구비한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템에 의하면, 가스분리 장치는 바이오가스에 포함되거나 축사에 포함된 악취를 제거하기 위한 악취저감 장치에 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템에 의하면, 가스분리 장치는 메탄(CH4)을 이용한 재생에너지를 하우스에 공급하기 위한 열병합 장치에 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예(例)에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템에 의하면, 혐기발효 장치는 가축 분뇨를 가수분해 및 산발효를 위한 산발효조에 연결되어 단당류 유기물을 발효하여 탄산가스와 메탄가스로 분해하는 혐기발효조 및 발효여액을 저장하기 위한 여액조를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템에 의하면, 가스저장 장치는 혐기발효 장치로부터 생성된 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하기 위한 탈황조를 구비하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템에 의하면, 지하1층에 매설된 축사로부터 발생하는 분뇨를 지하2층의 혐기발효조에서 생성된 바이오가스 중에 함유되어 있는 이산화탄소를 축사의 상부에 건축된 지상의 식물재배 하우스에 공급하여 식물의 광합성을 촉진할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템에 의하면, 축사 내부 온도 및 습도를 상대적으로 일정하게 유지하도록 축사를 지하에 매설함으로써 가축의 주거환경을 향상시킬 수 있고, 지상공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 악취의 발생을 원천적으로 차단되며, 설사 발생한다하더라도 정주민들에게 직접적으로 노출되지 않게함으로써 주거지와의 접근성 및 친환경성을 향상시킬 수 있다는 효과도 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템에 의하면, 가축 분뇨를 이용하여 혐기발효조에서 생성된 바이오가스를 에너지화함으로써 환경오염 및 지구 온난화의 방지에 기여할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 종래기술에 따른 돈사를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 돈사의 측단면도를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템을 개략적으로 나타낸 원천개념 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하우스 식물재배 시스템을 설명하기 위한 공정도이다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 식물재배 시스템의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 지하매설 돈사를 이용한 에너지중립 하우스 식물재배 시스템을 개략적으로 나타낸 원천개념 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하우스 식물재배 시스템을 설명하기 위한 공정도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 식물재배 시스템은 지상에 하우스(11) 및 하우스(11)의 하부 지하에서 가축을 사육하도록 설치된 축사(13)를 구비한다. 하우스(11)는 모든 종류의 식물을 재배할 수 있다. 하우스(11)는 유리, 비닐하우스 또는 식물공장 형태로 설치될 수 있지만 축사(13)로부터 이산화탄소를 공급받아 식물을 재배할 수 있는 어떠한 구조로도 가능함은 물론이다.
축사(13)는 가축, 예를 들어, 돼지, 닭 등의 중소가축을 키울 수 있는 공간을 지칭하는 것이지만, 본 발명의 실시 예에서 축사(13)는 돼지를 키울 수 있는 돈사인 것으로 설명한다. 돈사(13)는 지하에 매설됨으로써 겨울과 여름의 평균 기온차가 무려 30℃에 이르는 우리나라에서 외부환경의 영향을 저감시키고, 외부 매개체에 의한 병원균의 유입을 사전에 차단할 수 있다.
축사(13)는 돼지를 수용하기 위한 복수(複數)의 돈방으로 구획되어 있고, 구획된 공간의 하부에는 돼지로부터 배출되는 분뇨, 세척수 또는 기타 이물질을 포함하는 폐수를 배출하기 위한 배출 유로(流路)가 설치되어 있다. 이 경우, 축사(13)는 지하에 매설되어 있어 외부공기를 공급할 수 있는 공기공급 장치(도시하지 않음)를 구비하는 것이 바람직하다.
'지하돈사의 환기 및 악취제어 시스템'은 본 원천특허 출원과는 별도로 출원한다. 그럼에도 불구하고 개략적으로 환기시스템을 서술하면 다음과 같다. 공기공급 장치는 외부공기를 축사(13)의 지하복도에서 공조(空調)된 공기를 돈사의 양측벽 입기구를 통하여 입기하며, 중앙복도 위 중천장에 설치된 덕트를 통하여 배기(排氣)된다. 악취를 포함한 배출공기는 악취저감 장치(19)로 연결되어 악취가 제거된 채 토양여과층을 거쳐 지상으로 토출(吐出)된다.
한편, 축사(13)로부터 배출되는 돈슬러리는 배출유로를 따라 연결된 가축분뇨 저장조(15)에 저장된다. 가축분뇨 저장조(15)는 축사(13)의 하부에 위치함으로써 돈방의 각각으로부터 배출되는 돈슬러리를 저장할 수 있다. 이 경우, 돈슬러리는 기본적으로 자중 또는 별도의 이송장치에 의해 가축분뇨 저장조(15)로 배출될 수 있다. 가축분뇨 저장조(15)에 저장된 폐수는 가축분뇨 저장조(15)에 연결된 혐기발효 장치(17)에 공급된다. 혐기발효 장치(17)는 혐기 미생물을 이용하여 가축분뇨 저장조(15)로부터 수집된 축산폐수, 즉 돈슬러리를 처리한다.
혐기발효 장치(17)는 여러 단계의 복잡한 생물학적 반응을 이용한 혐기성발효 공정 의해 돈분뇨로부터 바이오가스를 생성한다. 혐기성발효 공정는 가수분해반응, 산생성반응 및 메탄생성반응을 포함할 수 있다. 이 경우, 바이오가스는 하·폐수슬러지, 음식물 쓰레기 및 가축분뇨 등의 유기물이 미생물에 의해 발효되는 과정에서 생성되는 다종(多種)의 가스를 말한다. 바이오가스는 50∼70% 범위의 메탄(CH4) 및 20∼40% 범위의 이산화탄소(CO2)를 포함할 수 있다.
혐기발효 장치(17)는 산발효조(19), 혐기발효조(21) 및 여액조(23)를 구비한다. 이 경우, 산발효조(19)는 가축분뇨 저장조(15)에서 공급된 가축 분뇨를 가수분해 및 산발효에 의해 액화시킨다. 산발효조(19)에서 약 2∼7일 정도의 체류시간을 가지며 고분자 화합물이 가수분해 및 산발효되면서 저분자 화합물화 (액화)되는 것이 바람직하다.
혐기발효조(21)는 산발효조(19)에 연결되어 저분자(monomer) 유기물을 발효하여 탄산가스와 메탄가스로 분해한다. 여액조(23)는 혐기발효조(21)로부터 생성된 발효여액을 저장한다. 여액조(23)의 발효여액은 액비로서 작물의 비료의 농경지에 환원할 수 있다. 혐기발효조(21) 및 여액조(23)는 그 세부구성 및 기작(機作)이 당업자에게 잘 알려져 있어 이에 대한 자세한 설명을 생략한다.
혐기발효 장치(17)로부터 생성된 바이오가스는 가스 저장 장치(25)에 포집된다. 바이오가스는 메탄 및 이산화탄소 외에 일산화탄소, 산소, 황화수소, 질소 및 수소 등을 포함할 수 있다. 특히 황계열 가스(황화수소)는 배관을 부식시키는 원인이 되고, 전기 및 열에너지 이용시 열병합 발전기의 엔진 손상의 원인이 되기도 한다. 그러므로 황화수소를 제거하기 위한 탈황조(25a)를 구비하여야 한다. 이 경우, 탈황공정은 황화수소(H2S)의 황(S)을 물(H2O)에 통과시키면 산화되어 황산화물 (SO4 2-)로 침전되므로 탈황을 위하여 살수(撒水)할 수 있다.
가스저장 장치(25)는 바이오가스 중에서 이산화탄소 및 메탄을 분리하기 위한 가스분리 장치(27)에 연결된다. 가스분리 장치(27)는 악취저감 장치(29), 이산화탄소 저장조(31) 및 열병합 장치(33)와 연결된다. 악취저감 장치(29)는 동시에 가스분리 장치(27) 및 축사(11)에 연결되어 가스분리 장치(27) 및 축사(11)에서 배출되는 악취를 제거할 수 있다. 가스분리 장치(27)는 메탄과 이산화탄소를 분리, 채집하나 그 이외의 가스는 축사에 포함된 악취를 제거하기 위한 악취저감 장치(29)에 연결된다.
이산화탄소 저장조(31)는 가스분리 장치(27)에서 이산화탄소를 저장하고, 광합성에 사용하기 위해 배관 등을 이용하여 이산화탄소를 하우스(11)로 공급한다. 이 경우, 가스분리 장치(27)는 여과장치, 예를 들어 폴리비닐아민 (PVA: poly-vinylamine) 또는 폴리설폰(polysulfone) 등으로 주조되어 형성된 이산화탄소 분리 멤브레인을 사용하여 이산화탄소를 분리할 수 있다.
열병합 장치(33)는 가스분리 장치(27)로부터 공급된 메탄을 이용하여 열 및 전기를 생산함으로써 하우스(11)나 축사(13)의 온도를 일정하게 유지하거나 하우스(11)나 축사(13) 내부의 밝기를 조절하기 위한 에너지원으로 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 식물재배 시스템은 지하1층에 건축된 축사로부터 발생하는 분뇨를 지하2층의 혐기발효조에서 생성된 바이오가스 중에 함유되어 있는 이산화탄소를 축사의 상부에 건축된 지상의 식물재배 하우스에 공급하여 작물의 광합성 촉진함으로써 식물의 생육을 활성화할 수 있다. 또한, 본 발명의 식물재배 시스템은 축사를 지하에 매설함으로써 지상 공간을 효율적으로 활용하고, 악취를 제거함으로써 주거지와의 접근성을 향상시킬 수 있으며, 혐기발효조에서 생성된 바이오가스를 에너지화하여 식물재배를 위한 하우스에 제공할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경가능한 것은 물론이다.
11: 하우스 13: 축사
15: 가축분뇨 저장조 17: 혐기발효 장치
19: 산발효조 21: 혐기발효조
23: 여액조 25: 가스저장 장치
25a: 탈황조 27: 가스분리 장치
29: 악취저감 장치 31: 이산화탄소 저장조
33: 열병합 장치

Claims (5)

  1. 식물을 재배하기 위하여 지상에 설치된 하우스;
    상기 하우스의 하부 지하에 매립되어 가축을 사육하도록 건축된 축사;
    상기 축사의 가축에서 배출되는 가축의 분뇨를 수집하기 위한 가축분뇨 저장조;
    상기 가축분뇨 저장조에 수집된 가축의 분뇨를 이용하여 바이오가스를 생산하기 위한 혐기발효 장치;
    상기 혐기발효 장치로부터 생성된 바이오가스를 포집하여 저장하기 위한 가스 저장장치;
    상기 가스저장 장치에 저장된 바이오가스에 함유된 메탄(CH4) 및 이산화탄소를 분리하는 가스분리 장치; 및
    상기 가스분리 장치로부터 분리된 이산화탄소를 여과하여 상기 하우스에 공급하기 위한 이산화탄소 저장조를 구비하는 하우스 식물재배 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스분리 장치는 바이오가스에 포함되거나 축사에 포함된 악취를 제거하기 위한 악취저감 장치에 연결된 것을 특징으로 하는 하우스 식물재배 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스분리 장치는 메탄(CH4)을 이용한 재생에너지를 상기 하우스에 공급하기 위한 열병합 장치에 연결된 것을 특징으로 하는 하우스 식물재배 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혐기발효 장치는
    가축 분뇨를 가수분해 및 산발효시켜 액화시키기 위한 산발효조;
    상기 산발효조에 연결되어 고분자 유기물을 발효하여 탄산가스와 메탄가스로 분해하는 혐기발효조; 및
    상기 혐기발효조로부터 생성된 발효 여액을 저장하기 위한 여액조를 구비하는 것을 특징으로 하는 하우스 식물재배 시스템.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 가스 저장장치는
    상기 혐기발효 장치로부터 생성된 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하기 위한 탈황조를 구비하는 것을 특징으로 하는 하우스 식물재배 시스템.
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