KR20200011044A - 소금을 포함하는 물질을 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 시스템, 해수 담수화 장치를 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템, 및 이를 이용한 가축분뇨의 온실가스 발생량 저감 방법 - Google Patents

소금을 포함하는 물질을 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 시스템, 해수 담수화 장치를 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템, 및 이를 이용한 가축분뇨의 온실가스 발생량 저감 방법 Download PDF

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Abstract

온실가스 발생량 저감 방법이 제공된다. 온실가스 발생량 저감 방법은 축사에서 발생하는 가축분뇨를 저장조에 공급하고, 상기 저장조에 소금, 소금을 포함하는 고체, 및 소금을 포함하는 액체로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 소금을 포함하는 물질을 공급하고, 상기 가축분뇨와 상기 소금을 포함하는 물질을 혼합하여 가축분뇨 혼합 슬러리를 형성하는 것을 포함한다.

Description

소금을 포함하는 물질을 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 시스템, 해수 담수화 장치를 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템, 및 이를 이용한 가축분뇨의 온실가스 발생량 저감 방법{LIVESTOCK MANURE STORAGE SYSTEM USING SALT-INCLUDING MATERIAL TO REDUCE GREEN HOUSE GAS GENERATION FROM MANURE, LIVESTOCK MANURE STORAGE HYBRID SYSTEM USING SEAWATER DESALINATION APPRATUS TO REDUCE GREEN HOUSE GAS GENERATION FROM MANURE, AND METHOD FOR REDUCING GREEN HOUSE GAS GENERATION FROM MANURE}
온실 가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 시스템 및 이를 이용한 가축분뇨의 온실가스 발생량 저감 방법에 관한 것으로, 구체적으로 소금을 포함하는 물질을 이용한 온실 가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 시스템 및 가축분뇨의 온실가스 발생량 저감 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 축산업에서 배출되는 온실가스 배출량은 전체 산업 분야에서 약 15.5%를 차지하며, 이는 발전 시설 배출량인 30% 다음으로 높은 비율을 차지하고 있다. 또한 가축분뇨 저장 및 처리 과정에서 배출되는 온실가스의 양이 축산업에서 배출되는 양의 50%를 차지하고 있어, 가축분뇨 유래 온실가스의 저감 기술의 필요성이 높아지고 있다.
가축분뇨로부터 배출되는 온실가스는 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 아산화질소(N2O)가 있으며, 이 중 메탄(CH4)의 배출량은 이산화탄소 다음으로, 지구온난화에 대한 기여도가 높은 가스인 것으로 알려져 있다. 가축분뇨로부터 배출되는 메탄(CH4)은 가축분뇨 내 서식하고 있는 고세균의 활동으로 배출된다.
고세균은 가축분뇨가 축사 내부 또는 외부에 저장되는 동안 공기 중의 산소가 침투될 수 없는 절대 혐기 조건에서 주로 서식하고 pH, 온도 등과 같은 환경의 변화에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
이러한 미생물의 특징을 이용하여 가축분뇨가 저장되는 동안 배출되는 메탄(CH4) 배출량을 줄이기 위해 가축분뇨를 산성화 하는 기술이 주를 이루고 있다.
가축분뇨의 산성화는 메탄을 생성하는 고세균이 성장 및 활동을 할 수 있는 서식 환경의 pH를 낮춰 가축분뇨로부터 배출되는 메탄을 억제할 수 있는 기술이지만, 덴마크에서 상용화되고 있는 기술의 주요 목적은 양질의 퇴비화를 위해 가축분뇨로부터 암모니아(NH3)가 배출되는 것을 막기 위한 기술이다.
또한, 주로 사용하고 있는 pH 조절제는 가격이 가격이 저렴한 황산을 이용하고 있으나, 황산은 인체 유해물질로서 사용 및 관리에 위험성이 있으며, 황산을 산 첨가제로 이용하게 되면 황화수소(H2S), 메틸메르캅탄((CH3)SH) 등의 배출 야기를 통한 다양한 환경오염을 일으키는 가스가 발생하는 문제점이 일어날 수 있다.
가축분뇨로부터 발생되는 온실가스의 발생량을 저감시킬 수 있는 가축분뇨 저장 시스템을 제공하고자 한다.
가축분뇨로부터 발생되는 온실가스의 발생량을 저감시키는 방법을 제공하고자 한다.
실시예들이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예들에 따른 가축분뇨의 온실가스 발생량 저감 방법은 축사에서 발생하는 가축분뇨를 저장조에 공급하고, 상기 저장조에 소금, 소금을 포함하는 고체, 및 소금을 포함하는 액체로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 소금을 포함하는 물질을 공급하고, 상기 가축분뇨와 상기 소금을 포함하는 물질을 혼합하여 가축분뇨 혼합 슬러리를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 가축분뇨 저장 시스템은 가축분뇨 혼합 슬러리 형성용 프로세싱 탱크 및 프로세싱 탱크로부터 가축분뇨 혼합 슬러리를 공급받는 저장조를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템은 해수를 공급받아 담수와 브라인 폐수를 생성하는 해수 담수화 장치 및 상기 해수 담수화 장치로부터 유출되는 상기 브라인 폐수와 축사로부터 공급되는 가축 분뇨가 혼합되어 가축분뇨 혼합 슬러리 형태로 저장되는 저장조를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 가축분뇨의 온실가스 발생량 저감 방법 및 가축분뇨 저장 시스템에 따르면 위험물질을 사용하지 않고 유해한 부산물을 생성하지 않으면서 친환경적인 방법으로 온실가스 발생량을 효과적으로 감축시킬 수 있다.
실시예들에 따른 가축분뇨의 온실가스 발생량 저감 방법 및 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템에 따르면 해수 담수화 장치에서 발생하는 소금(Na+) 함량이 높은 브라인 폐수(brine wastewater)를 재활용함으로써 온실가스 발생량 감소 효율을 향상시킬 수 있으며, 친환경적이고 경제적으로 시스템을 유지할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 소금을 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 시스템의 개략도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 소금을 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 시스템의 개략도이다.
도 3은 제3 실시예에 따른 브라인 폐수를 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템의 개략도이다.
도 4는 제4 실시예에 따른 브라인 폐수를 이용한 온실가스 발생이 저감된 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템의 개략도이다.
도 5는 소금 사용량을 달리하면서 시간 경과에 따라 측정한 Non-CO2 온실가스 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 브라인 폐수(brine wastewater) 사용량을 달리하면서 시간 경과에 따라 측정한 Non-CO2 온실가스 발생량을 나타낸 그래프이다.
이하, 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 실시예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구체적인 예로만 한정되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 가축분뇨 저장 시스템(1)의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 가축분뇨 저장 시스템(1)은 축사(10)에서 발생하는 가축분뇨(12)를 저장하기 위한 저장조(30)를 포함한다.
축사(10)는 돈사, 우사, 육계사, 산란계사 등의 축사일 수 있으며 가축분뇨를 저장조(30)로 제공한다. 가축분뇨(12)는 펌프 또는 자연적인 흐름에 따라 저장조(30)로 공급될 수 있다.
저장조(30) 내의 가축분뇨(12)에 소금 저장부(20)로부터 소금을 공급한다. 소금은 순수 NaCl로만 이루어질 수도 있고, 나트륨과 함께 마그네슘, 칼륨 등의 다른 금속이온이나 염소와 함께 황산염 등과 같은 음이온 등도 포함하는 고체 또는 액체일 수 있다. 따라서, 소금 저장부(20)에는 순수 소금, 소금을 포함하는 고체 또는 소금을 포함하는 액체가 저장될 수 있으며, 이들은 1종 또는 2종 이상 혼합되어 사용될 수도 있다.
저장조(30)에서는 이송된 가축분뇨(12)와 소금(Na+)을 혼합하여 가축분뇨 혼합 슬러리로 형성하여 저장조(30)에 저장한다. 가축분뇨(12)에서 발생하는 온실가스의 양을 감소시킬 수 있다. 가축분뇨(12)와 소금의 혼합은 가축분뇨 혼합 슬러리의 염 농도가 1 내지 13.0g Na+/L 가 되도록 혼합할 수 있다. 균일한 혼합을 위해서 저장조(30)에는 교반기(34)가 설치될 수 있다.
소금에 의해 가축분뇨(12) 내의 미생물, 예를 들면 고초균의 활성이 효과적으로 억제되기 때문에 소금과 혼합하지 않은 가축분뇨 대비 온실가스의 발생량을 감소시킬 수 있다. 상세하게는 Non-CO2 가스, 예를 들면 메탄 가스(CH4)의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있다.
온실가스의 발생량은 저농도 메탄 가스 센서(35)에 의해 측정할 수 있다.
저장조(30)는 개방형 저장조, 밀폐형 저장조 어느 것이라도 가능하다. 상세하게는 온실가스의 발생량을 보다 효과적으로 감소시키기 위해서 저장조(30)는 지면(40) 아래 지하에 매설된 지하 매설 저장조일 수 있다. 지하 매설 저장조의 경우 저장조(30)의 온도를 상온 이하로 저감시킴으로써 저장조(30) 내에서 온실가스가 발생하는 것을 추가적으로 억제할 수 있다.
도 2는 제2 실시예에 따른 가축분뇨 저장 시스템(2)의 개략도이다.
제1 실시예와 달리 축사(10)와 저장조(30) 사이에 프로세싱 탱크(50)를 더 포함할 수 있다. 제1 실시예와 달리 축사(10)로부터 가축분뇨의 일부와 소금이 프로세싱 탱크(50)에 공급된 후 미리 혼합되어 가축분뇨 혼합 슬러리(52)를 형성한 후 저장조(30)로 공급되어 저장된다. 이와 같이 프로세싱 탱크(50)를 포함할 경우 축산분뇨와 소금이 보다 균일하게 혼합된 축산분뇨 혼합 슬러리를 형성하여 저장조(30)에 저장함으로써 온실가스 발생을 보다 더 효과적으로 감소시킬 수 있다.
필요에 따라서는 프로세싱 탱크(50)에 제1 부분의 축산분뇨를 공급하고 그 위에 소금을 공급한 후 다시 제2 부분의 가축분뇨를 추가로 공급하여 혼합하여 생산성을 보다 높일 수 있다.
프로세싱 탱크(50)에는 혼합을 효율을 향상시키기 위한 교반기(54)가 설치될 수 있다.
도 3은 제3 실시예에 따른 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템(3)의 개략도이다.
도 3을 참고하면, 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템(3)은 저장조(30)와 연결된 해수담수화 장치(100)를 더 포함한다.
해수담수화 장치(100)는 해수(염농도 3.5wt%)인 해수를 공급받아 담수를 생성하고 동시에 해수보다 염 농도가 높은 브라인 폐수를 생성한다. 브라인 폐수는 염 농도가 약 7.0wt% 전후일 수 있으며, pH 또한 5 내지 6일 수 있다.
예를 들면, 브라인 폐수는 11 내지 12 g Na+/L의 소금(Na+)을 포함하고, 마그네슘, 칼륨 등의 금속이온과 염소, 황산염 등과 같은 음이온을 다량 포함할 수 있다.
따라서, 브라인 폐수는 순수 소금보다 염 농도가 높기 때문에 작은 양을 사용해도 가축분뇨에서 발생하는 온실가스의 양을 감소시킬 수 있다. 또한 pH가 약 산성이기 때문에 이 또한 온실가스의 발생량을 감소시키는데 일조할 수 있다.
가축분뇨 슬러리와 브라인 폐수의 혼합시 가축분뇨 슬러리:상기 브라인 폐수의 혼합비율이 100:10 내지 100:40의 비율이 되도록 하는 것이 온실가스 발생량 저감에 적합할 수 있다.
해수담수화 장치(100)에서 발생하는 브라인 폐수의 경우에는 바다 또는 토양에 그대로 방출될 경우 오염원으로 작용할 가능성이 있기 때문에 이를 재활용하여 가축분뇨에서 발생하는 온실가스의 발생을 저감시키는 물질로 사용할 경우 친환경적이고 경제적으로 축산 분뇨 저장 시스템을 유지할 수 있다.
도 4는 제4 실시예에 따른 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템(4)의 개략도이다.
도 3을 참조하여 설명한 가축분뇨 저장 하이브리드 시스템(3)과 달리 축사(10)와 저장조(30) 사이에 프로세싱 탱크(50)를 더 포함할 수 있다. 제3 실시예와 달리 축사(10)로부터 가축분뇨 슬러리의 일부와 해수담수화 장치(100)로부터 브라인 폐수가 프로세싱 탱크(50)에 공급된 후 미리 혼합되어 가축분뇨 혼합 슬러리(52)를 형성한 후 저장조(30)로 공급되어 저장된다. 이와 같이 프로세싱 탱크(50)를 포함할 경우 축산분뇨와 브라인 폐수가 보다 균일하게 혼합된 축산분뇨 혼합 슬러리를 형성하여 저장조(30)에 저장함으로써 온실가스 발생을 보다 더 효과적으로 감소시킬 수 있다.
필요에 따라서는 프로세싱 탱크(50)에 제1 부분의 축산분뇨를 공급하고 그 위에 브라인 폐수를 공급한 후 다시 제2 부분의 가축분뇨를 추가로 공급하여 혼합하여 생산성을 보다 높일 수 있다.
프로세싱 탱크(50)에는 혼합을 효율을 향상시키기 위한 교반기(54)가 설치될 수 있다.
이하 실험예를 통하여 상술한 본 발명의 바람직한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실험예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실험예 1. 소금을 이용한 가축분뇨 유래 온실가스 발생 억제
소금을 이용한 가축분뇨 유래 온실가스 발생 억제에 있어, 소금 첨가를 통한 가축분뇨 유래 온실가스 저감 확인을 위해, 가축분뇨 중 돼지 축사로부터 얻어지는 돼지 슬러리를 이용하여 소금(Na+)농도에 따른 CH4 발생량을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 사용된 돼지 슬러리의 TS(총 고형물, total solids)는 약 6% 내지 10%이며, 발생량 확인을 위해 가축분뇨 저장조에서 저장된 기간은 40일이고, 온도는 30도로 유지되었다. 돼지 슬러리 내 소금(Na+) 농도가 1.0, 3.0, 5.0, 7.0, 9.0, 11.0, 및 13.0 g Na+/L이 되도록 돼지 슬러리 1L에 소금(Na+)을 첨가하여 각각의 조건에서 발생하는 CH4의 발생량을 측정하였다. 40일의 기간 동안 0일, 3일, 6일, 11일, 15일, 19일, 21일, 25일, 28일, 31일, 34일, 37일, 및 40일째에 해당하는 날에 발생한 CH4 배출 누적량을 측정하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소금(Na+)의 첨가량에 따른 Non-CO2 온실가스 발생량 측정 결과를 도 1 및 표 1에 나타내었다.
표 1은 돼지 슬러리 내 소금(Na+) 농도에 따른 CH4 배출량을 측정한 결과이다.
소금첨가량
(g Na+/L)
Control
(0)
1 3 5 7 9 11 13
CH4 배출량
(kg CO2 eq./ton TS)
127.4 119.6 111.5 103.7 84.0 61.1 49.5 42.1
Control 대비 CH4 배출량 감소율
(%)
- 6.1 12.4 18.6 34.0 52.0 61.1 67.0
소금(Na+) 첨가량이 증가할수록 CH4의 배출량이 점차적으로 감소하는 것이 확인되었다. 소금을 9.0 g Na+/L의 농도가 되도록 첨가하면 첨가하지 않은 control보다 CH4 배출량이 52% 정도가 감소되었으며, 13.0 g Na+/L으로 첨가할 경우에는 67%가 감소되었다.
실시예 2. 브라인 폐수(brine wastewater)를 이용한 가축분뇨 유래 온실가스 발생 억제
브라인 폐수(brine wastewater)를 이용한 가축분뇨 유래 온실가스 발생 억제에 있어, 브라인 폐수 첨가를 통한 가축분뇨 유래 온실가스 저감 확인을 위해, 가축분뇨 중 돼지 축사로부터 얻어지는 돼지 슬러리를 이용하여 브라인 폐수와의 혼합비율에 따른 CH4 발생량을 확인하였다.
본 발명의 이 실시예에 사용된 돼지 슬러리는 상기 일 실시예와 동일하며 발생량 확인을 위해 가축분뇨 저장조에서 저장된 기간은 28일이고, 온도는 30도로 유지되었으며, 브라인 폐수의 염농도는 11 내지 12 g Na+/L 이었다.
돼지 슬러리와 브라인 폐수의 혼합비율은 부피를 기준으로 100:10, 100:20, 100:30, 및 100:40이 되도록 하고, 각각의 조건에서 발생하는 CH4의 발생량을 측정하였다. 28일의 기간 동안 0일, 2일, 6일, 10일, 14일, 19일, 21일, 25일, 및 28일째에 해당하는 날에 발생한 CH4 배출 누적량을 측정하였다.
본 발명의 이 실시예에 따른 브라인 폐수의 첨가량에 따른 Non-CO2 온실가스 발생량 측정 결과를 도 2 및 표 2에 나타내었다.
표 2는 돼지 슬러리 내 브라인 폐수 혼합 비율에 따른 CH4 배출량을 측정한 결과이다.
브라인폐수 혼합비율 Control
(0)
100:10 100:20 100:30 100:40
CH4 배출량
(kg CO2 eq./ton TS)
116.0 108.9 106.0 98.4 83.8
Control 대비 CH4 배출량 감소율
(%)
- 6.3 8.7 15.2 27.8
브라인 폐수 혼합 비율이 증가할수록 CH4의 배출량이 점차적으로 감소하는 것이 확인되었다. 가축분뇨와 브라인 폐수의 혼합비율을 100:30으로 하였을 때, 첨가하지 않은 control보다 보다 CH4 배출량이 15.2% 정도가 감소되었으며, 100:40으로 혼합한 경우에는 27.8%가 감소되었다.가축분뇨를 대상으로 하는 pH 조절제의 사용은 저장조에 저장된 가축분뇨로부터 발생하는 다량의 악취 및 온실가스 발생을 줄이기 위한 것으로, 본 발명의 실시예의 결과를 바탕으로 확인되는 조건을 적용하여, 소금 또는 브라인 워터 추가를 통해, 기존에 사용되는 pH 조절제와 동일하거나 개선된 온실 가스 감축 효과와 황산으로 발생하는 황화수소, 메틸메르캅탄 등의 가스 발생을 줄일 수 있다
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (8)

  1. 축사에서 발생하는 가축분뇨에 해수 담수화 과정에서 발생하는 해수보다 소금 농도가 높은 폐수를 직접 투입하고,
    상기 가축분뇨의 염 농도가 5 내지 9 g Na+/L가 되도록 상기 폐수를 혼합하고 혼합슬러리를 형성하여, 가축분뇨에서 발생하는 온실 가스 발생량을 감소시키는 방법으로,
    상기 폐수의 소금 농도는 11.0 내지 12.0 g Na+/L 이고,
    pH가 5 내지 6 인,
    가축분뇨에서 발생하는 온실 가스 발생량을 감소시키는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 혼합은 가축분뇨 저장조에서 이루어지는 가축분뇨에서 발생하는 온실 가스 발생량을 감소시키는 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 저장조는 지하 매설 저장조인 가축분뇨에서 발생하는 온실 가스 발생량을 감소시키는 방법.
  4. 축사에서 발생하는 가축분뇨 제1 부분을 프로세싱 탱크에 투입하고,
    상기 프로세싱 탱크에 해수 담수화 과정에서 발생하는 해수보다 소금 농도가 높은 폐수를 직접 투입하고,
    상기 가축분뇨의 염 농도가 5 내지 9 g Na+/L가 되도록 상기 폐수를 혼합하고 혼합슬러리를 형성하여, 가축분뇨에서 발생하는 온실 가스 발생량을 감소시키는 방법으로,
    상기 폐수의 소금 농도는 11.0 내지 12.0 g Na+/L 이고,
    pH가 5 내지 6 인,
    가축분뇨에서 발생하는 온실 가스 발생량을 감소시키는 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 혼합슬러리를 형성하기 전에 상기 가축분뇨 제1 부분에 가축분뇨 제2 부분을 상기 프로세싱 탱크에 공급하는 것을 더 포함하는 가축분뇨에서 발생하는 온실 가스 발생량을 감소시키는 방법.
  6. 제4 항 내지 5 항에 있어서,
    상기 프로세싱 탱크로부터 상기 혼합슬러리를 가축분뇨 저장조에 공급하여 저장하는 단계를 포함하는 가축분뇨에서 발생하는 온실 가스 발생량을 감소시키는 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 저장조는 지하 매설 저장조인 가축분뇨 저장 시스템.
  8. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 가축분뇨 저장 시스템.
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