이승조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 살처분 가축의 안정화 및 혐기성 소화..

영문 : Stabilization and Anaerobic Digestion of Killed Animals..

과제 팀명

이승조

지도교수

박철휘 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김*영(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김*우

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 이*한

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 정*식

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

우리나라에서는 제1종 가축전염병에 감염되었거나 감염이 우려되는 가축에 대하여 살처분을 명해야 한다(가축전염병예방법 제20조).  또 구제역 등 기타 가축 전염병에 노출된 폐사 가축 사체에 대해 신속하게 소각 및 매몰 처리를 하고, 그 밖의 가축전염병에 감염된 가축 사체에 대해서도 적절히 처리해야 한다(동법 시행규칙 제25조 및 긴급 방역 행동지침). 하지만 국내 축산환경 여건상 소각이나 그 밖의 처리는 현실적으로 어려워 대부분 FRP 매립 탱크에서 가스 살처분 후 매몰하는 방식에 의해 처리되고 있다. 매몰된 가축들은 부패 및 안정화를 위해 3년 동안 특별한 허가 없이는 발굴 및 재활용하지 못하며, 그 이후에 처리가 가능하다(동법 제22조). 하지만 3년이 지나도 매립된 가축들이 부패하지 않으며 이를 재처리하는 데 많은 어려움이 있다. 이에 우리는 FRP 매립 탱크에 매몰된 가축 사체들을 기존 혐기성 소화조를 활용하여 처리하는 방식을 도입하여, 매립지에 관한 여러 문제점을 해결하고 친환경 바이오 에너지를 생산하는 효율적인 방식을 제안하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

2019년 9월 17일 파주에서 아프리카 돼지열병(African Swine Fever, ASF)이 최초로 확인된 이후 연천과 김포에서도 아프리카 돼지열병이 추가로 확인되어 돼지 수만 마리가 살처분 되었으며, 앞으로도 아프리카 돼지열병이 확산될 경우 더 많은 돼지가 매립 처분될 것으로 예상된다. 과거의 2011년의 구제역 파동과 2016년의 조류 독감으로 약 1억 마리의 가축이 살처분 되었던 것과 아프리카 돼지열병의 전염성을 고려했을 때 살처분 가축은 기하급수적으로 늘어날 것으로 판단된다. 
2014년 이후 가축을 매립할 때 발생하는 침출수, 악취 문제를 해결하기 위해서 FRP 매립탱크를 이용하고 있다. 가축의 매립이 이루어질 때 탱크 속에서 부패를 촉진하기 위하여 미생물과 함께 매립되었지만 3년이 지난 뒤 확인해 보았을 때 부패가 충분히 일어나지 않은 것으로 확인되었다. 부패가 되지 않는 상태로 가축을 매립해놓을 경우 침수, 탱크의 파손에 의해 잔존 바이러스가 퍼질 수 있는 위험이 있다. 매립의 경우 침출수, 토지의 이용, 악취 등의 문제가 있다. 또 탱크의 유지관리에 부수적인 인력, 자원이 소모되고 있는 실정이다.

개발 과제의 목표와 내용

목표

혐기성 소화에 의한 동물 사체의 처리 타당성을 검토하고, 동물 사체의 혐기성 소화를 이용한 효율적인 바이오 가스 자원화 시설 설계

내용

본 설계는 기존에 행해지는 FRP 매립탱크를 이용한 가축 사체 처리 방식에서 발생하는 문제점을 개선함과 동시에 매립된 탱크 속 가축 사체를 이용한 에너지 재활용에 목적을 두었다.
현재 매립한 후 3년이 지난 FRP 매립탱크의 목적인 바이러스의 안정화, 가축의 안정적인 부패의 목적이 달성되지 못하고 있다. 본 설계는 이러한 문제점을 근본적으로 해결하기 위해 매립되어 있던 가축의 사체 처리에 목적을 두어 혐기성 소화조 설계를 하는 대에 있다.
본 설계의 전체적인 흐름은 다음과 같다. 매립되어 있는 FRP 탱크를 꺼내어 열가수분해 시킨 후, 살처분 가축 운송 매뉴얼에 따라 혐기성 소화조로 이동시킨다. 그 후, 혐기성 소화조에서 에너지 회수 및 안정한 사체 처리를 진행한다. 이 과정에서 생성되는 부산물에 대한 처리까지의 설계를 예정하고 있다.
혐기성 소화조로 이동되기 전에 가축 사체는 먼저 열가수분해의 과정을 거치게 된다. 이는 혐기성 소화과정, 안정화 과정의 효율을 높이고 공정 내 운반을 용이하게 하기 위함이다. 이후에는 잔존 바이러스를 처리하고 혐기성 소화 공정에 투입되기 전 안정화 작업을 수행한다. 혐기성 미생물의 활성을 활발하게 유지하기 위해서는 일정한 성상의 유기물을 투입해야 하기 때문에 안정화 과정이 필요하다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 혐기성소화를 통한 가축사체의 처리에 대한 발전이 가능할 것으로 생각

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 매립되어있는 가축사체를 재처리가 필요한 실정임.

◇ 기존의 혐기성 소화조를 활용하면서 가축사체의 재처리가 가능하며, 유기물을 자원을 회수할 수 있음.

◇ 기존에 매립지로 사용되어 더 이상 사용이 불가능하였던 토지를 새롭게 사용이 가능함.

◇ 매립지에서 발생할 수 있는 악취, 침출수 문제를 해결 가능함.

구성원 및 추진체계

◇ 김도영 – 자료 수집 담당

◇ 김종우 - 보고서 제작 담당

◇ 이강한 – 총괄 및 발표자료 담당

◇ 이승조 - 경제성 분석 및 수치화 담당

설계

설계사양

가축사체의 성상에는 VS, 질소 성분이 많아 기존 소화조에 들어가면 암모니아 부하뿐만이 아니라 VS부하에 따른 소화율 증/감소에 따른 소화조 용적 오차가 생기기 때문에 새로이 들어가는 비율을 설정을 하고 소화조 용적을 설계 해야한다. 아래 표는 소화조의 용적을 계산하는데 중요한 4가지 인자들과 혐기성소화가 되는 다른 슬러지들의 성상과 그 비율을 설정을 하여 혼합슬러지의 성상을 예측 해 보았다.

혼합슬러지의 비율을 설정하여 계산한 결과 질소를 제외하고 적정 소화조 슬러지 농도에 적합한 것을 확인하였다. 질소 부분에 있어서 적정 슬러지 성상을 맞추기 위해서 가축사체의 질소 제거 전처리가 필요로 한다. 가축사체의 질소 비율을 50% 정도를 낮춘다면 혼합슬러지의 질소 농도는 0.26%정도로 예측이 되고 적정 농도에 들어가는 최소 제거율을 설정 할 수 있었다. 이에 따라 우리는 최소 50%의 질소제거가 가능한 프로세스를 선택해야만 한다.

개념설계안

◇ 열가수분해

- 공정 개요 : 열가수분해를 통해 중합체(polymer)고형물을 단량체(monomer)액상물을 생성하게 되고, 점성하강과,pH의 하강 ,휘발성 지방산(VFA)농도의 상승을 효과로 얻을 수 있으며 세포벽 파쇄로 세포의 생물학적 분해를 촉진.

- 반응기의 설계: 반응기는 고온, 고압조건에 적합한 수직형 반응기로 채택하였고, 반응기의 설계기준으로 사체 처리량 40L/cycle으로 가정하였을 때 시간당 1t의 사체처리량으로 설정하였다.[동물 복지, 환경오염 등이 고려된 AI 감염 가금류의 효율적 살처분 및 열가수분해 사체처리 기술개발, 부강테크, 2016] 최적 효율을 얻기위해서 반응온도 및 압력 200도와 17기압,가열방식은 보일러 증기 직접가열을 통한 승온방식을 채택하였다.

◇ 슬러지 혼합

가축 사체의 성상은 암모니아 질소가 높아 혐기성 소화조로 직행하여 들어가기 부적합하다. 우리는 소화조에 유입되는 적정 슬러지 성상을 맞추기 위해 암모니아 질소를 탈기하는 과정과, 다른 고형물들을 섞는 방식을 채택 하였다. 이중에서 고형물을 섞어서 적정 성상을 맞추기 위한 고형물의 종류를 먼저 생각해 보았다. 하수 처리에서 나오는 하수슬러지, 음식물등 생활 속에서 발생하는 유기성 폐기물, 가축 분뇨로 이 3가지의 경우가 흔히 소화조에 들어가고 보통 처리가 곤란한 폐기물들이다. 이 3가지 고형물들은 가축사체와 같이 성상의 비율 조정을 잘 해주어서 혐기성소화에 이성적인 조건을 맞춰야 한다. 이에 대해 우리는 이 3가지 고형물들의 평균적인 성상을 선택한 후에, 각각의 물질들이 가축 사체 톤 단위당 얼마나 섞으면 이상적인 소화조 슬러지 성상에 도달하는지 예측 할 것이다.
여러 가지 고형물이 섞인 슬러지는 유량 조정조에서 일정한 유량으로 서로 섞인 후에 소화조에 유입되게 조정할 것이다. 가장 기본적으로 하수처리장에서 하수 슬러지를 안정적으로 유입을 받음으로써 가축사체, 가축분뇨, 생활 유기성폐기물들의 불규칙적인 유입에 대한 단점을 보완시킬 수 있다. 그 후에 기존에 있는 분뇨,유기성폐기물을 주기적으로 유량을 공급할 수 있게 고형물들을 수거 업체와 협력을 하는 것을 생각하고 있다.

◇ 소화조

본 과제에 있어서 소화조는 병원균 사멸, 고 효율을 위해서 고율2단소화조를 채택 하였다. 가축사체의 수거는 보통 FRP탱크를 이용하여 수거를 한다. 현재 FRP탱크를 이용하여 가축사체를 매립할 시에 8톤~15톤정도의 사체가 들어간다고 한다. 평균적으로 10톤의 사체를 수거 할 수 있다고 가정할 수 있다. 이를 기반으로 혐기성 소화조의 용적을 설계 할 수 있다.

소화조 용적을 결정하는 방법에 대한 식은 다음과 같다.

(여기서, VI : 1단계 소화조의 용량(m3) VII : 2단계 소화조의 용량(m3) V1：소화조로 주입되는 슬러지의 유량(m3/d) V2：소화조에 축적되는 소화슬러지의 유량(m3/d) T ：슬러지 소화기간(일) T1：소화슬러지의 농축기간(일)

소화조는 가장 대중적인 방식인 원통형 소화조를 채택하였다. 소화 슬러지내에도 상당한 양의 무거운 입자가 존재하므로 이를 제거하기 위하여 소화조의 바닥에 경사를 둔다. 평균적인 기울기는 1/12를 채택하여 소화조 용적을 선택하였다. 소화조의 지붕에는 고정식 지붕과 부유식 지붕이 있다. 가축사체의 경우 고형물의 농도가 높기 때문에 가스 발생량이 많고 유동적이므로 부유식 지붕을 채택하였다.

◇ 유량 조정조

◇ 열량 계산 및 금액 비교

먼저 유입되는 슬러지를 소화온도까지 상승시키는데 필요한 열량의 계산이 필요하다.

(여기에서, Q1 : 유입슬러지 온도를 소화온도까지 상승시키는데 필요한 열량(kcal/h) C : 슬러지의 비열 (≒1 kcal/(kg․℃)) Qi : 슬러지 유입속도 (m3/h) TD : 소화슬러지의 온도 (℃) TS : 유입슬러지의 온도 (℃) 1,000：슬러지의 비중 (kg/m3))

각 계절의 유입 슬러지 평균 온도를 이용한 필요 열량은 다음과 같다.

다음으로 손실되는 열량의 계산이 필요하다. 소화조의 각 벽면으로 유출되는 열량을 우선적으로 계산하였다.

(여기에서, Q2 : 조 외부로 방사되는 열량 (kcal/h) A1 : 내측조 지붕 등의 방열면적 (m2) A2 : 내측 바닥벽 등의 방열면적 (m2) K1 : 내측조 지붕 등의 총열전달계수 (kcal/(m2․℃․h)) K2 : 내측 바닥벽 등의 총열전달계수 (kcal/(m2․℃․h)) TA : 대기 온도 (℃) TB : 땅속 온도 (℃))

이 또한 각 계절별 대기,지면 온도를 이용하여서 필요열량을 계산한바는 다음과 같다.

파일:Q3.PGN

100L에 해당하는 스팀 보일러에 들어가는 열량은 26kwh이다. 하루 10시간 가동한다고 했을때의 kcal/h는 9315.0kcal/h가 된다.

결과적으로 가축사체 혐기성 소화조가 시간당 필요로 하는 열량은 약 262727kcal/h이다. 고온 혐기성 소화에서 가열 해주는 부분만 해당되는 열량이다. 부대시설에 대한 열량 또한 추가적인 계산이 필요하나 인건비,각 시설에 대한 표준적인 수치를 선정하지 못하여서 필요한 에너지중 가장 큰 부분인 가열에너지만 계산 하였다.

위의 계산한 열량을 금액적인 수치로 나타내기 위해 등유를 이용하였다. 등유의 리터당 순발열량과 등유 가격을 이용하여서 금액적인 수치로 환산해 보았다.

순수 가열에만 필요한 금액은 하루 약 73만원이다.

소각에 필요한 순수 에너지양과 비교를 해보았다. 가축사체 550kg 처리당 에너지 값으로 200000원이 소모된다.(윤하정 외 10명, 브루셀라병 감염소 사체처리 방법별 절차 및 소요비용 비교: 매몰, 재활용, 소각 , 국립수사과학검역원,2009) 이를 이용하여 하루 10톤을 소각하는데 필요로 한 에너지 금액은 약 360만원이 나왔다. 소각에 비해 에너지 금액적 측면으로 봤을 때 80퍼센트의 저감효과를 가져온다.

혐기성 소화시 발생하는 메탄가스를 에너지로 환산 하였을 때를 고려 해 보았다. 메탄 발생량은 바이오가스 발생량중에 65%라고 가정 하였을 때 하루 발생량은 785.4m3이다.

최대 메탄 발열량이 672만 kcal가 나온다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 가축사체 단위당 생산량 추정

질소제거 전처리를 통해 적정 성상 기준을 맞췄을 시, 가축사체 1톤당 혼합슬러지, 소화슬러지의 용적, 가스 생산량을 추정해 보았다.

혼합슬러지 발생량

각 성상의 평균 습윤 비중을 조사한 후 슬러지의 용적을 계산해 보았다. 이 용적을 이용해서 VS에 대한 부하율을 구할 수 있었다.

하수도시설기준(2011,상하수도협회)에서는 고온혐기성소화방식의 권장 SRT(고형물체류시간)을 15일로 제시 하고 있다. 이에 따라 우리는 15일이라는 SRT값을 설정 할 수 있었다. VS부하율과 SRT에 따른 소화율의 그래프 또한 제시하고 있어서, 실험을 생략하고 소화율을 가정할 수 있다.

위의 그래프에서의 소화율은 약 45%로 가정 가능하다. 소화조 용적을 설정 시에 소화슬러지 발생량 또한 생각을 해야 한다. 소화슬러지 발생량 공식은 다음과 같다.

(여기에서 , S ： 소화 슬러지량(m3/d) Q ： 투입 슬러지량(m3/d) MC1 ： 투입슬러지의 함수율(%) MC2 ： 소화슬러지의 함수율(%){통상적으로 96~97.5%의 함수율을 가진다. 우리는 96%로 가정을 하였다.} VS1 ： 투입슬러지의 유기성분(%) D ： 소화율(%))

이를 이용해 계산을 하면

VS부하율에 따른 가스 생산량 또한 추정이 가능하다. 위의 그래프에서 가스 생산량을 추정한 결과 를 얻을 수 있고 가축사체 1톤당 VS를 곱해주면 의 발생량을 얻는 것을 추정할 수 있다.

가축사체 1톤당 발생하는 주요 인자들을 정리하면 다음과 같다.

조립도

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

완료 작품의 평가

향후평가

- 슬러지 설계 비율대로 혼합 시 적정 성상이 형성되는지 실험

- 사체를 대량으로 처리하기 위해 소화조를 여러개 설치 할 때의 비용 및 주의사항

- 매몰지 재사용을 위한 비용 및 영향 평가 방법 개발

- 전 과정동안 악취 문제 해결

- 혹시 모를 바이러스 전파 방지 기법 개발

- 경제성 분석시 기타 부대시설 비용 계산 필요

부록

참고문헌 및 참고사이트

환경부, 통합처리 바이오가스 처리시설의 기술지침서, 국립환경과학원, 2016

환경부, 소각을 이용한 살처분 가축처리 및 안전체계 구축 연구, 국립환경과학원, 2012

㈜부강테크,동물복지,환경오염등이 고려된 AI 감염 가금류의 효율적 살처분 및 열가수 분해 사체처리 기술개발,농림축산식품부,2016

감사원, 감사보고서-가축 전염병 예방 및 방역관리,국정 보고서,2017

한국농촌경제연구원,2014-2016 구제역백서,농림축산식품부,2016

한국농촌경제연구연,구제역발생 현황과 방역 체계 개선,농림축산식품부,2017

강마야,충남 가축 매몰지 및 축사의 입지환경 특성 분석과 정책제언,충남리포트,2018국립축산과학원,친환경 이동식 일체형 가축처리장비 및 자원재활용 연구,농촌진흥청,2013

이승학,가축매몰 관련 국외 연구사례 및 국내 구제역 매몰지 사후관리 방안,한국지반신소재학회지,2011

한국상하수도협회,『하수도시설기준』,2011

국립환경과학원,『하수도시설기준통합처리 바이오가스화 시설의 기술지침서』,2016

김상현,『동물 사체의 고온 혐기성 소화』,『유기물 자원화』학회지,2008

박우균 외5명,『혐기성소화에서 가축분뇨와 음식물쓰레기의 혼용에 따른 바이오가스 생산 및 소화액의 액비 특성연구』,『국립농업과학원』논문지,2011

윤하정 외 10명, 브루셀라병 감염소 사체처리 방법별 절차 및 소요비용 비교: 매몰, 재활용, 소각 , 국립수사과학검역원,2009

이승조

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