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2019년 12월 16일 (월) 15:42 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 소규모 가축분뇨 자원화 장치

영문 : small-scale animal manure recycling system

과제 팀명

NO.2

지도교수

이재영 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 정**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 최**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

가축의 사육면적이 『가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률』에 의한 신고 또는 허가대상의 범위에

포함되지 않는 영세규모 축사에서 발생하는 소량의 가축분뇨를 저감할 수 있는 장치 개발

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 가축사육시설에서 발생하는 분뇨는 고농도의 유기물을 함유하고 있어 환경부하가 큼 ◇ 가축분뇨가 발생하는 시설의 설치·운영업자는 『가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률』에서 시장·군수·구청장에게 신고 또는 허가를 받도록 하고 있음

- 신고 또는 허가를 받은 가축분뇨 배출업자는 가축분뇨를 적절히 처리하여야 함

◇ 그러나 일정 규모 이상(돼지 사육면적 50㎡ 이상, 소·말·젖소 사육면적 100㎡ 이상)인 시설에만 신고 또는 허가의무를 지우고 있어 사각지대 발생

- 본 과제제안서에서 소규모란 위와 같이 일정 사육면적 미만의 규모를 의미함

◇ 가축분뇨 배출시설 및 관리체계도에서 , 공공처리장에 위탁하지 않는다면 신 고미만 배출시설은 처리수단이 마땅치 않음을 확인할 수 있음

개발 과제의 목표와 내용

◇ 가축분뇨를 자원화 하여 처리할 수 있는 장치 개발 ◇ 소규모 발생 가축분뇨를 처리할 수 있는 장치 개발

- 본 보고서에서는 『가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률』에 따른 신고미만 면적을 갖는 축사를 소규모라고 정의하였음

◇ 가축분뇨를 운반 및 수집하여 처리하는 것이 아닌 개별처리 유도 ◇ 인건비 및 약품비 등을 절감하여 경제성 확보

관련 기술의 현황

State of art

◇ 해외 기술 동향

1. 베트남의 소규모 바이오가스 플랜트 연구

- 슬러리 형태의 가축분뇨를 바이오가스로 전환하는 장치로서 Chinese Fixed Dome 형태를 응용

- 보통 지하에 매설되는데, 공간 절약과 미생물의 성장에 중요한 온도 변동을 최소로 하기 위함

- KT 2 모델은 지하수면이 높거나 굴착이 어려운 등 지하매설이 어려운 경우에 채택 가능

- 슬러리는 Inlet tank에서 Digester로 유입되며, Digester에서 혐기성 발효가 진행됨

- 생성된 바이오가스는 Digester 상부에 설치된 Gas pipe를 통해 이동

- 바이오가스가 빠져나가면 Compensastion tank 에 있는 잔류물이 Digester로 역류

2. 필리핀 소규모 바이오가스 플랜트

- 필리핀도 가축분뇨로 인한 환경오염이 심각하나, 규모가 작은 축사에 대한 수질기준이 없는 상태

- 이 연구에서는 돼지 20두 규모의 소규모 축사에서 발생하는 가축분뇨를 혐기성 소화조를 이용하여 처리하는 것을 목표로 하였음

- 가축분뇨의 형태는 베트남의 경우와 같은 슬러리형

- 채택된 소화조 형상은 Floating Drum 형식

- 유입된 슬러리로부터 바이오가스가 생성되면 gas holder 상부의 파이프를 통해서 바이오가스가 유출

- 또한 유입된 슬러리는 기존에 있던 소화 잔류물을 밀어내어 출구로 운반

- 7개의 소화조를 연결했는데, 사육 규모에 따라 더 추가 및 제거 가능

- 바이오가스 생산에 걸리는 시간은 약 30일

3. 우간다 지렁이분 퇴비(Vermicompost) 적용 연구

- 최초에 1700 마리 투입하고 29일 째 1900마리 추가 투입(총 0.6 kg) - 퇴비 상자에는 3일 숙성된 가축분뇨 80%와 음식물 쓰레기 20% 혼합

- 25주차 후 가축분뇨 혼합물의 45.9 % 가 퇴비로 전환됨

◇국내 기술 동향

• 습식열분해 기반 통합공정

- 수분함량 80% 이상의 유기성 폐기물계 바이오매스로부터 습식 열분해 기반 통합공정 개발을 통하여 에너지 전환 효율 90%와 잉여 에너지 생산율 70%이상 달성함. 유기성 폐기물류를 건조하지 않고 습식 열분해함으로서 에너지 소비량을 줄이고 저에너지 비용의 고형연료와 바이오가스를 동시에 생산하는 장 점이 있음.

- 10t/d 처리용량 습식열분해 기반 통합공정 운전을 통하여 연간 2.5억원 수준의 잉여에너지 생산 효과

- 현재 10t/d 처리용량급 습식열분해 기반 동합공정 건설 및 운전을 통하여 70% 수준의 잉여에너지 생산성 확보되어 다양한 종류의 유기성 폐기물계 바이오매스에 대한 적용성 확인됨.

- 기술 내용

1) 습식열분해 고함수 유기성 폐기물류를 닫힌계에서 180~200°까지 승온시키면 고분자성 유기물의 가수분해와 부분 탄화반응이 진행되면서 기계적 탈수만으로 함수율 30% 고형분 회수 가능한 슬러리상 혼합물로 전환됨

2) 10t/d 처리용량 습식열분해 반응기개발 고점성 및 낮은 열전도도를 지닌 유기성 폐기물류의 열화학적 특성을 고려하여 180~200°C 영역까지 승온하는 방법 및 승온속도를 반영한 습식열분해반응기 설계 및 제작 기술 확보

3) 습식열분해 액체 생성물 고율 혐기소화 기술 개발 습식열분해 반응으로부터 분리된 액상의 화합물이 다량 농축된 용해성 유기물을 혐기소화 기질로 활용 하여 바이오 가스를 생산하는 기술 개발

4) 10t/d 처리급 습식열분해 기반 통합공정 개발

기술 로드맵

특허조사

1. 특허명 폐수를 원천적으로 발생 시키지 않는 가축분뇨 처리방법 풍력을 이용한 가축분뇨 처리방법 특허번호 1020150007773

2. 고효율 소형 가축분뇨 및 음식물쓰레기 발효장치 특허번호 1020170055106

3. 풍력을 이용한 가축분뇨 처리방법 특허번호 1020150011077

4. 탄화방법 특허번호 1020167022980

특허전략

◇ 무단으로 버려지는 분뇨를 바이오매스로 사용하여 에너지화해서 처리한다. 시간의 흐름에 따라 소규모 가축장들이 대규모로 전환하는 가운데 소규모 가축장을 운영하는 사업장도 여전히 많다. 이러한 소규모 가축장들의 분뇨폐기물들은 법적규제가 존재하지 않아 무단으로 버려지고 있기에 이를 처리하고자 하였고, 여러 방면에서 오염을 일으키는 가축분뇨의 처리를 통해 에너지를 얻는 등의 가치를 창출하고자 한다.

◇ 현재 알아본 가축분뇨의 소규모 처리에 관한 특허로는 풍력 또는 발효를 이용하여 분뇨를 처리하는 것이다. 이 특허들은 소규모로 처리된다는 큰 장점을 가지고 있고 이뿐만 아니라 장비 설치와 운전 등이 간단하다. 우리는 이러한 장비들의 장점에 에너지화를 더하여 개발하고자 한다.

◇ 우리의 설계품이 환경적으로 큰 의미를 가진다는 점을 강조하는 것도 좋을 것이다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

공공처리vs자체처리

1. 비용 : 가축분뇨공공처리시설에 위탁하는 경우, 위탁비용과 운반비용이 발생한다. 소규모 축사는 대부분 가족경영으로 이루어지고 발생하는 가축분뇨가 비교적 소량이기 때문에 퇴비로 처리하는 경우 노동비용만 발생하며, 이 경우 공공처리보다 비용이 적게 든다.

2. 처리성능 : 가축분뇨공공처리시설은 방류수 수질기준이 설정되어 있으며 이를 충족시키지 못할 경우 하수종말처리장에 연계처리 하는 등 자체처리(퇴비) 보다 안정적인 처리성능을 기대할 수 있다. 소규모 축사의 자체처리는 퇴비사 설치의무가 없는 점, 퇴비의 품질기준이 없는 점 등을 고려하면 불확실하거나 공공처리보다 불안정하다고 판단된다.

3. 운영 : 가축분뇨공공처리시설은 전문인력이 상주하여 관리하는 반면에, 퇴비는 본업을 겸하면서 시행하는 경우가 많다. 따라서 퇴비는 부적절하게 운영될 가능성이 있다.

4. 관점 : 공공처리는 가축분뇨를 정화처리 하여 방류하는 것으로, 이는 가축분뇨를 폐기물(폐수)의 관점에서 접근한 것이다. 반면, 퇴비화는 가축분뇨를 자원으로 취급하여 자원순환이라는 목적을 추가로 갖는다. 현재 우리나라 환경정책의 기조를 보면 퇴비화가 공공처리보다 좀 더 적합하다고 할 수 있다.

마케팅 전략

① SO 전략 - 어쩔 수 없이 이루어지고 있던 분뇨의 무단방류를 방지하고 처리하는 점을 강조하여 설계를 진행한다. ② ST 전략 - 축사의 전반적인 환경이 개선됨을 강조하고 국가의 지원을 통해 각 농가의 자발적인 설치를 이끌어낸다. ③ WO 전략 - 소규모 장치 설치의 지원과 홍보를 통해 각 농가에 장치를 설치할 수 있도록 한다. ④ WT 전략 - 처리장치의 설치가 법적인 강제가 아니기에 각 농가에 가는 이점의 홍보에 초점을 둔다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

- 미처리 가축분뇨 자원화 - 퇴비사 설치 의무가 없는 소규모 축사의 퇴비 품질문제 해결 - 자경용지 확보 문제 해결 - 부적합 퇴비 과잉 살포 방지

경제적 및 사회적 파급효과

- 가축분뇨를 에너지화 하여 얻는 수익 - 개선된 품질의 퇴비 생산으로 얻는 수익 - 가축분뇨의 적절한 관리로 인해 저감되는 방역 및 축사관리 비용

구성원 및 추진체계

◇ 김석영 : 개념설계보고서 작성, 도면 작도, 자재소요서 작성 및 QFD 작성
◇ 정광우 : 과제제안서 작성, 특허조사, 경제성평가 수행 및 회의록 작성
◇ 최현우 : 경쟁력분석보고서 작성, 경제성평가 및 개념설계안 이론적 계산 수행
◇ 이지수 : 상세설계보고서 작성, 문헌조사, 특허조사 및 개념설계안 유지관리 평가

설계

설계사양

1 자원화가 가능할 것/D/대 2 소량 처리가 가능할 것/D/대 3 처리성능이 안정적일 것/W/중 4 조작 및 유지관리가 쉬울 것/W/중 5 이물질, 먼지, 악취 등이 외부로 유출되지 않을 것/W/중 6 경제성이 있을 것/D/대 7 제한된 토지에도 설치할 수 있을 것/W/중

개념설계안

최근 국내에서 발생하는 가축분뇨의 처리는 자원화하여 재이용하는 것을 목적으로 하며, 가장 대표적으로 사용되는 자원화 방안으로는 혐기성소화공정과 퇴비화가 있다. 하지만 가축분뇨 내 높은 수분함량으로 가축분뇨를 탄화시켜 Char을 생성할 때 높은 열과 오랜 반응시간을 필요로 하며, 축분 내 암모니아 농도는 가축분뇨처리에 있어 저해요인으로 작용하고 있다. 이에 혐기성소화와 퇴비화 공정의 효율을 높이기 위해 탈수, 압출 등의 전처리 방법이 제안되고 있으나 효과가 미비한 실정이다.

요새 떠오르는 가축분뇨의 바이오가스화 시설은 처리과정에서 발생하는 부지면적의 규모가 크다는 점과 악취가 발생한다는 문제가 있다. 특히 신고미만 시설에서 발생하는 가축분뇨를 처리하기 위해서는 상대적으로 규모가 작은 처리시설을 요구하기 때문에 이에 대한 것을 충족시키고, 기존의 공정과 차별화 될 수 있는 처리공정이어야 한다.

Biochar

 Biochar는 산소가 제한된 환경에서 분뇨, 음식물쓰레기, 목재 등 바이오매스를 열분해시켜 얻을 수 있는 고형물질이다. Biochar는 분해에 대한 안전성이 뛰어나 토양에 투입하게 되면 분해가 거의 일어나지 않게 되고 주변의 이산화탄소를 장기간 저장함으로써 지구온난화를 완화시키는 친환경소재가 될 수 있다. 또한 Biochar을 토양에 투입 시 흡착능력증가, 토양 pH 증가, 수분 보유능력 증가 등의 물리·화학적 특성을 통해 퇴비로써의 능력을 향상시킬 수 있다.

따라서 최종산물에서 Biochar가 생산되는 Biomass처리공정들을 나열하고, 비교 및 평가해보고자 한다.

Hydrothermal carbonization (HTC)는 독일의 화학자 Friedrich Bergius가 1913년 저온고압의 조건에서 석탄가루를 액화시켜 인공석유를 제조하면서 개발한 기술로 수분을 함유하고 있는 바이오매스를 열화학적으로 전환하는 방식으로 아임계수를 이용한다. 아임계수를 사용하기 위해서는 고온고압의 조건이 필요하며 보통 180 ℃이상의 온도와 100 bar이상의 압력과 무산소 조건에서 진행된다. 

 HTC반응은 주로 건조되지 않은 수분함량이 높은 바이오매스를 무산소 조건에서 180~250 ℃온도로 1.5 - 2.2 Mpa 압력을 유지하여 반응시키며 생성되는 최종 반응물은 Bio-char, Bio-gas, Bio-liquid 3 가지 상으로 분류 되며 각각의 상에 따라 활용할 수 있는 범위가 다르다. 

 이렇게 HTC를 통해 생성된 Bio-char는 가장 활용가능성이 높고 약 20~30 %정도의 수율을 나타내며 에너지가 밀집되고 탄소함량이 증가한다. 또한 함수율이 낮아져 부패할 가능성 낮아지고 파쇄성이 좋아 운반 및 저 장에 용이하며 석탄발전소에서 사용할 수 있는 펠렛 형태로의 제조가 가능해진다. 

 또한 반응 매체로서 아임계수를 사용하기 때문에 열분해, 가스화 등의 방법보다 더 낮은 온도에서 반응이 이루어짐으로 더 좋은 효율을 보이며 물이 반응 매체로 사용되기 때문에 바이오매스의 건조 및 분쇄 등의 전처리 과정이 불필요하고 이산화탄소, 황산화물, 질산화물과 같은 가스가 산과 염의 형태로 방출되기 때문에 연소과정에서 발생될 수 있는 대기오염 문제를 줄일 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 처리설비의 설계사양

 <가정 1> 축사에서는 돼지 1마리당 축사 1m2을 사용한다고 가정.(돼지 두수당 권장면적은 1.3m2이지만 실제로는 이보다 좁은 면적을 사용하기 때문에 더 적은 면적인 1m2을 잡음) 신고대상 기준이 50m2이기 때문에 모든 소규모 축사가 최대치인 50m2라 가정. 따라서 소규모 축사가 모두 돼지 50두 규모.
 <가정 2> 모든 돼지를 평균체중인 60kg이라 가정. 이때 평균 1일 두당 분뇨배설량은 4.22kg(분 : 1.61kg, 뇨 : 2.61kg)이므로 <가정 1>을 따르면 소규모 축사의 평균 1일 분뇨배출량은 211kg.
 <가정 3> 돈분 밀도를 900kg/m3라 가정. 가축분뇨자원화시설 표준설계도-환경부
따라서 <가정 2>를 따르면 소규모 축사의 평균 1일 분뇨배출량은 234L.
 <가정 4> 표준연료생산량 : 바이오차 45-70%, 바이오오일 5-25%, 바이오가스 2–5% 유우분 반탄화처리 바이오연료 생산-한국과학기술정보연구원

이므로 수열탄화 결과 생성되는 바이오차 70%, 바이오오일 25%, 바이오가스 5%로 가정. 바이오차 생성수율(%) 따라서 <가정 2>를 따르면 바이오연료의 1일 생성량은 바이오차 147.7kg, 바이오오일 52.75kg, 바이오가스 10.55kg 이다.

 <가정 5> 바이오차 밀도는 1500~1700kg/m3 formulas and conversion factors for working with biochar-green your head

이므로 1600kg/m3로 가정. 바이오오일은 920kg/m3로 가정. 따라서 생산된 바이오차와 바이오오일은 <가정 4>에 따르면 각각 92.31L, 57.34L.

 <가정 6> HTC를 한번에 온도 230℃, 반응시간 3시간이 최적의 조건. 하수슬러지의 Biochar특성을 이용한 토양내 중금속 연구-이재영
하루 24시간 중 3시간, 1번 가동한다고 가정. 가동시 234L의 용량 필요. 장치에 분뇨를 넣을 때 20%의 여유분을 두고 넣어야 하므로

234L/0.8=294L≒300L의 장치 사용

나. 발열량 결과

조립도

조립도

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

특허출원번호 통지서

출원번호 10-2019-0157882

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

가. 결론

◇ 가축분뇨를 HTC를 이용하여 처리하면, 바이오차와 같은 최종산물로 전환됨

◇ 바이오차 및 바이오오일은 발열량 기준으로 저품질의 연료로서 사용할 수 있음

◇ 경제성 분석 결과, 바이오차를 판매할 수 있으면 경제성 확보가 가능한 것으로 나타남

◇ 소규모 가축분뇨 문제를 해결하기 위해서는 처리의무의 법제화는 물론, 바이오차와 같은 자원을 지 원하기 위한 정책 또한 필요한 것으로 판단됨

나. 한계

◇ 바이오차 및 오일 등 대체연료의 시장 형성을 위한 지원 필요

◇ 바이오차의 회분을 줄여 연료의 품질을 높일 것

- 축사에서 소비되는 깔짚, 나무 등을 축분과 혼합하여 처리하였을 때 회분 감소 기대

◇ HTC 장치를 실제로 보급하였을 때, 필요한 홍보 및 법제화에 필요한 비용 누락

부록

참고문헌 및 참고사이트

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3. Ibid., 86.

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관련특허

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