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2019년 12월 27일 (금) 04:11 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 축사에서 배출되는 메탄가스 저감 시스템 개발

영문 : Development of Methane Gas Reduction System in cattle house

과제 팀명

꺼억뿡

지도교수

최용준 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2015890002 권규주(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2014890037 박준성

서울시립대학교 환경공학부 2014890046 오창욱

서울시립대학교 환경공학부 2014890078 하재훈

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

조사에 따르면 연 평균 소 1마리가 발생시키는 메탄의 량은 85kg이라고 한다. 그리고 전 세계에서 소가 발생시키는 메탄의 량은 전체 메탄가스 발생량의 15~20%정도를 차지할 정도로 많은 양이다. 특히 목축업 비중이 큰 뉴질랜드는 소가 나라 전체 메탄발생량의 50%를 차지할 정도다. 이렇게 발생하는 메탄가스를 줄이고자 전 세계적으로 많은 연구와 노력이 이루어지고 있다. 이에 따라 본 설계에서는 소가 발생시키는 메탄가스를 미생물을 이용해 처리하고자 한다. 추가적으로 이러한 방법을 통해 메탄을 산화단계의 중간산물인 메탄올로 변화시켜 에너지, 자원으로써 활용가능성을 평가한다.

개발 과제의 배경 및 효과

1) 개발과제의 배경

 2015년 11월 30일 프랑스 파리에서 열린 제21차 유엔기후변화협약(UNFCCC)에서 우리나라는 2030년까지 배출 전망치 대비 37%를 줄이고자 하는 노력을 하겠다고 서약했다. 이에 우리나라는 2018년 온실가스 감축 로드맵을 만들어 에너지, 산업, 농수산, LULUCF(Land Use, Land Use Change, Forestry), 폐기물 분야로 나누어 온실가스 감축을 위해 분야별로 감축 방안을 세우고 관리하고 있다. 농축산 분야는 2030년까지 20.7백만톤을 배출한다고 전망을 잡았고 그 중 19.0백만톤까지 감축하고자 한다.
 농축산분야에선 반추동물이 배출하는 메탄의 량이 많다. 대표적인 반추동물인 소의 경우 1마리당 연간 85kg의 메탄을 발생시킨다는 연구결과가 있다. 100평의 축사에서 비육우기준으로 소를 키운다고 할 경우 47~66마리를 키우고, 이 소들이 연간 배출시키는 메탄량을 계산해보면 연간 약 4000~6000kg 정도의 메탄이 발생한다. 즉 축사에서 발생하는 메탄가스의 양이 결코 무시할 수 없는 수준이다. 이에 따라 우리나라에서는 반추동물의 메탄가스를 감축하기 위해 메탄발생 저감사료, 반추동물의 장내 발효메탄발생 저감기술 개발, 생체리듬을 이용한 장내 발효메탄발생 억제 등을 활용하여 0.2백만톤 감축을 목표로 하고 있다. 이에 본 과제에서는 메탄 산화 미생물을 이용하여 소가 배출하는 메탄을 처리하고 에너지화가 가능한지 연구하고자 한다.

표 1. 가축사육시설 단위면적당 적정 가축사육기준

2) 개발과제의 효과

 축사에서 배출되는 메탄가스 저감 시스템 개발을 통해 기대할 수 있는 효과는 다음과 같다.

i) 파리협약에 맞춘 우리나라의 메탄가스 감축에 기여할 수 있다.

ii) 메탄가스를 포집, 제거할 수 있다.

iii) 축사 내 유해가스를 적절하게 조절하여 축사 내의 대기질을 향상시킬 수 있다.

iv) 추가적인 연구를 통해 메탄의 저감이 아닌 메탄올로 변환하는 공정을 수행할 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

1) 축사 내 메탄포집에 최적인 수단 선정

 바이오가스의 정제 방법으로는 흡착법, 흡수법, 막분리법으로 크게 분류할 수 있다. 이 중에서 가장 축사 환경에 알맞은 방법을 선정한다. 기존의 메탄을 포집하는 시설에는 매립지가스, 하수슬러지의 혐기소화, 축산분뇨 및 음식물 등 유기물의 혐기소화 등이 있다. 이들은 모두 메탄의 함유량이 40%~70%사이로 높으며 이에서 이산화탄소와 수증기 등을 분리하여 수율을 높인다. 본 개발품에는 소의 호흡과 축사내 분뇨로 인한 메탄발생만 고려하므로 기존 메탄포집시설보다 농도가 낮다. 따라서 기존의 방법이 목표를 달성하지 못할 경우 새로운 방안도 구상해보려 한다.

2) 최적의 메탄제거 방법 선정

 일반적으로 메탄을 제거하기 위해서 매립지에서는 소각을 이용하고 있다. 그러나 축사에서 발생하는 메탄은 농도가 매우 낮기 때문에 소각을 통하여 처리할 수 없다. 따라서 적은 농도의 메탄을 제거할 수 있는 방안을 찾아 적용시킨다. 메탄을 촉매를 이용하여 산화시키는 방법과 메탄 산화 미생물을 통하여 변환시키는 방법이 주로 알려져 있다. 이 중 최적의 방법을 선정하여 적용시킨다.

3) 경제성 및 경쟁력 확보

 소에서 발생하는 메탄의 양을 줄이는 기존의 방법들은 먹이나 장내미생물을 조절하는 방법으로 소에게 어떠한 악영향을 끼칠지 모른다. 이로 인해 우유나 소의 품질 등에 영향을 끼칠 가능성이 존재한다. 본 발명품은 소와 축산물에 간접적으로 영향을 끼치는 방안을 구상하여 기존의 기술들과 차별성을 갖도록 설계한다.
 이 과제에서 제안하는 메탄가스 제거공정의 설치비용을 조사하여 초기 시설물의 설치비용을 파악하고 설치비용을 최대한 감축하는 방안을 고려한다. 또한 축사 내 메탄가스의 제거량을 조사를 통해 계산하여 온실가스 배출권 거래제를 통해 발생하는 메탄가스의 저감량에 따른 수입을 구해 초기 설치비용과 운전비용의 합보다 발명품의 운영이 높은 이득을 띄도록 경제성을 확보한다.

관련 기술의 현황

State of art

◇ 가축 메탄저감 기술
1) 가축 장내발효 메탄배출 저감제
 메탄 생성균 억제 박테리오파지를 이용하여 소의 위-장 등 소화기관에 살면서 메탄가스를 발생시키는 특정 종류의 미생물을 파괴할 수 있도록 한다.

2) 저메탄 사료
 사료를 주로 이용하는 방법으로 새로운 목초 종류나 새로운 첨가제의 배갈로 반추위의 기능을 조절하는 방법이다. 주로 수용성 탄수화물의 함량이 높은 초목을 사료로 첨가하여 사용하는데, 발효 중 생성되는 대사성 수소가 미생물 단백질로 합성될 수 있도록 하는데 기여하는 것으로 메탄생성미생물이 메탄을 생성하기 위해 이용할 수소가 공급되지 않도록 하는 역할을 한다.

◇ 유해가스 처리기술 현황
 ◇ 메탄 처리기술 현황

현재까지 개발된 메탄의 처리 기술은 매립지나 음폐수, 하수 처리과정에서 나오는 고농도의 메탄을 정제하는 쪽으로 발전되었다. 대부분의 기술은 메탄을 에너지원으로 활용하기 위하여 이산화탄소나 수증기 등 다른 물질을 제거하는 방법으로 발전해 왔으며 메탄 자체를 제거 시키는 기술을 그리 많지 않다. 활성탄 등 흡착제를 이용하여 메탄을 제거하는 것이 일반적인 메탄자체를 제거하는 방법이며, 매립지에서의 복토 토양을 통해 대기로 배출되는 메탄의 양을 감소시키기 위한 하나의 방안으로 복토층의 미생물을 통한 메탄산화를 이용하려는 시도가 이루어지고 있다.

기술 로드맵

내용

특허조사

◇ 축사내 공기정화장치(출원번호 10-1999-0049075)
축사 및 유기질 비료의 냄새를 제거하고 야채 등의 신선도 유지를 위해 오존을 공급하는 장치로 메탄과 오존을 반응시켜 물과 이산화탄소로 전환시키는 등의 축사 내 공기를 정화하는 장치이다. 
 이 특허의 핵심사항은 오존을 통하여 악취물질 및 오염물질을 정화하고 살균하는 것이 핵심 청구사항이다.

◇ 무창축사 환기장치(출원번호 10-2014-0050240)
창문이 없는 폐쇄형 축사에서 축사 내·외부를 환기시키는 시스템으로 축사 내부의 유해균 및 오염물질을 측정하는 공기센서 유닛과 축사 내부에 광을 발생시키는 조명부재, 광을 흡수하고 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 통해 축사 내 공기를 정화하는 공기정화 유닛, 오염물질의 양을 측정하는 센서를 통해 광의 밝기를 조절하고 측정된 데이터를 유무선통신망을 통해 등록된 관리자 단말기에 전달하는 제어유닛으로 구성되어 있다. 
무창축사 환기장치의 핵심은 창문이 없는 축사와, 무창축사 내외부로 공기를 유입하거나 유출시키는 환기부, 조명을 통한 공기 살균 및 정화부로 구성되어 있다. 무창축사 환기장치는 기존의 스마트축사와 유사한 부분을 가지고 있지만, 정화방식이 빛을 통한 살균(살균램프)를 가지고 있는 것이 큰 특징이다.

◇ 통합축사정화시스템(출원번호 10-2005-0067718)
축사내의 오염공기는 오염성분의 비중에 따라 무거운 것은 아래로, 가벼운 것은 위로 이동하므로 이를 분리 포집하여 자연의 힘으로 환기를 시키는 순환적 공조시스템이다. 축사에서 발생하는 오수 및 오염된 공기를 폭기조에서 폭기하여 바이오필터를 통해서 정화를 하는 시스템이다. 
통합축사정화시스템의 핵심은 축사간의 공간에 식물재배 추이대를 구비하고, 실외로 연결된 공기 흡입구 및 공기 공급관을 구비한 정화처리실을 가지고 있는 것과 이러한 공급관에 연결되고 출구단을 구비한 공기 정류실, 공기공급닥트, 식물재배 추이대를 포함한다는 것이다. 또한 배출된 공기가 공급되고 정화조로부터 폐수가 유입되는 폭기조를 포함하는 것이 통합축사정화시스템의 핵심이다. 

◇ 축사용 자동환기시스템(출원번호 10-2007-0002845)
축사용 자동환기시스템에 관한 것으로서 축사 내부에 설치되어 공기의 오염정도를 검지하는 가스센서와 축사 내부에 온도를 검지하는 온도센서, 공기습도를 검지하는 습도센서, 환기부, 축사 내부로 유입되는 공기를 가열하는 공기가열부, 축사 내부의 오염공기를 배출하기 위한 배출부로 이루어져 있다. 대형화, 단지화 된 축사에서 발생하는 여러 대기오염물질 및 악취발생물질을 보다 효율적으로 관리하는 자동환기시스템이다. 자동적으로 축사 내부의 환경을 검지하고 조절할 수 있는 시스템이며 추가적으로 환기하는 과정에서 공기 내에 포함된 세균을 살균하기 위해 공기가열부를 장착하였다. 
축사용 자동환기시스템은 우리가 일반적으로 알고 있는 스마트 축사와 유사한 부분이 있다. 자동으로 공기의 습도, 온도, 오염정도를 측정하여 공기순환을 시켜 가축들이 최적의 환경에서 생육할 수 있도록 하는 것이다. 또한 추가적으로 공기가열부에서 세균을 살균하는 것이 특징이다.

특허전략

◇ 축사 내 메탄 제거
◇ 축사 내 악취 물질 제거
◇ 경쟁력 확보

 기존의 축사 환경의 조성은 소의 개별적인 관리와 분뇨의 처리에 관련하여 발명되었다. 그와 관련한 기술을 제외하면 현재 등록된 특허는 없으며, 특히 사육장 내 공기의 정화와 관련된 특허는 매우 적고 그 구조 또한 불편하다.

메탄을 주 목표로 하여 제거하고 그 외 암모니아와 유해가스도 제어할 수 있는 간편한 정화기술을 축사에 적용시켜 온실가스의 매출을 줄이고 축사 내 대기질 개선에 도움을 주고자 한다.

축사 내 대기질 개선이 소의 성장에 어떤 영향을 끼치는지에 대한 자세한 연구가 없어 경제적인 효과를 계산하는 것은 힘들지만 온실가스인 메탄의 발생량을 줄여 전세계적인 환경 목표인 온실가스 감량에 도움이 된다는 것을 주장하여 정부나 기타 시설의 지원을 받을 수 있을 것이다. 또한 악취발생 물질을 제거해 축사 근처 환경을 개선하고 기존의 축사 또한 적용이 될 수 있게 해 농가의 인력 감소에 기여한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

 ◇ 활성탄을 이용한 메탄가스 제거방법(출원번호 10-1998-0056274)
이 제품은 2개의 활성탄 칼럼을 이용해 메탄을 제거하는 기술이다. 보다 자세하게는 활성탄 흡착제가 충진된 일 칼럼에서는 상온 ~ 50℃의 온도로 메탄을 함유하는 수소 가스를 통과시킴으로써 수소 가스 중 포함된 메탄을 활성탄에 흡착시키고, 동시에 활성탄 흡착제가 충진된 다른 칼럼에서는 활성탄에 흡착되어 있는 메탄을 탈착시키는 공정이다. 이 공정을 통해 수소 가스내 1% 미만으로 존재하는 메탄을 제거할 수 있다. 그러나 우리가 목표로 하는 질소, 산소, 이산화탄소 등이 포함된 상온의 공기에 포함된 메탄을 제거하는데 알맞지 않다.

 ◇ 매립지 온실가스 배출저감을 위한 메탄산화기술(서동천, 서울시립대학교)
 이 기술은 매립지 내에서 발생하는 메탄을 토양 내 미생물에 의한 메탄산화로 제거하는 기술을 토대로 매립지복토층의 환경조건을 조절, 복토층에 토양 이외의 재료를 적용, 포집된 가스를 바이오필터에 통과시켜 처리하는 기술 등으로 나누어 비교 조사한 자료이다. 복토층에 존재하는 미생물에 의한 산화기술이므로 이 기술을 조사해 메탄산화의 영향인자, 방해물질 등을 확인하여 축사 내 메탄제거공정에 고려할 수 있다.

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 메탄이 공기보다 가벼운 성질을 이용하여 축사 내에서 보다 효율적으로 메탄을 포집한다.
◇ 축사 내 메탄뿐만 아니라 암모니아, 황화수소 등 다양한 오염, 악취 물질을 제거할 수 있다.
◇ 간단한 구조물이나 설비를 사용하여 기존의 축사 활용을 방해하지 않는다.
◇ 운영에 필요한 조건이 상대적으로 간단하여 조작이 쉽다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 주요 온실가스 중 하나인 메탄의 배출량을 줄여 지구온난화의 완화에 기여한다.
◇ 악취를 일으키는 가스들도 제거해 축사 근처의 환경을 개선한다.
◇ 기존의 스마트 기술들을 적용해 축산업에 필요한 인력을 감소시킬 수 있다.

구성원 및 추진체계

1) 구성원 및 역할

권규주 / 조장 / 시스템 제작, 축사 내 메탄 농도 조사, ppt 발표

박준성 / 조원 / 시스템 제작, 메탄 포집 방법 조사, 데이터 분석

오창욱 / 조원 / 시스템 제작, 메탄 제거 시스템 조사, ppt 제작

하재훈 / 조원 / 시스템 제작, 메탄 제거 미생물 조사, 경쟁력 분석

2) 추진체계

설계

설계사양

가. 제품 요구사항

본 설계를 통해 제안하는 제품에서 기대하는 요구사항을 다음 아래 표와 같이 정리하였다. 항목에 따라 필요사항은 D, 희망사항은 W로 표기하였다.

표 1. 설계제품의 요구사항

1) 메탄의 저감량
 설계를 통해 제안하는 제품은 소가 발생하는 메탄가스의 양이 전체 메탄가스 발생량의 15~20%정도를 차지할 정도로 많은 양이라는 것에 중점을 두고 메탄을 저감하는 것에 의의를 둔 제품이다. 따라서 축사 공기 내 포함되어 있는 메탄의 저감정도는 필수적인 요구사항이다.

2) 제품운영에 따른 설치 회수비용

 설계를 통하여 제안하는 제품은 1차적으로 기존의 축사에 부착하거나 개조하여 설치하고 2차적으로 유지관리가 필요하다. 따라서 투자비용을 회수하기 위해 농림축산식품부가 진행하는 “농업농촌 자발적 온실가스 감축사업“에서 진행하는 1톤의  저감 당 2만원 지원하는 것을 이용, 투자비용의 회수와 유지관리비용 확보가 가능할 것으로 기대된다. 또한 정부의 지원을 받아 연구되고 있는 저메탄발생사료 연구, 장내 메탄발생억제미생물의 연구보다 효율적이고 가축의 건강도 책임지는 설계 제안 제품의 기능성을 증명하면 정부의 지원금을 받아 온실가스 배출권 거래제도를 이용한 수익보다 더 많은 비용을 회수할 것으로 기대된다.

3) 기존 축사에 적응 여부
 이 제품은 축사에서의 공기흐름을 조절하여 오염물질이 포함된 공기를 이송시켜 메탄을 저감하는 제품이다. 개방형 축사에서는 제품의 기능이 저하되거나 이상적인 목표에 다르지 않을 수 있다. 그러나 모든 축사를 폐쇄형으로 다시 설치하거나 개조하려면 추가적인 비용과 시간이 너무 많이 소모된다. 따라서 제안하는 제품은 기존 축사의 다양한 형태에 모두 적응하여 기능을 발휘할 수 있어야 한다.

4) 경쟁제품과의 차별성
 기존 소가 발생하는 메탄가스 양을 조절하기 위한 기술로 저메탄 발생사료, 메탄을 적게 배출하는 종의 연구, 메탄발생 억제 미생물 등 여러 연구를 진행하고 있다. 하지만 그러한 연구는 소의 건강에 안 좋은 영향을 끼치거나 축산물의 품질저하를 일으킬 우려가 있다. 우리가 제안하는 제품은 소에 직접적인 영향이 없이 메탄을 저감할 수 있기 때문에 타 경쟁제품과의 차별성을 갖는다.

5) 제품의 안정성
 설계를 통하여 제안하는 제품은 공기 중에 포함되어 있는 메탄을 산기관과 물탱크를 이용해 물에 용해시킨 뒤 메탄산화 미생물을 이용하여 메탄을 산화시켜 최종적으로 이산화탄소로 변환하여 메탄을 제거하는 공정이다. 따라서 메탄을 포집하기 위한 공정에서 축사 내 공기흐름이 원활한지, 과도한 운전으로 펌프나 산기관에 고장이 발생하지 않는지, 미생물이 메탄을 잘 섭식할 수 있는지 전체적인 안정성을 가져야 한다.

 나. 목적계통도
 본 설계를 통해 제안하는 제품의 목적계통도는 아래 그림을 통해 표시하였다.

그림 1. 설계제품의 목적계통도

개념설계안

그림 2. 제품의 3D 모델링

먼저 축사 내 존재하는 메탄을 공기 중 공기보다 가벼운 메탄의 성질을 이용해 축사 상부에서 환기팬으로 축사 바깥으로 내보낸다. 내보낸 축사 내부 공기를 활성탄을 지나게 해 악취물질인 황화수소를 부착시켜 제거한 후 펌프와 산기관을 통해 미생물이 있는 물탱크에 분사시켜 물에 용해시킨다. 이 과정에서 충전재를 이용해 기포의 이동거리를 늘려 메탄이 용해되는 정도를 높인다. 이렇게 용해된 메탄을 메탄산화미생물을 이용해 산화시켜 제거한다. 또한 축사에서 추가적으로 발생하는 암모니아의 처리를 위하여 호기성 탈질균을 같이 넣어 암모니아도 산화시킨다.
일반적으로는 상시 가동되게 하지만 환기의 필요성이 적어지는 겨울철이나 우천 시에는 환기팬을 닫고 반송관을 열어 반송을 여러번 시키면서 메탄의 산화율을 최대한 끌어올린다. 또한 환기팬이 다수 부착돼있을 경우 한 개는 상시 운전, 한 개는 반송시키면서 메탄의 산화율을 향상시킨다. 이러한 공정을 통해 축사에서의 메탄발생량을 감소시킨다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

 3.1 축사 내 메탄 발생량 계산

일반적인 축사내 메탄 농도는 70~140 ppm 농도로 조사되었다. 그러나 우리가 적용시킬 축사는 개방형 축사가 아니라 폐쇄형 프리스톨축사로 축사의 공기를 자연환기가 아니라 인공환기를 이용하여 환기시켜 소가 발생시키는 모든 메탄을 제어할 수 있으며 그에 따라 축사 내 메탄 농도도 달라질 것이다. 축사 내 메탄농도를 측정하기 위해 직접 측정을 하려했으나 측정기기가 없어서 임의의 축사를 설정한 후 이론적으로 구한다. 농림축산식품부에 따르면 비육우는 마리당 7.0m2, 착유젖소는 마리당 16.5m2의 면적에서 기른다. 임의의 축사는 넓이를 350m2, 높이를 4m로 설정하여 총 50마리의 비육우를 키운다고 가정한다. 비육우 마리당 하루 발생 메탄량을 추정하기 위해 단일변수로는 가장 유의미한 건초섭취량을 이용한다.

그림 3. 건초량과 메탄의 발생량

 비육우 한 마리가 하루 섭취하는 건초량은 8~10kg으로 여기에서는 10kg으로 가정한다. 
 따라서 임의로 정한 축사에서 발생하는 메탄의 발생량은 
 (15.282 * 35.197) * 50(마리)= 9,400g/day이다. 
 축사의 부피는 1,400m3이므로 6시간동안 환기를 시키지 않았을 경우 축사 내 메탄의 농도는 2,350g/L * 0.08206 atm*L/mol*K / 16g/mol * 300K / 1,400,000=0.002582atm
 즉, 0.01의 비율을 가지므로 2,582ppm까지 올라간다.

 3.2 미생물의 메탄 산화 속도 및 탈질균과의 혼합배양결과

 메탄산화세균은 그람 음성으로 형태는 구형이다. 증식제한인자 실험결과 호기성 메탄산화세균은  pH중성, 온도 25~35℃, 산소/메탄 주입비율이 1~1.6(v/v %)일 때 최대증식율을 나타내었다. 메탄산화세균의 메탄, 산소이용속도는 1차 반응으로 표현되며, 메탄이용속도는 0.65L/g VSS·d, 산소이용속도는 0.85L/g VSS·d이었다.
 호기성 탈질균과 메탄산화세균의 혼합배양 실험에서 질소원으로 암모늄을 주입했을 때 용존산소농도와 경과시간에 따른 질소의 경향을 알아본 결과 반응조내 DO농도가 3.2mg/L, 1.7mg/L, 0.9mg/L일 EO의 NH-N의 제거율은 14시간 후에 각각 87.6%, 78.2%, 63%, 20시간 후에 각각 95%, 90%, 71%의 높은 제거율을 보였고, 반응조내 DO농도가 높을수록 NH-N의 제거율이 높았다. 또한 반응시간 동안 아질산과 질산의 축적은 없었다. 호기성조건에서 암모니아성 질소는 시간의 경과에 따라 꾸준히 제거되어 15시간 이후에 99%이상 제거되었다.
 메탄산화를 위한 최적 온도는 25℃이며, 0∼5℃ 사이에서의 메탄산화속도는 25℃일 때의 10∼38% 정도라고 한다.

 3.3 물에 대한 메탄의 용해도 계산

 물이 기체와 접할 때 물과 기체의 경계면을 통하여 끊임없이 분자의 교환이 일어난다. 물에 녹아있는 기체의 농도가 포화상태에 도달하면 서로 이동하는 양이 같아져 평형을 이루는데 동적 평형을 이루었을 때 물에 녹아있는 기체농도를 그 기체의 용해도라고 부른다.  통상적으로 알려진 메탄의 물에 대한 용해도는 20℃ 및 1기압 하에서, 약 22 mg/L이다. 그러나 우리의 실험조건이 이와 다르기 때문에 직접 계산을 했다. 
 Cs(기체의 용해도, g/m3)=KD(분배계수)Cg(기체의 농도, g/m3)

 물에 대한 몇 종류의 분배계수는 다음과 같다.

그림 4. 분배계수

 6시간동안 환기되지 않은 축사 내 공기에서 메탄의 농도는 2,582ppm이며, 미생물의 생장을 위해 물탱크의 온도를 20℃로 유지한다.
 따라서 메탄의 용해도는 0.03351.678g/m3=0.0562g/m3이다. 이는 충분히 적은 양이므로 미생물이 전부 산화시키는게 가능하다.

 3.4 공기 유량 계산

 가정한 축사의 부피는 1400m3이다. 우리는 6시간마다 공기가 순환되는 것을 목표로 하여 압력손실을 포함하여 200~250m3/h의 압력으로 환기를 한다. 산기관 1개의 통기량이 120~180L/min이므로 약 25~30개의 산기관이 필요하다 1개의 탱크에 15개의 산기관이 들어갈 수 있으므로 2개의 물탱크에 각각 15개의 산기관을 넣어 송풍기로 산기관에 축사에서 배출된 공기를 넣어준다.
 또한 산기관이 원활히 작동하게 하기 위해 송풍기를 설치한다. 송풍기는 산기관의 통기량을 충당하기 위해 압력손실을 고려하여 통기량 300m3/h인 송풍기를 설정하였다. 송풍기의 통기량이 너무 적을 경우 산기관이 제대로 작동하지 않을 수 있고 반대로 너무 클 경우는 산기관이 터질 우려가 있기 때문에 적당한 통기량을 설정하였다.

 3.5 소모 전력량 계산

 기본적으로 축사에서는 환기를 위하여 환기팬을 사용하기 때문에 환기팬에 사용되는 전력량은 계산하지 않았다. 본 설계에서 전력이 소모되는 기관은 송풍기하나로 220v기준으로 60W의 전력을 소모한다. 이를 바탕으로 한 달 소비전력과 소모비용을 계산한다.

 60W * 24h * 30d = 1440Wh/d  30d = 43.2kWh

 한 달 약 43.2kWh의 전력을 사용한다. 
 본 시설은 축사에서 사용되므로 전기요금은 농업용(병)의 가격이며, 따라서 한 달 소모비용은
 43.2kWh * 37.8(원) = 1632.96원이다.

조립도

조립도

그림 5. 발명품의 그림품 도면

 도면은 본 발명에 의한 축산에서 배출되는 메탄을 포함한 공기를 미생물 탱크를 이용하여 제거하는 축사 내 메탄제거장치를 나타내는 도면으로서, 본 발명에 의한 축사 내 메탄제거장치는 축사 내 공기에 포함된 메탄을 환풍기를 통해 외부로 배출하여, 메탄제거미생물이 존재하는 미생물 탱크로 보내 메탄을 이산화탄소로 제거하는 것이다.

 즉 본 발명에 의한 축사 내 메탄제거장치는 축사(1) 내의 공기가 환풍기와 연결된 관(2)에 의해 이송되고, 레듀서(4a)를 통해 환풍기 연결 관과 산기관 이송 관(5)을 연결하는 펌프(4c)의 주입부 관경인 150mm로 줄이고, 접합부(4b)를 통해 펌프의 주입부분으로 흐름을 변경한 다음 펌프(4c)를 300의 풍량으로 이송된다.

 펌프에서 배출된 공기는 펌프의 배출관경인 직경 125mm의 관(5)을 통해 미생물 탱크(7) 내 존재하는 산기관(10)으로 공기를 이송해 메탄을 포함한 공기가 배출되고, 수심 2.5m의 메탄제거미생물이 포함된 물에 메탄이 녹아 분해되어 이산화탄소의 형태로 배출된다.

 미생물 탱크는 충전탑의 형태를 적용하여 중간에 충전재(6)를 배치한다. 충전재는 구형으로 이 충전재는 미생물과 메탄의 접촉면적을 증가시켜서 미생물이 메탄을 흡수하기 쉽게 된다.
 미생물탱크에서 나오는 공기는 반송관(8)을 통해 반송되어 장치의 효율을 향상시킨다.

부호의 설명

1 : 축사(14 × 25m², 높이 4m), 2 : 환기관(D250mm), 3 : 곡관부(D250mm)

4a : 레듀서(D250mm -> D150mm), 4b : 곡관부(D150mm) , 4c : 펌프(유입 D150mm, 유출 D125mm)

5 : 수송관(D125mm), 6 : 충전재(높이 2m), 7 : 탱크(D2330mm, 높이 6m), 8 : 반송관(D125mm)

9 : 배출구(D125mm), 10 : 산기관(통기량 700L/min)

조립순서

1) 우사천장의 한 쪽 면에 환풍기를 설치한다.
2) 환풍기와 직선형 PE관로를 연결한다.
3) 직선형 PE관로에 ㄱ자 접합부, 수직관로를 연결한다.
4) 수직관로와 펌프를 연결하고, 펌프의 배출구 부분에 직선형 PE관로를 연결한다.
5) 연결된 직선형 PE관로 끝에 미생물 탱크를 연결한다.
6) 직선형 PE관로와 미생물 탱크의 산기관 파이프를 연결한다.
7) 미생물탱크의 위쪽에 2개의 구멍 중 미생물 탱크의 1개의 구멍에 관로를 연결하여 환풍기와 연결된 PE관로 방향으로 공기를 보내는 반송로를 만든다.
8) 미생물 탱크의 나머지 1개의 구멍은 처리된 가스가 나갈 수 있는 관로를 연결한다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

◇이송의 효율을 위하여 설비를 축사 환기팬 바로 뒤로 설치하기 때문에 축사근처에 부지가 필요하며 그 쪽 방향으로의 출입이 힘들어진다. 제품의 모양이나 위치 개선을 도모할 수 있다.

◇메탄의 산화과정 중 중간 생성물인 메탄올을 회수할 수 있는 가능성이 있다. 메탄이 순차적으로 메탄에서 메탄올, 개미산 등을 거쳐 이산화탄소로 산화되는데 메탄올 이후 변환과정에서 경쟁적 저해제인 인산염이나 염화나트륨을 넣어 반응을 억제하여 메탄올 상태로 회수하면 더 큰 이득을 얻을 수 있다. 그러나 경쟁적 저해제가 메탄올 이후의 과정뿐만 아니라 메탄이 메탄올로 변환화는 과정에도 저해제로 작용하기 때문에 전체적인 반응 속도가 늦어진다. 이에 따른 추가적인 연구가 필요하다.

◇폐쇄형 축사를 이용하여 메탄을 새어나가지 않게 포집하려하지만 메탄이 공기보다 가볍고 이동속도가 빨라서 새어나가는 양이 있을 수 있다. 식사시간을 제외한 시간에 소의 입 부근에 장비를 착용시켜 소가 배출하는 모든 물질을 제어할 수 있다면 더 나은 포집효율을 기대할 수 있다.

◇소에서 배출하는 메탄을 줄이기 위한 본 설계를 제외한 다른 연구들은 소가 메탄을 생성하는 위장, 먹이 등을 조절하여 메탄의 발생량을 줄이려하고 있다. 그러나 그런 방법으로는 메탄의 발생량을 줄일 수 있어도 모든 메탄을 제거할 수는 없다. 따라서 다른 연구들이 발전되어도 본 설계가 가지는 의의는 여전할 것이다.

◇설계에서 제안하는 시설 중 기체를 물에 녹이기 위해 기포를 생성하여 충전재를 통해 이동거리를 늘이는 방식은 기존의 충전탑과는 반대되는 형상이다. 추후 저농도의 오염물질을 제어하기 위한 공정이 필요하다면 이러한 형식을 사용하여 다른 설계에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1) 소의 트림, 방귀가 온실가스의 주범?(이성규, 2010), The science times

2) 가축사육시설 단위면적당 적정 가축사육기준, [시행 2015. 12. 21.]

3) 지구온난화 대비 한우 사양관리 개선 연구(국립축산과학원, 2014년)

4) 오영균, 김경훈, 송만강. 2006. 한우 산육성 증진을 위한 단백질과 전분질사료의 이용성 조절기술 개발. 농림기술개발사업 연구보고서

5) 설용주, 김경훈, 백열창, 이상철, 옥지운, 이강연, 홍성구, 박규현, 최창원, 이성실, 오영균. 2011. 곡류 사료원별 육성기 한우 장내발표에 의한 메탄가스 배출량 비교. 한국동물자원과학회지. 53(2) 161-169

6) “온실효과 CO의 25배” 소·양의 트림 방지연구 활발, 이해영, 연합뉴스 (https://www.yna.co.kr/view/AKR20181010079000009)

7) 이상문, 2013., 축우의 장내 메탄생성에 영향을 미치는 요인 분석 및 메탄 생성량 예측에 관한 연구, 忠南大學校 大學院

8) 이희자, 조양석, 김일호, 안승구. (서울시립대 1998). 메탄산화세균의 혼합미생물을 이용한 질산화와 탈질의 동시수행에 관한 연구. 대한환경공학회 학술발표논문집, (), 229-230.

9) 이희자, 메탄산화균을 이용한 하수의 질소 및 인의 제거, 서울시립대박사학위논문 , 1999.

10) KEPCO-한전사이버지점, http://cyber.kepco.co.kr/ckepco/front/jsp/CY/E/E/CYEEHP00101.jsp

11) J. Lassen , P. Løvendahl and J. Madsen. Accuracy of noninvasive breath methane measurements using Fourier transform infrared methods on individual cows. J. Dairy Sci. (2012). 95 :890– 898.

12) M.G.G. Chaunda. Opportunities and challenges in the use of the Laser Methane detector to minor enteric methane emissions from ruminants. Animal(2013). 7:S2, 394-400.

관련특허