가축 사육형태가 규모화 됨에 따라 가축분뇨 발생량은 지속적으로 증가하고 있으며, 가축분뇨를 에 너지로 이용하고자 하는 자원화에 대한 요구가 점차 증가되고 있다. 국내에서 발생하는 가축분뇨 에너 지화의 경제적 효과는 4,777억원으로 기대되고 있다. 따라서, 축산분뇨를 원료로 하는 바이오가스 플 랜트에서 발생하는 가스의 이용에 관한 연구는 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 가축분뇨를 원료 로 한 바이오가스 플랜트에서 발생하는 가스의 이용에 대한 다양화를 모색하고자, 바이오가스 내 개별 성분의 분리 및 정제 방법을 구명하였다. 그리고 바이오가스 내 대표적인 성분이 CH4, CO2가스의 분 리를 통하여 독립적인 활용 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 발생하는 가스의 분리를 행하였으며, 분리된 가스의 적정 이용을 위한 정밀분석을 하였다. 그 결과, CH4가스는 약 95%, CO2가스는 약 93.2%로 정제되었으며, 분리된 가스 속에는 황화수소의 경우 1ppm이하로 포함되어 있는 것을 확인하 였다. 정제 CO2가스의 정밀 분석 결과, 도시가스 품질 기준표와 비교하였을 때, 정제 CH4에 포함된 성분들이 품질 기준표에 적합한 농도를 나타내었다. 정제 CO2의 정밀 분석 결과, 농업시설 내의 작업 자와 작물에게 유해한 성분들의 함량이 매우 미세하게 나타났다.

본 연구는 가축분뇨 혐기성소화에서 발생된 바이오가스 이용 활성화를 위하여 효율적인 가스성상별 분리 및 정제 방법을 모색코자 수행하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위하여 폴리술폰 고분자 소재를 상분리법을 이용하여 중공사막을 제조하였고, 중공사막이 충진된 맴브레인 모듈을 제작하여 바이오 가스 분리 및 정제를 실시하였다. 이러한 특징을 가진 중공사막을 사용하여 멤브레인 모듈을 제작하였으며, 제작된 멤브레인 모듈을 사용하여 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위해서 멤브레인 모듈에 공급한 바이오가스는 실록산 0.1 ppm 이하, H2S 3 ppm 이하, Dewpoint –20℃ 이하로 제어하여 공급하였다. 멤브레인 모듈의 운전압력은 4∼7 ㎏f/㎠, 온도의 범위는 15∼45℃이였다. 가축분뇨에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제한 결과, CH4 94.2%, CO2 92.0%로 분리 및 정제되었으며, 회수율은 CH4 102.1%, CO2 83.5%가 회수되었다. 따라서 본 연구에서 제작한 멤브레인 모듈을 사용한 바이오가스의 분리 및 정제 실험을 통해서 분리 전 바이오 가스의 성분(CH4 68%, CO2 28%, O2 0.6%, H2S 1 ppm 이하, Balance 2.7%)에 대해서 CH4 94.2%, CO2 92.0%의 고농도 분리 및 정제가 가능한 것을 알 수 있었다.

본 연구는 축산분뇨 처리장(바이오가스 플랜트) 액비의 고도처리에 적합한 공정을 도출하기 위한 기초 연구이다. 액비를 고도처리하기 위하여 나노여과 및 역삼투(reverse osmosis) 공정을 각각 사용하였고, 전처리공정으로서 담체를 첨가하지 않은 MBR과 담체를 첨가한 MBR을 각각 적용하여 비교하였다. 액비의 질소는 주로 암모니아성 질소의 형태로 존재하였다. MBR의 운전에서 담체(biomedia) 유무에 따른 COD, T-N 및 T-P의 제거효율에서 큰 차이는 없었으나, 담체를 첨가한MBR의 TMP는 담체를 첨가하지 않은 MBR에 비해 매우 서서히 증가하였다. 전처리 공정으로 담체를 첨가한 MBR 공정을사용한 경우, NF에 의한 COD, T-N 및 T-P의 제거효율은 각각 99.8, 86.5% 및 99.8%이었으며, RO에 의한 제거효율은 각각99.9, 86.8% 및 99.9%이었다. MBR과 NF/RO 공정을 이용하여 처리한 액비의 최종 수질은 분뇨처리장 방류수 수질기준과비교하였을 때, COD와 T-P는 방류수 수질기준을 만족하였으나, T-N은 수질기준에 부적합하였다. 따라서 T-N에 대한 방류수 기준을 만족시키기 위해서는 MBR 조업 cycle의 조정 또는 나노여과/역삼투에 의한 2차 재처리 등의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

사람이 생활하면서 발생하는 대표적인 유기성 폐기물은 분뇨와 음식물쓰레기이며, 이 폐기물들은 주로 혐기성 소화에 의해 처리되고 있다. 중앙 집중식 시스템에 연결되지 않는 소규모 주거지역이나 독립처리 시설을 갖춘 곳에서 발생하는 분뇨와 음식물쓰레기의 병합소화는 유기성 폐기물의 처리에 대안이 될 수 있다. 소변에는 질소와 인과 같이 회수 시 자원으로 재활용할 수 있는 물질들이 다량 포함되어 있으므로, 분뇨과 음식물쓰레기를 병합 소화시 분뇨에서 소변을 미리 분리하는 것을 고려할 수 있다. 본 연구에서 분뇨 분리를 통해 분뇨와 음식물쓰레기의 병합소화에서 대변의 잔류 소변양이 바이오가스 발생량과 처리 효율에 미치는 영향을 확인하기 위해 Biochemical Methane Potential (BMP) test를 실시하였다. 분뇨 기질은 실생활에서 발생하는 조건을 모사하기 위해 소변, 화장지를 포함한 시료를 제조하였다. 본 실험에서 음식물쓰레기, 대변과 화장지 포함량을 동일한 조건으로 하고 잔류 소변량을 다르게 하여 실험을 실시하였다. 국내에서 음폐수를 제외한 음식물쓰레기, 대변과 소변은 각각 0.25 kg/인/일, 0.15 kg/인/일, 1.6 L/인/일 가량 발생되는 것으로 알려져 있다. 각 기질을 1인 기준으로 하여 잔류 소변량은 0, 15, 50 와 100%(v/v) 조건을 설정하고, 실험은 각각의 잔류 소변량 조건에 대해 triplicate로 45일간 진행하였다. 발생되는 가스의 부피는 실린지를 결합한 t-type valve system으로 측정하였으며, 조성은 TCD (Thermal Conductivity Detector)가 장착된 GC (Gas Chromatography, Younglin ACME 6100, Korea)를 이용하여 분석하였다. 이를 바탕으로 시간에 따라 얻어진 누적메탄발생량에 수정된 Gompertz 식을 적용하여 잠재메탄발생량을 구하였다. 0, 15, 50 와 100%(v/v)의 조건에서 45일 동안 측정한 누적메탄발생량은 각각 254.60, 276.85, 264.17와 306.66 mL･CH4/g･VS 로 측정되었고. 수정 Gompertz 식을 적용한 잠재메탄발생량은 281.24, 289.27, 265.34와 298.59 mL･CH4/g･VS 이였다. 소변의 포함량이 100%(v/v)인 경우에서 메탄이 많이 발생하였다. 소변에는 질소, 인을 포함하고 있어 혐기소화에서 영양분으로 사용되나 과량이 포함 된다면 저해요소가 된다. 그러나 BMP test의 잠재메탄생산량 결과는 제한적이고, 잔류 소변양이 가스 생산량과 처리 효율에 미치는 영향에 대한 연구가 더 필요하다.