Introduction
가축분뇨는 축산농가의 전업화 및 대형화에 따라 꾸준히 증가하고 있는 추세이며, 발생량은 전체 오·폐수 발생량의 0.6%에 불과하나 오염부하율은 25.8%로 매우 높으며, 4대강 수질오염 부하의 17~28%를 차지하고 있다(ME, 2004a). 또한, 수거 및 관리체계가 미미하여 환경에 노출되어 여러 가지 문제를 일으킬 위험성이 높으며, 가축분뇨는 비점오염원으로 유관 기관에서 특별히 관심을 가지고 있는 분야이다. 가축분뇨를 처리하는 방법으로는 자원화, 공공정화처리, 해양투기 및 농가 자체정화처리 등이 있으며, 2007년 기준 자원화 84%, 공공정화처리 7%, 해양투기 3.5%, 농가 자체정화처리 2.8%로 처리되고 있는 것으로 보고되고 있으나, 수탁관리업체의 해양투기 등을 감안하면 실제 해양투기 비율은 훨씬 높을 것으로 예상되고 있다. 런던협약을 근거로 2006년 ’육상폐기물 해양투기관리 종합대책’을 수립해 매년 해양배출 허용물질의 단계적 감축을 실시해 오다 2012년부터 가축분뇨 해양투기가 전면적으로 금지되어 적절한 처리법이 요구되고 있다. 한편, 기존 관행적인 경종농업의 농산물 생산·유통체계 내에서는 원래 토양 내에 존재하던 유기물은 생산된 농산물에 의하여 소비 도시로 운반된 후 매립, 소각의 방법으로 소실되어 결국 농촌지역의 토양 내 유기물 및 영양성분은 지속적인 결핍으로 인하여 지력상실을 유발한다. 이를 보완하기 위하여 각종 화학비료와 농약의 과다 사용으로 대체하게 되고, 이는 토양 산성화와 함께 농약 및 비료 성분이
하천수 또는 지하수로 유출되어 부영양화 등의 문제점을 유발하고 있다.
상기 문제를 복합적으로 해결할 수 있는 대안 중의 하나가 축산분뇨 액비화이다. 화학비료 사용으로 척박해진 토지를 다시 비옥한 토지로 환원시키기 위해서는 유기질 비료가 반드시 필요한데 이러한 유기질 비료로 축산분뇨를 자원화(퇴비화, 액비화)하여 축분비료를 토양에 환원함으로써 축산분뇨처리와 친환경농업육성을 동시에 이룰 수 있다. 그러나 퇴비화 시설의 경우 시설비와 처리비용이 많이 소요되고, 수분조절제의 공급이 원활하지 않아 축산분뇨처리에 어려움이 있어, 정부에서는 저장액비화시설 및 액비저장조 및 수거·운반·살포 장비를 지원하여 시범사업을 실시한 후 2001년 이후 퇴비화 사업과 더불어 액비화 사업을 본격적으로 추진하고 있다. 그러나 실제 운영되고 있는 액비화 시설의 경우 동계의 낮은 기온 및 운영 미숙 등으로 인하여 비료의 부숙정도가 양호하지 못하여 실제 살포 시 악취 유발 등의 문제점이 나타나고 있다.Kwon et al.(2010)의 연구에 따르면 국내의 일반적인 돈분액비의 평균 C/N비는 3.12로 최소 0.12에서 최대 21.6으로 매우 넓은 범위에서 분포하는 것으로 나타났다. 일반적으로 C/N비가 낮으면 질소가 과잉 공급되어 악취의 원인이 되는 암모니아 가스로 손실될 우려가 있으며, C/N비가 높을 경우 미생물의 최적 성장에 요구되는 질소 결핍으로 퇴비화가 형성되지 않아 퇴비화에 소요되는 시간이 길어진다. 일반적으로 이상적인 퇴비화의 C/N비는 30으로 알려져 있는데 액비의 경우 상기 문헌에 따르면 C/N비가 이상적인 경우와 비교하여 매우 낮게 유지되고 있음을 알 수 있다(Choi, 2006). 따라서 본 연구에서는 경북 고령에 소재한 액비화 시설의 효율을 평가하고 C/N비 향상을 통한 부숙효율 향상을 위한 분리막 공정 적용 가능성에 대하여 연구하고자 한다.
Materials and Methods
경상북도 군위군에 소재한 액비화 시설은 총 4개의 호기발효탱크로 구성되어 각 탱크의 용량을 초과하면 자동으로 다른 탱크로 분뇨가 이동하는 공정이다. 공정도는 Fig. 1과 같다. 유입량은 1일 100톤이며 고액분리기를 통과한 후 상등액은 발효조로 유입된다. 각 발효조는 2,500 m3의 부피를 가지며, 각 탱크의 체류시간은 1개월이며, 샘플은 고액분리 전후와 각 발효조에서 채취하였으며, 시료 채취 시점은 2012년 3월 하순 경으로 평균 기온이 약 10℃였다.
한편, 분리막 활용 액비화 시스템의 공정도가 Fig. 2에 나타나 있다. 고액분리를 거친 시료는 500 ㎛의 전처리 카트리지 필터를 거친 후 2단의 PVDF재질의 한외여과막(HFU2020N, Toray, Rep.Korea)을 통과한 후 저압 역삼투막(웅진케미칼, 한국)을 거친다. 역삼투막에 의하여 농축된 돈뇨는 호기성 발효조로 옮겨져 10일간 부숙기간을 거친 후 성상변화를 관찰하였다. 한외여과막의 유효막면적은 전단 및 후단이 각각 약 79.1 cm2로 동일하였으며, 역삼투막의 유효막면적은 27.5 cm2의 염제거율 96%을 가진다. 막 특성 및 시스템 운전 조건이 Table 1, 2에 각각 기술되어 있다. 각 공정별 시료는 수질오염공정시험법(ME, 2004b)에 준하여 CODcr, T-N, T-P, NH3-N, NO2-N, NO3-N 등의 항목을 분석하였다.
Results and Discussion
액비화 시설의 유기물의 변화
Fig. 3에 실제 액비화 시설에서 채취된 샘플의 유기물 지표 (즉, CODcr)의 변화를 나타내었다. 저류조의 CODcr의 농도는 약 15,000 mg/L에서 고액분리를 거치면 약 12,000 mg/L로 약 20%의 유기물이 줄어드는 것을 확인하였으며, 각각의 발효조에서 유기물의 농도는 약 6,800 mg/L에서 7,400 mg/L로 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 호기성 발효조의 운전이 안정적으로 일어나는 것을 의미하며, 발효 기간이 1개월 경과하면 원수 중의 유기물 산화는 안정화 단계로 접어드는 것을 나타낸다.
액비화 시설의 질소, 인의 변화
다음으로 비료로서 가치가 있는 질소(T-N, NH3-N, NO2-N, NO3-N)와 인(T-P, PO4-)의 농도가 각각 Fig 4와 5에 나타내었다. 본 분석 결과 총 질소의 약 80% 이상의 높은 비율로 암모니아성 질소가 존재하는 것으로 나타났는데 높은 암모니아성 질소는 질산화가 일어나지 않은 초기상태임을 의미하며 이는, 향후 질산화가 진행되면서 용존 산소를 많이 소모할 것으로 사료되었다. 또한 시료 중의 NO2-N은 거의 검출이 되지 않음을 확인할 수 있었는데, 이는 일부 질산화가 진행된 질소는 대부분 완전히 산화된 질산성 질소로 전환되어 나타난 결과로 사료된다. 총인 및 인산염 인의 경우 고액분리 후 약 60%가 제거된 후 발효가 진행되는 4개월 동안 서서히 감소하는 경향을 나타냈다. 상기 결과를 바탕으로 4개월 부숙된 액비의 C/N비를 계산해 보면 약 4.7로 여전히 C/N가 여전히 낮게 운전되고 있음을 알 수 있었으며, 본 연구에서는 보다 효율적인 액비 부숙을 위하여 유기물의 농도를 높이고자 분리막 공정을 도입하여 C/N비를 향상시킬 수 있는 방안을 마련하고자 하였다.
분리막 장치 도입에 따른 성상 변화
분리막 공정에 이용된 원수는 고액분리를 거친 돈뇨로 원수의 성상은 Table 3에 정리되어 있다. 최종적으로 농축을 위한 장치로 역삼투막이 이용되는데 막오염을 저감하기 위하여 전처리 장치로 카트리지 필터, 2단 한외여과막을 두었다. 카트리지 필터는 큰 입자만을 제거하는 것을 목적으로 유입수와 비교하여 유기물 및 질소, 인 성분의 변화는 거의 없었다(Fig. 6~8). 한외여과 공정을 거친 후 유기물은 약 95%, 질소는 약 75% 그리고 인은 약 45%가 제거되는 것을 알 수 있었다. 최종적으로 역삼투막을 거치면 유기물, 질소 및 인 제거율이 약 99%이상으로 매우 양질의 처리수가 생성되는 것을 알 수 있었다. 원수를 5배 농축하기 위하여 소요된 시간은 총 4일로 농축 돈뇨의 유기물은 약 33,000 mg/L, 질소 약 6,800 mg/L로 C/N비가 4.8정도로 약 3배 정도 높아진 것을 확인할 수 있었다.
분리막 투과도 변화
분리막 공정에 있어 중요한 요소 중의 하나인 막투과도 변화를 Fig. 9에 나타내었다. 우선 한외여과막의 투과도를 살펴본 결과 고농도의 영양염류 및 무기물로 인하여 막투과도가 초기 운전 1시간 이내에 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 역삼투막의 투과도는 한외여과막과는 달리 서서히 감소하는 것을 알 수 있었다. 일반적인 역삼투 공정에 있어서 유입수의 탁도는 최대 1 NTU이하, silt density index (SDI)는 최대 5이하가 되어야 최적의 역삼투 공정을 유지할 수 있는 것으로 알려져 있다(KW, 2013). 2단의 한외여과막으로는 상기 조건을 충족시키는데 한계가 있기 때문에 실질적인 액비화 공정에 역삼투 공정을 결합하기 위해서는 상기 유입수 조건을 충족시킬 수 있는 부가적인 공정이 더 필요할 것으로 사료된다.
Conclusion
본 연구에서는 실제 운전 중인 액비화 시설의 효율을 평가하고 안정적인 액비화 효율 확보를 위한 C/N비 상승을 위하여 역삼투를 이용한 분리막 공정을 적용하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
현재 가동 중인 액비화 시설에서 유기물의 농도는 호기성 발효 1개월 이후 일정하게 유지되었으며, 유기물 제거율은 약 50% 달하는 것으로 나타났으며, 질소 성분의 대부분은 암모니아성 질소로 향후 질상화가 진행되면서 용존산소 소모가 매우 많을 것으로 사료되었다.
분리막 공정을 적용하였을 경우 한외여과 공정을 거치면 유기물 제거율 95%, 총질소 제거율 75%, 총인 제거율 45%를 얻을 수 있었으며, 최종적으로 역삼투막을 거치면 유기물, 총질소 및 총인 제거율이 약 99.9% 이상에 달하는 것으로 나타났다. 또한, 5배 농축하였을 경우 C/N비가 초기 유입수 보다 약 3배 높은 4.8을 나타냈다.
막투과도 변화 측면에서 봤을 때, 현재 분리막 단독 시스템으로 액비 농축을 진행하기에는 한계가 있는 것으로 판단되며, 응집, 침전 등의 부가적인 전처리가 더 필요할 것으로 사료된다.
