Methane Fermentation of Pit in Pond System for Ecological Treatment and Recycling of Animal Excreta

생태적 축산폐수 처리 및 재활용 연못시스템의 Pit 메탄발효

  • Yang, Hong-Mo (Dept. of Landscape Architecture, College of Agriculture, Chonnam National University)
  • 양홍모 (전남대학교 농과대학 조경학과)
  • Published : 1999.06.30

Abstract

An integrated wastewater treatment pond system is developed for treatment and recycling of excreta from dairy cattle. It is composed of three ponds in series. A pit with a capacity of $10m^3$, 2-day hydraulic residence time, and overflow velocity of $1.5m^3m^{-2}day^{-1}$ is located internally in primary pond. It is designed for efficient sludge sedimentation and effective methane fermentation. It receives $5m^3/day$ of diluted cattle excreta by the water used for clearing stalls. A submerged gays collector for the recovery of methane is installed on the top of the pit. The average BOD_5 concentration of influent is 398.7mg/l. That of the effluent from primary pond is 49.2mg/l. About 88% of BOD_5 are removed in primary pond. It is assumed that about 60% of the influent BOD_5 is removed in the pit and that almost all of the carbon of the removed BOD_5 in the pit is converted to methane and carbon dioxide. Methane fermentation of the pit is well established at $16^{\circ}C$. This phenomena results from temperature stability, complete anaerobic condition, and neutral pH of the pit. Gas from the collector is almost 90% methane, less than 9% nitrogen, and less than 1% carbon dioxide. Thus a purified methane is produced, which can be used as energy source.

유입폐수의 $BOD_5$가 1차연못에서 88%가 제거되고 있어 Pit의 $BOD_5$ 제거효율이 60%에 달할 것으로 예측된다. 메탄발효 Pit의 환경조건으로 용존산소가 없고, 혐기성 및 중성 pH가 유지되어야 하며, 충분한 체류시간이 확보되어야 하고, 온도변화가 적어야 한다. 분석결과 실험 메탄발효 Pit는 이런 조건들을 만족시키고 있어 Pit설계가 적절함을 알 수 있다. 실험결과 메탄발효 Pit의 설계인자로 폐수체류 기간이 2day, 월류유속은 $1.5m^3m^{-2}day^{-1}$가 적합하며, Pit바닥의 수심은 슬러지층의 온도와 밀접한 관계가 있어 3-3.5m 정도가 적합한 것으로 사료된다. Pit 바닥의 슬러지층 온도가 $16^{\circ}C$ 이상으로 유지되어야 메탈발효가 원활히 일어난다. 우리나라 중부지방과 기후조건이 유사한 지역에 위치한 연못시스템 연구에 의하면, 연못바닥의 온도가 메탄박테리아 활동이 거의 정지하는 $14^{\circ}C$ 이하로 내려가는 기간이 약 7개월이 된다. 온대권의 연못시스템은 연간 슬러지 침전량이 분해량보다 많아 어느 정도 슬러지가 쌓이게 된다. 따라서 여분의 30㎝ 수심을 두어 10-20년에 한번 슬러지를 제거하도록 설계한다. 실험 연못시스템이 설치된 장소는 중부지방보다 평균기온이 약 $3-4^{\circ}C$ 높은 지역으로 연못바닥 지하 1.5m에 위치한 Pit의 수온이 14℃이하가 되는 기간이 Fig.5에서 약 6개월이 된다. 실험 메탄발효 Pit는 좁은 면적의 연못에 설치하기 위해 콘크리트구조로 만들었으나, 1차연못의 규모가 크면 토공만으로 Pit설치가 가능하며 비용이 적게 든다. Pit에서 발생한 가스가 연못상층으로 이용하면서 $CO_2$가 해리되어 정제된 메탄을 회수할 수 있다. 메탄발생이 왕성한 기간에 연못상층에서 포집한 가스는 거의 메탄으로만 구성되어 있어 축산폐수를 처리하면서 메탄가스를 회수하여 연료로 사용하는 것이 가능하다. 메탄발효 Pit가 생태적으로 적응하면 초기보다 처리효율이 증가할 것으로 기대되어 지속적인 실험을 수행할 예정이다.

Keywords