Abstract
A wastewater treatment pond system was developed for treatment and recycling of dairy cattle excreta of $5\;m^1$ per day. The wastes were diluted by the water used for clearing stalls. The system was composed of three ponds in series. A submerged gas collector for the recovery of methane was installed at the bottom of secondary pond with water depth of 2.4m. This paper deals mainly with performance of methane fermentation of secondary pond which is faclutative one. The average $BOD_5$, SS, TN, and TP concentrations of influent into secondary pond were 49.1, 53.4, 48.6, and 5.3 mg/l, and those of effluent from it were 27.9, 45.7, 30.8, 3.2 mg/l respectively. Methane fermentation of 2.4-meter-deep secondary pond bottom was well established at $16^{\circ}C$ and gas garnered from the collector at that temperature was 80% methane. Literature on methane fermentation of wastewater treatment ponds shows that methane bacteria grow well around $24^{\circ}C$, the rate of daily accumulation and decomposition of sludge is approximately equal at $19^{\circ}C$, and activities of methanogenic bacteria are ceased below $14^{\circ}C$. The good methane fermentation of the pond bottom around $16^{\circ}C$, about $3^{\circ}C$ lower than $19^{\circ}C$, results from temperature stability, anaerobic condition, and neutral pH of the bottom sludge layer. It is recommended that the depth of pond water could be 2.4m. Gas from the collector during active methane fermentation was almost 83% methane, less than 17% nitrogen. Carbon dioxide was less than 1% of the gas, which indicates that carbon dioxide produced in bottom sludges was dissolved in the overlaying water column. Thus a purified methane can be collected and used as energy source. Sludge accumulation on the pond bottom for a nine month period was 1.3cm and annual sludge depth can be estimated to be 1.7cm. Design of additional pond depth of 0.3m can lead to 15 - 20 year sludge removal.
조건성연못의 메탄발효 환경조건은 용존산소가 없고, 혐기성 및 중성 pH가 유지되어야 하며, 온도변화가 적어야 한다. 분석결과 실험 조건성연못의 바닥은 이러한 조건들을 충족시키고 있어 설계인자가 비교적 적절하다고 본다. 조건성연못의 수심이 2.4m일 경우도 강한 바람이 불면 상충의 용존산소가 바닥으로 이동하여 연못바닥의 메탄발효를 일시적으로 저하시키는 현상이 있을 수 있다. 용존산소의 바닥침투를 완화하기 위해 수심을 깊게 설계할 수 있으나 수심이 깊어지면 연못바닥의 수온이 낮아져 메탄발효의 효율이 저하된다. 실험결과 조건성연못의 수심은 2.4m 정도가 적합하다고 본다. 최근에는 용존산소의 연못바닥 침투를 차단하기 위해 연못바닥에 Pit를 설치하는 방법이 연구되고 있으나 시설비용이 추가되는 단점이 있다. 실험 조건성연못의 슬러지층의 온도가 $16^{\circ}C$ 이상에서 메탄발효가 원활히 일어나고 있다. 기존 조건성연못의 메탄발효 연구에 의하면 연못바닥 슬러지충의 온도가 $19^{\circ}C$에서 슬러지 분해량과 침전량이 같아진다고 보고되고 있다. 실험 조건성연못에서는 $19^{\circ}C$보다 $3^{\circ}C$ 낮은 온도에서도 메탄발효가 원활히 일어나고 있다. 실험 조건성연못의 바닥온도 분석결과 메탄발효가 거의 정지되는 $14^{\circ}C$이하가 되는 기간이 약 7 개월이 되어, 매년 어느 정도의 슬러지는 바닥에 쌓이게 된다. 1997년 1월부터 9월까지 9개월 동안 연못바닥에 형성된 슬러지 깊이가 1.3cm였다. 따라서 연간 약 1.7cm가 쌓일 것으로 예측된다. 실험 조건성연못처럼 연못의 수심을 2.4m로 유지하고, 연못바닥에 슬러지 퇴적을 위해 여분의 0.3m 깊이를 두어 15 - 20년에 한번 슬러지를 제거할 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다고 사료된다. 메탄발생이 왕성한 기간에 연못상충에서 포집한 가스의 83%가 메탄으로 구성되어 있어 축산폐수를 처리하면서 메탄가스를 회수하여 연료로 사용하는 것이 가능하다. Parker(1979)의 연구에 의하면 슬러지층이 형성되지 않은 연못이 슬러지층이 형성된 연못의 BOD제거수준에 이르는데는 약 1년이 소요된다.$^{24)}$ 메탄박테리아 활동이 슬러지층의 표면에서 훨씬 높기 때문이다. 본 연구는 조건성연못의 초기 메탄발효를 분석한 것으로 조건성연못이 생태적으로 적용하면 초기단계보다 메탄발효의 효율이 증가할 것으로 예측된다.