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혐기소화 공정 및 원료 유형별 바이오가스 생산에 미치는 영향
신중두,홍승길,박우균,박상원 유기성자원학회 2011 유기물자원화 Vol.19 No.4
Objective of this study was to investigate the effect of biogas production to different systems and feeding stocks. For the biogas production through operating the temperature phase anaerobic digestion(TPAD) with different feeding stocks, the stage state of biogas production with 70% of methane concentration in the thermophilic digestion tank with co-digestion of food waste and swine manure(40 : 60) was delayed at 3.5times, but its mesophilic tank was short for 5 days as relative to the swine manure. The cumulative methane production in the thermophilic digestion tank with co-digestion of food waste and swine manure was started with greater than its swine manure at 60 days after digestion periods. However, its mesophilic tank with swine manure was great at 3 days after digestion periods. For aspect of anaerobic digestion processes with swine manure, it was appeared that the stage state of biogas production rate in TPAD was shorter than the two phase anaerobic digestion system. 본 연구의 목적은 TPAD(Temperature Phased Anaerobic Digestion)시스템〔고온조(55℃)와 중온조(35℃)〕과 이상혐기소화시스템〔중온조(35℃)와 중온조(35℃)〕공정을 비교하고, 이러한 공정을 적용한 유기성 자원별 바이오가스 생산량을 비교하는 것이었다. 원료별 TPAD시스템을 적용한 바이오가스 생산량을 비교해 볼 때, 고온조에서 돈분과 음식물류폐기물을 혼합한 원료를 사용한 경우는 돈분만 사용하였을 때 보다 혐기소화 공정의 안정화에 걸리는 기간은 3.5배가 지연되었지만, 중온조의 경우, 돈분과 음식물류폐기물을 혼용 처리하였을 때 메탄가스 농도 약 70%로 체류시간을 5일 앞당겨 안정화 단계에 도달하는 것으로 나타났다. 돈분과 음식물류폐기물을 혼합한 원료의 경우 고온조에서 혐기소화 60일을 기점으로, 또한 중온조의 경우 초기단계인 혐기소화 3일 후부터 돈분만 사용한 경우 보다 누적메탄가스 발생량이 많게 나타났다. 또한 혐기소화 공정측면에서 돈분을 이용한 TPAD시스템 운영은 이상혐기소화시스템 보다 조기에 공정의 안정화 단계에 도달하는 것으로 나타났다.
Predicting Methane Production on Anaerobic Digestion to Crop Residues and Biomass Loading Rates
신중두,홍승길,박상원,김현욱,Shin, JoungDu,Hong, Seung-Gil,Park, SangWon,Kim, HyunWook Korea Organic Resources Recycling Association 2016 유기물자원화 Vol.25 No.3
본 연구의 목적은 농업에서 발생하는 식물체 잔사 종류별 투입비율에 따른 메탄 잠재 발생량을 예측하는 것이다. 바이오가스를 생산하기 위하여 보릿짚 및 유채대 등의 식물체 잔사를 다양한 투입율로 사용하여 세륨병에서 실험을 수행하였다. 표면 방법론의 운동방법을 통하여 메탄 생산은 Gomperz 수식에 적합한 것으로 나타났다. 중온소화 시 식물체 잔사별 바이오가스 생산에 있어, 최대생산량은 보릿짚 및 유채대 투입율 1%로 혐기소화 후 각각 6.8일에 37.2 mL/g과 7.5일에 28.0 mL/g로 나타났다. 중온소화 시 메탄 함량은 보릿짚 및 유채대 투입율 5%로 혐기소화 후 각각 5.5일에 61.7%와 3.4일에 75.0%로 가장 높게 관측되었다. 중온 소화시 최대 메탄 잠재발생량은 1% 보릿짚 투입율에서 159.59 mL/g 와 3% 유채대 투입율에서 156.62 mL/g로 산정되었다. 전반적으로 중온소화 시 바이오매스 투입율은 유채대 3% 및 보릿짚 1%를 투입하는 것이 적정 비율인 것으로 나타났다. Objective of this experiment was to predict the potential methane production with crop residues at different loading rates. Anaerobic digestion of barley and rapeseed straw substrates for biogas production was performed in Duran bottles at various biomass loading rates with crop residues. Through kinetic model of surface methodology, the methane production was fitted to a Gompertz equation. For the biogas production at mesophilic digestion with crop residues, it was observed that maximum yield was 37.2 and 28.0 mL/g at 6.8 and 7.5 days after digestion with 1% biomass loading rates of barley and rapeseed straws, respectively. For the methane content of mesophilic digestion, there were highest at 61.7% after 5.5 days and 75.0% after 3.4 days of digestion with barley and rapeseed straw on both 5% biomass loading rates, respectively. The maximum methane production potentials were 159.59 mL/g for 1% barley straw and 156.62 mL/g for 3% rapeseed straw at mesophilic digestion. Overall, it would be strongly recommended that biomass loading rate was an optimum rate at mesophilic digestion for using 1% barley and 3% rapeseed straws for feed stocks.
신중두,최용수,이선일,Shin, JoungDu,Choi, Yong-Su,Lee, SunIl Korea Organic Resources Recycling Association 2016 유기물자원화 Vol.25 No.3
바이오차 시용이 토양비옥도나 온실가스 완화에 기여하는 것 외에, 경작지 시용에 따른 탄소격리 및 순익 분석이 평가된바 거의 없다. 본 연구는 옥수수 재배 기간 동안 온실가스 완화에 대한 이익을 평가하고, 탄소격리를 산정하기 위해 수행되었다. 본 실험의 처리구는 돈분처리구, 돈분을 퇴비로 시용하면서 바이오차 처리를 2,600(0.2%), 13,000(1%), 및 26,000(2%) kg/ha로 나누어 시용하였다. 바이오차 시용에 따른 탄소 격리량을 예측하기 위해 Y = 0.5523X - 742.57 ($r^2=0.939^{**}$) 일차 모형식을 유도하였으며, 본 수식을 바탕으로 바이오차 0.2, 1 및 2% 시용 시 탄소 격리량은 각각 1,235, 3,978, 및 14,794 kg/ha로 산정되었고, 온실가스 완화는 각각 4.5, 14.6, 및 54.2 ton/ha로 평가 되었다. 이에 대한 이익 평가는 적게는 $14.6, 많게는 $452로 산정되었다. 또한 한국 기후변화 시장의 이산화탄소 시장 거래가로는 바이오차 0.2, 1 및 2% 시용 시 $35.6, $115.3 및 $428.2로 나타났다. 바이오차 시용에 대한 작물 재배에 있어, 초장과 수량은 처리간에 유의차가 인정되지 않았다. 따라서 본 실험결과는 농사활동에서 바이오차를 토양에 시용함으로서 탄소 배출건 거래제가 시행된다는 전제 조건하에 기초자료가 될 것이다. Despite the ability of biochar to enhance soil fertility and to mitigate greenhouse gas, its carbon sequestration and profit analysis with arable land application have been a few evaluated. This study was conducted to estimate carbon sequestration and to evaluate profit of greenhouse gas mitigation during corn cultivation periods. For the experiment, the biochar application rates were consisted of pig compost(non application), 2,600(0.2%), 13,000(1%), and 26,000(2%) kg/ha based on pig compost application. For predicting soil carbon sequestration of biochar application, it was appeared to be linear model of Y = 0.5523X - 742.57 ($r^2=0.939^{**}$). Based on this equation, soil carbon sequestration by 0.2, 1 and 2% biochar application was estimated to be 1,235, 3,978, and 14,794 kg/ha, and their mitigations of $CO_2$-eq. emissions were estimated to be 4.5, 14.6, and 54.2 ton/ha, respectively. Their profits were estimated at $14.6 for lowest and $452 for highest. In Korea Climate Exchange, it was estimated that the market price of $CO_2$ in corn cultivation periods with 0.2, 1 and 2% biochar application was $35.6, $115.3 and $428.2 per hectare, respectively. For the plant growth response, it was observed that plant height and fresh ear yield were not significantly different among the treatments. Therefore, these experimental results might be fundamental data for assuming a carbon trading mechanism exists for biochar soil application in agricultural practices.
신중두,홍승길,김성철,양재의,이상룡,Fan-Zhu Li 한국응용생명화학회 2016 Applied Biological Chemistry (Appl Biol Chem) Vol.59 No.5
Biomass is a renewable energy resource derived from all organic materials produced by both human and natural activities. Total biomass is amounted to be 58,010 Gg yr-1 from agricultural sector during 2013 in Korea: livestock manure, crop residues, and agro-industrial wastes. Potential methane production from agricultural biomass was calculated based on IPCC guidelines using manipulated equations. The main parameters were emission factor, total waste amount, and physico-chemical properties of each waste to estimate methane production. Calculated total potential methane production from the different categories for livestock, crop residues, and agro-industrial wastes was 502 Gg yr-1 in Korea. Poultry waste generated the highest methane potential with 227 Gg yr-1 followed by 80 Gg yr-1 from cattle waste. For crop residues and agroindustrial wastes, estimated methane production was 1 and 126 Gg yr-1, respectively. Results of this study show that livestock manure gave the highest methane emission in the agricultural sector. With this, more effective management of livestock wastes is necessary to develop and maximize technology on harnessing methane as alternative energy.
신중두,Shin, Joung-Du 한국토양비료학회 1997 한국토양비료학회지 Vol.30 No.1
Determination of N mineralization and nitrification potentials of selected Piedmont soils of North Carolina requires a better understanding of the influences of incorporated plant residues. The net N mineralization and nitrification were significantly influenced by the soil types and by plant species. The net N mineralization and nitrification of soils mixed with plant residues were consistently increased with successional incubation periods. The net mineralization and nitrification ranged from $9.77{\mu}g/g$ to $143.80{\mu}g/g$, and from $5.31{\mu}g/g$ to $145.66{\mu}g/g$ during the incubation periods, respectively. The net N mineralization was more influenced by NO3-N than by NH4-N. Overall, the greatest proportions of net N mineralization and nitrification occurred in Chewacla and Wehadkee and lowest in Enon and Mecklenburg. For the plant residues, the net N mineralization and nitrification were observed to be lowest in corn and highest in soybean. In a low-input agricultural systems, soybean may be planted as cover crop which may improve the nitrogen status of selected Piedmont soils of North Carolina. North Caralina의 대표적인 piedmont 토양에 내재하고 있는 질소무기화 및 질산화 과정에 대한 결정은 식물체 잔사 처리로 인한 효과에 관한 이해를 필요로 한다. 질소무기화 및 질산화 과정은 토양종류 및 식물체의 종류에 따라 유의성 있게 영향을 받았다. 식물체 잔사를 처리한 토양의 질소 무기화 및 질산화량은 계속적인 배양 기간에 따라 꾸준히 증가되었으며, 질소무기화 및 질산화량은 배양 기간 동안 각각 $9.77{\mu}g/kg{\sim}143.80{\mu}g/kg$과 $5.31{\mu}g/kg{\sim}145.66{\mu}g/kg$ 이었다. 질소무기화 과정은 $NH_4-N$보다는 $NO_3-N$에 더 영향을 받았다. 전반적으로 가장 많은 질소무기화 및 질산화량은 Chewela와 Wehadkee 토양에서 발생하였으며, Enon과 Mecklenburg 토양에서 낮은 수치로 나타났다. 식물체 잔사 효율은 옥수수 식물체 잔사 처리에서 가장 낮았으며, 콩 식물체 잔사 처리에서 가장 높은 것으로 관측되었다. 저 투입 농업체계에서 콩 식물체의 잔사 처리가 North Caralina의 대표적인 Piedmont의 질소상태를 증진시키는 피복작물로서 유효하다고 사료된다.
가축분뇨 처리시스템에 대한 전과정평가 방법을 적용한 환경영향 평가
신중두,이선일,박우균,홍승길,최용수 유기성자원학회 2013 유기물자원화 Vol.21 No.3
가축분뇨 처리시스템에 대한 환경영향을 분석하기 위하여 전과정 평가방법을 적용하였다. 전과정평가의 첫 번째 부분은 사용될 분석 항목을 구성하는 것으로, 가축분뇨 처리시스템에 대한 유입 및 배출에 대한 항목이다. 전과정 영향평가를 위한 다음 단계로서 전체 환경부하를 최종적으로 하나의 지수로 통합하기 위하여, 특정 항목에 대한 자료를 취합하고 분석하는 것이다. 전과정 영향평가를 위해, Eco-indicator 95 방법은 체계화 되었으며, 규칙적으로 적용된 영향평가 방법이기 때문에 선택하였다. 전과정 영향 분석을 위한 실례로서 호기 및 혐기소화 시스템과 같은 두 종류의 돈분 처리시스템을 선정하였다. 돈 분뇨 처리시스템에 대한 농업환경영향을 평가한 항목을 확립하였고, 혐기소화시스템에서는 전 인산 배출이 높았으며, 호기소화시스템에서는 이산화탄소 배출이 높은 것으로 관측되었다. 돈분 1ton을 처리하는데 관련된 돈분처리시스템에 대한 환경영향 평가에서 Eco-indicator 수치에 따르면, 호기소화 시스템에 있어 지구온난화 및 토양산성화에서 음의 지수를 보인 반면 혐기소화시스템은 수계 부영양화 부분에서 비교적 높은 양의 지수를 보였다. The application of the Life Cycle Assessment (LCA) methodology to analyze the environmental impact to different swine waste treatment systems was investigated. The first part of LCA is to organize an inventory of parameters and emissions released due to the system under investigation. In the following step of the Life Cycle Impact Assessment, the inventory data were analyzed and aggregated in order to finally get one index representing the total environmental burden. For the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) the Eco-indicator 95 method has been chosen because this is well documented and regularly applied impact method. Two different swine waste treatment systems such as aerobic and anaerobic digestion systems were chosen as an example for the life cycle impact analysis. For establishing the parameters to be assessed the agricultural environmental effects to above swine waste treatment systems, it has been observed that there was high at T-P emission in anaerobic digestion system and CO2 emission in aerobic digestion system. For Eco-indicator values per environmental effect for swine waste treatment systems related to one tonne of swine waste, it was shown that there was a negative index for global warm potential and soil acidification in aerobic digestion system, but relatively high positive index for eutrophication in anaerobic digestion system.
Nitrogen Mineralization and Nitrification of Selected Piedmont Soils in North Carolina
신중두,Shin, Joung-Du,Reddy, G.B. 한국토양비료학회 1997 한국토양비료학회지 Vol.30 No.1
토양에서 질소변화과정에 관한 보다나은 이해력 증진은 질소비료의 효용성을 증대시키기 위한 필수적 요인이다. 실험실 실험은 대표적인 Piedmont토양에 있어 질소무기화 및 질산화작용을 구명하기 위해 수행하였다. 질소무기화 및 질산화 량은 Enon, Mecklenburg, Chewcla토양의 표토층에서 60 일까지 증가되었으며, 그후로부터 90일까지는 감소하는 경향을 보였다. 그러나 Wehadkee토양에서 질소의 무기화 및 질산화 량은 숙성시간에 따라 차이가 없었다. 위에서 열거한 모든 토양의 토심이 15-30cm의 토층에서 질소무기화 및 질산화 량은 90 일까지 시간이 경과함에 따라 증가하였다. 토양에 있어 질소무기화 및 질산화 량은 토심별로 토양종류에 따라 다르게 나타났으며, 이러한 차이점은 토양통풍 및 질산화 bacteria의 수에 영향을 받은 것으로 사료된다. 전반적으로, 질소의 무기화 및 질산화 량은 subsurface lagers보다는 표토층에서 많은 것으로 나타났다. A better understanding of nitrogen transformations in soils is essential to increase fertilizer nitrogen use efficiency. A laboratory incubation study was conducted to determine net mineralization and nitrification in selected Piedmont soils. Net mineralization and nitrification increased up to 60 days in the surface layers of Enon, Mecklenburg and Chewacla. After 60 days both processes declined up to 90 days incubation. In Wehadkee, mineralization and nitrification did not differ with incubation time. In all subsurface layers, mineralization and nitrification increased with time up to 90 days. Mineralization and nitrification differed among soils in surface and subsurface layers. These differences might be influenced by soil type related to amount of mineralization, soil aeration and nitrifying bacterial populations. A mineralization and nitrification was greater in surface layers than in subsurface layers.