기체투과성막을 이용한 돼지분뇨 내 질소 회수기술 개발 = Development of nitrogen recovery technology from swine manure using gas-permeable membrane

국문 초록 (Abstract)

농경지 양분관리 강화와 정부의 가축분뇨 처리 다변화 정책 기조로 인해, 돼지분뇨를 기존 단순한 생물학적 처리공정 중심의 액비화에서 고도처리 설비를 추가하여 정화처리 후 방류하고자 하는 농가 및 처리시설이 증가하고 있다. 돼지분뇨는 고농도의 암모니아성 질소를 함유하고 있어 이를 효과적으로 제거하기 위한 방법으로, 일반적으로 생물학적 처리공정이 이용되고 있다. 그러나 생물학적 처리공정의 운영을 위해서 요구되는 미생물 반응의 특성에 대한 높은 이해와 처리시설 증설, 고도처리공정 설비 등 처리시설의 공간 부족과 함께 운영비 상승 문제는 정화처리시설의 운영에 큰 어려움으로 작용한다. 이에 따라 생물학적 처리공정의 전 단계에서 돼지분뇨 내 질소 농도를 선제적으로 감소시켜 정화처리공정 운영상 애로사항을 줄일 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 소수성 가스투과성 막을 이용하여 돼지분뇨 내 암모니아성 질소를 선택적으로 회수하는 전처리공정을 고안하여, 주요 운전인자별 암모니아 제거에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 사용한 막은 폴리테트라플루오로에틸렌을 확장 가공해 만든 고분자 소재인 Expended polytetrafluoroethylene(ePTFE)으로, 관 형태의 막 내부에 황산을 흡수 용액으로 공급하면서 분뇨에 침지시켰다. 이때 분뇨 내 암모니아가 막을 통과해 막 내부로 유입되면 황산암모늄을 형성하게 되고 이를 회수하여, 분뇨 내 질소제거와 동시에 회수가 이뤄지도록 lab-scale의 막접촉기를 설계하였다. 본 연구에서는 약 2,111±476 mg N·L⁻¹의 인공폐수와 2,994±18 mg N·L⁻¹의 돼지분뇨를 대상으로 수행하였으며, 분리막 기공 크기(0.1-5.0 μm), pH(8.5-10.0), 폭기의 유무, 분리막 표면적(47.13-282.74 cm2·L-1), 운전 온도(25-40°C), 황산수 농도(0.5-2.0 M), 황산수 순환유속(0.054-0.165 m·s-1)을 주요 운전 변수로 설정해 암모니아 제거율 및 회수율을 비교하였다. 실험 결과, pH 증가와 폭기 적용 시 암모니아 제거율 및 회수율이 유의미하게 향상되었으며, 분리막 표면적 확대와 운전 온도 상승 또한 처리 효율을 증가시키는 것으로 나타났다. 인공폐수 조건에서 분리막 기공 크기는 0.45 μm에서 높은 성능을 보였고, 황산수 순환유속이 과도할 경우 접촉시간 감소로 인해 제거 효율이 저하되었다. 돼지분뇨를 적용한 실험에서는 높은 pH 조건에서 99% 이상의 제거율과 80% 이상의 회수율을 달성하였으나, 과도한 폭기 조건에서는 탈기에 의해 회수 효율이 제한되었다. 본 연구에서 선정한 운전 조건(pH 9.5; 온도, 35°C; 막표면적, 282.7 cm-1·L-1; 폭기량, 0.1 L·L-1·min-1; 황산수 농도, 1 M; 황산수 순환유속 0.054 m·s-1)에서 질소회수 시스템을 운전한 결과, 48시간 기준 암모니아 제거율은 93.9±8.4%, 회수율은 82.7±11.6%, 탈기율은 11.1±4.5%로 나타났다. 또한 24시간 운전만으로도 77.8±14.8%의 제거율을 확보할 수 있음을 확인하였다. 기체투과성막 공정을 이용한 막접촉기는 고농도 암모니아성 질소 함유 물질 내 질소의 제거와 회수를 동시에 수행할 수 있었으며, 특히 폭기 혹은 교반을 병행과 함께 높은 pH 조건을 유지하면서 흡수액 농도를 증가시키고, 유속을 낮추는 것이 암모니아 제거·회수 효율 극대화에 핵심적인 운전 전략임을 구명하였다. 향후 운전인자 자동화 및 제어 기술의 개발, 막오염에 대응한 세척·재생 공정의 최적화, 그리고 경제성 평가를 포함한 통합 연구를 통해 정화처리 전처리공정으로써 고도화가 필요할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 연 구 사 5
• 1. 국내 가축분뇨 현황 5
• 2. 돼지분뇨의 특징 8
• 3. 질소의 제거 및 회수 12
• 3.1. 에어 스트리핑 14
• 3.2. 막분리법(membrane method) 16
• 3.3. 이온교환법 17
• 3.4. 생물학적 제거 18
• 4. 기체투과성막 19
• 4.1. 기체투과성막의 원리 19
• 4.2. 기체투과성막의 특징 22
• 4.3. 기체투과성막의 종류 23
• 4.4. 기체투과성막 기술 이용 연구 동향 26
• 4.5. 기체투과성막에 영향을 미치는 요인 27
• 4.5.1. 폭기 27
• 4.5.2. 온도 29
• 4.5.3. 표면적 31
• 4.5.4. 운전시간 31
• 4.5.5. 흡수 용액 32
• 4.5.6. 경제성 평가 32
• 4.5.7. 기체투과성막의 세척 34
• Ⅲ. 재료 및 방법 36
• 1. 실험 설계 36
• 2. 실험 재료 및 방법 36
• 2.1. 기체투과성막 36
• 2.2. 유입 원수 37
• 2.3. 기체투과성막 기공 크기 선정 38
• 2.4. 질소회수 시스템의 운전인자별 영향 40
• 2.5. 가축분뇨 대상 질소회수 시스템의 운전인자별 영향 45
• 2.6. 시료 채취 및 분석 방법 49
• Ⅳ. 결과 및 고찰 50
• 1. 기체투과성막의 기공 크기에 따른 암모니아 회수율 50
• 2. 질소회수 시스템의 운전인자별 영향 51
• 2.1. 황산수의 순환 유무에 따른 암모니아 제거율 및 회수율 51
• 2.2. pH에 따른 암모니아 제거율 및 회수율 52
• 2.3. 폭기의 유무에 따른 암모니아 제거율 및 회수율 52
• 2.4. 표면적에 따른 암모니아 제거율 및 회수율 57
• 2.5. 온도에 따른 암모니아 제거율 및 회수율 60
• 2.6. 황산수 농도에 따른 암모니아 제거율 및 회수율 63
• 2.7. 황산수 순환유속에 따른 암모니아 제거율 및 회수율 67
• 3. 가축분뇨 대상 질소회수 시스템의 운전인자별 영향 70
• 3.1. pH에 따른 제거율 및 회수율 변화 70
• 3.2. 표면적에 따른 제거율 및 회수율 변화 73
• 3.3. 온도에 따른 제거율 및 회수율 변화 77
• 3.4. 폭기량에 따른 제거율 및 회수율 변화 81
• 4. 선정된 운전 조건의 가축분뇨 적용 결과 86
• 5. 기체투과성막 공정 적용 88
• Ⅴ. 결론 90
• Ⅵ. 참 고 문 헌 91