유체 조건이 막 기체 추출 시스템을 통한 암모니아 회수에 미치는 영향 = Effect of fluid condition on ammonia recovery via membrane gas extraction system

국문 초록 (Abstract)

세계에서 두 번째로 많이 생산되는 화학물질인 암모니아는 비료와 화학물질의 재료로 사용되며, 국내에서는 연간 100만 톤 이상의 암모니아가 수입되고 있다. 높은 시장 가치를 지니는 암모니아는 수계로 유입되어 부영양화를 일으키며, 생태계에 독성을 갖는 주요 수질오염물질이다. 국내 주요 하수처리장은 기준 농도 이하로 질소를 저감하기 위해서 질산화 미생물을 활용하는 MLE 공법을 주로 사용하고 있다. 그러나 서울시 주요 하수처리장의 유입 유량과 용존 폐질소 농도를 고려했을 때, 연간 14,000 ton NH₃-N/year 이상의 회수 가능한 암모니아가 생물학적 공정을 통해서 에너지 가치가 낮은 질소 기체 형태로 변환되어 배출되고 있다. 이처럼 현행 생물학적 질소 처리 공정은 낮은 지속 가능성과 낮은 안정성이라는 문제점을 갖고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 다양한 질소 자원 회수 기술이 연구되었으며, 소수성 막을 활용한 암모니아 회수가 잠재적 대안으로 연구되고 있다. 본 연구는 막 기체 추출 시스템에서 유체 조건이 암모니아 회수에 미치는 영향을 분석하고, 물질 전달 저항층의 구성을 정량적으로 규명하는 것을 목적으로 한다. 회분식 암모니아 회수 실험은 0.22 μm PVDF 멤브레인과 인공하수를 활용하여 수행되었으며, 하수의 유속, 온도, 이온강도, pH 조절 용액 투입 방법을 변화시켰다. 하수 유속이 10.68 cm/s일 때 암모니아 물질 전달 계수는 0.1299 cm/min으로 유속이 2.14 cm/min일 때보다 1.6배 컸으며, 이는 빠른 유속에서 액체 경계층의 두께가 감소하여 암모니아 물질 전달이 촉진되었기 때문이다. 하수와 회수 용액의 유속 6.41 cm/s 조건에서 Wilson’s plot analysis를 수행한 결과, 하수 측의 액체 경계층의 물질 전달 저항 기여율은 54.6%, 멤브레인 층의 물질 전달 저항 기여율은 45.4%였으며, 산-염기 반응이 지배적인 회수 용액에서 물질 전달 저항 기여는 통계적으로 유의하지 않았다. 또한, 7시간 동안 반응조 pH를 9로 유지한 경우와 pH 9를 유지하는데 소요된 염기를 초기에 일괄 투입한 경우를 비교했을 때, 초기에 pH 조절 용액을 일괄 투입한 경우 50% 제거효율 달성 시간이 50% 빨랐으며, 최종 유출수 pH가 중성화되어, 추가 pH 조정에 소요되는 비용이 적을 것으로 예상됐다. 본 연구를 통해서 최적 pH 투입 전략은 pH 유지가 아닌 초기 일괄 투입이라는 것을 확인할 수 있었으며, 유속의 영향과 암모니아 물질 전달 저항에 각 층의 기여도를 정량적으로 산출할 수 있었다. 유체 조건의 영향에 대한 심도 있는 이해는 막 기체 추출 공정을 통한 암모니아 회수의 타당성을 향상하며, 기술의 적용성을 높일 것이라 기대된다.