[논문]바닷물을 이용한 struvite 형성으로 혐기성 소화액으로부터 질소, 인 회수

김용범; 안종화

doi:10.15681/kswe.2015.31.4.387

바닷물을 이용한 struvite 형성으로 혐기성 소화액으로부터 질소, 인 회수
Nitrogen and Phosphorus Recoveries from Anaerobic Digester Supernatant Using Seawater as Magnesium Source for Struvite Formation 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.31 no.4, 2015년, pp.387 - 391

Abstract ▼ AI-Helper

This study was performed to evaluate the effect of pH (8-12) and molar ratio of magnesium and phosphate ($[Mg^{2+}]/[PO_4{^{3-}}]$) (0.6-1.4) on struvite crystallization of anaerobic digester supernatant using seawater as magnesium source. pH range of 9-10 is favorable for ammonium and phosphate recoveries. The recovery efficiency of ammonium was highest at $[Mg^{2+}]/[PO_4{^{3-}}]$ of 1.0 and pH 10. On the other hand, high phosphate recovery efficiency (> 99%) was achieved at ($[Mg^{2+}]/[PO_4{^{3-}}]$) of 1.4 and pH 10. The results demonstrated that seawater can be considered as low-cost magnesium source to recover phosphorus from anaerobic digester supernatant.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

, 2013) 등을 사용한 논문은 있지만, 바닷물을 Mg²⁺의 공급원으로 하면서 혐기소화액을 대상 폐수로 사용한 논문은 찾아 볼 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 암모니아성 질소(NH₄⁺ -N)와 인산염 인(PO₄^3--P)을 회수하기 위한 struvite 결정화 반응에서 바닷물을 혐기성소화액에 적용하였을 때 최적의 pH와 마그네슘과 인의 몰비를 도출하고자 하였다.
본 실험은 struvite 결정화에 있어 바닷물을 주입하였을 때의 최적 pH와 Mg²⁺와 PO₄^3--P의 최적 몰비([Mg²⁺]/[PO₄^3-]) 를 결정하기 위하여 진행하였다. Struvite 결정화를 위한 Mg²⁺공급원으로써 MgCl₂과 바닷물을 사용하여 비교실험을 진행하였다.

제안 방법

]) 를 결정하기 위하여 진행하였다. Struvite 결정화를 위한 Mg²⁺공급원으로써 MgCl₂과 바닷물을 사용하여 비교실험을 진행하였다. 최적의 pH를 도출하기 위한 pH의 범위는 8, 9, 10, 11, 12 등으로 조절하여 NH₄⁺ -N와 PO₄^3--P의 회 수율을 측정하였다(Kim et al.
이 때 pH는 10으로 고정하고 실험방법은 최적 pH를 도출하는 실험과 동일하게 진행하였다. Struvite 결정화하기 위한 모든 실험은 6개의 패들을 가진 자-테스트장치(jar-test)를 이용하여 실험을 진행하였다. 시료의 용량은 500 mL로 하였고 패들의 회전 속도를 200 rpm으로 조정하여 3분 동안 반응시키고 패들을 멈추고 30분 동안 침전시켰다(Ryu et al.
[Mg²⁺]/[PO₄^3-]=1일 때, MgCl₂의 경우 pH를 8-12로 변화를 주어 NH₄⁺ -N와 PO₄^3--P의 회수율을 도출하였다(Fig. 1). NH₄⁺ -N의 회수율은 pH 8-10 구간에서는 증가하였고 pH 10에서 59.
[Mg²⁺]/[PO₄^3-]=1일 때, struvite을 생성하는 동안 바닷물에 존재하는 Mg²⁺과 Ca²⁺이 pH에 따라 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P의 회수율에 끼치는 영향을 알아보았다(Fig 2). Mg²⁺은 struvite 생성에 사용되는 공급원으로 pH 8에서 10까지 증가할 때 Mg²⁺의 농도가 96.
몰비에 따른 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P 회수율을 알아보기 위하여 Mg²⁺ 농도를 달리하여 [Mg²⁺]/[PO₄^3-] (0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.4)를 조절하였다(Ryu et al., 2007). 이 때 pH는 10으로 고정하고 실험방법은 최적 pH를 도출하는 실험과 동일하게 진행하였다.
바닷물을 이용하여 혐기성 소화액에 함유된 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P의 struvite 형성에 대하여 살펴본 결과 본 연구는 다음과 같은 결론을 얻었다.
시료 및 struvite 처리 후 상등수의 성분 분석 시 Mg2+, Ca2+은 원자흡광광도계(Atomic Absorption Spectroscopy, Analytik Jena, novAA®300, Germany)로 분석하였다.
침전 후 50 mL 주사기를 이용하여 상등액을 채취하여 1.2 μm 공극의 유리섬유여과지(Glass microfiber filter, GF/C)로 여과한 후 PO43--P, NH4+ -N, Mg2+, Ca2+ 등을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시료는 춘천 하수처리장에서 발생하는 농축 2차 슬러지를 이용하여 본 실험실에서 운전하고 있는 혐기소화조에서 발생하는 소화액을 사용하였다. 실험에 사용한 바닷물은 충남 서천군 비인면에서 채취하였다.
실험에 사용한 바닷물은 충남 서천군 비인면에서 채취하였다. 본 연구에서 사용된 바닷물의 Mg²⁺ 농도는 1,078 mg/L이다. 실험에 사용된 소화액 내 NH₄⁺-N의 농도는 585.
본 연구에 사용된 시료는 춘천 하수처리장에서 발생하는 농축 2차 슬러지를 이용하여 본 실험실에서 운전하고 있는 혐기소화조에서 발생하는 소화액을 사용하였다. 실험에 사용한 바닷물은 충남 서천군 비인면에서 채취하였다. 본 연구에서 사용된 바닷물의 Mg²⁺ 농도는 1,078 mg/L이다.

이론/모형

은 원자흡광광도계(Atomic Absorption Spectroscopy, Analytik Jena, novAA®300, Germany)로 분석하였다. PO₄^3--P은 수질공정시험방법에 준하여 전처리한 후 자외선분광광도계 (UV-Vis spectrophotometer, PG Instruments Ltd., T-60, UK)를 사용하여 분석하였고(Choi, 2003), NH₄⁺ -N은 킬달법으 로 분석하였다(APHA, 2012).

성능/효과

1) 바닷물을 Mg²⁺ 공급원으로 이용할 때 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P 회수율이 가장 높은 pH는 10이었으며, pH가 10보다 높아질 경우 NH₄⁺-N와PO₄^3--P의 회수율 모두 감소하는 경향을 보였다.
2) 바닷물을 첨가하였을 때 MgCl₂ 주입했을 때보다 pH 9를 제외한 모든 pH 구간에서 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P의 회수율이 높게 나타났다.
3) 바닷물을 첨가하였을 때 NH₄⁺-N 회수율에 가장 적절한 몰비는 1.0이며, PO₄^3--P 회수율은 몰비가 높아짐에 따라 증가하였다. 바닷물의 NH₄⁺-N 회수율의 경우 몰비 1.
4) Struvite 생성 시 마그네슘원으로 MgCl₂와 바닷물의 NH₄⁺-N 와 PO₄^3--P 회수율은 큰 차이가 없으므로 바닷물의 이용이 운전비용면에서 경제적일 것으로 판단된다.
-P 모두 pH 10에서 최 고 회수율을 보였으며, pH 11 이상에서는 모두 회수율이 감소하였다. NH₄⁺ -N의 회수율은 pH 10에서 최대 61.8%까지 회수되었고 가장 적게 회수된 지점은 pH 8에서 34.1%의 회수율을 보였다. PO₄^3--P의 회수율은 pH 10에서 최대 96.
1%의 회수율을 보였다. PO₄^3--P의 회수율은 pH 10에서 최대 96.5%까지 회수되었고 회수율이 가장 낮은 지점은 pH 8에서 75.3%의 회수율을 보였다.
8%까지 회수되었다. PO₄^3--P의 회수율은 몰비가 증가함에 따라 회수율이 점차 증가하였고 최대 99.0%까지 증가하였다.
바닷물과 소화액에 포함되어 있는 Mg²⁺, NH₄⁺-N, PO₄^3--P의 농도를 몰비로 환산하였을 때 40:31:1이다. Struvite 생성에서 요구되는 이론적인 몰비는 1:1:1이므로 NH₄⁺-N와 PO₄^3--P를 회수하는데 있어서 바닷물은 충분한 Mg²⁺을 포함하고 있음을 확인할 수 있다.
-N의 회수율이 증가하였다. 가장 크게 회수율의 차이를 보인 지점은 몰비 0.6에서 0.8로 증가될 때 9.2%만큼 회수율이 증가하였고 몰비 1.4에서 최대 45.8%까지 회수되었다. PO₄^3--P의 회수율은 몰비가 증가함에 따라 회수율이 점차 증가하였고 최대 99.
NH₄⁺ -N의 회수율 차이는 pH 8-10에서는 10% 이내로 적은 차이를 보였으나 pH 11, 12에서는 약 20% 차이로 pH 8-10 보다 더 큰 차이를 보였다. 따라서 MgCl₂와 바닷물 모두 pH 8-10의 구간에서는 NH₄⁺ -N, PO₄^3--P의 회수율이 증가하는 경향을 보였지만 pH 11 이상에서 NH₄⁺ -N, PO₄^3--P의 회수율이 감소하였다.
이는 간수에 포함된 Ca²⁺의 농도가 매우 높기 때문에 NH₄⁺-N와 반응해야 할 PO₄^3--P가 Ca²⁺과 반응 하여 hydroxylapatite를 형성시키기 때문이다. 따라서 본 연구에서도 바닷물을 공급할 때 pH 10 이상에서 hydroxylapatite의 생성으로 인해 NH₄⁺-N의 회수율에 영향을 끼쳤을 것이라 판단된다. pH 조건별로 Ca²⁺를 측정한 결과, pH 10부터 Ca²⁺의 농도가 측정되지 않았다.
바닷물의 경우에도 NH₄⁺ -N, PO₄^3--P 모두 pH 10에서 최 고 회수율을 보였으며, pH 11 이상에서는 모두 회수율이 감소하였다. NH₄⁺ -N의 회수율은 pH 10에서 최대 61.
, 2006). 본 연구에서도 pH 11 이상에서는 PO₄^3--P, NH₄⁺ 의 회수율이 떨어지는 반면 Mg²⁺의 농도가 감소하는 것으로 보아 pH 11 이상에서는 Mg(OH)₂의 반응이 우선 시 될 것이라 추정된다.
인구증가와 생활수준의 향상 등으로 인하여 물의 사용량은 갈수록 증가하고 있으며, 크고 작은 하수처리장 건설 및 하수도 보급률 또한 증가하였다. 결과적으로 질소와 인을 다량 함유하고 있는 슬러지도 증가하여 처리 방법에 대한 부분이 사회문제를 일으킨다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영양염류 물질은 무엇인가?	결과적으로 질소와 인을 다량 함유하고 있는 슬러지도 증가하여 처리 방법에 대한 부분이 사회문제를 일으킨다. 질소 및 인과 같은 영양염류 물질은 하천이나 호소로 유입 시 부영양화를 일으키는 주원인이 되는 물질이며(Lee and Yun, 2013; Yim, 2010), 악취유발, 병원성 세균의 번식 및 사후 저질토에서의 생분해 시 용존 산소를 고갈시켜 어류와 같은 수생생물에 악영향을 줄 수 있다. 특히, 암모니아 질소의 경우는 수계에서 고농도로 존재 시 생물체 독성을 야기하는 대표적인 오염물질이다.
	struvite 형성에서 필요한 영얌염류 마그네슘의 공급원으로 어떤 물질이 있는가?	하수슬러지는 질소와 인이 과량 존재하며, struvite 형성에서 필요한 영양염류는 마그네슘(Mg2+) 공급원을 필요로 한다. Mg2+의 공급원으로 염화마그네슘(MgCl2), 황산마그네슘(MgSO4), 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 등이 사용되고 이는 전체 공정비에 상당한 비율을 차지한다(Lahav et al., 2013).
	하수 슬러지에서 질소와 인을 처리하는 방법은 어떤 것들이 있는가?	하수 슬러지에서 질소와 인을 처리하는 방법으로는 인산 칼슘, 지르코늄 흡착법, struvite (magnesium ammonium phosphate, MAP, MgNH4PO4･6H2O)을 형성하는 방법 등이 있다(Jaffer et al., 2002).

참고문헌 (15)

American Public Health Association (APHA). (2012). Standard Method for the Examination of Water & Wastewater, 22nd Edition, American Public Health Association, Washington D.C., USA.
Choi, S. H. (2003). Official Test Methods of Water Quality, Shinkwang Publisher. [Korean Literature]
Choi, W. J., Park, K., M., Yoon, B. G., Kim, M. C., and Oh, K. J. (2009). Recovery of Presource from Sewage Sludge by a Struvite-Forming Method, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 31(7), pp. 557-564. [Korean Literature]
Ichihashi, O. and Hirooka, K. (2012). Removal and Recovery of Phosphorus as Struvite from Swine Wastewater Using Microbial Fuel Cell, Bioresource Technology, 114, pp. 303-307.

상세보기
Jaffer, Y., Clark, T. A., and Pearce, S. A. (2002). Potential Phosphorus Recovery by Struvite Formation, Water Research, 36(7), pp. 1834-1842.

상세보기
Kim, J. O., Jung, J. T., and Kim, H. K. (2006). Removal of Nitrogen and Phosphorus in Anaerobic Fermentation Supernatant by Struvite Crystallization, Journal of the Korean Geo-Environmental Society, 7(6), pp. 5-12. [Korean Literature]
Kim, J. Y., Moon, Y. T., Seo, I. S., and Kim, B. G. (2007). Estimation of the Optimum Factor of the Struvite Crystallization for Nitrogen and Phosphorus Removal in WWTP, Journal of the Korean Society of Water and Wastewater, 21(6), pp. 745-753. [Korean Literature]
Lahav, O., Telzhensky, M., Zewuhn, A., Gendel, Y., Gerth, J., Calmano, W., and Birnhack, L. (2013). Struvite Recovery from Municipal-Wastewater Sludge Centrifuge Supernatant Using Seawater NF Concentrate as a Cheap Mg(II) Source, Separation and Purification Technology, 108, pp. 103-110.

상세보기
Lee, H. and Yun, Z. (2013). Possibility of Anoxic Phosphorus Removal by Denitrifier in Denitrifying EBPR System, Journal of Korean Society on Water Environment, 29(6), pp. 782-789. [Korean Literature]
Liu, B., Giannis, A., Zhang, J., Chang, V. W. C., and Wang, J. Y. (2013). Characterization of Induced Struvite Formation from Source-Separated Urine Using Seawater and Brine as Magnesium Sources, Chemosphere, 93, pp. 2738-2747.

상세보기
Luz, E. B. and Yoav, B. (2004). Recent Advances in Removing Phosphorus from Wastewater and its Future Use as Fertilizer, Water Research, 38(19), pp. 4222-4246.

상세보기
Muryanto, S. and Bayuseno, A. P. (2012). Wastewater Treatment for a Sustainable Future: Overview of Phosphorus Recovery, Applied Mechanics and Materials, 110-116, pp. 2043-2048.
Ryu, H. D., Kim, T. S., Park, H. S., and Lee, S. I. (2007). Struvite Crystallization of Wastewater Using Bittern, Journal of Korean Society on Water Environment, 23(1), pp. 138-143. [Korean Literature]
Tchobanoglous G. and Burton, F. L. (1991). Wastewater Engineering: Treatment Disposal Reuse, 3rd Edition, McGraw Hill, New York, N. Y. p. 308.
Yim, S. B. (2010). Feasibility of Industrial By-products as a seed Crystal of Struvite Crystallization for the Removal of Highly Concentrated Nitrogen and Phosphorus, Journal of Korean Society on Water Environment, 26(4), pp. 664-672. [Korean Literature]

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증