[논문]고농도 질소폐수로부터 암모니아 회수를 위한 다단수직형 암모니아스트리핑조 개발(I)

이재명; 최홍복

doi:10.17137/korrae.2017.25.2.41

초록
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기존 혐기성 및 호기성 처리에서 우수성이 입증된 E-PFR을 적용한 다단수직형 암모니아 스트리핑조를 개발하고 랩스케일 실험을 수행하였다. 다단수직형 암모니아스트리핑조의 단수별 암모니아성 질소 제거 실험(pH 10, 온도 $35^{\circ}C$, 기액비 $3min^{-1}$의 동일 조건)에서 8시간 경과 후 단이 없는 반응기는 약 52.5%의 제거율을 나타났으며, 5단 반응기에서는 약 62.6%의 제거율이 나타나 약 10%의 효율 차이가 있는 것으로 확인하였다. pH 변화에 따른 암모니아성 질소 제거 실험 (5단 반응기, 온도 $35^{\circ}C$, 기액비 $3min^{-1}$의 동일 조건)에서 8시간 경과 후 pH 9는 약 42.6%의 제거율을 나타났으며, pH 11에서 약 74.4%의 제거율이 나타났다. 온도 변화에 따른 암모니아성 질소 제거 실험 (5단 반응기, pH 10, 기액비 $3min^{-1}$의 동일 조건)에서 8시간 경과 후 $25^{\circ}C$에서 약 51%의 제거율을 나타났으며, $45^{\circ}C$에서 약 87.2%의 제거율이 나타났다. 공기주입량 변화에 따른 암모니아성 질소 제거 실험 (5단 반응기, pH 10, 온도 $35^{\circ}C$의 동일 조건)에서 8시간 경과 후 기액비 $2min^{-1}$에서 약 45.8%의 제거율을 나타났으며, 기액비 $4min^{-1}$에서 약 75%의 제거율이 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 추후 연속 운전 평가를 통해 실증플랜트 설계를 위한 인자 도출에 활용하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A vertical multi-stage ammonia stripping reactor using E-PFR, which has been proved to be superior in anaerobic and aerobic treatment, was developed and a lab scale experiment was conducted. According to the change of stage number condition, the removal rate of the ammonia nitrogen in the reactor wi...

A vertical multi-stage ammonia stripping reactor using E-PFR, which has been proved to be superior in anaerobic and aerobic treatment, was developed and a lab scale experiment was conducted. According to the change of stage number condition, the removal rate of the ammonia nitrogen in the reactor with 0-stage was about 52.5% after 8 hours (pH 10, temperature $35^{\circ}C$, and the air/liquid ratio $3min^{-1}$) However, in the reactor with 5-stage, the removal efficiency was about 62.6%. According to the change of pH condition, the removal rate of ammonia nitrogen was about 42.6% at pH 9 after 8 hours, and was about 74.4% at pH 11 (5-stage reactor, temperature $35^{\circ}C$, and the air/liquid ratio $3min^{-1}$). According to the change of temperature condition, the removal rate of the ammonia nitrogen was about 51% at $25^{\circ}C$ after 8 hours (5-stage reactor, pH 10, and the air/liquid ratio $3min^{-1}$), and was about 87.2% at $45^{\circ}C$. According to the change of air injection volume condition, the removal rate of the ammonia nitrogen was about 45.8% at $2min^{-1}$ after 8 hours (5-stage reactor, pH 10, and at $35^{\circ}C$). and was about 75% at $4min^{-1}$. Based on these results, we will follow up the applicability of the actual plant in the future through continuous operation evaluation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 기존스프레이 방식의 문제였던 폐색 문제를 극복하고 기액접촉면적을 늘리면서 고농도 고형물 함유 폐수를 처리할 수 있다. 따라서 본 연구는 반응기의 구조적 특성에 기인한 처리 효율의 정도를 확인하고, 온도, pH, 공기량의 조건 변화에 따른 실험 결과를 실증플랜트 설계를 위한 인자 도출에 활용하고자 한다.

제안 방법

단수 변화에 따른 암모니아 탈기 효율을 측정하기 위하여, 초기 pH 조건은 10으로 온도 조건은 35℃ 그리고 공기량은 20L/min (기액비 3min^-1)으로 고정한 후, 0단, 1단, 2단, 4단, 5단으로 단수를 조절하여 실험을 수행하였다. 8시간 운전기간동안 암모니아성 질소의 농도를 측정한 결과는 [Fig.
pH가 높아질수록 자유 암모니아의 분율이 높아지므로 공기 주입 시 탈기될 수 있는 자유 암모니아의 양이 많아지기 때문이다. 단수변화 실험에서 탈기 효율이 높았던 5단 반응기 및 기액비 3min^-1을 적용하고, 온도는 35℃로 고정하여 pH 9~11로 각각 변화 시킨 후 실험을 수행하였다. pH 9 조건에서는 8시간 경과 후 약 42.
본 연구는 기존 혐기성 및 호기성 처리에서 우수성이 입증된 E-PFR을 적용한^5-7) 다단수직형 암모니아 스트리핑조를 개발하고 랩스케일 실험을 수행하였다. 유체이동관과 격벽을 통해 다단으로 구성된 개발 스트리핑조는 기체체류공간에 의한 원활한 교반으로 기액 접촉면을 늘려 처리 효율을 향상할 수 있다.

대상 데이터

다단수직형 암모니아스트리핑조의 개발을 위해 아크릴을 주재료로 하는 반응기를 제작하였다[Fig. 1]. 지름 100mm의 원형 반응기는 원하는 단수만큼 조절할 수 있도록 분리와 결합이 가능한 구조이며, 본 실험 중 최대 결합한 총 높이는 1,330mm이다.
1]. 지름 100mm의 원형 반응기는 원하는 단수만큼 조절할 수 있도록 분리와 결합이 가능한 구조이며, 본 실험 중 최대 결합한 총 높이는 1,330mm이다. 한 단의 부피는 액체가 포함되지 않는 기체체류공간을 제외한 1.

성능/효과

1. 다단수직형 암모니아스트리핑조의 단수별 암모니아성 질소 제거 실험 (pH 10, 온도 35℃, 기액비 3min^-1의 동일 조건)에서 8시간 경과 후 단이 없는 반응기는 약 52.5%의 제거율을 나타났으며, 5단 반응기에서는 약 62.6%의 제거율이 나타나 약 10%의 효율 차이가 있는 것으로 확인하였다.
2. pH 변화에 따른 암모니아성 질소 제거 실험(5단 반응기, 온도 35℃, 기액비 3min^-1의 동일 조건)에서 8시간 경과 후 pH 9는 약 42.6%의 제거율을 나타났으며, pH 11에서 약 74.4%의 제거율을 나타났다.
3. 온도 변화에 따른 암모니아성 질소 제거 실험(5단 반응기, pH 10, 기액비 3min^-1의 동일 조건)에서 8시간 경과 후 25℃에서 약 51%의 제거율을 나타났으며, 45℃에서 약 87.2%의 제거율이 나타났다.
4. 공기주입량 변화에 따른 암모니아성 질소 제거 실험 (5단 반응기, pH 10, 온도 35℃의 동일 조건)에서 8시간 경과 후 기액비 2min^-1에서 약45.8%의 제거율을 나타났으며, 기액비 4min^-1에서 약 75%의 제거율이 나타났다.

후속연구

5. 현재 S하수처리장에서 혐기성소화액 파일럿플랜트 추가 실험을 수행 중이며, 연속 운전 평가를 통해 실플랜트 현장 적용성에 대해 평가할 예정이다.
5m 정도로 실플랜트의 수심인 5m에 비해 낮아 다단 반응기에서 기대하는 기액접촉면적 증대효과가 상대적으로 낮게 나타났던 것으로 사료된다. 따라서 향후 추가적으로 수심 2m 이상의 다단 반응기(5단 이상)를 이용하여 실폐수를 적용한 실험을 수행함으로서 단수 증가에 따른 제거율의 변화를 살펴볼 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암모니아 스트리핑은 어떻게 질소함유 폐수를 처리하는 방법인가?	이러한 문제점을 해결하기 위하여 물리, 화학적 질소처리기술이 다양하게 발전하고 있으며, 그중 혐기성소화액처럼 낮은 C/N비의 고농도 질소함유 폐수 처리는 물리화학적 처리 방법인 암모니아스트리핑이 비용이 저렴하고 처리에 효율적인 것으로 알려져 있다3,4). 암모니아 스트리핑은 수중에 암모니아가 존재할 때 그 화학식에 의해 NH4+ ->NH3 + H+의 이온평형이 유지 되어 있으며, 계가알칼리 영역으로 변하게 되면 평형은 오른쪽으로 이동하게 되어 암모늄이온이 암모니아로 변하게 되고, 동시에 공기를 주입하여 암모니아를 탈기시켜 제거하는 방법이다. 암모니아의 제거 효율은 보통 탈기탑의 온도, pH, 공기-물의 접촉효율 등에 의해 결정된다.
	현재 질소 제거를 위해 상용화된 처리 시스템의 문제점은?	현재 질소 제거를 위한 상용화된 처리 시스템은 질산화 반응을 위해 호기 조건을 조성하고, 탈질 반응을 위해 유기탄소원의 약품을 투입하는 방식이다. 그러나 혐기성소화액, 침출수 등 유기물(C) 농도가 낮고, 질소(N) 농도가 높은 폐수의 경우 탈질을 위한 폐수내 탄소원이 많이 부족하기 때문에 외부 탄소원의 사용으로 인한 비용 상승의 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 물리, 화학적 질소처리기술이 다양하게 발전하고 있으며, 그중 혐기성소화액처럼 낮은 C/N비의 고농도 질소함유 폐수 처리는 물리화학적 처리 방법인 암모니아스트리핑이 비용이 저렴하고 처리에 효율적인 것으로 알려져 있다3,4).
	암모니아의 제거 효율은 보통 어떤 인자의 영향을 받는가?	암모니아 스트리핑은 수중에 암모니아가 존재할 때 그 화학식에 의해 NH4+ ->NH3 + H+의 이온평형이 유지 되어 있으며, 계가알칼리 영역으로 변하게 되면 평형은 오른쪽으로 이동하게 되어 암모늄이온이 암모니아로 변하게 되고, 동시에 공기를 주입하여 암모니아를 탈기시켜 제거하는 방법이다. 암모니아의 제거 효율은 보통 탈기탑의 온도, pH, 공기-물의 접촉효율 등에 의해 결정된다. 그러나 pH 조정에 과다한 약품비가 투입되고 공기 주입에 따른 많은 동력비가 소모된다.

참고문헌 (10)

[정승헌, "가축분뇨 정화방류 현황 및 시설개선 비용조사", 대한한돈협회] Jung, S. H., "Survey on the status of the livestock manure discharge and the facility improvement", Korea Pork association, (2013).
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[안주석, 임지혜, 백예지, 정태영, 정형근, "반응조의 물리적 인자와 알칼리도가 암모니아 탈기에 미치는 영향에 관한 연구", 대한환경공학회] An, J. S., Lim, Y. J., Chung, T. Y., and Chung, H. K., "Effect of the Physical Parameters and Alkalinity in the Ammonia Stripping", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 33(8), pp. 583-590. (2011).
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[이재기, 최홍복, 신응배, 박주형, 최은주, 김정래, 박영숙, "다단수직형 호기성반응기(ER-1)를 이용한 음식물 폐수의 생물학적 처리기술", 유기물자원화] Lee, J. K., Choi, H. B., Shin, E. B., Park, J. H., Choi, E. J., Kim, J. R., and Park, Y. S., "Biological treatment process for Food wastewater Using ER-1 bioreactor", J. of KORRA, 14(4), pp. 113-120. (2006).

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[김범식, 최홍복, 이재기, 박주형, 지덕기, 최은주, "E-PFR 반응기를 이용한 유기성 폐기물의 혐기성 처리와 재생에너지 생산에 관한 연구", 유기물자원화] Kim, B. S., Choi, H. B., Lee, J. K., Park, J. H., Ji, D. G., and Choi, E. J., "Anaerobic Organic Wastewater Treatment and Energy Regeneration by Utilizing E-PFR system, J. of KORRA, 16(2), pp. 57-65. (2008).
[석종혁, 최홍복, "마개흐름형 다단식 혐기성 반응기의 교반특성 및 음식물 폐기물 처리 시 충격부하 영향", 한국폐기물자원순환학회] Seok, J. H., and Choi, H. B., "Mixing Characteristics in a Plug-flow Multi-stage Anaerobic Reactor and Effects of Shok Loads in Food Waste Treatment, The Journal of Korea Society of Waste Management, 28(6), pp. 621-631. (2011).
[이병진, 조순행, "암모니아 탈기공정을 이용한 침출수의 암모니아성 질소 제거(I)", 대한환경공학회] Lee, B. J., and Cho, S. H., "Removal of Ammonia-Nitrogen Contained in Landfill Leachate by Ammonia Strripng(I)", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 22(10), pp. 1893-1904. (2000).
[허남효, 박순철, 이진석, 이준표, 강호, "암모니아 탈기공정을 이용한 혐기소화 슬러지 탈수액의 고농도 암모니아성질소 제거 및 회수", 대한환경공학회] Heo, N. H., Park, S. C., Lee, J. S., Lee, J. P., and Kang, H., "Removal and Recovery of High Strength Ammonia-Nitrogen from Dewatering of Anaerobic Digested Sludge using Ammonia Stripping", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 23(4), pp. 601-612. (2001).
[이병진, 조순행, "암모니아 탈기공정을 이용한 침출수의 암모니아성 질소 제거(II)", 대한환경공학회] Lee, B. J., and Cho, S. H., "Removal of Ammonia-Nitrogen Contained in Landfill Leachate by Ammonia Strripng(II)", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 24(2), pp. 219-229. (2002).

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