[논문]가축분뇨로부터 질소 회수 연구 현황 및 시사점 분석

임성원; 김상미; 김지민; 김동훈

doi:10.17137/korrae.2021.29.1.37

[국내논문] 가축분뇨로부터 질소 회수 연구 현황 및 시사점 분석
Analysis of the current status and implications of nitrogen recovery from livestock manure 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.29 no.1, 2021년, pp.37 - 46

임성원 (인하대학교 사회인프라공학과) , 김상미 (인하대학교 사회인프라공학과) , 김지민 (인하대학교 사회인프라공학과) , 김동훈 (인하대학교 사회인프라공학과)

초록
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가축분뇨에 함유된 질소와 인은 환경오염 유발 물질이지만 다양한 산업에서 사용되는 필수 자원이기도 하다. 본 연구에서는 가축분뇨에서 질소 회수에 활용되고 있는 스트리핑, 건조 및 탄화, 이온 교환, 전기투석에 대해 소개하였고, 2011년부터 2020년도까지 국내·외에서 수행한 실규모 연구 현황과 해외 실증플랜트 운영 사례를 분석하였으며 상기 조사결과를 바탕으로 공정별 평가를 실시하였다. 또한, 대표적인 기술인 스트리핑의 주요 운전인자인 pH, 온도, 기액비 등의 적정 범위를 제시하였고, 바이오가스화 공정 연계 시 예상되는 물질수지를 제공하였다. 본 연구에서 제시한 정보는 향후 관련 국내 정책 수립 및 실규모 플랜트 운전 시 유용한 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nitrogen and phosphorus in livestock manure are environmental pollutants, but also could be valuable industrial resources. In the present study, we (1) introduced various nitrogen removal technologies such as stripping, thermal method, membrane, and electrodialysis, (2) reviewed relevant studies reported in 2011-2020, in particular, full-scale experiences, and (3) assessed each technologies based on the above survey results. In addition, we provided the information on the appropriate range of the pH, temperature, gas and liquid ratio, and so on in ammonia stripping process, and expected mass balance when it is connected to biogasification process. We hope the content herein can be helpful for making policy and operating full-scale plant in Korea.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Summary on Nitrogen Recovery Process
표 Table 2. Nitrogen Recovery Research Examples in Korea
표 Table 3. Nitrogen Recovery Research Examples in Other Countries
그림 Fig. 1. Full-scale ammonia removal and recovery studies in italy.
표 Table 4. The Cost for Nitrogen Recovery from Livestock Manure
그림 Fig. 2. Process schematic for nitrogen recovery process invented in netherland.
그림 Fig. 3. Process schematic for nitrogen recovery process invented in denmark.
표 Table 5. Comparison of Various Nitrogen Removal Processes from Livestock Manure
그림 Fig. 4. Main parameters and their ranges in ammonia stripping process.
그림 Fig. 5. Process flow for ammonia stripping and recovery from livestock manure based on biogasification.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가축분뇨로부터 질소를 회수하는 연구개발에 대한 국내⋅외 연구 현황에 대해 정리하고, 해외실증플랜트 운전 사례에 대해 분석하고, 나아가 본 공정이 바이오가스화에 연계 시 예상되는 물질 수지도를 제시하여 향후 관련 국내 정책 수립 및 실 규모 플랜트 운전 시 유용한 자료를 제공하고자한다.
본 장에서는 질소 회수 공정이 바이오가스화에 연계 시 물질수지를 제시하고자 한다. 이를 위해 가축분뇨 처리 용량은 100 톤/일, 가축분뇨의 성상은 COD ^3—P 90 g/L, T-N 5 g/L, NH₄⁺-N 2 g/L, T-P 1 g/L, PO₄ 0.
. 질소 회수 기술들은 각기 다른 농장에 설치되어 운영되었으며 바이오가스화를 거친 가축분뇨 소화액의 상등액으로부터 질소를 회수하고자 하였다. 전체적인 질소 회수 공정의 모식도와 각 공정의 운전 방법 및 결과는 Fig.

가설 설정

3과 같다. 소화액의 유입 유량은 30 톤/h으로 가정하였으며 암모니아 회수량은 황산암모늄만 고려되었다.
상승될 것으로 예상된다. 이에 반해 인은 대부분 무기인 형태로 존재하므로 인산염 형태로의 전환율은 상당히 제한적일 것으로 예상되어 비슷한 농도가 유지될 것으로 가정하였다. 바이오 가스화를 거친 소화액(유출수)은 암모니아 스트리핑조에 공급하게 되면 총 암모늄 이온의 80%가 제거되면서 황산암모늄 1.
혐기성 소화의 유기물 제거 효율은 45%, 암모니아 생산 효율은 80%(총 T-N 기준)으로 일반적인 가축분뇨 중온 혐기성 소화 공정의 효율을 활용하였다²⁹⁾. 질소 회수의 경우, 소화액 내 질소(NH₄⁺-N) 의 80%가 가스 형태로 제거되며 회수된 암모니아의 50%는 황산암모늄으로 전환되고 남은 가스(50%)는 가스 형태로 회수하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

osmosis), 3) 산-건조 기술의 질소 제거 및 회수 효율을 비교해보고자 하였고 상기 결과들을 바탕으로 각 공정의 경제성 평가 몇 비용 분석을 수행하였다²⁷⁾. 질소 회수 기술들은 각기 다른 농장에 설치되어 운영되었으며 바이오가스화를 거친 가축분뇨 소화액의 상등액으로부터 질소를 회수하고자 하였다.
7로 조절하기 위해서는 소화액의 톤당 14 kg의 수산화나트륨(NaOH)이 소요되므로 약품 첨가량은 톤당 7 kg NaOH으로 계산하였다. 또한, 운영비용 절감을 위해 고온 조건에서 스트리핑을 거친 소화액의 열에너지를 새로 공급되는 소화액을 가열하는데 사용하여 가열 비용을 줄이고자 하였으며 흡수탑에서 배출된 가스를 스트리핑 칼럼으로 재순환하여 소화액의 열손실을 줄일 수 있도록 구성하였다. 모델링 분석 결과 예상되는 처리 비용은 톤당 약 6, 600원으로 산정되었으며 황산암모늄 판매로 인해 톤당 8, 500원의 수익이 발생하여 약 1, 900원의 편익이 발생할 것이라 예측하였다.
2 g/L로 가정하였으며 바이오가스화 단계를 거친 가축분뇨 소화액으로부터 질소를 암모니아암모니아스트리핑을 통해 제거하였다. 이 때, 각 공정의 효율은 파일럿 규모 이상의 연구 결과들을 바탕으로 산정하였다. 혐기성 소화의 유기물 제거 효율은 45%, 암모니아 생산 효율은 80%(총 T-N 기준)으로 일반적인 가축분뇨 중온 혐기성 소화 공정의 효율을 활용하였다²⁹⁾.
이 공정에서 배출되는 부산물(소화액)은액비로 활용되고 있으나 부산물을 공급한 토양의 부영양화로 인해 다양한 환경 문제를 겪고 있다. 이들을 해결하기 위해서 유럽에서는 다양한 기술들을 활용하여 부산물 내 유용한 성분들을 추출하기 위한 연구를 활발히 수행하고 있으며 여러 연구 사례 중 이탈리아, 네덜란드, 덴마크의 연구 사례를 분석하고자 한다.
시 물질수지를 제시하고자 한다. 이를 위해 가축분뇨 처리 용량은 100 톤/일, 가축분뇨의 성상은 COD ^3—P 90 g/L, T-N 5 g/L, NH₄⁺-N 2 g/L, T-P 1 g/L, PO₄ 0.2 g/L로 가정하였으며 바이오가스화 단계를 거친 가축분뇨 소화액으로부터 질소를 암모니아암모니아스트리핑을 통해 제거하였다. 이 때, 각 공정의 효율은 파일럿 규모 이상의 연구 결과들을 바탕으로 산정하였다.
이온 교환 공정에는 초미세여과막을 활용하였으며 막의 압력은 3.5 atm 이하로 유지되도록 운전하였다. 높은 농도의 질소를 얻기 위해 역삼투(30 atm) 를 이용하여 흡수액 내 물을 제거하였으며 하루 동안 약 100 m³의 상등액을 처리하였다.
2와 같다⁷⁾. 해당 공정은 바이오가스화 공정에서 배출된 소화액으로부터 질소를 회수하고자 하였고 소화액의 pH를 높이는데 필요한 약품비를 줄이기 위해 신선한 공기를 이용한 이산화탄소 탈기를 적용하였다. 탈기를 거친 소화액은 pH 조절(8.
이 때, 각 공정의 효율은 파일럿 규모 이상의 연구 결과들을 바탕으로 산정하였다. 혐기성 소화의 유기물 제거 효율은 45%, 암모니아 생산 효율은 80%(총 T-N 기준)으로 일반적인 가축분뇨 중온 혐기성 소화 공정의 효율을 활용하였다²⁹⁾. 질소 회수의 경우, 소화액 내 질소(NH₄⁺-N) 의 80%가 가스 형태로 제거되며 회수된 암모니아의 50%는 황산암모늄으로 전환되고 남은 가스(50%)는 가스 형태로 회수하는 것으로 가정하였다.

성능/효과

노무비를 제외한 운전항목 중 스트리핑 공정은 약품비, 이온 교환 공정은 에너지 비용이 높았으며 산-건조 공정에서는 에너지와 화약약품 비용이 비슷하게 소요되는 것으로 나타났다. 전체 소요비용은스트리핑이 가장 낮았으며 그 다음으로 산-건조, 이온 교환 순서로 높은 것으로 나타났다.
제거된 가스는 암모니아 회수조로 공급되어 황산암모늄으로 전환 및 회수되었다. 다른 문헌에 비해 pH 조건이 낮고 유입수의 온도를 직접적으로 높이지 않았기 때문에 기존의 문헌에 비해 암모니아 제거율(30-35%)이 상당히 낮았으나 암모니아 회수율은 80-90%로 높은 것으로 나타났다.
또한, 운영비용 절감을 위해 고온 조건에서 스트리핑을 거친 소화액의 열에너지를 새로 공급되는 소화액을 가열하는데 사용하여 가열 비용을 줄이고자 하였으며 흡수탑에서 배출된 가스를 스트리핑 칼럼으로 재순환하여 소화액의 열손실을 줄일 수 있도록 구성하였다. 모델링 분석 결과 예상되는 처리 비용은 톤당 약 6, 600원으로 산정되었으며 황산암모늄 판매로 인해 톤당 8, 500원의 수익이 발생하여 약 1, 900원의 편익이 발생할 것이라 예측하였다. 일반적으로 질소 회수 공정은 직접 편익만으로는 경제성을 갖추기가 힘든 것으로 알려져 있다.
높은 농도의 질소를 얻기 위해 역삼투(30 atm) 를 이용하여 흡수액 내 물을 제거하였으며 하루 동안 약 100 m³의 상등액을 처리하였다. 스트리핑 공정에 비해 암모니아 제거효율은 큰 차이가 없었지만 높은 회수율로 인해 회수율(25-40%)은 더 높은 것으로 나타났다.
배출된 가스는 황산으로 충진 된 암모니아 흡수조로 이송되었고 최종적으로 황산암모늄의 형태로 회수되었다. 암모니아 제거율은 약 75%로 기존의 문헌들과 비슷하였으나 암모니아 회수율은 40%로 상당히 낮은 것으로 나타났으며 이로 인해 유입수 내 총 질소 대비 30-40% 만이 황산암모늄으로 회수되었다. 암모니아 제거 및 회수 비용은 1 kg N 당 각각 1, 300원, 3, 000 원으로 산정되었다.
노무비를 제외한 운전항목 중 스트리핑 공정은 약품비, 이온 교환 공정은 에너지 비용이 높았으며 산-건조 공정에서는 에너지와 화약약품 비용이 비슷하게 소요되는 것으로 나타났다. 전체 소요비용은스트리핑이 가장 낮았으며 그 다음으로 산-건조, 이온 교환 순서로 높은 것으로 나타났다.
배출된 암모니아 가스는 황산에 의해 흡수되어 황산암모늄으로 전환되었다. 최대 암모니아 제거 및 회수율은 약 50%로 다른 두 공정에 비해 상당히 높은 것으로 나타났다.

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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].

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