초록 ▼

개발 목적 및 필요성
정부의 질소 및 인 규제 강화 정책에 만족하는 폐수 고도처리 공정 개발을 목적으로 가축분뇨 혐기성 소화탈리액을 기존 생물학적 처리 공정의 문제점을 극복하여 방류수 기준을 넘어 재이용수 기준을 충족시킬 수 있는 폐수처리 공정을 개발하고 부가적으로 제거된 질소, 인을 유가자원으로 회수하는 시스템 개발을 목적으로 함.

연구개발 결과
∙본 연구는 고농도 질소, 인이 포함된 폐수인 가축분뇨 혐기성 소화탈리액을 이용하여 질소와 인을 제거와 동시에 유가자원(비료)으로 회수하며, 질소, 인이 제거된 폐

개발 목적 및 필요성
정부의 질소 및 인 규제 강화 정책에 만족하는 폐수 고도처리 공정 개발을 목적으로 가축분뇨 혐기성 소화탈리액을 기존 생물학적 처리 공정의 문제점을 극복하여 방류수 기준을 넘어 재이용수 기준을 충족시킬 수 있는 폐수처리 공정을 개발하고 부가적으로 제거된 질소, 인을 유가자원으로 회수하는 시스템 개발을 목적으로 함.

연구개발 결과
∙본 연구는 고농도 질소, 인이 포함된 폐수인 가축분뇨 혐기성 소화탈리액을 이용하여 질소와 인을 제거와 동시에 유가자원(비료)으로 회수하며, 질소, 인이 제거된 폐수는 Membrane Distillation(MD) 공정을 이용하여 농업용수로 이용이 가능한 재이용수 수준의 처리수를 생산하는 기술을 개발하였다.

∙인 제거를 위한 처리공정으로는 MAP 반응조를 이용하여 MAP(Struvite)를 합성하여 인을 제거하는 공정을 개발하였다. MAP 반응조를 이용한 인 제거공정에서 MAP(Struvite) 합성시 부족한 Mg 소스(Source)의 주입은 몰비 기준 P : Mg = 1 : 1.1 의 비율로 Mg 소스(Source)인 MgCl₂ 용액을 주입하여, MAP 합성에 의한 인 제거율을 검토한 결과, 유입되는 인 부하 대비 유출 및 폐기되는 인 부하 기준으로 금회 Pilot Plant의 인 제거율을 산정한 결과 약 93.9%의 인이 제거되었으며, 제거된 인 중 약 95.9%가 MAP(Struvite) 형태로 회수된 것을 알 수 있었다.

∙질소 제거를 위한 공정으로 저에너지 소비형 암모니아 탈기 장치 개발을 위하여 미세기포와 초미세기포를 병용한 암모니아 탈기 결과, 효과적인 탈기가 이루어질 수 있음을 확인하였으나, 가축분뇨 혐기성 소화탈리액의 거품 발생으로 인하여 금회 Pilot Plant에는 적용하지 못하였다. 하여 금회 Pilot Plant에 Packed Tower형 암모니아 탈기탑을 이용하여 최적 탈기효율 확보를 위한 탈기조건을 검토하였다.

그 결과, 탈기 유입수의 pH는 11 수온은 60℃이며, 주입되는 공기의 기액비는 약 2,400 : 1의 조건에서 안정적으로 암모니아 탈기가 이루어 졌으며, 후속공정인 MD공정에서 잔여 질소가 거의 제거되어 금회 Pilot Plant의 최종처리수의 질소(T-N) 농도는 20 ㎎/L 이하로 유출되었으며, 유입되는 질소 부하 대비 유출 및 폐기되는 질소부하 기준으로 금회 Pilot Plant에서의 질소제거율을 산정한 결과 약 94.9%의 질소가 제거된 것으로 나타났다.

∙가축분뇨 혐기성 소화탈리액에서 질소와 인을 제거한 폐수를 초고도폐수처리하여 농업용수로 사용이 가능한 재이용수 수준의 처리수를 생산하기 위해 유입수와 유출수의 온도차를 이용한 MD(Membrane Distillation) 공정을 이용하여 처리하였다. 금회 본 연구를 통하여 전 세계적으로 몇 안 되는 상용화 가능한 MD 모듈을 개발하였고, 개발된 모듈을 이용하여 폐수(질소, 인이 제거된 가축분뇨 혐기성 소화탈리액)를 처리한 결과 하수처리수 재이용 수질권 고기준 중 농업용수로 사용이 가능한 BOD 8 ㎎/L 이하, COD_Cr 30 ㎎/L, T-N 16 ㎎/L 이하, T-P 0.03 ㎎/L이하의 처리수를 생산하였다.

성능사양 및 기술개발 수준
금회 개발기술인 초고도처리시스템을 이용하여 가축분뇨 혐기성 소화탈리액을 처리하여 질소 제거율 90% 이상, 인 제거율 85% 이상을 달성하였고, 개발 기술의 최종 처리수는 농업용수로 재이용 가능한 수질의 처리수를 생산함

활용계획
본 연구에서 개발된 기술을 이용하여 혐기성소화시설 및 가축분뇨 처리공정의 개선사업에 적극 활용하며, 회수된 질소·인을 이용하여 비료생산 원료공급 및 비료화 사업에 적극 추진하고자 함

(출처 : 요약서 7p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results
○ Developed advanced treatment system consists of the following facilities ; Pressurized UF membrane was used for solid removal of influent wastewater. Packed Tower type ammonia stripping system and MAP(Struvite) reactor were used for nitrogen and phosphorus removal. MD(Membrane Distil

Ⅳ. Results
○ Developed advanced treatment system consists of the following facilities ; Pressurized UF membrane was used for solid removal of influent wastewater. Packed Tower type ammonia stripping system and MAP(Struvite) reactor were used for nitrogen and phosphorus removal. MD(Membrane Distillation) was finally used for production of clean treated water.

○ To remove the suspended solids in influent, pressurized UF membrane was used as a pre-treatment facility. In order to produce 3 ㎥ / d of target treatment flow, UF membrane flux had to be maintained above 16 LMH, and the UF membrane operation resulted in producing a targeted treatment flow in stable for about 6 to 7 days. It was confirmed that the production amount of UF membrane was decreased, and so CIP cleaning was performed, and it was confirmed that the yield of membrane after membrane cleaning was restored stably.

○ MAP reactor was used for phosphorus removal, and for the operating conditions, pH was about 9.1 and the molar ratio of phosphorus to magnesium was 1: 1.1. The removal efficiency of phosphorus removal process was 96.1% (93.8 ~ 98.4%) on average after operating the MAP reactor with HRT 10 hr at the planned flow rate of 3 ㎥ / d at the end of the existing ammonia stripping process. On the other hand, this study of hyper treatment system tried to derive an economical treatment plan by using the MAP reactor of the same type but optimizing the process. Finally, the MAP reactor was placed in the MD concentrated water treatment facility and the MAP treated water was partially returned to the ammonia stripping process. As its result, notwithstanding the size of the MAP reactor of about HRT 2 hr based on the MD withdrawal concentration quantity(50% compared planned quantity), a high phosphorus removal rate of 93.3% was obtained.

○ The ammonia stripping process for removing nitrogen has been studied on the diffused air type ammonia stripping which utilizes the air diffusing method using the diffuser and the packed tower type ammonia stripping using the packed media. It was confirmed by the study of Diffused Air type ammonia stripping using synthetic wastewater that the effective stripping can be achieved when the micro and fine bubbles are used together. However, in the experiment using the anaerobic digestion liquor, excessive foam prevented the application of Pilot Plant in this study. Finally, the ammonia stripping process using Packed Tower type ammonia stripping tower was constructed.

Prior to the optimization study, the basic performance of the Packed Tower type ammonia stripping tower applied at this time was confirmed. As a result, the condition could be achieved where the temperature of ammonia stripping influent water temperature was 60℃ and the pH was 11.5 ~ 12.0, and the nitrogen removal rate was 91.2% under the condition of 3,840 : 1 on the basis of the gas-liquid ratio.

○ This study of advanced treatment system tried to achieve more economical nitrogen removal rate of more than 90% by optimizing the whole pilot plant operating process.

To this end, as described above, a recirculation method has been adopted in which the concentrated water generated in the MD process is treated using a MAP reactor and then returned to the ammonia stripping process. Through this, the nitrogen removal rate of 94.9% was secured while reducing the air volume by 25%.

○ This technical research developed a membrane distillation module that can be commercialized. As a result of applying the development module to anaerobic digestion liquor treatment of livestock manure, it was found to be Flux 10 LMH at the temperature difference between influent and effluent of 30 ℃ and Flux 21 LMH at 45 ℃. In the optimization process, recycling of some of the concentrated water after MAP treatment resulted in the flux stabilization of the MD process and the recovery rate of treated water of 70%. In the MD process, final treatment water quality was BOD 8 mg/L, T-N 15.5 mg/L and T-P 0.03 mg/L.

○ As a result of analysis of energy consumption of MS-35 model, which is one of the membrane distillation modules developed in this time, production of 10 LMH (0.48 ㎥/d) was possible at 22,502 kcal/hr and 25 LMH (1.2 ㎥/d) at 46,752 kcal/hr. The MD process can efficiently utilize waste heat below 100 ℃, which is low in energy utilization and so the economic efficiency of technology is thought to be secured.

○ Through the above process optimization, the use amount of NaOH based on 3 ㎥/d treatment was decreased from 69.0 L/d to 68.5 L/d by 0.5 L/d compared with the conventional one, and the use amount of H₂SO₄ was decreased from 16.5 L/d to 14.4 L/d, by 2.1 L/d compared to the previous one. In this way, while the amount of chemicals used after the process optimization is similar to that of the conventional method, the reduction of capacity for MAP, the decrease of air flux in the ammonia stripping process, and the process stability for maintaining the flux of the MD process have been secured.

○ The numerical analysis model that reflects the spatial-temporal variability of the moving boundary has been developed in order to predict the behavior of nitrogen and phosphorus, the major fertilizer components. The inhomogeneity of the site is quantified and applied to the numerical model and the change of the ground water level with time according to the precipitation is related to the height of the non-saturation zone so that it can comply with the actual condition.

○ In connection with technology development in this study, an integrated management system has been developed that can monitor and control the items necessary to remove and recover nitrogen and phosphorus from the anaerobic digestion liquor of livestock manure.

○ The integrated operating system consists of monitoring system, MAP (Struvite) and DAP production management system based on removal of nitrogen, phosphorus and recovery. Through this system, stable processing quality in hyper treatment system and the production management of MAP(Struvite) and DAP was possible.

(출처 : SUMMARY 18p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 서 ... 7
• 요 약 문 ... 10
• SUMMARY ... 17
• 목차 ... 23
• 표목차 ... 27
• 그림목차 ... 31
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 40
• 1-1. 연구개발의 필요성 및 동향 ... 42
• 가. 연구개발의 중요성 ... 42
• 1-2. 연구개발대상 기술의 차별성 ... 46
• 1-3. 연구개발의 내용 및 범위 ... 48
• 가. 연구개발의 최종목표 ... 48
• 나. 연도별 연구개발의 목표 및 내용 ... 49
• 1-4. 연구개발의 추진전략 및 연구수행 방법 ... 51
• 가. 연구개발의 추진전략 ... 51
• 나. 연차별 추진체계 ... 53
• 다. 연차별 연구수행 방법 ... 54
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 60
• 2-1. 해외 기술개발 동향 ... 62
• 2-2. 국내 기술개발 동향 ... 72
• 3. 연구 수행내용 및 결과 ... 80
• 3-1. 국내·외 가축분뇨 처리동향 및 성상분석 ... 82
• 가. 국내 가축분뇨 처리동향 ... 82
• 나. 국외 가축분뇨 처리동향 ... 94
• 다. 가축분뇨 처리기술별 경제성 분석 ... 96
• 라. 국내 가축분뇨 소화탈리액 성상분석 ... 101
• 3-2. 고효율·초집적 인 제거(회수) 공정 ... 110
• 가. 국내·외 인 제거(회수) 기술 현황 및 공정 선정 ... 110
• 나. Lab 반응기를 이용한 인 제거 공정 기초 성능 평가 ... 119
• 다. Lab 반응기 최적 운영 방안 도출 ... 129
• 라. Pilot Plant 장치를 이용한 인 제거 공정 성능 평가 ... 148
• 3-3. 저에너지 소비형 암모니아 탈기장치 ... 162
• 가. 질소 제거 공정 현황 및 선정 ... 162
• 나. Lab 반응기를 이용한 암모니아 탈기장치 기초 성능 평가 ... 173
• 다. Pilot Plant 장치를 이용한 암모니아 탈기 공정 성능 평가 ... 200
• 3-4. Membrane Distillation 시스템 개발 ... 218
• 가. 국내외 Membrane Distillation 공정사례 및 시장 ... 218
• 나. Lab Scale Membrane Distillation 장치 제작 및 성능 평가 ... 222
• 다. 수학적 예측 모델 구축 ... 263
• 라. Pilot Scale Membrane Distillation 장치 제작 및 운전 전략 도출 ... 273
• 마. Membrane Distillation 적용성 평가 ... 277
• 바. MD 공정 최적화에 따른 운영성능 평가 및 개선효과 ... 279
• 사. 경쟁예상 기술(RO) 대비 성능 및 경제성 비교 ... 293
• 아. 타 분리막 소재(PTFE) 적용성 검토 ... 296
• 3-5. 포화-비포화대 다상유체 이송-확산 모델 개발 ... 298
• 가. 1, 2차년도 연구결과 ... 298
• 나. 3차년도 연구결과 ... 302
• 다. 결론 ... 314
• 3-6. 고농도 질소·인 회수를 위한 초고도처리시스템 개발 ... 316
• 가. 초고도처리시스템 Pilot Plant 설계 및 설치 ... 316
• 나. Pilot Plant 운전 결과 분석 및 최적화 계획 수립 ... 334
• 다. Pilot Plant 설비 최적화에 따른 운영 성능 평가 ... 365
• 다. Scale-up 및 실폐수 조건에 따른 문제점 분석 및 개선 ... 373
• 라. 초고도처리시스템 경제성 평가 ... 375
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 390
• 4-1. 목표 달성도 ... 392
• 4-2. 관련분야의 기술발전 기여도 ... 394
• 가. 기술적 측면 ... 394
• 나. 환경적 측면 ... 394
• 다. 경제적 측면 ... 394
• 라. 사회적 측면 ... 395
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 398
• 5-1. 연구성과 활용계획 ... 400
• 가. 경제·사회적 성과달성 계획 ... 400
• 나. 과학·기술적 성과달성 계획 ... 405
• 다. 국제 협력 계획 ... 406
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술 정보 ... 410
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 418
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS) 등록 연구시설·장비현황 ... 424
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 430
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 436
• 11. 기타사항 ... 442
• 12. 참고문헌 ... 448
• 부 록 ... 454
• <부 록 1> ◎ 설계 표준화 및 운영 매뉴얼 ... 456
• 가. 설계 표준화 ... 456
• 나. UF 분리막 운영 매뉴얼 ... 457
• 다. 암모니아 탈기 및 흡수 운영 매뉴얼 ... 461
• 라. MAP 반응조 운영 매뉴얼 ... 465
• 마. MD 운영 매뉴얼 ... 468
• 끝페이지 ... 472