초록 ▼

개발 목적 및 필요성
질소 규제의 강화와 액비 자원화의 한계로 인해 고농도 질소를 함유하고 있는 탈리액의 처리와 자원회수 대안 수립은 매우 시급하고 중요한 상황임. 따라서 고농도 암모니아를 포함하는 소화탈리액 1차 처리수(암모니아 탈기)를 대상으로 질소회수율 80%가 가능한 통합공정을 개발하고 공정운전을 통해 고품질 비료 회수가 가능한 자원순환형 질소회수시스템 구축하고자 함.

연구개발결과
□ 실험실 규모 연구결과
◦ 실험실 규모 회분식 암모니아 탈기조를 운전한 결과 공기주입량 증가는 탈기효율이 중요한

개발 목적 및 필요성
질소 규제의 강화와 액비 자원화의 한계로 인해 고농도 질소를 함유하고 있는 탈리액의 처리와 자원회수 대안 수립은 매우 시급하고 중요한 상황임. 따라서 고농도 암모니아를 포함하는 소화탈리액 1차 처리수(암모니아 탈기)를 대상으로 질소회수율 80%가 가능한 통합공정을 개발하고 공정운전을 통해 고품질 비료 회수가 가능한 자원순환형 질소회수시스템 구축하고자 함.

연구개발결과
□ 실험실 규모 연구결과
◦ 실험실 규모 회분식 암모니아 탈기조를 운전한 결과 공기주입량 증가는 탈기효율이 중요한 영향을 미치는 것으로 확인되었으나 과도한 공기주입은 탈기 암모니아 농도 저하로 인해 암모니아 흡수 효율의 감소를 유발하였다.탈기 암모니아를 흡수하기 위한 흡수조 흡수액(인산용액)은 농도와 부피 모두 중요한 인자로 작용하고 있으며 흡수액 부피가 큰 경우 흡수효율은 높지만 인산암모늄 결정효율은 저하시키는 것으로 나타났다.
◦ 회분식 실험결과 AP(MAP*/DAP) 결정을 위해서는 흡수조의 흡수시간은 5~6시간이 적절하였으며 결정화조 온도를 10℃ 이하로 하는 것이 최적인 것으로 나타났다. 결정화 반응시간은 길수록 유리하지만 일정시간 이후 결정회수량에 있어 증가가 크지 않기 때문에 최적 반응시간 결정이 중요하였다. 실험실규모의 연구에서는 탈기량이 많지 않아 회수되는 AP결정효율이 높지 않았다.
◦ 탈기조, 흡수조, 결정화조로 구성된 연속식 AP공정을 운전한 결과, 결정생성을 위한 암모니아 흡수는 흡수액 N/P 0.4이상, pH는 1~3의 범위로 운전하는 것이 효율적이었다. 물질수지를 통한 AP 결정회수율은 73.9%인 것으로 산정되었다.

□ 파일럿 규모 연구결과
◦ 3톤/일 처리규모의 혐기성 탈리액 질소회수 파일럿공정은 탈기조, 흡수조, 결정화조, 저류조로 구성되었으며, 운전기간동안 탈기효율, 탈기속도는 각각 68.0 ~ 91.0%, 8.8 ~ 17.1 mol/hr이었으며, 흡수효율과 흡수속도는 77.9 ~ 100%, 4.3 ~15.4%이었다.
◦ 흡수조 핵심운전지표로써 최적 pH범위는 1.3~1.7(N/P=0.5~0.6)이었으며,결정화조의 경우 반응시간이 길어짐에 따라 결정회수율은 증가하였지만, 1회 운전만으로 최대 28% 수준으로 목표 질소회수율에 미치지 못하였다.
◦ 결정회수 후 남은 흡수액을 재사용하는 반복운전전략을 통하여 인산주입량을 저감하고 질소회수율을 제고하고자 한 결과, 3차 반복운전시 질소회수율은 평균 88% 이상을 달성하였으며, 파일럿에서 회수된 결정량은 29.3kg/d로 산출되었다. 또한, struvite를 결정핵(seed)로 사용한 결과 결정핵을 사용하지 않은 경우보다 약 4.7배 많은 결정을 회수할 수 있었다.
◦ 파일럿 규모 결정화 공정을 통해 회수된 결정은 XRD, SEM 분석결과 대부분 MAP* 결정에 가까운 것으로 보이며, 비료품질 분석결과 복합비료 “제1종복합”의 기준에 적합한 것으로 나타났다.
◦ 파일럿에서 회수된 AP 결정 용출실험 결과, 32시간 내에 90% 이상의 TN,TP 용출이 이루어짐에 따라 완효성 비료의 특성은 낮은 것으로 판단되며,난용성 물질로의 코팅하거나 속효성 비료 등으로 활용하는 것이 바람직하다고 판단되었다. 다만 struvite와 비교하여 AP는 순도가 높은 경우 비료이외에 분말소화재 등 다양한 산업용도가 있어 상품용도의 다각화 잠재성은 존재하였다.
◦ AP 결정을 이용한 작물재배를 수행한 결과, 시판 struvite 비료와 유사한 생육증대 효과를 보여, 비료로서의 재배효과가 충분한 것으로 평가되었다.
◦ 3 톤/일 규모의 파일럿 공정을 기준으로 경제성 평가를 실시한 결과,struvite를 결정핵으로 사용하는 경우 운영대비 경제성이 존재하며, 기존 가축분뇨정화처리시설의 톤당 유지관리비용 대비 47,500 원/톤의 절감효과가 있을 것으로 평가되었다.

( 출처: 요약서 4p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
□ Lab-scale results
◦ In lab-scale stripping experiment, increase in air flow rate positively affected the stripping efficiency, however excess amount of air flow tended to decrease in absorption efficiency due to diluting the ammonia concentration in the stripped gas. Both the conc

Ⅳ. Results
□ Lab-scale results
◦ In lab-scale stripping experiment, increase in air flow rate positively affected the stripping efficiency, however excess amount of air flow tended to decrease in absorption efficiency due to diluting the ammonia concentration in the stripped gas. Both the concentration and volume of the absorbing solution (phosphoric acid) were significantly related to absorption efficiency. Larger the volume increased, higher absorption efficiency was obtained but it resulted in a lower crystallization efficiency.
◦ In lab-scale batch experiment, an optimal absorption time for crystallization of AP(MAP*/DAP) was in the range between 5 and 6hr. Optimal temperature condtion for crystallization of the ammonia absorbed solution was below 10℃. It was preferred to extend the crystallization time but there was insignificant increase in recovery when the time exceeded an optimal value. Overall recovery of AP crystal in the lab-scale experiment was not significant due to the relatively smaller ammonia stripped.
◦ The continuous AP process consisted of stripper, absorber, and crystallizer. The key operating factors for crystallization of AP were N/P ratio and pH which was recommended to maintaine > 0.4 and 1~3, respectively. Mass balance in the lab-scale continuous system represented the crystallization efficiency of 73.9%.

□ Pilot-scale results
◦ A pilot-scale nitrogen recovery process with capacity of 3 ton/d was constructed and operated for about 9 months. It was composed of stripper, absorber, crystallizer, and reservoir of residual absorbing solution. Average stripping efficiency and stripping rate resulted in 68.0 ~ 91.0%, 8.8 ~ 17.1mol/hr during the operating period, on the other hands, absorption efficiency and rate resulted in 77.9 ~ 100%, 4.3 ~15.4%.
◦ As a key operating factor of absorber, an optimal pH range was 1.3~1.7 which was corresponded to N/P ratio of 0.5~0.6. Longer crystallization time enhanced crystallization efficiency but the recovery of nitrogen by one time operation was limited to 28% which was much lower than that of the goal.
◦ An operating strategy was newly suggested by reuse of the absorbing solution, which will eventually increase nitrogen recovery efficiency and be beneficial by saving chemical(phosphoric acid) consumption: three times of repeated operation by reusing the absorbing solution the nitrogen recovery efficiency reached to 88% and total recovery of AP crystal was estimated at 29.3kg/d. When struvite was used as a crystallization seed, the recovery was increased about 4.7 times compared to control.
◦ The recovered AP crystal from pilot process was analyzed by XRD and SEM, of which results indicated that the recovered crystal was close to mono-ammonium phosphate(MAP*). According to the fertilizer analysis by a certified analysis agent, the crystal recovered meet the criteria for fertilizer quality of“1st mixed fertilizer”.
◦ In the lab-scale leaching test of the crystal recovered from pilot plant, nitrogen and phosphorus leached in 32hr, which means the recovered crystal was not considered as a slow releasing fertilizer. Thus, it may need to pretreat the crystal by coating with non-releasing materials or us as a fast-releasing fertilizer in case of incipient dose required. Nonetheless, the recovery AP crystal had a relatively higher purity so it can be potentially used for diverse industrial raw materials such as extinguisher etc. as well as fertilizer.
◦ When the AP crystal was tested for growing a variety of plants, it had a similar efficient fertilizing performance to commercial struvite.
◦ Economic analysis based on the pilot scale operation described that B/C ratio determined by O&M cost and product selling was a positive value in case of struvite seed used and cost saving was 47,500 KRW/ton when compared with that of the existing animal manure treatment facilitiy.

( 출처: SUMMARY 12p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 서 ... 4
• 요 약 문 ... 7
• SUMMARY ... 11
• 목차 ... 15
• 표목차 ... 18
• 그림목차 ... 20
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 23
• 1-1. 연구개발 목적 ... 25
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 25
• 가. 고농도 암모니아 폐수의 발생 및 처리현황 ... 25
• 나. 고농도 질소제거 기술 ... 26
• 다. 질소 회수를 위한 제올라이트와 MAP 기술 적용 가능성 ... 29
• 1-3. 연구개발 범위 ... 32
• 가. 연도별 연구개발의 목표 및 내용 ... 32
• 나. 연도별 연구개발의 추진일정 ... 33
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 35
• 2-1. 국내 기술 수준 및 시장 현황 ... 37
• 가. 제올라이트 ... 37
• 나. MAP 결정화 ... 39
• 2-2. 국외 기술 수준 및 시장 현황 ... 40
• 가. 제올라이트 ... 40
• 나. MAP 결정화 ... 43
• 3. 연구수행내용 및 결과 ... 47
• 3-1. 연구개발내용(범위) 및 최종목표 ... 49
• 가. 연구개발의 최종목표 ... 49
• 나. 연도별 연구개발의 목표 및 내용 ... 50
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 56
• 가. 탈기 암모니아 질소 제거 및 회수를 위한 제올라이트 선정 ... 56
• 나. 제올라이트 컬럼 연속실험을 통한 설계인자 도출 ... 65
• 다. 질소-인 결합형 고품질 비료 회수를 위한 MAP(struvite) 요소기술 개발 ... 72
• 라. 실험실 규모 AP(MAP*/DAP) 통합공정 운전인자 도출 ... 78
• 마. MAP*/DAP-제올라이트 파일럿 공정의 장기 운전성능 평가 및 최적화 ... 98
• 바. 파일럿 공정 개선사항 도출: 결정화 효율 향상을 위한 검토사항 ... 117
• 사. 파일럿 공정에서 회수된 AP(MAP*/DAP) 결정의 특성 및 비료품질평가 ... 121
• 아. 경제성 평가 ... 140
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 146
• 가. 탈기 암모니아 질소 제거 및 회수를 위한 제올라이트 선정 ... 146
• 나. 제올라이트 컬럼 연속실험을 통한 설계인자 도출 ... 146
• 다. 질소-인 결합형 고품질 비료 회수를 위한 MAP(struvite) 요소기술 개발 ... 146
• 라. 실험실 규모 AP(MAP*/DAP) 통합공정 운전인자 도출 ... 147
• 마. MAP*/DAP-제올라이트 파일럿 공정 성능 평가 및 최적화 ... 148
• 바. 파일럿 공정 개선사항 도출: 결정화 효율 향상을 위한 검토사항 ... 150
• 사. 파일럿 공정에서 회수된 AP(MAP*/DAP) 결정의 특성 및 품질평가 ... 150
• 아. 경제성 평가 ... 151
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 153
• 4-1. 목표달성도 ... 155
• 가. 3차년도 성과목표 달성도 ... 155
• 나. 최종 성과목표 달성도 ... 156
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 156
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 157
• 5-1. 연구개발결과의 활용방안 ... 159
• 5-2. 기대성과 ... 159
• 가. 기술적 측면 ... 159
• 나. 환경적 측면 ... 159
• 다. 경제적·산업적 측면 ... 159
• 라. 일자리 창출 측면 ... 159
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 161
• 6-1. 비료 가격 추이 정보 수집 ... 163
• 6-2. 인산암모늄 결정화관련 문헌검색 ... 164
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 165
• 8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 169
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 173
• 9-1. 연구실 안전점검 ... 175
• 9-2. 연구실 안전교육 ... 175
• 9-3. 건강검진 ... 175
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 177
• 10-1. 국내외 학술지 논문 게재 ... 179
• 가. 국내 학술지 ... 179
• 나. 국외 학술지 ... 179
• 10-2. 국내외 학술회의 발표 ... 179
• 가. 국내 학술회의 ... 179
• 나. 국외 학술회의 ... 179
• 10-3. 국내 특허출원 ... 180
• 11. 기타사항 ... 183
• 12. 참고문헌 ... 187
• 부 록 ... 193
• 끝페이지 ... 211