초록 ▼

개발 목적 및 필요성
최근 축산 폐수 발생량이 증가함에 따라 국내의 축산폐수 처리 및 재활용이 큰 과제로 대두되고 있다. 또한 다방면으로 산업적인 수요가 증가하고 있는 인의 매장량이 점차 감소함에 따라 자원으로써의 가치가 더욱 증가하고 있다. 따라서 축산폐수내에 포함된 고농도의 인을 단순 제거하기 보다는 회수하고 정제하여 자원화할 수 있는 기술개발이 시급한 실정이다. 본 과제에서는 고농도 질소 및 인이 함유된 축산폐수 소화 탈리액으로부터 질소와 인을 효과적으로 회수하고 자원화할 수 있는 기술을 개발하고자 하였다.

개발 목적 및 필요성
최근 축산 폐수 발생량이 증가함에 따라 국내의 축산폐수 처리 및 재활용이 큰 과제로 대두되고 있다. 또한 다방면으로 산업적인 수요가 증가하고 있는 인의 매장량이 점차 감소함에 따라 자원으로써의 가치가 더욱 증가하고 있다. 따라서 축산폐수내에 포함된 고농도의 인을 단순 제거하기 보다는 회수하고 정제하여 자원화할 수 있는 기술개발이 시급한 실정이다. 본 과제에서는 고농도 질소 및 인이 함유된 축산폐수 소화 탈리액으로부터 질소와 인을 효과적으로 회수하고 자원화할 수 있는 기술을 개발하고자 하였다.

연구개발결과
혐기성 소화 탈리액으로부터 고농도 인과 질소를 struvite로 회수하고 회수된 struvite를 정제∙농축할 수 있는 공정을 개발하여 고순도의 원료를 이용해 완효성 및 구용성 입제 비료를 생산할 수 있는 일련의 인∙질소 회수 자원화 기술을 개발하였다. 3㎥/일 규모의 pilot plant를 설치하여 struvite 합성 과정에서의 인∙질소 제거성능을 평가하고 회수된 struvite 비료의 성분분석을 실시하여 비료로써의 적용 가능성을 평가하였으며, 비료실험에 준하는 작물실험을 통해 상용화 가능성을 평가하였다.

실험실 규모에서 struvite 합성을 위한 기초 실험을 실시한 결과, 최적 pH는 9로 평가되었으며, 암모니아성 질소 : 마그네슘 : 인산염의 최적 몰비는 1：1.2：1.1인 것으로 조사되었다. Struvite 합성을 촉진하기 위하여 합성 struvite seed와 제올라이트 seed를 비교한 결과, 제올라이트 seed가 다소 우수한 것으로 평가되었다.

실제 축산폐수 혐기 소화 탈리액을 이용하여 실험한 결과, 최적 pH는 9였으며, 인산염 인과 마그네슘의 최적 몰비는 1：1.1인 것으로 평가되었다. 축산폐수내 부족한 인의 함량을 증가시키기 위하여 초음파 전처리를 실시한 결과,초음파 전처리를 통한 인의 함량이 증가하는 것을 확인하였으며, 부족한 마그네슘을 보충하기 위한 경제적인 잠재자원으로 해수 담수화 공정에서 발생되는 농축수를 이용한 결과, 적용이 가능한 것으로 평가되었다.

3㎥/일 규모의 pilot plant에서 struvite 합성을 통한 질소와 인의 제거성능을 평가한 결과, 암모니아성 질소의 평균 제거효율은 33.5%를 나타낸 반면에,인은 96.8%를 나타내어 struvite 합성을 통해 90%이상의 인을 회수할 수 있는 것으로 평가되었다. 인 회수∙정제 공정의 최적 조건을 평가한 결과, 체류시간은 60분, pH 9, N : P : Mg의 몰비는 1 : 1.1 : 1.2로 조사되었다. 특히 경제적인 운영방안을 도출하기 위하여 다양한 시나리오하에서 struvite 경제성을 평가한 결과, 유입수내 인을 전량 회수하기 위한 목적하에서 마그네슘 공급원으로 MgOH를 1.1몰 공급하고 zeolite를 투입(유입수량의 2.5%)하여 struvite를 생산한 후 이를 토양개량제로 판매하는 경우, 판매비용은 운영비용 대비 102%를 나타내어 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단되었다.

본 과제에서 생산된 struvite 비료는 비료 공정규격에 따라 제4종 복합비료로 분류할 수 있다. 실험과정에서 생산된 다양한 struvite 비료의 성분을 분석한 결과, 질소 및 인산, 칼리중 2종 이상의 합계량이 기준인 최소 10%를 초과하였고 마그네슘과 유기물이 고함량으로 존재하는 것을 확인하였다. 합성폐수 struvite, 가축분뇨 struvite, 액비, 해수 담수화 농축수를 마그네슘원으로 이용하여 제조한 가축분뇨 struvite의 완효성을 평가하기 위하여 질소와 인의 용출실험을 수행한 결과, 액비에 비해 struvite의 암모니아성 질소 용출기간은 2~3배 증가하였고 인의 용출 기간은 4 ～ 6배 증가하여 가축분뇨를 이용하여 stuvite 비료를 생산할 경우, 완료성이 향상되어 기존 화학비료를 대체할수 있을 것으로 판단되었다.

총 12종(천연 제올라이트 2종, 인공 제올라이트 2종, struvite seed 투입 1종, seed 무투입 1종)의 struvite 비료와 대조구로 요소비료를 이용하여 배추(베타후레쉬)와 상추(선풍)를 재배한 결과, 모든 종류의 비료에서 생육의 유의한 차이는 없는 것으로 평가되었으며, 비해효과 역시 없는 것으로 평가되었다. 또한, 합성된 stuvite, 가축분뇨 struvite, 제올라이트 seed struvite, 비료가 투입되지 않는 경우와 요소와 황산 마그네슘으로 제어된 비료 총 5종의 비료를 이용하여 야외에서 고추와 배추, 오이를 대상으로 포트에서 재배한 결과,모든 비료에서 기준량을 주입하는 경우에는 비해가 없었으나, 과잉 시비시의 경우, 특히 배추에서 비해가 큰 것으로 조사되었다. 포장에서 작물을 재배한 결과, 모든 처리구에서 비슷한 생육을 내어 합성 struvite는 비료로서의 재배효과가 있는 것으로 판단되었다.

성능사양 및 기술개발 수준
• Pilot plant의 일 처리용량 : 3㎥
- 질소는 평균 33.5%, 인은 평균 96.8%의 처리성능.
- Struvite 합성을 통해 90%이상의 인을 회수할 수 있음.
• 생산된 struvite 비료는 기존의 액비 비료에 비해 질소의 용출기간은 2 ~ 3배,인의 용출 기간은 4 ~ 6배 증가하여 기존 화학비료를 대체할 수 있음.
• 다양한 struvite 비료를 작물에 적용한 결과, 모든 종류의 비료에서 생육의 유의한 차이는 없으며, 비해 효과 역시 없어 상용화가 가능함.
• 고추와 배추, 오이를 포트에서 재배한 결과, 모든 비료에서 기준량을 주입하는 경우에는 비해가 없었으나, 과잉 시비시 일부 작물에서 비해 효과가 있음.
• 포장에서 작물을 재배한 결과, 모든 처리구에서 비슷한 생육을 내어 합성 struvite는 비료로서의 재배 효과가 있음.

활용계획
• 가축분뇨 및 고농도 유기성 폐기물 처리 사업에 활용.
• 혐기성 소화조를 활용한 바이오가스 생산업체 및 지자체와 공동으로 사업화 추진.
• 일반 소규모 축사에 기술 보급 사업 추진.
• 유기성 폐기물 처리업체 및 비료생산업체와의 연계 사업 추진.
• 회수된 질소·인을 이용한 비료생산 원료공급 및 비료화 사업, 지방 농촌의 지원사업에 활용
• 영세 가축농가 또는 가축농가지역에 저렴한 비용으로 기술을 보급하여 경제적으로 가축분뇨를 처리하고 수변지역의 오염부하를 경감시킴.

( 출처: 요약서 5p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
The high concentration of phosphorus and nitrogen is recovered from anaerobic digestion effluent to struvite by purified and concentrated to recover the purified struvite.
After securing high purity raw materials, it is possible to produce phosphorus and nitrogen recovered as slow-r

Ⅳ. Results
The high concentration of phosphorus and nitrogen is recovered from anaerobic digestion effluent to struvite by purified and concentrated to recover the purified struvite.
After securing high purity raw materials, it is possible to produce phosphorus and nitrogen recovered as slow-release and usable granular fertilizer. We have developed the technology of resource reclamation. A 3㎥/d pilot plant was installed to evaluate phosphorus and nitrogen removal performance in the struvite synthesis process, and the applicability of the recovered struvite fertilizer as a fertilizer was evaluated. In addition, the possibility of commercialization was evaluated through crop experiment based on fertilizer experiment.

As a result of the basic experiments for the synthesis of struvite at the laboratory scale, the optimum pH was 9 and the optimum molar ratio of ammonia nitrogen： magnesium：phosphate was 1：1.2：1.1. Compared with synthetic struvite seeds and zeolite seeds to promote struvite synthesis, zeolite seeds were evaluated to be somewhat superior.

The optimum pH was 9 and the optimum molar ratio of phosphate to magnesium was 1：1.1. In order to increase the content of deficient phosphorus in the livestock wastewater, pretreatment with ultrasonic was found to increase the content of phosphorus by ultrasonic pretreatment. As an economical potential resource for supplementing insufficient magnesium, it is evaluated that it can be applied as a result of using concentrated water generated in seawater desalination process.

The removal efficiency of nitrogen and phosphorus by struvite synthesis in the pilot plant of 3㎥/d scale was found to be 33.5%, while that of phosphorus was 96.8%.
Therefore, it was estimated that more than 90% phosphorus could be recovered through struvite synthesis. As a result, the retention time was 60 minutes, pH 9, and the molar ratio of N：P：Mg was 1：1.1：1.2. As a result of evaluating economical efficiency of struvite in the economy, 1.1 mol of MgOH was supplied as a magnesium source and zeolite was added (2.5% of the influent water) to produce struvite. The cost of sales is 102% compared to the operating cost.

The struvite fertilizer produced in this project can be classified as the 4th type fertilizer according to the fertilizer process standard. As a result of analyzing the composition of various struvite fertilizer produced in the experiment, the total amount of two or more of nitrogen, phosphoric acid, It was confirmed that the minimum of 10% was exceeded and magnesium and organic matter were present in a high content. As a result of the dissolution test of nitrogen and phosphorus to evaluate the slow-release effect of the synthetic wastewater struvite, livestock manure struvite, livestock manure, and seawater desalted concentrated manure using livestock manure struvite as a magnesium source, It was concluded that the dissolution period of nitrogen was increased by 2 ~ 3 times and that of phosphorus was increased by 4 ~6 times.
Therefore, when stuvite fertilizer was produced using livestock manure, it could be replaced with existing fertilizer.

Struvite fertilizer of 12 species (2 kinds of natural zeolite, 2 kinds of artificial zeolite, 1 kind of struvite seed, 1 kind of seed) and control were used to grow Chinese cabbage(Beta fresh) and lettuce. As a result, it was evaluated that there was no significant difference in growth of all kinds of fertilizer. In addition, it is possible to cultivate pepper, Chinese cabbages and cucumbers in the pot by using the synthetic stuvite, livestock manure struvite, zeolite seed struvite, no fertilizer input, and 5 types of fertilizer controlled by urea and magnesium sulfate. As a result, there was no difference in the amount of the reference fertilizer applied to all fertilizer, but it was found that the fertilizer was excess fertilization, especially in the cabbage. As a result of growing the crops in the packaging, it was judged that the synthetic struvite had the effect of cultivating as fertilizer by producing similar growth in all treatments.

( 출처 : SUMMARY 16p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 서 ... 5
• 요 약 문 ... 8
• SUMMARY ... 13
• 목차 ... 18
• 표목차 ... 20
• 그림목차 ... 23
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 29
• 1-1. 연구개발 목적 ... 31
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 32
• 1-3. 연구개발 범위 ... 38
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 43
• 2-1. 해외 기술개발 동향 ... 45
• 2-2. 국내 기술개발 동향 ... 48
• 3. 연구수행내용 및 결과 ... 51
• 3-1. 연구개발내용(범위) 및 최종목표 ... 53
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 54
• 가. 인 자원 회수를 위한 struvite 합성 기초 연구 ... 54
• 나. 고효율 struvite 합성을 위한 최적화 연구 ... 84
• 다. Pilot plant 설계 및 운영인자 평가 연구 ... 108
• 라. Pilot Plant 운영성능 평가 ... 115
• 마. Struvite 비료의 성분 및 용출 특성 평가 ... 161
• 바. Struvite 비료를 이용한 작물재배 특성 평가 ... 173
• 사. Struvite 비료의 유통방안 ... 203
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 204
• 가. 인 자원 회수를 위한 struvite 합성 기초 연구 ... 204
• 나. 고효율 struvite 합성을 위한 최적화 연구 ... 205
• 다. Pilot Plant 설계 및 운영인자 평가 연구 ... 205
• 라. Pilot Plant 운영성능 평가 ... 206
• 마. Struvite 비료의 성분 및 용출 특성 평가 ... 208
• 바. Struvite 비료를 이용한 작물재배 특성 평가 ... 209
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 211
• 4-1. 목표달성도 ... 213
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 214
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 215
• 5-1. 연구개발결과의 활용방안 ... 217
• 5-2. 사업화 계획 및 효과 ... 217
• 5-3. 사업화가능성 SWOT 분석 ... 217
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 219
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 223
• 8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 227
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 231
• 9-1. 실험실 안전 점검 체계 ... 233
• 9-2. 연구실 정기 안전 점검 ... 233
• 9-3. 연구실 일일 안전 점검 ... 233
• 9-4. 실험실 정밀 안전진단 실시 ... 234
• 9-5. 연구실 안전 교육 훈련 ... 234
• 9-6. 보험 행정 절차 시스템 ... 235
• 9-7. 추가 이행 연구실 안전 조치 ... 235
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 237
• 10-1. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 239
• 11. 기타사항 ... 241
• 12. 참고문헌 ... 245
• 끝페이지 ... 255