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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

민경진 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수
박기영
발행연도
2017
저작권
건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

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국내에서는 생활수준 향상으로 가축 사육두수가 증가하여 고농도의 질소와 인을 함유한 가축분뇨의 발생량도 증가하고 있으나, 대부분 전통적인 생물학적 방법으로 처리하고 있어 부영양화의 원인으로 지목되고 있다. 현재에는 가축분뇨의 재활용을 통해 이러한 문제를 해결하고자 혐기 소화 후 퇴?액비로 보급하고 있으나, 오히려 환경오염이 가중되고 있는 실정이다. 최근 인광석의 고갈에 대한 우려와 자원의 순환적 이용이 부각되면서 가축분뇨내 질소와 인은 처리의 대상에서 회수되어야 하는 자원으로 인식이 전환되어 스트루바이트 결정화 기술이 주목받고 있다.
스트루바이트 결정화 기술은 고농도의 질소와 인을 회수할 수 있는 최적의 기술임에도 불구하고 아직까지 경제성이 낮다는 이유로 폭넓게 적용되지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 경제성을 확보하기 위하여 스트루바이트 결정화 기술의 최적 운전조건을 도출한 후 전처리를 통한 인의 가용화 가능성, 저렴한 마그네슘 공급원으로서 해수담수화 공정에서 발생하는 농축수의 사용 가능성, 결정핵(seed material) 투입에 따른 회수효율 향상 및 입자 크기 증대 가능성, 작물실험을 통한 비료로써의 상용화 가능성을 평가하고 운전조건별 경제성 분석을 통해 상용화를 위한 최적 운영방안을 수립하였다.
실험결과, 스트루바이트 결정화를 위한 마그네슘 : 암모니아 : 인산염 인의 최적 몰 농도 비율은 pH 9.0에서 1.2 : 1.0 : 1.1로 평가되었고 pH 8.0이상에서의 스트루바이트 입자 크기는 큰 차이를 나타내지는 않았다. Visual MINTEQ 3.0을 이용하여 pH에 따른 침전물의 성분을 예측한 결과, 순수한 스트루바이트를 생산하기 위한 최적 pH 범위는 7.5에서 10.5로 예측되었다. 따라서 경제성을 고려할 때, 최적 pH 범위는 8.0에서 9.0로 판단되었다.
가축분뇨내 인산염 인의 농도를 증가시키기 위하여 초음파 전처리를 실시한 결과, 1,000kJ/L에서 인산염 인의 농도가 77.4% 증가하였고 pH 8.0과 9.0에서 인산염 인의 비율이 총인의 약 84%를 나타내어 초음파 전처리를 통해 인의 가용화율을 향상시킬 수 있는 것으로 판단되었다. 질소와 인의 제거효율 향상 및 스트루바이트 입자의 크기를 증대시키기 위한 결정핵(seed material) 투입 실험결과, 제올라이트(zeolite) 결정핵의 투입은 질소 제거효율을 크게 향상시켰으며, 입자 크기를 효과적으로 증가시켰다. 그러나, 구리와 아연같은 중금속이 소량 발견되었으나, 법적 기준을 만족하여 사용이 가능할 것으로 판단되었다
경제적인 관점에서 마그네슘 원으로 해수 담수화 역삼투 공정에서 발생하는 농축수의 이용 가능성을 평가한 결과, XRD 분석을 통해 합성 스트루바이트의 피크와 동일한 것을 확인하였고 염화마그네슘(MgCl2) 비해 질소 제거효율은 다소 낮았으나, 인의 회수효율은 향상되어 경제적 측면에서 활용이 가능할 것으로 판단되었다. 실제 폐수에서 생산된 스트루바이트의 영양염류 용출특성을 분석한 결과, 인의 경우, 최대 63일동안 용출되어 완효성 비료로 판단되었다. 실제 폐수에서 회수된 스트루바이트를 이용해 고추, 배추, 오이를 재배한 결과, 시비 기준량을 준수한 경우에는 모든 작물들의 성장에 매우 효과적이었으나, 고추를 제외한 배추와 오이에서는 과잉으로 시비할 경우, 비효가 발생하는 것으로 평가되었다. 운전조건에 따른 경제성을 분석한 결과, 결정핵으로 제올라이트를 유입폐수량의 2.5%를 투입하고 MgO를 마그네슘원으로 이용하며, 유입수내 인의 몰 농도를 기준으로 스트루바이트를 생산해 토양개량제로 판매한다면 경제성이 확보될 수 있는 것으로 평가되었다.

목차

Chapter 1. Introduction 1
1.1 Overview 1
1.2 Objectives 4
1.3 Structure of the dissertation 5
Chapter 2. Background and literature review 8
2.1 Physical and chemical properties of struvite 8
2.2 The mechanisms of struvite crystallization 11
2.2.1 Nucleation and nucleation rate 13
2.2.2 Induction time 14
2.2.3 Crystal growth 17
2.3 Factors affecting struvite crystallization 18
2.3.1 Molar ratio 18
2.3.2 pH 21
2.3.3 Aeration rate 23
2.3.4 Supersaturation ratio 24
2.3.5 Temperature 25
2.3.6 Mixing energy or turbulence 26
2.3.7 Presence of foreign ions 26
2.4 Fertilizer quality of struvite 27
2.4.1 Nutrient leaching rate 27
2.4.2 Soil type and struvite 29
Chapter 3. Effects of pH and molar ratios on phosphorus recovery through struvite crystallization 46
Abstract 46
3.1 Introduction 47
3.2 Materials and methods 49
3.2.1 Materials 49
3.2.2 Crystallizations experiments 50
3.2.3 Struvite crystal size distribution experiments 50
3.2.4 Crystal growth analysis and MINTEQ model 53
3.3 Results and discussion 53
3.3.1 Effect of magnesium, ammonium, and phosphate molar ratios on
struvite formation 53
3.3.2 Effect of pH on ammonia N and phosphate P removal 62
3.3.3 Effect of pH on struvite crystal size distribution 66
3.3.4 Composition of recovered struvite 71
3.4 Conclusion 73
Chapter 4. Application of the pre-treatment, seed materials and the concentrate water from seawater desalination to improve the struvite crystallization 79
Abstract 79
4.1 Introduction 80
4.2 Materials and methods 83
4.2.1 Pre-treatment for phosphate P release 83
4.2.2 Concentration water 84
4.2.3 Anaerobically digested effluent of livestock wastewater 85
4.2.4 Reactor operation 85
4.2.5 Analysis 87
4.3 Results and discussion 88
4.3.1 Pre-treatments affecting phosphate P release 88
4.3.2 Formation of struvite by using concentrated seawater 92
4.3.3 Effect of phosphate injection 92
4.3.4 Effect of seed materials 92
4.4 Conclusion 96
Chapter 5. Characteristics of vegetables crop cultivation and nutrient leaching as a slow-release fertilizer 101
Abstract 101
5.1 Introduction 102
5.2 Materials and methods 104
5.2.1 Anaerobically digested effluent of livestock wastewater 104
5.2.2 Struvite crystallization 104
5.2.3 Soil column test for nutrients leaching 106
5.2.4 Vegetables growth experiment 107
5.2.5 Analytical methods 108
5.3 Results and discussion 111
5.3.1 Crystallization of struvite 111
5.3.2 Nutrients leaching from soil column 114
5.3.3 Cultivation of vegetables using wastewater struvite 116
5.4 Conclusion 124
Chapter 6. An economic evaluation of phosphorus recovery as struvite from anaerobically digested effluent 127
Abstract 127
6.1 Introduction 128
6.2 Economic assessment 130
6.2.1 Economic evaluation conditions and selection of scenarios 130
6.2.2 Total capital investment cost 132
6.2.3 Operating cost 135
6.3 Results and discussion 137
6.4 Conclusion 139
Chapter 7. Conclusions and future works 142
7.1 Summary and conclusions 142
7.2 Future works 144
Abstract (in Korean) 145

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