2조- 회수시켜조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 질산성 폐수 처리 및 암모니아 회수를 통한 비료 생산 공정

영문 : Fertilizer production process through nitric acid wastewater treatment and ammonia recovery

과제 팀명

회수시켜조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20*****086 황유나(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20*****009 김나경

서울시립대학교 환경공학부 20*****026 박민수

서울시립대학교 환경공학부 20*****085 정유승

서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 남**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 다양한 산업폐수에서 발생하는 질산성 폐수를 효율적으로 처리하고 암모니아를 회수함으로써 비료를 생산하는 것을 목표로 한다. 구체적으로는, 질산성 질소를 전기·화학적 방법을 통해 암모니아 및 질소로 환원시킨 후 암모니아 스트리핑 공정을 거쳐 기체화된 암모니아를 황산 액적을 사용한 스크러버를 이용하여 액체 비료 중 하나인 황산암모늄을 회수한다. 질산을 암모니아로 환원하여 자원화 할 수 있어 경제적 잠재력을 기대할 수 있다.

개발 과제의 배경

   ◇ 산업화와 인구 증가로 배출되는 폐수의 특성이 다양해짐에 따라 폐수의 효율적인 처리에 어려움이 있으며 미처리된 오염물질이 수원을 포함하는 자연수계에 유출되어 환경오염이 발생하고 있다. 환경부는 장기적이며 안정적으로 생태계를 유지하고 안정성 높은 수자원을 확보하기 위해 환경에 대한 법적 규제를 강화하고 있으며, 에너지ㆍ자원의 사용량을 줄이면서 효율적인 폐수처리 시스템을 개발하는 노력을 하고 있다.

   ◇ 수질 오염물질 중 질산성 질소는 T-N 처리의 주요 타겟이 되고 있으며 도금폐수와 같은 산업폐수에서 고농도로 발생하고 있다. 질산성 질소의 처리는 크게 물리 화학적 처리와 생물학적 처리방법으로 처리되며 폐수의 발생이 일정하지 않은 산업체에서는 생물학적 처리방법의 활용이 어려우며 물리 화학적 방법을 활용할 경우에는 아래와 같은 장점이 있어 물리화학적 처리 방법을 활용하기도 한다.1) 직접 또는 간접적인 전기 산화-환원, 상분리, 농축, 희석, 항균기능 등은 기체, 액체, 고체 등의 오염물질에 적용할 수 있으며 아주 미세한 용량에서부터 큰 용량의 처리에 적합2) 일반적으로 다른 공정에 비해 낮은 온도에서 운전이 가능하며, 전극에 가하는 전위의 제어가 용이하기 때문에 불완전한 전류 분포와 전압 강하 그리고 부반응 등에 의한 에너지 손실의 최소화 가능 3) 조절변수는 전류량과 전압으로 데이터 수집이 용이하고 공정 자동화와 제어가 용이

   ◇ 대부분 천연가스를 분해하여 생산하는 암모니아의 경우 경제적인 이유로 대부분을 수입에 의존하고 있으며 최근 탄소 중립 등의 환경정책에 따라 발생하는 암모니아로의 연료전환 등의 이유로 그 수요가 증가할 것으로 사료된다. 따라서 본 개발에서 질산성 질소로 존재하는 오염물질을 암모니아로 회수하여 자원화 함으로서 경제적 가치를 창출하고 수입에 의존하는 수급 상황을 일부 개선할 수 있을 것으로 보인다.

개발 과제의 목표 및 내용

   ◇ 질산성 폐수의 전기분해를 이용한 처리 개발- 질산성 폐수의 효율적 처리 및 유지,관리에 유리한 전극 선정- 적절한 전류량 및 기타 효율개선 방안 조사

   ◇ 암모니아 스트리핑 및 회수 방안 개발- 전기분해를 고려한 필요 pH조절 소요 확인 및 pH조절 위치 선정- 암모니아 스트리핑 적정 pH, 온도 및 암모니아 회수 방안 선정

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇ 하폐수 처리에서 질소 제거를 위한 미생물 전기화학 기술(MES, Microbial Electrolysis Cell)이 있다. 본 기술은 MES 내 산소공급을 통한 질소 제거, MES의 외부 전압 인가를 통한 질소 제거, 독립영양생물을 이용한 MES의 질소 제거, MES 내 Geobacter sp.를 이용한 질산염 환원, MES에서 정전기장을 이용한 질소 제거 시스템을 통해 이루어진다. 내용은 다음과 같다.
1) MES 내 산소공급을 통한 질소 제거란 환원 전극에서 질산염을 전자 수용체로써 사용하여 산화 전극에서 유기 탄소를, 환원 전극에서 질소를 제거할 수 있는 기술이다. 환원 전극의 특정 부분을 폭기시킴으로써 질산화를 보완한다.
2) MES의 외부 전압 인가를 통한 질소 제거는 혐기성 및 무산소 조건 하에 외부 전압을 인가해줌으로써 생물 전기화학적 질산화 및 탈질 반응을 진행시키는 것이다. 산화 전극에서 전기 회로를 통한 전자의 이동으로 인해 시스템의 전기 중립성을 유지하기 위해 이온 교환 막으로 이온 전달을 유도한다. 이 때, 환원 전극에서 물은 수소 가스 와 수산화 이온으로 환원된다. 생성된 수소 가스는 전기보다 경제적 가치가 높으며 환원 전극부 용액에서 암모니아를 제거하는데 도움이 될 수 있다.
3) 독립영양생물을 이용한 MES의 질소 제거는 외부 유기물의 첨가 없이 산화 전극에서 폐수 내 유기물을 전자공여체로 하여 전자가 외부 회로를 통해 환원 전극으로 이동하여 생물 막에 의해 탈질 반응을 유도하는 방법을 이용한다. 이는 탈질 공정의 높은 C/N비 문제의 해결방안이 될 수 있다.

4) MES 내 Geobacter sp.를 이용한 질산염 환원은 전자 방출 및 질산염 환원 박테리아(Geobacter sp.)를 이용하는 것이다. 이 박테리아는 질산염을 암모늄으로 환원시키며 토양의 영양소 손실을 최소화 한다는 장점이 있다.
5) MES에서 정전기장을 이용한 질소 제거 시스템은 간접적인 전극 반응인 정전기장을 이용하여 미생물의 활성을 향상시키는 시스템이다.
◇ 폐수의 암모니아 스트리핑을 통해 액상 비료로 회수하는 기술이 있다. pH 조절 및 온도, 압력 조절을 거친 폐수를 공기와 접촉하면서 암모니아를 제거하되 폐수의 공기 접촉 효율을 개선하여 암모니아 제거 효율을 극대화하고, 상기 암모니아를 황산과 접촉시킴으로써 액상 비료로 회수하여 재활용하는 기술이다. 약품에 의해 응집된 불용성 부유물질을 재활용하여 인을 동시 제거하므로 경제성, 효율성을 우수하게 제공하는데 그 특징이 있다.

   ◇ 고농도 암모니아 함유 폐수를 이용하여 액체 비료를 만드는 기술이 있다. 이 기술의 개요는 다음과 같다. 이에 의해 제조된 액체 비료는 고농도 암모니아를 함유한 폐수를 암모니아와 액상의 폐수로 분리하여 액상의 폐수에 함유된 암모니아를 85% 내지 95% 감소시키는 효과가 있다.
      1) pH 조정조에 반입된 고농도 암모니아 함유 폐수(축산폐수, 음식물 탈리액)에 수산화 나트륨을 투입하여 폐수의 산성도를 조정한 뒤 고농도 암모니아 함유 폐수를 가열시켜 암모니아 탈기탑에서 액상의 폐수와 공기 및 암모니아로 이루어진 기체로 분리한다. 
      2) 분리된 액상의 폐수를 분리 배출하고 분리된 공기 및 암모니아로 이루어진 기체를 암모니아 흡수탑으로 이동시킨 뒤 암모니아 흡수탑에 인산 수용액을 투입하여 인산수용액이 암모니아를 흡수하고 남은 공기를 배출하게 한다. 
      3) 암모니아가 흡수된 인산수용액이 암모니아와 반응하여 질소가 7% 내지 9%, 인이 2% 내지 3%의 함량에 도달되면 암모니아 흡수탑 내의 수용액을 저장조로 배출하고, 저장조로 배출된 수용액에 황산 칼륨 및 미량 비료성분을 투입함으로써 고농도 암모니아 함유 폐수를 이용하여 액체 비료 제조한다.

특허조사 및 특허 전략 분석

   ◇ 10-1150381 암모니아 탈기 및 회수장치

본 발명은 고농도의 암모니아가 포함된 폐수로부터 암모니아가 탈기되는 스트리핑 반응조이다. 폐수 공급부, 교반기, 펌프, pH메터, 처리수 순환부, 압력탱크, 저장조, 반응조, 혼화기, 공기 압축기 등으로 구성되어 있다. 기액 접촉 효율을 높여 탈기 효율을 향상시킬 수 있음을 뿐만 아니라 공기의 사용량을 감소시켜 필요한 송풍기의 동력을 줄임으로써 에너지를 절감시킬 수 있다. 또한 본 기술은 소규모 폐수처리장에도 적용이 가능하며, 무엇보다도 폐수 내의 암모니아를 종래보다 효율적으로 탈기시킬 수 있는 장점을 지닌다.

  ◇ 10-0980636 전기분해를 이용한 정수 및 하수처리시설용 질산성질소 제거장치

본 발명은 전기분해를 이용한 정수 및 하수처리시설용 질산성질소 제거장치에 관한 것으로, 그 목적은 Ni-Foam 또는 Cu-Foam 에 파라듐(Pd) 도금한 촉매를 이용하여 정수 및 하수처리시설에서 질산성 질소를 전기분해로 제거할 수 있는 질산성 질소 제거장치를 제공하는 것이다.
양극 및 음극으로 백금(Pt)을 도포한 티타늄(Titanium)전극이 설치되고, 양극과 음극 사이에 양이온 교환막이 설치되며, 음극 주위에 파라듐(Pd)이 도금된 촉매판이 설치되되, 상기 촉매판은 Ni-Foam 또는 Cu-Foam 에 파라듐(Pd) 도금되거나, NiꠓFoam 에 구리(Cu) 도금 후 파라듐(Pd) 도금되어 있다.

  ◇ 10-2179532 질소산화물 제거용 전기분해장치 및 질소산화물 제거방법

본 발명의 목적은 고효율로 질소산화물을 제거하기 위한 장치와 이를 위한 방법을 제공하는데 있다. 또한 이를 이용하여 질소산화물로부터 선택적으로 암모니아 또는 질소를 제조하는 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다. 이를 위하여 본 발명은 기체확산층을 포함하는 캐소드 전극, 애노드 전극, 기준 전극, 전해질, 및 상기 기체확산층을 포함하는 캐소드 전극과 연통되는 질소산화물 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 제거용 전기분해장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 심각한 대기오염을 초래하는 질소산화물을 고효율로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가, 질소산화물로부터 활용도가 높은 암모니아를 고수율로 생산할 수 있고, 필요에 따라서 인체에 무해한 질소로의 선택적인 전환이 가능한 효과가 있다.
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   ◇ 10-1833833 폐수의 암모니아성 질소를 제거하기 위한 전기화학적 수처리장치

본 발명은 폐수에 포함되어 있는 암모니아성 질소를 전기화학적 산화를 통해 제거하는 것이다. 염소계 라디컬 생성에 필요한 최적 전압을 인가하여 암모니아성 질소(NH4-N)의 산화효율을 높이며, 폐수의 단위 시간당 pH 변화 속도가 미리 설정된 기준 변화 속도를 초과하면 암모니아성 질소의 산화반응이 완료된 것으로 인식함과 함께 전원 공급을 차단하여 염소계 라디컬의 추가 생성을 방지하고 전력의 불필요한 소모를 방지할 수 있는 폐수의 암모니아성 질소를 제거하기 위한 전기화학적 수처리 장치이다. 본 발명에 따른 폐수의 암모니아성 질소를 제거하기 위한 전기화학적 수처리 장치는 폐수에 포함되어 있는 암모니아성 질소의 산화반응이 진행되는 공간을 제공하는 전기 화학 반응조이다.

기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

   ◇ 고농도의 질소폐수를 처리하는데 사용되는 기술로는 현재 장기폭기법을 통해 암모니아성 질소를 질산성 질소로 전환하여 탈질하는 공정과 과 ANAMMOX bacteria를 활용한 처리방법 등이 활용되고 있다.

   ◇ 장기폭기법 vs ANAMMOX vs 개발공정

마케팅 전략 제시

   ◇ 안정적인 처리효율 및 간편한 운전
   ◇ 황산암모늄 회수로 경제성 보완 가능

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

   ◇ 고농도 질소폐수에 전기화학적 처리방법의 적용으로 안정적인 처리방법 제시

   ◇ 다양한 형태로 이용되는 질소계열 자원의 회수 방법 제시

   ◇ pH가 주요인자로 작용하는 두 공법의 연결로 효율 증진을 위한 pH 조절 방법 설계

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

   ◇ 생물학적 처리방법 대비 작은 부지에 적용 가능한 방법으로 비교적 작은 규모의 사업체에도 적용 가능하여 타겟 시장 확대

   ◇ 개발공정의 적용을 통해 안정적인 효율의 수처리로 특히 겨울철에 많이 발생하는 방류수 수질 기준 위반 업체를 감소시켜 수질 개선 기대

   ◇ 황산암모늄의 생산으로 비료의 국내공급 증가로 비료수급 안정성에 기여

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

   ◇ 김나경: 암모니아 전기 분해 공정 설계 전문가로서 분해 공정에서 발생하는 부산물과 설계의 타당성과 경제성을 분석한다. 전기 분해 공정을 사용함에 따라 필요한 부속 설비를 검토하며 설계를 진행한다. 공정 설계 후 실현 가능성을 검토하며 공정을 보완한다.

   ◇ 박민수: 전기 화학적 분해공정과 암모니아 스트리핑 공정 및 암모니아 재사용 공정을 조합하여 설계하는 공정 설계 전문가로서 공정 조합에서 발생할 수 있는 문제점에 대해 유의하며 설계를 진행한다. 설계 완료 후 기존 공정과의 비교를 통해 공정을 보완하며 설계의 완성도를 높인다.

   ◇ 정유승: 암모니아 스트리핑 공정 설계 전문가로서 기존의 공정을 분석하고 이를 개선하여 공정을 설계한다. 전기 화학적 분해 공정에 이어 설계할 경우의 장점과 단점에 유의한다. 완성된 공정을 비용, 타당성 등 다양한 측면에서 분석함으로써 개선 방안을 모색한다.

   ◇ 황유나: 암모니아 재사용 공정 설계 전문가로서 암모니아 스트리핑 공정에서 발생하는 암모니아를 효율적으로 포집하고 환원제로 재사용할 수 있도록 경제성에 유의하며 설계를 진행한다. 설계 완료 후 결정된 평가 방법에 따라 공정을 평가한다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용