Abstract
Operational parameters for struvite crystallization, as a process to recover nitrogen and phosphorus resources from animal wastewater, were studied in this research. Crystallization distinctive of NH$_4$-N and PO$_4$$^{3-}$ in accordance to chemical sources, influent pH, aeration and stirring was examined using 2L of working volume of struvite reactor. Also, to find an effective treatment process combining with electrolysis method, removal characteristics of NH$_4$-N and PO$_4$$^{3-}$ in 6 different processes was tested. As chemical sources for the derivation of struvite formation, MgSO$_4$ and MgCl$_2$ were superior to CaCO$_3$ and CaCl$_2$. From experiment which was conducted to know the effects of aeration and stirring on struvite formation, it was revealed that aeration stimulated the crystallization reaction by inducing faster pH increase. While 90% of P removal was achieved within 1 hour under aeration, 14 hours was consumed under stirring condition. Struvite formation under aeration was affected by influent pH. No crystallization was observed at pH 5 level, but active crystallization reaction was induced over pH 6.0. 95% of P removal by struvite formation at pH 6, 7 and 9 was achieved within 3h, 2h and 10 min., respectively. However, over pH 10, operational problem due to excessive foam formation occurred, and blunting of crystallization reaction was observed at pH 11. When consider the pH range of animal wastewater, pH 7 to 9, efficient struvite formation could be achieved by simple aeration, without any chemical usage for pH adjustment. Among tested processes, the treatment process which electrolyzing the supernatant from struvite reactor, providing air to both reactors, showed best pollutant removal efficiencies. In this combined process, the removal efficiencies of NH$_4$-N and PO$_4$$^{3-}$ was 86% and 98%, respectively, and 92.4% of color removal was obtained.
본 연구에서는 축산폐수내에 고농도로 함유되어 있는 질소와 인을 재생하기 위한 공정으로서의 struvite 결정화 방법의 운전인자를 파악하고 폐수처리 측면에서 효율적인 struvite법과 전기분해법과의 연계공정을 도출하고자 하였다. 유효용적인 2L인 Struvite 반응조를 이용하여 주입원의 종류, pH, 교반과 폭기 등에 따른 암모니아와 인의 결정화 특성을 파악하였으며, 효율적인 전기분해법과의 연계방법을 찾고자 6가지 서로 다른 방법에서의 NH$_4$-N과 PO$_4$$^{3-}$의 제거특성을 분석하였다. 시험결과 struvite 형성을 위한 주입원으로는 CaCO$_3$나 CaCl$_2$ 보다는 MgSO$_4$ 혹은 MgCl$_2$을 사용하는 것이 효율적인 것으로 판단되었다. 공기주입과 교반이 struvite 결정화 반응에 미치는 영향을 파악한 시험에서는 포기의 경우 pH가 8.5이상으로 상승하면서 인 제거효율이 90%에 도달하는데 1시간이 걸린 반면 교반의 경우에는 14시간이 걸리는 것으로 나타나 포기가 교반보다 빠른 pH 상승효과를 가져오면서 struvite 결정화 반응을 촉진함을 알 수 있었다. 포기조건에서의 struvite 결정화는 유입폐수의 pH에 영향을 받는 것으로 나타났는데 유입폐수의 pH가 5수준일 때는 아무런 결정화가 이루어지지 않았으며 pH 6, 7, 9 에서는 struvite 결정화가 활발하여 각각 3시간, 2시간, 10분만에 90%의 PO$_4$$^{3-}$가 struvite 반응으로 제거되었다. 그러나 pH 10 이상에서는 과량의 거품발생으로 인한 운전의 어려움이 목격되었으며 pH 11에서는 struvite 결정화 반응이 둔화되는 것으로 나타났다. 이상의 결과와 축산폐수의 pH의 범위가 7~9 수준임을 감안할 때 축산폐수의 경우에는 아무런 pH 조절제를 사용하지 않고도 포기만으로도 효율적인 결정화 반응 유도가 가능함을 알 수 있었다. 전기분해법을 struvite 반응과 연계하여 폐수내 인과 질소 제거효율을 높이기 위해서는 struvite 결정화 반응과 전기분해를 모두 포기 조건에서 수행하면서 struvite 반응 후에 상등액을 전기분해 하는 것이 시험된 공정 중 가장 효율적인 것으로 나타났다. 본 공정에서의 인과 암모니아성 질소의 제거 효율은 각각 98%와 86%이었으며 색도 제거효율은 92.4%이었다.
