One of the major sources causing eutrophication and algal blooms of lakes or streams is phosphorus which comes from point and nonpoint pollution sources. HAP (hydroxyapatite) crystallization using granular alkaline materials can achieve the decrease of phosphorus load from wastewater treatment plants and nonpoint pollution control facilities. In order to induce HAP crystal formation, continuous supply of calcium and hydroxyl ions is required. In this research, considering HAP crystallization, several types of lime-based granular alkaline materials were prepared, and the elution characteristics of calcium and hydroxyl ions of each were analyzed. Also, column tests were performed to verify phosphorus removal efficiencies of granular alkaline materials. Material_1 (gypsum+cement mixed material) achieved the highest pH values in the column tests consistently, also, Material_2 (gypsum+slag mixed material) and Material_3 (calcined limestone material) achieved over pH 9.0 for 240 hours (10 days) and proved the efficiencies of long-term ion supplier for HAP crystallization. In the column tests using Material_3, considerable pH increase and phosphorus removal were carried out according to each linear velocity and filtration depth. T-P removal efficiencies were 87.0, 84.0, 68.0% and those of PO4-P 100.0, 97.0, 80.0% for linear velocity of 1.0, 2.5, 5.0 m/hr respectively. Based on the column test results, the applicability of phosphorus removal processes for small-scale wastewater treatment plants and nonpoint pollution control facilities was found out.

인과 질소는 하천, 호소 등의 부영양화의 주요 인자로 작용하고 있고 특히 하수 중의 인 농도가 1 mg/L 이상일 경우 조류의 급증식이 일어날 수 있다. 현재 우리나라 하수처리 공정은 인을 기준치 이하로 제거하기 위해 총인 처리 공정을 운영하고 있으나, 이 과정에서 제거된 인은 슬러지와 혼합되어 폐기처분되고 있다. 인은 무한자원이 아닌 유한자원으로 비료, 금속표면처리 세정제를 비롯하여 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 우리나라의 경우 전량 수입에 의존하고 있다. 최근 인광석 매장량의 한계로 인하여 인을 회수하여 재이용하는 기술이 반드시 필요한 실정이고, 그 대안으로 축산폐수, 혐기성발효액, 하수처리 시 발생되는 인을 유용한 자원으로 회수하는 방법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 기존의 연구된 인결정은 100㎛ 이하의 미세 결정으로 고액분리 및 탈수에 어려움이 있다. 본 연구에서는 인제거 기술 중 화학적 침전법 중 하나인 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate) 법을 적용하여 부천시와 공동으로 부천시 소재 공공하수처리장에서 발생되는 탈수여액내의 인을 회수하고자 하였으며 다양한 실험조건(pH, 약품, 주입량, Seed적용)에 따라 인회수 및 입상화의 최적 조건을 도출하고 연속반응조를 통하여 2mm 이상의 크기로 입상화가 가능함을 확인하였다. Jar-test 실험결과 pH 9, 몰비 1~9(Mg2+/PO4-P) 범위에서 PO4-P가 55%~90% 제거되었으며, 생성된 결정화물을 seed로 사용하여 최적 약품투입량 도출결과 pH9, 몰비1 조건에서 6회 재사용시 seed 미적용 대비 PO4-P 제거율이 36% 상승하였다. 도출된 조건을 이용하여 2단 상향류(내경이 1.1cm, 1.8cm) 반응조와 침전조로 구성된 Lab Scale 반응조에서 선속도를 변화시켜 입상화를 유도하였다. 입상화시 PO4-P 제거율은 70%~84%, NH3-N 제거율은 20%~28%로 나타났으며, 내경 1.1cm의 반응조 하부에는 2mm~1.5mm, 내경 1.8cm의 반응조 상부에서는 0.6mm~1.2mm로 입상화되었다. 본 연구에서 미립 결정화물을 연속 순환을 통하여 선속도에 따른 입상화를 확인한 결과, 2mm 이상의 인 결정화물의 생성이 가능함을 입증하였다. 이를 통해 탈수 및 건조에 소요되는 에너지를 최소화하고 고순도 입상화로 비료 가치를 향상시켜 경제성 확보가 가능할 것으로 사료된다.

This study evaluated the feasibility of recovering and recycling nitrogen (N) and phosphorus (P) from livestock excreta as struvite (MgNH4PO4·6H2O) in South Korea. Our experimental results showed that struvite precipitation was a very effective way to recover N and P from livestock excreta. Moreover, our study demonstrated that struvite precipitates from livestock excreta (SPL) contain higher concentrations of N, P, and magnesium (Mg) as compared to compost and liquid manure from livestock excreta. In addition, although SPL contain high concentrations of copper (Cu) and zinc (Zn), they meet the fertilizer criteria for concentrations of heavy metals. In South Korea, SPL cannot currently be used as a fertilizer due to legal constraints. Legal permission for SPL use would offer greater choice in livestock excreta management. In conclusion, recovery and recycling of N and P from livestock excreta as struvite can be an effective tool for managing nutrients in livestock excreta.

폐수 내 존재하는 인은 수질에 부영영화를 일으키며 생물학적 처리가 어렵다. 인을 처리하는 방법 중 Mg2+을 결정핵으로 이용하여 struvite로 회수하는 방법은 인 제거효율이 높고 회수 후 비료로 이용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 축산폐수를 이용하여 struvite를 형성하는데 있어, pH 조절제에 따른 phosphate 제거율을 알아보기 위해, 8 N NaOH와 pH buffer solution으로 쓰이는 0.2 M glycine and 0.2 M NaOH, 0.2 M Na2CO3 and 0.2 M NaHCO3, 및 0.05 M borax and 0.2 M NaOH를 사용하였으며, struvite가 잘 형성되는 pH9로 조절하였다. 폐수 내의 인의 농도는 음이온 컬럼(A supp 5 150, Metrohm)이 장착된 ion chromatography(883 basic IC plus, Metrohm)를 이용하여 측정하였고, 표준곡선은 Multi Element IC Std 1 Solution A(highpuritystandards, USA)을 이용하여, 2 ppm ~ 20 ppm 사이의 농도로 작성하였다. Struvite 결정화 반응 5분 후에 인산염 제거율이 각각 100%, 100%, 97.31%, 96.5%, 95.93%로 나타냈으며, 각 pH 조절제를 첨가한 실험구의 결정화 후 pH는 각각 9.02, 9.22, 9.05, 9.11이었다. 회수된 struvite는 증류수에 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%(w/v)로 용해시켜, 시간의 변화에 따른 용해율을 알아보았다. 대조군으로는 시중에 판매되는 양액을 기준으로 비교하였다. 그 결과, 양액의 인산농도는 117.788 mg/L로 일정한 반면, struvite가 들어간 실험군은 용해 초기 값인 42~67 mg/L에서 36시간 결과 후 3~4배(172.13~194.1 mg/L)로 인산염 농도가 증가하였다. Struvite 0.1 g를 황산 95%(Duksan, Korea) 25 mL에 용해시켜 녹인 후, 증류수 25mL를 첨가하여 최대 용해되는 struvite 인산염 농도는 2000 mg/L였다. 그러므로 struvite 용해 실험은 더 진행해야 할 것이며, struvite는 서서히 용출되는 완효성비료로 사용가능할 것이다.

본 연구는 돈분뇨를 유입수로 하는 퇴비화 공정 중에서 혐기성 소화조의 상등액의 질소와 인의 제거를 위하여 Mg2+의 주입량, pH, 반응시간, 교반속도와 같은 인자를 달리하여 실험하였다. Struvite 형성을 위한 Mg2+ 주입원으로 MgSO4를 사용하였다. 모든 실험은 상온에서 이루어졌으며 교반속도 인자 실험을 제외하고 100 rpm의 속도로 교반하여 실험하였다. Struvite 형성을 위한 최적 pH 조건을 알아보기 위하여 Mg2+: PO43-의 몰비를 1:1로 하여, pH 8부터 13까지 변화를 주고 질소와 인의 최대 제거율을 보이는 최적 pH를 알아보았다. Mg2+의 최적 주입량을 결정하기 위해 최적 pH에서, Mg2+ 주입 몰비를 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 그리고 1.5(mole Mg2+/mole PO43-)로 변화시켰다. NH4+의 경우 Mg2+의 몰비가 커질수록 제거율이 높아졌다. 반면, PO43-는 1몰 반응일 때와 1.1 몰 이상의 반응일 경우에 큰 차이가 없으므로 1:1의 몰비로 struvite 형성을 유도하였다. Struvite 형성을 위한 반응시간 및 교반 속도에 의한 질소와 인의 제거율을 알아보기 위해 10분, 1시간 그리고 24시간의 반응시간과 100 rpm 그리고 200 rpm의 교반속도를 달리하여 실험한 결과 24시간의 반응시간에서 가장 높은 질소와 인의 제거효율을 나타냈으며, 교반속도와 반응시간 10분과 1시간의 경우 질소와 인의 제거효율에 큰 영향을 미치지 않았다.