서 론
우리나라의 경우 가축의 집단 사육이 보편화됨에 따 라 축산관리 면에서 효율성이 증가되었고 육류의 소비 의 발전에도 크게 기여하였다. 그러나 가축 폐수로부터 의 악취 및 수질오염의 문제들로 인하여 해마다 민원 발 생이 증가하고 있으며 환경적 측면에서도 심각한 문제점 들을 야기하고 있다 (Bae and Ryoo 2022). 최근 들어 대기 환경보전법 시행령인 악취에 대한 배출 기준의 강화와 가 축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률에 따라, 가축 분뇨나 폐수를 활용한 부숙이 강화되고 그 규제가 심화되고 있 다 (Environment Ministry Enforcement Decree of the Air Conservation Act 2021). 가축 폐수에 포함된 악취는 암모 니아 (ammonia), 황화수소 (H2S), 메르캅탄 (CH3SH) 등이 있다. 이들 중 암모니아는 미생물 처리가 어려울 정도로 높 은 농도로 인하여 쉽게 처리되지 않으며, 폐수의 부패 과정 에서 지속적으로 발생됨에 따라 다양한 처리 기술들이 개 발되고는 있으나 경제적이면서도 효율적인 처리기술이 아 직 미흡한 실정이다. 특히, 가축 분뇨 중 양돈 폐수에 포함 된 고농도의 암모니아는 생물학적으로 처리하기 어려우며 대기의 악취와 수질의 부영양화를 가속화시키는 주요 원 인으로써, 방치 시 생활환경에 심각한 악영향을 초래한다. 따라서, 이와 같이 다방면에서 문제가 되고 있는 양돈 폐수 중의 고농도 암모니아를 효율적으로 처리할 수 있는 기술 개발이 시급하다 (Song et al. 2013;Sung et al. 2017).
암모니아를 제거하기 위해서 폭기와 교반을 통하여 탈 취시키는 방법, 세라믹 바이오필터로 흡착시키는 방법, 미 생물에 의한 생물학적 처리법, 광촉매 산화법, 합성 제올 라이트 (zeolite)를 이용한 흡착법, 화학결합에 의한 스트 루바이트 (struvite) 침전법 등이 연구되어 왔다 (Huang et al. 2010;Alshameri et al. 2014;Huang et al. 2014;Shu et al. 2019;Hwang et al. 2020;Rech et al. 2020;Li et al. 2022). 이 들 중 스트루바이트 침전을 이용한 검정 물 (black water)로 부터 인 (phosphorous)의 제거와 회수, 스트루바이트 합성 을 통한 계금 (chicken) 비료의 특징, 사람이나 소의 뇨로부 터 인의 제거에 대한 비교, 스트루바이트에 의한 광산 폐 수의 회생, 스트루바이트 생성을 통한 도시 폐기물 매립지 침출수 처리, 축산 폐수로부터 질소와 인 자원의 재생, 스 트루바이트 결정에 관한 히알루론산 (hyaluronic acid)의 영향, 낙농업 거름을 위한 스트루바이트로서의 인의 침전 과 같이 다양한 스트루바이트 방법들이 여러 문헌들에 의 해서 소개되어 왔다 (Ganrot et al. 2007;Warmadewanyhi et al. 2009;Muhmood et al. 2018;Tansel et al. 2018;Liao et al. 2020;Krishnamoorthy et al. 2021;Edward Wagner 2022). 스트루바이트법은 용액 중에서 Mg2+, NH4+, PO43- 이온들 이 1 : 1 : 1의 이론적 몰비로 결합된 Mgnesium Ammonium Phosphate 결정체인 MgNH4PO4·6H2O 형태로 침전되면 서 질소와 인을 제거하는 방식이다. 하지만 스트루바이트 침전법의 경우 침전 반응이 높은 pH 영역의 불안정 구역에 서 발생하는 것으로 알려져 있어, 최근 들어 기존의 스트루 바이트 침전법과는 달리 비교적 pH가 낮은 영역인 준 안 정구역에서 기존의 결정표면 위에 질소와 인이 스트루바 이트 결정성 형태로 석출되는 스트루바이트법이 연구되고 있다. 대부분의 양돈 폐수는 일반 폐수와는 달리 암모니아 를 제거할 목적으로 처리공정마다 폭기 시설을 갖추고 있 어 초기 pH가 약알칼리 상태를 유지한다. 초기 약알칼리 상태에서는 암모니아와 인산 (H3PO4) 및 마그네슘 (Mg)이 존재하여도 스트루바이트 합성이 잘 이루어지지 못할 뿐 만 아니라, 양돈 폐수 특성상 마그네슘과 인산에 비하여 암 모니아의 농도가 수십 배 높아 스트루바이트의 합성 유도 가 어렵다. 또한, 칼슘 (Ca)과 염소 (Cl)와 같은 다양한 이온 들의 방해 요인과 알칼리성 용액 상태로 인하여 스트루바 이트 합성이 잘 이루어지지 않는다.
본 연구는 마그네시아 (MgO)를 이용하여 실제 양돈 폐 수로부터 NH3를 우선적으로 제거시킨 후 남아 있는 비휘 발성 암모니아 (NH4+-N)를 스트루바이트 형태로 침전 제 거하기 위한 최적 조건들을 연구하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 폭기 시간, 양돈 폐수 무게 대비 인산과 마그네 시아의 주입량, pH의 변화 등이 조사되었다. 이외에도, 양 돈 폐수에 인산과 마그네슘의 주입과 pH 조정을 통해 안정 적으로 약산성 상태에서도 스트루바이트의 침전이 이루어 질 수 있는 조건들을 연구하였다. 또한 생성된 스트루바이 트의 침전이 pH의 변화에 따라 어떻게 변화되고 침전물 중 에 함유되어 있는지 스트루바이트의 수득률을 측정하였다.
재료 및 방법
1. 시료 준비와 실험 절차
본 연구에서 사용한 양돈 폐수는 포항에 위치해 있는 양 돈축사에서 수거한 것으로서, 슬러리 (slurry) 중의 고형물 을 원심분리용 탈수기로 제거한 폐수이다. 휘발되는 NH3 가스의 양은 양돈 폐수 무게 대비 MgO (wt. %)의 주입량 을 변화시키면서 측정하였다. 실험은 다음과 같은 방법으 로 시행하였다. 양돈 폐수 0.6 톤에 MgO를 0.2%에서 0.8% 까지 점진적으로 첨가하여 43 L min-1 (브로와 에어펌프, LP-40A, Jung Su Industry, Korea)로 24시간 폭기시켜 폐수 에서 휘발되는 NH3 가스의 농도를 측정하였다. MgO로 처 리한 양돈 폐수와 미처리한 양돈 폐수 (양돈 폐수 자체)를 1 L 유리병에 밀폐 처리하고 1개월 동안 보관한 후에 NH3 가스의 발생 여부를 비교하였다. 양돈 폐수 내 비휘발성 NH4+-N 제거 실험을 위한 시료는 0.8 wt. %의 MgO로 처리 하여 NH3 가스를 탈기한 시료를 사용하였다. 양돈 폐수의 pH는 황산 (H2SO4)과 수산화나트륨 (NaOH)으로 조절하 였고, 양돈 폐수 내 NH43+-N를 스트루바이트 형태로 제거 하기 위해 MgO와 인산을 사용하였다. 시료는 유리섬유여 지 (GF/C)로 여과하여 부유물을 제거한 후, 1 L에 인산 15 g과 MgO 10 g을 첨가하여 교반시키면서 황산 (1+2)을 첨 가하여 pH 5.0으로 조정하였다. 시료를 1시간 동안 안정화 시킨 후, 수산화나트륨 용액을 첨가하여 pH를 6~10까지 조정하면서 pH 단계별로 시료를 채취하여 용액에 잔류되 어 있는 NH4+-N, Mg2+, 그리고 PO43--P의 농도를 측정하였 다. pH 별로 생성된 침전물의 성분 중에서 스트루바이트의 결정성과 수득률을 조사하였다.
2. 시료 분석
NH3 가스 분석을 위한 전처리 방법으로 폐수 1 mL을 1 L Tedlar bag에 주입하여 상온에서 24시간 유지시킨 후, Tedlar bag에 있는 NH3 가스를 가스 검지관 (GASTEC, Korea)으로 100 mL씩 포집하였다. 가스 검지관에 포 집된 NH3 가스의 농도는 열탈착 가스크로마토그래프- 질량분석기 (ATD-GC/MS, Clarus 690 GC, Clarus SQ8T, PerkinElemer, USA)를 사용하여 측정하였다. 자외선-가 시광선 분광기 (UV/Vis, Cary-5000, Varian Technologies, USA)를 이용하여 NH4+-N과 PO43--P를 인도페놀 (indophenol) 법으로 220 nm에서, 그리고 아스크로빈산환원 (ascobic acid reduction) 법으로 880 nm에서 각각 분석하였 다. Mg2+의 농도는 유도결합플라즈마-원자방출분광기 (ICP-AES, Agilent 7800, Agilent Technologies, USA)를 이용 하여 측정하였다. 침전물 (precipitate)의 결정구조는 X-선 회절분석기 (XRD, X-ray Diffractometer, Ultima IV, Rigaku, Japan)를 이용하여 Cu-Kα Target으로 측정하였으며, ICSD 검색 프로그램을 통해 확인하였다. 침전물의 결정과 화 학적 조성은 에너지 분산형 X-ray가 연결되어 있는 전계 방출형 주사전자현미경 (FE-SEM/EDX, MYRA 3 XMH, Tescan, Czech)으로 분석하였다. 침전물의 열적변화는 열 분석기 (TG-DTA, TG-DTA 8122, Rigaku, Japan)를 이용 하여 800°C까지 질소 분위기에서 승온속도 10°C min-1로 측정하였다. 질소와 수소는 원소분석기 (EA, FlashSmart, Thermo Fisher Scientific, Germany)로 950°C까지 기화시켜 열전도도 검출기 (thermal conductivity detector, TCD)로 분 석하였다. 양돈 폐수의 pH는 pH 미터기 (Radiometer, PHM 250 ion analyzer, Woonsocket, RI, USA)를 이용하여 측정하 였다.
결과 및 고찰
1. MgO (wt. %)의 주입량에 따른 NH3 가스의 탈기량
양돈 폐수의 무게 대비 MgO의 주입량 (wt. %)을 변화시 키면서, 양돈 폐수로부터 배출되는 NH3의 양을 측정하였 다. Fig. 1은 폭기하는 동안 주입된 MgO의 양에 따라 폐수 로부터 NH3가 휘발된 후에 남아 있는 NH3의 잔류 농도를 나타낸다. Fig. 1에서 보는 바와 같이, 24시간의 폭기 동안에 양돈 폐수에 주입된 MgO의 양이 증가함에 따라 남아 있 는 NH3의 농도는 점차적으로 감소하는 경향을 보였다. 결 과적으로 MgO (0.8 wt. %)로 처리한 양돈 폐수는 비처리한 양돈 폐수에 비하여 NH3가 대략적으로 75%까지 감소하였 다. 이러한 현상을 해석하면, Eq. 1에 나타낸 것처럼, MgO 가 폐수에 용해되면서 pH를 증가시켜 NH3의 탈기효율을 높여주기 때문이다. 본 실험을 통해 양돈 폐수의 pH를 높 일수록 NH3는 염 (salt)의 형태로 존재하기보다는 가스 상 태로 존재하여 쉽게 대기로 휘발된다는 것을 알 수 있었다.
가축 분뇨로부터 암모니아의 제거를 위한 냄새 저감 용 첨가제를 주제로 다룬 Seong et al. (2017)의 연구에서 는, 암모니아를 30% 이상 감소시킨 제품은 44%를 차지하 였고 24%의 제품이 10% 미만 그리고 나머지 32%의 제품 은 10~30% 수준의 저감 효과를 나타내었다. Seong et al. (2017)의 연구에서 첨가제 물질은 생균을 이용한 Bacillus coagulans 등의 미생물이었다. 본 연구는 미생물 대신 화학 적 첨가제인 분말 MgO를 사용하여 양돈 폐수로부터 암모 니아를 약 75%까지 암모니아를 제거할 수 있는 효과를 나 타냄으로써 암모니아와 같은 악취로 인한 각종 민원문제 와 분뇨의 유실에 따른 수질오염에 의한 간접적인 처리 비 용을 줄일 수 있다고 판단된다.
MgO (0.8 wt. %)로 처리한 양돈 폐수와 미처리 양돈 폐 수를 1개월 동안 각각 밀폐하여 보관 후, 남아 있는 NH3의 발생량을 Fig. 2에 나타내었다. MgO (0.8 wt. %)로 처리한 양돈 폐수에서는 미처리 양돈 폐수와 비교하여 NH3의 발 생량이 약 34% 수준으로 나타났으며, 미처리 양돈 폐수에 서는 남아 있는 NH3의 농도가 폭기 전 수준까지 상승하였 다. 이는 미처리 양돈 폐수의 경우에는 폭기가 이루어지는 동안만 NH3가 탈기되고 공기가 주입되지 않는 경우에는 폐수 내에서 혐기성 반응이 가속화되어 NH3를 지속적으 로 생성시킨 반면, MgO로 처리한 양돈 폐수는 초기에 폐 수 내에 포함되어져 있던 NH3가 탈기된 이후에도 폐수 내 에서 혐기성반응이 유도되지 않았음을 의미한다.
2. 양돈 폐수로부터 NH4+-N 제거
양돈 폐수에 대하여 MgO (0.8 wt. %)로 처리한 시료 와 미처리 시료를 분석한 결과, 미처리 시료의 NH4+-N는 3,146 mg L-1, Mg2+ 1.1 mg L-1, PO43--P 238 mg L-1, pH 8.4 로 나타났으며, MgO (0.8 wt. %)로 처리한 시료의 NH4+ 는 2,464 mg L-1, Mg2+ 1.8 mg L-1, PO43--P 247 mg L-1, pH 9.2로 나타났다. 비록 양돈 폐수를 MgO로 처리하여 양돈 폐수로부터 NH3의 배출을 75%까지 높였더라도, 폐수 내 의 NH4+-N의 제거효율은 21.7%로 낮게 나타났다. 따라서, MgO (0.8 wt. %) 처리는 양돈 폐수에서 휘발되는 NH3 가 스를 감소시키는 효과는 높으나 양돈 폐수에 아직 남아있 는 NH4+-N를 제거하는 효과는 상대적으로 미흡하다는 것 을 알 수 있었다. 본 연구에서는 MgO (0.8 wt. %)로 NH3 가 스를 휘발시킨 후, 폐수에 잔류되어 있는 NH4+-N 제거하 기 위하여 인산과 MgO를 사용하였다. 양돈 폐수에 인산과 MgO 첨가 시 인산은 인을 보충하면서 초기 pH를 낮추는 효과가 있으며, MgO는 Mg를 보충하면서 황산에 의해 pH 을 쉽게 조절할 수 있다. 양돈 폐수의 pH를 5로 조정하였을 때 침전물 발생 없이 모두 용해된 상태를 유지하였다. 그러 나 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 6으로 조정하였을 때 흰색 침전물이 발생하기 시작하였으며, pH가 높을수록 폐 수 내의 NH4+, Mg2+, PO43-의 농도 역시 상대적으로 감소 하는 경향을 보였다. Fig. 3은 양돈 폐수에서 pH의 변화에 따라 NH4+, Mg2+, PO43-의 농도 변화를 나타낸다. 총 86.1% 의 제거된 NH4+ 중에서 pH 6에서 가장 높은 비율인 62.4% 가 제거되었다. Mg2+와 PO43-도 유사하게 감소하는 경향을 보임으로써 약산성인 pH 6 상태에서부터 NH4+, Mg, PO43- 로 결합된 침전물이 생성됨을 알 수 있었다. 이와 같은 결 과를 통해, NH4+, Mg, PO43-로 구성되는 스트루바이트는 pH 6에서의 약산에서부터 생성된다는 것을 알 수 있었다 (Eq. 2).
Huang et al. (2014)은 양돈 폐수의 NH4+-N이 pH 8.0~10.5의 범위에서 스트루바이트의 형태를 이룸으로써 73~88%까지 제거되었고 pH를 증가시킬수록 제거율이 감 소된다고 서술하였다. 또한, Huang et al. (2011)은 pH 8.5 에서 양돈 폐수 내 약 80%의 NH4+-N가 제거되었다고 보 고하였다. 본 연구에서는, NH4+-N의 제거율이 pH 10에서 약 86%에 도달했고, pH 6에서 최대효율을 보였다. 본 연구 와 이전에 보고된 연구 결과의 NH4+-N의 제거율을 비교하 였을 때, 국내·외 양돈 폐수의 성상은 다를지라도 NH4+-N 의 제거율은 거의 유사한 수준을 보임을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 MgO와 같은 화학적 제거제가 고농도의 NH4+-N을 함유하는 고비용으로 처리되었던 산업폐수에 도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
3. 침전물의 확인
pH 6에서 생성된 침전물을 FE-SEM을 이용해서 관찰한 결과, 침전물의 입자는 20~50 μm의 범위를 갖는 판 모양과 결정형으로 나타났다 (Fig. 4).
Fig. 5는 pH 6에서 양돈 폐수로부터 생성된 침전물의 XRD 패턴을 나타낸다. 얻어진 침전물의 피크들은 표준 스트루바이트 결정 (ICSD Standard, PDF# 01-071-2089) 의 피크들과 상당 부분 일치하였다. 이런 결과는 침전물 이 스트루바이트의 결정구조인 Ammonium, Magnesium, Phosphate and Hydrate (NH4MgPO4·6H2O)로 구성되어 있음을 나타낸다. 반면, pH 10 이상부터는 어떠한 스트루바 이트 결정 형태가 나타나지 않았다.
4. pH에 따른 침전물의 변화
양돈 폐수에서 생성된 침전물의 pH에 따른 특성 변화를 조사하였다. 이를 위해, 인산 15 g과 MgO 10 g을 1 L의 양돈 폐수에 넣은 후, 황산을 이용하여 폐수의 pH를 5로 조정하 였다. 이후, 수산화나트륨를 첨가하여 양돈 폐수의 pH를 6 에서부터 11까지 점차적으로 상승시켰다. 그 결과, pH 6에 서부터 백색의 침전물이 발생하기 시작하였고, 스트루바이 트 결정성을 보였다 (Figs. 4 and 5). pH 7~10 사이에서는 침 전물이 상당량 생성되었고 XRD로 분석한 결과 비결정성 형태로 확인되었다. 이는 pH 7 이상에서 결정성을 띠는 스 트루바이트에 비해 비결정성 스트라바이트가 발생하는 속 도가 더 높기 때문으로 판단된다. 결과적으로, 본 연구에서 pH 7~10 사이에서 양돈 폐수에 존재하는 대부분의 침전물 은 비결정성 스트라바이트 형태로 존재하였으며 pH 10 이 상의 조건에서는 생성된 침전물이 용해되었다.
5. 스트라바이트의 수득률
스트라바이트의 화학적 구조는 NH4MgPO4·6H2O이 며 1몰 질량은 245.41 g이다. 스트라바이트의 이론적 몰비 (molar ratio)는 NH4 : Mg : PO4 : H2O=1 : 1 : 1 : 6이며 무 게비는 18 : 24.3 : 95 : 108이다. 또한, 스트라바이트의 총 무 게 중에서 N, H, 그리고 수화물 (hydrate)이 차지하는 무게 비는 각각 5.71%, 1.63%, 그리고 44.08%이다. 본 연구에서, 양돈 폐수에서 생성된 침전물 중에서 pH 6에서 스트라바 이트 결정의 수득률을 FE-SEM/EDX, TG-DTA 그리고 원 소분석기를 이용해서 각각 조사하였다. 침전물의 원소 성 분들을 나타내는 FE-SEM 스펙트라를 Fig. 6에 나타내었다. 스펙트럼은 침전물이 주요 원소로서 산소 (O), 마그네슘 (Mg), 그리고 인 (P)과 같은 주요 원소들과 미량 성분으로 서 칼륨 (K), 알루미늄 (Al), 철 (Fe), 그리고 구리 (Cu)로 구 성되어 있음을 보였다.
Table 1은 Energy dispersive X-ray analyzer (EDX)에 의 해 정량화 한, 침전물을 구성하고 있는 원소 성분들의 무게 (weight)와 원자 (atomic)의 비율을 나타낸다. EDX 분석에 의해, 침전물이 15.58%의 Mg와 16.74%의 P로 구성되어 있 다는 것을 확인되었다. 이러한 수치는 스트라바이트의 이 론적 몰비 1 : 1과 유사함을 보였다.
침전물에 관한 Thermal gravity differential temperature analyzer (TG-DTA) 분석 패턴을 Fig. 7에 나타내었다. 200°C의 온도 부근에서 침전물 전체 질량의 43.3%가 감소 되었다. 일반적으로, 스트라바이트의 이론적 질량 손실은 44.08%의 수화물과 7.34%의 NH3를 합쳐 51.42%이다. 전 의 연구는 스트라바이트가 열분해 하는 동안 NH3와 수화 물이 거의 동시에 손실된다는 것을 보여 주었다. 위의 문헌 을 바탕으로 해서, 양돈 폐수 내 침전물에서의 스트라바이 트의 수득률이 84%에 이른다는 것을 확인할 수 있었다.
침전물을 구성하고 있는 질소와 수소의 질량 농도를 원 소 분석기로 측정하였다. 분석 결과, 침전물 내의 N과 H가 각각 4.04%와 1.11%였고 이러한 수치는 앞서 언급한 스트 라바이트의 이론적 수치인 5.71%와 1.63%보다는 낮은 수 준을 보였다. 따라서 FE-SEM/EDX, TG-DTA, 그리고 원소 분석기로부터 얻은 수치들을 고려했을 때, 침전물 중에 존 재하는 스트르바이트의 수득률은 최소 68%에서 최대 84% 까지 도달한다는 결론을 이끌어 낼 수 있었다.
적 요
양돈 폐수로부터 NH3를 제거하기 위해서 양돈 폐수의 무게 대비 MgO (wt. %)의 양을 변화시키면서 양돈 폐수에 주입하였다. 24시간 동안 폭기시키면서 MgO (0.8 wt. %) 로 처리한 양돈 폐수는 미처리 양돈 폐수에 비하여 NH3 가 스 발생량이 75.5% 감소하였으며, 1개월 동안 밀폐된 상태 에서도 NH3 가스가 거의 발생하지 않았다. 본 연구에서 사 용한 MgO는 양돈 폐수의 pH를 상승시켜 NH3가 가스 형 태로 탈기될 수 있는 조건을 제공해 주었으며, 과량 주입할 경우에도 호기성 미생물 활동에 악영향을 줄 수 있는 pH 10.5를 초과하지 않았다. 양돈 폐수에서 제거되지 않고 남 아 있는 NH4+는 인산과 MgO를 첨가하여 스트루바이트 의 형태로 침전시켜 제거하였다. 스트루바이트를 합성하기 위해서 NH4+의 몰비와 동일하게 인산과 MgO를 주입하 고 황산을 첨가하여 양돈 폐수의 초기 pH를 5로 조정한 후 점진적으로 폐수의 pH를 상승시켰다. pH 6에서 흰 침전물 소위 스트루바이트가 생성되기 시작하여 pH 10까지 지속 적으로 합성이 이루어졌다. 총 86.1%의 NH4+ 제거 중에서 62.4%가 약산성인 pH 6에서 제거되었다. 침전물 중에 스트 루바이트의 존재를 XRD로 조사하였고 그 결과 pH 6에서 침전물이 스트루바이트의 결정성을 갖는다고 확인되었다. pH 7~10인 조건에서는 스트루바이트가 비결정질 형태로 존재하며, pH가 11인 이상에서는 생성된 스트루바이트가 완전히 붕괴되었다. 침전물 내에서 스트루바이트의 수득률 은 에너지 분산형 X-ray, 열중량분석기, 원소분석기의 결과 치를 바탕으로 하여 68%~84%임을 확인할 수 있었다. 만약 NH3가 제거된 양돈 폐수를 건조 퇴비에 뿌려 부숙하게 된 다면 퇴비의 부숙 기간 동안 NH3로 인한 악취를 상당히 감 소시킬 수 있을 것이다. 이와 더불어, MgO로 처리한 양돈 폐수는 가축 퇴비에 인과 질소를 보충하는 역할을 담당할 수 있을 것이다. 앞으로도 본 연구를 계속적으로 진행하여 국내에서 친환경퇴비를 생산할 수 있는 기틀을 마련하고 자 한다.