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KR102511002B1 - 역전기투석 염분차발전을 이용한 축산폐수의 처리 방법 - Google Patents

역전기투석 염분차발전을 이용한 축산폐수의 처리 방법 Download PDF

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KR102511002B1
KR102511002B1 KR1020210064383A KR20210064383A KR102511002B1 KR 102511002 B1 KR102511002 B1 KR 102511002B1 KR 1020210064383 A KR1020210064383 A KR 1020210064383A KR 20210064383 A KR20210064383 A KR 20210064383A KR 102511002 B1 KR102511002 B1 KR 102511002B1
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Abstract

에너지생산 및 친환경 자원순환 공정을 이용한 축산폐수 처리 기술이 제공된다. 특히 역전기투석 염분차발전에 기반한 영양염류의 친환경적인 자원화 처리 및 에너지생산 기술이 제공된다.

Description

역전기투석 염분차발전을 이용한 축산폐수의 처리 방법 {Method for treating domestic animal excretion using reverse electrodialysis}
본 기재는 역전기투석 염분차발전에 기반한 축산폐수 내 영양염류의 친환경적인 처리 및 염분차발전 에너지생산 기술에 관한 것이다.
축산분뇨는 일반적으로 소, 돼지, 닭 등의 가축으로부터 배출되는 배설물을 의미한다. 현재 가장 일반화된 처리 공정은 미생물 발효 방식으로, 발생된 메탄가스는 바이오가스화 공정을 통해 에너지화 자원으로 회수된다. 반면, 고형물은 탈수 과정을 거쳐 고체화된 퇴비와 여과를 통해 배출된 액비로 분리되어 농지, 간척지, 및 임야 등지로 살포된다.
바이오가스화는 분뇨를 혐기성소화조에서 분해하여 메탄가스를 생성하고, 이렇게 생산된 메탄가스를 열병합 발전기 등의 원료로 사용하여 전기를 발생키키는 원리이다. 열병합 과정에서 생산된 전기는 한전에 매전하거나, 인근 농가에 공급이 가능하며, 발생된 폐열은 건물의 난방용도로 활용이 가능하다. 그리고, 부가적으로 발생된 유기물은 비료로 재 사용될 수 있다.
가축분뇨의 퇴비화는 일반적으로 공기가 공급되는 조건에서 호기성 미생물에 의해 분해되면, 그 결과로서 질소, 인, 칼리 등의 영양염류와 각종 미량의 영양소로 전환된다. 퇴비화를 성공적으로 수행하기 위해 서는 퇴비 내 수분량 (대량 70~80%)과 공기량 (150l/min.1m3)의 제어가 매우 중요하다. 가축별 분뇨의 수분량이 모두 다르고, 돼지의 경우에 있어 수분 함량이 높아 일반화된 공정을 통해 제어하는 것이 중요하다.
고액분리기를 통해 고형물과 함께 생산된 액비는 1차적으로 액비 저장조에 수거된다. 상기의 액비는 1차 저포기, 2,3차 과포기, 4차 저포기 발효조의 공정을 통해 발효 및 숙성 단계를 거치고, 이송 차량에 실려 살포되게 된다. 기존 기술로 처리된 액비는 암모니아성 질소를 최대 4,200mg/kg까지 포함하고 있고 사료 첨가제로 인해 액비살포지역 토양의 Cu, Zn 농도가 각각 260, 1,500mg/kg에 이르러 지하수로의 2차 오염문제가 제기된다. 일부 지역에서는, 액비 토양 살포와 화학비료 사용 증가로 지하수 관정이 질산성질소 환경기준 (10 mg/kg)을 초과할 수 있다.
고체 퇴비와 액비는 대부분 환경부 기준에 맞게 처리되어 농지, 임야, 간척지 등으로 이송되 살포된다. 특히, 질산염, 인산염, 등의 영양 염류와 중금속 등은 토양의 산성화와 오염을 초래할 수 있고, 액비의 경우는 토양뿐 아니라 지하수의 오염에 영향을 미칠 수 있기 때문에 엄격한 기준에 맞게 배출되어야 한다. 그러나, 일부 개인 축사에서 환경부 배출 기준에 맞지 않게 토양이나 하천에 방류함으로서 심각한 환경오염을 초래하는 경우가 빈번히 발생하고 있다. 또한, 가축분뇨의 연속적인 생산성에 반해, 처리해야되는 고형 퇴비 및 액비의 경우 살포 시기 등이 제한적이어서 분뇨의 발생과 처리 간 시·공간적인 불일치가 발생하는 점도 기존 공정의 개선되어야할 사항이다. 또한, 기존 공정은 여러 단계를 거쳐 매우 복잡하고 시설 구축 및 운영에 필요한 비용이 과다하여 보다 경제성 있는 공정의 개발이 필요하다.
(특허문헌 1) KR 10-1986326 B1
(특허문헌 2) KR 2019-0174321 A1
축산분뇨의 생산과 처리의 시·공간적 불일치성에 따른 환경적 피해를 최소화할 수 있는 친환경 액비 자원순환 구조의 새로운 패러다임이 필요하며, 축산분뇨의 성분 중 오염부하력이 높은 유기물, 질소, 인, 중금속 등 농도를 최종 배출수 기준으로 최적화하여 지하수, 하천 등의 오염을 원천적으로 방지할 수 있는 새로운 축산분뇨 활용 기술 개발이 요구된다.
본 개시는 기존 공정의 단점을 획기적으로 보안할 수 있는 축산분뇨 친환경 자원화 처리 기술을 제공하고자 한다.
본 개시는 구체적으로는 고형화된 비료와 축산폐수(액비) 중 축산폐수를 전기화학적 공정을 기반으로 처리하면서 전기와 유용 자원 (암모니아, 질소, 수소)를 동시에 생산하고, 생산된 전기는 공정에 소모되는 에너지자립용이나 농가의 수입원으로 활용할 수 있는 에너지자원화 공정을 제공하고자 한다.
본 발명의 에너지생산 및 친환경 자원순환 공정을 이용한 축산폐수 처리 기술을 완성하기 위해서는 전기화학적 기술을 본 발명의 대상인 축산폐수에 적합하도록 적용하고, 최적화하는 기술이 필요하다.
실시예들에 따른 축산폐수를 처리하기 위한 에너지생산 및 친환경 자원순환 공정은 실시예들에 따른 축산폐수를 처리하기 위한 에너지생산 및 친환경 자원순환 공정은 축산농가에서 생산된 축산분뇨를 축산폐수(액비)와 고형분뇨로 분리·공급하는 단계, 분리된 축산폐수를 전처리하는 단계, 이후 전기화학적 방식을 통해 처리하면서 유용한 자원으로 자원화하는 단계, 마지막으로 후처리공정을 거쳐 최종 친환경 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 가축분뇨의 처리과정을 통해 얻을 수 있는 유용자원은 에너지 (전기), 유용가스 (암모니아 및 질소, 수소)가 대상이 될 수 있다.
전기화학적 방식으로는 역전기투석 염분차발전 기술이 적용될 수 있다. 역전기투석 염분차발전은 염의 농도 차이로 발생되는 분리막 전위 (membrane potential)에 의해 분리막을 통한 이온의 이동 현상과 이에 의해 유도되는 전극에서의 전자 이동 현상으로 에너지를 생산하는 기술을 말한다. 일반적으로, 역전기투석 염분차발전을 위해서는 이온을 이동시키는 이온교환분리막 (예, 양이온교환분리막과 음이온교환분리막), 전자의 이동을 유도하는 전극 시스템 (예, 전극, 촉매, 전해질), 그리고 농도 차이를 발생 시키는 두 용액 (예, 고농도 용액과 저농도 용액)과 같은 3요소가 필요하다. 그러므로, 역전기투석 염분차발전을 이용하여 에너지 생산을 극대화하기 위해서는 이온교환분리막의 성능이 우수하고, 전극 반응 활성이 높고, 용액 사이의 농도 차이가 크게 공정을 구성하는 것이 유리하다. 본 발명에서는 처리해야할 축산폐수(액비)를 저농도 용액으로 (액비와 해수 조합일 경우) 또는 고농도 용액으로 (액비와 단수 조합일 경우) 사용하여 축산폐수 내 고 농도의 영양염류 (특히, 질산염 등)를 이동·분리시키고, 이후 배출된 용액을 전극의 환원반응 부분으로 재 공급하여, 염을 가스 상의 새로운 물질로 전환하여 (에, 질산염일 경우 질소나 암모니아, 암모니아 형태일 경우 수소로 전환) 처리하고, 동시에 에너지를 생산하는 과정을 통해 전기생산 및 친환경 자원순환 공정을 이용한 축산폐수(액비) 처리 기술을 완성할 수 있다.
실시예들에 따른 역전기 투석 장치는 서로 대향하여 마주보는 애노드 전극과 캐소드 전극, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배열되고 제1 용액이 유동하는 제1 유로와 상기 제1 용액보다 고농도의 염을 포함하는 제2 용액이 유동하는 제2 유로가 복수로 구획되도록 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배열된 이온교환막 스택, 상기 제1 유로 또는 제 2유로를 통해 배출되고 상기 이온교환막을 통해 이동한 상기 염이 포함된 배출액을 상기 캐소드 전극으로 공급하는 공급 유로, 상기 캐소드 전극에서 상기 염이 가스로 환원되어 상기 염 농도가 낮아진 캐소드 전극 용액을 상기 이온교환막 스택으로 재순환시키는 공정을 포함한다.
본 기재의 축산폐수 이용 염분차발전 에너지생산 기술은 기존 기술의 환경적 문제점을 극복하면서 축산폐수의 친환경적 자원선순환이 가능하다.
전기화학적 처리에 있어, 축산폐수 (액비) 내에 영양염류는 염의 형태로 존재하며, 염 농도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 염분차발전 차원에서는 유용한 에너지 자원이다. 염분차발전에서는 스택의 분리막 부분에서의 이온 이동을 통해 액비 내 질산염 등을 희석하고, 이후 희석된 용액을 다시 환원전극 부분으로 공급하여 전극반응을 통해 액비 내에 존재하는 질산염 등의 처리량을 제어할 수 있는 기술이다. 그러므로, 역전기투석 방식은 수용액 상의 영양염류를 전기화학적으로 이동, 분리 및 전기화학적 전환에 매우 유용하게 영양염류의 농도를 제어할 수 있는 장점이 있다. 염분차발전은 액비에 과잉된 질산염 등을 최대 90% 제어할 수 있기 때문에 최종 액비 공급지에 맞는 배양액 및 추가 전기 생산 가능하다. 해수(농축수)/액비, 액비/담수(농업용수) 또는 농축양액/액비 등의 조합을 통한 염 농도 차이를 이용하여 전기 생산 후 시스템에 공급도 가능하다. 또한, 역전기투석 염분차발전은 염의 이동을 통해 전기를 생산하면서, 바이오매스 및 스마트 농장 (일반농장)에 필요한 배양액의 조성을 제어하며 공급이 가능한 효과가 있다.
그러므로, 본 공정을 통해 기존의 환경오염 원인을 완전히 배제시키면서, 에너지화 및 자원화가 가능한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 염분차발전에 기반한 축산분뇨의 친환경 자원화 및 처리 기술의 공정도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 에너지생산 및 자원순환 공정을 이용한 축산폐수 친환경 처리 기술의 공정도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 에너지생산 및 자원순환 공정을 이용한 축산폐수 친환경 처리 기술의 공정도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치에서의 이온교환막 스택의 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치에서의 염 용액의 전기화학적 처리 방식의 사시도이다.
도 6은 실시예에 따른 역전기 투석 장치에서의 담수 용액의 전기화학적 처리 방식의 사시도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치의 캐소드 전극 구조를 나타내는 사사도이다
도 8은 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치를 사용하여 질산염의 농도를 원하는 농도값이 이하로 희석할 수 있음을 보여주기 위한 실험 데이터이다.
이하 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 실시예는 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구체적인 실시예로만 한정되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 염분차발전에 기반한 축산분뇨(12)의 친환경 자원화 및 처리 기술의 공정도이다.
본 기술의 기본 개념은 축산농가(11)로부터 배출되는 축산분뇨(12)을 염분차발전 (31 or 61) 시스템을 기반으로 한 전기화학적 처리 기술을 적용하여 친환경적으로 처리하는 기술이며, 추가적으로 생물학적인 처리(7) 기술의 병행을 통해 방류(5)의 수질을 친환경적으로 제어하고, 축산분뇨(12)로부터 자원화를 최적화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 에너지생산 및 자원순환 공정을 이용한 축산폐수 친환경 처리 기술의 공정도이다.
축산농가(11)로부터 생산된 축산폐수(13)를 처리하기 위한 에너지생산 및 친환경 자원순환의 구체적인 공정은 제시된 실시예에 따라,
축산분뇨(12)로부터 고형분뇨(14) 및 축산폐수 (액비)(13)를 생산하는 단계 (1);
상기 생산된 축산폐수 (액비) (13) 내에 포함된 오염물 (특히, 부유물 및 미생물)을 처리하고, 염의 성질을 제어하기 위한 전처리 단계 (2);
상기 전처리 단계를 거친 축산폐수 (액비) (13)를 이용하여 전기에너지(311)를 생산하면서 영양염류를 가스 형태로 전환시키는 전기화학적 처리 단계 (3);
상기 전기화학적 처리 단계를 통해 배출된 배출수의 후처리 단계 (4);
상기 생산된 자원은 농가보급(51) 및 최종 배출수는 방류(52)되는 친환경 자원화 및 살포/방류 단계 (7):
를 포함한다.
상기 전처리 단계에서 전처리(21)는 주로 부유물을 제거하기 위한 막 처리 (에, MMF, MF, UF) 기술이 적용될 수 있다. 특히, 염의 성질을 제어할 수 있어 후단의 전기화학적 처리를 위한 염 농도 제어에 매우 효과적인 전처리 방식을 적용할 수 있다.
상기 전기화학적 처리 방식으로는 염분차발전 (31) 기술이 적용되며, 특히, 본 발명에서는 축산폐수 (액비)(13)에 포함된 영양염류들을 전기화학적으로 가스로 전환하여야 하기 때문에 역전기투석 방식의 염분차발전 기술을 포함한다.
상기 해수(319)는 일반해수, 용암해수, 심층수, 해수 농축수, 해수 희석수 등이 사용될 수 있다.
상기 후처리 단계에서 후처리(41)는 주로 최종 배출을 위한 부유물 및 오염물을 제거하기 위한 막 처리 (에, MF, MMF, MBR) 기술이 적용될 수 있으며, 기타 살균 및 오염 물질을 처리하기 위한 기술이 추가로 적용될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 에너지생산 및 자원순환 공정을 이용한 축산폐수 친환경 처리 기술의 공정도이다.
축산농가(11)로부터 생산된 축산폐수(13)를 처리하기 위한 에너지생산 및 친환경 자원순환의 구체적인 공정은 제시된 실시예에 따라,
축산분뇨(12)로부터 고형분뇨(14) 및 축산폐수 (액비)(13)를 생산하는 단계 (1);
상기 생산된 축산폐수 (액비) (13) 내에 포함된 오염물 (특히, 부유물 및 미생물)을 처리하고, 염의 성질을 제어하기 위한 전처리 단계 (2);
상기 전처리 단계를 거친 축산폐수 (액비) (13)를 이용하여 전기에너지(311)를 생산하면서 영양염류를 가스 형태로 전환시키는 전기화학적 처리 단계 (3);
상기 전기화학적 처리 단계를 통해 배출된 배출수의 후처리 단계 (4);
상기 생산된 자원은 농가보급(51) 및 최종 배출수는 방류(52)되는 친환경 자원화 및 살포/방류 단계 (7):
를 포함한다.
상기 전처리 단계에서 전처리(21)는 주로 부유물을 제거하기 위한 막 처리 (에, MMF, MF, UF) 기술이 적용될 수 있다. 특히, 염의 성질을 제어할 수 있어 후단의 전기화학적 처리를 위한 염 농도 제어에 매우 효과적인 전처리 방식을 적용할 수 있다.
상기 전기화학적 처리 방식으로는 염분차발전 (31) 기술이 적용되며, 특히, 본 발명에서는 축산폐수 (액비)(13)에 포함된 영양염류들을 전기화학적으로 가스로 전환하여야 하기 때문에 역전기투석 방식의 염분차발전 기술을 포함한다.
상기 해수(319)는 일반해수, 용암해수, 심층수, 해수 농축수, 해수 희석수 등이 사용될 수 있다.
상기 후처리 단계에서 후처리(41)는 주로 최종 배출을 위한 부유물 및 오염물을 제거하기 위한 막 처리 (에, MF, MMF, MBR) 기술이 적용될 수 있으며, 기타 살균 및 오염 물질을 처리하기 위한 기술이 추가로 적용될 수 있다.
상기 후처리 단계를 거친 처리수에는 해수(4)에 포함된 NaCl, CaCl2, MgCl2 등과 축산폐수(액비) 내 잔존 영양염류를 포함할 수 있고, 이러한 염들은 최종 배출 전에 처리하기 위한 역전기투석 염분차발전(61) 공정을 추가할 수 있다.
본 발명의 가장 큰 특징은 축산폐수(액비)(13) 내 존재하는 영양염류를 이용하여 전기에너지(311)를 생산하면서 이를 유용한 가스 자원으로 전환시킬 수 있는 기술이 접목된 점이다. 도 4는 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치에서의 이온교환막 스택의 사시도이다. 공급된 축산폐수(액비) (13)는 역전기투석 염분차발전 (31)의 이온교환막 스택으로 공급된다. 역전기투석 염분차발전 (31)에서 이온교환막으로는 양이온교환막(312)과 음이온교환막(313)이 사용된다. 이온교환막들은 양이온교환막(312)과 음이온교환막(313)이 유로는 사이에 두고 번갈아 교차 적층되는 구조를 갖는다. 교차 적층된 이온교환막들 사이의 유로에는 축산폐수(액비) (13)와 담수(314) 또는 해수(319)가 공급된다, 그리고 공급된 축산폐수(액비) (13)와 담수(314) 또는 해수(4)에 포함된 양이온과 음이온은 각각 양이온교환막(312)과 음이온교환막(313)을 통해 이동·분리된다.
도 5는 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치에서의 염 용액의 전기화학적 처리 방식의 사시도이다. 축산폐수(액비) (13)와 해수(319)를 제1 및 제2공급수로 사용할 경우, 축산폐수(액비) (13) 내 질산염 (NO3-)(315)은 음이온교환막(313)을 통해 해수(319)로 이동하고, 양이온은 수소이온 (H+)가 양이온교환막(312)으로 이동한다. 해수 내 양이온들 (Na+, K+, Ca2+, Mg2+)는 양이온교환막(312)을 통해, 음이온들 (Cl-, NO3-, SO4-) 는 음이온교환막 (313)을 통해 축산폐수(액비) (13)로 이동한다. 이온 교환을 통해 배출된 해수는 후단 공정을 위한 공급수로 사용될 수 있다. 반면, 질산염(315)이 일부 제거된 축산폐수(액비) (13)는 역전기투석 염분차발전 (31) 환원반응(캐소드) 전극부로 공급된다. 환원반응 전극부에서 축산폐수(액비)(13) 내 질산염(315)은 전기화학 반응에 의해 질소나 암모니아 (318)로 전환될 수 있다. 이렇게 유용한 가스 자원으로 전환되어 질산염(315) 농도가 낮아진 축산폐수(액비) (13)는 후단 공정에서 요구되는 질산염(315) 농도가 될 때까지 상기의 과정을 반복 수행하고, 그 조건에 만족하면 최종적으로 후단 공정으로 공급된다. 이 때 역전기투석 염분차발전 (31)의 산화전극(애노드)반응을 위한 전해질인 산화전극용액(317)은 별도로 공급하여 반복 수행하며, 상기 산화전극용액(317)의 장기 안정성을 위해 추가로 환원전극반응 부를 설치할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 일 실시예에 따른 역전기 투석 염분차발전(31) 장치에서의 염 용액의 전기화학적 순환 처리 방식의 사시도이다. 도 3에서와는 달리, 축산폐수(액비) (13)와 담수(314)를 하나의 조합으로 역전기투석 염분차발전 (31) 반응을 유도한 경우의 실시예이다. 이 경우, 대부분의 이온은 축산폐수(액비) (13) 내에 존재하는 질산염(315)이 주로 음이온교환막 (313)을 통해 담수(314)로 이동하고, 양이온은 수소이온 (H+)가 양이온교환막(312)으로 이동한다. 질산염(315)을 포함한 담수(314) 농축수는 환원반응 전극으로 다시 공급하여, 질산염(314)을 질소 또는 암모니아와 같은 유용가스(318)로 전환시킨다. 질산염(315)이 제거된 담수(314)는 다시 역전기투석 염분차발전(31)의 이온교환막 스택으로 공급된다. 반면, 질산염(315)을 빼앗긴 축산폐수(액비) (13)는 다음 공정에서 요구되는 질산염(315) 농도가 될때까지 반복해서 이온교환막 스택으로 재순환된다.
도 5 및 도 6에 도시되어 있지는 않지만 환원반응에 의해 생성된 가스는 불순물이 적은 고순도의 가스로 생성되기 때문에 이를 포집하는 가스 포집기를 더 포함하여 용도에 맞게 재활용 될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치의 캐소드 전극 구조(32)를 나타내는 사사도이다. 캐소드 전극(환원전극)(32)은 축산폐수(액비) (13)내 질산염(315)을 가스상(318)으로 전환시키기 위해 최적화될 필요가 있다. 특히, 공급된 유체가 압력손실 없이 잘 유동하여야 하고, 비표면적이 커야 반응 면적이 크고, 전환된 가스(318) 물질이 외부로 잘 배출되어야 하는 세 가지 요건을 모두 만족할 수 있도록 설계되어야 한다. 도 6에서와 같이 전극부(32)의 구조 크게 차폐이온교환막(321), 앤드플레이트(322), 유로 구조체(323), 및 전극구조체(324)로 구성된다. 차폐이온교환막(321)은 환원 전극반응에서 얻은 전자(e-)와 평형을 맞추기 위해 양이온을 환원전극부로 이동시키는 역할을 한다. 앤드플레이트(322)는 이온교환막 스택을 고정시키는 역할을 하며, 유로구조채(323)는 공급된 질산염(315) 포함 용액이 압력 손실 없이 잘 유동할 수 있는 역할을 한다. 유로구조체(323)의 향태는 다양한 형태가 가능하며, 특히, 유체의 유동 방향 및 흐름에 방해를 하지 않는 구조를 적용할 수 있다. 마지막으로, 전극구조체(324)에서는 환원반응이 활발히 발생하는 촉매 반응역할을 한다. 그러므로, 전극 구조체(324)는 반응 면적이 극대화할 수 있도록 설계되어야하며, 동시에 발생된 가스가 잘 배출될 수 있는 구조여야 한다. 가능한 구조는 핀구조, 물결구조, 폼구조가 있으며, 그 구조는 여기서 제시한 구조에 한정되지는 않는다. 캐소드 전극의 소재는 질산염의 환원 반응에 적합한 백금 (Pt), 구리 (Cu), 철 (Fe), 니켈(Ni)등을 포함하는 금속과 몰리브데늄 이산화황 (MoS2), 몰리브데늄 이산화인 (MoP2) 등을 포함하는 세라믹이 하나 또는 두개 이상 결합된 촉매를 포함할 수 있다. 도 8은 일 실시예에 따른 역전기 투석 장치를 사용하여 질산염의 농도를 원하는 농도값이 이하로 희석할 수 있음을 보여주기 위한 실험 데이터이다. 환원 전극으로는 철(Fe)을 촉매로 하는 매쉬 타입의 전극이, 산화 전극으로는 백금(Pt)을 소재로 하는 전극이 사용되었다. 환원전극의 구조는 마이크로 입자의 철이 배드(bed) 형태로 구성된 것을 사용하였다. 역전기투석 염분차발전(31)의 전위차가 3V와 5V, 10V인 경우에 대해 실험을 수행하였으며, 이온교환막의 스택은 50셀을 적층하였다. 모사용액 내 질산염(315)의 농도는 약 1,500ppm이었고, 실제 액비(13) 내 질산염의 (315) 농도는 190ppm이었다. 분석을 위해 배출수의 농도는 100배 희석되었으며, 410nm 분광분석계를 이용한 Chromotropic Acid Method를 사용하여 분석하였다. 용액은 약 20cc/min으로 공급되었다. 결과적으로, 시간의 경과에 따라 질산염(315)의 농도가 점차 감소되는 것을 확인하였으며, 본 실시예의 조건에서 약 4시간 후 완전히 질산염(315)이 제거된 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 액비(13)내 질산염(315)의 제거 효율은 환원반응 전극의 구조 및 표면적에 따라, 이온교환막 적층 셀 수에 따른 전위차에 따라 제어가 가능할 것으로 판단된다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 축산분뇨로부터 고형분뇨 및 축산폐수를 생산하는 단계;
    상기 생산된 축산폐수 내에 포함된 오염물을 처리하고, 염의 성질을 제어하기 위한 전처리 단계;
    상기 전처리 단계를 거친 축산폐수를 이용하여 에너지를 생산하면서 영양염류를 가스 형태의 유용자원으로 전환시키는 역전기투석 염분차발전 기반 전기화학적 처리 단계;
    상기 전기화학적 처리 단계를 통해 배출된 축산폐수 희석수를 후처리하는 단계; 및
    상기 생산된 에너지는 축사 공급 또는 축산농가 수익원으로 사용되고, 최종 배출수는 방류되는 친환경 자원화 및 살포/방류 단계를 포함하는 염분차발전을 이용한 에너지생산 및 자원순환 공정이 가능한 축산폐수의 친환경적 선순환 처리 방법으로,
    상기 역전기투석 염분차발전 장치는
    서로 대향하여 마주보는 애노드 전극과 캐소드 전극부;
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 상기 축산폐수로 이루어진 제1 용액과 해수로 이루어진 제2 용액의 공급을 유도하는 제1 유로와 제2 유로를 포함하며 교차로 배열된 음이온교환막과 양이온교환막으로 구성된 이온교환막부;
    상기 이온교환막부의 상기 제1 유로로부터 배출되는 상기 축산폐수가 상기 캐소드 전극으로 공급되도록 하는 공급 유로;
    상기 캐소드 전극에서 상기 축산폐수 내의 염이 환원반응에 의해 가스로 환원되어 상기 염 농도가 낮아진 캐소드 전극 용액을 상기 후처리 공정으로 공급하는 공급 유로; 및
    상기 제2 유로로부터 배출되는 상기 제2 용액을 상기 후처리하는 단계로 공급되도록 하는 공급 유로를 포함하는 염분차발전을 이용한 에너지생산 및 자원순환 공정이 가능한 축산폐수의 친환경적 선순환 처리 방법.
  5. 축산분뇨로부터 고형분뇨 및 축산폐수를 생산하는 단계;
    상기 생산된 축산폐수 내에 포함된 오염물을 처리하고, 염의 성질을 제어하기 위한 전처리 단계;
    상기 전처리 단계를 거친 축산폐수를 이용하여 에너지를 생산하면서 영양염류를 가스 형태의 유용자원으로 전환시키는 역전기투석 염분차발전 기반 전기화학적 처리 단계;
    상기 전기화학적 처리 단계를 통해 배출된 축산폐수 희석수를 후처리하는 단계; 및
    상기 생산된 에너지는 축사 공급 또는 축산농가 수익원으로 사용되고, 최종 배출수는 방류되는 친환경 자원화 및 살포/방류 단계를 포함하는 염분차발전을 이용한 에너지생산 및 자원순환 공정이 가능한 축산폐수의 친환경적 선순환 처리 방법으로,
    상기 역전기투석 염분차발전 장치는
    서로 대향하여 마주보는 애노드 전극과 캐소드 전극부;
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 담수로 이루어진 제1 용액과 상기 축산폐수로 이루어진 제2 용액의 공급을 유도하는 제1 유로와 제2 유로를 포함하며 교차로 배열된 음이온교환막과 양이온교환막으로 구성된 이온교환막부;
    상기 제1 유로를 통해 배출되고 상기 음이온교환막을 통해 이동한 염이 포함된 배출액을 상기 캐소드 전극으로 공급하는 공급 유로; 및
    상기 캐소드 전극에서 상기 염이 환원반응에 의해 가스로 환원되어 상기 염 농도가 낮아진 캐소드 전극 용액을 상기 후처리 공정으로 공급하는 공급 유로를 포함하는 염분차발전을 이용한 에너지생산 및 자원순환 공정이 가능한 축산폐수의 친환경적 선순환 처리 방법.
  6. 제 4항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 형태는,
    비표면적을 최대화하면서 생성된 가스가 잘 배출될 수 있는 채널 타입의 다공성 구조인 염분차발전을 이용한 에너지생산 및 자원순환 공정이 가능한 축산폐수의 친환경적 선순환 처리 방법.
  7. 삭제
  8. 제 4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 축산폐수는 질산염을 다량 포함하고,
    상기 질산염은 외부의 전력공급 없이 상기 역전기투석 염분차발전 장치의 이온교환막부에서 발생된 전위에 의해 유도된 상기 캐소드 전극의 환원 반응에 의해 질소 또는 암모니아 가스로 환원되는 염분차발전을 이용한 에너지생산 및 자원순환 공정이 가능한 축산폐수의 친환경적 선순환 처리 방법.
  9. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 역전기투석 염분차발전 장치는 상기 축산폐수 내 질산염으로부터 생산된 가스를 포집하는 염분차발전을 이용한 에너지생산 및 자원순환 공정이 가능한 축산폐수의 친환경적 선순환 처리 방법.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 후처리 처리 단계를 통해 배출된 처리수의 해수 내 포함된 염 및 축산폐수 내 잔존 영양염류를 추가로 처리하기 위한 역전기투석 기반 전기화학적 처리 단계를 더 포함하는 염분차발전을 이용한 에너지생산 및 자원순환 공정이 가능한 축산폐수의 친환경적 선순환 처리 방법.
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