건설기술연구원, 하수에서 암모니아 회수 흡착 소재 개발...유용 자원 활용 가능해져

 

탄소중립형 하수처리장 구축을 위한 핵심기술 확보

 

    한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 다양한 오염물질들이 존재하는 하수로부터 손쉽게 암모니아를 선택적으로 제거 및 활용할 수 있는 흡착소재를 개발했다고 밝혔다.

 

하수 속의 암모니아는 대표적인 오염물질로서 깨끗하게 정화하지 않으면 하천의 부영양화(녹조)를 일으키고 하수처리장에서 악취를 발생시키는 주원인 물질이다. 또한, 토양산성화를 일으키는 동시에 미세먼지의 원인이 되기도 한다.

 

하수 내 암모니아 자원화 공정 개념도

 

 

하수 내 질소 성분은 하수처리시설을 통해 암모니아로 전환한 후 질산화․탈질공정을 거쳐 처리하고 있으나 처리과정에서 많은 에너지와 자원이 투입된다는 문제점이 있다. 국내 하수처리시설에서 사용되는 전력 사용량(2019년 기준)은 3,650GWh로서 국내에서 공급된 총 전력량(520,499GWh)의 0.7%에 해당한다. 이 중 30% 이상의 전력이 수중 질소(암모니아 포함)를 제거하기 위해 사용된다.

 

암모니아는 비료나 요소수 생산에 사용되는 등 다양한 산업 활동에 필요한 유용한 자원으로 생산량이 지속적으로 증가하고 있으나, 국내에서 소비되는 암모니아는 전량을 수입에 의존하고 있다. 또한 고온․고압 조건을 요구하는 하버-보슈법을 통해 생산되므로 에너지 소모량이 많은 것으로 알려져 있다. 만약, 하수 내에 있는 암모니아를 기존의 방법을 통해 제거하지 않고 회수하여 사용할 수 있다면, 하수처리와 암모니아 생산에 사용되는 에너지를 획기적으로 줄일 수 있으며, 궁극적으로는 탄소배출 저감효과도 기대할 수 있다.

 

하수 내 암모니아를 회수하기 위한 연구가 전 세계적으로 수행되고 있으나 회수 과정에서 발생하는 암모니아 누출로 인한 악취문제, 개발 소재의 기술적 한계 등으로 인해 상용화된 기술은 찾기가 어렵다.

 

이에 건설연 환경연구본부 강성원 박사 연구팀은 제작과정이 단순하고 대량생산이 가능한 암모니아 흡착소재 개발에 성공하였다. 개발한 흡착제는 다양한 오염물질이 혼재하는 조건에서도 높은 암모니아 선택성을 가지고 있으며 암모니아 흡착효율 또한 다른 흡착제들에 비해 월등히 높다. 흡착된 암모니아는 간단한 재생과정을 통해 하수로부터 분리가 가능하여 고농도 암모니아수를 회수할 수 있다. 또한, 개발 흡착제는 단단한 결합구조로 되어 있어 반영구적으로 사용할 수 있다는 장점도 있다.

 

개발된 흡착제는 이온교환수지에 Copper hexacynoferrate(이하 CuHCF)라는 나노물질이 화학적으로 결합된 나노복합체이다. CuHCF는 암모니아를 선택적으로 흡착하는 물질로 알려져 있으나 나노입자이기 때문에 수처리에 직접 적용 시 사용한 후 회수가 어려워 실용화에 한계가 있었다. 그러나 건설연에서 개발한 소재는 1~2mm 입자로 이뤄져 있어 수처리에 활용할 수 있는 특징을 갖고 있으며, 방사성 세슘 흡착용 소재 개발 과정에서 도출된 나노복합체 합성 원천기술을 토대로 개발되었다.

 

 

 

기존의 보편적인 생물학적 처리기술은 하수 속 암모니아를 질산화/탈질공정을 통해 질소가스 형태로 대기 중으로 배출하여 암모니아를 제거하였다. 그러나 건설연에서 개발한 기술은 물리적으로 암모니아를 하수로부터 분리하여 회수하고 자원화하였다는 점에서 큰 차별성이 있다.

 

선택적 암모니아 흡착제

 

 

 

개발된 기술은 암모니아의 처리과정에서 배출되는 온실가스 배출을 획기적으로 저감하여 탄소중립에도 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 회수한 암모니아는 수소, 비료 등과 같은 유용한 물질을 생산하는 데 활용될 수 있을 것이다.

 

김병석 원장은 “하수처리시설은 환경오염방지를 위해 필수적인 사회기반시설이나 운영과정 중에 전력이 많이 소모되고 많은 온실가스가 배출되어 탄소중립적 관점에서 개선의 여지가 큰 시설이었다. 건설연에서 개발한 흡착재가 하수처리장에 상용화되어 보급된다면, 전력소비량과 온실가스 배출량을 획기적으로 저감할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

본 성과는 “Facile synthesis of copper-substituted Prussian blue analog immobilized ion exchange resins for high-performance ammonium recovery from wastewater: Adsorption kinetics, isotherms, and regeneration”으로 환경공학분야 세계최고수준의 저널인 Chemical Engineering Journal 2월호(‘23.02.01)에 게재되었으며 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 목적형 R&R사업 “탄소중립을 위한 차세대 환경기술 연구(2021~2022)” 과제를 통해 개발되었다.

건설연 환경연구본부

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