암모니아 스트리핑법

정의

암모니아 스트리핑법은 폐수의 질소를 물리화학적으로 제거하는 대표 공법이다.

pH를 높여 암모늄이온을 암모니아로 바꾼 뒤 공기와 접촉시켜 기체로 떼어낸다.

생물학적으로 분해하지 않고 물리적으로 기체 상태로 빼낸다는 점이 특징이다.

시험에서는 원리와 pH 평형, 운전 조건, 인 동시 제거를 함께 묻는다.

암모늄이온 평형

수중의 암모니아성 질소는 pH에 따라 NH4+와 NH3 형태로 존재한다.

NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- 평형에서 pH가 높아지면 OH-가 늘어 NH3 쪽으로 이동한다.

그래서 pH를 평형이 NH3 쪽으로 충분히 이동하는 값 이상으로 올리는 것이 핵심 조건이다.

pH 7 이하에서는 NH4+가 우세해 기체로 빠져나가기 어렵다.

헨리 상수와 온도

앞 문제의 정답은 NH4+다. 낮은 pH에서는 NH4+가 우세해 기체로 빠지기 어렵다.

암모니아는 수온이 높을수록 헨리 상수가 커져 스트리핑이 쉬워진다.

즉 온도가 높을수록 기체 이동이 쉬워져 제거율이 올라간다.

반대로 수온이 낮으면 헨리 상수가 작아져 효율이 떨어지므로 주의한다.

구성 설비

암모니아 스트리핑 설비는 몇 가지 구성요소로 이루어진다.

먼저 알칼리 주입 설비로 석회 등을 넣어 pH를 높인다.

충전탑은 기액 접촉 면적을 제공하고, 송풍기는 탑 하부로 공기를 공급한다.

분배장치는 물을 충전재 전면에 고르게 분산해 편류를 막는다.

배기 중 암모니아는 산성 스크러버에서 포집한다.

운전 절차

운전은 원수 유입, pH 조정, 공기 탈기, 암모니아 포집, 방류 순서로 진행한다.

먼저 농도와 온도를 측정하고, 석회 등으로 pH를 통상 10.5에서 11 이상까지 올린다.

물은 충전탑 상부에서 하향으로 흐르고, 송풍기가 공기를 하부에서 상향으로 공급한다.

배기 가스의 암모니아는 산성 스크러버로 포집하고, 처리수는 pH를 중화해 방류한다.

석회를 쓰면 인도 칼슘염으로 함께 침전되어 질소와 인을 동시에 줄일 수 있다.

계산 예제

가상의 조건으로 제거율과 제거량을 계산해 본다.

제거율은 유입 농도와 유출 농도의 차이를 유입 농도로 나눠 구한다.

제거량은 처리수량에 농도 차이를 곱해 구하며, mg/L는 g/㎥와 같다.

결과는 하루 90kg의 질소 제거로, 중규모 설비의 부하로 상식 범위에 있다.

시험 포인트 정리

마지막으로 시험에서 자주 틀리는 부분과 채점 포인트를 정리한다.

첫째, 스트리핑은 pH를 높이는 공정이다. 낮추는 것이 아니다.

둘째, 평형은 pH가 높을수록 NH3 쪽으로 움직인다는 방향을 정확히 쓴다.

셋째, 온도가 높을수록 헨리 상수가 커져 제거가 쉽다는 점을 빠뜨리지 않는다.

넷째, 석회의 인 동시 침전과 스크러버 회수를 함께 적으면 완성이다.