[미국] 동물 분뇨에서 인의 회수하는 방법 개발
인(phosphorus)은 식량 경작을 위한 필수 영양분이다. 그러나 일부 과학자들은 전 세계 증가하는 인구의 농업적 수요가 이러한 광물, 즉 인광(phosphate rock)의 자연적 공급원으로부터 유래하는 인의 공급을 압도할 것을 염려하고 있다. 따라서 과학자들은 인산염(phosphate)의 다른 공급원을 찾는 방법을 모색해왔다.
전 세계 인산염의 예측된 비축량은 인산염의 포획 및 재활용을 채용하는 방법에 대한 조사를 촉진시켰다. 대형 농장에서 배출되는 동물 분뇨의 열수 작용을 이용하여, 인산염 오염의 부정적인 환경 영향의 완화와 농업 용도로 인산염을 교정하는 가능성이 조사됐다.
미네소타 대학(University of Minnesota) 연구팀은 최근 물에 부유하는 바이오매스를 가열함으로써 동물 분뇨(animal manure)에서 80~90%의 인을 회수할 수 있다고 보고했다. 공정은 열수 작용에 의한 탄화(HTC; hydrothermal carbonization)라고 명명하고, 폐기물에서 인을 추출하는 이전의 방법보다 더 적은 에너지를 사용한다고 연구진은 밝혔다.
미국에서 매년 상당한 규모의 농장 운영(farming operations)은 비료에 사용되는 27억 lb에 상응하는 P2O5를 함유하는 분뇨를 생성시킨다. 하수로부터 인을 회수하는 한 가지 상업적인 방법은 하수 슬러지의 소각과 얻어진 재를 가공하는 공정을 포함한다. 미네소타 대학 소속의 Steven M. Heilmann과 그의 동료 연구진은 HTC 공정이 더 적은 에너지를 요구하기 때문에, 동물 폐기물에 이 공정을 채용했다.
HTC 공정은 단순하기 때문에, 호기심을 불러 일으켰다고 3M에서 은퇴한 화학자인 Heilmann은 밝혔다. 단순한 것이 산업적으로 및 상업적으로 성공적으로 작동하는 경향이 있다고 Heilmann은 밝혔다. HTC 공정은 물과 바이오매스 혼합과 이러한 혼합물을 소각에서 사용되는 온도와 비교하여 상대적으로 온화한 온도에서 밀폐된 용기를 가열하는 것이 관여한다. 결과는 고체 하이드로차(solid hydrochar)와 용융염(dissolved salts) 용액이 얻어졌다.
동물 폐기물에 대하여 이 방법을 테스트하기 위하여, 연구진은 소, 돼지 또는 닭 등의 분뇨를 물에서 부유시켜, 분뇨 유형에 따라 200~250°C의 온도로 슬러리를 가열시켰다. 연구진은 얻어진 혼합물에서 원소를 분석하여 인의 대부분이 고체 하이드로차에 포획됐다는 것을 확인했다. 연구진은 인이 알루미늄, 칼슘, 마그네슘 및 철 등과 같은 금속 이온(metal ion)과 결합하는 것으로 추정했다. 따라서 연구진은 이러한 금속 인산염(metal phosphate salts)을 용해시키기 위하여 수용성 산으로 고체를 처리하고, 이후 인산칼슘(calcium phosphate)을 우세하게 침전시키기 위하여 염기를 추가했다. 연구진은 인산염을 수집하기 위하여 용액을 여과시켜, 분뇨에 존재하는 인의 80% 이상을 회수했다.
열수 반응 조건이 가금류, 돼지 및 소 등의 분뇨에서 규명됐다. 세 가지 분뇨는 모두 50~60%의 하이드로차 수율(hydrochar yields)을 보여 주었으며, 이러한 시스템에 존재하는 전체 인의 90% 이상이 침전된 인산염으로 하이드로차에 함유되어 있었다. 인산염 회수는 하이드로차의 후속적인 산 처리에 의해 80~90%의 수율로 달성됐으며, pH 9를 달성하기 위하여 산 추출물에 염기가 추가됐다. 이후 인산칼슘이 여과를 통하여 얻어졌다. 돼지와 소 등의 분뇨는 고급 역청단의 에너지에 상용하는 연소 에너지 함량을 가지는 하이드로차를 생성했다.
취리히 대학 응용과학부(Zurich University of Applied Sciences) 소속의 Rolf Krebs는 만약 HTC 공정을 수행하는 것이 가능하다면, 인산염이 고체 하이드로차 대신에 액체에 최종적으로 남게 되는지 여부를 궁금하게 여겼다. 따라서 만약 공정이 건조한 하이드로차를 생성하는 것보다 더 에너지 효율적이 될 수 있다면 건조한 하이드로차는 산으로 다시 적시게 될 수 있다.
Heilmann은 폐수 슬러지로부터 인을 회수하기 위한 HTC 공정의 상업적 응용이 산성수에서 반응을 수행하는 것과 유사하다고 지적했다. 최종적으로 얻어진 물질이 인산철(ferric phosphate)이긴 하지만, 결과적으로 얻은 인산염은 물에서 용해됐다. 인산염의 이러한 형성은 이 공정에서 생성되는 암석에서 채광되는 것과 유사한 인산칼슘보다 덜 효과적인 비료라고 Heilmann은 밝혔다.
그림1> 돼지, 소 및 닭 등과 같은 가축 분뇨는 식량 작물에 비료로 사용될 수 있는 인을 함유하고 있다.
그림2> HTC 공정 개략도
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 9월 1일]
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Recovering Phosphorus From Animal Manure
Phosphorus is an essential nutrient for food crops. But some scientists worry that the agricultural demands of the world’s growing population will overwhelm the supply of the natural source of this mineral, phosphate rock. So researchers have looked for other sources of phosphate.
One team now reports that they can recover 80 to 90% of the phosphorus in animal manure by heating the biomass suspended in water (Environ. Sci. Technol. 2014, DOI: 10.1021/es501872k). The process is called hydrothermal carbonization, and it uses less energy than previous methods to extract phosphorus from waste, the researchers say.
Each year, large-scale farming operations in the U.S. produce amounts of manure that contain the equivalent of 2.7 billion lb of P2O5 used in fertilizer. One commercial method of recovering phosphorus from sewage involves incinerating sewage sludge and processing the resulting ash. Steven M. Heilmann of the University of Minnesota, Twin Cities, and his colleagues picked hydrothermal carbonization over this method for their work on animal waste because the process requires less energy.
“This process intrigued me because it was simple,” says Heilmann, who is also a retired chemist from 3M. “Simple things tend to work industrially and commercially.” Hydrothermal carbonization involves mixing biomass with water and heating it in a closed container at moderate temperatures relative to those used in incineration. The result is a solid hydrochar and a solution of dissolved salts.
To test the method on animal waste, the researchers suspended manure from cows, pigs, or chickens in water and heated the slurry to between 200 and 250 °C, depending on the
type of manure. They analyzed the elements in the resulting mixture and found that most of the phosphorus was trapped in the solid hydrochar. The researchers thought the phosphorus might be bound to metal ions, such as aluminum, calcium, magnesium, and iron. So they treated the solid with aqueous acid to dissolve these metal phosphate salts and then added base to precipitate predominantly calcium phosphate. The researchers filtered the solution to collect the phosphate, recovering more than 80% of the phosphorus present in the manure.
Rolf Krebs of Zurich University of Applied Sciences wonders if it would be possible to perform the hydrothermal carbonization so that the phosphates end up in the liquid instead of the solid hydrochar. If so, the process might be more energy efficient than producing the dry hydrochar and then rewetting it with acid.
Heilmann points out that a commercial application of hydrothermal carbonization to recover phosphorus from sewage sludge did something similar by performing the reaction in acidic water. The resulting phosphate salts dissolved in the water, though the final product was ferric phosphate. That form of phosphate is a less effective fertilizer than the calcium phosphate produced in this process, which is similar to that mined from rock, Heilmann says.
For the new process to be economically viable, Heilmann envisions also using the leftover hydrochars to produce useful products, such as sorbents for water treatment.
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