Nowadays, nitrogen compounds in wastewater, especially ammonia (NH3), which is produced during the decomposition of organic nitrogen, are commonly treated by denitrifying bacteria, converting it to dinitrogen gas. However, recent trend related with NH3 treatment is to recover as a resource, rather than remove it. One of the most representative technologies is ammonia stripping, but it always requires extremely high energy to adjust solution pH and temperature. To solve the aforementioned issue, electrochemical approach based on electrochemical dialysis (ED), which can be operated without chemical addition and temperature control, was developed. Although ED has an apparent advantage regarding energy aspect, additional process such as NH3 stripping always have to be implemented for pure NH3 recovery and for utilization. This problem can be avoided if a gas-diffusion-electrode based electrochemical system (GDE-ES), which is the integrative system of ED and post-treatment process, is adopted. The unique feature of this system is supplying air both for ammonia stripping and lowering operation energy. Even though energy-efficient ammonia recovery could be achieved with GDE-ES, there was back-diffusion issue, which is one of the most fatal issues regarding membrane-based techniques. Therefore, in this study, inhibition of back-diffusion was carried out by increasing flowrate or temperature of the supplied air. GDE-ES was not limited to the recovery of NH3 in wastewater; an experiment was also conducted with a solution containing a ferrous ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), which is the selective NO absorbent. Oxidation of ferrous EDTA dramatically lowered total electrochemical energy consumption as well as efficient NH3 separation. The novel electrochemical approach (GDE-ES), developed in this dissertation, is one of the most energy-efficient methods to recover NH3 in waste; therefore, it has the potential to become the most effective technology for waste resource recovery.
현재 하수처리장에서는 탈질과정을 통해 암모니아를 질소가스로 전환하여 처리하고 있지만, 최근에는 이 고에너지 화합물을 자원으로 회수하는 연구들이 주목받고 있다. 그 중 가장 대표적인 회수공정이 암모니아 탈기법이지만, 에너지 소모량이 크다는 단점이 있으며, 이를 해결하기위해 전기투석 공정을 활용한 연구가 각광받고있다. 이 공법은 암모니아를 고농도로 농축하는 기술로, 암모니아를 자원으로 회수하여 사용하기 위해서는 추가적인 공정이 필수적이다. 본 연구에서 개발한 가스확산전극기반 전기화학시스템은 전기투석 공법과 암모니아 순수분리 기술을 통합한 시스템으로, 공기를 공급하여 분리된 암모니아를 바로 순수회수하는 기술이다. 암모니아를 에너지 효율적으로 회수할 수는 있지만, 역확산의 영향 때문에 질소 플럭스가 감소하며, 따라서 역확산의 제어하는 연구 또한 수행하였다. 이 시스템을 하폐수 내 암모니아 회수에 국한하지않고, NO로부터 전기합성된 암모니아를 회수하는 연구도 진행하였으며, 흡수제인 철의 산화반응에 의해 에너지를 대폭 절감할 수 있었다. 본학위논문에서 개발한 전기화학 시스템은 폐자원 내 암모니아를 에너지 효율적으로 회수할 수 있는 기술로, 폐자원 회수를 위한 여러분야에 적용 가능하다.
