생물학적 질소제거를 보완하는 비열 플라즈마–촉매 융합 질소전환: NH3-N의 선택적 N2 전환 메커니즘, 성능지표, 공정통합 전략 = Non-thermal plasma-catalyst fusion nitrogen conversion to complement biological nitrogen removal: selective N2 conversion mechanism of NH3-N, performance indicators, and process integration strategy

국문 초록 (Abstract)

총질소(total nitrogen, T-N) 방류기준 강화에 따라 저탄소(C/N 저하), 저수온, 독성/난분해성 매트릭스, 변동부하 조건에서 생물학적 질소제거(biological nitrogen removal, BNR) 단독 운전만으로 T-N 5–8 mg/L 수준을 안정적으로 달성하기 어려운 ‘공정 공백(process gap)’이 확대되고 있다. 비열 플라즈마(non-thermal plasma, NTP)는 기–액 계면 및 액상에서⋅OH, O₃, H₂O₂ 등의 산화종과 전자/여기종을 동시에 제공하는 반응장(reaction field)으로 작동하여 단시간 내 NH₃–N 전환을 유도한다. 그러나 플라즈마 기반 질소전환의 성능 평가는 (i) 액상에서 NO₂⁻/NO₃⁻ 축적을 배제하지 못하거나, (ii) Off-gas(N₂, N₂O, NO, NO₂) 정량 부재로 인해“T-N 실질 저감”을 엄밀히 증명하지 못하는 사례가 많고, (iii) 에너지효율(energy efficiency, EE) 정의가 연구마다 달라 문헌 간 비교가 어렵다. 본 리뷰는 플라즈마 암모니아 처리의 반응 메커니즘을 정립하고, 액상⋅기상⋅에너지 지표를 통합한 엄격한 평가 체계를 제안하며, BNR 연계 공정 및 경제성⋅환경성 평가(TEA, Techno-Economic Analysis / LCA, Life Cycle Assessment)를 통한 실용화 로드맵을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As effluent standards for Total Nitrogen (T-N) become increasingly stringent, a “process gap” is widening, where achieving stable T-N levels of 5–8 mg/L through Biological Nitrogen Removal (BNR) alone is becoming difficult.
This is particularly evident under challenging conditions such as low C/N ratios, low temperatures, toxic/recalcitrant matrices, and fluctuating loads. Non-thermal plasma (NTP) functions as a reaction field that simultaneously provides reactive oxygen species (e.g.,⋅OH, O₃, H₂O₂), electrons, and excited species at both the gas-liquid interface and within the liquid phase, thereby inducing NH₃–N conversion within a short duration. However, existing performance evaluations of plasma-based nitrogen conversion often face limitations: (i) failure to exclude NO₂⁻, NO₃⁻ accumulation in the liquid phase; (ii) a lack of off-gas (N₂, N₂O, NO, NO₂) quantification, which prevents a rigorous demonstration of “actual T-N reduction”; (iii) inconsistent definitions of Energy Efficiency (EE) across studies, hindering comparative analysis.
This review establishes the reaction mechanism of plasma ammonia treatment, proposes a rigorous evaluation system that integrates liquid, gas, and energy indicators, and presents a roadmap for commercialization through BNR-linked processes and economic and environmental assessments (TEA, Techno-Economic Analysis / LCA, Life Cycle Assessment).