KR20210102919A - 혐기성 정화를 위한 프로세스 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수의 혐기성 정화(anaerobic purification)에서 바이오매스(biomass)의 분리를 위한 프로세스 및 폐수의 혐기성 정화에서 바이오매스의 분리를 위한 시스템에 관한 것이다.

Description

혐기성 정화를 위한 프로세스 및 디바이스

본 발명은 폐수의 혐기성 정화(anaerobic purification)에서 바이오매스(biomass)의 분리를 위한 프로세스 및 폐수의 혐기성 정화에서 바이오 매스의 분리를 위한 시스템에 관한 것이다.

지금까지, 현탁된(suspended) 유기물을 포함하는 부산물 또는 액체 폐기물 스트림들은 메탄 함유 가스 또는 기타 원하는 생성물을 생성하기 위해, 혐기성으로 발효되었다. 예를 들어, 식품 가공 공장들에서 배출되는 폐수는 일반적으로 현탁된 유기물을 포함하고 있으며, 높은 산소 요구량들(oxygen demands)을 갖고, 호수나 강에 처분하기 위한 환경 법 및 규정에 따라 허용되지 않는다. 이러한 폐수 스트림들은 유기 성분들(organic constituents)을 제거하고 폐수를 환경적으로 허용 가능한 수준(level)으로 정화하기 위해, 종종 혐기성 발효 및/또는 호기성(aerobic) 생물학적 전환으로 처리된다.

전형적인 혐기성 발효 프로세스에서, 현탁된 유기물을 포함하는 유입액은 공기나 산소를 배제시키고 현탁된 유기물을 발효 생성물로 전환시키기 위한 혐기성 미생물들(microorganisms)을 포함하는 혐기성 발효 반응기(reactor)로 도입된다. 다량의 현탁된 고형물(solids)을 포함하는 폐수의 발효에는, 상대적으로 긴 체류시간(retention times)이 필요하다. 발효 생성물은 이산화탄소 및 분리되어 에너지 또는 열원으로 활용되는 메탄을 포함하는 가스로 구성된다. 혐기성 발효 반응은 플록들(flocs)을 형성하고 반응기 베슬(vessel)에 유지되는, 일반적으로 슬러지(sludge) 또는 "바이오매스"로 지칭되는 박테리아 세포 덩어리(bacterial cell mass)를 생성한다. 생성된 유출액에는, 유기물과 현탁된 고형물이 실질적으로 없다. 지금까지, 반응된 액체로부터 가스 및 바이오매스의 분리 및 제거는 별도의 탈기(degasification) 및 고형물 침전 단계들에 의해 달성되었다. 즉, 현탁된 바이오매스를 포함하는 반응된 액체는 혐기성 발효 반응기에서 침전 탱크로 이송되어, 박테리아 세포 덩어리 입자들이 탱크의 바닥으로 침전되게 한다. 침전된 입자들은 탱크에서 인출되어, 반응기로 재순환된다. 반응된 액체에 혼입된(entrained) 가스는 현탁된 박테리아 세포 덩어리 입자들이 현탁되기 어렵게 한다. 따라서, 일반적으로, 탈기 장치(degasifier)가 반응기 베슬과 침전 탱크 사이에 사용된다.

대안적으로, 특정 조건들 하에서, 부유 분리(floatation separation)가 사용된다. 이러한 프로세스는,

상기 현탁된 유기물을 메탄을 포함하는 가스 및 박테리아 세포 덩어리 입자들을 포함하는 발효 생성물로 전환시키기 위해, 상기 유입액을 혐기성 미생물들을 포함하는 혐기성 발효 구역(zone)으로 도입하는 단계;

상기 가스를 형성하고 용해된 가스 및 현탁된 박테리아 세포 덩어리 입자들을 포함하는 액체를 형성하기에 충분한 온도, 제1 압력 및 시간 동안, 상기 발효 구역에서 상기 유입액을 유지하는 단계;

상기 발효 구역으로부터 용해된 가스 및 현탁된 박테리아 세포 덩어리 입자들을 포함하는 상기 액체를 인출하는 단계;

상기 액체를 부유 구역으로 도입하는 단계;

온도, 제2 압력 및 시간 동안, 상기 부유 구역에서 상기 액체를 유지하는 단계 - 이로써, 상기 액체에 용해된 용액 가스가 내부에서 유리되어(liberated), 떠올라서 상기 현탁된 박테리아 세포 덩어리 입자들이 상기 액체의 표면에 부유되게 하는 기포들을 형성함 -

상기 액체의 표면 및 상기 부유 구역으로부터 상기 박테리아 세포 덩어리 입자들을 인출하는 단계;

상기 인출된 박테리아 세포 덩어리 입자들을 상기 발효 구역으로 재순환시키는 단계; 및

상기 부유 구역으로부터 남은 액체를 추가 처리 또는 사용 지점으로 전달하는 단계

를 포함하는 프로세스를 설명하는 US 4948509호로부터 알려져 있다.

WO 02076893호는 유기 성분들을 포함하는 슬러리(slurry)의 혐기성 정화를 위한 방법을 개시하고 있다. 처리될 슬러리는 혼합물로 채워진, 실질적으로 폐쇄된 반응기(2)에 주기적으로 또는 연속적으로 공급되는 반면, 슬러리는 반응기의 혼합물(3)과 강제로 혼합된다. 반응기 내 혼합물은 이를 통해 위쪽으로 흐르고 가수 분해(hydrolysis) 프로세스를 거친다. 혼합물은 소위 백수(whitewater)(반응기에서 발생하는 바이오가스와 같은, 압력(전형적으로, 5 bar(a)) 하에 용해된 저산소(low-oxygen) 가스를 갖는 유출물)의 주입에 의해 부유화되고, 프로세스에서 형성된 고형물의 부유 층(floating layer)은 반응기 내 혼합물로 되돌려지는 한편, 프로세서에서 형성된 적은 입자(low-particle) 액체는 유출물로 배출된다. 이러한 설정에서, 유출물의 일부는 백수의 생성을 위해 재활용된다.

폐수를 포함하는 유기 성분의 혐기성 정화를 위한 알려진 프로세스들은, 일부의 경우들에서, 반응기 내용물로부터 바이오매스의 부족한(poor) 분리가 달성되어 일관성 없고 신뢰할 수 없는 처리를 초래한다는 단점을 갖는다.

개선된 바이오매스 분리를 갖는, 폐수를 포함하는 유기 성분의 혐기성 정화에 대한 요구가 있다.

본 발명에 따르면, 바이오매스가 혐기성으로 처리된 폐수 스트림으로부터 분리되는, 프로세스가 제공된다.

본 발명에 따르면, 폐수의 혐기성 정화(anaerobic purification) 후 처리된(treated) 폐수에서 바이오매스(biomass)의 분리를 위한 프로세스가 제공된다. 상기 프로세스는,

a) 유기 성분들(organic constituents)을 포함하는 폐수의 스트림을 바이오매스를 포함하는 반응기(reactor)에 공급하는 단계 - 상기 바이오매스는 혐기성 미생물들(anaerobic microorganisms)을 포함함 -;

b) 바이오가스, 및 처리된 폐수와 바이오매스를 포함하는 반응기 내용물(reactor contents)을 제공하기 위해, 상기 폐수와 바이오매스를 혼합하는 단계;

c) 상기 반응기 내용물과 가스, 바람직하게는 바이오가스의 적어도 일부를 제1 탱크(tank)에 공급하는 단계 - 상기 바이오가스는 상기 탱크 내용물을 가압하기 위해, 제1 탱크에 압력 하에 주입되며, 상기 가스는 상기 탱크 내용물에 용해됨 -;

d) 상기 가압된 탱크 내용물을 제2 탱크에 공급하는 단계 - 부유(floating) 바이오매스 층 및 처리된 폐수 층을 제공하기 위해, 상기 제2 탱크 내 압력은 상기 제1 탱크 내 압력보다 더 낮게 됨 -; 및

e) 상기 제2 탱크에서 상기 처리된 폐수를 인출하고, 상기 바이오매스 층을 상기 제2 탱크에서 단계 a)의 상기 반응기로 재순환시키는(recycling) 단계

를 포함한다.

본 발명자들은 놀랍게도, 반응기 내용물을 부유 분리가 일어나는 제2 탱크에 제공하기 전에, 혐기성 반응기의 반응기 내용물을 압력 하에 가스와 혼합하는 것이 충분한 바이오매스 분리를 제공한다는 것을 발견했다. 출원인은 이론에 얽매이고 싶지 않지만, 처리된 폐수와 용해된 가스를 포함하는 바이오매스의 혼합물들이 압력 내에서 감소될 때, 기포들이 바람직하게는 고체/물 계면(interface)에서 형성되므로, 기포들이 단순히 동등한 양이 용해된 유출물과 혼합하는 것보다 바이오매스를 더 효과적으로 동반하는 것으로 믿어진다. 유리하게는, 본 발명의 프로세스에서, 응집성(flocculent) 바이오매스로 구성된 부유 바이오매스 층은 제2 탱크의 바닥으로 가라앉는(sinking) 바이오매스없이, 빠르게 형성되고, 따라서, 개선된 바이오매스 분리가 달성된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 보다 상세하게 후술될 것이다.
도 1은 기존 기술에 따른 프로세스를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세스를 도시한다.

"슬러지"는 필터들(filters), 사이클론들(cyclones), 세틀러들(settlers), 멤브레인들(membranes) 등과 같은 물리적 수단에 의해 반응기의 액체 부분(또는 유입물(influent)이나 유출물(effluent))으로부터 분리될 수 있는, 반응기 또는 그 유입물이나 유출물 내에 존재 임의의 고체 또는 고체 유사 물질을 지칭한다.

슬러지는 모든 생물학적 물질뿐만 아니라 불용성(non-soluble) 또는 미분산성(not finely dispersible) 유기 화합물들을 포함하는 유기 부분, 불용성 또는 미분산성 염류(salts) 및 기타 무기(inorganic) 물질을 포함하는 무기 부분을 포함할 수 있다.

"바이오매스"는 필터들, 사이클론들, 세틀러들, 부유 유닛들, 멤브레인들 등과 같은 물리적 수단에 의해 반응기의 액체 부분(또는 유입물이나 유출물)로부터 분리될 수 있는, 반응기 또는 그 유입물이나 유출물 내에 존재하는 고체 또는 고체 유사 물질일 수 있는, 모든 생물학적 (유기) 물질뿐만 아니라 불용성 또는 미분산성 유기 화합물들을 지칭한다.

여기에 사용된 "플록들" 또는 "바이오매스 플록들"은 응집성 바이오매스로 알려진, 반응기 내에 형성되는 바이오매스의 결집체들(agglomerations)을 지칭한다.

"건조 고형물"은 가용성(soluble) 무기 물질들(염류, 회분(ash)) 및 물과 기타 액체들이 분리되거나 생성물 수준들을 계산할 때 고려되는 고체 물질을 포함한다.

"화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand; COD)"은 더 작은 분자들, 궁극적으로 이산화탄소 및 물로 산화될 수 있는 유기 물질을 지칭하며, 이 용어는 일반적으로, 1리터의 폐수에 유기 물질을 산화시키는 데 필요한 산소의 양을 나타낸다.

"생분해성(Biodegradable) COD"는 바이오매스(미생물들)에 의해 전환될 수 있는 폐수 내 유기 물질을 지칭한다.

"기질(substrate)"은 미생물들이 성장할 수 있도록 미생물들에 의해 전환되는, 즉, 생분해성 COD와 동등한 유기 물질을 의미한다.

"용이(readily) 생분해성 화학적 산소 요구량(RBCOD)"은 후술되는 바와 같이 미생물들에 의해 빠르게 전환될 수 있는 비교적 작은 유기 분자들을 지칭한다.

"기타 생분해성 화학적 산소 요구량(OBCOD)"은 RBCOD 이외의 생분해성 COD, 즉 더 복잡하고 접근이 어려운 유기 화합물들, 예컨대 복합 다당류, 지방과 단백질뿐만 아니라, 긴 사술 지방산(long-chain fatty acids)과 같은 비교적 산소가 적은 기(groups) 및 비교적 큰 탄화수소 기를 갖는 유기 화합물들을 지칭한다.

"폐수"는 재사용되거나 환경으로 배출되기 전에 처리되어야 하는 COD를 포함하는 수성 스트림(aqueous stream)을 지칭한다. 예를 들어, 폐수는, 후술되는 바와 같이 바이오 기반 또는 기타 산업들로부터의 공정 수(process water), 부산물 또는 중간 생성물 스트림들을 포함한다. 반응기로 제공되는 슬러지는 폐수를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 프로세스에서, 단계 a)에서 유기 성분들(유기물을 포함하는 슬러지로도 지칭됨)을 포함하는 폐수의 스트림은 바이오매스를 포함하는 반응기로 공급되고, 바이오매스는 주로 혐기성 미생물들을 포함한다. 폐수는 반응기에 연속적으로 또는 배치 방식으로(batch-wise), 바람직하게는 연속적으로 공급될 수 있다. 바람직하게는, 반응기 내 바이오매스는 응집성 바이오매스이다. 따라서, 처리될 슬러지가 주기적으로 또는 연속적으로 공급되는 반응기 내 혼합물은 상향 및/또는 하향 흐름이 있는 반응기 내에서, 생물학적 프로세스들(가수 분해, 산성화, 아세트산 생성(acetogenesis), 및 메탄 생성(methanogenesis)을 포함함)에 의해 혐기성으로 정화된다. 바람직하게는, 처리될 폐수는 반응기에 연속적으로 공급된다. 이는, 특히 CO₂ 및 CH₄를 포함하는 바이오가스가 방출되게 한다. 반응기가 실질적으로 폐쇄되어 있다는 사실은 이러한 바이오가스들이 반응기의 상부에서, 즉, 내부에 위치되는 혼합물 위에 수집될 것이라는 것을 의미한다.

비교적 깨끗한, 즉 비교적 적은 입자(low-particle)의 유출물을 얻기 위해, 반응기 내용물은 제1 탱크로 이송되어, 고압, 예컨대 3 내지 6 bar(a)의 가스로 주입된다. 바람직하게는, 가스는 저산소 가스, 바람직하게는 무산소 가스이다. 더 바람직하게는, 저산소 가스는 바이오가스이다. 본 발명에 따르면, 특히 혐기성 정화 중에 방출되고 실질적으로 폐쇄된 반응기의 상부에서 수집되는 바이오가스는 이러한 타입의 매우 적절한 저산소 가스로 사용되는 것이 가능하다. 바이오가스는, 바람직하게는 단계 a)에서 생성된다.

다음으로, 반응기 내용물/가스 혼합물은 탱크 내에서, 예컨대 부유 셀에서, 일반적으로 더 낮은 압력(일반적으로 30 mbar (g), 즉 과압)으로 부유하고, 이 과정에서, 탱크 내에 존재하는 유체의 상부에 부유하는 고형물의 부유 층이 형성된다. 또한, 더 무거운 입자들(소량)이 탱크의 바닥에서 수집될 수 있을 것이다. 바람직하게는, 부유 탱크 내 압력은 0 내지 100 mbar (g)(게이지 압력(gauge pressure), 즉 과압)의 압력이고, 더 바람직하게는, 탱크는 0 내지 50 mbar (g)의 압력이고, 보다 더 바람직하게는, 탱크는 10 내지 35 mbar (g)의 압력이다.

상기 혼합물에서 혐기성 정화 프로세스를 다시 한번 거치기 위해, 탱크 내 유체의 상부에 형성되는 고형물의 부유 층은 혼합물로 피드백된다. 더욱이, 유기물을 포함하는 슬러지가 추가로 공급될 때, 이러한 성분들은 혼합 프로세스를 다시 한번 강제로 거치게 될 것이며, 프로세스에서, 혐기성 생물학적 프로세스들(bioprocesses)에 의해, 특히 메탄 가스로 전환될 수 있는 용해된 불순물로 전환될 것이다.

본 발명에 따른 프로세스는 혐기성 수단에 의해 유기물을 포함하는 오염된 슬러지를 세정하는 것을 현저하게 가능하게 한다. 즉, 혐기성 정화를 위한 프로세스는 높은 COD(화학적 산소 요구량)(본 개시에서, 높다는 용어는 1.5 g/L 내지 80 g/L, 바람직하게는 5 g/L 내지 80 g/L, 더 바람직하게는 25 내지 80 g/L의 범위의 COD를 의미하는 것으로 이해함)를 갖는 혼합물들로 수행할 수 있다. 이러한 높은 COD들로, 본 발명의 프로세스에서 부유하도록 만들 수 있는 박테리아를 포함하는 많은 플록들이 있다. 기존의 프로세스들과 비교하면, 본 발명은, 본 발명에 따른 프로세스에서 쉽게 단편화되지 않는 응집성 바이오매스를 분리하는 이점을 갖는다. 또한, 더 적은 현탁된 고형물이 처리된 폐수 내에서 관찰된다.

단계 b) 동안, 폐수 및 바이오매스는 혼합되어, 바이오가스 및 처리된 폐수 및 바이오매스를 포함하는 반응기 내용물을 제공한다. 처리될 슬러지는, 혼합물을 상향 및 하향으로 흐르게 함으로써, 반응기 내에서 혼합된다. 적절한 경우, 강제 혼합이 슬러지의 공급 중에, 예컨대 슬러지의 공급 시 또는 슬러지의 공급과 함께 상향 및/또는 하향 흐름을 생성함으로써, 직접 수행된다. 그 결과, 슬러지의 용해되지 않은 성분들 중 적어도 일부가 적어도 반응기에 존재하는 혼합물에 용해되도록 만들 수 있다.

바람직하게는, 단계 b)의 혼합은, 단계 b)에서 생성되는 바이오 가스의 첨가에 의해, 기계적 수단에 의해, 단계 e)로부터의 처리된 폐수를 주입함으로써, 또는 반응기 내용물을 순환시키기 위한 펌핑 수단에 의해, 수행된다.

단계 c) 동안, 반응기 내용물의 적어도 일부는 제1 탱크로 제공되고, 가스는 가압된 반응기 내용물을 제공하기 위해, 압력 하에 주입된다. 제1 탱크는 압력 반응기와 같은 베슬(vessel) 또는 반응기 내용물이 제2 탱크로 제공되는 도관(conduit)일 수 있으며, 바이오가스는 도관으로 주입된다. 제1 탱크는 부유 탱크가 아니다.

바람직하게는, 단계 c)의 바이오가스는 적어도 1.5 bar(a), 바람직하게는 적어도 2 bar(a), 더 바람직하게는 적어도 3 bar(a)의 압력에서 주입된다.

단계 c)의 가스는, 바람직하게는 공급된 가스가 설정된 압력에서 용해되는 방식으로, 주입된다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 헨리의 법칙(Henry's law)에 따라, 주어진 온도에서 주어진 질량의 용매에 용해된 가스의 질량이 용매 위의 가스의 압력에 정비례한다는 것을 알고 있다.

단계 d)에서, 가압된 반응기 내용물은 제2 탱크로 공급되고, 가스의 수반되는(concomitant) 방출을 갖는 부유 바이오매스 층 및 처리된 폐수 층을 제공하기 위해, 제2 탱크 내 압력은 제1 탱크 내 압력보다 더 낮다(예컨대 30 mbar (g) 과압). 제2 탱크는 부유 탱크 또는 부유 셀로 지칭될 수 있다. 제2 탱크는 반응기의 내부 또는 외부, 바람직하게는 외부에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 탱크는 반응기 내부에 있다(도 2는 두 실시예들의 반응기를 개략적으로 커버함). 후자의 경우, 상부 림(rim)이 반응기에 위치된 혼합물의 레벨(level)보다 더 크거나 그와 같은 높이에 있다. 이는, 혼합물이 상부 림을 통해 반응기에서 부유 셀로 흘러 들어가는 것을 방지한다. 상부 림이 반응기에 위치된 혼합물의 레벨보다 더 높은 레벨에 있는 경우, 이는 완전히 배제된다. 부유 층은 상대적으로 쉽게 상부 림 위로, 다시 반응기 내 혼합물로 밀릴 수 있다.

단계 d) 동안, 처리된 폐수는 제2 탱크에서 인출되고, 바이오매스 층을 제2 탱크에서 단계 a)의 반응기로 재순환시킨다. 처리된 폐수는 제2 탱크로부터 연속적으로 또는 배치 방식으로 인출될 수 있다. 일부 바람직한 실시예들에서, 폐수는 단계 a)에서 연속적으로 공급되고, 단계 d)의 처리된 폐수는 배치 방식으로 인출된다.

바람직하게는, 폐수는 1.5 내지 8. g/L의 화학적 산소 요구량(COD)을 갖는다.

바람직하게는, 처리된 폐수는, 바람직하게는 최대 1000 mg/L, 더 바람직하게는 최대 500 mg/L의 화학적 산소 요구량을 갖는다.

제1 탱크 내 압력은, 바람직하게는 1.5 내지 8 bar(a)의 범위, 더 바람직하게는 2 내지 7 bar(a)의 범위, 보다 더 바람직하게는 3 내지 6 bar(a)의 범위에 있다.

바람직하게는, 제2 탱크의 헤드 스페이스(headspace) 내 압력은 30 mbar(g)이다. 헤드 스페이스는 유체 레벨과 탱크의 상단 사이의 제2 탱크의 영역을 지칭하며, 상단은 탱크의 림에 의해 정해진다(delimitated).

수리학적 체류시간(hydraulic retention time)은, 바람직하게는 0.5 내지 10 일의 범위에 있고, 바이오매스(슬러지) 체류시간은, 바람직하게는 적어도 20일, 더 바람직하게는 적어도 30일이다.

두 번째 양태에서, 본 발명은 바이오매스의 분리를 위한 시스템에 관한 것이며, 시스템은,

유입 입구(influent inlet)(21), 바이오가스 출구(23)를 포함하는 반응기(22) - 작동 중에, 반응기(22)는 공급 라인(24)을 통해 제1 탱크(26)와 연통됨 -,

반응기로부터 반응기 내용물을 수용하기 위한 입구, 및 가스(27) 및/또는 반응기(22)로부터 바이오가스(25)를 수용하기 위한 입구를 포함하는 제1 탱크(26) - 제1 탱크(26)는 제1 탱크(26) 내 압력을 제어하기 위한 압력 제어 수단을 포함하고, 제1 탱크는 부유 탱크가 아니며, 작동 중에, 제1 탱크는 공급 라인(29)을 통해 제2 탱크(28)와 연통됨 -, 및

가압된 반응기 내용물을 제공하기 위한 입구(29), 처리된 폐수를 인출하기 위한 출구(30), 바이오매스를 반응기로 공급하기 위해 반응기(22)와 연통되는 바이오매스 출구(31), 바람직하게는 바이오가스 출구(32) 및 바람직하게는 침전된 고형물(settled solids)을 위한 출구(33)를 포함하는 상기 제2 탱크

를 포함한다.

바람직하게는, 반응기(22)는 반응기 내용물을 혼합하기 위한 수단을 포함하고, 혼합 수단은, 바이오가스 용 주입기이거나, 반응기 내용물을 순환시키기 위한 기계적 혼합 수단 또는 펌프이다. 대안적으로, 혼합 수단은 제2 탱크로부터 처리된 폐수를 주입하기 위한 주입 수단을 포함할 수 있다.

제2 탱크에서, 연속 모드로 적용되는 경우, 스크레이퍼(scraper)가 림 바로 위로 부유 층을 밀어 넣는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 다른 디바이스가 사용되거나, 층이 유압으로(hydraulically) 운반될 수 있다. 후자의 경우, 유출물로부터의 추가 재순환 흐름(도시되지 않음)이 재순환될 수 있으며, 물이 넘치는 탱크의 가장자리의 림에 매우 가깝게 분사될 수 있다. 이러한 스크레이핑(scraping) 또는 분사(spraying) 수단에 의해, 림은 고형물이 부착되어 림 위로 불규칙하게 넘치지 않도록 깨끗하게 유지된다.

일부 실시예들에서, 시스템은 배치 모드에서 작동되고, 이로써, 반응기로부터의 바이오매스가 제1 탱크로의 배출 밸브를 개폐함으로써 불연속적으로 될 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템은 배치 모드에서 작동되고, 이로써, 제2 탱크로부터의 바이오매스는 배출 밸브를 개폐함으로써 제2 탱크로부터 불연속적으로 제거될 수 있다.

바람직하게는, 반응기는 실질적으로 폐쇄된 반응기이다. 적합한 혐기성 반응기들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 알려져 있다.

제1 탱크는 베슬, 도관, 또는 가스를 반응기 내용물과 혼합하기 위한 다른 그러한 베슬일 수 있다.

제2 탱크는, 바람직하게는 폐쇄된 탱크 또는 개방된 탱크일 수 있다. 제2 탱크가 반응기 내부에 배치될 때, 탱크는, 바람직하게는 상부에서 개방되고, 주변 림(peripheral rim)에 의해 구분되며, 바람직하게는, 제2 탱크는 분배 수단(distributing means)을 포함하고, 이에 따라, 사용 중에, 분배 수단은 바이오매스가 바이오매스 공급 라인으로 유입되게 한다. 제2 탱크는 가스 분배 시스템에 연결될 수 있는 바이오가스 출구를 포함하며, 예컨대 바이오가스 출구는 반응기 헤드 스페이스에 연결될 수 있다.

바람직하게는, 바이오매스 공급 라인은 가압된 반응기 내용물을 제공하기 위한 주입 수단에서 끝난다.

도 1은 기존 기술에 따른 시스템을 개략적으로 도시하고 있다. 반응기(2)에는, 유기 성분들을 포함하는 폐수(1)를 제공하기 위한 유입 입구가 마련된다. 폐수는 연속적으로 또는 배치 방식으로 제공될 수 있다. 반응기에는, 온도, pH 등에 대한 센서들이 마련될 수 있다. 반응기에는, 혐기성 처리 중에 생성되는 메탄(바이오가스)가 제거될 수 있는 바이오가스 출구(3)가 마련된다.

반응기는, 반응기(2)의 반응기 내용물이 제1 탱크(6)로 제공되는 공급(유출) 라인(4)을 갖는다.

제1 탱크(6)에는, 유출물(11)을 수용하기 위한 입구 및 반응기(2)로부터 바이오가스를 수용하기 위한 입구가 마련된다. 제1 탱크(6)는 제1 탱크(6) 내 압력을 제어하기 위한 압력 제어 수단을 포함한다. 제1 탱크(6)는 공급 라인(7)을 통해 제2 탱크(8)와 연통된다.

제2 탱크에는, 용해된 가스가 있는 공급 라인(7), 반응기(2)로부터의 공급 라인(4), 및 처리된 폐수를 인출하기 위한 유출 라인(8)이 마련된다. 작동 중에, 압력이 라인(7)에 의해 공급되는 액체로부터 방출되고, 가스 기포들이 시작되어, 작은 기포들을 형성할 것이다. 공급 라인(7)은 제2 탱크(8)로의 라인(4)의 입구(entrance)에 매우 가까운 지점에서, 제2 탱크(8) 또는 공급 라인(7)에 주입될 수 있다. 기포들이 바이오매스 플록들에 부착되어, 바이오매스가 떠오를 것이다. 플록들은 이러한 방식으로 제2 탱크(8) 내 반응기 내용물의 상부로 들어올려 진다. 부유 층은 제2 탱크의 상부에 형성된다. 처리된 폐수(유출물(9))는 부유층 아래(바닥 또는 그보다 더 위일 수 있음)에서 펌핑된다. 부유 층은 림 위로 이동하거나, 반응기 베슬(2)로 다시 펌핑된다. 제2 탱크에서, 스크레이퍼는 림 바로 위로 부유층을 밀어 넣는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 다른 디바이스가 사용되거나, 유출물로부터의 추가 재순환 흐름(도시되지 않음)이 재순환되어, 림에 매우 가깝게 분사될 수 있다. 이러한 스크레이핑 또는 분사 수단에 의해, 림은 고형물이 부착되어 림 위로 불규칙하게 넘치지 않도록 깨끗하게 유지된다(연속적 또는 불연속적). 불연속적 인출 모드에서, 물은 유출물(9)로서 펌핑될 수 있고, 유닛(8)의 나머지 내용물은 반응기(2)로 다시 펌핑될 수 있다. 제2 탱크에는, 가스 라인(5)에 연결되거나 반응기 헤드 스페이스에 직접 연결될 수 있는 바이오가스 출구(12)가 마련된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 도시하고 있다. 반응기(22)에는, 유기 성분들을 포함하는 폐수를 제공하기 위한 유입 입구(21)가 마련된다. 폐수는 연속적 또는 배치 방식으로 제공될 수 있다. 반응기에는, 온도, pH 등에 대한 센서들이 마련될 수 있다. 반응기에는, 혐기성 처리 중에 생성되는 메탄(바이오가스)가 제거될 수 있는 바이오가스 출구(23)가 마련된다.

제1 탱크(26)에는, 반응기 내용물(24)을 수용하기 위한 입구, 및 반응기로부터의 바이오가스(25) 및/또는 가스(27)를 수용하기 위한 입구가 마련된다. 제1 탱크(26)는 제1 탱크(26) 내 압력을 제어하기 위한 압력 제어 수단을 포함한다. 제1 탱크(26)는 공급 라인(29)을 통해 제2 탱크(28)와 연통된다.

제2 탱크에는, 처리된 폐수를 인출하기 위한 유출 라인(30)이 마련된다. 작동 중에, 압력이 반응기 내용물에서 방출되고, 가스가 빠져나가, 바이오매스 플록들에 부착되어 떠오르는 작은 기포들을 형성한다. 가스 기포들의 일부가 시작되어, 용해되지 않은 플록들에서 직경이 커질 것이다. 플록들은 이러한 방식으로 제2 탱크(28)의 상부로 들어올려 진다. 처리된 폐수(유출물(30))은 부유 층 아래(바닥 또는 그보다 더 위일 수 있음)에서 펌핑되거나 탱크를 떠난다. 물은 제어될 수 있는 밸브에 의해 탱크를 떠날 수 있다. 부유 층은 림 위로 이동하고, 예컨대 라인(31)을 통해, 반응기 베슬(22)로 다시 펌핑된다. 바람직하게는, 탱크(28)가 반응기(22)에 통합될 때, 부유 층은 반응기 액체로 떨어져, 혼합된다. 다른 실시예에서, 바람직하게는, 제2 탱크(28)는 불연속적으로 공급되고, 유출물은 인출되며, 부유 층을 포함하는 나머지 내용물은 반응기(22)로 다시 펌핑된다(또는, 반응기(22)에 통합되는 경우, 반응기 액체로 방출됨). 또한, 제2 탱크에는, 바람직하게는, 예컨대 반응기 헤드 스페이스로 가스를 공급하기 위한 가스 라인에 연결된 바이오가스 출구(32)가 마련될 수 있다. 추가로, 제2 탱크에는, 탱크에 침전되는 현탁된 고형물을 제거하기 위한 침전된 고형물 출구(33)가 마련될 수 있다. 바람직하게는, 침전된 고형물은 반응기(22)와 연통되는 라인(34) 또는 라인(31)을 통해 재순환될 수 있다.

본 발명은 이제 다음의 비제한적인 예시들에 의해 예시될 것이다.

처리된 폐수로부터 바이오매스를 분리하기 위한 두 가지의 프로세스들이 비교되었다. 예시 A는 비교예이고, 예시 1은 본 발명에 따른 것이다.

비교예 A

아이스크림 폐수(30x 희석된 아이스크림)가 160 l의 혐기성 파일럿 반응기(pilot reactor)에서 처리되었다. 1 개월 동안 진행된 혐기성 파일럿 반응기에서 도출된 12.5 g/l의 고형물-COD를 포함하는 250ml의 액체가 비커(beaker)로 옮겨졌다. 반응기에 통합된 부유 탱크의 유출 라인으로부터의 고형물이 없는 유출물이 베슬로 옮겨졌다. 4 bar(g)의 압력에 도달할 때까지, 바이오가스가 베슬에 주입되었다. 베슬을 흔든 후에, 바이오가스가 크게 용해되었다. 250 ml의 베슬 내용물이 노즐을 통해 비커(2)의 액체(고형물을 포함함)로 방출되었다. 방출된 내용물은 소위 백수로 표시될 수 있다. 보다 일반적인 용어로, "백수"는, 기포들이 방출 압력보다 더 높은 압력에서 바이오가스(이 경우, 75 %는 메탄이고, 25 %는 이산화탄소임)로 포화된(saturated) 후에 압력 강하(pressure drop)에 의해 방출되는, 유출물이다. 이러한 백수의 첨가 후에 비커에서 부유 층의 형성이 30 분 동안 모니터링되었다.

예시 1

아이스크림 폐수(희석된 아이스크림과 유사한 조성)는 160 l의 혐기성 파일럿 반응기에서 처리되었다. 파일럿 반응기에서 도출된 12.5 g/l의 고형물-COD를 포함하는 액체는 스틸 베슬로 제공되어, 4 bar(g)에서 바이오가스로 포화되었다. 단계 (2)에서 얻은 500 ml의 포화된 액체는 노즐을 통해 비커로 방출되었다. 이 테스트에서는, 백수가 추가되지 않았다. 비커의 시스템에서 부유 층의 형성은 30 분 동안 모니터링되었다.

고형물의 최종 농축(thickening)은 하기 수학식과 같이 계산되었다.

부유 층의 농도 = 농축 팩터 × 고형물(COD)의 초기 농도

예시 2 및 비교예 B

부유 유닛은 기존의 혐기성 바이오 반응기(bioreactor) 옆에 파일럿으로 배치되었다. 비교예 B에서, 기존의 기술에 따른 프로세스가 수행되었고(도 1 참조), 예시 2에서, 본 발명에 따른 프로세스가 수행되었으며(도 2 참조), 프로세스는 연속 모드에서 작동되었다.

비교예 B에서, 부유 유닛(도면에서, 제2 탱크)에는 15 m³/h의 반응기 내용물이 공급되었고, 제2 탱크의 15 m³/h의 유출물은 바이오가스가 주입된 고압 베슬(제1 탱크)에 공급되었고, 제2 탱크로 공급되었으며, 부유 탱크(제2 탱크)로 들어가기 바로 전에, 압력이 제2 탱크 내 압력(헤드 스페이스 30 mbar)으로 떨어졌다.

예시 2에서, 부유 유닛(도면에서, 제2 탱크)에는 제1 탱크(바이오가스가 주입된 고압 베슬)의 15 m³/h의 유출물이 공급되었고, 제2 탱크로 공급되었으며, 부유 탱크(제2 탱크)로 들어가기 바로 전에, 압력이 제2 탱크 내 압력(헤드 스페이스 30 mbar)으로 떨어졌다.

두 경우에서, 고압 탱크(제1 탱크)로 공급되는 바이오가스의 양과 품질은 동일했다(30 %는 이산화탄소이고, 70 %는 메탄임). 파라미터들과 결과들은 아래의 표로 주어진다.

Claims (14)

1. 폐수의 혐기성 정화(anaerobic purification) 후 처리된(treated) 폐수에서 바이오매스(biomass)의 분리를 위한 프로세스에 있어서,
   a. 유기 성분들(organic constituents)을 포함하는 폐수의 스트림을 바이오매스를 포함하는 반응기(reactor)에 공급하는 단계 - 상기 바이오매스는 혐기성 미생물들(anaerobic microorganisms)을 포함함 -;
   b. 바이오가스, 및 처리된 폐수와 바이오매스를 포함하는 반응기 내용물(reactor contents)을 제공하기 위해, 상기 폐수와 바이오매스를 혼합하는 단계;
   c. 상기 반응기 내용물과 가스, 바람직하게는 바이오가스의 적어도 일부를 제1 탱크(tank)에 공급하는 단계 - 상기 바이오가스는 상기 탱크 내용물을 가압하기 위해, 제1 탱크에 압력 하에 주입되며, 상기 가스는 상기 탱크 내용물에 용해됨 -;
   d. 상기 가압된 탱크 내용물을 제2 탱크에 공급하는 단계 - 부유(floating) 바이오매스 층 및 처리된 폐수 층을 제공하기 위해, 상기 제2 탱크 내 압력은 상기 제1 탱크 내 압력보다 더 낮게 됨 -; 및
   e. 상기 제2 탱크에서 상기 처리된 폐수를 인출하고, 상기 바이오매스 층을 상기 제2 탱크에서 단계 a)의 상기 반응기로 재순환시키는(recycling) 단계
   를 포함하는,
   프로세스.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 폐수는,
   1.5 내지 80 g/L의 범위의 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand; COD)을 갖는,
   프로세스.
   
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 바이오매스는,
   응집성(flocculent) 바이오매스인,
   프로세스.
   
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 처리된 폐수는,
   최대 10,000 mg/L, 바람직하게는 최대 1000 mg/L, 더 바람직하게는 최대 500 mg/L의 화학적 산소 요구량(COD)을 갖는,
   프로세스.
   
5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   단계 b)의 혼합하는 단계는,
   단계 b)에서 생성되는 바이오가스의 첨가에 의해, 기계적 수단에 의해, 단계 e)로부터의 처리된 폐수를 주입함으로써, 또는 상기 반응기 내용물을 순환시키기 위한 펌핑 수단에 의해, 수행되는,
   프로세스.
   
6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   단계 c)의 가스, 바람직하게는 바이오가스는,
   적어도 1.5 bar(a), 바람직하게는 적어도 2 bar(a), 더 바람직하게는 적어도 3 bar(a)의 압력에서 주입되는,
   프로세스.
   
7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 탱크 내 압력은,
   1.5 내지 8 bar(a)의 범위, 바람직하게는 2 내지 7 bar(a), 더 바람직하게는 3 내지 6 bar(a)의 범위에 있는,
   프로세스.
   
8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   수리학적 체류시간(hydraulic retention time)은,
   0.5 내지 10 일의 범위에 있고,
   바이오매스(슬러지(sludge)) 체류시간은,
   바람직하게는 적어도 20일, 더 바람직하게는 적어도 30일인,
   프로세스.
   
9. 바이오매스의 분리를 위한 시스템에 있어서,
   유입 입구(influent inlet)(21), 바이오가스 출구(23)를 포함하는 반응기(22) - 작동 중에, 상기 반응기(22)는 공급 라인(24)을 통해 제1 탱크(26)와 연통됨 -,
   반응기로부터 반응기 내용물을 수용하기 위한 입구, 및 가스(27) 및/또는 반응기(22)로부터 바이오가스(25)를 수용하기 위한 입구를 포함하는 상기 제1 탱크(26) - 상기 제1 탱크(26)는 상기 제1 탱크(26) 내 압력을 제어하기 위한 압력 제어 수단을 포함하고, 상기 제1 탱크는 부유(floatation) 탱크가 아니며, 작동 중에, 상기 제1 탱크는 공급 라인(29)을 통해 제2 탱크(28)와 연통됨 -, 및
   가압된 반응기 내용물을 제공하기 위한 입구(29), 처리된 폐수를 인출하기 위한 출구(30), 바이오매스를 반응기로 공급하기 위해 반응기(22)와 연통되는 바이오매스 출구(31), 바람직하게는 바이오가스 출구(32) 및 바람직하게는 침전된 고형물(settled solids)을 위한 출구(33)를 포함하는 상기 제2 탱크
   를 포함하는,
   시스템.
   
10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 탱크(26) 및 제2 탱크(28)는,
    반응기(22)의 내부 또는 외부, 바람직하게는 반응기의 내부에 배치되는,
    시스템.
    
11. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 반응기(22)는,
    상기 반응기 내용물을 혼합하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 혼합 수단은,
    바이오가스 용 주입기이거나,
    상기 반응기 내용물을 순환시키기 위한 기계적 혼합 수단 또는 펌프이거나, 또는
    상기 제2 탱크로부터 처리된 폐수를 주입하기 위한 주입 수단을 포함하는,
    시스템.
    
12. 제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기(22)는,
    실질적으로 폐쇄된 반응기인,
    시스템.
    
13. 제9 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 탱크는,
    개방 또는 폐쇄되고,
    바람직하게는, 상기 제2 탱크는,
    상부에서 개방되고, 주변 림(peripheral rim)에 의해 구분되며(delimited),
    더 바람직하게는, 상기 제2 탱크는,
    분배 수단(distributing means)을 포함하고, 사용 중에, 상기 분배 수단이 상기 바이오매스가 바이오매스 공급 라인(31)으로 유입되게 하는,
    시스템.
    
14. 제9 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 라인(29)은,
    주입 수단에서 끝나는,
    시스템.

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