KR100260541B1 - 유기물 분해 방법 - Google Patents

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Abstract

폐기물을 중온성 분해 및 고온성 분해 단계를 교대로, 또한 순환적으로 처리하는 것에 의해, 폐유기 물질을 실질적으로 고체 물질의 부피가 거의 제로인 가스 상태의 산물로 분해시키기 위한 순환공정으로서, 한 단계로부터의 미생물은 비활성화 되어 다음 단계에서 미생물용 기질이 되며, 이 비활성화는 온도 변이에 기인한다. 순환의 단부에, 고체가 수집되어 새로운 입력 폐기물과 함께 재순환을 위해 제1미생물 분해 단계로 되돌아 가게 된다.

Description

유기물 분해 방법
본 발명은 유기물을 분해하는 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 폐수 오물을 가스상태의 생성물로 분해하는 방법에 관한 것이다.
호기성 또는 혐기성 미생물학적 분해 방법은 유기 폐기물, 예를들어 산업 폐기물 또는 폐수를 정수처리하는데 있어서 바람직한 수단이다. 이 기술의 가장 큰 단점은 유기물을 분해하며 공정 중에 대량으로 성장하는 미생물로 인한 바이오매스(biomass)가 대부분을 차지하는, 고체 물질의 부유물인 ‘슬러지(sludge)’가 생성된다는 것이다. 슬러지의 휘발성 부유고형물(VSS)의 생산량은 호기적 조건하에서 kg당 0.4kg의 화학적 산소 요구량(COD)을 넘을 수 있으며 혐기성 조건하에서는 이의 절반에 이를 수 있다. 슬러지는 통상 땅이나 바다에 매립 또는 투기하는 방식으로 처리되고 있다. 이제 환경에 미치는 악영향 때문에 슬러지를 매립 또는 투기하는 것이 점점 금지되고 있다. 따라서 슬러지 처리를 위한 새로운 기술이 시급하게 요구되고 있는 것이다.
본 발명자들은 이제 각 단계에서 얻어지는 부유 고형물을 용이하게 소화하여 다음 단계를 위한 대사성 기질을 형성하는, 중온성(mesophilic) 및 고온성(thermophilic) 단계를 포함하는 순환적 분해 방법을 개발하였는데, 상기 두가지 공정 단계가 교대로, 또한 순환식으로 수행될 때 유기물을 완전히 가스상태의 생성물로 분해하여 고형물의 생성을 방지할 수 있다.
직렬로 연결된 두개의 케모스태트(chemostat)로 이루어진 폐수 처리 시스템이 제안된 바 있는데(Journal WPCF, Vol, 57, No. 2, 116-121페이지), 하나는 고온성 조건하에서 작동하고 다른 하나는 중온성 조건하에서 작동하며, 유출되는 고형물의 일부가 재순환하도록 되어 있다. 그러나 완전한 생연소가 가능한 것으로 되어 있지 않고, 다량의 유출 고형물이 바다에 버려져야만 했다.
유사하게 미국 특허 제4582607호에서는 활성화된 슬러지가 충분히 침전될 수 있는 형태로 생산하도록 창안된 유사한 시스템을 개시하고 있으나 바이오매스를 모두 분해할 수 있지는 않다.
본 발명에 따라, 본 발명자들은 수성 현탁액 및/또는 용액내의 유기물에 대해 10-50℃에서의 중온성 분해 및 60-105℃에서의 고온성 분해 반응을 교대로 또한 순환적으로 실시하는 유기물 분해 방법을 제공하고자 하는데, 상기 중온성 단계에서는 상기 유기물 및 어떠한 고온성 미생물도 적어도 부분적으로 분해하고, 상기 고온성 단계에서는 상기 유기물 및 어떠한 중온성 미생물도 적어도 부분적으로 분해되며, 또한 상기 순환적 처리가 유기물이 실질적으로 완전히 가스 상태 분해산물로 변환될 때까지 계속된다. 이러한 방법에 있어, 상기 중온성 단계에서는 모든 고온성 미생물이 불활성화되며, 상기 고온성 단계에서는 모든 중온성 미생물이 불활성화되는데, 이러한 미생물의 불활성화는 단계간의 온도 전이에 의해 발생한다.
이러한 방식으로, “바이오싸이클(biocycle)”로 명명된 미생물적인 분해 단계의 교대식 순환에 의해 유기물은 완전히 분해되어 휘발될 것이다. 이와 같이 슬러지로부터 유기물을 완전히 제거하면 무기잔류물만으로 감소된다.
고온성 및 중온성 단계는 각각의 미생물 개체군에 적합한 온도에서 작용하게 되는데, 10-50℃ 사이, 바람직하게는 30-40℃, 더욱 바람직하게는 37℃의 낮은 온도에서 작동하는 중온성 단계와, 60-105℃, 바람직하게는 70-90℃, 더욱 바람직하게는 80℃의 더 높은 온도에서 작동하는 고온성 단계가 있다. 상기 두 단계 사이의 순환에서, 물질은 전 단계로부터 유입된 미생물을 비활성화시키기에 충분한 온도 변화를 겪게된다. 일반적으로, 이러한 온도변화는 20-70℃ 범위, 바람직하게는 40℃ 정도인데, 변화 정도는 적어도 부분적으로 예를들어, 주위 온도, 첫번째 단계에서 병원균의 중온성 살균 시간을 포함하는 다른 작동 조건에 의해 결정된다.
상기 두 분해 단계는 발효 용기 내에서 용이하게 수행될 수 있고, 부유 세포는 침전 방지를 위해 지속적으로 매질과 접촉된 상태로 남아 있는 것이 바람직하다. 이러한 목적에 적합한 대표적인 용기는 1991년 7월 12일 본 출원인에 의해 출원된 국제특허출원 제PCT/EP91/01323호에 기술되어 있는데, 그 내용이 본 발명에서 참고로 인용되었다. 이 용기는 중앙의 수직 패널이 주발효탱크를 분할하고 있으며 가스의 흐름이, 용기의 길이 방향으로 이동하는 매질을 이 흐름에 수직인 방향으로 원운동하도록 한다. 이러한 용기들은 분해 단계를 위해 최적 반응 조건을 유지하면서, 규모를 증가시키기 위하여 분리된 상태, 또는 병렬 또는 직렬 조합으로 용이하게 제공될 수 있다. 다른 적합한 대표적인 용기가 1992년 4월 28일 본 출원인이 출원한 영국 특허출원 제9209175.0에 기술되어 있는데 그 내용이 본 발명에서 참고로 인용되고 있다. 이에는 상기에서 기술한 형태의 용기에 가로 배플(transverse baffles)이 추가로 구비되어 있다.
고온성 단계는 호기성 방식으로 작동되며, 중온성 단계는 호기성 또는 혐기성 방식으로 작동될 수 있다. 호기성 방식에 의하면, 유기물은 이산화탄소로 분해된다; 이러한 공정은 ‘생분해(biocombustion)’라고 명명된다. 혐기성 방식으로는 메탄성 분해가 가능하다. 동물 분뇨 및 농작물 찌꺼기와 같이 유기 물질의 농도가 높을 때 특히 적합하다.
호기성, 중온성 개체군의 미생물은 폐수 처리를 위한 활성화 슬러지 공정에 적합 한 특성을 갖는 형태인, 예를들어 아시네토박터 및 브레비박테리움종과 같은 전형적으로 그램-음성 및 그램-양성 막대형 박테리아이며, 접종균은 종래의 폐수처리장치로부터 용이하게 수득할 수 있다. 혐기성은 중온성 개체군은 전형적으로 그램-양성 및 그램-음성 박테리아를 포함하는데, 이에는 메타노트릭스와 같은 메탄 생산균 및 미량의 산소를 제거하는 통성 혐기성균(facultative anaerobe)이 포함될 수 있다. 고온성 개체군의 미생물은 대부분이 작은 그램-양성 막대형 박테리아로서, 예를들어 바실러스종을 포함한다. 예를들어, 퇴비화된 분뇨 더미에서 미생물을 배양하는 것에 의해 고온성 단계를 위한 접종균을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 하나 또는 그 이상의 제1단계 탱크의 출구 수단이 하나 또는 그 이상의 제2단계 탱크의 입구 수단에 연결되어 있고, 상기 하나 또는 그 이상의 제2단계 탱크의 출구 수단이 상기 하나 또는 그 이상의 제3단계 탱크의 입구 수단에 연결되어 있으며, 상기 하나 또는 그 이상의 제3탱크의 출구 수단이 하나 또는 그 이상의 제4단계탱크의 입구 수단에 연결되어 있고, 최종 단계의 탱크(들)의 출구수단으로부터의 유출액을 상기 제1단계 탱크(들)의 입구 수단으로 재순환시키는 수단이 구비되어 있으며, 상기 탱크들에 각각 그의 출구로부터 입구로 물질을 순환시키는 수단과 그 내부의 온도를 독립적으로 제어하는 수단이 별도로 구비된 탱크 어셈블리를 포함하는, 본 발명에 따른 각 단계에서 유기물을 분해하기 위한 장치가 제공된다. 이때, 각 단계에서 탱크는 직렬 또는 병렬로 배열되어 있을 수 있다.
가장 간단한 어셈블리에 있어서는, 전술한 방식에 따라 단일의 탱크, 즉 제1단계 내지 제4단계 각각의 탱크가 연결되어 있다. 그러나 다수의 제1탱크가 평행으로 하나 또는 그 이상의 제2탱크에 연결되거나 그 반대로 연결되어 있어서, 제2탱크를 제3탱크에, 그리고 제3탱크를 제4탱크에 연결하는 것과 유사한 방식으로 각 단계에서 다른 부피의 액체를 처리할 수도 있다. 또한, 상기 시스템은 각 단계로부터의 유출물이 적어도 부분적으로, 원래의 탱크로 되돌아가거나, 적어도 부분적으로 후속 탱크에 전달될 수 있으며, 제4단계로부터 유출된 물질은 적어도 부분적으로 경우에 따라서는 초기 탱크로 되돌아가서 순환을 반복하게 되는 다단계 공정으로 진행될 수도 있다.
공정은 두 단계의 고온성 및 두 단계의 중온성 단계가 교대로 바람직하게는 분리된 용기 내에서 수행되는 네단계로 용이하게 수행될 수 있다. 이처럼, 각 단계마다 별도의 용기가 사용될 경우, 각 용기 사이에는 물질을 이동시킬 수 있는 수단이 구비되어 있다.
공정은 또한 온도 및 다른 조건이 연속적으로 변화되는 단일 용기 내에서 수행될 수 있으며, 필요하다면 온도가 변화되는 것에 따라 각 단계에서 적합한 새로운 미생물 접종균이 가해져야 한다. 이러한 경우, 바람직한 수의 단계를 완료한 후에 배양균은 침전되고 액체는 시스템으로부터 배출되며 고체는 분해해야할 새로운 폐수가 공급되어면서 다음 순환을 위해 남게 된다.
본 발명에 따른 시스템의 모든 실시예에서, 예를들어 부분적으로 분해된 슬러지를 재순환하거나 별도의 접종균 배양 용기로부터 접종균을 가하는 것에 의해 새로운 접종균이 각 발효 단계의 시작점에서 가해질 것이다.
물을 제거하는 것이 바람직한 경우, 최종 용기로부터의 유출물을 예를 들어 침적기와 같은 침적 장치에 통과시켜 활성 바이오매스로 구성된 최종 부유 고형물을 농축하고 액체를 정화한다. 침적된 고형물을 제1반응 용기의 입구로 재순화시켜 새로운 기질과 함께 분해시킴으로써 순환은 완료되며, 맑게 정화된 액체는 시스템으로부터 회수된다.
이 공정은 수용액 내에서 유기물질의 완전연소와 동등한 가치를 달성한 환경적으로 허용가능한 생물학적 공적이다. 게다가 고온성 단계의 높은 온도는 화학적 에너지를 열에너지로 회수하는 것을 가능케 해준다.
공정은 바이오매스를 재순환시키면서 배치 공정으로서 플러그 흐름 방식이나 완전한 혼합형(교반 탱크 또는 케모스태트) 연속배양으로 수행될 수 있다. 고온성 및 중온성 단계가 교대로 이루어지는 넷 또는 그 이상의 케모스태트가 플러그 흐름 상태에 도달할 수는 있지만, 일반적으로 플러그 흐름 또는 배치식 발효가 케모스태트형 발효기보다도 바람직하다.
분해 시스템의 개략적인 공정도를 첨부된 제1 내지 제8도에 나타내었는데, 여기서 제1 내지 제4도는 2단계 시스템을 나타내고, 제5-7도는 본 발명에 따른 네단계 시스템을 나타내며 제8도는 단일 용기 시스템을 나타낸다.
2단계 시스템에서, 제1도에 나타난 호기적 시스템은 하나의 싸이클로 작동하는 두개의 분해 용기 또는 두 셋트의 용기 11 및 12로 구성되어 있다. 이러한 발효기는 완전 혼합형 연속 배양(케모스태트 방식)으로도 작동될 수 있지만, 플러그 흐름 방식으로 작동되는 것이 바람직하다. 폐수 13가 호기성 분해자가 공기 또는 산소 공급기 21과 함께 구비된 제1단계 11로 공급되는데, 이로부터 가스가 흐름 22로 방출된다. 중온성 단계로서 바람직한 온도는 23℃이다; 그러나 온도범위는 10-50℃일 수 있다. 중온성 단계는 활성 슬러지 원리대로 작동하여, 분리된 슬러지 14의 일부가 피드백되어 접종균으로 작용하여 바이오매스의 농도가 증가된다. 분리기 15는 배출되는 슬러지 35를 농축시켜 시스템으로부터 유출되는 정화된 흐름 16, 및 부유 고형물의 농축물인 슬러지 흐름 17을 생성하게 된다. 과량의 슬러지 18이 바람직하게는 80℃에서 작동하는 호기성인, 고온성 단계 12로 공급된다; 그러나 가능한 온도 범위는 약 60-105℃이다. 고온성 반응기에는 또한 공기 또는 산소 공급기 21가 구비되며 CO2가 흐름 22를 통해 방출된다. 고온성 단계는 자가 가열에 의해 그 온도를 쉽게 유지할 수 있다. 고온성 단계 19에서 유출되는 배양균의 일부가 입구로 다시 피드백되어 접종균으로 작용한다. 고온성 배양균 20의 나머지는, 고온성의 바이오매스가 폐수와 함께 분해되는 중온성 단계로 돌아가게 된다. 고온성 배양균 20은 중온성 단계로 공급되기에 앞서 냉각될 수 있다. 고온성 단계로의 슬러지 공급율은 발효기 내에서의 최대 산소 전달율에 의해 한정된다. 요구되는 폐수 및 슬러지의 공급율 및 산소 전달율을 보여주는 실시예가 아래에 나타나 있다.
전술한 것과 유사한 중온성 및 고온성 단계의 순환이 예를들어, 요식 산업의 음식물 쓰레기 및 경작물 및 숲 작물 찌꺼기, 동물 분뇨 및 도시형 고형물 쓰레기와 같은 유기물질 및 생분해성 플라스틱 폐기물을 생물학적으로 산화시키는데 이용될 수 있다. 만약 폐기물이 농축된 형태라면 이를 직접 고온성 단계로 투입하고 중온성 단계에는 고온성 단계의 유출물을 투입하는 것이 바람직하다.
다르게는, 가축의 분뇨와 같은 농축 폐기물에 대하여, 중온성, 호기성 단계가 메탄을 생성하게 되는 중온성, 혐기성 단계로 대체될 수 있다. 적합한 분해 시스템이 제2도에 도시되어 있는데, 여기서 분해기 29에서 생성된 메탄성(methanogenic) 슬러지가 분리되어 호기적으로 고온성 단계에서 분해되며, 이로부터 유출물은 혐기성 방식으로 유지되는 메탄분해 단계로 돌아가게 된다.
제2도에서, 중온성 분해기 29에는 생성된 메탄이 방출되는 가스 출구 25가 구비되어 있다. 중온성 단계 29로부터 방출되는 액체 유출물 23의 일부는 분리기 15를 통과하여 흐름 14 내에 고형물로 농축되는데, 이 고형물은 중온성 단계의 입구로 되돌아 가게 된다. 분리기로부터의 상등액 유출물 26과 합해진 유출물 23의 나머지는 흐름 24를 지나서 고온성 분해기 12로 가게 된다. 중온성 단계로부터의 유출물 23에 있는 액체는 용해된 유기물질을 다량 함유하고 있는데, 대부분이 지방산으로서 고온성 단계에서의 분해에 의해 제거된다. 고온성 분해기 12로부터의 유출물 일부는 흐름 19로 재순환된다. 12로부터의 나머지 유출물은 분리기 15를 지나가게 되는데, 여기에서 농축된 고형물 28이 중온성 분해기로 피드백된다.
흐름 16 또는 27로서 회수되는 정화처리된 유출수는 폐수에 존재하는 무기 원소의 염을 함유한다. 필요하다면, 이러한 원소들, 특히 N, P 및 K는 다운스트림 방식으로 회수될 수 있다.
2단계 공정에 있어서 다른 구체예에서는 반응 조건이 변화될 수 있다. 이러한 일실시예에서는, 부분 진공이 고온성 분해기에 적용되어 수용성 매질을 100℃ 이하에서 끓게 하여 액체를 증발시키고, 부유고형물 및 다른 용해물질을 농축시키고 증기로부터 열을 회수할 수 있다. 끓게 하기 위해서는 60 내지 80℃, 150 내지 355mmHg의 감압 범위인 것이 유리하다. 이와 같은 다른 실시예에서는 약 105℃ 정도까지의 온도에서 활성을 나타내는 것으로 알려진 미생물을 사용할 때 상기 온도까지에서 과열된 흐름을 얻기 위해 고온성 분해기에 압력을 가할 수 있다. 적합한 압력은 760 내지 906mmHg 범위이고, 바람직하게는 105℃에서 906mmHg이다.
고온성 분해기의 온도를 조절하는 두 시스템이 제3도에 도시되어 있다. 열 교환기 30은 유출물 고온성 배양균 흐름 20으로부터 유입물 흐름 18로 열을 전달하는 역할을 한다. 열교환기 31 및 열싱크(heat sink) 또는 열 공급원(heat source) 32는 고온성 분해기로 또는 이로부터 열을 전달하는 역할을 한다.
이와는 달리, 바람직한 반응기 온도는 내용물이 끓는점에 이를 때까지 분해기 내의 압력을 낮춤으로써, 예를 들어 80℃에서는 355mmHg로 낮춤으로써 유지될 수 있다. 진공 펌프 또는 송풍기 33은 분해기 12 내의 압력을 감소시키고 저장소 34 내의 흐름을 농축시킨다. 실제로, 이로 인해 고온성 분해기는 연소 챔버 겸 보일러와 동등할 수 있게 된다.
상기 시스템은 발효기 순환에 있어서 예를들어, 혐기성 메탄분해, 질화 및 탈질화 단계와 같은 부가적인 단계를 추가함으로써 다양화될 수 있다. 바람직한 미생물에 유리하게 하고 원치않는 미생물을 배제하기 위해서는 온도, pH 값, 기질 또는 저해제와 같은 몇가지 조건을 각 단계에 알맞게 선택하여야 한다.
[두 단계 호기성 분해의 일반화된 모델]
아래에 기술된 일반화된 공정의 모델을 이용하여 작동자는 특정한 공정 조건들을 채용함으로써 유기물질을 생물학적으로 완전 산화시킬 수 있다. 이러한 모델이 제4도에 도시되어 있다. 아래에 기술된 특정 실시예의 변수들은 이의 적용을 설명하기 위한 모델로부터 유도된 것이다.
[가정]
분해기는 조건이 일정하게 유지되는 정상 상태(steady state)에서 플러그 흐름 시스템으로 작동한다.
유기 기질은 호기적으로 대사하여 이산화탄소와 활성 바이오매스를 생산한다.
각 분해기에 공급된 유기 기질의 농도는 분해기를 통과함에 따라 일정하게 감소하여 분해기의 출구에서는 제로가 된다.
중온성 단계에서 형성된 바이오매스(슬러지)는 고온성 단계에서 유기 기질이 된다.
중온성 분해기에 공급된 고온성 바이오매스는 중온성 단계에서 유기기질의 일부가 된다.
유기 기질은 특징이나 공급원(source)이 중요치 않으며, 소모됨으로써 수율이 Yc(kg건조바이매스/kg유기기질)인 활성 바이오매스를 성장시키며, Yo/s(kgO2/kg 유기기질)의 산소를 소비한다.
[용어, 부호 및 단위]
b=분체; 흐름 17의 흐름율 F.
B0=흐름 13의 생화학적 산소 요구량(B.O.D.), kgO2m-3 .
c=분체; 흐름 14의 흐름율 bF.
d=분체; 흐름 19의 재순환 흐름율 (1-c)bF.
F=흐름 13의 폐수 흐름율, m3h-1.
FM=중온성 분해기를 통한 액체 흐름율, m3h-1.
FT=고온성 분해기를 통한 액체 흐름율, m3h-1.
g=분리기 15에서 얻어지는 바이오매스 농도 인자.
HM=중온성 분해기에서 생성된 열, kJh-1.
HS=고온성 분해기에서 생성된 과잉열, kJh-1.
HT=고온성 분해기에서 생성된 열, kJh-1.
HTD=TM에서 TT℃로의 흐름 18로 공급되는 물의 온도 상승에 필요한 열, kJh-1.
rMD=중온성 분해기에서의 산소 요구량, kgO2m-3h-1.
rMT=고온성 분해기에서의 산소 전달량, kgO2m-3h-1.
Sr=폐수 흐름 13에 있어서의 유기 기질 농도, kgm-3.
Sα=중온성 분해기 입구에서의 유기물 농도, kgm-3.
Sβ=고온성 분해기 입구에서의 유기 기질 농도, kgm-3.
Sγ=고온성 분해기 출구에서의 유기 기질 농도, kgm-3.
Sω=중온성 분해기 출구에서의 유기 기질 농도, kgm-3.
trM=중온성 분해기에서의 액체 체류 시간. (VM/FM), h.
trT=고온성 분해기에서의 액체 체류 시간. (VT/FT), h.
TM=중온성 분해기 내의 온도, ℃
TT=고온성 분해기 내의 온도, ℃
Xα=중온성 분해기 입구에서의 활성 바이오매스 농도, kg건조량m-3 .
Xβ=고온성 분해기 입구에서의 활성 바이오매스 농도, kg건조량m-3.
Xγ=고온성 분해기 출구에서의 활성 바이오매스 농도, kg건조량m-3.
Xω=중온성 분해기 출구에서의 활성 바이오매스 농도, kg건조량m-3.
VM=중온성 분해기의 액체량, m3.
VT=고온성 분해기의 액체량, m3.
YC=유기 기질로부터의 활성 바이오매스 생산량, kg 건조량/kg 기질.
YO/S=산소 소모량/유기 기질 소모량, kgO2/kg 유기 기질.
[중온성 단계]
따라서,
따라서,
식 (6) 및 (19)로부터
식 (1), (5) 및 (7)로부터
식 (8)로부터
여기서,
중온성 분해기에서의 산소 요구량은
즉,
[고온성 단계]
따라서,
따라서,
그리고
식 (16) 및 (19)로부터,
고온성 단계에서 요구되는 체류 시간(trT)은 산소 전달율 및 산소 요구량에 의해 결정된다.
따라서,
식 (15), (18) 및 (22)로부터
[열생성]
공정 중의 열생성량은 460kJ/몰 O2소모량, 즉 14.38×103kJ/kgO2이다.
중온성 분해기에서의 열생성량은 다음과 같다.
고온 분해기에서의 열생성량은 다음과 같다.
물의 온도를 중온성 준위(TM℃)에서 고온성 준위(TT℃)로 증가시키는데 필요한 열량은 다음과 같다.
[계산예]
주어진 값:
공급된 폐수의
계산값:
HTD의 절반이 열교환기에 의해 재순환될 수 있다고 가정한다면, 고온성 분해기에서의 과잉 열생산량은 다음과 같다.
[네단계 생분해]
제5도에 나타난 네단계의 바이오싸이클은 네 개의 폭기된 플러그 흐름 반응기 43, 44, 45 및 46을 포함하는데, 이의 적합한 디자인이 1992년 4월 28일 본 출원인이 출원한 영국 특허출원 제9209175.0에 개시되어 있으며 그 내용이 참고적으로 본 명세서에 포함되어 있다. 제1반응기 43은 고온성(T) 단계이고, 제2반응기 44는 중온성(M)단계이며, 제3반응기 45는 고온성 단계이고, 제4반응기 46은 중온성 단계이다. 각 플러그 흐름 반응기에는 ‘재순환 단계’ 42가 구비되어 있어서 각 단계의 초기에 요구되는 미생물 접종균을 공급하며, 반응기로부터의 유출액의 일부는 ‘통과 흐름’ 48이 되어 싸이클의 다음 단계로 공급된다. 제4반응기 46으로부터의 통과 흐름 48은 침전기 또는 다른 형태의 침전 장치를 통과하여 활성 바이오매스를 포함하는 최종 부유 고형물은 농축되고 상등액은 맑게 정화처리된다. 흐름 47에 의해 침전된 고형물이 전부 제1반응기 43의 입구로 재순환됨으로써 싸이클이 완료된다. 유기물로부터 분리된, 맑게 정화처리된 상등액은 흐름 16이 되어 침전기로부터 방출된다. 제5도에 도시된 바이오싸이클은 두 개의 T-M(고온성-중온성) 씨퀀스가 연결되어 순환하게 구성되어 있다.
예를들어, 새로운 기질인 폐수 슬러지가 흐름 41을 통하여 바이오싸이클로 공급된다. 새로이 공급되는 기질은 제4단계 46으로부터의 중온성 바이오매스와 합해져서 제1단계 43에서의 고온성 미생물 분해 및 성장용 기질을 형성한다; 반응기 43에서 생성된 바이오매스는 반응기 44의 중온성 분해용 기질이 된다; 반응기 44에서 생성된 바이오매스는 반응기 45의 고온용 기질이 되고, 반응기 45로부터의 바이오매스는 중온성 반응기 46의 기질이 된다.
배양균의 폭기를 위하여 입구 21을 통하여 공기 또는 산소를 각 반응기에 공급하고 배출되는 가스를 출구 22를 통하여 방출한다. 생분해율은 폭기(aeration) 시스템에 의해 달성될 수 있는 최대 산소 전달율(rmax, kgO2m-3h-1)에 의해 결정된다. 생분해율을 결정할 수 있는 다른 요인으로는 재순환 단계에 있어서의 불충분한 슬러지 기질, 또는 불충분한 바이오매스의 피드백량을 들 수 있다. 각 단계에서의 체류시간(h)은 tr=Vr/Fr로 주어지는데, 여기서 Vr(m3)은 단계 액체부피이고, Fr(m3h-1)은 반응기를 통과하는 액체 흐름율이다. 산소-결정 공정에서, 단계에서 최소 체류 시간은 ΔS0/rmax(h)인데, 여기서 ΔS0는 그 단계에서의 COD(chemical oxygen demand; 화학적 산소 요구량, kgO2)이다. 바람직한 체류 시간은 반응기의 용량을 조절함으로써 얻을 수 있다. 폐수 슬러지의 생분해를 위한 체류 시간은 편의상 최소 시간을 넘길 수 있다.
각 단계마다 특정 기질에 적합하고 각 단계 재순환에 의해 유지되는 특정한 미생물 개체군이 개발된다. 가정용 폐수 슬러지 분해에 있어서 고온성 개체군(77-80℃에서)은 주로 그램 양성 막대형 박테리아로 구성된다; 그러나, 동일한 그램 음성 막대 박테리아가 특히 제2고온성단계 45에서 발견된다. 반응기 44 및 45에 존재하는 중온성 개체군은 그램 음성 막대 박테리아를 구성한다.
침전기에서 폐수 슬러지의 생분해로부터 얻어진 부유 고형물은 빠르게 응집하여 침전된다. SVI(슬러지 용량 지수) 값은 30분 안에 50ml/gDM 보다 작게 된다. 침전기 내의 슬러지 용량이 너무 많아지면 흐름 41을 통하여 시스템 내로 공급되는 새로운 슬러지의 양을 감소시키거나, 바이오싸이클에서 T-M 시퀀스의 갯수를 증가시킴으로써 상기 슬러지 용량을 감소시킬 수 있다. 반대로, 침전된 슬러지의 용량이 충분히 작으면 T-M 시퀀스의 개수를 감소시킬 수 있다.
시스템으로부터 물을 제거할 필요가 없다면 침전기를 제거할 수 있는데, 처음에 반응기를 액체 매질로 채우는 것이면 충분하다. 이는 짚단과 같은 건조 기질이 바이오싸이클에 공급된다면 가능해진다. 폭기에 의해 발생할 수 있고, 가능하게는 감압에 따른 끓음 현상에 의해 촉진될 수 있는 바이오싸이클로부터의 증발 역시 일정한 부피 유지에 도움이 된다. 공급물 내에 무기물이 존재한다면 간헐적으로 또는 연속적으로 반응기 내용물을 물로 희석시키고, 고형물 분리기를 이용하여 부유 고형물을 재순환시키고, 유출액중의 몇가지 무기물중 일부를 제거하여야 한다. 과량의 무기물이 슬러지에 부착되어 있다면 슬러지 부분을 방출시켜서 예를들어, 하이드로싸이클론 내에서 전단하거나 묽은 질산 또는 금속 킬레이트제 용액으로 세정하는 것과 같이 화학적으로 처리하여 무기물을 제거한 다음, 이 슬러지를 바이오싸이클의 제1단계로 재순환시킬 수 있다.
바이오싸이클을 제5도에 플러그 흐름 공정으로 나타내었다. 그러나 각 플러그 흐름 단계를, 접종균 크기가 동일하고, 배양 지속 시간이 플러그 흐름 반응기에서의 액체 체류 시간(tr)과 동일한 배치 배양으로 대체할 수 있다. 각 배치 배양 말기에 싸이클에서 분체(1-j)는 다음 배양으로 전달되면서 분체 j를 이어지는 배양에서의 접종균으로 제공한다. 마지막으로 순환계에서 최종 배치 배양으로부터의 통과 분체(1-j)는 침전기로 전달되어 부유 고형물을 분리해낸 다음, 이를 새로운 기질과 함께 제1배치 배양기로 재순환시킨다. 통과물에 의해 배치 배양이 방해를 받더라도 아무런 부작용이 없다고 가정한다면, 결과는 플러그 흐름을 이용한 바이오싸이클에서와 동일해야만 한다.
제7도는 네 개의 배치 배양으로 구성된 바이오싸이클을 나타내는데, 여기서 새로운 슬러지와 같은 폐기물은 제1배양 단계 49로 공급되고, 마개 53이 각 단계 49-52의 말단에서 열려있어 다음 단계에서 사용될 접종균으로서 10%의 배양물만을 남기고 나머지 배양물은 다음 단계로 전달된다. 최종 단계로부터의 유출물은 침전기 15를 통과하게 되는데 이로부터 맑게 정화처리된 상등액이 흐름 16을 통하여 방출되고, 침전기 내에서 농축된 부유 고형물은 제1단계로 피드백된다.
배치 배양 단계를 갖는 바이오싸이클은 비교적 적은량의 기질을 처리하거나, 사용가능한 생 반응기나 폐기물 형태가 플러그 흐름 배양에 적합하지 않을 때 유용하게 사용된다.
호기성 바이오싸이클은 생분해 가능한 모든 유기 물질의 생분해에 적용될 수 있다. 바이오싸이클은 탈수가 필요없고, 고온이 65℃ 또는 그 이상일 때 알려진 모든 병원균을 죽이며, 집중된 큰 식물군 뿐 아니라, 분산된 작은 식물군에도 효율적으로 작동될 수 있기 때문에 특히 폐수슬러지의 처리에 유리하다. 다른 중요한 기질로는; 농작물 찌꺼기, 가축분뇨 및 도시형 고체 폐기물이 있다. 짚단 또는 종이와 같은 고형폐기물은 갈아서 미세한 가루로 만들거나 분산액으로 만들어서 생분해율을 증가시킬 수 있다.
제5도에 나타난 이중 T-M 시퀀스 타입과 같은 다중 T-M 시퀀스 바이오싸이클에서는 또한 혐기성 조건하에서 유기물질이 완전하게, 즉 바이오매스를 형성하지 않고 생메탄 분해될 수 있다.
제5도에 나타난 플러그 흐름 배양 대신에 완전히 혼합된, 케모스태트 타입의 연속 배양으로 치환될 수 있는데, 이 치환은 또한 재순환 단계 42를 불필요하게 만든다. 마지막 단계로부터의 침전 고형물이 재순환 공정 47에 의해 재순환됨으로써 싸이클 시스템이 완료될 수 있다.
[네단계 바이오싸이클의 수학적 모델]
[기호 및 단위]
AF=(1-b-j), 반응기(Fr)를 통한 액체 흐름율에 대한 슬러지 공급율(F0), 단위 없음.
b=(1/g), 공정 재순환 분체, 단위 없음.
g=침전기 내에서의 고형물 농도 지수, 단위 없음.
F0=바이오싸이클 내로의 폐수 슬러지 흐름비, m3h-1.
Fr=반응기를 통한 액체 흐름율, m3h-1.
j=단계 재순환 분체, 단위 없음.
r=산소 전달율, kgO2m-3h-1; 아랫첨자 max는 최대치를 의미한다.
s=휘발성 부유 고형물(VS)의 농도, kgm-3; s1및 s2, 반응기 43내에서의 최초값 및 최종값; s3및 s4, 반응기 44 내에서의 최초값 및 최종값; ;s5및 s6, 반응기 45내에서의 최초값 및 최종값; s7및 s8, 반응기 46에서의 최초값 및 최종값.
Sr=슬러지 주입에 있어서 휘발성 부유 고형물(VS)의 농도, kgm-3.
Vr=반응기 내에서의 액체 용량, m3.
본 발명자들은 기질이 모두 부유 고형물 입자로 존재하고 용해된 기질은 무시가능하다는 단순화 가정을 한다. 바이오싸이클 내의 서로 다른 지점에서의 여러가지 변수들의 값이 제6도에 나타나 있다.
본 발명자들은 제1단계(반응기 43)에서 액체 평형으로부터 다음과 같은 값을 얻었다:
따라서,
여기서,
반응기에서 VS 농도, s1, s2등은 기질의 고형물과 활성 바이오매스의 고형물을 합한 값이다. 제1단계로의 VS 공급량(FrS1)은 폐수 슬러지 공급량(F0Sr), 공정 재순환량 (bFrgS8-FrS8) 및 단계 재순환량 (jFrS2)의 함량이다. 즉,
이다.
상기 단계에서 체류 시간이 초기 기질 모두를 분해시킬 수 있도록 충분히 길어서 s2는 최종 활성 바이오매스 농도를 나타내고 초기 활성 바이오매스 농도는 js2하고 가정한다. 식 29로부터 다음이 유도된다.
제2단계 반응기 44로의 VS 공급량(FrS3)이 제1단계로부터의 공급량 (1-j)FrS2과 단계 재순환량 (jFrS4)의 힘으로 주어진다. 즉, 다음과 같다.
따라서,
이와 유사하게, 다음을 유도할 수 있다.
공정은 산소에 의해 결정되고 COD=1.3×VS라고 가정한다. 그러면 각 단계에서 요구되는 최소 체류 시간은 1.3×ΔS/rmax일 것이다. 여기서, ΔS는 단계에서 VS의 감소이다.
[단일 용기 바이오싸이클]
바이오싸이클은 조건, 특히 온도 및 접종균을 연속적으로 바꿈으로써 단일 용기 내에서 작동될 수 있다. 따라서, 배양 용기를 새로운 폐수 슬러지로 채우고, 온도를 고온 수준으로 조절하여, 제1단게에 적합한 접종균을 총부피의 약 10%로 가하여 제1단계에서 요구되는 시간 동안 호기적으로 배양한다. 이후 배양 온도를 제2단계의 중온성 수준으로 낮추고 중온성에 적합한 접종균을 가하여 제2단계에서 요구되는 시간 동안 배양을 한다. 이와 유사하게, 제3의 고온성 및 제4의 중온성 단계를 실시한다. 제4단계 후, 배양균을 침전시키고, 맑게 정화된 상등액은 방출하고, 침전된 고형물을 용기에 남긴다; 더 많은 폐수슬러지를 가하여 요구되는 총부피의 90%에 이르도록 하고, 온도를 고온수준으로 높이고, 새로운 제1단계 고온성 접종균(총부피의 10%)을 가하여 다음 싸이클을 개시한다.
필요에 따라서는, 각 단계에서 배양균의 일부를 취하여 접종균이 가해질 수 있는 여유를 만들고 취해진 물질은 동일한 형태의 다음 단계를 위한 접종균을 제공해주는 시드(seed) 배양용 기질로 사용될 수 있다.
이 방법은 각 단계에서의 체류 시간을 변화시킴으로써 최적화시키게 해준다는 잇점이 있다. 다른 잇점으로는 단계에서 단계로의 배양균 통과를 위한 펌프를 제공하지 않아도 되기 때문에 경제적이라는 것이다.
생메탄 분해는 호기적 생분해보다 더 오래 걸려서 단계 간의 온도 또는 다른 조건의 조절에 의한 일시적인 변화에 영향을 덜 받기 때문에 단일 용기를 이용하는 바이오싸이클은 완전한 생메탄분해에 의해 유기폐기물 처리 및 슬러지 부피를 제로로 감소시키는데 특히 관심이 있다. 농축된 돼지 분뇨 또는 기타 퇴비화된 분뇨는 두개 이상의 T-M 씨퀀스를 거침으로써 마지막 단계의 말기에 충분히 맑게 정화처리된 상등액을 분리해낼 수 있다.
본 발명의 바이오싸이클에 비하여, 종래의 생메탄분해는 슬러지 유기 물질을 약 절반으로 감소시킬 수 있는데 슬러지의 용량은 변하지 않고 남아있게 된다.
제8도에 단일 용기를 이용한 바이오싸이클이 도시되어 있는데, 여기서 시드(접종균) 배양이 탱크 56-59 내에서 유지되고, 그 일부는 마개 54에 의해 적합한 단계에서 단일 배양 용기 55를 통과한다. 새로운 폐수 슬러지가 흐름 41에 의해 배양 용기로 공급된다. 용기는 또한 침전기로 작용하여 순환계에서 마지막 단계의 말기에 부유 고형물을 침전시키며, 최종 단계 이후에 상등액을 출구 60으로부터 방출한다.
다음 실시예는 예시만을 위하여 개시된 것이다.
[참조 실시예 1]
[순환 2단계 시스템]
순환 2단계 시스템을 사용하여 가정용 폐수를 완전히 산화시키고 슬러지의 생산을 막는다. 제1도에 나타낸 바와 같이 이 시스템은 본 출원인이 1991년 7월 12일에 출원한 국제특허출원 제PCT/EP91/01323(이의 내용은 참고를 위해 본 발명에 포함된다.)의 제1도에 나타낸 바와 같은 형태의 중온성 플러그 흐름 발효기 11 및 발효기 11과 유사한 형태의 고온성 플러그 흐름 발효기 12로 구성되어 있다. 각 단계는 호기적이다. B.O.D.가 250mgh-1인 폐수는 256m3h-1의 속도로 중온성 단계로 공급(흐름 13)되어 고온성 분해기로부터의 유출물 흐름 20과 합해진다. 중온성 단계의 부피는 1,372m3이고 액체 체류시간은 5h이다. 이 단계는 병렬로 작동되는 다수의 발효기로 구성된다. 발효기를 폭기시켜서 필요한 산소 공급율 1.74molm3h-1을 얻는다. 중온성 단계로부터의 유출액인 흐름 35는 3kg VSS의 슬러지 농도로 분리기 15를 통과하게 되는데, 이는 모든 중온성 발효기에 있어서는 통상적인 것이다. 분리기는 슬러지를 3에서 45g VSS m-3으로 농축한다. 맑게 정화처리된 액체는 256m3h-1의 유속으로 흐름 16으로 방출된다. 농축된 슬러지의 일부는 17m3h-1의 유속으로 흐름 14를 통하여 피드백된다. 과량의 슬러지(1.26m3h-1)가 흐름 18을 통하여 고온성 단계 12로 공급되는데 그 부피는 19.0m3이다. 자가 가열에 의해 이 단계의 온도를 80℃로 유지한다. 고온성 단계에서의 산화율은 50mol m3h-1으로 고정된 산소전달율에 의해 결정된다. 고온성 단계로부터의 배양 유출물의 일부(0.42m3h-1)가 흐름 19를 통하여 피드백되어 접종균으로 사용된다. 고온성 배양균의 나머지(1.26m3h-1)는 흐름 20을 통하여 중온성 단계의 입구로 돌아가게 되는데, 여기서 고온성 슬러지가 분해된다.
중온성 단계용 접종균은 종래 폐수 처리장으로부터의 활성화된 슬러지에 의해 제공된다. 고온성 단계용 접종균은 고온 범위의 높은 온도에서 퇴비화된 분뇨 더미로부터 얻었다. 퇴비화된 분뇨 약 100g을 활성화된 슬러지(약 50g VSS)와 혼합하고, 80℃에서 5일 또는 그 이상 배양된 병 또는 쉐이크 플라스크 내에서 1000ml의 물을 공기로 포화시킨다. 슬러지와 물의 양이 5일마다 2배씩 증가함에 따라 배양규모가 늘어난다.
고온성 단계로부터 발생하는 약 77KW의 과잉 열은 냉각제에 의해 진정시키거나 80℃ 정도의 온도에서 증기로 방출시킨다.
[네단계 바이오싸이클]
실시예로서 폐수 슬러지의 생분해용으로 두개의 T-M 시퀀스내의 네단계 바이오싸이클이 아래에 기술된다. 사용된 기호는 첨부된 수학적 모델에서 주어진 것에 따른다. 슬러지 기질은 런던 폐수처리장에서 수거된 가정용 폐수를 처리하여 얻은 것이다. 이는 원심분리된 ‘슬러지 케이크’로서 4℃에서 보관되었으며, 필요에 따라서는 물을 가하여 재조성하였다.
고온성 단계용 접종균은 고온성 단계에서 퇴비화된 말의 분뇨더미로부터 얻어진다. 중온성 단계용 접종균은 가정용 폐수 슬러지로부터 얻었다. 이러한 접종균을 공정 온도에서 수차례 2차 배양하여 그의 특정기질에 적용하였다.
네개의 배치 배양으로 구성된 바이오싸이클은 두개의 T-M 시퀀스로 배열되었는데, 제1단계(T1)는 77℃에서; 제2단계(m1)는 37℃에서; 제3단계(T2)는 77℃에서; 제4단계(M2)는 37℃에서 실시된다. 트레첼 병(Drechsel bottle:용량 250ml)을 사용하여 고온성 단계를 77℃ 수조에서 실시하였다. 오비탈 쉐이커에서 150rpm으로 배양된 쉐이크 플라스크(용량 250ml)를 사용하여 중온성 단계를 실시하였다. 각각의 초기 용량은 100ml였다. 드레첼 병을 30-40mlmin-1로 스파저를 통해 공급되는 습한 공기로 포화시켰다. 배양물에서 약간의 증발이 일어났다(77°에서 1일 2%, 37°에서는 더 적음). 단계의 말기에, 탈이온수를 가하여 최종 부피를 100ml로 회복시켰다. 단계의 말기에 배양균을 다음 단계로 배출하였다. 이를 위하여 다음 단계의 접종균으로서 배양균 10ml(분체 j=0.1)만 남기고 90ml(분체 (1-j)=0.9)은 네번째(마지막) 단계로부터 침전기(100ml 측정 실린더)로 전달하였다. 선행하는 각 단계의 배양균으로부터 10ml만을 후속 배양용 접종균으로 남기고 나머지 90ml은 다음 단계로 전달하였다. 침전기 내의 부유 고형물은 즉각 침전되어 30분에 40mlg-1DM의 SVI(sludgy volume index; 슬러지 부피지수)로 응집 침전물을 형성하였다. 정화된 맑은 상등액 40ml(AF=0.4)을 방출하고 50ml로 농축된 나머지 부유 고형물을 제1단계로 재순환시켰다. 재구성된 슬러지(40ml)를 제1단계에 가하여 그 부피가 다시 100ml이 되도록 하고 기질을 공급하였다. 통과가 완료되면, 배양균을 다시 배양하였다. 배양균에서 제거된 최종 상등액은 담갈색이고 약간 흐렸다. 몇시간 동안 상등액을 방치하여 남은 부유 고형물을 침전시켜 상등액이 완전히 투명해지도록 하였다.
여러 단계로부터의 증기는 약간이지만 역겨운 냄새를 갖고 있었다.
바이오싸이클은 두 개의 싸이클(8단계의 통과)로 정상 상태에 이르게 되는데, 침전후 각 단계에서의 슬러지 용량은 상승 또는 하강을 전해 나타내지 않았다. 3.75 싸이클 후에, 네 단계의 바이오싸이클로의, 그리고 그로부터의 물질의 공급량과 배출량을 표 1에 나타내었다.
첫 번째 표로부터, 바이오싸이클에 의해 공급된 슬러지의 휘발성 물질의 97%가 생분해되어 제거되었음을 알 수 있다. 이는 반응기 전체 부피가 4m3인 바이오싸이클로 싸이클당 1.6m3(약 1.6톤)의 폐수슬러지를 처리할 수 있다는 것을 의미한다.
[표 1]
[네단계*(2 T-M 시퀀스)로 된 바이오싸이클에 있어서 폐수슬러지의 휘발성 물질(VM)의 생분해]
[단계의 말기에 존재하는 부유 고형물 및 각 단계에서의 물질 소비량]
상등액에 390ppm 농도로 녹아 있는 3%의 VM 잔류물은 종래의 활성화 슬러지 처리에 의해 바로 제거될 수 있다.
실험 오차 내에서 DM 및 VM이 모두 계산되었다. 유입된 재 물질(ash material)의 약 10%가 유출물 상등액에 나타났다. 부유 고형물내 건조물질의 재 함량은 슬러지의 DM중의 17%와 비교할 때 정상 상태에서 25 내지 28%에 이르렀다.
슬러지의 COD가 1.3×VM이고, rmax가 1kgO2m-3h-1이라고 가정하면, 본 실시예에서 기술된 바이오싸이클은 싸이클당 슬러지 COD 공급율이 30.3kg이고, 최소 싸이클 시간은 T1, M1, T2 및 M2 단계에서 각각 15.7, 5.1, 8.1 및 1.4h가 소요되어 전체적으로는 30.3h가 요구된다. 이 예시적인 실시예에서 최소 싸이클 시간은 임의적으로 매일 한 단계에서 다음 단계로 가게 됨으로써 4일이 소요되도록 설정되었다.

Claims (18)

  1. 수성 현탁액 및/또는 용액 중의 유기물에 대해 60-105℃에서의 고온성 분해반응 및 10-50℃에서의 중온성 분해 반응을 교대로 실시하는 순환적 유기물 분해방법으로서, 고온성 단계에서 시작하여 중온성 단계로 종료되며, 적어도 두 개의 고온성 단계와 적어도 두 개의 중온성 단계를 포함하는 적어도 네단계를 하나의 싸이클로 하여 교대로 반복하며, 상기 싸이클은 새로운 유기물을 최초의 고온성 단계로 공급하면서, 최종 중온성 단계로부터 배출되는 고형물을 최초 고온성 단계로 재순환시키는 단계를 포함함으로써 상기 고온성 단계에서는 상기 유기물과 존재하는 모든 중온성 미생물을 적어도 부분적으로 분해시키고, 상기 중온성 단계에서는 상기 유기물과 존재하는 모든 고온성 미생물을 적어도 부분적으로 분해시켜서 유기물이 기체상 분해 생성물로 실질적으로 완전하게 전환될 때가지 상기 순환적 처리를 지속하는 것을 특징으로 하는 순환적 유기물 분해방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중온성 단계에서는 모든 고온성 미생물이 온도 전이에 의해 불활성화되고, 고온성 단계에서는 모든 중온성 미생물이 온도 전이에 의해 불활성화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분해 단계가 발효 탱크 내에서 이루어지며, 상기 탱크 사이에 물질을 이동시킬 수 있는 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 싸이클 하나가 두개의 중온성 단계와 두개의 고온성 단계가 교대로 실시되는 네단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 각각의 단계들이 각기 다른 탱크내에서 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 싸이클 말기에, 물질을 침전 장치로 보내고 수거되는 부유 고형물을 새로운 유기물을 분해하기 위한 새로운 싸이클을 개시하는 최초의 분해 단계로 보내는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항중 어느 한항에 있어서, 각 개별적인 단계 내에서 물질의 적어도 일부를 재순환시키면서 상기 각 단계가 플러그 흐름 방식으로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각 단계는 배치 방식으로 작동하며, 각 단계로부터의 배양물중 일부는 다음 단계로 전달되고, 다른 일부는 잔류하여 다음 단계의 배양용 접종균을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 온도가 연속적으로 변하고 각 단계마다 접종균으로서 적합한 미생물이 가해지는 오일의 용기 내에서 실시되며, 싸이클의 말기에 상등액을 방출하고 새로운 유기물을 남아있는 고형물에 가함으로써 새로운 분해 싸이클을 개시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 싸이클은 완전 혼합 케모스태트형 연속 배양 방식으로 작동하는 네단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한항 또는 제9항 내지 10항중 어느 한 항에 있어서, 호기적 방식으로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 또는 제6항중 어느 한항 또는 제9항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 상기 중온성 단계가 혐기적 방식으로 진행됨으로써 유기물의 생메탄 분해가 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제6항중 어느 한항 또는 제9항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 상기 유기물이 폐수 슬러지, 농작물 찌꺼기, 가축의 오물, 산업 폐기물, 도시형 고체 폐기물, 하수 슬러지 또는 생분해성 플라스틱 폐기물인 방법.
  14. 제1항 내지 제6항중 어느 한항 또는 제9항 내지 제10항중 어느 한항에 있어서, 상기 두 단계간의 온도 변화차가 적어도 20℃ 이상이 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 하나 또는 그 이상의 제1단계 탱크의 출구 수단이 하나 또는 그 이상의 제2단계 탱크의 입구 수단에 연결되고, 하나 또는 그 이상의 상기 제2단계 탱크의 출구 수단이 하나 또는 그 이상의 상기 제3단계 탱크의 입구 수단에 연결되어 있으며, 하나 또는 그 이상의 제3단계 탱크의 출구 수단이 하나 또는 그 이상의 제4단계 탱크의 입구수단에 연결되어 있고, 최종 단계의 탱크(들)의 출구 수단으로부터의 유출액을 제1단계 탱크(들)의 입구 수단으로 재순환시키는 수단이 구비되어 있으며, 상기 탱크들에 각각 그의 출구로부터 입구로 물질을 재순환시키기 위한 수단과 그 내부의 온도를 독립적으로 조절하기 위한 수단이 별도로 구비된 탱크 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제1항 기재의 방법에 따라 유기물을 분해하는 유기물 분해장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 각 단계에서 탱크가 직렬로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 유기물 분해장치.
  17. 반응 탱크, 중온성 및 고온성 미생물을 따로 분리하여 유지시키는 배양 탱크 및 상기 미생물을 반응 탱크로 전달하는 미생물 전달 수단을 포함하며, 반응 탱크 내의 온도를 중온성 미생물의 성장과 고온성 미생물의 불활성화에 적합한 온도로부터 고온성 미생물의 성장과 중온성 미생물의 불활성화에 적합한 온도로 변화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제1항 기재의 방법에 따라 유기물을 분해하는 유기물 분해장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 각 단계에서 탱크가 병렬로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 유기물 분해장치.
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Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5558774A (en) * 1991-10-09 1996-09-24 Zenon Environmental Inc. Aerated hot membrane bioreactor process for treating recalcitrant compounds
FR2707622B1 (fr) * 1993-07-02 1995-09-01 Dumez Lyonnaise Eaux Procédé d'épuration d'eaux usées par voie biologique et installations pour sa mise en Óoeuvre.
GB2284413A (en) * 1993-12-04 1995-06-07 North West Water Group Plc Sludge biocombustion
JP3048889B2 (ja) * 1995-06-29 2000-06-05 神鋼パンテツク株式会社 活性汚泥処理方法及びそのための活性汚泥処理装置
FR2744937B1 (fr) * 1996-02-21 1998-04-10 Europ Agence Spatiale Procede et installation de traitement des dechets organiques et applications dudit procede
JP3267935B2 (ja) 1997-12-19 2002-03-25 神鋼パンテツク株式会社 有機性廃水の処理方法及びその処理装置
US6224769B1 (en) 1997-06-05 2001-05-01 Shinko Pantec Co., Ltd. Method and apparatus for treating organic waste water
JP4801256B2 (ja) * 1998-03-04 2011-10-26 マント、ミッケル、ジー サージ無酸素性混合連続回分反応システム
AU4392099A (en) 1998-06-23 2000-01-10 Asahi Glass Company Limited Agricultural covering material
US6500340B1 (en) 1998-07-20 2002-12-31 Western Environmental Engineering Company Pasteurizing sludge to exceptional quality
US6113789A (en) * 1998-07-20 2000-09-05 Western Environmental Engineering Company Pasteurization process
EP1216145B2 (en) * 1999-09-22 2011-10-26 W.L. Gore & Associates GmbH Cover for aerobic treatment of biodegradable matter
US6685834B1 (en) * 1999-12-20 2004-02-03 Kruger, Inc. Method for conditioning and dewatering thermophilic aerobically digested biosolids
US6375844B1 (en) * 2000-08-31 2002-04-23 Robert T. Ehrlich Method for treatment of animal waste
US6632362B2 (en) * 2001-01-19 2003-10-14 Miller, Iii Herman P. Vacuum retort anaerobic digestion (VRAD) system and process
US6585895B2 (en) 2001-01-23 2003-07-01 Rhodia Inc. Wastewater treatment process
TW200301303A (en) 2001-12-25 2003-07-01 Sanyu Co Ltd Novel microorganism
US20050023215A1 (en) * 2003-07-29 2005-02-03 Bare Richard E. Periodic aeration in an activated sludge reactor for wastewater treatment
WO2005113104A1 (en) * 2004-05-18 2005-12-01 Biomass Processing Technology, Inc. System for processing a biomaterial waste stream
JP4495051B2 (ja) * 2005-08-23 2010-06-30 株式会社神鋼環境ソリューション 活性汚泥処理方法及びそのための活性汚泥処理装置
US7833415B2 (en) * 2005-10-26 2010-11-16 D.C. Water & Sewer Authority Method for treating raw sludge including a simultaneous or pulsed aerobic/anoxic digestion process
US8262776B2 (en) * 2006-10-13 2012-09-11 General Atomics Photosynthetic carbon dioxide sequestration and pollution abatement
FR2924038B1 (fr) * 2007-11-28 2011-05-06 Ile Dlmr Soc Civ Procede de traitement des dechets associant une phase de traitement par methanisation et une phase de traitement aerobie thermophile
CA2730430C (en) * 2008-07-11 2017-10-24 Richard Aho Method of biological treatment of piles of materials containing some organic matter
ITMI20090861A1 (it) * 2009-05-15 2010-11-16 Bioenergia S R L Processo per il trattamento biologico dei reflui organici e relativo impianto.
US8734647B2 (en) 2009-05-15 2014-05-27 Bioenergia S.R.L. Process for the biologic treatment of organic wastes and plant therefor
MY165671A (en) * 2010-04-12 2018-04-18 Seab Energy Ltd Renewable energy microgeneration system
AU2013202654B1 (en) * 2012-11-07 2014-04-03 Rio Tinto Alcan International Limited Treatment of alkaline bauxite residue
KR20220119752A (ko) 2017-12-15 2022-08-30 세압 파워 리미티드 휴대용 재생 에너지 자가 발전 시스템을 위한 염 관리 시스템
CN118108281A (zh) 2019-11-13 2024-05-31 美国过氧化物有限责任公司 用于在真空压力下使用生化工艺处理流体的方法和系统
WO2023244162A1 (en) * 2022-06-13 2023-12-21 Tria Pte. Ltd. A method for digesting biodegradable packaging waste and an apparatus thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4915840A (en) * 1988-06-07 1990-04-10 Bioprocess Engineering, Inc. Process for sludge reduction in an aerobic sludge generating waste treatment system

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3964998A (en) * 1972-08-04 1976-06-22 The South African Inventions Development Corporation Improvements in and relating to waste water treatment
US3926794A (en) * 1974-06-28 1975-12-16 Union Carbide Corp Warm sludge digestion with oxygen
US3994802A (en) * 1975-04-16 1976-11-30 Air Products And Chemicals, Inc. Removal of BOD and nitrogenous pollutants from wastewaters
BE885575Q (fr) * 1977-01-07 1981-02-02 Shattock Geoffrey F Traitement des boues par degradation biologique
US4246099A (en) * 1979-04-06 1981-01-20 Union Carbide Corporation Aerobic/anaerobic sludge digestion process
GB2105318B (en) * 1981-07-15 1984-09-26 British Oxygen Co Ltd Treatment of aqueous waste material
DE3144111A1 (de) * 1981-11-06 1983-05-26 Klöckner-Werke AG, 4100 Duisburg Verfahren und vorrichtung zur behandlung von klaerschlamm
GB2155003B (en) * 1984-01-20 1987-12-31 Nishihara Env San Res Co Ltd Activated sludge method
DE3412553A1 (de) * 1984-04-04 1985-10-31 Fried. Krupp Gmbh, 4300 Essen Verfahren und vorrichtung zur biologischen aeroben reinigung von abwasser
DE3615971C2 (de) * 1986-05-13 1995-11-16 Schulze Oswald Kg Anlage zum Behandeln von Schlamm
DE3622750A1 (de) * 1986-07-07 1988-01-21 Roediger Wilhelm Gmbh Co Verfahren und vorrichtung zum hygienisieren von schlamm
GB9015578D0 (en) * 1990-07-16 1990-09-05 Pirtferm Ltd Fermentorbioreactor module
US5192442A (en) * 1991-12-02 1993-03-09 Zimpro Passavant Environmental Systems, Inc. Multiple zone batch treatment process
GB9209175D0 (en) * 1992-04-28 1992-06-10 Pirtferm Ltd Bioreactor system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4915840A (en) * 1988-06-07 1990-04-10 Bioprocess Engineering, Inc. Process for sludge reduction in an aerobic sludge generating waste treatment system

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Publication number Publication date
ES2111081T3 (es) 1998-03-01
GB9118560D0 (en) 1991-10-16
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JPH06509986A (ja) 1994-11-10
WO1993004988A1 (en) 1993-03-18
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JP2594751B2 (ja) 1997-03-26
US5540839A (en) 1996-07-30
DE69223421D1 (de) 1998-01-15

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