KR100521866B1 - 미립자 생분해성 유기 폐기물의 처리 방법 및 장치 - Google Patents

미립자 생분해성 유기 폐기물의 처리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

미립자 생분해성 유기 폐기물을 처리하기 위한 본 발명의 방법은 폐기물을 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물을 함유하는 슬러리를 생산하기 위하여 가수분해 반응기(18, 62)에 폐기물을 주입하는 단계 및 약 130℃ 또는 그 이상의 온도 및 포화수증기압 이상의 압력에서 열적 가수분해하는 단계 이전에 입도에 따라 분류하는 단계 및 염기를 첨가하는 단계를 포함한다. 가용화된 유기 물질은 고체/액체 분리기(30, 70)를 이용하여 잔류 고형물로부터 분리되고, 가용화된 유기물은 메탄가스를 생산하기 위하여 혐기성 소화가 수행된다. 염기는 약 1% 농도의 수산화 칼륨이 바람직하다. 이에 더 나아가, 본 발명의 방법은 열적 가수분해 단계 이전에 분리된 가용화된 유기 물질의 잠열로 미립자 생분해성 유기 폐기물을 예열하는 단계를 더 포함한다.

Description

미립자 생분해성 유기 폐기물의 처리 방법 및 장치{Method and Apparatus for the Treatment of Particulate Biodegradable Organic Waste}
본 발명은 미립자 생분해성 유기 폐기물의 처리 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 미립자 생분해성 유기 폐기물의 열적 가수분해 및 혐기성 처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재 아시아 및 유럽에 있는 여러 나라들이 주거지뿐만 아니라, 음식물을 준비하여 제공하는 음식점들 및 공공시설들로부터 발생하는 생분해성 고형 폐기물 및 음식 쓰레기 고형물을 금속, 유리, 플라스틱, 종이 및 기타 고형 폐기물로부터 분리된 원료가 되도록 하는 것을 요구하거나, 요구할 예정이다. 이러한 단속적인 추세는 미국 및 캐나다의 대도시에서 채택될 것으로 보인다. 현재, 이러한 국가들에서 음식 쓰레기 고형물의 처분은 매립식 쓰레기 처리나 소각에 의하며, 토양 개질을 위한 퇴비화 정도로 한정된다.
대한민국은 음식물 쓰레기 및 생분해성 고형 폐기물의 처분을 제한하고자 하는 대표적인 나라들 중 하나이다. 대한민국 정부는 2006년 1월 1일까지 음식물 쓰레기의 매립식 처분을, 및 2004년 1월 1일까지 폐수 처리 생물 고형물의 해양 투기를 금지할 것을 지시하였다. 음식 쓰레기는 주로 섬유소, 탄수화물, 지방, 단백질 및 무기 재(inorganic ash)를 함유하는 채소, 과일, 곡식, 육류/어류의 산물로 이루어진다. 조사 결과에 의하면, 대한민국 음식 쓰레기로부터 분리된 원료는 76 내지 84%의 수분과 16 내지 24%의 건조물(dry matter)을 함유한다고 한다. 게다가, 건조물은 80 내지 90% 휘발성이다. 소각은 대한민국 국민들에게 비용적으로나 환경 문제로 인하여 회의적으로 고려되고 있다.
종래의 매립식 쓰레기 처리나 소각 처분의 대안으로서, 미립자 음식 쓰레기, 폐수 처리 생물 고형물 및 다른 생분해성 유기 미립자 물질(예를 들어, 비료, 채소 쓰레기, 생분해성 도시형 페기물로 분리된 원료 등)은 일단 열적 가수분해에 의하여 가용화될 수 있고, 그 액체 분량이 적절한 혐기성 조건 하에서 메탄가스 및 이산화 탄소로 전환되도록 할 수 있다. 질소 및 인을 함유한 잔여 탄소계 물질은 토양 개질 또는 질소 및 인이 더욱 강화된 비료와 같은 용도로 적합하다. 또한 잔여 탄소계 물질은 충분한 열량 값을 가지고 있어 에너지를 생산하기 위한 연료원과 같은 용도로 적합하다.
따라서, 미립자 생분해성 유기 페기물이 열적 가수분해되어, 유기 고형 폐기물의 가용화된 분량의 혐기성 전환이 경제적으로나 환경적으로 양호한 처분으로 잠재적으로 중요한 잇점을 제공한다.
미합중국 특허 제5,707,417호(요코야마, Yokoyama)는 혐기성 소화(anaerobic digestion) 단계가 뒤따르는 열적 가수분해를 포함하는 쓰레기 처리를 위한 방법에 관하여 게재한다. 더욱 상세하게는, 물에 불용성인 유기 화합물을 함유하는 음식의 준비, 요리 및 처분으로부터 발생하는 쓰레기의 처리에 관한 것이다. 즉, 100 내지 400℃(212 내지 752℉)의 온도 및 대응하는 포화수증기압(2 내지 200atm 또는 29.4 내지 2940psig) 보다 높은 압력에서 1 내지 720분 동안 음식물 쓰레기를 열적 가수분해하여, 가용화한 후 가용화된 유기물 및 불용성 미립자가 혐기성으로 소화되어 메탄을 생산한다. 이에 더 나아가, 열적 가수분해로부터 발생한 용해성 및 불용성 생성물들이 액체상의 혐기성 소화 이전에 분리될 수 있음에 관하여 교지한다. 또한, 고체상은 회수되어 소각되거나 퇴비화될 수 있음을 교지한다. 게다가, 종래의 음식물 쓰레기의 매립식 또는 소각 처분이 상당한 잇점을 제공하지만, 에너지 효율적이지 않으며, 가용화 또는 잔류 고체상으로부터 액체의 제거를 최대화하지 못함을 교지한다. 그러나, 용해성 분량의 생분해에 대한 저항성 또는 열적 가수분해로부터 생성된 암모니아를 최소화시키지는 못했다.
미합중국 특허 제5,888,307호(Solheim)는 하수 슬러지(sewage sludge)를 함유하는 유기 폐기물을 가용화하기 위하여 연속적으로 작동되는 4개의 증기 반응기로 구성된 연속적 다단계 시스템에 관하여 게재한다. 즉, 가열 비용을 최소화하고 에너지를 보존하기 위하여, 네번째 단계 반응기로부터 발생되는 플래시 증기(flash steam)가 첫번째 단계 반응기를 가열하기 위한 보충적 증기와 결합될 수 있음에 관하여 교지한다. 게다가, 세번째 단계 반응기로부터 발생되는 플래시 증기가 두번째 단계 반응기를 가열하기 위하여 사용될 수 있음을 교지한다. 또한, 가수분해가 160 내지 240℃(320 내지 464℉)의 온도 범위에서 일어나며, 향상된 가수분해를 위하여 산이 첨가될 수 있음을 교지한다, 그러나, 가수분해 과정에서 에너지 사용을 최적화지는 못하며, 더욱이, 혐기성 소화 이전에 가용화된 유기물 및 잔류 고형물을 분리하는 데 있어서의 어떤 잇점들에 관해서도 교지하지 못한다.
미합중국 특허 제5,525,229호(Shih)는 하수 슬러지, 도시 쓰레기, 동물성 오물 및 다른 고유기 물질과 같은 유기 물질들의 혐기성 소화를 위한 장치 및 방법에 관하여 교지한다. 즉, 혐기성 소화에 이용할 수 있는 용해성 유기물을 증가시키기 위한 혐기성 소화에 앞서, 위의 에들의 폐기물들의 세균성 가수분해(bacterial hydrolysis)에 관하여 공지한다. 또한, 가수분해 단계에 첨가되는 물질들을 예열하기 위한 소화 과정으로부터 발생하는 재순환 열(recycling heat)에 관하여 교지한다. 그러나, 이러한 세균성 가수분해 단계는 충분한 용해와 및 잔류 고형량을 최소화하기 위한 고형물 탈수화 가능성을 제공하지는 못한다. 따라서, 처분되어야할 고형 폐기물의 양을 최소화하는 데는 충분히 효과적이지 못하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 극복하고자 하였다.
발명의 요약
본 발명의 첫 번째 일면은 미립자 생분해성 유기 폐기물을 처리하는 방법이다. 상기 미립자 생분해성 유기 폐기물은 음식 쓰레기, 폐수 처리 생물 고형물, 생분해성 도시형 고형 쓰레기로부터 분리된 원료, 및 정원과 식물로 부터 발생하는 쓰레기(yard and garden "green" waste)를 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 방법은 미립자 생분해성 폐기물에 염기를 첨가하는 단계 및 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물을 함유하는 슬러리를 생산하기 위하여, 약 130℃ 이상의 온도 및 포화수증기압 이상에서의 압력, 바람직하게는 약 170℃ 이상의 온도 및 약 120psig 이상의 압력에서 미립자 생분해성 유기 폐기물이 열적 가수분해되는 단계를 포함한다. 가용화된 유기 물질은 잔류 고형물로부터 분리되며, 고농도 메탄가스를 생산하기 위하여 혐기성 소화가 진행된다. 염기는 휘발성 미립자 유기 물질의 약 1% 건조 중량까지 농도의 수산화 칼륨(KOH)이 바람직하다. 가수분해 온도는 약 130℃ 이상 및 170 내지 225℃의 범위가 바람직하며, 압력은 약 46.1psig 이상 및 약 120 내지 366psig의 범위가 바람직하다. 이에 더 나아가, 본 발명의 방법은 열적 가수분해 이전에 가용화된 유기 물질과 미립자 생분해성 유기 폐기물을 가열하는 것을 포함한다. 혐기성 반응기는 고농도 메탄가스를 생산하기 위하여 미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 분리된 액체를 수용하는 제1차 액체/고체 분리기(separator)와 작동적으로 결합된다.
바람직한 실시예에서, 열적 가수분해 반응기는 증기 가수분해 반응기의 일종이다. 이에 더 나아가, 상기 실시예의 장치는 제1차 액체/고체 분리기로부터 발생하는 탈액화된 미립자 생분해성 유기 폐기물를 수용하며, 탈액화된 미립자 생분해성 유기 폐기물을 증기 가수분해 반응기에 제공하는 프리-스티밍 빈(pre-steaming bin)을 포함한다. 증기 플래시 탱크(steam flash tank)는 가용화된 유기 물질 및 증기 가수분해 반응기의 잔류 고형물을 수용한다. 증기 회수 회로(steam recovery circuit)는 예비-스티밍 빈과 작동적으로 결합되어, 증기 플래시 탱크가 증기 플래시 탱크로부터 예비-스티밍 빈으로 회수한 증기를 재순환시킨다.
희석수원(source of dilution water)이 미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 분리된 액체를 희석하기 위하여 혐기성 반응기와 작동적으로 결합될 수 있다. 희석수원은 제2차 폐수 처리 설비의 배출수일 수 있다. 입도 선별기(particle sizer)는 바람직하게 열적 가수분해 이전의 미립자 생분해성 폐기물을 선별 입도 이하로 분류하기 위하여 제공된다. 가용화된 유기 물질로부터 분리된 잔류 고형물은 바람직하게 퇴비화된다. 또한, 바람직한 일실시예에서 미립자 생분해성 유기 폐기물에 염기를 첨가하기 전에 폐기물은 0.25 내지 2.0" 입자로 선별된다. 열적 가수분해를 위한 열은 증기에 의하여 제공될 수 있다. 바람직하게는 미립자 생분해성 유기 폐기물이 가용화된 유기 물질과 혼합된 후 미립자 생분해성 유기 폐기물이 혼합된 가용화된 유기 물질과 함께 가열된다. 혼합 단계 이후에, 가용화된 유기 물질을 함유하는 액체는 예열된 미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 제거되고, 상기 제거된 액체가 혐기성 소화된다. 이에 더 나아가, 본 발명의 방법은 미립자 생분해성 유기 폐기물을 예열하기 위하여 열적 가수분해 이전에 열적 가수분해로부터 발생한 잔류 증기가 미립자 생분해성 유기 폐기물로 재순환되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 면은 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물을 함유하는 슬러리를 생산하기 위하여 바람직하게 약 130℃ 이상의 온도와 바람직하게 약 포화수증기압 또는 포화수증기압 이상의 압력에서 미립자 생분해성 유기 폐기물이 열적 가수분해되는 것을 포함하는 미립자 생분해성 유기 폐기물을 처리하는 방법이다. 가용화된 유기 물질은 잔류 고형물로부터 분리된다. 열적 가수분해 단계 이전에, 미립자 생분해성 유기 폐기물이 분리된 가용화된 유기 물질을 이용하여 가열된다. 이러한 예열 단계 이후 및 열적 가수분해 단계 이전에 가용화된 유기 물질을 함유하는 액체는 예열된 미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 분리되어 고농도 메탄가스를 생산하기 위하여 혐기성 소화가 수행된다.
본 발명의 또 다른 면은 미립자 생분해성 유기 폐기물을 처리하기 위한 장치이다. 장치는 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하는 주입 혼합 탱크(feed blend tank)를 포함한다. 제1차 액체/고체 분리기가 주입 혼합 탱크로부터 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하고, 미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 액체를 분리한다. 열적 가수분해 반응기가 제1차 액체/고체 분리기로부터 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용한다. 제2차 액체/고체 분리기는 잔류 고형물로부터 가용화된 유기 물질을 분리하기 위하여 열적 가수분해 반응기로부터 가용화된 유기 물질과 잔류 고형물을 수용한다. 재순환 콘딧(recirculating conduit)이 가용화된 유기 물질을 주입 혼합 탱크로 운반한다. 컴포스터(composter)가 제2차 액체/고체 분리기로부터 잔류 고형물을 수용하기 위하여 제공될 수 있다. 세광 장치(elutriation device) 또는 세척 장치(washin device)가 잔류 고형물로부터 염을 제거하기 위하여 제2차 액체/고체 분리기와 작동적으로 결합될 수 있다. 화학약품 공급원(chemical supply)이 가수분해 이전의 미립자 생분해성 유기 폐기물에 염기를 제공하기 위하여 주입 혼합 탱크와 작동적으로 결합될 수 있다. 혐기성 반응기는 상향류식 혐기성 슬러지 블랭킷 반응기(Upflow anaerobic sludge blanket reactor : UASB reactor)일 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치는 미립자 음식 쓰레기, 폐수 처리 생물 고형물, 정원과 식물로 부터 발생하는 쓰레기(yard and garden "green" waste) 및 유기 도시 고형 쓰레기로부터 분리된 원료를 포함하나, 이에 한정되지 않는 일종의 미립자 생분해성 유기 폐기물을 처리하기 위한 경제적으로 적합하고 환경학적으로 양호한 시스템을 제공한다. 이러한 본 발명의 방법 및 장치는 미립자 생분해성 유기 폐기물의 양을 상당히 감소시킬 뿐만 아니라, 고농도 메탄가스를 생산하는 잇점을 갖는다. 처리 과정중에 발생한 잔류 고형물은 토양 개질 또는 다른 가치있는 부산물을 생산하기 위하여 퇴비화될 수 있으며, 소각되어 유용한 에너지로 재생되거나, 상당히 감소한 양으로 매립식으로 처리될 수 있다. 더욱 효율적인 혐기성 소화, 작은 혐기성 소화기(digester), 비용이 절약되는 소화기 및 체류 시간의 단축 및 유용한 메탄가스의 생성을 최대화하기 위하여, 가용화된 유기물로부터 고형물을 분리하는 것이 허용된다.
도 1은 본 발명 제1 실시예의 개략적 블록도이다.
도 2는 본 발명 제2 실시예의 개략적 블록도이다.
도 3은 실시예들중 작동 넘버 19(Cook No.19)에 대한 여과율 대 여과시간을 나타낸 그래프이다.
미립자 생분해성 유기 폐기물의 열적 가수분해 및 혐기성 처리를 위한 장치(10)의 제1 실시예가 도 1에 개략적으로 도시된다. 입도 선별기(particle sizer, 12)는 쉬레더(shredder)형 또는 그라인더(grinder)형일 수 있으며, 처리해야 할 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하여 1/4" 내지 2" 입도로 선별한다. 상기 입도 선별기는 원하는 크기의 입자를 만들기 위하여 기술 분야에서 알려진 적합한 어떤 장치도 될 수 있다. 주입 혼합 탱크(feed blend tank, 14)는 입도 선별기(12)로부터 분류된 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용한다. 또한, 상기 주입 혼합 탱크(14)는 고비중의 물질을 가라앉힌 후 분리하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 주입 혼합 탱크(14)는 미립자 생분해성 유기 폐기물을 혼합하기 위해 적합한 교반기(agitator)를 포함할 수 있으며, 그 이유는 하기에서 명확하게 설명된다.
제1차 액체/고체 분리기(liquid/solid separator, 16)는 주입 혼합 탱크(14)로부터 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용한 후 미립자 유기 폐기물로부터 액체를 분리한다. 제1차 액체/고체 분리기(16)은 스쿠루 프레스(screw press), 원심분리기 또는 기술 분야에서 알려진 어떤 다른 액체/고체 분리기일 수 있다. 열적 가수분해 반응기(thermal hydrolysis reactor, 18)는 미립자 유기물을 가용화할 목적으로 탈수된 미립자 생분해성 유기 물질을 수용한다. 바람직한 제1 실시예를 도시한 도 1에서, 일단 예비-증기 빈(pre-steam bin, 20)이 탈수된 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용한 후 증기원(steam source, 22)으로부터 나오는 증기가 미립자 생분해성 유기 폐기물을 예열하기 위하여 예비-증기 빈에 주입된다. 상기 예비-증기 빈에 있는 물질이 증기 가수분해 반응기(steam hydrolysis reactor, 18)로 이동된다. 증기원(22)의 증기를 더 가한 후, 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물을 함유하는 슬러지를 생산하기 위하여, 약 130℃의 온도, 바람직하게는 적어도 약 170℃의 온도 및 포화수증기압 이상의 압력에서 열적 가수분해가 수행된다. 상기 온도는 약 130 내지 225℃의 범위일 수 있으며, 압력은 46.1 내지 370psig의 범위일 수 있다. 가수분해는 가용화된 미립자 생분해성 유기 폐기물의 양을 최대화하고, 잔류 고형물의 탈수성을 최적화하며, 암모니아의 생성 및 생분해에 대한 용해성 유기 화합물의 저항력을 최소화하기 위한 온도, 압력, 시간에서 수행된다. 따라서, 상기의 목적들 중 하나 이상이 최적화된다면, 상기 온도 및 압력이 다소 변경될 수 있다. 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물이 증기 플래시 탱크(steam flash tank, 24)로 유입되고, 상기 증기 플래시 탱크에서 증기가 재사용을 위하여 회수될 수 있으며, 증기 가수분해 이전에 미립자 생분해성 유기 폐기물을 예열하기 위하여 통상적인 응축기(condenser)를 이용하여 26의 콘딧(conduit, 26)을 통하여 예비-증기 빈(20)으로 재순환된다. 바람직한 실시예는 직접적으로 증기를 가함으로서 제공되는 열에 의한 열적 가수분해이지만, 간접적인 증기 가열이나, 기타 다른 직접 또는 간접적인 가열원이 본 발명의 범위내로 고려된다.
화학 약품 공급원(chemical supply, 28)이 가수분해 및 잔류 고형물의 탈수를 향상시키기 위하여 열적 가수분해 이전에 미립자 유기 폐기물에 화학 약품을 공급하기 위하여 제공될 수 있다. 바람직한 화학 약품으로는 산 또는 염기일 수 있다. 상기 산으로는 염산, 질산, 아황산, 중아황산 및 황산을 포함하나, 이에 한정되지 않고 사용될 수 있다. 염기로는 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 수산화 칼슘 및 수산화 마그네슘을 포함하나, 이에 한정되지 않는 수용성 수산화물이 사용될 수 있으며, 현재 수산화 칼륨이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 염기가 알칼리성을 제공하고 적합한 pH 환경을 유지하기 위하여 사용되며, 염기 처리된 가용화된 유기물이 혐기성 처리되며, 이에 대해서는 하기에서 설명된다.
상기에서 설명된 열적 가수분해 반응기(18)는 연속적 주입 반응기(continuous feed reactor)이지만, 이를 대신하여 회분식 가수분해 공정(batch type hydrolysis process)이 사용될 수도 있다. 회분식 가수분해 공정에서는 예비-증기 빈(20)이 주입 빈(feed bin)으로 대체되며, 예비-스티밍 및 가수분해 기능은 바람직한 수준의 유기 미립자 물질의 가용화를 제공하기 위한 pH, 온도, 압력 및 체류 시간 조건이 유지되는 단일 회분식 반응기에서 모두 수행된다.
가용화된 유기물 및 잔류 고형물이 제2차 액체/고체 분리기(second liquid/solid separator, 30)로 유입된다. 제1차 액체/고체 분리기(16)와 마찬가지로 제2차 액체/고체 분리기(30)도 스쿠루 프레스 또는 고 고형물 원심분리기(high solid centrifuge) 등의 통상적인 분리기일 수 있다. 선택된 액체/고체 분리기는 잔류 미립자의 성질 및 냄새 문제를 경감시킬 필요성에 따라 결정된다. 만일 잔류 고형물로부터 염이나 다른 수용성 오염물을 제거하고자 하면, 액체/고체 분리 단계에 세척/세광(washing/elutriation)이 더 포함될 수 있다. 탈수된 잔류 고형물은 고형물 수용 탱크(solids receiving tank, 31)로 운반된 후 퇴비화가 수행되어 토양 개질이나 비료로 사용되는데, 이에 대해서는 하기에서 더 논의될 것이다.
제2차 액체/고체 분리기(30)의 액체는 32의 콘딧을 경유하여 미립자 생분해성 유기 폐기물과의 가수분해 반응으로부터 가용화된 액체에서 잔류열을 교환하기 위하여 주입 혼합 탱크(feed blend tank, 14)로 재순환된다. 이러한 열 교환은 물질의 흐름과 분리가 유지되는 통상적인 열 교환 장치로 수행될 수 있다. 바람직하게, 가용화된 액체가 미립자 생분해성 유기 폐기물과 혼합되어 열교환을 가져온다. 이 후에는, 상기에서 설명한 바대로, 가용화된 유기물을 함유하는 액체가 제1차 액체/고체 분리기(16)에 의하여 미립자성 생분해성 유기 폐기물로부터 분리된다. 상기 분리된 액체가 34의 콘딧을 통하여 혐기성 반응기(anaerobic reactor, 36)로 유입된다. 필요하거나 원하는 경우, 희석수원(dilution water source, 38)으로부터 희석수가 혐기성 반응기(36)에 첨가될 수 있다. 상기 희석수는 제2차 폐수 처리 설비 배출수 또는 기타 다른 적합한 휘석수원일 수 있다. 혐기성 반응기로부터 고농도 메탄가스가 수집되어 에너지 회수를 위하여 사용된다. 혐기성 반응기로부터 처리된 배출수는 종래의 폐수 처리 설비로의 운반을 포함하는 기타 적절한 방법으로 처분될 수 있다. 혐기성 처리를 위한 액체는 통상적인 폐수 처리 설비에서의 처분을 필요로 할 수 있다. 수용 환경(receiving environment)으로의 배출 조건으로서 한계는 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD), 총 산소요구량(total oxygen demand, TOC) 또는 잔류 유기 물질 및 암모니아의 다른 분석 측정으로서 측정되는 비분해 용해성 유기 화합물을 포함하여, 배출수의 잔류 유기 화합물의 총 산소요구의 양 또는 농도에 달려 있다. 따라서, 용해성 유기 화합물의 생분해에 대한 저항뿐만 아니라 암모니아의 형성을 최소화하기 위한 방법에 있어서, 본 발명의 열적 공정을 수행하는 것이 중요할 수 있다. 결국, 혐기성 반응기(36)로부터 회수된 생물 고형물은 퇴비화, 에너지를 생산하기 위한 연소 또는 다른 처분을 위하여 고형물 수용 탱크(solids receiving tank, 31)내의 탈수 잔류 고형물과 혼합될 수 있다.
중균성(mesophilic) 또는 호열성(thermophilic) 혐기 공정이 본 발명에 적용될 수 있다. 중균성 온도 범위내에서 수행되는 혐기 공정이 호열성 온도 범위내에서 수행되는 공정보다 더 높은 메탄화 및 처리 안정성을 달성할 수 있다.
혐기성 접촉(anaerobic contact), 혐기성 여과(anaerobic filter), 혐기성 유체 베드(anaerobic fluid bed), 상향류식 혐기성 슬러지 블랭킷(Upflow anaerobic sludge blanket: UASB), 혐기성 막 생물 반응기(anaerobic membrane bioactor) 및 상기 혐기성 방법 및 장치들의 배합이 포함하나, 이에 한정되지 않는 여러 가지 알려진 방법 및 장치들이 가수분해 액을 처리하기 위한 본 발명의 방법 및 장치와 함께 사용될 수 있다. 이러한 것들 중에서, USAB 장치는 특별히 20 내지 35kgCOD/m3/day의 범위에서 무기적 로딩(inorganic loading)으로 운전할 수 있는 여러 제조업체들에 의하여 개발되고 특허받은 초고속 반응기가 가장 기능적이고 가격면에서 효과적이다. 대표적인 제조업체와 그들의 모델로는 바이오탄 코오퍼레이션즈 바이오베드(Biothane Corporation's Biobed) 및 파쿠즈 비브이즈 인터널 서큘레이션 UASB(Paques BV's Internal Circulation Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor, IC-UASB)를 포함한다. 용해된 유기물의 농도 및 가수분해 액의 예상 암모니아 농도를 고려할 때, 혐기성 처리 이전에 휘석할 필요가 있을 것이다. 앞서 논의된 바와 같이, 제2차 폐수 처리 배출수가 적합하고 경제적인 희석수일 것이다.
미립자 생분해성 유기 폐기물의 열적 가수분해 및 처리를 위한 장치(40)의 제2 실시예가 도 2에 도시된다. 제2 실시예는 앞서 도 1과 관련하여 논의된 미립자 생분해성 유기 폐기물의 열적 가수분해 및 처리를 위한 장치(10)의 제1 실시예와 유사하지만, 여러가지가 강화된 것이다. 장치의 앞면 말단에 있는 미립자 생분해성 유기 폐기물을 위한 수용 및 처리 장치(receiving and processing apparatus, 42)가 제공된다. 이러한 장치는 비닐 봉지(plastic bag)의 파단 및 제거 또는 파쇄; 스크리닝 분별(screening separation), 중력 분별(gragvity separation), 자기 분별(magnetic separation) 및/또는 수동 분별에 의한 유리, 목재, 종이, 플라스틱, 금속 등의 오염물의 제거; 입도에 따른 분류와 파쇄 및 폐기물 생물 고형물과의 혼합을 목적으로 한다. 상기 수용 및 처리 장치(42)는 컨베이어(conveyor, 46) 또는 다른 적합한 운반 장치에 의하여 그라인더(grinder)형 또는 쉬래더(shredder)형일 수 있는 입도 선별기(particle sizer, 48)로 연결된 음식 쓰레기 수용 및 저장 탱크(storage tank, 44)를 포함한다. 입도 선별기(48)에 있는 물질이 삼중막 스크린(trammel screen, 50)으로 운송된다. 삼중막 스크린(50)을 통과한 물질이 한 쌍의 배치 펄프 제조기(batch pulper, 52, 54)로 주입되는데, 상기 배치 펄프 제조기가 매립식 쓰레기 토트(landfill waste tote, 56)로 배출되는 무기 폐기물용 스크린을 돕는다. 유사한 방법으로 삼중막 스크린(50)에 의하여 포획된 무기 물질들이 매립식 쓰레기 토트(56)에 축적된다. 배치 펄프 제조기(52, 54)에 있는 유기 물질은 주입 혼합 탱크(58)로 운반된 후, 스크루 프레스(screw press), 고밀도 고형물 원심분리기(high centrifuge) 또는 다른 알려진 액체 고체 분리기일 수 있는 제1차 액체 고체 분리기(60)로 운송된다.
분리된 고형물은 연속 가수분해 장치(continuous hydrolysis apparatus, 62)로 운반된다. 연속 가수분해 장치(62)와 제1차 액체/고체 분리기(60) 사이에 미립자 생분해성 유기 폐기물을 예열하기 위하여 예비-증기 빈(pre-steam bin, 64)이 있는 것이 바람직하다. 연속 가수분해 장치(62)에서의 처리 후, 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물은 블로우 탱크(blow tank, 66)로 배출된다. 회수된 증기가 68의 콘딧에 의하여 예비 증기 빈(64)까지 운반되어 미립자 생분해성 유기 폐기물을 예열한다. 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물이 블로우 탱크(66)에서 제2차 액체/고체 분리기(70)까지 통과하는데, 상기 제2차 액체/고체 분리기는 제1차 액체/고체 분리기(60)와 같은 형태일 수 있다. 상기 잔류 고형물이 C:N 컴포스팅 시스템(C:N Composting System, CH2M HILL, Inc.,)과 같은 퇴비화 시스템 또는 기타 다른 적절한 퇴비화 시스템(composting system, 72)으로 배출될 수 있다. 상기 C:N 컴포스팅 시스템은 "재배치형 유체를 갖는 휴대용 퇴비화 시스템(Portable Composting System with Reconfiguration Air Flow)" 제목의 미합중국 특허 제6,383,803호에 공개되며, 여기에 온전하게 참조로써 포함된다. 선택적으로 상기 고형물은 종래의 연료 또는 매립식 쓰레기 처분으로 적합할 수 있다.
가용화된 유기 물질을 함유하는 분리된 액체가 잔류 여과 탱크(filtrate tank, 74)를 지나 76의 콘딧을 통하여 주입 혼합 탱크(58)로 재순환되며, 상기 주입 혼합 탱크(58)에서 액체가 미립자 생분해성 유기 폐기물을 예열하기 위하여 사용되며, 이는 제1 실시예와 관련하여 논의된 바와 같이, 물질의 흐름과 섞이지 않는 어떤 열 교환기를 사용하여 수행될 수 있다. 바람직하게는 상기 액체가 미립자 생분해성 유기 폐기물과 혼합되는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 가용화된 유기물 및 다른 액체들은 제1차 액체/고체 분리기(60)에서 미립자 생분해성 폐기물로부터 제거된 후 소화 주입 여과 탱크(digester feed filtrate tank, 78)로 배출된다. 액체들은 소화 주입 여과 탱크에서부터 예비-산화 탱크(pre-acidification, 80)로, 상기 예비-산화 탱크로부터 혐기성 반응기 장치(anareobic reactor apparatus, 82), 바람직한 실시예에서 초고속 USAB 반응기로 유입된다. 가용화된 액체내의 탄수화물과 같은 복합 유기물이 연속 가수분해 장치(62)에서 대부분 유기산으로 전환된다면, 예비산화 탱크(80)가 필요하지 않을 수 있다. 혐기성 반응기(82)에서 생산되는 고농도 메탄가스가 연속 가수분해 시스템(62)에서 사용되는 증기를 발생시키기 위하여 생물 가스/증기 보일러(biogas/steam boiler, 84)에서 이용될 수 있다. 상기 생물 가스/증기 보일러까지는 86의 콘딧에 의하여 운반된다. 부수적 천연 가스 또는 프로판은 가스원(gas source, 88)으로부터 생물 가스/증기 보일러까지 공급될 수 있다. 혐기성 반응기(anaerobic digester, 82)로부터 배출된 배출수는 바람직하게 잠열이 휘석수를 예열하기 위하여 사용되는 열 교환기(heat exchanger, 90)를 경유하며, 상기 배출수는 도시형 폐수 처리 설비 배출수를 포함할 수 있고, 퇴비화 시스템(72)로 주입되기 이전에 염 세광 및/또는 잔류 고혐물을 희석하는데 사용된다. 도 1에서 논의된 제1 실시예 장치(10)와 마찬가지로, 화학 약품 주입 탱크(chemical feed tank, 92)가 가수분해 및 탈수성을 향상시키기 위하여 산 또는 염기를 열적 가수분해 장치(62)에 공급할 수 있다.
도 2의 바람직한 실시예에서, 냄새 조절 시스템(odor control system, 94)이 수용 및 처리 장치(42), 제1차 액체/고체 분리기(60), 제2차 액체/고체 분리기(70) 및 퇴비화 시스템(72)과 작동적으로 결합되어 제공될 수 있다. 상기 냄새 조절 시스템은 "모듈러 생여과기 유닛(Modular Biofilter Unit)" 제목으로 2000년 11월 9일자로 출원된 미합중국 특허출원 제09/790,837호에서 공개된 바 있는 바이오클린(BIOCLEAN)이 바람직하며, 이는 온전히 참조로써 여기에 포함되나, 기타 다른 공지된 냄새 조절 장치 또는 시스템일 수 있다.
만약 미립자 생분해성 유기 폐기물이 고농도의 염을 함유한다면, 토양 개질제 또는 비료로 성공적으로 사용될 수 있는 퇴비 생성물을 생산하기 위하여, 염을 제거하기 위하여 가수분해 이후에 남아있는 잔류 고형물을 세척할 필요가 있을 수 있다. 이것은, 하나의 실시예에서, 제2차 액체/고체 분리 장치(70)와 함께 사용되는 스크리닝(screening) 장치 및 농축 장치 위의 블로우 탱크(blow tank, 66)로부터 발생하는 슬러리를 통과시킴으로서 수행된다. 가수분해 액이 스크린을 통과한 후 여과 탱크(74)에 주입되고, 잔류 고형물은 스크린 위에 남는다. 염 제거를 더욱 향상시키기 위하여, 폐수 처리 시스템 배출수로부터 제공될 수 있는 물을 잔류 고형물에 분무한다. 잔류 고형물이 상기에서 설명한 바대로 탈수화되고, 폐수가 잔류 여과 탱크(74)로 유입된다.
시험 물질:
다양한 작동 조건 하에서의 가수분해 및 다른 작동 조건하에서의 가용화된 유기물의 혐기성 소화에 대한 효율을 평가하기 위하여 많은 실험실 시험(bench test)을 수행하였다. 하기 실시예들에서 사용된 주입 저장물(feed stock)은 시애틀시 지역에 있는 한국 음식점으로부터 얻은 음식물 쓰레기로부터 취하였다. 음식 쓰레기 중 대략 80갤런이 3곳의 한국 음식점으로부터 수집되어, 냉장실에 보관되었다. 2개의 강력한 가정용(쓰레기용, garbage) 분쇄기가 미립자 쓰레기를 대략 3/16" 이하의 크기 입자로 분쇄하기 위하여 사용되었다. 음식물 쓰레기를 분쇄한 후 2개의 50-갤런 피복 강철 드럼에 투입되었으며, 하기 시료 A 및 시료 B로 나타내었다. 시료 A는 처음 9개의 가수분해 처리 시험용(작동 "cook" 번호 1 내지 9) 으로 사용되었으며, 시료 B는 작동 번호 10 내지 19으로 사용되었고, 하기에 더 상세하게 설명된다. 시료들은 조단백질(Crude Protein), 조섬유(Crude Fiber), 조지방(Crude Fat) 및 회분(Ash)의 함량을 결정하기 위하여 분석되는데, 이러한 데이터가 하기 표 1에 제시된다.
구분 조단백질(%) 조섬유(%) 조지방(%) 회분(%)
시료 A 18.7 14.2 18.8 6.87
시료 B 18.2 14.7 17.9 6.62
열적 가수분해:
열적 가수분해 처리 연구가 브리티시 콜롬비아, 사보나의 오로라 기술 제품 회사(Aurora Technical Products of Savona, British Colunbia)에 의하여 제조된 실험실 규모의 반응기 시스템(bench-scale reactor system)을 사용하여 수행되었다. 시험 장치는 전기적으로 가열되도록 하였고, 교반기를 장착한 11.6ℓ의 스테인레스 압력 용기, 산소 주입 시스템, "작동(cook)" 동안 및 열을 식히는 동안 작동의 완료점에서 생성된 증기를 감소시키기 위한 헤드스페이스 배출 시스템(headspace vent system) 및 공기압 조작 배출 밸브(air-operated drain valve)를 사용하였다. 또한, 회분식 소화기는 밸브에 의하여 인접한 "블로우 탱크(blow tank)"에 연결되어, 산소 작동의 말단(end of an oxygen cook)의 소화 내용물을 반응기의 압력을 이용하여 운반한다. 반응기(185℃의 포화온도에서)는 150 pounds psig의 압력 등급을 갖는다.
본 연구를 위하여, 오로라 회분식 소화기 시스템은 하기와 같이 변경되었다. 헤드스페이스 배출 시스템은 대략 얼음과 물을 담고 있는 약 20ℓ의 플라스틱 통에 놓인 코일형 구리관에 연결되었다. 이러한 변경은 소화 동안 및 작동 장치 말단에서의 압력 감소 동안에 생산되는 증기량을 응축, 포획 및 측정하는 수단을 제공하였고, 이로인하여 화학적 특성을 나타내는 응축액의 시료를 얻었다. 증기 손실을 최소화하기 위하여, "블로우 탱크(blow tank)"가 작동 장치 말단에서의 반응기 내용물을 수집하는데 사용되지 않았고, 대신에 소화기는 반응기 바닥에 있는 공기압 조작 배출 밸브을 통하여 비워졌는데, 결국 약 2psig의 압력이 헤드스페이스 배출 시스템을 통하여 소화기로부터 감소되었다.
잔류의 가수분해되지 않은 고형물의 탈수 또는 액체/고체 분리가 실험실 진공 공급 및 와트만 40 여과지에 연결된 12inch 부흐너 여과기(Buchner funnel)로 구성된 펄프 탈수 장치(wood pulp dewatering apparatus)를 이용하여 수행되었다. 조건을 조절한 다양한 소화기로부터 잔류 고형물의 상대적 탈수성(relative dewaterability)을 비교하기 위하여, 4inch 부흐너 여과기 및 와트만 40 여과지를 사용한 표준 진공 여과 시험 과정이 가순분해 반응기로부터 추출된 작은 시료들에 대하여 사용되었다. 다른 소화 조건 하에 생성된 잔류 고형물의 상대적 탈수성이 결정되었는데, 이는 X축 절편을 갖는 배출 속도(drainage rate) 대 1/시간 (drops/분 대 1/배출 시간)을 나타내는 점들을 이은 선의 기울기를 비교함으로써 결정되었다. 낮은 기울기(평평할수록)란 고형물로부터 액체가 더 많이 쉽게 배출됨을 나타낸다. 이러한 경우를 도 3에 도시하였는데, 하기 표 2에 설명되는 작동 번호 19에 대한 여과율(drops/분) 대 1/여과시간(1/분)을 나타낸다. 배출이 정지될 것으로 예측되는 시간이 X축 절편으로부터 결정되었다. 각 여과는 30분 후에 정지되었다. 여과 침전물(filter cake)의 중량이 측정되고, 중량이 일정할 때까지의 건조된 중량을 재측정하여 잔류 고형물의 상대적 수분 함량을 결정하였다.
처음에는 가수분해를 130℃의 온도에서 시도하였는데, 효율이 불충분하였다. 따라서, 이후부터는 적어도 170℃의 온도에서 가수분해를 수행하였다. 19개의 시험 운전들에 대한 열적 가수분해 반응기 작동(cooking) 조건들이 하기 표 2에 요약된다.
작동번호 주입 배치 온도(℃) 작동 시간(분) 화학약품첨가 기타 (comments)
1 A 170 60 -
2 A 190 60 - 운전중단, 온도유지 불가
3 A 170 15 -
4 A 170 120 -
5 A 170 60 1% NaOH
6 A 170 60 5% NaOH 가수분해 액 고형물 여과 불가
7 A 170 60 1% Ca(OH)2 반응기에서의 방출로 가수분해액 손실
8 A 170 60 5% Ca(OH)2 가수분해 액 고형물 여과 불가
9 A 170 60 5% KOH
10 B 170 15 -
11 B 170 60 1% Ca(OH)2
12 B 170 60 1% H2SO4
13 B 170 60 2.5% H2SO4 운전중단, 가열기 고장
14 B 170 60 2.5% H2SO4
15 B 170 240 -
16 B 170 240 5% KOH
17 B 170 240 5% H2SO4
18 B 170 60 2.5% KOH
19 B 170 60 0.96% KOH
이용할 수 있는 데이터를 제공하는 14개의 작동들에 대한 가용화 정도, 즉 가용화된 총 주입 고형물(solubilized total feed solids), 가용화된 휘발성 주입 고형물(solubilized volatile feed solids), 여과 침전 고형물(filter cake solids), 주입량 감소 정도(feed vol. reduction)가 하기 표 3에 요약된다.
작동번호 주입배치 작동 조건(온도/시간/화학약품) pH 가용화된총 주입고형물(%) 가용화된휘발성 주입고형물(%) 여과 침전고형물(%) 주입량감소정도(%)
3 1 170/15/- 4.23 65.2 67.8 50.0 84.0
10 2 170/15/- 4.04-4.3 61.9 63.8 41.8 79.2
1 1 170/60/- 4.30 58.0 58.9 42.8 77.4
4 1 170/120/- 4.47 69.5 72.6 52.8 86.7
15 2 170/240/- 3.64-3.92 66.4 64.4 48.5 84.2
5 1 170/60/1% NaOH 4.90 51.2 52.6 44.8 74.9
19 2 170/60/0.96% KOH 3.87-3.95 65.9 62.3 50.5 87.3
18 2 170/60/2.5% KOH 4.02-4.25 66.9 63.2 40.3 83.8
9 1 170/60/5% KOH 4.52-5.15 69.9 71.5 44.4 84.4
16 2 170/240/5% KOH 4.45-4.70 73.3 70.0 42.1 83.8
11 2 170/60/1% Ca(OH)2 3.75-3.85 59.5 62.1 39.1 76.4
12 2 170/60/1% H2SO4 3.35-3.85 58.4 60.4 45.8 79.3
14 2 170/60/2.5% H2SO4 3.15-3.6 57.6 55.0 54.4 82.2
17 2 170/240/5% H2SO4 2.63-2.9 62.7 55.5 51.0 84.9
상기 데이타로부터 작동한 온도에서 15 내지 240분의 범위내에서 작동 시간을 길게하는 것이 가용화 정도를 상당히 증가시키는지는 명확하지 않다. 그러나, 이러한 결과가 실험실 규모의 배치 반응기가 온도에 따라 취할 필요가 있는 1 내지 2.5시의 작동 시간 범위내에서는 영향받을 수 있다. 약 170℃ 이상의 온도에서 작동하는 연속 반응기에서 15 내지 60분이 거의 최대의 가용화도에 도달하기 위한 적절한 시간 및 온도일 것이다.
앞서 설명한 4inch 부흐너 여과기 표준화된 시험을 사용하여 얻은 여과 침전물 건조도(filter cake dryness) 즉, 여과 침전 고형물(filter cake solids), 여과 침전 회(filter cake ash) 및 상대적 여과성(relative filterability)이 하기 표 4에 요약된다.
작동번호 주입배치 작동 조건(온도/시간/화학약품) pH 여과 침전고형물(%) 여과침전회(%)상대적 여과성
기울기(drops) 시간(분)
10 B 170/15/- 4.04-4.3 41.8 13.9 179 63.8
4 A 170/120/- 4.47 52.8 18.5 262 32.6
15 B 170/240/- 3.64-3.92 48.5 3.9 118 32.6
19 B 170/60/0.96% KOH 3.87-3.95 50.5 2.2 79 24.4
18 B 170/60/2.5% KOH 4.02-4.25 40.3 6.3 340 24.4
9 A 170/60/5% KOH 4.52-5.15 44.4 13.9 571 70.5
16 B 170/240/5% KOH 4.45-4.70 42.1 8.9 290 51.4
11 B 170/60/1% Ca(OH)2 3.75-3.85 39.1 15.1 220 72.3
12 B 170/60/1% H2SO4 3.35-3.85 45.8 13.8 113 37.4
14 B 170/60/2.5% H2SO4 3.15-3.6 54.4 3.8 176 37.9
17 B 170/240/5% H2SO4 2.63-2.9 51.0 4.5 138 24.5
3 A 170/15/- 4.23 16.1
1 A 170/60/- 4.30 11.1
5 A 170/60/1% NaOH 4.90 11.8
여과 속도(또는 여과율, filtration rate) 대 1/시간을 도시한 결과로부터 결정된 기울기 및 X-축 절편의 비교를 근거로, 여과성은 가수분해 액의 pH가 4.0 이하일 때 향상되는 경향을 나타냈다. 그러나, 적은 양의 수산화 칼륨(약 주입 고형물의 건조 중량에 대하여 1중량%)을 배치 시험에 첨가하였을 때가 여과성이 가장 높았다.
혐기성 소화 처리성:
주입 탱크, 주입 펌프, 고밀도 과립형 혐기성 생물 고형물을 함유하는 USAB 반응기, 재순환 펌프, 가스 수집 부대(gas collection bag) 및 배출수 탱크, 플라스틱 배관에 의하여 연결된 모두로 이루어진 실험실 규모의 USAB 시스템이 연속적 주입 혐기 처리성 연구를 위하여 사용되었다. USAB 반응기는 직경이 10.2cm(4inch)이고 높이가 55.8cm(20inch)인 투명한 PVC 칼럼으로 이루어지며, 원뿔형의 바닥과 총 4.3ℓ의 용량을 갖는다. 액체 및 생물 고형물이 3.6ℓ를 차지하며, 나머지 0.7ℓ가 가스 수집을 위한 헤드스페이스(headspace)로의 역할을 한다. USAB는 주입과 재순환을 위한 입구, 주입 흐름과 재순환 흐름을 공급하는 바닥 깔대기(bottom funnel) 및 배출수와 생물 가스를 유출/재순환하는 출구를 장착하고 있다.
USAB는 처음에 와싱톤의 리치랜드에 있는 펜포드 전분 처리 공장(Penford Starch Processing Plant in Richland, Washington)에서 완전-규모의 USAB 폐수 처리 시스템으로부터 얻은 과립형 혐기성 생물 고형물 0.9ℓ로 채워져 있다. 받았을 때 과립형 생물 고형물은 93.5g/ℓ의 총 고형물 농도를 가지며, 61.6g/ℓ(65.9% 휘발성)의 휘발성 고형물 농도를 갖는다.
주입 흐름 속도 및 재순환 속도는 혐기성 처리 연구의 연속적 주입 상태 동안 거의 일정한 속도로 유지된다. USAB는 5가지 연속적 체적 로딩 속도(volunetric loading rates, VLRs)로 작동하도록 설정되었는데, 상기 5가지 연속적 체적 로딩 속도는 4, 8, 16, 30 및 36이며, 여기서 단위는 1일 당 반응기 체적의 ℓ당 유입 용해성 COD의 그램(g SCOD applied/L-d)이다. 이러한 설정 유기 로딩 속도(target organic loading rates) 에 도달하기 위하여, 주입물은 가수분해 액으로부터 2-일 배치(2-day batches)내에서 준비되었고, 바람직한 SCOD 농도를 갖게 하기 위하여 탈이온화된 물로 희석되었다. 적절한 무기 영양물을 확보하기 위하여 적절한 무기 영양물을 보충적 무기 거대- 및 미세- 영양물과 알칼리성이 SCOD 농도에 비례하여 주입물에 첨가되었다. 5가지 유기 로딩 조건에 대한 설정 체적 로딩 속도(Target VLR), 실제 체적 로딩 속도(Actual VLR), 용해성 COD와 용해성 BOD5 적용 기초(soluble COD and soluble BOD5 applied basis)하에 계산된 휘발성 쓰레기에 대한 적용 먹이의 비율(food applied-to-volatile mass ratio, Fa/Mv) 및 주입 흐름에 기초한 반응기에서의 수리학적 체류 시간(hydraulic retention time, HRT)이 하기 표 5에 나타낸바와 같이 평가되었다.
변수 단위 1 주기 2 주기 3 주기 4 주기 5 주기
Target VLR g SCOD/L-d 4 8 16 30 36
Actual VLR g SCOD/L-d 3.48 7.57 14.8 24.2 31.1
Fa/Mv-TCODapplied g/g-d 0.18 0.36 0.64 0.99 1.73
Fa/Mv-TCOD5 applied g/g-d 0.06 0.16 0.24 0.35 0.75
HRT 시간 9.96 8.57 8.80 9.01 9.17
하기 표 6이 평가된 5가지 유기 로딩 조건에 대하여 결정된 USAB 처리 시스템의 평균 COD 및 BOD5 제거 효능을 요약한다
변수 단위 1 주기 2 주기 3 주기 4 주기 5 주기
Actual VLRTCOD inTCOD out TCOD removed SCOD inSCOD out SCOD removed TBOD5inTBOD5out TBOD 5 removed SBOD5inSBOD5outSBOD5removed BOD 5 removed (Tin-Sout)TBOD5rem/TCOD remSBOD5rem/SCOD remSBOD5in/SCOD inSBOD5out/SCOD outTSS inTSS outVSS inVSS outVSS/TSS inVSS/TSS outSGPR-SCOD removedSGPR-BOD5 (Tin-Sout) g SCOD/L-dmg/ℓmg/ℓ % mg/ℓmg/ℓ % mg/ℓmg/ℓ % mg/ℓmg/ℓ% % 비율 비율 비율 비율 mg/ℓmg/ℓmg/ℓmg/ℓ비율비율L/g SCODrL/g BOD5r 3.481,796523 71.9 1,436381 73.3 64571 89.5 5754392.0 92.9 0.451 0.504 0.400 0.114 14616.114618.01.0001.1160.2660.466 7.573,412908 73.8 2,704761 71.6 1,514133 91.4 1,14410391.1 93.3 0.552 0.536 0.423 0.135 30244.030428.01.0070.6360.4110.566 14.86,9031,811 73.4 5,4021,535 71.5 2,688258 90.3 2,22415593.3 94.2 0.477 0.535 0.412 0.101 517127.35001140.9660.8950.4840.744 24.212,3434,230 66.3 9,0612,859 68.2 4,369681 85.7 3,36455584.5 88.2 0.455 0.453 0.371 0.194 3805123804431.0000.8650.5330.864 31.115,4409,334 30.8 11,8807,970 31.6 6,2674,681 25.4 5,7444,51122.7 28.7 0.260 0.315 0.484 0.566 3901,1373669650.9380.8490.9442.229
생물 가스 생성:
처음의 순화 주기 이후에, SCOD 및 BOD5 제거에 대하여 표준화된 생물 가스 생성 (특정 가스의 생성율로 나타냄, SPGR)은 USAB가 31gSCOD/L-d에서 생물 가스의 수리학적 과로딩 및 유실로 인하여 실패할 때까지 체적 유기 로딩 속도 증가에 따라 0.4에서 05L/g SCODremoved 까지 증가하는 경향을 보인다. 생물 가스들중에서 메탄, 이산화탄소 및 이산화황 함량들이 연속 처리성 연구 과정 동안 수차례 결정되었으며, 하기 표 7에 요약된다.
주입 저장물 VLR(g SCOD/L-d) CH4 (%) CO2 (%) H2O(%) H2S(%) H2S(ppmv)
복합물 1 13.94 63.97 32.00 4.00 0.03 310
복합물 2 15.50 61.35 34.50 4.00 0.16 1,550
복합물 3 24.66 53.11 42.67 4.00 0.23 2,283
복합물 4 31.08 18.29 77.33 4.00 0.37 3,733

Claims (29)

  1. a) 미립자 생분해성 유기 폐기물에 염기를 첨가하는 단계;
    b) 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물을 함유하는 슬러리를 생산하기 위하여 약 130℃ 이상의 온도 및 약 포화수증기압 또는 포화수증기압 이상의 압력에서 미립자 생분해성 유기 폐기물이 열적 가수분해되도록 하는 단계;
    c) 잔류 고형물로부터 가용화된 유기 물질을 분리하는 단계; 및
    d) 고메탄가스를 생산하기 위하여 가용화된 유기 물질이 혐기성 소화(anaerobic digestion)되도록 하는 단계;
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 염기가 수산화 칼륨을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  3. (삭제)
  4. (삭제)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법이 d) 단계 이전에 가용화된 유기 물질의 농도를 물로 희석하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  6. (삭제)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법이 미립자 생분해성 유기 폐기물을 예열하기 위하여 b) 단계 이전에 미립자 생분해성 유기 폐기물과 가용화된 유기 물질로부터의 잠열을 교환하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법이
    a1) 상기 b) 단계 이전에 미립자 생분해성 유기 폐기물을 가열하기 위하여 미립자 생분해성 유기 폐기물을 c) 단계의 분리된 가용화된 유기 물질과 혼합하는 단계;
    a2) 가용화된 유기물질을 함유하는 액체를 가열된 미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 제거하는 단계; 및
    상기 a2) 단계의 제거된 액체가 d) 단계의 혐기성 소화되도록 하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  9. (삭제)
  10. 제1항에 있어서,
    상기 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법이 a) 단계 이전에 미립자 생분해성 폐기물을 0.25 내지 2.0inch 입자로 선별(sizing)하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  11. (삭제)
  12. 제1항에 있어서,
    상기 d) 단계의 혐기성 소화가 상향류식 혐기성 슬러지 블랭킷(upflow anaerobic sludge blanket, USAB) 공정임을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  13. (삭제)
  14. (삭제)
  15. (삭제)
  16. 제1항에 있어서,
    상기 열적 가수분해가 170℃ 이상의 온도에서 적어도 15분 지속되는 것을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  17. (삭제)
  18. a) 미립자 생분해성 유기 폐기물이 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물을 함유하는 슬러리를 생산하기 위하여 열적 가수분해되도록 하는 단계;
    b) 상기 잔류 고형물로부터 가용화된 유기 물질을 분리하는 단계;
    c) a) 단계 이전에, 미립자 생분해성 유기 폐기물을 가열하기 위하여 미립자 생분해성 유기 폐기물을 b) 단계의 분리된 가용화된 유기 물질과 혼합하는 단계;
    d) c) 단계 이후 및 a) 단계 이전에, c) 단계의 가열된 미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 가용화된 유기 물질을 함유하는 액체를 제거하는 단계; 및
    e) 메탄가스를 생산하기 위하여 d) 단계의 제거된 액체가 혐기성 소화되도록 하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 열적 가수분해가 130℃ 이상의 온도 및 약 포화수증기압 또는 포화수증기압 이상의 압력에서 수행됨을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 방법.
  20. 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하는 주입 혼합 탱크 (feed blend tank);
    미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 액체를 분리하기 위한 주입 혼합 탱크로부터 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하는 제1차 분리 수단;
    탈액화된 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하는 예비증기 빈(presteam bin);
    예비증기 빈으로부터 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하는 증기 가수분해 반응기;
    증기 가수분해 반응기로부터 가용화된 유기 물질과 잔류 고형물을 수용하기 위한 증기 플래시 탱크(steam flash tank);
    증기 플래시 탱크에 회수된 증기를 예비증기 빈으로 재순환하기 위하여 예비증기 빈과 증기 플래시 탱크를 작동적으로 결합하는 수단;
    잔류 고형물로부터 가용화된 유기 물질을 분리하기 위한 제2차 분리 수단;
    미립자 생분해성 유기 폐기물과 열교환하기 위하여 가용화된 유기 물질을 주입 혼합 탱크로 순환시키기 위한 수단; 및
    미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 분리된 액체를 수용하는 제1차 분리 수단과 혐기성 반응기를 작동적으로 결합하는 수단;
    을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 장치.
  21. (삭제)
  22. (삭제)
  23. 제20항에 있어서,
    상기 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 장치가 미립자 생분해성 유기 폐기물을 주입 혼합 탱크로 운반하기 이전에 미립자 생분해성 유기 폐기물을 선별 입도 이하까지로 분류하는 수단을 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 장치.
  24. (삭제)
  25. (삭제)
  26. (삭제)
  27. 제20항에 있어서,
    상기 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 장치가 미립자 생분해성 유기 폐기물에 염기를 첨가하기 위하여 주입 혼합 탱크와 작동적으로 결합되는 수단을 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 장치.
  28. 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하는 주입 혼합 탱크;
    미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 액체를 분리하기 위하여 주입 혼합 탱크로부터 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하는 제1차 분리 수단;
    제1차 분리 수단으로부터 미립자 생분해성 유기 폐기물을 수용하는 열적 가수분해 반응기;
    잔류 고형물로부터 가용화된 유기 물질을 분리하기 위하여 열적 가수분해 반응기로부터 가용화된 유기 물질 및 잔류 고형물을 수용하는 제2차 분리 수단;
    가용화된 유기 물질을 주입 혼합 탱크로 순환시키기 위한 수단; 및
    메탄가스를 생산하기 위하여 미립자 생분해성 유기 폐기물로부터 분리된 액체를 수용하는 제1차 분리 수단과 작동적으로 결합되는 혐기성 반응기;
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 미립자 생분해성 유기 폐기물 처리 장치.
  29. (삭제)
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