KR100765421B1 - 폐수, 슬러지 및 유기 기질들의 처리를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및/또는 폼의 형성을 감소 또는 방지하기 위해서, 바이오가스 설비들 중에 사용되는 사상 및 응집상 미생물 함유 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들을 처리하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 폐수 슬러지 또는 유기 기질은 흐름 채널 (3)로 유입되어, 상기 흐름 채널 중에서 응집상 미생물들의 갯수에 대한 사상 미생물들의 갯수의 상대적 비율을 감소시키기에 충분한 전단 스트레스가 가해진다. 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

폐수, 슬러지 및 유기 기질들의 처리를 위한 방법 및 장치{Method and device for the treatment of effluent, sludge and organic substrates}

본 발명은, 팽창성 (bulking) 슬러지, 부유 슬러지 및/또는 폼 (foam)의 형성을 감소 또는 회피하기 위한, 바이오가스 설비들에 사용되는 사상 (filamentous) 및 응집상 (flocculating)의 미생물 함유 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들을 처리하는 방법에 관한 것이다.

생물학적 정화 단계들을 갖는 하수처리 설비들은 반복적으로 공정상의 문제점들을 포함하며, 이러한 문제점들은 비-침전 (non-sedimenting) 또는 부유 슬러지 응집물들, 특히 활성화 슬러지 탱크 및 정착 후 (post-settlement) 또는 최종 침전 탱크 내의 비-침전 또는 부유 슬러지 응집물들에 기인한 것이다.

하수처리 설비의 안정한 작동을 위해서는, 폐수의 정화에 사용되고, 정화 작업에 사용되는 미생물들을 포함하는 바이오매스 (biomass)를 정화된 폐수와 분리하는 것이 필요하다. 활성화 슬러지 공정에서, 바이오매스는 일반적으로 정착 후 탱크에서 침전에 의해서 분리되며, 부분적으로 또는 완전히 활성화 슬러지 탱크로 회수된다. 따라서, 생물학적 정화 단계를 갖는 하수처리 설비의 문제점 없는 가동은, 잘 침전되는 바이오매스 또는 잘 침전되는 활성화 슬러지를 필요로 한다.

활성화 슬러지 탱크 중에 사용되는 바이오매스는 가장 널리 변화하는 미생물들의 혼합 생물 군집 (biocoenosis)이다. 혼합 생물 군집은 특히 섬유상 박테리아 또는 필라멘트 박테리아 및 응집상 박테리아를 포함한다.

비침전 또는 부유 슬러지 침전물들은 섬유상 박테리아의 증가된 성장시에 발생하며, 이는 응집되어 필라멘트 메쉬 (filament mesh)를 형성한다. 이러한 필라멘트 메쉬는 활성화된 슬러지의 농축화 (thickening) 및 정착 (settlement) 공정을 상당히 방해한다. 부유 슬러지 응집체들은 주로 벌크화 (bulking) 슬러지, 부유 슬러지 및 폼으로 구성된다.

벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및 폼은, 폐수가 표면-활성 물질들뿐만 아니라, 미세 분포된 작은 기포들, 소수성 폐수 성분들 및/또는 세포 구조들을 포함하는 경우에 더욱 발생될 수 있다.

벌크화 슬러지, 부유 슬러지 또는 폼이 생성되는 경우에는, 생물학적 하수처리 설비의 안정적인 가동은 매우 어렵거나 또는 불가능하게 된다.

DE 198 43 862 A1호는 하수처리 설비들 중에서 부유 및/또는 벌크화 슬러지의 생성을 방지하는 방법을 개시하고 있으며, 상기 방법에서 바이오매스 함유 슬러지는 초음파로 처리된다.

DE 195 17 381 C1호는 또한 초음파 처리를 사용하여 생물학적 하수처리 설비들의 슬러지들 중의 세포 구조들을 파괴하기 위한 장치를 개시하고 있다.

상기 방법들의 단점은 기술적 관점에서 복잡하고 고비용이 소요되며, 고도로 숙련된 작업 인력을 필요로 한다는 점이다.

KA-Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall 2001 (48) No 5, 598쪽 내지 604쪽에서는, 폴리-알루미늄 히드록사이드 또는 폴리-알루미늄 클로라이드와 같은 폴리-알루미늄 베이스 상에서 충진 및 응집제들을 사용하는 것을 개시하고 있다. 그러나, 그와 같은 충진 및 응집제들은 비용에 있어서 상당한 증가를 수반한다.

WAP (Wasser Abwasser Praxis) 3/99, 25쪽 내지 31쪽에서는, 벌크화 및 부유 슬러지들의 크기를 기계적으로 감소시킴으로써, 개선된 침전 특성들을 갖는 더 작은 응집체들을 제조하는 것을 개시하고 있다.

벌크화 및 부유 슬러지의 크기를 감소시키는 작업은 교반기 볼 밀 (agitator ball mill), 전단 갭 균질기 (shearing gap homogeniser), 초음파 균질기 및 고압 균질기를 사용하는 것에 의해서 영향을 받는다. 부유 슬러지의 효과적인 처리를 수행할 수 있기 위해서는 적어도 약 1000 kJ/m³ 슬러지의 에너지 입력이 요구된다.

여기에서의 단점은 상기 문헌에서 제안된 분쇄 (crushing) 장치들이 복잡하고, 고비용이며, 따라서 특히 소도시 하수처리 설비들의 경우에 적당하지 않다는 점이다.

본 발명의 목적은 조작하기에 간편하고, 가동하기에 저렴하며, 효과적으로 하수처리 설비들, 바이오가스 반응기들 등의 비침전 슬러지 응집체들의 형성을 감소 또는 방지하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및/또는 폼의 형성을 감소 또 는 방지하기 위해서, 바이오가스 설비들 중에 사용되는 사상 및 응집상 미생물 함유 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들을 처리하는 방법에 의해서 달성되며, 상기 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들은 유로 (flow passage) 중에서 가이드되고, 상기 유로 중에는 응집상 미생물들에 대한 사상 미생물들의 갯수의 상대적 비율을 감소시키기에 충분한 전단 부하가 가해진다.

바람직한 세부사항들은 첨부된 청구범위의 제2항 내지 제14항에 언급되어 있다.

본 발명은 하기에서 실질적으로 하수처리 설비들에 대하여 서술된다. 그러나, 본 발명이 결코 하수처리 설비들에만 제한되는 것은 아니며, 혼합 생물 군집 (biocoenosis) 중에서 사상 및 응집상 미생물들이 존재 및 협조하는 다른 생물학적 설비들에도 사용될 수 있다. 예를 들어 본 발명은 바이오가스 반응기들 및 혐기성 발효기들과 관련되어 사용될 수도 있다. 그러한 관점에서, 하기 서술된 정보는 대응되게 바이오가스 반응기들 및 혐기성 발효기들에 적용된다.

본 발명에 따른 폐수는 바람직하게는 생물학적 하수처리 설비들 중의 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집이다.

본 발명에 따르면, 수 십년 동안 존재하여 왔던, 하수처리 설비들의 생물학적 정제 단계들 중의 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및 폼의 발생 문제는 놀랍게 간편한 방식으로 해결될 수 있다.

본 발명에 따르면, 폐수, 바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집에는 유로 중에서 유체역학적으로 제조된 전단 장들 (shearing fields)에 의한 전단 부하 (shear loading)가 가해진다. 전단 장들은 유로 중에서 가이드되는 폐수, 바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집 중에서 발생되는 속도 구배들로 인하여 발생한다.

전단 부하는 장-사상 미생물들로부터 형성된 필라멘트 메쉬들 또는 슬러지 응집체들의 크기 감소 또는 분할을 야기한다. 부가하여, 그러한 슬러지 응집체들에 부착되거나 포함된 미세 분포 기포들이 방출된다. 미처리 슬러지 응집체들 중에 포함된 그러한 기포들은 슬러지 응집체들의 침전 특성에 부정적인 영향을 미친다.

최종적으로, 전단 부하로 인해서, 상기 방법은 사상균의 부분적 파괴 및 사상균의 필라멘트 길이에 있어서의 감소를 포함한다.

생성된 전단 장에 의해서 혼합 생물 군집 중에 포함된 사상균에 가해진 스트레스는 특히 사상균의 대사에 있어서 변화를 야기하고, 이는 사상 미생물들 또는 사상균들의 성장 역학에 있어서 변화를 야기한다. 사상 미생물들의 성장은 현저하게 감소된다.

사상 미생물들의 대사에 있어서의 변화는 특히 가해진 전단 부하에 의해서 야기된 스트레스와 관련된 보호 메카니즘의 촉발에 기인한 것이다. 이는 특히 EPS로도 알려진 세포외 폴리머 물질들의 분비를 야기하며, 이는 주로 사상 미생물들에 의한 것이다. 분비된 세포외 폴리머 물질들은 바람직하게는 슬러지 응집체들의 부착을 제공하며, 이러한 슬러지 응집체들은 전단 장에서는 크기가 감소한다. 그러한 부착은 침전하지 않거나 또는 과도하게 느리게 침전하는 작은 슬러지 입자들의 발생을 상쇄하며, 이는 바람하게는 응집 및 결과적으로 혼합 생물 군집의 원하는 침전을 야기한다.

혼합 생물 군집 또는 활성화된 슬러지 중의 사상 미생물들에 대한 응집상 미생물들의 상대적인 비율은 응집상 미생물들의 장점을 변화시킨다. 혼합 생물 군집 중의 사상 균에 대한 응집상 균의 비율에 있어서의 증가는 슬러지 응집체들의 침전을 촉진한다.

사상 미생물들과는 달리, 응집상 미생물들은 우수한 침전 특성을 나타낸다.

바람직하게는, 전단 부하는 유로 중의 와류 (turbulent flow)에 의해서 야기된다. 또한, 폐수가 가이드되는 적어도 하나의 수축부 (constriction)가 상기 유로 중에 배치되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 유로 중에서 가이드되는 폐수는 매우 와류성이다. 와류성 폐수 또는 혼합 생물 군집의 레이놀드 수치 (Reynolds number)는 바람직하게는 적어도 100,000, 더욱 바람직하게는 적어도 180,000, 더더욱 바람직하게는 적어도 250,000, 가장 바람직하게는 적어도 500,000이다.

바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집인 폐수는 통상적인 펌프에 의해서 유로를 통하여 펌핑될 수 있다. 그러한 경우에, 적어도 하나의 수축부가 상기 유로의 압력면 및 흡입면 모두에 배치될 수 있다.

바람직한 일 구현예에서, 상기 폐수가 증기압에 도달할 때까지 (공동화 (cavitation)의 형태로 발생) 감소되는 압력 하에서, 상기 유로 중의 수축부를 통과하는 경우에, 상기 폐수의 유속은 증가한다.

액체 중에서의 공동 (cavities)의 발생 및 그 운동은 공동화로 불리운다. 공동은 국소적인 감압 상, 전단 스트레스 또는 액체 내로의 에너지 유입에 의해서 파괴될 수 있다. 액체 중에 용해된 기체들은 그와 같은 방식으로 생산된 기포들 내로 확산된다. 액체 중의 압력이 다시 상승하는 경우에는, 기포들은 외부 압력으로 인해서 붕괴된다. 기포 붕괴 도중에, 기포 내용물은 매우 크게 압축되어, 약 1000 바까지의 고압, 및 약 수 1000 K까지의 고온이 국소적으로 야기된다. 기체는 기포 중에서 이온화되어 라디칼들이 생성된다.

부가적으로, 붕괴 도중에 기포는 충격파 및, 만일 그것이 고체 표면 근방인 경우에는, 기포를 통과하는 액체 제트를 방출한다. 기포들에 의해서 방출된 상기 액체 제트 및 충격파는 예를 들어 슬러지 응집체와 같은 입자 응집체들을 파괴하고, 거대분자들 및 박테리아 세포벽들을 파괴하여 개방할 수 있는 출력을 갖는다.

유로 중에 배치된 수축부에서, 유속은 증가하며, 압력이 감소한다. 본 발명에 따른 방법과 관련해서 요구되는 공동화가 발생하는 것은 그러한 환경 하에서이다.

일 구현예에서, 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 전단 부하 및 공동화의 공동 발생을 포함한다.

바람직하게는 유로 중의 수축부에 의해서 생성된 공동화뿐만 아니라, 예를 들어 고도의 와류에 의해서 생성된 전단 부하는 본 발명에 따른 방법에서 매우 유용하게 협조한다. 전단 부하 및 공동화 효과는 특히 상대적으로 큰 사상 미생물들 또는 사상 미생물들에 의해서 형성된 필라멘트 메시들에 작용한다. 사상 미생물들 은 파괴 개방된 세포막들에 의해서 부분적으로 파괴된다. 실질적인 부분에 있어서, 상기 방법은 필라멘트들의 길이에 있어서의 감소를 포함하며, 따라서 필라멘트 메시가 파괴 개방되거나 또는 크기에 있어서 감소되는 것을 수반한다.

놀랍게도 응집상 균들은 본 발명에 따른 방법에 의해서 파괴되지 않는다. 부가하여, 세포 대사에 있어서 실질적인 변화도 일어나지 않기 때문에, 응집상 미생물들의 성장 역학이 실질적으로 장애를 받거나, 또는 실질적으로 변화되지도 않는다. 따라서, 사상 및 응집상 미생물들의 다른 성장 역학의 관점에서, 본 발명에 따른 방법은 혼합 생물 군집의 조성에 있어서 유리한 변화를 야기한다. 본 발명에 따른 방법에 의해서 야기되는, 균 조성에 있어서의 그러한 변화는 따라서 활성화된 슬러지를 안정하게 한다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 공동화의 지속 시간, 따라서 폐수 또는 혼합 생물 군집에 대한 공동화 작용 시간은 조절이 가능하다.

놀랍게도, 만일 바람직하게는 폐수의 흐름 방향에 대해서 수축부보다 하류에 배치된 유로의 내부 직경이, 유로 중의 수축부의 가장 작은 내부 직경보다 크지만, 수축부보다 상류에 배치된 유로의 내부 직경보다 작다면, 유로 중의 수축부에 의해서 생성되는 공동화가 발생될 수 있다는 사실이 발견되었다.

공동화의 지속 시간은 수축부보다 하류에 배치된 유로의 길이에 의해서 조절될 수 있다. 만일 수축부보다 하류에 배치된 유로의 길이가 증가한다면, 폐수, 바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집에 작용하는 시간 또한 증가한다.

폐수 흐름 방향에 있어서, 수축부보다 하류에 위치하는 유로의 내부 직경에 대한 수축부보다 상류에 위치하는 유로의 내부 직경비는, 예를 들어 약 5:1 내지 약 1.2:1, 바람직하게는 3:1 내지 1.5:1, 매우 바람직하게는 2:1일 수 있다.

수축부와 관련하여, 하류측에 배치된 유로의 내부 직경에 대한 수축부의 가장 작은 내부 직경의 비는 예를 들어 1:1.2 내지 1:3, 바람직하게는 1:2일 수 있다.

매우 놀랍게도, 본 발명에 따른 방법에서는, 유로 중의 수축부에서 또는 폐수의 흐름 방향에 있어서 그보다 하류에 배치된 유로에서, 야기된 공동화에 의해서 그곳에 배치될 수 있는 부속품들과의 마모가 발생되지 않는다.

공동화 기포들은, 유로 벽에서의 더 높은 압력으로 인해서, 주로 유로의 가운데에서 발생되는 것으로 추측된다. 따라서, 폐수 흐름의 가운데에서 발생된 공동화 기포들은 유로의 벽과 접촉하지 않고, 이러한 점에서 마모 효과를 야기할 수 없다.

가장 간단한 경우에, 유로는 도관 (conduit)의 형태일 수 있다. 가장 간단한 경우에 있어서 유로 중의 수축부는 노즐, 바람직하게는 라발 노즐 (Laval nozzle)의 형태를 갖는 노즐일 수 있다.

본 발명의 목적은 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및/또는 폼의 형성을 감소 또는 방지하기 위해서, 바이오가스 설비들 중에 사용되는 사상 및 응집상 미생물 함유 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들을 처리하기 위한 장치에 의해서 달성되며, 상기 장치는 적어도 하나의 수축부를 갖는 유로, 및 상기 유로를 통하여 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들을 운반하기 위한 장치를 갖는다.

상기 장치에 대한 바람직한 세부사항들은 첨부된 청구범위의 제16항 내지 제28항에 언급되어 있다.

유로의 수축부, 또는 수축부의 상류 또는 하류에서의 유로의 내부 직경들의 크기 비율에 대해서는, 본 발명에 따른 방법과 관련하여 전술된 사항을 참조할 수 있다.

만일 적어도 하나의 수축부가 수렴 및 발산하는 내부 직경을 갖는 부분을 포함한다면, 폐수, 바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집의 흐름 방향에 대해서, 수렴하는 내부 직경 부분은 발산하는 내부 직경 부분의 상류에 배치된다.

유로는, 폐수의 흐름 방향에 대해서, 예를 들어 먼저 가장 작은 내부 직경으로 원뿔형으로 수축되고, 이어서 원쁠형으로 확대된다. 바람직하게는, 수축부는 두개의 유로들, 바람직하게는 도관들과 상호소통하는 노즐이다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 노즐의 수축부는 상기 수렴하는 내부 직경 부분의 길이는 상기 발산하는 내부 직경 부분의 길이보다 더 짧게 디자인된다.

따라서, 이러한 구현예에서 상기 수축부 또는 노즐의 기하학적 형태는, 상기 수축부 또는 상기 노즐의 가장 작은 내부 직경의 부분에 대해서 대칭적이지 않다.

상기 노즐이 비대칭 형태인 경우에, 원하는 공동화는 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및/또는 폼을 제거하기 위한 목적에 적합한 공동화가 야기될 수 있도록 조정될 수 있다. 특히, 연이은 공동화 형성의 길이 및 폐수에 대한 공동화 작용 시간은 노즐의 방출 각에 의해서 조절될 수 있다.

바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 노즐은 라발 노즐의 형태를 포함한다.

본 발명에 따른 장치의 다른 구현예에서, 유로 중에서 상기 수축부 또는 노즐의 하류에 배치된 것은 쓰로틀 (throttle), 예를 들어 슬라이더 (slider)이다. 공동화의 발생은 그러한 쓰로틀에 의해서 부가적으로 조절될 수 있다.

유로 내로 통과하는 기포는 공동화 형성에 대해서 완화 효과 (damping effect)를 발휘할 수 있다. 그러한 관점에서, 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 유로 내로 도입되는 폐수 중의 기포 비율이 감소된다. 바람직하게는, 상기 폐수는 상기 유로 내로 운반됨에 따라서, 예를 들어 펌프, 바람직하게는 침지된 샤프트 (shaft) 중에 침지된 모터 펌프를 사용함으로써, 탈기체화된다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략적인 도면을 나타낸다. 펌프 (1)는, 예를 들어 노즐 (3)을 통하여 도관 (4) 내로 이어지는 도관 (2)에 의해서 활성화 탱크 또는 정착 후 탱크 (미도시)로부터, 폐수, 바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집을 운반한다. 도관 (4)에는 쓰로틀 (5)이 제공될 수 있다. 처리된 폐수는 이어서 바람직하게는 도관 (4)을 통과하여 방출 장치 (6)에 의해서, 제거 탱크, 즉 예를 들어 활성화 탱크 또는 정착 후 탱크로 복귀된다. 처리된 폐수는 방출 장치 (6)에 의해서 또 다른 수거 탱크 (catch tank) 내로 방출될 수도 있다.

펌프 (1)는 도관 (2 또는 4) 중의 노즐 (3)의 상류 및 하류 모두에 배치될 수도 있다. 바람직하게는 도관 (2)는 도관 (4)의 내부 직경보다 더 큰 내부 직경을 가지며, 도관 (4)의 내부 직경은 노즐 (3)의 가장 작은 내부 직경보다 크다.

정착 탱크 중에 사용되기에 적당한 임의의 펌프가 펌프 (1)로서 사용될 수 있다. 노즐 (3)의 하류 쪽에 배치된 도관 (4)은, 상기 노즐 (3)에 대해서 상류 쪽에 배치된 도관 (2)에 비해서 내부 직경이 감소되기 때문에, 폐수 또는 혼합 생물 군집에 대해서, 노즐 (3) 중에서 야기된 공동화의 작용 시간을 연장시킨다. 도관 (4)의 길이는 원하는 공동화 작용 시간에 따라서 조절될 수 있다. 예를 들어, 도관 (4)의 길이는 다양하게 조절가능하다. 이는 사상균의 필라멘트 길이를 원하는 만큼 감소시키는 것을 가능하게 하며, 또한 사상 미생물들에 의해서 야기된 필라멘트 메쉬 중에 포함된 기포들의 신뢰성 있는 방출을 가능하게 한다. 부가하여, 사상 미생물들의 성장은 그에 가해진 스트레스에 의해서 속도가 느려지는 것으로 나타났다.

공동화 작용 시간은 특히 노즐 (3)의 하류 쪽에 배치된 도관 (4)의 길이에 의해서 조절될 수 있다. 부가하여, 공동화 기포들의 형성은 도관 (4) 중에서의 압력에 의해서 조절될 수 있으며, 상기 압력은 쓰로틀 플랩 (5)에 의해서 조절가능하다. 바람직하게는 스프레이 노즐의 형태인 방출 장치 (6)는, 본 발명에 따른 장치로부터 처리된 혼합 생물 군집이 방출되면서, 슬러지 응집체들로부터 용해된 기포들이 탈출하게 한다.

노즐 (3)의 상류에는, 폐수를 공급하는 도관 (2), 즉 노즐에 대해서 상류 쪽에 배치된 도관 (2)의 내부 직경을 감소시키는 수렴기 (confuser)를 배치하는 것이 가능하다. 이는 폐수-공급 도관 (2) 및 노즐 (3) 사이의 전환을 개선한다.

또한 노즐 (3) 및 쓰로틀 플랩 (5) 사이에는 확산기 (diffuser)를 배치하는 것이 바람직하며, 상기 확산기는 노즐 (3)의 하류 쪽에 배치된 도관 (4)의 내부 직 경을 확대시킨다. 도관 (4)의 내부 직경의 확대는 폐수, 바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집 중에서의 압력을 증가시키고, 공동화를 종료시킨다. 그러한 방식으로, 쓰로틀 플랩 (5)에서 마모 손상을 일으킬 수 있는, 쓰로틀 플랩 (5)에 대한 공동화 작용, 즉 공동화 기포들의 발생을 신뢰성 있게 방지하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 확산기의 하류 도관 (4)의 내부 직경은, 노즐 (3)에 대해서 상류 쪽에 배치되는 도관 (2)의 내부 직경에 대략적으로 일치하는 내부 직경으로 확대된다.

공동화 효과의 지속, 따라서 공동화 작용 시간은, 노즐 (3) 및 확산기 사이에서 감소된 내부 직경을 갖는 도관 (4)의 길이에 의해서 조절될 수 있다. 노즐 (3) 및 확산기 사이의 도관 (4)의 길이는 가변적으로 채택될 수 있으며, 예를 들어 텔레스코픽 (telescopic)한 것일 수 있다.

원칙적으로, 도관 시스템 중에 복수 개의 노즐들 (3), 예를 들어 2 또는 3개의 노즐들이 배치되는 것도 가능하다. 그러나, 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및/또는 폼의 발생 감소, 또는 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및/또는 폼의 방지는, 본 발명에 따른 형태에 의한 1개의 노즐 (3)로 이미 달성된다는 사실이 밝혀졌다.

본 발명에 따른 장치는 구조적인 관점에서 놀랍게 간단하다. 따라서, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 실질적으로 유지 보수가 필요없고, 따라서 작동이 저렴하다는 점에서 매우 유리하다. 유리하게는, 작동에 숙련된 인력을 필요로 하지 않는다. 그러한 점에서, 본 발명은 대형 및 소형 하수처리 설비들 양자 모두에 대해 서 편리하게 사용될 수 있다.

도 2는 슬러지 응집체들에 부착되거나 또는 이에 포함되고, 그에 대한 전단 장의 작용에 의해서 슬러지 응집체들로부터 방출되는 기포들의 방출을 도시한 것이다. 슬러지 응집체들의 부력은 상기 슬러지 응집체들에 부착되거나 또는 이에 포함되는 기포들의 방출에 의해서 실질적으로 감소된다.

폐수, 바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집이, 노즐 (3)을 통하여 흐르는 경우에, 이는 그를 통과하는 폐수 중의 압력 감소를 수반하고, 이는 또한 슬러지 응집체들로부터 기포들의 이탈을 촉진한다. 달리 말하면, 폐수 중에서 노즐 (3)에 의해 야기된 와류와 압력 감소와의 협조는, 슬러지 응집체들에 대한 원하는 탈기체 효과 또는 부착 또는 포함된 기포들의 방출을 야기한다.

도 3은 사상 미생물들에 의한 세포외 폴리머 물질들 (EPS)의 분비에 의해서 제조된, 감소된 크기의 슬러지 응집체들의 개선된 응집을 도시한 것이다. 폐수 중에 포함된 미생물들에는 노즐 (3)에서 유도되어 폐수, 바람직하게는 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집에 대해서 가해지는 전단 부하로 인해서 스트레스가 가해진다. 스트레스가 EPS의 분비를 유도하는 미생물들의 경우에, EPS의 분비는 감소된 크기의 슬러지 응집체들의 덩어리 모양의 (floc-like) 부착을 야기한다.

그와 같은 응집 효과는 슬러지의 원하는 침전과 관련하여 매우 유리하다. EPS에 의해서 야기되는 감소된 크기의 슬러지 응집체들의 집합은, 과도하게 작은 크기로 인해서, 침전하지 않거나 또는 원하는 시간 내에 침전하지 않는, 과도하게 작은 덩어리들의 형성을 억제한다.

도 4는 본 발명에 따른 방법을 적용함으로써 사상 미생물들의 필라멘트들의 길이가 감소하는 것을 개략적으로 도시한 것이다. 필라멘트 길이의 감소 이외에도, 형성된 필라멘트 메쉬 또한 파괴 개방된다.

도 5는 응집상 미생물들 및 사상 또는 쓰레드-형태의 (thread-shaped) 미생물들의 성장 역학에 대한 본 발명에 따른 방법의 영향을 도시한 것이다. 도 5는 응집상 미생물들의 성장 속도가 본 발명에 따른 방법에 의해서 영향을 받지 않거나 또는 실질적으로 영향을 받지 않는다는 것을 보여 준다.

반면에, 본 발명에 따른 방법은 사상 미생물들의 성장 속도에 대해서는 현저한 영향을 미친다. 본 발명에 따른 장치에 가해진 전단 장 및 바람직하게는 발생하는 공동화 효과로 인해서, 사상 미생물들의 성장 속도는 응집상 미생물들과는 대조적으로 현저하게 저해된다. 이는 혼합 생물 군집의 상대적 조성에 있어서 원하는 변화를 야기한다. 응집상 미생물들에 대한 사상 미생물들의 상대적인 비율은 감소된다.

도 6 및 도 7은 테스트 하수처리 설비 중에서 측정된 측정 곡선들을 도시한 것이다.

본 발명에 따른 방법은 약 12,000개의 연결 서식 당량 (connected inhabitant equivalents)을 갖는 하수처리 설비 중에서 수행되었다. 상기 장치로의 유입부 중의 폐수에는 섬유 공장으로부터의 폐수로서, 10년 이상의 기간 동안 주된 벌크화 슬러지 및 부유 슬러지 문제점들을 지니고 있는 폐수가 충분히 채워졌다.

테스트 하수처리 설비 중에서는 슬러지 부피 지수 (SVI)가 종종 120 ml/g 이상이었다. 정착 후 탱크 상에 형성된 슬러지 커버는 하루에 3회 제거되었다. 부유 슬러지 커버의 두께는 5 cm 이상으로 증가할 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 하수처리 설비의 활성화 탱크 내에 바로 배치되었다. 2주 이내에는, 본 발명에 따른 장치는 하루에 4시간 동안만 가동되었다 (10.6 l/s의 부피 흐름에서 3.75 kW 출력의 펌프). 노즐 상류에 배치된 도관의 내부 직경은 100 mm이었으며, 노즐 하류에 배치된 도관의 내부 직경은 50 mm이었다. 사용된 노즐의 가장 좁은 직경은 25 mm이었다. 노즐은 라발 노즐의 형태를 포함하였다.

노즐 상류에는 공급 도관의 내부 직경을 100 mm로부터 50 mm로 감소시키는 수렴기가 배치되었다. 노즐의 하류 쪽에는 도관 내에 쓰로틀이 배치되었다. 노즐과 쓰로틀의 사이에는 도관의 내부 직경을 50 mm로부터 100 mm로 다시 확장시키는 확산기가 배치되었다. 노즐과 확산기 사이의 간격 또는 500 mm의 내부 직경을 갖는 도관의 길이는 100 cm이었다.

단 3일 동안의 테스트 기간으로도, 활성화된 슬러지 중에서 장-필라멘트 구조의 필라멘트 길이가 현저하게 감소된 것을 현미경으로 관찰할 수 있었다. 그러한 사실은 점차적으로 감소하는 슬러지 부피 지수 (SVI)로도 관찰가능하였다.

2주 동안의 테스트 이후에, 본 발명에 따른 장치를 지속적으로 가동시키도록 전환하였고, 에너지 입력값을 약 350 kJ/m³ 생물 군집까지 증가시켰다 (도 6).

초기 농도에 대해서, 약 30분의 침전 이후에 1 l 내용물의 침전된 슬러지의 부피를 서술하는 슬러지 부피 지수 (SVI)는, 에너지 입력의 증가 이후에 100 ml/g 이하로 현저하게 저하되었다. 120 ml/g 이상의 수치에서는, 정착 후 탱크 중에서의 벌크화 슬러지의 정착 특성들에 대해서 상당한 문제점들이 발생될 수 있다.

사상 미생물들의 필라멘트 길이에 있어서 급격한 감소가 다음 날에 이미 현미경으로 관찰될 수 있었다. 슬러지 부피 지수는 약 80 ml/g이었으며, 그러한 수치는 다음 주까지 유지되었다. 수치는 120 mg/l의 임계치 이하로 현저하게 감소되며, 이때부터 벌크화 슬러지 양상이 기대된다. 슬러지 부피 지수에 있어서 약 80 ml/g까지 현저한 감소가 활성화 탱크 및 정착 후 탱크 양자 모두에서 발생되었다.

매우 놀랍게도, 벌크화 및 부유 슬러지의 발생을 방지하기 위해서는 혼합 생물 군집 내로의 에너지 입력은 1000 kJ/m³ 이하로 현저하게 감소될 수 있다는 사실이 발견되었다. 혼합 생물 군집 중의 사상 미생물들의 비율에 의존해서, 에너지 입력은 예를 들어 약 200 kJ/m³ 혼합 생물 군집 내지 약 800 kJ/m³ 혼합 생물 군집, 바람직하게는 약 250 kJ/m³ 혼합 생물 군집 내지 약 600 kJ/m³ 혼합 생물 군집, 더욱 바람직하게는 약 300 kJ/m³ 혼합 생물 군집 내지 약 500 kJ/m³ 혼합 생물 군집의 범위 내에 있을 수 있다. 도관 (4)을 통과하여 운반되는 폐수 또는 혼합 생물 군집의 속도는, 그러한 경우에 약 3 m/s 내지 10 m/s, 바람직하게는 약 4 m/s 내지 8 m/s, 더욱 바람직하게는 약 5 m/s 내지 7 m/s의 범위 내에 있다.

도 7로부터 다른 공정 파라미터들에 있어서도 안정화 효과가 발생, 즉 본 발 명에 따른 방법이 테스트 설비의 안정한 가동을 야기한다는 사실을 알 수 있다.

개선된 정착 특성들로 인해서 과량의 슬러지가 인출될 수 있으며, 따라서 모든 공정 파라미터들의 안정화가 발생한다는 사실을 명백하게 알 수 있다. 펌프 출력을 증가시킴으로써 에너지 입력을 약 350 kJ/m³로 증가시킴에 따라서, 측정 곡선들의 완만화 (smoothing)가 야기되었으며, 즉 활성화 탱크 중에서의 슬러지 지수 (SVI-활성화), 정착 후 탱크에 있어서의 슬러지 지수 (SVI-정착 후), 활성화 탱크 중에서의 건조 물질 (DS-활성화), 정착 후 탱크 중에서의 건조 물질 (DS-정착 후)과 관련하여, 또한 슬러지 연령 및 사전-농축화 (pre-thickening)와 관련하여 완만화가 야기되었다. 혼합 생물 군집은 현저하게 개선되었다.

도 8은 혼합 생물 군집의 표면 아래에 배치된 샤프트 (8) 중에 배열된 펌프 (7)를 도시한 것이다. 샤프트 (8)는 본 발명에 따르면 침지된 샤프트 (8)로 정의된다. 침지된 샤프트 (8) 중에는 폐수, 바람직하게는 활성화 슬러지 또는 혼합 생물 군집을, 도관 (2) 내로 운반하는 펌프 (7)가 배치되어 있다. 펌프 (7)와 침지된 샤프트 (8)의 내벽들 사이에는, 탈기체화 구역이 형성된다. 탈기체화 구역에서는, 폐수 또는 혼합 생물 군집 중에 포함 또는 혼입된 (entrained) 기포들이 적어도 부분적으로 분리 및 방출되어, 표면을 향한 방향으로 개방되는 샤프트를 통하여 탈출한다.

본 발명은 도 1 내지 도 8을 참조함으로써 더욱 상세하게 설명되며:

도 1은 본 발명에 따른 장치의 예시적인 구조에 대한 개략적인 도면이고,

도 2는 전단 장 중에서의 슬러지 응집체들의 탈기체화에 대한 개략적인 도면이고,

도 3은 세포외 폴리머 물질들 (EPS)의 분비에 의해서 야기된, 크기가 감소된 슬러지 응집체들의 향상된 응집에 대한 개략적인 도면이고,

도 4는 전단 장 중에서 공동화에 의해 사상 미생물들의 필라멘트들의 길이가 감소된 것을 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 5는 응집상 미생물들 및 사상 미생물들의 성장 역학에 대한 본 발명의 방법에 따른 효과를 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 6은 테스트 하수처리 설비 중에서, 본 발명에 따른 방법의 사용 이전 및 이후에 슬러지 부피 지수 (sludge volume index, SVI)의 측정값들을 나타낸 도면이고,

도 7은 테스트 하수처리 설비 중에서, 본 발명에 따른 방법에 의한 공정 패러미터들의 안정화를 나타내는 측정값들을 표시한 도면이고,

도 8은 침지 샤프트 중에 배치된 펌프의 개략적인 도면이다.

Claims (28)

1. 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및 폼으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 형성을 감소 또는 방지하기 위해서, 바이오가스 설비들 중에 사용되는 사상 및 응집상 미생물 함유 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들을 처리하는 방법으로서, 상기 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들은 도관 (2, 4) 중에서 가이드되고, 상기 도관 (2, 4) 중에 배열된 적어도 하나의 수축부 (3)를 통과하며, 응집상 미생물들에 대한 사상 미생물들의 갯수의 상대적 비율을 감소시키기에 충분한 전단 부하가 가해지고, 상기 전단 부하는 상기 도관 (2, 4) 중의 와류에 의해서 야기되고, 상기 폐수, 상기 슬러지 또는 상기 유기 기질들의 유속은 감압 하에서 상기 도관 (2, 4)의 상기 수축부 (3)를 감압 하에서 통과함에 따라서 증가하고, 연이은 공동화가 상기 폐수, 상기 슬러지 또는 상기 유기 기질들 중에서 야기되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 공동화의 발생은, 상기 도관 (2, 4)의 내부 직경이, 상기 내부 직경이 상기 수축부 (3)에서 가장 작고, 상기 내부 직경의 수축부 (3)의 상류 쪽에 위치하는 도관 (2)의 내부 직경이, 상기 수축부 (3)의 하류 쪽에 위치하는 도관 (4)의 내부 직경보다 더 크도록 선택됨으로써 조절가능한 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 공동화의 지속 시간이 상기 수축부 (7)의 하류 쪽에 배치된 상기 도관 (4)의 길이에 의해서 조절가능한 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도관 (2, 4) 중의 상기 수축부 (3)의 내부 직경이 변화가능한 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 폐수, 상기 슬러지 또는 상기 유기 기질들 중에 포함 또는 혼입된 기포들이 상기 도관 (2, 4) 내로 도입되기 이전에 적어도 부분적으로 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 폐수, 상기 슬러지 또는 상기 유기 기질들이 침지된 샤프트 (8)로부터 운반됨으로써 포함 또는 혼입된 기포들이 적어도 부분적으로 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도관 (2, 4)을 통하여 가이드되는 상기 폐수, 상기 슬러지 또는 상기 유기 기질들의 레이놀드 수치가 적어도 100,000인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 폐수, 상기 슬러지 또는 상기 유기 기질들이 상기 도관 (2, 4)을 통과한 이후에 분무되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수축부 (3)가 노즐인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 폐수가 활성화된 슬러지 또는 혼합 생물 군집인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 벌크화 슬러지, 부유 슬러지 및/또는 폼의 형성을 감소 또는 방지하기 위한 장치로서, 상기 장치는 적어도 하나의 수축부 (3)를 갖는 도관 (2, 4), 및 상기 도관 (2, 4)을 통하여 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들을 운반하기 위한 장치 (7)를 포함함으로써 바이오가스 설비들 중에서 사용되는 사상 및 응집상 미생물 함유 폐수, 슬러지 또는 유기 기질들의 처리가 공동화 작용 하에서 영향을 받고, 쓰로틀 (5)이 상기 도관 (4) 중의 상기 수축부 (3)의 하류 쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 도관 (2, 4)의 내부 직경은 상기 수축부 (3)에서 가장 작고, 상기 수축부 (3)의 상류 쪽에 위치하는 도관 (2)의 내부 직경이, 상기 수축부 (3)의 하류 쪽에 위치하는 도관 (4)의 내부 직경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 수축부 (3)의 상류에 위치하는 도관 (2)의 내부 직경과 상기 수축부 (3)의 하류에 위치하는 도관 (4)의 내부 직경의 비율이 약 5:1 내지 약 1.2:1인 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 비율이 약 3:1 내지 약 1.5:1, 바람직하게는 2:1인 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수축부 (3)가 수렴 및 발산하는 내부 직경부를 포함하고, 상기 수렴하는 내부 직경부는 상류 쪽에 위치하고, 상기 발산하는 내부 직경부는 하류 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 수렴하는 내부 직경부의 길이가 상기 발산하는 내부 직경부의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제11항 내지 제16항에 있어서, 상기 수축부 (3)의 하류 쪽에 배치된 도관 (4)의 길이가 다양하게 조절가능한 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제11항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 수축부 (3)가 노즐인 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 수렴기 (confuser)가 상기 노즐 (3)의 상류 쪽에 배치된 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제11항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 확산기 (diffuser)가 상기 도관 (4) 이후에 상기 수축부의 하류 쪽, 바람직하게는 상기 쓰로틀 (5)의 상류 쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제11항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 폐수, 슬러지 또는 상기 유기 기질들을 운반하기 위한 장치 (7)가 펌프인 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 펌프가 침지된 샤프트 (8) 중에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도관 (2, 4)을 통하여 가이드되는 상기 폐수, 상기 슬러지 또는 상기 유기 기질들의 레이놀드 수치가 적어도 250,000인 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도관 (2, 4)을 통하여 가이드되는 상기 폐수, 상기 슬러지 또는 상기 유기 기질들의 레이놀드 수치가 적어도 500,000인 것을 특징으로 하는 방법.
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