KR101225579B1 - 혐기성 정화 장치 및 그 작동 방법 - Google Patents

혐기성 정화 장치 및 그 작동 방법 Download PDF

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보에 젤레 헨드릭 드
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레오나르드 후베르투스 알폰수스 하베츠
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Abstract

본 발명은 유입수의 정화를 위한 혐기성 정화 장치에 관한 것으로, 반응탱크와, 탱크로 유입수을 도입하기 위한 유입수단과, 정화된 물을 모으기 위한 집수수단과, 탱크에 저장된 액체로부터 가스를 모으기 위한 가스 수집 시스템과, 가스-액체 분리 장치와, 가스 수집 시스템에 모인 가스에 의해 유발되어 상승된 가스에 의해 분리 장치로 액체가 지나도록 하는 상승관과, 분리 장치로부터 탱크 하부로 액체와 슬러지를 회수하기 위한 하강관를 포함한다.
본 발명에 따르면, 이러한 장치는 하강관의 액체 표면 수위에서 적어도 약 1.4m 워터컬럼(약 0.14bar)의 헤드 압력을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 유입수의 정화를 위한 혐기성 정화 장치에 대한 방법에 관한 것이다.
정화 장치, 혐기성, 반응탱크, 가스-액체 분리 장치

Description

혐기성 정화 장치 및 그 작동 방법{ANAEROBIC PURIFICATION DEVICE}
본 발명은 폐수와 같은 유입수의 정화를 위한 혐기성 정화 장치에 관한 것으로, 혐기성 정화 장치는,
반응탱크;
상기 반응탱크의 하단부에 배치되고 상기 반응탱크로 유입수를 도입하는 유입 수단;
상기 반응탱크에서 액체 표면을 형성하고 상기 반응탱크의 상단부에 제공되는 정화된 물을 모으기 위한 배수로홈과 같은 집수 수단;
상기 집수 수단보다 낮은 레벨에 배치되고 상기 반응탱크에 저장된 액체로부터 가스를 모으기 위한 하나 이상의 가스 수집 시스템;
상기 집수 수단보다 높은 레벨에 배치되는 가스-액체 분리 장치;
상기 하나 이상의 가스 수집 시스템에 모인 가스에 의해 유발된 가스 상승 유동에 의하여 상기 반응탱크에 저장된 액체를 상승시키기 위해, 상기 하나 이상의 가스 수집 시스템에 연결되고 상기 분리 장치로 유출시키는 배출 개구부를 가진 하나 이상의 상승관; 및
상기 분리 장치로 유출시키는 유입구와, 상기 분리 장치에서 분리된 액체를 상기 반응탱크의 상기 하단부로 회수하기 위하여 상기 반응탱크의 상기 하단부로 유출시키는 배출구를 갖는 하강관;
을 포함한다.
이러한 장치는 유럽특허공보(EP-A-170.332)호에 의하여 알려져 있다. 이 유럽특허공보(EP-A-170.332)호에 따르면, 한가지는 유기물을 함유한 폐수가 혐기성 조건 아래에서 용해된 유기물을 분류하는 과정을 겪도록 하는 것이다. 메탄 생성 미생물을 함유한 바이오매스(biomass)와 접촉함에 따라, 메탄은 액체로부터 분리되어 생성된다. 처리된 물(폐수)은 배수보(overflow weir)를 통해 제거된다. 유럽특허공보(EP-A-170.332)호의 1페이지 21~32째 줄에는 그러한 발명들에 대한 종래기술을 설명한다. 몇 시간의 체류시간을 통해 90% 정화에 도달될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 이러한 정화 효율이 오래동안 유지될 수 있는 범위는 슬러지(sludge) 보유량에 의존한다. 특히, 처리는 일정시점에 형성될 수 있는 슬러지보다 평균적으로 반응탱크로부터 더 이상의 슬러지가 헹구어지지 않는다는 것을 보장하도록 수행되어야 한다. 만약, 유입수에서의 낮은 COD 농도를 가진 높은 유압 유동(a high hydraulic flow)이 사용되면, 내부의 침전기(settler)가 배출되는 많은 양의 슬러지를 방지할 수 없는 상당한 위험이 뒤따른다. 이와 관련된 중요 요인으로는 침전기의 유압 표면 부하(loading)가 있다. 계속되는 페이지에서 유럽특허공보(EP-A-170.332)호는 상승하는 물 유동과 상승하는 가스 거품들이 다수의 바이오매스와 입자들을 아주 잘 섞을 수 있다는 것을 설명한다. 이러한 것들은 가스 수집 시스템이 위치된 곳에 있는 반응탱크의 상부에 도달할 수 있다. 이에 따라 발생된 난류는 반응탱크로부터 과도한 양의 바이오매스가 흘러나오게 할 수 있다. 이것은 반응탱크의 로딩 성능을 상당히 제한한다.
유럽특허공보(EP-A-170.332)호의 발명은 상술한 문제점을 극복하는 것을 목적으로 하고, 주요 가스 부하가 가스 수집 시스템의 상부로부터 제거되는 반응탱크를 안출하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 위하여 유럽특허공보호(EP-A-170.332)는 가스를 모으는 하나 이상의 부가적인 가스 수집 시스템을 제공한다. 그리고 이러한 부가적인 시스템은 상부의 수집 시스템보다 아래에 일정거리를 두고 배치된다. 부가적인 시스템은 가스 상승 유동에 의하여 액체를 상승시키는 하나 이상의 상승관을 가진 유압 링크를 가지고, 상기 상승관은 가스와 액체를 분리시키는 하나 이상의 분리 장치로 배출시킨다. 가스가 액체 레벨보다 아래에 상당한 거리를 가지도록 가두어지고, 상승관을 통하여 더 멀리 수송된다는 사실을 고려하면, 실질적으로 난류 없는 유동(turbulence-free flow)이 반응탱크의 상단부에서 발생될 수 있다. 이러한 부가적인 시스템은 부하 용량을 증가시키고, 반면에 상부에는 깨끗한 폐수가 얻어진다. 상승관으로 가스를 따라 수송된 액체가 분리되고 반응탱크로 회수되는 것은 중요하다: 조용하고, 와류 없는 유동(eddy-free flow)이 반응탱크의 상부에서 요구되는 반면에, 슬러지와 액체의 아주 양호한 혼합은 반응탱크의 하단부에서 요구된다. 이러한 목적을 위하여 하단부 가까이에 있는 무거운 슬러지는 액화되어야 한다. 유럽특허공보(EP-A-170.332)호에 따른 바람직한 실시예에서, 이러한 액화는 상승관에서 액체를 상승시키는 가스로부터 얻어지는 에너지를 통해 반응탱크의 하단부에서 이루어질 수 있다. 상승된 액체는 가스로부터 분리되고, 유압 중력 압력(hydraulic gravity pressure)의 영향 아래에서 하강관을 통하여 분리장치로부터 반응챔버의 하단부로 회수된다.
겅제적인 이유로, 반응탱크 컬럼(reactor column)을 가능한 높게 만드는 것이 점점더 관심사가 되어가고 있다. 반응탱크 컬럼을 좁게 만드는 경우에, 반응탱크 부피를 더 크게 하고 바이오매스를 더 많게 할 수 있으나, 반면에 반응탱크에 의하여 차지된 면적, 즉 접촉면은 동일하다. 그러나 반응탱크의 높이가 더 높아질수록 반응탱크에서 바이오매스의 컬럼(biomass column)은 더욱더 무거워질 것이다. 바이오매스 컬럼이 무거워지면 질수록, 반응탱크 하단부 가까이에서 액화 패턴과 양호한 혼합을 유지하는 것은 더욱 힘들어질 것이다. 또한, 몇 가지 경우에 바이오매스 혼합물이 비유기물질의 침전 때문에 더욱 무거워지는 경우가 발생될 수 있다. 또한, 이러한 경우에 양호한 액화를 유지하기가 어려울 수 있다.
해결책은 헤드 압력(head pressure)을 증가시키는 것일 수 있다. 그러나 종래의 기술과 경험에 의하면, 반응탱크 하단부에서 양호한 혼합과 반응탱크의 전반적인 역할을 다하기 위하여 하강관 내의 반응탱크의 액체 표면 레벨에서 압력손실을 극복하기 위해 약 0.8 내지 1m 워터컬럼(water column)의 헤드 압력(즉, 약 0.08~0.1bar)이 필요하고 슬러지 층의 하단부에서 양호한 배분을 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 너무 낮은 헤드 압력은 반응탱크의 하단부에서 최상이 아닌 혼합을 초래하고 및/또한 대체적으로 '반응탱크에서 수행된 과정'은 각각의 반응탱크의 성능을 더 낮게 한다. 반면에 너무 높은 헤드 압력은 바이오매스 입자들에 아주 높은 전단응력을 초래하고, 그 결과 과립상(granular) 물질의 파괴를 초래한다.
실제로는 사용시 가스 부하 상황으로부터 발생된 가스 압력으로부터 약 20% 미만의 헤드 압력이 얻어지는 동안, 적어도 대략 80%의 헤드 압력이 유압 압력(hydraulic presure)으로부터 얻어진다. 그러나 특별한 경우에 이것은 반응탱크 하단부에서 슬러지의 액화에 대한 문제를 도출하고, 및/또는 매우 불규칙적인 가스 유동에 대한 문제를 도출한다.
그래서, 경제적인 이유로 반응탱크 컬럼을 가능한 한 높게 제조하고 싶더라도, 상기한 바와 같은 교시 및 결과 때문에 반응탱크의 높이는 실질적으로 제한된다.
본 발명은 반응탱크의 높이를 증가시킬 수 있고, 반응탱크의 하단부에서 향상된 정화 능력을 가지며 폐수와 같은 유입수의 정화를 위한 혐기성 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 폐수와 같은 유입수의 정화를 위한 혐기성 정화 장치를 제공함으로써 이루어질 수 있는바, 혐기성 정화 장치는.
반응탱크;
상기 반응탱크의 하단부에 배치되고 상기 반응탱크로 유입수를 도입하는 유입수단;
상기 반응탱크에서 액체 표면을 형성하고 상기 반응탱크의 상단부에 제공되는 정화된 물을 모으기 위한 배수로홈과 같은 집수 수단;
상기 집수 수단보다 낮은 레벨에 배치되고 상기 반응탱크에 저장된 액체로부터 가스를 모으기 위한 하나 이상의 가스 수집 시스템;
상기 집수 수단보다 높은 레벨에 배치되는 가스-액체 분리 장치;
상기 하나 이상의 가스 수집 시스템에 모인 가스에 의해 유발된 가스 상승 유동에 의하여 상기 반응탱크에 저장된 액체를 상승시키기 위해 상기 하나 이상의 가스 수집 시스템에 연결되고 상기 분리 장치로 유출시키는 배출 개구부를 가진 하나 이상의 상승관;
상기 분리 장치로 유출시키는 유입구와, 상기 분리 장치에서 분리된 액체를 상기 반응탱크의 상기 하단부로 회수하기 위하여 상기 반응탱크의 상기 하단부로 유출시키는 배출구를 갖는 하강관;
을 포함하되, 상기 정화 장치는 하강관 내의 반응탱크의 액체 표면 레벨에서 적어도 약 1.4m 워터 컬럼(약 0.14bar)의 헤드 압력을 형성하기 위해 배치되는 것을 특징으로 한다.
이러한 점에서, 헤드 압력은 반응탱크의 액체 표면 레벨에서(레벨은 배수로홈(overflow gutter)과 같은 집수수단에 의해 형성된다) 하강관의 내부의 한 지점과 하강관의 외부이지만 탱크의 내부의 지점 사이의 압력차로 정의된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 헤드 압력은 적어도 1.5m 워터컬럼(약 0.15bar)이고, 바람직하게는 적어도 약 1.6m 워터컬럼(0.16bar)이다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시예에 따르면, 헤드 압력은 적어도 1.8~2m 워터컬럼(0.18-0.2bar) 이를테면, 2.5~3m 워터 컬럼(0.25~0.3bar) 이상이다.
상기한 두가지 유리한 실시예와 더불어 본 발명은 아래에서 설명될 것이고, 또한 이와 함께 몇 가지 다른 실시예가 설명될 것이다.
본 발명에 따르면, 해결책은 미치는 범위 내에서 성능의 증가가 초래되는 대신에 기대할 수 있는 만큼 반응탱크 성능의 감소 없이 더 높은 헤드 압력을 만들어 내는 것임을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응탱크는 장치 자체가 적어도 대략 1.4m 워터컬럼의 헤드 압력을 형성하는 방식으로 설계될 수 있고, 즉, 사용시 헤드 압력이 장치의 현재 구조적 형상 때문에 적어도 1.4m 워터컬럼일 것이다. 본 발명에 따르면 그것들 자신의 구조적 형상에 각각 연관되는 몇 가지 해결책이 있다.
첫번째 해결책은 더 높은 유압 압력을 위하여 반응탱크의 상부보다 더 높은 레벨에 가스-액체 분리 장치를 두는 것이다. 이러한 결과로, 액체 표면보다 상부로 연장된 상승관의 일부분이 연장되어야 할 필요가 있을 뿐만 아니라 가스-액체 분리 장치로 워터컬럼을 상승시키기 위한 구동력이 연장되어야 할 필요가 있다. 예를 들어, 이것은 물의 표면보다 아래로 연장된 상승관의 길이를 증가시킴으로써 행하여 질 수 지고, 및/또는 예를 들어 관의 지름을 변경시킴에 의하여 상승관의 유동 저항을 감소시킴에 의하여 행하여 질 수 있다. 상승관으로 도입되는 가스의 위치를 더 낮추는 것은 분리장치로 워터컬럼을 상승시키는 더 강한 구동력을 만들어 낸다. 상승관에서 대체된 물의 부피에 의해 생성된 상승 압력은 가스-액체 분리 장치로 물을 수송하기 위한 구동력을 발생시킨다.
첫번째 해결책에 따른 바람직한 실시예는 하나 이상의 상승관(5)이 상기한 액체표면(21)으로부터 상측으로 연장된 상승관(5)의 일부분으로 정의된 상부(26)를 가지는 것을 특징으로 한다. 그리고, 여기서 상기한 상부는 적어도 대략 1.2m의 길이(H3)을 가지고, 바람직하게는 적어도 대략 1.4m, 이를테면 1.6-2m 또는 더 긴 길이를 가진다.
두번째 해결책은 가스-액체 분리 장치에서 더 높은 가스 압력으로 작동하는 것이다. 이 두번째 해결책은 예컨대 기설정된 임계값의 가스 압력을 유지하기 위한 수단을 가지는 실질적으로 폐쇄된 용기에 가스-액체 분리 과정을 배열시킴에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 방법에 의하여 0.3 내지 1.0m 워터컬럼의 여분의 헤드 압력이 얻어질 수 있고 또한 심지어 필요한 것보다 더 높은 압력이 얻어질 수 있다. 이러한 두번째 해결책의 바람직한 실시예에 따르면, 상기한 임계값은 적어도 대략 0.25m 워터컬럼(대략 0.025bar), 이를테면 적어도 대략 0.5m 워터컬럼(대략 0.05bar)이다. 두번째 해결책의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기한 임계값은 대략 1.2m 워터컬럼(약 0.12bar) 미만, 이를테면 대략 1.5m 워터컬럼(약 0.15bar) 미만이다.
세번째 해결책은 하강관을 통하여 유동하는 유체 유동을 향상시키는 것이다. 예를 들면, 이것은 유체가 하강관으로 들어가는 것을 계속적이고 쉽게 하는 제공수단에 의하여 이루어질 수 있다. 세번째 해결책에 따른 실시예에 따르면, 가스-액체 분리 장치는 용기를 포함하며, 여기에서 하강관의 유입구는 수직축에 대하여 원추 형상이고 아래방향으로 테이퍼지게 형성되고, 그리고 하나 이상의 상승관의 배출 개구부는 원추 형상으로 형성된 하강관의 유입구 주위에 있는 용기에서 접선방향의 유체 유동을 생성하도록 배치된다.
네번째 해결책은 이전에 언급된 세 가지 중 하나 또는 복수의 조합 또는 가능한 다른 해결책이다.
효과의 중요한 요소는 반응탱크에서 가스 생산량이고, 반응탱크에서의 가스 생산량은 사용된 COD 로딩과 COD 변환률에 기인한다. 각각의 특정 반응탱크 표면에서의 더 높은 가스 생산량은(예를 들어 m3gas/m2.h로 표현된) 더 강한 가스 상승을 초래하고, 반면에 더 낮은 가스 생산량에서 가스 상승은 더 늦쳐지고 결국 정지할 것이다. 더 높은 반응탱크 컬럼이 이론적으로 m3gas/m2.h 보다 더 생산될 때 더 많은 내부 순환 유동을 위한 여분의 구동력 또는 가스-액체 분리 장치로 물을 상승시키기 위한 여분의 구동력이 사용 가능할 것이다. 출원인은 기대했던 것과는 반대로 이 부가적으로 사용 가능한 구동력이 일반적인 생각과는 달리 혐기성 정화 장치의 단순 설계 치수에 의해 헤드 압력을 증가시키기에 실질적으로 충분한 많은 양이라는 것을 알았다.
반응탱크는 일반적으로 5 내지 35kg COD/m3,d 사이의 용적 부하율(Volumetric Loading Rates:VLR)의 아주 넓은 범위에서 작동될 수 있기 때문에, 올바른 부피는 가장 확실한 작동 환경을 고려하여야 한다.
그런데 경제적인 이유로, 20m보다 더 높은 반응탱크는 더 자주 구성될 것이므로, 특정한 치수를 채용함으로써 내부 순환이 유지 또는 향상될 수 있음을 알았다. 물보다 바이오매스 슬러지의 밀도가 더 높다는 것을 고려하고, 유입구 분배 시스템 뿐만 아니라 하강관은 압력 손실을 초래한다는 것을 고려하고, 그리고 슬러지 층이 액화에 대항한 어떤 저항을 가진다는 것을 고려하면, 20 내지 30 cm 워터컬럼의 "통상적인" 가스 압력을 위해 가스 상승은 반응탱크에서의 물 레벨보다 높은 바람직하게는 1.4 내지 1.6m 그리고 어떤 경우에는 심지어 2.2m 보다 높고, 적어도 1.2m의 레벨로 물을 이송시키는 것이 필요하다는 것을 알았다. 상승관의 총 길이가 15 내지 30kg COD/m3.d 사이에서의 평균 반응탱크 부하에 대해 이를 수용하기 위해 상기한 액체 표면으로부터 상부로 확장된 상승관의 상부 즉, 배수로홈(overflow gutter)과 같은 집수수단보다 상부에 있는 길이가 상승관의 전체 길이의 적어도 약 10%, 이를테면 적어도 대략 15% 정도, 및/또는 약 30% 미만, 이를테면 약 25% 미만 정도의 사이가 되도록 선택되어야 할 필요가 있다. 다른 방식으로, 가스 압력은 60 또는 70 cm 워터컬럼으로 증가될 수 있거나, 심지어 1.0m 워터컬럼 이상으로 증가될 수 있다. 또한 두 가지 치수의 조합도 가능할 것이고, 이를테면 1.6m 로 가스 상승에 의해 워터컬럼을 상승시키키고, 2.2m 워터컬럼의 헤드 압력 또는 조합된 압력을 만들기 위하여 60 cm 로 가스 압력을 증가시키는 것이 가능할 것이다. 이러한 치수들을 고려하면, 반응탱크의 높이는 24 내지 36m의 범위에서 또는 심지어 이보다 더 높은 높이로 현실화될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탱크에 저장된 액체로부터 가스를 제거하거나 수집하기 위해 상부 가스 수집 수단(10)을 더 포함하고, 상부 가스 수집 수단(10)은 집수 수단과 하나 이상의 가스 수집수단의 사이에 제공된다.
본 발명은 발명에 따른 혐기성 정화 장치의 사용에 의하여 구현되고, 혐기성 정화장치의 사용에 관한 것이다.
그리고, 본 발명은 폐수와 같은 유입수를 정화하기 위한 혐기성 정화 장치를 작동하는 방법으로 구현되고, 혐기성 정화 장치를 작동하는 방법에 관한 것으로서 혐기성 정화 장치는,
반응탱크;
상기 반응탱크의 하단부에 배치되고 상기 반응탱크로 유입수를 도입하는 유입수단;
상기 반응탱크에서 액체 표면을 형성하고 상기 반응탱크의 상단부에 제공되는 정화된 물을 모으기 위한 배수로홈과 같은 집수 수단;
상기 집수 수단보다 낮은 레벨에 배치되고 상기 반응탱크에 저장된 액체로부터 가스를 모으기 위한 하나 이상의 가스 수집 시스템;
상기 집수 수단보다 높은 레벨에 배치되는 가스-액체 분리 장치;
상기 하나 이상의 가스 수집 시스템에 모인 가스에 의해 유발된 가스 상승 유동에 의하여 상기 반응탱크에 저장된 액체를 상승시키기 위해 상기 하나 이상의 가스 수집 시스템에 연결되고 상기 분리 장치로 유출시키는 배출 개구부를 가진 하나 이상의 상승관;
상기 분리 장치로 유출시키는 유입구와, 상기 분리 장치에서 분리된 액체를 상기 반응탱크의 상기 하단부로 회수하기 위하여 상기 반응탱크의 상기 하단부로 유출시키는 배출구를 갖는 하강관;
을 포함하고,
상기 혐기성 정화 장치는 적어도 대략 1.4m 워터컬럼(대략 0.14bar)의 헤드 압력으로, 하강관의 액체 표면 레벨에서 나타나는 상기한 헤드 압력으로 작동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법과 마찬가지로 본 발명에 따른 사용상의 이점과 청구항 14-17항에 따른 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명에 따른 장치에 관계된 전술한 설명으로부터 더욱 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 혐기성 정화 장치의 개략도이다.
도 2A 와 도 2B는 용어 "헤드 압력"을 설명하기 위한 본 발명에 따른 정화 장치의 일부분을 도시한 개략도이다.
이하에서의 본 발명은 도면을 참조하면 더욱 명확해질 것이다.
도 1에서 도시한 혐기성 정화 설비는 반응탱크라고 부르는 높이가 높은 컨테이너(14)를 포함한다.
반응탱크(14)의 하단부에는, 공급부(12)를 통해 도입된 유입수를 위한 혼합영역(2)이 제공된다. 당업자에게 알려진 것처럼, 이런 혼합영역(2)은 몇 가지 방식으로 이루어질 수 있다. 혼합영역을 이루기 위한 한가지 이점이 있는 방식은 WO92/01637호와 일치하는 유입 시스템을 제공하는 것이다.
반응탱크의 상부에 배수로홈(11)의 형태로 집수수단 또는 다른 수단이 정화된 폐수를 배출하기 위한 폐수 배출관(15)에 연결되도록 설치된다. 집수수단은 반응탱크(14)에 액체 표면 레벨(21)을 형성한다. 배수로홈(11)의 경우, 이 액체 표면의 레벨(21)은 상기한 배수로홈(11)의 배수 모서리에 의해 결정될 것이다.
가스를 제거하고 모으기 위한 두 개의 가스 수집 장치(4,10)는 반응기 탱크(14) 내부에 설치된다. 각각의 가스 수집 장치는 복수개의 덮개(19)를 포함한다. 가스 수집 장치마다 덮개는 하나의 층에 또는 도면에 도시된 3개의 층과 같이 복수개의 층에 배치될 수 있다. 참조번호 10은 특별히 청구항에서 상부 가스 수집 수단으로 불리고, 참조번호 4는 특별히 청구항에서 하나 이상의 가스 수집 시스템으로 불린다. 도 1에는 단지 하나의 가스 수집 시스템(4)을 도시하였으나, 본 발명의 구성에서 2개, 3개 또는 더 많은 가스 수집 시스템이 제공될 수 있다. 상부 가스 수집 수단(10)은 상승관(5)에 연결될 필요가 없고, 탱크의 이 높이에 있는 액체가 희박한 가스를 가지고 있는 경우에는 상부 가스 수집 수단이 존재하지 않을 수 있거나 또는 가스-액체 분리 장치 또는 다른 곳으로 분리되어 배출될 수 있다.
반응탱크의 상부에는 가스-액체 분리 장치(6)가 제공된다. 이러한 가스-액체 분리 장치는 바이오가스(biogas)와 같은 가스를 배출시키기 위한 가스 배기구(7), 액체 배출구(17), 및 분리된 가스와 액체를 함유한 유체를 공급하기 위한 유입구(18)를 가진 폐쇄된 용기(16)(개방된 용기도 가능함, 도 2 참조)를 구비한다. 액체 유입구(17)는 하강관(8)의 상단부이고, 또는 상기한 하강관(8)의 다른 유입구이다. 유입구(18)는 상승관(5)의 상단부이고, 또는 상기한 상승관의 다른 배출 개구(discharge opening)이다. 가스 배출구(7)는 용기의 기설정된 임계값에서 가스 압력을 유지하기 위한 수단(22)을 선택적으로 제공한다. 바람직하게 임계값은 대략 0.25m 워터컬럼(약 0.025bar)의 최소값을 가질 것이다. 선택적으로 임계값은 대략 1.5m 워터컬럼(대략 0.15bar)의 최대값을 가질 수 있다.
상승관(5)은 액체의 유입을 위한 유입구를 가진 하단부를 가진다. 이러한 유체는 하나 이상의 가스 수집 시스템(4)(분리기 레벨보다 더 낮은)에 의해 모인 가스에 의해 유발된 가스 상승 작용에 의하여 유입된다. 이러한 목적을 위하여 모인 가스가 상승관에 가스 상승을 발생시키는 통로인 상승관에 하나 이상의 가스 수집 시스템(4)의 덮개(19)가 연결된다. 상기한 모든 것들을 고려할 때, 상승관은 종래 기술로부터 잘 알려져 있고, 당업자에게 알려진 것처럼, 몇 가지 방식으로 실현될 수 있다.
하강관(8)은 가스-액체 분리 장치(6)로부터 탱크(14)의 하부로 연장된다. 중력의 영향 아래에서, 더욱이 바이오매스를 함유할 수 있는 분리 장치로부터의 액체는(바이오매스가 위치하는 장소에 따라 다름) 탱크의 하단부로 회수된다. 탱크의 하단부에서 이러한 복귀 유동은 바이오매스 층의 액화를 유발한다.
도 2A와 도 2B는 본 출원에서 사용되는 바와 같은 용어 "헤드 압력"을 설명하기 위한 목적으로 본 발명에 따른 서로 다른 두 가지의 실시예들을 아주 개략적으로 나타낸다.
대응되는 부분은 도 1에 도시한 동일한 참조번호를 사용한다.
도 2A와 도 2B에서, 헤드 압력(Phead)는 A점과 B점 사이에서의 압력차이다. 압력 PA를 갖는 A점은 탱크에서 액체 표면 레벨(21)인 하강관(8)의 내부에 위치한다. 압력 PB를 갖는 B점은 하강관의 외부에 위치하지만, 액체 표면과 동일한 레벨의 반응탱크 내부에 위치한다. A점 상부의 워터컬럼(HW)에 의해 유발된 압력은 PW라고 부른다. 압력 P1은 가스-액체 분리 장치(6)의 액체 레벨 상부의 가스 압력이다. 압력 P2는 반응탱크의 액체 레벨(21) 상부의 가스 압력이다. 모든 압력은 대기압과 관련되어 측정된다.
도 2A에 따른 실시예에서, 가스-액체 분리 장치(6)는 폐쇄된 용기(16)을 포함한다. 이러한 폐쇄된 용기에서 가스 압력은 P1이다. 반응탱크(14)는 소위 개방된 상부를 가진다. 이것은 상부가 반응탱크의 상부에서의 가스 압력 P2가 대략 대기 압력이기 위하여 대기와 통해 있음을 의미한다. 그래서 대기 압력과 관련하여 가스 압력 P2는 대략 0이다. 그러나 반응탱크는 또한 가스 압력 P2가 대기 압력과 서로 다르도록 하기 위하여 폐쇄된 상부를 가질 수 있다. 헤드 압력은 아래와 같다.
Phead = PA - PB = PW + P1 - P2
도 2B에 따른 실시예에서, 가스-액체 분리 장치(6)는 개방된 상부를 가지고, 반응탱크(14)는 폐쇄된 상부를 가진다. 더욱이 가스-액체 분리 장치는 반응탱크(14)의 내부에 배치된다. 결과적으로 압력 (P1,P2)는 동일하다. 헤드 압력은 아래와 같다.
Phead = PA - PB = PW + P1 - P1 = PW
도 2B에서 헤드 압력은 반응탱크(14)가 개방 탱크일 때와 동일할 것이다.
작동시, 슬러지 입자 또는 다수의 바이오 매스와 지방산, 형성된 메탄과 같은 물에 포함된 수용성 물질 사이의 접촉에 기인한 혐기성 조건 아래에서 발효(fermentation)가 발생된다. 반응탱크의 상부에서의 난류 없는 유동(turbulence-free flow)을 이루기 위하여 그리고 폐수로부터 실질적으로 슬러지를 얻어지지 않음을 보장하기 위하여 부가적인 가스 수집 수단(4)은 배수로홈(11)의 아래의 실질적으로 일정한 거리가 있는 위치에 제공된다. 분리 장치(6)에서 액체와 가스는 중력에 의해 서로 분리되고, 액체는 분리 장치의 하단부에 모이고, 상기에서 설명된 것처럼 혼합을 유지하기 위하여 하강관(8)을 통해 반응탱크의 혼합 영역(2)으로 회수된다.
가스가 반응탱크(14)의 액체 상부로 물을 상승시킴에 따라, 하강관(8)의 액체 컬럼은 하강관(8)에 적절하고 강력한 하강 유동을 발생시키고, 이러한 하강 유동은 반응탱크 하단부에서 여분의 혼합을 제공한다. 따라서, 간단한 방법으로 반응탱크 상부에서는 고요하며, 반응탱크의 하단부에서는 무거운 슬러지와 유입수가 난류에 의해 완전하게 혼합되는 효과가 이루어진다.
도면들에서 도면부호 29는 부가적인 가스 수집 시스템에 의해 모인 가스가 상승관으로 도입되는 위치를 지시하고, H2는 상기한 가스 도입 지점(20)과 집수 수단(11)(폐수보/홈)의 레벨 사이의 수직거리를 나타내고, 집수수단의 레벨은 사실상 탱크에서의 액체 수위(21)이다. H3는 상승관(18)의 배출 개구부와 집수 수단의 레벨 사이의 수직 거리를 나타낸다. H1은 본질적으로 H2와 H3의 합을 나타낸다. 즉, H1 = H2+H3 이다. H3의 길이는 H1의 10% 내지 30%의 범위일 수 있다. 상승관(18)의 배출 개구부는 가스-액체 분리 장치의 액체 레벨보다 상부에 위치하고, 분리 과정의 최적화를 위하여 가스-액체 분리 장치(6)의 접선방향의 유동 패턴을 발생시키기 위한 방식으로 설계된다. 하강관(8)의 유입 개구부는 바람직하게 가스가 갇히는 것을 방지하기 위하여, 일정한 하강 유동이 가능하도록 원추 형상으로 형성된다.
발명의 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다. 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예들에 불과하다. 모든 실시예들에서 공통적으로 발효과정 동안 생성된 상당량의 가스가 반응탱크의 상부에 도달할 수 있기 전에 수집되고, 이 과정에서 가스 상승 유동에 의하여 추진되는 액체는 가스로부터 분리되고, 상대적으로 무거운 액체 컬럼의 위치에너지는 재순환 유동을 통하여 반응탱크 하단부에서 완전한 액화와 혼합을 위한 필수적인 섞임을 얻기 위해 사용된다. 반응탱크의 상부에서 배출된 에너지는 곧바로 하단부로 전해진다. 반응탱크의 부하 용량은 물 유입구에 가까운 하부에서의 난류와 물 배출구에 가까운 상부에서의 평온의 결과로써 상당히 증가된다.

Claims (18)

  1. 유입수의 정화를 위한 혐기성 정화 장치에 있어서,
    상기 혐기성 정화 장치는,
    반응탱크(14);
    상기 반응탱크(14)의 하단부에 배치되고 상기 반응탱크(14)로 유입수를 도입하는 유입수단(12);
    상기 반응탱크(14)에서 액체 표면(21)을 형성하고 상기 반응탱크(14)의 상단부에 제공되는, 정화된 물을 모으기 위한 집수 수단(11);
    상기 집수 수단(11)보다 낮은 레벨에 배치되고 상기 반응탱크(14)에 저장된 액체로부터 가스를 모으기 위한 하나 이상의 가스 수집 시스템(4);
    상기 집수 수단(11)보다 높은 레벨에 배치되는 가스-액체 분리 장치(6);
    상기 하나 이상의 가스 수집 시스템(4)에 모인 가스에 의해 유발된 가스 상승 유동에 의하여 상기 반응탱크(14)에 저장된 액체를 상승시키기 위해 상기 하나 이상의 가스 수집 시스템(4)에 연결되고 상기 분리 장치(6)로 유출시키는 배출 개구부(18)를 가진 하나 이상의 상승관(5); 및
    상기 분리 장치(6)로 유출시키는 유입구(17)와, 상기 분리 장치에서 분리된 액체를 상기 반응탱크의 상기 하단부로 회수하기 위하여 상기 반응탱크(14)의 상기 하단부로 유출시키는 배출구를 갖는 하강관(8);을 포함하되,
    상기 액체 표면(21)의 레벨에 있는 상기 하강관 내에서 적어도 1.4m 워터컬럼의 헤드 압력을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 헤드 압력은 적어도 1.5m 워터컬럼인 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 헤드 압력은 적어도 1.8~2m 워터컬럼인 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 상승관(5)은 상기 액체 표면(21)으로부터 상부로 연장된 상승관(5)의 일부분으로서 형성되는 상부(26)를 가지고, 상기 상부는 상기 하나 이상의 상승관(5)의 총 길이(H1)의 적어도 10%의 길이(H3)를 가지는 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 상승관(5)은 상기 액체 표면(21)으로부터 상부로 연장된 상승관(5)의 일부분으로서 형성되는 상부(26)를 가지고, 상기 상부는 상기 하나 이상의 상승관(5)의 총 길이(H1)의 30% 미만의 길이(H3)를 가지는 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 상승관(5)은 상기 액체 표면(21)으로부터 상부로 연장된 상승관(5)의 일부분으로서 형성되는 상부(26)를 가지고, 상기 상부는 적어도 1.2m의 길이(H3)를 가지는 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스-액체 분리 장치(6)는 가스 압력을 임계값으로 유지시키기 위한 수단을 구비하는 실질적으로 폐쇄된 용기(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 임계값은 적어도 0.25m 워터컬럼인 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 임계값은 1.5m 워터컬럼인 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스-액체 분리 장치(6)는 용기(16)를 포함하며, 상기 하강관(8)의 유입구(17)는 수직 축에 대하여 하향으로 테이퍼를 가지도록 원추 형상으로 형성되고, 상기 원추 형상의 유입구(17)는 상기 용기(16)의 내부에 배치되고, 상기 하나 이상의 상승관(5)의 배출 개방구(18)는 상기 하강관의 원추 형상의 유입구(19) 주위의 용기(16)에 접선방향의 액체 유동을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집수수단(11)과 상기 하나 이상의 가스 수집 시스템(4) 사이에 배치되고, 상기 탱크(14)에 저장된 액체로부터 가스를 모으고 제거하기 위한 상부 가스 수집 수단(10)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치.
  12. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 상기 혐기성 정화 장치의 사용.
  13. 유입수의 정화를 위한 혐기성 정화 장치의 작동 방법에 있어서,
    상기 혐기성 정화 장치는,
    반응탱크(14);
    상기 반응탱크(14)의 하단부에 배치되고 상기 반응탱크(14)로 유입수를 도입하는 유입수단(12);
    상기 반응탱크(14)에서 액체 표면(21)을 형성하고 상기 반응탱크(14)의 상단부에 제공되는, 정화된 물을 모으기 위한 집수 수단(11);
    상기 집수 수단(11)보다 낮은 레벨에 배치되고 상기 반응탱크(14)에 저장된 액체로부터 가스를 모으기 위한 하나 이상의 가스 수집 시스템(4);
    상기 집수 수단(11)보다 높은 레벨에 배치되는 가스-액체 분리 장치(6);
    상기 하나 이상의 가스 수집 시스템(4)에 모인 가스에 의해 유발된 가스 상승 유동에 의하여 상기 반응탱크(14)에 저장된 액체를 상승시키기 위해 상기 하나 이상의 가스 수집 시스템(4)에 연결되고 상기 분리 장치(6)로 유출시키는 배출 개구부(18)를 가진 하나 이상의 상승관(5); 및
    상기 분리 장치(6)로 유출시키는 유입구(17)와, 상기 분리 장치에서 분리된 액체를 상기 반응탱크의 상기 하단부로 회수하기 위하여 상기 반응탱크(14)의 상기 하단부로 유출시키는 배출구를 갖는 하강관(8);을 포함하되,
    상기 혐기성 정화장치는 적어도 1.4m 워터컬럼의 헤드 압력에서 작동되며, 상기 헤드 압력은 상기 액체 표면(21)의 레벨에 있는 상기 하강관(8) 내에서 나타나는 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치의 작동 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 헤드 압력은 적어도 1.5m 워터컬럼인 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치의 작동 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 헤드 압력은 적어도 1.8-2m 워터컬럼인 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치의 작동 방법.
  16. 제 13항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스-액체 분리 장치(6) 실질적으로 폐쇄된 용기(16)를 포함하고, 상기 용기(16) 내에서 나타나는 가스 압력이 적어도 0.3m 워터컬럼인 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치의 작동 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 용기(16) 내에서 나타내는 가스 압력이 1.5m 워터컬럼 미만인 것을 특징으로 하는 혐기성 정화 장치의 작동 방법.
  18. 삭제
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