KR101422528B1 - 폐수 처리 시스템 및 방법 - Google Patents

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마이클 하우드셸
로리 마튼
존 에이. 메이들
토마스 제이. 볼스테트
로버트 제이. 웬타
토드 윙거스
조셉 이. 쥬백
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Abstract

본 발명은 폐수를 처리하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 폐수 처리 시스템은 활성탄 및 제 1 생물학적 개체군을 포함하는 생물반응기(120)를 포함한다. 폐수 처리 시스템은 또한 생물막 반응기(130) 및/또는 습식 산화 유닛(150)을 포함할 수 있다.

Description

폐수 처리 시스템 및 방법{WASTEWATER TREATMENT SYSTEM AND METHOD}
관련 출원
본 발명은 하기 미국 가출원에 대한 35 U.S.C. § 119(e)하의 우선권을 주장한다: 본원에서 전체 내용이 참조로 통합되고 있는, 2006년 3월 8일자 출원되고 발명의 명칭이 "PACT/WAR 시스템에서의 내분비 교란 화합물의 처리방법(TREATMENT OF ENDOCRINE DISRUPTING COMPOUNDS IN A PACT/EAR SYSTEM)"인 미국 가출원 제60/780,142호; 2006년 3월 22일자 출원되고 발명의 명칭이 "폐수를 처리하는 방법 및 장치(METHOD AND APPARATUS FOR TREATING WASTEWATER)"인 미국 가출원 제60/747,853호; 및 2006년 7월 26일자 출원되고 발명의 명칭이 "분쇄된 활성탄 처리를 위한 조합된 생물막 반응기 및 처리하기 어려운 폐수를 위한 습식 공지 재생 시스템(COMBINED MEMBRANE BIOREACTOR POWDERED ACTIVATED CARBON TREATMENT AND WET AIR REGENERATION SYSTEM FOR DIFFICULT TO TREAT WASTE WATER)"인 미국 가출원 제60/820,410호.
발명의 배경
1. 발명의 분야
본 발명은 폐수를 처리하는 생물반응기 시스템 및 방법, 더욱 특히 생물막 반응기를 이용한 폐수 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
2. 관련분야의 설명
폐수의 생물학적 처리는 광범위하게 실행되고 있다. 폐수는 일반적으로 폐기물 활성화된 슬러지로 처리되고, 처리 탱크내의 슬러지 체류시간 동안 박테리아에 의해서 생물학적 고형물이 작용을 받는다. 그러나, 생물학적 처리는 적절히 처리되어야 하는 원치않은 폐 슬러지를 생성시킨다. 폐 슬러지는 일반적으로 시스템으로부터 제거되고 하소 또는 매립지에서의 매립를 위해서 오프-사이트(off-site)로 보내진다.
또한, 폐수에 존재하는 어떠한 유기물은 처리 탱크내의 수력학적 체류시간 동안에만 박테리아에 의해서 작용을 받는다. 수력학적 체류시간은 일반적으로 슬러지 체류시간보다 짧기 때문에, 유기물, 특히 난분해성 유기물은 처리되거나 파괴되지 않을 수 있다. 그 결과, 변화되지 않고 처리 공정을 통과하여 유출 또는 잔류 슬러지중 하나에 배출될 수 있는 특정의 유기 화합물이 존재한다.
분쇄된 활성탄 공정은 유기물이 수력학적 체류시간 및 슬러지 체류시간 동안 처리 탱크내에 유지되게 하여 흡착 처리 및 생물학적 처리가 진행되게 하는 증진된 생물학적 처리 공정이다. 그러나, 유기 성분의 생물학적 성장 및 흡착 둘 모두가 발생하기 때문에, 과량의 고형물 처리가 요구된다. 또한, 분쇄된 활성탄이 생물학적 고형물의 제거와 함께 처리 공정으로부터 손실되고, 그로 인해서, 연속적으로 교체되어야 한다.
추가의 처리 또는 매립을 위해서 오프-사이트로 보내지는 슬러지의 양을 감소시키는 효과적이고 경제적인 방법이 요구되고 있다. 또한, 내성 및 난분해성 유기물을 처리하는 효과적이고 경제적인 방법에 요구되고 있다.
발명의 요약
하나 이상의 구체예에 따르면, 본 발명은 폐수를 처리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
한 가지 구체예에서, 폐수 처리 시스템은 폐수 공급원 및 폐수 공급원의 하류에 유체 소통관계로 연결된 생물반응기(bioreactor)를 포함한다. 생물반응기는 흡착제를 포함한다. 시스템은 추가로 생물반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결된 흡착제 재생 유닛을 포함한다.
또 다른 구체예에서, 폐수 처리 시스템은 폐수 공급원 및 폐수 공급원에 유체 소통관계로 연결된 생물반응기를 포함한다. 생물반응기는 흡착체를 포함한다. 습식공기 산화 유닛(wet air oxidation unit)이 생물반응기에 유체 소통관계로 연결된다.
또 다른 구체예는 폐수 공급원 및 폐수 공급원에 유체 소통관계로 연결된 제 1 생물반응기를 포함하는 폐수 처리 시스템에 관한 것이다. 제 1 생물반응기는 흡착제를 포함한다. 이러한 폐수 처리 시스템은 또한 제 1 생물반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결된 제 2 생물반응기를 포함한다. 이러한 이스템은 추가로 제 1 생물반응기의 하류 및 제 2 생물반응기의 상류에 유체 소통관계로 연결된 분리기를 포함한다.
또 다른 구체예에서, 폐수 처리시스템은 폐수 공급원, 폐수 공급원에 유체 소통관계로 연결된 유입구 및 유출구를 포함하는 습식공기 산화 유닛, 및 생물 개체군을 포함하며 상기 유출구에 유체 소통관계로 연결된 생물막 반응기를 포함한다.
또 다른 구체예는 폐수 공급원을 제공하고 생물반응기를 제공함을 포함하는 폐수 처리 방법에 관한 것이다. 그러한 방법은 추가로 폐수를 흡착제 및 생물 개체군과 접촉시켜서 제 1 생성물 스트림을 생성시키고, 제 1 생성물 스트림중의 흡착제의 일부를 재생시켜 제 2 생성물 스트림을 생성시킴을 포함한다. 제 2 생성물 스트림은 생물반응기로 통과된다.
본 발명의 그 밖의 이점, 신규 특징 및 목적은 첨부된 도면과 함께 하기된 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도면의 간단한 설명
첨부된 도면은 본래의 규격으로 도시된 것이 아니다. 도면에서, 다양한 특징으로 예시되고 있는 각각의 동일한 또는 거의 동일한 부품은 유사한 숫자로 표시되고 있다. 명백하게 하기 위한 목적으로, 모든 부품을 모든 도면에서 표지하지는 않을 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명의 각각의 구체예의 모든 부품을 예시하지는 않는데, 그 경우는 당업자에게는 본 발명을 이해하는데 예시가 필요 없는 경우이다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 처리 시스템을 도시하는 블록 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 또 다른 처리 시스템을 도시하는 블록 다이아그램이다.
도 3는 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 또 다른 처리 시스템을 도시하는 블록 다이아그램이다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 또 다른 처리 시스템을 도시하 는 블록 다이아그램이다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 구체예가 실행될 수 있는 컴퓨터 시스템을 예시하는 개략적인 다이아그램이다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 구체예에 따른 도 5의 컴퓨터 시스템과 함께 사용될 수 있는 저장 시스템의 개략적인 예시이다.
상세한 설명
본 발명은 그 적용에 있어서 상세한 설명에 기재되거나 도면에 예시된 부품의 구성 및 배열에 대한 상세사항으로 한정되지 않는다. 본 발명은 그 밖의 구체예를 수행할 수 있으며, 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 본원에 사용된 표현 및 용어는 본 발명의 설명을 위한 것이며 제한을 위한 것이 아니다. 본원에서 "포함하는", 또는 "지니는", "함유하는", "관련되는" 및 이의 변형의 사용은 그 표현 뒤에 기재된 아이템 및 그 등가물 뿐만 아니라 추가의 아이템을 포함함을 의미한다.
본 발명은 폐수 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본원에서 사용된 용어 "폐수"는, 폐수 처리 시스템으로 흐르는, 박테리아에 의해서 분해될 수 있는 생물학적 분해 가능한 물질, 무기 화합물 또는 유기 화합물 오염물을 지니는 산업 폐수, 농업 폐수 및 도시 폐수의 스트림과 같은 처리되어야 할 어떠한 물을 의미한다. 명백하게는, 바이오매스(biomass)는 성장을 위한 적절한 조건을 제공하는 환경을 필요로 한다. 본원에서 사용된 용어 "폐수 처리 시스템"은 고형물 생성을 감소시키면서 생물학적 분해 가능한 물질을 분해시키는데 사용된 다양한 형태의 박테 리아의 박테리아성 미생물의 바이오매스 개체군을 지니는 시스템, 전형적으로는 생물학적 처리 시스템이다. 고형물 생성을 감소시키는 폐수 처리 방법이 미국특허 제6,660,163호; 제5,824,222호; 제5,658,458호; 및 제5,636,755호에 기재되어 있으며, 본원에서의 이들의 모든 내용을 참조로 통합한다. 도시 수돗물과 같은 처리되어야 할 어떠한 물은 본원에 기재된 하나 이상의 본 발명에 의해서 유익할 수 있으며, 그로 인해서, 본원에서 사용된 폐수의 정의에 명확하게 포함되는 것으로 이해된다.
산업 및 도시 폐수는 전형적으로는 내성 및 난분해성 유기물을 포함하는 생물학적 고형물, 불활성 물질 및 유기물을 함유한다. 본원에서 사용된 용어인 난분해성 유기물은 폐스트림중의 수 많은 유기물에 비해서 생분해되는데 느리거나 어려운 유기물 부류를 의미한다. 난분해성 유기물의 예는 합성 유기 화학물질, 예컨대, 고분자 전해질 처리 화학물질을 포함한다. 그 밖의 난분해성 유기물은 폴리클로리네이티드 바이페닐(polychlorinated biphenyl), 폴리시클릭 방향족 탄화수소, 폴리클로리네이티드 디벤조-p-독신, 및 폴리클로리네이티드 디벤조푸란을 포함한다. 내분비 교란 화합물이 또한 유기체의 호르몬 체계에 영향을 줄 수 있는 난분해성 유기물 부류이며, 주변환경에서 발견된다. 내분비 교란 화합물의 예는 알킬페놀류, 예컨대, 오일을 제거하는데 사용되는 노닐페놀 뿐만 아니라, 천연 호르몬 및 피임제에서 발견되는 합성 스테로이드, 예컨대, 17-b-에스트라디올, 에스트론, 테스토스테론, 에티닐 에스트라디올을 포함한다.
산업 및 도시 폐수는 또한 수처리 공정 동안 발생되며 제거하기가 어려운 미 량의 구성 화합물을 함유할 수 있다. 수처리 공정 동안 유입되는 미량의 구성물의 예는 니트로사민, 예컨대, 양이온성 및 음이온성 수지로부터 방출될 수 있는 N-니트로소디메틸아민(NDMA)을 포함한다.
본 발명의 한 가지 구체예는 하나 이상의 처리 영역을 지니는 생물반응기를 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "처리 영역"은 각각의 처리 부위를 나타내는데 사용된다. 각각의 처리 부위는 하나 이상의 구역을 지니는 단일 용기내에 하우징될 수 있다. 대안적으로는, 각각의 처리 부위는 상이한 처리가 별도의 용기에서 수행되도록 별도의 용기에 하우징될 수 있다. 처리 영역, 즉, 용기, 탱크, 구역은 요구된 수력학적 체류시간을 제공하도록 처리되는 폐수의 용적 및 요구된 적용에 따라서 크기 및 형태가 결정될 수 있다. 따라서, 생물반응기는 하나 이상의 용기를 포함할 수 있다. 생물반응기는 하나 이상의 필터 막을 지니는 생물막 반응기를 포함할 수 있다.
하나 이상의 처리 영역이 배치 흐름 방식, 일련의 배치 반응기, 또는 연속적인 폐수 유입을 지니는 연속적인 흐름 배치 반응기로서 작동될 수 있다. 처리 영역 또는 영역들은 특정의 목적에 요구되는 대로 무산소 또는 호기성 조성하에 작동될 수 있다. 각각의 처리 영역에서 사용된 박테이리아는 무산소 및/또는 호기성 조건에서 번성하기에 적합한 어떠한 박테리아 또는 박테리아의 조합일 수 있다. 대표적인 호기성 부류는 박테리아 아시네토박터(bacteria Acinetobacter), 수도모나스(Pseudomonas), 주글로에아(Zoogloea), 아크로모박터(Achromobacter), 플라보박테리룸(Flavobacterium), 노르카르디아(Norcardia), 델로비브리 오(Bdellovibrio), 마이코박테리움(Mycobacterium), 쉬패로틸루스(Shpaerotilus), 베기아토아(Baggiatoa), 티오트릭스(Thiothrix), 레시코트릭스(Lecicothrix), 및 지오트리쿰(Geotrichum), 질화 박테리아 니트로소모나스(nitrifying bacteria Nitrosomonas), 및 니트로박터(Nitrobacter), 및 원생동물 실리아타(protozoa Ciliata), 보르티셀라(Vorticella), 오페르쿨라리아(Opercularia), 및 에피스틸리스(Epistylis)를 포함한다. 대표적인 무산소 부류는 탈질 박테리아 아크로모박터(denitrifying bacteria Achromobacter), 에어로박터(Aerobacter), 알칼리제네스(Alcaligenes), 바실러스(Bacillus), 브레비박테리룸(Brevibacterium), 플라보박테리움(Flavobacterium), 락토바실러스(Lactobacillus), 마이크로코쿠스(Micrococcus), 프로테우스(Proteus), 슈도모나스(Pserudomonas), 및 스피릴룸(Spirillum)을 포함한다. 전형적으로 존재하는 혐기성 유기물은 클로스트리디움 에스피피(Clostridium spp.), 펩토코쿠스 아나이로비우스(Peptococcus anaerobus), 비피더스균(Bifidobacterium spp.), 데설포비브리오 에스피피(Desulfovibrio spp.), 코리네박테리움 에스피피(Corynebacterium spp.), 락토바실루스(Lactobacillus), 악티노마이세스(Actinomyces), 스타필로코쿠스(Staphylococcus) 및 대장균(Escherichia coli)을 포함한다.
생물반응기에 추가로, 수처리 시스템은 전처리 및/또는 후처리 유닛을 포함할 수 있다. 습식 산화는 전형적으로 상승된 온도 및 압력에서 산화제, 일반적으로는 산소-함유 기체로부터의 분자 산소에 의한 폐수의 처리를 포함한다. 물의 임계 온도, 즉, 374℃ 미만의 온도에서의 습식 산화는 임계치 이하 습식 산화라고 일컬어진다. 임계치 이하 습식 산화 시스템은 액체 물을 유지시키기에 충분한 압력에서 작동한다. 습식 산화 시스템 및 방법은 미국특허 공보 제20050171390호에 기재되어 있으며, 본원에서는 이의 모든 내용을 참조로 통합한다. 한 가지 구체예에서, 습식 산화 유닛은 약 180℃ 내지 약 325℃의 범위에서 작동할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 습식 산화 유닛은 약 325℃에서 작동할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 습식 산화 유닛이 생물반응기의 유출물을 추가로 처리하도록 생물반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 습식 산화 유닛은 생물반응기로부터 제거된 슬러지를 처리하기 위해서 생물반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결될 수 있다. 이러한 예에서, 습식 산화 유닛은 생물막 반응기를 떠나는 유출물 또는 슬러지 중 하나와 함께 유지되는 어떠한 오염물을 파괴할 수 있다.
또 다른 구체예에서, 습식 산화 유닛은 폐수를 전처리하기 위한 생물반응기의 상류에 유체 소통관계로 연결될 수 있다. 생물반응기에서의 처리 전에 습식 산화 유닛으로 폐수를 전처리하면 생물반응기중의 생물학적 처리에 대한 어떠한 독성 업셋(upset)을 감소시키거나 방지하는데 유리할 수 있다. 직접적인 화학적 산화 과정을 이용하는 습식 산화 시스템은 독성 업셋에 주어지지 않는다. 독성 화합물의 쇼크 부하를 함유하는 폐수의 습식 산화 전처리는 독성 화합물의 전부 또는 일부를 산화시켜 하류 생물반응기에 대한 쇼크 수준을 저하시킬 수 있다. 습식 산화 유닛으로부터의 유출물을 수용하는 생물반응기는 독성 업셋의 경우가 거의 없을 수 있다. 또한, 카르복실산, 예컨대, 습식 산화의 일반적인 부산물인 아세트산은 습식 산화 유닛의 하류에 있는 생물막 반응기에서 생물학적으로 분해될 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예는 다수의 생물반응기를 포함한다. 본원에서 사용된 용어, 단일 "생물반응기"는 하나 이상의 영역 또는 용기를 포함한다. 한 가지 구체예에 따르면, 제 1 생물반응기는 제 1 생물 개체군 및 그 내에 배치된 제 1 생물학적 개체군 및 활성탄을 포함할 수 있으며, 여기서, 생물학적 개체군은 폐수의 생물 분해성 성분을 흡수한다. 본원에서 사용된 용어 "생물학적 개체군"은 상이한 박테리아성 미생물의 혼합물을 의미한다. 서로에 대한 상이한 박테리아성 미생물의 비율은 생물반응기내의 조건 및 체류시간에 따라서 상이할 수 있음이 이해될 것이다. 생물반응기는 반드시 필요한 것은 아니지만 요구되는 조건에 따라서 통기될 수 있다. 생물반응기의 작동 조건은 생물학적 개체군의 성장 조건을 변경하도록 변화될 수 있다. 즉, 생물반응기내의 작동 조건은 무산소 조건과 호기성 조건 사이로 교대될 수 있다.
또 다른 구체예에서, 폐수 처리 시스템은 생물반응기에 유체 소통관계로 연결된 특정 목적에 적합한 하나 이상의 분리 유닛을 포함할 수 있다. 한가지 구체예에서, 폐수 처리 시스템은 혼합액을 수용하도록 생물반응기의 하류에 하나 이상의 바이오솔리드(biosolid) 분리 유닛을 포함할 수 있다. 바이오솔리드 분리 유닛은 특정의 목적에 적합한 어떠한 분리 유닛, 예를 들어, 정화기(clarifier), 한외여과막(ultrafiltration membrane), 생물막 반응기, 하이드로사이클론(hydrocyclone) 및 이들의 조합일 수 있다. 한가지 구체예에서, 바이오솔리드는 공지된 폴리머의 도움으로 정화기 유닛에 침전될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 바이오솔리드는 유출물이 생물막 반응기로부터 연속적으로 배출됨에 따라서 주기적 제거를 위해서 생물막 반응기에 유지될 수 있다. 분리 유닛으로서 생물막 반응기 및/또는 하이드로사이클론의 사용은 생물막 반응기 및 하이드로사이클론이 정화기에서 전형적으로 사용되는 침전 폴리머의 존재를 요하지 않는 다는 것이 유리하다. 따라서, 폴리머를 구매하고 저장하는 것과 연관된 비용이 필요없다.
또 다른 구체예에서, 고체-액체 하이드로사이클론이 생물반응기로부터의 슬러지를 수용하여 슬러지에 함유된 물의 양을 추가로 감소시킴으로써, 슬러지의 전체 양을 줄일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 액체-액체 하이드로사이클론이 생물막 반응기의 상류에 유체 소통관계로 연결되어 생물막을 오염시킬 수 있는 오염물을 제거할 수 있다. 예를 들어, 생물막 반응기를 통해서 폐수가 통과하기 전에 막을 오염시킬 수 있는 오일이 폐수로부터 제거되어 생물막의 수명을 증가시킬 수 있다.
폐수처리 시스템은 또한 특정의 목적에 적합한 불활성 솔리드 분리 유닛 또는 유닛들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 불활성 솔리드 분리 유닛은 불활성 트래쉬(trash)를 제거하는 세목 스크린(fine screen), 무거운 물질을 제거하는 하이드로사이클론, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
생물학적 개체군에 추가로, 폐수 처리 시스템은 폐수/흡착제 슬러리(slurry)를 제공하는 흡착제를 포함할 수 있다. 흡착제가 슬러리로부터 하나 이상의 유기물을 제거하는 한, 어떠한 흡착제라도 사용될 수 있으며, 대부분의 흡착제는 전체 슬러리 또는 생성된 슬러지와 함께 유지된다. 흡착제는 특정의 목적에 적합한 어떠한 형태, 예를 들어, 과립화된 형태, 분쇄된 형태 및 이들의 조합일 수 있다. 흡착제는 유기물, 무기물 및 이들의 조합일 수 있다. 무기 흡착제의 예는 벤토나이트 점토, 철 기재 화합물, 합성 수지 및 이들의 조합물을 포함한다. 한가지 구체예에서, 흡착제는 과립화된 활성탄, 분쇄된 활성탄 및 이들의 조합물일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 흡착제는 구매 가능한 분쇄된 활성탄이다.
한 가지 구체예에서, 흡착제가 폐수중에 존재할 수 있는 어떠한 유기물을 흡착하기에 충분한 시간 동안 폐수와 접촉하는 한, 흡착제는 폐수 처리 동안의 어떠한 시점에서 생물반응기에 첨가될 수 있다. 흡착제가 요구된 생물반응기에 존재하는 한, 흡착제는 시스템내의 어떠한 위치에서 시스템에 도입될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 흡착제는 슬러지에 첨가되어 생물반응기에 재순환될 수 있다. 대안적으로, 흡착제는 하나 이상의 전처리 유닛 전 및/또는 후의 지점에서 생물반응기의 상류에 첨가될 수 있다.
한가지 구체예에서, 흡착제는 폐수 및 생물학적 개체군의 도입 전에 생물반응기에 첨가된다. 대안적으로, 흡착제는 폐수의 도입과 동시에 또는 그에 이어서 생물반응기에 첨가될 수 있다. 폐수 처리 시스템의 초기 시동시에, 초기 양의 흡착제가 생물반응기에 충전되도록 첨가될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 폐수는 생물학적 처리 탱크에서 처리되어 바이오솔리드, 흡착제에 흡착된 유기물 및 액체의 혼합물을 함유하는 혼합액을 생성시킨다.
흡착제를 생물반응기에 첨가하면 폐수에 존재하는 오염물의 포획 및/또는 파괴 효율이 증가할 수 있다. 고형 흡착제는 주기적으로 제거될 때까지 생물반응기 내에 유지되기 때문에, 흡착제상에 흡착된 오염물, 예컨대, 유기물은 흡착되지 않은 오염물에 비해서 더 긴 체류시간 동안 생물반응기내에 유지된다. 흡착되지 않은 유기물은 제 1 액체 유출물과 함께 생물반응기로부터 직접적으로 배출될 것이다. 생물반응기내에서의 유기물, 더욱 특히, 서서히 분해되는 유기물의 증가된 체류시간은 특히 분해되기가 어렵거나 서서히 분해되는 난분해성 유기물을 처리하는 경우에 유리하다. 유기물의 증가된 체류시간은 난분해성 유기물의 증가된 파괴 및/또는 완벽한 파괴를 유도할 수 있다. 폐수 중에 존재하는 어떠한 휘발성 유기 화합물의 흡착은 또한 VOC 스트리핑 및 악취 방출을 감소시킬 수 있다.
한가지 구체예에서, 호기성 생물반응기중의 분쇄된 활성탄의 존재는 통기장치의 효율을 증가시킬 수 있으며, 그 이유는 활성탄이 기체 산소에 대해 인력을 나타내기 때문이다.
흡착제, 예컨대, 분쇄된 활성탄을 생물막 반응기와 함께 사용하면 추가의 이점이 유도될 수 있다. 분쇄된 활성탄은 바이오매스로부터 생성된 세포외 폴리머 물질(extracellular polymeric substance: EPS)를 제거함으로써 생물막 여과 과정을 보조할 수 있다. EPS의 생성은 연장된 슬러지 체류시간(extended sludge retention time: SRT) 및/또는 높은 혼합액 현탁 고형물(mixed liquor suspended solid: MLSS)과 함께 작동하는 생물막 반응기를 오염시킬 수 있다. EPS의 감소 또는 제거는 바이오매스에 적합한 환경을 유지시키고 막의 수명이 연장되도록 보조할 수 있다. 생물반응기내에 존재하는 분쇄된 활성탄에 의한 오염물의 흡착이 또한 다량의 오염물에 의해서 야기될 수 있는 생물반응기에 대한 독성 쇼크 유발을 감소시키거나 제거할 수 있다.
생물막 반응기내의 분쇄된 활성탄의 존재가 또한 막을 비가역적으로 오염시킬 수 있는 유기 화합물 및/또는 금속의 흡착을 도울 수 있다. 한가지 구체예에서, 유기 화합물, 예컨대, 실록산이 분쇄된 활성탄상에 흡착되어 막에 대한 실록산의 유해한 영향을 감소 또는 제거할 수 있다. 분쇄된 활성탄에 의한 금속의 흡착은 침출물에 존재하는 금속, 예컨대, 철, 칼슘, 마그네슘 및 망간의 불활성 염의 존재를 감소시키거나 제거할 수 있다. ,
생물막 반응기중의 분쇄된 활성탄의 존재는 또한 바이오솔리드 농도는 동일하면서 순수한 생물학적 슬러지에 비해서 덜 점성인 혼합액을 생성시킬 수 있다. 생물막 여과에서, 막 환경에서의 슬러지의 점도는 막 여과에 요구된 에너지에 직접적으로 비례한다. 생물막 반응기에서의 생물막의 오염율은 지수곡선상의 유동율(flux rate)에 일반적으로 비례하여, 분쇄된 활성탄의 첨가에 의한 MLSS 점도 감소가 생물막의 유동 용량을 개선시키고 자본 및 에너지 소모 비용을 감소시킬 수 있다. 생물막 반응기중의 분쇄된 활성탄의 조합은 더 높은 혼합액 농도의 작동을 가능하게 하여, 생물반응기 크기 및 관련된 자본 및 설치 비용을 감소시킬 수 있다.
생물막 반응기중의 분쇄된 활성탄은 생물막 표면을 물리적으로 스크러빙(scrubbing)하는데 도움을 주어서 더 높은 작동 유속을 유도할 수 있으며 제위치 세정 빈도(clean in place frequency)를 감소시킬 수 있으며, 그 결과, 막의 수명을 연장시키고 관련된 제위치 세정비용을 감소시킬 수 있다. 분쇄된 활성탄을 생물막 반응기와 조합하면 암모니아의 더욱 안정한 제거를 또한 유도할 수 있다. 분쇄된 활성탄은 민감성 질산화균(sensitive nitrifier)에 대한 억제성 물질을 제거할 수 있으며, 이는 생물막 반응기만으로는 불가능한 일이다.
생물반응기중의 분쇄된 활성탄의 사용은 그러한 분쇄된 활성탄이 재생되고 재사용될 수 있다는 점이 상당한 이점이다. 한가지 구체예에서, 분쇄된 활성탄을 함유하는 슬러지가 본원에서 습식 공기 재생으로 나타내고 있는 습식 산화 유닛에서 재생될 수 있다. 활성탄의 습식 공기 재생은 습식 산화에 요구되는 온도보다 더 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 바이오솔리드 및 분쇄된 활성탄을 함유하는 슬러지가 약 240℃ 내지 약 260℃의 온도에서 습식 공기 재생될 수 있다. 탄소의 습식 산화 재생은 생물학적 고형물의 휘발성 물질을 파괴하고 분쇄된 활성탄의 표면상에 흡착된 유기 물질을 산화시켜서 그 흡착 용량을 회복시킨다. 습식 산화 재생 공정으로부터 회수된 수성 슬러리는 탄소에 의해서 폐수로부터 제거되고 재생 공정 동안 형성되는 주로 재활성화된 탄소 입자 및 무기 애쉬(ash) 입자로 이루어진다. 애쉬는 미국특허 제4,778,589호 및 제4,749,492호에서 보고된 방법과 같은 공지된 분리 방법에 의해서 재생된 탄소로부터 추가로 분리될 수 있다. 본원에서는 상기 특허의 모든 내용을 참조로 통합한다.
습식 공기 환원에 의해서 재생된 분쇄된 활성탄이 생물반응기에 도입되는 경우에 처음 사용하는 분쇄된 활성탄에 비해서 더 우수한 품질의 유출물을 생성시킬 수 있다. 재생된 분쇄된 활성탄은 처음 사용되는 분쇄된 활성탄과는 상이한 흡착성을 지녀서, 흡착 품질을 향상시킬 수 있다. 분쇄된 활성탄의 습식 공기 재생은 기공 구조를 폐수로부터의 억제성, 독성, 및/또는 내성 물질의 제거에 더 적합하게 변경시킬 수 있다. 유사하게, 분쇄된 활성탄의 습식 공기 재생은 기공 구조를 생물학적으로 분해될 수 있는 물질의 제거에 덜 적합하게 변경시킬 수 있다. 분쇄된 활성탄의 습식 공기 재생은 표면 화학특성에 영향을 주어서 이의 전체 흡착성을 변화시킬 수 있다. 분쇄된 활성탄의 습식 공기 재생은 이의 표면 화학특성을 변경시켜서 습식 공기 산화 유닛내의 추가의 산화에 더 내성인 탄소 구조를 생성시킬 수 있다.
습식 공기 재생은 또한 가용성 성분을 생물반응기의 혼합액에 넣을 수 있으며, 이는 생활성을 증진시키고 더 다양한 생물학적 개체군을 생성시킬 수 있다. 습식 공기 재생은 또한 암모니아 질소를 혼합액에 역으로 넣을 수 있고, 이는 질소 결핍인 폐기물의 영양 질소 요구를 감소시키거나 제거하여 화학약품 및 작동 비용을 절감시킬 수 있다. 습식 공기 재생 공정은 또한 열이 회수되고 다른 유닛, 예컨대, 분해기(digester)로 공급되게 할 수 있는 오토써믹(autothermic)이다. 본원에서 사용된 용어 "오토써믹"은 유닛에 필요한 반응열이 유닛내의 부분적 산화에 의해서 공급되는 가스화 방법을 나타낸다. 습식 공기 재생 유닛에 공급되는 추가의 에너지는 폐 슬러지의 일부의 온-사이트(on-site) 소각에 의해서 제공될 수 있다.
분쇄된 활성탄은 또한 제 2 생물반응기에서 재생될 수 있다. 제 2 생물학적 처리 탱크는 제 1 생물반응기내의 조건과는 상이한 조건하에 작동되어서 제 1 생물반응기에 존재하는 제 1 생물학적 개체군중의 박테리아 유기체의 비율과는 상이한 박테리아 유기체 비율을 지니는 생물학적 개체군의 양호한 성장을 유도할 수 있다. 예를 들어, 제 1 생물반응기는 호기성 박테리아 개체군이 두드러질 수 있으며, 제 2 생물학적 처리 탱크는 어떠한 호기성 박테리아 바이오솔리드를 파괴할 수 있는 임의의 개체군이 두드러질 수 있다. 제 1 생물학적 처리 탱크에 추가로 유도된 임의의 박테리아가 후속하여 제 1 생물반응기에서 파괴될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 제 2 생물학적 처리 탱크중의 생물학적 개체군은 흡착된 유기물과 추가로 반응함으로써 바이오솔리드를 추가로 분해하고 바이오솔리드중에 존재하는 활성탄을 재생시킬 수 있다. 제 2 생물반응기중의 박테리아는 활성탄상에 흡착된 유기물에 대해서 작용하고/거나 폐수 처리 시스템으로부터 제거되는 바이오솔리드의 양을 최소가 되게 하는 그 능력에 대해서 특이적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 제 2 생물반응기에 존재하는 박테리아 개체군은 제 1 생물반응기중의 박테리아에 비해서 낮은 고형물 생성 및 높은 폐기물-분해 효능을 나타내어, 고형물의 생성 및 후속된 폐수 처리 시스템으로부터 제거되는 고형물의 양을 최소로 할 수 있다.
제 2 생물반응기는 하나 이상의 연속적인 흐름 탱크 및/또는 하나 이상의 배치 공정 탱크를 포함할 수 있다. 연속적인 흐름 탱크를 이용하는 한 가지 구체예에서, 순환된 슬러지는 하나 이상의 탱크로 연속적으로 또는 주기적으로 유입된다. 탱크 용적은 근본적으로 일정하여 상응하는 용적이 넘쳐서 폐수 처리 시스템으로 반송된다. 한가지 구체예에서, 슬러지는 탱크들 사이에서 교환될 수 있다. 혼합 및 통기작용이 제 2 생물반응기에 제공되어 환경을 제어할 수 있다. 배치 공정 탱크를 이용하는 또 다른 구체예에서, 순환된 슬러지가 하나 이상의 탱크로 연속적으로 또는 주기적으로 유입된다. 탱크 용적은 다양하여, 컨디셔닝된 슬러지를 제 1 생물학적 처리 탱크로 반송시키는 양이 공급량에 상응하지 않을 수 있다. 혼합 및 통기작용이 제공되어 환경을 제어할 수 있다. 슬러지는 요구된 목적을 달성하는 어떠한 순서로 탱크의 충전, 혼합, 침전, 통기, 따라내기, 및 처리 공정으로의 슬러지의 반송중 하나 이상을 포함할 수 있는 배치 사이클로 처리될 수 있다.
재생되는 분쇄된 활성탄은 하나 이상의 재순환 라인에서 제 1 생물반응기로 재순환되어 폐수 처리 시스템으로부터 제거되는 고형물의 양을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 한 가지 이점은 폐수 처리 시스템으로부터 제거되는 고형물의 양을 감소시킴으로써 고형물과 함께 제거되는 활성탄의 양이 또한 감소되어 더 적은 활성탄의 사용과 연관된 더 적은 비용을 유도할 수 있다는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 이점은 폐수 처리 시스템 내의 흡착된 유기물과 함께 활성탄의 실질적인 양을 보유시킴으로써 활성탄상에 흡착된 유기물이 추가의 처리 및 파괴를 위해서 폐수 처리 시스템에 유지되게 한다는 것이다. 활성탄상에 흡착된 유기물은 활성탄상에 흡착되지 않아서 제 1 액체 유출물과 함께 폐수 처리 시스템을 직접적으로 통과하는 유기물에 비해서 폐수 처리 시스템내에서 더 긴 체류시간을 지닌다. 폐수 처리 시스템내의 유기물의 증가된 체류 시간은 분해가 어렵거나 느린 난분해성 유기물을 처리하는 경우에 특히 유리하다. 유기물의 증가된 체류시간은 난분해성 유기물의 증가된 및/또는 완벽한 파괴를 유도할 수 있다.
본 발명의 또 다른 이점은 활성탄이 폐수 처리 공정중에 미생물의 생물학적 작용에 의해서 연속적으로 재생될 수 있어서, 폐수 처리 시스템으로부터 일반적으로 제거되는 활성탄의 분리 재생 단계가 제거된다는 것이다.
사용된 분쇄된 활성탄을 함유하는 슬러지는 생물반응기, 예컨대, 생물막 반응기로부터 연속적으로, 주기적으로, 또는 간헐적으로 제거될 수 있다. 사용된 분쇄된 활성탄을 함유하는 슬러지의 제거는 자동으로 또는 수동으로 개시될 수 있으며, 요구되는 경우, 사용된 분쇄된 활성탄을 함유하는 슬러지는 재생되기 전에 저장 탱크에 유도되는데 반드시 그럴 필요는 없다. 예를 들어, 생물막 반응기는 약 6 내지 약 18 시간 동안의 수력학적 체류 시간을 지닐 수 있으며, 고형물 체류시간은 약 10 내지 약 40일일 수 있다. 사용된 분쇄된 활성탄을 함유하는 고형물은 생물반응기내의 기간을 기초로 하여 소정의 간격으로 완전히 제거될 수 있다. 한가지 구체예에서, 사용된 분쇄된 활성탄을 함유하는 고형물의 일부, 예컨대, 10부피%가 매일 제거될 수 있다. 재생된 활성탄은 생물반응기로 연속적으로, 주기적으로 및 간헐적으로 반송될 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 어떠한 폐수 처리 시스템(100)은 생물반응기(120), 분리기(130), 임의의 불활성 고형물 분리기(140), 분쇄된 활성탄 재생 유닛(150) 및 임의의 스크린(110)을 포함할 수 있다. 처리되는 폐수는 도관(112)을 통해서 폐수 처리 시스템(100)에 유입되고 전량 여과 스크린(110)을 통과한다. 스크린(110)은 약 25mm 내지 약 6mm 범위일 수 있는 구멍 크기를 지녀서 큰 트래쉬(trash)를 제거할 수 있다. 스크린(110)의 수용면상에 축적되는 트래쉬는 주기적으로 제거될 수 있다.
스크리닝된 액체는 도관(114)을 따라서 하나 이상의 요구된 박테리아를 함유하는 제 1 생물학적 처리 탱크(120)로 이송된다. 분쇄된 활성탄이 초기에 도관(122)을 통해서 제 1 생물학적 처리 탱크(120)로 첨가된다.
생물학적 처리 탱크(120)에 유입된 폐수는 분쇄된 활성탄 및 폐수중의 생분해 가능한 성분을 분해시켜 혼합액을 생성시키는 박테리아 개체군과 접촉한다. 제 1 생물반응기는 요구된 박테리아의 성장에 양호한 조건하에 작동한다. 폐수 중에 존재하는 난분해성 유기물을 포함하는 유기물이 분쇄된 활성탄상에 흡착될 수 있다.
혼합액 및 유기물을 담지한 분쇄된 활성탄은 도관(124)을 통해서 바이오매스 분리기(130)를 통과한다. 분리기(130)는 특정의 목적에 적합한 어떠한 분리기일 수 있다. 한가지 구체예에서, 분리기(130)는 고체-액체 하이드로사이클론이다. 또 다른 구체예에서, 분리기(130)는 생물막 반응기이다. 혼합액중의 바이오매스 및 분쇄된 활성탄은 유출물로부터 분리되고 도관(132)을 통해서 분리기(130)로부터 제거된다. 유출물은 도관(136)을 통해서 분리기(130)의 출구로부터 제거된다.
혼합된 바이오매스 및 유기물이 담지된 분쇄된 활성탄의 일부가 도관(134, 152 및 114)를 통해서 생물반응기(120)로 역으로 유도된다. 혼합된 바이오매스에 존재하는 박테리아 개체군 및 분쇄된 활성탄은 요구된 박테리아 개체군과 함께 생물학적 탱크(120)에 재충전된다.
혼합된 바이오매스 및 유기물이 담지된 분쇄된 활성탄의 다른 부분은 도관(132)을 통해서 임의의 불활성 고형물 분리기(140)로 유도되어 미세한 불활성의 무거운 물질이 제거된다. 불활성 고형물 분리 서브시스템은 세목 스크린 및 하이드로사이클론을 포함한다. 혼합된 바이오솔리드 및 유기물이 담지된 분쇄된 활성탄으로부터 제거된 불활성 고형물은 도관(144)을 통해서 제거되는데, 상당량의 바 이오솔리드 및 분쇄된 활성탄이 제거되지 않아서, 초기 활성탄의 실질적인 양이 폐수 처리 시스템에 유지되게 한다.
바이오솔리드 및 유기물이 담지된 분쇄된 활성탄의 나머지 혼합물은 도관(142)을 통해서 슬러지로서 재생 유닛(150)으로 수송된다. 한가지 구체예에서, 재생 유닛(150)은 분쇄된 활성탄을 재생시킬 뿐만 아니라 분리기로부터의 슬러지 중에 잔류하는 하나 이상의 오염물을 파괴하기에 충분한 온도 및 압력에서 작동하는 습식 공기 재생 유닛이다. 재활성화된 분쇄된 활성탄 및 슬러지는 습식 공기 재생 유닛(150)으로부터 제거되어 도관(152 및 114)을 통해서 생물반응기(120)로 수송된다.
또 다른 구체예에서, 분리기(150)은 제 2 생물반응기이다. 제 2 생물반응기에서, 슬러지는 요구된 박테리아 개체군의 성장에 적절하게 혼합기 및 통기 시스템(도시되지 않음)에 의해서 조절된 혐기성, 무산소 및 호기성 상태에 노출된다. 박테리아는 추가로 바이오솔리드를 분해할 뿐만 아니라 분쇄된 활성탄상에 흡착된 유기물을 파괴한다. 분쇄된 활성탄상의 유기물의 파괴는 분쇄된 활성탄을 재생시킨다. 제 2 혼합액이 제 2 생물반응기(150)에서 제거되고 도관(152 및 114)을 통해서 제 1 생물반응기(120)으로 이송된다.
또 다른 구체예에서, 제 2 재생 유닛(도시되지 않음)은 재생 유닛(150)의 하류에 유체 소통관계로 연결될 수 있다. 예를 들어, 습식 공기 재생 유닛(도시되지 않음)이 제 2 생물반응기(150)의 하류에 유체 소통관계로 연결되어 어떠한 사용된 잔류 분쇄된 활성탄의 적어도 일부를 추가로 재생할 뿐만 아니라 슬러지/분쇄된 활성탄 혼합물과 함께 잔류하는 오염물의 파괴를 증가시킬 수 있다. 유사하게, 제 2 생물반응기(도시되지 않음)가 습식 공기 재생 유닛(150)의 하류에 유체 소통관계로 연결되어 어떠한 사용된 잔류 분쇄된 활성탄의 적어도 일부를 추가로 재생하고/거나 슬러지/분쇄된 활성탄 혼합물과 함께 잔류하는 어떠한 오염물의 파괴를 증가시킬 수 있다.
또 다른 구체예에서, 라인(136)을 통한 분리기(130)로부터 배출되는 유출물이 습식 산화 유닛(도시되지 않음)에서 추가로 처리되어 유출물과 함께 잔류하는 오염물의 파괴를 추가로 증가시킬 수 있다.
폐수 처리 시스템의 작동 동안, 분쇄된 활성탄이 요구되는 대로 제 1 생물반응기(120)에 첨가되어 다양한 고형물 분리 단계, 예를 들어, 불활성 고형물의 제거 단계 동안 우발적으로 제거되는 어떠한 분쇄된 활성탄을 대체할 수 있다. 그러나, 폐수 처리 시스템으로부터의 바이오솔리드의 제거가 전형적인 폐수 처리 시스템에 비해서 감소되기 때문에, 분쇄된 활성탄의 우발적인 손실이 또한 감소되어, 분쇄된 활성탄에 대한 원료 비용이 절감될 수 있다. 폐수 처리 시스템내에 분쇄된 활성탄을 보유시키면 분쇄된 활성탄상에 흡착된 유기물의 체류시간이 증가하여 유기물의 파괴효율이 증가하고, 난분해성 유기물의 완전한 파괴를 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 구체예를 예시하고 있다. 폐수 처리 시스템(200)은 생물반응기(220), 생물막 반응기(230) 및 습식 산화 유닛(240)을 포함할 수 있다. 처리되는 폐수가 도관(214)을 통해서 폐수 처리 시스템에 유입되고 폐수중의 생분해 가능한 성분을 분해시켜서 혼합액을 생성시키는 박테리아 개체군과 접촉된 다. 혼합액은 추가의 처리를 위해서 도관(222)을 통해서 생물막 반응기(230)을 통과한다. 분쇄된 활성탄이 각각 라인(224) 및 라인(234)을 통해서 생물반응기(220) 및/또는 생물막 반응기(230)에 직접적으로 첨가될 수 있다. 바이오매스 및 분쇄된 활성탄을 함유하는 혼합액은 도관(236)을 통해서 재생 유닛(도시되지 않음)을 통과할 수 있다. 도관(232)을 통해서 생물막 반응기(230)을 빠져나오는 유출물은 서서히 분해되는 오염물의 추가의 처리를 위해서 습식 산화 유닛(240)에 유도된다. 습식 산화 유닛(240)으로부터의 유출물은 도관(242)를 통해서 빠져나와 방출되거나, 재사용되거나, 추가로 처리된다.
도 3은 본 발명의 폐수 처리 시스템의 또 다른 구체예를 예시하고 있다. 폐수 처리 시스템(300)은 생물막 반응기(330)의 상류에 유체 소통관계로 연결된 습식 산화 유닛(320)을 포함한다. 폐수는 산화를 위해서 도관(314)을 통해서 습식 산화 유닛(320)으로 유입된다. 생물막 반응기가 습식 산화 유닛으로부터의 유출물을 수용하기 때문에, 독성 업셋이 덜 발생될 수 있다. 또한, 습식 산화로부터의 바람직하지 않은 부산물, 예컨대, 카르복실산이 습식 산화 유닛 하류의 생물막 반응기(330)에서 생물학적으로 분해될 수 있다. 생성되는 유출물은 도관(322)을 통해서 생물막 반응기(330)을 통과한다. 생물막 반응기(330)로부터의 유출물은 추가의 처리, 재사용 또는 방출을 위해서 도관(332)을 통해서 배출된다. 임의로, 분쇄된 활성탄이 도관(326)을 통해서 습식 산화 유닛(330)에 첨가되거/거나 도관(336)을 통해서 생물막 반응기(330)에 첨가된다.
본 발명의 어떠한 관점은 특히 폐기물 처리 작동을 조절하는 것으로 유도될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 1에 도시된 폐수 처리 시스템(100)과 유사한 폐수 처리 시스템(400)을 예시하고 있다. 폐수 처리 시스템(400)은 생물반응기(420), 분리기(430), 임의의 불활성 고형물 분리기(440), 분쇄된 활성탄 재생 유닛(450) 및 임의의 스트린(410)을 포함한다. 처리되는 폐수는 도관(412)를 통해서 폐수 처리 시스템(400)으로 유입되고 전량 필터 스크린(410)을 통해서 통과한다.
스크리닝된 액체는 도관(414)을 따라서 하나 이상의 박테리아를 함유하는 제 1 생물학적 처리 탱크(420)로 수송된다. 분쇄된 활성탄이 도관(422)을 통해서 생물학적 처리 탱크(420)에 초기에 첨가된다.
생물학적 처리 탱크(420)에 유입되는 폐수는 분쇄된 활성탄 및 폐수중의 생분해 가능한 성분을 분해하여 혼합액을 생성시키는 박테리아 개체군과 접촉한다. 제 1 생물반응기는 요구된 박테리아의 성장에 양호한 조건하에서 작동된다. 폐수중에 존재하는 난분해성 유기물을 포함한 유기물은 분쇄된 활성탄상에 흡착된다.
혼합액 및 유기물이 담지된 분쇄된 활성탄은 도관(424)을 따라서 생물막 반응기(460)를 통과한다. 혼합액중의 바이오매스와 분쇄된 활성탄은 유출물로부터 분리되고 도관(432)을 통해서 생물막 반응기(460)로부터 저장 탱크(470)으로 제거된다. 유출물은 도관(436)을 통해서 생물막 반응기의 유출구로부터 제거된다.
조합된 바이오매스 및 유기물이 담지된 분쇄된 활성탄의 일부가 도관(434, 452 및 414)을 통해서 생물반응기(420)로 역으로 유도된다. 조합된 바이오매스중에 존재하는 박테리아 개체군과 분쇄된 활성탄은 소정의 박테리아 개체군과 함께 생물학적 탱크(420)에 재충전된다.
바이오솔리드 및 유기물이 담지된 분쇄된 활성탄의 나머지 혼합물은 도관(442)을 통해서 습식 공기 재생 유닛(450)으로 슬러지로서 수송된다. 습식 공기 재생 유닛(450)은 분쇄된 활성탄을 재생시킬 뿐만 아니라 분리기로부터의 슬러지중에 유지되는 하나 이상의 오염물을 파괴하기에 충분한 온도 및 압력에서 작동한다.
제어기(500)가 시스템 내의 어떠한 특정 위치에 위치한 타이머(도시되지 않음) 및/또는 센서(도시되지 않음)로부터 신호에 반응할 수 있다. 예를 들어, 생물막 반응기(460)에 위치하는 센서는 생물막 반응기중의 최적 상태 보나 덜한 상태를 나타낼 수 있다. 센서는 하나 이상의 작동 파라메터, 예컨대, 압력, 온도, 막 플럭스(flux), 혼합액 현탁 고형물의 하나 이상의 특징 및/또는 처리된 유출물의 하나 이상의 특징을 모니터할 수 있다. 제어기(500)은 사용된 분쇄된 활성탄을 함유하는 고형물의 전부 또는 일부를 생물막 반응기로부터 제거되게 하는 제어 신호를 생성시킴으로써 반응할 수 있다. 유사하게, 도관(436)에 위치한 센서(도시되지 않음)는 생물막 반응기로부터의 유출물중에 잔존하는 오염물 수준이 바람직하지 않은 수준에 도달하였음을 나타낼 수 있다. 제어기(500)는 다시 사용된 분쇄된 활성탄을 함유하는 고형물의 전부 또는 일부를 생물막 반응기로부터 제거되게 하는 제어 신호를 생성시킴으로써 반응할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 구체예의 시스템 및 제어기는 다중 작동 방식을 지니는 다양한 유닛을 제공하고, 이는 다중 입력에 반응하여 폐수 처리 시스템의 효율을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 시스템의 제어기(500)는 도 5에 예를 들어 도시된 바와 같이 하나 이상의 컴퓨터 시스템(600)을 사용함으로써 실행될 수 있다. 컴퓨터 시스템(600)은, 예를 들어, 일반적인 목적의 컴퓨터, 예컨대, 인텔 PENTIUM® -타입 프로세서, Motorql PowerPC® 프로세서, 휴렛-패커드(Hewlett-Packard) PA-RISC® 프로세서, Sun UltraAPARC® 프로세서, 또는 어떠한 다른 타입의 프로세서 또는 이들의 조합을 기초로 하는 컴퓨터일 수 있다. 대안적으로는, 컴퓨터 시스템은 특별히 프로그래밍된 특수 목적의 하드웨어, 예를 들어, 주문형 집적회로(application-specific integrated circuit: ASIC), 또는 수처리 시스템으로 의도된 제어기를 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템(600)은, 예를 들어, 어떠한 하나 이상의 디스크 드라이브 메모리, 플래시 메모리 장치, RAM 메모리 장치 또는 데이터 저장을 위한 그 밖의 장치를 포함할 수 있는 하나 이상의 메모리 장치(604)에 연결된 하나 이상의 프로세서(602)를 포함할 수 있다. 메모리(604)는 전형적으로는 시스템(400) 및/또는 컴퓨터 시스템(600)의 작동 동안 프로그램 및 데이터을 저장하는데 사용된다. 예를 들어, 메모리(604)는 일정한 기간에 걸친 파라메터와 관련되는 시간적 데이터 뿐만 아니라 작동 데이터를 저장하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 구체예를 실행하는 프로그래밍 코드(programming code)를 포함한 소프트웨어가 컴퓨터 판독 및/또는 작성 가능한 비휘발성 기록매체(도 6과 관련하여 추가로 설명됨)상에 저장되고, 이어서, 전형적으로 프로세서(602)에 의해서 수행될 수 있는 메모리(604)에 복사된다. 그러한 프로그래밍 코드는 다수의 그로그래밍 언어중 어떠한 것, 예를 들어, 자바(Java), 비주얼 베이직(Visual Basic), C, C#, 또는 C++, 포트란(Fortran), 파스칼(Pascal), 에이펠(Eiffel), 베이직(Basic), 코블(COBAL), 또는 이들의 다양한 조합중 어떠한 것으로 작성될 수 있다.
컴퓨터 시스템(600)의 부품은 하나 이상의 상호연결 기구(606)에 의해서 결합될 수 있으며, 이는 하나 이상의 버스(buss)(예, 동일한 장치내에 집적되는 부품 사이) 및/또는 네트워크(예, 별개의 이산 장치상에 놓이는 부품사이)를 포함할 수 있다. 상호연결 기구는 전형적으로 커뮤니케이션(communication)(예, 데이터, 지시)이 시스템(600)의 부품들 사이에서 교환되게 한다.
컴퓨터 시스템(600)은 또한 하나 이상의 입력 장치(608), 예를 들어, 키보드, 마우스, 트랙볼(trackball), 마이크로폰(microphone), 터치 스크린(touch screen), 및 그 밖의 사람-기계 중간 장치 뿐만 아니라, 하나 이상의 출력장치(610), 예를 들어, 인쇄 장치, 디스플레이 스크린, 또는 스피커를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(600)은 하나 이상의 컴퓨터 시스템(600)을 커뮤니케이션 네트워크에 연결할 수 있는 인터페이스(interface)(도시되지 않음)를 함유할 수 있다(시스템(600)의 부품중 하나 이상에 의해서 형성될 수 있는 네트워크에 추가로 또는 그에 대안으로).
본 발명의 하나 이상의 구체예에 따르면, 하나 이상의 입력 장치(608)은 시스템(400)의 파라메터를 측정하는 센서 및 이의 부품들을 포함할 수 있다. 대안적으로는, 센서, 계량 밸브 및/또는 펌프, 또는 이들 부품들 전부가 컴퓨터 시스템(600)에 작동적으로 결합되는 커뮤니케이션 네트워크(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 상기 중 어떠한 하나 이상은 또 다른 컴퓨터 시스템 또는 부품에 결합되어 하나 이상의 컴뮤니케이션 네트워크 상의 컴퓨터 시스템(600)과 컴뮤니케이션할 수 있다. 그러한 형태는 어떠한 센서 또는 신호 생성 장치가 컴퓨터 시스템으로부터 상당한 거리에 위치되게 하고/거나, 어떠한 센서가 어떠한 서브시스템 및/또는 제어기로부터 상당한 거리에 위치되게 하면서 그들 사이에 여전히 데이터를 제공하하게 한다. 그러한 커뮤니케이션 메카니즘(mechanism)은 무선 원안을 이용하는 기술을 포함하지만 이로 한정되는 것이 아닌 어떠한 적합한 기술을 이용함으로써 영향을 받을 수 있다.
도 6에 도시된 예시로서, 제어기(600)은 하나 이상의 컴퓨터 저장 매체, 예컨대, 판독 및/또는 작성 가능한 비휘발성 기록 매체(702)를 포함하며, 그러한 매체에서 하나 이상의 프로세서(602)에 의해서 수행되는 프로그램을 규정하는 신호가 저장될 수 있다. 매체(702)는, 예를 들어, 디스크 또는 플래쉬 메모리일 수 있다. 전형적인 작동에서, 프로세서(602)는 본 발명의 하나 이상의 구체예를 실행하는 데이터, 예컨대, 본 발명의 하나 이상의 구체예를 수행하는 코드를 하나 이상의 프로세서에 의한 정보에 대해서 저장 매체(702)보다 더 빠르게 접근하게 하는 메모리(704)내로 저장 매체(702)로부터 판독되게 할 수 있다. 매모리(704)는 전형적으로 휘발성 랜덤 악세스 메모리(volatile random access memory), 예컨대, 동적 랜덤 악세스 메모리(dynamic random access memory: DRAM) 및 정적 메모리(SRAM) 또는 프로세서(602)로 및 그로부터의 정보 전달을 용이하게 하는 그 밖의 적합한 장치이다.
컴퓨터 시스템(600)이 다양한 본 발명의 관점이 실행될 수 있는 한가지 형태의 컴퓨터 시스템으로 예를 들어 도시되고 있지만, 본 발명이 소프트웨어에서 또는 예시적으로 도시된 컴퓨터 시스템상에서 수행되는 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 사실, 예를 들어, 일반적인 목적의 컴퓨터 시스템, 제어기, 또는 이의 부품들 또는 서브섹션들상에서 수행되기 보다는, 대안적으로 전용 시스템 또는 전용 프로그램 가능한 로직 제어기(programmable logic controller: PLC)로서, 또는 분산제어 시스템(distributed control system)에서 수행될 수 있다. 추가로, 본 발명의 하나 이상의 특징 또는 관점이 소프트웨어, 하드웨어 또는 펌웨어(firmware), 또는 이의 어떠한 조합으로 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 제어기(500)에 의해서 실행 가능한 알고리즘(algorithm)의 하나 이상의 세그먼트(segment)가 분리된 컴퓨터에서 수행될 수 있고, 이어서 하나 이상의 네트워크를 통해서 커뮤니케이션될 수 있다.
실시예
실시예 I
벤치 스케일(Bench scale) 연구를 수행하여 활성화된 슬러지 처리로부터의 EDC 제거에 대한 분쇄된 활성탄 처리(PACT®) 및 습식 공기 산화의 영향을 평가하였다.
두 개의 벤치 스케일 호기성 반응기를 사용하고, 동시에 나란히 작동시켰다. 각각의 벤치 스케일 반응기는 10 L 스테인리스강 실린터 통기 탱크와 함께 통기 탱크에 공급물 및 그로부터의 유출물을 전달하는 연동 공급물 및 유출물 펌프와 기계 적 혼합기를 포함하였다. 각각의 통기 탱크는 탱크의 바닦에 공기 방사기가 장착되어 있어서 압축된 공기를 전달하였다. 각각의 호기성 반응기는 충전 사이클, 통기 사이클, 휴지 사이클 및 따라내기 사이클로 구성되는 시퀀싱(sequencing) 배치 방식으로 작동되었다. 프로그램 가능한 타이머가 배치 작동을 제어하는 다양한 사이클을 통해서 시퀀싱되었다. 각각의 통기 탱크의 pH는 필요에 따라서 탱크에 자동적으로 산 또는 가성소다를 첨가하는 시스템을 사용함으로써 제어되었다. 유입 폐기물이 반응기에 펌핑되고, 제 1 반응기내에서 생물학적 고형물과 혼합되며 제 2 반응기에서 생물학적 고형물과 활성탄의 혼합물과 함께 혼합된다. 폐수 및 고형물 혼합물은 생물학적 산화 및 분해에 영향을 주기에 충분한 시간 동안 통기되고, 그 시점에 통기가 중단된다. 각각의 반응기에서의 수력학적 체류시간(HRT)은 약 6 시간이었다. 두 유닛중의 혼합액내의 고형물을 대체로 유사한 농도로 축적되게 하였다. 고형물을 침전시키고 유출물을 반응기의 상부에서 따라냈다. 유출물의 제거 후에, 각각의 배치 반응기에 유입 폐수를 다시 충전하고 사이클을 반복하였다.
이러한 연구를 수행하기 전에, 4 가지의 구매 가능한 분쇄된 활성탄을 각각의 활성탄에 대한 흡착 등온선을 생성시킴으로써 EDC 제거에 대해서 평가하였다. 흡착 등온선은 탄소의 단위 중량당 흡착된 오염물의 양과 오염물의 잔류 농도 사이의 관계를 나타낸다. 실험적 결과를 X-축을 잔류 오염물의 농도로 하고 Y-축을 단위 흡착제당 흡수된 오염물의 양으로 하면서 log-log 그래프로 플롯팅(plotting)하였다.
탄소 흡착 등온 과정에서, 탄소는 접촉시간 후에 샘플로부터 여과된다. 0.45마이크론 필터에 의한 여과가 EDC 제거에 어떠한 효과가 있는지를 측정하기 위해서, 첨가된 합성 공급물 샘플과 첨가된 합성 공급물의 여과된 샘플에 대해서 분석을 수행하였다. EDC와 함께 첨가된 합성 공급물 혼합물을 실험에 사용하였으며 이는 이하 성분을 포함한다:
글루코스 165mg/L
나트륨 아세테이트 200 mg/L
암모늄 하이드로진 포스페이트 40 mg/L
우레아(Urea) 40 mg/L
센트럼® 액체(Centrum® liquid) 5 mg/L
하기 내분비 교란 화학물질이 상기 공급물에 첨가되었다:
비스페놀 A(Bisphenol A) 267 ng/L
에스트라디올 2000 ng/L
에티닐 에스트라디올 23 ng/L
에스트론 235 ng/L
분석 결과는 비스 페놀 A의 농도가 여과 후에 감소됨을 나타냈다. 표 I은 이들 결과의 요약이다.
Figure 112008070338104-pct00001
EDC를 제거하기에 적합한 탄소를 선택하기 위해서 다양한 탄소 매체에 대한 EDC 흡수를 시험하였다. 리그나이트, 역청탄 및 목질 기재 탄소를 시험하였다. 시험된 탄소는 탄소 A로 나타내는 매드웨스트바코, 컴파니(MeadWestvaco, Co.)((Covington, VA)로부터 구매 가능한 웨스트바코 누차르 SA-20(Westvaco Nuchar SA-20); 탄소 B로 나타낸 노리트 아메리카, 인코포레이티드(Norit Americas, Inc.) (Marshall, TX)로부터 구매한 노리트 하이드로다르코 C(Norit Hydrodarco C ); 탄소 C로 나타낸 자코비 카본스(Jacobi Carbons)(Philadelphia, PA)로부터 구매 가능한 자코비 아쿠아소브 BP-4(Jacobi Aquasorb BP-4); 및 카본 D로 나타낸 칼곤 카본 코포레이션(Calgon Carbon Corp.)(Pittsburgh, PA)으로부터 구매 가능한 자코비 아쿠아소브 BP-4(Jacobi Aquasorb BP-4)를 포함한다. 표 II는 시험된 다양한 탄소 매체에 대한 잔류 EDC 농도를 요약하고 있다.
Figure 112008070338104-pct00002
4 개의 탄소 각각에 대한 탄소 흡수 등온선을 에스트라디올 데이터로부터 작도하였다. 에티닐 에스트라디올 및 에스트론 결과를 이용한 등온선은 작도하지 않았는데, 그 이유는 검출 가능한 다수의 결과가 없기 때문이다. 비스페놀 A로부터의 결과가 또한 사용되지 않았는데, 그 이유는 이러한 화합물의 여과성 때문이다. 하기 챠르(char)가 4 개의 탄소 각각에 대한 에스트라디올의 탄소 흡착 등온선을 예시하고 있다.
베타-에스트라디올에 대한 탄소 등온선
Figure 112008070338104-pct00003
동온선은 탄소 D가 우수한 베타 에스트라디올 흡착 용량을 나타내며 처리된 샘플에서의 낮은 농도를 달성할 수 있음을 나타내고 있다. 따라서, 탄소 D가 추가의 시험에 선택되었다.
각각의 시스템은 표 III에 기재된 바와 동등한 조건하에 작동되었다.
Figure 112008070338104-pct00004
표 III에 기재된 분쇄된 활성탄과 함께 및 그러한 활성탄이 없는 활성화된 슬러지 시스템에 대해서 유지된 활성화된 슬러지 시스템 작동 파라메터는 두 시스템이 동등한 수력학적 체류 시간 및 혼합액 농도에서 작동됨을 나타내고 있으며, 차이는 하나의 시스템이 분쇄된 활성탄을 함유한다는 것이다.
EDC 분석
샘플을 추출하고, 샘플 농도를 C18 고성능 추출 디스크를 통해서 2 리터 샘플을 여과함으로써 달성하였다. C18 디스크는 50/50의 디클로로메탄(DCM)/에틸 아세테이트 용액 10ml로 세정되고, 10ml의 메탄올로 컨디셔닝된 후에, 20ml 타입 I 물 린스(type I water rinse)로 컨디셔닝된다. 2L의 샘플을 디스크를 통해서 여과하고, 이어서, 먼저 5ml의 에틸 아세테이트로 용리시키고, 이어서, 5ml의 에틸 아세테이트와 DCM의 50/50 혼합물로 용리시킨 후에, 5ml DCM 단독으로 용리시켰다. 추출물을 질소로 거의 건조한 상태로 건조시키고, 수회의 에탄올 린스와 함께 눈금이 있는 2ml 앰버 바이알(amber vial)에 옮기고, 거의 건조한 상태로 건조시키고, 다시 에탄올중에 1.5ml가 되게 하였다. 샘플을 분석시까지 4℃ 냉각기에서 저장하였다.
샘플을 HPLC-MS-MS 기술을 사용하여 분석하였다. HPLC 분리는 아질런트 테크롤로지즈, 인코포레이티드(Agilent Technologies, Inc.)(Santa Clara, CA)로부터 구매 가능한 아질런트 1100 시스템상에서 수행하였으며, 이러한 시스템은 오토샘플러(autosampler), 바이너리 그래디언트 펌프(binary gradient pump), 용매 탈기 유닛, 및 오븐이 있는 컬럼 구역으로 이루어져 있다. 분석용 컬럼은 페노메넥스(Phenomenex)(Torrance, CA)로부터 구매 가능한 페노메넥스 시너지 MAX-RP(Phenomenex Synergi MAX-RP)(250 mm x 4.6 mm, 4 마이크론 기공 크기)이며, 이는 분석 동안 실온으로 유지되었다. 15㎕의 샘플 주입물을 0.7ml/분의 구배 용리로 분석하였다. 용매 A는 0.1%의 포름산이며, 용매 B는 아세토니트릴이었다. 구배는 다음과 같이 프로그래밍되었다: 0 내지 2분-95% A; 2 내지 10분-100% B로 단계변화; 10 내지 20분-다음 주입 전에 컬럼 재평형을 위한 역으로 95% A로의 단계변화. MS/MS 분석을 MDS 시엑스(MDS Sciex)(Concord, ON, Canada)로부터 구매 가능한 시엑스 API 4000 트리플 쿼드러폴 매스 스펙트로메터(SCIEX API 4000 triple quadrupole mass spectrometer)상에서 수행하였다. 이온화는 포지티브 모드 아트모스페릭 압력 화학 이온화(Positive Mode Atmospheric pressure Chemical Ionization)로 달성하였다. 표적 분석물의 확인 및 정량화는 독특한 페어런트 투 도터 이온전이(parent to daughter ion transition)의 다중 반응 모니터링(Multiple Reaction Monitoring)에 의해서 달성하였다.
공급물, 유출물 및 혼합액의 샘플이 또한 이하와 같이 표 IV에서 분석되었다.
Figure 112008070338104-pct00005
활성화된 슬러지 유닛을 작동 개시시키고, 약 8주 동안 표 V에 기재된 바와 같이 2주, 6주, 7주 및 8주에 샘플을 취하면서 작동시켰다.
유출물 중의 EDC 제거를 촉진하기 위해서 활성화된 슬러지 공정으로부터 유출물을 분석 전에 여과하였다. 와트만 0.45 마이크로그램 셀룰로오즈 니트레이트 막 필터(Whatman 0.45 microgram cellulose nitrate membrane filter)를 이 과정에 사용하였다. 표 V는 공급물 및 활성화된 슬러지 처리 시스템의 유출물에 대한 분석결과을 요약하고 있으며, 모든 값은 ng/L이다.
표 V. 활성화된 슬러지 시스템의 호르몬 및 프탈레이트 결과
Figure 112008070338104-pct00006
한 시험만 빼고 모든 시험에서, PAC에 의해 작동하는 시스템은 β 에스트라디올의 더 많은 감소를 나타냈다. 4.2ng/L의 결과는 분석 에러에 기인한 것으로 보이며, 샘플 일자 및 이전의 분석으로부터의 유사 이중분석(pseudo duplicate analysis)을 기초로 한 실제 값을 나타내지 않으며, 실제 값은 거의 <1ng/L이다. 활성화된 슬러지 시스템중의 분쇄된 활성탄의 존재는 슬러지로부터의 EDC의 제거를 향상시켰다.
실시예 II
EDC 고형물과 연관된 EDC의 파괴에 대한 습식 공기 산화의 영향을 측정하고, 시험된 형태의 EDC가 산화과정 동안 형성되는 지를 측정하는 시험이 수행되었다.
WAO 시험을 스테인리스강으로 제작된 실험실용 오토글레이브(autoclave)에서 수행하였다. 오토글레이브는 전체 용적이 750ml이다. WAO 시험을 수행하기 위해서, PAC를 지닌 활성화된 슬러지 시스템으로부터의 200ml의 혼합액을 초기에 오토클레이브에 첨가하였다. 오토클레이브를 압축된 공기로 충진시키고, 히터/교반기 메카니즘에 넣고, 220℃로 가열하고, 1 시간 동안 그 온도에서 유지시켰다. 산화 후에, 오토클레이브를 실온으로 냉각시키고, 오프-가스를 배출시키고, 분석하여 잔류 산소가 존재함을 확인하였다. 샘플을 오토클레이브에서 제거하고, 분석하였다.
Figure 112008070338104-pct00007
표 VI(ng/L)의 유입구 농도 결과는 PAC 혼합액에 의한 활성화된 슬러지의 고형물 부분에 대한 EDC의 보고 가능한 농도가 존재하지 않음을 나타내고 있다. EDC는 공정중에 생물학적으로 거의 파괴되었으며, PAC에 의해서 분리되지 않게 흡착되 었다. 그러나, 산화 결과(출구 농도)는 시험된 형태의 EDC가 WAO 공정 동안 형성되지 않음을 입증하였다.
서수 용어, 예컨대, 구성 요소를 구분하기 위해서 명세서 및 청구범위에서 사용된 "제 1", 제 2", "제 3" 및 이와 유사한 용어의 사용은 그 자체로 어떠한 우선, 앞섬, 또는 하나의 구성요소가 다른 구성요소에 우선하는 순서 또는 방법의 작용이 수행되는 시간적 순서를 나타내는 것이 아니라, 구성 요소들을 구분하기 위해서 특정의 명칭을 지니는 하나의 구성요소를 동일한 명칭(그러나, 서수 용어 사용)을 지니는 다른 구성요소와 구분하기 위한 표지로서 단지 사용되고 있는 것이다.
따라서, 본 발명의 하나 이상의 구체예의 몇 가지 관점을 기재하고 있지만, 당업자라면 다양한 변경, 변화, 및 개선이 용이하게 발생될 수 있다는 것을 인지해야 한다. 그러한 변경, 변화 및 개선은 본 개시사항의 일부인 것이며, 본 발명의 사상 및 범위내에 있는 것이다. 따라서, 상기 설명 및 도면은 단지 예시를 위한 것이다.

Claims (34)

  1. 내분비 교란 화합물을 포함하는 폐수 공급원;
    폐수 공급원의 하류에 유체 소통관계로 연결되고 흡착제를 포함하는 생물반응기;
    생물반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결되는 생물막 반응기; 및
    생물막 반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결된 흡착제 재생 유닛을 포함하는 폐수 처리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 흡착제 재생 유닛이 생물반응기에 유체 소통관계로 연결된 유출구를 포함하는 폐수 처리 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 흡착제 재생 유닛이 생물반응기에서 형성된 슬러지를 간헐적으로 흡착제 재생 유닛으로 유입되게 하는 수단을 포함하는 폐수 처리 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 흡착제 재생 유닛이 습식 공기 산화 유닛을 포함하는 폐수 처리 시스템.
  5. 제 2항에 있어서, 흡착제 재생 유닛이 제 2 생물반응기를 포함하는 폐수 처리 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 생물반응기가 제 1 생물학적 개체군을 포함하며, 제 2 생물반응기가 제 2 생물학적 개체군을 포함하는 폐수 처리 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 흡착제가 분쇄된 활성탄인 폐수 처리 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 내분비 교란 화합물을 포함하는 폐수 공급원;
    폐수 공급원의 하류에 유체 소통관계로 연결되고 흡착제를 포함하는 생물반응기;
    생물반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결되는 생물막 반응기;
    생물막 반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결된 흡착제 재생 유닛; 및
    생물막 반응기의 하류에 유체 소통관계로 연결된 습식 공기 산화 유닛을 포함하는 폐수 처리 시스템.
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