KR102109376B1 - 유기물질 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 효모 배양액으로부터 얻어진 발효 상등액 제품과 비이온성 계면활성제로 이루어진 조성물을 이용하여 도시 또는 산업 폐수의 처리의 결과로서 생기는 하수 슬러지를 처리하는 공정을 포함하고, 상기 발효 상등액 제품이 현장에서 상기 하수 슬러지로부터 활성효소를 생성하는 데 적절한 조건에서 상기 활성효소를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 효소로 하수 슬러지를 처리하는 방법을 제공한다.

Description

유기물질 처리방법{PROCESS FOR TREATING ORGANIC MATERIAL}
본 발명은 생물학적으로 유기 물질을 처리하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 도시의 폐수 등의 처리의 결과로서 생기는 하수 슬러지를 처리하여 휘발성 고형물 및 기타 오염 물질을 제거하고 바이오 가스를 생성하기 위한 하수 슬러지 처리 방법을 제공한다.
수질오염방지법이 통과된 이래, 많은 산업에서 공공 하수관 및 수로로 배출하기 전에 발생한 폐수를 처리하기 위한 프로그램을 시행하도록 요구되어왔다. 이 프로그램은 종종 현장폐수처리공정, 공공처리공장으로의 배출공정 또는 양쪽 모두를 포함한다.
폐수는 가정, 상업 및 산업적 용도로 사용 후에 변화된 물, 특히, 오염되고 흘러 배수구를 통과하는 물에 사용되는 용어이다.
폐수는 일반적으로 공공수로로 배출되기 전에 제거되어야 할 다양한 오염물질을 함유하며, 이러한 오염물질은 단백질, 탄수화물 및 지방 등의 유기물; 농약, 살충제, 중금속 및 비료 등의 화학물질; 및 하수를 포함한다. 폐수는 일반적으로 생화학적 산소 요구량(BOD), 총부유고형물(TSS) 및 용존산소(DO)의 관점에서 평가된다. 폐수로부터 제거되어야 할 성분의 또 다른 중요한 클래스는 폐수의 냄새를 일으키거나 폐수의 냄새에 기여하는 휘발성 유기 화합물(VOC)이다.
폐수에서 발견되는 특정 오염물질과 관련된 많은 공정이 개발되어 왔다. 예를 들어, 페놀 산화 효소 및 과산화수소는 펄프 및 제지 공장의 폐수를 탈색하는데 사용되어왔고(U.S. Pat. No. 5,407,577); 바실러스 스테아로더모필러스(Bacillus stearothermophilus)의 비정형 균주로부터의 효소는 조류의 세포벽을 분해하는 데 사용되어 왔고(U.S. Pat. No. 5,139,945); 박테리아와 효소의 조합은 물이 고여있는 곳의 수질을 개선하는 데 사용되어 왔고(U.S. Pat. No. 5,227,067); 셀룰라아제는 나무/종이 조성물을 소화하는 데 사용되어 왔고(U.S. Pat. No. 5,326,477); 크산토모나스 말토필리아(Xanthomonas maltophilia) 및 바실러스 투린지엔시스(Bacillus thuringiensis)는 극성 유기용매를 분해하는 데 사용되어 왔고(U.S. Pat. No. 5,369,031); 효모는 탄수화물함유 폐수를 소화하는 데 사용되어 왔고 water(U.S. Pat. No. 5,075,008); 베타-글루카나아제, 알파-아밀라아제 및 프로테아제의 조합은 미생물의 점액을 소화하는 데 사용되어 왔고(U.S. Pat. No. 5,071,765); 그리고 아밀라아제, 리파아제 및/또는 프로테아제의 조합은 전분, 그리스, 지방 및 단백질과 같은 콜로이드 물질을 소화하는 데 사용되어 왔다(U.S. Pat. No. 5,882,059). 그러나, 이들 조성물은 단지 특정 오염물질에 관련된 것으로서, 폐수 및 기타 오염된 물에서 보통 발견되는 다양한 오염물질을 대상으로 하는 것은 아니다. U.S. Pat. No. 3,635,797에 기재된 조성물은 하수 연못을 탈취하고 유기 폐수를 분해하는 데 효모발효성분을 사용했다. 그러나, 이 조성물은 불안정하고, 하나의 배치에서 다른 하나의 배치까지 변하기 쉬운 결과가 산출된다고 밝혀졌다.
상기 공정들은 일반적으로 호기성 조건 하에서 실시된다. 즉, 처리공정은 대개 공기, 즉 산소의 존재를 필요로 한다.
본 발명자들은 사카로마이세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)와 같은 효모의 배양액으로부터 얻어진 발효 상등액 및 바람직하게 에톡시화 알킬페놀 및/또는 장쇄 지방족 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 비이온성 계면활성제를 포함하는 액체 조성물을 발명하였다. 사카로마이세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)의 발효로부터 얻어진 활성효소와 배합된 이 액체 조성물은 혐기성 조건뿐만 아니라 호기성 조건 하에서 사용되어, 폐수들 중에서 도시 하수를 처리해 왔다(미국특허 5,820,758; 5,849,566; 5,879,928; 5,885,590 및 미국 공개 특허 12/586,126 참고). 현재, 놀랍게도, 활성효소를 포함하지 않는 사카로마이세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae) 배양액으로부터 얻어진 발효 상등액과 비이온성 계면화성제의 배합을 포함하는 제품이 하수 슬러지, 예를 들어, 도시 또는 산업 폐수의 처리에서 생성되는 하수 슬러지를 처리하는 것으로 밝혀졌다. 이 발견은 아래에서 더 상세하게 논의된다.
유기물질로 오염된 액체의 생물학적 처리 또는 상기 액체에 용해, 콜로이드 또는 미세하게 분산된 형태로 포함되는 유기오염물질을 제거하기 위한 폐수의 정화는 미생물 활동, 예를 들어, 혐기성 분해를 통해 바이오 가스로 알려진 가연성 가스를 발생시킨다.
일반적으로, 폐수는 흐르는 물속에서 폐수 자체를 생물학적으로 세척할 때 생기는 과정과 동일하거나 유사한 과정을 이용하여 폐기물 처리 공장에서 생물학적으로 정화된다. 이 때, 폐수의 생물학적 정화는 기술적으로 집중적인 방식이지만 호기성 조건 하에서 행해진다. 자연에서는, 생물학적 정화의 혐기성 처리는 마찬가지로, 예를 들면 평평하고 잔잔한 물의 바닥에서 일어난다.
본 발명을 설명하기 위하여, "처리"는 미생물, 예를 들어, 박테리아에 의한 산소의 존재 또는 부존재 하에서의 유기물질, 즉, 오염물질의 변환을 의미한다는 것이 이해되어야 한다. 유기물질의 혐기성 분해 공정 동안 바이오 가스, 즉, 메탄(주성분), 이산화 탄소 및 미량의 기타 성분으로 이루어지는 가스 혼합물이 생성된다. 본 발명의 공정은 셀룰로오스 원료 등으로부터 발효제품을 제공하기 위해 호기성 조건 하에서도 실시될 수 있다.
다량의 유기물질을 오염물질로서 함유하는 액체를 혐기성 조건 하에서 생물학적으로 처리하는 방법은 펄프제조뿐만 아니라 식품산업, 농업 및 미네랄 오일 산업으로부터의 폐수를 처리하기 위한 것으로 알려져 있다. 다시 말해, 많은 종류의 액체를 처리하는 것은 가능하지만, 일반적으로, 이러한 생물학적 방법들은 이런 유기 오염물질의 충분한 정화 또는 완전한 전환을 제공하는 것을 불가능하다.
본 발명의 하나의 목적은 유기 폐기물을 고온에서 소화시킴으로써 세균공정에서 상기 폐기물을 처리하여 전기생산용 발전기 및/또는 난방용 보일러에 사용될 수 있는 바이오 가스를 생산하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하수 슬러지를 고온에서 발효시킴으로써 세균공정에서 상기 슬러지를 처리하여 전기생산용 발전기 및/또는 난방용 보일러에 사용될 수 있고, 특히, 상기 하수 슬러지를 처리할 열을 제공하는 데 사용할 수 있는 바이오 가스를 생산하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하수 슬러지를 고온에서 발효시킴으로써 실시되는 세균공정에서 상기 슬러지를 처리하여 휘발성 유기 고형물(VOS)을 줄이는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하수 슬러지를 고온에서 발효시킴으로써 실시되는 세균공정에서 상기 슬러지를 처리하여 상기 공정을 떠나는 처리된 고체 슬러지 제품의 무게 및/또는 부피를 줄이는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 본 명세서의 내용을 읽음으로써 명백해질 것이다.
본 발명은 유기물질, 즉 유기 폐기물의 처리 방법을 제공하며, 이 방법은 (a) 생물학적으로 이용가능한 무기물 및 비타민을 비롯한 미량 영양소를 포함하는 효모 제형의 발효 상등액을 포함하는 생체촉매 조성물의 이용을 포함한다. 상등액은 살균 및 변성되므로, 활성 효소 또는 박테리아 배양액을 포함하지 않는다. 상등액은 (b) 1종 이상의 비이온성 계면활성제와 블렌딩된다. 본 발명의 생체촉매 조성물은, 유기 물질을 포함하는 폐수 스트림에 첨가되는 경우, i) 상기 박테리아의 호흡 및 재생에 필요한 용존 산소량을 증가시킴으로써 폐수에 존재하는 박테리아 배양액의 효소 활성; 및 ii) 상기 유기 물질에 존재하는 결합을 분해하여, 유기 물질을 상기 박테리아가 소모하기에 보다 분해가능한 형태로 방출함으로써, 상기 박테리아의 촉매 작용을 증가시킬 수 있다. 상기 생체촉매 조성물은 매우 구조화되며 초미세 미소기포(microbubble) 형태의 기능화된 계면활성제를 상기 폐수에서 형성하며, 미소기포는 폐수 내에서 산소를 캡슐화하고, 박테리아에 의해 소모되는 유기 물질의 세포 구조물 및 미소기포의 막 장벽(barrier)을 가로지르는 산소 이동을 증가시킴으로써, 폐수에서 쉽게 이용가능한 산소 비축물을 제공한다.
본 발명의 방법에서, 유기 폐기물은 바람직하게는 효모 배양액, 예를 들어 사카로마이세스 세레비지아(Saccharomyces cerevisiae)배양액으로부터 얻어진 발효 상등액; 및 비이온성 계면활성제를 포함하는 조성물로 처리된다.
본 발명의 방법의 하나의 바람직한 구현예에서, 유기 폐기물은 하수 슬러지를 포함하며, 슬러지가 약 55-60℃의 온도에서 탱크 내에서 발효되는 고온 소화(thermophilic digestion), 또는 약 35-40℃의 온도에서 수행되는 탱크 내에서 중온 소화(mesophilic digestion)를 포함하는 방법으로 처리된다. 바이오가스 중 메탄은, 통상 왕복 엔진 또는 터빈을 이용해 연소되어 열과 전기 둘 다 발생시킬 수 있거나, 또는 발생되는 전기 및 폐열을 사용하여 소화장치(digester)를 가온하거나 또는 빌딩을 보온하는 데 사용되는 열병합 발전 방식(cogeneration arrangement)에서 연료 전지에 종종 공급될 수 있다. 잉여량의 전기는 공급업자에게 판매하거나 또는 국소 그리드(local grid)에 투입할 수 있다. 혐기성 소화장치에 의해 발생되는 전기는 재생가능한 에너지인 것으로 여겨지며, 보조금을 유치할 수 있다. 바이오가스는 대기중에 직접 방출되지 않고 이산화탄소는 탄소 주기가 짧은 유기 소스로부터 발생되기 때문에, 대기중의 이산화탄소 농도의 증가에 기여하지 않는다.
본 발명의 이러한 바람직한 구현예에서, 메탄을 포함하며 전기생산용 발전기 및/또는 난방용 보일러에 사용될 수 있는 가연성 바이오가스가 생성된다.
본 발명의 방법의 또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 비이온성 계면활성제는 알킬 폴리사카라이드, 알킬아민 에톡실레이트, 아민 옥사이드, 블록 공중합체, 피마자유 에톡실레이트, 세토-올레일 알코올 에톡실레이트, 세토-스테아릴 알코올 에톡실레이트, 데실 알코올 에톡실레이트, 에톡시화 도데실데카놀 및 에톡시화 트리데실데카놀, 및 기타 C12-C14의 이차 지방족 알코올 에톡실레이트로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 또는 비이온성 계면활성제는 에틸렌 옥사이드 20몰 내지 40몰, 예를 들어 에틸렌 옥사이드 약 30몰을 포함하는 노닐 페놀 부가물 또는 옥틸 페놀 부가물일 수 있다.
수성 환경에서의 산화적, 생물학적 및 화학적 공정은 물에 대한 산소의 낮은 용해도에 의해 제한된다. 이러한 물리적 제한은 헨리의 법칙에 의해 정의된다. 헨리의 법칙에서는, 온도가 일정하게 유지 될 때, 액체에 용해되는 기체의 양이 액체상의 가스에 의해 가해지는 압력에 비례한다고 기술되어 있다.
순수에 대한 산소의 용해도는 대기온도와 1기압의 대기압에서 단지 약 10 ppm이다. 본 발명의 조성물은 물 속에 산소를 상기 레벨로 증가시키는 것으로 관찰되었고, 이는 헨리의 법칙에 의해 예측될 것이다.
대부분의 호기성 생물공정에 있어서, 폐수처리 시스템 이든가 생명공학 발효 이든가, 용존산소는 빠르게 소모되어 그 것을 보충하는 것이 상기 공정의 속도를 제한하는 요소가 된다. 그러므로, 생물공정 설계의 가장 중요한 구성요소는 산소의 상기 공정의 액상으로의 질량전달을 위한 수단이다. 약 10 -9 cell/mL의 세포밀도에서의 박테리아의 활성 호흡 배양액에 있어서, 액체매질 내의 산소는 박테리아의 산소 요구량을 유지하기 위해서 분당 약 12회 교체해야 한다.
물은 전형적으로 기체상 및 액체상 사이의 접촉면을 증가시킴으로써 통기된다. 이는 산소원을 벌크 액상으로 도입하거나 분산수를 벌크 기체(공기)상을 흐르게 함으로써 행해질 수 있다. 기상 또는 액상이 산소화 공정을 지배하는 지 여부와 관계없이, 산소 또는 다른 기체의 질량 전달은 기포를 액상으로 도입함으로써 달성된다. 기-액 질량전달의 효율은 상당 부분 기포의 특성에 달려있다.
기포거동은 다음의 질량전달 패러미터:
기포 내부에서 기-액 계면으로의 산소의 전달;
기-액 계면을 통한 산소의 이동; 및
상기 기포를 둘러싸는 상대적으로 정체된 액막을 통한 산소의 확산에 큰 영향을 미친다.
기포의 연구에 있어서 근본적인 중요성은 기포 내부의 자유상태와 기포 외부의 용해상태 사이의 계면을 통한 가스의 교환을 이해하는 것이다. 생물공정에 있어서 기포의 가장 중요한 성질은 그들의 크기라는 것을 일반적으로 합의되어 있다. 주어진 소정의 기체의 부피에 있어서, 보다 넓은 기상과 액상 간의 계면면적은 기체가 크고 적은 기포보다는 작고 많은 기포에 분산되었을 경우에 제공된다. 1-3 mm 크기의 작은 기포는 큰 기포와 공유하지 않는 다음의 유리한 성질을 갖는 것으로 밝혀졌다.
작은 기포는 큰 기포 보다 천천히 떠올라, 기체가 수상에 용해하는 데 더 많은 시간이 걸린다. 이러한 성질은 가스 홀드업이라 하며, 이 때, 물에 대한 산소의 농도가 헨리의 법칙상 용해도 한계를 넘어 두 배 이상이 될 수 있다. 예를 들면, 10 ppm의 산소 포화 한계에 도달한 후, 적어도 작은 기포 내의 다른 10 ppm의 산소는 상기 산소를 보충하는 데 이용할 수 있을 것이다.
일단 기포가 형성되면, 액상으로의 산소전달에 대한 주 장벽은 상기 기포를 둘러싸는 액막이다. 생화학 공학 연구는 이 액막을 통한 수송이 완전 공정에서 율속 단계가 되고, 전체의 질량 전달 속도를 조절한다는 결론을 내렸다. 그러나, 기포가 보다 작아짐에 따라, 이 액막은 벌크 액상으로의 기체의 전달이 더 이상 방해 받지 않도록 감소한다.
물 속의 계면활성제는 직경 1 mm 미만의 매우 작은 기포의 형성을 촉진할 수 있다. 이 작은 기포를 미소기포(마이크로버블) 이라 하며, 계면활성제에 기인한 기-액상 간의 계면에서의 감소된 표면장력의 결과이다.
고농도의 기체가 화학반응이나 다른 메커니즘 등에 의해 용액으로 도입될 때, 기포의 형성을 위한 핵센터가 존재하지 않으면, 상기 액상은 과포화 될 수 있다. 이 시점에서, 미소기포가 자발적으로 형성되어, 큰 기포 핵을 형성하고, 과포화가 다시 일어날 때까지 상기 용액으로부터 용해된 기체를 제거한다. 계면활성제의 존재 하에서, 기체의 더 많은 부분이 안정된 기포로서 용액에 남아있을 수 있다.
액체내 기체의 분산에 노출된 미소기포는 콜로이드 특성을 보여주며, 콜로이드성 가스 아프론(CGA)이라 한다. CGA는 저 농도의 계면활성제로 이루어진 독특한 외피층을 갖는 다는 점에서 보통의 기포와 다르다.
본 발명의 조성물은 계면 활성제 미소기포와 연관된 바람직한 특성을 나타낸다. 그러나, 본 발명의 조성물로 형성된 미소기포는 액체 내의 산소의 질량 전달을 증가시킬 것으로 보인다. 과학 이론에 구속되지 않고, 이러한 차이에 대한 몇 가지 가능한 설명이 있다.
전술한 계면 활성제 미소기포는 음이온성 또는 양이온성의 순수 합성 계면 활성제의 사용을 포함했다. 본 발명의 조성물로 제형화된 계면활성제는 비이온성이고, 거품거동의 특성을 크게 변화시키는 바이오계면활성제와 배합한다.
본 발명의 조성물은 미소기포 형성용 계면활성제를 매우 낮은 농도로 요구한다. 계면활성제 농도는 계면활성제 시스템의 임계 미셀 농도(critical micelles concentration; CMS)에 근접해야 한다고 제안된 바 있다. 본 발명의 조성물에서, 미소기포는, 사용되는 계면활성제에 대한 CMS 추정값보다 낮게 생성된다. 이는, 본 발명의 미소기포조성물이 기체 물질 전달(gas mass transfer) 특징에 보다 선호적인 느슨한 분자 패킹(loose molecular packing)을 가진 계면활성제 분자의 응집 결과임을 제시한다. 소수의 분자로 이루어진 표면은 양호하게 조직화된 미셀 함유 가스보다 가스 투과성이 클 것이다.
계면활성제 외에도, 본 발명의 조성물은 생물학적으로 유래된 촉매를 포함한다. 이들 성분은 둘 다 양친매성으로, 즉, 소수성 특징과 친수성 특징을 가지는 경향이 있다. 양친매성 분자는 수중에서 밀집되어 분자량 응집물을 형성하는 경향이 있으며, 이 응집물은 (계면활성제 농도가 증가함에 따라) 미셀을 10-2 M 내지 1014 M 농도로 형성한다. 이들 양친매성 분자로 이루어진 응집물은 미소기포 형성의 핵(nuclei)이다.
본 발명의 조성물은 유체 내의 산소 농도를 높이는 것으로 보인다. 과학적 이론으로 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 이러한 효과는 2가지 메카니즘 중 하나 또는 둘 다로 설명될 수 있는 것으로 여겨진다:
본 발명의 비이온성 계면활성제와 기타 성분들 간의 상호작용으로 인해 발생되는 가스의 물질 전달 증가; 및
미소기포로부터의 가스 방출이 지연됨으로써, 산소가 도입 지점보다 액체 전체를 통해 분산될 수 있다는 사실.
어떤 메카니즘을 이용하든지, 본 발명의 조성물이 밀집물, 응집물, 또는 가스-충전형 기포로 조직화되는 경향은, 반응물의 국소 농도를 증가시키거나, 촉매 반응의 발생에 필요한 에너지 전이를 낮추거나, 또는 아직까지 기술된 적이 없는 일부 다른 메카니즘에 의해 발생하는 반응의 발판을 제공하는 것으로 여겨진다. 본 발명의 조성물에 사용되는 비이온성 계면활성제는 효소 반응과 상용성을 가지며 효소 반응을 증가시키는 것으로 확립된 바 있다. 본 발명의 조성물은 통상적인 효소 시스템보다 기능화된 계면활성제의 촉매 활성을 가진다.
본 발명의 조성물은 활성 효소 및 음이온성 또는 양이온성 계면활성제의 부존재 하에, 효모 발효 상등액 및 비이온성 계면활성제를 포함한다.
본 발명에 사용하기에 적절한 비이온성 계면활성제로는, 에톡시화 지방 알코올, 알킬 페놀, 지방산 및 지방 아민을 포함하는 폴리에테르 비이온성 계면활성제; 에톡시화될 수 있거나 또는 되지 않을 수 있는, 수크로스 에스테르, 소르비탈 에스테르, 알킬 글루코사이드 및 폴리글리세롤 에스테르를 포함하는 폴리하이드록실 비이온성 계면활성제(폴리올)를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구현예에서, 하기 식의 계면활성제:
및 특히 상표명 IGEPAL CA-630으로 판매되는 에톡시화 옥틸 페놀이 사용된다. 비이온성 계면활성제는 상승작용하여, 효모 발효 상등액의 작용을 강화한다.
이로써, 이들 미소기포 및 이들의 고 반응성 산소 전달 능력은 매우 가속화된 생물학적 및 화학적 반응의 광범위 스펙트럼 촉진제(broad-spectrum facilitator)로서 물, 폐수, 및 유기 고형물 내에서 원래 그대로 작용하여, 활성 효소, 배양된 박테리아 배양액, 또는 기존의 계면활성제 제품을 통해 이용 가능한 박테리아 효소 유형 반응의 속도 및 크기를 능가한다.
새로운 "기능화된 계면활성제" 조성물은 통기시스템에 의해 기계적으로 발생되는 기포보다 훨씬 작은 크기의 미소기포를 발생한다. 폐수 시스템 내의 유기 오염물질을 생물학적으로 분해하거나 또는 정수할 때 가장 중요한 요소는, 생물학적 공정 또는 정제 화학물질의 산화 반응을 돕는 급수관에 산소를 공급하는 것이다.
작용 메카니즘은 2가지이다:
하나는, 고 반응성 기포 쉘(shell)을 가진 '기능화된 계면활성제'의 미소기포를 형성하여, 급수관에 구축되는 용존 산소 비축물이, 헨리의 법칙에 따른 기계적 통기 시스템을 통해 이용가능한 용존 산소량의 정상 수준을 훨씬 능가하도록 하는 것이다.
두번째로는, '기능화된 계면활성제' 미소기포의 고 반응성 막 기포 쉘의 산소 전달 능력을, 조성물의 블렌딩된 계면활성제에 의해 형성되는 미소기포의 능력을 훨씬 능가하도록 매우 강화시키는 것이다.
따라서, 본 발명의 조성물을 사용함으로써 형성되는 미소기포는 생물학적 및 화학적 반응을 개선하기 위한 기초를 제공한다.
수중 용존 산소 이용률은 생물학적 산화-환원제를 통한 유기 오염물질의 소모시 미생물이 필요로 하는 호흡에 중요한 한계 인자이다. 생물학적 환원 속도는 임의의 폐수 처리 시스템의 설계, 수량 부하, 배출물 품질(quality of discharge), 및 작업 효율에 있어 중요한 부분이다.
본 발명의 미소기포의 2가지 측면인, 용존 산소 비축물 증가, 및 막 장벽을 가로지르는 산소 전달 증가는 상승작용하여, 유기 오염물질의 소모시, 용존 산소의 이용가능성을 미생물로 실질적으로 긍정적으로 확장시킬 수 있다. 그 결과, 폐수의 생물학적 처리 공정의 효율, 또는 염소, 차아 염소산 나트륨, 염화 제이철, 과산화물 등과 같은 다양한 화학적 산화제의 산화력이 훨씬 더 효율적이게 된다.
산화적 화학물질이 광범위하게 사용되어, 오염수에서 유기 오염물질을 살균하여, 수중에서 이러한 유기물이 생물학적으로 성장하는 것을 방지한다. 산소 전달 및 급수원 내 용존 산소량의 증가는 물을 살균하는 데 필요한 화학 공정의 효율을 훨씬 더 높여서, 공정에서의 산화 화합물의 소모를 줄일 것이다.
정수에 사용되는 생물학적 및 화학적 공정의 개선 외에도, 동일한 작용 메카니즘은 유기 폐기 고형물의 퇴비화 시 생물학적 환원 속도, 및 석유 탄화수소 오염원의 개선률(rate of remediation)을 높이는 능력을 나타낸다.
퇴비화율 및 개선률의 가속화는 유기 고형물의 세포막을 가로지르는 산소 전달의 증가로 인한 것이다. 새로운 조성물의 효능은 종종 독성 냄새가 나는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 즉각적인 중화와 조합되는 경우 증가한다.
산소 전달이 증가하는 것은, 지방, 오일 및 그리스(grease)와 같은 불용성 유기 폐기물 성분의 효율적인 가용화 때문이다.
본 발명의 조성물이 지방, 오일 및 그리스의 에스테르 결합을 절단하는 능력은, 분자 구조의 막 장벽을 가로지르는 가스 전달 능력으로 인한 것으로, 이 능력으로 인해 글리세롤과 지방산을 연결하는 에스테르 결합이 절단된다. 이는 가수분해의 형태를 띄는데, 즉, 매우 높은 pH보다는 중성 pH, 또는 매우 낮은 pH 제제, 또는 리파제 효소이다.
리파제는 일반적으로 에스테르 결합을 절단하는 능력이 있어서 특정한 효소군에 속하지만, 본 발명의 조성물은 산소 전달 메카니즘, 즉, 베타-산화에 의해 에스테르 결합의 동일한 절단 메카니즘을 개시한다.
이들 불용성 유기 분자의 용해도에 영향을 미침으로써, 유기 성분을 미생물이 소모하기에 보다 쉽게 분해가능한 형태로 방출하는 능력은, 산소 이용률의 증가로 인한 이점과 다시 상승작용하여, 호기성 생물 공정에 필요한 생물학적 호흡 환원에 일조한다.
지방, 오일 및 그리스의 표면을 세정하는 경우, 에스테르 결합이 절단되면, 폐기물 스트림을 받는 배수관 및 표면에 잔존하는 잔여 폐기 성분을 상당히 감소시킴으로써 표면 세정력을 훨씬 개선한다.
본 발명의 조성물은 하기의 공정에 유용한 것으로 확인되었다:
정수:
수영장에서 사용되는 염소 소모율이 용도에 따라 70%까지 감소되는 경우, 무기화 스케일링(mineralization scaling)은 상당히 감소하며, 필터는 세정되고, 침강된 산화 잔여물의 역세(backwashing)가 상당히 감소한다.
폐수 처리:
폐수 처리 시스템에서 사용되는 경우 호기성 에너지 사용률은 50%까지 감소할 수 있으며, 기존에는 생물학적 환원 배출 요건에 대해 적절한 용존 산소 농도를 제공할 수 없는 수압 용적 하에 보다 높은 유기 로딩(loading)이 처리될 수 있다. 슬러지/고형물은 폐기물 스트림의 유기 분자 구조의 용해도가 커서 35%까지 감소할 수 있다.
하수관 및 펌프장에서의 냄새 조절:
하수관 및 펌프장에서 사용되는 경우, H2S 가스 농도는, 생체막 성장(점액 층(slime layer))이 H2S 가스로서 방출되는 용존설파이드의 중요한 소스를 제거함으로써 용해되어 제거되는 새로운 방지 모델을 통해 상당히 감소할 수 있다. 초미세 미소기포의 형성는 높은 수준의 벌크 하수 내의 용존산소를 제공함으로써, H2S가스의 진화를 방지하며, H2S는 용존 산소 농도가 1.1 ppm 이상인 물에서 용존 황화물로부터 방출되는 경향이 없을 것이다.
냄새 조절:
물 분사에서 높은 희석액으로 사용되는 경우, 본 발명의 조성물은 냄새가 나는 폐기물, 표면, 및 오염 수역(septic water body)의 즉각적인 냄새 중화를 제공한다. 부가적으로는, 매우 높은 희석율(1500 x 1) 또는 그 이상으로 미스트(misted)되는 경우, 공기관(air column) 내의 유독 가스를 중화할 것이다.
석유 탄화수소 복원:
석유 탄화수소 복원 프로토콜에 사용되는 경우, 석유계 총 탄화수소(Total Petroleum Hydrocarbon; TPH)의 환원은 탄화수소의 분자 구조의 용해도가 상당히 개선됨으로 인해 베이스라인 개선률을 상당히 능가하여 가속화된다. 표면 세정 또한, 새로운 조성물의 용해도 증가 능력으로 인해 크게 개선된다.
강 및 수역의 생태학적 복원:
희석률을 기준으로, 수표면에 분사하여 적용되는 경우, 용존산소율이 보다 높은 상부 표면 영역이 만들어지며, 이는 강이나 수역의 하부에 존재하는 슬러지로부터 방출되는 혐기성 가스를 산화하도록 작용한다. 부가적으로는, 조성물의 미소기포를 포함하는 이러한 상부의 용존 산소 영역은 강둑의 측면을 따라 형성되는 생체막 성장(점액층)에 있어 세정 메카니즘으로서 작용한다.
퇴비화:
퇴비 퇴적물에 사용되는 경우, 조성물은 유기 물질이 퇴비화되는 호기성 상부 영역을 형성하는 퇴적물에 높은 희석율로 분사되는 경우, 즉각적인 냄새 제거를 제공한다. 부가적으로는, 퇴비화(생물학적 소모) 속도는 가속화되며, VOS 가스 생산(그린하우스)은 감소한다.
FOG 세정:
육류 저장실, 도축장, 식품 가공기와 같이 고농도의 지방, 오일 및 그리스를 포함하는 폐기물의 세정에 사용되는 경우, 조성물의 개선된 용해도는 폐기 지질의 분자 구조를 분해하여, 폐기물이 배수관의 하류에서 구조적으로 재형성되지 않도록 하며, 표면이 표면 아래까지 세정되게 된다.
동물 배설물의 세정:
마구간, 동물 사육장, 및 낙농장과 같은 동물 우리의 세정에 사용되는 경우, 조성물은 오줌(암모니아) 및 배설물에 즉각적으로 작용하여, 냄새가 나지 않게 하며, 동물이 VOC 화합물로 인해 스트레스를 받지 않게 한다. 부가적으로는, 동물 배설물은 폐기물 스트림의 분자 구조에 대한 조성물의 촉매 작용으로 인해 즉각적으로 분해되기 시작한다.
수경재배:
수경재배에 사용되는 경우, 조성물은 배치된 기계적 통기 시스템을 통해 수득되는 수준을 능가하는 수준으로 용존 산소량을 증가시킨다. 암모니아는 어류 배설물의 고 독성 부산물로서 산화적 중화에 보다 취약하며, 어류 배설물의 분자 구조는 구성성분으로 분해되어 급수관에서 덜 축적되게 된다.
펄프 및 종이:
제지에 사용되는 경우, 제지에서 생물학적 필름 성장 및 스포팅(spottinig)을 방지하기 위해 전형적으로 사용되는 살생물제 유형의 살균 화학제가 펄프 탱크(pulping tank)에서 대체된다. 박테리아 및 병원균 콜로니의 수가 줄어들며, 생물학적 필름 성장이 제거되며, 스포팅이 제거된다. 부가적으로는, 전분의 분자 구조가 조성물에 의해 용해되기 때문에, 롤러 상에서의 전분 구축이 상당히 감소한다.
혐기성 분해:
혐기성 분해 시스템에 사용되는 경우, 이 조성물은 폐기물 스트림, 특히 가장 높은 바이오-메탄 폐기물 성분인 지질 성분의 분자 구조를 용해시켜, 메탄형성에서의 전환에 이들이 보다 쉽게 이용될 수 있게 한다. 이는 가수분해 형태의 pH 중성이다. 부가적으로는, 조성물이 포함하는 고농도의 생물학적으로 이용가능한 무기물 및 비타민은 소정의 대사 반응, 또는 폐기물 스트림의 생물학적 소모에 필수적인 영양분의 중요한 이용가능성을 제공한다.
객토:
매우 높은 희석율에서 식물 관수에 사용되는 경우, 조성물은 토양 내의 유기 성분의 용해도를 증가시키며, 식물 뿌리에 의한 미세영양분의 섭취 능력을 증가시키고, 토양의 물 투과성을 높이며, 혐기성 점액 성장을 용해시키고, 토양 내의 호기성 조건을 촉진한다.
본 발명에 사용하기에 적절한 비이온성 계면활성제로는, 에톡시화 지방 알코올, 알킬 페놀, 지방산 및 지방 아민을 포함하는 폴리에테르 비이온성 계면활성제; 에톡시화될 수 있거나 또는 되지 않을 수 있는 수크로스 에스테르, 소르비탈 에스테르, 알킬 글루코사이드 및 폴리글리세롤 에스테르를 전형적으로 포함하는 폴리하이드록실 비이온성 계면활성제(폴리올)를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 구현예에서, 비이온성 계면활성제는 하기 식들 중 하나로 표시되며:
H(OCH2CH2)xOC6H4R
H(OCH2CH2)xOR1
H(OCH2CH2)xOC(O)R1
상기 식에서, x는 알킬 페놀 및/또는 지방 알코올 또는 지방산에 첨가되는 에틸렌 옥사이드의 몰수이며, R은 장쇄 알킬기, 예를 들어, C7-C10노르말-알킬기이며, R1은 장쇄 지방족기, 예를 들어, C12-C20 지방족기이며, 특히 비이온성 계면활성제는 에톡시화 옥틸 페놀 또는 도세실알코올 또는 트리데실알코올 에톡실레이트이다. 비이온성 계면활성제는 상승작용하여, 효모 발효 상등액의 작용을 강화한다.
본 발명의 공정에 사용되는 발효 상등액 산물은 Battistoni 등의 미국 특허 3,635,797에 기술된 것과 유사한 방식으로 제조될 수 있으며, 상기 특허는 그 전체가 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 간략하게는, 사카로마이세스 세레비시아와 같은 효모는 당밀, 원료 당, 대두 또는 이들의 혼합물로부터의 수크로스와 같은 당 소스를 포함하는 배지에서 배양된다. 당 농도는 약 10 중량% 내지 약 30 중량%이며; 당화성 맥아(diastatic malt)의 농도는 약 7 중량% 내지 약 12 중량%이며; 마그네슘 염, 특히 마그네슘 설페이트와 같은 염의 농도는 약 1 중량% 내지 약 3 중량%이고, 효모는 최종 배양 혼합물에서 효모의 최종 농도가 약 1 중량% 내지 약 5 중량%가 되는 양으로 배지에 첨가된다. 혼합물은 발효가 완료될 때까지, 즉, 혼합물의 거품형성(effervescence)이 중단될 때까지, 발효 온도에 따라 통상 약 2일 내지 약 5일 동안 26℃ 내지 약 42℃에서 인큐베이션된다. 발효가 종료할 때, 효모 발효 조성물은 원심분리하여, 발효 동안 형성된 "슬러지"를 제거한다. 상등액(약 98.59 중량%)은 소듐 벤조에이트(약 1 중량%), 이미다졸리디닐 우레아(약 0.01 중량%), 다이아졸리디닐 우레아(약 0.15 중량%), 칼슘 클로라이드(약 0.25 중량%)와 같은 보존제 또는 안정화 시스템과 혼합되어, 발효 중간산물을 형성할 수 있다. pH는 인산을 이용해 pH 약 3.7 내지 약 4.2로 조정된다. 발효 중간산물의 조성은 표 1에 개시되어 있다. (효모 상등액은 임의의 박테리아 및/또는 활성 효소를 제거하도록 처리된 다음, 본 발명의 공정에 사용됨을 주지한다).
표 I
발효중간체
성분 중량%
발효상등액 98.59
소듐 벤조에이트 1
이미다졸리디닐 우레아 0.01
디아졸리디닐 우레아 0.15
염화칼슘 0.25
인산으로 pH를 약 3.7 내지 약 4.2로 조절
상기 발효중간체는 재킷 혼합 주전자를 원하는 양의 발효 상등액으로 채움으로써 조제될 수 있다. 적당한 교반과 함께 인산을 이용하여 pH 를 약 3.7 내지 약 4.2로 조절한다. 연속적으로 교반하면서 소듐 벤조에이트, 이미다졸리디닐 우레아, 디아졸리디닐 우레아 및 염화칼슘을 첨가한다. 이어서, 상기 혼합물의 온도를 약 40℃까지 서서히 올리고, 상기 혼합물을 계속해서 교반한다. 상기 온도를 약 40℃에서 약 1 시간 동안 유지시켜 상기 혼합물의 모든 성분이 용해되도록 한다. 이어서, 상기 혼합물을 약 20℃ 내지 25℃까지 냉각시킨다.
이어서, 상기 발효중간체를 당해 분야에 공지된 방법으로 분무건조하여 사카로마이세스 세레비시아 배양액으로부터 발효상등액제품을 건조분말로서 제공한다. 미국특허 US Patent 3,635,797에 개시된 방법으로 조제된 액체 발효상등액제품과는 달리, 상기 건조분말은 박테리아와 미국특허 US Patent 3,635,797의 액체제품에서 발견된 활성효소가 없다.
상기 발효중간체(액체 발효상등액 제품)는 상기 분무건조된 발효중간체(최종 조성물의 약 20.24 중량%)를 소듐 벤조에이트, 이미다졸리디닐 우레아, 디아졸리디닐 우레아 및 이들의 혼합물과 같은 방부제(최종 조성물의 약 0.16 중량%), 에톡시화 옥틸 페놀 또는 도데실 또는 트리데실 알코올과 같은 비이온성 계면활성제(최종 조성물의 약 9 중량%)와 혼합함으로써 본 발명의 조성물(최종 조성물) 로 제형화된다. 상기 조성물은 물의 첨가에 의하여 100%가 된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 조성물은 약 20.24 중량%의 발효중간체, 약 0.1 중량%의 소듐 벤조에이트, 약 0.01 중량%의 이미다졸리디닐 우레아, 약 0.15 중량%의 디아졸리디닐 우레아, 및 약 9%의 에톡시화 옥틸 페놀 또는 트리데실 알코올 에톡실레이트를 포함한다(표 II 참고).
표 II
최종 조성물
성분 중량%
소듐 벤조에이트 0.1
이미다졸리디닐 우레아 0.01
디아졸리디닐 우레아 0.15
에톡시화 옥틸 페놀 또는 트리데실 알코올 9.00
발효중간체 20.24
상기 최종 조성물을 조제하는 방법은 다음과 같다. 혼합 주전자를 약 20도 내지 약 25에서 원하는 부피의 물로 채운다. 용액을 교반하면서 소듐 벤조에이트, 이미다졸리디닐 우레아 및 디아졸리디닐 우레아를 첨가한다. 상기 혼합물을 고형물이 분산될 때까지 교반한다. 이어서, 에톡시화 옥틸 페놀 또는 도데실 또는 트리데실 알코올 첨가하고, 교반을 계속한다. 이어서, 발효중간체를 첨가하고, 부드러운 교반을 행한다. 인산을 이용하여 pH를 약 3.5 내지 약 4.0로 조절한다.
혼합과 pH조절 후에, 최종조성물의 성분의 최종 농도를 표 III에 요약하였다.
표 III
최종 조성물
성분 중량%
소듐 벤조에이트 0.3
이미다졸리디닐 우레아 0.01
디아졸리디닐 우레아 0.15
에톡시화 옥틸 페놀 또는 도데실 또는 트리데실 알코올 9.0
염화칼슘 0.05
발효중간체 20 (정제)
인산으로 pH를 약 3.5 내지 약 4.0로 조절
최종 조성물은 후술하는 바와 같이 폐수 내의 유기물을 처리하는 영역에서 사용하기 위해 희석한다.
효모분말은 상업적 공급원으로부터 입수할 수 있으며, 상기 효모분말은 비이온성 계면활성제와 배합하여 본 발명의 방법을 실시하기에 적합한 조성물을 제공한다. 예를 들어, TASTONE 154(TT154-50)는 비이온성 계면활성제와 배합하여 표 III 의 조성물과 유사한 조성물을 제공한다.
이 조성물을 조제하는 방법은 다음과 같다. 혼합 주전자를 약 20도 내지 약 25에서 원하는 부피의 물로 채운다. 용액을 교반하면서 태스톤 154(Tastone 154)를 첨가한다. 상기 혼합물을 블렌드가 균일해질 때까지 교반한다. 블렌드 결과물을 교반하면서 터지톨 15-S-7(Tergitol 15-S-7), 터지톨 15-S-5(Tergitol 15-S-5), 다우팩 2A1(Dowfax 2A1), 트리톤 H66(Triton H66) 및 인테그라 44(Integra 44)를 각각 순차로 첨가한 후, 균일해질 때까지 교반한다. 인산을 이용하여 pH를 6.0±5로 조절한다. 여기서, 터지톨 15-S-7(Tergitol 15-S-7)와 터지톨 15-S-5(Tergitol 15-S-5)는 비이온성 계면활성제이고, 다우팩 2A1(Dowfax 2A1)와 트리톤 H66(Triton H66)는 음이온성 계면활성제이고, 인테그라 44(Integra 44)는 살생물제이다.
혼합과 pH조절 후에, 최종조성물의 성분의 최종 농도를 표 IV에 요약하였다.
표 IV
최종조성물
성분 중량%
물 87.238
타스톤 154 0.762
터지톨 15-S-7 3.750
터지톨 15-S-5 3.750
다우팩 2A1 1.500
트리톤 H66 2.500
인테그라 44 0.500
인산으로 pH를 약 6.0±5로 조절
폐수를 처리하는 데 이용하기 위하여 최종 조성물, 즉 표 III 또는 IV의 조성물을 백만분율 단위까지 희석한다. 다른 용도를 위하여, 상기 최종 조성물은 10중의 1과 같이 소량으로 희석하는 것이 바람직하다. 당업자들은 이러한 조성물의 희석을 사용될 수 있고, 특별한 목적을 위한 과희석은 소화속도의 감소를 초래할 수 있고, 또한 특별한 목적을 위한 미흡희석은 분해속도의 증가 없이 비용을 증가시킨다는 것을 인식하고 있다. 이상적으로, 최종 조성물은 특정 폐기물의 분해 속도를 최적화하고 비용을 최소화하도록 희석한다.
사용시, 본발명의 조성물은 폐수처리공장에서 일반적으로 발견되는 박테리아의 활성을 강화시킴으로써 오염물질을 분해하고, 예기치 않게 바이오가스의 발생량을 증가시킴과 동시에, 휘발성 악취 화합물(VOC)과 처리영역으로부터의 유출물의 부피와 무게를 김소시킨다.
상기한 계면활성제 및 효모발효 상등액 조성물이 박테리아의 존재하에 오염물질을 분해하는 데 활용되는 호기성 공정에서는, 박테리아가 사용가능한 산소를 물질대사에 이용함에 따라 용존산소(DO)가 감소한다. 비이온성 계면활성제와 효모발효 상등액 제품은 상승적으로 작용하여 분해속도를 향상시키고 용존산소(DO)를 증가시킨다. 이러한 호기성 공정에서, 계면활성제 단독 또는 효모발효 상등액 단독으로는 이들이 배합되었을 때 관찰되는 활성의 향상은 초래되지 않는다.
본 발명의 조성물은, 활성효소나 박테리아가 부족하더라도, 용존산소량과 산소전달을 증가시킨다는 것이 놀랍게도 밝혀졌다. 본 발명의 조성물은, 통기장치 및 공기 확산 시스템과 같은 기계적 수단을 통하여 얻어지는 레벨에 더하여, 수역 중의 용존산소량의 증가를 제공하며, 그에 따라 상기 수역 중의 유기 오염물질을 감소시킨다.
더욱이, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 조성물의 고농도의 바이오 영양소는 상기 수역에 존재하는 미생물에 자극을 제공한다.
본 발명의 조성물에 있어서 비이온성 계면활성제와 바이오 영양소의 배합은 본 발명의 조성물로 처리된 수역으로부터의 유기 오염물질의 제거속도에 있어서의 시너지 효과를 감소시키는 결과를 초래한다.
따라서, 본 발명의 조성물은 오염된 수역 및 페루프 물 시스템을 처리하고, 냄새를 제거하고, 지방, 오일 및 그리스를 정화하고, 석유탄화수소를 보관하고, 생물학적으로 생산된 구조 생체막을 파괴하는 데 유용하다.
본 발명의 조성물의 작용 메커니즘은 기능성의 두 가지 상승 및 보완 측면, 즉, 유기 폐기물의 분자구조의 가속 생체촉매작용, 내화 지질의 증가 및 향상된 산소의 물로의 전달을 목표로 하고 있다.
이러한 쌍 메커니즘은 산소가 통기를 통하여 유기 오염물질을 줄이기 위한 생물학적 과정에 요구되는 에너지로 활용되는 모든 폐수 및 수처리 응용에서 마주치는 제한요소를 극복하는 데 함께 작동한다. 이러한 쌍 메커니즘은 역시 폐루프 물 열전달 시스템, 펄프 및 종이 처리, 하수 수집 시스템, 배수라인, 및 생물학적 오염을 억제하는 데 살생물제를 활용하는 어느 수처리 시스템에 있어서 생물학적 오염 및 생체막 성장에 대한 대안 모델을 효과적으로 제공하는 것과 관련이 있다.
혐기성 공정에서도, 유기 폐물질을 전술한 계면활성제와 효모 발효 상등액 조성물의 배합으로 처리함으로써 유사한 효과를 얻는다. 더욱이, 호기성 공정과 같이, 혐기성 공정에 있어서도, 최종 조성물의 사용시에 관찰된 분해속도의 향상은 상기 최종 조성물이 처리할 폐수와 접촉하는 시간에 비례한다. 그러므로, 최종 조성물이 가능한 한 빨리 폐수에 첨가되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 최종 조성물은 폐수처리공장의 혐기성 또는 호기성 영역의 상류에 첨가된다. 최종 조성물은 연속적으로 해당 조성물을 폐수로 펌핑함으로써 첨가되거나, 혐기성 또는 호기성 영역에서의 최종 조성물이 원하는 희석에 도달하도록 원하는 대로 일괄적으로 첨가 할 수 있다.
이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, 처리할 폐수흐름은 이미 폐수에 존재하는 박테리아를 공급하여 상기 박테리아의 농도를 증가시키거나 또한 그렇지 않으면 이미 존재하는 박테리아에 의해 발생된 효소의 양을 증가시켜 상기 박테리아의 활성을 향상시킴으로써 효모 발효 상등액에 존재하는 바이오 영양소로부터 이익을 받는다고 믿어진다. 따라서, 효모 발효 상등액은 본 발명의 공정을 실시할 활성 효소의 존재를 필요로 하는 것이 아니라, 관심 있는 활성 효소를 현장에서 발생시키는 것이 필요하다.
발효상등액은 다음의 양으로 다음의 바이오 영양소를 포함할 수 있다:
비타민 mg/100g 최적 범위
비오틴 0.1 0.01-1
엽산 5.6 1.0-10.0
니아신 54.1 10.0-90.0
이노시톨 130 10.0-250
판토텐산 7.3 1.0-10.0
피리독신 하이드로클로라이드 5.6 1.0-10.0
리보플라빈 12 1.0-20.0
티아민 8.3 1.0-20.0
미네랄 mg/100g
Ca 141
Cr 0.4
Cu 0.2
Fe 8.5
Mg 208
P 1770
K 3790
Na 2660
Zn 1380
아미노산 mg/100g
알라닌 3980
아르기닌 2640
아스파르트산 5800
시스틴 568
글루타민산 7520
글리신 2800
리신 4570
메티오닌 964
페닐알라닌 2450
프롤린 2180
세린 2840
트레오닌 2730
따라서, 본 발명의 공정에 사용되는 조성물은 비이온성 계면활성제와 배합으로 효모배양액, 예를들어, 사카로마이세스 세레비시아 배양액으로부터 얻어지는 무효소 발효 상등액제품을 포함하고, 이 상등액 제품은 폐수를 있는 그대로 처리하는 데 필요한 박테리아를 발생시키는 충분한 종류 및 양의 바이오 영양소를 포함한다. 예를 들어, 이 조성물은 다음의 성분을 포함할 수 있다:
표 V
성분 중량%
비이온성 계면활성제, 예를들어, 에톡시화 옥틸 페놀 또는 도데실 또는 트리데실알콜 1.0-15.0
효모 배양액 예를들어, 사카로마이세스 세레비시아 배양액으로부터의 발효 상등액 제품 5.0-35.0
100 중량%의 물
바람직하게, 상기 조성물은 다음을 포함한다:
표 VI
성분 중량%
소듐 벤조에이트 0.3
이미다졸리디닐 우레아 0.01
디아졸리디닐 우레아 0.15
에톡시화 옥틸 페놀 또는 도데실 또는 트리데실 알코올 9.0
염화칼슘 0.05
표 III의 발효상등액 20
또는
표 VII
성분 중량%
태스톤 154로 사용되는 효모 분말 0.5-1.5
에톡시화 도데실 또는 트리데실 알코올 5-10
음이온성 계면활성제 2-6
살생물제 0.1-1.0
100 중량%의 물
상기한 발효 상등액 제품, 즉, 표 III의 사카로마이세스 세레비시아 배양액이나 태스톤 154(Tastone 154)로부터 얻어진 분무건조분말은 다음과 같은 비타민, 미네랄 및 아미노산을 포함할 수 있다:
비타민 미네랄 아미노산
비오틴 Ca 알라닌
엽산 Cr 아르기닌
니아신 Cu 아스파르트산
이노시톨 Fe 시스틴
판토텐산 Mg 글루타민산
피리독신하이드로클로라이드 P 글리신
리보플라빈 K 리신
타아민 Na 메티오닌
Zn 페닐알라닌
프롤린
세린
트레오닌
본 발명은 발명을 실시하기 위한 특정 모드의 예시이고 특허청구의 범위를 제한하는 것으로 의도하지 않는 하기의 실시예에 의해 더 상세히 설명한다.
실시예 1
본 발명의 방법은 식품 제조 공장에서의 배출물의 처리에 의해 예시 될 수 있다. 두개의 연속 혐기성 생물 반응기는 식품제조로부터의 배출물이 수집되는 유입습우물 다음에 일렬로 배치된다.
유량은 하루 750,000갤런이다. 혐기성 생물반응기에서는, 습우물로부터의 흐름이 상기 표 III에 기재된 조성물과 접촉한다. 폐수와 표 III의 조성물의 흐름의 비는 0.0000667 내지 0.0002667 %의 범위에서 변한다. 혐기성 영역의 처리 후, 생물 반응기로부터의 액체 유출물은 추가 처리를 위한 하나 이상의 통기 초호(aeration lagoon)로 안내된다. 생물 반응기로부터의 가스 유출물은 상기 생물반응기 및/또는 제조공정용 열증기을 발생시키는 데 사용되는 식품가공보일러에 열을 제공하는 데 사용하기 위해 수집 후 태워버리거나 재생시킨다(재생에 앞서, 예를 들어, BTU값을 증가시키도록 처리할 수 있다).
표 III의 조성물을 이용한 유출물의 생물반응기로의 처리는 바이오 메탄과 같은 바이오 가스의 생산량을 증가시킨다고 밝혀졌다. 표 III의 조성물은 활성효소가 부족하기 때문에 이는 놀라운 결과다. 또한, 유출물의 슬러지 부피는 감소된다.
실시예 2
본 발명의 방법의 별도의 예에서는, 대형 치즈제조공장으로부터의 폐수는 표 III의 조성물을 유입물 당 0.0220 내지 0.1484의 비율로 이용하여 혐기성 소화 영역에서 처리된다. 혐기성 영역에서의 평균체류시간은 유입물 흐름에 따라 2.72 내지 4.28 일이다. 당해 처리 동안의 온도는 약 94℃ 내지 약 102℃. 이 시험에서, TCOD의 제거 속도가 증가된다. 표 III의 조성물은 활성효소가 부족하기 때문에 이러한 증가는 놀랍다.
실시예 3
본 발명의 방법은 도시의 오염원으로부터의 하수 슬러지의 처리에도 활용된다. 이 시험에서, 도시의 하수처리공장으로의 유입물은 초기공급슬러지당 0.0271 내지 0.122 ESP Gals/100 gal의 비율과 92℃ 내지 약 102℃의 온도에서 표 III의 조성물과 접촉한다. 혐기성 영역에서의 하수 슬러지와 최종 조성물의 혼합물의 체류시간은 혐기성 소화장치에 적재되는 초기유입물공급에 따라 15 내지 18 일이다. 일반적인 도시의 폐수처리시설은 모든 사용자를 위해 하루에 1000 갤론(gallon)의 폐수를 처리한다.
대략 하루에 1인당 1.0 입방 피트(ft3)의 소화가스가 혐기성 소화장치에 의해 생산된다.
혐기성 소화장치에 의해 생산된 바이오 가스의 발열량은 대략 입방 피트당 600 브리티시 열단위(Btu/ft3)이다.
본 실시예에서 다음의 결과가 얻어진다:
T.S. 제거율이 증가한다.
T.V.S. 제거율이 증가한다.
슬러지 부피가 감소한다.
바이오 가스의 실제적인 생산이 증가한다.
표 III의 조성물은 활성효소가 부족하기 때문에 이러한 결과는 놀랍다.
상기 실시예 1내지 3에 기재된 방법들은 표 IV의 조성물을 이용하여 반복 실시할 수 있고, 유사한 결과가 얻어진다.
본 발명은 예시된 실시형태에 의해 그 범위가 제한되는 것은 아니고, 이 실시형태는 단지 발명의 특정의 측면을 설명하는 것을 목적으로 한다. 여기에 개시된 것 이외에, 본 발명의 다양한 변형은 청구범위를 포함한 원래 출원된 명세서를 주의 깊게 판독함으로써, 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 본 명세서에서 구체적으로 설명되지 않지만, 본 발명의 방법에 의해 생성된 바이오 가스는 연료 전지 응용에 이용될 수 있다.
더욱이, 사카로마이세스 세레비시아 배양액으로부터의 발효 상등액 제품과 비이온성 계면활성제의 배합을 포함하는 상기 결과물은 본 발명자들의 하나에 의해 전에 개시된 어느 방법에도 사용될 수 있다. 미국 특허 5,820,758(수역의 탈취), 5,849,566(탄화수소 분해); 5,879,928(도시 및 산업 폐수 처리) 및 5,885,950(그리스 트랩 세정.) 참고할 것.
동북지역 바이오매스 프로그램은, XENERGY 주식회사와 함께, 고정식 연료 전지 기술을 이용한 바이오 연료의 이용 가능성을 조사하는 광범위한 연구를 완료했다. 그 연구 결과는 바이오매스 기반 연료 전지 시스템이 기술적인 관점에서 청정하고 재생 가능한 전기 공급원을 장기적으로 제공할 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 연료전지는 여러 매립지와 폐수 처리 공장(이외에, 양조장 및 농장) 등의 전 세계 서비스 지역에서 이 응용프로그램이 성공적이고, 이들이 생산한 메탄 가스로부터 전력을 발생시키고, 그 과정에서 유해한 배기가스를 줄일 수 있다는 것을 증명하였다.
연료 전지는 미국 전역과 아시아의 매립지와 폐수 처리 시설에서 운영되고 있다. 예를 들어, 코네티컷 주의 그로톤 매립지는 140 kW의 연속 순 연료 전지 출력과 함께 연간 600,000 kWh의 전기를 생산해 왔고, 뉴욕 주의 용커스 폐수처리공장의 UTC 파워(이전, IFC/ONSI) 연료전지 시스템은 단지 72 파운드의 배기가스를 환경으로 방출하면서 연간 1,600,000 kWh의 전기를 생산하고 있다. 포틀란드 및 오레곤 주에서는, 연료전지가 폐수시설로부터의 혐기성 소화 가스를 이용하여 전력을 생산하고 있으며, 이 때, 연간 15000,000 kWh의 전기를 생산하여, 실질적으로 처리공장의 전기요금을 줄이고 있다.
연료전지에너지 주식회사(FCE)는 전 세계의 폐수 처리 계획에 따라 직접연료전지 발전소®(DFC)를 설치하고 있다.
FCE와 UTC 모두 양조과정에서의 유출물로부터 생산된 메탄과 같은 소화가스를 이용하는 여러 양조장(시에라 네바다, 키린, 아사히 및 삿포로)에 연료전지를 설치하여 연료전지에 파워를 공급했다.
본 발명의 방법은 폐기물로부터 전력을 생성하도록 상기 임의의 상용공정에 사용될 수 있는 바이오 가스를 생성하는데 사용될 수 있다.
이러한 모든 변형은 첨부 된 청구 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 활성 효소를 함유하지 않는 효모 배양액으로부터 얻어진 발효 상등액의 5 중량% 내지 35 중량%; 및
    하나 이상의 비이온성 계면활성제의 1.0 중량% 내지 15 중량%를 포함하는 생체촉매 조성물로서,
    상기 생체촉매 조성물은 활성 효소가 결여되어 있고,
    3.5 내지 4.0의 pH를 가지는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 비이온성 계면활성제가 폴리하이드록실 비이온성 계면활성제 및/또는 바이오계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 촉매 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폴리하이드록실 비이온성 계면활성제가 수크로스 에스테르, 에톡시화 수크로스 에스테르, 소르비탈 에스테르, 에톡시화 소르비탈 에스테르, 알킬 글루코시드, 에톡시화 알킬 글루코시드, 폴리글리세롤 에스테르, 또는 에톡시화 폴리글리세롤 에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 비이온성 계면활성제가 아민 옥사이드, 에톡시화 지방족 알콜, 에톡시화 알킬 페놀, 알킬 아민, 에톡시화 알킬 아민, 알킬 폴리 사카라이드, 에톡시화 알킬 폴리 사카라이드, 에톡시화 지방산, 에톡시화 지방 알코올, 또는 에톡시화 지방 아민, 또는 H(OCH2CH2)xOC6H4R, H(OCH2CH2)xOR1 또는 H(OCH2CH2)xOC(O)R1의 화학식을 갖는 비이온성 계면활성제를 더 포함하고, X는 알킬 페놀 및/또는 지방 알코올 또는 지방산에 첨가된 산화 에틸렌의 몰수를 나타내고, R은 장쇄 알킬기를 나타내고, 그리고 R1은 장쇄 지방족기를 나타내는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 장쇄 알킬기가 C7-C10의 노말-알킬기이거나 그리고/또는 상기 장쇄 지방족기가 C12-C20의 지방족기인 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  6. 제4항에 있어서, 상기 에톡시화 지방족 알코올이 에톡시화 세토-올레일 알코올, 에톡시화 세토-스테아릴 알코올, 에톡시화 데실 알코올, 에톡시화 도데실 알코올, 에톡시화 트리데실 알코올, 또는 에톡시화 피마자유를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  7. 제4항에 있어서, 상기 에톡시화 알킬 페놀이 에톡시화 노닐 페놀 또는 에톡시화 옥틸 페놀을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 방부제 및/또는 살생물제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  9. 활성 효소를 함유하지 않는 효모 발효 상등액 건조 분말의 0.5 중량% 내지 1.5 중량%; 및
    에톡시화 도데실 알코올 또는 트리데실 에톡시화 알코올을 포함하는 하나 이상의 비이온성 계면활성제의 5 중량% 내지 10 중량%를 포함하는 생체촉매 조성물로서,
    상기 생체촉매 조성물은 활성 효소 둘 다가 결여되어 있고,
    3.5 내지 4.0의 pH를 가지는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 비이온성 계면활성제가 폴리하이드록실 비이온성 계면활성제 및/또는 바이오계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 촉매 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 폴리하이드록실 비이온성 계면활성제가 수크로스 에스테르, 에톡시화 수크로스 에스테르, 소르비탈 에스테르, 에톡시화 소르비탈 에스테르, 알킬 글루코시드, 에톡시화 알킬 글루코시드, 폴리글리세롤 에스테르, 또는 에톡시화 폴리글리세롤 에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 아민 옥사이드, 에톡시화 지방족 알콜, 에톡시화 알킬 페놀, 알킬 아민, 에톡시화 알킬 아민, 알킬 폴리 사카라이드, 에톡시화 알킬 폴리 사카라이드, 에톡시화 지방산, 에톡시화 지방 알코올, 또는 에톡시화 지방 아민, 또는 H(OCH2CH2)xOC6H4R, H(OCH2CH2)xOR1 또는 H(OCH2CH2)xOC(O)R1의 화학식을 갖는 비이온성 계면활성제를 포함하는 하나 이상의 비이온성 계면활성제를 더 포함하고, X는 알킬 페놀 및/또는 지방 알코올 또는 지방산에 첨가된 산화 에틸렌의 몰수를 나타내고, R은 장쇄 알킬기를 나타내고, 그리고 R1은 장쇄 지방족기를 나타내는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 장쇄 알킬기가 C7-C10의 노말-알킬기이거나 그리고/또는 상기 장쇄 지방족기가 C12-C20의 지방족기인 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  14. 제12항에 있어서, 상기 에톡시화 지방족 알코올이 에톡시화 세토-올레일 알코올, 에톡시화 세토-스테아릴 알코올, 에톡시화 데실 알코올, 에톡시화 도데실 알코올, 에톡시화 트리데실 알코올, 또는 에톡시화 피마자유를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  15. 제12항에 있어서, 상기 에톡시화 알킬 페놀이 에톡시화 노닐 페놀 또는 에톡시화 옥틸 페놀을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  16. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 방부제 및/또는 살생물제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체촉매 조성물.
  17. 반응막 장벽에서의 산소 또는 기타 가스의 전달을 향상시키는 반응막 장벽을 가진 복수의 미소기포를 형성하는 방식으로 유기물질에 제1항에 정의된 생체촉매 조성물을 첨가하는 단계를 포함하고,
    상기 미소기포가 현장에서 가속화되는 생화학 반응의 광범위한 스펙트럼 촉진자의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 생물학적으로 유기물질을 처리하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 산소의 전달의 향상이 유기 물질에 존재하는 에스테르 결합의 파괴에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 복수의 비이온성 계면활성제 미소기포가 용존 산소 및/또는 기타 가스 저류량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 용존 산소 및/또는 기타 가스 저류량의 증가가 미생물의 호흡 및 생식에 필요한 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 유기물질의 처리가 물의 정화; 폐수 및 고형 유기 폐기물의 처리; 악취의 중화; 휘발성 유기 화합물과 유해 가스 생산의 저감; 혐기성 소화의 최적화; 유기 오염물질과 석유 탄화수소의 개선율의 촉진; 유기물질의 생물학적 소비율의 촉진; 물에서의 가스 가용화의 향상; 생체막 성장의 저하 또는 억제; 전분축적의 감소; 혐기성 점액 성장의 억제; 지방, 오일, 및 그리스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 파괴; 토양 내에서의 유기성분의 용해도의 증가; 식물 뿌리에 의한 미세 영양소의 흡수 가능성의 향상; 토양으로의 물의 투과성의 증가; 또는 토양 내의 호기성 조건의 촉진을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
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