KR20010034800A - 생물-촉매 산화 반응기 - Google Patents

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달톤 패트릭 엘.
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Abstract

유기 물질의 산화를 위한 생물-반응기. 반응기는 유기물질이 실질적으로 채워지도록 조절된 닫힌, 회전가능한 원통형 용기(11)로 만들어지고, 생물-여과기 (57)에 의해 용기로부터 습기 및 기체가 소모되는 동안 유기 물질의 각 단편을 산화시키기 위한 기관(46)을 함유한다. 산화 과정 동안, 용기는 분해 과정의 중단을 피하고, 유기 물질의 환원을 증강시키기 위해 제어된 속도로 간헐적으로 회전된다. 기관(61)은 영양이 풍부하고, 병원균이 없는 퇴비를 제공하기 위한 최적의 속도로 물질의 산화를 완료하기 위한 적절한 환경을 확보하기 위해 용기 내의 온도를 모니터하고 제어하기 위해 제공된다.

Description

생물-촉매 산화 반응기{BIO-CATALYTIC OXIDATION REACTOR}
유기 물질의 분해 또는 부패는 박테리아 또는 진균에 의해 수행되는 자연적인 과정이다. 부패 또는 산화-환원 과정은 충분한 산소 공급원에 더하여 탄소, 질소 및 비타민 형태의 식품 공급원을 필요로한다. 따라서, 산화 생물-반응기는 호흡, 즉, 산소가 들어가야하고 이산화탄소가 생물-반응기로부터 소모되어야한다. 만약 호기성 박테리아를 유지하기 위한 산소가 충분하지 않다면, 그들은 혐기성, 비-산소 소모 박테리아에 의해 대체될것이며, 분해 과정은 느려지고 불완전하게 될것이다. 즉, 더 진행되어야 하는 슬러지의 잔여물이 남아있을 것이다.
호기성 부패 과정에서, 유기 물질의 박테리아 분해는 상이한 온도에서 활성화되는 박테리아 스트레인에 의해 연속적으로 수행된다. 뱃치 작업에서, 부패 과정은 약 45-55℉에서 최상을 기능을 가지는 저온성균으로서 알려진 저온 박테리아에 의해 개시된다. 그들은 유기 물질을 공격하고 탄소 화합물을 태우거나 산화시킴으로서, 부산물로 열을 생성한다. 박테리아 활성 또는 높은 공기 온도로부터의 온도의 상승은 70-90℉에서 가장 활성인 중온성균으로 명명된 중온 박테리아 스트레인을 활성화할것이다. 중온성균은 그들이 주위 온도를 반응기 내의 환경이 그들과 더이상 양립될수 없는 점까지 상승시키는 그러한 강도로 공급된다. 이것은 고온성균으로 명명된 고온 박테리아가 활성화되는 약 104℉에서 일어난다. 다음에 고온성균은 그들의 일을 완료하는 대략 158℉에서 안정해질때까지 주위 온도를 상승시킨다. 다음에 부패 물질은 정상 공기 온도에 가깝게 돌아올것이고, 중온성균은 박테리아 분해가 거의 완료될때까지 다시 활성화된다. 박테리아 분해가 일어나는 동안, 매우 다양한 다른 미생물이 부패 물질에서 일한다. 예를 들어, 저온성, 중온성 및 고온성 진균이 과정의 모든 온도상 동안 셀룰로스 및 리그닌의 파괴를 돕는다. 부 박테리아 및 부 진균인 방선균은 박테리아 후에, 질긴 셀룰로스, 녹말, 단백질 및 리그닌을 소비함으로서 없앤다. 여기에 더하여, 박테리아에 의해 생성되는 효소는 모 박테리아가 죽고난 후에 가장질긴 퇴비 성분을 감소시키는 활성을 오래 유지한다.
전형적인 정원 퇴비를 만드는 일에서, 식물 및 식품 쓰레기는 정원용 갈퀴로 물질을 손으로 회전시킴에 의해 주기적으로 공기가 포함되는 더미로서 퇴적되어있다. 이 과정은 완료하는데 6 달 이상이 소요되므로 힘들고, 느리고 성가시며, 부패한 물질은 악취를 생성하고 파리 및 다른 해충을 끌어들인다. 상업적인 뱃치 퇴비기는 회전용 롤러가 장착된 원통 탱크 내에서의 부패화 과정을 함유하거나 넣기위해 제안되었다. 탱크는 전형적으로 그것의 부피의 대략 이분의 일이 유기물질로 채워진다. 그러한 퇴비기에서, 부패 물질, 및 관련된 악취는 물질이 해충으로부터 보호되고 다음에 탱크 자체의 주기적인 회전에 의해 공기가 포함되고 섞이는 탱크 내로 제한된다. 그러한 장치는 악취 및 해충의 문제를 제거하는 동안 필요한 육체적 노동을 한정하고, 두주 및 사주 사이로 물질의 뱃치를 퇴비화하는데 필요한 시간을 감소시키기 때문에, 잘 알려진 퇴비 더미 이상의 개선을 가진다.
(발명의 개요)
본 발명은 새로운 개선된 생물-촉매 산화 반응기 및 유기 물질의 산화-환원을 최적화하는 방법 또는 과정의 제공에 의해 이전의 알려진 퇴비기 및 퇴비화 기술의 단점을 피한다.
상기 목적은 생물-반응기 및 뱃치 또는 연속-흐름 방식 모두에서 거의 이상 조건 하에서 최소 시간 및 최적 효율을 가지는 산화 또는 유기 물질을 위한 작동 방법의 제공에 의해 본 발명에서 실현된다.
본 생물-반응기는 그것의 부피의 대략 90-95%가 유기 물질로 채워지도록 조절된 닫힌 원통 용기, 및 생물-여과에 의해 용기로부터 공기로, 습기 및 이산화탄소와 같은 기체를 소모하는 동안 유기 물질의 각각의 단편을 산화시키기 위한 방법을 포함한다. 산화 과정 동안, 용기는 분해 과정의 중단을 피함과 동시에 유기 물질의 환원을 증강하기 위해 제어된 속도로 간헐적으로 회전된다. 방법은 최적의 속도로 물질의 산화를 완료하기 위한 적절한 환경을 확보하고, 영양이 풍부한, 병원균이 없는 퇴비를 제공하기 위해 용기 내의 온도를 모니터하고 제어하기 위해 제공된다.
본 발명을 수행하는데 현재 숙고되는 최선의 방식이 첨부된 도면에 설명된 바람직한 구체예의 상세한 설명으로부터 이해될것이다.
본 발명은 유기 폐기물의 처리를 위한 생물-촉매 산화 반응기에 관한 것으로서, 더 특별하게는 산화 환원 과정, 또는 유기 폐기물 또는 부산물의 퇴비화를 최적화하기 위한 생물-촉매에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따르는 생물-반응기의 단면도이다.
도 2는 반응기의 배출 말단의 확대된 부분 단면도이다.
도 3은 반응기의 로딩 말단의 확대된 부분 단면도이다.
도 4는 도 2의 선 4-4에 따라 얻어진 입면도이다.
더 특별하게는 도면의 도 1에 설명된 바와 같이 본 발명에 관하여, 본 생물-반응기는 패드(pad) 또는 데크(deck)(14)에 견고하게 장착된 두쌍 이상의 롤러(12, 13)로 지지되는 원통형 스틸 용기 또는 탱크(11)를 포함한다. 모터(20)는 길이방향축에 대한 선택적인 회전을 위해 용기에 작동가능하게 연결된다. 용기의 반대의 말단은 중심에 위치한 실질적인 크기의 원형 개구(17, 18)와 함께 제공되는 환상 말단부(15, 16)에 의해 닫혀진다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 길이방향축 베인(vane)(19)이 용기의 길이만큼 연장되어 용기(11)의 내부 표면에 고정된다. 도 1 및 도 3의 로딩 슈트(chute)(21)는 수직 포스트(post)(22)에 의하여 말단부(15)에 아주 인접하게 패드 또는 데크(14)에 장착된다. 로딩 슈트(21)는 그것들의 상부 가장자리의 폐기물-수용(receiving) 개구를 구획하는 측면 및 말단 패널(23, 24)과 함께 제공된다. 측면 패널(23, 24)은 아래로 향하여 모이고, 그것들의 아래 가장자리는 슈트의 바닥을 형성하는 반-원통형 셸(shell)(27)에 연결된다. 말단 패널(25, 26)은 수직으로 연장되고, 외부 말단 패널(26)은 셸(27)의 닫힌 외부 말단에 연결된다. 셸의 내부 말단은 내부 말단 패널(25)의 아래 가장자리에 고정된 원통형 칼라(collar)(28)와 함께 형성된다. 원통형 칼라(28)는 개구(17) 내에 수용되는 정도의 크기이다. 유연하고 내마모성인 러빙 실(rubbing seal)(64)이 개구(17)를 둘러싸면서 말단부(15)에 고정되고, 칼라(28)의 외부 표면에 대하여 지탱된다. 물질 공급 어셈블리(29)가 칼라(28)를 통하여 외부 말단 패널(26)에 아주 근접하여서 말단부(15)의 내부 표면에 장착된다. 공급 어셈블리(29)는 거의 말단 패널(26)의 내부 표면까지 연장된 헤더(header)(46)에 끼워진 중공(hollow) 원통형 허브(hub)(31)에 장착된 나선형 날개(blade)(30)를 포함한다. 두개 이상의 방사형 지지 막대(32, 33)가 개구(17)의 직경에서 말단부(15)의 내부 표면에 고정되고, 그것의 내부 말단은 허브(31)의 내부 가장자리에 접합된다.
용기(11)의 반대의 말단에서, 수직으로 연장된 배출 슈트(34)는 말단부(16)에 인접하게 패드 또는 데크(14)에 장착된 포스트(35)에 부착된다. 배출 슈트는 말단부(16)의 개구(18) 내에 수용되는 수평으로 연장된 원통 칼라(36)와 함께 제공된다. 칼라(36)의 외부 표면은 개구(18)을 둘러싸면서 말단부(16)에 고정된 유연한 내마모성 러빙 실(63)에 대해서 지탱된다. 칼라(36)의 아래 부분은 용기(11)의 내부로 돌출된 반-원통형 셸(37)을 형성한다. 원형 판(38)은 셸(37)의 열린 말단에 인접한 헤더(46)에 고정된다. 공급 어셈블리(39)는 헤더(46)에 끼워진 중공 원통형 허브(41)를 둘러싸는 나선 날개(40), 및 셸(37)을 미끄럼 가능하게 지지하는 반-원통형 문 또는 실드(shield)(42)를 포함한다. 한 쌍의 L-모양 받침대는 허브(31)의 내부 가장자리에 접합된 반대의 선단을 가지는 판(37)에 아주 가깝게 용기(11)의 축 및 방사상으로 연장되어 말단부(16)의 내부 표면의 한 말단에 각각 고정된다. 작동 핸들(45)은 문(42)에 부착된 내부 말단부를 가지는 배출 슈트의 외부벽을 통하여 있다.
용기(11) 및 슈트(21 및 34)는 바람직하게는 발포 플라스틱 코팅 및 주위 온도 조건으로부터 반응기의 내부를 절연하고 용기의 내부로부터 또는 내부에서의 열의 전달을 막기 위한 탄성 비닐 수지의 외부 층으로 덮여진다. 반응기의 내부 표면은 금속의 마모 및 감성을 막기위해 적합한 에폭시 수지로 스프레이될수 있다.
관형 헤더(46)는 용기(11)의 회전축을 따라 연장되고 말단부(15 및 16)의 위로 돌출된다. 헤더(46)의 한 선단은 배출 슈트(34)의 외부에 부착된 하우징(47) 내에 고정되고 반대의 선단은 로딩 슈트(21)의 말단 패널(26)의 외부에 부착된 하우징(48) 내에 미끄러지듯 수용된다. 여러가지 길이의 복수의 관(tube)(49)은 그것의 말단부에 노즐(51)을 가지며, 헤더(46)의 길이에 따라 간격을 두고 방사상으로 연장된다. 유사하게, 습도 센서(52) 및 하나 이상의 온도 프로브(53)가 헤더에 의해 이동되고 하우징(47)의 도관(59)을 통해 꺼내지는 전기 리드(lead)(나타내지 않은)와 함께 헤더에 장착된다. 하우징(47)에 헤더를 고정시키거나, 또는 직사각형 횡단면을 가지는 헤더 및 하우징을 형성함에 의한 것처럼, 헤더(46)는 회전에 저항하기 위해 장착된다. 헤더(46)는 바람직하게는 정사각형 금속 튜빙(tubing)으로 형성되고 대각선이 수직 및 수평인 위치에 있게된다. 관(49)은 리더의 아래, 평평한 표면 및 다른 아래의 표면에 있는 센서(52, 53)에 위치된다. 산소 공급원(58)은 호스 연결(54)을 통해 하우징(47) 및 헤더(46)에 연결된다. 용기로부터 기체를 소모하기 위한 시스템은 유기 물질의 상기 수준의 점에서 헤더(46)에서 하우징(47)을 통하여 있고 헤더로부터 수직으로 돌출된 파이프(55)를 포함한다. 배기팬(56) 및 생물-여과기(57)는 하우징(47)의 외부에서 파이프(55)에 부착된다. Programmable Logic Controller 61이 도관(59)으로부터 리드에 그리고 산소 공급원(58) 및 모터(20)에 연결된다. 풍향기(19)는 용기(11)의 축에 평행으로, 또는 배출 슈트를 향하는 유기 물질의 약간의 이동을 전하기 위해 약간 비스듬할수 있다. 배출 슈트에 가까운 각 풍향기의 말단부는 패들(62)을 형성하기 위해 확대된다.
본 발명의 생물-반응기는 뱃치 작업에 사용가능하고, 특별하게는 새로운 유기 물질이 혼합물에 계속해서 첨가되는 연속 흐름 방식에 사용하기에도 적합하다. 그러한 작업의 경우에, 반응기 내의 온도는 그것의 구간에 따라 변한다. 공급 말단에서, 반응기는 거의 최상의 중온성균 범위에서 작동되어야한다; 중심에서, 그것은 고온성균 범위에서 작동될것이다; 그리고 배출 말단에서는 다시 거의 중온성균 범위이다.
본 생물-반응기의 작동에서, 15-30:1의 C/N 비율, 대략 65%의 습기 함량 및 6.5-7.5의 pH를 가지는 동물 폐기물, 야채 폐기물, 탄소질 및 질소질 물질, 미네랄 등과 같은 유기 물질의 적합한 혼합물은 용기의 대략 90-95%가 채워질때까지 로딩 슈트(21)의 개구으로, 바람직하게는 컨베이어에 의해 로딩된다. 적합한 박테리아 배양물은 시작될때 혼합물에 첨가된다. 유기 혼합물 내의 박테리아 활성은 반응기 내의 모든 점에서 거의 최대의 부패 속도를 생성하기 위해 강화된다. 이것은 용기의 길이 전체에서 간격을 두고, 호스 연결(54), 헤더(46), 튜브(49) 및 노즐(51)을 통한 산소의 주입에 의해 달성되며, 따라서 그것은 유기 혼합물의 전체에 스며든다. 용기의 도입부에서 온도는 새로운 물질의 첨가에 의해 실질적으로 냉각되고, 반면 배출 말단부에서는, 고온성균 활성이 이 부분에서 소모되므로, 온도가 다소 감소하게 된다. 용기의 길이방향축 중심에서의 온도는 내부로 주입되는 산소의 양의 제어를 통해 용기 내의 공기의 산소 함량을 조절함으로서 및/또는 내부로부터 소모되는 기체 및 습기의 양을 조절함으로서 제어된다. 산화 속도를 감소시킬수 있는 용기 내의 기체의 농도는 생물-여과기(57) 및 파이프(55)를 통해 작용하는 배기팬(56)에 의해 제어될수 있다. 생물을 죽이는 기체의 소모는 로딩 슈트를 통해서 신선한 공기를 받는 용기 내에 부분적인 진공을 만든다. 용기 중심에서의 작동 온도는 온도 프로브(53)으로 모니터되고 노즐(51) 및 배기팬(56)의 작동을 통해 주입되는 산소를 주의깊게 측정함에 의해 대략 160℉로 유지된다. 프로브(53)로부터의 기록은 공급원(58)으로부터 산소의 방출 및 배기팬(56)의 작동을 제어하는 동안 신호를 생성하기 위해 미리결정된 프로그램에 따라 진행되는 제어장치(61)에 연속적으로 전달된다. 용기 중심에서의 산화 과정은 공급되는 산소의 속도에 민감하다. 즉, 과정을 너무 부족하게 하려는 경향이 있으며, 반면 그것을 너무 냉각하려는 경향이 있다. 두 경우에 있어서, 부패 속도는 감소될것이고 퇴비화 과정은 상응하여 느려질것이다. 물질의 습기 함량은 습기 센서(52)로 모니터될수있고 용기로부터 기체를 소모하거나 첨가되는 물질에 건조 물질을 첨가함에 의해 조절된다. 용기는 용기가 채워지는 동안 미리결정된 프로그램에 따라서 느리게 간헐적으로 회전되고, 이후에는 방선균 활성의 불필요한 중단을 피하고 혼합물을 섞기 위해 회전된다. 혼합물에서 방선균의 성장 및 분산을 허가하기 위해, 각 6분의 정상 작동 동안, 용기는 회전당 4분의 속도로 90도씩 회전될수 있고, 다음에 5분 동안 휴식할수 있다. 이 계획이 전형적이지만, 다른 계획이 동일하게 효과적일수 있다. 날개(30)는 공급 어셈블리(33)가 용기와 함께 회전됨에 따라, 용기의 칼라(31)를 통해 셸(27)로부터 물질을 움직이는 스크류 또는 나사를 형성한다. 공급 어셈블리(33)에 의해 첨가되는 새로운 물질로부터의 압력에 따른 베인(19)의 회전 운동은 용기 내의 물질이 말단부(16)를 향해 느리게 움직이는 원인이 된다. 보통 대략 48-72 시간 내에 환원 과정이 완료되는 경우, 다음에 산화된 물질은 칼라(36) 및 배출 슈트(34)를 통하여 날개(40)에 의해 이동되어 셸(37)에 적하된다. 부패 과정 동안, 주로 이산화탄소인 기체는 여과기 매질의 호기성 박테리아에 의해 어떤 불쾌한 악취를 효과적으로 제거하는 생물-여과기(57)를 통해 없어진다. 방선균 생성물의 항생 물질 용액과 함께, 물질에 있는 산소와 대략 160℉ 온도의 조합은 혼합 물질에 있는 모든 병원균을 죽일것이고, 병원균이 없는 퇴비를 가져올 것이다.
본 발명은 명확하게 설명된 바람직한 구체예와 관련하여 더 설명되며, 특별히 지적하고 본원 아래에 청구된 개시의 발명의 주제로부터 벗어나지 않는 변화가 실현되어야 한다.

Claims (15)

  1. 적소에 고정되어 있는, 서로 간격을 두어 정렬된 로딩 슈트 및 배출 슈트; 중심에 위치한 원형 개구를 가지며 각 슈트에 인접한 환상 종판을 가지는, 상기 슈트들 사이에 위치하고 롤러 쌍들의 길이방향축에 대한 회전을 위해 지지된 긴 원통형 용기; 이때 각 슈트는 인접한 종판의 개구 내에 넣어진 원통형 칼라를 가지며; 각 원통형 칼라와 인접한 종판 사이에 설치된 러빙 실; 관련된 슈트의 칼라를 통하여 돌출되며 인접한 종판에 그리고 그것과 함께 회전하도록 장착된 이동가능한 요소를 포함하는, 상기 용기의 각 말단에 설치된 공급 어셈블리; 그리고 용기의 길이방향축을 따라 위치하고 두 슈트상에 지지된 긴 관형 헤더를 포함하는 유기 폐기물의 연속 흐름 산화 환원을 위한 생물-촉매 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 각 공급 어셈블리가, 인접한 종판의 내부에 장착되어 있고 상기 헤더에 끼워진 중공 허브에 장착된 나선형 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 헤더로부터 돌출되어 연결된 일련의 관들; 상기 용기에 산소를 주입하기 위해 상기 헤더 및 관에 연결된 산소 공급기; 및 상기 헤더에 장착된 최소한 하나의 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 온도 센서에 연결되고, 미리결정된 프로그램에 따라서 상기 용기 내의 온도에 반응하여 산소의 주입을 제어하기 위해 상기 산소 공급기에 작동가능하게 연결된 프로그램가능한 논리 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 헤더 내에서 축방향으로 연장되고 상기 헤더로부터 수직방향으로 돌출된 파이프; 그리고 상기 용기로부터 기체를 제거하기 위해 상기 파이프에 연결된 배기팬 및 생물-여과기를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어장치가 미리결정된 프로그램에 따라서 상기 용기 내의 기체의 수집을 제어하기 위해 상기 배기팬에 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  7. 제 2 항에 있어서, 배출 슈트의 칼라가 공급 어셈블리의 아래의 용기의 내부로 돌출된 반-원통형 셸; 그리고 셸에 인접한 헤더에 고정된 원형 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 공급 어셈블리의 셸상을 미끄럼가능하게 지지하는 반-원통형 실드; 그리고 상기 실드에 부착되고 배출 슈트의 외부로 연장되는 작동 핸들을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 용기를 회전시키기 위해 작동가능하게 연결된 모터를 포함하며, 이 모터에 상기 제어장치가 작동가능하게 연결되어 있는는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  10. 제 8 항에 있어서, 실드가 작동 핸들에 의해 열렸을때, 공급 어셈블리에 물질을 떨어뜨리기 위해 상기 셸에 근접하여서 용기의 내부에 장착된 방사상으로 연장되는 복수의 패들을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  11. 적소에 고정되어 있는, 서로 간격을 두어 정렬된 로딩 슈트 및 배출 슈트; 상기 슈트들 사이에 위치하고 롤러 쌍들의 길이방향축에 대한 회전을 위해 지지된 긴 원통형 용기; 이때 상기 용기는 각 슈트에 인접한 그것의 각 말단에 부착된 환상판을 포함하며, 이러한 각 판은 중심에 위치한 원형 개구를 가지고; 상기 배출 슈트는 인접한 판의 개구 내에 수용된 원통형 칼라를 가지며; 상기 칼라를 통하여 용기로 돌출되고 인접한 판의 내부에 장착된 이동가능한 요소를 포함하는, 배출 슈트에 인접하여 위치한 공급 어셈블리; 그리고 용기의 길이방향축을 따라 위치하고 두 슈트상에 지지된 긴 관형 헤더를 포함하는 유기 폐기물의 연속 흐름 산화를 위한 생물-촉매 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서, 공급 어셈블리가 상기 헤더에 끼워진 중공 원통형 허브에 장착된 나선형 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  13. 제 12 항에 있어서, 배출 슈트의 칼라가 공급 어셈블리 아래의 용기의 내부로 돌출된 반-원통형 셸; 그리고 상기 셸에 인접한 헤더에 고정된 원형 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서, 용기가 회전함에 따라, 공급 어셈블리에 물질을 적하하기 위해 상기 셸에 근접하여서 용기의 내부에 장착된 방사상으로 연장되는 복수의 패들을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 공급 어셈블리 위의 셸상에 미끄럼 가능하게 지지된 반-원통형 실드; 그리고 상기 실드에 부착되고 배출 슈트의 외부로 연장되는 작동 핸들을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물-촉매 반응기.
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