KR20110139709A - 무부패성 슬러지 및 에너지 제조방법, 및 슬러지-처리 플랜트 - Google Patents

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KR20110139709A
KR20110139709A KR20117022846A KR20117022846A KR20110139709A KR 20110139709 A KR20110139709 A KR 20110139709A KR 20117022846 A KR20117022846 A KR 20117022846A KR 20117022846 A KR20117022846 A KR 20117022846A KR 20110139709 A KR20110139709 A KR 20110139709A
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델핀 나와위-랑사드
스테판 델레리스
미셸 코위토
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베올리아 워터 솔루션즈 앤드 테크놀러지스 써포트
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Abstract

본 발명은 무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법에 관한 것이고,
(i) 1차 슬러지 소화에 의해 소화 슬러지를 제조하는 단계;
(ii) 단계 (i)에서 제조된 소화 슬러지의 제 1 고-액 분리에 의해 적어도 부분적으로 탈수된 제1 수성 유출물 및 소화 슬러지를 제조하는 단계;
(iii) 단계 (ii)에서 제조된 적어도 부분적으로 탈수되고 소화된 슬러지의 열가수분해에 의해 적어도 부분적으로 탈수되고 가수분해된 소화 슬러지를 제조하는 단계; 및
(iv) 단계 (iii)에서 제조된 적어도 부분적으로 탈수되고 가수분해된 슬러지를 소화하는 단계를 포함하며,
상기 방법은,
상기 소화 및 상기 1차 소화 동안에 형성된 바이오가스를 회수하는 단계; 및
상기 바이오가스로부터 에너지를 생성하는 단계로서, 상기 열가수분해를 수행하는데 필요한 에너지를 생성하는 보조 단계와, 과잉 에너지를 생성하는 보조 단계를 더 포함하며,
상기 바이오가스의 전체는 전기를 생성하는데 사용된다.

Description

무부패성 슬러지 및 에너지 제조방법, 및 슬러지-처리 플랜트{METHOD FOR PRODUCING NON-PUTRESCIBLE SLUDGE AND ENERGY AND CORRESPONDING PLANT}
1. 발명의 분야
본 발명의 분야는, 특히 수처리(water treatment) 동안 생성된 유기 폐기물(organic waste)의 처리에 대한 것이다.
더 구체적으로, 본 발명은, 특히 에너지, 예를 들어, 전기를 생성하기 위하여, 도시 용수 또는 산업 용수의 처리로부터 슬러지를 처리하는 방법에 관한 것이다.
2. 종래 기술
도시 폐수 또는 산업 폐수는 용해성 및 입자성 유기 오염물을 특정한 부분으로 함유한다.
오염물의 입자 부분은 간단한 디캔테이션(decantation)에 의해 부분적으로 제거될 수 있다. 물의 디캔테이션은 유기 폐기물을 구성하는 입자와 물의 혼합물로 이루어진 "1차 슬러지(primary sludge)"로 알려진 슬러지의 형성을 수반한다.
오염물의 용해성 유기 부분(soluble organic portion)의 적어도 대부분은 생물학적 처리 공정을 적용하여 처리될 수 있다.
물의 생물학적 처리는 미생물 자체의 성장을 확신하기 위해, 이러한 물에 용해된 유기 오염물을 소비하는 미생물과 접촉하여 물이 처리되게 하는 것으로 구성된다.
물의 생물학적 처리는 유기 폐기물을 구성하는 "생물학적 슬러지(biological sludge)" 또는 "2차 슬러지(secondary sludge)"로 알려진 슬러지의 형성을 동반한다.
1차 슬러지와 2차 슬러지의 혼합물은 "혼합 슬러지(mixed sluge)"를 구성한다. 이러한 혼합 슬러지를 분쇄하여 부패하지 않고 불쾌하지 않도록 처리하기 위하여, 다양한 기술이 제안되었다.
유기 폐기물의 소화(digestion) 또는 메탄화(methanation)는 유기 폐기물을 혐기성 발효에 의해 분쇄하는 자연적인 공정이다.
소화는 이하의 조합된 생성을 수행하는데 특히 효율적이다.
- 에너지로 변환가능한 가스(바이오가스)
- 예를 들어, 비료제로서 사용될 수 있는 다이제스테이트(다이제스테이트(digestate)는 유기 화합물의 소화 잔여물이다.)
- 상대적으로 제한된 양의 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물
그러나, 이렇게 얻어진 다이제스테이트는 생분해가 용이하지 않은 부분(unreadily biodegradable fraction), 즉 생물학적으로 분해하기 어려운 부분을 함유한다.
이러한 결점을 극복하기 위하여, 소화의 수행 전에 슬러지의 열가수분해를 수행하는 기술이 발달되었다.
열가수분해는 슬러지의 발효가 용이하지 않은(unreadily fermentable)(즉, 발효가 어려운) 부분을, 적어도 상당히 분해할 수 있기 때문에, 이러한 기술은 특히 유리하다.
3. 종래 기술의 결점
그러나, 열가수분해는 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분을 제거하는데 상당한 향상을 제공하더라도, 그것이 전형적인 소화의 경우보다 (높은 COD 또는 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand)를 가지는) 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물의 더 큰 생성을 수반한다는 것이 트래이드 오프(trade-off)이다. 이것은 효율적인 소화를 보장하기 위해서 소화조(digester)의 입구에서 슬러지의 양에 대한 제한을 나타낸다.
또한, 효율적인 열가수분해를 얻는데 필요한 상태는 고에너지 소비를 수반한다.
에너지 소비는 소화로부터 나오는 바이오가스의 절반이 전형적인 보일러(classic boiler)로 주입되는데 사용되어서 가수분해에 필요한 증기를 생성하는 것이다. 바이오가스의 나머지는 교류 발전기와 연결된 열병합발전 모터에 주입되어 전기를 생성한다. 또한, 그것은 예를 들어, 건물을 직접 가열하는데 사용될 수 있다.
따라서, 이러한 기술은, 그 과정이 발효가 용이하지 않은 부분을 상대적으로 적은 농도로 가지는 다이제스테이트의 생성을 가능하게 하고, 이하를 발생시킨다.
- 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물이 생성되게 함
- 효율적인 소화를 보장하기 위하여 소화조의 오버사이징(oversizing)을 필요로 함
- 바이오가스의 대부분을 가수분해에 필요한 증기를 직접 생성하는데 소비하게 하여, 예를 들어, 전기, 열 등의 형태로, 소량의 과잉 에너지만이 생성되게 할 수 있고, 이것은 슬러지 처리 공정 그 자체를 수행하는 것 이외의 목적에 사용될 수 있다.
4. 발명의 목적
이러한 종래 기술의 결점을 극복하는 것이 특히 본 발명의 목적이다.
더 구체적으로, 본 발명의 목적은, 적어도 일 실시예에서, 저 에너지 소비를 요구하는 이러한 종류의 기술을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명은, 적어도 일 실시예에서, 이러한 종류의 기술을 획득하는 것이며, 이러한 기술의 수행은 가수분해 상태를 획득하는데 필요한 바이오가스의 소비를 제한하게 하고, 그리고 슬러지 처리 공정을 수행하는 것 이외에 목적에 사용될 수 있는 초과 에너지를 생성하는 데 사용될 수 있는 바이오가스의 할당을 증가시킨다.
본 발명의 다른 목적은, 적어도 일 실시예에서, 수처리로부터 나오는 슬러지의 처리 기술을 제공하는 것이고, 이것은 발효가 용이하지 않은 부분이 적어도 상당하게 슬러지로부터 제거될 수 있게 한다.
특히, 본 발명의 목적은, 적어도 본 발명의 일 실시예에서, 이러한 종류의 기술을 수행하여, 종래 기술과 비교해서 감소된 발효가 용이하지 않은 잔여 부분을 함유하는 폐기물을 생성할 수 있게 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 적어도 본 발명의 일 실시예에서, 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물의 생성을 제한하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 적어도 본 발명의 일 실시예에서, 대량의 슬러지 처리를 위해 이러한 종류의 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은. 본 발명의 적어도 일 실시예에서, 합리적이고, 수행하기 간단하고, 비교적 경제적인 이러한 종류의 기술을 제공하는 것이다.
5. 발명의 요약
이하에서 나타나는 것뿐만 아니라, 이러한 목적은, 하기의 단계를 포함하는, 특히 무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법에 의해서 획득될 수 있다.
(i) 1차 슬러지 소화에 의해 소화 슬러지를 얻는 단계;
(ii) 단계 (i)에서 얻어진 소화 슬러지의 제 1 고-액 분리에 의해 적어도 부분적으로 탈수된 제 1 수성 유출물 및 소화 슬러지를 얻는 단계;
(iii) 단계 (ii)에서 얻어진 적어도 부분적으로 탈수되고 소화된 슬러지의 열가수분해에 의해 적어도 부분적으로 탈수되고 가수분해된 소화 슬러지를 얻는 단계; 및
(iv) 단계 (iii)에서 얻어진 적어도 부분적으로 탈수되고 가수분해된 슬러지를 소화하는 단계를 포함하며,
상기 방법은,
- 상기 소화 및 상기 1차 소화 동안에 형성된 바이오가스를 회수하는 단계; 및
- 상기 바이오가스로부터 에너지를 생성하는 단계로서, 상기 열가수분해를 수행하는데 필요한 에너지를 생성하는 보조 단계와, 과잉 에너지를 생성하는 보조 단계를 더 포함하며,
상기 바이오가스의 전체는 전기를 생성하는데 사용된다.
본 발명에서 이해되고 있는 바와 같이, "열가수분해"라는 용어는 명백히 비생물학적인 가수분해 방식을 언급하는 것으로 이해되어야 하는 것은 공지되어 있을 것이다.
따라서, 본 발명은 슬러지의 제 1 소화, (비-생물학적) 열가수분해 및 제 2 소화의 연속적인 수행을 조합하는 본래의 접근에 따른다.
제 1 소화(또는 1차 소화)는 슬러지의 발효가 용이한 부분의 적어도 대부분을 분해하고 발효가 용이하지 않은 다이제스테이트를 생성하는데 사용된다.
분리 단계의 수행은 소화 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 유기 물질을 함유하는 유출물을 방출할 수 있게 한다. 따라서, 가수분해 단계로의 도입시에 저-생분해성 또는 비-생분해성 유기 물질의 양이 감소된다. 또한, 그것은 하류에 배치된 장치의 크기를 감소시키고 열가수분해를 수행하는데 필요한 에너지 소비를 감소시킨다.
단지 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분을 처리하는데만 열가수분해가 수행된다. 그 결과, 본 발명에 따른 열가수분해를 수행하는데 필요한 에너지는 종래 기술에서 열가수분해를 수행하는데 필요한 에너지보다 더 낮다. 실제로, 종래기술에서, 열가수분해는 모든 슬러지, 즉 슬러지의 발효가능한 부분과 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분 모두를 처리해서 수행된다. 이것은 더 큰 에너지의 투입을 요구한다.
열가수분해는 발효가 용이하지 않은 다이제스테이트를 발효가 용이한 가수분해된 다이제스테이트로 분해할 수 있게 한다.
그 다음, 이러한 발효가능한 슬러지는 제 2 소화 동안 소화되고, 이것은 적어도 대부분의 발효가능한 부분에서 다이제스테이트 프리(digestate free)를 생성하게 하지만, 다이제스테이트는 내화(refractory) 또는 경질(hard) 부분으로도 불리는 발효가 매우 용이하지 않은 부분을 함유한다.
또한, 열가수분해는 단지 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분에서만 수행되기 때문에, 이러한 수행은 종래 기술에서보다 더 소량의 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물을 생성하게 한다.
본 발명에 따른 공정은 대량의 바이오가스를 생성하게 한다. 또한, 가수분해는 단지 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분에서만 수행되기 때문에, 가수분해를 수행하는데 필요한 에너지는 상대적으로 적다. 따라서, 본 발명의 기술의 사용은, 첫째로 특히 가수분해를 위한 압력 및 온도 상태를 획득하는데 필요한 에너지를 생성하게 하고, 둘째로 슬러지를 처리하는 공정 그 자체를 수행하는 것 이외의 목적(예를 들어, 공장에 동력을 공급하거나 그외 전력 공급 회사로 재판매되는 전기, 건물 등을 가열하는 열(가열된 유체(액체 또는 기체)))을 위해 사용될 수 있는 상당한 부분의 과잉 에너지를 생성하게 할 수 있다.
하나의 유리한 특징에 따르면, 본 발명에 따른 공정은, 상기 바이오가스의 재변환 단계를 포함하며, 상기 재변환 단계는 열병합발전 시스템에 바이오가스를 공급해서, 상기 가수분해 단계를 수행하는데 필요한 에너지를 생성하고 과잉 에너지를 생성하는 단계를 포함한다.
따라서, 열병합발전 시스템에 바이오가스를 공급하는 단계는, 첫째로 특히 가수분해를 위한 압력 및 온도 상태를 획득하는데 필요한 에너지를 생성하는 것과, 둘째로 슬러지 처리 공정 그 자체를 수행하는 것 이외의 목적(예를 들어, 공장에 동력을 공급하거나 그외 전력 공급 회사로 재판매되는 전기, 건물 등을 가열하는 열(가열된 유체(액체 또는 기체)))을 위해 사용될 수 있는 상당한 부분의 과잉 에너지를 생성하게 할 수 있다.
다른 유리한 특징에 따르면, 상기 재변환 단계는 전기 생성 수단과 결합된 모터에 바이오가스를 공급하는 단계 및 상기 모터에 의해 방출된 열을 회수하여 상기 가수분해 단계를 위한 온도 및 압력 상태를 획득하는 단계를 포함한다.
소화 동안 형성된 바이오가스 전체는 교류 발전기와 같은 전기 생성 수단과 연결되는 열병합발전 모터로 공급된다. (예를 들어, 배출 가스 및/또는 오일 및/또는 냉각 유체로부터 회수된) 모터에 의해 방출된 열의 회수는 열가수분해를 수행하는데 필요한 모든 열 유체를 생성하게 한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 적어도 50%의 바이오가스는 열병합발전 모터의 수행에 의해 전기를 생성하는데 사용되고, 나머지 가스는 대부분 가수분해를 수행하는데 필요한 압력 및 온도 상태를 획득하는데 사용되는 열 유체를 생성하는 전형적인 보일러로 공급되는 종래 기술과 달리, 바이오가스 전체가 전기를 생성하는데 사용된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 공정은 상기 단계 (iv)에서 얻어진 슬러지의 제 2 고-액 분리에 의해 제 2 수성 유출물 및 처리된 슬러지를 얻는 단계를 포함한다.
이러한 분리 단계의 수행은 소화 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 유기 물질 및 발효가 용이한 유기 물질의 탈수되고 소화된 슬러지 프리를 함유하는 유출물의 방출을 가능하게 한다.
유리하게는, 상기 열가수분해는 20 내지 120분 동안에 50℃ 내지 200℃의 온도, 바람직하게는, 120℃ 내지 180℃의 온도, 1 내지 20바아의 압력에서 수행된다.
이러한 간격으로 선택된 열가수분해의 상태는 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분의 유출을 감소시킨다.
하나의 유익한 변형예에 따르면, 상기 열가수분해는 바람직하게는, 30분 동안에 165℃의 온도, 포화 증기압과 동일한 압력에서 수행된다.
열가수분해의 이러한 특정 조건은 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분의 최적의 감소를 가능하게 한다.
하나의 유리한 특징에 따르면, 상기 1차 소화 및/또는 상기 소화는 중온성 혐기성 타입(mesophilic anaerobic type)이다.
이러한 경우, 소화 작동 또는 작동은 5 내지 15일 동안 32℃ 내지 38℃ 범위의 온도에서 수행된다.
다른 유리한 특징에 따르면, 상기 1차 소화 및/또는 상기 소화는 친온성 혐기성 타입(thermophilic anaerobic type)이다.
이러한 경우, 소화 작동 또는 작동은 5 내지 15일 동안 52℃ 내지 58℃ 범위의 온도에서 수행된다.
1차 소화 작동의 개시에서 서스펜션(suspension)내 물질의 농도는 슬러지의 MIS(Matter In Suspension)/l당 25 내지 65 그램의 범위이다.
소화 작동의 개시에서 서스펜션내 물질의 농도는 슬러지의 MIS/l당 100 내지 150 그램의 범위이다.
하나의 유리한 특징에 따르면, 상기 고-액 분리 단계 이전에, 1차 소화 이후 상기 슬러지를 해리(defibrate)하는 단계가 수행된다.
일 변형예에서, 해리단계는 1차 소화 단계 전에 수행될 수 있다.
해리단계는 특히 이하를 가능하게 한다.
- 종래 기술로는 불가능한 것으로 당업자에 의해 고려되던 슬러지의 처리
- 상류 또는 하류에 배치된 소화조(digester)의 크기를 감소
- 슬러지의 다른 유기 부분의 체류시간을 증가
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 슬러지-처리 플랜트를 포함하며, 상기 플랜트는 입구 및 출구를 가지는 열가수분해 수단 및 상기 슬러지를 소화하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 소화 수단은 슬러지 도입 수단과 연통하며, 상기 가수분해 수단의 상기 입구 및 출구는 상기 소화 수단과 연통하고, 또한, 상기 플랜트는 상기 소화 수단의 출구에 배치된 제 1 고-액 분리 수단, 및 상기 소화 수단으로부터 나오는 바이오가스를 회수하기 위한 수단을 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 소화 수단은 전기를 생성하는 교류 발전기에 연결된 열병합발전 모터를 포함하는 증기 및 전기 생성 수단에 연결된 수집기, 증기를 생성하는 공기-물 열교환기의 입구 내로 안내하는 배출 라인(exhaust line), 및 상기 열가수분해 수단으로 증기를 이송하는데 사용되는 배관을 구비하는 바이오가스 회수 수단에 연결된다.
이러한 플랜트는 본 발명에 따르는 공정을 수행가능하게 하고, 그 원칙은 슬러지의 제 1 소화, 열가수분해 및 제 2 소화의 조합된 수행에 따른다.
분리 수단의 수행은 소화 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 유기 물질을 함유하는 유출물을 방출하게 한다. 따라서, 가수분해 단계로의 도입시에 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 물질의 양은 감소되고, 최종적으로는, 이러한 가수분해 동안 저-생분해성 또는 비-생분해성 유기 물질의 양을 감소시키고자 한다.
본 발명에 따른 플랜트는 열병합발전 시스템을 포함하고, 상기 바이오가스 회수 수단은 상기 열병합발전 시스템과 연통한다.
열병합발전 시스템으로 바이오가스의 공급은 특히 가수분해를 위한 압력 및 온도 상태를 획득하고, 슬러지 처리 공정 자체를 수행하는 것 이외의 목적으로 사용될 수 있는 (예를 들어, 전기 및/또는 열(뜨거운 유체 (공기 및/또는 물))의 형태의) 과잉 에너지의 상당한 부분을 생성하는데 필요한 에너지를 생성할 수 있게 한다.
바람직하게는, 상기 열병합발전 시스템은 열병합발전 모터를 구비하고, 상기 바이오가스 회수 수단은 상기 모터로 안내하고, 상기 열병합발전 모터는 전기 생성 수단과 연결되고, 증기를 생성하기 위해 상기 모터에 의해 방출된 열을 물로 전달하는 수단을 가진다.
소화 작동 동안 형성된 바이오가스 전체는 교류 발전기와 같은 전기 생성 수단과 연결된 열병합발전 모터에 공급된다. (예를 들어, 배출 가스 및/또는 오일 및/또는 냉각 유체로부터 회수된) 모터에 의해 방출된 열의 회수는 열가수분해를 수행하는데 필요한 모든 열 유체(예를 들어, 증기)를 생성할 수 있게 한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 적어도 50%의 바이오가스가 열병합발전 모터의 수행에 의해 전력을 생성하는데 사용되고, 나머지 바이오가스는, 대부분 가수분해를 수행하는데 필요한 압력 및 온도 상태를 얻는데 사용되는 열 유체를 생성하는 전형적인 보일러에 공급되는 종래 기술과 달리, 바이오가스 전체가 전기를 생성하는데 사용된다.
유리한 특징에 따르면, 상기 소화 수단은 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구를 갖는 소화조를 포함하며, 상기 출구는 상기 가수분해 수단의 상기 입구와 연통하고, 상기 입구는 상기 가수분해 수단의 상기 출구와 연통한다.
다른 유리한 특징에 따르면, 상기 소화 수단은 1차 소화조 및 2차 소화조를 포함하며, 상기 1차 소화조 및 2차 소화조 각각은, 입구 및 출구를 갖고, 상기 1차 소화조의 입구는 상기 슬러지 도입 수단과 연통하고, 상기 1차 소화조의 출구는 상기 가수분해 수단의 입구와 연통하고, 상기 2차 소화조의 입구는 상기 가수분해 수단의 출구와 연통한다.
바람직하게는, 상기 제 1 고-액 분리 수단은 12% 이상의 건조도(dryness)를 획득가능하도록 구성된다.
유리하게는, 본 발명에 따르는 플랜트는 상기 2차 소화조의 출구에 배치된 제 2 고-액 분리 수단을 포함한다.
이러한 제 2 분리 수단의 수행은 소화 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 물질 및 발효가능한 유기 물질의 탈수되고, 소화된 슬러지 프리를 함유하는 유출물을 방출할 수 있게 한다.
바람직한 특징에 따르면, 본 발명에 따른 플랜트는 상기 소화조와 상기 분래 수단 사이 또는 상기 1차 소화조와 상기 제 1 분리 수단 사이에 배치된 해리 수단(defibration means)을 포함한다.
일 변형예에서, 해리수단은 상기 소화조 또는 1차 소화조의 상류에 배치된다.
이러한 해리수단의 수행은 특히 이하를 가능하게 한다.
- 종래 기술의 수행으로는 처리가 불가능한 것으로 당업자에 의해 고려되던 슬러지의 처리
- 상류 또는 하류에 배치된 소화조의 크기를 감소
- 슬러지의 다른 유기 부분의 체류 시간을 증가
유리하게는, 상기 열병합발전 모터는 상기 열가수분해 수단에 연결된 증기 방출 출구를 가지는 공기-물 열교환기로 안내하는 배출 라인(exhaust line)을 구비한다.
이러한 수행은 열 분석을 수행하는데 필요한 증기의 간단하고 효율적인 생성을 가능하게 한다.
6. 도면의 목록
본 발명의 다른 특징 및 장점은 단순히 예시적이며 비제한적인 예로 주어진 이하의 바람직한 실시예의 설명 및 첨부된 도면에 의해 더욱 명확할 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 플랜트의 제 1 실시예를 도시한다.
- 도 2는 본 발명에 따른 플랜트의 제 2 실시예를 도시한다.
- 도 3 및 4는 제 1 소화 전후 각각에서의 슬러지내 당도(sugar content)를 나타내는 그래프이다.
7. 발명의 실시예에 대한 설명
7.1. 본 발명의 원리
본 발명은 슬러지 처리 공정에 관한 것이다. 본 발명에서 이해되고 있는 바와 같이, "슬러지"라는 용어는 1차 슬러지, 2차 슬러지 및 특히 혼합 슬러지를 포함한다.
본 발명의 일반적인 원리는 슬러지의 제 1 소화, 열가수분해 및 제 2 소화의 조합된 수행에 따른다.
제 1 소화는 슬러지의 용이하게 발효가능한 부분의 적어도 대부분의 분해 및 발효가 용이하지 않은 다이제스테이트의 생성을 가능하게 한다.
그 다음, 단지 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분을 처리하는 것만으로 열가수분해가 수행된다.
대조적으로, 종래기술에서는 모든 슬러지, 즉 발효가능한 부분과 발효가 용이하지 않은 부분 모두를 처리하기 위하여 열가수분해가 수행된다.
그러한 결과, 본 발명에 따른 열가수분해를 수행하는데 필요한 에너지는 종래 기술을 따르는 열가수분해를 수행하는데 필요한 에너지보다 더 적다.
열가수분해는 슬러지의 발효가 용이하지 않은 부분으로 구성된 1차 소화조로부터 나오는 다이제스테이트의 분해 및 용이하게 발효가능한 슬러지로 구성된 가수분해된 다이제스테이트의 생성을 가능하게 한다.
그 다음, 제 2 소화는 이러한 발효가능한 슬러지를 분해가능하게 하고, 그리고 어느 발효가능한 부분의, 적어도 대부분이 프리(free)하고, 내화성 발효불가능한 부분을 단지 적게 포함하는 다이제스테이트를 생성가능하게 한다.
7.2. 본 발명에 따른 플랜트의 제 1 실시예
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 슬러지 처리 플랜트의 실시예를 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 플랜트는 1차 소화조(10) 및 2차 소화조(11)을 구비한 소화 수단을 포함한다.
1차 소화조(10)는 입구 및 출구를 가진다. 입구는 배관(12)으로 구성되고 슬러지가 처리되도록 안내하는 슬러지 이송 수단과 연결된다. 출구는 제 1 고-액 분리 수단(13)으로 안내하고, 그 내에서 제 1 다이제스테이트가 부어질 수 있다.
제 1 고-액 분리 수단(13)은 12% 이상의 건조도를 획득하는데 사용되는 원심 분리기를 구비한다. 일 변형예에서, 예를 들면 막과 같은 어떤 다른 등가의 수단이 이러한 목적을 위해 수행될 수 있다. 이러한 제 1 분리 수단(13)은 배관(14)을 포함하는 제 1 유출물을 방출하는 수단 및 배관(15)을 포함하는 제 1 탈수 다이제스테이트를 방출하는 수단을 구비한다. 이러한 배관(15)은 열가수분해 수단(16)으로 안내한다.
열가수분해 수단(16)은 제어된 압력 및 온도 상태하에서 작동하는 반응기를 구비하여, 열가수분해를 수행하는 상태를 획득한다. 수행되는 열가수분해 수단은 본 출원인을 대표하여 출원된 제 WO-A1-02064516호의 번호를 가지는 국제특허출원에 기재된 것일 수 있다.
열가수분해 수단(16)은 제 2 소화조(11)로 안내하는 수화된 다이제스테이트를 방출하는 출구를 가진다.
제 2 소화조(11)는 입구 및 출구를 가진다. 입구는 열가수분해 수단(16)의 출구와 연결된다. 출구는 제 2 고-액 분리 수단(17)으로 안내하여, 그 내에서 수화된 다이제스테이트가 부어질 수 있다.
유리하게는, 제 2 분리 수단(17)은 제 1 분리 수단(13)과 유사하다. 제 2 분리 수단은 배관(18)을 포함하는 제 2 유출물을 방출하는 수단, 및 배관(19)을 포함하는 탈수 다이제스테이트를 방출하는 수단을 포함한다.
일 변형예에서, 이러한 제 2 분리 수단은, 예를 들어 습식 산화에 의해 슬러지를 처리하는 수단으로 대체될 수 있다.
다른 변형예에서, 제 1 및 제 2 분리 수단은, 반드시 동일하지는 않은, 벨트 필터, 필터막, 전기 삼투 수단 등으로 구성될 수 있다.
1차 소화조(10) 및 2차 소화조(11)는 바이오가스 회수 수단에 연결된다. 이러한 바이오가스 회수 수단은 수집기(20)를 구비한다. 수집기(20)는 증기 및 전기 생성 수단에 연결된다.
증기 생성 수단은 열병합발전 모터(21)를 구비한다. 이러한 모터는 전기를 생성하기 위해 모터를 구동할 수 있는 교류 발전기에 연결된다.
이러한 모터는 공기-물 열교환기(23)의 입구로 안내하는 배출 라인(22)을 가진다.
열교환기(23)는 2개의 입구를 구비하며,
- 하나의 입구는 열병합발전기(21)에 의해 생성된 열이 배관(22)을 통하여 도달하고,
- 하나의 입구는 물 파이프(24)가 내부로 안내한다.
또한, 열교환기(23)는 2개의 출구를 구비하며,
- 하나의 출구(25)는 증기를 방출하고,
- 하나의 출구(26)는 퓸(fume)을 방출한다.
증기 방출 출구(25)는 배관(27)을 통하여 열가수분해 수단(16)으로 연결된다.
일 변형예에서, 이러한 설치는 1차 소화조(10)와 제 1 고-액 분리 수단(13) 사이에 배치된 해리수단(28)을 포함한다. 이러한 해리수단(28)은 기계식 분쇄기(mechanical crusher)를 구비한다. 일 변형예에서, 해리수단(28)은 제 1 소화조(10)로부터 나오는 제 1 다이제스테이트를 기계적으로 분해하는 (즉, 비-생분해성 섬유 부분을 제거하는) 어떤 다른 등가의 수단을 구비할 수 있다. 당업자에게 공지된 해리수단은 국제특허출원 제 US2007/0051677호에 기재되어 있다. 일 변형예에서, 해리수단(28)은 1차 소화조의 상류에 배치될 수 있다.
일 변형예에서, 가수분해 수단(16)과 2차 소화조(11) 사이에 교환기가 제공되어, 가수분해 수단으로부터 나오는 슬러지를 냉각시켜서, 제 2 소화에 필요한 온도 상태를 획득할 수 있다.
7.3. 본 발명에 따른 설치의 제 2 실시예
도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 슬러지 처리 플랜트의 제 2 실시예를 나타낸다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 플랜트는 단일 소화조(30)를 구비한다. 이러한 소화조(30)는 처리된 슬러지를 도입하기 위해 배관(31)에 연결되는 제 1 입구를 가진다. 또한, 소화조(30)는 다이제스테이트의 방출을 위해 배관(32)에 연결되는 출구를 가진다. 배관(32)은 고-액 분리 수단(33)으로 안내한다.
고-액 분리 수단(33)은 제 1 실시예에서 수행된 고-액 분리 수단과 동일한 구조를 가진다. 이러한 고-액 분리 수단(33)은 배관(34)을 구비한 유출물을 방출하는 수단 및 배관(35)을 구비한 탈수 다이제스테이트를 방출하는 수단을 구비한다. 이러한 배관(35)은 열가수분해 수단(36)으로 안내한다.
열가수분해 수단(36)은 제 1 실시예에서 수행된 열가수분해 수단과 유사하다. 그것은 배관(37)에 의해 소화조(30)의 제 2 입구에 연결된 가수분해된 다이제스테이트를 방출하는 출구를 가진다.
소화조(30)는 바이오가스 회수 수단에 연결된다. 이러한 바이오가스 회수 수단은 배관(38)을 구비한다. 이러한 배관(38)은 증기 및 전기를 생성하는 수단에 연결된다.
배관(35)은 처리된 슬러지 방출 배관(47)과 연통한다.
증기 생성 수단은 열병합발전 모터(39)를 구비한다. 이러한 모터는 모터를 구동할 수 있는 교류 발전기에 연결되어 전기를 생성한다.
이러한 모터는 공기-물 열교환기(41)로 안내하는 배출 라인(40)을 가진다.
열교환기(41)는 2개의 입구를 가지며,
하나의 입구는 열병합발전기(39)에 의해 생성된 열이 배관(40)을 통하여 도착하고,
하나의 입구는 물 파이프(42)가 내부로 안내한다.
또한, 열교환기(41)는 2개의 출구를 가지며,
하나의 출구(43)는 증기를 방출하고,
하나의 출구(44)는 퓸(fume)을 방출한다.
증기 방출 출구(43)는 배관(45)을 통하여 열가수분해 수단(36)에 연결된다.
일 변형예에서, 이러한 제 2 실시예에 따르는 플랜트는 소화조(30)와 고-액 분리 수단(33) 사이에 배치되는 해리 수단(46)을 구비한다. 이러한 해리 수단(46)은 기계식 분쇄기 또는 다이제스테이트를 기계적으로 분해하는 어떤 다른 등가의 수단을 구비한다.
일 변형예에서, 가수분해 수단(36)과 소화조(30) 사이에 교환기가 제공되어, 가수분해 수단으로부터 나오는 슬러지를 냉각해서, 제 2 소화에 필요한 온도 상태를 획득한다. 따라서, 슬러지를 냉각하는 것에 의해 온수를 회수하는 것이 가능하다.
7.4. 본 발명에 따른 공정의 제 1 실시예
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 슬러지 처리 공정의 제 1 실시예를 나타낸다.
이러한 공정에서, 처리되는 슬러지는 1차 소화조(10)로 이송되어, 1차 소화 단계가 수행된다. 이러한 실시예에서, 이러한 소화기간은 약 10일이다. 대안적인 실시예에서, 5 내지 15일의 범위일 수 있다.
이러한 소화기간 동안,
- 슬러지의 발효가능한 부분의 감소 및 이에 따라 처리되는 건조 물질의 감소;
- (질소 및 인과 같은) 발효불가능한 미네랄 부분의 생물학적 가수분해;
- 슬러지에 함유된 다량의 당의 제거 (이러한 관점은 제 1 소화의 수행 전후 각각 슬러지의 당도를 나타낸 도 3 및 4에서 명백히 볼 수 있다.);
- 높은 COD 물질 및 내화 질소와 같은 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 물질의 생성;
- 휘발성 지방산의 가용화가 있다.
이러한 소화 공정이 끝날 때, 슬러지의 발효가능한 부분은 소화되어서, 1차 소화조(10)의 출구에서 방출된 제 1 다이제스테이트는, 필수적으로 슬러지의 발효불가능한 부분을 포함한다.
이러한 제 1 다이제스테이트는 제 1 고-액 분리 수단(13)으로 이송된다. 분리 수단의 작동은 하기의 생성을 안내하는 고-액 분리 단계를 수행할 수 있게 한다.
- 배관(14)을 통해 흐르는 제 1 유출물
- 12% 이상의 건조도를 가지는 제 1 탈수 다이제스테이트
슬러지의 건조도는 100%에서 슬러지의 습도를 빼서 계산되는 그것의 건조 물질 함량과 상응한다.
제 1 유출물은 1차 소화 동안 형성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물내에 풍부하다. 이러한 화합물은 이하의 것일 수 있다.
- 질소 또는 인의 가용화로부터 나오는 미네랄
- 높은 COD 화합물 및 유기 질소와 같은 유기 화합물에 의해 생성된 화합물 (실제로, 전형적인 소화 형태에서, 소화조로 들어오는 질소의 20% 내지 50%는 NH3의 형태로 소화조로부터 나온다.)
- 1차 소화 동안 형성된 휘발성 지방산을 함유하는 화합물
고-액 분리 동안 획득된 건조도를 고려할 때, 탈수 다이제스테이트는 더욱 농축되어서, 후속되는 처리는 더 작은 크기의 장비의 수행을 요구하고, 더 낮은 에너지의 소비를 일으킨다. 이러한 모든 것은 슬러지 처리 비용을 감소시키고자 하는 것이다.
제 1 탈수 다이제스테이트는 열가수분해 수단(16)으로 이송되어서, 거기서 증기를 사용하는 열가수분해가 수행된다. 열가수분해는 30분 동안, 포화 증기 압력하에서 165℃의 온도로 수행된다. 다른 실시예에서, 열가수분해는 20 내지 120분 동안, 120℃ 내지 180℃ 범위의 온도, 1 내지 20바아의 압력에서 수행될 것이다.
제 1 탈수 다이제스테이트는 필수적으로 슬러지의 발효불가능한 부분, 1차 소화조(10)내에서 미리 소화되는 발효가능한 부분을 포함하기 때문에, 가수분해 수단의 용적은 종래 기술에서 수행되는 가수분해 수단의 용적과 비교해서, 약 20% 내지 50% 그리고 대체로 40%로 감소된다.
또한, 단지 발효불가능한 부분만을 열가수분해 처리한다. 이러한 결과, 그것을 만드는데 필요한 에너지 양 또한 실질적으로 감소한다.
또한, 제 1 다이제스테이트로 수행된 고-액 분리는 1차 소화 동안 생물학적으로 용해되는 저-생분해성 또는 비-생분해성 생성물의 제 1 유출물로 방출가능하게 한다는 사실을 고려할 때, 열가수분해 동안 처리되는 이러한 생성물의 양은 감소된다.
제 1 소화 단계에 의해서 가수분해된 슬러지내 당량의 감소는 열가수분해 단계에서 경질(hard)의 COD 물질을 생성하는데 기여하는 메일라이드(Maillard) 화합물의 생성을 감소시킨다. 실제로, 메일라이드 반응은, 특히 분해가 용이하지 않은 용해 화합물의 형성과 관련하여 120℃ 이상의 온도에서 당 및 단백질을 감소시킨다.
따라서, 열가수분해가 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물을 생성하게 하더라도, 이러한 화합물은 상대적으로 소량 생성된다. 따라서, 1차 소화, 분리 및 열가수분해의 성공적인 수행은 종래 기술을 따르는 열가수분해 및 소화의 연속적인 수행 동안 생성된 것보다 더 소량의 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물이 생성되게 한다.
열가수분해 처리에 의해 발효가능하게 만들어진 제 1 탈수 다이제스테이트는 제 2 소화조(11)로 이송되어서, 10일 동안 제 2 소화 단계가 수행된다. 다양한 변형예에서, 이러한 기간은 7일 내지 15일로 변화될 수 있다.
1차 소화 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물은 제 2 소화를 방해하기 쉽다. 따라서, 가수분해 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물의 양을 한정하는, 이러한 생성물의 예비 제거는 제 1 소화의 효율을 더욱 증가시킬 수 있게 한다.
제 2 소화는 제 2 다이제스테이트가 생성되게 하고, 이것은 적어도 대부분이 발효가능한 부분의 프리(free)이고, 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물뿐만 아니라, 생분해가 용이하지 않은 내성 부분도 함유한다.
이러한 혼합물은 제 2 분리 수단으로 이송되어, 고-액 분리 단계(17)가 수행되어서, 이하의 물질을 생성한다.
- 배관(18)을 통하여 흐르는 제 2 유출물
- 제 2 탈수 다이제스테이트
제 2 다이제스테이트는, 적어도 대부분, 어느 발효가능한 부분의 프리이고, 재사용될 수 있다.
이러한 제 2 다이제스테이트에 함유된 소화된 슬러지는, 예를 들어 탈수되고, 이후 방출되거나 또는 습식 산화 단계와 같은 다른 처리 단계로 보내질 수 있다.
열가수분해 공정이 수행되어서, 예비 열처리에 의해 슬러지의 탈수가능성을 향상시킨다. 또한, 제 1 소화 단계로부터 나오는 다이제스테이트의 열가수분해는 슬러지의 탈수가능성을 향상시킨다. 추가적인 소화의 수행은 원료 슬러지의 탈수가능성에 비하여 소화된 슬러지의 탈수가능성을 1 내지 2%로 향상시킨다. 따라서, 획득될 수 있는 탈수 정도는 이하와 같다.
- 원료 슬러지에서 19% 내지 25%로 변화
- 소화된 슬러지에서 21% 내지 30%로 변화
- 가수분해된 슬러지에서 29% 내지 40%로 변화
제 2 소화 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물에는 제 2 유출물이 풍부하다.
또한, 제 1 및 제 2 유출물은 수처리 플랜트의 시작점에서 재평가 또는 재순환될 수 있고, 이러한 수행은 본 발명에 따르는 공정으로 처리된 슬러지를 생성하게 한다. 종래 기술과 비교해서, 생분해가 용이하지 않은 용해 화합물이 공정의 수행 동안 소량 생성되기 때문에, 이러한 재순환은 생성되는 처리수(treated water)에 제한된 영향을 미친다.
제 1 및 제 2 소화 단계의 적용은 바이오가스의 생성을 수반한다. 회수 단계는 이러한 바이오가스를 수집가능하게 하고, 변환단계를 거치게 하여서, 가수분해 단계를 수행하는데 필요한 증기를 생성하고 전기를 생성한다. 최종적으로, 바이오가스는 열병합발전 모터(21)로 이송된다. 이러한 모터의 사용은 모터에 연결된 교류 발전기를 구동시켜서, 전기를 생성한다. 이러한 모터로부터의 배출 가스는 물을 순환시키는 교환기(23)로 이송되어서, 증기를 생성한다. 따라서, 생성된 증기는 배관(17)을 통해서 열가수분해 수단(16)으로 이송되어서, 제 1 탈수 다이제스테이트의 열가수분해가 수행되게 한다.
교환기(23)에서 생성된 퓸(fume)은 배관(26)을 통해서 방출된다.
7.5. 본 발명에 따른 공정의 제 2 실시예
도 2를 참조해서, 본 발명에 따른 슬러지 처리 공정의 제 2 실시예를 제시한다.
이러한 공정에서, 처리되는 슬러지는 소화조(30)로 이송되어서, 약 10일 동안 1차 소화 단계가 수행된다. 대안적인 실시예에서, 1차 소화 단계는 5 내지 15일의 범위일 수 있다.
이러한 1차 소화 동안,
- 슬러지의 발효가능한 부분의 감소 및 이에 따라, 처리되는 건조 물질의 감소
- (질소 및 인과 같은) 발효불가능한 미네랄 부분의 생물학적 가수분해
- 슬러지에 함유된 다량의 당의 제거
- 높은 COD 물질 및 내성 질소와 같은 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 물질의 생성
- 휘발성 지방산의 가용화가 있다.
소화 공정이 끝날 때, 슬러지의 발효가능한 부분은 소화되어서, 소화조(30)로부터의 출구에서 방출된 다이제스테이트는 필수적으로 슬러지의 발효불가능한 부분을 함유한다.
그 다음, 이러한 다이제스테이트는 분리 수단(33)으로 이송되어서, 고-액 분리 단계가 수행된다. 이러한 분리 수단의 수행은 하기의 생성을 가능하게 한다.
- 배관(34)을 통하여 흐르는 유출물
- 탈수 다이제스테이트
제 1 소화 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물에는 유출물이 풍부하다. 이러한 화합물은,
- 질소 또는 인의 가용화로부터 나오는 미네랄
- 높은 COD 화합물 및 유기 질소와 같은 유기 화합물에 의해 생성된 화합물 (실제로, 전형적인 소화 형태에서, 소화조로 들어오는 질소의 20% 내지 50%는 NH3의 형태로 소화조로부터 나온다.)
- 1차 소화 동안 형성된 휘발성 지방산을 함유하는 화합물일 수 있다.
고-액 분리 동안 획득된 건조도를 고려할 때, 탈수 다이제스테이트는 더욱 농축되어서, 후속되는 처리는 더 작은 크기의 장비의 수행을 요구하고, 더 낮은 에너지 소비를 일으킨다. 이러한 모든 것은 슬러지 처리 비용을 감소시키고자 하는 것이다.
탈수 다이제스테이트는 열가수분해 수단(36)으로 이송되어서, 거기서 증기하에 열가수분해 단계가 수행된다. 열가수분해는 30분 동안, 포화 증기 압력에서 165℃의 온도로 수행된다. 대안적인 실시예에서, 열가수분해는 20 내지 120분 동안, 120℃ 내지 180℃ 범위의 온도, 1 내지 20바아의 압력에서 수행될 것이다.
탈수 다이제스테이트는 필수적으로 슬러지의 발효불가능한 부분, 소화조(30)내에서 미리 소화되는 발효가능한 부분을 포함하기 때문에, 가수분해 수단의 용적은 종래 기술에서 수행되는 가수분해 수단의 용적과 비교해서, 약 20% 내지 50%, 그리고 대체로 40%로 감소된다.
또한, 초기 슬러지의 단지 발효불가능한 부분만을 열가수분해 처리한다. 이러한 결과, 이러한 처리를 수행하는데 필요한 에너지 양도 실질적으로 감소된다.
또한, 다이제스테이트로 수행된 고-액 분리는 1차 소화 동안 형성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 화합물의 유출물로 방출할 수 있기 때문에, 열가수분해 동안 처리되는 이러한 생성물의 양은 감소된다.
제 1 소화 단계에 의해서 수화된 슬러지내 당량의 감소는 열가수분해 단계에서 경질의 COD 물질의 생성에 기여하는 메일라이드(Maillard) 화합물의 생성을 감소시킨다. 실제로, 메일라이드 반응은, 특히 생분해가 용이하지 않은 용해 화합물의 형성과 관련하여 120℃ 이상의 온도에서 당 및 단백질을 감소시킨다.
따라서, 열가수분해가 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물을 생성하게 하더라도, 이러한 화합물은 상대적으로 소량 생성된다. 따라서, 1차 소화, 분리 및 열가수분해의 연속적인 수행은 종래 기술을 따르는 열가수분해 및 소화의 연속적인 수행 동안 생성된 것보다 더 소량의 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물이 생성되게 한다.
열가수분해 처리에 의해 발효가능하게 만들어진 탈수 다이제스테이트는 소화조(30)에서 재순환되어, 새로운 슬러지와 혼합되어서, 다른 소화 단계가 수행되게 할 수 있다.
그 다음, 일어나는 소화는, 실제로 새로운 슬러지의 제 1 소화 및 미리 소화되고 가수분해된 슬러지의 제 2 소화의 조합이고, 이러한 조합은 슬러지 혼합물의 발효가능한 부분과 소화된 슬러지를 감소시키고, 적어도 대부분, 발효가능한 부분의 프리이고, 소량의 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물뿐만 아니라, 생분해가 용이하지 않은 내성 부분도 함유하는 혼합 다이제스테이트를 생성하게 한다.
가수분해 수단으로 도입되는 다이제스테이트 부분은 100%로 알려져 있어야 한다. 다시 말해서, 소화조의 출구에서 얻어진 모든 다이제스테이트에 가수분해 처리를 수행한다. 변형예들에서, 가수분해 수단에서 다이제스테이트의 재순환 비율은 30% 내지 300%로 변할 수 있다.
이러한 혼합 다이제스테이트는 분리 수단(33)으로 이송되어, 고-액 분리 단계를 거쳐서, 상기에서도 기재된 바와 같이,
- 배관(18)을 통하여 흐르는 제 2 유출물,
- 제 2 탈수 다이제스테이트를 생성한다.
적어도 하나의 루프(loop)로 설정됨으로서, 즉 미리 소화되고 가수분해된 슬러지의 소화를 수행함으로서, 그 방법이 달성된다.
처리 후, 즉 적어도 하나의 루프를 설정한 후, 얻어진 다이제스테이트 부분은 배관(47)을 통해서 방출되어서 재사용될 있다.
이러한 다이제스테이트는, 예를 들어 탈수되고, 이후 방출되거나 또는 습식 산화 단계와 같은 다른 처리 단계로 보내질 수 있다.
열가수분해 방법이 수행되어서, 예비 열처리에 의해 슬러지의 탈수가능성을 향상시킨다. 또한, 제 1 소화 단계로부터 나오는 다이제스테이트의 열가수분해는 슬러지의 탈수가능성을 향상시킨다. 추가적인 소화의 수행은 원료 슬러지의 탈수가능성과 비교하여 소화된 슬러지의 탈수가능성을 1 내지 2%까지 향상시킨다. 따라서, 획득될 수 있는 탈수 정도는 이하와 같다.
- 원료 슬러지에서 19% 내지 25%로 변화
- 소화된 슬러지에서 21% 내지 30%로 변화
- 가수분해된 슬러지에서 29% 내지 40%로 변화
제 2 소화 동안 생성된 저-생분해성 또는 비-생분해성 용해 유기 화합물에는 수집된 유출물이 풍부하다. 또한, 수집된 유출물은 수처리 플랜트의 헤드에서 재평가 또는 재순환될 수 있고, 이러한 수행은 본 발명에 따르는 방법으로 처리된 슬러지를 생성하게 한다. 종래 기술과 비교해서, 이 방법의 수행 동안 생분해가 용이하지 않은 용해 화합물이 소량 생성되기 때문에, 이러한 재순환은 생성되는 처리수(treated water)에 감소된 영향을 미친다.
제 1 및 제 2 소화 단계의 수행은 바이오가스의 생성을 수반한다. 회수 단계는 이러한 바이오가스의 수집가능하게 하고, 그것이 변환단계를 거치게 하여, 가수분해 단계를 수행하는데 필요한 증기를 생성하고 전기를 생성한다. 최종적으로, 바이오가스는 열병합발전 모터(39)로 이송된다. 이러한 모터의 사용은 모터에 연결된 교류 발전기를 구동시켜서, 전기를 생성한다. 이러한 모터로부터의 배출 가스는 물을 순환시키는 교환기(41)로 이송되어서, 증기를 생성한다. 따라서, 생성된 증기는 배관(45)을 통해서 열가수분해 수단(36)으로 이송되어서, 제 1 탈수 다이제스테이트의 열가수분해 단계가 수행되게 한다.
교환기(41)에서 생성된 퓸(fume)은 배관(44)을 통해서 방출된다.
7.6. 기타 특징
본 발명의 기술로 수행된 소화 작동은 혐기성(anaerobic) 소화 작동이다. 처리되는 슬러지의 특징에 따라서, 혐기성 소화 작동은 중온성(mesophilic) 또는 친온성(thermophilic)일 수 있다. 중온성 소화가 수행되는 온도는 32℃ 내지 38℃ 범위이다. 친온성 소화가 수행되는 온도는 52℃ 내지 58℃ 범위이다. 유리하게는, 제 1 소화조의 입구에서 농도는 슬러지의 MIS(matter in suspension)/l 당 25 그램 내지 65 그램의 범위이다. 이러한 두 개의 소화 작동이 다른 다이제스테이트로 수행되면, 이러한 소화 작동의 각각의 특징은 다를 수 있다. 변형예들에서, 수행되는 하나 이상의 소화 작동은 호기성(aerobic) 타입인 것으로 설계될 수 있다. 변형예들에서, 수행되는 소화는 호기성 타입일 수 있다.
변형예들에서, 상기에 설명된 본 발명의 방법은, 소화조(제 1 소화조 또는 유일한 소화조)에 슬러지가 최초로 들어가기 전에, 해리기(defibrator)(28 또는 46)을 사용하여 해리하는 단계를 슬러지 또는 제 1 다이제스테이트에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
슬러지는 전형적인 혐기성 소화 상태에서 생분해가 매우 용이하지 않은 섬유 부분을 포함한다. 소화조의 출구에서, 이러한 부분은 다이제스테이트에 존재하는 유기 물질의 30% 내지 60%의 범위일 수 있다. 이러한 부분은 열가수분해에 의해서 거의 공격받지 않는다. 해리의 수행은 특히 해리 후, 바람직하게는, 30% 이상의 건조도를 가지는 슬러지의 점도(viscosity)를 감소시키는 것을 가능하게 한다.
따라서, 해리는 이하를 가능하게 한다.
- 종래기술에서는 당업자에 의해 불가능한 것으로 간주되던 슬러지를 처리
- 상류 또는 하류에 배치된 소화조의 크기를 감소
- 또는, 슬러지의 다른 유기 부분의 체류시간을 증가 (실제로, 동일한 소화조 크기에 대하여, 해리는 섬유 부분을 감소시켜서, 소화조로 들어오는 건조 물질의 양을 감소시키는 것이 가능하고, 이는 체류시간을 증가시킨다.)
제 1 및 제 2 실시예의 일 변형예에서, 제 1 고-액 분리는 열가수분해와 제 2 소화 사이에서 수행될 수 있다.
7.7. 에너지 획득( Energy gains)
하나의 종래 기술에 있어서, 열가수분해가 후속되는 소화 동안 생성된 바이오가스는 하기와 같이 사용된다.
- 생성되는 바이오가스의 적어도 50%는 보일러로 공급되어 가수분해에 필요한 증기를 생성
- 나머지 바이오가스는 교류 발전기에 연결된 열병합발전모터로 공급되어 그 방법을 수행하는 것 이외의 목적을 위해 사용될 수 있는 전기를 생성
열병합발전 모터로부터 배출 가스의 열은 회수되어서 열가수분해에 필요한 증기 부분을 생성할 수 있다. 이것은 전형적인 보일러의 실행에 의해 증기를 생성하는데 사용되는 바이오가스의 할당을 약 35 내지 40%로 감소시킨다.
또한, 열병합발전 모터에 의해 방출된 열은 회수되어서 증기를 생성하는데 필요한 물을 예열한다. 이것은 전형적인 보일러의 실행에 의해 이러한 증기를 생성하는데 사용되는 바이오가스의 할당을 약 30 내지 35%로 감소시킨다.
따라서, 최적의 종래 기술의 수행은 소화에 의해 생성된 바이오가스의 65% 내지 70%를 사용해서, 슬러지 처리 방법을 수행하는 것 이외의 목적을 위해 사용될 수 있는 에너지를 생성가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 1차 소화로부터 나오는 다이제스테이트는 초기 슬러지에 함유된 건조 물질을 단지 60% 내지 80%만 함유한다. 또한, 동일한 건조 물질 함량에 대하여, 소화된 슬러지는 원료 슬러지보다 더 낮은 점도를 가진다. 이것은 제 1 고-액 분리 단계 이후 얻어진 다이제스테이트의 건조도를 증가시킬 수 있다. 이러한 결과, 본 발명에 따른 열가수분해에 의해 처리된 슬러지의 양은 종래 기술에 따르는 열가수분해에 의해 처리된 슬러지의 양보다 상당히 적다. 가수분해를 위한 열 요구량은 가수분해되는 건조 물질의 양에 정비례하기 때문에, 본 발명의 수행은 이러한 열 요구량을 30% 내지 40%로 감소시킨다.
또한, 본 발명의 실행은 처리되는 슬러지의 타입 및 슬러지내 이들의 체류시간에 따라서, 두 개의 소화 작동 동안 형성된 바이오가스의 양을 20% 까지 증가시킨다.
또한, 가수분해 수단으로 공급되는 다이제스테이트의 온도는 그것으로부터 유도되는 소화 공정이 중온성인지 친온성인지에 따라서 약 35℃ 또는 55℃와 같다.
최종적으로, 본 발명의 실행은 종래 기술과 비교해서 열가수분해에 필요한 증기 요구량을 약 40% 내지 55%로 감소시킨다. 따라서, 이러한 요구량은 열병합발전 모터의 배출 가스로부터 회수된 열에서 얻어진 증기에 의해 완전히 커버될 수 있다. 따라서, 소화 작동 동안에 생성된 거의 모든 바이오가스는 슬러지 처리 방법을 단순히 실행하는 것 이외의 목적으로 사용될 수 있는 전기 에너지를 생성할 수 있다. 그러나, 생성되는 바이오가스의 소량은 처리를 개시하는 증기를 생성하는데 사용될 수 있다.
그러나, 증기 요구량이 제 1 실시예에서의 이러한 방법으로 완전히 커버되지 않으면, 그 다음,
- 가수분해 반응기로 공급된 다이제스테이트는, 가수분해 반응기의 출구에서 가수분해 슬러지로부터, 또는 열병합발전 모터의 냉각 액체와 오일로부터, 또는 양쪽 모두로부터, 열을 회수하여 생성된 온수와 함께, 분리 수단의 출구에서 혼합됨으로써 가열될 수 있고,
- 제 1 소화조로 공급된 슬러지는 가수분해 반응기의 출구에서 가수분해된 슬러지로부터 열을 회수하여 생성된 온수와 함께 혼합됨으로써 가열될 수 있다.
또한, 제 2 소화조로 공급된 슬러지는 물과 혼합되어 최적의 건조도를 얻어서, 제 2 소화 작동의 성능을 향상시킬 수 있다.
종래 기술에서, 소화조의 입구에서 슬러지의 MIS 농도는 100 내지 130 g/l로 제한된다. 실제로, 슬러지내 존재하는 질소는 소화 동안 NH3로 변환되고, NH3는 소화를 방해하는 화합물이다. 따라서, 소화조의 입구에서 슬러지의 MIS 농도를 제한하여, 소화를 최적화하는 것이 필요하다. 본 발명에 따른 제 1 소화는 슬러지내 함유된 질소의 양을 상당히 감소시킨다. 슬러지의 열가수분해는 이들의 점도를 감소시키기 때문에, 제 2 소화조의 입구에서 슬러지의 MIS 농도는 110 내지 160 g/l 범위의 값으로 증가될 수 있다. 따라서, 이러한 슬러지는 물과 혼합되어서 유사한 MIS 농도를 얻을 수 있다.
그러나, 제 2 실시예의 이러한 방법으로 증기 요구량을 완전히 커버할 수 없으면, 그 다음,
- 가수분해 반응기로 공급된 다이제스테이트는, 가수분해 반응기의 출구에서 가수분해된 슬러지로부터, 또는 열병합발전 모터의 냉각 액체와 오일로부터, 또는 양쪽 모두로부터, 열을 회수하여 생성된 온수와 함께, 분리 수단의 출구에서 혼합됨으로써 가열될 수 있고,
- 제 1 소화조로 공급된 슬러지는 가수분해 반응기의 출구에서 가수분해된 슬러지 상에서, 또는 열병합발전 모터의 냉각 액체와 오일 상에서, 또는 양쪽 모두로부터, 열을 회수하여 생성된 온수와 함께 혼합됨으로써 가열될 수 있다.

Claims (13)

  1. 무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법에 있어서,
    (i) 1차 슬러지 소화에 의해 소화 슬러지를 얻는 단계;
    (ii) 단계 (i)에서 얻어진 소화 슬러지의 제 1 고-액 분리에 의해 적어도 부분적으로 탈수된 제1 수성 유출물 및 소화 슬러지를 얻는 단계;
    (iii) 단계 (ii)에서 얻어진 적어도 부분적으로 탈수되고 소화된 슬러지의 열가수분해에 의해 적어도 부분적으로 탈수되고 가수분해된 소화 슬러지를 얻는 단계; 및
    (iv) 단계 (iii)에서 얻어진 적어도 부분적으로 탈수되고 가수분해된 슬러지를 소화하는 단계를 포함하며,
    상기 방법은,
    - 상기 소화 및 상기 1차 소화 동안에 형성된 바이오가스를 회수하는 단계; 및
    - 상기 바이오가스로부터 에너지를 생성하는 단계로서, 상기 열가수분해를 수행하는데 필요한 에너지를 생성하는 보조 단계와, 과잉 에너지를 생성하는 보조 단계를 더 포함하며,
    상기 바이오가스의 전체는 전기를 생성하는데 사용되는
    무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (iv)에서 얻어진 슬러지의 제 2 고-액 분리에 의해 제 2 수성 유출물 및 처리된 슬러지를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열가수분해는 20 내지 120분 동안에 120℃ 내지 180℃의 온도, 1 내지 20바아의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는
    무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열가수분해는 30분 동안에 165℃의 온도, 포화 증기압과 동일한 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는
    무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 소화 및/또는 상기 소화는 중온성 혐기성 타입(mesophilic anaerobic type)인 것을 특징으로 하는
    무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 소화 및/또는 상기 소화는 친온성 혐기성 타입(thermophilic anaerobic type)인 것을 특징으로 하는
    무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 소화 전에, 상기 슬러지를 해리(defibrate)하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는
    무부패성 슬러지 및 에너지를 제조하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하는 슬러지-처리 플랜트에 있어서,
    상기 플랜트는 입구 및 출구를 가지는 열가수분해 수단(16, 36) 및 상기 슬러지를 소화하기 위한 수단(10, 11, 30)을 포함하며,
    상기 소화 수단(10, 11, 30)은 슬러지 도입 수단(12, 31)과 연통하며, 상기 가수분해 수단(16, 36)의 상기 입구 및 출구는 상기 소화 수단(10, 11, 30)과 연통하고,
    상기 플랜트는, 상기 소화 수단(10, 11, 30)의 출구에 배치된 제1 고-액 분리 수단(13, 33)과, 상기 소화 수단(10, 11, 30)으로부터 나오는 바이오가스를 회수하기 위한 수단(20, 28)을 포함하며,
    상기 소화 수단은 전기를 생성하는 교류 발전기에 연결된 열병합 모터(21, 39)를 포함하는 증기 및 전기 생성 수단에 연결된 수집기(20, 38), 증기를 생성하는 공기-물 열교환기의 입구 내로 안내하는 배출 라인(22, 40), 및 상기 열가수분해 수단(16, 36)으로 증기를 이송하는데 사용되는 배관(27, 45)을 구비하는 바이오가스 회수 수단에 연결되는
    슬러지-처리 플랜트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소화 수단은 하나 이상의 입구 및 하나의 출구를 갖는 소화조(30)를 포함하며, 상기 출구는 상기 가수분해 수단(36)의 상기 입구와 연통하고, 상기 입구는 상기 가수분해 수단(36)의 상기 출구와 연통하는 것을 특징으로 하는
    슬러지-처리 플랜트.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 소화는 1차 소화조(10) 및 2차 소화조(11)를 포함하며, 상기 1차 소화조(10) 및 2차 소화조(11) 각각은, 입구 및 출구를 갖고, 상기 1차 소화조(10)의 입구는 상기 슬러지 도입 수단(12)과 연통하고, 상기 1차 소화조(10)의 출구는 상기 가수분해 수단(16)의 입구와 연통하고, 상기 2차 소화조(11)의 입구는 상기 가수분해 수단(16)의 출구와 연통하는 것을 특징으로 하는
    슬러지-처리 플랜트.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 고-액 분리 수단(13)은 12% 이상의 건조도를 획득가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    슬러지-처리 플랜트.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 2차 소화조(11)의 출구에 배치된 제 2 고-액 분리 수단(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬러지-처리 플랜트.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 소화조(30) 또는 1차 소화조(10)의 상류에 배치된 해리 수단(defibration means)(28, 46)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬러지-처리 플랜트.
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