KR20120130167A

KR20120130167A - 폐수 바이오솔리드의 개선된 소화방법

Info

Publication number: KR20120130167A
Application number: KR1020127017275A
Authority: KR
Inventors: 프레더릭 피. 무사리
Original assignee: 비씨알 엔바이런멘탈 코포레이션
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-11-29
Also published as: CN102884011A; US8663473B2; MX344608B; IL220557A0; WO2011079318A2; AU2010336346A1; EP2516337B1; IL220557A; BR112012018748A2; JP2013515600A; EP2516337A4; JP2016175064A; JP6342434B2; US20130015129A1; MX2012007494A; US9758401B2; AU2010336346B2; JP6306818B2; CA2785538C; AU2010336346A2

Abstract

폐수 슬러지의 생물학적 소화를 향상시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 호기성 또는 혐기성 소화의 효율을 가속시키고 개선하기 위하여 이산화염소를 사용한다.

Description

폐수 바이오솔리드의 개선된 소화방법{IMPROVED DIGESTION OF BIOSOLODS IN WASTEWATER}

본 발명은 생물학적 소화 프로세스를 개선하기 위한 시스템과 프로세스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 호기성 또는 혐기성 소화 과정에서 특정 유기체의 미생물 활성을 개선하기 위하여 이산화염소(chlorine dioxide)를 사용하는 방법과 관련되고, 병원체이거나 병원체가 아닐 수 있는 경쟁 유기체를 감소시켜 폐수를 처리하는 것과 관련된 것이며, 적합한 미생물 유기체로 대사에 이용되는 영양분을 생성하는 프로세스를 촉진하기 위하여 기질(유기 물질)의 세포벽을 기계적으로 변형하는 것과 관련된 것이다.

도시의 폐수를 처리하는데 있어서, 상당한 양의 분해성 유기 물질과 영양분을 포함하는 슬러지가 생산된다. 이 슬러지 케이크(sludge cake) 또는 바이오솔리드(biosolid) 물질을 유용하게 재활용하는 것이 전 세계적으로 이루어지고 있다.

폐수는 폐수처리 장치에 유입되어 들어간다. 상기 유입은 전형적으로 생물학적 영양분이 제거되는 형식으로 이루어지고, 솔리드(슬러지)는 특정 유형의 정화 또는 침전 단계에 의하여 액체(폐수)로부터 분리된다. 폐수는 여과, 소독될 수 있고 표층수로 흘려보내어 지거나 재활용될 수 있다. 슬러지 부분은 전통적으로 특정 유형의 안정화 프로세스로 이송되고, 분해성 유기 물질은 폐기를 위하여 부패되지 않은 바이오솔리드 물질로 분해된다. 미국에서 도시 슬러지를 안정화하는데 사용되는 가장 일반적인 프로세스들 중 3가지는 혐기성 소화, 호기성 소화와 퇴비화를 들 수 있다.

혐기성 소화 프로세스에서, 미생물은 진공 상태에서 슬러지의 생분해성 물질을 분해시킨다. 이 생물학적 분해의 최종 산물은 안정화된 바이오솔리드와 대개 메탄 및 이산화탄소로 이루어지는 바이오가스이다. 상기 프로세스에서 얻어지는 메탄의 양은 상기 프로세스에서 소모되는 슬러지의 생물학적 산소 요구량과 화학적 산소 요구량과 관련되어 있다.

슬러지의 탄수화물과 지질 성분은 쉽게 분해되는 반면, 단백질은 세포벽 내부에 포함되어 있으므로 내용물을 소화를 위한 영양분으로 용이하게 사용할 수 있기 위해서는 처음부터 세포벽을 파괴하여야 한다. 혐기성 소화의 프로세스를 촉진하기 위하여 슬러지의 전처리와 관련된 시도들이 있어왔다. 일예로 캠비^？프로세스(Cambi^？ process)(미국특허 제5,888,307호 및 제8,913,700호)는 영양분을 좀 더 용이하게 이용할 수 있도록 열 가수분해(고압 스팀)를 이용한다. 보다 선례로는 1940년대-60년대의 포토우스 및 짐프로 프로세스(the Portous and Zimpro processes)를 들 수 있다. 열 가수분해는 전형적으로 활성화된 슬러지의 온도를 135℃까지 상승시켜 1-2 주 동안 또는 더 높은 온도(185-200℃)에서 30분 동안 전처리하는 것과 연관된다. 슬러지 전처리 프로세스의 또 다른 예로는 세포막과 세포벽을 붕괴시키기 위하여 고전압(20-30 kV)의 펄스를 이용하는 오픈셀^？프로세스(OpenCel^？ process)를 들 수 있다. 또 다른 예로는 세포를 전단시키기 위하여 기계적 힘을 이용하는 것으로 세포벽과 세포막을 붕괴시키는 크라운^？분열(Crown^？ Disintegrater)을 들 수 있다. 상기 각각의 프로세스는 모두 자본과 운영비용이 많이 소요된다는 유사점이 존재한다.

발명자는 분해성 유기 물질을 바이오가스로 고수율 전환시켜 슬러지를 가수분해 또는 용해시키고, 저 자본 및 가동비용이 적게 들며, 측정이 가능한 개선된 방법을 이용하는 것이 바람직하다는 것을 인지하게 되었다.

본 발명은 추구하는 목적달성에 우월한 성능을 제공하고 자본과 가동비용을 최소화시킨다. 상기 결과는 이미 공지된 방법보다 확실한 경제적인 이점을 가진다.

발명의 요약

미생물 소화의 프로세스를 개선하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 폐수에 존재하는 분변 대장균과 종속 영양 박테리아 개체수를 줄이기 위하여 이산화염소를 사용하는 것을 포함한다.

폐수 처리의 생물학적 소화 프로세스에 있어서, 미생물은 생분해성 물질로 분해시키고, 호기성 소화의 경우에는 기질을 이산화탄소와 물로 전환시키며, 혐기성 소화의 경우에는 메탄과 이산화탄소로 전환시킨다.

1차 슬러지(raw sludge)를 소화 슬러지로 접종하는 것은 호기성 또는 혐기성 소화에서 모두 일반적으로 실시되는 것으로, 상용화된 접종원의 다수는 목적 달성을 위하여 다양한 바이오촉매 및 효소를 포함하여 사용될 수 있다. 이들 방법은 그 기능에 맞게 유기체의 보존 배양을 제공하는 반면, 본 발명자는 이들 유기체가 먹이 원을 위하여 경쟁하는 국면에 있다는 것을 알게 되었다. 특히 혐기성 소화의 경우, 분해율은 폐수 활성슬러지가 메탄생성균에 의하여 생물학적으로 이용 가능한 유형으로 가수분해되는 느린 속도에 의하여 제한된다.

본 발명자는 종래 방법보다 현저하게 우수한 경제적 이점을 제공하고 적합한 미생물에 의하여 소화를 증대시키는 것뿐만 아니라 소화에 관여하는 미생물을 보다 제어할 수 있는 이산화염소와 관련된 새로운 프로세스를 발명하였다. 소화 작용을 증대시키기 위한 이산화염소의 용도는 중요한 2가지 메커니즘에 의한다; 1) 그 기능상 더 적합한 특정 유기체를 갖는 시스템의 종균배양에 앞서 유해한 미생물의 개체수를 감소시키고, 2) 세포 용해를 유발하거나 촉진하기 위하여 기질 물질의 세포벽을 변형하여, 이로 인하여 미생물에 보다 영양분이 이용될 수 있도록 하는 것이다.

개선된 경쟁 배제의 이 방법은 소화 프로세스에 요구되는 시간과 에너지를 절감시키고, 혐기성 소화의 경우에 가스 생산이 증가되므로 막대한 이득을 가져온다. 기질 물질의 “조건”은 이 처리 프로세스에 따라 처리된 물질의 생물학적 산소 요구량 또는 기질 물질의 용해성 화학적 산소 요구량(s-COD)이 증가된 것과 퇴비화 처리에서 더 높은 온도에 도달하고 더 빠르게 온도가 증가한 것에 의하여 입증되었다.

일 구체예에 따르면, 본 발명은 1차 슬러지, 폐수 샘플 또는 생분해성 솔리드를 함유하는 그 밖의 다른 샘플을 수득하는 것과 관련된 프로세스에 관한 것으로, 상기 샘플의 미생물을 감소시키거나 제거하고, 바이오솔리드 물질의 세포벽을 붕괴시키기에 충분한 양의 이산화염소를 가하고, 이산화염소 처리된 샘플을 유익한 미생물의 접종물로 접종하고, 호기성 또는 혐기성 소화를 촉진하기 위한 조건하에서 접종된 샘플을 남겨둔다. 본 발명의 다른 구체예는 하기에서 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 구체예에 의하여 증가된 폐수의 s-COD를 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 특정 구체예로 기술된 WAS의 처리에 의하여 제조된 포스페이트의 증가를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 구체예의 초기 폐수 처리 시스템의 설계도를 도시한 것이다.

본 발명은 도시 슬러지 또는 바이오솔리드의 소화를 증가시키는 이산화염소를 이용한 신규방법에 관한 것이다. 일 구체예에서, 본 발명의 방법은 도시 바이오솔리드의 퇴비화(호기성 소화)를 가속화하기 위한 이상적인 조건을 제공할 수 있다. 다른 구체예에서, 본 발명은 전 처리되지 않은 바이오솔리드 대비 50% 이상으로 메탄 수율이 증가되도록 혐기성 소화를 촉진하기 위하여 이용될 수 있다.

첫 번째 구체예로서, 공지의 방법으로 탈수하기에 앞서, 폐수 활성슬러지에서 박테리아 농도를 감소시키기 위하여 이산화염소가 사용된다. 결과물인 바이오솔리드 케이크(cake)는 병원균 감소에 관한 미국 EPA 요건을 표준 B등급으로 만족하고, 퇴비화 프로세스에 적합하고 상업적으로 이용할 수 있는 박테리아 혼합물로 추후 종균 배양되며, 이 물질을 목재-폐기물 또는 재활용-폐기물로 혼합될 수 있다. 이 방법으로 처리된 바이오솔리드는 빠르고 경제적으로 표준 A등급으로 퇴비화될 수 있다.

퇴비화는 단식 퇴비화(Turned Windrow), 통기성 정체식 퇴비화(Aerated Static Pile)(개방형 또는 폐쇄형), 통기성 단식 고상배양(Aerated Turned Windrow Horizontal Agitated Bed) 또는 기계식 프로세스(ln-Vessel Processes)(다양한 유형)의 공지의 방법을 이용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되지 않는다. 그러나 바람직한 구체예로서, 일반적으로 150℉를 초과하지 않도록 공기를 퇴적물에 주입하여 온도를 조절하는 강제 통기성 정체식 퇴비화(forced-air static pile)방법으로 물질을 퇴비화시키는 것이 바람직하고, 이로 인하여 박테리아는 호기성 소화의 원인이 되거나 바이오솔리드의 유기 물질 분해는 호열성 범위(150°-176°F)의 온도에서 감소되지 않는다. 본 발명의 방법은 상기 구체예를 실시하는 경우, 초기에 투입되었던 이산화염소를 통하여 고산화-환원 포텐셜을 유지하는 결과(> +100 mV), 공격적인 악취의 형성을 방지하는 이점을 가진다. 그 후, 황 환원 박테리아의 활동을 방지하고 퇴적물에서 혐기성 조건을 방지하고 처리된 물질이 양의 범위(> 0 mV)에서 ORP를 유지하도록 퇴적물의 통기(aeration)가 이루어진다. 황 환원 박테리아는 -100 mV ORP 이하의 범위에서 가장 활성화된다.

이산화염소로 처리된 WAS는 그 후 종균 배양되고 퇴비화되며, 상기 처리 프로세스는 소화되지 않은 조건을 갖춘(conditioned) 바이오솔리드가 소화된 슬러지보다 고 휘발성 성분을 더 포함하고, 더 용이하게 분해하여 퇴적물이 더 높은 온도에 더 빠르게 도달하도록 하기 때문에 퇴비화 프로세스가 좀 더 빨리 일어날 수 있게 한다. 분변 대장균이나 그 밖의 병원균 또는 잠재적인 병원균 박테리아에 의한 먹이원 경쟁의 부족은 퇴비화 프로세스의 원인이 되는 유기체에 의하여 물질의 분해가 더 가속화된다. 이들 조건은 또한 프로세스가 진행되는 동안 바람직하지 않은 다른 유기체 또는 병원균의 잠재적 재성장을 경쟁적으로 배제하는 것을 제공한다.

표준 A 등급으로 퇴비화되는데 요구되는 감축된 시간은 프로세스에서 감소된 악취와 관련되며, 퇴비화 진행시 가용한 공간과 악취에 관한 문제 때문에 이와 같은 저비용의 선택을 전혀 고려하지 않았던 도시에 살아갈 수 있는 기회를 만들어준다.

또 다른 구체예에 따르면, 본 발명은 1차 슬러지, 폐수 또는 그 밖의 생분해성 솔리드를 포함하는 샘플을 확보하는 것을 포함하는 프로세스에 관한 것이다. 상기 샘플은 표준 B 등급을 만족하기 위하여, 분변 대장균의 농도를 감소시키고, 바이오솔리드 물질의 세포벽을 붕괴시키기에 충분한 양의 이산화염소를 가하고, 상기 이산화염소 처리된 샘플을 중온세균 및 호열성세균(또는 그 밖의 미생물) 및/또는 방선균과 같은 유익한 미생물로 접종하고 상기 접종된 샘플을 A등급 바이오솔리드의 샘플로 전환시키는 조건하에서 퇴비화된다. 일반적인 중온 박테리아는 예로서 리스테리아균(Listeria monocytogenes), 페슈도모나스 말토필리아(Pesudomonas maltophilia), 티오바실러스 노벨루스(Thiobacilius novellus), 스타필로코쿠스 아우레우스(Staphylococcus aureus), 스트렙토코쿠스 파이로젠스(Streptococcus pyrogenes), 스트렙토코쿠스 뉴모니아(Streptococcus pneumoniae), 에스케리치아 콜리(Escherichia coli), 및 클로스트라이디움 클루이베리(Clostridium kluyveri)를 포함하나 반드시 이에 제한되지 않는다. 일반적인 호열성 박테리아는 바실러스 스테아로테르모필루스(Bacillus stearothermophilus) 및 지너스 더머스(the genus Thermus) 박테리아를 포함하나 반드시 이에 제한되지 않는다. 다양한 호열성 균류로서 리조무코 퍼실리스(Rhizomucor pusilis), 채토미움 더모필(Chaetomium thermophile), 휴콜라 인솔렌스(Humicola insolens), 휴미콜라 라누기노서스(Humicola lanuginosus), 더모아스쿠스 아우라티아쿠스(Thermoascus aurabtiacus), 및 아스퍼길러스 푸미가투스(Aspergillus fumigatus)를 예시할 수 있다.

하기 처리방법으로 처리된 폐수 물질을 산화성 물질로 처리하고 의도된 미생물의 종균증식(또는 접종)하여 폐수 물질에서 미생물을 의도적으로 감소시키는 것과 관련된 본 발명에서 교시된 내용을 갖춘 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 혐기성 소화, 호기성 소화, 또는 퇴비화에 상관없이 처리된 폐수 물질에 접종되는 미생물의 최적 조합을 결정할 수 있을 것이다.

도시의 퇴비화에 대한 주요한 방해물은 가동을 위한 시간/공간의 요건과 프로세스 진행 중 발생하는 악취를 들 수 있다. 본 발명의 구체예의 이점과 특징으로 이들 방해물은 극복될 수 있다:

°이산화염소의 사용은 바이오솔리드의 박테리아 농도를 감소시킨다. 이것은 퇴비화 프로세스에서 유용한 미생물의 영양분을 위한 경쟁을 감소시킨다. 왜냐하면 이산화염소는 반응성이 높아서 빠르게 감소하므로 퇴비화 프로세스를 방해하는 소독을 잔류시키지 않기 때문이다.

°이산화염소의 예비적인 물질에 대한 사용은 어느 정도 세포 용해를 유발할 수 있다. 이것은 물질이 퇴비화 프로세스를 촉진하는 유익한 미생물로 더욱 용이하게 사용될 수 있도록 한다.

°이산화염소의 사용은 초기에 악취 또는 퇴비화 프로세스에 사용되는 보존(stock) 물질을 감소시킨다. 이것이 대부분의 설비들이 퇴비를 만들지 않는 주요 이유이다.

°보존 원으로서 소화되지 않은 슬러지의 용도는 그것이 미생물의 식량으로 제공한다는 점에서 유용하다. 퇴적물의 온도는 전형적으로 소화되지 않은 슬러리에서 더 높게 나타난다. 이것은 악취가 프로세스를 이용불가능하게 하므로 이산화염소 없이는 실제적으로 이루어질 수 없다.

°소화(퇴비화)의 증가된 속도는 프로세스가 작동되기 위하여 가용되어야 하는 시간과 공간이의 양에 중요한 영향을 주었다.

°기계식 퇴비화(in-vessel)는 악취를 더욱 감소시키고 차가운 기후에서 프로세스의 이용이 가능하도록 한다.

°이 프로세스의 운영비용은 표준 A등급 바이오솔리드를 생산하는 종래 기술에 비하여 실질적으로 비용을 더 낮출 수 있다.

이산화염소는 국제특허공개 제WO2010/126548호 및 PCT/US10/59208호와 같은 종래기술에 의하여 제조될 수 있다. 폐수처리 시스템과 함께 폐수 샘플을 처리하기 위한 하나의 시스템이 미국특허출원 제61/328,383호에 기술되어 있다. 도 3을 참고하여 요약하면, 폐수(108)는 처음 헤드워크(110)으로 유입되고 그 후 생물학적 처리 장소(115)로 이송된다. 생물학적 처리 장소(115)는 주요하게 영양분이 감소된 폐수 샘플(116)을 생산하기 위해서 폐수에서 영양분 (및 저 함량의 바이오솔리드가 결합된 영양분)과 분리된 바이오솔리드를 제거하는 기능을 한다. 영양분이 감소된 폐수 샘플(116)은 정화조(120)로 이송되고, 상기 영양분이 감소된 폐수 샘플(116)은 유입 구성요소(121)와 WAS 구성요소(122)로 분리된다. 상기 유입 구성요소(121)는 폐기된다.

WAS 구성요소(122)는 콘딧(conduit)(124)으로 이송되고 산화 처리 구역(125)에 지배를 받게 된다. 상기 산화 처리 구역(125)은 산화 처리 구역과 유동적으로 연결되는 현장의 산화 발전기(127)에 의해서 공급된다. 콘딧(124)은 이와 결합되거나 분리될 수 있는 산화성 물질 관리 구성 요소(143)를 포함하고, 상기 화학적 산화성 물질은 제어된 방식으로 WAS를 관리된다.

하나의 구체예로서, 산화성 물질의 처리에 있어서, WAS(123)는 가압 벨트 여과기 또는 원심분리기와 같은 탈수장치(140)로 이송되고, 12-30 퍼센트의 바이오솔리드를 포함하는 농축된 바이오솔리드 샘플(141)을 수득하기 위하여 더 많은 물이 WAS로부터 제거된다. 탈수 장소(140)에 앞서 수득된 상기 농축 바이오고형물 샘플은 산화성 물질의 첨가에 의하여 높은 ORP를 가진다. 그 후 탈수과정을 거쳐 탈수된 바이오솔리드가 A 등급의 바이오솔리드로 이루어지도록 퇴비화될 수 있다.

또 다른 구체예에 따르면 산화성 물질의 처리에서 WAS(123)는 오수탱크(210)로 이송된다. 상기 처리된 WAS는 산화성 물질의 처리에 의하여 일어나는 세포의 파괴가 이루어지도록 일정 시간동안 조건을 갖추게 한다. 이것은 1, 2, 3, 4, 5, 6 또는 그 이상의 시간동안 일어 날 수 있다. 전형적으로 상기 컨디셔닝 시간은 오수탱크에서 6 내지 24시간 동안일 수 있다. 조건화된 시간에서 상기 조건을 갖춘 WAS는 소화조(184)로 이송된다. 상기 소화조(184)는 혐기성 또는 호기성 소화를 실행한다. 메탄 생성을 위한 혐기성 소화의 과정에서 상기 조건을 갖춘 WAS는 용해성 화학적 산소 요구량을 높이고, 설비는 공급된 슬러지의 어떠한 주어진 부피에서도 메탄생성을 증가시킨다. 상기 산화성 물질의 처리는 개선된 소화를 촉진하기 위하여 유익한 미생물이 WAS에 다시 투입될 수 있다. 소화를 위한 미생물은 종종 고세균류로 언급되는 초산생성균 박테리아 및/또는 메탄생성균을 포함한다.

폐수 처리 프로세스

검사 및 생물학적 처리

폐수 처리 프로세스는 다수의 연속적인 단계로 구성된다. 전형적으로, 폐수는 헤드워크에서 폐수 처리 설비로 유입된다. 상기 헤드워크는 폐수 처리 설비에서 주요 그릿(grit)과 외부 물질을 제거하는 기능을 한다. 헤드워크로부터 폐수는 생물학적 처리 단위(BTU)(즉, 산화성 물질 배수로, 연속적 배치 반응기, 멤버 생물반응기 등)의 형태로 이송된다. BTU에서 영양분이 폐수로부터 제거된다. 전형적으로, 폐수 처리 프로세스에서 생물학적 영양분의 제거되는 동안 미생물의 성장은 생물학적 플록을 형성하고 폐수 흐름의 솔리드와 액상 구성 요소가 분리되도록 한다. 건강한 슬러지는 갈색의 플록이며, 대개 사프로트로픽(saprotrophic) 박테리아로 구성될 뿐만 아니라 아메바(amoebae), 스피로트리치(Spirotrichs), 보티셀리드(Vorticellids)를 포함하는 페리트리치(Peritrichs)와 다른 여과 공급 종들의 범위로 주요하게 구성되는 중요한 원생동물 식물군을 갖는다. 또한, 상기 폐수는 BTU에서 통기된다. 영양분의 함량을 감소시키기 위하여 유기체를 통기와 함께 조합하여 폐수에 가하는 것을 “생물학적 처리”라 일컫는다.

정 화

검사 및 생물학적 처리 후, 상기 폐수와 축적된 유기 물질은 정화 프로세스로 보내어진다. 정화에서 물 또는 폐수가 솔리드 또는 바이오솔리드로 불리는 유기물질과 분리된다. 처리되지 않은 오수 폐수가 생물학적 처리와 정화된 후, 상기 바이오솔리드 샘플은 폐수 활성화 슬러지(WAS: waste activated sludge)로 간주된다. 이 같은 관점에서 상기 바이오솔리드는 전형적으로 몇 가지 유형으로 소화된다.

소 화

정화 후에 축적된 WAS는 안전하고 효율적인 방식으로 처리되고 처분되어야 한다. 소화의 목적은 유기 물질의 함량을 감소시키고 솔리드에 존재하는 감염 유발 미생물의 개체 수 및 물질에서 분해 가능한 유기물을 감소시키는 것이다. 가장 일반적인 처리 방법은 혐기성 소화와 호기성 소화를 포함한다.

혐기성 소화는 산소가 존재하지 않는 조건에서 실행되는 박테리아 프로세스이다. 상기 프로세스는 55°C 온도 탱크에서 발효된 슬러지로서 호열성 세균의 소화이거나 38°C 온도의 중온세균의 소화일 수 있다. 좀 더 짧은 체류 시간을 가지게 하고 따라서 탱크 크기도 더 작으나, 호열성 세균 소화는 슬러지에 가열하는 에너지 소모의 관점에서 비용이 더 많이 든다.

혐기성 소화는 정화조에서 생활하수의 가장 일반적인 (중온세균) 처리이며, 보통 하수를 하루 내지 이틀 정도 체류시킨 후 B.O.D.를 35 내지 40% 정도로 감소시키는 것이다. 이와 같은 감소는 정화조에 ‘호기성 처리 유닛’(Aerobic Treatment Units :　ATUs)을 설치하여 혐기성 및 호기성을 조합하여 증가될 수 있다.

호기성 소화는 산소의 존재 하에 일어나는 박테리아 프로세스이다. 호기성 조건하에서, 박테리아는 빠르게 유기물을 소모하고 그것을 이산화탄소로 전환시킨다. 소요되는 가동비용은 호기성 소화의 경우 더 많이 드는 것을 특징으로 한다. 왜냐하면 송풍기, 펌프, 및 모터에서 사용되는 에너지와 프로세스에서 필요로 하는 산소가 추가로 요구되기 때문이다.

탈 수

정화 및 그 밖에 후 처리 단계로 WAS는 유용하게 재활용되기 전에 탈수될 수 있다. WAS는 대개 3-5 퍼센트의 고형물이고 이 물질로부터 물을 제거하는 것은 중량, 추가적인 처리, 폐기, 또는 재활용의 비용을 감소시키는 것이 중요하다. 바이오솔리드를 탈수하기 위하여 가압 벨트, 원심분리기 및 그 밖의 장치들을 포함하는 다양한 기술들이 도입되었다.

산화 환원 전위( ORP ): 산화환원전위(또한 레독스 전위, 산화/환원 전위 또는 ORP로 알려져 있음)는 필요한 전자 및 그로 인한 환원에 관한 화학적 종(種)의 경향을 측정한 것이다. ORP는 볼트(V) 또는 밀리볼트(mV)로 측정된다. 각 종은 고유한 본연의 환원전위를 가진다; 전위가 더 양성일수록 그 종의 전자에 대한 친화도가 더 커지며 환원되는 경향이 있다. 다른 생물학적 프로세스는 다른 조건 또는 ORP 범위에서 일어난다. 예를 들어, 메탄 생성 미생물 박테리아는 매우 낮은 ORP(대략 -300mV)에서 기능을 발휘한다. 황 환원 박테리아는 약 -50 내지 0 rnV ORP 수준에서는 기능이 잘 발휘되지 않는다. 이산화염소가 완전히 환원된 후 ORP의 급격한 감소가 혐기성 소화와 함께 실제로 메탄 생성을 촉진시킬 수 있고, ORP의 상승은 이산화염소 투입과 양성 mV 범위에서 ORP를 유지하기 위한 차후의 통기에 의하여 유발될 수 있고, 이것은 퇴비 퇴적물과 호기성 소화 또는 퇴비화 하는 동안 황 환원 박테리아의 활동에서 증가하는 혐기성 조건을 방해할 수 있다.

백만분율 ( PPM ) : 백만분율은 희석된 물질의 농도를 표현하는 방법이다.

퍼센트가 100을 기준으로 하듯이, 백만분율 또는 ppm은 100만을 기준으로 하는 것을 의미한다. 대게 물 또는 토양에서 어떤 물질의 농도로 기재된다. 1 ppm은 물의 리터당 어떤 물질의 1 밀리그램에 상당하는 것(mg/l)이거나 토양의 킬로그램 당 어떤 물질의 1밀리그램에 상당한다(mg/kg).

실시예

실시예 1

도시 슬러지의 병원균과 종속영양의 박테리아 개채수를 감소시키기 위한 이산화염소의 이용은 평가되었다.

소화되지 않은 폐수의 슬러지를 이산화염소로 처리하는 것은 15분 이하의 접촉시간 동안 표준 B 등급보다 더 낮은 수준{분변 대장균 2,000,000 이하)으로 분변 대장균 농도가 감소하여 소화되기 전에 이 물질이 표준 B 등급 병원균 감소의 요건을 충족시키게 한다. 결과물인 바이오솔리드 케이크는 악취를 갖지 않는다. 이산화염소의 함량을 변화에 따른 분변 대장균 감소에 관한 실시예를 표 1에 기재하였다.

[표 1] 2차 슬러지 전체-스케일 테스트 결과

상기 테스트에서, 이산화염소는 현장에서 제조되었고, 100 gpm 슬러지 흐름에 직경 4인치 파이프를 경유하여 다양한 농도로 주입되었다. 파이프 길이는 물질을 탈수하기 전에 슬러지와 이산화염소 사이에 10분의 접촉시간을 허용하기에 충분하였다.

최소비용으로 B 등급 바이오솔리드를 생성하고 악취를 감소시키는 것은 다수 설비들에 완벽하게 부합하면서, 본 발명은 도시에 다양한 부가적인 기회를 제공한다. 이 방법에 의하여 처리된 WAS는 빠르고 경제적으로 표준 A등급으로 퇴비화될 수 있다. 탈수 후, 이 방법으로 처리된 바이오솔리드는 적합한 미생물로 접종시켜 배양하였고 케이크를 건조시키기 위하여 건조 베드에 놓았으며 또는 재활용 폐수(green-waste)와 혼합하였다. 바이오솔리드는 그 후 단식 또는 통기성 정체식 방법으로 퇴비화 되었다. 분변 대장균이 감소되어 퇴비화가 가속되는 적절한 환경이 조성된 후 적합한 미생물로 종균 배양하였다. 기계식 퇴비화(통기성 정체식 방법의 변형)는 악취를 감소시키고 더 용이하게 프로세스 변수들을 제어할 수 있도록 한다. WAS의 사용은 소화되지 않은 조건화된 바이오솔리드가 더 빠르게 분해되므로 퇴비화 프로세스를 빠르게 진행시키고 퇴적물이 더 높은 온도에 더 빠르게 도달된다.

퇴비화 프로세스에서 활성화된 미생물의 개체들은 다수의 포자생성균(non-spore forming bacteria)뿐만 아니라 현존하는 스트렙토미세스(Streptomyces) 및 바실러스 종(Bacillus species)의 혼합물과 함께 어느 정도 다양하게 존재한다. 포자생성균은 전형적으로 낮은 온도(55℃ 이하)에서 존재한다. 바실러스 종 다수는 55 내지 69℃의 온도에서 존재한다.

퇴비화 프로세스의 분해 또는 소화율이 80℃를 초과하는 온도에서는 퇴비화의 원인이 되는 미생물을 비활성화시키므로 부정적인 영향을 미친다. 병원균이 비활성화되기 시작하는 온도(55℃)에 빠르게 도달시키는 능력과 그 후 통기성 정체식 퇴비화 방법을 이용하여 온도를 제어하는 것에 의하여, 온도가 기질 물질의 생물학적 분해의 원인이 되는 박테리아를 비활성화시키기 않게 되므로 도시 바이오솔리드를 퇴비화시키는 다른 어떤 방법보다도 현저한 이점을 제공한다.

실시예 2

본 발명의 제2실시예에서, WAS는 제1실시예보다 동일한 또는 더 높은 함량으로 처리될 수 있고, 접촉시간이 더 연장되었으므로, 그 결과, 산화, 세포 분해, 및 새포 내 물질의 방출되는 정도가 크고, 그로 인하여, 영양분의 가용성이 높아져 미생물의 활성화도가 현저히 증대된다. 보다 구체적으로, 이산화염소의 투입량은 50 내지 150mg/L이고 슬러지는 24시간동안 체류한다. 슬러지에서 이산화염소가 산화되므로 아염소산이 되어 감소한다. 아염소산은 또한 산화성 물질이고 유기 물질과 접촉하게 되므로 더욱 감소하게 된다. 결과적으로 슬러지는 박테리아의 먹이 원으로서 현저히 많은 양의 생물학적 이용 가능한 물질을 포함하게 된다. 그러나 소독 특성을 가지는 잔여물은 가지지 않는다. 본 실시예는 메탄생산의 실질적인 증가가 극히 낮은 비용으로 실현될 수 있으므로 후속 소화 프로세스가 혐기성인 경우 특히 중대한 영향을 미친다.

소화되지 않은 폐수 슬러지를 용해하기 위하여 이산화염소로 처리하는 것과 영양분을 생물학적으로 이용할 수 있게 하는 것과 그 후 이산화염소 잔류물이 감소하면 이들 물질을 고정된 혐기성 소화조에 공급하는 것은 혐기성 소화에서 가스(메탄) 생산을 개선한다. 메탄 생성을 위하여 일반적으로 허용되는 기준은 35℃에서 COD가 소모되는 kg당 메탄 0.25kg이다. 1 kmol의 메탄은 중량 16kg에 상응한다. 당량의 정의에 있어, 메탄의 1kmol에 상당하는 COD는 완전히 산화되는데 요구되는 산소의 질량으로서 하기식에 따른다:

상기 2O₂의 질량은 산소 2kmol 또는 64kg이다. 그러므로 요구되는 64kg의 산소는 메탄 16kg에 상당하고, 또는 요구되는 산소 1kg(COD)은 메탄 16/64=0.25kg에 상당한다.

도 1은 이 프로세스의 결과를 보여주는 것이고, 그 결과, 다양한 투입률과 시간에 따른 용해 화학적 산소 요구량(s-COD)이 증가된 것을 알 수 있다. 폐수 활성슬러지(WAS)는 cBOD만 제거되고 순수한 산소시스템이 사용된 지역 도시 WWTP로부터 얻어진다. 유사한 실험조건을 만족하고 선행하는 파일럿 단위의 실험과 일치되기 위하여, 솔리드 농도는 약 7g/L로 조정되었다. 3개의 소화조가 설치되었고 100, 150, 및 200mg/L의 이산화염소를 각각 투입하여 처리하였다. 소화조는 24시간 가동되었다. 샘플들의 상이한 접촉시간을 나타내기 위하여 10분, 1시간, 6시간, 12시간, 및 24시간 간격으로 채취가 이루어졌다.

용해성 COD의 증가는 슬러지의 전체 COD 농도의 10-11%를 나타내고, 용해성 COD에서 2000% 증가된 것을 나타낸다. 본 발명자는 s-COD가 높을수록 메탄 생성 능력이 더 높아진다는 것을 알게 되었다. 혐기성 소화의 증가로 인하여 메탄 생성이 증가되었다는 결과는 이 방법을 이용 시 50% 이상 더 증가된 것으로 측정되었으며, 전처리가 되지 않은 WAS 보다 100% 또는 그 이상일 것이라고 예측되었다. 시설은 포집된 바이오가스를 열(~600 BTU/ft³) 또는 발전용으로 사용할 수 있으며, 경제적 효과는 막대하다고 할 것이다.

접촉시간은 이산화염소의 투입량보다 용해성 COD 농도(도 1)의 증가에 더 중요한 영향을 미친다는 사실을 알게 되었다. 최장 접촉시간이 24시간인 경우, 이산화염소 투입량을 100 에서 150, 200mg/L로 각각 증가시켰을 때, 용해성 COD 농도는 913에서 984, 965mg/L로 각각 증가하였다. 이것은 이산화염소 접촉시간이 WAS 용해에 있어서 중요한 열쇠인 것을 확인시켜주는 것이다. 증가된 용해성 COD 농도는 상당히 중요한 TCOD의 10 내지 11%로 표현될 수 있다. 접촉시간을 8시간으로 했을 때 용해성 COD 농도는 24시간일 때의 용해성 농도의 대략 55 내지 66%인 것으로 측정되었다. 이것은 이산화염소 처리에 의한 급속한 WAS 용해는 초기 6시간동안 일어나는 것을 제안하는 것이다. 용해성 COD의 증가는 상이한 이산화염소 처리 투입량으로 4-6%의 휘발성 솔리드를 분해하는 것에 상당한다.

도 2에서 보듯이 모든 이산화염소 처리에서 암모니아(NH₄)는 3-5.2mg N/L 증가한 것으로 측정되었다. 이것은 중요하지 않은 것으로 간주된다. 인산염(PO4)의 증가는 훨씬 높게 증가하였고 24시간 후 16 내지 28.3 mg P/L에 상당하였다. 질소보다 더 증가된 인 성분은 미결합 오르토인산염 PO⁴ ^-를 방출하여 세포벽을 파괴시킴으로서 이산화염소 처리에 기여할 수 있다. 유기 질소(아미노산) 및 효소의 형태로 존재하는 세포의 질소 성분은 유기 질소에서 암모니아 질소로 전환되는 것이 요구된다. 이산화염소 처리에 의한 낮은 pH는 효소 활동을 비활성화시킬 수 있으므로 NH₄-N이 증가하지 않거나 약간 증가한 것으로 측정되었다.

실시예 3

소화되지 않은 슬러지를 이산화염소로 처리하고, 혐기성 조건에서 그 물질을 적합한 유기체로 접종하여 배양하는 것은 바이오가스 생산을 개선할 수 있다. 이 방법은 별도로 수소를 제조하는 프로세스와 조합하여 사용하거나 전형적인 혐기성 소화의 메탄생성반응에 앞서 확보된 수소와 조합하여 사용 시 동일한 이익을 가질 수 있다. 수소 생산의 일예로서 수소 가스를 생성하기 위하여 생체 전위적으로 조력된 미생물 반응기와 조합하여 사용될 수 있다. 이 반응기의 일예로는 미국특허 제7491453호를 들 수 있다. 그러므로 본 발명의 또 다른 구체예로서, 본 발명은 1차 슬러지, 폐수 또는 그 밖의 생분해성 솔리드를 포함하는 샘플을 확보하여 수소가스를 생성하는 방법을 포함하고, 상기 샘플에 샘플의 미생물을 감소시키거나 제거하거나 바이오솔리드 물질의 세포벽을 붕괴시키기에 충분한 양의 이산화염소를 가하고, 이산화염소 처리된 샘플을 혐기성 조건하에서 유익한 미생물인 접종물로 접종하고, 상기 접종된 샘플을 생체 전위적으로 조력된 혐기성 소화 또는 수소가스를 생성하는 유사한 방법을 촉진시키는 조건하에 두고, 상기 생성된 수소 가스를 수집한다.

여기에 참조된 모든 특허, 특허출원, 특허공개, 기술적 공개, 과학적 공개, 및 그 밖의 참조 문헌은 본 발명이 속하는 기술분야를 좀 더 완벽하게 기술하기 위한 것으로 본 발명에 일체로서 포함된다는 것을 명심하여야 한다.

특히 완충액, 배지, 시약, 세포, 배양조건 등 또는 이들의 하위개념에 관한 참조는 제한되어 해석되지 않으나, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 논의된 특정 문맥에서 관심 있거나 중요한 사항으로 인지되는 모든 관련 물질을 포함하여 이해되어야 한다. 예를 들면, 하나의 완충 시스템 또는 배양 배지는 다른 것으로 용이하게 치환될 수 있고, 상이하지만 공지된 방법을 이용하여 제시된 방법, 물질 또는 구성의 이용으로 동일한 목적을 달성할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 모든 기술적 과학적 용어는 여기에서 정의되지 않았지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 자명하게 이해되는 의미와 동일한 것으로 간주된다. 또한, 본 발명에 적용된 기술은 다르게 정의되어 있지 않다면 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있는 것으로 본다. 여기에서 기술되고 청구된 본 발명을 보다 확실하게 이해를 돕기 위한 목적으로 하기 정의가 제공된다.

본 발명의 명세서상 다수 구체예가 제시되고 기술되어 있으나, 그와 같은 구체예는 예시에 불과하며 이에 제한되어 해석되지 않는다. 본 발명과 상당히 크게 벗어난 기술이 아니라면, 본 발명은 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형, 변화 및 치환이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 타 출원이 본 발명의 교시 내용으로부터 동등한 이익을 향유할 수 있으므로, 본 발명은 여기에서 기술된 최선의 방법에 제한되지 않는다. 또한, 청구항에서 기능식 청구항과 단계식 청구항의 절은 구조 및 작용을 각각 포함하는 것으로 간주되고, 한정된 기능을 수행하고, 구조적 상당물 또는 행위에 상당하는 것뿐만 아니라 동등한 구조 또는 동등한 행위가 각각 여기에서 기술되었다. 따라서, 이와 같은 모든 변형은 관련법의 해석에 따라 하기 청구항에서 정의된 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims

폐수 활성슬러지 WAS 샘플을 수득하고;
처리된 WAS 샘플을 제조하기 위하여, 상기 WAS 샘플을 10분 이상 접촉하도록 이산화염소를 상기 WAS 샘플에 투입하고;
상기 처리된 WAS 샘플을 혐기성 또는 호기성 소화시키는;
단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제1항에 있어서, 상기 접촉시간은 6시간 또는 그 이상이고, 상기 처리된 WAS 샘플은 혐기성 소화 배양기에서 혐기성 소화가 이루어지고, 그로 인하여 메탄이 생성되는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제1항에 있어서, 상기 처리된 WAS 샘플은 탈수된 케이크 물질을 제조하기 위하여 탈수되고, 상기 탈수된 케이크 물질은 퇴비화를 거쳐 호기성 소화의 목적으로 미생물을 함유하는 접종물로 접종시키는 것을 더 포함하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제3항에 있어서, 상기 탈수된 케이크 물질은 퇴비화에 전에 목재-폐기물 또는 재활용-폐기물로 혼합되는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제3항에 있어서, 상기 탈수된 케이크 물질은 퇴비화를 거쳐 호기성 소화되는 것을 더 포함하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제3항에 있어서, 상기 접종 단계는 존재하는 퇴비 퇴적물로부터 상기 탈수된 케이크 물질로 침출액을 관리하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제1항에 있어서, 상기 투입은 배양기에서 6 내지 24시간 동안 접촉 시간의 조건을 만족하도록 상기 WAS 샘플을 이산화염소에 투입하는 것을 포함하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제1항에 있어서, 상기 두입 단계는 WAS를 정화조에서 오수탱크로 이송하는 콘딧(conduit)에서 일어나고, 상기 콘딧은 정화조와 체류탱크 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
폐활성 슬러지 WAS 샘플을 수득하고;
처리된 WAS 샘플을 제조하기 위하여 이산화염소를 상기 WAS 샘플에 투입하고;
탈수된 바이오솔리드 샘플을 제조하기 위하여 상기 처리된 WAS 샘플을 탈수하고; 그리고
호기성 조건하에 상기 탈수된 바이오솔리드 샘플을 퇴비화하는;
단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제9항에 있어서, 상기 퇴비화는 A 등급의 바이오솔리드 샘플을 생성하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
a. 바이오솔리드를 포함하는 폐수를 처리하기 위한 생물학적 처리 유닛;
b. 상기 폐수로부터 폐활성 슬러지(WAS)를 제조하기 위하여 물을 제거하기 위한 정화조;
c. 상기 정화조로부터 WAS를 이송하기 위한 제1 콘딧;
d. 처리된 WAS를 제조하기 위하여 이산화염소를 상기 WAS로 전달하기 위한 상기 콘딧과 유동적으로 연결된 이산화염소원;
e. 상기 콘딧과 유동적으로 연결되고, 조건화된 WAS를 생산하기 위하여 미리 정해진 시간동안 처리된 WAS를 보유하도록 크기와 치수가 맞춰진 오수탱크; 및
f. 상기 오수탱크와 유동적으로 연결되고, 메탄 가스를 생성하기 위해서 상기 조건화된 WAS를 소화시키는 혐기성 소화조;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐수처리 시스템
제11항에 있어서, 상기 소화조와 유동적으로 연결된 탈수 탱크를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 처리된 WAS 샘플을 혐기성 소화에 적합한 미생물을 함유한 접종물로 접종하는 것을 더 포함하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제1항에 있어서, 상기 처리된 WAS는 처리되지 않은 WAS에 비하여 휘발성 솔리드의 감소가 빠르게 이루어지는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.
제14항에 있어서, 상기 처리된 WAS는 처리되지 않은 WAS에 비하여 반클리크(VanKleek) 방법에 의하여 측정하였을 때 휘발성 솔리드의 가속된 감소가 최소 38%를 달성하는 것을 특징으로 하는 도시 슬러지의 소화 개선 방법.