KR20130041087A - 영양분 회수 시스템 및 방법 - Google Patents

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크레이그 프리어
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디브이오, 아이엔씨.
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Abstract

폐 섬유상 물질의 혐기성 소화 및 영양분 회수를 위한 방법, 시스템 및 기구가 제공된다. 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 혐기성 소화조 배출물로부터 용존 기체를 배출하는 메커니즘을 제공한다. 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 온도범위, 폭기 속도, 폭기 시간, pH 범위 및 침전시간을 이용하여 혐기성 소화된 배출물로부터 하나 이상의 영양분을 회수할 수 있다.

Description

영양분 회수 시스템 및 방법{NUTRIENT RECOVERY SYSTEMS AND METHODS}
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 분뇨 처리 및 영양분 회수를 위한 폐기물 처리 시스템에 관한 것이다. 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 탄소 및 영양분 관리 도구에 관한 것이다.
가축제한시설은 심각한 환경적 우려와 인체 건강 관련 우려를 야기할 수 있는 많은 양의 동물 폐기물을 발생시킨다. 예를 들어, 유기물, 질소, 인, 병원균 및 금속과 같은 동물 폐기물 성분은 수질, 공기 질을 저하시킬 수 있고, 인체 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 유기물은 많은 양의 생분해성 유기물을 함유하여, 표층수로 배출되면 용존 산소를 두고 경쟁하여 이용할 수 있는 제한된 양의 용존 산소를 고갈시켜, 어류를 죽게 하고 기타 바람직하지 못한 영향을 미친다. 마찬가지로, 질소와 인에서 오는 영양분은 표층수의 부영양화로 이어질 수 있다.
전 세계의 연간 유기 폐기물 축적량은 어마어마하다. 미국에는 대략 450,000개의 동물사육시설(Animal Feeding Operations, “AFOs”)이 있다. 일반적인 AFO의 유형으로는 낙농장, 가축 사육장(cattle feedlot) 및 가금류 사육장을 포함한다. 젖소 한 마리는 매일 약 120파운드의 젖은 분뇨를 생산한다. 젖소 한 마리가 매일 생산하는 폐기물은 20~40명의 사람이 생산하는 폐기물과 동일하다. 적절히 보관되고 이용된다면, 동물사육시설의 분뇨는 소중한 자원이 될 수 있다.
혐기성 소화조 기술은 재생 가능한 열과 전력의 공급원을 생산하면서, 폐기물 안정화, 악취 감소, 병원균 제어 및 온실가스 포획 및 완화를 통해 환경적 우려를 경감시킬 수 있는 분뇨 관리 기술이다(US-EPA, 2005). 미국 낙농장의 혐기성 소화조 채택이 늘어나고 있지만, 여전히 그 속도는 느리고, 낙농장의 기후 영향력을 2020년까지 25% 줄이기로 하는 미국과 미국의 낙농산업 간 협정을 충족하기에는 그 수가 불충분하다(USDA, 2010). 혐기성 소화조 기술의 채택에서 중요한 우려는 혐기성 소화조 장치가 영양분을 회수하지 않는다는 사실에 있다. 낙농업을 하는 상업적 동물 사육시설(Commercial Animal Feeding Operations, CAFOs)이 각각 36%와 55%의 질소 과부하와 인 과부하를 경험하기 때문에 이것은 중요하다(USDA-APHIS, 2004).
잠재적인 농장 과부하의 영향은 많은 공기 질과 수질 위협으로 나타난다. 높은 농도의 암모니아는 악취를 유발할 수 있으며, 다른 공기 성분들과 상호작용하여 인체 건강에 치명적인 입자성 물질(PM2.5)을 생산할 수도 있다(US-EPA, 2004). 미국 농업은 질소를 기초로 한 비료에 의존하며, 질소를 기초로 한 비료는 질소를 고정하는 하버 공정에서 암모니아를 생산하기 위한 수소의 제1 공급원으로 결국 천연가스에 의존한다. 분명히, 분뇨 폐기물 스트림에 존재하는 것과 같은 기존의 충분히 이용되지 않는 형태의 질소를 모아 농축할 수 있는 기술 또는 메커니즘은 무기 비료 생산에 존재하는 우려를 줄이는 데 중요한 역할을 할 수 있다.
수질 내에서, 침출 및 과도한 토지 응용은 질소와 인 화합물을 지면과 표층수로 운반할 수 있다. 이온성 암모니아와 그의 무기 유도체인 아질산염과 질산염은 인간과 수생 동물 모두에게 해로운데, 암모니아는 어류에 독성을 나타내고, 아질산염은 알려진 발암물질이며, 질산염은 청색아 증후군(blue baby syndrome)과 임신 시 유산을 유발할 수 있다(WS-DOH, 2005).
인은 오랫동안 수역 부영양화의 주요 기여자로 연루되어 왔다. 최고 수준의 인에 관한 우려는 질소 비료의 에너지 비용과 관련된 우려보다 잠재적으로 더 크다. 여러 보고서에서 바위의 인광염 비축량이 향후 50~100년 동안 고갈될 수 있음을 보여주었다. 게다가, 공급원은 소수의 특정 국가에 구속될 것이며, 제품 품질은 저하되고 추출 비용은 증가하고 있다(Smil, 2000). 전형적으로 작물 시비에 필요한 정상 비율보다 2배 내지 3배의 인:질소 비율을 함유하는 동물 분뇨로 상업적 동물 사육시설(CAFOs)이 밭에 인을 부하하는 문제를 고심하는 이유는 당연하다. 그러나 CAFOs에서 이용할 수 있는 것과 같은, 농축된 인과 질소의 공급원은 재활용되는 인을 위한 실행 가능한 공급원을 대표할 수 있으며, 경제적으로 실행 가능한 기술이 상업화될 수 있다면, 그것은 잠재적으로 이용 가능성과 수요에 관한 우려를 지연시킬 수 있다.
이러한 환경적 위협은 농장으로부터 영양분을 농축하고 수출할 수 있는 영양분 회수 기술 도입을 통해 부분적으로 감소시킬 수 있다. 영양분 회수는 또한 바이오 기반 비료의 폭넓은 채택을 허용하여, 화석 연료 기반 비료에 대한 수요의 적어도 일부, 그리고 그 생산과 관련된 기후적/환경적 우려 전부를 대체할 수 있다.
몇몇 전통적인 폐수 기술이 인간 및 산업용 폐수로부터 영양분 제어 및 회수를 위해 존재하지만, 이러한 기술은 비용 효율적이지 않거나 농장 환경 내의 분뇨에 적용되는 경우에는 신뢰할 수 없다. 따라서 혐기성 소화조 폐기물로부터 영양분을 회수하는 방법 및 기구에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명은 영양분 회수 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원의 방법, 시스템 및 기구는 작동 편의와 운영비 및 자본비 절감과 함께, 높은 영양분 회수율을 달성하는 독특하고 신규한 공정을 제공한다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 혐기성 소화조 배출물로부터 영양분을 회수하기 위한 연속 플러그 플로 공정을 제공한다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 혐기성 소화조로부터 바이오 가스의 포획량을 증가시키는 데 이용될 수 있다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 온도범위, 폭기 속도, 폭기 시간, pH 범위, 침전시간, 및 만약 있다면, 생석회 또는 가성 물질(caustic)의 양, 그리고 배출물 내 거품의 크기와 모양을 이용하여, 혐기성 소화조 배출물로부터 하나 이상의 영양분을 회수하는 데 이용될 수 있다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 폭넓은 유연성을 나타내며, 바람직한 결과를 달성하기 위해 변경될 수 있다. 방법, 시스템 및 기구는 하나의 특정 영양분 또는 하나의 영양분보다 더 많은 영양분을 회수하기 위해 수정될 수 있다.
일실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 병원균 제어와 관련하여 A등급 배출물로 여겨져, 그에 의해 분뇨와 전답 사이의 동물원성 감염증 전달 우려를 크게 줄이는 액체 배출물뿐만 아니라, 섬유질의 생물비료 제품과 피트(peat)를 생산하는 데 이용될 수 있다.
일실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 병원균 제어 또는 암모늄염 회수에 초점을 두지 않은 채, 폭기 또는 폭기와 온도를 이용하여 총 인(total phosphorous)을 회수하고자 설계될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 전인 회수, 암모니아 회수 및 병원균 제어를 위해 설계될 수 있다.
일실시예에서, 본원의 방법, 시스템 및 기구는 A등급 바이오 고형물 및 A등급 배출물 생산을 제공한다.
일실시예에서, 폭기 반응조에서 혐기성 소화조 배출물을 가열하고 폭기시켜 가용성 암모늄을 기체 암모니아로 전환하는 단계; 폭기 반응조로부터 기체 암모니아를 탈거탑으로 제공하며, 상기 탈거탑은 기체 암모니아와 반응하는 제어된 양의 산을 제공하는 단계; 및 탈거탑에서 산을 기체 암모니아와 반응시켜 생산된 암모늄 염을 회수하는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법이 개시된다. 또 다른 실시예에서, 혐기성 소화조 배출물을 폭기시키는 단계는 5갤런/cfm 내지 25갤런/cfm의 속도로 배출물을 폭기시키는 마이크로에어레이터를 이용하여 이루어진다. 또 다른 실시예에서, 방법은 기체 NH₃를 탈거탑에 제공하는 단계의 이전, 이후 또는 동시에, 혐기성 소화조 배출물을 폭기 반응조에서 고형물 침전 시스템으로 퍼내는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 고형물 침전 시스템에서 인이 풍부한 고형물을 수집하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 섬유질 고형물과 부유성 고형물을 함유하는 혐기성 소화조 배출물을 약 160℉로 가열하는 단계; 배출물에서 섬유질 고형물을 부유성 고형물로부터 분리하는 단계; 폭기 반응조에서 배출물을 가열하고 폭기시켜 가용성 암모늄을 기체 암모니아로 전환하는 단계; 폭기 반응조로부터 기체 암모니아를 탈거탑으로 제공하며, 상기 탈거탑은 기체 암모니아와 반응하는 제어된 양의 산을 제공하는 단계; 및 탈거탑에서 산을 NH₃와 반응시켜 생산된 암모늄 염을 회수하는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법이 개시된다. 다른 실시예에서, 탈거탑은 2탱크(two tank) 시스템이다.
일실시예에서, 본원의 방법은 혐기성 소화조 배출물을 폭기시켜 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)을 포함하나 이에 한정되지 않는 용존 기체를 제거하는 단계를 포함한다. 폭기를 통해, CO2와 메탄과 같은 용존 기체는 공기에 노출되었을 때 과포화되며, 방출될 수 있다. 공기 중의 CO2와 메탄의 낮은 분압 때문에, CO2와 메탄은 과포화된다. 중탄산염(HCO3-) 일부 또한 CO2로 전달될 수 있으며, 이후 폭기에 의해 공기로 방출된다. 다른 실시예에서, 방법은 배출물을 원하는 온도까지 가열하여 용존 기체를 방출시키기 위해 폭기시키고, 배출물의 pH를 증가시키는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 본원의 시스템 및 기구는 혐기성 소화조 배출물을 폭기시켜 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)을 포함하나 이에 한정되지 않는 용존 기체를 제거하는 단계를 제공한다. 폭기를 통해, CO2와 메탄과 같은 용존 기체는 공기에 노출되었을 때 과포화되며, 방출될 수 있다. 다른 실시예에서, 본원의 시스템 및 기구는 혐기성 소화조 배출물을 원하는 온도까지 가열하는 단계를 제공한다. 일실시예에서, 혐기성 소화조에서 나온 배기가스 또는 기타 폐열은 배출물의 온도를 높이는 데 이용될 수 있다.
일실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 부유성 인 콜로이드 주위의 이온 전하를 변경시키고, 응고/침전에 대한 에너지 장벽을 낮추는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 영양분을 회수한 후 남아있는 액체 배출물의 pH 값을 농장 또는 밭에서 이용 또는 적용하기에 적합한 pH 값으로 낮추는 단계를 포함한다. 일실시예에서, 기체 세척(gas scrubbing)이 액체 배출물의 pH를 낮추는 데 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 소화조까지 파이프로 끌어들인 반환된 바이오 가스에서 액체 배출물의 pH를 낮추고 H2S의 양을 줄이기 위해 황화수소(H2S)를 포함하는 바이오 가스가 기체 세척에 이용된다. 임의의 특정 이론에 구속되지 않고, 바이오 가스 내 H2S는 배출물과 반응하며, 그에 의해 배출물의 pH를 낮추고 바이오 가스 내 H2S의 양을 줄인다.
일실시예에서, 폭기 반응조에서 혐기성 소화조 배출물을 가열하고 폭기시키는 단계; 기체 NH₃를 탈거탑에 제공하며, 여기서 제어된 양의 산이 NH₃와 접촉하는 단계; 및 암모늄 염을 회수하는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법이 제공된다. 또 다른 실시예에서, 방법은 혐기성 소화조 배출물을 폭기 반응조에서 침전보(settling weir)로 퍼내는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 인이 풍부한 고형물을 수집하기 위해 탈수보(dewatering weir)를 이용하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 방법은 침전보에서 배출물 사이로 바이오 가스의 거품이 생기게 하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 혐기성 소화조 배출물을 가열하고 폭기시켜, 배출물로부터 용존 기체를 배출시키고 배출물의 pH를 증가시키는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법이 제공된다. 폭기 시, 용존 기체는 과포화된다. 일실시예에서, 혐기성 소화조 배출물을 가열하는 단계는 열 교환기와 가열된 기류로서 바이오 가스 엔진 발전기의 배기가스를 이용하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 혐기성 소화조에서 폐 섬유상 물질(waste fibrous material)을 소화시키는 단계; 배출물로부터 소화시킨 섬유상 물질을 분리하는 단계; 혐기성 소화조 배출물을 폭기시키는 단계; 혐기성 소화조 배출물을 약 140℉ 내지 약 170℉의 온도로 가열하는 단계; 혐기성 소화조 배출물을 고형물/액체 분리기로 퍼내는 단계; 분리된 액체 배출물을 침전시키는 단계; 분리된 액체 배출물의 pH값을 9.0 내지 11.5 범위의 값으로 증가시키는 단계; 액체 배출물을 두 번째로 침전시키는 단계; 및 1종 이상의 영양분이 풍부한 고형물을 회수하는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법이 제공된다. 일실시예에서, pH값은 배출물을 폭기시키고 가열하여 증가시킨다.
일실시예에서, 혐기성 소화조에서 폐 섬유상 물질을 소화시키는 단계; 배출물로부터 소화시킨 섬유상 물질을 분리하는 단계; 배출물 피트(pit)에서 배출물을 가열하는 단계; 혐기성 소화조 배출물을 폭기시키고 약 140℉ 내지 약 170℉의 온도로 가열하는 단계; 액체 배출물의 pH값을 9.0 내지 11.5 범위의 값으로 증가시키는 단계; 액체 배출물을 침전시키는 단계; 및 1종 이상의 영양분이 풍부한 고형물을 회수하는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법이 제공된다.
다른 실시예에서, 방법은 NH₃를 제어된 양의 산을 방출하는 탈거탑으로 통과시켜 암모늄 염을 포획하는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 영양분 회수 후의 액체 배출물을 열 교환기로 통과시키는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 혐기성 소화조 내의 폐 물질을 열 교환기의 열로 가열하는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 액체 배출물을 열 교환기로부터 H2S를 포함하는 바이오 가스를 함유한 기체 세척 시스템으로 통과시키는 단계를 포함한다. 일실시예에서, 바이오 가스 내 H2S의 농도는 25백만분율(ppm) 내지 115ppm 또는 50ppm 내지 100ppm 또는 60ppm 내지 90ppm 범위의 값으로 감소된다.
또 다른 실시예에서, 혐기성 소화조 배출물을 폭기시키고 가열하는 폭기 반응조; 및 폭기 반응조의 NH₃와 산을 혼합하는 산 탑(acid tower)을 포함하는 영양분 회수 시스템이 제공된다. 다른 실시예에서, 폭기 반응조는 기체 주입을 위해 반응조 바닥에 또는 반응조 바닥 가까이에 마이크로에어레이터를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 영양분 회수 시스템은 폐 섬유상 물질을 소화시키는 혐기성 소화조를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 영양분 회수 시스템은 혐기성 소화조 배출물을 가열하는 배출물 피트를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 영양분 회수 시스템은 폭기 반응조로부터 배출물 수집을 위한 고형물 침전 시스템을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 영양분 회수 시스템은 배출물 피트에서 배출물을 가열하기 전에 배출물로부터 섬유질 고형물을 분리하기 위한 분리기를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 혐기성 소화조 배출물을 가열하고 폭기시키는 폭기 반응조; 제어된 양의 산을 폭기 반응조의 기체 암모니아와 혼합하기 위한 탈거탑; 및 탈거탑에서 산을 기체 암모니아와 반응시켜 생산된 암모늄 염을 수집하기 위한 용기를 포함하는 영양분 회수 시스템이 개시되며, 여기서 배출물 가열과 폭기는 가용성 암모늄을 기체 암모니아로 전환한다. 또 다른 실시예에서, 탈거탑은 2탱크 시스템이다.
또 다른 실시예에서, 혐기성 소화조; 혐기성 소화조 배출물 가열 및 폭기를 위한 배출물 피트; 고형물/액체 분리기; 및 기밀용기를 포함하는 영양분 회수 시스템이 제공된다. 일실시예에서, 시스템은 연속 플러그 플로 공정을 제공한다. 다른 실시예에서, 시스템은 하나 이상의 기체 탈거탑 및 하나 이상의 열 교환기를 더 포함한다.
일실시예에서, 기밀용기는 기체 수집을 위한 헤드스페이스가 있는 세 개의 챔버를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 기밀용기는 기체 수집을 위한 헤드스페이스가 있는 두 개의 챔버를 포함한다.
일실시예에서, 영양분 회수 기구가 제공된다. 일실시예에서, 기구는 액체 수준 위 그리고 용기 천장 아래에 기체 헤드스페이스가 있는 세 개의 챔버로 된 용기를 포함한다. 일실시예에서, 세 개의 챔버로 된 용기는 기밀형이며, 진공에서 작동될 것이다.
일실시예에서, 기구는 액체 수준 위 그리고 용기 천장 아래에 기체 헤드스페이스가 있는 두 개의 챔버로 된 용기를 포함한다. 일실시예에서, 두 개의 챔버로 된 용기는 기밀형이며, 진공에서 작동될 것이다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 장점은 혐기성 소화조 배출물로부터 영양분의 회수이다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 장점은 화학물질 첨가와 에너지 자원의 이용을 최소화하면서 영양분을 회수하는 것이다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 장점은 혐기성 소화조 배출물로부터 상당한 수준의 질소와 인을 회수하는 것이다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 장점은 분리된 고형물과 인이 풍부한 고형물이 유기적일 것이라는 점이다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 장점은 특정 영양분 또는 영양분들을 회수하고자 맞춤형으로 할 수 있고 최적화할 수 있는 시스템이다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 장점은 최소한의 에너지와 투입량으로 다양한 분뇨 형태를 처리하는 작동 매개변수의 최적화이다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 장점은 혐기성 소화 전에 또는 영양분 회수 시스템 작동 전에 동물의 폐 고형물을 제거시킬 필요가 없다는 점이다.
도 1은 영양분 회수 공정 일실시예의 개략적인 개요도이다.
도 2는 세 개의 챔버로 된 기밀용기를 보여주는 영양분 회수 시스템 일실시예의 개요도이다.
도 3a는 두 개의 챔버로 된 기밀용기를 보여주는 영양분 회수 시스템 일실시예의 개요도이다.
도 3b는 2탱크 시스템이 있는 탈거탑을 보여주는 영양분 회수 시스템 일실시예의 개요도이다.
도 3C는 폭기 반응조의 대표적인 개요도로서, 동측면도를 도시한다.
도 3D는 폭기 반응조의 대표적인 개요도로서, 북측면도를 도시한다.
도 4는 하나의 대표적인 구성을 도시한 영양분 회수 시스템 일실시예의 개요도이다.
도 5A는 배출물에서 기체 거품을 도시한 사진이다.
도 5B는 폭기 후 배출물의 사진이다.
도 6은 폭기 시간과 배출물의 pH 사이의 관계를 보여주는 선 그래프이다.
도 7은 폭기가 없을 때와 비교하여, 고형물과 결과적으로는 인을 더욱 효과적으로 침전시키기 위한 폭기 및 이후의 침전 능력을 도시한 선 그래프이다.
도 8은 고형물 침전 시스템에서 제거된 침전된 인-고형물의 사진이다.
도 9A는 폭기와 온도가 pH에 미치는 영향을 알려주는 선 그래프이다.
도 9B는 폭기와 온도가 NH₃ 제거에 미치는 영향을 알려주는 선 그래프이다.
도 9C는 폭기와 온도가 전인 제거에 미치는 영향을 알려주는 선 그래프이다.
도 10A는 혐기성 소화조 배출물에서 유리 암모니아 방출을 위한 최적 pH 범위를 알려주는 선 그래프이다.
도 10B는 혐기성 소화조 배출물에서 암모니아 방출을 위한 최적 pH 달성을 위한 알칼리 용량 곡선을 나타내는 선 그래프이다.
도 11은 혐기성 소화조 배출물에서 영양분 회수를 향한 상업적이며 경제적으로 실행 가능한 접근법을 나타내는 개요도이다.
도 12A는 바이오 가스/액체 접촉을 통해 낮춘 pH의 반응을 나타내는 선 그래프이다.
도 12B는 접촉 시간 조정을 통한 선택적인 H2S 제거를 나타내는 선 그래프이다.
도 13A는 지정된 폭기 조건과 온도에서 암모니아 스트리핑의 성능을 나타내는 선 그래프이다.
도 13B는 지정된 폭기 조건과 온도에서 황산암모늄 회수 성능을 나타내는 선 그래프이다.
도 14는 낙농 혐기성 소화조와 영양분 회수 시스템으로부터 질량 흐름(/암소/일 기준)을 나타내는 개요도이다.
도 15는 가금류 분뇨 소화조 내 혐기성 소화조와 영양분 회수 시스템의 개요이다.
도 16은 TAN 농축 요인으로 메탄 생산과 재활용수로서 혐기성 소화조 배출물 이용을 보여주는 막대 그래프이다(즉, 20:20:60 AE:W는 소화 도중 재활용수의 공급원으로 60% 신선한 물과 혼합된 20% 종자와 20% 혐기성 소화조 배출물을 나타낸다).
도 17은 케이지 산란계 시설을 위한 상업적인 혐기성 소화조의 개요도이다.
도 18은 질량 흐름 산란계 혐기성 소화조 및 영양분 회수 시스템(1,000계/일 기준)의 개요도이다.
일실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구가 구성의 세부사항 및 다음과 같은 설명에 기재되었거나 도면에 도시된 성분의 배열 적용에 한정되지 않음은 이해될 것이다. 방법과 기구는 다른 실시예가 가능하며, 다양한 방식으로 실현되거나 달성될 수 있다. 또한, 본원에 이용된 어법과 용어는 설명을 위한 것이므로 제한하는 목적으로 간주되어서는 안 된다고 이해된다. 본원에서 “including(포함하는)”과 “comprising(포함하는)” 및 그의 변이형을 이용한 것은 추가적인 항목뿐만 아니라 그 후에 열거되는 항목 및 그의 등가물을 아우르고자 한 것이다.
정의
본 개시에서 수치 범위는 근사치이며, 따라서 별도의 표시가 없으면 범위 밖의 값을 포함할 수 있다. 수치 범위는 임의의 더 낮은 값과 임의의 더 높은 값 사이의 적어도 두 단위의 분리가 있다면, 한 단위 증가에서, 더 낮은 값과 더 높은 값부터 그리고 더 낮은 값과 더 높은 값을 포함하는 모든 값을 포함한다. 일례로서, 예를 들어, 분자량, 점도, 용융 지수 등과 같은 구성적, 물리적 또는 기타 특성이 100 내지 1,000이라면, 100, 101, 102 등과 같은 모든 개별 값과 100 내지 144, 155 내지 170, 197 내지 200 등과 같은 하위 범위가 명확히 열거되는 것으로 의도한 것이다. 1 미만인 값을 함유하는 범위 또는 1을 초과하는 분수(예를 들어, 1.1, 1.5 등)를 함유하는 범위의 경우, 한 단위는 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1임이 타당하다고 간주된다. 10 미만의 한자릿수(예를 들어, 1 내지 5)를 함유하는 범위의 경우, 한 단위는 전형적으로 0.1이라고 간주된다. 이들은 특별히 의도된 것의 예일 뿐이며, 열거된 하한값과 상한값 사이의 수치 값의 가능한 모든 조합이 본 개시에서 분명히 언급된 것으로 간주된다. 수치 범위는 본 개시 내에서 무엇보다도 혼합물에서 성분의 상대적인 양, 그리고 다양한 온도 및 방법에서 열거된 기타 매개변수 범위를 위해 제공된다.
본원에 사용된 단수형 “a”, “an” 및 “the”는 문맥이 분명히 다르게 지시하지 않는 한, 하나 또는 하나보다 더 많음을 나타낸다.
본원에 사용된 용어 “폭기 반응조”는 기체, 공기, 액체 또는 그의 조합의 배출물로의 도입을 허용하는 챔버, 용기, 기구 또는 인클로저(enclosure)를 나타낸다. 배출물은 고형물 성분을 함유할 수 있다.
용어 “A등급 바이오 고형물(들)” 및 “A등급 배출물” 및 “A등급 액체”는 본원에 사용된 바와 같이 40 C.F.R. §503.32의 필요조건을 충족한 물질을 나타낸다. 일반적으로, 미국 환경보호국(EPA)의 A등급 병원균 필요조건은 분변계 대장균 밀도가 총 고형물 그램 당 1,000최적확수(Most Probable Number, MPN)보다 적을 때(건조 중량 밀도); 또는 하수오니가 이용되거나 처리되는 시기에; 하수오니를 판매를 위해 준비하거나 또는 토지에 적용하기 위한 포대 또는 기타 용기에 담을 수 있도록 준비하는 시기에; 또는 하수오니 또는 하수오니에서 유래된 물질을 §503.32 하의 다양한 대안의 필요조건을 충족시키도록 준비하는 시기에 살모넬라 밀도가 총 고형물 4그램당 3MPN보다 적을 때, 바이오 고형물에서 충족된다. 장내 바이러스 밀도는 총 고형물 4그램당 1용균반점 형성 단위(plaque-forming unit, pfu) 미만(건조 중량 기준)이어야 하며, 장내 기생충은 총 고형물 4그램당 생존 가능한 장내 기생충이 한 개 미만이다. 추가적으로, 미국 환경보호국은 40 CFR §503.32(a) 하에 시간과 온도 필요조건을 제공한다. 40 C.F.R. §503.32은 A등급 바이오 고형물에 대한 기준으로서 참조로 본원에 포함된다.
본원에 사용된 용어 “includes(포함한다)”는 “comprises(포함한다)”를 의미한다. 예를 들어, A와 B를 포함하는(includes 또는 comprises) 장치는 A와 B를 함유하지만, C 또는 A와 B 이외의 다른 성분을 선택적으로 함유할 수 있다. A 또는 B를 포함하는(includes 또는 comprises) 장치는 A 또는 B 또는 A와 B를, 그리고 선택적으로 C와 같은 하나 이상의 다른 성분을 함유할 수 있다.
본원에 사용된 “기체 과포화”는 하나 이상의 기체의 부분압이 대기의 부분압보다 더 크게 될 때 발생한다.
본원에 사용된 용어 “분뇨”는 동물의 배설물, 사료 잔여물 및 털을 포함하는 동물 폐기물을 나타낸다.
본원에 사용된 용어 “생석회”는 산화칼슘(CaO)이다. 생석회는 실온에서 백색의 부식성 및 알칼리성 결정형 고형물이다. 상업용 제품으로, 석회는 흔히 산화마그네슘, 산화규소 및 소량의 산화알루미늄과 산화철도 함유한다.
본원에 사용된 용어 “스트루바이트”(인산 마그네슘 암모늄)은 화학식 ((NH₄)MgPO4·6H2O)인 인산염 광물이다. 스트루바이트는 사방정계에서 백색 내지 노르스름하거나 갈색을 띤 백색의 피라미드형 결정체로 또는 판상 운모 같은 형태로 결정화된다. 그것은 1.5 내지 2의 모스(광물의 굳기를 나타내는 모스 경도계)를 나타내는 연성 광물이며, 1.7의 낮은 비중을 나타낸다. 그것은 중성 및 알칼리 조건에서는 조금 녹지만, 산에서는 쉽게 용해될 수 있다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 혐기성 소화조 배출물로부터 영양분을 회수하는 데 이용될 수 있다. 일실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 인 회수, 질소 회수, 또는 인과 질소의 회수를 목표로 한다.
일실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 혐기성 소화조 배출물로부터 용존 기체의 방출을 제공한다. 다른 실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 인산에 결합된 칼슘 또는 마그네슘과 같은 기존 고형물의 수준을 유지하면서, 혐기성 소화조 배출물로부터 용존 기체의 방출을 제공한다. 폭기를 통해, CO₂와 메탄과 같은 용존 기체는 공기에 노출될 때 과포화되어 방출될 수 있다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 멸균된 혐기성 소화조 배출물을 제공한다. 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 혐기성 소화조 배출물과 A등급 액체 또는 A등급 고형물로 분류되는 필요조건을 만족하는 바이오 고형물을 제공한다.
일실시예에서, 본원의 방법, 시스템 및 기구는 통합을 제공하며, 여기서 하나의 작동 단위의 부산물이 후속 작동 단위에서 처리를 위해 이용된다. 시스템으로의 주요 화학물질 및 에너지 투입은 폐열, 기생 전기 부하, 공기, 황산 및 혐기성 소화조에서의 가공되지 않은 바이오 가스(raw biogas)이다. 그 대신, 다수의 시장성 있는 영양분 생산물은 발달된 섬유질 고형물, 황산 암모니아 슬러리(30% 내지 55% 덩어리 함량) 및 인이 풍부한 유기 고형물이다. 각 제품은 개별적으로 판매 및 이용될 수 있거나 둘 이상의 제품이 이용 또는 판매용으로 함께 혼합될 수 있다.
일실시예에서, 시스템은 혐기성 소화 배출물로부터의 상품성 있는 농축된 바이오 비료의 처리 및 회수를 위한 혐기성 소화조와 함께 작업할 수 있도록 설계된다. 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 물내림형 낙농장과 긁어내기형 낙농장을 포함하는 임의의 유형의 농장에서 기능할 수 있다.
일실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 CO₂와 같은 용존 기체를 제거하기 위하여 그리고 배출물의 pH를 높이기 위하여 소화된 폐 섬유상 물질로부터 배출물을 폭기시키는 폭기 기술을 포함한다. 배출물의 pH는 8.6 내지 10.5 범위의 값으로 증가시킬 수 있다. pH의 증가는 고형물의 침전에 도움이 될 것이다. 다른 실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 pH를 8.6 내지 12.0 범위의 값으로 증가시키기 위해 가성 물질 또는 생석회를 포함하나 이에 한정되지 않는 높은 pH값을 가진 작용제의 첨가를 포함한다.
일실시예에서, 본원에 개시된 시스템은 다양한 수준의 처리 가능성을 나타낸다. 시스템은 특정 영양분 또는 영양분들을 회수하기 위하여 맞춤형으로 될 수 있다. 예를 들어, 일부 농장에는 인 제어가 일차적인 관심사이며, 시스템은 예산과 환경적 제약을 충족할 수 있도록 맞춤형으로 될 수 있다. 예를 들어, 낮춰진 유속과 온도에서, 그러나 더 오랜 기간의 폭기는 전인 제거를 허용할 것이나, A등급 바이오 고형물은 허용하지 않을 것이고, 암모니아 회수도 가능하지 않을 것이다. 반면, 고온에서 더 짧은 기간의 폭기는 전인 제거와 A등급 바이오 고형물을 허용하지만 많은 암모니아 방출은 없는 pH에 이를 것이다. 게다가, 섬유질은 최종 소비자의 요구에 따라 선택적으로 회수될 수 있다.
일실시예에서, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 영양분 또는 선택한 영양분 회수를 위한 유연성을 제공한다. 장시간의 폭기와 낮은 온도로 전인 제거를 달성할 수 있다. 대안적으로, 단시간의 폭기와 높은 온도로 전인 제거와 A등급 섬유질을 달성할 수 있다. 반면, 상대적으로 장시간의 폭기, 높은 온도, 증가된 폭기 및 증가된 유속으로 전인 제거, 암모니아 제거 및 A등급을 달성할 수 있다. 시스템의 다양한 매개변수를 변경하고 조정함으로써 많은 가능성이 존재한다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 값비싼 화학적 첨가제의 투입과 사용을 막는다. 방법 및 기구는 주로 이전에 부유했던 고형물 형태의 전인, 이전에는 분변 내에서 이온성 암모니아의 형태로 있었던 암모니아 염, 갇힌 고형물 내의 질소의 유기 형태뿐만 아니라 전술한 암모니아의 회수를 통한 총 질소 및 섬유질 고형물의 회수를 포함하나 이에 한정되지 않는, 하나 이상의 요소를 회수하는 데 이용될 수 있다. 칼슘과 마그네슘 또한 P 고형물 수집에서 감소된다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 10~20%, 20~30%, 30~40%, 40~50%, 50~60%, 60~70%, 70~80%, 80~90%, 90~95% 및 95~99%의 감소를 포함하나 이에 한정되지 않는, 액체 배출물 내 전인을 감소시키는 데 이용될 수 있다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 15% 내지 85% 또는 20% 내지 70% 또는 30% 내지 50%로 액체 배출물 내 총 질소를 감소시킬 수 있다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 5% 내지 15% 또는 15% 내지 85% 또는 20% 내지 70% 또는 30% 내지 50%로 액체 배출물 내 중탄산염을 감소시킬 수 있다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 배출물로부터 전체 영양분의 5~10%, 10~20%, 20~30%, 30~40%, 40~50%, 50~60%, 60~70%, 70~80%, 80~90%, 90~95% 및 95~99%의 회수를 포함하나 이에 한정되지 않는 영양분을 회수할 수 있다. 일실시예에서, 회수된 영양분은 인, 총 질소 및 암모니아-N을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
영양분 회수 방법
일실시예에서, 혐기성 소화된 배출물로부터 영양분을 회수하는 방법이 개시된다. 방법 이용은 농업적 시도 또는 동물 폐기물의 처리에만 한정될 필요가 없다. 예를 들어, 방법은 동물원, 자연 동물원 또는 다양한 동물을 보살피는 기타 기관에 의해, 또는 인간 폐기물을 처리하는 지방 자치제 등에 의하여 채택되어 활용될 수도 있다.
일실시예에서, 방법은 원하는 pH 값을 달성하기 위하여 액체 배출물을 폭기시키는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 방법은 혐기성 소화된 배출물을 원하는 온도까지 가열하고, 원하는 pH 값을 달성하기 위하여 배출물을 폭기시키는 단계를 포함한다. 일실시예에서, 원하는 pH 값은 과포화된 기체가 방출될 수 있도록 허용하는 값이다.
또 다른 실시예에서, 방법은 혐기성 소화된 배출물을 원하는 온도까지 가열하고, 원하는 pH 값을 달성하기 위하여 배출물을 폭기시키는 단계; 및 폭기시킨 배출물의 고형물이 침전되도록 하는 단계를 포함한다. 일실시예에서, 폭기 도중, 폭기 말 부근에, 폭기 후 또는 액체 배출물 침전 전에 높은 pH 값의 작용제가 첨가된다. 일실시예에서, 작용제는 가성 물질 또는 생석회, 잿물 또는 석회를 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
또 다른 실시예에서, 방법은 침전 후에 높은 pH 값의 작용제를 배출물에 혼합하는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 석회/배출물 혼합물을 제2의 침전 탱크로 통과시키는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 영양분이 풍부한 고형물을 수집하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 혐기성 소화된 배출물로부터 영양분을 회수하는 방법은 폐 섬유상 물질을 혐기적으로 소화시켜, 액체 배출물로부터 활성화된 슬러지를 분리하는 단계; 혐기성 소화조 배출물을 원하는 온도로 가열하고, 액체 배출물을 원하는 pH 값으로 폭기시키는 단계; 배출물을 분리기로 통과시키는 단계; 액체 배출물을 고형물 침전 시스템으로 운송하고, 영양분이 풍부한 고형물을 회수하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 침전 후 배출물에 석회를 혼합하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 영양분이 풍부한 고형물을 회수하기 전에 석회/배출물 혼합물을 침전시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 7.5 내지 10.5 또는 8.2 내지 9.5 또는 8.6 내지 9.0의 pH 값으로 배출물을 폭기시키는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법이 개시된다. 방법은 폭기시킨 배출물을 고형물/액체 분리기로 통과시키는 단계; 폭기시킨 배출물을 30분 내지 72시간 동안 침전시키는 단계; 8.6 내지 12.0 범위의 pH 값을 달성하고자 높은 pH 값의 작용제를 첨가하고, 배출물/작용제 혼합물을 30분 내지 72시간 동안 침전시키는 단계를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 방법은 영양분이 풍부한 고형물을 수집하는 단계를 포함한다. 일실시예에서, 고형물은 인이 풍부하다.
다른 실시예에서, 혐기성 소화조 배출물을 원하는 온도로 가열하는 단계; 배출물을 원하는 pH 값으로 폭기시키는 단계; 배출물을 분리 시스템 사이로 플러그 플로로 흘리는 단계; 배출물을 일정 시간 동안 침전 탱크로 운송하는 단계; 높은 pH 값의 작용제를 배출물과 혼합하는 단계; 작용제/배출물 혼합물을 일정 시간 동안 침전시키고, 액체로부터 고형물을 분리하는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법이 개시된다. 다른 실시예에서, 방법은 영양분이 풍부한 고형물을 수집하는 단계를 더 포함한다.
배출물은 100℉ 내지 110℉, 110℉ 내지 120℉, 120℉ 내지 130℉, 130℉ 내지 140℉, 140℉ 내지 150℉, 150℉ 내지 160℉, 160℉ 내지 165℉, 165℉ 내지 175℉, 또는 175℉ 내지 195℉를 포함하나 이에 한정되지 않는, 임의의 원하는 온도로 가열될 수 있다.
일실시예에서, 폭기 속도는 2갤런/cfm 내지 160갤런/cfm, 또는 5갤런/cfm 내지 150갤런/cfm, 또는 10갤런/cfm 내지 100갤런/cfm 또는 25갤런/cfm 내지 80갤런/cfm 또는 40갤런/cfm 내지 50갤런/cfm을 포함하나 이에 한정되지 않는, 과포화된 기체의 방출을 돕는 임의의 속도일 수 있다. 일실시예에서, 마이크로에어레이션 삭스(micro-aeration socks)가 이용될 수 있다.
일실시예에서, 폭기 시간은 15분 내지 3일, 또는 2시간 내지 2일, 또는 4시간 내지 24시간, 또는 8시간 내지 18시간, 또는 12시간 내지 16시간을 포함하나 이에 한정되지 않는, 과포화된 기체의 방출을 돕는 임의의 양의 시간일 수 있다.
일실시예에서, 폭기는 배출물의 pH 값을 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8, 7.9, 8.0, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, 8.6, 8.7, 8.8, 8.9, 9.0, 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9, 10.0, 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8, 10.9, 11.0, 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7, 11.8, 11.9, 12.0 및 12.0 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는, 원하는 값으로 증가시킬 수 있다.
일실시예에서, 폭기시킨 배출물은 30분 내지 60분, 1시간 내지 2시간, 2시간 내지 4시간, 4시간 내지 8시간, 8시간 내지 12시간, 12시간 내지 16시간, 16시간 내지 20시간, 20시간 내지 24시간, 24시간 내지 36시간, 36시간 내지 48시간, 48시간 내지 60시간, 60시간 내지 72시간, 3일 내지 4일, 4일 내지 5일, 5일 내지 6일, 6일 내지 7일, 7일 내지 8일, 8일 내지 9일, 9일 내지 10일 및 10일 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는, 일정 시간 동안 침전이 허용된다.
일실시예에서, 배출물은 30분 내지 60분, 1시간 내지 2시간, 2시간 내지 4시간, 4시간 내지 8시간, 8시간 내지 12시간, 12시간 내지 16시간, 16시간 내지 20시간, 20시간 내지 24시간, 24시간 내지 36시간, 36시간 내지 48시간, 48시간 내지 60시간, 60시간 내지 72시간, 3일 내지 4일, 4일 내지 5일, 5일 내지 6일, 6일 내지 7일, 7일 내지 8일, 8일 내지 9일, 9일 내지 10일 및 10일 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는, 일정 시간 동안 침전이 허용된다.
일실시예에서, 영양분이 풍부한 고형물은 인이 풍부한 고형물, 스트루바이트 같은 입자, 유기 Ca/Mg이 결합된 인 입자 및 A등급 바이오 고형물을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
도 1은 영양분 회수 방법의 일실시예를 제공한다. 방법은 혐기성 소화조(10)에서 폐 섬유상 물질을 소화시키는 단계를 포함한다. 적절한 소화 기간 후, 분리 스크린(40)을 이용하여 섬유질(30)로부터 배출물(20)을 분리한다. 배출물(20)을 폭기 탱크(50)에서 폭기시키며, 여기서 공기가 액체 배출물로 주입된다. 폭기 탱크는 공기를 분산시키기 위해 탱크(50) 바닥에 기체 노즐 또는 분출구를 포함할 수 있다. 폭기는 마이크로에어레이션의 형태일 수 있다.
선택적인 단계는 혼합 탱크(70)에서 생석회(60)를 배출물(20)과 함께 혼합하는 단계를 수반한다. 방법은 석회/배출물 혼합물을 고형물 침전 시스템(80)으로 운송하고, 인이 풍부한 고형물을 포함하나 이에 한정되지 않는 영양분이 풍부한 고형물(90)을 수집하는 단계를 더 포함한다.
제어된 폭기는 과포화된 CO₂를 제거하고, 배출물의 pH 값을 증가시키며, 부유성 고형물의 침전을 증진시키는 데 이용될 수 있다. 폭기는 사실상 순수하게 화학적이다. 일실시예에서, 화학적인 평형을 제어하기에 딱 필요한 만큼의 작고 제한된 양의 폭기가 이용된다. 본원에 이용된 폭기는 호기적 처리를 포함하지 않는다. 폭기는 폐수의 생물학적 처리에서 흔히 발견되는 것과 같이, 호기성 세균의 생장과 증식을 가져오지 않을 것이다. 폐수 처리는 매우 높은 폭기 속도를 이용하며, 호기성 세균 생장이라는 유일한 목적을 위한 것이다.
임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 혐기성 소화조 사이클 도중, 유기 탄소의 상당 부분이 메탄과 CO₂로 전환되고, 그 중 일부가 결국 용액에 용해 및/또는 과포화된다는 사실 때문에 혐기성 소화조 배출물은 중탄산염과 용존 CO₂ 기체의 함량이 매우 높다고 여겨진다. 용존 CO₂와 CO₂로 전환되는 중탄산염(HCO3- ) 일부는 부유성 고형물의 침전을 저해하고, 중력 침강 및/또는 전하에 의해 유도되는 응집이라는 자연스러운 공정을 방해한다. 탄산염 탄산, 중탄산염 및 탄산염의 이온화 식을 아래에 식 (1)~(3)에 나타내었다.
CO32- + H2O↔ HCO3 - + OH- (1)
HCO3 - + H2O ↔ H2CO3 (l) + OH- (2)
H2CO3 ↔ CO₂ (g) + H2O (3)
임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 혐기성 소화조 배출물로부터 용존 CO₂와 CO₂로 전환되는 중탄산염 일부를 제거할 경우, 침전 방해의 적어도 일부분을 제거할 것이며, 인위적인 화학물질 투입 없이도 잠재적으로 상당한 부유성 고형물의 침전을 가능하게 할 것이라고 여겨진다. 혐기성 소화조 배출물의 제한된, 제어된 폭기는 용존 CO₂와 중탄산염 일부의 제거를 유도할 수 있다.
배출물을 폭기시키는 동안, CO₂는 공기에 의해 시스템으로부터 빼내진다. 반응식 (3)의 평형은 오른쪽으로 움직이고, 그 결과, 반응식 (2)와 (1)의 평형은 오른쪽으로 움직인다. 그러면 더 많은 OH-가 발생되어 용액의 pH 값이 증가된다. 더구나, 일부 결정적인 혐기성 세균이 폭기를 통해 O2에 의해 죽게될 것이며, 이는 계속 진행 중인 생물학적 CO₂ 발생을 늦춘다.
배출물의 폭기 공정 중에, CO₂가 제거되고 자연스러운 화학적 평형은 중탄산염 일부도 제거하고자 이동된다. 용존 CO₂는 산성 화합물이므로, 용액의 pH가 상승하며, 따라서 CO₂가 어느 정도로 제거되었는지를 보여준다. 배출물의 pH는 적정 수준의 폭기가 이루어졌는지를 결정하는 데에도 이용될 수 있으며, 예상하는 침전의 양에 대한 지시자 또는 표지로서 이용될 수 있다.
pH가 증가함에 따라, 액체 내 H2CO3 부분은 반응식 (2)에 따라 감소한다. 따라서, CO₂ 스트리핑 효율은 감소된다. 이러한 효율 감소는 결과적으로 에너지 장벽을 완전히 극복할 수 없게 하며, 원하는 침전이 일어나지 않도록 할 수 있다. 그러한 경우에는 석회(Ca(OH)2 또는 CaO) 첨가가 폭기보다 pH를 증가시키고 궁극적으로는 침전에 대한 에너지 장벽 극복에 필요한 pH를 달성하는 데 더 효율적일 수 있다. 석회의 이온화 식과 석회와 중탄산염 사이의 반응을 식 (4)~(6)에 나타내었다.
Ca(OH)2 ↔ Ca2+ + 2OH- (4)
HCO3 - + OH- CO3 2- + H2O (5)
H2CO3 + OH- HCO3 - + H2O (6)
혐기성 소화된 배출물의 폭기 공정은 화학물질을 투입할 필요 없이 부유성 고형물의 침전 향상을 가능하게 할 것이다. 중요한 것은 인의 대부분은 미세한 불용성 부유성 고형물 형태로 있다는 점이다. 혐기성 소화 공정 중에, 유기 인의 대부분은 무기 형태로 전환되며, 이는 인산염처럼 이용할 수 없거나 정말로 용해되지 않는다. 대신, 분뇨 내의 높은 농도의 칼슘과 마그네슘 이온이 인산칼슘 또는 인산마그네슘의 형태로 용액 내에 부유되는 불용성 콜로이드성 비결정형 고형물의 생산을 가져왔다. 따라서 부유성 고형물의 침전을 향상시켜, 그 결과 상당한 양의 인을 직접 제거할 수 있다.
본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 일부 최종 소비자는 인을 회수하기만을 원할 것이라고 예상된다. 이러한 경우에, 폭기와 pH의 주의 깊은 제어로 단지 인만 회수할 수 있다. 암모니아 말고 전인을 제거하기 위해서는, 배출물은 8.6 내지 9.0 범위의 pH 값을 나타낼 수 있다. 배출물의 온도 역시 주의 깊게 제어된다. 예를 들어, 20~35℃ 배출물을 이용한 20시간의 낮은 폭기(40갤런/cfm)는 우수한 침전을 제공할 pH 9.0을 달성시킬 수 있다. 대안적으로, 35℃ 배출물을 이용한 6시간의 폭기(40갤런/cfm)는 잘 침전시킬 pH 8.6을 달성시킬 수 있다.
그러나 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구의 다른 최종 소비자는 인보다 더 많은 것을 회수하기를 원할 수 있다. 혐기성 소화조 배출물의 pH를 증가시키면 용존 암모니아로부터 기체 암모니아로 화학적 평형을 이동시키는 데 도움을 줄 수 있고, 암모니아와 질소가 제거되어 혐기성 소화조 배출물로부터 회수되도록 할 수 있는 수단을 도입할 수 있다. 일실시예에서, 9.5 이상의 pH 값을 나타내며 140℉ 이상의 온도의 혐기성 소화된 배출물은 암모니아의 회수를 아마도 액체 황산암모늄의 형태로 제공할 수 있다.
다른 실시예에서, 제어된 폭기 속도/시간(10~40갤런/cfm, 1~7시간)과 온도(55℃ 내지 70℃)는 상당한 암모니아 휘발과 암모니아 염, 바람직하게는 황산암모니아로 스트리핑과 회수를 가능하게 하는 9.5 내지 10.0의 pH 범위를 달성시킬 수 있다.
일실시예에서, 액체 배출물은 고형물이 용액으로부터 이탈될 수 있도록 15분 내지 7일, 또는 12시간 내지 6일, 또는 24시간 내지 5일, 또는 36시간 내지 4일, 또는 2일 내지 3일을 포함하나 이에 한정되지 않는 적절한 시간 동안 침전이 허용된다.
일실시예에서, 혐기성 소화조 배출물이 혐기성 소화조 용기를 떠날 때, 혐기성 소화조 배출물을 교반시키는 단계를 포함하는, 혐기성 소화조로부터 바이오 가스 포획량을 증가시키는 방법이 제공된다. 다른 실시예에서, 방법은 더욱 빠른 액체/바이오 가스 분리를 위해 얇은 막 흐름에 배출물을 위치시키는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 혐기성 소화조 처리 공정을 진공 하에 위치시키는 단계를 더 포함한다.
일실시예에서, 본 개시는 기존의 상업용 혐기성 소화조 단위로부터 혐기성 소화조 배출물(약 100℉)을 확장된 엔진 배기 열 회수 시스템을 이용하여 160℉로 가열하는 단계를 포함하는, 혐기성 소화조 배출물로부터 영양분을 회수하는 방법에 관한 것이다. 배출물과 그의 섬유질 고형물은 A등급 병원균 기준을 충족할 수 있도록 가열된다. A등급 섬유질 고형물은 스크루 프레스와 함께 경사진 스크린을 이용한 기계적인 스크린 분리를 통해 제거될 수 있다.
방법은 나머지 액체를 폭기 구역에서 대략 140℉의 작동 온도에서 부유성 고형물과 함께 폭기시키는 단계를 더 포함한다. 폭기는 전용 플러그 플로 탱크에서 발생할 수 있다. 플러그 플로 탱크는 1~5, 5~10, 10~20, 20~25, 25~30, 30~50, 50~100, 100~200 또는 200시간 초과의 머무름 시간을 포함하나 이에 한정되지 않는 임의의 적절한 머무름 시간을 가질 수 있다. 폭기는 처리된 배출물 갤런당 다양한 정도의 폭기 흐름을 공급하기 위하여 탱크 바닥에 위치시킨 마이크로에어레이터를 이용하여 수행할 수 있다. 공기는 대기를 통해 공기 열 교환기로 보내진 엔진 배기 열을 이용하여 기온으로 가열된다.
전술한 바와 같이, 폭기는 과포화된 CO₂ 기체의 스트리핑을 가능하게 하였다. 고온은 동역학을 향상시켜, CO₂의 더 빠른 방출과 두 가지 중요한 결과를 가능하게 하였다. 첫째, pH가 증가되며, 둘째, 자연스러운 응집과 침전을 방해하는 기체가 제거될 수 있다. pH의 증가(>9.5)는 용존 암모니아 일부분이 자유로운 기체 상태의 암모니아를 향하여 평형을 이동할 수 있도록 해주었다.
방법은 자유로운 기체 상태의 암모니아를 전용 2단계 산성 탑으로 운송하는 단계를 더 포함하며, 그곳에서 제어된 양의 산이 공기 중의 기체 암모니아와 접촉하여 암모늄 염을 생산한다. 두 개의 탑 접근법은 일관된 최대 농도(약 40중량%)의 중성 pH 생성물이 달성될 수 있도록 설계된 것이다.
방법은 또한 인이 풍부한 고형물을 침전시키고, 탈수보를 이용하여 고형물을 수집하는 단계를 포함한다.
방법은 높아진 pH를 나타내는 상대적으로 뜨거운 배출물 사이로 소화조로부터 가공되지 않은 바이오 가스의 거품이 생기게 하고, 바이오 가스에서 산성 H2S 불순물을 부분적으로 제거하면서 동시에 배출물 pH를 중성으로 되돌리는 단계를 더 포함한다. 최종 열 교환기는 폐열을 재활용하는 데 이용될 수 있다.
영양분 회수 시스템
일실시예에서, 영양분 회수 시스템(100)이 도 2에 도시되어 있다. 시스템(100)은 혐기성 소화조 투입물을 처리하고 그 결과로 얻어지는 배출물로부터 영양분을 회수하는 데 이용될 수 있다. 일실시예에서, 혐기성 소화조 투입물은 폐 섬유상 물질이다. 폐 섬유상 물질은 당해 분야에서 임의의 적절한 수단을 이용하여 수집될 수 있다. 폐 섬유상 물질은 목재, 풀, 농업 잔사, 분뇨, 재활용된 폐지, 유기 분획 도시 고형물 및 농업 폐기물을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 폐 섬유상 물질의 공급원의 예로는 소, 돼지, 염소, 양, 젖소, 말 등과 같은 가축 생산 시설, 양계장, 칠면조 농장, 오리 농장, 거위 농장, 인간 폐기물 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 폐 섬유상 물질은 또한 비 식량 관련 농업 제품을 포함할 수 있는 여러 가지 형태의 농업 제품 처리 시설을 포함할 수 있다. 폐 섬유상 물질은 또한 폐기물 일부분이 식품 잔폐물도 포함할 수 있는, 일부 형태의 혼합된 폐기물을 포함할 수 있다. 폐 섬유상 물질은 또한 상한 음식과 혼합된 섬유질을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 폐 섬유상 물질은 또한 건초, 짚, 기타 동물 우리 또는 기타 농업 환경에 흔히 사용되는 물질을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 폐 섬유상 물질은 또한 오줌과 동물 우리를 청소하는 데 사용한 물을 함유할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 폐 섬유상 물질은 또한 노끈, 로프 및 기타 생분해성이거나 생분해성이 아닐 수 있는 물질과 같은 추가적인 물질을 함유할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 폐 섬유상 물질은 낙농장에서 유래된다.
또 다른 실시예에서, 폐 섬유상 물질은 또한 대나무, 기름야자, 코이어(coir) 등과 같은 비 식량 농업 제품의 섬유질을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 혐기성 소화조 투입물은 동물 분변과, 식품 잔폐물과 식품 가공 폐기물이 혼합되어 소화된 것과 같은 유기 분획 도시 고형물의 혼합물을 포함할 수 있다.
도 2는 고형물 함량이 높은 농장 폐기물 처리로부터 영양분을 회수하는 데 이용된 시스템(100)의 개요를 나타낸다. 시스템(100)은 그 중에서도 혐기성 소화조(10), 슬러지 피트(101), 배출물 피트(110), 분리 장치(130) 및 기밀용기(145)를 포함한다.
혐기성 소화조
임의의 혐기성 소화조 유형이 이용될 수 있다. 종래의 혐기성 소화조 시스템은 일반적으로 다음과 같은 구성요소를 포함한다: 분뇨 이송 및 혼합 피트, 강철, 섬유 유리, 콘크리트, 흙 또는 기타 적합한 물질로 만들어진, (필요하다면 가열 및 혼합 장비를 포함하는) 소화조, 전기 발생 장비와 같은 바이오 가스 취급과 전달 및 기체 최종 사용(연소) 장비.
종래의 혐기성 소화조는 또한 작동 모드와 온도에 따라 상당한 작동 감독을 요구할 수 있다. 종래의 혐기성 소화조 시스템은 또한 폐기물 처리와 지속된 장기간의 예측 가능한 성능을 위한 안정화를 담당하는 중요한 세균 집단을 유지하기 위한 적절한 디자인과 규모를 요한다. 규모 필요조건은 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT)과 하중재하속도를 기초로 하며, 여기서 작동 온도는 이들 규모 매개변수에 영향을 미친다. 이들 요인(규모, 재료, 작동 필요조건)은 소화조 비용에 영향을 미치며, 이는 상당히 자본 집약적일 수 있고, 일부 경제 규모 및 농장 규모에서는 숙련된 기술자를 이용할 수 없다면, 감당할 수 없거나 실시가 불가능할 수 있다.
일실시예에서, 배치, 연속, 중온, 호열성 온도, 높은 함량의 고형물, 낮은 함량의 고형물, 단일 단계 복잡성 및 다단계 복잡성을 포함하나 이에 한정되지 않는 임의의 유형의 공정 구성을 갖춘 혐기성 소화조가 이용될 수 있다.
다른 실시예에서, 혐기성 소화의 배치 시스템이 이용될 수 있다. 바이오매스는 배치에서 공정의 처음에 반응조에 첨가되며, 공정의 기간 동안 봉인된다. 배치 반응조는 비워질 때 심각한 문제가 될 수 있는 악취 문제를 겪는다. 전형적으로 바이오 가스 생산은 시간이 지나면서 정규 분포 패턴으로 형성될 것이다. 작동자는 유기 물질의 소화 공정이 완료되었다고 믿는 시기를 결정하기 위하여 이러한 사실을 이용할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 혐기성 소화의 연속 시스템이 이용될 수 있다. 연속 소화 공정에서, 유기 물질은 전형적으로 단계적으로 반응조에 첨가된다. 최종 생성물은 끊임없이 또는 주기적으로 제거되며, 그 결과 꾸준하게 바이오 가스가 생산된다. 이러한 형태의 혐기성 소화의 예로는 연속 교반 탱크 반응기(continuous stirred-tank reactors, CSTRs), 업플로 혐기성 슬러지 블랭킷(Upflow anaerobic sludge blanket, UASB), 확장된 입자형 슬러지 층(Expanded granular sludge bed, EGSB) 및 내부 순환 반응기(Internal circulation reactors, IC)를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 혐기성 소화조를 위한 중온성 또는 호열성 작동 온도 수준이 이용될 수 있다. 중온성 온도 수준은 37℃~41℃ 주변에서 또는 20℃~45℃ 사이의 주위 온도에서 최적으로 일어난다. 이러한 온도 하에서는 중온균이 존재하는 주요한 미생물이다. 호열성 온도 수준은 50℃~52℃ 주변에서 또는 70℃까지의 높은 온도에서 최적으로 일어난다. 이러한 온도 하에서는 호열성 세균이 존재하는 주요한 미생물이다.
중온균 균주는 호열성 세균보다 그 수가 더 많다. 중온균은 또한 호열성 세균보다 환경적 조건의 변화에 더 잘 견딘다. 따라서 중온성 시스템이 호열성 소화 시스템보다 더욱 안정적이리라 여겨진다.
다른 실시예에서, 혐기성 소화조는 총 부유성 고형물(total suspended solids, TSS) 농도가 20%를 초과하는 높은 고형물 함량에서 작동하거나, TSS 농도가 15% 미만인 낮은 고형물 농도에서 작동하도록 설계될 수 있다. 높은 함량의 고형물 소화조는 공급원료를 이동시키고 처리하기 위하여 더 많은 에너지 투입을 요하는 걸쭉한 슬러리를 처리한다. 물질의 점도 또한 마모와 관련된 문제를 유발할 수 있다. 높은 함량의 고형물 소화조는 수분과 관련하여 적은 부피를 나타내므로 전형적으로 더 적은 토지 요건을 나타낼 것이다.
낮은 함량의 고형물 소화조는 상당히 적은 에너지 투입을 요하는 표준 펌프를 이용하여 시스템 사이로 물질을 운송할 수 있다. 낮은 함량의 고형물 소화조는 소화조의 증가된 액체:공급원료 비율과 관련된 부피 증가 때문에 높은 함량의 고형물 소화조보다 더 많은 양의 토지를 요한다. 액체 환경은 물질의 더욱 철저한 순환과 세균과 음식물 사이의 접촉을 가능하게 하므로, 액체 환경에서의 작동과 관련된 이점이 있다. 이것은 세균이 더욱 쉽게 그들이 섭취하는 물질에 접근할 수 있게 하고, 기체 생산 속도를 증가시킨다.
또 다른 실시예에서, 소화 시스템은 상이한 수준의 복잡성으로 즉, 1단계 또는 단일 단계 및 2단계 또는 다단계로 배치될 수 있다. 단일 단계 소화 시스템은 모든 생물학적 반응이 단일의 밀폐된 반응조 또는 오수 탱크 내에서 일어나는 시스템이다. 단일 단계 반응조를 활용할 경우, 건축 비용은 줄어든다. 그러나 시스템 내에서 일어나는 반응을 더 적게 제어하게 된다. 예를 들어, 산발성 세균은 산 생산을 통해 탱크의 pH를 낮추지만, 메탄 생성 세균은 엄격하게 한정된 pH 범위에서 작동한다. 따라서 단일 단계 반응조 내의 서로 다른 종의 생물학적 반응은 서로 간의 직접적인 경쟁 관계에 있을 수 있다. 다른 1단계 반응 시스템은 혐기성 산화지(lagoon)이다. 이들 산화지는 분뇨의 처리 및 장기간 저장을 위해 이용되는 연못 같은, 흙으로 된 지역이다. 이러한 경우, 혐기성 반응은 못에 함유된 천연 혐기성 슬러지 내에 함유된다.
2단계 또는 다단계 소화 시스템에서는, 소화조 내에 서식하는 세균 공동체에 대해 최대의 제어를 하기 위하여 서로 다른 소화 용기가 최적화된다. 산발성 세균은 유기 산을 생산하고 메탄 생성 세균보다 더 빠르게 생장하고 번식한다. 메탄 생성 세균은 그들의 성능을 최적화하기 위해서는 안정적인 pH와 온도를 요한다.
소화조 내에서의 체류시간은 폐 섬유상 물질의 양과 유형, 소화 시스템의 구성 및 1단계 또는 2단계 여부에 따라 다르다. 1단계 호열성 소화의 경우, 체류시간은 14일의 영역 내일 수 있으며, 이는 중온성 소화에 비해 상대적으로 빠르다. 이러한 시스템 중 일부의 플러그 플로 속성은 물질의 완전한 분해가 이러한 시간 내에 현실화되지 않았을 수 있음을 의미할 것이다. 이러한 경우에, 시스템을 떠나는 소화물은 색이 더 어두울 것이며 전형적으로 더 많은 악취를 낼 것이다.
2단계 중온성 소화에서, 체류시간은 15 내지 40일 사이로 달라질 수 있다. 중온성 UASB 소화의 경우, 수리식 체류시간은 (1시간~1일)일 수 있으며, 고형물 체류시간은 90일까지일 수 있다. 이런 식으로, UASB 시스템은 슬러지 블랭킷을 활용하여 고형물 체류시간과 수리식 체류시간을 분리할 수 있다.
연속 소화조는 세균과 음식물이 접촉될 수 있도록 내용물을 혼합하기 위하여 물질 내 고형물의 수준에 따라 기계적 또는 수압식 장치를 구비한다. 그들은 또한 과량의 물질이 소화 탱크 내에서 합리적으로 일정한 부피를 유지하도록 계속해서 추출될 수 있게 한다.
일실시예에서, 폐 섬유상 물질은 지에이치디社(GHD, Inc., Chilton, WI)에서 판매하는 혐기성 소화조를 이용하여 처리할 수 있다. 일실시예에서, 폐 섬유상 물질은 미국 특허번호 제6,451,589호, 제6,613,562호, 제7,078,229호 및 제7,179,642호 중 어느 하나에 기술된 바와 같은 혐기성 소화조를 이용하여 처리할 수 있으며, 위의 미국 특허 각각은 전체로서 참조로 포함된다. 위에서 언급한 특허 각각은 지에이치디社로 양도되며, 유일한 발명자로 스티브 드보락(Steve Dvorak)을 정한다. 또 다른 실시예에서, 혐기성 소화조는 2단계 혼합된 플러그 플로 소화조 시스템일 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 소화조 사이로 고형 폐기물을 나선형과 같은 방식으로 이동시키는 단계를 포함하는, 높은 함량의 고형 폐기물의 혐기성 소화 방법을 제공할 수 있다. 소화조는 대략 U자 모양의, 전체 수평 면적이 대략 길이가 100피트이고 너비가 72피트인 탱크이다. 길이가 대략 90피트인 중심 벽은 소화조를 U자 모양의 두 다리로 나눈다. 따라서 소화조의 각 다리는 대략 길이가 100피트이고 너비가 36피트이다.
수정된 플러그 플로 또는 슬러리 플로는 슬러리를 이동시키는 데 이용될 수 있다. 소화조 가열 파이프는 대략 160℉의 뜨거운 물을 이용하여 엔진의 냉각기부터 국부적으로 슬러지를 가열하여, 대류성 힘(convective forces) 하에서 가열된 혼합 슬러지가 상승하게 한다. 대류는 다른 높은 함량의 소화조답지 않은 소화조 내의 흐름을 발달시킨다. 슬러지는 소화조 중심 벽 근처의 소화조 가열 파이프에 의해 가열되며, 그 결과, 대류성 힘이 가열된 슬러지를 중심 벽 근처에서 상승시킨다. 동시에, 상대적으로 더 차가운 외벽 근처의 슬러지는 대류성 힘 하에서 하강한다. 그 결과, 대류성 힘은 슬러지가 중심 벽을 따라 올라가고 외벽을 따라 내려가는 순환 흐름 경로를 따르게 한다. 동시에, 슬러지는 소화조의 첫 번째와 두 번째 다리를 따라 흐르며, 그 결과 슬러지에 대해 혼합된 나선형의 흐름 경로가 얻어진다.
다른 실시예(미도시)에서, 엔진의 출력부에서 나온 가열된 기체를 이용하는 뜨거운 기체 주입 분출구는 가열원 및 흐름 발생원으로서 뜨거운 물 소화조 가열 파이프를 대신한다. 뜨거운 기체의 주입은 자연 대류 및 강제 대류를 통해 슬러지를 순환시킨다. 비슷한 나선형의 흐름 경로가 소화조 내에 발달된다.
중심 벽 근처에서 가열된 슬러지의 윗 방향으로의 흐름을 더 증가시키기 위하여, 바이오 가스가 소화조 내의 바이오 가스 저장 영역으로부터 제거되고, 기체 원심 또는 회전로브식 송풍기로 가압되어, 도관 상에 위치한 노즐을 통해 가열된 슬러지로 주입될 수 있다. 소화조 바닥 근처에서 이렇게 재활용된 바이오 가스 주입은 가열된 슬러지에 대해 나선형의 흐름 경로의 급속도를 증가시키는 기능을 한다.
소화조의 U자 모양은 긴 슬러지 흐름 경로를 가져오고, 따라서 대략 20일이라는 장기간의 체류시간으로 이어진다. 슬러지가 소화조 사이로 흐름에 따라, 혐기성 소화가 슬러지를 활성화된 슬러지로 처리한다. 소화조로부터, 활성화된 슬러지가 선택적인 청징기로 그리고 슬러지 피트(30)로 흐른다. 청징기는 활성화된 슬러지를 액체와 고체 부분으로 분리하기 위하여 중력을 이용한다.
배출물 피트
영양분 회수 시스템은 배출물 피트(20)를 포함한다. 배출물 피트는 벽(111)에 의해 혐기성 소화조(20)로부터 분리된다. 배출물 피트와 혐기성 소화조는 하나 이상의 공통 외벽(112 및 113)을 공유할 수 있다. 배출물 피트는 또한 기체 수집을 위한 헤드스페이스를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 혐기성 소화조 배출물(20)은 중력으로 흐를 수 있거나, 격리시킨 배출물 피트(110)으로 퍼내질 수 있다. 일실시예에서, 혐기성 소화조 배출물은 기체의 온전성을 유지하면서 소화조로부터 배출된다. 혐기성 소화조 배출물의 배출은 난류, 얇은 막 흐름 및 외부 공기와의 접촉을 최대화하기 위해 설계된다. 이러한 배출 공정은 더 많은 기체 생산 및 환경/기후 제어를 위해 과포화된 메탄 기체의 탈기를 가져온다.
일실시예에서, 그 결과로 얻어지는 메탄/공기 혼합물은 혼합을 향상시키고 바이오 가스 생산을 증가시키기 위해 혐기성 소화조로 재주입될 수 있다. 또한, 재주입된 메탄/공기 혼합물은 소화조 내의 황화수소의 함량을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다.
혐기성 소화조 배출물(20)의 온도는 그것이 플러그 플로 공정에서 첫 번째 용기 사이로 흐름에 따라 100℉ 내지 110℉, 110℉ 내지 120℉, 120℉ 내지 130℉, 130℉ 내지 140℉, 140℉ 내지 150℉, 150℉ 내지 160℉, 160℉ 내지 165℉, 165℉ 내지 175℉ 및 175℉ 내지 195℉를 포함하나 이에 한정되지 않는 적절한 온도로 상승될 수 있다.
일실시예에서, 혐기성 소화조 배출물은 배출물과 그것의 섬유상 고형물을 A등급 병원균 기준으로 더 가열 처리하기 위해 확장된 배기 열 회수 시스템을 이용하여 가열된다.
용기 내 배출물의 수리식 체류시간(HRT)은 미국 환경보호국 기준에 따라 검증될 수 있다. HRT는 설계 기준에 따라 30분 내지 48시간 또는 4시간 내지 36시간 또는 8시간 내지 24시간 또는 12시간 내지 16시간으로 다양할 수 있다.
배출물 피트(110)는 액체 수준 위와 용기 천장 아래에 기체 헤드스페이스가 있을 것이고, 기밀할 것이며, 진공 하에서 작동될 것이다. 배출물 피트 내의 배출물(20)은 주입기 또는 기체 노즐(120)을 통해, 공기를 포함하나 이에 한정되지 않는 가열된 기체의 주입에 의해 가열되고 교반될 것이다. 가열된 기체는 배출물 피트의 바닥 근처에 있는 액체로 주입되어, 나선형의 혼합 효과를 유발할 것이다. 가열된 공기는 가열된 기류를 제공하는 바이오 가스 엔진 발전기에서의 배기가스와 함께, 직교류 열 교환기(122)를 통한 대기를 취해 공급될 수 있다. 공기와 함께 교반된, 가열된 배출물은 액체 폐기물 내에 연행된 CO₂의 대부분과 NH₃의 일부를 배출할 것이다. 액체 폐기물로부터 CO₂의 배출은 액체 폐기물의 pH 상승을 유발하고, NH₃ 제거 효율을 증가시킬 것이다. pH 값은 과포화된 기체가 어떻게 배출되었는지에 대한 표지로 이용될 수 있다. pH 값은 또한 어떤 영양분이 회수될 수 있는지를 결정하는 표지로 이용될 수 있다.
임의의 특정 이론에 얽매이지 않고, 폭기는 CO₂를 포함하나 이에 한정되지 않는 과포화된 기체의 발생을 가능하게 하며, 고온은 동역학을 증진시켜, 과포화된 기체의 더욱 빠른 배출을 가능하게 한다고 여겨진다. 배출물을 폭기시킴으로써, pH 값은 증가되고, 자연스러운 응집과 침전을 방해할 수 있는 기체가 제거된다.
일실시예에서, 폭기 속도는 2갤런/cfm 내지 160갤런/cfm, 또는 5갤런/cfm 내지 150갤런/cfm, 또는 10갤런/cfm 내지 100갤런/cfm 또는 25갤런/cfm 내지 80갤런/cfm 또는 40갤런/cfm 내지 50갤런/cfm을 포함하나 이에 한정되지 않는, 폭기 시 과포화되는 용존 기체의 배출을 돕는 임의의 속도일 수 있다. 일실시예에서, 마이크로에어레이션 삭스가 이용될 수 있다.
일실시예에서, 폭기 시간은 15분 내지 3일, 또는 2시간 내지 2일, 또는 4시간 내지 24시간, 또는 8시간 내지 18시간, 또는 12시간 내지 16시간을 포함하나 이에 한정되지 않는, 폭기 시 과포화되는 용존 기체의 배출을 돕는 임의의 양의 시간일 수 있다.
일실시예에서, 폭기 속도는 폭기 시 과포화되는 용존 기체의 스트리핑과 칼슘 및 마그네슘이 결합된 인산염과 같은 기존 고형물 수준의 유지를 허용할 수 있도록 선택된다. 일실시예에서, 폭기 속도는 칼슘 및 마그네슘이 결합된 인산염 또는, 더 많은 자유로운 인산염을 배출할 스트루바이트 유사 입자와 같은 고형물의 용해를 유발하지 않는다.
일실시예에서, 폭기는 배출물의 pH 값을 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8, 7.9, 8.0, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, 8.6, 8.7, 8.8, 8.9, 9.0, 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9, 10.0, 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8, 10.9, 11.0, 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, 11.6, 11.7, 11.8, 11.9, 12.0 및 12.0 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는, 원하는 값으로 증가시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 폭기 공급원은 마이크로에어레이션을 통해 생산된 거품을 포함하나 이에 한정되지 않는 특정한 크기의 거품을 생산할 수 있도록 설계된다.
탈거탑
영양분 회수 시스템은 또한 탈거탑(140)을 포함한다. 탈거탑은 기체 암모니아를 흡수하여 그것을 더 농축시켜 쉽게 저장시킬 수 있는 암모늄 염 용액으로 안정화하는 데 이용된다. 간단히 말하면, 스트리핑은 끓는점 또는 증기압 차이로 유체 성분을 분리하는 단계로 이루어진 증류 공정이다. 통상적인 분리 수단은 접촉 표면을 증가시키기 위해 하나 이상의 다양한 지지 물질, 즉, 폴링(Pall Rings), 라시히링(Raschig Rings), 버얼 안장(Berl Saddles) 등으로 채운 컬럼 또는 탑을 통과시키는 것이다. 스트리핑 매체(예를 들어, 뜨거운 공기 또는 증기, 또는 일실시예에서, 가열되지 않은 공기)는 탑의 바닥으로 주입되고, 암모니아를 함유하는 용액은 탑에 또는 탑 근처에 주입된다. 암모니아를 함유하는 액체가 패킹을 통해 흘러내려감에 따라, 그것은 상승하는 뜨거운 증기와 접촉하고, 더 휘발성의 암모니아 분획은 기화되고, 수집될 수 있으며 더 처리될 수 있다. 휘발성이 적은 액체 성분은 그것이 수집될 수 있는 탑의 바닥으로 가까워짐에 따라 점점 더 순수해진다. 2011년 3월 22일에 발행된 미국 특허번호 제7,909,995호는 탈거탑과 영양분 회수 시스템의 설계에 관한 추가적인 정보를 제공하며, 명백히 전체로서 본원에 참조로서 포함된다.
탈거탑은 황산, 질산, 탄산, 염산 및 인산을 포함하나 이에 한정되지 않는 부식성 산을 보유할 수 있는 기구이다. 탈거탑은 또한 진공 송풍기와 펌프를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 탈거탑은 탄산암모늄, 황산암모늄, 염산암모늄, 질산암모늄 및 인산암모늄을 포함하나 이에 한정되지 않는 임의의 암모늄 염을 수집하는 데 이용될 수 있다.
분뇨를 탈거탑을 통과하여 흘리는 종래 방법과는 반대로, 플러그 플로 폭기가 이용될 수 있다. 이는 탈거탑에 들러붙는 막힘 문제를 막는다. 게다가, 종래의 탈거탑은 매우 높은 폭기 속도를 통한 높은 효율에 초점을 둔다. 이러한 폭기 속도는 종종 압력 강하와 높은 전기 수요와 관련되어 있다.
일실시예에서, 스트리핑 매체로서 공기를 이용하는 폐 루프 탑 디자인을 이용하여 암모니아 스트리핑이 이루어지며, 암모니아를 암모늄 염으로 포획하기 위해 산 흡수 시스템을 포함한다. 공기는 다른 잠재적인 운반 기체만큼 높은 암모니아 흡수 용량을 지니고 있지 않지만 저렴하므로 공기가 이 공정을 위해 이용될 수 있고, 그 공정은 보상을 위해 혐기성 소화조에서 유래하는 뜨거운(약 32~35℃) 분뇨 폐수를 이용하기 때문에 필요한 pH 조정이 상대적으로 낮은 수준(예를 들어, pH 10)으로 유지될 수 있다.
일실시예에서, 배출물 피트(110)에서 진공 하에서 배출 공기(effluent air)는 패킹된 탈거탑(140)으로 전달될 것이며, 여기서, 이러한 예에서는, 황산의 액체 세척제가 기류의 pH를 강하시키고, 황산암모늄을 포함하는 용액을 생성할 것이다. 용액은 약 30% 내지 약 60% 황산암모늄을 포함하는 암모늄 염 슬러리를 포함할 수 있다. 황산암모늄은 수집되어 비료로 이용될 수 있다.
일실시예에서, 단일 탑 디자인이 이용될 수 있다. 단일 탑은 암모니아 스트리핑을 위한 폐수 입력부와 산 흡수를 위한 산 입력부를 포함한다. 공기는 환풍기 또는 송풍기를 이용하여 탑의 바닥으로 유도된다. 공기는 폐쇄된 시스템 내에서 순환하여, 외부의 영향 없이 더 오랫동안 공기가 그 온도를 유지함에 따라, 향상된 암모니아 회수와 에너지 투입의 감소를 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 공기는 예를 들어, 약 50℃의 온도로 또는 약 40℃ 내지 약 60℃ 범위의 온도로 가열된다.
고형물/액체 분리기
영양분 회수 시스템은 또한 액체를 고형물로부터 분리하는 데 이용할 수 있는 고형물/액체 분리기(130)를 포함한다. 임의의 고형물/액체 분리기 유형이 이용될 수 있다. 고형물/액체 분리기의 한 예는 Shenzhen Puxin Science and Technology에서 판매하는 Puxin 분뇨 슬러지 액체 분리기이다.
Puxin 분리기는 프레스 기계, 슬러지 펌프, 제어 캐비닛 및 파이프라인으로 이루어진다. 그것은 소 분뇨, 돼지 분뇨 및 닭 분뇨 등과 같은 가축 분뇨에 대해 건조한 분뇨를 얻기 위해 고형물과 액체를 분리하는 데 주로 이용된다. 그 장비는 연속 스크류 압출에 의해 작동하며, ≥0.5~1.0mm의 고형물 입자 크기를 나타내는 분뇨 또는 슬러지에 적용될 수 있다.
계획된 HRT의 말에 전체 멸균된 혐기성 소화조 배출물이 고형물/액체 분리기(130)로 퍼내질 것이고, 그 결과, A등급 바이오 고형물 기준을 충족시킬, 분리된 고형물(135) 스트림과 또한 멸균되어 병원균이 없게 될, 분리기 액체 스트림(137)이 얻어질 것이다. 분리된 고형물과 분리된 액체는 암모니아-N 함량이 줄어들 것이다. 생성된 황산암모늄은 유기 폐기물에서 발견되는 천연 암모늄의 더 높은 가치로의 활용이 될 것이며, 활용 및 판매하기에 더 쉬운 화학물질의 형태가 될 것이다. 분리된 고형물은 동물의 잠자리용 깔개, 원예적 사용, 또는 비료를 위해 활용될 수 있다.
폭기 반응조 및 고형물 침전 시스템을 포함하는 기밀용기
영양분 회수 시스템은 또한 단일 또는 복수 챔버의 기밀용기를 포함한다. 기밀용기는 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯 또는 다섯 개가 넘는 챔버를 포함할 수 있다. 챔버는 공통 벽을 공유할 수 있거나 완벽히 격리될 수 있다. 챔버는 비슷한 규모와 디자인, 또는 독특한 규모 또는 디자인을 가질 수 있다. 두 개 또는 두 개가 넘는 챔버는 동일한 규모와 디자인을 가질 수 있다. 챔버는 비슷한 재료 또는 상이한 재료로 이루어질 수 있다.
130℉ 내지 180℉ 또는 140℉ 내지 160℉로 유지된 온도의 분리기 액체 스트림은 단일 챔버 또는 복수 챔버의 기밀용기로 전달될 수 있다. 세 개의 챔버로 된 기밀용기(145)를 도 2에 나타내었다. 첫 번째 챔버(150)는 장벽에 의해 두 번째 챔버(160)로부터 분리된다. 두 번째 챔버(160)는 장벽에 의해 세 번째 챔버(170)로부터 분리된다.
일실시예에서, 장벽은 플라스틱 PVC, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 메타크릴릭 또는 아크릴릭 플라스틱, 섬유 유리 강화 플라스틱(fiber glass reinforced plastic, FRP) 또는 스테인리스 스틸을 포함하나 이에 한정되지 않는, 챔버를 별개로 유지하는 임의의 적합한 물질로 이루어질 수 있다.
일실시예에서, 첫 번째와 세 번째 챔버는 직사각형, 정사각형, 삼각형, 원형, 오각형 및 V노치형 모양을 포함하나 이에 한정되지 않는, 원하는 결과를 가능하게 하는 임의의 모양 또는 치수일 수 있다. 하나 이상의 펌프가 첫 번째 및/또는 세 번째 챔버의 바닥에 또는 근처에 위치할 수 있다.
a. 첫 번째 챔버
모든 구성에서 활용되지 않을 수 있는, 첫 번째 챔버(150)는 분리기 액체가 옮겨 부어질(decant) 곳인 “조용한 구역” 챔버일 것이다. 액체 배출물과 함께 고형물 분리기를 통과한 극히 작은 고형물의 많은 비율이 아마도 첫 번째 챔버(150)의 바닥으로 침전할 것이고, 수집되어 탈수를 위해 제거될 것이다. 분리 공정 때문에 감소된 고형물 함량을 나타내며 더 높은 액체 온도에서의 혐기성 소화된 액체는 더욱 빠르게 그리고 더 효율적으로 분리한다. 액체 스트림은 30분 내지 24시간 또는 60분 내지 18시간 또는 2시간 내지 16시간 또는 4시간 내지 12시간 또는 8시간 내지 10시간의 HRT로 설계된 첫 번째 챔버(150) 사이로 플러그 플로로 흐를 것이다. 액체 스트림은 두 번째 챔버(160)로 플러그 플로로 흐를 것이다.
b. 두 번째 챔버
두 번째 챔버(160)는 직사각형, 정사각형, 원형, 삼각형, 오각형 및 V노치형 모양을 포함하나 이에 한정되지 않는, 원하는 결과를 달성하는 임의의 원하는 모양 또는 치수를 나타낼 수 있다.
두 번째 챔버(160)에서, 액체 스트림은 CO₂ 엔진 배기가스와 함께 열 교환기에서 가열되는 공기로 기체 교반될 수 있다. 폭기는 침전을 방해했던 과포화된 기체의 방출을 허용한다. 두 번째 챔버로의 공기의 주입을 위한 노즐 또는 분출구는 두 번째 챔버(160)의 바닥에 또는 근처에 위치시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 액체 스트림은 재순환 펌프로 수압식 교반시킬 수 있거나, 프로펠러 교반 시스템으로 기계적으로 교반시킬 수 있다. 일실시예에서, 교반은 30분 내지 1시간, 1시간 내지 2시간, 2시간 내지 4시간, 4시간 내지 6시간, 6시간 내지 8시간, 8시간 내지 10시간, 10시간 내지 12시간 및 12시간 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는 적절한 기간 동안 할 수 있다. 이 예에서, 두 번째 챔버는 폭기 반응조로 기능한다.
일실시예에서, 액체 스트림은 연속 교반을 나타낼 것이며, 연속 교반은 암모니아 제거가 바람직하다면 이를 도울 것이다.
두 번째 챔버에 들어설 때, 액체 배출물의 pH를 9.0~9.1, 9.1~9.2, 9.2~9.3, 9.3~9.4, 9.4~9.5, 9.5~9.6, 9.6~9.7, 9.7~9.8, 9.8~9.9, 9.9~10.0, 10.0~11.0, 11.0~12.0, 12.0~12.5 및 12.5 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는 적절한 값으로 증가시키기 위해, 생석회 또는 가성 물질을 포함하나 이에 한정되지 않는 높은 pH의 액체가 분리된 액체 스트림에 첨가될 수 있다.
폐기물 액체의 고형물 함량을 줄이는 것의 장점은 더 적은 양의 석회 또는 가성 물질이 주어진 부피의 액체의 pH를 높이는 데 필요하며, 그에 의해 영양분 회수 시스템의 화학적 처리 비용을 줄일 수 있다는 점이다. 액체 스트림은 혐기성 소화조라는 제목의 절에서 위에 상술한 혼합 플러그 플로 (나선형) 교반법을 활용하여 교반되므로 기밀용기(140)의 두 번째 챔버(160) 사이로 플러그 플로로 흐를 것이며, 그에 의해 용기 내에서 일정한 HRT를 유지할 것이다.
혐기성 소화조 배출물의 pH를 140℉ 이상의 온도에서 약 9.5 이상의 pH로 증가시키면 가용성 암모늄-질소(NH₄-N)를 불용성의 휘발성 암모니아 질소(NH₃-N)로 전환할 것이다. 암모니아-질소(162)는 기밀용기에서 제공되는 연속적인 교반으로 빠르게 휘발될 것이고, 용기 내에서 제공되는 헤드스페이스에 수집될 것이다. 헤드스페이스에 있는 기체의 진공 추출은 기밀용기 내부에서 휘발 속도를 더 증가시키는 데 활용될 것이다. 이후, 직교류 공기 탈거탑(140)에서 H2SO4 또는 비슷한 산성 화학물질로 이루어진 낮은 pH의 액체 용액으로 기체성 기류를 공기 세척하는 시스템을 활용하여, 암모니아가 기류로부터 제거되어 액체 황산암모늄으로 포획될 것이다. 황산암모늄은 농부들이 활용하는, 매우 귀중하고 손쉽게 판매되는 비료로, 영양분 회수 시스템을 위한 소득(income) 스트림이 될 것이다. 가장 중요한 것은 액체 폐기물 스트림으로부터 암모늄-질소의 제거는 혐기성 소화조 배출물의 주요한 처리 문제 중 하나를 해결한다는 점이다.
중요한 것은 일부 적용에서, 최종 소비자는 질소 또는 암모니아를 회수하기를 원치 않을 수 있다는 점이다. 시스템은 최종 소비자의 필요와 바람을 충족하기 위하여 맞춤형으로 될 수 있다. 일실시예에서, 시스템은 (a) 인; (b) 암모니아 염 비료를 위한 회수된 암모늄 염; (c) A등급 바이오 고형물; (d) 인과 암모늄 염; (e) 암모늄 염과 A등급 바이오 고형물; (f) 인과 A등급 바이오 고형물; (g) 인, 암모늄 염 및 A등급 바이오 고형물을 포함하나 이에 한정되지 않는 1종 이상의 성분을 회수하기 위해 설계될 수 있다. 폭기 속도, 폭기 시간 및 배출물의 온도 모두를 제어하는 일은 회수된 영양분 및 회수의 정도를 결정하는 데 도움을 준다.
c. 세 번째 챔버
액체 스트림은 액체가 옮겨 부어질 곳인, 교반이 없는 “조용한 구역”인 세 번째 챔버(170)로 플러그 플로로 흐를 것이다. 나머지 고형물은 세 번째 챔버의 바닥으로 침전할 것이며, 그곳에서 그 바닥의 배출 분리 시스템에 의해 제거될 것이다. 생석회 첨가와 그것의 높은 pH 및 마그네슘 성분, 그리고 세 번째 챔버에 앞선 고온의 교반에 의해, 높은 수준의 마그네슘-암모늄-인산이 쉽고 순조롭게 침전한다. 침전된 고형물은 세 번째 챔버(160)로부터 제거되어 탈수될 것이다. 이러한 예에서, 세 번째 챔버는 고형물 침전 시스템으로 기능한다.
일실시예에서, 영양분이 풍부한 고형물을 침전시키고 탈수하는 일은 제1 펌프의 활용을 통해 더 쉽게 이루어진다. 다른 실시예에서, 디캔팅(decanting, 상층분리)을 위해 산을 첨가하여 고형물 층을 농축시킬 수 있다.
마그네슘-암모늄-인산 또한 농부들이 활용하는 매우 귀중하고, 쉽게 판매되는 비료로, 그것은 영양분 회수 시스템을 위한 소득 스트림도 될 것이다. 액체 폐기물 스트림으로부터 인과 더 많은 암모늄을 제거하여, 혐기성 소화조 배출물의 두 가지 최대 처리 문제가 제거되었다. 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 미국에서 액체 유기 폐기물 발생자/처리자가 마주하는 많은 환경 및 규제 문제를 해결하는 데 이바지한다.
열 교환기
140℉ 내지 175℉ 온도의 옮겨 부은 액체는 혐기성 소화조 시스템(10) 앞에서 서늘한 상태로 들어오는 미가공된 유기 폐기물을 가열하여, 옮겨 부어진 액체의 온도가 유지될 열 교환기(180)로 퍼내질 것이다. 이것은 전체 시스템에서 열 비용을 보전할 것이다.
옮겨 부어진 액체는 열 교환기(180)로부터 직교류의 패킹된 탑 기체 세척 시스템(190)으로 나아갈 것이다. 이러한 기체 세척 탑(190)에서, 높은 pH의 옮겨 부어진 액체는 혐기성 소화조 시스템(10)으로부터 나온 바이오 가스(200)에 노출될 것이다. 혐기성 소화조 바이오 가스(200)는 전형적으로 500ppm 이상의 황산수소(H2S) 함량을 나타내며, 바이오 가스를 전기 발전 공정을 위한 전원으로 전환하는 데 이용되는 왕복 기관에 매우 부식성이 있다고 여겨진다.
탈거탑(190)에서 높은 pH의 옮겨 부어진 액체와 바이오 가스 스트림에서 발견되는 산성의 H2S의 반응은 바이오 가스 내 H2S의 수준을 50ppm 미만으로 낮춘다. 이것은 바이오 가스 내 H2S 농도를 낮추고, AD 시스템의 왕복 기관의 작동 및 유지관리 비용을 상당히 줄여준다. 추가적으로, 옮겨 부은 액체의 높은 pH는 산성의 H2S를 중화시킨 후, 이제 대략 8.0으로 감소되어, 그 결과 농부/소유자에게 더욱 사용하기에 친숙한 액체와 더욱 용이한 액체 처리 선택권으로 이어진다.
불순한 바이오 가스가 배출물 사이에서 거품으로 됨에 따라, CO₂와 H2S와 같은 불순물이 배출물로의 흡수에 의해 바이오 가스로부터 제거된다. 불순물 제거는 이것이 바이오 가스를 정제 또는 세척하여, 사용하기에 더욱 적합한 상태로 만들기 때문에 유익하다. 배출물에 의한 CO₂와 H2S의 흡수는 그것이 배출물의 pH를 허용 가능한 수준, 즉 약 pH 8로 낮추므로 유익하다. 암모니아 스트리핑 배출물 사이로 바이오 가스를 거품화하는 일은 배출물과 바이오 가스 모두에 유익하다.
도 3a는 영양분 회수 시스템(300)의 다른 실시예를 보여준다. 영양분 회수 시스템(300)은 시스템(100)과 비슷한데, 배출물 피트(110)에 일부 변경사항이 있고, 세 개의 챔버로 된 기밀용기와는 반대로 두 개의 챔버로 된 기밀용기(310)로 되어 있다.
영양분 회수 시스템(300)은 혐기성 소화조 배출물을 가열하기 위한 열 교환기(315)를 포함하는 배출물 피트(110)를 포함한다. 배출물 피트는 또한 혐기성 소화조 배출물을 두 개의 챔버로 된 기밀용기(310)의 첫 번째 챔버(320)로 운송하기 위하여 펌프를 포함한다.
두 개의 챔버로 된 기밀용기(310)는 액체 스트림이 대기와 열 교환기(322)에서 가열되는 CO₂ 엔진 배기가스로 기체 교반되도록 허용하는 첫 번째 챔버(320)를 구비한다. 이러한 예에서, 첫 번째 챔버(320)는 폭기 반응조로서 기능한다.
챔버(320)로 공기를 주입하기 위한 노즐 또는 분출구(324)는 챔버(320)의 바닥에 또는 그 근처에 위치시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 액체 스트림은 재순환 펌프로 수압식 교반시킬 수 있거나 프로펠러 교반 시스템으로 기계적으로 교반시킬 수 있다. 일실시예에서, 교반은 30분 내지 1시간, 1시간 내지 2시간, 2시간 내지 4시간, 4시간 내지 6시간, 6시간 내지 8시간, 8시간 내지 10시간, 10시간 내지 12시간, 12~18시간, 18~24시간, 24~36시간, 36~48시간, 48~60시간, 60~72시간 및 72시간 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는 적절한 기간 동안 할 수 있다.
일실시예에서, 배출물은 9.0 내지 10.5 범위의 pH 값으로 조정된다. 일실시예에서, 9.5를 초과하는 pH 값은 폭기, 또는 폭기와 가성 물질 또는 생석회를 포함하나 이에 한정되지 않는 높은 pH 값을 나타내는 작용제의 첨가에 의해 달성될 수 있다. 높은 pH 값을 나타내는 작용제의 첨가는 pH를 9.5~10.0, 10.0~10.5, 10.5~11.0, 11.0~11.5, 11.5~12.0, 12.0~12.5 및 12.5를 초과하는 값으로 증가시키는 데 이용될 수 있다. 높은 pH 값을 나타내는 작용제의 첨가는 선택적이며, 꼭 필요한 것은 아니다.
배출물은 고형물(135)을 액체(137)로부터 분리하는 멀티분리기(130)로 퍼내질 수 있다. 고형물과 액체는 A등급 바이오 고형물로 간주되는 필요조건을 충족한다. 액체 배출물은 챔버(340)로 퍼내지며, 이는 조용한 구역이다. 나머지 성분, 회수 공정 및 액체 배출물의 pH 조정은 본질적으로 시스템(100)에 대해 기술한 바와 같다.
도 3b는 영양분 회수 시스템(305)의 다른 실시예를 보여준다. 영양분 회수 시스템(305)은 2산 탑 시스템(two acid tower system)(360)이 이용된다는 점을 제외하고는 시스템(300)과 비슷하다. 시스템(305)은 그 중에서도 혐기성 소화조(10), 슬러지 피트(101), 배출물 피트(110), 분리장치(130) 및 두 개의 챔버로 된 기밀용기(310) 및 2산 탑 시스템(360)을 포함한다.
혐기성 소화조
임의의 유형의 혐기성 소화조(10)가 상술한 바와 같이 이용될 수 있다. 일실시예에서, 소화조 사이로 혼합된 플러그 플로가 이용된다. 다른 실시예에서, 소화조는 18일, 19일, 20일, 21일, 22일, 23일, 24일, 25일, 26일, 27일, 28일, 29일, 30일 및 30일 초과로 이루어진 군으로부터 선택되는 체류시간을 갖는다.
배출물 피트
일실시예에서, 혐기성 소화조 배출물(20)은 중력으로 흐를 수 있거나, 격리시킨 배출물 피트(110)로 퍼내질 수 있다. 본질적으로, 배출물 피트는 시스템(100)에 대해 기술한 바와 같다. 일실시예에서, 배출물 피트에서 CO₂와 암모니아는 2산 탑 시스템으로 퍼내지지 않는다. 기체는 배출물 피트의 헤드스페이스로부터 진공 송풍기로 퍼내져서 혐기성 소화조로 다시 보내진다. 재순환된 기체는 혐기성 소화조에서 고형물을 순환시키는 데 이용된다.
다른 실시예에서, 스테인리스 스틸 열 교환기가 배출물을 가열하는 데 이용되며, 소화조를 위하여 뜨거운 물 탱크에 의해 공급된다. 배출물은 배출물 피트에서 160℉로 가열된다.
기밀용기
배출물은 배출물 피트로부터 단일 챔버 또는 복수 챔버로 된 기밀용기로 퍼내진다. 두 개의 챔버로 된 기밀용기(310)는 도 3b에 나타내었다. 첫 번째 챔버(320)는 장벽에 의해 두 번째 챔버(340)로부터 분리된다.
일실시예에서, 장벽은 플라스틱 PVC, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 메타크릴릭 또는 아크릴릭 플라스틱, 섬유 유리 강화 플라스틱(fiber glass reinforced plastic, FRP) 또는 스테인리스 스틸을 포함하나 이에 한정되지 않는, 챔버를 별개로 유지하는 임의의 적합한 물질로 이루어질 수 있다.
일실시예에서, 첫 번째와 두 번째 챔버는 직사각형, 정사각형, 삼각형, 원형, 오각형 및 V노치형 모양을 포함하나 이에 한정되지 않는, 원하는 결과를 가능하게 하는 임의의 모양 또는 치수일 수 있다. 하나 이상의 펌프가 첫 번째 및/또는 세 번째 챔버의 바닥에 또는 근처에 위치할 수 있다.
첫 번째 챔버(320)
첫 번째 챔버(320)는 직사각형, 정사각형, 원형, 삼각형, 오각형 및 V노치형 모양을 포함하나 이에 한정되지 않는, 원하는 결과를 달성하는 임의의 원하는 모양 또는 치수를 나타낼 수 있다. 첫 번째 챔버(320)는 폭기 반응조로서 기능한다.
첫 번째 챔버(320)에서, 혐기성 소화조 배출물은 CO₂ 엔진 배기가스로 열 교환기(322)에서 가열되는 대기로 기체 교반될 수 있다. 폭기는 침전을 방해했던 과포화된 기체의 방출을 허용한다. 첫 번째 챔버로의 공기의 주입을 위한 노즐 또는 분출구(324)는 첫 번째 챔버(320)의 바닥에 또는 근처에 위치시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 액체 스트림은 재순환 펌프로 수압식 교반시킬 수 있거나, 프로펠러 교반 시스템으로 기계적으로 교반시킬 수 있다. 일실시예에서, 교반은 30분 내지 1시간, 1시간 내지 2시간, 2시간 내지 4시간, 4시간 내지 6시간, 6시간 내지 8시간, 8시간 내지 10시간, 10시간 내지 12시간, 12~18시간, 18~24시간, 24~36시간, 36~48시간, 48~60시간, 60~72시간 및 72시간 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는 적절한 기간 동안 할 수 있다.
일실시예에서, 액체 스트림은 연속 교반을 나타낼 것이며, 연속 교반은 암모니아 제거가 바람직하다면 이를 도울 것이다.
높은 pH 값을 나타내는 작용제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 작용제는 생석회 또는 비슷한 가성 물질을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 액체 배출물의 pH는 9.0~9.1, 9.1~9.2, 9.2~9.3, 9.3~9.4, 9.4~9.5, 9.5~9.6, 9.6~9.7, 9.7~9.8, 9.8~9.9, 9.9~10.0, 10.0~11.0, 11.0~12.0, 12.0~12.5 및 12.5 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는 적절한 값으로 증가시킬 수 있다.
액체 스트림은 혐기성 소화조라는 제목의 절에서 위에 상술한 혼합 플러그 플로 (나선형) 교반법을 활용하여 교반되므로 기밀용기(310)의 첫 번째 챔버(320) 사이로 플러그 플로로 흐를 것이며, 그에 의해 용기 내에서 일정한 HRT를 유지할 것이다.
혐기성 소화조 배출물의 pH를 140℉ 이상의 온도에서 약 9.5 이상의 pH로 증가시키면 가용성 암모늄-질소(NH₄-N)를 불용성의 휘발성 암모니아 질소(NH₃-N)로 전환할 것이다. 암모니아-질소(162)는 기밀용기에서 제공되는 연속적인 교반으로 빠르게 휘발될 것이고, 용기 내에서 제공되는 헤드스페이스에 수집될 것이다. 헤드스페이스에 있는 기체의 진공 추출은 기밀용기 내부에서 휘발 속도를 더 증가시키는 데 활용될 것이다.
다른 실시예에서, 폭기 반응조는 공기를 가열하기 위하여 열 교환기를 포함한다. 공기 대 공기 열 교환기는 탈거탑의 배기관 쪽에서 나오는 뜨거운 공기를 세척하고, 주위 온도에 해당할 신선한 공기를 가열할 것이다. 공기 대 공기 열 교환기를 통과한 후에, 뜨거운 공기는 루츠식 송풍기를 통과할 것이며(또한 공기 온도를 증가시킴) 폭기 탱크 내의 확산기로 퍼내질 것이다. 혼합 밸브는 송풍기와 송풍기 아래쪽에 있는 온도 프로브에서 작동할 공기 대 공기 열 교환기 사이에 설치된다. 이 혼합 밸브는 공기가 확산기로 공급되기에 너무 뜨거울 때, 공기 대 공기 교환기를 거치치 않게 할 것이다.
다른 실시예에서, 폭기 탱크로부터 나오는 암모니아 기체의 농축은 폭기 탱크와 탈거탑 사이의 기체관(gas line)을 단열시킴으로써 제어된다. 또한, 탈거탑부터 공기 대 공기 열 교환기까지의 기체관뿐만 아니라, 탈거탑을 단열시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 기체관은 탈거탑으로 곧장 가기 전에 폭기 탱크를 향해 기울어지도록 설계될 수 있다. 이러한 설계는 농축이 일어나면, 탈거탑이 아니라 다시 폭기 탱크에서 마치도록 하는 데 도움을 줄 것이다.
또 다른 실시예에서, 폭기 반응조의 배출구는 탱크의 바닥에서 90도의 L자 부분으로 내려가서, 벽을 통과하여 펌프 우물로 가는 수직관(vertical pipe)이다. 그러한 수직관의 정상에서 6” 위는 탱크 내부에 거품이 쌓이면 그것이 흘러나올 수 있는 4’ x 6”의 구멍이다(도 3C 및 도 3D). 배출물 및/또는 거품을 침전로(settling lane)로 운반하는 15” 관이 있다. 4’ x 6”구멍 위의 천공 스크린은 거품을 흩뜨리는 데 이용될 수 있다. 게다가, 거품이 펌프 우물의 구멍으로부터 직접 침전로로 이동할 수 있도록 펌프 우물의 외부에 있는 경사로가 제공될 수 있다. 이러한 구멍은 배출물이 15” 관을 통과하여 흐르는 동안, 거품만 빠져나갈 수 있게 할 것이다. 마지막으로, 필요한 경우, 펌프 우물의 바닥으로부터 배출물을 빨아들여 정상부에 분무하여 거품을 흩뜨리는 펌프가 펌프 우물에 설치될 수 있다.
도 3C는 거품 구멍과 펌프 우물로의 36" 굴뚝용 도관(chimney pipe)의 배출구를 보여준다. 거품 구멍은 굴뚝용 도관의 정상보다 6" 더 높고, 그곳에서 폭기 탱크에 쌓이는 거품이 거품을 관리할 수 있는 펌프 우물로 이동할 수 있게 한다. 동측면도의 북쪽 벽 침전로를 향한 배출물 관은 폭기 탱크로부터 거품과 배출물의 배출구이다. 배출물은 그곳으로부터 침전로까지 중력에 의해 흐른다.
도 3D는 왼쪽의 펌프 우물과 오른쪽의 폭기 탱크를 보여준다. 굴뚝용 도관은 폭기 탱크의 정상으로부터 액체를 취하여 펌프 우물의 바닥으로 흐르게 한다. 거품 구멍은 굴뚝용 도관의 정상에서 6" 위에 있다.
고형물/액체 분리기
계획된 HRT의 말에, 혐기성 소화조 배출물은 첫 번째 챔버(320)로부터 고형물/액체 분리기(130)로 퍼내질 것이고, 그 결과, A등급 바이오 고형물 기준을 충족시킬 분리된 고형물(135) 스트림과 또한 멸균되어 병원균이 없게 될 분리기 액체 스트림(137)이 얻어질 것이다. 분리된 고형물과 분리된 액체는 암모니아-N 함량이 줄어들 것이다. 생성된 황산암모늄은 유기 폐기물에서 발견되는 천연 암모늄의 더 높은 가치로의 활용이 될 것이며, 활용 및 판매하기에 더 쉬운 화학물질의 형태가 될 것이다. 분리된 고형물은 동물용 깔개, 원예적 사용, 또는 비료를 위해 활용될 수 있다. A등급 액체는 기밀용기(310)의 헤드스페이스로 다시 퍼내진다.
2탑 스트리핑 시스템(Two tower stripping system)
암모니아 스트리핑에 이용되는 시스템은 임의의 적합한 디자인으로 되어 있을 수 있다. 예를 들어, 2탑 시스템(two-tower system)이 이용될 수 있다. 2탑 시스템에서, 첫 번째 탑은 암모니아 스트리핑에 이용된다. 폐수 배출물은 첫 번째 탑의 정상 근처에 주입된다. 공기는 환풍기 또는 송풍기를 이용하여 첫 번째 탑의 바닥으로 유도된다. 공기는 휘발된 암모니아를 축적하여, 환풍기 또는 송풍기에 의해 발달된 압력으로 두 번째 탑의 바닥으로 보내진다. 두 번째 탑의 정상으로부터 산이 매체를 통과하여 아래로 보내져, 공기로부터 암모니아를 흡수하므로, 이렇게 암모니아가 풍부한 공기는 위쪽으로 날려진다. 그 결과로 얻어지는 공기는 이제 암모니아가 없으며, 공정의 지속적인 진행을 위해 첫 번째 탑의 바닥으로 다시 돌려보내진다. 이러한 예에서, 두 번째 탑으로 주입된 산은 황산이지만, 암모니아와 결합하여 암모니아 염을 형성할 수 있는 임의의 산일 수 있다.
일실시예에서, AD 공정으로부터의 과잉의 발전기 열에 의해 열이 공급된다. 그러나 본 발명의 바람직한 실시예에서, 공기는 직접 가열되지 않고, 그 대신, 혐기성 소화조 공정에서 나오는 30~35℃의 분뇨 폐수의 끊임없는 투입을 통해 간접적으로 가열되고, 계속적으로 재순환되고 재사용된다. 공기는 스트리핑 섹션의 바닥으로 들어가서 위쪽으로 흐르며, 기체 암모니아를 흡수하는 한편, 탑의 암모니아 스트리핑 섹션의 정상을 향해 움직인다. 송풍기 또는 환풍기 사용과 결부시킨 흐름의 작용은 암모니아가 포화된 공기를 탑의 산 섹션으로 보낸다. 일실시예에서, 산 섹션은 황산을 함유하고, 암모니아가 포화된 공기가 산을 통과하여 흐름에 따라, 암모니아는 산과 반응하여 황산암모늄 용액을 형성하며, 이는 제거된다. 그 결과로 얻어지는 암모니아가 고갈된 공기는 이후 추가적인 암모니아의 축적 등을 위하여 스트리핑 섹션으로 다시 순환된다. 결과는 연속적인, 폐쇄된 시스템으로, 그에 의해 동일한 공기가 반복해서 암모니아를 흡수하고 방출하는 데 끊임없이 이용될 수 있어, 전기와 가열과 관련하여 상당한 비용 절감을 가져올 수 있다.
종래 암모니아 스트리핑 시스템은 혐기성 소화조 배출물 내의 통상적인 양의 고형 물질을 처리하기 위해 설계된 것이 아니다. 산 흡수 탑(2탑 시스템) 또는 단일 탑 시스템 내의 탑의 산 흡수 부분은 높은 효율성을 이용하기 위하여 종래의 작은 패킹 물질을 활용할 수 있지만, 혐기성 소화조 배출물은 암모니아 스트리핑 섹션에서 작은 패킹 물질을 막는 경향이 있을 수 있다. 따라서 본원에 기술된 탈거탑은 이러한 문제를 해결하기 위하여 특별히 설계될 수 있으며, 탑 설계는 처리되는 동물 폐기물의 특정 유형을 수용하기 위하여 맞춤형으로 이루어질 수 있다.
일실시예에서, 전통적인 탑이 이용되지만, 그것은 굵은 패킹 물질로 패킹되며 상대적은 짧은 패킹 높이가 이용된다. 예를 들어, 1'' 폴링을 구비한 내경이 4''인 탑과 5'의 패킹 높이가 적어도 약 10g/L의 TS까지의 원료 흐름으로 활용될 수 있다. 일반적으로, 호칭 지름이 2'' 이상이고 비표면적(specific area)이 80-120 m2/m3인 플라스틱 패킹 물질이 이용될 수 있다. 더 작은 패킹 물질 또는 더 높은 비표면적을 나타내는 패킹 물질이 물질 이행에 더 좋을 것이지만, 더욱 쉽게 막힐 것이다. 종래의 6.1~7.6m와 비교하여 더 낮은 패킹 높이(3~5m)도 막힘을 줄이기 위해 바람직하다.
다른 실시예에서, 특별히 설계된 막힘 방지 트레이가 있는 트레이 탑이 이용될 수 있다. 트레이는 실질적으로 평평할 수 있고, 하나 이상의 기체 유도 구멍과 선택적으로, 다양한 트레이를 통하여 공기와 액체의 흐름을 허용하는, 하나 이상의 추가적인 구멍을 함유할 수 있다. 기체 유도 구멍은 탑 내의 패킹 물질이 기체 유도 구멍을 봉쇄하는 것으로부터 보호하는, 이격된 덮개를 포함한다. 나아가, 덮개는 기체와 액체의 이동을 위하여 원하는 방향으로 열린다. 트레이는 그것이 적절하게 들어맞을 수 있고, 트레이 탑 내로 안정적으로 부착될 수 있는 한, 예를 들어, 실질적으로 둥근 형, 정사각형 등의 임의의 적합한 모양일 수 있다.
이제 도 3b로 되돌아가, 기밀용기(310)의 헤드스페이스 내의 NH₃ 기체(162)는 2탑 산 시스템(360)으로 파이프로 수송될 것이고, 그곳에서 제어된 양의 황산이 공기 내의 암모니아와 접촉하여 용해된 황산암모니아 바이오 비료를 생산한다. NH₃ 기체(162)는 2탑 시스템(360)의 탱크 2(370)로 파이프로 수송된다. 황산은 2탑 시스템(360)의 탱크 1(380)으로 파이프로 수송된다. 오버플로 산 용액은 탱크 2(370)로 파이프로 수송되어, 기밀용기(310)의 오버헤드 공간의 NH₃ 기체와 혼합된다. 나머지 NH₃ 기체는 탱크 1(380)으로 파이프로 수송되고, 탱크 2(370)로 다시 파이프 수송된 오버플로 산 용액으로 순환이 계속된다. 이러한 예에서, 황산이 이용되지만, 위에서 논의한 바와 같이, 수많은 유형의 산이 이용될 수 있다. 황산은 기류의 pH를 낮추고 황산암모늄을 포함하는 용액을 생성할 것이다. 용액은 약 30% 내지 약 60% 황산암모늄을 포함하는 암모늄 염 슬러리를 포함할 수 있다. 황산암모늄은 수집될 수 있고, 비료로 활용될 수 있다. 생성된 암모늄 염은 이용한 산에 의존할 것이다. 명확하게 하기 위해, 황산이 이번 예에서 이용되었지만, 전에 언급한 바와 같이, 적당한 암모늄 염을 생산할, 임의의 적합한 산이 이용될 수 있다.
이후, 직교류 2탑 산 시스템(360)에서 H2SO4 또는 비슷한 산성 화학물질로 이루어진 낮은 pH의 액체 용액으로 기체성 기류를 공기 세척하는 시스템을 활용하여, 암모니아가 기류로부터 제거되어 액체 황산암모늄으로 포획될 것이다. 황산암모늄은 농부들이 활용하는, 매우 귀중하고 손쉽게 판매되는 비료로, 영양분 회수 시스템을 위한 소득(income) 스트림이 될 것이다. 가장 중요한 점은 액체 폐기물 스트림으로부터 암모늄-질소의 제거는 혐기성 소화조 배출물의 주요한 처리 문제 중 하나를 해결한다는 것이다.
두 번째 챔버
액체 스트림은 액체가 옮겨 부어질 곳인, 교반이 없는 “조용한 구역”인 두 번째 챔버(340)로 플러그 플로로 흐를 것이다. 나머지 고형물은 두 번째 챔버의 바닥으로 침전할 것이며, 그곳에서 그들은 바닥의 배출 분리 시스템에 의해 제거될 것이다. 두 번째 챔버에 앞선 폭기와 고온은, 칼슘 및 마그네슘이 결합된 인산, 그리고 마그네슘-암모늄-인산과 같은 높은 수준의 고형물을 생산하며, 이는 쉽고 순조롭게 침전한다. 침전된 고형물은 두 번째 챔버(340)로부터 제거되어 탈수될 것이다.
일실시예에서, 영양분이 풍부한 고형물을 침전시키고 탈수하는 일은 제1 펌프의 활용을 통해 더 쉽게 이루어진다. 다른 실시예에서, 디캔팅을 위해 산을 첨가하여 고형물 층을 농축시킬 수 있다.
마그네슘-암모늄-인산 또한 농부들이 활용하는 매우 귀중하고, 쉽게 판매되는 비료로, 그것은 영양분 회수 시스템을 위한 소득 스트림도 될 것이다. 액체 폐기물 스트림으로부터 인과 더 많은 암모늄을 제거하여, 혐기성 소화조 배출물의 두 가지 최대 처리 문제가 제거되었다. 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 미국에서 액체 유기 폐기물 발생자/처리자가 마주하는 많은 환경 및 규제 문제를 해결하는 데 이바지한다.
영양분 회수 시스템(305)의 열 교환기를 포함하는 나머지 구성요소는 영양분 회수 시스템(100)에 대해 기술한 바와 같다.
도 4는 영양분 회수 시스템의 하나의 가능한 구성을 나타내는 영양분 회수 시스템(400)의 일실시예를 보여준다. 전형적으로, 기질 피트(405)와 분뇨 피트(406)는 폐기물을 보유하기 위해 존재한다. 시스템(400)은 혐기성 소화조(410)를 포함한다. 폐기물은 분뇨 피트(406)로부터 혐기성 소화조(410)로 운송된다. 폐기물은 소화조로부터 배출물 피트로 운송되며, 그곳에서 폐기물은 가열될 수 있다.
시스템(400)은 또한 섬유질 분리 챔버(420)를 포함한다. 폐기물은 섬유질 분리 챔버(420)로 운송되며, 그곳에서 고형물과 액체가 분리될 수 있다.
시스템(400)은 또한 폭기 반응조(430)를 포함한다. 혐기성 소화조 배출물은 폭기 반응조로 운송되며, 그곳에서 배출물은 50~55, 55~60, 60~65, 65~70 및 70~80℃를 포함하나 이에 한정되지 않는 적합한 온도로 가열된다. 배출물은 또한 본원에 논의된 매개변수 내에서 폭기된다.
시스템(400)은 또한 두 개의 산 탱크를 포함하는 산 탑 시스템(acid tower system)(440)을 포함한다. 산 탑 시스템은 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 5개를 초과하는 산 탱크를 포함할 수 있다. 폭기와 pH 증가는 가용성 암모늄-질소(NH₄-N)의 평형을 불용성의 휘발성 암모니아 질소(NH₃-N)로 이동시킨다. NH₃ 기체는 산 탑 시스템으로 파이프로 수송되며, 그곳에서 제어된 양의 황산이 공기 내의 암모니아와 접촉하여 용해된 황산암모니아 바이오 비료(450)를 생산한다.
시스템은 또한 고형물 침전 시스템을 포함하며, 도 4에 나타난 바와 같이, 침전 시스템은 침전보(470)일 수 있다. 침전보(470)는 고형물이 침전될 수 있게 하는 조용한 구역이다. 섬프(460)가 배출물을 폭기 반응조(430)로부터 침전보(470)로 퍼낸다. 인 고형물은 침전보에서 수집된다.
인이 풍부한 고형물은 다양한 공지의 침전 기법 중 어느 하나를 이용하여 AD 배출물로부터 제거될 수 있다. 처리되는 폐기물의 유형과 조건에 따라, 고형물 침전 전에 큰 고형물과 입자성 물질을 제거하기 위한 초기 기계적 분리(예를 들어, 벨트 프레스, 경사진 스크린 등) 단계를 수행하는 것도 유리할 수 있다.
고형물의 침전은 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있는 몇 가지 생물학적 또는 화학적 방법 중 임의의 방법에 의해 이루어질 수 있다. 일실시예에서, 화학적 절차가 이용되며, 예로는 침전, 응집, 침강, 전기응고, 스트루바이트 결정화 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 한 가지 방법은 응집과 함께 침전시키는 것이다.
응집은 퇴적, 선별(screening) 및 여과와 같은 물리적인 고체-액체 분리 공정을 통한 인산 및 기타 부유성 고형물의 제거를 수반한다. 응고제 및/또는 응집성 고분자의 첨가 없는 이들 공정은 고형물의 대부분이 분뇨 폐수에서 미세한 입자 형태로 있기 때문에 일반적으로 효율성이 낮다. 브라운 운동과 미세 입자 덩어리는 콜로이드 입자의 매우 느린 퇴적을 생성한다. 응고제와 응집제가 미세한 입자를 집합시켜 빠른 침전과 선별을 촉진시킴으로써, 고형물과 인산 제거를 증진시키는 데 이용될 수 있다. 본 발명의 실행에 이용될 수 있는 흔한 응고제는 황산알루미늄(명반), 황산제이철 및 석회(CaO)와 같은 무기 화합물을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 고분자량의 긴 사슬 수용성 고분자인 폴리아크릴아미드(polyacrylamids, PAMs) 또한 이용될 수 있다.
응고제 및/또는 응집제의 첨가는 부유성의 하전된 입자를 불안정하게 하여, 부유성 입자들 사이에 “가교”를 놓아, 그 결과 액체 배출물로부터 더욱 쉽게 분리되는 더 큰 입자 또는 플록을 형성한다. 또한, 폐수의 미세한 부유성 입자 대부분은 음전하로 하전되어 있다. 음의 표면 전하는 정전기적 추진력 때문에 폐수에 입자들이 분산되게 하여, 그 결과, 입자 현탁액에 안정성을 가져온다. 안정성은 입자들이 집합될 수 있기 전에 예를 들어, 고분자의 양이온성 응집제의 첨가에 의해, 붕괴되어야 한다. 양이온성 고분자는 강력한 양전하를 지닌 수많은 아민기를 가지며, 이는 입자 표면 상의 음전하를 중화시키고, 따라서 그들은 폐수의 미세 입자의 표면 전하를 중화시키는 데 이용될 수 있다. 더구나, 고분자는 부유성 입자들 사이에서 “가교”로서 역할할 수 있으며, 가교된 입자는 다른 입자들과 상호 작용하여 플록 크기의 증가를 가져와, 입자의 침전을 증진시킨다.
몇 가지 유형의 양이온성 응집제가 분뇨 배출물에 사용하기에 적합하다. 이들은 상이한 분자량과 양전하를 지닌 가지형 고분자를 포함하는 폴리에틸렌이민(polyethylenimines, PEIs)과 상업적으로 이용 가능한 KlarAid PC와 같은 강한 양이온성 고분자를 포함하나 이에 한정되지 않는다.
일실시예에서, 많은 고형물이 침전을 통해 제거되며, 나머지 인이 풍부한 고형물은 강한 양이온성 폴리아민 고분자를 이용한 응집에 의해 제거된다. 두 가지 폴리아민 고분자가 배출물에 첨가될 수 있다. 첫 번째는 약 3,000 내지 약 15,000 범위의 저분자량 양이온성 고분자이다. 그러한 저분자량의 고분자 첨가의 주된 목표는 전하 중성화에 의한 음성 입자의 불안정화이다. 이러한 고분자의 용량은 입자 함량과 전하 밀도에 의존한다. 일실시예에서, 입자는 저분자량의 고분자 첨가 후에도 여전히 약한 음전하를 보유한다. 그러면 두 번째 고분자가 첨가되어 입자 표면 상으로 흡수되며, 그에 의해 배출물로부터 침전될 것이거나 그렇지 않으면 제거될 수 있는 대형 플록을 형성한다. 두 번째 양이온성 고분자의 바람직한 분자량은 약 70만 내지 약 200만의 범위에 있게 될 것이다.
고형물이 혐기성 소화조 배출물로부터 충분히 침전한 후, 그들은 상층액으로부터 분리된다. 이는 임의의 적합한 수단, 예를 들어, 상층액을 리시빙 탱크(receiving tank)로 퍼내고 고형물을 남기거나, 그 역으로 침전된 고형물을 퍼내는 식으로 이루어질 수 있다. 슬러지 형태의 고형물은 인이 풍부하며, 회수되어 추가적인 처리, 예를 들어, 건조, 탈수 등과 함께 또는 추가적인 처리 없이, 비료로 또는 비료 제조에 이용될 수 있다. 고형 침전물(슬러지)의 탈수는 슬러지 부피를 줄이고 암모늄 질소 회수를 위한 액체 부피를 증가시키기 위해 필요할 수 있다. 이러한 단계를 수행하기 위한 임의의 적합한 수단이 이용될 수 있다. 예를 들어, 스크류 또는 다른 유형의 프레스가 탈수를 위해 이용될 수 있다. 다른 고형물에 대해 위에서 기술한 바와 같이, 탈수된 슬러지는 농장 밖으로 수출될 수 있거나 인이 풍부한 비료로 판매될 수 있다.
시스템은 또한 배출물을 산화지로 퍼내는 섬프(480)를 포함한다. 일실시예에서, 산화지의 배출물은 A등급 액체로 간주되는 필요조건을 충족한다.
시스템(400)은 또한 전기설비건물(490)과 산 저장 건물(495)을 포함할 수 있다.
영양분 회수 시스템은 위의 구성요소 또는 구성요소 등가물의 일부를 함유하도록 수정되고 조정될 수 있다.
영양분 회수 기구
다시 도 4를 참조하면, 영양분 회수 기구는 섬유질 분리기(420), 폭기 반응조(430), 산 탑 시스템(440) 및 고형물 침전 시스템(470)을 포함할 수 있다. 산 탑은 하나 이상의 산 탱크를 포함할 수 있다. 시스템은 또한 혐기성 소화조를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 영양분 회수 기구는 암모늄 염 저장 기구(450)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 영양분 회수 기구는 산 저장고(495)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 영양분의 회수를 위한 기구가 제공된다. 일실시예에서, 영양분의 회수를 위한 기구는 단일 챔버 또는 복수 챔버로 된 용기, 펌프, 진공 송풍기, 파이프 및 구성요소들을 연결하는 비슷한 장치, 그리고 산 함유를 위한 하나 이상의 기구를 포함한다.
일실시예에서, 기구는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 및 10개를 초과하는 챔버를 포함하나 이에 한정되지 않는, 하나 이상의 챔버로 분할되는 용기를 함유할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나보다 더 많은 영양분 회수 기구가 동시에 또는 연속적으로 이용될 수 있다.
일실시예에서, 용기의 챔버는 같은 크기, 치수 및 모양일 수 있다. 다른 실시예에서, 용기의 하나보다 더 많은 챔버는 같은 크기, 모양 및 치수일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 챔버 중 어느 것도 크기, 모양 및 치수가 같지 않다.
일실시예에서, 하나 이상의 챔버는 챔버 내에 위치한 펌프를 구비할 수 있다. 펌프는 챔버의 바닥에 또는 그 근처에 위치할 수 있거나, 챔버의 측벽에 위치하거나, 또는 챔버의 천장 근처에 위치하거나, 또는 챔버의 액체 수준 근처에 위치할 수 있다. 펌프는 하나보다 더 많은 곳에 위치할 수 있다.
일실시예에서, 기구는 액체 수준 위와 용기 천장 아래의 기체 헤드스페이스가 있는 세 개의 챔버로 된 용기를 포함한다. 일실시예에서, 세 개의 챔버로 된 용기는 기밀 상태일 수 있으며 진공 하에서 작동될 수 있다. 다른 실시예에서, 세 개의 챔버 모두는 서로 다른 크기, 치수 및 모양일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 세 개의 챔버 중 두 개는 같은 크기, 치수 및 모양일 수 있다.
일실시예에서, 세 개의 챔버로 된 용기는 오각형 또는 V노치형 모양의 첫 번째 챔버를 포함한다. 첫 번째 챔버는 고형물이 침전되도록 하는 데 이용될 수 있다. 첫 번째 챔버는 장벽에 의해 두 번째 챔버로부터 분리된다.
일실시예에서, 두 번째 챔버는 직사각형 모양이며, 공기를 포함하나 이에 한정되지 않는 기체의 분산을 위한 기체 노즐 또는 분출구를 포함한다. 기체 노즐 또는 분출구는 두 번째 챔버의 바닥에 또는 그 근처에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 두 번째 챔버는 가성 물질 또는 생석회를 포함하나 이에 한정되지 않는 높은 pH 값을 나타내는 작용제를 첨가하는 데 이용된다. 두 번째 챔버는 장벽에 의해 세 번째 챔버로부터 분리된다.
일실시예에서, 세 번째 챔버는 첫 번째 챔버와 비슷한 크기, 모양 및 치수를 지닌다. 세 번째 챔버는 고형물이 침전되도록 하고, 영양분이 풍부한 고형물의 수집을 위해 이용될 수 있다.
일실시예에서, 기구는 액체 수준 위 그리고 용기 천장 아래에 기체 헤드스페이스가 있는 두 개의 챔버로 된 용기를 포함한다. 일실시예에서, 두 개의 챔버로 된 용기는 기밀한 상태일 수 있으며, 진공 하에서 작동될 수 있다.
일실시예에서, 두 개의 챔버로 된 용기는 첫 번째 챔버를 포함한다. 첫 번째 챔버는 직사각형일 수 있다. 일실시예에서, 두 개의 챔버로 된 용기의 첫 번째 챔버는 챔버 바닥의 아랫 부분에 또는 그 근처에 위치한 기체 노즐 또는 분출구를 구비할 수 있다. 두 개의 챔버로 된 용기의 첫 번째 챔버는 장벽에 의해 두 번째 챔버로부터 분리될 수 있다.
일실시예에서, 두 번째 챔버는 오각형 또는 V노치형 모양이다. 두 번째 챔버는 고형물이 침전되도록 하고, 영양분이 풍부한 고형물의 수집을 위해 이용될 수 있다.
일실시예에서, 용기 위의 헤드스페이스는 NH₃ 기체의 수집을 위해 이용된다. NH₃ 기체는 H2S04 또는 질산으로 기체 탈거탑으로 퍼내질 수 있다. 기체 탈거탑은 20% 내지 70% 황산암모늄 고형물을 포함하는 황산암모늄 슬러리를 생산하는 데 이용될 수 있다.
다른 실시예에서, 용기의 마지막 챔버(영양분이 풍부한 고형물이 수집되는 챔버)로부터의 액체 배출물은 열 교환기로 퍼내질 수 있다. 액체 배출물로부터의 열은 혐기성 소화조에서 가공되지 않은 폐기물을 가열하는 데 이용될 수 있다. 9.0 내지 10.0을 포함하나 이에 한정되지 않는 높은 pH 값을 나타내는 액체는 H2S를 포함하는 바이오 가스로 기체 탈거탑을 통과시킬 수 있다. 바이오 가스는 200ppm 내지 600ppm 또는 300ppm 내지 500ppm의 H2S를 포함할 수 있다. 기체 탈거탑은 8.0 내지 8.6을 포함하나 이에 한정되지 않는 더 낮은 pH 값의 액체 배출물을 생산할 것이며, 이는 다양하고 안전한 응용에 이용될 수 있다. 게다가, 바이오 가스 내 H2S의 농도는 15~25ppm, 25~45ppm, 45~55ppm 및 55~100ppm을 포함하나 이에 한정되지 않는 적합한 값으로 감소될 것이다. 일실시예에서, 바이오 가스는 50ppm 미만의 농도로 H2S를 포함한다.
본 발명은 이제 다음과 같은 실시예를 참조하여 기술된다. 이들 실시예는 오로지 예시를 위한 목적을 위하여 제공되며, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것으로 결코 이해되어서는 안 되고, 오히려 본원에 제공된 교시내용의 결과로서 명백해지는 임의의 그리고 모든 변형을 아우르는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허, 허가된 미국 특허출원 또는 공개된 미국 특허출원을 포함하나 이에 한정되지 않는 모든 참고문헌은 전체로서 본 명세서에 참조로서 포함된다.
실시예 1
혐기성 소화 도중, 생물학적 과정 중에 생산된 상당량의 CO₂와 심지어 일부 CH4가 배출물 내에서 용해 및/또는 과포화될 수 있다. 공기의 CO₂ 부분압이 혐기성 소화조에서 바이오 가스의 CO₂ 부분압보다 적기 때문에 혐기성 소화된 배출물의 CO₂는 과포화된다. 이러한 CO₂ 거품은 너무 많은 부유성 고형물이 내부에 함유되어 있기 때문에 분뇨로부터 빠져 나오기 어렵다. 과포화된 기체는 자연스러운 응집 및 침전 과정을 방해한다. 더구나, 분뇨 내의 CO₂ 거품의 존재는 물 분획을 이용하여 기체-물 층을 형성하고, 이는 분뇨 내 입자들의 정전기적 반발력을 증가시켜 고형물이 침전되기 더 어렵게 만들 것이다.
도 5A는 액체 AD 배출물 내의 미소 기포의 이미지를 도시한 것으로, 이러한 거품이 그들이 유도하는 부력과 마이크로 난류로 인력을 방해하기에 충분히 높은 수로 발생함을 보여준다. 과포화된 CO₂는 액체로부터 미세한 거품의 형태로 배출된다. 200ml의 혐기성 소화된 분뇨 사이로 50ml/min 공기로 40분간 폭기시킨 후, 미세한 CO₂ 거품이 사라졌다(도 5B). 폭기는 분뇨에서 CO₂ 거품을 제거하고 분뇨의 pH를 증가시킬 수 있다(도 6). 폭기 도중, 과포화된 CO₂가 액체로부터 기체상으로 배출된다.
또한, 화학적 평형 분석은 폭기가 기체 CO₂를 배출하며, 반응이 오른쪽으로 이동하여, 특히 상승된 용액 온도로 더 많은 OH-를 발생시켜 용액의 pH를 높인다는 점을 보여준다. 이러한 공정은 아래의 식 (7)~(12)에 요약하였다.
CO₂ (aq) CO₂ (g) 증가 (7)
H2C03 H20 + CO₂ (aq) (8)
HCO3- + H2O H2CO3 + OH- (9)
CO3 2- + H20 HCO3- + OH- (10)
[OH-] 증가가 pH 증가를 유발함 (11)
NH₄+ + OH- NH₃ 증가 + H2O (12)
이러한 고온의 폭기 공정의 이후 시험 결과는 CO₂의 스트리핑과 그에 상응하는 pH의 상승은 또한 증대된 암모니아 스트리핑과 화학물질 첨가 없이도 인 침전을 가능하게 하였음을 확인시켜 주었다. 도 7에 나타난 바와 같이, 폭기와 그 후의 침전 기간은 인의 효율적인 회수를 가능하게 하였다. 도 8은 고형물 침전 시스템, 이 경우에는 침전보로부터 침전시킨 인 고형물의 사진이다. 따라서 폭기 처리는 원하는 인 침전뿐만 아니라 스트리핑을 통한 질소 제거와 전유된 암모니아의 회수도 가져와, 대단히 감소된 화학물질 투입으로 통합된 영양분 회수 공정을 산출한다.
방해하는 기체의 제거는 침전 능력 및 고형물/인 제거에 상당한 향상을 초래한다. 폭기가 없는 경우, 24시간 동안 겨우 28.4%의 TP만이 침전되었다. 이와는 대조적으로, 폭기와 이후의 24시간 침전 기간은 52.3% TP 제거를 달성하였다. 너무 많은 추가적인 비용을 들이지 않고 성능을 더 향상시키고자, 석회 추가로 이루어진 추가적인 단계가 완성되었다. 표 1은 궁극적으로는 폭기, 석회 첨가 및 24시간 침전의 결합을 통한 거의 80% TP 제거를 가져오는, 서로 다른 순차적인 단계의 결과를 요약한 것이다. 이러한 성능은 응고제/고분자/벨트 프레스(AL-2 기술) 작동과 비교해서 뒤지지 않지만, 화학적 및 에너지 투입에 상당한 절감이 있으며, 또한 깔개 및/또는 가치가 부가된 판매 용도를 위한 섬유상 제품을 보존한다.
[표 1] 폭기, 석회 처리 및 침전을 이용한 TP 제거율(퍼센트)
Figure pct00001
실시예 2
혐기성 소화 중에 상당량의 CO₂ 및 심지어 생물학적 공정 중에 생산된 일부 CH4이 배출물 내에서 용해 및/또는 과포화될 수 있다고 여겨진다. 이는 액체 배출물 내에 CO₂ (aq), H2CO3, 중탄산염 및 탄산염으로 저장되는 CO₂에 관해서는 특히 사실이다. 소화조로부터 배출 시, 온도와 압력, pH의 변화, 공기 및 교반은 이들 과포화된 기체의 배출을 이끌 수 있다. 공기에서의 CO₂ 부분압은 소화조 내부에서 CO₂ 부분압보다 훨씬 낮으므로, 폭기가 용존 CO₂를 제거하고 P 제거를 증대시킨다는 가정이 제기되었다. 폭기를 통해, 용존 CO₂는 과포화된다.
화학적 평형 분석결과는 폭기가 기체 CO₂를 배출시키므로, 반응이 오른쪽을 향해 이동하여, 더 많은 OH-를 발생시켜 용액의 pH를 상승시키며, 특히 높은 용액 온도를 이용할 경우 그러하다는 점을 보여준다(도 9A). 이후의 이러한 고온 폭기의 시험 결과는 CO₂의 스트리핑과 그에 상응하는 pH의 상승이 또한 증대된 암모니아 스트리핑과 화학물질 첨가 없이도 인 침전을 가능하게 하였음을 확인시켜 주었다(도 9B 및 도 9C). 따라서 폭기 처리는 원하는 인 침전뿐만 아니라 관련된 스트리핑을 통한 N 제거와 배출물에서 그 N의 전유된 암모니아 분획의 회수도 가져와, 통합된 영양분 회수 공정을 산출한다. 특히, 공정은 화학물질 투입이 전혀 필요하지 않으며, 그 대신 오로지 폭기와 온도에만 의존하며, 이들 둘은 엔진 배기 열과 기생 전기만을 이용하여 공급될 수 있다.
실시예 3
pH 제어를 위한 폭기와 인이 풍부한 고형물 침전은 4,700마리 젖소 농장의 아이다호 주 구딩(Gooding) 카운티에 있는 빅 스카이 낙농장(Big Sky Dairy)에서 평가되었다. 표 2는 암모니아 회수 또는 향상된 온도 처리를 목표로 하지 않고 인 제거와 회수를 목적으로 Big Sky 분뇨를 이용하여 얻은 실험실 및 파일럿 데이터를 요약한 것이다. 이러한 TP 제거율은 섬유질 제거 때문에 폐수로부터 제거된 TP를 포함하지 않은 것으로, 섬유질 제거는 추가적인 5~10% 제거를 추가할 수 있다.
[표 2] Big Sky 실험실 및 파일럿 규모의 폭기 결과
Figure pct00002
* 각 실험은 폐수 액체 TP 시험 전에 24시간 침전을 하였다.
실험실 실험에서 9.1의 최종 pH와 70%의 TP 제거가 이루어진 데 비해, Big Sky 파일럿 연구는 8.7의 pH 상승과 53%의 TP 제거를 달성했다. 차이는 아마도 더 낮은 폭기 속도와 폭기 중의 분뇨의 온도 때문이다. 미도시된 데이터를 기초로 할 때, 이들 연구에서 이루어졌던 24시간으로부터 약 3일의 장기간으로의 침전 시간의 증가가 TP 제거를 적어도 5~10% 증가시킬 것으로 여겨진다. 폭기 시간을 증가시키기 위한 시스템뿐만 아니라 더욱 높은 온도에서 폭기하도록 고안된 시스템은 전인의 제거를 증가시킬 가능성이 크다.
폭기는 분뇨의 온도가 여전히 바로 35℃ 근처인 혐기성 소화조 배출물 피트에서 주로 발생할 수 있다. 7시간의 가열된 폭기와 더 낮은 온도에서 추가적인 연장된 폭기의 결합은 Big Sky 실험실 결과에서 관찰된 바와 같은 pH의 동등한 상승을 허용할 것이라고 예상된다.
데이터는 심지어 더 낮은 온도와 낮은 폭기 속도에서 50%의 TP 제거가 항상 얻어질 수 있지만, 더 높은 온도, 높은 폭기 속도, 더 긴 폭기 시간 및 더 높긴 침전시간으로의 최적화가 85% 제거율을 달성할 수 있음을 보여준다. 따라서 (이용 가능한 기반시설과 설계 비용을 최적으로 맞추기 위한) 이러한 특정 시스템의 경우, TP 제거 범위는 대략 50~85%이다. 폭기 속도, 시간, 온도 및 침전의 계획된 한계를 수정할 경우, TP 제거는 대략 60~70%일 가능성이 더욱 크다. 섬유질 분리로부터 잃어버린 TP가 포함된다면, 전체 TP 제거는 65~75% 범위에 있게 될 예정이다.
실시예 4
배출물 내 전인에 미치는 영향을 결정하기 위해 특정 온도에서의 배출물 폭기와 침전 지속시간의 영향을 평가했다. 분석은 4,700마리 젖소 농장의 아이다호 주 구딩(Gooding) 카운티에 있는 Big Sky Dairy에서 이루어졌다. 표 3은 결과의 요약 내용을 제공한다.
배출물 내 전인은 서로 다른 폭기 시간과 침전 시간을 이용하여 평가되었다. 이용된 폭기 속도는 0.01cfm/갤런이었다. Cfm을 증가시키기 위하여 더 큰 송풍기가 이용될 수 있다. 무 폭기 및 무 침전의 시료가 기준치로 기능하였으며, 배출물에서 470mg/L의 TP라는 결과를 나타냈다. 무 폭기와 함께 24시간의 침전은 배출물에서 260mg/L의 TP라는 결과를 나타내, 인이 침전되었으며 수집될 수 있음을 증명하였다. 시료는 1시간 내지 24시간 폭기시키고, 41시간 동안 침전시킨 한 시료를 제외하고는 24시간 침전시켰다. 24시간 폭기시키고 41시간 침전시킨 시료는 배출물에서 200mg/L의 TP와 9.1의 pH를 얻었다. 침전 시간과 폭기 시간의 증가는 pH 값과 전인의 회수율도 증가시켰다.
[표 3] 전인에 미치는 폭기와 침전의 영향
*pH는 pH 프로브로 더욱 정확하게 측정하기 위해 16℃로 냉각시킨 후 기록하였다.
실시예 5
아이다호 주 구딩 카운티의 빅 스카이 낙농장에서의 주된 관심사는 인 제어이다. 현재, 덴마크에서 개발된 AL-2 기술이 어느 정도 인 제어를 달성하여, AD 폐수로부터 80%에 가까운 전인 제거를 달성하고 있다. AL-2 기술은 응집제와 고분자의 조합을 이용한다(선택적인 화학적 혼합은 인 제거를 위해 명반 195 ml/m3과 고분자 1,250 ml/m3의 혼합이었다).
불행히도, 그 공정은 두 가지 큰 결점이 있다. 첫째, 시스템이 공정 내에 섬유상 고형물을 반드시 보유하여, 그것들을 화학적 투입 요구량을 줄이기 위한 증량제로 이용해야 한다. 이는 벨트-프레스 분리 후에 섬유질이 고분자/응고제 제품 내에 매립되게 하고, 그것은 토양 제품으로서 잠재적 판매를 위한 퇴비화를 통해 더 처리될 수 있다. 불행히도, 섬유상 고형물은 더는 농장의 깔개로 또는 본래 빅 스카이 사업 계획이 구상했던 대로 잠재력 있는 가치가 부가된 피트(peat) 대체물로서 더는 이용할 수 없다. 둘째, AL-2 공정은 화학물질의 집약적인 이용을 필요로 하고, 그렇기에 특히 환경 친화적이지 않으며, 농장에 상당한 자본비와 운영비를 발생시킨다.
아래 표 4는 빅 스카이에서 연구했던 AL-2 시스템의 능력과 비용을 요약한 것이다. 약 83%(83.1%)의 (섬유질로부터의 TP를 포함한) TP 감소가 달성되었지만, 섬유질을 이용 불가능하게 만들고, 각각 $2.90/m3과 $0.07/m3의 화학적 투입과 전기 비용 또는 전체 $2.97/m3(약 1￠/처리된 갤런)을 요하는 희생이 필요하다. 그러나 이러한 제품은 또한 산업용 화학물질과 고분자를 포함하고, 이용할 수 있는 깔개를 상실하기 때문에 최종 소비자에게는 덜 바람직하다. 따라서 판매할 수 있는 섬유질 손실($1.92/m3)과 추가적인 퇴비화 처리($2.06/m3) 때문에, 이 공정을 위한 더욱 현실적인 가격은 약 $6.95/m3 또는 $0.026/갤런으로 높아진다.
[표 4] Kemira/AL-2 상업적 성능 및 비용 분석(분당 100갤런)
Figure pct00004
화학적인 응집제 및/또는 고분자의 투입 없이 파일럿 규모의 디캔팅 원심분리기(decanting centrifuge)를 이용하여 추가적인 연구를 하였고, 미미한 성공(60% TP 제거)을 거두었다. 그러나 시스템과 관련된 자본비, 운영비 및 유지관리비가 여전히 높았다. 또한, 시스템은 우리가 운영하는 CAFO 낙농장의 대부분에 필요하다고 여겨지는 80% TP 제거라는 목표에서 성능이 좋지 못했다.
이와 대조적으로, 본원에 개시된 방법, 시스템 및 기구는 섬유질/깔개 생산을 저해하지 않고 적어도 65~75% TP 제거율을 달성한다. 게다가, 화학물질 또는 관련된 화학적 비용이 없고, 계산된 AL-2 운영비의 최대치와 최소치의 겨우 2%와 4%에 불과한, 겨우 $0.13/m3의 전기적 비용만 든다. 또한, 폭기 처리는 섬유질 깔개의 암모니아 냄새를 줄일 것이어서, 제품 품질을 조금 향상시킬 것으로 예상된다.
실시예 6
표 5는 혐기성 소화조 낙농장 배출물(아이다호 주 빅 스카이 낙농장)을 이용한 실험실 데이터(1L 규모)를 기초로 한 능력을 요약하여 제공한 것이다. 시스템의 매개변수는 다음과 같다. 폭기 속도 20갤런/cfm, 마이크로에어레이션이 이용되었으며, 배출물은 70℃였고, 폭기는 2시간 동안 수행하였고, 침전 시간은 48시간이었다.
표 5는 전체 혐기성 소화조/영양분 회수 작업과 그것의 개별적인 단위 작업의 평균 영양분 회수 성능의 개요를 나타낸 것이다.
[표 5] 전체 AD/NR 시스템 및 그의 단위 작업의 영양분 회수 잠재력
Figure pct00005
기록된 값은 24회 시험의 평균값이다. 배출물은 22일간의 35℃ AD 후의 배출물을 나타내고, 포스트 섬유질은 섬유상 고형물의 기계적인 분리 후의 배출물을 나타내고, NR은 영양분 회수를 나타내고, ND는 검출 불가능함을 나타내며, 제품은 (1) 0.3% TP(DWB)와 74% 수분에서 섬유상 깔개, (2) 2.5% TP와 4.0% TN(DWB)와 77% 수분에서 인이 풍부한 고형물 및 (3) 30% 황산암모늄과 6.4% TN(DWB)에서 암모늄 염 슬러리를 포함한다.
혐기성 소화, 섬유상 고형물의 기계적인 분리 및 이후의 영양분 회수 처리의 독특한 조합을 통해, 농장에 저장되어 밭에 시비되는 분뇨 배출물은 고형물 함량, 병원균, 암모니아 질소, 전질소 및 전인이 상당히 감소되며, 영양분 회수는 이러한 향상의 대부분을 나타낸다. 백분율로 나타낸 낙농장 경영자의 영양분의 총 감소를 마지막 세로난에 나타내었다. 이는 단순한 감소가 아니라 회수이며, 더욱 수출 가능하고 판매 가능한 형태로의 회수임을 유의하는 것이 중요하다.
회수된 영양분은 다음과 같은 형태로 농장을 떠난다.
인―일부는 섬유질로, 대부분은 인이 풍부한 유기 고형물 형태,
질소―일부는 섬유질로, 그러나 대부분은 황산암모늄 슬러리 또는 염 형태 및
고형물―일부는 바이오 가스로의 탄소 전환에, 대부분은 섬유질 또는 인이 풍부한 고형물 형태.
물질 균형의 견지에서, 이는 과중한 부담을 지고 있는 농장으로부터 연간 97 kg N/젖소, 연간 57 kg NH₃/젖소 및 연간 29 kg P/젖소의 회수 및 제거에 해당하고, 통합 소화를 실행하는 농장에는 심지어 더 큰 물질 회수에 해당한다. 중요한 것은 일부 영양분은 여전히 배출물 내에 잔류하여, 낙농 생산업자에게 배출물을 농업 비료로 이용할 기회를 주되, 공기와 수질 오염의 위험을 상당히 낮춰주며, 한정된 작물 재배면적 상에 과도한 시비를 하게 되는 위험을 줄여준다는 점이다. 또한, 기존의 농업을 기초로 한 영양분은 훨씬 더 지속 가능하게 관리되며, 분뇨를 기초로 한 영양분이 암모니아로 활발하게 공기 중으로 상실되어 유해성 부산물로 처리되던 시스템에서 영양분이 안정화되어 비료로서 가치가 필요한 먼 거리의 밭으로 더욱 효율적으로 운송되는 시스템으로 이동한다.
농장으로부터 상당한 퍼센트의 영양분을 더욱 경제적으로 판매 가능한 형태로 농축, 회수 및 잠재적으로 수출하는 것을 넘어서서, 공정은 또한 A등급 고형물과 액체를 생산하고, 고형물과 액체 내 병원균 수를 상당히 감소시키며, 분리된 섬유상 고형물의 암모니아 냄새를 감소시키고, 메탄 생산량을 10%만큼 증가시키며, 바이오 가스 내의 황화수소 함량을 50ppm 근처 또는 그 밑으로 낮추는 데 도움을 준다. 이들 모두를 달성하는 데 필요한 투입물은 폐 엔진 배기 열과 황산암모니아 염을 생산하기 위한 오직 소량의 산을 포함하여, 다른 표준 폐수 처리 기술(즉, 응집제와 고분자)을 활용하는 다른 영양분 회수 시스템과 비교할 때, 투입량과 운영비를 엄청나게 낮춘다.
실시예 7
혐기성 소화조 배출물로부터 암모니아 제거는 pH를 높임으로써 향상시킬 수 있다. 도 10A와 도 10B가 강조하는 바와 같이, 35℃ 혐기성 소화조 배출물 pH를 10.0 근처로 상승시키면 암모니아 평형을 스트리핑에 필요한 기체 또는 유리 암모니아를 위하여 상당히 이동시킨다. 혐기성 소화조 배출물의 높은 완충용량은 pH를 원하는 수준으로 높이기 위해 상당한 양의 알칼리 물질(잿물 또는 석회)을 필요로 했다. 파일럿 연구 결과는 대략 $1/m3의 비용에서 10~11kg 석회/m3 혐기성 소화조 배출물의 투입량이 필요함을 보여주었다.
실시예 8
영양분 관리 및 공기질과 수질 배출물 제어에 관련된 중요한 규제 관심사에 관하여 CAFO 운영자를 도울 잠재력을 보유한 하나의 수익 메커니즘은 질소와 인을 판매할 수 있는 바이오 비료의 형태로 회수하여 수출하는 것이다. 높은 자본비로 농장에 혐기성 소화조 단위를 설치하는 CAFO 운영자는 잠재적으로 상당한 이득을 얻지만, 중요한 것은 혐기성 소화조 공정은 특히, 그들이 통합 소화를 실행 중이라면, 영양분 부하에 관한 그들의 관심사에 대해 그다지 향상시키지 못한다는 점이다. 이는 혐기성 소화가 본질적으로 탄소 관리 도구라서, 부분적으로는 유기 물질을 무기 탄소 화합물(메탄과 이산화탄소)로 전환하여, 탄소의 일부분을 기체화하여 그것을 농장으로부터 제거하기 때문이다. 질소와 인에 대해서는 동일하게 말할 수 없다. 혐기성 소화 공정이 부분적으로 질소와 인을 유기형에서 무기형으로 전환하지만, 전환은 이들 다량영양분을 액체 또는 고형 상태로 유지하며, 따라서 밭에 시비한 후, 그러한 AD 배출물은 여전히 한정된 농업 면적에 대해 과부하되는 영양분 공급원을 대표한다. 그때 CAFO 견지에서, 질소와 인 모두가 배출물로부터 경제적으로 추출될 수 있다면, AD 기술의 채택은 훨씬 더 매력적일 것이다.
도 11은 혐기성 소화 배출물로부터 영양분 회수를 위한 시스템의 개요도를 제공한다. AD 엔진/발전기 세트로부터 나온 폐 엔진 열(1103)은 혐기성 소화조 배출물(1101)을 가열하는 데 이용된다. 온도는 70℃로 올라가고, 배출물은 폭기된다(1107). 폭기는 CO₂, 바이오 가스, 액체, 기체, 또는 CO₂와 바이오 가스의 조합을 이용한 마이크로에어레이터를 이용하여 이루어질 수 있다. 폭기 속도는 0.1~1, 1~5, 5~10, 10~15, 15~20, 20~25, 25~30, 30~35, 35~45, 45~55, 55~60 및 60갤런/cfm 초과를 포함하나 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 속도일 수 있다.
배출물은 미국 환경보호국 A등급 고형물 기준을 만족시키기 위해 필수적인 지속시간 동안 가열되며, 그에 의해 깔개 또는 농장 외 판매를 위한 더욱 가치 있고, 고도로 제어된 병원균이 감소된 섬유질을 제공한다. 또한, 폭기와 증가된 온도는 과포화된 CO₂의 탈기와 유리 암모니아의 배출을 유도한다. 폭기 후, 처리된 배출물은 보 시스템(weir system)(1109)에서 인-고형물의 침전과 제거를 허용하는 조용한 구역으로 보내진다. 인이 풍부한 유기 비료가 제어될 수 있다(1111).
높은 온도에서의 폭기 후, CO₂와 NH₃가 헤드스페이스로 들어가며, 부분적인 진공 펌프의 도움으로 폭기 탱크(1107)를 나가 2탑 산 접촉 시스템(1121)으로 들어가며, 2탑 산 접촉 시스템은 암모니아가 제어된 pH에서 농축된 황산과 반응하도록 하여 가용성 황산암모니아(1123)를 생산하게 한다. 낮은 pH에서 암모니아와 산의 높은 반응성과 그에 상응하는 CO₂의 낮은 반응성 때문에, 축적된 암모니아의 거의 100%가 반응하여 염 형태로 되며, CO₂는 시스템의 배기관을 통해 나간다. 2탑 산 시스템은 제어된 최대의 농도(액체 온도에 따라 약 40%)에서 오버플로 용액 탱크의 발달뿐만 아니라 두 번째 탑에서의 pH 조정을 허용한다. 오버플로 관에 위치한 일부 인라인 필터로, 고형 불순물을 최소한으로 함유한, 황산암모니아의 질량농도가 지속적으로 높은 40%인 중성 pH 생성물이 얻어진다.
폭기 구역(1107)과 침전 구역(1109)을 떠나는 배출물은 여전히 상대적으로 높은 pH(약 9)를 나타내며, 따라서 산화지에 저장하여 밭에 시비하기 전에, 용액을 중성으로 되돌리는 일은 중요하게 여겨진다. 통합된 시스템 내에서, 이는 소화조(1112)에서 나온 가공되지 않은 바이오 가스와 높은 pH의 배출물 사이에서 제어된 반응을 허용하는 두 번째 접촉 탑(1113)을 설계하여 달성될 수 있다. 가공되지 않은 바이오 가스는 산성 화합물을 함유하며, 이들은 모두 연료의 BTU(영국식 열량단위) 값(CO₂)과 엔진 친화도(H2S)를 낮춘다.
특히, 혐기성 소화조 공급업자는 집약적인 석유 대체제로 연비가 좋게 엔진을 구동하는 산업 기준을 활용하는 것을 넘어서서, H2S 배출을 더 잘 제어하고 엔진 유지관리에 미치는 그들의 영향을 최소화하기 위한 방법을 적극적으로 연구하고 있다. 이러한 접촉 탑(1113) 내에서, 산성 화합물은 쉽게 기체 상태를 떠나 액체 내로 녹아, pH를 중성에 가깝게 그리고 더욱 허용 가능한 수준으로 낮춘다.
도 12A에 나타낸 바와 같이, pH 저하는 기체성 불순물의 높은 용해도와 산도 그리고 전형적인 분뇨 소화조에서 발견되는 높은 기체 대 액체 비율(약 25:1)의 결과였다. 전형적인 바이오 가스 스트림이 35~40% CO₂와 겨우 1,000~3,000ppm의 H2S로 이루어져 있으므로, CO₂의 대부분은 액체 스트림으로 들어가 pH를 낮추었다. 추가적인 분석 결과는 접촉 시간, 흐름 속도, 액체 높이 및 거품 크기의 조정을 통해 CO₂ 대신에 H2S의 선별적인 제거가 가능함을 보여주었다(도 12B).
실시예 9
혐기성 소화조 배출물의 폭기와 가열은 영양분 회수 시스템의 주요 구성요소이다. 폭기 흐름 속도는 20갤런/cfm(마이크로에어레이터)로 설정하였고, 온도는 55℃로 유지시켰다. 결과는 도 13A 및 도 13B에 나타내었으며, 이는 필시 더 낮은 작동 온도(폐열 에너지의 한정된 이용가능성과 섬유상 고형물의 기계적인 분리에 의한 열 손실)와 더 큰 규모에서의 혼합의 한계(거품 발생)로 말미암은 더 낮은 물질 이행으로 말미암은 더 긴 체류시간을 이용할 것을 시사한다. 상기 폭기 속도와 온도는 합리적인 체류시간에서 암모니아를 여전히 스트리핑하면서 에너지 투입과 제어된 거품 발생을 최소화한다. 앞서 언급한 최적화된 매개변수에서, 10.0 또는 이에 가까운 pH로 높여주는 일정한 능력으로 말미암아 15시간 작동 도중, 거의 80%의 TAN이 스트리핑되었다. 2탑 산 접촉 시스템은, 최대 용해도에서 평형에 도달하였을 때, 일관된 40질량%의 황산암모늄 용액을 중성의 pH로 생산했다.
실시예 10
미국은 CAFO 상에 160개 이상의 상업적인 혐기성 소화조를 가동하여, 50MW의 전력을 생산하고 온실가스 배출에서 100만 이상 메트릭톤의 CO₂ 당량을 경감시킨다. 최근 수년간 채택 속도가 가속되었다고 나타났지만, 공인된 잠재력보다 AD를 훨씬 낮게 보유하는 데 대한 일차적인 책임은 미국의 경우 전통적으로 낮게 인정된 전기 판매 수입금과 기존의 분뇨 기반시설과 분뇨 처리 사업체의 문제점(20% 미만의 시스템이 돼지와 가축 사육장 사업체에 존재하는 이유)에 여전히 남아있다.
도 14는 젖소/일을 기준으로 한, 낙농장 상의 전형적인 혐기성 소화조 및 영양분 회수 시스템에 대한 질량 흐름을 도시한 개요도이다. 질량 흐름의 투입량과 산출량은 상업적 낙농장 AD의 장기간 평가 중에 Frear et al(2010)이 개발한 데이터뿐만 아니라, 영양분 회수 파일럿 시험 중에 얻은 데이터를 기초로 한 것이다.
혐기성 소화조/영양분 회수 시스템의 조합으로부터 생산된 생성물과 수익 스트림은 전기, 섬유질, 황산암모니아 슬러리 및 인이 풍부한 고형물을 포함한다. 비용 투입과 수익 스트림을 물질 균형으로 계산할 때, 프로젝트 경제학의 전반적인 회계와 자금 조달은 표 6에 기술한 바와 같이 발전시킬 수 있다.
[표 6]투입 비용(전기적, 화학적, 운영 및 유지관리, 인건비) 및 생산물 수익(/젖소/일 기준)
Figure pct00006
태평양 북서부에서 평균으로 인정된 전력 가격(미국 에너지 정보국, 2007); AD 기생 전기 수요는 10%(Andgar, 2010)이지만, NR 기생 전기 수요는 파일럿 시험으로부터 직접 계산된 것이다.
평균으로 인정된 황산 가격(ICIS Chemical Market Reporter, 2010)
AD 운영 및 유지관리비는 AD 자본비($1,500/젖소)의 5%이고, NR 운영 및 유지관리비는 NR 자본비($500/젖소)의 2%이다(Andgar, 2010).
NR 인건비는 ½ FTE 반숙련된 인력(연간 $40,000)을 요하는 것으로 추정된다.
섬유질 제품은 기존 대안에 대한 깔개 대체물로 여겨짐(Andgar, 2010)
4:2:1 건조 중량 비료 등급을 전제로 한, 유기 인증된 인-고형물의 판매 가격 추정치(Wolfkill Fertilizer and Feed, 2010)
황산암모니아 슬러리(40질량%) 판매 가격의 추정치(Wilson Industrial, 2010)
표 6으로부터, 혐기성 소화조 시스템이 낮은 가치의 전기 상품의 판매에 주로 의존하는 낮은 농장 수입금뿐만 아니라, 상대적으로 낮은 수익 대 운영비 비율(약 2:1)을 나타냄을 볼 수 있으며, 이는 소화조의 경제학과 채택에 관하여 앞서 논의한 문제점의 일부를 설명한다. $1,500/젖소 자본비 구조와 대략 연간 $200/젖소의 연간 수익에서, 자본비 회수기간은 7~8년이 되며, 이는 일부 재정 협력사에게는 다소 긴 기간이다. 이것이 바로 대부분 농장의 낙농장 소화조가 능동적으로 통합 소화를 실행하는 이유이며, 그 결과, 그들은 더 많은 바이오 가스를 생산하는 더 높은 에너지 폐기물 스트림으로부터 추가적인 전기 생산뿐만 아니라, 일반적으로 인정된 수수료로부터 추가 소득을 얻을 수 있다.
상대적으로 낮은 용량의 하중에서 통합 소화는 수익과 프로젝트 자금 조달에서 중요한 이익으로 이어질 수 있다. 그들의 특정 사례 연구에서, 전체 프로젝트 수익은 농장 외 기질로 20% 대체하는 것만으로 거의 3배가 되었으며, 연간 수익과 자본 회수를 크게 향상시켰다. 언급한 바와 같이, 통합 소화는 농장 관문에 추가적인 영양분을 제공하며, 따라서 밭으로의 영양분 과부하에 관한 우려가 한층 더 문제가 되고, 따라서 소화 시스템과 함께 갈 영양분 회수 메커니즘이 필요하다. 중요하게도, 표 6은 또한 영양분 회수가 전체 AD/NR 프로젝트의 일부분으로 포함될 때, 수익 대 운영비 비율이 대략 동일하게 유지되며, 그에 의해 전체 경제학을 향상시키지는 않지만, 중요한 농장 및 환경적 우려를 향상시키면서, 중요하게도 상황을 심각하게 만들지 않음을 보여준다.
실시예 11
미국의 전체 재고자산의 75%를 차지하는 미국의 케이지 산란계 산업과 그것의 400개 이상의 대형 CAFO 규모의 농장(USDA NASS, 2009)을 향한 문제는 재생 가능 에너지에서 새롭게 부상하는 요구에 반응하고, 새로운 공기/물 품질 기준을 충족하며, 향상된 농장의 지속가능성을 위한 새로운 수익 스트림을 확립하는 방식으로 어떻게 매년 400만 톤의 젖은 분변(Mukhtar, 2007)을 처리하느냐이다. 퇴비화 처리를 동반하거나 그렇지 않고, 분뇨 전답 시비하는 현재의 상황은 재생 가능 에너지 생산도 하면서 폐기물 처리에 중점을 두는 21세기에서 빠르게 시대에 뒤떨어진 기술이 되어가고 있다. 그러나 가스화 및 혐기성 소화와 같은, 재생 가능 에너지 생산을 가능케 하는 차세대 기술 선택권은 케이지 산란계 분뇨에 적용되었을 때와 같이 기술적인 문제점을 나타낸다.
가스화는 건조 육계분 사업에는 아주 적절하지만(80% 총 고형물(TS)), 훨씬 더 축축한 케이지 산란계 분뇨(25% TS)에는 형편없는 지위를 차지하고 있고, AD는 높은 고형물 함량 및 생물학적으로 금지하는 수준의 암모니아 처리 불가능성 때문에 역사적으로 가금류 분뇨/깔짚에는 적합한 기술로 인정된 바 없었다(Abouelenien et al, 2010). 기회는 본원의 개시에서 기술한 바와 같이 소화조 배출물이 영양분 회수 시스템으로 처리될 경우, 기존의 상업적 혐기성 소화 장치가 케이지 산란계 분뇨를 이용하여 효율적으로 그리고 경제적으로 작동될 수 있음을 증명하는 데 있다.
25% TS를 함유하는 케이지 산란계 가금류 분뇨는 상업적으로 이용 가능한 혐기성 소화조 기술 내에서 작동하기에 적합한 폐수 물질을 공급하기 위하여 희석수를 투입할 필요가 있다. 미국 내에서 농장의, 분뇨를 기초로 한 혐기성 소화조 장치는 전통적으로 완전 혼합(다양한 유럽 또는 미국 디자인) 또는 혼합된 플러그 플로(GHD Inc., Chilton, WI) 기술을 이용했으며, 두 기술은 모두 대략 4~12%의 TS 함량을 지닌 유입수를 이상적으로 지지한다(미국 환경보호국, 2006). 그러나 미국 시장 점유율의 70%를 차지하는 혼합된 플러그 플로는 더 높은 범위의 고형물 흐름을 위한 더욱 신뢰할 수 있는 기술 선택권을 제공한다. 25%의 TS를 함유하고 벨트 프레스로부터 도달하는 케이지 산란계 분뇨에 대해, 소화조의 효율적인 성능은 물과의 1:1 희석보다 많은 것이 필요함은 분명하며, 평균적인 시설의 600,000마리 육계 규모에서, 그것은 특히 미국의 물 위기 지역에서 단순히 지속 가능하거나 경제적이지 않은 합계인 하루에 180,000갤런을 초과하는 희석수에 달한다. 그렇다면, 결론은 케이지 산란계 분뇨의 효과적인 혐기성 소화가 일어나도록 하기 위하여 희석을 위하여, 신선한 물에 대한 대안이 필요하며, 그러한 공급원은 처리에 의해 재활용수로 이용될 수 있는 혐기성 소화조 배출물 그 자체라는 것이 된다.
재활용된 물의 공급원으로서 혐기성 소화조 배출물은 실행 가능하지만, 처리 및 준비 시에만 그렇다. 전형적인 혐기성 소화조 분뇨 시스템은 대략 30~40% TS 소실을 가져오므로, 11% TS의 유입수를 갖춘 시스템은 7% TS의 배출물로 이어진다. 소화조 앞으로 재도입되는 고형물의 모든 % 포인트가 원하는 작업 TS 흐름 속도를 얻기 위한 더 많은 재활용수의 필요성을 야기하므로, 7% TS 배출물을 희석수로 재사용하는 것은 빈약한 공학 감각을 생기게 한다. 소화되지 않은 고형물은 대개 본질적으로 불활성이거나 또는 다루기 힘들어서, 연장된 소화 시 그다지 추가적인 분해를 일으키지 않아, 소화조 부피의 일부분을 무반응의 비 바이오 가스 생성 물질로 채우므로, 생물학적 감각에서 그 시설은 역시 최적이 아니다.
연구 및 상업적 실증은 이미 고형물의 상당한 부분의 산업적 분리가 디캔팅 원심분리기를 이용하여 이루어질 수 있다는 사실을 보여주었다(Wenning Poultry, Fort Recovery, Ohio). 이러한 산업적 분리기의 활용에는 생산된 전기의 기생적 사용은 말할 것도 없고, 추가적인 자본 및 작동 투입이 필요하지만, 그것은 두 가지 매우 중요한 목표를 달성하는 기능을 한다. 첫째, 재활용수로 이용될 배출물 액체는 2% TS와 비슷한 더욱 바람직한 TS 함량이 되게 할 수 있다. 중요한 것은 나머지 고형물이 부유성 고형물이며, 그것은 영양분과 일부 생분해성 물질 모두를 소화조에 공급하는 한편, 소화조에 체적 영향력을 최소화한다는 점이다. 소화 공정 도중, 유기 인의 상당 부분이 무기 형태로 전환되며, 마그네슘과 칼슘 함량이 높은 분뇨 존재 시에는 무정형 미세고형물 염으로 결합된 인산으로 화학적으로 전환됨을 보여주는 연구는 동일하게 중요하다. 따라서 배출물 내의 고형물의 디캔팅 원심분리는 회수 메커니즘이자, 인에 대해 판매할 수 있는 유기 고형물의 형태로 농축하는 농축기로 작용한다.
도 15의 개요도에 나타낸 바와 같이, 과포화된 CO₂가 액체로부터 기체상으로 배출되도록 허용하는 70℃에서의 폭기(1515) 후에는 원심분리(1517)가 뒤따른다. 원심분리는 배출물 내의 총 고형물 함량이 감소되게 한다. 또한, 남아있는 고형물은 영양분 함량이 높으며, 전형적으로 생분해성을 나타낸다.
고형물 제거가 재활용수로 AD 배출물의 향상된 활용을 허용하지만, 그것은 가용성 암모니아의 체류 및 혐기성 소화조 공정에 기여하는 억제에 관한 중요한 문제를 해결하지는 않는다. 가금류 분뇨의 혐기성 소화 중 암모니아 억제는 광범위하게 연구되었으며, 그 결과, 가금류 분뇨는 총 암모니아 질소(TAN)의 수준이 가끔은 2g/L TAN 또는 그 이상으로 확인된 한계값 억제(threshold inhibition) 수준보다 아주 위인 것으로 나타났다(Koster and Lettinga, 1984). 워싱턴주립대학교의 연구 결과는 (1) 계분의 TAN 수준은 한계값보다 상당히 높고, (2) AD 배출물이 재활용수로 이용됨에 따라 그 수준은 점차 그리고 위태롭게 높아지며, (3) 특히 TAN 수준이 4g/L를 초과할 때, 증가된 암모니아와 재활용수의 사용으로 바이오 가스 성능이 꾸준히 감소한다는 사실을 보여주었다(도 16).
따라서, AD 배출물을 재활용수를 위해 효과적으로 활용하기 위해서는, 먼저 가용성 암모니아를 제거하는 일이 중요할 것이다. 폐수로부터 가용성 암모니아를 제거하기 위한 한 가지 산업 표준법은 암모니아 스트리핑 후, 산 접촉 챔버의 활용을 통해 회수된 암모니아를 암모니아 염, 즉 황산암모니아로 화학적으로 안정화시키는 것이다. 본원에 개시된 방법 및 시스템은 이러한 목표를 달성할 수 있다.
실시예 12
케이지 산란계 시설의 혐기성 소화의 상업적 시스템(1700)의 한 예를 도 17에 나타내었다. 두 개 챔버의 수용 피트(1701)는 먼저 소화조를 향한 공급원료를 받아들인다. 두 챔버 중 큰 챔버(1702)는 가금류 분뇨, 임의의 외부의 통합 소화 기질 및 필요에 따라 이용되는 재활용수를 위한 혼합 피트이다. 소화 후 디캔팅 원심분리(1707)로부터 나온 액체 배출물 전부는 원심분리로부터 수용 피트(1701)의 두 개의 챔버 중 작은 챔버(1703)를 통해 가며, 이 챔버는 작은 액체 저장 산화지로 넘쳐 흐른다. 이러한 설계는 반드시 작은 챔버(1703)가 항상 가득 차며, 큰 챔버(1702)로부터 소화조(1705)로 퍼내지기 전에 TS 감소를 위해 부피상 필요에 따라 가금류 분뇨와 혼합하기 위하여, 저장되고, 소화되어 원심분리된 액체를 충분한 부피로 보유하게 한다.
현재의 혼합 탱크와 디캔팅 원심분리 설계는 10~12% TS 분뇨 폐수의 소화조로의 일관된 공급을 허용하였고, 그에 의해 혼합된 플러그 플로 소화조 내에서 작동을 위해 적합한 유입수를 허용하였다. 이러한 시스템은 신선하지 않은 희석수에 관한 문제와 희석 내에 함유된 부유성 고형물을 분리할 필요를 해결한다.
실시예 13
도 18은 일일 1,000마리 기준을 기초로 한 케이지 산란계 가금류 설비를 위한 물질 균형 및 흐름을 나타내는 개요도이다. 물질 균형은 투입 비용(전기적, 화학적, 운영 및 유지관리, 인건비)을 예상 수익과 비교하는 표를 생성하는 데 도움을 줄 수 있으며, 그에 의해 잠재적인 프로젝트 수입과 자본 지출 회수 기간의 개념을 발달시킬 수 있다(표 7).
[표 7] 투입 비용 및 생산물 수익(/1,000마리 계/일 기준)
Figure pct00007
태평양 북서부에서 평균으로 인정된 전력 가격(미국 에너지 정보국, 2007); AD 기생 전기 수요는 10%(Andgar, 2010)이지만, NR 기생 전기 수요는 파일럿 시험으로부터 직접 계산된 것이다.
평균으로 인정된 황산 가격(ICIS Chemical Market Reporter, 2010)
AD 운영 및 유지관리비는 AD 자본비($6,600/1000마리 계)의 5%이고, NR 운영 및 유지관리비는 NR 자본비($1,000/1000마리 육계)의 2%이다(GHD, 2010).
NR 인건비는 ½ FTE 반숙련된 인력(연간 $40,000)을 요하는 것으로 추정된다.
4:2:1 건조 중량 비료 등급을 전제로 한, 유기 인증된 인-고형물의 판매 가격 추정치(Wolfkill Fertilizer and Feed, 2010)
황산암모니아 슬러리(40질량%) 판매 가격의 추정치(Wilson Industrial, 2010)
낙농장 AD와 마찬가지로, 수익 대 투입 비율은 오히려 작지만, 이 경우에는, 2:1 미만이며 1.5:1에 더 가깝다. $6,600/1,000마리 계의 AD 단독 자본 지출로, 연간 수익은 12년이라는 예상 회수 기간으로 이어지며, 이는 명백히 길고도 바람직하지 않은 프로젝트 길이이다. 그 결과, 경제적으로 실현 가능하기 위해서는 계분의 AD 단독에는 통합 소화 및/또는 다른 자금 조달 메커니즘(세금 공제, 탄소 배출권 등)이 필요하며, 어차피 암모니아와 N 부하는 소화조와 농장 각각에 억제적이며 문제가 있으므로, 통합 소화 또는 심지어 비 통합 소화는 실행 가능한 선택권이 아니라는 사실이 이미 밝혀졌다. 그러나 영양분 회수가 혐기성 소화와 결부될 때, 수익 대 투입 비율은 2.2:1로 상승하며, 수익을 상당히 증가시키고, 예상 회수 기간을 5~6년으로 줄인다. 따라서 계분의 영양분 회수는 혐기성 소화를 기술적으로 실현 가능하게 할 뿐만 아니라, 프로젝트 경제학도 상당히 향상시킨다.
실시예 14
본원에 개시된 방법 및 시스템은 (1) 저비용의 인 회수만 하는 것과 (2) 더 높은 비용의 질소와 인 회수, 그리고 다양한 농장 규모와 농장 영양분 적용에 대한 기술 개방이라는 두 가지 부문에서 상이하게 적용할 수 있는 독특한 능력이 있다. 폭기는 인-고형물의 침전을 허용하지만, 저온, 짧은 시간 및/또는 더 작은 폭기 속도는 관련된 암모니아의 배출 없이 인-고형물의 침전을 자극하는 pH 변화를 유도할 수 있다. 그러한 경우에, 암모니아를 수확하여 그것을 염으로 격리시키기 위해 황산을 이용할 필요가 없다. 이러한 필요성을 제거함으로써, N 영양분 관리 하에 있지 않으며, 전체 시스템의 추가된 자본비와 운영비를 떠맡기에는 너무 작은 농장은 낮은 자본비 및 운영비에서 여전히 인 제거를 달성할 수 있다. 아래 표 8은 감소된 투입 시스템을 이용한 파일럿 규모의 작업으로부터 수집된 데이터를 요약한 것이다.
[표 8] 인 회수
Figure pct00008
특정 실시예가 본원에 이용되고 기술되었지만, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 동일한 목적을 달성하기 위해 계산되는 임의의 구성이 도시된 특정 실시예에 대해 치환될 수 있음을 인정할 것이다. 본 출원은 기술된 바와 같은 본 발명의 원칙에 따라 작동하는 임의의 각색 또는 변형을 아우르고자 의도된 것이다. 따라서 본 발명은 청구항과 그의 등가물에 의해서만 한정됨을 의도한 것이다. 본 출원에 인용된 특허, 참고문헌 및 간행물의 개시내용은 전체로서 본원에 참조로 포함된다.
<관련 출원에 대한 상호 참조>
본 출원은 2010년 6월 11일 출원된 미국 가출원 일련번호 제61/354,156호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 전체로서 본원에 참조로 포함된다.
<정부보조금에 대한 참조>
본 발명은 미국 농무부(United States Department of Agriculture, “USDA”), 프로젝트 번호 제2008-5511218840호; USDA SBIR 1단계 수여 번호 제2009-33610-19713호 및 USDA 프로젝트 약정 번호 제69-3A75-10-152호에 의해 수여된 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국은 본 발명에 일부 권리가 있다.

Claims (15)

  1. (a) 폭기 반응조에서 혐기성 소화조 배출물을 가열하고 폭기시켜 가용성 암모늄을 기체 암모니아로 전환하는 단계;
    (b) 폭기 반응조로부터 기체 암모니아를 탈거탑으로 제공하며, 상기 탈거탑은 기체 암모니아와 반응하는, 제어된 양의 산을 제공하는 단계; 및
    (c) 탈거탑에서 산을 기체 암모니아와 반응시켜 생산된 암모늄 염을 회수하는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    혐기성 소화조 배출물을 가열하는 단계는 열 교환기와 가열된 기류로서 바이오 가스 엔진 발전기의 배기가스를 이용하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    혐기성 소화조 배출물을 가열하는 단계는 배출물을 약 140℉ 내지 약 170℉의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    혐기성 소화조 배출물을 폭기시키는 단계는 5갤런/cfm 내지 25갤런/cfm의 속도로 배출물을 폭기시키는 마이크로에어레이터를 이용하여 이루어지는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    기체 암모니아를 탈거탑에 제공하는 단계 이후에, 혐기성 소화조 배출물을 폭기 반응조에서 고형물 침전 시스템으로 퍼내는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    고형물 침전 시스템에서 인이 풍부한 고형물을 수집하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    (a) 단계 이전에 혐기성 소화조에서 폐 섬유상 물질(waste fibrous material)을 소화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    고형물 침전 시스템으로부터 배출물을 용기로 퍼내는 단계와 소화조에서 나온 바이오 가스를 배출물과 반응시켜 배출물의 pH를 중성으로 되돌리고 바이오 가스 내 황화수소의 양을 줄이는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    탈거탑은 2탑 시스템(two-tower system)을 포함하는 방법.
  10. (a) 섬유질 고형물과 부유성 고형물을 함유하는 혐기성 소화조 배출물을 약 160℉로 가열하는 단계;
    (b) 배출물에서 섬유질 고형물을 부유성 고형물로부터 분리하는 단계;
    (c) 폭기 반응조에서 배출물을 가열하고 폭기시켜 가용성 암모늄을 기체 암모니아로 전환하는 단계;
    (d) 폭기 반응조로부터 기체 암모니아를 탈거탑으로 제공하며, 상기 탈거탑은 기체 암모니아와 반응하는, 제어된 양의 산을 제공하는 단계; 및
    (e) 탈거탑에서 산을 기체 암모니아와 반응시켜 생산된 암모늄 염을 회수하는 단계를 포함하는 영양분 회수 방법.
  11. 혐기성 소화조 배출물을 가열하고 폭기시키는 폭기 반응조;
    제어된 양의 산을 폭기 반응조로부터 나온 기체 암모니아와 혼합하는 탈거탑; 및
    탈거탑에서 산을 기체 암모니아와 반응시켜 생산된 암모늄 염을 수집하기 위한 용기를 포함하는 영양분 회수 시스템으로, 폭기 반응조에서 배출물 가열과 폭기는 가용성 암모늄을 기체 암모니아로 전환하는 영양분 회수 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    폭기 반응조는 배출물을 폭기시키는 마이크로에어레이터를 포함하는 영양분 회수 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    폐 섬유상 물질을 소화시키는 혐기성 소화조를 더 포함하되, 소화된 폐기물로부터 나온 배출물은 폭기 반응조로 제공되는 영양분 회수 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    폭기 반응조로부터 배출물 수집을 위한 고형물 침전 시스템을 더 포함하는 영양분 회수 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    탈거탑은 2탑 시스템(two-tower system)을 포함하는 영양분 회수 시스템.
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