KR20130048248A

KR20130048248A - 생활 폐수의 처리방법 및 생중합체 생산 가능성을 갖는 생물량의 생산 방법

Info

Publication number: KR20130048248A
Application number: KR20137006531A
Authority: KR
Inventors: 시몬 올로프 헤럴드 벵트손; 엘리세 마리에 블란케트; 이 씨르네 마리아 대스 도레스 타바레스 그루고; 카를 안톤 베르제 카를슨; 알란 기데온 베르커; 페르난도 모간-세가스투메
Original assignee: 베올리아 워터 솔루션즈 앤드 테크놀러지스 써포트
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2013-05-09
Also published as: EP2606007A1; JP2013537483A; US20130199997A1; CA2808142A1; CN103298753B; CN103298753A; KR20150141194A; AU2011292811A1; JP5855102B2; AU2011292811B2; WO2012023114A1; BR112013003609A2

Abstract

폐수를 생물학적으로 처리하고 폐수로부터 오염물을 제거하는 방법이 기재되어 있다. 폐수를 처리하는 과정에서, 생물량이 생산된다. 폐수로부터 오염물을 제거하는 것 외에, 본 발명의 공정 또는 방법은 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시킴을 수반한다. PHA 축적 가능성을 향상시키기 위해 생물학적 폐수 처리 시스템에서 사용되는 다수의 공정들이 기재되어 있다. 예를 들면, 향상된 PHA 축적 가능성은 생물량을 풍족한 조건과 아사 조건에 노출시키고, 생물량을 아사 조건에 노출시킨 후, 0.5mg-COD/g-VSS/분 초과의 평균 피크 특이적인 RBCOD 공급율과 함께 5mg-COD/L/분 초과의 평균 피크 자극 RBCOD 공급 속도를 적용함으로써 선택된 기간 동안 생물량을 풍족한 조건에 노출시켜 생물량을 풍족한 조건의 기간으로 자극시킴으로써 실현된다. 다른 예에서, 생물량의 PHA 축적 가능성은, 생물량이 이의 현존하는 최대 호흡율의 적어도 40%인 피크 호흡율에 이르도록 하는 풍족한 조건에 생물량을 적용시킴으로써 향상된다. 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는데 기여할 수 있는 다른 공정들도 논의되어 있다.

Description

생활 폐수의 처리방법 및 생중합체 생산 가능성을 갖는 생물량의 생산 방법{Method of treating municipal wastewater and producing biomass with biopolymer production potential}

발명의 분야

본 발명은 생물학적 폐수 처리 시스템 및 공정 및, 특히 생물학적 폐수 처리 시스템 및 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 축적시킬 수 있는 생물량(biomass: 또는 바이오매스라 함)을 생산하는 공정에 관한 것이다.

발명의 배경

가정 폐수는 주로 거주지 및 상업지로부터 주로 기원한다. 기관 시설 및 오락 시설은 또한 이러한 폐수에 기여하는 원천을 나타낸다. 주요 침전 작용 후, 가정 폐수의 유기 성분은 흔히 100 내지 900의 범위로 수배 낮으며 특정하게는 1000 mg-COD/L 이하에 있다. 보다 큰 강도의 생활(도시) 폐수(municipal wastewater)에 직면하는 경우, 생활 폐수 처리 시설은 가정 폐수 및 지역에서 산업적 활동으로부터 부하되는 추가의 유기물을 수용하여야 하는 경향이 있다.

주요 처리된 폐수 유기 성분(wastewater organic content)의 유의적인 분획(fraction)은 용해되지 않음으로써 천연에서 입자화(particulating)되는 것으로 고려된다. 주요 유출물의 용해된 분획은 일반적으로 용이하게 생분해가능한 화학적 산소요구량(RBCOD)를 함유한다. 생물학적으로 활성인 환경에서 제공된 충분한 시간 동안 미립자 분획 중 일부는 또한 RBCOD로 가수분해된다.

생활 폐수내 화학적 산소 요구량(COD)의 생물학적 제거는 생물량을 생산하며 폐기물 생물량은 전세계에서 고형의 폐기 처분 문제가 되어오고 있다. 처분이 요구되는 생물량의 양을 완화시키기 위한 당해 분야의 최신 방법은 생물량의 혐기성 분해를 사용하여 에너지원으로 전환될 수 있는 바이오가스(biogas)를 생산하는 것이다.

폐수를 생물학적으로 처리하는 과정에서 생산된 생물량의 귀중하고 가치있는 용도를 확인하기 위한 시도로 과학자 및 연구자에 의해 많은 시간 및 노력이 소비되어 왔다. 폐수 처리에서 생산된 생물량은 PHA를 축적시키는 가능성(potential)이 있다는 것이 공지되어 있다. PHA는 생물량으로부터 회수되어 많은 흥미있고 실질적인 적용에 사용될 수 있는 상업적 가치의 생분해가능한 가소성 물질(plastic)로 전환시킬 수 있는 생중합체이다.

통상의 생물학적 폐수 처리 공정은 생물량을 생산하며 생산된 생물량은 일반적으로 최소 수준의 PHA를 축적시키기 위한 일부 가능성을 일반적으로 포함한다. 그러나, PHA의 이러한 가능성 수준은 생물량을 수거하고 이들로부터 PHA를 경제적으로 실현가능하게 추출하기에는 불충분하다.

따라서, 폐수로부터 오염물질을 제거할 뿐 아니라 PHA를 축적하기 위한 가능성이 향상된 생물량을 생산하는데 목적을 둔 생물학적 폐수 처리 시스템 및 방법이 요구되고 있다.

발명의 요약

본 발명은 폐수를 생물학적으로 처리하고 폐수로부터 오염물질을 제거하는 방법에 관한 것이다. 폐수를 처리하는 과정에서, 생물량이 생산된다. 폐수로부터 오염물질을 제거하는 것 외에도, 본 발명의 공정 또는 방법은 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시킴을 포함한다.

생물학적 폐수 처리 시스템에서 사용하여 PAP를 향상시킬 수 있는 다수의 공정들이 본원에 논의되어 있다. 예를 들면, 향상된 PHA 축적 가능성은 생물량을 풍족한 조건(feast condition) 및 아사 조건(famine condition)에 노출시키고, 생물량을 생물량을 아사 조건에 노출시킨 후, 생물량을 아사 조건에 선택된 기간 동안 5mg-COD/L/분 초과의 평균 피크 자극 RBCOD 공급 속도와 함께 0.5mg-COD/g-VSS/분 초과의 평균 피크 특이적인 RBCOD 공급 속도를 적용시킴으로써 아사 기간으로 생물량을 자극시켜 실현시킬 수 있다. 다른 예에서, 생물량의 PHA 축적 가능성은, 생물량을 생물량이 생물량의 현존하는 최대 호흡 속도의 40% 초과인 피크 호흡 속도에 도달하도록 하는 아사 조건에 적용시켜 향상시킨다. 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는데 기여할 수 있는 다른 공정들 또는 단계들이 본원에 논의되어 있다. 예를 들면, 생물량에 적용된 RBCOD 용적 유기물 로딩 속도를 조절하거나 조작하는 것은 PHA를 축적시키는 생물량의 능력에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 생물학적 폐수 처리 공정에서, 농밀화된(thickened) 생물량 혼합액은 전형적으로 재순환되어 새로운 유입된 폐수와 혼합된다. 생물량 혼합액의 재순환 용적율은 또한 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는데 유의적인 역활을 담당할 수 있다. 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는데 기여할 수 있는 공정 매개변수의 다른 예는 비교적 짧은 고형물 체류 시간을 유지하는 것이다. 생물량에서 PHA 축적 가능성을 향상시키는데 사용될 수 있는 이들 및 다른 발견이 본원에 보다 상세히 논의되어 있다.

도 1은 생산된 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키도록 설계된 생물학적 폐수 처리 시스템의 계통도이다.
도 2는 동일한 생물량의 2개의 고도로 확대된 영상을 나타내지만, 여기서 우측 영상은 생물량내 세균의 거대한 분획이 PHA를 저장하는 능력을 가짐을 나타내는 나일 블루 염색(Nile blue staining)에 적용되었다.
도 3은 도 1에 나타낸 폐수 처리 시스템에서 2개의 상이한 위치에서 시간에 걸쳐 샘플처리된 생물량내 PHA 함량을 나타내는 그래프이다.
도 4는 축적 시간에 대한 PHA로서 생물량의 분획을 도시한 그래프이며 이는 일반적으로 요구시 공급 제어(feed-on-demand control)를 기초로 하여 호기성(respiration)의 파일럿 규모의 유가배양식 반응기(pilot scale fed batch reactor)내에서 발효된 낙농업(dairy industry) 유출물을 사용한 PHA의 축적을 묘사한다.
도 5는 축적 시간에 대한 생물량 PHA 성분의 분획을 나타내는 그래프이며, 이는 실험실 규모의 생반응기에 접종하는데 사용된 PAP가 전형적으로 낮은 생물량의 결과를 나타낸다.
도 6은 낮은 수준의 PAP로부터 중간 수준의 PAP, 및 중간 수준에서 높은 수준의 PAP의 PAP 범위를 나타내는 활성화된 슬러지 혼합액(mixed liquor)의 3개 공급원에 대한 RBCOD-아세테이트 농도의 함수로서 유도된 특이적인 산소 흡수율(SOUR_i)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 각각의 생활 폐수에 적응된 활성화된 슬러지(sludge)에 대한 유입되는 폐수 대 혼합액 혼합 비의 함수로서 유도된 특이적인 산소 흡수율(SOUR_i)을 나타내는 그래프이다
도 8은 RBCOD를 처리하고 공정에서 생산된 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키기 위한 기본적인 원리를 사용하는 활성화된 슬러지 공정의 개략도이다.
도 9는 RBCOD를 처리하기 위한 바이오필름 공정을 사용하는 생물학적 폐수 처리 공정의 개략도이고, 여기서 당해 공정은 생산된 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상기키기 위한 원리를 사용한다.
도 10a 및 10b는 폐수 속에서 RBCOD를 처리하기 위한 반-연속 유입물 유동 현탁된 생물량 성장 공정의 경우에 대한 생물량에 있어서 PHA 축적 가능성의 향상과 관련된 본 발명의 원리를 적용시키는 생물학적 폐수 처리 공정의 개략도이다.
도 11은 생활 폐수를 사용하고 향상된 주요 처리를 포함하는 생물량과 PAP 생산(biomass-with-PAP production)을 위한 전체 공정 구조를 나타내는 개략도이다.
도 12는 생활 폐수를 사용하고 접촉 안정화 기술을 적용하여 고속의 RBCOD 제거 동안 콜로이드성 유기 물질을 제거하는 생물량과 PAP 생산을 위한 전체 공정 구조의 개략도이다.

발명의 상세한 설명

생물학적 처리를 위해 진행된 생활 폐수는 전형적으로 현탁되고 용해된 유기 물질을 포함한다. 유기 물질의 용해된 분획은 흔히 500 mg-COD/L 이하의 농도로 일반적으로 생물학적으로 분해가능하다. 당해 COD(화학적 산소 요구량)의 대규모 분획은 용이하게 생분해가능한(RBCOD) 것으로 고려될 수 있다. 본 발명의 공정은 생활 폐수 RBCOD의 처리로부터 생물량의 생산에 관한 것이며, 여기서 생산된 생물량은 PHA의 축적을 위한 향상된 가능성을 나타낸다. 앞서 나타낸 바와 같이, PHA는 생물량으로부터 회수될 수 있고 많은 흥이있는 실제 적용 분야로 인해 상업적으로 가치있는 생분해가능한 가소성 물질로 전환될 수 있는 생중합체이다. PHA의 축적을 위한 향상된 가능성은, 생물량이 별도의 공정 및 조절된 방식으로 RBCOD의 다른 이용가능한 공급원과 함께 공급되는 경우에 PHA로서 최종 유기 중량의 35%의 과량으로, 및 바람직하게는, 50%의 과량으로 PHA를 저장하는 생물량의 능력을 말한다. 현탁된 성장 시스템의 혼합액내 생물량 농도는 흔히 총 현탁된 고체(TSS)로서 잘 확립된 방법 및 휘발물 현탁된 고체(VSS)에 의해 흔히 평가된다. 따라서, 활성화된 슬러지 속의 PHA 수준은 g-PHA/g-TSS로서 표현될 수 있지만, 보다 바람직하게는 g-PHA/g-VSS로서 표현될 수 있다. 예를 들어, 활성화된 슬러지 생물량의 재 성분(ash content)이 10%인 경우, 본 발명의 방법을 적용함으로써 대략 32% g-PHA/g-TSS의 과량, 및 바람직하게는 45% g-PHA/g-TSS 과량의 PHA 축적 가능성(PAP)이 달성될 것이다.

생물량 속의 PAP를 뒷받침하는 한가지 방법은 생물량을 풍족한 조건 및 아사 조건의 명백한 주기에 노출시키는 것이다. 필수적으로, 풍족한 조건 및 아사 조건에 노출시키는 것은 생물량을 유기 탄소 기질 공급의 역학적 조건에 노출시킴을 포함한다. 이들 조건하에서, 유기 탄소 기질은 실질적인 기질 이용가능성의 기간(풍족한 조건) 및 기질 결핍의 기간(아사 조건)을 교호적으로 촉진시키는 방식으로 공급된다. 풍족한 조건하에서, 생물량은 RBCOD를 사용하여 이들의 실질적인 분획을 아사 조건하에서 성장 및 유지를 위한 후속적인 이용을 위한 PHA의 형태로 저장한다. PHA의 이러한 저장 및 이용은, 생물량이 반복적으로 노출되는 풍족한 및 아사 주기의 결과로서 PHA의 회전률이다. PAP를 사용한 생물량의 농축에도 불구하고, 폐수 처리 동안 생물량 속의 측정가능한 PHA 수준은 단지 완전한 현존하는 생물량 PHA 축적 가능성의 약간의 부분일 수 있다.

폐수 속의 RBCOD는 풍족한 조건하에서 생물량에 의해 소모된다. 풍족한 조건하에서 RBCOD를 소모하는 생물량의 결과로서, 폐수는, 폐수의 RBCOD 농도가 감소함에 따라 효과적으로 처리된다. 생물량에 대한 풍족한 조건을 달성하기 위해, 유입물 RBCOD를 현탁된 생물량과 또는 혼합액 중 바이오필름으로서 생물량을 일부 지점에서 충분히 높은 RBCOD 농도에 노출시키는 방식으로 합한다. 생물량 중 PAP를 향상시키기 위한 선택적인 압력은, 풍부한 RBCOD 조건에 이어 아사 조건으로 자극시킨 피크가 반복적으로 적용되어 평균으로 달성되는 경우 부과된다. 평균 피크 풍족한 자극 농도는 10 mg-RBCOD/L의 과량이어야 하나 바람직하게는 100 mg-RBCOD/L의 과량이어야 하는 한편, 전체 폐수 오염물 농도는 생물량에 대해 억제되도록 측정된 것 미만의 수준으로 유지되어야 한다. 용어 "피크 농도"는, 선택된 시점 동안 풍족한 구역내 최대 RBCOD 농도를 의미한다. 평균 피크 농도는 특정한 수의 기간에 걸쳐 피크 농도를 평균내어 측정한다. 주요 또는 개선된 주요 처리를 유입물 폐수에 적용하는 경우, 이후에 주요 고형물은 사이드-스트림(side-stream)으로 발효될 수 있으므로 이러한 발효 단계에 의해 방출된 RBCOD를 사용하여 풍족한 반응을 보충할 수 있다.

생물량에 대한 아사 조건은 주요 폐수 유동에 대한 사이드-스트림 속에서 달성함으로써 풍족한 조건 동안 RBCOD 소모로부터 생물량에 저장된 PHA 자체가 적어도 부분적으로 소모되는 반면 생물량은 무시할 정도의 이용가능한 RBCOD의 환경에 쳐해진다. 향상된 PAP와 함께 생산된 생물량은 폐수 처리 공정으로부터 수거되어 폐 슬러지 취급 공정으로 진행된다. 업계에서, 당해 생물량 수거는 "웨이스팅(wasting)으로 언급되며 활성화된 슬러지 공정을 위해 이는 폐 활성화된 슬러지로 불린다. 본 목적을 위해서 및 본 발명의 목적을 위한 본 발명자의 폐 슬러지 관리 실시의 일부로서, 당해 폐 생물량은 바람직하게는 이의 가능성의 정도까지 PHA를 축적하도록 하며, 당해 축적된 PHA는 후속적으로 부가 가치 제품으로 회복된다. PHA 축적 및 회수를 사용한 슬러지 취급은 처리를 필요로 하는 폐 슬러지 잔사의 최종 질량을 유의적으로 감소시키기 위한 대안적인 기회를 나타낸다.

본 발명은 생활 폐수의 처리의 결과로서 PHA를 생산하는 생물량의 농축 및 생산 방법 또는 공정에 관한 것이다. 폐수중 유기 오염물의 농도는 흔히 화학적 산소 요구량(COD)의 측면에서 평가된다. 보다 높은 COD는 폐수내 유기 오염물의 보다 높은 수준을 반영한다. 본 발명의 목적은 폐수 처리 동안 생물량내 PHA 대사 회전율을 자극하기 위하여 이러한 폐수 속에서 가용성의 용이하게 생분해가능한 화학적 산소 요구량(RBCOD)의 낮은 농도를 이용하는 것이다. 이렇게 함으로써, 생물량을 PHA-생산 가능성으로 농축시킬 뿐만 아니라 PHA 축적 동력학을 생활 폐수 처리로부터 유기 탄소 제거로 오늘 생산된 생물량에 대해 일반적으로 기대될 수 있는 것들보다 유의적으로 보다 더 높은 수준으로 개선시키는 것도 가능하다. 이에 의해 생활 폐수 처리 공정으로부터 수거된 생물량은 협조하여 특수한 유형의 PHA를 생산하는데 보다 구체적으로 요구될 수 있는 다른 유기 공급물 스톡(stock)의 이용가능성을 제공한 생중합체를 생산할 수 있다.

하나의 양태에서, 당해 방법은 보다 상업적으로 흥미있는 양 및 속도로 PHA 생중합체를 축적하기 위해 수거된 폐수 처리 생물량을 활용한다. PHA 축적 및 회수의 경제적인 실행가능성은 다음에 의해 개선된다:

1. PHA 축적 가능성에 대한 향상된 능력을 나타내는 생물량의 성장의 격려. 수거된 생물량 속에서 도달될 수 있는 PHA 함량이 높을 수록, PHA 정제 공정이 보다 더 생산적이고 효과적이 될 것이다. 보다 많은 PHA가 단위 추출 용적당 회수될 것이다. 실험은, 추출 효능이 생물량 속에 축적된 PHA의 정도와 함께 증가함을 나타낸다.

2. 생물량의 PHA 축적 속도를 조작하여 PHA 축적을 위한 최대 능력을 비교적 짧은 시간 구간내에 달성할 수 있다. PHA 축적의 동력학이 커질수록 축적 단위 공정은 보다 생산성이고 효과적이 될 것이다. 보다 많은 PHA는 제공된 시간 동안 단위 용적당 생산될 수 있다.

본 발명은 폐수 개선 서비스와 직접 연결된 생중합체에 대한 생산 공정을 위한 증가하는 보다 실질적으로 경제적으로 가치있는 사회기반시설을 달성하기 위한 전체적인 수단에 대한 이들 인자들 둘다에 촛점을 맞추고 있다(참조: 실시예 11 및 12). 생활 폐수를 처리하는 생물량으로부터, 생중합체 생산을 위한 성공적인 실제 해결 방법은 처리를 필요로 하는 폐 슬러지의 감소 방법과 평행하게 이어질 수 있으므로 바람직하다. 생활 폐수 처리 작업으로부터 나오는 슬러지의 폐기와 관련된 문제들은 정부 조직 및 세계적으로 물 산업에서 전문가들에 의해 전반적으로 인식되고 있다.

PAP를 사용한 생물량 생산(biomass-with-PAP production)의 목적 또는 후속적인 PHA 축적 및 회수 목적을 위해 공급된 유기 탄소원은 서로 독립적으로 고려되어야할 필요가 있다. 이는 휘발성 지방산(VFA)이 생물량 생산 및 PHA 축적 공정들 둘다를 위한 주요 유기 탄소원으로서 사용되는 PHA 생산을 위해 농축된 생물량의 혼합된 배양물에 촛점을 맞춘 학술 연구에서 일반적인 것으로 되어 왔다. VFA는 RBCOD의 예이며 활성화된 슬러지와 같은 혼합된 배양 시스템에서 농축 생물량 생산 및 PHA 축적을 위한 기본적인 발달에 관한 과학적 조사를 위해 가장 흔히 적용된 RBCOD이다. 그러나, 실제적인 적용에서, COD를 VFA로 전환하기 위한 공정은 공정에 자본 및 작동 비용을 가하는 발효 단위 공정들을 필요로 할 수 있다. VFA는 산이므로 이러한 발효 단위 공정들은 발효된 폐수 pH를 조절하기 위하여 비싼 화학물질 첨가를 매우 필요로 할 수 있다. 생활 폐수 처리 플랜트는 매일 거대한 용적의 저 농도 폐수를 처리한다. 따라서 추가의 거대한 반응기 용적이 폐수 COD를 VFA로 전환시키는데 필수적인 체류 시간을 달성하기 위해 추가의 거대한 반응기 용적이 요구되는 경우 주류 발효 공정(mainstream fermentation process)은 경제적으로 매력적이지 않을 수 있다. 따라서, VFA는 실제의 PHA 축적 단계에 사용된 중요하고 흔히 기본적인 RBCOD 공급원으로 고려될 수 있지만, VFA로서 RBCOD에 의존하지 않고 후속적인 PHA 축적에 요구되는 생물량을 오히려 생산할 수 있는 경우, 이는 실질적으로 및 경제적으로 유리할 수 있다. 이상적으로, 어떠한 개입된 예비처리 단계의 어떠한 부하가 거의 없는 PAP를 사용한 생물량에 대한 유입되는 가용성 유기 물질을 활용하는 것이 선호될 수 있다.

제공된 방법 또는 공정의 명백한 적용은 생활 폐수를 처리하는데 사용된 생물량으로부터 PHA 생산의 경제적 능력을 유의적으로 개선시킨다. 확대하여, 본 발명의 도구를 사용하여 생활 폐수 처리 사회기반시설을 개발하고 이렇게 함으로써 보다 적은 전체 슬러지 생산의 오래된 목적에 대해 추가의 진전을 달성할 수 있다.

본 발명의 방법은 생활 폐수로부터 유기 탄소 제거로로부터 생물량의 보다 선택적인 생산에 관한 것이다. 생물량은 PHA 축적 가능성의 기능적 기여로 향상된다. 하나의 목적은 부가가치 제품으로서 PHA의 생산 및 회수의 목적을 가능하게 하는 상업적으로 가치있는 공정에서 당해 축적 가능성의 활용 목적을 위해 PAP를 달성하는 것이다. PHA 생산 및 회수의 공정 단계는 에너지 생산 및 폐 생물량 처분의 완화를 추가로 제공할 수 있다.

당해 문제는 본 목적에 대한 공지된 실제적인 한계; 생활 폐수를 처리하는 경우 수득되어지는 개방 혼합된 배양물내 PAP의 수준은 지금까지 일반적으로 충분하지 않은 것으로 고려되어 왔으며 축적 동력학은 낮은 것으로 밝혀져 왔다. 이들 제한들을 극복하기 위한 전략들이 개발되었고 다음을 포함한다:

● RBCOD 공급과 관련하여 역학적 조건에 대한 생물량의 노출.

● 공정에서 양, 농도, 속도, 시간 및/또는 위치와 관련하여 생물량에 대한 RBCOD 유기 부하의 조건 정의.

● 휘발성 지방산(VFA) 및 알코올에 한정되지 않는 RBCOD 원을 사용한 PAP에 대한 생물량의 향상.

● 저 슬러지 체류 시간을 적용시킴으로서 생물량의 수율의 증가.

● 연속적인 또는 순차적인 배취 반응기 배열에서 작동하는 존재하는 처리 사회기반시설에 대해 공정을 적응시키기 위한 융통성(flexibility)의 확립.

● 현탁액(즉, 활성화된 슬러지) 또는 바이오필름(즉, 회전하는 생물학적 접촉기 또는 이동하는 층 생반응기(bed bioreactor)) 속에서 생산된 생물량으로 작동하는 존재하는 처리 사회기반시설에 대해 공정을 적응시키기 위한 융통성의 확립.

활성화된 슬러지는 생물학적 폐수 처리에 광범위하게 사용된 공정이다. 활성화된 슬러지의 생물량 속에 존재하는 세균의 종들은 PHA를 생산할 수 있음이 공지되어 있다. 이들 세균에 의한 PHA 생산은 PHA로서 폐수 유기 물질의 흡수, 전환, 및 저장을 포함한다. 이들 대사 공정은 활성화된 슬러지에서 익히 공지되어 있고 최신 공정 모델에서 포함된다. 그럼에도 불구하고, 지금까지 PHA를 축적시키기 위한 보고된 가능성은 저 유기 강도 생활 폐수를 처리하기 위해 일반적으로 사용된 활성화된 슬러지의 경우 낮다. 이러한 낮은 축적 가능성은 VFA와 유의적인 분획으로 포함된 RBCOD를 지닌 보다 높은 강도의 산업 폐수를 사용하여 PAP에 대해 농축되도록 한 활성화된 슬러지의 가능성과 비례된다. 생활 폐수를 처리하는 활성화된 슬러지의 경우, 30% g-PHA/g-TSS의 최대 함량이 일본에서 4개의 상이한 생활 폐수 처리로부터의 18개의 활성화된 슬러지 샘플을 사용한 배취식 PHA 축적 시험에서 보고되어 왔다[참조: Takabatake H, Satoh H, Mino T, Matsuo T. 2002 PHA(polyhydroxyalkanoate) production potential of activated sludge treating wastewater. Water Science and Technology 45(12):1 19-126.]. 유사하게, 생활 폐수를 PHA-생산 미생물의 증식을 양호하게 하는 것으로 공지된, 교호적인 혐기성-호기성 조건하에서 랩-규모 반응기(lab-scale reactor) 속에서 처리한 경우 대략 20% g-PHA/g-TSS의 함량이 수득되었다[참조: Chua ASM, Takabatake H, Satoh H, Mino T. 2003. Production of polyhydroxyalkanoates (PHA) by activated sludge treating municipal wastewater: effect of pH, sludge retention time (SRT), and acetate concentration in influent. Water Research 37(15):3602-3611.].

무수 생물량의 PHA 함량은 후류 공정(downstream processing)에서 중합체 회수의 효율, 및 소모된 RBCOD와 관련한 전체 중합체 수율에 영향을 미치므로 PHA의 상업적 생산에 있어 중요한 기술적 및 경제적인 인자이다. 또한, 보다 높은 PHA 축절율은 공정 용적 생산성에 긍정적으로 영향을 미친다. 따라서, 생물량의 우수한 축적률 및 개선된 PHA 축적능 둘다를 촉진하는 활성화된 슬러지의 PAP 향상을 자극하는 조건들을 선택하는 것이 바람직하다. 폐수를 처리하기 위한 요건에 대한 직접적인 커플링에 있어 이러한 강화 목표를 달성하는 것이 유리하다.

RBCOD 부하, 슬러지 체류 시간, 및 풍족한-아사 자극에 대해 고려된 관심으로 인하여, 도시 생물학적 처리 공정을 작동시켜 24-시간 배취 축적 실험에서 37(33) 내지 51(46)% g-PHA/g-VSS (TSS)의 범위로 PHA를 축적한 활성화된 슬러지 생물량을 생산할 수 있음이 발견되었다(실시예 1 내지 실시예 3). 또한, 놀랍게도 RBCOD와 무시할만한 양의 VFA 및 알코올 성분을 함유하는 저강도 생활 폐수의 생물학적 처리가 PAP가 함유된 생물량의 향상을 촉진시킬 수 있음이 밝혀졌다.

위에서 논의한 바와 같이, 풍족한 및 아사 조건은 공정에서 시간 또는 위치의 함수로서 생물량에 영향을 미칠 수 있지만 또한 시간에 따른 유기 부하율의 매일 유입되는 변화로 인하여 활성화된 슬러지 또는 바이오필름 생물량 실험 둘다의 경우에서, 평균적으로, 보다 높은 RBCOD의 순환 기간은 RBCOD의 공급이 거의 없는 기간과 교호적으로 공급된다. 연구 및 특허 문헌에서 앞서 잘 정의되지 않은 것은 생활 폐수를 포함하는 풍족한 조건에 적용되어야 하는 작동 기준이며, 여기서 RBCOD는 통상적으로 특성화하기에 어렵고 비용이 많이 들며, RBCOD는 흔히 신뢰할 수 없는 수준의 VA 및 알코올 성분과 함께 존재한다.

VFA는 PHA 생산을 위한 양호한 기질이다. 이러한 유형의 RBCOD는 활성화된 슬러지와 같은 혼합된 미생물 배양액에 의해 PHA로 전환되는 유기 화합물의 주요한 그룹으로 고려된다. 또한, 과학 문헌은, 적합하게 적응된 혼합 배양물이 알코올을 PHA로 전환시킬 수 있음을 나타낸다[참조: Beccari M, Bertin L, Dionisi D, Fava F, Lampis S, Majone M, Valentino F, Va Mini G, Villano M. 2009. Exploiting olive oil mill effluents as a renewable resource for production of biodegradable polymers through a combined anaerobic-aerobic process. Journal of Chemical Technology and Biotechnology 84(6):901-908.]. 생활 폐수의 RBCOD에서 VFA 및 알코올의 분획은 흔히 중간 내지 매우 낮은(<1 0-30 mg-COD/L) 농도로 가변적일 수 있으며, 이들 저 농도는 생활 폐수 생물학적 처리 시설로부터 폐기된 활성화된 슬러리로부터 PHA-생산 가능성 농축에 대한 기술적 장애로 고려되어 왔다(참조: Chua et al., 2003).

또한, 생활 폐수 처리 시설에 관한 RBCOD의 화학적 조성은 상세하게 조절되지 않으므로, 유입물내 도달하는 RBCOD의 유형에 대해 민감하지 않는 PAP를 지닌 생물량 생산을 위한 공정을 설계할 수 있는 것이 실제로 유리하다. 이러한 목적으로, 일반적으로 RBCOD 및 보다 구체적으로 무시할만한 양의 VFA 및 알코올을 함유하는 RBCOD를 제조하여 생물량 PHA 저장 반응에 기여할 수 있다. 이러한 발견은, PAP를 지닌 생물량 향상이 폐수 생물학적 처리 서비스의 부산물로서 달성될 수 있음을 의미한다(실시예 1). 유기 부하 및 풍족한 자극 조건에 대한 공정 설계에 관심을 기울임으로써, 생활 폐수 RBCOD의 생물학적 처리를 이용하여 PAP 및 축적 동력학이 둘다 향상된 생물량을 생산할 수 있다(실시예 5). 생활 폐수 처리 플랜트는 이러한 방식으로 오염 방지를 위해서 및 평행한 PHA 생산을 촉진하는 기능적인 생물량의 공급원으로서 및 잔류 슬러지 관리를 위한 대안의 매력적인 전략으로서 작동될 수 있다.

낮은 슬러지 체류 시간(SRT)과 함께 생활 폐수 RBCOD 유기 부하율은 유의적인 수준의 VFA 또는 알코올을 함유하지 않은 RBCOD에 대한 활성화된 슬러지에 있어서 PAP 향상을 자극할 것이다. 또한, 발견들은, RBCOD를 지닌 풍부한 조건의 적용 방법이 생물량에서 증가된 현존하는 PHA 축적 동력학의 조건화에 대해 유의적임을 제안한다(실시예 5). 이러한 목적을 위해, RBCOD를 함유하는 유입되는 폐수를 아사 조건으로부터 처리된 생물량과 혼합하는데 있어서 보다 높은 현존하는 생물량 풍족한 호흡율을 유도하는 것이 바람직하다. 풍족한 조건에 대한 생물량 부하의 목적은 PHA 회전율의 대사를 자극하는 것이다. PHA 축적을 위한 풍족한 반응은, 생물량이 충분히 높은 농도의 RBCOD에 의해 유도되는 경우 자극된다. 이러한 자극에 대한 보다 낮은 역치는 생물량 산소 흡수율을 측정하는 단순한 표준 방법으로 용이하게 측정된다(실시예 6 및 실시예 7). 이러한 확립된 방법[참조: Archibald F, Methot M, Young F, and Paice M. 2001 . A simple system to rapidly monitor activated sludge health and performance, Wat. Res. 35(19):2543-2553.]에 이어, 참조 RBCOD를 사용하여 유의적인 풍족한 자극이 대략 10 mg-COD/L에 의해 달성됨이 관찰되었다. 생물량의 호흡율은 최대 한계까지 증가된 RBCOD 농도로 증가될 것이다. 생물량 호흡 반응에 대한 최대 한계는 변할 수 있으나 일반적으로 호흡능은 대략 100mg-COD/L 이상의 RBCOD 농도로 달성되었음이 관찰되었다. 증가된 PAP와 함께, 생물량의 호흡율 능력은 전형적으로 보다 높음이 또한 관찰되었다.

적어도 10 mg-COD/L의 풍족한 RBCOD 농도의 유도를 보증하기 위한 모니터링은 통상의 공정 작동시 단순하지 않을 수 있다. RBCOD는 신속하게 생분해되므로 풍족한 환경에서 RBCOD의 정량화를 위한 이러한 신뢰할 수 있는 샘플링, 보존 및 분석이 추구되고 있다. 그럼에도 불구하고, 평균 유입되는 폐수 RBCOD 농도가 특성화되는 경우, 풍족한 자극 조건이 아사 조건으로부터 풍족한 조건의 구역으로 최소의 구체적인 공급율을 보증함으로써 공정 설계시 설정될 수 있다. 공급율을 자극하는 풍족한 조건은 공정 아사 구역(mg-COD/분)의 용적으로 나눈 유입되는 RBCOD 질량 유동 속도(mg-COD/L/분)에 의해 추정된다. 구체적인 자극 공급율은 공정 풍족한 구역에서 생물량의 질량으로 나눈 유입되는 RBCOD 질량 유동 속도(mg-COD/g-VSS/분)로 추정된다. 용어 '평균 피크 공급 속도" 또는 "RBCOD 공급 속도를 자극하는 평균 피크 풍족한 조건"이 본원에서 사용된다. "피크 공급 속도"는 풍족한 조건에 대한 노출의 1회 기간 동안에 생물량이 적용되는 최대 공급 속도를 의미한다. 생물량은 교호적인 풍족한 조건과 아사 조건에 적용되므로, 생물량은 풍족한 조건의 다수의 별도의 기간에 노출되는 것을 따른다. 평균 피크 공급 속도는, 새물량이 풍족한 조건에 적용되는 경우 또는 때의 다양한 기간 동안 피크 공급 속도의 평균이다.

0.5 mg-COD/g-VSS/분의 구체적인 RBCOD 공급 속도를 생성하는 8mg-COD/L/분의 풍족한 RBCOD 공급 속도를 자극하는 평균이 PAP를 향상시키는데 충분함이 밝혀졌다(실시예 5).

RBCOD 농도 또는 구체적인 공급 속도는 적어도 평균적으로 생물량에서 충분한 풍족한 반응을 보증하기 위한 설계 및 작동 조건을 확립하기 위한 기준을 제공한다. 그러나, 실제로, 유입되는 폐수를 사용하여 풍족한 상태로 자극하는 경우 생물량내에서 유도된 호흡율을 평가하는 것이 보다 바람직할 수 있다. 호흡율 평가는 자극되는 생물량 호흡의 현존하는 능력을 기준으로 공정 대조군을 확립하는데 사용된다(실시예 6 및 실시예 7). 공정에서 생물량은 아사 조건에 적용된 후에 풍족한 호흡으로 자극된다. 예를 들어, 처리된 유입물로부터 분리되고 농축된 생물량은 제공된 아사 조건의 충분한 노출에 이어 풍족한 구역으로 재순환된다. 생물량을 함유하는 재순환된 혼합액과 유입되는 폐수의 초기 혼합은 유입되는 RBCOD 농도를 희석시킨다. 재순환 혼합액 용적 유동 속도로 나눈 폐수 유입 용적 유동 속도는, 생물량이 초기 노출되는 풍족한 RBCOD 농도로부터 혼합율이 추정될 수 있음을 정의한다. 대안적으로, 제공된 혼합 비에 대해 달성된 생물량 호흡능의 분획을 직접적인 측정으로부터 설정할 수 있다(실시예 7).

일부 폐수는 생물량에 대해 억제하는 물질을 함유할 수 있다. 따라서, RBCOD 자극 농도는, 이들 물질이 보다 높은 농도로 존재하도록 하는 경우 생물량 상태에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 다른 폐수 오염물에 대한 고려의 부재하에 이루어질 수 없다(실시예 7). 생물량 용적 혼합 비를 재순환시키는 보다 높은 유입되는 폐수는 필수적으로 더 양호하지 않다. 따라서, 예를 들면, 특수한 유입 상황으로 인한 쇼크 부하(shock loading) 및 공정 업셋 조건(process upset condition)으로부터 공정을 사전 보호하는 것이 흥미있다. RBCOD의 유입물 품질은 매일 또는 계절마다 변할 수 있다. 따라서, 풍족한 자극을 위한 최적 셋팅을 가져오는 생물량에서 유입물 혼합 희석의 영향을 그랩 샘플(grab sample) 시험을 통상적으로 평가하거나, 보다 바람직하게는 온-라인 모니터링(on-line monitoring)을 이용하여 평가하는 것이 바람직할 수 있다. 유입되는 폐수 품질 및 강도의 온-라인 모니터링은 예를 들면, 스캐닝 분광법을 사용하는 상업적으로 이용가능한 장치로 달성할 수 있다. 호기성의 풍족한 조건을 위해, 생물량 유도된 풍족한 호흡은 초기 폐수-생뮬량 혼합 구역으로 전달되는 현탁된 고체 농도의 평가와 함께 온-라인 용존 산소 측정을 모니터링함으로써 수반될 수 있다.

실질적인 적용시, RBCOD 농도, 구체적인 공급 속도, 및/또는 생물량 호흡을 사용하여 재순환된 생물량을 위한 최적 용적의 배합율 및 풍족한 자극을 위한 폐수 유입물과 관련하여 공정을 설계하고 조절할 수 있다.

풍족한 호흡 반응을 달성하기 위한 실질적인 시도는 아사 조건으로부터 진행된 생물량과 유입되는 폐수 RBCOD를 합하기 위해 적용된 방법 및 희석도에 대한 관심을 필요로 한다. 희석비의 적합한 범위에 있어서 실질적인 구속은 폐수에 대한 명복상의 RBCOD 농도 및 생물량 스트림이 유입되는 폐수 스트림에 대해 진행되어 이와 혼합되기 전 농축되는 정도에 의해 영향받을 것이다.

일반적으로, 풍족한 조건은 호기성, 산소결핍성 또는 혐기성인 환경에서 확립될 수 있다. 호기성 풍족한 조건을 적용하는 경우, 용존 산소 수준이, 생물량이 나타내는 능력을 가지는 호기성 풍족한 대사 활성에 대한 가능성을 제한하지 않는 것이 바람직하다. RBCOD의 생분해가능한 특성으로 인해, 유입되는 폐수를 재순환 생물량 흐름과 혼합시 달성된 RBCOD 농도를 자극하는 피크에 대한 근접한 연합시 생물량 풍족한 대사 반응을 자극하는 것이 바람직하다. 풍족한 조건이 유입되는 폐수 및 생물량의 조절된 혼합으로 달성되어야 하는 경우, 용존 산소 수준은 혼합 시점에 직접 충분한 양으로 존재할 필요가 있다. 유입되는 폐수 및 재순환된 활성화된 슬러지내 용존 산소 수준은 흔히 수배 감소되므로, 혼합 전에 이들 스트림 중 하나 또는 둘다의 재-통기(re-aeration)는 유입되는 스트림과 혼합된 생물량내 가능한 직접적인 대사 반응을 허용할 것이다(실시예 8).

잘 정의된 "풍족한" 호흡과 함께 낮은 슬러지 체류 시간(SRT)은 PHA 생산의 목적 및 생활 폐수 RBCOD의 생물학적 처리 둘다와 관련된 이유로 전체적으로 실질적이고 경제적인 공정 실행능에 대한 잇점을 도입한다:

● 감소된 SRT는 RBCOD에 있어서 생물량 수율을 증가시킨다. 증가된 생물량 수율은, 생활 폐수 처리 시설로부터 보다 많은 PAP를 지닌 생물량이 PHA 생산을 보증하는데 요구되는 RBCOD의 이용가능한 공급을 제공한 PHA의 보다 많은 질량을 공급할 것이므로 궁극적으로 보다 많은 PHA가 생산되도록 한다. 보다 많은 생물량 수율은 또한, 질소 및 인과 같은 보다 많은 영양물이 RBCOD 처리 동안 폐수로부터 제거됨을 또한 의미할 것이다.

● SRT가 감소된 생물량 생산은, 불활성 유기물 현탁된 고체의 수준이 감소된 생물량을 생산할 것이다. 생물량 속의 불활성 고체의 감소된 수준은 폐수 처리 공정으로부터 수거된 생물량의 kg당 보다 활성인 PHA를 생산하는 생물량으로 후속적인 축적 공정을 농축시킨다.

전체적인 공정 질량 균형에 영향을 미치는 한가지 기술은 주요 처리 동안 진전된 입자 분리 수단을 사용하는 것이다. 유입되는 폐슈 유기 물질의 유의적인 분획은 입자화되고 콜로이드성인 물질로 존재한다. 이러한 입자화된(입상) 물질을 폐수 처리 공정의 전 말기(front end)에 제거하기 위한 효과적인 전략은 당해 입자화된 물질의 생물량에 대한 기여를 완화시킬 것이다. 이러한 완화는 풍족한 조건 후 보다 엄경한 아사 환경을 생성하는데 기여할 수 있다. RBCOD에 있어서 배타적인 생물량의 성장은 생물량 속의 관계없는 유기 고체의 감소로 인하여 및 PHA 생산 미생물을 촉진시키기 위한 선택적인 환경 압력의 증가와 관련하여 보다 높은 수준의 농축을 촉진시킬 수 있다. 제거된 및 가수분해가능한 입자화(입자상) 고체는 측면 스트림 속 VFA로 발효되어 풍족한 반응기내로 조절된 방식으로 투입되는 경우 농축용 유기 물질의 공급원으로서 사용될 수 있다. 유입되는 기질에 대한 이러한 VFA 보충은 증가된 수준의 PAP의 농축을 촉진시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이의 VFA 성분에 대한 관심없이 유입되는 폐수 RBCOD를 기준으로 한 생물량을 생산한 후 수거된("폐기된") 생물량 속에서 PHA 축적 목적으로만 주요 고체(또는 VFA에 대한 어떠한 다른 공급원)의 발효로부터 기원한 어떠한 VFA를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

따라서, 본 발명의 원리는 후속적인 PHA 생산을 위해 사용될 수 있는 생물량을 생산하기 위한 생활 폐수(RVCOD)를 처리하는데 적용될 수 있으며 다음을 포함한다:

● 저농도의 가용성 RBCOD를 함유하는 폐수 처리, 및

● 고도로 부하된 풍족한 환경에서 이러한 가용성 RBCOD의 선택적인 소모에 의한 생물량의 성장.

추가로 다음을 포함한다:

● 폐수 처리 공정의 어떠한 시점에서도 생물량 속의 PHA의 절대적인 수준이 수거된 생물량에 대한 PAP와 비교하여 비교적 낮을(TSS의 10% 미만) 수 있는 경우에서도 생물량 속의 PHA의 유의적인 회전률을 촉진할 부하 조건의 설계,

● 공정내에서 시간 또는 생물량 위치의 함수로서 풍족한 조건 후 아사 환경에 대한 생물량의 적용, 및

● 아사 반응기를 VFA로 증강시키거나, 바람직한 양태에서 증강 공정에 이들 VFA를 공급하기 위한 콜로이드성 유기 화합물의 분리, 및 발효.

후속적으로, 제안된 공정 또는 방법을 적용함으로써, 폐수를 처리하는데 사용된 생물량에서 PHA 축적 가능성을 생활 폐수로부터의 유기 오염을 제거하면서 생산된 생물량에 대한 존재하는 일반적인 실시에서 기대하는 것의 영역을 확장시킬 것이다. 별도의 후-축적 공정에서 표현된, 생물량에 있어서 최대 PHA 저장 가능성은 적어도 35%의 과량 및 바람직하게는 50% g-PHA/g-VSS 과량이어야 한다.

실시예 1.

RBCOD를 사용하여 PAP를 향상시키는 완전한 규모의 생활 폐수 처리

완전한 규모의 생활 폐수 처리 플랜드를 확립된 공정 설계 및 PAP를 RBCOD로 향상시키기 위한 조절 기준에 대해 시험하였다. 처리 시설은 200,000의 인구 당량에 상응하는 폐수를 수용하였다. 촛점은 거대 입자, 그릿(grit), 오일 및 그리스(grease)의 제거 후 유입되는 폐수를 수용한 전체 처리 작업 중 일부에 있으며 다음 단위 공정을 포함하였다(도 1): 고속 활성화된 슬러지 처리(HRAST), 침전 및 오수 분리, 및 생물량의 HRAST로의 재순환. RBCOD의 고속 제거 후, 폐수를 암모니아 및 잔류 유기 물질 제거를 위한 추가의 처리에 적용한다. 보다 특히, 도 1은 RBCOD를 함유하는 유입되는 폐수 스트림을 생물학적으로 처리하고, 동시에 폐수를 생물학적으로 처리하는 과정에서 생산된 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키도록 설계된 생물학적 폐수 처리 공정을 개략적으로 설명한다. 도 1을 참조하면, RBCOD를 하유하는 생활 폐수를 혼합 지점(2)로 향하도록 하며, 여기서 라인(8)을 통해 유동하는 돌아오는 활성화된 슬러지는 유입되는 폐수와 혼합된다. 유입되는 폐수와 돌아오는 활성화된 슬러지의 혼합은 혼합액을 형성한다. 혼합액은 이 경우에, 2개의 플러그 유동 탱크(plus glow tank) 또는 반응기(3) 및 (4)를 포함하는 고속의 활성화된 슬러지 처리 시스템으로 도입된다. 당해 실시예에서, 탱크 또는 반응기(3)의 부분은 풍족한 구역으로 기능한다. 즉, 탱크 또는 반응기(3)의 업스트림(upstream) 부분은 비교적 고 농도의 RBCOD를 포함하는 혼합액을 수용할 것이다. 이는 혼합액 중 생물량이 풍족한 조건에 노출되도록 할 것이다. 당해 실시예에서, 탱크 또는 반응기(3) 및 (4) 둘다는 통기되므로, 생물량은 혼합액으로부터 RBCOD를 제거하기 위해 기능한다. 혼합액이 탱크 (3) 및 (4)를 통해 다운스트림으로 진행되면서, 혼합액의 RBCOD 농도는 감소할 것으로 인식된다. 당해 실시예에서 시스템 및 공정은, 혼합액이 탱크 또는 반응기(4)의 다운스트림 부분에 도달하는 경우, 혼합액의 RBCOD 농도가 탱크 또는 반응기(3)의 개시 부분에서 혼합액의 RBCOD 농도와 비교하여 비교적 낮도록 설계될 것이다. 따라서, 아사 조건은 탱크 또는 반응기(4)의 다운스트림 말단 부분에 존재한다. 돌아오는 활성화된 슬러지 라인(8)으로 인하여, 생물량은 풍족한 구역 및 아사 구역을 통해 연속적으로 순환하며, 따라서, 생물량은 풍족한 및 아사 조건에 연속적으로 적용된다. 탱크 또는 반응기(4)에 존재하는 혼합액은 고체 반응기(5)로 진행된다. 여기서 정화되거나 분리된 오수는 라인(6)으로 직접 이동되고 농축된 슬러지 또는 혼합액은 수집 챔버 (7)로 직접 이동된다. 생산된 생물량의 부분은 라인(10)을 통해 폐 활성화된 슬러지로 제거된다. 활성화된 슬러지 생물량의 나머지는 돌아오는 활성화된 슬러지 라인(8)을 통해 혼합 지점(2)로 다시 직접 이동하며 당해 구역에서 돌아오는 활성화된 슬러지 생물량은 도입되는 새로운 폐수 유입물과 혼합된다.

HRAST는 플러그 유동 반응기 혼합을 위해 제공되는 일련의 2개의 18χ6m 직사각형 탱크로 제조된 1950m³의 작업 용적을 갖는다. 유입되는 폐수의 1일 평균 유동 속도는 1300 내지 1800 m³/h의 범위이다. 오수 분리 후 생물량 재순환 유동 속도는 명목상 1400 m³/h이었다. 유입되는 폐수의 대표적인 농도는 700 내지 1200 mg/L의 총 COD, 200 내지 350 mg/L의 가용성 COD, 10 내지 35 mg/L의 VFA, 0 내지 10 mg/L의 에탄올, < 2 mg/L의 메탄올, 70 내지 150 mg/L의 총 질소, 및 6 내지 20 mg/L의 총 인이었다. HRAST 용존 산소(DO) 농도는 1 mg/L 초과로 유지되었다. HRAST에서 수력학적 체류시간은 0.5 내지 1h으로 추정되었고 가용성 COD를 기초로 한 용적 유기 부하율은 3 내지 8 kg의 COD/m³/일이었다.

도 1에 설명된 것과 같은 생물학적 폐수 처리 공정에서, 폐수 처리의 과정 동안 생산된 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시킬 단계 및 공정들을 시행할 수 있다. 위에서 주목한 바와 같이, 생물량을 교호적인 풍족한 조건 및 아사 조건에 적용시키는 것이 바람직하다. 이는 위에서 기술되어 있다. 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키기 위한 한가지 시도는 생물량이 생물량에 대해 현존하는 최대 호흡율의 적어도 40%인 피크 호흡율에 도달하도록 하는 풍족한 조건에 적용시킴으로써 생물량을 RBCOD에 있어서 풍족한 상태로 자극하는 것이다. 이러한 피크 호흡율를 생성할 다수의 척도 또는 공정을 시행할 수 있다. 한가지 예는 생물량을 0.5mg-COD/G-VSS/MIN보다 큰 평균 피크 특이적인 풍족한 RBCOD 공급 속도와 함께 5mg-COD/L/분보다 큰 RBCOD 공급 속도를 자극하는 평균 피크 풍족한 조건을 적용함으로써 선택된 기간 동안 생물량을 풍족한 조건에 노출시켜 풍족한 조건의 기간으로 생물량을 자극시킴을 포함한다. 도 1의 폐수 처리 시스템으로 시행하여 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시킬 수 있는 다른 공정들 또는 조절이 존재한다. PHA 축적 가능성에 기여하는 다른 소공정은 풍족한 조건 동안 생물량에 대해 이용가능한 RBCOD의 평균 피크 농도를 10 mg-COD/L 내지 2000 mg-COD/L로 유지하는 공정을 시행하는 것이다. 동시에, PHA 축적 가능성의 증진에 기여하는 또 다른 소공정은 2 kg-RBCOD/M³/일 이상인 용적성 유기 부하 속도를 제공하는 것이다. 또한, 생물량을 포함하는 돌아오는 활성화된 슬러지의 재순환 속도를 조절함으로써 또한 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는데 기여한다. 수행한 연구 및 시험을 기초로 하여, 대략 0.2 내지 대략 5의 범위의 돌아오는 활성화된 슬러지 혼합 비에 대한 실험적으로 측정된 최적 용적의 폐수가 생물량의 PHA 축적 가능성의 향상이 기여할 것으로 여겨진다. 또한, 풍족한 구역, 또는 풍족한 조건이 개시되거나 존재하는 반응기의 영역 내 용존 산소 농도를 조절하는 것은 또한 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는데 기여한다. 여기서 당해 방법 또는 공정은 일반적으로 0.5 mg/0₂/L 보다 큰 풍족한 구역내 용존 산소 농도를 유지함을 포함한다. 본원에 논의된 다른 단계 또는 소공정을 또한 도 1에 나타낸 것과 같은 생물학적 폐수 처리 시스템에서 시행하여 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시킬 수 있다. 위에서 논의한 바와 같이, 흥미있는 발견들 중 하나는, 생물학적으로 처리하는 생활 폐수를 생물량의 PHA 축적 가능성이 개선되거나 향상되도록 조건화하거나 처리하면서 생물량을 생산한다는 것이다. 동일한 관점에서, 생물량에 대한 PHA 축적 가능성은, RBCOD의 75% 이상이 휘발성 지방산 및 알코올 이외의 화합물로 구성된 폐수 스트림을 사용하는 경우에서도 향상될 수 있었다는 것을 주목하는 것은 놀라운 것이었다.

HRAST 생물량은 PHA를 축적하는 미생물로 향상되었다. PHA 과립을 선택적으로 염색하는 것으로 알려진, 생물량 샘플의 나일 블루 A 염색(Nile Blue A staining)은 에피형광 현미경(epifluorescence microscopy)으로 시험하였다(도 2). 담적색 형광성 시야를 생성하는 당해 염색은, 생물량 속의 세균의 거대한 분획이 PHA를 저장하는 능력을 가졌음을 나타내었다.

HRAST 생물량 및 정화기 그랩(clarifier grab) 샘플(도 1에서 L₁ 및 L₂ 위치)로부터의 생물량 중 PHA의 측정은, PHA의 실질적인 회전율이 발생하였음을 나타내었다. 2일의 과정에 걸쳐 수거한 4개의 샘플(A 내지 D)에서, PHA 성분은 유입물 분리 후보다 HRAST에서 일관되게 더 높았다(도 3). L₁으로부터 취한 혼합액 그랩 샘플은 유입되는 폐수 및 재순환된 생물량 스트림의 합류 위치로부터 출발하는 HRAST 수력학적 체류 시간의 50% 후 생물량 상태를 나타내었다.

L 이하의 HRAST에서 PHA의 추정된 생산은 시간 당 평균 73 kg-탄소(kg-C/h)에 상응하였다. 유사한 양의 탄소가 L₂에 존재하는 농축된 생물량 스트림과 L₁ 사이에서 소모되었다. 그러나, PHA로 전환된 탄소의 분획에 대해 단지 설명된 VFA 및 알코올의 소모(즉, 평균 26 kg C/h)는, PHA 합성이 VFA 및 알코올로서 RBCOD 이외의 RBCOD 공급원으로부터 발생하였음을 제안한다.

HRAST 생물량의 PHA 축적 가능성은 51% g-PHA/g-VSS로 높은 것으로 추정되었다(실시예 2 및 실시예 3). 이러한 관찰은 낮은 VFA 내지 무시할만한 VFA와 알코올 성분을 갖는 생활 폐수 중의 RBCOD가 PHA 축적 가능성이 향상된 생물량을 생산하는데 활용될 수 있었음을 제안하였다. 연속된 시험, 그러나 생활 폐수를 처리하는 실험실 규모 생반응기(실시예 5)는, 생물량 풍족한 자극 환경을 위한 구체적인 고려사항이 생물량내 PHA 축적의 동력학에 대해 적용될 수 있었음을 나타내었다.

이러한 완전한 규모의 생물학적 폐수 처리 플랜트는 주요 침강을 포함하지 않았다. 후속적으로 생물량 성분은 일반적으로 생물량과 함께 흡수되어 보유될 수 있는 유입되는 입자상 유기 물질에 의해 영향받는 것으로 고려되었다. 또한, 모래 및 그릿 제거는 효과적이지 않았다. 생물량은 무기 성분의 대표적인 분획보다 더 많이 함유하였음이 관찰되었다. 폐수 처리 플랜트는 현재 PHA 생산을 위해 사용되지 않을 뿐 아니라 실현가능한 완전한 규모 세팅에서 본 발명의 원리에 대한 가능성의 증거를 확립하기 위하여 본 연구에서 평가되었다.

실시예 2. 생활 폐수 RBCOD를 사용하여 PAP에 대해 향상된 생물량에서 요구시 공급 조절(Feed-on-Demand Control)에 의한 PHA 축적 - 방법 I

PHA를 실시예 1에 기술된 완전한 규모의 HRAST 공정으로부터 수거된 활성화된 슬러지를 사용하여 유가식(fed batch)으로 축적시켰다. PHA 축적은 155 L 들이 강철 반응기 속에서 수행하였으며 VFA가 풍부한 발효된 낙농장 가공 유입물은 RBCOD를 축적하는데 사용되었다(33.6 g/L의 가용성 COD, 30.9 g-COD/L의 VFA 및 100 mg/L 미만의 가용성 총 질소). 공기를 반응기내로 살포하고 유가식 공정에 요구되는 용존 산소(DO) 뿐만 아니라 혼합을 위해 통기도 제공하였다. 분취량(330 mL)의 VFA가 충부한 발효기 유출물을 조절된 펄스로 생물량 호흡율에 있어서의 변화를 기초로 하여 조절된 투입 간격으로 반응기에 투입하였다. 요구시 공급 조절은, 생물량 호흡율이 축적 공정이 개시되기 전에 측정한 생물량 내인성 호흡율과 비교하여 감소되는 경우 VFA가 풍부한 RBCOD의 주입으로 확립하였다. DO 농도는 2 mg/L 초과로 유지하였다. 반응기내 온도는 15℃로 조절하고 축적 공정은 24시간 후 종결하였다.

이러한 방식으로 공급되는 경우 HRAST 생물량은 24시간 후 36(32) % g-PHA/g-VSS (g-TSS)의 추정된 PHA 축적 가능성(PAP)을 나타내었다(도 4). PHA는 95 중량%의 폴리하이드록시부티레이트와 5 중량%의 폴리하이드록시발레이트의 공중합체였다. 도 4에서 경향은, 생물량이 24시간까지 PHA 축적을 위한 최대 능력에 도달하지 않았음을 제안하였다. 당해 경향으로부터 생물량의 추정된 능력은 38 % g-PHA/g-VSS이었다.

실시예 3. 생활 폐수 RBCOD를 사용하여 PAP에 대해 향상된 생물량내 요구시 공급 조절에 의한 PHA 축적 - 방법 II

PHA를 실시예 1에서 기술한 완전한 규모의 HRAST 공정으로부터의 수거된 활성화된 슬러지(WAS)와 함께 유가식으로 축적시켰다. 실험실 규모의 반응기(Biostal? B 플러스, 제조원: Startorius Stedim Biotech)를 사용하였다. 축적은 24시간 동안 25℃에서 70 % (v/v)의 아세트산과 30% (v/v)의 프로피온산의 VFA 혼합물을 사용하여 수행하였다. 요구시 공급 조절은 VFA 소모로 인한 pH에 있어서의 증가를 기초로 확립하였다. 투입 조절을 위한 pH 설정점(set point)은 처음 VFA가 풍부한 공급물 투입 전의 축적 공정의 시작시 초기 pH로 정의하였다.

당해 방식으로 공급하는 경우, 반복된 축적 실험에서, HRAST 생물량은 51 (46) % 및 43 (39) % g- PHA/g-VSS (g-TSS)의 평가된(estimated) 24 시간 PHA 축적 가능성을 나타내었다. PHA는 명목상 67 중량%의 폴리하이드록시부티레이트와 33 중량%의 폴리하이드록시발레이트의 공중합체였다.

실시예 4. 참조 평가 방법을 사용한 생물량에서 PHA-축적-가능성(PAP)

PHA 축적 가능성(PAP)을 상이한 공급원으로부터 기원하거나 동일한 생반응기로부터 시간에 걸쳐 기원하는 생물량 샘플을 비교하기 위하여 적용된 기본적인 참조 평가 방법에 따라 평가하였다. 생물량 그랩 샘플을 대표적인 아사 조건으로부터 수득하고 수돗물을 사용하여 0.5 g-VSS/L로 희석시켰다. 잘 혼합되고 통기된 유가식 반응기를 사용하였다. 위치, 이용가능한 장치 및/또는 중합체 특성화의 다른 평행한 목적에 따라서, 유가식 반응기는 적어도 1L 및 최대 500L의 작업 용적이었다. 용존 산소는 1 mg/L 초과로 유지시켰다. 온도 및 초기 pH를 생물량 공급원 환경과 유사하게 유지시켰다. 이들 참조 축적 가능성 실험에서, RBCOD의 2개의 농축된 분취량을 반응기에 가하였다. 아세트산나트륨의 농축된 스톡 용액을 RBCOD로서 사용하였다. 제1의 RBCOD 투입은 실험 시작을 정의하였다. 제2의 RBCOD 첨가는 어느 쪽이 먼저 수행되든 상관없이 6시간 후 또는 기질 소모로 인한 용존 산소 증가 후 수행하였다. 각각의 RBCOD 입력은 1 g-COD/L의 단계 증가를 제공하였다. 축적 경향은 어느 쪽이 먼저 수행되든 상관없이 제2 펄스가 소모될 때까지(용존 산소 증가) 또는 24시간 동안 까지 모니터링하였다. 실제로, 이들 표준 축적은 참조 RBCOD 공급원을 사용하여 수행함으로써 축적이 최대 24시간 동안 기질 고갈없이 유지되도록 하였다.

대표적인 결과를 도 5에 나타내며, 여기서 PHA 축적의 경향은 하기 수학식의 경험적 함수에 대한 회귀 분석으로 일치시켰다:

PAP_t = A₀ + A_e (1 - exp (-kt))

상기식에서,

PAP_t는 t-시간의 축적에 대해 참조된 PHA 축적 가능성이고,

A₀는 초기 PHA 성분 또는 PAP₀를 평가하는 실증적 상수이며,

A_e는 추정된 PHA 축적능의 실증적 상수이고,

k는 PHA 축적의 동력학을 평가하는 속도 상수(h^-1)이다.

생물량의 PHA 성분은 GCMS(참조: Werker A, Lind P, Bengtsson S, Nordstrom F, 2008. Chlorinated-solvent-free gas chromatographic analysis of biomass containing polyhdroxyalkanoates. Water Research 42:2517-2526.) 및/또는 보정된 FTIR(참조: Arcos-Hernandez M, Gurieff N, Pratt S, Magnusson P, Werker A, Vargas A, Lant P. 2010. Rapid quantification of intracellular PHA using infrared spectroscopy: An application in mixed cultures. Journal of Biotechnology 150:372-379)에 의해 확립된 다음의 방법으로 수행하였다.

최적선(best fit line)으로부터, 평가된 6(PAP₆) 및 24(PAP₂₄) 시간 축적 가능성을 분획 또는 퍼센트 g-PHA/g-VSS로서 비교하였다. 속도 상수를 또한 고려하여 풍족한 조건에 배치된 생물량을 유입되는 폐수와 혼합하는 전략이 축적 속도에 영향을 미치는 방법을 확립하였다.

설명하기 위하여(실시예 5, 실시예 E2 참조), 참조 PAP 평가를 수행하여 완전한 규모의 생활 폐수 처리 플랜트로부터 기원하는 활성화된 슬러지에 대한 PAP의 향상에 대해 측정하였다. 생물량의 그랩 샘플을 140만명의 사람과 동등한 집단에게 서비스하는 대형의 유럽 처리 작업으로부터 수득하였다. 활성화된 슬러지 그랩 샘플을 접종하여 본 발명의 방법에 따라, 생활 폐수를 유사하게 처리하는 2개의 실험실 규모의 생반응기에 씨딩(seeding)하였다. 완전한 규모의 처리 플랜트로부터의 활성화된 슬러지 접종에 대한 각각의 현존하는 6 및 24시간 PAP는 7 및 17 % g-PHA/g-VSS인 것으로 관찰되었다. 1개의 SBR (SBRRF)을 유입되는 폐수 대 혼합 액 혼합 비가 3인 풍족한 조건을 위해 작동시켰다. 다른 SBR(SBRSF)에서 0.5 mg-COD/g-VSS/분의 추정된 평균 최대 특이적인 풍족한 RBCOD 공급 속도를 적용하였다. 본 발명의 방법의 적용 21일 후, SBR 둘다에 대한 PAP는 SBRRF의 경우 31(53) 퍼센트의 PAP₆(PAP₂₄) 및 SBRSF의 경우 22 (43) 퍼센트의 g-PHA/g-VSS로 유의적으로 향상되었다(도 5).

실시예 5. 상이한 공급 체제로 작동되고 활성화된 슬러지의 상이한 공급원으로 개시하는 2개의 평행한 실험실 규모의 연속된 배취 반응기 속에서 생활 폐수의 처리

2개의 실험실 규모(4L)의 연속된 배취 반응기(SBR)를 평행하게 작동시켜 생활 폐수를 생물학적으로 처리하였다. 유입되는 폐수를 스크리닝하여 실험실 규모의 SBR에 배치하기 전에 현탁된 고체를 제거하였다. 폐수는 170만 m³/일의 합한 폐수 유동 속도로 합해진 150개 유럽 지역으로 서비스하는 하수관 시스템으로부터 직접 수득하였다. 2개의 실험실 규모의 SBR로부터 수거된 활성화된 슬러지에 의해 나타난 PAP를 접종물로서 2개의 상이한 활성화된 슬러지원으로 출발하여 시간에 걸쳐 시험하였다. 제1 라운드의 실험(E1)에서, 실시예 1에 기술된 HRAST로부터의 활성화된 슬러지를 출발 배양물로서 사용하였다. 제2 라운드의 실험(E2)에서, 실시예 4에 기술된 통상의 생활 활성화된 슬러지 폐수 처리 플랜트로부터 샘플링된 활성화된 그랩 슬러지를 사용하였다. E1은 향상된 PAP를 이미 나타내는 생물량으로 출발하여 본 발명의 방법을 사용하여 시간에 걸쳐 및 보다 조절된 실험실 셋팅으로 PAP의 유지를 위한 범위를 평가하는 것을 목적으로 하였다. E2는 PAP가 낮은 생물량으로 출발하여 본 발명의 방법을 적용함으로써 PAP에 대해 향상시키기 위한 가능성을 평가하는 것에 관한 것이었다.

반응기 둘다를 1일의 명목상 고체 체류 시간(SRT) 및 0.9 시간의 수력학적 체류 시간(HRT)을 사용하여 동일하게 작동시켰다. 가용성 COD 6 g-COD/L/일을 기초로 하는 유기 부하 속도를 각각에 적용시켰다. 2개의 SBR을 다음 단계들을 포함하는 반복된 주기를 사용하여 작동시켰다:

1. 공급물 유입 및 반응 40분

2. 폐 활성화된 슬러지(WAS) 폐기 30초

3. 활성화된 슬러지 침전 80분

4. 처리된 폐수의 경사분리 3분

E1의 경우, 유입되는 공급물 및 반응은 호기성으로 유지되었다. SBR 공정에 있어서 유일하게 구별되는 특징은 유입물 공급 방식이었다. SBR 신속한 공급(SBRRF)은 1L/분의 유동 속도에서 유입되는 폐수를 신속하게 공급하였다. SBR 느린 공급(SBRSF)은 0.075 L/분의 훨씬 느린 고정 유동 속도에서 공급하였다. 유입물 펌핑 전 혼합액 용적은 1L이었다. 폐수 3L를 주기당 가하였다. WAS 배출 용적은 주기당 57 mL로 동일하였다. 용존 산소(DO) 농도는 자동화된 온/오프(on/off) 조절에 의해 1 내지 3 mg/L로 유지하고, 통기를 오프로 사용한 DO 소비의 경향을 사용하여 산소 흡수율(OUR)을 평가하였다. 반응기의 온도는 20℃로 조절하고 pH는 모니터링하였으나 조절하지 않았다.

스크리닝된 유입되는 폐수의 평균 농도는 다음과 같았다: 420 mg-TSS/L, 350 mg-VSS/L, 640 mg-COD/L 총 COD, 224 mg-COD/L 가용성 COD, 97 mg-N/L 총 질소, 및 12 mg-P/L 총 인. 폐수 유입물 중 휘발성 지방산 농도는 그랩 샘플에서 비검출로부터 58 mg/L의 총 VFA까지의 범위로 가변적이었다. 알코올(에탄올 및 메탄올)은 검출되는 않는 것으로 관찰되었으며 예측된 장치 검출 한계를 기준으로 각각 5 mg/L 미만인 것으로 추정되었다.

유입되는 폐수 RBCOD 농도는 문헌[참조: Ekama, G.A., Dold, P.L., Marais, G.V. (1986) Procedures for determining influent COD fractions and the maximum specific growth-rate of heterotrophs in activated-sludge systems. Water Science and Technology, 18 (6), 91-114.]에 기술된 호기성 배취 시험 방법에 따라 측정하였다. 폐수를 여과(GF/C, 공극 크기 1.2 μm)하고 선택된 용적을 통기되고 교반된 배취 반응기(3L)에 상기 언급된 4L의 SBR 중 하나로부터의 혼합액의 선택된 용적과 함께 가하였다. 혼합액을 용존 산소 프로브가 장착된 호흡계(0.3L)로 재순환(0.45 L/분)시켰다. 정의된 간격에서, 재순환을 차단하고 산소 흡수율(OUR)을 용존 산소 고갈 곡선으로부터 평가하였다. RBCOD를 E1 동안 수개의 경우에서 당해 방식으로 평가하였다. 비록 평가된 RBCOD가 가변적(43-144 mg-COD/L)이었다고 해도, 가용성 COD(SCOD)에 걸친 RBCOD의 분획은 일관되며 평균 0.48 ± 0.04 g-COD/g-COD이었다. 따라서, SBR을 대략 3 g-COD/L/일의 RBCOD를 기초로 하여 용적 유기 부하율을 사용하여 작동시켰다.

이러한 RBCOD 평가를 기준으로 하여, SBRRF 및 SBRSF에서 생물량에 대한 RBCOD의 추정된 평균 피크 공급율은 각각 112 및 8 mg-COD/L/분이었다.

E1의 경우, SBR을 77일에 걸쳐 4 리터 속에서 4.5 및 4.15 mg-VSS/L의 각각의 평균 VSS 농도를 사용하여 안정화시키는 SBRRF 및 SBRSF로 작동시켰다. 그 결과, 1 리터에서 각각의 주기의 출발시 반응기 생물량에 대한 RBCOD의 특이적인 평균 피크 공급 속도는 SBRRF 및 SBRSF의 경우 6.2 및 0.5 mg-COD/g-VSS/분이었다.

폐수 생물학적 처리 수행은 SBR 둘다의 경우 70 %까지의 총 COD, 65 % 까지의 가용성 COD, 30 % 까지의 총 질소 및 40 % 까지의 총 인의 평균 오염 감소로 유사하였다.

E1의 경우, SBRRF 및 SBRSF로부터의 WAS에 대한 PAP를 5개 경우(22, 36, 43, 66 및 77일) 및 SBR 둘다에 대해 동일자로 평가하였다. 참조 PAP 평가 방법(실시예 4)은 평행한 4L 반응기 속에서 수행하였다. 대표적인 경향의 결과는 도 5(실시예 4)에 나타내었으며, 여기서 축적의 경향은 앞서 기술한 바와 같이 회귀 분석으로 일치시켰다.

최적선으로부터, 평가된 6(PAP₆) 및 24(PAP₂₄) 시간 축적 가능성을 비교하였다(퍼센트 g-PHA/g-VSS). 또한, 평가된 속도 상수(실시예 4에서 k)를 PHA 축적의 동력학에서 어떠한 체계적 변환에 대한 지표로 제공하였다. SBRRF 및 SBRSF 둘다는 비교가능한 결과를 생성하였다. PAP₆ 및 PAP₂₄는 각각 SBRRF의 경우 22±5 및 38±5 % g-PHA/g-VSS에서 평가되었고, SBRSF의 경우 20±7 및 42±9 % g-PHA/g-VSS로 평가되었다. 축적을 위한 속도 상수는 가변적인 것으로 관찰되었다. 그러나, 축적 속도 상수는 그럼에도 불구하고 보다 가변적이었으며 평균적으로 SBRSF의 경우 보다 낮았고(0.08±0.06 h^"1), 여기서 속도 상수는 시간에 걸쳐 및 작동 36일 후 통계적으로 유의적인 방식으로 감소하였다. SRBRF에 대한 평균 추정된 PAP 속도상수는 0.12±0.04 h^_1이었다.

당해 결과는, SBRRF 및 SBRSF가 축적 가능성을 유지하였음을 제안하였다. 그러나, SBRSF는 SBRRF와 비교하여 유사한 축적 동력학을 유지하는데 있어서 시간에 걸쳐 악화되었다. 그럼에도 불구하고, E1으로부터의 결과는 VFA 및 알코올 성분과는 독립적인 RBCOD를 기초로 생활 폐수를 처리하는 활성화된 슬러지 내 PAP를 유지하는 능력을 확인하였다. 생물량의 보다 큰 자극은, 생물량으로 유입되는 폐수 부하가 한편 억제하지 않는 수준으로 적용되는 한 개선된 축적 동력학을 유지하는 경향이 있었다. 억제는 확립된 방법으로 평가할 수 있다(실시예 7). 풍족한 조건을 또한 생물량에 대한 최대 특이적인 부하의 달성 측면에서 또한 평가할 수 있다. 0.5 mg-COD/g-VSS/분의 평균 추정된 피크 특이적인 RBCOD 부하가 생물량 속에서 축적 가능성을 유지하는데 충분하였다. 그러나, 결과는, 보다 높은 특이적인 RBCOD 부하율이 보다 높은 PHA 축적 동력학을 제공하는 경향이 있을 것임음을 나타내었다.

이러한 피크 특이적인 공급 속도가 활성화된 슬러지 생물량에서 PAP를 향상시키기에 충분하였는지의 의문에 대답하기 위하여, 평행한 SBR을 비우고, 세정하고 재개시하였으나(E2), 이제 7(및 17)퍼센트 g-PHA/g-VSS의 공지된 낮은 PAP₆(및 PAP₂₄)를 사용하여 재개시하였다(실시예 4). E1으로부터 작동 조건을 약간 변형하여, SBRRF로 유입되는 폐수의 3L가 1L/분에서 혼합 및 통기 없이 제공됨으로써 SBRRF를 "덤프 공급(dump fed)"하였다. 통기 및 혼합은, 유입물이 완전이 도입되면 개시하였다. 따라서, E2내 SBRRF는 3의 유입물 혼합 비로 작동되었다(실시예 7).

작동 21일 후 PAP₆(및 PAP₂₄)는 SBRRF 및 SBRSF에 대해 31 (53) 및 22 (43) 퍼센트 g-PHA/g-VSS (TSS)로 관찰되었다(도 5, 실시예 4). 제2의 참조 PAP 평가를 작동 35일 후에 수행하였다. 결과를 재생산하였다. SBRRF PAP₆(PAP₂₄)는 16(41) 퍼센트 g-PHA/g-VSS 이었다. SBRSF PAP₆(PAP₂₄)는 15(39) 퍼센트 g-PHA/g-VSS 이었다.

요약하면, 이들 발견은 실제 생활 폐수 RBCOD의 처리시 향상된 PAP를 입증함으로써 본 발명을 뒷받침한다.

실시예 6. 참조 RBCOD원을 사용한 자극 및 상이한 공급원으로부터 활성화된 슬러지에 대한 유도된 생물량 호흡의 측정

참조 RBCOD(아세테이트) 농도의 함수로서 생물량 호흡을 평가하였다. 활성화된 슬러지(AS) 혼합액의 샘플을 파일럿 규모(pilot scale: PSAS), 실험실 규모(LSAS) 및 완전한 규모(FSAS)의 폐수 처리 공정으로부터 수득하였다. LSAS는 실시예 5 실험 E2에서 수거된 생물량이었다. 유사하게, FSAS는 실시예 5 실험 E2에서 실험실 반응기를 접종하는데 사용된 완전한 규모의 처리 플랜트로부터의 생물량이었다.

PSAS는 고강도 낙농업 폐수의 처리로부터 PAP가 향상된 생물량의 기술 연구 및 개발 및 생산에 대해 스웨덴에서 작동되는 파일럿 플랜트 규모 시설로부터 입수하였다. 파일럿 플랜트는 연속된 배취 반응기(SBR)로 구성되었다. SBR은 12시간 주기로 작동되는 400L의 작업 용적이었다. SBR에서 생물량 보유는 밀도 침강에 의하였다. 명목상의 폐수 수력학적 체류 시간(HRT)은 1일이고 공정은 1 내지 8일의 다양한 슬러지 노화(고체 체류 시간 또는 SRT)로 구동시켰다. 1 내지 2g-RBCOD/L/d의 유기 부하율을 적용시키고 영양물을 폐수 처리 공정에서 미생물 성장을 제한하지 않도록 하기에 필수적으로 공급하였다. 당해 활성화된 슬러지 생물량은 실시예 2에 기술된 방법에 따라 6시간내에 55 퍼센트 g-PHA/g-VSS를 초과하는 유의적인 PHA 축적 가능성을 통상적으로 나타내었다.

따라서, PSAS, LSAS, 및 FSAS를 각각 대략 55, 40 및 17 퍼센트 g-PHA/g-VSS의 예상된 PAP의 범위를 생성하는 시스템으로부터 선택하였다.

혼합액 그랩 샘플을 가장 근접하게 비슷한 아사 환경 조건인 생반응기 속의 구역 또는 기간으로부터 취하였다. 생물량 펠렛(pellet)을 적어도 3회 및 적어도 30mL의 혼합액의 용적으로부터 원심분리(4000xg에서 10분 동안)로 수거하였다. 펠렛을 105℃에서 건조시키고 혼합액 총 현탁된 고체를 평가하기 위해 칭량하였다. 이후에, VSS를 표준 방법에 따라 평가하였다. 각각의 혼합액 소샘플을 수돗물을 사용하여 유사하게(5회) 희석시켜 생물량 농도가 1g-VSS/L의 정도가 되도록 하였다. 희석된 AS의 분취량(120 mL)을 250 mL 들이의 숏트 플라스크(Schott flask) 속에 두고 이를 후속적으로 밀봉하고 밀봉된 병을 1분 동안 예비-통기를 위해 격렬하게 진탕하여 포화 초기 용존 산소(DO) 농도에 근접하게 확립하였다. 아세테이트 덩어리를 새로이 통기시킨 혼합액에 농축된 스톡 용액(10 mg-COD/mL)으로부터 소 용적을 가함으로써 가하고 성분들을 신속히 혼합하여 120 mL 들이의 표준 BOD 병에 이전하였다. DO 전극을 일부 액체를 치환하고 용존 산소 교환의 외부 공급원으로부터 용기 내용물을 밀봉하는 병내로 침지시켰다. 용기 내용물을 자기 교반기로 잘 혼합하여 유지시켰다. 잘 혼합된 BOD 병내 용존 산소의 고갈을 시간에 걸쳐 기록(LD01 01 프로브가 장착된 Hach HQ40)하고 산소 흡수율(OUR)을 다음의 고갈 곡선의 선형 기울기로부터 평가하였다. SOUR은 기원한 희석되고 활성화된 슬러지 농도로 OUR을 표준화시킴으로써 확립하였다. 내인성 호흡율을 다음과 같이 유도된 호흡율(SOUR_i)을 계산하기 위한 참조로서 적용하였다:

SOUR_i (S) = SOUR_o (S) - SOUR_o (S = 0)

상기 수학식에서,

SOUR_i는 내인성 호흡에 대해 참조된 유도된 호흡이고

SOUR_o는 기질 농도의 함수로서 관찰된 SOUR이며

S는 RBCOD-아세테이트(기질) 농도이다.

본 발명자가 수행한 앞서의 실험과 일치하게, 생물량 호흡율의 자극을 관찰하여 실험 모델에 잘 일치시켰다:

상기 수학식에서,

SOUR_i는 유도된 특이적인 산소 흡수율이고,

m은 유기 기질 자극에 대한 생물량 반응 인자이며,

S는 자극을 제공하는 초기 RBCOD 농도(mg-COD/L)이고,

S_f는 측정가능한 생물량 반응에 대한 RBCOD 농도이며,

S_m은 최대 호흡을 달성하는 RBCOD 농도이고,

SOUR_max는 최대 현존하는 특이적인 산소 흡수율이다.

광범위한 PAP를 나타내는 혼합액의 3개의 공급원으로부터, 본원의 발명자들은, 모든 경우에서 최대 호흡이 100 mg-COD/L의 RBCOD-아세테이트 농도로 달성되었음을 관찰하였다(도 6). 또한, SOUR_max는 이들 선택된 생물량 공급원으로부터 PAP의 정도로 증가하였다. 이들 데이타는, 공지된 유의적인 PAP(PSAS)를 가진 생물량의 경우, SOUR_i가 10 mg-COD/L의 RBCOD-아세테이트 농도에 의해 유의적으로 되었음을 제안하였다. 생물량 반응을 나타내지만 다른 형태의 RBCOD도 나타내는 참조에 대해 제공된 아세테이트는 적응력(history of acclimation)에 따라 상이한 정도로 생물량 호흡을 자극할 수 있음이 예상되었다.

실시예 7. 상이한 공급원으로부터의 활성화된 슬러지에 대한 및 주요 유출되는 생활 폐수를 사용한 자극을 사용한 유도된 생물량 호흡의 측정

유입되는 폐수 배합의 함수로서 혼합액 생물량 호흡을 평가하였다. 활성화된 슬러지(AS) 혼합액의 샘플을 실험실 규모(LSAS) 및 완전한 규모(FSAS)의 생활 폐수 처리 공정으로부터 수득하였다(실시예 6). 2개의 상이한 생활 폐수를 평가하고 각각의 AS 혼합액 그랩 샘플을 적용된 폐수에 대해 잘 적응시켰다. LSAS가 생활 폐수에서 생산되었다(실시예 5). FSAS는 대규모 유럽 도시 처리 작업에서 생산되었다(실시예 4). 당해 연구에 사용된 폐수 샘플은 모래, 그릿 및 그리스 제거를 포함하는 1차 처리를 겪었다.

활성화된 슬러지를 아사 환경 조건에 가장 근접하게 유사한 생반응기 속의 구역 또는 기간으로부터 샘플링하였다. 활성화된 슬러지 그랩 샘플의 VSS 농도를 적어도 3회 평가하였다. 혼합액의 용적(적어도 30mL)으로부터의 생물량 펠렛을 원심분리(4000xg에서 10분 동안)로 수거하였다. 펠렛을 105℃에서 건조시키고 칭량하여 총 현탁된 고체 농도를 평가하였다. 이후에 VSS를 표준 방법에 따라 평가하였다. 혼합액 소샘플을 VSS 농도가 1 g/L의 정도로 되도록 수돗물로 유사하게 (5회) 희석시켰다. 희석된 혼합액 및 폐수의 분취량을 선택하여 이들의 배합시 120mL의 혼합물이 생산될 수 있도록 하였다. 이들 생물량 및 기질 용적을 별도의 250mL 들이의 숏트 플라스크(Schott flask)에 두고 이를 밀봉하고 밀봉된 병 둘다를 예비-통기를 위해 1분 동안 동시에 격렬하게 진탕시켜 둘다 근접한 포화 초기 용존 산소 농도를 확립시켰다. 생물량 및 폐수 용적을 합하고, 신속하게 혼합하고 120 mL의 BOD 병으로 이전시켰다. DO 전극을 일부 액을 교체하는 병내로 침지시키고 용존 산소 교환의 외부 공급원으로부터 용기 내용물을 밀봉하였다. 용기 내용물을 자기 교반기로 잘 혼합하였다. 잘 혼합된 BOD 병내 용존 산소의 고갈을 시간에 걸쳐 모니터링(LD0101 프로브가 장착된 Hach HQ40d)하고 산소 흡수율(OUR)을 다음의 고갈 곡선의 선형 기울기로부터 평가하였다. 혼합 비(D)의 함수로서, 생물량에 대해 유도된 특이적인 호흡(SOUR_i)을 측정된 내인성 호흡율에 대해 참조하면서 또한 폐수 자체로부터 기원하는 관찰된 OUR에 대해 비례하여 교정시켰다:

상기식에서,

SOUR_i는 유도된 구체적인 산소 흡수율이고,

OUR_o는 혼합비의 함수로서 관찰된 OUR이며,

OUR_w는 유입되는 폐수에 대해 관측된 OUR이고,

D는 적용된 용적 혼합비(혼합액에 대한 폐수)이고,

V_w는 적용된 유입되는 폐수 용적이며,

V_a는 적용된 활성화된 슬러지(혼합액) 용적이고,

X_a는 용적 V_a에서 VSS 농도이며,

f_a는 합한 용적에서 활성화된 슬러지의 분획이고,

f_w는 합한 용적에서 유입되는 폐수의 분획이다.

예상된 바와 같이 공지된 높은 PAP를 갖는 LSAS는 유입되는 폐수와 합해지는 경우 보다 높은 수준의 호흡을 나타내었다(도 7). 그러나, 둘다의 경우에서 최대 수준과 관련하여, 유의적으로 높은 호흡은 이미 0.2의 혼합비로 직면하였다. 적응된 LSAS에 대해 적용된 유입되는 폐수 그랩 샘플은 억제성 기질의 존재를 나타내었다. 1보다 높은 혼합비는 이러한 특수한 유입되는 폐수 그랩 샘플로부터 LSAS 활성을 억제하기 시작하는 것으로 관찰되었다.

실시예 8. 현탁된 생물량 성장 및 연속 공급물을 사용한 실시예

공정 구조(도 8)는 정의된 유입되는 폐수 대 재순환 생물량 혼합 비를 달성함으로써 풍족한 조건을 자극하도록 의도된다(실시예 7). 생물량의 저장기는 재순환 유동 요구도에 있어서 융통성을 제공하기 위해 유지된다. 온-라인 모니터링 시점은 중복 검사 및 설명을 위해 나타낸다. RBCOD를 함유하는 유입되는 폐수(1)는 q₁의 용적 유동 속도에서 공정에 대해 배치된다. 호기성 조건은 1개 또는 다수의 블라우어(blower)(2)에 의해 시스템내로 공급되고 살포된 공기를 사용하여 선택된 위치에서 조절하고 유지시킨다. 유입되는 폐수 품질을 현탁된 및 용해된 오염물 성분에 대해 스캐닝 분광법과 같은 기술을 사용하여 온-라인(WQ₁) 상에서 모니터하였다. 유입되는 유동물 q₁을 통기시키고 수득되는 용존 산소 수준을 온-라인(DO₁) 상에서 모니터링하였다. 아사 조건의 환경(11)으로부터 배치된 유입되는 예비-통기된 폐수 및 재순환된 활성화된 슬러지를 재순환 유동 속도 q₁₁의 조정에 의해 선택된 혼합비로 합하였다. 재순환 현탁된 고체(SS₁₁) 및 용존 산소(DO₁₁) 농도를 온-라인으로 모니터링하였다. 용적 유동(q₄) 및 풍족한 자극된 생물량 농도(X_a)와의 합류하는 혼합액(4)을, 용적이 V_a인 짧은 HRT 잘-혼합된 "접촉" 반응기 A로 배치한다. 반응기 A는 통기시킬 수 있다. 용존 산소 수준(DO₄)을 공정 조절을 위한 생물량 호흡율의 평가를 위해 반응기 A 직전, 또는 반응기 A 내에서 모니터링한다. 반응기 A에 이어서, 혼합액을 바람직하게는 용적 V_b의 플라그 유동 설계인 반응기 B(5)로 도입시키고, 폐수로부터 적어도 RBCOD의 생물학적 제거에 대해 적용시킨다. 처리된 폐수를 생물량 분리에 배치(6)하고, 처리된 폐수 유출물을 방출한다(7). 농축된 생물량은 유출물 분리 후 추가의 농밀화/저장 반응기(C)로 진행(8)시키고, 이를 위해 충분한 통기를 적용하여 생물량을 단지 유지시킬 수 있다. 저장하에서 궁극적인 생물량 농밀화로부터의 상층액을 경사분리(9)하고 공정 유입물(1)을 향해 진행시킨다. 재순환된 생물량은 반응기 D에서 잘 혼합된 완전한 호기성 아사 환경에 도입되어(10), 폐 활성화된 슬러지가 SRT 조절을 위해 정의된 유동 속도(q₁₂)에서 수거된다(12). 수거된 생물량을 슬러지 취급으로 진행시키며 이 동안 PHA가 축적되어 부가 가치 제품으로 회수된다.

실시예 7을 참조하여, 유도되는 풍족한 조건을 위한 혼합비는 하기로 주어진다:

반응기 A에서 평가된 재순환된 생물량 농도는 다음과 같다:

접촉 반응기 A에서 수력학적 체류시간(θ_a)은 다음과 같다:

혼합 및 파이프 용적(3 및 4)을 무시하고, S₁의 유입되는 RBCOD 농도에 대한 적용된 풍족한 공급율(Q_s) 및 구체적인 풍족한 공급율(q_s)은 다음으로 평가될 수 있다:

파이프 용적을 무시하고, 생물량 풍족한 자극 경향의 척도는 다음으로 제공된다:

반응기 C에서 미미하게 유지된 생물량 활성이 무시할 수 있는 경우, 활성 호기성 공정 용적을 기준으로 한 슬러지 보유 시간 SRT(θ_x)를 다음으로 평가한다:

실시예 9. 바이오필름 생물량 성장 및 연속적인 공급을 사용한 실시예 .

공정 구조(도 9)는 정의된 유입되는 폐수 대 재순환 생물량 혼합 비를 달성함으로써 풍족한 조건을 자극하기 위해 의도된다(실시예 7). 온-라인 모니터링은 실시예 8에 나타낸 것과 유사한 방식으로 적용할 수 있으며 본원에 포함되지 않는다. 당해 공정은 풍조한 자극 및 적어도 폐수 RBCOD의 생물학적 처리를 제공하는 잘 혼합된 접촉(A) 및 주요(B) 반응기를 포함한다. 생물량은 반응기 A 및 B내에서 통기된(10) 및 잘 혼합된 매질에서 바이오필름으로서 성장한다. 이러한 유형의 바이오필름 반응기는 일반적으로 유동층 생반응기(MBBR)로 언급된다. 슬러지화의 천연 공정에 의해 또는 바이오필름에 추가의 전단 응력을 의도적으로 적용시키는 수단으로 발생하는 바이오필름 생물량의 탈착은, 처리된 유입물(8)이 배출되고 폐기된 생물량이 수거되는(9) 분리 단위 공정으로 배치(7)된다. 수거된 생물량는, PHA가 축적되어 부가 가치 생성물로서 회수되는 동안 슬러지 취급으로 진행된다. 유입되는 폐수(1)는 예비 통기되어 MBBR-A(2)로 이행된다. 유입물 유동의 분획을 주요 반응기(3)으로 직접 통과(by-passing)시키기 위한 선택이 존재한다. 바이오필름 매질은 예를 들면, 에어리프트(4) 시스템을 사용하여 MBBR-A로 재순환시킨다. MBBR 매질 전달율은 에어리프트 작동 조건에 의해서 및 매질 또는 액체를 다시 MBBR-B(5)로 우회시킴으로써 조절할 수 있다. 따라서, 통과(5)를 보다 많은 매질과 아주 적은 액체 용적을 MBBR-B로부터 MBBR-A로 당해 생물량(매질) 순환에서 전달하기 위해 사용할 수 있다. 따라서, 유입되는 폐수 대 재순환 유동 혼합 비를 통과 스트림을 포함하는 유동 속도의 조합으로 조절한다. MBBR-A 접촉 반응기내 풍족한 자극 후에, 폐수를 적어도 RBCOD 처리를 위해 주요 MBBR-B 반응기로 진행시킨다(6). 바이오필름 매질을 또한 풍족한 자극 후에 MBBR-B(6)로 진행시키지만, MBBR-A에서 매질의 수력학적 체류시간은 바이오필름 매질의 선택적인 보유의 수단에 의해 액체 수력학적 체류 시간과 분리될 수 있다. 따라서, 매질 바이오필름을 포함하는 생물량을 MBBR-A로의 수력학적 유동에 의해 부과된 것보다 더 긴 기간 동안 풍족한 조건에 노출시킬 수 있다.

실시예 10. 현탁된 생물량 성장 및 반-연속 공급물을 사용한 실시예

공정 구조(도 10a)는 정의된 유입되는 폐수 대 재순환 생물량 혼합비로 달성함에 의해 풍족한 조건을 자극하기 위해 의도된다(실시예 7) 온-라인 모니터링을 실시예 8에 나타낸 것들과유사한 방식으로 적용시킬 수 있으나 본원에 포함시키지 않는다. 연속된 배취 반응기를 유입되는 공급물(A), 폐수 처리(B), 생물량 분리 및 유출물 방출(C), 생물량 재현탁 및 폐기(D)의 단계(도 10b)를 통해 순환시킨다. 유입되는 폐수(1)를 예비-통기시키고 잘-혼합된 풍족한 자극 접촉 반응기(E)를 향해 진행시킨다. 유입되는 공급 동안, 혼합액을 재순환(2)시켜 고정 유입되는 공급물 대 재순환 생물량 혼합비를 달성한다. 유입되는 재순환 유동(3)은 주요 반응기 F로 도입된다. 재순환은, 유입물이 도입되고 폐수내 적어도 RBCOD가 처리(B)되면 유지될 수 있다. 혼합 및 통기를 중지시켜 중력으로 유출물 및 생물량 분리가 이루어지도록 한다(C). 다른 양태에서, 생물량 분리는 또한 용존 공기부상법(dissolved air flotation)을 사용하여 달성할 수 있다. 처리된 유출물(4)을 버리고(C), 재-통기 및 혼합(D) 후, 폐 활성화된 슬러지를 수거할 수 있다(5). 수거된 생물량은 PHA가 축적되고 부가 가치 생성물로 회수되는 동안 슬러지 조작(sludge handling)에 배치한다.

실시예 11. 저 잔류 슬러지 생산의 병행하는 대상물을 사용한 생활 폐수 처리에 의해 PHA를 생산하는 가능성으로 생물량을 생산하기 위한 예시적인 전체 공정 도식

당해 실시예는 PHA 생산 및 궁극적으로 낮은 잔류 슬러지 생산의 목적으로 생활 폐수 처리로부터 활성화된 슬러지를 생산하기 위한 개념적인 공정 도식을 제공한다(도 11)

스크리닝 및 그릿 제거(1) 후, 유입되는 생활 폐수를 진전된 주요 처리 단위 공정 (2)를 향해 진행시킨다. 진전된 주요 처리는 용이하게 및 용이하지 않게 침전가능한 입자상 유기 물질의 제거로 달성한다. 단위 공정(2)은 염화제2철 및 양이온성 중합체(3)과 같은 화학적 투입을 필요로 할 수 있다. 염화제2철은 또한 폐수중 용존 인 수준을 감소시킬 것이다. 향상된 주요 처리로부터의 배출물은 주요 고체 농축물(6) 및 또한 유의적으로 감소된 입자상 유기 물질을 지니지만 나머지 가용성 RBCOD를 지니는 유출물일 것이다. (2)로부터의 RBCOD 유출물을 (4)에서 (8)로부터의 되돌아오는(아사 조건) 활성화된 슬러지, 및 임의로 분리기(12)로부터의 VFA가 풍부한 측면 스트림과 합한다. (4)에서 스트림의 혼합을 설계하여 PHA 저장 대사를 구동하는 생물량에 대한 명백한 풍족한 반응을 자극한다. 생물량 풍족한 반응은 고로도 부하된 생반응기(5)에서 풍족한 조건을 향해 구동된다.

"풍족한" 생반응기(5)는 폐수로부터 RBCOD를 제거하기 위해 제공된다. 따라서, (5)로부터의 유출되는 폐수는 유입되는(1) 유기 성분과 관련하여 처리되어야 하는 것으로 고려될 수 있다. 반응기(5)는 설계시 호기성, 무산소성 또는 혐기성일 수 있다. 당해 실시예는 "활성화된 슬러지"로서 현탁된 미생물 성장을 위한 것이지만, 원리는 바이오필름 기술을 사용하여 PHA를 생산하는 생물량의 성장에 대해 용이하게 채택된다. 동일한 공정의 다른 양태에서, 생반응기(5)는 예를 들면, 적합하게 설계된 관형 반응기(plug flow reactor) 구조내에서 달성될 수 있는 바와 같이 풍족한 및 아사 대사 둘다를 위해 제공될 수 있다.

(5)로부터의 생물량 및 폐수를 분리(7)하고 생물량을 보유 저장기(8)에 배치한다. 보유 저장기는 추가의 "아사" 조건을 제공할 수 있으며, 호기성, 미세-호기성, 무산소성, 또는 필수적으로 혐기성으로 유지될 수 있다. (4) 및 (5)에서 풍족한 활성의 결과로 저장된 PHA는 (5), (7) 및/또는 (8)에서 이의 체류 동안 진행되는 미생물 대사의 결과로 소모되어져야 한다. (7)로부터의 분명한 유출물은 질소 제거 및 보다 다루기 힘든 유기 탄소 제거(9)를 위해 설계된 단위 공정에서 추가의 처리를 필요로 할 수 있다. 이동하는 생반응기 기술이 이러한 목적으로 매우 적합하다. 공정에 대한 실질적인 사항 및 PHA 축적을 위한 생물량 생산용 기술로서, 폐수 처리 폴리싱(wastewater treatment polishing)(9)은 필수적이지 않지만 흐름 도식에 혼입시켜 경우에 따라 구체적인 최종 유출되는 수 품질 기준을 만족시킬 수 있다. 처리된 생활 폐수는 방출된다(10).

주요 고체 농축물(6)을 발효(11)시켜 RBCOD 내에서 풍부한 액체 스트림을 수득한다. 비록 나타내지 않았지만, 그리스 및 지방과 같은 그러나 이에 한정되지 않는 조 유출물로부터 수집된 다른 유기 잔사는 또한 발효기 부하에 기여할 수 있다. 발효된 유입물을 분리(12)하고 RBCOD가 풍부한 유출물을 이용하여 돌아오는 생물량(4)에서 "풍부한" 반응을 증가시킬 수 있다. (12)로부터 체류된 유기 고체는 혐기성 분해(21)에 배치시켜 고체 파괴 및 감소된 유기 잔사(24)와 유출물(23)을 생성한다. 유출물(23)은 최종 폐기 전에 추가의 처리를 필요로 할 수 있으며 유입물(23)을 폴리싱 단위 공정(9)에 배치시켜 당해 목적을 달성하는 것이 가능할 수 있다. 바이오가스(25)는 혐기성 분해(21)로부터 생산된다.

(5)에 의해 생산된 과량의 생물량을 (8)로부터 폐기하고, 이렇게 하는 동안, 활성화된 슬러지 고체 체류 시간을 조절할 수 있다. 과량의 생물량은 축적 공정(13)에서 RBCOD의 공급원(14)과 합해지며, 이에 의해 RBCOD는 생물량의 PHA-축적-가능성을 실현시키는데 사용된다. (13)으로부터의 생물량은 PHA가 풍부하며 분리(15) 후 PHA 회수 시스템(17)으로 진행된다. 유출물(16)은 (14)의 RBCOD 성분과 관련하여 처리될 것이다.

PHA 회수 공정(17)은 화학적 투입(18)을 필요로 할 것이며 PHA가 풍부한 생물량 건조, PHA 추출, 및 잔류하는 비-PHA 유기 열분해 또는 소각의 활성을 수반할 것이다. (17)로부터의 배출물은 PHA 및 무기 P가 풍부한 재이다. 따라서, (8)로부터의 생물량은 궁극적으로 (17)에서 에너지 회수의 기여를 위해 소모될 것이다.

실시예 12. 낮은 잔류하는 슬러지 생산의 병행하는 목적과 함께 생활 폐수 처리에 의한 PHA를 생산하는 가능성으로 생물량을 생산하기 위한 설명적인 공정 도식

당해 실시예(도 12)에서, 공정 도식은 실시예 11에 나타낸 것과 동일하다. 그러나, 이 경우에 주요 처리(2)는 유입물(1)로부터 단지 용이하게 침강할 수 있는 유기 고체를 반응기(5) 앞에서 제거함을 의미하는 "개선된" 의미가 아니다. 생반응기(5)는 활성 생물량에서 풍족한 반응을 자극하는 부하 조건하에서 가용성 RBCOD를 제거한다. 동시에 생물량은 물리적 흡착(소위 접촉 안정화)에 의해 유입되는 COD의 콜로이드성 분획의 제거를 위해 사용된다. 흡착된 입자상 물질이 들어있는 당해 생물량은 반응기(8)로 진행되며, 여기서 체류 시간은 흡착된 입자상 물질의 가수분해 및 생분해를 달성하기 위해 제공된다. (8)에서 체류 시간은 또한, 궁극적인 아사 조건이 생물량에서 달성되도록 하는 것이다. 따라서, (8)로부터 (5)로 재순환된 생물량은 아사 대사 활성으로부터 오며 새로운 주기의 풍족한 조건으로 자극된다. 따라서, 반응기(5)는 생물량의 풍족한 자극, 가용성 RBCOD의 생물학적 제거, 및 용이하지 않게 침전가능한 유입되는 입자화 COD의 물리적 제거를 달성한다.

Claims

a. 용이하게 생분해가능한 화학적 산소 요구량(RBCOD)을 함유하며, 여기서 RDCOD의 50% 이상이 평균적으로 휘발성 지방산 및 알콜 이외의 화합물을 포함하는 생활 폐수를 처리 구역으로 진행시키는 단계;
b. 폐수로부터 오염물을 제거함으로써 처리 구역내 생활 폐수를 생물학적으로 처리하고 생물량을 생산하는 단계;
c. i. 생물량을 교호적인 풍족한 조건(feast condition) 및 아사 조건(famine condition)에 노출시키고; ii. 생물량을 아사 조건에 노출시킨 후, 0.5 mg- COD/g-VSS/분 초과의 평균 피크 풍족한 조건 특이적인(average peak feast specific) RBCOD 공급 속도와 함께 5mg-COD/L/분 초과의 RBCOD 공급 속도를 자극하는 평균 피크 풍족한 조건을 적용시킴으로써 선택된 기간 동안 풍족한 조건에 생물량을 노출시켜 생물량을 풍족한 조건의 기간(period of feast)으로 자극시킴으로써 생물량의 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 축적 가능성을 향상시키는 단계를 포함하여, 생활 폐수를 처리하는 방법.
제1항에 있어서, 생물량을 풍족한 조건의 기간으로 자극시키는 것이 10 mg-COD/L 내지 2000 mg-COD/L에 대한 풍족한 조건 동안 생물량에 이용가능한 RBCOD의 평균 피크 농도를 성취함을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 생물량을 자극시키는 것이, 생물량을 이의 현존하는 최대 호흡율의 적어도 40%인 피크 호흡율에 도달하도록 하는 풍족한 조건으로 생물량을 자극시킴을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 처리되는 폐수가 2 kg-COD/m³/일 이상의 RBCOD를 기준으로 하는 용적 유기 부하 속도(volumetric organic loading rate)를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 폐수에 VFA 또는 알콜을 실질적으로 첨가하지 않고 PHA 축적 가능성을 증진시키며, 여기서 생물량에 노출된 실질적으로 모든 RDCOD가 처리 전에 폐수에 함유된 존재하는 RDCOD인 방법.
제1항에 있어서, RBCOD의 50% 이상이 평균적으로 휘발성 지방산 및 알코올 이외의 화합물을 포함하는 폐수가 유입되는 스트림을 제공함을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 생물량을 신선하게 유입되는 폐수와 예비혼합함으로써 풍족한 조건을 자극시킴을 추가로 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 생물량을 유입되는 폐수와 혼합함으로써 재순환된 생물량에 대한 폐수의 용적 혼합 비가 대략 0.1 내지 대략 5.0이 되도록 함을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 생물량 및 폐수가 혼합되며, 여기서 풍족한 조건이 풍족한 구역에서 실행되고; 여기서 당해 방법이 일반적으로 0.5 mg-0₂/L 초과에서 풍족한 조건내 용존 산소 농도를 일반적으로 유지함을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 유입되는 생활 폐수 스트림을 처리 구역으로 진행시키고; 생물량의 적어도 일부를 재순환시키며 재순환된 생물량을 유입되는 폐수와 혼합하고; (1) 온라인 모니터링(online monitoring)에 의해 측정된 유입되는 폐수의 수 품질 또는 (2) 유도된 생물량 호흡율에 있어서 생물량 순환 속도를 기준으로 함을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 유입되는 생활 폐수 스트림을 처리 구역으로 진행시키고; 생물량의 적어도 일부를 재순환시키며 재순환된 생물량을 유입되는 폐수와 혼합하고; (1) 그랩 샘플링(grab sampling)에 의해 측정된 수 품질 또는 (2) 유도된 생물량 호흡율의 오프라인 모니터링(offline monitoring)에 있어서 생물량 순환 속도를 기준으로 함을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 100g-생물량 휘발성 고체당 30g 이상의 PHA를 축적시키는 능력을 갖는 생물량을 생산함을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 100g-생물량 휘발성 고체당 40g 이상의 PHA를 축적시키는 능력을 갖는 생물량을 생산함을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 생물량의 고체 체류 시간을 2일 미만으로 유지시킴을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 생물량의 고체 체류 시간을 4일 미만으로 유지시킴을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 폐수로부터 입자상 유기 물질을 분리하고 분리된 입자상 유기 물질을 발효시킴을 포함하며, 여기서 분리된 입자상 유기 물질의 발효로 생산된 RBCOD를 사용하여 풍족한 조건을 향상시키거나 생물량을 수거한 후 사용하여 PHA 생산용 RBCOD를 공급하는 방법.
제1항에 있어서, 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는 것이
a. 풍족한 조건 동안 생물량에 대해 이용가능한 RBCOD의 평균 피크 농도를 10 mg-COD/L 내지 2000 mg-COD/L에서 유지시키는 단계;
b. 2 kg-RBCOD/M³/일 이상의 용적 유기 부하 속도(volumetric organic loading rate)를 포함하는 폐수를 제공하는 단계;
c. 폐수로부터 생물량을 분리하고 분리된 생물량을 재순환시키며 생물량을 유입되는 폐수와 혼합함으로써 재순환된 생물량에 대한 폐수의 용적 혼합 비가 대략 0.1 내지 대략 5.0이 되도록 하는 단계; 및
d. 생물량의 고체 체류 시간을 4일 미만으로 유지시키는 단계 중의 2개 이상을 추가로 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 100g-생물량 휘발성 고체당 30g 이상의 PHA를 축적시키는 능력을 갖는 생물량을 생산함을 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 폐수 중 RBCOD의 적어도 75%가 평균적으로 휘발성 지방산 및 알코올 이외의 화합물을 포함하는 폐수를 제공함을 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 풍족한 조건이 풍족한 구역내에 존재하고, 여기서 당해 방법이 풍족한 구역내 용존 산소 농도를 0.5mg/O₂/L 초과로 일반적으로 유지시킴을 추가로 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는 것이 단계 a, b, c 및 d를 추가로 포함하는 방법.
제21항에 있어서,
a. 100g의 생물량 휘발성 고체 당 30 g 이상의 PHA를 축적하는 능력을 지닌 생물량을 생산하는 단계;
b. 폐수내 RBCOD의 적어도 75%가 평균적으로 휘발성 지방산 및 알코올 이외의 화합물을 포함하는 폐수를 제공하는 단계; 및
c. 여기서 풍족한 조건이 풍족한 구역내에 존재하고, 여기서 당해 방법이 풍족한 구역내 용존 산소 농도를 0.5 mg/0₂/L 초과로 일반적으로 유지시킴을 추가로 포함하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
50% 이하의 휘발성 지방산 및 알콜로 구성된 RBCOD를 함유하는 유입되는 폐수를 폐수 처리 시스템내로 진행시키는 단계;
생물량을 이용하여 폐수를 생물학적으로 처리하고 이로부터 오염물을 제거하며 생물량을 생산하는 단계;
처리 후에, 폐수로부터 생물량을 분리하고 생물량을 재순환시키는 단계;
(1) 생물량을 폐수 처리 시스템내내 교호적인 풍족한 조건 및 아사 조건에 적용시키고, 여기서 적어도 하나의 경우에서 생물량을 풍족한 조건에 적용시키기 전에 아사 조건에 적용시키며;
(2) 생물량에 대해 현존하는 최대 호흡율의 적어도 40%인 피크 호흡율에 이르도록 하는 풍족한 조건으로 생물량을 자극시킴으로써 처리, 재순환 및 혼합 동안생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는 단계를 포함하여, 유입되는 폐수를 처리하는 방법.
제23항에 있어서, 폐수의 생물학적 처리가 생물량을 생산하며, 여기서 생물량내 PHA 축적 가능성이 슬러지 체류 시간 및 RBCOD 부하를 조절함으로써 추가로 향상되는 방법.
제23항에 있어서, 생물량를, 혼합액의 피크 RBCOD 농도가 적어도 1mg-COD/L인 풍족한 조건에 적용시킴으로써 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시킴을 추가로 포함하는 방법.
제23항에 있어서, RBCOD를 기준으로 한 용적 유기 부하 속도가 2kg-COD/m³/일 이상인 방법.
제23항에 있어서, 평균적으로 RBCOD의 25% 이하가 VFA 및 알코올로 구성되는 유입되는 폐수를 제공함을 추가로 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 폐수가 연속적으로 또는 유가식(fed batch)으로 제공되며, 여기서 풍족한 조건이 생물량을 유입되는 폐수와 예비혼합시킴으로써 풍족한 자극 조건을 확립시킴으로써 자극되는 방법.
제23항에 있어서, 폐수에 VFA 또는 알콜을 실질적으로 첨가하지 않고 PHA 축적 가능성을 증진시키며, 여기서 생물량에 노출된 실질적으로 모든 RDCOD가 처리 전에 폐수에 함유된 존재하는 RDCOD인 방법.
제23항에 있어서, 풍족한 조건에 적용되는 생물량에 산소를 공급하여 평균 용존 산소 농도가 0.5 mg-0₂/L 초과가 되도록 하는 방법.
제23항에 있어서, 유입되는 폐수의 수 품질 또는 유도된 생물량 호흡율의 온라인 모니터링을 포함하고, 온라인 모니터링을 기준으로 하여, 생물량을 유입되는 폐수와 혼합시키기 위한 혼합 비 또는 혼합 비의 범위를 측정함을 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 그랩 샘플링 및 유입되는 폐수의 수 품질 또는 유도된 생물량 호흡율의 오프라인 배취 모니터링을 수행하고, 그랩 샘플링 및 오프라인 배취 모니터링을 기준으로 하여 생물량과 유입되는 폐수를 혼합하기 위한 혼합 비 또는 혼합 비의 범위를 측정함을 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 생물량을 생산하고, 여기에 PHA를 축적함을 포함하며, 여기서 생물량속에 축적된 PHA의 질량이 100g의 생물량 휘발성 고체당 30 g 초과의 PHA인 방법.
제23항에 있어서, 생물량을 생산하고, 여기에 PHA를 축적시킴을 포함하며, 여기서 생물량 속에 축적된 PHA의 질량이 100g의 생물량 휘발성 고체당 40 g 초과의 PHA인 방법.
제23항에 있어서, 생물량의 고체 체류 시간을 2일 미만으로 조절함을 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 생물량의 고체 체류 시간을 4일 미만으로 조절함을 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 풍족한 처리의 유입되는 폐수 상부스트림으로부터 입자상 유기 물질을 분리함을 포함하는 방법.
제37항에 있어서, 분리된 입자상 유기 물질을 발효시키고 발효에 의해 RBCOD를 생산하며 발효를 통해 생산된 RBCOD를 이용하여 풍족한 조건을 향상시키거나 수거된 생물량 속의 최종 PHA 생산을 위해 RBCOD를 공급함을 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는 것이,
a. 풍족한 조건 동안 생물량에 대해 이용가능한 RBCOD의 평균 피크 농도를 10 mg-COD/L 내지 2000 mg-COD/L로 유지시키는 단계;
b. 2 kg-RBCOD/M³/일 이상의 용적 유기 부하율을 포함하는 폐수를 제공하는 단계;
c. 폐수로부터 생물량을 분리하고 분리된 생물량을 재순환시키며 생물량을 유입되는 폐수와 혼합함으로써 재순환된 생물량에 대한 폐수의 용적 혼합 비가 대략 0.1 내지 대략 5.0이 되도록 하는 단계; 및
d. 생물량의 고체 체류 시간을 4일 미만으로 유지시키는 단계 중의 2개 이상을 추가로 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 100g-생물량 휘발성 고체당 30g 이상의 PHA를 축적시키는 능력을 갖는 생물량을 생산함을 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 풍족한 조건이 풍족한 구역내에 존재하고 여기서 당해 방법이 풍족한 구역내 용존 산소 농도를 0.5mg/O₂/L 초과로 일반적으로 유지시킴을 추가로 포함하는 방법.
제23항에 있어서, 생물량의 PHA 축적 가능성을 향상시키는 것이 단계 a, b, c 및 d를 추가로 포함하는 방법.
제42항에 있어서,
a. 100g의 생물량 휘발성 고체 당 30 g 이상의 PHA를 축적하는 능력을 지닌 생물량을 생산하는 단계;
b. 폐수내 RBCOD의 적어도 75%가 휘발성 지방산 및 알코올 이외의 화합물을 포함하는 폐수를 제공하는 단계; 및
c. 여기서 풍족한 조건이 풍족한 구역내에 존재하고, 여기서 당해 방법이 풍족한 구역내 용존 산소 농도를 0.5 mg/0₂/L 초과로 일반적으로 유지시킴을 추가로 포함하는 단계를 추가로 포함하는 방법.