KR20130140584A - 혐기성 소화를 향상시키기 위해 오존을 이용하는 방법 - Google Patents

혐기성 소화를 향상시키기 위해 오존을 이용하는 방법 Download PDF

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 오존과, 혐기 소화조에서의 유기 폐기물 공급 원료의 처리를 위한 예정된 비율 미만의 산소 농도를 갖는 "캐리어" 또는 스위프 가스(sweep gas)를 함유하는 가스 스트림을 생성하는 시스템 및 방법을 개시한다. 일실시예에서, 오존 발생기로부터의 오존 및 비반응 산소는 압력 변동 흡착 사이클(pressure swing absorption cyccle)로 전달되며, 압력 변동 흡착 사이클에서 오존은 체에 흡착되고 과량의 산소가 사이클로부터 제거된다. 제한된 산소 농도를 갖는 스위프 가스가 그 후에 압력 변동 흡착 사이클로부터 오존을 탈착하는 데 사용되고, 오존을 혐기 소화조로 전달하며, 혐기 소화조에서 오존은 공급 원료를 처리하는 데 사용된다.

Description

혐기성 소화를 향상시키기 위해 오존을 이용하는 방법{METHODS FOR USING OZONE TO ENHANCE ANAEROBIC DIGESTION}
본 발명을 혐기성 소화(anaerobic digestion)를 향상시키기 위해 오존을 이용하는 방법에 관한 것이다.
오존(O3)은 많은 산업 용례 및 상업 용례에 있어서 강력한 소독제이다. 예컨대, 오존은 자연 발생 맛 및 악취 유발 화합물을 포함하는 음료수로부터 유기 오염물을 산화시키는 데 사용된다. 오존은 또한 물을 간접 상수(potable water)로서 재사용하거나 수역으로 배출하기 전에 물로부터 극소량 유기 오염물 및 내분비계 교란 화합물(Endocrine Disrupting Compounds; EDCs)을 제거하기 위한 폐수의 이차 처리로부터의 유출물에 사용된다.
오존 가스(O3)는 통상적으로 공기 또는 고순도 산소(O2)로부터의 코로나 방전 기반 발생기에서 생성된다. 보다 많은 오존이 필요하기 때문에, 산소는 대체로 비용이 덜 비싼 소스 가스에 대한 옵션이다. 상용 코로나 방전 발생기에서의 산소의 오존으로의 변환률은 통상적으로 3 내지 14 %이고, 소정 용례에서는 결과적인 산소-오존 혼합물이 생성물로서 추가의 처리 없이 하류의 사용자에게 제공된다.
오존은 또한 생분해되기 어려운 화합물을 보다 용이한 생분해성 화합물로 변환하는 것에 의해 혐기성 소화를 향상시키는 데에도 사용될 수 있는 것으로 확인되었다. 오존은 이러한 방식으로 혐기성 소화로부터 바이오 가스의 생성을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 슬러지(sludge)의 혐기성 소화에 있어서, 오존은 세포막(cell membrane)을 용해하고, 이에 의해 박테리아의 보다 용이한 생분해성 세포질을 노출시킨다는 이론이 제시된다. 통상 비나스(vinasse)라고 칭하는 발효 폐기물은 혐기성 박테리아에 유독한 페놀 및 다루기 힘든 다른 많은 탄소계 화합물과 같은 화합물을 함유할 수 있다. 오존을 이용한 이러한 공급물의 전처리는 독성 화합물을 줄이거나 제거할 것이며, 보다 많은 화합물을 더욱 생분해성으로 만들 것이고, 이에 의해 소화조(digester)에서 요구되는 체류 시간이 줄어들 것이다. 혐기성 소화 프로세스에서, 과량의 산소가 존재하는 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는 산소가 혐기성 소화를 촉진하는 것에 의해 메탄(CH4) 생성율을 감소시키기 때문이다.
따라서, 오존 발생 시스템에서 고효율을 유지하면서 혐기성 소화 프로세스를 위해 유출물을 효과적으로 사용할 수 있도록, 오존 생성 프로세스로부터의 비반응 산소를 회수하는 개선된 방법이 필요하다.
한가지 관점에서, 본 발명은 (a) 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 제1 가스 스트림을 생성하는 단계; (b) 제1 가스 스트림으로부터 오존의 적어도 일부를 분리하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 제1 가스 스트림으로부터 분리된 오존의 적어도 일부를 포함하는 제2 가스 스트림을 형성하는 단계로서, 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 갖는 것인 단계, (d) 혐기성 소화 프로세스를 이용하여 폐수를 처리하는 단계; (e) 및 혐기성 소화 프로세스를 이용하여 폐수를 처리하기 전이나, 혐기성 소화 프로세스를 이용하여 폐수를 처리하는 동안에 제2 가스 스트림을 폐수의 적어도 일부와 접촉시키는 단계를 포함하는 방법이다.
다른 관점에서, 본 발명은 오존을 이용하여 폐수를 처리하는 폐수 처리 방법으로서, (a) 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 제1 가스 스트림을 생성하는 단계; (b) 압력 변동 흡착 사이클(pressure swing adsorption cycle)을 이용하여 제1 가스 스트림으로부터의 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환하는 단계로서, 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 포함하는 것인 단계 ; 및 (c) 혐기 소화조로부터의 상류나, 혐기 소화조 내에서 제2 가스 스트림과 폐수를 접촉시키는 단계를 포함하는 폐수 처리 방법이다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 오존을 이용하여 폐수를 처리하는 폐수 처리 시스템으로서, 산소 소스로부터 제1 가스 스트림을 생성하도록 작동 가능하게 구성되는 오존 발생기로서, 상기 제1 가스 스트림은 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 것인 오존 발생기; (1) 제1 가스 스트림을 수용하여 제1 가스 스트림으로부터의 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환하도록, (2) 제2 가스 스트림을 배출하도록, 그리고 (3) 제3 가스 스트림을 배출하도록 작동 가능하게 구성되는 압력 변동 흡착 시스템으로서, 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 포함하고, 제3 가스 스트림은 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환한 후에 제1 가스 스트림으로부터 잔류하는 가스를 포함하며, 제3 가스 스트림은 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 것인 압력 변동 흡착 시스템; 및 혐기 소화조 내에서나, 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 제1 용기 내에서 제2 가스 스트림을 폐수와 접촉시키도록 작동 가능하게 구성되는 제1 인터페이스를 포함하는 폐수 처리 시스템이다.
다음은 본 발명의 다른 양태를 제시한다.
양태 1. (a) 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 제1 가스 스트림을 생성하는 단계;
(b) 제1 가스 스트림으로부터 오존의 적어도 일부를 분리하는 단계;
(c) 상기 단계 (b)에서 제1 가스 스트림으로부터 분리된 오존의 적어도 일부를 포함하는 제2 가스 스트림을 형성하는 단계로서, 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 갖는 것인 단계;
(d) 혐기성 소화 프로세스를 이용하여 폐수를 처리하는 단계; 및
(e) 혐기성 소화 프로세스를 이용하여 폐수를 처리하기 전이나, 혐기성 소화 프로세스를 이용하여 폐수를 처리하는 동안에 제2 가스 스트림을 폐수의 적어도 일부와 접촉시키는 단계를 포함하는 방법
양태 2. 양태 1 및 3 내지 9 중 임의의 양태에 있어서, 상기 단계 (b) 및 (c)는 압력 변동 흡착 사이클의 단계를 포함하는 것인 방법.
양태 3. 양태 1, 2 및 4 내지 9 중 임의의 양태에 있어서, 상기 단계 (c)는 스위프 가스(sweep gas)와, 단계 (b)에서 제1 가스 스트림으로부터 분리된 오존의 적어도 일부를 포함하는 제2 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소와, 적어도 90 체적%의 질소를 포함하는 스위프 가스를 갖는 것인 방법.
양태 4. 양태 1 내지 3 및 5 내지 9 중 임의의 양태에 있어서, 상기 단계 (c)는 스위프 가스와, 단계 (b)에서 제1 가스 스트림으로부터 분리된 오존의 적어도 일부를 포함하는 제2 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 가스 스트림은 주로 18 중량% 이하의 산소와, 이산화탄소와 질소의 혼합물로 이루어진 스위프 가스를 갖는 것인 방법.
양태 5. 양태 1 내지 4 및 6 내지 9 중 임의의 양태에 있어서,
(f) 제1 가스 스트림으로부터 제3 가스 스트림을 분리하는 단계로서, 상기 제3 가스 스트림은 적어도 80 %의 산소를 포함하는 것인 단계; 및
(g) 상기 제3 가스 스트림을 혐기 소화조로 전달하는 단계
를 더 포함하는 방법.
양태 6. 양태 1 내지 5 및 7 내지 9 중 임의의 양태에 있어서,
(h) 제1 가스 스트림으로부터 제3 가스 스트림을 분리하는 단계로서, 상기 제3 가스 스트림은 적어도 80 %의 산소를 포함하는 것인 단계; 및
(i) 상기 제3 가스 스트림을 단계 (a)를 수행하는 데 사용되는 오존 발생기를 위한 공급 가스 스트림의 적어도 일부로서 사용하는 단계
를 더 포함하는 방법.
양태 7. 양태 1 내지 6, 8 및 9 중 임의의 양태에 있어서, 상기 단계 (e)의 수행은 단계 (d)가 수행되는 혐기 소화조로부터 하류에 위치하고 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 소화조 전처리실에서 시작되는 것인 방법.
양태 8. 양태 1 내지 7 및 9 중 임의의 양태에 있어서,
(j) 기상 유출물이 혐기 소화조로부터 바이오가스 분리기로 흐르도록 하는 단계;
(k) 상기 바이오가스로부터 기상 유출물에 함유된 이산화탄소를 분리하는 단계; 및
(l) 상기 단계 (k) 동안에 분리된 이산화탄소를 단계 (c)에서 재사용하는 단계
를 더 포함하는 방법.
양태 9. 양태 3 내지 8 중 임의의 양태에 있어서,
(m) 액체 질소를 사용하여 혐기 소화조로부터의 바이오가스의 적어도 일부를 냉각시키고, 이로 인해 액체 질소의 적어도 일부가 질소 증기가 되는 것인 단계; 및
(n) 상기 질소 증기를 스위프 가스의 적어도 일부로서 사용하는 단계
를 더 포함하는 방법.
양태 10. 오존을 이용하여 폐수를 처리하는 폐수 처리 방법으로서,
a) 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 제1 가스 스트림을 생성하는 단계;
(b) 압력 변동 흡착 사이클을 이용하여 제1 가스 스트림으로부터의 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환하는 단계로서, 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 포함하는 것인 단계 ; 및
(c) 혐기성 소화조로부터의 상류나, 혐기 소화조 내에서 제2 가스 스트림과 폐수를 접촉시키는 단계
를 포함하는 폐수 처리 방법.
양태 11. 양태 10, 12 및 13 중 임의의 양태에 있어서, 상기 단계 (c)는 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 소화조 전처리실과 압력 변동 흡착 사이클에서 적어도 부분적으로 이루어지며, 상기 소화조 전처리실은 압력 흡착 변동 사이클로부터의 하류에 있는 것인 폐수 처리 방법.
양태 12. 양태 10, 11 및 13 중 임의의 양태에 있어서,
(d) 기상 유출 스트림이 혐기 소화조로부터 바이오가스 분리기로 흐르도록 하는 단계;
(e) 바이오가스를, 이산화탄소를 포함하는 제1 성분 스트림과 메탄을 포함하는 제2 성분 스트림으로 분리하는 단계; 및
(f) 상기 제1 성분 스트림을 단계 (b)의 제2 가스 스트림으로서 재사용하는 단계
를 더 포함하는 폐수 처리 방법.
양태 13. 양태 10 내지 12 중 임의의 양태에 있어서,
(g) 기상 유출 스트림이 혐기 소화조로부터 바이오가스 분리기로 흐르도록 하는 단계;
(h) 바이오가스를, 이산화탄소를 포함하는 제1 성분 스트림과 메탄을 포함하는 제2 성분 스트림으로 분리하는 단계;
(i) 액체 질소를 사용하여 제2 성분 스트림을 냉각하고, 이로 인해 액체 질소의 적어도 일부가 질소 증기가 되는 단계; 및
(j) 제1 성분 스트림과 질소 증기 중 적어도 하나를 단계 (b)의 제2 가스 스트림으로서 사용하는 단계
를 더 포함하는 폐수 처리 방법.
양태 14. 오존을 이용하여 폐수를 처리하는 폐수 처리 시스템으로서,
산소 소스로부터 제1 가스 스트림을 생성하도록 작동 가능하게 구성되는 오존 발생기로서, 상기 제1 가스 스트림은 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 것인 오존 발생기;
제1 가스 스트림을 수용하여 제1 가스 스트림으로부터의 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환하도록, 제2 가스 스트림을 배출하도록, 그리고 제3 가스 스트림을 배출하도록 작동 가능하게 구성되는 압력 변동 흡착 시스템으로서, 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 포함하고, 제3 가스 스트림은 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환한 후에 제1 가스 스트림으로부터 잔류하는 가스를 포함하며, 제3 가스 스트림은 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 것인 압력 변동 흡착 시스템; 및
혐기 소화조 내에서나, 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 제1 용기 내에서 제2 가스 스트림을 폐수와 접촉시키도록 작동 가능하게 구성되는 제1 인터페이스
를 포함하는 폐수 처리 시스템.
양태 15. 양태 14 및 16 내지 20 중 임의의 양태에 있어서, 상기 압력 변동 흡착 시스템은 체를 포함하고, 상기 압력 변동 흡착 시스템은 오존의 적어도 일부를 체에 흡착한 다음, 스위프 가스를 이용하여 흡착된 오존의 적어도 일부를 탈착하도록 작동 가능하게 구성되며, 상기 제2 가스 스트림은 탈착된 오존 및 스위프 가스를 포함하는 것인 폐수 처리 시스템.
양태 16. 양태 14, 15 및 17 내지 20 중 임의의 양태에 있어서, 상기 스위프 가스는 적어도 90 체적%의 질소를 포함하는 것인 폐수 처리 시스템.
양태 17. 양태 14 내지 16 및 18 내지 20 중 임의의 양태에 있어서, 혐기 소화조와, 혐기 소화조 내에서나, 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 제2 용기 내에서 제3 가스 스트림이 폐수와 접촉하게 하도록 작동 가능하게 구성되는 제2 인터페이스를 더 포함하는 폐수 처리 시스템.
양태 18. 양태 14 내지 17, 19 및 20 중 임의의 양태에 있어서, 압력 변동 흡착 시스템 및 오존 발생기와 유체 흐름 소통되는 출력 라인을 더 포함하고, 상기 출력 라인은 제3 가스 스트림을 오존 발생기로 복귀시키도록 작동 가능하게 구성되는 것인 폐수 처리 시스템.
양태 19. 양태 14 내지 18 및 20 중 임의의 양태에 있어서, 상기 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 바이오가스 분리기를 더 포함하고, 상기 바이오가스 분리기는 바이오가스를, 이산화탄소를 포함하는 제1 성분 스트림과 메탄을 포함하는 제2 성분 스트림으로 분리하도록 작동 가능하게 구성되고, 상기 스위프 가스는 제1 성분 스트림을 포함하는 것인 폐수 처리 시스템.
양태 20. 양태 14 내지 19 중 임의의 양태에 있어서, 액체 질소를 사용하여 제2 성분 스트림을 냉각시키도록 작동 가능하게 구성되는 열교환기와, 열교환기로부터의 질소 증기를 수용하도록 작동 가능하게 구성되는 제3 용기를 더 포함하고, 상기 스위프 가스는 질소 증기를 포함하는 것인 폐수 처리 시스템.
본 발명에 따르면, 오존 발생 시스템에서 고효율을 유지하면서 혐기성 소화 프로세스를 위해 유출물을 효과적으로 사용할 수 있도록, 오존 생성 프로세스로부터의 비반응 산소를 회수하는 개선된 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예의 개략적인 다이어그램.
도 2는 본 발명의 제2 예시적인 실시예의 개략적인 다이어그램.
도 3은 오존 PSA 시스템과 함께 사용하기 위한 적절한 예시적인 PSA 사이클을 보여주는 차트.
본 명세서에서 달리 언급되지 않는 한, 본 명세서에서 확인되는 임의의 비율과 모든 비율, 도면 및 청구범위는 중량 비율을 기초로 한다는 점을 이해해야만 한다.
본 발명을 설명하는 것을 돕기 위해, 방향성 용어가 본 발명의 부분들(예컨대, 상부, 하부, 좌측, 우측 등)을 설명하기 위해 본 명세서 및 청구범위에서 사용될 수 있다. 이러한 방향성 용어는 단순히 본 발명을 설명하고 청구하는 것을 돕도록 의도되는 것으로, 본 발명을 임의의 방식으로 제한하고자 하는 의도는 없다.
청구범위에서, 영문 알파벳은 청구되는 단계들을 식별하기 위해 사용된다[예컨대, (a), (b) 및 (c)]. 이들 영문 알파벳은 방법 단계들을 지칭하는 것을 돕기 위해 사용되는 것으로, 청구되는 단계들이 수행되는 순서가 청구범위에 명확하게 인용되지 않는 한 그리고 단지 그러한 순서가 청구범위에 명확하게 인용될 때를 제외하고는 상기 순서를 나타내려는 의도는 없다.
본 발명에 따른 방법은, 오존 발생 시스템에서 고효율을 유지하면서 유출물을 혐기성 소화 프로세스로 효과적으로 전달할 수 있도록 오존 생성 프로세스로부터 비반응 산소를 회수하는 효과적인 방식을 제공한다.
혐기성 소화는 상대적인 산소의 부재 시에 미생물이 생분해성 재료를 분해하는 일련의 프로세스를 수반한다. 소화 프로세스는 탄수화물과 같은 불용성 유기 폴리머를 분해하기 위해 공급 재료의 박테리아 가수분해(bacterial hydrolysis)로 시작하고, 공급 재료가 다른 박테리아와 반응하도록 한다. 그 후, 산생성 박테리아(acidogenic bacteria)가 당과 아미노산을 이산화탄소, 수소, 암모니아 및 유기산으로 변환한다. 다음에 초산생성균(acetogenic bacteria)이 결과적인 유기산을, 추가의 암모니아, 수소 및 이산화탄소와 함께 아세트산으로 변환한다. 최종적으로, 메탄 생성 미생물(methanogen)이 이들 생성물을 메탄과 이산화탄소(바이오가스의 주성분)로 변환한다. 생성된 혐기 소화액(digestate)은 영양소가 농후한 비료 및 폐수 스트림으로 더욱 분리될 수 있다. 폐수 스트림은 배출되기 전이나 가능하다면 재사용되기 전에, 통상적으로 호기성 소화(aerobic digestion)를 통해 더 처리된다.
혐기성 소화는 재생 가능 에너지 소스로서 널리 이용된다. 프로세스는 압서 언급한 바와 같이 주로 메탄과 이산화탄소로 구성되는 바이오가스를 생성한다. 바이오 가스는 조합형 열 및 가스 발전 엔진에서 쿡킹 연료(cooking fuel)로 직접 사용될 수 있거나 천연 가스 품질 바이오메탄으로 업그레이드될 수 있다. 연료 소스로서의 바이오가스의 활용은 화석 연료에 대한 의존성을 감소시키는 데 기여한다.
많은 유기 재료가 혐기성 소화를 통해 처리될 수 있다. 그러나, 몇몇 유기 폐기물은 사실상 다루기가 어렵고, 혐기 소화조 내의 박테리아가 소화하기 어렵다. 예컨대, 폴리페놀은 발효 프로세스의 유기 부산물이지만, 생분해성은 아니다. 혐기성 소화에 의해 처리되지 않고 남겨진 이러한 타입의 폐기물은 통상적으로 혐기소화액과 함께 제거되고, 이에 따라 결코 바이오가스로 변환되지 않는다. 다른 타입의 유기 폐기물은 혐기 소화조에 위치하는 박테리아에 대해 유독할 수 있으며, 이에 따라 이러한 폐기물은 전처리되지 않는다면 혐기 소화조 프로세스를 제어하는 것을 곤란하게 할 것이다. 이러한 공급 원료의 전오존처리(preozonation)는 폴리페놀과 다른 다루기 어려운 분자를 보다 용이하게 생분해되는 보다 작은 유기 분자로 분해하는 것으로 나타났다. 또한, 오존은 소화 박테리아에 유독한 화합물과 반응하여 이러한 화합물을 박테리아에 대해 무독성이 되도록 할 수 있다.
오존 가스는 통상적으로 공기 또는 고순도 산소로부터의 코로나 방전 기반 발생기에서 생성된다. 생성되는 기상 오존의 전형적인 농도는, 발생기 파워 및 오존 생성을 위해 가스 공급물에 사용되는 산소 농도에 따라 3 내지 14 % 범위이다. 오존을 생성하는 데 드는 총 비용은 일반적으로 코로나 방전 발생기를 작동시키기 위한 전력 비용과 가스 공급물을 위해 사용되는 산소(또는 압축 공기)의 비용의 합계로서 산출된다. 주어진 오존 생성률에 있어서, 공기 공급 시스템을 작동시키는 데 요구되는 파워는 고순도 산소 공급 시스템을 작동시키는 데 요구되는 파워보다 훨씬 크다. 통상적으로, 많은 오존 생성을 요구하는 더 큰 시스템의 경우, 산소가 공급 가스에 대한 보다 경제적인 선택이다.
다른 한편으로, 혐기 소화조 또는 오존 전처리실에 진입하는 공급 원료에 대해서는, 과량의 산소가 도입되지 않는 것이 바람직한데, 그 이유는 산소가 혐기성 소화 및 CO2 생성을 촉진하는 것에 의해, 생성된 바이오가스의 품질을 저하시키기 때문이다. 또한, 바이오가스 내의 과량의 산소 축적은, 메탄, 불활성 가스 및 산소를 함유하는 가스 혼합물이 가연 한계의 하한과 상한 사이에 속하는 경우에 잠재적인 안전 위해 요인이 될 수 있다.
여기에서 설명하는 본 발명은 오존과 유기 폐기물 공급 원료의 처리를 위한 제한된 산소 함량을 갖는 "캐리어 가스"를 함유하는 가스 스트림을 생성하는 시스템 및 방법이다. 몇몇 실시예에서, 캐리어 가스 내의 최대 산소 함량은 예컨대 18 중량%일 수 있다. 도 1을 참고하여, 이제 본 발명의 제1 예시적인 실시예를 설명하겠다. 도 1은 예시적인 시스템(10)의 개략적인 다이어그램을 보여준다. 초기에, 고순도 산소 스트림(12)이 오존 발생기(14)에 진입하며, 이 오존 발생기에서 산소의 일부(통상적으로 3 내지 14 중량%)가 오존으로 변환된다. 고순도 산소 스트림은 액체 산소 소스인 경우에는 적어도 95 중량%의 산소로 이루어질 수도 있고, 진공 변동 흡착 소스인 경우에는 적어도 90 중량%의 산소로 이루어질 수 있다. 다음에, 오존과 비반응 산소를 포함하는 유출 스트림(16)이 오존 발생기(14)를 빠져나가, 압력 변동 흡착(PSA) 시스템(20)으로 이송된다. 몇몇 실시예에서, 유출 스트림(16)은 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함한다. PSA 시스템(20)은 유출 스트림(16)으로부터 비반응 산소를 회수하고, 아래에서 설명하겠지만 오존을 혐기 소화조(28)로 이송하기 위해 캐리어 가스에 충분히 낮은 비율의 산소를 제공하는 데 사용된다. 변형예에서, 생성된 오존은 오존 투과성막을 갖는 시스템의 사용을 통해 산소 스트림으로부터 분리될 수 있다.
전형적인 PSA 사이클에서, 오존은 선택적으로 오존 발생기의 배출 스트림[예컨대, 유출 스트림(16)]으로부터 흡착 베드의 체(sieve)에 흡착된 다음, 비반응 산소가 PSA 사이클로부터 수집되고 제거된 후에 스위프 가스(sweep gas)를 이용하여 체로부터 탈착된다. 본 발명의 범위 내에서는, 회수된 오존 고갈 산소를 압축하고 리사이클 스트림(36)을 통해, 오존 발생기(14)로 다시 전달하거나, 대신에 회수된 오존 고갈 산소를 출력 스트림(38)을 통해 동일한 지점에 위치하는 혐기 소화조(40)로 이송하는 것이 가능하다. 변형예에서, PSA 사이클로부터 수집된 오존 고갈 산소의 일부는 혐기 소화조로 직접 라우팅될 수 있고, 산소의 잔부(殘部)는 압축되어 오존 발생기로 다시 전달될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 비반응 산소를 포함하는 가스 스트림은 적어도 50 중량%, 더 바람직하게는 적어도 80 중량%의 산소를 포함한다. 도 1의 실시예를 다시 참고하면, 비반응 산소가 PSA 시스템(20)으로부터 제거되고 나면, 그 후 흡착 베드에 흡착된 오존이 스위프 가스(18)에 의해 탈착된다. 혐기 소화조에 전달되는 산소의 양을 제한하는 것이 바람직하기 때문에, 스위프 가스(18)는 예정된 산소의 비율 미만이어야만 한다. 스위프 가스(18)는, 예컨대 공기, 질소, CO2 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 몇몇 변형예에서, 공기 중의 산소 함량은 너무 높아서 혐기 소화조에 직접 진입하는 스위프 가스로서 사용하기에 적절치 않을 수 있다. 이들 실시예에서, 스위프 가스(18) 내의 산소의 예정된 비율은 18 % 이하일 수 있다.
도 1의 실시예로 다시 돌아가면, 다음에 결합된 스위프 가스(18)와 탈착된 오존이 유출 스트림(22)을 통해 PSA 시스템(20)을 빠져나간다. PSA 사이클 및 시스템은 관련 업계에 잘 알려져 있다. 적절한 PSA 사이클 및 시스템의 일례가 발명의 명칭이 "오존 생성을 위한 압력 변동 흡착 사이클(Pressure Swing Adsorption Cycle for Ozone Production)"인 미국 특허 출원 공보 US2010/0189635A1에 교시되어 있으며, 상기 미국 특허 출원의 전체 내용은 참고에 의해 완전히 기술되는 것처럼 본 명세서에 포함된다. 당업자라면, 위에서 언급한 인용예에 교시되어 있는 PSA 사이클을 작동시키기 위한 시스템 및 방법이 필요한 변경을 가하여 본 출원의 실시예에 완벽하게 적용 가능하다는 것을 이해할 것이다. 도 3은 또한 본 발명에 따른 PSA 오존 시스템 및 방법과 함께 사용하기에 적절한 예시적인 PSA 사이클을 보여준다.
몇몇 실시예에서, 유출 스트림(22)이 PSA 시스템(20)으로부터 하류로 전달되기 전에, 유출 스트림(22)의 초기 부분을 배출하는 것이 바람직할 수 있는데, 그 이유는 PSA 시스템(20)으로부터 제거되지 않은 산소가 유출 스트림(22)의 초기 부분에서 바람직한 농도보다 높은 농도로 존재할 수 있기 때문이다.
계속해서 도 1의 실시예를 참고하면, 몇몇 구성에서 오존과 스위프 가스를 함유하는 배출 스트림(22)은, PSA 시스템(20)과 유체 흐름 소통하고 PSA 시스템으로부터의 하류에 위치하는 소화조 전처리실(24)로 지향될 수 있다. 소화조 전처리실(24)에서, 오존은 처리 대상 스트림(25)에 제공되는 공급 원료(폐수)를 전처리(전오존처리)하는 데 사용된다. 환언하자면, 배출 스트림(22)에 있는 오존은 소화조 전처리실(24)에서 폐수와 접촉하게 된다. 소화조 전처리실(24)은 혐기 소화조(28)와 유체 흐름 소통된다. 소화조 전처리실(24)을 빠져나가는 유출 스트림(26)은 혐기 소화조(28)에 진입하며, 혐기 소화조에서 유출 스트림은 계속해서 공급 원료와 접촉하도록 변위되고 공급 원료와 반응한다. 소화조 전처리실(24)에 진입하는 유출 스트림(22) 내의 제한된 산소의 존재로 인해, 소화조 전처리실(24)로부터 빠져나가는 유출 스트림(26)의 용해된 산소 함량은 혼합된 산소/오존 스트림으로 전처리된 공급 스트림의 용해된 산소 함량보다 낮다. 몇몇 실시예에서, 유출 스트림(26) 내의 산소의 비율은 18 % 이하여야만 한다. 변형예에서, 유출 스트림(26) 내의 산소의 비율은 거의 18% 미만인 것이 바람직할 수 있다.
오존 전처리를 위한 별도의 용기가 불필요할 수 있는 변형예에서는, 시스템으로부터 소화조 전처리실을 완전히 생략하는 것이 가능할 수 있다. 단지 예로서, PSA 시스템(20)으로부터의 유출물을 혐기 소화조(28)로 직접 라우팅하는 것은 도 1에서 유출 스트림(42)으로서 개략적으로 도시되어 있다. 유출 스트림(22)은 혐기 소화조로부터의 상류에서 및/또는 혐기 소화조에서 폐수(25)와 접촉된다는 것을 이해해야만 한다.
혐기 소화조(28)에서 혐기성 소화 프로세스가 완료된 후, 처리된 원료의 액상 부분이 이어서 액체 유출 스트림(30)을 통해 시스템(10)을 빠져나갈 수 있고, 처리된 원료의 기상 부분이 가스 유출 스트림(32)을 통해 시스템(10)을 빠져나갈 수 있다. 혐기성 소화 프로세스는 동물 분료, 폐기 슬러지와 같은 공급 원료 또는 증류 폐액(stillage) 및 비나스와 같은 식품 및 음료 가공 폐기물에 대해 사용될 수 있다. 혐기 소화조에는 전용 바이오가스 생성을 위한 사일리지(silage)와 같은 특별 재배 에너지 작물이 공급될 수 있다.
예시적인 시스템(110)의 제2 실시예가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 시스템(10)의 제1 실시예에 있는 요소와 동일한 시스템(110)의 요소에는 100만큼 더한 참조 번호가 부여된다. 예컨대, 시스템(10)의 제1 실시예의 오존 발생기(14)는 시스템(110)의 제2 실시예의 오존 발생기(114)와 동일하다. 명확성을 위해서, 도 2에는 제1 실시예와 공유되는 본 실시예의 몇몇 피쳐(feature)의 참조 번호가 매겨져 있지만, 설명에서는 반복하지는 않는다.
도 2에 도시한 실시예에서, 혐기 소화조(128)를 빠져나가는 가스 유출 스트림(132)은 바이오가스 분리 프로세스(134)를 수행하는 장치로 라우팅된다. 이 프로세스는 가스 유출 스트림(132)의 다른 기상 성분으로부터 바이오가스를 분리한다. 본 실시예에서, 바이오가스 분리 프로세스(134)로부터 빠져나오는 유출 스트림(118)은, PSA 시스템(120)에 있는 흡착 베드로부터 오존을 탈착하기 위해 PSA 시스템으로 진입하는 스위프 가스로서 사용된다. 몇몇 실시예에서는, 질소가 스위프 가스로서 사용되는 것이 바람직할 수 있는데, 그 이유는 질소가 상대적으로 비반응성이고 바이오가스의 pH를 제어하는 데 기여할 수 있기 때문이다. 몇몇 실시에에서, 스위프 가스는 적어도 90 체적%의 질소로 구성된다. 변형예에서, 스위프 가스는 주로 이산화탄소와 질소의 혼합물로 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 오존 가스를 PSA 시스템(120)으로부터 혐기 소화조(128)로 내보내는 데 사용되는 질소는 바이오가스 분리 프로세스(134)로 라우팅된 다음, 바이오가스 분리 프로세스(134)를 빠져나가는 유출 스트림(118)으로서 전달되어, PSA 시스템(120)에서의 스위프 가스로서 다시 재사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 바이오가스 분리 프로세스(134)의 바이오가스는 이산화탄소를 포함하는 제1 성분 스트림과, 메탄을 포함하는 제2 성분 스트림으로 분리되고, 제1 성분 스트림의 이산화탄소는 바이오가스 분리 프로세스(134)를 빠져나가는 유출 스트림(118)으로서 사용되어 PSA 시스템(120)의 스위프 가스로서 다시 사용된다.
변형예에서, 액체 질소 소스("LIN")(144)는 라인(146)을 통해 이송될 수 있고, 바이오가스 분리 프로세스(134) 동안에 바이오가스 내의 메탄을 냉각하여 응결시키기 위해 [열교환기(148)를 통해] 간접적으로 사용될 수 있다. 이 메탄은 상술한 제2 성분 스트림의 메탄을 포함할 수 있다. 이러한 열교환 프로세스는 LIN의 일부 또는 전부가 기상으로 기화하도록 하는 경향이 있을 것이다. 몇몇 실시에에서, 이러한 변환된 질소 가스(증기)는 용기(150)에 수집될 수 있다. 수집된 질소 가스는 그 후에 용기(150)로부터 출력 라인(152)을 통해 PSA 시스템(120)으로 전달될 수 있으며, PSA 시스템에서 상기 질소 가스는 여기에 개시된 시스템 및 방법에 따라 PSA시스템(120)으로부터 오존을 탈착하는 스위프 가스의 적어도 일부로서 사용된다.
이와 같이, 바람직한 실시예와 이에 대한 변형예의 관점에서 본 발명을 설명하였다. 당업자라면 본 발명의 의도되는 사상 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 발명의 교시로부터의 다양한 변형, 수정 및 변경을 고려할 수 있음은 물론이다. 본 발명은 단지 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되도록 의도된다.
10, 110 : 시스템
14, 114 : 오존 발생기
20, 120 : 압력 변동 흡착(PSA) 시스템
28, 40, 128, 140 : 혐기 소화조

Claims (20)

  1. (a) 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 제1 가스 스트림을 생성하는 단계;
    (b) 제1 가스 스트림으로부터 오존의 적어도 일부를 분리하는 단계;
    (c) 상기 단계 (b)에서 제1 가스 스트림으로부터 분리된 오존의 적어도 일부를 포함하는 제2 가스 스트림을 형성하는 단계로서, 상기 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 갖는 것인 단계;
    (d) 혐기성 소화 프로세스(anaerobic digestion process)를 이용하여 폐수를 처리하는 단계; 및
    (e) 혐기성 소화 프로세스를 이용하여 폐수를 처리하기 전이나, 혐기성 소화 프로세스를 이용하여 폐수를 처리하는 동안에 제2 가스 스트림을 폐수의 적어도 일부와 접촉시키는 단계
    를 포함하는 방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b) 및 (c)는 압력 변동 흡착 사이클(pressure swing adsorption cycle)의 단계를 포함하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 스위프 가스(sweep gas)와, 단계 (b)에서 제1 가스 스트림으로부터 분리된 오존의 적어도 일부를 포함하는 제2 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소와, 적어도 90 체적%의 질소를 포함하는 스위프 가스를 갖는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 스위프 가스와, 단계 (b)에서 제1 가스 스트림으로부터 분리된 오존의 적어도 일부를 포함하는 제2 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소와, 이산화탄소와 질소의 혼합물로 이루어진 스위프 가스를 갖는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    (f) 제1 가스 스트림으로부터 제3 가스 스트림을 분리하는 단계로서, 상기 제3 가스 스트림은 적어도 80 %의 산소를 포함하는 것인 단계; 및
    (g) 상기 제3 가스 스트림을 혐기 소화조로 전달하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    (f) 제1 가스 스트림으로부터 제3 가스 스트림을 분리하는 단계로서, 상기 제3 가스 스트림은 적어도 80 %의 산소를 포함하는 것인 단계; 및
    (g) 상기 제3 가스 스트림을, 단계 (a)를 수행하는 데 사용되는 오존 발생기를 위한 공급 가스 스트림의 적어도 일부로서 사용하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계 (e)의 수행은 단계 (d)가 수행되는 혐기 소화조로부터 하류에 위치하고 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 소화조 전처리실에서 시작되는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    (f) 기상 유출물이 혐기 소화조로부터 바이오가스 분리기로 흐르도록 하는 단계;
    (g) 상기 바이오가스로부터 기상 유출물에 함유된 이산화탄소를 분리하는 단계; 및
    (h) 상기 단계 (g) 동안에 분리된 이산화탄소를 단계 (c)에서 재사용하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    (f) 액체 질소를 사용하여 혐기 소화조로부터의 바이오가스의 적어도 일부를 냉각시키고, 이로 인해 액체 질소의 적어도 일부가 질소 증기가 되는 것인 단계; 및
    (g) 상기 질소 증기를 스위프 가스의 적어도 일부로서 사용하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  10. 오존을 이용하여 폐수를 처리하는 폐수 처리 방법으로서,
    a) 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 제1 가스 스트림을 생성하는 단계;
    (b) 압력 변동 흡착 사이클을 이용하여 제1 가스 스트림으로부터의 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환하는 단계로서, 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 포함하는 것인 단계 ; 및
    (c) 혐기 소화조로부터의 상류나, 혐기 소화조 내에서 제2 가스 스트림과 폐수를 접촉시키는 단계
    를 포함하는 폐수 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 단계 (c)는 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 소화조 전처리실과 압력 변동 흡착 사이클에서 적어도 부분적으로 이루어지며, 상기 소화조 전처리실은 압력 흡착 변동 사이클로부터의 하류에 있는 것인 폐수 처리 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    (d) 기상 유출 스트림이 혐기 소화조로부터 바이오가스 분리기로 흐르도록 하는 단계;
    (e) 바이오가스를, 이산화탄소를 포함하는 제1 성분 스트림과 메탄을 포함하는 제2 성분 스트림으로 분리하는 단계; 및
    (f) 상기 제1 성분 스트림을 단계 (b)의 제2 가스 스트림으로서 재사용하는 단계
    를 더 포함하는 폐수 처리 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    (d) 기상 유출 스트림이 혐기 소화조로부터 바이오가스 분리기로 흐르도록 하는 단계;
    (e) 바이오가스를, 이산화탄소를 포함하는 제1 성분 스트림과 메탄을 포함하는 제2 성분 스트림으로 분리하는 단계;
    (f) 액체 질소를 사용하여 제2 성분 스트림을 냉각하고, 이로 인해 액체 질소의 적어도 일부가 질소 증기가 되는 단계; 및
    (g) 제1 성분 스트림과 질소 증기 중 적어도 하나를 단계 (b)의 제2 가스 스트림으로서 사용하는 단계
    를 더 포함하는 폐수 처리 방법.
  14. 오존을 이용하여 폐수를 처리하는 폐수 처리 시스템으로서,
    산소 소스로부터 제1 가스 스트림을 생성하도록 작동 가능하게 구성되는 오존 발생기로서, 상기 제1 가스 스트림은 적어도 4 중량%의 오존과 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 것인 오존 발생기;
    제1 가스 스트림을 수용하여 제1 가스 스트림으로부터의 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환하도록, 제2 가스 스트림을 배출하도록, 그리고 제3 가스 스트림을 배출하도록 작동 가능하게 구성되는 압력 변동 흡착 시스템으로서, 제2 가스 스트림은 18 중량% 이하의 산소를 포함하고, 제3 가스 스트림은 오존의 적어도 일부를 제2 가스 스트림으로 전환한 후에 제1 가스 스트림으로부터 잔류하는 가스를 포함하며, 제3 가스 스트림은 적어도 50 중량%의 산소를 포함하는 것인 압력 변동 흡착 시스템; 및
    혐기 소화조 내에서나, 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 제1 용기 내에서 제2 가스 스트림을 폐수와 접촉시키도록 작동 가능하게 구성되는 제1 인터페이스
    를 포함하는 폐수 처리 시스템
  15. 제14항에 있어서, 상기 압력 변동 흡착 시스템은 체(sieve)를 포함하고, 상기 압력 변동 흡착 시스템은 오존의 적어도 일부를 체에 흡착한 다음, 스위프 가스를 이용하여 흡착된 오존의 적어도 일부를 탈착하도록 작동 가능하게 구성되며, 상기 제2 가스 스트림은 탈착된 오존 및 스위프 가스를 포함하는 것인 폐수 처리 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 스위프 가스는 적어도 90 체적%의 질소를 포함하는 것인 폐수 처리 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 혐기 소화조와, 혐기 소화조 내에서나, 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 제2 용기 내에서 제3 가스 스트림이 폐수와 접촉하게 하도록 작동 가능하게 구성되는 제2 인터페이스를 더 포함하는 폐수 처리 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 압력 변동 흡착 시스템 및 오존 발생기와 유체 흐름 소통되는 출력 라인을 더 포함하고, 상기 출력 라인은 제3 가스 스트림을 오존 발생기로 복귀시키도록 작동 가능하게 구성되는 것인 폐수 처리 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 상기 혐기 소화조와 유체 흐름 소통되는 바이오가스 분리기를 더 포함하고, 상기 바이오가스 분리기는 바이오가스를, 이산화탄소를 포함하는 제1 성분 스트림과 메탄을 포함하는 제2 성분 스트림으로 분리하도록 작동 가능하게 구성되고, 상기 스위프 가스는 제1 성분 스트림을 포함하는 것인 폐수 처리 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 액체 질소를 사용하여 제2 성분 스트림을 냉각시키도록 작동 가능하게 구성되는 열교환기와, 열교환기로부터의 질소 증기를 수용하도록 작동 가능하게 구성되는 제3 용기를 더 포함하고, 상기 스위프 가스는 질소 증기를 포함하는 것인 폐수 처리 시스템.
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