KR20160128311A - 폐수 처리 및 바이오에너지 공급원료 생성을 위한 조류-슬러지 과립 - Google Patents

폐수 처리 및 바이오에너지 공급원료 생성을 위한 조류-슬러지 과립 Download PDF

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Abstract

조류 및 박테리아를 포함하는 과립 또는 미립자 조성물이 기재된다. 조류-슬러지 과립이 조명을 이용한 특정 정지 조건하에서 폐수 시스템을 조류와 인큐베이션시킴으로써 생성된다. 조류-슬러지 과립이 제공된 후, 더 이상 정지 조건을 유지시킬 필요는 없으며, 교반 조건하에서의 폐수와의 반응이 가능한다. 기재된 방법은 조류-슬러지 과립의 처음 생성, 폐수를 개선시키기 위한 조류-슬러지 과립의 이용, 및 바이오매스를 생성시키기 위한 조류-슬러지 과립의 이용을 포함한다. 조류-슬러지 과립에 의한 폐수의 개선은 폐수 처리를 위한 에너지를 절감하고, 바이오매스의 형태로 폐수 내의 에너지를 회수하고, 폐수 처리 탄소 풋프린트를 감소시킬 것으로 생각된다.

Description

폐수 처리 및 바이오에너지 공급원료 생성을 위한 조류-슬러지 과립{ALGAL-SLUDGE GRANULE FOR WASTEWATER TREATMENT AND BIOENERGY FEEDSTOCK GENERATION}
관련 출원의 전후 참조
본 출원은 2014년 1월 22일에 출원된 공동계류 미국 가특허 출원 일련 번호 61/930,230호에 대한 우선권 및 이익을 주장하며, 이러한 출원은 전체내용이 참조로서 본원에 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 폐수 처리, 상세하게는 폐수 처리의 양상을 수행하는 생물학적 활성 조성물에 관한 것이다.
발명의 배경
폐수는 유의한 재생가능한 에너지원으로서 큰 가능성을 가지며; 회수가능한 경우 폐수 내에 적재된 에너지는 미국에서 사용되는 에너지의 15-20%까지 제공할 수 있다. 딜레마는 상기 에너지-잠재적 물질의 일차 분획이 하수 유기 물질이며, 이는 주로 O2 기체를 폐수로 용해시킴에 의해 제거를 위해 유의한 양의 에너지를 사용한다는 점이다. 현재, 미국에서의 폐수 처리는 에너지의 약 2%를 소비하며; 이러한 에너지 사용의 약 60%는 활성화 슬러지 처리에서 폐수의 통기에 이용된다1. 조류-기반 폐수 처리는 전통적인 처리 실시에 대한 대안으로서 입지를 넓히고 있는데, 이는 1) 박테리아 및 광합성 미세조류(조류 및 남세균)의 공생 성장을 통해 통기 없이 폐수를 처리하고, 2) 성장된 바이오매스(biomass)에서 폐수내 화학적 에너지를 보존시키는 잠재성을 갖기 때문이다. 따라서, 성공적인 미세조류 처리는 폐수 처리를 위한 에너지 사용을 실질적으로 감소시킬 수 있고, 생물공급원료(biofeedstock)의 형태로 폐수로부터 화학적 에너지를 회수할 수 있다. 그러나, 공학 처리 난점은 미세조류 처리의 채택을 제한한다. 예를 들어, 미세조류는 보통 생물응집(자연적으로 응집)하지 않는다. 생물응집 불능은 물로부터 미세조류의 효과적이지 않은 분리를 발생시키고, 생물공정을 위한 2개의 가장 중요한 단계인 바이오매스 재생 및 수거를 어렵게 만든다. 광합성을 위한 빛에 대한 미세조류의 요구에 수반되는 상기 난점은 특정한 반응기 형태, 예를 들어, 대형 개방 폰드(pond)만 미세조류 처리에 유용하게 하고, 이들은 시외 및 작은 공동체-기반 지역에서 폐수를 처리하기 위해 한정적으로만 이용되어 왔다.
일부 폐수 처리 및 다른 생물공학 처리 시스템에 대해 생물과립의 형성이 보고된 적이 있다. 가장 널리 연구된 생물과립 중 하나는 산소성 조건하에서 폐수를 처리하는 산소성 과립 슬러지(AGS)이다. 성장 선택압이 충족되는 경우 임의의 종류의 활성화된 슬러지가 AGS로 발달될 수 있는 것으로 생각된다. 문헌에서 독특한 처리 작업, 예를 들어, 짧은 침강 및 배출물 방출 시간에 의해 야기된 선택압이 과립에서 활성화된 슬러지 박테리아의 성장을 유도하는 것이 밝혀졌고, 이는 AGS가 연속 회분식 반응기(SBR)로 언급되는 특정 반응기 형태에서 수행되어 온 이유이다. AGS 처리는 산소성 폐수 처리 및 대기로의 CO2 방출을 위해 인공 통기에 엄격하게 의존하고; 따라서 통상적인 활성화 슬러지 처리와 본질적으로 관련된 난점은 여전히 우세하다.
폐수 처리 및 폐수로부터의 에너지의 회수를 도울 수 있는 개선된 생물학적 활성 조성물이 필요하다.
발명의 개요
한 양태에 따르면, 본 발명은 생물학적 활성 과립 조성물을 제조하는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 물-기반 반응 매질을 함유하도록 형성된 용기를 제공하는 단계; 일정량의 물-기반 반응 매질 및 적어도 하나의 미세조류를 포함하는 혼합물을 용기에 배치하는 단계로서, 물-기반 반응 매질이 물-기반 반응 매질에 존재하는 박테리아 또는 원생동물에 의해 소비될 수 있는 물질을 포함하는, 단계; 정지 조건 및 적어도 간헐적 조명하에서 용기 내에서 미세조류 및 물-기반 반응 매질을 포함하는 혼합물을 인큐베이션시키는 단계; 및 인큐베이션된 혼합물로부터 생물학적 활성 과립 조성물에 존재하는 살아 있는 미세조류 및 살아 있는 박테리아 둘 모두를 갖는 과립 조성물을 회수하는 단계를 포함한다.
한 구체예에서, 물-기반 반응 매질은 폐수이다.
한 구체예에서, 물-기반 반응 매질은 슬러지이다.
또 다른 구체예에서, 물-기반 반응 매질은 고의로 첨가된 영양소 물질을 포함한다.
또 다른 구체예에서, 고의로 첨가된 영양소 물질은 유기 물질을 포함한다.
추가 구체예에서, 고의로 첨가된 영양소 물질은 다가 양이온을 포함한다.
또 다른 구체예에서, 조명은 시간적으로 변화된다.
추가 구체예에서, 조명은 공간적으로 변화된다.
또 다른 추가 구체예에서, 적어도 하나의 미세조류는 녹조류 및 남세균으로 구성된 군으로부터 선택된다.
또 다른 구체예에서, 적어도 하나의 미세조류는 섬유상 남세균을 포함한다.
추가 구체예에서, 생물학적 활성 과립 조성물은 세포외 중합체 물질(EPS)을 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 이전에 기재된 방법에 따라 제조된 생물학적 활성 과립 조성물에 관한 것이다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 폐수 개선 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 폐수 처리 시스템에 상기 기재된 첫번째 방법에 따라 제조된 생물학적 활성 과립 조성물을 삽입하는 단계; 생물학적 활성 과립 조성물이 잔존하고, 생물학적 활성 과립 조성물의 추가량을 발생시키는 조건하에서 폐수 처리 시스템을 작동시키는 단계로서, 폐수 처리 시스템이 첫번째 양의 단위 부피 당 생물학적 활성 폐기물을 갖는 폐수를 수용하는, 단계; 및 폐수 처리 시스템으로부터 두번째 양의 단위 부피 당 생물학적 활성 폐기물을 갖는 처리된 폐수를 회수하는 단계로서, 두번째 양이 첫번째 양보다 적은, 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 바이오매스를 생성시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 폐수 처리 시스템에 상기 기재된 첫번째 방법에 따라 제조된 생물학적 활성 과립 조성물을 삽입하는 단계; 생물학적 활성 과립 조성물이 잔존하고, 생물학적 활성 과립 조성물의 추가량을 발생시키는 조건하에서 폐수 처리 시스템을 작동시키는 단계로서, 폐수 처리 시스템이 첫번째 양의 단위 부피 당 생물학적 활성 폐기물을 갖는 폐수를 수용하는, 단계; 및 폐수 처리 시스템으로부터 추가량의 생물학적 활성 과립 조성물의 적어도 일부를 회수하고, 폐수 처리 시스템의 계속된 작업을 위해 충분한 양의 생물학적 활성 과립 조성물을 폐수 처리 시스템에 남기는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 양태, 특징, 및 장점은 하기 설명 및 청구항으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 목적 및 특징은 하기 기재되는 도면 및 청구항을 참조로 하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면은 반드시 일정한 비율은 아니며, 대신 본 발명의 원리를 예시하는 경우 일반적으로 강조가 이루어진다. 도면에서, 다양한 시야를 통해 유사한 부분을 나타내기 위해 유사한 숫자가 이용된다.
도 1a는 활성화 슬러지의 인큐베이션으로부터 제조된 조류-슬러지 과립의 이미지이다.
도 1b는 7.5 mm의 직경을 갖는 조류-슬러지 과립의 현미경 이미지이다.
도 1c는 조류-슬러지 과립이 폐수에 존재하는 경우에 발생하는 화학적 과정을 예시하는 그래프이다.
도 2a는 활성화 슬러지로부터 조류-슬러지 과립을 생성시키는 실험실 인큐베이션의 이미지이다.
도 2b는 조류-슬러지 과립으로의 활성화 슬러지의 생물과립화에서의 일반적 진행(좌측으로부터 우측)을 나타내는 이미지이다.
도 3a(0일), 도 3b(6일) 및 도 3c(25일)는 침강된 활성화 슬러지로부터의 조류-슬러지 과립 성장의 시간 경과에 따른 진행을 나타내는 통상적인 이미지이다.
도 4a(0일), 도 4b(1일), 도 4c(5일), 도 4d(7일), 도 4e(14일), 도 4f(21일), 도 4g(28일), 및 도 4h(56일)는 부유하는 활성화 슬러지로부터의 조류-슬러지 과립 성장의 시간 경과에 따른 진행을 나타내는 통상적인 이미지이다.
도 5a(0일), 도 5b(2일) 및 도 5c(14일)는 시간의 함수로써의 조류-슬러지 과립의 현미경 이미지이다.
도 6은 미생물 조성과 함께 형성된 조류-슬러지 과립의 일반적인 전반적 구조를 제시하며; 외부층은 주로 섬유상 남세균으로 구성되고; 내부층은 녹조류, 박테리아, 및 일부 섬유상 남세균으로 구성되고; 내부 중심은 주로 슬러지-유사 물질이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d는 섬유상 남세균, 녹조류 및 슬러지(주로 박테리아 및 세포외 중합체 물질)를 나타내는 조류-슬러지 과립의 내부의 현미경적 위상 대조 이미지이다.
도 8a는 전체 조류-슬러지 과립의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 8b는 섹션화된 조류-슬러지 과립의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 9a 및 도 9b는 2개의 배율에서의 조류-슬러지 과립의 SEM 이미지이다.
도 10a 및 도 10b는 빈 점액 또는 섬유상 남세균을 덮는 점액을 나타내는 조류-슬러지 과립의 SEM 이미지이다.
도 11a 및 도 11b는 EDTA(0.5 mM, 1mM, 2 mM; 좌측으로부터 우측) 및 Ca2+(40 meq/L)이 각각 첨가된 활성화 슬러지를 이용한 과립화 인큐베이션 실험을 제시한다.
도 12a 및 도 12b는 혼합 및 침강 기간 동안 각각 실험실 내의 국소 폐수 처리 플랜트(Amherst, MA)로부터 수거된 실제 폐수를 처리하는 생물반응기의 이미지이다.
도 13은 국소 폐수 처리 플랜트(Amherst, MA)로부터 수거된 실제 폐수를 처리하는 생물반응기에서 성장하는 조류-슬러지 과립의 이미지를 제시한다.
도 14a 및 도 14b는 국소 폐수 처리 플랜트(Amherst, MA)로부터 수거된 실제 폐수를 이용한 생물반응기 작업으로부터 획득된 데이터를 제시한다.
도 15는 자연광 조건하에서 폐수 처리 및 영양소 제거를 위한 조류-슬러지 과립 처리의 개략도이다.
도 16은 교대하는 명암 조건하에서 폐수 처리 및 영양소 제거를 위한 조류-슬러지 과립 처리의 개략도이다. 명 조건은 반응기를 일광 또는 인공광에 노출시킴으로써 조정될 수 있다. 암 조건은 반응기의 일부를 덮음으로써 유지될 수 있다. 암 단계는 산소성 조건하의 어두운 곳에서의 조류의 유지를 지지하기 위해 최소 통기와 함께 유지될 수 있다. 암 단계는 또한 어떠한 통기의 외부 공급원 없이 유지될 수 있다.
도 17은 폐수 처리, 영양소 제거 및/또는 생물에너지 공급원료 생성을 위한 조류-슬러지 과립 처리를 채택하는 광생물반응기의 개략도이다. 명 조건은 필요한 작업 조건을 기초로 하여 다양해질 수 있다.
도 18a는 과립으로 및 과립 외부로의 O2의 흐름에서의 시간적 변화의 그래프이다.
도 18b는 조류-슬러지 과립의 외부 상의 액체 경계층 내에서 약 5 ㎛ 떨어진 2개의 위치에서 O2를 측정하는 미세전극을 나타내는 이미지이다.
도 19는 광의 부재 및 존재에 반응한 조류-슬러지 생물과립을 함유하는 병에서의 탈산소화 및 재산소화의 그래프이다.
상세한 설명
생물과립은 고체 기층의 부재하에서 형성된 자가-고정된 균막으로 간주될 수 있는 미생물의 밀집한, 통상적으로 구형인 응집체이다. 본 발명자는 독특한 인큐베이션 조건하에서 활성화 슬러지의 전환으로부터 발생하는 신규한 생물과립을 생성시켰다. 이하, 조류-슬러지 과립으로 언급되는 신규한 생물과립은 어떠한 추가의 생물학적 또는 화학적 작용제의 추가 없이 활성화 슬러지로부터 자연적으로 형성(자연적으로 전환)되고, 이는 하나의 과립 바이오매스 내에서 남세균, 조류, 박테리아, 및 원생동물로 구성된다(도 1a-1b, 도 2a-2b, 도 3a-3c, 도 4a-4h, 도 5a-5c, 도 6, 도 7a-7d, 도 8a-8b, 도 9a-9b, 도 10a-10b, 도 11a-11b 참조).
생물 과립 내의 미세조류(조류 및 남세균) 및 박테리아, 및 심지어 원생동물의 공동서식은 안정된 효과적인 공생 폐수 처리 과정을 가능케 하며; 박테리아는 미세조류에 의해 생성된 O2를 이용하여 유기 물질을 분해하고; 차례로, 미세조류는 광합성을 위해 유기 물질 분해로부터 생성된 CO2를 수거한다. 이러한 독특한 바이오매스는 큰 크기의 과립, 통상적으로 0.2 내지 10 mm의 과립으로 성장하고, 이는 조류-슬러지 과립 처리를 물로부터의 우수한 바이오매스 분리와 함께 높은 용적부하율로 수행하는 것을 가능케 하며, 이에 따라 주요 조류 처리 난점을 극복한다. 도 1a-1c를 참조한다.
하기 본원에서 입증되는 바와 같이, 본 발명자는 폐수 슬러지의 다양한 공급원이 본 발명의 방법을 수행하는데 효과적인 미생물, 예를 들어, 조류, 남세균, 박테리아 및 원생동물을 제공하는 것을 제시하였다.
본 발명은 개방되거나 폐쇄된 용기 내에서 자연광 및/또는 인공광으로 조명되는 정지된 회분식 조건하에서의 활성화 슬러지의 인큐베이션에 의해 활성화 슬러지로부터 조류-슬러지 과립을 생성시킨다. 도 1a, 도 2a-2b, 도 3a-3c, 도 4a-4h를 참조한다.
본 발명의 논의의 목적상, 유체 시스템에 적용되는 용어 "정지"는 고의의 기계적 교반이 없고, 중력장, 예를 들어, 행성 지구의 중력장에서 발생하는 대류 또는 다른 유도된 유체 흐름을 초래하는 열, 조성, 또는 밀도 구배의 고의의 부과가 없는 시스템을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 과립이 형성된 후, 인큐베이션의 교반은 문제를 제기하지 않을 것임을 주목한다. 추가 세부사항에 대해서는 하기를 참조한다.
본 발명의 개시에 기재된 활성화 슬러지는 물 및 폐수 처리 시스템에 제공되고 여기서 사용되는 혼합액, 증점된 혼합액(하수 슬러지, 복귀된 활성 슬러지, 폐기 활성 슬러지로도 언급됨), 또는 균막으로 언급된다.
도 2a는 조류-슬러지 과립을 생성시키는 활성화 슬러지의 실험실 인큐베이션 이미지이다. 용기에 저장된 활성화 슬러지는 침강하거나 부유할 수 있고, 과립화가 통상적으로 바이오매스의 최초 상으로부터 진행된다. 도 2b 및 도 3a-3c는 침강된 활성화 슬러지의 생물과립화에서의 진행(좌측으로부터 우측)을 나타내는 이미지이다. 도 4a-4h는 부유하는 활성화 슬러지의 생물과립화에서의 진행을 나타내는 이미지이다.
본 발명은 또한 동일 과립 바이오매스 내에 많은 수의 미세조류(남세균 및/또는 녹조류), 박테리아, 및 원생동물을 함유하는 생물과립을 제조하기 위해 미세조류(남세균 및/또는 녹조류)의 외부 공급원의 첨가와 함께 또는 첨가 없이 활성화 슬러지의 임의의 광화학적 처리를 이용하는 것을 수반한다.
활성화 슬러지로부터 형성된 신규한 조류-슬러지 과립은 많은 수의 미세조류(남세균 및/또는 녹조류), 박테리아, 및 원생동물과 거주하는 구형 생물응집체, 또는 때때로 디스크-유사 바이오매스이다.
도 6은 본 발명의 인큐베이션 방법에 의해 활성화 슬러지로부터 형성된 조류-슬러지 과립의 통상적인 구조의 조성물을 도시한다. 두꺼운 외부층은 대부분 운동성의 섬유상 남세균으로 구성된다. 내부층은 보통 일부 섬유상 남세균과 함께 더 많은 녹조류 및 박테리아를 갖는다. 과립의 중심은 주로 슬러지-유사 물질로 구성된다.
도 8a 및 도 8b는 전체 및 단면 과립의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이며, 이는 과립 및 이의 회합된 미생물 조성물의 상세한 구조를 나타낸다. 침강되거나 부유하는 과립은 이들의 구조적 및 미생물 조성과 관련하여 실질적으로 상이하지 않다.
조류-슬러지 과립을 생성시키기 위해 사용되는 본래의 활성화 슬러지는 국소 폐수 처리 플랜트(Amherst, MA)에서 통기 베이신(basin)으로부터 수거된 통상적인 활성화 슬러지였고, 측정가능한 농도의 엽록소를 함유하지 않았다. 현미경 분석만으로 매우 작은 수의 조류 및 남세균 또는 이들의 낭포 또는 포자-유사 물질이 슬러지 면상침전물 내에 존재함을 알 수 있다. 이는 광화학적 반응이 슬러지 면상침전물 내에서 이들 천연 남세균 및 조류의 많은 성장을 유도하고, 이들의 성장이 바이오매스의 독특한 형태인 조류-슬러지 과립을 형성함에 따라 발생하는 것을 나타낸다.
본 발명자는 암 조건하에서 활성화 슬러지를 인큐베이션시킴으로써 대조군 실험을 수행하였다. 본 발명자는 저장된 활성화 슬러지 내에서 조류의 성장을 관찰하지 않았고(따라서, 바이오매스는 녹색으로 변화하지 않았고), 슬러지는 또한 과립화되지 않았다. 따라서, 본 발명자는 조명이 광합성과 같은 과정을 포함하는 것으로 보이는 상기 과정의 드라이버(driver)인 것으로 결론내렸다.
본 발명의 연구는 슬러지 내의 섬유상 남세균, 특히 운동성 섬유상 남세균, 예를 들어, 오실라토리아(Oscillatoria), 포르미디움(Phormidium), 및 미크로콜레우스(Microcoleus) 속의 많은 성장이 과립의 전체 구조를 형성하고, 슬러지 면상침전물을 조류-슬러지 과립으로 전환시키는데 있어서 중요한 역할을 하는 것을 제시하였다.
슬러지 내의 높은 세포 밀도에서의 운동성 섬유상 남세균의 성장은 과립화에 매우 중요한데, 이는 이들의 활주 운동성이 과립 구조를 형성하는 남세균 매트(여기서, 본 발명의 과립은 바이오매스의 내부 영역을 포함함)의 교직(interwoven) 구조의 형성을 발생시키기 때문이다. 슬러지로의 EDTA의 적은 첨가는 과립화를 완전히 억제하는 한편(도 11a), Ca2 +의 적은 첨가는 과립화를 유의하게 향상시켰다(도 11b). 많은 섬유상 남세균의 세포 운동성과 관련된 세포외 단백질은 Ca2 +-의존성 단백질이므로, 이들 결과는 섬유상 남세균의 많은 성장 및 이들의 운동성이 활성화 슬러지로부터의 조류-슬러지 과립의 형성에서 중요한 역할을 하는 것을 나타내었다.
신규한 생물과립은 또한 과립화를 지지하는 많은 양의 세포외 중합체 물질(EPS)을 함유한다. 이들 EPS의 유의한 분획은 많은 섬유상 남세균의 활주 운동성에 필수적인 섬유상 남세균에 의해 생성되는 점액이다. 과립 내부의 덮힌 점액 및 빈 점액 튜브의 검출이 상기 개념을 지지한다. 도 10a 및 도 10b를 참조한다.
본 발명자는 본래의 활성화 슬러지의 EPS가 또한 과립화에 중요한 것을 알게 되었다. 인큐베이션 전 활성화 슬러지로부터의 EPS의 분리 또는 스트리핑(stripping)이 과립화를 유의하게 지연시키거나 억제하였다. 이는 또한 슬러지의 면상침전 특성이 활성화 슬러지를 조류-슬러지 과립으로 전환시키는데 중요한 이유를 나타낸다.
조류-슬러지 과립 형성의 첫번째 발견은 수개월 동안 실험실 창옆에 놓인(자연광 조건 아래) 20 mL 신틸레이션 바이알 내에서의 활성화 슬러지의 인큐베이션을 통해 이루어졌다. 이후, 본 발명자는 인공광 조건하의 신틸레이션 바이알 내에서 활성화 슬러지를 인큐베이션하였고, 조류-슬러지 과립이 활성화 슬러지로부터 생성된 것을 또한 발견하였다.
본 발명자는 상기 조류-슬러지 과립이 본 발명의 시스템에서 형성되나, 통상적인 물/폐수 처리 플랜트에서는 형성되지 않는 이유가 본질적으로 용액의 교반이 없는 본 발명자가 이용한 인큐베이션 시스템에 있다고 생각한다. 비교시, 통상적인 물/폐수 처리 플랜트는 물, 폐수 및/또는 슬러지를 고의로 펌프하고/하거나, 교반하고/하거나, 통기시킴으로써 효과적으로 정지 시스템을 이루는 것을 불가능하게 한다. 본 발명자는 시스템의 교반이 또한 운동성 섬유상 남세균의 교직 매트의 형성을 촉진하지 않고, 따라서 효과적인 과립화를 촉진하지 않는 것으로 생각한다. 본 발명자는 조류-슬러지 과립이 형성되고 제공된 후, 시스템의 교반이 문제를 제기하지 않는 것을 발견하였는데, 이는 조류-슬러지 과립이 이미 확립되었기 때문이다. 따라서, 처음의 조류-슬러지 과립의 최초 생성은 정지 인큐베이션 조건을 필요로 한다.
2011년부터, 본 발명자는 6개의 상이한 폐수 처리 플랜트로부터 수거된 활성화 슬러지를 이용하여 많은 다양한 세트의 인큐베이션 실험을 수행하였고, 그 때마다 본 발명자는 활성화 슬러지의 조류-슬러지 과립으로의 과립화를 확인하였다. 본 발명자의 실험실 노트북 및 전자 파일은 실험에 관한 관찰, 예를 들어, 과립에 관한 사진, 도면 및 설명과 관련된 모든 상세한 정보를 포함한다. 시작된 각각의 실험 세트의 날짜는 하기와 같이 나열된다:
● 2011년: 10월 4일, 11월 22일, 12월 1일
● 2012년: 2월 23일, 4월 21일, 11월 12일
● 2013년: 1월 28일, 4월 2일, 6월 20일, 11월 13일
본 발명자는 본 발명을 2011년 10월부터 2013년 6월까지의 본 발명의 연구 기간 동안 수행하도록 축소시켰고, 이 기간 동안 본 발명자는 본 발명을 후원하는 어떠한 미 연방 자금도 받지 않았다.
본 발명은 또한 회분식 또는 임의의 유통형 반응기에서의 조류-슬러지 과립 처리를 위한 시드 또는 접종물로서 상기 기재된 방법에 의해 생성된 본래의 조류-슬러지 과립을 이용한다. 조류-슬러지 과립 처리는 주로 폐수 처리, 영양소 제거, 자원(예를 들어, 영양소 또는 희귀한 요소)의 회수, 미세조류의 높은 가치의 부산물의 생성, 및/또는 바이오에너지 공급원료 생성에 이용되나, 이들 목적으로 제한되지는 않는다.
본 발명은 또한 조류-슬러지 과립 처리를 위한 신규한 생물반응기 내에 후손(offspring) 조류-슬러지 과립을 접종하고/하거나 시딩한다.
이러한 신규한 조류-슬러지 과립 처리는 조류-슬러지 과립의 광합성을 촉진하기 위해 자연광 및/또는 인공 발광 장치로부터의 광을 이용할 수 있다. 상기 처리는 광 공급을 조정함으로써 24시간 명 조건하 또는 주기적 명 조건하에서 발생할 수 있다. 질산화 및 탈질에 의한 질소 제거를 달성하기 위한 목적상, 상기 처리는 심지어 낮 시간 동안에도 명/암 반응하에서 진행될 수 있다. 또한, 과립 내에서의 미세조류 및 박테리아의 성장에서의 균형을 지지하기 위해, 명 조건은 조정될 수 있다. 조류-슬러지 과립 처리의 교대의 명 조건의 일부 예가 도 15, 도 16 및 도 17에 제시된다.
도 15는 자연광 조건하에서 폐수 처리 및 영양소 제거를 위한 조류-슬러지 과립 처리의 개략도이다.
도 16은 교대하는 명암 조건하에서 폐수 처리 및 영양소 제거를 위한 조류-슬러지 과립 처리의 개략도이다. 암 조건은 반응기의 일부를 덮음으로써 유지될 수 있다. 명 조건은 반응기를 일광 또는 인공광에 노출시킴으로써 조정될 수 있다.
도 17은 폐수 처리, 영양소 제거 및/또는 생물에너지 공급원료 생성을 위한 조류-슬러지 과립 처리를 채택하는 광생물반응기의 개략도이다. 명 조건은 필요한 작업 조건을 기초로 하여 다양해질 수 있다.
조류-슬러지 과립 처리는 CO2의 외부 공급원의 첨가와 함께 또는 첨가 없이 수행할 수 있다. 조류-슬러지 과립 처리 동안 CO2의 첨가는 더 많은 생물과립 바이오매스를 생성시켜 바이오에너지 공급원료의 수득량을 개선시킬 것으로 예상된다.
조류-슬러지 과립 처리는 주 스트림, 부 스트림(높은 농도의 폐수, 예를 들어, 무산소 소화액에 대함), 또는 폐수에 대한 유출물-폴리싱 처리 및 폐수 처리 플랜트에서의 영양소 처리에 이용될 수 있다.
조류-슬러지 과립은 크고 밀집되어 있으므로, 이들은 처리된 물 및 폐수로부터 용이하게 분리되며, 이는 간단한 바이오매스 분리 전략을 가능케 하여, 폐수 및 영양소 처리 과정을 위한 매우 작은 생물반응기 및 침강 탱크를 허용한다. 또한, 조류-슬러지 바이오매스의 궁극적 수거가 가속화될 것이다.
본 발명자는 연속 회분식 반응기(SBR)에서 조류-슬러지 과립 처리를 수행하였고, 처리가 상기 생물반응기 적용에서 유지될 수 있음을 발견하였다. 도 12a 및 도 12b는 반응기 구성 및 실험실에서 시험된 SBR의 작업의 이미지이다.
도 13은 국소 폐수 처리 플랜트(Amherst, MA)로부터 수거된 실제 폐수를 처리하는 SBR에서 성장하는 조류-슬러지 과립의 이미지를 제시한다.
도 14a 및 도 14b는 국소 폐수 처리 플랜트(Amherst, MA)로부터 수거된 실제 폐수가 공급된 SBR의 반응기 작업으로부터 획득된 데이터를 제시한다.
본 발명은 또한 생물과립의 무산소 분해를 포함하는 물리적, 화학적, 또는 생물학적 처리에 의해 수거된 조류-슬러지 과립으로부터 생물에너지를 회수하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명자는 조류-슬러지 과립의 바이오매스 자체가 신규한 것으로 생각한다. 활성화 슬러지가 처리되어 조류-슬러지 과립을 생성할 수 있다는 발견은 신규한 발견이다. 결과로서, 본 발명자는 상기 기재된 조류-슬러지 과립을 생성시키는 방법이 신규한 것으로 생각한다. 유사하게, 폐수 처리, 영양소 처리, 생물에너지 공급원료 생성, 및/또는 다른 목적을 위해 상기 신규한 조류-슬러지 과립을 포함시키고 적용시키는 생물처리가 또한 신규한 것으로 생각된다.
조류-슬러지 과립은 과립 내에서의 광합성으로부터의 공생 산소공급으로 인해 그들 자신에 의해 O2를 생성시킨다. 제자리 O2 생성의 증거는 도 18 및 도 19에 제시된 데이터로부터 관찰될 수 있다.
도 18a는 과립으로 및 과립 외부로의 O2의 흐름에서의 시간적 변화의 그래프이다.
도 18b는 조류-슬러지 과립의 외부 상의 액체 경계층 내에서 약 5 ㎛ 떨어진 2개의 위치에서 O2를 측정하는 미세전극을 나타내는 이미지이다.
도 18a에 제시된 데이터에 대해, 본 발명자는 과립의 표면 매우 가까이서 O2의 흐름을 측정하였다. 흐름 측정을 위해, 본 발명자는 비-침습성 미세시험 기술(non-invasive microtest technology)(NMT)을 이용하였다. 데이터가 제시됨에 따라, 조류-슬러지 과립이 새로운 폐수 매질에 배치되는 경우, O2 흐름은 음성이었고, 이는 용액으로부터 과립으로의 O2 수송을 나타낸다. 광이 제공된 경우, 측정된 순수 O2 흐름은 과립으로부터 외부로 향했고, 이는 광합성에 의해 생성된 O2가 벌크 액체를 향해 확산된 것을 나타낸다. 이후, 광이 중단된 경우, 슬러지 바이오매스에 의한 과립 내부에서의 연속 유기 물질 분해로 인해 과립으로 확산되는 벌크 O2와 함께 O2의 흐름은 즉시 역전되었다.
도 19는 광의 부재 및 존재에 반응한 조류-슬러지 생물과립을 함유하는 병에서의 탈산소화 및 재산소화의 그래프이다.
본 발명자는 또한 SBR 조류-슬러지 과립 시스템으로부터 수거된 바이오매스를 이용하여 공간 부분이 없는 폐쇄된 DO 병에서의 벌크 용해 산소(DO) 측정을 수행하였다(도 19). 명 기간 동안 반응기에서의 벌크 DO는 약 12 mg/L에서 과포화되었다. 과립을 함유하는 DO 병을 알루미늄 호일로 덮는 경우(즉, 암 조건), DO는 신속히 소비되었고, 이는 광합성이 중단되고, 내부 슬러지 바이오매스에 의한 O2 소비가 우세해진 것을 나타낸다. 동일 병이 광에 재노출된 경우, 병(또한, 이는 폐쇄된 DO 병임)에서 18 mg/L에 도달한 즉각적인 DO 재생이 있었고, 이는 광이 이용 가능해짐에 따라 광합성이 즉시 개시되고 과립이 벌크 액체로 O2를 펌프한 것을 나타내고, 이는 과립 내의 DO가 또한 포화된 것을 의미한다.
본 발명자는 조류-슬러지 과립 내에 공동서식하는 박테리아 및 원생동물이 유기 물질 제거 및 영양소 처리를 위해 공생 미세조류에 의해 내부적으로 생성된 O2를 이용하는 것으로 생각한다. 따라서, 조류-슬러지 과립 처리는 현재 폐수 처리 플랜트에서 가장 높은 에너지 수요를 야기시키는 폐수로 O2를 용해시키기 위한 외부 통기의 필요성을 제거하거나 유의하게 감소시킨다.
큰 크기 및 높은 밀도로 인해, 조류-슬러지 과립은 물로부터 용이하게 분리되어, 조류 처리 또는 조류-기반 폐수 처리에서 가장 큰 난점인 바이오매스 분리 전략(작은 생물반응기 및 침강기) 및 조류 처리의 조절을 간단하게 만든다. 또한, 동일 과립 바이오매스 내의 조류 및 박테리아의 공생은 폐수 및 영양소 처리를 위한 조류 처리의 공학처리를 촉진시킨다. 따라서, 조류-슬러지 과립 및 이들 신규한 생물과립을 채택하는 생물공정은 1) 최소 에너지 투자로 폐수 및 영양소를 처리하고, 2) 폐수 처리 탄소 풋프린트를 감소시키고, 3) 생물공급원료의 형태로 폐수에 적재된 화학 에너지를 회수하는 3개의 중요하고 적절한 결과를 달성할 큰 잠재성을 갖는다.
본 발명자는 본 발명의 조류-슬러지 과립이 신규한 방식으로 폐수 및 영양소를 처리하고 폐수 내에 적재된 화학 에너지를 회수하는 것을 또한 가능하게 하는 신규한 생물과립임을 확신한다.
폐수 및 영양소 처리를 위한 신규한 조류-슬러지 과립 처리는 폐수 처리 시설의 수자원 회수 시설로의 전환을 가능하게 하는 것으로 예상된다.
참고문헌
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
이론적 논의
본원에 제공된 이론적 설명은 정확한 것으로 생각되나, 본원에 기재되고 청구된 장치의 작동은 이론적 설명의 정확성 또는 유효성에 의존하지 않는다. 즉, 본원에 제공된 이론과 상이한 기초에 대해 관찰된 결과를 설명할 수 있는 이후의 이론적 발달이 본원에 기재된 본 발명으로부터 손상되지 않을 것이다.
명세서에서 확인되는 임의의 특허, 특허 출원, 특허 출원 공보, 저널 기사, 서적, 공개된 논문, 또는 다른 공적으로 이용가능한 자료는 이들의 전체내용이 참조로서 본원에 포함된다. 본원에 참조로서 포함되는 것으로 언급되나, 본원에 명백히 기재된 현존하는 정의, 진술, 또는 다른 개시 자료와 상충하는 임의의 자료 또는 이의 일부는 포함된 자료와 본 발명의 개시 자료 사이에 상충이 발생하지 않는 정도로만 포함된다. 상충의 경우, 바람직한 개시로서 본 발명의 개시를 우선하여 상충이 해소되어야 한다.
본 발명은 도면에 예시된 바와 같은 바람직한 방식을 참조로 하여 상세히 제시되고 기재되었으나, 청구항에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 세부사항에서의 다양한 변화가 그 안에서 이루어질 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (15)

  1. 물-기반 반응 매질을 함유하도록 형성된 용기를 제공하는 단계; 일정량의 상기 물-기반 반응 매질 및 적어도 하나의 미세조류를 포함하는 혼합물을 상기 용기에 배치하는 단계로서, 상기 물-기반 반응 매질이 상기 물-기반 반응 매질에 존재하는 박테리아 또는 원생동물에 의해 소비될 수 있는 물질을 포함하는, 단계; 정지 조건 및 적어도 간헐적 조명하에서 상기 용기 내에서 상기 양의 상기 물-기반 반응 매질 및 상기 적어도 하나의 미세조류를 포함하는 상기 혼합물을 인큐베이션시키는 단계; 및 상기 인큐베이션된 혼합물로부터 생물학적 활성 과립 조성물에 존재하는 살아 있는 미세조류 및 살아 있는 박테리아 둘 모두를 갖는 상기 과립 조성물을 회수하는 단계를 포함하는, 생물학적 활성 과립 조성물을 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 물-기반 반응 매질이 폐수인 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 물-기반 반응 매질이 슬러지인 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 물-기반 반응 매질이 고의로 첨가된 영양소 물질을 포함하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 고의로 첨가된 영양소 물질이 유기 물질을 포함하는 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 고의로 첨가된 영양소 물질이 다가 양이온을 포함하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 조명이 시간적으로 변화되는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 조명이 공간적으로 변화되는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미세조류가 녹조류 및 남세균으로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 미세조류가 섬유상 남세균을 포함하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 생물학적 활성 과립 조성물이 세포외 중합체 물질을 포함하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 물-기반 반응 매질이 미세조류에 의해 소비될 수 있는 물질을 포함하는 방법.
  13. 제 1항의 방법에 따라 제조된 생물학적 활성 과립 조성물.
  14. 폐수 처리 시스템에 제 1항의 방법에 따라 제조된 생물학적 활성 과립 조성물을 삽입하는 단계; 상기 생물학적 활성 과립 조성물이 잔존하고, 상기 생물학적 활성 과립 조성물의 추가량을 발생시키는 조건하에서 상기 폐수 처리 시스템을 작동시키는 단계로서, 상기 폐수 처리 시스템이 첫번째 양의 단위 부피 당 생물학적 활성 폐기물을 갖는 폐수를 수용하는, 단계; 및 상기 폐수 처리 시스템으로부터 두번째 양의 단위 부피 당 생물학적 활성 폐기물을 갖는 처리된 폐수를 회수하는 단계로서, 상기 두번째 양이 상기 첫번째 양보다 적은, 단계를 포함하는, 폐수 개선 방법.
  15. 폐수 처리 시스템에 제 1항의 방법에 따라 제조된 생물학적 활성 과립 조성물을 삽입하는 단계; 상기 생물학적 활성 과립 조성물이 잔존하고, 상기 생물학적 활성 과립 조성물의 추가량을 발생시키는 조건하에서 상기 폐수 처리 시스템을 작동시키는 단계로서, 상기 폐수 처리 시스템이 첫번째 양의 단위 부피 당 생물학적 활성 폐기물을 갖는 폐수를 수용하는, 단계; 및 상기 폐수 처리 시스템으로부터 상기 추가량의 상기 생물학적 활성 과립 조성물의 적어도 일부를 회수하고, 상기 폐수 처리 시스템의 계속된 작업을 위해 충분한 양의 상기 생물학적 활성 과립 조성물을 상기 폐수 처리 시스템에 남기는 단계를 포함하는, 바이오매스를 생성시키는 방법.
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