KR20190034158A - 인산염의 회수 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터, 마그네슘 암모늄 인산염(MAP)의 형태로 인산염을 회수하는 방법을 제공하되, 이 공정은 소화 탱크에서 수행되는 소화 단계를 포함하고, 열 가수분해를 이용하는 전처리 단계를 포함하며, 마그네슘 공급원은 공정 유동이 소화 탱크에 유입되기 이전에 공정 유동 중의 물질에 첨가되고, 인산염은 소화 탱크로부터 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서 MAP로서 회수되는 것을 특징으로 한다.

Description

인산염의 회수 방법
본 발명은 예를 들어, 폐기물 또는 바이오매스(biomass)의 형태의 주로 유기물 기원의 물질의 처리를 위한 공정의 공정 유동으로부터 인산염을 회수하는 것에 관한 것이다. 인산염은 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분(integral part)으로서, 마그네슘 암모늄 인산염(MAP), 또는 이의 수화물로서 회수된다.
도시 및 산업 쓰레기(sludge) 및 폐기물 및 주로 유기물 기원의 폐기물-생성물의 다른 공급원, 예컨대, 원예, 농업, 임업, 목재 산업 등으로부터의 부산물은 수 년에 걸쳐서 예를 들어, CO2-중성 연료, 예컨대, 바이오가스 또는 바이오에탄올의 생산을 위한 가능한 출발 물질로서 흥미가 증가되고 있는 주제였다.
이러한 유기 폐기물 또는 바이오매스를 기반으로 하는 CO2-중성 연료의 생산을 위한 다수의 공지된 방법은 일부 부류의 열 가수분해 공정(THP) 및 혐기성 소화를 이용하는 전처리 단계를 포함한다.
유기 폐기물 또는 바이오매스가 THP 공정에 적용되는 경우, 이것은 대부분의 경우에 달리 유기적으로 결합된 인 화합물의 적어도 일부의 방출을 초래할 것이다. 따라서, 이러한 공정으로부터 생성된 물질은 매우 자주 비교적 높은 농도의 특히 오쏘인산염을 포함할 것이다. 이것은 THP-처리된 도시 및 산업 쓰레기의 경우에 특히 사실이다.
따라서, 목적하는 CO2-중성 연료에 더하여, 이러한 공정은 혐기성 소화 후에, 공정 과정에서 인산염의 양을 감소시키기 위한 조치가 취해지지 않으면, 유기 물질의 공급원으로부터 기원한 상당한 양의 인산염을 함유하는 고체, 반고체 및 폐수 유출액 분획을 생성할 것이다. 농업 분야에서 비료로서 유용한 순수한 마그네슘 암모늄 인산염(MAP)의 형태로 폐수 유출액으로부터 인산염의 일부를 회수하기 위한 다양한 방법이 이미 개발되어 있다.
이러한 공정으로부터 마그네슘 암모늄 인산염(MAP, NH4MgPO4, 스트루바이트(Struvite))의 형태로 인산염을 회수 및 침전시키기 위한 공지된 공정은, 혐기성 소화가 수행되는 소화 탱크에 남아있는 고체 또는 반고체 분획에 염화마그네슘을 첨가하는 것을 포함한다. 이러한 공정은 전형적으로 또한 이후에 형성되는 폐수 유출액 분획으로부터 MAP를 침전시키기 이전에 폐수 유출액으로부터 고체 또는 반고체 폐기물을 분리하는 하나 이상의 분리 단계를 포함한다.
상이한 부류의 폐수에 또한 적용되는 인산염의 제거를 위한 방법과 유사한 이러한 공정은 수 년 동안 공지되어 왔으며, 관련 절차의 가장 마지막에서 생성된 폐기물 생성물에, 예를 들어, 소화 탱크 내의 적용 가능한 생물폐기물의 처리로부터 생성된 생성물에 일반적으로 적용된다.
폐수에서 인산염을 회수하기 위한 이러한 공통적인 한 방법은 인산염을 폐수 중에 이미 존재하는 암모늄과 반응시키고, 마그네슘을 첨가하여 침전물 NH4MgPO4를 형성함으로써 수행된다.
유럽 특허 제EP1241140호에는 소화된 쓰레기로부터 직접 스트루바이트를 제어 방식으로 형성하고 제거하기 위한 'AirPrex'라 불리는 공정이 기술되어 있다. AirPrex 공정에서, 소화된 쓰레기는 반응기 탱크를 통해서 안내되는데, 여기서 공기가 공급되고, 마그네슘이 염화마그네슘(MgCl2)으로서 첨가된다. pH 값을 상승시키고(CO2 스트리핑에 의해서), 쓰레기 및 첨가된 염화마그네슘의 충분한 혼합을 수득하기 위해서 공기가 공급된다. 형성된 스트루바이트는 (원뿔형) 반응기 바닥으로부터 간헐적으로 탭핑된다. 제2 탱크에서, 더 작은 결정의 스트루바이트가 침강된다.
알칼리제(alkaline agent), 예를 들어, 수산화나트륨 용액의 첨가 또는 다른 대안적인 유사한 조치에 의해서 스트루바이트(MAP)의 침전에 필요한, 일반적으로 7.6 내지 8 범위의 pH에 전형적으로 도달된다. AirPrex 공정 외에도, 스트루바이트의 회수를 위한 몇몇 다른 대안적인 공정이 관련 기술 분야에 공지되어 있다.
미국 특허 제US2012/0261334호에는 CO2의 주입에 의해서 스트루바이트 침전 반응기의 상류의 폐수 처리 시스템 내에서 스케일(scale)의 형성을 저해한 것이 개시되어 있다. 주입은 변수 pH, 유체 유동 및 유체 압력 중 하나 이상을 기반으로 제어될 수 있다. 주입된 CO2는 그 다음 침전 반응기에서 스트리핑되어 스트루바이트 생성을 향상시킬 수 있다.
또 다른 공지된 대안은 크리스탈락터(Crystalactor)(등록상표) 기술인데, 이것은 본래 물 연화 공정을 위해서 개발되었다. 반응기가 공정 산업에서 다양한 (중금속) 탄산염, 인산염, 할라이드 및 설파이드의 결정화를 위해서 사용될 수 있다는 것이 나중에 인식되었다. 인산염은 스트루바이트의 형태로 회수될 수 있다. 본질적으로, 크리스탈락터(등록상표)는 적합한 시드 물질로 부분적으로 충전된 원통형 용기이다. 공급물, 시약 및 재순환 용액은 바람직한 혼합 및 과포화 조건을 유지시키기 위한 속도에서 입자층을 통해서 상향으로 펌핑된다. 유출액은 반응기의 상부에서 넘치지만, 층 내의 시드물질은 결정화를 통해서 펠릿으로 성장한다. 펠릿이 계속해서 더 무거워질 수록, 그것은 층의 바닥을 향해서 서서히 이동한다. 주기적으로, 층의 하부 부분은 펠릿 용기로 방출되고, 작동을 방해하지 않으면서 새로운 시드 물질이 첨가된다.
미국 특허 제US8445259호에는 유기물 쓰레기를 처리하기 위한 장치 및 방법이 개시되어 있고, 여기서 쓰레기는 먼저 탈수되고; 탈수된 쓰레기는 열 가수분해 반응기를 통해서 통과되어 탈수된 쓰레기 중에 함유된 중합체를 가수분해시키고; 가수분해된 쓰레기는 소화장치(digester)를 통해서 통과되어 가수분해된 쓰레기를 혐기적으로 소화시키고; 소화된 쓰레기는 다시 탈수되어 탈수된 케이크 및 용액을 형성하고; 이어서 용액은 결정화 반응기를 통해서 통과되어 용액 중의 인 및 질소를 결정화 및 제거한다. 결정화에서 단계에서 전형적으로 마그네슘 및 알칼리 용액이 첨가된다.
유럽 특허 제EP 1 364 915 A1호에는 소화된 하수 쓰레기의 액체 상으로부터 인산염을 감소시키는 방법이 개시되어 있으며, 여기서 폐수는 혐기성 처리 이후에 호기성 처리에 공급되고, 정치 탱크로부터 재순환된 쓰레기는 혐기성 처리된다. 이어서, 제2 고체/액체 분리 단계로부터의 물 분획은 인산염을 제거하기 위한 장치, 예를 들어, MAP 반응기에 공급된다.
국제 특허 제WO 2009/112208호에는 이러한 목적을 위한 폐수 처리 방법 및 폐수 처리 플랜트가 개시되어 있고, 여기서 가수분해되고, 그 다음 혐기적으로 처리된 쓰레기는 인산염을 제거하기 위해서 개별 침전 유닛에 공급된다. 이러한 방법에서 마그네슘 암모늄 인산염(MAP)은 7.5 내지 7.8의 pH로 설정하면서 마그네슘 염을 첨가함으로써 가수분해되고 혐기적으로 처리된 쓰레기로부터 침전된다.
상기 방법과 상반되게, 국제 특허 제WO 2013/034765호에는 침전에 의해서 공정 유동으로부터 스트루바이트(MAP)를 제거하는 형태로, 공정 유동으로부터 인산염을 분리하는 방법이 기술되어 있는데, 여기서 분리는 열 가수분해 단계 이후에 그러나 혐기성 소화 단계 이전에 수행된다. 마그네슘-함유 침전제가 공정 유동에 첨가되고, 분리된 액체 상 형태의 상류의 혐기적으로 소화된 쓰레기의 부분량(sub quantity)이 가수분해 후에 그러나 인산염의 제거 단계 이전에 또는 그 동안에 공정 유동으로 재순환되어, MAP의 형성을 위한 암모늄을 제공한다. 소화 단계 이후와 비교할 때 소화 단계 이전에 MAP 결정의 형태의 인산염을 제거하는 것은 결정 구조 대 쓰레기 입자 구조의 비가 예를 들어, 공정 유동으로부터, 원심분리기 디캔터에 의한 MAP 결정 제거를 개선시키는 것을 가능하게 함으로써, 비교적 미세한 결정 구조로, 더 높은 MAP 효율을 초래한다는 이점을 갖는다고 기술되어 있다. 그 공정은 가수분해가 70° 내지 90℃의 범위의 온도에서 수행되는 경우 특히 이롭다고 기술되어 있고, 10 내지 12의 범위의 pH를 사용하여 가수분해된 생성물을 생성한다.
인은 지구 상에서 제한된 자원임을 특징으로 하고, 비교적 희박하고, 지구 주변에 균일하게 분포되어 있지 않다. 오늘날 비옥화를 위한 인은 인산염 암석의 채광으로부터 생성되는데, 그 이유는 구아노(guano) 비축물이 고갈되기 때문이다. 일부 연구자들은 인산염 암석 비축물 또한 50 내지 100년 내에 고갈될 것이라고 추정한다. 지금까지 채광된 인의 대부분은 수질 환경에서 종결되었거나 또는 폐기물로 퇴적되어, 재사용을 위해서 사용 가능하지 않게 되었다. 인산염의 회수가 점차 긴급해지고 있다.
일반적으로, 예를 들어, 폐수 쓰레기, 및 도시 또는 산업 폐기물을 비롯한, 바이오매스 생성물로부터 인산염을 효과적으로 회수하는 것에 대한 증가된 요구를 고려하여, 바이오매스를 처리하고 동시에 인산염을 회수하기 위한 효율적인 에너지 절약 방법의 개발에 대한 긴급한 요구가 계속되고 증가되고 있다. 예를 들어, 물, 에너지 및 고비용 화학 작용제의 사용을 감소시키는 것이 필요하다.
제1 양상에서, 본 발명은 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은,
i) 마그네슘 이온 공급원을 바이오매스 물질에 첨가하는 단계;
ii) 바이오매스 물질에 대해서, 포화 압력에서, 140 내지 220℃의 온도에서의 열 가수분해 단계를 적어도 포함하는 전처리를 시행하는 단계;
iii) 전처리된 바이오매스 물질을 소화 탱크로 이송하고, 전처리된 바이오매스 물질을 7.5 내지 8.5의 범위의 pH에서 혐기성 소화시킴으로써 소화물(digestate)을 제공하는 단계;
iv) 이산화탄소 및 메탄 가스를 포함하는 바이오가스를 연속적으로 제거하고, 바이오가스로부터 이산화탄소를 부분적으로 또는 완전히 분리하고, 이렇게 수득된 이산화탄소 감소된 바이오가스를 소화 탱크에 부분적으로 재도입함으로써 소화 탱크의 pH를 제어하는 단계;
v) 임의로 소화물의 부분량을 마그네슘 암모늄 인산염(MAP) 분리 처리시키고, 임의의 남아있는 고체 또는 반고체를 상기 소화 탱크에 재도입함으로써 상기 소화 탱크 내에서 MAP 농도를 감소시키는 단계를 포함하되;
여기서, 단계 i) 및 ii)는 단계 iii) 이전에 수행되고, 여기서 인산염은 소화 탱크로부터 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서, 마그네슘 암모늄 인산염(MAP), 또는 이의 수화물로서 회수된다.
제2 양상에서, 본 발명은 토양 개량제(soil conditioner) 및/또는 비료로서의 본 발명에 따른 방법으로부터의 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 용도에 관한 것이다.
제3 양상에서, 본 발명은 바이오가스의 생산을 위한 바이오매스 처리 플랜트에 관한 것이며, 상기 바이오매스 처리 플랜트는,
- 미처리 바이오매스 물질을 공급하기 위한 바이오매스 물질 유입구(1)를 갖고, 전처리된 바이오매스 물질 유출구를 갖는 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2);
- 전처리된 바이오매스 물질 유출구에 연결된 전처리된 바이오매스 물질 유입구를 갖고, 바이오가스 유출구(9) 및 통합 부분으로서 회수된 마그네슘 암모늄 인산염(MAP)를 포함하는 소화물 생성물을 위한 적어도 하나의 소화물 생성물 유출구(5)를 갖는 적어도 하나의 소화 탱크(3);
- 상기 바이오가스 유출구(9)에 연결된 바이오가스 유입구를 갖고, 이산화탄소 유출구(13) 및 이산화탄소 감소된 바이오가스 유출구(11)를 갖는 이산화탄소 분리 장치(10)를 포함하되;
- 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2)는 스팀 공급원에 연결된 스팀 유입구가 구비되어 있고, 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2)는 포화 압력에서, 140 내지 220℃의 온도에서 열 가수분해를 수행하도록 개작되어 있고;
- 적어도 하나의 소화 탱크(3)는 전처리된 바이오매스 물질을 7.5 내지 8.5의 범위의 pH에서 혐기성 소화시킴으로써 소화물을 제공하도록 개작되어 있고;
- 마그네슘 이온 공급원 유입구는 전처리된 바이오매스를 바이오매스 소화 탱크(3) 내로 도입하기 이전에 마그네슘 이온 공급원(4)을 바이오매스에 첨가하도록 배열되어 있고; 그리고
- 이산화탄소 분리 장치(10)의 이산화탄소 감소된 바이오가스 유출구(11)는 바이오매스 처리 플랜트의 생산된 바이오가스 유출구(14)에 연결되어 있고 수득된 이산화탄소 감소된 바이오가스를 소화 탱크에 부분적으로 재도입하기 위해서 소화 탱크(3)의 이산화탄소 감소된 바이오가스 유입구(12)에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법 및 바이오매스 처리 플랜트의 개략도(여기서 마그네슘 이온 공급원은 열 가수분해 단계 이전에 첨가되고, 소화 동안 pH는 바이오가스의 제거 및 이산화탄소 감소된 바이오가스의 소화 장치로의 부분적인 재도입에 의해서 제어됨).
도 2는 소화물의 MAP 농도를 감소시키기 위해서 MAP의 소화 및 분리 이전에 전처리된 물질을 사전 냉각시키는 것을 포함하는, 추가의 임의적인 특징부를 나타내는 본 발명에 따른 방법 및 바이오매스 처리 플랜트의 개략도.
도 3은 소화물의 MAP 농도를 감소시키기 위한 특징부를 포함하는 본 발명에 따른 방법 및 바이오매스 처리 플랜트의 개략도.
본 발명의 방법은 바이오매스 소화와 동시에 인산염 회수를 가능하게 하여 소화물 생성물, 예컨대 바이오가스를, 예를 들어, 토지 개량에 유용한 고체 또는 반고체 소화물 생성물과 함께 수득한다. 인산염은 농업 목적을 위한 토양 개량제 및/또는 비료로서 직접 사용될 수 있는 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분을 형성하는 MAP로서 주로 회수된다. 전형적으로, 인산염은 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서, MAP, 또는 이의 수화물로서 회수된다.
본 발명의 방법은 구체적으로 재사용할 수 있는 고체 또는 반고체 소화물 생성물에 포함된 MAP의 형태의 인산염을 회수한다. 본 발명의 실시형태에서, 소화물 생성물의 탈수가 수행되는 경우 수득된 액체 폐기물 분획은 상당히 감소된 인산염 함량을 갖고, 임의의 추가적인 인산염 감소 절차 없이 추가로 가공될 수 있다. 이에 의해서 본 발명은 인산염의 제거, 감소 또는 회수를 위한 공지된 공정 대부분과 상이한데, 그 이유는 이들 공정은 전형적으로 고체 또는 반고체 폐기물 분획의 초기 제거 이후에, 폐수 유출액 분획으로부터의 MAP의 침전, 즉 액체 분획으로부터 실질적으로 순수한 MAP의 회수를 필요로 하기 때문이다. 방법 단계의 특정 조합으로 인해서 본 발명의 방법은 전형적으로 처분이 필요한 고체 또는 반고체 폐기물 분획 대신에 토양 개량제 또는 비료로서 가치있는 고체 또는 반고체 소화물 생성물을 제공한다.
본 발명의 방법을 위해서 선택된 바이오매스 물질은 임의의 바이오매스 물질, 예컨대, 예를 들어, 짚(straw), 목재, 섬유, 미끼(bait), 제지 펄프, 슬러리, 가정 폐기물, 산업 또는 도시 쓰레기, 원예, 농업, 임업 및 목재 산업으로부터의 부산물 또는 바이오가스의 생산에서 적용 가능한 다른 유사한 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라서, 공정에 도입되는 바이오매스 물질은 원예, 농업, 임업 및 목재 산업으로부터의 짚, 목재, 섬유, 미끼, 제지 펄프, 슬러리, 가정 폐기물, 부산물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 본 발명은 바이오매스 물질, 예컨대, 예를 들어, 짚, 목재 또는 섬유를 처리하는 공정의 공정 유동으로부터 인산염을 회수하기에 특히 적합하다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 바이오매스 물질은 원예, 농업, 임업 및 목재 산업으로부터의 짚, 목재, 섬유 및 부산물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가로 바람직한 실시형태에서, 바이오매스 물질은 짚, 목재 및 섬유로부터 선택된다. 보다 추가의 바람직한 실시형태에서 바이오매스 물질은 짚이다.
바이오매스, 예컨대, 예를 들어, 유기 폐기물을 기반으로 하는 CO2-중성 연료의 생산을 위한 공지된 방법은 종종 일부 부류의 열 가수분해 공정(THP)을 이용하는 하나 이상의 전처리 단계를 포함하는데, 여기서 전처리 이후에 혐기성 소화가 이어진다. 용어 THP는 임의로 후속 전처리 단계, 예컨대, 산화 및/또는 스팀 폭발이 이어지는 열 가수분해를 의미한다.
본 발명의 방법에서 전처리는 고온 및 고압의 조합을 사용하여 하나 이상의 반응기(들)에서 수행되는 열 가수분해의 단계를 기반으로 하여 바이오매스 중의 유기 물질의 세포 구조를 붕괴시키고, 고분자량 유기 화합물을 더 작은 분자로 분해한다.
본 발명의 방법은 전처리 단계에서 적용되는 공정 조건을 이용하여 상기에 언급된 이전에 기술된 방법에 비해서 상당히 유리한 이점을 달성한다. 본 발명의 중요한 특징은, 마그네슘 이온 공급원의 첨가를 전처리된 바이오매스가 소화 탱크에 유입되기 이전에 수행한다는 것이다. 본 발명의 방법의 바람직한 실시형태에서, 마그네슘 이온 공급원을 첨가하는 단계 i)은 단계 ii)의 열 가수분해 공정 이전에 또는 그 동안 수행되고; 보다 바람직한 실시형태에서 단계 i)은 단계 ii)의 열 가수분해 공정 이전에 수행된다. 대안적인 실시형태에서, 마그네슘 이온 공급원을 첨가하는 단계 i)은 열 가수분해 이후에 또는 단계 ii)의 습식 폭발 동안 수행된다.
물질이 소화 탱크에 유입되기 이전에 마그네슘 이온 공급원을 전처리된 바이오매스 물질에 첨가하는 것은, 대부분의 선행 공정과 비교할 때 예를 들어, 스트루바이트의 형성과 관련된 반응을 위해서 더 긴 공정 시간을 가질 가능성을 제공한다. 따라서, MAP 형성의 더 높은 산출량이 야기된다.
열 가수분해, 또는 임의의 후속하는 임의적인 습식-산화 및 습식-폭발 단계 동안 140 내지 200℃의 증가된 온도로 인해서, 첨가된 마그네슘 이온 공급원의 용해도가 상당히 증가되는데, 이것이 MgCl2와 대조적으로, 더 싸고 덜 용해성인 마그네슘 염, 예컨대, Mg(OH)2 및 MgO의 사용을 허용한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서 마그네슘 이온 공급원은 MgO 및/또는 Mg(OH)2이다. 마그네슘 이온 공급원은 MgO로서 또는 Mg(OH)2로서 또는 MgO와 Mg(OH)2의 혼합물로서 첨가될 수 있다. 마그네슘 이온 공급원이 첨가되는 경우, 처리된 바이오매스 물질은 바람직하게는 적어도 100℃의 온도를 가질 수 있다. 온도에 더하여, 공정 시간이 또한 인자인데, 마그네슘 이온 공급원이 존재하는 공정 시간이 길수록 더 양호한 용해도가 수득되고, 이후에 공정에서 MAP의 보다 효율적인 형성이 달성된다. 열 가수분해 단계 이전에 예를 들어, MgO의 형태의 마그네슘 이온 공급원을 첨가하는 것의 추가 이점은, 열 가수분해에 적절한 온도에 도달하는 데 필요한 에너지를 감소시키는 것이다. 공정의 발열성 본성으로 인해서, 열이 생성되고, 예를 들어, 간접 또는 직접 스팀 주입에 의한 가열 필요성이 제거된다.
MAP(스트루바이트)의 형성은 공정 유동이 소화 탱크로 유입되기 전에 이미 시작될 수 있지만, 소화 동안 주로 일어날 것이다. 이것은, 소화 탱크로부터의 소화물 생성물의 고체 또는 반고체 분획의 통합 부분인, MAP 또는 이의 수화물을 생성한다. 이에 의해서, MAP를 포함하는 이러한 고체 또는 반고체 분획은 쉽게 취급되고, 농업 분야에서 비료 생성물로서 유용하다.
본 발명에 따른 방법은 MAP 결정화 및/또는 분리를 위한 개별 공정 장비에 좌우되지 않는다. 그러나, 본 발명에 따른 인산염의 회수가 상당히 효율적이기 때문에, 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 인산염 함량이 비료 또는 토양 개량제로서의 사용을 위해서 실제로 매우 높은 예가 존재할 수 있다. 상이한 국가 또는 지리학적 영역은 비료에서 허용 가능한 인 함량에 관련하여 상이한 법규를 갖는다. 따라서, 본 발명의 방법은 소화물의 부분량을 인산염 제거 처리하고, 임의의 남아있는 반고체를 소화 탱크에 재도입함으로써 소화 탱크에서 인산염 농도를 감소시키는 임의적인 단계 v)를 포함한다. 법규로 인해서 또는 예를 들어, 사용 가능한 바이오매스에서 매우 높은 인산염 함량이 필요하다고 밝혀지면, 전체 공정 스트림을 시간 소모적이고 고비용인 MAP 결정화 및/분리 절차에 적용시킬 필요 없이 인산염 함량은 소화 공정 동안 다소 감소될 수 있다. 추가로, 최종 소화물 생성물 중에서 MAP 또는 이의 수화물로서, 인산염 함량을 조절하는 것이 가능하며, 많은 양의 소화물 생성물(즉, 탈수된 소화물)이 가치있는 비료로서 재사용되는 대신에 퇴적되는 시나리오를 회피한다. 본 발명의 일 실시형태에서 단계 v)는 존재하고, 즉, 의무적이다.
추가로, 본 발명의 실시형태에서 단계 v)가 존재하는 경우, 소화 탱크로부터의 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 MAP 함량은 소화 탱크에서 인산염 또는 인 함량을 측정하고(예를 들어, 오쏘인산염 시험 또는 총 인 시험), 측정된 인산염 함량을 기준으로 MAP 분리 장치로의 유동을 조절함으로써 제어될 수 있다. 이러한 방식에서, MAP 감소 단계가 수행되는 정도가 조절될 수 있다. 예를 들어, 바이오매스 처리 플랜트가 MAP 감소 단계 v)를 포함하도록 확립된 경우에도, 상이한 유형의 바이오매스 물질이 인산염로서의 회수를 위해서 사용 가능한 다양한 양의 인을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법의 일 실시형태에서 단계 v)는 단계 iii)에서 수득된 소화물 중의 인산염 또는 인 함량의 측정치에 좌우된다. 본 발명의 추가로 구체적인 실시형태에서 단계 v)가 존재하는 경우, 단계 v)에서 수행되는 MAP 감소의 정도는 단계 iii)에서 수득된 소화물 중의 인산염 또는 인 함량을 측정함으로써 제어된다.
폐기물 생성물의 액체 상 중의 높은 인산염 함량에 의해서 종종 유발되는 스케일의 형성은 펌프, 파이프 및 반응기에 문제를 유발한다. 본 발명에 따른 공정은 상이한 공정 장비에서 스케일링 문제를 회피하거나 또는 최소화하는데, 그 이유는 스트루바이트의 형성이 주로 소화 탱크에서 일어나고, 이것이 소화 탱크로부터의 소화물 생성물의 고체 또는 비액체 분획의 통합 부분인 스트루바이트를 생성하기 때문이다.
전처리 단계 동안 바이오매스는 가수분해 및 분해되고, 생성된 전처리된 바이오매스는 일반적으로 약 4 내지 6의 범위의 pH를 갖는 산성일 것이다. 이에 의해서 산성 pH는 MAP의 형성을 임의의 큰 정도까지 방해한다. 그러나, pH는 처리될 구체적인 바이오매스에 좌우될 수 있고, 전처리된 바이오매스가 소화 탱크에 도입되기 전에 MAP의 과도한 형성을 방지하기 위해서, 전처리(본 명세서에서 단계 ii)) 동안 pH는 바람직하게는 pH 7.0 미만, 바람직하게는 6.5 미만, 예컨대, 예를 들어, 6.0 미만으로 유지될 수 있다.
전처리된 바이오매스는 추가로 고온(예를 들어, 100℃ 초과)을 가질 것이고, 10중량% 초과, 예컨대, 예를 들어, 15중량% 초과, 20중량% 초과, 25중량% 초과, 30중량% 초과, 또는 35중량% 초과의 비교적 높은 건조 물질 함량을 특징으로 할 것이며; 바람직하게는 전처리된 바이오매스 물질의 건조 물질 함량은 25중량% 초과, 예컨대, 예를 들어, 30중량% 초과, 40중량% 초과, 45중량% 초과, 또는 50중량% 초과이다. 바람직하게는, 소화 단계 이전에 전처리된 바이오매스 물질의 건조 물질 함량은 25중량% 내지 50중량%의 범위이다.
열 가수분해는 하나 이상의 압력 경감 탱크(들)(여기서 탱크의 내용물이 압력의 신속한 경감으로 인해서 붕괴됨)에서 수행되는 후속 습식 폭발 단계에 의해서 보완될 수 있다. 바이오매스의 붕괴 및 분할은 하기 소화 단계를 보다 효과적으로 만든다.
방법에 도입되는 바이오매스 물질은 전형적으로는 50중량% 초과, 바람직하게는 75중량% 초과, 보다 바람직하게는 80중량% 초과의 건조 물질(건조 고체) 농도를 가질 수 있다. 적용된 바이오매스 물질에 따라서, 본 발명에 따른 방법은 열 가수분해 이전에 희석 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 초점은 즉, 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서, MAP, 또는 이의 수화물로서의 형태의 전처리되고 소화된 바이오매스로부터 인산염을 회수하는 방법이다. 포함된 경우 열 가수분해 및 후속 습식 폭발(또한 스팀 폭발이라 불림)에 의한 전처리는 처리될 특정 물질 및/또는 사용 가능한 장비에 따라서 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 국제 특허 제WO 2011/006854호에는 대략 연속적으로 예열하는 단계, 스팀의 공급에 의해서 적어도 2개의 순차적인 반응기를 가열 및 가압하는 단계, 및 가열되고 가압된 바이오매스를 반응기로부터 제1, 및 그 후 제2 압력 경감 탱크(여기서 압력은 바이오매스가 파괴되도록 노즐의 도움으로 경감됨)로 안내하는 단계를 포함하는, 열 가수분해 및 스팀 폭발에 적합한 방법이 기술되어 있다. 제2 압력 경감 탱크는 진공 하에 존재하여 스팀이 더 낮은 온도에서 비등할 수 있게 한다. 제1 압력 경감 탱크로부터의 스팀은 예열 탱크를 가열하는 데 사용되고, 제2 압력 경감 탱크로부터의 스팀은 예열 탱크 및/또는 열 가수분해 반응기를 가열하는 데 사용된다. 이어서, 처리된 바이오매스는 추가 처리, 예컨대, 발효를 위한 하류 설비로 안내될 수 있다. 기술된 시스템은 더 신속한 사이클 시간 및 반응기 부피의 보다 최적의 충전을 가능하게 한다. 상기 단계 각각 및 비응축 가스를 취급하는 방법을 포함하는 스팀을 재순환시키는 방법의 국제 특허 제WO 2011/006854호로부터의 상세사항은 본 명세서에 참고로 포함된다.
대안적으로, 국제 특허 제WO 00/73227호에는 대략 100℃의 온도로의 예열, 130 내지 180℃에서 달라질 수 있는 가압 반응기에서의 열 처리, 및 즉각적인 압력 감소(스팀 폭발/습식 폭발)를 포함하는 바이오매스의 연속적인 가수분해에 적합한 방법 및 배열이 기술되어 있다. 상기 단계 각각 및 스팀/쓰레기를 재순환시키는 방법 및 열 교환기의 사용의 국제 특허 제WO 00/73227호로부터의 상세사항은 본 명세서에 참고로 포함된다.
추가로, 국제 특허 제WO 96/09882호에는 가수분해에 적합한 방법 및 장치가 기술되어 있는데, 여기서 예열된 유기 물질과 임의로 물의 혼합물이 반응기에 공급되고, 더 높은 압력을 갖는 후속 반응기로부터 재순환된 스팀에 의해서 가열된다. 후속 반응기에서 압력이 추가로 감소된 후, 물질은 압력 차이에 의해서 또는 펌프의 도움으로 이송된다. 제1 반응기 및 후속 반응기 내의 온도는 전형적으로 120 내지 150℃이다. 그 후, 추가 반응기로 이송됨으로써 처리된 물질이 스팀 폭발 처리된다. 방법은 스팀의 직접 사용으로 인해서 더 단순하여, 더 단순한 장비 및 더 적은 유지 문제를 가능하게 하는 것으로 기술되어 있다. 상기 단계 각각 및 압력 및 온도를 조절하는 방법의 국제 특허 제WO 96/09882호로부터의 상세사항은 본 명세서에 참고로 포함된다.
바람직한 전처리 단계뿐만 아니라 소화의 추가 상세사항을 하기에 제공한다:
열 가수분해
본 발명의 방법은 포화 압력에서, 140 내지 220℃의 온도에서의 열 가수분해 단계를 적어도 포함하는 전처리를 포함한다. 바이오매스 및/또는 유기 폐기물 물질 및 - 적용 가능한 경우 - 마그네슘 이온 공급원이 반응기에 도입되는데, 여기서 물질은 혼합되고, 포화 압력에서, 140 내지 220℃, 바람직하게는 140 내지 200℃, 보다 바람직하게는 150 내지 190℃, 보다 더 바람직하게는 160 내지 180℃, 가장 바람직하게는 170℃까지 직접 또는 간접 스팀을 사용하여 가열된다. 목적하는 온도 및 목적하는 압력이 도달되는 경우, 물질은 이러한 조건 하에서 5 내지 30분, 바람직하게는 10 내지 25분, 보다 바람직하게는 10 내지 20분, 가장 바람직하게는 15 내지 20분 동안 유지될 수 있다.
상이한 국가 또는 지리학적 영역은 그것을 예를 들어, 토양-개량제 또는 비료로서 사용하기 전에 소화물 생성물의 멸균 또는 열처리를 위한 요건에 대해서 상이한 법규를 갖는다. 이러한 요건은 전형적으로 적용된 바이오매스 물질에 좌우될 수 있고; 예를 들어, 바이오매스 물질이 도축장 폐기물, 쓰레기, 거름, 바이오솔리드(biosolid), 유기성폐기물 또는 폐기물 스트림을 포함하는 경우, 특정 유형의 바람직하지 않거나 또는 심지어는 유해한 미생물, 예컨대, 이.콜라이(E.coli), 엔테로코카케아에(Enterococcaceae) 및 살모넬라(Salmonella)로 농경지가 오염되는 것을 방지하기 위해서 멸균을 위한 요건이 전형적으로 존재할 수 있다. 완전 멸균을 위한 법규 요건은 전형적으로 133℃ 이상에서 20분 동안의 열 처리를 요구하는데, 여기서 온도 증가가 처리 시간 감소를 가능하게 한다.
바이오매스 물질을 가수분해 및 분해시켜 바이오가스 형성을 용이하게 하는 본 명세서 상기에 기술된 주요 목적뿐만 아니라, 전처리는 바람직하지 않은 미생물의 존재를 최소화시키고, 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 형태의 최종 생성물이 예를 들어, 농장에서 토양-개량제 또는 비료로서 직접 사용될 수 있는 것을 용이하게 하기 위해서 추가로 사용된다. 이러한 방식에서, 소화물 생성물 중에 포함된 MAP는 폐수가 되어 환경에 유해하게 되는 것 대신에 회수되어, 흙으로 되돌아 간다. 적용되는 바이오매스 물질에 따라서, 멸균이 필요할 수 있거나 필요하지 않을 수 있고, 따라서 본 발명의 열 가수분해는 일반적으로 포화 압력에서 140 내지 220℃의 온도에서 5 내지 60분 동안 일어날 수 있다. 멸균이 필요한 본 발명의 실시형태에서, 열 가수분해는 포화 압력에서, 바람직하게는 140 내지 180℃의 온도에서 20 내지 40분 동안, 보다 바람직하게는 140 내지 165℃의 온도에서 20 내지 30분 동안 일어난다. 통상의 기술자는 멸균이 또한 20분보다 더 짧은 시간 간격 동안 140℃를 초과하는 온도에서 얻어질 수 있고, 즉, 온도가 높을수록 짧은 시간 간격이 필요함을 알고 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 구체적인 실시형태에서 공정에 도입되는 바이오매스 물질이 산업 폐기물, 예컨대, 예를 들어, 도축장 폐기물, 산업 쓰레기, 또는 도시 쓰레기; 농업 폐기물, 예컨대, 예를 들어, 거름; 바이오솔리드; 유기성폐기물; 및 폐기물 스트림으로부터 선택된 1종 이상의 바이오매스 물질을 포함하는 경우, 열 가수분해에 의한 전처리를 위한 조건은 소화물 생성물의 멸균을 보장하도록 선택된다.
본 발명의 구체적인 일 실시형태에서, 열 가수분해는 140℃ 내지 220℃의 온도에서 수행되고, 5 내지 30분 동안 유지되고, 그 다음 압력을 5 내지 35bar에서 대기압 이하까지 감소시킴으로써 수행되는 습식 폭발이 이어진다.
방법은 열 가수분해 후에 그리고 전처리된 물질을 소화 탱크에 도입하기 전에 사전 냉각 단계를 추가로 포함할 수 있다.
습식 폭발
이어서, 열적으로 가수분해되고 임의로 산화된 물질은 하나 이상의 플래시 탱크(들)에 안내될 수 있고, 여기서 압력은 적어도 5bar, 바람직하게는 5 내지 35bar, 보다 바람직하게는 15 내지 35bar에서, 대략 1bar 이하, 즉 대기압 또는 대기압 미만까지 감소된다. 일부 예에서, 제1 또는 추가 플래시 탱크에서 감소된 압력이 존재하여 바이오매스의 탱크로의 이송을 용이하게 할 수 있고, 이러한 경우 압력 강하는 1bar 미만이다. 이러한 임의적인 습식 폭발 동안 대부분의 세포 구조는 붕괴된다. 습식 폭발 직후, 산화된 물질의 온도는 전형적으로는 95 내지 120℃의 범위, 바람직하게는 95 내지 110℃, 보다 바람직하게는 100 내지 110℃의 범위, 가장 바람직하게는 100 내지 107℃의 범위여서, 물질이 멸균되게 한다.
습식 폭발은 하나의 압력 경감 탱크에서 일어날 수 있거나 또는 2개 이상의 압력 경감 탱크에서 순차적으로 수행될 수 있다. 용어 '플래시 탱크' 및 용어 '압력 경감 탱크'는 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용된다.
습식 폭발 단계 동안 우세한 온도를 고려하여, 상기 유동이 습식 폭발에 유입되기 이전에 또는 습식 폭발 동안 마그네슘 이온 공급원이 또한 공정 유동에 첨가될 수 있고, 이것은 원칙적으로 마그네슘 이온 공급원이 열 가수분해 단계에 유입되는 바이오매스에 첨가되는 공정에 대해서 상기에 기술된 것과 동일한 다수의 이점을 초래할 것이다.
본 발명의 구체적인 실시형태에서 전처리(즉, 적어도 열 가수분해 단계를 포함함)는 상기 열 가수분해 이후에 습식-폭발을 추가로 포함하고, 여기서 압력은 적어도 5bar에서 1bar 이하로 감소된다. 습식 폭발을 포함하는 본 발명의 방법의 실시형태에서, 마그네슘 이온 공급원을 첨가하는 단계는 열 가수분해 이후에 또는 습식 폭발 동안 수행될 수 있다.
산화
열 가수분해의 종결 이후 그러나 임의적인 습식 폭발 이전에, 전처리는 추가 습식-산화 단계를 임의로 포함할 수 있다. 바람직한 습식-산화는 물질에 적절한 산화제를 첨가함으로써 수행될 수 있다. 산화제는 바람직하게는 리그닌의 함량에 좌우될 수 있고 전형적으로는 물질의 COD(화학적 산소 요구량) 함량의 2 내지 20%, 바람직하게는 3 내지 19%, 보다 바람직하게는 5 내지 17%, 예컨대, 바람직하게는 7 내지 16%, 보다 바람직하게는 8 내지 15%, 예컨대, 바람직하게는 9 내지 14%, 보다 바람직하게는 10 내지 13%에 상응하는 양의 산소, 과산화수소 또는 공기일 수 있고, 이것은 반응기에서 압력 발달에 의해서 결정될 수 있다.
압력 및 온도는 습식 산화와 관련하여 각각 15 내지 35bar, 바람직하게는 20 내지 35bar, 보다 바람직하게는 25 내지 35bar, 가장 바람직하게는 30 내지 35bar 및 170 내지 210℃, 바람직하게는 180 내지 200℃, 보다 바람직하게는 190 내지 200℃까지 증가될 수 있다. 일 실시형태에서 산화는 이전 단계의 열 가수분해에서의 포화 압력을 초과하는 압력에서 일어난다. 목적하는 압력 및 목적하는 온도가 산화제의 첨가 후에 도달된 경우, 이러한 조건은 1 내지 30분, 바람직하게는 5 내지 25분, 보다 바람직하게는 10 내지 20분, 가장 바람직하게는 15 내지 20분 동안 유지될 수 있다. 임의로, 습식 산화 반응의 종결 후, 물질의 압력은 부분적으로 5 내지 10bar까지 부분적으로 해제될 수 있다. 이러한 경우, 임의적인 후속 습식 폭발이 수행될 수 있는 압력 간격은 1 내지 5bar이다. 압력의 부분적인 해제가 수행되는 경우, 압력 간격은 1 내지 35bar이다.
구체적으로 열 가수분해, 습식-산화 및 습식 폭발을 조합함으로써 전처리가 수행되는 경우, 본 발명의 방법에 의해서 추가로 상당한 이점이 수득된다. 예를 들어, 단계의 이러한 조합은 최대 50cm의 입자 크기를 갖는 불량하게 분할된 물질을 가공하는 것을 가능하게 한다. 추가로, 방법은 전처리의 유효성의 감소가 인지되지 않으면서 최대 50중량%의 건조 물질 농도로 작동될 수 있다. 열 가수분해, 습식-산화 및 습식-폭발을 조합함으로써 전처리를 수행하는 방법의 추가 상세사항은 본 명세서에 참고로 포함된 국제 특허 제2006/032282호에서 찾아볼 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시형태에서, 방법은 열 가수분해 공정 이후에 그리고 임의적인 습식 폭발 이전에 습식 산화를 포함하고, 습식 산화는 5 내지 35bar의 압력에서 수행되고, COD(화학적 산소 요구량)의 2 내지 20%의 양의 산화제의 첨가를 포함하고; 습식 산화는 바람직하게는 15 내지 35bar의 압력 및 170 내지 210℃의 온도에서 수행될 수 있고, 1 내지 30분 동안 유지될 수 있다.
소화
본 발명에 따른 방법에서, 전처리된 바이오매스 물질은 하나 이상의 소화 탱크(들)에서 혐기성 소화되어 바이오가스 및 고체 또는 반고체 소화물 생성물을 생성시킨다.
전형적으로 연속식 공정 또는 배취식 공정 중 어느 하나를 위한 새로운 소화 탱크가 설정되려는 경우, 기존의 설비로부터의 이미 가공된 물질로의 접목(inoculation)을 수행하여 혐기성 소화를 시작할 수 있다.
소화 단계는 가수분해된 바이오매스 물질의 구성성분을 바이오가스로 분해할 수 있는 임의의 미생물을 이용할 수 있다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자에게 널리 공지된 바와 같이, 이러한 미생물은 예를 들어, 20 내지 45℃, 또는 보다 구체적으로는 30 내지 38℃의 중온성(mesophilic) 소화(여기서 중온성균(mesophile)이 존재하는 주요 미생물임)에 적합할 수 있거나; 또는 예를 들어, 49 내지 70℃, 또는 보다 구체적으로는 49 내지 57℃의 호열성(thermophilic) 소화(여기서 호열성균(thermophile)이 존재하는 주요 미생물임)에 적합할 수 있다.
임의의 적합한 공지된 유형의 소화 탱크가 본 발명에 따른 방법에 포함된 혐기성 소화 단계를 수행하는 데 이용될 수 있다. 전형적으로, 연속 교반 탱크 반응기, 또는 혼합 시스템에 대해서 개작된 유사한 적합한 소화 탱크가 사용될 수 있다. 전형적으로 본 발명의 소화는 연속식 공정으로서 수행될 수 있다. 그러나, 하나 초과의 소화 탱크가 본 발명에 따른 방법 및 처리 플랜트에 포함되어 더 큰 용량을 제공할 수 있고, 이러한 추가 소화 탱크는 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서 2개 이상의 소화 탱크는 병렬 작동으로 존재한다. 본 발명에 따른 공정에 전형적인 수리학적 체류 시간(Hydraulic Retention Time: HRT)은 10 내지 20일, 바람직하게는 18일 미만, 보다 바람직하게는 11 내지 15일이다.
MAP의 형성은 전처리 및 소화 탱크에서의 후반 소화 둘 모두 동안의 pH에 좌우된다. MAP의 형성은 pH 증가로 증가한다. 전형적으로 7.0 초과의 pH 값이 MAP 형성을 증가시킬 수 있고, MAP 형성 동안 pH 값은 바람직하게는 적어도 7.5, 예컨대, 예를 들어, 7.5 내지 9.0 또는 7.5 내지 8.5의 pH 범위, 보다 바람직하게는 적어도 7.9의 pH, 예컨대, 예를 들어, 7.9 내지 9.0 또는 7.9 내지 8.5의 pH 범위를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법에서 전처리된 바이오매스 물질은 7.5 내지 8.5의 범위의 pH에서 소화 탱크에서 소화되고, 본 발명의 바람직한 실시형태에서 소화 탱크 내의 pH는 7.5 내지 8.3 범위; 보다 바람직한 실시형태에서는 7.9 내지 8.3의 범위이다.
소화 단계 동안 전처리된 바이오매스 물질은 전환되고, 예를 들어, 단백질 및 다른 질소 함유 물질이 암모니아를 방출하고, 이에 의해서 소화물의 pH가 증가한다. 열 가수분해 전처리로 인해서, 물질은 감소된 점도를 가져서 소화장치로의 더 높은 공급 속도가 가능하고, 소화장치에서 증가된 유기물 전환이 추가로 가능하다. 공급 속도가 높고, 유기물 전환이 양호할수록 더 많은 암모니아가 방출되고, 소화장치의 pH가 더 높다. 소화 탱크 내의 소화물의 부피가 전처리 단계로부터 여기에 첨가된 부피보다 상당히 더 크기 때문에, 소화물은 특정 완충제 능력을 가져서 전처리로부터의 약간 더 산성인 공급물이 소화물의 pH에 어떠한 유의한 정도로도 영향을 미치지 않을 것이다. 그러나, 본 발명에서, 전통적인 소화 탱크 내에서보다 소화 탱크 내에서 더 높은 pH를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 추가로, 전처리된 물질의 pH는 사용되는 특정 바이오매스에 좌우될 수 있고, 소화물에 대한 임의의 pH 효과는 공급 속도에 추가로 좌우될 수 있다. 따라서 본 발명의 방법의 pH는 하기에 추가로 기술된 바와 같이, 바이오가스 생성물의 사용에 의해서 제어될 수 있다.
소화 단계 동안, 생산된 바이오가스는 소화 탱크로부터 연속적으로 제거될 수 있다. 직접적으로 수득된 바이오가스는 전형적으로 주요 생성물로서 메탄, 이산화탄소 및 황화수소를 포함할 것이다. 본 발명에 따른 방법에서 메탄과 이산화탄소 간의 비는 전형적으로 60:40이다.
본 발명자들은 소화 동안 형성되는 이산화탄소의 평형을 변화시킴으로써 소화 탱크 내의 pH 값이 MAP의 형성을 선호하도록 제어될 수 있다는 것을 발견하였다. 선행 기술 방법에서, pH 값을 증가시키고, MAP 형성을 유도하기 위해서 공정 동안 일부 지점에서 전형적으로 알칼리제를 첨가한다. 또한 배경 기술 부분에 기술된 바와 같이, 한 경우에, 이산화탄소가 첨가되어 pH를 낮추고, 이에 의해서 공정 장비에서 스케일링이 방지되었고, 그 다음 가스 스트리퍼 칼럼에 의해서 폐수로부터 제거되어 pH를 증가시켰다. 본 발명의 방법에서 소화 탱크의 pH는 생산된 바이오가스로부터 이산화탄소를 제거함으로써 제어된다. 액체 또는 반고체 소화물로부터 추가 이산화탄소를 제거하기 위해서 제거된 바이오가스는 이산화탄소 분리된다. 이러한 분리는 산업 공정과 관련하여 이산화탄소 분리를 위해서 일상적으로 적용되는 방법 중 임의의 것에 의해서 달성될 수 있다. 이산화탄소 제거된 바이오가스, 즉, 메탄 풍부 가스를 소화 탱크 내에 부분적으로 재도입함으로써, 메탄의 분압이 증가되고, 추가 이산화탄소가 액체 또는 반고체 소화물로부터 탈기되는데, 이것이 제거를 가능하게 한다. 제거되는 이산화탄소가 많을수록 pH 값이 더 높다. 이러한 방식에서, pH는 소화 탱크에서 생산된 바이오가스의 본래 구성성분의 사용에 의해서 조절될 수 있다. 이산화탄소를 탈기시키기 위해서 공정 스트림에 어떠한 화학물질도 첨가되지 않고, 어떠한 추가 외부 가스 스트리핑 칼럼 또는 외부 가스 스크러빙도 필요하지 않다.
용어 이산화탄소 감소된 바이오가스를 "부분적으로" 재도입하는 것은, 이산화탄소 감소된 바이오가스의 부분량을 재도입하고, 여기서 그 양은 소화 탱크 내의 소화물의 pH 값에 따라서 더 크거나 또는 더 작을 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어 이산화탄소 감소된 바이오가스의 특정량을 재도입하고, 따라서 추가 이산화탄소의 소화 탱크를 스트리핑하고, 목적하는 pH를 수득한 후, 재도입되는 양은 pH의 조정이 다시 필요할 때까지 거의 0으로 감소될 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태에서 소화 탱크 내의 MAP 농도는 MAP 분리 처리에 소화물의 부분량을 적용하고, 그 후 임의의 남아있는 고체 또는 반고체를 소화 탱크에 재도입함으로써 감소된다. MAP 분리는 예를 들어 사이클론 또는 원심분리기에 의해서 수행될 수 있다. 본 발명의 방법의 구체적인 실시형태에서, 소화 탱크에서의 MAP 농도의 농도를 감소시키는 임의적인 단계가 방법에 존재한다. 이러한 방식으로 소화물의 부분량으로부터 분리된 MAP는 그 후 추가 정제되어 예를 들어, 바람직하지 않은 소화물 입자가 제거될 수 있다. 따라서, 본 방법의 구체적인 실시형태에서, MAP 감소 단계가 존재하는 경우, 그 방법은 분리된 MAP의 정제를 추가로 포함한다. 이것은 예를 들어, 이렇게 분리된 MAP가 상업적인 비료 생성물에서 사용되려는 경우 바람직할 수 있다. 전형적으로 정제는 분리된 MAP를 물로 헹굼으로써 수행될 수 있다.
탈수
소화 탱크로부터의 소화물은 고체 또는 반고체 소화물 생성물을 수득하기 위해서 탈수에 의한 분리에 추가로 적용될 수 있다. 공정의 이러한 단계에서의 탈수는 임의의 널리 공지된 방법, 예컨대, 예를 들어, 원심분리기, 디캔터 원심분리기, 벨트 프레스, 필터 프레스, 스크류 프레스 또는 유사한 시스템에 의해서 수행될 수 있다.
전형적으로, 전처리된 및/또는 소화된 바이오매스 물질의 탈수는, 충분한 입자 분리 및 쓰레기 탈수를 얻기 위해서, 응고제 및/또는 응집제, 예컨대, 예를 들어, 폴리아크릴아마이드계 중합체(유기 중합체, 건조 분말 중합체, 에멀션/액체 중합체)의 첨가가 필요할 수 있다. 쓰레기 및 폐수 중의 인산염 이온이 하이드로젤의 형성을 안정화시키고, 따라서 처리된 바이오매스의 물 흡수 능력을 증가시킬 것이라는 것이 널리 공지되어 있다. 이러한 방식에서, 인산염은 탈수 효율을 감소시키고, 폐기물 생성물(예를 들어, 소화물 생성물)에서 건조 물질 함량을 낮춰서 응고제 및/또는 응집제의 증가된 사용에 대한 필요성을 초래할 수 있다. 본 발명은 응고제 및/또는 응집제의 사용에 대한 필요성을 감소 또는 제거하고, 동시에 탈수 효율을 증가시키는데, 그 이유는 인산염 이온이 소화 공정 동안 MAP로서 침전되기 때문이다.
따라서, 소화 탱크로부터 직접 수득된 소화물의 탈수 후에 고체 또는 반고체 소화물 생성물 중에서 얻을 수 있는 건조 물질 함량은, 공정 유동으로부터의 물의 더 양호한 분리로 인해서, 표준 공정보다 더 높을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 회수된 MAP를 혼입한 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 건조 물질 함량은 적어도 표준 공정만큼 높다. 소화물의 건조 물질 함량이 표준 공정보다 더 낮은 경우, 소화물을 탈수 단계에 적용하여 통합 부분으로서 회수된 MAP를 포함하는 고체 또는 반고체 소화물 생성물을 수득하는 것이 특히 바람직하다.
비료 및 토양 개량제
제2 양상에서, 본 발명은 토양 개량제 및/또는 비료로서의 본 발명의 방법으로부터의 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 용도에 관한 것이다. 본 명세서 다른 곳에 기술된 바와 같이, 본 발명의 방법은 최대 허용 가능한 인산염 함량의 임의의 법규 요건을 충족시키기 위해서 고체 또는 반고체 소화물 생성물에서 MAP 함량을 감소시키기 위한 수단을 제공한다. 바람직한 실시형태에서 고체 또는 반고체 소화물 생성물은 비료로서 사용된다.
대안적인 양상은 토양 개량제 및/또는 비료; 바람직하게는 비료의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법으로부터의 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 용도에 관한 것이다. 예를 들어, 구체적인 농업 목적에 따라서, 토양 개량제 및/또는 비료로서 생성물을 적용하기 전에 추가의 특정 영양소 및/또는 미네랄을 첨가하는 것이 바람직할 수 있다.
바이오매스 처리 플랜트
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법에 대해서 기술된 바와 동일한 이점을 달성하는 장치 -바이오매스 처리 플랜트 -에 관한 것이다.
본 발명의 제3 양상은 바이오가스를 생산하고, 동시에 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서, 처리된 바이오매스 물질로부터, 마그네슘 암모늄 인산염(MAP), 또는 이의 수화물로서 인산염을 회수하기 위한 바이오매스 처리 플랜트에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 바이오가스의 생산을 위한 바이오매스 처리 플랜트에 관한 것이며, 상기 바이오매스 처리 플랜트는,
- 미처리 바이오매스 물질을 공급하기 위한 바이오매스 물질 유입구(1)를 갖고, 전처리된 바이오매스 물질 유출구를 갖는 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2);
- 상기 전처리된 바이오매스 물질 유출구에 연결된 전처리된 바이오매스 물질 유입구를 갖고, 바이오가스 유출구(9) 및 통합 부분으로서 회수된 마그네슘 암모늄 인산염(MAP)를 포함하는 소화물 생성물을 위한 적어도 하나의 소화물 생성물 유출구(5)를 갖는 적어도 하나의 소화 탱크(3);
- 상기 바이오가스 유출구(9)에 연결된 바이오가스 유입구를 갖고, 이산화탄소 유출구(13) 및 이산화탄소 감소된 바이오가스 유출구(11)를 갖는 이산화탄소 분리 장치(10)를 포함하되;
- 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2)는 스팀 공급원에 연결된 스팀 유입구가 구비되어 있고, 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2)는 포화 압력에서, 140 내지 220℃의 온도에서 열 가수분해를 수행하도록 개작되어 있고;
- 적어도 하나의 소화 탱크(3)는 전처리된 바이오매스 물질을 7.5 내지 8.5의 범위의 pH에서 혐기성 소화시킴으로써 소화물을 제공하도록 개작되어 있고;
- 마그네슘 이온 공급원 유입구는 전처리된 바이오매스를 바이오매스 소화 탱크(3) 내로 도입하기 이전에 마그네슘 이온 공급원(4)을 바이오매스에 첨가하도록 배열되어 있고; 그리고
- 이산화탄소 분리 장치(10)의 이산화탄소 감소된 바이오가스 유출구(11)는 바이오매스 처리 플랜트의 생산된 바이오가스 유출구(14)에 연결되어 있고 수득된 이산화탄소 감소된 바이오가스를 소화 탱크에 부분적으로 재도입하기 위해서 소화 탱크(3)의 이산화탄소 감소된 바이오가스 유입구(12)에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
바이오매스 처리 플랜트는 소화 탱크로부터 직접 방출 유출구(들), 즉 소화물 생성물 유출구(5)를 가질 수 있거나, 또는 그것은 분리기(6), 예를 들어, 탈수 장치를 통해서, 또는 분리기를 통해서 그리고 소화 탱크로부터 직접 둘 모두의 방식으로 방출 유출구를 가질 수 있다. 일 실시형태에서, 고체의 분리를 위한 분리기(6)가 소화 탱크 방출 유출구(5)에 연결되어 있는데; 분리기(6)는 증가된 건조 물질 함량을 갖는 하나의 유출구(8), 즉 탈수된 소화물 케이크 유출구, 및 더 낮은 물질 함량을 갖는 하나의 유출구(7), 즉 액체 상 방출 유출구를 갖고, 더 높은 건조 물질 함량을 갖는 유출구는 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서 MAP를 혼입한 공정으로부터의 방출 유출구이다. 분리기, 바람직하게는 탈수 장치는 바람직하게는 원심분리기, 디캔터 원심분리기, 벨트 농축장치(belt thickener), 벨트 프레스, 필터 프레스, 스크류 프레스 또는 유사한 시스템으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시형태에서 바이오매스 플랜트는 탈수 장치를 포함하는데, 여기서 소화 탱크(3)로부터의 소화물 생성물 유출구(5)는 액체 상 방출 유출구(7) 및 통합 부분으로서 회수된 MAP를 혼입한 고체 또는 반고체 소화물 생성물을 위한 탈수된 소화물 생성물 유출구(8)를 갖는 탈수 장치(6)에 연결되어 있다.
본 발명에 따른 바이오매스 플랜트는 소화 탱크에서 소화물의 MAP 농도를 감소시키기 위해서 개작된 MAP 분리 단계를 임의로 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태는 순환 펌프(16)를 통해서 상기 소화 탱크(3)의 바닥에 배열된 소화물 유출구(15)에 연결된 소화물 유입구를 갖는 MAP 분리 장치(17)를 추가로 포함하며, 상기 MAP 분리 장치는 MAP 풍부 유출구 및 소화 탱크(3)의 MAP 감소된 소화물 유입구에 연결된 MAP 감소된 소화물 유출구(18)를 갖고, 여기서 MAP 풍부 유출구는 MAP 방출 유출구이다. MAP 감소된 소화물 유출구(18)는 온도 제어 장치(19)를 통해서 소화 탱크의 MAP 감소된 소화물 유입구에 추가로 연결될 수 있다. 추가로, MAP 분리 장치(17)의 상기 MAP 풍부 유출구는 MAP 정제 유닛(20)에 추가로 연결될 수 있고, 상기 MAP 정제 유닛은 정제된 MAP 방출 유출구(22) 및 제2 소화 탱크 유입구에 연결되거나 또는 대안적으로 폐기물에 연결된 과량의 물 유출구(21)를 갖는다. 정제 유닛(20)에는 물 유입구가 추가로 구비될 수 있다. MAP 정제 유닛(20)을 포함시킴으로써, 분리된 MAP의 품질을 제어하는 것이 가능하고, 물 유입구가 포함된 경우 세척수의 첨가 및 이로 인한 추가 정제가 가능하다.
본 발명의 구체적인 실시형태에서 바이오매스 플랜트는 상기 MAP 분리 장치(17)로부터의 MAP 풍부 유출구에 연결된 MAP 정제 유닛(20)을 포함하고, 상기 MAP 정제 유닛(20)은 정제된 MAP 방출 유출구(22) 및 제2 소화 탱크 유입구에 연결되거나 또는 폐기물에 연결된 과량의 물 유출구(21)를 갖는다.
본 발명의 실시형태에서 본 발명의 바이오매스 플랜트 또는 방법이 상기에 기술된 바와 같은 MAP 분리 단계를 포함하는 경우, 공정으로부터 방출된 탈수된 소화물 케이크(5) 또는 (8)는 이러한 MAP 분리를 포함하지 않은 플랜트와 대조적으로 상대적으로 더 적은 MAP를 포함할 것이다. 공정이 MAP 분리 단계를 포함하지 않는 경우, 소화 탱크(3)는 바람직하게는 혼합 시스템을 포함할 수 있다. 혼합 시스템은 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)의 형태의 소화 탱크(3)에 포함될 수 있거나, 또는 혼합 시스템은 임의의 일반적으로 공지된 시스템으로부터 선택될 수 있다. 공정이 MAP 분리 단계를 포함하는 경우, 소화 탱크의 혼합 시스템은 바람직하게는 소화 탱크의 바닥에 배열된 소화물 유출구로부터 침강된 MAP를 포함하는 소화물의 추출을 가능하게 하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 방법과 관련하여 본 명세서에 기술된 바와 같이 소화물 중의 MAP의 감소는 입수 가능한 바이오매스 물질의 인산염 함량 또는 비료에 대한 임의의 지방 법규에 좌우될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서 소화 탱크로부터의 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 MAP 함량은 소화 탱크 내에서 인산염 함량을 측정하고, 측정된 인산염 함량을 기초로 MAP 분리 장치에 대한 유동을 조절함으로써 제어된다. 따라서, MAP 분리 장치를 갖는 바이오매스 처리 플랜트의 일 실시형태에서, MAP 분리 장치(17)의 소화물 유입구는 인산염 제어 밸브를 통해서 소화 탱크(3)의 소화물 유출구(15)에 연결되어 있고; 여기서 소화 탱크(3), 바이오매스 물질 유입구 (1) 또는 소화물 생성물 유출구(5)에는 인산염 센서 또는 샘플링 시스템이 구비되어 있고; 여기서 제어 장치는 인산염 센서에 의해서 측정된 인산염 값을 기초로 인산염 제어 밸브를 제어하도록 개작되어 있다. 바람직하게는, 소화 탱크(3) 또는 소화물 생성물 유출구(5); 및 보다 바람직하게는 소화 탱크(3)에는 인산염 센서 또는 샘플링 시스템이 구비되어 있을 수 있다.
바이오매스 처리 플랜트의 구체적인 실시형태에서 이산화탄소 분리 장치(10) 의 이산화탄소 감소된 바이오가스 유출구(11)는 제어 밸브를 통해서 소화 탱크(3)의 이산화탄소 감소된 바이오가스 유입구에 연결되어 있고; 여기서 소화 탱크(3)에는 pH 센서가 구비되어 있고; 여기서 제어 장치는 pH 센서에 의해서 측정된 pH 값을 기초로 제어 밸브를 제어하도록 개작되어 있다.
마그네슘 이온 공급원 유입구는, 전처리된 바이오매스를 바이오매스 소화 탱크(3)에 도입하기 전에, 마그네슘 이온 공급원(4)을 바이오매스 또는 전처리된 바이오매스 물질에 첨가하도록 배열될 수 있다. 따라서, 마그네슘 이온 공급원 유입구(4)는 바이오매스 전처리 반응기(들)(2)의 유입구를 통해서, 또는 바이오매스 전처리 반응기(들)의 상류를 통해서(그러나 전처리된 바이오매스가 소화 탱크(들)에 유입되기 이전에), 바이오매스 전처리 반응기(들)의 하류에서 마그네슘 이온 공급원을 첨가하도록 배열될 수 있다. 바람직하게는 마그네슘 이온 공급원 유입구(4)는 바이오매스 전처리 반응기(들)의 하류에서 또는 바이오매스 전처리 반응기(들)의 유입구를 통해서 마그네슘 이온 공급원을 첨가하도록 배열될 수 있다.
적어도 하나의 산화 반응기 및/또는 적어도 하나의 압력 경감 반응기를 포함하는 바이오매스 처리 플랜트의 실시형태에서, 마그네슘 이온 공급원 유입구는 이러한 반응기의 하류에서, 이들 반응기 중 임의의 것에 대한 유입구를 통해서, 또는 이들 반응기 중 임의의 것의 상류에서(그러나 전처리된 바이오매스가 소화 탱크(들)에 유입되기 이전에) 마그네슘 이온 공급원을 첨가하도록 추가로 배열될 수 있다.
본 명세서에 언급된 '전처리 반응기'는 또한 '열 가수분해 반응기'라 지칭될 수 있다. 전처리 반응기(2)의 전처리된 바이오매스 물질 유출구는 소화 탱크(3)에 유입되기 전에 전처리된 바이오매스 물질의 온도를 제어하도록 개작된 사전 냉각 장치(23)에 추가로 연결될 수 있다. 바이오매스 처리 플랜트는 바이오매스 전처리 반응기의 전처리 바이오매스 물질 유출구에 연결된 전처리된 바이오매스 물질 유입구 및 소화 탱크의 전처리된 바이오매스 물질 유입구에 연결된 제2 바이오매스 전처리 반응기 유출구를 갖는 적어도 하나의 압력 경감 반응기를 추가로 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 적어도 하나의 압력 경감 반응기는 압력이 적어도 5bar, 예를 들어, 5 내지 35bar에서, 1bar 이하로 감소되는 습식 폭발에 적어도 열 가수분해 전처리된 바이오매스 물질을 적용하도록 개작될 수 있다.
바이오매스 처리 플랜트는 바이오매스 전처리 반응기의 전처리 바이오매스 물질 유출구에 연결된 전처리된 바이오매스 물질 유입구 및 존재하는 경우, 압력 경감 반응기의 전처리된 바이오매스 물질 유입구에 또는 소화 탱크의 전처리된 바이오매스 물질 유입구에 연결된 제3 바이오매스 전처리 반응기 유출구를 갖는 적어도 하나의 산화 반응기를 추가로 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 적어도 하나의 산화 반응기는 열 가수분해 전처리된 바이오매스 물질을 15 내지 35bar의 압력 및 170 내지 210℃의 온도에서 습식-산화시키도록 개작될 수 있다.
대규모 장비의 경우, 열 가수분해 전처리를 위해서, 하나를 초과하는 바이오매스 전처리 반응기, 예를 들어, 2개, 3개 또는 4개의 바이오매스 전처리 반응기를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 방식에서, 지연된 사이클로 몇몇 배취를 실시하는 것이 가능하고, 이에 의해서 소화 탱크(들)에 대한 산출물이 시간에 따라서 분포되고, 뿐만 아니라 바이오매스 전처리 반응기를 가열하기 위해서 요구되는 스팀 투입물이 보다 균일하게 분포된다. 후자는 스팀 생산 설비의 치수 및 이에 대한 에너지 요구에 바람직하다. 이러한 방식에서, 소화 탱크에 대한 반-연속식 유동이 수득될 수 있다. 추가로, 열 가수분해 전처리를 위해서 하나 초과의 반응기를 포함하는 것의 추가 이점은, 바이오매스를 바이오매스 전처리 반응기에 공급하는 것에 있어서의 연속성의 증가의 상류 이점이다.
본 발명의 방법과 관련하여 본 명세서에 기술된 특징부 및 실시형태는 필요한 부분만 약간 수정하여 본 발명에 따른 장치, 바이오매스 처리 플랜트에 적용되며, 그 역도 가능하다.
도면의 상세한 설명
도 1은 소화 탱크로부터 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서, MAP로서 인산염을 회수하기 위한 방법 및 바이오매스 처리 플랜트의 개략도이다. 바이오매스 물질(1)은 포화 압력에서, 높은 온도 및 압력, 전형적으로는 140 내지 220℃에서 열 가수분해를 수행하도록 개작될 열 가수분해를 위한 하나 이상의 바이오매스 전처리 반응기(들)(2)에 공급된다. 마그네슘 이온 공급원 유입구(4)는 바이오매스 전처리 반응기(들)에 유입되기 전에 바이오매스에 첨가되거나 또는 대안적으로는 바이오매스 전처리 반응기(들) 내의 바이오매스에 첨가된다(도시되지 않음). 이어서 높은 압력에서 스팀은 충분히 높은 온도 및 압력에 도달될 때까지 반응기(들)에 첨가될 수 있다(도시되지 않음). 적절한 보유 시간이 경과된 후, 이어서 이제 전처리된 바이오매스가 증가된 pH(전형적으로 7.5 내지 8.5의 범위)에서 소화를 위해서 혐기성 소화 탱크(3)에 공급된다. 혐기성 소화 탱크(3)는 전형적으로는 빌드(build) 혼합 시스템, 예컨대, 연속 교반 탱크 반응기를 갖는 소화 탱크일 수 있다. 소화 동안 pH는 소화 탱크(3)로부터 바이오가스(9)를 연속적으로 제거함으로써 제어될 수 있고, 바이오가스는 각각 바이오가스를 이산화탄소(13) 분획 및 이산화탄소 감소된 바이오가스(11) 분획으로 분리하기 위한 이산화탄소 분리 장치(10)로 안내된다. 이산화탄소 감소된 바이오가스(12)의 일부는 소화 탱크(3)로 다시 안내되고, 이산화탄소 감소된 바이오가스(15)의 나머지는 생성물로서 제거된다. 소화 탱크(3)로부터의 소화물(5)은 탈수되어(6) 통합 부분으로서 회수된 MAP를 포함하는 탈수된 소화물 케이크(8)로서의 고체 또는 반고체 소화물 생성물, 및 액체 상 또는 물 풍부 방출물(7)을 제공할 수 있다.
도 2는 소화물의 MAP 농도를 감소시키고, 전처리된 바이오매스를 사전 냉각시키는 임의적인 작동(23)을 포함하는, 소화 탱크로부터 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서, MAP로서 인산염을 회수하기 위한 방법 및 바이오매스 처리 플랜트의 개략도이다. 도 2는 다수의 추가의 추가적인 임의적인 특징부를 포함하고, 이들 중 하나, 몇몇 또는 전부가 본 발명에 따른 방법 및/또는 처리 플랜트에 포함될 수 있다는 것을 제외하고는 도 1에 대해서 기술된 바와 같다. 따라서, 도 2는, 소화 탱크(3)의 바닥에 배열된 소화물 유출구(15)를 통해서 소화 탱크(3) 내의 소화물의 부분량이 순환 펌프(16)를 통해서 MAP 분리 장치(17)로 안내되고, MAP 분리 장치(17)가 MAP 풍부 분획 및 MAP 감소된 소화물(18) 분획을 제공하는 것을 추가로 도시한다. MAP 감소된 소화물(18)은, 임의로 온도 제어 장치(19)를 통해서, 소화 탱크(3)에 재도입된다. MAP 분리 장치(17)로부터의 MAP 풍부 분획은 MAP 생성물로서 공정으로부터 직접 방출될 수 있거나(도시되지 않음) 또는 MAP 정제 장치(20)에서 추가로 정제되어 정제된 MAP 생성물(22), 및 과량의 물 방출물(21)을 제공할 수 있다. 과량의 물 방출물은 공정으로부터 직접 방출될 수 있거나(도시되지 않음) 또는 제2 소화 탱크 유입구(21)를 통해서 소화 탱크(3)로 재도입될 수 있다. 소화물의 MAP 농도를 감소시키는 임의적인 작동을 연장할지의 여부는 인산염 센서 또는 샘플링 시스템(도시되지 않음)의 사용에 의해서 소화 탱크(3) 또는 소화물 생성물 유출구(5) 내의 인산염 함량을 측정함으로써 그리고 그로부터의 정보를 기초로 MAP 분리 장치(17)에 대한 유동을 조절함으로써 제어될 수 있다.
도 3은 소화 탱크로부터 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분으로서, MAP로서 인산염을 회수하기 위한 방법 및 바이오매스 처리 플랜트의 개략도이다. 도 3의 상세사항은, 방법 및 플랜트가 MAP 분리 장치(17)를 통해서 소화물 중의 MAP 농도를 감소시키는 작동 및 이에 관련된 작동을 포함하는 것을 제외하고는 도 2에 대해서 기술된 바와 같다. 소화 탱크 소화물 유출구(15)로부터의 MAP 분리 장치(17)로의 유동은 인산염 제어 장치를 통해서 조절될 수 있고, 여기서 제어 장치는 예를 들어, 인산염 센서 또는 인산염 샘플링 시스템으로부터의 인산염 값을 기초로, 인산염 제어 밸브(도시되지 않음)를 제어하도록 개작되어 있다.

Claims (15)

  1. 바이오매스(biomass) 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법으로서,
    i) 마그네슘 이온 공급원을 바이오매스 물질에 첨가하는 단계;
    ii) 상기 바이오매스 물질에 대해서, 포화 압력에서, 140 내지 220℃의 온도에서의 열 가수분해 단계를 적어도 포함하는 전처리를 시행하는 단계;
    iii) 전처리된 바이오매스 물질을 소화 탱크(digestion tank)로 이송하고, 상기 전처리된 바이오매스 물질을 7.5 내지 8.5의 범위의 pH에서 혐기성 소화시킴으로써 소화물(digestate)을 제공하는 단계;
    iv) 이산화탄소 및 메탄 가스를 포함하는 바이오가스를 연속적으로 제거하고, 상기 바이오가스로부터 상기 이산화탄소를 부분적으로 또는 완전히 분리함으로써 수득된 이산화탄소 감소된 바이오가스를 상기 소화 탱크에 부분적으로 재도입함으로써 상기 소화 탱크의 상기 pH를 제어하는 단계;
    v) 임의로 상기 소화물의 부분량(sub quantity)에 대해서 마그네슘 암모늄 인산염(MAP) 분리 처리를 시행하고, 임의의 남아있는 고체 또는 반고체를 상기 소화 탱크에 재도입함으로써 상기 소화 탱크 내에서 상기 MAP 농도를 감소시키는 단계를 포함하되;
    단계 i) 및 ii)는 단계 iii) 이전에 수행되고, 상기 인산염은 상기 소화 탱크로부터의 상기 고체 또는 반고체 소화물 생성물의 통합 부분(integral part)으로서, 마그네슘 암모늄 인산염(MAP), 또는 이의 수화물로서 회수되는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 ii)의 전처리는 습식-폭발(wet-explosion)을 더 포함하되, 상기 압력은 상기 열 가수분해 이후에 적어도 5bar에서 1bar 이하로 감소되는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마그네슘 이온 공급원을 첨가하는 단계 i)은 상기 단계 ii)의 열 가수분해 이전에 또는 열 가수분해 동안 수행되는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마그네슘 이온 공급원을 첨가하는 단계 i)은 상기 열 가수분해 이후에 또는 상기 단계 ii)의 습식 폭발 동안 수행되는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마그네슘 이온 공급원은 MgO 및/또는 Mg(OH)2인, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 v)가 존재하는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소화 탱크 내의 pH는 7.5 내지 8.3의 범위, 보다 바람직하게는 7.9 내지 8.3의 범위인, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 v)는 상기 분리된 MAP의 정제를 더 포함하는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 ii)에서의 상기 전처리 동안 상기 pH는 7.0 미만으로 유지되는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 단계 v)에서 수행된 상기 MAP의 감소 정도는 단계 iii)에서 수득된 상기 소화물에서 인산염 또는 인 함량을 측정함으로써 제어되는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 iii)으로부터의 소화물을 탈수시켜 상기 고체 또는 반고체 소화물 생성물을 수득하는, 바이오매스 물질을 처리하는 공정으로부터 인산염을 회수하는 방법.
  12. 바이오가스의 생산을 위한 바이오매스 처리 플랜트로서,
    - 미처리 바이오매스 물질을 공급하기 위한 바이오매스 물질 유입구(1)를 갖고, 전처리된 바이오매스 물질 유출구를 갖는 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2);
    - 상기 전처리된 바이오매스 물질 유출구에 연결된 전처리된 바이오매스 물질 유입구를 갖고, 바이오가스 유출구(9) 및 통합 부분으로서 회수된 마그네슘 암모늄 인산염(MAP)를 포함하는 소화물 생성물을 위한 적어도 하나의 소화물 생성물 유출구(5)를 갖는 적어도 하나의 소화 탱크(3);
    - 상기 바이오가스 유출구(9)에 연결된 바이오가스 유입구를 갖고, 이산화탄소 유출구(13) 및 이산화탄소 감소된 바이오가스 유출구(11)를 갖는 이산화탄소 분리 장치(10)를 포함하되;
    - 상기 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2)는 스팀 공급원에 연결된 스팀 유입구가 구비되어 있고, 상기 적어도 하나의 바이오매스 전처리 반응기(2)는 포화 압력에서, 140 내지 220℃의 온도에서 열 가수분해를 수행하도록 개작되어 있고;
    - 상기 적어도 하나의 소화 탱크(3)는 상기 전처리된 바이오매스 물질을 7.5 내지 8.5의 범위의 pH에서 혐기성 소화시킴으로써 소화물을 제공하도록 개작되어 있고;
    - 마그네슘 이온 공급원 유입구는 상기 전처리된 바이오매스를 상기 바이오매스 소화 탱크(3) 내로 도입하기 이전에 마그네슘 이온 공급원(4)을 상기 바이오매스에 첨가하도록 배열되어 있고; 그리고
    - 상기 이산화탄소 분리 장치(10)의 상기 이산화탄소 감소된 바이오가스 유출구(11)는 상기 바이오매스 처리 플랜트의 생산된 바이오가스 유출구(14)에 연결되어 있고 수득된 이산화탄소 감소된 바이오가스를 상기 소화 탱크에 부분적으로 재도입하기 위해서 상기 소화 탱크(3)의 이산화탄소 감소된 바이오가스 유입구(12)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 바이오가스의 생산을 위한 바이오매스 처리 플랜트.
  13. 제12항에 있어서, 상기 소화 탱크(3)로부터의 상기 소화물 생성물 유출구(5)는 액체 상 방출 유출구(7) 및 통합 부분으로서 회수된 MAP를 혼입한 고체 또는 반고체 소화물 생성물을 위한 탈수된 소화물 생성물 유출구(8)를 갖는 탈수 장치(6)에 연결되어 있는, 바이오가스의 생산을 위한 바이오매스 처리 플랜트.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 순환 펌프(16)를 통해서 상기 소화 탱크(3)의 바닥에 배열된 소화물 유출구(15)에 연결된 소화물 유입구를 갖는 MAP 분리 장치(17)를 더 포함하되, 상기 MAP 분리 장치는 MAP 풍부 유출구 및 상기 소화 탱크(3)의 MAP 감소된 소화물 유입구에 연결된 MAP 감소된 소화물 유출구(18)를 갖고, 상기 MAP 풍부 유출구는 MAP 방출 유출구인, 바이오가스의 생산을 위한 바이오매스 처리 플랜트.
  15. 제14항에 있어서, 상기 MAP 분리 장치(17)로부터의 상기 MAP 풍부 유출구에 연결된 MAP 정제 유닛(20)을 더 포함하되, 상기 MAP 정제 유닛(20)은 정제된 MAP 방출 유출구(22) 및 제2 소화 탱크 유입구에 연결되거나 또는 폐기물에 연결된 과량의 물 유출구(21)를 갖는, 바이오가스의 생산을 위한 바이오매스 처리 플랜트.
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