KR20210056354A - 외부 분리기를 포함하는 입상 슬러지 반응기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스를 포함하는 슬러지 베드, 외부 분리기 및 컨디셔닝 탱크를 포함하는 상향류 바이오반응기를 포함하는 설비에서 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 처리하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은
- 컨디셔닝 탱크에서 유체를 처리하는 단계;
- 처리된 유체를 바이오반응기의 하단부로 공급하고 바이오가스를 형성하는 단계;
- 바이오반응기의 상부로부터 유체를 회수하는 단계(회수된 유체는 바이오매스를 포함함);
- 바이오반응기의 상단부로부터 회수된 수성 유체를 외부 분리기로 공급하는 단계로서, 바이오매스를 포함하는 수성 유체는 액체 상 및 바이오매스가 풍부한 유체 상으로 분리되는 것인, 상기 회수된 수성 유체를 외부 분리기로 공급하는 단계;
- 바이오매스가 풍부한 상기 유체 상을 외부 분리기로부터 바이오반응기로 반환하는 단계; 및
- 상기 액체 상의 일부를 컨디셔닝 탱크로 반환하는 단계를 포함한다.

Description

외부 분리기를 포함하는 입상 슬러지 반응기 시스템

본 발명은 바이오반응기를 포함하는 설비에서 바이오가스를 생성하는, 수성 유체 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 방법을 수행하기에 적합한 설비에 관한 것이다.

폐수와 같은 수성 유체의 생물학적 처리는 활성 바이오매스(박테리아 및/또는 고세균과 같은 미생물)를 사용하여 오염 물질(유기 물질)을 무해한 성분으로 전환한다.

기본적으로 두 가지 유형의 프로세스가 존재한다. 소위 혐기성 처리(무산소)를 위해, 혐기성 미생물의 컨소시엄은 오염 물질을 실질적으로 바이오가스로 전환한다.

호기성 처리에서, 오염 물질은 호기성(산소 포함) 조건 하에서 크게 감소되어 처리된 폐수에서 분리되어 별도로 처리되어야 하는 새로운 미생물(잉여 슬러지)이 된다.

혐기성 슬러지 베드 반응기 시스템은 혐기성 미생물을 사용하여 수성 유체 내의 오염 물질을 바이오가스로 전환한다. 이러한 혐기성 박테리아는 주로 입상 바이오매스라고 불리는 응집체로 성장한다. 이 시스템은 관련된 혐기성 미생물의 순 수율이 낮기 때문에 순 바이오매스 생산량이 낮다(일반적으로 전환되는 COD의 2-4%)는 특징이 있다.

이는 폐수 처리 시스템에서 성장된 과도한 바이오매스를 상당한 비용으로 고형 폐기물로 처리해야 하기 때문에 한편으로는 큰 이점이지만, 다른 한편으로는 처리 시스템(반응기) 내에 충분한 활성 생물학적 슬러지를 보유/유지하는데 민감한 측면을 만든다.

혐기성 처리 반응기 내에 바이오매스를 유지하는 방법은 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 고정 또는 이동 캐리어에 바이오매스를 고정시키는 것은 바이오매스 보유 시간으로부터 액체 보유 시간을 분리하는 한 방법이다. 그러나, 더 우수하고 바람직한 방법은 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 반응기, 입상 슬러지 베드(Granular Sludge Bed) 반응기 및 IC 반응기에 적용되는 입상 바이오매스를 주로 사용하는 것이다(예컨대, WO 2007/078195, Frankin R.J. (2001). Full scale experiences with anaerobic treatment of industrial wastewater. Wat Sci. Tech., 44(8), 1-6 참조).

확장 입상 슬러지 베드(EGSB: Expanded Granular Sludge Bed) 반응기와 같은 입상 슬러지 베드(GSB) 반응기는, 예컨대, 식품 가공 및 음료 산업, 증류소, 제약 산업, 펄프 및 제지 공장의 폐수 처리를 위해 일반적으로 사용되는 반응기이다. 이러한 폐수는 일반적으로 물을 재사용하거나 폐기하기 전에 제거해야 하는 다량의 유기 오염 물질을 포함한다.

전형적인 (E)GSB 반응기에서, 폐수는 상향류 바이오반응기의 하단부로 유입된다. 그 후, 물은 폐수 내에 존재하는 유기 폐기물을 분해하는 미생물을 포함하는 입상 슬러지 베드를 통과하여 상방으로 흐르고, 이에 따라 바이오가스(특히, 메탄 및 이산화탄소)가 형성되며, 그 다음 이 메탄은, 예컨대, 에너지를 제공하기 위한 녹색 에너지 원으로 사용될 수 있다. 고속 혐기성 반응기(확장 입상 슬러지 베드)의 효율성은 우수한 슬러지 베드 확장, 액체 난류 및 높은 유속에 크게 의존하는데, 그 이유는 그것들이 우수한 물질 전달, 막힘 감소 및 단락 감소를 촉진하기 때문이다(Van Lier, J.B., van der Zee, F.P., Frijters, M. E. Ersahin , Rev Environ Sci. Biotechnol. 2015, 14(4), 681-702)

효율적인 공정의 핵심은 바이오매스(입상), 물(폐수) 및 바이오가스를 효율적으로 분리하는 것이다. 즉, 시스템 내에 바이오매스를 유지하여 입상 바이오매스의 순 성장을 달성하는 동시에 유출물 및 바이오가스를 제거할 수 있는 것이다. EGSB 반응기와 같은 GSB 반응기에서 액체, 고체 및 기체 상의 우수한 분리에 영향을 미치는 몇 가지 파라미터가 존재한다.

당업자가 알고 있는 바와 같이, 이러한 효율적인 분리를 달성하기 위한 한 가지 중요 파라미터는 바이오매스의 침강 거동이다. 상을 효율적으로 분리하려면 입상의 우수한 침강 거동이 필요하다. 입상의 침강은 반응기 내부의 수력학 또는 유체 역학(액체 및 기체) 및/또는 반응기 내부의 3 상 분리 장치(난류 및 층류, 난류 및 상향류 속도)의 존재 및 디자인과 같은 여러 요인의 영향을 받는다. 또한, 침강 거동은 바이오매스 함량 및/또는 미네랄 분율(fraction)과 같은 슬러지 입상의 구성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 높은 불활성 분율을 갖는 슬러지 입상(생분해성이 없는 임의의 물질)은 더 빨리 침강할 수 있지만, 분해 활성이 낮거나 임의의 분해 활성이 없을 수도 있다. 따라서, 불활성 슬러지 입상은 바이오가스 생산 및/또는 흐름 재순환의 결과로 팽창 및/또는 재순환되지 못할 위험을 갖는다. 따라서, 종래 시스템에서는 이들이 반응기 바닥에 남아 있는 경향이 있어 슬러지 추출 포트를 막고 주요 작동 문제를 유발한다.

게다가, 입상의 침강 거동은 입상 내부의 가스 존재에 의해 영향을 받는다. 반응기 바닥에 위치한 바이오매스는 GSB 시스템, 특히, EGSB 시스템이 가질 수 있는 높은 높이(일반적으로 15m에서 25m 사이) 및 결과적으로 수주(water column)에 의해 발생되는 압력(일반적으로 1.5-2.5 바)으로 인해 반응기 상부에 있는 것보다 더 높은 압력을 받는다. 따라서, 반응기 바닥에 있는 입상 내부의 가스가 압축되어 입상의 밀도가 높아져 입상이 더 빨리 침강된다.

둘째, 침강기와 같은 분리 장치는 상이한 상의 향상된 분리를 달성하고, 그로 인해 폐수 처리 공정의 전반적인 효율을 향상시키는데 유용한 도구이다.

예를 들어, 반응기 내부에 바이오매스의 침강을 돕는 특정 흐름을 생성함으로써(고체를 아래로 밀어냄으로써) 효율적인 상 분리가 더욱 향상될 수 있다. 이러한 흐름은 내부 침강기 내의 경사판(tilted plate)과 같은 분리 시스템에 의해 도입될 수 있으며, 물에 이산화탄소를 용해시켜 난류를 생성함으로써 발생될 수 있고, 또는 밀도의 차이로 인한 상의 단순 이동(예컨대, 슬러지는 중력에 의해 하방으로 이동하고, 바이오가스는 상방으로 흐름)으로 인해 발생될 수 있다.

EGSB 반응기의 예는 WO 2007/078195에 설명되어 있다. 또한, 바이오탄 바이오베드 어드벤스드 EGSB(BIOTHANE Biobed Advanced EGSB)가 알려져 있다. 이 반응기는 바이오반응기 내에 3-상 분리기를 가지며 컨디셔닝 탱크를 더 포함한다. 바이오반응기의 상부에, 경사판 침강기(TPS: tilted plate settler)가 존재하여, 유출물 및 바이오매스로부터 바이오가스를 분리하는데 도움이 된다. 경사판 침강기의 하단부에는, 경사판 최상부에 대한 경사판 아래의 압력 차로 인한 매머드 흐름 효과(mammoth flow effect)가 생성되며, 이는 바이오가스의 더 우수한 분리를 가능하게 하고 침강된 바이오매스를 하방으로 보낸다.

EP 0 493 727은 선택사항으로서 외부 분리 장치, 바람직하게는 사이클론을 갖는 연속적인 기계적 및 혐기성 생물학적 정제를 위한 반응기에 관한 것이다. 이 반응기의 하단부는 고체의 통과를 방지하면서 액체의 통과를 허용하는 천공을 갖는 바닥을 갖는, 반응기로부터 분리된 침강 구역을 포함한다.

이 시스템의 단점은 슬러지가 유입 라인 아래에 침강되어 폐수와 슬러지 간의 상호 작용이 최적이 아니게 되어 시스템의 효율성이 감소된다는 것이다.

WO2012/005592는 더 높은 압력에서 분리가 일어나기 때문에 바이오매스가 액체 유출물로부터 더 높은 효율로 분리되는 바이오반응기의 저면 상에 배치된 제 2 침강기를 갖는 반응기를 설계함으로써 이러한 문제를 극복하는 것을 목표로 한다. 이 반응기 상단부에 위치한 경사판 침강기에서 바이오가스로부터 분리된 유체는 외부 분리기 공급 도관을 통해 이러한 제 2 침강기로 이송된다. 본 발명자들은 이 시스템이 다음과 같은 단점을 가진다는 것을 발견했다.

· 특히, 시동 시와 같이 바이오가스 생산이 적거나 부족한 경우, 반응기 내의 재순환을 적절하게 제어하지 못한다.

· 바이오반응기 저면에 배치된 제 2 침강기의 막힘 가능성이 매우 크다.

· 유지 보수를 위한 분리 챔버의 접근성의 부족; 유지 보수를 수행하려면 반응기를 완전히 비워야 한다.

· 바이오가스 생산이 없을 때(시동 시) 동작이 어렵다.

본 발명자들은 놀랍게도 반응기 내부에 위치한 제 2 침강기를 배제시킴으로써 이러한 단점을 극복한, 수성 유체를 처리하기 위한 고효율 공정을 갖는 방법을 발견했다. 그 대신, 외부 분리 챔버가 바이오반응기 외부에, 일반적으로 컨디셔닝 탱크로의 반환 라인 이전에 제공된다.

따라서, 본 발명은 바이오매스를 포함하는 슬러지 베드를 담고 있는 상향류 바이오반응기(1), 및 외부 분리기(2)를 포함하는 설비에서 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 처리하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은

- 수성 유체를 바이오반응기의 하단부로 공급하고, 공급된 유체를 바이오매스와 접촉시켜, 생분해성 유기 물질로부터 바이오가스를 형성하는 단계;

- 바이오반응기의 상단부로부터 바이오매스와 접촉한 유체를 회수하는 단계(회수된 유체는 바이오매스를 포함함); 및

- (바이오반응기의 상단부에서 회수된) 바이오매스를 포함하는 수성 유체를 경사진 내부 구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기(2)로 공급하는 단계를 포함하며, 여기서 바이오매스를 포함하는 수성 유체는 감소된 바이오매스 함량을 갖거나 본질적으로 바이오매스가 없는 액체 상과 바이오매스가 풍부한 유체 상으로 분리되며, 바이오매스가 풍부한 유체 상은 (외부 분리기로부터) 바이오반응기로 반환된다.

본 발명은 효율적인 폐수 처리 방법을 제공한다. 외부 분리기를 가짐으로써, 유지 보수가 개선되고 공정의 시동이 개선되며 반응기의 부분적인 설치가 가능해진다. 즉, 기존 시스템을 외부 분리기로 업그레이드하여 반응기의 효율성을 향상시키는 것이 가능해진다.

이 외부 분리기는 외부 분리기로 공급되는 유체에 비해 감소된 입상 바이오매스 함량을 갖는 액체 상을 얻는데 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 이것은 입상 바이오매스가 침강시킴으로써 유리하게 달성된다. 침강된 입상 바이오매스는 적어도 상당 부분이 (입상 바이오매스가 풍부한 유체 상의 일부로서) 바이오반응기로 반환된다.

본 발명은 또한 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 미생물학적으로 처리하는 설비에 관한 것이며, 이 설비는:

- 바이오가스를 위한 배출구를 포함하는 바이오반응기(1); 및

- 고체, 특히 바이오매스, 더 구체적으로는 입상 바이오매스를 포함하는 유체 상으로부터 액체 상을 분리하도록 경사진 내부 구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기(2)를 포함하고, 이 외부 분리기는 바이오반응기(1)로부터 수성 유체를 회수하기 위한 도관(6)의 유입구(5)에 연결된 수성 유체를 위한 유입구(4), 수성 유체를 위한 배출구(7a), 도관(10)을 통해 바이오반응기(1)의 고체(특히, (입상) 바이오매스)가 풍부한 유체를 위한 유입구(9)에 연결된 고체가 풍부한 유체를 위한 배출구(8)를 포함한다.

본 발명에 따른 설비는 기체-액체-고체 혼합물을 본질적으로 입상 바이오매스가 없는 액체 상 및 고체가 풍부한(특히, 미립자 고체가 풍부하고, 특히, 입상 바이오매스가 풍부한) 유체 상으로의 효율적인 분리에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 이러한 설비가 매우 효율적임에도, 특히 반응로 내부 디자인이 간단하고 분리를 강화하기 위해 제한된 수의 기술 장치만 필요하므로, 오작동 위험이 감소되고 유지 관리 및 세척이 간단해진다. 우수한 분리를 위해 중요한 것은 외부 분리기이다.

본원에 사용된 용어 "또는"은 달리 명시되지 않는 한 "및/또는"으로 정의된다.

본원에 사용된 용어 "하나"는 달리 명시되지 않는 한 "적어도 하나"로 정의된다.

단수로 명사(예컨대, 하나의 컴파운드, 하나의 첨가제 등)를 언급할 때, 그것의 복수도 포함하도록 의도된 것이다.

용어 "(적어도) 실질적(으로)"는 일반적으로 본 명세서에서 그것이 명시된 것의 일반적인 특성 또는 기능을 가짐을 나타내기 위해 사용된다. 정량화 가능한 특성을 언급할 때, 이 용어는 특히 그것이 해당 특성의 최대치의 적어도 50 %, 더 구체적으로 75 % 초과, 훨씬 더 구체적으로 90 % 초과임을 나타내는데 사용된다. '본질적으로 포함하지 않는'라는 용어는 일반적으로 물질이 (유효 출원일에 이용 가능한 분석 기술로 달성할 수 있는 검출 한계 미만으로) 존재하지 않거나 또는 본질적으로 상기 물질을 갖지 않는 제품의 특성에 중대한 영향을 미치지 않을 정도로 적은 양으로 존재함을 나타내기 위해 일반적으로 사용된다. 실제로, 정량적 측면에서, 물질의 함량이 0-1 wt.%, 특히 0-0.5 wt.%, 더 구체적으로 0-0.1 wt.%인 경우, 제품은 일반적으로 본질적으로 그 물질을 포함하지 않는 것으로 간주된다.

본 출원의 맥락에서, 용어 "약"은 일반적으로 주어진 값으로부터 15 % 이하의 편차, 구체적으로 10% 이하의 편차, 더욱 구체적으로 5% 이하의 편차를 의미한다.

본원에 사용된 "생분해성 유기 물질"은 일반적으로 본질적으로 혐기성 조건 하에서, 특히 바이오매스 또는 메탄으로 반응기 내 바이오매스에 의해 전환될 수 있는 유기 물질이다.

용어 "유체"는 외부 압력(중력 이외의 압력)을 적용하지 않아도 유동하는 액체 및 현탁액과 같은 액체와 적어도 하나의 다른 상의 혼합물에 사용된다.

용어 "액체"는 본 명세서에서 육안으로 볼 수 있는, 즉, 크기가 0.1mm 초과인 입자를 본질적으로 갖지 않는 수성 유체에 사용된다.

여기에서 사용된 "유기 물질"은 ISO 6060:1989에 설명된 바와 같이 화학적 산소 요구량(COD) 테스트에 의해 결정될 수 있는, 화학적으로 산화 가능한 임의의 유기 물질이다. 유기 물질의 함량은 일반적으로 g COD(유기 물질의 산화를 위해 소비되는 산소량(gram))로 표현된다.

당업자들은 '상부', '하부', '중간', '저면에', '저면 부근에', '최상부에' 및 '최상부 부근에'과 같은 용어에 익숙하다. 일반적으로 이들은 다른 것과 관련지어 읽히고, 당업자들은 일반적인 상식에 기초하여, 본 명세서에 개시된 정보 및 인용 및 설비의 유닛의 세부사항(예컨대, 바이오반응기, 별도 용기 또는 반응기 또는 한 섹션 내에 담긴 물질의 부피)을 실시하기 위해 그것의 구현(implementation)을 줄이는 것이 가능할 것이다.

경험상, 문맥을 벗어나지 않는다면, 어떤 기준점(예컨대, '저면' 또는 '최상부') '부근'은 통상적으로 '그 기준점으로부터 최대 +/-20%의 상대 높이에', 구체적으로 '그 기준점으로부터 최대 +/-15%의 상대 높이에', 더 구체적으로 그 기준점으로부터 '최대 +/-10%의 상대 높이에'를 의미한다. 이러한 상대 높이는 유닛의 전체 높이(최상부와 바닥 사이의 높이 차)에서 분할된 저면으로부터의 거리이다.

경험상, 문맥을 벗어나지 않는다면, '상단부'는 일반적으로 상부 1/2 및 특히 유닛의 상부 1/3을 의미하고, '하단부'는 일반적으로 유닛의 하부 1/2 및 특히 유닛의 하부 1/3을 의미한다. 중간부를 언급할 때, 이것은 특히 유닛의 중간 1/3(하부 1/3부터 상부 1/3까지)을 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 (공정에서 사용하기 위한) 설비의 일반적인 설정을 개략적으로 보여준다. 이는 수성 유체가 어떻게 유입구(13)를 통해 컨디셔닝 탱크(12)로 유입될 수 있는지를 개략적으로 보여 주며, 여기서 수성 유체(예컨대, 폐수)는 컨디셔닝 단계를 거친다. 컨디셔닝 탱크(12)는 바이오가스(17)를 위한 배출구, 도관을 통해 바이오반응기(1)의 저면에 또는 그 부근에서 유입물 분배 시스템(IDS)(15)에 연결된 사전 조절된 유체를 위한 배출구를 더 포함한다. 유리하게는, 도관(16)은 유체의 연속적이고 제어된 재순환을 위한 재순환 펌프(11)를 더 포함한다. 수성 유체는 생분해성 유기 물질을 바이오가스로 전환할 수 있는 미생물을 포함하는 슬러지 베드를 통과한다.

컨디셔닝 탱크(12)에서 바이오반응기(1)까지의 재순환 펌프(11)의 존재는:

- 억제 화합물의 제어된 희석

- EGSB로의 일정한 유속

- 일정한 상향 유속(COD 부하율과 무관함)

- 반환된 혐기성 유출물의 알칼리성으로 인한 CT 내에서의 더 우수한 pH-제어를 가능하게 해준다.

도 1에서, 바이오반응기(1)는 기체-수성 유체 혼합물로부터 바이오가스를 제거하기 위해 바이오반응기(1)의 상단부에 위치한 내부 배플 또는 디플렉터/분리기(3) 및 바이오가스를 위한 배출구(18)를 더 포함한다. 바이오반응기(1)는 액체상으로부터 고체를 분리하기 위한, 외부 분리기(2)의 유입구(4)에 연결된, 바이오가스가 분리된 고체를 포함하는 수성 유체를 위한 유입구(5)를 갖는 내부 공급 도관(6)을 더 포함한다. 도관(6)의 유입구(5)는 배플 또는 디플렉터(3) 아래에 위치한다. 도관(6)은 외부 분리기(2)의 유지 보수, 수리 또는 교체 시 설비로부터 외부 분리기(2)를 격리하기 위한 밸브(27)를 추가로 포함한다. 도관(10)은 외부 분리기(2)의 배출구(8)를 바이오반응기(1)로부터의 고체가 풍부한 유체를 위한 유입구(9)와 연결하고, 여기서 도관(10) 내부의 고체가 풍부한 유체 내로 바이오가스를 주입하도록 구성된 도관 바이오가스 주입기(23)가 제공되고; 그리고 바이오가스 주입기(23)와 바이오반응기(22) 내부의 바이오가스 수집 후드 사이에 바이오가스 도관(21)이 제공된다. 도관(10)은 또한 외부 분리기(2)의 유지 보수, 수리 또는 교체시 설비로부터 외부 분리기(2)를 격리하기 위한 밸브(28)를 포함한다.

도 1의 바이오가스 도관(21)은 바이오가스 도관(21)을, 컨디셔닝 탱크 내부의 수성 유체의 혼합을 위하여 컨디셔닝 탱크(12) 내부로의 유입구(25)를 통해 바이오가스를 주입하기 위한 바이오가스 도관(26)에 연결하기 위한 T-접합(24)을 더 포함한다.

도 1은 외부 분리기로부터 액체 상을 회수하고 재순환시키는 수단(7)을 추가로 보여준다. 이것은 분리기로부터 (바이오매스를 본질적으로 포함하지 않을 수 있는) 감소된 바이오매스 함량을 갖는 액체 상을 회수하기 위한 배출구(7a)를 포함한다. 이 배출구(7a)로부터, 처리된 상이 설비를 빠져 나갈 수 있게 해주는 회수 도관(7b)이 제공될 수 있고, 액체 상을 컨디셔닝 탱크(12)로 반환하기 위한 재순환 라인(37)이 제공될 수 있다.

외부 분리기(2)는 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 도관(33)을 통해 컨디셔닝 탱크(12)의 유입구/배출구(31) 및 바이오반응기(1)의 유입구(32)에 연결된 유입구/배출구(29)를 포함한다. 이 도관(33)은 필요한 경우 외부 분리기로부터 바이오반응기로 슬러지를 반환하기 위한 펌프(30)를 포함한다. 또한 이 도관은 (격리 밸브(27 및 28)과 함께) 밸브(2)를 사용하여, 반응기와 컨디셔닝 탱크가 완전히 격리된 상태에서, 외부 분리기의 위치를 청소하기 위해 수성 유체(일반적으로 산성 화학 물질)의 재순환을 허용한다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 이 설비는 바이오가스를 위한 배출구(18)와 컨디셔닝 탱크로부터의 바이오가스를 위한 유입구(19)를 연결하는 바이오가스를 위한 도관(20)을 포함한다. 이러한 프로비전은 컨디셔닝 탱크 내의 압력이 바이오반응기 내의 압력과 본질적으로 동일하다는 것을 보장하기 위해 제공될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 (공정에 사용하기 위한) 설비의 제 2 설정을 개략적으로 도시한다. 항목에 대한 자세한 설명은 도 1의 설명을 참조한다. 바이오반응기는 수성 유체를 외부 분리기(2)로 공급하기 위한 외부 공급 도관(34)을 포함한다. 디플렉터 또는 배플(36)은 고체를 포함하는 수성 유체를 외부 공급 도관(34)으로 보내기 위한 도관(34)의 유입구(35) 아래에 위치한다.

본 발명에 따른 방법에서 처리되는 수성 유체는 원칙적으로 생분해 가능한, 특히 혐기성 조건 하에서 생분해 가능한 유기 물질을 포함하는 임의의 수성 유체일 수 있다. 바람직하게는, 이 수성 유체는 도시 폐수, 산업 폐수, 하수, 발효 공정으로부터의 수성 유체 폐기물(예컨대, 잔류 발효 브로스), 수성 슬러리 및 수성 슬러지의 그룹으로부터 선택된다. 본 발명에 따른 공정에서 처리되는 폐기물 스트림의 수 함량과 관련하여, 이것은 광범위하게 변할 수 있다. 일반적으로, 처리될 수성 유체의 수 함량은 유체의 총 중량의 80 wt.% 초과, 특히 적어도 80 wt.%, 더 구체적으로 90 wt.% 또는 그 이상이다. 일반적으로, 수 함량은 99.9 wt.% 이하, 바람직하게는 99.5 wt.% 이하, 더욱 바람직하게는 99 wt.% 이하, 특히 98 wt.% 이하, 더 구체적으로 96 wt.% 이하이다. 바이오반응기로 공급되는 수성 유체의 총 유기 물질 함량은 일반적으로 0.1 g COD/l 이상, 바람직하게는 0.3-100g COD/l 범위, 특히 5-50g COD/l 범위 이내이다.

본 발명에 따라 처리하기에 특히 적합한 수성 유체의 예는 유제품 생산 또는 가공(예컨대, 우유, 치즈, 버터의 생산/가공), 음료 생산 또는 가공(예컨대, 와인, 맥주, 증류 음료, 과일 주스, 우유), 바이오 연료 또는 석유 화학 생산 또는 가공, 화학 공장, 농업 시설, 펄프 및 종이 생산 또는 가공, 설탕 가공 또는 효모 생산으로부터 발생하는 수성 폐기물이다.

일반적으로, 컨디셔닝 탱크(12)는 본 발명에 따른 설비 내에 존재한다. 이러한 탱크에서 사용 중에 바이오반응기에서 처리될 수성 유체는 바이오반응기에 대해 조절된다. 유리하게는, 컨디셔닝 탱크는 아직 바이오반응기에서 처리를 거치지 않은 수성 유체(원 수성 공급 물)를 공급 받을 뿐만 아니라 외부 분리기를 빠져 나온 액체 상(바이오반응기의 유출물에 비해 감소된 바이오매스 함량을 가짐)의 일부를 받는다. 이 액체 상은 새로 설비로 들어가는 미가공(raw) 수성 유체를 조절하는데 매우 적합하다.

컨디셔닝 탱크를 사용하는 이점은 바이오반응기로의 수성 유체의 유입의 원치 않는 변동 및 수성 유체 품질의 원치 않는 변동을 회피할 수 있다는 것이다. 분리기로부터 컨디셔닝 탱크로의 재순환은 컨디셔닝 탱크에서 바이오반응기까지, 그리고 바이오반응기에서 외부 분리기까지와 같이, 설비의 상이한 장치들 간의 다양한 흐름에서 비교적 일정한 흐름을 유지하는데 있어 추가 개선을 허용한다. 또한, 이것은 설비로의 처리될 수성 유체의 공급에 큰 변동이 있을 때에도, 장치 내의 유체 수위를 비교적 일정하게 유지할 수 있다는 점에서 추가적인 견고함을 제공한다. 분리기로부터 컨디셔닝 탱크로의 재순환에 의해 장치로/로부터의 흐름을 비교적 일정하게 유지하고 및/또는 장치의 유체 수위를 상대적으로 일정하게 유지하는 것은 효율적인 작동을 위해 바람직하지만, 예컨대, 도관 막힘 또는 분리기 막힘의 위험을 낮게 유지하는데도 바람직하다.

바람직하게는, 미가공 폐수와 같은 처리될 미가공 수성 유체는 먼저 온도 및/또는 pH와 같은 특정 파라미터가 모니터될 수 있는 컨디셔닝 탱크로 들어간다. 당업자들은 바이오매스의 조성에 따라, 유리한 파라미터 값을 결정할 수 있을 것이다. 구체적으로, 컨디셔닝 탱크 내의 수성 유체가 약 33 내지 약 37℃ 범위로, 보다 바람직하게는 34 내지 36℃ 범위로 유지되거나 조절될 수 있고 및/또는 컨디셔닝 탱크 내의 수성 유체의 pH가 약 6.5 내지 약 7.2 범위, 바람직하게는 6.6 내지 6.8 범위의 pH로 유지되거나 조정될 수 있는 프로세스를 통해 우수한 결과가 달성되었다. 당업자들이 이해하는 바와 같이, 특정 미생물 배양의 경우 상이한 온도 또는 pH가 최적일 수 있다. 예를 들어, 알칼리성 박테리아의 경우, 더 높은 pH가 선호될 수 있다(예컨대, 최대 약 pH 11).

수성 유체, 바람직하게는 컨디셔닝 탱크에서 전처리된 수성 유체는, 바람직하게는 바이오반응기의 수평 단면에 걸쳐 수성 유체의 적어도 실질적으로 동일한 분포를 제공하도록 조절된 유입물 분배 시스템을 통해 상향류 바이오반응기의 하단부로 공급되며, 이 하부 부분에서 수성 유체는 바이오매스(바람직하게는 입상 바이오매스)를 포함하는 슬러지 베드를 통과하여 상방으로 흐른다.

상향류 바이오반응기는 바람직하게는 입상형 슬러지 베드, 특히, 확장 입상 슬러지 베드(EGSB)이며, 이 (E)GSB는 혐기성 미생물을 포함하고, 생분해성 유기 물질은 혐기성 미생물에 의해 변환되어 바이오가스를 형성한다.

적합한 혐기성 미생물은 일반적으로 당업계에 알려져 있다. 바람직하게는, 바이오반응기는 적어도 하나의 유형의 가수분해 박테리아, 적어도 하나의 유형의 산생성 박테리아, 적어도 하나의 유형의 아세트산생성 박테리아 및 적어도 하나의 유형의 메탄생성 박테리아를 포함하는 미생물 컨소시엄을 포함한다.

슬러지(특히, 바이오매스 입상)의 양호한 침강성 및 그로 인한 우수한 분리와 관련된 또 다른 요인은 바이오매스가 존재하는 바이오반응기의 높이이다. 일반적으로, 바이오가스는 입상 내부에서도 발생할 수 있으며, 이는 상향 부유(upward flotation)를 유발할 수 있다. 반응기의 저면에서, 입상에 더 높은 압력이 가해지므로 입상으로부터 바이오가스가 방출되고 슬러지의 침강성이 증가된다.

바람직하게는, (공정에 사용하기 위한) 설비는 약 15 내지 약 25m, 더욱 바람직하게는 18 내지 22m 범위의 높이를 갖는 바이오반응기를 포함한다. 일반적으로, 바이오반응기는 수성 유체로 최대 85-98 vol%, 바람직하게는 최대 약 90-95 vol%가 채워진다.

바이오반응기에서 생분해성 유기 물질을 분해하면, 기체-수성 유체 혼합물이 얻어진다.

기체 상은 미생물에 의해 생성되는 바이오가스로 구성된다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 바이오가스는 일반적으로 적어도 실질적으로 메탄과 이산화탄소로 구성되지만, 추가적으로 수소, 암모니아, 수증기 및/또는 황화수소와 같은 소량의 다른 가스를 함유할 수도 있다.

수성 유체는 고체, 특히 바이오매스 입자를 포함하고, 선택사항으로서 무기 및/또는 유기 현탁 고체를 더 포함한다.

또한, 수성 유체는 일반적으로 본질적으로 물 및 유기산과 같은 수용성 물질 및 미네랄 또는 염과 같이 물 내에 일반적으로 존재하는 미생물 또는 다른 분자에 의해 분해되지 않는 가용성 물질로 구성된 액체를 포함한다.

기체-수성 유체 혼합물은 그 혼합물로부터 바이오가스를 분리하는 반응기를 통과하여 상방으로 이동한다. 이것은 자발적으로 발생할 수도 있고, 또는 내부 분리기에 의해 분리가 향상될 수 있다.

바이오가스는 반응기 최상부(액체 수위 위) 또는 그 부근에 위치한 바이오가스 배출구를 통해 바이오반응기를 빠져나간다. 바이오가스는 바이오반응기에서 바로 빠져나갈 수도 있고, 또는 먼저 컨디셔닝 탱크의 상단부로 들어가고 탱크의 최상부 또는 그 부근에 있는 배출구를 통해 설비를 빠져나갈 수도 있다. 선택사항으로서, 바이오가스 자체가 알려진 방식으로 추가 처리된다. 바이오가스는 공정을 위한 에너지를 제공하는데 사용될 수 있다. 즉, 예를 들어, 시스템을 가열하여 공정을 자체 지속 가능하게 만드는데 사용될 수 있다. 대안으로서, 바이오가스는 발전기를 통해 전기로 변환되거나, 또는 화학 공정에서 사용하기 위한 메탄 소스로서 또는 다른 목적을 위한 에너지를 제공하기 위해 다른 곳으로 운반될 메탄으로 업그레이드될 수 있다.

유리한 실시예에서, 형성된 바이오가스의 일부는 컨디셔닝 탱크 내의 수성 유체의 혼합을 향상시키기 위해 바이오반응기로부터 컨디셔닝 탱크의 하단부 또는 중간부로 운반된다.

일 실시예에서, 바이오반응기는 추가로 내부 분리기를 포함하며, 여기서 고체를 포함하는 수성 유체로부터 바이오가스의 분리가 촉진된다. 존재하는 경우, 내부 분리기는 일반적으로 바이오반응기의 상단부에 위치한다. 내부 분리기는 바람직하게는 기체-유체 분리기이고, 보다 바람직하게는 바이오반응기의 상단부에 위치한 디플렉터 또는 배플이다. 배플 또는 디플렉터는 바람직하게는 외부 분리기로의 공급 도관 위에 위치하며, 바이오가스 또는 바이오가스-유체 혼합물의 자연적인 상향류의 결과로서 수성 유체로부터의 바이오가스 분리를 촉진한다.

일 실시예에서, 외부 분리기로의 공급 도관은 내부 공급 도관이다. 내부 공급 도관은 적어도 그것의 상당한 부분이 바이오반응기 내부에 위치한다. 바이오가스가 분리된 수성 유체를 수집하기 위한 유입구는 배플 또는 디플렉터 아래에 위치하고 수성 유체를 수집한 후 외부 분리기로 공급한다.

다른 실시예에서, 외부 분리기로의 공급 도관은 외부 공급 도관이다. 수성 유체를 위한 유입구는 바이오반응기 측면에 위치하고 외부 분리기로의 외부 도관은 바이오반응기 외부에 위치한다. 바이오반응기는 바람직하게는 외부 공급 도관 바로 아래에 위치하는, 외부 공급 도관으로 수성 유체를 보내기 위한 외부 공급 도관 유입구 근처에 위치한 배플 또는 디플렉터를 포함하는 것이 바람직하다.

내부 또는 외부 공급 도관은 바이오매스 및 선택사항으로서 다른 고체를 포함하는 수성 유체를 액체 상 및 외부 분리기로 들어가는 수성 유체에 비해 바이오매스가 풍부한 유체 상으로 분리하기 위해 경사진 내부 구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기(2)로 수성 유체를 공급한다.

다른 실시예에서, 내부 분리기는 깔때기, 바람직하게는 매머드 펌프 깔때기이다. 깔때기가 있는 경우, 깔때기의 하단부는 내부 공급 도관의 유입구에 연결된다. 깔때기는 효율적인 매머드 흐름 효과(mammoth flow effect)를 촉진하여 수성 유체가 외부 분리기로 들어가기 전에 수성 유체(액체 및 고체 포함)로부터의 바이오가스 분리를 돕는다. 이 기체-유체 분리기 매머드 펌프 깔때기는 바람직하게는 내부 공급 도관을 연결하는 저면부를 향하는 깔때기 형태의 기울어진 벽으로 구성된다.

다른 실시예에서, 내부 분리기는 경사진 내부 구조를 갖는, 바람직하게는 경사판 또는 튜브를 포함하는 기체-유체 분리기이다. 바람직하게는, 기체-유체 분리기는 경사판 침강기이다. 경사판은 분리기 내부에 난류를 일으켜 바이오가스의 분리를 돕는다. 경사판은 평평할 수도 있고 주름이 있을 수도 있다. 이러한 경사진 내부 구조는 유체 및 고체 상으로부터의 바이오가스 분리를 촉진한다. 경사진 내부 구조는 일반적으로 약 45-65°의 각도로 배치된다. 약 55-60°의 각도로 배치하였을 때 특히 우수한 결과가 달성되었다. 인접한 내부 구조들은 일반적으로 분리를 향상시키고 분리기의 막힘을 방지하기 위해 서로 적어도 2cm, 특히 2-10cm 거리에 배치된다. 바람직하게는, 수성 유체는 분리기의 상단부를 통해 내부 분리기로 들어간다. 경사진 내부 구조를 갖는 기체-유체 분리기가 존재하는 경우, 내부 공급 도관의 유입구는 고체가 풍부한 유체를 수집하기 위해 분리기의 하단부에 연결된다. 고체를 포함하는 수성 유체는 일반적으로 내부 분리기의 바닥에서 수집되어 외부 분리기(2)로 공급된다.

외부 분리기는 일반적으로 사용 중에 고체를 포함하는 수성 유체가 분리기의 하단부에 위치한 유입구를 통해 들어가도록 구성된다. 외부 분리기는 고체 입자의 침강성을 향상시키기 위해 경사진 내부 구조를 포함한다. 경사판은 평평할 수도 있고 또는 주름이 있을 수도 있다. 이러한 경사진 내부 구조는 "라멜라 효과"로 인해 액체 및 고체 상으로부터의 바이오가스 분리를 촉진한다. 경사진 내부 구조는 일반적으로 약 45-65°의 각도로 배치된다. 약 55-60°의 각도로 배치하였을 때 특히 우수한 결과를 얻었다. 인접한 내부 구조들은 일반적으로 분리를 강화하고 분리기의 막힘을 방지하기 위해 서로 적어도 2cm, 특히 2-10cm의 거리에 배치된다. 경사진 내부 구조를 사용하면 고체 침강을 위한 침강 표면이 증가한다.

수성 유체는 층 류(laminar flow)가 고체 입자의 하방 이동을 촉진하는 한편, 수성 유체(유출물)를 위한 배출구가 위치하는 위쪽 방향으로 액체를 이동시키는 경사진 내부 구조를 통과하여 상방으로 흐른다.

외부 분리기는 바람직하게는 반응기에 영향을 주지 않고 이 모듈의 유지보수, 교체 및 수리를 가능하게 하는 격리 밸브를 포함한다. 외부 분리기의 격리는 장치를 격리하여 외부 분리기의 위치를 정기적으로 청소하는데 사용될 수 있다.

외부 분리기와 바이오반응기, 및 선택사항으로서 외부 분리기와 컨디셔닝 탱크를 연결하는 도관(33)을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 이 도관은 슬러지를 바이오반응기로 반환하고 외부 분리기를 통해 화학 물질을 순환시키기 위한 펌프(30), 바람직하게는 스크류 펌프를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 화학 물질은 제거해야 하는 불순물에 따라 산성 또는 염기성일 수 있다. 이 펌프는 외부 분리기를 청소할 수 있다.

외부 분리기는 기다란 디자인을 갖는 것이 바람직하다.

분리기를 빠져나오는 액체 상은 일반적으로 본질적으로 입상 바이오매스를 포함하지 않는다. 분리기로 공급되는 유체가 부유 고체(입상 바이오매스의 파편 형태로, 붕괴하는, 응집성의(입상이 아닌) 바이오매스 및/또는 분해 불가능한 부유 물질)을 포함하는 일 실시예에서, 분리기를 떠나는 액체 상은 공급된 유체에 비해 감소된 부유 고체(특히 바이오매스)를 가질 것이지만, 잔류 응집성 바이오매스를 포함할 수 있다. 예컨대, 액체 상이 처리 수로서 추가 사용을 위해 제공되거나 폐기를 위해 설비로부터 수거되어야 한다면, 이 유체는 그 자체가 알려진 방식으로 정제될 수 있다. 예컨대, 컨디셔닝 탱크를 통해 바이오반응기로 반환된 액체 상은 이러한 부유 고체를 제거할 필요없이 반환될 수 있다.

일반적으로, 본 발명에 따른 시스템은 컨디셔닝 탱크를 포함한다. 컨디셔닝 탱크가 있는 경우, 외부 분리기에서 얻은 액체 상의 일부는 컨디셔닝 탱크로 반환되어 탱크 내의 유체 부피를 거의 동일한 레벨로 유지할 수 있다.

바이오매스가 풍부한 유체 상은 바이오반응기로 다시 들어간다. 효율적인 공정을 위해서는 공정 중에 바이오매스를 순 성장시키는 것이 바람직하다. 반응기의 시동 중, 생분해성 물질의 효율적인 전환을 위해 충분한 양의 바이오매스를 확보하기 위해서는 시스템에서 바이오매스를 순 성장시키는 것이 중요하다. 그 이후 공정 단계에서, 바이오매스를 순 성장시키는 것은 회전율(turnover rate), 즉, COD의 전환에 부정적인 영향을 주지 않고 반응기로부터 슬러지를 추출할 수 있게 해준다. 또한, 과도한 바이오매스를 가지는 것은 바이오매스가 쉽게 저장, 운반 및 판매될 수 있으므로 추가로 수익을 증가시킨다.

본 발명의 유리한 방법에서, 바이오매스, 특히 입상 바이오매스를 포함하는 유체의 반환은 기계적 펌프의 필요없이 달성된다. 바이오반응기 내에서의 바이오가스의 상향 이동은 바이오매스가 풍부한 유체를 외부 분리기에서 빼내어 바이오반응기로 보내는 흐름을 유발시킨다.

바람직한 실시예에서, 바이오반응기(1)는 바이오가스 주입기(23)를 포함하고, 이를 통해 사용 중 외부 분리기(2)로부터 바이오반응기(1)를 향한 (입상) 바이오매스가 풍부한 유체의 흐름을 촉진하기 위해 바이오반응기(1)에 외부 분리기(2)를 연결하는 (입상) 바이오매스(10)가 풍부한 유체를 위한 도관으로 바이오반응기로부터의 바이오가스가 주입된다(예컨대, 도 1 참조). 또한, 도관(10) 내부의 (입상) 바이오매스가 풍부한 수성 유체가 바이오반응기(1)로 반환되면, 반환된 바이오가스는 가스 리프트 효과를 통해 외부 분리기(2) 내부의 수성 유체의 상향 흐름을 촉진한다. 바이오가스를 유체에 주입하면 도관의 막힘이 최소화되고 바람직하게는 방지된다는 추가적인 이점이 있다. 도관(10)에 주입하기 위한 바이오가스는 바이오가스 수집기를 사용하여 바이오반응기로부터 수집된다. 바이오가스 수집기는 바람직하게는 적어도 사용 중에 바이오반응기 내의 유체(현탁액)에 잠겨 있는 하나 이상의 바이오가스 수집기 후드를 갖는다.

바람직하게는, 바이오가스 수집기 후드(들)(22)는 외부 분리기(2)로부터의(입상) 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 유입구(9) 아래에 위치한다.

바람직한 실시예에서, 바이오가스 수집기 후드(들)(22)은 외부 분리기(2)를 위한 수성 유체를 위한 도관(6)의 유입구(5) 또는 도관(34)의 유입구(35) 아래에 위치한다.

따라서, 본 발명은 또한 경사진 내부 구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기, 바이오반응기로부터의 (입상) 바이오매스를 포함하는 수성 유체를 외부 분리기의 하단부로 공급하기 위한 유입구(4)에 관한 것이다. 외부 분리기의 유입구는 내부 공급 도관(6)의 유입구(5) 또는 외부 공급 도관(34)의 유입구(35)에 연결된다. 사용 중에 수성 유체는 액체 상과 입상이 풍부한 유체 상으로 분리된다. 외부 분리기는 (입상) 바이오매스가 풍부한 수성 유체를 바이오반응기로 반환하는 배출구(8)를 추가로 포함하며, 이는 도관(10)을 통해 바이오반응기의 (입상) 바이오매스가 풍부한 수성 유체를 위한 유입구(9)에 연결된다. 도관(10)에는 (입상) 바이오매스가 풍부한 유체에 바이오가스를 주입하기 위한 바이오가스 주입기(23)가 장착되어 있으며, 이 바이오가스 주입기는 도관(21)을 통해 바이오가스 수집기(22)에 연결된다.

반응기의 시동 동안 바이오가스 생산은 아직 기계적 도움없이 외부 분리기로부터 바이오반응기로(입상) 바이오매스가 풍부한 유체를 인출할 만큼 충분한 상향류를 유발하기에는 충분하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 외부 분리기로부터 바이오반응기로 바이오매스를 포함하는 상기 유체를 끌어 들이기 위해 재순환 펌프와 같은 기계적 지원이 제공될 수 있다. 또한, 이러한 펌프의 존재는 라인의 슬러지 침강으로 인한 도관의 막힘을 최소화하거나 방지한다.

바람직하게는, 사용 중에 수성 유체를 바이오반응기로 공급하는 컨디셔닝 탱크(12)가 제공된다. 컨디셔닝 탱크 내에 제공된 수성 유체의 혼합을 개선하기 위해, 바이오반응기로부터 컨디셔닝 탱크로 바이오가스를 주입하는 바이오가스 도관이 제공되는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 재순환 펌프를 사용하여 침강된 고체를 외부 분리기로부터 바이오반응기로 끌어들이기에 충분한 상향류를 생성한다.

외부 분리기는 접근 가능성을 개선하고 그로 인해 유지 보수 및 시동 절차를 용이하게 하고 추가로 반응기의 부분적 설치를 가능하게 하기 위해 반응기 외부에 설치된다. 즉, 이미 존재하는 시스템이 외부 침강기를 통해 업그레이드될 수 있고, 그로 인해 반응기의 효율이 향상된다.

바람직하게는, 외부 분리기를 설비의 다른 부분과 연결하는 도관은 격리 밸브를 포함하고, 이는 외부 분리기의 격리를 허용하고 따라서 외부 분리기의 제자리 청소 또는 유지 보수를 용이하게 한다. 또한, 외부 분리기는 일반적으로 외부 분리기를 위한 공급 도관의 유입구보다 낮게 위치하기 때문에, 외부 분리기 내의 압력은 바이오반응기의 상단부 내의 압력보다 높다. 일반적으로, 이 압력 차이는 약 1.5-3 바이다. 더 높은 압력은 바이오매스 입상을 압축하여 입상 내부에 여전히 존재할 가능성이 있는 가스를 제거함으로써, 입상의 침강성을 향상시켜 액체 상으로부터의 고체 제거를 개선한다.

유리하게는, 외부 분리기로부터 바이오반응기로 바이오매스가 풍부한 유체 상을 재순환시키기 위한 추진력의 적어도 일부는 가스-리프트 원리를 이용한다. 이것은 도 1 및 2에 도시되어 있으며, 여기서 바이오가스 도관(21)은 재순환 도관(10)으로의 바이오가스 주입기(23)와 바이오반응기(22) 내부의 바이오가스 수집 후드 사이에 제공된다. 이 원리를 사용하기 위해, 재순환 도관(10)이 가스 리프트를 생성하고 바이오매스가 풍부한 유체 상을 바이오반응기의 중간부 또는 하단부로 반환할 만큼 충분히 위쪽으로 뻗을 수 있도록, 외부 분리기는 충분히 낮게 설치되는 것이 바람직하다. 이는 바이오반응기 상단부의 고체 함량을 비교적 낮게 유지하는 것이 바람직하기 때문이다.

따라서, 외부 분리기는 설비의 바닥 또는 그 부근에 또는 바이오반응기의 밑면과 대략 동일한 높이 또는 그 아래에 위치하는 것이 유리하며, 도관(10)을 통해 바이오반응기(1)로 재순환되는 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 유입구(9)는 적어도 외부 분리기의 바이오매스가 풍부한 유체의 배출구(29) 보다 높은 레벨에 위치하거나, 바람직하게는 외부 분리기의 최상부보다 높은 레벨에 위치한다. 외부 분리기의 바이오매스가 풍부한 유체의 배출구(29), 재순환 도관(10)으로의 가수 주입기(23), 및 외부 분리로부터 재순환되는 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 유입구(9) 간의 만족스러운 높이 차이는 본 명세서에 개시된 정보, 일반적인 상식 및 선택사항으로서 제한된 양의 일상적인 시행 착오를 기초로 할 수 있다. 특히, 당업자는 압력 차가 유체/고체/기체를 올바른 방향으로 구동하도록 하는 높이 차이를 선택할 수 있을 것이다.

특정 실시예에서, 바이오반응기로부터 외부 분리기로 수성 유체를 공급하기 위한 도관은 슬러지가 도관을 침강시켜 시스템의 막힘을 야기하는 것을 방지하기 위해 적어도 실질적으로 직선이다. 즉, 예리한 각도 또는 예리한 모서리를 포함하지 않는다.

Claims (20)

1. 바이오매스를 포함하는 슬러지 베드를 포함하는 상향류 바이오반응기(1), 외부 분리기(2) 및 컨디셔닝 탱크(12)를 포함하는 설비에서 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 처리하는 방법으로서, 상기 방법은:
   - 상기 컨디셔닝 탱크(12) 내의 상기 수성 유체를 처리하는 단계; 그 후
   - 상기 컨디셔닝 탱크(12)로부터 상기 수성 유체를 상기 바이오반응기의 하단부로 공급하고, 공급된 유체를 상기 바이오매스와 접촉시켜, 상기 생분해성 유기 물질로부터 바이오가스를 형성하는 단계;
   - 상기 바이오반응기의 상단부로부터 상기 바이오매스와 접촉한 유체를 회수하는 단계로서, 회수된 유체는 바이오매스를 포함하는 것인, 상기 회수하는 단계;
   - 상기 바이오반응기의 상부에서 회수된 상기 바이오매스를 포함하는 상기 수성 유체를 경사진 내부 구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 상기 외부 분리기(2)로 공급하는 단계로서, 상기 바이오매스를 포함하는 상기 수성 유체는 감소된 바이오매스 함량을 갖거나, 본질적으로 바이오매스를 포함하지 않는 액체 상 및 바이오매스가 풍부한 유체 상으로 분리되는 것인, 상기 공급하는 단계;
   - 바이오매스가 풍부한 상기 유체 상을 상기 외부 분리기로부터 상기 바이오반응기로 반환하는 단계; 및
   - 감소된 바이오매스 함량을 갖거나 본질적으로 바이오매스를 포함하지 않은 상기 액체 상의 일부를 상기 외부 분리기(2)로부터 상기 컨디셔닝 탱크(12)로 반환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 바이오반응기는 입상 슬러지 베드(GSB)를 포함하고, GSB는 혐기성 미생물을 포함하며, 상기 생분해성 유기 물질은 상기 혐기성 미생물에 의해 전환되어 상기 바이오가스를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 바이오반응기의 상기 상단부로부터 회수된 상기 유체는 입상 바이오매스를 포함하고, 상기 입상 바이오매스는 상기 외부 분리기(2) 내부에서 침강하고, 상기 바이오반응기(1)로 반환되는 상기 유체 상은 침강된 입상 바이오매스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오반응기(1)는 상기 바이오반응기의 상단부에 위치한 내부 기체-유체 분리기(3), 바람직하게는 배플, 디플렉터, 깔때기 및 경사판 침강기로 구성된 그룹에서 선택된 기체-유체 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 분리기(2)는 유입구(5)보다 낮게 배치되어 공급 도관(6)의 상기 바이오반응기(1)로부터 수성 유체를 빼내어 상기 유체를 상기 외부 분리기로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 컨디셔닝 탱크 내에서의 처리는 상기 컨디셔닝 탱크 내의 상기 수성 유체의 pH를 유지하는 단계, 또는 상기 컨디셔닝 탱크 내의 상기 수성 유체의 pH를 6.5 내지 7.2 범위, 바람직하게는 6.6 내지 6.8 범위의 pH로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 컨디셔닝 탱크 내의 상기 수성 유체는 33 내지 37 ℃ 범위, 바람직하게는 34 내지 36 ℃ 범위의 온도로 유지되거나 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
8. 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비로서,
   - 바이오가스를 위한 배출구를 포함하는 바이오반응기(1);
   - 바이오매스를 포함하는 유체 상으로부터 액체 상을 분리하도록 배열된, 경사진 내부 구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기(2)로서, 상기 외부 분리기는 바이오반응기(1)로부터 수성 유체를 회수하기 위한 도관(6)의 유입구(5)에 연결된 수성 유체를 위한 유입구(4), 수성 유체를 위한 배출구(7a), 도관(10)을 통해 상기 바이오반응기(1)의 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 유입구(9)에 이어진 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 배출구(8)를 포함하는, 상기 외부 분리기(2); 및
   - 폐수를 위한 유입구(13), 도관(16)을 통해 상기 바이오반응기의 유입구(15)에 연결된 상기 수성 유체를 위한 배출구(14), 상기 외부 분리기(2)로부터 상기 컨디셔닝 탱크(12)까지의 액체 상을 위한 반환 라인(37) 및 바이오가스를 위한 배출구를 포함하는, 수성 유체를 전처리하기 위한 컨디셔닝 탱크(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
   
9. 제 8 항에 있어서, 상기 설비는 상기 바이오반응기로 유입물을 주입하기 위한 유입물 분배 시스템(15) 및 재순환 펌프(11)를 포함하고, 상기 유입물 분배 시스템(15)은 상기 반응기 표면 영역에 걸쳐 상기 수성 유체의 적어도 실질적으로 동일한 분포를 제공하도록 배열된 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
   
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 바이오반응기(1)는 고체를 포함하는 수성 유체로부터 바이오가스를 분리하도록 배열된, 상기 바이오반응기의 상단부에 위치하는 내부 분리기(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
11. 제 10 항에 있어서, 상기 내부 분리기(3)는 배플, 디플렉터, 깔때기 및 경사판 침강기, 바람직하게는, 배플 또는 편향기로 이루어진 그룹에서 선택된 기체-유체 분리기인 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오반응기(1)는 상기 외부 분리기(2)로부터 상기 바이오반응기(1)로 고체가 풍부한 유체를 반환하기 위해 상기 도관(10)에 바이오가스를 주입하도록 구성된 바이오가스 주입기(23)에 연결된 내부 바이오가스 수집기(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 분리기(2)는 상기 바이오반응기(1)의 유입구(30)에 그리고 선택사항으로서 도관(33)을 통해 컨디셔닝 탱크(12)의 유입구(31)에 연결된 배출구(29)를 포함하고, 상기 도관은 펌프, 바람직하게는 스크류 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 유지 보수, 청소 또는 교체를 위한 외부 분리기(2)의 격리를 위해 상기 도관(10)은 밸브(28)를 포함하고 도관(6)은 밸브(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오반응기는 상향 류 입상 슬러지 베드 반응기인 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
16. 제 15 항에 있어서, 상기 바이오반응기는 확장 입상 슬러지 베드 반응기인 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
17. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 분리기는 상기 바이오반응기의 밑면과 대략 동일한 높이 또는 그 아래에 위치하고, 특히, 바닥 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
18. 제 17 항에 있어서, 상기 바이오반응기(1)는 상기 외부 분리기(2)로부터 상기 바이오반응기(1)로 고체가 풍부한 유체를 반환하기 위해 상기 도관(10) 내에 바이오가스를 주입하도록 구성된 바이오가스 주입기(23)에 연결된 내부 바이오가스 수집기(22)를 포함하고, 고체가 풍부한 유체를 반환하기 위한 상기 도관(10)은 회수된 유체를 상기 바이오반응기로 배출하기 위한 배출구(9)를 갖고, 상기 회수된 유체를 상기 바이오반응기로 배출하기 위한 배출구(9)는 상기 바이오가스 주입기(23)보다 높은 위치에 있는 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
19. 제 18 항에 있어서, 상기 회수된 유체를 상기 바이오반응기로 배출하기 위한 배출구(9)는 상기 바이오반응기의 중간부 또는 하단부에 있는 것을 특징으로 하는 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체의 미생물 처리를 위한 설비.
    
20. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법에서의 제 8 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 설비의 사용.

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