KR20210104741A - 혐기성 소화를 위한 개선된 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 알려진 방식으로, 소화조(47, 100) 내의, 슬러지의 가수분해/산발효 단계, 가수분해된 슬러지로부터 아세테이트를 생산하기 위한 아세트산 생성 단계, 및 메탄을 생산하기 위해서 아세테이트로부터 메탄을 생성 단계를 포함하는, 유기 액체 슬러지(21)로부터의 혐기성 소화를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 방법은, 슬러지 내로 주입된 가스(27)로 슬러지를 충격하기 위한 수단에 의해서 얻어진, 가수분해된 슬러지 에멀전(23)을 생성하고, 이어서 가수분해된 슬러지 내의 압력 강하를 생성하는 부재(29)를 통해서 상기 슬러지를 반응기로부터 방출하기 전에, 가수분해된 슬러지를, 소화조와 관련하여 인-라인의 가압된 반응기(25, 101)에 연속적으로 공급하는 단계를 포함하고, 초기 단계는 소화조에 공급하기 전에 및/또는 소화조를 통해서, 적어도 1차례 반복된다.

Description

혐기성 소화를 위한 개선된 방법 및 장치

본 발명은 유기 액체 슬러지를 이용하여 실행되는 개선된 메탄화 프로세스에 관한 것이다.

유기 슬러지는 적어도 10%의 유기 성분을 포함하는 슬러지를 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명은 또한, 그러한 프로세스를 실행하는 메탄화 장치, 및 바이오가스(biogas)를 획득할 수 있게 하는 실제 분해/소화 프로세스 전에 얻어지는 중간 생성물에 관한 것이다.

본 발명은, 비록 배타적인 것은 아니지만, 재생 가능 에너지의 분야 그리고 보다 특히 열로, 전기로, 및/또는 차량용 연료로 변환하기에 적합한 바이오가스를 획득하는 분야에서의 적용에 있어서 특히 중요하다.

메탄화 현상은 습지 내의 동식물 성분이 분해되는 곳에서 자연적으로 발생되는 것으로 알려져 있다.

그러나, 액체 폐기물 그리고 특히 박테리아 물질과 그 분비물을 포함하는 유기 하수 슬러지로부터 이를 획득할 수도 있다.

슬러지의 메탄화는 복잡한 생물학적 프로세스이다.

통상적으로, 유기 슬러지는 소화조로도 알려진 밀폐 탱크 내에 저장되어야 하고, 소화조 내에서 유기 슬러지는 주어진 시간 동안 혐기성 박테리아의 작용을 받는다.

산소가 없는 상태에서, 관련된 생물학적 반응 단계들은 다음과 같다:

(i) 복잡한 유기 사슬(단백질, 지질, 다당류 등)이 더 단순한 화합물로 변환되는, 가수분해 및 산발효(acidogenesis) 단계.

이러한 분해는 일반적으로, 셀룰로오스, 전분 또는 지방과 같이 가수분해하기 어려운 화합물의 존재로 인해서 제한 단계가 된다.

반응의 종료에서, 산발효는 유기산(지방산, 아미노산 등) 그리고 또한 수소 및 이산화탄소를 생성한다.

(ii) 이전에 얻어진 생성물을, 본질적으로 아세테이트, 아세트산, 이산화탄소 및 수소로 형성된 메탄의 직접적인 전구체인 생성물로 변환하는 아세트산 생성(acetogenesis) 단계.

이를 수행하기 위해서 그리고 자체적으로 알려진 방식으로, 두 가지 유형의 박테리아, 즉 필수적인 수소-생산 아세토겐(OHPA) 및 아세테이트 생산을 향해서 지향된 비-신트로픽 아세토제닉 박테리아(syntrophic acetogenic bacteria)가 특히 사용된다.

이러한 단계는 생성 수소의 연속적인 제거를 필요로 한다.

(iii) 아세트산이 메탄으로 그리고 이산화탄소로 변환되는 최종 메탄 생성 단계.

알려진 바와 같이, 메탄 생성은 고세균(Archaea)-유형의 혐기성 미생물에 의해서 실행되고 이하의 2가지 유형의 반응으로 실행되고:

· CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

· CH₃COOH → CH₄ + CO₂

미량의 원소의 존재 하에서, 전위, 산화환원, 온도 및 압력 조건이 만족스럽게 충족될 때, 메탄 생성 고세균이 발생된다는 것이 알려져 있다.

획득된 메탄은 소화조의 상단 부분에서 회수된다.

잔류 성분(소화액) 자체가 회수되고 저장된다.

전술한 바와 같이, 메탄화를 제한하는 주요 인자는 슬러지의 가수분해 중에 발생되는데, 이는 슬러지 내에 초기에 존재하는 지방, 전분 및 다른 셀룰로오스를 정확하고 신속하게 가수분해하는데 있어서의 어려움 때문이다.

본 발명의 목적은, 프로세스의 종료에서 생성되는 메탄의 생산에 대한 수율을 개선할 수 있게 하고 더 무기질임에 따라 보다 유용한 소화액을 획득할 수 있게 하면서, 특히 알려진 메탄화 프로세스의 처음 가수분해 단계를 개선할 수 있게 한다는 점에서, 이전에 알려진 것보다 실행 요건을 보다 잘 만족시키는 프로세스, 시스템 및 중간 생성물을 제공하는 것이다. 본 발명에 의해서, 소화조의 크기를 줄일 수 있고 및/또는 소화조가 과적되었을 때 기존 소화조의 체류 시간을 증가시킬 수 있거나, 소화조가 과적되지 않았을 때 부가적인 유기 공급원료를 도입할 수 있게 하고 그에 따라 수율을 증가시킬 수 있다.

그에 따라, 이는 친환경적인 녹색 경제의 맥락에서 폐수 처리 플랜트 슬러지의 부가적인 재순환을 가능하게 한다.

그에 따라, 혐기성 소화는, 탈수를 또한 촉진하면서, 안정화 및 부피의 감소를 가능하게 하는, 슬러지를 처리하기 위한 선택적인 부가적 단계가 된다.

슬러지의 전체 고체(TS)가 유기 성분, 무기 성분 및 용해된 염으로부터 형성된다는 것이 알려져 있다. 이러한 전체 고체는, 평균적으로, 처리 전의 유기 슬러지에서의 70% 내지 80%로부터 소화된 슬러지에서 약 50%로 달라지는, 휘발성 고체(VS)의 부분을 포함한다.

이러한 소화의 실시를 평가하기 위해서, 소화조의 유입구와 배출구 사이의 휘발성 고체의 농도들을 비교하는 것이 통상적으로 이용된다.

이러한 소화조의 수율은, 슬러지의 물리적 성질, 실제 체류 시간, 소화조 내의 혼합의 유효성, 온도 유지, pH 및 슬러지의 생분해성을 포함하는, 몇몇 매개변수에 따라 달라진다.

소화에 의해서 처음 파괴되는 것이 슬러지의 가장 생분해 가능한 부분이라는 점이 관찰되었다.

그에 따라, 본 발명은, 모든 다른 매개변수가 동일할 때, 소화 전에 이러한 생분해 가능한 부분을 증가시키는 것에 의해서 전체 프로세스가 개선될 것이라는 생각으로부터 출발한다.

혐기성 소화 전의 전처리로서 사용되는 슬러지 붕괴 프로세스가 이미 알려져 있다.

이러한 기술의 목적은 미립자 유기 성분을 분해하고 박테리아 응집체의 크기를 줄이는 것이다.

그러나, 이러한 기계적 또는 화학적 기술은 단점을 갖는다.

특히, 그러한 기술은, 희망하는 것에 반대되는 효과를 초래하는, 비-생분해성 저항형 유기 물질의 출현을 야기하는 산화 반응으로 인해서, 충분치 못한 성능을 제공한다.

예를 들어, 슬러지에서의 초음파 작용을 통한 준비 기술이 알려져 있다. 그러나, 이는, 분자 레벨의 공동화(cavitation) 현상을 야기할 것이고, 그에 따라 자유 라디칼의 생산에 의한 산화의 원인이 되는 매우 높은 압력/온도를 야기할 것이다.

또한 열 가수분해 기술이 있다. 비록 이러한 기술이 더 강력하고 소화조의 성능의 상당한 개선을 가능하게 하지만, 이들은 장비 및 운영비와 관련하여 비용이 많이 들고, 및/또는 고온(160 ℃ 내지 180 ℃)까지의 가열을 필요로 한다.

요약하면, 이러한 기술들 모두는 고가이고, 혐기성 박테리아에 의한 소화의 효과를 부분적으로 상쇄시키는 소화 프로세스에 저항하는 유기 물질을 생산하는 단점을 가지며, 이러한 물질은 비-생분해성 방출물의 형태로 플랜트의 배출구에서 발견된다.

마지막으로, 슬러지 준비 프로세스의 유효성은 이러한 슬러지의 초기 TS 적재와 관련된다.

따라서, 전술한 것과 같은 국소적인 또는 화학적 작용을 가지고 초음파 또는 화학적 산화를 이용하는 기계적 분해 기술의 경우에, 최대 권장 적재량은 리터당 6 내지 8 g의 TS이고, 이는 불가피하게 큰 크기의 소화-전 준비 플랜트의 설계를 초래한다.

최적화된 처리를 위한 초기 농도가 리터당 약 20 g인 열 가수분해 기술과 관련하여, 다른 한편으로, 모든 낮은 농도는 부가적인 비용을 발생시키고, 이는 여기에서 공간, 균질화 및 가격의 문제를 또한 제기한다.

본 발명의 목적은, 모두가 박테리아의 부분적 분해와 조합될 수 있는, 놀랍게도 그리고 동시에 피소화 슬러지를 농후화할 수 있고, 그 점도를 낮출 수 있으며, 물의 매스(mass) 내의 유기 성분의 분산을 증가시킬 수 있게 하는, 상보적인 처리를 상류에 도입함으로써, 특히 단순하고, 콤팩트하고 저렴한 방식으로, 알려진 소화조의 수율을 개선하는 것에 의해서 이러한 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다.

그러한 결과는, 더 콤팩트한 전체적인 메탄화 시스템을 획득할 수 있게 하거나 과다하게 적재된 소화조를 위해서 더 긴 체류 시간을 유지할 수 있게 하는 작은 보충 장치의 부가에 의해서 경제적인 방식으로 얻어진다.

이를 위해서, 본 발명은, 알려진 방식으로, 소화조 내에서, 슬러지의 가수분해/산발효 단계, 가수분해된 슬러지로부터 아세테이트를 생산하기 위한 아세트산 생성 단계, 및 메탄을 생산하기 위해서 아세테이트로부터 시작하는 메탄 생성 단계를 포함하는, 특히 유기 액체 슬러지로부터 시작하는 메탄화 프로세스를 제시하고, 그러한 프로세스는 상기 슬러지 내로 주입된 가스로 슬러지를 블래스팅(blasting)함으로써 얻어진, 가수분해된 슬러지 에멀전을 생성하고, 이어서, 상기 가수분해된 슬러지 내의 압력 강하를 생성하는 부재를 통해서 반응기를 배기하기 전에, 상기 가수분해된 슬러지를, 소화조와 관련하여 인-라인으로 위치되는 가압 반응기에 연속적으로 공급하는 초기 단계를 포함하고, 상기 초기 단계는, 소화조에 공급하기 전에 및/또는 소화조를 통과한 후에 그리고 소화조에 재공급하기 전에, 적어도 1번 반복되는 것을 특징으로 한다.

이러한 반복되는 보충적인 초기 단계는 구체적으로, 피처리 유기 슬러지에 의해서 구성되는 점성적인 비-압축성 유체로부터 시작하여, 비교적 약한 압력/배압 사이클로 인한 박테리아 및 박테리아의 응집체를 포함하는 압축성 유체의 생산을 가능하게 하고, 이들은, 이러한 사이클 수(N)가 적어도 2와 동일한 특정 문턱값을 초과할 때, 예상치 못하게 슬러지 내에 존재하는 박테리아의 일부를 충분히 파괴(분해)한다는 것이 관찰되었다.

유리하게, 그러한 처리는 어떠한 응집제도 첨가하지 않고 실행되며, 이는, 응집을 허용하여야 하는, 메탄화기 내의 보다 양호한 초기 가수분해를 가능하게 하는 조성물을 촉진하려고 하는 것과 반대되는 것으로서, 당업자에게 유해한 것으로 보일 것이다. 그러나, 실제로, 우수한 결과가 얻어진다.

그러나, 슬러지의 응집이 실제로 초기 단계 후에 그리고 적어도 1번 반복하기 전에 실행되는 다른 실시예에서, 당업자는, 다른 한편으로, 여기에서 얻어지는 응집체의 파괴를 예상할 수 있다.

또한, 본 발명이 사실상 이러한 응집을 파괴하는 것으로 관찰되지만, 이는 사실상 그리고 최종적으로 비교적 부드럽게 유기 성분을 분산시키고, 한편 그에 따라 이러한 유기 성분의 더 많은 제공으로 예를 들어 고세균 유형의 박테리아에 의한 소화 프로세스를 보다 잘 따를 수 있게 한다.

유리하게, 이용 가스는 공기이다.

여기에서, 박테리아 매체 내로의 공기의 주입이, 혐기성 박테리아에 의해서 하류에서 실행되어야 하는 메탄화 처리에 불리할 것이라고 생각되었을 수 있다. 사실상 관찰 결과는 이와 다르다.

그러나, 다른 적용예에서, 이용 가스는 CO₂, 질소(N₂) 또는(예를 들어, 소화조 하류에서 얻어지고 부분적으로 재순환되는) 바이오가스, 또는 선택적으로 공기와 이들의 조합이다.

유리하게, 초기 단계의 사이클은, 적어도 N 번으로 연속적으로, 얻어진 가수분해된 에멀전에서 실행되고, N ≥ 4, N ≥ 7 또는 8, 또는 N ≥ 10, 20 또는 30 이다. 그에 따라, 이러한 반복은, 소화조 내로의 도입을 초래하는 후속 단계 전에, 및/또는 소화조 내로의 직접적인 도입 전에 및/또는 소화조를 통과한 후에 그리고 필요한 경우에 후속 반복을 위해서 재공급되기 전에, 발생된다.

그렇게 형성된 에멀전의 물리적 구조는 나머지 메탄화 프로세스 전에 가압되고 감압됨에 따라 변화되고 그에 따라 다양한 크기의 기포, 즉 반응기의 압력에서 분해된 가스 또는 공기로부터 초래되는 작은 기포 및 반응기 내의 기존 기포의 진공 압력과 연계된 확대로부터 초래되는 큰 기포의 형성에 유리한 현상을 초래한다.

이러한 분산은 에멀전화된 매스의 부유에 매우 유리한 것으로 관찰되었다.

유리하게, 슬러지에서의 이러한 초기 단계 또는 이러한 초기 단계들 다음에는, 소화조에 공급하기 전에, 예를 들어 프레스 벨트 상에서의 TS/액체 분리 단계 또는 단순히 배액(draining)이 뒤따른다.

반복되는 에멀전 생성 단계(들)와 소화조 내의 실제 메탄화 사이의 중간의, 이러한 보충적인 단계는 슬러지의 농후화를 가능하게 한다.

소화조 내의 양호한 균질화를 보장하는 혼합을 더 어렵게 만들고 고비용이 되게 하기 때문에, 이러한 농후가 양호한 소화에 바람직하지 않은 것으로 보이지만, 획득된 슬러지 에멀전이 특히 낮은 점도를 가지고, 이는 이러한 특이성을 보상하고 사실상 소화조 내의 온도 및 pH의 양호한 균질화를 가능하게 한다는 것이 관찰되었다.

유사하게, 농후화는, 이러한 전처리 후에 얻어진 디캔팅된 슬러지(decanted sludge)를 공급하는데 있어서 어려움이 있다는 것을 제시하였을 수 있다.

소화조에 공급하도록 의도된 슬러지 내의 (심지어 탈가스 후에도) 지속되는 가스 기포의 존재는 사실상 그 용이한 펌핑을 가능하게 한다.

조립체의 점도가 낮은 경우에, 중력 공급이 또한 가능하다.

여기에서, 3개의 매개변수가 소화조의 수율을 개선한다는 것에 주목할 수 있다:

- 혼합의 세기. 효과적인 혼합은 온도차를 감소시키고, 소화조의 매스 내의 유기 성분의 농도를 개선하고, pH를 균질화하며, 미생물과 피분해 유기 성분이 만나서 반응할 수 있는 기회를 배가한다;

- 공급의 규칙성. 미생물 생성의 중단 및 시작을 방지하기 위해서, 규칙적인 유기 공급원료의 제공을 보장하는 것이 중요하다;

- 유기 성분의 높은 함량에서만 달성될 수 있는 높은 수율을 획득하기 위해서, 유기 성분의 농도, 성질 및 구조가 또한 중요하다.

본 발명은, 한편으로 TS의 밀도를 증가시키는 것에 의해서 그리고 다른 한편으로 양호한 점도를 보전하는 것에 의해서, 이러한 3개의 매개변수를 최적화할 수 있을 것이다.

확인된 바와 같이, 양호한 점도는 구체적으로 더 양호한 혼합 및 공급의 규칙성을 가능하게 한다.

여기에서, 이러한 준비 단계로부터 소화조에 공급하는 것이 연속적으로 또는 반-연속적으로 실행될 수 있을 것임에 주목하여야 한다.

"반-연속적"이라는 용어는, 연속적인 또는 반-연속적인 처리를 가능하게 하여, 결과적으로 우수한 출력을 허용하기 위해서, 서로 연속적으로 또는 실질적으로 중단 없이 대체되는, 연속적인 배치들(batches)을 의미하는 것으로 이해된다.

또한, 전술한 압력/진공 압력 작용은 박테리아와 관련하여 더 양호하게 분산되고 더 양호하게 분해된 유기 성분의 성질 및 구조를 개선하고, 이는, 교환 가능성을 높이는 것에 의해서 더 양호한 유기 성분의 접근성 및 생분해성을 초래하고 그에 따라 더 양호한 소화 반응 및 결과적인 메탄-생산 반응의 수율을 초래한다.

유리한 실시예에서, 이하의 배열 중 하나 및/또는 다른 하나가 부가적으로 및/또는 추가적으로 이용된다:

- N ≥ 10, 예를 들어 15 이상;

- 반응기의 배출구에서의 에멀전이 다음 단계 전에 탈가스되고;

- 반응기의 배출구에서, 그리고 메탄화기 내로 도입되기 전에, 응집제는 에멀전 내로 주입되지 않고;

- 응집체를 형성하기 위해서 다음 단계 전에, 응집제가 반응기의 배출구에서 에멀전 내로 주입된다. 초기 단계가 반복되는 경우에, 이러한 응집제의 첨가는 반복된 초기 단계 이후에 실행된다.

- 응집제는, 환기 전에, 반응기의 인접한 배출구에서 주입되는 중합체이다.

다른 실시예에서, 중합체의 주입은 환기 후에 실행된다. 응집제는 예를 들어 양이온 유형의 유기 응집제이고;

- 농축기로서의 역할을 하는 용기 내의 응집된 에멀전의 부유/침전에 의해서, 응집된 슬러지 에멀전이 농축되고, 농축된 슬러지는 예를 들어 범람에 의해서 소화조로 연속적으로 방출되며;

- 슬러지는, 슬러지가 빠른 속도(v)(예를 들어, v > 10 m/s) 및 낮은 압력(p)으로 통과하는, 작은 직경(d)(예를 들어, d < 50 mm 또는 1 cm)의 요소를 통해서 가압 반응기 내로 공급되고, 그러한 요소 내로 가스 또는 공기가 큰 유량(예를 들어, q Nm³ ≥ 10 Q m³의 유량, Q는 슬러지의 유량임)으로 주입되고, 그에 따라 압축 가능 기체 에멀전을 생성하고, 그러한 기체 에멀전은, 예를 들어 볼 밸브 또는 글로브 밸브 또는 슬리브 밸브에 의해서 형성된 하류 부재 내의 압력 강하 이전에, 에멀전이 통과하는 요소보다 큰 직경(D)(D > 20 d)의 하류 반응기에, 높은 압력(P)(P > p, 예를 들어 P > 2 bar 및 유리하게 P ≥ 10 bar 그리고 < 20 bar 또는 15 bar)으로 그리고 느린 속도(V)(V < v)로, 공급된다.

주입 구역의 특히 감소된 크기(예를 들어, 0.001　m³)는 우수한 슬러지/공기 혼합을 가능하게 할 것이다.

그에 따라, 구체적으로 이러한 위치에 고속 구역이 존재하여, 동력학적인 충돌을 초래하고, 이는 슬러지가 가스 내에서 분산될 수 있게 하고;

- 작은 직경의 요소는 벤투리(Venturi)이고;

- 공기는 슬러지의 유동의 방향으로 및/또는 그 유동에 반대되는 방향으로 주입되고, 및/또는 슬러지의 유동의 방향과 20° 내지 90°, 예를 들어 30° 또는 45°의 각도로 주입되고;

- 에멀전 또는 응집체는, 응집체의 에멀전의 자체에 대한 또는 응집체를 감속시키기 위한 에너지-흡수 플랩에 대한 부드러운 충돌에 의해서 탈가스되고;

- 그렇게 숙성된(matured) 에멀전 또는 응집체를 회수하여, 소화조로의 방출을 위해서 여과 및/또는 침전/성장 장치를 통해서 통과시킨다.

에너지-흡수라는 용어는, 응집체의 운동 에너지를 적어도 2의 배수만큼 감소시키기 위해서 배열된 수단으로 이해된다.

이는 액체/액체 유형의 충돌이다.

그러한 과다 공기의 부드러운 그리고 부분적인 탈가스는 에멀전을 손상시키지 않고, 이어서 탈가스의 에너지를 이용하여 이를 보다 양호하게 응집시킬 수 있게 할 것이고, 이는 중합체의 혼합 시간의 10% 내지 20% 또는 심지어 50%까지의 감소 그리고 또한 사용되는 중합체의 양의 감소를 가능하게 한다.

무엇보다도, 이렇게 처리된 슬러지를 그 저점도에서 유지하면서 그리고 그 작업성(용이한 펌핑)을 유지하면서 공기를 우수하게 탈가스하는 것은, 메탄화로 주입되는 산소의 양을 최소화할 수 있게 하고, 산소의 존재는 혐기성 박테리아가 좋아하지 않는다.

부드러운 충돌은, 예를 들어 중력에 의해서 자체 상으로, 또는 유동을 감속시키도록 배열된, 그러나 유동 내의 급격한 과다 압력을 생성하는 불규칙성을 구성하지 않는, 에너지를 흡수하기 위한 플랩 또는 구획부 또는 디스크 상으로, 예를 들어 가요적인 또는 예를 들어 몇 cm²(예를 들어, x × y, x 및 y < 10 cm)의 감소된 크기를 갖는 플랩 상으로 낙하하는 것에 의해서 에멀전 또는 응집체 자체에 대한 충격(percussion)이 없이 점진적으로 충돌 또는 접촉하는 것을 의미한다.

가요성 플랩 또는 구획부는, 슬러지의 응집체를 파괴하지 않고 압력 탈가스를 가능하게 하는 감속에 의해서, 압력 강하를 견디는데 적합한 및/또는 생성하는, 예를 들어 고무 또는 기타로 제조된, 탄성 또는 반-강성 요소를 의미하는 것으로 이해된다.

그러한 시스템은, 에멀전의 또는 응집체의 구성의 연속성 및 프로세스 중의 에멀전의 유동 또는 전달율의 준수를 보장하면서, 과다 공기의 탈가스를 가능하게 한다.

중합체와 관련하여, 통상적으로 조작자는, 확실히 더 무거운 그러나 파괴의 위험을 초래하지 않는 응집체를 획득하기 위해서, 과다하게 제공하는 경향을 가질 것이다.

본 발명의 이러한 실시예로, 이러한 위험이 상당히 최소화되는데, 이는, 탈가스 에너지를 이용하는 것에 의해서 단순한 방식으로 응집 프로세스를 개선함으로써, 플랜트의 조작자가 더 이상 과다-투입하지 않을 것이기 때문이다.

구체적으로, 응집제를 30%까지 절감할 수 있게 하는 결과가 처리 라인에서 얻어진다.

본 발명은 또한 전술한 바와 같은 프로세스를 구현하는 장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 알려진 방식으로, 소화조를 포함하는 유기 슬러지로부터 시작되는 메탄화를 위한 장치를 제공하고, 부가적으로 소화조 상류의 반응기, 작은 직경(d)(예를 들어, d < 50 mm 또는 1 cm)의 요소 또는 주입기를 포함하는 상기 반응기에 슬러지를 공급하기 위한 수단, 작은 직경의 요소보다 큰 직경(D)(D > 20 d)의 하류 반응기에 공급하도록 배열된, 압축 가능 기체 에멀전을 생성하기 위해서 상기 주입기 내로 가스 또는 공기를 주입하기 위한 수단, 반응기의 배출구에서 압력 강하를 생성하는 부재, 슬러지를 소화조에 전달하기 위한 수단, 및 소화조 상류로 및/또는 소화조를 통해서 슬러지를 재순환시키기 위한 마진(margin)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 유리한 실시예에서, 본 발명은 또한 반응기의 하류에 위치되는 혼합 수단을 구비하는 탈가스 챔버를 제시한다.

유리하게, 재순환 수단은 소화조의 상류에 위치되고, N번의 재순환 동작을 허용하기 위한 충분한 부피의 중간 버퍼 탱크를 포함한다.

또한 유리하게, 이는, 소화조를 통해서, 부재의 배출구에서 얻어진 에멀전을 루프 내에서 순환시키기 위한 수단을 포함한다.

하나의 유리한 실시예에서, 장치는 압력-강하-생성 부재 이후에(그러나 재순환 분지 연결부 이전에) 응집제를 주입하기 위한 수단을 포함한다.

또한 유리하게, 이는, 에멀전의 또는 응집체의 자체에 대한 또는 가요성 구획부에 대한 부드러운 충돌에 의해서 대기압에서 에멀전 또는 응집체를 탈가스시키기 위한 수단을 포함한다.

유리하게, 탈가스 수단은 대기압으로 개방된 컨테이너, 및 대기압으로 개방된 컨테이너 내로의 분수(fountain)로서 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 에멀전 또는 응집체가 빠져 나오는 에멀전 또는 응집체의 공급부를 포함한다.

또한 유리하게, 탈가스 수단은, 유동을 감속시키기 위한 구획부를 포함하는 중간 유입구 챔버를 구비하는 에멀전 또는 응집체의 통과를 위한 외장을 포함한다.

유리하게, 구획부는 가요적이고 및/또는 (예를 들어, 몇 센티미터, 예를 들어 5 cm 내지 100 cm의 곡률반경을 갖는) 곡선형이고, 그 피크는 유동을 향한다.

유리하게, 그리고 응집제를 첨가하는 경우에만, 농축기로서의 역할을 하는 용기가 반응기의 배출구 또는 하류에 추가적으로 제공되고 응집된 슬러지가 주어진 높이 위로 부유될 수 있도록 배열된다.

본 발명은 또한, 전술한 반응기를 통한 N번의 재순환 통과 후에 얻어진 유기 슬러지의 수프(soup) 또는 에멀전을 제안하고, N ≥ 4이고, 소화조 공급을 위해서 유리하게 N ≥ 7이다.

유리하게, 유기 슬러지 수프는 적어도 80%의 분해된 박테리아를 포함한다. 이미 20% 내지 30% 분해일 수 있는 초기 상태에 따라서 달라지는, 그러한 결과는 아직까지 결코 달성되지 않았다.

분해된 박테리아는, 세포막이 파괴되어 사멸된 박테리아를 의미하는 것으로 이해될 것이다.

슬러지의 전처리 중에, 반응기 내의 혼합물의 짧은 체류 시간(몇 초, 예를 들어 l s 내지 10 s)과 조합된 슬러지 내로 가스를 도입하는 것은, 메탄화에 유리한 H₂S 및 NH₃와 같은 작은 분자의 추출을 야기하고, 이어서 이러한 독성 물질이 과다해진다.

본 발명은 비제한적인 예로서 이하에서 주어진 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 그러한 설명은 첨부 도면을 참조한다.

도 1은 본 발명에 따른 프로세스의 일 실시예의 주요 단계를 보여주는 흐름도이다.
도 1a는, 초기 단계의 응집이 없는, 본 발명에 따른 프로세스의 다른 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 프로세스를 구현하는 장치의 제1 실시예를 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명과 함께 이용될 수 있는 에멀전을 획득하기 위해서 본 발명과 함께 이용될 수 있는 토출기의 실시예를 횡단면으로 도시한다.
도 2b는 본 발명에 따라 이용 가능한 토출기의 다른 실시예를 도시한다.
도 2c는 본 발명에 따라 이용 가능한 토출기의 다른 실시예를 도시한다.
도 2d는 본 발명에 따라 이용 가능한 토출기의 다른 실시예를 도시한다.
도 2e는 본 발명에 따라 이용 가능한 토출기의 다른 실시예를 도시한다.
도 2f는 본 발명에 따라 이용 가능한 토출기의 다른 실시예를 도시한다.
도 3은 보다 특히 여기에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 장치의 탈가스/숙성 유닛을 횡단면으로 개략적으로 도시한다.
도 3a는 도 3을 참조하여 설명된 유형의 장치의 탈가스/숙성 유닛의 실시예의 정면도이다.
도 3b는 도 3a의 IIIA-IIIA를 따른 횡단면도이다.
도 4는 감속 구획부를 갖춘 탈가스/숙성 유닛의 다른 실시예의 상면도이다.
도 4a는 도 4의 IVA-IVA를 따른 횡단면도이다.
도 5는, 응집에 의해서 농후화되지 않은 액체 슬러지에 대한, 통과가 없이, 그리고 본 발명에 따라 초기 단계의 1번, 8번 및 10번의 통과 후에 얻어진 유기 재료의 분산을 도시한다.
도 6은, 응집에 의해서 농후화된 액체 슬러지에 대한, 통과가 없이, 그리고 본 발명에 따라 초기 단계의 1번, 8번 및 10번의 통과 후에 얻어진 유기 재료의 분산을 도시한다.
도 7은 액체 슬러지에 대한, 통과가 없는, 그리고 본 발명에 따라 초기 단계의 1번의 통과 및 8번의 통과 후의, 박테리아 응집체의 다공도 및 구조, 그에 포함되는 집합체의 크기, 그리고 또한 EPS 구조(EPS는, 박테리아 응집체의 기계적 안정성을 유지할 수 있게 하는 유기 및 무기 합착 구조물이다)를 도시한다.
도 8a은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예를 도시한다.
도 8b은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예를 도시한다.
도 8c은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예를 도시한다.

도 1은 보다 특히 여기에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 유기 슬러지의 메탄화 프로세스의 단계들을 개략적으로 도시한다.

유기 슬러지는, 예를 들어, 침전 탱크로부터 연속적으로 펌핑된다.

본 발명에 따라, 충돌이 슬러지와 가스 사이에서 생성되어 반응기에 공급되는 에멀전을 생성하고(단계 1), 이는 대기압과 관련하여 가압되고(단계 2), 이는 압력 강하를 생성하는 부재를 통해서 배기되고(단계 3), 이어서 선택적으로 탈가스되고(단계 4), 선택적으로 응집되고(단계 5), 그리고 총 N ≥ 2 또는 3, 예를 들어 N = 7, 8 또는 10의 N번의 실행을 위해서 선행 단계 1 내지 5를 반복하도록 결정된다(테스트 6).

압력/진공 압력을 인가하는 이러한 프로세스는 매체의 박테리아의 몇십 퍼센트의 분해를 초래하고, 이는, 단계 1 내지 5가 충분한 횟수로 반복되는 경우에 80% 내지 90%에 도달할 수 있고 희망 분해 결과에 따라 달라진다.

이러한 분해는, 박테리아가 내부에 존재하는 매체의 거시적 조건으로 인해서 발생된다.

이용되는 국소적인 에너지 조건은 또한 매우 작고, 다른 종래 기술(초음파 공동화, 화학적 및/또는 열적 처리)과 달리, 비-생분해성 저항형 유기 분자의 바람직하지 않은 생산을 방지할 수 있게 한다.

전술한 단계 1 내지 4와 동일한 단계 1' 내지 4'가 도 1a에 제공되어 있다. 그러나, 이러한 바람직한 실시예에서, 응집은 여기에서 실행되지 않는다. 대조적으로, 재순환 저장용기가 5'에서 공급되고, 이는 적어도 N번의 반응기를 통한 순환을 가능하게 할 것이다. 예를 들어, 10 m³/h의 슬러지 유량 및 N=5에서, 11 m³/h의 탱크가 제공되고, 이는 반응기의 유입구와 배출구 사이에서 유량을 연속적으로 유지할 수 있게 한다(재순환되는 초기 단계가 실행되는 반응기 내의 체류 시간이 매우 짧은 것(몇 초 또는 심지어 몇 분)으로 알려져 있다).

본 발명에 따른 메탄화 전에 유기 슬러지를 준비하기 위한 기술은, 큰 물질의 이용성을 유지하면서, 슬러지의 큰 농후화를 가능하게 하고, 저점도를 초래하고, 그에 따라, 이하의 조성의 슬러지로 얻어진, 페트리 디시(petri dish) 박테리아 성장 유형의 분석으로부터의 결과(이하의 표 1 참조)와 같이, 슬러지의 생분해성을 증가시키면서, 호기성 박테리아의 부분적인 분해를 가능하게 한다.

전체 고체의 VS(휘발성 고체)%: 60%

VFA 휘발성 지방산: 185 mg/l

AGC/TAC: 0.4

pH: 6.8

이러한 예에서, 초기 단계는 도 1a(응집 없음)를 참조하여 설명된 것과 같다.

콜로니(colony) 형성 유닛

전술한 단계를 포함하는 완전히 또는 부분적으로 에멀전을 생성하는 초기 단계 이후에 숙성 단계 7이 선택적으로 이어지고, 이어서 소화조에 공급할 수 있게 하는 배액/프레싱 단계(단계 8)가 이어지며, 자체적으로 알려진 실제 메탄화가 발생되는 단계(9)는 10의 메탄-함유 바이오가스에서 추출할 수 있게 한다.

바이오가스의 일부(테스트 11)는 그리드 내로 주입하기 위한 가스로서 재사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(20)의 실시예를 도시한다.

액체 유기 슬러지(21)가 공급 펌프(22) 및 파이프워크(23)를 통해서, 예를 들어 1 m의 높이 및 50 cm의 직경을 가지는 관형 외장(25) 내에서 예를 들어 벤투리에 의해서 형성되는 제한부(24)를 향해서 도입된다.

압축기(26)는, 예를 들어 유체의 방향에 대해서 30°의 각도로 비스듬하게, 벤투리(24)의 내측으로 압축 공기(27)를 공급하고, 그에 따라 에멀전(28) 또는 슬러지/공기/물의 3-상 혼합물을 형성한다.

관형 외장(25)은 예를 들어 상대적으로 약 1.2 내지 2 bar 또는 2 bar 초과의 압력에서 유지된다.

이는, 외장의 내부 압력에 따라, 조절 밸브(29)에 의해서 실행될 수 있다. 이러한 밸브(29)는 제한부를 구성하고, 일 실시예에서, 제한부의 하류에서, 자체적으로 알려진 공급-계량 장치(31)에 의해서 응집제(30)가 공급된다.

응집제 공급부 하류에서, 그렇게 응집된 에멀전이, 보다 특히 여기에서 설명되는 본 발명의 실시예에 따라, 탈가스기(32)에 공급된다.

응집된 에멀전 또는 응집체를 위한 탈가스기는 33에서 대기압에 개방되고, 응집체를 공급하기 위한 수직 관(34)을 분수로서 포함하며, 그에 따라 응집체가 자체에 대해서 부드럽게 충돌할 수 있게 하고, 이는 응집된 에멀전의 주어진 그리고 비파괴적인 탈가스를 가능하게 한다.

슬러지는 주어진 시간, 예를 들어 약 1 내지 5분 동안 탈가스기 내측에 유지되고, 이어서 중력에 의해서 파이프워크(35)를 통해서 농축기 기기(36)로 방출된다.

더 특히 여기에서 설명된 본 발명의 실시예에 따라, 즉각적인 부유 현상이 농축기 기기(36) 내에서 발생되고, 큰 응집체의 기기 내의 상승 속도는 20 m/h, 50 m/h 또는 심지어 100 m/h이다.

그에 따라, 탈가스된 에멀전(37)은 기기의 하부 중간 부분(38)에 도달하고 즉각적으로 고체(39)로 분리되고, 이는 표면으로 그리고 투명한 물(40) 내로 상승하고, 이는 41에서 중력에 의해서 연속적으로 방출된다.

고체(39)는 예를 들어 슈트(42)를 통해서 농축기/부유 유닛(36)의 상부 부분 내에서 방출되고, 이는 탈수된 슬러지(고체)가 중력에 의해서 천공 벨트(43) 상으로 방출될 수 있게 하고, 그에 의해서 41에서 얻어진 미결합 물과 혼합시키기 위해서 회수되는 잔류 물의 부가적인 필터링(화살표 44)을 가능하게 한다.

유리하게, 압력(P)이, 자체적으로 알려진 방식으로, 슬러지에 가해지고, 그에 따라 장치의 배출구에서 얻어진 슬러지의 탈수 및 농후화를 더 증가시킬 수 있게 한다.

이어서, 점성의, 농후화된 그리고 탈수된 슬러지(45)가 벨트의 하류에서 회수되어, 중력에 의해서 또는 펌핑(46)에 의해서 소화조(47)에 공급되고, 소화조 내에서 알려진 방식으로 금속화 단계(metallization step)가 실행된다.

이어서, 메탄-함유 바이오가스가 소화조의 상부 부분(48)에서 추출되고, 그 일부를 재순환(점-및-쇄선(49))시켜 슬러지 에멀전을 생성하기 위해서 가스 주입 압축기(26)에 공급할 수 있다.

본 발명에 따라, 유리하게 응집이 없이(점-및-쇄선 회로(50)), 또는 응집 중에, 응집 후에, 그리고 탈가스 전에(점-및-쇄선 회로(51)) 또는 탈가스 후에(점-및-쇄선 회로(52)), 관형 외장(25)으로의 1번 또는 몇 번 재순환이 발생한다.

슬러지/가스 에멀전이 생성되는 제한부(24)의 실시예가 도 2a에 도시되어 있다.

제한부는, 작은 직경의 원통형 보어 부분(56) 내로 개방된 절두원추형 보어(55)에 의해서 형성된 슬러지 유입구(유동(F))를 포함하는 중공형 본체(54)를 포함하는 벤투리(53)에 의해서 형성되고, 벤투리의 축방향(58)과 20° 내지 80°, 예를 들어 30°의 각도를 형성하는, 2개의 대칭적인 분지 연결부(57)가 슬러지 유동(F)의 방향으로 가스(59)를 공급할 수 있게 한다.

슬러지/가스 에멀전은, 50 m³/h의 슬러지 유량 및 250 Nm³/h의 주입 가스, 유리하게 공기의 유량에 대해서, 예를 들어 1 리터의 부피를 가지는 이러한 원통형 푸르닝 부분(pruning portion) 내에서 생성된다.

원통형 보어 부분은 에멀전을 외장/반응기(25)로 방출하기 위해서 반전된 절두원추형 부분 내로 개방된다.

이러한 벤투리 및 분지 연결부의 구성은 10 m/s 초과의 에멀전 속도를 가능하게 한다.

도 2b 내지 도 2f는 벤투리의 중심에서 가스가 주입되는 벤투리(53)의 실시예를 도시하고, 분지 연결부는 슬러지의 유동에 대해서 예를 들어 45°(도 2b)이고, 분지 연결부는 유동 방향에 대해서 수직(도 2c)이고, 분지 연결부는 예를 들어 유동 방향으로 45°(도 2d)이고, 2개의 대칭적인 분지 연결부가 유동의 방향에 수직이고(도 2e), 또는 2개의 대칭적인 분지 연결부가 유동에 대해서 예를 들어 45°이다(도 2f).

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈가스기(56)를 횡단면도로 개략적으로 도시한다.

탈가스기는 높이가 실질적으로 1 m인, 예를 들어 원통형인, 컨테이너(57)를 포함한다.

컨테이너의 직경은 예를 들어 200 내지 300 밀리미터이다.

슬러지는 파이프워크에 의해서 58에서 공급되고, 파이프워크는 예를 들어 컨테이너의 하단 부분(29)에 진입하는 80 mm의 직경을 가지고 이어서 90° 굽힘부(60) 및 예를 들어 100의 직경을 갖는 원통형 수직 부분(61)을 갖는다.

원통형 수직 부분(61)은 분수로서의 슬러지의 전달을 위한 목부(62)에서 종료된다.

컨테이너는, 원통형 파이프워크(61)가 내부로 개방되는, 내부 부피(V)를 형성한다.

그러한 부피는, 응집된 에멀전의 유입구 파이프워크의 직경과 동일한 직경을 가지는 배출구 파이프워크(63)를 갖춘 기부(55)를 갖는다.

유리하게, 분지 연결부(64)는, 방출 파이프워크의 상부 부분 내에서, 컨테이너를 통과한 후에 응집체의 부가적인 탈가스를 위해서 제공되고, 상기 상부 부분(65)은 컨테이너 내의 슬러지의 레벨보다 낮은 높이에 있다.

상부 부분(65)의 높이는, 부피(V)의 기부에 비해서, 목부(62)의 높이와 같거나 그보다 약간 낮도록 배열되고, 그에 따라 탈가스기 내의 응집체의 주어진 체류/숙성 시간, 예를 들어 20초를 가능하게 한다.

부피(V)는 대기에 대한 배출구 개구부(66)를 갖는 상부 부분에서 종료되고, 이는 유리하게 슬러지 투사물을 차단하기 위한 스포일러(67)에 의해서 보호된다. 전술한 그리고 DN 80 mm의 다양한 공급 파이프의 유입구/배출구 치수들을 갖는 실시예에서, 숙성을 가능하게 하는, 즉 컨테이너의 하단부와 원통형 수직 부분(61)의 목부의 주변부 사이의 응집체의 높이(H)는 예를 들어 400 내지 600 mm이고, 예를 들어 500 mm이다.

설명의 나머지에서, 동일한 참조 번호를 이용하여 동일한 또는 유사한 요소를 나타낼 것이다.

도 3a 및 도 3b는, 응집체 자체에 대한 응집체의 부드러운 충돌에 의해서 응집체를 탈가스할 수 있게 하는 본 발명에 따른 탈가스기의 다른 실시예를 나타낸다.

이는, 매우 유리한, 플라스틱 또는 강으로 이루어진 상용 파이프 및/또는 시트를 이용하여, 20 m³의 유량으로 연속적으로 공급되는 슬러지의 처리를 위해서, 1.50 m × 1 m × 600 mm의 평행육면체 내에 내접될 수 있다.

구체적으로, 환기에 의한 단순한 탈가스와 비교하면, 또는 응집체로부터 공기를 제거하기 위해서 기계적 혼합을 이용하는 탈가스기와 비교하면, 일반적인 것보다 더 안정적인 응집체를 생산하면서, 응집체를 파괴하지 않고, 응집 시간의 개선이 얻어지고, 이는 20% 또는 심지어 50%에 달할 수 있다.

따라서, 그리고 예를 들어, 도 3을 참조하여 설명한 유형의 장치에서, 64　l(400 mm × 400 mm 정사각형 기부)의 최대 작업 부피, DN 120 mm의 유입구 굽힘부 및 5 내지 12　m³/h의 동작(30 Nm³/h의 공기 유량)으로, 보다 양호한, 매우 일정한 그리고 부유되는 응집체가 얻어지고, 이는 종래 기술보다 훨씬 더 빨리 얻어진다. 이러한 것이 특히, (부드러운 충돌을 지배하는) 분수 낙하 높이(H)의 조건을 또한 특정하는, 이하의 표 II로부터 확인된다.

[표 II]

도 4 및 도 4a는, 상면도로 그리고 IVA - IVA를 따른 횡단면으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈가스기/숙성 유닛(70)의 예를 도시하고, 그러한 탈가스기/숙성 유닛은, 예를 들어 10^-13 m³/h의 처리 유량, 8 내지 10 g/l의 TS 및 30 리터의 Veff를 위한 L × w × H: 300 × 400 × 300의 치수의, 슬러지 유동(F)의 유입구에 대해서 수평으로 배치된, 예를 들어 절취된 모서리(C)를 갖는 평행육면체 형상의 외장(E)을 포함한다.

Veff: (유효 부피)는, 에멀전의 전파 및 숙성에 필요한 에너지를 흡수할 수 있게 하는 복조기의 유입구에서의 슬러지/물의 부피이다.

이러한 부피는 다양한 크기에 따라 달라진다.

이는 대략적으로 그리고 예를 들어 30 내지 40 리터이다.

외장(E)은, 챔버의 전체 길이(예를 들어, 전술한 수치적 예에서 200 mm)에 걸친, 하단 부분에서 개방된 원통체 부분(72)을 가지고, 응집체를 감속하는데 또는 구획부가 가요적일 때, 응집체(F)의 부드러운 압력 하에서 내측(39')으로 이동시키는데 적합한, 구획부(73)를 수평 방향으로 그 단부에서 구비하는, 예를 들어 원통형인, 유동 챔버(71) 내로 개방된 유동의 유입구를 포함한다.

외장은, 공기를 탈가스기로부터 방출하기 위한, 상단부를 향한, 관(T), 및 타 단부에 위치되는 배출구 오리피스(S)를 포함한다. 외장(E)은, 응집체가 확대된 슬릿(Z)을 통해서 하단 부분에서 방출될 수 있게 하는, 중간 분배 구획부(P)를 예를 들어 그 길이의 2/3에서 가지거나 가지지 않을 수 있다.

그러한 구획부는 응집체의 직접적인 감속을 가능하게 하거나 에멀전의 균질성을 더 높일 수 있다.

도 4b에는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈가스기/숙성 유닛(70')의 변형예가 길이방향으로 도시되어 있다.

이하에서 설명되는 바와 같은 부유 유닛과 조합된 탈가스기의 이용의 경우에 혼합물의 충돌을 흡수하도록 의도된 내부 구획부가 유리하게 고무 또는 다른 연성 재료로 유리하게 제조될 수 있다면, 부가적인 처리로서 벨트 필터와 함께 이용되는 경우에, 예를 들어 다소 볼록한 형상의, 예를 들어 더 강성인 구획부를 이용할 수 있을 것이고, 이는 생성된 응집체를 약간 파괴할 수 있으나 완전히 파괴하지는 않고, 그에 따라 응집체의 크기를 감소시킬 수 있고 응집체가 더 압축되게 할 수 있다.

더 구체적으로, 도 4b의 변형예는, 하단 부분 내에서 슬러지(X)로 그리고 상단 부분 내에서 가스로 충진되는 외장(70')의 구역(B)으로의 에멀전의 그리고 과다 가스의 유입구(A)를 도시한다.

구역(B)은, 가요성 또는 경질 구획부(유리하게 볼록하다)인, 유동의 에너지를 흡수하는 구획부(L)에 의해서 폐쇄된다.

과다 가스는 환기/환기부(D)에 의해서 위쪽의 가스로부터 추출된다.

구획부(V)를 통해서 아래로 흐르는 액체 유동의 추출은, 다공성 응집체가 현탁(suspension)될 수 있게 하는 예를 들어 1 m/s 미만의, 잔잔한 층류 유동을 제공하는 구역(G)을 통해서 실행된다.

에멀전을 형성하기 위해서 100 Nm³/h까지 공기가 첨가된 10 내지 30 g/l로 적재된 20 내지 23 m³/h의 슬러지에서, 외장은 예를 들어 L × w × H = 500 × 200 × 250의 치수를 가지고, 130 mm의 배출구 관 및 160 cm 높이의 흡수성 구획부가 외장 내로 침투한다.

이전의 탈가스 및 도 2를 참조하여 (그러나 또한 응집이 없는 경우에 이하의 도 8b 및 도 8c를 참조하여) 보다 특히 설명된 본 발명의 실시예 따른 장치로 인해서, 필요한 경우에, 외장(25)을 각각 통과한, 증가된 분산을 나타내는 액체 슬러지가 얻어지고, 이는, 그렇게 처리된 슬러지가 소화조 내에 들어갈 때, 혐기성 박테리아에 대한 보다 양호한 접근성을 가능하게 할 것이다.

그에 따라, 응집이 없는(도 5) 또는 응집이 있는(도 6), 본 발명에 따른 전처리가 없는 것에 비해서, 각각의 통과로 개선되는 성분의 분산이 얻어진다(도 5 및 도 6의 사진 참조).

더 정확하게 그리고 도 5를 참조하면, 컬럼(80, 81, 82 및 83)은, 각각 0번의 통과, 1번의 통과, 8번의 통과, 그리고 10번의 통과 후의 유기 재료(84)의 분산을 도시한다. 재료가 각각의 통과마다 점점 더 분산되는 것이 관찰되며, 이는, 그에 따라, 소화조로 전달하기 위한 박테리아의 보다 양호한 이용성을 가능하게 한다.

유사하게, 도 6의 컬럼(85, 86, 87, 88, 89 및 90)에서, 외장(25)을 통한 0번의 통과(85), 2번의 통과(86); 4번의 통과(87), 6번의 통과(88), 8번의 통과(89) 및 10번의 통과(90) 후에 실행된 응집 후의 농후화된 슬러지 내의 유기 성분(91)의 분산이 도시되어 있다.

여기에서 또한, 분산은 통과의 수에 따라 상당히 개선되었으나, 분산은 8번의 통과 후에 다소 안정적이 되었다.

박테리아의 벽의 파괴가 또한 특히 바람직한 방식으로(막의 벽의 파괴) 발생된다(도 7 참조).

통과가 없는 경우(컬럼(92))에, 박테리아(93)는 생존한다. 1번의 통과(94) 후에, 박테리아(95)의 분해 정도는 이미 30%를 초과한다(막(96)의 파괴/파단 참조).

8번의 통과(컬럼(97)) 후에, 파괴(분해)의 정도는 80% 이상이고, 집합체의 크기는 더 감소되며, 이는 여기에서 또한 소화조에 의해서 방출되는 유기 성분의 보다 양호한 소화를 가능하게 한다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 메탄화 장치의 3개의 다른 실시예를 도시한다.

도 8a의 장치(99)에서, 소화조(100)는 탈가스기(102) 및 숙성 유닛(103)을 통해서 반응기(101)로부터 직접적으로 공급되고, 제1 응집제(104)가 반응기와 탈가스기 사이에서 도입되고, 제2 응집제(105)가 탈가스기와 숙성 유닛 사이에서 도입되며, 이러한 탈가스기 및 이러한 숙성 유닛은 예를 들어 선행하는 도 2 내지 도 4b를 참조하여 설명된 유형이다.

분리된 물이, 103에서의 분리/숙성 이후에, 107에서 응집체를 소화조(100) 내로 주입하기 전에, 106에서 회수된다.

소화조 내의 며칠의 소화 시간 후에, 소화액이 108에서 방출되고 바이오가스가 109에서 회수된다.

도 8a의 실시예에서, 그리고 3000 m³의 중온성 소화조(mesophilic digester)(작동 온도: 37.5°C; pH = 7.4; 평균 체류 시간: 16.3 일, 일별 입방 미터 당 2.5 내지 3.4 kg의 VS(휘발성 고체)의 장입 및 160 내지 220의 일별 입방 미터의 유량)의 경우에, 예를 들어 이하의 표 III 내지 VI에 상응하는 반응기(101)의 치수 및 동작 매개변수를 제공할 수 있다.

이러한 것은, 초기 특성이 특히 이하와 같은 생물학적 슬러지로 관찰되었다:

VS(휘발성 고체)(전체 고체의 %): 60%

VFA 휘발성 지방산: 185 mg/l

TAC 총 알카리도: 500 mg/l

AGC/TAC: 0.4

pH: 6.8

[표 III]

[표 IV]

[표 V]

[표 VI]

리터당 75 g의 슬러지에 대한, 이전(즉, 응집된 그러나 본 발명에 의해서 처리되지 않은 슬러지) 및 이후(즉, 슬러지의 응집 후 본 발명에 의한 1번 통과)의, Rheomat RM 180 상대 점도계의 측정은 다음과 같다:

14.6 Pa.s 및 5.8 Pa.s

19.8 Pa.s 및 11.6 Pa.s

18.3 Pa.s 및 9.2 Pa.s

16.5 Pa.s 및 7.7 Pa.s

도 8b는 본 발명에 따른 장치(111)의 다른 실시예를 도시한다.

여기에서, 이는, 주어진 수, 예를 들어 8번(화살표(114))의 탱크를 통한 통과를 가능하게 하는, 에멀전을 저장 탱크(113)로 재순환시키기 위한 펌프(112)를 포함하는, 소화조 상류의 비-응집 에멀전을 생산하기 위한 더 단순화된 해결책이다.

여기에서 또한, 이는, 주어진 특성의 슬러지로부터 (114에서 응집된 또는 응집되지 않은) 생성된 매우 낮은 점도의 에멀전을 획득할 수 있게 한다.

예를 들어, 초기 점도가 30.98 Pa.s인, 리터당 46.2 g의 (예를 들어, 프레싱에 의해서) 농후화된 원료 슬러지로부터 시작하여, 단일 통과 후에 그리고 이하의 매개변수를 고려하여, 다음을 획득할 수 있다:

[표 VII]

도 8c는 본 발명에 따른 장치(115)의 제3 실시예를 도시하고, 여기에서, 응집되지 않은 그러나 소화(점-및-쇄선(116))에 의해서 얻어진 노녹시놀 가스로부터 얻어진 에멀전은 이때 소화조 자체로 재순환되도록 의도된다(화살표(117)).

실시예에서, 탈가스(점-및-쇄선(102)) 및/또는 숙성(점-및-쇄선(103))은 소화조로의 재삽입 전에 실행된다.

도 8b 및 도 8c의 처리는, 응집제가 없이, 예상치 못하게 소화조의 최적화된 동작에 유리한 슬러지 구성의 개선을 가능하게 한다.

더 특히 여기에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 프로세스의 구현예를 이제 도 2를 참조하여 설명할 것이다.

슬러지(21)는 예를 들어 20 m³/h의 유량(Q)으로, 예를 들어 직경(DN50) 및 몇 미터의 길이(l)의 파이프를 통해서 펌핑하는 것에 의해서 연속적인 유량으로 공급된다. 동시에, 예를 들어 60 Nm³/h의 공기의 많은 유량이 벤투리(24) 내로 연속적으로 주입되고, 이는 3-상 에멀전을 생성하고, 이는 이어서 억제부(suppression)를 갖는 외장(25) 내로 진입한다. 이어서, 에멀전은 제한부(29), 예를 들어 게이트/밸브를 통과하여, 새로운 압력/진공 압력 충격을 야기한다.

유리하게, 이러한 공기 주입 사이클, 외장 내의 감압, 그리고 제한은 적어도 N번 반복되고, N ≥ 2 또는 N ≥ 7이다.

필요한 처리 함량의 응집제가 이어서 도입되어 고도로 발포된(aerated) 응집체를 생성한다.

이는 탈가스기 컨테이너(32) 내로 낙하된다.

응집체가 자체에 대해서 부드럽게 충돌하는 것은, 응집체의 손상이 없이, 양호한 탈가스를 가능하게 하고, 이는, 방출될 때까지, 주어진 굽혀진 관, 부피(V) 및 유량의 치수에서, 단지 몇 초(내지 몇 분)까지만 컨테이너 내에서 유지되고, 이는 우수한 숙성을 초래한다.

이어서, 숙성된 응집체는 중력에 의해서 부유 유닛/분리기(36)로 전달되고, 여기에서 응집체는 사실상 순간적으로(몇 초) 미결합 물의 표면까지 상승되고, 이는 다소의 형성된 부유 라인(a more or less defined flotation line)을 남긴다. 매우 깨끗한 미결합 물이 아래로 방출된다.

(점성) 응집체 자체는 상단부를 통해서 범람에 의해서 그리고 중력 비말동반(entrainment)에 의해서, 또는 드럼에 의해서 방출되고, 그에 따라 부가적으로 프레스되고, 이어서 펌핑에 의해서 중력에 의해 46에서 소화조(47) 내로 방출된다.

이어서, 자체적으로 알려져 있는 소화 동작이 며칠, 예를 들어 15 내지 16일 동안 소화조 내에서 실행된다.

이어서, 전술한 상류 처리에 의해서 생분해성이 상당히 개선된 복합 유기 성분이, 단순한 유기 성분으로 변환하는 가수분해 박테리아에 의해서 가수분해된다.

이어서, 산발효 반응이 산발효 박테리아에 의해서 실행되어, 단순한 성분을 유기산 및 알코올로 변환하고, 이는 다시 아세토제닉 박테리아에 의해서 공격받아, 알려진 방식으로, 아세테이트, 수소 및 CO₂를 제공한다.

다음 단계는, 특히 호모아세토제닉 박테리아에 의해서, 메탄, 이산화탄소(이러한 2개는 잔류 수소, 바이오가스로 형성된다) 및 물의 형성을 초래하는 메탄 생성이다.

더 특히 설명된 그리고 앞서서 특정된 바와 같은 평균적인 특성을 가지는 생물학적 슬러지를 가지는 실시예에서, 다른 모든 것은 동일하고, 약 10% 또는 그 초과의 메탄 생산 개선이 얻어진다(표 III 내지 VII의 설명 참조).

명백한 바와 같이, 그리고 또한 전술한 내용으로부터 초래되는 바와 같이, 본 발명은 보다 특별하게 설명된 실시예로 제한되지 않는다. 대조적으로, 본 발명은 모든 변형예, 그리고 특히, 매우 뛰어난 콤팩트함으로 인해서, 예를 들어 트럭 트레일러에 장착됨으로써, 전체 장치가 이동 가능한 변형예를 포함한다. 이는 필요에 따라 하나의 장소로부터 다른 장소로 운반될 수 있게 한다.

Claims (23)

1. 유기 액체 슬러지(21)로부터 시작하는 메탄화 방법이며, 알려진 방식으로, 소화조(47, 100) 내에서, 슬러지의 가수분해/산발효 단계, 가수분해된 슬러지로부터 아세테이트를 생산하기 위한 아세트산 생성 단계, 및 메탄을 생산하기 위해서 아세테이트로부터 시작하는 메탄 생성 단계를 포함하는, 방법에 있어서, 상기 슬러지 내로 주입된 가스(27)로 슬러지를 블래스팅함으로써 얻어진, 가수분해된 슬러지 에멀전(23)을 생성하고, 이어서, 상기 가수분해된 슬러지 내의 압력 강하를 생성하는 부재(29)를 통해서 반응기를 배기하기 전에, 상기 가수분해된 슬러지를, 소화조와 관련하여 인-라인으로 위치되는 가압 반응기(25, 101)에 연속적으로 공급하는 초기 단계를 포함하고, 상기 초기 단계는, 소화조에 공급하기 전에 및/또는 소화조를 통과한 후에 그리고 소화조에 재공급하기 전에, 적어도 1번 반복되는 것을 특징으로 하는, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   사용 가스가 공기인 것을 특징으로 하는, 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   초기 단계가 슬러지에 대해서 실행되고 이어서 가수분해된 에멀전이 적어도 N번(N ≥ 4)으로 연속적으로 획득되는 것을 특징으로 하는, 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   슬러지에서의 이러한 초기 단계 또는 이러한 초기 단계들 다음에는, 소화조(47, 100)에 공급하기 전에, 예를 들어 프레스 벨트 상에서의 TS/액체 분리 단계(7, 9) 또는 단순히 배액이 이어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   반응기의 배출구에서의 에멀전이 다음 단계 전에 탈가스되는 것(4)을 특징으로 하는, 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   응집제(30)가, 다음 단계 전에, 반응기의 배출구에서 에멀전 내로 주입되는 것(5)을 특징으로 하는, 방법.
7. 제6항에 있어서,
   응집제는, 환기 전에, 반응기 배출구에서 주입되는 중합체인 것을 특징으로 하는, 방법.
8. 제6항 및 제7항에 있어서,
   농축기(36)로서의 역할을 하는 용기 내의 응집된 에멀전의 부유/침전에 의해서, 응집된 슬러지 에멀전이 농축되고, 농축된 슬러지는 소화조(47, 100)로 연속적으로 방출되는 것을 특징으로 하는, 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   슬러지(21)는, 슬러지가 빠른 속도(v)(v > 10 m/s) 및 낮은 압력(p)으로 통과하는, 작은 직경(d)의 요소(24)를 통해서 가압 반응기(25) 내로 공급되고, 그러한 요소 내로 가스 또는 공기(27)가 큰 유량(q Nm³ ≥ 10 Q m³, Q는 슬러지의 유량이다)으로 주입되고, 그에 따라 압축 가능 기체 에멀전(28)을 생성하고, 이어서 그러한 기체 에멀전은, 하류 부재 내의 압력 강하 이전에, 에멀전이 통과하는 요소보다 큰 직경(D)(D > 20 d)의 하류 반응기(25)에, 높은 압력(P)(P > p)으로 그리고 느린 속도(V)(V < v)로, 공급되는 것을 특징으로 하는, 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    작은 직경의 요소(24)가 벤투리인 것을 특징으로 하는, 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    공기는 슬러지의 유동 방향으로 20° 내지 90°의 각도로 주입되는 것을 특징으로 하는, 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    응집체는, 응집체를 감속시키기 위해서, 반응기(25, 101)로 재순환시키기 위해서, 및/또는 여과 및/또는 침전/숙성 장치를 통과한 후에, 응집체의 자체에 대한 또는 에너지-흡수 플랩(73, P)에 대한 부드러운 충돌에 의해서 탈가스되고, 그렇게 숙성된 응집체는 소화조로의 공급을 위해서 회수되는 것을 특징으로 하는, 방법.
13. 알려진 방식으로, 소화조(47, 100)를 포함하는 유기 슬러지(21, B)로부터 시작되는 메탄화를 위한 장치(20, 99, 111, 115)에 있어서, 부가적으로 소화조 상류의 반응기(25, 101), 작은 직경(d)의 요소(24) 또는 주입기를 포함하는 상기 반응기에 슬러지를 공급하기 위한 수단, 작은 직경의 요소보다 큰 직경(D)(D > 20 d)의 하류 반응기에 공급하도록 배열된, 압축 가능 기체 에멀전을 생성하기 위해서 상기 주입기 내로 가스 또는 공기를 주입하기 위한 수단(26), 반응기의 배출구에서 압력 강하를 생성하는 부재(29), 슬러지를 소화조에 전달하기 위한 수단(46), 및 가수분해된 에멀전 또는 슬러지를, 작은 직경의 요소(24)를 통해서, 소화조 상류에서 및/또는 소화조를 통해서 반응기를 재순환시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
14. 제13항에 있어서,
    반응기의 하류에 위치된 혼합 수단(61, 62, 71, 73, P)을 구비하는 탈가스 챔버(32, 102)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
15. 제13항 및 제14항에 있어서,
    부재의 배출구에서 얻어진 에멀전을 재순환시키기 위한 이러한 수단(P)이 소화조의 상류에 위치되고, N번(N ≥ 2)의 재순환 동작을 가능하게 하기에 충분한 부피의 중간 버퍼 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
16. 제13항 내지 제15항에 있어서,
    압력-강하-생성 부재 이후에 응집제(30)를 주입하기 위한 수단(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
17. 제13항 내지 제16항에 있어서,
    에멀전의 또는 응집체의 자체에 대한 또는 가요성 구획부(73)에 대한 부드러운 충돌에 의해서 대기압에서 에멀전 또는 응집체를 탈가스시키기 위한 수단(32, 56, 70, 70')을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
18. 제17항에 있어서,
    탈가스 수단(32, 102)은 대기압으로 개방된 컨테이너(57), 및 대기압으로 개방된 상기 컨테이너 내로의 분수로서 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 에멀전 또는 응집체가 빠져나오는 것에 의한 에멀전 또는 응집체의 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
19. 제17항에 있어서,
    탈가스 수단(70')은, 유동을 감속시키기 위한 구획부(73, L)를 포함하는 중간 유입구 챔버를 구비하는 에멀전 또는 응집체의 통과를 위한 외장(E)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
20. 제19항에 있어서,
    구획부가 가요적이고 및/또는 곡선화되는 것을 특징으로 하는, 장치.
21. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    농축기로서의 역할을 하고 응집된 슬러지가 주어진 높이 위로 부유될 수 있도록 배열되는 용기(36)를 반응기의 배출구 또는 하류에서 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
22. 반응기를 통한 N번의 재순환 통과 후에, 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 방법에 의해서 얻어진 유기 슬러지의 수프 또는 에멀전에 있어서, N ≥ 4인 것을 특징으로 하는, 유기 슬러지 수프 또는 에멀전.
23. 제22항에 있어서,
    적어도 80%의 분해된 박테리아를 포함하는, 유기 슬러지 수프.

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