KR20210107013A - 슬러지의 생분해성을 개선하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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오레쥐
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Abstract

본 발명은 유기 슬러지의 생분해성을 개선하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 적어도 2개의 처리 사이클을 포함하고, 각각의 처리 사이클은 약 8 s 내지 약 20 s의 총 지속시간을 가지고, 각각의 처리 사이클은, 가스를 감소 구역 내로 주입하는 것에 의해서, 제1, 감소 구역 내에서 제1 가수분해 슬러지 에멀전을 생성하는 제1 단계, 제2 구역 - 확장 구역 - 에서 에멀전을 급격히 확장시키는 제2 단계, 및 제3, 제한 구역을 통해서 에멀전을 회수하는 제3 단계를 포함한다.

Description

슬러지의 생분해성을 개선하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 액체 유기 슬러지의 생분해성을 개선하기 위한 프로세스에 관한 것이다. "유기 슬러지"라는 용어는 적어도 10%의 유기 성분을 포함하는 슬러지를 지칭한다.
본 발명은 또한 그러한 프로세스를 구현하는 장치 및 획득된 중간 제품에 관한 것이다.
본 발명은, 비제한적이지만, 메탄화(methanization) 분야에서 그리고 보다 특히 열, 전기 및/또는 차량 연료로의 변환하기에 적합한 바이오가스의 생산에서 특히 중요하게 적용된다.
예를 들어, 혐기성 소화 전의 전처리로서 이용되는 슬러지 붕괴 프로세스가 이미 알려져 있다.
이러한 기술의 목적은 미립자 유기 성분을 용해시키고 박테리아 응집체의 크기를 줄이는 것이다.
그러나, 이러한 기계적 또는 화학적 기술은 단점을 갖는다.
특히, 이들은, 의도와 반대되는 효과를 초래하는, 비-생분해성의 불용성 유기 물질을 생성하는 산화 반응으로 인해서 적절히 실시되지 않는다.
예를 들어, 슬러지에서 초음파 작용을 이용하는 준비 기술이 알려져 있다. 그러나, 이들은 분자 레벨에서 공동화 현상(cavitation phenomena)을 생성할 것이고, 그에 따라 자유 라디칼의 생성에 의해서 산화를 유발하는 매우 높은 압력/온도를 생성할 것이다.
또한 열 가수분해 기술이 있다. 이러한 것이 더 강력하지만, 이들은 설비 및 동작과 관련하여 고비용적이고, 및/또는 고온(160 내지 180 ℃)에서의 가열을 필요로 한다.
요약하면, 이러한 모든 기술은 고비용적이고, 의도와 반대되는 효과를 가지는, 비-생분해성의 불용성 유기 물질을 생산하는 단점을 갖는다.
마지막으로, 슬러지 준비 프로세스의 효율은 총 고체(TS) 내의 슬러지의 초기 적재와 관련된다.
따라서, 전술한 것과 같은 국소적인 또는 화학적 작용을 이용하는 그리고 초음파 또는 화학적 산화를 구현하는 기계적 분해 기술의 경우에, 최대 권장 적재는 리터당 6 내지 8 g의 TS이고, 이는 불가피하게 큰 준비 설비의 설계를 수반한다.
최적화된 처리를 위한 초기 농도가 리터당 약 20 g인 열 분해 기술과 관련하여, 임의의 모든 낮은 농도는 부가적인 비용을 발생시키고, 이는 다시 공간, 균질화 및 가격의 문제를 제기한다.
본 발명은, 다른 것들 중에서, 이전에 알려진 것보다 양호한 실시 요건을 만족시키는 처리로 인해서 재컨디셔닝 가능성을 개선하는 것 및/또는 슬러지를 재사용하는 것에 의해서 이러한 단점을 극복하고, 특히 본 발명은, 물 매스(mass) 내의 유기 성분의 분산의 증가에 의해서 생분해성을 놀랄만한 방식으로 개선하고, 이들 모두는, 매체의 군체형성(colonization)이 촉진 및/또는 가속되도록 하는, 박테리아의 상당한 분해 및 EPS 및 박테리아 콜로니(colony)의 분산과 연관된다. 동시에, 처리된 슬러지의 점도의 감소가 관찰된다.
그러한 결과는 작은 장치에 의해서 경제적으로 달성된다.
이를 위해서, 본 발명은 특히 유기 슬러지의 생분해성을 개선하기 위한 프로세스를 제시하고, 그러한 프로세스는 적어도 2개의 연속적인 처리 사이클을 포함하고, 각각의 사이클은 약 8초 내지 약 20초에 포함된, 예를 들어 약 10초의 총 지속시간을 가지고, 각각의 사이클은 감소 구역으로 지칭되는 제1 구역 내에서, 가스를 상기 감소 구역 내로 주입하는 것에 의해서, 제1 가수분해 슬러지 에멀전을 생성하는 제1 단계, 확장 구역으로 지칭되는 제2 구역 내에서 에멀전을 급격히 확장시키는 제2 단계, 및 제한 구역으로 지칭되는 제3 구역을 통해서 에멀전을 회수하는 제3 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 프로세스는 어떠한 부가적인 응집제의 첨가도 포함하지 않는다.
다시 말해서, 응집제가 주입되지 않고, 중합체 또는 다른 것의 첨가에 의한 어떠한 응집 단계도 없이, 연속적인 제한/확장에 의한 처리 만으로 이하에서 설명되는 바와 같은 예외적인 결과가 얻어질 수 있게 한다.
이러한 것은 더 효율적인 접촉 시간을 초래하는데, 이는, 기본적인 시간, 예를 들어 10 s(3번의 사이클의 경우에 3번의 10 s)의 배수의 지속시간을 가지고, 가스와 슬러지 사이에서 부가적인 재료에 의한 중단이 없기 때문이다.
"약"이라는 표현은 ± 10% 내지 20%를 의미한다.
본 발명은 또한 액체 유기 슬러지의 생분해성을 개선하기 위한 프로세스를 제시하고, 그러한 프로세스는 감소 구역으로 지칭되는 제1 구역 내에서, 제1 속도(V1 ≥ 20 m/s)를 상기 감소 구역 내의 슬러지에 부여함으로써 공기를 상기 감소 구역에 주입하는 것에 의해서, 제1 저압(P1)의 제1 가수분해 슬러지 에멀전을 생성하는 제1 단계, 2 bar 초과의 제2 상대 압력(P2)으로, 그렇게 생성된 에멀전을 확장 구역으로 지칭되는 제2 구역 내에서 급격히 확장시키는 제2 단계, 및 상기 제한 구역 내의 상기 에멀전에 제2 속도(V2 ≥ 20 m/s))를 부여하는 것에 의해서, 제한 구역으로 지칭되는 제3 구역을 통해서 에멀전을 회수하는 제3 단계를 포함한다.
유기 슬러지는 비-소모 유기 성분, 양이온, 그리고 콜로니, 집합체 또는 격리된 박테리아로 조직화된 박테리아 구조물의 현탁체(suspension)이다.
이는 현탁체의 자동응집으로 지칭된다. 사실상, 살아 있는 미생물은 기계적으로 파괴하기 어렵고 다른 살아있는 박테리아가 침투하기 어려운 유기 및 무기 성분의 플레이크(flake)를 형성한다.
그러나, 응집제가 첨가되지 않기 때문에, 제한된 비용 및 부가적인 오염을 생성하지 않는 것과 관련된 장점을 갖는다.
그에 따라, 본 발명에 따른 프로세스는, 특히 기계적인 제약을 가하는 것에 의해서, 피처리 유기 슬러지에 의해서 구성되는 비압축성 점성 유체로부터, 박테리아 및 박테리아 응집체를 포함하는 압축 가능 유체를 생산할 수 있게 하고, 그러한 압축 가능 유체는 이어서 비교적 온화한 압력/반대 압력을 받을 수 있고, 이는, 한편으로, 예상치 못한 방식으로 슬러지 내에 존재하는 박테리아의 일부를 충분히 파괴(분해)하는 것, 그리고 다른 한편으로, 박테리아 응집을 파괴하고 유기 성분을 분산시키고, 그에 따라, 예를 들어 혐기성 박테리아에 의한 후속 소화 프로세스에서와 같은, 추후의 그 생물학적 이용 가능성의 증가를 가능하게 하는 것으로 관찰된다.
다시 말해서, 프로세스는, 박테리아 구조물을 무너뜨리고, 분산시키고, 해체하여 재료가 새로운 균주(strain)에 훨씬 더 용이하게 접근할 수 있게 한다는 점에서, 이러한 물질의 생분해성을 개선한다.
유리하게, 감소 구역으로 지칭되는 제1 구역은, 슬러지가 제1 고속(V1)(V1 ≥ 20 m/s)) 및 저압(p1)으로 통과하는 작은 직경(d)(d　<　50　mm)의 요소, 상기 에멀전을 상기 제한 구역에 제2 속도(V2　≥　20　m/s)로 부여하는 것에 의해서, 예를 들어 볼 밸브 또는 글로브 밸브 또는 플러그 밸브에 의해서 형성된, 하류 부재 내에서 압력 강하가 발생되기 전에, 고압(P2)(P2　>　P1), 예를 들어 P2　>　3　bar, 및 유리하게 P2　≥　10　bar 및 < 20　bar 또는 15　bar), 그리고 저속(v)(v < 10 V1)에서, 에멀전이 통과하는 요소보다 큰 직경(D)(D　>　20　d)의, 하류의 제2 구역, 또는 반응기에 공급되는 기체의 압축 가능 에멀전을 생성하기 위해서, 가스 또는 공기가 큰 유량(예를 들어, 유량(q Nm3　≥　10　Q　m3, Q는 슬러지 유량)으로 주입되는 요소이다.
주입 구역의 특히 작은 크기(예를 들어, 0.001　m3)는 우수한 슬러지/공기 혼합을 가능하게 할 것이다.
그에 따라, 사실상 이러한 지점에 고속 구역이 존재하여, 동력학적인 충돌을 초래하고, 이는 슬러지가 가스 내에서 파열될 수 있게 한다.
유리하게, 이용 가스는 공기이다.
공기 내의 산소의 존재는, 용해 산소 및 기포 형태의 산소의 레벨이 박테리아의 증식을 보다 더 지원하게 함으로써, 공기/박테리아 응집체 에멀전의 구성을 더 개선한다.
페트리 디시(Petri dish) 내의 박테리아 성장은 통과 슬러지가 더 생분해적이 되게 하는 것으로 입증되었다.
유리하게, 초기 단계가 연속적으로 얻어진 가수분해된 에멀전에 대해서 적어도 N번 반복되고, N ≥ 2, 예를 들어 N ≥ 3 및/또는 N ≥ 7 또는 8이다.
그에 따라, 에멀전의 물리적 구조는 압력 및 감압 스테이지를 연속하여(N번) 통과함에 따라 개선되고, 그에 따라 슬러지의 생분해성 및 다양한 크기의 기포, 즉 제2 구역의 압력에서 분해된 가스 또는 공기로부터 초래되는 작은 기포 및 제2 구역(반응기) 내의 기존 기포의 강하와 연계된 확대로부터 초래되는 큰 기포의 형성에 유리한 현상을 생성한다.
이러한 안정적인 에멀전이 매스의 부유에 매우 유리할 수 있다는 것 그리고 필요한 경우에 매스의 부유를 생성할 수 있다는 것이 관찰되었다.
각각의 통과에 따른 점도 감소가 또한 관찰된다.
이러한 저점도 및 (심지어 탈가스 후의) 슬러지 내의 잔류 가스 기포의 존재는, 슬러지가 용이하게 펌핑될 수 있게 하고, 이는 사이클의 양호한 반복을 위해서 필요하다.
또한, 본 발명은, 한편으로 TS 밀도를 증가시키는 것에 의해서, 그리고 다른 한편으로 양호한 점도를 보전하는 것에 의해서, 그에 따라, 연속적인 또는 반-연속적인 모드로 후속되는 프로세스의 가능한 단계의 보다 양호한 혼합 및 공급 규칙성을 가능하게 할 것이다.
"반-연속적"이라는 표현은, 예를 들어, 연속적인 또는 반-연속적인 프로세싱을 가능하게 하여, 우수한 레이트(rate)를 허용하기 위해서, 상황에 따라 서로 치환되는, 또는 실질적으로 중단 없는, 연속적인 배치들(batches)을 의미한다.
요약하면, 전술한 압력/감압 작용은, 박테리아와 관련되는 한 더 양호하게 분산되고 더 양호하게 분해되는, 유기 성분의 성질 및 구조를 개선하고, 이는 교환 가능성을 높이는 것에 의해서 더 양호한 유기 성분의 접근성 및 생분해성을 초래하고 그에 따라, 예를 들어 이하의 메탄화 단계의 경우에, 소화 반응의 그리고 그에 따라 메탄 생산의 양호한 수율을 초래한다.
유리한 실시예에서, 또한 및/또는 추가적으로 이하의 규정 중 하나 및/또는 다른 것이 이용된다:
- 제1 구역은 슬러지 공급 방향에 평행한 축 주위의 세장형 벤투리(venturi)의 중앙 부분이고, 공기는 벤투리의 축에 대해서 비스듬하게 상기 벤투리 내로 주입되고;
- 제2 구역 내의 제2 평균 압력(P2)은 P2 > 3.5 bar이고, 제한 구역 하류의 제3 압력(P3)은 대기압이고;
- 에멀전은 제3 구역 이후에, 반복 전에 강력하게 탈가스되고;
- 공기는 슬러지의 유동의 방향으로 또는 슬러지의 유동에 반대로 주입되고, 및/또는 슬러지 유동의 방향과 20° 내지 90°에 포함된 각도, 예를 들어 20° 내지 50°, 예를 들어 30°로 주입되고;
- 과다 가스는, 에멀전의 파괴를 위한, 에멀전 자체 상으로의 또는 에너지-흡수 플랩 상으로의 에멀전의 부드러운 충돌에 의해서 추출된다.
"에너지-흡수"라는 용어는, 적어도 2배만큼의 유체의 운동 에너지의 감소를 의미한다.
이는 액체/액체 유형의 충돌이다.
"부드러운 충돌"이라는 용어는, 유동 내의 급격한 과압을 생성하는 상황을 구성하지 않고, 예를 들어 에멀전 자체의 중력 낙하에 의한 그 자체 상으로의, 또는 유동을 감속시키도록 배열된, 에너지-흡수 플랩 또는 벽 또는 디스크, 예를 들어 몇 cm2(예를 들어, x × y 그리고 x 및 y < 10 cm)의 가요성 플랩 또는 감소된 크기의 플랩 상으로의 충격(percussion)이 없는 점진적인 충돌 또는 접촉을 의미한다.
가요성 플랩 또는 벽은, 에멀전을 파괴하지 않고, 압력에 의한 탈가스를 가능하게 하는, 제동에 의해서, 압력 강하를 흡수 및/또는 생성할 수 있는, 예를 들어 고무 또는 균등물로 제조된, 탄성 또는 반-강성 요소를 의미하는 것으로 이해된다.
다시 말해서, 그러한 시스템은, 프로세스 중의 에멀전의 통과 또는 전달 속력과 관련하여 에멀전의 연속성을 보장하면서, 과다 공기를 탈가스할 수 있게 한다.
또한, 이용되는 에너지는, 이하의 몇몇 시퀀스가 적용되는, 공기 및 슬러지의 2개의 유동의 운동 에너지에 의해서 제공된다:
- 벤투리, 토출기 등의 유형의 부재(감소 구역으로 지칭되는 제1 구역)의 입구에서의 90°, 45°, 프로펠러 등으로 도입되는 상이한 유형의 공기와의 충돌;
- 이러한 부재 내의 혼합;
- 압력 하의 이러한 부재와 반응기 부피 사이의 압축/감압 시퀀스(확장 구역으로 지칭되는 제2 구역);
- 밸브와 같은 폐쇄 부재로 인한 단일 압력 손실(제한 구역으로 지칭되는 제3 구역);
그리고, 이는, 앞서 설명한 바와 같이, 약 10 s의 접촉 시간에서, 유리하게 N번 반복될 수 있고, N ≥ 2 또는 심지어 N ≥ 8이다.
필요한 경우에, 오존, 과산화수소, 과황산염, 전기분해, 금속 산화물 또는 다이아몬드와 같은 산화가 또한 이용될 수 있고, 이는 막(membrane)의 보다 강력한 분해를 생성한다. 그러나, 이어서, 배지 내의 박테리아 증식이 양호하게 촉진되도록 그리고 이러한 첨가에 의해서 방해받지 않도록 제어할 필요가 있다.
본 발명에 따른 프로세스가 매체 내의 박테리아의 몇십 퍼센트, 즉 10%, 20%, 또는 그 초과의 분해의 개선을 초래한다는 것이 관찰되었다.
박테리아를 포함하는 매체의 거시적인 조건으로 인해서 실행되는 이러한 분해의 개선은, 종래 기술의 기술에서 종종 관찰되는 불용성 유기 분자의 바람직하지 못한 생산을 방지하는, 다소 작은 국소적 에너지 조건 하에서 이루어진다.
슬러지의 생분해성은, 예를 들어 페트리 디시 내의, 한천 배지에서의 박테리아 증식 용량을 분석하고 비교하는 것에 의해서 예를 들어 측정될 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 프로세스를 구현하는 장치를 제공한다.
본 발명은 또한 유기 슬러지의 생분해성을 개선하기 위한 장치를 제공하고, 그러한 장치는 가압된 인-라인 컨테이너 또는 반응기, 슬러지를 컨테이너에 연속적으로 공급하기 위한 수단으로서, 축 주위에서 세장형인, 슬러지 통과 벤투리, 컨테이너 내에서 에멀전을 생성하도록 배열된 상기 축에 대한 각도로 주입하기 위한, 상기 벤투리의 제약부(constriction) 내의 적어도 하나의 공기 주입 포트, 및 압력 강하를 생성하는 수단을 통해서 상기 컨테이너로부터 에멀전을 방출하기 위한 수단을 포함하는, 슬러지를 컨테이너에 연속적으로 공급하기 위한 수단, 그리고 공기 주입 상류의, 슬러지 공급 수단에 의해서 상기 에멀전을 컨테이너 내에서 루프로 순환시키기 위한 수단을 포함한다.
유리하게, 장치는, 상기 벤투리의 축에 대한 20° 내지 90° 사이에 포함된 각도의, 벤투리 내의 2개의 공기 주입 포트를 갖는다.
본 발명은 또한, 전술한 반응기 내의 재순환에 의한 N번의 통과 후에 얻어진 유기 슬러지의 수프(soup) 또는 에멀전을 제안하고, N ≥ 2이고, 유리하게 N ≥ 3, 또는 심지어 7 초과이다.
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 박테리아"라는 용어는, 세포막이 파괴되어 사멸된 박테리아를 의미한다.
슬러지 처리의 제1 사이클 중에, 반응기 내의 혼합물의 짧은 체류 시간(몇초)과 연관된 슬러지 내로의 가스의 도입이, H2S 및 NH3(독성 분자)와 같은 작은 분자의 추출을 유발하고, 이는 이하의 사이클 중의 생분해성의 증가를 촉진한다는 것이 또한 관찰되었다.
본 발명은 비제한적인 예로서 이하에서 주어진 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 그러한 설명은 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 보다 구체적으로 본원에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 프로세스의 주요 반복 단계를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 프로세스를 구현하는 장치의 실시예를 그 2번의 반복 구성으로 도시하는 개략도이다.
도 2a는 본 발명과 함께 이용될 수 있는 토출기의 실시예의 횡단면도를 도시한다.
도 2b 내지 도 2f는 본 발명에 따라 이용될 수 있는 토출기의 다른 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 장치의 탈가스기의 개략적 횡단면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 도 3을 참조하여 설명되는 유형의 탈가스기의 실시예의 정면도 및 IIIA-IIIA를 따른 횡단면도이다.
도 4 및 도 4a는 제동 벽을 갖는 탈가스기의 다른 실시예의 상면도 및 IVA-IVA를 따른 횡단면도이다.
도 4b는 제동 벽을 갖는 탈가스기의 다른 실시예의 개략적 횡단면도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 프로세스의 구현이 없는, 그리고 본 발명에 따른 1번, 8번, 및 10번의 순환 후의, 액체 슬러지에 대한, 유기 재료의 분산을 도시하며, 그 분석(분산, 분포, 폭발(burst))은 상기 유기 재료의 생분해성의 증가를 보여준다.
도 6은, 액체 슬러지에 대한, 본원에서 더 구체적으로 설명된 본 발명의 실시예에 따른 0번, 1번 및 8번의 사이클의 반복 후에 얻어진, 박테리아 구조물(집합체)의 다공도, 크기 및 기하형태 그리고 분석을 도시한다.
도 7 및 도 8은, 각각 8번의 반복 후의, 0.5 미크론으로 확대된 파괴 프로세스에서의 박테리아, 및 0.2 미크론으로 완전히 분해된 박테리아의 그룹을 각각 도시한다.
도 1은 보다 구체적으로 본원에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른, 슬러지의 생분해성을 증가시키기 위한 프로세스를 구현하는 장치를 개략적으로 도시한다.
예를 들어 침전 탱크(미도시) 내로 연속적으로 펌핑되고 파이프(2) 내로 도입되는 유기 슬러지(1)로부터, 제1의 가수분해된 슬러지 에멀전은 파이프의 (감소 구역으로 지칭되는) 제1 구역(3) 내에서, 가스(4)를 감소 구역 내로 주입하는 것, 상기 구역 내에서 에멀전화된 슬러지에 고속(V1)(V1 ≥ 10 m/s) 및 유리하게 V1 ≥ 20 m/s을 부여하는 것에 의해 생성된다.
그에 따라, 감소 구역(3)은, 우수한 가스/슬러지 혼합을 가능하게 하는, 저압(P1)(예를 들어, 상대적인 P1 ≤ 0.5 bar) 및 고속의 구역이다.
이어서, 제1 에멀전이, 큰 부피를 갖는, 확장 구역 또는 반응기로 지칭되는 제2 구역(5) 내로 도입되어, 고압(P2)(P2 ≥ 5 bar)하에서, 제1 에멀전에 저속(V2)(≤ 1 m/s)을 부여한다.
이어서, 구역(5)(또는 반응기)이, 저압(P3)(P3 ≤ 0.05 bar) 및 고속(V3 ≥ 20 m/s)으로 제1 에멀전을 방출하기 위한, 예를 들어 제어 밸브(7)에 의해서 형성된, 제한 구역으로 지칭되는 제3 구역(6) 내로 연속적으로 개방되고, 여기에서 제2 에멀전이 형성되고, 제2 에멀전은, 제1 감소 구역(3)의 상류에 위치된 우회 파이프(9) 및 재순환 펌프(10)를 통해서, 적어도 1번, 또는 심지어 N번 재순환될 것이고(화살표(8)), N ≥ 2, 예를 들어, 3번 또는 7번이다.
이러한 재순환은, 제2 에멀전의 탈가스기(13)의 상류에 또는 상기 탈가스기의 하류(14)에 위치된 포트(12)를 통해서, 선택된 N번의 사이클에 따라 자동 제어기(15)에 의해서 제어되는 방식으로, 발생될 수 있다.
감소 구역(3)과 제한 구역(6) 사이의 에멀전 순환의 각각의 사이클은, 몇초, 예를 들어 시간(t ≤ 10 s)의, 특히 반응기 내의 통과 시간(그리고 그에 따라 가스 기포/슬러지 접촉 시간)과 같다.
그에 따라, 각각의 통과에서 가스/공기로 부화된(enriched) 에멀전이 동일한 시간(t)에 에멀전의 연속적인 감압/압축/감압 또는 가속/감속/가속 단계를 통과하고, 그에 따라 상기 에멀전에 길이의 처리(t + N × t)를 부여한다.
또한, 본 발명에 따른 프로세스는, 기재의 높은 이용 가능성을 유지하면서, (에멀전이, 예를 들어 메탄화와 관련하여 추가적인 처리를 위해서 남겨질 때) 디캔테이션(decantation) 후에 최종적으로 얻어진 슬러지의 농후화를 가능하게 한다는 것에 또한 주목하여야 한다. 이러한 것이, 호기성 박테리아의 부분적인 분해를 허용하면서 저점도를 생성하고, 다시 말해서, 예로 주어진 그리고 후속 조성의 슬러지로 얻어지는 페트리 디시(이하의 표 I 참조) 내의 박테리아 발달 유형의 분석으로부터 초래되는 바와 같은, 슬러지의 생분해성의 증가에 의해서, 본 발명의 목적을 달성한다는 것이 관찰된다.
건조 성분의 휘발성 성분(VM)%: 60%
휘발성 지방산(VFA): 185 mg/l
AGC/TAC: 0.4
PH: 6.8
[표 I]
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
CFU = 콜로니 형성 단위
도 2는 본 발명에 따른 장치(16)의 다른 실시예를 도시한다.
액체 유기 슬러지(17)가 공급 펌프(18) 및 파이프(19)를 통해서, 예를 들어 1 m의 높이 및 50 cm의 직경을 가지는 관형 외장(21) 내에서 예를 들어 벤투리에 의해서 형성되는 제한부(20)에 도입된다.
압축기(22)는, 유체의 방향으로 45°의 각도로, 벤투리(20)의 내측으로 압축 공기(23)를 공급하고, 그에 따라 에멀전(24) 또는 3-상 슬러지/공기/물 혼합물을 형성한다.
관형 외장은 예를 들어 상대적인 약 3 bar 내지 5 bar의 압력에서 유지된다.
이는, 챔버의 내부 압력에 따라 조절되는 밸브(25)를 통해서 이루어질 수 있다. 이러한 밸브(25)는 제한부를 구성한다.
밸브(25)의 하류에서, 에멀전은, 보다 구체적으로 본원에서 설명된 본 발명의 실시예에 따라, 탈가스기(26)에 공급된다.
에멀전 탈가스기는 27에서 대기압에 개방되고, 에멀전의 자체 상으로의 부드러운 충돌을 가능하게 하는 수직 에멀전 분수 공급 관(vertical emulsion fountain feed tube)(28)을 포함하고, 이는, 도 3 내지 도 3b를 참조하여 보다 완전히 후술되는 바와 같은, 에멀전의 온화하고 비-파괴적인 탈가스를 가능하게 한다.
얻어진 가스는, 제한 구역(20) 내에서, 압축기(22)를 통해서 재순환(회로(29))되도록 재사용될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
슬러지는 주어진 시간, 예를 들어 약 1 내지 5분 동안 탈가스기 내에서 유지되고, 이어서 중력에 의해서 파이프(30)를 통해서 후속 처리(31)로 방출된다.
더 구체적으로 설명된, 본 발명의 실시예에 따라, 관형 외장(21)은, 각각, 재순환 펌프(34 및 35)를 통해서 탈가스 전에(쇄선형 회로(32)) 또는 탈가스 후에(점-쇄선 회로(33)) 몇 차례 재순환될 것이다.
도 2a는 슬러지/가스 에멀전이 생성되는 제한부(20)의 실시예를 도시한다.
제한부는, 작은 직경의 원통형 보어 부분(39) 상으로 개방된 절두원추형 보어(38)에 의해서 형성된 슬러지 유입구(유동(F))를 포함하는 중공형 본체(37)를 포함하는 벤투리(36)에 의해서 형성되고, 벤투리의 축방향(41)과 20° 내지 90°에 포함된 각도, 예를 들어 30°를 형성하는, 2개의 대칭적인 포트(40)가 슬러지 유동(F)의 방향으로 가스를 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 보어 부분 내에서 발생된다.
원통형 보어 부분은 에멀전을 외장/반응기(21)를 향해서 방출하기 위해서 반전된 절두원추형 부분(42) 상으로 개방된다.
이러한 벤투리 및 포트의 구성은 20 m/s 초과의 에멀전 속도를 가능하게 한다.
도 2b 내지 도 2f는 벤투리의 중심에서 가스가 주입되는 벤투리의 실시예를 도시하고, 하나의 반대-유동 슬러지 포트는 예를 들어 45°의 각도(도 2b)이고, 하나의 포트는 유동 방향에 수직이고(도 2c), 유동 방향을 따른 단일 포트는 예를 들어 45°(도 2d)이고, 2개의 대칭적인 포트는 유동의 방향에 수직이고(도 2e), 또는 2개의 대칭적인 반대-유동 포트(도 2f)는 예를 들어 45°이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탈가스기(26)의 개략적 횡단면도를 도시한다.
탈가스기는 높이가 약 1 m인, 예를 들어 원통형인, 컨테이너(43)를 포함한다.
컨테이너의 직경은 예를 들어 200 내지 300 밀리미터에 포함된다.
슬러지가 파이프에 의해서 44에서 공급되고, 파이프는 예를 들어 컨테이너의 하부 부분(45)에 침투하는 80 mm의 직경을 가지고 이어서 90°의 U형 굽힘부 및 예를 들어 100의 직경을 갖는 수직 원통형 부분(46)을 갖는다.
수직 원통형 부분(46)은 분수 내에서 슬러지의 배출구를 위한 목부(47)에서 종료된다.
컨테이너는, 원통형 파이프(46)가 내부로 개방되는, 내부 부피(V)를 형성한다.
부피는, 에멀전을 위한 유입구 파이프와 동일한 직경의 배출구 파이프(49)를 구비하는 하단부(48)를 갖는다.
유리하게, 방출 파이프의 상부 부분(51) 내에서, 컨테이너 내로의 통과 후에 에멀전의 부가적인 탈가스를 위한 포트(50)가 제공되고, 상기 상부 부분(51)은 컨테이너 내의 슬러지의 레벨보다 낮은 높이에 위치된다.
상부 부분(51)의 높이는, 부피(V)의 하단부와 관련하여, 목부(47)의 높이와 같거나 그보다 약간 낮도록 배열되고, 그에 따라 탈가스기 내의 결정된 체류 시간, 예를 들어 20초를 가능하게 한다.
부피(V)는 대기에 대한 배출구 개구부(52)를 갖는 상단부에서 종료되고, 이는 유리하게 슬러지 투사물을 차단하기 위한 스포일러(53)에 의해서 보호된다. 전술한 바와 같은 그리고 DN 80 mm의 다양한 공급 파이프의 유입구/배출구 치수들을 갖는 실시예에서, 슬러지 에멀전의, 즉 컨테이너의 하단부와 수직 원통형 부분(46)의 목부의 주변부 사이의 높이(H)는 예를 들어 400 내지 600 mm에 포함되고, 예를 들어 500 mm이다.
이하에서, 동일한 참조 번호를 이용하여 동일한 또는 유사한 요소를 표시하였다.
도 3a 및 도 3b는, 에멀전 자체에 대한 에멀전의 부드러운 충돌에 의해서 에멀전이 탈가스될 수 있게 하는 본 발명에 따른 탈가스기의 다른 실시예를 도시한다.
이는, 매우 유리한, 상용 플라스틱 또는 강으로 이루어진 파이프 및/또는 시트를 이용하여, 20 m3의 유량으로 연속적으로 공급되는 슬러지의 처리를 위해서, 1.50 m × 1 m × 600 mm의 평행육면체 내에 피팅될 수 있다.
사실상, 환기에 의한 단순한 탈가스에 비해서, 또는 심지어 과다 공기를 에멀전으로부터 제거하기 위해서 기계적인 교반을 이용하는 탈가스기에 비해서, 20% 이하의 또는 심지어 50%의 탈가스의 개선이 얻어진다.
따라서, 예를 들어, 64　l의 최대 유효 부피(400 mm × 2.5 m의 정사각형 기부)의, 도 3에서 설명된 장치에서, DN 120 mm의 유입구 엘보 및 5 내지 12　m3/h의 동작(30 Nm3/h의 공기 유량)으로, 보다 양호한 탈가스가 얻어지고, 이는 종래 기술보다 훨씬 더 빠르다. 이러한 것이, (부드러운 충돌을 컨디셔닝하는) 분수의 헤드(H)를 위한 조건을 또한 특정하는, 이하의 표 II에 기재되어 있다.
[표 II]
Figure pct00005
도 4 및 도 4a는, 상면도로 그리고 IVA - IVA를 따른 횡단면으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈가스기(60)의 예를 도시하고, 그러한 탈가스기는, 예를 들어 10-13 m3/h의 처리 유량, 8 내지 10 g/l의 TS 및 30 리터의 Veff를 위한 L × l × H: 300 × 400 × 300의 치수의, 슬러지 유동(F)의 도달에 대해서 수평으로 배열된, 예를 들어 절취된 모서리(C)를 갖는 평행육면체 형상의 외장(E)을 포함한다.
Veff(유효 부피)는 에멀전의 양호한 탈가스를 위해서 필요한 에너지를 흡수할 수 있게 하는 탈가스기의 유입구에서의 슬러지/물의 부피이다.
이러한 부피는 다양한 크기들에 따라 달라진다.
이는 대략적으로, 예를 들어 30 내지 40 리터이다.
외장(E)은, 챔버의 전체 길이(예를 들어, 전술한 수치적 예에서 200 mm)에 걸친, 하단부에서 개방된 원통체 부분(62)을 가지고, 에멀전을 감속하는데 또는 벽이 가요적일 때, 에멀전(F1)의 부드러운 압력 하에서 내측(63')을 향해서 멀리 이동시키는데 적합한, 벽(63)을 수평 방향으로 그 단부에서 구비하는, 예를 들어 원통형인, 통과 챔버(61) 내로 개방된 유동의 유입구를 포함한다.
외장은, 공기를 탈가스기로부터 방출하기 위한, 상단부에 위치되는, 관(T), 및 타 단부에 위치되는 배출구 오리피스(S)를 갖는다. 외장(E)은, 에멀전이 확대된 슬릿(Z)을 통해서 하단 부분에서 방출될 수 있게 하는, 중간 분배 벽(P)을, 예를 들어 그 길이의 2/3에서, 가지거나 가지지 않을 수 있다.
그러한 벽은 에멀전의 직접적인 제동을 가능하게 하거나 에멀전의 균질성을 더 향상시킬 수 있다.
도 4b는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탈가스기(60')의 변형예를 길이방향으로 도시한다.
혼합물의 충돌을 흡수하도록 의도된 내부 벽은 유리하게 고무 또는 다른 연성 재료로 제조될 수 있다. 그러나, 예를 들어 다소 볼록한 형상을 가지는, 더 강성인 벽이 또한 이용될 수 있다.
더 구체적으로, 도 4b의 변형예는, 하단부에서 슬러지(X)로 그리고 상단부에서 가스로 충진되는 외장(60')의 구역(B) 내로의 에멀전 및 과다 가스를 위한 유입구(A)를 도시한다.
구역(B)은, 연질 또는 경질 벽(유리하게 볼록하다)인, 유동의 에너지를 흡수하는 벽(L)에 의해서 폐쇄된다.
과다 가스는 환기부(D)에 의해서 가스 스트림으로부터 제거된다.
벽(L)에 의한 주입 하의 액체 유동의 추출은, 잔잔한 층류 유동을 제공하는 구역(G)에 의해서 이루어진다.
에멀전을 형성하기 위해서 100 Nm3/h까지 공기가 첨가된 10 내지 30 g/l로 장입된 20 내지 23 m3/h의 슬러지에서, 외장은 예를 들어 L × l × H = 500 × 200 × 250의 치수이고, 130 mm의 배출구 관 및 160 cm 높이의 흡수 벽이 외장 내로 침투한다.
본 발명(도 5의 사진 참조)에서, 본 발명에 따른 처리가 없는 것에 비해서, 각각의 통과로 개선되는, 재료의 분산이 관찰된다.
더 정확하게, 컬럼(70, 71, 72 및 73)은 각각 0번의 통과, 1번의 통과, 8번의 통과, 그리고 10번의 통과 후의 유기 재료(74)의 분산을 도시한다. (7.8 통과 이후로 크게 변화되지 않을 때까지) 통과가 진행됨에 따라 재료가 점점 더 분산되는 것이 관찰되며, 이는, 그에 따라, 예를 들어 소화조를 향해서 지향되는 프로세스의 나머지에서 박테리아가 더 많이 이용될 수 있게 한다.
그러한 분산에 더하여, 벽의 박테리아 파괴가 특히 바람직한 방식으로 관찰되고(막 벽의 파괴; 도 6 참조), 이는 그 내용물이 다른 박테리아에 의해서 접근 및 소비될 수 있게 하고, 그에 따라 그리고 전반적으로 보다 양호한 생분해성을 위한 그 분산을 초래한다.
통과가 없는 경우(컬럼(75))에, 박테리아(76)는 생존한다. 1번 또는 2번의 통과(77) 후에, 박테리아(76)의 분해율은 이미 30%를 초과한다(막(78)의 파괴 참조).
8번의 통과 후에, 파괴율(분해)은 80% 이상이다.
도 7 및 도 8의 사진은, 각각, 0.5 미크론 및 0.2 미크론 스케일로, 8번의 통과 후의, 내용물에 대한 접근을 제공하는, 박테리아(80)의 막(79)의 파괴를 도시하고, 그에 따라 그 생분해성을 도시한다.
더 구체적으로 여기에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 프로세스의 구현예를 이제 도 2를 참조하여 설명할 것이다.
슬러지(17)는 예를 들어 20 m3/h의 유량(Q)으로, 예를 들어 직경(DN50) 및 몇 미터 길이(L)의 파이프 내로 펌핑하는 것에 의해서 연속적으로 공급된다. 동시에, 예를 들어 60 Nm3/h의 공기의 많은 유량이 벤투리(20) 내로 연속적으로 주입되고, 이는 3-상 에멀전을 생성하고, 이는 이어서 억제되어(in suppression) 외장(21)에 진입한다. 이어서, 에멀전은 제한부(25), 예를 들어 밸브를 통과하여, 새로운 압력/감압 충격을 야기한다.
에멀전은 자동 시스템(회로(32))에 의해서 탈가스기의 상류로 N번 재순환된다.
이어서, 에멀전은 탈가스기(26) 내로 낙하된다.
에멀전이 자체에 대해서 부드럽게 충돌하는 것은, 굽혀진 관, 부피(V) 및 유량의 치수를 고려할 때, 방출될 때까지 단지 몇초(내지 몇분)동안 컨테이너 내에서 유지되는 양호하고 부드러운 탈가스, 및 증가된 생분해성을 가능하게 한다.
이어서, 에멀전은, 예를 들어 과다 탈가스 공기의 재사용에 의해서, 탈가스기의 하류로 재순환될 수 있다. 이어서, 에멀전은 예를 들어 중력에 의해서 또는 펌핑에 의해서(이는 매우 낮은 점도를 갖는다) 추가적인 처리를 위해 전달된다.
명백한 바와 같이 그리고 또한 전술한 내용으로부터 명확한 바와 같이, 본 발명은 보다 구체적으로 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 (15)

  1. 유기 슬러지(1, 17)의 생분해성을 개선하기 위한 방법이며, 적어도 2개의 연속적인 처리 사이클을 포함하고, 각각의 사이클은 약 8초 내지 약 20초에 포함된 총 지속시간을 가지고, 각각의 사이클은 감소 구역으로 지칭되는 제1 구역(3, 20, 39) 내에서 가스(4, 23)를 상기 감소 구역 내로 주입하는 것에 의해서 제1 가수분해 슬러지 에멀전을 생성하는 제1 단계, 확장 구역으로 지칭되는 제2 구역(5, 21) 내에서 에멀전을 급격히 확장시키는 제2 단계, 및 제한 구역으로 지칭되는 제3 구역(6, 25)을 통해서 에멀전을 회수하는 제3 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    슬러지(1, 17) 및 가스는, 상기 감소 구역 내의 슬러지에 20 m/s 초과의 제1 속력(V1) 및 제1 상대 압력(P1)을 부여하는 것에 의해서, 감소 구역(3, 20, 39) 내로 주입되고, 에멀전의 급격 확장은 2 bar 초과의 제2 상대 압력(P2)에서 확장 구역(5, 21) 내에서 실시되며, 이어서 에멀전은, 상기 제한 구역(6, 25) 내의 상기 에멀전에 20 m/s 초과의 제2 속력(V2)을 부여하는 것에 의해서, 제한 구역 내에서 회수되는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    감소 구역으로 지칭되는 제1 구역(3, 20, 39)은 작은 직경(d)(d　<　50　mm)의 요소이고, 작은 직경의 요소에서 슬러지가 제1 고속(V1) 및 저압(p1)으로 통과하고, 가스 또는 공기가 큰 유량(예를 들어, 유량(q Nm3　≥　10　Q　m3, Q는 슬러지 유량)으로 주입되고, 기체의 압축 가능 에멀전을 생성하도록 주입되며, 기체의 압축 가능 에멀전은 이어서, 상기 제한 구역 내의 상기 에멀전에 제2 속도(V2　≥　20　m/s)를 부여하는 것에 의해서, 하류 제한 구역(6, 25) 내에서 압력 강하가 발생되기 전에, 에멀전이 고압(P2)(P2　>　10 P1) 및 저속(v)(v < 10 V1)으로 통과하는 요소보다 큰 직경(D)(D　>　20　d)의 제2 하류 구역에 공급되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스가 공기인 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    사이클이 적어도 N번 반복되고, N　≥　2인 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    N ≥ 7인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 구역은 슬러지 공급 방향에 평행한 축(41) 주위의 세장형인 벤투리(20, 36)의 중앙 부분이고, 공기는 벤투리의 축에 대해서 비스듬하게 상기 중앙 부분 내로 주입되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 구역 내의 평균 압력이 P2 > 3.5 bar이고, 제한 구역 하류의 압력은 대기압과 동일한 제3 압력(P3)인 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    에멀전이 제3 구역 이후에, 반복 전에 강력하게 탈가스되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    에멀전은 에멀전의 자체 상의 또는 에멀전을 제동하기 위한 에너지-흡수 플랩(63, U) 상의 부드러운 충돌에 의해서 탈가스되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스가, 유동 방향과 20° 내지 50°에 포함된 각도로, 유동 방향으로 주입되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 유기 슬러지(17)의 생분해성을 개선하기 위한 장치(16)이며, 가압된 인-라인 컨테이너(21), 컨테이너에 슬러지를 연속적으로 공급하기 위한 수단(18) - 축 주위에서 세장형인, 슬러지의 통과를 위한 벤투리(20), 컨테이너 내에서 에멀전을 생성하도록 배열된 축에 대한 각도로 주입하기 위한 상기 벤투리의 협소부 내의 적어도 하나의 공기 주입 포트(23), 및 압력 강하를 생성하는 부재(25)를 통해서 상기 컨테이너로부터 에멀전을 방출하기 위한 수단을 포함함 -, 그리고 상기 슬러지 공급 수단에 의한 상기 에멀전 내로의 공기(23)의 주입의 상류에서, 슬러지 공급 수단에 의해서 컨테이너 내에서 루프로 상기 에멀전을 순환시키기 위한 수단(32, 33, 34, 35)을 포함하는, 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    벤투리의 축에 대한 20° 내지 50°에 포함된 각도로, 벤투리 내에 적어도 하나의 공기 주입 포트(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    에멀전의 자체 상의 또는 에너지-흡수 플랩(63, U) 상의 부드러운 충돌에 의해서 에멀전을 대기압에서 탈가스하기 위한 수단(26, 60)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  15. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 방법으로부터 얻어진 유기 수프에 있어서, 적어도 80%의 분해된 박테리아를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기 수프.
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