KR20220134057A - 일차 처리에 의한 폐수 처리 및 ｍｂｒ 또는 ｍａｂｒ-ｉｆａｓ 반응기 - Google Patents

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제프리 제라르 피터
니콜라스 윌리엄 에이치 아담스
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Abstract

마이크로체를 경유하여 물의 일차 처리를 통해 폐수를 처리하여 일차 유출물과 일차 슬러지를 생성한다. 이차 유출물과 폐 활성 슬러지를 생성하기 위해, 막 생물 반응기(MBR) 또는 통합된 고정막 활성 슬러지(IFAS) 반응기를 경유하여 일차 유출물의 이차 처리가 있다. 마이크로체는 250 미크론 이하, 예를 들어 약 150 미크론의 개구부를 가질 수 있다. 공정에서, 가스 이동 막을 물에 담근다. 압착 공기를 가스 이동 막으로 유입한다. 배출 가스를 가스 이동 막으로부터 빼내 물에 담근 통풍기로부터 버블을 생성하는데 사용한다.

Description

일차 처리에 의한 폐수 처리 및 ＭＢＲ 또는 ＭＡＢＲ-ＩＦＡＳ 반응기{WASTEWATER TREATMENT WITH PRIMARY TREATMENT AND MBR OR MABR-IFAS REACTOR}
관련 출원
본 출원은 2014. 3. 21자 출원된 미국 가출원 제61/968,752호; 2014. 11. 20자 출원된 미국 가출원 제62/082,398호; 및 2014. 3. 20자 출원된 국제출원 PCT/US2014/031321호의 우선권을 주장한다. 미국 가출원 제61/968,752호, 미국 가출원 제62/082,398호 및 국제출원 PCT/US2014/031321호를 참조로서 원용한다.
기술 분야
본 명세서는 폐수 처리, 마이크로체(micro-sieve)에 의한 일차 처리, 막 생물 반응기(membrane bioreactor) 및 막 생체막 반응기(membrane biofilm reactor)에 관한 것이다.
종래의 활성 슬러지 폐수 처리 시스템은 일차 정화기 이어서 혼합액이 호기성, 무산소성 또는 혐기성 조건 하에 유지되는 1개 이상의 탱크를 가진다. 이들 탱크를 나오는 혼합액은 제2 정화기에서 분리되어 유출물과 활성 슬러지를 생성한다. 활성 슬러지의 일부는 공정 탱크로 회송된다. 일부 플랜트에서, 나머지 활성 슬러지를 걸쭉하게 한 다음 일차 정화기로부터 슬러지와 함께 혐기성 소화기로 보낸다. 일부 경우에, 제2 정화기를 막 분리 유닛으로 대체하여 막 생물 반응기(MBR)를 만든다.
미국 공개 제2013/0134089 A1호에서는 생 하수로부터 현탁된 고체를 제거하는 향상된 일차 처리를 사용하는 폐수 처리 공정을 기재하고 있다. 일차 유출물을 생물 영양소 제거에 의해 처리하여 처리된 유출물과 폐 활성 슬러지(WAS, waste activated sludge)를 생성한다. WAS를 혐기성 소화기에서 처리하며, 이는 또한 발효조로부터 슬러지를 처리한다.
막 생체막 반응기(MBfR)에서, 생체막을 지지하고, 가스를 생체막으로 수송하는 두 과정에 막을 사용한다. 막 통기화 생체막 반응기(MABR)는 산소 함유 가스가 사용되는 MBfR의 서브셋이다. 미국특허 제7,169,295호에서는 토우에 사용되거나 패브릭으로 형성되는 미세 중공 섬유 막을 가진 모듈이 있는 막 지지 생체막 필름 반응기를 기재하고 있다.
본 명세서에서는 마이크로체, 바람직하게는 회전 벨트 체(RBS, rotating belt sieve)에 의해 제공되는 일차 처리에 의한 폐수 처리 공정을 기재한다. 이차 처리는 현탁된 바이오매스, 막 지지된 바이오매스, 또는 둘 다를 사용하여 제공될 수 있다. 바람직한 공정에서, 이전에 현탁된 바이오매스 또는 이전에 막 지지된 바이오매스 또는 둘 다를 포함하는 폐 슬러지의 적어도 일부를 마이크로체를 통해 처리한다.
RBS는 예를 들어 총 현탁 고체(TSS) 또는 화학적 산소 요구량(COD) 제거 면에서 일차 정화기 이상의 성능을 가질 수 있다. 그러나 RBS는 예를 들어 종래의 일차 정화기의 설치 면적 중 10분의 1을 차지할 수 있을 뿐이다. RBS는 종래의 막 생물 반응기(MBR)에 비교할 때 일례로 더 작은 생물 반응기(-38%) 및 더 낮은 산소 요구(-25%)를 야기하는 생물 처리로부터 유기물의 전환을 제공할 수 있다. 또한, RBS 기술은 슬러지 취급에 대한 선택 사항을 제공한다: 일차 고체는 유닛 내에서 예를 들어 20-30% TSS로 탈수될 수 있거나, 폐 슬러지는 일차 슬러지와 함께, 예를 들어 >10% TSS로 동시에 진해질 수 있다.
RBS 유닛을 도시 하수로 1년에 걸쳐 평가하였다. 세 개의 상이한 벨트 개구부 크기(750, 350 및 154 ㎛)는 각각 49%, 66% 및 72%의 TSS에 대한 중간 제거율을 가졌고; COD 제거율은 각각 16%, 30% 및 39%이었다.
일부 실시예에서, MBR을 위한 일차 처리를 제공하는데 RBS 또는 또 다른 마이크로체를 사용한다. 일부 경우에 MBR과 함께 RBS의 사용으로 일차 정화기에 비해 이점, 예를 들어 i) 더 적은 플랜트 설치 면적, ii) 미세 스크리닝의 배제, iii) 잔류 고체의 체적 감소, 및 iv) 여과막의 더 양호한 보호 중 하나 이상을 나타낼 수 있다.
일부 실시예에서, RBS 또는 또 다른 마이크로체는 막 통기화 생체막 반응기(MABR)와 함께 사용된다. MABR에서, 고정된 생체막을 지지하고, 통기하는데 가스 이동 막이 사용된다. 전형적인 공정에서, 가스 이동 막은 임의로 무산소 층이 있는 일차 호기성 생체막을 지지한다. 추가의 무산소 미생물이 가스 이동 막이 있는 탱크에 제공되지만, 이들 추가 미생물은 막 상에 지지되지 않는다.
일부 실시예에서, RBS(또는 또 다른 마이크로체) 또는 MABR, 바람직하게는 둘 다는 도시 하수 처리를 위한 저 에너지 또는 에너지 중성 플로시트(energy-neutral flowsheet)와 함께 사용된다. 전형적인 플로시트는 하이브리드 현탁화 성장 및 막 통기화 생체막 반응기(MABR) 공정을 기반으로 한다. 이러한 플로시트는 어떤 상황 하에서 질화-탈질 대사 경로를 사용하여 질소를 제거하면서 에너지 중성(가능하게는 훨씬 더 양호한, 전기 중성)을 달성할 수 있으며, 종래의 정화 또는 막 여과에 의한 고체-액체 분리와 양립할 수 있다. 혐기성 소화에 의한 완전 폐수 및 슬러지 처리 및 병합된 열전 생산을 포함하는 종래의 활성 슬러지(CAS) 플로시트와 새로운 플로시트를 비교하였다. 이 실시예에서, 새로운 플로시트는 CAS 플로시트에 비교할 때 전기 소비가 30% 더 낮고, 에너지 생산이 18% 더 높으며, 전체적으로 전기 중성이었다.
본 명세서에서는 또한 상기에 기재한 바와 같이 임의로 MABR에 사용될 수 있는 가스 이동 막을 기재하고 있다. 가스 이동 막은 다수의 산소 확산 중공 섬유와 강화 필라멘트로 구성되는 "코드"를 기초로 하며, 생체막의 성장을 지지한다. 일 실시예에서, 코드는 임의로 편조되고, 방사 이격된 종방향으로 신장하는 가스 이동 막으로 둘러싸이고, 나선으로 감긴 강화 필라멘트의 1층 이상으로 둘러싸인, 일반적으로 종 방향 강화 필라멘트로 구성된다.
정수 재폭기(re-aeration) 시험에서, 합성 공급 용액을 사용하는 250일 질화 시험에서, 일차 유출물을 처리하여 상기에 기재한 바와 같이 전형적인 새로운 막의 성능을 평가하였다. 고 암모니아 부하 조건 하에, 산소 유량은 90-100 g O2/d/km 코드(
Figure pat00001
20 g O2/d/㎡ 생체막)에 도달하였고, 반면에 질화 속도는 16 g NH4-N/d/km 코드(
Figure pat00002
3.5 g O2/d/㎡ 생체막)를 초과하였다. 공정은 2.5 시간의 수리학적 체류 시간에서 99%의 암모니아 제거율을 달성하였다.
MABR은 임의로 MBR(예를 들어: 지이 워터 앤 프로세스 테크놀로지스(GE Water & Process Technologies)에 의한 ZeeWeedTM 500 제품)에 사용되는 침지된 중공 섬유 여과 막에 유사한 방식으로 배치되는 모듈과 카세트로 배열되는 중공 섬유 막을 사용한다. 대기를 중공 섬유의 내강으로 이송하고, 버블의 형성 없이 산소를 막의 외부 표면 상에 성장하는 생체막으로 이동시킨다. MABR은 60%의 산소 이동 효율에서 공급물로서 공기를 사용하여 6 kg O2/kWh보다 큰 폭기 효율을 달성할 수 있다. MABR은 어떤 조건 하에 미세 버블 폭기보다 에너지를 4배 적게 소비하는 호기성 생물 처리 공정에 사용될 수 있다.
본 명세서에서는 또한 가스 이동 막을 수중에 담그는 공정을 기재하고 있다. 압착 공기는 가스 이온 막으로 유입된다. 배기 가스를 가스 이동 막으로부터 빼내 단독으로 또는 첨가된 주위 공기와 함께 수중에 담근 통풍기로부터 버블을 생성하는데 사용한다. 배기 가스는 통풍기 위 정지 수두(static head of water)보다 큰 압력을 가진다. 생체막은 가스 이동 막 상에 지지될 수 있으며, 산소는 가스 이동 막을 통해 생체막으로 이동될 수 있다. 현탁된 바이오매스가 또한 물에 제공될 수 있다.
본 명세서에서는 또한 마이크로체를 경유하여 물을 일차 처리하여 일차 유출물과 일차 슬러지를 생성하는, 수처리 방법 및 장치를 기재하고 있다. 이차 유출물과 폐 활성 슬러지를 생성하기 위해, 막 생물 반응기(MBR) 또는 통합된 고정막 활성 슬러지(IFAS) 반응기를 경유하여 일차 유출물의 이차 처리가 있다. 마이크로체는 250 미크론 이하, 예를 들어 약 150 미크론의 개구부를 가질 수 있다. 개구부 크기는 제조업자가 규정한 공칭 크기, 직사각형 또는 정사각형 개구부의 길이와 폭 중 더 큰 것, 또는 다른 형태의 개구부에 대한 동일한 면적의 원의 직경 중 하나 이상에 의해 결정될 수 있다.
폐 슬러지는 임의로 마이크로체를 통해 일차 슬러지와 함께 동시에 진해질 수 있으며, 혐기성 소화기에 이송될 수 있다. MBR의 경우에, 미세 스크리닝이 필요하지 않다. IFAS의 경우에, 고정막은 가스 투과성 막에 지지될 수 있다. IFAS 반응기는 질산염 재순환 없이 그리고 10일 이하의 고체 체류 시간에 가동될 수 있다.
도 1은 회전 벨트 체의 주요 기능을 보여주는 개략 단면도이다.
도 2는 회전 벨트 체의 시험에서 누적 제거 분포 결과의 그래프를 포함한다.
도 3은 회전 벨트 체의 시험에서 수리학적 및 고체 부하율의 함수로서 제거율의 그래프를 포함한다.
도 4는 비교 MBR 플로시트의 개략도를 포함한다.
도 5는 MABR 공정의 개념도이다.
도 6은 가스 이동 막 코드와 이의 일부 개별 부분에 대한 도면과 사진을 포함한다.
도 7은 ZeeWeed 500D 모듈과 카세트의 사진을 포함한다.
도 8은 MABR에 대한 정수 재폭기 시험에서 산소 유량의 그래프이다.
도 9는 파일럿 가동 상황(pilot operating regime)의 그래프이다.
도 10은 산소 이동과 용존 산소를 보여주는 그래프를 포함한다.
도 11은 질화 속도를 보여주는 그래프를 포함한다.
도 12는 깨끗한 탱크에서 질화 생체막으로 덮인 코드 번들의 사진이다.
도 13은 에너지 중성 플로시트의 개념도이다.
도 14는 CAS와 새로운 플로시트에 대한 생물 처리의 설치 면적 비교이다.
도 15는 정수 재폭기 시험 결과에 대한 결과를 보여주는 그래프를 포함한다.
도 16은 파일럿 플랜트에서 용존 산소 농도를 보여주는 그래프를 포함한다.
도 17은 파일럿 플랜트에서 산소 유량 및 산소 이동 효율을 보여주는 그래프를 포함한다.
도 18은 파일럿 플랜트의 폭기 효율을 보여주는 그래프를 포함한다.
도 19는 막 통기화 생체막 모듈의 개략도이다.
MBR에 대한 일차 처리
도시 하수 처리에 막 생물 반응기(MBR) 기술의 사용은 지난 10년 동안 상당히 성장하였고, 작은 설치 면적으로 고 품질의 유출물을 확실히 생성하는 이들의 능력이 이끌었다. 그러나 MBR에 대해 주로 더 많은 에너지 소비로 인해 운영비가 크게 든다. 에너지 중성의 목표를 향한 진행은 소비 감소 및 폐수에 포함된 에너지 회수의 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다.
초기 MBR 플랜트는 소형이었고, 큰 혼합액 현탁 고체 농도, 및 긴 슬러지 체류 시간과 함께 연장된 폭기 쪽으로 설계를 이끌었다. 이러한 수단은 작은 설치면적 플랜트, 저 슬러지 생산 및 고 유출물 품질의 목표를 달성하였다.
MBR 기술은 이제 소형 및 대형 플랜트에 대해 생각하고 있으며, 설계 이념은 플랜트 크기가 증가함에 따라 진화하였다. 더 큰 종래의 플랜트에 의해, 에너지 소비를 줄이는 바람직한 수단은 일차 정화를 추가하여 생물 처리로의 부하를 줄이고, 유기 물질을 고체 처리(예를 들어, 혐기성 소화)로 돌리는 것이다. 그러나 일차 정화는 큰 설치 면적을 가지며, MBR의 주요 이점을 부정한다.
본 명세서에서는 마이크로체, 바람직하게는 회전 벨트 체(RBS)를 기반으로 한 일차 처리 공정을 기재하고 있다. RBS-MBR 공정은 이차 생물 처리에 대한 부하를 상당히 줄임으로써 에너지 과제를 다루는데 도움이 된다. 또한, RBS에 의해 생성되는 잔류물이 유기물에 농후하며, 혐기성 소화 또는 다른 고체 처리에 사용되어 탄소의 에너지로의 전환을 향상시킬 수 있다.
회전 벨트 체(RBS)는 단일 소형 유닛에 분리, 농축 및 탈수를 병합하는 진보된 일차 처리 장치이다(도 1).
전형적인 RBS는 스테인리스강 하우징에 포함되거나 콘크리트 채널에 고정되는 연속 미세 체 벨트를 가지며, 이는 소형 수두(hydraulic head) 하에 유입 폐수를 여과한다. 벨트는 연속으로 또는 단속적으로 회전되어 보유된 현탁 고체를 농축 구역으로 이동시키고, 추가로 이들을 탈수 오거(dewatering auger)로 떨어트릴 수 있는 롤러 상에 고정된다.
체 개구부는 유입물 특성 및 제거 요건을 기준으로 50 내지 2,000 ㎛의 범위 이내에서 선택될 수 있으며; 도시 하수에 대한 전형적인 개구부는 350 ㎛이다. 그러나 본 발명자들은 더 작은 개구부 크기, 예를 들어 250 미크론 이하 또는 154 미크론(약 150 미크론)을 선호한다.
RBS 설비는 모듈러 유닛으로 구성된다. 일부 유닛은 살스네스(Salsnes)가 제작하여 시판하고 있다. LEAPprimaryTM 유닛은 60 내지 550 ㎥/h의 공칭 유량의 범위를 가진 네 개 크기로 지이 워터 앤 프로세스 테크놀로지스로부터 이용가능 하거나 가능할 것이다(표 1). 표 1에서 공칭 유량은 예시일 뿐이며, 전형적인 도시 하수 적용에 대해 250 mg/L의 TSS 및 350 ㎛의 체 개구부로서 제공된다. 이들은 유입 폐수에 침수된 벨트의 표면적으로 계산된 250 m/h의 수리학적 부하율(HLR, hydraulic loading rate)을 기준으로 한다. 여과 막과 다르게, RBS의 성능은 온도의 함수가 아니다.
회전 벨트 체 크기
모델 설비 설치 면적
㎡		 침수 면적
㎡		 공칭 유량
㎥/h		 공칭 유량
MGD
LP10 1.9 0.25 60 0.3
LP20 3.8 0.50 125 0.8
LP40 5.3 1.0 250 1.6
LP60 7.3 2.2 550 3.4
벨트 전체에 걸쳐 수위 차이는 체질을 위한 구동력을 결정하며, 수두의 최대치 400 mm에 도달할 수 있다. 제어 시스템은 벨트의 입구 측에 위치한 레벨 센서를 기준으로 벨트를 회전한다. 바람직한 가동 모드는 완전 침수된 벨트로서 작업하고, 벨트 전체에 걸쳐 압력 손실을 기준으로 회전 속도를 다르게 하는 것이다. 이는 케이크가 벨트 상에 형성되어 미세 고체의 제거와 COD를 향상시키는 것을 보장한다.
공기 중 벨트 이동 시간(도 1)은 고체를 전형적으로 4-6%의 농도로 그러나 임의로 10% 이상까지 농축시킨다. 농축된 고체는 오거 위로 떨어지고, 오거는 고체를 TSS 농도가 10% 위로, 예를 들어 20-30%로 더 증가할 수 있는 탈수 박스로 이동시킨다. 더 큰 고체 농도는 바람직하지 않다면(예를 들어, 혐기성 소화에서 후속 처리를 위해), 탈수 박스를 제거할 수 있으며, 오거는 단순히 고체를 유닛 밖으로 밀어낼 것이다.
RBS는 케이크가 오거 위로 이동할 때 케이크 방출과 벨트의 세정을 향상시키는 메커니즘을 가진다. 이는 에어 나이프에 의해 완성된다. RBS에는 또한 부착된 입자와 지방, 오일 및 그리스를 주기적으로 제거하는데 사용될 수 있는 온수 스프레이가 구비된다. 특히 350 미크론 미만의 개구부를 가진 스크린을 사용할 때, 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Company)에 의한 2014. 3. 20자 출원된, 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for Cleaning a Rotating Belt Sieve"인 국제 출원 PCT/US2014/31321호(참조로서 원용한다)에 기재된 바와 같이, 세정은 바람직하게는 스팀, 수적(미스트) 또는 세정제 중 하나 이상에 의해 증대된다.
MBR 플랜트를 위한 향상된 일차 처리로서 사용될 때, 회전 벨트 체는 하기 잠재적 이점 중 하나 이상을 제공할 수 있다: a) 일차 정화기에 필요한 설치 면적보다 대략 90% 더 작은, 작은 설치 면적; b) 체 개구부와 가동의 모드에 대한 선택을 통해 현탁 고체와 유기 물질의 제거 속도를 제어하는 능력; d) 추가 현장 또는 현장 외 처리를 위한 폐 활성 고체(WAS)의 선택적인 동시 농축과 함께, 잔류 슬러지 탈수; 및 e) 종래의 미세 스크리닝에 의해 제공되는 것보다 더 양호한 막의 보호를 위한 쓰레기의 제거. 동시 농축을 위해, WAS를 바람직하게는 벨트의 상류에 있는 RBS에 넣지만, 임의로 WAS는 벨트를 우회하여 오거로 직접 흘러서 탈수 박스에서 농축될 수 있다. WAS를 벨트의 상류에 넣을 때, 이것은 벨트 위에서 예를 들어 6 내지 12% 고체로 농축될 수 있고, 탈수 박스에서 추가 농축은 선택적이지만 흔히 요구되지 않으며, 일부 경우에 바람직하지 못하다. 탈수 박스에서 방출된 물(만일 있다면)은 바람직하게는 벨트를 다시 통과하도록 재순환되지만, 또한 일차 유출물에 의해 다음 공정 단계로 전달될 수 있다.
RBS에 도시 하수 처리 플랜트로부터 탈사암 폐수를 공급하였고, 이 플랜트는 가정 및 경공업 폐수의 혼합물을 처리한다. 시험 기간에 걸쳐, 공급물은 24 시간 복합 샘플의 55 쌍을 통해 특성화되었다. 복합 샘플을 기준으로 공급물 조성을 표 2에 기록한다. 중간 TSS와 COD는 각각 280 mg/L 및 540 mg/L이었고, 양쪽 파라미터는 넓은 범위 내에서 달라졌다. 복합 샘플 외에, 채취 샘플(grab sample)의 쌍을 동일 기간을 통해 취해 특정 가동 조건 하에 RBS 성능을 평가하였다.
시험 기간을 통한 공급물 폐수 조성
TSS(mg/L) COD(mg/L)
복합 샘플의 쌍 55 55
평균 325 565
중간 280 540
최소 138 246
최대 981 1,374
연구에서 사용된 RBS 설비는 LEAPprimary 모델 LP10이었다(표 1). 공급물 유량 제한으로 인해 유량을 줄이기 위해 벨트 면적의 일부를 플라스틱 재료로 의도적으로 가렸다. 가동의 모드는 벨트를 0.06 ㎡의 일정 침수 면적(수리학적 부하율을 계산하는데 사용됨)에서 굴리는 것 및 레벨 센서가 최대치에 도달했을 때 벨트를 진행시키는 것과 관련되었다.
154, 350 및 740 ㎛의 개구부를 가진 3개의 상이한 벨트를 75 내지 250 m/h 범위의 수리학적 부하율과 10에서 100 kg/㎡/h 이상까지 고체 부하율에서 평가하였다. TSS와 COD의 제거율을 누적 분포 함수로서 도 2에 제시한다. 관련 데이터를 표 3에 발췌한다. 도 2에서, 누적 샘플 분율(Y 축)은 X 축 상에서 읽힌 값보다 더 큰 제거율을 가진 데이터 포인트의 분율을 나타낸다. 일례로서, 350 ㎛ 벨트에 의한 TSS 제거율에 대해, 100%의 데이터 포인트는 >32%의 제거율을 가졌고, 50% 샘플(중간)은 66%의 제거율을 가졌으며, 관찰된 최대 제거율은 89%이었다.
비록 3개 벨트를 모두 매트 깔기(matting)(즉, 완전 침수 벨트)로 가동하였더라도, TSS와 COD 제거율은 더 작은 체 개구부에 의해 증가하였다. 350 ㎛ 벨트에 대해, TSS와 COD 중간 제거율은 각각 66% 및 30%이었고; 이들 값은 154 ㎛ 벨트에 의해 72% 및 39%로 증가하였다. 740 ㎛ 벨트에 의해, TSS에 대한 제거율 범위는 더 넓어졌으며, COD의 중간 제거율은 단지 16%이었다.
제거율의 요약
TSS 제거율 COD 제거율
체 개구부 크기(㎛) 154 350 740 154 350 740
데이터 포인트의 수 30 20 36 30 20 36
최소 55% 32% 10% 10% 12% 3%
중간 72% 66% 49% 39% 30% 16%
최대 86% 89% 75% 73% 37% 41%
도 2를 만드는데 사용되는 모든 데이터 포인트를 도 3에 표시하여 수리학적 부하율(HLR)과 고체 부하율(SLR)의 성능에 대한 잠재적 영향을 평가하였다. 도 3a에서는 데이터 포인트의 대부분이 평균 일 플로(day flow) 조건을 나타내는 100 내지 150 m/h 이내의 HLR에서 운전하는 RBS에 의해 수집되었고; 일부 샘플은 피크 시간 플로 조건을 나타내는 245 m/h의 HLR에서 수집되었음을 보여준다. TSS 또는 COD의 제거율에 대한 HLR의 영향은 없는 듯하다. 따라서 각 벨트 개구부에 대해 관찰된 광범위한 제거율은 폐수 가변성에 관련된다(즉, 상당하고, 가변적인 산업 폐수 기여가 제공된다).
도 3b에 표시된 고체 부하율(SLR)은 HLR을 공급물 TSS로 곱하여 계산되었다. SLR은 자릿수 이내, 약 10에서 100 kg/㎡/h 이상까지 달라졌다. TSS 제거율에 대한 SLR의 영향은 없었다. COD에 대해, 154 ㎛의 더 작은 벨트 개구부에 의해서만 SLR의 가시적인 영향이 있었다.
설비 제어는 벨트 회전 속도를 변경함으로써 TSS 및 COD 제거율을 다르게 하는 유연성을 제공한다. 예를 들어, 회전은 케이크 형성과 제거를 최대화하도록 느려질 수 있거나, 탈질에 대해 필요한 경우 더 큰 COD를 통과시키도록 가속될 수 있다.
MBR로 일차 처리를 위해 사용될 때, RBS 기술은 일차 정화와 미세 스크리닝을 대체한다. 3 mm 미세 스크린으로 걸러진 유입물을 처리하는 파일럿 MBR을 사용하여 실험을 수행하였다. MBR을 4.5 시간의 HRT 및 15일의 SRT에서 가동하였다. MBR 주위의 질량 균형을 기준으로, 혼합액의 쓰레기 함량은 비율 SRT/HRT(이 경우에, 80의 농도 인자)로 곱한 유입물의 쓰레기 함량과 동일하다. 혼합액의 쓰레기 함량을 토양 분류에 사용된 형태의 1 mm 수동식 체로 측정하였다. RBS 실험의 0일에 쓰레기 함량은 66.7 mg/L과 동일하였고, 정상 상태 조건을 나타냈다. 현 시점에서, MBR로 공급물을 RBS 유출물로 3 mm 미세 스크린으로부터 바꿨다. 쓰레기 함량은 55일 이내에 0.23 mg/L로 떨어졌다(대략 3 SRT). 69일 후, 쓰레기 함량은 검출 불가능한 수준으로 떨어졌다. 시험 기간 중에, 상이한 벨트를 평가하였지만, 개구부는 항상 350 ㎛ 이하이었다. 따라서 RBS는 MBR 공급물로부터 실질적으로 모든 쓰레기를 효과적으로 제거하였다.
슬러지 처리를 포함하는 3개의 완전한 폐수 처리 플로시트를 비교하였다(도 4). "MBR"로 불린 제1 플로시트(도 4a)는 초기 세대 MBR을 대표한다: 일차 처리는 없고, 농축된 WAS는 호기적으로 소화된다. "PC+MBR"로 불린 제2 플로시트(도 4b)는 종래의 일차 정화, 일차 슬러지 및 WAS 농축, 및 혐기성 소화를 포함한다. RBS+MBR로 불린 제3 플로시트(도 4c)는 일차 정화와 미세 스크리닝을 대체하는 RBS를 포함하며, 일차 고체와 WAS의 동시 농축에 사용되며; PC+MBR과 같이, 이것은 혐기성 소화가 있다.
18,925 ㎥/d(5 MGD)의 평균 1일 플로 및 하기 유입물 특성을 가진 플랜트에 대해 평가하였다: BOD/SS/TN/TP = 220/220/40/7 mg/L. 시간당 피크 플로는 1일 평균 플로의 2배였고, 월간 부하 피크는 평균 1.35배였으며, 겨울 설계 온도는 12℃이었다고 가정하였다. 목표 유출물 특성은 BOD/SS/TN/TP = 15/15/10/1.0 mg/L이었고; 세 개 플랜트는 모두 완전 질화하는 것으로 설계되었다.
디폴트 파라미터를 사용하는 GPS-X에 의해 세 개 플랜트의 공정 설계를 모의 실험하여 처리 효율, 슬러지 생산 및 반응기의 치수를 얻었다. 상기에 언급한 목표 유출물 특성을 충족하도록 생물 공정의 HRT와 SRT를 조정하였다. 플랜트 설계 이념과 설비의 치수는 이전의 연구(Young T. et al, "MBR vs. CAS: Capital and Operating Cost Evaluation", Water Practice & Technology, 7(4), 2013)와 일치하였다. 문헌[Cote P. et al, "Membrane Bioreactors are not Energy Hogs", Water Environment & Technology 25(11), 2013]에 기재된 방법을 사용하여 전기 조건을 평가하였다.
세 개 플로시트에 대한 유닛 가동을 표 4에 기재한다. 세 개 플랜트는 모두 거칠게 걸러진(6 mm), 탈사암 폐수를 수용하였다고 가정하였다. PC-MBR 플로시트는 막을 보호하도록 여전히 미세 스크리닝을 필요로 하였고; RBS-MBR은 그렇지 않았다. PC+MBR 및 RBS+MBR 플로시트에 대한 일차 처리를 통해 제거 효율은 비교를 용이하게 하기 위해 동일하다고 가정하였다.
세 개 플로시트 모두에 대한 생물 처리를 12℃의 설계 온도에서 완전히 질화하도록 17일 SRT로 설계하였다. MBR 플랜트는 반응기 용적 8,2000 ㎥을 필요로 하였고, 산소 이동 속도(OTR)는 4,872 kg/d이었다. PC+MBR 및 RBS+MBR 플랜트에 대해, 일차 처리는 반응기 용적의 감소를 가능하게 하였고, OTR은 각각 38% 및 25%이었다. 플로시트 PC+MBR 및 RBS+MBR에 대한 일차 처리를 통해 유기물의 전환으로 탈질화를 위한 메탄올 요구량의 상당한 증가를 야기하였고; 실제로, 일차 슬러지의 발효를 통해 휘발성 지방산을 생성함으로써 이러한 요구량을 줄일 수 있었다. 또한, RBS는 탈질화를 위해 유리한 탄소 대 질소 비를 목표로 하는 일차 정화보다 더 큰 유연성을 제공한다.
PC+MBR 및 RBS+MBR 플로시트에 의해, 슬러지 생산은 이차 처리에서 유기물의 감소된 무기물화로 인해 MBR 플로시트에 비해 21% 정도 증가하였다. 또한, 슬러지는 MBR 플로시트에 대해 68% 대 60%의 VSS/TSS 비율로써 더 유기적이었다.
선택된 공정 결과
파라미터 MBR PC+MBR RBS+MBR
일차 처리
미세 스크리닝 2 mm 스크리닝 2 mm 스크리닝 없음
일차 처리 없음 일차 정화 회전 벨트 체
TSS/COD 제거율, % 0% 60%/37% 60%/37%
화학적 인 제거 명반 명반 명반
생물 처리
생물 반응기의 HRT, h 10.4 6.5 6.5
생물 반응기 용적, ㎥ 8,200 5,100 5,100
생물 반응기의 SRT, d 17.0 17.0 17.0
MLSS 농도, g/L 6.0 6.0 6.0
NO3 재순환율(다수 유입물 플로) 4.0 Q 4.0 Q 4.0 Q
RAS(다수 유입물 플로) 4.0 Q 3.0 Q 3.0 Q
폭기 방법 미세 버블 미세 버블 미세 버블
총 산소 이동 속도, kg/d 4,872 3,672 3,672
탈질화용 탄소 첨가, L/d 100(메탄올) 600(메탄올) 600(메탄올)
슬러지 처리
일차 슬러지, kg/d 0 2,500 2,500
폐 활성 슬러지, kg/d 3,500 1,750 1,750
총 슬러지, kg/d 3,500 4,250 4,250
총슬러지 VSS/TSS 60% 68% 68%
총슬러지 TSS, g/L 6.5% 7.2% 10.0%
일차 슬러지 농축 방법 없음 중력 농축조 RBS
WAS 농축 방법 회전 드럼 회전 드럼 RBS 동시 농축
슬러지 소화 방법 호기성 혐기성 혐기성
슬러지 소화 HRT, d 25 25 25
소화기 용적, ㎥ 1,550 1,400 1,000
휘발성 고체 감소, % 30% 59% 59%
바이오가스 생산, ㎥/d 없음 1,500 1,500
에너지 회수
바이오가스의 전기로의 전환, % 35% 35%
MBR 및 PC+MBR 플로시트는 혼합 슬러지를 대략 7.0% TSS의 농도로 가져온 종래의 농축 공정(일차 슬러지에 대해 중력 농축조 및 WAS에 대해 회전 드럼 스크린)을 사용하였다. RBS+MBR 플로시트에 대해, RBS는 일차 슬러지와 함께 WAS를 슬러지가 여전히 펌프 가능한 농도인, 중합체 없이 10%로 동시 농축하는데 사용될 수 있었다고 가정하였다. 이는 니프(Neef) 외 그의 공동 연구가(2012)가 29% TSS를 얻을 수 있었다는 것을 감안한 보수적인 가정이다. WAS는 벨트의 상류에 있는 RBS로 복귀한다. 일차 슬러지와 WAS의 농축은 벨트가 에어 나이프 전에 공기를 통해 이동하는 동안 일어난다. 임의로, 추가 농축은 오거와 탈수 박스에서 일어날 수 있지만, 이는 항상 바람직하지는 않다. WAS는 벨트의 상류 어느 곳에서나 유입물과 혼합될 수 있다. 대안으로, WAS를 유입물 폐수가 벨트에 처음 접촉하도록 의도된 파티션 뒤에 넣을 수 있다. 이러한 파티션은 니프 외 그의 공동 연구가(2012)(Neef, R., Bult, B. and van Opijnen, E., "High Potential for Finescreen Technology at WWTWs", H2O, 6:32-34, 2012)에 제시되어 있으며, 이 문헌을 참조로서 원용한다. 슬러지를 추가 탈수하는데 오거와 탈수 박스를 사용하는 경우, 탈수 박스에서 분리된 물은 벨트의 상류로 또는 하류 공정 탱크로 재순환될 수 있다. 슬러지 탈수로부터 생성되는 액체 스트림은 유입물 플로에 비해 매우 적을 것 같으며, 플랜트의 설계 또는 가동을 실질적으로 변경하지는 않는 것 같다.
MBR 플로시트에 대해, WAS를 호기적으로 소화하였다고 가정하였으며, 이는 플랜트의 총 산소 요구량을 더 증가시켰다. PC+MBR 및 RBS+MBR 플로시트에 대해 혼합 슬러지를 25d의 동일한 HRT에서 혐기적으로 소화하였고; RBS+MBR 슬러지의 더 큰 TSS는 29% 더 작은 소화기로 해석되었다. 플랜트는 둘 다 동일한 양의 바이오가스(1,500 ㎥/d)를 생성하였고, 이는 병합 열전(CHP) 시스템을 통해 전기로 전환되었다. 왕복 기관이 바이오가스의 에너지 함량 중 35%를 전기로 전환할 수 있었고(US EPA, 2008); 에너지 균형에서 어떤 사용 가능한 열의 생성을 고려하지 않았다고 가정하였다.
세 개 플로시트에 대한 전기 균형을 표 5에 kWh/d로 제시한다. 일차 처리로 PC+MBR 및 RBS+MBR 플로시트에 각각 200 및 530 kWh/d를 추가하였다. PC에 비교할 때 RBS에 대한 추가 에너지는 슬러지 공정에서 절약에 의해 보상받는다(농축의 배제 및 더 작은 혐기성 반응기의 사용 가능).
MBR 플로시트에 비교할 때 일차 정화를 사용하는 것으로부터 액체 라인 생물 처리(즉 PC+MBR 및 RBS+MBR 플로시트)에서 절약은 송풍기 및 혼합기에 대해서만 25%, 및 생물 처리에 관련된 모든 에너지원(송풍기 및 혼합기, 질산염 재순환과 RAS/WAS 펌핑)에 대해서 21.5%이었다.
전기 균형(kWh/d)
파라미터 MBR PC+MBR RBS+MBR
소비
거친 스크리닝 및 모래 제거 -330 -330 -330
일차 처리 -200 -530
미세 스크리닝 -100 -100
약품 주입 -120 -120 -120
생물 송풍기 및 혼합기 -3,260 -2,450 -2,450
질산염 재순환 -400 -400 -400
RAS/WAS 펌핑 -1,500 -1,200 -1,200
막 여과 -1,750 -1,750 -1,750
슬러지 공정 -2,200 -1,000 -620
전기 소비 -9,660 -7,550 -7,400
비 전기 소비(kWh/㎥) -0.51 -0.40 -0.39
생산
바이오가스로부터의 전기(CHP) 3,460 3,460
비 전기 생산(kWh/㎥) 0.18 0.18
순 전기 균형 -9,660 -4,090 -3,940
순 비 전기 소비(kWh/㎥) -0.51 -0.22 -0.21
슬러지 처리를 위한 에너지는 세 개 플로시트에 대해 상당히 상이하다. MBR 플로시트 전기는 호기성 소화의 사용으로 인해 가장 크다(2,200 kWh/d). PC+MBR 옵션에 대한 전기 조건(1,000 kWh/d)은 농축, 소화기 혼합과 펌핑, 및 탈수를 포함한다. RBS+MBR에 대한 더 적은 소비(620 kWh/d)는 RBS에 의한 동시 농축과 관련된 절약을 반영한다.
전체적으로, 일차 처리를 포함하는 플로시트는 MBR만의 플로시트에 비교할 때 20%의 전기 소비에서 감소를 가능하게 하였다. 전기 생산을 고려한다면, 감소는 60%일 것이다.
구조체 사이의 거리는 6 m인 것으로 가정하고, 플랜트 주위 완충 구역을 제로로 설정하여, 플랜트 설치 면적을 영(Young) 외 그의 공동 연구가(2013)(상기에 언급됨)가 사용한 방법으로 평가하였다. MBR 플랜트의 단위 공정들에 필요한 토지 면적은 7,500 ㎡인 것으로 평가하였다. PC-MBR 플랜트에 대해, 일차 정화기를 추가하였고, 생물 반응기는 더 작았으며, 호기성 소화기를 혐기성 소화기로 대체하였으며, 순 증가는 8,500 ㎡이었다. RBS-MBR 플로시트에 대해, RBS를 추가하였고(일차 정화기에 비교한 크기의 대략 10분의 1 설치 면적), 생물 반응기는 더 작았으며, 별도 농축 단위 공정은 없었고, 호기성 소화기는 더 작았으며(PC-MBR 플로시트에 비교할 때), 6,500 ㎡의 총 플랜트 설치 면적을 얻었다. 따라서 MBR 플랜트를 기준으로서 취하면, PC-MBR 면적은 대략 13% 정도 증가할 것이지만, RBS-MBR 면적은 대략 13% 정도 감소할 것이다. 참고로, 일차 정화와 혐기성 소화를 가진 종래의 활성 슬러지에 기초한 플랜트는 14,000 ㎡의 토지 면적을 가질 것이다.
상기 실시예에서, RBS는 일차 정화기 이상의 성능을 제공하지만, 설치 면적의 10분의 1만 점유하며, 따라서 소형 플랜트를 조성하는 MBR에 도움이 된다.
RBS-MBR 공정은 종래 MBR에 비교할 때 상기 실시예에 따라 더 작은 생물 반응기(-38%) 및 더 적은 산소 조건(-25%)을 얻는 생물 처리로부터 유기물의 전환을 제공한다. 또한, RBS 기술은 슬러지 취급에 대한 선택 사항을 제공한다: 일차 고체는 유닛 내에서 10 또는 20-30%로 탈수될 수 있거나, 폐 활성 슬러지는 일차 슬러지와 함께 예를 들어 >10% TSS로 동시 농축될 수 있다.
RBS 유닛을 1년에 걸쳐 도시 하수에 의해 평가하였다. 세 개의 상이한 벨트 개구 크기(750, 350 및 154 ㎛)는 각각 49%, 66% 및 72%의 TSS의 중간 제거율을 가졌고; COD 제거율은 각각 16%, 30%, 및 39%이었다. 최소 벨트 개구 크기를 사용하여 설계에 사용된 수리학적 부하율을 입증하였다.
일반적으로, 일차 처리와 혐기성 소화를 포함하는 플랜트(즉, PC-MBR 또는 RBS-MBR)의 자본 비용은 기준 플로시트(MBR)보다 더 크다. 그러나 MBR과 함께 RBS의 사용으로 일차 정화기에 비해 이점들을 제공할 수 있다: i) 더 작은 플랜트 설치 면적, ii) 미세 스크리닝의 배제, iii) 잔류 고체의 용적 감소, 및 iv) 여과 막의 더 양호한 보호.
상기에 기재한 RBS 기반 일차 처리는 본 명세서에서 추후 기재되는 임의의 다른 플로시트, 특히 또한 MABR을 가진 플로시트와 함께, 또는 IFAS 반응기와 함께 사용될 수 있다. 대안으로, 다른 형태의 마이크로체는 RBS 대신에 사용될 수 있다.
막 통기화 생체막 반응기(MABR)
도시 하수의 처리를 위한 에너지 소비는 상당한 운영비와 폐수 처리를 위한 에너지 요구와 연관된 온실 가스 방출의 환경적 영향으로 인해 우려가 커지는 주제이다. 종래의 처리 공정에서 최대 에너지 소비체는 폭기이며, 이는 에너지 조건의 50 내지 65%를 차지한다. 종래의 폭기 기술, 예컨대 미세 버블 확산기는 1 내지 2 kg O2/kWh의 전형적인 폭기 효율로 에너지 전망에서 비효율적이다.
막 통기화 생체막 반응기(MABR) 공정은 폭기에 대한 에너지 요구를 4 배 이하로 감소시키는 가능성을 가진, 종래 폭기 기술에 대한 획기적인 대안이다. 본 명세서의 후기 섹션에서, 하이브리드 MABR 공정이 저 에너지, 또는 가능하게는 에너지 중성의, 폐수 처리 플로시트에 사용된다. 이 섹션에서는 MABR을 기재할 것이며, 일부 실험 결과를 나타낼 것이다.
MABR 공정에서는 막의 표면에 부착되는 생체막에 산소를 전달하는 가스 이동 막을 사용한다. MABR 공정에서는 생체막의 형성을 방지하려는 것보다는, 이를 이용하며, 가스 이동 막과 부착된 성장 생체막 사이의 시너지 효과를 활용한다(도 5).
MABR 공정은 가능하게는 하기 추가 장점 중 하나 이상과 함께 종래의 생체막 공정의 이점을 제공한다: a) 매우 효율적으로 그리고 저 에너지 투입에서 산소를 전달하는 가능성; b) 가스 공급 속도 또는 압력을 변화시킴으로써 산소 공급 속도의 용이한 제어; c) 버블링으로부터 산소 이동과 기질 반대 측으로부터 산소 공급의 분리는 새로운 반응기 설계 기회를 개방함; 및 e) 버블의 부재로 거품 생성과 휘발성 화합물의 스트리핑을 줄임.
지이 워터스 앤 프로세스 테크놀로지스는 특히 MABR 응용 분야를 위해 본원에서 기재한 가스 이동 막을 개발하였다. 이것은 하나 이상의 MABR 배치 과제, 특히 a) 현탁 고체에 견디는 높은 막 팩킹 밀도 모듈의 개발; b) 배치가 용이한 공학적 제품으로 막의 팩킹; c) 저 에너지 투입에 의한 막 표면에서 효율적인 혼합; 및 d) 최적 두께를 유지하도록 생체막의 제어에 관련된 개선 또는 대안을 제공하도록 설계되어 있다.
가스 이동 막을 위한 조성 블록은 도 6a에 제시한 중공 섬유 막이다. 밀집 벽의, 산소 투과성 중합체 예컨대 폴리메틸펜텐(PMP)으로 제조된 중공 섬유는 100 ㎛ 미만의 외부 직경과 15-20 ㎛의 벽 두께를 가진다. 중공 섬유는 "코드"(도 6b)로 배치되며, 코드는 강화 코어 및 코어의 둘레 주위에 분포되는 다수의 중공 섬유를 제공하는 얀(yarn)으로 구성된다. 임의로, 코어의 중심에서 얀은 함께 꼬이거나 편조된 다수의 얀으로 구성될 수 있다. 코드는 혼합을 위한 교반 및 생체막 제어에 수행될 수 있도록 내구성이 있지만 여전히 유연성이 있다. 본 명세서에서 단어 "얀"은 바람직하게는 연속 필라멘트로 제조된, 토우 및 무연사를 포함한다.
실제 막 코드는 도 6c 및 6d에 도시된다. 도 6c에서 눈에 보이는 내장 재료는 코드 절단을 용이하게 하도록 사용되는 핫 멜트 접착제이다. 도 6d에서 눈에 보이는 청색(외부) 래핑 얀(wrapping yarn)은 코드 구성 요소를 함께 수용하며, 중공 섬유를 마모로부터 보호한다.
무피복(bare) 코드는 대략 1 mm의 직경을 가지며, 생체막으로 피복될 때 1.4 내지 1.5 mm로 성장할 것이다. 생체막은 코어로 스며들고, 중공 섬유 주위 갭에 충전되며, 어느 정도 코드 주위에 막을 형성한다(도 6b에 도시한 바와 같이). 코드는 평편하고, 매끄러운 표면을 갖지 않지만, 오히려 일련의 언덕과 골짜기로서 기술될 수 있으며, 생체막이 고정되고, 스코어링 이벤트(scouring event) 중에 완전한 생체막 탈착을 방지하는 바람직한 환경을 제공할 수 있다.
코드 구조의 한 특성은 코드 구성에서 중공 섬유의 수를 바꿈으로써 막 표면적 대 생체막 표면적 비의 제어가 가능하다는 것이다. 전형적인 코드는 2 내지 5의 생체막 표면적에 비해 막 표면적의 비를 가지며, 이는 충분한 산소가 생체막에 전달될 수 있는 것을 보장하는데 도움이 되며, 속도 제한적이지 않다.
새로운 MABR 모듈의 개념 설계는 ZeeWeed 500D 여과 막 제품(도 7)의 형상 계수(form factor)를 모방한다. 다수의 코드는 상부 및 하부 헤더(header)로 포팅되며, 이들은 섬유 내강 내부에 공기를 전달하고, 분배하며, 배기 가스를 수집하는데 사용된다. 각 모듈은 대략 1.9 m의 헤더 대 헤더 거리를 가지며, 헤더에서 기하적으로 따로 이격된 수천의 코드를 포함한다. 코드는 사용 시 이들을 흔들 수 있도록 여분의 길이, 또는 처진 부분을 갖게 고정된다. 막 모듈은 여과 막 카세트와 유사한 카세트로 고정되며, MABR 탱크에 담근다. 카세트의 하부에 에어 스코어링 시스템은 모듈 내에 폐수를 보충하고, 생체막 두께를 제어하는데 사용된다. ZeeWeed 500D와 유사한 구조가 침수된 중공 섬유 제품은 표준 컨테이너에 수송될 수 있는 최대 조성 블록인 카세트 크기를 얻는다.
혼합과 스코어링은 MABR에서 중요한 기능이다. 산소는 막을 통해 전달되지만, 기질(예를 들어, COD 또는 암모니아)은 종래의 생체막 공정에서와 같이 벌크 용액으로부터 나온다. 혼합은 생체막 표면에 기질의 개선을 제공하는데 필요하다. 스코어링의 목적은 생체막을 원하는 두께로 제어하고, 막 번들과 카세트로부터 과량의 바이오매스를 제거하는 것이다.
MBR과 MABR 제품이 유사하게 보이지만(도 7), 이들의 혼합 조건은 상이한 목적을 위한 것이다. MBR에서, 다량의 현탁 고체를 중공 섬유 번들로 운반하고, 침투 제거(permeate removal)에 의해 뒤에 남기며; 폭기 스코어링의 역할은 MBR 모듈 내에 고체의 조성을 방지하는 것이다. MABR에서, 혼합 폭기의 역할은 생체막 표면에서 가용성 성분의 농도를 교체하는 것이며, 현탁 고체를 제거하는 것이 아니고, 따라서 훨씬 더 적은 수준의 폭기가 필요하다. 더 격렬한 수준의 폭기가 단속적으로(예를 들어, 매일 또는 매주) 사용되어 생체막 두께를 제어할 수 있다.
막 모듈을 혼합 폭기에 따라 자유로운 요동이 가능하도록 코드에 충분한 처진 부분을 가진 카세트에 고정한다. MBR과 유사하게, 거친 버블 폭기 그리드를 카세트의 하부에 부착하고, 카세트를 포면 바로 아래에 담가 혼합 폭기를 위한 배출 헤드를 최소화한다.
처리 공기 및 혼합용 카세트 당 공기의 단일 공급원이 있다. 공기 공급 압력은 가능하게는 이들 이점 중 하나 이상을 제공하면서, 혼합 폭기 그리드 위 정수두보다 더 큰 압력(즉, 대략 20 내지 25 kPa 상대)에서 배기 공기가 나오도록 선택된다: a) 중공 섬유 내강 공기압은 막 길이를 따라 모든 지점에서 정수두보다 더 큰 압력에서 유지되며, 이는 누출 또는 깨진 중공 섬유가 있다면 막이 흘러넘치지 않을 것을 보장함; b) 산소 침투를 위한 구동력이 증가함; c) 배기 공기는 수집되어 혼합을 위한 카세트 폭기 그리드로 주입될 수 있음; 및 d) 혼합 공기는 산소가 고갈되어 있으며, 이는 벌크 액체로 용존 산소를 전달하는 것을 피하는데 바람직할 수 있음.
폭기 그리드로 배기 공기 유량은 연속적이지만 바람직하게는 역 사이펀형 펄싱 통풍기, 예컨대 지이 워터 앤 프로세스 테크놀로지스로부터 이용 가능한 LEAPTM 통풍기를 사용하여 혼합 효율을 증가시키는 국지적 버스트(burst)의 큰 버블로 전환된다. 이러한 경우에, 통풍기는 20 초마다 적어도 한 번 0.5 내지 3 초의 버스트를 생성할 수 있다. 임의로, 기류는 침수된 여과 막의 주기적 폭기와 유사한 방식으로 공기를 다수의 헤더로부터 수집하고, 이를 통풍기로 차례로 분배하는 하나 이상의 밸브를 사용함으로써 버스트로 전환될 수 있다. 이러한 경우에, 통풍기는 200 초마다 적어도 한 번 0.5 내지 20 초의 버스트를 생성할 수 있다.
도 19는 MABR을 생성하도록 탱크(70)에 침수된 모듈(66)을 도시한다. 탱크(70)는 입구(72)로부터 처리될 물로 충전된다. 출구(74)를 통해 처리된 물을 빼낸다. 공기, 또는 또 다른 가스를 송풍기(76)에 의해 모듈(66)로 불어넣는다. 가스를 한 헤더(60)로 불어넣고, 가스는 코드(10)를 통해 이동하며, 다른 헤더(60)로부터 나온다. 나온 공기는 공급관(82)으로 흘러 여기서 이를 변환기(84)의 구획으로 분배한다. 변환기(84)는 셸(86) 아래 공급관(82)으로부터 배출된 가스를 수집한다. 가스의 포켓은 셸(86)의 좌측에서 세어 셸(86)의 처음 두 개 구획에 도시한 바와 같이 가스가 축적됨에 따라 더 크게 성장한다. 가스의 포켓이 셸(86)의 세 번째 구획처럼, J형 튜브(88)의 바닥까지 확장되는 경우, 가스는 셸(86)의 최종 구획에 도시한 바와 같이 J형 튜브를 통해 방출된다. 이러한 방식으로, 버블의 큰 버스트는 큰 용적의 가스를 필요로 하지 않고서 주기적으로 방출되어 탱크(70)로 연속하여 펌핑된다. 버블의 주기적 큰 버스트는 공급관(82)으로부터 버블의 연속 스트림으로서 공급되는 동일 양의 가스보다 코드(10) 주위에 물을 교체하거나 코드(10)로부터 생체막을 제거하는데 더 효과적일 수 있다.
가스 이동 막 및 MABR 공정에 대한 목표 성능 파라미터는 본원에서 기재한 바와 같이 폐수 처리를 위한 저 에너지 또는 에너지 중성 플로시트를 지지하는데 도움이 된다. MABR에 대한 주요 성능 파라미터는 버블 폭기에 대한 파라미터와 유사하다: OTR, 산소 이동 속도(kg O2/d); OTE, 산소 이동 효율(%); 및 AE, 폭기 효율(kg O2/kWh). 산소 이동은 코드의 길이(L 코드 km)를 기준으로 유량(J g O2/km 코드)으로서 표시된다. 제공된 처리 시스템에 대해, OTR은 다음과 같이 J에 관련된다:
OTR = J·L 식 1
전형적인 코드에서 이들 파라미터에 대한 목표 값을 표 6에 제시한다. 이러한 코드에 대해, 1.5 mm의 생체막 피복 외부 직경을 가정하면, 코드의 길이로부터 생체막 표면적까지의 변환 계수는 4.7 ㎡ 생체막/km 코드이다.
막의 산소 유량 J는 질량 이동 계수와 구동력을 기준으로 산출될 수 있다:
J = K cord (Δp) ln 식 2
질량 이동 계수 Kcord(g O2/d/km/bar)는 실험적으로 유도되어야 하는 코드의 특성이다. 구동력은 산소가 확산하고 있으며, 압력 손실이 절대 압력을 감소시킴에 따라 입구에서 출구까지 코드의 길이를 따라 구동력이 변하는 사실을 설명하도록 대수 평균으로서 표시된다. (Δp)ln(bar)은 하기 식에 의해 결정된다:
Figure pat00003
식 3
상기 식에서: p = 산소 분압(bar)
H = 헨리 법칙 상수(bar/(mg/L))
CL = 막의 표면에서 산소 농도(mg/L)
새로운 가스 이동 막 및 MABR 공정에 대한 목표 성능 파라미터
성능 파라미터 단위 값
산소 유량(J) g O2/d/km 코드 >60
산소 이동 효율(OTE) % >60
폭기 효율(AE) kg O2/kWh >6.0
유량으로서 표시된 목표 산소 이동 용량은 >60 g O2/d/km 코드이다.
본 연구에서 목표 산소 유량을 종래의 생체막 반응기에서 달성될 수 있는 산소 유량에 관련시키는 것은 유용하며, 여기서 달성될 수 있는 호기성 처리 속도는 전형적으로 산소 이동에 의해 제한된다. 생체막 삼차 질화 문헌의 검토(여기서 탄소/질소 비는 낮으며, 따라서 질화 생체막의 개발에 유리하다)에서는 질화 속도가 0.5-2.0 NH4-N/d/㎡ 생체막으로 달라지는 것을 보여준다. MABR의 설계에서, 종래의 생체막 공정 예컨대 이동층 생체막 반응기(MBBR)에서 사용되는 지지체보다 막이 더 비싸므로 산소 제한을 제거하는 것이 유용하다. 보노모(Bonomo) 외 그의 공동 연구가(2000)는 질화 MBBR에서 순수 산소로서 실험하였고, 높은 질화 속도(2.0-3.0 NH4-N/d/㎡ 생체막)가 도시 하수의 전형적인 암모니아 부하 조건 하에 암모니아 질량 이동에 의해 제한되었다는 것을 밝혀냈다.
4.6 g O2/g NH4-질화된 N의 산소 조건을 기준으로, 새로운 MABR 막의 동일한 질화 속도는 2.8 g NH4-N/d/㎡ 생체막일 것이다(4.7 ㎡ 생체막/km 코드를 사용하여). 유사하게도, 0.6 mg O2/mg 산화된 COD의 산소 조건을 기준으로, 이러한 산소 이동 용량은 21 g COD/d/㎡ 생체막의 COD 제거 속도와 동일할 것이다. 여기서 포인트는 암모니아 또는 COD에 대한 이들 제거 속도가 MABR에서 항상 달성될 수 있지만, 산소 이동이 속도 제한적이 아니라고 보장하는 것을 비치는 것은 아니다.
가스 이동 막으로, 산소 이동으로 인한 가스 유량 변화가 도외시된다면, 산소 이동 효율(OTE)은 간단히 하기 식으로서 정의된다:
OTE = ((p in - p out )/p in )·100 식 4
상기 식에서 pin 및 pout은 모듈(도 1)의 입구 및 출구에서 산소 분압이다.
OTE는 공정 제어 파라미터로서 사용될 수 있으며; 공기 공급 유량 및/또는 압력은 목표 OTE 값을 달성하도록 제어될 수 있다. 낮은 OTE에서, 구동력과 산소 유량이 최대화되며, 요구된 막 표면적은 최소화되지만; 많은 공기가 잠재적으로 상당한 에너지 비용으로 가스 이동 모듈을 통해 펌핑되어야 한다. 높은 OTE에서 역으로 발생하며; 산소 요구량을 이동시키는데 더 많은 막 표면이 필요하지만, 에너지 비용은 줄어든다. 라이프 사이클 코스트 최적화(즉 막 자본 비용 + 에너지 비용의 순 현재 가치의 합을 최소화하는 것)은 특정 경우에 수행될 수 있으며, 최적 OTE는 전형적으로 40% 내지 80%의 중간 범위에서 발견된다는 것을 보여줄 것이다. 새로운 MABR 제품에 대한 목표 OTE는 60%이다.
미세 버블 폭기 시스템을 설계할 때, 송풍기를 위한 전력 투입은 두 가지 상이한 방식 즉 첫째 산소 요구량을 충족시키는 것 및 둘째 혼합액을 현탁액으로 유지하는 것에 의해 산출되며, 2 값 중 더 큰 것이 송풍기 크기를 결정한다. MABR에 대해 유사한 상황이 존재한다: 산소 요구량을 충족하는 폭기에 필요한 전력 투입 부품 및 생체막으로 기질 침투를 촉진하도록 액체 측 상에 혼합을 제공하는(즉, 경계 층을 교체하는) 제2 부품이 있다. 수학적으로, 폭기 효율은 다음과 같이 표시될 수 있다:
Figure pat00004
식 5
상기 식에서: AE = 폭기 효율(kg O2/kWh)
J = 산소 유량(g O2/d/km 코드)
OTE = 산소 이동 효율(-)
PM = 비 혼합 전력 투입(W/km 코드)
x(O2) = 공급 가스 중 산소의 몰 분율(공기에 대해 0.21)
W = 공정 폭기 송풍기에 대한 단열 압축 에너지(Wh/mol 공기)
식 5에서, 두 가지 용어는 kWh/kg O2의 단위를 가지며, 반응물이 생체막에 충족하도록 야기하는 비 에너지를 나타낸다: 산소에 대한 제1 용어 및 기질에 대한 제2 용어.
일례에 의해 예시하기 위해, 주위 공기를 1.6 bar로 압축하는데 필요한 에너지 W(전체 송풍기, 모터 및 운전 효율 0.6으로)는 0.57 Wh/mol이다(Cote et al, 1988). 혼합 기능은 코드 배기 가스에 의해 달성되므로(1.25 bar의 압력에서 배출됨), 식 3의 제2 용어는 제로로 설정되며, 1/AE는 0.141 kWh/kg O2(OTE = 60%에 대해)로서 산출된다. 표 6에 열거된 목표에 따라 AE = 1.0/0.141 = 7.1 kg O2/kWh이다. 비 에너지는 산소 침투에 대해 약 60% 및 혼합에 대해 40%로 나뉜다.
(삼차) 질화 응용 분야를 나타내는 합성 공급물을 가진 것 및 모듈을 현탁된 바이오매스에 담근 하이브리드 반응기를 나타내는 공급물로서 일차 유출물을 가진 것인, 정수 배치 재폭기 시험에서 파일럿 모듈 및 연속으로 가동하는 파일럿 플랜트에 의해 실험 검증을 수행하였다. 파일럿 모듈을 소형 정방형 헤더 및 노출된 코드 길이 1.8 m로서 만들었다. 각 모듈은 600 코드를 포함하였고, 총 코드 길이는 대략 1.0 km이었다. 두 가지 형태의 코드로서 실험을 수행하였다: 첫 번째는 48 중공 섬유를 함유하였고, 두 번째는 96 중공 섬유를 함유하였다.
파일럿 모듈을 26 L 탱크(단면 17 x 7 cm)로 담가 정수 재폭기 시험을 수행하였다. 아황산나트륨(Na2SO3)를 과량으로 첨가함으로써 용존 산소를 소비하였다. 폐쇄 루프에서 급속 펌핑에 의해 그리고 질소 살포에 의해 탱크를 혼합하였다. 탱크 내용물을 완전히 혼합한 후, 공기를 15-25 L/h의 유량에서 코드의 내강으로 펌핑하였고, 이는 0.2 내지 0.4 bar의 압력 손실을 일으켰다. 모든 시험에 대해, 구동력은 산소 분압의 약 0.2 bar이었고, 이는 제로 DO(CL=0)에 상응한다. 각 실험은 20-50분 지속하였다. 실험 중, 공급 및 배기 유량, 배기 가스에서 산소 및 탱크에서 용존 산소(DO)를 측정하여 질량 균형을 통해 산소 유량을 결정하였다.
도 15a는 배기 공기 중 산소 농도 및 탱크 중 DO의 발달을 전형적인 정수 재폭기 시험에 대한 시간의 함수로서 도시한다. 처음에 청색(실선) 곡선을 보면, 배기 중 처음 산소 농도는 공기 중 산소의 농도인 20.9%이었다. 배기 중 산소는 급속히 감소하여 시험 시작 5분 후에 약 8%의 값에 도달하였고; 이 지점은 어떠한 액체막 저항이 발생하기 전 최대 산소 유량을 나타낸다. 5 내지 약 20분에, 배기 중 O2는 탱크 중 용존 산소의 가시적인 증가 없이 점차 증가하였고; 이는 아황산수소의 중화 및 코드 구조체 내에서 그리고 코드 주위 액체 막에서 용존 산소의 조성에 상응하였다. 용존 산소(적색 점선)는 탱크에서 23분에 처음 검출되었다. 관례상, 질량 이동 계수 Kcord는 배기 중 산소 농도가 바닥이었을 때(즉, 도 15의 실시예에서 5분 후) 질량 균형을 통해 식 2로부터 산출되었고; 이는 탱크 중 용존 산소(즉, CL)가 제로이었음을 보장한다.
10회 재폭기 시험에 대한 계산된 질량 이동 계수(Kcord)를 도 15b에 제시한다. 계산된 Kcord 값은 48 중공 섬유를 함유하는 코드에 대해 대략 400 g O2/d/km/bar이었고, 96 중공 섬유를 함유한 코드에 대해 800 g O2/d/km/bar이었다. 이는 제품 산소 이동 능력을 조정하는데 있어서 설계 유연성을 예시한다. 48 중공 섬유를 함유하는 코드로서, 0.2 bar와 동일한 (Δp)in에 의한 최대 산소 유량은 80 g O2/d/km일 것이다. 실제로 유량은 더 낮을 것이며, 그 이유는 막의 표면에 항상 산소 축적이 있고(즉, CL > 0), 배기 가스 중 산소 분압은 공급 공기에서보다 더 낮기 때문이다(즉, pout < pin).
도 8에 기록한 바와 같이, 공기 측 상에서 그리고 물 측 상에서 양쪽 질량 균형을 함으로써 10회 상이한 재폭기 시험에 대해 산소 유량을 산출하였다. 관례상, 유량을 DO가 탱크에서 0.5 mg/L과 동일할 때 산출하였다. 계통적으로, 공기 측으로부터 계산된 유량은 물 측 계산에 비교할 때 약 2 배만큼 더 컸다. 공기 측 질량 균형은 탱크에서 DO의 분배에 지체 시간이 있으므로 길모어(Gilmore) 외 그의 공동 연구가(2009)에 의해 더 정확한 것으로 생각되었다. 공기 측을 기준으로 유량은 48 중공 섬유에 의한 코드에 대해 약 45 g O2/d/km이었고, 96 중공 섬유에 의한 제2 코드에 대해 90 g O2/d/km이었다. 이들 결과는 코드 설계가 목표 산소 이동 용량을 충족하도록 바뀔 수 있다는 것을 입증한다.
정수 재폭기 시험(48 중공 섬유에 의해)에 대해 상기에 기재한 바와 같이, 각각 코드 1.0 km의 파일럿 모듈이 구비된, 세 개의 탱크가 직렬로 이루어진, 연속 파일럿을 도시 하수 처리 플랜트 유출물의 삼차 질화를 나타내도록 설정하였다. 각 탱크는 23 L의 용적을 가졌고, 단속적으로 4 sec/min에 가동하는 0.27 ㎥/h의 유량에서 거친 버블 폭기로서 혼합되었고; 이러한 폭기의 수준은 혼합 및 용존 산소의 기여된 사소한 이동에 대해 0.15 W/km의 전력 투입과 동일하였다. 파일럿을 25-50 L/h의 유량에서 플로 쓰루 시스템(flow-through system)(재순환 없이)으로서 가동하였고, 이 유량은 80-160분의 총 수리학적 체류 시간(HRT)에 상응하였다.
처리 공기를 보통 공기 공급원에서 60 표준 L/시간(모듈당 20 L/h)의 유량 및 1.55 bar의 절대 압력에서 3 모듈로 공급하였다. 제어 밸브를 배기 공기 측 상에서 조정하여 1.25 bar(절대)를 유지하였다. 유량과 배기 공기의 산소 농도를 측정하여 질량 균형을 끝냈다.
공급물은 수돗물(75%) 및 마이크로 영양 물질을 위한 도시 하수를 처리하는 MBR 파일럿의 침투액(permeate)(25%)으로 이루어지고, 20-60 mg NH4-N/L 범위의 블렌딩된 암모니아 농도로 탄산암모늄에 의해 도핑된 합성 용액이었다. 블렌드의 탄소 대 질소 비(가용성 COD/NH4-N)는 시험한 모든 조건에 대해 0.5보다 더 낮았다.
파일럿을 도 9에 도시한 바와 같이 다양한 조건 하에 250일간 가동하였다. "식균" 기간 중에(1-30일), 근처 MBR로부터 질화 혼합액을 파일럿을 통해 재순환하여 질화 바이오매스의 부착을 촉진시켰다. 이후 생체막 성장을 촉진하고, 최대 질화 속도를 결정하도록 유입물 중 암모니아가 40-60 mg/L의 범위인 "최대 부하율" 기간(31-136일)이 이어졌다. 다음 기간, "HRT 최적화"(137-198일)에, 유입물 중 암모니아가 30 mg/L의 목표치(하수의 전형적임)로 감소하였고, HRT를 80-160분 사이에 변화시켜 전체 질화에 필요한 최적 수치를 결정하였다. 199일부터, 파일럿을 100분의 HRT에서 "정상 상태 조건" 하에 가동하였다.
산소 이동 및 탱크 중 용존 산소를 도 10에 표시하고, 반면에 질화 속도를 도 11에 도시한다.
산소 유량과 이동 효율은 최대 부하율 기간 내내 각각 90-100 g O2/d/km 코드 및 75%로 점차 증가하였다(도 10a). 이들 값은 유사한 구동력 하에 48 중공 섬유에 의한 정수 시험에서 얻어진 것에 약 2 배이다. 정수에서 산소는 막의 표면에서 경계층 내에 조성되며, 침투를 위한 구동력을 줄인다. MABR에서, 생체막은 막 표면 가까이에서 DO를 소비하며, 더 많은 산소를 효과적으로 침투하게 한다. 이는 MABR에 의한 폭기의 주요 특징을 예시한다: 폐수에서 성능은 정수에서 성능보다 더 양호하며; 이는 정수에서 폐수로 진행할 때 성능이 악화하는 버블 폭기에 의해 일어나는 것의 반대이다(알파 계수에 의해 설명된다).
실험 초기에, 막은 실질적으로 산소를 포화 상태에서 벌크 액체로 이동시켰다. 생체막이 발달함에 따라, DO는 탱크에서 감소하였고(도 10b), 반면에 질화 속도는 급격히 감소하였다(도 11).
최대 부하율 기간(100-136일)의 종료 시에, 질화 속도는 대략 13 g NH4-N/d/km 코드로 안정되었다. 질화 속도는 유출물 농도가 여전히 10-30 mg/L임에 따라, 암모니아에 의해 제한되지 않았거나, 반응기에서 DO가 4-6 mg/L임에 따라 산소에 의해 제한되지 않았다. 알칼리도의 이용성은 질화에 제한적이었고; 110일에 중탄산나트륨의 첨가로 16 g NH4-N/d/km 코드를 초과하는 수치로 질화 속도의 갑작스런 증가를 초래하였다는 사실을 깨달았다. 4.7 ㎡ 생체막/km 코드의 상기에 제공된 전환 계수를 사용하여, 질화 속도는 3.4 g NH4-N/d/㎡에 도달하였다. 이는 종래의 생체막 공정에 의한 수치를 고려할 때 오히려 높은 수치이며, 이러한 수준의 질화 속도는 순수 산소를 사용하여 달성될 수 있을 뿐이다(Bonomo et al, 2000).
질량 균형 관점에서, 질화는 최대 부하율 기간 중에 이동된 산소의 약 4분의 3을 차지하였다(16 g NH4-N/d/km 코드 X 4.6 g O2/g NH4-N = 74 g O2/d/km 코드). 나머지 산소는 국소적으로 과도한 포화로부터 초소형 버블로서, 또는 용존 산소로서 유출물과 함께 새어 나간 것으로 생각된다.
HRT 최적화 및 정상 상태 기간 중에(> 137일), 공급 암모니아를 30 mg/L의 목표치로 감소시켰을 때, 산소 유량 및 OTE는 표 1에 제공된 목표치를 초과하여, 각각 80 g O2/d/km 코드 및 60%의 값에서 안정되었다. HRT가 160분으로 2배이었을 때(174-184일), 유출물 중 암모니아는 약 0.2 mg/L로 줄어들었고(도 9), 탱크 3에서 DO는 포화 상태로 증가하였다(도 10b). 탱크 2 및 3에서 질화 속도는 부하율이 더 낮아짐에 따라, 이 기간 중에 급격히 떨어졌음을 도 7b로부터 또한 알 수 있다. 정상 상태 기간 중에(> 199일, 100분의 HRT), 유출물 암모니아 농도는 평균 2.0 mg/L이었다.
암모니아의 감소 및 질산염의 생산 둘 다로부터 질화 속도를 계산하였다(도 11a). 숫자가 가까워지면서, 질산염의 생산으로부터 계산된 속도는 암모니아의 감소로부터 속도보다 더 크다(특히 정상 상태 기간 중에). 이는 바이오매스 성장, 아질산염 생성, 질소 가스로서 휘발, 등과 같은 다른 수단에 의해 일부 질소가 제거될 수 있었던 것으로 예상되는 것의 반대이다. 이에 대한 이유는 알려져 있지 않지만, 질산염으로 완전한 암모니아 전환이 일어났다고 틀림없이 귀결될 수 있다. 이는 종래의 질화-탈질을 통해 질소 제거를 위한 의도된 대사 경로를 지지한다.
최대 부하율 기간의 종료 시에 찍은, 탱크 1로부터 코드 번들의 사진을 도 12에 도시한다. 코드는 담갈색이었고, 고르지 않은 생체막으로 피복된 것으로 보였다. 번들에 현탁 고체 축적의 증거는 없었으며; 모든 코드는 혼합 공기의 영향 하에 자유롭게 이동할 수 있었다. 실험 내내, 모듈은 생체막 스코어링을 위해 더 큰 공기 유량으로 처리되지 않았다.
새로운 MABR 제품은 일부 조건 하에 60%의 산소 이동 효율에서, 공급물로서공기를 사용하여 6 kg O2/kWh보다 큰 폭기 효율(AE)을 달성할 수 있다. 목표 AE는 처리 공기가 활성 슬러지 플랜트에서 미세 버블 폭기를 위해 전형적으로 사용되는 송풍기의 압력에서 이용 가능하며, 또한 물 측 상에서 혼합을 위해 사용되는 에너지를 포함한다고 가정한다. 결과는 본 실시예에서 미세 버블 폭기보다 에너지를 네 배 적게 소비하는 호기성 생물 처리 공정이다.
직렬로 각 100 L의 세 개 탱크를 사용하여 일차 유출물을 처리하는 연속 파일럿을 가동하였다. 정수 재폭기 시험(48 중공 섬유에 의해)에 대해 상기에 기재한 바와 같이, 탱크에 각각 1.0 km의 코드의 MABR 모듈이 구비되었다. 생 폐수를 상기에 기재한 형태의 회전 벨트 체로 예비 처리하였고, 일차 정화 대신에 제거를 제공하였으며; MABR 공급 성분들의 평균값은 TSS = 144 mg/L, COD = 239 mg/L, BOD = 174 mg/L 및 NH4-N = 23.7 mg/L이었다. 파일럿을 40 L/h의 폐수 유량에서 하이브리드 MABR로서 가동하였고, 이 유량은 7.5 h의 총 수리학적 체류 시간에 상응하였다. 일차 유출물의 탄소 대 질소 비(BOD/NH4-N)는 평균 7.3이었다. 이차 정화기를 0.2 m/h의 수리학적 부하율에서 가동하였다. 현탁 혼합액의 슬러지 체류 시간은 7.5d에서 제어되었고, 이는 1,500-2,500 mg/L의 MLSS 농도에 상응하였다. 탱크를 단속적 거친 버블 살포 공기(온 12 초/오프 120 초)에 의해 혼합하였다. 처리 공기를 모듈당 20 L/h의 일정한 유량 및 1.55 bar의 절대 압력에서 공급하였고; 배기 가스 압력을 1.24 bar(절대)에서 제어하였다.
연속 파일럿 시스템에 대한 용존 산소(DO) 농도를 도 16에 제시한다. 각 파일럿 실험에서, 막을 질화 바이오매스로 식균하였다. 처음 30-50일에, 생체막은 성장하면서, 산소를 벌크 물로 이동시켰고, DO 농도는 포화에 도달하였다. 이는 생체막이 성장하면서 막이 산소를 벌크물로 이동시키는 능력을 가지므로 하이브리드 버전의 공정의 착수(즉, 현탁된 바이오매스에 의해)에 대해 바람직한 상황이다.
생체막 성장 기간 후, DO는 합성 암모니아 용액에 대해 3-6 mg/L에서 안정화되었고, 일차 유출물에 대해 1 mg/L 미만에서 안정화되었다. 일반적으로, DO 농도는 기질이 소비되었음에 따라 탱크 1에서 탱크 3으로 증가하였다. 하이브리드 구성(일차 유출물 처리)에서, DO는 매우 적었고(0.5 mg/L 미만), 동시 질화-탈질을 위해 유리한 환경을 제공하였으며, 일차 유출물에서 쉽게 생분해 가능한 유기 탄소의 존재를 이용하였다.
산소 유량 및 산소 이동 효율(OTE) 결과를 도 17에 제시한다. 공급물 형태 둘 다에 대해, 생체막이 더 활성으로 되었고, 막 표면 가까이에 용존 산소를 소비하였음에 따라(즉, 식 3에서 CL) 유량은 생체막 성립 기간을 통해 꾸준히 증가하였다. 더 큰 유량은 일차 유출물(40-60 g O2/d/km)에 대한 것보다 합성 암모니아 용액(80-90 g O2/d/km)에 의해 관찰되었다. 이에 대한 주요 이유는 더 두꺼운 생체막을 유발할 수 있는 일차 유출물과 종속 영양 생물로부터 경쟁인 듯하다.
양쪽 시스템에서 MABR 모듈이 동일한 기류 속도(20 L/h, 하기에 논의하는 바와 같이 짧은 기간 제외)에 공급된다는 사실을 고려할 때, OTE 곡선은 산소 유량과 동일한 패턴을 따른다. OTE는 합성 암모니아 파일럿에 대해 60-70%이었고, 일차 유출물 파일럿에 대해 약 40%이었다.
막의 표면에서 산소 농도, CL이 알려져 있지 않고, 동적으로 달라지므로 식 3에서 실제 구동력 (Δp)in을 계산하는 것이 가능하지 않지만, 식 2에서 이를 추정하는 것은 가능하다. Kcord는 정수 재폭기 실험에서 독립적으로 결정되었고, 48 중공 섬유에 의해 구성된 코드에 대해 400 g O2/d/km/bar와 동일하였다. 80 g O2/d/km 및 60 g O2/d/km의 산소 유량에 대한 정상 상태 수치를 사용하여(도 5), 구동력 (Δp)in은 각각 합성 암모니아 용액 및 일차 추출물에 대해 0.20 bar 및 0.15 bar와 동일하였다. 흥미로운 것은 이들 상이한 구동력이 상이한 공기 유량 또는 압력으로부터 유래된 것이 아니라, 생체막의 활성에 의해 성립되었다는 것이다. 생체막으로 기질의 확산은 생물 활성을 증가시키며, 이는 차례로 DO를 감소시키고, 산소 유량을 증가시킨다. 환언하면, 생체막은 막을 통해 필요로 하는 산소를 "추출한다".
폭기 효율(AE) 결과를 도 18에 제시한다. 합성 암모니아 용액에 대해 AE는 7-8 kg O2/kWh 범위이었고, 상기에 제시한 높은 산소 유량 및 OTE 값을 반영하였다. 일차 유출물에 대해, AE는 대부분의 실험 기간 동안 4-5 kg O2/kWh이었다. 양쪽 경우에, 벌크 액체에서 DO 증가가 산소 이동(분자)을 느리게 하였고, 반면에 에너지 성분(충공 섬유를 통한 공기 펌핑 및 살포에 의한 액체 혼합)은 일정(분모)하였으므로 AE는 생체막 성장 기간 중에 낮았다.
일차 유출물에 의한 짧은 기간 중에(70-90일), 모듈당 기류 속도는 20 L/h에서 14 L/h로 떨어졌다. 이러한 변화는 OTE가 60%로 증가하였고(도 17b), AE가 7-8 kg O2/kWh로 증가하였으므로(도 6b) 긍정적이었다. 의외로, 이는 산소 유량에 부정적으로 영향을 미치지 않았지만(도 17b), 더 양호한 탈질을 촉진한 탱크에서 DO를 감소시켰다.
이들 시험은 산소를 전달하는 능력이 얀 강화제의 둘레 주위에 배향된 중공 섬유의 수를 변화시킴으로써 코드 설계에서 조정될 수 있다는 것을 입증하였다.
요약하면, 두 가지 연속 파일럿 연구에 대한 결과를 제시하였다. 첫 번째는 합성 암모니아 공급 용액을 사용하여 삼차 질화 응용 분야를 나타내는 플로 쓰루 모드로 가동되었다(대략 0.5의 C/N 비율로서). 두 번째는 일차 유출물을 사용하여 막이 현탁된 바이오매스에 침수되는 응용 분야를 나타내는 하이브리드 모드로 가동되었다(대략 7.3의 C/N 비율로서). 양쪽 경우에, 막은 생체막이 성립되는 기간 중에 벌크로 산소를 이동시켰다.
산소 유량은 합성 암모니아 용액에 대해 80-90 g O2/d/km 범위이었고, 일차 유출물에 대해 40-60 g O2/d/km이었으며; 일차 유출물에 의해 관찰된 더 적은 값은 종속 영양성 박테리아에 의한 경쟁으로부터 유래하는 더 두꺼운 생체막에 기인하였다.
새로운 MABR 막 코드는 6 kg O2/kWh보다 더 큰 폭기 효율에서 산소를 효율적으로 이동시킬 수 있다는 것이 입증되었다. 이러한 효율은 미세 버블 폭기보다 대략 4 배 더 크다.
에너지 중성 폐수 처리
본 명세서에서, 에너지 중성 또는 전기 중성 처리에 대한 언급은 임의의 청구된 발명의 전망이 아니라 임의의 특정 상황에 도달될 수 있거나 도달될 수 없는 목표 또는 잠재적인 특성을 나타낸다. 그러나 본원에서 기재한 하나 이상의 발명은 적어도 폐수를 처리하는데 유용한 대체 플로시트를 제공한다. 상기에 기재한 가스 이동 막은 도시 하수 처리를 위한 에너지 중성 플로시트의 일부인 막 통기화 생체막 반응기(MABR)에서 사용될 수 있다.
도시 하수의 에너지 함량은 이를 처리하는데 필요한 에너지보다 2 내지 4배 더 크다. 그러나 현재 종래의 기술 및 관례는 이를 전체적으로 이용하지 못한다. 그 결과, 폐수 처리를 위한 에너지 수요는 상당히 크게 유지되며, 미국 내 전기 수요의 3%를 나타낸다(US EPA, 2006). 신흥국은 이들의 위생 수준을 향상시키고, 선진국은 재사용 및 환경으로 배출을 위한 더 높은 수준의 처리를 추구함에 따라 이러한 수요는 전 세계적으로 계속 증가할 것으로 예상된다.
에너지 중성 폐수 처리의 목적을 충족하는 것은 두 개의 평행 경로를 따름으로써 도움이 될 수 있다: i) 고체, 유기물 및 영양소의 제거에 필요한 에너지를 최소화하는 것, 및 ii) 유기물의 사용 가능한 에너지로 전환을 최대화하는 것.
새로운 에너지 중성 폐수 처리 플로시트가 본 명세서에 제시되어 있다. 일부 상황에서, 플로시트는 하기 목적 중 하나 이상을 충족할 수 있다:
1. 이것은 "전기 중성"이다. 생성된 전기는 처리를 위한 전기 수요를 충족하며, 사용 가능한 열은 에너지 균형에서 계산되지 않는다. 사용 가능한 열을 고려하였다면, 용액은 양의 에너지가 커질 것이다.
2. 입증된 질화-탈질 대사 경로를 사용하여 질소를 제거할 수 있다.
3. 에너지 생산을 증가시키는 것은 동시 소화(예를 들어 식품 폐기물)를 필요로 하지 않는다.
4. 종래의 활성 슬러지 처리와 비용 경쟁력이 있는 가능성이 있다.
5. 새로운 플랜트 및 기존 활성 슬러지 플랜트에 장착하는데 적용할 수 있다.
본 명세서에서는 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 참조 종래 활성 슬러지(CAS) 플로시트와 새로운 에너지 중성 플로시트를 비교한다. 새로운 플로시트의 다양한 양태에 대한 실험 연구를 본 명세서의 초반에 제시한다.
도시 하수 처리에서 최근의 노력은 에너지 소비의 감소에 대해 그리고 병합된 열전(CHP) 시스템에서 바이오가스의 연소를 통해 에너지를 생성하는 혐기성 소화로 유기 탄소의 전환에 대해 집중하였다. 에너지 중성은 오스트리아의 스트라스(Strass) 플랜트에서 달성되었지만, 혐기성 소화기에 외부 유기 폐기물의 첨가에 의해 달성되었다. 북미의 몇몇 플랜트는 에너지 중성 목표를 추구하고 있다.
에너지 중성에 대한 추구는 유출물 품질의 비용으로 달성되지 않아야 하며; 질소 제거는 지금까지 제안된 기술적 해결책에 대해 특히 도전적임이 입증되었다. 일반적으로, 유기 탄소의 에너지 생산으로 전환을 최대화하는 것은 종래의 질화-탈질에 대해 가용성 탄소를 충분히 남기지 않는다. 최근 연구 경향은 질소 제거를 위해 에너지 소비를 줄이고, 탄소 제한에 대한 과제를 극복하기 위해 질소의 제거를 위한 대체 경로를 조사하였다. 대체 경로는 아질산염 션트(shunt)(즉, 아질산화-탈아질산화) 및 탈암모니아화(즉, 부분 아질산화 및 아나목스 박테리아를 통한 혐기성 암모니아 산화)를 포함한다. 이들 수단은 하기를 포함하여, 여러 가지 과제에 직면하고 있다:
1. 공정 조건. 탈암모니아화는 암모니아 농후액(예를 들어, 혐기성 소화물(digestate))의 측류 처리에 대해 입증되지만, 주류 실시에 적합한 것 같지 않다. 폐수의 저온, 및 종속 영양 생물 및 아질산염을 위한 아나목스 박테리아와 경쟁하는 아질산염 산화 박테리아(NOB)의 억제를 포함하여, 많은 어려움이 있다. 스틴슨(Stinson) 외 그의 공동 연구가(2013)는 주사 중인 10개의 잠재적 NOB 억제/저해 메커니즘을 열거하였다.
2. 공정 제어. 종래의 용존 산소(DO) 제어는 대체 질소 제거 경로에 필요한 조건을 유지하는데 충분하지 않다. 온라인 무기 질소 기구는 폭기 사이클링과 함께 생물 조건을 제어하고, 유출물 총 질소를 최소화하는데 필요하다(Bunce et al, 2013).
3. 유출물 및 공기 배출. 이들 경로는 저 암모니아 농도에 도움이 되지 않으며, 유출물 중에 상당한 양의 아질산염을 남길 수 있다(Bunce et al, 2013). 또한, 더 큰 아질산염은 CO2보다 300배 더 큰 지구 온난화 가능성을 가진 온실 가스인, N2O의 배출 증가를 유발한다(De Clippeleir et al, 2012).
4. 비용. 탄소 전환의 최대화는 특히 두 가지 현탁 슬러지 시스템(즉, A/B 공정)에 의해 수행되는 경우 고가일 수 있다. 또한, 시스코스키(Shiskowski)(2013)는 측류 탈암모니아화가 에너지 절약을 기준으로 엄밀히 비용 효과적이 아니라고 입증하였다. 끝으로, 조작 및 공정 제어에 대한 이들 새로운 공정의 영향은 평가되지 않았으며, 대형의, 복잡한 설비에만 실현 가능할 수 있다.
에너지 중성을 달성하도록 제안된 플로시트는 도 13에 도시한 바와 같이 네 개의 주요 구성 요소를 가진다.
새로운 플로시트의 제1 구성 요소는 생 하수에서 유기 물질의 일부를 슬러지 처리로 이동시키는 향상된 일차 처리 단계이다. 이것은 회전 벨트 체질을 기반으로 한다. 충분한 유기 물질이 영양소 제거를 위한 생물 처리로 흐르게 허용되어야 하므로 목적은 반드시 제거를 최대화하는 것은 아니다. 기술의 공정 제어(예를 들어, 벨트 속도의 조절)는 유기물 제거의 조정을 가능하게 하며, 이는 종래의 일차 정화에 의해 가능하지 않다.
새로운 플로시트의 생물 처리 구성 요소는 막 지지 생체막 및 현탁 성장을 가진 하이브리드 막 통기화 생체막 반응기(MABR)이다. MABR 제품은 본 명세서의 초반에 기재되어 있다. 중공 섬유 막은 MBR(예를 들어, ZeeWeed 500 제품)에 대해 사용된 침수된 중공 섬유 여과 막과 유사한 방식으로 배치되는 모듈과 카세트에 배열된다. 대기가 중공 섬유의 내강으로 공급되며, 산소는 버블의 형성 없이 막의 외부 표면 상에 성장하는 생체막으로 질소 위에 선택적으로 이동된다.
본 공정의 한 특징은 다른 무산소 현탁된 바이오매스에 잠긴 완전히 산소화된 질화 생체막이다. 하이브리드 MABR은 생체막에 의해 질화를 가능하게 하며, 반면에 탈질과 COD 제거는 반응기의 낮은(예를 들어 10일 이하, 7일 이하 또는 5일 이하) 슬러지 체류 시간(SRT) 현탁 성장 부분에서 수행된다. 향상된 일차 처리에서 제거되지 않는 유기 고체는 생물 공정을 통해 흘러 실질적으로 산화되지 않는 슬러지 처리에서 끝날 수 있다. 이차 정화기가 혼합액 체류를 위해 사용되며; 이것은 재사용 품질 물이 필요할 때 막 여과 시스템과 교체될 수 있다.
새로운 플로시트에 대해 제안된 질소 제거를 위한 대사 반응 경로가 입증된다. 이것은 독립 영양 질화 및 종속 영양 탈질을 기반으로 한다. 본 경로는 이것이 100년의 활성 슬러지 발달의 결과이고, 전 세계 수천의 플랜트에서 실시되었기 때문에 잘 이해된다. 공정은 가장 엄격한 총 질소 유출물 농도를 달성하도록 제어될 수 있다. 그러나 본 경로, 및 특히 종래의 현탁 성장 공정에서 이의 응용은 본 플로시트에서 제안된 새로운 하이브리드 MABR 공정에 의해 다뤄지는 주요 제한을 가졌다:
1. 암모니아를 질산염으로 완전히 산화하는 것은 에너지 집약적이다. MABR 가스 이동 막은 완전 질화에 필요한 산소를 매우 효율적으로, 즉 미세 버블 폭기에 대해 1 내지 1 kg O2/kWh와 비교하여 폭기 효율 > 6.0 kg O2/kWh에서 이동시킬 수 있다(Metcalf and Eddy, 2003). 결과는 공정 폭기를 위한 에너지에서 4X 감소이다.
2. 느린 성장의 독립 영양 박테리아에 의한 질화는 긴 SRT를 필요로 하며, 이는 대형 탱크와 비싼 설비로 해석된다. 질화 바이오매스를 MABR 바이오매스에 부착하며, 이는 저 SRT, 및 따라서 소형 탱크에서 공정의 현탁 부분을 설계하는 것을 가능하게 한다.
3. 버블 폭기를 사용할 때, 용존 산소에 대해 기본적인 경쟁이 있으며; 완전한 질화는 또한 유기 물질의 호기성 대사(COD)를 초래한다. 하이브리드 MABR 반응기의 현탁 성장 부분에서, 동시 탈질을 촉진하고, 유기 물질의 산화를 제한하도록 무산소 조건 하에 혼합액이 유지된다.
4. 총 질소에 대해 엄격한 제한이 있다면, 탄소 공급원은 탈질을 위해 첨가될 필요가 있을 수 있다. 하이브리드 MABR 공정에서, 일차 유출물 COD는 탈질에 이용 가능하며, 따라서 종래의 질화-탈질 공정과 비교하여 보충 탄소 필요성을 배제하거나 줄인다.
플로시트의 제3 구성 요소는 일차 및 이차 슬러지의 안정화 및 바이오가스의 생산을 위해 혐기성 소화를 사용하는 것을 포함한다. 향상된 일차 처리에 사용되는 회전 벨트 체와 이 체가 폐 활성 슬러지(WAS) 동시 농축에 사용될 때 슬러지 처리 공정 사이에 강한 상승 효과가 있다. 이러한 개념은 본 명세서에서 초반에 분석되어 있다.
플로시트의 제4 구성 요소는 바이오가스를 사용 가능한 에너지(전기 및 열)로 전환하는데 사용되는 병합된 열전(CHP) 시스템이다. 대안으로, 바이오가스는 예를 들어 천연 가스 시스템으로 승급과 통합 또는 액체 연료로 승급을 포함하여, 다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 이들 경우에, 시스템에서 제거된 바이오가스의 전기 생성 용량은 또 다른 플로시트에 대해 또는 에너지 또는 전기 중성인 목표에 대해 플로시트를 비교하는데 사용되어야 한다.
새로운 에너지 중성 플로시트를 종래의 활성 슬러지(CAS) 플로시트와 비교하여 양쪽에 대한 에너지 균형을 평가하였다. 모델 플랜트는 하기 유입물 특성과 함께 평균 1일 플로 Q = 18,925 ㎥/d(5 MGD)를 가졌다: BOD/SS/TN/TP = 220/220/40/7 mg/L. 피크 1시간 플로는 2Q이었고, 1월 부하 피크는 평균 1.35 배였으며, 겨울 설계 온도는 15℃이었다고 가정하였다. 목표 유출물 특성은 BOD/SS/TN/TP = 15/15/10/1.0 mg/L이었고, 양쪽 플랜트는 완전히 질화하도록 설계되었다.
2개 플로시트의 단위 조작을 표 7에 기재한다.
디폴트 파라미터를 사용하여 양쪽 플랜트를 GPS-X(Hydromantis Inc.)에 의해 시뮬레이션하여 처리 효율, 슬러지 생성 및 반응기의 치수화를 얻었다. 상기에 언급된 목표 유출물 특성을 충족하도록 생물 공정의 HRT와 SRT를 조정하였다. 달리 언급이 없으면, 2개 플로시트를 시뮬레이션하는데 GPS-X에서 동일한 모델 파라미터를 사용하였다.
플랜트 설계 이념 및 설비의 치수화는 이전 연구와 일치하였다(Young et al, 2013). 문헌[Cote et al(2013)]에 기재된 방법을 사용하여 전기 조건을 평가하였다.
CAS 및 새로운 에너지 중성 플로시트 단위 조작
구성 요소 CAS 플로시트 새로운 에너지 중성 플로시트
일차 처리 일차 정화 회전 벨트 체질(RBS)
생물 처리 종래의 활성 슬러지 하이브리드 MABR
슬러지 처리 농축 및 혐기성 소화 RBS에서 WAS의 동시 농축 및 혐기성 소화
에너지 회수 병합된 열전 시스템 병합된 열전 시스템
CAS와 새로운 에너지 중성 플로시트에 대한 선택된 공정 모델링 결과를 표 8에 제시한다. 전체 플랜트 전기 균형을 표 9에 제시한다. 전기 소비는 처리를 위한 것이며, 헤드 워크스 펌핑(head-works pumping)에 대한 공급을 포함하지 않는다. 설계 조건과 결과를 이 섹션에서 제시한다.
양쪽 플로시트는 쓰레기 압축기를 가진 동일한 6 mm 거친 스크린, 및 모래 세척/분류기를 가진 모래 제거 챔버를 포함하였고, 에너지 소비는 각각 160 및 170 kWh/d이었고, 총 330 kWh/d이었다.
CAS 플로시트는 두 개의 일차 정화기를 포함하였다. 총 현탁 고체(TSS)의 제거율은 60%이었고, 이는 GPS-X에서 유기 물질의 분할을 기준으로 37%의 BOD/COD의 제거율에 상응하였다. 정화기 드라이브, 일차 부유물 펌프 및 일차 슬러지 펌프를 위한 에너지 소비는 200 kWh/d인 것으로 추산하였다.
새로운 에너지 중성 플로시트는 회전 벨트 체, 구체적으로 지이 워터 앤 프로세스 테크놀로지스로부터 입수 가능한 네 개의 LEAPprimary LP 60 유닛으로 설계되었다. 일차 정화에 대한 것처럼 동일한 TSS 및 COD/BOD 제거율을 가정하였다. 벨트 드라이브, 케이크 제거 송풍기 및 슬러지 압축기를 위한 에너지 소비는 600 kWh/d인 것으로 추산하였다.
양쪽 플로시트에 대해, 45 kg Al/d의 용량에서 명반 첨가에 의해 인을 화학적으로 제거하였고; 주입 펌프 및 급속 혼합기는 110 kWh/d의 에너지 소비를 가졌다. CAS 플로시트에 대한 추가 화학제 주입 에너지는 메탄올 첨가에 대한 것이었다.
선택된 공정 결과
파라미터 CAS 플로시트 새로운 플로시트
일차 처리
일차 처리 일차 정화 회전 벨트 체
TSS/COD 제거율, % 60%/37% 60%/37%
화학적 인 제거 명반 명반
생물 처리
생물 반응기의 HRT, h 12.8 7.7
생물 반응기의 SRT, d 17.0 5.0
혼합액 현탁 고체 농도, g/L 3.0 1.8
질산염을 위한 재순환 속도(다수의 유입물 플로) 4.0 Q 0.0 Q
활성슬러지 회송(다수의 유입물 플로) 1.0 Q 0.5 Q
폭기 방법 미세버블 확산기 폭기 막
총 산소 이동 속도, kg/d 4,300 3,500
탈질을 위한 탄소 첨가, L/d 450(메탄올) 필요 없음
슬러지 처리
일차 슬러지, kg/d 2,500 2,500
폐 활성 슬러지, kg/d 1,560 1,800
총 슬러지, kg/d 4,060 4,300
총 슬러지 VSS/TSS 68% 71%
총 슬러지 TSS, g/L 7.1% 10.0%
혐기성 소화 HRT, d 25 25
혐기성 소화기 용적, ㎥ 1,400 1,000
AD에 의한 휘발성 고체 감소, % 59% 64%
바이오가스 생산, ㎥/d 1,500 1,700
에너지 회수
바이오가스의 전기로의 전환, % 35% 35%
CAS 플로시트 생물 반응기는 네 개 라인을 병렬로 설계되었고, 각각 직렬로 2개의 무산소 구역 및 4개의 호기성 구역으로 이루어졌다. 10 mg/L의 유출물 총 질소 목표를 달성하도록 12.8 h의 총 HRT 및 17 d의 SRT가 3.0 g/L의 MLSS 농도와 함께 설정되었고; 450 L/d의 메탄올의 추가가 탈질화를 위해 필요하였다. 2개 재순환 라인이 질산염(4.0Q) 및 회송 활성 슬러지(1.0Q)를 위해 포함되었다. 폭기 송풍기는 3,900 N㎥/h를 전달하는 크기였고, 이는 0.75의 알파 계수를 사용하여, 5 m 깊이 탱크에서 미세 버블 확산기를 사용하여 4,300 kg/d의 산소 이동 속도(OTR)를 충족하게 하였다. CAS 플로시트는 2개의 이차 정화기를 포함하였다.
새로운 플로시트 생물 반응기를 각각 직렬로 네 개의 하이브리드 MABR 반응기로 이루어진 네 개 라인으로서 병렬로 설계하였다. 현탁된 바이오매스 부분에 대해 1.8 g/L의 MLSS 농도와 함께 7.7 시간의 총 HRT 및 5일의 SRT는 메탄올 부가 없이 10 mg/L의 유출물 총 질소 목표를 충족할 수 있었다. 네 개의 MABR 트레인은 각각 본원에서 이전에 기재한 바와 같이 십오 개(15)의 침수된 MABR 카세트를 포함하였다. 단일 재순환 라인이 회송 활성 슬러지(0.5Q)를 위해 포함되었다. 별도 질산염 재순환 라인은 없다. 폭기 송풍기는 64%의 산소 이동 효율(OTE)에서, 1,770 N㎥/h를 전달하고, 3,500 kg/d의 OTR을 충족하는 크기를 가졌다. 산소 요구량이 현탁된 바이오매스의 더 적은 SRT로 인해 CAS 플로시트에 대한 것보다 20% 더 적다는 사실에 유의해야 한다. MABR 카세트로부터 배기 공기는 본원에서 이전에 기재한 바와 같이 혼합액을 교체하고, 카세트 용적 내에서 혼합을 제공하는데 사용된다. 그러나 카세트는 탱크의 용적 중 17%만을 점유하므로, 추가 기계 혼합기는 혼합액을 현탁액으로 유지하는(CAS 플로시트의 무산소 구역에 대한 것과 동일한 전력 투입을 사용하여) 크기를 가졌다. 새로운 플로시트는 2개의 이차 정화기를 포함하였다.
양쪽 플로시트에 대해, 고체 탈수로부터 상청액을 생물 반응기의 헤드로 회송하였다. 이들 스트림의 COD 및 암모니아 함량은 각각 유입물 부하의 2% 및 14%를 나타냈다.
2개 플랜트에 대해 탱크 배열 및 설치 면적을 도 14에서 비교한다. CAS 플랜트는 5 m 깊이 탱크에서 10,000 ㎥의 총 반응기 용적을 가진 고전적인 Modified Ludzack-Ettinger(MLE) 구성이며; 무산소성 탱크는 총 용적의 대략 40%에서 크기를 가졌다.
하이브리드 MABR 플랜트는 또한 5 m 깊이 탱크에서 6,000 ㎥의 총 반응기 용적을 가진다. 호기성 분해(질화 및 가용성 유기 물질 산화)는 생체막에서 일어나며, 반면에 탈질은 벌크로 일어난다. 일단 생체막으로 덮인 MABR 막은 생체막이 비교적 두터운 확산 층을 나타내므로 산소를 벌크 혼합액으로 전달하는데 효율적이지 않다. 따라서 전체 반응기 용적은 하류 탱크에서 무산소성, 또는 약간 호기성이다. MABR 생물 시스템의 설치 면적은 CAS 시스템의 것보다 대략 40% 더 작다.
하이브리드 MABR 생물 시스템의 송풍기 에너지 소비(490 kWh/d)는 CAS 시스템(1,670 kWh/d)보다 70% 더 적다. 무산소 구역의 기계적 혼합에 대한 에너지는 대략 동일하다. IFAS-MABR 시스템을 가진 생물 처리에 대한 총 에너지는 CAS 시스템보다 45% 더 적다.
상기에 언급한 바와 같이, 생물 처리 단계의 비교를 용이하게 하기 위해 일차 슬러지의 동일한 양이 두 개 플로시트(2,500 kg/d)에서 생성되었다고 가정하였다. GPS-X는 CAS 및 하이브리드 MABR 시스템이 각각 1,560 kg/d 및 1,800 kg/d의 폐 활성 슬러지(WAS)를 생성할 것으로 예상하였다. 새로운 플로시트에 대해 더 많은 WAS는 외부 탄소가 탈질을 위해 첨가되지 않았다는 사실에도 더 적은 SRT에서 그리고 벌크 무산소 조건 하에 조작하는 것에 기인한다. 전체적으로, 새로운 플로시트는 CAS 플로시트에 비교할 때 8% 더 많은 바이오고체를 생성하였다. 또한, 새로운 플로시트로부터 혼합된 슬러지는 CAS 플로시트에 대해 68%와 비교할 때 71%의 VSS/TSS를 가진 더 큰 유기 분율을 가졌다.
두 개 플로시트에 대한 슬러지 농축은 상이하게 처리되었다. CAS 플로시트로서, 일차 슬러지는 중력 농축조에 의해 8%로 농축되었고, WAS는 회전 드럼에 의해 6%로 농축되었다. 블렌딩된 슬러지는 7.1%의 TSS를 가졌다. 새로운 플로시트로서, 본 명세서에서 초반에 기재한 바와 같이 WAS는 RBS를 사용하여 일차 슬러지와 10.0%의 블렌딩된 슬러지 값으로 동시 농축되었다.
양쪽 플로시트에 대해, 혼합된 슬러지는 25일의 수리학적 체류 시간에 의해 혐기적으로 소화되었다. 새로운 플로시트는 혼합된 슬러지가 더 큰 고체 농도를 가지므로 CAS 플로시트보다 28% 더 작은 소화기를 가진다. CAS 플로시트에 대해 59% 및 1,500 ㎥/d에 비교할 때, 새로운 플로시트에서 휘발성 고체 감소는 64%이었고, 바이오가스 생산은 1,700 ㎥/d이었다. 새로운 플로시트에서 생성된 바이오가스의 더 많은 생산(+13%)은 더 많은 양의 슬러지와 더 큰 휘발성 고체 함량에 기인하였다.
CAS 플로시트의 슬러지 처리에 대한 에너지 소비는 5개의 구성 요소를 가졌다: 일차 슬러지 중력 농축조에 대해 150 kWh/d, WAS 회전 드럼 농축조에 대해 50 kWh/d, 슬러지 블렌딩 및 수용 탱크 혼합에 대해 140 kWh/d, 혐기성 소화기 가스 혼합 및 펌핑에 대해 460 kWh/d, 및 탈수 원심분리에 대해 200 kWh/d, 총 1,000 kWh/d.
새로운 플로시트의 슬러지 처리에 대한 에너지 소비는 농축과 블렌딩이 RBS에 의해 달성되었으므로 3개의 구성 요소를 가졌다: 수용 탱크 혼합에 대해 60 kWh/d, 혐기성 소화기 가스 혼합 및 펌핑에 대해 360 kWh/d, 및 탈수 원심분리에 대해 200 kWh/d, 총 620 kWh/d.
병합된 열전(CHP) 시스템을 통해 바이오가스의 사용 가능한 에너지로 전환 효율은 잘 확립되어 있다(US EPA, 2008). 본 프로젝트에서 관심 있는 크기 범위에 대해, 왕복 기관은 22-40%의 전력 효율 및 70-80%의 전체 효율을 가진다. 표 9에서 제시된 전기 균형에서, 35%의 전력 효율이 바이오가스 에너지를 사용 가능한 전기로 전환하는데 사용되었다. 사용 가능한 열은 에너지 균형에서 고려되지 않았다.
전기 균형(kWh/d)
파라미터 CAS 플로시트 새로운 플로시트
소비
거친 스크리닝 및 모래 제거 -330 -330
일차 처리 -200 -600
약품 주입 -120 -110
생물 처리 송풍기 -1,670 -490
생물 처리 혼합기 -1,030 -1,070
질산염 재순환 -400 0
RAS/WAS 펌핑 -540 -380
이차 정화 -110 -110
슬러지 공정 -1,000 -620
전기 소비 -5,400 -3,710
비 전기 소비(kWh/㎥) -0.29 -0.20
생산
바이오가스로부터의 전기(CHP) 3,400 4,000
비 전기 생산(kWh/㎥) 0.18 0.21
순 전기 균형 -2,010 280
순 비 전기 소비(kWh/㎥) -0.11 0.01
본 프로젝트에서 참조로서 취한 CAS 플로시트는 0.29 kWh/㎥의 비 에너지 소비를 가졌다(표 3). 이는 0.35 내지 0.65 kWh/㎥ 범위로, 몬테이쓰(Monteith) 외 그의 공동 연구가(2007)가 보고한 값에 비교할 때 낮으며, 두 가지 이유가 있다. 첫째, 여러 문헌에서는 흔히 헤드 워크스 펌핑을 포함하지만 본 발명자들의 분석은 처리만을 위한 에너지를 고려하였다. 둘째, 본 발명자들의 분석은 100%의 플랜트 이용율(PUF)을 기준으로 하였으며, 반면에 조사된 많은 플랜트는 완전 용량에서 가동하지 않으며; PUF가 감소함에 따라 에너지 이점의 보존은 플로에 의해 낮춰질 수 있는 전력 투입의 분율(가변 전력, 예를 들어, 폭기) 대 항상 완전 용량에서 가동하는 분율(기본 전력, 예를 들어, 정화기 메커니즘)에 좌우한다.
새로운 에너지 중성 플로시트에서, 전기 중성은 생물 처리에서 상당한 절약(-45%) 및 향상된 바이오가스 생산(+18%)의 조합을 통해 달성되었다. 대부분의 절약은 더 효율적인 산소 이동(-1,180 kWh/d)에 기인하지만, 또한 질산염 재순환의 배제(-400 kWh/d) 및 더 낮은 회송 활성 슬러지율에서 가동(-160 kWh/d)에 기인한다. 바이오가스 생산에 의한 이득은 더 많은 유기물을 혐기성 소화로 전환하는 것(+240 kg/d)에 원인이 있으며; 또한, 공급 슬러지는 더 큰 분율의 휘발성 고체(+3%)를 가졌다.
MABR은 더 많은 슬러지를 에너지 생산으로 이동시키는 낮은 SRT 현탁된 바이오매스에 의해 작업하면서, 초고 산소 이동 효율(> 60%) 및 폭기 효율(> 6.0 kg O2/kWh)을 가능하게 하였다. CAS 시스템에서, 산소 이동 효율과 바이오매스 이동은 양립할 수 없는 목적이다. 로소(Rosso) 외 그의 공동 연구가(2005)는 알파 계수와 표준 산소 이동 효율이 5일 미만의 SRT에서 상당히 떨어졌다는 것을 보여주었다.
CAS와 비교하여 MABR을 포함하는 플로시트의 상세한 비용 분석을 CapdetWorks(Hydromantis, Inc.)와 함께 아이바(Aybar) 외 그의 공동 연구가(2012)가 수행하였다. 이러한 분석에서 MABR 포함 플로시트가 CAS 플로시트에 비교할 때 훨씬 더 적은 에너지를 소비하며, 이들의 비용 유효성은 막 비용, 혼합 에너지 조건 및 막의 수명을 포함하여, 막 관련 요인에 민감하다는 것을 보여주었다.
본 논문에 도입된 새로운 에너지 중성 플로시트의 비용이 CAS 플로시트와 비교하여 완전히 평가되지 않았지만, MABR 막의 배치에 비용이 들 것으로 인정된다. 그러나 상기에 기록한 모델링 및 설계 작업은 CAS 공정과 비교할 때 새로운 하이브리드 MABR에 대해 자본 비용 감소를 위한 몇몇 기회를 확인한다:
· 생물 반응기의 크기에 대한 감소(
Figure pat00005
40%)
· 버블 확산기의 배제
· 송풍기의 크기에 대한 감소(
Figure pat00006
70%)
· 질산염 재순환 스트림의 배제
· 외부 탄소 투입 시스템의 배제
· 플랜트 설치 면적의 감소(
Figure pat00007
40%)
또한, 새로운 플로시트는 플랜트를 전기 중성으로 만들고, 탈질을 위한 외부 탄소 첨가를 위한 필요성을 배제함으로써 O&M 비용을 줄일 것이다.
제안된 새로운 플로시트에서, 추가의 자본 및 O&M 비용 이점은 일차 정화기의 회전 벨트 체로 교체에 의해 제공되며; 이들 이점은 본 명세서 초반에 논의되어 있다.
에너지 중성 폐수 처리는 중요한 목표이지만, 유출물 품질 또는 플랜트 조작성의 비용으로 달성되어서는 안 된다. 새로운 플로시트는 하이브리드 막 통기화 생체막 반응기(MABR) 공정을 기반으로 제안된다. 이러한 새로운 플로시트는 입증된 질화-탈질 대사 경로를 이용하여 질소를 제거하면서 에너지 중성(심지어 더 양호한, 전기 중성)을 달성한다. 또한, 이것은 종래의 정화 또는 막 여과에 의한 고체-액체 분리와 양립할 수 있다.
하이브리드 MABR 생물 공정은 2개의 슬러지, 고정된 슬러지 및 현탁된 슬러지를 기반으로 한다. 산소가 버블을 통해 이동되지 않으므로, 질화 및 BOD 제거를 위한 산화 반응은 다른 무산소 반응기에서 일어날 수 있다. 일차 처리(또는 A 단계)를 통해 유기 물질의 전환을 최대화하는 것은 현탁 고체 및 콜로이드 고체가 상당한 산화를 수행하지 않고서도 MABR 반응기를 통과할 수 있으므로 에너지 중성을 달성하는데 중요하지 않다. 현탁된 바이오매스는 낮은 SRT에서 처리되며, 폐 활성 슬러지를 통한 혐기성 소화로 유기물을 이송할 수 있다. 또한, 유입물 COD를 사용한 탈질이 향상된다.
폐수 처리 시뮬레이터(하이드로만티스사제 GPS-X)를 사용하여 새로운 에너지 중성 플로시트를 종래의 활성 슬러지(CAS) 플로시트와 비교하였다. 양쪽 플로시트는 혐기성 소화 및 병합된 열전(CHP) 생산과 함께 완전한 폐수 및 슬러지 처리를 포함하였다. CAS 플로시트는 0.29 kWh/㎥의 비 전기 소비를 가졌고, 반면에 새로운 플로시트는 0.20 kWh/㎥을 가졌으며, 약 30% 감소하였다. CHP 시스템을 통해 생산된 전기는 CAS 플로시트에 대해 0.18 kWh/㎥이었고, 새로운 플로시트에 대해 0.21 kWh/㎥이었으며, 18% 증가하였다. 전체적으로, 새로운 플로시트는 전기 중성이었다.
새로운 플로시트의 실험 검증은 진행 중이다. 본원에서 기재한 바와 같이, 초기 파일럿팅 결과는 새로운 MABR 막의 산소 이동 효율과 질화 용량, 및 일차 처리를 위한 회전 벨트 체의 상승적 사용을 지지한다.
종래의 활성 슬러지 플랜트의 개량
본원에서 기재한 MABR 장치는 또한 종래의 활성 슬러지 설계를 변경하거나, 기존 활성 슬러지 설비를 개량하는데 사용될 수 있다. 공정 탱크에 MABR의 추가로 기존 플랜트 또는 설계의 질소 제거 능력을 개선할 수 있거나, 기존 설계 또는 플랜트의 유량을 증가시킬 수 있거나, 질소가 더 낮은 온도에서 제거되게 할 수 있다.
임의로, 토목 공사를 변경할 필요성을 최소화하기 위해, MABR 장치의 프레임을 하나 이상의 부양물(예를 들어 프레임의 각 측면 위 중공관)과 맞출 수 있고, 케이블, 채찍, 레버 또는 다른 장치에 의해 탱크의 상단 또는 측면에 평면도로 배치할 수 있다. 이러한 방식으로, MABR 장치는 임의로 수위에 따라 상승하고 떨어지면서, 물의 표면 아래에 위치한 막과 함께 부유한다. 만일 플랜트가 미세 스크리닝을 가지지 않는 경우, 미세 스크린 또는 RBS 일차 처리는 MABR 장치를 포함하는 공정 탱크의 상류에 추가될 수 있다. 대안으로, 미세 스크린은 막이 스크린 내에 갇히도록 MABR 장치의 프레임에 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 종래의 활성 슬러지 플랜트 또는 설계는 호기성 탱크를 가지지만, 상당한 질소 제거를 제공하지 않는다. 질소 제거는 많은 관할 구역에서 이전에 필요하지 않았지만, 유출물이 총 질소 및/또는 암모니아의 규정된 농도 아래에 있는 것을 요구하는 쪽으로 규제 경향이 있다. 흔히 질소 규제 전에 지어진 활성 슬러지 플랜트는 질소를 제거하는데 불충분한 크기와 SRT를 가진 단일 탱크를 가질 것이다. 질소를 제거하는 종래의 개선은 호기성 탱크의 상류에 무산소성 탱크를 추가하는 것을 포함하지만, 이는 추가의 토지 및 토목 공사를 필요로 한다.
본원에서 기재한 MABR 장치(즉 가스 이동 코드를 포함하는 모듈의 카세트)를 사용하여, 플랜트 또는 설계는 이전 호기성 탱크를 무산소성 또는 약간 호기성인 조건 하에 가동하지만 탱크에 하나 이상의 MABR 장치를 추가함으로써 변경된다. MABR 장치는 적어도 부분적으로 호기성인 생체막을 제공한다. MABR 탱크로부터 유출물은 전형적으로 하류 정화기 또는 분리 막에서 분리되고, RAS는 MABR 탱크로 회송되며, WAS는 제거된다. 내부 질산염 재순환 루프는 필요하지 않다. 10일 이하, 임의로 7일 이하 또는 5일 이하의 낮은 슬러지 체류 시간(SRT)가 사용될 수 있다. 일부 경우에, 이것은 이전에 사용되거나 설계된 SRT에서 감소일 것이며, 플랜트를 통해 유량의 증가를 가능하게 한다.
임의로, MABR 장치는 이전 폭기조의 제1 부분에만 추가될 수 있으며, 나머지 폭기조는 종래와 같이 그러나 언젠가 줄어든 기류에 의해 가동될 수 있다. 이는 피크 용량 또는 저온에서 질화하는 능력 또는 둘 다에서 증가를 가능하게 한다. 피크 플로 중에, 폭기조의 종래 부분은 종래의 호기성 현탁 성장 공정처럼 가동할 수 있다. 플랜트가 피크 조건, 예를 들어 가까운 평균 일 조건 아래에서 가동 중일 때, 폭기조의 종래 부분에서 폭기 속도는 낮춰져서 에너지 소비를 줄일 수 있다.
본 명세서에서는 최상의 모드를 포함하여, 본 발명을 개시하고, 또한 통상의 기술자가 임의의 장치 또는 시스템을 만들고, 사용하며, 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여, 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하는 실시예를 사용하고 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 특허청구범위에 의해 한정되며, 통상의 기술자에게 발생하는 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예가 특허청구범위의 문어와 상이하지 않은 구조 요소를 갖거나 이들이 특허청구범위의 문어와 실질적이지 않은 차이를 가진 균등한 구조 요소를 포함한다면 이들은 특허청구범위 내에 있는 것으로 의도된다.
관련 출원의 원용
하기 출원을 참조로서 원용한다: 국제특허출원 공개 제2014/130043 A1호로서 공개된, 제너럴 일렉트릭사(General Electric Company)에 의해 2013. 2. 22자 출원된, 국제 출원 PCT/US2013/027435호(Membrane Assembly for Supporting a Biofilm); 국제특허출원 공개 제2014/130042호로서 공개된, 제너럴 일렉트릭사에 의해 2013. 2. 22자 출원된, 국제 출원 PCT/US2013/027411호(Wastewater Treatment with Membrane Aerated Biofilm and Anaerobic Digester); 국제특허출원 공개 제2014/130041 A1호로서 공개된, 제너럴 일렉트릭사에 의해 2013. 2. 22자 출원된, 국제 출원 PCT/US2013/027403호(Micro-Sieve Separation and COD Diversion in Wastewater Treatment); 및 미국 특허출원 공개 제2013/0134089 A1호로서 공개된, 제너럴 일렉트릭사에 의해 2012. 11. 27자 출원된, 미국 출원 제13/686,160호(Method and System for Treating Wastewater).

Claims (46)

  1. a) 가스 이동 막을 수중에 침수시키는 단계;
    b) 압착 공기를 가스 이동 막으로 흘리는 단계;
    c) 가스 이동 막으로부터 배기 가스를 빼내는 단계; 및
    d) 침수된 통풍기로부터 배기 가스를 포함하는 버블을 생성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
    배기 가스는 통풍기 위 정지 수두(static head of water)보다 더 큰 압력을 가지는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 배기 가스는 배기 가스의 압력을 증가시키지 않으면서 통풍기로 공급되는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 이동 막 위에 생체막을 지지하는 단계 및 산소를 생체막으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수중에 현탁된 바이오매스를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 물은 무산소성 또는 호기성인 방법.
  6. 침수된 막 지지된 생체막의 살포 방법으로서, 생체막은 200초마다 적어도 1회 0.5 내지 20초간 또는 20초마다 적어도 1회 0.5 내지 3초간 살포되는 방법.
  7. 제1 헤더(header),
    제2 헤더,
    헤더 사이에 신장하는 다수의 가스 이동 막,
    제1 헤더로의 가스 입구,
    제2 헤더로부터의 가스 출구, 및
    가스 출구에 연결되고, 가스 이동 막 사이에 또는 아래에 위치하는 통풍기를 포함하는 장치.
  8. 하나 이상의 종방향으로 신장하는 얀(yarn),
    얀 주위에 방사상으로 이격되는 다수의 종방향으로 신장하는 가스 이동 막,
    가스 이동 막 주위에 나선으로 감기는 하나 이상의 얀
    을 포함하는 가스 이동 막.
  9. 수처리 방법으로서,
    a) 마이크로체(micro-sieve)를 거쳐 물의 일차 처리를 제공하여 일차 유출물과 일차 슬러지를 생성하는 단계;
    b) 현탁된 바이오매스, 막 현탁된 바이오매스 또는 둘 다를 가지는 공정을 거쳐 일차 유출물의 이차 처리를 제공하여 이차 유출물 및 폐 슬러지를 생성하는 단계; 및
    c) 마이크로체에서 활성 슬러지의 일부를 처리하는 단계를 포함하는 수처리 방법.
  10. 제9항에 있어서, 단계 b)는 현탁된 바이오매스에 의한 처리를 포함하는 것인 수처리 방법.
  11. 제10항에 있어서, 현탁된 바이오매스는 호기성 미생물을 포함하거나, 호기성 조건 하에 유지되는 물에 현탁되는 것인 수처리 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로체는 회전 벨트를 포함하는 것인 수처리 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 회송 활성 슬러지는 이차 처리 단계로 재순환되는 것인 수처리 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 농축된 일차 슬러지를 혐기성 소화기에서 처리하는 단계를 더 포함하는 수처리 방법.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로체는 250 미크론 이하의 개구부를 가지는 것인 수처리 방법.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 일차 처리는 물의 화학적 산소 요구량 중 40% 미만을 제거하는 것인 수처리 방법.
  17. 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 일차 슬러지 및 폐 활성 슬러지는 혐기성 소화기에서 처리되는 것인 방법.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 이차 처리는 막 생물 반응기(MBR)를 거쳐 제공되는 것인 수처리 방법.
  19. 제18항에 있어서, 이차 처리는 미세 스크리닝 없이 MBR을 거쳐 제공되는 것인 수처리 방법.
  20. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 이차 처리는 통합된 고정막 활성 슬러지(IFAS) 반응기를 거쳐 제공되는 것인 수처리 방법.
  21. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 이차 처리는 막 통기화 생체막에 의한 처리를 포함하는 것인 수처리 방법.
  22. 제21항에 있어서, 막 통기화 생체막은 현탁된 바이오매스에 잠기는 것인 수처리 방법.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 막 통기화 생체막은 코드 상에 지지되며, 코드는 강화 필라멘트를 더 포함하는 것인 수처리 방법.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, MABR을 질산염 재순환 없이 가동시키는 것을 포함하는 수처리 방법.
  25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, MABR 반응기를 10일 이하의 고체 체류 시간으로 가동시키는 것을 포함하는 수처리 방법.
  26. 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 물을 함유하는 막 통기화 생체막은 단속적으로 살포되는 것인 수처리 방법.
  27. 수처리 방법으로서,
    a) 마이크로체를 거쳐 물의 일차 처리를 제공하여 일차 유출물 및 일차 슬러지를 생성하는 단계;
    b) 막 생물 반응기(MBR)를 거쳐 일차 유출물의 이차 처리를 제공하여 이차 유출물 및 활성 슬러지를 생성하는 단계
    를 포함하는 수처리 방법.
  28. 제27항에 있어서, 마이크로체는 회전 벨트를 포함하는 것인 수처리 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 폐 활성 슬러지는 마이크로체의 상류 측으로 재순환되는 것인 수처리 방법.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 회송 활성 슬러지는 MBR의 헤드로 재순환되는 것인 수처리 방법.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 일차 슬러지를 농축하는 단계 및 농축된 일차 슬러지를 혐기성 소화기에서 처리하는 단계를 더 포함하는 수처리 방법.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 이차 처리는 미세 스크리닝 없이 MBR을 거쳐 제공되는 것인 수처리 방법.
  33. 제27항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로체는 250 미크론 이하의 개구부를 가지는 것인 수처리 방법.
  34. 수처리 방법으로서,
    a) 마이크로체를 거쳐 물의 일차 처리를 제공하여 일차 유출물 및 일차 슬러지를 생성하는 단계;
    b) 통합된 고정막 활성 슬러지(IFAS) 반응기를 거쳐 일차 유출물의 이차 처리를 제공하여 이차 유출물 및 폐 활성 슬러지를 생성하는 단계
    를 포함하는 수처리 방법.
  35. 제34항에 있어서, IFAS 반응기의 고정막은 가스 투과성 막 상에 지지되는 것인 수처리 방법.
  36. 제35항에 있어서, 가스 투과성 막은 강화 필라멘트를 더 포함하는 코드의 부분인 수처리 방법.
  37. 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, IFAS 반응기는 질산염 재순환 없이 가동되는 것인 수처리 방법.
  38. 제34항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, IFAS 반응기는 10일 이하의 고체 체류 시간으로 가동되는 것인 수처리 방법.
  39. 제34항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로체는 회전 벨트를 포함하는 것인 수처리 방법.
  40. 제34항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 일차 처리는 물의 화학적 산소 요구량 중 40% 미만을 제거하는 것인 수처리 방법.
  41. 제34항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 폐 활성 슬러지는 마이크로체의 상류 측으로 재순환되는 것인 수처리 방법.
  42. 제34항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 일차 슬러지 및 폐 활성 슬러지는 혐기성 소화기에서 처리되는 것인 수처리 방법.
  43. 제34항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 일차 슬러지 및 폐 활성 슬러지는 둘 다 적어도 부분적으로 마이크로체에 의해 농축되는 것인 수처리 방법.
  44. 제34항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로체는 250 미크론 이하의 개구부를 가지는 것인 수처리 방법.
  45. 호기성 탱크를 가진 활성 슬러지 플랜트를 개량하는 방법으로서,
    a) MABR 유닛을 호기성 탱크에 추가하는 단계; 및,
    b) 호기성 탱크를 무산소성 탱크로서 조작하는 단계를 포함하는 개량 방법.
  46. 삼차 질화를 제공하는 MABR의 용도.
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