KR20220154817A - 용출에 의한 폐수로부터 크기별 영양소를 회수하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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- Separation Of Suspended Particles By Flocculating Agents (AREA)
Abstract
용출(elutriation)에 의해 크기가 결정되는 침전물 형태의 폐수 스트림에서 용해된 종(species)의 회수를 위한 방법 및 장치가 제공된다. 방법은 예를 들어 회수된 크기의 고체가 스트루바이트와 같은 상대적으로 불용성인 식물 영양소의 형태가 되도록 제어될 수 있다. 추출된 영양소는 예를 들어 고체 종의 인, 및/또는 질소, 및/또는 칼륨을 포함할 수 있다.
Description
크기별 침전물로서 폐수로부터 용해된 종을 제거하기 위한 공정 및 장치를 포함하는 수성 화학 분야의 혁신이 개시되어 있다.
용해된 인, 질소 및 칼륨 종(species)은 종종 폐수, 특히 농업에 기인한 폐수로 배출된다. 이것은 조류 및 기타 유기체의 수중 성장을 촉진하는 해로운 영향을 미칠 수 있으며, 이는 차례로 자연 수역(natural water bodies)의 환경적으로 유해한 부영양화(eutrophication)로 이어질 수 있다. 이 영양 사이클의 반대 구성 요소는 농업에서 비료로서 인, 질소 및 칼륨 종의 계량된 양의 사용을 포함한다. 따라서 폐수에서 비료로 영양소의 효과적인 재활용에 대한 충족되지 않은 요구가 있다.
결정화 공정을 기반으로 하는 많은 영양소 회수 기술이 존재한다. 이러한 기술 중 일부는 인 및 기타 영양소를 스트루바이트(struvite), 인산칼슘 또는 미세 결정 또는 분말 형태의 기타 난용성 화합물로 추출한다. 이는 폐수 및 기타 현탁 고형물(suspended solids)로부터 회수된 생성물의 분리에 문제를 야기한다. 미세 물질(Fine materials)은 탈수, 건조 및 취급이 어렵고 비용이 많이 들 수 있다. 분말로 회수된 많은 물질은 비료로 사용되기 전에 추가 처리가 필요하다. 따라서, 편리한 후속 사용이 가능한 물리적 형태로 폐수로부터 귀중한 물질을 회수하기 위한 대안적 공정이 필요하다.
스트루바이트와 같은 일부 난용성 포스페이트 화합물은 상대적으로 낮은 용해도로 인해 효과적인 서방성 비료이다. 이것은 비료의 상당 부분이 토양(soil)에서 환경(environment)으로 씻겨나갈 수 있는 반면 물에 부분적으로만 흡수될 수 있는 모노암모늄 및 디암모늄 포스페이트와 같은 일반적인 수용성 비료와 대조적이다. 스트루바이트는 매우 천천히 용해되어 토양의 영양분 손실을 개선하고 식물에 효과적인 영양을 제공한다. 그러한 비료의 상대적으로 낮은 용해도는 또한 더 많은 수용성 비료에 의해 야기될 수 있는 높은 염도(salinity)에 의해 식물 뿌리가 "타는" 것을 방지하는 데 도움이 된다. 많은 농업, 도시 및 산업 폐수 스트림에는 많은 양의 영양소, 특히 인과 질소가 포함되어 있기 때문에, 스트루바이트는 이러한 폐수 스트림에서 회수될 가능성이 있다.
예를 들어, 스트루바이트 및 기타 포스페이트 화합물의 형태로 폐기물 스트림으로부터 인을 회수하기 위한 다수의 공정이 있다. 기존의 많은 스트루바이트 회수 공정은 건조가 매우 어렵고 불순물과 분리되는 작은 분말 같은 입자 형태로 추출하는데, 이는 최종 비료 제품의 심각한 단점이다. 따라서, 폐수 및 기타 불순물로부터 쉽게 분리될 수 있고 건조, 운송 및 보관이 용이한 작은 과립 또는 펠렛 형태의 고품질 스트루바이트 비료 생성물을 생산할 수 있는 공정이 필요하다.
폐수 스트림으로부터 크기별 침전물의 형태로 용해된 종(species)을 회수하기 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 예를 들어, 수성 유입 스트림으로부터 용해된 종을 제거하기 위한 방법이 제공되며, 상기 용해된 종은 용해된 질소(nitrogen) 및/또는 용해된 인(phosphorous) 및/또는 용해된 칼륨(potassium) 종을 포함한다. 이러한 공정은 수성 유입물을 반응기로 유도되는 스트림으로 분리하는 단계를 포함할 수 있으며, 침전제(precipitating agent) 또한 반응기 내로 주입된다. 상기 침전제는 예를 들어 별개의 물질 스트림(예: 고체 또는 액체)으로 제공될 수 있으며, 또는 상기 침전제가 하나 이상의 수성 유입 스트림에 존재할 수 있다.
수성 유입 스트림은 예를 들어 반응 도관과 유체 소통하는(fluid communication) 매니폴드에서, 예를 들어 복수의 반응기 유입 스트림으로 분리될 수 있다. 복수의 반응기 유입 스트림은 반응 도관에서 난류 상향 흐름을 생성하기 위해서 반응기 용기 내의 반응 도관 세그먼트의 베이스 내로 상향으로 유도될 수 있다.
침전제는 또한 예를 들어 용해된 종과 반응하는 침전제의 반응 생성물의 과포화 농도를 제공하기 위해서 반응 도관에서 유지되는 조건 하에, 반응 도관의 베이스 내로 주입될 수 있다. 침전제(예: 고체 또는 액체)는 예를 들어 알칼리(가성 소다, 가성 칼륨, 잿물, 암모니아), 마그네슘 염(예: MgCl2, MgSO4, MgO, Mg(OH)2), 마그네사이트(magnesite), 브루사이트(brucite), 연소 바닥재(combustion bottom ash) 또는 플라이 애시(fly ash) 중 하나 이상일 수 있다. 이들 반응기 조건은 예를 들어 반응 생성물에 대한 원하는 포화 지수, 예를 들어 2 이상(선택적으로 2.0 내지 3.0, 선택적으로 2.5)을 제공하기 위해서 제어될 수 있으며, 반응 생성물은 상향 반응 도관 유체 흐름에 동반된 고체 침전물 종을 형성한다.
그 다음 상향 반응 도관 유체 흐름은 반응기의 인접한 정화기 세그먼트(clarifier segment)로 유도될 수 있다. 상향 반응 도관 유체 유속은 예를 들어 20-80cm/min, 선택적으로 약 50cm/min으로 유지될 수 있다. 반응기의 정화기 세그먼트는 예를 들어 상향 반응 도관 유체 흐름의 상향 유속을 감소시키도록 치수가 지정될 수 있다. 상기 정화기는 예를 들어 절두체형(frustum shaped) 정화기일 수 있고, 예를 들어 절두체형 정화기가 약 45 내지 85°, 선택적으로 약 60 내지 70°의 경사각을 갖는 경사 벽을 포함한다.
상향 정화된 유체 유속은, 정화된 배출 유체 흐름이 반응기의 정화기 세그먼트 밖으로 계속 상향으로 흐르는 동안 동반된 고체 침전물 종이 상기 반응기의 정화기 세그먼트에서 하강하여 상기 반응 도관으로 되돌아갈 수 있도록 하기 위해서 정화기에서 유지될 수 있다. 상향 정화된 유체 유속은 예를 들어 약 1-5cm/min, 선택적으로 약 2cm/min으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 정화된 배출 유체를 제공하기 위해 수성 유입 스트림으로부터 용해된 종의 실질적인 제거를 위한 조건이 반응기에서 유지되고, 예를 들어 입구부터 배출로의 용해된 종의 제거가 60%, 70%, 80% 또는 89% 이상이 되도록 할 수 있다.
예를 들어, 응집된 과립이 반응 도관의 베이스를 향해 침전되도록 하기에 충분한 크기 및 밀도의 응집된 과립을 형성하도록 침전물 종의 점진적 응집을 허용하는 조건이 반응기에서 유지될 수 있고, 이러한 침전이 난류 상향 반응 도관 유체 흐름의 존재 하에 발생하도록 조건이 배열될 수 있다는 것이 놀랍게도 입증되었다. 상기 반응 도관의 수력학적 체류 시간은 예를 들어 1-10분, 선택적으로 2-5분으로 유지될 수 있다.
상향 채널된 유체 흐름은 반응 도관의 베이스와 유체 소통하는 채널을 통해 반응기로 주입될 수 있다. 상기 채널은 예를 들어 선택되지 않은 침전물 종을 반응 도관으로 상향으로 되돌리는 동안 선택된 크기 및 밀도의 응집된 과립이 채널을 통해 하강할 수 있도록 하기 위해서 상향 채널된 유체 흐름의 계량을 허용하도록 치수가 정해질 수 있다. 상향 채널된 유체 유속은 예를 들어 상향 반응 도관 유체 유속의 약 10%, 선택적으로 5-50% 범위로 유지될 수 있다.
채널은 예를 들어 평균 채널 단면적 C Xarea를 갖도록 치수가 정해질 수 있는 반면, 펠릿 호퍼는 유사하게 평균 펠릿 호퍼 단면적 PH Xarea를 가지며 반응 도관은 또한 평균 도관 단면적 RC Xarea를 갖고: 이러한 치수는 C Xarea < PH Xarea 및 C Xarea < RC Xarea가 되도록 정렬될 수 있다.
이와 같이, 크기별 고체 과립 생성물은 용출에 의해 분리되고, 이에 따라 상기 생성물은 채널을 통해 하강한다. 이 크기별 생성물은 인접한 펠릿 호퍼에 수집될 수 있으며, 예를 들어 크기별 고체 과립 생성물의 침전된 부피를 수용할 수 있는 크기이다. 일부 구현에서, 본 발명의 방법은 채널에서 상향 채널된 유체 흐름을 주기적으로 제한하고 펠릿 호퍼의 내용물을 하향 방출하여 목적 고체 과립 생성물을 수집하는 것을 포함할 수 있다. 크기별 고체 과립 생성물은 예를 들어 체에 수집될 수 있고, 체에서 세척될 수 있으며, 그 다음 건조될 수 있다. 크기별 고체 과립 생성물은 예를 들어 평균 생성물 크기를 가질 수 있고, 평균 생성물 크기는 예를 들어 약 1-2 mm일 수 있다. 과립 생성물은 예를 들어 약 60%, 70%, 80%, 90% 또는 96% 이상의 원하는 생성물 순도를 가질 수 있다.
목적 고체 과립 생성물은 예를 들어 스트루바이트(struvite), K-스트루바이트, 칼슘 암모늄 포스페이트 CaNH4PO4, 및/또는 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite) Ca5(PO4)3(OH), 브루사이트 CaHPO4·2H2O, 뉴베리아이트(newberyite) MgHPO4·3H2O, 및/또는 마그네슘 포스페이트 Mg3(PO4)2 중 하나 이상일 수 있다. 선택적인 대안적 실시양태에서, 목적 고체 과립 생성물의 순도는 예를 들어 70%, 75%, 80%, 90% 또는 95% 이상일 수 있다.
일 측면에서, 본 발명의 방법은 정화된 유체 흐름의 일부를 정화기에서 호퍼로 재순환시키는 것을 포함할 수 있으며, 이 재순환된 유체 흐름을 사용하여 채널을 통한 상향 채널 유체 흐름을 매개할 수 있다. 호퍼에서 상향 호퍼 유체 흐름은 예를 들어 채널의 상향 채널 유체 흐름을 매개하도록 제공될 수 있으며, 상기 호퍼는 상향 호퍼 유체 흐름이 상향 채널된 유체 흐름보다 작도록 크기가 조정될 수 있다.
본 발명의 방법의 선택 구현의 일 측면은 상대적으로 높은 수준의 현탁 고형물을 갖는 유입 스트림에 대처할 수 있는 능력이다. 예를 들어, 유입 스트림은 최대 1%, 2%, 3%, 4% 또는 5중량%의 부유 고형물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유입 스트림 내의 현탁 고형물의 50-95%가 반응기를 통해 정화된 배출 유체 흐름으로 통과한다.
본 발명의 방법은 수성 유입 스트림으로부터 용해된 종을 제거하도록 작동 가능한 반응기 시스템을 구성하는 제어 시스템이 있는 반응기에서 수행될 수 있다(용해된 종(species)은 용해된 질소(nitrogen) 및/또는 용해된 인(phosphorous) 및/또는 용해된 칼륨(potassium) 종을 포함함). 하나 이상의 스크린은 수성 유입 스트림이 매니폴드에 들어가기 전에 수성 유입 스트림에 위치할 수 있으며, 이러한 스크린은 예를 들어 반응기 내부에 위치한 주입 노즐의 직경보다 작은 메쉬를 가질 수 있다.
반응기 시스템은 수성 유입 스트림을 복수의 반응기 유입 스트림으로 분리하고, 복수의 반응기 유입 스트림을 예를 들어, 반응 도관에서 난류 상향 흐름을 생성하기 위해서 반응기 용기 내의 반응 도관 세그먼트의 베이스 내로 상향으로 유도하는 매니폴드(manifold)를 포함할 수 있다. 흡기 펌프는 예를 들어 매니폴드의 상류에 위치하여, 가압된 수성 유입 스트림을 제공할 수 있다.
예를 들어, 용해된 종과 반응하는 침전제의 반응 생성물의 과포화 농도를 제공하기 위해서 반응 도관의 조건을 유지하도록 구성된 반응기 시스템 제어의 제어 하에, 반응 도관의 베이스 내로 침전제를 주입하도록 구성된, 반응 도관의 베이스와 유체 연통하는 침전제 입구 포트가 제공될 수 있다. 침전제는 투입 유체를 반응기로 향하게 하는 주입 노즐에 매우 근접하여 투여될 수 있다. 이러한 방식으로, 포화 지수는 전술한 바와 같이 반응 생성물에 대해 예를 들어 2 이상으로 유지될 수 있다. 따라서 반응 생성물은 상향 반응 도관 유체 흐름에 동반된 고체 침전물 종을 형성한다.
반응 세그먼트와 상향으로 인접한 반응기의 정화기 세그먼트는 예를 들어, 정화된 배출 유체 흐름이 상기 반응기의 정화기 세그먼트 밖으로 계속해서 상향으로 흐르는 동안 동반된 고체 침전물 종이 상기 반응기의 정화기 세그먼터에서 하강하고 상기 반응 도관으로 되돌아갈 수 있도록 하기 위해서 정화기 시스템 제어장치의 제어 하에 상기 정화기에서 상향 정화된 유체 유속을 유지하도록 작동 가능한, 반응 세그먼트와 상향으로 인접한 반응기의 정화기 세그먼트는 반응 세그먼트로부터 정화기로 향하는 상향 반응 도관 유체 흐름의 상향 유속을 감소시키기 위해서 반응 세그먼트에 대해 치수가 지정될 수 있다. 정화된 배출 유체 흐름을 수집하도록 구성된 재킷이 정화기에 제공될 수 있다.
반응기 시스템 제어장치는 난류 상향 반응 도관 유체 흐름의 존재 하에 응집된 과립이 상기 반응 도관의 베이스를 향해 침전되도록 하기에 충분한 크기 및 밀도의 응집된 과립을 형성하기 위하여 침전물 종의 점진적 응집을 허용하도록 반응기의 조건을 유지하도록 작동 가능하도록 만들어질 수 있다.
반응 도관의 베이스와 유체 연통하는 채널은 채널을 통해 상기 반응 도관의 베이스로 상향 채널된 유체 흐름을 제공하는 채널 유체 소스와 연결될 수 있다. 상기 채널은 선택되지 않은 침전물 종을 반응 도관으로 상향으로 되돌리는 동안 선택된 크기 및 밀도의 응집된 과립이 채널을 통해 하강할 수 있도록 하기 위해서 상향 채널된 유체 흐름의 계량(metering)을 허용하도록 치수가 지정되고, 이에 의해 침전된 부피의 크기별(sized) 고체 과립 생성물을 수용할 수 있는 크기의 인접한 펠릿 호퍼로 상기 채널을 통해 하강하는 용출에 의해 크기별 고체 과립 생성물을 분리할 수 있다.
복수의 반응기 유입 스트림을 반응 도관의 베이스 내로 상향으로 향하게 하는 주입 노즐이 제공될 수 있다. 상기 주입 노즐은 예를 들어 반응 도관의 바닥 부분 위로 상승될 수 있다. 예를 들어 2, 3, 4, 5 또는 6 이상의 주입 노즐이 있을 수 있다. 상기 주입 노즐은 일반적으로 반응 도관의 베이스에서 단면적 전체에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 표면적 상승 속도(superficial upflow velocity)는 각 노즐 내부에서 5 내지 15 m/s, 또는 약 10 m/s로 유지될 수 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 공정을 수행하기 위한 장치의 개략적인 입면도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 공정을 수행하기 위한 대안적인 장치의 개략적인 입면도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 공정을 수행하기 위한 대안적인 장치의 개략적인 입면도이다.
용출(elutriation)에 의해 크기가 결정되는 침전물 형태의 폐수(wastewater) 스트림에서 용해된 종(species)의 회수를 위한 방법(공정 또는 프로세스) 및 장치가 개시되어 있다. 일부 실시양태에서, 회수된 고체는 예를 들어 식물 영양소일 수 있다. 추출된 영양소는 예를 들어 인(phosphorus, P) 및/또는 질소(nitrogen, N) 및/또는 칼륨(potassium, K)의 고체 종을 포함할 수 있다. 상기 방법은 예를 들어 농업(거름), 도시(하수) 또는 기타 산업 기원과 같은 다양한 기원의 폐수 스트림에서와 같이 광범위한 수성 공급물에 대해 수행될 수 있다.
선택된 실시예에서, 영양소는 난용성 화합물을 함유하는 인산염의 결정화 과정을 통해 추출된다. 이러한 화합물은 예를 들어 스트루바이트(마그네슘 암모늄 포스페이트, MAP), K-스트루바이트(마그네슘 칼륨 포스페이트, MKP), 및 기타 난용성 포스페이트 화합물을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 방법의 일 측면에서, 침전물 및 용해된 종의 반응 생성물, 즉 수성 유입 스트림에서 추출된 화합물의 폐수에서 과포화를 생성함으로써 수성 액체(예: 폐수)에서 고체(예: 결정)로 영양소가 전환된다. 과포화 조건은 결정화 과정을 촉발한다. 과포화는 침전제(또는 작용제)를 폐수에 추가하거나 다른 폐수 스트림을 함께 혼합하는 것을 포함하는 여러 가지 방법으로 생성될 수 있으며, 여기서 상기 침전제는 이러한 흐름 중 하나에 제공된다. 침전 과정 동안 얻어진 고체 물질은 액체로부터 분리될 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 추출된 화합물이 비교적 큰 구형 과립(펠렛)으로서 제공될 수 있는 형태로 폐수로부터 영양소 회수를 제공한다. 이러한 과립은 일반적으로 결정화 장치(반응기)에서 생성된 더 작은 결정의 덩어리를 나타낸다. 여기에 개시된 바와 같이, 반응기 내부의 화학적 및 유체역학적 조건은 결정 응집 속도가 비교적 높은 방식으로 제어될 수 있다. 이것은 과립의 빠른 성장을 가져오고 폐수에서 영양분을 보다 효율적으로 추출할 수 있다. 동시에, 과립이 폐수 및 기타 현탁 고형물로부터 분리될 만큼 충분히 크게 성장할 수 있도록 본 발명의 방법이 제어될 수 있음이 입증되었다. 선택된 실시양태에서, 본 발명의 방법은 이에 의해 액체 스트림으로부터 고순도 생성물의 회수를 용이하게 하고, 이는 예를 들어 비교적 다량의 현탁 고형물, 예를 들어 최대 2중량%, 3중량%, 4중량%, 5중량%, 6중량%, 7중량%, 8중량%, 9중량%, 또는 10중량%,또는 대안적인 실시예에서 5중량% 이하의 현탁 고형물을 갖는 유입 스트림으로 달성될 수 있다. 선택된 실시양태에서, 본 발명의 처리 방법의 비교적 높은 효율은 더 작은 식물이 차지하는 공간(footprint)을 허용하고 경제적인 에너지 소비를 용이하게 한다.
예시된 실시예에서, 본 방법을 구현하기 위해 사용되는 장치의 두 가지 주요 구성요소로는 결정화 반응기 및 폐수 주입 시스템이 있다. 결정화 반응기는 도 1에 나타낸 바와 같이 직립형(upright) 유동층 반응기이다. 상기 반응기는 반응 도관(1), 정화기(2) 및 펠릿 호퍼(3)의 세 가지 주요 부분으로 구성된다. 정화기는 반응 도관과 근접하고 바로 인접하며 그 위에 위치한다. 도시된 실시예에서 정화기의 단면적(cross-sectional area)은 바닥에서 상단으로 점차 증가하고 있다. 따라서 정화기는 절두체(frustum) 형태로 형성된다. 반응 도관 및 정화기의 단면 프로파일은 예를 들어 원형, 직사각형 또는 다각형일 수 있다. 다양한 입력 포트가 있는 경우를 제외하고 정화기의 상단은 개방될 수 있고 반응 도관의 하단은 폐쇄될 수 있다. 펠릿 호퍼(3)는 반응 도관 아래에 위치하여 회수된 생성물의 벌크 펠릿을 위한 용기를 제공할 수 있으며; 호퍼의 바닥에서 회수된 생성물의 배출을 용이하게 하기 위해서 유리하게 아래쪽으로 테이퍼질 수 있다. 펠릿 호퍼의 상단은 수직 파이프 또는 다른 채널을 통해 반응 도관의 하단에 연결되며, 이는 예시된 바와 같이 펠릿 호퍼 및 반응 도관보다 실질적으로 작은 단면적을 가질 수 있다.
현재 개시된 장치는 특정 폐수 주입 방법을 용이하게 한다. 그림과 같이, 주입 시스템은 펌프(4), 매니폴드(5) 및 주입 노즐(6) 중 하나 이상의 세트로 구성된다. 각 세트는 장치에서 처리할 별도의 폐수 흐름에 사용할 수 있다. 이는 처리 공정 전에 별개의 폐수 흐름이 서로 혼합되어서는 안 되는 경우에 특히 유리할 수 있다. 각 세트에서, 상기 펌프는 처리할 폐수를 매니폴드로 전달하여 내부에 높은 압력을 생성한다. 상기 매니폴드(5)는 예를 들어 매니폴드에 연결된 노즐(6) 사이에 일반적으로 균등하게 폐수를 분배하도록 구성될 수 있다. 노즐 출구는 반응 도관(1)의 바닥 또는 베이스에 위치하고 있다. 이들은 반응 도관의 바닥 표면보다 실질적으로 위쪽으로 그리고 약간 위쪽으로 향하게 될 수 있다. 모든 주입 세트로부터의 노즐의 총 수는 예를 들어 3개 이상일 수 있고; 상기 노즐은 바닥에 있는 반응 도관의 단면적 전체에 고르게 분포될 수 있다.
예시된 장치에서, 폐수는 노즐(6)을 통해 반응 도관(1)의 바닥에 있는 반응기로 주입되어 각 노즐 내부의 표면적 상승 속도가 5-15m/s, 바람직하게는 10m/s 사이가 되도록 한다. 이것은 실질적으로 위쪽으로 향하는 많은 제트(jets)를 생성한다. 상기 제트는 반응 도관의 바닥에서 매우 난류를 생성한다. 노즐의 크기(또는 직경)는 노즐의 수와 폐수의 유량에 따라 달라지며 당업자에 의해 결정될 수 있다. 상기 노즐(6)은 일반적으로 원형 단면적을 갖지만 직사각형, 다각형 등일 수도 있다. 매니폴드에 들어가기 전에 폐수 스트림은 노즐 막힘을 방지하기 위하여 노즐의 크기(직경) 보다 큰 임의의 입자 물질을 분리하기 위해 선택적 스크린을 통과할 수 있다.
도시된 바와 같은 반응기는 연속적인 상향류 모드에서 작동한다. 작동 중에 반응기의 모든 부분은 폐수에서 추출되는 화합물의 결정으로 채워질 수 있다. 상기 반응기의 다양한 부분에는 다양한 크기의 결정이 포함되어 있다. 상술한 바와 같이, 처리 대상 폐수는 주입 노즐(6)을 통해 바닥에서 반응도관(1)으로 분사된다. 동시에, 침전제(또는 작용제)는 반응 도관(1) 바닥의 주입 노즐(6)에 매우 근접하여 주입될 수 있으며, 여기서 폐수와 즉시 혼합되어 다음의 화학적 과포화 조건을 생성한다.
상기 침전제는 일반적으로 폐수에서 추출된 물질의 용해도를 감소시키는 물질이다. 예를 들어, 추출된 물질이 스트루바이트인 경우 침전제는 알칼리, 마그네슘 염 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 작용제는 수직, 수평 또는 비스듬히 설치된 하나 이상의 입구 포트를 통해 주입될 수 있다. 상기 침전제는 예를 들어 액체 또는 슬러리일 수 있으며; 폐수에서 추출할 화합물에 대해 반응 도관에서 특정 수준의 과포화도를 유지하기 위해 계량 펌프, pH 조절기 등을 사용하여 제어된 방식으로 연속적으로 투여할 수 있다. 대안적으로, 과포화는 침전제(또는 작용제)의 추가 없이 생성될 수 있지만, 대신에 원하는 과포화를 달성하기 위해 각각의 폐수 스트림에 대해 설정된 별도의 주입 시스템을 사용하여 다양한 폐수 스트림을 함께 혼합함으로써 생성될 수 있다.
선택된 실시양태에서, pH 값은 반응기에서 제어될 수 있으며, 예를 들어 원하는 포화 지수를 달성하도록 유지된다. 유사하게, 반응기의 온도는 원하는 포화 지수를 달성하기 위해 다시 반응기의 온도를 설정하는 것을 고려하여 제어될 수 있다. 스트루바이트가 원하는 생성물인 선택된 실시양태에서, 반응기 pH는 예를 들어 7-10 사이가 되도록 제어될 수 있고, 예상 온도 범위는 예를 들어 10-40℃, 또는 대안적으로 최대 60℃일 것이다.
과포화는 반응기 내부의 결정 형성을 유발하고 결정의 성장 및 응집을 촉진한다. 상기 결정은 반응기의 모든 섹션에서 액체 상향류에 부유 상태로 유지된다. 결정이 형성되면서 액체 상에서 영양분이 추출된다. 조건은 비교적 작은 결정이 정화기(2)에서 아래쪽으로 가라앉고 정화된 폐수가 정화기의 상단 부분에서 흐르는 동안 반응 도관으로 돌아가도록 유지될 수 있고, 또한 조건은 유입 스트림에 원래 존재하는 현탁 고형물도 정화기의 상단 부분을 빠져나가도록 조건이 배열될 수 있다. 따라서 반응기 유출물은 상당히 감소된 양의 영양소를 함유하고 처리된 폐수 흐름을 나타낸다. 동시에, 결정은 반응 도관(1) 내부에서 응집되는데, 이는 놀랍게도 제트에 의해 생성된 난류에 의해 촉진되어 과립 또는 펠렛(예를 들어 일반적으로 구형일 수 있음)을 형성한다. 본 명세서의 실시예에 나타낸 바와 같이, 원하는 또는 선택된 크기로 성장한 펠릿이 반응 도관(1)의 바닥으로 가라앉은 다음, 펠릿 호퍼(3)로 더 내려가도록 조건이 배열될 수 있다는 것이 발견되었다.
펠릿 호퍼(3)는 원하는 크기를 아직 달성하지 못하여 반응기로부터 추출되도록 선택되지 않은 덩어리 및 결정("선택되지 않은" 침전물)으로부터 펠릿의 연속적인 분리를 용이하게 한다. 동시에, 반응 도관(1)에서 펠릿을 지속적으로 제거하면 공정에 잠재적으로 부정적인 영향을 줄 수 있는 도관 바닥의 결정 과잉 생성을 방지할 수 있다.
상기 펠릿의 분리는 용출의 원리를 통해 달성된다. 전술한 바와 같이, 반응 도관(1)의 바닥은 파이프 또는 채널(7)을 통해 펠릿 호퍼(3)의 상부에 연결되며, 이는 반응 도관 및 펠릿 호퍼의 단면적보다 작은 단면적을 가진 튜브일 수 있다. 상기 채널(7)의 단면적은 예를 들어 원형, 직사각형 또는 다각형일 수 있다. 액체의 상향류, 즉 상향 채널된 유체 흐름은 펠릿 침강 방향과 반대인 채널에서 생성된다. 상향 흐름은 더 큰 펠릿이 그 안에 가라앉거나 현탁될 수 있도록 유지되는 반면, 더 작은 펠릿 및 기타 결정은 상향 흐름과 함께 반응 도관으로 다시 운반된다. 더 큰 입자는 결국 펠릿 호퍼(3)로 가라앉아 호퍼가 채널(7)의 단면적보다 더 큰 단면적을 가지므로 더 이상 부유 상태를 유지하지 않으며, 따라서 상향류 속도는 더 이상 펠릿을 부유 상태로 유지할 만큼 충분히 높지 않다.
펠릿은 펠릿 호퍼(3)의 바닥에 있는 배출 밸브(9)를 동시에 개방하는 동시에 차단 밸브(8)를 사용하여 반응 도관으로부터 분리함으로써 펠릿 호퍼(3)로부터 주기적으로 배출된다. 상기 펠릿은 체에 남아 있는 펠릿을 통해 액체와 그 안의 현탁 고형물이 쉽게 배출되는 체에서 배출될 수 있다. 호퍼에서 펠릿을 내린(unloading) 후, 배출 밸브(9)가 닫히고 호퍼가 액체로 채워진 다음, 차단 밸브(8)가 다시 열려 펠릿의 다음 배치(batch)를 수집할 수 있다. 펠릿 호퍼(3)는 일반적으로 빈번한 배출의 필요성을 피하기 위해 대량의 벌크 펠릿을 수용할 수 있는 대용량을 가지고 있다. 체 위의 펠릿은 물로 세척하여 표면에서 임의의 불순물을 제거한 다음 공기 중에서, 저온의 오븐에서, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 수단에 의해 건조할 수 있다. 비료 펠릿은 추가 처리가 필요 없이 시장에 출시될 수 있는 최종 제품이다. 선택된 실시양태에서, 최종 비료 제품의 순도는 예를 들어 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90% 또는 95% 초과일 수 있다.
펠릿 호퍼(3)와 반응 도관(1)을 연결하는 채널(7)의 액체 상향류는 예를 들어 정화기(2)로부터의 반응기 유출물의 일부를 추가 펌프(10)를 사용하여 펠릿 호퍼로 펌핑함으로써 달성될 수 있다. 반응기 유출물을 사용하는 것은 모액에 펠릿을 유지함으로써 이의 용해를 방지할 뿐만 아니라 그 목적을 위해 추가의 외부 액체가 사용되는 경우 증가할 폐수의 부피를 일정하게 유지하는 이점이 있다. 채널(7)의 상향 흐름 속도의 제어는 특정 펠릿 크기를 선택적으로 분리하고 수확된 펠릿의 원하는 결정 크기 분포를 유지할 수 있다. 채널(7)을 통한 단면적 및 유속은 예를 들어 반응 도관(1) 내부의 원하는 유체역학 및 화학적 조건에 크게 영향을 미치지 않도록 선택될 수 있다. 유속은 예를 들어 반응 도관에서 총 유속의 약 10%로 유지될 수 있다.
본 공정의 일 측면에서, 상기 공정은 반응 도관(1)에서 추출된 화합물에 대해 특정하고 비교적 일정한 초기 과포화 수준을 유지하면서 수행된다. 이 작동 매개변수는 공정 효율성을 제어하는 데 유리하다. 과포화는 예를 들어 침전제(작용제)의 유속을 제어함으로써 유지될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 폐수 스트림이 장치에서 처리되는 실시양태에서, 과포화도는 예를 들어 폐수 스트림의 혼합 비율을 제어함으로써 유지될 수 있다.
여기서, 물질에 대한 액체의 과포화는 물질을 구성하는 이온 종의 활성 곱(product)과 물질의 열역학적 용해도 곱 사이의 비율의 공통 로그(logarithm)인 포화 지수 SI로 표현된다. 예를 들어, 스트루바이트(마그네슘 암모늄 포스페이트, MgNH4PO4·6H2O)의 경우 SI는 다음과 같이 표현된다.
여기서: {Mg2+}, {NH4 +}, {PO4 3-}은 각각 마그네슘, 암모늄 및 오르토포스페이트 이온의 활성이고; 및,
Ksp (struvite) 는 스트루바이트의 열역학적 용해도 곱이다.
포화 지수는 본 공정의 제어 시스템의 일부로 이 공식을 사용하여 결정할 수 있다. 관련 이온 종의 활성은 직접 측정하거나 표준 분석 방법을 사용하여 관련 이온 종의 측정된 농도에서 수학적으로 유도할 수 있다. 종의 활성 계수와 추출된 화합물의 용해도 곱은 널리 이용 가능한 문헌 출처에서 얻을 수 있다.
추출된 화합물에 대한 반응 도관(1)의 바닥에서의 초기 포화 지수 SI는 예를 들어 2.0-3.0의 범위, 선택적으로 2.5로 유지될 수 있다. 반응 도관에서 높은 난류와 함께 이 포화 지수는 놀랍게도 높은 비율의 결정핵 생성을 일으키는 것으로 밝혀졌다. 동시에, 놀랍도록 높은 결정 응집 속도를 제공하여 새로 형성된 작은 결정이 더 큰 과립(펠렛)으로 빠르게 응집될 수 있다. 결정 응집 속도가 결정 형성 속도보다 높거나 같은 조건을 설정하고 유지함으로써 작은 결정의 수를 감소시키고 더 큰 응집체의 수와 크기를 증가시킬 수 있다. 이것은 반응기 내에서 결정 크기 분포와 개채군 밀도의 제어를 허용하고, 결국 추출된 화합물의 큰 과립의 신속한 형성을 가능하게 한다. 이에 더하여, 반응 도관(1)의 특정 유체역학적 및 화학적 조건은 폐수 스트림에 존재하는 다른 현탁 고형물보다는 서로에 대한 결정의 친화도를 촉진하도록 선택될 수 있음이 밝혀졌다. 이것은 폐수의 고체 불순물에 의한 오염이 비교적 없는 고순도 추출된 화합물을 생성하는 것으로 나타났다. 선택된 실시양태에서, 본 발명의 방법은 회수된 비료 생성물의 품질을 실질적으로 손상시키지 않으면서 총 현탁 고형물의 2%만큼 높은 액체 스트림을 처리할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
상기 포화 지수를 갖는 방법의 실행은 폐수 스트림이 반응기를 떠나기 전에 화학 반응이 실질적으로 완료되도록 함으로써 반응기 유출물에 비교적 낮은 잔류 농도의 영양소를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 일부 구현에서는, 반응 도관(1)에서 반응이 발생하면 포화 지수가 0.1-1.0 수준으로 급격히 감소한다. 따라서 이는 새로운 결정의 형성을 방해하고 대신 기존 결정의 성장을 촉진할 수 있다. 이 조건은 반응 도관의 상부 섹션에서 발생하도록 조정될 수 있다. 특히, 큰 펠릿은 일반적으로 반응 도관의 바닥으로 가라앉는 반면 훨씬 작은 결정의 일부는 그 부피 전체에 걸쳐 현탁된 상태로 남아 있도록 조건이 제공될 수 있음이 밝혀졌다. 결정이 더 이상 상향류에 의해 부유 상태로 남아 있지 않을 정도로 충분히 커지자 마자 반응 도관의 바닥 부분으로 침전되어 펠릿으로 응집된다.
선택된 실시양태에서, 작은 결정 및 중간 결정의 침강을 용이하게 하기 위해, 반응 도관(1)의 표면 상향 유속은 예를 들어 20-80 cm/min, 또는 약 50 cm/min 사이에서 유지될 수 있다. 반응 도관의 수압 체류 시간은 예를 들어 1-10분, 또는 2-5분 사이에서 유지될 수 있으며, 여기서 이러한 조건은 화학 반응이 실질적으로 완료되기에 충분한 시간을 제공한다. 반응 도관(1)의 물리적 치수는 이러한 요구 사항을 기반으로 설계될 수 있다.
반응 도관(1)에 남아 있기에는 너무 작은 결정과 원래 폐수에 존재하는 현탁 고형물은 정화기(2)로 상향 흐름에 의해 운반된다. 예시된 실시예에서, 정화기는 그 안에 있는 유체, 즉 상향 정화된 유체 흐름의 상향류 속도를 점진적으로 감소시키는 점진적으로 증가하는 단면적을 갖는다. 그 결과, 예를 들어, 선택된 실시양태에서 50 마이크론만큼 작은 결정은 유출물과 함께 추출된 화합물의 실질적인 손실 없이 반응기 내부에 유지될 수 있다. 정화기(2) 내부의 결정을 유지하기 위해 정화기 상단의 표면 상향 유속은 예를 들어 1-5 cm/min, 선택적으로 약 2 cm/min으로 유지될 수 있다. 선택된 실시양태에서 정화기 절두체의 경사각은 예를 들어 45-85°, 선택적으로 60-70°일 수 있다. 정화기(2)의 물리적 치수는 예를 들어 이러한 요구 사항을 기반으로 설계될 수 있다. 예시된 실시예에서, 정화기의 절두체 형태는 흐름 반대편의 정화기에서 침전되는 벌크 결정과 함께 정화기와 반응 도관(1) 사이의 부착 지점에서 약간의 난류를 생성한다. 이것은 새로운 결정을 생성하는 것보다 기존 결정의 성장을 촉진하는 역할을 추가로 할 수 있다. 앞의 조건을 실행하여, 정화기(2)는 작은 결정의 부유층을 포함하도록 만들어질 수 있다. 이 층은 반응 도관(1)과 결정을 지속적으로 교환하기 때문에 일반적으로 동적이다. 충분히 크게 성장한 결정은 가라앉는 반면 새로 형성된 미세 결정의 일부는 흐름과 함께 운반된다. 결과적으로, 베드는 미세한 결정을 잡아 반응기에서 빠져나가는 것을 방지하는 "필터" 역할을 한다. 동시에 폐수 흐름에 원래 존재하는 현탁 고형물은 일반적으로 결정보다 훨씬 작은 크기와 낮은 밀도를 갖는다. 결과적으로, 그들은 베드를 자유롭게 통과할 수 있고, 유출 흐름에 의해 정화기에서 멀리 운반되어 정화기(2)에 축적되는 것을 방지한다. 베드의 일정한 부피는 초기 포화 지수와 반응 도관 바닥의 유체 역학 조건에 의해 제어될 수 있다. 작동 매개변수에 대한 정밀한 제어는 베드가 범람하고 유출물과 함께 미세한 결정이 손실되는 것을 방지한다. 침전된 결정의 재부유를 최소화하기 위해 넓은 표면적에 걸쳐 유출물을 균일하게 분포시키기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 정화기의 상단에는 선택적으로 오버플로 위어(11)가 있을 수 있다. 반응기의 유출물은 반응기 정화기의 재킷으로 설계된 외부 정화기(12)로 넘칠 것이다. 재킷(12)은 유출물과 함께 미세 결정의 손실을 더욱 최소화할 수 있다.
실시예
예시된 공정은 도 2에 도시된 바와 같은 장치에서 수행되었다. 처리될 폐수 스트림은 고형 분리 공정을 거친 혐기성으로 소화된 닭 분뇨(manure)였다. 폐수는 평균적으로 다음과 같은 특성을 가졌다: 총 부유 고형물 - 2.0%; pH - 8.4; 전도도 - 18 mS/cm; 알칼리도 - CaCO3로서 30,000 mg/L; 가용성 오르토인산염 P-PO4 - 205 mg/L; 가용성 암모니아 질소 N-NH3 - 5050 mg/L; 가용성 마그네슘 Mg - 5 mg/L; 가용성 칼슘 Ca - 50 mg/L. 폐수는 200 m3/day의 평균 유속으로 펌프에 의해 저장 탱크에서 매니폴드로 연속적으로 펌핑되었다. 매니폴드에 들어가기 전에 폐수는 5 mm 구멍이 있는 스크린을 통과한다. 매니폴드의 차압은 0.1 MPa로 유지된다. 매니폴드는 4개의 동일한 원형 노즐 사이에서 폐수를 분배한다. 각 노즐 내부의 표면적 상승 속도는 9 m/s로 유지되었다.
폐수는 반응 도관의 바닥에 주입되는 침전제와 즉시 혼합되는 원통형 반응 도관으로 들어간다. 상기 침전제는 수용성 마그네슘 염의 농축 용액입니다. 상기 염 용액은 반응 도관에서 가용성 마그네슘과 가용성 오르토포스페이트 사이의 약 1의 몰비를 제공하는 제어된 방식으로 계량 펌프에 의해 연속적으로 투여된다. 일단 작용제가 폐수와 혼합되면 마그네슘, 암모니아 및 오르토인산염 사이의 반응은 본질적으로 즉시 일어나고 반응 도관에서 스트루바이트 결정이 형성된다. 반응 도관에서 스트루바이트의 초기 포화 지수는 약 2.3이다. 반응 도관의 표면적 상승 속도는 47 cm/min이었다. 반응 도관 상단의 pH 값은 약 8.3의 값을 나타내는 pH 측정기로 모니터링되었다. 정화기 상단의 표면 상승 속도는 5cm/분이었다. 정화조에는 오버플로 위어와 재킷이 있었다. 처리된 폐수(용출액)는 재킷으로 넘쳐 재킷에 설치된 포트를 통해 반응기를 떠난다.
유출물의 평균 농도는 다음과 같다: 가용성 오르토포스페이트 P-PO4 - 22 mg/L; 가용성 암모니아 질소 N-NH3 - 4800 mg/L; 가용성 마그네슘 Mg - 14 mg/L; 가용성 칼슘 Ca - 48 mg/L. 따라서 가용성 오르토포스페이트의 제거 효율은 89%였다. 재킷에서 나오는 용출액의 일부는 추가 펌프에 의해 23 m3/day의 유속으로 펠릿 호퍼로 펌핑된다. 반응 도관에서 형성된 스트루바이트의 펠릿은 수직 파이프를 통해 펠릿 호퍼로 지속적으로 침전된다. 파이프의 표면 상승 속도는 415 cm/min으로 유지되었다. 이 상향류 속도는 반응 도관의 나머지 결정으로부터 크기가 1mm보다 큰 스트루바이트 펠릿의 분리를 가능하게 했다. 반응 도관과 펠릿 호퍼 사이의 차단 밸브를 닫고 펠릿 호퍼의 바닥에서 배출 밸브를 개방하여 2일마다 펠릿 호퍼에서 펠릿을 배출시켰다. 액체와 함께 펠릿을 바닥에 체가 있는 용기에 배출하였다. 체 개구 크기는 0.5 mm였다. 스트루바이트 펠릿이 그 위에 남아 있는 동안 액체는 체를 통해 배출되었다. 그런 다음 펠릿을 깨끗한 물로 헹구고 야외에서 건조하였다. 각 수확으로 추출된 건조 스트루바이트 결정의 무게는 약 500 kg였다. 스트루바이트 펠릿 크기는 1-2 mm 범위였다. 스트루바이트 제품의 순도는 약 96%이다.
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본 명세서에서 참고문헌의 인용은 그러한 참고문헌이 본 발명에 대한 선행 기술임을 인정하는 것이 아니다. 본 명세서에 인용된 특허 및 특허 출원을 포함하되 이에 국한되지 않는 임의의 우선권 문서(들) 및 모든 간행물과 이러한 문서 및 간행물에 인용된 모든 문서들은 각각의 개별 간행물이 여기에 참조로 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 표시된 것처럼 그리고 마치 여기에 완전히 설명된 것처럼 참조로 여기에 포함된다. 본 발명의 다양한 실시예가 본원에 개시되어 있지만, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자의 일반적인 일반 지식에 따라 본 발명의 범위 내에서 많은 적응 및 수정이 이루어질 수 있다. 이러한 수정은 실질적으로 동일한 방식으로 동일한 결과를 달성하기 위해 본 발명의 임의의 측면에 대해 공지된 등가물을 대체하는 것을 포함한다. "예시적인" 또는 "예시된"과 같은 용어는 본 명세서에서 "예시, 사례 또는 실예로 제공되는"을 의미하는 데 사용된다. 따라서 본 명세서에서 "예시적인" 또는 "예시된"으로 설명된 임의의 구현은 다른 구현에 비해 반드시 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어서는 안되며, 이러한 모든 구현은 독립적인 실시예이다. 달리 명시되지 않는 한, 숫자 범위는 범위를 정의하는 숫자를 포함하며 숫자는 반드시 주어진 소수에 대한 근사값이다. 본 명세서에서 "포함하는(함유하는)"이라는 단어는 "포함하지만 이에 제한되지 않는" 구와 실질적으로 동등한 개방형 용어로 사용되며, "포함하다"라는 단어는 상응하는 의미를 갖는다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다. 따라서 예를 들어 "사물"에 대한 언급은 그러한 것을 하나 이상 포함한다. 본 발명은 실시예 및 도면을 참조하여 실질적으로 전술한 바와 같은 모든 실시예 및 변형을 포함한다.
Claims (27)
- 하기 단계를 포함하는, 수성 유입 스트림으로부터 용해된 질소(nitrogen) 및/또는 용해된 인(phosphorous) 및/또는 용해된 칼륨(potassium) 종을 포함하는 용해된 종(species)을 제거하는 방법:
상기 수성 유입 스트림을 복수의 반응기 유입 스트림으로 분리하고, 반응 도관(reaction conduit)에서 난류 상향 흐름을 생성하기 위해서 상기 복수의 반응기 유입 스트림을 반응기 용기 내의 반응 도관 세그먼트(segment)의 베이스 내로 상향 유도하는 단계;
상기 용해된 종과 반응하는 침전제(precipitating agent)의 반응 생성물의 과포화(supersaturated) 농도를 제공하기 위해서 상기 반응 도관에서 유지되는 조건 하에 반응 도관의 베이스에 침전제를 주입하고, 상기 반응 생성물에 대해 2 이상의 포화 지수(saturation index)를 제공하는 단계로서, 상기 반응 생성물은 상향 반응 도관 유체 흐름에 동반된 고체 침전물 종(precipitant species)을 형성하는 단계;
상기 상향 반응 도관 유체 흐름을 상기 반응기의 인접한 정화기(clarifier) 세그먼트로 향하게 하고, 상기 반응기의 정화기 세그먼트는 상향 반응 도관 유체 흐름의 상향 유속(flow rate)을 감소시키도록 치수가 지정되고(dimensioned), 정화된 배출 유체 흐름이 상기 반응기의 정화기 세그먼트 밖으로 계속해서 상향으로 흐르는 동안 동반된 고체 침전물 종이 상기 반응기의 정화기 세그먼트에서 하강하여 상기 반응 도관으로 되돌아갈 수 있도록 하기 위해서 상기 정화기에서 상향 정화된 유체 유속을 유지하는 단계;
난류 상향 반응 도관 유체 흐름의 존재 하에 응집된 과립(agglomerated granules)이 상기 반응 도관의 베이스를 향해 침전(settle)되도록 하기에 충분한 크기 및 밀도의 응집된 과립을 형성하기 위하여 침전물 종의 점진적 응집을 허용하도록 상기 반응기의 조건을 유지하는 단계; 및
상기 반응 도관의 베이스와 유체 연통하는(fluid communication) 채널을 통해 상향 채널 유체 흐름을 주입하는 단계로서, 상기 채널은 선택되지 않은 침전물 종을 상기 반응 도관 상향으로 되돌리는 동안 선택된 크기 및 밀도의 응집된 과립이 채널을 통해 하강할 수 있도록 하기 위해서 상기 상향 채널된 유체 흐름의 계량(metering)을 허용하도록 치수가 지정되고, 이에 의해 침전된 부피의 크기별(sized) 고체 과립 생성물을 수용할 수 있는 크기의 인접한 펠릿 호퍼로 상기 채널을 통해 하강하는 용출에 의해 크기별 고체 과립 생성물을 분리하는 단계.
- 제1항에 있어서, 채널의 상향 채널 유체 흐름을 주기적으로 제한하고 호퍼의 내용물(contents)을 하향 방출하여 목적 고체 과립 생성물을 수집하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 정화된 유체 흐름의 일부를 정화기로부터 호퍼로 재순환시켜 채널을 통한 상향 채널 유체 흐름을 매개하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 채널의 상향 채널 유체 흐름을 매개하는 호퍼에 상향 호퍼 유체 흐름을 제공하고, 상기 상향 호퍼 유체 흐름이 상향 채널 유체 흐름보다 적도록 상기 호퍼의 크기를 조정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 도관과 유체 연통하는 매니폴드에서 상기 수성 유입 스트림을 상기 복수의 반응기 유입 스트림으로 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침전제가 알칼리, 마그네슘 염, MgCl2, MgSO4, MgO, Mg(OH)2, 마그네사이트(magnesite), 브루사이트(brucite), 연소 바닥재(combustion bottom ash) 또는 플라이 애시(fly ash)를 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목적 고체 과립 생성물이 스트루바이트(struvite), K-스트루바이트, 칼슘 암모늄 포스페이트 CaNH4PO4, 및/또는 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite) Ca5(PO4)3(OH), 브루사이트 CaHPO4·2H2O, 뉴베리아이트(newberyite) MgHPO4·3H2O, 및/또는 마그네슘 포스페이트 Mg3(PO4)2 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 스트림이 최대 1 중량%, 2 중량%, 3 중량%, 4 중량% 또는 5 중량%의 현탁 고형물(suspended solids)을 포함하고, 선택적으로 상기 유입 스트림에서 현탁 고형물의 50-95%가 반응기를 통해 정화된 배출 유체 흐름으로 통과하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널이 평균 채널 단면적(cross-sectional area) C Xarea를 갖고, 상기 펠릿 호퍼가 평균 펠릿 호퍼 단면적 PH Xarea를 갖고, 상기 반응 도관이 평균 도관 단면적 RC Xarea를 갖고, 여기서 C Xarea < PH Xarea 이고, C Xarea < RC Xarea 인 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크기 고정된 고체 과립 생성물을 체(sieve)에 수집하는 단계; 선택적으로 상기 체에 크기 고정된 고체 과립 생성물을 추가로 세척하는 단계; 선택적으로 상기 체에 크기 고정된 고체 과립 생성물을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 목적 고체 과립 생성물의 순도가 70%, 75%, 80%, 90% 또는 95% 이상인 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상향 채널 유체 유속이 상기 상향 반응 도관 유체 유속의 약 10%, 선택적으로 5% 내지 50% 범위로 유지되는 것인 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 생성물에 대한 상기 반응 도관의 베이스에서 초기 포화 지수 SI가 2.0 내지 3.0의 범위, 선택적으로 약 2.5로 유지되는 것인 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상향 반응 도관 유체 유속이 20 내지 80 cm/min, 선택적으로 약 50 cm/min으로 유지되는 것인 방법.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 도관에서 수력학적(hydraulic) 체류 시간이 1 내지 10분, 선택적으로 2 내지 5분으로 유지되는 것인 방법.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상향 정화된 유체 유속이 약 1 내지 5 cm/min, 선택적으로 약 2 cm/min으로 유지되는 것인 방법.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정화기가 절두체형(frustum shaped) 정화기이고, 선택적으로 상기 절두체형 정화기가 약 45 내지 85°, 선택적으로 약 60 내지 70°의 경사각을 갖는 경사 벽을 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정화된 배출 유체 흐름을 제공하기 위해 수성 유입 스트림으로부터 하나 이상의 용해된 종의 제거가 60%, 70%, 80% 또는 89% 이상인 방법.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크기별 고체 과립 생성물이 평균 생성물 크기를 갖고, 상기 평균 생성물 크기가 약 1 내지 2 mm인 방법.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크기별 고체 과립 생성물이 약 60%, 70%, 80%, 90% 또는 96% 이상의 생성물 순도를 갖는 것인 방법.
- 다음을 포함하는, 수성 유입 스트림으로부터 용해된 질소(nitrogen) 및/또는 용해된 인(phosphorous) 및/또는 용해된 칼륨(potassium) 종을 포함하는 용해된 종(species)을 제거하도록 작동가능한 반응기 시스템:
상기 수성 유입 스트림을 복수의 반응기 유입 스트림으로 분리하고, 반응 도관(reaction conduit)에서 난류 상향 흐름을 생성하기 위해서 상기 복수의 반응기 유입 스트림을 매니폴드와 유체 연통하는(fluid communication) 반응기 용기 내의 반응 도관 세그먼트(segment)의 베이스 내로 상향으로 유도하는 매니폴드(manifold);
용해된 종과 반응하는 침전제(precipitating agent)의 반응 생성물의 과포화(supersaturated) 농도를 제공하기 위해서 상기 반응 도관의 조건을 유지하도록 구성된 반응기 시스템 제어장치(controls)의 제어 하에 반응 도관의 베이스에 침전제를 주입하고, 상기 반응 생성물은 상향 반응 도관 유체 흐름에 동반된 고체 침전물 종을 형성하는, 반응 도관의 베이스와 유체 소통하는 침전제 입구 포트;
반응 세그먼트로부터 정화기로 향하는 상향 반응 도관 유체 흐름의 상향 유속을 감소시키기 위해서 반응기의 정화기 세그먼트는 반응 세그먼트에 대해 치수가 지정되고, 정화된 배출 유체 흐름이 상기 반응기의 정화기 세그먼트 밖으로 계속해서 상향으로 흐르는 동안 동반된 고체 침전물 종이 상기 반응기의 정화기 세그먼터에서 하강하고 상기 반응 도관으로 되돌아갈 수 있도록 하기 위해서 정화기 시스템 제어장치의 제어 하에 상기 정화기에서 상향 정화된 유체 유속을 유지하도록 작동 가능한, 반응 세그먼트와 위쪽으로 인접한 반응기의 정화기 세그먼트;
여기서 상기 반응기 시스템 제어장치는 난류 상향 반응 도관 유체 흐름의 존재 하에 응집된 과립이 상기 반응 도관의 베이스를 향해 침전되도록 하기에 충분한 크기 및 밀도의 응집된 과립을 형성하기 위하여 침전물 종의 점진적 응집을 허용하도록 반응기의 조건을 유지하도록 작동 가능하고;
채널을 통해 상기 반응 도관의 베이스로 상향 채널된 유체 흐름을 제공하는 채널 유체 소스를 갖는 반응 도관의 베이스와 유체 연통하는 채널로서, 상기 채널은 선택되지 않은 침전물 종을 반응 도관으로 상향으로 되돌리는 동안 선택된 크기 및 밀도의 응집된 과립이 채널을 통해 하강할 수 있도록 하기 위해서 상기 상향 채널된 유체 흐름의 계량(metering)을 허용하도록 치수가 지정되고, 이에 의해 침전된 부피의 크기별(sized) 고체 과립 생성물을 수용할 수 있는 크기의 인접한 펠릿 호퍼로 상기 채널을 통해 하강하는 용출에 의해 크기별 고체 과립 생성물을 분리함.
- 제21항에 있어서, 가압된(pressurized) 수성 유입 스트림을 제공하기 위하여 매니폴드의 상류에 흡기 펌프(intake pump)를 추가로 포함하는 반응기 시스템.
- 제21항 또는 제22항에 있어서, 정화된 배출 유체 흐름을 수집하도록 구성된 정화기 상의 재킷(jacket)을 추가로 포함하는 반응기 시스템.
- 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 반응기 유입 스트림을 반응 도관의 베이스 내로 상향으로 향하게 하는 주입 노즐을 추가로 포함하고; 선택적으로 상기 주입 노즐은 반응 도관의 바닥 부분 위로 상승되고; 선택적으로 2, 3, 4, 5 또는 6 이상의 주입 노즐이 있으며; 선택적으로 상기 주입 노즐은 일반적으로 반응 도관의 베이스에서 단면적 전체에 걸쳐 균일하게 분포되고; 선택적으로 5 내지 15 m/s, 또는 약 10 m/s의 표면적 상승 속도(superficial upflow velocity)가 각 노즐 내부에 제공되는 반응기 시스템.
- 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수성 유입 스트림이 상기 매니폴드에 들어가기 전에 수성 유입 스트림에 위치된 스크린(screen)을 추가로 포함하고; 선택적으로, 상기 스크린은 상기 주입 노즐의 직경보다 작은 메쉬를 갖는 반응기 시스템.
- 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침전제는 상기 주입 노즐에 매우 근접하여 투여되는 반응기 시스템.
- 제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는데 사용하기 위한 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
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