KR20220157390A - 외부 분리기를 포함하는 입상 슬러지 리액터 시스템 - Google Patents

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KR20220157390A
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산티에고 파치코-루이즈
헨드릭 리차드 파울 라 보스
씨에리 알폰스 아르나우드
제로니무스 제라더스 마리아 반 더 루베
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베올리아 워터 솔루션즈 앤드 테크놀러지스 써포트
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Abstract

본 발명은 바이오매스를 포함하는 슬러지 베드를 담고 있는 상향류 바이오리액터, 외부 분리기 및 컨디셔닝 탱크를 포함하는 설비에서 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 처리하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은: 컨디셔닝 탱크에서 유체를 처리하는 단계; 처리된 유체를 바이오리액터의 아랫 부분으로 공급하고 바이오가스를 형성하는 단계; 바이오리액터의 윗 부분으로부터 유체를 회수하는 단계로서, 회수된 유체는 바이오매스를 포함하는 것인, 상기 윗 부분으로부터 유체를 회수하는 단계; 바이오리액터의 윗 부분으로부터 회수된 수성 유체를 외부 분리기로 공급하는 단계로서, 바이오매스를 포함하는 수성 유체는 액체상과 바이오매스가 풍부한 유체상으로 분리되는 것인, 상기 단계; 바이오매스가 풍부한 상기 유체상을 외부 분리기로부터 바이오리액터로 돌려보내는 단계; 및 상기 액체상의 일부를 컨디셔닝 탱크로 돌려보내는 단계를 포함한다.

Description

외부 분리기를 포함하는 입상 슬러지 리액터 시스템
본 발명은 바이오리액터(bioreactor)를 포함하는 설비에서 바이오가스를 생산하는 수성 유체 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 방법을 수행하기에 적합한 설비에 관한 것이다.
폐수와 같은 수성 유체의 생물학적 처리는 활성 바이오매스(박테리아 및/또는 고세균(archaea)과 같은 미생물)를 사용하여 오염 물질(유기 물질)을 무해한 성분으로 변환한다.
기본적으로 두 가지 유형의 프로세스가 존재한다. (무산소) 소위 혐기성 처리의 경우, 혐기성 미생물의 컨소시엄이 오염 물질을 실질적으로 바이오가스로 변환한다.
호기성 처리에서, 오염 물질은 처리된 폐수로부터 분리되어 별도로 처리되어야 하는 새로운 미생물(잉여 슬러지)로 크게 확장되기 위해 호기성(산소 포함) 조건에서 감소된다.
혐기성 슬러지 베드 리액터 시스템은 혐기성 미생물을 사용하여 수성 유체 내의 오염 물질을 바이오가스로 변환한다. 이러한 혐기성 박테리아는 주로 입상 바이오매스(granular biomass)라 불리는 집합체로 성장한다. 이 시스템은 종종 관련된 혐기성 미생물의 낮은 순 생산량의 결과로서 낮은 순 바이오매스 생산(일반적으로 변환된 COD의 2-4%)을 특징으로 한다.
이것은 폐수 처리 시스템에서 만들어진 과도한 바이오매스는 상당한 비용을 들여 고형 폐기물로 처리되어야 하기 때문에 한편으로 큰 이점이지만, 다른 한편으로는 처리 시스템(리액터) 내에 충분한 활성 생물학적 슬러지를 유지/보유하는데 민감한 양태를 만든다.
혐기성 처리 리액터 내에 바이오매스를 유지하는 방법은 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 고정 또는 이동식 캐리어 상에 바이오매스를 고정시키는 것이 액체 체류 시간과 바이오매스 체류 시간을 분리하는 한 가지 방법이다. 그러나, 더 좋고 바람직한 방법은 상향류 혐기성 슬러지 블랭킷(UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 리액터, 입상 슬러지 베드(Granular Sludge Bed) 리액터 및 IC 리액터에 적용되는 주로 과립화된 바이오매스를 사용하는 것이다(예컨대, WO 2007/078195, 프랭킨 알.제이. (2001). 산업 폐수의 혐기성 처리에 대한 풀 스케일 경험. 와트 싸이. 테크, 44(8), 1-6) 참조).
확장 입상 슬러지 베드(EGSB: Expanded Granular Sludge Bed) 리액터와 같은 입상 슬러지 베드(GSB) 리액터는 예를 들어 식품 가공 및 음료 산업, 증류소, 제약 산업 및 펄프 및 제지 공장의 폐수 처리에 일반적으로 사용되는 리액터이다. 이러한 폐수는 일반적으로 물이 재사용되거나 폐기되기 전에 제거되어야 하는 많은 양의 유기 오염 물질을 포함한다.
일반적인 (E)GSB 리액터에서, 폐수는 상향류 바이오리액터의 아랫 부분으로 유입된다. 그 후, 물은 폐수 내에 존재하는 유기 폐기물을 분해하는 미생물을 포함하는 입상 슬러지 베드를 통해 상방으로 흐르고, 그로 인해 바이오가스(특히 메탄 및 이산화탄소)가 형성되며, 결과적으로 이 메탄은 예를 들어 에너지를 제공하기 위한 녹색 에너지원으로 사용될 수 있다. 고속 혐기성 리액터(확장 입상 슬러지 베드)의 효율성은 우수한 슬러지 베드 팽창, 액체 난류 및 높은 유속에 크게 의존하는데, 이는 이들이 우수한 물질 전달, 막힘 및 단락의 감소를 촉진하기 때문이다(반 리에르, 제이.비., 반 데르 지, 에프.피. 프리지터스, 엠.이. 에르사힌, 레브 엔바이론 싸이. 바이오체크놀. 2015, 14(4), 681-702 참조).
효율적인 프로세스의 핵심은 바이오매스(입상), 물(유출물) 및 바이오가스를 효율적으로 분리하는 것, 즉, 입상 바이오매스의 순 성장을 달성하기 위해 시스템 내의 바이오매스를 유지하면서 폐수 및 바이오가스를 제거할 수 있는 것이다. EGSB 리액터와 같은 GSB 리액터에서 액체, 고체 및 기체상의 우수한 분리에 영향을 미치는 몇 가지 파라미터가 존재한다.
당업자가 알고 있는 바와 같이, 이러한 효율적인 분리를 달성하기 위한 한 가지 중요한 파라미터는 바이오매스의 침전 거동(settling behavior)이다. 상을 효율적으로 분리하려면 과립의 우수한 침전 거동이 필요하다. 과립의 침전은 리액터 내부의 수력학 또는 유체 역학(액체 및 기체) 및/또는 리액터 내부의 3상 분리 장치의 존재 및 디자인과 같은 여러 요인(난류 및 층류, 난류 및 상향류 속도)에 의해 영향을 받는다. 또한, 침전 거동은 바이오매스 함량 및/또는 미네랄 분율(fraction)과 같은 슬러지 과립의 조성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 높은 비활성 분율을 갖는 슬러지 과립(생분해성이 아닌 물질)은 더 빨리 침전될 수 있지만, 그것의 분해 활성은 더 낮을 수 있고, 또는 분해 활성이 없을 수도 있다. 따라서, 비활성 슬러지 과립은 바이오가스 생산 및/또는 흐름 재순환의 결과로서 팽창 및/또는 재순환될 수 없다는 위험을 갖는다. 따라서, 기존 시스템에서, 이들은 리액터 바닥에 잔류하려는 경향이 있고, 그로 인해 슬러지 추출 포트를 막고 작동에 큰 문제를 야기한다.
게다가, 과립의 침전 거동은 과립 내부의 가스 존재에 의해 영향을 받는다. 리액터 바닥에 위치한 바이오매스는 GSB 시스템, 특히 EGSB 시스템이 가질 수 있는 높은 높이(일반적으로 15m 내지 25m)로 인해 리액터 상단의 압력보다 더 높은 압력 및 결과적으로 일반적으로 1.5-2.5 bar인 물기둥에 의해 야기되는 압력을 받는다. 따라서, 리액터 바닥의 과립 내부의 가스는 압축되어, 과립의 밀도가 높아지고 그에 따라 과립이 더 빨리 침전한다.
둘째, 침전기와 같은 분리 장치는 서로 다른 상들의 개선된 분리를 달성하여 폐수 처리 프로세스의 전반적인 효율성을 향상시키는데 유용한 도구이다.
상들의 효율적인 분리는 예를 들어 (고형물을 아래쪽으로 밀어냄으로써) 바이오매스의 침전을 돕는, 리액터 내부에 특정 흐름을 생성함으로써 더욱 향상될 수 있다. 이러한 흐름은 내부 침전기 내의 경사진 판과 같은 분리 시스템에 의해 유도될 수 있고, 또는 난류를 생성하는 물 내의 이산화탄소의 용해도에 의해 유발될 수 있고, 또는 밀도 차이로 인한 상들의 단순한 이동(예컨대, 슬러지는 중력에 의해 아래쪽으로 이동하는 경향이 있는 반면, 바이오가스는 위쪽으로 흐른다)으로 인해 유도될 수 있다.
EGSB 리액터의 일 예는 WO 2007/078195에 기재되어 있다. 또한, 'BIOTHINE Biobed Advanced EGSB'가 알려져 있다. 이 리액터는 바이오리액터 내에 3상 분리기를 가지며, 컨디셔닝 탱크를 추가로 포함한다. 바이오리액터의 윗 부분에 경사진 판 침전기(TPS)가 존재하여, 폐수 및 바이오매스로부터 바이오가스를 분리하는데 도움을 준다. 경사진 판 침전기의 아랫 부분에, 판 상단 부분에 대한 경사판 아래의 압력 차이로 인해 매머드 흐름 효과(mammoth flow effect)가 생성되어 바이오가스를 더 잘 분리할 수 있게 해주고 침전된 바이오매스를 아래쪽으로 향하게 한다.
EP 0 493 727은 선택적으로 외부 분리 장치, 바람직하게는 사이클론(cyclone)을 갖는 연속 기계적 및 혐기성 생물학적 정제를 위한 리액터에 관한 것이다. 이 리액터의 아랫 부분은 고형물의 통과를 방지하면서 액체의 통과를 허용하는 천공을 갖는 바닥을 갖는 리액터로부터 분리된 침전 구역을 포함한다.
이 시스템의 단점은 슬러지가 유입 라인 아래에 침전되어 폐수와 슬러지 사이의 상호 작용이 최적이 아니게 되므로 시스템의 효율이 감소한다는 점이다.
WO2012/005592는 더 높은 압력에서 분리가 일어나기 때문에 바이오매스가 액체 유출물로부터 더 높은 효율로 분리되는 바이오리액터의 바닥에 배치된 제2 침전기를 갖는 리액터를 설계함으로써, 이러한 문제를 극복하는 것을 목표로 한다. 리액터 윗 부분에 위치하는 경사진 판 침전기에서 바이오가스로부터 분리된 유체는 외부 분리기 공급 도관을 통해 이 제2 침전기로 운반된다. 본 발명자들은 이 시스템의 단점이 다음을 포함한다는 것을 알게 되었다:
- 특히 시동 중과 같이 바이오가스 생산이 낮거나 부족한 경우에 리액터 내의 재순환에 대한 적절한 제어의 부족.
- 바이오리액터의 바닥에 배치된 제2 침전기가 막힐 가능성이 매우 높다는 것.
- 유지 보수를 위한 이러한 분리 챔버에 대한 접근성이 부족함. 유지 보수를 수행하려면 리액터를 완전히 비워야 함.
- 바이오가스 생산이 없을 때(시동 시) 작동의 어려움.
본 발명자들은 놀랍게도 리액터 내부에 위치하는 제2 침전기를 가지지 않음으로써 이러한 단점을 극복하는 수성 유체를 처리하기 위한 매우 효율적인 프로세스를 갖는 방법을 발견하였다. 그 대신, 일반적으로 바이오리액터의 상류에서 생분해성 물질을 포함하는 수성 유체를 처리하도록 구성된 컨디셔닝 탱크로의 리턴 라인 이전에, 바이오리액터 외부에 외부 분리 챔버가 제공된다. 그러나, 특정 실시예에서, 본 발명에 따른 설비 또는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 장치에는 이러한 컨디셔닝 탱크가 없을 수 있다.
따라서, 본 발명은 바이오매스를 포함하는 슬러지 베드를 포함하는 상향류 바이오리액터(1) 및 외부 분리기(2)를 포함하는 설비에서 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 처리하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은:
- 수성 유체를 바이오리액터의 아랫 부분 내로 공급하고, 공급된 유체를 바이오매스와 접촉시켜 생분해성 유기 물질로부터 바이오가스를 형성하는 단계;
- 바이오리액터의 윗 부분으로부터 바이오매스와 접촉한 유체를 회수하는 단계로서, 회수된 유체는 바이오매스를 포함하는 것인, 상기 유체를 회수하는 단계; 및
- 바이오리액터의 윗 부분으로부터 회수된 바이오매스를 포함하는 유체를 바람직하게는 경사진 내부구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기(2)로 공급하는 단계를 포함하고, 상기 바이오매스를 포함하는 유체는 감소된 바이오매스 함량을 갖거나 바이오매스를 본질적으로 포함하지 않는 액체상 및 바이오매스가 풍부한 유체상으로 분리된다. 외부 분리기(2)로부터의 바이오매스가 풍부한 유체상은 외부 분리기의 하류에서 밀도 감소된다. 이 밀도 감소는 유체상의 리프팅 효과를 제공하여 유체 흐름을 생성하기 위한 구동력의 적어도 일부를 제공한다. 그 후, 바이오매스가 풍부한 유체상은 여전히 감소된 밀도를 갖거나 밀도를 다시 증가시키는 처리를 거친 후 바이오리액터로 되돌아간다. 대안으로서 또는 추가로, 외부 분리기로부터의 바이오매스가 풍부한 유체상은 벤츄리 인젝터를 사용하여 바이오리액터로 되돌아간다.
또한, 본 발명은 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 미생물학적으로 처리하기 위한 설비에 관한 것이며, 이 설비는:
- 바이오가스를 위한 배출구를 포함하는 바이오리액터(1);
- 바이오가스를 포함하는 유체상으로부터 액체상을 분리하도록 배열된, 경사진 내부구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기(2)로서, 이 외부 분리기는 바이오리액터(1)로부터 수성 유체를 회수하기 위한 도관(6)의 유입구(5)에 연결된 수성 유체용 유입구(4), 수성 유체를 위한 배출구(7a), 도관(10)을 통해 바이오리액터(1)로의 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 유입구(9)로의 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 배출구(8)를 포함하는 것인, 상기 외부 분리기(2); 및
- (a) 유체 매질, 특히 가스 또는 용해된 가스 또는 (가압) 액화 가스를 포함하는 (가압) 액체와 같은 팽창 가능한 유체 매질을 외부 분리기의 하류에 있는 바이오매스가 풍부한 유체 내로 주입하도록 구성된 인젝터 및 (b) 외부 분리기로부터 바이오매스가 풍부한 유체를 바이오리액터로 되돌리도록 구성된 벤츄리 인젝터 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 벤츄리 인젝터는 벤츄리 효과를 생성하도록 구성된 내부 수축부를 가진다.
본 발명에 따른 설비 또는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 설비는 그것에 의해 외부 분리기로부터의 바이오매스가 풍부한 유체상을 바이오리액터로 복귀시키기 위한 구동력의 적어도 일부를 생성하도록 구성되고; 유리한 실시예에서, 이것은 유체상을 복귀시키기 위한 도관 내에 및/또는 바이오리액터 내에 밀도 감소로 인한 리프트 효과(전형적으로 가스 리프트 효과)를 생성함으로써 바이오리액터로 복귀되는 유체상의 밀도 감소를 이용함으로써 달성된다(예컨대, 도 1 내지 도 5 참조). 밀도 감소는 일반적으로 외부 분리기로부터 바이오리액터로 상기 유체를 끌어들이는, 바이오매스가 풍부한 유체에 기체상을 제공함으로써 상향 운동을 유발한다. 상기 유체상은 여전히 감소된 밀도를 갖는 동안 바이오리액터로 복귀될 수 있고, 또는 상기 유체상의 밀도를 바람직하게는 밀도 감소 처리 전과 거의 동일한 밀도로 증가시키는 단계를 먼저 거칠 수도 있다. 유체상이 (가스 리프트 효과를 생성하기 위해) 가스를 주입함으로써 밀도 감소를 미리 거친 경우, 상기 유체상의 밀도를 증가시키는 단계는 일반적으로 유체상으로부터 유입된 가스의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
대안으로서 또는 밀도 감소와 조합하여, 사용될 수 있는 다른 유리한 실시예에서는, 벤츄리 효과가 사용된다(예컨대, 도 6 참조).
유리한 리프트 효과를 위해, 밀도 감소는 일반적으로 외부 분리기로부터 바이오리액터로 되돌아오는 바이오매스가 풍부한 유체 내로 기체상을 도입함으로써 달성된다. 기체상은 외부 분리기(2)와 바이오리액터(1) 사이의 상기 유체를 위한 통로(10) 내에 기체상을 주입함으로써 도입될 수 있다. 그러나, 액화 가스 또는 액체에 용해된 가스를 외부 분리기와 바이오리액터 사이의 상기 유체를 위한 통로내로 도입하는 것도 가능하며, 이러한 액화 가스 또는 용해된 가스는 바이오매스가 풍부한 유체 내로 도입될 때 팽창하거나 증발한다. 이것은 일반적으로 상기 통로 내부의 압력보다 높은 압력으로 상기 액화 가스 또는 용해된 가스를 포함하는 액체를 도입함으로써 달성된다.
(예컨대, 가스 리프트 효과 생성함으로써) 밀도 감소 및/또는 벤츄리 효과를 외부 분리기로부터 바이오리액터로의 바이오매스가 풍부한 유체상(특히 입상 바이오매스)에 적용하는 것은, 바이오매스가 풍부한 유체가 통과해야 하는 기계적 펌프 없이 또는 감소된 기계적 펌핑 능력을 사용하여 유체 재순환이 달성된다는 점에서 특히 유리하다. 이것은 비교적 고형분 함량이 높은 유체를 펌핑하기 위한 기계식 펌프의 생략이, 예컨대, 펌프의 이동부의 막힘 또는 차단으로 인한 오작동 위험을 줄여주기 때문에 주요한 이점이다. 기계적 펌프를 생략하는 다른 이점은 바이오리액터 내부의 바이오매스의 순 성장이 향상될 수 있다는 것이다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 기계적 펌프를 장기간 사용하는 것은 바이오매스에 대한 펌프에 의해 발생되는 전단 응력(shear stress)으로 인해, 바이오리액터 내부의 바이오매스, 특히 입상 바이오매스의 구조에 대해 불리한 것으로 여겨진다. 따라서, 적어도 상당한 시간 동안 기계적 펌프의 사용을 생략함으로써, 리액터 내부의 바이오매스, 특히 입상 바이오매스의 구조가 향상되고, 그로 인해 생분해성 물질의 바이오가스로의 변환 효율이 향상될 수 있다. 또한, 이것은 에너지 절약을 제공할 수 있다.
유사하게도, 벤츄리 효과는 유체 스트림 내에 유체 압력 차이를 생성하는데 사용될 수 있으며, 이에 의해 다른 유체(즉, 외부 분리기로부터 나오는 바이오매스가 풍부한 유체상)가 벤츄리 인젝터의 고압 유입구 측에서 저압 배출구 측으로의 벤츄리 인젝터를 통과하는 유체 스트림 내로 흡입된다. 이와 같은 바이오매스가 풍부한 유체를 되돌리기 위한 기계적 펌프(장기 사용)를 생략하는 것 또는 기계적 펌프에 대한 요구 전력을 줄이는 것은 본 설비/방법을 단순화하고 바이오매스, 특히 입상 바이오매스의 구조를 향상시킬 수 있다. 또한 이것은 에너지 절약 및/또는 유지 관리 필요성의 감소를 제공할 수 있다. 특히, 벤츄리 효과를 사용할 때, 외부 분리기로부터의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상은 고압 유입구, 저압 배출구 및 흡입 유입구를 갖는 벤츄리-인젝터(42)를 통해 바이오리액터로 복귀되며, 바이오리액터에서 처리될 생분해성 물질을 포함하는 수성 유체는 상기 고압 유입구를 통해 벤츄리 인젝터로 들어가고, 외부 분리기로부터의 바이오매스가 풍부한 유체상은 상기 흡입 유입구를 통해 벤츄리 인젝터로 들어가고, 바이오매스가 풍부한 상기 유체상, 바이오리액터에서 처리될 상기 수성 유체는 함께 벤츄리 인젝터를 떠나 저압 배출구를 통해 바이오리액터로 공급된다. 여전히 기계식 펌프(11)가 사용될 수 있지만, 벤츄리 인젝터의 상류에서 처리할 수성 유체를 위한 도관(16) 내에 존재하는 것이 일반적이다.
본 발명에 따른 설비는 기체-액체-고체 혼합물을 기체상, 본질적으로 입상 바이오매스를 포함하지 않는 액체상, 및 고형물(특히, 미립자 고형물이 풍부한, 입상 바이오매스가 풍부한)이 풍부한 유체상으로의 효율적인 분리에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 본 설비가 매우 효율적이고 그 디자인이 다소 단순하지만, 특히 리액터 내부에서, 분리를 강화하기 위해 제한된 수의 기술적 장치만이 필요하므로 오작동 위험이 줄어들고 유지 보수 및 세척이 간소화된다. 우수한 분리를 위해 중요한 것은 외부 분리기이다. 바이오매스가 풍부한 유체가 리프트 효과 또는 벤츄리 효과를 통해 바이오리액터로 복귀하는 것을 촉진하도록 설비를 구성하는 수단은 유리한 설계에 추가로 기여한다.
외부 분리기가 있으면 유지 관리가 개선되고, 프로세스의 시동이 개선되며 리액터의 부분적인 설치가 가능해진다. 즉, 이미 존재하는 시스템을 외부 분리기로 업그레이드하여 리액터의 효율성을 개선할 수 있다.
외부 분리기, 일반적으로 경사진 내부구조를 갖는 침전기는 외부 분리기로 공급되는 유체에 비해 감소된 입상 바이오매스 함량을 갖는 액체상을 얻는데 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 이것은 입상 바이오매스가 침전되도록 함으로써 유리하게 달성된다. 그러면, 침전된 입상 바이오매스는 (입상 바이오매스가 풍부한 유체상의 일부로서) 적어도 상당 부분이 바이오리액터로 되돌아간다.
도 1은 본 발명에 따른 (프로세스에 사용하기 위한) 설비의 일반적인 셋업을 개략적으로 도시한다. 이 도면은 수성 유체가 유입구(13)를 통해 존재하는 것이 바람직한 컨디셔닝 탱크(12)로 도입될 수 있는 방법을 개략적으로 보여주며, 상기 (폐수와 같은) 수성 유체는 컨디셔닝 단계를 거친다. 컨디셔닝 탱크(12)는 바이오가스(17)를 위한 배출구, 도관(16)을 통해 바이오리액터(1)의 바닥 또는 그 근처에서 유입수 분배 시스템(IDS)(15)에 연결된 사전 조절된 유체를 위한 배출구를 더 포함한다. 유리하게는, 도관(16)은 유체의 연속적이고 제어된 재순환을 위한 재순환 펌프(11)를 더 포함한다. 수성 유체는 생분해성 유기 물질을 바이오가스로 전환할 수 있는 미생물을 포함하는 슬러지 베드를 통과한다.
컨디셔닝 탱크(12)로부터 바이오리액터(1)까지의 재순환 펌프(11)의 존재는 다음을 가능하게 한다.
- 억제 화합물의 제어된 희석
- EGSB로의 일정한 유량
- 일정한 상향 유속(COD 부하율과 무관)
- 반환된 혐기성 유출물 알칼리도로 인해 CT에서 더 나은 pH-제어.
도 1에서, 바이오리액터(1)는 기체-수성 유체 혼합물로부터 바이오가스를 제거하기 위한 바이오리액터(1)의 윗 부분에 위치한 내부 배플 또는 편향기/분리기(3) 및 바이오가스용 배출구(18)를 추가로 포함한다. 바이오리액터(1)는 액체상으로부터 고형물을 분리하기 위해, 외부 분리기(2)의 유입구(4)에 연결된 바이오가스가 분리된 고형물을 포함하는 수성 유체용 유입구(5)를 갖는 내부 공급 도관(6)을 추가로 포함한다. 도관(6)의 유입구(5)는 배플 또는 디플렉터(3) 아래에 위치한다. 도관(6)은 외부 분리기(2)의 유지 보수, 수리 또는 교체 시 외부 분리기(2)를 설비로부터 격리하기 위한 밸브(27)를 추가로 포함한다. 도관(10)은 외부 분리기(2)의 배출구(8)를 바이오리액터(1)로부터의 고형물이 풍부한 유체를 위한 유입구(9)와 연결하며, 이 도관 내에, 바이오가스를 도관(10) 내부의 고형물이 풍부한 유체내로 도입하도록 구성된 바이오가스 인젝터(23)가 제공되고; 바이오가스 인젝터(23)와 바이오리액터(22) 내부의 바이오가스 수집 후드 사이에 바이오가스 도관(21)이 제공된다. 도관(10)은 또한 외부 분리기(2)의 유지보수, 수리 또는 교체 시 외부 분리기(2)를 설비로부터 격리하기 위한 밸브(28)를 포함한다.
도 1의 바이오가스 도관(21)은 컨디셔닝 탱크 내부의 수성 유체의 혼합을 위해 컨디셔닝 탱크(12) 내로 유입구(25)를 통해, 바이오가스를 도입하기 위한 바이오가스 도관(21)을 바이오가스 도관(26)에 연결하기 위한 T-접합부(24)를 더 포함한다.
도 1은 외부 분리기로부터 액체상을 회수하고 재순환시키는 수단(7)을 추가로 도시한다. 이것은 분리기로부터 (본질적으로 바이오매스를 포함하지 않을 수 있는) 감소된 바이오매스 함량을 갖는 액체상을 회수하기 위한 배출구(7a)를 포함한다. 이 배출구(7a)로부터, 처리된 상이 설비를 빠져나갈 수 있게 해주는 회수 도관(7b) 및 액체 상을 컨디셔닝 탱크(12)로 되돌리기 위한 재순환 라인(37)이 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 외부 분리기(2)는 또한 도관(33)을 통해 컨디셔닝 탱크(12)의 유입구/배출구(31) 및 바이오리액터(1)의 유입구(32)에 연결된 유입구/배출구(29)를 포함한다. 이 도관(33)은 필요한 경우 외부 분리기로부터 바이오리액터로 슬러지를 되돌리기 위한 펌프(30)를 포함한다. 또한, 이 도관은 (격리 밸브(27 및 28)와 함께) 밸브(2)를 사용하여 리액터와 컨디셔닝 탱크를 완전히 격리된 외부 분리기의 제자리 세척을 위해 수성 유체(일반적으로 산성 화학물질)의 재순환을 허용한다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 이 설비는 바이오가스를 위한 배출구(18)와 컨디셔닝 탱크로부터의 바이오가스를 위한 유입구(19)를 연결하는 바이오가스를 위한 도관(20)을 포함한다. 이러한 설비는 컨디셔닝 탱크 내의 압력이 바이오리액터 내의 압력과 본질적으로 동일함을 보장하기 위해 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 (프로세스에서 사용하기 위한) 설비의 제2 셋업을 개략적으로 도시한다. 항목에 대한 자세한 설명은 도 1의 설명을 참조할 수 있다. 바이오리액터는 외부 분리기(2) 내로 수성 유체를 공급하기 위한 외부 공급 도관(34)을 포함한다. 편향기 또는 배플(36)은 고형물을 포함하는 수성 유체를 외부 공급 도관(34)으로 보내기 위해 도관(34)의 유입구(35) 아래 바이오리액터 내에 위치한다. 이것은 여러 가지 중에서도 특히 낮은 유지보수 관점에서 바이오리액터로부터 외부 분리기로 수성 유체를 공급하기 위한 특히 바람직한 수단이다.
도 3은 도 1 및 도2와 비교되는 다른 실시예를 도시하며, 이는 바이오매스가 풍부한 유체를 바이오리액터로 되돌리기 위해 도관(10) 내로 주입하기 위한 바이오가스를 회수하는 추가 설비를 보여준다. 이 추가 설비는 바이오리액터(1)의 헤드스페이스(39)로부터 가스 인젝터(23)까지의 가스 도관(38)이다. 이것은 상기 헤드스페이스로부터 도관(10)으로 바이오가스를 공급하도록 구성된다. 전형적으로, 기계식 펌프 또는 압축기 등이 존재하여 헤드스페이스(39)로부터 인젝터(23)로의 충분한 바이오가스 흐름을 야기한다. 이 디자인은 본 발명에 따른 방법에 사용하기에 특히 적합한데, 바이오가스는 바이오리액터의 헤드스페이스로부터 취해지고 외부 분리기(2)의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상으로 도입되고, 그로 인해 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체의 밀도를 감소시킨다. 이로써 바이오가스는 분리기(2)로부터 바이오리액터(1)로 재순환되는 유체의 가스 리프트 효과에 기여하거나 그것을 야기한다. 존재하는 경우, 컨디셔닝 탱크의 헤드스페이스에서 나오는 바이오가스는 외부 분리기(2))의 하류의 바이오매스가 풍부한 유체 내로 도입되어 가스 리프트 효과를 생성하거나 그것에 기여하는 바이오가스의 대안의 또는 추가 소스로서 사용될 수 있다(도 3에 도시되지는 않음).
도 4는 도 3에 개략적으로 도시된 실시예에 대한 대안을 개략적으로 도시하며, 이 두 실시예는 결합될 수 있다. 인젝터(23)는 도관(41)을 통해 도관(10)에서 가스 리프트 효과를 생성하기 위해 사용될 수 있는 유체 매질을 위한 외부 소스(40)에 연결된다. 이러한 유체 매질은 바람직하게는 가스, 특히 질소와 같은 불활성 가스이다. 다른 특히 적절한 가스는 메탄 및 이산화탄소를 포함한다. 이 가스는 임의의 이러한 가스를 포함하는 혼합물일 수 있다. 유체 매질은 반드시 기체상으로 주입될 필요는 없다. 그것은 또한 (가압) 액화 가스 또는 용해된 가스를 포함하는 (가압) 액체와 같은 실질적인 액체 형태로 주입될 수도 있으며, 이에 의해 액화 가스 또는 용해된 가스의 적어도 상당한 부분이 팽창/증발하여 분리기(2)와 바이오리액터(1) 사이의 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 통로 내부의 밀도 감소를 일으키고 그로 인해 가스 리프트 효과를 만들어낸다.
도 3 및 4에서, 도관(10)으로의 유체 매질(예컨대, 가스) 주입을 목표로 하는 특징부는 내부 바이오가스 수집기(22) 및 수집된 바이오가스를 유체 매질 인젝터(23)에 공급하기 위한 도관(21)과 함께 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 리프트 효과를 생성하기 위한 헤드스페이스 및/또는 외부 소스로부터의 바이오가스는 바이오가스 수집기로부터의 가스 흐름의 변동에 대한 균형을 맞추기 위해 사용될 수 있다. 헤드스페이스 각각 외부 가스 소스로부터의 바이오가스는 예를 들어 약간의 효과를 생성하는 유일한 유체 매질로서 사용될 수 있다. 또한, 이것은 바이오가스 수집기(22)에서 인젝터(23)로의 가스 흐름이 불충분할 때 바이오리액터 내부의 바이오가스 수집기(22)로부터 가스를 보충하는데 사용될 수 있다. 이것은 특히 이 설비의 시동 동안의 경우일 수 있다. 또한, 이것은 수집기가 (부분적으로) 막히거나 또는 수집기 아래에서 수집기로 들어가는 바이오리액터 내부의 바이오가스 흐름이 비교적 낮은 경우일 수 있다. 그러나, 방법/설비에서 바이오가스 수집기(22)를 생략하는 것도 가능한데, 헤드스페이스 또는 외부 소스로부터의 바이오가스는 리프트 효과를 생성하거나 그것에 기여하는데 사용된다. 이로써 바이오리액터의 내부 디자인이 단순화되어, 유지보수 요구사항이 감소되기 때문에 유리하다. 또한, 이러한 디자인은 이러한 리액터의 내부를 수정할 필요 없이 이러한 디자인이 통합될 수 있기 때문에 기존의 바이오리액터를 개조하는데 유리하다. 리프트 효과를 위해 헤드스페이스 가스(도 3) 또는 외부 가스 소스(도 4)를 사용하는 방법/설비는 또한 바이오리액터를 가진 설비에서 채용될 수 있으며, 디플렉터 또는 배플(36)이 고형물을 포함하는 수성 유체를 외부 공급 도관(34)으로 보내기 위한 도관(34)의 유입구(35) 아래에 위치한다(도 2).
도 5는 컨디셔닝 탱크가 없는 본 발명에 따른 설비를 개략적으로 도시한다. 이 도면은 내부 바이오가스 수집기(22) 각각에 연결된 인젝터(23), 바이오리액터의 헤드스페이스(39) 및 리프트 효과를 생성하거나 그것에 기여하기 위한 유체 매질을 위한 외부 소스를 도시한다. 이 중 하나만 있으면 충분하다. 바람직하게는 이 설비는 적어도 바이오리액터(1)의 헤드스페이스(39)로부터 인젝터(23)로 바이오가스를 제공하도록 및/또는 리프트 효과를 생성하거나 그것에 기여하기 위한 유체 매질을 위한 외부 소스를 제공하도록 구성된다. 이 실시예에서는 바이오가스 배출구(48)가 전형적으로 바이오가스가 설비를 빠져나가게 하도록 구성된 바이오리액터의 헤드스페이스에 제공되며; 컨디셔닝 탱크를 갖는 일 실시예에서도 이러한 바이오가스 배출구가 또한 제공될 수 있고; 추가적으로 또는 대안으로서(바이오리액터의 헤드스페이스와 컨디셔닝 탱크 프리젠트 사이에 바이오가스를 위한 통로가 존재하는 경우) 이것은 컨디셔닝 탱크(12)의 헤드스페이스 내에 제공될 수 있다.
도 8에는, 바이오매스가 풍부한 유체를 바이오리액터로 되돌리기 전에, 밀도 감소 처리를 거친 바이오매스가 풍부한 유체로부터 가스를 분리하는 것을 목표로 하는 특징부가 도시되어 있다. 이 실시예는 도 4 또는 도 5와 결합될 수 있다. 이 도면은 유체-기체 분리기(50)가 유입구(51)를 포함하고, 이 유입구가 배출구(52)를 통해 밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 도관(10)에 연결되어 있음을 보여준다. 유체-기체 분리기(50)는 유체를 기체상 및 바이오매스를 포함하는 유체상으로 분리하도록 구성되고 사용 중에 유체-기체 분리기(50) 내부의 유체 레벨이 바이오리액터(1) 내부의 유체 레벨보다 높은 레벨에 있도록 바이오리액터(1)에 대해 배열된다. 상기 유체-기체 분리기는 가스를 방출하기 위한 배출구(53) 및 바이오매스를 포함하는 유체를 위한 배출구(54)를 더 포함한다. 바이오매스를 포함하는 유체를 위한 상기 배출구(54)는 도관(10')을 통해 바이오매스를 포함하는 유체를 바이오리액터로 되돌리기 위한 유입구(56)에 연결된다. 반환된 혼합물을 바이오리액터로 배출하도록 구성된 상기 배출구(54)는 유체 매질을 주입하도록 구성된 인젝터보다 높게 위치되고, 반환된 혼합물을 바이오리액터로 배출하도록 구성된 배출구(54)는 바람직하게는 바이오리액터의 중간 부분 또는 아랫 부분 내에 있다.
도 8에 도시된 설비에 특히 유용한 바람직한 유체-기체 분리기(50)의 일 예가 도 9에 도시되어 있다. 도관(10)은 유체-기체 분리기의 y-축 또는 수직 축에 대해 각도(tau) 아래에서 유체-기체 분리기의 유입구에 연결된다. 상기 도관(10)에는 가스 배출을 위한 배출구(55)가 더 제공된다. 상기 배출구(52)는 일반적으로 바이오리액터 내부의 유체 레벨보다 높은 높이(h2)에 위치한다. 또한, 유체-기체 분리기(50)는 도관(10)의 배출구에 연결된 유입구(51)를 포함하고, 사용 중에 바이오매스가 풍부하고 가스를 포함하는 유체가 높이(h1)에서 유체-기체 분리기(50)로 들어가도록 구성되며, h1은 바이오리액터(1) 내부의 유체 레벨보다 높다. 상기 유체-기체 분리기는 유체-기체 분리기로부터 가스를 방출하도록 구성된 배출구(53) 및 도관(10')을 통해 바이오매스를 포함하는 유체를 바이오리액터로 방출하도록 구성된 배출구(54)를 더 포함한다.
도 6은 벤츄리 효과가 사용되는 본 발명에 따른 설비를 위한 디자인을 개략적으로 도시한다. 벤츄리 인젝터(42)의 고압 유입구 측(44)은 (외부 분리기(2)로부터의 바이오매스가 풍부한 유체가 펌프를 통과할 필요가 없도록) 일반적으로 펌프(11)의 하류에서, 바이오리액터에서 처리될 수성 유체(도 6에 도시된 미가공 유체 또는 컨디셔닝 탱크(12)로부터의 유체)를 위한 도관(16)과 연결된다. 벤츄리 인젝터의 수축된 부분에 있는 흡입 유입구(45)는 외부 분리기(2)로부터 도관(43)을 통한 바이오매스가 풍부한 유체가 고압 유입구 측(44)을 통해 벤츄리 인젝터로 들어간 수성 유체의 유체 경로 내로 흡입되게 하도록 구성되며, 그로 인해, 사용 중, 처리될 수성 유체 및 외부 분리기로부터의 바이오매스가 풍부한 유체는 벤츄리 인젝터의 저압 배출구 측(47)을 통해 함께 벤츄리 인젝터(42)를 떠나고 유입구(들)(15)을 통해 바이오리액터(1)로 공급된다.
벤츄리 효과를 사용하는 실시예의 장점은 디자인의 단순성을 포함한다. 이것은 밀도 감소를 생성하기 위해 팽창하는 용해된 가스를 포함하는 가스 또는 가압 액화 매질 또는 액체를 위한 인젝터 및 바이오가스 수집기(23)의 필요성을 생략하여 기존 설비의 개조를 용이하게 하며, 상기 바이오리액터는 바이오리액터의 내부가 변경될 필요가 없기 때문에 바이오가스 수집기(23)를 포함하지 않는다. 벤츄리 원리를 사용하는 실시예는 밀도 감소(예컨대, 가스 리프트)를 사용하는 실시예와 조합하여 사용될 수도 있다. 이것은 예를 들어 바이오리액터의 헤드스페이스(39) 또는 바이오리액터 내의 바이오가스 수집기(22)로부터 인젝터(23)로의 가스 흐름이 불충분할 때, 예컨대, 설비의 시동 시 또는 수집기가 (부분적으로) 막히는 경우 또는 바이오리액터 내부의 수집기 아래에서 수집기로의 바이오가스 흐름이 상대적으로 낮은 경우에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 처리된 수성 유체는 원칙적으로 생분해성, 특히 혐기성 조건 하에 생분해성인 유기 물질을 포함하는 임의의 수성 유체일 수 있다. 바람직하게는, 수성 유체는 도시 폐수, 산업 폐수, 하수, 발효 프로세스로부터의 수성 유체 폐기물(예컨대, 잔류 발효 브로스(residual fermentation broth)), 수성 슬러리 및 수성 슬러지의 그룹으로부터 선택된다. 본 발명에 따른 프로세스에서 처리되는 폐기물 스트림의 수분 함량의 관점에서, 이것은 넓은 범위에서 변할 수 있다. 일반적으로, 처리될 수성 유체의 수분 함량은 유체의 총 중량 중 80 wt.% 초과, 특히 적어도 80 wt.%, 더욱 특히 90 wt.% 이상이다. 일반적으로, 수분 함량은 99.9 wt.% 이하, 바람직하게는 99.5 wt.% 이하, 보다 바람직하게는 99 wt.% 이하, 특히 98 wt.% 이하, 더욱 특히 96 wt.% 이하이다. 바이오리액터 내로 공급될 수성 유체의 총 유기 물질 함량은 일반적으로 0.1 g COD/l 이상, 바람직하게는 0.3 내지 100 g COD/l의 범위, 특히 5 내지 50 g COD/l의 범위 이내이다.
본 발명에 따라 처리하기에 특히 적합한 수성 유체의 예는 유제품 생산 또는 가공(예컨대, 우유, 치즈, 버터의 생산/가공), 음료(예컨대, 와인, 맥주, 증류주, 과일 주스, 우유) 생산 또는 가공, 바이오 연료 또는 석유화학 제품의 생산 또는 가공, 화학 공장, 농업 시설, 펄프 및 제지 생산 또는 가공, 설탕 가공 또는 효모 생산에서 발생하는 수성 폐기물이다.
일반적으로, 본 발명에 따른 설비에 컨디셔닝 탱크(12)가 제공된다. 이러한 탱크에서, 사용하는 동안, 바이오리액터에서 처리될 수성 유체는 바이오리액터에 대해 조절된다. 유리하게는, 컨디셔닝 탱크는 아직 바이오리액터에서 처리되지 않은 수성 유체(미가공 수성 공급물)를 공급 받을 뿐만 아니라 이것은 외부 분리기를 떠나는 (바이오리액터의 폐수에 비해 감소된 바이오매스 함량을 가지는) 액체상의 일부를 수용한다. 이 액체상은 설비에 새로 유입되는 미가공 수성 유체를 조절하는데 매우 적합하다.
컨디셔닝 탱크를 사용하는 이점은 바이오리액터로의 수성 유체의 인플로우의 원치 않는 변동 및 수성 유체의 품질에 대한 원치 않는 변동을 피할 수 있다는 것이다. 분리기로부터 컨디셔닝 탱크로의 재순환은 컨디셔닝 탱크에서 바이오리액터로 그리고 바이오리액터에서 외부 분리기로와 같이 설비의 서로 다른 유닛 사이의 다양한 스트림에서 비교적 일정한 흐름을 유지하는데 있어 추가적인 개선을 허용한다. 이것은 또한 설비로의 처리할 수성 유체의 공급에 큰 변동이 있는 경우에도 장치 내의 유체 수위를 비교적 일정하게 유지할 수 있어 추가적인 견고성을 제공한다. 분리기로부터 컨디셔닝 탱크로의 재순환에 의해 유닛 내의 유체 수위를 비교적 일정하기 유지하는 것 및/또는 유닛 내로/로부터의 흐름을 비교적 일정하게 유지하는 것은 효율적인 작동을 위해 바람직할 뿐만 아니라 예를 들어 도관의 막힘 또는 분리기의 막힘과 같은 위험을 낮게 유지하기 위해서도 바람직하다.
바람직하게는, 미가공 폐수와 같은, 처리될 미가공 수성 유체는 먼저 온도 및/또는 pH와 같은 특정 파라미터가 모니터링될 수 있는 컨디셔닝 탱크로 들어간다. 당업자는 바이오매스의 조성에 따라 유리한 파라미터 값을 결정할 수 있을 것이다. 일반적으로, 컨디셔닝 탱크의 내용물의 온도는 20 내지 55℃ 범위의 온도로 유지 또는 조정된다. 구체적으로, 컨디셔닝 탱크 내의 수성 유체가 약 30 내지 약 40℃의 온도, 보다 특히 약 33 내지 약 37℃ 범위의 온도, 예컨대, 34 내지 36℃의 범위의 온도로 유지 또는 조절되는 프로세스를 통해 우수한 결과가 달성되었다. 컨디셔닝 탱크의 내용물의 pH는 일반적으로 약 6.0 내지 약 8.0 범위, 바람직하게는 6.0 내지 7.5 범위, 특히 약 6.5 내지 약 7.2 범위, 예컨대, 6.6 내지 6.8의 범위의 pH로 조정 또는 유지된다. 당업자가 알고 있는 바와 같이, 특정 미생물 배양의 경우, 다른 온도 또는 pH가 최적일 수 있다. 예를 들어, 알칼리성 박테리아의 경우 더 높은 pH(예컨대, 최대 약 pH 11)가 선호될 수 있다.
수성 유체는, 바람직하게는 컨디셔닝 탱크에서 전처리된 후, 바람직하게는 바이오리액터의 수평 단면에 걸쳐 수성 유체의 적어도 실질적으로 동일한 분포를 제공하도록 구성된, 유입물 분배 시스템을 통해, 상향류 바이오리액터의 아랫 부분으로 공급되며, 상향류 바이오리액터에서 수성 유체는 바이오매스, 바람직하게는 입상 바이오매스를 포함하는, 슬러지 베드를 통해 위쪽으로 흐른다.
상향류 바이오리액터는 바람직하게는 입상 슬러지 베드, 특히 확장 입상 슬러지 베드(EGSB)이며, 이 (E)GSB는 혐기성 미생물을 포함하고 생분해성 유기 물질은 혐기성 미생물에 의해 변환되어 바이오가스를 형성한다.
적합한 혐기성 미생물은 일반적으로 당업계에 공지되어 있다. 바람직하게는, 바이오리액터는 적어도 하나의 유형의 가수분해 박테리아, 적어도 하나의 유형의 산생성 박테리아, 적어도 하나의 유형의 아세트산생성 박테리아 및 적어도 하나의 유형의 메탄생성 박테리아를 포함하는 미생물의 컨소시엄을 포함한다.
슬러지, 특히 바이오매스 과립의 우수한 침전성 및 그에 따른 우수한 분리와 관련된 다른 요인은 바이오매스가 존재하는 바이오리액터의 높이이다. 일반적으로, 바이오가스는 또한 과립 내부에서도 발생할 수 있으며, 이는 상향 부상(upward flotation)을 유발할 수 있다. 리액터 바닥에서, 과립은 더 높은 압력을 경험하므로 과립으로부터 바이오가스가 방출되고 슬러지의 침전성이 증가한다.
바람직하게는, (프로세스에서 사용하기 위한) 설비는 약 15 내지 약 25m, 보다 바람직하게는 18 내지 22m 범위의 높이를 갖는 바이오리액터를 포함한다. 전형적으로, 바이오리액터는 최대 85 내지 98 vol%, 바람직하게는 최대 약 90 내지 95 vol%가 수성 유체로 채워진다.
바이오리액터에서 생분해성 유기 물질이 소화되면, 기체-수성 유체 혼합물이 얻어진다.
이 기체상은 미생물에 의해 생성되는 바이오가스로 구성된다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 바이오가스는 적어도 실질적으로 메탄 및 이산화탄소로 구성되지만, 추가적으로 수소, 암모니아, 수증기 및/또는 황화수소와 같은, 소량의 다른 가스도 포함할 수 있다.
수성 유체는 고형물, 특히 바이오매스 입자를 포함하고 선택적으로 무기 및/또는 유기 부유 고형물을 추가로 포함한다.
수성 유체는 일반적으로 본질적으로 물 및 유기산과 같은 수용성 물질 및 미생물에 의해 소화되지 않는 가용성 물질 또는 미네랄 또는 염과 같이 물 속에 전형적으로 존재하는 기타 분자로 본질적으로 구성된 액체를 추가로 포함한다.
기체-수성 유체 혼합물은 혼합물로부터 바이오가스를 분리하는 리액터를 통해 위쪽으로 이동한다. 이것은 자발적으로 발생할 수도 있고 또는 내부 분리기에 의해 분리가 향상될 수 있다.
바이오가스는 (액체 레벨보다 높은) 리액터 상단에 또는 그 근처에 위치한 바이오가스 배출구를 통해 바이오리액터를 빠져나간다. 이것은 바이오리액터를 바로 빠져나갈 수 있고, 또는 먼저 컨디셔닝 탱크의 윗 부분으로 들어가고 탱크의 상단 또는 그 근처에 위치한 배출구를 통해 설비를 빠져나갈 수 있다. 선택사항으로서, 바이오가스는 그 자체로 알려진 방식으로 추가 처리된다. 바이오가스는, 예컨대, 시스템을 가열함으로서 프로세스를 자체 지속 가능하게 만들기 위해 프로세스에 에너지를 제공하는데 사용될 수 있다. 대안으로서, 바이오가스는 발전기를 통해 전기로 변환되거나 메탄으로 업그레이드되어 다른 목적을 위한 에너지를 제공하거나 화학 프로세스에서 사용하기 위한 메탄의 공급원으로서 다른 곳으로 이송될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 바이오리액터의 헤드스페이스로부터의 바이오가스는 외부 분리기(2)와 바이오리액터(1) 사이의 도관(10) 내에 가스 리프트를 생성하거나 생성하는데 기여하기 위해 사용될 수 있다.
유리한 실시예에서, 형성되는 바이오가스의 일부는 바이오리액터로부터 컨디셔닝 탱크의 하부 또는 중간 부분으로 이송되어 컨디셔닝 탱크에서의 수성 유체의 혼합을 개선한다.
일 실시예에서, 바이오리액터는 내부 분리기를 추가로 포함하고, 고형물을 포함하는 수성 유체로부터의 바이오가스의 분리가 촉진된다. 존재한다면, 내부 분리기는 일반적으로 바이오리액터의 윗 부분에 위치한다. 내부 분리기는 바람직하게는 유체-기체 분리기, 보다 바람직하게는 바이오리액터의 윗 부분에 위치한 편향기 또는 배플이다. 배플 또는 편향기는 바람직하게는 외부 분리기로의 공급 도관 위쪽에 위치되며, 바이오가스 또는 바이오가스-유체 혼합물의 자연적인 상향류의 결과로서 수성 유체로부터 바이오가스 분리를 촉진한다.
일 실시예에서, 외부 분리기로의 공급 도관은 내부 공급 도관이다. 내부 공급 도관은 바이오리액터 내부에 위치한 적어도 상당한 부분을 위한 것이다. 바이오가스가 분리된 수성 유체를 수집하기 위한 유입구는 배플 또는 편향기 아래에 위치하며 외부 분리기로 공급되는 수성 유체를 수집한다.
다른 실시예에서, 외부 분리기로의 공급 도관은 외부 공급 도관이다. 수성 유체를 위한 유입구는 바이오리액터의 측면에 위치하고 외부 분리기로의 외부 도관은 바이오리액터 외부에 위치한다. 바이오리액터는 바람직하게는 외부 공급 도관 바로 아래에 위치하는, 외부 공급 도관 내로 수성 유체를 보내기 위한 외부 공급 도관 유입구 근처에 위치한 배플 또는 편향기를 포함하는 것이 바람직하다.
내부 또는 외부 공급 도관은 일반적으로 바이오매스 및 선택적으로 다른 고형물을 포함하는 수성 유체를, 액체상 및 외부 분리기로 들어가는 수성 유체에 비해 바이오매스가 풍부한 유체상으로 분리하기 위한 경사진 내부구조를 구비한 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기(2) 내로 수성 유체를 공급한다.
다른 실시예에서, 내부 분리기는 깔때기, 바람직하게는 매머드 펌프 깔때기이다. 깔때기가 제공되는 경우, 깔때기의 아랫 부분은 내부 공급 도관의 유입구에 연결된다. 깔때기는 효율적인 매머드 흐름 효과를 촉진하여, 수성 유체가 외부 분리기에 들어가기 전에 (액체 및 고형물을 포함하는) 수성 유체로부터의 바이오가스의 분리를 돕는다. 이 기체-유체 분리기 매머드 펌프 깔때기는 내부 공급 도관을 연결하는 바닥 부분을 향하는 깔때기 모양의 경사진 벽으로 구성되는 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 내부 분리기는 경사진 내부구조, 바람직하게는 경사진 판 또는 튜브를 포함하는 기체-유체 분리기이다. 바람직하게는, 기체-유체 분리기는 경사진 판 침전기이다. 경사진 판은 분리기 내부에 난류를 일으켜 바이오가스의 분리를 돕는다. 경사진 판은 평평하거나 물결 모양일 수 있다. 이러한 경사진 내부구조는 유체 및 고체상으로부터의 바이오가스의 분리를 촉진한다. 경사진 내부구조는 일반적으로 약 45 내지 65°의 각도로 배치된다. 약 55 내지 약 60°의 각도로 배치했을 때 특히 우수한 결과가 달성되었다. 인접한 내부구조들은 분리를 향상시키고 분리기의 막힘을 방지하기 위해 서로 최소 2cm, 특히 2 내지 10cm의 거리를 두고 배치되는 것이 일반적이다. 바람직하게는, 수성 유체는 분리기의 윗 부분을 통해 내부 분리기로 들어간다. 경사진 내부구조를 포함하는 기체-유체 분리기가 제공된다면, 내부 공급 도관의 유입구는 고형물이 풍부한 유체를 수집하기 위해 분리기의 아랫 부분에 연결된다. 고형물을 포함하는 수성 유체는 일반적으로 내부 분리기의 바닥에서 수집되어 외부 분리기(2)로 공급된다.
외부 분리기는 일반적으로 사용 중에 고형물을 포함하는 수성 유체가 분리기의 아랫 부분에 위치한 유입구를 통해 들어가도록 구성된다. 외부 분리기는 일반적으로 고형물 입자의 침전성을 향상시키기 위해 경사진 내부구조를 포함한다. 경사진 판은 평평하거나 물결 모양일 수 있다. 이러한 기울어진 내부구조는 "라멜라 효과"로 인해 액체 및 고체상으로부터의 바이오가스의 분리를 촉진한다. 경사진 내부구조는 일반적으로 약 45 내지 65°의 각도로 배치된다. 약 55 내지 60°의 각도로 배치했을 때 특히 우수한 결과가 달성되었다. 인접한 내부구조는 분리를 향상시키고 분리기의 막힘을 방지하기 위해 서로 적어도 2cm, 특히 2 내지 10cm의 거리를 두고 배치되는 것이 일반적이다. 경사진 내부구조의 사용은 고형물의 침전을 위한 침전면을 증가시킨다.
수성 유체는 경사진 내부구조를 통해 위쪽으로 통과하고, 층류 흐름은 고형물 입자의 하향 이동을 촉진하는 반면, 액체는 위쪽 방향으로 이동할 수 있고, 이 위치에 수성 유체(유출물)의 배출구가 위치한다.
외부 분리기는 바람직하게는 리액터에 영향을 미치지 않으면서 이 모듈의 유지보수, 교체 및 수리를 가능하게 해주는 격리 밸브를 포함한다. 외부 분리기의 격리는 장치를 격리하여 외부 분리기의 정기적인 제자리 세척을 제공하는데 사용될 수도 있다.
또한, 외부 분리기와 바이오리액터 및 선택적으로 외부 분리기와 컨디셔닝 탱크를 연결하는 도관(33)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 이 도관은 슬러지를 바이오리액터로 되돌리고 외부 분리기를 통해 화학물질을 순환시키기 위한 펌프(30), 바람직하게는 스크류 펌프를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 화학물질은 제거되어야 하는 불순물에 따라 산성 또는 염기성일 수 있다. 이 펌프는 외부 분리기의 제자리 세척을 가능하게 해준다.
외부 분리기는 바람직하게는 기다란 디자인을 갖는다.
분리기를 빠져나오는 액체상은 일반적으로 적어도 실질적으로 입상 바이오매스를 포함하지 않는다. 분리기로 공급되는 유체가 부유 고형물(입상 바이오매스 붕괴 찌꺼기, 응집성(과립화되지 않은) 바이오매스, 및/또는 비분해성 부유 물질의 형태)을 함유하는 실시예에서, 분리기를 빠져나오는 액체상은 공급된 유체와 비교하여 감소된 부유 고형물(특히 바이오매스 함량)을 가질 것이지만, 잔류 응집성 바이오매스를 함유할 수 있다. 바람직하다면, 이 유체는, 예컨대, 액체상이 폐기되기 위해 또는 예컨대 공정수로서 추가 사용하기 위해 설비로부터 취해져야 한다면, 그 자체로 알려진 방식으로 정제될 수 있다. 바이오리액터로 되돌아가는 액체상은, 예컨대, 컨디셔닝 탱크를 통해 이러한 부유 고형물을 제거할 필요 없이 반환될 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 시스템은 컨디셔닝 탱크를 포함한다. 컨디셔닝 탱크가 존재한다면, 외부 분리기에서 얻은 액체상의 일부는 컨디셔닝 탱크로 반환되어 탱크 내의 유체 부피를 거의 동일한 레벨로 유지할 수 있다.
바이오매스가 풍부한 유체상은 바이오리액터로 재유입된다. 효율적인 프로세스를 위해서는 프로세스 동안 바이오매스의 순 성장을 갖는 것이 요구된다. 리액터의 시동 동안, 시스템에서 바이오매스의 순 성장을 갖는 것은 생분해성 물질의 효율적인 변환을 위한 충분한 양의 바이오매스를 얻기 위해 중요하다. 프로세스의 후반 단계에서, 바이오매스의 순 성장은 전환율(turnover rate), 즉 COD의 변환에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 리액터로부터 슬러지를 추출할 수 있게 해준다. 또한, 잉여 바이오매스를 만드는 것은 바이오매스가 쉽게 저장, 운송 및 판매될 수 있기 때문에 추가적인 수익 증가를 만든다.
위에서 이미 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라, 리프트 효과를 생성하거나 그것에 기여하기 위해 밀도 차이를 사용하고 및/또는 바이오매스가 풍부한 유체를 외부 분리기로부터 바이오리액터로 되돌리기 위한 구동력을 생성하거나 또는 그것에 기여하는 벤츄리 효과를 사용한다.
리프트 효과 및/또는 벤츄리 효과를 생성하거나 그것에 기여하기 위해 밀도 차이를 사용하는 것은 유리하게도 바이오매스가 풍부한 유체를 외부 분리기로부터 바이오리액터로 되돌리기 위한 기계적 펌프의 사용을 장시간 동안 생략할 수 있게 해준다. 이로써, 바이오매스 구조의 안정성이 향상될 수 있고, 설비의 오작동 위험 및 이러한 방법의 에너지가 감소될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 (프로세스에 사용하기 위한) 설비는, 유체 매질을 주입하도록 구성된 인젝터 또는 벤츄리 인젝터에 추가하여, 선택사항으로서 일반적으로 도관(10) 내에 제공된, 바이오매스가 풍부한 유체를 외부 분리기로부터 바이오리액터로 복귀시키도록 구성된 기계적 펌프를 더 포함한다. 상기 기계적 펌프는 바이오매스가 풍부한 유체를 바이오리액터로 되돌리기 위한 백업 수단으로서 역할할 수 있다. 이 기계식 펌프는 바람직하게는 가스 또는 벤츄리 인젝터가 일시적으로 사용되지 않을 때, 예컨대, 인젝터가 유지보수 중이거나 고장난 경우에 사용된다. 이러한 구성은 사용 중에 인젝터가 일시적으로 고장난 경우에도 본 발명에 따른 방법이 계속될 수 있기 때문에 효율성 면에서 최적의 프로세스를 허용한다. 놀랍게도 기계적 펌프의 이러한 일시적인 사용, 바람직하게는 1시간 내지 2주, 예를 들어 12시간 내지 1주, 특히 24시간 내지 96시간의 사용이 바이오리액터의 입상 바이오매스의 구조에 악영향을 미치지 않는다는 것이 밝혀졌다.
밀도 감소를 사용하여 외부 분리기(2)로부터 바이오리액터(1)로 바이오매스가 풍부한 유체를 되돌리는 도관 내에 또는 바이오리액터 자체 내에 리프트 효과를 생성함으로써 특히 우수한 결과가 달성되었다. 상기 밀도 감소는 일반적으로 도관(10)에서 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 유체 내로 기체상, 액화 가스 또는 용해된 가스를 포함하는 액체와 같은 유체 매질을 주입함으로써 달성된다. 사용하는 동안, 유체 매질은 바이오매스가 풍부한 유체 내로, 일반적으로 외부 분리기(2)를 바이오리액터(1)에 연결하는 (입상) 바이오매스(10)가 풍부한 유체를 위한 도관 내로 주입되어, 외부 분리기(2)로부터 바이오리액터(1) 쪽으로의 (입상) 바이오매스가 풍부한 유체의 흐름을 촉진시킨다. 이 가스는 일반적으로 불활성 가스, 바람직하게는 질소 또는 공기 또는 바이오가스와 같은 질소가 풍부한 가스이다. 바이오가스에서 일반적으로 발견되는 하나 이상의 성분들(구체적으로 이산화탄소, 메탄)도 사용될 수 있다.
따라서, 바람직한 방법에서, 아래 특징 중 하나 이상이 적용된다.
- 바이오가스는 바이오리액터의 헤드스페이스로부터 취해지고 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상으로 유입되어, 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체의 밀도를 감소시킨다(그리고 가스 리프트를 생성하거나 그것에 기여한다);
- 외부 기체상은 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상 내로 유입되고, 이에 의해 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체의 밀도를 감소시키고 (가스 리프트를 생성하거나 그것에 기여하고), 이 가스는 바람직하게는 질소, 또는 질소가 풍부한 가스와 같은 불활성 가스이다;
- (가압) 액화 가스 또는 액체상에 용해된 (가압) 가스가 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상 내로 유입되고, 액화 가스 또는 용해된 가스는 (바이오매스가 풍부한 유체상을 바이오리액터 또는 바이오리액터 내부로 되돌리는 도관 내에서) 팽창하거나 증발하며, 이것에 의해 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상의 밀도를 감소시킨다;
- 바이오매스가 풍부한 상기 유체상의 밀도는 외부 분리기의 하류에서 10 내지 95%, 바람직하게는 20 내지 80%, 특히 25 내지 75%만큼 감소된다;
- 바이오매스가 풍부한 상기 유체상의 밀도는 외부 분리기의 하류에서 10 내지 900 kg/m3 범위의 밀도, 바람직하게는 100 내지 850 kg/m3 범위의 밀도, 특히 200 내지 800 kg/m3 범위의 밀도, 보다 특히 250 내지 750 kg/m3 범위의 밀도로 감소된다.
'외부 가스'는 본 발명에 따른(본 발명에 따라 사용되는) 바이오리액터를 포함하는 설비에서 생성되지 않고 다른 소스로부터 공급되는 가스이다. 또한, (가압) 액화 가스 또는 액체상 내에 용해된 (가압) 가스는 외부 (가압) 액화 가스 또는 (가압) 가스일 수도 있으나, (가압) 액화 가스 또는 액체상 내에 용해된 (가압) 가스를 제공하기 위해 설비(일반적으로 바이오리액터)에서 생성된 바이오가스 또는 그것의 분획을 사용할 수도 있다.
또한, 그것 내로 기체상을 도입하여 밀도가 감소된 (입상) 바이오매스가 풍부한 수성 유체가 바이오리액터(1)로 되돌아오면, 상기 기체상은 가스 리프트 효과를 통해 외부 분리기(2) 내부의 수성 유체의 상향 흐름을 촉진한다. 유체에 가스를 제공하는 것은 도관의 막힘이 최소화되고 바람직하게는 방지된다는 추가적인 이점을 갖는다.
도관(10) 내로 주입하기 위한 바이오가스가 바이오리액터로부터 바이오가스 수집기를 통해 수집되는 경우, 바이오가스 수집기는 바람직하게는 적어도 사용하는 동안 바이오리액터 내의 유체(현탁액)에 잠겨 있는 하나 이상의 바이오가스 수집기 후드를 갖는다. 존재하는 경우, 적어도 설비의 사용 동안, 바이오가스 수집기가 바이오리액터 내의 슬러지 베드 내에 잠기도록 하는 높이에 위치하는 내부 바이오가스 수집기(22)를 갖는 것이 특히 바람직하다.
존재한다면, 바람직하게는, 바이오가스 수집기 후드(22)는 외부 분리기(2)로부터의 (입상) 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 유입구(9) 아래에 위치된다.
존재한다면, 바이오가스 수집기 후드(22)는 바람직하게는 외부 분리기(2)를 위한 수성 유체를 위한 도관(34)의 유입구(35) 또는 도관(6)의 유입구(5) 아래에 위치된다.
그러나, 특히 바이오가스와 같은 메탄 또는 메탄이 풍부한 가스 이외의, 외부 가스, 외부 (가압) 액화 가스 또는 액체상 내에 용해된 외부 (가압) 가스가 본 발명에 따라 사용되는 경우, 상기 외부 가스 또는 (가압) 액화 가스는 상기 유체를 바이오리액터로 되돌리기 전에, 적어도 상당한 부분에 대해, 밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 유체로부터 제거되는 것이 바람직하다. 상기 외부 가스의 제거는 유리하게도 바이오리액터의 헤드스페이스 내에 바이오가스-외부 가스 혼합물의 형성을 방지하고, 그로 인해 바이오가스 분획을 희석시킨다. 이러한 바이오가스-외부 가스 혼합물의 형성은 불리하다. 바이오가스가 에너지원으로 사용되도록 의도된 경우, 바이오가스-외부 가스 혼합물의 에너지 값이 사용 중에 바이오리액터에서 생성되는 일반적인 바이오가스의 에너지 값보다 낮을 것이기 때문에 상기 바이오가스-외부 가스 혼합물의 형성은 불리하다. 바이오가스가 다른 관심 화학 제품을 합성하기 위한 시재료를 위한 소스로서 역할하는 경우에, 관심 바이오가스 성분의 추가 처리 전에 가스를 제거하기 위한 추가 처리를 추가할 수 있으므로 다른 가스로 희석하는 것도 바람직하지 않다. 더욱이, 공기와 같이 상당한 양의 산소를 포함하는 가스가 사용될 때, 산소 함량을 안전한 수준으로 유지하기 위한 예방 조치를 취하지 않는 한, 잠재적으로 폭발성 혼합물을 형성할 위험이 존재한다. 이처럼 바이오리액터로 되돌아가는 유체 내에 공기가 존재하는 것은 미생물에 대해, 그리고 (본질적으로 혐기성 조건의) 혐기성 미생물에 대해서도 수용 가능하다는 것을 이해해야 한다.
따라서, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 (프로세스에서 사용하기 위한) 설비에 관한 것이며, 유체 매질을 주입하도록 구성된 인젝터는 외부 가스 소스(40), 외부 액화 가스 소스 또는 외부 용해 가스 소스에 연결되고, 가스와 바이오매스가 풍부한 유체의 혼합물을 되돌리기 위한 도관(10)은 바이오매스를 포함하는 유체상으로부터 기체상을 분리하도록 배열된 유체-기체 분리기(50)의 유입구(51)에 연결된 유출구(52)를 포함하고, 상기 유체-기체 분리기(50)는 기체-유체 분리기로부터 가스를 배출하도록 구성된 배출구(53) 및 바이오매스를 포함하는 유체를 바이오리액터로 배출하도록 구성되는 배출구(54)를 포함하고, 바이오매스를 포함하는 유체를 바이오리액터 내로 배출하도록 구성된 배출구(54)는 유체 매질을 주입하도록 구성된 인젝터보다 더 높은 높이에 있고, 바이오매스를 포함하는 유체를 바이오리액터 내로 배출하도록 구성된 배출구(54)는 바람직하게는 바이오리액터의 중간 또는 아랫 부분에 있다. 이것은 바이오리액터 윗 부분 내의 고형분 함량을 비교적 낮게 유지하는 것이 유리하기 때문에 바람직하다.
상기 유체-기체 분리기(50)는 유체를 기체상 및 바이오매스를 포함하는 유체상으로 분리하도록 구성되며 일반적으로 사용 중에 유체-기체 분리기(50) 내부의 유체 레벨이 바이오리액터(1) 내부의 유체 레벨보다 높은 레벨에 있도록 바이오리액터(1)에 대해 배치된다.
당업계에 공지된 임의의 유체-기체 분리기가 밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 유체로부터 기체를 분리하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 유체-기체 분리기는 기체-액체 분리기, 에어 스트리퍼 또는 기체 분리기 드럼이다.
본 발명에 따른 설비에 사용하기 위한 유체-기체 분리기의 바람직한 예가 도 9에 도시되어 있다. 유체-기체 분리기(50)는 각도(타우)를 이루고 도관(10)에 연결되며, 이 각도는 수직축에 대해 바람직하게는 5 내지 85°, 더욱 바람직하게는 40 내지 80°, 훨씬 더 바람직하게는 60 내지 75°이다. 사용 중, 이러한 각도는 유리하게도 밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 유체를 유체-기체 분리기(50)로 효율적으로 충전하는 것을 가능하게 해주는데, 그 이유는 그것이 바이오매스를 포함하는 유체를 유체-기체 분리기로 이송하기 위해 중력을 사용하는 것을 허용하기 때문이다. 이로써, 도관(10)이 막힐 위험이 최소화된다.
상기 도관(10)은 가스를 위한 배출구(55)를 포함하도록 더 구성되며, 바람직하게는 상기 배출구는 가스, 바람직하게는 공기를 배출하기 위한 상기 도관의 윗 부분에 위치된다. 이 배출구(55)는 도관(10)으로부터 가스의 배출을 허용한다. 상기 배출구(55)는 일반적으로 바이오리액터 내부의 (사용 중) 유체 레벨보다 더 높은 높이(h2)에 위치한다. 이 높이(h2)는 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 당업자는 본 명세서에 개시된 정보 및 일반적인 지식에 기초하여 적절한 h2를 선택할 수 있을 것이다. 예를 들어, 0.5 m 이상, 특히 1.0 m 이상, 보다 특히 약 1.5 m 이상의 h2가 적합하다. 일 실시예에서, h2는 10m 이하, 특히 5m 이하, 더욱 특히 약 2.5m 이하이다.
또한, 상기 유체-기체 분리기(50)는 바이오매스가 풍부하고 가스를 포함하는 유체를 위한 도관(10)의 배출구에 연결된 유입구(51)를 포함하도록 구성되고, 사용 중에, 바이오매스가 풍부하고 가스를 포함하는 유체가 바이오리액터(1) 내부의 유체 레벨보다 높은 높이(h1)의 위치에서 기체-유체 분리기(50)로 들어가게 하도록 구성된다. 바람직하게는, 이 유입구는 h1이 바이오리액터 내부의 유체 레벨보다 0.5 내지 1.5m 더 높도록, 더 바람직하게는 0.7 내지 1.3m 더 높도록 구성된다. 약 1m 이상의 h1에서 우수한 결과가 얻었졌는데, 그 이유는 그것이 바이오매스를 포함하는 유체상과 기체상을 충분히 상 분리할 수 있기 때문이다.
상기 유체-기체 분리기(50)는 가스를 위한 배출구(53) 및 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 배출구(54)를 더 포함한다. 가스는 (액체 레벨 위의) 유체-기체 분리기의 상단에 또는 그 근처에 위치하는 배출구(55)를 통해 유체-기체 분리기(50)를 떠난다. 이것은 유체-기체 분리기를 바로 떠날 수도 있고, 또는 그 자체가 알려져 있는 방식으로 추가 처리될 수도 있다. 고형물이 풍부한 유체는 도관(10')을 통해 유체-기체 분리기의 아랫 부분에서 유체-기체 분리기를 떠난다. 바람직하게는, 상기 도관(10')은 도관(10')으로의 바이오매스 축적으로 인한 막힘 또는 차단을 회피하기 위해 본질적으로 직선형, 즉 160° 미만, 바람직하게는 180° 미만의 각도를 갖는 굴곡 또는 구부러진 부분을 본질적으로 가지지 않는다. 위에서 설명된 바와 같이, 바이오매스를 포함하는 유체를 바이오리액터로 배출하도록 구성된 상기 배출구(54)는 유체 매질을 주입하도록 구성된 인젝터보다 더 높은 높이에 있다. 이것은 상기 유체 매질의 주입에 의해 제공되는 가스 리프트 효과로부터 최적의 이익을 얻기 위해 바람직하다. 추가 배출구(54)는 바이오매스를 포함하는 유체를 바이오리액터 내로 배출하도록 구성되고, 바람직하게는 바이오리액터의 중간 또는 아랫 부분에 있다. 이것은 바이오리액터 윗 부분 내의 고형분 함량을 비교적 낮게 유지하는 것이 바람직하기 때문에 유리하다.
또한 본 발명은 장치에 관한 것이고, 이 장치는 (본 발명에 따른 방법에서 외부 분리기로 사용될 수 있는, 또는 본 발명에 따른 설비의 외부 분리기일 수 있는) 분리기, 특히 침전기이고, 이것은 모듈형의 경사진 내부 유닛 및 뚜껑 또는 제거 가능한 플랜지와 같은, 모듈형의 경사진 내부 유닛을 위한 밀봉 가능한 엔트리를 구비한 분리 챔버를 포함하고, 이 엔트리는 예컨대 분리기의 유지 보수를 위해, 경사진 내부구조를 교체하거나 일시적으로 제거하는 것을 가능하게 해준다. 이러한 모듈은 TPS 모듈 카세트일 수 있다. 따라서, 내부구조는 분리기의 가동 중지 시간을 최소화하면서 내부구조의 스페어 세트로 쉽게 교체될 수 있고, 또한 내부구조가 쉽게 꺼내질 수 있을 때 외부 분리기의 나머지 부분의 세척/유지 관리가 용이하다. 본 발명에 따른 분리기 장치는 일반적으로, 예컨대, 본질적으로 직육면체 또는 본질적으로 원통형과 같은 기다란 형상이다. 분리기 장치는 일반적으로 내부 모듈(102e)을 포함하는 분리 챔버 내로 분리기의 한 말단(베이스 측(102a))에서 또는 그 근처에서 분리 처리를 받을 유체를 위한 유입구를 포함한다. 이 유입구는 바람직하게는 유입구 분배 챔버를 포함한다. 적어도 사용 시 경사진 분리 내부구조를 포함하는 교체 가능한 모듈(102e)은 적어도 실질적으로 분리 챔버를 따라, 바람직하게는 적어도 본질적으로 수평 축을 따라 제공되며, 감소된 고형물 함량을 갖는 유체를 위한 배출구(107a) 및 증가된 고형물 함량을 갖는 유체(슬러지)를 위한 배출구(108)는 일반적으로 유입구 측 반대쪽 말단에 또는 그 근처에 제공된다. 일반적으로, 감소된 고형물 함량을 갖는 유체를 위한 배출구(107a)는 적어도 실질적으로 내부구조 위쪽에 위치하는 반면, 증가된 고형물 함량을 갖는 유체(슬러지)를 위한 배출구(108)는 적어도 실질적으로 내부구조 아래에 위치한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 (외부) 분리기 장치는 본질적으로 직육면체 형상을 갖고, 분리 챔버를 열고 내부 모듈을 제거할 수 있게 해주는, 뚜껑, 예컨대, 내부 모듈의 길이를 따라 놓인 상단 뚜껑 또는 측면을 포함한다.
다른 바람직한 실시예에서, 도 7에 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 (외부) 분리기 장치는 적어도 실질적으로 둥근 원통형 형상을 갖는 분리 챔버를 가지며, 경사진 내부구조를 포함하는 모듈(102e)이 제공된다.
본 발명자는 적어도 실질적으로 둥근 원통형 디자인을 실현했는데, 모듈식 내부구조가 개폐 가능한 베이스 측 중 적어도 하나를 통해 분리 챔버로부터 교체 가능하도록 구성되어 있고, 이것은 수리/유지보수를 용이하게 할 뿐만 아니라 이러한 디자인이 분리 챔버에 유리하게 가해지는 압력(일반적으로 최대 약 2.5bar)을 견딜 수 있는 개폐 가능한 분리기를 갖는 것을 용이하게 하므로 특히 유리하다.
따라서, 유리한 실시예에서, 분리기는 적어도 실질적으로 원형-원통형 분리 챔버를 포함하며, 이 분리 챔버는 사용 중에 본질적으로 수평으로 배치되고(즉, 그것의 방사상 축이 본질적으로 수평이고), 이 분리 챔버 내에는 적어도 사용 중일 때 경사진 분리 내부구조를 포함하는 교체 가능한 모듈(102e)이 적어도 실질적으로 분리 챔버의 방사상 축을 따라 제공되어 있고, 이 분리 챔버는 경사진 분리 내부구조를 포함하는 모듈을 그것의 작업 위치에 배치하고 그것을 그것의 작업 위치로부터 제거할 수 있게 하도록 구성된 개구를 제공하도록 밀봉 가능하고 개방 가능한 적어도 하나의 베이스 측(102a, 102b)을 가진다. 예컨대, 플랜지(102c, 102d)가 밀봉 및 개방 가능한 베이스 측(들)에 제공될 수 있다. 도 7에서, 처리될 고형물을 포함하는 유체를 위한 유입구(104)는 우측 화살표로 개략적으로 표시되어 있다. 사용 시, 유체는 바람직하게는 유입구 분배 챔버를 통해 분리기로 들어간 다음 분리 챔버로 흐른다. 분리기는 좌측 상단 화살표로 표시된 감소된 고형물 함량을 갖는 유체를 위한 배출구(107a) 및 좌측 하단 화살표로 표시된 증가된 고형물 함량을 갖는 유체(슬러지) 배출구(108)를 더 포함한다.
특히 유리한 실시예에서, 본 발명에 따른 (외부) 분리기 장치, 본 발명에 따른 설비 또는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 외부 분리기 각각은 사용 중 본질적으로 수평으로 배치되는(즉, 그것의 방사상 축이 본질적으로 수평인), 적어도 실질적으로 입방체 또는 적어도 실질적으로 원형-원통형 분리 챔버로서, 이러한 분리 챔버 내에 경사진 분리 내부 모듈이 적어도 실질적으로 그것의 방사상 축을 따라 제공되어 있는 것인 상기 분리 챔버, (바이오리액터로부터의 바이오매스와 같은) 고형물을 포함하는 수성 유체를 내부구조 아래의 외부 분리기의 아랫 부분으로 공급하도록 구성된 유입구, 고형물을 포함하는 수성 유체를 유입구로부터 내부구조를 통해 적어도 실질적으로 내부구조 위에 위치된 감소된 고형물 함량을 갖는 수성 유체를 위한 제1 출구를 향하게 하는 통로, 및 적어도 실질적으로 내부구조 아래에 위치하는 고형물이 풍부한 수성 유체(슬러지)를 위한 제2 출구를 포함한다.
본 발명에 따라 사용하기 위한 설비에서, 외부 분리기의 유입구는 일반적으로 내부 공급 도관(6)의 유입구(5) 또는 외부 공급 도관(34)의 유입구(35)에 연결된다. 사용 중, 수성 유체는 액체상과 과립(입상)이 풍부한 유체상으로 분리된다. 외부 분리기는 (입상) 바이오매스가 풍부한 수성 유체를 바이오리액터로 되돌리기 위한 배출구(8)를 추가로 포함하며, 이는 도관(10)을 통해 바이오리액터의 (입상) 바이오매스가 풍부한 수성 유체를 위한 유입구(9)에 연결된다. 도관(10)에는 (입상) 바이오매스가 풍부한 유체에 바이오가스를 주입하기 위한 바이오가스 인젝터(23)가 장착되어 있으며, 이 바이오가스 인젝터는 도관(21)을 통해 바이오가스 수집기(22)에 연결된다.
리액터의 시동 동안 바이오가스 생산은 기계적 도움 또는 외부 가스 소스의 사용 없이는 외부 분리기로부터 바이오리액터로 (입상) 바이오매스가 풍부한 유체를 회수하는 충분한 상향 흐름을 유발할 만큼 아직 충분하지 않을 가능성이 있다. 이러한 경우, 바이오매스를 포함하는 상기 유체를 외부 분리기로부터 바이오리액터로 끌어들이기 위해 재순환 펌프와 같은 기계적 도움이 제공될 수 있다. 또한, 이러한 펌프가 제공되면 라인 내에 슬러지가 침전된 결과인 도관의 막힘이 최소화되거나 방지된다.
바람직하게는, 컨디셔닝 탱크(12)가 제공되고, 컨디셔닝 탱크로부터 사용 중에 수성 유체가 바이오리액터로 공급된다. 컨디셔닝 탱크 내에 존재하는 수성 유체의 혼합을 개선하기 위해, 바이오리액터로부터 컨디셔닝 탱크로 바이오가스를 도입하는 바이오가스 도관이 제공되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 침전된 고형물을 외부 분리기로부터 바이오리액터로 끌어들이기에 충분한 상향 흐름을 생성하기 위해 재순환 펌프가 사용된다.
외부 분리기는 접근성을 향상시키기 위해 바이오리액터 외부에 배치되며, 그로 인해 유지보수 및 시동 절차를 용이하게 하고 추가로 리액터의 부분적 설치를 가능하게 해준다. 즉, 이미 존재하는 시스템을 외부 침전기로 업그레이드하여 리액터의 효율을 향상하는 것이 가능해진다.
바람직하게는, 외부 분리기를 설비의 다른 부분과 연결하는 도관은 격리 밸브를 포함하여, 외부 분리기의 격리를 허용하고 따라서 외부 분리기의 제자리 세척 또는 유지보수를 용이하게 한다. 또한, 외부 분리기가 일반적으로 외부 분리기를 위한 공급 도관의 유입구보다 낮게 배치되기 때문에, 외부 분리기 내의 압력은 바이오리액터 윗 부분의 압력보다 높다. 일반적으로, 압력 차이는 약 1.5 내지 3bar이다. 더 높은 압력은 바이오매스 과립을 압축하여, 과립 내부에 여전히 존재 가능한 가스를 제거하고 그에 따라 과립의 침전성을 향상시키고 그에 따라 액체상으로부터의 고형물 제거를 향상시킨다.
위에서 이미 상세하게 설명된 바와 같이, 외부 분리기로부터 바이오리액터로의 바이오매스가 풍부한 재순환 유체상을 위한 구동력의 적어도 일부는 가스 리프트 원리를 사용한다. 이 원리를 사용하기 위해, 외부 분리기는 바람직하게는 재순환 도관(10)이 가스 리프트를 생성하고 바이오매스가 풍부한 유체상을 바이오리액터의 중간 또는 아랫 부분으로 복귀시킬 만큼 충분히 위쪽으로 연장될 수 있도록 충분히 낮게 배치된다. 이것은 그것이 바이오리액터의 윗 부분의 고형물 함량을 비교적 낮게 유지하는데 바람직하기 때문에 바람직하다. 따라서, 외부 분리기는 설비의 바닥에 또는 그 근처에 또는 바이오리액터의 밑면과 거의 동일한 높이 또는 그 아래에 위치하는 것이 유리한 반면, 도관(10)을 통한 바이오리액터(1)로의 바이오매스가 풍부한 재순환되는 유체를 위한 유입구(9)는 적어도 외부 분리기의 바이오매스가 풍부한 유체의 배출구(29)보다 더 높은 레벨에, 그리고 바람직하게는 외부 분리기의 상단보다 더 높은 레벨에 위치하는 것이 유리하다. 외부 분리기의 바이오매스가 풍부한 유체의 유출구(29), 재순환 도관(10)으로의 가스 인젝터(23) 및 외부 분리기로부터의 바이오매스가 풍부한 재순화되는 유체를 위한 유입구(9) 사이의 만족스러운 높이 차이는 본 명세서에 개시된 정보, 일반적인 지식 및 선택사항으로서 제한된 양의 일상적인 시행착오를 기반으로 한다. 특히, 당업자는 유체/고체/기체를 올바른 방향으로 구동하도록 하는 압력차가 되도록 하는 높이차를 선택할 수 있을 것이다.
특정 실시예에서, 바이오리액터로부터 외부 분리기로 수성 유체를 공급하기 위한 도관은 슬러지가 도관에 침전하여 시스템의 막힘을 초래하는 것을 방지하기 위해 적어도 실질적으로 직선형, 즉 예각의 또는 예리한 모서리를 포함하지 않는다.
본 명세서에 사용된 용어 "또는"은 달리 명시되지 않는 한 "및/또는"으로 정의된다.
본 명세서에 사용된 용어 "하나" 또는 "일"은 달리 명시되지 않는 한 "적어도 하나"로 정의된다.
명사를 단수로 언급할 때(예컨대, 하나의 화합물, 하나의 첨가제 등), 복수도 포함되는 것을 의미한다.
"(적어도) 실질적(으로)"라는 용어는 일반적으로 지정된 것의 일반적인 특성 또는 기능을 가지고 있음을 나타내기 위해 본 명세서에서 사용된다. 정량화 가능한 특징을 언급할 때, 이 용어는 특히 그것이 그 특징의 최대치의 적어도 50%, 보다 특히 75% 초과, 훨씬 더 특히 90% 초과임을 나타내기 위해 사용된다. '본질적으로 포함하지 않는'이라는 용어는 물질이 존재하지 않거나(유효 출원일에 사용 가능한 분석 기술을 통해 달성할 수 있는 검출 한계 미만으로 존재함) 또는 상기 물질을 본질적으로 포함하지 않는 제품의 속성에 상당한 영향을 주지 않을 정도로 소량으로 존재하는 것을 나타내기 위해 일반적으로 본 명세서에서 사용된다. 실제로, 정량적 측면에서, 물질의 함량이 0 - 1 wt.%, 특히 0 - 0.5 wt.%, 더 특히 0 - 0.1 wt.%인 경우 제품은 일반적으로 그 물질을 본질적으로 포함하지 않는 것으로 간주된다.
본 출원의 맥락에서, 용어 "약"은 일반적으로 주어진 값으로부터 15% 이하의 편차, 특히 10% 이하의 편차, 보다 특히 5% 이하의 편차를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 "생분해성 유기 물질"은 전형적으로 본질적으로 혐기성 조건 하에서 리액터 내의 바이오매스에 의해 특히 바이오매스 또는 메탄으로 변환될 수 있는 유기 물질이다.
용어 "유체"는 외부 압력(중력 이외의 압력)을 가하지 않고도 흐르는 액체 및 액체와 적어도 하나의 다른 상의 혼합물(예컨대, 현탁액)에 대해 본 명세서에서 사용된다.
용어 "액체"는 육안으로 볼 수 있는(즉, 크기가 0.1mm 보다 큰 입자)를 본질적으로 포함하지 않는 수성 유체에 대해 본 명세서에서 사용된다.
본 명세서에서 사용된 "유기 물질"은 ISO 6060:1989에 설명된 화학적 산소 요구량(COD) 테스트에 의해 판정될 수 있는 화학적으로 산화 가능한 임의의 유기 물질이다. 유기 물질의 함량은 일반적으로 g COD, 즉 유기 물질의 산화에 소모되는 산소 그램으로 표현된다.
당업자는 '위', '아래', '중간', '바닥에', '바닥 부근에', '상단에' 및 '상단 부근에'와 같은 용어에 익숙하다. 일반적으로, 이들은 다른 것과 관련하지 읽혀지며, 당업자들은 일반적인 지식, 본 명세서에 개시된 정보 및 인용물에 기초하여, 본 설비의 유닛의 세부사항(예컨대, 바이오리액터, 별도의 용기, 또는 바이오리액터 또는 한 섹션에 포함된 물질의 부피)을 실시하기 위해 그것의 구현을 줄일 수 있을 것이다.
일반적인 경험에 따르면, 문맥상 달리 따르지 않는 한, 특정 기준점(예컨대 '바닥' 또는 '상단') '근처'는 일반적으로 '그 기준점으로부터 최대 +/-20%의 상대 높이에', 특히 '그 기준점으로부터 최대 +/-15%의 상대 높이에', 보다 특히 '그 기준점으로부터 최대 +/-10%의 상대 높이에'를 의미한다. 상대 높이는 바닥으로부터의 거리를 유닛의 전체 높이로 나눈 값(바닥과 상단 사이의 높이차)이다.
일반적인 경험에 따르면, 문맥상 달리 따르지 않는 한, '윗' 부분은 유닛의 일반적으로 상부 1/2 및 특히 상부 1/3을 의미하며, '아랫' 부분은 일반적으로 유닛의 하부 1/2 및 특히 하부 1/3을 의미한다. 중간 부분을 언급할 때, 이것은 특히 유닛의 중간 1/3을 (바닥의 1/3로부터 상단으로부터 1/3까지) 의미한다.
명료함 및 간결한 설명을 위해, 특징들은 동일한 실시예 또는 별개의 실시예들의 일부로서 본 명세서에서 설명되지만, 본 발명의 범위가 설명된 특징들의 전부 또는 일부의 조합을 갖는 실시예들을 포함할 수 있음이 이해될 것이다.
도면에 대한 범례: (1) 바이오리액터; (2) 외부 분리기; (3) 내부 배플 또는 편향기/분리기; (4) 수성 유체를 위한 외부 분리기의 유입구; (5) 바이오리액터(1)로부터 수성 유체를 회수하기 위한 도관(6)의 유입구; (7a) 수성 유체를 위한 외부 분리기의 배출구; (8) 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 배출구; (9) 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 바이오리액터(1)로의 유입구; (10) 밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 도관; (11) 기계식 펌프; (12) 컨디셔닝 탱크; (13) 폐수를 위한 유입구; (14) 수성 유체를 위한 배출구; (15) 컨디셔닝 탱크로부터 수성 유체를 위한 바이오리액터의 유입구; (16) 바이오리액터로의 수성 유체를 위한 도관; (17) 컨디셔닝 탱크로부터의 바이오가스를 위한 배출구; (18) 바이오리액터로부터의 바이오가스를 위한 배출구; (19) 컨디셔닝 탱크로부터의 바이오가스를 위한 유입구; (20) 바이오가스를 위한 도관; (21) 바이오가스 도관; (21) 바이오가스 인젝터; (22) 바이오가스 수집 후드; (23) 바이오가스 인젝터; (24) 바이오가스를 도입하기 위한 바이오가스 도관(26)에 바이오가스 도관(21)을 연결하기 위한 T-접합부; (25) 컨디셔닝 탱크의 유입구; (26) 바이오가스 도관; (27) 밸브; (28) 밸브; (29) 컨디셔닝 탱크의 유입구/배출구(31)에 연결된 유입구/배출구; (30) 외부 분리기로부터 바이오리액터로 슬러지를 되돌리기 위한 펌프; (32) 바이오리액터의 유입구; (33) 슬러지를 바이오리액터로 되돌리기 위한 도관; (34) 바이오리액터로부터의 고형물을 포함하는 수성 유체를 외부 분리기로 공급하도록 구성된 공급 도관; 편향기 또는 배플(36) 위에 위치한 (35) 바이오리액터의 배출구; (37) 외부 분리기로부터 컨디셔닝 탱크로의 액체상을 위한 리턴 라인; (38) 바이오리액터의 헤드스페이스(39)로부터 가스 인젝터로의 가스 도관; (40) 외부 가스 소스; (41) 외부 가스를 위한 도관; (42) 벤츄리 인젝터; (43) 고압 유입구 측(44)을 통해 벤츄리 인젝터로 들어간 수성 유체의 유체 경로로 흡입될 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 도관; (45) 흡입 유입구; (47) 벤츄리 인젝터의 저압 배출구; (50) 기체-유체 분리기; (51) 밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 기체-유체 분리기의 유입구; (52) 밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 도관(10)의 배출구; (53) 가스를 배출하기 위한 가스-유체 분리기의 배출구; (54) 바이오매스가 풍부한 유체를 배출하기 위한 기체-유체 분리기의 배출구; (55) 가스를 배출하기 위한 배출구; (102a, 102b) 분리기의 베이스 측; (102c, 102d) 플랜지; (102e) 경사진 분리 내부구조를 포함하는 교체 가능한 모듈; (104) 처리될 고형물을 포함하는 유체를 위한 유입구; (107a) 감소된 고형물 함량을 갖는 유체를 위한 배출구; (108) 증가된 고형물 함량을 갖는 유체(슬러지)를 위한 배출구.
실시예
펄프 및 제지 산업의 폐수가 본 발명에 따른 설비에서 처리되었다(예를 들어, 도 3 및 4 참조). 각각의 50일 및 150일의 두 시간 인터벌 동안, 외부 분리기 하류의 바이오매스가 풍부한 유체의 밀도를 줄이는 2가지 다른 수단이 활용되었고 속도 전환율(VLR: velocity turnover rate) 측면에서 비교되었다.
처음 50일의 시간 인터벌 동안, 폐수는 본 발명에 따른 설비에서 처리되었으며, 바이오가스는 수집 후드를 사용하여 바이오리액터 내부에서 수집되었고 후속하여 외부 분리기 하류의 바이오매스가 풍부한 유체상으로 도입되었다.
50일 후, 외부 분리기 하류의 바이오매스가 풍부한 유체의 밀도는 기계적 펌프 또는 컴프레셔를 사용하여 외부 분리기 하류의 바이오매스가 풍부한 유체 내로 공기를 도입함으로써 감소되었다. 폐수는 다른 150일 동안 처리되었다.
전체 처리 기간에 걸친 유출물 스트림의 체적 부하율(VLR) 및 평균 총 COD(tCOD) 및 용해성 COD(sCOD)가 전체 처리 기간 동안 판정되었다. 그 결과는 도 10 및 표 1에 나와 있다.
도 10a에서 볼 수 있듯이, 처음 50일의 처리 동안 일(day) 10-30kg COD/L의 VLR이 달성되었으며, 외부 분리기 하류의 바이오매스가 풍부한 유체는 수집 후드를 사용하여 바이오리액터 내에 수집된 바이오가스를 상기 유체 내로 도입함으로써, 밀도 감소를 거쳤다. 또한, 외부 분리기 하류의 바이오매스가 풍부한 유체의 밀도를 줄이기 위해 외부 가스를 사용할 때 약간 더 높은 VLR이 얻어졌다. 이것은 바이오리액터 내부의 바이오가스 후드를 통해 수집된 바이오가스를 사용하는 것과 비교하여, 외부 가스를 사용하여 외부 분리기 하류의 바이오매스가 풍부한 유체의 밀도가 감소될 때 VLR이 더 적은 변형을 나타낸다는(예컨대, 더 안정적이라는) 것이 도 10a에 추가로 도시되어 있다. 이 프로세스는 안정적이었고 적어도 200일의 프로세싱 시간 동안 동작상의 문제는 관찰되지 않았다.
또한, 표 1 및 도 10b로부터 도출될 수 있듯이, 92%보다 큰 평균 sCOD 제거율 및 80%보다 큰 평균 tCOD가 달성되었다.
[표 1] 바이오리액터, 외부 분리기 및 유출 라인 내의 바이오매스 함량. 브라켓 사이에 나타난 평균 값.
Figure pct00001
표 1 및 도 10a로부터 도출될 수 있는 바와 같이, 일 16-24 kg COD/m3의 VLR이 본 발명에 따른 프로세스를 통해 달성될 수 있었다. 이러한 성능은 일반적인 EGSB의 성능과 비슷하다. 또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 방법을 통해 16-31 m/hr의 침전기 단면 속도가 달성될 수 있었다. 이 속도는 기존 EGBS에 비해 훨씬 높으며, 단면 속도는 일반적으로 약 10-12.5m/h 범위이므로, 프로세스의 효율성이 향상된다. 이것은 EGBS에서 달성되는 것과 동일한 속도를 달성하기 위해, 약 1.5 내지 3배 더 작은 침전 영역이 사용될 수 있음을 의미한다. 이는 설비를 훨씬 더 소형으로 만든다.
또한, 표 1에서 도출할 수 있는 바와 같이, 유출물 내 바이오매스 농도는 지속적으로 유출물 L당 바이오매스 5mL 미만이였으며, 평균적으로 유출물 L당 바이오매스 1.5mL 미만이었다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 방법의 분리 효율이 탁월함을 확인시켜준다.
우수한 분리 효율은 또한 도 11에 도시되어 있으며, 유출물이 상당히 정제되어 2ml/L의 바이오매스 함량을 갖는다는 것을 보여준다(도 11b). 이것은 45ml/L의 바이오매스 함량이 측정되었던 외부 분리기의 유입구에서 얻은 샘플(도 11a), 및 100ml/L의 바이오매스 함량을 나타내는 바이오매스 리턴 라인으로부터 얻은 샘플(도 11c)에 비해 훨씬 낮다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 방법이 고효율(높은 VLR에서 반영) 및 고순도(우수한 COD 제거에서 반영)로 폐수를 처리할 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.

Claims (24)

  1. 바이오매스를 포함하는 슬러지 베드를 담고 있는 상향류 바이오리액터(1) 및 외부 분리기(2)를 포함하는 설비에서 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 처리하는 방법으로서, 상기 방법은:
    - 상기 수성 유체를 상기 바이오리액터의 아랫 부분 내로 공급하고, 공급된 유체를 상기 바이오매스와 접촉시켜 상기 생분해성 유기 물질로부터 바이오가스를 형성하는 단계;
    - 상기 바이오리액터의 윗 부분으로부터 상기 바이오매스와 접촉한 유체를 회수하는 단계로서, 회수된 유체는 바이오매스를 포함하는 것인, 상기 바이오매스와 접촉한 유체를 회수하는 단계;
    - 상기 바이오리액터의 상기 윗 부분으로부터 회수된 상기 바이오매스를 포함하는 유체를 바람직하게는 경사진 내부구조를 구비한 분리 챔버를 포함하는 상기 외부 분리기(2)로 공급하는 단계로서, 상기 바이오매스를 포함하는 상기 유체는 감소된 바이오매스 함량을 갖거나 본질적으로 바이오매스를 포함하지 않는 액체상과 바이오매스가 풍부한 유체상으로 분리되는 것인, 상기 단계;
    - 바이오매스가 풍부한 유체상을 상기 외부 분리기의 하류에서 밀도 감소시키는 단계; 및
    - 밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 유체를 상기 바이오리액터로 되돌리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오리액터는 헤드스페이스를 갖고, 바이오가스는 상기 바이오리액터의 상기 헤드스페이스로부터 취해지고 상기 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상으로 도입되고, 그로 인해 상기 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체의 밀도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    외부 가스는 상기 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상 내로 도입되고, 그로 인해 상기 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체의 밀도를 감소시키며, 이 외부 가스는 바람직하게는 질소인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    (가압) 액화 가스 또는 액체 상 내에 용해된 (가압) 가스가 상기 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상 내로 도입되고 상기 액화 가스 또는 용해된 가스가 팽창(증발)되어 상기 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상의 밀도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    밀도 감소를 거친 바이오매스가 풍부한 상기 유체는 기체-유체 분리기(50)로 공급되고, 상기 유체는 기체상 및 바이오매스를 포함하는 유체상으로 분리되고, 바이오매스를 포함하는 상기 유체상은 상기 바이오리액터(1)로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기체-유체 분리기(50)는 기체-액체 분리기, 에어 스트리퍼 또는 기체 분리기 드럼인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 바이오매스를 포함하는 슬러지 베드를 담고 있는 상향류 바이오리액터(1) 및 외부 분리기(2)를 포함하는 설비에서(선택사항으로서 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른), 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 처리하는 방법으로서, 상기 방법은:
    - 상기 수성 유체를 상기 바이오리액터의 아랫 부분으로 공급하고, 공급된 유체를 상기 바이오매스와 접촉시켜 상기 생분해성 유기 물질로부터 바이오가스를 형성하는 단계;
    - 상기 바이오리액터의 윗 부분으로부터의 상기 바이오매스와 접촉한 유체를 회수하는 단계로서, 회수된 유체는 바이오매스를 포함하는 것인, 상기 바이오매스와 접촉한 유체를 회수하는 단계;
    - 상기 바이오리액터의 상기 윗 부분으로부터 회수된 상기 바이오매스를 포함하는 상기 수성 유체를 경사진 내부구조를 갖는 분리 챔버를 포함하는 상기 외부 분리기(2) 내로 공급하는 단계로서, 상기 바이오매스를 포함하는 상기 수성 유체는 감소된 바이오매스 함량을 갖거나 본질적으로 바이오매스를 포함하지 않는 액체상 및 바이오매스가 풍부한 유체상으로 분리되는 것인, 상기 단계; 및
    - 바이오매스가 풍부한 상기 유체상을 상기 외부 분리기로부터 고압 유입구, 저압 배출구 및 흡입 유입구를 갖는 벤츄리 인젝터(42)를 통해 상기 바이오리액터로 되돌리는 단계를 포함하고,
    바이오리액터에서 처리될 생분해성 물질을 포함하는 수성 유체는 상기 고압 유입구를 통해 상기 벤츄리 인젝터로 들어가고, 상기 외부 분리기로부터의 바이오매스가 풍부한 상기 유체상은 상기 흡입 유입구를 통해 벤츄리 인젝터로 들어가고, 바이오매스가 풍부한 상기 유체상, 상기 바이오리액터에서 처리될 상기 수성 유체는 함께 상기 벤츄리 인젝터를 떠나 상기 저압 배출구를 통해 상기 바이오리액터로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    바이오매스가 풍부한 상기 유체상의 밀도는 상기 외부 분리기의 하류에서 적어도 10%, 특히 20 내지 95% 만큼 감소되고, 바람직하게는 10 내지 900kg/m3 범위의 밀도로, 더욱 바람직하게는 100 내지 800 kg/m3 범위의 밀도로 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 설비는 상기 바이오리액터(1)에서 처리될 수성 유체가 공급되는 컨디셔닝 탱크(12)를 포함하고, 이 컨디셔닝 탱크(12)로부터 상기 수성 유체가 상기 바이오리액터(1)로 공급되고, 감소된 바이오매스 함량을 갖거나 바이오매스를 본질적으로 포함하지 않는 액체상의 일부는 상기 외부 분리기(2)로부터 상기 컨디셔닝 탱크(12)로 공급되고, 상기 컨디셔닝 탱크 내에서 상기 수성 유체는 바람직하게는:
    - 상기 컨디셔닝 탱크 내의 상기 수성 유체의 pH를 6.0 내지 7.5의 범위로 유지하거나 또는 상기 컨디셔닝 탱크 내의 상기 수성 유체의 pH를 6.0 내지 7.5의 범위로 조정하는 단계 및/또는
    - 상기 컨디셔닝 탱크 내의 상기 수성 유체의 온도를 20 내지 55℃ 범위, 특히 30 내지 40℃ 범위의 온도로 유지하거나 또는 상기 컨디셔닝 탱크 내의 상기 수성 유체의 온도를 20 내지 55℃ 범위, 특히 30 내지 40℃ 범위의 온도로 조정하는 단계를 포함하는 처리를 거치는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오리액터는 입상 슬러지 베드(GSB)를 포함하고, 이 GSB는 혐기성 미생물을 포함하고, 상기 생분해성 유기 물질은 상기 혐기성 미생물에 의해 변환되어 상기 바이오가스를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오리액터의 상기 윗 부분으로부터 회수된 유체는 입상 바이오매스를 포함하고, 상기 입상 바이오매스는 상기 외부 분리기(2) 내부에서 침전되고, 상기 바이오리액터(1)로 되돌아가는 유체상은 침전된 입상 바이오매스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 분리기(2)는 상기 유체를 상기 외부 분리기로 공급하는 공급 도관(6)의 상기 바이오리액터(1)로부터의 수성 유체를 회수하는 유입구(5)보다 낮게 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 생분해성 유기 물질을 포함하는 수성 유체를 미생물학적으로 처리하는 설비로서, 상기 설비는:
    - 바이오가스를 위한 배출구를 포함하는 바이오리액터(1), 바람직하게는 상향류 입상 슬러지 베드 리액터, 보다 바람직하게는 확장 입상 슬러지 베드 리액터;
    - 바람직하게는 바이오매스를 포함하는 유체상으로부터 액체상을 분리하도록 배열된 경사진 내부구조를 구비한, 분리 챔버를 포함하는 외부 분리기(2)로서, 상기 외부 분리기는 바이오리액터(1)로부터 수성 유체를 회수하기 위한 도관(6)의 유입구(5)에 연결된 수성 유체를 위한 유입구(4), 수성 유체를 위한 배출구(7a), 도관(10)을 통해 상기 바이오리액터(1)로의 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 유입구(9)로의 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 배출구(8)를 포함하는 것인, 상기 외부 분리기(2); 및
    - 적어도 하나의 인젝터를 포함하고, 상기 적어도 하나의 인젝터는:
    (a) 상기 외부 분리기의 하류의 바이오매스가 풍부한 유체 내로 가스 또는 (가압) 액체와 같은 유체 매질을 주입하도록 구성된 인젝터 및
    (b) 바이오매스가 풍부한 유체를 상기 외부 분리기로부터 상기 바이오리액터로 되돌리도록 구성된 벤츄리 인젝터로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 설비.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 바이오리액터(1)는 헤드스페이스, 및 상기 헤드스페이스로부터 유체 매질을 주입하도록 구성된 상기 인젝터로의 바이오가스를 위한 유동 경로를 제공하는 도관을 갖고, 상기 인젝터는 바람직하게는 바이오매스가 풍부한 유체상과 상기 유체상 내로 주입된 바이오가스의 혼합물을 돌려보내기 위한 도관(10) 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 설비.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    유체 매질을 주입하도록 구성된 상기 인젝터는 외부 가스 소스, 외부 액화 가스 소스 또는 외부 용해 가스 소스에 연결된 것을 특징으로 하는 설비.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 외부 분리기의 바이오매스가 풍부한 유체를 위한 배출구(8)와 바이오매스가 풍부한 유체를 상기 바이오리액터(1)로 돌려보내기 위한 유입구(9) 사이의 상기 도관(10)은 바이오매스를 포함하는 유체상으로부터 기체상을 분리하도록 배열된 유체-기체 분리기(50)의 유입구(51)에 연결된 배출구(52)를 포함하고, 상기 유체-기체 분리기(50)는 상기 가스-유체 분리기로부터 가스를 배출하도록 구성된 배출구(53) 및 바이오매스를 포함하는 유체를 상기 바이오리액터로 배출하도록 구성되는 배출구(54)를 포함하고, 바이오매스를 포함하는 유체를 상기 바이오리액터 내로 배출하도록 구성된 배출구(54)는 유체 매질을 주입하도록 구성된 상기 인젝터보다 더 높은 높이에 있고, 바이오매스를 포함하는 유체를 상기 바이오리액터 내로 배출하도록 구성된 배출구(54)는 바람직하게는 상기 바이오리액터의 중간 또는 아랫 부분에 있는 것을 특징으로 하는 설비.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유체-기체 분리기(50)는 사용 중에 상기 유체-기체 분리기(50) 내부의 유체 레벨이 상기 바이오리액터(1) 내부의 유체 레벨보다 더 높은 레벨에 있도록 바이오리액터(1)에 대해 배열되는 것을 특징으로 하는 설비.
  18. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스와 바이오매스가 풍부한 상기 유체의 혼합물을 되돌리기 위한 상기 도관(10)은 반환된 혼합물을 상기 바이오리액터 내로 배출하도록 구성된 배출구(9)를 포함하고, 상기 반환된 혼합물을 상기 바이오리액터로 배출하도록 구성된 상기 배출구(9)는 상기 바이오가스 인젝터(23)보다 높은 높이에 있고, 상기 반환된 혼합물을 상기 바이오리액터로 배출하도록 구성된 상기 배출구(9)는 바람직하게는 상기 바이오리액터의 중간 또는 아랫 부분에 있는 것을 특징으로 하는 설비.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수성 유체를 전처리하기 위한 컨디셔닝 탱크(12)를 포함하며,
    상기 컨디셔닝 탱크는 폐수를 위한 유입구(13), 도관(16)을 통해 상기 바이오리액터의 유입구(15)에 연결된 상기 수성 유체(14)를 위한 배출구, 상기 외부 분리기(2)로부터 상기 컨디셔닝 탱크(12)로의 액체상을 위한 리턴 라인(37) 및 바이오가스를 위한 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이오리액터(1)는 적어도 상기 설비의 사용 동안 바이오가스 수집기(22)가 상기 바이오리액터 내의 상기 슬러지 베드 내에 잠기도록 하는 높이에 배치된 내부 바이오가스 수집기(22)를 포함하고, 상기 바이오가스 수집기는 상기 외부 분리기(2)로부터의 고형물이 풍부한 유체를 상기 바이오리액터(1)로 되돌리기 위한 상기 도관(10) 내로 바이오가스를 주입하도록 구성된 바이오가스 인젝터(23)에 연결된 것을 특징으로 하는 설비.
  21. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 분리기는 상기 바이오리액터의 밑면과 거의 동일한 높이 또는 아래에, 특히 바닥에 배치된 것을 특징으로 하는 설비.
  22. 제13항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 설비는 상기 바이오리액터(1)로부터의 고형물을 포함하는 수성 유체를 상기 외부 분리기(2)로 공급하도록 구성된 공급 도관(34)을 포함하고, 상기 공급 도관(34)은 상기 바이오리액터(1) 내에 존재하는 편향기 또는 배플(36) 위에 위치하는 유입구(35)를 갖고, 상기 편향기 또는 배플은 상기 바이오리액터(1) 내에 존재하는 고형물을 포함하는 수성 유체를 상기 외부 공급 도관(34)으로 보내도록 구성된 것을 특징으로 하는 설비.
  23. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 분리기(2)는 모듈형 경사진 내부 유닛 및 상기 모듈형 경사진 내부 유닛의 교체를 가능하게 하도록 구성된 밀봉 가능하고 개방 가능한 엔트리를 구비한 분리 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 분리 챔버는 사용 중 본질적으로 수평으로 배치된(즉, 그것의 방사상 축이 본질적으로 수평인) 적어도 실질적으로 원형-원통형 분리 챔버이고, 상기 분리 챔버에는, 적어도 사용 중일 때, 경사진 분리 내부구조를 포함하는 교체 가능한 모듈(102e)이 상기 분리 챔버의 방사상 축을 따라 적어도 실질적으로 제공되어 있고, 상기 분리 챔버는 경사진 분리 내부구조를 포함하는 모듈을 그것의 작업 위치로 배치하고 그 작업 위치로부터 모듈을 제거할 수 있게 해주는 개구를 제공하도록 개방 가능하고 밀봉 가능한 적어도 하나의 베이스 측(102a, 102b)을 가지는 것을 특징으로 하는 설비.
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