KR20230172531A - 혐기성 공동-소화에 의한 바이오가스의 생산을 위한 생산 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다음을 포함하는, 혐기성 공동-소화를 통해 바이오가스를 생산하는 생산 공정에 관한 것이다: (a) 1.5 내지 4.5 bar 및 120 내지 160℃에서 폐기물을 열 가수분해 처리하여 유기성 고형 폐기물로부터 가수분해된 바이오매스를 제조하여, 이물질이 분리된 원시 바이오매스를 생성하여, 적어도 90% 유기물, 적어도 0.6의 총 고형물에 대한 휘발성 고형물의 비 및 적어도 5%의 총 고형물을 갖는 깨끗한 가수분해된 바이오매스를 생성하는 단계; (b) 깨끗하고 가수분해된 바이오매스와 폐수 처리장 (WWTP)으로부터의 슬러지를 혼합하여, 20% 미만의 농도로 컨디셔닝된 30% 미만의 고형물의 농도를 갖는 혼합물을 생성하는 단계; 및 (c) 25℃ 내지 40℃ 또는 50℃ 내지 60℃의 소화조에서 그리고 12 내지 30 일의 HRT 동안 습식 혐기성 소화 단계를 거쳐, 바이오가스 및 소화물을 생성하는 단계.
Description
본 발명의 목적은 환경 기술의 기술 분야에 관한 것이며, 특히, 다음과 같은 유기 폐기물의 혐기성 공동-소화에 의해 바이오가스를 생산하는 새로운 생산 공정에 관한 것이다: 도시 폐수 (이하, UWW)로부터 기원한 슬러지, 및 도시 고형 폐기물 (이하, MSW) 및 동화성 폐기물의 유기 분획물, 바람직하게는 MSW의 선택적 수집물로부터 기원한 유기 폐기물뿐만 아니라 농업, 원예, 수경재배, 임업, 수렵, 어업, 식품 및 산업적 유기 폐기물의 제조 및 생산, 등으로부터의 유기 폐기물 둘 모두로서 이해되는, 유기 고형 폐기물 (이하, OSW).
본 발명은 현재의 도시 폐기물 관리 공정의 개선에 대한 필요성에서 비롯되었다. 특히, 이는 현재까지 독립적으로 관리되는 2 가지 유형의 유기 폐기물, 즉 OSW 및 UWW로부터 기원하는 슬러지의 처리에 의해 바이오가스의 생산을 최적화하는 새로운 공정에 관한 것이다.
처리장에서 UWW의 처리는 주로 다음의 2 가지 공정 라인을 포함한다: 한편으로는, 물은 이를 수로에 버리는 것을 가능하게 하고/하거나, 이를 거리 청소 및/또는 정원 관개에 재사용하는 것을 가능하게 하고, 다른 한편으로는 폐수처리 동안에 분리되거나 발생되는 고형 분획물 또는 슬러지는 관리된다. 이 경우, 모래 또는 벌키한 폐기물은 제거되고, 매립지로 보내지는 반면, 생물학적 처리 동안에 생성되거나 침전의 단계 동안에 제거되는 슬러지는 대부분 습식 혐기성 소화 공정을 거치게 된다.
도시 고형 폐기물 및 동화성 폐기물의 경우, 일반적인 처리는 그 안에 존재하는 상이한 분획물 (주로 플라스틱, 금속 및 유기 분획물)을 분리한 후, 각각의 분획물을 독립적으로 처리하고 회수하는 것으로 이루어진다. 유기 분획물의 경우, 주요 회수 형태는 퇴비화 또는 호기성 안정화, 혐기성 소화 또는 열 회수 (소각, 가스화, 열분해 등)이다.
혐기성 소화의 경우, 폐기물 관리에는 다음의 2 개의 주요 추세가 있다:
● 건식 공정, 고형물의 농도가 20 중량%를 초과하는 경우, 및
● 습식 공정, 고형물의 농도가 20 중량% 미만 (일반적으로 약 10 또는 12%)인 경우.
혐기성 소화에 의한 슬러지 처리 공정과 관련된 다수의 발명을 특허 문헌에서 찾아볼 수 있다.
따라서, 예를 들어, 특허 US3338826은 분해를 가속화하기 위해 폐수에 2 내지 4 기압의 압력을 적용하는 단계를 포함하는, 혐기성 소화에 의한 폐수 처리의 공정에 관한 것입니다.
결과적으로, 특허 EP0737651은 다른 단계 중에서, 잉여 슬러지를 60℃ 이상의 온도에서 열 전-처리하는 단계, 잉여 슬러지를 탈수하는 단계, 및 탈수된 슬러지를 메탄 발효 공정으로 인해 발생한 소화된 슬러지와 혼합하여, 수득된 혼합물을 새로운 메탄 발효 공정의 기질로서 사용하는 단계를 포함하는, 폐수 처리를 위한 방법에 관한 것이다.
폐수처리장 (WWTP)에서 생성된 폐수 슬러지 처리 공정을 최적화하기 위해 많은 솔루션이 제안되었지만 현재까지 다른 유형의 유기물인 열 가수분해 공정을 통한 컨디셔닝을 기반으로 하는 솔루션은 발견되지 않았습니다. 폐기물, 바람직하게는 MSW의 유기 부분의 선택적 수집에서 발생하는 고형 폐기물로서, 상기 폐기물은 일단 처리되면 폐수 슬러지 처리장에서 생성되거나 분리된 슬러지의 혐기성 소화 공정의 효율성을 향상시키기 위해 사용됩니다. 본 발명의 해결 목적과 달리, 유기 폐기물 및 처리장으로부터의 슬러지의 공동-소화에 의한 합동 처리에 기반한 당업계에 알려진 공정은 원시 유기 폐기물, 즉, 이물질 제거 단계 이후의 임의의 이전 처리를 거치지 않은 폐기물의 사용에 기반한다.
유기 고형 폐기물의 열 가수분해 처리의 결과로서, 아래에 상세히 기재된 바와 같이, 여러 가지 이점이 달성된다. 이 중에서, 수득된 바이오가스의 생성 및 품질과 관련하여 달성된 놀라운 결과는 주목되어야 하며, 이는 처리 시설의 에너지의 자체-공급 및 심지어 잉여 에너지의 생성에 기여한다.
이와 같이, 본 발명의 목적은 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는, 혐기성 공동-소화를 통해 바이오가스를 생산하는 생산 공정에 관한 것이다:
(a) 유기 고형 폐기물로부터 가수분해된 바이오매스를 제조하는 제1 단계. 이러한 제1 단계는 차례로 다음을 포함한다:
i. 유기 고형 폐기물의 열 가수분해 처리를 포함하는 제1 하위-단계. 이러한 열 가수분해 처리는 바람직하게는 폐기물을 10 내지 75 분 범위일 수 있는 시간 동안, 1.5 내지 4.5 bar를 포함하는 압력 및 120 내지 160℃의 온도에 적용함으로써 수행될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 공정의 다음의 단계에 영향을 미칠 수 있는 억제 화합물을 생성하지 않으면서 열 가수분해의 효과를 최적화하기 위해 압력 및 시간이 달라질 수 있다.
이러한 열 가수분해 처리를 통해 다음의 이익이 수득된다:
- 폐기물 위생;
- 이물질에 영향을 미치지 않으면서, 유기 분획물의 부분적 분해 (혐기성 소화 공정에서 회수되기 어려운 폐기물 분획물 또는 구성요소를 이러한 물질로서 이해함). 이는 다음을 초래한다:
● 유기 분획물의 균질화,
● 이물질 분리 효율이 증가하여, 이에 의해 유기 분획물의 더 높은 활용을 수득하고, 후속 세척 공정에서 손실이 최소화됨;
- 유기물의 열적 및 생물학적 안정화;
- 복잡한 화합물의 가용성이고 보다 용이하게 분해 가능한 분자로의 변환.
이러한 열적 가수분해의 단계의 결과는 본 특허의 목적상, "원시 바이오매스"로서 지칭될 산물이다. "원시 바이오매스"의 특성은 시작 폐기물의 공급원에 따라 크게 달라질 수 있지만, 특정 실시양태에서, 상기 "원시 바이오매스"는 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다: 70 내지 75 중량%의 생분해성 유기물, 10 내지 15 중량%의 경량 이물질 (유기물이 가용화될 때 유기물의 현탁액보다 낮은 밀도를 갖기 때문에 부유하는 경향이 있는 물질, 예컨대, 예를 들어, 직물, 플라스틱, 플라스틱-판지 용기, 목재 가지치기 폐기물, 목재 또는 코르크 등으로서 이해함) 및 10 내지 15 중량%의 중량 이물질 (유기물이 가용화될 때 유기물의 현탁액보다 높은 밀도를 갖기 때문에 침전되는 경향이 있는 물질, 예컨대, 예를 들어, 유리, 판유리, 모래, 돌, 뼈 등으로서 이해함);
ii. 이어서, 원시 바이오매스의 후-처리를 위해 수행하여, 이물질을 분리하는 분리하는 제2 하위-단계. 특히, 경량 이물질 및 중량 이물질의 분리가 수행된다.
이물질의 제거는 상기 분리 공정을 수행하기 위해 당업계에 알려진 임의의 방법, 예를 들어, 경량 이물질의 제거를 위한 트롬멜-형 분리기, 진동 테이블 또는 디패커 및 중량 이물질의 제거를 위한 특히 침전 탱크, 하이드로사이클론, 하이드로분류기 또는 모래 트랩을 사용하여 수행될 수 있다.
이러한 하위-단계의 결과로서, 본 특허의 목적상, "기질" 또는 "깨끗한 가수분해된 바이오매스"로서 지칭될 가수분해된 바이오매스가 수득되며, 이는 저장되거나 공정에서 계속될 수 있다. 이 기재는 적어도 90 중량%, 보다 바람직하게는 적어도 98 중량%의 유기물의 백분율을 포함하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 생성물 중 총 고형물에 대한 휘발성 고형물의 중량비는 적어도 0.6, 보다 바람직하게는 적어도 0.8일 것이고, 이의 전체 고형물 함량은 적어도 5 중량%이고;
(b) 사전 단계에서 수득된 깨끗하고 가수분해된 바이오매스와 폐수 처리장 (WWTP)으로부터의 슬러지를 혼합하여, 30 중량% 미만, 일반적으로 5 내지 15 중량%의 고형물의 농도를 갖는 혼합물을 생성하는 제2 단계. 바람직하게는, 혼합물 중 깨끗한 가수분해된 바이오매스의 양은 5 내지 65 중량% 범위일 수 있는 반면, 슬러지의 양은 35 내지 95 중량% 범위일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 혼합물 중 각각의 구성요소의 최종 양은 제한되지 않으며, 이는 계절성 또는 기타 상황에 따라 달라질 수 있다.
이러한 방식으로, 청구된 공정은 슬러지의 생산에 존재할 수 있는 변동 (예를 들어, 연중 인구 변화가 있는 도시 지역)에 관계없이 바이오가스의 일정한 생산이 일년 내내 유지되도록 한다. 이러한 경우, 더 적은 슬러지가 생산되는 기간을 보상하기 위해 더 많은 양의 가수분해된 바이오매스를 사용하여, 바이오가스의 생산을 유지할 수 있다.
이어서, 수득된 혼합물은 컨디셔닝 공정을 거쳐, 총 고형물의 양을 20 중량% 미만, 바람직하게는 5 내지 15 중량%의 백분율까지 조정되며, 상기 양은 공정 중 다음의 단계를 수행하는 데 필요한 양이다;
(c) 적어도 하나의 소화조에서 사전 단계에서 수득된 혼합물을 습식 혐기성 소화하여, 바이오가스 및 소화물을 생성하는 제3 단계.
바람직하게는, 혐기성 소화는 중온성 조건 (25℃ 내지 40℃, 보다 바람직하게는 35℃ 내지 38℃의 온도) 하에서 그리고 12 내지 30 일의 수리학적 체류 시간 (HRT) 동안 수행될 것이다. 본 발명의 다른 특정 실시양태에서, 혐기성 소화는 호열성 조건 (50℃ 내지 60℃의 온도) 하에서 수행될 수 있다.
결과적으로, 혐기성 소화 공정의 pH는 바람직하게는 7 내지 8.5 범위이고 1.5 내지 5 kg VS/m3 일의 유기물 부하율일 것이다.
유기 고형 폐기물이 도시 고형 폐기물 및 동화성 폐기물의 유기 분획물인 본 발명의 특정 실시양태에서, 공정은 벌키한 이물질 (크기에 따라 용이하게 분리 가능한 큰 부피의 분획물 또는 구성요소로 이해되며, 일반적으로 이의 크기는 80 mm 초과임) 및/또는 그 안에 존재하는 금속을 분리하여 폐기물을 제조하는 이전 단계를 포함할 수 있다. 특히, 벌키한 폐기물의 분리는 바람직하게는 60 내지 120 mm를 포함하는 메쉬 크기를 갖는 적어도 하나의 트롬멜-형 회전 분리기를 사용하여 수행될 수 있다. 결과적으로, 철 금속이 존재하는 경우, 상기 금속은 적어도 하나의 자기 분리기에 의해 분리될 수 있다.
마찬가지로, 이 공정은 바람직하게는 열병합 발전 (열 및 전기 둘 모두를 생산함)에 의해, 열의 발생을 위해 보일러에서, 또는 바이오메탄을 수득하기 위한 정제 (개량) 공정을 거침에 의해 수득된 바이오가스를 활용하는 추가적인 단계를 포함할 수 있다.
추가적으로, 공정은 바람직하게는 생물비료로서 농업적 용도에 의해 소화물을 활용하는 추가적인 단계를 포함할 수 있다.
본 특허의 목적상, 유기 고형 폐기물은 MSW 및 동화성 폐기물의 유기 분획물 ( 및 바람직하게는 MSW의 선택적 수집물로부터 기원하는 유기 폐기물)뿐만 아니라 농업, 원예, 수경재배, 임업, 수렵, 어업 또는 식품, 산업적 유기 폐기물의 제조 및 생산 등으로부터의 유기 폐기물 둘 모두로서 이해된다.
결과적으로, MSW는 임의의 가정 폐기물, 즉, 가정 활동의 결과로서 가정에서 버려진 임의의 물질 또는 물체로서 이해된다. MSW 동화성 폐기물은 상점, 산업 및 기관에서 생성되는 전술한 것과 유사한 폐기물, 예를 들어, 시장 폐기물, 거리 청소 폐기물, 하수 청소 폐기물 등으로 간주된다.
특히, 유기 고형 폐기물은 생물학적으로 분해되기 쉬운 폐기물이라는 점을 특징으로 하며, 제한 없이 다음을 포함할 수 있다: 과일 및 야채 폐기물, 육류 및 어류 폐기물, 달걀 껍질, 조개 껍질 및 건조 과일 및 견과류 또는 기타 음식물 쓰레기, 주입제 및 커피 찌꺼기로부터의 폐기물, 사용한 냅킨, 더러운 종이 타월, 및 기름 또는 음식물 쓰레기로부터의 더러운 종이 및 판지, 소형 정원 폐기물 (식물, 낙엽 또는 꽃다발) 등.
게다가, 본 특허의 목적상, 폐수 처리장 (WWTP)으로부터의 슬러지는 가정 또는 도시 폐수를 처리하는 시설에서 수득된 물 및 고형물의 혼합물 또는 산업 폐수 및/또는 강우 유출수와 이의 혼합물로서 이해된다. 따라서, 조성은 초기 폐수의 조성, 이의 기원 및/또는 폐수가 처리될 처리의 유형에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 슬러지 중 물의 백분율은 95 중량% 초과일 것이다.
WWTP로부터의 슬러지를 소화하기 위한 혐기성 소화 공정의 기질로서의 유기 고형 폐기물 (일단 이는 열 가수분해 공정을 거침)의 사용에 기반한 본 발명의 공정 목적으로부터 유래되는 많은 이점이 있다. 특히, 혐기성 소화를 위한 기질로서 가수분해된 바이오매스의 구성은 다음을 초래한다:
(1) 현재 에너지가 결핍된 기존 시설 (특히, WWTP 시설의 시설)에서 바이오 폐기물 (사전에 기재된 바와 같이 일단 가수분해된 MSW 및 동화성 폐기물의 유기 분획물 또는 상이한 기원의 유기 폐기물)을 활용함;
(2) 전통적으로 별도로 관리되던 폐기물 관리를 통합함;
(3) 상이한 폐기물의 관리를 하나의 동일한 시설에 통합하는 새로운 시설을 건설할 수도 있지만, 신규 투자를 피하면서 WWTP의 기존 시설을 활용함;
(4) 총 고형물의 농도뿐만 아니라 소화조의 부피당 휘발성 고형물의 농도를 증가시켜, 유기 부하율 (OLR)을 증가시킴. 본 발명의 특정 실시양태에서, 13 내지 108%의 OLR의 증가가 달성되었다. 소화조의 유기물 부하율을 증가시키는 것 외에도, 계절성에 관계없이 일정한 유기물 부하율이 유지된다;
(5) 청구된 폐기물의 혼합물을 통해 달성된 상승작용적 효과의 결과로서 바이오가스의 생산을 놀랍게도 증가시킴. 특정 실시양태에서, 93/7 내지 80/20의 슬러지/바이오매스 비를 갖는 현재 WWTP에서 달성되는 생산과 관련하여 15 내지 124%의 바이오가스의 생산의 증가가 달성되었다. 바이오가스의 생산의 중요한 증가의 결과로서, 재생 가능한 에너지의 더 높은 생산이 달성될 뿐만 아니라, 처리 시설의 에너지의 자체-공급에 기여하고 심지어 잉여 에너지도 생성된다;.
(6) 바이오가스의 품질을 개선시켜, CH4의 백분율을 증가시킴. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 청구된 공정에 의해 수득된 바이오가스는 64.6 내지 67.4%의 CH4 및 35.4 내지 32.6%의 CO2를 포함할 수 있다. 생산의 증가와 조합하여, 수득된 바이오가스가 현재 WWTP에서 슬러지 처리를 이용하여 수득된 것보다 우수한 품질을 갖는다는 사실은 많은 방식에서 중요한 이점이 있다. 특히, 이는 결합된 사이클에서 더 높은 백분율의 전기를 수득할 수 있게 하여, 자체-공급의 백분율을 개선시킨다. 추가적으로, 자체-공급을 달성하는 경우, 잉여 바이오가스는 다른 목적으로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 판매될 수 있는 정제 (개량) 공정을 통해 바이오메탄을 수득하고, 수처리 시설을 위한 추가 수익을 수득하는 데 사용될 수 있다;
(7) 바이오가스 중 메탄의 농도의 증가로 인해 연료의 저 발열량 (LHV)을 1 내지 10% 증가시킴;
(8) 시약의 절약 및 더 낮은 운영 및 유지관리 비용을 나타내는 탈취 및 농축 (개량)에 대한 필요성을 감소시킴; 마찬가지로, 더 높은 품질을 갖는다는 사실은 이를 활용하는 열병합 발전 엔진의 서비스 수명을 연장할 수 있다;
(9) 다음과 같은 경우 공정 안정성을 증가시킴:
● 소화조의 유기물 부하율이 증가되고 수리학적 체류 시간 (HRT)이 5 내지 60% 감소되는 경우;
● 공정 제어를 위한 화학 시약의 사용이 최소화되는 경우; 및
● 소화조의 유기물의 분해성이 증가되어, 현재 공정에 비해 총 고형물 및 휘발성 고형물의 감소가 6% 내지 27% 증가하는 경우.
마찬가지로, 이 공정이 가수분해된 바이오매스의 사용에 기반한다는 사실은 아래 기재된 바와 같이 비-가수분해된 유기 폐기물의 사용에 기반하는 공정에 비해 일련의 추가적인 이점을 수득될 수 있게 한다:
● 첫째, 유기 폐기물의 더 높은 생분해성이 달성되어, 바이오가스의 더 많은 생산을 초래함;
● 더욱이, 공정 중 이물질의 분리가 보다 효율적이다. 특히, MSW에서 이물질을 세척하는 일반적인 공정 동안, 30 내지 40 중량%의 유기물이 손실되며, 이는 청구된 공정의 결과로서 달성되는 것과 같은 고품질 기재를 수득하는 데 방해가 된다. 이와 같이, 본 발명의 가수분해 공정 목적의 결과로서, 이물질을 세척하는 공정에서 유기물의 손실은 5 중량% 미만이며, 이는 출발 폐기물에 존재하는 유기물의 활용도가 더 높다는 것을 나타낸다;
● 결과적으로, 폐기물 위생의 결과로서, 소화조 운영에 영향을 미칠 수 있는 병원균의 추가 첨가가 방지됨;
● 마지막으로, 열적 및 생물학적 안정화의 결과로서, 유기물의 분해와 연관된 악취의 배출이 최소화됨.
본 설명을 보완하기 위해, 다음의 도면이 이의 내장된 일부로서 부착된다:
도 1은 본 발명의 공정 목적에 의해 수득된 바이오가스의 생산에 대한 바이오가스의 이론적 생산의 비교 그래프를 보여준다.
도 1은 본 발명의 공정 목적에 의해 수득된 바이오가스의 생산에 대한 바이오가스의 이론적 생산의 비교 그래프를 보여준다.
본 발명의 특정 실시양태는 위에 기재된 청구된 공정의 이점을 입증할 목적으로 아래에 기재된다. 특히, 상기 특정 실시양태는 마드리드 시의 MSW의 선택적 수집물로부터 기원하는 유기 고형 폐기물에 기반하여 수행되었으며, 이의 조성은 다음의 표에 나타나 있다:
표 1. 공정에 사용된 OSW의 조성
* 과일 및 야채 폐기물, 육류 및 어류 폐기물, 달걀 껍질, 조개 껍질 및 건조 과일 및 견과류 또는 기타 음식물 쓰레기, 주입제, 커피 찌꺼기 등
상기 폐기물은 다음의 단계를 거쳤다:
● 80 mm의 메쉬 크기를 갖는 트롬멜에서 수행된 벌키한 이물질을 분리하여 폐기물을 제조하는 이전 단계;
● 사전 단계에서 수득된 유기 고형 폐기물로부터 가수분해된 바이오매스를 제조하는 단계. 결과적으로, 상기 단계는 다음을 포함하였다:
- 4 bar의 압력 및 150℃의 온도에서 20 분의 시간 동안 열 가수분해 처리의 제1 하위-단계,
- 디패커를 사용하여 경량 이물질을 제거하고, 뿐만 아니라, 모래 트랩에 의해 중량 이물질을 제거하는 제2 하위-단계.
이 단계의 종료 시, 98 중량%의 유기 함량을 갖는 "기질" 또는 "깨끗한 가수분해된 바이오매스"가 수득되었다. 상기 기질은 아래에 기재된 공동-소화 테스트에 사용되었다.
특히, 상기 테스트를 수행하기 위해, 혐기성 슬러지 (ANS)만을 포함하는 것을 특징으로 하는 2 개의 블랭크 및 다양한 호기성 슬러지 (AES) 및 깨끗한 가수분해된 바이오매스 비를 갖는 4 개의 샘플을 제조하였다. 특히, 제조된 샘플은 다음과 같았다:
표 2. 샘플의 설명, 중량%
표 3. 각각의 샘플의 질량 (g)
각각의 샘플의 주요 특성은 다음의 표에 요약되어 있으며, 여기서 상이한 매개변수를 측정하는 방법은 다음과 같았다:
● 총 고형물 (TS): APHA 2540 B
● 휘발성 고형물 (VS): APHA 2540 E
● COD: APHA 5220 D
● COD sol.: APHA 5220 D
● VFA: APHA 2310 B
표 4 본 발명 샘플의 주요 특징
500 g의 총 중량에 달성할 때까지 각각의 샘플에 물을 첨가하였다. 각각의 샘플은 3 회 반복실험으로 제조하였다.
제조된 샘플은 35℃의 온도에서 혐기성 소화 공정을 거쳤다. 영양분 또는 완충액은 첨가되지 않았다.
다음으로, 수득된 결과의 분석을 수행하였고, 이들 결과를 다음의 표에 나타내었다:
표 5. TS 및 VS 제거의 결과
따라서, MSW의 유기 분획물로부터 기원한 가수분해된 바이오매스를 소화조의 기질로서 사용하는 경우 VS/TS의 백분율이 상당히 증가한다는 것이 입증되었다. 특히, VS/TS의 백분율은 블랭크 (AES)에서 69%, 샘플 1 (ANS)에서 75%, 샘플 2 내지 4에서 80 내지 85%였으며, 이는 가수분해된 바이오매스를 소화조에 공급할 때 혼합물의 생분해성의 증가를 확인시켜 준다.
표 6. BOD 및 VFA 제거의 결과
이전 결과는 VS의 양이 동일하더라도, VFA에서 발생하는 것처럼 가수분해된 바이오매스의 존재시 COD가 증가한다는 것을 보여주며, 이는 샘플의 더 높은 생분해성을 확인시켜 준다.
표 7. 제거된 BOD에 의한 구체적인 CH
4
생산 결과
* 샘플 1에 대한 각각의 샘플의 CH4의 생산의 증가를 나타냄
결과는 MSW의 유기 분획물의 가수분해의 공정에 의해 수득된 가수분해된 바이오매스와 WWTP로부터의 슬러지의 혼합의 결과로서 달성된 상승작용을 보여준다. 특히, 본 발명의 공정 목적은 바이오가스의 생성 시 비-선형 생산을 달성하며, 소화조에 공급되는 20% 가수분해된 바이오매스를 이용하여 제거된 COD의 킬로그램당 메탄의 특이적 생산의 340.8%의 증가, 공급된 COD의 킬로그램당 213.8%의 증가를 달성한다. 또한 혐기성 소화 공정이 일어나는 소화조에 공급되는 혼합물에서의 가수분해된 바이오매스의 사용이 가수분해의 정도를 증가시켜, 생분해성을 증가시킨다는 것이 입증되었다.
바이오가스의 생산의 개선에 더하여, 다음의 표에 나타낸 바와 같이 이의 메탄 (CH4) 함량의 분석을 수행하였다:
표 8. 메탄의 백분율 (부피 기준)
이전 결과는 소화조에 사용된 가수분해된 바이오매스의 백분율을 증가시킴으로써 수득된 바이오가스의 품질에서의 개선을 입증한다.
마지막으로, 본 발명의 공정 목적의 결과로서 수득된 상승작용을 입증하기 위해, 처리장으로부터의 슬러지에 의해 생산된 바이오가스 및 가수분해된 바이오매스에 의해 생산된 바이오가스의 합계에 의해 이론적으로 수득될 것에 대하여 청구된 공정에 의해 수득된 바이오가스의 생산 간의 비교를 수행하였다. 수득된 결과는 도 1에 나타나 있다. 구체적으로, 상기 도면에 나타난 바와 같이, 바이오가스의 실제 생산 (연속 라인)은 두 기질 모두로부터 독립적으로 (즉, 이들을 혼합하지 않으면서) 수득된 바이오가스의 생산의 이론적 합과 동등한 최대 이론적 생산 (불연속 라인)에 비해 50% 더 높다. 이는 처리장으로부터의 슬러지에 대한 가수분해된 바이오매스의 첨가로부터 유래된 개선으로 인한 것이다. 특히, 다음의 양태가 개선된다:
● C/N 비를 증가시키는 유기 탄소 구성 (일반적으로 처리장으로부터의 슬러지는 질소가 풍부하고 탄소가 결핍됨);
● Zn, Co, Fe, K 또는 P와 같은 미량영양소의 구성.
혼합 소화에서 실제 바이오가스 생산량이 이론상 최대치보다 50% 더 높다는 사실은 슬러지를 가수분해된 바이오매스와 혼합할 때 존재하는 시너지 효과를 입증한다.
Claims (6)
- 혐기성 공동-소화를 통해 바이오가스를 생산하는 생산 공정으로서,
다음을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정:
(a) 차례로 다음을 포함하는, 유기 고형 폐기물로부터 가수분해된 바이오매스를 제조하는 제1 단계:
i. 유기 고형 폐기물의 열 가수분해 처리를 포함하는 제1 하위-단계이되, 여기서 상기 열 가수분해 처리는 1.5 내지 4.5 bar를 포함하는 압력 및 120 내지 160℃의 온도에서 적용되어, 원시 바이오매스를 생성하는, 제1 하위-단계;
ii. 이어서, 원시 바이오매스의 후-처리를 위해 수행하여, 이물질을 분리하고 깨끗한 가수분해된 바이오매스를 생성하는 제2 하위-단계이되, 이는 적어도 90 중량%의 유기물의 백분율, 적어도 0.6의 총 고형물에 대한 휘발성 고형물의 중량비, 및 적어도 5 중량%의 총 고형물 함량을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제2 하위-단계;
(b) 사전 단계에서 수득된 깨끗하고 가수분해된 바이오매스와 폐수 처리장 (WWTP)으로부터의 슬러지를 혼합하여, 30 중량% 미만의 고형물의 농도를 갖는 혼합물을 생성하는 제2 단계이되, 여기서 상기 혼합물은 이어서, 20 중량% 미만의 고형물의 농도를 달성할 때까지 컨디셔닝 공정을 거치는, 제2 단계;
(c) 적어도 하나의 소화조에서 사전 단계에서 수득된 혼합물을 습식 혐기성 소화하여, 바이오가스 및 소화물을 생성하는 제3 단계이되, 여기서 상기 혐기성 소화는 25℃ 내지 40℃의 중온성 조건 또는 50℃ 내지 60℃의 호열성 조건 하에서 그리고 12 내지 30 일의 수리학적 체류 시간 (HRT) 동안에 수행되는, 제3 단계. - 제1항에 있어서,
깨끗한 가수분해된 바이오매스 및 WWTP 슬러지의 혼합물이 5 중량% 내지 65 중량%의 깨끗한 가수분해된 바이오매스 및 35 중량% 내지 95 중량%의 WWTP 슬러지를 포함하는, 공정. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 공정이 바이오가스를, 열병합 발전, 열 발생을 위한 보일러에서의 사용 또는 정제 또는 개량 공정에 의한 바이오메탄 생산을 위한 용도로 활용하는 추가적인 단계를 포함하는, 공정. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정이 소화물을 생물비료로서 농업용으로 활용하는 추가적인 단계를 포함하는, 공정. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
유기 고형 폐기물이 도시 고형 폐기물 및 동화성 폐기물의 유기 분획물, 도시 고형 폐기물의 선택적 수집물로부터 기원하는 유기 폐기물, 농업, 원예, 수경재배, 임업, 수렵, 어업, 및 식품 및 산업적 유기 폐기물의 제조 및 생산으로부터의 유기 폐기물뿐만 아니라 이들의 조합 중 임의의 것으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정. - 제5항에 있어서,
유기 고형 폐기물이 도시 고형 폐기물의 유기 분획물이고, 상기 공정이 80 mm 초과의 크기를 갖는 물질로서 이해되는 벌키한 이물질을 분리하고/하거나, 적어도 하나의 자기 분리기에 의해 철 금속을 분리하는 이전 단계를 포함하는, 공정.
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