KR20240029120A - 진보된 인 회수 공정 및 플랜트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오매스 물질로부터 포스페이트를 회수하기 위한 방법 및 플랜트를 제공하며, 여기서 바이오매스 물질은 생물학적 P 제거 공정을 포함하는 상류 폐수 처리 공정으로부터의 잉여 활성 슬러지인 것이 적합하다. 상기 방법은 PO4 및 Mg가 풍부하거나 PO4 및 NH4가 풍부한 독립 스트림을 회수하기 위한 혐기성 소화 스테이지 및 단계를 포함하며, 이로써 회수되는 P의 양을 증가시키고, 혐기성 소화조 및 그의 부속 장비, 예컨대 파이프에서 스트루바이트 형성을 방지한다.
Description
본 발명은, 슬러지 부피 감소 및 슬러지로부터의 바이오가스 생성 증진과 더불어 폐수로부터 인(P)을 회수하기 위한 공정 및 플랜트에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 종래의 생물학적 인 제거 공정을 포함하는 폐수 처리 플랜트에서 생성된 슬러지로부터의, 인의 추가 제거 및 회수에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 종래의 생물학적 인 제거에서 생성된 슬러지로부터 P를 추가로 제거하는 것, 및 스트루바이트(MgNH4PO4.6H2O), 인산칼슘(CaPO4), 비비아나이트(Fe3(PO4)2.8H2O), 인산마그네슘(MgPO4) 등과 같은 압축된 형태로 P를 회수하는 것에 관한 것이다.
여러 유럽 시장에서는, 폐수 처리 플랜트로부터 인(P)을 회수하기 위해서 법적 제도가 제정되고 있다. 인은 한정된 자원으로 간주되며 정치적으로 불안정한 시장에서 채굴되고 있다. 유럽은 전략적으로 중요한 것으로 간주되는 몇 가지 주요한 화학 원소들을 정의하였으며, P는 그들 중 하나이다.
일반적으로, 폐수 처리 동안에, P는 폐수 슬러지에 농축되므로 P의 회수는 슬러지 처리 라인에 집중된다. P는 Fe 또는 Al을 이용한 침전을 통해 화학적으로, 또는 이른바 Bio-P 공정, 즉, 증진된 생물학적 P 제거(Enhanced Biological P Removal: EBPR)에 의해 생물학적으로 폐수 처리로부터 제거된다. 슬러지 라인으로부터의 P-회수를 고려할 때, 일반적으로는 폐수 라인에 Bio-P 공정을 적용하는 것이 가정된다.
기존의 Bio-P는, 일부 박테리아가 특정 조건에 노출될 때에 그들의 세포에 과량의 폴리-P를 축적할 것이라는 관찰을 기반으로 한다. Bio-P 공정을 선택하려면 다음의 것들이 필요하다:
- 휘발성 지방산(VFA)의 존재 하에 박테리아를 혐기성 조건(O2 또는 NO3/NO2 부재)에 노출시킨다. 이는 저장된 P(오르토-P)의 방출 및 VFA의 흡수를 유도하며, 이들은 PHA(폴리히드록시알칸산)로 전환된다. 혐기성 조건 동안에는, Mg도 방출된다.
- PHA가 소비되고 PO4-P(및 Mg)가 흡수되어 세포 내에 폴리-P로서 저장되는 호기성 조건에 박테리아를 노출시킨다.
- EBPR 플랜트에서, 슬러지는 일반적으로 이러한 혐기성 및 호기성 순환을 통해, 기후 및 계절에 따라 5℃∼40℃일 수 있으나 일반적으로 10℃∼20℃인 주위 온도에서 순환되며, 그 결과로 EBPR 박테리아의 성장이 일어난다.
- 적절하게 설계하고 관리할 경우, 최종 결과는 폐수로부터의 P의 흡수, 및 세포 매스 내에 P가 축적된 슬러지이다. 생성된 바이오매스 물질의 일반적인 P 함량은, 비-EBPR 슬러지의 경우에 1.5%인 것에 비해, 건조 중량 기준으로 약 5%이다.
일반적인 EBPR 공정은 도 1에 도시되어 있다.
EBPR 공정으로부터의 슬러지와 관련하여 특히 우려되는 문제는 스트루바이트 형성이다. 스트루바이트는 화학식 MgNH4PO4.6H2O의 결정이다. 이것은 그의 구성성분(PO4 3-, NH4 + 및 Mg2+)이 충분히 큰 농도로 존재하고 pH가 충분히 높을 때(>8)에는 언제든지 형성된다. 스트루바이트는 상기 세 가지 구성성분이 슬러지로부터 방출되는 혐기성 소화조에서 원치 않거나 통제되지 않게 형성되는 경우가 많고; 이는 특히 EBPR 슬러지의 경우이며, 이는 소화조가 스트루바이트로 채워지고 파이프 및 장비가 완전히 막히며 과도하게 마모 및 인열되는 막대한 문제를 초래할 수 있다.
슬러지의 혐기성 소화는 EBPR 슬러지와 같은 하수 슬러지의 안정화와 재생 에너지 생산을 위한 일반적인 기술이다. 혐기성 소화 스테이지 동안에, 슬러지 중의 일부 P가 방출되지만, 소화 동안에 또한 방출되는 Mg 또는 Ca 이온과 함께 상당한 양이 침전된다. 따라서 혐기성 소화 스트림으로부터 인을 회수하는 효율은 일반적으로 매우 낮으므로, EBPR 슬러지 소화는, 소화조뿐만 아니라 그 주변의 배관 및 장비 내부에서도 스트루바이트(MgNH4PO4) 형성으로 인한 스케일링 문제를 겪는 것이 일반적이다.
US2014178281은 인 및 질소를 혼합하기 위해 최종 탈수 스트림을 사전 농후화에 다시 재순환시킴으로써 폐수로부터 P를 제거 및 회수하고 무기 P-복합체를 생성하는, 소화물 재순환을 포함하는 방법을 개시한다.
US2013196403은 여전히 암모니아 스트리퍼를 사용하지만, 소화물로부터의 암모니아를 사전 농후화 스트림으로 다시 재순환시킴으로써 폐수로부터 P를 회수하는 공정 및 시스템을 개시한다.
DE102005002066 A1은 안정화된 슬러지를 탈수하고, 암모니아 및/또는 고온 공정액을 탈수되고 안정화된 슬러지에 도입함으로써 포스페이트를 함유하는 슬러지액을 추출하고, 금속 이온을 함유하는 화합물을 추가함으로써 포스페이트를 함유하는 슬러지액으로부터 포스페이트 염을 침전시키는 것에 의해, 안정화된 슬러지로부터 스트루바이트와 같은 포스페이트를 얻는 방법을 개시한다.
DE 10 2015 203 484는, Mg가 첨가제의 형태로 첨가되어 내부 공정 스트림의 혼합에 의존하지 않는 스트루바이트 형성을 개시한다.
US2010170845는 내부의 P를 제거하기 위해 잉여 활성 슬러지(waste activated sludge: WAS)를 제거하는 공정을 개시하며, 상기 공정에 의해 탈수 전 및 후의 액체가 결합되어 올바른 혼합물을 제공하는 한편, P는 1차 슬러지를 발효하는 것에 의해 방출된다. 이 인용문헌은 소화된 슬러지에 열 가수분해를 사용하는 것에 대해서는 침묵한다. 또한, 설명된 공정은 VFA의 공급원을 제공하기 위해 P가 풍부한 생물학적 슬러지 자체를 베이스로 하는 1차 슬러지의 생물학적 가수분해에 의존한다.
WO 2018036987은 진보된 슬러지 처리를 통해 폐수 처리 플랜트에서 P를 회수하는 공정으로서, i) 유출물(폐수)로부터 P를 생물학적으로 제거하는 단계, ii) 물과 슬러지를 분리하는 단계, iii) 이 슬러지의 적어도 일부에 혐기성 가수분해를 수행하는 단계, iv) 단계 iii)으로부터의 유출물의 액체/고체 분리를 수행하는 단계, v) iv)로부터의 슬러지의 적어도 일부에 대한 진보된 처리를 수행하는 단계, vi) 상기 단계로부터의 액체 유출물의 적어도 일부를 단계 iii)으로 재순환시키는 단계, 및 vii) 단계 iv)로부터의 유출물에 존재하는 P를 회수하는 단계를 포함하는 공정을 개시한다. 상기 공정은 또한 단계 iv)와 v) 사이에 혐기성 소화 단계를 포함할 수 있다. 이 인용문헌은 인 제거 단계에서 사용되는 별도의 액체 농축물 스트림을 생성하기 위한 혐기성 소화 스테이지 후에 탈수 스테이지를 제공하는 것에 대해 침묵하고 있으며, 액체 농축물을 열 가수분해 스테이지로부터 혐기성 스테이지로 재순환시키는 것에 대해서도 침묵하고 있다.
1차 슬러지의 발효를 통해 1차 슬러지를 VFA의 공급원으로 사용하는 공정에 따라 폐수로부터 P를 제거하는 것도 US2009194476에서 공지되어 있다. 이 공정은 소화된 슬러지에 열 가수분해를 적용하는 것에 대해 최소한 침묵하고 있으며, 바이오가스 생성 증가 또는 탈수 개선의 측면에서 어떠한 이점도 얻을 수 없고, 특히 생물학적 공정의 결과로 방출되는 P만을 회수할 수 있다.
US20140251902A1은 소화된 슬러지에 열 가수분해를 적용한 다음에, 가수분해된 슬러지를 케이크 생성물 및 농축물로 탈수하고, 그 농출물이 소화조로 반송되는 것을 포함하는 방법을 기술한다. 농축물을 소화조로 반환하는 것 외에 다른 목적으로 사용하는 것에 대해서는 언급되지 않았으며, 이 문헌은 슬러지로부터의 P의 방출 또는 회수에 관한 질문을 다루지 않는다.
US5141646A는 수많은 다른 선행 기술 문헌들과 마찬가지로 하수 슬러지를 호기성 안정화한 다음에 가수분해를 하는 공정을 기술한다. 가용성 P가 EBPR-슬러지의 호기성 처리 동안에 축적될 것으로 예상되기 때문에, 이러한 공정은 본 발명, 즉, 매우 높은 수준으로 총 P 방출을 촉진하는 것과 관련된 문제를 해결하는 맥락에서 그 자체로 관련이 없는 출발점이 될 것이다. 또한, 예컨대 US5141646A는 임의의 Bio-P 목적을 위해 가수분해된 슬러지의 사용 가능성에 대해 침묵하는 것처럼 가수분해로부터 임의의 VFA의 생성 가능성 또는 가수분해 동안의 P의 방출 가능성에 대해 침묵한다.
결론적으로, 선행 기술은 다운스트림 장비에서 스트루바이트 침전 문제를 최소화하기 위해 EBPR 슬러지로부터의 P의 방출에 주로 초점을 맞추고 있다. 그러나, 선행 기술은, 예를 들어 특정한 최소 효율 표준(예컨대, 적어도 50% 회수율 및/또는 독일 법규에서 요구되는 슬러지 중 <2%의 P)을 충족하는 맥락에서 관련된 슬러지로부터 P-회수를 최대화하는 데에는 초점을 맞추고 있지 않다. 또한 최근 논평[Phosphorus recovery from municipal wastewater: An integrated comparative technological, environmental and economic assessment of P recovery technologies, L. Egle, et al. Institute for Water Quality, Resource and Waste Management, TU Wien, Karlsplatz 13/226, 1040 Vienna, Austria,The Centre for Water Resource Systems (CWRS) at TU Wien, Karlsplatz 13/222, 1040 Vienna, Austria]에 따르면, "소화조 상청액으로부터 P를 회수하는 기술의 경우, 회수율이 최대 40%인 DHV Crystalactor®를 제외하고 10% 내지 최대 25%의 상당한 회수율은, 생물학적 인 제거가 증진된 WWTP에서만 달성할 수 있다"고 제시되어 있다. 즉, 이용 가능한 선행 기술 공정은 관련 슬러지 또는 바이오매스에 존재하는 P의 40%까지만 제거할 수 있는 반면에, 본 발명에 따른 방법 및 플랜트는 관련 슬러지 또는 바이오매스에 존재하는 P의 적어도 50%를 제거할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 슬러지로부터 P 로딩량의 적어도 50%를 추출하고 그것을 스트루바이트, CaPO4, MgPO4 등과 같은 수축된 형태로 회수할 수 있는 공정 및 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 외부 화학물질의 추가를 이용하지 않으면서 슬러지로부터 P 로딩량의 적어도 50%를, 예컨대 상이한 암모니아 및 금속 이온 공급원의 형태로 추출할 수 있는 공정 및 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 유기물의 바이오가스(재생 에너지)로의 전환을 최대화할 수 있는 공정 및 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 슬러지 탈수 성능을 최적화하고 폐기되어야 하는 슬러지 케이크의 양을 제한할 수 있는 공정 및 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, P 함량이 낮은 안정화되고 위생적이며 농축된 생물 비료(탈수 슬러지)를 생산하는 공정 및 플랜트를 제공하는 것이다. 슬러지의 농업 적용에서, P의 양에 대한 규제 상한은 일반적으로 제한 단계이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 생물학적 P 제거를 포함하는 기존의 폐수 처리 플랜트에 간단하고 용이하게 통합되는 공정 및 플랜트를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 여러 다른 전문 분야의 요소들을 조합한다:
- "워터 라인" 대 "슬러지 라인": 폐수 처리 과학에서는 엔지니어와 과학자가 워터 라인 또는 슬러지 라인에 전문화되어 있는 것이 일반적이다. 전문화는 두 개의 별개 처리 라인에 일반적으로 적용되는 상이한 과학 및 기술의 결과이다.
- "생물학적" 대 "열화학적": 생물학적 폐수 처리 및 특히 Bio-P 공정(EBPR 슬러지 생산에 적용되는 것)은 미생물학 및 화학에 대한 상세한 이해가 필요하다. 반대로 슬러지 처리 및 특히 열 가수분해를 적용하는 진보된 처리는 열역학 및 열화학에 대한 상세한 이해가 필요하다.
따라서 본 발명은, 여러 상이한 기술 분야 및 여러 전문 분야(미생물학, 화학, 열화학, 열역학 등)으로부터의 요소와 통찰력의 고유한 조합을 제시한다.
이는, 슬러지로부터의 P 로딩량의 >50%의 표적화된 회수를 가능하게 하는 요소와 통찰력의 고유한 조합으로서, 위에서 언급한 선행 기술 중 어느 것으로도 불가능했던 것이다.
추후에 설명한다.
전술한 목적 및 그 밖의 목적은 본 발명에 의해 다음의 방식으로 해결된다.
따라서, 본 발명의 제1 양태에서, 바이오매스 물질로부터 포스페이트 로딩량의 적어도 50%를 회수하는 방법으로서,
(a) 접촉 탱크에서 상기 바이오매스 물질을 단계 (g)로부터의 바람직하게는 고온인 액체 농축물 스트림(g2)과 함께 접촉시켜, 혼합된 슬러지를 생성하는 단계,
(b) 시크너(thickener) 유닛에서 단계 (a)의 혼합된 슬러지를, 감소된 P 및 Mg 수준을 갖는 농축된 농후 슬러지 생성물(b1)과 P 및 Mg가 풍부한 액체 농축물(b2)로 분리하는 단계,
(c) 상기 농후 슬러지 생성물(b1)을 혐기성 소화조에서 혐기성 소화 스테이지에 적용시켜, i) 바이오가스 스트림 및 소화된 슬러지 생성물을 생성하고, 상기 바이오가스를 회수하며, ii) 유기 물질의 생물학적 분해에 의해 유기적으로 결합된 P를 가용성 P로 전환하여 P의 가능한 전체 회수율을 증가시키는 단계,
(d) 제1 탈수 스테이지에서 상기 소화된 슬러지 생성물을, 고체 입자를 함유하는 제1 소화된 슬러지 생성물(d1)과 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 액체 농축물(d2)로 분리하는 단계,
(e) 단계 (b)로부터의 P 및 Mg가 풍부한 상기 액체 농축물(b2) 및 단계 (d)로부터의 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 상기 액체 농축물(d2)을, 포스페이트 염을 생성하기 위한 포스페이트 회수 공정으로 이송하는 단계,
(f) 단계 (d)로부터의 상기 제1 소화된 슬러지 생성물(d1)을 열 가수분해 유닛에서 열 가수분해 스테이지에 적용시켜, 상기 제1 소화된 슬러지 생성물(d1)의 고체 입자를 적어도 부분적으로 가용성 유기 물질로 전환시킴으로써, 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물(f1)을 형성하며, 일부 유기 결합된 P 및 화학적 결합된 P를 가용성 P로 전환하여 P의 가능한 전체 회수율을 증가시키는 단계(가수분해된 슬러지는 일반적으로 낮은 pH, 예컨대 3∼6.5, 일반적으로는 5∼6의 pH를 가지며, 이는 화학적으로 침전된 P, 예컨대 FePO4, AlPO4, CaPO4, MgPO4, 인회석 광물 및 유사한 광물의 일부의 가용화에 기여할 수 있음),
(g) 제2 탈수 스테이지에서, 상기 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물(f1)을, 제2 소화되고 가수분해된 슬러지 생성물(g1)과 휘발성 지방산(VFA)이 풍부하고 추가로 방출된 P 및 임의로 콜로이드 유기 물질을 함유하는 바람직하게는 고온인 액체 농축물 스트림(g2)으로 분리하는 단계,
(h) 단계 (g)로부터 생성된 상기 액체 농축물(g2)의 적어도 일부를 단계 (a), 예컨대 단계 (a)의 접촉 탱크로 재순환시키는 단계
를 포함하는 방법이 제공된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법 또는 공정에서 P의 방출은 다음의 여러 스테이지들: 상류의 생물학적 P 제거 공정에서, 접촉 탱크에서, 혐기성 소화조에서, 그리고 마지막으로 열 가수분해 유닛에서의 조합을 통해 일어나며, 여기서 방출된 P는 상기 액체 농축물 스트림(g2)의 일부로서의 가용성 P로서 접촉 탱크로 재순환된다. 이는, 종래 기술과는 달리, 바이오매스 물질에 존재하는 P의 50% 이상을 회수할 수 있게 한다.
본 발명의 제1 양태의 실시양태에서, 상기 바이오매스 물질은 EBPR 공정으로부터 생성된 습윤 활성 슬러지(wet activated sludge: WAS)이며, 이것을 이하에서 EBPR-슬러지라고도 지칭한다. 바람직하게는, WAS는 0.5%∼3.0%의 DS(건조 고형분), 더 바람직하게는 0.8%∼2.0%의 DS를 함유한다.
상기 EBPR 공정은 바람직하게는 상류 폐수 처리 공정이며, 임의로 유입물, 즉 폐수를 부유 고형분 및 유기 물질의 포획을 위한 1차 처리를 통해 임의로 1차 정화기에서 처리하여 1차 슬러지를 생성한 다음에, 유출물을 혐기성 유닛의 혐기성 스테이지, 이후에 무산소성 유닛의 무산소성 스테이지, 이어서 호기성 유닛, 예컨대 폭기조에서의 호기성 스테이지, 마지막으로 바람직하게는 2차 정화기에서의 부유 고형분 포집을 위한 2차 처리를 통과시킴으로써, 활성 슬러지로부터 정화된 유출물을 분리하는 것을 포함한다. 이 활성 슬러지의 일부는 혐기성 스테이지로 반송되고, 나머지 부분은 상기 잉여 활성 슬러지(WAS)로서 회수된다.
본 발명에 따르면, 바이오매스 물질, 즉 EBPR-슬러지가 그의 저장된 P를 방출하기 위해서는, 그것이 유기 물질(COD 또는 BOD로 표기됨), 보다 구체적으로는 휘발성 지방산(VFA) 및 임의로 또한 콜로이드 유기 물질의 존재 하의 혐기성 조건에 처해져야 한다. 이는 EBPR-슬러지, 바람직하게는 침전되거나 농후화된 EBPR-슬러지, 및 제2 탈수 스테이지로부터의 액체 농축물 스트림에서 제공되는 VFA가 공급된 접촉 탱크에서 달성된다. 위에서 설명한 바와 같이, 제2 탈수 스테이지로부터의 액체 농축물은 이전의 열 가수분해 스테이지에 의해 방출된 추가의 P를 또한 제공한다.
공정이 가능한 한 빨리, 그리고 가능한 한 고효율로 일어도록 하기 위해서, 예를 들어 바람직하게는 고온 농축물(g2)의 첨가를 통해 열을 추가할 수 있다. 보다 높은 온도에서 P-방출 공정을 수행하면 적어도 다음 두 가지 효과가 발생한다:
- 방출 반응기의 소형화가 가능함,
- 인의 가용성 형태로의 방출이 개선됨.
제1 양태에 따른 다른 실시양태에서, 방법은 단계 (g)의 상기 제2 탈수 스테이지로부터 생성된 상기 액체 농축물 스트림(g2)의 적어도 일부를, 단계 (c)의 혐기성 소화 스테이지로 재순환시키는 것을 추가로 포함한다. 그 결과 유기 물질이 바이오가스로 더 많이 전환된다. 혐기성 소화조는 10∼40 일, 예컨대 15∼30일, 바람직하게는 20일의 체류 시간을 갖는다. 모든 액체 농축액이 접촉 탱크로 이동할 수 있으나, 접촉 탱크에서 P-방출에 필요한 VFA 양을 제공하는 양만 보내고 나머지는 바이오가스 생성을 위해 소화조로 보내는 것이 더 바람직하다. 이를 통해 접촉 탱크로 가는 농축물 부분을 제어할 수 있으며 Bio-P 방출에 필요한 것만 첨가 할 수 있다. 따라서 공급되는 VFA의 양, 보다 구체적으로는 VFA 대 바이오매스 물질(EBPR-슬러지)의 비율은, 제2 탈수 스테이지에서 발생하는 액체 농축물 스트림의 접촉 탱크로의 흐름을 제어하고 이 액체 농축물 스트림의 나머지 부분을 혐기성 소화조로 유도함으로써 제어할 수 있다. 이는, 다시 EBPR 슬러지로부터의 P의 생물학적 방출을 제어할 수 있게 한다. P-방출과 동시에, EBPR-슬러지로부터 Mg도 방출된다.
추가된 VFA는 EBPR-슬러지에 흡수되어 PHA로 전환된다. 이 물질은 혐기성 소화 동안에 대부분 분해되어 바이오가스로 전환된다. 따라서, 접촉 탱크 및 임의로 또한 혐기성 소화조에 VFA를 첨가하는 것은, 모든 액체 농축물을 제2 탈수 스테이지로부터 혐기성 소화조로 보내는 것과 비교할 때, 반드시 바이오가스 생산의 손실을 보이는 것은 아님을 발견하였다.
제1 양태의 다른 실시양태에서, 단계 (g)는
- 상기 액체 농축물(g2)의 적어도 일부를, 케이크 생성물과 고형분 함량이 감소된 액체 농축물 스트림으로 분리하는 단계, 및
- 상기 케이크 생성물을 단계 (c)의 혐기성 소화 스테이지로 재순환시키는 단계
를 추가로 포함한다.
이러한 실시양태에서, 제2 탈수 스테이지로부터의 농축물 중의 모든 P가 방출 탱크로 재순환되는 것은 아니다. 그러나 이러한 임의의 추가의 가용성 P는 제1 탈수 스테이지에서 농축물에 남게되고, 이는 스트루바이트 반응기로 보내져서 전체 P 회수율은 동일하게 유지된다.
고형분 함량이 감소된, 즉 콜로이드 유기 물질이 없는이 액체 농축물 스트림은 단계 (a)의 접촉 탱크로 재순환된다. 실제로, 콜로이드 물질이 필요하지 않기 때문에 이 실시양태는 콜로이드 물질이 단계 (a)의 접촉 탱크에 추가되지 않을 수 있게 하는 것임을 발견하였다. 콜로이드 물질을 제거해도 임의의 가용성 P는 제거되지 않으므로, 이러한 가용성 P는 여전히 접촉 탱크에 남게된다.
단계 (g)의 제2 탈수 스테이지로부터 생성된 액체 농축물 스트림(g2)은 VFA 및 기타 유기 화합물 형태의 다량의 가용성 COD, 및 비교적 쉽게 생분해되는 콜로이드 유기 물질을 함유한다. 위에서 설명한 바와 같이, 액체 농축물 스트림(g2)은 추가 P도 함유할 것이다. 이 액체 농축물 스트림은 접촉 탱크 및 혐기성 소화조로 직접 재순환될 수 있으며, 그 비율은 접촉 탱크의 VFA 필요량에 따라, 또는 상기 특정 실시양태에 따라 좌우되며, 이 스트림은 혐기성 소화조로 보내지는 케이크 생성물과, 접촉 탱크의 P-방출에 매우 효율적으로 사용될 수 있는 거의 가용성인 유기 물질을 갖는, 고형분 함량이 감소된 액체 농축물 스트림, 즉 고체 무함유 액체로 분리 될 수 있다. 액체 농축물 스트림을 케이크와 고형분 함량이 감소된 농축 액체로 분리하는 것은, 바람직하게는 디스크 원심분리기에 의해 수행된다. 다른 유사한 장비가 사용될 수 있다.
제1 양태의 또 다른 실시양태에서, 방법은 상기 바이오매스 물질을 생성하기 위해, 혐기성 스테이지를 포함하는 상류 폐수 처리 공정에서 생물학적 P 및/또는 생물학적 N 제거를 보조하는 데에, 상기 제2 탈수 스테이지로부터의 상기 액체 농축물(g2)의 적어도 일부, 또는 고형분 함량이 감소된 상기 액체 농축물 스트림의 적어도 일부를 사용하는 것을 추가로 포함한다. 이는, 상기 혐기성 스테이지를 위해 고가의 외부 탄소원을 획득할 필요성을 줄이거나 없앨 수 있게 한다. 바람직하게는, 상기 상류 폐수 처리 공정은 EBPR 공정이다.
제1 양태의 또 다른 실시양태에서, 방법은 접촉 단계 (a)의 접촉 탱크에서 1∼3 시간의 체류 시간을 제공하는 것을 추가로 포함한다. 단계 (g)의 상기 제2 탈수 스테이지로부터 생성된 액체 농축물 스트림(g2)은 70℃∼100℃ 범위의 온도를 갖는다. 따라서 이 스트림은 또한 접촉 탱크에 열을 제공하며, 슬러지의 평균 온도를 증가시킴으로 P의 방출이 증진된다. 충분한 VFA 및 적용 가능한 열이 있는 경우, 접촉 탱크의 P 방출에는 짧은 체류 시간이 충분하다. 바람직하게는, 체류 시간(HRT)은 0.5시간 내지 >1일 범위, 예를 들어 최대 2일이다. 보다 바람직하게는, 체류 시간은 1∼3 시간, 가장 바람직하게는 1.2∼2.0 시간, 예컨대 1.5 시간이다. 이 좁은 범위의 체류 시간은, 이 스테이지에서 바이오매스 물질(EBPR-슬러지)에 저장된 P의 25%∼35%만큼의 방출을 가능하게 하므로 최상의 결과를 제공하는 것을 발견하였다.
제1 양태의 다른 실시양태에서, 방법은 단계 (a)의 접촉 탱크에, 단계 (b)의 시크너 유닛으로부터의 오버플로우 및/또는 1차 슬러지를 첨가하는 것을 추가로 포함한다. 바람직하게는 이 1차 슬러지는 상류 폐수 처리 플랜트 또는 공정으로부터 유래한 것이며 2%∼5%의 DS를 함유한다. 시크너 유니으로부터의 오버플로우는 VFA가 풍부한 한편, 1차 슬러지는 동시적인 추가의 농후화를 가능하게 하지만, 공정은 이러한 추가 스트림에 의존하지 않는다. 단계 (a)의 접촉 탱크에 1차 슬러지를 추가함으로써, 이 슬러지의 가수분해는 P의 방출을 위한 VFA를 생성한다.
분리 단계 (b)에서, 생물학적 P 방출 후에 바이오매스 물질의 중력식 또는 기계식 농후화가 수행된다. 접촉 탱크로부터의 혼합된 슬러지는 농축된 농후 슬러지 생성물 스트림과 P 및 Mg가 풍부한 액체 농축물 스트림으로 분리된다. 중력식 또는 기계식 농후화는 바람직하게는 벨트 시크너, 드럼 시크너, 스크류 프레스 또는 원심분리기 등에서 수행된다. 이어서, 농축된 농후 슬러지는 혐기성 소화 스테이지로 유도되고, 농후화로부터의 불량품, 즉 P 및 Mg가 풍부한 액체 농축물 스트림은 포스페이트 염을 생성하기 위한 포스페이트 회수 공정으로 보내진다.
단계 (c)의 혐기성 소화 스테이지는 유기 물질을 바이오가스, 즉, CH4 및 CO2와 일부 미량 기체의 혼합물로 전환하는 생물학적 공정이다. 유기 물질의 전환의 결과로, P(PO4-P), 질소 N(NH4-N) 및 광물질(예컨대, Mg)과 같은 다른 세포 구성요소가 방출되고 가용화된다. 일반적으로, EBPR-슬러지 소화는 모든 주요 구성성분(PO4-P, NH4-N 및 Mg)이 존재하기 때문에 소화 동안에 스트루바이트 형성을 겪는 경우가 많지만, 본 발명에 따르면 상당한 양의 Mg 및 PO4-P가 접촉 탱크에서의 소화 및 농후화 공정 이전에 제거되기 때문에 스트루바이트 형성은 감소하거나 제거된다. 이는, 방출된 PO4-P의 대부분이 가용성 형태로 유지되고, 이어서 단계 (d)의 제1 탈수 스테이지, 즉 탈수 전 스테이지 이후에 포스페이트 회수 공정으로 유도될 수 있게 한다.
혐기성 소화 스테이지에서의 혐기성 소화조의 성능은, 유기 물질의 전환의 괌점에서 40%∼60% 범위, 예컨대 약 50%이다. 단계 (f)의 열 가수분해 스테이지를 추가하면, 더 많은(50%∼80%) 유기 물질이 전환될 수 있으며, 포스페이트 회수 공정에서 더 많은 인을 회수할 수 있다.
혐기성 소화 스테이지는 가스 엔진, 터빈 또는 연료 전지에서 열 및 전기를 생산하는 데 사용되거나 천연 가스 또는 차량 연료로 업그레이드될 수 있는 재생 가능한 연료인 바이오가스 스트림을 생성한다.
혐기성 소화 후, 소화된 슬러지 생성물, 즉 비-바이오가스 생성물은 단계 (d)의 제1 탈수 스테이지, 즉 사전 탈수에서 액체상으로부터 분리된다. 이 첫 번째 탈수는 바람직하게는 디캔터, 원심분리기, 필터 프레스, 스크류 프레스에서 수행된다. 다른 종래의 탈수 장비가 사용될 수도 있다. 첫 번째 탈수는 고체 입자를 포함하는 제1 소화된 슬러지 생성물, 즉 제1 케이크 생성물을 생성한다. 바람직하게는 고체 입자의 함량은 10%∼25%의 DS, 예컨대 10%∼20%의 DS, 더 바람직하게는 16%∼17%의 DS이다. 이어서, 제1 소화된 슬러지 생성물은 단계 (f)의 열 가수분해 스테이지로 공급되는 한편, PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 액체 농축물은 포스페이트 회수 공정으로 보내진다.
단계 (f)의 열 가수분해 스테이지는 130℃∼200℃, 흔히 150℃∼170℃, 예컨대 160℃)의 고온 및 2∼20 bar의 압력, 흔히 4∼8 bar, 예컨대 6 bar의 압력에서 제1 탈수 스테이지에서 형성된 제1 소화된 슬러지 생성물을 가열하는 것을 포함하며, 이는 유기 물질의 일부를 가용성 및 콜로이드성 물질로 가수분해한다. 열 가수분해는, 또한 제1 소화된 슬러지 생성물의 점도를 낮추고 그의 "탈수성"을 개선함으로써 제1 소화된 슬러지 생성물의 물리적 특성을 변화시킨다. 또한, 열 가수분해 시스템은 비-생분해성 물질을 가용성이고 보다 용이하게 생분해되는 물질로 전환시킨다. 열 가수분해 동안에, 남아있는 포스페이트의 일부, 즉 남아있는 입자상 인의 일부는 가용화되거나 적어도, 접촉 단계 (a)의 접촉 탱크 및/또는 혐기성 소화 스테이지 (c)의 혐기성 소화조로 재순환되는 액체 농축물 스트림에 남게되는 콜로이드 물질로 전환된다.
열 가수분해 후의 처리된 슬러지는 단계 (g)의 두 번째, 바람직하게는 최종 탈수 스테이지, 즉 탈수후 스테이지로 보내지며, 이로써 상대적으로 높은 건조 고형분 케이크, 즉 20%∼60%의 DS, 흔히 25%∼50%의 DS, 예컨대 35%∼45%의 DS를 갖는 제2 소화되고 가수분해된 슬러지 생성물, 즉 제2 케이크 생성물을 생성한다. 이 제2 탈수는 바람직하게는 디캔터, 원심분리기, 필터 프레스, 스크류 프레스에서 수행된다. 다른 종래의 탈수 장비, 예컨대 벨트 필터 등이 사용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 액체 농축물 스트림의 품질을 제어하기 위해, 제2 탈수 스테이지에 폴리머가 첨가된다.
상기 설명한 바와 같이, 단계 (g)의 최종 탈수로부터 생성된 액체 농축물 스트림은 모두 다른 유기 결합된 P 및/또는 화학적으로 결합된 P를 가용성 P의 형태로 포함하고(가수분해된 슬러지는 일반적으로 낮은 pH, 예컨대 3∼6.5, 일반적으로는 5∼6의 pH를 가지며, 이는 화학적으로 침전된 P, 예컨대 FePO4, AlPO4, CaPO4, MgPO4, 인회석 광물 및 유사한 광물의 일부의 가용화에 기여할 수 있음), 고온, 즉 70℃∼100℃ 범위의 온도를 갖는다.
따라서, 이 스트림의 전부 또는 일부를 혐기성 소화 스테이지로 반송하면, 이 혐기성 소화에 필요한 에너지가 감소한다. 바이오가스 생산량의 상당한 증가를 고려하면, 전체 에너지 균형이 현저히 향상된 것이다.
또한, 접촉 단계 (a)에서 고온 액체 농축물 스트림의 단계 (g)의 최종 탈수로부터 접촉 탱크로의 재순환은, 그에 의애 사용 가능한 가용성 P의 양을 증가시킬뿐만 아니라, 이 탱크의 온도를 증가시켜 상기 언급한 바와 같이 P 방출의 효율을 개선시킨다. 또한, 처리된 흐름의 일부(농후화 이후)가 농축된 농후 슬러지로서 혐기성 소화 스테이지에 공급되기 때문에, 이는 혐기성 소화조의 열 요건을 추가로 감소시킨다. 단계 (b)의 슬러지 시크너 유닛으로부터의 액체 농축물 스트림의 열은 바람직하게는 EBPR 공정으로부터 생성된 습윤 활성 슬러지(WAS), 즉 접촉 탱크로 공급되는 바이오매스 물질과의 열교환에 의해 회복된다. 또한 열은 공정에서 다른 흐름과의 열 교환에 의해 회복될 수도 있다.
제1 양태의 다른 실시양태에서, 단계 (e)에서 포스페이트를 생성하는 상기 포스페이트 회수 공정은 적어도 다음의 공정 단계:
- 스트루바이트 형성 반응기에서 상기 액체 농축물을 결정화 공정에 적용시키는 단계,
- 상기 스트루바이트 형성 반응기에서 형성된 임의의 스트루바이트 결정을 침강 또는 사이클론 기술에 의해 단리하는 단계
를 포함한다.
이 포스페이트 회수 공정에서, 모든 포스페이트가 풍부한 스트림이 수집되고 처리되어 가치가 큰 인이 회수된다. 두 가지 주요 스트림이 수집된다:
- 분리 단계 (b), 즉 P(PO4-P) 및 Mg가 풍부한 시크너 유닛으로부터의 액체 농축물,
- PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 단계 (d)의 제1 탈수 스테이지로부터의 액체 농축물,
- 또한, 시크너 유닛 등으로부터의 일부 내부 스트림은, 이들이 주요 구성성분(PO4-P, NH4-N, Mg) 중 하나가 풍부한 경우에 추가될 수 있다.
각 스트림이 스트루바이트 형성에 적합한 화학물질을 개별적으로 포함하지 않더라도, 본 발명에 따른 방법 또는 공정은 스트루바이트 형성을 위한 외부 화학물질의 추가에 대한 필요성을 면한다. 따라서, 단계 (b)의 시크너 유닛으로부터의 액체 농축물에는 암모니아(NH4-N)가 부족하고, 단계 (d)의 제1 탈수 스테이지로부터의 액체 농축물에는 Mg가 부족하다. 그러나, 조합된 두 스트림에는 스트루바이트 형성에 적합한 화학물질이 함유되어 있다. 스트루바이트 형성 동안에, 대부분의 PO4-P가 제거된다. 암모니아는 부분적으로만 제거되지만, 암모니아 제거는 전체 유기물 전환이 개선된 결과로서 소화 동안에 추가 암모니아 방출을 적어도 부분적으로 보완한다.
특정 실시양태에서, 상기 포스페이트 회수 공정은 액체 농축물, 즉 액체상으로부터 CO2를 제거함으로써 pH를 증가시키는 탈기 단계를 추가로 포함한다. 이는 스트루바이트의 생성을 증진시킨다.
다른 특정 실시양태에서, 상기 포스페이트 회수 공정은
- 상기 스트루바이트 형성 반응기에 추가의 Mg를 첨가하는 단계, 및/또는
- 상기 스트루바이트 형성 반응기에 염기 또는 산을 첨가하는 단계
를 추가로 포함한다. 이는 상기 스트루바이트의 결정화를 증진시킨다.
따라서, 혼합된 액체 농축물 스트림은 다음의 공정 단계를 이용하여 추가로 처리된다:
- 탈기: 탈기는 물로부터 CO2를 제거하고 pH를 증가시킨다.
- 스트루바이트 형성 반응기: 결정화 반응기는 화학물질들 사이의 충분한 접촉 및 결정의 성장 시간을 허용한다. 항상 하나의 화학물질이 있기 때문에 Mg의 존재는 최대 스트루바이트 형성에 한정적이므로, 이 화학물질이 추가된다. 또한 필요한 경우, 일부 pH 조절을 실행할 수 있다.
- 형성된 스트루바이트는 침강 또는 사이클론 기술 등을 이용하여 액체로부터 분리된다. 스트루바이트 형성 후, 처리된 액체 농축물 스트림은 연마를 위해 상류 폐수 처리 플랜트로 반환된다.
대안적으로, 포스페이트는 P 비료에 대한 시장의 요구사항에 따라 다른 화학적 형태로도 회수될 수도 있다. 따라서 대안적인 P 생성물은 MgPO4, CaPO4 등이다. 따라서, 가능한 해법은 침전 유닛 앞에 칼슘 공급원을 추가하여 인산칼슘을 침전시키는 것이다.
본 발명의 제2 양태에서, 바이오매스 물질, 바람직하게는 잉여 활성 슬러지(WAS)로부터 포스페이트를 회수하기 위한 플랜트로서,
- 상기 바이오매스 물질 및 제2 탈수 유닛으로부터, 즉, 제2 탈수 유닛의 하류로부터의 재순환 스트림을 수용함으로써, 혼합된 슬러지를 생성하기 위한 접촉 탱크,
- 상기 혼합된 슬러지를 농후화시킴으로써, 농축된 농후 슬러지 생성물과 P(PO4) 및 Mg가 풍부한 액체 농축물 스트림을 생성하기 위한 시크너 유닛,
- 상기 농축된 농후 슬러지 생성물을 소화시킴으로써, 바이오가스 스트림 및 소화된 슬러지 생성물을 생성하기 위한 혐기성 소화조,
- 상기 소화된 슬러지 생성물을 탈수함으로써, 제1 소화된 슬러지 생성물과 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 액체 농축물 스트림을 생성하기 위한 제1 탈수 유닛,
- P 및 Mg가 풍부한 상기 액체 농축물과 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 상기 액체 농축물을 수용함으로써 스트루바이트를 생성하기 위한 스트루바이트 반응기,
- 상기 제1 소화된 슬러지 생성물을 가수분해함으로써, 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물을 생성하기 위한 열 가수분해 유닛,
- 상기 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물을 탈수함으로써, 제2 소화되고 가수분해된 슬러지 생성물과, 휘발성 지방산(VFA), 가용화된 P 및 임의로 콜로이드 유기 물질이 풍부한 액체 농축물 스트림을 생성하기 위한 제2 탈수 유닛, 및
- 휘발성 지방산(VFA), 가용화된 P 및 임의로 콜로이드 유기 물질이 풍부한 상기 액체 농축물의 적어도 일부를, 상기 바이오매스 물질과 접촉시키기 위한 상기 접촉 탱크로 유도하기 위한 도관
을 포함하는 플랜트가 또한 제공된다.
본 발명의 제2 양태의 실시양태에서, 플랜트는 휘발성 지방산(VFA), 가용화된 P 및 콜로이드 유기 물질이 풍부한 상기 액체 농축물의 적어도 일부를 상기 혐기성 소화조로 유도하기 위한 도관을 추가로 포함한다.
제2 양태의 또 다른 실시양태에서, 플랜트는
- 휘발성 지방산(VFA), 가용화된 P 및 콜로이드 유기 물질이 풍부한 상기 액체 농축물 스트림을, 케이크 생성물과 고형분 함량이 감소되었으나 가용화된 P를 함유하는 액체 농축물 스트림으로 분리하기 위한 분리 유닛, 바람직하게는 디스크 원심분리기,
- 상기 케이크 생성물을 상기 혐기성 소화조로 유도하기 위한 도관 또는 수송 수단
을 추가로 포함한다.
제2 양태의 또 다른 실시양태에서, 상기 바이오매스 물질은 상류 폐수 처리 플랜트(WWTP)에서 생성된 잉여 활성 슬러지(WAS)이고, 상기 폐수 처리 플랜트는 활성 슬러지를 생성하기 위한 혐기성 유닛(즉, 반응기 또는 구역), 무산소성 유닛 및 호기성 유닛과 그에 후속되는 정화기, 혼합액을 호기성 유닛으로부터 무산소성 유닛으로 재순환시키기 위한 내부 재순환 수단, 예컨대 내부 재순환 도관, 상기 활성 슬러지의 일부를 반송 활성 슬러지(RAS)로서 혐기성 유닛으로 반송하기 위한 재순환 수단, 및 상기 활성 슬러지의 일부를 상기 잉여 활성 슬러지(WAS)로서 배출시키기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 혐기성 유닛, 무산소성 유닛, 호기성 유닛 및 정화기는, 증진된 생물학적 인 제거 플랜트(EBPR 플랜트)에서 일반적인 것과 같이 직렬로 배열된다. 따라서, 적절하게는, 상기 상류 WWTP는 증진된 생물학적 인 제거 플랜트를 포함한다.
제2 양태의 다른 실시양태에서, 상기 상류 WWTP는 상기 혐기성 유닛의 상류에, 폐수 유입물을 수용하여 부유 고형분 및 유기 물질을 포획함으로써 1차 슬러지를 형성하기 위한 1차 정화기를 추가로 포함한다. 따라서 1차 슬러지는 EPBR 공정의 생물학적 처리 전에 생성된다.
따라서, 폐수로부터의 P의 흡수, 및 세포 매스 내에 P가 축적된 슬러지가 있다. 생성된 바이오매스 물질, 본원에서는 WAS는 0.8%∼2%의 DS, 및 DS 상의 약 5%, 보다 구체적으로는 2%∼6%, 흔히 약 4%∼5%의 P 함량을 함유할 것이다. 본 발명은 WAS로부터 가능한 한 많은 P를 추출할 수 있게 하고, 또한 에너지 생산을 최대화한다.
본 발명의 제1 양태의 임의의 실시양태는, 제2 양태의 임의의 실시양태와 조합될 수 있다.
본 발명의 제3 양태에서, 기존의 폐수 처리 플랜트를 개조하는 방법이 제공되며, 상기 폐수 처리 플랜트는 생물학적 P 제거, 바람직하게는 EPRP를 포함하고, 상기 개조 방법은
- 바이오매스 물질 유입 도관으로서, 상기 바이오 매스 물질은 상기 폐수 처리 플랜트에서 생산되는 것인 유입 도관, 및 하류에 위치한 제2 탈수 유닛으로부터의 재순환 스트림 도관으로서, 상기 재순환 스트림 도관은 VFA 및 가용화된 P 및 임의로 콜로이드 유기 물질이 풍부한 액체 농축물 스트림을 운반하는 것인 재순환 스트림 도관을 수용하도록 적합화된 접촉 탱크를 설치하는 단계,
- 상기 접촉 탱크에서 생성되는 혼합된 슬러지를 증점시키기 위한 증점기 유닛을 설치하는 단계,
- 상기 증점기 유닛에서 생성되는 농축된 증점화 슬러지 생성물을 소화시키기 위한 혐기성 소화 장치를 설치하는 단계,
- 상기 혐기성 소화 장치에서 생성되는 소화된 슬러지 생성물을 탈수하기 위한 제1 탈수 유닛을 설치하는 단계,
- 상기 증점기 유닛으로부터 P 및 Mg가 풍부한 액체 농축물을 수송하기 위한 제1 도관을 설치하는 단계,
- 상기 제1 탈수 장치로부터 P 및 NH4-N이 풍부한 액체 농축액을 수송하기 위한 제2 도관을 설치하는 단계,
- 스트루바이트를 생성하기 위한 스트루바이트 반응기로서, P가 풍부하거나 NH4-N이 풍부한 상기 액체 농축물을 함유하는 상기 제1 및 제2 도관을 유입구로서 수용하도록 적합화된 반응기를 설치하는 단계,
- 상기 제1 탈수 유닛에서 생성된 제1 슬러지 생성물을 가수분해하기 위한 열 가수분해 유닛을 설치하는 단계,
- 상기 열 가수분해 유닛에서 생성되는 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물을 탈수하기 위한 상기 제2 탈수 유닛을 설치하는 단계,
- VFA 및 가용화된 P 및 임의로 콜로이드 유기 물질이 풍부한 상기 액체 농축물 스트림을 상기 접촉 탱크로 재순환시키기 위한 재순환 스트림 도관을 설치하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 제1 양태 및 제2 양태의 임의의 실시양태는, 제3 양태에 따라 본 발명과 연관되어 이용될 수 있다.
본 발명은 종래 기술에 비해 몇 가지 분명한 이점을 제공한다:
- 접촉 공정은 아주 적은 노력으로 포스페이트의 일부를 제거한다. 또한 그 공정은 슬러지로부터 Mg를 제거하며, 이는 소화조에서 스트루바이트 형성의 위험을 감소시킨다.
- P-방출에 필요한 VFA는, 열 가수분해 후에 최종 탈수로부터의 농축물(스트림)에 의해 제공된다. VFA는 손실되지 않고 PHA로 전환되며, 소화 동안에 바이오가스로 추가 전환된다.
- 공정은 1차 슬러지를 추가하거나 추가하지 않고 수행될 수 있으므로, 몇몇 다른 공정과 같이 1차 슬러지의 발효에 의존하지 않는다.
- 공정은 열을 재순환시켜, 접촉 탱크의 효율성을 향상시키고 HRT를 단축시킨다.
- 공정은 (혐기성) 접촉 탱크에서 EBPR 슬러지의 혐기성 생물학적 활성의 결과로 P를 방출하고, 혐기성 소화로 인해 P를 방출하며, 열 가수분해 공정의 결과로서 추가의 P를 방출한다.
- 전체 공정은 미정제 슬러지(WAS)에 존재하는 P의 50% 이상을 회수함으로써, 포스페이트의 가용화를 최대화하고 회수될 수 있는 P의 양을 증가시킨다.
- 공정은 스트루바이트 형성 능력이 각각 부족한 두 개의 개별 농축물을 생성한다. 그러나 조합된 경우, 이들은 스트루바이트 형성을 위한 모든 구성성분을 갖는다.
- 공정은 매우 효율적인 에너지 균형을 유도한다. 열 가수분해 스테이지에서 공급된 열은 고온의 농축액 일부를 소화조로 다시 반송함으로써, (부분적으로) 재사용된다. 이는, 소화조에 필요한 추가 에너지를 줄이고, 또한 유기 물질을 반송함으로써 바이오가스의 생산이 증가된다.
- 공정은 슬러지의 탈수성을 크게 향상시키고, 폐기되어야 하는 케이크의 양을 감소시키며; 이는 폐기 비용을 줄이고 케이크의 발열량(습식 기준)을 증가시킨다.
- 공정은 슬러지에 존재하는 모든 화합물(예컨대, 유기 물질, 질소, 인, 마그네슘)을 최대한으로 사용하고, 이를 가치가 큰 생성물로 전환한다.
- 전반적으로 공정이 비교적 단순하고 간단하며, 기존의 폐수 처리 플랜트에 용이하게 통합된다. 이 개념은 기존 플랜트 인프라에 추가 요소를 적용하는 것이다. 선행 기술은 일반적으로 훨씬 더 복잡하며 별도의 또는 복수의 소화 스테이지, 복수의 스트루바이트 반응기 등을 필요로 한다.
[도면의 간단한 설명]
도 1은 일반적인 EBPR 공정을 도시한다.
도 2는 본 발명의 특정 실시양태에 따른 플랜트의 공정 도식을 도시한다.
[실시예]
도 2에 제공된 도식에 따른 공정을 실시한다. 상류 WWTP(도시되지 않음)에서 생성되고 0.8%∼2%의 DS를 함유하는 잉여 활성 슬러지(WAS) 스트림(1)은 그의 저장된 P의 방출을 위해 1∼3 시간의 체류 시간을 갖는 접촉 탱크(3)에 진입한다. 이를 위해, 휘발성 지방산(VFA)으로서의 가용성 COD 및 가용성 P를 함유하는 액체 농축물 스트림(20)의 재순환 스트림(20')이 또한 접촉 탱크(3)에 첨가된다. 임의로, 흔히 2%∼5%의 DS를 갖는, 예를 들어 상류 WWTP로부터의 1차 슬러지 스트림(2')이 또한 접촉 탱크(3)에 추가된다. P 방출과 함께, Mg도 WAS로부터 방출된다.
시크너 유닛(5), 예컨대 벨트 시크너에 공급되는 혼합된 슬러지(4)가 형성되어, 감소된 P 및 Mg 수준 및 약 5%의 DS를 갖는 농축된 농후 슬러지(6)와, PO4 및 Mg가 풍부한 액체 농축물 스트림(7)을 형성한다. 농축된 농후 슬러지(6)는 15∼30 일, 바람직하게는 20 일의 체류 시간을 갖는 혐기성 소화조(8)에서 혐기성 소화에 적용된다. 휘발성 지방산(VFA)을 함유하는 액체 농축물 스트림(20)의 다른 부분(20 ")도 혐기성 소화조(8)에 첨가된다. 임의로, 1차 슬러지(2")도 소화조(8)에 공급된다. 이는, 슬러지 생성물(9) 및 바이오가스(도시하지 않음)의 생성시킨다.
소화된 슬러지 생성물(9)은 제1 탈수 유닛(10)에서, PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 액체 농축물 스트림(11)과 15%∼17%의 DS를 갖는 제1 소화된 슬러지 생성물(제1 케이크 생성물)(13)로 분리된다. PO4 및 Mg가 풍부한 액체 농축물 스트림(7)과 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 액체 농축물 스트림(11)은, 가치가 큰 생성물로서의 스트루바이트의 형성을 위해, 공통 스트림(12)으로 조합되거나 스트루바이트 형성 반응기를 적절하게 포함하는 포스페이트 회수 공정 유닛(22)에 독립적으로 공급된다.
제1 소화된 슬러지 생성물(13)은 열 가수분해 유닛(14)으로 인도되고 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물(15)을 생성하며, 이어서 이것은 제2 탈수 유닛(16)으로 공급된다. 이 탈수 유닛(탈수후), 예컨대 디캔터는 소각, 추가 건조 또는 다른 형태의 폐기에 준비가 된, 35%∼40%의 DS를 갖는 제2 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물(17)과 가용성 COD, 예컨대 VFA가 풍부한 액체 농축물 스트림(18), 및 콜로이드성 유기 물질을 생성한다.
분리 유닛, 바람직하게는 디스크 원심분리기(19)가 제공되어 상기 액체 농축물(18)의 적어도 일부를, 혐기성 소화조(8)로 재순환되는 케이크 생성물(21)과 고형분 함량이 감소된 액체 농축물 스트림(20)으로 분리한다.
Claims (15)
- 바이오매스 물질로부터 포스페이트를 회수하는 방법으로서,
(a) 접촉 탱크에서 상기 바이오매스 물질을 단계 (g)로부터의 액체 농축물 스트림(g2)과 함께 접촉시켜, 혼합된 슬러지를 생성하는 단계,
(b) 시크너 유닛에서 단계 (a)의 혼합된 슬러지를, 감소된 P 및 Mg 수준을 갖는 농축된 농후 슬러지 생성물(b1)과 P 및 Mg가 풍부한 액체 농축물 스트림(b2)으로 분리하는 단계,
(c) 상기 농축된 농후 슬러지 생성물(b1)을 혐기성 소화조에서 혐기성 소화 스테이지에 적용시켜 바이오가스 스트림 및 소화된 슬러지 생성물을 생성하고, 상기 바이오가스를 회수하는 단계,
(d) (제1 탈수 스테이지에서) 상기 소화된 슬러지 생성물을, 고체 입자를 함유하는 제1 소화된 슬러지 생성물(d1)과 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 액체 농축물(d2)로 분리하는 단계,
(e) 단계 (b)로부터의 P 및 Mg가 풍부한 상기 액체 농축물(b2) 및 단계 (d)로부터의 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 상기 액체 농축물(d2)을, 포스페이트 염을 생성하기 위한 포스페이트 회수 공정으로 이송하는 단계,
(f) 단계 (d)로부터의 상기 제1 소화된 슬러지 생성물(d1)을 열 가수분해 유닛에서 열 가수분해 스테이지에 적용시켜, 상기 제1 소화된 슬러지 생성물(d1)의 고체 입자를 적어도 부분적으로 가용성 유기 물질로 전환시킴으로써, 열 가수분해된 슬러지 생성물(f1)을 형성하는 단계,
(g) 제2 탈수 스테이지에서, 상기 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물(f1)을, 제2 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물(g1)과 가용성 COD, 예컨대 VFA, 가용화된 P 및 임의로 콜로이드 유기 물질이 풍부한 액체 농축물 스트림(g2)으로 분리하는 단계,
(h) 단계 (g)로부터 생성된 액체 농축물 스트림(g2)의 적어도 일부를 단계 (a)로 재순환시키는 단계
를 포함하는, 바이오매스 물질로부터 포스페이트를 회수하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 바이오매스 물질은 EBPR 공정으로부터 생성된 습윤 활성 슬러지(wet activated sludge: WAS)이고, WAS는 바람직하게는 0.5%∼3.0%의 DS(건조 고형분), 더 바람직하게는 0.8%∼2.0%의 DS를 함유하는 것인 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (g)의 상기 제2 탈수 스테이지로부터 생성된 상기 액체 농축물 스트림(g2)의 적어도 일부를, 단계 (c)의 혐기성 소화 스테이지로 재순환시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (g)는
- 상기 액체 농축물(g2)의 적어도 일부를, 케이크 생성물과 고형분 함량이 감소된 액체 농축물 스트림으로 분리하는 단계, 및
- 상기 케이크 생성물을 단계 (c)의 혐기성 소화 스테이지로 재순환시키는 단계
를 추가로 포함하는 것인 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스 물질을 생성하기 위해, 혐기성 스테이지를 포함하는 상류 폐수 처리 공정에서 생물학적 P 및/또는 생물학적 N 제거를 보조하는 데에, 상기 제2 탈수 스테이지로부터의 상기 액체 농축물(g2)의 적어도 일부, 또는 고형분 함량이 감소된 상기 액체 농축물 스트림의 적어도 일부를 사용하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 접촉 단계 (a)의 접촉 탱크에서 1∼3 시간의 체류 시간을 제공하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (a)의 접촉 탱크에, 단계 (b)의 시크너 유닛으로부터의 오버플로우 및/또는 1차 슬러지를 첨가하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (e)에서 포스페이트 염을 생성하기 위한 상기 포스페이트 회수 공정은 적어도 다음의 공정 단계:
- 스트루바이트 형성 반응기에서 상기 액체 농축물을 결정화 공정에 적용시키는 단계,
- 상기 스트루바이트 형성 반응기에서 형성된 임의의 스트루바이트 결정을 침강 또는 사이클론 기술에 의해 단리하는 단계
를 포함하는 것인 방법. - 제8항에 있어서, 액체 농축물로부터 CO2를 제거함으로써 pH를 증가시키는 탈기 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 스트루바이트의 결정화를 증진시키기 위해
- 상기 스트루바이트 형성 반응기에 추가의 Mg를 첨가하는 단계, 및/또는
- 상기 스트루바이트 형성 반응기에 염기 또는 산을 첨가하는 단계
를 추가로 포함하는 방법. - 바이오매스 물질, 바람직하게는 잉여 활성 슬러지(waste activated sludge: WAS)로부터 포스페이트를 회수하기 위한 플랜트로서,
- 상기 바이오매스 물질 및 제2 탈수 유닛으로부터의 재순환 스트림을 수용함으로써, 혼합된 슬러지를 생성하기 위한 접촉 탱크,
- 상기 혼합된 슬러지를 농후화시킴으로써, 농축된 농후 슬러지 생성물과 P(PO4) 및 Mg가 풍부한 액체 농축물 스트림을 생성하기 위한 시크너 유닛,
- 상기 농축된 농후 슬러지 생성물을 소화시킴으로써, 바이오가스 스트림 및 소화된 슬러지 생성물을 생성하기 위한 혐기성 소화조,
- 상기 소화된 슬러지 생성물을 탈수함으로써, 제1 소화된 슬러지 생성물과 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 액체 농축물 스트림을 생성하기 위한 제1 탈수 유닛,
- P 및 Mg가 풍부한 상기 액체 농축물과 PO4-P 및 NH4-N이 풍부한 상기 액체 농축물을 수용함으로써 스트루바이트를 생성하기 위한 스트루바이트 형성 반응기,
- 상기 제1 소화된 슬러지 생성물을 가수분해함으로써, 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물을 생성하기 위한 열 가수분해 유닛,
- 상기 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물을 탈수함으로써, 제2 소화되고 열 가수분해된 슬러지 생성물과, 휘발성 지방산(VFA), 가용화된 P 및 임의로 콜로이드 유기 물질이 풍부한 액체 농축물 스트림을 생성하기 위한 제2 탈수 유닛, 및
- 휘발성 지방산(VFA), 가용화된 P 및 임의로 콜로이드 유기 물질이 풍부한 상기 액체 농축물의 적어도 일부를, 상기 바이오매스 물질과 접촉시키기 위한 상기 접촉 탱크로 유도하기 위한 도관
을 포함하는, 상기 포스페이트를 회수하기 위한 플랜트. - 제11항에 있어서, 휘발성 지방산(VFA), 가용화된 P 및 콜로이드 유기 물질이 풍부한 상기 액체 농축물의 적어도 일부를 상기 혐기성 소화조로 유도하기 위한 도관을 추가로 포함하는 플랜트.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,
- 가용성 COD, 예컨대 VFA, 가용화된 P 및 콜로이드 유기 물질이 풍부한 상기 액체 농축물 스트림을, 케이크 생성물과 고형분 함량이 감소된 액체 농축물 스트림으로 분리하기 위한 분리 유닛, 바람직하게는 디스크 원심분리기,
- 상기 케이크 생성물을 상기 혐기성 소화조로 유도하기 위한 도관 또는 수송 수단
을 추가로 포함하는 플랜트. - 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오매스 물질은 상류 폐수 처리 플랜트(WWTP)에서 생성된 잉여 활성 슬러지(WAS)이고, 상기 폐수 처리 플랜트는 활성 슬러지를 생성하기 위한 혐기성 유닛, 무산소성 유닛 및 호기성 유닛과 그에 후속되는 정화기, 혼합액을 호기성 유닛으로부터 무산소성 유닛으로 재순환시키기 위한 내부 재순환 수단, 상기 활성 슬러지의 일부를 반송 활성 슬러지(RAS)로서 혐기성 유닛으로 반송하기 위한 재순환 수단, 및 상기 활성 슬러지의 일부를 상기 잉여 활성 슬러지(WAS)로서 배출시키기 위한 수단을 포함하는 것인 플랜트.
- 제14항에 있어서, 상기 상류 폐수 처리 플랜트는 상기 혐기성 유닛의 상류에, 폐수 유입물을 수용하여 부유 고형분 및 유기 물질을 포획함으로써 1차 슬러지를 형성하기 위한 1차 정화기를 추가로 포함하는 것인 플랜트.
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