KR860000098B1 - 유기물질의 혐기성 분해방법 - Google Patents

유기물질의 혐기성 분해방법 Download PDF

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유니서치 리미티드
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Abstract

내용 없음.

Description

유기물질의 혐기성 분해방법
도면은 본 발명의 공정을 수행하기 위한 시험 규모장치의 개략도이다.
본 발명은 산업 폐기물과 같은 수성매질류 중에 존재하는 유기물질을 분해시키는 방법 및 이러한 방법을 수행하기 위한 유동상 반응기 및 접촉반응기를 포함하는 다반응용기 시스템에 관한 것이다.
또한 본 발명은 유동상 반응기 및 접촉반응기를 포함하는 다반응용기 시스템중에 혐기성균의 집락을 형성시키는 방법에 관한 것이다.
세균성 분해에 의해 하수, 폐수 및 기타의 수성매질로부터 유기물질을 제거할 수 있음이 공지되어 있다. 이러한 방법의 효율을 개선시키기 위한 노력의 결과로 유동상법을 사용하여 호기성균을 배양하였다. 처리하려는 수성매질을 베드(bed)중에 펌프로 퍼올려 베드중에서 매질을 유동화시킨다. 호기성균을 베드중에서 성장시키고 처리된 물을 칼럼 상부에서 약간의 베드입자와 함께 배출시킨다. 다음에 이들 베드입자를 세척하여 세균의 성장에 의해 생성된 과량의 바이오매스(biomass)를 제거하고, 세척된 입자를 다시 칼럼으로 되돌려 보낸다. 이러한 유동상중에 생성된 다량의 바이오매스는 세균에 산소를 공급하여야 하는 시스템에 있어서, 특이적인 결점이 된다.
미합중국 특허 명세서 제4,182,675호에는 고체입자 담체에 부착된 미생물의 유동상을 형성시키고, 계속해서 이 유동상에 처리할 폐수를 통과시킨 후, 다른 필요한 파라메터를 조정하고 베드를 혐기성 조건하에 유지시키면서 폐수를 충분한 시간동안 유동상에 머무르게 하여 폐수로부터 제거해야 할 생화학적 산소요구량(BOD)를 실질적으로 모두 메탄가스, 이산화탄소 및 셀룰로즈 물질로 생물학적으로 전환시킴으로써 폐수로부터 생화학적 산소요구량을 제거하는 방법이 기술되어 있다. 또한 여기에는 질화유출물을 폐수에 가하고, 혼합물을 메탄가스, 이산화탄소, 질소가스 및 셀룰로즈 물질로 생물학적으로 전환시킬 수 있는 방법도 기술되어 있다.
미합중국 특허명세서 제4,182,675호에 기술된 방법에는 실제적으로 여러가지 어려움이 있다. 이중 첫째는 베드의 입자담체에 혐기성균의 집락을 고착시키기 어려운 점이다. 세균을 가한 후 혐기성균중 어느것은 입자담체에 대한 고착력이 없기 때문에 때때로 기질상의 세균층이 이탈되는 경향이 있다. 이러한 바이오매스의 손실로 인하여 실질적으로 효율이 떨어진다. 또 한가지 문제점은 기술된 방법이 BOD 농도가 높은, 즉 BOD 농도가 2000mg/ℓ 이상인 산업폐기물에 대해서는 효율적으로 이루어지지 못한다는 점이다.
기술된 방법에서 만일 BOD가 높은 폐기물을 실질적으로 BOD를 감소시키기에 충분한 체류시간을 제공할만큼 서서히 적절한 크기의 유동상에 통과시키면, 그때 베드는 유동화되지 않는다. 이러한 문제점은 상기 언급한 명세서 중에서 다수의 유동상을 연속하여 사용함으로써 해결할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
본 발명에서는 다수의 유동상을 연속적으로 만드는데 과도하게 비용을 들이지않고 이러한 문제를 해결할 수 있는 다른 방법을 제공한다.
미합중국 특허 명세서 제4,182,675호에서 기술된 방법에서의 또다른 문제점은 수성매질중이 BOD의 변화에 적절히 적용할 수 없는 점이다. 선행기술의 장치에서는 수성매질중의 BOD량이 실질적으로 변화되면 베드중의 유기체가 증가된 BOD를 처리할 능력이 없으므로 처리된 유수량이 감소된다. 본 발명에서는 2개의 상호 연결된 반응탱크를 사용함으로써 산엽용 폐수를 실제적으로 처리할때 일어나는 실질적이며 급속한BOD의 변화량을 용이하게 처리할 수 있는 시스템을 제공한다.
본 발명은 수성매질을 접촉반응기에 도입시키고, 이 수성매질을 펌프하여 유효용적이 접촉반응기 유효용적의 0.35배 이하이며, 실질적으로 혐기성균의 집락을 지지하는 미세불활성 고체의 베드를 함유하는 유동상 반응기로 보내어 유동상 반응기의 베드를 유동화 상태로 유지시킨 후, 유동상 반응기를 통과한 수성 매질 또는 그의 일부를 접촉반응기로 되돌려 보내고, 처리된 유출물을 연속적으로 또는 불연속적으로 접촉 반응기 또는 유동상 반응기로부터 배출시킴을 특징으로 하여 수성매질중에 존재하는 유기물질을 혐기성균에 의해 분해시키는 방법을 제공한다.
본 발명은 특히 저장탱크 및 유동상 혐기성 반응기로 이루어진 시스템에 유입폐기물류를 도입시키고, 적어도 부분적으로 폐기물류를 유동상과 저장탱크 사이에 재순환시켜 유동상내의 폐기물류중에 존재하는 유기물질을 혐기적으로 분해시킨 후, 시스템으로부터 처리된 유출물을 배출시켜 수성매질 폐기물류 중에 존재하는 유기물질을 혐기성균에 의해 분해시키는 방법에 있어서, BOD 농도가 적어도 1,500mg/ℓ인 고농도의 수성매질 폐기물류를 먼저, 충분한 혐기성균의 집락을 함유하며 혐기성 조건하에 접촉반응기로서 작용하는 크기가 충분한 저장탱크에 도입시켜 유입폐기물류 중에 존재하는 유기성분을 분해시키고, 접촉반응기로부터 수성매질 폐기물류를, 베드(bed)를 유동상태로 유지시키고 또한 폐기물류 중의 유기성분을 분해시키기에 효과적인 속도로 펌프하여 유효용적이 접촉반응기 유효용적의 0.35배 이하이고 실질적으로 혐기성균의 집락을 지지하는 미세불활성 고체의 베드를 함유하는, 혐기성 조건하에 유지된 유동상 반응기로 보낸다음, 접촉반응기 및 유동상 반응기중의 수성매질 폐기물류를 접촉반응기 및 유동상 반응기 둘다에서, 메탄을 생성시키기에 충분한 체류시간 및 온도조건하에서 처리하고, 유동상 반응기를 통과한 수성매질폐기물류의 적어도 일부를, 접촉반응기와 유동상 반응기를 통해 수성매질을 수회 통과시키기에 적합한 속도로 접촉반응기에 재순환시킨 후, 처리된 유출물류를 유동상 반응기 및 접촉반응기중 적어도 하나로부터 배출시킴으로써 저장탱크에 연결된 유동상 반응기 내에서 정제하는 경우보다 고도의 정제도를 이룰 수 있음을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 접촉반응기, 유효용적이 접촉반응기 유효용적의 0.35배 이하인 유동상 반응기, 처리되지 않은 수성매질을 접촉 반응기에 도입시키기 위한 유입장치, 접촉반응기로부터 수성매질을 펌프하여 유동상 반응기의 하부로 보내어 미세불활성 고체의 베드를 유동상 반응기 중에서 유동화시키기 위한 펌프, 처리된 수성매질을 유동상 반응기로부터 접촉반응기로 이동시키는 장치 및 수성매질을 분해장치로 부터 배출시키는 유출장치로 이루어진, 수성매질중에 존재하는 유기물질의 혐기성균 분해방법에 사용되는 장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은 유기물질 및 질산염 이온은 함유하는 수성매질류를 유동상 반응기 및 접촉반응기로 이루어진 다반응용기 시스템에 통과시켜 유동상 반응기 및 접촉반응기 중에 거의 무산소성인 균을 서식시키고 무산소성균의 집락이 실질적으로 혐기성균의 집락으로 대체될때 까지 수성매질류 중의 질산염 이온의 농도를 점차적으로 감소시키는데, 이때 혐기성균의 집락은 실질적으로 유동상 반응기의 고체매질에 고착되었다가 접촉반응기 중에서 유리되어 부유됨을 특징으로 하여, 이러한 시스템 중에서 혐기성균을 서식시키는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르는 방법의 바람직한 태양은 하수 폐기전에 산업폐기물 내의 유기물질을 분해시키는데 특히 유리하다. 통상의 하수폐기물 기준은 5일간 BOD(생화학적 산소요구량)및 현탁 고형물질 300 내지 600mg/ℓ이다.
바이오매스의 수율은 호기성 방법에서는 0.8 내지 1.4kg/kg BOD로 높은반면 혐기성 방법에서는 대략 0.1 내지 0.2 kg/kg BOD로 아주 낮다. 바이오매스의 수율이 낮기 때문에 유속 및 재순환 속도를 적용물의 대부분을 전처리시킬 수 있도록 적절히 조정함으로써 혐기성 시스템을 최적화할 수 있다. 예를들면 혐기성 방법에서 얻을 수 있는 90% 감소율인 3000mg/ℓ BOD의 폐수를 300mg/ℓ의 용성 BOD로 감소시킬 경우 생물학적 고형물의 수율은 약 300mg/ℓ이다.
바이오매스를 분리시키지 않고 유출물중의 총 BOD 및 현탁고형물의 량은 일상 적용되는 BOD 600mg/ℓ 및 현탁고형물 600mg/ℓ의 하수 폐기물 기준에 적합하게 된다. 생물학적 고형물을 최소로 분리하면서 혐기성 유동상 반응기 및 혐기성 접촉반응기를 통합하면 대부분의 강 유기 폐수를 적절히 전처리할 수 있다.
유동상 반응기의 베드는 모래, 압착벽돌 또는 무연탄과 같은 불활성이며 내구성이 있는 고체의 미세분말로 제조할 수 있다. 고체물질의 입자크기는 베드에 통과하는 수성매질의 유속에 좌우된다. 속도가 빠를수록 베드로부터 세척 제거되지 않도록 입자크기가 더욱 커야할 필요가 있다.
통상적으로 불활성 고체입자의 직경은 0.2 내지 3mm, 바람직하게는 0.3 내지 1.5mm이다. 이들 입자는 모두 실질적으로 균일한 크기가 바람직하다. 입자가 엄격히 구형일 필요는 없으며 상기의 직경에 관한 것도 이러한 견지에서 이해되어야 한다.
다반응용기 시스템은 바람직하게 이 시스템에 처리할 수성매질을 펄핑시키고 여기에 적당한 형태의 질산염이온, 바람직하게는 질산염 질소로서 25 내지 5600mg/ℓ, 더욱 바람직하게는 40 내지 100mg/ℓ를 가함으로써 개시된다. 질산염의 양은 바람직하게 수성 매질중에 존재하는 BOD의 화학량론 양보다 결코 많지 않아야 한다. 자연발생의 무산소성세균, 즉 질산염 이온으로부터 그들의 산소요구량을 얻는 세균은 이 시스템에 서식하며 유동상 반응기에서 씻겨나지 않도록 유동상 반응기중의 베드입자에 고착될 수 있다. 무산성 세균집락이 증식함에 따라 유동상 반응기에 통과하는 수성매질의 유속을 감소시키는 것이 바람직하다.
입자는 세균코팅물의 성장에 따라 크기가 커지며 세균코팅물은 입자의 밀도를 효율적으로 감소시킨다.
세균코팅물이 증가함에 따라 입자밀도가 감소되기 때문에 베드의 높이가 커지면 유동상 반응기로부터 불활성 고체입자를 약간 제거하는 것이 바람직하다.
접촉반응기 중에도 유사한 미생물의 집락이 서식되지만, 여기에는 상당량의 고체지지물이 함유되지 않으므로 미생물은 현탁된 성장형태로 존재한다.
무산소성균의 적합한 집락이 반응기 시스템내에 형성이 되면 질산연 이온농도는 감소되어 무산소 성균 집락이 감소하고 혐기성균이 성장하게 된다. 수성매질내의 질산염 이온함량이 감소되기 때문에 하수처리 작업에서 침지된 슬러지와 같은 혐기성균의 공급원을 반응기 시스템에 씨딩하는 것이 바람직하다.
수성매질의 BOD는 질산염 이온이 감소되는 만큼 증가하는 것이 바람직하다. 따라서 예를들어 600mg/ℓ의 개시 BOD 및 질산염 질소로서 100mg/ℓ의 질산염 이온농도는 거의 정상상태에 도달할 때까지 변화될 수 있으며 여기에서 BOD는 처리할 폐기물의 농도가 대표적으로 3000 내지 50,000mg/ℓ까지 증가되고 질산염 이온농도는 최소한 1 내지 400mg/ℓ로 감소된다.
만일 입자가 무산소성균의 성장에 의해 성장에 의해 미리 조절이 되지 않을경우 혐기성균을 유동상 반응기내의 입자상에 부착시키는 것이 어렵다.
실질적으로 혐기성균의 집락이 반응계 내에서 일단 형성되면 소량의 질산염 이온을 계속하여 수성매질에 가하는 것이 바람직하다. 질산염 질소로서 1mg/ℓ정도로 낮은 량, 바람직하게는 20 내지 40mg/ℓ의 질산염이 유동상 반응기의 안정성을 유지시키고 바이오매스의 지나친 손실이 있을 경우에는, 고체 입자상에 혐기성균을 다시 부착시키기가 유리하다는 것을 알게 되었다.
질산염 이온은 고체염으로써 또는 농축용액으로서 수성매질에 가하는 것이 바람직하다.
질산염 이온을 질산화된 유출물 형태로 가하는 것은 수성매질 중의 BOD 농도를 불필요하게 감소시켜 경제적 손실을 수반하기 때문에 일반적으로 바람직하지는 않다.
시간이 경과함에 따라 바이오매스가 베드의 각 입자 주위에 밀생하는 경향이 있다. 바이오매스-코팅입자밀도가 감소하므로 이러한 입자는 유동상 반응기 내에서 상부로 이동되며 적절한 조치를 취하지 않으면 과량의 입자물질이 접촉 반응기내로 이동되는 경향이 있다. 입자상의 바이오매스 두께를 제한함으로써 바이오매스의 활성을 최대로 증진시키며 유동상 반응기로부터 유출물내로 고체입자가 이입되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 조절은 유동상 반응기를 통해 매질의 상부 유출속도를 조정하므으로써 이루어지는 것이 바람직하다.
0.3 내지 0.6mm 크기의 규사는 예를들면 당밀 및 효모즙의 혼합폐기물을 처리할 경우 3 내지 10m-2s-1의 유속이 적절한 것으로 나타났다. 유동상 반응기 내에서 입자의 체류는 반응기내에 반응기의 상부에 횡단면적이 확장된 유동상의 정상적인 표면적 이상인 부분을 제공함으로써 증진된다. 이 확장된 횡단면적의 높이는 유동상 반응기 전체높이의 35%를 초과하지 않는것이 바람직하며, 반응기 상부에는 아주 간단한 형태로 소량의 고체 지지물질이 함유되고 이때 반응기의 상부는 반응기의 하부면적의 1.2 내지 8배의 횡단면적을 갖는다. 상부 지역은 유동상 반응기 내에서 바이오매스 및 고체물질을 보유하는데 적절한 기하학적 형태이면 어느 형태로나 고안될 수 있다. 상부는 반응기 하부에 대해 동심적으로 또는 방심적으로 위치할 수 있다. 상부에는 유동상이 안정한 높이로 유지될 수 있도록 판과같은 차단장치를 부착할 수 있다. 따라서 유동상 반응기 내에서는 필수적으로 청정화가 이루어진다.
접촉반응기 및 유동상 반응기 사이에 BOD 농도가 높은 매질을 재순환 시키는 것은 유동상을 통한 유속이 베드의 유동화를 얻는데 충분한 높이와 유동상 반응기내 입자상의 바이오매스 농도를 조절하는데 필수적이다. 이밖에도 단일 유동상 반응기를 갖는 시스템과 비교해 볼때 수성매질을 반응기에 재순환에 의해 수회 통과시킴으로써 총 제거효율을 증진시킬 수 있다. 이것은 유동상 반응기 및 접촉반응기 내에서 생물학적 반응의 조합에 기인되는 것으로 간주된다.
혐기성균이 일단 반응기 시스템 내에서 형성되면 적절한 조건하에 수성 매질내의 유기함량을 분해시킴으로써 메탄이 생성될 수 있다.
메탄은 유동상 반응기 및 접촉반응기 모두에게 유리된다.이 메탄은 본 공정을 수행하기 위한 에너지 공급원으로 사용될 수 있다. 접촉반응기, 유동상 반응기 및 보조시스템은 반응기 시스템 내의 혐기성 조건을 유지하고 생성되는 모든 메탄이 포집될 수 있도록 밀폐시스템으로서 작동하는 것이 바람직하다. 이것은 또한 반응계로부터 나오는 불쾌한 냄새가 방출되는 것을 방지할 수 있다. 메탄을 생성시키고자 하는 경우, 반응기 시스템내의 조건은 메탄의 생성에 대한 최적조건으로 조절해야 한다. 주된 필요조건은 온도를 32℃ 내지 38℃로 하는 것이다. 메탄이 생성되지 않을경우 유기물질은 유기산과 같은 단일화합물로 전환되는 단계로 만이 분해가 진행될 뿐이다.
유동상 반응기의 유효용적은 접촉반응기 유효용적의 0.2 내지 0.02배로 하는것이 바람직하다. 질산염 질소는 반응기 시스템중 어느곳에나 주입할 수 있지만, 접촉 반응기에는 처리되지 않은 수성배지, 및 고체 또는 농축용액 형태의 질산염 이온공급원용 주입장치를 부착하는 것이 바람직하다.
펌프는 유동상 컬럼으로 구조된 유동상 반응기 하부에 수성매질을 펌프하는 것이 바람직하다. 유동상 반응기를 통과한 매질은 반응기 상부에서 수집하고 반응라인을 통해 접촉반응기로 반송시키는 것이 바람직하다. 경우에 따라 반송물질을 접촉반응기에 주입하고 접촉반응기의 내용물을 혼합하여 접촉반응기 내에서 생물학적 작용을 촉진시키는 방법을 사용한다.
다른 태양을, 접촉반응기 내에 교반장치를 부착시킬 수 있다.
균을 이용하는 방법중 어느 방법에서나, 과량의 바이오매스가 어느정도 까지는 생성될 수 있다.
본 발명의 시스템에서는 이 과량의 바이오매스가, 상술한 바와같이 수성매질의유속에 의해 유동상 반응기내의 입자로부터 유리되어 부츄하며 접촉반응기로 이동된다. 그러므로 양반응기에서 동시에 분해과정이 진행된다. 예측할 수 있는 바와같이, 반응은 유동상 반응기 내에서 더 신속히 진행이 되지만, 접촉반응기 내에서 일어나는 반응으로 본 발명공정의 효율을 유의적으로 얻을 수 있다. 반응기로 부터의 과량의 바이오매스는 결국 처리된 유출물과 함께 배출된다.
하기에 기술된 실시예는 본 발명의 공정을 수행하기 위한 시험규모의 장치를 도식화한 첨부된 도면을 참조하여 설명한 것이다.
장치는 모래로 만들어진 베드(11)를 함유하는 유동상 반응기(10) 및 접촉반응기(12)로 구성되어 있다. 라인(14)을 통해 수성폐기물류를 접촉반응기(12)로 공급한다. 다음에는 폐기물류를 펌프(15)에 의해 접촉반응기(12)로부터 펌프하여 라인(16)을 통해 유동상 반응기(10)의 하단으로 도입시킨다. 유동상 반응기(10)에는 반응기의 유효높이 약 3/4 까지 등급별 모래로 구성된 베드(11)가 함유되어 있다. 반응기(10)로 펌프된 폐수는 베드(11)를 유동화시키고 라인(17)을 통해 접촉반응기(12)로 되돌아 온다. 경우에 따라 폐수를 시스템을 통해 재순환시킬 수 있다. 시스템으로부터 배출된 폐기물은 라인(21)을 통해 통상적인 하수구로 보낸다. 이러한 유동패턴은 단지한 예로서 기술한 것이며, 이 시스템을 전체로서 생각해야 한다.
유동상 반응기(10)의 상단에는 유동상 반응기(10)에서 발생되는 메탄을 수집하고 라인(19)을 통해 접촉반응기(12)로부터 유출되어 가스배출관(20)으로 통기시키는 캡(18)이 장치되어 있다.
유동상 반응기(10)의 용적은 대략 0.03㎥이고, 접촉반응기(12)의 용적은 0.22㎥이다. 질산나트륨의 농축용액은 라인(22)을 통해 접촉반응기(12)로 공급한다.
상기 언급한 장치를 사용하여 효모즙 및 당밀에서 형성된 합성폐수의 혐기성 분해에 대해 연구하였다. 초기공급 유체의 BOD는 300mg/ℓ이고 질산염으로서 질소 80 내지 100mg/ℓ을 함유한다. 시스템에 고착된 폐수를 씨딩하고 공급유체를 연속적으로 유동상 반응기와 접촉반응기 사이에 재순환 시킨다.
유동상 반응기 내의 모래상에 바이오매스 성장신호가 나타나면 시스템을 170시간의 유압체류 시간으로 가동한다. 공급유체의 BOD는 배치 공급단계 각각에서 점차로 약 2000mg/ℓ까지 증가된며 질산염 농도는 질산염으로서 질소 50mg/ℓ까지 감소된다. 이 변화는 1개월에 걸쳐 일어난다.
본 공정에서는 시스템의 유기체 내에서 색의 변화가 관찰되는데, 즉 초기에는 무산소성 균집락의 회색/갈색에서 BOD가 증가하고 질산염 농도가 감소함에 따라 혐기성 균의 집락이 형성되어 흑색으로 변하는 것을 볼 수 있다.
이후에, 과량의 질산염 이온이 존재하는 경우에 발생될 수 있는 격렬한 가스화를 피할수 있도록 질산염 이온농도를 점차로 감소시킨다. 정상상태의 질산염 농도가 약 20mg/ℓ 인것이 만족스러운 것으로 나타났다.
질산염 이온농도가 감소될 경우 유압체류 시간은 48시간으로 감소된다. 온도는 메탄생성을 증진시키기 위해 35℃+3℃로 조정하고, 유속은 41m-2초-2이며, pH는 6.89로 조정한다. 혐기성 반응기 시스템에서 얻어진 결과는 다음과 같다.
[표 1]
Figure kpo00001
육안관찰로서 개스불꽃이 대략 1ℓ/분이고 메탄의 특성인 담청색 불꽃으로 연소하는 것을 알 수 있다.

Claims (1)

  1. 저장태크 및 유동상 혐기성 반응기로 이루어진 시스템에 유입폐기물류를 도입시키고, 폐기물류를 유동상과 저장탱크 사이에 재순환시켜 유동상내의 폐기물류중에 존재하는 유기물질을 혐기적으로 분해시킨 후, 시스템으로부터 처리된 유출물을 배출시켜 수성매질 폐기물류 중에 존재하는 유기물질을 혐기성 균에 의해 분해시키는 방법에 있어서, BOD 농도가 1,500mg/ℓ이상인 고농도의 수성매질 폐기물류를 먼저, 혐기성균의 집락을 함유하며 혐기성 조건하에 접촉반응기로서 작용하는 저장탱크에 도입시켜 유입폐기물류중에 존재하는 유기성분을 분해시키고, 접촉반응기로부터 수성매질 폐기물류를, 유효용적이 접촉반응기 유효용적의 0.35배 이하이고 혐기성균의 집락을 지지하는 미세불활성 고체의 베드를 함유하는 혐기성 조건으로 유지된 유동상 반응기로 펌프하여 보낸다음, 접촉반응기 및 유동상 반응기중의 수성매질 폐기물류를 접촉반응기 및 유동상 반응기에서 처리하고, 유동상 반응기를 통과한 수성매질 폐기물류를 접촉반응기에 재순환 시키고, 처리된 유출물류를 유동상 반응기 및 접촉반응기, 또는 이들중의 하나로부터 배출시킴을 특징으로 하는 방법.
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