KR20220010930A - 유기 폐기물 처리를 위한 플랜트 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기 폐기물 처리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분뇨 및 다른 유기 폐기물의 처리를 위한 플랜트 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 폐기물의 처리를 위한 플랜트는 인산이 풍부한 비료 생산, 황산 암모늄이 풍부한 비료 생산 또는 칼륨이 풍부한 비료 생산을 하면서 액체 폐기물로부터 생성 된 바이오 가스를 증가시키는 데 유용하다.

Description

유기 폐기물 처리를 위한 플랜트 및 방법{PLANT AND METHOD FOR TREATMENT OF ORGANIC WASTE}

본 발명은 유기 폐기물 처리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분뇨 및 다른 유기 폐기물의 처리를 위한 플랜트 및 방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 증가하는 식량 수요를 충족시키기 위해 집약적인 축산물 생산이 보다 광범위해졌다. 이런 추세는 미래에도 계속될 것으로 보인다. 생산량 증가와 보다 효율적인 생산 공정 측면에서 중요한 이점을 제공하는 반면, 집중 가축 생산은 대량의 유기 폐기물이 양산되므로 환경에 부정적인 영향을 미친다. 돼지와 젖소를 집중적으로 생산하면 다량의 분뇨가 생겨 올바르게 취급하지 않으면 심각한 환경 문제가 발생할 수 있다. 동시에, 에너지 생산의 특정 목적을위한 바이오 매스 생산이 급격히 증가하여 생물학적 과정에서 발생하는 모든 구성 요소의 이용을 증가 시키도록 추구하고 있다. 환경 및 유틸리티 주제는 일반적으로 폐기물 및 바이오 매스의 영양소를 유용한 제품으로 전환하여 환경에 미치는 영향을 최소화하고 이익을 극대화하는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다.

분뇨와 같은 유기 비료에는 작물 생산에 필수적인 식물 영양소가 포함되어 있다. 그러나 가축 분뇨에는 인(P), 칼륨(K) 및 질소(N)가 작물의 필요에 맞지 않는 비율로 함유되어 있다. 영양분이 식물 섭취보다 높은 비율로 적용되는 경우, 지표수와 지하수를 오염시킬 영양분 침출 및 유출 위험이 크다. 분뇨를 3개의 분리 된 인(P), 칼륨(K) 및 질소(N) 비료 제품으로 분리하면 작물의 올바른 수정이 가능 해져 침출의 위험이 줄어든다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 제10-2017-0134034호에 개시되어 있다.

본 발명은 인산이 풍부한 비료 생산, 황산 암모늄이 풍부한 비료 생산 또는 칼륨이 풍부한 비료 생산을 하면서 액체 폐기물로부터 생성 된 바이오 가스를 증가시키는 데 유용한 유기 폐기물의 처리를 위한 플랜트 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면은 유기 폐기물 처리를 위한 플랜트를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 폐기물 처리를 위한 플랜트는 유기 폐기물을 소화하는 바이오 가스 소화부, 바이오 가스 소화부의 유출물을 농축 부분과 액체 부분으로 분리하는 기계적 분리부, 액체 부분을 가열하기 위한 가열부, 휘발성 이산화탄소를 부분적으로 제거하고 액체 부분의 pH를 높이기 위한 이산화탄소 플래시부, 이산화탄소 플래시부로부터 배출되고 60 ℃ 이상의 온도로 가열된 액체 부분을 암모니아 스트리핑부로 이송하기 위한 펌프, 0.25-0.75 bar의 감압 하에서 액체 부분으로부터 적어도 98 내지99 %의 암모니아를 제거하는 암모니아 스트리핑부 및 암모니아가 제거된 액체 부분으로부터 비료로 유용한 칼륨 부분과 물 부분을 분리하는 역삼투부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면은 유기 폐기물 처리 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 폐기물의 처리 방법은 바이오 가스 소화부에서 유기 폐기물을 혐기성 발효시키는 단계, 바이오 가스 소화부로부터 유출물을 농축 부분 및 액체 부분으로 기계적으로 분리하는 단계, 액체의 끓는 점 미만의 온도로 상기 액체 부분을 가열하는 단계, 가열된 액체 부분을 플래시 컬럼에 도입하여 휘발성 이산화탄소를 부분적으로 제거하고 액체 부분의 pH를 상승시키는 단계, 60 ° C 이상의 온도로 가열된 액체 부분을 펌핑하는 단계, 휘발성 이산화탄소 제거 후 암모니아 제거 장치에 넣고 0.25-0.75 bar의 감압 하에서 액체 부분로부터 암모니아를 제거하는 단계, 암모니아가 제거된 액체 부분을 중화하는 단계 및 중화된 암모니아가 없는 액체 부분을 역삼투부에서 칼륨 부분 및 물 부분으로 분리하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 폐기물의 처리를 위한 플랜트는 인산이 풍부한 비료 생산, 황산 암모늄이 풍부한 비료 생산 또는 칼륨이 풍부한 비료 생산을 하면서 액체 폐기물로부터 생성 된 바이오 가스를 증가시키는 데 유용하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전처리, 혐기성 소화, 바이오 가스 세정 및 바이오 가스 이용을 포함하는 바이오 가스 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기계적 분리, 부유 고형물 제거, 이산화탄소 플래시, 암모니아 제거, 황산 흡수, 중화, 역삼투 여과 및 악취 처리를 포함하는 소화물 분리 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 물질 수지 다이어그램을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 미생물 공정에서 소화 될 수 있는 분뇨 및 기타 유기 폐기물의 처리 방법 및 플랜트를 제공한다. 본 발명은 병원과 같은 기관의 하수, 바이오 연료 생산 폐수 및 가축 생산 비료를 포함하여 가정, 산업 및 농업 폐기물을 포함하는 유기 폐기물의 처리에 적합하다. 또한, 본 발명은 예를 들어 돼지와 젖소와 같은 집약적 가축 생산으로 인한 분뇨 처리에 특히 적합하다. 본 발명은 모든 유형의 유기 폐기물에 동일하게 적용될 수 있음이 명백하다.

본 발명에 따라 처리 될 유기 폐기물은 한 적용 예에서 소화부에 직접 공급된다. 다른 실시 예에서, 유기 폐기물은 소화부에 들어가기 전에 전처리 공정으로 처리될 수 있다. 본 발명은 본 명세서에 기재된 전처리 방법에 의해 결코 제한되지 않는다.

본 발명에 따라 처리 될 유기 폐기물, 예를 들어 분뇨는 전형적으로 다양한 유기 및 무기 성분이 용해 된 액체뿐만 아니라 그 안에 부유 된 일정량의 섬유질 및/또는 입자상 물질을 포함한다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에서, 바이오 가스 소화부에 공급되는 유기 폐기물은 분쇄기 또는 분쇄기에서 먼저 분쇄되어 모든 섬유가 바이오 가스 소화부에 공급된다. 일 실시 예에서, 특정 크기를 초과하는 섬유질 및 입자상 물질은 공급 물이 혐기성 발효 및 처리 과정의 후속 단계에 적용되기 전에 분쇄기에 의해 크기가 감소되는데, 그와 같이 더 큰 입자는 분해 과정을 연장시키는 경향이 있으므로 처리 효율을 감소시키고 비용이 증가한다. 따라서, 유기 물질은 전형적으로 분쇄기로 임의로 처리 된 후 더 큰 섬유 및 입자를 감소시키기 위해 파쇄된다. 이어서, 파쇄 된 공급 물을 바이오 가스 소화부에서 혐기성 발효시킬 수 있다. 분쇄 단계는 소화부에서 박테리아에 대한 접근 가능한 유기 물질의 양을 증가시키고 바이오 가스 생산을 증가시킨다. 또한, 분쇄 작업은 유기 폐기물의 입자 및 섬유를 생물학적 분해 과정이 개선되는 크기로 감소시킨다. 작물과 같은 유기 물질도 압출 공정으로 처리하여 바이오 매스를 열고 더 큰 표면을 만들 수 있다. 이것은 또한 박테리아에 대한 접근 가능한 유기 물질의 양을 증가시키고 바이오 가스 생산을 증가시킨다. 음식/가정 폐기물은 혐기성 소화 전에 분쇄 및 분류 공정으로 처리 할 수 있다. 일 실시 예에서,이 분쇄 및 분류 공정은 음식/가정 폐기물로부터 불순물을 분리하기 위한 분쇄/파쇄, 자석 분리 및 음식/가정 폐기물 분쇄를 포함한다.

다른 실시 예에서, 다른 전처리 단계로부터의 신선한 유기 물질 및 유기 물질은 소화부에 들어가기 전에 열처리 공정에서 처리된다. 예를 들어, 유기 폐기물이 병원성 미생물의 함량으로 인한 건강 위험으로 특징 지어지는 경우, 유기 물질은 열 공정으로 처리 될 수 있다. 이러한 멸균 공정의 비 제한적인 예는 바이오 매스를 133 ℃의 온도 및 3 bar의 게이지 압력으로 20 분 동안 가열하는 것을 포함한다. 사용될 수 있는 위생 공정의 다른 비 제한적 예는 유기 물질을 60 분 동안 70 ℃의 온도로 가열하는 것을 포함한다. 소화부에 공급되는 유기 폐기물이 저항성인 것으로 알려진, 즉 분해성이 낮은 형태의 성분을 함유하는 경우,이 폐기물은 먼저 진공 쿠커에서 처리 될 수 있다. 일 실시 예에서, 진공 쿠커는 120 ℃ 내지 165 ℃ (248 ℃ 내지 329 ℉)의 온도로 가열 될 수있는 압력 탱크를 포함한다. 가열 절차에 앞서, 진공 쿠커는 0.1 bar (g) (1.45 psi) 내지 0.2 bar (g) (2.9 psi)의 진공으로 배기된다. 진공 쿠커 치료는 병원균을 죽일 것이다. 음식/가정 폐기물은 또한 진공 쿠커에서 처리 될 수 있는데, 이러한 처리는 스크리닝 작업에 의해 고체의 소화 불가능한 성분(배터리, 유리 등)이 유기 부분으로부터 분리 될 수 있는 정도로 폐기물을 부드럽게 하기 때문에 진공 쿠커에서 처리 될 수 있다.

또한, 예를 들어 가정, 기관 또는 산업으로부터의 하수를 처리하기 위해, 하수구에서 큰 비 유기물을 제거하기 위해 예를 들어 약 2-3cm의 개구부를 갖는 거친 스크린이 진공 쿠커의 일부로서 통합 될 수 있다. 일 실시 예에서, 코스 스크리닝은 외부에서 그리고 진공 쿠커 이후에 수행된다.

전처리 및/또는 미처리 유기 물질로부터 생성 된 유기 물질은 일 실시 예에서 소화부를 공급하기 전에 혼합부에서 혼합된다.

혼합부는 바이오 가스 소화부에서 처리 될 액체의 공급 및/또는 전달을 제어하는 수단을 제공하여, 바이오 가스 소화부에 적절한 부하를 유지한다. 또한, 혼합부는 후속 처리 공정에서 바람직하지 않은 모래 입자와 같은 입자가 침전 될 수있는 영역을 제공하는 한편, 부유된 유기 입자는 제어된 방식으로 액체와 함께 바이오 가스 소화부로 보내질 수 있다.

혼합부로부터 유출된 분뇨 및/또는 다른 유기 물질은 혐기성 발효가 일어나는 바이오 가스 소화부로 보내진다. 다양한 바이오 가스 분해제가 공지되어 있으며, 본 발명은 사용 된 반응기 유형에 의해 결코 제한되지 않는다. 일 실시 예에서, 바이오 가스 소화부는 플러그-흐름(plug flow) 소화부이며, 여기서 공급물은 관형 또는 채널형 용기의 일단에 도입되고 액체는 교반과 함께 또는 교반 없이 여러 챔버를 통해 전방으로 푸시된다. 다른 실시 예에서, 소화부는 바닥 근처의 폐기물 유입구 및 2 개의 다른 배출구를 갖는 콘 모양의 바닥을 포함할 수 있다. 일 실시 예로, 처리 될 액체는 전형적으로 소화부 하부의 입구를 통해 바이오 가스 소화부 내로 펌핑된다. 소화부는 소화 미생물과 공급 성분 사이의 양호한 접촉을 유지하기 위해 교반될 수 있다. 일 실시 예로, 교반은 큰 로터 및 소화 모터 외부에 배치 된 구동 모터를 갖는 상부 장착 교반기에 의해 달성될 수 있다.

바이오 가스 소화부 내의 온도는 원하는 대로 변할 수 있다. 일 실시 예로, 바이오 가스 소화부는 중온성 박테리아에 적합한 온도로 유지된다. 일 실시 예로 온도 범위는 약 20-40 ℃ 이다. 일 실시 예에서, 온도 범위는 약 30-40 ℃일수도 있고 더욱 상세하게는 온도범위가 35-37 ℃ 일 수 있다.

다른 일 실시 예에서, 온도는 호열성 박테리아의 요법인 50 ℃ 이상으로 유지된다. 온도가 높을수록 소화 과정에서 반응이 빨라져서 소화부 부피가 작아지고 병원성 박테리아 및 바이러스의 감소 정도가 높아지는 것으로 밝혀졌다. 액체 분뇨 처리를 포함한 대부분의 목적에서, 혐기성 발효를 담당하는 박테리아는 처리되는 액체 폐기물에 자연적으로 존재하는 박테리아이다. 그러나, 일 실시 예에서, 하나 이상의 원하는 박테리아 배양물을 바이오 가스 소화부 또는 유기 물질에 첨가함으로써 천연 박테리아를 보충하는 것이 유리할 수 있다.

바이오 가스 소화부는 처리될 유기물의 의도된 유형 및 양에 적합한 크기를 갖도록 설계된다. 최적의 발효를 위해서는 적절한 크기의 바이오 가스 소화부가 중요하다. 최대 크기의 소화 및 가스 생성을 얻기 위해 소화부 내의 유기 성분의 충분한 분해를 위해 적절한 크기의 바이오 가스 소화부도 중요하다. 처리되는 폐기물이 가축 분뇨인 경우, 바이오 가스 소화부 내의 유기 부하는 바람직하게는 하루에 입방 미터당 약 10 kg 휘발성 고형물 (kg VS/m3/d)일 수 있다. 또한, 550 ℃에서 1 시간 동안 발화 손실로서의 휘발성 고형 결정 방법은 예를 들면, 1 입방 미터당 약 8 kg 이하의 휘발성 고형물, 바람직하게는 1 입방 미터당 약 5 kg 이하의 휘발성 고형물일 수 있다. 그러나 다른 유형의 액체 폐기물의 경우 소화부의 부하가 더 클 수 있다. 예를 들어, 증류 폐기물을 처리 할 때 최대 약 20kg의 VS/m3/d의 하중이 적합 할 수 있다. 이는 폐기물에서 설탕과 알코올의 함량이 발효 과정을 향상시키기 때문이다.

바이오 가스 소화부에서의 체류 시간은 폐기물의 성질, 유기물 함량, 존재하는 박테리아 혼합물 및 액체 온도와 같은 요인에 따라 달라질 수 있다. 액체 혼합 폐기물의 경우, 체류 약 1-6 kgVS/m3/일, 또는 약 2-5 kgVS/m3/일, 또는 약 4의 수준에서 kg 휘발성 고형물 (VS)/m3/일로 측정된 소화부의 유기적 부하로부터 유도된 시간 5 kgVS/m3/day가 일반일 수 있다.

발효에 의해 생성 된 바이오 가스는 소화부 용기의 상부 또는 근처의 출구를 통해 바이오 가스 소화부로부터 제거된다. 일 실시 예에서, 바이오 가스가 황화수소를 함유하는 경우, 기체는 탈황 처리되어 황화수소를 제거한다. 일 실시 예로, 탈황 공정은 바이오 가스를 공기와 혼합 한 후에 수행된다. 탈황 공정은 황토 광석 필터, 철 필링 필터, 수산화철 필터, 수피 필터 또는 설파이트 세척 공정과 같은 공지된 방법 및 장치를 사용하여 수행 될 수 있다. 생성된 바이오 가스에는 주로 메탄과 이산화탄소가 포함되어 있으며 매우 적은 양의 다른 가스만 포함될 수 있다.

바이오 가스가 100 ppm 미만의 H2S를 함유하는 경우, 탈황 단계는 필요하지 않을 수 있다.

생성된 바이오 가스는 가스 모터 또는 발전기에 전력을 공급하고, 발전소에서 전기 및 열을 발생시키고, 근처 집의 난방을 위해 사용하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 많은 용도를 갖는다. 바이오 가스로부터의 전력은 또한 전력 회사에 그리드에 사용하기 위해 판매 될 수있다.

일 실시 예에서, 바이오 가스는 바이오 가스 업그레이드부에서 추가 처리를 위한 공급원으로 사용된다. 바이오 가스 업그레이드부에서의 추가 처리는 바이오 가스로부터 CO2 및 다른 가스를 제거하여 최소 95 % 순도, 바람직하게는 99 % 순도의 메탄을 생성하는 것을 포함한다. 업그레이드부의 메탄은 천연 가스 그리드로의 분배에 적합하다. 바이오 가스 업그레이드부는 물 세정 및/또는 압력 변동 흡착을 포함 할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 실시 예로, 소화부로부터의 유출물은 전처리 단계 및/또는 혼합부로 되돌아간다. 다른 일 실시 예에서, 소화부 유출물은 기계적 분리부에 공급되는 중간 저장 탱크로 보내질 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 소화부 유출물은 기계적 분리부로 직접 연결될 수 있다.

일 실시 예에서, 완충 탱크는 플랜트의 모든 또는 일부 유닛 작동 사이에 중간 저장 탱크로서 배치되고, 이에 의해 유닛 작동으로의 공급은 유닛 작동으로 들어가기 전에 버퍼 탱크로 공급된다.

일 실시 예로, 기계적 분리부는 원심 분리부를 포함한다. 원심 분리부는 유출물을 농축 부분과 액체 부분으로 분리한다. 농축 부분은 전형적으로 비료와 토양 컨디셔너의 조합으로서 유용한 총 고형분 함량이 20 % 내지 42 % 인 원심 분리부로의 총 흐름의 12-16 %를 차지한다. 전형적으로, 인의 75 %가 농축 부분에서 원심 분리부 말단으로 이동한다. 액체 부분은 전형적으로 원심 분리부로의 총 유입의 84% 내지 88%를 총 흐름에 대한 질량 균형에 상응하는 총 고형분 함량으로 포함할 수 있다.

기계적 분리부는 예를 들면, 스크류 프레스, 챔버 필터 프레스 및 통상적인 경사 스크린을 유용한 대안물로 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.

기계적으로 분리된 액체 부분은 추가적으로 부유 고형물 제거부를 거칠 수 있다. 다른 양태에서, 총 부유 고형분 함량이 CO2 플래시 및 암모니아 스트리핑에 적합한 범위로 이미 감소된 경우, 기계적으로 분리된 액체 유출물은 이산화탄소 플래시부 또는 암모니아 스트리핑부로 직접 공급될 수 있다. 일 실시 예에서, 기계적 분리 액체 유출물은 예를 들어 희석 목적을 위해 소화부로 재순환될 수 있다.

구체적 예로, 부유 고형물 제거부는 전형적으로 공급 스트림의 약 20-40 %를 포함하는 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 생성하는 한외 여과일 수 있다. 여기서, 투과물 스트림은 기계적 분리 액체 유출물에서 대부분의 가용성 물질을 함유하는 무균 및 입자상 물질이 포함되지 않은 스트림일 수 있다. 대안적인 부유 고형물 제거 공정은 마이크로 여과 유닛 (MF), 나노 여과 유닛 (NF), 역삼투 유닛 (RO) 및 고속 원심 분리부를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

부유 고형물 제거 후, 투과 스트림은 일 실시 예에서 주로 이산화탄소, 수증기 및 소량의 암모니아를 함유하는 증기 상태를 분리하는 원통형 용기를 포함하는 이산화탄소 플래시부로 유입된다. 다른 일 실시 예에서, 투과 스트림은 암모니아 스트리핑부로 직접 공급된다. 또 다른 일 실시 예에서, 투과 스트림은 전처리 시스템 또는 소화부로 다시 재순환될 수 있다.

이산화탄소 플래시부 이전의 투과물 스트림의 온도는 액체의 끓는 점 바로 아래, 예를 들어 약 70 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 80 ℃ 내지 95 ℃의 범위까지 액체를 두 열 교환기 사이로 통과시켜 고온으로 상승시킨다. 일 실시 예에서, 제 1 열교환기는 재생성이고, 제 2 열교환기는 바이오 가스 소화조로부터 생성된 바이오 가스에 의해 동력을 공급 받는 것이다. 이산화탄소 플래시부는 액체 중의 CO2 함량을 최대 75 %까지 감소시키고 pH를 상승시켜, 후속 단계에서 필요한 수산화 나트륨, 수산화 칼륨 또는 기타 적합한 염기 첨가량을 감소시킨다. 또한, 이산화탄소 플래시부는 필요한 후속 암모니아 스트리핑부의 크기를 감소시킨다.

일 실시 예에서, 이산화탄소 플래시부는 공급측에서 고압에서 수행된다. 이산화탄소 플래시부의 입구에서, 감압 밸브는 투과물 스트림을 가스 및 액체상으로 분할하는 이산화탄소 플래시부의 압력 강하에 영향을 미친다. 압력은 펌프가 액체를 이산화탄소 플래시부으로 이송함으로써 제공된다. 이산화탄소 플래시부 유출물은 암모니아 스트리핑부로 펌핑된다.

일 실시 예로, 암모니아 스트리핑부에서 암모니아 제거 공정 전에, 수산화 나트륨을 이산화탄소 플래시부 유출물/여과물 투과물/기계적 분리 액체 유출물에 첨가하여 액체의 pH를 증가시킨다. 여과 투과물은 원칙적으로 역삼투 유닛에서 직접 처리 될 수 있지만, 실제로 이것은 암모니아가 풍부한 폐수의 암모니아 농도 (2500 내지 4000 ppm 사이)로 인해 역삼투에 심각한 어려움을 초래한다. 본 발명에 따르면, 이산화탄소와 함께 암모니아를 효과적으로 제거하는 것이 후속 역삼투 단계의 성공 및 경제적인 운영에 중요하다.

암모니아 스트리핑부는 승온시, 선택적으로 부분 진공 하에서 수행 될 때 상당히 향상된 결과가 얻어질 수 있다. 암모니아 스트리핑부에서 열을 가하여 암모니아 스트리핑을 수행 할 때 얻어진 개선된 결과는 암모니아 및 이산화탄소에 대한 다음의 평형 방정식과 관련된다.:

2H⁺ + CO₃ ^2- ↔ H⁺ + HCO₃ ^- ↔ H₂CO₃ ↔ H₂O + CO₂ (1)

NH₄ ⁺ ↔ NH₃ + H⁺ (2)

평형 방정식에 따르면, 온도가 증가함에 따라, 탄산/이산화탄소의 평형이 오른쪽으로, 즉 기체성 이산화탄소의 방출쪽으로 이동된다. 이것은 H + 농도의 감소, 즉 pH의 증가를 동반하여 암모늄/암모니아 평형을 오른쪽으로, 즉 용존 암모늄의 암모니아로의 전환으로 이동시킨다. 유사하게, 암모늄의 암모니아로의 전환은 탄산/이산화탄소 평형을 이산화탄소로의 전환으로 이동시킨다. 따라서, 열의 적용은 암모니아 및 이산화탄소의 제거를 향상시키는 역할을 하며, 공정이 부분 진공 하에서 수행되는 경우 효과가 더욱 향상될 수 있다.

염기의 첨가는 pH를 증가시키고 탄산/이산화탄소를 좌측으로, 즉 중탄산염 및 탄산염의 형성쪽으로 이동시킨다. 염기의 첨가 및 pH의 증가에 따른 암모늄/암모니아 평형은 온도가 증가 할 때와 같이 오른쪽으로, 즉 용해 된 암모니아의 전환쪽으로 이동한다. 염기의 첨가는 이산화탄소가 아닌 암모니아의 제거를 향상시키는 역할을 한다.

따라서 본 발명에서, 암모니아 스트리핑부는 전형적으로 약 60 ℃ 이상, 바람직하게는 약 70 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 약 85 ℃ 이상, 예를 들어 약 90 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.

암모니아 스트리핑부는 증류에 의해 암모니아 스트리핑이 얻어지도록 액체가 비등될 수 있다. 선택적으로, 예를 들어 약 0.25-0.75 bar, 예를 들어 약 0.5 bar, 및 약 65-85 ^oC, 예컨대 약 70-80 ^oC 의 압력과 같이 열과 감압의 조합이 사용될 수 있다.

암모니아 스트리핑부에서 암모니아의 제거는 여러 가지 이유로 중요하다. 이들 중 하나는 후속 역삼투 단계에서 암모늄의 제거가 다른 많은 무기 염에 비해 상대적으로 어렵다는 사실이다. 따라서 역삼투에 의해 암모늄 이온의 약 90-95 % 이상을 제거하는 것이 전형적으로 불가능한 반면, 역삼투는 예를 들어 존재하는 나트륨 이온의 약 99.5 %를 제거 할 수 있다. 결과적으로, 암모니아가 암모니아 스트리핑에 의해 충분히 제거되지 않으면, 역삼투 후에 얻어진 물은 과도한 양의 암모니아, 즉 관련 법률 및 표준에 의해 허용되는 양을 초과하는 양을 함유 할 것이다. 또한, 거의 모든 암모니아(약 98-99 %)를 제거하면 인과 칼륨의 염에서 암모니아가 분리되는 이점이 있으므로, 이로 인해 최종 제품이 더 유용하고 가치가 있다.

일 실시 예로, 열 및 감압은 압축 증발기에 의해 제공되며, 열은 증발된 액체의 응축에 의해 제공될 수 있다. 열과 감압의 조합의 사용에 대한 대안으로서, 예를 들어 대기압에서 단독 가열을 사용하여 암모니아 및 임의의 잔류 이산화탄소의 제거를 얻을 수도 있다. 일 실시 예로, 공급 액체는 암모니아 및 이산화탄소를 증류시키기에 충분한 온도로 간단히 가열된다. 일 실시 예로, 열 수단은 바이오 가스 소화부로부터 생성 된 바이오 가스에 의해 동력을 공급받을 수있다.

일 실시 예에서, 암모니아 스트리핑부 이후에, 스트리핑된 유출물은 폐수 처리 설비로 이어질 수 있다. 스트리핑된 유출물의 사용의 대안적인 예는 토지 관개, 산업 공정 수 또는 역삼투 여과 장치에서의 추가 처리를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.

이산화탄소 플래시부에서 기계적 분리 액체 유출물/여과물 투과물로부터 제거 된 배기 가스는 전형적으로 더 적은 양의 암모니아를 함유한다. 따라서 이 양의 암모니아의 배기가 암모니아의 손실을 구성할 뿐만 아니라 바람직하지 않은 환경 영향을 생성하기 때문에 방출 전에 이 배기 가스로부터 암모니아를 제거해야 한다. 본 발명은 이 가스의 사용을 위한 몇 가지 옵션을 제공한다. 하나의 실시 예에서, 이산화탄소 플래시 가스는 암모니아의 제거를 위해 악취 처리 공정으로 보내질 수 있다. 이 실시 예에서, 가스 중의 암모니아가 손실된다. 다른 실시 예에서, 플래시 가스는 암모니아 스트리핑부에 기술된 흡수부와 유사한 산 흡수부로 보내질 수 있다. 악취 또는 산 흡수 처리 후, 플래시 가스가 대기로 방출 될 수 있다. 다른 실시 예에서, 플래시 가스(처리 및/또는 미처리)는 후속 단계에서 산성화제로서 사용될 수 있다.

기계적 분리 액체 유출물/투과 여과액으로부터 암모니아 및 가능한 이산화탄소의 제거는 pH의 증가를 수반하기 때문에, 암모니아 스트리핑부에서 유출되는 액체는 전형적으로 약 9-10의 pH 값을 갖다. 가능한 후속 역삼투부에서, 막에 침착을 방지하기 위해 더 낮은 pH가 바람직한다. 따라서, 역삼투부 전에 스트리핑 된 유출물의 pH는 약 7.0 미만으로 조정된다. 전형적으로, pH는 약 6.5로 조정된다. 임의의 적합한 산이 사용될 수 있다. 실시 예에서, 무기산이 사용된다. 사용되는 산의 예는 인산, 질산, 염산, 인산 및 황산을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 바람직한 산은 시트르산이다.

바이오 가스/플래시 가스의 CO₂는 다음 방정식에 따라 산으로 작용한다:

CO₂ +H₂O ↔ HCO₃ ^- + H⁺

H⁺ + OH^- ↔ H₂O

파일럿 스케일 트레일은 주어진 공정에서 나온 바이오 가스가 항상 암모니아가 없는 액체를 중화하기에 충분한 이산화탄소를 함유하고 있음을 보여주었다. 암모니아 스트리핑 및 예비 이산화탄소 플래시는 pH 10에서 pH 6.5 에 이르기까지 매우 낮은 완충 용량을 가진다. 바이오 가스에서 이산화탄소의 일부가 제거되어 바이오 메탄이 더 높은 메탄 비를 가지면서 바이오 가스가 중화 공정에 사용될 때 이 중화 작용으로부터 중요한 이점이 발생한다. 이 높은 메탄 비율은 가스 모터 및 발전을 위한 연료로서 바이오 가스의 후속 활용에 유리하다.

중화 후, 중화된 액체는 폐수 처리장으로 보내질 수 있지만, 토지 관개에 사용되거나, 산업에서 공정수로 사용되거나, 역삼투 여과 장치에서 추가로 처리 될 수 있다. 현재 염분이 고갈된 암모니아 스트리핑 후의 액체는 최종 역삼투 처리가 매우 높은 효율로 작동 할 수 있어 현재 이용 가능한 공정에 의해 얻을 수 있는 것보다 훨씬 개선된 회수 및 보다 순수한 물의 역삼투 투과를 가능하게 한다. 암모니아 스트리핑부를 통과한 후, 암모니아 비함유 액체는 본질적으로 모든 암모니아, 인산염 및 이산화탄소가 제거된 영양소 염 부분으로 구성되며, 영양소 염 부분의 pH는 상기 기재된 바와 같이 적합한 수준으로 조정됐다. 이어서 이 영양소 염 부분은 막 분리 기술, 특히 역삼투 유닛을 사용하여 추가 정제를 수행하여 처리 공정의 최종 단계, 즉 영양소 염의 분리를 수행하여 비료 농축물 부분 및 물 부분을 생성한다. 이 단계에서 제거된 영양소 염은 비료 제품으로 작용하는 칼륨의 염이다. 역삼투부 후에 남은 물은 식수에 대한 세계 보건기구 (WHO) 요건을 충족하는 깨끗하고 음용수이다.

본 발명의 실시 예 형태에서, 역삼투부는 테이퍼 형 구성으로 배열된 종래의 나선형 역삼투 막 유닛을 사용하여 수행될 수 있다. 구체 예에서, 막은 담수화에 일반적으로 사용되는 폴리 아미드 기수 형태일 수 있다.

역삼투부는 연속 공정 또는 배치 공정으로 수행 될 수 있다. 일 실시 예에서, 역삼투부는 유가식 공정으로서 수행된다. 이는 예를 들어, 약 2 m³의 농축 탱크를 사용하여 수행 될 수 있다. 역삼투부는 사이클이 시작될 때, 농축 탱크는 역삼투 막으로 펌핑되는 중화된 액체(공급 수)로 채워진다. 역삼투부에서 깨끗한 물이 제거되고, 역삼투 막에 의해 보유된 염은 추가 처리를 위해 농축 탱크로 복귀된다. 예를 들어, 약 12-14 시간의 기간 후에, 탱크의 농축 물 부피는 예를 들어 원래 공급 수 부피의 약 20 %로 감소되었다. 이 시점에서, 비료 농축 물이 탱크에서 제거된 다음, 탱크는 새로운 사이클이 시작되기 전에 헹구어진다.

본 발명은 이러한 폐기물 처리 방법을 수행하기 위한 플랜트를 추가로 제공할 수 있다. 플랜트의 실시예는 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 플랜트의 실시 예에 대한 물질 수지 다이어그램이 도 3에 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 가스 공정의 구성을 도시한 도면이다.

유기 물질은 기계적 분리를 통하여 불순물(예 : 유리, 배터리, 플라스틱 품목 및 금속)을 제거하거나, 부유 고형물을 제거하거나 전처리 공정을 통하여 바이오 가스 소화부(107)로 공급된다. 전처리 공정은 불순물 제거을 위한 분류부(101), 절단부(102), 열처리부(103), 파쇄부(104) 및/또는 압출부(105)을 포함할 수 있다.

전처리 된 재료, 처리되지 않은 유기 재료, 기계적 분리로부터의 유출 물 및/또는 부유 된 고체 제거로부터의 투과 물은 또한 바이오 가스 소화부(107)로 유입되기 전에 혼합부(106)로 유도 될 수 있다. 혼합부(106)에서 혼합된 유기 물질은 전처리 공정(101-105) 또는 혐기성 발효가 일어나는 바이오 가스 소화부(107)로 투입될 수 있다. 바이오 가스 소화부 (107)는 상부 또는 상부 근처의 배출구에서 바이오 가스를 제거한다. 바이오 가스는 추후 암모니아 스트리핑 작업으로부터 발생하는 염기성 액체를 중화시키기 위한 제제로 사용되거나 황화수소의 제거를 위한 탈황부(108)에서 처리될 수 있다. 탈황부(108)에서 처리된 바이오 가스는 또한 암모니아 스트리핑부으로부터 발생하는 기본 액체를 중화시키기 위한 제제로서 사용될 수 있다. 다른 실시 예로, 바이오 가스는 에너지 및 열 생산을 위해 열병합 발전부(CHP)(109)로 보내질 수 있다. 다른 실시 예를 들면, 바이오 가스는 열 생산만을 위한 보일러(110)로 보내질 수 있다. 또 다른 실시 예로, 바이오 가스는 메탄 정제를 위한 바이오 가스 업그레이드부(111)로 보내질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오 가스 소화부에서 유출된 소화액의 분리 공정의 구성을 도시한 도면이다.

소화액은 원심 분리부가 사용되는 경우, 인 플랜트의 최대 75 % 을 함유하는 건조 부분 및 묽은 부분으로 분리된다. 건조 부분은 비료로 사용될 수 있다. 묽은 부분은 분해 공정 (도 1에 도시 됨) 및/또는 전처리 공정 (도1 에 도시 됨)으로 되돌아 가거나 CO2 플래시부(203), 암모니아 스트리핑부(204) 또는 추가의 부유 고형물 제거부(202)로 보내질 수 있다. 추가의 부유 고형물 제거부(202)에 대한 예는 미세 여과에 의한 막 여과, 초 여과에 의한 막 여과 또는 나노 여과에 의한 막 여과를 포함하지만 이로 제한되지는 않는다.

부유 고형물 제거부(202)는 농축 부분 및 묽은 투과 부분으로 액체를 분리한다. 묽은 투과 부분은 부유 고형분 함량이 없거나 낮다. 농축 부분은 부유 고형물 분리 공정에서 제거되고 일부의 경우 기계적 분리에서 건조 부분과 혼합된다. 묽은 투과 부분은 분해 공정(도1 에 도시) 또는 전처리 공정(도1 에 도시)으로 되돌아 가거나, 암모니아 스트리핑부(204) 또는 CO2 플래시부(203)으로 보내질 수 있다.

CO2 플래시부(203)는 액체를 증기 부분과 액체 부분으로 분리한다. 여기서 액체 부분은 CO2 플래시부(203)에 공급된 액체보다 더 낮은 이산화탄소 함량 및 따라서 더 높은 pH를 갖는다. 증기 부분는 소량의 암모니아를 함유하며, 악취 처리부(208), 제1 산 흡수부(209) 또는 후속 단계에서 중화부(206)로 보내질 수 있다. 악취 처리부는 예를 들면, 바이오 필터일 수 있다. 제1 산 흡수부는 예를 들면, 흡수 컬럼일 수 있다. 액체 부분은 암모니아 스트리핑부(204)로 보내질 수 있다.

암모니아 스트리핑부(204)는 pH를 증가시키고 나머지 이산화탄소를 중탄산염/카보네이트로서 결합하기 위한 수산화 나트륨이 스트리핑 공급물에 첨가될 수 있다. 암모니아 스트리핑부에서, 암모니아는 공급 액체 스트림에 역류로 공급되는 공기 스트림으로 액체로부터 제거된다. 암모니아 스트리핑부(204)에서 제거된 암모니아를 함유하는 공기는 사용된 산을 역류로 공급하는 제 2 산 흡수부(205)로 보내진다. 제2 산 흡수부(205)는 암모니아를 대략 38 % 질량의 암모늄 산 산염 생성물을 생성하는 액체로 전환시킨다. 암모늄 산 산염 생성물은 예를 들면, 암모늄-황산염일 수 있다. 암모니아 스트리핑부(204)의 바닥에서 제거되는 황산 암모늄은 비료 가치가 있다. 제2 산 흡수부(205)의 상부를 떠나는 공기는 암모니아가 없고 암모니아 스트리핑부(204)로 다시 재순환될 수 있다.

일 실시 예에서, 제2 산 흡수부(205)에서 배출되는 공기의 일부가 퍼지될 수 있다. 암모니아 스트리핑부(204) 이전에, 퍼지된 부분에 대응하는 추가 공기가 암모니아 스트리핑부(204)로 재순환된 공기에 더해질 수 있다. 도 2를 참조하면, 암모니아 스트리핑부(204)에서 유출되는 액체는 플랜트에서 유출되거나 중화부(206)로 보내질 수 있다. 여기서, 중화부(206)는 시트르산 또는 아세트산과 같은 산, 바이오 가스 또는 플래시 가스와 혼합될 수 있다. 여기서, 플래시 가스는 플래싱 공정에서 배출되거나 흡수 또는 악취 처리 후에 배출될 수 있다. 도 2에서 중화된 액체는 플랜트에서 유출되거나 떠나거나 역삼투부(207)로 보내질 수 있다. 여기서, 역삼투부(207)는 중화된 액체를 칼륨의 염을 포함하는 비료 농축 부분과 식수 품질의 깨끗한 물로 분리한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 300 톤/일의 소 비료, 75 톤/일의 옥수수 사일리지 및 200 톤/일의 묽은 스틸리지를 플랜트에 처리한 결과를 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 소 분뇨 및 옥수수 사일리지가 혐기성 소화부(303)에 투입되기 전에 침강/파쇄(301)되고 혼합(302)된다. 묽은 스틸리지는 소화부(303)에 직접 공급된다.

바이오 가스 소화부(303)에서 유기 폐기물을 처리하면 1255 Nm^3/시간의 바이오 가스가 생성되며,이 중 약 59 %가 메탄이다. 혐기성 소화 후, 소화물은 73.6 톤/일의 퇴비 부분을 생성하는 원심 분리부(306)로 보내지고, 물 부분은 나노 여과부(307)로 보내진다. 나노 여과부(307)는 116.6 톤/일의 농축 부분 및 부유 고형물이 없는 투과 부분을 분리한다. 투과 부분은 CO₂ 플래시부(308)로 보내지고, 여기서 플래시 가스에서 CO2가 제거된다. 플래시 가스는 악취 처리부(309)로 보내진 다음 대기로 배출된다. 플래시 유출 물은 암모니아 스트리핑부(310)로 보내지고, 여기서 암모니아는 11 톤/일 암모늄 설페이트로서 H2SO4 산 흡수부(311)에서 회수된다. pH가 최적의 스트리핑을 위한 범위에 있도록 암모니아 스트리핑부 전에 NaOH를 첨가한다. 스트리핑된 유출물은 시트르산(312)으로 중화되고 역삼투부(314)로 보내진다. 역삼투부(314)는 물 247.4 톤/일 및 RO 농축 물 106.0 톤/일이 생성될 수 있다. 도 3에서 VS 는 휘발성 고체, TS는 총 고체를 뜻한다.

본 발명의 방법 및 플랜트에 따라 분뇨 또는 다른 유기 폐기물을 다양한 최종 생성물(정수, 황산 암모늄, K 비료 농축 물, P 비료 섬유질 퇴비 및 바이오 가스)로 분리하여 이용률을 상당히 개선시키고 폐기물의 다양한 성분들과 환경 영향의 상당한 감소시킨다. 이러한 방식으로, 액체 분뇨 내 유기 물질의 98-100 %를 유용한 제품으로 재활용하는 것이 실제로 가능한다. 또한, 본 발명은 축사를 포함하는 축사의 내부 환경에서 현저한 개선을 얻을 수 있게 하는데, 축사는 액체 분뇨를 즉시 제거하도록 설계 될 수 있기 때문이다. 결과적으로, 이러한 축사에서 암모니아를 본질적으로 제거하는 것이 가능하며, 축사로부터 배출되는 축산 분뇨를 실질적으로 즉시 처리할 수 있기 때문에 분뇨를 위한 대규모 저장 시설 없이 축사를 지을 수 있다.

본 발명의 방법 및 처리 플랜트는 유지 보수가 거의 필요하지 않도록 설계된다는 점에서 이점을 가진다. 특히 암모니아 및 이산화탄소의 효과적인 제거에 기인하여 역삼투 막의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 플랜트는 일상적인 유지 관리가 거의 필요하지 않기 때문에 전체 시스템은 자동 컴퓨터 작업에 적합한다. 예를 들어, 본 발명의 발효 공정은 휘발성 지방 산의 자동 측정에 의해 모니터링 될 수 있으며, 이러한 측정은 전형적으로 예를 들어 분리부의 하류에서 수행된다. 또한, 이러한 측정 결과는 처리되지 않은 폐기물을 바이오 가스 소화부로 공급하는 것을 자동으로 조절하여 바이오 가스 소화부에서 원하는 유기물 함량 및 최적 발효 속도를 유지하는 데 사용될 수 있다.

101: 분류부, 102, 301: 절단부, 103: 열처리부, 104:파쇄부, 105:압출부,
106, 302: 혼합부, 107, 303: 소화부, 108, 304: 탈황부,
109, 305:열병합발전부, 110: 보일러, 111:업그레이드부, 201:기계적분리부,
202: 부유고형물제거부, 203, 308: 이산화탄소플래시부,
204, 310: 암모니아스트리핑부, 205, 311: 제1 황산흡수부,
206, 312: 중화부, 207, 314:역삼투부, 208, 309: 악취처리부,
209: 제2 황산흡수부, 306: 원심분리부, 307: 한외여과부

Claims (14)

1. 유기 폐기물의 처리를 위한 플랜트에 있어서,
   유기 폐기물을 소화하는 바이오 가스 소화부;
   상기 바이오 가스 소화부의 유출물을 농축 부분과 액체 부분으로 분리하는 기계적 분리부;
   상기 액체 부분을 가열하기 위한 가열부;
   휘발성 이산화탄소를 부분적으로 제거하고 상기 액체 부분의 pH를 높이기 위한 이산화탄소플래시부;
   상기 플래시 칼럼으로부터 배출되고 60 ℃ 이상의 온도로 가열된 상기 액체 부분을 암모니아 제거 수단으로 이송하기 위한 펌프;
   0.25-0.75 bar의 감압 하에서 상기 액체 부분으로부터 적어도 98 내지99 %의 암모니아를 제거하는 암모니아 스트리핑부; 및
   암모니아가 제거된 액체 부분으로부터 비료로 유용한 칼륨 부분과 물 부분을 분리하는 역삼투부를 포함하는 유기 폐기물 처리 플랜트.
   
2. 제1항에 있어서,
   그라인더, 펄프제조장치, 압출기, 열처리부, 분쇄기 및 스크린 중 적어도 하나를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 플랜트.
   
3. 제1항에 있어서,
   기계적으로 분리된 유출물의 액체 부분에서 부유 고형물을 추가로 제거하는 부유 고형물 제거부를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 플랜트.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 이산화탄소플래시부에서 제거된 이산화탄소 냄새를 처리하는 악취 처리부 또는 H2SO4 흡수하는 H2SO4 흡수부를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 플랜트.
   
5. 제1 항에있어서,
   상기 바이오 가스 소화부로부터 방출된 바이오 가스를 열병합 발전소, 보일러 바이오 가스 업그레이드 플랜트로 인도하기 위해 하나 이상의 파이프에 연결된 하나 이상의 펌프를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 플랜트.
   
6. 제1 항에 있어서,
   방출된 바이오 가스를 탈황시키는 탈황부를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 플랜트.
   
7. 유기 폐기물 처리 플랜트에서 유기 폐기물을 처리하는 방법에 있어서,
   바이오 가스 소화부에서 유기 폐기물을 혐기성 발효시키는 단계;
   상기 바이오 가스 소화부로부터 유출물을 농축 부분 및 액체 부분으로 기계적으로 분리하는 단계;
   상기 액체의 끓는 점 미만의 온도로 상기 액체 부분을 가열하는 단계;
   상기 가열된 액체 부분을 플래시 컬럼에 도입하여 휘발성 이산화탄소를 부분적으로 제거하고 상기 액체 부분의 pH를 상승시키는 단계;
   60 ° C 이상의 온도로 가열된 상기 액체 부분을 펌핑하는 단계;
   상기 휘발성 이산화탄소 제거 후 암모니아 제거 장치에 넣고 0.25-0.75 bar의 감압 하에서 상기 액체 부분로부터 암모니아를 제거하는 단계;
   암모니아가 제거된 액체 부분을 중화하는 단계; 및
   중화된 암모니아가 없는 액체 부분을 역삼투부에서 칼륨 부분 및 물 부분으로 분리하는 단계를 포함하는 유기 폐기물 처리 방법.
   
8. 제7 항에있어서,
   암모니아를 제거하기 전에 가열 및 플래시된 액체에 수산화 나트륨을 첨가하는 단계를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 방법.
   
9. 제7 항에 있어서,
   폐기물이 혐기성 발효 전에 불순물 제거, 절단, 열 처리, 분쇄 또는 압출을 위해 분류하는 전처리 단계를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 방법
   
10. 제7 항에 있어서,
    상기 액체의 끓는 점 미만의 온도는 70 ℃ 이상의 온도인 유기 폐기물 처리 방법.
    
11. 제7 항에있어서,
    기계적 분리에 의해 수득된 액체 부분에서 부유 고형물을 제거하는 단계를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 방법.
    
12. 제7 항에 있어서,
    상기 액체 부분을 바이오 가스 소화부로 재순환시키는 단계; 및
    전처리 및 추가의 혐기성 발효를 통해 액체 부분을 재순환시키는 단계를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 방법.
    
13. 제12 항에있어서,
    전처리 및 추가의 혐기성 발효를 통해 추가의 부유 고형물 제거 공정 후에 임의의 액체 부분을 재순환시키는 단계를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 방법.
    
14. 제7 항에있어서,
    상기 플래시 칼럼으로부터 이산화탄소를 악취 처리 또는 H₂SO₄ 흡수시키는 단계를 더 포함하는 유기 폐기물 처리 방법.

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