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폐수 소화조는 생분해성 고형물을 보다 안정적인 바이오 고형물 흐름으로 변환하는 동시에 메탄이 풍부한 바이오가스를 생성합니다. 도시 폐수 처리장에서는 휘발성 고형물, 냄새, 병원균 수준 및 최종 처리가 필요한 슬러지 양을 줄이기 위해 1차 및 2차 고형물 분리 후에 혐기성 소화가 일반적으로 사용됩니다.
그러나 안정적인 소화는 슬러지를 무산소 탱크에 넣는 것보다 훨씬 더 많은 것에 달려 있습니다. 온도, 수리학적 체류 시간, 유기물 부하, 혼합, 알칼리도 및 공급 일관성은 모두 궁극적으로 메탄을 생성하는 미생물 개체수에 영향을 미칩니다.
폐수 처리 운영자와 설계자의 경우 소화조 용량을 평가하고 불안정한 운영 문제를 해결하거나 바이오가스 회수 및 재생 가능한 천연가스 생산을 고려할 때 이러한 관계를 이해하는 것이 필수적입니다.
혐기성 소화는 순차적으로 작동하는 여러 그룹의 미생물에 의해 수행되는 생물학적 전환 과정입니다. 프로세스는 일반적으로 4단계로 설명됩니다.
1. 가수분해
단백질, 탄수화물, 지방과 같은 큰 유기 분자는 많은 혐기성 미생물에 의해 직접 사용될 수 없습니다. 가수분해 동안 세포외 효소는 이를 아미노산, 당, 지방산과 같은 더 작은 용해성 화합물로 분해합니다.
슬러지에 천천히 생분해되는 입자상 물질이 포함되어 있는 경우 가수분해는 속도 제한 단계가 될 수 있습니다.
2. 산생성
산성 박테리아는 가용성 화합물을 휘발성 지방산(VFA), 알코올, 수소, 이산화탄소, 암모니아 및 기타 중간체로 전환합니다.
이 단계는 비교적 빠르게 발생합니다. 산 생산이 하류 메탄 생성 집단이 중간체를 소비할 수 있는 것보다 빨라지면 VFA가 축적되고 소화조 pH가 떨어질 수 있습니다.
3. 아세트산생성
아세트산생성 유기체는 고급 VFA와 알코올을 주로 아세테이트, 수소 및 이산화탄소로 전환합니다. 이들 화합물은 메탄을 생성하는 미생물의 주요 기질이 됩니다.
4. 메탄생성
메탄 생성 고세균은 아세테이트와 수소/이산화탄소를 메탄으로 전환합니다. 그들은 많은 산을 형성하는 유기체보다 더 느리게 성장하고 온도, pH, 독성 화합물 및 갑작스러운 부하 변화에 더 민감합니다.
따라서 전반적인 목표는 단순히 "분해"가 아닙니다. 잘 작동되는 소화조는 네 가지 생물학적 단계 모두의 균형을 유지하여 중간 산이 축적되는 대신 휘발성 고형물이 안정화됩니다.
EPA는 혐기성 소화가 폐수 고형물을 안정화하고, 악취와 병원균을 감소시키며, 휘발성 고형물 부분의 일부를 바이오가스로 변환한다고 지적합니다.
미국 바이오솔리드 관리를 위해서는 휘발성 고형물 38% 감소 이는 벡터 유인 감소를 입증하기 위해 40 CFR 503.33에 지정된 방법 중 하나이기 때문에 중요한 벤치마크이기도 합니다.
폐수 소화조는 슬러지 특성, 고형물 농도, 부지 면적, 적재율 및 원하는 에너지 회수율에 따라 선택됩니다.
연속적으로 교반되는 탱크 반응기, 또는 CSTR 는 도시 폐수 슬러지의 가장 친숙한 구성 중 하나입니다.
혼합은 고형물을 부유 상태로 유지하고, 열과 유입되는 공급물을 분산시키며, 국지적인 산 또는 온도 구배를 줄입니다. 난방 시스템은 일반적으로 안정적인 작동 온도를 유지하는 데 사용됩니다.
중온성 도시 슬러지 소화를 위해서는 35°C(95°F) 널리 사용됩니다. EPA 지침은 역사적으로 완전히 혼합된 고속 분해조에서 35°C에서 약 15일의 체류 시간을 상당한 휘발성 고형물 감소를 달성할 수 있는 조건과 연관시킵니다.
실제 설계 HRT는 더 긴 경우가 많으며 슬러지 특성, 고형물 부하, 온도, 중복성 및 처리 목표를 기반으로 해야 합니다.
안 상향류 혐기성 슬러지 블랭킷(UASB) 반응기는 다르게 작동합니다. 폐수는 과립형 또는 응집성 바이오매스가 포함된 조밀한 혐기성 슬러지 블랭킷을 통해 위쪽으로 흐릅니다.
UASB 시스템은 상대적으로 짧은 수리학적 체류 시간에 작동하면서 높은 농도의 활성 바이오매스를 유지할 수 있기 때문에 상대적으로 강도가 높은 산업 폐수에 특히 매력적입니다.
이는 일반적으로 고농도의 부유 고형물을 함유한 두꺼운 도시 슬러지보다 용해성 또는 쉽게 생분해되는 폐수에 더 적합합니다.
덮힌 석호는 따뜻한 기후와 특정 농업 또는 산업 폐수에 대해 덜 복잡한 옵션을 제공합니다. 유연한 덮개는 생성된 바이오가스를 포착하고 석호는 소화량을 제공합니다.
일반적으로 가열식 혼합 소화조보다 더 많은 토지가 필요하고 공정 제어 기능이 덜합니다.
구성에 관계없이 여러 매개변수는 균형을 유지해야 합니다.
| 운영 매개변수 | 일반적인 고려 사항 |
|---|---|
| 중온성 온도 | 약 30~38°C |
| 호열성 온도 | 약 50~57°C |
| 소화조 pH | 일반적으로 약 6.8–7.5 |
| HRT | 반응기 유형, 공급물 및 온도에 따라 크게 달라집니다. |
| OLR | 활성 바이오매스와 혼합 용량이 일치해야 함 |
| 알칼리성 | VFA 축적에 대한 버퍼링 제공 |
| 혼합 | 층화, 쓰레기 층 및 국부적인 과부하를 방지합니다. |
이 숫자는 범용 설계 사양이 아닌 운영 시작점으로 처리되어야 합니다.
예를 들어, HRT를 고려하지 않고 OLR을 높이면 동일한 반응기 부피에 더 많은 생분해성 물질이 유입된다는 의미입니다. 산을 형성하는 유기체는 빠르게 반응할 수 있는 반면, 메탄 생성균은 같은 속도로 활동을 증가시킬 수 없습니다.
마찬가지로, 좋은 혼합은 부적절한 가열을 보상할 수 없으며, 높은 알칼리도는 심각한 유기 과부하를 무한정 보상할 수 없습니다.
안정적인 소화는 결합된 생물학적 환경 , 하나의 매개변수를 개별적으로 최적화하지 않습니다.
안aerobic digestion produces biogas containing primarily methane and carbon dioxide together with water vapor, hydrogen sulfide, and trace contaminants.
EPA는 혐기성 시스템에서 발생하는 원시 바이오가스에 대해 일반적으로 약 45~65% 메탄 , 실제 구성은 공급원료와 작동에 따라 크게 달라집니다.
폐수 처리장에서 이 가스는 다음과 같습니다.
도시 슬러지만으로는 기존 소화조의 에너지 잠재력을 항상 극대화할 수는 없습니다.
식품 가공 잔류물, 음식물 쓰레기, 지방, 오일 및 그리스와 같은 적절한 고에너지 유기 폐기물을 추가하면 생분해성 탄소 부하가 증가하여 결과적으로 바이오가스 생산량이 증가할 수 있습니다.
EPA는 공동 소화를 저수율 공급원료로부터 가스 생산을 증가시킬 수 있는 방법으로 식별합니다. 한 인용에 따르면 식품 가공 폐기물과 지방, 오일 및 그리스를 수용하는 미국 폐수 시설은 바이오가스 생산량을 약 두 배로 늘렸습니다.
이는 최대 사료 첨가가 바람직하다는 의미는 아닙니다. 들어오는 인쇄물은 다음 사항에 대해 평가되어야 합니다.
원시 소화 가스는 일반적으로 천연 가스 파이프라인에 직접 주입하는 데 적합하지 않습니다.
일반적인 업그레이드에는 여러 치료 단계가 포함됩니다.
황화수소 제거: 철 기반 매체, 활성탄, 생물학적 탈황 또는 기타 기술은 부식성 H2S를 제거합니다.
수분 제거: 냉각, 응축, 건조 또는 흡착을 통해 수증기가 감소합니다.
CO2 분리: 막 분리, 압력 변동 흡착, 물 세정 또는 화학적 흡수는 메탄 농도를 증가시킬 수 있습니다.
미량 오염물질 제어: 실록산과 VOC는 폐수원과 최종 가스 사양에 따라 제거가 필요할 수도 있습니다.
EPA는 업그레이드된 RNG가 일반적으로 최소 90%의 메탄을 함유하고 있는 반면 파이프라인에 주입된 RNG는 일반적으로 약 90%의 메탄을 함유하고 있다고 보고합니다. 96~98% 메탄 , 수신 유틸리티의 가스 품질 사양에 따라 달라집니다.
미국 프로젝트의 경우, 도시 폐수 처리 소화조의 바이오가스에서 생산된 재생 가능 CNG 또는 LNG도 연방 재생 가능 연료 표준 내에서 승인된 경로에 속할 수 있습니다.
운영자는 메탄 생산이 붕괴되기 전에 추세에 대응해야 합니다.
발포 may result from filamentous organisms in the incoming sludge, rapid gas release, inadequate mixing, sudden loading changes, high concentrations of fats or proteins, or poor solids withdrawal.
경고 신호는 다음과 같습니다:
시정 조치에는 로딩 감소, 혼합 분포 개선, 문제가 되는 공급원료 관리, 슬러지 회수 조정, 잔류 거품의 기계적 제어 등이 포함될 수 있습니다.
유기물 부하의 갑작스러운 증가는 메탄을 생성하는 유기체가 반응하기 전에 산 생산을 증가시키는 경우가 많습니다.
VFA가 축적되기 시작하고 알칼리도가 소모되며 결국 pH는 감소합니다.
그러나, pH만으로는 늦은 지표입니다 중탄산염 완충은 발달하는 불안정성을 숨길 수 있기 때문입니다.
따라서 운영자는 일반적으로 총 알칼리도 또는 중탄산염 알칼리도와 함께 VFA를 추적합니다. 꾸준히 증가하는 VFA 대 알칼리도 비율 일반적으로 한 번만 읽는 것보다 더 중요합니다. 실제 작동 규칙에 따라 대략 0.3 미만의 값은 일반적으로 편안한 버퍼링을 나타내는 반면, 대략 0.4~0.5 이상으로 지속적으로 이동하면 조사가 시작되어야 합니다. 현장별 과거 추세는 항상 보편적인 경보 지점보다 우선시되어야 합니다.
가능한 응답은 다음과 같습니다:
단백질이 풍부한 공급원료는 암모니아를 방출하는 반면, 황 함유 폐기물은 황화수소를 생성할 수 있습니다.
암모니아의 독성 부분은 pH와 온도에 크게 의존하므로 한 시설에서 성공적으로 작동하는 총 암모니아 농도는 다른 조건에서 억제를 유발할 수 있습니다.
황화물은 용해된 황화물이 미생물을 억제할 수 있고 기체 H2S가 심각한 부식 및 안전 문제를 야기하기 때문에 생물학적 및 운영상의 문제를 모두 나타냅니다.
인기 급상승 메탄 비율, CO2, H2S, VFA, 알칼리도, pH, 가스 생산 및 공급물 로딩을 함께 가스량에만 의존하는 것보다 훨씬 강력한 조기 경보 시스템을 제공합니다.
안aerobic digestion does not eliminate sludge. It converts biodegradable organic material while leaving a stabilized digestate containing water, residual solids, nitrogen, phosphorus and inorganic material.
소화 후 폐수처리장에서는 일반적으로 원심분리기, 벨트 필터 프레스, 스크류 프레스 또는 기타 탈수 장비를 사용하여 운반량을 줄입니다.
액체 농축액 또는 여과액은 일반적으로 상당한 양의 암모니아와 용해성 인을 폐수 처리 공정으로 반환합니다. 대규모 시설에서는 이러한 부류 영양분 부하로 인해 별도의 질소 처리 또는 인 회수가 정당화될 수 있습니다.
점점 더 중요한 옵션 중 하나는 파이프, 펌프 및 탈수 장비에서 통제되지 않은 스트루바이트 침전을 허용하는 대신 인을 사용 가능한 인산염 제품으로 회수하는 것입니다.
공정 설계 중에 바이오 고형물 처리도 고려해야 합니다.
미국 EPA 규정에 따르면, 클래스 A 및 클래스 B는 주로 병원체 감소 요구 사항을 나타냅니다. , 토지 적용에 대한 관리 요구 사항이 다릅니다. 클래스 B 바이오솔리드는 여전히 검출 가능한 병원체를 포함할 수 있으므로 현장 제한이 필요한 반면, 클래스 A 바이오솔리드는 보다 엄격한 병원체 감소 요구 사항을 충족합니다.
안aerobic digestion by itself should therefore not automatically be described as producing “Class A biosolids.” The complete treatment train and applicable Part 503 criteria determine the final classification.
시작은 점진적이어야 합니다.
실제 순서에는 다음이 포함됩니다.
새로운 소화조를 전체 설계 용량으로 즉시 적재하면 산 생산이 개발 중인 메탄생성 개체군을 능가할 수 있습니다.
따라서 경제적 관점에서 볼 때 최고의 폐수 소화조는 가능한 최대 바이오가스를 생산하는 반응기일 필요는 없습니다. 운영자는 난방 및 혼합 에너지, 고형물 처리 절감, 화학물질 소비, 유지 관리, 바이오가스 활용, 영양분 부류 처리 및 잠재적인 RNG 또는 전력 수익을 하나의 통합된 균형으로 비교해야 합니다.
소화조 성능은 정확한 폐수 및 슬러지 특성화에서 시작됩니다.
반응기, 혼합 시스템, 가스 처리 장치 또는 관련 폐수 처리 장비를 선택하기 전에 예상되는 고형물 부하, COD 특성, 온도, 황 및 질소 함량, HRT 요구 사항, 최종 바이오 고형물 경로 및 바이오가스의 용도를 정의하십시오.
항저우니하오환경기술유한회사 폐수 처리 제품을 공급하고 공정 중심 장비 선택을 통해 도시 및 산업 처리 프로젝트를 지원합니다.
새로운 폐수 처리 시스템을 계획하거나 기존 생물학적 공정을 업그레이드하려는 경우 다음 연락처로 문의하세요. 니하오 워터 유량, 폐수 특성, 처리 대상 및 기존 공정 정보를 포함합니다. 우리 팀은 전체 폐수 처리 과정에 적합한 처리 구성과 지원 장비를 평가하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
네 가지 단계는 가수분해, 산 생성, 아세트산 생성 및 메탄 생성입니다. 복잡한 유기 물질은 먼저 가용성 화합물로 변환된 다음 휘발성 산 및 기타 중간체, 아세테이트 및 수소, 마지막으로 메탄 및 이산화탄소로 변환됩니다.
중온성 소화는 일반적으로 약 30~38°C에서 작동하며, 도시 슬러지 소화조에서는 약 35°C가 널리 사용됩니다. 호열성 소화는 일반적으로 약 50~57°C에서 작동합니다. 호열성 시스템은 더 빠른 생물학적 반응과 더 큰 병원균 감소를 제공할 수 있지만 일반적으로 온도 변화와 공정 교란에 더 민감합니다.
HRT는 재료가 반응기에 남아 있는 시간을 결정하는 반면, OLR은 하루에 단위 반응기 부피당 적용되는 유기 재료의 양을 나타냅니다. 불충분한 보유와 과도한 로딩은 산 형성이 메탄생성 전환 용량을 초과하기 때문에 VFA 축적을 유발할 수 있습니다.
발포 may be associated with filamentous organisms, high protein or fat loading, rapid gas production, poor mixing, feed variations, and accumulated scum. Control measures include identifying the source, correcting loading or mixing conditions, managing feedstocks, and removing accumulated foam or scum where necessary.
원시 바이오가스는 물, 황화수소, 이산화탄소, 실록산 및 VOC와 같은 오염물질을 제거하기 위해 세척됩니다. 기술에는 활성탄, 철 매체, 멤브레인, 압력 변동 흡착 및 세정 시스템이 포함될 수 있습니다. 파이프라인 품질의 RNG는 일반적으로 처리되지 않은 소화 가스보다 훨씬 더 높은 메탄 농도를 필요로 합니다.
많은 도시 소화조는 슬러지 생분해성과 공정 설계에 따라 약 40~60%의 휘발성 고형물 파괴를 목표로 합니다. 미국에서는 38% 휘발성 고형물 감소가 특히 중요합니다. 이는 40 CFR Part 503에 따라 벡터 인력 감소를 입증하기 위한 EPA 옵션 중 하나이기 때문입니다.
주요 위험에는 메탄 화재 및 폭발 위험, 황화수소 독성, 산소 결핍 대기, 가압 가스, 밀폐 공간 및 이동 장비가 포함됩니다. 시설에서는 적절한 가스 감지, 환기, 압력 및 진공 보호, 화염 제어, 전기 분류, 밀폐 공간 절차, 비상 정지 시스템 및 현장별 운영 절차를 사용해야 합니다. 해당 OSHA, 화재 규정, 전기 규정 및 현지 요구 사항은 시스템 설계 및 작동 중에 검토되어야 합니다.
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