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KR20060081714A - 폐수 처리 플랜트 슬러지로부터의 바이오-디젤 및 다른귀중한 화학물질의 제조방법 - Google Patents

폐수 처리 플랜트 슬러지로부터의 바이오-디젤 및 다른귀중한 화학물질의 제조방법 Download PDF

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KR20060081714A
KR20060081714A KR20067006486A KR20067006486A KR20060081714A KR 20060081714 A KR20060081714 A KR 20060081714A KR 20067006486 A KR20067006486 A KR 20067006486A KR 20067006486 A KR20067006486 A KR 20067006486A KR 20060081714 A KR20060081714 A KR 20060081714A
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KR
South Korea
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sludge
bio
component
lipid
diesel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR20067006486A
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English (en)
Inventor
마크 자피
윌리엄 토드 프렌치
라파엘 허난데즈
스티븐 토마스 더프레쉬
다렐 스파크스
Original Assignee
미시시피 주립대학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 미시시피 주립대학 filed Critical 미시시피 주립대학
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Abstract

바이오-디젤을 제조하기 위한 공정은 우선 1차, 2차 및 3차 처리를 사용하여 도시 폐수, 농업 폐수 및 산업 폐수의 1차 및/또는 생물학적인 처리 동안 생성된 슬러지로부터 지질을 추출한 후, 추출된 지질을 에스터 교환을 사용하여 알코올계 에스터로 에스터 교환시킴으로써 발명되었다. 이 공정으로부터의 결과 생성물은 후속 생물학적인 소화(호기성 또는 혐기성) 내의 최적의 소화에 적합한 바이오-디젤, 글라이세롤, 지질-부재 단백질, 다양한 다른 유용한 화학물질 및 수성계 기재를 포함한다. 높은 수준의 미생물을 함유하는 슬러지로부터 추출된 지질은 레시틴으로서 또한 직접적으로 이용될 수 있는 인지질이다. 슬러지로부터의 지질의 추출은 염기성, 산성 및/또는 이들 2개의 에스터 교환 기술들의 조합을 이용하여 성취된 추출된 지질의 에스터 교환과 함께 화학적인 추출 기술을 이용하여 수행될 것이다.

Description

폐수 처리 플랜트 슬러지로부터의 바이오-디젤 및 다른 귀중한 화학물질의 제조방법{PRODUCTION OF BIODIESEL AND OTHER VALUABLE CHEMICALS FROM WASTE WATER TREATMENT PLANT SLUDGES}
2003년 10월 2일자로 출원된 미국 가특허출원 제 60/507,698 호로부터 본 출원에 대한 우선권을 주장하고 있다. 상기 가특허출원의 전체는 참고로 본원에 인용하고 있다.
본 발명은 도시 폐수, 농업 폐수 및 산업 폐수의 1차, 2차 및/또는 3차 처리 동안 생성된 슬러지의 혁신적인 처리 공정을 이용하는 다수의 귀중한 화학물질의 제조방법에 관한 것이다. 생성된 화학물질은, 지질 및 바이오-디젤(biodiesel)(석유계 디젤에 대한 복구 가능한 대체물), 레시틴(알 및 콩 오일로부터 통상 제조된 상업적인 영양 및 가공 "빌딩-블록 화학물질"), 글라이세롤(많은 산업적인 공정에서 폭넓게 사용되는 화학물질 공급 원료), 및 폐수 플랜트에서 소화(digestion) 공정에 대해 전형적인 유입물(influent)보다 훨씬 더 소화 가능하며 지질 분획물의 제거로 인해 다시 소화의 비율과 범위를 증가시키게 되는 부산물을 포함한다(이로 인해, 처리가 요구되는 슬러지 잔량이 크게 감소되고, 생성된 생성물의 품질에서의 상승이 초래된다).
지구는 사회적인 동력 요구에 충족하도록 동력화될 수 있는 광범위한 탄소 저장소를 기체, 액체 및 고체 연료의 형태로 함유하되, 고체 연료가 가장 중요하다. 현재는 액체 연료의 제조를 위해 화석계 연료 예비력(reserve), 복구 불가능한 자원에 거의 독점적으로 의지해 왔다. 그러나, 이들 예비력에 완전히 의존하는 비용 및 정책은 진보적으로 전략적 및 사회학적인 모든 견지로부터 더욱 고비용이 되어 가고 있다. 연료 및 다른 화학물질의 복구 가능한 공급원은 미국 및 전 세계의 미래 에너지 요구를 충족시키는데 필요하다.
바이오-디젤은 석유계 디젤 연료의 대체물을 대표한다. 바이오-디젤은 복구 가능한 공급 원료로부터 제조된다. 이 완전히 복구 가능한 공급원은 가장 흔하게는 오일-생성 식물, 예컨대 콩 및 평지씨, 또는 동물계 생성물, 예컨대 렌더링(rendering) 동안 캡쳐된 지방 및 오일, 카캐스(carcass) 처리 공정 또는 프라이피트(frypit)로부터의 회수로부터 제조된다. 화학적으로, 바이오-디젤은 지방산의 모노알킬 에스터의 혼합물이고, 가장 흔히는 추출된 식물유 및/또는 수거된 동물 지방으로부터 수득된다. 이들 지방산의 공급원은 지질이다. 지질은 실제로 식물, 동물, 미생물, 및 이들 공급원에서 나온 폐기물에서 발견되는 일군의 화학물질이다. 지질은 물에 그리 가용적이지 않다. 폐수 슬러지는 높은 수준의 지질을 가장 흔하게는 트라이글라이세라이드, 인지질, 포스포글라이세라이드, 스피노리피드(sphinolipid), 글라이코리피드 및 지방-가용성 바이타민의 형태로 함유한다.
바이오-디젤로의 식물유 및 동물 지방의 변환은 지난 수년에 걸쳐 추가로 개 발/최적화를 경험하였다. 그러나, 대두유의 염기-촉매 메틸-에스터 교환(transesterification)이 미국 내에서 사용된 주된 제조 기술이었다. 유럽에서는, 평지씨가 주된 사용 공급 원료이다(Environment Canada, 2003; IA State, 2003). 일반적으로 허용된 바이오-디젤 공급 원료로는 콩, 카놀라, 옥수수, 평지씨 및 팜으로부터의 오일이 포함된다. 고려되는 새로운 식물유로는 겨자씨, 땅콩, 해바라기 및 목화씨가 포함된다. 동물 지방의 경우, 이 공급 원료는 종종 "옐로우(yellow)" 그리스로 지칭된다. 요리 사업 설비로부터 수거된 그리스는 "브라운(brown)" 그리스로 지칭되지만, 이 공급원은 식물- 및 동물-유도된 트라이글라이세라이드 둘다로 구성될 수 있다. 가장 일반적으로 고려되는 동물 지방으로는 가금, 쇠고기 및 돼지고기로부터 유도된 것들이 포함된다. 바이오-디젤 제조를 위한 적당한 것으로 판명될 수 있는 공급 원료의 덜 비싼 공급원에 대한 식별은, 바이오-디젤 제조의 계속되고 있는 확대 및 석유계 연료에 대한 더욱 작은 신뢰에 있어 매우 중요하다.
폐수 생물학적 처리 식물 모두는 폐기물 슬러지를 생성시킨다. 사실, 막대한 수량의 슬러지가 매일 생성된다. 불변-긴축(ever-tightening) 환경적 규제는 처분 팁핑(disposal tipping) 요금을 증가시키고, 이들 슬러지 및 처분의 전류 모드에 대한 만연한 공공의 분노는 위기 상황에서 이들 설비의 작업자로 하여금 이들 슬러지를 다루기 위한 신규 기술을 발견하도록 한다. 이들 슬러지는 유입물을 경유하여 공급되는 본질적으로 모든 액체 및 고체 물질의 생물분해로 구성되며 이로부터 유래한다. 본 발명의 주요 관심은, 지질이 이들 처리 플랜트로부터 제조된 슬러지의 2% 내지 40% 또는 그 이상(건조 중량 기초)을 구성한다는 사실이다. 이들 공정에서 나온 슬러지의 예로는, 1차 슬러지, 그릿(grit) 잔여물, 스키밍(skimming), 2차 슬러지(폐기물 슬러지), 탈피된 바이오-매스(biomass), 바이오-고체(biosolid), 처리된 바이오-고체, 및 가둔 동물 사육 설비로부터의 거름 슬러지가 포함된다. 이들 폐수/거름-기초(manure-based) 슬러지의 모두는 지질의 변화량을 포함한다.
발명의 요약
폐수 처리 슬러지로부터 지질을 추출 및 사용함으로써, 바이오-디젤 및 다른 산업용 생성물의 제조에 대해 경제적이고 매우 효과적인 공급 원료가 제공될 수 있음이 밝혀졌다. 지질의 제조와 더불어, 본 발명은 폐수 처리와 관련된 슬러지로부터 지질-부재 단백질 및 다른 유용한 화학물질의 추출을 제공한다.
폐수 처리 시스템의 예로는 도시 폐수 생물학적 처리 플랜트, 산업용 생물학적 처리 플랜트, 동물 사육 작업으로부터의 거름 보유 설비, 및 동물 사육 설비에서의 폐수 처리를 위한 생물학적 처리 시스템이 포함된다. 이들 폐기물 스트림 모두는 환경적 위협을 가지며, 그들에 대한 관리는 이들 각각의 설비 작업자에 대한 국가의 정규의 경제적인 도전을 대변한다.
이러한 노폐물로부터 유용한 화학물질을 추출하기 위한 신규 공정을 제공함과 더불어, 공정은 환경적인 위협을 감축시키도록 제공할 것이며, 이러한 노폐물로부터 처분 및 가능한 책임 지출보다 오히려 갑작스러운 수입 공급원을 폐수 생성 설비의 작업자에게 제공할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 바이오-디젤 제조 및 다른 산업적인 화학물질 제조를 위한 지질-풍부 공급 원료로서 사용하기 위한 폐수 설비의 슬러지로부터 지질을 추출하는 방법을 제공하는 것이다. 더불어, 몇몇 다른 화학물질 및 생성물(예컨대, 단백질 및 비료)은 지질이 추출된 후 이들 슬러지로부터 제조될 수 있다.
특히, 본 발명의 목적은 생물학적으로 처리된 폐수로부터 지질 추출에 의해 수득된 바이오-디젤 제조를 위한 지질-풍부 공급 원료의 제조방법을 제공하는 것이다.
더욱 특히는, 본 발명의 목적은 폐수 슬러지와 같이 생물학적으로 처리된 슬러지에 의해 수득된 모든 슬러지로부터 지질 추출에 의해 수득되는 바이오-디젤 제조를 위한 지질-풍부 공급 원료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 폐수의 처리로부터 수득된 슬러지의 처리에 의해 수득된 지질-부재 단백질 및 지질-부재 추출 후(post-extraction) 잔여물을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 폐수 설비로부터 수득된 슬러지의 본 발명의 청구된 처리 공정에 의해 글라이세롤, 레시틴, 에탄올아민 등과 같은 귀중한 화학물질을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다수의 산업적인 화학물질 및 원료에 공급 원료로서 이용될 수 있는 지질을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 용이하게 소화되도록 제공되는 슬러지의 처리에 의해 바이오-기체(biogas)를 제조하되, 상기 슬러지는 폐수 처리 설비로부터 수득되는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 USEPA의 클래스(Class) A 및 유용한 바이오-고체 기준에 부합하는 잔여 슬러지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산업적인 열 및 전기 동력 제조를 위한 기화기(gasifier) 또는 연소 시스템을 위한 공급물로서 이용될 수 있는 건조한 지질-부재 슬러지 잔여물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 열적으로 축합 가능한 오일로 변환되거나 바이오-오일(biooil) 안으로 열 분해될 수 있는 지질-부재 건조한 슬러지를 제공하는 것이다.
도 1은 트라이글라이세라이드를 알킬 에스터로 변화시키는 염기-촉매 에스터 교환을 이용하는 바이오-디젤의 제조를 도시한다. 예시적인 반응식에 도시된 바와 같이, 트라이글라이세라이드 1몰은 베이스를 포함하는 알코올 3몰과 반응하여 알킬 에스터 3몰 및 글라이세롤 1몰이 제조된다. 트라이글라이세라이드는 다이글라이세라이드, 모노글라이세리드 및 글라이세롤로 점진적으로 변환된다. 에스터의 몰은 각각의 단계에 유리된다. 평형이 우측에 멀리 놓여있을지라도, 반응은 가역적이다.
도 2는 트라이글라이세라이드의 산-촉매 에스터 교환을 나타낸다. 이 반응 에서, 트라이글라이세라이드는 알코올과 산(보통 황산 )의 혼합물과 혼합된다. 산-촉매 에스터 교환의 동력학은 염기-촉매 에스터 교환과 천천히 비교된다. 바이오-디젤 생성률을 개선하기 위해, 반응은 비교적 높은 온도(약 80℃) 및 압력(약 5atm)에서 수행된다. 산-촉매 에스터 교환 반응은 또한 유리-지방산을 알킬 에스터로 변환시킨다.
도 3은 바이오-디젤을 제조하기 위해 적용될 수 있는 또 다른 방법, 효소(리파아제) 촉매작용을 나타낸다. 효소 촉매작용은 트라이글라이세라이드와 유리-지방산을 알킬 에스터로 변환시킬 수 있다. 이 방법은 느린 반응 동력학 및 낮은 수율 때문에 상업적으로 적용되지 않았다.
본 발명은 도시 폐수, 농업 폐수 및 산업 폐수의 1차, 2차 및/또는 3차 처리 동안 폐수 슬러지로부터 이러한 화학물질을 추출하기 위한 혁신적인 공급원 및 관련된 공정을 이용하는 다양한 귀중한 화학물질의 신규 제조방법을 제공한다. 단백질 및 다른 귀중한 화학물질이 또한 이러한 슬러지로부터 제거할 수 있지만, 본 발명의 주요 관심은 폐수 슬러지로부터 지질의 제거 및 처리 공정이다.
지질 또는 다른 귀중한 화학물질의 제조에서, 제조 공정에 이용되는 공급원 또는 공급 원료는 중요한 것이다. 종래의 공정에 이용된 대부분의 지질 공급원은 대두, 옥수수, 해바라기, 평지씨 등과 같은 천연 공급원이다. 폐수와 같은 다른 공급원로부터의 지질의 추출은, 통상적으로 육류 가공 또는 식품류 설비로부터 수득된 산업적인 물 처리로부터 포획된 유리 오일 및 지방으로 실제 구성된 부유(float) 물질 또는 찌꺼기(scum)의 처리 공정을 포함한다. 이러한 종래의 지질 추출은 공기 부유(floatation) 또는 정지형 분리 셀에 의해 수성 상으로부터 지질-함유 에멀젼의 제거를 포함한다. 부유 물질 또는 찌꺼기로서 폐수의 상단에서 떨어져 스키밍(skim)되거나, 또는 더욱 많은 오일을 "스윕 콜렉트(sweep collect)" 트랩핑된 오일에 이용하는 공정에 의해 제거되는 이러한 오일 및 그리스의 제거는, 폐수 공급 원료 중에 포함된 모든 지질을 수거하는데 통상적이며 이에 관여되는 것이 아니거나 또는 상기 수거를 제거할 수 있다.
이러한 종래의 공정과는 달리, 본 발명은 도시 폐수, 산업 폐수 및 동물 사육 설비 폐수의 수거 및 처리로부터 유도된 다양한 슬러지 및 고체로부터의 모든 지질의 제거 방법을 제공한다. 제공된 신규 공정은, 도시 활동, 산업 활동 및 농업 활동으로부터 생성되는, 처리 동안 생성된 유입물 및 슬러지 중에 존재하는 모든 고체의 사용 및 폐수의 생물학적인 처리를 포함한다.
공급 원료로서 폐수 슬러지를 사용하는 것을 포함하는 종래의 공정는, 다양한 폐수 공급 원료의 부유 물질 또는 찌꺼기에서 발견되는 지질만의 제거에 관한 것이거나, 또는 도시 폐수, 산업 폐수 및 동물 사육 설비 폐수의 수거와 처리로 유도된 슬러지 및 고체 내에 포함된 화학물질을 화학적으로 변형 및 분해시키는 열 처리에 관한 것이다. 반면, 본 발명의 공정은 도시 폐수, 산업 폐수 및 동물 사육 설비 폐수의 수거 및 처리로부터 유도된 슬러지 및 고체로부터의 모든 지질의 분리에 관한 것이다. 따라서, 본 발명의 공정은 이들 동일한 슬러지와 고체로부터 다른 유용한 화학물질을 추출함과 더불어 전체 지질 성분을 추출 및 사용할 수 있다.
폐수 처리 플랜트에 의해 통상적으로 사용된 공정의 일반적인 논의는, 본 발명의 공정의 이해를 돕기 위해 제공된 몇몇 주석이 아래에 제공된다.
종래의 폐수 처리 플랜트의 공정에서, 유입물이 수거되고, 큰 부스러기가 제거된 식물의 헤드워크(headwork)에 전달된다. 큰 부스러기를 제거한 후, 폐수의 공급원 및 처리 설비의 크기와 성능에 따라 몇몇 처리 변동으로 유입물 위에서 추가 공정이 실행된다.
수거는 처리 설비를 위한 폐수 스트림을 제공하는데 있어 제 1 단계이다. 예를 들면, 폐수는 주거 및 산업적인 피더(feeder)로부터 수거되고, 폐수 처리 플랜트의 헤드워크 내로 펌핑 또는 중력 유동된다.
식물의 헤드워크에서, 유입물로부터 큰 부스러기를 제거하기 위한 초기 공정은 전형적으로 이러한 부스러기를 제거하도록 스크린을 사용할 수 있다. 이 초기 스크리닝의 결과는 린넨, 페이퍼, 목재, 플라스틱, 큰 식품 항목 등을 비롯한 모든 유형의 물질 위에 흡수된 유리 오일 지질을 갖는 벌키 슬러지이다.
또한, 폐수는 일반적으로 그릿 성분을 포함하며, 이는 잘 공지된 그릿 제거 시스템을 이용하여 다음에 제거된다. 이 그릿 성분은 통상적으로 지질을 포함한 오일 그릿 슬러지로서 처분된다.
벌키 슬러지와 오일성 그릿 슬러지는, 대규모 폐수 처리 플랜트 내에서 통상적으로 제거된 2개의 별개의 슬러지이다. 이들 2개의 슬러지는 도시 폐수 처리 플랜트에서 제조된 전체 고체의 단지 작은 분획물이지만; 이들은 본 발명의 공정에 의해 지질, 단백질 및 다른 귀중한 화학물질을 수득할 수 있는 고체 전체에 기여할 수 있다.
폐수 처리에 있어서의 다음 단계는 또한 통상적으로 주요 처리로서 지칭되는 고체의 주요 세틀링(settling)이다. 이 주요 처리는 모든 폐수 플랜트에서 수행되지는 않는다. 고체의 주요 세틀링은 유입물에서 고체를 제거하기 위해 세틀링 또는 여과 작용 단계를 포함한다. 주요 슬러지로서 지칭되는 이 고체 분획물은 세틀링, 여과 또는 원심분리에 의해 일반적으로 수득되며, 식품과 배설물의 주로 구성된다.
이 주요 처리 단계로부터 제조될 수 있는 또 다른 슬러지는 부유 슬러지 또는 찌꺼기이다. 이는 통상적으로 지방성 물질, 바이오계면활성제(biosurfactant), 계면활성제 및 바이오유화제, 트랩핑된 물, 및 찌꺼기라고도 지칭할 수 있는 작은 고체를 포함한다. 그러므로, 2개의 슬러지가 슬러지의 이 주요 처리로부터 제조될 수 있다. 세틀러(settler)의 바닥으로부터 생성된 주요 또는 고정된 슬러지는, 생성된 2개의 슬러지의 아주 우수한 더욱 큰 중량 부분이다. 매우 경량인 다른 것은 부유 슬러지 또는 찌꺼기이며, 이는 폐수 유입물의 상단에서 떨어져 스키밍될 수 있는 부유 포말성 물질로서 수거한다. 통상적으로, 이들 2개의 주요 처리-생성된 슬러지는 슬러지 소화에 보내지거나 매립식 쓰레기 처리에 배치된다.
본 발명의 공정은 부유 슬러지를 주요 슬러지(고정된 바닥 슬러지)와 조합시키는 것을 포함할 수 있다. 본 발명이 단지 주요 슬러지를 이용함으로써 작동할 수 있지만, 본 발명의 바람직한 공정은 부유 슬러지 및 주요 또는 세틀링된 슬러지를 둘다 이용할 것을 포함한다. 이렇게 함에 있어서, 본 발명은 슬러지의 전체 지질 성분을 제거할 수 있다.
주요 또는 세틀링된 슬러지는 이것이 배설물, 소화되지 않은 식품 및 폐기된 식품 입자를 함유하지만 이에 국한되지 않는다는 점에서 이질적인 경향을 갖는다. 주요 슬러지는 도시의 폐수 플랜트로부터 제조된 전체 슬러지 중량의 상당 부분이다. 여과, 또는 앞서 기재되지 않은 임의의 다른 고체 분리 공정, 예컨대 원심분리, 건조 베드, 스크리닝 등을 이용함으로써 주요 처리 동안 수득되는 고체를 포함하는 것은 본 발명의 개념 내에 또한 속하는 것이다. 그러므로, 본 발명의 공정은 분획물, 전체 고체의 임의의 부분, 또는 폐수 플랜트에 제공된 유입물의 모든 지질-함유 부분을 이용할 것을 포함할 수 있다. 우선적으로, 주요 처리 단계로부터 수득된 고체 전체가 사용될 것이며, 이로 인해 본 발명에 의해 얻을 수 있는 지질 성분이 최대화된다.
2차 처리 동안, 플랜트 유입물의 주요 처리로부터 생성된 액체 부분은 생물학적인 처리에 전달된다. 상술한 바와 같이, 처리 플랜트가 주요 처리 단계를 포함하지 않으면, 유입물은 생물학적인 처리에 직접적으로 전송될 수 있다. 생물학적인 처리 동안, 미생물(종종 바이오-매스라고 지칭됨)은 유입물과 접촉하게 되며, 이로 인해 미생물이 유입물 내의 탄소를 이용할 수 있게 된다. 호기성 미생물이 일반적으로 이용될 수 있지만, 허용적인 혐기성 생물인 유기체, 효모 및/또는 해조류가 때때로 이용될 수 있다. 이 단계에 이용될 수 있는 공정 성분/장비는 활성화된 슬러지, 접촉 안정화, 연속적인 배치식 반응기, 라군(lagoon), 접촉 타워, 회전식 생물학적인 콘택터, 임호프 탱크(Imhoff Tank), 산화 디치(ditch) 등을 포함한다. 유입물 내에 있는 대부분의 탄소(액체 또는 고체)는 더욱 많은 미생물, 불완전 대사의 화학적인 부산물, 또는 우회 처리할 수 있는 미처리 고체를 생성하는 미생물에 의해 신진 대사한다.
생물학적인 처리 후 대부분의 경우, 생성 용액은 대부분의 고체가 물로부터 분리되는 고체 분리 단계(또한 정화 단계라고 지칭됨)에 전송되며, 이 시점에서 폐수라고 지칭된다. 이 세틀링 단계 동안, 2개의 슬러지가 제조될 수 있다: 찌꺼기 슬러지 및 세틀링된 또는 바닥 슬러지. 방대한 양의 입력된 고체는 세틀링된 슬러지에서 생성된다. 대부분의 고정된 슬러지는 투입 폐기물의 추가 처리를 위해 재사용되는 생물학적인 반응기에 반송될 수 있다. 그러나, 세틀링된 슬러지의 일부는 처분 또는 "폐기된다"(정기적으로 또는 계속해서 처리 플랜트 디자인 및 작업에 의존한다). 이 폐기된 세틀링된 슬러지의 처분은 생물학적인 반응기 내에 박테리아의 과집단화을 방지하는데 도움이 된다. 폐기된 슬러지는 통상적으로 폐기물 슬러지 또는 2차 슬러지라고 지칭한다.
본 발명에서, 찌꺼기 및 2차 슬러지는 둘다가 높은 수중의 지질을 갖기 때문에 결합될 수 있다. 찌꺼기 부분은 대부분 계면활성제, 트라이글라이세라이드 및 유리-지방산을 포함하지만, 폐기물 슬러지는 다른 박테리아계 지질 중에서 일부는 트라이글라이세라이드를 포함하지만 다량의 인지질을 포함한다. 이들 슬러지 모두, 여러 유형의 고체가 유기체(박테리아, 해조류, 진균, 시원세균군(archea) 및 약탈자, 예컨대 섬모충과 담륜충(rotifers)), 유리 지질, 및 미처리 매질과 같은 다른 고체(배설물, 식품 입자 등 )를 포함하지만 이에 국한되지 않기 때문에 조성물의 관점에서 매우 이질적이다. 그러므로, 매우 다양한 유기체(대부분은 그러나 박테리아가 아님)는 생물학적인 반응기 내에 포함된다.
폐수 처리에서의 다음 단계는 소화이다. 소화는 처분이 요구되는 슬러지 전부의 톤(tonnage)을 감축시키기 위해 이용되는 처리 공정에 단계이다. 슬러지의 처분은 슬러지와 관련되는 건강 및 환경적인 문제로 인해 필요하다. 소화 단계에서, 슬러지의 분해는 생물학적인 공정을 이용함으로써 성취된다. 가장 일반적으로 이용된 소화 공정은 각각의 호기성 소화(슬러지가 주로 호기성 유기체에 의해 분해되는 공정) 또는 혐기성 소화(슬러지가 주로 혐기성 유기체에 의해 분해되는 공정)로서 종종 분류된다. 특정 양의 처리 시간 후, 고체는 수성 매트릭스에서 제거되고, 다양한 기술을 사용하여 처분된다. 이 공정 단계에서 처분 및 감소된 고체는 통상적으로 바이오-고체, 폐수 슬러지, 폐기물 고체 등으로 지칭된다. 이러한 고체는 퇴비화, 석회 첨가 또는 가열에 의해 추가로 가공 처리될 수 있다.
본 발명에서, 소화를 저지하는 경향을 갖는 지질 및 다른 화학물질의 제거는 종래의 공정에 비해 성취되는 소화의 비율 및 범위를 향상시키는데 도움이 된다. 그러므로, 본 발명은 귀중한 지질, 지질-부재 단백질 및 슬러지로부터의 다른 화학물질을 제공함과 더불어 잔존하는 슬러지의 "소화 가능성"을 향상시키는데 도움이 된다. 본 발명의 이 장점은, 종래의 폐수 처리로부터 잔존하는 바이오-고체의 처분이 잔존하는 분해 가능한 유기물, 슬러지 매트릭스 내의 위험한 화학물질, 포텐셜 병원성 및 잔존하는 슬러지의 냄새-생성 포텐셜과 같은 문제점에 대한 심각한 고려가 존재한다는 점에서 거대한 처분 문제점이라는 관점에서 크게 중요하다. 폐수 처리 공정으로부터의 바이오-고체는 소화 후에 존재하는 병원균을 위한 포텐셜에 근거하여 분류된다. 클래스 B 슬러지는 소화되었지만 여전히 주의하여 처분된 후 엄격한 규제를 가해야 하는 물질이다. 몇몇 경우, 클래스 B 바이오-고체의 추가 처리 공정은 병원균의 존재에 대한 포텐셜을 감축시키는데 요구된다. 이 추가 처리 공정 후, 확실한 기준이 충족되면, 바이오-고체는 클래스 A 또는 임의의 유용성(beneficial-use) 슬러지 바이오-고체로서 분류될 수 있다. 클래스 A 또는 임의의 유용성 슬러지인 것으로서 바이오-고체의 지정은, 슬러지가 적은 또는 전혀 없는 관심의 비위험성 및 비규제된 물질로서 처리되도록 허용한다.
본 발명은 처리 단계와 관계없이 폐수 바이오-고체, 슬러지 및 고체의 임의의 형태를 가공 처리할 수 있으며, 이는 그들에 대해서 수행된다. 클래스 A 또는 유용성 슬러지로서 분류될 수 있는 물질로 바이오-고체를 변환시키려는 시도를 위한 바이오-고체의 추가 처리 공정의 예로는, 열적 가열, pH 조정, 가열과 조합된 pH 조정, 방사, 조사 등이 포함된다. 바이오-고체의 통상적인 가열은 넓게 이용되어 왔다.
본 발명은 기체가 수거되고 오일로 축합된 열 처리의 종래 공정의 사용을 요구하지 않는다. 이러한 공정은 고체 밖의 모든 성분을 기체 생성물로 휘발시킨 후, 여러 축합 단계를 통해 분리될 수 있는 오일로 축합시키기 위해 고온을 이용한다. 이 형태의 처리 공정은 성분들의 화학적 조성물을 변환시키고, 실제로는 본 발명의 공정에 의해 제조된 지질 또는 바이오-디젤의 양보다 매우 적은 건조 바이오-고체 1톤당 바이오-오일을 제조하도록 제공된다.
본 발명에서, 이용되는 가열 공정은 고체를 처리하고, 처리된 기체 스트림을 생성시키지 않으며, 이는 일반적으로 종래의 열 처리 방법으로부터의 결과이다. 이러한 종래의 방법은 열적 휘발, 열 분해 공정 및 열 해중합 반응을 통해 고체로부터 유기 화합물을 제거한다. 이들 공정은 후속 축합에 따라 매우 다른 화합물이 생성되게 하기 위하여 고온 및 종종 고압을 이용하여 화합물들의 화학적 조성물을 개질시키는 슬러지의 성분들을 휘발시킨다.
앞서 논의된 바이오-고체의 종래의 열 처리에 대한 대안으로서, 다른 종래의 처리 플랜트는 화학적 또는 제한된 열 처리를 이용하여 이들 클래스 B 바이오-고체를 클래스 A 또는 임의의 유용성 슬러지 바이오-고체로 변환시키려는 시도가 있었다. 이들 pH 처리, 가열 또는 조합된 공정은 유기 성분을 이후에 축합되는 기체로 휘발시키지는 않지만, 단순히 바이오-고체를 가열시키거나 또는 pH(또는 둘다)를 상승시켜 바이오-고체 클래스 B 내의 임의의 포텐셜 병원균을 죽이는 공정이다. 이러한 비휘발 처리는 병원성 유기체를 죽이려 하는 것이며, 따라서 클래스 A 또는 임의의 유용성 슬러지로서 고려되어야 한다. 본 발명의 공정에서, 지질 제거 및 다른 귀중한 화학물질 제거 공정은 이들 통상적으로 pH/열-처리된 바이오-고체에 대해 여전히 성취될 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 산업적인 폐수의 생물학적인 처리 동안 제조되는 모든 슬러지를 위해 유용하다. 공기 부유 및 분리 탱크 처리와 같은 예비적 처리 동안 제조된 가벼운 부유 슬러지에 국한되는 몇몇 종래의 공정과는 달리, 본 발명은 폐수 유입물 내의 모든 고체의 벌크로부터, 특히 무거운 고체로부터의 지질의 회수로 사용될 수 있으며, 이들 처리 공정으로부터 수거된다. 이들 무거운 고체는 본 발명의 공정을 이용함으로써 지질, 단백질 및 다른 화학물질의 매우 우수한 공급원을 제공한다.
생물학적인 공정을 이용함으로써 넓은 범위의 산업 활동으로부터 제조되는 산업적인 폐수 유입물의 처리를 위한 공정은, 일반적으로 폐수 처리 플랜트 폐수의 처리를 위한 앞서 기술된 바와 동일한 공정일 수 있다. 폐수 처리 플랜트를 위한 유입물에서는, 몇몇 산업 설비는 몇몇 "전처리" 형태일 수 있다. 도살장 및 식당과 같은 많은 식품-처리 업계로부터 생성된 산업적인 유입물로부터의 유리 오일 및 그리스의 제거를 포함할 수 있다. 폐수 폐수의 예비적 처리에 대해 기술된 바와 유사하게, 이들 산업 설비는 전형적으로 유리-생성물, 즉 오일 및 그리스를 부유 물질 또는 찌꺼기의 형태로 회수하기 위해 공기 부유 또는 분리 탱크를 이용할 수 있다. 이러한 예비적으로 처리된 슬러지는 이러한 폐수의 이용 가능한 지질 함량의 작은 부분을 나타낸다. 반면, 본 발명은 모든 이용 가능한 지질 및 다른 귀중한 화학물질의 회수에 관한 것이며; 특히, 전처리 공정으로부터 무거운 세틀링된 슬러지에서 발견된 화학물질 및 산업적인 폐수의 생물학적인 처리로부터 제조된 모든 슬러지의 회수에 관한 것이다.
본 발명의 방법을 이용하여 가공 처리될 수 있는 폐수 유입물의 또 다른 공급원는, 한정된 동물 사육 경작 설비로부터 수득된 폐수 스트림이다. 이들 설비는 일반적으로 생산 동물을 작은 영역 내에 결집시키는 동물 농장이며, 하나 이상의 축사 또는 헛간 내 임의 수의(500마리 이상의) 동물을 가질 수 있다. 이러한 설비의 예로는 사육장, 돼지 축사, 가금 작업장(층 및 브로일러(broiler)), 낙농 농장 및 칠면조 축사가 포함된다. 이러한 설비에서, 거름 및 공급물 유출량은 수거되며, 전형적으로는 일부 형태의 생물학적인 처리를 이용함으로써 처리된다. 슬러지의 공급원은 예컨대 돼지 팔러(parlor)의 지하 배수물(under-drain), 잡동사니, 언더-케이지(under-cage) 고체, 폐물 고체, 라군 고체, 세틀링 웅덩이 슬러지, 바이오리액터 고체(2차 슬러지) 및 세척물(wash-out) 슬러지를 포함할 수 있다. 본 발명의 공정은 폐수 유입물 내의 고체 및 이러한 설비로부터 제조된 폐수의 처리 동안 생성된 슬러지에 적용될 수 있다.
본 발명에 따라 지질 및 귀중한 화학물질 회복을 위한 가공 처리될 수 있는 폐수 고체 및 슬러지의 또 다른 가능한 공급원은 부패 탱크 슬러지이다. 이러한 슬러지는 부패 탱크에서의 생물학적인 처리 기술을 가하고, 부패 탱크로부터의 수거의 응집체는 본 발명의 공정을 위한 유입물의 귀중한 공급원일 수 있다. 이러한 폐수의 생물학적인 처리는 하기 설계 메뉴얼(Design Manual)에 상세히 논의된다: 문헌 "Onsite Wastewater Treatment and Disposal Systems by the USEPA(1980), Report No. EPA-625/1-80-012, Office of Research and Development, USEPA, Cincinnati, OH", 이의 전체 내용이 본원에 참고로 인용되어 있다.
본 발명의 공정이 이용될 수 있는 폐수 유입물의 공급원은 넓게 변하지만 일반적으로는 생물학적인 처리 공정 및 동물 사육 설비로부터 슬러지를 생성시키는 것이다. 이러한 슬러지의 예는 다음을 포함한다: 1차 슬러지, 바이오-고체(클래스 B), 그릿, 스크린 물질, 찌꺼기, 2차 슬러지, 퇴비화(composted) 바이오-고체, 가공 처리된 2차 슬러지, 거름(젖고 건조한 거름), 혐기성 디제스터(digester) 슬러지, 가공 처리된 바이오-고체(클래스 A), 부패 탱크 슬러지, 다른 유용한 바이오-고체, PACT 공정, 유동화 베드, 토지 응용 등.
이러한 슬러지의 조성은 이질적이다. 앞서 기록된 각각의 슬러지는 업계 내에서 잘 알려져 있고 일반적으로 필수품으로 분명히 인정된 슬러지로서 수용된다. 이러한 슬러지를 구성하는 주요 물질은 예를 들면 거름(배설물), 박테리아(호기성 및 혐기성 둘다), 식품 생성물, 플라스틱, 페이퍼, 유리 오일 및 그리스, 시원세균군, 계면활성제, 해조, 유리 단백질, 그릿, 애벌레, 가정 찌꺼기, 목초지(grazing) 다세포 유기체(담륜충, 섬모충, 아메바, 슬러지 벌레 등)를 포함한다. 이러한 슬러지는 통상적으로 사실상 모든 도시 폐수 처리 플랜트에서 및 많은 산업적인 플랜트에서 생성된다. 통상적으로 이러한 모든 슬러지는 임의의 슬러지에서 발견되는 다양한 유기체이다. 즉, 이들은 화학적으로 및 물리적으로 이질적이며, 단일한 해조, 박테리아 또는 오일/그리스 찌꺼기 등의 다양성의 어떠한 의도적으로 엔지니어링된 단일 농도 없이 매우 특이하다.
앞서 열거된 것과 같은 슬러지가 이들을 포함할 수 있는 생물학적인 처리 플랜트는 예를 들면 활성화된 슬러지, 부착된 성장 반응기, 산화 디치, 회전 생물학적 콘택터(RBC), 연속적 배치 반응기(SBR), 임호프(Imhoff) 탱크, 트리클링 필터, 바이오-필터(biofilter), 호기성 라군, 혐기성 라군, 접촉 안정화, 확장된 에어레이션(aeration), 혐기성 디제스터, 부패 탱크, 현장의 소규모 커뮤니티 패키지 처리 플랜트, 현장의 단일 드웰링(dwelling) 바이오-처리(biotreatment) 플랜트, 배-갑판(ship-board) 회색 및 흑색 물 저장 탱크 설비, 및 배-갑판 폐수 처리 시스템 등과 관련된 플랜트이다.
본 발명의 실시에서, 모든 슬러지는 폐수 처리 플랜트로부터 수거되며 지질, 지질-부재 단백질 및 다른 귀중한 화학물질의 공급원로서 이용될 것이다. 각각의 개별적인 폐수 처리 플랜트에 이용된 공정에 따라, 앞서 기록된 슬러지는 단독으로 또는 하나 이상의 슬러지 유형을 조합하는 다양한 혼합물로서 수거될 수 있다.
본 발명의 공정은 임의의 폐수 처리 작동 시나리오 하에 제조된 각 유형의 슬러지 단독으로 또는 이들의 혼합물로서의 수거를 포함한다. 바이오-고체가 바람직하게는 다른 모든 슬러지로부터 분리하여 수거되고 본 발명의 과정에 이용되며, 이는 조합된 슬러지로서 이용될 것이다. 본 발명의 과정에서, 슬러지는 하나 이상의 다음 처리 단계를 이용하여 5중량% 이상의 고체 농도를 형성하도록 탈수(부분적으로 탈수)될 수 있다: 슬러지 두께 형성기, 필터 프레스, 원심 분리기 및 드라이어. 탈수시킨 후, 더욱 농축된 슬러지는 60 내지 100중량%의 최종 고체 농도까지 추가로 건조될 수 있다. 이 추가 건조는 임의의 수단, 바람직하게는 상업적인 드라이어 또는 슬러지 건조 베드의 사용으로 성취될 수 있다. 탈수 후 및 가능한 건조 후, 지질은 지방족, 초임계 기체를 포함함으로써 액체, 헥세인, 아세톤, 1차 알코올 등을 비롯한 화학 용매를 이용하는 것과 같은 잘 공지된 임의의 화학적인 추출 방법을 이용함으로써 가공 처리된 물질로부터 추출될 수 있다
폐수 슬러지(즉, 박테리아, 해조류 등)의 많은 성분 내에 발견되는 화학적으로 결합된 지질뿐만 아니라 유리 지질(오일 및 그리스) 모두를 추출하는 것이 본 발명의 개념 내에 속한다. 바이오-매스로부터 지질의 추출에 대한 잘 공지된 공정을 사용함과 더불어, 본 발명의 공정은 수단을 벤쳐 넥(venture neck)을 통한 가압, 펌핑, 초음파처리 또는 화학물질 용해 수단(즉, 알코올 및/또는 케톤을 통한 기술) 과 같은 전지 라이스(lyse) 기술을 포함한다.
본 발명에 이용된 슬러지는 슬러지 중에 포함된 지질의 포화도를 변환하기 위해 산화 처리 공정에 의해 또한 처리될 수 있으며, 그 결과 추출된 지질의 시장 값이 증가될 수 있다. 종래 기술에서 알려진 바와 같이 본 발명의 공정의 임의의 스테이지에서 사용될 수 있는 이러한 산화 처리 공정은 예를 들면 오존화, 퍼옥손(peroxone) 산화 또는 핀톤(Finton)의 시약의 사용과 같은 처리를 포함될 수 있다.
추출된 지질은 산업적인 지질-풍부 공급 원료로서 이용될 수 있거나 또는 바이오-디젤을 제조하기 위해 추가로 가공 처리될 수 있다. 이하, 바이오-디젤의 제조를 위한 방법의 잘 알려져 있는 예에 대한 간략한 요약이 제공된다. 일반적으로 사용된 방법, 예컨대 베이스 에스터 교환, 산 에스터화 및 이들의 조합은 이용된 공급 원료에 따라 다른 장점과 단점을 갖는다.
바이오-디젤은 균일 염기, 산 및 효소 촉매 에스터 교환, 및 이질적 촉매 공정을 통해 제조될 수 있다. 통상적으로, 순수한 식물유로부터의 바이오-디젤의 제조는 트라이글라이세라이드의 알킬 에스터로의 변형을 위한 염기-촉매 에스터 교환을 사용한다. 도 1은 염기를 함유하는 알코올의 3몰과 트라이글라이세라이드 1몰이 반응하여 알킬 에스터 3몰 및 글라이세롤 1몰이 제조된다. 트라이글라이세라이드는 다이글라이세라이드, 모노글라이세리드 및 글라이세롤로 단계적으로 변환된다. 에스터의 1몰은 각각의 단계에서 유리된다. 반응은 가역적이지만, 평형이 우측에 멀리 놓여져 있다. 과량의 알코올이 알킬 에스터의 수율을 증가시키기 위해 사용되며, 형성된 글라이세롤로부터 이의 상 분리를 허용하기 위해 이용된다. 가장 자주 이용된 염기는 소듐 또는 포타슘 수산화물이다. 메탄올, 에탄올 및 아이소프로판올과 같은 알코올은 바이오-디젤을 제조하기 위해 이용되었다.
동일한 반응(도 1에 도시된 바와 같음)은 트라이글라이세라이드의 산성의 촉매 에스터 교환 동안 생성시킨다. 그러나, 트라이글라이세라이드는 알코올과 산(보통 황산)의 혼합물과 혼합된다. 산-촉매 에스터 교환의 동력학은 염기-촉매 에스터 교환에 비해 느리다. 바이오-디젤 생성률을 개선하기 위해, 반응은 비교적 높은 온도(거의 80℃) 및 압력(거의 5atm)에서 실시된다. 산-촉매 에스터 교환 반응은 또한 유리-지방산을 알킬 에스터로 변환시킨다(도 2). 반응은 오일이 유리-지방산의 높은 함량을 가질 경우 적용된다.
높은 유리-지방산 함량 오일로부터 바이오-디젤을 제조하기 위한 또 다른 접근은 혼성(hybrid) 공정을 이용한다. 이 경우, 에스터 교환은 2개의 단계 방식으로 수행된다. (1) 유리 지방산을 알킬 에스터로 변환시키기 위한 산성의 촉매작용, 및 (2) 트라이글라이세라이드, 다이글라이세라이드 및 모노글라이세리드를 알킬 에스터로 변형시키기 위한 염기 촉매작용.
바이오-디젤을 제조하기 위한 적용될 수 있는 여전히 또 다른 방법은 효소(리파아제) 촉매작용이다. 효소는 트라이글라이세라이드 및 유리-지방산을 알킬 에스터로 변환시킬 수 있다(도 3). 그러나, 이 방법이 느린 반응 동력학 및 낮은 수율 때문에 상업적으로 적용되지 않았다.
이질적인 촉매작용을 통한 바이오-디젤 제조는 고체 촉매의 응용을 포함한다. 염기 또는 산 촉매작용은 촉매의 특성에 따라 다르게 수행될 수 있다(산 또는 염기). 이질적인 촉매작용의 응용은 바이오-디젤 정화 단계를 제거한다. 그러나, 이 공정은 촉매 비활성화(deactivation)와 관련된 문제 때문에 상업적으로 적용되지 않았다.
앞서 논의된 바과 같은 공정에 의해 바이오-디젤을 제조하기 위해 추출된 지질을 이용함과 더불어, 추출된 지질은 블렌딩화제(blending agent)로서 석유 디젤에 직접적으로 첨가될 수 있다. 본 발명의 공정에 의해 회수된 지질은 본원에서 기술된 바와 같이 유리 오일, 지방, 그리스, 트라이글라이세라이드, 다이글라이세라이드, 인지질 및 다른 것을 포함할 수 있다.
탈수된 슬러지 또는 탈수 및 건조된 슬러지로부터 지질 추출 후, 잔존하는 물질은 지질-부재 단백질, 에탄올-포스페이트, 셀룰로스 아세틸글루코신, 아세틸뮤레인 산, 에탄올아민 및 다른 유용한 화학물질을 포함할 것이다. 슬러지의 이들 잔여 성분은 예컨대 상당한 상업적 가치의 추출된 지질이다. 단백질 회수를 위한 특별하고 귀중한 다른 공정은 지질-추출된 잔존하는 슬러지로부터 회수된 단백질이 지질이 없으며 이로 인해 더욱 귀중하다는 사실이다. 산 및 염기의 추가는 지질-부재 잔존 슬러지로부터 종래 기술에서 알려진 바와 같은 단백질의 추출을 간편화할 수 있다. 결정화 또는 산 추출과 같은 통상적으로 사용된 방법은 잔존하는 슬러지 물질로부터 지질-부재 단백질을 추출하기 위해 용이하게 사용될 수 있다. 본 발명과 대비하여, 종래의 단백질 회수 공정 처리는 단백질을 사용하게 되면 지질의 존재로 인해 기술적으로 도전해 볼 만하고 비싸다. 더불어, 종래의 공정에서, 단백질과 함께 제공된 지질은 맛을 전할 수 있으며 종종 불쾌한 화합물 형성의 공급원이다.
슬러지 중에 지질-부재 단백질 물질이 남겨진 지질 제거 공정은 또한 단백질 언폴딩(unfolding)과 같은 단백질의 변형을 초래할 수 있다. 본 발명의 공정으로부터 수득된 지질-부재 단백질은 중합체와 같은 다양한 산업적인 공급 원료의 제조를 위한 신규 공급 원료로서 이용될 수 있다.
지질 추출 및/또는 지질 및 단백질의 연속 추출 후, 바이오-고체 중의 잔여 당 및 화학물질은 알코올을 제조하는데 사용 및 발효될 수 있다.
더불어, 지질 추출 후, 잔존하는 슬러지는 슬러지 처리 공정의 소화 단계 동안 지질이 슬러지 소화의 속도 및 정도를 방해하려는 경향이 있기 때문에 훨씬 더 잘 소화될 것이다.
그 다음, 고체가 30중량%를 초과하도록 슬러지를 건조시키는 것 및 지질을 제거하는 것에 대한 추가 이익은, (단백질 및 다른 화학물질 추출하거나 또는 그러지 않고서) 잔존하는 건조한 슬러지를 전기 또는 열을 제조하기 위한 상업적인 기화기 또는 연소 시스템에 대한 공급원으로서 이용될 수 있다. 관련된 이익은 지질-부재 건조한 슬러지가 또한 축합 가능한 오일로 열 변환되거나 또는 바이오-오일로 열 분해될 수 있는 것이다.
앞서 지적된 바와 같이, 본 발명의 공정으로부터 추출된 지질로부터 제조될 수 있는 주요 생성물은 바이오-디젤 연료이다. 바이오-디젤의 제조에서, 글라이세롤이 또한 제조된다. 제조된 글라이세롤은 또한 우수한 상업적인 가치를 갖는다.
염기 및/또는 산 에스터화를 통해 제조된 바이오-디젤은 지질에 대한 경제적으로 우수한 용도이며, 이는 본 발명의 생물학적으로 처리된 슬러지로부터 추출된다. 그러나, 이들 지질이 다른 산업적으로 다양한 유용한 화학물질을 제조하기 위해 또한 이용될 수 있건, 또는 연료로서 이들은 직접적으로 석유 디젤 연료 및 (고체 및 액체) 다른 연료와 블렌딩될 수 있다.
처리된 폐수 슬러지로부터의 지질-부재 단백질의 추출은 본 발명의 방법으로부터 수득될 수 있는 또 다른 중요한 생성물이다. 이러한 지질-부재 단백질은 동물 사료뿐만 아니라 다수의 산업적인 화학물질을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 중요하게는, 지질을 제거하는 것이 더욱 유용한 생성물인 잔여 단백질을 더욱 잘 만든다. 지질-부재 단백질은 추출, 결정화 및 전자계(electro-based) 분리를 비롯한 다양한 기술을 이용함으로써 농축 및 정화될 수 있다. 이 농축 정제된 지질-부재 단백질은 종래 기술에 잘 공지된 바와 같이 다양한 방법으로 이용될 수 있다. 지질을 제거하면서, 잔여 슬러지는 지질의 악취와 관련된 냄새를 방지할 것이며, 이로 인해 생성물의 저장이 향상될 것이다. 생성물은 또한 다른 고체 기하로 펠릿화 또는 가공 처리될 수 있으며, 가능하게는 영양적 가치의 증가를 위해 다른 단백질 공급원 및 바이타민과 혼합될 수 있다.
추출된 지질 및 후속적으로 추출되는 지질-부재 단백질은 본 발명의 방법에 의해 수득되는 일반적으로 주요한 생성물이다. 더욱 포괄적으로는, 본 발명에 이용된 슬러지에서 발견된 화학물질의 유형이 이하의 것을 포함한다: 지방, 오일, 그리스, 글라이세롤, 에탄올아민, 촐린(choline), 세린, 이노시톨, n-아세틸 글라이코스아민, 퓨린, 피리미딘, 변, 단백질, 당, 호파노이드(hopanoid), 콜레스테롤, 셀룰로스, 헤미셀룰로스(hemicellulose), 리그닌, 알코올, 방향족, 지방족, 페놀, 유기산, 지질, 트라이글라이세라이드, 다이글라이세라이드, 스핑고리피드(sphingolipid), 지방산, 글라세로리피드(glycerolipid), 사이클로글라이세라이드(cycloglyceride), 스테린, 레시틴, 에스터, 토코페롤, 사이아노리피드(cyanolipid), 석유 생성물이 모두 본 발명의 공정에서 공급 원료로서 이용된 슬러지에서 발견된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 주요 중요성 생성물은 바이오-디젤(석유계 디젤에 대한 복구 가능한 대체물), 레시틴(알 및 콩 오일로부터 일반적으로 제조된 상업적인 영양물 및 처리 공정 빌딩 화학물질), 글라이세롤(많은 산업적인 처리 공정에서 넓게 사용되는 화학 공급 원료)을 포함한다.
잘 알려져 있는 추출 유체/방법과 더불어, 액체 석유 유체는 지질을 위한 신규 추출 유체로서 이용될 수 있다. 이러한 액체 석유 유체의 예로는 디젤 연료, 가솔린, 경유, 케로센 및 제트 연료를 포함한다.
추출제로서 가능한 다수의 유용한 화합물 중에서, 열 분해 오일, 바이오-오일 및 썸-오일(therm-oil)이 존재하며, 이들 모두는 추출제로서의 그들의 용도가 신규한 것들이다.
또한, 폐수 플랜트에서 이용된 소화 공정에 훨씬 더 전형적인 유입물보다 소화할 수 있는 부산물이 제조된다. 부산물의 개선된 소화성은 지질 분획물의 제거에 기인한다. 이는 소화의 비율과 범위를 증가시키며, 이로 인해 최종 소화된 생성물 처분 및 그의 품질에서의 증가가 요구되는 슬러지 잔량의 큰 감소가 초래된다.
이하, 폐수 처리 설비로부터 제조된 폐수 슬러지에 적용된 바와 같은 본 발명의 비제한적 예들이다. 물 함량 및 이용된 추출 공정의 유형에 따라, 아래 기술된 일부 처리 단계가 필요하다.
슬러지를 폐수 생물학적인 처리 플랜트 내의 다양한 공급원로부터 수거한다. 이용되는 슬러지 공급원의 예는 1차 슬러지, 스키머(skimmer) 잔여물, 그릿, 2차 또는 폐기물 슬러지 및 바이오-고체를 포함한다. 폐수 플랜트로부터의 이들 슬러지의 제거를 위한 위치는 실제 플랜트의 레이아웃으로 변할 것이지만; 대부분의 경우, 탈수 후 수거(벨트 가압, 원심 분리기, 그릿 챔버, 정화 등)가 처리 공정 동안 취급하는 물의 양을 감축시키는 것이 목표가 될 것으로 계획된다.
(슬러지의 공급원에 근거하여) 선택된 화학적인 추출 공정 및 폐수 처리 플랜트에 의해 소비된 탈수 효과에 따라, 추가의 탈수가 요구될 수 있다. 탈수에 대한 공정의 예로는 원심 분리, 필터 베드, 건조 베드 및 필터 프레스가 포함될 수 있다. 더불어, 헥세인 추출이 선택되면 30% 고체, 바람직하게는 50% 고체, 더욱 바람직하게는 85% 고체에 접근하는 건조가 이용될 수 있다. 이 경우, 스프레이 드라이어 또는 다른 상업적인 건조 유닛이 슬러지 중에 유리 물을 쫓기 위해(drive off) 이용될 수 있다.
화학적인 추출(용매 또는 초임계)은 슬러지에서 지질 분획물을 제거하기 위해 이용될 것이다. 이러한 추출 기술의 예는 헥세인(또는 아이소헥세인), 케톤 추출, 초임계 이산화 탄소 추출 또는 지방족 압축된 기체 추출(예: 프로페인, 뷰테인 또는 둘다의 조합)을 포함한다. 이 처리 공정은 미생물 세포의 파열을 통해 개선된 추출을 촉진시키기 위해 초음파처리(sonification)와 함께 또한 수행될 수 있다.
추출된 지질은 추출물 내의 고체 또는 다른 바람직하지 않은 화학물질 전체를 제거하기 위해 추가로 세정할 것이 필요할 수 있거나, 또는 이용된 슬러지의 공급원에 따라 그럴 필요가 없을 수 있다. 추출된 지질 분획물의 적절한 세정 후, 결과적인 액체를 에스터 교환 공정을 이용하여 바이오-디젤로 가공 처리한다. 이용된 에스터 교환의 실제 유형은 추출물 내에 존재하는 슬러지 공급원 및 유리-지방산의 국한된 지질 조성과 양에 의존할 것이다. 또한, 이 처리 단계는 10부 바이오-디젤 대 1부 글라이세린의 용적 수율 수량에서 슬러지 중에 존재하는 트라이글라이세라이드로부터 글라이세린을 수득할 것이다.
레시틴은 높은 수준의 미생물(예를 들면, 2차 슬러지 및 바이오-고체)을 포함하는 이들 슬러지로부터 또한 추출될 수 있다. 레시틴은 미생물의 주요 성분인 인지질로 주로 구성되는 건강 부가적인 및 상업적인 화학물질 공급 원료이다. 미생물-풍부 슬러지로부터 지질을 추출하는 경우, 실제 추출물은 주로 레시틴으로 구성된다. 이 레시틴-풍부 추출물은 바이오-디젤로 추가로 가공 처리되거나, 또는 레시틴로서 (바이오-디젤로의 변환 없이) 직접적으로 판매될 수 있다. 이 결정은 바이오-디젤의 것과 비교하여 레시틴의 시장 가치의 경제적인 고려에 의해 규정될 수 있다. 예를 들면, 레시틴 시장이 매력적이며 더욱 많은 레시틴의 제조가 요구된다면, 이는 레시틴이 2차 슬러지 및 바이오-고체로부터 또한 제조될 수 있음과 동시에, 바이오-디젤을 1차 슬러지, 그릿 및 스키밍과 같은 슬러지로부터 제조할 수 있다. 레시틴 시장이 호의적인 경우 그러할 수 있지만, 호의적이지 않은 레시틴 시장에서는 바이오-디젤이 추출된 모든 지질로부터 제조될 수 있다는 것이 가능하다. 즉, 레시틴을 위해 사용될 수 있었던 지질은 또한 바이오-디젤로 변환될 수 있다.
지질 추출로부터 남겨진 잔여물은 용이하게 혐기성 또는 호기성으로 소화되는 단백질과 폴리사카라이드로 주로 구성될 것이다. 플랜트 구조에 따라, 이 추출 후 분획물은 레시틴 및/또는 바이오-디젤 제조를 위한 추출될 수 있는 더욱 많은 미생물 세포를 생성하도록 호기적으로 소화되거나, 또는 바이오-기체가 전통적인 슬러지 소화로 달성되는 것보다 일반적으로 높은 비율에서 및 그 정도로 제조되는 공장내의 에너지 공급원로서 제조되는 경우 혐기적으로 소화될 수 있다.
높은 미생물의 조성(즉, 2차 및 바이오-고체)을 가진 슬러지가 레시틴의 제조에 사용되지 않으면, 이들 공급원로부터의 추출물의 처리 공정이 바이오-디젤을 제조하는데 이용될 것이다. 이들 추출물의 에스터 교환 동안, 에탄올아민이 인지질 분자로부터 잔존하는 글라이세린 주쇄로부터 제조될 것이다(지방산 성분이 반응되어 FAMES를 형성할 것이다).
다른 화학 생성물의 회수에 앞서 본 발명에서는, 슬러지 중에 포함된 지질이 우선적으로 추출되어야 한다.
지질은 도시의 생물학적인 처리 작업, 형성된 동물 하우징 폐수 생물학적인 처리 작업 및 산업적이고 생물학적인 처리 작업을 포함하는 다양한 폐수 처리 플랜트로부터 수거된 슬러지로부터 화학적으로 추출된다. 수거되는 슬러지 및 추출된 지질은 그릿, 1차 슬러지, 스키머 슬러지, 2차 (폐기물) 슬러지, 배수 하에 동물 하우징으로부터 수거된 거름 슬러지, 및 바이오-고체를 포함한다. 이들 각각은 비교적 높은 수준의 지질을 포함한다(건조 고체의 2 내지 40중량%). 슬러지로부터의 지질 추출은 당해 분야에 잘 공지된 바와 같은 화학적 추출을 이용함으로써 성취될 수 있다. 이용될 수 있는 추출 기술의 몇몇 예는 헥세인, 아이소헥세인, 케톤, 초임계 유체 및 지방성 기체 추출을 포함한다.
본 발명의 신규 방법은 예컨대 이하의 것들을 포함하는 다양한 생성물을 위한 값싼 복구 가능한 공급원을 제공할 수 있다.
바이오-디젤
추출된 지질 분획물은 모노알킬에스터(바이오-디젤)를 형성하기 위해 에스터 교환 공정(슬러지 중의 유리-지방산의 범위에 따라 염기, 산 또는 둘다의 조합)을 이용함으로써 바이오-디젤의 제조에 사용될 수 있다. 바이오-디젤은 식물유 및 동 물 지방과 같은 생물학적인 공급원로부터 제조된 재생 가능한 에너지 공급원이다. 이는 그의 순수한 형태(B 100으로도 또한 잘 알려져 있는 100% 바이오-디젤)로 또는 석유 디젤과의 블렌드로 이용될 수 있다. 가장 공통의 블렌드는 B20, 또는 20% 바이오-디젤 및 80% 석유 디젤이다. 바이오-디젤은 생물 분해 가능하고 무독성이며, 지구 온난화에 원인이 되지 않는다. 석유 디젤, 화석 연료는 존재하지 않았던 생물권으로의 탄소를 방출하며, 이는 수백만년 동안 다른 화석 연료의 연소와 함께 대기 중에서 유의적으로 "온실 기체"의 수준을 증가시켰다. 바이오-디젤 중에 포함된 탄소가 생물학적인 공급원에서 유래되기 때문에, 이는 지구의 탄소 주기의 일부이며, 이로 인해 이 온실 효과의 원인이 되지 않는다.
바이오-디젤이 거의 모든 디젤 기관에서 작동될 수 있기 때문에, 이는 독점적 석유계 연료의 대체물을 위한 즉각적인 복구 가능한 연료 공급원을 제공한다. 이 연료 공급원의 가치는 잘 인지되어 있다. 각각의 B 100 또는 B-블렌드는 트럭, 중장비, 도시 버스 플리트(fleet), 화물 운송 트레인 및 발전기를 비롯한 다양한 응용에 이용될 수 있다. 방출을 감축시키기 위한 제트 연료를 가진 바이오-디젤의 블렌딩에 의한 항공 수송뿐만 아니라 지면을 위한 바이오-디젤의 사용을 비롯해, 연료 소비의 여러 다른 영역에 관한 연구가 현재 진행되고 있다. 예를 들면, 미국 시애틀시에서는 이곳의 쓰레기 트럭들 중 20대에서 현재 바이오-디젤을 시험하고 있다. 자동차 사업에서, 생성물을 판매하는 역할 중 하나는 대중에게 그의 가능한 속도를 보여주는 것이다. 다수 대안적인 연료의 자동차들은 느리기로 악명 높다. 그러나, "베기 자동차(Veggie Car)"로서 불려지는 공용(publicity-oriented) 자동 차는 100% 바이오-디젤에 의해 동력이 공급되며, 120 mph까지 속도가 가능하다. 이는 임시 소비자에게 이 새로운 연료가 환경을 보호하는 것을 돕기 위해 동력이 포기되어야 한다는 것을 의미하지 않은 것을 증명한다. 유사한 성능 및 즉각적인 엔진 호환성은 석유 디젤의 현재 사용자에게 어떤 것을 더욱 환경 친화적으로 상호교체하기 편리하게 만든다. 바이오-디젤은 일반적으로 1갤런당 1.60 내지 2.75$ 가격 범위에서 판매된다. 디젤 업계는 미국 내에서 경제 활동의 500억$/년을 대변한다. 미국 에너지국에서는 2000년 미국 1년의 총 디젤 사용이 330억 갤런이었던 것으로 추정한다. 바이오-디젤의 신규 저비용의 복구 가능한 공급원은 바이오-디젤 연료의 사용을 확대시키며, 더욱 많은 바이오-디젤-동력화 수송에 대한 개발을 자극하는데 도움이 될 수 있다. 경제 및 환경에 대한 충격은 매우 유의적이다.
본 발명에 따라 폐수 슬러지로부터 추출된 지질로부터의 바이오-디젤의 제조에서, (제조에 앞서 미리 추출된) 지질 또는 오일은 지방산 모노 알킬 에스터(이 제조의 경우, FAME으로서 종종 지칭되는 지방산 메틸 에스터)를 형성하기 위해 1차 알코올(종종 메탄올 [CH30H]) 및 염기(종종 소듐 수산화물, a.k.a. 부식성(caustic) [NaOH])와 반응한다. 이 제조 반응은 다음 식에 의해 요약된다.
부식성
트라이글라이세라이드 + 메탄올 → 메틸 에스터 + 글라이세롤
이 반응은 에스터화 단계로서 분류된다(더욱 정확하게는, 에스터 교환 반응). 오일/지방 100파운드 및 메탄올 10파운드에 대해, 앞서 지적된 에스터 교환 반 응을 위한 중량 균형에 기초하여, FAME 약 100파운드 및 글라이세롤 10파운드가 제조된다. 에탄올은 메탄올 대신 사용될 수 있으며, 이는 메탄올을 사용하여 제조되는 메틸 에스터 대신에 에틸 에스터를 형성한다. 더불어, 다른 염기는 포타슘 수산화물을 비롯해 부식성 화합물로 대체될 수 있다. 트라이글라이세라이드 내에 존재하는 유리-지방산이 (유리-지방산의 비누로의 비누화 반응으로부터 제조된) 과량의 비누 및 다운스트림 분리 문제에 확실하게 대면되지 않도록 모니터링되어야 한다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 공정 작동은 특히 작동적으로 도전해 볼 만하지만 (이성적으로) 불가능하지는 않은 공급 원료의 계속적인 상호교체에 의해 특정한 시약(공급 원료 및 알코올/염기 반응물의 화학적 조성물)에 맞춰진다. 일단 글라이세롤 상이 분리되면, 알코올은 증류 또는 플래쉬 증발을 이용함으로써 바이오-디젤에서 제거한다. 대부분의 공정에서, 바이오-디젤은 여러 물 세척에 대해 하나를 이용함으로써 세정된다. 글라이세롤은 수거되며, 다른 공정에 산업적인 공급 원료로서 판매되거나 또는 제약업계 내에서 판매를 위해 정제될 수 있다. 바이오-디젤 및 알코올은 분리되며, 이로 인해 플랜트 내에서 알코올이 재순환된다. 수거된 바이오-디젤은 당해 분야에 잘 공지된 바와 같이 물 세정, 증류, 건조 및 여과로 구성된 세정 처리를 위한 추가의 가공 처리하는 것을 겪는다.
공급 원료(들)의 선택은 일반적으로 공급 원료 비용이 제조 비용 전체의 60 내지 80%이라는 사실 때문에 형성되는 아마 가장 중대한 공정 결정이다. 더불어, 공급 원료의 장기 이용 가능성은 공정 시약을 선택할 때 또 다른 고려 사항이다. 이 외에, 증가하는 바이오-디젤 시장이 사업 및 제조 계획 개발 동안 얼마나 공급 원료(및 글라이세롤)의 미래 비용에 충격을 가하는 지에 대한 고려가 있어야 한다.
글라이세롤
글라이세롤(글라이세린)은 바이오-디젤 제조의 부산물로서 추출된 트라이글라이세라이드로부터 제조될 수 있다(즉, 염기 에스터 교환). 이의 순수한 형태인 글라이세롤은 달콤한 맛을 갖는 투명하고 무색이며 냄새가 없는 점성 액체이다. 2차 세계대전 후까지, 거의 모든 상업적인 글라이세롤이 비누의 제조에서 또는 지방과 오일의 가수 분해로부터 부산물로서 제조된다. 오늘날, 합성 글라이세롤의 상당량이 프로필렌으로부터 제조된다. 천연의 글라이세롤은 다이너마이트 등급의(grade) 황색 증류된 화학적으로 순수한 글라이세롤과 같은 다양한 등급들로 정화된다. 글라이세롤의 단지 가장 높은 등급은 식품 및 의학에 이용된다. 글라이세롤은 감미료로서 용매로서 다이너마이트, 화장품, 액체 비누, 캔디, 리큐르(liqueur), 잉크 및 윤활제의 제조에 넓게 이용된다. 이는 또한 부동 혼합물의 성분으로서, 항생제의 제조에서 발효를 위한 영양물의 공급원로서, 및 여러 양태의 의학 분야에서 유연한 패브릭을 유지하기 위해 또한 이용된다. 글라이세롤은 오일이 부적합한 상황에서 윤활제로서 이용될 수 있다. 미네랄 오일보다 산화에 더욱 저항력이 있기 때문에 산소 압축기에 사용할 것이 추천된다. 화장품, 식품 및 제약 제조업자가 윤활제를 위해 오일 대신에 글라이세롤을 사용할 수 있으며, 특히 생성물이 윤활제와 접촉할 경우는 더욱 그러하다. 글라이세롤은 담배 제품 내의 습윤제로서 또한 이용된다. 담배의 제조에서, 글라이세롤은 케이스 공정에 대한 주요 해결 주요 부분을 구성하며, 이는 잎이 절단 및 패킹되기 전에 담배 위에 분 무된다. 씹는 담배의 처리 공정에서, 글라이세롤은 단맛을 추가하고 탈수를 방지한다. 이는 담배용 페이퍼에서 가소제로서 또한 이용된다. 바이오-디젤로부터의 글라이세롤의 분리는 당해 분야에서 잘 알려져 있는 비교적 단순한 공정이다. 반응 후 원심분리가 마무리되거나 또는 중력 세틀링은 둘다 우수한 분리를 성취하는데 충분하며, 이는 분리가 얼마나 신속하게 완료되고 목적하는 글라이세롤의 순도가 완료되는지에 따라 달라진다. 글라이세롤은 일반적으로 순도에 따라 0.72 내지 1$/파운드로 판매된다.
레시틴
레시틴은 증가된 수준의 인지질을 함유하는 2차 슬러지 또는 바이오-고체와 같은 높은 수준의 미생물을 포함하는 슬러지로부터 종래 기술에 잘 공지된 공정에 의해 회수될 수 있다. 레시틴은 유화제, 안정화제 및 산화 방지제로서 식품에 넓게 이용된다. 미생물의 대부분의 지질 분획물은 레시틴으로 구성되며, 추출된 지질 분획물로부터의 레시틴의 추출과 정화는 당해 분야에 잘 알려져 있는 공정에 의해 성취된다. 미생물계 지질의 주요 레시틴 성분은 인지질을 포함한다. 레시틴이 물의 첨가 및 원심분리에 의해 대두유로부터 분리된다. 식품 첨가물로서 이용되기 전에 정제된다. 레시틴은 일반적으로 0.50 내지 0.52$/파운드로 판매된다(CMR, 2003).
바이오-기체
지질 제거 후, 결과적인 수용액은 혐기성 또는 호기성 디제스터 내에서 고도로 소화 가능하다. 이 용액의 혐기성 소화는 명목상의 지질 함량을 갖는 전통의 소화 가공 처리 슬러지와 비교할 때 메테인 제조의 증가된 비율 및 정도로 인해 높은 품질의 바이오-기체를 생산할 것이다. 호기성 소화는 바이오-디젤 또는 레시틴 제조를 위한 더욱 많은 지질을 제조하기 위해 추출될 수 있는 더욱 빠른 비율(지질의 제거 때문)에서 더욱 많은 호기성 미생물 세포의 제조를 초래한다. 더불어, 추출된 지질은 호기성 디제스터 내의 포밍(foaming)을 제거하거나 또는 크게 감축시킬 것이다. 유기 생성물의 혐기성 소화 동안 제조된 이 기체 생성물은 이산화탄소로 주로 구성되는 균형으로 일반적으로 40 내지 60% 메테인으로 구성된다. 폐수 처리 사업(및 이 발명의 목적)에서, 바이오-기체는 가장 흔하게는 혐기성 디제스터 내의 폐기물 고체의 소화와 관련된다. 바이오-기체는 일반적으로 기체 시장 가치의 1000입방 피트당 2 내지 8$ 내의 값을 갖는다.
에탄올아민
에탄올아민은 높은 수준의 미생물을 포함하는 지질-풍부 슬러지로부터 수거된 추출물로부터 글라이세린과 함께 제조될 수 있다. 당해 분야에 잘 공지된 바와 같이, 에탄올아민은 인지질의 분열로부터 이들이 에스터 교환 동안 가공 처리됨에 따라 수득될 수 있다. 이 생성물은 세제, 기체 정제, 제초제, 에탄올아민 및 유화제의 제조에 이용된다. 현재, 그것이 수용성 암모니아와 에틸렌 옥사이드의 반응을 통해 제조되고 있다. 전 세계 제조 양은 매년 약 350백만 파운드이다. 본 발명으로부터 제조될 수 있는 에탄올아민의 양은 매년 약 500백만 파운드이다. 현재, 에탄올아민의 비용이 약 0.60$파운드이다.
지질 및 가능한 단백질, 및 본 발명의 방법에 의해 고체와 슬러지로부터의 다른 유용한 화학물질의 초기의 추출 후, 잔존하는 고체 물질은 추가로 가공 처리될 수 있다.
본 발명의 공정으로부터 수득된 결과적인 잔여물 및 처분되는 슬러지의 양에서의 매우 낮으며, 이와 동시에 USEPA의 클래스 A 바이오-고체 기준을 충족하는 슬러지를 제조한다. 이들 슬러지는, 슬러지 중에 존재하는 병원균이 앞서 기술된 처리 단계 하에 물질의 활성적 처리에 의해 전멸 또는 비활성화되기 때문에 클래스 A 또는 임의의 유용성 슬러지 바이오-고체로서 분류될 수 있다. 본 발명의 공정에 의한 클래스 A 또는 임의의 유용성 슬러지 바이오-고체로 변환된 바이오-고체는, 증가된 안정성 및 심각한 냄새 최소화 때문에 통상의 바이오-고체 잔여물보다 더욱 잘 저장될 것이다. 이들 바이오-고체는 동력 또는 열 생성과 같은 산업 용도에서의 연소를 위한 우수한 고체 연료를 제조하는데 이용될 수 있다.
바이오-고체의 처리 특성의 추가 개선 및 포텐셜 병원균의 추가 비활성화를 위한 공정을 포함할 수 있다. 게다가, 바이오-고체는 슬러지 처리를 위해 공지되어 있는 다른 임의의 공정, 예컨대 pH 개질제(염기), 발열 반응물(염기), 감마선 등의 사용에 의해 퇴비화 및/또는 처리될 수 있다. 이러한 추가 처리된 바이오-고체는 여전히 지질을 함유하며, 본 발명의 공정에 의해 추가의 산업적 및 상업적인 사용을 위해 추출될 수 있다. 추출된 지질 및 바이오-고체의 처리로부터의 훨씬 더 많이 안정적인 생성물의 슬러지 가치는 본 발명을 종래의 공정과 구별하게 추가로 설정한다.
본 발명의 공정을 이용하는 바이오-고체 또는 지질 추출 후에 있는 수득된 다른 슬러지의 처리 공정에서, 바이오-고체는 유용한 농작물의 비료 또는 토양 보충물(soil amendment)로서 이용될 수 있다. 유용한 농작물의 지질-부재 비료 또는 토양 보충물은 냄새 생성의 원인인 지질이 나머지 물질 내에 존재하지 않는 점에서 폐수로부터 유도된 다른 비료 생성물보다 상당한 이익을 가질 것이다.
본원에 인용된 모든 참고문헌은 본원에 참고로 인용하고 있다. 본 발명에 대한 변형, 변경 및 추가는 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 분명할 것이고, 이러한 변경 및 추가가 본 발명의 범위 내에 완전히 속할 것이며, 단지 하기 청구의 범위에 의해 제한된다.
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Claims (42)

  1. 화학적 추출을 위한 지질-풍부 공급 원료를 제조하기 위한 방법으로서,
    폐수 스트림으로부터 유도되는 것으로서, 1차 처리 또는 생물학적 처리 동안 생성되는 슬러지를 포함하는 슬러지 성분을 제공하는 단계,
    상기 슬러지 성분으로부터 지질-풍부 성분을 분리시키는 단계, 및
    상기 지질-풍부 성분을 처리하여 지질을 포함하는 이질 추출물을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지질 성분이 유리 지질 및 화학적으로 결합된 지질을 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러지가 생물학적으로 처리된 슬러지인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러지가 생물학적 처리 플랜트-유도된 슬러지인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐수 스트림 및 상기 슬러지로부터 수득된 상기 지질 성분을 찌꺼기(scum) 또 는 1차 슬러지로부터 수득하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 슬러지가 상기 폐수의 1차 처리 동안 수득된 폐수 고체로부터 수득된 성분을 추가로 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1차 처리가 여과, 원심분리, 스크리닝, 중력 분리, 정제 및 건조 베드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 처리 공정을 포함하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 1차 처리가 여과, 원심분리, 스크리닝, 중력 분리, 정제 및 건조 베드를 포함하는 방법.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 1차 처리가 물을 추가로 생성시키며, 상기 물을 후속적으로 바이오-매스(boimass) 또는 활성화 슬러지와 접촉 처리하여 더욱 많은 슬러지를 제조하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러지 성분을 5% 이하의 고체 함량으로 탈수시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탈수된 슬러지 성분에 대해 동일 반응계 에스터 교환을 가하며, 이로 인해 바이오-디젤이 제조되는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러지 성분을 냉각시키는 것 및 상기 슬러지 성분에서 질소를 제거하는 것으로 이루어진 군으로부터 선택된 지질-풍부화 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러지 성분이 부유 물질, 세틀링된(settled) 슬러지, 스크리닝된 물질, 그릿(grit), 1차 슬러지, 2차 슬러지, 바이오-고체(biosolid), 처리된 바이오-고체, 퇴비화 바이오-고체, 열 분해되지 않은 바이오-고체, 동물 거름 및 찌꺼기(litter)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 슬러지를 포함하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러지가 30 내지 100중량% 고체를 포함하여 건조된 슬러지를 제조하는 슬러지 건조 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러지가 60 내지 100중량% 고체를 포함하여 건조된 슬러지를 제조하는 슬러지 건조 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 지질을 건조된 슬러지로부터 추출하여 지질 추출 성분 및 슬러지 잔여 성분을 제조하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 지질 추출 성분을 추가로 가공 처리하여 추출 유체로부터 추출된 지질을 분리시키는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 지질 추출 성분의 추가 가공 처리를, 화학적 용매, 초임계 기체 또는 액체, 헥세인, 아세톤, 액체 석유 생성물 및 1차 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 추출제를 사용하는 추출 공정에 의해 실시하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 추출제가 디젤 연료, 가솔린, 바이오-오일(biooil) 및 열 분해 오일로 이루어 진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 액체 석유 생성물인 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 건조된 지질을 처리하여 바이오-디젤을 제조하는 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 슬러지 잔여 성분으로부터 단백질을 추출하여 단백질 성분 및 최종 슬러지 성분을 제조하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 추출된 단백질이 실질적으로 지질 부재인 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 최종 슬러지 성분을 처리하여 바이오-기체를 제조하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    산업 동력, 열 발생, 전기 동력 또는 합성 기체를 위한 상업 기화기(gasifier) 또는 연소 시스템에 상기 최종 슬러지 성분을 연료 공급원으로서 제공하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 지질-풍부 공급 원료를 추가로 가공하여서 바이오-디젤, 글라이세롤, 레시틴, 바이오-기체, 에탄올아민 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 생성물을 제조하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 생성물이 바이오-디젤인 방법.
  27. 제 20 항에 있어서,
    상기 추가 공정이 염기-촉매 에스터 교환, 산-촉매 에스터 교환, 염기-촉매 에스터 교환과 산-촉매 에스터 교환의 혼성 공정, 동일 반응계 에스터 교환 및 효소 촉매작용으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 지질 성분을 추가로 가공하고 블렌딩화제로서 액체 석유 연료에 직접 첨가하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 액체 석유 연료가 디젤 및 가솔린으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 연료인 방법.
  30. 제 21 항에 있어서,
    상기 최종 슬러지 성분이 클래스(Class) A 또는 임의의 유용한 슬러지인 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 클래스 A 또는 임의의 유용한 슬러지가 동물 사료로서 사용하기 적합한 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 클래스 A 또는 임의의 유용한 슬러지에 첨가제를 제공하되, 상기 첨가제가 단백질, 미네랄, 바이타민 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  33. 유용한 농작물의 비료 또는 토양 보충물(soil amendment), 동물 사료, 산업 열 생성을 위한 바이오-고체, 바이오-기체를 위한 발생 공급원 및 이들의 조합으로서 사용하기 적합한, 제 30 항의 방법에 의해 수득된 클래스 A 또는 임의의 유용한 슬러지.
  34. 석유계 성분, 및 폐수로부터 수득된 슬러지로부터 추출된 지질로부터 제조된 바이오-디젤 성분을 포함하는 바이오-디젤 연료 생성물.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 지질이 폐수 유입물로부터의 슬러지 및 이후에 상기 폐수 유입물의 처리로부터 생성된 슬러지로부터의 지질을 포함하는 바이오-디젤 연료 생성물.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 슬러지가 부유 찌꺼기(scum), 스키머(skimmer) 잔여물, 그릿, 1차 슬러지, 세틀링된 슬러지, 2차 슬러지, 바이오-고체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 슬러지를 포함하는 바이오-디젤 연료 생성물.
  37. 제 34 항에 있어서,
    상기 폐수 슬러지가 도시 폐수 생물학적 처리 플랜트, 산업용 생물학적 처리 플랜트, 동물 사육 작업으로부터의 거름 보유 설비, 동물 사육 설비에서의 폐수 처리를 위한 생물학적 처리 시스템, 부패 탱크 폐수 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 유입물 공급원인 바이오-디젤 연료 생성물.
  38. 제 1 항에 있어서,
    지질을 포함하는 상기 이질 추출물을 추가로 처리하여 바이오-디젤을 제조하는 방법.
  39. 제 1 항에 있어서,
    상기 지질-풍부 성분의 분리 후에 잔존하는 상기 슬러지 성분을 추가로 처리하여 다른 귀중한 화합물질을 추출하는 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 다른 귀중한 화합물질이 실질적으로 지질-부재 단백질을 포함하는 방법.
  41. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬러지 중에 함유된 지질의 포화도를 변화시키는 상기 슬러지 성분의 산화 공정 단계를 추가로 포함하는 방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 산화 공정 단계가 오존화, 퍼옥손 산화 및 펜톤(Fenton) 시약의 사용으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 처리 공정을 포함하는 방법.
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