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KR20190005830A - 삼투 및 혐기성 폐수 처리를 이용한 전력 생산 방법 - Google Patents

삼투 및 혐기성 폐수 처리를 이용한 전력 생산 방법 Download PDF

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KR20190005830A
KR20190005830A KR1020187028228A KR20187028228A KR20190005830A KR 20190005830 A KR20190005830 A KR 20190005830A KR 1020187028228 A KR1020187028228 A KR 1020187028228A KR 20187028228 A KR20187028228 A KR 20187028228A KR 20190005830 A KR20190005830 A KR 20190005830A
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스틴 손더가드 니센
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어플라이드 바이오미메틱 에이/에스
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Abstract

전력 생산 방법이 개시된다. 방법은 유기물을 포함하는 폐수 스트림을 수용하고, 폐수 스트림을 혐기성 소화조로 이동시키며, 혐기성 소화조에서 폐수 스트림에 포함된 유기물은 분해되어 바이오가스를 생산한다. 상기 폐수 스트림의 액상 함량은 상기 스트림이 혐기성 소화조로 도입되기 전에 감소되는데, 이는 폐수 스트림이 삼투 전력 유닛을 통하여 투과되기 때문이다. 상기 스트림은 물은 투과시키고, 염분은 투과시키지 않는 반투과성 막의 일면으로 흐르고, 상기 폐수 스트림보다 고 염도인 액상 스트림은 상기 막의 다른 면으로 흘러, 상기 고 염도의 액상 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지는 전기로 변환된다.

Description

삼투 및 혐기성 폐수 처리를 이용한 전력 생산 방법
본 발명은 전력 생산 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 폐수 및 염분 스트림을 사용하는 전력 생산에 관한 것이다.
화석 연료에 의존하지 않는 신규하고 재생가능한 에너지원에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
재생가능한 연구의 한 분야는 바이오가스 분야이고, 여기서 연소가스(예를 들어 메탄)가 산소가 없는 환경에서 유기물의 분해에 의하여 생산된다.
이 분야의 다른 연구는 압력 지연 삼투(PRO)로 알려진 방법이다. 이 방법에서, 반투과성 막이 사용되어 더 많이 농축된 용액으로부터 덜 농축된 용액을 분리한다. 막은 용매가 덜 농축된 용액(낮은 삼투압을 갖는)으로부터 더 농축된 용액(높은 삼투압을 갖는)으로 삼투에 의하여 이동하도록 하고, 이는 용매가 확산되는 막의 면 상에 압력을 증가시키게 된다. 이와 같은 압력은 전기 생산을 위하여 사용될 수 있다. 적은 수의 PRO 플랜트가 전 세계적으로 가동중에 있고, 이들은 일반적으로 삼투의 구동력으로 염도의 차이를 사용하고, 주로 덜 농축된 용액을 위하여 주입 스트림으로 강 또는 호수로부터의 담수를 사용하고, 더 농축된 용액을 위하여 해수를 사용한다. Helfer et al, J. Membrane Sci. 453 (2014) 337-358은 PRO를 설명하는 리뷰 아티클이다. 주로, 지금까지의 PRO 스킴은 해수와 강물의 혼합을 사용하였고, 파일롯-스케일 플랜트에서, 그 방법은 얻어지는 낮은 전력 밀도 때문에 비경제적이라고 알려졌다. 막의 약 5 W/m2의 전력 밀도는 PRO가 경제적으로 가능한 전력 생산 수준을 나타내는 것으로 제안되었다. 실험실 밖에서, 강물/해수 혼합 스킴에서 기존의 막 기술을 사용하여 이와 같은 수준의 전력 밀도를 얻는 것은 일반적으로 가능하지 않았다.
삼투를 포함하는 방법에서 지하 포메이션에서 확인되는 에너지를 사용하는 것과 관련하여 수많은 시도들이 있었다. WO 2013/164541은 직접 삼투에 의하여 전력을 생산하는 방법을 기술하고 있고, 여기서, 더 농축된 용액은 "생산수"이고, 덜 농축된 용액은 담수 또는 해수이다. 생산수는 탄화수소 생산 동안 탄화수소 스트림으로부터 분리된 후 얻어지는 물이다. WO 2013/164541는 또한 지하 포메이션으로부터 얻어지는 브라인(brine) 스트림은 더 농축된 용액으로 사용될 수 있다고 언급한다.
그러나, 어떠한 알려진 방법도 염분 스트림 및/또는 폐수 스트림에 잠재하는 최대로 가능한 양의 에너지를 회수하지 않는다. 이제 염분 스트림 및 폐수 스트림으로부터 에너지를 추출하는 효율을 증가시킬 수 있는 방법을 발견하였다.
일 면에서, 본 발명은 전력 생산방법을 제공하고, 그 방법은
- 유기물을 포함하는 폐수 스트림을 수용하는 단계,
- 폐수 스트림을 혐기성 소화조로 이동시켜, 폐수 스트림에 포함된 유기물을 분해하여 바이오가스를 생산하는 단계를 포함하고,
폐수 스트림을 삼투 전력 유닛을 통하여 투과하도록 하여, 상기 폐수 스트림의 액상 함량은 상기 스트림이 혐기성 소화조로 들어가기 전에 감소되며, 삼투 전력 유닛 내에서 상기 스트림은 물은 투과시키고, 염분은 투과시키지 않는 반투과성 막의 일면으로 흐르고, 상기 폐수 스트림보다 높은 염도를 갖는 액상 스트림은 상기 막의 다른 면을 흘러, 상기 고염도의 액상 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지가 전기로 변환되는 것을 특징으로 한다.
다른 면에서, 본 발명은
- 폐수 스트림으로의 연결부,
- 염분 스트림으로의 연결부,
- 혐기성 소화조 내의 슬러지를 분해함에 의하여 전력을 생산하기 위하여 배치되는 바이오가스 전력 유닛, 및
- 염분 스트림과 폐수 스트림 사이의 염도 차이를 이용하여 압력 지연 삼투(PRO)를 통하여 전기를 생산하기 위하여 배치되는 삼투 전력 유닛을 포함하고,
- 삼투 전력 유닛에 의하여 농축된 폐수 스트림 아웃풋이 슬러지로의 사용을 위하여 바이오가스 전력 유닛으로 이동하는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템을 제공한다.
또 다른 면에서, 본 발명은 전력 생산 방법을 제공하고, 상기 방법은
- 지열 포메이션으로부터 따듯한 염분 스트림을 추출하는 단계;
- 유기물을 포함하는 폐수 스트림을 얻는 단계;
- 따듯한 염분 스트림에 존재하는 열 에너지를 전기로 변환시키고 및/또는 따듯한 염분 스트림에 존재하는 열 에너지를 사용하여 폐수 스트림의 온도를 증가시키는 단계;
- 상기 염분 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 전기로 변환하고, (i) 삼투 전력 생산 방법의 저 염도 주입 스트림으로 폐수를 사용하고, (ii) 삼투 전력 생산 방법의 고 염도 주입 스트림으로 염분 스트림을 사용함에 의하여 상기 폐수 스트림의 물 함량을 감소시키는 단계; 및
삼투 전력 생산 방법으로부터 나오는 농축된 폐수를 혐기성 소화조로 보내고, 혐기성 소화조에서 바이오가스가 상기 폐수에 포함된 유기물의 분해로부터 생산되는 단계를 포함한다.
도 1은 폐수 스트림이 우선 삼투 전력 유닛을 투과하고, 그 후 바이오가스 전력 유닛으로 이동하는 본 발명의 일 구체예의 개략도를 보여주고,
도 2는 따듯한 살린(saline) 지열 스트림이 삼투 전력 유닛을 통과하기 전에 열교환기를 통과하는 본 발명의 대안적 구체예의 개략도를 보여주고,
도 3은 복수의 삼투 유닛이 사용되는 도 1의 변형을 보여주고,
도 4는 대안적 인풋 스트림을 갖는 도 3의 변형을 보여주고,
도 5는 대안적 아웃풋 스트림을 갖는 도 4의 변형을 보여주고,
도 6은 삼투 전력 유닛을 보여주고,
도 7은 바이오가스 전력 유닛을 보여준다.
본 발명의 방법은 폐수 스트림을 사용하는 에너지 생산의 효율을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 방법은 바이오가스 생산을 위하여 폐수 스트림 내에 존재하는 유기물의 분해 이전에 삼투 전력 생산 방법 내의 저 염도 스트림으로 폐수를 사용한다. 이와 같은 폐수 사용의 순서는 바이오가스 공정의 효율을 증가시키는 것을 돕는다.
산업 및/또는 가정 폐수, 예를 들어 하수는 바이오가스 생산 공정에 사용되기 위한 유기물의 유용한 소스를 제공한다. 그러나, 액상 성분과 비교하여 대부분의 폐수에 존재하는 유기물의 상대적으로 낮은 양은 폐수의 단위 부피당 에너지 생산이 상대적으로 낮음을 의미하게 된다.
추가적인 전력 생산 수단(삼투 전력 유닛 및/또는 열 전력 유닛)을 바이오가스 고정에 포함시킴에 의하여 기대될 수 있는 효율의 증가에 더하여, 본 발명의 방법들은 서로 보완하여 폐수 처리 방법에서 더 높은 효율을 얻는다.
삼투 전력 유닛의 저-염도 주입 스트림으로 폐수를 사용하는 것은 삼투 전력 생산 방법의 당연한 결과로 폐수의 물 함량(즉 반투과성 막을 가로지르는 물의 이동)을 감소시킨다. 이는 폐수 내의 유기물 농도를 증가시키고, 이에 의하여 생산될 수 있는 것 보다 폐수의 단위 부피당 에너지의 양을 증가시킨다. 바이오가스 공정의 효율은 시간에 따라 증가하고, 및/또는 다른 수단을 사용하여 폐수를 농축시키기 위하여 요구되는 에너지는 이에 따라 감소된다.
삼투 전력 생산 방법의 고 염도 주입이 지열 소스로부터 추출되는 따듯한 염분 스트림인 경우, 따듯한 염분 스트림에 존재하는 열 에너지는 폐수의 온도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있고, 또한 반응 속도를 증가시킴에 의하여 바이오가스 고정의 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 방법은 폐수 스트림을 사용한다. 폐수 스트림은 유기물을 포함하는 임의의 산업 또는 도시의 폐수 스트림일 수 있다. 예를 들어, 폐수 스트림은 하수 또는 산업 공정으로부터의 폐수, 예를 들어, 낙농, 맥주 제조, 바이오-기술, 또는 식품제조 분야의 폐수일 수 있고, 이들은 높은 유기 함량, 예를 들어 단백질 함량을 갖는다. 폐수 스트림의 고상 함량은 주로 0.5 wt% 내지 1.5 wt%의 범위이다. 특정 환경에서 폐수 스트림의 고상 함량은 5 wt%까지일 수 있다. 폐수 스트림을 삼투 전력 유닛을 통하여 통과시키는 것은 2 배 이상으로 고상 비율을 증가시킬 수 있다. 삼투 전력 유닛 통과 이후의 폐수 스트림의 고상 함량은 4 내지 8 wt%의 범위일 수 있다. 삼투 유닛을 통과한 이후의 폐수 스트림의 고상 함량은 적어도 4 wt%일 수 있고, 바람직하게는 6 wt%일 수 있고, 바람직하게는 8 wt%일 수 있다. 삼투 전력 유닛을 통과한 이후의 폐수 스트림의 고상 함량은 10 wt%까지일 수 있다.
바이오가스 전력 유닛은 연료로의 사용을 위한 연소가스 특히 메탄을 생산하기 위하여 산소가 없는 환경에서 유기물을 분해하는 유닛으로 정의될 수 있다. 임의의 적절한 바이오가스 전력 유닛이 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 이와 같은 유닛의 중요한 특징은 혐기성 소화조의 존재이고, 혐기성 소화조 내에서 유기물은 분해된다. 이와 같은 혐기성 소화조는 상업적으로 입수 가능하고, 임의의 적절한 타입이 사용될 수 있고, 예를 들어, 회분식 타입 또는 연속식 타입, 단일 또는 복수 스테이지, 중온성 또는 호열성 타입이 사용될 수 있다. 혐기성 소화조에 더하여, 바이오가스 전력 유닛은 바이오가스를 전기로 변환하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 주로, 이 수단은 예를 들어 제너레이터에 연결된 터빈과 같은 내연 엔진일 수 있으나, 임의의 적절한 수단이 사용될 수 있다.
바이오가스 전력 유닛으로의 인풋은 슬러지로 알려진 농축된 폐수 스트림일 수 있다. 슬러지의 고상 함량은 4 내지 8 wt%의 범위일 수 있다. 슬러지의 고상 함량은 적어도 4 wt%일 수 있고, 바람직하게는 적어도 6 wt%, 바람직하게는 적어도 8 wt%일 수 있다. 슬러지의 고상 함량은 10 wt%까지일 수 있다. 본 발명은 삼투 전력 생산 공정을 사용하여 폐수 스트림의 물 함량을 감소시킨다. 고정 파라미터 및 관여되는 스트림의 특성에 따라, 및 슬러지의 요구되는 특성에 따라, 폐수를 삼투 전력 유닛을 통하여 투과한 이후의 슬러지로 변환하기 위하여 폐수 스트림의 추가적인 처리가 요구될 수 있다.
본 발명의 방법은 염분 스트림을 사용한다. 염분 스트림은 지열 포메이션, 염분 포메이션, 또는 다른 고 염분 소스, 예를 들어 해수, 또는 담수화 플랜트로부터의 브라인으로부터 얻어질 수 있다. 상기 스트림은 통상적인 기술, 예를 들어 드릴링 또는 용해 채광 기술과 같은 방법을 사용하여 지상으로부터 추출되고, 일반적으로 삼투 전력 생산을 수행하기 전에 임의의 요구되는 전처리의 대상이 된다. 예를 들어, 고상 물질의 제거를 위한 여과가 필요할 수 있고, 스트림의 정확한 특성에 따라 다른 통상적인 방법이 포함될 수 있다.
염분 스트림의 염분 함량은 포화까지의 임의의 값일 수 있다. 바람직하게는 염분 함량은 적어도 10 wt%, 바람직하게는 적어도 15 wt%, 특히 적어도 20 wt%, 특히 적어도 25 wt%이다. 염분 스트림이 다양한 종류의 용해된 염분을 포함할 수 있고, 주로는 염화나트륨일 수 있음이 이해될 것이고, "염분 함량"은 총 염분 함량을 의미한다. 이와 같은 스트림에 존재하는 염분의 정확한 특성은 중요하지 않다. 유사하게, 고-염도 및 저-염도라는 표현은 이에 상응하는 "염분 함량"을 갖는 스트림을 의미하기 위하여 사용되고, 이와 같은 스트림에 존재하는 염분의 정확한 특성은 중요하지 않다.
삼투 전력 유닛은 삼투를 이용하여 잠재 삼투 에너지를 전기로 변환하는 유닛이다. 임의의 적절한 삼투 전력 유닛이 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 이와 같은 유닛의 중요한 특징은 물은 투과시키고, 용해된 염분은 투과시키지 않는 반투과성 막의 존재이다. 이와 같은 막은 상업적으로 입수 가능하고, 임의의 적절한 막이 사용될 수 있다. 더욱이, 지질 또는 물은 투과시키고 다른 성분은 투과시키지 않는 단백질인 아쿠아포린(aquaporins)을 포함하는 양친매성 고분자에 기반하는 막과 같은 신규한 타입의 막이 사용될 수도 있다. 이와 같은 막은 예를 들어, WO 2004/011600, WO 2010/091078, US　2011/0046074 및 WO 2013/043118에 기술되어 있다.
다른 신규한 타입의 막은 그래핀 기반 막, 예를 들어 Cohen-Tanugi et al, Nano Lett. 2012, 12(7), pp. 3602-3608 및 O'Hern et al, Nano Lett. 2014, 14(3), pp. 1234-1241에 기술된 막을 포함한다. 하나 이상의 막이 존재할 수 있고, 서로 다른 타입의 막들 조합이 사용될 수 있다. 따라서, 삼투 전력 유닛은 하나 이상의 삼투 유닛을 포함할 수 있고, 각각은 반투과성 막을 포함한다. 적어도 하나의 막에 더하여, 삼투 전력 유닛은 삼투에 의하여 생산되는 압력 또는 흐름을 전기로 변환하기 위한 수단을 포함할 것이다. 주로, 이와 같은 수단은 제너레이터에 연결된 터빈일 것이나, 임의의 적절한 수단이 사용될 수 있다.
살린(saline) 주입 스트림에 더하여, 삼투 전력 생산은 염분 스트림보다 저 염도를 갖는 액상 스트림인 주입 스트림을 요구한다. 본 발명에서, 이 저 염도 스트림은 산업 또는 도시의 소스, 예를 들어 하수로부터 얻어지는 폐수이다. 본 발명에 따른 방법의 경제성은 살린 소스가 폐수 처리 플랜트에 인접하여 위치할 때 특히 선호될 수 있다. 본 명세서에서 문맥이 달리 요구하지 않는 한, "저 염도"는 염도 0을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 삼투 방법으로의 초기 인풋은 하나의 고 염도 스트림(염분 스트림) 및 하나의 저 염도 스트림(폐수)이다. 막으로의 투과 이후, 제1 스트림(초기 고 염도)은 염도가 낮아질 것이고, 반면, 제2 스트림(초기 저 염도)은 염도가 높아질 것이다. 막을 1차로 통과한 아웃풋 스트림은 원래의 따듯한 염분 스트림보다 저 염도, 및 원래의 저 염도 스트림보다 고 염도 모두를 가질 것이고, 평형 상태에서, 두개의 스트림은 동일 염도를 가질 것이나, 이는 실제로는 쉽게 발생하지 않는다. 따라서, 아웃풋 스트림이 원래의 막에 의한 제2 투과를 위한 제1 스트림 또는 제2 스트림으로 재사용될 수 있고, 또는 제2 막으로의 제1 스트림 또는 제2 스트림으로 재사용될 수 있다. 이와 같은 재사용되는 스트림은 단독으로 사용되거나, 또는 다른 인풋 스트림과 혼합될 수 있다.
지열 포메이션으로부터의 따듯한 염분 스트림 내의 염분의 고 농도는 다단계 삼투 전력 생산의 사용을 가능하게 할 수 있다. 각각의 단계는 각각의 투과를 위한 초기 인풋 스트림들 사이의 염도 차이에 따른 압력차 및/또는 플럭스 세팅을 가질 수 있다. 이와 같은 방법으로의 압력 및/또는 플럭스 세팅 조절은 특히 복수의 단계들이 지열 포메이션으롤부터의 따듯한 염분 스트림과 함께 사용될 때, 본 발명의 방법의 효율을 증가시킬 수 있다. 삼투 유닛으로부터의 배출 스트림이 저 염도의 초기 인풋 스트림보다 높은 염도를 갖는 한, 추가적인 삼투 유닛을 구동하는 것이 가능하다. 최적의 사이클 수는 스트림의 초기 함량, 막의 효율, 및 선택된 유속에 의하여 달라질 것이다.
본 발명의 방법의 효율은 염분 스트림의 초기 온도 및 압력에 따라 달라질 것이고, 또한 스트림에 포함된 염분의 양 및 특성에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 방법의 효율을 결정하는 다른 중요한 특징은 반투과성 막의 성능일 것이고, 최적화는 두가지 요인의 조합에 따를 것이다: 막을 통하여 얻을 수 있는 물의 플럭스, 및 막이 염분을 제거할 수 있는 효율. 상기한 바와 같이 복수의 삼투 유닛을 사용하는 것으 또한 전체 공정의 효율에 영향을 줄 수 있다.
염분 스트림은 지열 포메이션으로부터 추출되는 따듯한 염분 스트림을 포함할 수 있다. 지열 포메이션은 적어도 45 °C, 바람직하게는 적어도 55 °C의 온도를 갖는 따듯한 염분 스트림을 도출할 수 있다. 예를 들어, 지열 포메이션은 45 °C 내지 70 °C 사이의 온도를 갖는 따듯한 염분 스트림을 도출할 수 있다.
염분 스트림이 따듯한 염분 스트림인 경우에, 본 발명의 방법은 스트림으로부터 열 에너지를 추출하는 단계를 포함할 수 있다. 스트림의 열 에너지는 폐수 스트림의 온도를 올리기 위하여 사용될 수 있다. 스트림의 열 에너지는 폐수가 삼투 전력 유닛을 통하여 통과하기 전, 통과하는 동안, 또는 그 이후에 폐수 스트림의 온도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있다. 폐수 스트림의 온도를 증가시키는 것은 반응 시간을 촉진시킴에 의하여 이어지는 바이오가스 생산 공정의 효율을 증가시킬 수 있다. 반대로, 열 에너지를 폐수 스트림으로 전달함에 의하여 염분 스트림의 온도를 낮추는 것은 삼투 막의 효율을 증가시킬 수 있다. 대안으로, 따듯한 염분 스트림의 열 에너지는 전기를 생산하기 위하여 사용될 수 있다.
스트림의 열 에너지는 전도성 열전달을 사용하여 폐수 스트림을 가열하기 위하여 사용될 수 있다. 폐수 스트림과 염분 스트림 사이의 전도성 열전달은 열교환기 내에서 이루어질 수 있고, 예를 들어 열 전력 유닛에 포함된 열교환기를 통하여 수행될 수 있다. 폐수 스트림과 염분 스트림 사이의 전도성 열전달은 삼투 전력 유닛 내에서 이루어질 수 있고, 예를 들어 막을 가로질러, 또는 내장된 열교환기를 통하여 이루어질 수 있다. 대안으로, 따듯한 염분 스트림의 열 에너지는 폐수 스트림을 간접적으로 가열하기 위하여 사용되는 전기를 생산하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 방법은 (i) 삼투 전력 유닛의 따듯한 염분 스트림 업스트림의 일부와 (ii) 삼투 전력 유닛의 폐수 스트림 다운스트림의 일부 사이에서 열 에너지를 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 열 전력 유닛을 통하여 따듯한 염분 스트림을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 열 전력 유닛은 열 에너지를 전기로 변환하는 유닛으로 정의될 수 있다. 임의의 적절한 수단이 지열 스트림에 포함된 열 에너지를 전기로 변환시키기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 스트림은 열교환기를 포함하는 열 전력 유닛을 통하여 통과될 수 있다. 대안으로, 특히 스트림이 매우 높은 온도 및 높은 압력일 때, 열 전력 유닛은 스팀 제너레이터를 포함할 수 있다. 지열 스트림으로부터 나오는 스팀은 직접적으로 스팀 제너레이터를 구동하기 위하여 사용될 수 있다.
액상 또는 기상 또는 이들의 혼합된 상일 수 있는 따듯한 스트림을 다루는 통상적인 수단들은 잘 알려져 있고, 임의의 이와 같은 수단들은 본 발명에서 사용될 수 있다. 열교환기의 사용은 많은 경우에 바람직하고, 특히 지열 포메이션으로부터 나오는 따듯한 염분 스트림의 초기 온도가 150 °C 미만인 경우 바람직하다. 따듯한 염분 스트림을 열 전력 유닛을 통하여 통과시키는 것은 상기 스트림의 온도를 적어도 50 %까지 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 열 전력 유닛을 통하여 통과시키는 것은 스트림의 온도를 45 °C 내지 70 °C 사이에서 15 °C 내지 20 °C 사이로 낮출 수 있다.
열 전력 유닛이 지열 포메이션과 삼투 전력 유닛으로의 유입부 사이의 유동로에 위치하는 경우에, 열 전력 유닛의 아웃풋은 냉각된 염분 스트림이고, 이는 삼투 전력 유닛으로 이동된다. 더 냉각된(지열 포메이션으로부터의 따듯한 스트림과 비교하여) 염분 스트림은 지열 포메이션으로부터 얻어지는 따듯한 스트림보다 삼투 전력 생산 방법에 더 적합할 수 있다. 예를 들어, 더 냉각된 염분 스트림은 삼투 막의 효율을 증가시키는 결과를 초래할 수 있고, 및/또는 막의 수명을 증가시킬 수 있다. 만약 삼투 전력 유닛이 지열 포메이션과 열 전력 유닛의 유입부 사이의 유동로에 위치하는 경우, 삼투 전력 유닛의 아웃풋은 감소되 염도의 따듯한 스트림이고, 이는 열 전력 유닛으로 이동된다. 삼투 전력 생산 방법 동안 발생하는 따듯한 스트림의 염도 감소는 열 전력 생산 방법 동안 온도 저하에 따른 고상 염분의 침전이 감소되고, 이에 따라 작동 오류를 감소시키고 및/또는 열 생산 방법의 효율을 증가시키는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 구체예는 도 1에 개략적으로 도시되었다. 도 1에서, 염분 스트림(1), 예를 들어 용해 채광을 사용하여 염분 포메이션으로부터 추출된 염분 스트림은 하나 이상의 전처리 단계(2)를 통하여 투과되고, 결과 스트림(3)은 삼투 전력 유닛(4)으로 이동되어, 여기서 물은 투과하고 염분은 투과하지 않는 반투과성 막(미도시)의 일면을 흐르게 된다. 스트림(1)과 스트림(3)보다 저 염도인 폐수 스트림(8)은 예를 들어 하수일 수 있고, 하나 이상의 전처리 단계(9)를 거칠 수 있고, 결과 스트림(10)은 삼투 전력 유닛(4)으로 이동하여, 거기서 반투과성 막의 다른 면에서 흐르게 된다. 삼투 전력 유닛(4) 내에서, 물은 한정된 공간 내에서 증가하는 부피에 의한 압력 증가를 초래하는 반투과성 막을 통하여 스트림(10)으로부터 스트림(3)으로 흐르고, 이 초과 압력은 궁극적으로 도시되지 않은 통상적인 수단에 의하여 전기로 변환된다. 이와 같은 스트림(10) 및 스트림(3) 사이의 물의 이동은 또한 스트림(10)의 물 함량을 감소시킨다. 삼투 전력 유닛(4)으로부터의 아웃풋은 막의 폐수 측으로부터의 제1 배출 스트림(5)과 막의 살린(saline) 측으로부터의 제2 배출 스트림(6)을 형성한다.
제2 배출 스트림(6)은 요구되는 바에 따라 처리되고, 예를 들어, 스트림(1)이 추출되는 지열 포메이션으로, 또는 예를 들어 바다, 강 또는 호수와 같은 물 소스로 재도입됨에 의하여 처리된다. 제1, 폐수, 배출 스트림(5)은 바이오가스 전력 유닛(7)으로 이동되고, 거기서, 혐기성 소화조로 유동하고, 분해되어 예를 들어 메탄을 생산하고, 그 후, 도시되지 않는 통상적인 수단에 의하여 전기로 변환된다. 소화(digestate) 스트림(11)은 바이오가스 전력 유닛으로부터 나와 요구되는 바에 따라 처리될 수 있다. 도 1의 염분 스트림은 용해 채광 공정의 일부로서, 예를 들어 염돔 또는 암염 포메이션과 같은 염분 포메이션으로부터 추출될 수 있다.
대안적 구체예가 도 2에 도시된다. 유사 인용 번호는 유사 구성을 의미한다. 도 2에서, 지열 소스로부터의 따듯한 염분 스트림(1)은 하나 이상의 전처리 단계(2)를 통과하고, 결과 스트림(18)은 열교환기(19)로 이동된다. 열 교환기(19)에서, 열 에너지는 추출되고, 궁극적으로 도시되지 않는 통상적인 수단에 의하여 전기로 변환되고, 따듯한 염분 스트림(18)은 냉각되고, 냉각된 염분 스트림(3)으로서 배출된다. 스트림(3)은 삼투 전력 유닛(4)으로 이동되고, 방법의 나머지는 도 1을 위하여 상기한 바와 같다.
대안적 구체예에서, 도시되지는 않았으나, 따듯한 염분 스트림은 삼투 전력 유닛을 먼저 통과하고, 이후 열교환기를 통과한다.
도 3은 도 1의 방법의 변형을 보여주고, 삼투 전력 유닛(4)은 본 발명에 따르는 전력 생산 시스템에 직렬로 연결된 복수의 삼투 유닛(4a, 4b, 4c)을 포함한다. 도 3에서, 유사 인용번호들은 도 1에 도시된 유사 구성을 의미한다. 도 1과는 다른 도 3의 구체예의 구성들만이 언급될 것이다. 각 삼투 유닛(4a, 4b, 4c)은 반투과성 막(미도시)을 포함하고, 이는 물은 투과시키고, 염분은 투과시키지 않는다. 원래의 고 염분 스트림(3)은 반투과성 막의 일 면을 흐르고, 저 염도의 폐수 스트림(10)은 다른 면을 흐른다. 물 함량이 원래의 폐수 스트림(10)보다 낮은 삼투 유닛(4a)로부터의 아웃풋 스트림(5a)은 제2 삼투 유닛(4b)으로 주입되고, 거기서 반투과성 막의 일면으로 흐른다.
고 염도의 제2 인풋 스트림(3b)은 하나 이상의 전처리 단계(2)를 통한 통과 이후에 염분 스트림(1)으로부터 얻어진다. 스트림(5a)과 스트림(3b) 사이의 염도 차이가 스트림(10)과 스트림(3a) 사이의 염도 차이보다 낮지만, 여전히 염도의 차이가 있고, 전기는 삼투에 의하여 생산될 수 있다. 삼투 유닛(4b)으로부터의 아웃풋 스트림(5b)은 원래의 폐수 스트림(8)보다 높은 염분 함량/낮은 물 함량을 갖는데, 이는 제3 삼투 유닛(4c)로 주입되고, 여기서 더 높은 염도 인풋 스트림(3c)로부터 반투과성 막의 다른 면으로 흐르게 된다. 스트림(5b)와 스트림(3c) 사이의 염도 차는 스트림(10)과 스트림(3) 사이, 또는 스트림(5a)과 스트림(3b) 사이의 염도 차이보다 낮으나, 여전히 염도 차이가 있고, 전기는 삼투에 의하여 생산될 수 있다. 도 3의 방법으로부터의 아웃풋 스트림은 고 염도 배출 스트림(6a, 6b, 6c)이고, 이들 스트림은 요구되는 바에 따라 처리될 수 있다. 폐수 스트림의 최종 아웃풋은 도 1에서 논의된 바와 같이 바이오가스 전력 유닛(7)으로 이동될 수 있다.
도 4는 도 3의 변형을 보여주고, 상대적으로 저 염도 폐수의 인풋 스트림(10a, 10b, 10c)이 분리된 인풋 스트림(8a, 8b, 8c)로 제공되고, 각각은 하나 이상의 전처리 단계(9a, 9b, 9c)를 거친다. 각 삼투 유닛(4a, 4b, 4c)의 고 염도 아웃풋(6a, 6b, 6c)은 다음의 삼투 유닛(4b, 4c)으로 주입되어 막의 고 염도 측에서 사용된다.
도 5는 도 4의 변형을 보여주고, 여기서 아웃풋 스트림은 다른 방법으로 처리된다. 삼투 유닛으로부터의 배출 스트림(5a, 6a)은 합쳐지고, 합쳐진 스트림의 적어도 일부는 삼투 유닛(4b)로의 인풋 스트림(12)으로 제공된다. 합쳐진 스트림(12)은 원래의 인풋 스트림(3)의 염분 함량보다 낮은 함량을 가질 것이고, 스트림(12)과 스트림(10b) 사이의 염도 차이가 스트림(3)과 스트림(10a) 사이의 염도 차이보다 낮으나, 여전히 염도에 차이가 있으므로, 전기는 삼투에 의하여 생산될 수 있다. 유사하게, 삼투 유닛(4b)으로부터의 배출 스트림(5b, 6b)는 합쳐지고, 합쳐진 스트림의 적어도 일부는 삼투 유닛(4c)으로의 인풋 스트림(13)으로 제공된다. 삼투 유닛(5c)의 저 염도 아웃풋(5c)은 그 후 도 1을 위하여 상기한 바와 같이 바이오가스 전력 유닛(7)으로 이동될 수 있다.
도 3, 4, 및 5는 각각이 반투과성 막을 포함하는 3 개의 삼투 유닛으로 이루어진 삼투 전력 유닛을 보여주고 있으나, 임의의 적절한 수의 유닛이 사용될 수 있고, 선택은 기술적 및 경제적 요인의 조합에 의하여 결정된다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 염분 스트림(1)의 초기 염도가 높으면, 사용될 수 있는 삼투 유닛의 수가 증가한다.
도 6은 도 1의 삼투 전력 유닛(4)을 보다 구체적으로 보여준다. 예를 들어 염분 포메이션 소스(예를 들어 도 1의 스트림(3)일 수 있음)의 지열로부터의 살린 인풋 스트림(20)은 물은 투과하고 염분은 투과하지 않는 반투과성 막(22)을 포함하는 삼투 유닛(21)으로 이동되고, 막(22)의 일면으로 흐른다. 스트림(20)보다 낮은 염도를 갖는 폐수 스트림(23)(예를 들어 도 1의 스트림(10)일 수 있음)은 삼투 유닛(21)으로 들어가고, 막(22)의 다른 면을 흐른다. 화살표(24)는 막(22)을 가로지르는 삼투에 의한 물의 이동 방향을 보여준다. 원래의 인풋 스트림(23)으로 이루어지고, 이제 더 적은 물을 포함하고 있는 아웃풋 스트림(25)은 삼투 유닛(21)으로부터 배출된다. 원래의 인풋 스트림(20)으로 이루어지고, 이제 더 낮은 염분 농도(스트림(23)으로부터의 추가적인 물의 존재에 의하여)를 갖는 아웃풋 스트림(26)은 제너레이터(28)를 구동하고 따라서 전기를 생산하는 터빈(27)을 통하여 삼투 유닛(21)으로부터 배출된다.
도 7은 도 1의 바이오가스 전력 유닛을 보다 구체적으로 보여준다. 예를 들어 하수 슬러지(예를 들어 도 1의 스트림(5)일 수 있음)와 같은 슬러지 스트림(33)은 바이오가스 전력 유닛(32)으로 이동되고, 이에 포함된 두개의 혐기성 소화조(34) 중 하나 또는 다른 곳으로 유동한다. 밀폐된 혐기성 소화조(34) 내에서, 미생물은 폐수 내에 포함된 유기물을 바이오가스(예를 들어 메탄 및 이산화탄소)로 변환시키고, 소화한다. 그 후, 바이오가스 스트림(36)은 바이오가스를 전기 및/또는 열로 변환하기 위하여 예를 들어 가스 터빈과 같은 내연 엔진(37)으로 이동된다. 바이오가스가 요구되는 바에 따라 사용될 수 있는 전력의 소스라는 것은 이해될 것이다. 소화 스트림(30)은 요구되는 바에 따라 처리되기 위한 바이오가스 전력 유닛(32)으로부터의 아웃풋이다.

Claims (17)

  1. - 유기물을 포함하는 폐수 스트림을 수용하는 단계,
    - 폐수 스트림을 혐기성 소화조로 도입하여, 이에 포함된 유기물을 분해하여 바이오가스를 생산하는 단계를 포함하고,
    폐수 스트림을 삼투 전력 유닛을 통과시킴에 의하여 상기 폐수 스트림의 액상 함량은 상기 스트림이 혐기성 소화조로 도입되기 전에 감소하고, 삼투 전력 유닛 내에서 상기 스트림은 물은 투과시키고, 염분은 투과시키지 않는 반투과성 막의 일 면으로 흐르고, 상기 폐수 스트림보다 고 염도의 액상 스트림은 상기 막의 다른 면으로 흘러, 고 염도의 상기 액상 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지가 전기로 변환되는 것을 특징으로 하는 전력 생산 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 지열 포메이션으로부터 따듯한 염분 스트림을 추출하고, 상기 염분 스트림을 고 염도의 액상 스트림으로 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 따듯한 염분 스트림은 적어도 45 °C의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 따듯한 염분 스트림은 적어도 55 °C의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 열 에너지를 따듯한 염분 스트림으로부터 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 고 염도의 액상 스트림은 적어도 10 wt%의 염분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 고 염도 액상 스트림은 적어도 15 wt%의 염분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 폐수 스트림은 삼투 전력 유닛을 통하여 투과되기 전에 5 wt%까지의 고상 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 폐수 스트림은 삼투 전력 유닛 투과 전에 0.5 내지 1.5 wt% 범위의 고상 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 폐수 스트림은 삼투 전력 유닛 투과 후에 4 내지 8 wt% 범위의 고상 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 삼투 전력 유닛에 의하여 생산되는 전기는 폐수 처리 방법의 다른 단계를 구동하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 폐수는 도시의 폐수 또는 산업 폐수인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 폐수는 하수인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 삼투 전력 유닛은 하나 이상의 삼투 유닛을 포함하고, 각각은 물은 투과시키고 염분은 투과시키지 않는 반투과성 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 하나의 삼투 유닛으로부터의 아웃풋 스트림은 제2 삼투 유닛을 위한 인풋 스트림으로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. - 폐수 스트림으로의 연결부,
    - 염분 스트림으로의 연결부,
    - 혐기성 소화조 내의 슬러지를 분해함에 의하여 전력을 생산하기 위하여 배치되는 바이오가스 전력 유닛, 및
    - 염분 스트림과 폐수 스트림 사이의 염분 차이를 이용하여 압력지연 삼투(PRO)를 통하여 전기를 생산하기 위하여 배치되는 삼투 전력 유닛을 포함하고,
    삼투 전력 유닛에 의하여 농축된 폐수 스트림 아웃풋은 슬러지로서의 사용을 위하여 바이오가스 전력 유닛으로 이동되는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
  17. - 지열 포메이션으로부터 따듯한 염분 스트림을 추출하는 단계;
    - 유기물을 포함하는 폐수 스트림을 얻는 단계;
    - 따듯한 염분 스트림에 존재하는 열 에너지를 전기로 변환하고 및/또는 따듯한 염분 스트림에 존재하는 열 에너지를 사용하여 폐수 스트림의 온도를 증가시키는 단계;
    - 상기 염분 스트림에 존재하는 잠재 삼투 에너지를 전기로 변환하고, (i) 삼투 전력 생산 방법의 저 염도 주입 스트림으로 폐수를 사용하고, (ii) 삼투 전력 생산 방법의 고 염도 주입 스트림으로 염분 스트림을 사용함에 의하여 상기 폐수 스트림의 물 함량을 감소시키는 단계; 및
    삼투 전력 생산 방법의 결과로 농축된 폐수를 혐기성 소화조로 보내고, 혐기성 소화조에서 상기 폐수에 포함된 유기물의 분해로부터 바이오가스가 생산되는 단계를 포함하는 전력 생산방법.
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