【発明の詳細な説明】
廃水処理のための方法および装置
１．発明の概説
本発明は、廃水を処理するための方法に関するものであり、また、廃水の処理
のための装置に関するものである。本発明は、また、廃水を処理するための処理
プラントに関するものである。本発明は、家庭用から大規模産業プラントにまで
の幅広い廃水プラントに、さらには、大きく汚染された廃水の処理に対してさえ
も、応用することができる。本発明は、また、生物工学の分野や生物学的プロセ
スに対しても応用することができる。
２．序
他の生物学的プロセスと同様に、生物学的廃水処理は、長期にわたってまた広
域にわたって自然現象として起こることを、限られた時間と空間において具現し
ている。１９世紀末から２０世紀初頭の時点で応用されて以来、廃水処理プラン
トやバイオリアクタに対しては、要求される時間および空間の低減化、および、
性能および経済性の向上が、要望されている。
３．発明の概要
本発明においては、生物学的プロセスのための方法および廃水処理のための方
法が提案される。この方法は、２つまたはそれ以上の濾過／曝気素子（または、
フィルタ／曝気器素子）を使用して、廃水の濾過と曝気とを同時的に行うことに
よって特徴づけられる。各々の濾過／曝気素子については、加圧ガスの供給と排
出とが交互的になされる。この方法は、二次的な沈澱タンクを必要とせずあるい
は一時的な沈澱タンクさえも必要とせず、および／または、他の固体／液体分離
デバイスを必要とせず、廃水を処理するという利点を有している。この方法は、
また、繊維状生物やスラッジバルクによって引き起こされるような中断を、起こ
すことがない。本方法は、また、バイオリアクタおよび／または好気性タンク内
における微生物の量および濃度を大きいままに維持することによって、効率を向
上させる。
本方法の他の利点は、他の好気性生物工学プロセスにおいて、また、曝気およ
び／またはオゾン化と濾過とを交互に行ういくつかのタイプの水処理プラントに
おいて、使用可能であることである。
加圧ガスは、オゾンや他の酸化性成分を含有することができる、空気または酸
素とすることができる。加圧ガスは、間欠パルスまたは脈動流または定常流また
はこれらの任意の組合せの形態で、供給することができる。
各曝気／濾過素子を曝気または濾過に使用する時間の比は、動作に対する要求
に応じて、１〜９９％にわたって変化させることができる。濾過／曝気素子の、
曝気という動作モードから濾過という動作モードへと変化する周波数は、動作に
対する要求に依存する。濾過／曝気素子は、処理タンク内に含浸することができ
る、あるいは、外部に設置することができる。
本発明のさらなる見地においては、廃水処理のための装置が提案される。この
装置は、各々が、関連した加圧ガス供給と関連した流出物排出とが行われる２つ
またはそれ以上の曝気／濾過素子を具備している。ガス供給および排出は、バル
ブによって、使用時にガス供給と排出とが交互的に行われるように、制御される
。任意の時点において、１つまたは複数の選択された素子に対しては、加圧ガス
供給が行われ、かつ、残りの素子に関しては排出が行われる。濾過／曝気素子が
処理タンク内に浸漬されている場合には、曝気器として使用されている曝気／濾
過素子からの加圧ガスが、曝気／濾過素子の濾過表面上において最適のクリーニ
ング作用をもたらすように、構成される。濾過／曝気素子が処理タンクの外部に
配
置されている場合には、濾過素子を通すよりも先に、液体流を曝気素子に案内す
るようにして、構成される。
このような素子を使用することにより、非常にコンパクトな廃水処理プラント
または生物学的処理プラントを構成することができる。よって、同等の効率およ
び品質を得るために、活性スラッジプラントといった従来技術によるプラントと
比較して、サイズを９５％にまで低減することができる。
曝気／濾過素子は、曝気という動作モードと濾過という動作モードとを交互的
に行うことのために、自己クリーニング型フィルタをなす。
曝気／濾過素子は、様々な形状や構成とすることができ、構成は、端部閉塞型
曝気／濾過素子から、流れが貫通する自己ハウジング型多チャネル式曝気／濾過
素子までにわたって、変化することができる。
曝気／濾過素子は、様々な有機材料および無機材料、特に、セラミクスから構
成することができる。
ポアサイズは、０．０００１マイクロメートル〜２００マイクロメートルにわ
たって変化することができる。ポアサイズが小さいということは、浸透性が小さ
いことを意味し、そのため、表面積を大きくしたり、印加圧力を大きくしたり、
あるいは他の手段を講じる必要がある。しかしながら、浸透物の質が向上すると
ともに、プロセスが安定するという結果ももたらす。
本発明を具現化した廃水処理プラントまたは他の生物工学プロセスプラントの
構成に際しては、多くの他のパラメータを考慮しなければならない。このような
要因としては、経済性および効率に対する要求、製品品質に対する要求、プラン
トのサイズ、廃水の液圧負荷および有機物負荷、および、プラント容量、がある
。これら要因を考慮すれば、複数の曝気／濾過素子と開放チャネルとからなる配
列
から、プラントを構成することができる。フィルタとして動作している曝気／濾
過素子の表面上に対してのまたはチャネル上に対してのガスバブルによるクリー
ニング作用を増大させつつ、同時に多数の素子の動作を制御するために、入口パ
イプおよび出口パイプを並列にまたは直列にまたはこれらを組み合わせて接続す
ることによって、曝気／濾過素子に対して、加圧ガス供給を行ったり排出を行っ
たりすることができる。上記要因、処理タンクの深さ、ガス供給圧力、および、
多孔質媒体のガス流通特性および液体流通特性を考慮することにより、プラント
の形状および構成が決定される。
廃水処理プラントにおいては、２つのタンクを連結し、上記のような曝気／濾
過素子を内部または外部に設置し、１つのものを炭素酸化および窒素化合のため
の好気性のものとしかつ他のものを窒素解離および嫌気性消化のための多領域構
成とした２つのタンク間に、スラッジおよび廃水の循環を形成することが有利で
ある。両タンクまたは両バイオリアクタには、特定の大きな表面積の媒質が収容
される。これにより、バイオリアクタ内におけるバイオマスの保持時間の長さの
維持、および、媒質表面上に付着したバイオマス成長による、タンクの揮発性固
体成分の増大化、を行うことができる。
本発明による処理プラントは、非常にコンパクトである、好気性領域のために
スラッジ形成量が少ない、多の有機成分とともに窒素を取り除ける、生物の収容
容量が大きい、および、動作および操作が容易である、といった利点がある。本
発明による処理プラントは、また、市町村規模の廃水から重工業産業における廃
水に至るまでの様々な程度の廃水を処理することができる。曝気／濾過配列は、
有効な曝気、流出物の品質の良好さ、システム内における固体保持性の高さを確
保する。
本発明において２つのタンクすなわちバイオリアクタを上記のように組み合わ
せることによる利点は、多数ある。好気性バイオリアクタは、窒素化合をもたら
し得るだけでなく、流出物から製造された窒素ガスを抽出するために通常は窒素
解離後に行われる二次的作業を行うことができる。この構成であると、また、２
つのバイオリアクタ間において、循環流に対してのｐＨ調整が容易である。窒素
化合のために使用される酸素は、また、窒素解離ステップにおいて回復される。
好気性バイオリアクタおよび多領域バイオリアクタは、付着された成長と懸濁
された成長との組合せを利用することにより、懸濁された成長、付着された成長
、あるいは、混合した成長を有したバイオリアクタとすることができる。
両バイオリアクタは、嫌気性バイオリアクタにおける嫌気性領域を除いては、
シールすることができる。嫌気性バイオリアクタは、空気が好気性タンクに入ら
ないようにすることによって爆発の危険性を避けるために、頂部に生物ガス収集
手段と取出手段とを設けるとともに循環流経路に空気トラップを設けたシールリ
アクターとすべきである。
曝気器／フィルタユニットまたは配列がバイオリアクタの外部に設置されたと
きには、適切な沈澱デバイスを、好気性バイオリアクタの頂部にまたは近傍に、
配置することができる。これにより、曝気／濾過素子配列に流入する前に、液体
中に懸濁した固体成分を減少させることができる。図面の簡単な説明
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を具現した２つの曝気／濾過素子を概略的に示す図である。
図２は、本発明を具現した自己ハウジング型多チャネル式曝気／濾過素子を概
略的に示す断面図である。
図３は、本発明を具現した自己ハウジング型曝気／濾過素子におけるいくつか
の可能なチャネル形状を概略的に示す図である。
図４は、本発明を具現した自己ハウジング型曝気／濾過素子のいくつかの可能
な形状を概略的に示す図である。
図５は、本発明を具現した曝気／濾過素子の配列を概略的に示す図である。
図６は、本発明を具現した自己ハウジング型多チャネル曝気／濾過素子の配列
を概略的に示す図である。
図７は、本発明を具現した処理プラントを概略的に示す図である。本発明の実施における最適のモード
図１を参照すると、２つの曝気／濾過素子１，２は、特定のポアサイズを有し
た多孔性材料から形成されている。各素子には、２つのパイプが連結されている
。１つは、加圧ガスを供給するためのもので、他は、排出物の排出のためのもの
である。加圧ガスは、ガスバルブ４を介してパイプ３を通して素子１に対して供
給される。素子２に対しては、加圧ガスは、ガスバルブ６を介してパイプ５を通
して供給される。浸透した液体といった排出物は、素子１からは、排出バルブ８
を介してパイプ７を通して排出され、素子２からは、排出バルブ１０を介してパ
イプ９を通して排出される。使用時においては、両素子は、タンク内に浸漬され
る、あるいは、処理タンクの外部に設置される。
一方の素子が曝気器として動作しているときには、他方の素子は、フィルタと
して動作することとなる。例えば、素子１が曝気器として動作する際には、ガス
バルブ４が開放され、かつ、排出バルブ８が閉塞される。ガスは、素子１の内部
へと加圧により押し込まれ、ポアを通して強制的に送り込まれる。これにより、
周囲の液体が曝気される。
素子２がフィルタとして動作する際には、排出バルブ１０が開放され、かつ、
ガスバルブ６が閉塞される。濾過された液体は、ポアを通して素子２の内部に浸
透し、排出パイブ９を通って排出される。
所定時間の経過後に、ガスバルブおよび排出バルブの開閉状況が逆転される。
これにより、素子１がフィルタとして機能し、素子２が曝気器として機能するよ
うになる。
濾過から曝気への動作モードのスイッチングは、フィルタとして機能していた
素子のポアに形成されたケーキがクリーニングされることとなる。加えて、加圧
ガスが、しばしば、ポアの詰まりを解除する。
実際には、双方の曝気器／フィルタ素子は、互いに異なる形状や構成を有する
ことができる。本発明のさらなる見地においては、このような構成の一例を採用
している。曝気器／フィルタ配列が処理タンクに対して外部設置される場合には
、曝気器／フィルタ配列において、自己ハウジング型（ハウジング一体型）曝気
器／フィルタ素子を使用することが、特に好ましい。
このような素子／モジュールの１つの重要な利点は、浸透物の収集のための個
別のハウジングを一切使用しなくても済むことに由来した、コストの低さである
。このような曝気器／フィルタ素子は、様々な材料から形成することができ、と
りわけ、セラミクスのような無機材料から形成することができる。
図２は、自己ハウジング型曝気器／フィルタ素子を示す概略的な断面図である
。支持層１１は、スキン層１２よりもずっと大きなポアを有している。支持層１
１は、また、素子のバルク部分の大部分を占めている。一方、スキン層１２は、
非常に薄い。スキン層は、素子／モジュールチャネルの表面上に位置している。
チャネル１３のような、チャネルの大部分のものは、小さなポアを有したスキン
層を備えている。濾過されるべき液体は、このようなチャネル内を流通する。チ
ャネル１４のような、いくつかのチャネルは、スキン層を有しておらず、支持層
と同程度の大きなポアを有している。よって、支持層の大きなポア内へと、チャ
ネル１３のスキン層のポアを通って浸透する濾過物は、チャネル１４内へと流れ
込み、その後、チャネル１４を通して素子から排出される。素子１５の外表面上
におけるポアは、適切な手段によって閉塞されており、濾過されたものが浸透で
き
ないようになっている。曝気時には、ガスが、チャネル内へと強制的に送り込ま
れる。送り込まれたガスは、支持層およびスキン層を挿通して、チャネル１３の
内部を流通している液体流の中へと到達する。チャネルの始点および終点におい
ては、表面上にスキン層を有したすべてのチャネルは、互いに連結されており、
１本のチャネルを形成している。残りのチャネルも、また、素子／モジュール１
５の一端においてまたは両端において、１本のチャネルを形成するよう互いに連
結されている。自己ハウジング型曝気器／フィルタ素子の各々は、２００本のあ
るいは３００〜４００本のチャネルを有することができる。このようなチャネル
の大部分のものは、表面上にスキン層を有したタイプのものである。自己ハウジ
ング型曝気器／フィルタ素子のチャネルは、使用目的や他の動作パラメータに依
存して、異なる形状を有することができる。
図３は、いくつかの可能なチャネル形状を示している。薄い移行層を、支持層
とスキン層との間に配置することができる。移行層は、スキン層のポアサイズよ
りも大きくかつ支持層のポアサイズよりも小さな、ポアサイズを有している。実
際には、２つまたはそれ以上の曝気器／フィルタ素子は、より大きな曝気／濾過
配列またはモジュールを形成することができて、各ユニット内において、より大
きな曝気／濾過領域を形成することができる。自己ハウジング型素子は、図４に
示すように、使用目的や動作パラメータに依存して、異なる形状とすることがで
きる。
自己ハウジング型曝気器／フィルタ素子を使用したときに曝気および濾過の交
互的な機能や、曝気／濾過素子を通しての流通を得るためには、２つまたはそれ
以上の素子が必要である。液体流は、常に、まず最初に曝気素子へと案内される
。そして、曝気素子を流通する液体流内へと多くの量のガスバブルを注入するこ
とにより、濾過素子チャネル内における交差流速を増大させるとともに、濾過素
子チャネル内における横方向空気バブル移動によって、流通粘性を低減させて横
方向混合効果を増大させる。多孔質素子は、濾過素子チャネル内におけるガスバ
ブルの流通によるクリーニング動作を改良するために、水平にまたは鉛直に配置
す
ることができる。タイムコントローラに接続された１組のバルブは、曝気機能を
一方の素子から他方の素子へと移行させるとともに最初の曝気素子に対して液体
流を案内するのに必要な手段をなす。
実用的には、異なる形状とするとともに、表面積を大きくすることで自己クリ
ーニング性を補助し得るよう構成された曝気／濾過素子の数を多くすることがで
きる。図５は、符号１６によって示された開放チャネルによって互いに隔離され
た素子配列内に含有された、素子１，２を示している。液体は、開放チャネル内
を流通することができる。これにより、液体は、曝気素子により液体内に注入さ
れるガスに対して、有効に混合することができる。配列が処理タンク内に含浸さ
れている場合には、混合された液体およびガスバブルは、開放チャネル１６から
、直接的に、タンク内のバルク液体の内部へと流通する。図６に示す配列が処理
タンクの外部に設置されている場合には、チャネル１６からの曝気された液体は
、集められて、パイプを通して処理タンクの底部へと案内される。他のパイプを
通して、液体は、タンクから、配列内のチャネル１６の他端へとまた他の開放チ
ャネルへと、搬送される。
２つの隣接している素子列どうしの間で曝気操作と濾過操作とが入れ替わるこ
とによって、素子の表面およびポアのクリーニングが補助され、ケーキ形成を阻
止するようフロックが運び去られる。
個々の素子にバルブを設ける必要はなく、配列は、各々が１つまたは複数の加
圧ガスバルブと１つまたは複数の排出バルブとによって制御されるいくつかの素
子群から構成することができる。配列内において、ある時点において曝気器とし
て機能している素子の比率は、設計パラメータに応じて、５〜９０％にわたって
変化させることができる。
図６は、配列内における自己ハウジング型多チャネル曝気器／フィルタ素子の
構成を概略的に示している。曝気器／フィルタ素子１７，１８，１９，２０は、
特定のポアサイズおよび表面積を有した多孔質材料から形成されている。各素子
には、２つのパイプが連結されている。１つは、加圧ガスを供給するためのもの
で、他は、浸透物の排出のためのものである。加圧ガスは、ガスバルブ３７を介
してパイプ３８を通して素子１９に対して供給される。素子２０に対しては、加
圧ガスは、ガスバルブ４６を介してパイプ４７を通して供給される。浸透した液
体すなわち濾過製品といった排出物は、素子１９からは、排出バルブ３５を介し
てパイプ３６を通して排出され、素子２０からは、排出バルブ４４を介してパイ
プ４５を通して排出される。一方の素子が曝気器として動作しているときには、
他方の素子は、フィルタとして動作することとなる。例えば、素子１９が曝気器
として動作する際には、ガスバルブ３７が開放され、かつ、排出バルブ３５が閉
塞される。ガスは、多孔性構造を通って素子１９のチャネル内へと加圧により押
し込まれ、ポアを通して強制的に送り込まれる。これにより、素子１９内のチャ
ネル内を流通している廃水またはブロス（broth）が曝気される。パイプ３４は
、廃水／ブロスを素子１９内へと搬入しており、パイプ３９は、曝気された廃水
／ブロスを素子１９から搬出する。素子１９が曝気器として動作する際には、バ
ルブ３７，４１，４４，２２，２５，２７，３０，３１，３３が開放され、かつ
、バルブ３５，４０，４２，４６，２１，２３，２４，２６，２８，２９，３２
が閉塞される。その結果、廃水／ブロス５０は、パイプ５３を通りバルブ３３を
経由してパイプ３４を通って流通し、素子１９内へと流入する。素子１９内にお
いては、バルブ３７を経由してパイプ３８を通って供給されるガスによって、曝
気される。曝気された廃水／ブロスは、ガスバブルを含有したまま、パイプ３９
を通って素子１９から流出する。パイプ４３は、曝気された廃水／ブロスを、素
子２０へと案内する。素子２０のポアを通って流通することによって濾過された
液体は、バルブ４４を経由してパイプ４５を通って流出する。曝気された廃水中
のガスバブルは、素子２０のチャネルを通って搬出される。このため、チャネル
壁上にケーキが形成されることを防止することができる、あるいは、ケーキ形成
の可能性を低減させることができる。素子１７，１８は、また、素子／モジュー
ル２０とともに、曝気された廃水／ブロスの濾過を行う。曝気された廃水／ブロ
スがバルブ２２，２７を経由して素子２０，１７，１８を通過した後においては
、
廃水／ブロスは、バルブ３１を経由してパイプ５２を通ることとなり、パイプ５
１を通って曝気器／フィルタ配列から流出して処理タンクへと向かう。
所定時間の経過後においては、曝気機能は、素子２０へと移行する。この場合
、素子１７，１８，１９は、フィルタとして機能する。濾過から曝気への動作モ
ードのスイッチングによって、素子２０がフィルタとして動作した間に素子２０
のチャネル表面上に形成されたケーキのクリーニング除去がもたらされる。加え
て、加圧ガスは、しばしば、より強力な効果でもってポアの詰まりを解除するこ
とができる。この場合、ガス供給量を、短時間にわたってかつ所定時間間隔でも
って変化させることが一層有効である。供給ガスは、また、曝気素子の構造を、
酸化して殺菌することができる。
素子２０が曝気器として作用しているときには、所定のバルブを開放して他の
バルブを閉塞することによって、廃水／ブロス流５０がバルブ４２を経由しパイ
プ４３を通って素子２０内へと流入し、素子２０において曝気されるような、全
体構成とされる。曝気された廃水／ブロスは、パイプ４８を通って素子２０から
流出し、バルブ２２，２７，３２を経由して素子１７，１８，１９へと流入する
。濾過された廃水は、フィルタ素子のポアを通って浸透する。一方、曝気された
廃水／ブロスは、フィルタ素子のチャネル内を流通する。曝気された廃水／ブロ
スは、最後には、パイプ３９およびバルブ４０を経由することにより、曝気器／
フィルタ配列から流出してバイオリアクタへと向かう。このようなシーケンスが
、多数の素子に対して継続される。図６の構成においては、曝気モードは、所定
時間後に、素子１７へと移行し、さらにその後、素子／モジュール１８へと移行
する。サイクルは、曝気モードが素子／モジュール１９へと再度移行することに
より、継続される。
図６において示されているような配列においては、各素子は、互いに並列に接
続された複数の素子から構成することができる。この場合、このような複数素子
からなる１つの組は、配列内において、１つの素子として作用する。
図７には、廃水を処理するためのプラントが示されている。流入水５６は、調
整タンク５７へと流入する。必要に応じて、このタンクには、栄養分５８を加え
ることができる。ポンプ５９が、廃水を、パイプ６０を通してバイオリアクタ５
４の上部へとポンピングする。バイオリアクタ５４には、大きな空隙率でもって
、特定の大きな表面積の媒体が充填されている。廃水は、バイオリアクタ５４の
上部に流入している循環流６１に対して混合されることとなる。混合された流れ
は、バイオリアクタ５４内を、下向きに移動する。この流れ内における溶存酸素
およびいくらかの有機物質は、好気性領域においてバイオリアクタ５４内部の媒
質表面上に成長した微生物によって消費される。流れがさらに下方へと移動する
と、流れ内の溶存酸素量は、減少して、低レベルとなる。微生物は、電子供与体
として硝酸塩を使用し始める。これにより、無酸素領域が形成される。最後に、
バイオリアクタ５４内の下方流内にわずかの酸素または硝酸塩しか残っていない
ときには、嫌気性微生物が、バイオマスの数を支配する。これにより、嫌気性領
域が形成される。嫌気性領域における作用の結果として、この嫌気性領域内にお
いては、生物ガスが発生することとなる。生物ガスバブルは、水よりも密度が小
さいことにより、上方へ移動する。生物ガスは、パイプ６２を通って、バイオリ
アクタ５４を出て、処理および消費箇所へと向かう。いくらかの脱離したバイオ
マスは、バイオリアクタ５４の正に底部に配置されたホッパ６３内に沈澱する。
パイプ６４は、嫌気性スラッジ廃棄物のためのものであって、所定間隔でまたは
連続的に動作させることができる。バイオリアクタ５４内の下方流は、パイプ６
５を通ってバイオリアクタ５４から流出する。パイプ６５内においては、ｐＨセ
ンサ６６．およびアルカリ添加パイプ６７によって、pH調整が行われる。パイプ
６５は、循環流を、バイオリアクタ５５の下部へと案内する。特定のオゾン含有
量とすることができる空気または酸素は、パイプ６８を通って２相流の形態でバ
イオリアクタ５５内に流入する。ガスバブルから、パイプ７８およびバイオリア
クタ５５内の液体内に搬送される酸素は、バイオリアクタ５５内での炭素酸化お
よび窒素化合のための活性な酸素をもたらす。酸素搬送効率、および、オゾンの
搬送効率および消費効率を増大させるために、曝気器／フィルタ配列８１とバイ
オリ
アクタ５５の底部との間のチューブは、バイオリアクタ５５に流入するときに、
パイプ７８内の液体を、酸素飽和状態にまたは酸素飽和状態近傍に到達させ得る
よう、十分に長いものとすることができる。このチューブは、チューブ内におけ
るガス搬送を最大化させるよう、見かけの流速を下げるために、大きな断面積と
することができる。循環流は、上部領域においてバイオリアクタ５５から流出す
る。循環流６１は、バイオリアクタ５４に流入するに先立って、空気トラップ６
９、バルブ７０、および、ポンプ７１を通過する。バイオリアクタ５５の上部に
配置することができる沈澱デバイス７２は、流出物７３から、固体を分離するこ
とができる。沈澱デバイス７２内において沈澱したスラッジの一部または全部は
、バイオリアクタ５４へと戻され、残部は、パイプ７４を通して廃棄される。ポ
ンプ７５は、沈澱デバイスのオーバーフロー７６を、パイプ７７を通して曝気器
／フィルタ素子配列８１へと搬送する。沈澱デバイスが使用されていない場合に
は、バイオリアクタ５５の頂部からの液体が、パイプ７７を通して曝気器／フィ
ルタ素子ユニット８１へとポンピングされる。流出物７９または処理済みの廃水
が、曝気濾過ユニット８１から抽出される。
パイプ６８は、空気とオゾンとを含有している流れ７０を、バイオリアクタ５
５の底部へと搬送する。オゾン発生器７３と空気供給パイプ８２とは、曝気器／
フィルタ配列８１内の曝気素子に対して、ガスを供給する。
曝気器／フィルタ素子配列８１は、異なる構成とすることができるものの、図
５や図６に示す構成とすることが好ましい。
他の変形例は、パイプ７６，７７，７８およびポンプ７５を省略して、曝気器
／フィルタ素子配列を、バイオリアクタ５５内に配置することである。この場合
には、図５に示す曝気器／フィルタ素子配列の構成を使用することが好ましい。
特別の実施形態を参照して本発明を説明したけれども、設計パラメータや様々
な応用を考慮した多くの実施形態が可能であることは、理解されるであろう。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Method and Apparatus for Wastewater Treatment Summary of the Invention The invention relates to a method for treating wastewater and to an apparatus for treating wastewater. The invention also relates to a treatment plant for treating wastewater. The invention can be applied to a wide range of wastewater plants, from domestic to large industrial plants, and even to the treatment of highly polluted wastewater. The invention can also be applied to the field of biotechnology and biological processes. 2. Foreword Like other biological processes, biological wastewater treatment embodies long-term and widespread natural phenomena in a limited amount of time and space. Since its application in the late 19th and early 20th centuries, wastewater treatment plants and bioreactors have been demanded to reduce the required time and space, and to improve performance and economy. 3. Summary of the Invention In the present invention, a method for biological processes and a method for wastewater treatment are proposed. The method is characterized by simultaneous filtration and aeration of the wastewater using two or more filtration / aeration elements (or filter / aerator elements). For each filtration / aeration element, the supply and discharge of pressurized gas is alternated. This method has the advantage that it does not require a secondary settling tank or even a temporary settling tank and / or does not require other solid / liquid separation devices and treats wastewater. are doing. This method also does not cause interruptions such as those caused by fibrous organisms or sludge bulk. The method also improves efficiency by keeping the amount and concentration of microorganisms high in the bioreactor and / or aerobic tank. Another advantage of the present method is that it can be used in other aerobic biotechnological processes and in some types of water treatment plants that alternate between aeration and / or ozonation and filtration. The pressurized gas can be air or oxygen, which can contain ozone and other oxidizing components. The pressurized gas may be provided in the form of intermittent pulses or pulsating or steady flow or any combination thereof. The ratio of the time that each aeration / filtration element is used for aeration or filtration can vary from 1-99%, depending on the requirements for operation. The frequency at which the filtration / aeration element changes from the mode of aeration to the mode of filtration depends on the requirements for operation. The filtration / aeration element can be impregnated in the processing tank or can be located externally. In a further aspect of the invention, an apparatus for treating wastewater is proposed. The apparatus comprises two or more aeration / filtration elements, each with an associated pressurized gas supply and an associated effluent discharge. Gas supply and discharge are controlled by valves so that gas supply and discharge are alternated during use. At any one time, a pressurized gas supply is provided to one or more selected elements, and an exhaust is provided to the remaining elements. If the filtration / aeration element is immersed in the processing tank, the pressurized gas from the aeration / filtration element used as the aerator will provide optimal cleaning action on the filtration surface of the aeration / filtration element. And so on. If the filtration / aeration element is located outside the processing tank, it is configured to guide the liquid flow to the aeration element before passing through the filtration element. By using such an element, a very compact wastewater treatment plant or biological treatment plant can be constructed. Thus, the size can be reduced to 95% compared to prior art plants such as activated sludge plants in order to obtain comparable efficiency and quality. The aeration / filtration element forms a self-cleaning filter in order to alternately perform an operation mode of aeration and an operation mode of filtration. The aeration / filtration element can be of various shapes and configurations, ranging from end-capped aeration / filtration elements to self-housing, multi-channel, flow-through aeration / filtration elements. Can be. The aeration / filtration element can be composed of various organic and inorganic materials, especially ceramics. Pore size can vary from 0.0001 micrometers to 200 micrometers. A small pore size means a low permeability, so that it is necessary to increase the surface area, increase the applied pressure, or take other measures. However, the quality of the permeate is improved and the result is that the process is stable. Many other parameters must be considered when configuring a wastewater treatment plant or other biotechnology process plant embodying the present invention. Such factors include economic and efficiency requirements, product quality requirements, plant size, hydraulic and organic loads of wastewater, and plant capacity. Taking these factors into account, a plant can be constructed from an array of multiple aeration / filtration elements and open channels. Inlet and outlet pipes to control the operation of multiple elements simultaneously while increasing the cleaning action of the gas bubbles on the surface or on the channels of the aeration / filtration elements acting as filters Are connected in parallel or in series, or a combination thereof, to supply and discharge pressurized gas to and from the aeration / filtration element. The shape and configuration of the plant are determined by considering the above factors, the depth of the processing tank, the gas supply pressure, and the gas flow characteristics and liquid flow characteristics of the porous medium. In a wastewater treatment plant, two tanks are connected, an aeration / filtration element as described above is installed inside or outside, one is made aerobic for carbon oxidation and nitrogen compounding and the other. It is advantageous to form a sludge and wastewater circulation between the two tanks in a multi-zone configuration for nitrogen dissociation and anaerobic digestion. Both tanks or both bioreactors contain a specific large surface area medium. Accordingly, it is possible to maintain the length of time for holding the biomass in the bioreactor and increase the volatile solid components in the tank due to the growth of the biomass attached to the surface of the medium. The processing plant according to the invention is very compact, has low sludge formation due to the aerobic zone, can remove nitrogen with many organic components, has a large biological capacity, and is easy to operate and operate There are advantages such as. The treatment plant according to the invention can also treat varying degrees of wastewater, from municipal wastewater to heavy industrial wastewater. The aeration / filtration arrangement ensures effective aeration, good effluent quality, and high solids retention in the system. The advantages of combining two tanks or bioreactors in the present invention as described above are numerous. An aerobic bioreactor can not only provide nitrogen compounding, but can also perform secondary operations, usually performed after nitrogen dissociation, to extract the nitrogen gas produced from the effluent. With this configuration, the pH of the circulating flow can be easily adjusted between the two bioreactors. The oxygen used for the nitrogen compound is also recovered in the nitrogen dissociation step. Aerobic and multi-zone bioreactors utilize a combination of attached and suspended growth to produce biomass with suspended, attached, or mixed growth. It can be a reactor. Both bioreactors can be sealed except for the anaerobic zone in anaerobic bioreactors. The anaerobic bioreactor is provided with a biogas collection means and an extraction means at the top and an air trap in the circulation flow path to avoid the danger of explosion by preventing air from entering the aerobic tank. Should be a sealed reactor. When the aerator / filter unit or array is installed outside the bioreactor, a suitable precipitation device can be placed on top of or near the aerobic bioreactor. This can reduce solid components suspended in the liquid before entering the aeration / filtration element array. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 schematically illustrates two aeration / filtration elements embodying the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a self-housing type multi-channel aeration / filtration element embodying the present invention. FIG. 3 schematically illustrates several possible channel shapes in a self- housing aeration / filtration element embodying the present invention. FIG. 4 schematically illustrates some possible shapes of a self- housing aeration / filtration element embodying the present invention. FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an arrangement of aeration / filtration elements embodying the present invention. FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an arrangement of a multi-channel self-housing type aeration / filtration element embodying the present invention. FIG. 7 is a diagram schematically showing a processing plant embodying the present invention. Optimal mode for implementing the present invention Referring to FIG. 1, the two aeration / filtration elements 1, 2 are formed from a porous material having a specific pore size. Two pipes are connected to each element. One is for supplying pressurized gas, and the other is for discharging emissions. The pressurized gas is supplied to the element 1 through the pipe 3 via the gas valve 4. For the element 2, the pressurized gas is supplied through a pipe 5 via a gas valve 6. Discharge such as permeated liquid is discharged from the element 1 through a pipe 7 through a discharge valve 8, and discharged from the element 2 through a pipe 9 through a discharge valve 10. In use, both elements are immersed in the tank or located outside the processing tank. When one element is operating as an aerator, the other element will operate as a filter. For example, when the element 1 operates as an aerator, the gas valve 4 is opened and the discharge valve 8 is closed. The gas is pushed into the inside of the element 1 by pressurization, and is forcibly sent through the pores. As a result, the surrounding liquid is aerated. When the element 2 operates as a filter, the discharge valve 10 is opened and the gas valve 6 is closed. The filtered liquid permeates into the element 2 through the pores and is discharged through the discharge pipe 9. After a lapse of a predetermined time, the open / close states of the gas valve and the discharge valve are reversed. Thereby, the element 1 functions as a filter and the element 2 functions as an aerator. Switching the mode of operation from filtration to aeration will clean the cake formed in the pores of the element that had functioned as a filter. In addition, pressurized gas often unclogs the pores. In practice, both aerator / filter elements can have different shapes and configurations from each other. In a further aspect of the present invention, an example of such a configuration is employed. If the aerator / filter arrangement is external to the processing tank, it is particularly preferred to use a self-housing type (housing integrated) aerator / filter element in the aerator / filter arrangement. One important advantage of such an element / module is the low cost that results from eliminating the need for any separate housing for permeate collection. Such aerator / filter elements can be formed from a variety of materials, and can be formed from, among other things, inorganic materials such as ceramics. FIG. 2 is a schematic sectional view showing a self-housing type aerator / filter element. The support layer 11 has pores much larger than the skin layer 12. The support layer 11 also occupies most of the bulk part of the device. On the other hand, the skin layer 12 is very thin. The skin layer is located on the surface of the device / module channel. Most of the channels, such as channel 13, have a skin layer with small pores. The liquid to be filtered flows in such a channel. Some channels, such as channel 14, do not have a skin layer and have pores as large as the support layer. Thus, the filtrate penetrating into the large pores of the support layer and through the pores of the skin layer of the channel 13 flows into the channel 14 and then exits the device through the channel 14. The pores on the outer surface of element 15 are closed by suitable means so that filtered material cannot penetrate. During aeration, gas is forced into the channel. The pumped gas passes through the support layer and the skin layer and reaches the liquid flow flowing inside the channel 13. At the beginning and end of the channels, all channels having a skin layer on the surface are interconnected to form one channel. The remaining channels are also interconnected at one or both ends of the element / module 15 to form a single channel. Each of the self-housing aerator / filter elements can have 200 or 300-400 channels. Most of such channels are of the type having a skin layer on the surface. The channels of the self-housing aerator / filter element can have different shapes, depending on the intended use and other operating parameters. FIG. 3 shows some possible channel shapes. A thin transition layer can be located between the support layer and the skin layer. The transition layer has a pore size that is larger than the pore size of the skin layer and smaller than the pore size of the support layer. In fact, two or more aerator / filter elements can form a larger aeration / filtration array or module and within each unit a larger aeration / filtration area. . Self-housing elements can be shaped differently depending on the purpose of use and operating parameters, as shown in FIG. Two or more elements are required to obtain the alternate function of aeration and filtration and the flow through the aeration / filtration element when using a self- housing aerator / filter element. The liquid stream is always first guided to the aeration element. Then, by injecting a large amount of gas bubbles into the liquid flow flowing through the aeration element, the cross flow velocity in the filtration element channel is increased, and the flow viscosity is increased by the movement of the lateral air bubbles in the filtration element channel. Reduce and increase the lateral mixing effect. The porous element can be arranged horizontally or vertically to improve the cleaning operation by the flow of gas bubbles in the filter element channel. A set of valves connected to the time controller provides the necessary means to transfer the aeration function from one element to the other and to direct liquid flow to the first aeration element. Practically, it is possible to increase the number of aeration / filtration elements configured to be different in shape and configured to be able to assist self-cleaning by increasing the surface area. FIG. 5 shows elements 1 and 2 contained in an array of elements separated from each other by an open channel indicated by reference numeral 16. Liquid can flow through the open channel. This allows the liquid to be effectively mixed with the gas injected into the liquid by the aeration element. If the array is impregnated in the processing tank, the mixed liquid and gas bubbles flow from the open channel 16 directly into the bulk liquid inside the tank. If the arrangement shown in FIG. 6 is installed outside the processing tank, the aerated liquid from the channel 16 is collected and guided through a pipe to the bottom of the processing tank. Through other pipes, liquid is conveyed from the tank to the other end of the channels 16 in the array and to other open channels. The exchange of aeration and filtration operations between two adjacent rows of elements assists in cleaning the surfaces and pores of the elements and carries away the flocs to prevent cake formation. There is no need to provide valves for the individual elements, and the arrangement can consist of several groups of elements, each controlled by one or more pressurized gas valves and one or more exhaust valves. Within the array, the percentage of elements that are functioning as aerators at any one time can vary from 5 to 90% depending on design parameters. FIG. 6 schematically illustrates the configuration of a self-housing multi-channel aerator / filter element in an array. The aerator / filter elements 17, 18, 19, 20 are formed from a porous material having a particular pore size and surface area. Two pipes are connected to each element. One is for supplying pressurized gas and the other is for discharging permeate. The pressurized gas is supplied to the element 19 through a pipe 38 via a gas valve 37. For the element 20, the pressurized gas is supplied through a pipe 47 via a gas valve 46. Effluent, such as the permeated liquid or filtered product, is discharged from element 19 through pipe 36 via discharge valve 35 and from element 20 through pipe 45 via discharge valve 44. When one element operates as an aerator, the other element operates as a filter. For example, when the element 19 operates as an aerator, the gas valve 37 is opened and the discharge valve 35 is closed. The gas is pressed by pressure through the porous structure into the channels of element 19 and forced through the pores. This aerates the wastewater or broth flowing through the channels in element 19. Pipe 34 carries wastewater / broth into element 19 and pipe 39 carries aerated wastewater / broth from element 19. When the element 19 operates as an aerator, the valves 37, 41, 44, 22, 25, 27, 30, 31, 33 are opened, and the valves 35, 40, 42, 46, 21, 23, 24 are opened. , 26, 28, 29, 32 are closed. As a result, the wastewater / broth 50 flows through the pipe 53, flows through the pipe 34 via the valve 33, and flows into the element 19. In the element 19, it is aerated by a gas supplied through a pipe 38 via a valve 37. The aerated wastewater / broth flows out of element 19 through pipe 39, still containing gas bubbles. Pipe 43 guides the aerated wastewater / broth to element 20. The liquid filtered by flowing through the pores of element 20 flows out through pipe 45 via valve 44. The gas bubbles in the aerated wastewater are carried out through the channels of the element 20. For this reason, it is possible to prevent cake from being formed on the channel wall, or to reduce the possibility of cake formation. Elements 17 and 18 also, together with element / module 20, provide filtration of the aerated wastewater / broth. After the aerated wastewater / broth passes through elements 20, 17, 18 via valves 22, 27, the wastewater / broth will pass through pipe 52 via valve 31 and pipe 51 Through the aerator / filter array and into the treatment tank. After the elapse of the predetermined time, the aeration function shifts to the element 20. In this case, the elements 17, 18, and 19 function as filters. Switching the mode of operation from filtration to aeration results in a cleaning removal of the cake formed on the channel surface of element 20 while element 20 operated as a filter. In addition, pressurized gas can often clear pores with a stronger effect. In this case, it is more effective to change the gas supply amount in a short time and at predetermined time intervals. The feed gas can also oxidize and sterilize the structure of the aeration element. When element 20 is acting as an aerator, by opening certain valves and closing other valves, wastewater / broth stream 50 flows into valve 20 via valve 42 through pipe 43 and into element 20. Then, the entire structure is such that the element 20 is aerated. The aerated wastewater / broth flows out of the element 20 through the pipe 48 and flows into the elements 17, 18, 19 via the valves 22, 27, 32. The filtered wastewater permeates through the pores of the filter element. On the other hand, the aerated wastewater / broth flows through the channels of the filter element. The aerated wastewater / broth ultimately exits the aerator / filter array via pipe 39 and valve 40 to the bioreactor. Such a sequence is continued for many elements. In the configuration of FIG. 6, the aeration mode shifts to the element 17 after a predetermined time, and then shifts to the element / module 18. The cycle is continued by the transition of the aeration mode to element / module 19 again. In the arrangement as shown in FIG. 6, each element can be composed of a plurality of elements connected in parallel with each other. In this case, one set of such a plurality of elements acts as one element in the array. FIG. 7 shows a plant for treating wastewater. The inflow water 56 flows into the adjustment tank 57. If necessary, nutrients 58 can be added to the tank. Pump 59 pumps wastewater through pipe 60 to the top of bioreactor 54. The bioreactor 54 is filled with a specific high surface area medium with high porosity. The wastewater will be mixed with the circulating stream 61 flowing into the upper part of the bioreactor 54. The mixed flow moves downward in the bioreactor 54. Dissolved oxygen and some organic matter in this stream are consumed by microorganisms that have grown on the media surface inside bioreactor 54 in the aerobic region. As the stream moves further down, the amount of dissolved oxygen in the stream decreases to a lower level. Microorganisms begin to use nitrates as electron donors. Thereby, an oxygen-free region is formed. Finally, anaerobic microorganisms dominate the number of biomass when only a small amount of oxygen or nitrate remains in the downflow in bioreactor 54. As a result, an anaerobic region is formed. As a result of the action in the anaerobic zone, biogas will be generated in this anaerobic zone. Biogas bubbles move upward due to their lower density than water. Biogas exits bioreactor 54 through pipe 62 to a processing and consumption point. Some desorbed biomass settles in a hopper 63 located just below the bioreactor 54. The pipe 64 is for anaerobic sludge waste and can be operated at predetermined intervals or continuously. Downstream in bioreactor 54 exits bioreactor 54 through pipe 65. In the pipe 65, the pH sensor 66. The pH is adjusted by the alkali addition pipe 67. The pipe 65 guides the circulating flow to the lower part of the bioreactor 55. Air or oxygen, which may be at a particular ozone content, flows into the bioreactor 55 through the pipe 68 in a two-phase flow. Oxygen carried from the gas bubbles into the pipe 78 and the liquid in the bioreactor 55 provides active oxygen for carbon oxidation and nitridation in the bioreactor 55. To increase oxygen transfer efficiency and ozone transfer and consumption efficiency, the tubing between the aerator / filter array 81 and the bottom of the bioreactor 55, as it flows into the bioreactor 55, is in a pipe 78 Can be sufficiently long to allow it to reach or near oxygen saturation. The tube can have a large cross-sectional area to reduce the apparent flow rate so as to maximize gas transport within the tube. The circulating stream exits the bioreactor 55 in the upper region. Circulating flow 61 passes through air trap 69, valve 70, and pump 71 prior to entering bioreactor 54. A precipitation device 72, which can be located on top of the bioreactor 55, can separate solids from the effluent 73. Some or all of the sludge settled in the settling device 72 is returned to the bioreactor 54 and the remainder is discarded through a pipe 74. The pump 75 conveys the settling device overflow 76 through the pipe 77 to the aerator / filter element array 81. If a precipitation device is not used, liquid from the top of bioreactor 55 is pumped through pipe 77 to aerator / filter element unit 81. Effluent 79 or treated wastewater is extracted from aeration filtration unit 81. Pipe 68 carries stream 70 containing air and ozone to the bottom of bioreactor 55. The ozone generator 73 and the air supply pipe 82 supply gas to the aeration elements in the aerator / filter arrangement 81. Although the aerator / filter element array 81 can have a different configuration, it is preferable to have the configuration shown in FIGS. Another variation is to omit the pipes 76, 77, 78 and the pump 75 and to place the aerator / filter element array in the bioreactor 55. In this case, it is preferable to use the configuration of the aerator / filter element arrangement shown in FIG. Although the invention has been described with reference to particular embodiments, it will be understood that many embodiments are possible in view of design parameters and various applications.
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