JP2005511303A - 水処理における気体供給用の層状シート - Google Patents

Abstract

ｉ）ａ）少なくとも１つの多孔性気体透過性不透水性層と、ｂ）気体を部分ａ）の層に運ぶことができる複数のフローチャネルがある、部分ａ）の層に付着された気体送出層とを含む層状シート構造体（１０）と、ｉｉ）気体入口（７１）とを含み、気体が気体透過層ａ）を通って送出される、水性媒体から有機物質および／または窒素源を除去する装置（７０）を記載する。

Description

本発明は、一般に、有機物質および／または窒素源を含有する水性媒体から、有機物質および／または窒素源を実質的に除去する装置である。より特定的には、本発明は、気体が不透水性気体透過性層を透過し、気体透過性層上の微生物に供給されるように気体を気体透過性層に供給する気体送出層に積層された気体透過性層上に支持された微生物の作用に、汚染水性媒体を曝すことによって、水性媒体から有機物質および／または窒素源を除去する装置に関する。

水処理プロセスは、一般に、水中の不要な材料、典型的には有機材料の劣化を促進させる酵素を生成するために、微生物、主に細菌を利用し、この材料は、微生物によって燃料源として用いられる。廃水の生物学的浄化のためのいくつかの標準プロセスは、活性汚泥、散水濾床、および回転ディスク曝気プロセスなどである。

これらのプロセスに共通の１つの問題は、それらの単位体積あたり処理容量が小さいので、非常に大きい設備が必要なことである。これらの既知のプロセスの別の問題は、装置が通常密閉されず、悪臭などの衛生問題を引起すので、住宅地域の近くに、そのようなプロセスを用いるプラントを設置し、操作することが困難なことである。

活性汚泥プロセスには、他の特定の欠陥がある。そのような欠陥の１つは、非常に集中的な曝気が必要であり、大きいエネルギー消費による費用を伴うことである。さらに、そのような曝気または「スパージング」は、非効率である。資本集約的再循環が用いられない限り、入力気体の大きいパーセンテージが、曝気タンクの頂部で泡が破裂するときに失われる。活性汚泥プロセスの別の不利な点は、微生物が最大数時間、反応器内で保持され、絶えず無駄にされることである。さらに別の不利な点は、このプロセスでは、処理液体とともに除去される微生物を含む処理液体が、沈降タンクに進み、そこで、微生物を液体から沈降させるために、しばらくとどまり、次に、再循環されて反応器に戻ることが必要なことである。

散水濾床および回転ディスクプロセスは、支持体上に成長させた固定バイオフィルムを利用する。これらのプロセスも、さらなる欠陥がある。たとえば、支持表面における条件が嫌気性になり、支持材料の表面における微生物が、典型的には好気性であり、生存するために酸素を必要とするので、微生物が支持材料の表面からはがれ落ちる。

廃水を処理するために製造された装置の別の欠陥は、廃水中の砕片または浮遊物質からの穴あけに耐えるのに十分に耐久性でないことである。

本発明は、有機物質および／または窒素源を、そのような物質を含有する水性媒体から実質的に除去する装置を提供する。少なくとも１つの不透水性気体透過性層（「気体透過性層」と呼ばれる）と、気体透過性層に付着された気体送出層と、任意の微生物支持層とを含む層状シート構造体は、気体、好ましくは酸素含有気体を、気体透過性層上または任意の微生物支持層内および／または微生物支持層上に配置された微生物に連続的に供給することを考慮する。したがって、微生物層がはがれ落ちるのが実質的に低減する。任意の微生物支持層は、微生物層の気体透過性層への付着をさらに強化する。気体透過性層は耐久性がある。いくつかの実施形態において、気体送出層のテクスチャーは、気体透過性層を支持する、および／または気体透過性層が廃水中の浮遊物質または砕片によって穴をあけられた場合に生じることがあるフラッディングを局所化することによって、装置の耐久性にさらに寄与する。さらに、装置は、小さく、密閉可能であり、製造が容易で経済的である。

本発明の一実施形態は、ａ）少なくとも１つの気体透過性不透水性層と、ｂ）前記少なくとも１つの気体透過性層に近接した気体送出層とを含む層状シート構造体であり、前記層状シート構造体は、少なくとも１つの有機物質および少なくとも１つの窒素源の一方または両方を含有する水性媒体から、少なくとも１つの有機物質および少なくとも１つの窒素源の一方または両方を実質的に除去するのに使用される。

明細書の全体を通して、「近接した」という言葉は、「隣接した」および「と接触した」という言葉と交換可能に使用してもよい。

別の実施形態は、ｉ）少なくとも１つの気体透過性不透水性層と、ｉｉ）前記少なくとも１つの気体透過性層に近接した気体送出層とを含む複数の層状シート構造体を含む装置であり、前記層状シート構造体は、少なくとも１つの有機物質および少なくとも１つの窒素源の一方または両方を含有する水性媒体から、少なくとも１つの有機物質および少なくとも１つの窒素源の一方または両方を実質的に除去するのに使用される。

さらに別の実施形態は、少なくとも１つの有機物質および少なくとも１つの窒素源の一方または両方を含有する水性媒体から、少なくとも１つの有機物質および少なくとも１つの窒素源の一方または両方を実質的に除去する方法であって、ａ）少なくとも１つの層状シート構造体を提供する工程であって、前記層状シート構造体が、ｉ）少なくとも１つの気体透過性不透水性層と、ｉｉ）前記少なくとも１つの気体透過性層に近接した気体送出層とを含む、工程と、ｂ）前記少なくとも１つの層状構造体の前記少なくとも１つの気体透過性層上に微生物層を確立する工程と、ｃ）少なくとも１つの気体を、前記少なくとも１つの層状構造体の前記少なくとも１つの気体送出層に供給する工程と、ｄ）前記水性媒体を前記微生物層と接触させる工程とを含む方法である。

気体は、気体送出層を通って、気体透過性層の１つの主面に輸送され、拡散によって気体透過性層を横切り、気体透過性層の外面上に形成する微生物層に達する。任意の微生物支持層が気体透過性層の外面に付着され、かつ、微生物（ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ）層（「微生物集団」「微生物（ｍｉｃｒｏｂｉａｌ）層」、または「バイオフィルム」としても知られている）が微生物支持層内および／または微生物支持層上に形成することも可能である。微生物層を備えた気体透過性層の外面または微生物層を備えた微生物支持層のいずれかを、有機材料および／または窒素源を含む廃水または水性媒体と接触させる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の１つの利点は、本発明の装置内および／または本発明の装置上に形成する微生物層が内部から外に曝気され、これが、より良好な接着をもたらし、はがれ落ちるのを低減し、汚泥が生じるのを低減することである。さらに、内部から外への曝気（ｔｈｅ ｉｎｓｉｄｅ−ｏｕｔ ａｅｒａｔｉｏｎ）によって、本発明の少なくとも１つの実施形態は、好気性微生物（高い酸素濃度および比較的低い有機濃度を必要とする）および嫌気性微生物（低い酸素濃度および高い有機濃度を必要とする）の同時作用に十分に適している。これは、典型的には従来の処理方法を用いて多数の工程を必要とする、窒素含有化合物およびハロゲン化有機化合物などの化合物の一工程での処理を可能にすることができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態のさらなる利点は、装置が耐久性があることである。装置を耐久性にする装置の１つの部分は、気体透過性層である。装置を耐久性にする別の部分は、気体送出層の構造である。また、任意の微生物支持層を使用する場合、微生物支持層は、穴あけから気体透過性層を保護することによって、装置の耐久性を高める。

本発明の少なくとも１つの実施形態の別の利点は、気体送出層内の別個のコンパートメントまたはフローチャネルが、１つの領域が廃水または水性媒体中の砕片または浮遊物質によって穴をあけられた場合に、気体送出層の完全なフラッディングをなくすことを考慮することである。１つの領域が穴をあけられた場合、おそらく、気体送出層全体ではなく、１つのコンパートメントまたはフローチャネルのみがフラッディングされる。

本発明の少なくとも１つの実施形態のさらなる利点は、装置の気体送出層で発生し得る内部凝縮物を除去し、装置の性能を妨げることがある蓄積をさせないことである。

本発明の少なくとも１つの実施形態のさらに別の利点は、はがれ落ちることによる微生物の損失を低減し、かつ、微生物層の厚さ（およびしたがって、層中に存在する好気性微生物および嫌気性微生物の割合）の制御を向上させるために、微生物支持層を使用することである。

本発明の少なくとも１つの実施形態の別の利点は、気体入力のための手段を装置に提供するが、気体透過性層以外に気体出口のための手段が実質的にないように構成してもよいことである。そこで、気体は、微生物によって消費される。装置をこのように操作する場合、溶解した廃水成分の、流れおよびそれにより雰囲気へのストリッピングをなくすことができる。溶解した廃水成分の雰囲気へのストリッピングは、しばしば、一般に廃水を曝気する従来の廃水処理プロセスの問題である。これは、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）で汚染された水を処理する場合に特定的な問題である。

本発明の少なくとも１つの実施形態の別の利点は、気体送出層を通して供給される気体を効率的に使用することである。それは、供給された気体の１００％またはほぼ１００％を使用することができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態の別の利点は、モジュールであり、小さい廃水処理プロセス、および既存の廃水処理施設の改装に十分に適していることである。

本出願において、
「波状（ｕｎｄｕｌａｔｅｄ）」は、波状（ｗａｖｅｌｉｋｅ）形態または外観を有することを意味し、
「畝状（ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ）」は、ひだの形状または平行で交互の隆起および溝の形状を有することを意味し、
「疎油性」は、油または脂をはじくか、油または脂と混合しない傾向があることを意味し、
「シート構造体」は、連続表面を有する広い略平坦なマスであるシートの形態の構造を有することを意味し、
「不透水性」は、標準温度および標準圧力の条件下で液体水を透過させないことを意味し、そして
「親水性」は、水を結合または吸収する傾向が強いことを意味する。

装置
図１は、本発明の装置１０の一実施形態の斜視図を示す。装置１０は、気体透過性層１２と、気体送出層１４と、任意の微生物支持層１６とを含む。気体送出層１４は、図１に例示されているように、酸素含有気体などの気体を気体透過性層１２の主面に送出することを考慮する、ベース２６、壁１８、およびフローチャネル２０を含んでもよい。しかし、気体送出層の代替構造も、本発明によって企図される。図１に示された構成要素ならびに代替構成要素および付加的な構成要素を、以下で詳細に説明する。

気体透過性層
本発明の気体透過性層１２は、気体透過性不透水性材料の層を含む。好ましくは、気体透過性層は、約０．５マイクロメートル未満の孔径を有する微孔性である。好ましい最大孔径は、本発明の装置の性能に悪影響を及ぼすことがある、微生物集団中の微生物が、気体透過性層を透過し、気体透過性層内で成長することを防止する。しかし、気体透過性層が０．５マイクロメートル以上の孔径を有することが可能である。本発明の気体透過性層が、実質的に非多孔性であるが、それにもかかわらず、拡散によって非多孔性層を通過することができる対象の気体を、十分に透過させることも可能である。

好ましい孔径を有する気体透過性層に使用してもよい材料の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびそれらのコポリマー；ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリールスルホンなど、およびそれらのコポリマー；ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどを含むフッ素樹脂；ならびにポリ（ジメチルシロキサン）などを含むシリコーンベースの材料が挙げられる。他の材料も、気体透過性および不透水性にされるか、気体透過性および不透水性にすることができる限り、使用してもよい。

気体透過性層は、気体透過性および不透水性である気体透過性層をもたらす任意の適切な技術または方法によって製造してもよい。気体透過性層を製造するための１つの例示的な方法は、たとえば、米国特許第４，５３９，２５６号明細書（Ｓｈｉｐｍａｎ）、同第４，７２６，９８９号明細書（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ）、同第４，８６７，８８１号明細書（Ｋｉｎｚｅｒ）、同第５，１２０，５９４号明細書（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ）、および同第５，２３８，６２３号明細書（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ）に詳細に記載された、熱で誘起された相転移（ＴＩＰＴ）プロセスによる。

ＴＩＰＴプロセスは、本発明の気体透過性層を形成するのに特に十分に適している。それらは、半結晶性で平坦なシートの微孔性膜を形成するのに用いられる安価な製造プロセスである。平坦なシートの膜は、本発明の用途の気体移動および厳しい耐久性要件を満たす。通常製造されるＴＩＰＴ膜は、孔径が０．０５から１．０ミクロンの範囲内であり、空気透過性が、水中で０．７から３４．０ｋｇ／ｍ−ｈの範囲内であり、これらは、本発明の用途に十分である。

代替の気体透過性層は、米国特許第３，４３２，５８５号明細書（Ｗａｔｓｏｎら）におけるようなウェットキャスティング技術を用いて製造してもよいものである。

代わりに、市販の気体透過性不透水性膜を本発明の気体透過性層として使用してもよい。一例が、米国特許第５，１７６，９５３号明細書（Ｊａｃｏｂｙら）、同第５，２３６，９６３号明細書（Ｊａｃｏｂｙら）、および同第５，３１７，０３５号明細書（Ｊａｃｏｂｙら）に記載されているような、無機充填剤で充填された押出ポリオレフィンフィルムを配向することによって準備された微孔性膜である。本発明の気体透過性層として使用するのに適した微孔性膜の他の例としては、ポリプロピレンまたはそのコポリマーと、ベータ球晶核生成剤とを含む組成物から準備されたものが挙げられる（たとえば、米国特許第５，１３４，１７４号明細書（Ｘｕら）および同第５，３１７，０３５号明細書（Ｊａｃｏｂｙら）、ならびにＥＰ ０，４９２，９４２号（Ｊａｃｏｂｙら）を参照のこと）。本発明の気体透過性層として使用するのに適した微孔性膜を準備するための多くの既知の方法がある（既知の方法の部分的なリストについては、米国特許第５，３１７，０３５号（Ｊａｃｏｂｙら）を参照のこと）。

廃水が油または脂を含むことがあるので、気体透過性層が疎油性であることが望ましいであろう。気体透過性のために選択された材料が、それ自体十分に疎油性でない場合、フルオロケミカルまたはフルオロポリマーを含む組成物で気体透過性層をコーティングすることによって、疎油性を向上させてもよく、その組成物は、任意に硬化性組成物である（たとえば、米国特許第５，９８９，６９８号（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉを参照のこと）。別の方法は、気体フッ素化種の存在下で電離放射線またはプラズマ放電を用いて気体透過性層表面をフッ素化することであり、そのようなプロセスは、当該技術において周知である（たとえば、Ｒ．ｄ’Ａｇｕｓｔｉｎｏ、Ｆ．Ｃｒａｍａｒｏｓｓａ、およびＳ．Ｄｅ Ｂｅｎｅｄｉｃｔｕｓ、「プラズマ・ケミストリー・アンド・プラズマ・プロセッシング（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」、４（１９８４）、２１−３０を参照のこと）。さらに別の方法は、フルオロケミカル添加剤（ポリマーであってもなくてもよい）を、気体透過性層を準備するのに使用される組成物に加えることである。ＴＩＰＴ膜の準備のためのフルオロケミカル添加剤の使用の例が、米国特許第５，２６０，３６０号明細書（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ）、同第５，３５２，５１３号明細書（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ）、同第５，６９０，９４９号明細書（Ｗｅｉｍｅｒら）、および同第５，７３８，１１１号明細書（Ｗｅｉｍｅｒら）に示されている。気体透過性層を、油、脂、または界面活性剤によって濡れないようにするための別の方法は、気体透過性が高い材料の、薄い非多孔性層で、多孔性気体透過性層をコーティングすることである。この目的に適した材料の一例が、ポリジメチルシロキサンである（たとえば、Ｍ．Ｗ．Ｒｅｉｊ、Ｊ．Ｔ．Ｆ．Ｋｅｕｒｅｎｔｊｅｓ、およびＳ．Ｈａｒｔｍａｎｓ、ジャーナル・オブ・バイオテクノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、５９（１９９８）、１５５−１６７、ならびにその中の参考文献を参照のこと）。気体透過性層表面を疎油性にするために他のプロセスを用いてもよい。好ましい方法は、約５０ダイン／ｃｍ以下、より好ましくは約４０ダイン／ｃｍ以下、最も好ましくは約３０ダイン／ｃｍ以下の表面エネルギーをもたらす。

任意に、気体透過性層の不透水性材料は、疎水性であってもよい。または、気体透過性層を、もともと親水性であったが、処理され、疎水性にされた材料から製造してもよい。これは、たとえば、気体透過性層の表面をフッ素化することによって行うことができる（親水性材料を疎水性にするために用いてもよい方法の例については、前の段落を参照のこと）。

気体透過性層を製造するのに使用される材料の他の可能性は、実質的に非多孔性であるフィルムである。気体を透過させる実質的に非多孔性のフィルムを製造するのに使用することができる材料の例としては、シリコーンベースのポリマーおよびコポリマーならびにフッ素化ポリマーが挙げられ、これらのうちの一例がポリテトラフルオロエチレンである。他の材料を使用することができる。選択された材料が、微生物集団に送出すべき気体を十分に透過させることが必要である。

本発明の他の実施形態は、所与の長さあたりの表面積を増加させる形状を有する気体透過性層を含む。図１に示された平坦な層以外に、気体透過性層の代替形状が、本発明に含まれる。１つの代替の気体透過性層形状は、図２に示されているような、波状気体透過性層１２である。気体透過性層を、以下のセクションで説明される気体送出層に、周期的に湾曲した表面を示すように積層して、所与の平面物品サイズについて向上した表面積をもたらしてもよい。そのような積層は、気体送出層と気体透過性層とを、それらが、隣接した凸状ロールおよび凹状ロールによって形成された湾曲したオリフィス内で互いに接触するときに接合することによって（たとえば、放射加熱器を使用して）行ってもよく、凸状ロールは、平坦な、または曲がっていない位置の場合より、主壁の頂部が互いにさらに離れるように、気体送出層を支持し、曲げる。積層後、積層体を平坦化すると、各対の壁の間で気体透過性層に「くぼみ」が作られる。加えられた外圧下で、気体送出層１４に対して波状気体透過性層が崩壊するのを防止するために、主壁１８の間に、より短いまたは小さい壁２２を代わりに含めてもよい（図２を参照のこと）。しかし、図２は、本発明の一実施形態のみを示し、気体透過性層の表面積を増加させる（気体送出層に対して）他の実施形態も可能である。また、気体透過性層の波状形状および他の形状を作るために、他の可能な方法を用いてもよい。

気体透過性層の代替形状の別の例は、畝状の形状である。この形状は、汚染水性媒体に曝される気体透過性層の表面積の増加を考慮する。

気体透過性層の他の代替形状も、本発明によって企図される。

気体送出層
本発明の気体送出層１４は、気体送出層が付着された気体透過性層への気体の送出を考慮する。本発明の気体送出層は、多くの異なった形状、構造、テクスチャーなどを有してもよい。

好ましい実施形態において、気体送出層は、気体を気体透過性層１２の内面に送出することができるフローチャネル２０を形成するベース２６および複数の壁（またはレール）または主壁１８（図１に示されているように）を含んでもよい。気体が気体透過性層１２の内側主面に送出されるこれらのフローチャネル２０は、装置を横切ってずっと延在してもしなくてもよい。フローチャネルがデッドエンドを有することが可能である。フローチャネルは、また、層状シート構造などの長さまたは幅に沿った湾曲した形状などの異なった形状を有してもよい。気体を気体透過性層に効果的に送出することができる限り、気体送出層内のフローチャネルの他の形状または構成が可能である。

気体送出層の他の構成またはテクスチャーが、壁およびフローチャネルを有する以外に可能である。これらの他の気体送出層構造は、気体を層状シート構造の気体透過性層に送出することができなければならない。気体送出層のいくつかの実施形態は、多孔性および気体透過性材料から製造してもよい。たとえば、気体送出層は、好ましくは剛性および／またはポリマーおよび／またはオープンセルであるフォームを含むことができる。気体送出層を構成する材料のさらなる例は、布、多孔性物品、不織布などであろう。気体送出層に使用してもよいフォーム、布、多孔性物品、織布、または不織布は、気体を気体送出層を通って移動させるのに十分に透過性でなければならない。気体は、気体透過性層を通って微生物層に拡散できるように、気体送出層に沿って、および気体透過性層まで移動することができなければならない。一般に、気体送出層は、気体を気体透過性層に効果的に送出することができなければならない。

壁がある場合、気体送出層の壁の形状は、代わりに、気体送出層内の気体の流れに影響を及ぼし得る付加的なテクスチャーまたは形状を組入れてもよい。さらに、気体送出層内の水分凝縮から気体流れを分離するために、気体送出層のいくつかのテクスチャーを用いることができる。

気体透過性層は、気体送出層に付着または積層されるか、またはその逆である。２つの層が付着される領域は、気体送出層のテクスチャーまたは構成に依存する。たとえば、図１において、気体透過性層１２は、気体送出層１４の一部である複数の壁１８の頂部で気体送出層１４に付着されている。図２において、気体透過性層１２は、複数の主壁１８の頂部で気体送出層１４に付着されているが、小さい壁２２には付着されていない。一般に、気体送出層および気体透過性層は、気体送出層を通過する気体が、気体透過性層に送られ、気体透過性層を通って拡散することができるように、互いに付着されるか、互いに近接していなければならない。

本発明の装置が経済的な製造に寄与するのは、気体送出層の経済的な製造である。たとえば図１のような、フローチャネルを含むテクスチャーを含む気体送出層を、異形押出によって、連続態様で経済的に製造してもよい。テクスチャードフィルムを製造するための異形押出の経済的な適用が、米国特許第５，０７７，８７０号明細書（Ｍｅｌｂｙｅら）、同第３，５８６，２２０号明細書（Ｒｅｉｎｓｂｅｒｇ）、および同第４，８９４，０６０号明細書（Ｎｅｓｔｅｇａｒｄ）、ならびに譲受人の同時係属中の米国特許出願第０９／７５８，７６４号明細書に記載されている。本発明のフローチャネルを含む気体送出層を製造するために、他のプロセスも用いてもよい。一例が、（ａ）円筒形であることができ、かつ、表面上に複数の幾何学的凹所および対応するピークを含む製造工具を提供する工程と、（ｂ）空洞を完全に充填するのに必要な量を越えて、工具上に溶融ポリマーフィルムを押出し、したがって、空洞を実質的に充填する工程であって、その過剰量が空洞および空洞の周りの表面の上にあるポリマー層を形成する工程と、（ｃ）ポリマーフィルムを冷却し、したがって、ポリマーフィルムを固化させ、製造工具に対応する永久的表面テクスチャーを保持する工程と、（ｄ）工具から固化したポリマーを連続的にストリッピングする工程とを含む微小複製法である（たとえば、国際公開第９９／６５６６４号パンフレット（Ｂｅｎｔｓｅｎら）ならびに米国特許第５，０７７，８７０号明細書（Ｍｅｌｂｙｅら）、同第５，６７９，３０２号明細書（Ｍｉｌｌｅｒら）、および同第５，７９２，４１１号明細書（Ｍｏｒｒｉｓら）を参照のこと）。

気体送出層を製造する方法の別の例は、（ａ）硬化性有機樹脂を含むコーティング可能な組成物を調製する工程と、（ｂ）表面上に複数の幾何学的凹所および対応するピークを含む製造工具を提供する工程と、（ｃ）コーティング可能な組成物を製造工具上にコーティングし、したがって、凹所を実質的に充填する工程と、（ｄ）任意に、裏材材料を、製造工具上のコーティング可能な組成物と接触させる工程と、（ｅ）組成物を、組成物の樹脂を硬化させるのに十分な条件に曝す工程と、（ｆ）製造工具から硬化した組成物を除去し、製造工具に対応する表面テクスチャーを有し、任意に、ノンテクスチャード側で第２のポリマーフィルム（すなわち、熱硬化性フィルム）に付着されたフィルムを提供する工程とを含むキャストおよび硬化プロセスである（たとえば、米国特許第５，７４３，９８１号明細書（Ｌｕ）を参照のこと）。

フォーム、多孔性材料、織布、および不織布などの他の可能な気体送出層を製造するのに使用される方法は、多く、さまざまであり、当該技術において知られている。

気体送出層を構成するのに使用してもよい材料は、多数であり、気体送出層の形態（たとえば、キャストされ、硬化されたフィルム、織布、不織布、フォーム）に依存する。図１に示された気体送出層などの気体送出層の場合、ポリプロピレンおよびそのコポリマー；ポリエチレンおよびそのコポリマーなどを含むがこれらに限定されない熱可塑性ポリオレフィンが、気体送出層を構成するのに使用してもよい材料の例である。

本発明の気体送出層の構造は、本発明の耐久性に寄与することができる。たとえば、図１の気体送出層の別個のフローチャネルは、１つの領域が穴をあけられた場合に、装置の完全なフラッディングをなくすことを考慮する。本発明の装置の気体送出層の１つの領域が、汚染水性媒体中の砕片によって穴をあけられた場合、別個のチャネルにより、気体送出層の１つまたは非常に小数のフローチャネルのみをフラッディングさせることが可能になる。これは、穴あけからの損傷を局所化するのを可能にする。これは、気体透過性表面への気体および液体の送出を考慮する通路形成層が、スクリーン、多孔性フェルト、または布である、膜分離および流体間接触のための膜プロセスのための従来の平坦なシートタイプの膜モジュール構造の使用と対照的である（たとえば、米国特許第６，０６８，７７１号明細書（ＭｃＤｅｒｍｏｔｔら）を参照のこと）。そのような構造の気体透過性層の穴あけは、気体送出層全体のフラッディングをもたらすであろう。気体送出層全体のフラッディングは、装置を不能にするであろう。

気体送出層は、また、他の方法で本発明の装置に耐久性または頑丈さをもたらすのに役立ってもよく、それらの方法も、本発明によって企図される。

図３に示されているように、気体送出層１４は、代わりに、ベース２６に多数のマイクロチャネル２４を含んでもよい。好ましい実施形態において、マイクロチャネル２４は、主壁１８にほぼ平行にフローチャネル２０に沿って走り、主壁１８の間に配置されている。マイクロチャネル２４は、好ましくは、動水半径が約３００マイクロメートル以下である。これらのマイクロチャネル２４は、操作中に気体送出チャネルの内側に形成することがある凝縮物を運び去るのに役立つ。次に、凝縮し、チャネルに沿って運ばれた水分を、なんらかの方法で除去してもよい。そのようなマイクロチャネルの製造および受動流体輸送の使用は、国際公開第９９／６５５４２号パンフレット（Ｉｎｓｌｅｙら）の主題である。

マイクロチャネルを含む気体送出層が、主に疎水性のポリマー（たとえばポリオレフィン）から製造される場合、気体送出層内で凝縮する水を運び去るように機能しないことがある。したがって、水輸送を向上させるために、気体送出層の全部または一部を親水性にすることが望ましいであろう。これは、たとえば、国際公開第９９／６５５４２号パンフレット（Ｉｎｓｌｅｙら）に記載されているように、気体送出層を製造するときに界面活性剤をベースポリマーとブレンドするか、気体送出層を親水性組成物でコーティングすることによって行ってもよい。他の既知のプロセスも用いてもよい。

図３のように、フローチャネルにマイクロチャネルを組入れることは、気体送出層の内部から水分を除去するための１つの手段にすぎない。気体送出層から水分を除去する他の構成が可能であり、本発明の一部であるとみなされる。「デッドエンド」モジュール（気体入力のための手段を有するが、気体透過性層以外に気体逃げのための手段が実質的にないモジュール）に適用できる１つのそのような方法は、フローチャネル（図３のものと同様）のシール端部に隣接した気体透過性層の領域をコーティングまたは化学処理して、親水性にすることである（Ｋ．Ｂｒｉｎｄｌｅら、「ウォーター・エンバイロメント・リサーチ（Ｗａｔｅｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）」、７１（６）、ｐｐ．１１９７−１２０４（１９９９）を参照のこと）。チャネル内の背圧により、凝縮物がチャネル端部に流れ、そこで、気体透過性層の親水性領域を透過することによって、凝縮物がモジュールの外部に除去されることができる（この方法を用いるには、モジュールの外側からの水による気体透過性層の親水性領域の透過を防止するのに十分なフローチャネルの内圧を連続的に加えることが必要であろう）。

代わりに、モジュールは、一端での気体入力のための手段および他端での気体除去のための手段を設けるために、両端で開いたフローチャネルを備えた気体送出層を含むことができる。フローチャネルの内側に形成した凝縮物を除去するために、気体送出層は、気体送出層に供給された気体の圧力によって、しずくを形成する凝縮した水が、次に、チャネルから押出されるように十分に小さいチャネルを有することができる。

本発明の別の代替実施形態は、ダブルまたは二重気体送出層を含む（図４を参照のこと）。図４に示されたような、そのような二重気体送出層は、１つのベースを形成するように、２つの気体送出層１４をともに積層する（ベース２６からベース２６に）ことによって構成し、両方の気体送出層に付着された気体透過性不透水性層１２を最終的に有する複合構造をもたらしてもよい。以下の実施例２は、どのようにこの積層が行われるかをより詳細に説明する。二重気体送出層を製造するための別の可能な方法は、二重特徴ダイによる一工程異形押出方法による。（以下の実施例３を参照のこと。）

本発明の別の可能な実施形態は、２つの主面の各々に気体透過性層を備えた１つの気体送出層を有する。たとえば、気体送出層が頑丈なフォームを含む場合、２つの気体透過性層をフォームの２つの主面に付着してもよい（たとえば、平坦なシート状の形態で）。その場合、気体送出層（フォーム）は、気体透過性層を支持するのに十分に耐久性があり、頑丈であろう。この構造は、複合装置の両側での汚染水の処理を考慮する。

任意の微生物支持層
任意に、本発明の装置は、気体透過性層に近接しているか、連結された微生物支持層１６をさらに含む。

任意の微生物支持層は、微生物接着および支持のための表面を与える繊維性または多孔性内部構造を含んでもよい。適切な支持層としては、たとえば、エアレイド構造、カーディング構造、ステッチボンド構造、スパンボンド構造、スパンレース構造、超音波結合構造、ウェットレイド構造、またはメルトブローン構造を含む構造から製造されたポリマー不織布ウェブまたは非ポリマー不織布ウェブが挙げられる。他の有用な微生物支持構造としては、織物および編物、ならびにフォームおよび多孔性セラミックスが挙げられる。微生物支持層として使用するのに適したフォームとしては、米国特許第５，８９９，８９３号明細書（Ｄｙｅｒら）、同第６，１４７，１３１号明細書（Ｍｏｒｋら）、および同第６，２７４，６３８号明細書（Ｙｏｎｅｍｕｒａら）、ならびに国際公開第０１／２１６９３号パンフレット（Ｔｈｕｎｈｏｒｓｔら）に記載されているように、高内相エマルション（ＨＩＰＥ）を重合することによって準備されたものが挙げられる。微生物支持および付着に必要な適切な特徴をもたらすのであれば、多くの材料を微生物支持層として使用してもよい。

本発明に有用な微生物支持層を製造する別の方法は、米国特許第６，１１０，５８８号明細書（Ｐｅｒｅｚら）および国際公開第００／６８３０１号パンフレット（Ｓｗａｎら）に記載されているように、高度に配向された溶融処理ポリマーフィルムの少なくとも１つの側に流体エネルギーを与えることによる、前記フィルムのフィブリル化またはマイクロフィブリル化である。

微生物支持層を、微生物内方成長（「微生物内方成長」とは、微生物が、内方に、この場合は微生物支持層内に、成長または形成する行為を意味する）に適したオープンセルサイズを有するように設計してもよい。しばしば、支持層が、水溶液で濡れるように親水性であることが望ましいであろう。微生物支持層を疎水性ポリマー（たとえばポリオレフィン）から準備する場合、微生物支持層を親水性にすることができる。疎水性支持体を親水性にする１つの方法が、同時に出願され、同時係属中の米国特許出願第１０／０２３，２６７号明細書（本出願と同じ日付で出願され、代理人事件番号５６７８３ＵＳ００２を有する）に記載されている。疎水性支持体を親水性にする別の方法は、たとえば、米国特許第６，０４２，８７７号明細書（Ｌｙｏｎら）に記載されているように、ウェブを親水性ポリマーでコーティングすることである（他のコーティング方法も用いてもよい）。別の方法は、当該技術において周知の、親水性モノマーの存在下で、紫外線もしくは電離放射線、プラズマ放電、またはオゾン処理を用いて、親水性ポリマー鎖を支持体上に表面グラフト重合することである（たとえば、Ｈ．Ｙａｍａｇｉｓｈｉ、Ｊ．Ｖ．ＣｒｉｖｅｌｌｏおよびＧ．Ｂｅｌｆｏｒｔ、ジャーナル・オブ・メンブレン・サイエンス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ）、１０５（１９９５）、２３７−２４７を参照のこと）。主として疎水性材料から親水性支持層を準備するためのさらに別の方法は、親水性化学基を有する界面活性剤をベースポリマーに組入れることである。この目的に有用な界面活性剤としては、フルオロ脂肪族基含有非イオン界面活性剤、ポリオキシエチレン基含有非イオン界面活性剤、および脂肪酸モノグリセリドが挙げられる。本発明に適したタイプの親水性繊維材料を準備するためのそのような添加剤の使用の例が、国際公開第９７／４４５０８号パンフレット（Ｔｅｍｐｅｒａｎｔｅら）および国際公開第００／７１７８９号パンフレット（Ｄｕｎｓｈｅｅら）に示されている。多くの適切な界面活性剤が利用可能であり、上記リストは、例示にすぎないことが意図される。親水性支持層は、また、シース−コアブローンマイクロファイバー構造を使用して準備することができる（たとえば、国際公開第００／４３５７９号パンフレット（Ｌｉｎｄｑｕｉｓｔら）を参照のこと。この方法を用いると、主に疎水性の材料を含む内側のコアと、親水性ポリマーまたは親水性界面活性剤を含む外側のシースとを有する繊維から、不織布支持体を構成することができる。

代わりに、またはさらに、支持層に、親水性および／または吸収性充填剤材料を充填してもよい。そのような充填剤材料の機能は、支持層の水吸収容量を向上させ、環境中に存在する有機炭素源を吸収し、濃縮し、それにより、微生物集団の発生を助ける、および／または微生物付着および接着に好ましい界面化学基を与えることである。有用な吸収性充填剤材料としては、細かく分けられた化石リグノセルロースまたはそれらの副産物（たとえば、泥炭、亜炭、鉱物石炭、コークス、木炭）を含有する天然材料、活性炭、細かく分けられた蒸留残留物、粒状金属酸化物、無機充填剤、プラスチック粒子、またはそれらの混合物を挙げてもよい。しかし、この吸着性充填剤材料のリストは、網羅的ではなく、本発明は、他の充填剤材料も企図する。

さらに、支持層は、微生物付着および／または接着に好ましい界面化学を有してもよいし、そのような界面化学を有する粒子、繊維、または樹脂を充填してもよい。たとえば、ほとんどの細菌が、正味の負の表面電荷を有するので、支持層は、好ましくは、永久的な正の表面電荷を保持することができる。微生物支持層を製造するのに使用してもよい、正味の正の表面電荷を保持する材料の例としては、ビルトインカチオン化学基またはカチオン形成化学基を有するポリウレタン樹脂が挙げられる。支持層に、正に帯電された材料を充填することができる。（たとえば、アニオン交換樹脂）。微生物付着および／または接着に好ましい界面化学は、また、既存の微生物支持体を、そのような界面化学を含む組成物でコーティングすることによってもたらすことができる。ウェブをコーティングするのに使用してもよい、正に帯電されたポリマーとしては、ポリグルコサミンおよびポリアミンが挙げられる。これらの正に帯電されたポリマーを微生物支持層上にコーティングするのに用いることができる１つの方法が、米国特許第６，０４２，８７７号明細書（Ｌｙｏｎら）に記載されている。微生物付着および／または接着に好ましい界面化学を有する支持体を提供するためのさらに別の方法は、そのような界面化学を含む界面活性剤を、支持体を製造するのに使用されるベースポリマーに加えることである。微生物支持体が不織布である場合、これは、マイクロファイバーの外側のシースが界面活性剤を含有するシース−コア構造を使用して行うことができる。

帯電された微生物支持層を使用することおよび／または吸着性粒子を支持層に組入れることの利点としては、１）プロセス開始において微生物集団を確立するのに必要な時間が減少すること、および２）微生物集団のより良好な接着により、バイオフィルムがはがれ落ちるのが低減し、汚泥が生じるのが低減することが挙げられる。米国特許第４，５７６，７１８号明細書（Ｒｅｉｓｃｈｅｌら）は、廃水処理用微生物キャリヤを製造するために、そのような充填剤をポリウレタンフォームに組入れることを記載している。表面電荷および吸収性充填剤をそのようなキャリヤ材料に組入れることの議論が、Ｊ．Ｔ．Ｃｏｏｋｓｏｎ，Ｊｒ．、「バイオレメディエーションエンジニアリング：設計および応用（Ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、ニューヨーク：マグロウヒル・インコーポレイテッド（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．）、１９９５年、に提示されている。本発明と対照的に、これらのキャリヤに支持された微生物への酸素の送出は、周囲の水からキャリヤ内への拡散によって制限され、したがって、ゆっくりであり、制御されていない。

支持層のさらなる利点は、支持層が、また、引裂および穴あけから気体透過性層を保護することによって、本発明の耐久性を高めることができることである。

支持層の厚さは、機能的であるいかなる厚さであってもよい。支持層の厚さは、支持層に接着し、支持層内および／または支持層上で成長する微生物集団の厚さの制御を考慮することができる。これは、反応器流れ条件のみを調整することによって、微生物集団の厚さを制御するのに好ましく、これは、また１つの可能性である。

気体（ガス）
１以上の気体を本発明の気体送出層に送出してもよい。本発明を用いて送出可能な気体の例は、空気、酸素化された空気、純酸素、メタンまたは他の炭化水素ガス、およびこれらのいずれかの混合物を含む。しかし、他の気体も、本発明によって企図される．

気体を気体送出層に送出または供給するための多くの適切な方法がある。１つの可能性は、気体送出層の端部を空気に対して開いたままにすることによって、気体を送出することである。別の可能性は、気体を気体送出層の端部に押込むことである。たとえば、廃水処理モジュール装置内の複数の気体送出層の端部に取付けられたマニホルドを使用することによって、気体を気体送出層の端部に供給してもよい。

気体は、気体供給源から気体送出層（実際には気体送出層のテクスチャー、フローチャネル、または細孔など）を通って気体透過性層の内面に輸送され、拡散によって気体透過性層を通り、気体透過性層の外面上、または、任意に、気体透過性層の外面に付着されるか近接した微生物支持層上および／または微生物支持層内に形成する微生物集団に達する。

本発明を用いると、酸素などの気体を、１００パーセントまでの濃度で微生物集団層に供給することができる。気体は、液相中に先に溶解せずに、微生物集団に直接供給することができる。

微生物集団
本発明の微生物集団は、好気性微生物を含んでもよい。微生物集団は、また、有機物質および／または窒素源で汚染された水性媒体の効果的な処理をもたらす好気性微生物および嫌気性微生物の混合培養物を含んでもよい。混合培養物は、好ましく、また、好気性処理だけでは十分に除去されないさまざまな有機化合物および窒素源を劣化させることができる。

本発明を用いる廃水処理に有用な例示的な微生物としては、バチルス属、アースロバクター属（Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ）、ニトロソモナス属（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）、およびニトロバクター属（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）細菌が挙げられる（ジェイ・ティー・クックソン・ジュニア、バイオレメディエーションエンジニアリング設計および応用、ニューヨーク：マグロウヒル・インコーポレイテッド、１９９５年を参照のこと）。多くの他の微生物を本発明とともに用いてもよく、その可能性は、ここに開示されたものに限定されない。廃水処理用途に用いられる微生物は、典型的には、廃水または汚染水源から生じ、廃水または汚染水源に生来固有である。いくつかの場合、支持材料上のバイオフィルムの発生を速めるために、または微生物集団の構成を制御しようと試みて、シード細菌を水（または水性媒体）に加える。

微生物集団が好気性細菌および嫌気性細菌の両方を含む場合、好気性細菌は、気体透過性層のより近くに配置される（水性媒体から離れて）傾向があり、一方、嫌気性細菌は、微生物集団の外部の方に、ならびに有機物質および／または窒素源を含有する水性媒体の方に配置される傾向がある。

例示的なモジュール（装置）
本発明の装置は、気体透過性層を気体送出層に近接して配置することによって組立ててもよい。次に、任意に、微生物支持層を、気体透過性層の気体送出層と反対側に、気体透過性層に近接して配置してもよい。代わりに、本発明の装置の構成要素を、積層、接着剤結合、熱結合、超音波結合、圧力結合、化学結合などのさまざまな手段によって、互いに貼るか付着してもよい。代わりに、構成要素を、それらの端縁の周りでともに積層してもよい。本発明の装置を組立てる他の方法も、本出願によって企図される。

上記のような複数の本発明の層状シート構造を、水性媒体から有機源および／または窒素源を実質的に除去するのに使用される装置またはモジュールに組入れてもよい。複数の層状シート構造を、単に平坦なシート以外の他の形状に成形することが可能である。たとえば、図６は、波状である、二重気体送出層を有する層状シート構造を示す。代わりに、層状シート構造は、畝状であることができる。そのような形状を用いて、汚染水に曝される装置の表面積を増加させてもよい。これは、効率を高める。

１つまたは複数の層状シート構造を組入れた、いくつかの例示的な装置またはモジュールが、図７〜図９に示されている。

図７は、１つの例示的な廃水処理モジュールを示す。廃水処理モジュール７０は、上記のような、複数の層状シート構造体１０を含む。層状シート構造体１０は、好ましくは、各側（頂部および底部）に気体透過性層を備えた二重気体送出層を含む。これは、装置１０上に形成するバイオフィルムのより大きい表面積が、図７のモジュールを通って流れる廃水に曝されるのを可能にするので、最も効率的な廃水処理をもたらす。

図７に見られるように、モジュールから流すための気体が残っている場合、気体は、気体入口７１に入り、層状シート構造体１０を通過し、気体出口７２から出る。多くの場合、気体の大部分が、層状シート構造体１０上および／または層状シート構造体１０内に形成された微生物層に送出されるが、気体が、たとえばモジュール７０から、微生物の作用の気体副生成物を運ぶことができるように、気体を層状シート構造体１０の他端から出すことが望ましいであろう。汚染水入口領域は７３で示され、処理水用出口領域は７４と示されている。モジュールを通る水（または水性媒体）の流れは、７５と示された矢印で示されている。

図８は、別の例示的な廃水処理モジュール８０である。それは、図７に示されたモジュールと同様である。しかし、図８に示されたモジュールにおいて、複数の層状シート構造体１０は、デッドエンド態様であり、これは、気体が、層状シート構造体１０の１組の端部から、他端に、およびモジュールまたは装置８０の外に流れることができないことを意味する。これも、副生成物が雰囲気（ＶＯＣなど）中に運ばれないので、望ましいであろう。気体入口は８１と示されている。汚染水入口領域は８２と示され、処理水用出口領域は８３と示されている。図８のモジュールおよび図７のモジュールでは、出口領域からの処理水を再循環させて入口領域まで戻し、２回目または複数回処理することが可能である。

図９は、さらに別の例示的な廃水処理モジュール９０を示す。この図に示された装置の形状は、管状である。それは、間隙９１を形成するように隔置された連続巻きを有する渦巻形螺旋に巻かれた１つの層状シート構造体１０を含む。間隙９１により、廃水または汚染水が、間隙９１を通って流れ、層状シート構造体上および／または層状シート構造体内の微生物に曝されることが可能になる。スペーサまたは通路形成材料を任意に使用して、間隙を開いたままにしてもよい。間隙９１は、好ましくは、廃水中に存在することがある浮遊物質が間隙を通って流れるのを可能にするのに十分に大きい。層状シート構造体の渦巻形の内側の端部９２から、層状シート構造体１０に気体を供給してもよいし、代わりに、層状シート構造体１０の渦巻形の外側の端部９３に気体を供給してもよい。別の代替例は、気体を両方の端部９２、９３に供給することである。汚染水入口領域は９４と示され、出口領域は９５と示されている。

プロセス
本発明の別の実施形態は、ａ）少なくとも１つの層状シート構造体を提供する工程であって、前記層状シート構造体が、ｉ）少なくとも１つの気体透過性不透水性層と、ｉｉ）前記少なくとも１つの気体透過性層に近接した気体送出層とを含む、工程と、ｂ）前記少なくとも１つの層状構造体の前記少なくとも１つの気体透過性層上に微生物層を確立する工程と、ｃ）少なくとも１つの気体を、前記少なくとも１つの層状構造体の前記少なくとも１つの気体送出層に供給する工程と、ｄ）前記水性媒体を前記微生物層と接触させる工程とを含む、少なくとも１つの有機物質および少なくとも１つの窒素源の一方または両方を含有する水性媒体から、少なくとも１つの有機物質および少なくとも１つの窒素源の一方または両方を実質的に除去するためのプロセスである。

本発明の特徴および利点を、さらに次の実施例に示す。しかし、用いられる特定の成分および量、ならびに他の条件および詳細が、本発明の範囲を不当に限定するように解釈されるべきではないことが、はっきりと理解されるべきである。

テスト方法
走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）
ＪＥＯＬ（商標）モデル８４０ＳＥＭ（マサチューセッツ州のピーボディ（Ｐｅａｂｏｄｙ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ））でＳＥＭを撮影した。サンプルを金または金／パラジウム（６０／４０）混合物でスパッタコーティングし、サンプル表面を１０キロボルト（ｋＶ）の電圧および２５０から１０００倍（２５０−１０００×．）の倍率で画像化した。

実施例１
実施例１は、気体送出層を形成し、気体透過性層を気体送出層のテクスチャード表面に貼ることによって製造された本発明の装置を示す。

溶融処理可能なエチレン−ポリプロピレンコポリマー（ミシガン州ミッドランドのダウ・ケミカル（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ，Ｍｉｄｌａｎｄ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）から入手可能な７Ｃ５５Ｈ）を、単軸押出機（コネチカット州ポーカタクのデービス・スタンダード・コーポレーション（Ｄａｖｉｓ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｐａｗｃａｔｕｋ，Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ）によって供給される）に供給して、１つの滑らかな表面（ベース層）と、１つのテクスチャード表面とを有する気体送出層を形成した。押出機は、６．３５センチメートル（ｃｍ）（２．５インチ）の直径、２４／１の長さ／直径（Ｌ／Ｄ）比、および約１７７から２３２℃（３５０から４５０°Ｆ）に着実に増加する温度プロファイルを有した。ポリマーを、２３２℃（４５０°Ｆ）に加熱されたネックチューブを通して、２３２℃（４５０°Ｆ）の温度で維持された、幅２０．３２ｃｍ（８インチ）のマスターフレックス（ＭＡＳＴＥＲＦＬＥＸ）（商標）ＬＤ−４０フィルムダイ（ウィスコンシン州オークレアのプロダクション・コンポーネンツ（Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，Ｅａｕ Ｃｌａｉｒｅ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ）によって供給される）内に、少なくとも６８９ｋＰａ（１００ｐｓｉ）の圧力で連続的に排出した。ダイは、一方の側に滑らかな表面を有し、反対側に、ベース部分から垂直に延在する壁状またはレール状突出部として成形された、均一に隔置されたテクスチャード特徴から形成されたテクスチャード表面を有するポリマーベースシートを形成するように構成されたダイリップを有した。この構造は、図１に示されている。気体送出層のベース層の厚さは、約１２７ミクロン（μｍ）（５ミル）であった。各壁は、ベースシートに沿って機械方向に延在し、高さが１．５ｍｍ（６０ミル）、幅が０．５ｍｍ（１８ミル）、中心間の間隔が１．０ｍｍ（４０ミル）であった。気体送出層を、気体送出層の壁の頂部が気体透過性層（厚さ１３７ミクロン、ポリプロピレン、ガーリー（Ｇｕｒｌｅｙ）デンソメータ読み５０ｃｃあたり１０秒、７５％空隙、米国特許第５，２３８，６２３号明細書（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ）に教示された方法に従って準備された）と接触するように、気体透過性層上に３．５ｍ／分（１０フィート／分）でドロップキャストした。接触は、約２０ｍｍ（０．８インチ）の接触距離にわたって約０．５秒の期間であり、その後、気体送出層と気体透過性層との組合せを、１６℃（６０°Ｆ）で維持された急冷タンク内に直接供給し、約１０秒の滞留時間で、一体化構造体を形成した。接触は、急冷される前に気体送出層の壁の頂部を気体透過性層に結合する（全体を溶融することなく）のに十分であった。使用された急冷媒体は、疎水性ポリプロピレン気体送出層の濡れを高めるために、界面活性剤、エトキシ（ＥＴＨＯＸＹ）（商標）ＣＯ−４０（サウスカロライナ州グリーンビルのエトックス・ケミカルズ（Ｅｔｈｏｘ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，ＬＬＣ，Ｇｒｅｅｎｖｉｌｌｅ，Ｓｏｕｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ）から入手可能なポリオキシエチレンひまし油）約０．１重量％を有する水であった。次に、急冷された構造体を空気乾燥させ、ロールに集めた。この構造体の重量は、約６３０ｇ／ｍ^２であった。

実施例２
実施例２は、両側にテクスチャード特徴（壁）を有する気体送出層（二重気体送出層）を示す。

気体送出層の滑らかな表面（壁のない表面）を、別の予め製造された気体送出層の滑らかな表面に溶融付着した（ｍｅｌｔ−ａｆｆｉｘｅｄ）以外は、実施例１と同様に、気体送出フィルムを製造した。結果として生じる二重気体送出層は、図４に示されたものと同様であり、ベース厚さが約３５５μｍ（１４ミル）であった。ベースから延在する各壁は、高さが１．２ｍｍ（４６ミル）であり、幅が０．４ｍｍ（１６ミル）であり、中心間の間隔が１．０ｍｍ（４０ミル）であった。

得られた気体送出層は、バイオフィルムを成長させるための２つの表面を有する層状シート構造を製造するために、積層技術によって気体透過性層を両方のテクスチャード表面（壁）に接着するのに適した。

実施例３
実施例３は、両側にテクスチャード特徴を有する気体送出層（二重気体送出層）を製造する別の方法を示す。

押出機フィルムダイを、図５に示されているような、気体送出層のベース層の両面からほぼ垂直に延在する、フック状突出部を備えた壁を形成するように構成した以外は、実施例１と同様に、気体送出層を製造した。得られた二重気体送出層を、水浴中にドロップキャストして、急冷した。二重気体送出層のベース厚さは、約２５４μｍ（１０ミル）であった。ベースから延在する各壁は、１．０ｍｍ（４０ミル）と０．７ｍｍ（２７ミル）との間で交互する高さ、１７８μｍ（７ミル）の幅、および１．３ｍｍ（５０ミル）の中心間の間隔を有した。各壁の端部のフック状突出部の幅は、０．７ｍｍ（２８ミル）であった。一方の表面上の壁の位置は、他方の表面上の壁の位置と比較すると、第１の表面上の１つの壁が第２の表面上の２つの壁の中間に配置されるように、互い違いに配置された。

実施例４
この実施例は、気体透過性層に隣接した微生物集団の固定を向上させるために、本発明の気体透過性層に積層するのに適した、表面積が大きい微生物支持層の製造を示す。

米国特許第３，９７１，３７３号明細書（Ｂｒａｕｎ）に開示されたのと同様の態様で、３つの異なった坪量の繊維ウェブおよびさまざまな炭素含有量で、活性炭を充填したブローンマイクロファイバーウェブの９サンプルを製造した。ポリマーは、ペンシルバニア州フィラデルフィアのアトフィナ・ケミカルズ・インコーポレイテッド（Ａｔｏｆｉｎａ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．，Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）からフィナ（ＦＩＮＡ）（商標）３９６０として入手可能なポリプロピレンであった。メッシュサイズが８０×３２５（ＡＳＴＭ米国ふるい番号の活性炭粒子は、ペンシルバニア州ピッツバーグのカルゴン・カーボン・コーポレーション（Ｃａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）によって供給された。繊維は、約１１ミクロンの効果的な繊維直径を有した。１平方メートルあたりグラム（ｇｓｍ）単位の非充填坪量、ｇｓｍ単位の充填坪量、重量パーセント（ｗｔ％）単位の活性炭濃度、ｇｓｍ単位の活性炭坪量、および繊維間間隔が、表１にサンプルごとに記載されている。

実施例５
この実施例は、親水性を向上させるように処理された微生物支持層を示す。

活性炭を充填した微生物支持層（この実施例では不織布ウェブ）にハードコーティングを付与することによって、サンプル４Ｆを表面改質した。不織布ウェブをバッチグロー放電反応器内に固定した。反応器を閉じ、排気し、次に、酸素プラズマに１０秒間、テトラメチルシランプラズマに３０秒間、および第２の酸素プラズマに１０秒間、順次、サンプルを曝した。プラズマ照射はすべて、サンプルがパワー電極の周りのイオンシースを通過するときに、２０．０パスカル（Ｐａ）（１５０ｍＴｏｒｒ）の気体圧力および３００ワット（Ｗ）のグロー放電電力で行われた。次に、サンプルをひっくり返し、反対側でこのプロセスを繰返した。

得られた不織布ウェブ上に置かれた水の小滴は、処理されたポリマー表面上の完全なウェットアウトを示した。これは、水の小滴が有限接触角を形成した未処理のサンプルと対照的である。

実施例６
この実施例は、経膜的酸素化による疎水性気体透過性層上のバイオフィルムまたは微生物層の成長を示す。

廃水テスト媒体を調製した。予めパッケージングされた緩衝液塩（ウィスコンシン州ミルウォーキーのシグマ−アルドリッチ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ）からカタログＮｏ．Ｐ−３８１３として入手可能）を脱イオン水に加えることによって、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）を０．０１ＭおよびｐＨ７．４で調製した。ストック溶液Ａ、Ｂ、およびＣを、脱イオン水中で、表２に示された組成で作った。ストック溶液Ａ、Ｂ、およびＣを各々１ｍｌ、ＰＢＳ１リットルに加えることによって、環境保護庁（ＥＰＡ）ガイドラインに基いて、最小の塩媒体を調製した。次に、最小の塩媒体に、（炭素源として存在する）溶液１リットルあたり１００ｍｇのフェノールを加えることによって、テスト媒体ベース溶液を調製した。

不透水性気体透過性層を備え、気体透過性層の一方の側への酸素送出を備えた、モデル廃水を処理する装置を製造した。気体透過性層のディスク（厚さ１３７ミクロン、ポリプロピレン、ガーリーデンソメータ読み５０ｃｃあたり１０秒、７５％空隙、米国特許第５，２３８，６２３号明細書（Ｍｒｏｚｉｎｓｋｉ）に教示されたように準備された）を、７ｍｍコルクボアラを使用して、ロールストックから打抜いた。各ディスクを２つのｏ−リングの間に配置し、標準接合サイズ１０／１８テフロン（ＴＥＦＬＯＮ）（商標）温度計アダプタ（ミネソタ州ミネアポリスのＶＷＲサイエンティフィック・プロダクツ（ＶＷＲ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）から入手可能）にねじ込み、これは、気体透過性層アセンブリを形成するための気体透過性層ハウジングとして役立った。バイオフィルム成長がアンバーガラス反応容器（１０００ｍＬの広口パッカー、アンバーガラス、オープントッププラスチック蓋、ＶＷＲから入手可能）内で行われ、アンバーガラスは、望ましくない屈光性藻類の成長を防止するのに役立った。両面ナイロンチュービングコネクタを蓋にあけられた穴に接着することによって、気密取付物を反応容器の蓋に取付けた。蓋にセットされたチュービングコネクタによって、酸素送出マニホルドと連通するチュービングに取付けられた反応容器内に、装置を吊るした。この構成において、気体透過性層の一方の側が酸素に曝され、他方の側が水性媒体に曝された。窒素の一定の流れが蓋の入口穴および排出穴を介して容器のヘッドスペースに供給され、酸素を気体透過性層アセンブリに閉込めた。反応器への一定の窒素流れのため、気体透過性層は、反応容器内のただ１つの酸素源であった。複数の反応器を窒素供給に直列で連結し、酸素供給マニホルドに並列で連結した。

各反応器を上記テスト媒体ベース溶液７５０ｍＬで満たし、これを、磁気撹拌プレートによって適度な速度で撹拌した。加湿バブラーを同じテスト媒体で満たし、反応器に通される窒素送出チューブに取付けた。酸素を２４０から５００Ｐａの圧力（Ｈ_２Ｏ１−２インチ）で気体透過性層に供給し、気体流量計で測定された１００〜３００ｍＬ／分の酸素流量をもたらした。この圧力において、気体透過性層の液体接触側で気泡が観察されず、気体透過性層を通る酸素の流れは、拡散のみによった。約３０分の平衡期間後、各装置に多数のバチルス属およびアースロバクター属細菌株を含有する液体微生物濃縮物（ＧＴ−１０００ＨＣ、アリゾナ州スコッツデールのバイオ−ジェネシス・テクノロジー・インコーポレイテッド（Ｂｉｏ−Ｇｅｎｅｓｉｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．，Ｓｃｏｔｔｓｄａｌｅ，Ａｒｉｚｏｎａ））３．７５ｍｌを接種して、廃水テスト媒体を作った。次に、上記のように、穏やかに撹拌し、気体送出を続けながら、装置を室温でインキュベートした。

気体透過性層アセンブリを定期的に検査して、バイオフィルム成長を評価した。８日後、気体透過性層の表面上に細菌の「島」が観察され、１２日後、厚さおよそ５０μｍの連続したバイオフィルムが観察された。膜支持バイオフィルムでは一般的であるように、これらのバイオフィルムは、気体透過性層の表面への周辺接着を示し、容易に切取ることができた。図１０は、１２日間廃水テスト媒体と接触させた後の、気体透過性層の表面上のバイオフィルムを示す。この実施例は、気体透過性層が、フェノール水溶液を透過させず、一方、微生物層の確立を可能にするのに十分に酸素を透過させる効果的なバイオフィルム支持体を提供できることを示す。しかし、それは、また、バイオフィルムがはがれ落ちるのを低減するかなくすために、装置が微生物支持層をさらに含むことが望ましいことを示す。

実施例７
この実施例は、気体透過性層に積層された支持層の表面上のバイオフィルムの成長を示す。

気体透過性層（実施例６で使用されたような気体透過性層）の片面を、実施例５のサンプル４Ｆに記載されたような微生物支持層の片面に熱結合することによって、積層体を準備した。積層体のディスクを、７ｍｍコルクボアラを使用して、ロールストックから打抜いた。ディスクの熱結合は、ホットプレート上で６ｍｍコルクボアラを加熱し、積重ねられたディスク上にプレスして、直径６ｍｍの円形結合を作ることによって行った。実施例６に記載された手順を用いて準備された積層体上に、積層体の微生物支持層側を廃水テスト媒体と接触させて、バイオフィルムを成長させた。

バイオフィルムの支持層への固定は、実施例６に見られたものより向上した。経膜的酸素化の７日後の、これらのバイオフィルムの断面のＳＥＭが、図１１に示されている。バイオフィルムは、この実施例の不織布または支持層に貫入しなかったが、代わりに、その外面上に成長した。しかし、興味深いことに、不織布マイクロファイバーは、図１２に示されているように、バイオフィルムに貫入しているのがはっきりと見られ、これは、その接着力が増したことを少なくとも部分的に説明する。バイオフィルムの支持層内への完全な内方成長は、（１）繊維間間隔を大きくする、または（２）支持表面を細菌に対してより接着性にするために繊維界面化学を調整する（たとえば、正に帯電されたポリマーでコーティングすることによって）ことによって達成してもよい。これは、バイオフィルムの接着を大幅に向上させることが予期される。それは、また、バイオフィルムの厚さの制御を可能にし、これは、バイオフィルム表面における廃水媒体の流体速度と比較的無関係であることができる。

実施例８
この実施例は、気体透過性層の疎油性を高める方法を示す。

実施例６で使用された気体透過性層を、プラズマフッ素化処理によって、対油濡れ性にした。サンプルを回転接地電極ドラムにテープで付け、これを、長さが０．７６ｍ（２．５フィート）の同軸のパワー電極下で形成されたプラズマゾーンを通して回転させた。すべてのランで、プラズマ電力は３００Ｗであり、圧力は６６．５Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）であった。表３に示されているように、さまざまな回転速度（さまざまなプラズマ照射時間をもたらす）で、さまざまな気体で、サンプルをランさせた。流量は、標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）で報告されている。

未処理の気体透過性層および処理された気体透過性層の耐水濡れ性および耐油濡れ性を、それらの表面上に、流体Ａ（脱イオン水、７２．０ダイン／ｃｍの表面エネルギー）、流体Ｂ（鉱油、３４．７ダイン／ｃｍの表面エネルギー）、および流体Ｃ（３５：６５の重量比の、表面エネルギーが２７．５ダイン／ｃｍのｎ−ヘキサデカンと鉱油との混合物）の液滴を置くことによってテストした。

流体Ａは、未処理のサンプルを含めて、サンプルをすべて濡らさなかった。流体Ｂは、未処理のサンプルをすぐに濡らし、３−５分の遅延時間後、サンプルＣを濡らした。しかし、流体Ｂは、サンプルＡ、Ｂ、およびＤを濡らさなかった。流体Ｃは、すべてのサンプルを濡らしたが、プラズマフッ素化サンプルは、この溶液の濡れの遅れを示した。したがって、少なくとも２５秒のプラズマ処理時間により、流体Ｂによる濡れに対する気体透過性層の完全な耐性がもたらされた。この濡れ挙動は、１０週間の空気中での保存後、すべての気体透過性層上で存続した。流体Ｂのウェットアウトに対する向上した耐性は、高濃度の油および脂を含有した廃水の処理に望ましいであろう。また、用いられた条件におけるこの実施例の気体透過性層のプラズマ処理のみが、処理側で疎油性を向上させたことが観察された。

本発明のさまざまな修正および変更が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者に明らかになるであろう。

本発明の一実施形態の斜視図である。 代替の波状気体透過性層を含む、本発明の一実施形態の側面図である。 気体送出層のフローチャネルにマイクロチャネルを含む、本発明の別の実施形態の側面図である。 二重気体送出層を含む、本発明の一実施形態の側面図である。 気体送出層の壁からのフック状突出部を有する、実施例３で製造／使用された、本発明の一実施形態の側面図である。 波状であり、二重気体送出層を含む、本発明の一実施形態の側面図である。 本発明の装置の実施形態を組入れた例示的なモジュールの斜視図である。 本発明の装置の実施形態を組入れた、別の例示的なモジュールまたは装置の斜視図である。 本発明の装置の実施形態を組入れた、例示的なモジュールまたは装置のさらに別の斜視図である。 倍率５０４×の、モデル廃水の存在下での１２日の経膜的酸素化後の、本発明の装置の一実施形態の気体透過性層上の連続したバイオフィルムの側面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真である。 倍率２５２×の、本発明の装置の一実施形態の微生物支持層内および微生物支持層上に成長させたバイオフィルムの側面のＳＥＭディジタル顕微鏡写真である。 倍率１，０２０×の、本発明の装置の一実施形態の微生物支持層内および微生物支持層上に成長させたバイオフィルムの側面のＳＥＭディジタル顕微鏡写真である。

Claims (21)

1. ａ．少なくとも１つの多孔性気体透過性不透水性層と、
   ｂ．気体を前記部分ａの層に運ぶことができるフローチャネルを形成する複数のレールがある側を有するベースを含む、前記部分ａの層に近接した気体送出層とを含む層状シート構造体。
2. 前記部分ａの層が微孔性である、請求項１に記載の層状シート構造体。
3. 前記部分ａの層が、気体透過性ポリマーコーティングでコーティングされている、請求項２に記載の層状シート構造体。
4. 前記気体送出層が、気体を運ぶことができるフローチャネルを形成する複数のレールを有する２つの側を有し、前記気体送出層の両側に、前記気体送出層に近接して気体透過性不透水性層を有する、請求項１に記載の層状シート構造体。
5. 前記ベースにマイクロチャネルがあって、前記フローチャネルの長さを延在する、請求項１に記載の層状シート構造体。
6. 前記層状シート構造体または前記部分ａの層が、形状が波状または畝状の一方または両方である表面を有する、請求項１に記載の層状シート構造体。
7. 間隙を形成するように隔置された連続巻きを有する螺旋に巻かれた、請求項１に記載の層状シート構造体。
8. 前記部分ａの層に近接した微生物集団をさらに含む、請求項１に記載の層状シート構造体。
9. 少なくとも１つの有機物質または少なくとも１つの窒素源を、そのような源を含有する水性媒体から除去する方法であって、
   ａ．請求項１に記載の少なくとも１つの層状シート構造体を提供する工程と、
   ｂ．前記層状シート構造体の部分ａの層上に微生物層を確立する工程と、
   ｃ．前記層状シート構造体の気体送出層に気体を供給する工程と、
   ｄ．前記水性媒体を前記微生物層と接触させる工程とを含む方法。
10. ａ．少なくとも１つの多孔性気体透過性不透水性層と、
    ｂ．気体を前記部分ａの層に運ぶことができる手段を提供する、前記部分ａの層に近接した気体送出層とを含む層状シート構造体であって、
    前記部分ａの層が、疎油性であるか、改良された疎油性を有し、次の特徴、すなわち、
    ｉ．任意に硬化性であるフルオロケミカルまたはフルオロポリマーを含む組成物のコーティング、
    ｉｉ．気体フッ素化種の存在下で電離放射線またはプラズマ放電によって処理された表面、
    ｉｉｉ．前記気体透過性不透水性層の組成物中のフルオロケミカル添加剤、または
    ｉｖ．ポリジメチルシロキサンのコーティング
    のうちの少なくとも１つを有する、層状シート構造体。
11. 前記気体送出層が、多孔性および気体透過性である材料を含む、請求項１０に記載の層状シート構造体。
12. 前記気体送出層が、織布および不織布からなる群から選択される材料を含む、請求項１０に記載の層状シート構造体。
13. 前記気体送出層が、気体を前記部分ａの層に運ぶことができるフローチャネルを形成する複数のレールがある側を有するベースを含む、請求項１０に記載の層状シート構造体。
14. 少なくとも１つの有機物質または少なくとも１つの窒素源を、そのような源を含有する水性媒体から除去する方法であって、
    ａ．請求項１０に記載の少なくとも１つの層状シート構造体を提供する工程と、
    ｂ．そのような層状シート構造体の部分ａの層上に微生物層を確立する工程と、
    ｃ．前記層状シート構造の気体送出層に気体を供給する工程と、
    ｄ．前記水性媒体を前記微生物層と接触させる工程とを含む方法。
15. ａ．少なくとも１つの多孔性気体透過性不透水性層と、
    ｂ．気体を前記部分ａの層に運ぶことができる手段を提供する、前記部分ａの層に近接した気体送出層と、
    ｃ．前記部分ａの層の、前記気体送出層と反対側に配置された、前記部分ａの層に近接した少なくとも１つの微生物支持層とを含む層状シート構造体。
16. 前記微生物支持層に近接した、または前記微生物支持層の内部の一方または両方の微生物集団をさらに含む、請求項１５に記載の層状シート構造体。
17. 前記微生物支持層が正に帯電された、請求項１５に記載の層状シート構造体。
18. 前記微生物支持層が、化石リグノセルロース、泥炭、亜炭、石炭、コークス、木炭、活性炭、細かく分けられた蒸留残留物、無機充填剤、プラスチック粒子、およびそれらの混合物からなる群から選択される少なくとも１つの吸収性充填剤材料を含む、請求項１５に記載の層状シート構造体。
19. 前記気体送出層が、気体を前記部分ａの層に運ぶことができるフローチャネルを形成する複数のレールがある側を有するベースを含む、請求項１５に記載の層状シート構造体。
20. 前記部分ａの層が、疎油性であるか、改良された疎油性を有し、次の特徴、すなわち、
    ｉ．任意に硬化性であるフルオロケミカルまたはフルオロポリマーを含む組成物のコーティング、
    ｉｉ．気体フッ素化種の存在下で電離放射線またはプラズマ放電によって処理された表面、
    ｉｉｉ．前記気体透過性不透水性層の組成物中のフルオロケミカル添加剤、または
    ｉｖ．ポリジメチルシロキサンのコーティング
    のうちの少なくとも１つを有する、請求項１５に記載の層状シート構造体。
21. 少なくとも１つの有機物質または少なくとも１つの窒素源を、そのような源を含有する水性媒体から除去する方法であって、
    ａ．請求項１５に記載の少なくとも１つの層状シート構造体を提供する工程と、
    ｅ．そのような層状シート構造の微生物支持層上または前記微生物支持層内に微生物層を確立する工程と、
    ｆ．前記層状シート構造体の気体送出層に気体を供給する工程と、
    ｇ．前記水性媒体を前記微生物層と接触させる工程とを含む方法。

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