JP2005512770A - 排水処理のプロセスおよび装置 - Google Patents

Abstract

望ましくない混入物を含む水を処理するシステム。トイレ１および排水生成装置２で生成された排水が沈降タンク３に入り、特定の時間の後、濾過領域５に分散するために分散ボックス４に入る。装置３１を使用して、沈降タンクの後で分散ボックスの前に、成長中の細菌、炭素源を含む栄養素、および酸素を添加する。

Description

本出願は２００１年１２月１３日に出願した仮特許出願第６０／３４１，１７８号の優先権を主張し、その開示を参照により本明細書に援用する。

本発明は、望ましくない混入物を含む水を処理するシステムに関する。特に、本発明は水中の固体および液体廃棄物の好気性および嫌気性処理に使用する生物学的媒質を含む排水処理システムに関する。特に、本発明は大規模および小規模排水システム用のこのような処理システムに関する。本発明は、アンモニア、亜硝酸、硝酸、過塩素酸および他の混入物を除去した高品質で環境的に適切な水を出力するために必要なシステムのサイズを最小にする方法で、排水を効果的に処理する新規の方法を含む。

排水処理システムは、最小の１世帯住宅用腐敗システムから、大小の商用運転および自治体用の産業用設備まで、いたるところにある。総懸濁固体量（ＴＳＳ）、生化学的酸素要求量（ＢＯＤ）、窒素化合物、大腸菌、亜燐酸、およびほぼ全ての他の細菌を処理し、システムによるこのような望ましくない出力の量を最少にするようにすることが、常にこのようなシステムの目的である。このような目的を達成するために、様々な周知の手段が考案され、その成功および効率の程度は様々である。このような先行システムの最も重要な一般的問題は、大部分が、高品質の出力でこの水を効果的に処理するために必要な運転の規模であった。つまり、処理すべき水の体積に対して、このシステムのサイズは相応して大きくなる。これは、１世帯住宅、および小グループの住宅および／または建物など、自治体の処理システムとの結合が望ましくない比較的小規模のシステムに、特に当てはまる。

排水処理用に設計された多数のシステムでは、多くが、排水に伴う固体および様々な混入物の分解を加速するために生物学的処理の使用を含む。この生物学的処理は、水に含まれる汚染物質に対する親和性を有する微生物の使用を伴う。つまり、単純に固体を排水からゆっくり傾瀉し、次に汚染物質を水中にあるほぼ全ての他の物質とともに破壊するよう設計された有害な化学処理を適用するのではなく、この微生物が排水に作用できるようにする。相対的に、これは何も使用しない場合より短時間で汚染物質を除去するよう作用し、しかも化学処理に伴う危険性や困難がなくこれを実行する。しかし、これは混入物上で増殖し、栄養補給するために、何らかのタイプの保持タンク、フィルタ、固定したフィルムまたは媒体に定住できねばならない。微生物は、汚染物質の摂取を完了したら、単に死滅し、最終的に処理タンクまたはユニットの底に落下する廃棄固体となり、その後に除去される。一部の微生物は、表面積または体積の利用可能性を部分的に妨害し、その結果、不活動性の空隙が生じる。次に、処理済みの水が次の段階へと通過し、これは単に何らかの形態の浸出床か、反応器などのより複雑なシステムでもよい、これは、その後に水塊へと搬送するか、園芸などの危険でない用途でリサイクルするため、紫外線殺菌手段、オゾン処理、またはメンブレン濾過を含むが、これに制限されない。

残念ながら、好気性および嫌気性微生物処理は重大な利点を有する一方、排水を十分に混入物がない状態にするよう、微生物が汚染物質を十分に「食べる」ための十分な「滞在時間」または「滞留時間」を提供することが必要である点で、過度に効果的ではない。言うまでもなく、混入物除去の十分度は、政治上の規制の一機能である。いかなる場合でも、処理しなければならない水の体積のため、往々にして比較的小規模の排水生成施設のために、かなり大規模の処理ユニットが必要になる。その結果、以前のシステムでは往々にして妥協があり、その妥協は混入物除去要件、排水出力の処理に利用可能なスペース、および双方に伴う費用に関連する。これらの問題の一部は、反復的に処理するために、部分的に処理した排水を再循環させることにより対応されてきた。従来の排水処理システムは、細菌の漸進的蓄積による効果的処理を使用する。これは、全ての処理体系に共通するが、空気を導入する容器またはコンテナを使用するシステムで特に顕著である。処理のために細菌の漸進的蓄積を使用するこのようなシステムは、液圧の過負荷、停電、保守用の一時的停止時に、または季節的流動に対する応答で、必然的に障害を経験する。このような事象中に、往々にして処理を提供する細菌がシステムを通って流され、このような事象の後に効率が低下する。

このような先行システムの別の問題は、長期の使用にわたるその効率であった。処理すべき廃水が大量の生物学的マス（資源）の使用を必要とする場合、マスの「施栓（ｐｌｕｇｇｉｎｇ）」の問題が生じる。つまり、マスの表面に固体廃棄物が蓄積するか、微生物が汚染物質を摂取して、死滅した場合、これは必ずしもタンクの底に落下しない。代わりに、マスの表面に、またはその付近に捕捉されてしまう。この施栓または閉塞またはマスは、その後の汚染物質がその下にあってマスの表面下に位置する活性微生物へと通過する通路を大幅に減少させる。２つのマイナスの結果がある。つまり１）微生物の摂取によって生じた汚染物質分解の加速が打ち消され、２）マスを通る水の流れが減少し、場合によっては停止してしまう。したがって、この施栓を考慮に入れるために、必要なものよりはるかに大きいユニットを建設するか、詰まったシステムを洗浄する努力を払う必要がある。このような保守は、死微生物を除去するために、攪拌手段を導入するか、加圧水を使用することを含む。

幾つかの先行技術の排水処理システムについて説明してきた。これらのシステムは、明らかに、混入物の減少を加速するために生物学的媒質を使用する大規模および／または小規模処理用に設計されている。これは大部分が、生物学的処理、さらに微生物の活動の有効性を向上させるよう設計されたメカニズムを含む。しかし、それぞれに、最も効果的で比較的安価な排水処理システムを提供する能力に重大な影響を及ぼす１つまたは複数の欠点がある。

（例えば硝酸または亜硝酸として）酸化した状態の窒素が、地下水に浸入し、飲料水に問題を生じることがある。飲料水の基準は、一般的に硝酸の限度を５から１０ｍｇ／ｌに制限しているが、現代の処理工場からの流出水は２０ｍｇ／ｌを上回る自然レベルを有することがある。アンモニアとしての還元状態の窒素は、魚に対して有毒であり、最大濃度を抑制するために、多くの河川で厳格な限度が実施されている。

従来の窒素除去方法は、生物学的手段によるものである。十分な時間、酸素および適切な量の微生物を使用して、有機窒素を生物学的にアンモニアに変換し、さらに硝酸の形態に酸化する。この変換は、好気性（酸素がある）状態で生じ、比較的容易に達成され、当然、様々な既知のタイプの排水処理プロセスを経る。この時点で、窒素は濃度が減少せず、異なる形態に変換されただけである。

硝酸を除去する実際的手段は、これを窒素ガスに変換することである。この時点で、Ｎ_２が水から放出され、大気中の窒素となる。大気中の窒素として、これは水の汚染物質ではない。硝酸は、微生物の作用によって窒素ガスに変換することが最適である。（自由溶解酸素がない）無酸素状態で、酸素を要求する多くの一般的細菌は、硝酸イオンから窒素を生化学的に除去し、窒素ガスを残すことができる。このプロセスは、生物学的脱窒と呼ばれる。

脱窒が生じるためには、窒素を最初に硝酸に変換し、次に細菌に、酸素に対する要求を生成するための栄養物源がなければならない。この栄養物源は、メタノールの化学的添加、汚水の追加、または生物の自然な要求（固有呼吸）など、外部からのものでよい。この自然の要求は、自由酸素がない状態で発生しなければならない。

有機窒素およびアンモニアを硝酸に変換する際に、十分な曝気を提供しなければならず、この曝気は炭素を除去することにもなる。しかし、脱窒細菌による脱窒中は、炭素が存在しなければならない。したがって、炭素をシステムに再導入し、これは当技術分野ではメタノールの添加によって一般的に実行されている。メタノールを炭素源として使用する場合に生じる生化学反応の結果、窒素ガス、二酸化炭素および水が発生する。必要なメタノールの量は、除去すべき窒素化合物の重量の約３倍である。当技術分野で知られているように、他の炭素源を使用することもできる。

Ｌｕｎｔに発行された米国特許第４，００５，０１０号は、生物学的媒質を含む網目の袋の使用について記載している。袋は、明らかに微生物を保持しながら、流体が通過できるよう設計される。にもかかわらず、このユニットは依然として施栓が生じることがあり、生物学的媒質がそれを使用する過程で詰まる傾向がある。さらに、ユニットの容量は、微生物が成長するために生成できる濡れ表面積に直接依存する。米国特許第４，１６５，２８１号でＫｕｒｉｙａｍａその他は、微生物を含むよう設計されたマットを含む排水処理システムについて記載している。複数のマットを垂直に配置し、排水がこれを通過するよう想定される。マットの芳香性およびその保守および／または交換の困難性のため、施栓の可能性は、Ｌｕｎｔの装置よりこのユニットの方が高い。

Ｎｉｅｌｓｏｎに発行された米国特許第４，２７９，７５３号は、好気性作用から嫌気性作用へと変化する複数の処理反応器の構成について記載している。滞在時間を延長するという点で、必要な混入物除去を達成するために１つの大型タンクではなく複数の小型タンクを使用することには、多少の利点があるが、これは必要以上に費用がかかることが確実である。さらに、Ｎｉｅｌｓｏｎは施栓の問題に対応する必要があることを示しているが、これを実行するための技術は比較的粗雑であり、完全に効果的である可能性は低い。Ｆｕｃｈｓその他に発行された米国特許第４，５２１，３１１号は、濾過床の使用を教示し、これを排水が通過し、これは生物学的媒質を懸濁させるための支持床を含む。装置は、床および微生物のクリーニングを確実にするために必要なかなり複雑な再循環プロセスを有する。この装置は、別の種類の施栓を経験し、Ｆｕｃｈｓが記載した床の粒子は、費用がかかる保守運転を経験する必要がある。

Ｓｔｕｔｈに発行された米国特許第５，２０２，０２７号は、微生物が成長するための場を提供するよう設計された大きい中空のボールの形状で浮揚性媒質を含む汚水処理システムについて記載している。浮揚性ボールは、システムの小さい部分しか形成せず、システムは一連の複雑な乱流混合区間を含む。Ｓｔｕｔｈの装置は、比較的複雑であり、明らかに必要な混合を確保するために、大量の操作エネルギを必要とする可能性が高い。

ＭｃＫｉｎｅｙに発行された米国特許第５，２２１，４７０号は、シート状プラスチックで作成した最終フィルタを有する排水処理プラントについて記載している。シート状プラスチックは、微生物が成長するよう設計された通路を形成するよう、巻いてある。この設計は、表面積を増大させ、したがって微生物が活動するために使用可能な滞在時間が延長するが、長い期間にわたって死微生物で通路が充填される可能性が高いので、施栓が発生するようである。

米国特許第５，３４２，５２２号は、直列の３つのバイオリアクタ（生物学的反応装置）で構成されたパッケージ・プラントで（生）汚水を処理する方法に関する。処理は、３タイプのバイオマスを使用して実行する。第１段階では、生物学的手段で燐酸塩を除去し、それと同時に高い負荷がかかった活性スラッジ・システム内で化学および生物学的酸素要求量を低下させ、第２段階では、脱窒を実行して、アンモニアを硝酸に変換し、第３段階では、メタノールまたは天然ガスなどの炭素源を使用して脱窒を実行する。硝化および脱窒バイオリアクタは、両方とも固定したフィルムのプロセスである。硝化バイオリアクタの支持材料上にあるバイオフィルムの厚さには、通気システムの調節、または液圧負荷の調節によって影響を及ぼすことができる。脱窒バイオリアクタ内では、バイオフィルムの厚さは、支持材料の表面速度を上げることにより、剪断を上げて調節することができる。本発明によるシステムによって、高負荷システムで生汚水の効果的な処理が可能になり、その結果、ＣＯＤ、窒素および燐酸塩が広範に除去される。プロセスは、硝化バイオリアクタと脱窒バイオリアクタを交換する代替モードで運転することができる。硝化段階での混合は、支持材料のパッケージ下での通気によって維持されるので遊離である。脱窒段階は、プロペラ式攪拌器またはインペラ式攪拌器によって達成され、これは容器の中心に配置し、好ましくは適切な能動的混合に使用した。Ｐｏｌａｃｅｌ、網状ポリウレタンまたは他のキャリア材料が、バイオマスの支持材料として記載されている。

米国特許第５，１８５，０８０号は、脱窒室内で、細菌および栄養物としての炭素源を含む測定前の量の複合材料を、１日１回または２回も処理済みの排水に導入することについて記載している。細菌は異所性で、ばらばらの粒子状材料、カプセル、ペレット、錠剤または他の形状の形態として研究所で培養されて梱包される。細菌のシュードモナス属は、通常は地中に存在し、この材料に遍在すると言われている。シュードモナス属微生物は、硝酸を窒素ガスに変化させる能力を有する。この変換技術はよく知られている。好ましい測定前の微生物錠剤には、生物学的合成用の炭素供給（源）がある。炭素源の必要性については、Ｈｅｎｒｙ Ｈ．Ｂｅｎｊｅｓ，Ｊｒ．が「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ」（Ｇａｒｌａｎｄ ＳＴＰＭ Ｐｒｅｓｓ，１９８０）で検討している。懸濁または固定成長システムを使用する脱窒についても、上記の参考文献で検討されている。以上の先行技術の方法は全て、硝化および脱窒のために微生物が使用可能な表面積または体積を増加させ、それによって処理システムの生産性を上げようとしている。

上記のシステムは、細菌が成長するための表面積が表面の追加によって提供されるという点で、一般的に固定フィルム媒体または懸濁媒体システムと呼ばれる。表面を好む懸濁媒質細菌は、一般にこのような表面を支配する。しかし、このような表面はなお、システムの中毒および転覆によって不具合を生じることがあり、このような不具合の後に容易に再開することができない。表面が死微生物で汚染されるか、施栓されているからである。

米国特許第４，６９３，８２７号は、プロセスの炭素消費段階に、急速に代謝する可溶性または混和性有機材料を追加することについて記載している。異所性生物は、可溶性アンモニアとともに追加の材料を消費して、追加の生物を生成し、その結果、排水中の可溶性アンモニア濃度が低下する。急速に代謝する材料は、１つまたは複数の短鎖脂肪族アルコール、短鎖有機酸、芳香族アルコール、芳香族、および短鎖炭水化物を含む。

しかし、多すぎる急速代謝材料を制御された方法で導入しない場合、異所性生物は有害なほど増殖する。反対に、追加量が少なすぎるか、炭素がない場合、生物は徐々に死亡してしまう。したがって、炭素および急速代謝材料、細菌、栄養素および空気をこのようなシステムに別個に導入する効率的な送出システムに対する要求がある。また、処理の程度に関してシステムの性能を監視し、炭素、細菌、栄養素および空気の効率的かつ最適な送出のため、監視用検出器から送出システムへフィードバックする要求もある。

Ｈｅｉｊｅｎその他に発行された米国特許第５，８６３，４３５号および第６，１８３，６４２号では、少なくとも１つの反応器でアンモニアが豊富な排水を生物学的に処理することについて記載し、ここでは、排水が、スラッジを定着させず、硝化および脱窒細菌の懸濁状態での自然選択により獲得された団体で前記反応器を通過し、酸素を供給する第１段階では、亜硝酸が豊富な排水を形成し、このように獲得した亜硝酸が豊富な排水を、酸素を供給しない第２段階では、アンモニアの豊富な排水と硝化細菌との接触時間がせいぜい約２日間、媒質のｐＨが６．０と８．５の間に制御されるような方法で、無機性または有機性の電子供与体が存在する状態で脱窒し、成長によって形成された硝化および脱窒細菌の余剰、および脱窒により形成された溶出物が抽出される。また、硝化および脱窒細菌の成長率は、供給された処理すべき排水の反応器内での対流時間によって都合良く制御される。無機性の電子供与体は、水素ガス、硫化物、亜硫酸塩および鉄（ＩＩＩ）イオンで構成されたグループから選択され、有機性の前記電子供与体は、ブドウ糖および有機酸、アルデヒドおよび１個から１８個の炭素原子を有するアルコールで構成されたグループから選択される。しかし、このようなシステムは、洗い流し、有毒物質の導入に基づいて故障することがあり、システムが適切に機能する前に遅延時間がある。また、メタノールなどの有機溶剤は液体であり、液体として導入することができるが、可燃性かつ有毒であり、多くの排水システムのオペレータには好まれていない。ブドウ糖およびデキストロースなどの低炭水化物は、無毒であるが、固体であり、水処理システムに導入するために特殊な固体送出方法を必要とし、したがって産業では一般的に使用されない。低炭化水素の水性溶液を使用してよいが、このような溶液は早期生物分解を実行され、一般的に硝化および脱窒細菌にとって有害である抗菌物質を導入する必要がある。

米国特許第４，４６５，５９４号および第５，５８８，７７７号は、排水システムの２つの異なる設計で脱窒に中水道水および石けんを使用する排水処理システムを開示している。２００２年１１月２１日に公開されたＭｃＧｒａｔｈその他による米国特許出願第２００２０２７０８５７号は、米国特許第５，５８８，７７７号の排水または硝化水の脱窒に洗剤または洗剤状化合物を使用することを開示している。この出願は、脱窒した排水を加熱し、さらに混合タンクに細菌を添加することも開示している。しかし、石けん、洗剤および洗剤状化合物は一般に界面活性であり、細菌の細胞壁を損傷し、表面に付着して、細菌の機能を妨害する傾向があり、メタノールより高価である。また、このような化合物の代謝率は低く、脱窒ゾーン、反応器または媒質内で必要な滞在時間が長くなる。

したがって、炭水化物およびその混合物などの不燃性、液体、保存しても安定し、環境および排水の微生物に対して無毒で、容易に代謝し、排水処理システムの画定された位置に容易に導入して、排水の硝化および脱窒を補助することができる電子供与体または炭素含有材料の水性溶液組成に対する要求がある。また、このような組成は、過塩素酸および他の汚染物質の除去にも使用することができる。

先行技術には、排水の生物学的間接浄化を達成するか、その達成を補助するために細菌組成を使用する教示の多くの例がある。Ｈｉａｔｔの米国特許第６，０２５，１５２号は、窒素廃棄物によって汚染された水系の好気性生物学的処理のための方法および細菌混合物について記載している。脱窒細菌組成は、Ｆｒａｎｃｉｓの米国特許第４，０４３，９３６号の教示にある固体円柱パッキングと組み合わせて使用する。このような組成は、シュードモナス属に属すると考えられる。Ｈａｔｅｒその他の米国特許第４，８１０，３８５号は、非イオン界面活性剤および脂肪分解酵素リパーゼに加えて、ふすまのベース上で培養した３系統の枯草菌、系統の緑膿菌、１系統のシュードモナス−スタッツェリ、１系統のシュードモナス−プチダ、および１系統のエシェリキア−ハーマニイを含む細菌組成を伴う排水浄化プロセスを教示している。Ｗｏｎｇその他の米国特許第５，２８４，５８７号は、酵素およびゲル支持体と組み合わせ、満足できる排水処理を達成するために必要な細菌組成を開示している。Ｗｏｎｇその他で言及された細菌種は、枯草菌、バシラス−リシェニフォルミス、セルロモナスおよびアシネトバクター−ルオフィイである。同様に、ＷｏｎｇおよびＬｏｗｅの米国特許第４，８８２，０５９号は、固体細片の可溶化を補助する細菌種を備える排水の生物学的処理のプロセスを教示している。ＷｏｎｇおよびＬｏｗｅの教示で使用される細菌種は、バシラス−アミロリクファシエンスおよびアイロゲネス菌である。このような細菌タイプは、主に廃棄物中に存在するデンプン、蛋白質、脂質およびセルロースの可溶化および生分解に使用するよう教示される。

Ｈｉａｔｔの米国特許第６，０２５，１５２号は、胞子形態で細菌混合物を添加することを記載している。大部分の水処理システムは、２日以内の滞在または滞留時間を有し、胞子形態で細菌を添加すると、環境が必ずしも細菌の成長に助けにならないので、細菌の有意の部分が、確立する時間になる前にシステムから洗い流されてしまう。

Ｂｏｙｌｅに発行された米国特許第５，１８５，０８０号は、自治体ではなく家庭または商業施設からの硝酸を含む排水を処理するシステムを開示し、ここで排水は、処理ゾーンに定期的に導入される脱窒細菌と地下で接触し、処理ゾーンは、細菌が地熱によって一年中活動する温度以上に維持される。

Ｌｅｗａｎｄｏｗｓｋｉその他に発行された米国特許第５，８１１，２８９号は、好気性排水前処理プロセスを開示し、これは牛乳産業の溶出物に細菌とイースト菌の混合物を植え付けることを含み、この両方の微生物クラスは、溶出物との共生で生存し、成長することができ、細菌の集団は、大抵の場合、イースト菌の集団より数倍大きく、植え付けた溶出物の温度およびｐＨを０℃と５０℃の間、および１．７と９の間に維持し、必要に応じてｐＨを毎分１．５ｐＨ単位の最大速度で変化させながら溶出物を曝気し、または必要に応じて植え付けた溶出物の曝気を毎分１３０マイクロモルの酸素という最大速度で調整する。

Ｃｏｐｐｏｌａその他に発行された米国特許第６，０７７，４３２号は、プロセス用地下水、イオン交換溶出物鹹水、加水分解したエネルギ、飲料水および土壌水などの排水から過塩素酸、硝酸、加水分解物および他のエネルギ材料の生分解を実行する方法およびシステムを開示し、これは制御された微好気性環境を有し、混合した菌液を含む少なくとも１つの微好気性反応器を使用する。この発明の方法を使用すると、過塩素酸、硝酸、加水分解物および他のエネルギを、容易に入手可能な無毒かつ低コストの栄養素を使用して安全で費用効果の高い方法で検出不能な濃度まで低下させることができる。反応器の温度は、１０から４２℃に維持された。

２００１年１１月７日に公開され、Ｎａｋａｍｕｒａに帰される欧州特許出願第１１５１９６７Ａ１号は、嫌気性微生物が生成した酵素を含む液体微生物の製法を開示し、通性嫌気性微生物および好気性微生物が成長タンク内で増殖して、微生物酵素水を作成する。獲得された酵素水は、動物および植物性廃油などの高分子有機物質を含む台所排水を保持するグリース・トラップに追加されて、曝気によって攪拌され、したがって酵素と有機材料が有機物質を分解するために接触する。分解残留物およびスラッジは、上澄み水を下水パイプへと流すよう分解される。

２００２年１１月２１日に公開され、ＭｃＧｒａｔｈその他に帰される米国特許出願第２００２１７０８５７号は、組み合わせられて溶出物に滞留期間を提供する滞留タンクへと供給する混合タンクを含む複数の相互接続されたタンクを備える硝化水のシステムについて記載している。制御装置が、処理される溶出物の測定量に従って混合タンクに配量される洗剤の量を決定する。混合タンクは、硝化した溶出物の温度を５０°Ｆ以上に維持するための加熱装置を備える。この出願は、脱窒のために混合タンクに少量の細菌を添加すること、そして脱窒を加速するために混合タンク内の溶出物を加熱する加熱手段も開示する。任意選択のライン・フィルタをシステムの出力に追加して、有機窒素の濃度をさらに低下させることができる。硝化のために細菌または加熱手段を追加することは開示されず、開示にとって必要とは想定されない。

したがって、胞子形態または低成長相ではなく、水処理システムに添加すると成長相になり、添加後も水処理システム内で成長し続ける細菌組成、およびこのような添加のための送出手段に対する要求がある。

したがって、既存のシステムまたは建築すべき新システムの効果的な方法での生物学的処理の有用な特性を利用する排水処理装置およびプロセスに対する要求がある。比較的大きい処理タンクまたはユニットを必要とせずに、排水からの混入物と微生物との接触を最大にしながら、微生物の成長に最適の状態を提供するような装置およびプロセスに対する要求もある。さらに、単純で、エネルギ面で効率がよく、十分に効果的に望ましいレベルまで排水のＴＳＳ、ＢＯＤ、大腸菌、窒素含有化合物、燐含有化合物、および細菌を経済的な方法で低下させる装置およびプロセスに対する要求がある。また、費用がかかる再設計をせずに、硝化および脱窒用に既に運転している多数の水処理システムの効率および性能を向上させるため、微生物および栄養素を最適に送出できる処理システムおよび装置に対する要求がある。

アンモニア、亜硝酸および硝酸の除去を効率的に実行できず、本発明によって比較的小さい費用で効率的に機能できるようになる既存のシステムおよび装置が多数ある。また、新しいシステムは、本発明で記載したプロセスに従うことにより、効率的に機能するようできる。

本発明は、機械または重力システムからの排水を処理するシステムおよび方法に関する。これは一般的に、細菌、酵素、生物および化学的触媒、例えば硝化および脱窒炭素または電子供与体源および栄養素を配置すること、およびシステム内で酸素および窒素源に対して酸化、好気性、無酸素、および嫌気性ゾーンを装置を使用して加熱する手段とに関する。装置は、１つまたは複数の部品である。これは、産業、農業、商業、住宅、および他の排水システムの排水システムに細菌、酵素、生物および化学的触媒、栄養素および／または電子供与体、炭素源または加熱手段を配置することと、排水または汚染場所の汚染物質または望ましくない材料を処理する方法に言及する。これらの成分は、排水システムの効率的かつ適切な機能を制限することが多い。除去すべき汚染物質に固有の細菌種は、常に存在するわけではないか、高濃度が有効になるには寿命が短いか、存在しないことが多い。懸濁媒質、さらに固定したフィルム媒質にも、これが当てはまる。したがって、システムのサイズまたは体積を増大させることなく、システムの効率および容量を可能にするよう、細菌および電子供与体を高濃度で送出する要求がある。さらに、効率的なシステムの性能を確立するために、微生物の存在を頻繁に試験し、監視することが望ましい。微生物および電子供与体／炭素および微量栄養素に対する一定の要求があることが判明すると、制御された添加物に対する要求も判明する。固定または懸濁フィルム表面積に使用可能な体積は小さく、制限的であり、全ての微生物が表面で成長するわけではない。炭素または電子供与体として使用する固体媒質（材料）は、可溶性の制限があるために、必要な電子供与体を供給するために必ずしも十分ではなく、本発明によって補足することができる。

本発明は、粘度が低い炭素および炭素含有栄養素混合液の安定した組成も含み、これは容易に給送でき、不燃性で、有益な細菌に与える損傷が少なく、現在使用されている有機溶剤より安全に扱われ、放出時に環境に対する毒性が低く、細菌および他の微生物が保存および使用中に早期成長しない。この生物的環境浄化プロセスは、汚染物質に適用可能な発酵プロセスと見なすことができ、添加物の配置位置は、このプロセスの効率的機能にとって重要である。微生物は、細菌またはイースト菌でよく、酵素などの他の生物酵素も使用してよい。

例えば、硝化および脱窒の場合、メタノールおよび他の有機溶剤を電子供与体または炭素源として使用する。しかし、このような溶剤は可燃性かつ有毒であり、その大規模使用は、特別な保存などの取扱いの困難を引き起こす。また、多くの細菌によるメタノールの代謝率は、システムによっては遅すぎ、その結果、滞在時間が延長し、処理の生産性が低下する。したがって、メタノールおよび他の炭素源の制限を克服する炭素源に対する要求がある。本発明は、純粋なメタノールおよび他の溶剤より毒性が低く、不燃性であり、炭素源にとって必要な場合に、沈降せずに他の微量栄養素を添加することができ、使用および保存中に微生物および他の微生物による早期分解がなく、脱窒細菌の存在下で硝酸を窒素に還元する能力を有する代替電子供与体または炭素源および組成も含む。このような代替炭素源には、グルコース、果糖、デキストロース、麦芽糖、ショ糖、他の糖類、マルトデキシトリン（ＣＡＳ＃９０５０−３６−６）、コーンシロップ固体（ＣＡＳ＃６８１３１−３７−３）、デンプン、およびセルロース誘導体、例えばヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどの炭化水素、および他の炭素含有化合物があるが、これに制限されない。

上記の発明のメタノールは、炭素源として、さらに液体炭素源中の余剰細菌および他の微生物の早期成長を防止する静菌薬としても試用される。しかし、メタノールは、低濃度では一般的に細菌には有害でない。メタノールに加えて、本発明では微生物の早期成長を防止するために幾つかの添加剤を使用することができる。これらの添加剤は、メタノールに加えて、またはメタノールがない状態で、単独の成分またはその組合せとして使用することができる。これには、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび炭酸水素ナトリウム、およびｐＨが９より大きい他の塩基がある。その他の添加剤には、２−ブロモ−２−ニトロプロパン−１，３−ジオール（ＣＡＳ＃５２−５１−７）、５−ブロモ−５−ニトロ−１，３−ジオキサン（ＣＡＳ＃３０００７−４７−７）−ブロモ−ニトロプロパン−１，３−ジオール（ＣＡＳ＃５２−５１−７）などの窒素置換化合物と、５−クロロ−２−メチル−４−イソチアゾリン−３−オン（ＣＭＩ）（ＣＡＳ＃２６１７２−５５−４）、２−メチル−４−イソチアゾリン−３−オン（ＭＩ）（ＣＡＳ＃２６８２−２０−４）、ＣＭＩ：ＭＩが３：１の混合物（ＣＡＳ＃５５９６５−８４−９）、１，２−ベンジソチアゾリン−３−オン（ＣＡＳ＃２６３４−３３−５）などのイソチアゾロンと、ベンジル−Ｃ８−１８アルキルジメチル塩化アンモニウムおよび塩化ベンジルアルコニウム（ＣＡＳ＃６１７８９−７４−７、８００１−５４−５、６８３９３−０１−５、６８４２４−８５−１、８５４０９−２２−９）、Ｎ，Ｎ，Ｎ，−トリメチル−１−ヘキサデカン臭化アンモニウム（ＣＡＳ＃５７−０９−９）、Ｎ，Ｎ，Ｎ，−トリメチル−１−ヘキサデカン塩化アンモニウム（ＣＡＳ＃１１２−０２−７）、１−（３−クロロ−２−プロペニル）−３，５，７−トリアザ−１−アゾニアトリシクロ（３．３．１．１）塩化デカン（ＣＡＳ＃９０８０−３１−３、４０８０−３１−３、５１２２９−７８−８）などの第４級アンモニア化合物と、ブチル−４−ヒドロキシ安息香酸（ＣＡＳ＃９４−２６−８）、エチル−４−ヒドロキシ安息香酸（ＣＡＳ＃１２０−４７−８）、メチル−４−ヒドロキシ安息香酸（ＣＡＳ＃９９−７６−３）、プロピル−４−ヒドロキシ安息香酸（ＣＡＳ＃９４−１３−３）などのパラバンとがある。使用できる他の物質には、２，２，４’−トリクロロ−２’−ヒドロキシフェニルエーテル（ＣＡＳ＃３３８０−３４−５）、安息香酸ナトリウム（ＣＡＳ＃５３２−３２−１）、ベンジルアルコール（ＣＡＳ＃１００−５１−６）、クロロアセトアミド（ＣＡＳ＃７９−０７−２）、Ｎ−（１，３−ビスヒドロキシメチル）−２，５−ジオキソ−４−イミダゾリジニル Ｎ，Ｎ’−ビス（ヒドロキシメチル）尿素（ジアゾリジニル尿素）（ＣＡＳ＃３５６９１−６５−７）と、１，２−ジブロモ−２，４−ジシアノブタン（ＣＡＳ＃３５６９１−６５−７）、４，４−ジメチルオキサゾリジン（ＣＡＳ＃５１２００−８７−４）、グルタルアルデヒド（ＣＡＳ＃１１１−３０−８）、ホルマリン、３７％ホルムアルデヒド（ＣＡＳ＃５０−００−０）がある。これも使用できる他の添加剤には、ナトリウムヒドロキシメチルグリシネート（ＣＡＳ＃７７３２−１８−５）、イミダゾリジニル尿素（ＣＡＳ＃７８４９１−０２−８）および３−ヨード−２−プロピニルカルバミン酸ブチル（ＣＡＳ＃５５４０６−５３−６）がある。上記の添加剤は、水性炭素溶液中で細菌の早期成長を防止しながら、微生物治療反応に添加する場合に細菌を殺したり、阻止したりしないような濃度で添加される。有用な濃度範囲は、化合物ごとに異なり、０．０１％から５％の範囲に入ると予想される。

本発明の別の実施形態は、個々の酵素、生物または化学的触媒、または微生物を使用することにより、セルロース、グリース、脂肪、油、脂肪族および芳香族炭化水素などの有用な先駆物質炭素または電子供与体源を、グルコース、果糖、グリセロール、脂肪酸、アルコールなどの有用な炭素または電子供与体源に変換する酵素、生物および化学的触媒、および細菌を使用する。このようなセルロースおよび微生物セルロースは、硝化菌とともに嫌気性または好気性ゾーンに、さらには好気性ゾーンの前の沈殿タンクに添加してもよい。セルロースに加えて使用することができる他の酵素には、アミラーゼ、プロテアーゼ、リパーゼ、カルボヒドラーゼおよびその組合せがある。エステル、脂肪および油については、酵素エステラーゼを使用することができる。

グリース、脂肪および油を、水処理システム内に放出し、グリースおよび脂肪トラップを場合によって使用して、これらの材料を除去する。これらのトラップからグリースおよび脂肪を除去し、処分するために、特に食品処理ユーザにとっては一定の間隔で費用が発生する。グリース、脂肪および油を処理するために、グリースおよび脂肪を分解することができる酵素リパーセ、リパーゼ放出細菌または細菌を使用することができる。これはグリース、脂肪および油をグリセリン、脂肪酸、モノグリセリドおよびジグリセリドに変換する。次に、分解生成物を排水処理システムの好気性または嫌気性領域に迂回させ、硝化または脱窒のための電子供与体または炭素の追加供給源として機能させることができる。

脂肪族および芳香族炭化水素、および化合物の場合、これらの材料を変換する酵素および細菌を使用してよい。この変換の生成物を、次に反応体として水処理プロセスの別のゾーンに配向してよい。

汚染物質が、シアン化物などのプロセス用水の生成物であることがある。このような場合は、Ｉｎｇｖｏｒｓｅｎその他に発行された米国特許第５，１１６，７４４号に記載されているように、シアン化合物変換酵素、シアニダーゼを使用することができる。

炭素または電子供与体源は、装置が予め決定した流量で既知の量を送出できるよう、液体の形態であることが好ましい。炭素または電子供与体源が固体の形態である場合は、固体または粉末送出方法を使用する。液体の形態では、炭素または電子供与体源は、沈降または不当な凝集を生ぜずに微量栄養素の添加について融通性を提供する。一般的に使用されているメタノールの場合は、一般的に沈降せずに微量栄養素を添加することができず、他の多くの成分はメタノール中で溶解できない。純粋または濃縮メタノールまたは他の有機溶剤を本発明で炭素または電子供与体源として使用することができるが、装置はなお適切に使用するために改造して使用することができる。電子供与体源は、炭素含有化合物に制限されない。水素ガス、メタン、天然ガス、硫化物、亜硫酸、および鉄（ＩＩＩ）などの無機電子供与体を含む任意の電子供与体源を使用することができる。

別の実施形態は、ジャガイモ、トウモロコシおよび他の作物などの作物中に存在するよう遺伝子を組み換えられる酵素を使用し、したがってこれはスターチを電子供与体に直接変換し、さらに処理せずに使用することができる。

液体炭素源は、固体または液体炭素源を水中で溶解させ、細菌の早期成長を防止する細菌安定剤と、必要に応じて微量栄養素を添加して作成する。有用な組成の一例は、１００ｍｌの水中に溶解した約７．６％の単糖、６．９％の二糖、７．０％の三糖、６．８％の四糖、および７１．７％の四糖以上の糖類を含む約１００ｇの炭水化物混合物である。また、前述した微生物の早期成長を防止する安定剤、さらには炭素含有率を上げ、微生物の成長をさらに安定させる他の炭素源を添加してもよい。その例には、メタノール、エタノール、エチレングリコールおよびグリセロールがあり、これは可燃性および可溶性を妥協することなく、必要に応じて約３％から４％またはそれ以上添加することができる。さらに、ミネラル、ビタミン、他の炭水化物およびアミノ酸などの微量栄養素も、必要に応じて沈降せずに水性炭素混合物に添加することができる。単糖および多糖の組成および濃度は、炭素または電子供与体源の粘度および濃度の要件に応じて変更してよい。使用できる単糖は、グルコース、ガラクトース、および果糖である。使用できる二糖はショ糖、乳糖および麦芽糖である。単糖および二糖は、粘度が低い炭素溶液を提供し、オリゴ糖および多糖を使用すると、同じ炭素濃度で粘度が高くなる。場合によっては、可溶性の炭素または電子供与体源を使用すると都合が良いが、微生物または酵素によって漸進的に溶解または分解し、制御された放出率で材料を放出する部分可溶性炭素または電子供与体を使用すると有用である。一例は、可溶性オリゴ糖、多糖、さらにはスターチなどの不溶性多糖、または好気性および嫌気性ゾーンに制御した状態で放出するよう処方された単糖および多糖を使用することである。

硝化する場合、装置は、成長の急速成長相にて、または成長の急速成長相の最後に、排水処理プロセスの好気性タンクまたは室の入口へと、沈殿タンクまたは１次処理の後に成長中の硝化細菌を送出するよう設定する。また、装置は、追加の空気を好気性タンクまたは室に送出する空気ポンプを有する。空気ポンプは、散気装置などの分配手段によって空気を入力することができる。装置は、排水の組成および処理の段階に基づき、特定のプロセスまたはシステムの必要に応じて炭素および栄養素を任意選択で送出することができる。

細菌は、本発明の液体炭素源で成長するので、液体炭素源および組成は、硝化および脱窒細菌誘導媒質と見なすことができる。本発明で特別に成長する細菌は、硝化および脱窒代謝においてさらに効率的であると予想される。

本発明は、同じ炭素の炭水化物源に再曝露した場合に、腐敗システムの下流で硝化菌および脱窒菌の酵素機能が利用可能になるための選択方法にも関する。微生物学の分野では、微生物を成長させ、維持させるには特定の要件が必要であることがよく知られている。微生物を同じ炭素源上で維持するには、その炭素源を高い効率で使用するために必要な適切な酵素の高レベルの誘導を維持することが判明している。これは、炭素源の競合する利用で現れている。特に、特定の炭水化物および核酸断片などの他の栄養素を使用する本発明を使用して、微生物群集をより一貫して迅速な方法で硝化および脱窒の方向に変更することができる。本発明は、汚水に関連した微生物の栄養素改善、さらに汚水に関連した硝化および脱窒微生物で特定の酵素の発現を獲得する方法にとって多大な重要性がある。

脱窒する場合、装置は、成長の対数期と呼ばれる成長の急速成長相にて、または成長の急速成長相の最後に、無酸素状態が存在する排水処理プロセスの嫌気性タンクまたは室の入口へと、好気性タンクまたは室の後に成長中の脱窒細菌を送出するよう設定する。装置は、無酸素または嫌気性室に入る排水の組成に基づき、特定のプロセスまたはシステムの必要に応じて、炭素および栄養素を任意選択で送出することができる

排水システムによっては、好気性または酸素または無酸素または嫌気性室が明白に分離されないことがある。このようなシステムでは、硝化および脱窒細菌の混合物を、システムに炭素および栄養素源がない場合は、このような成分とともに添加する。

反応ゾーンにおける細菌および炭素源の送出位置が重要である。硝化および脱窒では、硝化細菌および電子供与体を、必要に応じて嫌気性ゾーンに添加し、脱窒では、嫌気性ゾーン、つまり酸素濃度がゾーンの他の領域より低い領域に添加する。また、好気性ゾーンと嫌気性ゾーンとの両方が、内容物を分散させるために攪拌器または混合器などの混合手段を含んでもよい。

したがって、生物学的処理の有用な特性を効果的な方法で利用する排水処理装置およびプロセスを提供することが、本発明の目的である。排水からの混入物と微生物との接触を最大にするような装置およびプロセスを提供することも、本発明の目的である。これにより、比較的小型のシステムで比較的大型の処理タンクまたはユニットを必要とすることなく、非効率的なシステムを効率的にすることができる。本発明の別の目的は、排水の総懸濁固体量（ＴＳＳ）、生化学的酸素要求量（ＢＯＤ）、窒素化合物、大腸菌、窒素含有化合物、燐含有化合物、細菌、およびウィルスを所望のレベルまで削減するよう、十分に効果的な廃水処理装置およびプロセスを提供することである。

以上およびその他の目的は、本発明において、好気性および嫌気性プロセスを効率的にするよう、好気性および嫌気性プロセスの特定の位置に特定の微生物および炭素を添加することを含む好気性および嫌気性処理プロセスによって達成される。好気性および嫌気性プロセスは、固定フィルムまたは追加の懸濁媒質がないなど、均一であるか、さらに追加の微生物を取り付けて、成長させるために、不均一プロセスに固定フィルムまたは他の追加の懸濁媒質を含むことができる。このようなシステムでは、精密濾過または限外濾過膜を使用して、好気性または嫌気性ゾーン内に細菌を含め、膜を通して溶出物を除去することができる。懸濁媒質を使用する場合、スクリーンまたはフィルタを好気性および嫌気性ゾーンまたはタンクの最後で使用して、追加の懸濁媒質をゾーンまたはタンク内に入れ、洗い流しを防止し、膜を懸濁微生物の分離にも使用することができる。特定の微生物に加えて、廃水処理プロセスに追加の効率を提供する特定の炭素源および栄養素も追加することができる。微生物および栄養素は、装置を使用してバッチごとに、定期的に、または連続的プロセスで特定に位置にて添加することができる。微生物、炭素源、栄養素、および必要に応じて空気からの酸素を、プロセス中で一緒に、または別個に添加することができる。加熱手段を設けて、好気性および嫌気性ゾーンを１０から３７°Ｆの所望の温度範囲に維持することができる。また、微生物、栄養素および温度のタイミングおよび送出を、特定のプロセスに合わせて最適化する。使用できる微量栄養素の一例が、Ｍｉｃｒｏｎｕｔｒｉｅｎｔ Ｂａｃｔｅｒｉａｌ Ｂｏｏｓｔｅｒ（Ｎ−１００，Ｂｉｏ−ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｒｏｓｃｏｅ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ）に記載され、これは記載されたミネラルを含む。ミネラル、ビタミン、炭水化物、およびアミノ酸を、必要に応じて一緒に、または別個に添加するか、炭素源または微生物と混合してよい。微生物、炭素および栄養素の効率的なタイミングおよび送出は、特定の装置、制御装置を使用することによって達成され、これは本発明の一部を形成する。プロセスがこのように効率的になった結果、既存のシステムから排水混入物が効率的に除去され、規制当局により与えられた規制の要件に適合する。

処理の初期沈降期の前またはその最中に細菌を導入するには、細菌が過酷な環境で通常は日数で測定される有意の期間を生き延びる必要がある。沈降期間は、沈降中の物理的プロセスがあるため、生き延びるためには重大な問題が生じる。沈降は、細菌のサイズに対して粒子の質量が大きいので、完全な処理を大幅に遅らせることがある比較的大きい粒子の除去も促進する。沈降後は、粒子サイズが減少するので、処理すべき体積が幾つかのピークで減衰し、処理しやすくなる。

通常、当技術分野では入力端上でシンクまたはトイレを通してシステムにバッチ・パルスを供給する。本発明によると、（小型）ポンプおよび活発に成長する微生物を図１に示すような沈降後タンクまたは１次処理区域に配置する。プロセスは、硝化菌の組合せを使用して、アンモニアを亜硝酸および硝酸に変換し、脱窒菌の組合せを使用して、亜硝酸および硝酸を窒素に変換する。微生物は、送出時に対数成長期であり、成長中の微生物および栄養素をバッチ式、定期的または連続的に送出することが好ましい。これは、微生物が静止状態の非活性成長期であるか、胞子形態を入力位置に添加し、成長が遅く、微生物には、「滞在」または「滞留」時間が不十分なために保持および沈降タンクから洗い流される前に栄養素が成長する十分な時間がない先行技術の方法とは異なる。このようなシステムの多くは、機能するために固定した懸濁媒体も必要とする。成長中の微生物を使用すると、単位体積当たりに章可能な微生物の密度が非常に高くなることが保証され、したがって特定の処理に必要なタンクの容積が、現在の排水システムよりはるかに小さくなる。また、同じ処理タンクのサイズでは、窒素除去の効率が向上し、その結果、費用が節約される。さらに、固定フィルムおよび懸濁フィルム媒質では、表面で死細菌および埋没細菌が新鮮で成長中の細菌と連続的に置換され、排水処理の性能を向上させる。また、タンクは、制御装置によって添加された内容物を均一に分散するため、機械的混合器または流体混合器によって混合手段も含む。

本発明の追加の特徴は、タンクまたは容器の温度を、望ましくない混入物の変換および除去にとって最適な温度に維持するために加熱手段を使用することである。温度を最適温度に維持する制御手段は、制御装置に含まれるか、別個に設けられ、本発明の一部を形成する。

また、微生物および栄養素は制御されたプロセスで添加されるので、微生物が生き延びられない可能性が低下する。過度の微生物を沈降タンクに添加し、その結果、フィルタまたはタンクの施栓および閉塞が生じる暴走成長の問題も最小になる。さらに、特定量の活性微生物が常に存在し、例えば有毒化学物質が微生物に反応するか、暴風雨または増水で微生物が洗い流された場合など、システムが破局的障害に影響されないようにする。

選択される特定の微生物は、浄化される排水の性質によって決定され、当技術分野の技能内である。一般的に、微生物は、アンモニアを亜硝酸および硝酸に変換する硝化細菌を含む。脱窒微生物は、制御されたプロセスで添加された炭素源および栄養素が存在する状態で、亜硝酸および硝酸を窒素に変換する脱窒細菌である。選択した微生物を最も効果的に支持する栄養素の性質については、当業者に知られている。以下の例は、適切な微生物の例を提供する。一部の微生物は、燐を例えば沈降または沈殿によって容易に除去できる別の形態に変換する微生物でよい。他には、脱窒を妨害するような炭素または他の被酸化性不純物を除去することにより、生物学的酸素要求量を除去するなど、不純物に特定の微生物もある。

本発明は、池、湖、水産養殖施設、埋め立て地、産業廃棄物および汚染サイトなど、水塊の改善にも同等に適用可能である。適宜、均一システムまたは不均一固定フィルムまたは懸濁媒体を使用することができる。水塊の場合、水は、一連の好気性反応器を通して再循環し、アンモニアを硝酸および亜硝酸に変換し、嫌気性反応器で硝酸および亜硝酸を窒素に変換することができる。産業用排水の場合は、汚染物質に特定の適切な微生物を使用しなければならない。汚染された土壌および廃棄サイトの場合は、水を使用してサイトを洗浄または濾過し、微生物を含んで、制御装置によって導入された成長中の微生物を受ける１つまたは複数の容器に送る。また、コンテナおよび制御装置を可動台に装着することができる。

過塩素酸および塩素化炭化水素などの汚染された排水サイトの場合、混入物の濃度は、一般的に微生物が比較的長期間にわたって生き延びるには高すぎることがある。本発明で記載するように成長中の微生物を連続的に、または定期的に添加すると、この欠点が克服される。特定の混入物を変化させる任意の成長中の微生物を使用することができる。微生物は、遺伝子を組み換えて、混入物の変換に効果的な遺伝子コード化酵素を含むことができる。微生物を、および必要に応じて他の栄養素を制御下で添加することにより、本発明で除去または変換できる混入物の例には、アセトン、アンモニア、アニリン、芳香族化合物、硝酸、亜硝酸、二硫化炭素、塩素化溶剤、クロロベンゼン、クロロホルム、ジクロロエタン、ジニトロトルエン、ジオキサン、エタノール、エチレン、火薬類、グリコール、炭水化物、硫化水素、イソペンタン、イソブタン、メタノール、塩化メチル、塩化メチレン、トリニトロトルエン、ナフタリン、ニトロアミン、硝酸、芳香族ニトロ化合物、亜硝酸、ニトロベンゼン、過塩素酸、ペルクロロエチレン、殺虫剤、フェノール、溶剤、スチレン、硫黄化合物、テトラヒドロフラン、トリクロロエタン、トリクロロトルエン、ブロモホルム、ニトロベンゼン、メチル第３ブチルエーテル、第３ブチルアルコール、塩素化エテン、塩素化エタン、塩化ビニル、過塩素酸アンモニウムおよび過塩素酸がある。

好ましい炭素／電子供与体源は、メタノール、炭水化物および糖類およびその混合物である。使用できる他の炭素源には、エタノール、多糖類、可溶性スターチ、油、脂肪、乳製品および食品の廃棄物、および他の有機炭素源がある。添加すべき炭素の量は、排水中に存在する総窒素量の約０．２倍から約５倍、好ましくは排水中に存在する総窒素量の約２倍である。

好ましい栄養素はアミノ酸、燐酸塩、および細菌の成長に必要な他のミネラル類である。

使用すべき好ましい細菌は、処理する汚染物質に固有のものである。脱窒には脱窒細菌を使用する。アンモニアの硝化が必要である場合は、硝化細菌を使用し、シアン化合物の除去には、シアン化合物を変換することができる「シアニダーゼ」酵素または細菌を使用することができる。脱窒には、エンテロバクターサカザキ（ＡＴＣＣ２９５４４）、バシラス−コアギュランス（ＡＴＣＣ７０５０）、枯草菌（ＡＴＣＣ６０５１）、枯草菌（ＡＴＣＣ６０５１）、巨大菌（ＡＴＣＣ７０５２）、バシラス−リシェニフォルミス（ＡＴＣＣ１４５８０）、バシラス−セレウス（ＡＴＣＣ４５１３）およびバシラス−パシテレウリ（ＡＴＣＣ１１８５９）の混合物を使用することができる。使用できる他の細菌は、米国特許第６，０２５，１５２号に記載されている。硝化では、細菌はＣａｐｅ Ｃｏｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ（２１ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ Ｒｏａｄ，Ｂｏｕｒｎｅ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）から入手可能なニトロバクターおよびニトロコッカスがある。このような細菌は、特定の汚染物質に固有の幾つかの商業的供給業者から入手可能である。細菌は、混入物の処理（および好ましくは排除）に効果的な量で使用する。

次に図１を参照すると、１世帯家族などの小型システム用の本発明の排水処理システム（タイトルＶシステム）の基本的構成要素の好ましい配置構成の単純化した略図が図示されている。トイレ（１）および排水生成装置（２）で生成した排水が沈降タンク（３）に入り、特定の滞留または「滞在」時間の後、濾過領域へと分配する分配ボックス（４）に入る。分配ボックスは、２つのゾーンを有する大型タンクでよく、一方は酸素を受け、酸化性であり、その結果として硝化し、別のゾーンは脱窒のために無酸素性であるか、あるいは単に１つのタンクでよい。本発明では、図２でさらに詳細に示す装置（３１）を使用して、沈降タンクの後で、分散ボックスの前に効率的な排水の硝化および脱窒のために成長中の微生物、炭素源を含む栄養素、および酸素を添加する。

分配ボックスは、排水の流量、および装置（３１）からの成分の添加速度に応じて大型化または小型化することができる。

図２Ａは、効果的な好気性および嫌気性排水処理を遂行するために炭素または電子供与体源、栄養素、生物学的微生物媒質、および空気を添加するのに使用する制御装置「トミー・ボックス」と呼ばれる装置の拡大図である。細菌保持タンク（５）内の成長中の微生物は、制御装置・タイマ（７）によって制御された細菌ポンプ（１５）を使用して出口点（５６）まで給送する。栄養素および炭素／電子供与体源保持タンク（６）は、制御装置・タイマ（７）に制御された炭素／電子供与体ポンプ（１０）に供給し、出口点（５６）へといたる。制御装置・タイマに制御された空気ポンプ（２６）も、空気を出口点（５６）に給送する。装置の出口点（５６）は、線上で図１の分配ボックスの前に配置される。これによって、空気、炭素、栄養素および細菌を分配ボックスの前の排水流へと制御し、予め決定した状態で流すことができる。制御装置・タイマにより、微生物、栄養素、炭素および空気を測定して添加することができる。必要に応じて、他の特定の処理に合わせて他の成分を制御して添加するため、装置の追加のタンクおよびポンプを設置してもよい。

図２Ｂは、制御装置「トミー・ボックス」と呼ばれる装置の別の設計である。タイマ、炭素ポンプ、細菌ポンプ、炭素保存コンテナ、および細菌保存コンテナをボックスの内部に設置して、風雨から保護する。また、サーモスタット制御の小型加熱装置を設けて、ボックスを細菌および炭素にとって最適の温度に維持する。

図３は、排水が沈降タンクまたは腐敗タンク（１）に流入し、接続された分配ボックス（４）に流入して装置（３１）からの入力を受け、これが制御された量の炭素、栄養素、細菌および空気を送出する本発明の別の実施形態である。処理済み排水は最終的に土壌吸収システム（６）に流入する。

図４は、排水が沈降タンクまたは腐敗タンク（１）に流入し、投与機構区間（２）に流入する本発明の好ましい実施形態である。１世帯の住宅、建物群、または産業施設である何らかのタイプの施設から最初に搬送された排水から大きい固体を最初に沈降させるのに使用するため、腐敗タンク１、つまり１次沈降タンクまたはユニットの他の形態を使用することができる。腐敗タンク１は、既存のユニットであるか、本発明の一体の処理システムの一部として設けてもよい。本発明は、投与ゾーンまたは機構である１次処理ユニットを含み、これは腐敗位置またはゾーンにある装置（３１）を使用して、制御された追加量の炭素または電子供与体、栄養素、細菌、酸素および他の添加剤を受ける。好気性ゾーンでは酸素を提供し、嫌気性ゾーンでは酸素を提供しない。装置（３１）からの出力は、投与機構の入力側に導入することが好ましい。場合によっては、装置の出力をゾーンの中途またはゾーンの底部付近に導入すると遊離である。投与機構は、図３で示すように１世帯用住宅の分配ボックスで置換するか、図７で記載するような投与タンクでもよい。次に、出力をさらに砂フィルタで処理するか、環境または土壌吸収システムへと送ることができる。

処理システムを通過する処理済み排水は、次に抜き取るか、濾領域、トイレなどの２次排水ユーザなどの別のサイトへ、浸漬ホース・システムなどを介した最終有効水サイトへその他の方法で移動させる、または付近の水塊に放出することができる。

装置（トミー・ボックス）（３１）は、制御された量の炭素、栄養素、細菌および空気を投与機構（２）区間に導入する。次に、排水は砂フィルタ（３）を通って流れる。処理済みの水の一部は、土壌吸収システム（６）に分岐してもよい。処理済み水の別の部分は、流機構を使用して沈降タンク（１）の入力へと再循環し、投与機構区間（２）へと流入してもよい。

図５は、排水が遅効タンクまたは腐敗タンク（１）に流入し、反応器（９）に流入する本発明の別の実施形態である。装置（トミー・ボックス）（３１）は、制御された量の炭素／電子供与体、栄養素、細菌および空気を反応器容器（９）の入力に導入する。処理済みの水の一部は、土壌吸収システム（６）に分岐してもよい。処理済み水の別の部分は、流機構を使用して沈降タンク（１）の入力へと再循環し、反応器（９）へと流入してもよい。装置（トミー・ボックス）（３１）は、制御された量の炭素、栄養素、細菌および空気の反応器容器８９の入力に導入する。このプロセスは繰り返され、排水に追加の処理時間を与える。

図６は、排水が沈降タンクまたは腐敗タンク（１）に流入し、投与タンク機構区間（２）に流入する本発明の別の実施形態である。装置（トミー・ボックス）（３１）は、制御された量の炭素、栄養素、細菌および空気を投与機構（２）区間に導入する。次に排水は曝気構造（１２）を通って流れ、環境に放出される。変形は、環境に放出する前に砂フィルタを使用して出力を処理することである。

図７は、排水が沈降タンクまたは腐敗タンク（１）に流入し、装置（３１）（トミー・ボックス）からの入力を受けるために接続された投与タンク（２）へと流入し、装置が制御された量の炭素、栄養素、細菌および空気を送出する本発明の別の実施形態である。処理済みの水は、最終的に米国特許第４，４６５，５９４号および第５，５８８，７７７号（参照により本明細書に援用する）に記載されたＲＵＫＫフィルタ・システム（１３）に流入し、最終的には環境へと流れる。

図８は、一連の交互の好気性および嫌気性反応器またはゾーンを使用して排水を処理する本発明の別の実施形態である。一連の交互の好気性および嫌気性反応器またはゾーンは、所望に応じて任意の数でよい。好気性ゾーンまたは反応器の１つまたは全部の入口で、装置３１、つまり「トミー・ボックス」は硝化細菌および酸素を送出する。このゾーンでアンモニアが亜硝酸および硝酸に変換される。必要に応じて、排水に炭素、栄養素または電子供与体が不足している場合は、上記の成分を添加してよい。反応器内に嫌気性であるゾーンがある場合は、脱窒微生物を添加し、したがって脱窒に関係させ、これにより窒素除去プロセスの効率を向上させることができる。

嫌気性ゾーンまたは反応器の１つまたは全部の入口では、装置３１、つまり「トミー・ボックス」が脱窒微生物、炭素または電子供与体および栄養素を送出するよう設定される。嫌気性反応器またはゾーンには酸素を送出しない。添加される炭素、電子供与体および栄養素の量は、システムの要求に関係する。このゾーンでは、硝酸および亜硝酸の窒素ガスへの脱窒が実行される。次に、最終嫌気性反応器からの放出が環境に送るか、３次処理へと送る。Ｎｉｅｌｓｏｎに発行された米国特許第４，２７９，７５３号は、複数系列の直列で交互の好気性・嫌気性バイオリアクタが、本発明を使用してこのような排水処理システムの効率および信頼性を改善できることを記載している。Ｚｈｏｕに発行された米国特許第６，２３５，１９６号も、本発明の改良点を使用できる複数の反応器について記載している。

図９では、２つの好気性および嫌気性ゾーンしか必要でない場合は、好気性および嫌気性ゾーンに入力を供給する装置（３１）を２つしか使用しない。装置のサイズは、反応器、ゾーンおよび排水流量のサイズに基づいて規模を決定することができる。嫌気性反応器からの放出水を、環境（６）または３次処理に送ることができる。

図１０は、液体の排水が沈降タンクまたは腐敗タンク（１）に流入し、装置（３１）（トミー・ボックス）からの入力を受けるために接続された１次球形反応器容器（１０２）に流入し、装置が制御された量の栄養素、細菌および空気を送出する二重球形反応器容器の実施形態である。次に、出力は２次球形反応器容器（１０３）へと流れ、ここで栄養素および細菌を前記容器内で流体の底部、中央部および頂部付近に送出することができる。好ましい例では、反応器容器は、保持された１日分の流量の２日分から８日分の間を保持しなければならない。２次反応器容器の出力は、土壌吸収システム（６）に至る。

図１１は、好気性（９５）および嫌気性（９６）ゾーンの両方を含む１つの反応器（１１０）を使用して排水を処理する本発明の別の実施形態である。２つのゾーンは、何らかの機械的手段で分離するか、機械的手段で分離していない２つの流体領域でよい。好気性ゾーンの入口で、装置（３１）、つまり「トミー・ボックス」が硝化微生物および酸素を送出する。必要に応じて、排水に炭素、栄養素、または電子供与体が不足している場合は、上記の成分も添加してよい。このゾーンでアンモニアが亜硝酸および硝酸に変換される。

２つのゾーンが合流する嫌気性ゾーン（９６）の始点では、第２装置３１、つまり「トミー・ボックス」を、管でよい搬送手段（９７）を使用して脱窒微生物、炭素または電子供与体を送出するよう設定する。嫌気性ゾーンには酸素を送出しない。添加する炭素、電子供与体および栄養素の量は、システムの要求に関連する。このゾーンで硝酸および亜硝酸から窒素ガスへの脱窒が実行される。Ｅｄｗａｒｄｓに発行された米国特許第６，０８６，７６５号は、本発明を使用してこのような排水処理システムの効率および信頼性を改良することができる１つの好気性・嫌気性反応器について記載している。

図１２は、細菌、炭素および空気を導入するためのラインがある酸素性および無酸素反応器と装置（「トミー・ボックス」）、好気性ゾーンを加熱する加熱手段の使用、および好気性および嫌気性ゾーンから出る流体におけるフィルタの使用を示す。任意選択の加熱手段を無酸素ゾーンに導入してもよい。任意選択で、追加の反応器またはゾーンを追加してよく、ここで嫌気性反応器またはゾーンを出る溶出物が空気で好気性処理され、土壌吸収システムまたは環境に放出される前にＢＯＤが減少する。追加的曝気、砂フィルタまたは他の土壌吸収システムによる濾過、紫外線処理、オゾン処理および膜濾過のための任意選択のタンクは図示されていない。

好気性および嫌気性ゾーンでは、薄膜フィルタ（中空の繊維またはその他）を使用して、濾過によって溶出物を除去してよい。薄膜は、無酸素反応器からの微生物の損失を防止する。

図１３は、フィルタ・システム用の本発明の実施形態である。

図１４Ａは、改造した硝化・脱窒フィルタ・システム用の本発明の実施形態である。

図１４Ｂは、改造した硝化・脱窒フィルタ・システム用の本発明の改良された実施形態である。

図１５は、１リットル反応器用の装置の別のレイアウトである。

図１６は、酸素および無酸素反応器内に固定媒質がある１リットル反応器について示した装置のレイアウトである。

図１７は、様々な運転状態で化合窒素のＭｉｎｉ ＯＡＲ１（固定フィルム媒質）とＭｉｎｉ ＯＡＲ２の性能を比較したものである。

図１８は制御装置の別の実施形態であり、様々な構成要素のレイアウトが図示されている。細菌ポンプ、炭素ポンプおよび空気ポンプはタイマ／制御装置に制御される。制御装置は、任意選択でコンピュータによる外部遠隔制御のために主制御装置に接続してよい。主制御装置は、ＯＡＲシステムのセンサからの入力も受信して、温度、流量、アンモニア、酸素、硝酸および細菌を監視することもできる。この入力は、制御装置を使用してプログラムし、細菌、炭素および空気の給送量をリセットすることができる。

硝化および脱窒細菌混合物の調整
硝化および脱窒を実行するために知られている様々な細菌株を含む細菌混合物を混合することにより、硝化および脱窒に有用な細菌混合物を調整した。

硝化の場合は、エンテロバクターサカザキ（ＡＴＣＣ２９５４４）、バシラス−コアギュランス（ＡＴＣＣ７０５０）、枯草菌（ＡＴＣＣ６０５１）、枯草菌（ＡＴＣＣ６０５１）、巨大菌（ＡＴＣＣ７０５２）、バシラス−リシェニフォルミス（ＡＴＣＣ１４５８０）、バシラス−セレウス（ＡＴＣＣ４５１３）およびバシラス−パシテレウリ（ＡＴＣＣ１１８５９）の混合物を使用した。硝化の場合、細菌は識別が容易でなく、Ｃａｐｅ Ｃｏｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ（２１ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ Ｒｏａｄ，Ｂｏｕｒｎｅ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）から入手したニトロバクターおよびニトロコッカスを含む。

細菌成長媒質は、２０ｇのバクトトリプトーズ、２ｇのバクトデキシトローズ（Ｄｉｆｃｏ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｄｅｔｒｏｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）、５ｇの塩化ナトリウムおよび２．５ｇの燐酸二ナトリウム（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｏｒｐ．，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，ＵＳＡ）を１リットルの脱イオン水に溶解させ、オートクレーブ内で２５０°Ｆの温度で１５分間攪拌し、１リットルのバッチで調製した。細菌は、液体の形態の場合は０．１ｍｌ、乾燥した形態の場合は０．５ｇを１００ｍｌの上記で調製した媒質に添加し、３７℃で３日間培養した。３日目の最後には、１００ｍｌの成長した細菌を４リットルの成長媒質に添加し、３日間培養してから使用した。次に、細菌混合物をフィールド・テストに使用した。

炭素栄養素混合物の調製
不燃性で、粘度が低く、容易に給送可能な液体であり、微生物の早期成長に対して安定した炭素混合物は、１００ｍｌの脱イオン水に５０ｇのＭａｌｔｒｉｎ Ｍ２５０（Ｇｒａｉｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｍｕｓｃａｔｉｎｅ，Ｉｏｗａ，ＵＳＡ）を添加し、固定を溶解させ、１０ｍｌのメタノール（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）を添加して調製した。炭素源に加えて、細菌の培養に一般的に使用され、Ｒ．Ｎ．ＡｔｌａｓによるＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｅｄｉａ（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ）およびＡＴＣＣカタログ（ＡＴＣＣ １２３０１ Ｐａｒｋ Ｌａｎｅ Ｄｒｉｖｅ，Ｒｏｃｋｖｉｌｌｅ，Ｍａｒｙｌａｎｄ）に記載された媒質処方に記載された他の微量栄養素を一般的に推奨された量で添加した。炭素および栄養素の混合物は、望ましくない早期成長により４週間にわたって測定した状態で、安定していることが判明した。

細菌混合物および炭素／栄養素混合物は、アンモニアの変換については塩化アンモニアで構成された溶液、硝酸の変換については硝酸ナトリウムで構成された溶液を使用して、実現性を試験した。硝化および脱窒細菌は、それぞれアンモニアおよび硝酸の変換に効果的であることが判明した。

アンモニアは、Ｈａｎｎａ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．（５８４ Ｐａｒｋ Ｅａｓｔ Ｄｒｉｖｅ，Ｗｏｏｎｓｏｃｋｅｔ，ＲＩ ０２８９５）の高域アンモニア熱量計（カタログ番号ＨＩ９３７３３）およびアンモニア試験用試薬キットを使用して測定した。硝酸は、Ｈａｎｎａ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．（５８４ Ｐａｒｋ Ｅａｓｔ Ｄｒｉｖｅ，Ｗｏｏｎｓｏｃｋｅｔ，ＲＩ ０２８９５）の硝酸熱量計（カタログ番号ＨＩ９３７２８）および硝酸試験用試薬キットを使用して測定した。

栄養素炭素混合物は、パドルを使用して４２ポンド（１９ｋｇ）のＭａｌｔｉｎ Ｍ２５０を１０ガロン（３７．８５ｌ）の脱イオン水に溶解させ、３，７８５ｍｌのメタノール（Ｄｏｅ ａｎｄ Ｉｎｇａｌｓ，Ｍｅｄｆｏｒｄ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）を添加して１０ガロン（３７．８５ｌ）に拡大した。また、細菌の培養に一般的に使用され、Ｒ．Ｎ．ＡｔｌａｓによるＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｅｄｉａ（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ）およびＡＴＣＣカタログ（ＡＴＣＣ １２３０１ Ｐａｒｋ Ｌａｎｅ Ｄｒｉｖｅ，Ｒｏｃｋｖｉｌｌｅ，Ｍａｒｙｌａｎｄ）に記載された媒質処方に記載された他の微量栄養素を推奨された量で添加した。脱イオン水以外に、水道水を使用してもよい。上記で調製した炭素栄養素混合物を、以下で述べるフィールド・テストに使用した。

濾過フィールド・テスト
次に、細菌および炭素／栄養素混合物を、汚水処理試験施設において、図２および図３で説明したようなシステムでのフィールド・テストで試験した。沈降タンクを刺激する排水は、３６ｐｐｍの硝酸を有し、７８ガロン（２９５．２３ｌ）／日の流量で流れ、腐敗／沈降タンクは１５００ガロン（５６７７．５ｌ）であった。硝化および脱窒細菌の細菌混合物を、１１ｍｌ／時の流量で６時間ごとに１時間、１日に４回供給した。炭素／栄養素は、１１０ｍｌ／時の流量で４時間ごとに１時間、合計で６６０ｍｌ／日を添加した。サンプルは、１４日後に濾過領域の１フィート（３０．４８ｃｍ）の深さおよび２フィート（６０．９６ｃｍ）の深さで採取し、硝酸の窒素を試験した。結果を表１に示す。

表１ 図２：排水のフィールド・テスト
硝酸 窒素（ｐｐｍ）
処理前 １フィート（３０．４８ｃｍ） ２フィート（６０．９６ｃｍ）
濾過領域 ２９〜３７ｐｐｍ ２９〜３７ｐｐｍ

図２による処理 １フィート（３０．４８ｃｍ） ２フィート（６０．９６ｃｍ）
濾過領域 １０ｐｐｍ ２ｐｐｍ

アンモニアは、Ｈａｎｎａ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．（５８４ Ｐａｒｋ Ｅａｓｔ Ｄｒｉｖｅ，Ｗｏｏｎｓｏｃｋｅｔ，ＲＩ ０２８９５）の高域アンモニア熱量計（カタログ番号ＨＩ９３７３３）およびアンモニア試験用試薬キットを使用して測定した。硝酸は、Ｈａｎｎａ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．（５８４ Ｐａｒｋ Ｅａｓｔ Ｄｒｉｖｅ，Ｗｏｏｎｓｏｃｋｅｔ，ＲＩ ０２８９５）の硝酸熱量計（カタログ番号ＨＩ９３７２８）および硝酸試験用試薬キットを使用して測定した。

反応器システム試験
次に、図２および図３で説明した細菌および栄養素混合物を、汚水処理試験施設において、図５で説明したようなシステムでのフィールド・テストで試験した。処理システムの反応器システムからの放出物は、フィールド・テスト前に９１〜１３５ｐｐｍの半野の総窒素量（ＴＮ）を有し、排水処理施設の放出限界に一般的に必要なＴＫＮの放出の最終濃度ではない。腐敗／沈降タンクを刺激する排水は、９１〜１３５ｐｐｍのＴＮを有し、３，５００ガロン（１３２４７．５ｌ）／日の流量で流れ、腐敗タンクは５０００ガロン（１８９２５ｌ）であった。アンモニアを硝酸および亜硝酸に、さらに硝酸および亜硝酸を窒素に変換することができる硝化および脱窒細菌を含む細菌混合物を、１リットル／日の流量で１週間、反応器容器に入口で連続的に添加した。１週間の最後に、細菌添加を２５０ｍｌ／日に変更した。サンプルは、最初に細菌を添加した１２〜１９日後に放出点で採取し、外部の水質試験ラボラトリでＴＮを試験した。結果を表１に示す。

表２ 排水の反応器システム（図５）フィールド・テスト
ＴＮ
処理前 ９１〜１３５ｐｐｍ
放出
ＴＮ
図５による処理 １２日 １９日
放出 ３１ｐｐｍ ４〜６ｐｐｍ

スラッジの減少
実施例４で説明した反応器は、細菌混合物での処理前に約８フィート（２４３．８ｃｍ）×８フィート（２４３．８ｃｍ）×８フィート（２４３．８ｃｍ）であり、約４フィート（１２１．９ｃｍ）の高さまでスラッジがあった。約９０日の最後で測定した時、反応器内のスラッジは約１フィート（３０．５ｃｍ）であった。

図１０で示すような二重反応器は、排水の発酵による硝化および脱窒に使用することができた。排水の流れは、１，５００ガロン（５６７７．５ｌ）の沈降タンクに入り、これは７５０ガロン（３８３８．８ｌ）のプラスチック球（Ｚａｂｅｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰＯ Ｂｏｘ １５２０，Ｃｒｅｓｔｗｏｏｄ，ＫＹ，４００１４）につながる溶出物端部に「Ｔ字」を有する。家庭の排水は、１日に８０〜２００ガロン（３０２．８〜７５７ｌ）の範囲で沈降タンクに入る。沈降した流体は、１次反応器に入り、ここでは実施例３で述べたような硝化細菌を、図１０で示したような装置の「トミー・ボックス」を使用してシステムに導入する。栄養素を１次反応器に添加して、ｐＨおよび微量栄養素レベルを安定させることができる。細菌および栄養素に加えて、任意選択で空気を使用し、システムを曝気してよい。

１次反応器からの曝気済み溶出物は第２反応器に流入する。７５０ガロン（３８３８．８ｌ）の２次Ｚａｂｅｌ球形反応器は、実施例３で述べたように脱窒細菌および炭素を受け取る。炭素および細菌をシステムに、または使用可能な酸素がほとんど、または全くない底部の付近に添加する。２次反応器の出力は、土壌吸収システムへと直接流入する。

図１２で図示したような酸素無酸素反応器（ＯＡＲ）を、マサチューセッツ州Ｏｔｉｓのマサチューセッツ代替腐敗テスト・センタに設置した。これは、２つの装置が図示された図９の変形である。必要に応じて、２種類以上の異なる細菌混合物をＯＡＲシステムの指定された位置に送出するため、追加のポンプを装置（「トミー・ボックス」）内に設置してよい。３から８ｍｇ／リットルの酸素濃度を生成することができる比較的大きい曝気および拡散装置を使用した。ＴＳＳ、ＣＯＤ、燐酸を減少させ、排水を硝化かつ脱窒するため、この二重タンクの段階毎の複数タンク・システムを使用する。

ＯＡＲシステムは、重力で供給する連続反応器であり、ここで１次溶出物が最初に沈降タンクに入る（マサチューセッツ州のタイトルＶまたは同等の規制）。タンクに入る流量は１日に１００〜５５０ガロン（３７８．５〜２９７１．８ｌ）の範囲であった。１年にわたり、流入温度および酸素レベルはそれぞれ２から２８℃、および０．０〜０．５ｍｇ／ｌであった。第２段階は第１ＯＡＲタンク、好気性反応器（Ｔ１）に流入し、ここで温度および酸素をセンサで監視する。センサの情報を使用して、温度および酸素状態を制御する。曝気を改善するため、拡散装置を使用してＴ１に空気をパージする。細菌要求量も監視し、必要に応じて追加する。Ｔ１内での滞在または滞留時間は、必要な硝化のレベルに応じて平均約１〜６日以上になるよう設計する。酸素濃度および温度は、タンクＴ１に挿入した曝気装置および加熱手段によってそれぞれ３．０〜８．０ｍｇ／ｌおよび約２０〜４０℃に保持する。好ましい温度は２４℃である。加熱手段は、温度制御装置を有する電気加熱または太陽熱加熱でよい。成長中の硝化細菌および脱窒細菌を、未処理の溶出物１００ガロン（３７８．５ｌ）当たり１から１０ｍｌの率で導入する。細菌濃度は、１ｍｌ当たり１０指数１２から１０指数１７個の範囲である。硝化した溶出物はＴ１を通過して任意選択のフィルタおよびタンク２（Ｔ２）に入る。Ｔ２は射出口を含み、本発明の不燃性炭素源、さらに硝化細菌を装置から送出する。他の炭素源を使用してもよいが、本発明の不燃性液体炭素源を使用することが好ましい。というのは、細菌は、特にその炭素源で成長し、炭素源が細菌の最適性能にとって好ましい栄養素を含むからである。炭素ポンプは、地元の排水規制によって望ましい窒素レベルまで低下させるのに十分な流量で炭素を送出するよう設定する。一般的に、窒素レベルを１０ｍｇ／ｌ未満にするには、硝化済み排水に存在する炭素含有量に応じて、１ｍｇの窒素には１〜４ｍｇの炭素が必要である。排水の流量、および流入物の窒素濃度によって、流量および送出すべき炭素の体積が決定される。タンクＴ１の出口は、粒子および大きい媒質粒子または導入された懸濁媒質を除去するために任意選択のフィルタを有してよい。Ｔ１は、所望に応じて固定フィルム媒質を含むこともできる。Ｔ２の酸素レベルは、無酸素状態ではタンクの頂部から底部へと、ほぼ検出できない値まで急速に近づく。滞在時間は、平均で１〜４日、好ましくは２〜３日になるよう設計する。好気性条件で初期成長を開始するＴ１に既に添加されている脱窒細菌は、Ｔ２に移動し、無酸素状態で脱窒を継続することができる。任意選択で、脱窒細菌を、脱窒の必要に応じてＴ２に添加することができる。ＯＡＲシステムにより、様々な微生物機能を分離し、完全なシステム制御および試験機能を可能にすることができる。任意選択で、粒子を除去し、さらに細菌が表面で成長するようシステムに導入した懸濁媒質を保持するために、タンクＴ２の最後にフィルタを配置する。所望に応じて固定フィルム媒質もＴ２に導入してよい。任意選択で、中空繊維または平坦なシート状薄膜などの薄膜フィルタを使用し、真空をルーメン側に加えて、タンクＴ２に細菌を残すことにより、溶出物を濾過することができる。溶出物は、最終的に分配ボックスへと移動し、ここで濾過領域などの土壌吸収システムに分配される。溶出物は、懸濁固体、細菌を追加的に除去するために、砂フィルタまたは改造した砂フィルタに配向してもよく、さらに紫外線光、オゾンまたは塩素で処理して、３次処理水またはリサイクル水を提供し、さらに必要に応じて逆浸透現象で処理することができる。タンクＴ１およびＴ２は、Ｔ１が沈降タンクの流出部と比較して低いレベルになり、Ｔ２がＴ１に対して低いレベルになって、重力による流れがあるよう、地中に配置する。これにより、多くの商用システムで必要とされる排水の給送が必要なくなり、エネルギ面で好ましい。

ＯＡＲシステムは、１日目に腐敗タンクから供給された樋からの流入物で１５０ガロン（５６７．８ｌ）／日を受けて始動した。流入レベルは、アンモニアでは約３５ｍｇ／ｌ、硝酸では０ｍｇ／ｌに近く、酸素は０ｍｇ／ｌで近く、総懸濁固体量（ＴＳＳ）は１５０〜２３０ｍｇ／ｌの範囲、生化学的酸素要求量（ＢＯＤ）は２３５〜３３９ｍｇ／ｍｌであった。１７日目には、Ｔ２を出るＯＡＲ溶出物は、ＴＳＳ＜３０ｍｇ／ｌ、ＣＢＯＤ＜２０ｍｇ／ｌで、総窒素量（アンモニア＋硝酸）は概ね１０ｍｇ／ｌ未満であった。各データ点でのサンプル測定を、１週間に３回実行した。

酸素および無酸素反応器では、攪拌器および混合器などの追加の混合手段を追加して、システムの性能を改善し、特に懸濁した固定フィルム媒質を懸濁状態に維持することができる。また、活性スラッジを使用する場合は、制御状態で細菌を添加すると、活性スラッジ・システムの性能をその通常の性能より改善することができる。

図１３は、参照により本明細書に援用する米国特許第５，５８８，７７７号の性能を改善するために、本発明を使用することを示す。装置（図示せず）は、細菌が砂フィルタ内に分散するよう、腐敗タンクの後に硝化細菌を導入する。任意選択で、脱窒細菌も導入し、追加の曝気を提供してよい。液体石けんの代わりに、不燃性炭素源を使用することができる。脱窒細菌を、フィルタの無酸素底部ゾーンで添加してよい。

図１４Ａは、参照により本明細書に援用する米国特許第４，４６５，５９４号の性能を改善するために、本発明を使用することを示す。装置（図示せず）は、細菌が（好気性）硝化フィルタ（１２）内に分散するよう、腐敗タンクの後に硝化細菌を保持タンク（１０）に導入する。硝化細菌を受け取るため、任意選択の混合タンクを硝化フィルタと保持タンクの間に設けてもよい。この保持タンクは、硝化を改善するために１０〜３５℃に任意選択で加熱する。加熱した硝化済み溶出物を室１８で収集する。脱窒細菌を、本発明で記載した非爆発性炭素とともに室（１８）に導入する。室は、脱窒細菌および炭素の分散を改善するため、任意選択で混合手段を有することができる。細菌および炭素は無酸素滞留タンクへと流れ、ここで脱窒が実行される。

図１４Ｂは、装置を使用して、硝化フィルタの前に硝化細菌をポンプ室に導入する本発明の別の実施形態である。任意選択で、ポンプ室は、効率的な硝化のために通気で提供されるものに加えて曝気してもよい。さらに、効率的な硝化のために、ポンプ室を加熱し、１０から３５℃の温度を維持してもよい。装置を使用して、脱窒細菌および炭素源を混合室に導入する。不燃性炭素源とともに成長した脱窒細菌を使用することが好ましい。

腐敗タンク（１次処理）からの溶出物を、１リットルまで規模を縮小した酸素無酸素反応器（ＯＡＲ）の縮小版を固定フィルム媒質とともに、および固定フィルム媒質なしで使用して試験した。腐敗タンクからの溶出物は、実施例７で使用したものと同じ溶出物であり、３５ｍｇ／ｌの範囲の化合窒素を有した。使用した固定フィルム媒質は、Ｆｌａｎｄｅｒｓ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａｉｒｅ（Ｓｔ．Ｐｅｔｅｒｓｂｕｒｇ，Ｆｌｏｒｉｄａ）が生産した空気フィルタに使用する繊維質フィルタであった。図１５および図１６は、ＯＡＲシステムで使用する装置の異なるレイアウトを示す。空気を、図１５（Ｍｉｎｉ ＯＡＲ１）および１６（Ｍｉｎｉ ＯＡＲ２）の好気性反応器に導入した。好気性タンクに入る溶出物の流量は、１００〜３００ｍｇ／日であった。成長中の硝化細菌は、量が少ないため、１ｍｌ／日の流量で、１日１回、好気性反応器に添加した。液体炭素は、０．１ｍｌ／日の流量で１日１回添加した。このシステムの温度は、１６〜２０℃の常温に維持した。

図１７は、様々な状態の化合窒素のデータを示す。２００２年６月１７日から２００２年７月３日まで、成長中の細菌および液体炭素を上述したように添加した。化合窒素は、この期間中、１２ｍｇ／ｌ未満のままであった。２００２年７月３日に、成長中の細菌および液体炭素の添加を停止し、その結果、化合窒素は２０〜３０ｍｇ／ｌに増加した。２００２年７月１０日に、細菌および炭素の添加を再開した。１週間以内に、両方のＯＡＲシステム中の化合窒素は１０ｍｇ／ｌ未満になり、細菌および炭素の添加中断前の値に戻る傾向があった。懸濁フィルム媒質を使用しても、同様の結果が生じると予想される。

電源異常ストレス試験
図１２で示すような２２０ガロン（８３２．７ｌ）／日のＯＡＲの電源断ストレス試験を、以下のように実行した。ＯＡＲをマサチューセッツ代替腐敗テスト・センタ（Ｏｔｉｓ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）に設置した。排水の硝化および脱窒を監視し、４日間の完全電源断の効果を判断した。２００２年５月２４日から５月２８日の４日間に、ＯＡＲシステムの全ての電源を遮断した。溶出物はシステム内へと送り続けた。４日の期間中、空気、炭素、熱および細菌は機能しなかった。システムの停止中の総窒素量（アンモニアと硝酸）は、なお２０ｍｇ／リットル未満であった。電力回復から３日後に、総窒素量は低下し始め、７日で１０ｍｇ／リットル未満になった。

微生物に対する不燃性液体炭素の安定性を試験した。実施例２に記載した５００ｇのＭａｌｔｒｉｎ Ｍ２５と微量栄養素を１０００ｍｌの脱イオン水に溶解させ、メタノールは入れずに、不燃性液体炭素を作成した。液体炭素溶液を、２５０℃でベークした１００ｍｌの殺菌ガラス瓶に移し、それぞれ１００ｍｌの５つの部分に分割した。１本の瓶は対照標準として残した。２番目の瓶に５ｍｌのメタノールを添加し、メタノール濃度を５％にした。３番目には５ｍｌのホルマリン（１０％のホルムアルデヒド溶液）を添加し、ホルマリン濃度を添加ホルマリンの５％にした。４番目には２ｍｌのヨードプロピニルカルバミル酸ブリ（Ｇｅｒｍａｌ）を添加して、ヨードプロピニルカルバミル酸ブリの濃度を２％にした。４番目の瓶には、１０ｍｌのラバラック液（Ａｍｅｒｉｃａｓ Ｃｈｏｉｃｅ Ｂｌｅａｃｈ Ｃｏｍｐａｓｓ Ｆｏｏｄｓ，Ｍｏｄａｌｅ Ｎ．Ｊ．ＵＳＡ）を添加して、添加漂白剤の濃度を１０％にした。５番目の瓶には３ｍｌの１Ｍ水酸化ナトリウムを添加して、溶液のｐＨを１２．６にした。次に、各瓶に、Ｄｉｆｃｏ ＴＰＣ Ｍｅｄｉａで４日間培養した細菌培養物を０．１ｍｌ加えた。サンプルを１８〜２０℃で１週間保存し、毎日観察した。

添加剤がない対照標準の液体炭素炭水化物溶液は、繊維質の塊で曇り、薄い黄色になった。メタノール、ホルマリン、およびＧｅｒｍａｌは全て透明で、薄い黄色であり、漂白剤は無色透明、水酸化ナトリウムが入った瓶は透明で、暗い黄色であった。対照標準は２日以内で急速な成長を示し、他はいずれも成長を示さなかった。

硝化および脱窒細菌の使用に加えて、多種多様な細菌および細菌混合物を使用して、多くの源から多くの汚染物質、混入物を変性または除去することができる。例えばＢｉｏ−Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（１２３８ Ｉｎｍａｎ Ｐａｒｋｗａｙ，Ｂｅｌｏｉｔ，ＷＩ ５３５１１）など、幾つかの細菌混合物が市販され、参照により組み込まれる。細菌は、自治体、産業、商業、および住宅の排水を処理する。複雑な化学物質を分解することを目的とする使用者もいる。例えばフェノール、ベンゼン化合物、界面活性剤、アルコール、脂肪族化合物、芳香族化合物、および他のイオン廃棄物、例えば塩素酸、過塩素酸、シアン化合物、亜硝酸、亜硝酸または細菌で反応かつ除去できる他の汚染物質である。混入物と汚染物質の抑制を目的とする使用者もあり、除去されるのは化学廃棄物、グリース除去、グリース抑制、塩素化有機体、乳製品廃棄物、精油所廃棄物、炭水化物土壌改良、海洋汚染物質制御、炭化水素オイル溜め処理、自治体の活性スラッジ、養魚場、パルプおよび製紙の生物学的増強、水槽、食品廃棄物、グリース溜め、池の干拓および農業廃棄物改善である。

本発明は、頻繁に故障し、別個の酸素、好気性、無酸素および嫌気性領域を有する任意の排水システムに同等に適用可能である。本発明は、再循環砂フィルタ、散水濾床および任意の好気性および好気性処理システムで使用することができる。本発明の適用範囲は、硝化および脱窒に限定されず、微生物で処理できる他の汚染物質にも同等に適用可能である。

本発明の一実施形態による装置の略図である。 本発明の一実施形態により細菌を導入するのに適切な装置の略図である。 本発明の装置の一実施形態を含む別の排水処理システムの略図である。 本発明の装置の一実施形態を含むさらに別の排水処理システムの略図である。 本発明の装置の一実施形態を含むさらに別の排水処理システムの略図である。 本発明の装置の一実施形態を含むさらに別の排水処理システムの略図である。 本発明の装置の一実施形態を含む別の排水処理システムの略図である。 本発明の装置の一実施形態を含むさらに別の排水処理システムの略図である。 本発明の装置の一実施形態を含むさらに別の排水処理システムの略図である。 本発明の装置の一実施形態を含むさらに別の排水処理システムの略図である。 本発明の装置の一実施形態を含む別の排水処理システムの略図である。 本発明の一実施形態により細菌、炭素および空気を導入するため、装置（「トミー・ボックス」）とともに酸素および無酸素反応器を示す略図である。 フィルタ・システム用の本発明の実施形態の略図である。 改造した硝化／脱窒フィルタ・システム用の本発明の実施形態の略図である。 改造した硝化／脱窒フィルタ・システム用の本発明の実施形態の略図である。 １リットル反応器の本発明の実施形態の略図である。 酸素および無酸素反応器内に固定媒質がある１リットル反応器用の本発明の実施形態の略図である。 様々な運転状態で化合窒素のＭｉｎｉ ＯＡＲ１（固定フィルム媒質）とＭｉｎｉ ＯＡＲ２の性能を比較したものである。 様々な構成要素のレイアウトが図示された制御装置の代替実施形態の略図である。

Claims (25)

1. 水中の混入物を処理する装置で、
   前記混入物を処理するために効果的な成長中の細菌の源と、
   所定の期間にわたって所定の量で前記混入物に前記成長中細菌を導入する制御装置とを備える装置。
2. 前記細菌が好気性状態で前記混入物を処理する、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御装置が、さらに前記成長中細菌の栄養素を導入する、請求項２に記載の装置。
4. 前記栄養素が炭素源を備える、請求項２に記載の装置。
5. 前記細菌が嫌気性状態で前記混入物を処理する、請求項１に記載の装置。
6. 前記制御装置がさらに前記成長中細菌の栄養素を導入する、請求項５に記載の装置。
7. 前記栄養素が炭素源を備える、請求項６に記載の装置。
8. さらに、硝化容器を備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記細菌が、前記硝化容器の上流に導入される、請求項８に記載の装置。
10. 前記硝化容器を約１０℃から約４０℃の温度へと加熱する、請求項８に記載の装置。
11. 前記成長中細菌が対数成長期にある、請求項１に記載の装置。
12. 前記成長中細菌が脱窒細菌である、請求項１に記載の装置。
13. 混入物を含む水を浄化するプロセスで、
    混入物を処理するために効果的な成長中の細菌を前記混入物含有水に提供することと、
    前記混入物含有水の浄化のために効果的な所定の期間にわたり、所定の量で前記成長中細菌を前記混入物含有水に導入することとを含むプロセス。
14. 前記プロセスが好気性状態で実行される、請求項１３に記載のプロセス。
15. 前記プロセスが嫌気性状態で実行される、請求項１３に記載のプロセス。
16. さらに、前記成長中細菌に炭素源を提供する、請求項１３に記載のプロセス。
17. 前記炭素源が静菌薬を含む、請求項１６に記載のプロセス。
18. さらに、細菌に前記炭素源を供給することにより、前記成長中細菌を生成することを含む、請求項１６に記載のプロセス。
19. 沈降タンクを含む排水処理システム内で、成長中細菌を前記システムに導入する装置で、
    前記混入物を処理するために効果的な成長中細菌の源と、
    所定の期間にわたって所定の量で前記沈降タンクの下流で前記混入物に前記成長中細菌を導入する制御装置とを備える装置。
20. 前記沈降タンクが腐敗タンクである、請求項１９に記載の排水処理システム。
21. 前記制御装置がさらに、前記成長中細菌の炭素源を導入する、請求項１９に記載の排水処理システム。
22. 細菌および細菌栄養素を排水処理システムに導入する装置で、
    前記細菌を保存する細菌保持タンクと、
    前記細菌を前記システムに給送するために、前記保持タンクと流体連絡する細菌ポンプと、
    前記細菌の栄養素を保存する栄養素保持タンクと、
    前記栄養素を前記システムに給送するために、前記栄養素保持タンクと流体連絡する栄養素ポンプと、
    前記細菌および前記栄養素の前記給送のタイミングを制御する制御装置とを備える装置。
23. さらに、酸素を前記システムに導入する手段を備える、請求項２２に記載の装置。
24. 混入物を含む密と前記混入物のレベルを低下させる細菌とを備える廃水システムで混入物を処理するプロセスで、
    前記細菌の栄養素を前記システムに導入することを含み、前記栄養素が、不燃性、非爆発性炭素源の水溶液を備えるプロセス。
25. 前記水溶液が少なくとも１つの炭水化物を備える、請求項２４に記載のプロセス。

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