JP2005518941A - 粒子粉砕段階を備える廃液に対する生物学的分解 - Google Patents

Abstract

本発明は、流動性廃棄物、詳細には水溶性の汚水の好気性分解の方法に関する。前記方法は、廃棄物質及び／または分解混合物の少なくとも一部が粉砕される過程を含み、該分解混合物内のバイオマス及び固体粒子の中間粒サイズを１０μｍ以下まで減少させる。例えば、前記方法は、２から７．５バールの圧力降下による破壊的なキャビテーションを用いて行われる。
前記粉砕は粒子を製造する。前記粒子は、好ましくは、分解ステージにおいて、捕食動物に取り込まれ、該捕食動物は、バクテリア及びバイオマス粒子を摂取し、それゆえ、分解ステージで製造されたバイオマスと懸濁された固体の量を減らし、また、本発明は、本発明の方法における使用のための装置に関する。

Description

本発明は、流動廃棄物を取扱う方法に関し、特に下水の処理に関する方法並びに該方法に用いられる装置に関するものである。

現在使用されている多くの製造工程並びに製造作業は、流動性を有する廃棄物を生じさせる。該廃棄物は、該廃棄物の発生源たる工程或いは作業内で再使用されるために再循環される前に処理されなければならない。或いは、日増しに厳しくなっている環境基準を満たして、環境内に排出されなければならない。このような廃棄物質源として、化学、製薬、食品工業、醸造工業、農業的汚染源、即ち、畜産（家禽、牛豚といった家畜の飼育）や屠殺など、或いは地方自治体や他の下水システムが例示できる。このような廃棄物質の多くは水分を含むものであり、該水分は再使用のため回収されることが好ましい。このために、処理された水を用水システムに再循環可能なように（例えば、川、湖或いは貯水槽に排出するなどである）、ある程度まで浄化されることが望ましい。

本明細書において、「流動性廃棄物質」との用語は、任意の廃棄物源からの一般的な廃棄物質を意味し、該物質は主要要素として流体、特に言えば、水を有するものである。簡便に説明するために、本明細書においては、地方自治体の下水処理システムを用いる。該下水は、汚水流出システムからの排出物であり、流動性廃棄物質である。

このような廃棄物質の典型的な処理方法は、該物質の液体相内で好気性の生物学的分解に曝すことである。そして、法定の限界内まで処理水の生物学的酸素を低減させる。このようにして処理された水は環境中へ排出される。このような処理は、酸素供給式或いは撹拌式の容器内で液体相内で行われる。該容器は処理される廃棄物を収容している。このような液相分解処理の好ましい形態は、活性汚泥処理としてよく知られている。このような処理プロセスにおいて、通気が液相内に漂う廃棄物粒子にもたらされ、バクテリア、真菌類、原生動物、後生動物及び他の生物学的有機体が、下水中を漂い若しくは下水中に溶解された下水成分を利用するものとなる。そして、これら生物体による分解プロセスの間にバイオマスが構築される。簡便に説明するために、本発明はこのような活性汚泥処理の観点から説明される。

活性汚泥処理の間、バイオマスは、流動性廃棄物内の成分をバクテリアが分解する結果生ずる。「バイオマス」との用語は、生きているバクテリア、死んでいるバクテリア及び他の有機的物質を意味する。該有機的物質は、分解混合物の液相中に溶解され或いは浮遊している。このバイオマスの一部は、フロック或いは粒子として蓄積する。該フロック或いは粒子は、水のような相内で浮遊し、その後沈降タンク内で沈降し或いは他の沈殿作用によって沈殿する。バイオマス及び沈殿した固体は該システムから除去され、これらの超過の堆積を防ぐ。環境に排出される前において、様々な物質及び浮遊する固体の種類に応じて定められた量以下の物質量を含む排水が法的に認められる。除去されたバイオマス及び他の固体は、該システムからの廃棄物として産出される。ここで、該バイオマスの一部は供給される下水へ混合され、分解ステージにおける必要なバクテリア密度を維持するために用いられる。処理された水はシステムから排水として排出され、更なる処理を施される。

法律或いは条令は、自然、排水の質及びバイオマスの排出を管理する。該法的な規制は日増しに厳しいものとなっている。バイオマスの投棄による環境への影響の認識により、従来の投棄技術は許容されないものとなっている。例えば、バイオマス、即ち下水汚泥が、大地に供給される肥料として用いられたり、海洋に投棄されることは最早許容されるものではない。バイオマスの投棄に係る費用は活性汚泥処理を行うためのコストの約６０％を占める。経済的及び環境的観点から許容されうるバイオマス投棄の問題を減少させる方法の必要性は現存している。

該問題を減少させるために、バイオマスの量を低減させることが提案されてきた。該バイオマスは活性汚泥処理により産出され、該処理は捕食生物を用いる。該捕食生物は、バクテリアを捕食する。該バクテリアは廃棄物質の分解を生じさせる。繊毛虫原生動物及び他の後生動物、例えば、ワムシや貧毛類が、捕食動物として例示することができる。これら捕食動物は活性汚泥処理に通常存するバクテリアを捕食する。しかしながら、従来の活性汚泥処理においては、１リットル当り数十或いは数百の生物が通常存する。該生物は分解処理及びバイオマスの産出に十分な影響を通常与えない。このような捕食動物はフィルタによって捕らえられ、処理された水量によってシステムから押し出されることがなく、産出されるバイオマス量を減少させる効果を発揮する。しかしながら、これは人工的に培養されたバクテリア及び人工的栄養源を用いた繊毛虫を用いた捕食動物による実験室レベルの提案である。実用的な処理において、捕食動物の維持されうる量は利用可能な廃棄物質中の利用可能な栄養素レベルによって制限される。上述の如く、従来の活性汚泥処理においては、この個体数は非常に低く、十分にバイオマス産出量を低減させるものとはならなかった。

もし、液状の廃棄物質好気性バクテリア処理方法の分解ステージにおけるバイオマス及び他の固体の中間の主要粒子サイズが１０μｍ以下、好ましくは１〜６μｍ、さらに好ましくは１〜３μｍであるならば、処理水の質、特に浮遊するバイオマス固体の含有量は向上する。この粒子サイズの範囲は、ワムシ類及び他の捕食生物即ち繊毛虫濾過接触動物の固形粒子摂取を最も効果的にする範囲であり、該捕食生物が細胞壁を破ることなしに摂取固体から栄養素を得ることができる範囲である。結果として、該範囲外にある粒子の含有量が多いものと比較して、廃水中における捕食生物によるバイオマス及び他の固体摂取は増加する。捕食生物の摂取のための粒子サイズの最適化は、廃棄物分解ステージにおける捕食動物の個体数を高くするものとなる。該高い個体数は、粉砕処理が行われなかったものよりも高い。結果として、分解ステージにおけるバイオマス産出が有効に低減され、また大量のエネルギ量の不経済な消費も低減できる。

（本発明の概略）
本発明は、好気性生物学的、即ちバクテリアによる流動性廃棄物質の分解のための方法を提供する。該流動性廃棄物質は、粒状固体を含有する水状の廃棄物である。該粒状固体は、少なくとも固体の一部であり、分解ステージの間流体から生ずるものである。該粒状固体は粒子粉砕工程を経て、１０μｍ以下の中間の粒子サイズとされる。好ましくは、０．２から１０μｍの範囲であり、さらに好ましくは１から６μｍの範囲である。このサイズにおいては、固体中に含まれる細胞状物質の細胞壁を破ることがほとんどない。

活性汚泥処理の研究室のシミュレーションにおいて、固体バイオマス粒子を超音波分解、せん断処理及び他の高エネルギ分解技術で処理することが提案されてきた。しかしながら、このような提案の目的は、バイオマス中の細胞状物質の細胞壁を破ることであり、これにより、蛋白質及び他の細胞内の栄養素を放出し、該放出された栄養素を廃棄物分解ステージに用いられるバクテリアに与えるということであった。粒子のサイズ減少工程はそれゆえ、十分に高いエネルギレベルで慎重に行われてきた。高いエネルギレベルは、固体粒子の多くの部分の細胞壁を破る程度のものである。このことは、エネルギの集中及びコストの高騰を招くものであり、ラージスケールでの適用を困難とするとともに、即ち地方自治体の下水処理のための活性汚泥処理といった低コストの工程を困難とするものである。本発明において、粉砕、或いは粒径減少工程は十分に低いエネルギで行われる。したがって、略全ての細胞が破壊されない。僅かな量、好適には２０％以下の細胞が破壊される。具体例として、本発明において１０％以下の細胞が破壊される。結果として、本発明の工程は経済的に適用可能であり、供給される流体の一部或いは全てに適用可能である。或いは活性汚泥処理中で循環する流体に対しても適用可能である。かくして、このような処理によって、バイオマス産出の大幅な低減を達成することが可能である。

活性汚泥処理の研究室レベルのシミュレーションにおいて、低エネルギの超音波分解技術を固体フロックに適用することが提案されてきた。この目的は、大きなサイズのフロックを破壊し、分解ステージにおける主要粒子サイズの固体粒子の性質及び動作を調査することであった。しかしながら、この工程は水相に浮遊する大量の微粒子を発生させるものとなり、結果として生じた粒子に対する濾過特性を損なうものとなる。該微粒子は商業ベースの大規模な活性汚泥処理においては有害なものである。しかしながら、捕食生物が存する活性汚泥処理の場においては、捕食生物が好適に微粒子を摂取し、排水の全体的な固体量の低減をもたらすものとなる。したがって、このバイオマスの低エネルギ作用とは明らかに反対の特性は、有益なものとなる。

０．２から１０μｍの範囲の粒子サイズが捕食動物、即ちワムシ類によって摂取される。結果として、もし浮遊するバイオマス粒子の少なくとも一部の中間粒子サイズが１０μｍ以下であるならば、該捕食生物はバイオマスを低減する。これは、該捕食生物が、バイオマスを形成するバクテリアを捕食し、粉砕段階で生ずる微粒子サイズのバイオマスを摂取するためである。浮遊する固体を捕食することによって、廃水中の浮遊する固体を低減させる。かくして、浄化され、より好適な排水が環境へもたらされることとなる。

好適な実施形態において、本発明は、流動性廃棄物質、特に地方自治体の下水の処理に対する方法を提供する。廃棄物質は液相に曝され、分解ステージにおいて好気性バクテリアの分解を受ける。これにより、好適には以下のように特徴付けられる活性汚泥処理において、バイオマス粒子及び排水を生ずる。

ａ．廃棄物質の分解の少なくとも一部が捕食動物の一定の生息の下で行われる。捕食動物は少なくとも廃棄物質の分解に用いられるバクテリアの少なくともいくつかを摂取する。該捕食動物は１リットル当たりに少なくとも１０，０００個体のレベルで維持される。

ｂ．分解ステージに存する廃棄物質の少なくとも一部及び／又はバイオマス及び他の固体が粉砕工程を受ける。これにより、粉砕された固体の中間粒子サイズは１０μｍ以下に低減される。また、これにより廃棄物質或いはバイオマスの細胞状成分の細胞はほとんど破壊されない。これにより、捕食生物による固体粒子の分解及び摂取を高めるものとなる。

本発明において、固体の粉砕は十分に低いエネルギレベルで行われ、ほとんど細胞壁が破壊されないようにされる。これは、捕食動物が、細胞壁を破る必要性なしに、バクテリア及び微粒子サイズの固体を摂取し、バクテリア及び他の細胞状物質内の栄養素を吸収するためである。特に、廃棄物或いはバイオマス中の２０％以下の細胞状物質しか細胞壁を破壊されない。このことは、好適に短い粉砕時間をもたらし、低い粉砕エネルギを達成することが可能となる。特に好適な粉砕工程は、液相内でキャビテーションを生じさせる工程である。

本発明は、従来の活性汚泥処理或いは液状廃棄物質の少なくとも一部を好気性分解するためにバクテリアが用いられる他の処理工程に適用可能である。かくして、本発明は活性汚泥処理はもちろん、細流濾過工程、カルドネス（Kaldnes）浮遊運搬工程或いは撹拌タンク工程に適用可能である。本発明は、さまざまな排出源からの廃棄物質に適用可能である。該廃棄物質は液相において好気性バクテリア分解される。しかしながら、簡便に説明するために、本発明は、地方自治体下水廃棄物質の活性汚泥処理の観点から以下に説明される。

流動性廃棄物質を最初に固体分離段階にかけることは従来から知られている。例えば、目の粗い篩にかけるなどである。これにより、大きな固体が分解ステージ前に除去される。このような初期の固体分離は、任意の適切な技術をもって行われる。そして、最初の個体分離段階を経た液相／固体相は、流動性廃棄物質を形成し、該物質は本発明の分解ステージにもたらされる。

本発明の方法において、廃棄物質固体、バクテリア、バイオマス及び水の混合物の少なくとも一部が処理工程の分解ステージで、粉砕処理を施される。そして、大きな粒子及び微粒子が凝集して大塊を形成してなる大きな粒子は粉砕される。これにより、所望の好適な粒子サイズが形成され、浮遊固体となり、捕食動物に摂取される。このような粉砕工程は、分解ステージの前或いは途中において好適な段階であり、任意の好適な技術が用いられる。このようにして、分解ステージに供給される流動性廃棄物質の一部或いは全てが粉砕処理を施される。分解混合物の一部或いは全てが、分解ステージの間のある段階で粉砕処理が施されてもよい。好適な粉砕技術は、例えば、固体、バイオマス、及び水の混合物内に引き起こされる乱流によるせん断作用が挙げられ、該せん断作用は高速撹拌機や逆流スパイラル調整機或いは翼、逆回転パドル或いはボールミルを用いることで得られる。特に好適な粉砕形態は、流動性廃棄物質及び／又は分解混合物内の固体粒子の破壊的キャビテーションを用いることである。このような破壊的キャビテーションは、高圧ホモゲナイザや他の技術によって容易に達成可能である。しかしながら特に好適な工程は流動キャビテーションを用いるものである。上述の如く、このような破砕工程の間あまりに高いエネルギを用いることは、混合物の細胞状成分の細胞壁の破壊をもたらす。このことは必要なことではなく、本発明の目的においては無駄なことである。細胞壁破壊を２０％以下まで低減するために、流動キャビテーション技術が用いられる。該流動キャビテーション技術において、物質が１若しくはそれ以上のノズルオリフィス或いは開口部を通過するときに圧力降下が生ずる。これにより、該ノズルオリフィス或いは開口部の下流の液相内でキャビテーション乱流を生ずる。結果として、キャビテーションが消滅するときに、破壊エネルギが固体粒子に伝達される。分解混合物の液相内で少なくとも２バールの圧力降下を生じせしめることが好ましい。これにより液相内でキャビテーション泡が形成される。通常、５から６バールの圧力降下は、略１ｍＬの流体当り約４から２０ジュールのエネルギ量を発生させ、これが固体粒子に伝達される。このことにより、固体粒子或いはフロックの分解が、ほとんど細胞壁を破壊することなしに行われるものとなる。このことは、粉砕された物質の蛋白質量の増加という形で現れる。このような粉砕技術は、粉砕された物質から１０ｍｇ／Ｌ以下の細胞内蛋白質しか放出させない。一方で高エネルギを用いた場合は、４０ｍｇ／Ｌ以上の細胞内蛋白質が放出されるものとなる。

特に好適な流動キャビテーション工程の形態は、流体／固体分解混合物或いは廃棄物質が開口部例えばノズルオリフィスに押付けられるものである。開口部の寸法及びそこを流れる流体流れが所望の圧力降下を達成するように定められる。典型的には、十分な粉砕を達成するのに要する圧力降下は２から７．５バールの範囲であり、更に好ましくは４から６バールの範囲である。開口部径及び該開口部に分解混合物を運ぶ流路径を定めることも必要である。これらを定めることで、廃棄物処理工程作業において所望の流量が定められる。開口部上流の流路の経路における断面積と開口部の有効断面との比は好適には２０：１から３５０：１の範囲である。好ましくは３０：１以上の比であり、更に好ましくは、約５０：１から１５０：１の比である。そのような流路と開口部面積比を備えるキャビテーション装置は大型化可能であり、より大きな流量を該装置に流すことが可能である。このために、該面積比の大幅な変更を要さない。

該装置は、流路を横切る仕切り板に１つの開口部を形成したものであってもよい。或いは流路に１つのノズル出口を設ける形態であってもよい。開口部には任意の好適な形状を採用することが可能であり、円形、正方形或いは多角形が例示できる。しかしながら、１つの円形開口部が好ましい。複数のノズル或いは開口部が用いられてもよい。これにより、該板の平面を横切る流量を増加させることが可能である。開口部或いはノズルオリフィスの断面積総量が、開口部の有効断面積を与え、これが断面積比の値を計算するために用いられる。簡便に説明するために、本発明においては、分解混合物が１つの円形開口部或いはノズルオリフィスを通過するものとし、該開口部或いはノズルオリフィスは大気圧下で操作されるタンク或いは容器内で水中に沈められているものとする。

分解混合物の開口部を通過する流れは、便宜的に任意の好適なポンプ機構によって開口部に分解混合物の少なくとも一部が供給されることによってもたらされるものとする。典型的には、ポンプは伝統的な軸方向ポンプ、遠心ポンプ、ギアポンプ、蠕動ポンプ或いは他のポンプが用いられる。このようなポンプは、ポンプそれ自体の内部で固体を粉砕する。しかしながら、このことは、本発明の目的に対して、常に適切な粉砕をもたらすものとは限らない。

粉砕段階の間に気泡が液相内に導入されてもよい。このことは、エネルギの固体粒子への伝達を促す。例えば、分解混合物がベンチェリ型装置の狭窄路を通過してもよい。ベンチェリの狭窄路に供給された空気流は分解混合物内に気泡を形成する。

所望される２もしくはそれ以上の粉砕装置は、粉砕された物質が分解ステージへ入る、もしくは、通過する為の所望の流速を達成するのと、平行して、使用される。簡便に説明する為に、本発明は、単一の開孔プレートを介した、分解混合物の輸送の観点から説明する。

従って、本発明は、好気性バクテリアにより流動廃棄物を分解する装置を提供する。
該装置は以下の構成要件から成る点に特徴を有する。
ａ．前記装置は分解容器を含み、該分解容器中で廃棄物質が分解され、
ｂ．前記装置は少なくとも一部の廃棄物質が粉砕処理する手段を含み、該手段はその中間主要粒子サイズを１０μｍ以下まで減少させ、十分に低い廃棄物質への入力エネルギを用いて操作され、該入力エネルギは、分解ステージ中において生ずる廃棄物質及びバイオマスの細胞物質の細胞壁をほとんど破裂しないことを特徴とする装置である。

好ましくは、粉砕手段は２０Ｊ／ｍＬ以下のエネルギを粉砕されるべき廃棄物質及び／又は分解混合物へと与える。より好ましくは、粉砕手段は、ホンプ手段からなり、該ポンプ手段は廃棄物質及び／又は分解混合物を、開口部を介して、例えば、１又はそれ以上のノズルを通して流動させ、該流動は開口部の平面を横切る２〜７．５バールの圧力降下において実行されることを特徴とする。

粉砕処理は、流動性廃棄物の処理中のあらゆる段階で、実行される。例えば、分解ステージへと入る前、若しくは途中に行われてもよい。しかしながら、粉砕処理は分解段階の間、流動性廃棄物の一部分に対して実行される。例えば、分解混合物の一部は分解段階から取り除かれる。そして、粉砕処理にさらされ、分解させられ、バイオマスフロック、バイオマス粒子及び他の固形物をその混合体となる。粉砕された混合物は、その後、分解ステージにおいて再循環される。粉砕は、浮遊した固形物若しくはバイオマス粒子上において、捕食動物の摂取能を強化する。そのような粉砕は分解混合物中での捕食動物生育領域の前で実行されるのが好ましい。

好適な実施例において、粉砕は分解混合物の一部分に対して実行される。ここで、分解混合物の一部分とは、該部分における捕食動物生育領域の前の分解ステージにおける物質の一塊から、取り除かれた若しくは隔離された部分のことをいう。該部分は、その後、消化混合物の本体に戻され、捕食動物が摂取しやすいよう、所望のサイズの粒子を供給することとなる。通常、粉砕処理における分解混合物の全量の再循環率は、５：１から２５：１である。好ましくは、約１０：１である。

最適圧力降下、開口部とポンプの形及び大きさと、再循環率は、簡単な試験及び上記パラメータ範囲内でのエラー試験により、速やかに決定される。これらは、廃棄物質ごとに異なるものである。通常、再循環率及び／又はポンプの操作圧力の変化は、廃棄物質における変異を受け入れるのに使用される。そして、該変化は、プラント・オペレータに、粉砕を最適化することを確実とする為の単純な方法を提供する。

粉砕処理は、捕食動物により摂取される為の最適な大きさである粒子の割合を増加させる為、分解ステージ内部で実行される。通常、バイオマス及び他の固形粒子の内、中間サイズの粒子を６ｍｍ以下とする。好ましくは１ｍｍから３ｍｍとするよう、顕微鏡観察下で、粉砕処理は実行される。

本使用の為の所望の捕食動物は、好ましくは、繊毛虫原生動物及び他の後生動物、例えば、輪虫綱や貧毛類をフィルタ採餌とすることである。驚くべきことに、我々はこれらのワムシが予測できない第二の機能を有していることを発見した。該機能とは、これらのワムシが、分解混合物内部の良質固形物の付加的凝集を引き起し、その結果、分解ステージからの汚水の浄化を促進するということである。便宜上、本発明をこれらbdelloid属のワムシの使用の観点から、以下に詳説する。

これらのワムシは適切な手法を用いて所定の個体数濃度となるよう培養される。これはその後、分解混合物内部の捕食動物の所望する個体数を確保及び維持する為に用いられる。捕食動物によるバイオマス及び他の固体の摂取が起きている分解混合物１L中において、該捕食動物は、少なくとも１０，０００個体のレベル、より好ましくは５０，０００個体以上、さらに好ましくは１００，０００個体のレベル以上、生成し、維持することが望ましい。好ましくは、該捕食動物が直接、バクテリア及びバイオマスに作用できるよう、分解混合物の一部分において培養される。

活性汚泥処理において、分解ステージを通した液状物の処理量は、捕食動物を分解ステージを通して除去し汚水とともに排出するのに、充分強力なものである。それ故、捕食動物を入ってくる流動性廃棄原料を処理するのには使用できない。このような場合、捕食動物の個体数を生成及び維持する分離ゾーン若しくは分離容器を提供することは好ましいことである。例えば、主要な分解容器は、より低いレベルの液状物の流速を有するゾーンを提供するため、小分けにされる。代わりに、上に示されるように、分解混合物の一部分は、分離容器内での粉砕の為、分解混合物本体から分離される。
捕食動物培養液は、所望の個体数レベルとする為、該容器に加えられ、そして該生息している部分／粉砕部分はその後、所望の捕食動物の個体数とする為、主要な分解容器へ戻される。
捕食動物培養液は、分解ステージにおける所望の個体数を維持する為、及び、該処理における捕食動物の損失を補填する為、例えば、分解ステージから排出された廃水における分解ステージから排出する為、充分な量を加えられる。

好適な実施例において、捕食動物はフィルタトラップで維持される。該フィルタトラップはトラップ内部の固形物種の表面に粘着するバイオマス中の微生物を留まらせる。該フィルタトラップは、主要な分解容器若しくは外部容器内部のゾーンにおいて提供される。フィルタトラップの好適な形状は、容器内の液相が粒子、若しくはその他固形支持体中に、若しくはそれらを通して、流れるものである。
これらは、捕食動物が付着することのできる、大きな表面領域を提供する。支持体を通した及び／又は上を通る流量の局所的及び付着の減少は、捕食動物が押し流されるのを減じさせる。
支持体は、プラスチック粒子からできており、カルドネス（Kaldnes）社から容易に手に入る。あるいは、細流フィルタで使用される固体の若しくは多孔性を有する水晶又は溶岩が用いられてもよい。または、金属若しくはプラスチック製のメッシュ部材、天然綿毛、若しくはガラス繊維マットであってもよい。或いは、流体を通した又は越えた、筒状の若しくは波形形状の支持部材が用いられ、その内部若しくは上を流体通過するものであってもよい。支持体は、格子若しくは他の装置により、適切に取り付けられる。流体の総数は、フィルタトラップを横切る。

上述したように、捕食動物は、バクテリア及び固形粒子を摂取する。少なくとも、分解ステージに存する粉砕されたバイオマスの一部分を摂取する。これにより、分解ステージで生産されたバイオマスの全体量を減じさせる。バイオマスの減少度は、摂取時間に依存する。摂取期間は、捕食動物が上述するように添加される分離容器を介して、循環する分解混合物の割合及び量を様々なものとすることにより、変化し得る。バイオマスの減少は、その種及び、バクテリア及びバイオマスの摂取が起きている分解若しくは他のゾーンにおいて維持されている捕食動物個体数のレベル、そのゾーン内で維持されている温度、及び処理される廃棄物の性質、によってもまた影響される。最適な捕食動物の個体数及び与えられたケースにおける摂取時間は、簡単な試験及びエラーにより、速やかに決定され得る。一旦、該操作の最適条件が確立されれば、操作者は、該システム内の捕食動物の個体数を変化させることにより、他の様々な操作条件の中から、バイオマスの最適な減少度が達成されることを確認することができる。
代わりに、全体の分解混合物に対する、粉砕及び捕食動物個体数の為に除去された分解混合物の部分の再循環率は、主要な分解ゾーン内部の捕食動物の残余期間を変化させる為、様々に変化し得る。そして、このようにして達成される摂取の程度を変化させる。

個体粒子の捕食動物による摂取は、汚水中に浮遊する固形物を減じさせる。通常、分解ステージにおける捕食動物の存在は、汚水中の０．２〜６ｍｍの粒子サイズを有する浮遊固形物の量を、９５％まで削減する。捕食動物のいくつかは、汚水中の分解ステージにおいて実行されるので、捕食動物による浮遊固形物の摂取は、汚水が分解ステージを離脱した後においても、継続される。外界へ排出若しくは再循環される前に、汚水を処理する沈殿タンク若しくはそれと同等のものを提供することは、望ましいことである。このような沈殿タンクは、浮遊固形物が凝集及び沈降することができるゾーンを提供するだけでなく、浮遊固形物の摂取を継続し得るゾーンをも提供する。
上述したように、bdelloid属のワムシの使用は、分解ステージ、及び／又は、安定ステージの間において、良質固形物の凝集を促進する驚くべき効果を有することを発見した。
その代わりに、該安定ゾーンは、ねじれた汚水の流路を有している容器により供給され、良質固形物の凝集を起こすのを可能とする為の残余期間を延長する。望ましくは、分解ステージで必要とされる捕食動物の幾つか若しくは全ては、沈殿タンク若しくは容器に加えられ、そしてこれらの生物を含む汚水の１部は、分解ステージで再循環され、分解ステージで必要とされる捕食動物を供給する。

結果として、本発明の方法は、活性汚泥処理におけるバイオマスの産出を、通常、少なくとも１０〜３０％減少させるだけでなく、汚水を浄化させる。通常、本発明の方法からの汚水は、捕食動物の摂取を使用しない、即ち、沈殿タンクが分解ステージの後に使用される工程から得られる汚水より、浮遊固形物が１０％少なく、その為、汚水は更なる濾過若しくは他の処理を施すことなしに、直接、外環境へ排出することが可能となる。排出された汚水中の捕食動物の存在は、通常、環境には有害でない。実際、捕食動物のいくらかは養殖魚の餌として使用される。そして汚水を川や湖へと排出するのに有益なものとなる。

本発明を好適な実施例を参考に以下の図に従い説明する。
カルドネス（Kaldnes）（Ｋｌ）「Monster」運搬ベッドリアクタープラントからの汚水サンプルを、浄化ステージの前に採取した。少量の活性汚泥サンプルは、活性汚泥下水処理プラントの好気性ゾーンから採取した。大量の活性汚泥サンプル（２０Ｌ以上）は、プラントの排出口から採取した。サンプルは採取後、速やかにオートクレーブ処理され、１〜３μｍの中間粒子サイズとなるよう決定された。

サンプルは、図１に示されるよう、リアクタへ注入された。これらはデュランボトル（Duran bottle）１からなり、Duranボトル１は特注のボトルキャップ・アッセンブリ２（Anachem, A-610）により密封される。サンプルは、溶解注入フィルタ４（Anachem, A-310）を介して空気を発散させる水槽エアポンプ３を使用しながら、空気に晒された。空気は空気の注入口及び排出口において、ヘパベント（Hepa-Vent） ０．３μｍのガラスマイクロフィルタ５及び６を使用して滅菌濾過された。リアクタは、４００ｍＬ又は９００ｍＬのサンプル量の双方において使用され、軽く空気に晒された。

活性汚泥サンプルを操作するリアクタにおいて、抗生物質のアンピシリン及びカナマイシンは、ワムシが摂取することで知られる大腸菌（E.coli）の増殖を防止する為、１００μｇ／ｍＬ加えられた。バクテリアの増殖の阻止は、該サンプルをＬＢ寒天培地上で、３７℃、一晩、培養することで、確認された。抗生物質の付加は、Kaldnesプラント汚水からのサンプルにおいては必要なかった。このことは該サンプルにおいてバクテリアの増殖が極度に抑えられているということを示す。

Philodia属のワムシは、滅菌状況下においても生育可能な生物を含む、組織培養フラスコからのボトル１のそれぞれに付加された。それぞれのサンプルの固形物の減少は顕微鏡下で観察された。

ワムシが付加されたこれらの場合においては、反応混合物の最適濃度、濁りにおける減少は、少なくとも固形物のいくらかはワムシによって摂取され、液相から除去されるということを示した。

Philodia roseola P1のワムシの個体は摂取され、多孔培養プレート上で、０．２μｍ、１μｍ、３μｍ、５μｍ、７μｍ、及び１０μｍの大きさの蛍光ポリスチレン粒子（micromer blueF plain, Micromod）による懸濁のもと、３日間培養された。ワムシは倒立顕微鏡で観測及び撮影された（フィルタＡ、励起光：３４０ｎｍ〜３８０ｎｍ、バンドパス＞４３０ｎｍ）。特定のサイズの粒子が摂取されると、蛍光はワムシの腸においてはっきりと確認できた。これらの試験により、０．２μｍ〜３μｍの大きさの粒子を摂取するということが示された。１０ｍｍサイズまでのより大きな粒子のいくらかは、成熟個体により摂取された。

これらの試験は、ワムシは汚水廃棄物中の固形粒子を摂取し、ワムシにより摂取された粒子のサイズは０．２μｍ〜１０μｍであることを示す。汚水サンプルは、図２で示されるキャビテーション装置において、キャビテーションされる。これは主要な５０Ｌの容量をもつホールディングタンク１０と、２５Ｌの容量をもつサイドタンク１１とからなる。遠心ポンプ１２（EVM、EVM２型 7N/0.75）は、該装置を介して、汚水を循環させるのに使用された。該装置の接続要素として使用されるパイプは、３７ｍｍの内径を持つＰＶＣチューブであり、そして使用されたバルブは全孔バルブである。
２つのBourdan型圧力ゲージ１３，１４は、オリフィスプレート１５の前後に、上流及び下流の圧力を測定するのに使用された。ペルペックス（Perspex）チューブ１６の断片は、オリフィスプレート１５の後に、挿入された。その結果、キャビテーションゾーンがはっきりと視認できた。オリフィスプレート１５は、２ｍｍの金属プレートからなり、異なる直径を有するプレートと交換可能であり、同時に取り除くことも出来る。２ｍの直線パイプ１７は、オリフィスプレート１５のすぐ上流に位置する。

汚泥は、活性汚泥プラントの排出口から採取され、メインタンク１０は該汚泥２３Ｌで満たされた。ポンプ１２の上で且つバルブＶ２を全開することで、バルブＶ１は完全に閉まるまでゆっくりと閉じられた。該汚泥はオリフィスプレート１５を介して押し出され、オリフィスを横切る圧力降下は圧力ゲージＰ１及びＰ２により測定された。最初、バルブＶ３は閉じられており、Ｖ４は開いている。そして汚泥の流速が決定され、汚泥はメインタンクへ再循環された。

３つの独立した装置は並行して操作された。飼料は下水作業中のメイン飼料パイプから採取された。そして混合タンク中において等量（５Ｌ／分）で混合された。オーバーフローパイプを介して、流体は、２ｐｐｍの酸素に晒し１．２ｍ^３として、メイン通気タンクへと移送された。活性汚泥はその後、オーバーフローパイプを介して、沈殿タンク（浄化器、約１ｍ^３の体積）へと移された。再循環された活性汚泥は混合タンクへと再循環され、浄化された水は主要な処理作業の入口へと送られる。廃棄活性汚泥は、蠕動ポンプを使用して、メイン通気ゾーン（１５０ｍＬ／分）から直接除去された。

帰還活性汚泥は、活性汚泥プラントの挿入口から直接メインタンク１０へと、蠕動ポンプを使用して、入れられた。キャビテーション装置である遠心ポンプ１２は、メインタンク１０が汚泥３５Ｌで満たされている時にスイッチを入れられ、一方、５Ｌ以下の時にスイッチは入れられない。バルブＶ４は背圧を生じ、キャビテーションを生じるように、最小限閉じられた。キャビテーションされた帰還活性汚泥は、速やかに、パイロットプラントの通気タンクへと再循環された。

図２で示される流体力学のキャビテーション装置は、図３で示されるパイロットスケールの装置上に挿入され、可撓性チューブを使用しながら、パイロットスケールの装置の２本のレーンに接続された。帰還活性汚泥は、廃棄活性汚泥と比較して半分、通常、７５ｍＬ／分のスピードを有するキャビテーション装置のメインタンクへとくみ出された。廃棄活性汚泥の２倍の粒子密度を有する帰還活性汚泥を伴って、それぞれの粒子は汚泥通路ごとに処理された。

キャビテーション装置からの粉砕された物質の粒子サイズは、顕微鏡により、観察された。該物質の写真はLeitz Ortholux II蛍光顕微鏡を使用し、撮影された。該顕微鏡は、JVC TK-C1381ビデオカメラ及びSony DSR-20Pデジタルビデオレコーダーを備え、マッキントッシュＧ４に接続されているものである。写真はAdobe Premiere5.1を使用し、保存され、NIH image 1.61へと変換された。オートクレーブ処理された汚泥の濁った上清からの粒子サイズは、キャリブレーションシステムを用いて解析された。

HIAC VersaCount 粒子解析装置もまた、キャビテートされた汚泥粒子の粒子サイズの分布を解析するのに使用された。該機器は、既知濃度の単一サイズのビーズを含む、１０ｍＬのサンプルを使用して測定された。該機器は、粒子サイズが２、３、５、１０、１５、２０、２５及び５０μｍにおける結果を提示した。最適の粒子濃度は１ｍＬあたり約１０，０００粒子であるので、該サンプルは蒸留水で希釈された。通常、汚泥サンプル１ｍＬは全量５０ｍＬとなるよう希釈され、２のサンプルについてそれぞれのデータポイントを測定した。

キャビテーション試験は、直径３、５及び８ｍｍのオリフィスを使用して、実行された。これらのオリフィスは、パイプの直径とオリフィスの直径との比が、それぞれ２０：１、５０：１及び１５０：１である。オリフィスを横切る圧力降下は、２から６バールまで測定された。約２バール以下では、キャビテーションは検出されなかった。約７バール程度以上の圧力降下においては、キャビテートされた物質のタンパク内容物における上昇に示されるように、多くの細胞が破裂した。直径８ｍｍのオリフィスでは、キャビテーションは検出されなかったが、直径５ｍｍ及び３ｍｍのオリフィスで、２．５と６バールの間の圧力降下、好ましくは約４．８バールのとき、十分なキャビテーションが検出された。キャビテートされた物質における気圧と粒子のサイズは、大部分は１〜５ｍｍの範囲にある。

６００ｎｍの（ＯＤ_６００）吸光度が、濁度測定のためにが用いられた。前記吸光度はジャスコ７８００（Ｊａｓｃｏ７８００）分光光度計で測定された。５つの１ｍＬサンプルは測定され、標準偏差が算出された。

カルドネス（kaldnes）廃棄水処理工場からの廃棄水が浄化及びオートクレーブされる前に集められた。オートクレーブは、サンプルを殺菌し、多数の小さな泥粒子の懸濁液を生成した。前記泥粒子とは、ピンフロック（pin floc）のようなものである。前記廃水は、４バールの圧力降下の下、５ｍｍｓオリフィスを用いてキャビテーションを受けた。この操作は、図２及び３の装置を用いて行われ、２つの軽く空気が吹き込まれたバッチ小型反応器内で平行して行われた。１つの反応器はコントロールとして用い、もう１方に５００００以下のフィロディナ属（Philodina）ののワムシ／Ｌを植えつけた。懸濁液の吸光度は、６００ｎｍ（ＯＤ_６００）で定期的に測定され、実験は、６７．５時間続けられた。ワムシが存在しないコントロール反応器中において、ＯＤ_６００は０．１５８から０．０９９まで低下した。それは、粒子沈降による、３７％以下の透明度を指し示している。比較して、５００００のワムシ／Ｌを含む反応器は、透明度の値が０．００６まで改善された。これは、９６％の粒子の除去を表している。

４つの同一の反応器が、それぞれ０、２，０００、１０，０００及び５０，０００のワムシ／Ｌの濃度でワムシを含み、８８．５時間、平行に作動された。前記反応器には、カルドネス（kaldnes）の廃棄水を含んでいる。最初のＯＤ_６００値は、０．１５０から０．１８３の範囲内であった。全４つの反応器内の懸濁液の透明度は、時間に応じて著しく低下した。しかし、最も高いワムシの濃度（５０，０００ワムシ／Ｌ）をもつ反応器に関しては、４８時間以内で、ほぼ全ての粒子は懸濁液から取り除かれた。比較して、ワムシを含まないコントロール反応器のＯＤ_６００値は、初期の値と比較して、４８時間で３９％低下した。これは、廃棄物質内の固体の粉砕が有益な効果を持つことを示す。２，０００及び１０，０００ワムシ／リットルを有する反応器におけるＯＤ_６００値は、４８時間以内で、それぞれ０．０６８及び０．０４８にまで低下し、このことは、ワムシが、粒子の除去に関与していることを示している。

活性処理の必要がない場合でも、ワムシが単に受動的に凝集剤として機能しているという可能性を排除するために、ワムシは、マイクロ波の放射（１０秒、８００Ｗ）の短時間の放射にさらし、その結果、明白な構造的な損害なしに１００％死滅させた。次に、カルドネス（kaldnes）の廃棄水を含んでいる３つの小反応器が用意され、１つは、５０，０００の生きているワムシ／Ｌ、１つは、５０，０００の死んでいるワムシ／Ｌを含み、及びもう１つにはワムシを含まなかった。ＯＤ_６００値は、４４時間、測定された。３つの全ての反応器内の最初のＯＤ_６００値は、０．１４５から０．１５７の範囲内であった。４４時間後、生きたワムシを含む反応器だけが、ワムシを含まない反応器と比べて、著しく減少した吸光度を示した。コントロールにおいては０．０７８、死んだワムシにおいては０．１０６であるのに比べて、生きたワムシの反応器における吸収は、０．００６まで減少した。これは、生きたワムシを含む反応器内の懸濁液は９６％の粒子の透明度を有していることを示している。一方で、コントロール及び死んだワムシを含む反応器内の懸濁液は、最初の値と比べて、それぞれ、ほんの５０％及び２７％の透明度を示した。この実験は、生きているワムシが効果的に粒子を除去するために必要であることを示している。

実験は、システム内のバイオマスの量における変化を測定され、実施された。廃棄物質内に存在するバイオマスは、大抵、懸濁された全固体（ＴＳＳ）として表現される。この作業のために、従来の活性汚泥プラントからの廃棄水はが使用された。もし、ワムシが廃棄水の中の粒子を受け入れるなら、部分的な無機質化によって、システム内のバイオマスの減少が観察されるはずである。しかしながら、懸濁液中の固体の量は、廃棄水サンプルの撹拌の度合いに依存する。以下の実験において、それゆえ、ＴＳＳは、各試験ごと、撹拌をするかしないかのいずれかによって測定された。これにより、ワムシが懸濁液内の粒子の沈降に影響を及ぼすかについても解かった。

活性汚泥は、取り分けられたのちオートクレーブされた。そしてその上澄みは、４つの小反応器にうつされた。これらのうち２つは、ＴＳＳ及びＯＤ_６００の分析のための試験前に、撹拌されず、その２つのうち一方には、１００、０００ワムシ／Ｌがまかれ、もう一方にはワムシが含まれなかった。残りの２つの小反応器には、同様に、一方に１００、０００ワムシ／Ｌがまかれ、もう一方にはワムシが含まれず、試験前に、磁気撹拌器をもちいて活発に混合された。後者の２つの反応器において、沈降していたバイオマスを含む全てのバイオマスが測定された。実験は、４８時間行われた。実験の始めの時点で、全ての反応器は、０．２８６から０．３０１の範囲のＯＤ_６００及び１２８ｍｇ／Ｌから１４６ｍｇ／Ｌの範囲のＴＳＳを有していた。実験の過程の間、コントロール反応器において、撹拌されなかった方のＯＤ_６００は、１３％減少し、撹拌された方は５％減少した。比較して、１００、０００ワムシ／Ｌがまかれた反応器において、撹拌されなかった方のＯＤ_６００は、３３％減少し、撹拌された方は２０％減少した。類似の結果が、懸濁液内の固体に関しても観察された。コントロールについては、撹拌されなかった反応器において、ＴＳＳが１８％減少し、撹拌された反応器においては、ＴＳＳに関する変化がなかった。対照的に、ワムシを含む反応器におけるＴＳＳは、撹拌されなかった方で、３８％減少し、撹拌した方で１１％減少した。撹拌された反応器サンプルの測定は、システム内の全てのバイオマスを指し示すので、ワムシを含む反応器内の全バイオマスが１１％以下減少したと結論付けられる。自然に沈降してゆく過程に加えて、ワムシの沈降効果は、懸濁されたバイオマスを１０％以下減少させた。第２試験において、２００、０００ワムシ／Ｌが活性汚泥に加えられ、２４時間インキュベートされた。ワムシを含む撹拌された反応器内において、ＴＳＳは９％減少し、一方、撹拌されたコントロールの反応器内においては、大きな変化はなかった。撹拌されなかったコントロールの反応器において、ＴＳＳは、大きな変化はなかったが、撹拌されなかったワムシを含む反応器においては、ＴＳＳが３４％減少した。これは、ワムシの存在が原因となって生じる９％以下のバイオマスの全減少及び２５％以下の追加の沈降効果を生む。

流動廃棄物中における固形物を摂取するワムシの試験を小規模のプラントを示す図である。 下水処理工程における分解混合物の処理するキャビテーション装置の図である。 キャビテーション処理を使用し、粒子サイズを分解することによる汚水の浄化においてワムシ個体数による影響を評価する小規模のプラントを示した図である。

Claims (24)

1. 粒子からなる固体を含む流動性廃棄物質の好気性生物学的分解のための方法であって、
   該流体内の該固体の少なくとも一部が粒子粉砕にさらされる過程を含み、
   該粒子からなる固体の中間粒サイズを１０μｍ以下まで減少させるとともに、
   該固体内の細胞物質の細胞壁のほとんど破裂を生じない方法。
2. 前記粉砕処理において前記流体への入力エネルギーが２０Ｊ／ｍＬ以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記粉砕が前記流体を破壊的なキャビテーションにさらすことによってなし得ることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
4. 前記流動性廃棄物質が地方自治の汚水物質であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 好気性液体相分解ステージにおいて、前記汚水物質が活性汚泥処理を受け、
   該活性汚泥処理は廃棄物質の分解のためであり、
   該粉砕処理は、該分解ステージの分解混合物の少なくとも一部に適応することを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記分解混合物の少なくとも一部が、前記分解ステージから取り除かれ、
   個々の容器において粉砕にさらされるとともに、
   該粉砕混合物が該分解ステージにおいて再循環されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 粉砕のために取り除かれる前記分解混合物に対する分解混合物の全体量の再循環率が５：１から２５：１の割合であることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 液体相において流体力学のキャビテーション技術を用いて前記粉砕が実行されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 前記流体が、オリフィスを横切る２〜７．５バールの圧力降下によって該オリフィスを通過することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記圧力降下が４〜６バールであることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記粉砕によって、中間粒サイズが１〜１０μｍにされることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 廃棄物質の分解が、廃棄物質を分解するバクテリアのための１又はそれ以上の捕食生物の存在下で実行され、
    前記捕食動物はその生存率が前記液体相の少なくとも１００００個体／Ｌであり、
    その個体群の捕食生物が該バクテリア及び粉砕された固体を摂取し、
    処理された廃棄物質内の前記バイオマス及び固体を減らすことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記捕食生物がブデロイド属のワムシ（bdelloid rotifer）からなることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 捕食生物の個体群が、分解ステージにおいて確立されるとともに維持されることを特徴とする請求項１２又は１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記個体群が、前記分解ステージ中のゾーンを用いることによって維持され、
    該分解ステージにおいて該生物をとどまらせることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 分解容器において前記廃棄物質の分解が実行され、
    該分解容器は、その容器内において捕食生物保存ゾーンを有することを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記保存ゾーンはフィルタートラップからなり、
    該フィルタートラップ上に捕食生物は留められ、
    流体相は該フィルタートラップの上を又は内側を通って通過することを特徴とする請求項１５記載の方法。
18. 分解容器内において前記廃棄物質の前記分解が実行されるとともに、
    該分解容器と別の容器内で捕食生物の個体群が発生し、
    該分解容器と該分解容器と該別の容器間で流体流動交換が行われることを特徴とする請求項１５記載の方法。
19. 前記捕食生物の個体群が、分解ステージにおいて、前記流体相の単位リットルあたり少なくとも５００００個体であることを特徴とする請求項１２乃至１８のいずれかに記載の方法。
20. 捕食生物が、フィロディナ属（Philodina spp）, 輪虫類（Habrotrocha ssp）, アジネタ属（Adineta spp）, コガタワムシ属（Notommata spp）及び、サラワムシ属（Lecane spp）から選択されることを特徴とする請求項１２乃至１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記廃棄物質が、分解ステージにおいて好気性生物学的流体相分解の処理にさらされる方法であって、
    該分解ステージが、バイオマス粒子及び流体廃液を生み出す流動性廃棄物質の処理のための方法であって、
    ａ．廃棄物質の分解の少なくとも一部は、捕食生物の個体群の存在下で実行され、
    該捕食生物は少なくともいくらかのバクテリアを摂取し、
    該バクテリアは廃棄物質及びバイオマスを分解するために用いられたものであり、
    捕食生物の個体群が分解ステージにおいて、前記液体相の単位リットルあたり少なくとも１００００個体のレベルに維持されると共に、
    ｂ．分解ステージに存在する少なくとも一部の廃棄物質及び／又はバイオマス及び他の固体が粉砕処理を受けるとともに、
    分解ステージにおいてバイオマス固体の中間粒サイズを１０μｍ以下まで減少させ、
    廃棄物質又はバイオマスのほとんど細胞要素の破裂を起こすことなく、
    前記捕食生物が前記固体粒子を摂取することを促すことを特徴とする方法。
22. 請求項１乃至２１のいずれかに記載の方法を実行するための装置であって、
    ａ．前記装置は分解容器を含み、該分解容器中で廃棄物質が分解され、
    ｂ．前記装置は少なくとも一部の廃棄物質が粉砕処理する手段を含み、
    該手段はその中間主要粒子サイズを１０μｍ以下まで減少させ、十分に低い廃棄物質への入力エネルギーを用いて操作され、
    該入力エネルギーは、分解ステージ中において生ずる廃棄物質及びバイオマスの細胞物質の細胞壁をほとんど破裂しないことを特徴とする装置。
23. 前記粉砕手段がホンプ手段からなり、
    該ポンプ手段は廃棄物質及び／又は分解混合物を１又はそれ以上のオリフィスを通して流動され、
    該流動はオリフィスの平面を横切る２〜７．５バールの圧力降下において実行されることを特徴とする請求項２２記載の装置。
24. オリフィスの流動路の上流側断面がオリフィスを通過する流動路の全体の断面部分の２０〜３５０倍であることを特徴とする請求項２２又は２３のいずれかに記載の装置。

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