JP2008508095A - 増強されたエネルギー効率的な生物学的（廃）水処理のためのプロセスおよびリアクタ - Google Patents

Abstract

水の曝気処理は直列結合されたリアクタおよび浮上分離槽を使用して行われ、エアレータからの小泡を活性汚泥に取り込み、活性汚泥のいくらかまたはすべてを浮上分離槽内で浮上分離するほど多量の活性汚泥を水中で使用することで行われる。プロセスを実行するリアクタ（１）および浮上分離槽（３６）には、少なくとも１つのエアレータ（１９、２０、２１、２２）が備えられる。本発明を既存の廃水処理設備に組み込み、そこで利用できるようにする方法を含め、多くの好ましいプロセスおよび設計が本発明を詳しく説明する。
【選択図】なし

Description

本発明の技術分野は、１つまたは複数のリアクタでの、利用または再利用を目的とした廃水あるいは汚染水の常時曝気式または間欠曝気式での生物学的処理である。

いくつかの概念を以下の文章において用いる。

リアクタ
以下のすべての文章において、「リアクタ」という言葉は広義で理解されたい。すなわち、上部が開いているか（たとえば、廃水処理施設の廃水槽）、それとも実質的に閉じているか（たとえば、一般的な産業醗酵槽のように）に関わらず、１つまたは複数の反応過程のあらゆるコンテナとして理解されたい。リアクタはおそらく、複数のリアクタおよび場合によっては他の槽が直列結合されて、内容物をリアクタまたは槽から別のリアクタまたは槽に移動できるリアクタ施設の一部であろう。

ループリアクタ
同様に、「ループリアクタという用語も広義に理解されたい。すなわち、周知の廃水処理用ループリアクタを含むがこれに限定されないあらゆるループ型リアクタおよびあらゆる種類のループ型醗酵槽として理解されたく、当分野において既知の、リアクタ内容物をループに通して推進させるあらゆる手段を利用し得る。

ループリアクタは外部式であってよく、これは、ループの部分がループの別の部分で囲繞されないことを意味する。また、内部式であってもよく、これは対照的に、ループのいくつかの部分が実際にループの別の部分で囲繞されることを意味する。これは、いわゆる「下降管」がいわゆる「上昇管」により、またはこの逆に完全に囲繞され得る垂直ループリアクタにおいて特に周知である。囲繞下降管を有する内部ループリアクタは、１つまたは複数の内部上昇管を利用し、同様に囲繞上昇管を有する内部ループリアクタは１つまたは複数の内部下降管を利用し得る。２つ以上の上昇管または下降管を利用することで、リアクタ内でのループの並列結合が提供される。

ループ通過
リアクタループは平均内部長を有し、リアクタ内容物はループ平均移動速度を有する。平均速度でリアクタループの平均内部長の全長を移動した場合、１回のループ通過が行われたと言える。曝気された液体の場合、「ループ通過」という用語を定義するのは液体の平均速度である。

液−液エゼクタ
液−液エゼクタは、液体が原動流体として使用され、液体が吸引流体であるエゼクタである。

活性汚泥
活性汚泥は、生きている微生物量を高度に含有した汚泥である。これは廃水処理に使用されることが多く、廃水処理の場合、処理過程の一貫として廃水に添加される。

次いで、活性汚泥は通常、処理済みの水から回収されることにより、汚泥（の少なくとも一部）の再利用が可能である。活性汚泥の使用は生物学的水処理を行う一法である。

懸濁した粒状ナイアッター（niatter）への泡の取り込み：泡は、懸濁した粒状物質および泡の両方を含む液体での泡の上昇速度が、粒状物質の存在により大幅に低減される場合に、懸濁した粒状物質に取り込まれたと言える。

様々な種類の多くの生物学的な物質の代謝回転過程または物質の生産過程では、空気または他の気体の泡が大抵は水性液中に導入されるか、または水性液中で発生する。

状況によっては、代謝回転過程または生産過程の制限因子は使用される泡の除去である。

この状況は欧州特許第０５１００１０号から既知であり、この特許では、ループリアクタのループ中に構築される遠心分離機を使用して、反応液からの泡の完全除去または部分除去を実行する。

また別の状況では、代謝回転過程または生産過程の制限因子は、液体自体の消費可能な酸素量である。

これは、水処理のために活性汚泥を従来使用する場合であり得る。

活性汚泥を使用する水処理は、曝気期間と非曝気期間とを交互に使用することで実行することができる。これを通して、アンモニウム、硝酸塩、および有機結合窒素の硝化を曝気期間に達成し、硝酸塩の脱硝および場合によっては硝酸塩の気体窒素への脱硝を非曝気期間に達成することができる。

このように曝気期間と非曝気期間とを交互に繰り返すことの欠点は、この従来の活性汚泥の使用が低速のプロセス（１時間当たりでの水１ｍ^３の処理達成程度として測定される）であることである。

本発明は、常時曝気式または間欠曝気式の生物学的水処理の速度を増大できる方法についての教示を提供する。

これは、リアクタでの常時曝気式または間欠曝気式（酸素富化あり、または酸素富化なしの空気を使用）水処理のための本発明のプロセスであって、リアクタが浮上分離槽に直列結合され、リアクタに収容されている水を常時モードまたは間欠モードで徹底的に曝気してリアクタから浮上分離槽に通し、この水は、任意の適した種類および配置のエアレータからの小泡が水中の活性汚泥に取り込まれ、浮上分離槽で活性汚泥のいくらかまたはすべてを浮上分離するほど多量の活性汚泥を含むことを特徴とする本発明のプロセスによって達成される。

本発明は、上記プロセスを実施するリアクタであって、水を徹底的に曝気する手段を備えるリアクタにも関する。このリアクタ、曝気手段、および浮上分離槽は上記プロセスの実施に適した任意の種類のものであってよい。

本発明は、廃水処理施設からわかった、通常よりもいくらか高いだけの濃度の活性汚泥が廃水処理に利用される場合に小泡を非常に効率的に取り込む活性汚泥の能力について本明細書に開示する発見に基づく。

従来、およそ４ｋｇの活性汚泥が１ｍ^３当たりの廃水に利用されている。本発明のプロセスでは、最適な活性汚泥濃度は、汚泥の性質、ひいては廃水の特徴および処理の全体過程の設計に依存するが、水１ｍ^３当たり活性汚泥およそ４０〜１００ｋｇという汚泥濃度がおそらく最も有益であろう。

水１ｍ^３当たりの活性汚泥量を増大させると水の酸素消費量が増大するため、曝気強度の増大を利用して水処理を加速化する。同様に、水１ｍ^３当たりの活性汚泥量を増大させると、あらゆる非曝気時間期間中に行われる脱膣過程が加速化する。

こういった過程速度の加速化は、リアクタ容量１ｍ^３当たりの水処理能力を高め、予想されるリアクタの数および／またはサイズを低減でき、それによって水処理施設の建造費および維持費の両方の節減を提供するという点で有利である。浮上分離槽内で浮遊する必ずしもすべての汚泥ではないであろうが、浮上分離の効率は、好ましくはループリアクタからの水、汚泥、および泡の流入口よりも下の深さでの浮上分離槽への（調整される）曝気を通して増大（かつ調整）することが可能であろう。このような曝気は、以下さらに説明するように、１つまたは複数の液−液エゼクタの使用により最良に行われる。

浮遊汚泥は、浮上分離槽の上部から（たとえば、傾斜路またはベルトコンベヤで、またはポンピングを通して）除去することができる。

多かれ少なかれ、このようにして回収された汚泥の部分をリアクタ内で再利用することができる。

本発明による好ましいプロセスでは、水および活性汚泥をリアクタから浮上分離槽に導く導管は、空気が中にまたは内部に供給される液−液エゼクタを備え、原動液と吸引液との相互作用により、この空気を活性汚泥に取り込まれる小泡に微粉砕し、そうすることで本発明によるエアレータとして働く。エゼクタは好ましくは、吸引流体として完全な水流を受け、汚泥はリアクタから直接導管中に導かれる。

エゼクタを使用することの利点は、浮上分離させる汚泥への小泡の非常に均等で効率的な分散を提供することである。

本発明によるさらなる好ましいプロセスでは、リアクタはループリアクタであり、ループリアクタで使用される曝気泡は、小泡生成の分野において既知の任意の方法で生成され、泡が少なくとも１つの曝気ポイントで水中の活性汚泥に実質的に取り込まれて、リアクタループの少なくとも大部分を水が通過する間に取り込まれたままであるか、または少なくとも、リアクタループの少なくとも大部分を水が通過する間に泡のいくつかが水中に残るように水からゆっくりと解放されるように小さい。

泡をループリアクタ内の汚泥に取り込むことの利点は、それによって水中での泡上昇速度が抑えられて、曝気のエネルギー消費（酸素１ｋｇを水に吸収させるために使用されるエネルギー量で測定される）が低減することである。

外部式または内部式の垂直ループリアクタ（少なくとも１つの下降管および少なくとも１つの上昇管を利用する）では、エネルギー消費の低減は、泡の上昇速度が抑えられるため、上昇管中の水、汚泥、および泡の結合濃度が下降管での濃度とあまり違わず、それによってループを通して水を推進させるためのエネルギー消費が低減するという点で達成される。

水平ループリアクタ（たとえば、水が周囲を循環している中央壁を有し、それによって外部ループリアクタになる槽）では、エネルギー消費の低減は、泡の水中への残留時間が増大し、それによって泡が水の表面に到達する前により多くの酸素を水に与える時間が得られることを通して達成される。

本発明によるさらに１つの好ましいプロセスでは、ループリアクタは実質的に垂直であり、ループリアクタ内で活性汚泥に取り込まれた小泡は、導管を経由して浮上分離槽に通される水および活性汚泥と共に導かれる。

ループリアクタが垂直であることの利点は、垂直であることによって、水がループリアクタの上部に到達するまで小泡が汚泥中に取り込まれた状態を保つことの保証が容易なことである。これはまた、取り込まれた泡の濃度がループリアクタ内と同じである汚泥を浮上分離槽に導くことも可能にし、これは場合によっては、最初に言及した好ましいプロセスのエゼクタを使用しなくてもよくする。

本発明によるさらなる好ましいプロセスでは、ループリアクタ内の水には、ループ通過の都度、活性汚泥がループ通過中に消費した可能性のある酸素量よりも少ない酸素が供給される。

このことの利点は、汚泥に取り込まれた小泡の大部分がむしろ、汚泥内であまり動かず、それによって泡が（小量の水に十分に少ない数の泡が存在する場合に）水と水中に懸濁した活性汚泥とを分けて酸素添加ゾーンと実質的に無酸素ゾーンとが空間的にモザイク状になったものにするという本明細書において開示する発見にある。

それにより、水中での硝化過程および脱硝化過程を同じ１つのリアクタ内で同時に、さらには過程に関わる窒素化合物のための拡散／対流パスを非常に短くして行うことができる。

したがって、硝化過程と脱硝化過程とを空間的（たとえば、それぞれを接続された２つのリアクタに分ける）または時間的（デンマーク企業のＫｒｕｇｅｒ Ａ／ＳのＢｉｏＤｅｎｉｔｒｏプロセスでのように）に分ける必要性がなくなる。

これはさらに水処理を加速化させることに加え、水処理施設の建造およびその運営の両方を簡易化する。

ＢｉｏＤｅｎｉｔｒｏプロセスでは、通常は接続された２つのリアクタで、一方または両方のリアクタ内に溶在する硝酸塩およびアンモニウムの測定に基づいて各種動作モードのシフトを進める、または遅らせることで硝化と脱硝化との相互作用を最適化するが、本明細書において開示する好ましいプロセスは、たった１つのリアクタで測定し、かなり単純に、このリアクタの曝気率の調整を利用するだけで、リアクタ内での様々な動作モードをシフトさせる必要が何等なくこの相互作用を最適化できるようにする。

本発明によるさらなる好ましいプロセスでは、泡は、リアクタループ内に構築される遠心分離機、優先的にサイクロン分離機を通過中に水および活性汚泥から分離され、水および汚泥からの使用済みの泡の除去を強化する。

下降管および上昇管（このうちの一方は２つ以上のループの一部であり得る）を有する垂直リアクタループでは、遠心分離機を好ましくは上昇管の上部として構築することができる。

本発明によるさらに好ましいプロセスでは、遠心分離機は、薄板が内部に螺旋状に配置され、それによってサイクロン分離機を通して水および活性汚泥を縦方向に移動できるのと同時に、薄板間の空隙内を移動することで回転させるサイクロン分離機である。

薄板の利点は、高濃度の活性汚泥での水および汚泥からの泡の分離を向上できることである。

本発明によるさらなる好ましいプロセスでは、水および活性汚泥の曝気は、空気をループリアクタ内の１つまたは複数の液−液エゼクタ中またはその内部に入れることにより行われる。１つまたは複数のエゼクタはこうして、本発明による１つまたは複数のエアレータとして働く。

この液−液エゼクタを使用することの利点は、汚泥に取り込むのに十分小さな泡の大規模生産が可能なことである。

この好ましいプロセスは、１つまたは複数のエゼクタが実質的にリアクタループの一部であるように、すべてまたは略すべての水がループ通過の都度、１つまたは複数のエゼクタを通るように導かれる場合において特に有利である。これは泡をすべての汚泥の中に非常に効率的に分散させる。

下降管および上昇管（このうちの一方は２つ以上のループに共通の部分であることができる）を有する垂直リアクタループの場合、１つまたは複数のエゼクタは優先的に、上昇管と下降管との間の上部接続を構成し得る。

本発明によるさらなる好ましいプロセスでは、活性汚泥の含有量を低減した、または活性汚泥がまったくない水が、浮上分離槽から、水を上述した液−液エゼクタのうちの任意のものまたはすべてに対して原動流体として、場合によってはリアクタから液体ポンプに直接導かされる水と共にポンピングする液体ポンプに通される。

この好ましいプロセスの利点は、１つは、１つまたは複数のエゼクタの原動流体中の活性汚泥濃度を低減することで１つまたは複数のエゼクタでの泡の品質を向上させることができることが分かったことであり、１つは、活性汚泥の濃度を低減することで液体ポンプに起因するダメージから微生物がよりよく保護されることである。

本発明によるさらなる好ましいプロセスでは、活性汚泥の含有量を低減した水が、浮上分離槽から、続く常時曝気式または間欠曝気式水処理槽、すなわち後置水処理リアクタに通される。

この好ましいプロセスの利点は、先に触れたリアクタ、すなわち水および汚泥を浮上分離槽に通すリアクタ内での活性汚泥への栄養付与を不十分にすることなく、水をより完全に処理できることである。

本発明によるさらなる好ましいプロセスでは、場合によっては、活性汚泥の含有量を低減した水が浮上分離槽から汚泥沈殿槽に通されて、汚泥沈殿槽から沈殿した汚泥の一部を再び先に触れたリアクタ、すなわち水および汚泥を浮上分離槽に渡すリアクタに通す、または運搬することができる。

この沈殿は、すべての汚泥が浮上分離槽での浮上分離（また場合によってはいくらかの沈殿）により、また場合によっては水を浮上分離槽から液体ポンプおよび／または後置水処理槽に通すことで除去されるわけではない場合、水から残留汚泥を除去するために必要となろう。

いずれの場合でも、水は浮上分離が施される場合には浮上分離槽外に導く必要があり、この水に活性汚泥が残留している場合には、この汚泥を好ましくは水から沈殿させて水を適宜処理すべきである。

ところで、２つの最後に触れた本発明による好ましいプロセスは、汚泥の含有量を低減した水が後置水処理槽を通って汚泥沈殿槽に流れるように組み合わせることができる。

それにより、これら２つの槽は通常設計の完全な水処理施設と概ね同じように機能することになる。

２つの槽がすでに建造されている場合、本発明は、従来の水処理施設を、水処理速度を増大させるとともに、場合によっては硝化および脱硝化が同時であり、水に１ｋｇの酸素を吸収させる際のエネルギー消費を低減した追加のリアクタで補足する。これは、投資期間および運営費の両方において安価であり、すでに存在する水処理施設の全体での処理能力を増大させる。

本発明によるさらなる好ましいプロセスでは、水を浮上分離槽に通すリアクタはループリアクタ（上述した他の好ましいプロセスでのように）であり、処理対象の新しい水は、前置の非曝気式、常時曝気式、または間欠曝気式の水処理槽またはリアクタに通され、ここから進んで、水をループリアクタの１つまたは複数の液−液エゼクタに原動流体としてポンピングする液体ポンプに通される。

このような前置水処理槽の利点は周知であり、リン（phosporous）化合物の転化（既存の水処理槽が非曝気式の場合）、ならびに任意の溶融した気体および有毒気体および／または揮発性液体（既存の水処理槽が曝気式の場合）の除去が含まれる。

これに加えて、ループリアクタに水が直接流れない前置水処理槽を緩衝槽として使用し、それによって処理対象の新しい水の流入の変動を平滑化して、ループリアクタへのより均等な水の流入を提供することができる。

本発明による好ましいプロセスでの前置水処理槽がこのような緩衝槽として働くことができるのは、水の前置水処理槽から先に進む流れが、槽からループリアクタに直接流れるのではなく水ポンプおよび１つまたは複数のエゼクタを通して行われることによる。

前置水処理槽での活性汚泥の濃度がゼロであるか、またはループリアクタでの濃度よりも低い場合、液体ポンプにおいてループリアクタ自体からの水以外の水を使用することのさらなる利点は、好ましいプロセスを提示した際に上述した通りである。

上記の好ましいプロセスは、水を浮上分離槽から液体ポンプに通す好ましいプロセスと組み合わせることができる。

それにより、前置水処理槽からポンプに流入する水量と浮上分離槽からポンプに流入する水量との割合が調整可能になるという点で制御オプションが生まれる。

前置水処理槽からの水が、望ましい程度まで除去すべき物質を比較的高い濃度で含有する場合、これに対応した前置水処理槽からの水の流速低減を利用することができ、それによりこういった物質のループリアクタへの供給速度を望ましい、高すぎないレベルに保つ。

逆に、前置水処理槽からの水がこれら物質を低い濃度で含有する場合、前置水処理槽からの水の流速増大を利用することができ、それによりこういった物質のループリアクタへの供給速度をこの状況でも望ましいレベルに保つ。

理想的には、前置水処理槽からポンプに流入する水量と浮上分離槽からポンプに流入する水量との割合は、ループリアクタ内の水質を測定する物質濃度メータの測定結果に基づくオンライン制御を受けるが、例外は、前置水処理槽の水位が低く、この槽からポンプへの水の流速を低減すべきである場合、その一方で前置水処理槽の水位が高く、この槽からポンプへの水の流速を増大すべき場合である。前置水処理槽の水位は、当分野において既知の任意の適した方法で測定してよい。

液−液エゼクタが浮上分離槽またはループリアクタから浮上分離槽に繋がる導管にエアレータとして利用される場合、このエゼクタで使用される原動流体は好ましくは、ループリアクタおよび／または浮上分離槽自体のみからの水であるべきであり、前置水処理槽からの水であるべきではない。それにより、前置水処理施設からの水はループリアクタを超えて通されない。したがって、前置水処理槽からの水はすべてループリアクタ内で処理されることになる。１つまたは複数の液−液エゼクタが１つまたは複数のエアレータとしてループリアクタにも利用される場合、前置水処理槽からの水が、浮上分離槽またはループリアクタから浮上分離槽に繋がる導管のエゼクタ内で原動流体として使用されている、ループリアクタおよび／または浮上分離槽からの水と混ざらないように、エゼクタへの原動水のために２つの液体ポンプを使用することが必要になる。

本発明によるさらに１つの好ましいプロセスでは、ループリアクタで再利用されている活性汚泥の部分、その部分のみが、前置水処理リアクタ内の水に加えられて液体ポンプを通してループリアクタ内の１つまたは複数の液−液エゼクタに送られることによりループリアクタに供給される。

前置水処理リアクタ内の水に加えられる活性汚泥は、浮上分離槽が利用される場合には浮上分離槽から、沈殿槽が利用される場合には沈殿槽から、またはこれらの両方から回収することができる。

水処理施設での一連のタンクのうちの最後のタンクにおいて回収された活性汚泥を再利用する場合の従来のやり方（本発明でも同様に実用することができる）は、再利用された活性汚泥をすべて、再び、その一連の最初の１つの（リアクタ）槽または最初の複数の（リアクタ）槽（２つ以上が並列に設置されている場合）に戻す。しかし、本発明によるプロセスでは、水および汚泥を最初の槽（前置水処理リアクタ）から通すことがループリアクタの１つまたは複数の液−液エゼクタを通して行われる場合、汚泥の一部のみが最初の槽内の水に加えられ、残りの汚泥はループリアクタ内の水に直接加えられるように、再利用する活性汚泥を分けたほうがよい。

たとえば２０ｋｇの活性汚泥が前置水処理リアクタ内の水１ｍ^３当たりに利用される場合、これはしかし、前置水処理リアクタの水処理能力を、水１ｍ^３当たりに通常のたった４ｋｇの活性汚泥しか使用しない前置水処理リアクタと比較しておよそ５倍増大させる。

それにより、前置水処理リアクタは、本発明を利用するように設計し直された施設においてその水処理能力を、本発明の利用を通して施設の残りで得られる水処理能力の増大をうまく利用するのに十分増大させる。

上述した好ましいプロセスは結合可能なものとして理解されたい。すなわち、所与の水処理設備は、好ましいプロセスのそれぞれの説明での表現に整合しながら好ましいプロセスの任意の組み合わせを利用することができ、すべての好ましいプロセスを利用することさえもできる。任意の組み合わせは、上述した、組み合わせの一部である任意の各リアクタまたは槽の１つだけで行われてもよく、またはこのようなリアクタまたは槽のうちの複数の任意のものまたはすべてで行ってもよい。

本発明について図面を参照しつつより詳細にさらに説明する。

軸方向縦での断面図で図１に示す本発明による内部ループリアクタ１の実施形態は、一緒になって、上部が開いた円筒形反応コンテナ（すなわち、リアクタ）を画定する外部コンテナ壁２および隣接する底壁３を有する。内部円筒形管４が、リアクタ１内の内部上昇管５を画定する。すなわち、水、汚泥、および泡は上昇管５内を実質的に上方に移動する。内部上昇管５を囲繞する円筒形環状空間６は、ループリアクタ１内の下降管である。すなわち、水、汚泥、および泡は下降管６内を実質的に下方に移動する。外部下降管６および内部上昇管５は、下方７にある内管４の自由端で互いに結合される。

内管４の上端はサイクロン分離機８であるように設計される。サイクロン分離機８は内部円筒形コア９を有し、内部円筒形コア９の周囲で、水、汚泥、および泡が、水および汚泥から分離する間に上方に移動し続けながら回転する（しなわち、この移動は螺旋状である）。サイクロン分離機８の下で、内部コア９は円錐台延長部１０によりテーパ形を有する。

下端において、サイクロン分離機８は、４つの螺旋状に配置されたガイド板１１、１２、１３、および１４によって開始され、ガイド板１１、１２、１３、および１４は水、汚泥、および泡を、サイクロン分離機８に繋がる４つの矩形流入口開口１５、１６（図１では見えず）、１７、および１８（図１に示されず）を通して誘導する。これにより、水、汚泥、および泡には、サイクロン分離機８への途中に回転速度部品が与えられている。図１では、ガイド板１１の導入エッジ（図１の切断面にある）および上面（図１の切断面の背後にある）、ガイド板１２の下面（図１の切断面の背後にある）および終了エッジ（図１の切断面にある）、ガイド板１３の（図１の切断面にある）導入エッジ、ならびにガイド板１４の終了エッジが見える。流入口開口１５は、ガイド板１１の導入エッジ、ガイド板１４の終了エッジ、内管４、およびコア９で画定される矩形エリアによって構成され、その一方で流入口開口１７は、ガイド板１３の導入エッジ、ガイド板１２の終了エッジ、内管４、およびコア９で画定される矩形エリアによって構成される。これに対応して、この図で見えない流入口開口１６は、ガイド板１２の導入エッジ、ガイド板１１の終了エッジ、内管４、およびコア９で画定される矩形エリアによって構成され、その一方でこの図では示されない流入口開口１８は、ガイド板１４の導入エッジ、ガイド板１３の終了エッジ、内管４、およびコア９で画定される矩形エリアによって構成される。

１つの好ましいプロセスに関して上述したように、薄板を備えたサイクロン分離機８が望まれる場合、これら薄板は、内管４の内部から内側へのそれぞれの延長部がサイクロン分離機８のコア９の全長にわたっては延在しないという違いを有してガイド板１１、１２、１３、および１４と同様に考案することができる。

サイクロン分離機８の上端に、４つの吸気可能な液−液エゼクタ１９、２０、２１、および２２（図１に示されず）が取り付けられる。原動流体および空気を液−液エゼクタに通す管は示されず、図５および図６が参照される。液−液エゼクタ１９、２０、２１、および２２は、ループリアクタ１の上昇管５と下降管６との間の水、汚泥、および泡の上部接続を構成する。図１では、エゼクタ１９の液体の吸入口２３はこの図の切断面に見られ、この図の切断面の背後には、エゼクタ１９のさらなる部分が見られ、エゼクタ２０はこの図の切断面の背後に見られ、エゼクタ２１の液体の吸入口２５はこの図の切断面に見られる。エゼクタ２１の残りの部分はこの図の切断面の前にあり、エゼクタ２２のすべての部分も同様である。

上部において、サイクロン分離機８は、泡および／または泡から遊離した使用済み空気を撤収するための垂直管３２に繋がる円錐台テーパ３１で区切られる。

ループリアクタ１の下降管６中に下方に延びる管３３およびこの管３３の上にある漏斗３４で構成される活性汚泥のための流入口部材が、この図の切断面の背後に示されている。

ループリアクタ１は、水処理施設で使用されているものに整合するサイズを有することを理解されたい。

ループリアクタ１の動作中、液−液エゼクタ１９、２０、２１、および２２には、おそらく１つまたは複数の液体ポンプから原動流体が供給され、好ましくは曝気率を制御する絞り弁を通して空気が吸引される。エゼクタ１９、２０、２１、および２２は、水および汚泥をループリアクタ１の上昇管５からループリアクタ１の下降管６にポンピングする。これに加えて、エゼクタ１９、２０、２１、および２２は、吸引されている空気を、エゼクタ１９、２０、２１、および２２を通して流れている水および汚泥に略均等に分散する適当に小さな泡に微粉砕する。

また、ループリアクタ１の動作中、汚泥および泡を有するいくらかの水が、下降管６に流入口を有する流出口部材３５を通してループリアクタ１から出る。

ループリアクタの動作にとって、上昇管５の断面形がサイクロン分離機８の下で円形であることはあまり重要ではない。他の断面形、たとえば正方形および矩形を含む多角形も使用することが可能である。同様に、上昇管５の断面積は、サイクロン分離機８の下とサイクロン分離機８内とで同じである必要はない。

ループリアクタ１の下降管６の形状も円筒管状である必要はなく、外壁２は円筒形である必要さえもない。外壁２は他の断面形、たとえば正方形および矩形を含む多角形を有してもよい。さらに、ループリアクタは、サイクロン分離機８およびエゼクタ１９、２０、２１、および２２を含め、動作に必要なすべてを備えた２つ以上の内管４の利用により、より広く作ることもできる。複数のこのような完全装備の管４は、このために十分広い下降管６内の同じ深さであるが異なる場所に配置することができ、１つの共通下降管６内の上昇管５の並列結合を構成する。

また、エゼクタ１９、２０、２１、および２２の数は固定されない。サイクロン分離機８から、または２つ以上の内管４が利用される場合には各サイクロン分離機８から繋がる厳密に４つのエゼクタである必要はない。１つのサイクロン分離機８からのエゼクタの数は、４未満であってもよく、４であってもよく、または５以上であってもよい。

エゼクタ１９、２０、２１、および２２（エゼクタが４つ利用される場合）は、分離機８から厳密に水平外側に向けられる必要はない。方向はおそらく、エゼクタが水、汚泥、および泡をサイクロン分離機８から外側のみならず上方にも通すように上方に傾斜するであろう。下方傾斜はおそらくあまり有利ではないであろう。

さらに、流出口部材３５は、流入口を下降管６に有する必要はない。流入口は、遠心分離機およびエゼクタを除きループリアクタ内のどこに位置決めしてもよい。

図２は、図１に示すループリアクタの線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。２はループリアクタ（図１では１）の外壁を示し、４は内管（断面はサイクロン分離機（図１では８）を通る）を示し、９はサイクロン分離機のコアを示す。図２の切断面の下には、ガイド板１１、１２、１３、および１４の上面が見え、この”実施形態での各導入エッジは偶然、その他のガイド板のうちの１つの終了エッジの真下に位置決めされているため、流入口開口１５、１６、１７、および１８の位置は、流入口と同様に、ガイド板の可視の終了エッジおよび導入エッジで区切られている。この図の切断面には、液−液エゼクタ１９、２０、２１、および２２およびそれぞれの液体の吸引口開口２３、２４、２５、および２５ならびにエゼクタ流出口開口２７、２８、２９、および３０を通る断面が見える。３３は活性汚泥の流入管を示し、３５は下降管６からの水、汚泥、および泡の流出口部材を示す。

図１でのように、原動流体および空気を液−液エゼクタに通す管は示されず、図５および図６が参照される。

液−液エゼクタ１９、２０、２１、および２２の配置は、ループリアクタ（図１では１）の下降管６の上部で水、汚泥、および泡に対して弱い回転運動を与える。これにより、流入管３３から活性汚泥は、この活性汚泥が内管４の周囲の水および汚泥と共に移動し、それにより、液−液エゼクタ１９、２０、２１、および２２から来る水、汚泥、および泡と有効に混ざるのに十分分散するようになるという点で分散する。

図３は、図１に示すループリアクタの線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示す。２はループリアクタ（図１では１）の外壁を示し、４は内管を示し（断面はサイクロン分離機（図１では８）の下）、３５は下降管６からの水、汚泥、および泡の流出口部材を示す。

図４は、本発明により使用される浮上分離槽３６の実施形態を通る軸方向縦の断面を示す。浮上分離槽３６は、外壁３７および隣接する底壁６１ならびにループリアクタ（図１では１）からの水、汚泥、および泡の流入口部材３５（図１〜図３での流出口部材３５に等しい）を有する。これに加えて、浮上分離槽３６は、活性汚泥なしの水または活性汚泥の濃度を低減した水のための流出口部材３８、および活性汚泥なしの水または活性汚泥の濃度を低減した水のため、かつエゼクタ（図１、図２では１９、２０、２１、および２２）での原動流体として使用するためのさらなる流出口部材３９を有する。

優先的に、流出口部材３８には、絞り弁または流出口部材３８を通る流速を調整する当分野において既知の他の任意の調整装置が設けられる。これは、ループリアクタ（図１では１）への任意の所与の水流速度でループリアクタ（図１では１）に存在する水量の制御を提供する。

さらに、１つまたは複数のエアレータ（この図に示さず）、好ましくはループリアクタ（図１では１）のエゼクタ（図１、図２では１９、２０、２１、および２２）の設計と多かれ少なかれ類似する設計であるが、場合によってはこれらループリアクタのエゼクタよりも小さい１つまたは複数の空気供給式液−液エゼクタを、浮上分離槽の下部、好ましくは流入口部材３５の下で作動させる(commision)ことができる。これは活性汚泥の浮上分離を向上させ、それによって流入口部材３５から流出口部材３８および３９に移動する活性汚泥量を低減する。

浮上分離槽３６は、浮上分離槽内の汚泥上面が、浮上分離槽３６内で汚泥に取り込まれた泡によりループリアクタ（図１での１）内の水面よりも上になる可能性への対処としてループリアクタ（図１での１）よりもわずかに高く描かれている。

図５は、本発明によるループリアクタで使用するための液−液エゼクタの実施形態を通る軸方向縦の断面を示す。切断面それ自体のみがこの図に示される。

好ましくは、ループリアクタ（図１での１）内の液−液エゼクタは同一設計のものである。この図は、例としてエゼクタ２０を示す。４０は吸引される空気の管状流入口部材を示し、この空気は液−液エゼクタ２０に流入口開口５５を通して導入される。４１は、原動流体（水および通常はいくらかの活性汚泥も−原動流体は通常、流体ポンプから来るが、別法として、エゼクタの高さのところでループリアクタ（図１では１）内よりも高い水圧を有するコンテナから通してもよい）の管状流入口部材を示す。管状部材４１はノズル開口４２で終端する。この図では、管状部材４１は、管状部材４０よりも長く示される。これはこの図面のみにおいてであり、通常、２つの部材は両方ともこの図に示すよりも長く延在する。エゼクタ２０は、サイクロン分離機（図１では８）からの水および汚泥の吸引開口２４を有する。この図では、エゼクタ２０は漏斗形の流入口部４３を有して示され、この流入口部４３は好ましくは、エゼクタの管状中間部４４に滑らかに繋がるとともに、中間部４４の断面積を吸引開口２４の断面積よりも小さくする。このような漏斗形の流入口部４３は、エゼクタ２０をサイクロン分離機（図１での８）内の流速よりも高い内部流速に適合させることにより有利であり得る。エゼクタ２０の管状中間部４４は、エゼクタの混合ゾーンを収容する。エゼクタ２０のエゼクタ流出口開口２８は、吸引開口２４よりも大きな断面積を有し、好ましくは滑らかに設計され、徐々に広がる流出口部４５の端部に位置決めされ、流出口部４５は、水、汚泥、および泡の速度を、これらがエゼクタを出てループリアクタ（図１での１）の下降管（図１での６）に入る前に低減させる目的を果たし、それによってエゼクタ２０のポンプ効率を向上させる。

図６は、図５の線Ｃ−Ｃに沿った図５のエゼクタの断面図を示す。切断面の背後には、流出口部４５の外面、流入口部４３の内面、およびノズル開口４２が見える。切断面には、吸引開口２４、管状空気流入口部材４０、および管状原動流体流入口部材４１が見える。

図７は、本発明によるループリアクタを備えた水処理施設の実施形態のフローシートを示す。４６は前置水処理リアクタを示し、４７はループリアクタ１および浮上分離槽３６を囲む後置水処理リアクタを示す。３５は、水、汚泥、および泡をループリアクタ１から浮上分離槽３６に通す導管を示し、３８は、浮上分離槽３６から後置水処理リアクタ４７への水および汚泥のための導管または開口を示し、３９は、浮上分離槽３６からのおそらくはいくらかの汚泥を含んだ水のためであり、エゼクタにおいて原動流体として使用するための流出口を示す。４８は、ループリアクタ１の１つまたは複数のエゼクタ（図１、図２では１９、２０、２１、および２２）に原動流体を供給する液体ポンプを示す。ポンプ４８は、おそらくはいくらかの汚泥を含んだ水を浮上分離槽３６から導管５６を通して受け取るとともに、汚泥を含んだ水を前置水処理リアクタ４６から導管５７を通して受け取る。４９は、浮上分離槽３６のみからのおそらくはいくらかの汚泥を含み、浮上分離槽３６の下部にある１つまたは複数の空気供給式エゼクタの原動流体として使用される水が供給されるさらなる液体ポンプを示す。５０は、水および汚泥を後置水処理リアクタ４７から沈殿槽５１に通す導管を示す。いくらかの回収された汚泥が、導管または運搬装置（当分野において既知の任意の適した種類の）５２によりループリアクタ１および前置水処理リアクタ４６に通される。前置水処理リアクタ４６に通される回収汚泥がループリアクタ１に通される回収汚泥の組成と異なる組成のものである、たとえば、浮上分離槽のみからの汚泥、沈殿槽のみからの汚泥、またはループリアクタ１に通される汚泥とは別のこれら２つのありふれた割合のものであることができるように、２つの別個の導管または運搬装置５２を使用することが可能である。施設での処理対象の水は導管５３を通して前置水処理槽４６に入り、処理済みの水は導管５４を通して沈殿槽から出る。

当分野において既知の任意の種類の弁を導管５６および／または５７に設けて、前置水処理リアクタ４６および浮上分離槽３６のそれぞれから水ポンプ４８への水の流れを制御することができる。

この図では、余剰汚泥の排出６０が、浮上分離槽と沈殿槽の両方から行われることが示される。除去する汚泥が少なければ、除去は沈殿槽のみから行うように配置してもよい。

５８は、ループリアクタ１内のエゼクタ（図１、図２では１９、２０、２１、および２２）に空気を通す導管を示す。好ましくは、ループリアクタ１への空気流を制御する当分野において既知の任意の種類の弁が導管５８に設けられる。

５９は、浮上分離槽３６の下部にある１つまたは複数の液−液エゼクタに空気を通す導管を示す。１つまたは複数のエゼクタの位置が深い場合、導管５９に空気ポンプを備えることが有利になる。空気ポンプが導管５９に設けられる場合、浮上分離槽３６内の曝気率は、空気ポンプによって行われるポンピング作業の調整を通して調整可能になる。

本発明をさらに図示し説明するために、以下に言及する。本発明によるループリアクタならびにさらなる槽、少なくとも浮上分離槽、後置水処理リアクタ、沈殿槽の両方を備えた水処理施設で動作を開始するに際して、生物学的水処理の開始は、主に後置水処理リアクタ内での活性汚泥の増殖として行うことができ、汚泥は沈殿槽で回収され、回収された汚泥は後置水処理リアクタに戻される。この段階中、水を、ループリアクタおよび浮上分離槽を迂回して後置水処理リアクタに直接通してよい。

活性汚泥の濃度が沈殿槽内での効率的な沈殿のための上限を超える前に、汚泥をループリアクタに通し始める。汚泥をループリアクタに最初に通すとき、ループリアクタ内の活性汚泥の濃度が増大している間、ループリアクタからの活性汚泥の流出がまったくないか、または流出が少なくとも非常に限られるように、ループリアクタへの水の流入を閉じるか、または少なくとも制限することが有利であろう。

ループリアクタ内の活性汚泥の濃度が十分に高くなると、その後の後置水処理リアクタへのすべての水の流れがループリアクタおよび浮上分離槽を通して行われるように、ループリアクタを迂回する水流をすべて閉じることができる。

同様に、この時点で、汚泥を後置水処理リアクタに直接通すことをすべて止めることができる。

動作の開始中に、前置水処理リアクタが使用される場合（たとえば、Ｋｒｕｇｅｒ Ａ／Ｓの周知のＢｉｏＤｅｎｉｐｈｏプロセスでのように）でもやはり、動作の開始について上述したすべてが当てはまる。好ましくは、前置水処理リアクタは最初から稼働しており、施設へのすべての流入水を受け、前置水処理リアクタのない施設の動作開始について上述したしたようにこれを後置水処理リアクタまたはループリアクタに通すべきである。ループリアクタが初期に迂回されている場合、回収された汚泥は一部またはすべてを前置水処理リアクタに通し、前置水処理リアクタを通して後置水処理リアクタに通してよい。

発明を実施するための最良の形態
少なくとも本発明を廃水処理に使用する場合に、本発明を実施するための最良の形態は、少なくとも、非常に高い濃度の活性汚泥がループリアクタに利用される場合、上述した好ましいプロセスをすべて使用することであるものと考えられる。サイクロン分離機での薄板の使用は、水中でわずかに低い濃度の活性汚泥を使用することで省くことができ、浮上分離槽および／または水を浮上分離槽に通す導管でのエアレータの使用は、エアレータを使用しなければ活性汚泥の浮上分離が不十分な場合にのみ妥当である。特許請求の範囲に規定した本発明の実施形態に加えて、以下の実施形態も好ましい。

Ｉ．気泡が、浮上分離槽内の、好ましくは水および汚泥をリアクタから浮上分離槽に通すための流入口開口の下に配置されたエアレータによって浮上分離槽に導入される、プロセス。

ＩＩ．活性汚泥が浮上分離槽の上端から、また水および汚泥を浮上分離槽に通すリアクタに通される、プロセス。

ＩＩＩ．活性汚泥のない水、または活性汚泥の濃度を低減した水が、浮上分離槽から浮上分離槽の下部にある流出口開口、液体ポンプを備えた導管を経由し、前進してリアクタ、浮上分離槽、および／またはリアクタを浮上分離槽に繋ぐ導管内の１つまたは複数の液−液エゼクタに通され、上記水は上記１つまたは複数のエゼクタで原動流体として働く、プロセス。

ＩＶ．活性汚泥の濃度を低減した水が、浮上分離槽から、水を常時曝気式または間欠曝気式の後置水処理リアクタに通す導管または開口に通される、プロセス。

Ｖ．活性汚泥の濃度を低減した水が、浮上分離槽から、水をおそらく、上記プロセスＩＶにおいて述べた後置水処理リアクタを通して沈殿槽に通す導管に通され、沈殿槽から、沈殿した汚泥の一部またはすべてがおそらく、水を浮上分離槽に通すリアクタに通される、プロセス。

ＶＩ．水を浮上分離槽に通すリアクタはループリアクタであり、曝気式または非曝気式の前置水処理槽またはリアクタからの、場合によっては活性汚泥を含む水が、液体ポンプを含む導管を通して前方に、ループリアクタ内の１つまたは複数の液−液エゼクタに通され、上記水は上記１つまたは複数のエゼクタの原動流体として働く、プロセス。

ＶＩＩＩ．ループリアクタ（たとえば、上記プロセスＩＩ、Ｖ、またはＶＩでのような）に通される活性汚泥の部分は、前置水処理リアクタを介して通され、それによって汚泥は前置水処理リアクタ内の水中に懸濁し、導管および液体ポンプを通して水と共にループリアクタ内の１つまたは複数の液−液エゼクタに通され、その一方でループリアクタに通されている活性汚泥の残りの部分はループリアクタに直接通される、プロセス。

本発明による内部ループリアクタの実施形態の軸を通って実行された縦方向断面図である。 図１の線Ａ−Ａに沿った本発明による内部ループリアクタの実施形態の断面図である。 図１の線Ｂ−Ｂに沿った本発明による内部ループリアクタの実施形態の断面図である。 本発明により使用可能な浮上分離槽の実施形態の軸を通って実行された縦方向断面図である。 本発明によるループリアクタにおいて使用可能な設計の液−液エゼクタの実施形態の軸を通る縦方向断面を示す。 図５の線Ｃ−Ｃに沿った液−液エゼクタの断面図である。 本発明によるループリアクタを備えた水処理施設の実施形態のフローチャートである。

Claims (12)

1. リアクタ内で水の常時曝気式または間欠曝気式処理を行うプロセスであって、前記リアクタは浮上分離槽に直列結合され、前記リアクタに収容される水は、常時モードまたは間欠モードで徹底的に曝気され、前記リアクタから前記浮上分離槽に通され、エアレータからの小泡が水中で前記活性汚泥に取り込まれ、前記浮上分離槽内の前記活性汚泥のいくらかまたはすべてを浮上分離するほど多量の活性汚泥を含むことを特徴とするプロセス。
2. 水および活性汚泥を前記リアクタから前記浮上分離槽に通す前記導管は、空気が中にまたは内部に供給され、原動液と吸引液との相互作用により、この空気を前記活性汚泥に取り込まれる小泡に微粉砕する液−液エゼクタを備え、該エゼクタは好ましくは、該エゼクタへの吸引流体として、前記リアクタから前記導管に直接通されている水および汚泥の完全な流れを受けることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
3. 前記リアクタはループリアクタであり、該ループリアクタで使用される前記曝気泡は、泡が少なくとも１つの曝気ポイントで水中の前記活性汚泥に実質的に取り込まれ、前記リアクタループの少なくとも大部分を水が通過する間に取り込まれたままであるか、または少なくとも、前記リアクタループの少なくとも大部分を水が通過する間に泡のいくつかが水中に残るように水からゆっくりと解放されるように小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のプロセス。
4. 前記ループリアクタは実質的に垂直であり、前記ループリアクタ内で前記活性汚泥に取り込まれた前記小泡は、前記導管を経由して前記浮上分離槽に通される水および前記活性汚泥と共に導かれることを特徴とする請求項３に記載のプロセス。
5. ループ通過の都度、水に、水中の前記活性汚泥がループ通過中に消費した可能性のある酸素量よりも少ない酸素が供給されることを特徴とする請求項３または４に記載のプロセス。
6. ループ通過の都度、前記リアクタの水のすべてまたは略すべてが遠心分離機、優先的にサイクロン分離機を通過し、水から泡のすべてまたは一部、優先的にはすべてまたは大部分を分離し、該分離された泡は水面に導かれるか、または前記リアクタループ外に導かれることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のプロセス。
7. 前記遠心分離機はサイクロン分離機であり、該サイクロン分離機はその開始部または全体的に、外壁の内面に取り付けられ、螺旋状に配置された複数の薄板を有し、それにより、水および汚泥が前記サイクロン分離機を通して縦方向に移動できるのと同時に、前記薄板間の空隙内を移動することで回転させることを特徴とする請求項６に記載のプロセス。
8. 空気が、１つまたは複数の液−液エゼクタ中にまたは内部に導入されることによって前記ループリアクタに供給され、それにより、前記空気は、前記１つまたは複数のエゼクタ内で前記原動液と前記吸引液との相互作用により泡に微粉砕されることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載のプロセス。
9. 前記１つまたは複数のエゼクタは、前記汚泥および泡と共に水を前記リアクタループに通して推進させる駆動力を生成することを特徴とする請求項８に記載のプロセス。
10. 請求項１に記載のプロセスを実行するリアクタ（１）であって、該リアクタ（１）に収容され、該リアクタ（１）から導管（３５）を経由して浮上分離槽（３６）に通される水は、エアレータ（１９、２０、２１、２２）からの小泡が水中の前記活性汚泥に取り込まれて、前記浮上分離槽（３６）内の前記活性汚泥のいくらかまたはすべてを浮上分離させるほど多量の活性汚泥を含むことを特徴とするリアクタ。
11. 該リアクタは、少なくとも１つの下降管（６）および少なくとも１つの上昇管（５）を備えるループリアクタ（１）であって、前記少なくとも１つの下降管（６）および前記少なくとも１つの上昇管（５）は、前記上昇管（５）の下（７）端および前記上昇管（５）の上（１９、２０、２１、２２）端で相互接続され、サイクロン分離機（８）は、前記上昇管（５）を通って上に流れる水のすべてまたは略すべてが、前記上昇管（５）内での上昇途中で該サイクロン分離機（８）を通るように前記上昇管（５）の上半分、優先的に上４分の１に一体化されることを特徴とする請求項１０に記載のリアクタ。
12. 前記エアレータは液−液エゼクタ（１９、２０、２１、２２）であり、該液−液エゼクタ（１９、２０、２１、２２）は、該エゼクタ（１９、２０、２１、２２）の原動流体の流入口開口（４２）の付近または周囲に位置決めされた空気流入口開口（５５）を備え、徐々に広がる流出口部（４５）で終端し、前記エゼクタ（１９、２０、２１、２２）は、活性汚泥を含む水を該ループリアクタ（１）の前記上昇管（５）から該ループリアクタ（１）の前記下降管（６）に、好ましくは前記上昇管（５）と前記下降管（６）との上部接続を構成する前記エゼクタ（１９、２０、２１、２２）によりポンピングするが、前記エゼクタ（１９、２０、２１、２２）の流出口開口（２７、２８、２９、３０）は好ましくは前記下降管（６）において水に完全に沈むことを特徴とする請求項１１に記載のループリアクタ。

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