JP4921467B2 - 層状充填床を備えたプロセス反応器 - Google Patents

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発明の詳細な説明

関連出願の相互参照
本出願は、２００５年７月１１日出願の米国仮特許出願第６０／６９８，１０６号に基づく優先権の利益を主張する。

技術分野
本発明は、一般には、反応器に関する。より特定的には、本発明は、化学的プロセスおよび生物学的プロセスに使用するのに好適な充填床反応器に関する。

背景
充填反応器は、化学工業、製薬工業、廃棄物処理工業、および発酵工業においてさまざまなプロセスに広く使用される。一般には、充填材は、選択された特定の充填材の表面積対体積比に基づいて反応器内部の表面積を増大させる。通常、充填材の表面積は、微生物のような反応促進剤を生物学的反応器内に結合させうる表面または化学触媒のような反応促進剤を化学反応器内に結合させうる表面を提供する。生物学的であるか化学的であるかにかかわらず、反応プロセスは、通常、反応物と反応促進剤との接触および接触時間に依存するので、反応器容積内でより大きい表面積を反応促進剤に提供すれば、反応器サイズの削減が促進されて経費節約につながる。したがって、表面積対体積比が大きくなるほど、特定のプロセスに必要とされる反応器容積は小さくなる。

市販の充填材は、形状が多種多様であり、表面積を増大させる要素を含んでいることもある。たとえば、円筒状充填材料は、表面積対体積比を増大させるべく内表面および外表面の両方を提供するように軸方向貫通孔を有しうる。そのほかに、円筒状充填材は、有効表面積をさらに増大させるべく内側リブおよび／または外側リブあるいは他の構造体を含みうる。

たとえば、廃棄物処理で使用される生物学的反応器についてさらに具体的に言及すると、汚染物質は、反応器充填材上の微生物に対して食料源として、通常は炭素源および／または窒素源として機能する。細菌代謝により、汚染物質は、通常は単純な化学構造を有する代謝産物に変換され、ときには、汚染物質は、好気的プロセスで二酸化炭素および水に完全に分解されるかまたは嫌気的プロセスでメタンに分解される。しかし、いずれにせよ、代謝産物は、通例、有害な環境作用を及ぼさない。

種々のバイオレメディエーションプロセスが公知である。たとえば、特許文献１には、廃水および空気を浄化するための生物学的活性組成物が記載されている。この組成物は、ＢＥＴに基づいて５０ｍ^２／ｇ超の比表面を有する表面活性石炭と、陽イオン性基を有するポリマーと、酵素活性を有しかつ増殖の可能な細胞と、を含有するポリウレタンヒドロゲルを含んでなる。特許文献２には、水または空気を特許文献１に記載の生物学的活性組成物と接触させることにより廃水および／または空気の生物学的浄化を行うプロセスが記載されている。これらの特許の実験例からは、排出物系内の混入物質濃度を４４百万分率（ｐｐｍ）未満にするうえでプロセスが有効でないことが示唆される。このことは許容できるものではない。なぜなら、環境保護局（ＥＰＡ）は、いくつかの事例で、排出ストリーム中のいくつかの混入物質（たとえばフェノール）の濃度を２０十億分率（ｐｐｂ）程度に低くしなければならないことを義務付けたからである（非特許文献１を参照されたい）。

特許文献３および特許文献４のいずれにも、フェノール除去において廃水中の生物学的活性固体（活性汚泥）の懸濁液に活性炭またはフーラー土を助剤として添加することが記載されている。吸収剤は、おそらく、細菌に対して毒性を有する汚染物質が細菌の代謝活性を阻害するのを防止する作用を有する。特許権者の手法は、いわゆるＰＡＣＴプロセスにまで成熟している。このプロセスは、長い滞留時間を必要とし、汚泥処理問題を伴う大量の汚泥を生成し、かつ使用済み炭素の再生および交換を必要とするにもかかわらず商業的に受け入れられるようになってきている。

レーム（Ｒｅｈｍ）および共同研究者は、多孔性バイオマス支持系としての顆粒状炭素上に固定された微生物を使用することにより、フェノール系物質の好気的酸化における活性炭の使用をさらに改良した。微生物が表面上で増殖しかつ表面に結合した状態を保持するという性質を利用して、レーム（Ｒｅｈｍ）は、大きな表面積（１３００ｍ^２／ｇ）を有する顆粒状活性炭支持体のマクロ細孔内および表面上に細胞を結合させてフェノール除去用のループ反応器内で多孔性バイオマス支持系として使用した。（非特許文献２）。得られた「固定化」細胞は、約１５ｇ／Ｌの供給物中レベルまでフェノール耐性を呈したが、遊離細胞は、１．５ｇ／Ｌ以下の耐性を示した。毒性フェノール濃度を吸収して吸収されたフェノールを少量ずつ漸進的生分解に利用できるようにすることにより固定化微生物を保護する形で「緩衝剤やデポ剤」のように活性炭が機能すると推定された。この研究は、活性炭上に固定された混合培養物を用いて若干改良されたが（非特許文献３）、研究者らは、かなりの量の微生物が「外方増殖」して水性媒体中に進入すること（すなわち、その系内にかなりの汚泥を生成すること）に気付いた。

スイダン（Ｓｕｉｄａｎ）および共同研究者は、顆粒状炭素に結合された微生物の充填床を用いて、フェノールの類似の嫌気的分解についてかなりの研究を行ってきた（非特許文献４）。たとえば、膨張床構成で微生物用の支持媒体として１６×２０メッシュの顆粒状活性炭を用いてかつ３５８〜１４３２ｍｇ／Ｌのフェノールを含有する供給物を用いて、約２４時間の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）で約０．０６ｍｇ／Ｌ（６０ｐｐｂ）の排出フェノールレベルを得た。その後しばらくして、ベルルサドル充填床および膨張床の顆粒状活性炭嫌気直列反応器を用いて、メタンへのＣＯＤの高い変換率が示されたが、事実上そのすべてが膨張床反応器で行われた（非特許文献５）。オルト−クレゾールおよびメタ−クレゾールの耐分解性もまた認められた。

非特許文献６では、フェノールを含む汚染物質の好気的除去を行うための微生物支持系として炭素含浸ポリウレタンフォームの十分な評価がなされた。活性炭で内部含浸されかつ微生物が外部に結合された多孔性ポリウレタンフォームが、フォームに閉じ込められた炭素が存在しない点だけが異なるキャプター（Ｃａｐｔｏｒ）プロセスおよびリンポー（Ｌｉｎｐｏｒ）プロセスに類似して活性汚泥反応器内で使用された。プロセスは、かなりの汚泥の生成を伴い、炭素の有益な効果がまったくみられなかった。

キャプター（Ｃａｐｔｏｒ）プロセス自体は、生物学的廃水処理用の曝気タンク内で微生物を増殖させるために大きい外表面を提供する多孔性ポリウレタンフォームパッドを利用する。以上に記載の研究は、フォーム内に閉じ込められた炭素の存在により改良されたキャプター（Ｃａｐｔｏｒ）プロセスである。キャプター（Ｃａｐｔｏｒ）プロセス自体を２年間にわたりパイロットプラントで評価することにより、主張されているよりもかなり低い微生物密度を有するかなりの汚泥の生成が示された。（非特許文献７）。注目すべき点は、以下で再考するように、キャプター（Ｃａｐｔｏｒ）プロセスが、汚泥のパッドを排出ライン中のスクリーンにより曝気タンク内に保持してなる本質的に曝気汚泥反応器であることである。コンベヤーを介してパッドの一部を取り出し、パッドを加圧ローラーに通して固形分を搾り出すことにより、過剰の汚泥を継続的に除去しなければならない。

非特許文献８では、ポリアクリルアミド−ヒドラジドゲル中に閉じ込められたシュードモナス・プチダ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｐｕｔｉｄａ）を用いて約１５時間の水理学的滞留時間で好結果の得られる連続的好気的フェノール分解を行うべく流動床バイオリアクターが利用された。振盪フラスコ内でのフェノールの好気的酸化におけるポリウレタンフォーム内に閉じ込められた微生物の使用も報告されている（非特許文献９）。

既知のバイオレメディエーションプロセスは、いくつかの固有の欠点を抱えている。たとえば、そのようなプロセスの使用増加の主な結果として、汚泥量が増加の一途をたどり、これが深刻な廃棄処理問題を引き起こす。なぜなら、陸上および海上への未処理の汚泥の投棄または散布に関する政策がますます規制の厳しいものになってきているからである。（非特許文献１０）、（非特許文献１１）、および（非特許文献１２）。汚泥処理の経費は、現在では、廃水処理の他の操業経費の合計の数倍になることもある。

嫌気的下水処理システムの使用は、汚泥問題に対する解決策として提案されてきた。（非特許文献１３）。好気的システムと嫌気的システムとの最大の差異は、細胞収率にある。好気的システムによる基質除去の半分超は、新しい微生物塊または微生物汚泥の生成が可能であり、嫌気的条件下での収率は、通例、除去される有機物質の１５％未満である。しかしながら、嫌気的システムは、非置換型芳香族化合物のように分解または代謝の可能な基質の数に制約がある（非特許文献１４を参照されたい）。このことは、コークス製造やコールタール処理をはじめとするほとんどの工業プロセスにおいて非置換型芳香族化合物が副生成物として通常生成されるという点で、顕著な欠点である（非特許文献１５を参照されたい）。

いくつかの公知のバイオレメディエーションプロセスに固有の他の欠点は、これらのプロセスでは適正滞留時間（好ましくは約２４時間未満）で有機汚染物質のレベルが適正レベル［好ましくは約０．１百万分率（ｐｐｍ）未満］に低減されないことである。たとえば、特許文献５および特許文献１（特定の実施例を参照されたい）に記載のプロセスでは、フェノール混入物質の濃度は、約４４ｐｐｍより下には低減されていない。

特許文献６は、親水性繊維の存在下におけるポリウレタンフォームによる水溶液からのフェノール系物質の抽出に関する。特許の記載によると、ポリウレタンフォームは、比較的疎水性であるので、吸着を可能にするのに必要な界面接触を妨害する可能性があるが、この問題は、材料をポリウレタンの表面に近接させかつ十分に接触させてその湿潤を促進しうる親水性繊維を用いることにより克服される。

特許文献７は、炭化水素溶液からフェノールを選択的に吸着する方法に関する。この方法では、溶液をポリウレタンフォームに接触させる。
特許文献８および特許文献９には、バイオレメディエーション用または有機混入物質用の固定床反応器が記載されている。この反応器は、ポリウレタンフォームのような基材（前記基材上、前記基材中、または前記基材全体に嫌気性微生物と汚染物質用の吸収剤とを有する）を有する微粒子から形成されたバイオマスを含む。

特許文献１０には、微生物による廃水処理のための方法およびユニットが開示されている。この場合、三次元網状構造を有する少なくとも１つの不織繊維状マットが支持媒体として曝気タンク内に配設され、微生物は、不織繊維状マットの表面上および間隙中に保持され、そして廃水中の有機汚染物質は酸素の存在下で微生物により酸化的に分解される。

特許文献１１には、微生物による有機物質の除去による水性廃棄物含有液体の生物学的処理プロセスが開示されている。この場合、前記微生物用の担体材料が前記液体に添加され、前記担体材料は、独立個別微粒子の形態で充填材含有親水性連続気泡ポリマーを含み、改良点として、前記ポリマー微粒子は、水で飽和され、かつプロセス中に形成された少なくとも７０体積％のバイオマスで充填されたときに、前記液体の密度よりもわずかに低い平均密度を有するので、前記液体の上部２／３に懸濁される。

特許文献１２には、バイオマス用の開放細孔型圧縮性担体材料の存在下における反応器内での廃水の生物学的浄化についての記載がある。この場合、担体材料は、反応器内での使用前に、廃水浄化用として選択された細菌、微細化無機および／または有機化合物で充填され、次に、保存またはプロセスでの使用のいずれかが行われ、充填担体は、廃水処理プラントのスタートアップ時間を減少させるのにとくに有用である。

特許文献１３は、高吸水性を有する非浮遊性非摩耗性高充填ポリウレタン（ウレア）組成物の使用に関する。この組成物は、その製造時、廃棄物含有液体の生物学的処理におけるバイオマス用の担体として増殖可能な細胞を含有していない。この担体は、１５重量％超かつ９５重量％未満の充填材含有率（湿分を含まない状態を基準にして）を有する。充填材は、微細化化石リグノセルロースまたはその二次産物（たとえば、泥炭、亜炭、石炭、もしくはコークス）を含有する天然材料、活性炭、微細化蒸留残渣、無機充填材、均一プラスチック微粒子または気泡プラスチック微粒子（より特定的には、ポリウレタンフォーム（廃棄物）微粒子）、およびそれらの混合物からなる群から選択される。ポリウレタン（ウレア）は、親水性および／または疎水性のポリウレタン（ウレア）であり、好ましくは、陽イオン性基を含有する。こうした高充填ポリウレタン（ウレア）担体は、膨潤担体中の水が３３重量％を超える吸水性を有する。

先行技術では、生物学的活性バイオマス用の支持マトリックスとして連続気泡ポリウレタンフォームの優れた性質が報告されているが、バイオリアクター内でのこの材料の使用に伴う固有の問題についての検討がなされていない。非特許文献１６に記載されるように、支持マトリックスとしてポリウレタンを用いる固定膜バイオリアクター内の物質移動は、圧縮に抵抗するポリウレタンフォームの構造保全性により制約を受けるので、水および空気が固定床反応器をバイパスする。ポリウレタンフォームの抱えるこの固有の問題を克服するために、いくつかの試みがなされてきた。一方法は、非特許文献１７に記載されるように、回転生物接触器（ＲＢＣ）の回転板に結合されたポリウレタンフォームを使用することである。しかしながら、これらの著者らにより、ＲＢＣがエアスパージ（気泡塔）バイオリアクターほど有効なバイオリアクターでないことが示されている。

特許文献１４は、床のエアスパージング中におけるポリウレタンの圧縮を防止すべく硬質プラスチックスペーサーとランダムに混合されたポリウレタンフォームの使用に関する。ポリウレタン床は圧縮されないが、気泡から液相への酸素の物質移動は、充填材料を存在させることなく液相を曝気した場合よりも少ない。

したがって、反応器内の滞留時間の分布が比較的狭い範囲内であるように、低圧力低下特性を保持しかつ反応器を貫通する流体の過度のチャネリングを回避すると同時に、有利な表面積対体積比を提供する反応器用充填材を開発することが望ましい。そのほかに、反応表面を提供するために利用可能なフォーム内の細孔に基づいて潜在的に高い表面積対体積比を有するポリウレタンフォームのような材料を利用することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面ならびに以上の技術分野および背景と組み合わせて後続の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
米国特許第４，６３４，６７２号明細書 米国特許第４，６８１，８５２号明細書 米国特許第３，９０４，５１８号明細書 米国特許第４，０６９，１４８号明細書 米国特許第４，６８１，８５１号明細書 米国特許第２，８１２，０３１号明細書 米国特許第３，６１７，５３１号明細書 米国特許第４，９８３，２９９号明細書 ＰＣＴ 国際公開第９０／１１９７０号パンフレット 米国特許第４，１６５，２８１号明細書 米国特許第４，８２０，４１５号明細書 米国特許第４，４６９，６００号明細書 米国特許第４，５７６，７１８号明細書 米国特許第５，２１７，６１６号明細書 環境保護局ＣＦＲ第４０編第４１４条および第４１６条、有機化学物質およびプラスチックおよび合成繊維に分類される物質に関する排出制限ガイドライン、前処理基準、および新規発生源実施基準（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ａｎｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｆｉｂｅｒｓ Ｃａｔｅｇｏｒｙ Ｅｆｆｌｕｅｎｔ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ，Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ａｎｄ Ｎｅｗ Ｓｏｕｒｃｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ） 連邦公報（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、第５２巻、第２１４号、１９８９年１１月５日木曜日 規則および規制（Ｒｕｌｅｓ ＆ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ）、４２５２２頁 Ｈ．Ｍ．エーアハルト（Ｈ．Ｍ．Ｅｈｒｈａｒｄｔ）およびＨ．Ｊ．レーム（Ｈ．Ｊ．Ｒｅｈｍ）著、応用微生物学および生物工学（Ａｐｐｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．）、第２１巻、３２〜６頁（１９８５年） Ａ．モーセン（Ａ．Ｍｏｒｓｅｎ）およびＨ．Ｊ．レーム（Ｈ．Ｊ．Ｒｅｈｍ）著、応用微生物学および生物工学（Ａｐｐｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．）、第２６巻、２８３〜８頁（１９８７年） Ｙ．Ｔ．ワン（Ｙ．Ｔ．Ｗａｎｇ）、Ｍ．Ｔ．スイダン（Ｍ．Ｔ．Ｓｕｉｄａｎ）、およびＢ．Ｅ．リットマン（Ｂ．Ｅ．Ｒｉｔｔｍａｎ）著、水質汚染防止連盟誌（Ｊｏｕｒｎａｌ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｌｌｕｔ．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｅｄ．）、第５８巻、２２７〜３３頁（１９８６年） Ｐ．フォックス（Ｐ．Ｆｏｘ）、Ｍ．Ｔ．スイダン（Ｍ．Ｔ．Ｓｕｉｄａｎ）、およびＪ．Ｔ．プフェッファー（Ｊ．Ｔ．Ｐｆｅｆｆｅｒ）著、ｉｂｉｄ．、第６０巻、８６〜９２頁、１９８８年 ギブンズ（Ｇｉｖｅｎｓ）およびサック（Ｓａｃｋ）著、第４２回パーデュ大学産業廃棄物会議議事録（４２ｎｄ Ｐｕｒｄｕｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｗａｓｔｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）、９３〜１０２頁（１９８７年） Ｊ．Ａ．ハイドマン（Ｊ．Ａ．Ｈｅｉｄｍａｎ）、Ｒ．Ｃ．ブレンネル（Ｒ．Ｃ．Ｂｒｅｎｎｅｒ）、およびＨ．Ｊ．シャー（Ｈ．Ｊ．Ｓｈａｈ）著、環境工学誌（Ｊ．ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）、第１１４巻、１０７７〜９６頁（１９８８年） Ｈ．ベットマン（Ｈ．Ｂｅｔｔｍａｎｎ）およびＨ．Ｊ．レーム（Ｈ．Ｊ．Ｒｅｈｍ）著、応用微生物学および生物工学（Ａｐｐｌ．Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．）、第２２巻、３８９〜３９３頁（１９８５年） Ａ．Ｍ．アンセルモ（Ａ．Ｍ．Ａｎｓｅｌｍｏ）ら著、生物工学通報（Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ．Ｌ．）、第７巻、８８９〜８９４頁（１９８５年） Ｇ．マイケル・オールソップ（Ｇ．Ｍｉｃｈａｅｌ Ａｌｓｏｐ）およびリチャードＡ．コンロイ（Ｒｉｃｈａｒｄ Ａ．Ｃｏｎｒｏｙ）著、「酸処理および塩基処理による熱的汚泥調整の改良（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｌｕｄｇｅ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｂｙ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｗｉｔｈ Ａｃｉｄｓ ａｎｄ Ｂａｓｅｓ）」、水質汚染防止連盟誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ＷＰＣＦ）、第５４巻、第２号（１９８２年） Ｔ．カルカット（Ｔ．Ｃａｌｃｕｔｔ）およびＲ．フロスト（Ｒ．Ｆｒｏｓｔ）著、「汚泥処理−明日への可能性（Ｓｌｕｄｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ−Ｃｈａｎｃｅｓ ｆｏｒ Ｔｏｍｏｒｒｏｗ）」、水質汚染防止研究所誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、第８６巻、第２号（１９８７年） 「一般廃棄物埋立て危機および新しい技術の対応（Ｔｈｅ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｗａｓｔｅ Ｌａｎｄｆｉｌｌ Ｃｒｉｓｉｓ ａｎｄ Ａ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」、ユナイテッド・ステーツ・ビルディング・コーポレーション（Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ ４９７０４，Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ，Ｃａｌｉｆ．９００４９）作成（１９８８年１１月２２日） ウィリアム Ｊ．ジュウェル（Ｗｉｌｌｉａｍ Ｊ．Ｊｅｗｅｌｌ）著、「嫌気的下水処理（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｓｅｗａｇｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）」、環境科学技術（Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）、第２１巻、第１号（１９８７年） Ｎ．Ｓ．バタースビー（Ｎ．Ｓ．Ｂａｔｔｅｒｓｂｙ）およびＶ．ウィルソン（Ｖ．Ｗｉｌｓｏｎ）著、「汚泥消化における有機化学物質の嫌気的生分解の可能性に関する調査（Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｅｒｏｂｉｃ ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ｉｎ Ｄｉｇｅｓｔｉｎｇ Ｓｌｕｄｇｅ）」、応用環境微生物学（Ａｐｐｌｉｅｄ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ）、第５５巻（第２号）：４３３〜４３９頁、１９８９年２月 Ｊ．Ｍ．トーマス（Ｊ．Ｍ．Ｔｈｏｍａｓ）、Ｍ．Ｄ．リー（Ｍ．Ｄ．Ｌｅｅ）、Ｍ．Ｊ．スコット（Ｍ．Ｊ．Ｓｃｏｔｔ）およびＣ．Ｈ．ウォード（Ｃ．Ｈ．Ｗａｒｄ）著、「廃棄クレオソート処理場の地下の微生物の生態（Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｅｃｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ ａｔ ａｎ Ａｂａｎｄｏｎｅｄ Ｃｒｅｏｓｏｔｅ Ｗａｓｔｅ Ｓｉｔｅ）」、工業微生物学誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ）、第４巻、１０９〜１２０頁、１９８９年 Ｌ．Ｊ．デフィーリッピ（Ｌ．Ｊ．ＤｅＦｉｌｉｐｐｉ）およびＦ．スティーブン・ラプトン（Ｆ．Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｌｕｐｔｏｎ）著、「固定膜反応器を用いる水性廃棄物の微生物分解の概論およびその応用（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ Ｏｆ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｗａｓｔｅ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｆｉｘｅｄ−Ｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ）」、第２章、３５〜６８頁、「有害廃棄物の生物学的処理（Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｗａｓｔｅｓ）」、Ｇ．Ａ．ルバンドウスキー（Ｇ．Ａ．Ｌｅｗａｎｄｏｗｓｋｉ）およびＬ．Ｊ．デフィーリッピ（Ｌ．Ｊ．ＤｅＦｉｌｉｐｐｉ）編、１９９８年 タカヒロ・スズキ（Ｔａｋａｈｉｒｏ Ｓｕｚｕｋｉ）、サトミ・ヤマヤ（Ｓａｔｏｍｉ Ｙａｍａｙａ）、およびマサル・イシダ（Ｍａｓａｒｕ Ｉｓｈｉｄａ）著、「エアスパージバイオリアクター内および回転生物接触器内における炭化水素の処理（Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ ｉｎ Ａｉｒ−Ｓｐａｒｇｅｄ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ａｎｄ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｏｎｔａｃｔｏｒｓ）」、環境衛生科学協会（Ｔｈｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）、土壌、堆積物、および水（Ｓｏｉｌ，Ｓｅｄｉｍｅｎｔ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ）、２００１年８月

概要
本発明は、化学工業、製薬工業、廃棄物減量処理工業、発酵工業、および関連工業においてさまざまな用途に好適な充填床反応器を提供する。充填床の実施形態は、交互充填材層により特徴付けられる。充填床反応器は、床を貫通する圧力低下の低減、床を貫通するチャネリングの減少、ひいては反応器滞留時間分布の改良を提供する。滞留時間分布の改良は、処理済みプロセスストリームの流出の品質管理に関してならびに反応器サイズの減少の可能性および経費の削減に関して顕著な効果を有する。

本発明は、充填床反応器、特定的には、微生物を内包するバイオリアクターの主要な欠点の１つ、すなわち、ランダム充填床中のチャネリングの問題を有意に軽減する。チャネリングまたは不十分な流体流動分布は、空気および水がランダム充填材要素およびバイオマスを貫通する最も抵抗の少ないチャネルを探す傾向があることが原因で生じる。その結果として、溶存する栄養素、酸素、および基質は、こうした形成チャネルに隣接するゾーンに優先的に送達され、床の他の部分は、生物学的プロセスでそれほど奏効しなくなる。そのうえ微生物の増殖がチャネルに隣接するゾーンで促進されるので、これにより、ランダム充填床全体にわたるこれらの生化学的反応物の均一な分布がさらに制約を受ける。活性ボディー（微生物用の多孔性支持体）とオープンボディー充填材要素との交互層を有する本発明に係る充填床は、これ以降で説明されるように、有用な解決策を提供する。

一実施形態では、本発明は、一連の交互充填材層を有する充填床を備えた反応器を提供する。交互充填材層は、オープンボディー充填材要素の第１の充填材層と、約１５〜約２０ｐｐｉのサイズ範囲内の細孔を含む多孔性支持体要素の第２の充填材層と、を含む。

他の実施形態では、本発明は、一連の交互充填材層を有する充填床反応器を提供する。この場合、第１の充填材層は、充填材要素約１０個分までの厚さで層をなしてランダムに充填されたオープンボディー充填材要素を有し、第２の充填材層は、疎水性フォームの多孔性支持体要素からなる。フォームは、約１５〜約２０ｐｐｉのサイズ範囲内の細孔を有し、多孔性支持体要素は、多孔性支持体要素約１０個分までの厚さでランダムに充填される。第１の層の充填材要素および第２の層の多孔性支持体要素は、約５０〜約６５％の範囲内の反応器床ボイド空間を保持する形状により選択される。

他の実施形態では、充填床反応器は、一連の交互充填材層を有し、第１の充填材層は、充填材要素約１０個分までの厚さで層をなしてランダムに充填されたオープンボディー充填材要素を有し、第２の充填材層は、疎水性フォームの多孔性支持体要素を有する。多孔性支持体要素は、多孔性支持体要素約１０個分までの厚さでランダムに充填される。さらに、第１の層の充填材要素は、ほぼ円筒状の形状を含み、第２の層の多孔性支持体要素は、ほぼ直線的な形状を含む。

以下の詳細な説明は、主に、廃水処理のための生物学的プロセスにおける反応器の使用に関するものであるが、本発明の利点が役立つ他の化学的および生物学的処理分野において本発明に係る反応器が幅広い用途を有することは、当業者であれば容易にわかる。

詳細な説明および特許請求の範囲を参照し以下の図面（ただし、図面全体を通して同じ参照番号は類似の要素を表す）と組み合わせて検討すれば、本発明についてさらに完全な理解が得られるであろう。

詳細な説明
以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示にすぎず、本発明または本発明の用途および使用を限定しようとするものではない。さらに、以上の技術分野、背景、概要、または以下の詳細な説明に提示されるいかなる明示もしくは黙示の理論によっても拘束しようとするものではない。

本発明は、さまざまな用途に有用な一連の交互充填材層を有する充填床反応器を提供する。説明が簡潔かつ容易になるように、以下の大半では廃水処理に重点を置くが、ただし、この態様または分野の説明により、本発明の適用範囲がこの態様または分野に限定されるものではない。

一態様において、本発明は、廃水から有機汚染物質を除去するためのプロセスに関する。より特定的には、この態様は、多孔性バイオマス支持系を用いて好気的生分解によりそのような汚染物質とくに優先汚染物質および化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を除去するための充填床反応器およびプロセスに関する。当然ながら、バイオレメディエーションにより除去されることが公知である生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）のような他の汚染要因の除去もまた、本発明の範囲内である。

廃水処理に適用する場合、プロセスは、１種以上の混入物質を含有するプロセス供給ストリームの流入用の入口と、少なくとも１種の混入物質の濃度が供給ストリーム中濃度よりも低い排出ストリームの流出用の出口と、を有する反応器を使用する。反応器は１種以上の混入物質を効果的に減少させる生物学的活性バイオマスを含む。バイオマスは、バイオマスと一緒になって複数の生物学的活性ボディーを構成する複数の多孔性支持体上に含まれる。多孔性支持体は、間に空間を設けて反応器内に分配される。したがって、一般には、生物学的活性ボディーは、基材（すなわち多孔性支持体）と、反応器プロセス条件下でプロセス供給ストリーム中の混入物質の少なくとも１種を代謝しうる有効量の１種以上の微生物と、を含む。生物学的活性ボディーは、オープンボディー充填材要素中を通過するプロセス供給ストリームと、前記空間に隣接するすべての生物学的活性ボディーの内表面および外表面の全部または一部と、の接触が可能になるようにバイオマス中に分配されるオープンボディー充填材要素の表面積対体積比よりも大きい表面積対体積比を有する。

このほかに、本発明は、バイオレメディエーションプロセスの速度、効率、および／または制御性の改良を提供するプロセス、装置、およびバイオマスに関する。こうした改良は、同一の物理パラメーターおよび操作パラメーター（すなわち、構成、構成要素、液圧など）を有する先行技術のプロセス、装置、およびバイオマス（ただし、オープンボディー充填材要素を用いずに生物学的活性ボディーだけを用いる）と比較して、プロセス、装置、およびバイオマスにおける液相、気相、および／または固相の接触および分布が改良されることに基づくものと考えられる。適切に分配されたオープンボディー充填材要素を追加した結果として、本発明に係るプロセス、装置、およびバイオマスは、改良されたバイオレメディエーションを提供する。そのほかに、追加されたオープンボディー充填材の適切な分配により、生物学的活性ボディーだけが組み込まれオープンボディー充填材要素が欠如している公知のプロセス、装置、およびバイオマスと比較して、プロセス供給ストリーム中の対応する混入物質の濃度の比較的大きい変動にもかかわらず、排出ストリーム中の混入物質のより定常的な濃度レベルが保持されるように反応器性能もまた改良される。本発明に係る反応器では、オープンボディー充填材要素は、反応器内のバイオマス中に流体流動のための開放空間が形成されるように生物学的活性ボディーの層と交互に現れる層中に分配される。反応器を貫通するプロセス流体流動をこうして改良することにより、先行技術よりも優れた多くの利点が得られる。

生物学的活性ボディーは、多孔性支持体を有し、この支持体は、好ましくは、フォームの細孔中への流体の流入および貫流を可能にすると同時にバイオレメディエーションプロセスの実施中に使用される操作圧力下で圧縮可能（ある程度）である可撓性高分子フォームから形成される。本発明に係る装置およびバイオマスはまた、同一の構造パラメーターおよび操作パラメーターを用いたときの先行技術のプロセス、装置、およびバイオマス（ただし、オープンボディー充填材要素を用いずに活性ボディーを使用する）と比較して、活性ボディーの圧縮を低減させる。オープンボディー充填材要素と共に生物学的活性ボディーを層状化することにより、バイオレメディエーションプロセスの実施中における充填床反応器の液相中への酸素の迅速な物質移動が促進される。本発明に係る装置およびバイオマスはまた、同一の構造パラメーターおよび操作パラメーターを使用しうる先行技術のプロセス、装置、およびバイオマス（ただし、活性ボディーと組み合わせてオープンボディー充填材要素を使用しない）と比較して、物質移動を増大させる。

本発明のバイオレメディエーションの態様は、添付の図面を参照すれば、よりよく理解されるであろう。当然ながら、他の化学的プロセスおよび生物学的プロセスに関連する本発明の他の態様もまた、当業者に自明なものとなろう。

図１および２について説明する。反応器１００は、好気性微生物または嫌気性微生物により供給ストリーム中に含まれる物質を生分解するための本発明に係るプロセスの実施形態に使用することが意図されたものである。本明細書中で使用する場合、「生分解」という用語は、有機化合物からより低い分子量の化合物への代謝的分解、アンモニア（ＮＨ_３）や窒素酸化物（たとえば、ＮＯ_３、ＮＯ_２など）のような無機窒素含有種から窒素ガスへの代謝的変換、ならびにハロゲン化有機化合物から塩素原子、フッ素原子、臭素原子、および／またはヨウ素原子のようなハロゲン原子を除去することによる脱ハロゲン化を包含する。

図１および２に示される反応器１００は、それぞれ、特定の設計および構成の水平反応器および垂直反応器である。しかしながら、本発明を実施する際、設計、構成、および作製材料は、さまざまなものが利用可能であり、本発明を実施する際、反応器床１０２の全部または一部が固定床または実質的に固定床であるならば、他の反応器設計および構成を適宜使用することが可能である。本明細書中で使用する場合、「固定床または実質的に固定床の反応器」とは、供給物が反応器を貫流するときに複数の生物学的活性微粒子が静止状態または実質的に静止状態にある反応器のことである。そのほかに、「充填床」という用語は、充填材がバイオマスを含有しているか（または含有することが意図されるか）否かにかかわらず、任意の種類の充填材を含む反応器床を意味する。

反応器１００は、生物学的活性ボディー１１０とバイオマス１１６とオープンボディー充填材要素１２０とを含む充填床１０２を含んでなる。活性ボディー１１０と充填材要素１２０との間のバイオマス１１６中にいくつかのボイドまたは開放領域もしくは実質的に開放領域１１５が存在する。プロセス流体は、こうした開放領域１１５を貫通して流動しうる。活性ボディー１１０は、流上するプロセス流体により加えられる力により上方に連行されないように、多孔性のスクリーンまたはプレート１３６により拘束される。スクリーン１３６は、バイオレメディエーション中に活性ボディー１１０上の微生物の代謝プロセスに必要とされる有効量の気体または液体がそれを貫通して流動できるように十分なポロシティーを有する。反応器１００はまた、気体を反応器１００内に導入するためのディフューザー１３８と、流体供給ディストリビューター１３０と、を含む。

図１および２の実施形態に示されるように、反応器１００の充填床１０２は、活性ボディー１１０の層に隣接して層状化されたオープンボディー充填材要素１２０を有する。一般には、流体が貫通して流動するための開放領域または実質的に開放領域を提供しうる任意のさまざまな構造体をオープンボディー充填材１２０用の構造体として使用することが可能である。したがって、オープンボディー充填材１２０は、さまざまな形状をとりうる。しかしながら、場合により、バイオマス１１６中の活性ボディーとオープンボディー充填材要素１２０との間の開放空間１１５の形成を促進して流体の貫流も空間１１５を貫通する流動も可能になるように形状を選択することも可能である。

一実施形態では、生物学的活性ボディー１１０用の支持体１１４（図１、２、および３を参照されたい）は、キューブのような直線的な多孔体であり、その場合、オープンボディー充填材１２０は、ほぼ円筒状でありうる。図４に示されるように、イエガー（Ｊａｅｇｅｒ）のハイフロー（ＨｉＦｌｏｗ）^ＴＭ充填材は、オープンボディー充填材要素１２０の例である。この場合、充填材要素１２０は、外表面の各四半分に１つずつ４つの貫通孔１２６が穿設された薄肉円筒状スリーブ１２２の形態をとる。そのほかに、スリーブ１２２は、充填材要素１２０の表面積対体積比を増大させるように増大された内部表面積を提供する１対の交差する垂直な内壁（またはフィン）１２４を有する。充填材要素は、構造体の骨格を画定する剛性オープンフレームワーク１２８を有する。

オープンボディー充填材要素１２０の形状はそれほど重要なものではなく、流動のための開放空間が内部に形成される実質的に任意の形状を使用することが可能であるが、図４に示される実施形態は、ほぼ円筒状である。

反応器運転中、開放領域１１５およびオープンボディー充填材１２０を貫通して流動する流体供給ストリームは、流体と、全部もしくは実質的に全部の隣接する生物学的活性ボディー１１０の全部もしくは実質的に全部の内表面および外表面と、の接触を促進する。

プロセス流体ストリームと活性ボディー１１０上のバイオマスとの間の適切な接触を最大化するために、オープンボディー充填材１２０は、好ましくは、プロセス流体を貫流させうる流路（ボイド率またはボイド空間）を実質的に含むことが望ましい。典型的には、オープンボディー充填材要素１２０の流路またはボイド空間は、充填材要素１２０の全体積の少なくとも約４０体積％、好ましくは少なくとも約５０体積％、より好ましくは少なくとも約８０体積％、最も好ましくは少なくとも約９５体積％である。したがって、構造体１２０の表面積対体積比は、生物学的活性ボディー１１０の表面積対体積比よりも小さい。

図３に示されるように、生物学的活性ボディー１１０は、基材１１４と、基材１１４上、基材１１４中、または基材１１４上および基材１１４中で廃棄ストリーム中に含まれる物質の少なくとも１種を代謝しうる１つ以上のタイプの微生物１１２、通常は好気性もしくは嫌気性の微生物、好ましくは好気性微生物と、を含む。生物学的活性ボディー１１０、バイオマス１１６中の開放領域または実質的に開放領域１１５、およびオープンボディー充填材要素１２０の相対的な配置および割合は、本発明の利点を得るうえできわめて重要である。充填床の構成要素の割合および配置は、プロセス流体供給ストリームと、生物学的活性ボディー１１０の外表面または内表面の全部または一部と、の接触を提供するように最適化されることが望ましい。

いかなる理論によっても拘束することを望むものではないが、充填床の構成要素の配置および割合により、気体／液体／固体の物質移動および分配が促進され、したがって、プロセス流体ストリーム中の生分解される物質と、ボディー１１０の基材１１４上、基材１１４中、ならびに基材１１４上および基材１１４中の微生物１１２と、の接触が促進されると考えられる。これにより、生分解プロセスの効率が向上する。流体分配を促進する利点は、本発明に係るバイオレメディエーションプロセス、装置、およびバイオマスが、米国特許第４，５７６，７１８号明細書および同第４，９８３，２９９号明細書ならびにＰＣＴ国際公開第９０／１１９７０号パンフレットに記載されるような類似の先行技術のプロセス、装置、およびバイオマス（反応器は、オープンボディー充填材要素が欠如している）よりも有効であることである。さらに、データにより示されるように、こうした先行技術のプロセス、反応器、およびバイオマスよりも優れた他の利点は、これ以降で説明されるように、分配を促進した結果として反応器「変動」に対する抵抗性が向上することであると考えられる。

一般には、本発明は、オープンボディー充填材要素１２０を有していない他の反応器に対して反応器の処理能力を顕著に増強させる。たとえば、本発明に係る反応器１００のバイオマス１１６中のボディー１１０およびオープンボディー充填材要素１２０の相対的割合および相対的配置は、約１０時間の滞留時間でのプロセス供給ストリームからの少なくとも１種の（混入物質）物質のバルク除去速度が、オープンボディー要素１２０の欠如した他の充填反応器（ただし、その点を除けば、構成および構成要素および操作は、本発明に係る反応器１００と同一である）のバルク除去速度よりも大きくなるように、設定され、たとえ他の反応器内の活性ボディー１１０の数が本発明に係る反応器内の充填材要素１２０の数および活性ボディー１１０の数の合計に等しい場合であっても、そのように設定される。ボディー１１０およびオープンボディー充填材１２０の相対的な配置および割合は、好ましくは、本発明に係る反応器による（混入物質）物質のバルク除去速度が、オープンボディー充填材要素１２０の欠如した活性ボディー１８だけの充填床を含む他の反応器のバルク除去速度の約１０％超、好ましくは約２０％超、より好ましくは約３０％以上、最も好ましくは約５０〜約１００％超になるように設定される。ボディー１１０およびオープンボディー充填材要素１２０は、好ましくは、生物学的活性ボディー１１０の全数の少なくとも約５０％の内表面および外表面の少なくとも約５０面積％が、オープンボディー充填材要素１２０を含む層に隣接して層状化されるように、かつ活性ボディー１１０が、充填材要素１２０を貫通して流動するプロセス流体供給ストリームに接触するように、互いに並置される。本発明のより好ましい実施形態では、活性ボディー１１０およびオープンボディー充填材要素１２０は、活性ボディー１１０の全数の少なくとも約６０％の内表面および外表面の少なくとも約６０面積％が、オープンボディー充填材要素１２０を含む層に隣接して層状化されるように、かつ活性ボディー１１０が、充填材要素１２０を貫通して流動するプロセス流体供給ストリームに接触するように、配置される。本発明の最も好ましい実施形態では、活性ボディー１１０およびオープンボディー充填材要素１２０は、生物学的活性ボディー１１０の全数の少なくとも約８０％の内表面および外表面の少なくとも約８０面積％が、オープンボディー充填材要素１２０を含む層に隣接して層状化されるように、かつ活性ボディー１１０が、充填材要素１２０を貫通して流動するプロセス流体供給ストリームに接触するように、互いに並置される。

バイオマス１１６は、バイオマス中に分散された有効量のオープンボディー充填材要素１２０を含む。本明細書中で使用する場合、「有効量のオープンボディー充填材要素１２０」とは、全部もしくは実質的に全部が活性ボディー１１０からなる類似のバイオマスと比較して、バイオマス１１６中の気体／液体／固体の分配の任意の増大および約１０時間の滞留時間でのバルク除去速度の改良を提供しうる量のことである。一般には、オープンボディー充填材要素１２０の量は、領域１１５で構成されるバイオマスの体積パーセントにより規定される。本発明の好ましい実施形態では、充填床１０２の容積を基準にして、オープンボディー充填材要素１２０で構成される全体積パーセントは、約３０〜約９０体積％であり、残りの体積パーセントは、全部もしくは実質的に全部が生物学的活性ボディー１１０である。本発明のとくに好ましい実施形態では、反応器床１０２を基準にして、オープンボディー充填材要素１２０の全体積％は、約８０〜約４０体積％であり、残りの体積パーセントは、全部もしくは実質的に全部が活性ボディー１１０である。本発明の最も好ましい実施形態では、反応器充填床容積１０２を基準にして、オープンボディー充填材要素１２０の全体積％は、約５０〜約７０体積％であり、残りの体積パーセントは、主に活性ボディー１１０である。

構造体オープンボディー充填材要素１２０の構造および組成は、バイオレメディエーションの向上および／または流入物中の濃度レベルの変動もしくは急増に対する抵抗性の向上に関して所望の結果が提供されるのであれば、さまざまなものが利用可能である。唯一の要件は、要素１２０の材料が、非反応性である以外に、使用される反応器で使用するのに適しており、かつこの場合には微生物プロセスに使用するのに好適であることである。たとえば、オープンボディー充填材要素１２０は、有機材料または無機材料から形成可能である。オープンボディー充填材要素を作製するのに有用な無機材料の例は、セラミックス、たとえば、ベントナイト、カオリナイト、キーゼルグール、珪藻土、アルミニウム、シリカ、ジルコニア、チタン酸バリウム、合成炭化物、合成窒化物、および合成ホウ化物、ガラス、たとえば、ソーダ石灰シリカガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス、レーザーガラス、シリカガラス、ならびにガラスセラミックスなどである。充填材要素を作製するのに好適な有機材料は、ポリマー、たとえば、ポリアミド、ポリエステル、ポリエステルカーボネート、ポリカーボネート、ポリオレフィンなどである。好ましくは、構造体２２は、ポリプロピレンやポリエチレンのような剛性プラスチックから成形される。

充填材要素の形状は、さまざまなものが利用可能であるが、唯一の要件は、反応器運転中、充填材が、反応器を貫通する流体の流動を促進するための支配的な流路を提供するように、そのような形状が内部にまたはその周囲に十分な開放空間を含むことである。本発明を実施する際に使用される充填材要素１２０は、微粒子形態をとる。本明細書中で使用する場合、「微粒子形態」とは、反応器が複数の充填材要素を含みうるように、充填材要素のサイズが、用途に基づいて選択された反応器のサイズよりも小さいことを単に意味するにすぎない。オープンボディー充填材要素のサイズおよび形状は、長さ、厚さ、幅、直径、または他のサイズ尺度に関して、さまざまなものが利用可能である。たとえば、充填材は、キューブ形、ロッド形、矩形、円筒形、六角形などのような規則的形状の微粒子形態をとりうるか、または不規則形状でありうる。微粒子サイズ（長さ、厚さ、幅、および直径または不規則形状構造体の等価直径）は、さまざまなものが利用可能であり、それほど重要ではないが、反応器サイズに依存する。微粒子サイズは、直径２０フィートの反応器では好ましくは約０．１０インチ〜約１２インチであり、より大型もしくはより小型の反応器では適切なスケールアップ係数を使用しうる。直径２０フィートの反応器では、より好ましい微粒子サイズは、約０．５インチ〜約５インチであり、最も好ましい微粒子サイズは、約０．７５インチ〜約３インチであり、約１．０インチ〜約２．０インチの微粒子サイズは、最適な微粒子サイズである。

本発明を実施する際に使用される生物学的活性ボディー１１０もまた、微粒子形態である。本明細書中で使用する場合、「微粒子形態」とは、反応器１００が複数のボディー１１０を含みうるように、ボディー１１０のサイズが反応器１００のサイズよりも小さいことを単に意味するにすぎない。ボディー１１０のサイズおよび形状は、長さ、厚さ、幅、および直径に関して、さまざまなものが利用可能である。たとえば、ボディー１１０は、キューブ形、ロッド形、矩形、円筒形、六角形などのような規則的形状の微粒子形態をとりうるか、または不規則形状でありうる。微粒子サイズ（長さ、厚さ、幅、ならびに規則形状ボディー１１０の直径および不規則形状ボディー１１０の等価直径）は、さまざまなものが利用可能であり、それほど重要ではなく、反応器サイズに依存する。微粒子サイズは、直径２０フィートの反応器では好ましくは約０．１０インチ〜約１２インチである。直径２０フィートの反応器では、より好ましい微粒子サイズは、約０．５インチ〜約５インチであり、最も好ましい微粒子サイズは、約０．７５インチ〜約３インチであり、約１．０インチ〜約２．０インチの微粒子サイズは、最適な微粒子サイズである。

ボディー１１０に対する１つのきわめて重要な要件は、表面積対体積比（内表面および外表面の両方を考慮に入れる）がオープンボディー充填材要素１２０の同比よりも大きいでことである。この比の差が大きいほど、プロセスは有効である。したがって、表面積対体積比の差が可能なかぎり大きくなるように、それと同時に、バイオマス１１６中のボディー１１０およびオープンボディー充填材要素１２０の所要の相対的な配置および割合が保持されるように、オープンボディー充填材１２０および活性ボディー１１０を選択することが推奨される。ボディー１１０の内表面および外表面の面積と体積との比は、好ましくはオープン充填材要素１２０の同比の少なくとも約２０倍、より好ましくは充填材要素１２０の同比の少なくとも約１０倍、最も好ましくは充填材要素１２０の同比の少なくとも約５倍である。

生物学的活性ボディー１１０は、図３に示されるように基材１１４を含み、基材１１４は、好ましくは多孔性である。これにより、プロセス流体ストリームは、ある程度、ボディー１１０中への流入および貫流が可能である。本発明の好ましい実施形態では、基材１１４は、１線インチあたり（「ｐｐｉ」）約２〜約６０個の細孔を含む。１線インチあたりの細孔の数は、より好ましくは約５〜約３０、最も好ましくは約１０〜約２０である。最適な実施形態では、１線インチあたりの細孔の数は、約１０〜約１５である。

基材１１４は、好ましくは、反応器内で生じる力、たとえば、剪断力および摩耗力に対して抵抗性があり、好ましくは、良好な粉砕強度を有する。本発明の好ましい実施形態では、基材１１４は、好ましくは半可撓性であり、約２ポンド毎立方フィート以下の密度で最高の経済的実現可能性が得られる。しかしながら、約４〜約５ポンド毎立方フィートのより高い密度またはさらに高い密度の基材を使用することも可能である。当然のことながら、基材密度は、本発明の経済性には関係するが、その性能には関係しないので、特定の範囲が際立った経済的利点を呈する可能性があったとしても、広範囲の基材密度を用いて本発明を実施することが可能である。

生物学的活性ボディー１１０に含まれる基材１１４の量は、さまざまな値に設定可能である。一般には、基材１１４の量は、生物学的活性ボディー１１０の全重量を基準にして約５０〜約９５重量パーセントである。本発明の好ましい実施形態では、基材１１４の量は、その関連するバイオマスを含む活性ボディー１１０の全重量を基準にして約６０〜約９０重量パーセントである。とくに好ましい実施形態では、基材１１４の量は、以上に挙げた基準に基づいて約７０〜約８５重量パーセントである。

基材１１４は、生物学的活性ボディー１１０を形成しうる任意の材料から形成される。有用な材料は、無機材料および有機プラスチックを包含する。基材１１４を作製するのに有用な材料の例は、合成および天然の高分子材料、たとえば、ポリアミド、たとえば、ポリ（ヘキサメチレンアジパミド）（ナイロン６６）、ポリ（４−アミノ酪酸）（ナイロン４）、ポリ（６−アミノヘキサン酸）（ナイロン６）、ポリ（ヘキサメチレンセバクアミド）（ナイロン６，１０）など；ポリエステル、たとえば、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ポリ（１，４−シクロヘキサンジメチレンテレフタレート）など；ポリオレフィン、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（４−メチルペンテン）、ポリスチレンなど；ポリビニル、たとえば、ポリビニルアルコール、ポリ（ビニルメチルエーテル）、ポリ（ビニルメチルケトン）、ポリ（ビニルピロリドン）など；ポリアクリル、たとえば、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリ（メチルアクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリ（メタクリルアミド）などである。高分子基材の作製に使用するのに有用な他の高分子材料は、ポリウレタンであり、たとえば、ジイソシアネート、たとえば、トルエンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ヘキサメチレン１，６−ジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、１，５−ナフタレンジイソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、ｍ−フェニレンジイソシアネート、２，４−トルエンジイソシアネート、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、３，３’−ジメチル−４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、３，３’−ジメチル−４，４’−ビフェニルジイソシアネート、４，４’−ジフェニルイソプロピリデンジイソシアネート（４，４’−ｄｉｐｈｅｎｙｌｉｓｏｐｒｏｐｙｌｉｄｉｅｎｅ ｄｉｉｓｏｃｙａｎａｔｅ）、３，３’−ジメチル−４，４’−ジフェニルジイソシアネート、３，３’−ジメチル−４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、３，３’−ジメトキシ−４，４’−ビフェニルジイソシアネート、ジアニシジンジイソシアネート、トルイジンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、４，４’−ジイソシアナトジフェニルメタン（４，４’−ｄｉｉｓｏｃｙａｎａｎｏｄｉｐｈｅｎｙｌｍｅｔｈａｎｅ）などと、ジオール、たとえば、グリセリン、トリメチロールプロパン、１，２，６−ヘキサントリオール、メチルグリコシド、ペンタエリトリトール（ｐｅｎｔａｅｒｙｔｈｒｉｏｌ）、ソルビトール（ｓｏｒｂｉｔａｌ）、スクロース、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジカルボン酸と過剰の二官能性アルコールとの直接エステル化により形成されるヒドロキシ末端ポリエステル、たとえば、ポリ（テトラメチレンアジペート）、ポリ（エチレンアジペート）、ポリ（１，４−ブチレンアジペート）、ポリ（１，５−ペンチレンアジペート）、ポリ（１，３−ブチレンアジペート）、ポリ（エチレンスクシネート）、ポリ（２，３−ブチレンスクシネート）、活性水素を有する化合物（たとえば、ジアルコール、ポリアルコール、ジフェノール、ポリフェノール、脂肪族のジアミンまたはポリアミン、および芳香族のジアミンまたはポリアミン）とアルキレンオキシド（たとえば、スチレンオキシド、ブチレンオキシド、プロピレンオキシド、エピクロロヒドリン、またはこれらのアルキレンオキシドの混合物）との反応により調製されるポリエーテルジオール、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、および４，４−フェニル−メタンジアミンと、の反応から誘導されるポリウレタンである。

本発明の好ましい実施形態では、基材１１４は、可撓性、半可撓性、もしくは剛性の高分子フォームで形成される。本発明において、より好ましい高分子基材材料は、プロセス流体供給ストリームに対して、少なくとも約６０％、好ましくは少なくとも約７５％、より好ましくは少なくとも約８５％、最も好ましくは少なくとも約９５％の比較的高い浸透率を有する可撓性連続気泡フォームである。本発明を実施する際に使用されるフォームは、固定床構成でプロセス供給流を収容するものでなければならない。この目的のために、フォームは、比較的高度に相互連結されたポロシティーを有することが重要であり、この場合、フォームボイドは、望ましくは少なくとも約４０体積％であり、約９８体積％までの範囲内でありうる。

基材１１４のフォームボイドは、好ましくは約４０体積％〜約９８体積％、より好ましくは約６０体積％〜約９６体積％、最も好ましくは約８５体積％〜約９５体積％の大きさである。「可撓性気泡高分子材料」は、通例、圧縮可能である。本明細書中で使用する場合、「可撓性気泡高分子材料」とは、ＡＳＴＭ規格Ｄ１５６５、Ｄ１６６７、Ｄ３５７４、およびＤ３５７５に規定されるように、１８〜２９℃の温度において２００×２５×２５ｍｍの試料を１周５秒の一定の速度で直径２５ｍｍのマンドレルの周りで屈曲させたときに破壊しない気泡有機高分子材料を意味する。可撓性があるので、基材１１４は、単独で使用した場合、圧力（前記ボディーよりも高い密度を有する流体中に前記ボディーを浸漬したときに浮力により生成されうる）の下で凝集を起こしてその元の形態および形状を失う傾向があり、結果として、その有効表面積対体積比が減少し、前記ボディーを貫通および周回する流体ストリームの流路が妨害され、それにより、物質移動速度および性能が低下する。オープンボディー充填材要素１２０の層を追加することにより、可撓性ボディー１１０の凝集は、大幅に低減される。拘束されるものではないが、理論上、ボディー１１０を貫通および周回する流体流動の増大ならびにボディーに加わる有効浮力の減少の結果として、オープンボディー充填材要素１２０を用いずにボディー１１０だけを用いるプロセスまたは反応器と比較して、より有効なバイオレメディエーションが行われ、および／または供給ストリーム中の物質濃度レベルの急増に基づく変動に対する抵抗性が向上すると考えられる。

本発明のより好ましい実施形態では、基材１１４は、連続気泡ポリウレタン（たとえば、以上に記載のボイド特性を有する連続気泡フォームが形成されるように、窒素、ヘリウム、二酸化炭素、アゾジカルボンアミドなどのような適切な発泡剤を用いて発泡させうる架橋型高分子材料）から形成される。本発明のこれらの好ましい実施形態では、基材１１４は、選択された微生物の存在下で、微生物に悪影響を及ぼすことなく、調製および発泡が可能である。

本発明のとくに好ましい実施形態では、基材１１４は、架橋型ポリウレタンヒドロゲルから形成される。そのような材料は、供給業者から取得可能であるか、または公知の技術に従って調製可能である。たとえば、そのような材料は、イソシアネートプレポリマーを水と反応させることにより（場合により、ジアミンまたはポリアミンが鎖伸長剤として含まれる）、または架橋剤として、または好適なポリオールを好適なジイソシアネート試薬もしくはポリシアネート試薬と反応させることにより、取得可能である。好適なポリオールとしては、長鎖脂肪族ジオールおよびポリオキシアルキレンエーテルが挙げられる。イソシアネートプレポリマーは、イソシアネート末端基を有しており、ポリオキシアルキレンエーテルを過剰量のジイソシアネートもしくはポリイソシアネートと反応させることにより調製される。有用なポリオキシアルキレンエーテルの例は、約５００〜約１０，０００、好ましくは約２，０００〜約８，０００の分子量を有し、少なくとも２つの活性水素を有し、かつポリエーテルの全重量を基準にして少なくとも３０重量％のオキシエチレン基を含有するものである。他の有用なオキシアルキレン基としては、オキシプロピレン、オキシブチレンなどが挙げられる。このタイプのポリエーテルは、反応性水素原子を有する化合物、たとえば、ジアルコール、ポリアルコール、ジフェノール、ポリフェノール、脂肪族ジアミン、脂肪族ポリアミン、芳香族ジアミン、または芳香族ポリアミンを、好適なアルキレンオキシド、たとえば、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、スチレンオキシドなどと、反応させることにより、生成される。好適なジイソシアネートとしては、トルエン４，４’−ジイソシアネート、トルエン２，４−ジイソシアネート、トルエン２，２−ジイソシアネート、ジフェニルメタン４，４’−ジイソシアネート、ジフェニルメタン２，４’−ジイソシアネート、ジフェニルメタン２，２’−ジイソシアネート、トルエン２，６−ジイソシアネート、ヘキサメチレン１，６−ジイソシアネートが挙げられ、有用なジアミンおよびポリアミンとしては、脂肪族、脂環式、および芳香族のジアミンおよびポリアミン、たとえば、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、ヒドラジン、グアニジン、カーボネート、Ｎ，Ｎ’−ジイソプロピルヘキサメチレンジアミン、１，３−ビスアミノメチルベンゼン、Ｎ，Ｎ’−ビス−（２−アミノプロピル）−エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ’−（２−アミノエチル）エチレンジアミン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−ジメチルアミノ−３，３’−ジメチルジフェニルメタン、２，４’−ジアミノ−ジフェニルメタン、２，４−ジアミノトルエン、２，６−ジアミノトルエンなどが挙げられる。

生物学的活性ボディー１１０は、陽イオン性基を有する材料のような種々の任意成分を含みうる。そのような材料の例は、陽イオン性基を有する標準的イオン交換樹脂または正荷電窒素原子を含有する構造を有する他のポリマー、たとえば、陽イオン性基を有するポリアミノカルボン酸エステル、陽イオン性基を有するポリアクリルアミド、陽イオン性基を有するポリエチレンイミン、陽イオン性基を有する、アクリロニトリルとスチレンとジメチルアミノエチルメタクリレートとのコポリマー、さらには陽イオン性基を有する、ジエチレントリアミンと無水マレイン酸との縮合生成物、陽イオン性基を有する、イソブチレンと無水マレイン酸とのコポリマー（後続処理で特定のジアミンでイミド化される）である。本発明に係る組成物中の陽イオン性基を有するポリマーの含有率は、さまざまな値に設定可能であり、生物学的活性微粒子の全重量を基準にして、通常は約０．２〜約２０重量％であり、組成物を作製するための反応混合物の全重量を基準にして、好ましくは約０．５〜約１５重量％、最も好ましくは約１〜約１０重量％である。本発明を実施する際に使用しうる他の任意成分の例は、密度増加物質、たとえば、バライト、金属粉末、粉末状ゴム、クレー粉末、軽石粉末、ガラス粉末、オリーブおよびナッツの仁および殻から得られる粉末、ならびに岩石粉末；密度低下基材、たとえば、小さいポリスチレン小球、木材粉末、プラスチック廃棄物由来の粉末、中空マイクロビーズ、およびポリエチレンフォームフレーク；着色剤、たとえば、着色顔料および染料；有機物または無機物をベースとする短繊維、たとえば、ガラス繊維；さらにはゲル形成性巨大分子物質、たとえば、セルロース系、アルギネート系、デンプン系、およびカラゲナン系の物質である。

たとえば、本発明の好ましい一実施形態では、基材２８は、フェノールのような有機物質に対して吸収性である「疎水性ポリウレタン」から形成される。本明細書中で使用する場合、「疎水性ポリウレタン」とは、式：−Ｎ（Ｈ）Ｃ（Ｏ）Ｏ−または−Ｎ（Ｈ）Ｃ（ＮＨ）Ｏ−、好ましくは式：−Ｎ（Ｈ）Ｃ（Ｏ）Ｏ−で示される反復ウレタン基を含有する一群のポリマーのことである。

疎水性ポリウレタンとは、水により湿潤させることのできないポリウレタンのことである。すなわち、ポリウレタンの表面上の水滴は、ゴニオメーターにより測定したときに、０．０度超、好ましくは９０度超の接触角を有する。本発明の好ましい実施形態では、疎水性ポリウレタンとは、高分子主鎖中の炭素原子および水素原子と酸素原子および窒素原子とのモル比が１．４超であるポリウレタンのことである。ポリウレタンの疎水性の上限レベルは、それほど重要ではなく、一般には、より高い疎水性を有する疎水性ポリウレタンが好ましい。これの好ましい実施形態では、疎水性ポリウレタンは、炭素原子および水素原子と酸素原子および窒素原子とのモル比が約２．０以上になるように選択され、本発明のより好ましい実施形態では、炭素原子および水素原子と酸素原子および窒素原子との比が約２．５以上になるように選択される。本発明のより好ましい実施形態のうちで、最も好ましいのは、炭素原子および水素原子と酸素原子および窒素原子とのモル比が約３．０以上である実施形態である。

有用な疎水性ポリウレタンの例は、所望の疎水性が提供されるようにポリイソシアネート反応物およびポリオール反応物のモル量が調整されている以上に記載のものである。ポリウレタンフォーム上およびポリウレタンフォーム中への流体供給ストリーム中の物質（たとえば、置換型および無置換型のフェノール）の吸着および／または吸収は、使用されるポリオールのタイプとフォーム中に存在する架橋型イソシアネート化合物の部分との両方により影響される可能性がある。本発明の好ましい実施形態では、芳香族イソシアネートおよび／またはポリオールは、炭素および水素と酸素との比がより大きいものであり、たとえば、ポリオールは、ポリ（プロピレンエーテル）グリコールやペンダント脂肪族基を有する他のポリオールのように増加された炭素原子を含有するポリオールである。最も好ましい実施形態では、ポリマーの疎水特性を増大するために、疎水性ポリウレタンフォーム中の芳香族基、特定的には芳香族イソシアネート化合物の量を増大させることが好ましい。好ましくは、１つ以上のタイプのポリウレタンから誘導される疎水性部分は、約１５重量％超の芳香族イソシアネートと、１つ以上のタイプのポリ（アルキレンエーテル）グリコールから誘導される約８５重量％未満の部分と、を含有し、ジオールから誘導される部分の少なくとも約４０重量％は、アルキレン反復ユニットが３個超の炭素原子を含むグリコール、特定的にはポリ（プロピレンオキシド）から誘導される。本発明のこれらの好ましい実施形態のうちで、より好ましいのは、疎水性ポリマーが少なくとも５０重量％のポリ（アルキレンエーテル）グリコールと約２０重量％超の芳香族イソシアネートとを有する実施形態である。特定の好ましい実施形態では、疎水性ポリウレタンのポリオール含有率は、少なくとも８０重量％（そのうちの約６０重量％未満は、ポリエチレンエーテルグリコールである）であり、芳香族イソシアネートは、約２５重量％未満である。発明のさらにとくに好ましい実施形態では、ポリオール含有率は、約７０重量％超（ポリエチレンオキシド）であり、芳香族イソシアネートは、約３０重量％未満である。

本発明を実施する際に使用される微生物１１２は、当技術分野で周知の方法により流体ストリーム中の標的物質を分解するように選択される嫌気性もしくは好気性の微生物である。微生物は、純粋株としてまたは微生物のコンソーシアムとして利用可能である。嫌気性微生物は、多くの場合、好気性微生物よりも遅い速度で汚染物質を分解するが、汚染物質または好気的プロセスの中間生成物を非毒性レベルにまたは非汚染物質に分解するために嫌気的プロセスが必要とされることもある。有用微生物１１２は、さまざまなものが利用可能であり、天然に存在する微生物１１２でありうるか、または遺伝子操作された微生物１１２でありうる。唯一の要件は、微生物１１２が所要の時間をかけて標的汚染物質を所要の排出レベルに代謝しうることである。本発明の好ましい実施形態では、微生物１１２は、汚染物質を含有する廃棄ストリームからまたは廃棄ストリームに接触した土壌から得られる。

プロセス時、１種以上の生分解性物質を含有する流体ストリーム、たとえば、水性供給流体ストリームは、入口ディストリビューター１３０を介して反応器１００に導入され、反応器１００内を通過し、そして排出ストリーム中の少なくとも１種の物質の濃度を所望のレベルに低減するのに十分な速度で出口１３４を介して反応器から送出される。本発明に係るプロセスは、好気的もしくは嫌気的な条件下で実施可能である。好気性微生物が利用される本発明の好ましい実施形態では、プロセスは、好気的条件下で行われ、この場合、プロセスは、有効量の酸素を含む気体の存在下で行われる。好ましい実施形態では、適切な微生物代謝および汚染物質分解を行うのに必要な量の酸素が提供されるように、反応器１００に酸素を導入することが重要である。いずれの状況においても、必要な酸素の量は、さまざまな値に設定され、プロセスで利用される特定の微生物の要件および当業者に公知の他の因子にかなりの程度まで依存するであろう。一般には、プロセス供給ストリーム中に分配される酸素の量は、水性供給物１リットルあたり少なくとも約２ｍｇの酸素である。本発明の好ましい実施形態では、酸素の量は、約５ｍｇ／リットル（供給物）〜約１０ｍｇ／リットル（供給物）であり、本発明の最も好ましい実施形態では、酸素の量は、約６ｍｇ／リットル（供給物）〜約８ｍｇ／リットル（供給物）である。本発明の好ましい実施形態では、気体は、生物学的活性バイオマスの全部または一部の全体にわたり均一にまたは実質的に均一に分配される。気体を反応器１００内に導入する方法は、さまざまなものが利用可能である。気体は、従来法を利用して反応器１００内に導入可能である。たとえば、図２に示される垂直反応器またはアップフロー反応器１００では、気体は、小さい直径のガスバブルの形態で気体を導入するディフューザー１３８を用いて反応器１００の下端で反応器１００内に導入され、空気排出口１３２を介してバイオリアクターから送出される。所要により、反応器１００の垂直方向長に沿って種々の箇所で補助気体を導入することが可能である（図面には示されていない）。反応器１００が水平反応器である図１に示される本発明の実施形態では、気体は、反応器１００内の供給ストリーム中で気体の実質的に均一な分配を達成するように反応器１００の水平方向長に沿って種々の箇所で導入可能である。この実施形態では、気体の上向き流は、入口ディフューザー１３０から側部出口１３４への水性供給ストリームの流動の方向に直交または実質的に直交する。本発明の最も好ましい実施形態では、反応器１００は、反応器１００の全部もしくは実質的に全部の全体にわたり気体が均一にまたは実質的に均一に分配される水平構成である。こうした最も好ましい実施形態では、気体は、図１に示されるような反応器１００の水平方向長に沿って反応器１００内に導入される。このモードでは、供給ストリーム中で気体のより均一な分配が達成される。

プロセス温度は、さまざまな値に設定可能であり、使用に供すべく選択される特定の微生物に依存するであろう。一般には、プロセスは、微生物の代謝を過度に阻害することのないように十分に高い温度で、かつ微生物を死滅させることのないように十分に低い温度で、行われる。プロセス温度は、通常は約５℃〜約６５℃である。プロセス温度は、好ましくは約１５℃〜約６５℃の範囲内、より好ましくは約２０℃〜約４０℃の範囲内、最も好ましくは約２５℃〜約３５℃の範囲内である。

流体ストリームは、排出ストリーム中の少なくとも１種の物質の濃度レベルを所望の程度まで低下させるのに十分な時間にわたり、このプロセスで処理される。一般には、少なくとも１種の物質の濃度レベルが約１２，０００（ｐｐｍ）以下（好ましくは約６，０００ｐｐｍ以下、より好ましくは約３，０００ｐｐｍ以下、より好ましくは約２，０００ｐｐｍ以下）である流体供給ストリームを用いる場合、約２００時間以下、好ましくは約１００時間以下、より好ましくは約２０時間以下、最も好ましくは約１０時間以下の滞留時間でも、排出ストリームの少なくとも１種の汚染物質の濃度を約１００百万分率（ｐｐｍ）以下、好ましくは約１０ｐｐｍ以下、より好ましくは約１ｐｐｍ以下、最も好ましくは約０．１ｐｐｍ以下に低下させるのに十分である。該当する連邦規制もしくは州規制を満たすかまたは約０．０２ｐｐｍ以下である排出濃度は、最適な濃度である。特定の滞留時間は、とくに、供給原料中の有機物質の量およびタイプ、操作温度、供給原料中の他の物質の存在、反応器内の微生物の密度をはじめとするさまざまなプロセス因子に依存する。

本発明に係るプロセスの実施形態は、「変動」に対する改良された抵抗性を有する。「変動」とは、通例、反応器内で除去される混入物質の濃度レベルの急増のことである。典型的には、濃度のそのような急増は、反応器を貫通し、反応器で処理された排出物中の混入物質濃度の対応する急増として測定される。そのような急増または変動が起こり、かつ排出ストリーム中の物質の濃度レベルの対応する変動が最小であるかまたは抑制される場合、反応器系は変動に対する抵抗性を有すると言われる。本発明に係る反応器の実施形態では、変動に対する抵抗性がある。したがって、流入ストリーム中の混入物質または汚染物質の濃度が特定の増分で急増した場合、排出ストリームの汚染物質の濃度は、典型的には、１単位の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）にわたり流入ストリーム中の増分の約２５％以下の量だけ増大する。より好ましくは、排出物中の増分は、約１ＨＲＴ以内で、流入ストリーム中の濃度増加の約１０％以下の量である。最も好ましくは、排出濃度は、約１ＨＲＴ以内で、流入濃度の増加の約１％以下の量だけ増大する。

本発明のプロセスで処理可能な流体ストリームは、さまざまなものでありうる。たとえば、そのようなストリームは、１種以上の物質を含有するガス状ストリームでありうるか、または液状ストリームでありうる。本発明の好ましい実施形態では、流体ストリームまたは水性ストリームは、１種以上の物質を溶解または懸濁して含有する。そのようなストリーム中に含まれる汚染物質は、さまざまなものでありうる。唯一の要件は、少なくとも１種の物質が好気性もしくは嫌気性の微生物により分解または代謝されうることである。たとえば、物質は、アンモニアや硝酸塩のような無機窒素化合物でありうる。物質はまた、有機物質でありうる。そのような有機汚染物質の例は、フェノール系物質、たとえば、フェノール、クレゾール、レゾルシノール、カテコール、ハロゲン化フェノール系化合物、たとえば、２−クロロフェノール、３−クロロフェノール、４−クロロフェノール、２，４−ジクロロフェノール、ペンタクロロフェノール、ニトロフェノール系化合物、たとえば、２−ニトロフェノールおよび４−ニトロフェノール、ならびに２，４−ジメチルフェノールである。他の重要なクラスの有機汚染物質は、芳香族炭化水素、たとえば、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどからなる。多核芳香族炭化水素は、ナフタレン、アントラセン、クリセン、アセナフチレン、アセナフテン、フェナントレン、フルオレン、フルオランテン、ナフタセン、およびピレンにより代表される重要なサブクラスである。さらに他の物質は、ハロゲン化アルカン、たとえば、トリクロロエタンなどである。

本発明の好ましい実施形態では、物質は、工業生産設備からの廃棄ストリーム中に多く見受けられるものである。たとえば、種々の置換型および無置換型のフェノール系化合物、たとえば、フェノール、クロロフェノール、およびニトロフェノール、ならびに芳香族化合物、たとえば、ベンゼンは、本発明のプロセスで処理するのに好適な汚染物質であり、置換型および無置換型のフェノール系化合物、特定的にはフェノールは、最も好ましい汚染物質である。フェノールは、フェノール製造業者、フェノール樹脂製造業者のようなフェノールユーザー、コールタール処理設備、木材パルプ化プラント、および脱リグニン化を行う他の設備の廃棄ストリーム中に見いだされる。このことは、プロセスがそのようなストリームに対してのみ実施可能であるとか、実施しなければならないとか、言っているわけではない。本明細書に記載の発明であるプロセスは、低減対象レベルの１種以上の物質を含有する任意の供給物に対して実施可能である。

本発明に係るプロセスで使用される水性廃棄ストリーム中に含まれる物質の初期濃度は、さまざまでありうる。先行技術のバイオレメディエーションプロセスと対比したときの本発明の利点の１つは、除去されるかまたは濃度が低減される比較的多量の物質を含有する流体ストリームを処理しうることである。本発明に係るプロセスで処理可能なプロセスストリーム中の除去されるかまたは濃度が低減される物質の濃度は、「生物学的に処理可能なレベル」である。本明細書中で使用する場合、「生物学的に処理可能なレベル」とは、除去されるかまたは濃度が低減される物質が、微生物による汚染物質の代謝を阻害したり過度に阻害したりしないことである。フェノール製造プラントやコールタール処理プラントのような工業プロセスからの排出ストリームは、プロセスを妨害する可能性のある２０，０００ｐｐｍを超える濃度レベルで、除去されるかまたは低減される物質を有する可能性がある。溶剤抽出、水蒸気蒸留などのような従来の手順を用いて、これらのレベルを生物学的に処理可能なレベルに低下させることが好ましい。一般には、流体ストリーム（好ましくは水性ストリーム）中の除去されるかまたは濃度が低減される物質の濃度は、約１２，０００ｐｐｍ以下である。自明なことであるが、下限濃度は、それほど重要ではなく、プロセスに制約を課すものではない。本発明の好ましい実施形態では、除去されるかまたは濃度が低減される物質の濃度は、約６，０００ｐｐｍ以下であり、本発明のとくに好ましい実施形態では、除去されるかまたは濃度が低減される物質の濃度は、約３０００ｐｐｍ以下である。本発明のこれらのとくに好ましい実施形態のうちで、最も好ましいのは、除去されるかまたは濃度が低減される物質の濃度が約２０００ｐｐｍ以下の実施形態であり、約１０００ｐｐｍ以下の物質の濃度は、最適な濃度レベルである。

汚染物質を含有する供給物のｐＨを最適生分解が行われるように調整することが必要になることもある。一般には、ｐＨは、標的汚染物質の代謝を可能にするｐＨ範囲内である。本発明の好ましい実施形態では、供給物のｐＨは、約６〜約９であり、本発明の最も好ましい実施形態では、供給物のｐＨは、約６．５〜約７．５である。

栄養素を提供することが必要になることもある。そのような物質は、公知の添加剤、たとえば、フィッシュミールペプチン、ダイズ粉、ラッカセイ油、綿実油、および通常はホスフェート、ナトリウム、カリウム、アンモニウム、カルシウム、スルフェート、クロリド、ブロミド、ニトレート、カーボネート、または類似のイオンを提供しうる塩を用いて添加可能であり、通例、十分量は、多くの場合、微生物の最低必要条件を満たすように水性供給物中に存在する。

水性供給ストリームは、従来の手段を利用して反応器１０内に導入され、「有効水理学的保持時間」を利用して反応器内を通過する。本明細書中で使用する場合、「有効水理学的保持時間」とは、プロセスにより排出ストリーム中の汚染物質の濃度を所望のレベルに低減するのに十分な時間のことである。水理学的保持時間は、さまざまな値に設定可能であり、一般には、水性供給ストリーム中の汚染物質の濃度、水性排出ストリーム中の汚染物質の所望の最大濃度、バイオマス中に含まれる微生物、汚染物質などのような因子に依存する。本発明に係るプロセスの利点は、比較的短い水理学的保持時間を用いて汚染物質濃度の低減を達成しうることである。本発明の好ましい実施形態では、水理学的保持時間は、約７２時間以下であり、本発明のとくに好ましい実施形態では、そのような時間は、約１〜約４８時間である。本発明のこれらのとくに好ましい実施形態のうちで、最も好ましいのは、水理学的保持時間が約２〜約２４時間である実施形態である。

排出ストリームは、低減された物質濃度を有し、まったくもしくは実質的にまったく汚泥を含有しない。そのような排出ストリームは、政府規制に従って廃棄処分が可能である。あるいは、たとえば、清澄器を用いて、存在する可能性のある汚泥を除去するように排出ストリームを処理することが可能であり、そして排出ストリームを生成したプロセスで内部使用すべく再循環させたり、または他の目的で、たとえば、冷却塔、水蒸気発生用のボイラー、熱交換器、スクラバー、反応器などに供したりすることが可能である。

一実施形態では、本発明は、一連の交互充填材層を有する充填床反応器を提供する。交互充填材層は、オープンボディー充填材要素の第１の充填材層と、約１５〜約２０ｐｐｉのサイズ範囲内の細孔を含む多孔性支持体要素の第２の充填材層と、を含む。場合により、第１の充填材層のオープンボディー充填材は、円筒状充填材である。場合により、第１の充填材層は、約７０〜約９５％の範囲内のボイド空間を有する。さらに場合により、第１の層は、オープンボディー充填材要素の実質的に単層である。それ以外に、第１の層は、充填材要素約１０個分までの厚さである。場合により、第２の層の多孔性支持体要素は、約３５〜約２１０ｆｔ^２／ｆｔ^３の表面積対体積比を有するフォームである。場合により、フォームは、約１５〜約２５％のボイド空間を有する。場合により、第２の層の多孔性支持体要素は、疎水性フォームである。場合により、第２の層の多孔性支持体要素は、ポリウレタンフォームである。さらに場合により、第２の層の多孔性支持体要素は、オープンボディー充填材要素の表面積対体積比の約５〜約２０倍の表面積対体積比を有する。場合により、第２の層は、矩形多孔性支持体要素約１０層分までの厚さを有する。

他の実施形態では、本発明は、一連の交互充填材層を有する充填床反応器を提供する。交互充填材層は、充填材要素約１０個分までの厚さで層をなしてランダムに充填されたオープンボディー充填材要素の第１の充填材層と、約１５〜約２０ｐｐｉのサイズ範囲内の細孔を有する疎水性フォームの多孔性支持体要素の第２の充填材層と、を含む。第２の層は、多孔性支持体要素約１０個分までの厚さでランダムに充填される。さらに、第１の層の充填材要素および第２の層の多孔性支持体要素は、約５０〜約６５％の範囲内の反応器床ボイド空間を保持する形状により選択される。場合により、第１の充填材層のオープンボディー要素は、プラスチック円筒形状を含む。場合により、第１の充填材層は、約７０〜約９５％の範囲内のボイド空間を有する。場合により、第２の層の多孔性支持体要素は、約３５〜約２１０ｆｔ^２／ｆｔ^３の表面積対体積比を有するフォームである。場合により、第２の層の多孔性支持体要素は、約１５〜約２５％のボイド空間を有するフォームである。場合により、第２の層の多孔性支持体要素は、ポリウレタンフォームである。場合により、第２の層の多孔性支持体要素は、オープンボディー充填材要素の表面積対体積比の約５〜約２０倍の表面積対体積比を有する。

さらに他の実施形態では、本発明は、一連の交互充填材層を有する充填床反応器を提供する。交互充填材層は、充填材要素約１０個分までの厚さで層をなしてランダムに充填されたオープンボディー充填材要素を含む第１の充填材層と、疎水性フォームの多孔性支持体要素の第２の充填材層と、を含む。支持体要素は、約１５〜約２０ｐｐｉのサイズ範囲内の細孔を有し、多孔性支持体要素約１０個分までの厚さでランダムに充填される。そのほかに、第１の層の充填材要素は、ほぼ円筒状の形状であり、第２の層の多孔性支持体要素は、ほぼ直線的な形状である。場合により、第１の充填材層は、約７０〜約９５％の範囲内のボイド空間を有し、第２の充填材層は、約１５〜約２５％のボイド空間を有する。

以下の実施例は、かなり広範囲の本発明者らの発明の単なる例示および代表であるにすぎない。これらの実施例は、なんら限定要因になるとみなされるべきものではない。
実施例
多孔性バイオマス支持体すなわちポリウレタンフォームと併用したときのオープンボディースペーサーの配置の影響を評価すべく、一連の実験を行った。

実施例Ｉ
イエガー・プロダクツ社（Ｊａｅｇｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．）からハイフロー（ＨｉＦｌｏｗ）という商品名で剛性オープンシリンダー（プラスチック）を入手した。このオープンシリンダーを生分解実験でオープンボディー充填材要素として使用した。生物学的活性ボディーは、フォーメックス社（Ｆｏａｍｅｘ，Ｉｎｃ．）からＳＩＦ ＩＩという商品名で入手した疎水性ポリウレタンフォーム（ＰＵＦ）であった。このフォームは、反応物を基準にして７５重量％のポリオール含有率（約４０重量％のエチレンオキシドおよび６０重量％のプロピレンオキシド）ならびに約２５〜３５重量％のトルエンジイソシアネート含有率を有していた。フォームは、１インチあたり１５〜２０個の細孔を有し、細孔は、さまざまなサイズであった。

図５は、使用した３つの反応器構成を示している。各バイオリアクターシステムにおいて特定量の開放度またはボイド空間が得られるように、ＰＵＦ多孔性バイオマス支持体１１０とハイフロー（ＨｉＦｌｏｗ）オープンボディー充填材要素１２０とをさまざまな割合で混合一体化した。各バイオリアクターは、同一の容量（１リットル）であり、各反応器は、同一の量のオープンボディー充填材要素１２０と生物学的活性ボディー１１０用の多孔性バイオマス支持構造体とを有していた。

バイオリアクター１（４９）は、２つのセクションからなるものであった。下半分は、オープン充填材要素である０．５インチのハイフロー（ＨｉＦｌｏｗ）シリンダーで充填され、上半分は、活性バイオマス支持体として０．５インチのポリウレタンキューブで充填された。

バイオリアクター２（５０）は、多孔性バイオマス支持体１１０とオープンボディー充填材１２０とをランダムに混合してバイオリアクター全体に均一に分配させてなるものであった。

バイオリアクター３（５１）は、オープンボディー充填材１２０の単層と多孔性バイオマス支持体１１０の単層とを交互に有するものであった。
これらの３つのバイオリアクターに次の成分および濃度からなる同一のモデル廃水供給物を仕込んだ：ナトリウムＮ−コシル−Ｎ−メチルタウレート（ｓｏｄｉｕｍ ｎ−ｃｏｃｙｌ−ｎ−ｍｅｔｈｙｌｔａｕｒａｔｅ）、１００ｍｇ／Ｌ；イゲパル（Ｉｇｅｐａｌ）ＣＯ−６３０（ノニルフェノールエチレンオキシド）、１００ｍｇ／Ｌ；ウレア、１０００ｍｇ／Ｌ；クレアチニン、２００ｍｇ／Ｌ；カプロラクタム、２０ｍｇ／Ｌ；エタノール、５０ｍｇ／Ｌ；ベンジルアルコール、２０ｍｇ／Ｌ；およびリン酸二水素ナトリウム、２５ｍｇ／Ｌ。

反応器を上向き並流モードで運転した。すなわち、空気および廃水の両方をそれぞれの入口（１３８気体、１３０液体）から導入し、反応器の下端から上端に流動させた。圧縮空気（４０ｐｓｉｇ）を使用し、各反応器１００の下端に位置する焼結ガラスディフューザー１４０を介して反応器を曝気した。ガスレギュレーターを使用し、ディフューザー１４０を介する曝気を８Ｌ／分〜１３Ｌ／分のレベルに調整した。同一量の空気を各反応器に供給した。完全な化学的酸素要求量（ＣＯＤ）分解に必要な化学量論的要件に基づいて曝気の速度を決定した。トランスファー効率（空気から水へ）が８％であると仮定した。マスターフレックス（Ｍａｓｔｅｒｆｌｅｘ）蠕動ポンプを用いて、廃水を各反応器の下端に圧送した。廃水の流動をポンプ速度により調整して、４８時間、２４時間、１８時間、および１２時間の水理学的滞留時間で、３つのバイオリアクターを、それぞれ、各水理学的滞留時間につき１週間ずつ、運転した。流入廃水から除去されたＣＯＤおよびウレアの量を、バイオリアクター１３４からの排出物で測定した。

表Ｉは、３つのバイオリアクターシステムを用いてこの廃水からＣＯＤおよびウレアを除去した結果をまとめたものである。

バイオリアクターはすべて、同一サイズであり、各バイオリアクター中に存在するオープンボディー充填材要素および多孔性ポリウレタンフォームバイオマス支持体を同一量で有していた。バイオリアクター間の唯一の差異は、バイオリアクター内の充填構造体の分布であった。バイオリアクター１（４９）は、オープンボディー充填材要素スペーサーと多孔性バイオマス支持体とを２つの異なるセクションに分離して有していた。この構成の充填構造体は、ＣＯＤおよびウレアの減少が最も少なかった。バイオリアクター２（５０）は、オープンボディー充填材要素と多孔性バイオマス支持体とをバイオリアクター全体にわたり均一に分布させて有していた。この構成は、ＣＯＤおよびウレアの減少に関して、バイオリアクター１（４９）よりも良好な性能を示した。理論上、これは、バイオリアクター内の空気および水のより良好な分配に基づくものと考えられる。バイオリアクター３（５１）は、オープンボディー充填材要素と多孔性バイオマス支持体とを交互に配置された単層として有していた。このバイオリアクターは、ＣＯＤおよびウレアの減少の両方に関して最良の性能を与えた。

ＣＯＤおよびウレアの除去に関するバイオリアクター間の差は、より長い水理学的滞留時間（すなわちより遅い速度）のときよりもより短い水理学的滞留時間（すなわちより速い速度）のときのほうが顕著であった。可能なかぎり経済的に処理を行うべく、バイオリアクター内のより短い水理学的滞留時間を用いて廃水を処理することが望ましい。本発明の一実施形態に係る反応器であるバイオリアクター３の充填材構成を用いる利点は、こうした条件下では一段と顕著になり、本発明に係る反応器床充填材スキームの優位性を裏付けるものである。

実施例ＩＩ
対照であるオープンボディー充填材要素と多孔性バイオマス支持体とのランダム分散系のバルク除去効率を、同一の支持体と同一の充填材要素との交互層を有する本発明の一実施形態に係る反応器床のバルク除去効率と比較するために、他の一連の廃水処理バイオレメディエーション試験を行った。

図６に示されるように、４台の反応器を使用し、２台１組で配置した。各組６０、６１は、第１の反応器１００からの排出物が次の反応器１０１への供給ストリームになるように、２台の反応器１００、１０１を直列に連結して含むものであった。実施例Ｉの手順を用いて、それぞれのシステムの全有機炭素（ＴＯＣ）除去効率を決定した。２台の１リットル反応器１００、１０１が直列に連結された対照組の反応器に、０．５インチのハイフロー（ＨｉＦｌｏｗ）充填材１２０と０．５インチのＳＩＦ ＩＩフォームブロック１１０とをランダムに分散して充填し、他方の組６１に、ハイフロー（ＨｉＦｌｏｗ）１２０とＰＵＦブロック１１０とを交互に配置してなる充填材を充填した（６１）。

各反応器組の反応器１００、１０１を上向き並流プロセス流体モードで運転した。処理されるプロセス流体は、入口から反応器１００に進入し、ライン１３３に送出され、反応器１０１の下端部に流れ込む。プロセス流体は、反応器１０１内を上向きに流動し、出口ポート１３４から送出された。圧縮空気（４０ｐｓｉｇ）を使用し、各反応器の下端に位置する焼結ガラスディフューザーを介して反応器１００、１０１を曝気した。ガスレギュレーターを使用し、ディフューザーを介する曝気を８Ｌ／分〜１３Ｌ／分のレベルに調整した。同一量の空気を各組の反応器に供給した。

マスターフレックス（Ｍａｓｔｅｒｆｌｅｘ）蠕動ポンプを用いて、処理される廃水をそれぞれのシステム６０、６１の各反応器１００の下端に圧送した。ポンプ速度により廃水の流動を調整した。１０時間の水理学的滞留時間で１週間にわたり各バイオリアクター組６０、６１を運転した。流入廃水から除去されたＴＯＣの量を、出口ポート１３４におけるバイオリアクターからの排出物で測定した。

表ＩＩは、２つのバイオリアクターシステムを用いて廃水からＴＯＣを除去した結果をまとめたものである。

本発明の一実施形態に係る層状充填材バイオリアクターシステム（６１）は、分散充填材を有するバイオリアクターよりも有意に低いかつ変動の少ない排出ＴＯＣを有していた。

少なくとも１つの例示的実施形態を以上の詳細な説明に提示したが、当然のことながら、莫大な数の変更形態が存在する。同様に当然のことながら、本明細書に記載の１つもしくは複数の例示的実施形態は、本発明の範囲、適用可能性、または構成をなんら限定しようとするものではない。そうではなく、以上の詳細な説明は、記載の１つもしくは複数の実施形態を実施するための便利な指針を当業者に提供するであろう。当然のことながら、添付の特許請求の範囲およびその法的等価物に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能および構成に種々の変更を加えることが可能である。

図１は、本発明に係る円筒状充填床反応器の実施形態の概略断面図である。 図２は、本発明に係る直線的充填床反応器の実施形態の概略断面図である。 図３は、フォーム支持体要素の断面の概略図である。 図４は、イエガー（Ｊａｅｇｅｒ）製ハイフロー（ＨｉＦｌｏｗ）^ＴＭ充填材要素のような先行技術のオープンボディー円筒状充填材要素の例を斜視図で示したものである。 図５は、実施例Ｉで使用される反応器の概略断面図である。 図６は、実施例ＩＩで使用される反応器の概略断面図である。

Claims (9)

1. 一連の交互充填材層（１１６、１２０）を含む充填床反応器（１００）であって、
   前記交互充填材層が、
   オープンボディー充填材要素を含む第１の充填材層（１２０）と、
   １線インチあたり（ｐｐｉ）１５〜２０（１線ｃｍあたり６〜８）のサイズ範囲内の細孔を含む多孔性支持体要素に支持された微生物を含む第２の充填材層（１１６）と、
   を含み、該多孔性支持体要素の表面積対体積比が該オープンボディー充填材要素の表面積対体積比より大きい、反応器。
2. 前記第１の充填材層（１２０）のオープンボディー充填材が円筒状充填材を含む、請求項１に記載の反応器。
3. 前記第１の充填材層（１２０）が７０〜９５％の範囲内のボイド空間を有する、請求項１に記載の反応器。
4. 前記第１の層（１２０）がオープンボディー充填材要素の単層を含む、請求項１に記載の反応器。
5. 前記第２の層（１１６）の多孔性支持体要素（１１０）が、３５〜２１０ｆｔ^２／ｆｔ^３（１１５〜７００ｍ^２／ｍ^３）の表面積対体積比を有するフォームを含む、請求項１に記載の反応器。
6. 前記第２の層（１１６）の多孔性支持体要素（１１０）が、１５〜２５％のボイド空間を有するフォームを含む、請求項１に記載の反応器。
7. 前記第２の層（１１６）の多孔性支持体要素（１１０）が疎水性フォームの多孔性支持体要素を含む、請求項１に記載の反応器。
8. 前記第２の層（１１６）の多孔性支持体要素（１１０）がポリウレタンフォームの多孔性支持体要素を含む、請求項１に記載の反応器。
9. 前記第２の層（１１６）の多孔性支持体要素（１１０）が前記オープンボディー充填材要素の表面積対体積比の５〜２０倍の表面積対体積比を有する、請求項１に記載の反応器。

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