JP5372496B2 - 生物固形物の非化学的な安定化のための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に水および廃水のような水性媒体を処理するための装置および方法に関し、および／または生物反応器の作動を改善するためのスラッジ処理システムおよび方法に関し、より詳細には、非化学的技術を用いるそのような装置および方法に関する。

現代の自治都市の下水および産業廃棄物処理工場は、廃水を再生するために在来の機械的および生物学的方法を利用する。在来の方法は、水質汚染問題を固形廃棄物処分問題に転換している。在来の自治都市の下水処理から生じる（例えば、微生物性質あるいは生物学的性質の）微生物スラッジ固形物の処分は、発生した極めて大量のスラッジ、および固有の毒性および環境に対するこの廃棄物スラッジの潜在的な生物危害の性質による他の問題のために、歴史的に費用がかかってきた。これは、特に、メキシコエリアおよび米国南部内のエリア、並びにその他のような、生物危害「ホット」地帯で明白であり、該地帯では、人体寄生虫が生物系内に潜伏し、次いで汚染された微生物スラッジの土地散布、灌漑および他の処分方法により他に伝染することがある。そのような微生物スラッジの抽出および処分は、費用がかかり且つ不経済である。

廃棄物スラッジ、特に生物固形物からなりおよび／または殆ど生物固形物（微生物汚染物質）からなる廃棄物スラッジは、長い間、活性スラッジおよび他の好気性および／または嫌気性廃水処理工場と関連した最も重大な問題であった。これらのスラッジは、乾燥しにくく、且つ乾燥に費用がかかり、殺菌／安定させるのが難しく且つ費用がかかる。これらのスラッジは、高い割合の揮発性物質を含有する。埋め立ての利用可能性の減少およびこれらのスラッジを農業のための肥料／土地散布として使用することの許容性の減少が、処分のための著しいコスト増大を引き起こしている。あるエリアでは、高汚染潜在性および、活性微生物触媒および固形物（ＶＳ）の存在のため、微生物スラッジは、埋め立てから完全に禁止されており、微生物スラッジは大量の水（乾燥前７０％以上）を保持している。

埋め立ての可能性の減少およびこれらのスラッジを農業のための肥料／土地拡散として使用することの容認性の減少が、処分のための著しいコスト増大を引き起こしている。あるエリアでは、高汚染潜在性、活性微生物触媒の存在、およびこれらのスラッジが、病原性微生物および病気の蔓延の媒介（ベクター）になる潜在性のために、生物スラッジは、埋め立ておよび土地散布肥料として完全に禁止されている。

生物スラッジおよび廃棄物のような微生物を含有する水性媒体を殺菌し、安定させ、あるいは除染する目的で、以下を含む様々な技術が開発されてきた。
・ＵＶ殺菌装置
・加圧／減圧サイクル殺菌（圧力容器内でのエアキャップの使用あるいは圧力容器内でエアキャップの使用なし）
・超臨界溶液への物質あるいは溶液の暴露による殺菌
・ガンマ照射あるいは同様の照射方法
・真空への暴露
・強電磁場への暴露
・ソノフィケーション
・強酸（全溶液のｐＨを長期間２付近あるいはそれより低く下げる）あるいは強アルカリ（全溶液のｐＨを長期間１２付近あるいはそれより高く上げる）への化学物質暴露による殺菌
・高イオン強度溶液による殺菌
・加熱殺菌
・物理的な切り刻み
・エアキャップあるいは他の空気導入なしの高圧および低圧間の周期変動
・殺菌の速度を増大させるために化学殺菌混合物に圧力を加える
・爆発的減圧を発生させるために熱および／または蒸気を用いて高固形廃棄物にさっと通し、その後剪断加工すること
・オゾン、過酸化物、および他の強酸化剤

これらの技術は、商業的用途には費用がかかりすぎ、付加的な処理ステップを要求し、付加的な汚染負荷を引き起こし、あるいは微生物を含有する水性媒体を処理するのに（例えば、スラッジの殺菌を引き起こすのに）効果的でない。それ故に、そのような微生物を含有する水性媒体を処理するための改良方法を提供する大きな要求がある。

それ故に、本発明の目的は、先行技術に属する問題を解決することにある。

それ故に、本発明によれば、微生物を含有する水性媒体を処理するための装置を提供し、該装置は、微生物を含有する水性媒体を受け入れるための入口と、所望のガス飽和レベルを有する微生物を含有する水性媒体を受け入れるように、入口に関連した差圧インデューサと、を含み、差圧インデューサは、微生物の細胞壁破壊を引き起こすように、所望のガス飽和レベルを有する微生物を含有する水性媒体を加速度に曝すように作動でき、破壊された微生物細胞および中身を含有する処理された水性媒体を排出するための、差圧インデューサに関連した出口を含み、微生物の破壊された細胞壁を含有する処理された水性媒体は、少なくとも廃棄あるいは再循環される。

更に本発明によれば、所望のガス飽和レベルを有する、微生物を含有する水性媒体を処理するための方法を提供し、該方法は、ｉ）微生物を含有する水性媒体を差圧インデューサに供給するステップと、ｉｉ）微生物の細胞壁破壊を引き起こすように、圧力インデューサを作動させて、所望のガス飽和レベルを有する微生物を含有する水性媒体を加速度に曝すステップと、ｉｉｉ）微生物の破壊された細胞壁を含有する処理された水性媒体を、差圧インデューサから排出するステップと、を含み、微生物の破壊された細胞壁を含有する処理された水性媒体を、少なくとも廃棄または再循環させる。

かくして、本発明の性質を一般的に記載してきたが、今、例示として本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を、参照する。

本実施形態を、操作方法に関して、特色付ける特徴は、その更なる目的および利点と一緒に、添付図面と共に用いられる以下の記載からより良く理解されるであろう。本発明によって達成されるこれらのおよび他の目的および提供される利点は、今、以下の記載を考慮してより十分に明らかになるであろう。

微生物を含有する水性媒体を処理するための新しい装置および方法を、ここに提供する。

１つの態様では、ここに記載された装置は、これらの水性媒体を処理する、および生物固形物スラッジのような微生物を含有する水性媒体の処分要求を実質的に減じ、あるいは除去する効率的なそして費用効果の新規な方法を提供することが分かった。

本装置の更なる独特の態様は、生物固形物スラッジを処分する必要を減じ、あるいは実質的に除去しながら、装置は、また、生物反応器の作動を改善し、および微小栄養素のコストを減じることができる。特に、所望ならば、生物反応器の中の処理された水性媒体の少なくともいくらかをリサイクルさせて、必要な微小栄養素を提供することが可能である。より低い輸送および処分コスト、より低いスラッジ濃縮ポリマーコスト、より低い臭気調節化学薬品コスト、および最初の浄化／スクリーニングスラッジの処分のためのより大きな価値およびより多くのオプションを含むその他の結果として、低作動コストによって、即座の経済効果が予見される。以下に記載する装置１０は、比較的構造が簡単であり、比較的低エネルギーレベルで作動する。これは、装置１０のコスト効率を増加させる。

用語「処理する」あるいは「処理した」は、滅菌、殺菌、および／または安定化および／または同様の用語を含むことを意味する。

用語「水性媒体」は、水溶液あるいは懸濁液、自治都市廃水、農業廃水、および工業廃水、農業、郊外、および都市開発から流出した雨水、微生物を含有する一次、二次、あるいは三次スラッジを含むことを意味する。

用語「リサイクル」は、処理された水性媒体を収集し、更に処理し、あるいは、原料あるいは栄養素若しくはそうでないものとして用いる活動を含むことを意味する。限定されない例は、生物反応器への再循環を含む。

ここで用いる用語「栄養素」は、繁殖あるいは成長のために細胞、細菌あるいは微生物によって用いられるどんな物質をも指す。それは、カルシウム、カリウムのようなミネラル、およびアミノ酸、ペプチド、タンパク質、糖類、多糖類、あるいは用いることができるその他のような分子、および細胞壁物質であってもよい。

一実施形態では、生物反応器は、生物反応器のための食物源として利用することができる望ましい栄養素を含有する処理された微生物スラッジを利用する。

更なる実施形態では、微生物を含有する水性媒体を処理するための方法によって、細菌あるいは微生物の細胞の細胞質に含有された栄養素を暴露させる。細胞壁構造が適当に破壊されたとき、細胞壁自体が有益な食物源となることができる。生物反応器は、それらの特定の微生物およびミクロフォーナの構造に関して互いに独特である傾向にあり、あらゆる特定の生物反応器の生きている微生物およびミクロフォーナの特定の構造が、時間と季節を通して変化するので、あらゆる特定の生物反応器のための満足な栄養素源および微小栄養素源が、処理されることになっている水性媒体内で利用可能である（例えば、微生物スラッジ）。

理論に縛られることなしに、処理された水性媒体を生物反応器に入れることにより、改善された好気性、嫌気性および連続／周期的な生物反応器効率、改善された生物反応器安定性、低い生物反応器栄養素供給要求、および低い生物反応器作動コストあるいはこれらの組み合わせのような、反応器作動の望ましい効果を有すると思われる。

一実施形態では、水性媒体は、一次、二次あるいは三次スラッジである。更なる実施形態では、
・スラッジは、水および／または廃水処理工程から生じる。
・一次スラッジは、一次固形物分離装置によって生じる。
・二次スラッジは、好気性あるいは嫌気性反応器によって生じる。
・三次スラッジは、三次処理装置によって生じる。

一実施形態では、水性媒体は、微生物の細胞壁破壊を引き起こすように、インペラーのような機械装置の作用から生じる求心力を含む力（いわゆる「ｇ」力およびその他）に曝される。

一実施形態では、水性媒体は、微生物の細胞壁破壊を引き起こすように、インペラーのような機械装置の作用から生じるこれらの力に繰り返し曝される。

更なる実施形態では、
・本方法は、ガスを水性媒体に加えるステップを更に含む。
・本方法は、微生物を含有する水性媒体を差圧インデューサに供給する前に水性媒体をガスに加えるステップを更に含む。
・水性媒体は、ガスでほぼ飽和しており、ガスは、とりわけ空気、酸素、あるいは窒素のいずれか１つであるのがよい。

更なる実施形態では、微生物を含有する水性媒体を処理するための方法は、水性媒体から流体を分離することによって生物固形物の濃縮を増大させるように、圧力処理前に、微生物を含有する水性媒体を浄化器内で浄化するステップを更に含む。

更なる実施形態では、微生物を含有する水性媒体を処理するための方法は、圧力処理の後、微生物の破壊された細胞壁を含有する処理された水性媒体を生物反応器に差し向けるステップを更に含む。

一実施形態では、遠心ポンプは、水中ポンプである。しかしながら、遠心ポンプを作動することのできる変形例の機械装置（モータ駆動、風車あるいは他の機械駆動装置）に置き換えられてもよいことが当業者に明らかであろう。

一実施形態では、遠心ポンプは、水中多段ポンプである。

一実施形態では、遠心ポンプは、複数のインペラーを有する。

更なる実施形態では、遠心ポンプは、少なくとも２つのインペラーを有する。

処理されるべき水性媒体に及ぼす所望の圧力誘発作用を達成するために、ピストン、あるいはダイヤフラムポンプのような変形例のポンプを適当な形態で用いることができることが当業者に明らかであろう。

本発明を、今、本発明の特定の好ましい実施形態のために詳細に記載するが、これらの実施形態は、例示としてのみであり、本発明はそれに限定されるものではないことが理解される。

図１を参照すると、好ましい実施形態により水性媒体を処理するための装置を、全体的に参照番号１０で示す。装置１０は、一般的に、入口セクション１２と、処理セクション１４と、出口セクション１６と、を有する。

入口セクション１２は、微生物を含有する水性媒体を受けるために設けられる。次いで、水性媒体は、入口セクション１２から処理セクション１４に差し向けられ、該処理セクション１４で、微生物を含有する水性媒体が、水性媒体中の微生物の細胞壁の破壊を引き起こすように、圧力処理に曝される。

出口セクション１６が、処理された水性媒体を排出するために、処理セクション１４と関連して設けられる。

装置１０の様々なセクションは、セクション間での、水性媒体の流れのために適当なラインによって連結される。ラインの１つがラインＡで示され、入口セクション１２の様々な部品を処理セクション１４に相互関連させる。

ラインＢは、処理セクション１４の部品を迂回させるために設けられる。

ラインＣは、処理セクション１４の水性媒体の再循環を可能にするために設けられる。

ラインＤは、水性媒体を装置１０内での処理のために生物反応器６４から入口セクション１２に供給することができるように選択的に設けられる。

入口セクション１２は、入口２０を有する。入口２０は、典型的には、パイプあるいはラインの開口であり、水性媒体は、装置１０内で、パイプあるいはラインの開口に受け入れられる。水性媒体は、例えば、水性媒体源１１によって供給され、あるいは装置１０によって再循環される。入口２０は、選択的にフィルタを備える。水性媒体源に依存して、水性媒体から粗い固形物をフィルタで取り除くのが望ましく、この仕事は、入口セクション１２で（例えば、入口２０であるいは浄化器２２で）行われる。

望ましくない液体（例えば、浄化水）を水性媒体から流出液に取り除くために、入口２０に連結された浄化器２２が選択的に設けられる。図１に示すように、ラインＡは、浄化器２２を迂回することができる。

ガスインジェクター２４が、ガスを水性媒体に選択的に加えるように設けられる。以下で論ずるように、水性媒体のあるガス飽和レベルが、細胞壁破壊を引き起こすために要求される。それ故に、このガス飽和レベルに達するように、いくらかのガスを入口セクション１２の水性媒体中に注入することが要求される。他方では、水性媒体は適当な飽和レベルを既に有し、ラインＡにより、ガスインジェクター２４を迂回させる。以下の実験は、水性媒体へのガスの添加により、水性媒体に含有された微生物のいくつかの細胞壁破壊の有効性を高めることができる。

処理セクション１４は、水性媒体を圧力処理に曝す装置を含む。より詳細には、水性媒体は、適当なガス飽和レベルで処理ステーション１４に供給される。飽和は、水性媒体の微生物によるガス吸収を含む。圧力処理は、ガスを充填した微生物を多重加速に送ることにあり、その加速により、微生物の細胞壁破壊が生じる。

ある程度は、水性媒体の、例えば、過飽和に向う飽和の増大は、細胞壁を破壊する、および微生物を殺す圧力処理の有効性を高める。それ故に、飽和レベル調節器４０が、水性媒体のガス飽和レベルを増大させるために選択的に設けられる。

飽和レベル調節器４０は、典型的には、圧力降下を維持するようになっているタンクである。ガス飽和水性媒体は、タンク内に隔離され、水性媒体のある過飽和レベルを引き起こすように、タンク内の圧力が下げられる。飽和の増大は、水性媒体の圧縮性を増大させる。増大した圧縮性の結果、差圧インデューサ４２内に生じたその後の多重加速が、細胞壁を破壊する上において、より効果的になる。

調節器４０は、選択的であり、ラインＢによって迂回されてもよい。

差圧インデューサ４２は、典型的には、ガス飽和水性媒体に作用する機械装置を含む。例として、ポンプが処理セクション１４に設けられ、典型的には、多段形態の遠心タイプのものである。それ故に、入口２０からの飽和水性媒体は、様々なポンプのインペラーに曝され、それによって細胞壁破壊が引き起こされる。多重加速（例えば、遠心、接線、毛細管加速および／または加速／減速）は、インデューサ４２の機械環境、例えば、インペラー、ポンプケーシング構造、配管壁（例えば、ポンプのような機械圧力インデューサに隣接してコイル状に構成された）によって引き起こされる。液体およびガスが、飽和水性媒体中に存在するので、多重加速は、液体およびガスのために異なる速度で起こる。この速度差は、溶液が圧縮し、次いで細分するので、吸収ガスを有する微生物の細胞壁破壊を引き起こす。

図１に示すように、ラインＣは、飽和レベル調節器４０および／または差圧調節器４２を適当な順番で繰り返し用いることができるように、設けられる。処理セクション４０の多数のサイクルは、工程効力を最適化するように行うのがよい。多段は、一般的に装置１０の性能を高める。

更に、もし差圧調節器４２がポンプを含むならば、ポンプによって引き起こされたキャビテーションが、微生物を破壊する際に装置１０の性能を増大させることが観察される。

出口６０は、典型的には装置１０の配管の出口である。出口と関連したガスインジェクター６２が、ガスを、処理された水性媒体に選択的に加えるように設けられる。理論に縛られることなしに、空気、特に酸素を、処理された水性媒体（本質的に微生物および／または微生物含有スラッジから解放された栄養素および微小栄養素を含有する）に戻る供給流中に注入することは、好気性および連続的／周期的生物反応器効率および／または安定性を更に高め、特に、一般に「ブロワー」と呼ばれる生物反応器エアレーション装置と関連した生物反応器作動コストを更に低くすると思われている。処理された水性媒体を排出すると、水性媒体は、例えば生物反応器６４の中で循環してもよいし、あるいはディスポーザー６６によって示すように、廃棄されてもよい。

処理されるべき水性媒体が、生物反応器６４によって提供される場合、水性媒体を、装置１０内での処理のために、生物反応器６４から入口２０に輸送するためのラインＤが設けられる。そのような場合、水性媒体は高レベルの液体を有し、そのような液体を取り除くために浄化器２２を用いることができる。装置１０の全ての構成部品は、装置１０内の水性媒体の適当な処理を確保するために、適当な制御装置を備えることが指摘される。

実施例として、差圧インデューサ４２に関して、遠心ポンプが当該技術分野で良く知られている。遠心ポンプは、２つのメイン構成部品を有する。（１）インペラーおよびシャフトからなる回転部品と、（２）ケーシングと、ケーシングカバーと、ベアリングと、からなる静止部品。

必要に応じて、遠心ポンプは、手動あるいは自動圧力および／または流量制御バルブを遠心ポンプ出口に含み、および／または多連バルブを多点に含み、あるいはさもなければポンプ圧および流量を制御するために特定のパイプサイズ／直径および長さを利用する。

ガスインジェクター２４のために、ベンチュリ管のような空気導入手段が、（１）圧力および／または流量制御バルブと、（２）遠心ポンプの作用から利用できるエネルギーを用いてガスを水性媒体に加えることとの二重機能を提供することができる。

インペラーは、流体に加速を与えるメイン回転部品である。上述した実施形態は、インペラーの特定の形態あるいはタイプによって限定されない。

水がインペラーの目に入り、回転によって発生した力によって放り出される。遠心ポンプが発生させる圧力は、インペラーの直径、インペラーの数、目あるいは入口開口サイズ、およびシャフト回転の速度からどのくらいの速度を発生させるか、と直接的な関係と考えることができる。能力は、インペラーの出口幅によって決定され、特定の要求に容易に調整することができる。これらの因子の全ては、使用されるべきモータの馬力サイズに影響を及ぼし、ポンプ送出されるべき水あるいは発生させるべき圧力が大きいほど、より大きなエネルギーが必要とされる。

一旦、水性媒体が、第１のインペラーの作用から生じる力（すなわち加速度）に曝されると、媒体は、更に処理されるために、他のインペラーステージあるいは他の遠心ポンプに差し向けられる。変形例では、処理された媒体は、配管系の中に差し向けられてもよく、生物反応器（例えば、出口１６）の中に戻されるので、細胞内成分および他の流体の解放の結果として、好気性生物反応器の作動を高めるために、栄養素を利用できる。

先に述べたように、インペラーがシャフト上で高速で回転している間、液体がインペラーを流通するときに、力が発生すると思われる。液体の速度が圧力、求心力および剪断力、キャビテーションおよび他の力に変換される。これらの作用から生じる力によって、微生物および微生物の細胞が十分高いＲＰＭで破壊され、それによって前記溶液の安定性をもたらす。

差圧インデューサ４２の機械装置の作動速度に関しては、微生物の破壊効果を増大させるために、より高速で作動させるのが好ましい。ポンプ／配管内の速度が溶液の音速を超えるようにすることによって、高い効率と高エネルギーキャビテーションに達する。

一実施形態の説明として、作動時、ガス飽和に近いあるいはガス飽和を超えた水、廃水、および／またはスラッジを、約３４５０ＲＰＭで多段水中遠心ポンプの中に入れる。生じた処理水性媒体を配管系の中に差し向け、生物反応器に再循環させ、あるいは廃棄し、あるいは更なる処理のために他の遠心ポンプに差し向け、あるいは必要に応じて媒体を更なる処理操作に差し向ける。

スラッジを、前のガスを加えて圧縮タンクの中に入れ、ベンチュリ管であるガスインジェクター２４に通す（結果としてガス飽和に近くなる、あるいはガス飽和を超える）。タンク４０および中身を、１７２秒間にわたって５気圧に加圧した。一旦所望の内部圧力が得られたら、タンクをほぼ直ちに減圧させる。加圧および減圧サイクルを、２回繰り返す。次いで、生じた処理スラッジを配管系の中へ更なる処理作業、すなわち差圧インデューサ４２に差し向ける。

前のステップから得られた、生じた処理スラッジを６インペラーを有し、３４５０ＲＰＭで作動する多段水中遠心ポンプ（４０）の中に入れた。

生じた処理スラッジを、出口セクション１６の中に差し向け、生物反応器６４に再循環させ、あるいは廃棄６６し、あるいはラインＣを用いて更なる処理のために他の遠心ポンプに差し向け、あるいは媒体を必要に応じて更なる処理作業に差し向ける。

本発明を本発明の特定の実施形態と関連して記載してきたが、更なる変形が可能であること、および、本出願が、一般に本発明の原理に従う、且つ、本発明が属する当技術分野内で知られあるいは習慣的な実施に含まれるような、また、前述した本質的な特徴に適用されるような、添付した特許請求の範囲の範囲内に従うような、本開示から逸脱する事項を含む、本発明のいかなる変更例、使用例、あるいは、適用例を包含するものであることが理解される。

本発明の実施形態による微生物を含有する水性媒体を処理するための装置を示すブロック線図。

Claims (9)

1. 微生物を含有する水性媒体を処理するための装置であって、
   微生物を含有する水性媒体を受け入れるための入口と、
   水性媒体に含有された微生物の細胞壁破壊の有効性を高めるために、水性媒体の所望のガス飽和レベルを引き起こすための、ガスインジェクターと、
   ケーシングと、前記ケーシング中に配置されたインペラーを有する少なくとも１つのポンプを含む、前記所望のガス飽和レベルを有する水性媒体を前記入口を介して受け入れて、前記水性媒体に加速度を加えて前記水性媒体に含有された微生物の細胞壁を破壊するための差圧インデューサと、
   破壊された微生物細胞壁およびその細胞内成分を含有する処理された水性媒体を排出するための出口を含み、
   微生物の破壊された細胞壁を含有する処理された水性媒体は、少なくとも廃棄あるいは再循環される、
   ことを特徴とする装置。
2. 差圧インデューサは、多段形態の複数のポンプを有する、請求項１に記載の装置。
3. 水性媒体を差圧インデューサに供給する前に水性媒体のガス飽和レベルを増大させる飽和レベル調節器を更に含む、請求項１に記載の装置。
4. 飽和レベル調節器は、加圧および減圧サイクルにさらされるように、圧力源と関連したタンクを有し、タンクは、水性媒体のガス飽和レベルを増大させるために、微生物を含有する水性媒体を加圧および減圧サイクルに曝すように、微生物を含有する水性媒体を受け入れる、請求項３に記載の装置。
5. 処理された水性媒体のガス容量を増大させるための、出口と関連したガスインジェクターを更に含む、請求項１に記載の装置。
6. 出口と関連した生物反応器を更に含み、破壊された微生物細胞を含有する処理された水性媒体の少なくとも一部分が、生物反応器に差し向けられる、請求項１に記載の装置。
7. 微生物を含有する水性媒体を処理のための差圧インデューサに供給するように入口と関連した生物反応器を更に含む、請求項１に記載の装置。
8. 微生物を含有する水性媒体の比較的液体部分から、微生物を含有する水性媒体の比較的固形物部分を分離するための、入口と関連した浄化器を更に含み、浄化器は、その後、微生物を含有する水性媒体の比較的固形物部分を差圧インデューサに供給する、請求項１に記載の装置。
9. 差圧インデューサは、水性媒体の一部分を水性媒体の音速あるいは音速より大きい速度に曝す、請求項１に記載の装置。

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