JP5745276B2 - 懸濁溶媒粒状活性炭膜生物反応槽システムおよびプロセス - Google Patents

Description

本出願は、２００７年１２月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／００８，６０６号の恩恵を主張し、同文献の開示内容をここに参照することにより援用する。

本発明は、産業廃水処理システムおよび方法に関し、より詳細には、産業廃水処理システム、および膜生物反応槽（MEMBRANE BIOLOGICAL REACTOR）を用いた方法に関する。

家庭下水および産業廃水の効果的な処理は、生活の質の向上および清浄水の保持において、極めて重要な局面である。半世紀ほど前まで一般的に行われていたような、河川、湖および海洋などの水源に単に廃水を排出するだけの場合に生じる問題は明らかで、生物学的廃棄物および化学的廃棄物に起因して、伝染病の蔓延および発癌性化学物質への曝露など、全ての生命体に対する危険が発生する。そのため、廃水処理プロセスは、家庭生活からの衛生廃水を清浄化するための一般的な都市廃水処理施設から、多様な廃水用途からの特定の汚染物質に対応するための特殊な産業廃水処理プロセスにわたるシステムへと発展している。

一般的に、廃水処理施設では、水を浄化するための複数の処理段階が用いられており、清浄水を安全に湖、河川および水路などの水塊内に放出できるようになっている。現在、多くの衛生下水処理プラントにおいて一次処理段階が用いられており、機械的手段を用いて大型物体を除去し（例えば、バースクリーン）、砂または沈砂溝を用いて、砂、砂粒および石を沈降させる。他にも、いくつかの処理システムでは、特定の脂肪分、油脂および油分を表面に浮遊させてスキミング可能とする段階も設けられている。その後、廃水を２次の生物学的活性スラッジ処理段階へと送る。活性スラッジプロセスでは、曝気槽内で好気性生物処理が行われ、その後典型的には浄化器／沈殿槽へと続く。浄化器／沈殿槽の廃水は、さらなる処理ステップを経るかまたは経ずにその後排出され、スラッジは再度曝気槽へと再循環されてさらなる処理が行われるか、または、さらに処理されて、埋立地、焼却炉のいずれかに廃棄されるか、または、有毒成分が無い場合は肥料として用いられる。

曝気槽において、空気を混合液（フィード廃水および大量のバクテリアの混合物）に付加する。空気からの酸素は、廃水フィード内の懸濁液中に溶解または搬送されている有機化合物をバクテリアが生物学的に酸化させる際に用いられる。生物学的酸化は典型的には、廃水からの有機汚染物質の除去目的のために利用可能な最も低コストの酸化方法であり、また、生物学的に処理可能な有機化合物で汚染された廃水に対して最も広範に用いられている処理システムである。生物学的に難溶性のまたは処理が困難な有機化合物を含む廃水あるいは無機成分を含む廃水は典型的には、従来の生物学的廃水処理システムでは適切に処理できないことが多く、汚染物質の除去には、より高コストの方法が必要となる場合が多い。

曝気槽からの混合液廃水は典型的には、浄化器／沈殿槽へと入り、ここで、廃棄物スラッジ（濃縮された混合液浮遊固形物）が重力により沈降する。しかしながら、廃水および経済的必要性に基づいて、いくつかの生物学的酸化システムでは、廃水から固形物を除去する際に異なる処理方法が用いられている。すなわち、浄化器／沈殿槽を、膜（膜生物反応槽）と置き換える、または気泡浮上分離機などの別の機器操作を使用することができる。浄化器／沈殿槽、膜または気泡浮上分離機からの液体廃水は、排出されるか、または、さらなる処理を受けた後に排出される。混合液から除去された固形物は、返送活性スラッジとして曝気槽へと返送されて、さらなる処理を受け、システム内のバクテリアを保持するようにする。この返送活性スラッジの一部を定期的にこの再循環ラインから除去して、混合液中のバクテリアの濃度を制御する。

衛生廃水の処理において、膜生物反応槽技術がますます多く用いられている。膜生物反応槽技術を用いることにより、廃水の質を改善し、物理フットプリントを小さくし（すなわち、処理面積の平方フィートあたりの処理可能排水量が増加し）、アプセットに対する許容値が増加し、処理が困難な廃水の処理が改善され（例えば、全固形分を多く含む廃水の場合、従来の浄化器／沈殿槽で処理するのは不可能であり、また、操作が困難な固形物沈殿デバイス（例えば、気泡浮上分離機または他の何らかの固形物除去システム）が必要となる）、さらには他にも多様な動作上の利点が得られる。しかしながら、膜生物反応槽を用いた場合には、従来の浄化器を用いたシステムでは発生しない膜ファウリングおよび発泡という問題が出てくることが多い。膜ファウリングは典型的には細胞外高分子化合物によって発生し、このような細胞外高分子化合物は、混合液浮遊固形物中の生物学的生命体の分解に起因して発生する。

従来の産業生物学的廃水処理プラント技術における最近の進歩の一つとして、混合液への粉末活性炭粒子の付加がある。これらのプロセスにおいて、特定の有機化合物および無機化合物を粉末活性炭粒子の表面上に物理的に吸着させる。公知の粉末活性炭システムの一例が、Siemens Water Technologiesから「ＰＡＣＴ（登録商標）」の名称で提供されている。粉末活性炭が従来の生物学的処理プラントにおいて用いられているのは、粉末活性炭を用いれば、生物学的に難溶性の有機化合物および無機化合物を吸着することにより、これらの汚染物質の濃度が低減された廃水を提供できるという能力のためである。混合液中に粉末活性炭を含有させることで、多数の操作上の恩恵が得られる。すなわち、炭素の使用により、懸濁溶媒の生物学的処理システムによる利点が得られ、例えば、汚染物質除去レベルが上昇し、アプセット条件に対する許容値が上昇する。さらに、炭素を用いることで、生物学的に難溶性の有機物質が炭素表面に吸着され、従来の生物学的処理システムの場合よりもずっと長期にわたってその生態に暴露され、これにより、固定膜システムと同様の恩恵が得られる。また、炭素の使用により、生物学的に難溶性の有機物質を消化する能力がより高い特定のバクテリア株を進化させることも可能になる。炭素は返送活性スラッジと共に曝気槽へと継続的に再循環されるため、バクテリアは、炭素の表面に吸着された生物学的に難溶性の有機化合物の消化活動を継続的に行うことができる。また、このプロセスにより、炭素の生物学的再生も可能になり、また、充填層炭素による単純な濾過方式よりも、炭素が生物学的に難溶性の化合物をずっと多量に除去することが可能になる。この充填層炭素による単純な濾過方式の場合には、炭素の吸着能が消尽すると、炭素を頻繁に交換するかまたは高コストの炭素の物理的再生を行う必要がある。混合液中の炭素は、生物学的酸化では処理が不可能な廃水中の無機化合物を吸着および除去することもできる。しかしながら、現在まで、粉末活性炭付加を用いた膜生物反応槽は商用されていない。濾過目的のために膜を用いている地表水処理システムにおいて粉末活性炭が用いられている場合がある。しかしながら、膜および粉末活性炭を用いたこれらの地表水処理システムの場合には、炭素による膜の摩耗ならびに炭素に起因する膜の恒久的詰まりおよび／またはファウリングという問題があるとの報告がある。

排出または再利用の前の処理を必要とする産業廃水は油性廃水を含むことが多く、このような油性廃水は、乳化した炭化水素を含み得る。油性廃水の発生源として、多様な産業（例えば、スチールおよびアルミニウム産業、化学処理産業、自動車産業、クリーニング産業、および原油回収産業および精錬産業）がある。上述したように、一定量の非乳化油分および他の炭化水素であれば、一次処理プロセスにおいて浮遊油を表面からスキミングすることで除去することが可能である。しかしながら、生物学的二次廃水プロセスは、一般的に廃水から残留油分を除去するために用いられる。一次処理後に残留している典型的な炭化水素を挙げると、潤滑剤、切削液、タール、油脂、原油、ディーゼル油、ガソリン、灯油、ジェット燃料などがある。廃水中の残留炭化水素は、百万あたり数十〜数千の範囲で存在し得る。環境内への水排出または産業プロセスにおける水の再利用の前に、これらの炭化水素を除去する必要がある。政府規制および生態系への懸念に加えて、残留炭化水素を効率的に除去することにより、恩恵も得られる。なぜならば、廃水を適切に処理すれば、廃水を多くの産業プロセスにおいて使用することができ、原水処理コストが無くなり、規制面での排出問題が低減するからである。

油性／産業廃水の処理における膜生物反応槽の商業的な展開は、遅々としてしか進んでおらず、その主な原因として、膜の油分および化学的ファウリングに関連するメンテナンス上の問題がある。粉末活性炭を混合液に付加した膜生物反応槽内で処理された産業／油性廃水についての試験によれば、粉末活性炭を含む従来の生物学的廃水処理システムと同様の処理上の利点がみられた。また、膜生物反応槽の使用による利点も達成可能であることも分かった。しかしながら、粉末活性炭を付加した場合と付加しない場合とを対照比較したところ、粉末活性炭を付加した膜生物反応槽がこれら二つのシステムの処理上の利点全てを備えていたのに対し、炭素を付加していない膜生物反応槽の場合、残油および細胞外高分子化合物による膜ファウリングに起因して、不可能ではないにしろ、操作は極めて困難であった。また、この試験により、粉末活性炭を付加した場合には、長期存続可能な生物学的廃水処理システムが得られるものの、炭素による悪影響により、多量の膜の摩耗および非可逆的膜ファウリングが発生したこともさらに分かった。このような摩耗および非可逆的ファウリングに大きく起因して、このシステムの運転コストが極めて高くなる（これは膜の平均寿命が大きく低下することに起因する）。

膜生物反応槽を用いていない特定種類の水処理プロセスにおいて、固定床内の吸着剤として粒状活性炭が用いられている。例えば、Irvineらに付与された米国特許第5,126,050号において、廃水または使用済の粒状活性炭などのソースからの有機汚染物質を吸着する粒状活性炭濾過段階を含む多段階プロセスについての記載がある。粒状活性炭はタンク内で維持され、分配器を通じて底部に支流を発生させ、これにより、前記粒状活性炭層の流体化を回避する。別の例として、Inoueらに付与された日本特許出願第JP10323683号において、原水から飲料水を得るための水浄化処理方法についての記載がある。このシステムは、水タンク内に粒状活性炭層を含む。有機物質が、粒状活性炭上で吸着される。この粒状活性炭の表面上には、好気性バクテリアが付着している。このシステムおよびプロセスは、廃水ではなく河川水、湖水、池水および地下水などの水の処理として、記載されている。これらのシステムの場合、炭素の吸着能の消尽後に炭素を交換または再生しなければならず、そのための運転コストは法外に高いことが多い。さらに、これらのシステムの場合、吸着能要求の低減または炭素の再生の際に生物学的酸化を用いていない。

加えて、Beyersらに付与された欧州特許公開番号第EP1258460号において、生物分解菌が植菌された粒状炭素の充填層を用いた地下水路または他の水路内の酸素処理の生物分解の方法についての開示がある。詳細には、Beyersらは、粒状炭素にＭＴＢＥ分解微生物を植菌した好適な実施形態について開示している。このシステムは、汚染物質の炭素吸着を生物学的酸化と組み合わせたものであるが、特定の処理が困難な廃水についての要求に合わせて設計されたものであり、そのため、通常の生物学的処理システムよりも極めて高コストとなっている。さらに、このシステムでは、生物学的処理システム（例えば、膜生物反応槽）ではなく、充填層技術が用いられている。

上記の引用例のうちのいずれかの場合には、比較的高コストの処理方法であるため、処理コストが問題とならない用途にしか用いることができない。その上、上記引用例のいずれも、膜生物反応槽と炭素吸着との組み合わせによるコストおよび操作上の利点を提供していない。

他の水浄化用途において、処理対象となる水塊内の懸濁液中に粒状活性炭を保持する。例えば、Fordに付与された欧州特許公開番号第EP0543579号において、水から残留農薬および他の有機物質を除去するプロセスについての記載がある。使用済み活性炭が処理済み水と共に継続的に除去されるため、活性炭を連続的に付加する。しかし、Fordの参考文献中に開示されているシステムの場合、汚染物質（残留農薬）の除去のために大量の粒状活性炭が必要となる。これらの汚染物質を除去するための生物学的メカニズムは無い。

日本特許文書第JP62286591号および第JP63016096号において、活性スラッジスラリーおよび粒状活性炭の混合物を用いた有機廃水処理方法についての開示がある。これらの方法は、浸漬膜生物反応槽が開発される前に開示されており、粒状活性炭を下流膜システム中の限外濾過または逆浸透膜と共に組み合わせて用いている。これらの参考文献は、有機廃水（例えば人糞）と関連する問題に対処するものであり、産業廃棄物（例えば、炭化水素を含む油性廃水）に対して実際的に対処していない。さらに、このシステムは、先ず膜生物反応槽としてのみ試験されており、その目的は、混合液中の難溶性有機化合物による膜ファウリングを回避することであった。該発明者らは、従来の浄化器／沈殿槽の代わりに膜を用いたため、最終的に有機化合物の毒性濃度が発生し、曝気槽中の通常の生物学的酸化プロセスと干渉する、と推測した。しかしながら、実際は、このようなことは発生しないことが分かり、その結果、この技術は商業化されなかった。さらに、これらの参考文献において記載されたシステムの主要用途は、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）の生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）に対する比がずっと高い産業廃水と対照的に、比較的低い化学的酸素要求量（ＣＯＤ）化合物を有する（例えば、ＣＯＤ対ＢＯＤの比が約２：１と比較的低い）衛生廃水の処理である。

本明細書中用いられる生物学的に難溶性の化合物とは、廃水中のＣＯＤ化合物（有機および／または無機）のうち、典型的には12時間の滞留時間以内に微生物によって分解しないものを指す。

さらに、本明細書中で用いられるバイオ抑制化合物とは、廃水中の化合物（有機および／または無機）のうち、生物学的分解プロセスを抑制するものを指す。

従って、本発明の目的は、膜生物反応槽システム中のプロセスおよび装置を提供することである。上記プロセスおよび装置は、粒状活性炭を用いて、生物学的に難溶性の物質有機化合物および無機化合物を粒状活性炭の表面上に吸着させ、膜分離ステップの上流の生物反応槽システム中の粒状活性炭を維持する。その結果、混合液中の炭素と膜との接触に付随する摩耗およびファウリング無しに、混合液に粉末活性炭が付加された懸濁溶媒膜生物反応槽による利点が得られる。

本発明の別の目的は、効率が良く、設置に必要な資本投資が最小であり、かつ運転コストが低いプロセスおよびシステムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、産業廃水および油性廃水の処理に特に適したプロセスおよびシステムを実現することである。

上記の目的およびさらなる利点は、膜生物反応槽を用いた産業廃水ストリームを処理するためのシステムおよびプロセスによって提供される。上記システムおよびプロセスは、膜動作システムの上流において維持されている曝気部内への粒状活性炭物質の導入を含む。活性炭の顆粒のサイズは、顆粒をスクリーニングするかまたはそうでなければ顆粒を容易に混合液ストリームから分離した後に、水中膜を含む膜動作システムタンク（単数または複数）内へと顆粒を入れ、これにより膜の摩耗を回避するように選択する。曝気部は廃棄物排出ポートを含み、これにより、典型的には政府機関によって定められた上限に化学的酸素要求量化合物の廃水濃度が近付いた場合に、一定の使用済み粒状活性炭を除去することを可能にし、吸着能力を有するさらなる粒状活性炭を曝気槽に付加する。

典型的な膜生物反応槽システムでは、粗篩および細篩が曝気槽の上流に配置され、これにより、大粒子および小粒子双方がシステム内に沈降するかまたは膜を損傷することを防ぐ。例えば、家庭下水用の膜生物反応槽において、細篩は、毛髪の除去機能も担う。毛髪が有ると、膜と干渉し、動作上の問題の原因となり得る。本発明の用途において、廃水は産業廃水であり、粒状活性炭を混合液からスクリーニングした後に、膜が設けられた膜動作システムタンク内に混合液を入れることを可能にするというさらなる要求がある。これは、多様な構成において達成される。一つの配置構成において、曝気槽の上流において粗篩が存在しおよび細篩は存在せず、細篩またはスクリーニングシステム（メッシュサイズは、用いられる粒状活性炭の最下限の有効顆粒サイズよりも小さい）が、曝気槽内に設けられるか、または、曝気槽と膜タンクとの間に設けられる。特定の実施形態において、粗篩および細篩（これらは、廃水中の通常の汚染物質を除去するのに必要なサイズにされている）が曝気槽の上流に設けられ、スクリーニングシステム（これは、粒状活性炭を除去するようなサイズにされている）が曝気槽内に設けられるか、または、曝気槽と膜タンクとの間に設けられる。従って、本発明の目的は、分離システムを提供することである。分離システムは、粒状活性炭が曝気槽から退出するのを回避し、かつ、膜を含む膜動作システムタンク内に入るのを回避する。

混合液中で粒状活性炭を用いることで、同じ廃水を粒状活性炭の付加無しに処理する膜生物反応槽と比較して、膜生物反応槽において顕著な操作上の利点が得られる。さらに、スクリーニング／分離システムにおいて粒状活性炭を用いる（これにより、粒状活性炭の大部分を、膜の配置場所である膜動作システムタンクの上流において保持することができる）ことで、膜生物反応槽において粉末活性炭が用いられて炭素と膜とが接触する場合に見られる非可逆的ファウリングおよび摩耗を回避する。有効サイズが少なくとも約０．３ミリメートルである粒状活性炭を用いた場合、ほとんどまたは全ての活性炭を混合液ストリームから濾過することができ、膜動作システムタンク（単数または複数）へと移送して膜濾過を行うことができる。膜動作システムタンク（単数または複数）内の吸着物質を最小化または除去することで、例えば粉末活性炭を用いた膜生物反応槽の動作効率および耐用年数にとって悪影響を与えることが分かっている膜摩耗を低減または除去する。

本明細書中の方法およびシステムは、炭素と膜との接触を回避するためのスクリーニング／分離システムを含む膜生物反応槽システム内の粒状活性炭を用いており、多様な操作上の恩恵を提供し、例えば、廃水フィードに対して混合液をより早く順応させることができ、膜ファウリングが低減し、細胞外物質に起因する発泡が低減し、膜摩耗が低減する。その結果、水理学的滞留時間において類似する従来の膜生物反応槽システムから得られた廃水品質と比較して、膜の有効平均寿命が延び、フィード濃度および流量の変動に対する許容値が改善され、スラッジ特性が向上し（例えば、脱水の高速化、油性特性の減少および取り扱いの容易化）、廃水品質が向上する（例えば、有機不純物および無機不純物の低濃度化）。

以下、本発明について、添付図面を参照してさらに詳細に説明する。図面中、同様のまたは類似の要素は同一番号で指す。

本発明による廃水処理用装置の第１の実施形態の模式図である。 図１の装置の第２の実施形態であり、廃水ストリームの脱窒手段を含む。 膜生物反応槽システムの多様な段階における、生物学的に難溶性の化合物およびバイオ抑制化合物、ならびに残留廃水濃度（単位：処理前値に対する百分率）のフィード濃度（単位：ミリグラム／リットル）を示すチャートである。

本発明の理解を促進するために、図面中の共通する同一または類似の要素を指す際に適している場合には、同一の参照符号を用いている。

図１は、産業用または油性廃水用処理システム１００の模式的なプロセスフローを示す。システム１００は、曝気槽１０２および膜動作システムタンク１０４を主に含む。曝気槽１０２は、廃水を受け入れる入口１０６と、膜動作システムタンク１０４に排出される廃水用の出口１０８とを含む。曝気槽１０２は、廃水処理分野において公知のような、混合液を曝気する目的のための空気拡散装置を含む。加えて、任意に選択した補助的な空気拡散装置を設けて、本明細書中にさらに説明するように、粒状活性炭を懸濁液中に維持してもよい。曝気槽１０２からのスクリーニング／分離された廃水は、入口１１０を介して、膜動作システムタンク１０４に導入される。膜動作システムタンクにおいて、廃水は、膜生物反応槽の分野において公知のような一つ以上の膜を通じて送られる。出口１１２は、膜生物反応槽システム１００からの処理された廃水を移送する。戻り管１１４が、返送活性スラッジを曝気槽１０２に移送するために、膜動作システムタンク１０４と曝気槽１０２との間に接続される。曝気槽１０２からの使用済の粒状活性炭（すなわち、生物学的に難溶性の化合物の吸着有効性を失ってしまった粒状活性炭）は、混合液廃棄物排出ポート１１６を介して除去することができる。廃棄物出口１１８を戻り管１１４に接続して、返送活性スラッジの一部または全てを方向転換して廃棄し、混合液濃度を制御することができる。種培養を曝気槽１０２に付加して、微生物成長を促進する。

曝気槽１０２の入口１０６の上流に予備スクリーニングシステム１２０を設ける。この予備スクリーニングシステムは、気泡浮上分離システム、粗篩またはこれらの組み合わせを含み得る。任意に特定の処理中の廃水に応じて、他の種類の予備処理デバイスを設けてもよい。細篩または分離器サブシステム１２２を、曝気槽１０２内に設ける。任意に細篩または分離器サブシステム１２２と組み合わせて、細篩または分離器サブシステムを、曝気槽１０２と膜動作システム１０４との間に設けることができる。細篩１２２は、ウエッジワイヤスクリーンまたは回転ドラムスクリーンあるいは他の分離プロセスでよく、粒状活性炭が混合液と共に通過して膜動作システム１０４内の膜と接触するのを回避する。曝気槽１０２からのスクリーニングまたは分離された混合液廃水は、膜動作システム１０４内に（特定のシステムの設計に応じて）ポンピングまたは重力により流入させることができる。外部分離システム（図示せず）を用いたシステムにおいて、外部細篩または分離器サブシステムを通過した混合液から分離された粒状活性炭は、重力により再度曝気槽内に沈殿させることもできるし、あるいは、別の入口を通じて曝気槽１０２に返送することもできる。

本発明のプロセスおよびシステムにおいて使用される適切な種類のスクリーンまたはスクリーニングシステムを挙げると、ウエッジワイヤスクリーン、金属またはプラスチック製の開口板または織物を円筒型または平坦な構成にし、多様な角度で配置構成したもの（例えば、垂直方向付け、水平方向付け、またはこれらの間の任意の角度）、あるいは回転ドラムスクリーンなどのアクティブスクリーニングシステムがある。静止ゾーンにおける重力沈降などの他の分離技術を用いてもよい。

図１において、廃水フィードストリームは、予備スクリーニングシステム１２０を通じて曝気槽１０２内へと繋がる。曝気槽は、混合液中に発生した廃水（これは、廃水および混合液浮遊固形物を含む）を、粒状活性炭と共に曝気する。粒状活性炭（これは、適切に前湿潤されて、例えば粒状活性炭スラリーを形成する）が、システム１００内の一つ以上の場所１３０ａ、１３０ｂ、および／または１３０ｃにおける廃水に付加され得る。例えば、粒状活性炭が、予備スクリーニングシステム１２０の下流のフィードストリーム（例えば、場所１３０ａ）に付加され得る。任意で、または組み合わせて、粒状活性炭を曝気槽１０２（すなわち、場所１３０ｂ）に直接付加することができる。特定の好適な実施形態において、粒状活性炭を返送活性スラッジライン１１４（例えば、場所１３０ｃ）を介して導入することができる。特定の好適な実施形態において、予備スクリーニングシステム１２０よりも前方に（例えば、場所１３０ｄに）粒状活性炭を付加することが望ましい場合もあり、その場合、予備スクリーニングシステム１２０は、スクリーニングを設けて粒状活性炭に内部を通過させて曝気槽１０４内へと入らせることにより、この用途に合わせて設計することができる。混合液は、細篩または分離器サブシステム１２２を通過し、膜動作システムタンク１０４内に送られる混合液浮遊固形物から粒状活性炭を除去する。

粒状活性炭は吸収部位を提供し、これらの吸収部位において、処理が困難な有機化合物および無機化合物（生物学的に難溶性の物質、バイオ抑制またはその他のもの）が吸着され得る。上記システム中には粒状活性炭が保留するため、微生物が成長し、最終的には成熟株に進化して、上記システム内の特定の処理が困難な化合物を分解させるように、特異的に順応する。さらに、さらなる時間の経過（例えば、数日〜数週間）と共に処理が困難な化合物を有する粒状活性炭が上記システム内で維持され、微生物の高レベル特異性が第２、第３以上の世代となり、これにより、特定の処理が困難な化合物を生物分解させる微生物の有効性を上昇させる。

最終的に、粒状活性炭の一部または全ては、生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制化合物の処理における有効性を失う。その結果、膜動作システム内に入ってシステム内の膜を通過する生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制化合物の濃度が上昇する。粒状活性炭は、（初期順応後に）その吸着能に到達し得、この吸着能に達すると、さらなる生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制化合物のこれ以上の吸着は不可能となり得る。加えて、粒状活性炭は、スライミングとして知られる現象に起因して無効化することもあり、その場合、微生物は、多糖類および／または細胞外ポリマー物質で被覆される。このスライム層は、最初は微生物を保護する機能を持つものの、或るレベルに達すると、このスライム層は、細孔部を遮断することで、処理が困難な化合物へのアクセスを妨害し、最終的に生物分解を妨害する。

この段階において、生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制化合物の廃水濃度を低減させる有効性の一部または全てを粒状活性炭が喪失したと判断された場合には、粒状活性炭を含む何らかの混合液を（廃棄物ポート１１６を介して）曝気槽から流出させることができる。本明細書中に説明するように、可能な付加場所のうちの一つでさらなる粒状活性炭を付加することができる。入口の廃水および流出廃水の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）の化合物濃度（すなわち、生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制化合物を含む）を監視して、上記システム中の粒状活性炭およびその付随するバイオマスの有効性が喪失したときを判定することができる。入口ＣＯＤ濃度によって分割された入口および廃水ＣＯＤとの間の差をプロットすると、混合液中の粒状活性炭の有効性が徐々に失われるのを示すプロットが得られる。フィードストリームから除去されるＣＯＤの量に基づいて、廃水フィードから除去されている生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制有機化合物の相対量を知ることができる。操作者は、特定の廃水の処理についての経験を重ねるにつれ、曝気槽中の粒状活性炭の一部を除去して粒状活性炭を新しい炭素と交換して、生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制化合物に対する必要な除去効率を取り戻す（例えば、規制面での要求に従った状態で廃水を維持する）作業が必要となる点がこの比によって示される時期を判断することができるようになる。特定の有機化合物および無機化合物の濃度についての廃水のサンプリングおよび分析を用いて、混合液中の粒状活性炭およびその付随バイオマスが消尽して部分的交換を必要としている時期を判断することも可能である

特定の有機化合物または無機化合物の廃水濃度が操作者の施設におけるこれらの化合物についての許容排出濃度に近づき始めた場合には、本発明による膜生物反応槽システムの本明細書中の操作者は、粒状活性炭の一部の交換を開始することができる。許容排出濃度は典型的には、施設の許可（例えば、米国環境保護局または他の同様の規制団体によって規制される国家汚染物質排出削減制度（ＮＰＤＥＳ）許可プログラムによって決定されたもの）により、限定される。操作者は、このシステムを廃水と共に操作する経験を積み重ねるにつれ、粒状活性炭の交換を開始すべき時期を予期することができるようになる。粒状活性炭およびその付随バイオマスの有効性が必要汚染物質廃水濃度を達成できなくなりつつあることを操作者が判断することができれば、一般的に発生する、図１上のライン１１８からの返送活性スラッジの無駄に起因する余分なバイオマスの無駄を無くすことができ、余分なバイオマスおよび付随する粒状活性炭は、廃棄物ポート１１６を介して曝気槽１０２から排出される。排出される物質の量は、操作されている特定の膜生物反応槽システムの最適動作範囲内の混合液浮遊固形物を維持するのに必要な要素により、決定すべきである。粒状活性炭の一部を交換した後に、操作者は、廃水を監視して、必要な除去効率が回復しているかを判断すべきである。さらに、操作者の操作経験に基づいて交換を行ってもよい。

別の実施形態において、混合液の除去を最小化しつつ、粒状活性炭をスクリーニングから除去することができる。例えば、スクリーニングにおいて回転ドラムスクリーニングが含まれるシステムにおいて、炭素顆粒を削って粒状活性炭の一部を削り落して、新しい粒状活性炭をさらに必要に応じて組み入れることができる。

処理されている特定の廃水の必要に応じて適切な粒状活性炭顆粒サイズを用いて、選択されたスクリーニング／分離方法を補完することができる。特定の好適な実施形態において、最下限の有効顆粒サイズの粒状活性炭を選択することで、内部に膜を含む膜動作システムタンク（単数または複数）内に入った混合液の流れから粒状活性炭を容易に分離することができる。一般的に、粒状活性炭の有効顆粒サイズの最下限は約0.3ミリメートルであり、99.5質量％よりも多くの炭素がこの最下限を超えており、好適には、この有効顆粒サイズの最下限は約0.3ミリメートルであり、上限は約2ミリメートル（この範囲は、米国標準篩シリーズに基づいたメッシュサイズ8〜メッシュサイズ40に対応する）である。この場合、99.5質量％よりも多くの炭素が下限と上限との間に収まる。特定の好適な実施形態において、この有効顆粒サイズは約0.5ミリメートル〜約1.4ミリメートル（この範囲は、米国標準篩シリーズに基づいたメッシュサイズ14〜メッシュサイズ35に対応する）であり、この場合、99.5質量％よりも多くの炭素が下限と上限との間に収まる。最小有効顆粒サイズが約0.5ミリメートル〜約0.6ミリメートルである粒状活性炭の場合、適切な分離システムにより混合液から容易にスクリーニングが可能であり、このような有効サイズは、適切な密度の粒状活性炭内において、経済的に実現可能な動作条件下で懸濁液中に維持することも可能であることが示されている。

粒状活性炭の顆粒サイズを小さくすると、生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制有機または無機物質を吸着するための、１ポンドの粒状活性炭あたりの利用可能な表面積が増加する。さらに、粒状活性炭の顆粒サイズを小さくすると、混合液中の懸濁が促進される（その結果、エネルギーコストが低減する）。しかし、粒状活性炭の顆粒サイズを小さくした場合、スクリーニング要求がより限定的にもなり、また、曝気タンクからの小型粒子に起因するファウリングおよび摩耗による膜損傷の可能性も高くなる。

一方、粒状活性炭の顆粒サイズを大きくすると、粒状活性炭の除去がより容易になり、膜の恒久的ファウリングおよび摩耗の低減可能性が出てくる。しかし、この場合、粒状活性炭の有効顆粒サイズの増加と共に、炭素の密度に応じて、懸濁液中の粒状活性炭を保持するために必要なエネルギーが増す。さらに、表面積の低減に（重量ベースで）対応するために、特定の廃水フィードに応じて、より高濃度の粒状活性炭を用いることになり得る。適切な顆粒サイズは、システムの所望の運転コストに基づいて決定することができる一方、懸濁液中の粒状活性炭を維持するためのコストは、顆粒サイズおよび密度に応じて大きく異なり得る。

曝気槽１０２中の粒状活性炭によって混合液を曝気および処理した後、このように処理された混合液は、細篩または分離器サブシステム１２２を通過し、膜動作システムタンク１０４へと移送される。細篩または分離器サブシステム１２２は、粒状活性炭が膜動作システムタンク１０４内に入るのを回避する。粒状活性炭（例えば、混合液中で）フィルタリングし、曝気槽内で維持することにより、本明細書中の方法およびシステムは、粒状活性炭に起因する膜動作システムタンク膜のファウリングおよび／または摩耗の可能性を低減または除去する。

膜動作システムタンク１０４は、膜動作システムタンク１０４中の混合液中のバイオマスおよび他の任意の固形物を廃水１１２からフィルタリングするためのフィルタリング膜を含む。これらの膜は、当業者に公知の中空糸膜または他の適切な構成の形態でよく、典型的には極めて高価であることが多いため、これらの膜を損傷から保護して膜の耐用年数を延ばすことが極めて望ましい。本発明の方法およびシステムにおいて、膜動作システムタンクおよびその内部の膜の寿命は長寿命化される。なぜならば、細篩１２２ａおよび／または１２２ｂは、膜動作システムタンク１０４内に入る粒状活性炭および他の顆粒および粒子を実質的に低減または除去するからである。

出口１１２は、膜動作システムタンク１０４からのフィルタリングされた廃水を輸送する。返送活性スラッジライン１１４は、廃水フィードストリームのさらなる処理のため、膜動作システムタンク１０４からの返送活性スラッジストリームを曝気槽１０２に輸送する。余分なスラッジは、通常の膜生物反応槽と同様に、システムにおいて廃棄物ライン１１８から廃棄される。

図２は、膜生物反応槽システム２００の別の実施形態を示す。この実施形態では、一般的な生物学的脱窒操作を用いる。特定の廃水処理要件において必要とされる他の特殊な生物学的または化学的処理システムにおいても、生物学的廃水処理分野の当業者にとって明らかな適切な改変を当該システムに施すことにより、本発明を用いることが可能である。図２の実施形態は図１の実施形態と同様であるが、無酸素（酸素フリー）部２０２が追加されている。単純な有機炭素ソース（例えば、廃水そのもののメタノールまたは生化学的酸素要求量の内容）から、脱窒プロセス用の食物を提供する。廃水を無酸素部２０２内に導入し、無酸素部２０２は曝気槽１０２と流体的に連通する。加えて、返送活性スラッジストリームライン１１４は、膜動作システムタンク１０４からの返送活性スラッジストリームを、さらなる処理のために無酸素部２０２へと輸送する。図１において説明したシステムと同様に、システムへの粒状活性炭の付加が可能な複数の場所（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄおよび１３０ｅ）が存在する。好適な実施形態において、粒状活性炭を場所１３０ｂに付加する。その他の粒状活性炭の付加先として可能な場所全て（１３０ａ、１３０ｃ、１３０ｄおよび１３０ｅ）において、さらなる混合装置を無酸素ゾーンに付加して、懸濁液中の粒状活性炭を保持する。粒状活性炭の付加先としてこれらの別のフィード場所１３０ａ、１３０ｃ、１３０ｄおよび１３０ｅを有効に利用するためには、この混合に起因するさらなる運転コストを正当化するために、廃水において何らかの特殊処理（例えば、脱窒に関連する問題）が必要となる。従って、特定の好適な実施形態において、特定のプロセスにおいて粒状活性炭が必要とならない限り、無酸素ゾーン中の混合液内に粒状活性炭は存在しない。

全ての廃水処理プロセスは、プロセス固有の要求を個別に有する。そのため、特定用途の要求に基づいて、粒状活性炭の付加先として最適な場所（単数または複数）を決定する。本明細書中、本発明は、図１および図２について説明したものに限定されるのではなく、さまざまな種類の産業および／または油性廃水処理施設に合わせて対応することが可能である。

粒状活性炭のサイズと、細篩による除去対象となる顆粒サイズとは、膜動作システムタンク（単数または複数）内に入る粒状活性炭および炭素微粒子の量を低減するように最適化される。従って、本発明の方法およびシステムは、活性炭使用に関連する操作上の利点を提供しつつ、膜に影響する炭素顆粒または粒子に起因する摩耗およびファウリングを最小化する。

混合液中の粒状活性炭の濃度は一般的には、施設の排出要求を満足するように、生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制有機化合物または無機化合物の特定の組み合わせを処理するための特定のシステムパラメータおよび廃水に基づいて決定される。試験によれば、（用いられる特定の膜生物反応槽構成の通常の範囲内の）典型的な混合液浮遊固形物の濃度および（全混合液浮遊固形物の濃度の）約２０％の粒状活性炭濃度と共に膜生物反応槽を動作させると、スクリーニングシステムに対するファウリング問題を引き起こすこと無く、廃水フィード中に存在する生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制有機化合物の除去に適していることが分かっている。より高濃度の粒状活性炭を付加して処理アプセットに対してさらなる安全マージンを提供することで、廃水中の生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制有機化合物または無機化合物を通常よりも高濃度にすることができる。このさらなる粒状活性炭に起因して、スクリーニング要求もより厳しくなる点に留意されたい。使用可能でありかつ必要廃水品質を達成することが可能な粒状活性炭の最低濃度は、特定のシステムおよびプロセスに対して適しているとみなされている処理アプセットに対する安全レベルに基づいて、経験的に決定することが可能である。

膜動作システムタンクの上流の粒状活性炭を用いて有機および無機物質（生物学的に難溶性の物質、バイオ抑制またはその他の物質）の吸着ならびに懸濁溶媒膜生物反応槽の提供を行う本明細書中の本発明は、多様な異なる構成に合わせて適用可能である。加えて、多様な分離デバイスを用いて、曝気槽中の粒状活性炭を維持することも可能である。当業者の一員であれば、システムが異なる場合には、廃水の個々の特性および施設の据え付け先となる領域に基づいて、得られる経済的恩恵も異なってくることを理解するであろう。

最適な処理条件を得るために制御される要素を挙げると、粒状活性炭の種類（例えば、混合液中の顆粒懸濁液に対する（粒状活性炭を懸濁溶媒として維持するための）活性炭サイズ、形状、硬度、比重、沈降速度、必要な空気流（または他の懸濁液の必要性）、炭素の由来および炭素ソースの処理、スクリーンバー間隔または開口サイズおよび穴構成、混合液中の粒状活性炭の濃度、混合液の揮発性浮遊固形物の濃度、混合液浮遊固形物の全濃度、膜動作システムタンクに入る混合液の流量で返送活性スラッジ流量を除算した比、水理学的滞留時間およびスラッジ保持時間）がある。この最適化により、廃水中の生物学的に難溶性の有機物質を粒状活性炭に吸着させ、生物学的に難溶性の有機物質の一部を吸着させ、混合液中で懸濁している粒状活性炭により、生物学的酸素要求量化合物（ＢＯＤ_５）、バイオ抑制化合物、無機化合物および細胞外高分子物質を容易に分解させることができる。

有効量のいくつかの既知の生物学的に難溶性の化合物（例えば、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、フタル酸ジ−ｎ−ブチル、２、４−ジニトロフェノール、２、４−ジニトロトルエン、メチル第３ブチルエーテル（ＭＴＢＥ）、および確認されていない化学的酸素要求量化合物）を除去するように決定された特に適した種類の粒状活性炭を挙げると、有効粒サイズが約０．５ミリメートル〜約０．６ミリメートルでありかつ（２０℃の水中で）約１．０５〜約１．１０の比重を有するものがある。さらに、所望の粒状活性炭の硬度レベルは、相互衝突に起因する微粒子および他の粒子状物の発生を最小化する。本発明との使用において特に有用な粒状活性炭を揚げると、木材、ココナツ、バガス、おがくず、泥炭、パルプ工場廃棄物、または他のセルロース由来の物質から得られた粒状活性炭がある。適切な一例として、MeadWestvaco Nuchar（登録商標）WVBがあり、この材料の公称メッシュサイズは、（米国標準篩シリーズに基づいた）１４ｘ３５である。

活性炭の顆粒により、混合液中の微生物を吸着することが可能な吸収部位が得られ、また、水理学的滞留時間およびスラッジ保持時間の比例的増加を引き起こすことなく、有機物質の高い除去効率が得られる。これらの吸収部位は、初期は、生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制有機化合物および無機化合物に対する吸収部位として機能する。上述したように、微生物は最終的に廃水中の特定の化合物に対して順応し、進化および成熟し、その結果、生物分解が増大する。これには、生物学的に難溶性の化合物の生物分解も含まれる。なぜならば、これらの微生物は、曝気槽における典型的な滞留時間よりもより長時間にわたって、粒状活性炭の細孔内に維持されることが可能だからである。加えて、成熟微生物への曝露時間が長期化するため、特定のバイオ抑制化合物を再度実際に分解させることも可能となる。

このプロセスおよびシステムによる、生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制有機化合物および無機化合物の顕著に向上した除去は、この技術の複数の機能（その例を非限定的に挙げると、粒状活性炭吸着、懸濁溶媒生物学的廃水処理、付着増殖／固定膜生物学的廃水処理および膜生物反応槽廃水処理技術がある）の組み合わせの結果得られるものである。本発明のプロセスおよびシステムにおいて、膜生物反応槽の膜動作システム内に入る混合液から分離された粒状活性炭を用いることにより、構築コスト、運転コストおよび維持コストの低い単一の廃水処理システムにおいて、これらの処理技術の利点を全て実現することが可能になる。

本発明の装置による恩恵は、廃水中の生物学的に難溶性の有機物質を粒状活性炭に吸着させることにより、混合液中の微生物に対し、可能な最短の水理学的滞留時間およびスラッジ保持時間において、生物学的に難溶性の有機物質を消化するためのさらなる時間を与えることができる点である。混合液固形物の濃度が特定の膜生物反応槽システムの動作を混乱させるくらいに高濃度となるくらいまでスラッジが増加した場合に、スラッジを廃棄物活性スラッジと共に装置から排出する。

上記システムおよび方法の別の恩恵は、混合液中に懸濁する粒状活性炭により、生物学的に難溶性の有機物質、バイオ抑制化合物および無機化合物の一部を吸着することである。吸着により、返送活性スラッジラインから廃棄物活性スラッジと共にではなく曝気槽から（廃棄物ポート１１６により）余分な混合液を廃棄することにより、これらの化合物を装置から（必要な場合に）除去することができ、その結果、排出物中の難溶性有機物質、バイオ抑制化合物および無機化合物の濃度が低下し、膜生物反応槽中のバイオマスがより安定化する。

本発明の装置のさらに別の恩恵は、混合液中の細胞外高分子物質を粒状活性炭によって吸着することである。これらの物質を吸着することにより、膜ファウリング率が低下し、膜貫通圧低下の経時的増加率が低下し、発泡傾向が低下し、また一般的には膜生物反応槽の動作がより安定化する。このような改善されたシステムおよびプロセスのこの機能は、衛生廃水膜生物反応槽ならびに油性および／または産業廃水膜生物反応槽と共に有利に用いることができる。

本発明の装置のさらに別の恩恵は、混合液浮遊固形物中の微生物が付着できる場所を提供する点である。上記プロセスのこの側面により、アプセット条件に対してより柔軟に応答する混合液の揮発性浮遊固形物ストリームが得られ、かつ、非粒状活性炭増強型の膜生物反応槽を同様の水理学的滞留時間およびスラッジ保持時間で動作させた場合と比較して、廃水中に存在する有機物質の生物分解を向上させることができる。粒状活性炭の細孔空間内の微生物のソースは、混合液内で自由に浮遊している生存微生物の一部が上流処理アプセットに起因して失われた場合に、種バクテリアのソースとして機能する。上記システムにおいて熱衝撃が発生した場合には、従来のシステムでは特定のバクテリアの死滅に繋がるが、細孔空間内の微生物のうち一部が生き残ることができ、よって、粒状活性炭を用いない従来のシステムと比較して数分の一の回復時間だけですむ。例えば、バクテリアが中等温度好性であるシステムにおいて温度上昇に起因する熱衝撃が発生した場合には、粒状活性炭により、細孔部内の一部のバクテリアが生き残ることができる。同様に、バクテリアが好熱性であるシステムにおいて温度低下に起因する熱衝撃が発生した場合には、粒状活性炭により、細孔部内の一部のバクテリアが生き残ることができる。これらの状況どちらにおいても、培養物による再順応に必要な時間を大幅に低減することができる。

本発明の装置のさらに別の恩恵は、水理学的滞留時間およびスラッジ保持時間の比例的増加を引き起こすこと無く、有機物質の除去効率が高い点である。その結果、膜生物反応槽における動作上の問題の原因となり得る細胞外高分子物質の発生が低減する。

上記において特定した五つの恩恵を組み合わせることにより、混合液による廃水フィードへの順応がより高速化され、膜ファウリングが低減し、フィード濃度および流量の変動に対する許容値が改善され、生成されるスラッジはより迅速に脱水することができ、スラッジはより油分が少ないため取り扱いがより容易であり、また、廃水中の有機不純物および無機不純物の濃度も、従来の膜生物反応槽装置の場合よりも低くすることができる。

粉末活性炭の代わりに粒状活性炭を用いることにより、粉末活性炭膜生物反応槽の試験において問題として特定されている膜ファウリングおよび摩耗を無くすことができる。

粉末活性炭の代わりに粒状活性炭を用いた場合には、重量ベースでは炭素を効率的に用いることはできないものの、炭素を混合液からフィルタリングすることができ、かつ、膜の摩耗およびファウリング損傷が無くなる。しかしながら、粉末活性炭の代わりに粒状活性炭を用いた結果得られる吸着効率の低下による影響により、活性炭増強型膜生物反応槽装置全体の有効性は大きく影響されない。

試験によれば、生物学的に難溶性の有機物質の主な除去メカニズムは、粉末活性炭増強型装置内の微生物へ難溶性有機物質を露出させる滞留時間の増加に関連することが分かっている。混合液揮発性浮遊固形物中の微生物は、粒状活性炭上に吸着されると、難溶性有機物質および非難溶性有機物質をより長時間にわたって消化する。生物分解のための滞留時間の増加は、膜生物反応槽廃水中の生物学的に難溶性の有機物質および非難溶性有機物質の濃度の低下の主因であることが分かっており、所望の結果を達成するための粉末活性炭の吸着効率の増加は不要である。

炭素支援型膜生物反応槽中の粒状活性炭は、難溶性有機物質および細胞外高分子化合物の除去の向上の点において、粉末活性炭増強型膜生物反応槽と遜色ないかまたは粉末活性炭増強型膜生物反応槽を上回る機能を持つ。また、炭素支援型膜生物反応槽中の粒状活性炭は、より粒径が大きいため、膜動作システムタンク（単数または複数）内に入る混合液から有効にフィルタリングすることができる。本発明による粒状活性炭を用いることにより、粉末活性炭を用いた場合に生じる摩耗を無くすかまたは大幅に低減することができる。

膜生物反応槽内に置いて粉末活性炭粒子を用いた場合には、粒状活性炭システムについての上記利点と同じ利点が得られることが分かっているものの、膜動作システムタンク（単数または複数）内の粉末活性炭粒子に起因する膜摩耗を観察したところ、当該膜の耐用年数が受容不可能なレベル（例えば、典型的な膜保証よりも大幅に低いレベル）まで低下し得るため、粉末活性炭粒子に起因する膜摩耗は受容不可能である。膜にかかるコストは、膜生物反応槽システムのコスト全体のうち大きな部分を占めるため、膜の耐用年数は、膜生物反応槽システムの運転コストにおける重要な要素である。

（実施例）
パイロット規模のプログラマブル論理制御による膜生物反応槽システム（Petro（登録商標）MBRパイロットユニット（Siemens Water Technologies、ロスチャイルド、ウィスコンシン、アメリカから販売））において曝気槽を無酸素部と共に設け、容量をおよそ1,000ガロン（パイロット規模のため）とし、市販の膜生物反応槽システムに相当する膜動作システムを、本発明中記載の粒状活性炭の付加に対応できるように改変した。混合液を曝気槽から膜動作システムへと移送するポンプの入口に、ウェッジスクリーンを設けた。

ベースの合成供給原料中に含まれる水に、以下の濃度の有機／無機物質を含めた：48グラム／リットルの酢酸ナトリウム、16グラム／リットルのエチレングリコール、29グラム／リットルのメタノール、1.9グラム／リットルの水酸化アンモニウム、および0.89グラム／リットルのリン酸。水酸化アンモニウムおよびリン酸を、膜生物反応槽システム内のバクテリアのための適切な栄養バランスのソースとした。

高濃度の生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制有機化合物を有するサンプル精製混合物を調製した。詳細には、サンプル精製混合物内に、以下の濃度の生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制有機化合物を含めた：90ミリグラム／リットルのＥＤＴＡ、30ミリグラム／リットルのフタル酸ジ−ｎ−ブチル、120ミリグラム／リットルの２、４−ジニトロフェノール、21mg/Lの２、４−ジニトロトルエン、および75ミリグラム/リットルのＭＴＢＥ。精製混合物を無酸素タンクへと供給した。

先ず、粒状活性炭無しで膜生物反応槽を動作させて、ベースラインを得た。粒状活性炭の付加の前に、廃水中の生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制有機化学的酸素要求量（ＣＯＤ）化合物のうち約92％だけを除去することとし、膜生物反応槽を完全順応させるような長期間の生物学的順応の後に、これらの化合物のうち約8％（ＣＯＤとして測定）が廃水内に入ることとした）。

粒状活性炭の有効性を判定するため、公称メッシュサイズが１４×３５（米国標準篩シリーズに基づく）であるMeadWestvaco Nuchar（登録商標）WVBを3800グラムだけ曝気槽に付加し、送風機から曝気槽へと供給される空気を調節して、75標準立法フィート／分（ＳＣＦＭ）を曝気槽に供給した。曝気槽に付加する粒状活性炭の量は、ユニット中の混合液浮遊固形物の20パーセントに基づき、これは、およそ5000ミリグラム／リットルであると決められた。

粒状活性炭の順応後、膜動作システム廃水全体は４％未満であった。すなわち、ＣＯＤとして測定された生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制有機化合物のうち96％よりも多くを除去することができた。図３は、生物学的に難溶性の化合物およびバイオ抑制化合物のフィード濃度（単位：ミリグラム／リットル）と、膜生物反応槽システムの多様な段階における残留廃水濃度（単位：処理前値に対する百分率）とを示すチャートである。詳細には、図３は、廃水濃度についての、粒状活性炭（ＧＡＣ）の付加前と、順応期間中と、順応後との間の比較を示す。粒状活性炭を上記システムに付加した後は、廃水ＣＯＤ濃度の非常に大きな初期低下があり（これについては図３中図示していない）、この低下は、粒状活性炭の吸着能が１日未満で消尽したことに起因する。その後、廃水ＣＯＤ濃度は、炭素吸着能の消尽後に約6.5％まで増加し、炭素およびバイオマスは、ＣＯＤとして測定される生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制有機化合物を共に消化し始める。粒状活性炭の表面上に前記バクテリアが完全に確立した後（これは、電子顕微鏡評価により確認された）、付着増殖／固定膜システムの恩恵が明らかとなった。前記廃水中の残留ＣＯＤは、フィードＣＯＤの４％まで低下した。すなわち、生物学的に難溶性の物質またはバイオ抑制有機化合物の高濃度フィードに対し、ＣＯＤ除去効率は96％を越えた。

本発明の方法および装置の使用により、膜動作システムタンク（単数または複数）内に炭素が入らないようになるため、膜の閉塞および摩耗が無くなる。より大きなサイズの炭素顆粒を用いることにより、炭素顆粒スクリーニングおよび／または分離が可能となる。他方、小さな粒径の粉末活性炭を用いた場合、当該粉末活性炭が混合液から効果的に濾過される事態が回避される。

本発明の方法および装置について上記および添付図面において説明してきた。しかし、当業者にとって、改変例が明らかであり、本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲により規定されるべきである。

Claims (24)

1. 処理された廃水中の生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制化合物の濃度を低減するための膜生物反応槽産業廃水処理システムであって、
   産業廃水ストリームを曝気するための曝気槽であって、前記槽は廃棄物排出ポートを含む、曝気槽と、
   前記曝気槽中の一つ以上の廃棄物を消化する細菌性微生物の集団と、
   前記曝気槽内に粒状活性炭を導入するための、前記曝気槽と連結した一つ以上の粒状活性炭入力場所と、
   前記曝気槽中の、曝気された粒状活性炭の懸濁液であって、前記曝気された粒状活性炭の懸濁液は、前記廃水ストリームからの生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制化合物をその表面上に吸着させ、かつ、廃棄物を消化する活性の細菌性微生物をその細孔内に保持する、曝気された粒状活性炭の懸濁液と、
   前記曝気槽の下流に配置された一つ以上の膜を含む膜動作システムタンクであって、前記膜動作システムタンクは、前記曝気槽からの混合液を受け入れ、処理された廃水を排出する、膜動作システムタンクと、
   前記曝気槽内に配置された細篩または分離サブシステムであって、前記細篩または分離サブシステムは、前記曝気槽内の前記粒状活性炭を前記混合液と共に維持し、かつ、前記粒状活性炭の少なくとも大部分が前記膜動作システムタンクへと通過するのを回避する、細篩または分離サブシステムと、
   を含み、
   生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制化合物を除去するための前記粒状活性炭の有効性が、前記処理システムの要求と関連付けられた順守レベルに近いレベルまで低下した場合には、前記廃棄物排出ポートは、前記曝気槽から粒状活性炭を除去するように動作するシステム。
2. 処理された廃水中の生物学的に難溶性の、及び/又は、バイオ抑制化合物の濃度を低減するための廃水処理システムであって、
   混合液を備えた前記曝気槽中で粒状活性炭を維持するために構成され配置された分離サブシステムと、生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制化合物を除去するための前記粒状活性炭の有効性が、前記処理システムの要求と関連付けられた順守レベルに近いレベルまで低下した場合には、前記曝気槽から前記粒状活性炭を取り除くために構成され配置された廃棄物排出ポートと、粒状活性炭入力場所と、を含む曝気槽と、
   前記曝気槽の下流に配置され、前記曝気槽から混合液を受け取り、かつ前記処理された廃水を放出するために構成され配置された膜動作システムタンクと、を含むシステム。
3. 前記一つ以上の粒状活性炭入力場所のうち少なくとも一つは、前記曝気槽の上流にあるか、前記曝気槽と直接連通するか、または、前記膜動作システムタンクから排出される返送活性スラッジストリームと連通する請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記粒状活性炭の有効顆粒サイズは、少なくとも0.3ミリメートルである請求項１または２に記載のシステム。
5. 前記粒状活性炭の有効顆粒サイズは、0.5ミリメートル〜1.4ミリメートルである請求項１または２に記載のシステム。
6. 前記粒状活性炭は、生物学的に難溶性の有機物質、バイオ抑制化合物、無機化合物及びそれらの組み合わせ、からなるグループから選ばれた前記廃水ストリームからの化合物を吸着する請求項１または２に記載のシステム。
7. 前記曝気槽は脱窒部を含む請求項１または２に記載のシステム。
8. 前記粒状活性炭は、前記脱窒部から分離された前記曝気槽内で維持される請求項７に記載のシステム。
9. 前記粒状活性炭は細孔空間を有し、前記細孔空間内において、微生物が付着し、前記廃水ストリーム内の生物学的に難溶性の化合物を消化するさらなる微生物を生成する請求項１または２に記載のシステム。
10. 前記廃水は油を含む請求項１または２に記載のシステム。
11. 前記粒状活性炭は、水中で20℃において、1.05〜1.10の特定の比重を有する請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記粒状活性炭は、木材、ココナツ、バガス、おがくず、泥炭、パルプ工場廃棄物、および他のセルロース由来の物質からなる群から選択された物質から由来する、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
13. 生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制化合物を含む産業廃水ストリームを浄化するプロセスであって、
    前記廃水ストリームを種バクテリア培養物と共に曝気槽内に導入して、混合液を生成するステップと、
    前記曝気槽内に粒状活性炭を導入するステップと、
    前記曝気槽内の懸濁液中で前記粒状活性炭を維持するステップと、
    前記粒状活性炭の細孔内の成熟微生物が成長するのに十分な期間だけ、前記粒状活性炭を前記曝気槽内に残留させるステップであって、前記成熟微生物は、前記粒状活性炭によって吸着される前記生物学的に難溶性の物質および／またはバイオ抑制化合物の処理において有効である、ステップと、
    前記曝気槽内のまたは前記曝気槽の下流のスクリーンまたは分離システムを通じて前記曝気槽からの混合液廃水を送って、実質的に粒状活性炭を含まない前記混合液廃水を膜動作システムタンクに導入するステップと、
    前記粒状活性炭の有効性が、所定のレベルに低下した場合には、前記曝気槽から前記粒状活性炭の一部を除去するステップと、
    前記曝気槽へより大きな有効性がある追加の粒状活性炭を導入するステップと、
    を含むプロセス。
14. 廃水ストリームを浄化するプロセスであって、
    混合液を生成するために、種バクテリア培養物と共に曝気槽へ前記廃水ストリームを導入し、
    前記曝気槽へ粒状活性炭を導入し、
    前記粒状活性炭によって吸着される、前記生物学的に難溶性の、及び/又は、バイオ抑制化合物を処理するのに有効である、前記粒状活性炭の細孔内の成熟微生物が成長するのに十分な期間だけ前記曝気槽内に前記粒状活性炭を残留させ、
    前記曝気槽から実質的に粒状活性炭を含まない混合液廃水を膜動作システムタンクに通し、
    前記粒状活性炭の有効性が、所定のレベルに低下した場合には、前記曝気槽から前記粒状活性炭の一部を除去し、
    前記曝気槽へより大きな有効性がある追加の粒状活性炭を導入する、ことを含むプロセス。
15. 前記曝気槽から排出された前記混合液をスクリーニングすることにより、前記曝気槽内に前記粒状活性炭を維持または保持する請求項１３または１４に記載のプロセス。
16. 前記実質的に粒状活性炭を含まない前記曝気槽からの混合液廃水を通す工程は、
    前記曝気槽から放出した前記混合液をスクリーニングすることを含む請求項１３または１４に記載のプロセス。
17. 前記粒状活性炭の一部の除去工程は、粒状活性炭を含む混合液の廃棄を含む請求項１３または１４に記載のプロセス。
18. 前記粒状活性炭の有効性が順守要求レベルに近いレベルまで低下した場合に前記粒状活性炭の一部を前記曝気槽から廃棄するステップと、より高い吸着能を有するさらなる粒状活性炭を前記曝気槽内に導入するステップとをさらに含む請求項１３または１４に記載のプロセス。
19. 前記粒状活性炭の一部の廃棄は、粒状活性炭を含む混合液の廃棄を含む請求項１８に記載のプロセス。
20. 前記粒状活性炭は、水中で20℃において、1.05〜1.10の比重を有する請求項１３〜１９のいずれかに記載のプロセス。
21. 前記粒状活性炭は、木材、ココナツ、バガス、おがくず、泥炭、パルプ工場廃棄物、および他のセルロース由来の物質からなる群から選択された物質から由来する、請求項１３〜１９のいずれかに記載のプロセス。
22. 膜生物反応槽によって処理される産業廃水ストリームを処理するプロセスであって、
    曝気槽内に含まれる混合液中で粒状活性炭を懸濁させるステップと、
    スクリーンまたは分離システムを通じて前記混合液を送って、前記曝気槽内の前記粒状活性炭を保持した後、前記混合液と、前記曝気槽の下流の膜動作システムの膜とを接触させ、これにより、前記混合液は、前記膜を摩耗し得る粒状活性炭を実質的に含まない、ステップと、
    を含むプロセス。
23. 廃水ストリーム処理する方法であって、
    曝気槽に含まれる混合液中の粒状活性炭を懸濁させ、
    分離された廃水を形成するために、前記曝気槽中の前記粒状活性炭を保持するために前記曝気槽にある分離システムを通して前記混合液を通し、
    処理された廃水を形成するために膜動作システムタンクの入口に前記分離された廃水を導入し、
    入口の廃水ストリーム及び前記処理された廃水の少なくとも1つの特性に応じて、前記曝気槽からの粒状活性炭を含む前記混合液の少なくとも一部を除去する、ことを含むプロセス。
24. 前記曝気槽の上流、前記曝気槽中、及び、返送活性スラッジストリームの中、を含む1以上の場所で追加の粒状活性炭を導入することをさらに含む請求項２３に記載のプロセス。
    

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