JP5945342B2 - 廃水の生物学的浄化のための方法及びリアクタ - Google Patents

Description

本発明は、１つ以上の入口及び出口ゾーンを備え、水及び基質を生物膜用担体エレメントと接触させるリアクタにおける、水の生物学的浄化のための方法に関する。また、本発明は、前記方法の実施及び生物膜汚泥の分離のためのリアクタに関する。

リアクタは、都市下水及び工場排水、処理水、養殖施設からの水、及び飲料水の、好気的、嫌気的、及び無酸素的浄化用にアレンジし得る。プロセスは、バイオマスが担体エレメント上に定着されて生物膜を形成するという原理に基づく。担体エレメントは、出口装置を利用してリアクタ内の適所に保持される。リアクタ内の担体エレメントの充填度は非常に大きく、そのため通常の稼働中にそれらが自由に動くことはない（束縛運動）。水の比重量に比較的近い比重量をもつ既知のタイプの担体エレメントは、全て使用可能である。市販されている他のいくつかの生物膜法に比べ、本発明は、水中に吹き込まれた空気からの酸素のより良好な移動と、生物膜への水及び基質のより良好な輸送とをもたらすことができ、よりコンパクトでエネルギー需要の少ない設備をもたらし得るものである。

数多くの機械的、化学的、及び生物学的な水の浄化法が知られている。生物学的浄化は、微生物の培養物が水中で物質の所望の変換を実行することを必要とする。生物学的浄化は、大部分が機械的及び化学的浄化法と組合される。

生物学的浄化は、汚水の浄化にしばしば使用される。伝統的には、生物学的浄化は有機物質の除去に関して完全に優位を占めてきており、かつ、ここ数年間で、生物学的浄化はまた窒素の除去（硝化、脱窒、嫌気性アンモニア酸化）についても優位を占めるようになり、またリンの除去（生物学的リン除去）についても比較的一般的になってきている。

好気的、無酸素的、及び嫌気的な生物学的プロセスには区別がある。好気プロセスでは、微生物は電子受容体として分子状酸素を必要とする。無酸素プロセスについては、分子状酸素の不在に依存し、かつ微生物は電子受容体として硝酸塩又は硫酸塩を使用する。窒素の生物学的除去では、アンモニウムを酸化して硝酸塩とする好気プロセスを、硝酸塩を還元して分子状窒素ガスとする無酸素的プロセスと組合せる。嫌気プロセスは、酸素の不在下に行なわれ、水中の有機物質は、電子供与体及び電子受容体の双方となる。嫌気プロセスは、有機物質からなる高度に濃縮された工業廃棄物には最も適しており、完全に分解した状態では、最終産物はメタンと二酸化炭素との混合物（バイオガス）となる。

生物学的浄化に必要な微生物は、原則的に、バイオリアクタ内の水相中に懸濁させることもでき、或いはバイオリアクタの表面に付着させることもできる。懸濁された微生物を用いるプロセスは、活性汚泥法と称される。活性汚泥法においては、微生物は、下流のリアクタ内で水から分離されかつバイオリアクタへ戻される、綿状沈降物を形成し得る必要がある。別法として、懸濁された微生物がバイオリアクタ内の適所に保持され、淨化された水が、細孔開口が非常に小さいため微生物がバイオリアクタ内に引き止められる膜を通して、リアクタから排水されるようにすることができる。これは、膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）法として知られる。

微生物が表面に付着されるプロセスは、生物膜法と称される。水の浄化に使用される生物膜法の例は、散水濾床、回転型生物学的接触器、浸水生物学的濾過器、移動床法、及び流動床法である。浸水生物学的濾過器には、プラスチック製の比較的開放性の担体媒体を備えた濾過器と、半径の小さい担体媒体（砂、ルカ（Ｌｅｃａ）ビーズ、小さいポリスチレンビーズ）を備えた濾過器との双方が含まれる。半径の小さい担体媒体を備えた浸水生物学的濾過器は、比較的急速に生物学的汚泥で詰まり、逆洗及び汚泥除去ために操作を中止する必要がある。静止したまま置かれている開放性の担体媒体を備えた浸水生物学的濾過器は、比較的長時間の水の連続した供給のために稼働し得るが、大きい担体媒体と開放性の構造とを備えた濾過器であっても、そのうちには詰まることが経験的に示されている。生物膜法では、微生物はバイオリアクタ内で担体物質の表面上に固定されているため、生物膜法自体は、下流の汚泥分離とは無関係である。

懸濁された微生物を用いるプロセスと、固定された微生物を用いるプロセスとを、同じリアクタ内で組合せることは、ＩＦＡＳ（統合固定膜及び活性汚泥）法として知られている。ＩＦＡＳ法は、活性汚泥を、回転型生物学的接触器、開放性の担体媒体を備えた浸水生物学的濾過器、又は移動床法のいずれかと組合せて含むものとされてきた。

全体的には、明らかに、懸濁された微生物を用いた生物学的な浄化プラントが多いが、生物膜法はますます一般的になりつつある。その理由には、活性汚泥法が多くの不都合を有することがある。汚泥と水との分離を制御することは、しばしば困難である。これは、汚泥の大規模な損失を招き得るものであり、最悪の場合、生物学的プロセスは崩壊し、それに付随した結果がレシピエントにもたらされる。別の不都合は、従来の活性汚泥法が、非常に大きな容積をリアクタにも沈殿槽の汚泥分離にも必要とすることである。しかしながら、従来の活性汚泥法の利点は、水が開放型リアクタ内で処理されることであり、リアクタが詰まっていく危険性はない。

膜バイオリアクタ法（ＭＢＲ）は、ごく小さい細孔開口を備えた膜を用いて活性汚泥を水から分離する、比較的新しい技術である。この技術を用いることで、従来の活性汚泥法の場合よりもかなり小さいリアクタ容積での管理が可能であり、かなり高濃度の微生物をリアクタ内に保持するようにすることができる。さらに、浄化された水には、懸濁された物質が含まれない。このプロセスの不都合は、まだ非常にコストがかかること、水を充分に前処理して、膜の目詰りをもたらし得る物質を除去する必要があること、膜を定期的に洗浄して、耐水圧性能を維持する必要があること、及びエネルギー消費が比較的高いことである。

従来の散水濾床は、廃水浄化のための使用に最初に取入れられた生物膜法である。初めは、散水濾床は石で充填されたが、今日の散水濾床では、生物膜がその上で成長するよう表面積の大きいプラスチック物質で充填される。今日の散水濾床は比較的高さがある。水は、散水濾床の最上部にポンプ揚水され、表面全体の上に均一に散水される。酸素の供給は、自然の通気によって行われる。散水濾床では、水の量、物質の負荷、及び酸素の自然の供給を、全てが最適となるように調整することは難しい。散水濾床の上部では、生物膜が充分な酸素を得られないことは比較的一般的である。それ故、散水濾床は通常、変換速度が低く、他の生物膜法よりも大きいリアクタ容積を必要とする。目詰まりしていくことを避けるため、生物膜媒体は比較的開放性であり、比生物膜面積（リアクタ容積（ｍ^３）当たりの生物膜（ｍ^２））は、比較的小さくなる。このことはまた、リアクタ容積の増大ももたらす。開放性の生物膜媒体を用いても、散水濾床の目詰まり及び流路形成は周知の問題であり、これらは散水濾床の各部を、粒子状物質をすすぎかつ生物膜を散水濾床の外に放出するのに充分大きい水圧負荷に繰り返し供することを確保することで、管理下に維持し得る。多くの場合、このことは散水濾床の上に水を再循環させる必要があることを意味する。何メートルもの高さのせいで、揚水のためのエネルギーコストは相当なものになり得る。

回転型生物学的接触器は、１９７０年代に非常に一般的になった生物膜法である。原理は、水槽中でゆっくり回転する横軸に固定された波状表面をもつ円形ディスクを備えることである。ディスクは、一部分が水中に沈められ、生物膜がディスク上で定着し、ディスクが回転するとき、水相から汚染物質を、また空中から酸素を交互に取り込む。回転型生物学的接触器システムのもつ大きな不都合は、それらが組み立て式のローターに基づくことであり、それによりシステムはあまりフレキシブルでないものとなる。水槽は全て、回転型生物学的接触器の大きさに適合させる必要がある。また、回転型生物学的接触器については、生物膜の厚さの制御を管理し得ないことから、重量が重すぎて軸が破損するか又は生物膜がばらばらになることによってしばしば引き起こされる、重要な機械的問題があることも判明している。それ故、過去２０年間に建てられた回転型生物学的接触器プラントはごくわずかである。

比較的開放性の生物膜媒体を備えた浸水生物学的濾過器は、原則的に、今日の散水濾床と同一タイプのプラスチック物質を使用する。プラスチック物質は静置状態で、リアクタ内で水に浸され、酸素はリアクタの底のディフューザー型エアレーターを介して供給される。このタイプの浸水生物学的濾過器の問題は、バイオマスの成長及び水路の形成に由来する目詰まりである。水及び空気は、最も抵抗の少ない経路をとり、曝気されたリアクタ内でゾーンが形成され、ここにバイオマスが蓄積されて嫌気的状態を生じる結果となる。別の不都合は、静置された生物膜媒体の下のエアレーターへ手が届かないことである。エアレーターの維持又は交換のためには、まず生物膜媒体をリアクタから取り出す必要がある。

直径の小さい担体媒体（砂、ルカ（Ｌｅｃａ）ビーズ、小さいポリスチレンビーズ）を備えた浸水生物学的濾過器は、生物膜の表面積が非常に大きい。担体媒体は、通常の稼働中は静置されているが、このタイプの濾過器は生物汚泥で詰まり、逆洗及び汚泥除去のために操作を中止する必要がある。このプロセスは、廃水中の粒子に影響されやすく、多量の懸濁物質を含む廃液の場合、各フラッシング間の稼働サイクルは非常に短くなる。逆洗及びリアクタの底にエアレーターを設置するための備品のため、このタイプの生物膜リアクタの構築は複雑である。このタイプの生物膜リアクタの一般的な名称は、ＢＡＦ（生物学的曝気濾過器）であり、最もよく知られた商標名は、バイオスチル（Ｂｉｓｔｙｒ）、バイオカーボン（Ｂｉｏｃａｒｂｏｎｅ）、及びバイオフォー（Ｂｉｏｆｏｒ）である。ＢＡＦリアクタは、下向流や上向流を起こすことができる。特許文献６及び７はともに、槽の下の方に設けられ、孔が開けられているか、またはフィルタノズルを備えたフィルタ上に載った充填床を用いた従来のＢＡＦ法の例を示している。その例においては、水は下向きに流され、濾床に詰まりが生じたときには、処理された（洗浄された）水のみか、または処理された水と空気を組み合わせたものによって濾床が逆洗される。

移動床リアクタでは、生物膜は、リアクタ内を自由に浮遊して回る担体物質の上で成長する。担体物質は、フォームラバー又はプラスチックの小エレメントのいずれかとされてきた。フォームラバー片を使用するプロセスは、キャプター（Ｃａｐｔｏｒ）及びリンポー（Ｌｉｎｐｏｒ）の名称で知られる。フォームラバー片についての不都合は、有効生物膜面積が小さすぎて、フォームラバー片の外側での増殖が細孔を詰まらせ、基質及び酸素のフォームラバー片の内部への進入を妨げることである。さらに、フォームラバー片がリアクタを出ていくのを妨げる篩を使用する必要があり、また定期的にポンプを使用してフォームラバー片を篩から離し、これらが詰まるのを防ぐシステムが必要である。それ故、フォームラバーを担体物質として用いたプラントは、ほとんど建設されていない。

しかしながら、近年は、担体物質がプラスチックの小片である移動床を備えた一連の浄化プラントが建設されてきている。プラスチック片は通常、水の容積全体に均一に分布し、実際には約６７％という生物膜媒体の充填度で稼働される。篩により、プラスチック片はリアクタ内の適所に保持される。リアクタは、逆洗を必要とせずに連続的に稼働される。特許文献１は、３０ないし７０％の充填度で稼働され、かつ粒子が自由に移動するものを記載している。担体は、０．９０−１．２０の比重量を有する。この特許はまた、リアクタの内容物の充分な攪拌を確保するための攪拌装置を有することも記載している。生成された汚泥の、次に続く分離プロセスへの安定した流れがある必要があり、それによって、粒子の負荷が活性汚泥の分離のためのものよりもはるかに小さくなるようにすることが重要である。また、このことは、定期的に逆洗することによる生物濾過法とは対照的に、連続的であることにも注目される。このプロセスは、バイオリアクタの形態については非常にフレキシブルである。生物膜の比表面積は、散水濾床及び回転型生物学的接触器に比べて大きいが、ＢＡＦ法におけるものよりもかなり小さい。しかしながら、全容積を基準にすれば、小さいプラスチック片の担体物質を用いた移動床法は、ＢＡＦ法において濾床を広げるため及び貯水槽を逆洗するために要する余分の容積を考慮に入れれば、ＢＡＦ法と同程度に効率的であることが判明している。小さいプラスチック片を担体物質として用いる移動床法の製造業者の例は、アノックス・カルドネス（Ａｎｏｘ Ｋａｌｄｎｅｓ）、インフィルコ（Ｉｎｆｉｌｃｏ）、デグレモン（Ｄｅｇｒｅｍｏｎｔ）、及びヒドロキシル・システム（Ｈｙｄｒｏｘｙｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）である。

流動床法では、生物膜は、砂の小粒子上で成長する。操作原理は、砂が流動化されるほどの高速で、リアクタの底に水がポンプ注入されることに基づいている。かかる系では非常に大きい生物膜表面積が達成され、好気プロセスでは、充分な酸素を供給することが問題になる。通常、水を何回も再循環して、砂を流動化するのに充分に強い流れを得、また再循環された水の流れを空気又は純粋な酸素で飽和させることにより、酸素が供給される。揚水のコストは大きくなり得る。フルスケールのプラントでは、砂床全体を流動化させるように水を分配するという問題がある。また、生物膜が砂粒の比重量を変えることで、多くの生物膜を付けた砂粒が少ない生物膜をつけた砂粒よりもかなり低い水の循環速度で流動化するという問題もある。それ故、砂及びバイオマスを失うことなくこのプラントを稼働することは難しくなる。

本発明は、微生物用の増殖表面が、通常の稼働では自由に移動し得るのではなく、その移動が非常に制限されるか又は移動が妨げられるように非常に密に詰められている、担体エレメントからなる生物膜プロセスを含んでなる。理想的な担体エレメントは、担体エレメントを通して水が流れ、かつ水、基質、及び生物膜の間に良好な接触が確保されるよう、保護された広い表面積と大きい細孔容積とを有する。水の比重量に比較的近い比重量をもつ既知のタイプの担体エレメントは、全て使用可能である。

担体エレメントの充填度は、移動床法におけるものよりも大きい。充填度が大きく、それ故担体エレメントの移動はないか又は移動が束縛されるため、生物膜と水との間の速度勾配は増大する。それ故、生物膜上の水の静止層の厚さは低減され、拡散に対する抵抗は低減され、基質及び酸素の輸送は改善され、変換の速度は増大する。生物膜エレメントは、余剰の汚泥をリアクタから洗い出すことが必要になる前に、できるだけ多くの汚泥を生物膜エレメントの上及び中に蓄えることができるように、大きな細孔容積を有することが望ましい。このようにすることで、各洗浄間に長い稼働時間を得ることができる。

水の生物学的浄化のためのリアクタは、特許文献２から知られている。リアクタは、生物膜用の担体エレメントを含有し、これらのエレメントの比重量は、０．７−０．９５であり、エレメント充填度はリアクタの有効容積の２０−９０％である。

上記記載の特許文献１から、水の浄化のための方法及びリアクタが知られている。水は、生物膜用の担体を充填されたリアクタ内に入れられる。これらの担体は、０．９０−１．２０ｋｇ／ｄｍ^３の範囲の比重量と、リアクタ容積の３０−７０％の担体の充填度とを有する。さらに、リアクタは混合装置及び、担体をリアクタ内に保持するための篩板の形態の器具も有する。

特許文献３は、水の浄化に関連して、担体エレメントの応用を記載している。担体エレメントは、水の入口がリアクタの最上部にあるリアクタ内に置かれる。担体は自由に懸濁され、０．９２−１．４０ｋｇ／ｄｍ^３の比重量を有する。

これら３つの公報により知られる担体は、自由移動の状態にある。

担体エレメントを網袋に入れて担体間の移動を防止する方法は、特許文献４により知られる。担体エレメントは、０．９５−０．９８の比重量を有する。担体を入れたこの網袋は、廃水処理のための数多くのリアクタにおいて使用し得る。

特許文献５は、水の浄化のための生物学的濾過装置を記載している。濾過装置は、担体エレメントが密に詰められた容器を含んでなり、ここで、これらは中空であり、かつ１．０１−１．２ｋｇ／ｍｌの比重量を有する。処理されることになる水は、容器の最上部の１つ以上の入口から導入される。

これら２つの公報により知られる担体は、全く移動しない。また、特許文献８は、粒状物の充填材を濾材とした、浮遊物質（ＳＳ）除去のための上向流濾過装置および方法を記載している。この装置には生物学的濾過器は用いられていないため、間欠的な逆洗を行う、従来の粒状充填材を用いる懸濁固体除去用の上向流濾過装置に非常に似ている。粒状充填材は、通常、濾過抵抗が増大するにつれて徐々に膨張していく。浮遊物質が処理した水の中に流出した場合には、処理前の原水の供給が止められ、洗浄用水供給管から供給される水と洗浄用空気供給管から供給される空気とを用いて濾材が逆洗される。この装置は浮遊物質を純粋に物理的に濾過するものであって生物学的な濾過ではないため、この装置の通常稼働時には空気は供給されない。

ノルウェー特許第１７２６８７Ｂ３号明細書 中国特許第１００３３７９３６Ｃ号明細書 ノルウェー特許第３１４２５５号明細書 特開平５−０６８９９１Ａ号公報 米国特許第６３８３３７３Ｂ１号明細書 特開２０００−１８５２９３号公報 特開２０００−５０３８９６号公報 特開平５−１３７９０６号公報

本発明は、リアクタへの連続的又は間欠的な水の供給と、生物膜エレメントから汚泥を除去するための入水による間欠的な洗浄とを有することを特徴とする、水の生物学的浄化法を含んでなる。

１つ以上の入口パイプ又は入口ゾーンを介してリアクタ内に水を導入し、高い保護表面積（＞２００ｍ^２／ｍ^３担体エレメント）及び大きい細孔容積（＞６０％）を有する、生物膜用の担体エレメントを通して水及び基質を導入し、余剰の汚泥の除去と除去との間は、ほぼ静止して保持されているか、又は移動が制限されることとして、通常の稼働における前記担体エレメントの充填度が、前記リアクタの液体容積の９０％−１００％、さらに好ましくは９２％−１００％、及び最も好ましくは９２％−９９％に対応する量となるときに、前記担体エレメントが、余剰の汚泥の除去のため流動化され、余剰の汚泥の除去と除去との間は、ほぼ静止して保持されているか、又は移動が制限されることとして、前記担体エレメントが、ほぼ０．８−１．４、好ましくは０．９０−１．１、及び最も好ましくは０．９３−０．９７の比重量を有するときに、前記担体エレメントが余剰の汚泥の除去のため流動化され、処理された水を１つ以上の出口ゾーン及び１つ以上の出口パイプに導入することを特徴とする。

エレメントは、好ましくは、リアクタ内の水位を一時的に上昇させて、エレメントの充填度が、リアクタの液体容量の９０％未満、さらに好ましくは８５％未満、及び最も好ましくは８０％未満となるように流動体化され、混合機構がリアクタ内に乱流を生じさせて、余剰の汚泥がエレメントから引きはがされ、かつ沈殿した汚泥が懸濁されるようにし、かつ、入口水が１つ以上の入口パイプ又は入口ゾーンからリアクタ内に導入され、かつこれにより、汚泥が１つ以上の出口ゾーン及び１つ以上の汚泥用パイプからリアクタの外に運び出され、かつ汚泥が除去されたとき、処理された水を１つ以上の出口パイプから排出して、通常の稼働中のエレメントの充填度がリアクタの液体用量の９０％−１００％、さらに好ましくは９２％−１００％、及び最も好ましくは９２％−９９％となるよう、リアクタ内の水位が低下されるようにする。

汚水の連続的な流れは、好ましくは１つ以上の入口パイプ又は入口ゾーンから、リアクタに供給される。

この方法はさらに、汚泥の除去時に、１つ以上の入口パイプ又は入口ゾーンから、未処理水の不連続な流れがリアクタに供給され、未処理水の供給は、リアクタ内の水位が上昇した後に停止され、混合装置を利用してリアクタ内に乱流を生じさせて、エレメントを流動化し、それにより余剰の汚泥がエレメントから引きはがされ、かつ沈殿した汚泥が再懸濁されるようにし、かつ、その後に再び、入口水を１つ以上の入口パイプ又は入口ゾーンからリアクタに導入して、汚泥を、１つ以上の出口ゾーン及び１つ以上の汚泥用パイプからリアクタの外に運び出し得るようにすることを特徴とする。

通常の稼働中は、生物膜エレメントの充填度（バルク体積）が非常に大きいために、生物膜エレメントの移動は非常に制限される。通常の稼働中の液体容積中の充填度は、使用する生物膜エレメントのタイプに依存するが、通常は９０−１００％であろう。通常の稼働中は担体の移動が非常に制限されているため、従来の充填床を用いる方法と比較して、濾過抵抗は非常に小さい。汚泥を除去するための洗浄中に、リアクタ内の水位は、全ての生物膜エレメントが自由に移動するよう充分に増大される。洗浄中に、どの程度の充填度及び乱流が必要かもまた、使用する生物膜エレメントのタイプに依存する。生物膜エレメントの比重量は、０．８５ないし１．２５とするべきである。

本発明はまた、廃水の好気的、無酸素的、又は嫌気的処理のためのリアクタを含んでなり、前記リアクタは、水及び基質のための、１つ以上の入口パイプ及び１つ以上の入口ゾーン並びに１つ以上の出口ゾーン及び出口パイプと、汚泥のための１つ以上の出口パイプと、水及び基質の輸送のための１つ以上の混合装置とを含んでなり、かつ通常の稼働中のエレメントの充填度は、リアクタの液体容積の９０％−１００％、及びさらに好ましくは９２％−９９％に相当する量となり、その結果、通常の稼働中はそれが非常に大きいために、エレメントが自由に移動するのを妨げ、そのためパイプを通して汚泥を除去することにより、水位が非常に上昇して、１つ以上の前記混合装置を利用して、エレメントが自由に移動し得るようにすることを特徴とする。

好ましくは、エレメントをリアクタ内に保持するための装置は、出口ゾーンに設けられる。

好ましくは、それはまた、水及び基質の輸送、及び好気プロセスにおける酸素の供給のための混合機構、又は嫌気プロセス及び無酸素プロセスにおける水及び基質の輸送のための混合機構も含んでなる。

本発明は、以下において、同封の図面を参照して実施例を利用することにより、さらに詳細に説明される。

本発明による生物膜リアクタの通常の稼働を模式的に示す図である。 生物膜リアクタへ水が連続的に供給される状態で、汚泥がほぐれていきかつ洗い落とされることを模式的に示す図である。 図１Ａに相当する図面を示しており、かつ通常の稼働中の生物膜反応器を示す図である。 水の供給停止時に余剰の汚泥がほぐされることを示す図である。 余剰の汚泥の洗い落としを示す図である。 本発明による生物膜リアクタの断面を模式的に示す図である。 本発明による生物膜リアクタの断面を模式的に示す図である。

連続的な水の供給及び間欠的な汚泥の除去による、新規な生物膜法のための標準的な操作法の概略を、図１Ａ−Ｂに示す。生物膜リアクタは、入口（１）と、生物学的に浄化された水のためのバルブを備えた出口パイプ（２）と、及び汚泥除去のためのバルブを備えた出口パイプ（３）とを有する。通常の稼働中は（Ａ）、生物膜媒体の充填度は９０ないし１００％であり、媒体の移動は制限されるか又はほとんどない。生体膜エレメント間の衝突による生物膜の侵食は、非常に小さくなり、かつリアクタの外の懸濁物質の濃度は非常に低くなる。

汚泥を除去したいとき、まず生物学的に浄化された水の出口用のバルブ（２）を閉め、汚泥除去のためのバルブ（３）を開く。水位がパイプ（３）のレベルまで上昇したとき、リアクタ内に大いに乱流のある状態（図１Ｂ）を確保して、バイオマス、沈殿粒子（粒子は生物膜エレメントの内側に沈殿し得る）がほぐされ、かつ生物膜の外層が引きはがされて、液体中に懸濁されるようにする。このことにより、リアクタの水位が大きく上昇して、充填度が約８５％未満に低下するもの、及び生物膜エレメントが素早く移動しているものと考えられる。必要な乱流は、機械的攪拌機の使用によるか、又は循環揚水により、空気を吹き込むことによりもたらし得る。粒子状物質をほぐすのに必要な時間は、リアクタの形状及び乱流の強さに依存して、１分間ないし約半時間でよい。その後、パイプ（３）を通して汚泥をリアクタの外に輸送させるために、充分な流入水がリアクタを通過する必要がある。リアクタの外に汚泥を輸送するのに必要な水量、及びそれ故汚泥水の量は、パイプ（２）のバルブ（図１Ａ）を開けることにより通常の稼働に再度復帰させたとき、懸濁物質の内容量がどのくらい少なくなければいけないのかに依存して、通常は、リアクタ容積の１ないし３倍であろう。

水の間欠的な供給と汚泥の間欠的な除去とを用いる新規な生物膜法のための標準的な操作法を、図２に概説する。生物膜リアクタは、バルブ（１）を備えた入口パイプと、生物学的に浄化された水のためのバルブ（２）を備えた出口パイプと、及び汚泥除去のためのバルブ（３）を備えた出口パイプとを有する。通常の稼働中（Ａ）は、生物膜媒体の９０ないし１００％の充填が可能であり、媒体の移動は制限されるか、又はほとんどない。生物膜エレメントの間の衝突による生物膜の侵食は、非常に少なくなり、かつリアクタの外の懸濁された固体の濃度は非常に低くなる。

汚泥を除去したいとき、まず生物学的に浄化された水の出口用のバルブ（２）を閉め、汚泥除去のためのバルブ（３）を開く。水位がパイプ（３）のレベルまで上昇したとき、入口ラインのバルブ（１）を閉じる。リアクタ内に大いに乱流のある状態（図２Ｂ）を確保して、バイオマス、沈殿粒子（粒子は生物膜エレメントの内側に沈殿し得る）がほぐされ、かつ生物膜の外層が引きはがされて、液体中に懸濁されるようにする。このことにより、リアクタの水位が大きく上昇して、充填度が約８５％未満に低下するもの、及び生物膜エレメントが素早く移動しているものと考えられる。必要な乱流は、機械的攪拌機の使用によるか、又は循環揚水により、空気を吹き込むことによりもたらし得る。粒子状物質をほぐすのに必要な時間は、リアクタの形状及びリアクタ内の乱流の強さに依存して、１分間ないし約半時間でよい。

充分な量の懸濁物質が懸濁液の状態にある場合、入口ラインのバルブ（１）を開き、同時にリアクタ内に乱流状態を継続させる。余剰の汚泥は、次に、図２Ｃに示すようにパイプ（３）の外に輸送される。リアクタの外に汚泥を輸送するのに必要な水量、及びしたがって汚泥水の量は、パイプ（２）のバルブを開けること、及びパイプ（３）のバルブを閉めることによって通常の稼働に再度復帰させたとき（図２Ａ）、懸濁物質の内容量がどのくらい少なくなければいけないのかに依存して、通常は、リアクタ容積の１ないし３倍であろう。

リアクタは、淨化された水及び汚泥が、各々パイプ（２）及びパイプ（３）を通してリアクタから出られるようにすると同時に、生物膜エレメントがリアクタから出られないようにする出口装置を有する必要がある。

一実施態様においては、リアクタは、水及び基質の輸送のための混合機構を含んでなり、これは、同時に好気プロセスへ酸素を供給する。混合機構の例は、ディフューザー型エアレーター及びエジェクター型エアレーターであろう。

別の実施態様においては、リアクタは、水と、嫌気プロセス及び無酸素プロセスにおける基質との輸送のための、混合機構を含んでなる。混合機構の例は、機械的攪拌機、循環揚水、及び嫌気的ガス攪拌であろう。

活性汚泥法に対し、本発明は、多くの利点を有する。循環された汚泥のポンピングの必要がない。汚泥を放出するリスクがない。バイオリアクタの外の懸濁物質の濃度が低い。それ故、汚泥分離時の粒子負荷が低くなり、例えば、沈殿、浮上分離、微細な篩分別、又は濾過などといった、多くの代替の汚泥分離法を使用し得る。バイオリアクタは、活性汚泥法よりもかなり高い負荷を処理することができ、そのため、必要なバイオリアクタ容積はかなり小さく、コンパクトな浄化プラントが得られる。好気プロセスでは、本発明の生物膜エレメントは、大きいガス気泡を崩壊させ、全てのガス気泡の速度を低減し、ガス気泡がリアクタ内の液体表面にたどり着くまでに移動しなければならない距離を増大させる。それにより、活性汚泥法よりも良好な酸素の輸送と、低いエネルギー消費とが達成される。

本発明はまた、他の生物膜法に対し、多くの利点を有する。静止生物膜媒体を備えかつバックフラッシングのない浸水生物学的濾過器は、リアクタの底の拡散エアレーターへ手が届かないことに加えて、リアクタの目詰まり及び水路形成の問題がある。本発明のリアクタの底の拡散エアレーターへ到達する必要がある場合、生物膜エレメントは、リアクタの外へ、簡単にシャベルですくうか、吸引するか、又はポンプで汲み上げ得る。さらに、本発明は、上記記載の浸水生物学的濾過器よりも、高い生物膜比表面積及びかなり高い容量を有し、それ故バイオリアクタがよりコンパクトになる。

ＢＡＦ法に比較して、本発明は、逆洗に使用されることになる水を貯蔵するための水槽が必要ではないという利点をもつ。また、連続的な水の供給も本発明に対し備え得る。さらに、本発明は、ＢＡＦ法が許容するよりも高い濃度の懸濁物質を含む廃水を許容する。本発明により、リアクタの形状及び様式の選択に自由度が増す。本発明では、バイオリアクタ全域で圧力低下は無視できるほどであるのに対し、ＢＡＦ法は、圧力低下が大きい。

「移動床」法に対しては、本発明は、生物膜エレメントの充填の度合いが大きい。このことは、生物膜の表面積の増大をもたらす。「移動床」法では、生物膜エレメントは自由に動き回り、リアクタ内の水の流動パターンに従う。このことは、生物膜エレメントと水との間の速度勾配が比較的小さいことを意味する。本発明では、生物膜エレメントは移動が束縛されているか、又は移動がなく、生物膜エレメントと水との間の速度勾配は大きくなる。このことは、生物膜への基質及び酸素の良好な輸送をもたらし、反応速度を増大する結果となる。生物膜表面積の増加とともに、このことは、本発明が非常にコンパクトなプロセスをもたらすことを意味する。酸素の輸送もまた、「移動床」法におけるものよりも良好である。「移動床」法では、ガス気泡は、生物膜エレメントによりある程度遅くされるが、生物膜エレメントは多くが空気泡によって作られる水流に従うことから、その効果は、生物膜の移動が制限されるか又は移動しない本発明におけるものよりもかなり小さい。これにより本発明は、「移動床」法よりも５０％まで比酸素移動を高くすることができる。

本発明により、余剰の汚泥を洗い落とすための強力な乱流を用いることで、従来の「移動床」法におけるよりも、汚泥の熟成をある程度短縮でき、かつ、汚泥をある程度多くすることが達成し得る。高い汚泥産生は、以前は不都合とみなされたが、現在は、利点として見られている。生物学的汚泥産生が高いことは、エネルギー消費が低いことを意味し、酸素要求量及びそれ故空気の必要量が低くなる。本発明に記載された汚泥の洗出し時には、酸素要求量を、概して１０ないし２０％まで低減することができる。浄化プラントに嫌気性消化槽がある場合、より多くの生物学的汚泥は、バイオガスの形態でのより多くのエネルギー回収を意味することになる。

流動床法に比較して、本発明は、構築及び操作がかなり簡単である。エネルギーコストは、生物膜媒体（通常は砂）の流動化を維持するためのポンプコストが高いことから、流動床法よりもかなり低い。

本発明及び関連する余剰汚泥の除去法は、他の生物膜法に比較して多くの利点をもつことになる：
・ 余剰汚泥の除去は、入ってくる廃水によってもたらされる。逆洗による他の方法は、コストのかかる既に浄化された水を使用する。さらに、それらは、逆洗に使用されることになる浄化された水のための貯水槽を必要とする。
・ フォワード・フロー洗浄の手順は、非常に簡単である。圧力低下は最小限である。
・ 汚泥の洗い出しについての選択された操作法及び頻度に依存して、リアクタの外（図１及び図２のパイプ２）の懸濁された固体（ＳＳ）の濃度を低くすることができる。
定期的に洗浄して得られる生物膜が、より薄いほど、通常は、厚い生物膜よりも効率的である。入ってくる廃水中の粒子は、各洗浄間にほとんどが生物膜に吸収され、排水中のＳＳを少なくすることができる。
・ 排水中のＳＳが、散水濾床、浸水バイオフィルター、回転型生物学的接触器、又は移動床リアクタにおいて達成されるものよりも少ないことで、多くの可能性が開かれる：
ｏ 非常に厳しい要求（例えば、ＢＯＤ及びＣＯＤのための二次処理の必要）がない場合、出口（パイプ２）を、レシピエントへ直結させ得る。
ｏ 出口を、粒子の分離のためのプロセスに進め得る。このことは、他の生物膜法と同様の沈殿又は浮上であってもよい。しかしながら、本発明からの低いＳＳ濃度は、最終分離のための、マイクロシーブ又はサンドフィルターの使用に向けて前途を開く。上記記載の他の生物膜法では、粒子負荷がサンドフィルターには大きすぎる。
・ 余剰の汚泥（図１及び２のパイプ３）は；機械的汚泥と一緒に分離するための一次沈殿に戻る；沈降濃縮機（従来型又は機械的）へ；細篩器へ；又は小型の浮上装置へ進み得る。多くの並行ラインを備えた大規模な浄化プラントでは、小規模の分離工程（例えば、細篩器又は浮上装置）を、１つのリアクタからの余剰汚泥を一度に洗い出し、かつ次に続く分離工程間の余剰汚泥の負荷を２４時間全体にわたり分散させるようにすることで、プラント全体に役立たせることができる。
・ 必要であれば、水の供給及び生物学的に浄化された水の排出は、連続的であってもよく、洗浄水（パイプ３）が洗浄物と一緒に分離工程（例えば、細篩器）を通過するようにし、ここで、汚泥粒子はさらに汚泥処理に進み、水相はレシピエントへ、又はさらなる精製に進む。

リアクタ（４）のデザイン（図３Ａ及び３Ｂ参照）は、本発明を制限するものではないが、概して、平らな底部と垂直な壁とを有する。リアクタ（４）の有効な深さは、概して、ほぼ１．５ないし１２メートルであり、通常は、３．０ないし８．０メートルであろう。リアクタ（４）の製造のための材料の選択は、プロセスにとって重要ではなく、自由に選択し得る。

リアクタ（４）への水の流入は、１つ以上の入口ゾーンを含んでなってもよく、通常はパイプ（１）又は流路構造物を用いてアレンジされる。好気的リアクタでは、水はリアクタの最上部から入って、水位差があるようにすること（図３Ａ参照）、又は浸水された入口（図３Ｂ参照）を有することができる。無酸素又は嫌気プロセスを用いるリアクタについては、水中に酸素が侵入するのを避けることが重要であり、これは水位に生じる開いたギャップによって生じるものであり、それ故入口は、浸水されているか、又は通常の稼働中のリアクタ内の水の表面と同じ水位でなければならない。浸水された入口パイプを用いる場合でも、前のプロセス工程又はタンクの水位が、リアクタ内の最も高い水位よりも高くなっているため、重力により、また汚泥の除去に連動させて、水をリアクタ内に導入し得る。その場合は、圧力下にある充填された入口パイプが存在することになる。このことは、図１、２、及び３Ｂで、曲げられた入口パイプがリアクタの最高水位より上に伸びるように示されていることで例示される。水はまた、逆流防止弁を備えた浸水された入口パイプから、リアクタ内にポンプ揚水されることも可能である。

リアクタ（４）を通る水流の方向は、水平及び垂直の双方が可能である。

リアクタからの水の出口は、通常、生物膜エレメント（５）をリアクタ内の適所に保持するための装置を備えた、１つ以上の出口ゾーン（７）を含んでなってもよい。出口装置は、概して、生物膜エレメント（５）の長さ寸法よりも小さい開口を備えた構造物を使用することで特徴づけられる。

好気的リアクタにおける曝気システムは、確実に、酸素がバイオプロセスに供給されるようにし、ほぐれた余剰の汚泥を引きはがしかつ、洗浄プロセスに関連して汚泥を懸濁された状態に保持するのに充分なエネルギーが与えられるようにする。曝気システムは、概してリアクタ（４）の底部に置かれ、空気がリアクタ（４）の水平範囲の最大部分に分布するように配置される。

Claims (12)

1. １つ以上の入口を介してリアクタ内に未処理水を導入する処理であって、当該リアクタは第１の高さに設けられた処理後水出口と前記第１の高さよりも高い第２の高さに設けられた汚泥出口とを有し、当該リアクタは、前記第１の高さにより第１の容量が決まり、前記第２の高さにより第２の容量が決まるものである、前記入口を介した未処理水の導入処理と、
   生物膜用の担体エレメントを通して前記未処理を導入する処理であって、前記担体エレメントは密に詰められ、担体エレメントの保護表面積が２００ｍ ^２ ／ｍ ^３ より大きく、細孔容積は６０％より大きく、比重量は０．８−１．４ｋｇ／ｄｍ ^３ であり、前記リアクタは前記処置後水出口のレベルまで前記担体エレメントで満たされ、これにより、前記担体エレメントが前記リアクタの前記第１の容量と等しい容量まで満たされて前記担体エレメントの移動が制限される、前記担体エレメントを通す未処理水の導入処理と、
   処理後水を前記処理後水出口から出す処理と、を行う汚染物の除去工程と、
   汚泥を除去する工程とを有し、
   当該汚泥を除去する工程は、
   前記入口を介して前記リアクタに前記未処理水を導入することによる前記未処理水の流れを維持しながら前記処理後水出口を閉じると共に前記汚泥出口を開く処理と、
   前記担体エレメントから前記汚泥を除去するために前記リアクタ内に乱流を発生させる処理と、
   前記汚泥出口を介して前記リアクタから前記除去された汚泥を出す処理とを行い、
   前記処理後水出口を閉じると共に前記汚泥出口を開く処理では、前述の前記汚泥出口と前記処理後水出口の位置の違いにより、前記処理後水出口を閉じることによって前記リアクタ内の液体のレベルが前記第２の容量を満たすレベルとなり、当該液体レベルの上昇により、前記汚染物の除去工程に比べて前記担体エレメントの移動の制限が低減される水の生物学的浄化のための方法。
2. 前記処理後水出口を閉じる処理および前記汚泥出口を開く処理が完了し、前記液体のレベルが前記汚泥出口に届いた後に、前記入口を閉じる工程と、
   前記乱流の発生処理が終了した後に、前記入口を開く工程とを有する請求項１に記載の方法。
3. 前記未処理水が前記入口を介して前記リアクタに継続して供給される請求項１に記載の方法。
4. 前記乱流を発生させている間に前記未処理水を前記入口を介して前記リアクタに導入する請求項１に記載の方法。
5. 未処理水の好気的、無酸素的、又は嫌気的な浄化処理のための開放型リアクタであって、
   未処理水の連続的な流れを通過させる入口と、前記リアクタの第１の高さに位置する処理後水出口と、前記リアクタの前記第１の高さよりも高い第２の高さに位置する汚泥出口とを備え、前記第１の高さにより第１の容量が決まり、前記第２の高さにより第２の容量が決まり、前記第１の容量は前記第２の容量よりも小さく、
   前記リアクタ内に配置された生物膜用の担体エレメントの容量は前記リアクタの前記第１の容量と等しく、通常の稼働中は前記担体エレメントは密に詰められて自由な移動が制限され、２００ｍ ^２ ／ｍ ^３ より大きい保護表面積を有し、細孔容積は６０％より大きく、比重量は０．８−１．４ｋｇ／ｄｍ ^３ であり、
   前記汚泥出口を介して汚泥を除去する際には、前記処理後水出口を閉じることによって前記リアクタ内の液体のレベルが前記第２の容量を満たすレベルとなり、当該液体レベルの上昇により、前記通常の稼働に比べて前記担体エレメントの移動の制限が低減され、
   前記リアクタ内に乱流を発生させる機構をさらに備える開放型リアクタ。
6. 前記担体エレメントを前記リアクタ内に保持するための装置が前記処理後水出口および前記汚泥出口に設けられている請求項５に記載のリアクタ。
7. 好気的な浄化処理において未処理水と酸素の輸送のための機構を有する請求項５に記載のリアクタ。
8. 無酸素的又は嫌気的な浄化処理において未処理水を輸送する機構を有する請求項５に記載のリアクタ。
9. 前記担体エレメントの充填度が前記リアクタの液体容積の９２−１００％に対応する度合いである請求項１に記載の方法。
10. 前記担体エレメントの充填度が前記リアクタの液体容積の９２−９９％に対応する度合いである請求項１に記載の方法。
11. 前記担体エレメントが０．９−１．１ｋｇ／ｄｍ ^３ の比重量を有する請求項１に記載の方法。
12. 前記担体エレメントが０．９３−０．９７ｋｇ／ｄｍ ^３ の比重量を有する請求項１に記載の方法。

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