JP6431926B2 - 通気バイオフィルムリアクタ繊維膜 - Google Patents

Description

本発明は、膜支持バイオフィルムリアクタ（ＭＳＢＲ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ）または一般的に膜通気バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｅｒａｔｅｄ ｂｉｏｆｉｌｍ ｒｅａｃｔｏｒ）と呼ばれる当該リアクタの一実施形態において使用される中空繊維膜に関し、特に都市廃水などの流出物に対して大規模処理を施すために係る中空繊維膜の配列を利用するリアクタに関する。一方、バイオフィルムに対して直接的に気体を供給するために１つまたは複数の膜を利用するあらゆるリアクタとともに本発明に係る中空繊維膜が使用され得ることは理解されるであろう。

ＭＳＢＲにおいて、バイオフィルムは気体透過膜上に自然に固定化される。酸素または他の気体が膜を通ってバイオフィルム内に拡散し、バイオフィルム内において、汚染物質の酸化が、またはバイオフィルムと液体との境界面に供給される他の生物学的に利用可能な化合物との生物学的反応が生じる。気体供給速度は、膜内部の気体分圧（処理パラメータ）と膜の表面積（設計パラメータ）とにより制御される。ＭＡＢＲの概念は、元々は米国特許第４，１８１，６０４号に記載されているが、主にリアクタ内のバイオフィルム量を制御することが困難であるために、その商業化は未だ成功していない。過剰なバイオフィルム形成は、特に、主要な膜の構成である中空繊維型のシステムにおいて、バイオリアクタ内に閉塞／狭窄部を発生させることが特に知られている。

表面に付着する微生物の集団を含むバイオフィルムは、廃水処理のために長く利用されてきた。不活性な支持体上における微生物群の自然な固定化は、固体分離装置を必要とすることなく、優れたバイオマスの保持および蓄積を可能にする。廃水処理に関しては、固形物滞留時間（ＳＲＴ：ｓｏｌｉｄｓ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）と水力学的滞留時間（ＨＲＴ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）とを完全に分離するバイオフィルムに基づく処理の能力は、低速で成長する有機体に対して特に有用である。さもなければ、係る有機体はシステムから洗い流され、その時点でバイオフィルムが硝化されてしまうであろう。散水濾床などの確立されたバイオフィルム処理が２０世紀では普及するようになった。なぜなら、係るバイオフィルム処理は、簡単で、信頼性が高く、且つ安定した動作を提供したからである。廃水処理技術における革新は、ますます厳しさを増す規制基準を満たすことが必要であること、ならびに処理プロセスの資本コストおよび運用コストを低減させることが必要であること、により主に推進される。近年においてこれらの推進要因は、例えば、生物的通気フィルタ（ＢＡＦ：Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｅｒａｔｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ）および移動床バイオフィルムリアクタ（ＭＢＢＲ：Ｍｏｖｉｎｇ Ｂｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ）などの改善されたバイオフィルム処理の出現を促した。バイオフィルムに基づく処理の主要な利点のうちの１つは、高い固有のバイオマス濃度により達成され得る潜在的に高い体積反応速度である。厚いバイオフィルムへの酸素移動限界の結果として、本格的な処理においてこの利点が利用されることは残念ながらまれである。廃水処理システム内のバイオフィルムは、多くの場合、酸素の進入深さよりも厚く、通常は５０μｍ〜１５０μｍであり、高い炭素充填速度下にある。そのため処理は酸素移動速度により制限される。バイオフィルムの厚さを制御することが困難である点と組み合わされて、この問題の結果として、バイオフィルム技術の応用は主に低速度処理に対するものとなった。この問題を解決するための革新技術は、主に、例えば膜通気バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ：ｍｅｍｂｒａｎｅ−ａｅｒａｔｅｄ ｂｉｏｆｉｌｍ ｒｅａｃｔｏｒ）などの、比表面積を増加させる方法（粒子に基づくバイオフィルム技術）、および酸化の能力および効率を増加させる方法に基づく。

廃水処理リアクタへの膜の組み込みは、Ｓｃｈａｆｆｅｒら（１９６０年）が、廃水の酸化のために、未指定物質のプラスチック膜の使用を報告した数十年前にさかのぼり得る。明白な生物学的成長がポリマー上で観察され、係る成長が酸素移動速度に対して観察可能な効果を有さなかったことが報告された。１９７８年になって、ＹｅｈおよびＪｅｎｋｉｎｓ（１９７８年）が、人工の廃水にテフロンチューブを用いた実験の結果を、酸化に対する膜の可能性が認められたものとして、初めて報告した。この報告は、１９７０年代初頭における細胞および組織の培養に対する中空繊維酸化システムの出現により触発された。１９８０年までに、生物学的酸化が微孔性膜の表面上で発生する中空繊維廃水処理リアクタに対する最初の特許が発行された。しかし、当該技術の商業的利用は未だに果たされておらず、現在に至るまでのところ、実験室規模を越えた当該技術の試用はきわめて限られている。

ＭＡＢＲは従来のバイオフィルム技術に対していくつかの利点を有する。すなわち、
１．純粋な酸素が完全に利用され、且つバイオフィルム厚さ制御手段が配備されているならば、比較的高い体積炭素酸素要求量（ＣＯＤ：ｃａｒｂｏｎ ｏｘｙｇｅｎ ｄｅｍａｎｄ）除去速度が利用可能である。
２．無気泡通気は著しく高い酸素利用効率の可能性を提供し、それによりエネルギーの節約が図られる。加えて、揮発性有機化合物にバイオ処理を施す際にエアストリッピングの削減が可能である。
３．特異的な微生物集団の層形成により、同時的な硝化、脱硝、およびＣＯＤ除去が比較的高い速度で達成され得る。
４．アンモニア酸化バクテリアなどの専門家が分解する微生物（ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔ ｄｅｇｒａｄｉｎｇ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ）は、好適にはバイオフィルムと膜との境界面の近傍に配置される傾向を有し、そのためバイオフィルム腐食からの保護により、微生物の保持が強化され得る。

ＭＡＢＲの基本側面および応用側面の両方に関する百を超える研究論文が廃水処理用途領域の範囲に対して刊行され、係る刊行物の冊数は過去数年間に急増した。ＭＡＢＲに関する関心が高まったのは、おそらくは、廃水処理における処理強度を達成すること、および、顕著なエネルギーコストの節約の可能性が提供されること、の両方が技術により実現可能であることが理解されたことによるものであろう。

ＭＡＢＲ技術に関する特許は多数存在するが、そのいちのいずれにおいても効果的なバイオフィルム制御技術は組み込まれていない。ＥＰ２３６１３６７は、バイオフィルム制御の実行が必要となるときを判定するための基準を提供することにより、バイオフィルム制御の問題に対処することを目指すものである。

廃水処理市場においてＭＡＢＲが競合力を有し得ることを保証するためには、酸素化膜が高い酸素透過性を有すること、酸素化膜が堅牢であること、酸素化膜に費用対効果があること、およびバイオフィルムの固定化に対して好適であることを保証することが決定的に必要である。ＭＡＢＲが、実験室規模の試用により示される可能性を達成するなら、いくつかの技術的な課題が克服される必要がある。本格的規模の実装に対する主要な障害は、顕著な性能劣化をもたらし得る過剰バイオマスの制御の問題であった。いつバイオフィルム制御が行われるかを判定するためのＥＰ２３６１３６７に開示される方法に照らすと、バイオフィルム制御手順の間における完全なバイオフィルム除去を防止することが必要である。

これは、バイオ触媒的観点からはバイオフィルムが多いほどリアクタの性能は向上するが、特定の限界を越えると、バイオフィルムの蓄積が液体流分布に関して大きい問題を生じさせ得るという意味において、ＭＡＢＲの矛盾である。理想的なＭＡＢＲは、バイオフィルムの蓄積、部分的除去および再成長に関して、循環的な方法で動作するであろう。バイオフィルムを最適な範囲に保持するためには、制御動作の間における完全なバイオフィルム分離を防止するための機構が必要である。文献において現在報告されている実験室規模の研究の多くは低い膜充填密度で運用され、したがってバイオマス制御の問題は優先されていなかった。本技術の展望を評価するときは、ＭＡＢＲ技術の商業的応用が十分に実際的となるように十分に高い膜充填密度を使用するモジュールが試用されている先行技術に係る研究の結果を、注意深く調査することが必要である。これらの研究（２００３年のＳｅｍｍｅｎｓら、２００５年のＳｅｍｍｅｎｓ）では常に、膜モジュールの顕著な閉塞が通常は数週間または数ヶ月の運用の後に発生することが示されている。過剰なバイオマス形成に関するこの問題に付随して、汚染物質除去効率の満足に関するリアクタの性能劣化が生じる。

米国特許第４，１８１，６０４号（１９８０年１月１日発行）では、廃水を含むタンクの底部に位置するパイプにその両端部が接続された、いくつかのループの中空繊維多孔膜を有するモジュールが記載されている。このパイプは膜の内腔に酸素を輸送し、酸素は膜の細孔を通って、膜の外側表面上で成長する好気性バイオフィルムへと拡散する。米国特許第４，７４６，４３５号では同一装置が使用されるが、酸素を含有する気体の量が制御され、その結果、好気性ゾーンおよび嫌気性ゾーンを有するバイオフィルムが生成される。米国特許第６，５５８，５４９号では廃水を処理するための装置が記載されている。ここではバイオフィルムは、廃水タンク内で垂直方向に浸漬された非剛性（シート状）の平坦な気体移動膜の表面上で培養される。本発明は、廃水レトロフィット応用における使用が可能である浸漬型膜システムである。一方、バイオフィルムの厚さの制御の効果的な手段は存在しない。気泡洗浄方法は、効果的となる可能性は低く、バイオフィルムの全部を除去し、それにより処理性能を損ない得る。

米国特許第５，４０３，４７９号では、汚損された膜に対する原位置での洗浄システムが記載されている。汚損された膜は殺虫剤を含む洗浄流体により洗浄される。米国特許第５，９４１，２５７号では、配管システムに対する２層流水力学的洗浄のための方法が記載されている。米国特許第７，３６７，３４６号では、中空の配管および繊維を洗浄するための方法が記載されている。これら３つの特許は、透析のために使用される血液透析器を、および水の処理ならびに分離において使用される中空繊維モジュールを、洗浄するために適用される。これらの特許は、洗浄対象の物質がバイオ触媒として作用し、且つ洗浄方法にリンクされたいかなる形態の処理検出も有さないシステムには適用されない。

本発明は、膜通気バイオフィルムリアクタとともに使用される改善された中空繊維膜を提供することを目指すものである。

本発明の第１の態様によれば、そこから当該側壁を通して気体が浸透し得る内側内腔を画成する実質的に円筒形の側壁を含み、繊維膜の外側表面の少なくとも１部分が少なくとも１つのバイオフィルム保持領域を画成するよう設計されていることを特徴とする、通気バイオフィルムリアクタ繊維膜が提供される。

好適には、繊維膜の外側表面は設計されたバイオフィルム保持領域の配列を画成する。

好適には、外側表面の設計されたバイオフィルム保持領域は１つまたは複数の凹状領域を含む。

好適には、外側表面の設計されたバイオフィルム保持領域は１つまたは複数の実質的に径方向に延長する突起体を含む。

好適には、外側表面の設計されたバイオフィルム保持領域は１つまたは複数の実質的に長手方向に延長する波形を含む。

好適には、繊維膜の外側表面は多面的である。

好適には、繊維膜の内側表面は、内腔を画成し、側壁を通る気体移動が最適化されるような形状を有する。

好適には、繊維膜はポリマー押出成形として形成される。

好適には、繊維膜は開放端部を含み、開放端部を通して気体が内腔に供給され得る。

好適には、繊維膜は０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲の外径を、より好適には０．３５ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲の外径を、および最も好適には０．５ｍｍの外径を有する。

好適には、繊維膜は気体透過性ポリマーを含む。

好適には、繊維膜はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｏｘａｎｅ）を含む。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様に係る複数の中空繊維膜を含む膜通気バイオフィルムリアクタが提供される。

好適には、リアクタは繊維膜の内腔に気体を供給するための手段を含む。

好適には、各繊維膜の少なくとも１つの開放端部はアンカーにキャプチャされている。

好適には、繊維膜はグループ状に配列されている。

膜通気バイオフィルムリアクタにおける使用のための従来の先行技術に係る中空繊維の断面図である。 本発明の好適な実施形態に係る通気バイオフィルムリアクタ膜繊維の断面図である。 本発明の好適な実施形態に係る代替的な通気バイオフィルムリアクタ膜繊維の断面図である。 本発明の好適な実施形態に係る他の代替的な通気バイオフィルムリアクタ膜繊維の断面図である。 本発明の好適な実施形態に係る他の代替的な通気バイオフィルムリアクタ膜繊維の断面図である。 本発明の好適な実施形態に係る他の代替的な通気バイオフィルムリアクタ膜繊維の断面図である。 本発明の好適な実施形態に係る他の代替的な通気バイオフィルムリアクタ膜繊維の断面図である。 本発明の好適な実施形態に係る他の代替的な通気バイオフィルムリアクタ膜繊維の断面図である。

ここで図１を参照すると、膜通気バイオフィルムリアクタ（図示せず）における使用のための従来の先行技術に係る中空繊維Ｆの断面が示されている。中空繊維Ｆは断面において実質的に円筒形であり、内側内腔Ｌを画成する。酸素、空気、酸素濃厚空気、水素などの気体またはあらゆる他の好適な気体が、内部内腔Ｌを通して供給されてもよい。次いで、係る気体は、使用時に中空繊維Ｆの外側表面において成長するバイオフィルムを酸素化するために、中空繊維Ｆの側壁を通って浸透する。中空繊維Ｆの外側表面が実質的に滑らか且つ連続的な表面であることが見られ得る。

ここで図２を参照すると、膜通気バイオフィルムリアクタ（図示せず）における使用のための繊維膜の断面が示されている。この繊維膜は全体として１０で示される。繊維膜１０は、環状形状である実質的に円筒形の側面壁部１２を含み、したがって繊維膜１０の長手方向に延長する内側内腔１４を画成する。使用時、酸素などの気体が内腔１４内にポンプ注入され、気体浸透性物質として側壁１２を提供することにより、当該気体は、繊維膜１０の外側表面１６において成長するバイオフィルム（図示せず）に供給されるよう、側壁１２を通して浸透し得る。先行技術の中空繊維とは異なり、本発明の繊維膜１０は、１つまたは複数の、好適には複数の、設計されたバイオフィルム保持領域１８を画成する。当該バイオフィルム保持領域１８は、以後で詳細に説明されるように、特に、リアクタの閉塞を防止することを目的として過剰なバイオフィルムを除去するためのリアクタ洗浄サイクルの間に経験されるなどの高シアー（ｓｈｅｅｒ）・バイオフィルム制御事象が繊維膜１０に施される場合に、一定量のバイオフィルムをバイオフィルム保持領域１８に保持するよう作用する。結果として、係る事象の完了後ただちに、保持領域１８内に保持されるバイオフィルムは、完全運用レベルに達するバイオフィルムの好都合な再成長を保証し、それにより、係る洗浄事象とリアクタの完全運用への復帰との間のリードタイムが顕著に短縮される。従来は、係るリードタイムは、バイオフィルムの再シード（ｒｅｓｅｅｄ）と、繊維の外側表面上における運用レベルに達する再成長と、を支援するために顕著により長い期間であった。

先行技術の繊維とは異なり、図２の実施形態では、外側表面１６は多面的で、４つの凹状側面２０を含む。各凹状側面２０のうちの各側面は単一のバイオフィルム保持領域１８を画成する。側壁１２の内側表面２２は、外側表面１６の凹状側面２０とは対照的に、比較的平坦であるが、内側表面２２の各側面も多面的であり、外側表面１６の側面の個数に対応することが分かる。しかし、外側表面１６および内側表面２２の両方の形状が必要に応じて変更され得ることが理解されるであろう。例えば、実質的に均一な厚さを側面壁部１２に提供するために、外側表面１６および内側表面２２が実質的に平行となり、それにより、外側表面１６の周囲においてバイオフィルムの等しい成長速度を確立するために、側面壁部１２の周囲の全地点において気体の等しい移動が保証されることが好適であり得る。一方、同様に、例えば、局所的領域において側壁１２の厚さを変更することにより、減少された、または増加された、バイオフィルム厚さの領域を外側表面１６上に促進し、それにより側壁１２の領域の気体透過性が好適に変更されることが望ましいものであり得ることが理解されるであろう。繊維膜１２は好適には０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲の外径を、より好適には０．３５ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲の外径を、および最も好適には０．５ｍｍの外径を有する。なおこの外径は繊維膜１２の径方向で最も外側の先端において測定された値である。

繊維膜１２は、好適には、好適に成形されたダイ（図示せず）を通してポリマーを押出成形し、そのように所望の外部プロファイルおよび内部プロファイルを繊維膜１０に提供することにより、作成される。一方、繊維膜１０を製造するあらゆる他の好適な方法が用いられ得ること、および繊維膜１０を形成するために選択された物質または物質の組み合わせが変更され得ることもすぐに理解されるであろう。他の好適な物質も用いられ得るが、繊維膜１２は好適にはシリコーン（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｏｘａｎｅ））または変形されたバージョンのＰＤＭＳを含み得る。

図３〜図８を参照すると、ＭＡＢＲにおける使用のための本発明に係る繊維膜の代替的な実施形態が示されている。各変化例は、それぞれの繊維膜の外側表面および／または内側表面の形状により要求される代替的な側壁プロファイルを提供する。

特に図３を参照すると、第１の実施形態の繊維膜１０の断面と同様の繊維膜１１０が示されている。しかし、外側表面１１６および内側表面１２２は互いに対して実質的に平行であり、したがって側面壁部１１２には実質的に均一な厚さが提供されている。

図４では繊維膜２１０が示されている。繊維膜２１０は、多面的な外側表面２１６と、内側内腔２１４を画成する実質的に円形の内側表面２２２と、を有する。

図５で示される断面は図４で示される断面と同様であり、４つの凹状側面３２０を含む多面的な外側表面３１６を有する繊維膜３１０が示されている。これらの凹状側面３２０のうちの各側面はバイオフィルム保持領域３１８を画成する。これらのバイオフィルム保持領域３１８は、より明白な頂点または鋭利な頂点により、互いに隔てられている。内側表面３２２は断面において実質的に円形である。

図６で示される図面の断面は繊維膜４１０を示す。繊維膜４１０は、再び形状において多面的であり、６つの凹状側面４２０と、実質的に円形の内側表面４２２と、を画成する。

図７を参照すると、外側表面５１６を有する繊維膜５１０が示されている。外側表面５１６からは、複数の実質的に径方向に延長する突起体５２４が突出する。したがって突起体５２４の隣接する対の間には、凹状波形５２０の形状を有するバイオフィルム保持領域５１８が画成される。各バイオフィルム保持領域５１８は繊維膜５１０の実質的に長手方向に延長する。

図８では、さらに代替的な繊維膜６１０が示されている。繊維膜６１０は、実質的に円形の外側表面６１６と、実質的に円形の内側表面６２２と、を有する側面壁部６１２を含む。一方、側面壁部６１２には、実質的に径方向に延長する突起体６２４の円形配列がさらに提供されている。したがって、これらの突起体６２４の隣接する対の間には、繊維膜６１０の実質的に長手方向に延長するバイオフィルム保持領域６１８が画成されている。

上記の繊維膜のうちの各繊維膜において、少なくとも１つのバイオフィルム保持領域が、および好適にはバイオフィルム保持領域の配列が、繊維膜の外側表面の周囲に画成されている。そのため、高シアー事象後におけるバイオフィルムの速やかな再成長を支援し、リアクタの完全運用を短時間で可能とするために、リアクタの閉塞を防止するためのバイオフィルム除去などの高シアー事象の間に何らかのレベルのバイオフィルムが各繊維膜の外側表面上の保持領域に保持される。

Claims (10)

1. 複数の中空繊維膜（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）を備える膜通気バイオフィルムリアクタであって、各々の前記膜通気バイオフィルムリアクタは、
   内側内腔（１４）を画成する実質的に円筒形の側壁（１２）であって、気体が前記側壁を通って透過することが可能である、側壁（１２）と、
   １つ以上の前記繊維膜の前記内腔へ気体を供給するための手段と、
   を備え、
   前記繊維膜の外側表面（１６）の少なくとも一部が、その断面の内部に少なくとも１つの凹状のバイオフィルム保持領域（１８）を画成するように設計される、
   膜通気バイオフィルムリアクタ。
2. 前記繊維膜の前記外側表面は設計されたバイオフィルム保持領域の配列を画成する、請求項１に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。
3. 前記外側表面の前記設計されたバイオフィルム保持領域は１つまたは複数の実質的に長手方向に延長する波形を含む、請求項１または請求項２に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。
4. 前記繊維膜の前記外側表面は多面的である、請求項１または請求項２に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。
5. 前記繊維膜は閉止端部と対向する開放端部を含み、前記開放端部を通して気体が前記内腔に供給され得る、請求項１または請求項２に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。
6. 前記繊維膜は０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲の外径を有する、請求項１または請求項２に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。
7. 前記繊維膜は気体透過性ポリマーを含む、請求項１または請求項２に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。
8. 前記繊維膜はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む、請求項１または請求項２に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。
9. 各繊維膜の少なくとも１つの開放端部はアンカーにキャプチャされている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。
10. 前記繊維膜はグループ状に配列されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の膜通気バイオフィルムリアクタ。

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