(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜式生物反応器水処理システムであって、
前記膜式生物反応器水処理システム内への供給水を受ける水吸入口と、
前記水吸入口から前記供給水を受け且つ前記供給水から固形物粒子を除去するように構成される固形物除去モジュールと、
前記固形物除去モジュールから前記固形物粒子が除去された前記供給水のみを受け取り且つ前記固形物粒子が除去された前記供給水から粒子を分離するように構成される受け取りモジュールと、
前記受け取りモジュールから前記供給水を受けるように構成される曝気ゾーンと、
前記曝気ゾーンから前記供給水を受けるように構成される膜モジュールと、
前記供給水が前記膜モジュールによって受けられる前に、前記供給水を受けるための前記膜式生物反応器水処理システムの内部に構成される分離器であって、前記供給水が前記膜モジュールによって受けられる前に、前記供給水から全懸濁物質（ＴＳＳ）を除去するように構成される分離器と、
を含む、膜式生物反応器水処理システムであって、
前記分離器は、前記曝気ゾーンと前記膜モジュールとの間に位置する、
膜式生物反応器水処理システム。
【請求項２】
前記膜モジュールは、１００ｍｇ／Ｌ未満の全懸濁物質を含む水をろ過するためのろ過容量を有する、少なくとも１つの膜で構成される、請求項１に記載の膜式生物反応器水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
水を処理するさまざまなシステムが、開発されてきた。このようなプロセスは、しばしば多段ろ過設計を成し、凝固、凝集、および沈降用の連続的処理ステップを含む。
【０００２】
処理されようとする水の供給源は、地表水、地下水、廃水、汽水、海水などを含む。１つの従来の具体的な供給水の処理は、活性汚泥法（ＡＳＰ）に基づいており、同法は、ろ過し、固形物除去を実行し、供給水を事前処理して、供給水の格納容器から汚泥状の固形物などを除去する。その後、曝気ゾーンまたは溶液器が設けられ、これは、溶液器内へ空気を噴射して、処理された供給水を曝気する。曝気に続いて、処理された供給水は、分離および汚泥除去を追加するための沈降タンクを提供される。その後、ろ過および消毒ステップがさらに使用されて、流出水を生成する。しかしながら、ＡＳＰシステムは、かなりの時間を消費し、広い土地面積を必要とし、かつ多量の汚泥を生み出す。
【０００３】
別の水処理プロセスは、膜生物反応器（膜分離活性汚泥法、ＭＢＲ）を用いることを含む。これらのシステムでは、固形物除去および事前処理の初期ステップ、ならびに曝気ゾーンまたは溶液器へ水を供給するステップは、上述したステップと同様とすることができる。しかしながら、沈降タンクおよび追加のろ過ならびに／または消毒の代わりのＭＢＲプロセスでは、ＭＢＲプロセスは、５〜１２，０００ｍｇ／Ｌの全懸濁物質（ＴＳＳ）を有する供給水を処理するのに使用される特殊な膜を用いる。ＭＢＲプロセスは、限外ろ過（ＵＦ）膜および精密ろ過（ＭＦ）膜を用いる。膜中心部のサイズは、０．００３から０．０１μｍまでの範囲内にある。ＭＢＲ技術は一般に、生物反応器内へ膜を沈めることになる。この浸漬型構成は、粗大な気泡の曝気を当てにして、混合を引き起こし、汚染を制限する。曝気は、懸濁液内の固形物を保持し、膜表面をこすり取り、そのバイオマスに酸素を供給して、より良好な分解性および細胞合成をもたらす。
【０００４】
ＭＢＲろ過性能は、膜上および膜内への可溶性ならびに微粒子部材の沈殿が原因で、ろ過時間とともに減少する。膜の汚染は、膜部材と活性汚泥成分との間の相互作用に起因し、同成分は、可溶性およびコロイド状混合物に加えて、生きているまたは死んだ微生物が形成する生物フロックを含むが、これに限定されない。
【０００５】
膜の汚染が、透過流束の減少または膜間差圧（ＴＭＰ）の増加として現れる水力学的抵抗のかなりの増加を招く限り、膜の汚染は、システム性能に影響を及ぼす重大な問題である。したがって、よく使う膜の洗浄および取り換えが必要となる。
【０００６】
現在、浸漬型ＭＢＲにおいて得られる空気誘導式クロスフローは、膜表面上の汚染層を除去するまたは少なくとも削減するのに用いられる。ＭＢＲ応用に適用することができる他の汚染防止方策は、ろ過動作が規則的な時間間隔で停止し後、再開する場合を表す、間欠的透過を含む。このように、膜表面上に堆積した粒子は、反応器へ拡散する傾向がある。膜の逆流洗浄が使用される場合、透過水がポンプで膜へ戻され、小孔内を流れて、流路に給水し、それによって内部および外部粒子が除去される。さらに追加の汚染防止方策は、空気による逆流洗浄であり、この場合、膜の透過側面上で加圧空気が高まり、極めて短期間内にかなりの圧力を放出する。この状況において、膜モジュールは、通気孔システムに結合された加圧型容器内にある必要がある。空気が膜を通り抜けるように意図されていることはなく、意図されているとしたら、空気は膜を乾燥させて、再度ぬらすステップが必要なことになる。
【０００７】
したがって、ＭＢＲ式プロセスには、高価な膜に起因して高資本費用が必要となり、曝気、膜間差圧、ならびに頻繁に行う逆流フラッシングおよび／または膜について有用性を維持するための他の洗浄動作に起因して、高運用費用および高メンテナンス費用が必要となる。特に、有機物に起因する膜の汚染および目詰まりを回避するには、言及された背面洗浄などのメンテナンスを頻繁に行う必要がある。膜の完全な状態を弱めると、最終の水生産物内にＴＳＳの汚泥が生成されるので、膜の完全な状態を維持することは、重要なことである。
【０００８】
ＭＢＲシステムについて、言及された高資本的支出に注意すると、１００ｍｇ／Ｌ未満のＴＳＳ用に設計された従来の膜と比較して、５〜１２，０００ｍｇ／ＬのＴＳＳが可能な膜にとっては、膜の再調達原価は、はるかに高い。
【０００９】
さらに、移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）として知られている別の供給水処理技術がある。ＭＢＢＲ技術は、好気性、嫌気性および無酸素性反応器内で自由に浮遊するバイオフィルム担体エレメントを利用する、先端の高速供給水処理プロセスに用いられる。担体エレメントは、付着した増殖処理プロセスと懸濁した増殖処理プロセスとの間の効果的な混成物であり、他の利用可能な処理代替策と比較して、組み立てて動作させる設置面積および天然資源を著しく少なくすることができる。
【００１０】
バイオフィルム担体エレメントは、極めて広い有効なバイオフィルム表面領域を提供する。バイオマスは担体エレメントの内部に閉じ込められ、担体エレメントは放出口のふるいによって反応器の内部に保たれる。これらの担体エレメントの動きは、好気性システム内の回転変位送風機、ならびに無酸素性および嫌気性システム内の混合器に基づく、粗大気泡式空気分散システムによって駆動される。ＭＢＢＲ技術を利用する間、反応器内の担体の充填割合は、供給水の固有の負荷に適合するように変更してもよい。処理プラントは、特定の汚染物質を目標とするＭＢＢＲプロセスおよび組み合わせプロセスから成る相当数の構成を用いて設計することもできる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＭＢＲシステム内で用いられる、ＭＢＲライトと呼ばれるものなどの高費用膜を必要としないか、それともこのような膜が用いられる場合、逆流洗浄間の動作時間を延長および関連したメンテナンス費用を低下させるかのいずれかである、供給水処理プロセスを使用することが望ましいことになる。さらに、担体の寿命を拡大し、および／または担体にかかる応力を低減することによってメンテナンス要件を低下させることが、ＭＢＢＲシステムにおいて有益なことになる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本水処理システムおよび方法は、処理されようとする供給水内にある全懸濁物質（ＴＳＳ）の大部分を除去し、それによって水処理システム内の膜ろ過作用にかかる負荷を軽減して、エネルギ費用を低下させる、流体力学的分離器の使用を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】現行技術で用いられる膜生物反応器を包含する供給水処理システムの図である。
【図２】複数の膜ろ過モジュールの図である。
【図３】流体力学的分離器を包含する膜生物反応器水処理システムの図である。
【図４】流体力学的分離器を包含する別の膜生物反応器水処理システムの図である。
【図５】流体力学的分離器を包含する別の膜生物反応器水処理システムの図である。
【図６】ろ過膜モジュールが沈められた流体力学的分離器を包含する膜生物反応器水処理システム用のＭＢＲライト構成の図である。
【図７】ろ過膜が加圧された流体力学的分離器を包含する膜生物反応器水処理システム用のＭＢＲライト構成の追加の図である。
【図８】本願の膜モジュールの膜のさらに詳細な図である。
【図９】流体力学的分離器を限外ろ過器と統合する移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）水処理システムの図である。
【図１０】流体力学的分離器が、ＭＢＢＲ曝気槽、ゾーンまたは溶液器内へ包含された、移動床生物反応器水処理システムの一部の図である。
【図１１】ＭＢＲライト用に設計された流体力学的分離器ユニットの構造の図である。
【図１２】従来の最終沈殿池に限外ろ過器を加えた構成と、流体力学的分離器に限外ろ過器を加えた、水処理システムに用いられる構成との間のサイズの比較分析を示す図である。
【図１３】本願の概念に用いることができる単一の流体力学的分離器の一実施形態の図である。
【図１４】図１３に示されるような流体力学的分離器の塔の図である。
【図１５】本願の概念に関連して用いることができる流体力学的分離器の塔の図である。
【図１６】本願に用いることができる代わりの流体力学的分離器の塔の実施形態の図である。
【図１７】本願の概念に用いることができる流体力学的塔のさらなる実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、膜生物反応器（ＭＢＲ）供給水処理プロセスシステム１００を図示する。言及されたように、供給水は、相当数の種々の場所からの水とすることができ、他のエレメントとしては、藻類および／または活性汚泥細菌フロックを含有することができる。活性汚泥生物フロックを含有する供給水は、藻類を含有した水と極めて類似して動作し、両方とも類似の固有の重力を有するはずである。このようなフロックは、しばしば糸状菌上に形成され、フロックのサイズは、汚泥年齢が増加するにつれて減少することになる。活性汚泥細菌フロックもまた、バイオフィルムの蓄積について、水が藻類を運ぶリスク、およびサイズ範囲が１０〜２００μの間にあるリスクと同じリスクを有する。生物フロックは、５００〜１００００ｍｇ／Ｌ（ＴＳＳ）の濃度にあるとすることができる最大１ｍｍまでの粒状汚泥は、一定の条件および選択された菌株のもとで、形成することができる。
【００１５】
システム１００において、供給水１０２は、グリッドまたはスクリーン１０４を通して供給される。固形物除去モジュール１０６は、既知のやり方で供給水１０２を処理して、より大きい固形物粒子を除去し、次いで処理された供給水を事前処理システムまたはモジュール１０８へ流す。このような事前処理システムは、当技術分野で十分に周知のことであり、供給水からの粒子の初期的な分離動作を実行するのに用いられる。このような分離動作は、事前処理システム１０８の最下部において、粒子が落ち着き、汚泥１１０の形へと濃縮することによって、少なくとも部分的に成し遂げられる。結果として生じる汚泥１１０は、ライン１１２を経由して取り出される。次いで事前処理された供給水１０２は、曝気ゾーン（槽または溶液器とも呼ばれる）１１４へ流れ、同ゾーンへの気泡１１６は、空気発生装置１１８によって空気入力ライン１２０を経由して供給される。供給水１０２の曝気は、既知のやり方で引き受けられ、次いで活性化された供給水１０２は、ＭＢＲモジュールまたはシステム１２２へ流れる。ＭＢＲモジュール１２２の左手側には、膜１２６によるろ過で取り除かれた汚泥１２４があり、同汚泥はライン１２８を経由してＭＢＲモジュールから流れる。次いで処理され清澄にされた供給水１０２は、ライン１３０を経由して、追加の処理か、それとも意図された最終用途かに向けて流れる。ライン１２８が、汚泥を曝気ゾーン１１４の入力に戻して、曝気プロセスを支援することも留意されたい。
【００１６】
ＭＢＲモジュール１２２の膜１２６は、一実施形態では中空糸膜であり、５〜１２，０００ｍｇ／ＬのＴＳＳを有する供給水で動作するように設計される。図２は、複数の膜モジュール２００を描写する。このような膜は、他の従来のろ過器および／または１００ｍｇ／Ｌ未満のＴＳＳを有する供給水で動作するように設計された膜などの膜と比較して、資本的支出および膜の再調達原価が高額である。したがって、図１に示されるようなシステムを動作させる費用は、このような高費用で高メンテナンス膜の使用に起因して、増加する。
【００１７】
一実施形態では、流体力学的分離器を用いて、６μｍよりも大きい藻類および／またはＴＳＳが、９５％の効率で供給水流出液から分離され、藻類／ＴＳＳ廃液流内へ転換される。いくつかの水処理の状況では、５０％の水再生は、固形物が再生利用されるので、水処理システムを役立たせるのに「十分である」。
【００１８】
ここで、従来のＭＢＲ式水処理システムに関連した問題に対処する。図３は、ＭＢＲライト処理システム３００を図示し、同図において流体力学的分離器３０２は、システム３００内の事前処理システム１０８の後に組み込まれて、事前処理システム１０８から出力された供給水１０２を受ける。流体力学的分離器３０２は、流体力学的分離器３０２によってライン１１２へ除去された汚泥を移動させる廃液放出口３０４を含む。次いで作用された供給水１０２は、供給水放出口３０６を経由して曝気ゾーン１１４へ送られ、図１に関連して説明されたのと同様のやり方で、同曝気ゾーン内で処理される。
【００１９】
次いで曝気ゾーンまたは溶液器１１４からの供給水１０２は、少なくとも１つのおよび一般に多数の膜などのろ過エレメント３１０を含む、ろ過モジュール３０８へ流れる。同図において理解されるように、ろ過エレメントは、汚泥３１２をろ過して取り除き、同汚泥はライン１２８へ供給される。
【００２０】
図３では、ろ過モジュール３０８のろ過エレメント３１０は、図１に関連して説明された膜における高いろ過容量よりも、少ないろ過容量を有する膜でもよいことを理解されたい。詳細には、本実施形態における膜ろ過モジュール３０８の膜は、供給水が１００ｍｇ／Ｌ未満のＴＳＳを有する状態で使用するように設計された膜とすることができ、高容量または高能力の膜であって、５〜１２，０００ｍｇ／ＬのＴＳＳで動作し、したがってより安価な膜と比較して、１００ｍｇ／Ｌよりも多く最大で約１２，０００ｍｇ／Ｌまでの動作範囲を有する膜とは対照的である。このように、ＭＢＲライトの一実施形態を用いて、流体力学的分離によって供給水から余分の部材を除去し、その結果、資本的にさらに高価な膜を用いる必要がなく、むしろより低費用の膜（すなわち、１００ｍｇ／Ｌ未満のＴＳＳ）が実装されてもよいことを理解されたい。それゆえに、ＭＢＲライトシステムは、供給水処理にとっては、低費用の膜生物反応器（ＭＢＲ）設計であると理解されるであろう。流体力学的分離器は、ＴＳＳの大部分を濃縮し、除去する。ＴＳＳが削減されることによって、資本的支出を削減するために安価な膜を用いることが可能となる。さらに、高価な膜（５〜１２，０００ｍｇ／Ｌ）が使用されるにもかかわらず、洗浄、取り換えなどの必要性が少なく、これは、エネルギ要件、部品費用をより低くし、メンテナンスをより低くすることで、運用費用がより低くなることを意味する。
【００２１】
図３に示されたシステム設計の代替策である、図４に示される別の実施形態では、流体力学的分離器４００は、事前処理システム１０８より前に、すなわち、事前処理システム１０８と固形物除去プロセスモジュール１０６との間に位置され、同流体力学的分離器において、汚泥部材は、出力ライン４０２を経由してライン１１２へ供給され、作用された供給水は、ライン４０４を経由して事前処理システム１０８へ移動する。図５に示されるさらなる実施形態では、流体力学的分離器５００は、曝気ゾーン１１４の後に、供給水１０２がろ過モジュール３０８へ供給される前に位置される。したがって本実施形態では、流体力学的分離器５００は、再びＴＳＳを除去し、汚泥成分を、ライン５０２を経由してライン１１２へ流し、供給水は、ライン５０４を経由してろ過または膜モジュール３０８に達することになる。
【００２２】
上述の説明は、流体力学的分離器が、ＭＢＲライト供給水処理システム内に位置することができる位置付けの例である。流体力学的分離器がまた、水処理システムの内部の別の場所に位置してもよいことを理解されたい。しかしながら、本実施形態のそれぞれに共通の概念は、ろ過モジュール３０８との相互作用を有する前に、ＴＳＳおよび他の汚染物質を除去することに向けられる。
【００２３】
図３〜図５のＭＢＲライトプロセスシステムは、任意選択で、毛髪、繊維などを除去する事前スクリーニングを用い、一部の実施形態では、従来のＭＢＲシステム（すなわち、高費用の中空糸膜システムを用いるシステム）の事前処理に用いられるのと同一タイプのスクリーン（最小で０．１ｍｍまで）を用いる。曝気槽の前に用いられる事前スクリーニングは、曝気槽および流体力学的分離器への有機物および固形物の負荷をさらに低減し、全体にわたる性能を改善することになることに留意されたい。
【００２４】
図６を参照すると、図３〜図５と同様のＭＢＲライト供給水処理システムの一部分であって、このようなシステムのエネルギ要件に対処する一部分６００の図が説明される。特に、本図は、本システム内に発生する損失水頭に焦点を合わせる。損失水頭は、水に含まれるエネルギの総量と関係がある。水頭の量は、長さで表され、水がどれほどの高さに上昇することができるかを定義する。水頭に対して用いられる周知の方程式は、Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉの方程式である。詳細には、損失水頭は、液体が液体システムの中を移動しながら、液体が受ける全水頭（位置水頭、速度水頭および圧力水頭の合計）の減少量である。損失水頭は、現実の液体においては回避することができない。この原因には、液体とパイプの壁との間の摩擦、互いに移動し合うときの近隣の液体間の摩擦、ならびにパイプの入り口および出口、ポンプ、バルブ、径違い継手および管継手のような部品によって任意のやり方で、流れが方向を変えられるまたは影響を受けるたびに引き起こされる乱流、がある。流体の損失水頭は、パイプの長さ、流体速度の２乗、および摩擦係数と呼ばれる流体摩擦を説明する用語に、直接に比例する損失水頭は、パイプの直径に反比例する。
【数１】
0005847565.tif 000002
【００２５】
損失水頭を計算する１つの既知のやり方は、Ｈａｚｅｎ−Ｗｉｌｌｉａｍ方程式を用いることによる。別の式は、開流路内で重力により駆動された流れに共通する、Ｍａｎｎｉｎｇの公式である。この方程式では、摩擦係数ｆは、パイプの相対粗さおよびＲｅｙｎｏｌｄｓ数によって決定され、Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数Ｒは、Ｒ＝（ＤＶ／ｎｕ）であり、Ｄはパイプの直径、ｎｕは動粘性係数、およびＶは流体の速度である。次いで損失水頭が過度になる場合には、水は流れないことになり、次いでこのような状況では、水流を引き起こすのにポンプが必要となることが知られている。
【００２６】
図６のシステムの一部分６００が、（曝気ゾーン１１４などの）曝気ゾーン６０２で開始するが、Ｘ＋Ｙで定義された高さを有することに留意されたい。槽からの水は、マイクロスクリーン６０４を流れる（図３〜図５には示されていないが、代替策の実装に含まれると理解される）。供給水をマイクロスクリーン６０４に流すと、供給水の損失水頭は、結果的に高さＸに等しくなる。次いで、マイクロスクリーン６０４からの供給水は、高さＹを有する（流体力学的分離器３０８などの）流体力学的分離器６０６へ供給される。したがって、流体力学的分離器６０６を流れると、供給水の損失水頭は、結果的に高さＹに等しくなる。流体力学的分離器６０６からのろ過された出力（例えば、ＴＳＳまたは汚泥）は、（一部の実施形態では）ポンプ６１０の助けを借りて、再生利用に供する濃縮として、ライン６０８を経由して曝気ゾーン６０２へ戻る。次いで、ＴＳＳが除去された供給水は、（ＭＢＲタイプ膜３１０などの）浸漬型ろ過モジュール６１２へ供給される。次いで、ろ過された供給水は、移送ポンプ６１４へ流れ、ライン６１６を経由して出力される。図６は、スクリーン６０４および流体力学的分離器６０６を通して、一定の損失水頭／エネルギ損失が発生することになるという理解を示すように意図されている。特に、曝気槽の高さからエネルギはＸ＋Ｙであり、スクリーン６０４内にＸに等しい損失水頭、および流体力学的分離器６０６内にＹに等しい損失水頭がある。したがって、説明されたポンプの必要性がある。
【００２７】
本発明者による従来のシステムの再検討によって、ＭＢＲ式システムを用いて地方自治体の廃水を処理するのに用いられるエネルギのうちの約４０％が、固形物がＭＢＲ膜をふさぐのを防止するために必要となることが、本発明者によって理解されている。本明細書で説明された流体力学的分離器は、このエネルギ要件を実質的になくす。しかしながら、図６に示されるように、ＭＢＲライトについての本実施形態は、流体力学的分離器を用いることに起因して、損失水頭に対処するためにエネルギ（例えば、ポンプの使用）を必要とする。それにもかかわらず、図の下方に示されるように、従来のＭＢＲシステムの動作エネルギ要件と比較すると、曝気槽６０２の高さに依存して、ＭＢＲライトの実装によって、正味の省エネルギが存在することになる。したがって、例えば、高さ２０フィートの曝気槽（すなわち、Ｘ＋Ｙ＝２０フィート）に対しては、１００ｍｇ／Ｌ未満のＴＳＳのろ過能力を有する膜を実装するＭＢＲライトシステムに対する全動作エネルギ要件は、最大１２，０００ｍｇ／ＬまでのＴＳＳをろ過する膜を含む従来のＭＢＲシステムと比較すると、約２８％〜３２％低いと思われている。２０フィートにおける対ＭＢＲの節約が約７０％〜８３％であり、全システムエネルギのパーセントは４０％であるので、４０％の約７０％〜８３％は、約２８％〜３２％の間となる。
Ｘ＋Ｙ ｋｗｈ／ｍ３＊ 対ＭＢＲの節約％＊＊
１０フィート    ０．０１５    ７９％〜９２％
２０フィート    ０．０３０    ７０％〜８３％
３０フィート    ０．０４５    ６２％〜７５％
＊ポンプエネルギ（ｋｗｈ／ｍ３）＝０．００１４６×損失水頭、であり、ポンプ効率は６０％、モータ効率は９５％と仮定する。
＊＊ＭＢＲエネルギは、次に記載の文献で報告されたようなＭＢＲ代替策の曝気要件に対して、０．１８ｋｗｈ／ｍ３であると仮定された。Ｂｌａｃｋ  ａｎｄ  Ｖｅａｔｃｈ，“Ｃｏｓｔ  Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ＆  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ＭＢＲ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”ｂｙ  Ｃ．Ｌ．Ｗａｌｌｉｓ−Ｌａｇｅ，Ｓ．Ｄ．Ｌｅｖｅｓｑｕｅから０．１８から０．７３ｋｗｈ／ｍ３までの範囲にあると報告された。
【００２８】
図７を参照すると、図３〜図５と同様に、ＭＢＲライト供給水処理システムの一部分７００の別の図が図示される。このシステムの一部分は、図６の浸漬型ＵＦの代わりに、加圧型膜７０２が用いられることを除いて、実質的に図６と同様である。この設計では、膜７０２が沈められないので、ポンプ７０４は、流体力学的分離器７０６（図６の６０６）から出力を取り込み、加圧型膜７０２へ出力を送るように位置される。さらに違うことは、加圧型膜７０２からの供給水出力の一部分７０８が、洗浄目的用に再生利用された逆流洗浄として、曝気ゾーンへ供給されるように示されることである。それゆえに、このようなＭＢＲライトシステムのエネルギ要件が、上述のように図示されている。
【００２９】
図８では、図７内で用いられるような加圧型膜８００のさらに詳細な例が示される。流体力学的分離器からの供給水８０２が、加圧型膜８０４内へ入力され、同加圧型膜は、中心部分を通り抜けるＵＦファイバまたはチューブ（管）８０６を有する。供給水がＵＦファイバまたはチューブ８０６を流れながら、このろ過された供給水は、ろ過された水８０８として左および右側面を経由して、膜から退出する。ＵＦファイバまたはチューブ８０６は、膜のクロスフロー式ブリードによるフラッシングを実行することよって、周期的に洗浄され、それによって廃水は、出力８１０を経由して除去される。
【００３０】
図９を参照すると、移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）水処理システム９００が流体力学的分離器９０２を含んでいる、本願の別の実施形態が示される。流体力学的分離器９０２の実装は、より高濃縮の供給水をＭＢＢＲにもたらし、より高い効率を可能にする。さらに、流体力学的分離器を用いて、より高速に溶解する化学的酸素要求量（ＣＯＤ）除去およびより高速に行われるメタン発生を、より低エネルギ要件で成し遂げることができる。
【００３１】
移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）は、流動性樹脂培地における一定のバイオマスを用いて、場所の節約を可能にする。従来のシステムでは、可溶性ＣＯＤを除去するのに、ＭＢＢＲ曝気時間が３０分だけ必要となる。しかしながら、特にリン酸塩を除去するのに鉄塩類が用いられる場合、従来のＵＦ型膜に対するＴＳＳ負荷は、最高レベルになる。図９に示されるように、高速の移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）（移動床バイオフィルム膜反応器（ＭＢＢ−Ｍ−Ｒ）とも呼ばれる）９０４とＵＦ型膜９０６との間に挿入された流体力学的分離器９０２は、この問題を緩和する。さらに詳しくは、図９では、ＭＢＢＲ供給水処理システム９００は、高速の移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）９０４を用いて、流体力学的分離器９０２とＵＦ膜９０６との統合を提供し、結果的に、エネルギ、場所および費用面でかなりの利点をもたらす。本システムでは、供給水９０８は、当技術分野で周知の事前処理システム９１０へ供給される。この事前処理システムは、（重力を用いる分離などの）初期の分離工程を実行し、一定量の分離された汚泥水は、ライン９１２を経由して除去され、一方でさらに作用されようとする供給水９０８は、ライン９１４を経由してＭＢＢＲ９０４へ流れる。反応器の本体内部において、一定のバイオマス９１８を有する流動性樹脂培地の個々のエレメントを保持するために、受動スクリーン９１６が設けられる。空気入力ライン９２０を経由して、曝気が供給される。次いで、上述したように、作用された供給水９０８は、ＴＳＳ除去のため流体力学的分離器モジュール９０２へ供給される。したがって、ＴＳＳは、水が膜９０６によって処理される前に、除去される。次いで、保持されようとする水は、ライン９２２を経由して出力され、廃水はライン９２４を経由して移動される。
【００３２】
したがって、本実施形態では、ＭＢＢＲ水処理システムの内部に流体力学的分離器を追加すると、膜へのＴＳＳ負荷が低減され、結果としてろ過性能が改善され、順繰りに、起こり得る汚染、洗浄頻度（例えば、膜ろ過器の逆流洗浄頻度、洗浄用化学製品費用）、および膜の取り換え頻度が低減される。本実施形態では、流体力学的分離器は、ＭＢＢＲモジュール９０４と膜９０６との間に位置されるが、流体力学的分離器９０２は、事前処理システム９１０とＭＢＢＲモジュール９０４との間などの本システムの内部の他の場所に位置することができることを理解されたい。
【００３３】
図１０は、別のＭＢＢＲ水処理システムの一部分１０００を描写する。特に、図１０は、ＭＢＢＲモジュール１００２に焦点を合わせる。本実施形態は、ＭＢＢＲモジュール１００２内へ沈められた流体力学的分離器１００４を包含する。示されるように、流体力学的分離器６０４は、２つの別々の塔１００６および１００８の形をしており、各塔は順に、個々の流体力学的分離器デバイス１００６ａ〜１００６ｎおよび１００８ａ〜１００８ｎで構成される供給水１０１０は、ＭＢＢＲモジュール１００２内へ入力される。散気装置１０１２は、空気入力ライン１０１６から空気１０１４を受け、同ラインは、図９に示されるのと同様の空気発生装置１０１８によって供給される。さらに図９と同様に、本システムは、一定のバイオマス（培地）１０２０を有する流動性樹脂培地を含み、バイオマスは、受動スクリーン１０２２によって反応器１００２の内部に保持される。流体力学的分離器の塔１００６および１００８は、散気装置からの空気を移動して、ＭＢＢＲモジュール内で空気を循環することを可能にすることによって、曝気および培地再循環用にドラフトチューブとしても機能する。培地保留受動スクリーン１０２２が培地でふさがれないようにするのにも、空気が用いられる。本実施形態では、流体力学的分離器１００４からの供給水は、ライン１０１８を経由して出力され、除去された微粒子（ＴＳＳ）を含有する水は、ライン１０２４を経由して出力される。その後、分離された水は、ライン１０２６を経由して膜モジュール１０２８へ、従来の図面に示されるような浸漬型または加圧型限外ろ過膜システムなどによって追加の処理を行うために移動する。バルブ１０３０および１０３２は、追加のフロック発生が望まれているときに追加の凝固剤を供給し、本システムが洗浄されているときに洗浄用化学製品を与えることを可能にする。図１０の実施形態では、ＭＢＢＲモジュール１００２は、最上部が１２フィートの正方形で、深さが２０フィートの槽である。
【００３４】
図１１を参照すると、単一の流体力学的分離器デバイス１１０２、流体力学的分離器塔配列１１０４、および流体力学的分離器ユニット１１０６の新たな図が示される。流体力学的分離器塔１１０４は、例えば１日当たり４０，０００ガロンを分離する能力を有する多重の単一分離器デバイス１１０２で構成される。したがって、６つの分離器から成る塔は、１日当たり２４０，０００ガロンをろ過するまたは分離することができることになる。次いで、４つの個々の塔は、１ユニットとして組み合わせられるとき、１日当たり１００万ガロンを分離することができる。このようなユニットでは、各塔は２フィートの直径を有してもよく、各塔は６つの別々のデバイスを有してもよい。各デバイスの流量は、１分当たり１００リットルに等しく、この場合も（４つの塔で形成される）ユニットが、１日当たり１００万ガロンの水に作用する能力を有するようにする。全ユニット１１０６の設置面積は、底面で例えば５フィート×５フィートほどに小さくすることができる。
【００３５】
図１２は、本明細書の流体力学的分離器ユニットを用いると、従来の最終沈殿池などの従来のシステムコンポーネントを用いて起こり得る面積よりも小さい設置面積を有する水処理システムを形成することが可能となることを示す。このサイズ差は、図１２においてさらに詳しく示され、同図で、本実施形態を用いる、１００万ガロン／日の流体力学的分離器ユニット１２０２用の設置面積は、上述したように、５フィート×５フィートの全ユニット設置面積を有することができ、一方、１００万ガロン／日の最終沈殿池１２０４は、約６０フィートの直径を有することになり、したがって、本システムがより小さい場所で動作することが可能となる。
【００３６】
流体力学的分離器に注目し続けると、これらのコンポーネントは、説明されたようなさまざまな形式および設計、例えば、あらかじめ本明細書に参考文献によって援用された種々の形式および設計内に入ってくることがある。したがって、このような構成の例として、しかしこの例には限定されず、図１３〜図１７が、このような留意された変形例のいくつかを示すことに留意されたい。
【００３７】
次に、図１３を参照すると、単一の平面スパイラル型分離デバイス１３００が図示される。デバイス１３００は、注入口１３０２、少なくとも１つの湾曲またはスパイラル型部分１３０４および放出口１３０６を有する。この平面多重巻きスパイラル型流路デバイス１３００は、１つのやり方では、プラスチックからのカットで形成してもよい。プラスチックのタイプは、固有の用途および実装される自然環境から成る関数として、変化してもよい。デバイス１３００の１つの変形例では、デバイス１３００の注入口１３０２に近い中心領域が除去されて、以下で説明される注入口結合器へのアクセスを可能にする。本デバイスのスパイラル型部分１３０４は、さまざまな形状を選択することができる。例えば、スパイラル型部分１３０４は合流してもよく、または分岐してもよい。追加の例として、放出口１３０６および注入口１３０２の位置は、用途に適合するように、例えば遠心力を増加させるまたは減少させるように、交換してもよい。遠心力は、流体、例えば水の中に流れ場を発生させ、懸濁粒子を、中立浮遊粒子（例えば、粒子が存在する水または流体と実質的に同じ比重を有する粒子）を含む流路の１つの側面に押し流すことになる。分離効率は、例えば流路の形状および流速を含む、多くのパラメータに依存する粒子にかかる力は、遠心力および圧力駆動力などを含む。
【００３８】
デバイス１３００または本明細書でもくろまれる他のデバイスなどの、個々の湾曲またはスパイラル型流体力学的分離デバイスの、流体内の粒子を分離する基本となる動作が、上述のように参照した特許出願（同出願は参照することによって本明細書内に援用される）の選択された部分において、詳細に説明されることを理解されたい。したがって、このような動作は、このような説明が、本明細書で説明される実施形態の説明を強化する範囲を除いて、本明細書では説明されないことになる。
【００３９】
図１４を参照すると、システム１４００が代表的に示され、同システムは、流体についてＮ層の並列処理を可能にする並列手法で積み重ねられた複数のデバイス１３００（図１３に示される）を含む。さらに、注入口結合器１４０２も、図１４で代表的に示され、同結合器は、共通の供給源から液体を入力し、この積み重ね全体の内部の各デバイス１３００へ供給することを可能にする。注入口結合器１４０２は、さまざまな形状を選択することができるが、しかしながら一例では、注入口結合器１４０２は円筒形であり、その中に穿孔が形成される。穿孔は、システム１４００内に積み重なったデバイス１３００の注入口に一致する。類似の構成の放出口結合器をまた、実装することができる。２つの放出口結合器１４０４および１４０６は、本明細書では代表的に示されるが、放出口結合器の数は、各積み重なったデバイス用の放出口の経路または流路の数に基づいて、変化することができる。注入口結合器は、例えば外部のアルミニウム製プレートを通して、最上部の流路とだけ結合してもよい。すべての層への流体の接続は、最下部以外のすべての上部の層を通して穴を開けることによって、達成することができる。１４０４および１４０６で示されるような、少なくとも２つの流体放出口、または放出口結合器が、最上部のプレート上で同じやり方で接続することができる。すべての注入口および放出口の接続は、最下部のプレート上でも実装することができる。
【００４０】
図１５を参照すると、システム１５００は、多重の平面湾曲弧セグメント１５０２（例えばわずかの弧セグメント）を含み、同セグメントは、並列流路として垂直に積み重ねられてスループットを増加させる。これらの平面湾曲弧セグメントは、スパイラル型デバイスの特徴および機能が、この場合これらのセグメントに当てはまるにもかかわらず、いずれのセグメント１５０２に対しても完全なループになっていない。弧セグメントまたは湾曲部分１５０２は、注入口１５０４、湾曲または弧セクション部分１５０６および放出口１５０８を含む。この場合も、共通の供給源から、示されるすべての別々の弧セグメントへの流体の注入口を可能にする注入口結合器１５１０が、図１５にも示される。注入口結合器が、さまざまな形状を選択することができることを理解されたい。１つの形状では、注入口結合器は、円筒であり、各層の注入口に一致する穿孔または連続的なスロットを有する。図１４のシステム１４００に類似して、システム１５００は、液体粒子分離のスループットを増加させる。さらに、少なくとも１つの放出口結合器（図示されない）が、実装されてもよい。放出口結合器は、例えば図１４の注入口結合器に似ていてもよい。
【００４１】
図１６を参照すると、積み重ねられた流路（個々には示されていない）を含む別の平面湾曲構造が示される。湾曲構造１６００は、注入口１６０２（注入口結合器を含んでもよい）、湾曲部分１６０４および１６０６、ならびに少なくとも１つの放出口１６０８または１６１０を有する。示されるように、特定のサイズまたは比重の粒子（例えば浮遊粒子）などの選択された粒子用の放出口１６０８がある。放出口１６０８は、湾曲部分１６０４と湾曲部分１６０６との間の湾曲部の周りの中ほどに位置される。第２サイズまたは第２比重を有する選択された粒子（例えば中立浮遊粒子）用の第２放出口１６１０は、注入口１６０２の反対側にある湾曲部の端部に位置される。一般に、これらの放出口１６０８および１６１０は、サイズまたは比重が変化する粒子を流体から除去するのに用いることができる。上述したように、少なくとも１つの放出口結合器が、さらに利用されてもよい。
【００４２】
図１７を参照すると、システム１７００が示される。システム１７００は、図１６に示されるように複数のデバイス１６００を含み、同デバイスは、並列処理によってスループットの増加を可能にする構成において、積み重ねられる。システム１７００が、幅が増加した単一のデバイスをさらに含んでもよいことを理解されたい。もちろん、上述したように、注入口結合器および／または少なくとも１つの放出口結合器が、本システム内に実装されてもよい。
【００４３】
説明された分離器は、連続的にかつろ過障壁なしに、全懸濁物質（ＴＳＳ）のうちの９０％よりも多く除去することができる。説明された流体力学的分離器は、設計要求に応えるために流出液流／廃液流の可変の流量分割も可能にし、５０：５０は良好な運用仕様であるが、しかしこのような分離器は、最大９０：１０の分割まで変化するように構成することができ、同分割は、供給水の一部であって、同供給水から十分なＴＳＳが除去された結果、最終の意図した目的に用いることができる、供給水の一部であるか、または追加の処理を引き受けてもよく、その結果最終目的に適切となる状態にあるかのいずれかの洗浄された水と、処分されるかそれとも追加の分離用に本システムの中を再送されるかのいずれかの廃水として定義される水との間で行われる。
【００４４】
説明されたシステムは、低いエネルギ要件、小さい設置面積を有し、低費用、簡素で、堅牢な低メンテナンス運用および構造であり、高価なＭＢＲ膜の代用としてより安価な膜の使用を可能にしている。
【００４５】
流体力学的分離器が、移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）と組み合わされることができることも示された。本設計は、さらに濃縮された給水を提供し、それによって、より高速に溶解するＣＯＤ除去、およびより高速に行われるメタンガス発生をより高効率で行うことを可能にする。流体力学的分離器によってＴＳＳを除去すると、次に、膜上の応力が低下し、汚染の可能性、洗浄頻度（例えば、膜ろ過器の逆流洗浄頻度、洗浄用化学製品費用）およびＭＢＲ膜の取り換え頻度が低減される。本システムはさらに、ＴＳＳ汚染による流束減退曲線の傾斜を縮小することによって、ＭＢＲシステムの平均エネルギ効率を増加させる。同様に、本システムは、廃液の汚泥量、処理費用、および社外の廃棄費用を削減することになる。
【００４６】
上述のように開示された変形例ならびに他の特徴および機能、またはこれらの代替策は、多くの他の種々のシステムまたは応用と組み合わせてもよいことを理解されたい。現在、予見または予想されない種々の代替的修正物、変形例、またはこれらにおける改善策が、引き続いて当業者によって行うことができるが、これらもまた、次の請求項によって包含するように意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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