(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水処理システムであって、当該廃水処理システムは：
周囲を取り囲まれた水処理経路を定める少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁を有し、該壁は、前記周囲を取り囲まれた水処理経路の内部を外気から分離しており、かつ、該壁は、該水処理経路内を水平方向に廃水が流れることができるように配置されており；
処理すべき廃水を受入れるための少なくとも１つの廃水導入口と、処理された廃水を送り出すための少なくとも一つの処理済廃水排出口とを有し、前記少なくとも１つの廃水導入口と、前記少なくとも一つの処理済廃水排出口は、前記廃水が、前記周囲を取り囲まれた水処理経路を、前記少なくとも一つの廃水導入口から前記少なくとも一つの処理済廃水排出口へと流れる際に、該廃水を少なくとも好気性処理するために配設されており；
廃水を前記周囲を取り囲まれた水処理経路の前記少なくとも一つの廃水導入口へ供給する、少なくとも一つの廃水供給路を有し；
処理済廃水を、前記周囲を取り囲まれた水処理経路の少なくとも一つの処理済廃水排出口から供給する、少なくとも一つの処理済廃水路を有し；
前記周囲を取り囲まれた水処理経路が、螺旋状の横断面を有する概して鉛直の空気流路を定めるように配設されている、
前記廃水処理システム。
【請求項２】
前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁が、その内部表面上にバイオフィルムを支持するように配設されている、請求項１記載の廃水処理システム。
【請求項３】
前記酸素透過性で水不透過性の壁の表面積の、前記水処理経路の通水断面積に対する割合が、少なくとも２００：１である、請求項１または２記載の廃水処理システム。
【請求項４】
前記酸素透過性で水不透過性の壁の表面積の、前記水処理経路の通水断面積に対する割合が、少なくとも１０００：１であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の廃水処理システム。
【請求項５】
前記周囲を取り囲まれた水処理経路が、５〜２０ミリメートルの水力直径であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載の廃水処理システム。
【請求項６】
前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁が、螺旋状に配設されて、螺旋状の壁に取り囲まれた水処理経路を定めている、請求項１〜５のいずれか１項記載の廃水処理システム。
【請求項７】
当該廃水処理システムが、複数の積層された経路を含み、該複数の積層された経路のそれぞれは、螺旋状の横断面を有する概して鉛直の空気流路を定めるように配設されており、
該鉛直の空気流路同士は一線上に並べられている、
請求項１〜６のいずれか１項記載の廃水処理システム。
【請求項８】
前記鉛直の空気流路の横断厚が４から２０ｍｍである、請求項１〜７のいずれか１項記載の廃水処理システム。
【請求項９】
前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁が、微細孔を有するポリプロピレンおよび微細孔を有するポリオレフィンのうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜８のいずれか１項記載の廃水処理システム。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁が、少なくとも一つの織物層を含む、請求項１〜９のいずれか１項記載の廃水処理システム。
【請求項１１】
廃水処理方法であって、当該廃水処理方法は、
請求項１〜１０のいずれか１項に記載された廃水処理システムに、廃水を導入することを有し、かつ、
前記廃水が前記廃水処理システムの前記少なくとも一つの廃水導入口から前記少なくとも一つの処理済廃水排出口へと流れる際に、該廃水が処理されるのに十分な時間だけ、前記廃水処理システムの取り囲まれた水処理経路を該廃水が流れるようにすることを有する、前記廃水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への参照
2009年12月14日に出願された、Diffusion Aeration for Water and Wastewater Treatmentというタイトルの米国仮特許出願シリアル番号第61/286,055号を参照する。その開示は参照することにより本明細書に組み込まれ、その優先権を、37 CFR 1.78(a)(4)および(5)(i)に従って、本願で主張する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、概して廃水処理に関し、より詳細には、生物学的な廃水処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
次の米国特許は、当該技術分野の現状を表すものと確信する。
7,303,677、7,300,571、6,908,547、6,645,374、5,486,475および5,482,859。
【発明の概要】
【０００４】
発明の要旨
本発明は、改善された廃水処理システムおよび方法の提供を目的とする。
【０００５】
それ故に、本発明の好ましい実施形態に従う廃水処理システムが提供され、該廃水処理システムは、少なくとも一つの水処理経路であって、少なくとも一つの廃水導入口、該経路の内部を外気から分離する少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁、および、少なくとも一つの処理済廃水排出口を有し、前記少なくとも一つの廃水導入口から前記少なくとも一つの処理済廃水排出口へ流れる廃水の少なくとも好気性処理のために配設される水処理経路と、前記廃水を、前記水処理経路の前記少なくとも一つの廃水導入口へ供給する少なくとも一つの廃水供給路と、処理済廃水を、前記少なくとも一つの水処理経路の前記少なくとも一つの処理済廃水排出口から供給する少なくとも一つの処理済廃水路を備えてなる。
【０００６】
また、本発明の好ましい実施形態に従う廃水処理方法が提供され、該廃水処理方法は、少なくとも一つの水処理経路であって、少なくとも一つの廃水導入口、該経路の内部を外気から分離する少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁、および、少なくとも一つの処理済廃水排出口を有し、前記少なくとも一つの廃水導入口から前記少なくとも一つの処理済廃水排出口へ流れる廃水の少なくとも好気性処理のために配設される水処理経路を提供する工程と、前記廃水を、前記水処理経路の前記少なくとも一つの廃水導入口へ供給する工程と、処理済廃水を、前記少なくとも一つの水処理経路の前記少なくとも一つの処理済廃水排出口から供給する工程を含む。
【０００７】
好ましくは、前記少なくとも一つの水処理経路の前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁は、その内部表面にバイオフィルムを支持するように配設される。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記酸素透過性で水不透過性の壁の表面積の、前記経路の通水断面積に対する割合は、少なくとも２００：１である。より好ましくは、前記酸素透過性で水不透過性の壁の表面積の、前記経路の通水断面積に対する割合は、少なくとも１０００：１である。付加的または代替的には、前記経路の水力直径は５〜２０ミリメートルである。
【０００９】
好ましくは、前記酸素透過性で水不透過性の壁の表面積の、前記経路の総容量に対する割合は、少なくとも１００：１である。より好ましくは、前記酸素透過性で水不透過性の壁の表面積の、前記経路の総容量に対する割合は、少なくとも１５０：１である。最も好ましくは、前記酸素透過性で水不透過性の壁の表面積の、前記経路の総容量に対する割合は、少なくとも２００：１である。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記少なくとも一つの水処理経路は、そこを通る廃水の概して栓型の流れが促進されるように構成され、前記経路の長さ、幅および流路深さは、それによって構成された栓流反応器において、理論段階Ｎが少なくとも４となるように選択される。ここで、栓流反応器における理論段階の数は、下記式を用いて計算される。
Ｎ＝７．４×Ｑ×Ｌ／（Ｗ×Ｄ）
式中、
Ｎ：理論段階の数
Ｑ：流量（ｍ3／ｓ）
Ｌ：流路長さ（ｍ）
Ｗ：流路幅（ｍ）
Ｄ：流路深さまたは間隔（ｍ）
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記少なくとも一つの水処理経路は、そこを通る廃水の概して栓型の流れが促進されるように構成され、前記経路の長さ、幅および流路深さは、それによって構成された栓流反応器において、理論段階Ｎが少なくとも８となるように選択される。ここで、栓流反応器における理論段階の数は、下記式を用いて計算される。
Ｎ＝７．４×Ｑ×Ｌ／（Ｗ×Ｄ）
式中、
Ｎ：理論段階の数
Ｑ：流量（ｍ3／ｓ）
Ｌ：流路長さ（ｍ）
Ｗ：流路幅（ｍ）
Ｄ：流路深さまたは間隔（ｍ）
【００１２】
好ましくは、前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁は螺旋状に配設されて前記少なくとも一つの水処理経路を画定する。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記少なくとも一つの水処理経路は、螺旋状の横断面を有する概して鉛直の空気流路を画定するように配設される。付加的には、前記少なくとも一つの水処理経路は複数の積層された経路を含み、該複数の積層された経路のそれぞれは、螺旋状の横断面を有する概して鉛直の空気流路を画定するように配設され、該鉛直の空気流路同士は直線に並べられる。付加的または代替的には、前記廃水処理システムは、前記鉛直の空気流路を通じる鉛直の空気流を提供する少なくとも一つの送風機をさらに含む。
【００１４】
好ましくは、前記鉛直の空気流路の横断厚は４から２０ｍｍである。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁は、微細孔を有するポリプロピレンおよび微細孔を有するポリオレフィンのうちの少なくとも一つを含む。付加的または代替的には、前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁は、少なくとも一つの織物層を含む。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記方法は、前記少なくとも一つの水処理経路を、そこを通る廃水の概して栓型の流れが促進されるように構成する工程と、前記経路の長さ、幅および流路深さを、それによって構成された栓流反応器において、理論段階Ｎが少なくとも４となるように選択する工程をさらに含む。ここで、栓流反応器における理論段階の数は、下記式を用いて計算される。
Ｎ＝７．４×Ｑ×Ｌ／（Ｗ×Ｄ）
式中、
Ｎ：理論段階の数
Ｑ：流量（ｍ3／ｓ）
Ｌ：流路長さ（ｍ）
Ｗ：流路幅（ｍ）
Ｄ：流路深さまたは間隔（ｍ）
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記方法は、前記少なくとも一つの水処理経路を、そこを通る廃水の概して栓型の流れが促進されるように構成する工程と、前記経路の長さ、幅および流路深さを、それによって構成された栓流反応器において、理論段階Ｎが少なくとも８となるように選択する工程をさらに含む。ここで、栓流反応器における理論段階の数は、下記式を用いて計算される。
Ｎ＝７．４×Ｑ×Ｌ／（Ｗ×Ｄ）
式中、
Ｎ：理論段階の数
Ｑ：流量（ｍ3／ｓ）
Ｌ：流路長さ（ｍ）
Ｗ：流路幅（ｍ）
Ｄ：流路深さまたは間隔（ｍ）
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記方法は、前記少なくとも一つの酸素透過性で水不透過性の壁を螺旋状に配設して前記少なくとも一つの水処理経路を画定する工程をさらに含む。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記方法は、前記少なくとも一つの水処理経路を配設して、螺旋状の横断面を有する概して鉛直の空気流路を画定する工程をさらに含む。付加的または代替的には、前記方法は、複数の積層された水処理経路を提供する工程であって、該複数の積層された水処理経路のそれぞれが、螺旋状の横断面を有する概して鉛直の空気流路を画定するように配設される工程と、前記鉛直の空気流路同士を直線に並べる工程をさらに含む。付加的または代替的には、前記方法は、前記鉛直の空気流路に鉛直の空気流を提供する工程をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明は、図面と併せて解釈される以下の詳細な説明からより完全に理解され認識されるであろう。
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する、分散型廃水処理システムの単純化した絵図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する、廃水処理設備の単純化した図である。
【図３】図３は、図１および図２の廃水処理設備のモジュラーユニットの単純化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
好ましい実施形態の詳細な説明
ここで図１を参照する。図１は、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する分散型廃水処理システムの単純化した絵図である。図１に見られるように、田舎町または村から廃水が廃水路１００を通って複数の分散型で小型の低エネルギー廃水処理設備１０２へ供給され得る。該廃水処理設備１０２は、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能するものであり、各廃水処理設備１０２は、支流の廃水供給ライン１０４を介して廃水路１００からの廃水を受け入れる。大まかに図１において理解されうるように、前記廃水処理設備１０２の設置面積は比較的に小さい。この廃水設備のエネルギー必要量は少ないので、光起電力パネル１０６から電力を得ることができる。
【００２２】
ここで図２を参照する。図２は、本発明の好ましい実施形態に従って構成され機能する、小型で低エネルギーの廃水処理設備の単純化した図である。図２に見られるように、小型で低エネルギーの廃水処理設備１０２は、複数の積層された廃水処理モジュラーユニット１１０を備え、各ユニット１１０は、好ましくは、概して螺旋状に巻き回された概して水平の廃水経路１１２を備えている。該経路１１２は、その巻き線の間に、螺旋状の横断面を有する、概して鉛直の空気流路１１４を画定するように配設される。
【００２３】
好ましくは、前記複数のユニット１１０は、鉛直の空気流路１１４同士が直線に並ぶように互いに積層される。廃水は、廃水供給マニホールド１１６を通じて各経路１１２に供給され、処理済廃水は、各経路１１２から処理済廃水マニホールド１１８を通じて受け取られる。前記廃水供給マニホールド１１６は好ましくはモジュール式である。前記処理済廃水マニホールド１１８も好ましくはモジュール式である。
【００２４】
好ましくは、複数の積層されたユニット１１０の空気流路１１４を通る鉛直の空気流は、送風機１２０によって生み出される。送風機１２０は、光起電力パネル１０６（図１）などの分散型の電源によって、またはその他の好適な電源によって電力を得ることができる。あるいは、十分な通気が、熱または風を用いて作り出され得る場合には、電力の使用および場合によって送風機１２０の使用を、部分的にまたは完全に省略してもよい。
【００２５】
図２の図示された実施形態において、処理設備１０２は、１つの送風機１２０を備えているが、複数の積層されたユニット１１０のうちの１つ以上が追加の送風機１２０を備えてもよいことが理解される。１つの送風機または複数の送風機の両方の実施形態において、処理設備１０２は１つの空気導入口を備えている。
【００２６】
他の実施形態において、複数の設備１０２の各々の空気導入口へ接続されたヘッダーを通して、１つの送風機から複数の処理設備１０２に鉛直の空気流を供給しても良い。
【００２７】
図２の図示された実施形態において、積層されたユニット１１０の各々の経路１１２は並列に接続されて示されている。代替的には、経路１１２を直列に接続し得ることも理解される。また、廃水の性質および処理の要求に応じて、複数の設備１０２を直列または並列に接続し得ることも理解される。
【００２８】
さらに、複数の設備１０２の水の導入口と水の排出口を互いに直列に接続し、そこを通る水の流れを連続させて多段階の廃水処理を行うようにし得ることも理解される。
【００２９】
ここで図３を参照する。図３は、図１および図２に示される廃水処理設備１０２のモジュラーユニット１１０の単純化した図である。図３に見られるように、各ユニット１１０において、概して螺旋状に巻き回された概して水平の廃水経路１１２は、円筒状の筐体１２２内に入れられている。経路１１２は好ましくは、概して鉛直に延設され螺旋状に巻き回された壁１２４によって形成される。各壁１２４は、１枚の酸素透過性で水不透過性の材料１２５（好ましくは、微細孔を有するポリプロピレンまたはその他の微細孔を有するポリオレフィン）から形成され、好ましくは少なくとも片面に織物１２６（好ましくは、プラスチック製の織物）が貼着されている。酸素透過性で水不透過性の材料１２５の厚さは、好ましくは１００ミクロン未満であり、より好ましくは５０ミクロン未満である。好ましくは、織物１２６の厚さは１００ミクロン未満であり、かつ単位面積当たりの重さが５０グラム毎平方メートル未満であることを特徴とする。隣り合う２つの壁の間に廃水の流れを提供するために、経路１１２は４ｍｍ〜２０ｍｍの範囲の間隔を有することが好ましい。
【００３０】
酸素透過性で水不透過性の材料１２５は、屋根ふき材料として建設業界で広く用いられている。また、使い捨て保護衣服の製造にも用いられている、例えば、ドイツ国ドムビュール（Dombuhl）のBohme Clopay GMBh 社から市販されている、16 gsmマイクロフレックス・エンボス加工通気性フィルム（Microflex Embossed Breathable Film）などである。織物１２６は、典型的には不織布であり、イスラエル国テル・アビブのAvgol Ltd社から市販されている、カタログ番号N-S70-26 Iの10 gsm Hydrophilic Durable Whiteなどである。
【００３１】
壁１２４の上縁１２７と下縁１２８はそれぞれ、壁材料を数回折り重ね、または壁材料の縁にわたって適合性材料のフィルムを更に設け、そこにヒートプレス、超音波溶接、または類似の手段を適用することによって密封されていることが好ましい。壁１２４は、それに沿って延設された内部スペーサ１３２によって互いに分離されていることが好ましい。好ましくは、壁１２４は先細の上面領域１３４を呈し、矢印１３６に示されるように、鉛直の空気流路１１４に沿った空気流に対する抵抗を比較的に小さくしている。経路１１２の高さのほとんどにおいて、壁１２４の内部表面はスペーサ１３２によって４〜２０ｍｍの横断距離だけ分離されていることが好ましい。
【００３２】
好ましくは、経路１１２は、隣り合う巻き線の壁１２４の外部表面が４〜２０ｍｍの横断距離だけ分離されるように巻き回されており、それによって、４〜２０ｍｍの横断厚さの螺旋状の鉛直の空気流路１１４が画定される。流路１１４の横断厚さは、好ましくは、隣り合う巻き線の壁１２４の間にスペーサ１３８を設けることによって維持される。
【００３３】
スペーサ１３２と１３８は、好ましくは、排水ネット（drainage netting）若しくは補強用の網（reinforcement mesh）若しくはフェンス状スクリーンまたは類似の三次元プラスチック製網状格子製品であり、例えば、イギリス国エセックス州モールドン、Boddington Ltd.社から市販されている、カタログ番号B-420/4.6/0.7、部品番号009442の排水Ｂネット（Drainage B net）などである。
【００３４】
廃水は、廃水供給マニホールド１１６に接続された廃水供給相互接続パイプ１４２を通じて、螺旋状に巻き回された廃水経路１１２の内側の端でその壁１２４に形成された開口１４０から、経路１１２の内部に供給される。代替的に、マニホールド１１８が廃水供給マニホールドとして機能してもよく、マニホールド１１６が処理済廃水排出マニホールドとして機能してもよい。その場合、廃水は、前記螺旋の外側の端から供給され、該螺旋の内側に向かって経路１１２に沿って流れる。
【００３５】
経路１１２の内部に廃水が存在すると、壁１２４の内部表面上にバイオフィルム１５０が形成される。バイオフィルム１５０は、酸素透過性の壁１２４を介して酸素を受け取り、廃水と機能的に接触してその処理を行う。本発明の特別な特徴は、廃水が、経路１１２の内部表面上に形成されたバイオフィルム１５０と機能的に接触しつつ経路１１２を流れ、バイオフィルム１５０は、バイオフィルム１５０が形成されている壁１２４を介して経路１１２の外部の空気流から酸素を受け取ることにある。
【００３６】
バイオフィルム１５０は、好ましくは、複数の層からなる。良好な安定性を有し、適切に機能するシステムでは、バイオフィルムの組成は流路に沿って異なり、様々な割合で下記の層を主に含むであろう。
１．壁１２４に最も近い層：バイオフィルムは、大部分は好気性細菌からなり、流路を下るにつれ、アンモニアを酸化し炭酸塩を還元する独立栄養細菌が増すであろう。
２．壁１２４に最も近いバイオフィルム層に隣接する層：バイオフィルムは、有機物を酸化する好気性従属栄養細菌がより豊富になっているであろう。
３ａ．壁１２４からもっと遠くかつ流路の最も上流の層：廃水内の有機物の濃度が比較的高く、バイオフィルム層は、ＣＯ２または他の代替的な電子受容体を還元することによって有機物を酸化する嫌気性細菌の濃度が高くなっていることを特徴とするであろう。
３ｂ．流路の最も下流の層：壁１２４から最も遠い層は、一方では水に残存している溶解有機物を用い、他方では前記第１の層において硝化によって生成された硝酸塩を用いて、脱窒を行う従属栄養細菌を含んでいるであろう。
【００３７】
経路１１２を通る水は、十分に乱流であることが好ましく、そうして、継続的にバイオフィルム１５０の層にせん断を与え、それにより、過度の成長と、経路１１２の目詰まりを防ぐ。本発明の特別な特徴は、廃水路１００（図１）のトポロジーおよび流れ圧力、ならびにそれに沿ったエネルギー損失に応じて、経路１１２に供給される廃水をくみ上げるためのエネルギー必要量を比較的に低く、または、無視できるものにし得ることにある。
【００３８】
好ましくは、酸素透過性で水不透過性の壁１２４の表面積の、経路１１２の通水断面積に対する割合は、少なくとも２００：１であり、より好ましくは少なくとも１０００：１である。典型的な水力直径は５〜２０ミリメートルである。
【００３９】
好ましくは、酸素透過性で水不透過性の壁１２４の表面積の、該経路の総容量に対する割合が、少なくとも１００：１、より好ましくは少なくとも１５０：１、最も好ましくは、少なくとも２００：１となるように、経路１１２は構成される。単位体積当たりの表面積が大きければコンパクトに構成できる。コンパクトさは処理プロセスを選択する際の重要な要素である。
【００４０】
経路１１２は、それを通る廃水の概して栓型の流れを促進するように構成されている。好ましくは、経路１１２の長さ、幅および流路深さは、それによって構成される栓流反応器において、理論段階Ｎが、好ましくは少なくとも４、より好ましくは少なくとも８となるように、選択される。ここで、栓流反応器における理論段階の数は、下記式を用いて算出される。
Ｎ＝７．４×Ｑ×Ｌ／（Ｗ×Ｄ）
但し、
Ｎ：理論段階の数
Ｑ：流量（ｍ3／ｓ）
Ｌ：流路長さ（ｍ）
Ｗ：流路幅（ｍ）
Ｄ：流路深さまたは間隔（ｍ）
【００４１】
本発明が以上に具体的に示され説明されたものに限定されないことを当業者は理解するであろう。本発明の範囲にはむしろ、以上に記載された各種特徴の組み合わせおよび部分的組み合わせの両方、ならびに上述の説明を読んだ当業者が想起するであろう、先行技術にはないそれらの改良が含まれる。
【図１】
0005997052.tif 000002
【図２】
0005997052.tif 000003
【図３】
0005997052.tif 000004