(57)【要約】  水浄化用のバイオリアクター１は、浄化対象水の注入手段５及び浄化水の排出手段６が設けられた、断面が円形又は楕円形であるタンク部２を有する。タンクは、バイオフィルムが表面に成長するキャリア材料３を内部に収容している。タンクは、浄化処理に必要な反応ガスを含有する流体を供給し、浄化対象水に反応ガスを含有する気泡を発生させる手段４を有する。タンク部は、浄化処理時、水が充満される。流体供給手段４は、タンクの壁に設けられている。リアクターは、キャリア、水及び少なくとも一部の反応ガス含有気泡の回転運動が、タンクの断面中央を通過する回転中心線周りに発生するように流体供給手段を操作する制御手段を有する。制御手段は、嫌気的処理を実施するために、流体供給手段を所望の時間に停止できる及び／又は流体を酸素を含有しない流体で置換できる。本発明は、また、バイオリアクターで水を生物学的に浄化する方法に関する。
2009522093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を浄化するためのバイオリアクター（１）であって、
該バイオリアクターは、浄化すべき水の注入手段（５）と浄化された水の排出手段（６）とが設けられたタンク部（２）を有し、
前記タンク部は、バイオフィルムがその表面に成長するキャリア材料（３）をその内部に収容し、
前記タンク部は、水の浄化処理に必要な反応ガスを含有する流体を供給するための流体供給手段（４）を有し、
前記タンク部は、その断面が基本的に円形又は楕円形であり、
前記の水の排出手段（６）は、水の浄化処理時に、基本的に水が前記タンク部（２）に充満されるような形態で前記タンク部（２）に設けられ、
前記流体供給手段（４）は、前記タンク部の壁に設けられ、
さらに、該バイオリアクターは、前記キャリア材料、前記水及び前記反応ガスを含有する流体の回転運動が、基本的に前記タンク部の断面中央を通る回転中心線の周りに発生するように前記流体供給手段を操作する制御手段を有していることを特徴とするバイオリアクター。
【請求項２】
前記キャリア材料（３）は、１つ又は複数のキャリア要素から成り、また、前記キャリア材料（３）は、前記タンク部に対して７０％超から約１００％の範囲の充填度を有することを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項３】
前記キャリア材料は、前記タンク部に対して約１００％の充填度を有する複数のキャリア要素から成り、よって、前記タンク部に前記流体を供給したとき、基本的に連続したキャリア床の形態で回転中心線周りを回転することを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項４】
前記タンク部は、前記キャリア材料が長さ方向の中心線周りを邪魔されることなく回転できるよう、基本的に平滑に形成された内面を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のバイオリアクター。
【請求項５】
浄化処理は、好気的処理として実施されるようになっており、また、前記反応ガス含有流体は、浄化対象水を収容する前記タンク部に、エアを水中に溶解させることができる気泡を発生するように供給されたエアを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のバイオリアクター。
【請求項６】
前記タンク部（２）の周囲には、前記タンク部を少なくとも部分的に囲繞するとともに、バルブ手段を介してエアの供給源に接続され、また、エア供給手段（４）が取り付けられている少なくとも１つのエア供給路（８）を有する防護カバー（７）が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のバイオリアクター。
【請求項７】
前記流路（８）内の前記エア供給手段（４）は、前記流路の長さ方向に連続して配置された複数のノズル部材を有することを特徴とする請求項６に記載のバイオリアクター。
【請求項８】
前記ノズル部材の各々は、前記タンク部にエアは流入させるが、前記流路（８）への前記タンク部内の非浄化水の流入は本質的に阻止するメンブレンが設けられていることを特徴とする請求項７に記載のバイオリアクター。
【請求項９】
エア供給手段は、前記少なくとも１つの流路（８）に位置を合わせて、前記タンク部（２）の壁に形成された曝気孔から成ることを特徴とする請求項６に記載のバイオリアクター。
【請求項１０】
浄化処理は、任意で、前記制御手段が前記流体供給手段を所望の時間に停止させる及び／又は前記流体を基本的に反応ガスを含有しない流体で置換させることによって、嫌気的処理として実施できるようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のバイオリアクター。
【請求項１１】
前記流体供給手段の前記制御は、論理制御として実施されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載のバイオリアクター。
【請求項１２】
前記タンク部（２）は、基本的に水平位置に配置された長尺の筒状又は円盤状の構造体であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載のバイオリアクター。
【請求項１３】
前記タンク部（２）は、基本的に球形又は回転により形成される楕円形の構造体であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載のバイオリアクター。
【請求項１４】
バイオリアクターで水を生物学的に浄化する方法であって、
上記バイオリアクターは、浄化すべき水の注入手段（５）及び浄化された水の排出手段（６）が設けられたタンク部（２）を有し、前記タンク部は、バイオフィルムがその表面に成長するキャリア材料（３）をその内部に収容し、かつ、前記タンク部は、浄化処理に必要な反応ガスを含有する流体を供給するための手段（４）を有し、
該方法に用いられる前記バイオリアクターの前記タンク部（２）は、断面が基本的に円形又は楕円形であるとともに、前記流体供給手段（４）は、前記タンク部の壁に設けられていて、
該方法は、浄化処理時に、前記タンク部が水で基本的に充満されるように、前記タンク部に浄化すべき水を供給する過程を含んでいて、
前記流体供給手段を、前記キャリア材料、前記水及び前記反応ガス含有流体の回転運動が、基本的に前記タンク部の断面中央を通る回転中心線周りに連続的に又は間欠的に発生するように制御することを特徴とする方法。
【請求項１５】
該方法は、１つ又は複数のキャリア要素から成るキャリア材料を用い、前記キャリア材料（３）は、前記タンク部に対して７０％超から約１００％の範囲の充填度を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
浄化処理を、好気的処理として実施するようになっていて、
浄化すべき水に気泡を発生させる前記反応ガス含有流体としてエアを用い、気泡の少なくとも一部を、前記キャリア材料及び前記水とともに前記回転中心線周りを回転せることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
バイオプロセスは、好気的処理として実施されるようになっており、また、エアが溶解している及び／又は気泡の形態で存在する予め曝気された水が前記反応ガス含有流体として用いられることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１８】
バイオプロセスは、任意で、前記流体の供給を所望の時間に停止することによって及び／又は前記流体を本質的に反応ガスを含有しない流体で置換することによって、嫌気的処理として実施されるようになっていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１９】
生物学的処理用のキャリア要素であって、
該キャリア要素は、大きい厚さの縁部（３１）と小さい厚さの中央部（３２）とを含む円盤又はパックとして形成され、前記中央部は、バイオフィルムが成長することができる面積を増加させるための円錐形又はピラミッド形の突起（３３）を備えるように形成されていることを特徴とするキャリア要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水浄化用のバイオリアクター（生物反応器）に関し、該リアクターは、断面が本質的に円形又は楕円形であり、浄化対象である水の注入手段及び浄化水の排出手段を備えるタンク部を有し、該タンク部は、バイオフィルム（生物膜）が表面に成長するキャリア材料（担体材料）を内部に収容するとともに、好気的浄化処理に必要なエアを供給する手段がさらに設けられている。
【０００２】
本発明は、また、断面が本質的には円形又は楕円形であり、浄化対象である水の注入手段及び浄化水の排出手段を備えるタンク部を有し、該タンク部には、バイオフィルムが表面に成長するキャリア材料を内部に収容するとともに、好気的浄化処理に必要なエアを供給する手段がさらに設けられているバイオリアクターで水を生物学的に浄化する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば汚水のような水を生物学的に浄化するとき、水は、反応器の中を通過させられるが、反応器には、水中の不純物を、二酸化炭素、ミネラル及び水のような無害な最終物質に転換するために微生物が用いられる。水を生物学的に浄化するとき、微生物は、それら自体、即ちバイオマスに、また、微生物で分解不可能な物質、例えば重金属に付着している。浄化は、好気的又は嫌気的に行うことができる。散水ろ床、バイオロータ（回転式生物学的接触器）、流動床反応器、固定床反応器及び移動床反応器のような、従来技術による汚水浄化のための種々のバイオリアクターが知られている。周知のバイオリアクターの１つは、キャリア材料を工程に搬入することを含み、該キャリア材料の表面は、バイオフィルムの形態の微生物を成長させることができるようになっている。
【０００４】
典型的なバイオフィルムによる処理（固定床反応器）の１つは、浄化用のリアクターに充填粒子状のキャリア材料を充填することを基礎にしており、該充填粒子は、処理中、静止状態にあるようになっている。充填粒子表面上にあるバイオフィルムの酸化は、リアクターに底からエアを供給することによって行われる。この処理の有利な点は、バイオフィルムが成長できる大きい面積を有するために、リアクターの単位容量当りのバイオマスの量を大きくできることである。この種の所謂固定床の欠点は、バイオプロセスが、バイオマス（スラッジ）又は他の粒子状物質によって停止させられることがあり、また、不活性領域が、水と活性微生物の接触が不十分な場所において処理中に拡大することである。もう１つの問題は、リアクターの下方に手が届き難いためにクリーニングが困難になり、バイオリアクターが詰まった場合には、クリーニングのためにバイオリアクターの全内容物を取り出さなければならないということである。
【０００５】
また、キャリア材料が処理中に移動し続ける、従来技術によるバイオフィルムによる処理も周知である（特許文献１、２及び３を参照されたい）。そのような移動床式バイオリアクターの有利な点は、キャリア材料による目詰まりと不活性領域の拡大が実質上排除されることである。キャリア要素の表面は、別のキャリア要素との衝突に耐えられるよう部分的に防護されている。しかし、この場合の欠点は、キャリア要素が処理対象水の中を自在に移動できるようにするために、充填度を、例えば空のリアクター容量の約３０〜７０％のように、とりわけ低くする必要があり、処理能力が大幅に制限されることである。このために、不純物の除去能力が、同一の容量を有し、また、同一のキャリア材料が充填されている固定床リアクターのそれより低くなるが、それは、固定床リアクターの充填能力がより高いからである。
【特許文献１】米国特許第６１２６８２９号
【特許文献２】米国特許第５４５８７７９号
【特許文献３】米国特許第５５４３０３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
充填度を上げることは、酸素消費量の増大に繋がり、そのためには、より強力なコンプレッサが必要になるが、強力なエア吹込みはバイオプロセスをさらに阻害する。充填度を上げることは、固定床の形成に繋がり、それにより、キャリアがバイオマスによって詰まらせられるために、生物学的処理が停止する。これに加え、移動床式リアクターの充填度を上げる場合には、キャリアを動かし続けるために、不都合な程大量のエアとエネルギーが必要になり、そのために、バイオフィルムに加わる機械的応力が大幅に増大する。このことは、また、キャリアの表面からバイオフィルムが剥離することによって、生物学的処理の停止を引き起こす。もう１つの大きい欠点は、曝気手段とキャリア要素を分離するために、リアクターに安全スクリーンを設けなければならないということである。スクリーンは、キャリア要素が目を通過することを阻止するメッシュ・サイズを有していなければならない。このことは、単位容積当りの面積が大きい、小径のキャリアの使用を不可能にするが、それは、スクリーンのメッシュ・サイズを相応に小さくすることがエアの供給を困難にし、また、目詰まりを起こす可能性があるからである。
【０００７】
本発明の目的は、固定床式処理と移動床式処理両方の欠点を無くすことが可能であり、単位容積当りの不純物処理能力を、周知のリアクターによって達成されているレベルより向上させることができ、また、それにより浄化コストを低減できる改良型バイオリアクターを提供することである。この目的を達成するために、本発明によるバイオリアクターは、タンク部の断面が本質的に円形又は楕円形であり、水の排出手段が、浄化処理中、タンク部を水で本質的に満たしておくことができるようタンク部に設けられており、流体供給手段がタンクの壁に設けられており、さらに、リアクターは、キャリア、水及び反応ガス含有流体の回転運動が、本質的にタンクの断面中央を通過する回転中心線周りに発生するように流体供給手段を操作し、また、任意で、流体供給手段を所望の時間に停止できるようになっている制御手段を有することを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
浄化処理中、タンク部を水で本質的に満たしておくという、本発明の一概念によると、例えば気泡形態の反応ガスは、水及びキャリアとともに移動して、気泡には長い有効距離と時間を付与し、よって、キャリアには、キャリア材料の充填度は３０〜７０％の範囲にあると教示する従来技術による移動床式の解決策に反して、好ましくは７０％超から約１００％の範囲の高い充填度を達成することを可能にする。キャリア材料の充填度は、生物学的処理の性能に直接比例する、即ちリアクター内のキャリア材料の充填度、ｍ２／ｍ３、が高ければ高いほど、その浄化性能は高くなる。また、本発明による解決策においては、キャリア材料の量は、７０％より大幅に少ない、例えば５０％未満であってもよい。キャリア材料の充填度は、酸化能力とリアクターの負荷率に基づいて決められる。キャリアは、連続回転運動が可能な、所望の大きさと形状のプラスチック片から成る。本発明によるリアクターの使用時に、好気的処理において気泡は、バイオフィルムをより効果的に酸化するために、キャリア材料と水とともにかなり長時間回転運動を行い、現在用いられているリアクターよりかなり長い時間リアクターに残留することが見出された。同時に、気泡は小さい気泡に分裂するが、そのことは、エアから水への酸素の移動に貢献するもう１つの要因である。これにより、エアの要求量が小さくなり、よって、活性スラッジ、固定床及び移動床式の処理と比較したときの運転費が低下する。
【０００９】
一方、本発明による方法は、該方法に用いられるバイオリアクターのタンク部は断面が本質的に円形又は楕円形であり、また、流体供給手段がタンクの壁に設けられており、該方法は、浄化処理中、タンクは水で本質的に満たされているようタンクに非浄化水を供給すること、及び、流体供給手段は、キャリア、水及び反応ガス含有流体の回転運動が、タンクの断面中央を本質的に通過する回転中心線周りに連続的に又は間欠的に発生するように制御されることを含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の解決策によると、バイオフィルムは大きい成長面積を有することができ、また、キャリア、水及び反応ガス含有流体が一部分の回転中心線周りをほぼ一定の角速度で回転しているリアクターには、酸欠領域が生じることはない。それにも拘らず、バイオリアクターの種々の部分は、別々の方向に運動する。
【００１１】
その内部でキャリア要素が１つの且つ同一方向に回転している、本発明による回転式のバイオリアクターは、キャリア要素が水中を無秩序に動いているために比較的小さい充填度でだけ使用可能な、従来技術による移動床式処理とは明白に異なる。充填度を７０％超にした場合、移動床式処理は、無秩序に運動する粒子が互いに高い頻度で衝突するためにその運動が停止させられ、よって、バイオリアクターの目詰まりが起こるために固定床式処理になってしまう。タンク部は稼働中水が充満されるようになっているために、キャリア材料の回転運動に必要なエネルギーが最小であり、気泡も、キャリア材料と同様に水とともに回転中心線周りを回転するために、例えば周知の種類の移動床式解決策と比較したとき、その有効距離と時間が何倍にもなることは、本発明によるとりわけ有利な特徴である。周知の種類の移動床式解決策は、液面を利用することを含み、その場合、気泡は、一般にタンクの底の実質上吸気口からタンク上部にあるエア・スペースにまでだけ移動する。本開示において、「水が本質的に充満される」の用語は、注入されている流体が、キャリア、水及び反応ガス含有流体に、タンクの断面中央を本質的に通過する回転中心線周りの回転運動を行わせることができるほどの水を収容するタンクについて用いられる。水量は断面径の少なくとも８５％超、好ましくは約１００％でなければならないことが、実験的に見出された。水量が約８５％未満の場合、処理は、移動床式の処理になり、その場合、固定床式になることなく処理を実行可能にするためには、キャリア材料の充填度を７０％未満にしなければならない。移動床式の解決策では比較的低い充填度にすること及びキャリア要素は特定の方法で形成されることの別の理由は、バイオフィルムが、キャリア要素相互の繰返し衝突によって損傷を受けることを防ぐためである。本発明による解決策は、半固定床式の解決策を用いることが好ましく、この場合、キャリア材料は、タンク部に対して約１００％の充填度を有する複数のキャリア要素から成り、そのために、中心線周りを回転するとき、本質的には互いに相対運動することはなく、代わって、本質的に一体化されたキャリア床の形態で回転する。従って、キャリア要素の組成は、キャリア要素の相対運動を考慮に入れなければならない移動床式の解決策のときのように重要ではない。本発明の解決策によると、回転運動が最適化されているために、キャリア材料表面のバクテリアの活動を阻害することがない、より細かに調節可能な流体吹込みを行うことができる。本発明の方法は、キャリアの運動を維持するために、大量の流体を必要とはしない。生物学の観点から必須の要件は、バイオフィルムが気泡によってキャリア表面から機械的に洗い流されないことである。流体の供給部は周縁部に位置し、また、キャリアは相対移動をしないために、これによって機械的応力が負荷されることもないが、それは、主として充填度が７０％超と高いからである。一方、過剰スラッジ又は死滅バイオマスは、慣性の法則によってバイオリアクターから強制的に排出される。バイオマスが回転運動中に中央に（ｔｏｗａｒｄｓ  ｔｈｅ  ｏｒｉｇｏ）集まり出した場合、密度が高くなり始めるのもその位置��あるために、結果として、次に、中央部にあるキャリアは次第に周縁部に移動を開始し、周縁部のバイオマスが慣性の法則に従いバイオリアクターから外部に出ることが可能になる。
【００１２】
キャリア材料の充填度は、空状態にあるタンク部の容積の中の、キャリア材料が必要とする空き容量について用いられる用語であり、それによって排水された容量についてではない。複数のキャリア要素が用いられるとき、充填度１００％とは、それ以上の数のキャリア要素をタンク部容積中に収容できないという事実を意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明についてより詳細に説明する。
【００１４】
図示したように、本発明のバイオリアクター１は、断面が好ましくは円形又は楕円形である筒状のタンク部２を有する。タンク部２は、浄化対象水の注入手段５及び浄化水の排出手段６、並びに浄化処理に必要な反応ガスを含有する流体を供給するための手段４が設けられている。反応ガスを含有する流体の供給は、浄化対象水にエアの供給をするなどして、例えば好気的浄化処理に必要な、気泡の形態である反応ガス含有気泡を発生させ、水中に溶出したエアがバクテリアの活動により酸化するように実施されることが好ましい。該流体は、また、酸素を豊富に含む水を供給するために、エアが気泡の形態で及び／又は前もって溶解された状態で存在する曝気された水で成っていてもよい。例示だけを目的として図示したケースにおいて、水の注入手段５と排出手段６は、タンク部上部のタンク部２の長さ方向に対向する端部に設けられている。注入及び／又は排出手段は、また、浄化処理中、タンク部２に水が本質的に充満されているように非浄化水の供給と浄化水の排出を行うことができる構成でありながら、タンク部２の別の場所に配置することもできる。図において、水位は、参照符号Ｗで示されている。浄化対象水の供給は、例えば浄化対象水を貯水するための調節用貯水槽をバイオリアクターの上流側に設け、そこからポンプでバイオリアクターに配管５を介して連続して供給することによって、連続的に行われることが好ましい。浄化対象水の供給は、また、バッチ方式で行うことも可能であり、この場合、タンク部は、その能力まで浄化対象水で満たされ、次いで、回転運動と酸化を起こさせるためにエア吹込みが始まり、浄化処理が完了したときに、エア吹込みを停止してタンク部の浄化水の排出が行なわれた後にこの処理は再始動される。
【００１５】
タンク部内にはキャリア材料３が収容されており、その表面に微生物がバイオフィルムとして付着する。キャリア材料は、例えば単一のキャリア要素、互いに固着された複数のキャリア要素又は複数の個別のキャリア要素であり、後者の場合、キャリア要素は、例えば大きさ、形状、密度及び／又はその他の特性が同一又は互いに異なっていてもよい。
【００１６】
図１に例示したケースにおいて、タンクは、ほぼ１００％の充填度にまで、個別のキャリア要素３が複数個充填されており、上述の粒子は、タンク要素の断面を円形又は楕円形にすることによって、観測した回転の意味において本質的に一体化されたキャリア床としてタンクの長さ方向の中心線周りを回転できるようになっている。タンク部２の内面は、キャリアが邪魔されることなく回転できるよう本質的に平滑であり、エア供給手段は、タンク要素２の外面に設けられている。図示した実施形態において、エア供給手段４は、タンクを少なくとも部分的に囲繞する防護カバー７の内部に配置され、各々が注入エア源にバルブ要素（図示せず）を介して接続されている供給路８に設けられている。流路８の各々は、タンクの長さ方向に連続的に位置する数個のエア供給手段又はノズル４を有することが好ましいが、タンクを本質的に全長にわたって覆う単一の一体化されたノズル部材が設けられていてもよい。ノズル部材４の各々は、通常の給気時にはエアをタンクに流入できるようにするが、タンク内の浄化対象水の流路８への流入は阻止する給気要素、例えばメンブレン、が設けられていてもよい。メンブレンは、気泡の大きさを小さくするために有用であり、気泡の大きさは小さければ小さいほど、その浮力が小さくなるために、小さい気泡は、バイオリアクターの中をキャリアと同方向により容易に回転することができる。給気要素は、また、例えば孔付き配管又はバイオリアクターの壁の気孔から成っていてもよい。エア・ノズルの前面には、気泡がキャリア材料に衝突してバイオフィルムに損傷を与えることを防止するための安全スクリーンを設けてもよい。過剰エアをタンクから排出するための通気管（図示せず）を、排気管６に接続して設けることが好ましい。タンク部２は、小さい通気孔（図示せず）が上部に設けられていてもよい。通気孔の機能は、タンク内の水の回転を減速することによりエネルギー消費を増大させるタンク上部の空洞域の発生を回避させることである。そのような通気孔は、例えば排気管６に接続して設けられている通気管（図示せず）に連通することが好ましい。タンク２は、水平に設置することが好ましく、流路８は、タンク２の長さ方向の中間面に及び／又はその下方に配置される。断面が、例えば本質的に円形であるタンクの場合には、ノズル部材４は、通常の時計の面の、例えば３時、４時、５時、６時、７時、８時及び９時に相当する１つ又はそれ以上の位置に配置することができる。リアクターには論理制御器がさらに設けられていて、種々の流路の供給弁は、任意にスイッチを切ることができるようになっているために、例えば６時から９時の位置に配置されたノズル部材を備える流路８を閉鎖することによって、３時から５時の位置に存在するノズルから流入するエアが、タンク内のキャリア材料にタンクの長さ方向中心線周りの回転を起こす。キャリア材料を回転させるための、そのような間欠駆動は、例えば１時間おきに約１分間行われる。勿論、この周期は、回転継続時間と繰返し頻度の両方において、上述の値から大きく異なっていてもよい。さらに、周期は不規則なものであってもよい。本発明のバイオリアクターを実施する別の方法は、浄化処理中に、キャリア要素が長さ方向の中心線周りを、リアクターからのスラッジの除去に効果的な、連続したダイナミックな定速回転運動をするようにエアを供給することである。この場合、タンク２は好ましくは、例えば３時又は９時の位置に給気要素を１つだけ備えるが、この給気要素は、例えばノズル部材を備えるとともに、タンク２の長さ方向に延在する単一のエア供給路８であってもよい。このノズルは、流路の位置に合わせて、例えばタンク２の壁に形成された通気孔の形態であってもよい。使用される流体が、既に溶解した状態にあって、本質的に気泡を含まず、また、例えばエア溶解水のように、まず気泡から水中に溶出させなければならない反応ガスを含有する液体を含むときには、流体の供給は、基本的にはタンクの外周のいずれの位置からも、例えば１２時に近い位置から、行うことができる。
【００１７】
本発明の解決策が提供する利点の１つは、キャリア要素が無秩序な方向に常に動いている処理において発生する、例えば微生物学的処理の乱流による減速を回避できることである。さらに、充填度を、移動床式処理の場合より本質的に高くすることができることである。キャリアが処理中本質的に静止している固定床処理と比較した場合、本発明の解決策は、バイオリアクターの立方単位当たりの表面積が大きい、より小さいサイズのキャリアを使用することが可能であり、これにより浄化能力を増大させることができる。固定床処理においては、キャリア要素の大きさは、スラッジに起因する目詰まりが生じるために、比較的大きくなければならない。本発明においては、キャリア材料が、間欠の又は連続した動作ではあるが、規則的な回転運動をするために、固定床処理の場合のようなスラッジの蓄積は生じない。
【００１８】
本発明のバイオリアクターについてのもう１つの動作モードにおいては、単一のバイオリアクターとその容積を脱窒素に用いることができるよう、好気的処理から嫌気的処理に転換するために、エアの供給が定期的に且つ完全に停止され、脱窒素処理において、硝酸塩として存在する窒素は、窒素ガスに還元される（ＮＯ３−→ＮＯ２−→ＮＯ→Ｎ２Ｏ→Ｎ２）。
【００１９】
本発明のバイオリアクターは、例えば一戸建て家屋のブラック及び／又はグレイ汚水の浄化システムの一部として用いることが可能であり、その場合、バイオリアクターの前に腐敗部と嫌気性部を設け、その後に、好気的処理を行うために浄化対象水はバイオリアクターに注入される。バイオリアクターの後には、硝化（ＮＨ３→ＮＯ２−→ＮＯ３−）を行うことができる第２の好気的バイオリアクターを配置することが好ましく、その後に、水は脱窒処理に送られる。最後に、浄化水は、リン沈殿部に、次いで２次沈殿タンクに送られる。当然ながらも、本発明のバイオリアクターは、下水処理場、洗車場、クリーニング工場及び養魚場のような幅広い分野に適用するために、並びに、例えばプール洗浄水、埋立地浸出水、鉱山廃水、産業石鹸水と洗浄水、及び排煙洗浄水などを浄化する際に本当に有用であり、この場合、多数のバイオリアクターが、直列に及び／又は並列に配置される。
【００２０】
本発明のバイオリアクターは、また、タンク部が２つ又はそれ以上に分割され、その内の幾つかの部分は好気的に動作し、即ちキャリア、気泡及び水が、浄化処理中に連続して回転運動をするようにエアが供給され、その他の部分は、嫌気的に動作するように実施することもできる。嫌気的処理において、回転を可能にする流体の供給は間欠的である、又は、任意で、キャリア材料は、好気的処理に必要な量の溶解酸素及び／又は酸素含有気泡を含まない水又は他の流体をリアクターの壁に設けた開口を介して循環させることによって、連続した又は周期的な回転運動をさせられる。
【００２１】
回転運動は、エア以外の流体、例えば浄化対象水を収容したタンク部への注入前に予め曝気された水、によっても発生させることが可能であり、そのような水は、含まれるエアが浄化対象水を収容したタンク部内で気泡を発生させるように供給される。また、予め曝気した水は、エアを本質的に溶解した状態で含有しており、この溶解エア含有の、酸素を豊富に含む水は、気泡を大量に発生させることなく好気的処理において機能することができる。浄化処理は、また、酸素以外のガスを必要とする処理であってもよく、その場合、供給流体は、エア以外のガス又は混合ガス、若しくは水又は反応ガスを含有する他の液体であってもよい。
【００２２】
本発明の解決策は、筒状の長いタンク部だけではなく、本質的に球形のタンク部を用いても実施することが可能であり、その場合、キャリア材料は、球体の中心を通過する回転中心線周りを左右対称にして１つの方向に回転する。上述したように、キャリア材料は、例えば単一のキャリア要素、互いに強く連結された複数のキャリア要素、又は個別の複数のキャリア要素から成っていてもよく、また、複数のキャリア要素を用いるとき、キャリア要素は、例えばその大きさ、形状、密度及び／又はその他の特性が同一又は互いに異なっていてもよい。従って、縦断面で見たとき、エア供給手段は、回転運動が本質的に水平な回転中心線周りに発生するよう、３時から９時の間に配置される。タンク部は、また、楕円形又は回転楕円形を有する構造、若しくは本質的に円形の断面及び断面径とほぼ同じ又はそれより短い長さを有するパック状又は円盤状の短尺筒の構造にすることもできる。
【００２３】
本発明のバイオリアクターに有用なキャリア材料は、イオン交換体から成る又は、例えばセラミック材のようにイオン交換体を含んでいてもよい。イオン交換体を用いることによって、脱窒を促進することが可能になり、窒素は、イオン交換体に捕捉され、バクテリアによって食餌される。キャリア材料は、ポリマーとセラミックの複合体、例えばポリマーゼオライト複合体、を有することが好ましい。例えば水面がタンクより上方に位置するように注水管と配水管を設けることによって、タンク内の水量が約１００％にされているために、水より重いキャリア要素は、たとえ非常に小さいサイズであっても、他の手段を用いない限り水から出られないようになっている。
【００２４】
キャリア要素は、キャリア材料がタンク部内で最適な回転ができるよう球形であることが好ましく、この場合、最適充填度も達成される。球形キャリア要素は、例えば英国特許第２１９７３０８号に記載されているように、浄化対象水は、隣接するキャリア要素と接触した場合にも、安全にバイオフィルムを成長させることができる半球体状の凹みが表面に設けられているキャリア要素又は、例えば硬質のボールを貫通して流れることができる。
【００２５】
キャリア要素の１つの代替形状は、図３と図４に示した円盤状要素３０である。円盤状要素３０は、縁部３１より小さい厚さの中央部３２を有することによって、平滑表面の粒子との比較において、何倍もの大きさのバイオフィルムが成長できる面積を構成することができるピラミッド形の突起３３を備えるように形成されているとともに、隣接するキャリア要素との衝突からバイオフィルムを防護することができる。中央部は、また、貫通孔が設けられていてもよい。ディスク３０は、例えば約５ｍｍ程度の径、例えば約１ｍｍの縁部３１の厚さ、及び約１．１ｋｇ／ｍ３の密度を有する。これらの値は、勿論、非限定の例として示したものであって、キャリア要素の形状、大きさ及び密度は、上述の値から大きく変わることもある。この種のキャリア要素は、また、例えば移動床式バイオリアクターに使用することも想定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるバイオリアクターの略側面図である。
【図２】図１のリアクターの端面図である。
【図３】本発明のキャリア要素の原理を示す略図である。
【図４】円盤状要素を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  バイオリアクター、２  タンク部、３  キャリア要素、４  エア供給手段、５  注入手段、６  排出手段、７  保護カバー、８  供給路、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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