(57)【要約】  本発明は、微生物を分離するための少なくとも１枚のセラミック系の膜を含む、廃水精製のための、好ましくは汚水処理装置のための、特に、小型汚水処理装置のための濾過器具、そのような濾過器具を有する汚水処理装置、廃水に存在する微生物を少なくとも１枚のセラミック系の膜によって分離する特に汚水処理装置において廃水を精製する方法、及び微生物、適宜、微細固形物を廃水から分離するためのフィルターとしてのセラミック系の膜の使用に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
好ましくは汚水処理装置用の、特に小型汚水処理装置用の廃水精製のための濾過器具であって、微生物を分離するために少なくとも１枚のセラミック系の膜を含む濾過器具。
【請求項２】
膜が、多孔性セラミックで出来た膜板であることを特徴とする請求項１に記載の濾過器具。
【請求項３】
膜板が、少なくとも部分的にナノスケールの粒子から成る分離層を含むコーティングを有することを特徴とする請求項２に記載の濾過器具。
【請求項４】
コーティングが、膜板と分離層の間に配置される少なくとも１つのさらなる多孔性層を含むことを特徴とする請求項３に記載の濾過器具。
【請求項５】
コーティングが、１００ｎｍ〜１５０μｍの間、好ましくは５００ｎｍ〜１００μｍの間、特におよそ２５μｍ〜６０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項３または４の１項に記載の濾過器具。
【請求項６】
膜板の多孔性セラミックが、１００ｎｍ〜１０μｍの間、特に好ましくは５００ｎｍ〜６μｍの間、特に５００ｎｍ〜３μｍの間の直径を有する孔を有することを特徴とする請求項２〜５の１項に記載の濾過器具。
【請求項７】
分離層が、１ｎｍ〜１４００ｎｍの間、好ましくは５０ｎｍ〜３００ｎｍの間、特に好ましくは２００ｎｍ〜３００ｎｍの間の直径を有する孔を有することを特徴とする請求項３〜６の１項に記載の濾過器具。
【請求項８】
膜板の多孔性セラミックが酸化セラミック、特に酸化アルミニウムに基づくことを特徴とする請求項２〜７の１項に記載の濾過器具。
【請求項９】
分離層のナノ粒子が、好ましくは酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン及びそれらの混合物を有する群から選択される酸化ナノ粒子であることを特徴とする請求項３〜８の１項に記載の濾過器具。
【請求項１０】
膜板が、精製した廃水の流出のために少なくとも１つの水路を内部的に有することを特徴とする請求項２〜９の１項に記載の濾過器具。
【請求項１１】
少なくとも２枚の膜板を有することを特徴とする請求項２〜１０の１項に記載の濾過器具。
【請求項１２】
少なくとも２枚の膜板が互いに本質的に平行に配置されることを特徴とする請求項１１に記載の濾過器具。
【請求項１３】
互いに本質的に平行に配置される複数の膜板間の距離が本質的に常に同一であることを特徴とする請求項１２に記載の濾過器具。
【請求項１４】
膜板が、０．１５ｍｍ〜２０ｍｍの間、好ましくは、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの間、特におよそ６ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項２〜１３の１項に記載の濾過器具。
【請求項１５】
請求項１〜１４の１項に記載の少なくとも１つの濾過器具を有することを特徴とする汚水処理装置、特に、小型汚水処理装置。
【請求項１６】
廃水用の少なくとも１つの活性化タンクを有することを特徴とする請求項１５に記載の汚水処理装置。
【請求項１７】
廃水用の少なくとも１つの第２の浄化タンクを有することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の汚水処理装置。
【請求項１８】
少なくとも１枚のセラミック系の膜によって、廃水に存在する微生物を分離することを特徴とする廃水を精製する方法、特に、汚水処理装置における方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの活性化タンクにおける微生物による廃水の生物学的精製を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも１つの第２の浄化タンクにおける廃水の第２の浄化を含む請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１〜１４の１項に記載の少なくとも１つの濾過器具によって廃水から微生物が分離されることを特徴とする請求項１８〜２０の１項に記載の方法。
【請求項２２】
互いに平行に配置された膜板を有する濾過器具によって微生物が分離されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
廃水から微生物を分離するためのフィルターとしてのセラミック系の膜の使用。
【請求項２４】
セラミック系の膜が、少なくとも一部がナノスケールの粒子から成る分離層を含む多層コーティングを適宜設けられる多孔性セラミックで出来た膜板であることを特徴とする請求項２３に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃水の精製のための、好ましくは汚水処理装置のための濾過装置、そのような濾過装置を有する汚水処理装置、廃水、特に汚水処理装置の廃水を精製する方法、及び微生物、適宜、微細固形物を廃水から分離するためのセラミック系の膜の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
その第１工程にて、粗雑な成分から廃水を解放するふるい及び沈降のタンクに加えて、従来の汚水処理装置は、活性化タンク及び第２の浄化タンクを含む。活性化タンクでは、糞便又はそのほかの有機物を分解するために微生物を使用する。使用された微生物は、第２の浄化タンクにて、活性化タンク後の廃液から沈殿法によって分離され、一部は活性化タンクに再循環される。沈殿工程では微生物を完全に分離することはできないので、健康に有害な微生物が廃水と一緒に環境に漏出することがある。しかしながら、その指針がすでに実質的に国の法令に変換されている、水塊を清浄に保つための欧州連合指令は、欧州全体にわたる規模で、本質的に微生物を含まない生物学的に浄化された廃水だけを環境に流してよいことを指示している。微生物は一般に、微生物を確実に分離する微細なフィルターによって分離される。
【０００３】
ドイツでは、主として特に東ドイツにおける農村地域では、主に技術的、且つ経済的な理由のために、現在、およそ５３０万人が公共の廃水配管網に接続されていない。影響を受けている人々は、前記ＥＵ指令の結果、２００５年１２月３１日までに、公共の配管網への接続又は小型汚水処理装置の設置によって設備が設けられなければならなかった。この状況は、今日まで維持されている、分散型の汚水処理装置に対する高い需要を創った。
【０００４】
小型汚水処理装置は相対的に広く行渡っており、その汚水処理装置は、３つの槽（予備浄化／活性化／第２の浄化）に再分割される丸型のコンクリート容器から成る。予備浄化は、最初に機械的に又は単純な沈殿によって廃水から粗雑な成分を除くために使用される。分離される粗雑な成分は、定期的な時間間隔にてポンプで除かれなければならない。活性化タンクは、生物学的精製を行う微生物を含み、第２の浄化タンクは、導入された微生物を分離し、活性化タンク及び又は予備浄化タンクに再循環させるのに役立つ。たとえば、膜チューブの通気装置を介して活性化タンクに酸素を送る圧縮機及び過剰の汚泥を輸送するための水中用のモーターポンプによってこの設備を補完することができる。
【０００５】
活性化タンクでは、時が経つにつれて、定期的に吸引によって排出しなければならない過剰な浄化汚泥が形成される。或いは、過剰量の汚泥が一般に劇的に低下する移動床処理と呼ばれるものも知られている。古典的な活性化タンクとは対照的に、移動床処理では、自由に浮動するプラスチック体が採用され、それは、活性化タンクを事実上完全に満たすことができる。この場合、微生物はプラスチック体上に見い出され、また水中に自由に懸濁される。
【０００６】
近年、既知の移動床法のさらなる開発として、ＷＳＢ（登録商標）法（流動床移動床バイオフィルム法）として知られるものがますます、定着できるようになった。そのような方法は、ＤＥ１０１２７５５４及びＤＥ１９６２３５９２に記載されている。これらの方法ではまた、プラスチック体は、微生物によってコロニー形成をすることができる担体として役立つ。しかしながら、ＷＳＢ（登録商標）法における微生物は一般に、担体物質上で事実上完全に局在する。流動床法では、操作は元々嫌気的に（通気なしで）専ら行われていたのに対して、ＷＳＢ（登録商標）法では、空気を導入した結果、微生物によってコロニー形成されたプラスチック担体が活性化ゾーンに最適に且つ均一に分布し、移動浮遊物に場を定め、それは、名称、Ｗｉｒｂｅｌ−Ｓｃｈｗｅｂｅ−Ｂｅｔｔ（ＷＳＢ（登録商標））［流動床移動床］を生じた。流入が大きく変化する場合、たとえば、休日期間でさえ、活性化タンクにおける生物系は常に完全なままである。
【０００７】
しかしながら、ＷＳＢ（登録商標）法による廃液の精製の場合にも、微生物が環境に排出される、すなわち、微生物を含む水が活性化土壌帯又は水の受入体に導入されるという問題がある。
【０００８】
有害な微生物が活性化土壌帯に導入されるのを回避し、及び／又は処理された廃水が用水として再利用できるようにするには、廃水をさらに濾過しなければならない。
【０００９】
たとえば、ＤＥ１９８０７８９０は、汚水処理装置を記載しており、その廃水は、その後、それを用水リザーバに入れ、再使用するために水中の微細濾過膜を介して濾過される。ＤＥ２０３１５４５１は、汚水処理装置の実際の出口の上流ではなく活性化タンクの下流に接続される汚水処理装置用の改造セットとしての微細濾過装置を記載している。
【００１０】
ここでの場合はすべて、モジュール形態に配置される有機フィルター膜が使用される。しかしながら、それらは単に再生することができ、又は化学的に不十分に掃除することができるので、有機フィルター膜は、これらの膜すべてが相対的に短い期間で（１年以内）更新しなければならないという短所を有する。さらに、有機膜は、制約された機械的安定性しか有さず、たとえば、相対的に高い液圧で、それらを容易に損傷することができる。有機膜の使用は、前述の移動床法、特にＷＳＢ（登録商標）法では、活性化タンク内を自由に移動することができるプラスチック担体粒子の結果として、有機膜上の機械的損傷が引き起こされ、その結果、短い期間内に低安定性の有機フィルター膜は破壊されうる。
【００１１】
フィルター膜の使用はさらに、濾過の最中に、濾過される物質に耐性を提供する膜の外面に被覆層が堆積するという（付着物と呼ばれるもの）基本的な問題に連結する。これは、全体の閉塞に至るフィルターの性能の劇的な低下を招くので、フィルター膜の全損を招く。
【００１２】
膜上のこの被覆層の剥離は、定期的な掃除を必要とする。この操作で、以前濾過した水がそのとき、フィルター膜を介して反対方向にポンプで戻るように（逆流）、浸透水流を逆行させる。その結果、被覆層は少なくとも部分的に剥離され、その結果、フィルター性能の効率は一定の時間の間、再び高められる。しかしながら、この手順は一般に別個の設備を必要とする。さらに、掃除はすでに濾過した水を失うという犠牲を払い、系全体の効率を大きく低下させる。
【００１３】
本発明の目的は、廃水を精製するための単純で且つ安価な解決法を提供することである。この解決法は、特に廃水に含有される微生物を分離することに着目しなければならない。既知の従来技術の問題、たとえば、生物学的作用又は機械的作用によるフィルター膜の前記破壊、又は膜の閉塞及び結果としての複雑な掃除工程はできるだけ完全に回避されなければならない。
【発明の開示】
【００１４】
本目的は、請求項１の特徴を有する濾過器具、請求項１５の特徴を有する汚水処理装置、請求項１８の特徴を有する方法、及び請求項２３の特徴を有する使用によって達成される。本発明に係る濾過器具の好ましい実施態様は、従属請求項２〜１４に示される。従属請求項１６及び１７は本発明に係る汚水処理装置の好ましい実施態様に関する。下位請求項１９〜２２及び２４では、本発明に係る方法及び本発明に係る使用の好ましい実施態様が示される。全請求項の文言は、その結果、参照によって本明細書の内容物とされる。
【００１５】
汚水処理装置、特に小型汚水処理装置における使用のために、廃水精製用の本発明に係る濾過器具が提供される。それは、微生物を分離するための少なくとも１枚のセラミック系の膜を含むという点で区別される。
【００１６】
セラミック系の膜は、生物学的な又は化学的な作用に対する耐性によって、及び高い機械的安定性によって区別される。従来技術で知られ、小型汚水処理装置で今日まで使用されている有機フィルター膜とは対照的に、セラミック系の膜を有する本発明に係る濾過器具は、移動床法において、特に、ＷＳＢ（登録商標）法に従って操作される小型汚水処理装置において問題なく使用されてもよい。それは、微生物が原因で生じる生物学的な作用に問題なく耐えると同時に、確実に微生物を分離する。微細固形物や浮遊物も適宜確実に分離することができる。同時にそれは、たとえば、活性化タンクで浮動するプラスチック粒子による機械的作用に耐性である。このことは、膜の維持間隔及び寿命に関して特に肯定的に顕著になる。
【００１７】
好ましくは、本発明に係る濾過器具は、多孔性セラミックで出来た膜板である。原則として膜板の形状は自由に選択されてもよい。たとえば、丸型又は四角形の膜板が好ましく、それぞれ個別ケースに適合させる。
【００１８】
好ましい実施態様では、膜板はコーティングを有する。これは好ましくは、少なくとも部分的に、一部の好ましい実施態様では本質的に完全に、ナノスケールの粒子から成る少なくとも１つの分離層を含む。好ましくは、分離層は、少なくとも５重量％、特に好ましくは少なくとも２５重量％、特に少なくとも４０重量％のナノスケール粒子の分画を有する。
【００１９】
ナノスケールの粒子は、１μｍ未満の、好ましくは５００ｎｍ未満の、特に１００ｎｍ未満の、特に好ましくは５０ｎｍ未満の中央値粒度を有する粒子を意味するとここでは解釈される。これらのサイズの数字は、光散乱実験によって得られた値に関係する。
【００２０】
本発明によれば、言及された膜板のコーティングは、専ら、少なくとも１つの分離層から成ってもよい。特に好ましい実施態様では、しかしながら、コーティングは、膜板と少なくとも１つの分離層との間に配置される少なくとも１つのさらなる多孔性層を含む。少なくとも１つの分離層は、好ましくは外層であり、そこで微生物が本質的に分離される。
【００２１】
膜板上に場を定めるコーティングは、好ましくは、１００ｎｍ〜１５０μｍの間、好ましくは５００ｎｍ〜１００μｍの間、特におよそ２５μｍ〜６０μｍの間の厚さを有する。これらの値は好ましくは、コーティングが少なくとも１つのさらなる多孔性層及び少なくとも１つの分離層から成る場合にも適用される。
【００２２】
少なくとも１つの分離層の厚さは、好ましくは１００ｎｍ〜７５μｍの間の範囲、特に５μｍ〜５０μｍの間の範囲、特におよそ２５μｍである。
【００２３】
少なくとも１つのさらなる多孔性層の厚さは、好ましくは１００ｎｍ〜７５μｍの間の範囲、特に５μｍ〜５０μｍの間の範囲、特におよそ２５μｍである。
【００２４】
膜板（基材）の多孔性セラミックは好ましくは、１００ｎｍ〜１０μｍの間、特に好ましくは５００ｎｍ〜６μｍの間、特に５００ｎｍ〜３μｍの間の直径を有する孔を有する。
【００２５】
少なくとも１つのさらなる多孔性層は、好ましくは、５００ｎｍ〜２μｍの間、特に好ましくは５００ｎｍ〜１μｍの間、特に６００ｎｍ〜９００ｎｍの間の直径を有する孔を有する。
【００２６】
少なくとも１つの分離層が設けられた膜板の場合、少なくとも１つの分離層の孔サイズは微生物を分離するのに重要である。好ましくは、分離層は１ｎｍ〜１４００ｎｍの間、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５００ｎｍの間、特に５０ｎｍ〜３００ｎｍの間、好ましくは２００ｎｍ〜３００ｎｍの間の直径を有する孔を有する。
【００２７】
たぶん下にある層の孔サイズは微生物の分離には直接影響を及ぼすことはない。しかしながら、下にある層は分離層よりも大きな孔を有することが好ましい。特に好ましくは、孔サイズに関して、外側の分離層に向かって勾配がある。たとえば、孔サイズは外側に向かって減少することが好ましい。
【００２８】
少なくとも１つの分離層と膜板との間に少なくとも１つのさらなる多孔性層を有する好ましい実施態様では、少なくとも１つのさらなる多孔性層の孔のサイズは、分離層の孔のサイズ（最小の孔サイズ）と膜板（最大の孔を有する））の孔のサイズの間である。これは特に層の範囲内の孔サイズの平均値に適用される（孔サイズは層の範囲内で不均一であることが多いので、孔サイズの絶対値に関して適当な重複が生じうると、たとえば、少なくとも１つの分離層の最大の孔のサイズが、少なくとも１つのさらなる多孔性層の最小の孔のサイズを超えうる）。
【００２９】
膜板の多孔性セラミックは好ましくは、金属酸化物に基づくセラミックである。たとえば、酸化アルミニウムセラミックのような酸化セラミックに加えて、さらに好ましい実施態様では、非酸化セラミックも使用することができる。
【００３０】
分離層のナノ粒子は好ましくは、酸化ナノ粒子、特に酸化アルミニウム粒子である。さらに、特に、酸化ジルコニウム若しくは酸化チタンのナノ粒子、又は前記酸化ナノ粒子のほかの混合物も好ましい。特に薄い分離層については、特にゼオライトが非常に高度に好適である。さらに好ましい実施態様では、ナノ粒子はまた非酸化ナノ粒子であることができる。
【００３１】
本発明にかかる濾過器具の特に好ましい実施態様では、膜板は内部的に、精製した水の流出のための少なくとも１本の水路を有する。しかしながら、好ましくは互いに平行に配置され、膜板の内部にわたって均一に延びる複数の水路が好ましい。
【００３２】
本発明で請求されるような濾過器具は、好ましくは少なくとも２枚の膜板を有する。個々の場合によって膜板の数は大きく変わることができる。たとえば、相対的に少量の廃水を精製するために、３〜１５、特に３〜１０の膜板を有する濾過器具が好まれてもよい。しかしながら、さらに大量の廃水が生じれば、数百の膜板を有する濾過器具も考えられる。
【００３３】
本発明に係る濾過器具は好ましくは、各要件に従って膜板の数を変えることを可能にするモジュラー構造を有する。
【００３４】
本発明に係る濾過器具の特に好ましい実施態様では、少なくとも２枚の膜板が互いに本質的に平行に配置される。この場合、互いに本質的に平行に配置される複数の膜板の間の距離が本質的に常に同一であることがさらに好ましい。
【００３５】
すでに記載されたように、本発明に係る濾過器具における膜板の形状は、個々の場合に応じて原則として自由に選択することができる。膜板の長さ又は幅が１５０ｃｍを超えない膜板の寸法にも原則として同じことが適用される。たとえば、好ましい実施態様では、四角形の膜板は、およそ５０ｃｍの長さ及びおよそ１１ｃｍの幅を有する。
【００３６】
本発明に係る濾過器具における膜板の厚さは、ここでは一般に好ましくは、０．１５ｍｍ〜２０ｍｍの間、特に０．５ｍｍ〜１０ｍｍの間の範囲内である。特に好ましい実施態様では、膜板はおよそ６ｍｍの厚さを有する。
【００３７】
本発明に係る汚水処理装置は、本発明で請求されるように少なくとも１つの濾過器具を有するという点で区別される。好ましくは、本発明に係る汚水処理装置は、特に、１〜５０００人（５０００の住人数まで）に対する精製出力を有する小型汚水処理装置である。
【００３８】
本発明に係る濾過装置は、既に十分に説明した。記載の相当する部分を参照によって明白に本明細書に組み入れる。
【００３９】
好ましくは、本発明で請求されるような汚水処理装置は、少なくとも１つの廃水用活性化タンクを有する。ここでは、廃水は微生物によって生物学的に精製される。
【００４０】
本発明に係る汚水処理装置のさらに好ましい実施態様では、少なくとも１つの廃水用第２の浄化タンクが少なくとも１つの活性化タンクの下流に接続される。
【００４１】
本発明に係る濾過装置は、この場合、活性化タンクに直接接続されるだけでなく、第２の浄化タンクにも接続される。
【００４２】
既に言及したように、本発明は、特に汚水処理装置における廃水の精製方法も含む。これは、少なくとも１枚のセラミック系の膜によって廃水中に存在する微生物を分離するという点で区別される。
【００４３】
本発明に係る方法は好ましくは、少なくとも１つの活性化タンクにおける微生物による廃水の生物学的精製を含む。
【００４４】
さらに好ましい実施態様では、本発明で請求されるような方法は、少なくとも１つの第２の浄化タンクにおける廃水の第２の浄化を含む。
【００４５】
本発明は同様に、廃水から微生物を分離するためのフィルターとしてのセラミック系の膜の使用に関する。
【００４６】
本発明に係る使用の好ましい実施態様では、セラミック系の膜は、少なくとも部分的にはナノ粒子から成る分離層を含む多層のコーティングが適宜設けられる多孔性セラミックから成る膜板である。
【００４７】
本発明の濾過器具の説明の背景にて膜板のみならず、分離層を含むコーティングも説明した。ここではまた、相応して、説明の関連部分を参照する。
【００４８】
本発明の上記及びそのほかの利点は、下位請求項と併せて以下の実施例及び図面の記載から明らかになるであろう。本発明の個々の特徴は単独で、又は互いの組み合わせにて実施することができる。実施例及び図面は説明及び本発明のさらに良好な理解にのみ役立つのであって、決して制約として理解されるものではない。
【実施例】
【００４９】
長期実験にて、試験は、本発明に係る濾過器具が操作（移動床法）においていかに安定的に挙動するかで構成された。この試験では、プラスチック製の成形物（ノルウェーのＫＩバイオフィルムキャリアエレメント）を常時、本発明に係る濾過器具の膜に接触させた。しかしながら、数週間後でさえ、膜の損傷も磨耗も認めることはできず、膜の処理能力も非常に満足の行くものであった。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】左側に、精製した水を追い出すための水路を有する本発明に係る濾過装置の好ましい実施態様のための膜板を示す。各場合で、互いに平行に配置される膜における複数の水路の出口が見えてもよい。水路は精製した水を追い出すのに役立つ。  右側に、本発明に従って好適である膜板の断面の顕微鏡で見た詳細を示す。下の領域（暗い）に、膜板の多孔性セラミックの相対的に粒状の構造が見えてもよい。上方（明るい）では、多孔性セラミック上の薄いコーティング（ここでは分離層のみから成る）の十分に微細な構造が見えてもよい。
【図２】本発明に従って好適である膜板の断面のＳＥＭ像を示す。３つの層、すなわち、左に分離層、中央にさらなる多孔性層、右に多孔性セラミックで出来た膜板が見えてもよい。層及び膜板自体がそれぞれ酸化アルミニウムから成る。分離層及びさらなる多孔性層はそれぞれ、およそ２５μｍの厚さを有する。膜板の厚さは３．２５ｍｍまでである。孔サイズは、分離層に向かって、約８００ｎｍ（さらなる多孔性層の中央）から約２００ｎｍ（分離層）を介して４０００ｎｍから６０００ｎｍ（膜板）まで減少する。
【図３】互いに平行に配置された１０枚の膜板を有する本発明に係る濾過器具を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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