(57)【要約】バイオマスが流動化される基体上に担持されて成る方法と装置（８）。流動化基体はその下に、ディストリビュータ粒子のレーザーをもち、流動化用媒体が、流動化基体及びそれと関連するバイオマスと接触する前に、上記ディストリビュータ粒子を通過する。ディストリビュータ層の効果は、粒子が流動化用媒体の過剰の乱れを弱め、かくして流動化層内の媒体の不当な乱れを防止することである。これは或る程度まで、バイオフイルムの厚さを制御する利点をもち、それは流動化した基体粒子によって実施される。粒子はディストリビュータ層を通してリサイクル（１、２、５）されることができる。その場合、ディストリビュータ粒子の作用は基体粒子から過剰のバイオフイルムを取り除く働きをなし、後者は次いで流動化ベッドへ戻される。1. 厚く被覆された粒子を溢流させるホッパー2. 厚く被覆された粒子の送出パイプ3. 厚く被覆された粒子を乱れた入口領域内へ噴射するベンチュリ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子物質のベッドを通して流動化用媒体を通過させることによって上記ベッドが流動化される流動化ベッドの性能を改良する方法において、ディストリビュータ層を設け、上記流動化用媒体が、流動化ベッドを通過する前に上記ディストリビュータ層を通過させられ又は通過できるようにされ、ディストリビュータ層の粒子の密度と流動化用媒体の流量が、流動化ベッドに作用する前に流動化用媒体中の乱れが実質上減らされるか又は除去されるように選択されることを特徴とする流動化ベッドの性能を改良する方法。
【請求項２】
ディストリビュータ層は流動化層の密度より大きい密度をもつ粒状物質の層とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ディストリビュータ層は流動化用媒体によってかき混ぜられるが、それ自体は流動化されないことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
流動化ベッドの反応体成分が粒状キャリヤー上にフイルム又は層として担持されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
【請求項５】
流動化用媒体が液体であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載方法。
【請求項６】
ディストリビュータ層が流動化ベッドの下の別個の層であり、２つの層間の重なりは、キャリヤー粒子からの反応体の摩耗及び／又は除去を減らすために最少限となすことを特徴とする請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
ディストリビュータ層の厚さと流動化用媒体流量は、実質上乱れが、流動化用媒体が反応体ベッドを通過して流れる結果として、流動化された反応体ベッド中において経験されないように選択されることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
反応体成分はバイオフイルム層であることを特徴とする請求項４から７の何れか１項に記載の方法。
【請求項９】
不活性キャリヤー媒体はガラス状コークスであり、バイオフイルム層を構成するバイオマスはガラス状コークス粒子の表面上で成長したバイオフイルムとして不動化されることを特徴とする請求項４から７の何れか１項に記載の方法。
【請求項１０】
コークス粒子はガラス状の又は僅かにつや出しされた表面と、実質上0.25 乃至 2.50 mm の範囲内の寸法をもつことを特徴とする請求項４から９の何れか１項に記載の方法。
【請求項１１】
ガラス状コークスは 1.0 乃至 1.7 mm の粒度をもつことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
不活性キャリヤー媒体上の反応体層の厚さは、流動化ベッドの上部から除去されるべき表面上に過剰の反応体を含む粒子がディストリビュータ層内にリサイクルされることができるようになすことによって制御され、それによって過剰のバイオマス物質が、キャリヤー粒子が流動化ベッドに向かってディストリビュータ層を通過していくときに、ディストリビュータ層の作用によってキャリヤー粒子から取り除かれることを特徴とする請求項４から１１の何れか１項に記載の方法。
【請求項１３】
リサイクルされた粒子はディストリビュータ層に導入するために流動化用媒体と組み合わされることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
流動化用媒体は硝化される媒体であり、バイオフイルムは硝化するバクテリアを含むことを特徴とする請求項８から１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
流体の温度は 摂氏 13 乃至 22 度の範囲内に制御されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
流動化ベッドは硝化域の上に上部脱窒素域を含み、上記上部域は硝化域内で好気性硝化バクテリアによって作られた亜硝酸塩及び／又は硝酸塩を分解するために脱窒素バクテリアを合体することを特徴とする請求項１２から１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
流動化用媒体はベッドの頂部から排出されそして上記媒体のばっ気をなすために空気を通して薄いフイルムとして溢流させられ又は滝状に流れることができるようにされることを特徴とする請求項１から１６の何れか１項に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１で請求されかつ実質上添付図面を参照して本明細書に記載されかつ添付図面に示された流動化ベッドの性能を改良するための方法。
【請求項１９】
流動化すべき物質のベッドを設定する手段と、
上記ベッドを通して流動化用媒体の流れを噴射する噴射手段を含む流動化ベッドの性能を改良する装置において、
粒状物質のディストリビュータ層を備え、流動化用媒体が実質上上記ベッドを通過する前に上記粒状物質を通して通過させられ、それによって流動化用媒体の乱れが、流動化用媒体が上記流動化ベッドを通過するときに実質上減少することを特徴とする装置。
【請求項２０】
ディストリビュータ物質とバイオフイルム物質間の十分な相互作用が実質上バイオフイルムの厚さ制御を行うことができるようになすための手段を含むことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
ディストリビュータ層は流動化層の密度より大きい密度をもつことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の装置。
【請求項２２】
ディストリビュータ層は流動化ベッドの層の下の別個の層であることを特徴とする請求項１９から２１の何れか１項に記載の装置。
【請求項２３】
ディストリビュータ層に並置した二次噴射手段を備え、それによってバイオフイルムのアクセスを含む流動化ベッド粒子は上記ベッドの上部から除かれ、そして流動化ベッド内へ上記ディストリビュータ層を経て導入され、それによってキャリヤー粒子が流動化ベッドに向かって上方へ行くときに、過剰の反応体物質がディストリビュータ層の粒子の作用によってキャリヤー粒子から取り除かれることを特徴とする請求項１９ら２２の何れか１項に記載の装置。
【請求項２４】
流動化すべき物質のベッドを設定する手段が垂直のタワー又はリアクターであり、流動化用媒体が、流動化すべき媒体を通って上方へ行くよう上記タワーの基底部に噴射されることを特徴とする請求項１９から２３の何れか１項に記載の装置。
【請求項２５】
タワー又はリアクター容器は流動化媒体をリアクター又はタワーの基底部へ下方に供給するための中心導管を備え、それによって流動化用媒体はディストリビュータ層と流動化ベッドを通して上方へ向け直すための反射器素子に対して噴射されることを特徴とする請求項１９ら２４の何れか１項に記載の装置。
【請求項２６】
リアクターベッドを含む不活性キャリヤー粒子が少なくともガラス状か又は僅かにガラス状化された表面と実質上 0.25 乃至 2.50 mm の範囲内の寸法をもつコークス粒子の実質的割合を含み、そして上記粒子がその表面上に硝化用バクテリアのバイオフイルムを有していることを特徴とする硝化されるべき流体が硝化用バクテリアを含むバイオマスの層を有する不活性粒子のベッドを通過させられて成る流体を硝化するための請求項１９から２５の何れか１項に記載の装置。
【請求項２７】
流体をばっ気するための手段を含むことを特徴とする請求項１９から２６の何れか１項に記載の装置。
【請求項２８】
リアクターベッドを通る流体流れの速度を制御するための手段を含むことを特徴とする請求項１９ら２７の何れか１項に記載の装置。
【請求項２９】
リアクターに入る前又は入る間に流体中の酸素濃度をサンプリングするための制御手段と、リアクターから出る時又は出た後に流体の酸素濃度をサンプリングするための手段と、リアクターを通る流体の流量及び／又は他のリアクターパラメータを調節するための手段を含み、リアクターを出る時の酸素濃度が、酸素濃度が硝化プロセスのための速度制御となる濃度の直ぐ上にあるようになすことを特徴とする請求項１９から２８の何れか１項に記載の装置。
【請求項３０】
リアクターから抜け落ちたバイオマスを分離するための手段を含むことを特徴とする請求項１９から２９の何れか１項に記載の装置。
【請求項３１】
ヘッダータンク手段と、上記ヘッダータンクへ流動化用媒体をポンプ送りするためのポンプ手段と、上記ヘッダータンクから流動化ベッドのための噴射手段へ供給する供給手段とを含み、ディストリビュータ層を維持しそしてベッドを流動化するために、ヘッダータンクが十分な流体又は静水圧を噴射手段に提供するよう配置されることを特徴とする請求項１９から３１の何れか１項に記載の装置。
【請求項３２】
噴射手段は供給導管を含み、上記供給導管は、静水頭を変えることによってそれを通る流れに或る程度の制御を可能とするのに十分な摩擦損失をもつ寸法に作られることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
ディストリビュータ層はシリカ砂であることを特徴とする請求項１９から３２の何れか１項に記載の装置。
【請求項３４】
請求項１から１８の何れか１項に記載の硝化方法を含むことを特徴とする下水処理プロセス。
【請求項３５】
請求項１から１８の何れか１項に記載の硝化方法を含むことを特徴とする浄水プロセス。
【請求項３６】
請求項１９に記載のかつ実質上添付図面を参照して説明しかつ添付図面に示した流動化ベッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体特に液体がベッド膨張のためのエネルギーを伝えるために使用されるようになっている膨張又は流動化したベッドのデザイン及び操作の改良に関するものである。膨張又は流動化したベッドは、そのベッドの中では粒子は流体の流れ中に懸濁はするが、実質上その流体のバルク(bulk)流れと共に動かないというようなベッドのことである。
【背景技術】
【０００２】
膨張ベッドの伝統的な化学工学の定義は、静止状態にあるとき即ち流体の流れがない状態で、ベッドの容積より 50 又は 100 ％まで容積が増加するものであり、一方、流動化ベッドは流体の流れがない静止ベッドの容積より 50 又は 100 ％多い容積をもつものと定義される。特に、それは水及び廃水処理、発酵、及び生体触媒作用(bio-catalysis)の如き生体プロセスに関する。かかるプログラムについて、改良の必要な領域には液体流れの分配；ポンピング及びばっ気のためのエネルギーのコスト；バイオマスの過度成長、及びバイオマス支持物質が含まれる。
【０００３】
科学文献の最近の刊行物には、改良が必要とされる流動化ベッドのデザイン及び操作の目立った状況が記載されている。例えば、P.M. Sutton 及び P.N. Mishra (“Activated carbon based biological fluidised beds for contaminated water and wastewater treatment: a state of the art review”、 Water Science and Technology Vol.29 10 - 11: 309 - 317, 1994)は、 “The mechnical components and sub-systems critical to the design of BFB (biological fluidised bed) commercial system embodiments are the following”であると指摘しそしてディストリビュータ、酸素移動、及びバイオフイルム(biofilm)の成長の制御を引用することへと進んだ。彼らの論文は、“Over 80 commercial, media-based  BFB reactors (that) have been installed in North America and Europe.”の再調査に基づいていた。
【０００４】
更に別の最近の再調査では、C.Nicollela, M.C.M. van Loosdrecht and J.J. Heijnen (“Wastewater treatment with particulate biofilm reactors”,Juornal of Biotechnology 80: 1 - 33, 2000)は流動化ベッド操作の４つの基本的な欠点を認めた：
1.  キャリヤー上のバイオフイルム形成、これは長い始動時間をもたらす問題を有する。
２.  バイオフイルムの厚さの制御の困難性。
３.  粒子の飛び出しをもたらすバイオフイルムの過度成長。
４.  詰まりと均等な流動化に関する大型のリアクターとそれに関連する問題のための流動化システム用の液体ディストリビュータの高いコスト。
【０００５】
液体流動化ベッド技術の導入以来、ベッドの基底部に液体流れの均等な分配を確保する装置について多数の特許が与えられてきた。これらには膨張ノズルを通る下向き流れ（例えばUS4202774, US4464262, US4618418, US5584996); ノズル孔開きグリッド又は上にプレートをもつノズル ( US4702891, US4933149)；孔開きディストリビュータプレート、通常のガス−流動化システム（US4322296) に使用されるものに類似するか、又は粗大又は微細グレードの上の砂の静止ベッド(US5965016); 又は粒状物質の静止ベッドのみ(US5895576)、砂（GB780406) 又は両方（GB2149683)が含まれる。
【０００６】
もしベッドの基底部の流体流れが乱流であれば、これは流動化した粒子間の衝撃を増大させて磨耗を生ぜしめ、又は反応体層を担持する粒子の場合、流動化したキャリヤー粒子から反応体層を早期に除去する結果となる。
【０００７】
GB780406 は粒子状ディストリビュータを開示している。毎分平方フィート当たり１ガロン程度の流量又は毎秒 cm2 当たり約 0.08 ・の流量をもつ孔開きスクリーン上に横たわる砂の静止ベッドからなる。ディストリビュータを通るこの低流量はその粒子の移動を生ぜしめるには不十分であり、ここでは粒状物質が“３次元の”孔開きプレートとして有効に使用されていることを教えている。流動化ベッド中の流体流れの特性を改良する試みでは、 Bernard Suchowski, Joseph E. Gargas, Robert H. Hyde 及び Joseph Pluchino (US5965016); は孔開きディストリビュータプレートの直ぐ上に集められたより大きいかつ重い砂の粒子の使用を提案した。上記ディストリビュータプレートにおいてそれらの粒子は流れをより均等に分配するのを助ける。
【０００８】
それにもかかわらず、孔開きプレート自体の存在は流体流れに物理的制約を与える。
プレートを完全に除き、かつディストリビュータ層の粒子を動かすか又はその粒子は動けるが、それら自身は流動化しないようになすことによって、ベッド下部の流体流れの特性に重大な改良がもたらされることが分かった。
【０００９】
本発明の１態様として、粒状物質のベッドが、流動化媒体をそのベッドを通して通過させることによって流動化されて成る流動化ベッドの性能を改良する方法において、ディストリビュータ層を備え、流動化用媒体がそのディストリビュータ層を通して流動化ベッドを通過させられ又は通過可能とされ、ディストリビュータ層の粒子の密度と流動化用媒体の流量が、流動化用媒体の乱れが流動化ベッドに作用する前に実質上減少するか又は排除されるように選択されることを特徴とする方法が提供される。
【００１０】
本発明の特定の態様として、流動化ベッドの反応体成分は粒状キャリヤー上のフイルム又は層として保有されることができる。この特定の場合、不活性キャリヤー媒体上の反応体層の厚さは、表面上に過剰の反応体を含む粒子が、ディストリビュータ層内へリサイクルされるべく流動化ベッドの上部から除去されるようになすことによって制御されることができ、それによって過剰のバイオマス物質は、キャリヤー粒子が流動化ベッドに向かってディストリビュータ層を通っていくとき、ディストリビュータ層の作用によってキャリヤー粒子から取り除かれるようになる。
【００１１】
更に、バイオフイルム厚さの制御はベッドの一端から他端に粒子をリサイクルさせることなしに行うことができることも認められた
移動するベッドディストリビュータと流動化ベッドの間のインターフェース(interface)における相互作用は過剰のバイオフイルムを取り除かせ、よりコンパクトなバイオマスをもたらすことになる。
【００１２】
バイオフイルムのよりコンパクトな性質の証拠は、ベッド膨張の程度は（117.5 から 98.0 cm へ）減少するが、静止ベッド高さは実質上同じ( 52.9 乃至 53.3 cm )に留まり；またベッドは一旦膨張状態から安定すると、この効果が生じる期間中、より迅速にコンパクトになり始めるということの観察から得られる。静止ベッド高さに重大な変化がない状態での膨張ベッドの高さのこの低下は、図面を構成する図表の最後の５つのデータポイントで明らかに見ることができる。
【００１３】
本発明は、本発明の更に別の態様として、流動化ベッドの性能を改良する装置であって、流動化すべき物質のベッドを設定する手段と、上記ベッドを通して流動化用媒体の流れを噴射する噴射手段とを含んで成る装置において、粒状物質のディストリビュータ層を備え、流動化用媒体が上記ディストリビュータ層を、実質上上記ベッドを通過する前に通過させられ、それによって流動化用媒体が上記流動化ベッドを通過するときの乱れが、実質上減らされて成ることを特徴とする装置を提供する。
【００１４】
ディストリビュータ層は流動化層自体を構成する粒子の密度より大きい密度をもつ粒状物質の層とすることもできる。本発明の特定の実施例では、ディストリビュータ層は流動化用媒体によってかき混ぜられるが、それ自体は流動化されない。この場合要求されることは、ディストリビュータ層を構成する粒子は流動化媒体の流れと共に動くが、ベッド自体は流動化されないということである。こうすれば、ディストリビュータ物質の層は流動化用媒体の流れの乱れを抑えるよう作用する。その乱れはディストリビュータ層中の粒子の移動によって弱められる。その結果、流動化用媒体は、ベッドを構成する粒子を過度に乱したり又は激しく動かしたりすることなしに、ベッドを流動化する働きをする。こうすれば、もしベッドがデリケートな物質を構成するならば、ベッドを構成する粒子の摩耗又は損傷は最少限に減らされる。
【００１５】
本発明の好適実施例のディストリビュータ層は動くディストリビュータ層である。ディストリビュータ層の粒子の移動は流動化ベッドの下側への流体媒体の流れをより均等に分配する働きをすると同時に、流体流れ内の乱れを弱める働きをする。
【００１６】
その結果、流動化ベッドを通る流体の実質的な層流が生じ、その層流は、流動化用媒体とベッドを構成する粒子間の相互作用を可能にし、かくして両者間の相互作用を促進すると同時に流動化ベッド内の粒子間の衝突の激しさを最低に減らすために、流動化ベッドの構造を開放する働きをする。
【００１７】
これは流動化ベッド技術の長年にわたる問題を克服する。従来、ベッドの中心内の又は流体入口に並置した個所における流動化用物質の強力な移動はベッドの過度のかき混ぜと、ベッド全域にわたる反応条件の均一性の欠如を引き起こした。本明細書の冒頭で説明した如く、ノズル、噴射手段、バッフルプレート等に関するかなりの量の技術が、この問題を克服する試みで使用されてきた。
【００１８】
ディストリビュータ層は流動化媒体の下の別個の層とすることができ、かつ２つの層間の重複部分は、若干の最小の相互作用は、それがバイオフイルムを制御しそしてよりコンパクトな形態のその開発を可能にする働きをするときに助長されるものであるけれども、好適には、最低限度、摩耗及び／又はキャリヤー粒子からの反応体の除去を減らすものである。典型的には、流動化用媒体は液体とすることができる。
【００１９】
流動化用媒体が流動化反応体ベッドを通して通過する結果として、乱れが流動化反応体ベッド内に実質上存在しないように、ディストリビュータ層の厚さと流動化用媒体の流量を選択することができることは、当業者には認められるだろう。
【００２０】
この場合、精密なパラメータはバランシング行為(balancing act)を構成する。ディストリビュータ層の粒子が濃厚であればある程、ディストリビュータ層内で適切な動きを生じるのに必要なエネルギー量は大きくなる。かくして流動化用媒体供給の圧力/速度では、粒子の密度とディストリビュータ層中の粒子の寸法間にトレードオフ(trade-off)がある。このバランスはまた、インターフェースの相互作用のみによってバイオフイルム制御の利益を得るのに重要である。
【００２１】
本発明は生物学的物質を含む流動化ベッド又は発酵反応に特に有用であることが分かった。本発明の特定の態様においては、流動化ベッド粒子は反応体成分(reactant moiety)としてバイオフイルム層で被覆されることができる。
【００２２】
本発明の１態様によれば、この特定の場合、流動化ベッド粒子を構成する粒状物質はバイオフイルム用の不活性キャリヤー媒体とすることができる。本発明の更に別の態様では、不活性キャリヤー媒体はガラス状コークスとすることができ、その表面上ではバイオフイルム層は不動にされる。
【００２３】
かかる物質は我々の No.GB99/03542号に記載されかつ請求されており、その明細書の開示内容は参考として本願に組み込まれるものである。細胞は僅かに多孔質の物質上で最もよく成長する。この物質は細胞を付着可能となし、バイオフイルムを発育可能となす一方、同時に可能な最大表面積を提供する。歴青質コークスの高温処理によって作られたガラス状コークスは最も良い結果を与える傾向がある。要求されるものは少なくとも僅かにガラス状の又はガラス質の表面をもつコークスである。その結果コークス内からコークス上のバイオフイルムへ行くミネラル物質の通過を実質上受け付けない表面をもつ物質がもたらされる。“ガラス状”表面の存在は従って、有害なミネラル及びコークス内にしばしば存在する化合物の効果からバイオフイルムを保護する働きをする。しかし典型的には、コークスは実質上均等な組成をもち、従ってコークスのガラス状性質は表面のみに限定されないだろ。ガラス状コークス粒子は 0.25 乃至 2.50 mm の範囲内の寸法をもち、好適実施例では粒度は 1.0 乃至 1.7 mm の範囲内にあることができる。
【００２４】
特に、例えば、廃水処理、発酵又は生体触媒プロセスにおける如くバイオマスが関連する多くのプロセスでは、流動化ベッド中の反応体は粒状の流動化キャリヤーの粒子上の層として担持されるバイオマス物質のフイルムである。本発明はかかる取り決めに特に適用される。というのは、本発明の極めて価値のある特徴は、それが不活性キャリヤー媒体上の反応体層の厚さを実質的に自動制御することができることである。流動化ベッドの個々の粒子によって担持される生物学的物質の層は成長と再生を促進される。その結果、粒子（バイオマスとバイオフイルム層を含む）の全密度は減少し、その結果、表面上に増大したバイオフイルムの厚さをもつこれらの粒子はリアクター容器の上部に向かってベッドを通して上方へ運ばれる傾向をもち、かつ上記容器自体から結局は運び出されることになるだろう。
【００２５】
リアクター容器の出口の下からのこの供給を向け直しそしてリアクター容器の基底部に粒状のバイオマス物質を再導入することによってディストリビュータ層の効果は粒子の表面から外側のバイオマス物質を取り除き、そして上記粒子が流動化ベッドの下部のそれらの場所を取り戻せることが分かった。その場所で、残りのバイオマスはもう一度、ベッド内の豊かな条件で、更に別のバイオフイルムを作り始める。
【００２６】
別の実施例では、シリカ砂の入口速度と運動量間のバランスは実質上移動するベッドディストリビュータ物質と流動化バイオ粒子間の相互作用によってバイオフイルムの制御を行うことができる。
【００２７】
リサイクルされた粒子は流動化媒体と結合されることができ、そしてディストリビュータ層に導入する前に又は別の実施例において、リサイクルされた粒子はディストリビュータ層内に別々に噴射されることができる。
この後者の場合、液体の温度は摂氏 13 乃至 22 度の範囲内に、典型的には 14 乃至 21 ℃に制御されるのが好適である。
【００２８】
本発明の更に別の実施例では、流動化ベッドは、硝化層の上に上部脱窒層を含むことができる。この追加の層は下部硝化層中の好気性硝化バクテリアによって造られた亜硝酸塩及び／又は硝酸塩を分解するために脱窒バクテリアを合体する。液体、この場合水が殆ど完全に脱酸素化される段階まで硝化が殆ど進むことによって、条件は結果としてできる亜硝酸塩/硝酸塩の窒素ガスへの無酸素変換にとって理想的になり、かくして液体から亜硝酸塩/硝酸塩を排除する。
【００２９】
脱窒に関連する微生物は通常、“嫌気性呼吸”が可能なバクテリアであり、即ち酸素を使用して呼吸するが、分子酸素(Ｏ2）が低濃度であるか又は存在しないときに化学的に結合した酸素を使用する能力をもつバクテリアである。バクテリアと archaea が利用できる化学的に結合した酸素の供給源は、亜硝酸塩 （No2-）、硝酸塩(No3-)、硫酸塩(So2-)、炭酸塩(CO32-)を含み、すべての溶解した分子酸素を除く仕方で硝化リアクターを操作することによって、脱窒素微生物は亜硝酸塩及び／又は硝酸塩を呼吸することができる。こうすれば、そしてもしプロセス制御が適当であれば、亜硝酸塩及び／又は硝酸塩は分子窒素（二窒素、Ｎ）に変換され、これは大気（空気＝78 ％Ｎ）に戻る。プロセス制御が不適当であれば、硝酸塩の還元中の中間体が大気に放出されるかも知れない。適当な脱窒バクテリアは下記のものの１つ以上とすることができる：
Achromobacter  piechaudii  (Alcaligenes  piechaudii),  Achromobacter  ruhlandii  (Alcaligenes  ruhlandii),  Achromobacter  xylosoxidans  subsp.  denitrificans,  Alcaligenes  denitrificans,  Alcaligenes  xylosoxidans, Azoarcus  tolulyticus,  Azoarcus  toluvorans,  Azospirillum brasilense  (Spirillum  lipoferum,)  Azozoarcus  toluclasticus,  Bacillus halodenitrificans,  Blastobacter  aggregatus,  Blastobacter  capsulatus,  Blasto bacter  denitrificans,  Candidatus  “Brocadia  anammoxidans”,  Comamonas,  denitrificans,  Flavobacterium sp.,  Flexibacter  Canadensis,  Haloferax  denitrificans  (Halobacterium  denitrificans),  Halomonas  campisalis,  Hyphomicrobium  denitrificans,  Jonesia  denitrificans,  (Listeria  denitrificans)  Kingella  denitrificans  Neisseria  denirificans,  Ochrobactrum  anthropi,  Paracoccus  denitrificans  (Micrococcus  denitrificans),  Psekudoalteromonas  denitrificans  (Alteromonas  denitrificans),  Pseudomonas  denitrificans,  Pseudomonas   putida,  Pseudomonas  stutzeri, Roseobacter  denitrificans,  Roseobacter  Iitoralis,  Thauera  aromatica, Thauera  chlorobenzoica,  Thiobacillus  denitrificans,  Thiomicrospira  denitrificans,  Thiosphaera pantotropha.
しかしこのリストは網羅的なものではない。
【００３０】
比較的脱酸素化された水は流動化ベッドの頂部から排出されそして薄いフイルムとして溢流させるか又は溢流することができるようになし、又は滝状に流れさせるか又は滝状に流れることができるようになして、媒体の急速なばっ気を行うよになすことができる。代案として、それは向流式ばっ気器を通して、即ち狭いコラムの頂部から又はその近くから下方へむけてリサイクルされることができる。その狭いコラムで、酸素に富んだ空気又は純粋の酸素が底から又は底近くから上向きに泡立たされる。コラム直径はばっ気され又は酸素を増される液体の下向き速度がガス気泡の自然の上昇速度より僅かに小さくなるような寸法とされ、それは、静止水中で上昇する 2 mm 直径の空気の気泡では、典型的には、毎秒当たり 22 センチメートルであり、そして気泡群については、 42 cm s-1 である。こうすれば、気泡は可能な最長時間にわたって保持され、それ故、酸素を溶液内に移転させる機会を最大となすことができる。
【００３１】
完全操作システムにおいてそして本発明によれば、もう１つの有用な副産物は廃物のバイオマス物質であり、この物質は例えば肥料又は魚の餌として包装して売ることができる。
【００３２】
本発明による典型的な装置は流動化すべき物質のベッドを設定するための手段を合体するほヾ垂直のタワー又はリアクターを含むことができ、流動化用媒体はタワーの基底部で導入されて、流動化すべき媒体を通って上向きに通過するようにされる。
【００３３】
本発明の１態様では、流動化用媒体は最初に孔開き又は類似の支持プレートを通過せずに、直接ディストリビュータ層に噴射される。好適実施例では、ディストリビュータ層は好適には、流動化層の密度より大きい密度をもち、そして流動化ベッドの層の下に別個の層を形成すべきである。
【００３４】
支持プレートがない場合、流動化ベッドの有効な操作に必要なディストリビュータ層の粒度は流動化用媒体の速度に依存するということは、当業者には明らかであろう。ディストリビュータ層の粒度は普通の条件の下では、  ディストリビュータ層を構成する粒子は動くが、それ自体は流動化しないように選択すべきであるとするのが好適である。
【００３５】
本発明の更に別の態様では、流動化すべき物質のベッドを設定する手段は、好適には垂直タワー又はリアクター容器とし、そして流動化用媒体は好適には、上記タワーの基底部に噴射されて、流動化すべき媒体を通して上方へ行くようになされる。
【００３６】
タワー又はリアクター容器は流動化用媒体を供給する中心導管を備えることができ、この導管を通して流動化用媒体の供給物がリアクター又はタワーの基底部に向かって下方へ行き、それによって流動化用媒体はディストリビュータ層と流動化ベッドを通して上方へ向け直すための反射素子に対して下方へ噴射される。この噴射手段は供給導管を含むことができ、それ故この導管は、静水頭を変えることによってその導管を通る流れに或る程度の制御を可能となすのに十分な摩擦損失をもつ寸法にされる。
【００３７】
流動化ベッドが流動化ベッド自体を構成する粒状物質表面上に反応体層をもつ実施例では、キャリヤー媒体上の反応体層の厚さは、上記表面上に過剰の反応体を含む粒子が流動化ベッドの上部から除かれるようになしそしてリサイクルされて上述の手法で流動化用媒体を用いてベッド内に噴射されることによって、制御されることができる。別の実施例では、実質的なバイオフイルムの制御を、移動するベッドディストリビュータの粒子とバイオフイルムで被覆された粒子間の簡単な相互作用によってなすことができる。
【００３８】
上述の説明より、反応体ベッドを通る流体の流量の速度を制御する制御手段があることが必要であることは明らかである。かかる制御手段は、リアクター内に入る前又は入っている間に流体中の酸素濃度をサンプリングする手段及びリアクターから出るとき又は出た後に流体又は液体の酸素濃度をサンプリングする手段を含む。リアクターを通る流体の流量を調節するための手段及び／又はリアクターから出るときの酸素濃度が硝化プロセスを速度制御する濃度の直ぐ上となるように他のリアクターのパラメータを感知するための手段を備えることができる。本発明の１実施例では、これは、約 0.1 乃至 0.3 mg/l である。本発明の装置はまた、リアクター容器から出る液体をばっ気する手段を含むこともできる。これに関して、ばっ気はリアクターの頂部上に液体を滝のように落としそして液体を収集のために空気を通して落下させることによって達成することができる。別の実施例では、ばっ気はディストリビュータから遠位にある流動化ベッドの端からばっ気コラムの上端まで流体をリサイクリングすることによって行うことができる。上記コラムでは、酸素含有気泡が下端に又はその近くに噴射されて、そして向流として下降する液体まで上昇し、それによって酸素を大きな効率で運ぶ。従来の同流-プロセス(co-current)の典型的なばっ気効率は 3 乃至 6 ％程度であるが、本発明では、本発明の向流プロセスで 7 乃至 12 ％程度の効率である。
【００３９】
泥沼(sloughed)バイオマスをリアクターから分離するための手段を設けることができる。かかる手段は沈殿タンク又はハイドロサイクロンとすることができる。該システムを通る流体流れを制御するもう１つの手段は、ヘッダータンク手段、流動化用媒体をヘッダータンクへポンプ送りするためのポンプ手段及び上記ヘッダータンクから流動化ベッド用の噴射手段までの供給手段を備えることによって得ることができる。該配置は、ディストリビュータ層を維持しそしてベッドの流動化を達成するために、ヘッダータンクが噴射手段に十分な静水圧を提供するようなものとする。従ってこれから、本発明の装置を通る流量の制御は、ヘッダータンク中の静水頭を制御することによって達成することができる。従って特定の態様として、噴射手段は供給導管を含むことができ、この導管は十分な摩擦損失をもつよう寸法を決められて、導管に入る流体に適用される静水頭を単に変えることによって流量を或る程度制御できるようにする。
【００４０】
本発明の方法と装置が水の浄化に使用される場合、廃水は廃物タンクへ排出され、その中で更に追加の浄化が薄膜ろ過によって行われるというのが事実である。かかるプロセスは比較的遅くかつ操作費用が高くつく。時々薄膜は懸濁物質によって詰まる結果として、“盲目”になる。驚くことには、懸濁物質と、本発明に従って浄化した水中に懸濁した生存可能のバクテリアを含む生物学的残さとの割合が、著しく大きく減少し、その結果、本発明による硝化処理の後の薄膜ろ過処理はより効率的に進むことができるということが分かった。。英国の標準法（ BS EN 872: 1996 BS 6068: Section 2.54: 1996)を用いる懸濁固体の濃度の平均減少は 2.4 mg/l であった。これは 21 ％と同等と考えられ、かつ生存可能な Escherichia coli の数の平均減少はほヾ 80 ％であった。
【００４１】
以下は本発明を実施する方法と装置の実施例についての、添付図面を参照して行われた説明である。
【００４２】
ガラス状コークスを実験室規模の流動化ベッドバイオリアクター中のバイオマス支持物質として使用する長年の経験にもかかわらず、激しい乱れがパイロット規模の硝化プラントの下部領域に認められた。下向き排出部を経て、この操作スケールにとって普通のデザインである60°の円錐体をなす流れの分配をもつ特定のプラントが設立された。科学文献には、流れが要求されそして円滑な流動化が設定される前の或る型式のディストリビュータの上の乱れ領域につき記載されているが、これは砂の如き緻密物質に特有の問題であると考えられた。その場合は、流動化を達成するためにより高い流速が要求された。同様の観察がガラス状コークスについて或る程度なされた。というのは、乱れ領域は、入口円錐体の上に取り付けられた多孔質プレートをもつ 同様のパイロット規模のリアクター中の砂流動化ベッドについて報告された 60 乃至 100 cm のスパウト付き(spouted)のベッド領域と比較して、流動化ベッドの上に 30 乃至 40 cm 拡大するにすぎないからである。P.F. Cooper, 及び D.H.V. Wheeldon, “Complete treatment of sewage in a two-fluidised bed system”, Chapter 7 in P.F. Cooper 及び B. Atkinson (Editors), “Biological Fluidised Bed Tteatment of Water and Wastewater”, Ellis Horwood, Chichester, 1981 を参照されたい。
【００４３】
コークスを用いたパイロットリアクターの連続操作は激しい摩擦による微細物の製造を特徴とする。これは一晩中黒くかつ不透明になる再循環する水をもたらし、その水を透明に回復するためにはリアクターの規則正しい洗い流しが必要であり、該システムを通る流量はほヾ２時間毎に取り換えられる全量と等しかった。結局はコークス粒子上にバイオフイルムが形成されるということはそれをそれ以上の摩擦から防ぐだろうと期待されたので、操作は続けられた。というのは、そのことが実験室規模のバイオリアクターで起こったからである。
【００４４】
不運にも、かかる保護的定着は起こらなかった。正規の測定は、最初の静止ベッドの高さのほヾ 0.3 ％が1日当たりに失われることを明らかにした（図１）。これはすべてのいコークスは約１０カ月で消失することを意味する。明らかに、摩擦の速度は定着の速度を越えていた。以前は、膨張域内への上向き排出は実験室規模のバイオリアクターで使用されてきたが、コークス摩擦の証拠は殆どなかった。パイロット規模の摩擦の高い速度はますます驚くべきことであった。というのは、予め、ガラス状コークスは活性カーボンよりずっと耐久性があるということが分かっていたからである。
【００４５】
膨張したコークスベッド上の流入(inlet)流れの乱れ発生効果を試みそして減らす実験では、実験規模のリグ(rig)が使用された。このリグはガラス状コークスのベッド内に膨張セクションを経てタップ水の上向き排出によって供給された。高い流量でこれはパイロットリアクターで見られる乱れ発生効果をそっくりまねた(mimicked)した。流入流れの力を吸収しそして円滑なコークスの流動化ベッドを造るために十分に均等な手法でそれを分配するのに十分な量（ 8.5 cm 深さ）になるまで、シリカ砂の増大する量が添加され、その際乱れ又は噴出(spouting)のサインはなかった。
【００４６】
パイロット規模の操作では、シリカ砂は乱れ鎮静(turbulence-calming)効果が認められるまで、バイオリアクターに漸増的に添加された。これは、砂ベッドに 10 cm の深さを要求した。一旦コークスの円滑な流動化が達成されると、リアクターは蓄積した微細物を除くためかつ光学的清澄さを回復するために洗い流される。たとえ一晩中の操作の後でも、再循環する水はまだ澄んでおり、微細物  の発生は止んでいた。事実、水は砂が移動するベッドの流れディストリビュータとして添加されたときから、澄んだままに留まっていた。コークスの摩耗により微細物の発生は実際に止んだ。この事実は図１に示した静止ベッド高さのデータから明らかである。更に、バクテリアを硝化することによるコークスの定着はこのとき始まり、そして1日当たりの新しい静止ベッド高さの殆ど 0.1 ％と同等な速度で進んだ。ベッドは今や、砂の添加に先立つ一様な減少と比較して、寸法が成長した。
【００４７】
ガラス状コークス流動化ベッドの基底部へのシリカ砂層の添加による予期しない効果が、砂を用いた場合と用いない場合のコークス摩擦の程度を比較するという経験をもたらした。２つの 5 cm 直径の 50 cm 高さのコラムが組み立てられ、そしてガラス状コークスの 15 cm 深さ又はシリカ砂の 5 cm 深さ及びガラス状コークスの 15 cm 深さが装入された。このベッドはヘッダータンクから 1.5 乃至 2.0 cm s-1 の上向き速度で送られ、そして沈殿タンク内へ溢流させられた。タンク内に沈殿したコークスの微細粒子は毎日ろ過によって集められ、そして一定の重量に乾燥された。微細物はなお、移動する砂ベッドディストリビュータでコークスベッドからすり剥がされていたけれども、それは砂がなかったときの速度のほヾ半分の速度においてであった（図２を参照）。より稠密な砂粒子は、コークス粒子がそれら自体に衝突するよりは力強くコークスと衝突することが期待されるとすれば、このことは意外であった。しかし、シリカ砂はより大きい密度をもつため、膨張することができず、そして微生物による定着に適した寸法のガラス状コークス粒子を使用した上向き速度で流動化させられることができない。実際に、単位面積当たりの砂の量は、それが流動化の前に膨張をする必要のある砂ベッドの全域にわたって計算された圧力降下よりより大きな“圧力”を及ぼすようになる必要があるということを発見したのは意外であった。砂層は最少限膨張した状態にあり、即ち流動化されず、このことは砂ベッドが流れを分配するのを可能にするが、コークスと混合されないようになす。こうして、コークス摩擦の速度は微生物の定着の速度より小さくなり、バイオフイルム形成が始まることができる。
【００４８】
この実験的証拠から、流動化層は移動するベッドのディストリビュータ物質よりかなり小さい密度とすべきであり、あまり稠密でない上部層の膨張と流動化を当てにしているが、ディストリビュータ物質を当てにはしていないことは明らかである。シリカ砂は流動化ベッドリアクター用の普通に使われるバイオマス支持物質であるから、ガーネット又はチタン鉄鉱の如きより稠密な物質が、かかる支持体のための移動するベッドディストリビュータとして組み合わせて使用されるべきである。しかし、この組み合わせは、ガラス状コークスとシリカ砂の使用が要求するより多いエネルギーを、ベッド膨張と流動化のために要求するだろう。代案として、例えば流れディストリビュータの如きシリカ砂の移動するベッドの使用は、バイオマス又は他の場合には極めて容易に消失する活性カーボンの如き生体触媒支持物質の使用を可能にするだろう。
【００４９】
通常は、廃水又は他の水性液体は、ベッドの膨張を引き起こすために流動化ベッドのディストリビュータ域内にポンプ送りされる。廃水処理では、これは該プロセスを操作するのに必要とされるエネルギーのほヾ40 ％を占める。傾斜した場所では、重力送りシステムが可能であり、このシステムはエネルギーコストをかなり減少させる。傾斜した場所でなくても、廃水をヘッダータンクに上昇させ、それによって一度に多くのベッドを膨張させるための静水頭を提供するために大型の効率よいポンプを使用することは、個々のポンプによる送給よりエネルギー効率をよくするだろう。これはオペレーターを減らし、それ故公共の金を減じ、同時に、過剰のエネルギー発生によって生じる環境破壊を減少させるだろう。更に、賢明なデザインによって、流れの変動を考慮に入れるために、人又は機械の介入なしに、自動的ベッドの膨張を調整することが可能になる。
【００５０】
重力送りされる“流動化ベッド”は R.Badot, T.Coulom, N. de Longeaux, M.Badard 及び J.Sibony (“A fluidised-bed reactor; the Biolift process”, Water Science and Technology Vol. 29 10-11: 329-338, 1994)によって記載されているが、そこに記載されているシステムは真の流動化ベッドではない。それは循環するベッドリアクターである。更に、それは2相システム（液体- 個体）よりはむしろ3相システム（ガス-液体-個体）である。基底部の円錐形膨張域を経る上向き流れの入口を備えるよう設計されている。
【００５１】
本発明の興味ある特徴には、一体の又は独立して支持された高架タンクからベッド（１２）を通って下方へ延びるパイプを使用することが含まれる。このパイプは十分な摩擦損失をもつような寸法にされていて、実質的にゼロから数十センチメートルまで静水頭を変えることによってそれを通る溢流を或る程度制御可能となし、ヘッダータンク内へ入る過剰の流れが溢流装置（１４）を経て戻されるようにする。この自動制御システムはベッド膨張の実質的変化を考慮に入れるべきであり、これは次いで、溶出液流量の実質的変化に適応するべきである。かかる変化は例えば、溶出液流量の昼間の又は湿対乾(wet-to-dry)の天気変動によって起こされる。廃水の処理では、乾燥状態で、水は、それが豪雨水によって大幅に薄められたときよりずっと高い窒素濃度をもつことは認められるだろう。
【００５２】
水のポンプ送りコストは何れの廃水処理システムにとってもかなり大きな出費となる。この本発明の態様では、ベッド膨張は、共通に送られる重力流れシステムによって引き起こされる。ガラス状コークスの密度は、シリカ砂のようなより一般的なバイオマス支持物質と比較して低いので、比較的小さい静水頭が膨張のためにに要求されるに過ぎない。実験室規模のシステムでは、 5 乃至 30cm の静水頭が、良好なベッド膨張のための十分な流れを造るのに適切であった。（例えば 50 乃至 200cm 直径、 1 乃至 5m 高さのコラムへの）一定割合の増加は、何れかの追加の摩擦損失を考慮に入れること以外は、静水頭のかなり大きな一定割合の増加を必要としない。
【００５３】
人工的フィード又は活性化したスラッジ溶出液の何れかの使用に基づいた実験室規模の操作からの計算は、殆ど完全な硝化が、ベッドの数が入口アンモニア濃度マイナス要求される排出物濃度÷２に等しい場合、一連のベッドを引き続き通過させることによって、又はリサイクルとベッドの数が同様な仕方で計算される場合数個のみのベッドのカスケードで数回リサイクリングさせることによって達成され得ることを表示している。これらの計算は酸素が空気から供給される非加圧システムに基づいている。加圧システム又は酸素の富化が用いられるシステムでは、ベッドの数又はリサイクルはそれにより得られた溶解した酸素濃度に比例して減らすことができる。湿性天候に典型的な高い流れ状態の間、アンモニアがより薄いとき（例えば、 6 mg ＮＨ3-Ｎ dm-3)は、２つ又は３つだけのコラムの各々を通る単一パスで十分である（図３を参照されたい）。直感に反して、リサイクルのためにポンプ送りされる流れは低い乾性天候の流れのために要求されるに過ぎないことが計算される。というのはそのときアンモニアはより濃縮される（25 mg ＮＨ３−Ｎ dm-3まで）からである。かくして、我々の新規なデザインは最少限の廃水量のポンプ送りを要求するに過ぎない。乾性天候流れのためですら、単一リサイクルのみが要求され、それによってエネルギー要求を最小となすだろう。かくしてポンプ寸法、コスト、及びエネルギー消費は最小になるだろう。
【００５４】
傾斜した場所以外では、廃水は、ベッド膨張のために十分な静水頭を造るために最高のベッドの頂部より上の高さまでポンプ送りされる必要があるだろう。そこから、それは、乾性天候又は高アンモニア濃度の条件の下で、リサイクル流れを除いては重力によって流れるだろう。賢明なデザインによって共通のポンプ送りステーションとヘッダータンクは建設と操作コストを最少限とする。しかし、このデザイン効率は各流動化ベッドモジュールに等しい流れを造るために作られたマニホルドをもつことに依存する。図３乃至７はカスケード配置をなしている流動化ベッドモジュールの種々の形態を示す。明らかに、もし例えば十分なランド(land)面積を利用できかつポンプ送りコストが極端に高くない場所で、溶出液が各モジュールにポンプ送りされるならば、１つのモジュールをもう１つのモジュールの上に置く必要はない（図８と９を参照）。
【００５５】
下水の二次（生物学的）処理のための活性化スラッジプロセスでは、圧縮空気の供給はエネルギーコストの 60 ％までを占める。生物学的プロセスの酸素需要が高い場合、供給される空気の酸素富化が要求される。これは更に高価でさえなる。
【００５６】
硝化の如き廃水処理のための通常の生物学的流動化ベッドプロセスでは、酸素は、ベッドを通る空気を泡立たせることによって（ US No 4490258 を参照）又はベッドに前ばっ気された溶出液を供給することによって（ UK 特許 第1520895 号を参照）微生物に供給される。最初の溶液は支持粒子から出る過剰のバイオマスに苦しむ一方、後者の溶液は高価である。空気は圧縮するのが高価であり、そして酸素を補充されるとき、ばっ気がより高価にさえなる。或るシステムでは、空気は全部酸素と交換され、そのため高価で危険な貯蔵設備を必要とすることになる。
【００５７】
高価であるにもかかわらず、溶解酸素を供給するシステムは加圧下で操作されるよう設計され、形を作るのが困難な高価な圧力容器を必要とする。加圧下の操作は Henry's Law に従って、廃水の酸素担持能力を増す。しかし、増大した溶解酸素濃度は、流動化ベッドへ排出したとき、少なくとも２つの問題をもたらすことができる。第１には、ベッド中の低圧は脱ガスを起こさせ、結果として生じる気泡がバイオフイルムを支持物質粒子から取り除かせる。第２には、より高い溶解酸素含量がバクテリアに対して酸化ストレスを生ぜしめて、エネルギーと物質を所望の生物学的プロセスから細胞の修復と保護へ転換させることになる。第３には、気泡の流動化ベッド内への解放はそれを再循環ベッドに転換させる傾向があり、その結果迅速な垂直混合を設定し、それによって物理的、化学的、かつ生物学的グラディエント(gradients)の形成を中断させることになる。
【００５８】
空気循環ベッドのもう１つの重大性は酸素濃度を容器内の液体量全体を通じて平衡させることである。殆どの好気性生物学的プロセスは低レベルの溶解酸素のみを要求するけれども、それらは 2 mg dm-3 の最小濃度で制御される傾向があり、その濃度は空気に関してほヾ 20 乃至 30 ％飽和に近い。これは酸素移転のための推進力を減らすばかりでなく、それはまた、異なった酸素濃度の区域は得られないことを意味する。自然の生物学的システムでは、酸素を含む栄養分濃度のグラディエントは各々が色々な生物学的プロセスに適した微生物の色々な個体数を設定するのに重要である。ベッド頂部の溶解酸素濃度と処理した溶出液中の残留アンモニア濃度間の関係は図１２に示している。この図は残留アンモニア濃度の或る範囲について溶解酸素濃度の制御点を表している。例えば、 0.3 mg/l より大きい溶解酸素濃度は 1 mg/l より小さい残留アンモニア濃度を得るのに必要である。
【００５９】
硝化するバイオフイルムによって定着されたガラス状コークスの流動化ベッドの操作は、 2 mg dm-3の最小濃度に溶解酸素を維持するための工業ガイドラインの存在にもかかわらず、廃水がそのベッドを上方へ通って行くとき、溶解酸素を完全に消耗して、高い硝化速度を与えるに至ることができる。この手法での気泡なしの操作は、脱窒するバクテリアがより低い好気性硝化物(nitrifyers)によって作られた亜硝酸塩/硝酸塩を使用できるようにするために、溶解酸素濃度が十分低く下がることを可能にする。それ故、すべて同じバイオリアクター中において、脱窒区域を硝化区域の上にもつことが可能である。これは、該システムのスペース利用と操作コストの効率を大幅に改良する。更に、ベッドからでるとき、実質的に酸素フリーの廃水は空気又は他の酸素含有ガスから酸素を急速に吸収し、廃水リサイクル流れに対して向流をなして流れ又は泡立ち、溶解酸素を数秒間のうちに 85 ％より多い濃度にまで高めさせる。更に、この向流酸素移転の効率は通常の同流ばっ気の効率の二倍より大きい（3 乃至 6 ％に比較して 7 乃至 12 ％の酸素が除去された）。
【００６０】
酸素化のための推進力はガス相（空気、 100 ％）と液体相（水、最初は 0 ％か又は 0 ％に近い）間の分圧の差に比例することは周知である。更に、酸素消耗水がコラムの外側を 100 cm の小距離にわたって滝状に流れ落ちる(cascade)ようになすことは底で 45 乃至 80 ％の値に達する急速な再ばっ気を起こさせる。
【００６１】
廃水が膨張したベッドコラムの頂部を溢流してその側面を落下できるようにすると、薄いフイルムが造られ、そのフイルムは酸素移転の速度を最大となすのを助ける。小さいガラス状コークス粒子の流動化を達成するために、廃水は 0.5 乃至 2.0 cm/sec の速度でベッドを上昇し、その際 1.0 m 上昇するのに 50 乃至 20 秒間かかる。これと対照的に、垂直面と接触した水のシートは殆ど 1.5 m/sec で落下する（Grassmann, P. Physical Principles of Chemical Engineering, Pergamon Press, 1971)。かくして 40 乃至160 μm のフイルムはほヾ 10 cm 直径コラムを形成することが期待され、そして 400 乃至 1600 μm のものは 50 cm 直径のものに対応する。ガス相と液体相間の高い滑り速度は層状境界層の厚さを最小となし、それによって酸素移転の速度を最大にする。10cm 直径コラムについては、高度の酸素化（ 45 乃至 80 ％溶解酸素濃度）は丁度1.0 m の落下で達成することができる。特にもし落下、乱れの度合い又は水フイルムの表面積が増し、それによって酸素化速度を増大させるならば、同様の結果が 50 cm コラムについて期待される。
【００６２】
それ故、廃水を送るためにヘッダータンクをもつ流動化ベッドモジュールを造ることによってそしてベッド膨張を起こすことによって、廃水の再ばっ気は、それがリアクター容器の外側を流下できるようにすることによって、最適化されることができる（図４乃至８）。こうすれば、酸素を供給するための主なエネルギーコストは大幅に省くことができる。
【００６３】
流動化ベッドとして操作するためにバイオマス支持物質の小さい粒子上に付着されたバイオフイルムとしての微生物の成長の促進は、明瞭なプロセス利益を与えるが、それはバイオフイルムの過度成長の問題を生じる。微生物バイオフイルムの生化学的転換の動態(kinetics)の調査はフイルム厚さが増すにつれて外面から約 0.1 乃至 0.15 mm ( 100 乃至 150 μm ) より遠い細胞は特に酸素が不足することを示している（ M. Denac, S. Uzman, H. Tanaka & I.J. Dunn, “Modelling and experiments on biofilm penetration effects in a fluidised bed nitrification reactor”, Biotechnology and Bioengineering Vol. 25: 1841 - 1861)。バイオフイルム厚さの制御はそれ故、バイオフイルム中の細胞の大部分が十分な栄養分又は酸素を供給されることを保証することによって、プロセス効率に関して重大な利益をもつことができる。
【００６４】
Jeris, Beer 及び Mueller of Ecolotrol は米国特許第3956129号に除去及び機械的かきまぜによるバイオフイルムの制御方法を幾つか記載している。これらの方法は“Waring Blenderに類似した回転ブレード”をもつミキサーを含むか、又は“圧縮空気又は水噴霧の使用”を含んでいた。後者の発明で、Jeris はベッドの頂部に取り付けられた“回転する可撓性攪拌器”（US特許第4009098号）、ベッドの頂部に取り付けられた機械的攪拌器（US特許第4009105号及びUS特許第4009099号）、又は“ベッドの頂部にある回転する鋭いブレード又は可撓性かきまぜ器”（ GB第1520895号）、又は“ベッドの頂部にある鋭いブレード又は可撓性攪拌器”（ US特許第4009099号）を開示している。 Hickey and Owens による Ecolotrol における 後の仕事は流動化ベッドの上部内の分離器コラムに基づく制御システムを開示しており、これはバイオフイルムを取り除くための色々なかきまぜ器配置を頼みにしている（ EP特許第0007783号を参照）。これらのかきまぜ器配置は、モータ駆動されるブレード、音響エネルギーを造るためのトランスジューサ、厚いバイオフイルムをもつ粒子の除去のための及びバイオフイルムから除去された粒子を戻すためのポンプ、及び静止ラインミキサーか又は水圧剪断をなす手段をもつ同様のポンプ送りされるシステムを含んでいた。バイオフイルムを制御する更に新規なアプロ−チの１つは US特許第4618418号に記載されており、この場合、厚いバイオフイルムで被覆された支持粒子はガスリフトによってリムへ運ばれる。このリムの所で、それらの粒子は沈降域内へ溢れ入る。これらの粒子は次いで、流動化ベッド内へ再び入るために、“好適には反応スペースの屋根と液体分配装置間の距離の中程で幾分下の”個所へ運ばれる。
【００６５】
バイオフイルム除去装置と方法の上記のすべての場合、重要なエネルギーと機械的装備は制御をなすことを要求され、後者はまた定期的保守と取り替えを要求する。更に、取り除かれたバイオフイルムは該システムから廃棄され、処分に先立って脱水されなければならなず、その際取り除かれたバイオマス支持物質粒子はベッドへ戻すために回収される。
【００６６】
本発明では、バイオフイルム制御は最小のエネルギーコストで、かつ１システムで可動部分なしで行うことができる。こうして、設備、操作、保守及び交換のためのコストは最少限にされる。通常は、ベッドはバイオフイルムの成長により膨張し、粒子はより厚いバイオフイルムを担持し、粒子の密度の減少に起因して、ベッドの頂部に向かって移動する傾向をもつ。もし溢流装置（１４）がベッド高さが制御されることになっているバイオリアクター（８）中の個所に合体されるならば、バイオフイルムの更に継続する成長が最も厚く被覆された粒子を溢流装置（１４）に入れさせるだろう（図１０）。これらの粒子は、重力とベンチュリ噴射器（１６）により起こされる流れの組み合わせの影響の下で、流れさせられる。上記噴射器は下向きに流れる入口流（１８）の端の直前におかれている（図１０）。次いで流動化用媒体はリアクター容器の下壁（２０）に衝突しそしてその流れをディストリビュータ層と流動化ベッド（１２）を通して上向きに逆転させる。
【００６７】
代案として、ポンプ送りされるシステムでは、溢流装置とベンチュリは外部のものとすることができるが、ベッドへの入口の直前に置くこともできる（図１１）。こうすれば、厚いバイオフイルムをもつ粒子はディストリビュータの最も乱れた領域でベッドに再び入ることができる。更に、もしその領域が小さい稠密な可動の粒子（例えばシリカ砂）のベッドを、バイオマス支持物質（例えばガラス状コークス）のあまり稠密でないベッドの下に含むならば、バイオフイルムを被覆されたコークスが下部の移動するベッドと上部の流動化ベッドの下部領域を通って行くときに、より効率的なバイオフイルムの取り除きが起こることができる。
【００６８】
幾つかの比較実験が、バイオフイルムの取り除きを手伝う際のディストリビュータ層の効率をテストするために行われた。図１３は溢流をディストリビュータ層２内に噴射する噴射器を自動的に用いるバイオフイルム取り除きの効果を示す。線図が作られ、その１つは本発明による膨張ベッドと移動するベッドのディストリビュータについてのもので、他の１つはディストリビュータ物質なしのものについてのものであった。
【００６９】
このアプローチの更に別の利点には、バイオマス支持物質がベッドへ自動的に戻ることが含まれる。これらの粒子はそれらの厚いバイオフイルムから取り除かれるけれども、それらは依然としてバクテリアの十分な数と混合物を保持していて、新鮮なバイオフイルムの迅速な再成長を可能にするるだろう。こうして、瀕死の細胞が除去され、新鮮なものと取り換えられる。取り除かれた細胞は該システム中に保持され、そこで活動的なものは取り除かれた粒子を再定着させるのを助け、そしてまた最後に洗い流される前に該システムの全性能に貢献することができる。該システムを去るバイオマスはバイオフイルム粒子として存在するか、又はベッドを通過する間の流体力学的条件のためにバイオフイルムフロック(flocs)に凝集させられるだろう。この凝集した微生物は沈降、遠心分離、ろ過、又は他の周知技術によって廃水からかなり容易に分離される。特に、処理した廃水をハイドロサイクロンを経て該システムから出られるようになすことにより、最もエネルギー効率の良い手法でバイオマスは濃縮されるだろう。
【００７０】
代案としての実施例では、噴射器を経てベッドの頂部からでるバイオフイルムで被覆されたより厚い粒子のリサイクルは要求されない。入口流体速度と移動するベッドディストリビュータ粒子の運動量の間に正確なバランスがあれば、上にあるバイオ粒子の流動化ベッドと十分に相互作用して、バイオフイルムの制御を実質的に行う。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】流れの分配を助けるために移動するシリカ砂ベッドを追加する前又は後の静止ベッドの高さの変化を示す図表である。
【図２】移動するシリカ砂ディストリビュータのある場合とない場合の、ガラス状コークスの流動化ベッドの摩耗速度を示す図表である。
【図３】本発明装置に固定した静水頭を使用する１実施例を示す図である。
【図４】本発明装置に固定した静水頭を使用する他の実施例を示す図である。
【図５】本発明装置に固定した静水頭を使用する他の実施例を示す図である。
【図６】本発明装置に固定した静水頭を使用する他の実施例を示す図である。
【図７】本発明装置に固定した静水頭を使用する他の実施例を示す図である。
【図８】本発明装置に固定した静水頭を使用する他の実施例を示す図である。
【図９】本発明装置に固定した静水頭を使用する他の実施例を示す図である。
【図１０】本発明のバイオマス厚さ制御の技術を示す概略図である。
【図１１】図１０に示す実施例の代案としてのポンプ送りする型式の概略図である。
【図１２】ベッドの頂部で測定した溶解酸素濃度と処理した溶出液中の残留アンモニア濃度の間の関係を示す図表である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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