(57)【要約】  第１面、第２面及び垂直軸とを有する膜であって、所定サイズ未満の分子は第１面と第２面との間を透過可能な膜を含浸漬膜組立体。該膜の第１面と流体連通して、第１比重を有する第１流体を収容する、第１流体コンパートメントと、前記膜の第２面と流体連通して、第２比重を有する第２流体を収容する、第２流体コンパートメントと、第１流体コンパートメントに収容された第１流体と、第２流体コンパートメントに収容された第２流体との間に水頭差を課するための手段と、第２比重を変更するための手段。第２カラム高は、変更された第２比重で前記垂直軸に沿って前記膜の前後で選択された圧力差を発生するために第１カラム高に対して選択される。
2007532297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面、第２面及び垂直軸とを含む膜であって、所定サイズ未満の分子は第１面と第２面との間を透過可能な膜と、
該膜の第１面と流体連通して、第１比重を有する第１流体を収容する、第１流体コンパートメントと、
前記膜の第２面と流体連通して、第２比重を有する第２流体を収容する、第２流体コンパートメントと、
第１流体コンパートメントに収容された第１流体と、第２流体コンパートメントに収容された第２流体との間に水頭差を課するための手段と、
第２比重を変更するための手段とを含む、浸漬膜組立体。
【請求項２】
前記水頭差を課する手段が、第１カラム高を画定する第１流体コンパートメントと、第２カラム高を画定する第２流体コンパートメントとを含み、
第２カラム高は、変更された第２比重で前記垂直軸に沿って前記膜の前後で選択された圧力差を発生するために第１カラム高に対して選択される、請求項１に記載の浸漬膜組立体。
【請求項３】
第１カラム高及び第２カラム高はそれぞれ重力だけで確立される、請求項１に記載の浸漬膜組立体。
【請求項４】
前記水頭差を課する手段は第１流体コンパートメントに陽圧を加えるための加圧装置を含む、請求項１に記載の浸漬膜組立体。
【請求項５】
前記水頭差を課する手段は第２流体コンパートメントに陰圧を加えるための真空装置を含む、請求項１に記載の浸漬膜組立体。
【請求項６】
前記第２比重を変更するための手段は第２流体に添加された分散された気体を含む、請求項１に記載の浸漬膜組立体。
【請求項７】
第１流体は溶存した気体を含み、
該溶存した気体は、前記膜を第１面から第２面に透過して、第２面の表面の近傍又は第２流体の中で凝集することによって、第２流体に添加される、請求項６に記載の浸漬膜組立体。
【請求項８】
前記第１流体に溶存した気体は、前記膜を透過することによって与えられる機械的作用に応答して凝集する、請求項７に記載の浸漬膜組立体。
【請求項９】
前記第１流体に溶存した気体は前記膜の前後の圧力差に応答して凝集する、請求項７に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１０】
前記第１流体に溶存した気体は、前記膜の第２面上で凝集する、請求項７に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１１】
前記第１流体に溶存した気体は、第２流体の中で凝集する、請求項７に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１２】
前記第２比重を変更するための手段は、第２流体コンパートメントに連通する気体インレットポートを含む、請求項１に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１３】
前記膜は半透性膜である、請求項１に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１４】
第１面、第２面及び垂直軸を有し、所定サイズ未満の分子は第１面と第２面との間を透過可能な膜と、
該膜の第１面と流体連通し、第１比重を有する第１流体を第１カラム高で収容する第１流体コンパートメントと、
前記膜の第２面と流体連通し、第２比重を有する第２流体を第２カラム高で収容する第２流体コンパートメントと、
第２比重を変更するための手段とを有し、
第２カラム高は、第１比重で前記垂直軸に沿って前記膜の前後で選択された圧力差を発生するために第１カラム高に対して選択される、浸漬膜組立体。
【請求項１５】
前記第２比重を変更するための手段は第２流体に添加された気体を含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１６】
前記気体は第２流体に溶存する気体の凝集によって添加される、請求項１５に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１７】
前記第２比重を変更するための手段は、第１流体に溶存した気体が前記膜を透過して第２流体の中で凝集することによって第２流体に添加された気体を含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１８】
前記気体は、前記膜の第２面の少なくとも一部で凝集して、第２流体の中を上昇することによって前記膜の一部に研磨作用を与える、請求項１７に記載の浸漬膜組立体。
【請求項１９】
前記組立体は第２流体コンパートメントに連通する気体インレットポートを含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２０】
前記組立体は第２流体コンパートメントから流体を回収する流体コレクタを含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２１】
第１流体コンパートメントはバイオリアクタのヘッドタンクを含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２２】
第１流体コンパートメントはバイオリアクタのサドルタンクを含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２３】
前記膜は半透性膜である、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２４】
前記膜は０．０５ミクロンより大きな粒子を除去する構成を含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２５】
前記膜は０．１ミクロンより大きい粒子を効果的に排除する、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２６】
前記膜は平板膜である、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２７】
前記膜は中空糸膜である、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２８】
第１流体は水を含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項２９】
第１流体は廃水を含む、請求項１４に記載の浸漬膜組立体。
【請求項３０】
第１面、第２面及び垂直軸を有する透過性膜であって、所定サイズ未満の分子は該膜の第１面と第２面との間を透過可能である透過性膜と、
該膜の第１面と流体連通し、第１比重を有する第１流体を第１カラム高で収容する第１流体コンパートメントと、
前記膜の第２面と流体連通し、第２比重と気体とを有する第２流体を第２カラム高で収容する第２流体コンパートメントと、
第２流体コンパートメントからの流体を回収する流体コレクタとを含む浸漬膜組立体であって、
前記気体の量は第２比重の値を第１比重の値に近似させるために第２比重を調整するのに十分な量であり、
第２カラム高は、変更された第２比重で前記垂直軸に沿って前記透過性膜の前後で選択された圧力差を発生するために第１カラム高に対して選択される、浸漬膜組立体。
【請求項３１】
第１流体コンパートメントは第１カラム高を定義する第１流体アウトフローを含む、請求項３０に記載の浸漬膜組立体。
【請求項３２】
第１流体は溶存した気体を含み、前記膜を透過した該気体の一部によって気泡が形成される、請求項３０に記載の浸漬膜組立体。
【請求項３３】
前記気泡の少なくとも一部は前記膜の第２面の近傍で、あるいは、第２面に接触して凝集する、請求項３２に記載の浸漬膜組立体。
【請求項３４】
第２流体コンパートメントは気体インレットポートを含む、請求項３０に記載の浸漬膜組立体。
【請求項３５】
第１カラム高と、第２カラム高とはそれぞれ少なくとも部分的に重力によって確立される、請求項３０に記載の浸漬膜組立体。
【請求項３６】
調整された第２比重の値は、第１比重の値のほぼ９０％以上である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３７】
調整された第２比重の値は第１比重の値のほぼ±２．５％以内である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３８】
第１比重を有する第１流体を収容するステップと、
第２比重を有する第２流体を収容するステップと、
第１流体と流体連通する第１面と、第２流体と流体連通する第２面と、垂直軸とを有する透過性膜で第１流体と第２流体とを分離するステップと、
第１流体と第２流体との間に水頭差を課するステップと、
第２比重の値を第１比重の値に近似させるステップと
第２流体を回収するステップとを含み、
前記膜は所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過可能である、流体を処理する方法。
【請求項３９】
前記調整された第２比重の値は第１比重の値の±約５．０％以内である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記調整された第２比重の値は第１比重の値の±約２．５％以内である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記水頭差を課するステップは、
第１流体を第１カラム高で収容するステップと、
第２流体を第２カラム高で収容するステップとを含み、
第２カラム高は、変更された第２比重で前記垂直軸に沿って前記透過性膜の前後で選択された圧力差を発生するために第１カラム高に対して選択される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
第２比重を調整するステップは、分散された気体を第２流体に添加することを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
第１比重を有する第１流体を第１カラム高で収容するステップと、
第２比重を有する第２流体を第２カラム高で収容するステップと、
第１流体と流体連通する第１面と、第２流体と流体連通する第２面と、垂直軸とを有する透過性膜で第１流体と第２流体とを分離するステップと、
第２比重の値を第１比重の値に近似させるように第２比重を調整するステップと、
第２流体を回収するステップとを含み、
前記膜は所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過可能であり、
第２カラム高は、変更された第２比重で前記垂直軸に沿って前記透過性膜の前後で選択された圧力差を発生するために第１カラム高に対して選択される、流体を処理する方法。
【請求項４４】
前記調整された第２比重の値は第１比重の値の±約５．０％以内である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記調整された第２比重の値は第１比重の値の±約２．５％以内である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
第１流体を前記膜の第１面の近傍に流すことを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
前記第２比重を調整するステップは、第２比重を変更するために第２流体に気体を添加するステップを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４８】
第１流体は廃水を含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４９】
廃水処理用改良型バイオリアクタであって、
該バイオリアクタは、生分解性物を含む廃水の流入水を処理のために受け入れて、第１比重を有する処理水を製造し、
前記改良は、
前記処理水の流れを受け入れて収容し、着脱可能に浸漬膜組立体を取り付けるヘッドタンク流体コンパートメントと、
第２比重を有する第２流体を収容する、分離された第２流体コンパートメントとを含み、
浸漬膜組立体は、
第１面、第２面及び垂直軸を有し、所定サイズ未満の分子は第１面と第２面との間を透過可能な透過性膜であって、第１面は前記処理水の流れと液体連通し、第２面は第２流体と液体連通する、透過性膜と
前記タンクに収容される前記処理水と、前記流体コンパートメントに収容される第２流体との間に水頭差を課する手段と、
第２比重を変更するための手段と、
第２流体を回収する流体コレクタとを含む、廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５０】
廃水処理用改良型バイオリアクタであって、
該バイオリアクタは、生分解生物を含む廃水の流入水を処理のために受け入れて、第１比重を有する処理水を製造し、
前記改良点は、
前記処理水の流れを受け入れて、第１カラム高で収容し、浸漬膜組立体を着脱可能に取り付けるタンクと、
第２比重を有する第２流体を選択された第２カラム高で収容する第２流体コンパートメントとを含み、
前記浸漬膜組立体は、
第１面、第２面及び垂直軸を有し、所定サイズ未満の分子は第１面と第２面との間を透過可能な透過性膜であって、第１面は前記処理水の流れと液体連通し、第２面は第２流体と液体連通する、透過性膜と、
第２比重を調整する手段と、
第２流体を回収する流体コレクタをを含み、
第２カラム高は、変更された第２比重で前記垂直軸に沿って前記透過性膜の前後で選択された圧力差を発生するために第１カラム高に対して選択される、廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５１】
前記収容された処理水の流れは通常の大気圧に曝露される、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５２】
前記処理水の流れはＢＯＤ除去を行ってきている、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５３】
前記処理水の流れはＢＮＲ除去を行ってきている、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５４】
処理水の流れは溶存気体を含む、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５５】
透明な管が前記流体コンパートメントを前記流体コレクタと連結する、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５６】
前記タンク及び膜組立体は、処理水が該タンクに収容されている間に前記ヘッドタンクから除去することができる、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５７】
複数の膜組立体を含む、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５８】
少なくとも１個の膜組立体は別の膜組立体の垂直方向上向きに配置される、請求項５７に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項５９】
前記タンクは前記バイオリアクタのヘッドタンクを含む、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項６０】
前記タンクは、前記バイオリアクタのサドルタンクを含む、請求項５０に記載の廃水処理用改良型バイオリアクタ。
【請求項６１】
第１面、第２面及び垂直軸を有し、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過可能な膜と、
気泡捕捉開口と、前記膜の第１面と流体連通している第１膜取り付け部と、該第１膜取付部及び前記気泡捕捉開口と流体連通している第１チャンバーであって、前記気泡捕捉開口の近傍にあって、第１垂直長さを有する上昇気泡捕捉部を含む第１チャンバーとを含む、第１管状部材と、
気体放出開口と、前記膜の第１面と流体連通している第２膜取付部と、該第２膜取付部及び前記気体放出開口と流体連通している第２チャンバーであって、前記気体放出開口の近傍にあって、第１垂直長さより短い垂直長さを有する気体貯蔵部を含む第２チャンバーとを含む第２管状部材とを含む、浸漬膜散気装置。
【請求項６２】
前記気泡捕捉部は、第２チャンバーの第２垂直長さを超えない垂直長さを有する気体カラムを画定する、請求項６１に記載の浸漬膜散気装置。
【請求項６３】
前記気泡捕捉部が気体を上昇する気泡から捕捉するとき、気体のカラムが前記気泡捕捉部に形成される、請求項６２に記載の浸漬膜散気装置。
【請求項６４】
前記捕捉された気体が前記膜の第１面に水頭を課する、請求項６３に記載の浸漬膜散気装置。
【請求項６５】
前記気体放出開口は、前記気体カラムが第２垂直長さを超える場合に、自動的に気体を第２チャンバーから放出する、請求項６２に記載の浸漬膜散気装置。
【請求項６６】
前記気体放出開口は前記気体を下向きに排出する、請求項６１に記載の浸漬膜散気装置。
【請求項６７】
第１面、第２面及び垂直軸を有し、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過可能な膜と、
第１流体及び上昇する気体の気泡を収容する曝気コンパートメントと、
第２流体を収容する静止流体コンパートメントと、
前記膜の第２面と流体連通している処理対象流体を収容する流体処理コンパートメントと、
前記曝気コンパートメント内に配置される気泡捕捉開口と、前記膜の第１面と流体連通している第１膜取付部と、該第１膜取付部及び前記気泡捕捉開口と流体連通している第１チャンバーであって、前記気泡捕捉開口の近傍にあって、第１垂直長さを有する上昇気泡捕捉部を含む第１チャンバーとを含む第１管状部材と、
前記静止流体コンパートメント内に配置される気体放出開口と、前記膜の第１面と流体連通している第２膜取付部と、該第２膜取付部及び前記気体放出開口と流体連通している第２チャンバーであって、前記気体放出開口の近傍にあって、第１垂直長さより短くない第２垂直長さを有する気体貯蔵部とを含む、第２チャンバーとを含む第２管状部材とを含む、浸漬膜散気組立体。
【請求項６８】
前記曝気コンパートメントはインレットポートを含む、請求項６７に記載の組立体。
【請求項６９】
気泡形成部材が前記インレットポートと前記曝気コンパートメントとの間に配置される、請求項６７に記載の組立体。
【請求項７０】
気泡形成手段が前記インレットポートと前記曝気コンパートメントとの間に配置される、請求項６７に記載の組立体。
【請求項７１】
前記処理対象流体は廃水を含む、請求項６７に記載の組立体。
【請求項７２】
第２流体は膜洗浄液を含む、請求項６７に記載の浸漬膜組立体。
【請求項７３】
標的流体内に気体を分散する方法であって、
膜を用いて前記標的流体を前記気体から透過可能に分離するステップであって、前記膜は、前記気体と接触している第１面と、前記標的流体と接触している第２面とを有し、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過可能である、透過可能に分離するステップと、
前記気体の上昇する気泡を含む第１流体を第１チャンバーの気泡捕捉開口内に受け入れることによって前記気体を捕捉するステップであって、第１チャンバーは、前記気泡捕捉開口の近傍にあって、第１垂直長さを有する上昇気泡捕捉部を含む、前記気体を捕捉するステップと、
第１流体を前記気泡捕捉部から変位させるために、第１流体内の前記気体の浮力を用いて第１チャンバー内の前記気体に水頭を課するステップと、
第１チャンバーの前記気泡捕捉部と、前記膜の第１面と流体連通している第１チャンバーの第１膜取付部との間の気体の流れを導くステップと、
前記気体の少なくとも一部を前記膜を通じて標的液体内に透過させるステップと、
前記膜の第１面と流体連通してる第２膜取付部と、第２チャンバーとの間で気体の流れを導くステップであって、第２チャンバーは、気体放出開口の近傍にあっる気体貯蔵部と、第１垂直長さより短い第２垂直長さとを有する、気体の流れを導くステップと、
前記水頭が第２流体を前記気体貯蔵部から変位させるとき、前記気体放出開口を通じて前記気体を放出するステップとを含む、標的流体内に気体を分散する方法。
【請求項７４】
第１流体及び第２流体は同じ気体を含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
第２流体内に放出された気体の気泡を観察することによって、気体の放出を検出するステップを含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７６】
前記気体は空気である、請求項７３に記載の方法。
【請求項７７】
前記標的流体は廃水を含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７８】
第１比重を有する第１流体を第１カラム高で収容するための手段と、
第２比重を有する第２流体を第２カラム高で収容するための手段と、
第２流体から第１流体を分離するための手段であって、第１流体と流体連通してる第１面と、第２流体と流体連通してる第２面と、垂直軸とを有し、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過可能である、手段と、
第２比重の値を第１比重の値に近似されるために第２比重を調整するための手段と、
第２流体を回収するための手段とを含み、
第２カラム高は、調整された第２比重で前記垂直軸に沿って前記透過性膜の前後で選択された圧力差を発生するために第１カラム高に対して選択される、浸漬膜組立体。
【請求項７９】
第１面、第２面及び垂直軸を有し、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過可能である、第１流体を気体から分離するための手段と、
気泡捕捉開口と、前記分離するための手段の第１面と流体連通している第１取付部と、該第１取付部及び前記気泡捕捉開口と流体連通している第１チャンバーであって、前記気泡捕捉開口の近傍にあって、第１垂直長さを有する上昇気泡捕捉部を含む第１チャンバーとを含む、流体連通のための第１手段と、
気体放出開口と、前記分離するための手段の第１面と流体連通している第２取付部と、該第２取付部及び前記気体放出開口と流体連通している第２チャンバーであって、前記気体放出開口の近傍にあって、第１垂直長さより短い第２垂直長さを有する気体貯蔵部を含む第２チャンバーとを含む、流体連通のための第２手段とを含む、浸漬膜散気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液組成の加工、浄化及び／又は処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，  ｒｅｆｉｎｉｎｇ，  ａｎｄ／ｏｒ  ｔｒｅａｔｉｎｇ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）のための方法及び装置に関する。より具体的には、本発明は、選択的、半透性、微孔性その他の分配膜を液組成の加工、浄化及び／又は処理のために利用する膜分離方法及び装置、例えば、膜廃水浄化方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直型バイオリアクタに関する背景技術
効率の高い廃水処理は、世界の人口が増加を続けるのでますます重要になってきた。人間が消費その他の用途で必要な水の量は速いペースで増加するが、天然に利用可能な水の量は不変のままである。使用可能な浄水の需要がますます増加することは、廃水の再生（ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ）を人口の増加及び発展の必須の要素にしている。
【０００３】
米国その他の先進国では、既存の大都市圏が過密になるにつれて、開発業者はこれまで未開発の地域に新たな住宅を建設することを奨励又は要求されている。これらの未開発地域の多くは、消費、灌漑及びこれらに類する目的に十分な水が不足しており、利用可能な水資源の再生及び再利用の必要がある。したがって、これらの地域における開発を成功させるためには、一般には廃水とよばれる、住民が利用した水に由来する下水が再利用の主な標的である。
【０００４】
生活廃水（ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ  ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ）は含水量は高いが、人間の排泄物その他の汚物が混在しているために、再利用できる前に十分な加工を要する。既存の下水処理施設から隔離された多くの新規開発地域において生活廃水の再利用を達成するためには、オンサイト、すなわち、現地での廃水処理及び再利用が非常に有利又は必須である。
【０００５】
広範囲のさまざまな異なる廃水処理システムが生活下水その他の範疇の廃水を再利用するために提唱されてきた。特許文献１に開示される１つのかかるシステムは、固形汚物、あるいは、「汚泥（ｓｌｕｄｇｅ）」を廃水から分離するための単純な沈殿槽（ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｔａｎｋ）を取り込む。沈殿の後、前記汚泥は消化システムに運ばれ、そので清澄な水様液が前記汚泥から分離するように堆積させられる。清澄化された液体は前記沈殿槽に再導入される。残念なことには、このシステムは、多数の欠点をかかえており、非効率である。特に、前記システムは、比較的粗い沈殿システムを含み、該沈殿システムは単に流入する前記汚泥が分離できるようにするだけで、曝気又はなんらかの他のやり方で前記汚泥の処理を促進することはない。
【特許文献１】米国特許第２，５２８，６４９号明細書
【０００６】
多数の廃水処理工程は、廃水からＣＯＤ、リン及び／又は窒素を除去するために、活性化されたバイオマス又は汚泥に含まれる微生物を利用する「生物学的」システムを含む。これらの処理工程は、複数の処理相又は「ゾーン」、すなわち、（１）予備処理領域、（２）一次処理領域及び（３）二次処理領域を含むのが典型的である。予備処理は、主に、未処理廃水から固形無機物を除去することに関する。典型的には、この予備処理は、前記廃棄物（ｄｅｂｒｉｓ）がスクリーン及び／又は沈殿によって除去される２段階処理工程を含む。有機物は液流にのって次の処理のために運ばれる。一次処理は、糞便、食物粒子等のような懸濁固形物を含む前記有機物の一部が浮遊又は沈殿によって除去される物理的な工程を含む。二次処理は、微生物が残存する有機物、窒素及びリンを前記廃水液流から除去するために利用される、生物学的処理工程を含むのが典型的である。微生物増殖及び代謝活性が、制御された増殖条件の利用を通じて利用及び制御される。
【０００７】
大規模な都市又は工業用途では、生物学的処理工程は、前記廃水がバイオマス／汚泥の懸濁液と混合される貯水区（ｂａｓｉｎ）その他の貯水槽を利用するのが典型的である。前記微生物のその後の増殖及び代謝と、得られた前記廃水の処理とは、好気的及び／又は嫌気的／酸素欠乏的条件下で実施される。たいていの大規模都市又は工業用処理システムでは、前記処理工程のさまざまな要素は別々の貯水区又は反応槽（ｒｅａｃｔｏｒ）内で実行される。そのため、１つの処理ステップから次の処理ステップへという連続的な廃水の流れがある。活性微生物を含むバイオマスは、ある工程ステップから別の工程ステップへとリサイクルされる場合がある。例えば、リンの除去、窒素の除去のような特定のタイプの代謝プロセスを実行する傾向を有する特定された微生物のサブグループの増殖を増強するためのかかるバイオマスの条件付けは、特許文献２−５を含む多数の特許の主題であった。生物学的廃水処理の他の要素又は局面の最適化は、特許文献６−２９を含むさまざまな特許をもたらした。
【特許文献２】米国特許第４，０５６，４６５号明細書
【特許文献３】米国特許第４，４８７，６９７号明細書
【特許文献４】米国特許第４，５６８，４６２号明細書
【特許文献５】米国特許第５，３４４，５６２号明細書
【特許文献６】米国特許第２，７８８，１２７号明細書
【特許文献７】米国特許第２，８７５，１５１号明細書
【特許文献８】米国特許第３，４４０，６６９号明細書
【特許文献９】米国特許第３，５４３，２９４号明細書
【特許文献１０】米国特許第４，５２２，７２２号明細書
【特許文献１１】米国特許第４，８２４，５７２号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，２９０，４３５号明細書
【特許文献１３】米国特許第５，３５４，４７１号明細書
【特許文献１４】米国特許第５，３９５，５２７号明細書
【特許文献１５】米国特許第５，４８０，５４８号明細書
【特許文献１６】米国特許第４，２５９，１８２号明細書
【特許文献１７】米国特許第４，７８０，２０８号明細書
【特許文献１８】米国特許第５，２５２，２１４号明細書
【特許文献１９】米国特許第５，０２２，９９３号明細書
【特許文献２０】米国特許第５，３４２，５２２号明細書
【特許文献２１】米国特許第３，９５７，６３２号明細書
【特許文献２２】米国特許第５，０９８，５７２号明細書
【特許文献２３】米国特許第５，２９０，４５１号明細書
【特許文献２４】カナダ特許第１，０６４，１６９号明細書
【特許文献２５】カナダ特許第１，０９６，９７６号明細書
【特許文献２６】カナダ特許第１，１９８，８３７号明細書
【特許文献２７】カナダ特許第１，３０４，８３９号明細書
【特許文献２８】カナダ特許第１，３０７，０５９号明細書
【特許文献２９】カナダ特許第２，０４１，３２９号明細書
【０００８】
有機炭素、窒素及びリン化合物の廃水からの生物学的除去は、処理設備内の特殊な環境条件への配慮を要する。例えば、細菌その他の微生物が（ＢＯＤとして測定される）有機炭素化合物を二酸化炭素と水とに変換するためには、よく攪拌された好気的環境が必要である。除去されるＢＯＤ１ポンド（４５４ｇ）あたり約１ポンドの酸素が必要である。窒素化合物を窒素ガスと二酸化炭素とに変換するためには、ニトロソーマ（ｎｉｔｒｏｓｏｍａｓ）菌及びニトロバクター（ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）菌が無機炭素を消費する好気的環境で活動する。（アルカリ度が十分であるとすると）１ポンドのアンモニアのＮを硝酸塩のＮに変換するために約４．６ポンドの酸素が必要である。その後、条件的細菌が嫌気的環境で活動して、有機炭素を消費し窒素ガスを放出する。１ポンドの硝酸塩のＮが窒素ガスに変換されると約２．６ポンドの酸素が回収される。リンを細胞集団に生物学的に結合させるために、揮発性脂肪酸を産生する嫌気的ステップが必要である。これに、嫌気的環境で前記揮発性脂肪酸を代謝して、前記リンをバイオマス内に集中させるのに必要な大量のリンを消費するポリＰ微生物が続く（非特許文献１）。
【非特許文献１】Ｄｒ．  Ｗ．  Ｗｉｌｓｏｎ、Ｗｅｓｔｅｒｎ  Ｃａｎａｄａ  Ｗａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｃａｌｇａｒｙ  ＡＢ、２００２年１月、予稿集。
【０００９】
理想的には、これら多くの生物学的工程の組み合わせの結果、時々３次処理とよばれる、生物学的富栄養塩除去（ＢＮＲ）工程ができる。しかし、よく設計された３次処理活動は、要素、工程及び条件の複雑な組み合わせの協働及び順序立てを必要とする。構成要素の生物学的処理ステップのそれぞれは固有の速度で進行し、特異的な環境パラメータを必要とする。効率的な３次処理は、微生物集団を維持し特異的な処理機能を発揮させるために正しい量の特殊な微生物が必要である。
【００１０】
３次処理を提供しようとする従来の廃水処理システムは、上向流汚泥床ろ過法（ＵＳＢＦ）、回分式活性汚泥法（ＳＢＲ）及び膜分離活性汚泥法（ＭＳＡＳ）のシステムを含む。回分式活性汚泥法は、従来の活性汚泥処理法の改良である。特許文献３０は、ＳＢＲ法に用いられる垂直長軸エアレータを開示する。ＳＢＲ法は、囲い込まれたリアクタ内のバイオマスに廃水を順次注入し、反応させ、沈殿させ、デカンテーションすることを含むのが典型的な、区分可能な多数のステップを利用する。本法の最初のステップでは、廃水はバイオマスを含むリアクタに移され、混合液を形成するために混合される。本処理法の反応ステップでは、前記バイオマスの微生物が廃水中の窒素、リン及び／又は有機栄養源を利用し、代謝及び／又は摂取する。後者の反応は、生物の増殖、群集動態及び汚染物質処理を操作するために、嫌気的条件、酸素欠乏条件、好気的条件又はこれらの組み合わせの条件下で実行される。このステージの長さは、廃水の性質、バイオマス濃度その他の因子に依存する。反応サイクルに続いて、前記混合液中のバイオマスは沈殿させられる。汚泥ブランケットがリアクタの底に沈殿し、処理済みの上清は流出する。処理済みで清澄化された水（すなわち流出した水）は次にデカンテーションされ、放流（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）される。リアクタ容器は、その後、再注水され、処理工程サイクルが再開される。このようにして、回分式リアクタの工程は、時間的に区切られた作業に基づくが、他の廃水処理工程は、例えば別々の容器での異なる反応の実行による、空間的に区切られた作業に基づく。
【特許文献３０】米国特許第５，５０３，７４８号明細書
【００１１】
さらなる廃水処理設計の多くはエアリフト（ａｉｒ−ｌｉｆｔ）リアクタを装備するが、該リアクタは、１組の特別に設計されたチャンネルを介する一定の周回パターンでの液体循環を特徴とする、機械的に単純な気液混合流動装置である。液体の動きは、前記リアクタの上向流（昇流、ｒｉｓｅｒ）セクションと下向流（降流、ｄｏｗｎｃｏｍｅｒ）セクションの平均密度差による。通常、エアリフトリアクタは、異なる液流パターンを有する区別できるゾーンでできている。昇流は、典型的にはがｓμが注入されて液体密度差が生じるゾーンで、液相及び気相の両方の上昇流が起こる。リアクタの頂には、気液セパレータセクションがあり、典型的には、該気液セパレータセクションは気泡が液相から脱離する水平液流及び流向逆転の領域である。降流は、気液分散又は脱気された液体が通常は前記昇流に再循環するゾーンである。前記降流ゾーンは、液体の速度が気泡の自由上昇速度より速いか否かに応じて、単相か、並流（ｃｏｃｕｒｒｅｎｔ）２相か、並流−向流（ｃｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔ）混合２相かのいずれかの降流を示す。前記容器の下端の底部セクションは、降流の出口と昇流の入口とを連絡する。
【００１２】
エアリフト・リアクタは、ＩＣＩ単細胞タンパク質産生のような微生物発酵法に優占的に用いられてきた。しかし、エアリフト・リアクタを廃水処理に利用するシステムが多数知られている。これらの例のうちには、Ｂｅｔｚリアクタ（非特許文献２）と、処理水（ｅｆｆｌｕｅｎｔ）用のディープ・シャフト型バイオリアクタ（非特許文献３を参照せよ。）とがある。
【非特許文献２】Ｇａｓｎｅｒ、Ｂｉｏｔｅｃｈ．  Ｂｉｏｅｎｇ．、１６：１１７９-１１９５、１９７４
【非特許文献３】Ｈｉｎｅｓら、Ｃｈｅｍ．  Ｅｎｇ．  Ｓｙｍ．  Ｓｅｒ．、Ｕ．Ｋ．  ４１：Ｄ１-Ｄ１０、１９７５
【００１３】
ディープ・シャフト型バイオリアクタの原型の開発に続いて、近年の努力は、廃水処理用垂直長軸バイオリアクタシステムの改良につながった。これらの改良のうち、Ｐｏｌｌｏｃｋに付与された特許文献３１−３３は、それぞれ生分解性廃水及び／又は汚泥処理用の改良型垂直長軸バイオリアクタシステムを開示する。一般に、これらの垂直軸バイオリアクタシステムは、バイオリアクタと、固液セパレータと、前記バイオリアクタ及び固液セパレータと連絡する介在装置とを含む。前記バイオリアクタは、降流チャンバー及び昇流チャンバーを含む２個または３個以上の垂直で並列又は同心円状のチャンバーを含む循環システムを含む。これらのチャンバーは上端で表面区（ｓｕｒｆａｃｅ  ｂａｓｉｎ）を通じて連結し、下端では前記降流チャンバーの下端に隣接する共通の「混合ゾーン」を介して連絡する。
【特許文献３１】米国特許第４，２７９，７５４号明細書
【特許文献３２】米国特許第５，６４５，７２６号明細書
【特許文献３３】米国特許第５，６５０，０７０号明細書
【００１４】
前記混合ゾーンに加え、これらのリアクタは、該混合ゾーンの下に配置され、前記混合ゾーンと連絡する「栓状流（ｐｌｕｇ  ｆｌｏｗ）」ゾーンを備える。上記のとおり、「栓状流」という用語は、前記混合ゾーンから前記リアクタの下端に配置される処理水排出口に向かう全体として下向きの固体粒子の移動をいう。汚泥分解への１つの応用では、前記全体として下向きの移動は、局所的な逆混合（ｌｏｃａｌ  ｂａｃｋ  ｍｉｘｉｎｇ）のみを含むことがＧｕｉｌｄら（非特許文献４）によって報告されているが、長時間の運転ではゾーン間混合が生じる。
【非特許文献４】Ｇｕｉｌｄら、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ＷＥＦ  ｃｏｎｆ．，  Ａｔｌａｎｔａ    Ｇａ．，  ２００１年１０月
【００１５】
汚物（ｗａｓｔｅ）を含む液体（混合液体、ｍｉｘｅｄ  ｌｉｑｕｏｒ）は、リアクタの底の近傍（例えば、混合ゾーン及び栓状流ゾーンで）酸素含有ガス、通常は空気を注入することによって、前記循環システムを通過するように（すなわち、降流チャンバーと昇流チャンバーとの間、表面区と混合ゾーンとの間を）駆動される。この循環流の一部は前記栓状流ゾーンに導かれ、該栓状流ゾーンの下端で処理水として除去される。廃水処理リアクタでは、空気は典型的にはリアクタの底から５−１０フィート（１．５２４−３．０４８メートル）上に注入されるのが典型的で、任意的には降流チャンバーの下端の直下に注入される。最深空気注入点は、栓状流ゾーンを、該最深空気注入点より上部の準栓状流ゾーンと、前記最深空気注入点より下部の完全栓状流ゾーンとに分割し、前者は局所的な逆混合が起こるが、後者は混合が起こらないと報告されている。
【００１６】
前記バイオリアクタの起動時には、空気がエアリフトポンプのように昇流チャンバー内に注入され、液体を昇流チャンバーと降流チャンバーとの間で循環させる。降流チャンバー内の液体は、昇流チャンバーの気液混合物よりも密度が高いので、循環を維持するために十分な上向きの力を提供する。
【００１７】
このようにしていったんバイオリアクタの循環が開始されると、空気注入の全てが混合ゾーン及び／又は栓状流ゾーンに移行される。これらのゾーンから出て行く気泡は昇流チャンバーに導かれ、混合液の下降流速が気泡の上昇速度を上回る降流チャンバーからは排除される。循環中の混合液中の溶存酸素は、汚物の生化学的分解における主要な反応物である。前記混合液が昇流チャンバー内を上昇して静水圧が低い領域に達すると、酸素その他の溶存気体が分離して気泡を形成する。昇流チャンバーからの気液混合物が表面区に入るとき、気体分離が起こる。この目的を促進するために、前記混合液がさらなる処理のために降流チャンバーに再流入する前に、該混合液が前記表面区の大部分を横断して用済みの気体を放出することを強制するために、通常、前記表面区には昇流チャンバーの頂に水平バッフルが取り付けられている。
【００１８】
特許文献３４は、流入する廃水が流入導管の上向きに導かれた排出口アームを通して昇流チャンバー内の深部に導入される方法を開示する。前記循環流が降流から昇流に逆転すると、変針する速度ヘッドによって乱流ゾーンが降流チャンバーの下端に発生する。この混合ゾーンは、明確ではないが、典型的には深さ１５−２５フィート（４．５７２−７．６２メートル）である。前記混合ゾーン内の前記混合液体の一部は、上述した前記栓状流ゾーンの下端から処理水ラインに除去された等量の処理水に反応して、前記栓状流の頂に下向きに流れる。バイオリアクタの運転中、バイオリアクタに流入する混合液体と、バイオリアクタから流出する混合液体との流れは、連絡する上部表面区内の液体レベルの変化に対応して制御される。
【特許文献３４】米国特許第５，６５０，０７０号明細書
【００１９】
汚物、溶存酸素、栄養及び（活性微生物群集を含む）バイオマスの間の反応は、実質的には、前記表面区、昇流チャンバー、降流チャンバー及び混合ゾーンで画定されるバイオリアクタの上部循環ゾーンで起こる。前記混合ゾーンの内容物の大多数は、上向きに循環して前記昇流チャンバーに入る。この昇流チャンバーでは、窒素が大半である非溶存気体が、前記リアクタの上部の混合液体の循環を駆動するために必要な気体揚力（ｇａｓ  ｌｉｆｔ）を提供するのに役立つように膨張する。使用済みの気体が表面区の水平バッフルを横切るときに該使用済み気体は混合液体から放出される。上部循環ゾーンの下に位置する栓状流ゾーンは、混合ゾーンからリアクタの下端の処理水抽出まで下向きに流れる混合液体の最終処理、すなわち、磨き、すなわち研磨（ｐｏｌｉｓｈ、ｓｃｏｕｒ）を提供する。
【００２０】
注入された酸素を含む気体は、栓状流ゾーンの混合液体に加圧下で容易に溶解するが、該栓状流ゾーンには、混合液体の緩やかな全体として下向きの動きに起因する局所的な逆混合がある。非溶存気体（気泡）は加圧下で非常に乱流の強い混合ゾーンへと上向きに移動する。このゾーンでの気体から液体への転移は非常に効率が高く、リアクタ全体の酸素転移効率は６５％を超える。反応産物は二酸化炭素とさらなるバイオマスで、該バイオマスは流入する廃水中に存在する未反応の固形物とともに汚泥（あるいはバイオソリッドｂｉｏｓｏｌｉｄ）を形成する。
【００２１】
ＢＯＤの好気的分解に加えて、窒素及びリン化合物の生物学的栄養除去（ＢＮＲ）を従来の廃水処理と結合することがますます重要になっている。高品質の処理済み液体放出の需要が増大するにつれて、本発明によって提供されるような技術の必要性がますます抗しがたくなった。ＢＯＤ３０ｍｇ／Ｌ及びＴＳＳ３０ｍｇ／Ｌという以前の第２次生物学的処理基準はもはや多くの管轄区では十分ではなく、今や窒素及びリンについても限度が設定されることがしばしばある。これらの栄養物の効果的な除去は、天然水の富栄養化とこれに起因する生態系の毀損とを防止することを目標とする既存及び策定中の環境法制の観点からは必須である。
【００２２】
基本的には、窒素除去は酸素存在下で混合液体中に含まれるアンモニアを亜硝酸塩及び硝酸塩に変換することによって達成され、これは好気的硝酸塩化段階として知られる。アンモニアの亜硝酸塩への変換は、ニトロソモナス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）菌として知られる微生物によって実行されるが、亜硝酸塩の硝酸塩への変換はニトロバクター菌によって達成される。硝酸塩の窒素への変換は、溶存酸素の欠如した懸濁増殖環境で進行する酸素欠乏脱窒素化段階で起こる。窒素、二酸化炭素及び水が産生され、気体はシステムから排気される。硝化速度は、温度、溶存酸素レベル（Ｄ．Ｏ．）、ｐＨ、固形物滞留時間（ＳＲＴ）、アンモニア濃度及びＢＯＤ／ＴＫＮ比（全ケルダール（Ｋｊｅｌｄａｈｌ）窒素、ＴＫＮは有機窒素と、アンモニア及びアンモニア塩由来の窒素との和である。）のような相互に依存する廃水パラメータを調節することによって最適化できる。高温及び高溶存酸素レベルは、７．０ないし８．０の範囲のｐＨレベルと同様に、硝化速度の増大を促進する傾向がある。３．５から５日、好ましくは５−８日の汚泥滞留時間は硝化速度を劇的に上昇させるが、それ以上の長時間では、効率は一定のままである傾向がある。アンモニア濃度の増加は硝化速度を達成可能な最大レベルまで上昇させるが、それ以上高濃度のアンモニアは硝化速度の上昇にはあまり寄与しない。速度は、１．０未満のＢＯＤ／ＴＫＮ比で最大になることも示されている（例えば非特許文献１を参照せよ。）
【００２３】
物理的／生物化学的リン除去は、システムの最初の嫌気的懸濁増殖ゾーンと、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ’ｓ）をリン分解生物（アシネトバクター菌）のエネルギー需要をまかなうために供給する汚泥発酵槽とを必要とするのが典型的である。最近、嫌気的圧送本管（ａｎａｅｒｏｂｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍａｉｎｓ）が実質的な生物学的リン除去を可能するのに十分な揮発性脂肪酸を発生できることが報告された。
【００２４】
難分解性処理（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）及び磨き段階が最終清澄化段階の下流で前記工程に追加される場合がある。多くの廃水流では、有機化合物の大部分（８０％−９０％）は容易に生分解される。残りの分画はより緩慢に生分解され、「難分解性」とよばれる。従来技術の生物学的栄養除去設計は、例えば、Ｎａｒｎａｒｄに付与された特許文献３５のような単一の汚泥及び単一の清澄化槽を取り込むが、この場合には、最も酸化速度の遅い化合物を満足させるためにシステム全体の酸化速度を低くしなければならない。
【特許文献３５】米国特許第３，９６４，９９８号明細書
【００２５】
生物学的栄養除去（ＢＮＲ）システムはさまざまな工程構成をとる場合がある。かかる実施態様の１つが、Ｂａｒｎａｒｄに付与された特許文献３５に基づく５段階改良バーデンホ（Ｂａｒｄｅｎｐｈｏ、商標）法である。この方法は、リン、窒素及び有機炭素の除去のための嫌気的、酸素欠乏的及び好気的段階を提供する。２４箇所以上のバーデンホ（商標）処理プラントが稼働しており、大半が、それ以前に設計された４段階工程ではなく５段階工程を用いる。これらの施設の大半は、１．０ｍｇ／Ｌ未満という処理水のリン濃度制限を満足するために補助てきな化学薬品投入を必要とする。この工程を用いるプラントは、さまざまな曝気法、槽構成、ポンプ設備及び汚泥取り扱い法を利用する。非特許文献５。
【非特許文献５】ＷＥＦ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  Ｎｏ．  ８，  "Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ  Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｐｌａｎｔｓ"，  Ｖｏｌ．  ２，  １９９１．
【００２６】
垂直バイオリアクタ技術の文脈では、Ｐｏｌｌｏｃｋ（特許文献３６、１９９７年７月２９日発行、引用により本明細書に取り込まれる）は、浮揚選別器を介して冠水したフィルターに連結された垂直バイオリアクタを利用する革新的な方法を開示する。この設計によると、バイオマスを好気的有機炭素高速除去ステップと、これに続く、別の硝化バイオマスを用いる好気的硝化ステップとに分離することによって、反応速度の改良が達成される。これらのステップの後に、有機炭素源を提供し酸素を消費するためのあのゾーン内に流入する混合液体と返送される混合液体又は処理水とを供給することによって作られた酸素欠乏的環境における脱窒化ステップが続く。
【特許文献３６】米国特許第５，６５１，８９２号明細書
【００２７】
リン除去のための嫌気的処理ステップの取り込みは、揮発性脂肪酸産生に要する長時間の発酵のため、別のリアクタ内で実行されるのが典型的である。さらに、捕捉されたリンを再可溶化するおそれがあるため、前記工程の嫌気的部分で産生されたリンが豊富なバイオマスは嫌気的発酵リアクタ産物と接触させるべきではないから、１回混合液体システムにおけるリン除去は実行が困難である。他の場合には、生物学的リン除去は、塩化第二鉄又はミョウバンのような金属塩の添加によって促進される。これらは、リンと化学的に結合させるためにリアクタの好気的ゾーンに直接添加される場合がある。
【００２８】
したがって、垂直軸リアクタ及びＳＢＲｓの組み合わせを含むさまざまな処理システムが３次廃水処理を提供するために使用されて成功した。しかし、これらの３次処理システムは、１回混合液体工程を含み、該工程に関与する特殊な微生物の全てが一緒に混合される。これらは、無機物由来のエネルギーを利用する独立栄養生物（例えばニトロソモナス菌及びニトロバクター菌）と、有機エネルギー源を利用し、好気的ＢＯＤ除去菌と、生物学的なリン除去菌であるアシネトバクター菌（バイオ−Ｐ生物）とを含む、従属栄養生物とを含む。したがって、これらのタイプのシステムの全てにおいて、処理速度は最も処理が遅い微生物、通常はアンモニアを亜硝酸塩に変換するニトロソーマ菌によって制御される。全体としての処理速度が遅いため、これらの１回混合液体システムは長時間曝気システムと呼ばれ、非常にエネルギー集約的である。
【００２９】
上述の廃水処理技術の発展及び進歩にもかかわらず、広範囲の用途を満足し、既存の廃水処理システムでは満たされない拡張され増強された機能を実行することができる改良された廃水処理システムの緊急な必要性が本技術分野には残っている。例えば、増強された生物学的栄養除去（ＢＮＲ）を提供し、一部の実施態様では、無制約の土地用途に必要なクラスＡバイオソリッドを産生することができる、単純化された廃水処理工程及び装置には長期にわたって満たされていない必要性が本技術分野に存在する。さらに、従来の廃水処理プラントの設置及び運転に随伴する費用および環境への影響を最小にしつつ、これらの拡張された機能を満たす廃水処理システム及び方法について未だに満たされていない必要性が残っている。
【００３０】
膜分離技術に係る背景と、廃水処理用バイオリアクタにおける膜の使用
選択的、半透性又は分配可能な膜を利用する膜分離は、例えば現代の膜廃水浄化法及び装置に用いられるような、液体組成物を加工、精製及び／又は処理するための工業的分離技術の迅速に進化する局面である。一般的な膜分離装置及び方法では、第１の液体組成物、例えば、流入する液体廃水流が膜の第１の表面に接触して、しばしば１種類または２種類以上の駆動力の結果として、第１液体組成物の１種類または２種類以上の構成成分とが膜を通過して第２の液体組成物、例えば、処理水の流れを該膜の第２の表面で形成するのが典型的であり、これによって、分離され、あるいは、分配された第１の液体組成物の１種類または２種類以上の成分が排除され、あるいは、残留する（すなわち、これらの成分は第１の膜表面に分配され、あるいは、保持されて、第１の液体組成物の溶液又は懸濁液中か、あるいは、第１の液体組成物に接触した状態かで残存する。）。
【００３１】
本発明の方法及び装置の範囲内で利用可能な液体組成物の加工、浄化及び処理用膜分離技術は、精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透、電気透析、電気脱塩、浸透気化、膜抽出、膜蒸留、膜剥離（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ）、膜通気（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｅｒａｔｉｏｎ）その他の膜を利用する方法を含む。用いる膜分離のタイプに応じて、膜機能を有効にし、増強するためのさまざまな駆動力が、単独で、あるいは、本明細書に開示される他の駆動力との組み合わせで利用される場合がある。加圧膜濾過（ｐｒｅｓｓｕｒｅ-ｄｒｉｖｅｎ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）は、膜濾過としても知られているが、精密濾過、限外濾過、ナノ濾過及び逆浸透を含み、圧力を駆動力として用いるが、電気透析及び電気脱塩では電気的な駆動力が用いられる。
【００３２】
膜スケーリング、膜ファウリング、膜劣化その他これらに類することが水流から溶質を除去する効率に負担を課すという不利な効果のため、歴史的には、水処理用膜分離法又はシステムは費用効果が高いとは考えられていなかった。しかし近年、技術の進歩が、膜分離を産業及び生活廃水処理用に適した水様液組成物を処理するためのより商業的に実施可能な技術にした。
【００３３】
膜を用いる固体−液体の分離技術は、廃水処理業界その他の膜分離の技術分野で急速に進歩してきた。初期の膜廃水処理プラントでは膜の予想使用寿命は約５−７年であった。今では、廃水処理用途の膜の使用寿命は８年以上のことがしばしばある。
【００３４】
北米その他の世界各地では、バンクーバー、シアトル及びカルガリーのような普段は良い水源を有する都市であっても、給水制限が段々と一般的になってきた。大平原及び砂漠の州の多くの部分では、給水制限は需要になってきた。一部の地域の土壌含水量は既にいわゆる「ダーティー３０台」未満である。給水制限の増大の主要な要因は、既存の上水道処理プラントが生活及び商業的な需要の増大を満たすのに十分な量の浄水を製造することができないためである。この問題に関連して、従来は上水道プラントによってより高価で製造されている灌漑用の中程度の質の水の増産のために廃水処理能力を改良する必要性がある。
【００３５】
現在のところ、１日当たり８００万ガロン（８ＭＧＤ、３．０２８万ｍ３）を超える多数の膜バイオリアクタプラントが稼働しており、１２ＭＧＤ（４．５４２万ｍ３）プラントが欧州では建設中と報道されている。新しいホテルは、飲料水用と水洗トイレのような用途の再利用水という２組の配管を有するように設計されている。
【００３６】
成長中の北米の大抵の都市は地表の雨水の配管と汚水の配管とを分離している。既存の地表の雨水の配管があるところではどこでも、掘削と新たな配管配設に伴う高い費用をかけることなく、より太い雨水の配管の内部に直径の細い再利用水の返送配管を設置することが可能である。この開発モデルでは、雨が降るときには再利用水は不要だから、交差汚染は意味のある問題ではない。さらに、再利用水の配管は、雨水よりも品質の高い水で加圧されている。より安価な再利用水は、道路、ゴルフ場、公園、芝農園（ｓｏｄ  ｆａｒｍ）養樹園（ｎｕｒｓｅｒｙ）、芝生当の灌漑及び／又は維持用に市内の大抵の場所に配水することができる。
【００３７】
代替的には、３次処理を提供する改良型垂直長軸バイオリアクタを使うような小規模の処理プラントが、都市化地区中に戦略的に配置され、民有で市町村の関与なしに運転される場合がある。需要の少ない期間には前記小規模処理プラントは地表の雨水廃水溝に直接放流される場合があり、これによって、市町村営プラントへの負担を実質的に軽減する。
【００３８】
前記改良型垂直長軸バイオリアクタは、それぞれが全体の処理の特定の一部に専用の順次的なゾーンを用いる単一の一体型バイオリアクタにおいてＢＮＲ処理を達成する。したがって、各ゾーンは個別に最適化される場合がある。
【００３９】
膜分離、加工及び処理技術の技術的進歩は速いペースで起こっている。膜の透過流束（膜表面積平方フィートあたりの流速）が増大する一方で、平方フィートあたりの費用は着実に低下する。さらに、現代の処理加工プラントで使用する膜の費用は低下してきており、今後１０年間にわたってより著しく低下するであろう。これらの要因はまとめて他の工程のうちでも再利用廃水の処理における膜の利用を奨励するであろう。例えば、サンディエゴでの最近の膜バイオリアクタ（ＭＢＲ）パイロットプラントの試みは、１ＭＧＤ規模及び５ＭＧＤ規模のプラントで製造するとき、それぞれ１０００ガロン（３．７８５立方メートル）あたり３．０５ドル及び１．９２ドルかかるであろうことが示される。この費用は、資本の減価償却と、通年運転ベースの運転及び維持の費用とを含む。シアトルの少なくとも１箇所のゴルフ場は季節的需要ベースで飲料水１００立方フィート（２．８３２立方メートル）あたり３．９６ドル支払っている。
【００４０】
膜バイオリアクタは、その性能を維持するためには定期的なクリーニングが必要である。クリーニングの頻度は、膜のタイプとその運転環境とに依存するが、典型的には数ヶ月に１回の頻度である。既存のリアクタは膜のクリーニング期間中は運転休止するのが典型的であり、廃水処理能力の一時的で周期的に起こる損失の原因となる。さらに、クリーニングはしばしば高価で特殊な化学薬品の使用を伴い、使用及び廃棄の環境規制を遵守する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
改良型垂直長軸バイオリアクタは他のバイオリアクタと比較して独特な利点を提供するが、かかるリアクタに膜を取り込む方法及び装置の必要性がある。
【００４２】
本発明の諸局面はこれらの必要性を満たし、以下の説明と添付する図面とから明らかになるであろうさらなる目的及び利点を達成する。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
発明の概要
本発明は、廃水の生物学的処理用の浸漬膜のスループット及び運転寿命が改良され、該膜のクリーニング及び保守の間の期間が延長された方法及び装置を提供する。より具体的には、本発明は、選択的、半透性、微孔性その他の分配膜を液体組成物の加工、浄化及び／又は処理に利用する膜分離法及び装置、例えば、膜廃水浄化方法及び装置に関する。本発明の他の局面は、膜の両側の間で実質的に均一な圧力差を発生させることによって液体中の気体拡散を改善する。
【００４４】
本発明の１つの局面では、浸漬膜組立体と、関連する方法及び装置が提供される。浸漬した前記組立体は、通常平面的な膜の相対する面を含む少なくとも第１面及び第２面を有する膜とを含むのが典型的である。一部の実施態様では、前記膜の相対する表面は正方形又は長方形であり、前記膜は垂直な軸（例えば、正方形の膜の一辺か、長方形の膜の長辺かによって定義される垂直）を有する。前記膜は所定のサイズ未満の分子によって第１面と第２面との間が透過可能である。
【００４５】
本発明の他の局面の範囲内で、前記浸漬膜組立体は、第１液体コンパートメントと含むが、第１液体コンパートメントは前記膜の第１面と液体連通している第１比重を有する第１液体を含む。前記組立体は第２液体コンパートメントも含むが、第２液体コンパートメントは、前記膜の第２面と液体連通している第２比重を有する第２液体を含む。
【００４６】
さらに前記膜組立体は、第１コンパートメント内に収容される第１液体と、第２コンパートメントに収容される第２液体との間の水頭（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｈｅａｄ）の差を課するための手段と、第２比重を変化させるための手段とを含むのが典型的である。前記水頭の差を課するための手段は第１液体コンパートメント及び第２液体コンパートメントを含む場合があり、第１液体コンパートメントは第１カラム高を画定し、第２液体コンパートメントは第２カラム高を画定する。第２カラム高は、第１比重と及び変化した第２比重とで前記膜の垂直軸に沿って該膜の両側で選択された圧力差を生じるように、第１カラム高に対して選択される場合がある（すなわち、第２比重は前記第２比重を変化させる手段の動作によって、最初の第２比重値から変化後の第２比重値へと変更される。）。第１及び第２カラム高は、重力と、第１及び第２液体コンパートメントの構成及び設計とによってのみ確立される場合がある（前記膜の垂直軸との関係で第１液体コンパートメントの液体カラム高より低い位置に第２液体コンパートメントのアウトフロー又はオーバーフロー用のポート又は開口を設けることによるのが典型的である。）。代替的には、前記水頭の差を課する手段は、第１液体コンパートメントと第２液体コンパートメントとの間の圧力差を加える手段を含む場合がある。例えば、第１コンパートメント内の第１液体の液圧と比較してより低い圧力を第２液体に発生させるために、陰圧発生手段又は真空が第２コンパートメント又は第２液体に適用される場合がある。代替的には、第２コンパートメント内の第２液体の液圧と比較してより高い圧力を発生させるために、陽圧発生手段又は加圧装置が第１コンパートメント又は第１液体に適用される場合がある。
【００４７】
本発明のさまざまな実施態様のなかには、第２比重を変化させる手段が、第２コンパートメント内の第２液体の中に気体を直接的又は間接的に導入する手段を含む場合がある。例えば、気体は、第２液体に直接溶解されたり、第２液体の中に気泡の形で導入される場合があり、これによって、第２比重を、所望の変化後の第２比重値に減少させる。典型的には、第１液体は溶存気体を含み、液体状態か、あるいは、微小気泡又はより大きな気泡の状態かのいずれかで、第１側から第２側へと前記膜を介して透過することによって、気体が第１液体から第２液体へと導入される。一部の実施態様では、第１液体中の溶存気体（例えば、空気又は酸素）は、前記膜の第１面と第２面との間を透過して、第２面で、あるいは第２面の近傍で凝集して気泡を形成し、該気泡は第２液体に取り込まれる。前記気体を導入する手段が第１液体から第２液体へと溶存気体を転送することを含むとき、前記気体は膜の第２面で、あるいは、第２面の近傍で凝集する場合があり、これは、第１面と第２面との間でか、第２液体コンパートメント内の第２面でかの凝集及び／又は第２液体の中への気体の溶解を含む場合がある。代替的には、前記気体を導入する手段は、気体の溶解及び気泡の形成を伴うことなく第１液体から第２液体へと溶存気体の導入を達成することができるが、これは代替的には気体導入後に起こる場合もあれば、全く起こらない場合もある。さらなる実施態様では、第１液体の溶存気体は前記膜を通過することによって与えられる機械的作用又は前記膜の両側での圧力差に応答して凝集するか、第１液体と第２液体との間の溶存気体レベルの差に応答して第２液体中で凝集するかの場合がある。他の一部の実施態様では、前記第２比重を変化させる手段は、第２液体の中へ気体を導入するために第２液体コンパートメントと結合された気体導入ポートを含む場合がある。気体は、この気体導入ポートを通じて、加圧気体の状態か、他の状態、例えば、第２液体と混合される気体が飽和した液体を導入することによって、第２液体の中に導入される場合がある。
【００４８】
本発明の別の局面は浸漬膜組立体を提供する。前記浸漬膜組立体は、第１面、第２面及び垂直軸を有する膜を含み、該膜は、所定のサイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過することができる。さらに前記組立体は、第１液体コンパートメントと、第２液体コンパートメントと、第２比重を変化させる手段とを含み、第１液体コンパートメントは、第１カラム高での第１比重を有する第１液体を含み、前記膜の第１面と液体連通しており、第２液体コンパートメントは、第２カラム高での第２比重を有する第２液体を含み、前記膜の第２面と液体連通している。第２カラム高は、第１比重及び変化後の第２比重で前記垂直軸に沿って膜の両側で選択された圧力差を発生させるために、第１カラム高に対して選択される。前記第２比重を変化させる手段は第２液体に添加された気体を含む場合があり、該気体は、第２液体への直接的又は間接的な気体の導入によって（気泡状態が典型的であるが、選択的には最初は溶存した状態で）添加される場合がある。代表的な実施態様では、前記第２比重を変化させる手段は、前記膜を透過して、第２液体の近傍か、あるいは、第２液体の中で凝集する第１液体の溶存気体によって第２液体に添加される気体を含む。前記気体は、前記膜の第２面か、第２面の少なくとも一部の近傍かで凝集する場合があり、選択的には、（凝集が前記膜の内部で起こるときに前記膜の第１面と第２面との間か、あるいはより典型的には、前記膜の第２面又はその近傍かでの）凝集及び／又は第２液体内で上昇する気泡の機械的効果によって前記膜に所望の磨く作用を与える。
【００４９】
選択的には前記膜組立体は、第２液体に気体を（例えば、液体に溶存した状態か、あるいは、加圧気体の状態かで）直接的に導入するために第２液体コンパートメントに連結される気体入口ポートを含む場合がある。
【００５０】
前記組立体は、第２コンパートメントからの液体を、例えば、第２液体カラム高あるいはその近傍でオーバーフローポートを通じて、回収する液体コレクタを含む場合がある。一部の実施態様では、第１液体コンパートメントは垂直バイオリアクタその他の廃水処理装置のヘッドタンク又はサドルタンクの場合がある。
【００５１】
廃水処理用途には、本発明の膜組立体は、処理済みの水（処理水）について表示された選択されたサイズより大きいサイズの粒子による第１面と第２面との間の粒子交換（浸透）を排除する半透膜を含むのが典型的である。たいていの処理済みの廃水については、選択された前記膜の孔径は約２ミクロン以下、より典型的には０．５ミクロン以下、しばしば０．１ミクロン以下であろう。前記膜は、例えば平面状の膜又は中空糸膜のような廃水処理用の商業的に入手可能なさまざまな膜のいずれかを含む場合がある。
【００５２】
本発明の関連する局面では、前記浸漬膜組立体は、第１面、第２面及び垂直軸を有する膜であって、第１面と第２面との間で所定のサイズ未満の分子が透過可能な膜を含む。前記組立体は、第１カラム高で第１比重を有する第１液体を収容し、前記膜の第１面と液体連通している、第１液体コンパートメントを含む。前記組立体は、第２カラム高で第２比重を有する第２液体を収容し、前記膜の第２面と液体連通している、第２液体コンパートメントも含む。第２液体は、第２比重を第１比重により近づけるように調製するのに十分な量の気体を含むか、あるいは、含むように変更される。代表的な実施態様では、第２液体中に含まれる気体は気泡状態である。液体コレクタが、第２コンパートメントから液体を回収するために、第２液体カラム高で第２コンパートメントと液体連通している。第２カラム高は、前記垂直軸に沿って前記膜の両側の間で選択された圧力差を発生させるように第１カラム高に対して選択される。さらに、第１液体コンパートメントは、第１カラム高に第１液体アウトフローを含む場合がある。第１液体溶存気体を含む場合がある。第２液体中の気体は、第１液体の溶存気体によって形成される気泡を含む場合があり、第１液体の溶存気体は前記膜を透過して（第２液体の内部又は第２液体の近傍で、例えば、前記膜の第２面で、あるいは、第２面の近傍で凝集することによって）凝集する。第２液体中で上昇する気泡は、前記膜の第２面を洗浄する作用を有する場合がある。第２液体コンパートメントは、（第１液体から前記膜の第１面と第２面との間を透過する気体と代替的又は相補的な気体導入手段として）第２液体に気体を直接的に導入するために、気体入口ポートを選択的に含む場合がある。第１カラム高及び第２カラム高は、例えば、重力か、第２液体への陰圧付加又は第１液体への陽圧付加かだけによって決定される場合のように機械的な装置なしで確立される場合がある。
【００５３】
本発明の方法及び装置は、広範囲の液体処理方法及び装置に適用可能である。膜を利用し、固体を含む液体が該膜のファウリングを起こす傾向があり、清澄な（ｃｌｅａｎ）液体の透過速度が遅いさまざまな処理工程及び装置では、本発明は実質的な利点を提供する。飲料水の場合には、膜の寿命は第１及び／又は第２液体に二酸化炭素を添加することによって延長できるが、これは水のｐＨ調整のためにも望ましい。産業用フィルター、例えば、冷却したビールから沈殿物及び沈殿したタンパク質を除去するためのフィルターは、瓶詰め前に再炭酸化にも有利である。窒素ガスを用いるガソリンの精製のような不活性ガス濾過も、本発明の方法及び装置を用いて最適化するのに適する。この場合には、気体回収システムが膜の下流に設けられ、再加圧システムも用いられる場合がある。亜酸化窒素（ｎｉｔｒｏｕｓ  ｏｘｉｄｅ）も添加気体として（例えば、第２液体に導入される気体として）所望の燃料／添加剤にするために用いられる場合がある。
【００５４】
潤滑剤のように粘性のある液体の場合には、特に本発明の方法及び装置の範囲内の不活性ガスを用いることによって、かかる液体の処理も本発明の方法及び装置によって促進されるであろう。メタンのような活性のある気体はほんの少ししか水に溶解しないので、本発明の範囲内ではより限定的な用途しかないであろう。一部の気体はｐＨ変化に敏感である。例えば、炭酸水素ナトリウムは加圧なしで水に溶解するが、ｐＨの変動は圧力変化が起こすのと同じやり方で二酸化炭素を放出させるであろう。
【００５５】
本発明の方法及び装置が適用可能な他の液体処理技術は、例えば、脱塩プラント、バイオテクノロジー及び生物医学の分離手順（例えば、血液その他の体液の透析）及び環境除染処理（例えば、海水及び淡水域からの油その他の石油汚染除去）を含む場合がある。
【００５６】
本発明のより詳細な局面では、液体組成物を加工、浄化及び／又は処理するため選択的、半透性、微孔性その他の分体する膜を利用する膜分離による液体処理方法、例えば、膜廃水浄化方法及び装置が提供される。これらの方法は、第１比重を有する第１液体を収容すること、第２比重を有する第２液体を収容すること、及び、第１液体と液体連通している第１面と、第２液体と液体連通している第２面と、垂直軸とを有する半透膜であって、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過することができる膜を用いて第１液体を第２液体から分離することを含む。前記方法は、（例えば、重力及びチャンバーのオーバーフロー水位の差によって受動的にか、本明細書に説明されるとおり陽圧又は陰圧を加えることによって能動的にか）第１液体と第２液体との間に水頭差を課すること、（典型的には気体を導入することによって）第２比重を調整すること、及び、第２液体を回収することをさらに含む。水頭差を課することは、第１カラム高で第１液体を収容すること、及び、第２カラム高で第２液体を収容することをさらに含み、第２カラム高は、第１比重及び調整後の台に比重で前記膜の垂直軸に沿って前記膜の第１面と第２面との間で選択された圧力差が発生するように第１カラム高に対して選択される。
【００５７】
本発明の別の局面は、液体組成物を加工、浄化及び／又は処理するために選択的、半透性、微孔性その他の分配膜を利用する膜分離によって液体を処理する方法、例えば、膜廃水浄化方法及び装置を提供する。前記方法は、第１カラム高で第１比重を有する第１液体を収容すること、及び、第２カラム高で第２液体を収容収容することを含む。前記方法は、第１液体と液体連通している第１面と、第２液体と液体連通している第２面とを有する透過性のある膜で第１液体を第２液体から分離することを含む。前記膜は、垂直軸を有し、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過することができる。前記膜は、第１比重の数値により近似するように第２比重を調整することを含む。第１液体と第２液体との間の比重の代替的な正規化は、他のやり方、例えば、第１液体に気体でない溶質を第１液体に導入することによって達成可能である。一部の実施態様では、第２比重は第１比重の約±５％以内（すなわち、第１比重の値の９５％の値まで）に調整される。別の実施態様では、第２比重は第１比重の約±２．５％以内に調整される。前記方法は、例えば、第１カラム高とは異なる第２カラム高を提供又は選択することによって、調整後の第２比重で前記膜の垂直軸に沿って前記膜の第１面と第２面との間に選択された圧力差を発生させることも含む。より詳細な実施態様では前記方法は、例えば、第２液体を処理済みの水としてオーバーフロー又は排水（ｏｆｆ-ｄｒａｉｎｉｎｇ）させることによって第２液体を回収することをさらに含む。
【００５８】
本発明の別の局面は、廃水処理用改良型垂直シャフトバイオリアクタ及びこれに関連する方法を提供する。前記垂直バイオリアクタ及びこれに関連する方法は本明細書で上記説明されるとおりである。前記バイオリアクタは、処理のために生分解性物を含む流入廃水（ｉｎｆｌｕｅｎｔ  ｏｆ  ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ）を受け入れて、本発明の浸漬膜組立体に導かれる処理水流（ｅｆｆｌｕｅｎｔ  ｆｌｏｗ）を生じる。前記バイオリアクタの改良点は、正常な垂直シャフトバイオリアクタヘッドタンクとして機能するが、前記処理水流を受け入れて収容し、前記浸漬した膜を着脱可能に受け入れるように改造された膜適合ヘッドタンクを含む。前記浸漬した膜は、第１面、第２面及び垂直軸を有する透過性膜で、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過することができる膜を含む。前記膜の第１面は前記ヘッドタンク内の処理水流と液体連通しており、第２面は第２比重を有し第２液体コンパートメント内に収容される第２液体と液体連通している。前記改良点は、前記タンクに収容される前記処理水流と、第２液体コンパートメント内に収容される第２液体との間に水頭差を課するための手段と、第２比重を調整するための手段とを含む。より詳細な実施態様では、前記改良点は、第２液体を回収する液体コレクタも含む。
【００５９】
他の詳細な局面では本発明は、生分解性物を含む流入廃水を処理のために受け入れて、第１比重を有する流出処理水を製造する、廃水処理用改良型イオリアクタを提供する。改良点はタンクを含むことであって、該タンクは、第１カラム高で流出処理水を受け入れて収容し、浸漬膜組立体と第２液体を回収する液体コレクタとが着脱可能に取り付けられている。前記浸漬膜組立体は、第１面、第２面及び垂直軸を有する透過性のある膜を含み、該膜は所定のサイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過することができる。膜の第１面は前記流出処理水と液体連通している。（前記ヘッドタンクから前記膜で隔てられている）第２液体コンパートメントは第２カラム高での第２比重を有する第２液体を収容し、前記膜の第２面は第２液体と液体連通している。改良点は、第２比重を調整するための手段をさらに含む。第２カラム高は、変更後の第２比重で前記垂直軸に沿って第１面と第２面との間の選択された圧力差を発生させるように、第１カラム高に対して選択される。収容されたぜ流出処理水の一部は正常な大気圧に曝露される。
【００６０】
さらに別の詳細な局面では、本発明は浸漬した膜散気装置（ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）を提供する。前記装置は、第１面、第２面及び垂直軸を有する膜を含み、該膜は所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過することができる。前記装置は、管状の収容部材であることが典型的な第１収容部材を含み、第１収容部材は、気泡捕捉開口と、前記膜の第１面と液体連通している第１膜取付部と、第１膜取付部及び前記気泡捕捉開口と液体連通している第１チャンバーとを有し、第１チャンバーは、前記気泡捕捉開口の近傍にあり、第１垂直長を有する、上昇気泡捕捉部を含む。前記装置は、管状収容部材であることが典型的な第２収容部材をを更に含み、第２収容部材は、気体放出開口と、前記膜の第１面と液体連通している第２膜取付部と、第２膜取付部及び前記気体放出開口と液体連通している第２チャンバーとを有し、第２チャンバーは、前記気体放出開口の近傍にあり、第１垂直長より短い第２垂直長を有する、気体貯蔵部を含む。特に、第１及び第２収容部材は、本明細書で以下に開示されるやり方で機能するようなさまざまなデザインに従って構築され、該デザインに従う寸法を有し、本明細書に説明される管状のデザインは単に例示の目的のためだけに提供される。
【００６１】
本発明の別の局面は、浸漬した膜散気組立体を提供する。前記組立体は、第１面、第２面及び垂直軸を有する膜を含み、該膜は、所定サイズ未満の分離が第１面と第２面との間を透過することができる。前記組立体は、第１液体及び上昇する気泡を収容する曝気コンパートメントと、第２液体を収容する静止液体コンパートメントと、前記膜の第２面と液体連通している処理前の液体を収容する液体処理コンパートメントとを含む。前記組立体は、前記曝気コンパートメント内に配置される気泡捕捉開口と、前記膜の第１面と液体連通している第１膜取付部と、第１膜取付部及び前記気泡捕捉開口と液体連通している第１チャンバーをも含み、第１チャンバーは、前記気泡捕捉開口の近傍にあって第１垂直長を有する上昇気泡捕捉部を含む。前記組立体は、前記静止液体コンパートメント内に配置される気体放出開口を有する第２管状部材と、前記膜の第１面と液体連通している第２膜取付部と、第２膜取付部及び前記気体放出開口と液体連通している第２チャンバーとを含み、第２チャンバーは、前記気体放出開口の近傍に気体貯蔵部を含み、第１垂直長より短い第２垂直長を有する。
【００６２】
本発明のさらなる局面は、標的液体内に散気する方法を提供する。前記方法は、膜を用いて前記標的液体を気体から透過可能に分離することを含み、前記膜は、前記気体と接触している第１面と、前記標的液体と接触している第２面とを有し、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過することができる。前記方法は、前記気体の上昇する気泡を含む第１液体を第１チャンバーの気泡捕捉開口内に受け入れることによって前記気体を捕捉することをも含み、第１チャンバーは、前記気泡捕捉開口の近傍にある上昇する気泡捕捉部を含み、第１垂直長を有する。前記方法は、第１液体を前記気泡捕捉部から変位させるために第１液体中の気体の浮力を利用して第１チャンバー内の気体に水頭を課することをさらに含む。前記水頭を課することは、前記気体が第１チャンバーの前記気泡捕捉部と、第１チャンバーの第１膜取付部との間を流動することを強制するが、第１チャンバーは前記膜の第１面と液体連通している。前記方法は、前記水頭を課することに応じて、前記気体の少なくとも一部が前記膜を通じて前記標的液体内に透過することをさらに含む。さらに前記気体は、前記膜の第１面と液体連通している第２膜取付部と、第２チャンバーとの間を流動する。第２チャンバーは、気体放出開口の近傍の気体貯蔵部と、第１垂直長より短い第２垂直長とを有する。前記方法は、前記水頭が前記き耐貯蔵部から第２液体を変位させるとき、前記気体を前記気体放出開口から自動的に放出する。
【００６３】
本発明の追加の局面は以下の説明及び添付する図面に詳細に列挙される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
具体的な実施態様の説明
添付する図面に示されるとおり、本発明は廃水処理用の垂直長シャフトバイオリアクタ１０を提供する。本発明のバイオリアクタは、多数の構造及び機能上の特徴を過去に記載された垂直シャフトバイオリアクタシステムと共有するが（例えば、引用により本明細書に取り込まれる、Ｐｏｌｌｏｃｋに付与された米国特許第４，２７９，７５４、５，６４５，７２６及び５，６５０，０７０号明細書を参照せよ。）、これらとは複数の重要かつ新規な局面で異なる。
【００６５】
図１を参照して、本発明の垂直シャフトバイオリアクタ１０は、少なくとも１個の昇流チャンネル１４と、回り道をするか、開放的又は閉鎖的な経路かで液体連通している少なくとも１個の降流チャンネル１２とを含む、２個または３個以上の実質的に垂直なチャンネルを含む廃水循環システムを特徴とする。前記降流及び昇流チャンネルは、表面区又はヘッドタンク１６を介して前記チャンネルの上端で連絡しているのが典型的であり、ヘッドタンク１６は、前記降流チャンネルの下部のポート又は開口２０より下に配置される混合ゾーン１８に対応する下部ジャンクションで開放されていても閉鎖されていてもかまわない。
【００６６】
降流チャンネル１２及び昇流チャンネル１４は、別々の導管、例えば、別々の円筒状の壁を有するパイプによって画定されるのが典型的である。代替的には、降流チャンネル１２及び昇流チャンネル１４は、１個または２個以上の壁を共有する相互に連絡したコンパートメント又はチャンネルとして、例えば、細長い、区画化されたリアクタ容器又はフレーム内の仕切り構造（例えば半径方向のパーティション又は隔壁）によって隔てられた平行なチャンネルとして、画定される場合がある。前記降流及び昇流チャンネルは、互いに実質的に平行に、例えば、並列又は同軸状の配置で配向されるのが好ましい。
【００６７】
典型的には、降流チャンネル１２及び昇流チャンネル１４は、その全長の少なくとも一部が別々の導管として定義される。一例として、前記降流チャンネルは分離された円筒状の壁を有する降流導管（例えば鋼管）２２で、該降流導管はより直径がより大きい円筒状の壁を有する昇流導管２４の中に同軸状に内蔵され、前記昇流導管はバイオリアクタ組立体全体の外壁又はキャスティングに対応することがしばしばある。したがって前記添付図面は一般的には模式図として解釈されるべきであり、図示の便宜のために、前記昇流導管に対して側方に変位する降流導管を示す図面は、より大きな昇流導管の中に降流導管が並列又は同軸状に内蔵される代替的な配置を模式図として示す意図がある。
【００６８】
住宅用に適合された本発明の１つの実施態様では、本発明の廃水処理バイオリアクタ１０は、人口約５０００人の小さな居住地域共同体用に建設される。典型的には、２基の並列したバイオリアクタが、ＥＰＡ重複要件に従って、従来の掘削技術を用いて掘削される垂直な地中シャフトの中に設置される。さまざまな実施態様では、本発明のバイオリアクタは二次的な特徴を備えるか、以下に列記される二次的及び／又は３次的なレベルの処理を提供するように調整されて建設される場合がある。
（ａ）二次的処理（ＢＯＤ及びＴＳＳ除去）のみ
（ｂ）二次的処理と、アンモニアの硝化（アンモニアの硝酸塩への変換）
（ｃ）二次的処理と、硝化及び脱窒化（アンモニア及び硝酸塩の除去）
（ｄ）二次的処理と、硝化、脱窒化及び化学的脱リン（三次処理）。なんらかの生物学的脱リンが小負荷で起こる。
（ｅ）クラスＡバイオソリッドを生成するための下水汚泥の好熱好気性分解及び消毒。
【００６９】
以下の説明の簡単な参考として、前記（ａ）の二次的処理は、ゾーン１ヘッドタンク１６及びゾーン１の降流チャンネル１２と、ゾーン２昇流チャンネル８２及びヘッドタンク１５との両方で、完全に好気的な場合がある。この構成は、直径約３０インチ（０．７６２ｍ）、深さ２５０フィート（７６．２ｍ）のシャフトと、直径約６フィート（１．８２９ｍ）、深さ１０フィート（３．０４８ｍ）のゾーン１ヘッドタンクと、直径約１２フィート（３．６５８ｍ）、深さ１０フィートの同心状のゾーン２ヘッドタンクとを必要とする。同心状クラリファイアは、直径約２８フィート（８．５３４ｍ）、深さ１０フィートで、汚泥除去を補助するためのレーキ機構を備える。より詳細な実施態様では、このリアクタは少なくとも人口２５００人からの生活排水を処理し、＜３０ｍｇ／Ｌ  ＴＢＯＤ及び＜３０ｍｇ／Ｌ  ＴＳＳの処理水を製造する。
【００７０】
（ｂ）の二次的処理工程も完全に好気的で、前記ゾーン２ヘッドタンクの直径が約１６フィート（４．８７７ｍ）である点を除いて（ａ）と同じ概略寸法である。ゾーン１の底から生じる空気の大部分は分流機構８４を用いてゾーン２に分流される。前記（ｃ）の処理システムは、ゾーン１のヘッドタンク及び降流チャンネル内の酸素欠乏条件用に設計される。一部の実施態様では、このリアクタは、少なくとも人口２５００人からの生活排水を処理し、＜１ｍｇ／Ｌのアンモニア−Ｎ、＜１５ｍｇ／Ｌ  ＴＢＯＤ及び＜１５ｍｇ／Ｌ  ＴＳＳの処理水を製造する。
【００７１】
ゾーン１の下部からの空気のほんの少しの分画しかゾーン１昇流チャンネル４０に分流されない。ゾーン１の上端に供給される未処理の流入廃水に加えて、再循環される硝化処理水か、前記クラリファイア、あるいは代替的に、ゾーン２ヘッドタンク由来の再活性化汚泥かが酸素欠乏条件を作出するために前記未処理の流入廃水に添加される。
【００７２】
この処理工程では、リアクタは直径約３６インチに拡張され、ゾーン１ヘッドタンクは直径約８フィートに増加し、ゾーン２ヘッドタンクは直径約１６フィートに増加する。前記同心状クラリファイアは、外径が約３０’で、レーキ機構を備える。より詳細な実施態様では、この工程は人口２５００人以上からの生活排水を処理して、＜５ｍｇ／Ｌ  ＴＫＮ、＜１０ｍｇ／Ｌ  ＴＢＯＤ及び＜１０ｍｇ／Ｌ  ＴＳＳの処理水を製造する。
【００７３】
前記（ｄ）の処理システムは、（ｃ）とほぼ同じ寸法である。（ｄ）の処理工程内では、塩化第２鉄のミョウバンがリンの化学的沈殿のためにゾーン２内部に添加される場合がある。揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）を産生する前発酵ステップが必要な場合があるため、小さなプラントで高度のリン除去（例えば残量２−３ｍｇ／Ｌ）を達成するために生物学的リン除去工程のみを用いることは通常は経済的ではない。このプラントからの処理水の典型的な特性は、ＴＢＯＤ＜１０ｍｇ／Ｌ、ＴＳＳ＜１０ｍｇ／Ｌ、ＴＮ＜５ｍｇ／Ｌ、ＰＯ４＜１ｍｇ／Ｌである。
【００７４】
汚泥処理（ｅ）の場合には、リアクタは、ゾーン１がゾーンを取り巻くか、ゾーン１が前記リアクタの長さの大部分にわたってゾーン２の近傍にあってもよいか、ゾーン２のヘッドタンク１５’がゾーン１のヘッドタンク１６’を取り巻く。ゾーン１及び２は、ゾーン１の内容物がゾーン２に入るのを防ぎ少なくとも津各バッチを処理する自動バッチ処理（ｓｅｌｆ  ｂａｔｃｈｉｎｇ）空気ロック装置を通じてゾーン２の底で水力学的に連絡している。構成（ｅ）の好熱性好気分解槽（ｄｉｇｅｓｔｅｒ）の体積は、バイオマスを生産する廃水処理リアクタの体積の約半分である。汚泥貯蔵施設（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ）はリアクタ内に重複するよりもより経済的に建設できるため、２基の処理リアクタあたり１個必要である。したがって、人口約５０００人の小さい町は同じサイズの処理リアクタ２基と汚泥分解槽１基を必要とする。前記の例は人口約５０００人の小さな共同体用の典型的なデザインである。
【００７５】
空隙（空気上昇）の約８０％はいかなるエアリフト型リアクタでの頂８０−１００フィート（２４．８８−３０．４８ｍ）で発生するため、より上部のチャンネルは深さが、１５０ないし５０フィート（４５．７２ないし１５．２４ｍ）で、好ましくは、長さがランダムな二重のパイプの２個の接合部の標準的な長さである、８０ないし８８フィート（２４．３８ないし２６．８２ｍ）で効果的な場合がある。既製品の空気圧縮機は、シャフトの深さ２００、２５０及び３００フィートに対応する、１００、１２５及び１５０ｐｓｉのモデルで容易に入手可能である。エアリフト型リアクタは深さが６０ないし５００フィートで建設されてきたが、より一般的な範囲は深さ１５０ないし３５０フィートで、２００ないし３００フィートの範囲が今や最も一般的である。
【００７６】
従来の水井リグ（ｗａｔｅｒ  ｗｅｌｌ  ｒｉｇ）は約４８インチ（１．２１９ｍ）までの穴を掘削することができ、深井戸設備（ｄｅｅｐ  ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）は直径約１０フィートまでの穴を掘削できる。（地理的に許される場所では）オーガ（ａｕｇｅｒ）は直径が約２０フィートまで掘削できるが、深さは約２００フィートに限られる。掘削された（ｍｉｎｅｄ）シャフトは、直径は３０フィートまでであるが、深さは事実上いなかる深さでも可能である。
【００７７】
小さい都市用プラントリアクタ（人口５０００人）は従来の水井リグとともに設置されることが典型的で、直径が約２４ないし４８インチであることが好ましい。
【００７８】
より大きな共同体（人口１０，０００−５０，０００人）では、深基礎くい打ち機及びオーガによって設けられる、直径５ないし１０フィートｘ深さ２００フィートのシャフトを必要とし、非常に大きな産業用プラント（例えば製紙工場）は掘削（ｍｉｎｉｎｇ）法によって設けられるシャフトを必要とする場合がある。
【００７９】
本発明の垂直長シャフトバイオリアクタ１０は、流入物、典型的には廃水又は汚泥を該流入物を流入チャンネル３２の中に導入する流入導管３０を通じて受け入れる。前記流入物は前記流入チャンネルの底へ下向きに流れ、底で遮蔽された流入ポート３４を通じて出て、前記流入ポートによって下端で区切られたゾーン１の昇流チャンネル４０内の昇流と混合される。前記流入ポートは上下ひっくり返るかその他で下のゾーン１昇流チャンネルからの気泡が前記流入チャンネルに入らないように遮蔽される。
【００８０】
本発明の代替的な実施態様では、流入チャンネル３２は、バイオリアクタ１０のゾーン１のヘッドタンク１６部分からの液体の再循環流を選択的に受け入れる場合がある。この流れは、ゾーン１再循環流レギュレータ５０、例えば、手動又はモータ駆動式バッフル、バルブその他の流量調節装置によって調節される。この文脈では、ゾーン１再循環レギュレータ５０を通る前記流入量は、通常は、流入スロットル制御機構を通じてスロットル制御される。これは、例えば、バルブ又はバッフルアクチュエータ５２と、流入及び／又はゾーン再循環流を決定するための任意的な流量センサー５３又は５３’とか、代替的には、酸素レベルを監視する溶存酸素ＤＯプローブかに操作可能に連結されたシステム制御ユニット５１（例えば、システム制御マイクロプロセッサ）を含む場合がある。前記レギュレータを通じての流入量制御は、ゾーン１昇流チャンネル４０内のエアリフトを調整して重力流入量を促進することで部分的には機能する。前記ゾーン１昇流チャンネル内の混合流は少量の酸素が欠乏した気泡（以下を参照せよ）を含むので、流入チャンネル３２内の液体より軽いので上昇する。酸素が欠乏した気泡とは、利用可能な酸素以外の気体を優占的に含む気泡を意味する。ゾーン１昇流チャンネル４０内の流れは、脱気プレート５４を横切り、含有気泡を実質的に含まずに重力で降流チャンネル１２内を下降して、混合ゾーン１８の近傍で主昇流チャンネル１４に入るが、前記混合ゾーンは協力に曝気されている。
【００８１】
バイオリアクタ１０の酸素化（ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ）源として役立つ圧縮空気その他の酸素含有気体又は液体は、圧縮空気は移管６２であることが典型的な１個または２個以上の専用酸素化配管を通じて送達されるのが典型的である。専用圧縮空気配管は、表面で圧縮空気供給源に接続され、前記昇流チャンネルと平行に（例えば昇流導管２４に内蔵されて）下向きに通じて、酸素化ポート、典型的には、昇流チャンネル１４と液体連通して開口する送気ポート６４に伸びる。送気ポート６４は、上述のとおり前記圧縮空気を送気ヘッダ６０によって散気するために放出するために、前記送気ヘッダの下に配置されるのが一般的である。本発明の一部の実施態様では、圧縮空気（又はその他の酸素含有気体又は液体）は、任意的又は追加的に、両用曝気／固形物抽出配管６６によって前記バイオリアクタ内に送達される。この配管の機能は、例えば上述のシステム制御ユニット５１によって、圧縮空気その他の酸素含有気体又は液体を任意的に送達するように制御され、そして、第２動作モードでは、前記昇流チャンネルの底に配置される前記リアクタの汚水溜め６７部分から汚物固形物を除去ための汚物固形物抽出配管６６としての役割を果たす。前記汚物固形物抽出配管は、表面から（例えば、表面に配置される汚物固形物抽出／浮遊貯液槽から）前記汚水溜めと液体連通して開口している曝気／固形物抽出ポートまで伸びる。前記汚水溜めに堆積する固体粒子は稼働期間中に蓄積する。前記バイオリアクタの稼働時間の大半では、前記曝気／固形物抽出配管は圧縮空気の流れによって連続的に洗浄されるので、汚水溜め６７は実質的に混合され曝気されて混合ゾーン１８の機能的な部分を形成する場合がある。定期的に前記曝気／固形物抽出配管の加圧を止めることによって、前記汚水溜め内の堆積した固形物が洗浄されるべき前記リアクタの頂に集まる。これらの固形物は高度に曝気され、十分に安定化され（悪臭が消え）、気体含量が高いために、粘稠な汚泥に自発的に浮動するであろう。
【００８２】
本発明の関連する実施態様では、改良型垂直シャフトバイオリアクタ１０は、上昇流を発生させ、該バーチャル・リアリティ内に処理用空気を供給するために小さくて拡散した気泡の形成を増強する、同時に作動する２本の曝気配管又はポートを特徴とする。２本の曝気配管を使用することは、専用の圧縮空気配管６２と、２つの機能を有する曝気／固形物抽出配管６６とによって具体化され、圧縮空気配管６２及び曝気／固形物抽出配管６６はそれぞれ少なくとも前記バイオリアクタの工程時間の大半の間圧縮空気送気モードで作動する。このモードでは、前記２本の配管がいっしょになって、複数の供給源に由来して協働する本発明の圧縮空気注入機構を提供し、該機構は混合ゾーン１８内の乱流及び小気泡形成能力を増強し、混合ゾーン１８は複数の圧縮空気配管又はポートの協働によって拡大する。この増強された混合／気泡形成機構の１つの局面では、第１曝気配管開口は、散気ヘッダ６０より下で第２配管開口の上に配置されるが、第１曝気配管開口は専用空気配管６２の送気ポート６４によって具体化され、第２曝気配管開口は２つの機能を有する曝気／固形物抽出ポート６８によって具体化される。この下部の曝気ポートから放出される圧縮空気は、第１循環経路又はベクトルを形成する昇流チャンネル１４の底の近傍での液体混合及び気泡形成を刺激する。その結果循環する液体−気泡混合物は、上部の第１空気配管６２からの圧縮空気の導入によって発生した液体と気泡の混合物に対して上向き及び／又は横向きに衝突する。この結果単一の曝気配管の動作で達成される結果に比べると、拡大した混合ゾーン内の剪断力が増大し、より小さな気泡ができる（図１を参照せよ。）。
【００８３】
協働的な複数の供給源の圧縮空気循環方式を上述の通り利用することと関連して、本発明の一部の実施態様は、複数の相互作用する曝気供給源によって提供される増強された混合／気泡形成機構を強化するために、改良型（典型的には、階段状（ｓｔｅｐｐｅｄ）、チャンバー付き（ｃｈａｍｂｅｒｅｄ）又はバッフル付き（ｂａｆｆｌｅｄ））のヘッダか、複数のコンポーネントからなるヘッダ複合体かを取り込む。１つの局面では、協働する第２剪断ヘッダ７０が、主気泡分散ヘッダ６０の下の昇流チャンバー１４内に取り付けられ、上述のとおり一般的に説明された２個の垂直に段状になった曝気供給源と連係して作動する。前記剪断ヘッダは、（曝気／固形物抽出ポート６８として具体化される）下部に配置された第２曝気供給源によって発生する混合ゾーン内の上向き及び／又は横向きか、放射状かに流れる成分を増強する、いずれかの分流装置（ｆｌｏｗ  ｄｉｖｅｒｔｉｎｇ  ｏｒ  ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）の場合がある。１つの代表的な実施態様では、前記剪断ヘッダは、散気ヘッダの下側に垂直な支柱によって取り付けられた、内側が階段状のドラフト管（ｄｒａｕｇｈｔ  ｔｕｂｅ）を含む。曝気／固形物抽出配管６６に供給された圧縮空気は、前記階段状のドラフト管内にエアリフト効果を生じるので、図１に示すとおり前記混合ゾーンの下部に別個の循環パターン又はベクトルを確立する。この上向き及び／又は横向きか、放射状かの循環流は、前記散気ヘッダの辺縁近傍の上部の第１空気配管６２からの圧縮空気の導入によって発生する混合液体及び気泡と衝突するが、この相互作用は前記曝気／固形物抽出ポートを通じて送られる空気によって部分的に調節さる一方、処理用空気のバランスは専用送気ポート６４を通じて送られる。これが気泡をより小さなサイズに剪断することを実質的に補助する、散気ヘッダ延々で増大する剪断力における前記鋸歯状スカート内部に非常に速い流速を生む。従来のバイオリアクタは直径約２分の１インチないし４分の３インチ（１．２７ないし１．９０５ｃｍ）の範囲内の分布部位に気泡を生成するのが典型的であるのに対し、本発明の新規な相互作用する流れの機構及び協働的なヘッダのデザインは、直径が約４分の１ないし２分の１インチ（０．６３５ないし１．２７ｃｍ）であることが典型的で、しばしば４分の１インチ未満で、５分の１ないし８分の１インチ、又はそれ以下の直径の実質的により小さな気泡を生成する。例えば、Ｗａｔｅｒ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ誌、１９９９年５／６月号、３０７−３１５頁（引用により本明細書に取り込まれる）に発表された研究は、約２ｍｍの気泡が混合及び酸素運搬に最適な直径であることを決定した。しかし、このサイズの気泡は、気泡を剪断するためのなんらかの機構なしではオリフィスで自然に形成されることはない。気泡サイズは、浮力がオリフィスでの引力に等しいときに決定され、気泡サイズはオリフィスのサイズと必ずしも相関しない。このサイズ範囲の気泡は水中での上昇速度が約０．８−１．０フィート／秒で、鋸歯状スカート６０近傍の１フィート／秒を超える下向きの循環速度が前記気泡を前記オリフィスから剪断させる。前記循環速度は配管６８に注入���れる空気の量によって調節され、オリフィス６４に適用される空気で独立に調整できる。配管６６で定期的に抽出されるサンプルが溶存酸素について測定される場合がある。曝気エレメント６０及び７０の間の循環速度は酸素運搬を最大によるように調整される場合がある。この新規なデザインは、クロッギングという受け入れがたいリスクなしに混合及び気泡分散の増強を提供する。前記曝気／固形物抽出配管がバイオマス廃棄に用いられるとき、前記専用空気配管内の気流がリアクタ循環を維持する。この時点で、前記剪断ヘッダの曝気バレル（ａｅｒａｔｏｒ  ｂａｒｒｅｌ）が加圧停止（ｄｅｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ）されるとき、新たなバッチの廃棄バイオマスが混合ゾーン１８から前記貯留槽（ｓｕｍｐ）に転送され、前記剪断ヘッダの曝気バレルが再開する。
【００８４】
さらに追加的な本発明の実施態様は、リアクタ１０内の液体、気体及び／又はバイオマスの分流、循環及び分離のための新規な特徴のために区別される。これらの特徴は、代替的なリアクタの構成において変更及び組み合わせ可能か、及び／又は、本発明の追加的な局面の範囲内で調整可能であり、異なる廃水処理用途及び結果のための前記リアクタの使用又は改造を可能にする。一般的な局面では、本発明のバイオリアクタは、ゾーン１と名付けられる第１の処理又は加工「ゾーン」を特徴とし、該ゾーンで、廃棄物、溶存酸素、栄養物及び（活性微生物群集を含む）バイオマスの間の主反応の大部分（例えば、８０％を超えるか、９０−９５％までか、それ以上か）が起こる。一部の実施態様では、このゾーンは、表面区又はヘッドタンク１６を含む前記バイオリアクタの上部循環ゾーンと、昇流チャンネル１４、降流チャンネル１２及び混合ゾーン１８の中心的な体積を含む主反応チャンバー８０とを含むように定義される。
【００８５】
混合ゾーン１８の内容物の大半は、降流チャンネル１２内の液体より密度が軽い液体−気泡混合物を表すので、前記混合ゾーンから主反応チャンバー８０へと上向きに循環する。非溶存気体、主に、窒素は、図面を通じて矢印によって示されるパターンでリアクタ１０の上部の液体の循環を駆動するのに必要な気体浮揚を提供するのに役立つように膨張する。この主反応の産物は二酸化炭素及び追加的なバイオマスで、これらは、流入する廃水中に存在する未反応の固形物とともに汚泥（又はバイオソリッド）を形成する。
【００８６】
図１に示されるとおり、本発明の一部の実施態様では、主リアクタチャンネル８０内の液体の上昇流は、バイオリアクタ１０の上部セクションで複数の小さな上昇流のチャンネルに分離される。１つの代表的な実施態様では、前記主リアクタチャンネルからの上昇流は、図１に示されるゾーン１の昇流チャンネル４０及び（典型的には磨くゾーンとして作動する）ゾーン２の昇流チャンネル８２によって具体化される、少なくとも２個の別々の上部昇流チャンネルに分岐される。１つの代表的な構成のデザインでは、前記主リアクタチャンネルから複数の上部チャンネルへの分流は、前記主リアクタチャンネルの頂近傍に繋止される、固定式又は調整可能な分流プレート８４かこれに類する流れを分岐する装置を用いることによって達成される。
【００８７】
分流プレート８４は、主リアクタチャンネル８０の上昇流を複数の上部チャンネルに分離するような構成及び寸法を有する。前記分流プレートは、以下により詳細に説明されるとおり、バイオリアクタ１０の所望の動作モードに応じて、前記主リアクタチャンネルからの前記液体−気泡混合物の全上昇流体積を遮って、より多くの分画を選択された「好気的な」昇流チャンネル内に分流するような構成及び寸法を有するのが典型的である。図１に示される代表的な実施態様では、前記分流プレートは、垂直バッフル８６を特徴とし、該バッフルは、前記主リアクタチャンネルからの液体及び気泡の全上昇流体積のより多くの分画を、ゾーン１昇流チャンネル４０又はゾーン２昇流チャンネル８２のうちの一方又は他方に分流する分流プレートの上向きに角度がついていて横向き又は放射状に伸びる分流延長配管８８に向けて、前記主リアクタチャンネル内を上向きに流れる前記液体−気泡混合物の分離及び分流を促進する。したがって、液体及び気泡の全上昇龍体積のより少ない分画が残りの上部昇流チャンネル４０の中に流入することが許され、それによって、主要な工程決定因子として、所望の場合にこのチャンネル内に酸素欠乏条件を発生させるのに貢献するように、この残りのチャンネル内への曝気された液体の通過を制限する。
【００８８】
前記分流機構の選択、配置及び調整は、バイオリアクタ１０の選択された動作モードに依存する。代替的な実施態様では、分流プレート８４は、前記選択されたチャンネルでより好気性の高い環境条件を達成する一方で、（特に高濃度酸素を含む液体の）上昇流を、好気性が低く、酸素欠乏的でさえある、環境条件のために選択された１個または２個以上の上部チャンネル内に制限するように、前記液体−気泡混合物の上昇流を主リアクタチャンネル８０から１個または２個以上の上部チャンネルにチャンネルを切り替えるための配置、形状及び／又は寸法を有するか、及び／又は調整される場合がある。実施例により、調整可能なバッフル８６及び８４の以下の定常状態の機能が説明される。図１では、１０個の気泡が、バッフル８６の直下のゾーン１の頂に一様に上昇する様子が描かれる。前記バッフルは、３個の気泡が領域３９に分離され、７個は領域８１に分離されるように、調整される。しかし、領域８１への流れは、流入／流出流量Ｑ＋窒化再循環流量１．７５Ｑ＝２．７５Ｑにほぼ等しい。この代表的なデザインでは、領域３９への流用は５Ｑに制御される。したがって、領域３９における気泡あたりの流量は、気泡１個あたり５／３、すなわち１．７Ｑで、領域８１では気泡１個あたり２．７５／７＝０．４Ｑである。同様に、上部チャンネル及びヘッドタンク内の酸素要求量及び供給量が計算できる。典型的には、領域３９及び８１における平均ＢＯＤは約１０ｍｇ／Ｌで、除去されるべき平均アンモニア−Ｎ濃度は（細胞合成に用いられた後）１５ｍｇ／Ｌで、脱窒化再循環流量は１．７５Ｑである。したがって、平均アンモニア濃度は１５／１．７５＝８．５７ｍｇ／Ｌであろう。このレベルのアンモニア−Ｎは８．７５ｍｇ／Ｌ−Ｎｘ４．６＃酸素／＃Ｎ＝３９ｍｇ／ＬのＢＯＤ相当量に等しい。したがってゾーン２への全負荷は２．７５Ｑ（１０＋３９）＝１３４Ｑ酸素単位である。気泡酸素単位は７であるから、気泡あたり負荷は１３４／７＝１９要求酸素単位／気泡である。同様に、領域３９への負荷は５Ｑｘ１０ｍｇ／ＬＢＯＤ＝５０Ｑ要求酸素単位である。しかし、ポート３４の上のチャンネル４０では、前記負荷は、（流入ＢＯＤが２００ｍｇ／Ｌとして）全負荷２５０Ｑ要求酸素単位について５０Ｑ単位＋Ｑｘ２００単位に増大する。利用可能な気泡酸素単位は３しかないため、気泡あたりの要求酸素は２５０／３＝８３酸素単位である。したがって、気泡酸素単位あたりの要求酸素量は、ヘッドタンク１５よりヘッドタンク１６のほうが８３／１９＝４．３倍高い。その結果、ヘッドタンク１６内に測定可能な溶存酸素がある場合には、ヘッドタンク１５内に余剰ＤＯがあり、ヘッドタンク１６内に余剰ＤＯがある場合には、バッフル８６から下、混合ゾーン１８までのいずれのレベルでも実質的により多くのＤＯがある。したがって、バッフル８６は広範囲の負荷及び流量の基準を満たすように調整可能である。
【００８９】
したがって、本発明の１つの局面では、改良型垂直長シャフトバイオリアクタは、ＢＯＤの好気的分解を提供する多目的廃水処理用と、単一混合液体処理ＢＮＲ処理用とに機能する。図２を参照すると、分流器８４は、前記液体−気泡混合物の全上昇流体積の大半の分画を、前記主リアクタチャンネルからゾーン２昇流チャンネル８２の中へ分流する一方で、液体及び気泡の前記上昇流体積を主リアクタチャンネル８０からゾーン昇流チャンネル４０へと制限するために、（破線９０で示される代替的な分流器の構成／設定を対比して）図示されるとおりの構成を有するように建造される。流入チャンネル３２への流量と、（前記主リアクタチャンネルからの気泡のほんの少しの分画だけを遮る）ゾーン１昇流チャンネル内への流量との体積比は微細な制御が可能である。したがって、この分流器の構成におけるゾーン２昇流チャンネルでのリフト及び循環と比較して比較的少量のエアリフトと遅い循環速度とが、ゾーン１昇流チャンネルに提供される場合がある。したがって、ゾーン１昇流チャンネル４０内の前記液体混合物の滞留時間が増大し、ゾーン１昇流チャンネル４０の酸素運搬能力は気泡昇流のために低下する。注目すべきことに、酸素は、（特に、混合ゾーン１８と、前記分流器の下の主リアクタチャンネル８０とを含む）ゾーン１の下部及び中間部で大きく消費されるため、ゾーン１昇流チャンネル内の気泡は大部分窒素である。
【００９０】
この実施態様と、バイオリアクタ１０の調整／動作モードとの範囲内で、ゾーン１昇流チャンネル４０として言及される上部チャンネルは、部分的には、酸素欠乏環境を提供するように選択でき、未処理の流入液流の低い酸素相対流入量及び高い酸素要求量とによって達成できる。この酸素欠乏ゾーンは、図２の矢印によって概略的に示されるとおり、ゾーン１昇流チャンネルと降流チャンネル１２との間の循環経路を通じて継続する。この酸素欠乏ゾーン内では、ＢＮＲ処理の最終ステップである、ゾーン１昇流チャンネル内の液体混合物に最初含まれた窒素の脱窒化が起こる。図示された経路に従って、この混合物が混合ゾーン１８に到達するとき下部降流ポート２０を出て行く酸素欠乏した液流の再曝気が起こり、前記酸素欠乏ゾーンで除去されなかった残存ＢＯＤが（混合ゾーン及び主リアクタチャンネル８０を含む）ゾーン１の下部で酸素化される。その後、前記主リアクタチャンネル内の昇流の一部はゾーン１昇流チャンネル４０内に上向きに流れて、このゾーン１の頂が酸素欠乏するようにデザインされているため、生分解に要する気泡の数が減少する。前記リアクタのこの部分での上昇流を遅くするために前記エアリフト効果も大きく低下する。さらに、ゾーン１再循環流レギュレータ５０を通じて流入流量を制御する能力も、ゾーン１昇流チャンネル内のエアリフト及び流量の調整を可能にする。
【００９１】
バイオリアクタ１０の以上の動作モードの範囲内で、主リアクタチャンネル８０内の上昇する空気の流量の主要部分は上向きに移動して、ゾーン２昇流チャンネル８２で具体化される他の上部昇流チャンネル内に流入する。このように分離された相対的に下の液体の上昇流の分画は、（例えば、気泡分散ヘッダ６０と、剪断ヘッダ７０によって具体化される任意的な剪断増強機構とともに機能する、専用空気配管６２及び任意的な多目的曝気／廃棄固形物抽出配管６６によって発生する気泡のように）ゾーン１の下端を起源とする気泡の大半を含む。この、分流器８４の動作によってゾーン２内に分離された活性の液体−気泡混合物は、ゾーン２昇流チャンネルに入り、（液体をゾーン２ヘッドタンク１５から液体を再循環する）ゾーン２再循環チャンネル１１０を通じてゾーン２に入る活性のある再循環流と混合する。この再循環流は、例えば手動式又はモーター駆動式のバッフル、バルブその他の流量調節装置のような、ゾーン２再循環流レギュレータ１１２によって任意的に調節される。この再循環流レギュレータは、任意的に、バルブ又はバッフルアクチュエータ５２と、ゾーン２再循環流量を決定するための任意的な流量センサー５３とに動作可能に接続されたシステム制御ユニット５１（例えば、システム制御マイクロプロセッサ）によっても制御される。
【００９２】
バイオリアクタ１０がこのように構成されるか、及び／又は、ＢＮＲ除去用に調整されるとき、混合液体の硝化は、上記の構成及び動作の詳細にしたがって、前記バイオリアクタのゾーン２の中で効率的に実施及び制御できる。ゾーン２からの混合液体の一部は、分離型固形物−液体分離器（清澄器（ｃｌａｒｉｆｉｅｒ））１２０又は一体型固形物−液体分離器（清澄器（ｃｌａｒｉｆｉｅｒ））１２０’に放出される場合がある（例えば、図２−４及び６を参照せよ。）。ゾーン２からの混合液体の一部は、流入チャンネル３２に帰還される場合があるが、流入チャンネル３２では、上記のとおり脱窒化が行われ循環サイクルが繰り返される。任意的には、一部の清澄化された処理水が流量の少ない帰還にはチャンネル３２に帰還されて、全体としてより多くの窒素化合物を除去する場合がある。
【００９３】
本発明のより詳細な実施態様では、流入水と、（例えば、分離された清澄器１２０又は一体型清澄器１２０’から再循環された）清澄化された帰還処理水と、帰還活性化汚泥とは、バイオリアクタ１０の運転を促進するために、予め選択された比率で組み合わされる。これは、本発明のさまざまな流量制御構成を資料して達成でき、ゾーン１活性化汚泥帰還チャンネル１２２と、ゾーン２活性化汚泥帰還チャンネル１２４との取り込み及び制御された動作によって部分的に促進されるが、ゾーン１活性化汚泥帰還チャンネル１２２及びゾーン２活性化汚泥帰還チャンネル１２４は、（例えば、前記清澄器に接続された汚泥抽出器配管１２６を通じて）活性化汚泥を受け入れて、該汚泥をそれぞれ、ゾーン１流入チャンネル３２か、ゾーン２再循環チャンネル１１０に導く（例えば図２−４及び８を参照せよ。）。添付された図面を通じて、図示された供給、通水及び排水用配管及びポートのそれぞれの内部及びそれぞれの間の流量制御は、バルブ又はバッフルアクチュエータ５２及び又は流量センサーと動作可能に相互に接続された流量レギュレータ５０を利用して容易に達成できるが、これらの全ては１個または２個以上のシステム制御ユニット５２によって動作可能に一体化され制御される。
【００９４】
典型的な都市排水の流入体積あたりの選択された混合比率は、清澄化処理水３体積対帰還活性化汚泥１体積の高いものから、清澄化処理水１体積対帰還活性化汚泥１体積の低いものまでの場合がある。全チッソの約８５％は流入水の体積あたり１．７５体積の清澄化処理水又は混合液体でＮ２に変換される（例えば、引用によって本明細書に取り込まれる、ナオヒロ・タニグチら、硝化及び脱窒化用のエアリフト再循環に関する報告書、日本下水処理庁（Ｊａｐａｎ  ｓｅｗａｇｅ  ｗｏｒｋｓ  ａｇｅｎｃｙ）研究開発部門、１９８７年を参照せよ。）。しかし、一部の産業廃水は、流入水体積あたり１００倍以上の体積の再循環水を必要とする場合があることに留意すべきである。
【００９５】
バイオリアクタ１０の硝化工程機能に関して、これは上記のさまざまなリアクタの構成及び動作パラメータを選択又は調整することによってさらに改造又は増強できる。さらに、前記システムはＢＮＲ工程機能を増強するために追加のシステム構成又は構成要素を容易に取り込み、あるいは、結合できる。ＢＯＤはゾーン２では低く、ＢＯＤを除去する生物はほぼ最少になっており、硝化細菌がバイオマスで優占的になることができる。この利点に加えて、アンモニアの亜硝酸塩及び硝酸塩への変換速度の実質的な向上は、硝化細菌の濃度を増大することによって実現できる。硝化生物は付着生物なので、混合液体中の付着部位を、スポンジボール、懸濁メディア、小径プラスチック又はゴム（弾性体）ポリエチレンチュービングの小片（ｂｉｔｓ）、多孔性繊維の液体中に懸濁された糸等の形状で提供することは、本発明の装置及び方法の範囲内で非常に効果的に利用できる（例えば、引用によって本明細書に取り込まれる、Ｋｅｉｔｈ  Ｇａｎｚｅ  “Ｍｏｖｉｎｇ  Ｂｅｄ  Ａｅｒｏｂｉｃ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ”  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｗａｓｔｅ  Ｗａｔｅｒ  Ｎｏｖ／Ｄｅｃ  １９９８を参照せよ。）。例えば、図４を参照して、前記バイオリアクタのＢＮＲ工程は、ゾーン２の再循環経路内の硝化細菌を包み込むか、あるいは、該硝化細菌の基質を提供する懸濁メディア１３０を含むことによって実質的に改良でき（また、引用によって本明細書にとりこまれる、Ｔ  Ｌｅｓｓｅｌら、"Ｅｒｆａｈｒｕｎｇｅｎ  ｍｉｔ  ｇｅｔａｕｃｈｔｅｎ  Ｆｅｓｔｂｅｔｔｒｅａｋｔｏｒｎ  ｆｕｒ  ｄｉｅ  Ｎｉｔｒｉｆｉｋａｔｉｏｎ"  ３８．Ｊａｈｒｇａｎｇ，  Ｈｅｆｔ  １２／１９９１，  １６５２−１６６５頁も参照せよ。）、この改造は、新規な相対的配置と、ゾーン１とゾーン２との間のゾーン間分離とによって容易になる。移動するベッドメディアは、例えば単純なスクリーンによって処理水中に流出することを防止できる。代替的に、固定メディア１３２が、ＢＮＲ処理用に適合された微生物のバイオマスを増大するために前記ヘッドタンク内に固定される場合がある。これらの改造は優秀なＢＮＲ性能をもたらす。例えば、ＢＯＤを除去する細菌を最少にするゾーン２の管理方法と、硝化細菌（例えば、１５−２０ｇ／Ｌ等価の硝化生物）の付着増殖で増加したバイオマスとの組み合わせが、本発明のバイオリアクタの範囲内で非常に効果的なＢＮＲ処理を提供する。単一汚泥長期曝気処理は、（重量又は汚泥バイオマスの群集百分率で）硝化細菌の１５−２０％を含むのが典型的である。しかし、付着メディアが本発明の範囲内で使用されるとき、硝化生物のバイオマスは、システムの群集のうちの３０％を超えるまで、しばしば６０−７０％まで、７５−８５％以上の多数にまで増大できる。これは、前記システムのうちのこの工程ステージ及びゾーンにおけるＢＯＤの相対的消尽と、ゾーン２内での固定されるか循環するかの付着メディアの効果的な使用とに関係する。これらの新規な構成及び特徴が、本発明の改良型単一汚泥システムを他の単一汚泥工程から区別する。
【００９６】
本発明の追加的な局面の範囲内で、新規な硝化工程が提供されるが、該工程を駆動する酸素の供給源としてゾーン１の底近傍を起源とする残存溶存酸素に実質的又は完全に依存する。このやり方でゾーン１からの未利用期待を用いることによって生じるさらに別の利益及び特質は、高レベルの利用可能なＣＯ２で、これは、硝化細菌に無機炭素の供給源として必要である。他の硝化システムでは、主要な無機炭素の供給源は、廃水のアルカリ性に依存し、典型的にはＣａＣＯ３の存在によって決定される。したがって、本発明のバイオリアクタ処理システムは、従来の長時間曝気システムよりもコンパクトで必要エネルギーが少ない。本発明にしたがって建造され運転されるバイオリアクタは、母液体からの分離が容易な（所望の場合にはクラスＡバイオソリッドを含む）より高品質のバイオマスを産生する。
【００９７】
本発明のバイオリアクタ１０の機能及び動作をさらに増強するために、さまざまな連結又は一体式の構成を廃水処理の強化のために該バイオリアクタに取り込むことができる。図２に示すとおり、廃水処理用の本発明のバイオリアクタは、従来のスタンドアロン式の沈降清澄器１２０を取り込む場合がある。前記バイオリアクタは、曝気で磨かれるバイオフィルター１３３及び／又は紫外光消毒チャンバー１３４及び／又は逆洗タンクに任意的に液体連通される。一部の実施態様では、配管１３６が逆洗水を流入水に帰還する。
【００９８】
代替的には、図３及び８（それぞれ概念図及び部分断面透視図）は、円形のゾーン１ヘッドタンクを取り囲む円形のゾーン２ヘッドタンク１５をさらに取り囲む一体型円形沈殿清澄器１２０’（この垂直リアクタでは３個のタンクは全て同心円状である）を特徴とする、本発明のバイオリアクタ１０の追加の実施態様を示す。これらの実施態様では、堆積した活性汚泥は引力によってゾーン１又はゾーン２のいずれかに帰還される。
【００９９】
図４に示されるバイオリアクタ１０の代替的な実施態様は、ゾーン２内を循環する可動ベッドメディア１３０と、追加的又は代替的に、ゾーン２のヘッドタンク１５内に懸濁された固定メディア１３２とを特徴とする。図５に示される別の実施態様は、加圧ヘッドタンク１３５と、例えば、排気がヘッドタンク圧を克服するのに必要なエアリフト流入ポンプ１３７を駆動する、任意的な排気コレクタ１３６（ｏｆｆ-ｇａｓ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ、例えば引用によって本明細書に取り込まれるＰｏｌｌｏｃｋに付与された米国特許第４，２７２，３７９号明細書を参照せよ。）と、加圧下で液体からバイオマスを分離するために作動する任意的な膜濾過カートリッジ１３８（例えば、引用によって本明細書にとりこまれるＧｅｏｒｇｅ  Ｈｅｉｎｅｒら、"Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ"  Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１９９９年１２月を参照せよ。）と、膜逆洗用の逆洗水貯留槽としても役立つ、清浄水の紫外線消毒チャンバー１３９とを取り込む。図６に示されるさらに別の実施態様は、曝気されて磨かれるバイオフィルター１３３と液体連通している一体型清澄器１２０’と、紫外光消毒チャンバー１３４と、フィルター逆洗タンクとを特徴とする。
【０１００】
典型的には、垂直長シャフトバイオリアクタについて、生物酸化処理に必要な最適な生物学的空気供給速度は、ゾーン１昇流チャンネル４０及びゾーン２昇流チャンネル８２によって具体化される上部昇流チャンネルと本件では対比できる、前記リアクタの頂での過剰な「空隙率（ｖｏｉｄａｇｅ）」を起こす。過剰な空隙率は、振動に起因するリアクタの損傷を起こすことがある望ましくないスラッギング（ｓｌｕｇｇｉｎｇ、ウォータハンマ）を発生する。スラッギングする気体空隙の発生は、循環する液体内での酸素運搬特性が悪いことを意味する。本発明は、これらの課題に、循環速度を調節し、リアクタの選択された部分又はチャンネル内の気体含量を変調するための新規な手段を提供することを含む多数の方法で対処する。
【０１０１】
酸素運搬速度及び酸素利用度はリアクタ１０内の上向きの液体の速度より相対的に遅いため、速度の増加はリアクタの運転効率を低下するだけである。流量の増大は気泡接触時間を短縮し、酸素運搬を遅らせて、工程を最適化するためにもっと曝気が必要になる。同様に、曝気の減少はリアクタの容量を低減する。空気空隙及びこれに関連する問題を解決するために提唱された方法の１つは、ＶｅｒＴｒｅａｔＩＩ」バイオリアクタを説明する（引用によって本明細書に取り込まれる）２０００年５月１１日出願の米国特許出願第０９／５７０，１６２号明細書に提供される。この開示には、昇流チャンネルの下部セクションのオリフィスプレートを取り込むことによって有利なやり方で流速が低減される。しかし、この解決はスラッギングの問題を実質的に解決するわけではく、前記オリフィスプレートは、特に小規模の都市用プラントにおいて、ファウリング（ｆｏｕｌｉｎｇ）及び液流異常のリスクを含むさらなる問題を起こす。
【０１０２】
本発明のバイオリアクタ１０は、ゾーン１及びゾーン２の新規な相対的構成を取り込むことによって部分的にこれらの問題を解決する。ゾーン２がゾーン１の下にあって、ゾーン２における空隙制御が可能ではない、前記「ＶｅｒＴｒｅａｔＩ」バイオリアクタ（例えば引用によって本明細書に取り込まれる１９９７年７月２２日発行の米国特許第５，６５０，０７０号明細書を参照せよ。）とは異なり、本発明は、各ゾーンの流量及び気体含量を独立に制御することができる。従来の先行技術の「ディープシャフト」型リアクタは、毎秒約２フィートの上向き速度でスラッギングが開始する。上記のオリフィスプレート付きＶｅｒＴｒｅａｔＩＩリアクタは、毎秒約１．２５フィートまで下げて運転できる。本発明の範囲内で、この数値は、昇流チャンネルの下部で毎秒０．２５ないし０．５フィートまで低下できる。昇流速度がもっと低いときには、一部のより重い固形粒子が汚水溜め６７内に沈殿するであろう。これらの固形物は、（例えば、剪断ヘッダ７０及び周囲の混合ゾーン１８を循環する）余分なバイオマスとともに、所望のときに、両用曝気／固形物抽出配管６６をパージすることによって都合良く抽出される。
【０１０３】
本発明は、速度を落とすための新規な構成及び方法であって、先行技術の方法よりも実質的により効率的な構成及び方法を提供し、該構成及び方法は、上記のとおり、リアクタの１個または２個以上の上部昇流チャンネルにおけるエアリフト流を気泡を含まない液体で希釈する能力を含む。これらの構成及び方法の前記ＶｅｒＴｒｅａｔＩＩ技術に対する利点は、直径が小さいリアクタで特に問題の多い、前記昇流チャンネルの下部のアクセスできないセクションのオリフィスプレートが詰まる可能性を除去することを含む。
【０１０４】
液体／気体混合物は垂直チャンネル内を循環させられる本発明のバイオリアクタ１０のような垂直長シャフトエアリフト式リアクタでは、一定体積の液体中の気体の体積が圧力とともに変化する（気体の法則）。その結果、前記リアクタの底では、液体中の気体の体積（空隙）は小さいが、前記リアクタの頂では、同一の液体の体積に対する膨張した気体の体積は数倍大きい。３４フィートの水柱は約１気圧に等しいから、表面での１立方フィート（１ｓｃｆ）は深さ３４フィートでは０．５立方フィートになり、６８フィートの深さでは０．３３立方フィートになり、深さ１０２フィートでは０．２５立方フィートになることが容易に計算できる。したがって、体積対深さのグラフにおける曲線の下の面積積分は、リアクタの頂１０２フィートで気体体積空隙率が７８％であることを示す。
【０１０５】
エアリフト式ポンプその他の気泡／水柱に関する多くの研究が、水のスラッギングが１１−１４％の空隙率で起こることを示す。スラッギングが望ましくないのは、気泡が合体して大きなエアポケットになってリアクタ内で振動を起こし、最も重要なことには、大きな気泡は酸素運搬特性が非常に悪いことである。これらの効果を改善するために提唱された空隙の制御は、少なくとも２つの異なるやり方で試みられてきた。１つの提唱された制御は、気体を気体／液体混合物から引き離すことができるよう十分にリアクタの断面積を増大させることである。代替的には、リアクタ頂での気体／液体混合物の残存圧力を維持する努力がなされてきた。これらの提唱された制御のそれぞれは、本発明のバイオリアクタの範囲内で利用することが望ましくない欠点を有する。例えば、一部のエアリフト式リアクタのヘッドタンクのデザインは、２分の１気圧の液体深度（１７フィート）が使用されるように提供される。これは、最大空隙を１７％減少するが、１７フィートよりももっと深いヘッドタンクは建設困難である。さらに、地上で高いヘッドタンクは著しい水頭に抗して流入水をポンプで揚水することを必要とし、かなりのエネルギーを無駄にする。
【０１０６】
本発明は、空隙を制御し、スラッギングの有害な効果を改善するための新規な構成及び方法を提供する。簡単には、これらの構成及び方法は、より多くの液体を追加するか、気体を減少するかのいずれかによって、リアクタ１０の１個または２個以上の選択されたチャンネル又はチャンバーの中の液体の単位あたりの気泡の量を減少させる。より詳細な局面では、前記リアクタの１個または２個以上の上部昇流チャンネルでの液体流量は、脱気ステップを通じて、前記リアクタの上部セグメント（例えば６０−９０’）から該上部セグメントの底部近傍（例えば、表面から６０−９０フィート下）の下部の再循環流入ポイントへ液体を再循環することによって増加される。全気体流量（空気流量）は生物学的な最適化要件によって決定されると一般には考えられているが、しかし、この全気体流量は、本明細書に説明される新規な流量制御機構を用いてリアクタの上部部分の選択された上部昇流チャンネルに割り当てることもできる。
【０１０７】
前記空隙の約７５−８０％はリアクタの頂６０−９０フィートで起こるため、（任意的に入れ子にさって、ゾーン１再循環インプットをゾーン１再循環ポート１４０と、ゾーン２再循環チャンネル１１０とから受け入れる流入チャンネルねえＬ−３２によって具体化される）再循環チャンネルは典型的なバイオリアクタの深さ全体の約２５−３５％しかなく、リアクタ断面積及び体積のほんの少しの分画しか占めない。実際には、リアクタのゾーン１及びゾーン２は、ゾーン２ヘッドタンク１５の直径を増大することによって硝化のために体積が膨張する。ゾーン２再循環チャンネルの空隙は、ゾーン２再循環レギュレータ１１２によって調節されるようにゾーン２ヘッドタンク１５からの脱気液体の十分な、調整可能な再循環流量をデザインすることによって、広範囲の動作条件で容易に制御できる。したがって、ゾーン１昇流チャンネル４０内の気泡体積は、やや制限された流入液量の最大及び最小値の受け入れ可能な範囲によって制限される程度まで、脱気液体によって希釈できる。この制限を解消するために、調節された量の液体が、（システム制御ユニット５１の動作によってもたらされる）ゾーン１再循環流量レギュレータ５０の調整によってゾーン１再循環ポートを通じて分流される場合がある。この協調的なやり方で前記ヘッドタンクからの流量を制御することは、処理水の引力供給（ｇｒａｖｉｔｙ  ｆｅｅｄ）を維持するために必要である。
【０１０８】
したがって本発明は、バイオリアクタ１０の流速が低いときのスラッギングの問題を軽減するための多数の別々で任意的な協働的機構及び方法を提供する。別の局面ではこの問題は、固定式又は調整可能な分流機構８４によって具体化される調整可能な分流器又はバッフル装置の選択を提供することによって軽減される。この代表的な分流器プレートの（サイズ、形状、場所及び配向を含む）構成は、リアクタの建設及び設置の時点で固定できる。代替的には、これらその他の分流器のパラメータは、例えば、システム制御器５１によって（例えば、位置及び配向のパラメータを制御するために）手動式又はモーター駆動式分流プレート調整機構を利用することによって選択可能に変更できる。前記分流器の動作は、主リアクタチャンネル８０からの昇流中の気泡のより多くの分画又はより少ない分画を１個または２個以上の選択された上部チャンネル内に導くため、例えば、前記液体−気泡混合物のより多くの分画をゾーン２昇流チャンネル８２に向けて分流して、より少ない分画を上向きにゾーン１昇流チャンネル４０へ通過させるために役立つ。
【０１０９】
いったん所望の分画の気泡がこのようにゾーン２昇流チャンネル８２に分流されると、このチャンネルの空隙率は、ゾーン２再循環流量レギュレータ１１２の調整を通じてゾーン２再循環流量を変化させることによって容易に修正できる。（ゾーン２昇流チャンネル８２から、ゾーン２脱気プレート１５０、ゾーン２再循環流量レギュレータ１１２、ゾーン２再循環チャンネル１１０を経て、ゾーン２遮蔽再循環ポート１５２への矢印に従う）循環ループは、頂の表面区又はゾーン２ヘッドタンク１５とともに、ゾーン２を構成し、ゾーン１からの排気によって駆動されるバイオリアクタを磨く工程と、任意的な硝化構成とを表す。前記上部昇流チャンネルへの流れを分離する分流器の構成は、液体及び空気の両方のゾーン２昇流チャンネル８２における流れが上向きに一方向であるため、ゾーン２からゾーン１への液体の運搬を防止する。この点で、上記のとおり、ゾーン２循環特性は固定式メディア１３２（図４）と、代替的又は協働的に、膜分離コンポーネント（図５）との適用に理想的である。可動式ベッドメディア１３０（図４）も利用可能であるが、これは、ゾーン２がゾーン１とは完全に分離して循環して、リアクタの代替的な工程モードの範囲内で硝化を増強するからである。
【０１１０】
水力学的には、バイオリアクタ１０のゾーン１に流入する流れのいずれか（と、清澄器１２０又はゾーン２ヘッドタンク１５からの必要な外部再循環流のいずれかと）は、ゾーン２の底に入ることによってゾーン１から出なければならない。ゾーン１は閉鎖ループ、特に、ゾーン１昇流チャンネル４０、ゾーン１ヘッドタンク１６、降流チャンネル１２及び主リアクタチャンネル８０であるため、このループの再循環回数と、液体の流速とは、分流プレート８４によってゾーン１昇流チャンネル４０に分流される気泡の体積に直接依存する。例えば、２００ｍｇ／ＬのＢＯＤという典型的な都市処理水では、内部再循環回数は、リアクタ内のＯ２ポテンシャルと、酸素運搬効率とでｍｇ／Ｌ単位のＢＯＤを割った商にほぼ等しい。２５０フィートの深さのリアクタでは、酸素は約７。３気圧で注入される。１気圧２０°ＣでのＯ２の水への溶解度は約８ｍｇ／Ｌである。これは、７。３気圧での溶存酸素ポテンシャルが７．３ｘ８＝５９ｍｇ／Ｌ又は酸素運搬効率７０％で約４０ｍｇ／Ｌであることを意味する。したがって、最小再循環回数は２００÷５９ｘ０．７０＝約５である。実際には、６又は７回の再循環が安全因子として用いられるかもしれない。水圧損失の計算が、６又は７回の内部再循環に必要な空気の分画を決定する、例えば、ゾーン１の底に適用される空気の３０％である。プラントへの有機物負荷が増大又は減少するにつれて、空気の割合は調整され、ＢＯＤの要件を満たすために内部再循環回数は増加又は減少される。しかし、適用された空気の３０％は分流プレート８４の配置によって決定されるとおり、一貫性があり、一定である。フィールドトリミング（ｆｉｅｌｄ  ｔｒｉｍｍｉｎｇ）は、例えばレギュレータバルブ５０を調整することによって達成されるが、レギュレータバルブ５０は、ゾーン１昇流チャンネル４０でのエアリフトセクション内の再循環流量を変化させて、そのエアリフト能力を低減又は増強する。
【０１１１】
同様に、ゾーン２に入るいかなるゾーン１からの流れもゾーン２からの処理水として出なければならない。昇流チャンネル８２と、隣接する降流チャンネル１１０とを含むゾーン２の下部部分は、ゾーン１との内部再循環連通がないのが典型的であるため、ゾーン１からゾーン２へ分流されるいかなる空気でも、ゾーン１の循環速度に変化を起こすことなく、ゾーン２の上部チャンネルに循環を単純に起こす（しかし、ゾーン１の空気の割合の変化はゾーン２の循環速度に影響を与えるが、逆は起こらない）。
【０１１２】
しかし、本発明の一部の局面では、例えばゾーン１の底が起源の空気の７０％をゾーン２に分流することはゾーン２の循環に影響を与えるだけであり、ゾーン２の循環はゾーン２再循環流量レギュレータ１１２によって容易に制御できる。水力学的には、ゾーン１昇流からゾーン２への流入流量と、リアクタ１０内部でゾーン２からの処理水流量とは量的に等しい、すなわち、ゾーン１でリアクタに流入する流れはゾーン２を通って出て行く。都市廃水を処理する先行技術の垂直バイオリアクタに関して、内部再循環流量は、流入量又は流出量の約１０ないし１２倍である。上記のとおり新規なエアリフト制御を特徴とする本発明の工程は、この流量を、２−３倍、しばしば、５−６倍かそれ以上に低減することができる。
【０１１３】
（主リアクタチャンネル８０からの流れを複数の上部昇流チャンネル内へと分離するためにいずれかの分流装置を一般的に指す）前記分流器の構成を調整することによって、主リアクタチャンネルの選択された気泡分画だけが、（典型的には液体流分画とは同じではない）いずれかの所望の数のチャンネル（典型的には、リアクタのサイズ及び目的に応じて２、４又は６）の間で、ゾーン１及びゾーン２の最適な動作を達成するように選択されたいずれかの比率で分離できる（図８に示される各上部チャンネルは、対になるチャンネルが反対側にあり、これは２個または３個以上の清澄器を用いる大型リアクタについて典型的なレイアウトであることに留意せよ。小型リアクタは図７に示すとおり、４個のチャンネルと中央の降流チャンバーだけしかない。）。例えば、ゾーン１昇流チャンネル４０内の典型的な流量の数値は、分流プレート８４のレベルでゾーン１の頂（ゾーン２昇流チャンネル８２の直下）でゾーン２に流入する流量の６−８倍（代替的には、ＢＮＲで２−３倍）になるように選択される場合があるが、スラッギングを起こさないエアリフト効果を発生するためには空気量の２０−３０％だけしか必要ではない。代替的には、ＢＮＲを使用しないときには、ゾーン２昇流チャンネル内への流量は、ゾーン１昇流チャンネル内の流量の約６分の１になるが、逆に、前記空気の約７５−８５％を受け取るように選択される場合がある。したがって、ゾーン２昇流チャンネル内への空気流量設定値は、例えば、１０−１５％、２０−３０％、３０−５０％、５０−７５％、７５−９０％又はそれ以上という広範囲の流量設定値に設定される場合がある。
【０１１４】
例えばゾーン２ヘッドタンク１５からゾーン２再循環流量レギュレータ１１２を通じての再循環流量の８ないし１０倍を用いて、前記ゾーン２昇流を希釈した後で、ゾーン２昇流チャンネル内でのエアリフト効果は容易に制御できる。この影響魚は、曝気され流動する垂直カラム内で流れを分離するための上記に列挙された新規な機構及び方法であって、２個または３個以上の他の上部垂直カラム内に異なる配分比率で流れのチャンネルを選択可能に切り替える一方で、気泡はこれらの垂直カラムの間で完全に異なる比率で分配されることを提供する機構及び方法に依存する。エアリフト制御のこの新規な能力は、（酸素を溶解する圧力で利用可能な時間に依存し、該時間は流速に相関する）酸素供給と、（存在する気泡の量には主に依存しないが溶存酸素には依存する）呼吸率と相関する酸素利用との間のよりよい生物学的適合を可能にする。
【０１１５】
本発明のさらに別の局面では、バイオリアクタ１０処理工程からの副産物汚泥及び／又は余剰のバイオソリッドの廃棄に関する挑戦を解決するための新規な構成及び方法が提供される。これらのバイオソリッドの栄養的価値を認識して、米国の環境保護庁（ＥＰＡ）は１９９３年に、土壌添加剤として無制限に使用するためのクラスＡバイオソリッドを達成するさまざまな工程基準を定めた連邦規則４０ＣＦＲ５０３を採用した。可能な限りバイオソリッドの有益な再利用が奨励される。クラスＡバイオソリッドの基準の１組は、最小比揮発性固形物の削減と、時間−温度の相関、例えば、６０°Ｃ、５時間で３８％の揮発性固形物の減少がクラスＡ製品として認定されることを要求する。図１２。
【０１１６】
本発明の変更された実施態様の範囲内で、図７を参照して、バイオリアクタ１０は、代替的には、廃棄汚泥分解器として機能して、クラスＡバイオソリッド生産用の最小揮発性固形物削減と時間−温度相関とを具備するようにデザインされる。この点では、前記リアクタは、５８−６５°Ｃ、典型的には５８−６２°Ｃ、しばしば６０°Ｃで機能する好熱細菌を使って、５−６日、しばしば３−４日以下の短期間でクラスＡバイオソリッドを生産するために提供される、ユニークな流量及びゾーン分離処方を用いて特別に設計され運転される。前記３８％の揮発性固形物の削減は、前記バイオマスの安定性の目安、あるいは、ベクトル吸引削減（ｖｅｃｔｏｒ  ａｔｔｒａｃｔｉｏｎ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ、ＶＡＲ）である一方、高温は大腸菌を制御し、サルモネラ菌をほとんど除去するために前記製品を消毒する。３８％の前記揮発性物質を消費することは、悪臭の可能性を最小限にし、リアクタの温度を外界から加熱することなく６０°Ｃを超える温度まで好熱細菌が上昇させるのに十分あるいは食物エネルギーを提供する。
【０１１７】
公表されたデータは、クラスＡバイオソリッド生産を試みる既存の垂直シャフトバイオリアクタについて２つの領域の懸念があることを示す（例えば、引用によって本明細書に取り込まれるＲｅｐｏｒｔ  ｏｎ  ＶｅｒＴａｄ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ  Ｋｉｎｇ  Ｃｏｕｎｔｙ    ＷＡ，  ｐｒｏｊｅｃｔ  ３０９００  Ｍａｙ  ２０００１を参照）。第１に、小規模の垂直バイオリアクタ、例えば、引用によって本明細書に取り込まれる２０００年５月１１日出願の米国特許出願第０９／５７０，１６２号明細書に説明されるような「ＶｅｒＴａｄリアクタ」は、ゾーン１の下にゾーン２（磨くゾーン）が相対的に配置される特徴がある。これらのリアクタは、比較的大きな表面積対体積の比率を有し、過剰な熱は周囲の土地に失われる。したがって小規模リアクタはクラスＡバイオソリッド生産を支えるために追加の熱を必要とするが、この熱は、圧縮機又は熱い処理水流からの廃熱を再捕捉することによって余分に費用をかけて利用可能である。
【０１１８】
高品質のバイオソリッド生産に向けられる従来の垂直バイオリアクタへの第２の懸念の領域は、ゾーン１及び２の間で液体と液体との分離が不十分であることである。ＶｅｒＴａｄリアクタでのトレーサー研究の公表データは、ゾーン２（磨くゾーン）は、局部的な逆混合という重要な特徴を有するプラグフローリアクタのように振る舞う。約８時間の間にわたって、ゾーン２はゾーン１と混合を開始し、全システム（ゾーン１及びゾーン２）は１６−２０時間で混合される。したがって、サルモネラその他の禁止される汚染物質を含む可能性のある一部の固体粒子は、クラスＡバイオソリッドの要件を満たすために要求される消毒温度での保持時間に曝露されることなく、ゾーン１からゾーン２に沈殿する場合がある。
【０１１９】
本発明の改良型バイオリアクタ／分解器１０’はゾーン１がゾーン２を取り囲む独特のやり方で（図７）構成されるので、リアクタのどの特定の体積についても、表面積対体積の比は、高品質バイオソリッド生産に向けられた上述のリアクタよりも小さいので、周囲の土地に失われる熱ははるかに少ない。前記改良型バイオリアクタ／分解器は、ゾーン１及びゾーン２の間の転移ポイントでの液体と液体との分離の増強を提供する。前記転移ポイントは、図７に示されるエアロックバッフル１７０を含むのが典型的なエアロック機構１７２（例えば、ダイアフラム・レス型空気駆動バルブ）によって画定される。前記バッフルは、上向きに、送気ポート６４を有する専用空気配管６２か、汚水溜め６７の近傍に配置された対応するポート６８を有する曝気／固形物抽出配管からの清浄な加圧空気の導入によって形成されるエアポケットの中に伸びる。ゾーン１はポート６９を通じて曝気される。
【０１２０】
本発明のこの局面では、装置が好気的好熱性汚泥分解器として使用されるとき、ゾーン１からの気泡は、ゾーン２の消毒済みの製品に再感染するおそれのために、ゾーン２に入ってはならない。これが起こることを防ぐために、エアロック内の圧力は新鮮で清浄な圧縮空気によって維持され、ゾーン１及びゾーン２の間の液体流又は接触、あるいは、ゾーン１からゾーン２への汚染した空気の送風はない。前記エアロックは、バッチ間の液体のゾーンを越えた混合を防ぐようにデザインされ、回分処理の際にゾーン１がゾーン２の消毒済みバイオマスに病原菌を再感染することがないことを担保する。実例として、汚泥の１つのバッチは５−８時間ごとに処理され、５時間６０°Ｃという基準時間温度が各バッチで常に満たされることを担保する。
【０１２１】
本発明のこの実施態様の動作では、廃棄バイオマスは前記リアクタ／分解器１０’内に、例えば、ゾーン１ヘッドタンク１６’内に連続的又は断続的に供給される。ゾーン１のヘッドタンクの水位がゾーン２のヘッドタンク１５’の水位へい上に上昇すると、前記エアロック内の中央バッフル１７０を通るように圧力差が発生する。そのうちにエアロック内の前記ゾーン１の液体の水位がバッフルの高さを超えて、液体はゾーン１からゾーン２に転移する。配管６４の空気供給は前記エアロック内でゾーン２の液体水位より少し下に配置され、ゾーン１及びゾーン２の間の最初の一連の流れで気泡はゾーン２の中に流し去られ、前記エアロックは破れる。前記ヘッドタンクの水位がまた等しくなるときに流れが停止して、エアロックは自動的に再確立される。バッチは、ゾーン２ヘッドタンク１５’を排出することによって開始される場合もある。図７は、ゾーン２ヘッドタンクが排出され、エアロックがバッチ転移に近づく様子を示す。前記バッチのサイズは、ヘッドタンクの水位の変動と該タンクの表面堰との積である。したがって、バッフル１７０は１又は２フィートだけエアロック１７２の中に進入する必要しかないが、その理由は、前記ヘッドタンク内の１−２フィートの液体水位の変化が完全なバッチを表すのが典型的だからである。本発明のこの局面での追加的な水力学的考察は、先に説明した実施態様について列挙されたものと同様である。
【０１２２】
バイオリアクタ１０’が廃棄汚泥分解器として機能するとき（例えば図７を参照せよ。）、一般的には４−５重量％の固形物の濃厚な廃棄汚泥が、例えば、流入導管３０を通じて、前記リアクタ内に供給される。前記汚泥を発生する廃水処理システムの動作に応じて、前記供給は連続的か、バッチごとかの場合がある。未処理の汚泥は典型的には流入チャンネル３２を通じて前記リアクタ内に降下して、増大した比率（例えば１０−１５％）の気泡を含むゾーン１昇流４０’と遭遇する。合流した流れは流入した流れ３２’又は降流チャンネル１２’内の流れよりも密度が低く、その結果、下向き循環が前記降流チャンネル及び流入チャンネル内に誘発される。このようにして、流入水はリアクタ内に引き込まれ、ゾーン１内で循環及び曝気が起こる。図７では、ゾーン１昇流チャンネル４０’から降流チャンネル１２へのヘッドタンク循環は破線矢印で示すとおり、ゾーン２ヘッドタンク１５’の前である。
【０１２３】
ダイアフラム・レスエアバルブ（エアロック１７２）によって水力学的に分離されたゾーン１及びゾーン２に加えて、各ゾーンの下部は偽プラグフローゾーンとして機能する一方、各ゾーンの頂は前記上部チャンネル内を循環し、よく混合される。その結果、ゾーン１及び２のそれぞれは、完成した製品を未処理の流入液で再感染することの二重のガードとするために、２個の追加の小さいゾーンにさらに分割される。本発明が汚泥分解器として使用されるとき、バッフル８６はリアクタの深さの約７０−９０％まで伸び、バッフル８４はゾーン１からゾーン２の底を完全に封止する。交差汚染が起こらないことを確かめるために、ゾーン２は、図１０及び１１に示すとおり、外側ケーシング１９６の近傍で第２外側壁１９７でさらに封止される場合がある。エアロック１７０は、バッフル８４の上であって、ポート３４及び１５２の下の場所でゾーン１及びゾーン２の間の隔壁を進入していることが示される。ゾーン１は少なくとも１バッチ分の体積、好ましくは２バッチ分の体積の曝気された体積をゾーン２の下に有する。
【０１２４】
したがって、図７のリアクタ／分解器１０’は、図１に示す廃水処理リアクタとその動作において非常に類似するが、以下の４つの主要な局面で異なる。
１．ゾーン１がゾーン２を取り囲む。
２．ゾーン２はリアクタの深さの約７０−９０％下向きに伸びる。
３．各ゾーンはそれ自体の曝気手段がある。
４．エアロック１７２の使用を通じて、ゾーン１及び２の間には液体と液体との分離がある。
５．ゾーン１及び２のそれぞれは上部の循環ゾーンと、下部の偽プラグフローゾーンとにさらに分割される。
【０１２５】
いったん汚泥がリアクタ／分解器１０’に入ると、平均滞留時間がゾーン１で約２ないし３日で、ゾーン２で２ないし３日である。クラスＡバイオソリッド生産のＥＰＡ基準は、バッチ間の時間を指定するが、その時間は温度によって異なり、例えば、６０°Ｃでのバッチの滞留時間は５時間、すなわち、一日あたり約４．８個のバッチである。したがって、ゾーン１及び２は、理論的には９．６ないし１４．４バッチをそれぞれ収容する。しかし実際には、各バッチは約８時間でゾーン１及び２はそれぞれ６ないし９バッチを収容する。全体としての滞留時間は汚泥の生分解性によって決定される。クラスＡバイオソリッドについては、処理は最低限３８％の揮発性固形物の減少を達成しなければならず、これは典型的には３．５−５日を要する。バッチ回分時間は温度によって決定される（例えば、図１２を参照せよ。）。５８−６２°Ｃの好ましい動作温度は約８−４時間を必要とする。
【０１２６】
上記のとおり、空気配管６２は、リアクタ／分解器１０’のエアロック１７２内の空気圧を回分を制御するために維持するように作動できる。配管６２び空気流を停止すると、適当な処理時間が経過した後でバッチの放出の引き金となる。バッチは、ゾーン２ヘッドタンク１５’内の液体の水位を下げることによっても引き金となる。いったんゾーン２内のバッチが放出されると、ゾーン１内のヘッドタンクの水位は、ゾーン１及び２の底の間に設置された自動回分バルブの作用によって、等量だけ自動的に下げられ、サイクルは繰り返される。バッチがリアクタを通じて処理されるとき、固形物含量は約４−５％から約２−３％まで減少する。この製品（クラスＡバイオソリッド）が脱水される場合がある。
【０１２７】
Ｔｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎによって発表された研究（引用によって本明細書に取り込まれる、Ｇｕｉｌｄら、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＷＥＦ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ａｔｌａｎｔａ  ＧＡ，  ２００１）は、本発明のリアクタと一部の構成が共通の垂直シャフトリアクタからの好熱的、好気的に分解された汚泥が低温性嫌気性分解生物に供給されるとき、該嫌気性分解生物での保持時間が減少し、全体的な揮発性固形物の減少は向上し、脱水可能性（ｄｅｗａｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ）が向上し、より少量のポリマーしか要求しない。前記好熱性好気性分解生物は、約２日の保持時間で機能し、クラスＡバイオソリッドを遵守するのに十分な熱を発生できる。
【０１２８】
バイオマスの好気的好熱性分解の際に、４２°Ｃを超える温度ではアンモニアの硝化が最小限であることはよく文献に報告されている。（エアストリッピングが起こらない）バイオマスの嫌気的分解において、アンモニア及び二酸化炭素が反応して炭酸水素アンモニウムを形成する。垂直好気的好熱性分解槽では、圧力のために溶液中に残存するアンモニア及び二酸化炭素の両方が大量存在するために、炭酸水素アンモニウムが形成されると信じることはもっともである。
【０１２９】
動作温度の選択は、炭酸水素アンモニウムが約６０°Ｃで分解するために、長軸垂直好熱性好気的分解槽では非常に重要である。炭酸水素アンモニウムは本工程の固形物液体分離（脱水化）のステップの効率において非常に重要である。例えば、深い垂直好熱性好気的分解槽を５５ないし５８°Ｃで運転するとき、分解された汚泥サンプルは、約１０４°Ｃでの乾燥後でなくてサンプルの乾燥前には非常に顆粒状である。（フロートスイッチの緊急修理のために）リアクタを冷まさないでヘッドタンクがあけられたある機会に、内部表面、特にインシュレーションなしのアクセスカバーは白砂糖又は塩によく似た小さな白い角形の結晶で覆われていた。これらの結晶は、その後、消失し、より高温の運転温度では見つからなかった。ありふれた別の観察は、製品のバッチが（生物学的活性がほとんどない）約５８°Ｃで浸漬ゾーン内に転移されるとき、温度が上昇して約２時間一定になり、その後温湯で運転するときのリアクタの冷却速度で冷却する。炭酸水素アンモニウム１０、０００ｇ／ｍＬの結晶化熱は、前記浸漬ゾーンでの見かけ上の発熱に見合うものであった。経験的に、これらの観察は、６０°Ｃ未満での炭酸水素アンモニウム結晶形成を示唆する。これは、炭酸水素アンモニウムが水に非常によく溶解するが、高レベルの他の溶存固形物の存在下ではそれほどよく溶解しないという事実と矛盾し、おそらく、微生物の表面化学が結晶化を促進する。例えば、ストルバイト（Ｓｔｒｕｖｉｔｅ、リン酸マグネシウムアンモニウム）は、生物学的な脱リンを用いて、植物の嫌気的分解で容易に形成されるが、化学的な脱リンでは植物では形成されない。リアクタ温度を６０°Ｃ未満に制御することが、炭酸水素アンモニウム結晶の形成を可能にし、該結晶は前記汚泥から分離して用にに浮遊する。
【０１３０】
表１（表１−１及び１−２）は、本発明と類似の深垂直好熱性好気的分解槽から得られた好熱性好気的分解された汚泥の浮遊特性、栄養分画及び脱水化能力の特性を比較する。好熱性分化された汚泥は嫌気的に分解されたバイオソリッドよりも脱水化能力は高いが、より高いポリマー投与量を要することが知られている。過去の研究は、ポリマー要求性の高さの原因を調べて、ナトリウム、カリウム、そして特にアンモニウムイオンのような１価イオンがフロック（ｆｌｏｃ）での荷電−架橋（ｃｈａｒｇｅ-ｂｒｉｄｇｉｎｇ）機構と干渉する場合がある。従来の好熱性好気的分解槽では、４２°Ｃ以上ではアンモニアの硝化は阻害され、生成したアンモニアは、ｐＨが高いことが典型的であることによって証拠付けられるとおり、大部分が溶液状態である。生成した二酸化炭素は、これらの分解槽に必要とされる大量の空気流によって実質的に除去され、炭酸水素アンモニウムを形成するための二酸化炭素は少量しか溶液中に残存しない。気泡の接触は秒のオーダーであり、アンモニアの溶解速度は二酸化炭素よりはるかに速いため、環境は炭酸水素アンモニウムの形成に有利ではない。
【０１３１】
表１
栄養分画
ＣＦは濃縮倍率
ｐＨ          ７．８−８．０
温度Ｔ°Ｃ    ６０以下（５９−６０．５）
４．８％      分解されたＶｅｒｔａｄ汚泥
【０１３２】
【表１−１】
2007532297.tif 000003
【０１３３】
ｐＨ          ８．５−８．８
温度Ｔ°Ｃ    ６０より上（６１．５−６３．５）
３．８０％    分解されたＶｅｒｔａｄ汚泥
【０１３４】
【表１−２】
2007532297.tif 000004
【０１３５】
６０°Ｃ以下では、長期間加圧条件下で高レベルの二酸化炭素及びアンモニアが接触しているため、炭酸水素アンモニウムが深垂直バイオリアクタ内で形成されることが信じられている。６０°Ｃより上では、従来の好熱性好気的処理と非常に類似しており、炭酸水素アンモニウムが分解し、二酸化炭素及びアンモニアが空気流とともに除去される。６０°Ｃより下で処理された最終産物が硫酸、ミョウバン、硫酸第１鉄等で酸性化されるとき、硫酸アンモニウムが形成され、二酸化炭素が放出され、汚泥を浮揚させる。予想しなかったことには、浮揚した産物は例外的によく脱水化される。Ｍｕｒｔｈｙらによる最近の報告（引用によって本明細書に取り込まれる、Ｍｅｓｏｐｈｉｌｉｃ  Ａｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃ  Ａｅｒｏｂｉｃａｌｌｙ  Ｄｉｇｅｓｔｅｄ  Ｂｉｏｓｏｌｉｄｓ  ｔｏ  Ｉｍｐｒｏｖｅ  Ｐｌａｎｔ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ，  Ｗａｔｅｒ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ７２，  ４７６，  ２０００；及びＡｅｒｏｂｉｃ  Ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃ  Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａ  Ｄｅｅｐ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｒｅａｃｔｏｒ，  Ｐｒｏｊｅｃｔ  ３０９００，  Ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｆｏｒ  Ｋｉｎｇ  Ｃｏｕｎｔｙ  Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，  Ｍａｒｃｈ  ２８，  ２００１）では、好熱性好気的分解における生体高分子（タンパク質及び多糖類）の濃度は、好熱性分解の滞留時間を制限することによって最小化できた。本発明は、従来の好熱性好気的分解槽の滞留時間の３分の１ないし２分の１である。生体高分子及び１価イオン、特に、アンモニアの溶液中での存在は、ポリマー消費の増大とよく相関する。炭酸水素アンモニウムの形成はアンモニウムイオンを有意に低減する。
【０１３６】
酸でｐＨを約５．０まで下げることによって、バイオソリッドを約１０−１２％の濃度まで浮揚させる。ｐＨを４．５−４．０以下まで下げると、より早く浮揚分離ができるが、分解前の汚泥のｐＨ範囲である例えばｐＨ５．５−６．０に調整する必要があるかもしれない。６０°Ｃより下での分解はリアクタのｐＨを７．８−８．０に制御する一方、６０°Ｃより上での分解はｐＨ８．６−８．８で運転する結果になり、炭酸水素アンモニウムの分解のためにより多くの遊離アンモニアの効果を反映する。浮揚分離は６０°Ｃ以上より６０°Ｃ未満のほうが全てのカテゴリーで良好で、使用される酸が少ないほど、より濃厚な浮遊物のブランケットと、よりよい栄養分画とが得られる。これらのバイオソリッドは、バイオマス乾燥重量１トンあたり約１５ポンドのポリマーという低いポリマー投与量を用いると、３０−３５％の固形物濃度まで遠心分離できる。酸性化工程は一部で細胞溶解を起こす場合があり、これも汚泥の脱水化に役立つ。
【０１３７】
これらの結果は、バイオマス乾燥重量１トンあたり３０−５０ポンドのポリマーを必要とし、２０−２５％の固形物濃度しか遠心分離できない従来の好熱性好気的分解工程より実質的によい。従来の好熱性好気的分解槽の産物を酸性化しても、おそらく炭酸水素アンモニウムがないため固形物が浮揚分離しない。
【０１３８】
表１のデータを検討すると、リアクタを６０°Ｃより下での運転と、６０°Ｃより上での運転との間で、浮揚、脱水化及び栄養分画について甚大な効果を示す。６０°Ｃより下での運転は、より少量の遊離アンモニアとより大量の炭酸水素アンモニウムとが生じるので、ｐＨはより低く、排気中のアンモニアも少ない。前記２組のデータの間を比較するための共通の基礎を得るために、濃縮倍率が計算された。濃縮倍率（ＣＦ）は、開始濃度に対する最終濃度の比である。
【０１３９】
「６０°Ｃより下」のデータのセットを見ると、浮揚固形物は、分解汚泥固形物と比べて２．２倍濃縮され、浮揚物中の全窒素は２．４倍濃縮され、浮揚物中のアンモニアは１．６倍濃縮され、全リンは２．８倍濃縮された。アンモニアを除いて、栄養濃縮倍率は、固形物濃縮倍率が２．２のとき、２．４から３．１までの範囲であった。
【０１４０】
「６０°Ｃより上」のデータのセットを見ると、浮揚固形物は分解汚泥固形物と比べて１．５倍濃縮され、浮揚物中の全窒素は１．７倍濃縮され、浮揚物中のアンモニアは１．２倍濃縮され、有機窒素は２．１倍濃縮され、全リンは１．３倍濃縮された。アンモニアを含む栄養濃縮倍率は、固形物濃縮倍率が１．５のとき、１．２から２．１までの範囲であった。
【０１４１】
これらのデータは、（以下に説明する６０°Ｃより下のアンモニアを除いて）栄養物は固形物濃縮倍率とほぼ同じ比率で汚泥固形物に分画されることを強く示唆する。同じ分画が浮揚固形物の脱水化の際にも起こると予想される。
【０１４２】
しかし、サブナタント（ｓｕｂｎａｔｅｎｔ）又は再循環流と対比して浮揚固形物の濃縮倍率を見ると、完全に違う驚異的な発見が現れる。
【０１４３】
前記「６０°Ｃより下」のデータのセットは、浮揚物中の全窒素は再循環の７．１倍濃縮され、浮揚物中のアンモニアは１．倍濃縮され、有機窒素は５００倍濃縮され、全リンは２４倍濃縮されていることを示す。アンモニアを除いて、栄養物が全て清澄な再循環から汚泥固形物に劇的に移行した。換言すると、アンモニアを除いて、他の栄養物は実質的に再循環流から除去され、これにより、処理プラントの運転のためになり、バイオソリッドの栄養価値を高める。
【０１４４】
前記「６０°Ｃより上」のデータのセットは、浮揚物中の全窒素は再循環中よりも３．４倍濃縮され、浮揚物中のアンモニアは１．８倍濃縮され、有機窒素は１０倍濃縮され、前記リンは１．６倍濃縮されたことを示す。アンモニア及びリンを除いて、栄養物は混濁した再循環から固形物に有意に移行したが、それほど劇的ではなかった。
【０１４５】
アンモニアの固形物への移行が最小限であったことの可能な説明は、炭酸水素アンモニウムの酸性化は非常に安定で非常に可溶性の高い硫酸アンモニウムになることである。有機窒素の汚泥固形物への移行は起こりそうだが、その理由は、有機窒素が分解された汚泥の粒状物中に存在し、たぶん浮揚して分離されるからであろう。炭酸水素アンモニウムの結晶は、酸性化の後で残存していた場合があっても、粒状物として浮揚して分離されるかもしれない。汚泥の酸性化によるリンの汚泥固形物への移行は、汚泥中に自然に存在する高濃度の金属の存在下で不溶性の沈殿が形成されることで説明できる。この効果は、６０°Ｃより上ではそれほど顕著ではないが、それはおそらく、浮揚分離が悪くて、ｔン点中に形成される小さな粒子が浮揚しにくいからであろう。
【０１４６】
本発明の改良型垂直シャフトバイオリアクタ１０を建設及び設置する際に、（ＥＰＡの重複要件を具備するために）２本のバイオリアクタが、ケースに覆われ、コンクリートでできた、直径約３６インチ、深さ２５０フィートの鋼鉄シャフト内に設置されることがしばしばある。本明細書で例示の目的で説明される代表的な範囲及びリアクタのデザインは、生物学的栄養除去付きの３次処理プラントが必要な約５０００人の人工の共同体用に適しており、以下のとおり進行する。本明細書に例示のために説明されるのは、新規なモデュラー式バイオリアクタ組立体のデザインで、モデュラー式組立方法の利用は本発明の実施に必要ではないことが理解されるべきである。
【０１４７】
この代表的な構成のための内側ヘッドタンクは、直径約８フィートで高さは約１２フィートである。工場生産されたリアクタの内部は、６本のフランジ付き配管の束を含み、それぞれの長さは約４０フィートである。底の４０フィートの長さ（第１長さ）は、散気装置６０と、剪断ヘッダ７０と、短い長さの降流チャンネルに取り付けられた空気配管６２及び６６とでできている。第２、第３及び第４配管の束は４０フィートのモデュラー式セクション１９０を含み、モデュラー式セクション１９０は、空気配管６２及び６６が取り付けられた（例えば図９−１１を参照せよ。）中央の降流導管２２を含むのが典型的である。これらのセクションは、前記シャフト内に該セクションが順番に降ろされる際に、例えばボルトで、モデュラー式セクションの連結器１９２で先のセクションに順次いっしょに連結される。頂の２個のセクション５及び６は、中央降流チャンネル２２及び放射状のチャンネルパーティション１９４とを用いることによってユニットとして形成される、降流空気配管及び上部チャンネルを含む。設置後、前記放射状パーティションは、リアクタの外殻に（例えば昇流導管２４の内壁１９６に対して）軽いプレスフィットを受ける。
【０１４８】
バイオリアクタ１０のモデュラー式建設を容易にするために、上部チャンネルを形成する放射状のパーティション１９４は、該放射状のパーティションにほぼ直交する方向（例えば図１１を参照せよ。）に中央（例えば降流２２）導管の直径を拡張することによって挿入する際に、リアクタの内壁１９６から弛められる。このやり方で前記降流導管を拡張するために、図９は新規な導管拡張装置１９８を示すが、新規な導管拡張装置１９８は、例えば前記降流導管内に挿入するためのサイズ及び寸法を有するスプレッダの形状で提供される。前記スプレッダは、対になって相対して往復運動するスプレッダ部品２００、２０２を有するのが典型的で、該スプレッダ部品は、緩和した構成と拡張した構成との間で手動で往復運動して再配置される場合がある（例えば、前記往復運動するスプレッダ部品のそれぞれを係合して、該部品を図９の外向き矢印の方向に広げさせるか、反対方向に協働的に緩和させるかする）。したがって、図１０は、降流及び放射状バッフルを示すリアクタ内部断面の端面模式図を提供する。降流導管２２の中央の拡張ツール１９８がその緩和した位置で示される。したがって、この図では、前記降流も緩和した位置にある。図１１は、拡張した構成状態にある前記拡張ツールによって円形から強制的に楕円形になった前記降流を示すリアクタ内部断面の端面模式図を提供し、前記降流に接続された放射状バッフル１９４が内部ケース壁１９６から強制的に離されて後退して、その中にリアクタセクション１９０が挿入される。本発明が分解器として使用されるとき、封止されたゾーン２が前記組立体の半分に第２外壁１９７を追加することによって提供できる。この第２の壁は円周の半分だけに適用されるため、前記スプレッダが中央の配管を変形させて、設置の際に隔壁パーティションの壁の圧力を緩和することを妨げない。
【０１４９】
この段階までの組み立てが完了した後、ゾーン１ヘッドタンク１６が最後のセクションの頂にボルトで取り付けられる。ゾーン２ヘッドタンク１５はプレハブ製造されたセクションから現場で組み立てられる。前記モデュラー式リアクタ配管の束は、一台のトラックによって設置場所まで配送でき、前記ヘッドタンクは第２のトラックで配送される。清澄器１２０の外殻は現場でコンクリートを用いて打設されるか、プレハブ製造された鋼鉄セクションから作られる場合がある。前記清澄器は、従来のスキマー機構で適合される。最後に、圧縮機その他の補助設備が接続される。設置面積が小さいため、これらの小規模プラントはビル内に容易に収容できる。
【０１５０】
本明細書に提供される新規装置を用いる独特かつ多様な廃水処理方法をさらに理解するために、図１３は、さまざまな流れのパターンを同定し、単位工程の相互関係をさらに理解するために使うことができる代表的なブロック−フローダイアグラムを提供する。図１３は破線で画定された４つの領域に分割される。左下の領域は従来の全処理領域で、廃水がユニットＡの細かいスクリーンを通過され、ハイドロクローンセパレータＣで脱砂（ｄｅｇｒｉｔｔｅｄ）される。スクリーン残渣及び砂はホッパＢに集められ、埋め立て地に送られる。
【０１５１】
図１３の左上の領域は、本発明のバイオリアクタの廃水処理及びＢＮＲ部であり、その代表的なコンポーネントを表す。ユニットＤは、脱酸素化ステップ又は前脱硝化ステップを表すし、図１のチャンネル４０、チャンネル３２及び再循環５０を引用する。ユニットＤは、ゾーン１下部（図１のチャンネル８０）を起源とする酸素欠乏排気で攪拌される。配管３０１はゾーン１下部（チャンネル８０）からゾーン１上部（チャンネル４０）までの排気運搬を模式的に表すが、本発明のこの局面では、ゾーン１下部はゾーン１上部の直下にあり、運搬配管は必要ない。ユニットＤは、ユニットＣからの未処理の流入水（チャンネル３０）と、ヘッドタンクＥからの再循環と、ゾーン２（ユニットＨ）からの硝化された再循環とを受け入れる。ユニットＤの目的は、いからる使用可能な分子状酸素をも除去し、再循環からの硝酸塩と、未処理流入水からのアンモニア及びＢＯＤとを受け入れることである。
【０１５２】
１．ユニットＥ
ユニットＥはヘッドタンク１６を表す。このユニットは、ヘッドタンク１６の内容物を混合する役割を果たすユニットＤからの酸素欠乏気体を受け入れる。ユニットＥは、約２５ｍｇ／Ｌのアンモニアを含む未処理廃水と、アンモニア又は適用可能なＢＯＤを含まない硝化された再循環の１．７５体積とを受け入れる。混合の後、前記硝化された再循環の１．７５体積中の硝酸塩は窒素ガスに変換され、流入水の濃度は、例えば、１Ｑｘ２５ｍｇ／Ｌアンモニア＋１．７５ｘ零アンモニア／２．７５Ｑ＝２５／２．７５＝９ｍｇ／Ｌアンモニアと、同様に２００／２．７５＝７２ｍｇ／ＬＢＯＤとによって希釈される。脱窒化工程は、例えば、約２．６ｍｇ酸素／ｍｇ脱窒化された窒素を放出し、アルカリ性の一部が回収される。これらの量は代表的であって、前記工程に有益である。脱窒化は、非常に速い反応で、廃水中に天然に存在する微生物によって達成される。
【０１５３】
２．ユニットＦ
ユニットＦは、例えば、約９ｍｇ／Ｌアンモニア及び７２ｍｇ／ＬＢＯＤを含む約２．７５体積の脱窒化廃水を受け入れる。分子状酸素又は結合酸素はないので、バイオマスは嫌気性で前記未処理の下水中のタンパク質の一部を用いてアミノ酸を作る。システム中のポリＰ微生物は自らのリンをＶＦＡに添加する。ＶＦＡは嫌気的なスライム（ｓｌｉｍｅ）がパイプ壁に蓄積している嫌気的ナトリウム下水管で産生できるという証拠がいくつかある。ロープ状のオープンウィーブ（ｏｐｅｎ  ｗｅａｖｅ）チューブ（１３１）が前記ヘッドタンクからクリーンボアのチャンネル１２の内部に吊り下げられる場合がある。他の従来技術のリアクタとは異なり、絡まる空気配管その他のパイプがないので、前記チャンネルのプラッギングのおそれは最小限しかない。嫌気性バイオマスが前記ロープに蓄積していくらかのＶＦＡが産生され、一部の生物学的なリンが除去されることを可能にすることが予想される。前記ロープの重量を監視することで、存在するバイオマスの量のなんらかの指標を与えるであろう。前記ロープの可撓性と、水の速度とが、過剰なバイオマスを落とさせて廃棄汚泥として除去できるチャンバー６７の汚水溜めに滴下する。
【０１５４】
３．ユニットＧ
ユニットＧはゾーン１の下部を表す。この領域は高度に曝気され、嫌気性の混合液体をできるだけ迅速に再曝気するようにデザインされている。ゾーン１の下部に入る前記混合液体はＢＯＤ、アンモニア及び十分なＶＦＡが豊富であるため、ゾーン１の下部での酸素要求はリアクタのどの部分についても最大であろう。ＢＯＤ除去ステップは、ＢＯＤの５％又は約４ｍｇ／Ｌである細胞合成のアンモニアを要求する。（ゾーン１で９−細胞合成で消費される４）＝約５ｍｇ／Ｌのアンモニアを含み、ゾーン２に転移される２．７５Ｑの供給正方向の流れがある。垂直バイオリアクタでの経験は、前記アンモニアの一部はゾーン１下部で実際に硝化されることを示した。硝化しないようにデザインされたバイオリアクタ内で２−３ｍｇ／Ｌの硝酸塩を見いだすことはまれではない。硝化するようにデザインされたＢＮＲプラントの場合では、ゾーン２からゾーン１への前記１．７５Ｑの再循環流のために、硝化細菌の一部が最後にゾーン１にたどり着くであろう。さらに、ゾーン１から脱酸素化ユニットＤへの（２ｍｇ／Ｌ硝酸塩を含む）５Ｑの流れがある。これらの流れは脱窒化され、さらに窒素をシステムから除去する。保守的には、ゾーン１からゾーン２への処理水は、５ｍｇ／Ｌ  ＢＯＤ、３ｍｇ／Ｌアンモニア及び２ｍｇ／Ｌ硝酸塩より多くは含まないであろう。前記３ｍｇ／Ｌアンモニアはゾーン２で完全に硝酸塩に変換されるであろう。したがって前記処理水は、最後には、約１０ｍｇ／Ｌ未満のＢＯＤ、１０ｍｇ／Ｌ未満のＴＳＳ及び５ｍｇ／Ｌ未満の全窒素になるであろう。
【０１５５】
４．ユニットＨ
ユニットＨはヘッドタンク１５を表し、非常に低い負荷速度で運転する。ゾーン２ヘッドタンクへの供給速度は２．７５Ｑで３ｍｇ／Ｌアンモニア及び１０ｍｇ／Ｌ  ＢＯＤを含む。ゾーン２はゾーン１からの空気供給を受け入れる（模式図的に配管３０２として示す）。ＢＯＤが低いため、バイオマス産生は低く、硝化によって生産されるバイオマスはＢＯＤ減少の５分の１ないし３分の１である。硝化細菌の増殖が遅いため、該細菌をゾーン２からゾーン１への前記１．７５再循環流量に流出することは許すことはできない。幸運にも、これらの細菌は付着微生物であり、いずれかの固定式又は可動式ベッドメディア上で増殖する。本発明では、ゾーン２の下端はゾーン１への逆流を全く許さないようにデザインされており、単純なスクリーニングが前記メディアが頂で脱出することを防止できるため、可動式ベッドメディアが有利に利用できる。固定式メディアを利用してもよいが、固定式メディアはときどき詰まる傾向があり、洗浄又は交換が必要である。可動式ベッドメディアは自己洗浄するが、時とともに劣化する。
【０１５６】
５．ユニットＩ
ユニットＩは、バイオソリッドを処理水から分離してバイオソリッド（活性汚泥、ＲＡＳ）をユニットＤ又はＥに帰還する、従来の沈降清澄器である。ＢＮＲプラントでは、処理水中の硝酸塩とＲＡＳとが脱窒化して、汚泥に前記清澄器内で浮揚を開始させるために、ＲＡＳは決して酸素欠乏状態にはならない。本発明では、ＤＯは高いが酸素要求は低いゾーン２からの処理水を提供する可能性があり、前記清澄器内で酸素欠乏状態を防止する。前記清澄器内でアンモニア及びリンの再可溶化が起こる可能性があるため、処理水中の非常に高いＤＯは阻止される。
【０１５７】
高価ではあるが膜分離はＢＮＲプラントの清澄器の運転面での問題の多くを除去する。本発明では、膜分離が非常に高いＭＬＳＳと、より小規模のリアクタとを可能にする。膜分離は、現行の基準が要求するよりも高品質の再循環水を提供する。
【０１５８】
図１３の右上は、再循環水質基準を満たすための３次処理水の最終化学処理である。現行法により、化学的フロキュレーション、濾過及び残存塩素を使用しなければならない。ユニットＭは機械的ミキサー付きのフロキュレーションタンクである。ユニットＮは回転式クロスディスクフィルターである。ユニットＰは紫外線消毒チャンネル及び付属逆洗タンクである。ユニットＯは配管内で残存濃度を維持するのにちょうど十分な塩素が添加される、塩素化ステップである。ユニットＱは、必要に応じて前記クロスフィルター又は膜を逆洗するために使用できる逆洗ポンプである。
【０１５９】
図１３の右下は、プラントの好熱性好気的分解セクションである。ユニットＲは２段階工程の第１好気的ステージ（ゾーン１）を表す。ユニットＳは前記分解の第２ステージ又はゾーン２を表す。これら２つのゾーンはエアロックバルブで連通している。ユニットＷは酸浮揚濃厚化ステップを表す。ユニットＴは酸供給器である。ユニットＶは脱水化ステップを表し、この場合にはポリマー供給器のユニットＵを備えた遠心機である。
【０１６０】
前記ＢＮＲ工程は、上述のバイオリアクタのデザインで報告されていない工程の利点を図示するために、図１３で詳細に検討された。これらの新規な工程の利点の１つは、スクリーニング及び脱砂された流入水が脱酸素化チャンネル４０内に供給され、ヘッドタンク１６からの脱窒化された液体と混合される点である。ヘッドタンク１６はチャンネル４０で産生されるＤＯが０．０５未満の酸素欠乏気体と攪拌される。ヘッドタンク１６からの脱窒化された液体は、酸素欠乏的か、任意的に、嫌気的条件下でチャンネル１２内を降下して、脱窒化工程を完了するか、任意的に、ＶＦＡを生成する。
【０１６１】
さらに、チャンネル１２内の降流は激しく混合する領域で曝気分散器の近傍でゾーン１の底に入ることは特記される。ゾーン１の主要部であるチャンネル８０は、高度に好気的で、ＢＯＤを除去し、リンを消費しながらＶＦＡを酸化して、場合によってはアンモニアの一部を硝化する。
【０１６２】
さらに特記すべきは、チャンネル８０内の上昇する液体は脱酸素化領域に分割され、一部は上昇してゾーン２に入るという事実である。ゾーン２はＢＯＤの残りを実質的に分解して、アンモニアの残りを硝酸塩に変換する。
【０１６３】
追加的局面では、チャンネル８０からの排気は脱酸素化チャンネル３２及び４０を通じて循環し、ゾーン２におけるＢＯＤ及びアンモニアの生体酸化のための酸素を提供する。
【０１６４】
これも特記すべきことに、硝化された液体の一部は前記脱窒化ステップに帰還される場合があり、硝酸塩の窒素（ｎｉｔｒａｔｅ-Ｎ）が窒素ガスに変換される一方で、第２の部分は、バイオマスが処理水から分離される清澄化ステップに行く。前記バイオマスは前記脱窒化ステップに帰還し、清澄化された処理水は放水される。
【０１６５】
関連する実施態様では、酸素欠乏気体が酸素欠乏液体を混合するのに用いられる。ユニットＤはさまざまな液体流の脱酸素化を行うだけでなく、該ユニットを通過する気体流の脱酸素化も行う。この脱酸素化された気体はその後脱窒化のユニットＥの内容物を混合するのに用いられる場合がある。これは、機械的ミキサーの必要性をなくし、エネルギー、メンテナンス及び資本を節約する。
【０１６６】
本発明の追加の実施態様は、新規な嫌気的工程を提供した。ユニットＦはＶＦＡを生成する目的の嫌気的チャンバーに変換される場合がある長軸垂直チャンネルである。本発明では、ユニットＦには空気配管又は抽出配管はない。これは、前記チャンネルを詰まらせたり、他のパイプと絡まったりするおそれなしに、リアクタ内に吊り下げられたオープンウィーブロープ又はチューブのようなメディアの使用を可能にする。固定式メディアの目的は、付着して増殖する嫌気性細菌（酸産生生物）を蓄積することである。固定式メディア及び嫌気性バイオマスの量は前記ロープ又は繊維性チューブの一部を巻き上げることによって液体の表面から調整することができる。メディアの領域およびは、前記ロープの重量を測定することによってオンラインで監視できる。チャンネル１２内の液体の下向きの速度は、過剰なバイオマスが形成されるのを防ぎ、なんらかの過剰バイオマスは落下する。チャンネル１２は底が開いているため、廃棄された嫌気的バイオマスは汚水溜め６７に回収され、浮揚タンクのユニットＪを通じて除去される。
【０１６７】
さらに追加の実施態様では、空気配管６６又は６９を通じて汚泥を捨てることが、加圧停止の際に即時的な自発的浮揚を提供する。ゾーン１のよく曝気され混合された部分からの汚泥を廃棄すること（ＷＡＳ）は、従来のデザインで試みられなかった工程であり、前記汚泥中へのリンの捕捉に有利である。浮揚した固形物はさらに濃厚化することなく分解するのに適している。
【０１６８】
膜分離システム
この説明はつぎに、液体組成物の加工、精製及び／又は処理のための、選択性、半透性、微孔性その他の分配膜を利用する膜分離のシステム、方法及び装置、例えば、膜廃水浄化工程及び装置をとりあげる。これらのシステム、方法及び装置は、浸漬した膜、特に、廃水の生物処理を提供する膜バイオリアクタのスループットの改善及び／又は動作寿命の改善を提供する。
【０１６９】
垂直長シャフトバイオリアクタを含む廃水処理施設において膜バイオリアクタを取り込むための複数の技術的検討事項がある。第１の検討事項は、膜だけで並はずれた品質の処理水ができるという世間に広まった誤解である。これは必ずしも正確ではないが、その理由は、膜それ自体が再循環水の水質を生むわけではないからである再循環水の水質にまで廃水を処理することは主に生物学的処理の結果であるが、微小濾過膜は水から直径約０．１ミクロンまでの微生物を実質的に全て物理的に分離する任務がある。０．１ミクロンより小さいウイルスも除去できるのが典型的であるが、それは、ウイルスの約９９％が宿主細菌に付着しているからである。バイオリアクタがよいほど、処理水の水質がよい。
【０１７０】
無機溶存固体も除去しなければならない場合には、前記生物学的処理膜リアクタからの処理水あ、さらに限外濾過、ナノ濾過又は逆浸透（ＲＯ）を利用して処理される場合がある。この水質の水は帯水層注水（ａｑｕｉｆｅｒ  ｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ）等に適する。
【０１７１】
第２の検討事項は、再循環水は、生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）と全懸濁固形物量（ＴＳＳ）とを除去する必要があるだけでなく、栄養物、窒素及びリン（Ｎ＆Ｐ）を水中での生育を支えることがないほど低レベルにまで除去する必要もある。これは、よい生物学的栄養除去（ＢＮＲ）工程の利用を必要とする。典型的な既存の膜バイオリアクタ工程は、単一汚泥逆混合バイオリアクタ上で作動するが、該バイオリアクタは前記改良型垂直長シャフトバイオリアクタよりも効率が悪く、建設及び運転コストが高額である。
【０１７２】
例えば、現在提唱される２基の０．２５ＭＧＤ（合計０．５ＭＧＤ）の従来の膜バイオリアクタの設置は、約１２０万ドル（リアクタ及び膜のみ）の費用がかかり、約８０００平方フィートを占め、約７５ＨＰかかり、毎分１０００標準立方フィート（ｓｃｆｍ）の空気を要すると見積もられる。これに対し、２基の改良型垂直長シャフト０．２５ＭＧＤバイオリアクタは、膜の見積価格４０万ドルを含めて約１００万ドルの費用がかかるであろう。前記改良型垂直長シャフトバイオリアクタは約１０００平方フィートを占め、約３０ＨＰかかるであろう。たった１００ｓｃｆｍの空気しか前記改良型垂直長シャフトバイオリアクタには必要でないので、排気処理を家庭の台所又はトイレの換気扇と等しい量まで削減する。前記改良型垂直長シャフトバイオリアクタは、内部再循環流を有するプラグフロー構成で作動する。プラグフローリアクタは、逆混合リアクタよりも水質のよい処理水を製造するこｔが知られている。これは、プラグフローリアクタでは処理水はそのバイオマスで達成可能な最低濃度だからである。逆混合リアクタでは、処理水成分はリアクタの内容物と同じ濃度である。実際、場合によっては、逆混合リアクタでは流入水の一部が短絡して処理水に直接入る場合がある。また、硝化生物のような特殊な微生物が生命力が強くて速く増殖するＢＯＤ微生物と競合しなければならない単一汚泥バイオリアクタでは、より大量のバイオマスが（硝化生物が洗い流されてしまうことを防ぐために）必要であることも知られている。これがより大きなリアクタにつながる。
【０１７３】
さらなる検討事項は、前記改良型垂直長シャフトバイオリアクタの生物学的な利点を横に置いて、他のリアクタでは不可能なある種の水力学的な利点があることである。既存の長シャフト垂直曝気リアクタで観察される複数のユニークな水力学的特徴は、過飽和溶存忌憚の実質的な濃度のために、膜分離システムは表面逆混合リアクタよりも垂直曝気リアクタでうまく作動することを示唆する。
【０１７４】
過飽和溶存気体に関するこの予測を確認するために、膜分離器が既存の垂直長シャフト曝気リアクタに適合された。垂直曝気装置の主要な水力学的特徴は、リアクタが非常に長い垂直経路でバイオソリッド、液体、溶存気体及び分散気体（気泡）の混合物を循環させることである。この経路の下端での圧力は１５０ｐｓｉまでになる場合がある。前記圧力の結果、表面に運ばれたときでさえ、液体中に実質的な濃度の過飽和溶存気体がある。これらの過飽和気体は、貯蔵エネルギーの有意なリソースを表す。例えば、０．２５ＭＧＤの改良型垂直長シャフトバイオリアクタでは、リアクタ内を移動する液体と接触する表面積は、リアクタにおける約４０００平方フィートから、膜セルにおける２０００万平方フィートまで変化する。過飽和溶存気体を含む液体が広い表面積に接触するとき、溶存気体が溶液から出て行って磨く作用を生じる傾向がある。これは、ソーダ水を使って衣服のしみを取り除くようなものである。実際、発泡剤を使って磨く作用を向上させるクリーナーがたくさんある。
【０１７５】
浸漬膜バイオリアクタを有する垂直長シャフトバイオリアクタの場合には、混合液体中の過飽和溶存気体の作用が前記混合液体の近傍の膜表面を十分にきれいな状態に保つのに役立つので、濾過流束速度（前記膜を透過する液体の流量）と、クリーニング間隔の時間とが増加することが予測される。この予測を支持する垂直長シャフトバイオリアクタの観察された因子が複数ある。例えば、２２年間運転されてきた垂直バイオリアクタが最近解体された。ヘッドタンクは鋼板製で、サンドブラスト加工され、６ｍｉｌ（０．００６”）エポキシでコーティングされていた。前記リアクタの残りの部分は裸の鋼鉄であった。エポキシでコーティングされた表面は例外的にきれいで、エポキシでコーティングされたヘッドタンク内のボルトでさえ容易に弛めることができた。前記エポキシ表面には、流束が非常に遅い（たぶん０．１−０．５フィート／秒）ヘッドタンクの降流側の端部近傍でさえバイオマス蓄積の証拠はまったくなかった。そのポイントでの溶存気体含量は、約２５−３５ｍｇ／Ｌで、コロイド状気体含量は約４０−５０ｍｌ／Ｌ（５０−６５ｍｇ／Ｌ）であったであろう。前記エポキシコーティングが剥がれて裸の鋼鉄に付着したバイオマスの局部的蓄積を起こした場所がいくつかあった。リアクタの残りの部分では、乱流が強い領域でも溶存気体含量が多い領域でも、前記裸の鋼鉄の表面は灰色のスライム層で覆われていた。これらのタイプのリアクタの金属表面に見つかることが典型的なこの灰色のバイオマスのスライムは、リン脂質を含み腐食から裸の鋼鉄を保護するうえで有用で、バイオパサベーション（ｂｉｏ-ｐａｓｓａｖａｔｉｏｎ）とよばれる。
【０１７６】
これらの知見をさらに確かめるために、約１００フィートの長さのゴムホースで、下端に９０フィートの鋼鉄パイプを重しにしたものが降流チャンバー内の空気配管として垂直シャフト曝気装置内で使用された。前記降流チャンバーの上端での液体流速は、３−４フィート／秒のオーダーであった。前記ホースは、前記降流チャンバー内で空気注入ポイントを変えるためにリールで巻き取られる場合があった。前記ホースの上端には溶存気体が存在するゾーンではバイオマスの蓄積はなかったが、前記降流チャンバー内で圧力が増大するためにこれらの気体が再溶解したゾーンでは著しいバイオマスの蓄積があった。液体の流速は前記降流チャンバー内の上部ゾーンと下部ゾーンの両方で同じであった。このホースは、空気用にデザインされ、内側からは空気には透過性がなかった。この観察は、降流チャンバー内に溶存気体がないときバイオマスが蓄積して、酸素欠乏的／嫌気的ゾーンを提供することを示す。
【０１７７】
さらなる研究では、初期の設計の垂直バイオリアクタはグラスファイバー製降流チャンバーを備えていた。このプラントは故障の報告なしにいまでも稼働中である。同時期の建造された別のプラントもグラスファイバー製降流チャンバーを使用しているが、閉鎖されて浄水（ｃｌｅａｎ  ｗａｔｅｒ）が充填されていた。ビデオ検査では、前記グラスファイバーのチューブの陰にはバイオマスの蓄積は見られず、樹脂及びファイバーの層の破損もなかった。典型的にはグラスファイバーは溶存気体の透過性がない。
【０１７８】
別の研究では、小規模垂直曝気シャフトが運用約２６ヶ月後に検査された。ＡＢＳ製の降流チャンバーは良好な状態で、バイオマスの蓄積はなかった。類似の垂直曝気装置には鋼鉄製降流チャンバーが取り付けられていた。検査では、鋼鉄製リアクタによくあるリン脂質バイオマスのコーティングが見つかった。
【０１７９】
今回の知見をさらに確かめるために、垂直バイオリアクタの開発初期に、吊り下げられた重量を軽減し、逆流を防ぐために、ゴム製降流チューブが設置された。これらの降流チューブのうち３つはゴム表面と強化用繊維との間のチューブ壁の層の損傷のために故障した。これらのチューブは水用に設計され、溶存空気には透過性があった。前記チューブのメーカーは、溶存空気はゴムの内層と外層との間に閉じこめられ、故障の原因になったと主張した。この現象はチューブレスラジアルタイヤで見られ、タイヤの空気がコード層に漏れて、層損傷を起こす。
【０１８０】
別の研究では、別の垂直曝気リアクタが運用２０年後に腐食について検査された。有意な摩損があった唯一の部分はリアクタの昇流秒に配置されたエアリフト流入ポンプの出口であった。この極端な任務では、空気・水の流速がリン酸の保護コーティングを剥がすのに十分で、裸の金属の腐食を可能にした。
【０１８１】
長期間の稼働後に検査された複数のヘッドタンクの表面状態に関する頻繁な観察は、バッフルの直後のように液体の流速が急変することを特徴とする場所では、エポキシコーティングがしばしま劣化する。これらの領域は「水力学的なシャドゥ」であると考えられてもよい。
【０１８２】
溶存気体と、その蓄積エネルギーとを放出することは、エポキシ及び／又は金属の表面に強力な磨き効果を奏する。このエネルギーレベルは、エポキシを剥がすのには十分だが、金属表面を有意に損傷するには不十分である。しかし、金属表面に軽い錆のコーティングの形成によって証拠付けられるとおり、リアクタのどこにでも前記シャドゥの隣接部にさえ見つかる細菌スライムのコーティングは除去される。
【０１８３】
同様に、テスト用膜が以下に説明する垂直シャフトリアクタのＹ字型分岐部に設置されたとき、前記膜の１つのコーナーのの近傍には空気配管があった。前記空気配管は前記膜には接触しなかったが、バッフルとして作用して、前記膜の１つのコーナーと一方の面に表面積の約１０−１５％にわたって「水力学的シャドゥ」を起こした。この「水力学的シャドゥ」では、前記膜は少し剥離し始めていた。前記膜は、たぶん直径１０−２０ミクロンで、なんらかの手段、たぶん熱及び圧力によって圧縮され焼結された不織布のポリオレフィン鎖でできており、顕微鏡下では、長さ約８分の１インチで、表面に直角に突出している毛髪状のウィスカーがあった。これらのウィスカーは、前記膜の前記空気配管の側の面の該空気配管の近傍だけに見つかった。流速の急変は、溶存気体の凝集と、ポリマー表面の腐食／摩損を起こすことはありうる。前記ウィスカーが外向きに突出して表面から持ち上がっているようにみえるため、キャビテーションが起こっている場合がある。前記膜の残りの部分は高レベルの溶存気体による影響はなく、顕微鏡下で検査したときに表面劣化の証拠はなかった。
【０１８４】
溶存気体の量は驚異的である。例として、１気圧での空気の水への溶解度は約２１ｍｇ／Ｌである。深さ５００フィートの垂直シャフトバイオリアクタは、理論的には２８７ｍｇ／Ｌの空気を溶解できる。溶解効率が７０％で、回収効率が７０％であるとすると、リアクタのヘッドタンク内の液体には約１４０ｍｇ／Ｌの空気があることになる。１ｍｌの空気は１．２９ｍｇの重さがあるため、これは前記液体の体積の約１０％が溶存気体に由来することになる。これは、前記垂直バイオリアクタの内容物を循環させるために用いる分散気泡の体積よりも実質的に多くの溶存（貯蔵）気泡体積を表す。驚くべきことに、クボタかゼノンかいずれかの膜リアクタを循環させるのに要する分散気泡体積（４−６％）よりも多い溶存気泡体積である。さらに、この貯蔵気泡体積は、かなりの貯蔵エネルギーを表す。
【０１８５】
この貯蔵エネルギーを重要な時間に制御された速度で前記膜表面に放出するおとによって、非常に強力な洗浄作用を生じさせることができることが予想される。実際、前記空気配管の近傍で起こるような制御されないやり方で放出される場合には前記膜の剥離／キャビテーションを起こすのに十分なエネルギーがこのやり方で貯蔵されている。この現象が故障したゴム製降流チャンバーの観察を説明する。
【０１８６】
垂直リアクタ内の液体中の全溶存気体は、溶存酸素プローブを使用することによって、非常に正確に計算できる場合がある。負荷がない、すなわちＢＯＤ負荷がない条件下では、全溶存空気は溶存酸素の読み取り値の約２．６１倍である。負荷条件下では、酸素の読み取り値は減少するが、酸素消費はＢＯＤ値から計算できる。この研究の時点で、垂直バイオリアクタは、典型的な日周性有機負荷パターンで稼働していた。上昇する空気は実質的に一定値（５５−６５ｓｃｆｍ）に維持されるとき、溶存酸素値はたった４３ｓｃｆｍの降流空気しか適用されないときにはほぼ２倍に増大することに留意せよ。これは、降流空気は主に溶存気体に関与し、昇流空気は主に分散気体に関与することを示す。より重要なことには、透過液中の溶存酸素レベル（ＢＯＤ反応によって５０−６０％減少しているにもかかわらず）過飽和値に達し（したがって窒素ガス及び二酸化炭素ガスはより高い）、液体中の過飽和気体は前記膜を容易に通過することを証明する。例として、前記透過液中の残存溶解酸素が１０ｍｇ／Ｌで、５０％の酸素が前記反応で消費された場合には、スタート時の値は少なくとも２０ｍｇ／Ｌであったであろう。したがって、スタート時の溶存空気は２．６ｘ２０＝５２ｍｇ／Ｌで、窒素分画は３２ｍｇ／Ｌであろう。これは保守的であり、溶存気体の量は前記膜を通過したものである。前記溶存気体の一部、たぶん半分、は前記膜の外側で沈殿していることを留意せよ。
【０１８７】
複数の表面に対する制御無しの気体凝集の観察された磨き効果の程度を考慮して、膜の各レベルの間に配置された分流装置が本発明の範囲内で再設計された。新たなデザインは、一連の調整可能な及び／又は着脱可能なバッフルからなり、該バッフルは、前記膜の前後で低レベルだが制御された「水力学的シャドゥ」効果を発生させる。この制御された効果は、前記空気配管の近傍で意図せずに発生し／発見されたものと類似だがはるかに弱い。
【０１８８】
この発見の重要性は、このタイプの垂直曝気リアクタは前記膜を作動するのに必要な空気のほんの一部しか供給できないと考えられていたところ、実際には「貯蔵エネルギー」の形態（すなわち溶存状態）で十分すぎる空気が存在することである。いまでは本明細書に開示された新規な目的及び利点を達成するために、重要な場所で適切な量の前記貯蔵気体を取り出すことが可能である。
【０１８９】
したがって、本発明は液体加工方法及び装置において該液体が接触する表面を洗浄するための過飽和溶存気体の利用を提供する。これらの結果を確かめるさまざまな観察には以下のものが含まれる。
【０１９０】
ａ）約０．１から４．０フィート／秒までの広範囲の速度の液体流に浸漬されたポリマーの表面は、前記液体中に約２０−３０ｍｇ／Ｌの溶存気体及び／又は約３０−５０ｍｇ／Ｌのコロイド状気体が存在するとバイオマスの蓄積を起こさない。
【０１９１】
ｂ）約０．１から４．０フィート／秒までの広範囲の速度の液体流に浸漬された非ポリマー性表面（ポリマーコーティングへの損傷により露出した裸の金属）は、前記液体中に約２０−３０ｍｇ／Ｌの溶存気体及び／又は約３０−５０ｍｇ／Ｌのコロイド状気体が存在してもバイオマスの蓄積を起こす。
【０１９２】
ｃ）バイオマスの蓄積は、比較的速い液体流速の３−４フィート／秒でも溶存気体がないときには起こる。
【０１９３】
ｄ）バイオマスの蓄積は、約４フィート／秒までの流速での金属（鋼鉄）の表面で起こる場合がある。このバイオマスはバイオパサベーションによって金損を保護するリン脂質を含む。
【０１９４】
ｅ）（約１００ｍｇ／Ｌを超える）大量の空気の存在下、約１０フィート／秒より速い流速は、バイオマスの蓄積と、腐食を阻害するリン脂質の蓄積とを妨げる。その結果、金属腐食及び金属浸食が起こる。
【０１９５】
ｆ）非透過性ポリマー膜は、細孔が壁を貫通しないときには剥離する場合がある。
【０１９６】
ｇ）膜の製造者によって示唆される速い空気流速は、過飽和溶存気体の存在下での浸漬膜の効率的な動作には必要ない。主導的な膜の製造者であるクボタは、その混合液体の固形物−液体分離用膜に関する文献で、小粒子を除去する効率を増大させるために、薄いフィルム状バイオマスを前記膜の表面に形成させると主張する。流束速度約０．５ガロン／時／平方フィートで、膜洗浄間隔は約６ヶ月である。最低空気速度約４０ｓｃｆｍ／１０００平方フィートが必要で、最低透過液体速度約１フィート／秒が必要である。
【０１９７】
ゼノン膜は、クボタ膜のほぼ２倍の流束速度で作動するが、パルス逆流洗浄について規定が設けられている。１つの動作モードでは、１０分間の動作ごとに１０秒間のパルスが適用される。ゼノンは膜を吸引するために機械的に適用された真空も使用する。全体として、ゼノンの技術はクボタの膜よりも低い空気流束を膜を刺激し洗浄するために必要とする。
【０１９８】
これら２社の主導的な膜の製造者によって示唆される空気の流速は、改良型垂直長シャフトバイオリアクタに典型的に利用可能な空気流より８ないし１０倍速い。クボタ及びゼノン両社とも、比較的浅い表面区で動作するように膜を設計してきた。前記改良型垂直長シャフトバイオリアクタは、垂直軸上に構成され、膜を２−５ユニットの高さに積層させてもシステムを循環させるのに十分な駆動水頭をリアクタ内で維持することを可能にする。浅いタンクでは、膜を通って空気／液体の循環を起こす駆動水頭はせいぜい数インチである。改良型垂直長シャフトバイオリアクタプラントでは、駆動水頭は１０−１２フィートの場合がある。再分散ヘッダは膜の各デッキの間に配置され、同じ空気を４−５回使用できる。膜を積層することによって、断面（フットプリント）面積が減少すると、膜の前後の浅い透過流（実際には昇流）は増大する。最適化はされていないが、膜バイオリアクタ技術を取り込んだ最初の試案デザインの０．２５ＭＧＤ改良型垂直長シャフトバイオリアクタプラントは、前記膜製造者が推奨する空気速度の約半分と、液体流速の約３分の１を供給することを示す。上述の理由と、集まった証拠とから、液体流内の溶存空気分画は、空気流速又は液体流速のいずれよりも膜をきれいに保つうえではるかに重要な因子である。過剰設計は、膜を洗浄しすぎて必要な薄いバイオフィルムを破壊する可能性があるため、避けるべきである。磨き作用は、より少数の膜のデッキか、より少量の空気かを使うことによって調整可能である。逆に、もっと流速及び／又は磨き作用が必要な場合には、いつでも空気又はデッキを追加できる。
【０１９９】
ｈ）溶解した塩と、０．０４ミクロン未満の粒子とはマイクロフィルトレーション膜を透過するので、溶存気体が透過しないと疑う理由はない。前記膜を通過する溶存気体は該膜の内側をきれいに保つのを助ける場合がある。
【０２００】
膜は漂白剤で洗浄できるので、細孔をブロックしている物質はたぶんたいてい有機物である。
【０２０１】
典型的には、膜リアクタは未処理流入水の微細スクリーニングが必要であるが、その理由は、プラントが完全未処理下水を扱う場合があるためである。
【０２０２】
以上の知見及び結論は、２００３年８月からカナダ、マニトバ州、Ｖｉｒｄｅｎで運転開始した、深シャフト垂直リアクタに膜バイオリアクタを設置することによってさらに検証された。Ｖｉｒｄｅｎリアクタは、１９７８年に北米最初に設置された商業用深シャフト垂直リアクタであった。処理プラントは１９８０年に稼働開始して、それ以来連続稼働中である。プラントは、降流及び昇流空気の両方が前記シャフト内容物の循環及び曝気に利用される、旧型の深シャフト設計である。リアクタは直径３０”で深さ５００’である。降流チャンバーは直径１８”で、昇流チャンネルはケーシング壁と前記降流チャンバーとの間の環状の空間に形成される。リアクタの頂には、混合液体が昇流から降流にヘッドタンクを経由して転移することを可能にするＹ字型ブランチがある。前記ヘッドタンクは長さ約２５フィート、幅６フィート及び深さ４．５フィートである。このリアクタの構成は、溶存空気と分散空気との比率を選択的に変更することが可能なので、テスト用に理想的である。より大量の降流空気を適用することは、溶存空気がより多くなるという結果になり、より大量の昇流空気を適用することは、分散空気（気泡）がより多くなるという結果になる。後で示すとおり、溶存空気対分散空気の比率は同じ水頭で膜流束に９倍の違いを生じる。
【０２０３】
Ｖｉｒｄｅｎリアクタに膜バイオリアクタを戦地するために、ヘッドタンクの頂にアクセス通路を切る必要があった。前記アクセス通路は、内径（ＩＤ）２１”のＹ字型ブランチの直上に配置される。前記ヘッドタンクが２３年間の連続運転の後で開けられると、２２年間の連続運転後に開けられた別の垂直長シャフトバイオリアクタに見られたのと同じパターンのバイオファウリングがエポキシコーティング上に発見された。パターンはほとんど同一であった。それぞれの場合で、液体流速及び気泡含量の両方とも最低である、ヘッドタンクの床はバイオマスの付着は最小であった。これは、もっと速い速度ともっと多い気泡含量とを推奨する前記膜製造者の教示とは反対である。しかし、前記床の上に気泡はあっても少しにすぎなかったであろうが、液体は溶存気体で過飽和であったはずであるということに留意すべきである。バイオファウリングを軽減するのはポリマー表面で凝集する溶存気体であるという結論はこの観察によってさらに支持される。もう一方の検査されたバイオリアクタのシャフトはイオン強度が高い温湯の産業廃水の処理に仕様されたが、Ｖｉｒｄｅｎのシャフトはイオン強度が低い冷水の都市廃水を処理しているという事実は、この現象にはほとんど影響はないようにみえる。
【０２０４】
テスト用膜固形物／液体分離器が、本発明の浸漬膜組立体のスループット及び動作寿命の改良を評価するために、Ｖｉｒｄｅｎ深シャフトリアクタ内に１ヶ月間設置された。前記テスト用膜は、前記リアクタから取り出されて注意深く検査された。特記すべきことに、前記膜はきれいで、高濃度で粘りのある混合液体中で１ヶ月稼働してきたのにもかかわらず、外表面の物質はいずれも水中で容易に洗い流された。さらに、リアクタ内の空気速度が異なると膜からの処理水流束も異なることが観察された。降流空気が増大した（循環する溶存空気が多くなった）とき、リアクタ循環流束は減少したが、膜通過流束は増大した。逆に、より多くの昇流空気（より多くの分散空気）が適用されたとき、リアクタ内の循環流束は増大したが、膜通過流束は減少した。これは、膜製造者の運転指示書によって証拠付けられるとおり、膜の機能及び動作の従来の理解とは反対である。従来の膜プラントでは、高い曝気量が膜通過循環流束を維持するために要求された。典型的には、従来プラントは（最低限）約２倍の膜横断流束と、深シャフトタイプリアクタで利用可能な空気流量の８−１０倍を使っていた。
【０２０５】
本明細書の開示を明確にするための追加の研究では、前記テスト用バイオリアクタは、膜の出口の近くに配置されたヘッドタンクの中にサンプルポートが取り付けられた。前記膜の前後の溶存気体濃度は溶存酸素メーター（ＤＯメーター）で測定され、前記膜の前後のリアクタ循環速度は石けんのようなトレーサを循環する時間から計算される。膜からの透過流束は較正されたフラスコで測定されたが、水頭はフロテーションタンクへのオーバーフローによって維持される。このテストケースでは、膜の上の水頭は１フィートに維持された。このタイプの膜について典型的な動作値である１ｍのサイホン効果を生じさせるためにドロップレグが設けられた。膜サポートフレームは、約６−９フィートの間に浸漬された下の膜と、約１−４フィートの間に浸漬された上の膜とを保持できる。オーバーフロー高は両方の膜の場所で同じである。
【０２０６】
以下の表２及び３は膜性能に対するさまざまな空気流速の効果を示す。
【０２０７】
【表２】
2007532297.tif 000005
【０２０８】
【表３】
2007532297.tif 000006
【０２０９】
表３は、表２のデータポイントのプロットである。表２のデータは溶存空気分画の重要性を反映しない。しかし、空気流量変化の効果は特記され、情報は表２及び３に提供される。降流空気（溶存空気）の重要性を示すデータセットが２組ある。ポイント１及びポイント２は適用された総空気体積が同じである（１０８ｓｃｆｍ）。ポイント１は昇流空気（分散空気が大半）が１０８ｓｃｆｍで、降流空気はない（すなわち溶存空気はない）。従来の教示は、高速及び大空気流量が最高の膜流束になるというものであったことを思い出せ。しかし、試運転（ポイント１）では、最高流速及び最大循環流量は最低の膜流束になる。
【０２１０】
ポイント２では、総空気流量は１０８ｓｃｆｍだが、今度は、４３ｓｃｆｍが降流に適用される。降流空気の効果は循環流速を下げることである。従来の教示は、膜流束も下がることを予測するが、試運転では、膜流束は９倍増大した。
【０２１１】
さらに、ポイント３及び４では、両方とも昇流の空気は７５ｓｃｆｍあるが、ポイント４は降流が５５ｓｃｆｍで、循環速度を下げるのに役立っている。膜からの出力は３倍に増大する。
【０２１２】
したがって、廃水中の溶存空気分画は膜のスループットに優占的な効果がある。他の因子も膜の性能に影響を与える。これらの因子のうちにはバイオマス濃度、汚泥の年齢、汚泥の生物学的健康、細胞外ポリマーの存在量、膜の状態等がある。これらの因子は、結果の大部分は汚泥状態が問題の期間内に変化するとは予測されない１日の運転からのものであるため、全体的な結果にはマイナーなインパクトしかないと予測される。
【０２１３】
本発明の範囲内で膜スループットの増大の１つの重要な原因は、垂直バイオリアクタの気体力学に関する。特に深シャフトリアクタシステムは、高い溶存空気分画を提供することによって他のリアクタ及び液体処理装置よりも著しい利点を提供する。さらに、前記深シャフトリアクタシステムは、独特な生化学的、物理化学的工程、例えば、有機炭素の酸化と、所望の気体の過飽和レベルをもたらす酸素その他の気体、例えば二酸化炭素の溶解とを含む。
【０２１４】
液体力学では、「レオロジー」という用語は、液体変形と、液体流動パターンで生じる歪みとの間の複雑な非線形な関係を説明する。スループット増大現象は、膜表面でのレオロジーの変化に関係すると信じられている。液体中の溶存気体が大量であるため、バイオマス（液体及び気体を含む固体）と液体メディアの両方のレオロジーが膜との接触の際に変化して、たぶん膜の透過性をより高くする。
【０２１５】
前記テスト用膜は透明ビニルチュービングに適合されたが、これは透過流の視認を可能にする。前記透過流は、たぶん１６分の１ないし８分の１インチの直径の気泡が著しい量含まれる。前記透過流の１０−１５％が離散した気泡でできていると推定される。溶存気体は妨げられることなく膜を透過して、該膜の表面か、表面近くで凝集するが、これは、表面の間でか、膜表面でか、膜表面の近傍の液体の中での凝集を含む場合があり、膜表面の近傍でエアリフト効果を起こす。離散した気泡は半透性膜を高レベルで透過することはないとの予測はもっともである。膜を透過する水中に存在する溶存空気（あるいは、代替的には、膜の浄水の側で気泡になる空気）がないかぎり、前記テスト用膜の透過流側のエアリフトは予測できない。前記気泡によって生じたこのエアリフトは著しいポンプ効果があるが、その理由は、透過物配管の設置の際に、膜からの透過流がヘッドタンク内で液体水位のほとんど表面まで上昇させることができるからである。濾過され膜の外側にある液体は約９％の空隙を含むので、同様の内側及び外側の水頭で液体が膜から流れ出るためには、膜の内側の凝集中の気体の体積も同様に約９％気体空隙であろう。溶存気体分画は膜の外側の表面をきれいに保つのを助けることは明かであるので、膜の内側の溶存気体分画も膜の内側をきれいに保つのを助けるであろう。
【０２１６】
従来の膜の用途では、膜の内側（透過物側）の水はほんの少ししか空気を含まず、磨くための空気を含む膜の外側の水よりもはるかに密度が高い。したがって、従来のシステムでは、軽い真空が処理水側に適用されるか（ゼノンは真空ポンプを使用する）、流入水が加圧される（クボタは圧縮空気を使用する）かでないかぎり、水はまくから流れ出ないであろう。真空が適用されるとき、水は膜の頂に最も近い細孔を優先的に通って流れる傾向がある。圧力が圧縮空気で適用されるとき、もたらされる水頭は、膜の内側と外側との水の密度差のために水頭と、前記細孔を通過する流れを起こすのに必要な水頭と、液体の移動のためのなんらかの水力学的損失との和である。改良型垂直長シャフトバイオリアクタシステムでは、密度差による水頭はかなり除去され、細孔を通る水頭損失を克服するために十分なエアリフトを起こすために十分である可能性がある溶存気体が膜に入ることができる。
【０２１７】
図１４−１ないし１４−７は、本発明の膜分離用の浸漬した透過性膜組立体４００の複数の局面を示す。この代表的実施態様では、前記膜組立体はＵ字型組立体であるが、本明細書の開示に従った前記組立体のさまざまな代替的な設計及び構成が建設及び運転可能であることが了解されるであろう。図１４−１（前記浸漬膜組立体の垂直軸４０２に沿った断面図）に示すとおり、代表的な膜組立体は、Ｕ字型容器４０５を含み、該容器は高さ６フィートで第１液体コンパートメントｔ４２０と、第２液体コンパートメント４３０とを有する。この代表的実施態様には、前記コンパートメントは分離器膜４１４と、膜４１０とをによって分離され、該膜は高さ３フィートで前記２つの液体コンパートメントが連通する前記Ｕ字の底に設置される。膜４１０は、第１面４１１と、第２面４１２と、垂直軸４０２とを有する。第１液体コンパートメント４２０は、膜４１０の第１面４１１と液体連通している第１液体４２４を含むように構成される。第２液体コンパートメント４３０は、膜４１０の第２面４１２と液体連通している第２液体４３４を含むように構成される。第１液体４２４は第１比重すなわち密度を有し、第２液体は台に比重を有する。
【０２１８】
図１４−１ないし図１４−７に模式図で表される膜４１０は、プレート、フレーム、管状、中空糸及びらせん巻きを含む、いかなる膜構造であってもよい。前記膜は、液体組成物を加工、浄化及び／又は処理するための選択性、半透性、微孔性その他の分配膜、例えば、膜廃水浄化工程及び装置の場合がある。前記膜はいかなる材料でできていてもかまわず、セルロース、アセテート、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリカーボネート及びポリアクリロニトリルから選択される１または２以上を含む場合がある。膜４１０は所定のサイズ未満の分子が一般的に透過可能であり、第１面４１１及び第２面４１２の間の細孔４１５を含み、該細孔は除去サイズより小さい分子の第１面４１１及び第２面４１２の間での動きを許すが、より大きな分子の動きは拒む細孔サイズを有する。膜バイオリアクタ用途で使用される半透膜の粒子除去サイズは、１０．０ないし０．０５ミクロンの間であることが典型的である。粒子除去サイズは前記膜の特定の用途と関連する他のパラメータとの関係で選択される場合があるが、一部の実施態様では、約
０．０５ないし０．１ミクロンの間の範囲の粒子除去サイズを有する半透膜が廃水濾過で良好な結果を出すことが一般的である。この範囲は、たいていのウイルスと、たいていの長鎖分子（高分子）と全ての細菌とを除去する。別の実施態様では、０．１ミクロンより大きい粒子を実質的に除去する膜が、廃水濾過で満足な結果を出すことが一般的に予想される。
【０２１９】
図１４−１ないし図１４−７は、組立体４００内のさまざまな垂直カラム高で収容される液体４２０及び４３０を示す。代表的なＵ字型組立体は、最大カラム高が６フィートで、図面は、０から６フィートまでの垂直軸４０２に沿った前記垂直カラム高の他の例示的寸法を含み、０フィートは組立体４００の最大高から始まり、６フィートは膜４１０の最大深さで始まる。図１４−１では、第１液体コンパートメント４２０は、６フィートの第１カラム高４２２で第１液体４２４を含む。第２液体コンパートメント４３０は、６フィートの第２カラム高４３２で第２液体４３４を含む。
【０２２０】
図１４−１ないし図１４−７にさらに示されるとおり、膜４１０の垂直軸４０２は、第１チャンバー垂直軸４２３と第２チャンバー垂直軸４３３とに対応して整列されるのが典型的である。一般的に、第１チャンバー垂直軸４２３と第２チャンバーの垂直軸はほぼ平行で、第１及び／又は第２チャンバーにおける気泡の上昇する向きとだいたい一致する、有効な鉛直軸に対応する。典型的には、気泡上昇の向きは第１及び第２チャンバー内では垂直である。前記膜が垂直に配向するとき、前記膜の垂直軸は、第１チャンバー垂直軸４２３と第２チャンバーの垂直軸とだいたい平行である。しかし、一部の実施態様では、前記膜は垂直に配向しない場合があり、例えば前記膜は、第１面及び第２面が気泡上昇の向きと第１及び第２チャンバーの垂直軸とに対して傾いて配置される場合がある。これらの実施態様では、膜の垂直軸４０２は前記膜の第１面及び第２面とは平行ではなく、からりに、第１及び／又は第２チャンバーにおける気泡の上昇の向きに対応する。
【０２２１】
図１４−１に示すとおり、第１液体コンパートメント４２０は、濾過されるべき汚水、廃水又は下水のような濾過用の第１液体４２４を収容し、第２液体コンパートメント４３０は、浄水、再利用可能な水又は透過液のような濾液としての第２液体４３４を収容する。浸漬膜組立体４００は、汚水として示される第１液体４２４と、浄水として示される第２液体４３４とともに示される。両方の液体（４２０、４３０）とも比重は１である。図１４−１では、第２液体コンパートメント４３０内の第２液体４３４も、第１液体コンパートメント４２０内の第１液体４２４も空気又は気泡が存在しない。各液体の表面（液体カラム高０）での圧力は０ｐｓｉｇで、深さ３’での圧力は１．２９８ｐｓｉｇで、６’での圧力は２．５９７ｐｓｉｇであることは容易に計算できる。前記膜上のいかなる特定の深さでも前記膜のそれぞれの面での圧力は等しい。液体カラムのいずれの深さの圧力でも平均密度と該カラムの高さの積である。例えば、水の密度は、６２．４＃／平方フィートである。６フィートの水のカラムは、６ｘ６２．４＝３７４．４＃／平方フィート又は２．６＃／平方インチの圧力がある。ゲージ圧力は、大気圧では考慮に入れないので、この場合の水のカラムの底での圧力は約２．６ｐｓｉｇである。
【０２２２】
図１４−２に示すとおり、気泡４２６の形態の気体は、第１液体コンパートメント４２０内に収容された第１液体４２４に存在する。気泡４２６は、前記膜の第１面４１１を磨いて洗浄するために添加される場合がある。典型的な従来の膜の設置では、膜４１０の第１面４１１を適切に磨くために第１液体４２４（汚水）中に存在する気泡４２６の量は第１液体４２４の比重を１．０から約０．９に減少させる。また、組立体４００の頂での圧力は０ｐｓｉｇと計算できる。膜４１０の頂、すなわち、カラム高上３フィートの高さでの該膜の第２面４１２（浄水の側）の圧力は１．２９８ｐｓｉｇで、第１面４１１（汚水の側）での圧力は１．１６８ｐｓｉｇである。同様に、膜４１０の底、すなわち、前記カラム高の６フィートの高さでの該膜の第２面４１２（浄水の側）での圧力は２．５９７ｐｓｉｇで、第１面４１１（汚水の側）での圧力は２？３７ｐｓｉｇである。この静水試験では、逆の圧力差のために、第２液体４３４（浄水）は膜４１０を通って第１液体（汚水）に流れようとする。膜４１０の頂での圧力差は０．１３ｐｓｉｇであるが、該膜の底での圧力差は０．２６ｐｓｉｇであることにも留意せよ。水は間違った向きに流れようとするばかりでなく、前記膜の頂よりも該膜の底でより多量の水が該膜を通過する。
【０２２３】
図１４−３は、第２液体コンパートメント４３０（浄水）に収容される第２液体４３４の第２カラム高４３２又は液体水位は、第１カラム応４２２に対して０．６２フィート減少し、底、すなわち、前記カラム高の６フィートの高さでの前記膜の第２面４１２（浄水側）及び第１面４１１（汚水側）の両方での圧力は等しく、２．３３７ｐｓｉｇであることを示す。しかし、膜４１０の頂、すなわち、カラム高の３フィートの高さでの該膜の第２面４１２（浄水側）の圧力は１．０３ｐｓｉｇだが、前記膜に第１面４１１（汚水側）の圧力は１．１６８ｐｓｉｇであることに留意せよ。これは、前記３フィートの高さでの圧力差０．１３ｐｓｉｇを生じる。上記の条件下では液体は、膜４１０の第１面４１１（汚水側）から第２面４１２（浄水側）へと正しい経路を流れる。膜４１０の底での圧力差は０．０なので、水はいずれの向きにも流れないが、前記膜の頂では、水は膜４１０の汚水側（４３０）から浄水側（４２０）へと流れる。興味深いことには、第２液体カラム高４３２が０．４フィート減少する場合には、水は膜４１０の頂では正しい向きに流れるが、該膜の底では誤った向きに流れる。第２液体カラム高４３２は、選択された高さで第２液体４３４のための出口又はオーバーフローを提供すること、第２液体４３４に陰圧をかけること、及び／又は、第１液体４２４に陽圧をかけることを含む、いずれかの適当な方法、装置、又は手段によって、第１液体カラム高４２２に対して変動させられる場合がある。
【０２２４】
図１４−４は、本発明の実施態様による図１４−３の膜組立体４００の第２液体４３４の比重の変化の結果生じる、膜４１０の前後での圧力差を示す。図１４−４では、気泡４２６の形態の気体が、第１液体コンパートメント４２０内に収容される第１液体４２４（汚水）内に存在し、曝気水を形成する。第２液体の比重を第１コンパートメント４２０内に収容される第１液体４２４の第１比重に近似させるために第２液体の比重を変更又は調整するのに十分な気泡４３６が第２液体コンパートメント４３０に収容される第２液体４３４（浄水）に添加される場合がある。これは、第２液体４３４の第２比重を第１液体４２４の第１比重にまで減少させる。図１４−１のとおり、カラム高に沿ってさまざまな深さの膜４１０での圧力は計算できる。前記圧力は、図１４−１の圧力の９０％であるが、その理由は、この場合、曝気水（４３４）の比重は曝気されない水の比重の９０％だからである。膜４１０の前後での圧力差は全ての高さでゼロであることに留意せよ。本発明の実施態様によると、浸漬した透過性膜４１０の垂直軸に沿って均一化された圧力差の発生に加えて、前記透過性膜の第２面４１２（浄水側）の近傍での空気４３６の上昇する気泡の存在が該膜の第２面４１２に磨き作用を与える。
【０２２５】
図１４−５は、第１液体コンパートメント４２０に収容される第１液体４２４と、第２液体コンパートメント４３０に収容される第２液体４３４との間に課される選択された水頭差４５２を有する、本発明の実施態様の浸漬膜組立体４０１を示す。水頭差を課するための代替的な実施態様は以下に説明される。第２液体４３４の比重が第１液体４２４の比重により近似するように調整され、せんたくされた水頭差４５２が第１液体４２４と第２液体４３４との間に課される場合には、膜４１０の前後での選択された圧力差が膜４１０の垂直軸に沿ってもたらされる。図１４−５に示すとおり、第２比重は第１比重と等しいように調整され、２．０フィートの水頭差４５２が第１液体４２４と第２液体４３４との間にさらに課される。以前と同様に、膜４１０の頂と底との圧力は計算できる。膜４１０の前後での圧力差は頂から底まで垂直軸に沿って均一（０．７７９ｐｓｉｇ）である。膜４１０の各細孔はほぼ同じ駆動圧を受け、各細孔はほぼ同量の水を伝送する。膜表面全体を用いると、膜組立体４０１は、例えば図１４−３及び図１４−６の不均等な圧力差を有する膜組立体よりもより多くの流量を発生するのが典型的である。調整又は変化後の第２比重が第１比重とあまり近似しない場合には、前記膜の前後での選択された圧力差は該膜の垂直軸に沿ってほんの少ししか変化しないことが予想される。例えば、前記垂直軸に沿った圧力差のばらつきは、第２比重が第１比重の約±５％以内に調整されるときには、一般的には均一、すなわち、垂直線上の１フィートあたり±３０％以下しか変動しないことが予想される。
【０２２６】
図１４−５に示される実施態様では、垂直軸に沿って、第１比重と、調整又は変更後の第２比重との膜４１０の前後の選択された圧力差を発生するように第１液体カラム高４２２に対して第２液体カラム高４３２を選択することによって水頭差４５２が課される。図１４−５は、選択された水頭差４５２の２．０フィートを発生する、選択された第２カラム高３４３２の４．０フィートと、第１カラム高４２２の６．０フィートとを示す。図１４−４とともに説明されるとおり、選択された高さに第２液体４３４用の出口又はオーバーフローを設けること、第２液体４３４に陰圧をかけること、及び／又は、第１液体４２４に陽圧をかけることを含む、いずれかの適当な方法、装置又は手段によって第２カラム高４３２が第１カラム高４２２に対して変化されてもかまわない。重力を使う実施態様では、カラム高４２２及び４３２は、第１液体コンパートメント４２０からの液体出口又はオーバーフローを６．０フィートに設け、第２液体コンパートメント４３０からの出口又はオーバーフローを４．０フィートに設けることによって確率される場合がある。
【０２２７】
代替的な実施態様では、水頭差４５２は、機械的圧縮機によって発生した圧縮空気によってのように第１液体コンパートメント４２０を囲い込んで圧力を加えることによって課されて、第１液体コンパートメントの垂直寸法を物理的に増大することなく第１カラム高４２２を増加させることができる。別の代替的な実施態様では、水頭差４５２は、機械的真空ポンプによって発生するような陰圧をかけることによって第２液体コンパートメント４３０に課することができて、第２液体コンパートメントの垂直寸法を物理的に減少させることなく第２カラム高４３２を減少させることができる。引力は電力を消費してメンテナンスを要する機械的装置をまったく必要としないため、水頭差４５２を課するだけのために重力を使うことは好ましいと考えられている場合がある。さらに、重力を使うことだけが、取り囲まれた液体コンパートメントを維持することに伴ういかなる問題をも除去する。
【０２２８】
図１４−５に示される実施態様の追加の構成は、第１カラム高４２２を維持しつつ、膜４１０の第１面４１１を通って第１液体４２４を流すことを含む。この実施態様は、水頭差４５２を課するために選択された第２カラム高４３２をまだ維持しつつ、第２液体４３４が濾過された清澄水又は浄水として第２液体コンパートメント４３０から回収されることを可能にする。
【０２２９】
図１４−６は、図１４−５に示すとおり課される２．０フィートの水頭差に対して既存のゼノン又はクボタ製の膜が典型的にどのような反応をするかの比較を示す。これらの膜を可動するための既存の装置及び方法は、第１液体４２４の比重に近似させるために第２液体４３４の比重を変化又は調整することはない。水頭差４５２を膜４１０の前後に単に課することが、前記垂直軸に沿って前記膜の前後にほぼ均一な圧力差を達成することはない。これは、前記膜の頂で底よりもかなり高い圧力差をもたらすだけである。言い換えると、圧力差は前記膜の垂直軸に沿ってばらつく。
【０２３０】
この説明は、次に、図１４−５とともに上述されたとおり第２液体４３４内に分散気体又は気泡４３６を含めることによって第２比重を変化又は調整するための実施態様をとりあげる。図１４−５とともに説明されたとおり、本発明の局面は、第１比重の数値により近似させるために第２比重を変化及び／又は調整することを含む。一部の実施態様では、第２比重は第１比重の約±５％以内に調整される。別の実施態様では、第２比重は第１比重の約±２．５％以内に調整される。
【０２３１】
図１４−５及び１４−７は、第２比重を変化させ、かつ、任意的に膜４１０の第２面４１２に磨き作用を与えるべく、第２液体４３４内に気泡４３６を含めるための本発明の代替的な実施態様を示す。図１４−５に示す実施態様では、気泡４３６の起源は第１液体４２４中に存在する過飽和溶存気体である。上述のとおり、長シャフト垂直リアクタは、ヘッドタンクでかなりの濃度の過飽和溶存気体を有する液体を受け取る。液体４２４がかなりの濃度の過飽和溶存気体を有するような液体である場合には、該過飽和溶存気体の一部は膜４１０の第１面４１１で凝集する。この凝集した気体は液体４２４内で前記凝集した気泡が上昇するとき、第１面４１１に磨き作用を与える。液体４２４の前記過飽和溶存気体の別も部分は、第１面４１１から前記膜の細孔をと追って第２面４１２か第２面４１２の近傍に出てきて第２液体４３４内に入ることによって膜４１０を透過するこの通過した過飽和溶存気体の一部は凝集して気泡４３６を形成して、第２液体４３４に分散気体を添加する。前記過飽和溶存気体が第２液体４３４内で凝集する機構は完全には理解されていない。凝集は、全体として、あるいは、部分的に、膜４１０を通過する溶存気体の機械的作用によって起こる場合がある。代替的には、凝集は、全体として、あるいは、部分的に、第１コンパートメント４２０内の第１液体４２４と、第２液体コンパートメント４３０中の第２液体４３４との間の水頭差４５２によって課される圧力差によって起こる場合がある。さらに代替的には、凝集は、第１液体４２４と第２液体４３４との間の溶存気体レベルの差によって起こる場合がある。凝集は、第２面４１２か、第２液体４３４の中か、第２面４１２の近傍の第２液体４３４の中か、膜４１０の中かで起こる場合がある。気泡４３５は、第２面４１２上か、第２面４１２の近傍かで凝集し、該気泡が第２液体４３４内を上昇するときに磨き及び／又は洗浄作用を第２面の上に与える。
【０２３２】
図１４−７は、水頭差４５２と気体インレット４３８とを有する、本発明の実施態様の浸漬膜組立体４０２を示す。前記組立体は、図１４−５の膜組立体４０１と実質的に類似するが、第２液体コンパートメント４３０に連通して追加された任意的なインレット４３０を有する。任意的なインレット４３８は、空気又は気体を第２液体コンパートメント４３０に添加して、第２液体４３４内で気泡４３６を形成するための構成を含む。空気は、空気又は気体をインレット４３８に提供して、該空気又は気体を第２液体コンパートメント３０内に分散することによって添加される場合がある。分散装置が、第２液体コンパートメント内での気泡形成を補助するためにインレット４３８に含まれる場合がある。代替的には、前記空気又は気体は、まず、別の液体に分散され、該別の液体が次にインレット４３８を通じて第２液体コンパートメント４３０内に流入して、第１比重に近似させて、最適状態では、第１及び第２比重を等しくするために第２比重を調整するのに十分な量を第２液体４３４に添加される場合がある。さらに代替的な実施態様では、空気又は気体の気泡４３６は、化学反応、超音波装置及びマイクロウエーブ装置のような他の供給源から提供される場合がある。
【０２３３】
図１４−６のゼノン及びクボタの浸漬した膜工程は、図１４−７に示す気体インレット４３８を有する浸漬膜組立体４０２を使って、膜４１０の第２液体コンパートメント４３０（浄水側）に空気又は気体を添加することによって改良できる。ゼノン及びクボタの工程の第２液体コンパートメント４３０に直接気体を添加することはこれらの工程についての改良になるが、垂直長シャフトバイオリアクタに存在するような過飽和混合液体メディアからもたらされる第２面上の気泡凝集によって生じる磨き作用と同程度の浄水側の第２面４１２の磨き効果が生じるとは予想されない。
【０２３４】
図１５及び１６は、複数の浸漬した膜バイオリアクタ組立体を含む、膜バイオリアクタヘッド５０３を有する本発明の実施態様の廃水処理用改良型垂直長シャフトバイオリアクタ５００を示す。前記垂直長シャフトバイオリアクタは、図５又は図８のバイオリアクタのような、ヘッドタンク５０２の水位でかなりの濃度の過飽和溶存気体を有する、いずれのタイプの垂直長シャフトバイオリアクタであってもかまわない。図１５は、バイオリアクタヘッドタンク５０２と、膜バイオリアクタ組立体５１０を取り付ける複数のサドルタンク５０６Ａ−Ｄを有する膜バイオリアクタヘッド５０３の透視図である。図１６Ａは膜バイオリアクタヘッド５０３のサドルタンク５０６Ａの透視図で、複数のの平板半透性膜５１１を含む頂膜バイオリアクタ組立体５１０Ｄを示す。図１６Ｂは、バイオリアクタヘッドタンク５０２と、４段の膜バイオリアクタ組立体５１０Ａ−Ｄの積層を有するサドルタンク５０６Ａとの側断面図である。
【０２３５】
図１５及び１６は、ヘッドタンク５０２の外側を円周状に取り囲むように配置され、該ヘッドタンクと液体連通する、４段の積層又はカラムの膜バイオリアクタ組立体５１０を有する膜バイオリアクタヘッド５０３の実施態様を示す。実際には、典型的には８個のサドルタンクがヘッドタンク５０２の周囲を完全に取り囲み、膜濾過を最大化するために用いられる。図１５では、各サドルタンク５０６は、互いの上に垂直に配置された４段の浸漬膜組立体５１０Ａ−Ｄを含む。膜バイオリアクタヘッド５０３の合計カラム高４２４が約１６フィートなので、各組立体５１０は高さ約４フィートである。ある膜が故障する場合には、サドルタンク５０６の１台だけを停止することによって交換できるので、リアクタ及び他の７台のサドルタンクは運転を継続できる。最上段の浸漬膜組立体５１０Ｄは、サドルタンク５０６の頂から点検できるが、下の３段の浸漬膜組立体５１０Ａ−Ｃは、図１５に組立体５１０Ａについて、図１６Ｂに組立体５１０Ｃについて示すようなチップアウト（ｔｉｐ  ｏｕｔ、郵便受け状）引き出しを通じて点検される。
【０２３６】
各膜バイオリアクタ組立体５１０は、膜出力配管５１２によって外部マニフォルド５１４に接続される、複数の平板半透性膜５１１を含む。外部マニフォルド５１４は、回収配管５１６によって回収トラフ５３８に接続される。平板膜５１１は、典型的には、互いに相対する第２面４１２を有する２枚の長方形の半透膜を支えるフレームを含み、前記半透膜は前記フレームと協働して該半透膜とフレームとの間に内部第２液体コンパートメントを画定する。前記半透膜の第１面４１１は、膜組立体５１０の外側を鳥かくむ液体に曝露される。回収配管５１６は、透過液又は平板膜５１１による出力の液体を運ぶために適するいずれかの管状部材でできている場合がある。回収配管５１６は透明で、ユーザが各個別の平板膜５１１からの出力の気泡４３６含量及び清澄度を目視検査することを可能にする。
【０２３７】
図１６Ｂに示すとおり、回収配管５１０Ａ−Ｃは透過液を回収トラフ５３８内に上向きに流す。回収配管５１０Ｄは、膜５１１からの透過液を下向きに流してトラフ５３８に放出するサイホンになるように形成される。第１カラム高４２２は、最下段の膜５１１の最下点と、サドルタンク５０６からのアウトフロー５２８の水位との間と定義される。第２カラム高４３２は、最下段の膜５１１の最下点と、トラフ５３８の水位との間と定義される。
【０２３８】
本発明の実施態様では、各膜組立体５１０は、７５枚の平板膜を含む。ヘッドタンク７５の周りの８台の別々のサドルタンク５０６Ａ−Ｄと、５０６Ｅ−Ｈ（図示されない）とを使用することで、この構成での平板膜バイオリアクタ５１１の合計が７５／段ｘ４段／サドルタンクｘ８台のサドルタンク＝２４００枚になる。前記平板膜での経験は、この配置が平均して約０．３ＭＧＤ、ピーク流量では０．６ＭＧＤを処理することを示す。本実施態様ではヘッドタンク５０２の直径は約９フィートで、サドルタンク５０６とあわせて、リアクタの直径は約１３フィートになる。
【０２３９】
稼働中は、前記垂直長シャフトバイオリアクタからの処理水のインフロー５２６としての第１液体４２４がある垂直長シャフトバイオリアクタ（図示されない）からサドルタンク５０６Ａの底の中に流入する。第１液体４２４は第１比重を有し、気泡４２６及び過飽和溶存空気を含む。第１液体４２４は、サドルタンク５０６Ａを通って浸漬膜バイオリアクタ組立体５１０Ａ−Ｄを通過して、１２フィートの高さで前記サドルタンクをオーバーフローするとき、アウトフロー５２８になる。アウトフロー５２８は、さらなる処理又はリアクタからの除去のために前記垂直長シャフトバイオリアクタに帰還する。個別の平板膜５１１は、図１４−１ないし１４−７、主に図１４−５とともに説明されたとおり、第１液体４２４を濾過する。第１液体４２４は底の平板膜５１１の底とアウトフロー５２８との間に１６フィートの第１カラム高４２２を有する。第２液体４３４は、回収トラフ５３８と、これに導く回収配管５１６とによって確立される１２フィートの第２垂直カラム高４３４を有する。その結果、水頭差４５２が第１液体４２４すなわち処理水と、第２液体４３４すなわち透過液又は濾過水との間に課される。
【０２４０】
さらに、図１４−１ないし１４−７とともに説明されたとおり、第２液体４３４中の第１液体４２４の溶存気体を凝集して、前記膜の第１面４１０（汚水側）の気体分圧と等しい（前記回収トラフに導く垂直導管を含む）前記膜の第２面４１１（浄水側）の気体分圧をつくることによって、各浸漬膜バイオリアクタ組立体５１０の各膜５１１の垂直軸に沿ってほぼ均一な圧力差を１．１６８ｐｓｉｇに維持することが可能である。図１４−５に示すとおり、各膜５１１の頂での圧力差は、底での圧力差と同じで、（サイホン水頭の下にある）膜５１０Ｄの最上段の前後の圧力差は、膜５１０Ａ−Ｃの他の３段のそれぞれの前後の圧力差と正確に同一である。その結果、サドルタンク５０６のそれぞれ及び全ての膜は同じ流量を発生することが予測される。圧力差１．１６８ｐｓｉｇは約３３インチの水と等価である。
【０２４１】
従来のシステムでは、第２液体４３４には気体凝集がないので、１ｍ（４０”）の高さの膜５１１の頂と底との間の圧力差の相違は、４０”ｘ１０％＝４インチの水に等しい。これは有意には見えないかもしれないが、全ての膜を通る流量を不均等にするには十分である。
【０２４２】
ピーク流量については、全ての膜５１１の前後の圧力差は、汚水カラム、すなわち、第１カラム高４２２を単に増加することによって均等に上昇できる。気泡４２６が最下段の膜組立体５１０Ａから最上段５１０Ｄまで移動する際に４回利用されることに留意せよ。
【０２４３】
代替的な実施態様では、前記膜バイオリアクタ組立体はヘッドタンク５０２の内部に配置され、サドルタンク５０６Ａ−Ｈは除去される場合がある。
【０２４４】
図１７は、あわせて膜組立体５１０Ａ−Ｃを運ぶ第１折式（ｆｏｌｄｅｄ）サドルタンク５５６Ａ及び第２折式サドルタンク５５６Ｂを含む本発明の実施態様の折式サドルタンクシステム５５０を示す。一部の場合では、例えば図１５及び１６に示すとおりの垂直な４段の浸漬膜組立体５１０Ａ−Ｃはあまりに高いプラントになることがある。その場合には、折式サドルタンク５５６のような折式サドルタンクが有利に使用できる。図１７の構成では、膜組立体５１０Ａ−Ｂは第１折式サドルタンク５５６Ａに収容され、膜組立体Ｃ−Ｄは第２サドルタンク５５６Ｂに収容される。第２サドルタンク５５６Ａは、バイオリアクタ（図示されない）からの処理水のインフロー５２６を液体連通するためのインレット５６８を含む。液体連通部材５５８が第１サドルタンク５５６Ａのアウトフロー５５８を第２サドルタンク５５６Ｂに連結する。
【０２４５】
第２サドルタンク５５６Ｂは大気圧に開放されているが、第１折式サドルタンク５５６Ａは開放されていない。第２カラム高４３２は第１サドルタンク５５６Ａの前後の第１部分４３２Ａと、第２サドルタンク５５６Ｂの前後の台に部分４３２Ｂという、折式サドルタンクシステム５５０の２つのセグメントとして存在する。第１カラム高４２２は図１７には示されないが、その有効寸法は、大気圧の台にサドルタンク５５６Ｂのアウトフロー水位５５８から、第１サドルタンク５５６Ａの浸漬膜組立体５１０Ａの膜プレートの最下点までである。システム５５０は、第１及び第２サドルタンク５５６Ａ及び５５６Ｂの浸漬膜バイオリアクタ組立体５１０Ａ−Ｄからの透過液又は浄水（５３２）をそれぞれ受け入れる２本の回収トラフ５３８Ａ及び５３８Ｂを含む。
【０２４６】
稼働中は、折式サドルタンクシステム５５０は図１５及び１６のシステム５００と実質的に同様に機能する。インフロー５２６はインレット５６８を通じて第１サドルタンク５５６Ａに入り、浸漬膜バイオリアクタ組立体５１０Ａ及び５１０Ｂを通過して上向きに流れる。液体オーバーフロー及び加圧排気５５９は液体連通部材５５８を経て第２サドルタンク５５６Ｂの底へ配管で導かれ、浸漬膜バイオリアクタ組立体５１０Ｃ及び５１０Ｄを通過して上向きに流れる。水力学的計算は、４段配置についてと同じである。以前と同様、各膜は頂から底まで、段から段まで、同じ圧力差がある。約１．７５ｐｓｉｇのほぼ均一な圧力差が前記膜組立体の膜の第１面と第２面との間につくられる。ヘッドタンク５０２（図示されない）の外径は９フィートのままであるが、折式サドルタンクシステム５５０の外側全体の直径は１８フィートに増える。ここでも、気泡４３６（図示されない）は膜５１０の４段のそれぞれを通過する際に４回使用される。
【０２４７】
図１７は、明確さ及び理解のために、複数の圧力ゲージ［Ｐ］５７１とバルブ５７０とを示す。各ゲージの場所でのｐｓｉｇ単位の圧力が該ゲージの隣に示される。実際のプラントには圧力ゲージ又はバルブはないが、これは、バルブを閉じると溶存空気が溶液から出てしまい、膜放流配管内の液体の密度が変わるからである。しかしこの図面については、正常運転中のいずれかの時点で、バルブが瞬間的に閉じられ、前記ゲージに示される圧力が得られるものと考えよ。１．７５ｐｓｉｇの選択は、４フィートの水によって課される名目的な圧力で、このタイプのサドルタンクの設計では典型的である。
【０２４８】
前記膜からの放流配管の全てのゲージ圧は等しい点に留意せよ。サドルタンク５５６Ａ内の膜の放流配管内の圧力（水頭）は、タンク５５６Ａ内の液体に重複して加圧された排気圧３．５ｐｓｉ（水８フィートと等価）のためである。回収トラフ５３８Ａでの圧力は、膜５１０Ｂの放流配管内で１．７５ｐｓｉ（４フィートの液体の水頭）に、膜５１０Ａの放流配管内で３．５ｐｓｉ（８フィートの水頭）に減少する。
【０２４９】
同様に、膜５１０Ｃからの放流配管は１．７５ｐｓｉ（４フィート）の水頭下にあり、膜５１０Ｄからの放流配管は１．７５ｐｓｉ（真空）のサイホン下にある。本分野の経験は、サイホン配管が一般的には２フィート／秒を超える適当な放流流速を維持するために適切なサイズであるとすると、気泡がサイホン配管内で許されることを示す。
【０２５０】
本発明のさまざまな局面をさらに解明するために、ベンチテスト装置が本明細書の教示にしたがって組み立てられ、膜条件と水中の分散空気のレベルとを変化させた条件下で一連の膜スループットのベンチテストを実施するために使われた。図１８は前記ベンチテスト装置で実施された一連のテスト結果を示す。
【０２５１】
現地観察は、溶存気体が増大すると膜透過性が向上することを示す。例えば、溶存空気の添加が透過液のスループットの著しい増大をもたらした表３を参照せよ。他の現地観察は、リアクタ液体内の加圧気体が膜その他の表面に与える磨き効果を立証する。垂直シャフトバイオリアクタでは、有意な洗浄作用がリアクタ内の戦略的な場所で発生するが、これは典型的には溶存気体が溶液から出ていく場所である。
【０２５２】
上記のとおり、前記ベンチテスト装置は、表３で説明した現地試験で使用されたのと同じタイプのクボタの膜を使って製作された。これらのテストは、リアクタ液体中に降流空気を添加することによって増加した溶存気体は透過流束に多大な影響を与えることを立証した。図１８は、以前に２ヶ月以上リアクタで使用されていたクボタ膜の断片の性能を示す。一連の８回の透過性テストが前記ベンチテスト装置を使って前記クボタ膜について１週間の期間にわたって実施された。前記テスト装置の膜断片はフルサイズ（１／２ｍ  ｘ  １ｍ）のクボタ膜の両面の約１／１３０の面積であった。
【０２５３】
前記テスト装置は、内径３．４８８”の外側ケーシングと、内径１”の降流チャンバーを有する曝気シャフトのように構成されていた。液体循環は前記降流チャンバーの底近傍の２個の注入ポートを備える大型水槽用空気ポンプで駆動された。膜は直径３．５”のチューブの底に加工された凹部（ｒｅｃｅｓｓ）に配置され、着脱可能な底カバーが下向きに動かないように前記膜を支える。前記底カバープレートは、クボタ膜の溝（ｇｒｏｏｖｅ）と類似の寸法の一連の加工された溝を含んだ。現地試運転用膜ユニットから取られた１枚の粗いフェルトのブロッター（ｂｌｏｔｔｅｒ）膜が前記膜と透過液回収システムとの間に設置される。膜放流チューブが前記膜の下側表面から垂直に上向き及び下向きの両方に設置された。さらに下側のチューブは、前記膜の下側からの透過液を除去するためのサイホン又はドレインとして使用できる。
【０２５４】
透過性テストは、前記膜を通過する流束に対する溶存気体の効果を測定するために実施された。これを行うためには、膜放流配管内のエアリフト効果の影響が脱気のために増大した流束の効果から分離されなければならない。その結果前記膜は、高さ２４”、直径３．５”のプレキシガラス（Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ）管の底に水平に配向される。最初のテストは前記円筒の底に糊付けされた膜を使った。このテストは気体が飽和した液体が前記膜を通過することを単に決定したが、真空の効果、前記膜の皮の下のフェルトのチクチクする（ｗｉｃｋｉｎｇ）層の効果又は透過液分流式（ｃｈａｎｎｅｌｅｄ）回収システムの効果については対策がなかった。
【０２５５】
前記テスト装置は、前記膜の下の多孔性のフェルト層と、クボタの設計に類似の分流式透過液回収システムとを使った。前記テスト用膜の面積は９．５平方インチ、すなわち、現地試験のクボタ膜の両面の面積の１／１３０である。現地で使った膜は（１／２メーターｘ１メーター）で、公称（ｒａｔｅｄ）表面積８．６平方フィート又は１２９８平方インチであった。
【０２５６】
現地試運転では、１フィートの正水頭だけが利用可能であった。１５０Ｕ．Ｓ．ガロン／膜／日の流束を得るために、２８”までの真空が透過液側に適用されて成功した。実際には、現地ユニットは前記１フィートの正水頭だけを使うことによってサイホンを自家起動する。しかし、テスト用装置では、透過液にほとんど気体がないとき、テスト運転１、３及び４回目でサイホンとして使うときに、前記膜からの直径１／８インチ透明ビニル放流配管は非常にうまく動いた。実際、３回目の運転ではサイホン内の気泡の数及びサイズが目視で推定できた。
【０２５７】
図１５とともに説明されたサドルタンクの設計では、最上段の膜はサイホン流の下で作動する。テストデータは負水頭の下でテスト用装置から回収された。５回目の試行（新鮮なソーダ水）では、前記サイホンの動作を妨害するのに十分な膜通過溶存気体の輸送があったが、調製後約１２時間のソーダ水を使うとサイホン効果はまたよく働いた。
【０２５８】
昇流及び降流を通じてのエアリフト循環：当初、水道水及び／又はソーダ水がスループット損失なしに長期間にわたって膜を透過すると考えられた。これは正しくなかった。水道水がテスト用装置内に放置されるとき、流れは時とともに遅くなる。ソーダ水がテスト用装置内に放置されるとき、流れの低下はほとんど起こらない。しかし、エアリフト循環が水道水で利用されたとき、たぶん膜の表面磨きのため、流れの認知可能な低下はなかった。前記ソーダ水製品はおそらく逆浸透水を使っているが、都市水道は砂濾過である。始めは、水質に測定可能な差があるかもしれないと考えられたが、それは８回目の試行で正しくないことがわかった。その後、膜の下流側の気体凝集効果が透過流束に優占的な効果があることが示される。
【０２５９】
流束はマイクロリットル／分で較正された：流束測定に用いられた方法は、小径円筒状キャッチチューブ内の液高の変化をストップウォッチで測定することを含んだ。データポイントの曲線への適合が良かったことによって証明されたとおり、この方法は非常に正確で再現性が高い（±２５マイクロリットル）。
【０２６０】
図１８はテスト用試行結果のプロットである。第１ステップは確立することであった。最初の２回の試行は現地で観察されたのと初時の透過流束の基線だを確立するためであった。１回目は水道水と汚れた膜を使った。水はエアリフトで循環した。２回目は作りたてのソーダ水を液体として使う以外は同じやり方で行われた。泡が多すぎたためエアリフト循環は２回目では使われなかった。
【０２６１】
第２ステップは現地観察にしたがって膜を洗浄するためであった。ソーダ水が膜の面の前後で空気循環された。これは現地で見られた気泡凝集のコンセプトを刺激した。
【０２６２】
第３ステップは清潔な膜上で透過流束基線を確立するためであった。３回目は終夜通気されて気が抜けたソーダ水を使った。４回目は水道水を使った。
【０２６３】
第４ステップは、水道水と比較して透過流束に対する気体含量（瓶から出してからのソーダ水の経過時間と相関する）の効果を決定するためであった。５回目は１時間経過したソーダ水を用いた。６回目は水道水を用いた。７回目は１２時間経過したソーダ水を用いた。
【０２６４】
第５ステップは、典型的なバイオリアクタにおける液体の気体含量を近似するためであった。８回目は５０％水道水と５０％ソーダ水とを用いた。ソーダ水の経過時間を「瓶から出して」３０分間未満に保つために、ソーダ水／水道水の混合液が頻繁に交換された。現地では、垂直長シャフトリアクタ内の二酸化炭素は６−１０分間ごとに補充されたので、８回目は控えめである。
【０２６５】
図１８のテスト試行のプロットは本発明のいくつかの局面を示す。試行の間の比較の目的には２４”の水頭が共通の圧力として使われる。
【０２６６】
１）空気循環付きの水道水が汚れた膜で、２４”水頭圧で運転され、約１０５０マイクロリットルの透過流束が得られた。サイホン配管内には視認可能な気泡はなく、真空の維持は容易であった。
【０２６７】
２）新鮮なソーダ水が同じ汚れた膜に用いられて、１８７５マイクロリットルの透過流束が得られ、約７８％の流束の増加であった。これは、バイオリアクタ液体が溶存空気で過飽和された（すなわち、降流空気が添加された）ときの現地試運転とほぼ同じ性能の向上である。使用されたソーダ水はできたてで経過時間が１ないし５時間だが、膜上での凝集の程度は、２４から３２インチの水頭のサイホンの使用を停止するのに十分であった。これは、溶存気体が膜を容易に透過することの証拠として解釈された。
【０２６８】
３）ソーダ水は膜面を通ってさらに１２時間空気循環された。透過液配管はブロックされ、溶存気体が膜表面に衝突して流体又は気体はほとんど全く透過しなかった。これは、ポリマー表面が発泡によって効果的に洗浄できるといわれるリアクタ内の状態を刺激する。透過液放流配管の詰まった状態が解消され、２４”水頭での透過流束が２２００マイクロリットル／分に達した。気の抜けたソーダ水（３回目）と水道水（４回目）とが両方とも清潔な膜で処理されたときには、前者が後者より流束が４０％増加した。テスト試行は水道水かソーダ水かどちらが先に循環されたかは問題ではなく、できたてのソーダ水は常に水道水より結果がよいことに留意せよ。溶存気体がないと完全なサイホン効果が奏され、放流配管に気泡が観察されなかったことにも留意せよ。また、膜が水平であるから膜間圧力差効果はこれらの試行では無視しなければならない点も想記せよ。膜が清潔なとき、透過流束の改善は該膜の中又は表面での溶存気体の凝集の効果だけに関係するようにみえる。これらの結果は流体中の気体の分圧の実質的な変化と関係することが予言される。前記溶存気体は膜の上流側では液体内の圧力が過飽和であるが、膜の下流側では対比圧である。その結果、前記気体は膜を通って高圧から低圧へと移動し、おそらく流体を随伴する。
【０２６９】
ゼノン膜はクボタ膜より約５０％平方フィートあたりの流束が大きいが、ゼノン膜は透過液放流配管に陰圧を使用する。ゼノン膜は膜の前後の分圧の低下によって影響を受け、凝集気体効果を奏する場合がある。膜の前後の密度差の観点からは、高さ４０”のクボタ膜は高さ６０”のゼノン膜より性能がよいはずである。
【０２７０】
４）ステップ３の膜洗浄工程の効果を定量化するために、水道水が洗浄されたとされる膜上を再度通された。今度は透過流束がテスト１の１０５０マイクロリットル／分からテスト４の１５７５マイクロリットルに増大した。これは、衝突／凝集気体洗浄による透過流束の５０％増大を表す。
【０２７１】
できたてのソーダ水（１−６時間）が清潔な膜上で処理され、、透過流束（２４００マイクロリットル／分）は、１２時間経過して気が抜けたソーダ水を使った３回目（２２００マイクロリットル／分）よりほんの少しよかった（９％）。今回も非常に高レベルの溶存気体は効果を奏するのに必要がないことがわかる。
【０２７２】
６回目は水道水で、透過流束は、先の４回目の水道水での１５７５マイクロリットル／分から２２７５マイクロリットル／分へと増加（４４％）したが、両方とも清潔な膜を使っている。６回目の水道水は５回目のソーダ水より少し透過流束が低かった（５％）。
【０２７３】
気の抜けたソーダ水（１２時間経過）が清潔な膜で処理された。透過流束（１９５０マイクロリットル／分）は１−６時間経過のソーダ水の透過流束（２４００マイクロリットル／分）より２３％低かった。１２時間経過ソーダ水の透過流束（１９５０マイクロリットル／分）は驚異的に（１６％）水道水の６回目（２２７５マイクロリットル／分）より低かった。フィルターが清潔なときは、気の抜けたソーダ水及び水道水の物性論的特性は類似する。本データは、２回のソーダ水の試行の透過流束の違いがソーダ水の経過時間と関連があり、これは存在する溶存気体の量と相関することを示す。しかし、この場合には、水道水の透過流束は気の抜けたソーダ水より高く、清潔な膜で処理されるときには２つの流体の物性には本当は違いがないことを示している。これは、透過流束の増大は、前記２つの流体の物理的／化学的特性の違いというよりはむしろ気体凝集現象と関連するというアイデアに信用を与える。
【０２７４】
（いったん溶存気体が平衡化されると）前記２つの水の供給源の物性論及び物理的／化学的特性が類似することが決定されたので、最後の８回目の５０％水道水及び５０％できたてのソーダ水が評価された。この場合、垂直シャフトバイオリアクタの特性をより近似させるために、混合液はしばしば、３０分未満の間隔で補充された。この８回目では、透過流束は２６００マイクロリットル／分に達し、水道水だけより１５％、できたてのソーダ水だけよりも８％増加した。２６００マイクロリットル／分の８回目は１３０Ｕ．Ｓ．ガロン／日／フルサイズ膜と等価である。また、これらの数字はたった２４”の水頭でのものであって、現地では３９インチまでの水頭で運転された点も留意せよ。
【０２７５】
上記の観察は、溶存気体凝集は膜透過流束に役割を果たすことを強く示す。これらのデータは、溶存気体が洗浄工程を補助することを強く示す。溶存気体量は透過流束に影響を与えるが、ベンチテスト装置での溶存気体量は時間依存的である。幸運なことに、現地テストでの汚泥中の溶存気体含量は意図的に変えないかぎり一定である。
【０２７６】
別の試運転が、溶存気体含量と大気圧への曝露時間との相関関係を調べるために実行された。できたてのソーダ水は汚れた膜上で３種類の水頭圧で処理された。透過流束は以下のとおり変化した。
【０２７７】
表４
水頭１８”
【０２７８】
【表４】
2007532297.tif 000007
【０２７９】
表５
水頭８．５”
【０２８０】
【表５】
2007532297.tif 000008
【０２８１】
表６
水頭７”
（表５と同じソーダ水で、水頭圧
【０２８２】
【表６】
2007532297.tif 000009
【０２８３】
これらのテストは、できたてからの経過時間（ａｇｅ）が１時間より長いソーダ水はとても安定であり（０．７５マイクロリットル／分未満）、曲線上の全てのデータポイント（８回目を除いて）は少なくとも６０分間経過したできたてのソーダ水についてのものである。清潔な膜上では１−５時間経過したソーダ水と、１２時間を超える経過時間のソーダ水との間の相違点は２４”の水頭で約２５％である。現地では、循環中の流体はいつでも６−１０分毎に二酸化炭素で新たに飽和されるので、これらのテストが示すよりもはるかに大きいスループットを達成するかもしれない。
【０２８４】
これらのテストはまた、気が抜けたものでもできたてでも、ソーダ水は水道水より全ての場合で汚れた又はほぼ清潔な膜で成績がよい。いったん膜がソーダ水（少量のクエン酸も含む）で洗浄されると、水道水とソーダ水との違いはあまりない。前記テスト装置の膜はテスト開始時よりもソーダ水及び水道水に５日間曝露された後のほうが目視できれいであった。
【０２８５】
クボタ膜の頂から底までの圧力差の変動は４−６”の水頭で、ゼノン膜では約６−８”である。５０％水道水及び５０％ソーダ水の混合液を清潔な膜で処理する８回目は、２４”の水頭で２６００マイクロリットル／分のスループットを示す。４”、６”及び８”の圧力差は、全透過流束のそれぞれ１５％、２５％及び３５％に相当する。垂直に配向した膜の頂から底までの圧力差変動のための流束への影響は、膜の表面で起こる上記の脱気現象のための流束の増加に追加される。組み合わさると、これら２つの効果は膜スループットを２倍にする可能性がある。上記に部分的に基づいて、膜を通す透過液の流束の増大は、気体分圧変化の効果か、凝集気体の効果か、貯蔵エネルギー放出の効果かから選択される１個または２個以上因子のためである。
【０２８６】
図１９は、前記ベンチテスト装置で実施された一連の温度、粘度及び流束のテストの結果を示す。いくつかの試運転が、温度がどんな相違を膜透過流束にもたらすかを知るためにテスト装置で実施された。粘性及び温度は逆相関し、スループット流束は温度と強く相関することが予測された。図１９は前記テスト装置での複数の試運転に基づいてこれらの因子を定量化して、これらの予測された関係を確認する。重要な点は、粘性は１５ないし２５°Ｃの間で約１０％変動する。しかし、１５°Ｃと２５°Ｃとの間では、流束はほぼ５０％又は５５０マイクロリットル／分変動する。図１９に示すとおり、膜は１５ないし２５°Ｃの範囲では温度及び粘性の変化に敏感である。
【０２８７】
垂直長シャフトバイオリアクタは地中に設置されるので時とともに巨大な熱フライホイール効果を発生する。すなわち、処理水温度は従来プラントよりもはるかに変動が少なく、従来の処理工程よりも温度変動を扱う困難さをはるかに少ないはずである。
【０２８８】
上記の説明は図１４−１９の浸漬膜を用いて利用可能な水を廃水、下水又は汚泥から分離する本発明の局面についてのものであるが、本発明はそのように限定されない。本発明の方法及び装置は、未処理の流体といずれかの望ましくない物質とを含む流れから他の望ましい流体の膜分離のために容易に利用できる。例えば、本発明の局面は、塩水の脱塩、化学工程の分離又はその他の膜が溶質粒子、懸濁物質その他の汚染物質を流体又は溶媒から分離するために利用されるいずれかの他の状況で膜スループット及び／又は膜自家洗浄を改善するために利用される場合がある。
【０２８９】
したがって本発明は、膜スループットを改善して流入水から標的流体の除去を含む、流入水を処理することを含む。本発明の方法は、典型的には、溶存気体を含む流体を含む流動する流入水の流れと、実質的に流体及び気体からなる流動する透過液の流れを含む。前記２つの流れは前記流入水の流れと液体連通する第１面と、前記透過液と液体連通する第２面とを有する透過性膜で分離される。前記膜は所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間で透過でき、前記透過性があるサイズは標的流体が前記流入水の流れを透過して、望ましくないコンポーネントを拒むことができるように選択される。前記気体は、例えば、注入と、前記流入水内で起こる化学工程の結果とのようにいかなるやり方で前記流体に溶解されていてもよい。前記流入水の流れの前記流体中の溶存気体の量は、前記流入水の流れが前記溶存気体を含まないときの前記透過液の流れの流束より透過液の流れの流束を増大させる量である。この量は、膜分離を実施するシステムの流体、気体及び動作パラメータの性質に応じて変動する場合がある。前記流入水の流体中の溶存気体の量は該気体の少なくとも飽和レベルの場合がある。前記溶存気体は、空気か、二酸化炭素のような空気のコンポーネントを含む場合がある。前記標的流体は、水、血液、その他の流体の場合がある。
【０２９０】
本発明の別の局面は、膜表面に自己洗浄作用を与えるものを含む流入水で処理することを含む。前記方法は、、溶存気体を含む流体を含む流動する流入水の流れと、実質的に前記流体と前記気体とからなる流動する透過液の流れとを含む。前記２つの流れは、前記流入水と液体連通する第１面と、前記透過液と液体連通する第２面とを有する透過性膜で分離される。前記膜は、所定のサイズ未満の分子が第１面と第２面との間を透過可能で、前記透過性のサイズは、前記標的流体が前記流入水の流れを通過させ、望ましくないコンポーネント拒むことができるように選択される。前記流入水の流れの流体は、前記膜を透過して第２面の近傍で凝集する量の溶存気体を含む。前記流入水の流れの流体は、第１面で磨き作用を与える量の溶存気体を含む場合がある。前記流入水の流れの流体は、第２面で凝集して磨き作用を第２面に与える量の溶存気体を含む場合がある。膜表面の近傍での前記気体の凝集は、前記表面を洗浄するのを助ける前記表面上での磨き作用を与える。これは、前記膜を点検のために除去する予定された膜洗浄サイクルの間の時間を増大させることによって、前記膜の動作寿命を増大させる。これまでの図１４ないし１７は液体−液体システム内で垂直軸に沿った膜の前後での選択された圧力差を生じる本発明の局面を説明する。しかし、本発明の装置の実施態様は、気体−液体又は気体−液体のシステムでの膜の垂直軸に沿った選択された圧力差を生じるために使用される場合がある。
【０２９１】
膜ディヒューザ
慣用従来技術は低圧の水平方向に配向した膜ディヒューザ、典型的には曝気タンクの床上に水平に配置された平板膜を使用する。床面積は、完全に膜で覆われるとしても、曝気されるべきタンクの体積と比べると比較的面積が小さい。かかる水平の用途では、曝気されるべき液体は前記膜の上に収容される。この液体は、膜表面全体に水力学的圧力を加える。この水平な膜デザインの短所は、発生する気泡は、前記膜の表面を離れるとき、とても大きい点である。これは、気泡が脱離される前。浮力が引力を超えるまで該気泡が低圧の水平な膜システムで成長しなければならないためである。低圧の水平な膜システムは典型的には直径約１−２ミリメートルの気泡を発生する。従来の実務は、内部気体圧力を前記液体の静水圧の約２倍に増大させて、前記気泡を前記水平な膜から引き離すことである。これは小さい、細かい気泡をつくるが、前記気体を圧縮するためにかなり多くのエネルギーを必要とする。
【０２９２】
最近出てきたデザインは、膜を垂直な構成で配置して、曝気される液体が該膜の間を流動することを可能にする。曝気タンク内の膜表面積は、膜を垂直に配置することによって非常に増大し、発生する気泡は、膜の間の液体流動の剪断作用のためにより小さい。従来の水平な膜システムの２０−３０％という非常に低いエネルギー要求が報告されている。しかし、垂直なレイアウトでは、膜の頂部は該膜の底部よりも深いので、液体の圧力が低い。これは、前記膜表面の垂直軸に沿って不均一な空気流をもたらす。このデザインの共通の不満は、垂直に配向した膜は「ウェットアウト（ｗｅｔ  ｏｕｔ）」して、該膜を通る空気流が泊まることである。一般的には、前記「ウェットアウト」は最も深い膜の部分で始まり、上向きに進行する。膜の下部で空気流がないことは、水が該膜に入ることを可能にし、これが前記膜による気体分散を制限又は停止する。
【０２９３】
図２０は、本発明の実施態様の浸漬膜散気装置６００を模式的に示す。図２１は図２０の散気装置６００の部分断面正面図で、本発明の実施態様の複数の局面を示す。膜散気装置６００は、流体処理コンパートメント６０１、発泡流体コンパートメント６０２及び静止流体コンパートメント６０３という３つの分離したコンパートメントを含む。前記コンパートメント（６０１、６０２、６０３）は、便宜上互いに近傍に配置されるのが好ましい。膜散気装置６００は、気体を液体内に分散する少なくとも１個の膜バンドルを含む。図２０に示す代表的な実施態様では、３個の中空糸膜バンドル６１０Ａ−Ｃが散気装置６００の流体処理コンパートメント６０１内の異なる高さに配置される。本発明のこの実施態様は代替的には１個または２個以上の膜を利用する場合がある。前記膜は、プレート及びフレーム、管状、中空糸及びらせん巻き膜のような膜散気に適当ないずれかのタイプの場合がある。さらに前記膜は、セルロース、アセテート、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリカーボネート及びポリアクリロニトリルのようないずれかの適当な材料でできる場合がある。
【０２９４】
前記浸漬膜散気装置６００の構成要素は、膜バンドル６１０、膜取り付け部材６１２、流体処理コンパートメント６０１、発泡流体コンパートメント６０２及び静止流体コンパートメント６０３を含む。図２０を見る際の明快さのため、詳細な符号は底の膜バンドル６１０Ａとこれに関連する膜取り付け部材６１２についてのみ提供されるのが一般的である。膜バンドル６１０Ｂ及び６１０Ｃは実質的に膜バンドル６１０Ａと類似する。典型的には、各膜バンドルは、直径約６インチ、長さ約３０インチで、典型的には複数の中空糸膜を含む。該中空糸膜は、、典型的な内径が約１インチでえある。図２１は、３個の中空糸膜６１０Ａ−１、６１０Ａ−２及び６１０Ａ−３を含む膜バンドルを示す。しかし、各段の膜バンドル６１０にはいかなる数の管状膜があってもかまわない。膜バンドル６１０Ａ−６１０Ｃは、曝気の際に混合液体のような処理対象流体６３４が複数の段のそれぞれの管状膜バンドルの間を流れるように配向される。各管状膜は、図１４−１ないし１４−７とともに説明されたように、第１面及び第２面を有し、所定サイズ未満の分子が第１面と第２面との間で透過可能である。
【０２９５】
好ましい実施態様では右手の６１２Ｒと左手の６１２Ｌの部分を有する管状部材である、膜取り付け部材６１２のそれぞれは、膜取り付け部で膜バンドル６１０のそれぞれの端を取り付けるか、搬送する。各膜取り付け部材６１２は、発泡流体コンパートメント６０２と、前記取付部材に取り付けられた膜バンドル４１０の膜のそれぞれの第１面４１１と、静止水コンパートメント６０３との間の液体連通ＦＣを提供するチャンバー６１４を含む。膜取り付け部材６１２の左手部分６１２Ｌのチャンバー６１４Ｌは、図２１に上昇期待気泡捕捉部材６１５の部分として示される、実質的に垂直に配向した気泡捕捉チャンバー６１７と、気泡捕捉開口６１９とを含む。膜６１５は、組立体を形成するために取り付け部材６１２Ｌと連結される。膜取り付け部材６１２の右手部分６１２Ｒののチャンバー６１４Ｒは、図２１に分散部材６１６の部分として示される、実質的に垂直に配向した気体貯蔵チャンバー６１８と、散気開口６１１とを含む。部材６１６は、組立体を形成するために取り付け部材６１２Ｒに連結される。チャンバー６１７及び６１８はそれぞれ垂直長さを有し、チャンバー６１７の垂直長さ６５４はチャンバー６１８の垂直長さ６５６より大きい。
【０２９６】
本発明の実施態様を説明する目的で、分散対象流体６２０は空気６２０として説明される。他の実施態様では、分散対象流体６２０はいかなるタイプの気体でもよく、液体であってもよい。分散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）は本明細書では曝気（ａｅｒａｔｉｏｎ）として説明されるが、本発明のそのように限定されない。さらに、前記分散が起こる処理対象の液体６３４は、廃水又は水として説明される。他の実施態様では、処理対象流体６３４はいかなるタイプの液体又は気体でもかまわない。
【０２９７】
流体処理コンパートメント６０１は、高濃度の懸濁された固形物又は混合液体を処理とともに曝気のために収容するリアクタ表面区タンクのような廃水６３４を収容する構成を含む。典型的には、廃水６３４は曝気のために流体処理コンパートメント６０１に流入し、曝気を受け、通常はさらなる処理又は廃棄のために流れ出る。
【０２９８】
発泡流体コンパートメント６０２は、第１流体６３２と、空気６２０の上昇気泡とを含む構成を含む。第１流体６３２は、浄水６３２として説明されるが、空気６２０より重い比重を有するいずれかの流体の場合がある。コンパートメント６０２は、任意的に、気泡６２６の供給源を含むが、該供給源は水６３２内で気泡６２６に形成される空気６２０を受け入れる気体インレットポート６２２を含む場合がある。前記ポートは空気６２０を外部供給源から受け取る場合があるが、発泡流体コンパートメント６０２と浄水６３２とに入ると、気泡６２６を形成する。代替的には、ポート６２２は、気泡６２６を含む浄水６３２をコンパートメント６０２に受け取る場合がある。気体インレット６２２は、水６３２の中で気泡６２６を形成させるいずれかの装置を含む場合がある。
【０２９９】
静止流体コンパートメント６０３は、浄水６３６として説明される静止流体６３６を含む構成を含むが、静止流体はいかなる流体であってもよく、空気６２０より重い比重を有するいずれかの流体であってもよい。任意的には、コンパートメント６０３は、ユーザが気体６２０のいずれかの気泡が散気部材６１６の散気開口６１１から放出されているか、あるいは、存在しているかどうかを肉眼で観察できるような構成を含む。
【０３００】
図２０は、それぞれが流体処理コンパートメント６０１と接する、発泡流体コンパートメント６０２と及び静止水コンパートメント６０３とともに配置される組立体６００を示す。前記コンパートメントは単一のタンク又は構造に画定される場合がある。代替的には、前記コンパートメントは、その１個または２個以上が互いに接する別々のタンク構造の場合がある。代替的な配置では、コンパートメント６０２及び６０３も互いに接する場合がある。別の代替的な配置では１つのコンパートメントは別のコンパートメントから離れている場合がある。図１９はは装置６００の最下点で高さ「零」を示すが、前記高さは上向き又は垂直方向に増大する。組立体６００では、３段の中空糸膜バンドル６１０Ａ−Ｃが流体処理コンパートメント６０１内に、高さ４．０、６．５及び９．０フィートにそれぞれ取り付けられる。実際には、いずれかの適当な数の膜バンドル６１０が使われる場合があり、前記膜バンドルはなんらかの分離を有する場合があり、数インチ離れている場合もある。
【０３０１】
図２０及び２１に示すとおり、捕捉部材６１５として示される第１チャンバー６１４Ｌの上昇気泡捕捉部と、気泡捕捉開口６１９とは発泡流体コンパートメント６０２内に配置される。分散部材６１６及び散気開口６１１として示される第２チャンバー６１４Ｒの気体貯蔵部は、静止水コンパートメント６０３内に配置される。上昇気泡捕捉部材６１５は、これらが接続される気泡捕捉開口６１９からそれぞれの膜バンドル６１０の最低の高さまで測定された２．５フィートの長さの垂直長さとともに示される。散気部材６１６は、これらが結合される散気開口６１１からそれぞれの膜バンドル６１０の最低の高さまで測定された２．０フィートの長さの垂直長さとともに示される。上昇気泡捕捉部材６１５と、散気部材６１６とはどんな長さでもかまわない。しかし、散気部材６１６は上昇気泡捕捉部材６１５より短い。満足な結果を得るためには０．５フィートの長さの差が予想される。曝気された浄水６３２と静止浄水６３６との比重に著しい差がある場合には、上昇気泡捕捉部材６１５と、散気部材６１６との長さの差が、以下に説明される自動散気機能を提供するために調整される。
【０３０２】
使用の際には、発泡流体コンパートメント６０２は曝気された浄水６３２で満たされ、静止水コンパートメント６０３は静止浄水６３６で満たされる。流体処理コンパートメント６０１は、膜６１０Ａ−Ｃを浸漬するために十分な水位まで曝気された廃水６３４で満たされる。廃水６３４は任意的に、曝気を促進するやり方で低い高さから前記膜の第２面の近傍の高い高さまでコンパートメント６０１を通って流れて、該コンパートメントから流れ出る。
【０３０３】
図２０は、組立体６００内の１２フィートの初期静水位を示すが、これはその後、水６３２及び廃水６３４が曝気されるとき、コンパートメント６０１及び６０２で１２．６フィートに増加する。空気６２０は比較的低圧でポート６２２を通じて発泡流体コンパートメント６０２にポンプで送気され、気泡６２６は前記コンパートメント内に収容される浄水中で形成されて曝気水６３２を形成する。ほんの少量の空気圧が空気６２０をポート６２２を経てコンパートメント６０２にポンプ送気するために必要で、散気膜から強制的に発泡させるために高い圧力が要求される既存のシステムと比べるとエネルギーの節約になる。気泡６２６は曝気水６３２中で気泡を上昇させるのに十分な直径で形成される。気泡６２６は曝気水６３２中で上昇し、気泡の一部は捕捉部材の気泡捕捉開口６１９を通じて上昇し、上昇気泡捕捉部材のチャンバー６１７に捕捉される。チャンバー６１７では、上昇する気泡６２６が衝突して、捕捉部材チャンバー６１７内の曝気水６３２／空気６２０のインターフェース６５８より上で最終的には空気６２０を放出する。捕捉部材チャンバー６１７はチャンバー６１４の膜取り付け部材部分と液体連通しており、チャンバー６１４は膜バンドル６１０の膜の第１面と液体連通しているので、放出された空気６２０は液体連通経路ＦＣに沿って、前記膜の第１面に流れるか、第１面と液体連通する。
【０３０４】
前記膜組立体の膜の最低の高さに対する捕捉部材チャンバー６１７内のｖの垂直位置が垂直長さを有する気体カラム６５２を定義するが、該垂直長さは水頭又は水頭差としても説明できる。気体カラム６５２は空気６２０に水頭を課するが、これは曝気水６３２中の空気６２０の浮力と相関する。前記課せられた水頭は管状膜バンドル６１０の膜の第１面と液体連通している空気６２０の部分に伝達される。曝気水６３２及び廃水６３４の比重が実質的に類似である場合には、チャンバー６１４に曝露される膜の第１面４１１と、流体処理コンパートメント６０１と液体連通する流体６３４に曝露される膜バンドル６１０の膜の第２面４１２との間の水頭は気体カラム６５２によって生じる水頭とほぼ等しい。図２０は、気体カラムの長さ６５２をミス６３２の１フィートとして示し、水１フィートに等しい水頭を確立する。前記１フィートの水頭は膜バンドル６１０の膜の第１面４１１と液体連通する空気６２０の分子に圧力を加えて、該空気の分子の一部を前記膜の細孔を通って押し出させて水６３４内に曝気気泡６２８を形成させる。
【０３０５】
気体カラム垂直長さと得られる水頭差とは、気泡捕捉開口６１９に入る発泡流体コンパートメント６０２内の気泡６２６の量によって確立される。曝気水６３２中に形成される気泡６２６の数が増大すると、気泡捕捉開口６１９内に上昇する気泡の数が増加して、膜取り付け部材チャンバー６１４内への空気の流れが増大する。この増大した空気流は既存の水頭で膜６１０を透過できる空気流を上回る。空気６２０は、チャンバー６１４、６１７及び６１８に蓄積し、捕捉部材チャンバー６１７内の曝気水６３２／空気６２０のインターフェース６５８の垂直高さは低下する。このが、気体カラム長さ６５２を増加させ、放出された空気６２０に課された水頭を増大させ、発泡流体コンパートメント６０２内の気泡の量に応答した平行に達するまで、前記膜を通じた空気流を増大させる。膜バンドル６１０の内部気圧は気泡６２６によって提供される空気流に自動調整する。気泡６２６によって提供される空気流が高いほど、上昇気泡捕捉部材６１５の水６３２の水位が低くなり、水頭差６５２は大きくなる。
【０３０６】
膜バンドル６１０の中空チューブが詰まるか、捕捉された気泡６２６が膜バンドル６１０の膜が散気できるよりも多くの空気６２０を発生する場合には、前記空気は、空気は散気部材チャンバー６１８を充満しオーバーフローするまでチューブ膜バンドル６１０に蓄積する。この放出は散気部材チャンバー６１８が上昇気泡捕捉部材チャンバー６１７の垂直長さより小さいからで、空気６２０が上昇気泡捕捉部材チャンバーを充満しオーバーフローする前に空気６２０を放出する。コンパートメント６０３の浄水６３６に気泡が出現することは、過剰な空気５２０が膜バンドル６１０に供給されているか、前記膜バンドルは洗浄する必要があるかを示す。膜バンドル６１０は浄水コンパートメント６０２及び６０３に接続されているので、前記膜の内部のファウリングは起こらないはずである。
【０３０７】
運用開始時には、管状膜バンドル５１０の膜の表面は、異なる垂直高さがある。膜バンドル６１０Ｃを例にとると、前記バンドルの頂の中空管膜は９．０フィートの高さで、底の中空管膜は８．５フィートである。はじめは、頂の膜が底の膜より少しおおきな圧力差があるが、これは深さが小さいからで、最大流速に達して空気６２０の内圧が増えて底の膜も最大転移に近づくまで、少し多くの気泡６２８を発生する。
【０３０８】
気体カラム６５２によって生じる水頭は、以下のとおり計算される。流体処理コンパートメント６０１内の水６３４はその処理の結果曝気されるため、約２−１０％の空隙率がある。システム６００を説明する目的で、空隙率を５％とする。コンパートメント６０１及び６０２の両方の動的な水位は１２フィートｘ１０５％＝１２。６フィートである。膜バンドル６１０Ｃの頂のバンドルの管の膜の第１面と第２面との間の水頭は、第２面４１２の外側の水圧から第１面の内側の気圧を引いた差である。外側の水６３４の圧力は（１２。６ー９。５）／２。３１ｘ０。９５＝１。２７ｐｓｉｇで、内側の空気６２０の圧力は（１２。６ー８）／２。３１ｘ０。９５＝１。８９ｐｓｉｇである。水頭は０。６２ｐｓｉｇである。同様に、底の膜バンドル６１０Ａの外側の水６３４の圧力は（１２。６ー４。５）／２。３１ｘ０。９５＝３。３３ｐｓｉｇで、内側の空気６２０の圧力は（１２。６ー３）／２。３１ｘ０。９５＝３。９４である。ここでも水頭差は０。６２ｐｓｉｇである。これらの計算は、選択された水頭又は圧力差を組立体６００の全ての膜の前後に提供する本発明の局面を示す。
【０３０９】
ときとして、散気装置６００をシャットダウンする必要があり、浄水６３２及び６３６は膜６１０に入る。空気６２０が再開されるとき、水は散気まく６１６から追い出されて、静水コンパートメント６０３に入り、膜バンドル６１０の管状膜の空気通路を自動清掃する。代替的な実施態様では、コンパートメント６０３は、気泡６２６を停止することによって洗浄液を定期的な膜の洗浄のために充填できる。
【０３１０】
装置６００が利用可能な用途が多数あることに留意すべきである。いくつかの例は、飲料水のオゾン化（０３）、塩素化（Ｃｌ２）又は再炭酸化（ＣＯ２）と、廃水の消毒又は純粋なＯ２を用いる処理水の再酸素化、又はＮＨ３、ＣＨ４、ＳＯ２等のような生化学的な栄養添加又は貯蔵である。
【０３１１】
上記の発明は理解の明確さの目的で例示により詳細に説明されたが、当業者には、ある種の変更又は改良は本開示から理解され、例示のためであって限定のためではなく本明細書で説明される本発明の範囲内で過度の実験なしに実施できる。本明細書で言及された全ての刊行物、特許及び特許出願は引用によってその全体が全ての目的のために本明細書に取り込まれる。
【図面の簡単な説明】
【０３１２】
【図１】本発明の廃水処理用のバイオリアクタの１つの実施態様の縦断面模式図。
【図２】本発明の廃水処理用バイオリアクタの１つの実施態様の縦断面模式図。
【図３】本発明の廃水処理用バイオリアクタの１つの実施態様の縦断面模式図である。
【図４】本発明の廃水処理用バイオリアクタの１つの実施態様の縦断面模式図。
【図５】本発明の廃水処理用バイオリアクタの１つの実施態様の縦断面模式図。
【図６】本発明の廃水処理用バイオリアクタの１つの実施態様の縦断面模式図。
【図７】本発明のバイオソリッド処理用バイオリアクタの１つの実施態様の縦断面模式図。
【図８】本発明の廃水処理用バイオリアクタの１つの実施態様の縦断面模式図。
【図９】本発明のリアクタの内部チャンネル及び降流チャンバーの分解模式図。
【図１０】本発明のリアクタの横断面模式図。
【図１１】拡張ツールにより変形した降流チャンバーを示す、本発明のリアクタの横断面模式図。
【図１２】クラスＡバイオソリッドのＥＰＡの時間温度要件を示すグラフ。
【図１３】再循環水、クラスＡバイオソリッド、清浄な無臭排気を製造するための本発明の代表的なブロック図。
【図１４−１】本発明の動作モードの水力学的な模式図。
【図１４−２】本発明の動作モードの水力学的な模式図。
【図１４−３】本発明の動作モードの水力学的な模式図。
【図１４−４】本発明の動作モードの水力学的な模式図。
【図１４−５】本発明の動作モードの水力学的な模式図。
【図１４−６】本発明の動作モードの水力学的な模式図。
【図１４−７】本発明の動作モードの水力学的な模式図。
【図１５】本発明のバイオリアクタのヘッドタンク及びサドルタンクの模式図。
【図１６Ａ】図１５のサドルタンクの上面模式図。
【図１６Ｂ】図１５のヘッドタンクの縦断面模式図。
【図１７】本発明の折式サドルタンクシステムのブロック図。
【図１８】本発明の実施態様のベンチテスト装置による膜スループット試験結果を示すグラフ。
【図１９】本発明の実施態様のベンチテスト装置による温度対粘性の試験結果を示すグラフ。
【図２０】本発明の散気装置の縦断面模式図。
【図２１】本発明の散気装置の拡大模式図。
【符号の説明】
【０３１３】
１０    バイオリアクタ
１２    降流チャンネル
１４    昇流チャンネル
１５    ヘッドタンク
１６    ヘッドタンク
１８    混合ゾーン
２０    開口
２２    降流導管
２４    昇流導管
３０    流入導管
３２    流入チャンネル
３４    遮蔽流入ポート
３９    領域
４０    昇流チャンネル
４９    ＤＯプローブ
５０    再循環流レギュレータ
５１    システム制御ユニット
５２    バッフルアクチュエータ
５３    流量センサー
５４    脱気プレート
６０    送気ヘッダ
６２    圧縮空気配管
６４    送気ポート
６６    曝気／固形物抽出配管
６７    汚水溜め
６８    曝気／固形物抽出ポート
６９    ポート
７０    剪断ヘッド
８０    第１リアクタチャンネル
８１    領域
８２    昇流チャンネル
８４    分流機構
８６    垂直バッフル
８８    分流延長配管
９０    破線
１１０    ゾーン２再循環チャンネル
１１２    ゾーン２再循環流量レギュレータ
１２０    固形物−液体分離器
１２２    ゾーン１活性汚泥帰還チャンネル
１２４    ゾーン２活性汚泥帰還チャンネル
１２６    汚泥抽出器
１３０    懸濁メディア
１３２    固定メディア
１３３    バイオフィルター
１３４    紫外線消毒チャンバー
１３５    ヘッドタンク
１３６    配管
１３７    エアリフト流入ポンプ
１３８    膜濾過カートリッジ
１３９    紫外線消毒チャンバー
１４０    ゾーン１再循環ポート
１５０    ゾーン２脱気プレート
１５２    ゾーン２遮蔽再循環ポート
１７０    エアロックバッフル
１７２    エアロック機構
１９０    モデュラー式セクション
１９２    モデュラー式セクション連結器
１９４    放射状のチャンネルパーティション
１９６    外側ケーシング
１９６    内壁
１９７    第２外壁
１９８    導管拡張装置
２００    スプレッダ部品
２０２    スプレッダ部品
２０４    拡張ドライバ
４００    浸漬した透過性膜組立体
４０２    垂直軸
４０５    Ｕ字型容器
４１０    膜
４１１    第１面
４１２    第２面
４１４    分離器膜
４１５    細孔
４２０    第１液体コンパートメント
４２２    第１カラム高
４２３    第１チャンバー垂直軸
４２４    第１液体
４２６    気泡
４３０    第２液体コンパートメント
４３２    第２カラム高
４３３    第２チャンバー垂直軸
４３４    第２液体
４３８    インレット
４５２    水頭差
５００    バイオリアクタ
５０２    ヘッドタンク
５０３    膜バイオリアクタヘッド
５０６    サドルタンク
５１０    浸漬した膜バイオリアクタ組立体
５１１    平板半透性膜
５１２    膜出力配管
５１４    外部マニフォルド
５１６    回収配管
５２６    インフロー
５２８    アウトフロー
５３２    透過液又は浄水
５３８    回収トラフ
５５０    折式サドルタンクシステム
５５６    折式サドルタンク
５５８    液体連通部材
５５９    排気
５６８    インレット
５７０    バルブ
５７１    圧力ゲージ
６００    浸漬膜散気装置
６０１    流体処理コンパートメント
６０２    発泡流体コンパートメント
６０３    静止流体コンパートメント
６１０    膜バンドル
６１１    散気開口
６１２    膜取り付け部材
６１４    チャンバー
６１５    上昇気体気泡捕捉部材
６１５    上昇気泡捕捉部材
６１６    分散部材
６１７    気泡捕捉チャンバー
６１８    気体貯蔵チャンバー
６１９    気泡捕捉開口
６２０    分散対象流体
６２２    気体インレットポート
６２６    上昇気泡
６３２    第１流体
６３４    処理対象流体
６３６    静止流体
６５２    気体カラム
６５４    チャンバー６１７の垂直長さ
６５６    チャンバー６１８の垂直長さ
６５８    インターフェース
【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１４−１】
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【図１４−２】
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【図１４−３】
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【図１４−４】
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【図１４−５】
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【図１４−６】
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【図１４−７】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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