(57)【要約】  嫌気的生分解性成分を有する廃棄物流が嫌気性反応器へ供給され、嫌気的生分解性成分はそこで微生物と反応して、嫌気的生分解性成分を生分解し、バイオマス及びバイオガスを生成させる。嫌気性反応器の選択部分、具体的には反応器の底部及び上部で混合が実施される。相対的に重い固形物は底に沈降し、混合液と混合され、相対的に軽い固形物又は相対的に微細な固形物は嫌気性反応器の上部に浮遊し、そこで混合液と混合される。これにより、嫌気性反応器の上部又は下部の固形物濃度に比べて固形物濃度が相対的に低い嫌気性反応器の中間部分又は中央部分ができる。
2013523450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気的生分解性成分を有する廃棄物流を処理する方法であって、
ａ．前記嫌気的生分解性成分を有する廃棄物流を嫌気性反応器内へ供給する工程と、
ｂ．生分解性成分の量を低減させ、その過程でバイオマス及びバイオガスを生成させるために、前記嫌気性反応器内で前記生分解性成分を嫌気性バイオマスと反応させる工程と、
ｃ．第１の下部混合液ゾーンと、前記第１の下部混合液ゾーンの上の第２の混合液ゾーンと、前記第２の混合液ゾーンの上の第３の混合液ゾーンと、を形成することにより、前記嫌気性反応器内の混合液を層化する工程と、を含み、
前記第１の下部混合液ゾーン内の混合液は相対的に高い濃度の固形物を含み、前記第２のゾーン内の前記混合液は前記第１の下部混合液ゾーン内の前記混合液内の固形物濃度よりも実質的に低い固形物濃度を含み、
ｄ．前記方法は、前記嫌気性反応器内の前記第２の混合液ゾーンから混合液を膜分離ユニットへと導く工程と、当該混合液を透過物流とバイオマスが濃縮された保持物流とに分離する工程と、
ｅ．前記保持物流の少なくとも一部を前記嫌気性反応器へ再循環させる工程と、当該保持物流を前記反応器内の前記混合液と混合する工程と、
ｆ．前記第１の下部混合液ゾーンの前記混合液及び固形物を固形物分離器へ導き、前記第１の下部混合液ゾーンからの前記混合液及び固形物を、より重い固形物流と、バイオマスを含むより軽い固形物流とに分離する工程と、
ｇ．バイオマスを含む前記より軽い固形物流の少なくとも一部を前記固形物分離器から前記嫌気性反応器へ再循環させ、前記より軽い固形物流を、前記嫌気性反応器内の前記混合液と混合する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の下部混合液ゾーン内に混合作用を提供する工程と、前記第１の下部混合液ゾーン内の前記混合液及び固形物を混合する工程と、前記第２のゾーン内の前記混合液を、混合されていない状態、又は前記第２のゾーン内での混合作用が前記第１の下部混合液ゾーン内での前記混合作用よりも実質的に小さい状態に維持する工程と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の混合液ゾーンの上に第３の混合液ゾーンを形成する工程を含み、前記第１の混合液ゾーンと前記第３の混合液ゾーンとの両方が混合され、前記第１の混合液ゾーンには相対的に重い固形物が存在し、前記第３の混合液ゾーンには相対的に軽い固形物が存在することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記固形物分離器がハイドロサイクロンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ある時間間隔の間、前記膜分離ユニットと前記固形物分離器との両方が同時に動作し、前記嫌気性反応器から前記膜分離ユニットへ流れる混合液の１つの流れと、前記嫌気性反応器から前記固形物分離器へ流れる混合液の別の流れとが存在し、前記２つの流れが互いに独立していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の混合液ゾーンが混合されず、前記第２の混合液ゾーン内の前記固形物濃度が、前記第１の混合液ゾーン内の前記固形物濃度又は前記第３の混合液ゾーン内の固形物濃度よりも低いことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記生分解性成分が生分解性固形物を含み、前記方法が、前記生分解性固形物を、前記嫌気性反応器内の嫌気性バイオマスと反応させて、生分解性固形物の量を低減させる工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記混合液を層化する工程が、前記第２の混合液ゾーンの上方に第３の混合液ゾーンを形成する工程を含み、前記第３の混合液ゾーン内の混合液が、前記第２の混合液ゾーン内の前記固形物濃度よりも高い固形物濃度を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記第３の混合液ゾーン内に混合作用を提供する工程と、前記第３の混合液ゾーン内の前記混合液及び固形物を混合する工程とを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記より重い固形物を前記固形物分離器から脱水ユニットへと導く工程と、前記重い固形物を脱水する工程とを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の下混合液ゾーン内に１つ又は複数のミキサが配置されており、前記第３の混合液ゾーン内に１つ又は複数のミキサが配置されている、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の混合液ゾーン内にミキサが配置されておらず、定置洗浄サイクルの頻度を最小限に抑え、同時に前記反応器内の混合液揮発性懸濁固形物のかなり高い濃度を維持することで、前記膜分離ユニットの一部分を形成する膜のファウリングが低減され、長期膜性能が高められ、膜の寿命が延びるように、前記第２の混合液ゾーン内の前記混合液の前記固形物濃度が、前記第１の混合液ゾーン内の前記固形物濃度及び前記第３の混合液ゾーン内の前記固形物濃度よりも低いことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記廃棄物流が溶解性ＣＯＤ及び不溶解性ＣＯＤを含み、前記方法が、溶解性ＣＯＤ及び不溶解性ＣＯＤの量を低減させるように、溶解性ＣＯＤ及び不溶解性ＣＯＤを前記嫌気性反応器内の嫌気性バイオマスと反応させる工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
廃棄物流中の成分を嫌気的に生分解する嫌気性膜型バイオリアクタであって、
ａ．嫌気性反応器であり、嫌気的生分解性成分を有する前記廃棄物流を前記嫌気性反応器内へ導くことを可能にする入口を有し、前記嫌気的生分解性成分を有する前記廃棄物流が前記嫌気性反応器内へ導かれると、その結果として、前記生分解性成分が、前記反応器内の嫌気性バイオマスと反応して、生分解性成分の量を低減させ、前記嫌気性反応器内においてバイオマス及びバイオガスを生成させる嫌気性反応器と、
ｂ．前記嫌気性反応器の下部に混合作用を提供し、前記嫌気性反応器の底の混合液及び相対的に重い固形物を混合する１つ又は複数の第１のミキサと、
ｃ．前記嫌気性反応器の上部に混合作用を提供し、前記嫌気性反応器の前記上部の前記混合液及び相対的に軽い固形物を、前記嫌気性反応器の中間部分の混合液が相対的に低い固形物濃度及びバイオマス濃度を含むように混合する１つ又は複数の第２のミキサと、
ｄ．前記嫌気性反応器の前記中間部分の混合液を膜分離ユニットへ導き、前記混合液を、透過物流とバイオマスが濃縮された保持物流とに分離するための第１のポンプと、
ｅ．前記保持物流を前記嫌気性反応器へ再循環させ、前記保持物流を、前記嫌気性反応器内の混合液と混合するための第１の再循環管路と、
ｆ．前記嫌気性反応器の底部の混合液及び前記相対的に重い固形物の少なくとも一部を固形物分離器へ導き、前記相対的に重い固形物を、２つの流れ、すなわち相対的に重い固形物を含む第１の流れと、相対的に軽い固形物を含む第２の流れとに分離するための第２のポンプと、
ｇ．前記第２の流れの少なくとも一部を前記嫌気性反応器へ再循環させ、前記第２の流れを、前記嫌気性反応器内の前記混合液と混合するための第２の再循環管路と
を備える嫌気性膜型バイオリアクタ。
【請求項１５】
前記嫌気性反応器内で前記混合液を、少なくとも３つのゾーン、すなわち前記混合液が相対的に重い固形物を含む下ゾーンと、前記混合液が相対的に軽い固形物を含む上ゾーンと、前記下ゾーンと前記上ゾーンの間の前記嫌気性反応器内にあって、前記混合液が、前記下ゾーン内の前記混合液中の固形物濃度よりも測定可能なほど低い前記固形物濃度を含む中間ゾーンとに層化するように動作可能である、請求項１４に記載の嫌気性膜型バイオリアクタ。
【請求項１６】
前記嫌気性反応器から前記膜分離ユニットへ混合液を導く混合液供給管路を含み、前記下ゾーン及び前記上ゾーンとは対照的な前記中間ゾーンからの混合液が前記混合液供給管路内へと送り込まれ、前記膜分離ユニットへと導かれる、前記混合液供給管路が前記嫌気性反応器内へ配管されている、請求項１５に記載の嫌気性膜型バイオリアクタ。
【請求項１７】
ａ．前記嫌気性反応器から前記膜分離ユニットへ混合液を導くために前記嫌気性反応器と前記膜分離ユニットの間に接続された混合液供給管路であって、
ｂ．前記膜分離ユニットへ導かれる前記混合液の大部分が前記嫌気性反応器の前記中間部分から来るように、前記混合液供給管路が前記嫌気性反応器に接続されている、混合液供給管路と、
ｃ．前記嫌気性反応器と前記固形物分離器の間に動作可能に接続された混合液／固形物供給管路であって、
ｄ．前記固形物分離器へ供給される前記混合液及び固形物が前記嫌気性反応器の前記下部から来るように、前記混合液／固形物供給管路が前記嫌気性反応器の前記下部に接続されている、混合液／固形物供給管路と
をさらに含む、請求項１４に記載の嫌気性膜型バイオリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解性ＣＯＤ及び不溶解性ＣＯＤを含む生分解性全固形物を有する廃棄物流を処理するための嫌気性膜型バイオリアクタ（ａｎａｅｒｏｂｉｃ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ）に関する。
【発明の概要】
【０００２】
本発明は、嫌気的生分解性固形物を有する廃棄物流を処理するためのシステム及び方法に関する。嫌気性反応器内へ廃棄物流を導き、嫌気性反応器内の嫌気性バイオマスによって生分解性固形物を転化させて、生分解性固形物の量を低減させ、その過程でバイオガス及びバイオマスを生成させる。このシステム及びプロセスは、嫌気性反応器内の混合液（ｍｉｘｅｄ  ｌｉｑｕｏｒ）を、少なくとも３つの異なる混合液ゾーンに層化する。タンクの底に位置する第１のゾーンは、相対的に高い固形物の濃度（以後、固形物濃度）、特に、より重い生体沈澱固形物を含み、第１のゾーンの上方の、タンクの高さの中央に位置する第２のゾーンは、相対的に低い固形物濃度を含み、タンクの頂部の近くに位置する第３のゾーンは、中央ゾーンよりも相対的に高いバイオマス濃度を含み、この固形物は主により軽い固形物からなる。中央ゾーンに層化された混合液を膜分離ユニットへと送り込む。膜分離ユニットは、管形膜、平膜、中空糸膜などの液中膜又は外部膜とすることができる。膜ユニット内は、混合液が、透過物の流れ（以後、透過物流）と保持物の流れ（以後、保持物流）とに分離される場所である。層化は、システムの全体性能を高める。層化の結果、反応器内のより高い固形物濃度が維持され、より濃縮されていない流れが膜分離ユニットへ供給される。時間の経過とともに、層化は、膜システムへの単位エネルギー投入量あたりの可能な最大膜透過流束レート（ｈｉｇｈｅｓｔ  ｐｏｓｓｉｂｌｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｆｌｕｘ  ｒａｔｅ）を高め、付着（ファウリング）を防ぎ又は低減させ、定置洗浄（ｃｌｅａｎ  ｉｎ  ｐｌａｃｅ）（ＣＩＰ）サイクルの回数を最小限に抑えることで膜分離ユニットの膜の寿命を延ばす。より長い固形物滞留時間（ｓｏｌｉｄｓ  ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ）（ＳＲＴ）を維持するために、保持物流は嫌気性反応器へと再循環される。
【０００３】
一実施形態では、全体システム及びプロセスに固形物分離システムが組み込まれている。この場合、固形物を含む混合液を、第１の下ゾーンから、ハイドロサイクロン（ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ）などの固形物分離器へと送り込む。ハイドロサイクロンでは、混合液を２つの流れ、すなわち、沈澱した無機物の大部分を含む、より重い固形物の濃度が相対的に高い第１の流れと、沈澱した無機固形物の濃度が相対的に低く、生物学的固形物の相対濃度がより高い第２の流れとに分離する。より高いＳＲＴを維持するため、この生物学的固形物の相対濃度がより高い流れを嫌気性反応器へ再循環させる。
【０００４】
他の実施形態では、本発明が、嫌気性反応器内の混合液を層化するように動作可能な嫌気性反応器を含む嫌気性膜型バイオリアクタを含む。この実施形態では、嫌気性反応器が、反応器の下部に配置された１つ又は複数のミキサ及び反応器の上部に配置された１つ又は複数のミキサを含む。嫌気性反応器は、反応器の下部に第１の混合液ゾーンを形成し、反応器の上部に第２の混合液ゾーンを形成するように動作可能である。これによって、一般に上ゾーンと下ゾーンの間に中間混合液ゾーンができる。上混合液ゾーン及び下混合液ゾーン内の懸濁した固形物は、対応するそれぞれのゾーン内に配置された１つ又は複数のミキサによって混合される。一実施形態では、中間ゾーンに含まれる混合液の混合の程度が相対的に低い、又は中間ゾーンに含まれる混合液が混合されない。一実施形態では、中間ゾーン内の混合液を膜分離ユニットへと送り込み、膜分離ユニットが、その混合液を、透過物流と保持物流とに分離する。１つの選択肢は、さらなる処理のためにこの保持物流を嫌気性反応器へ戻すことである。
【０００５】
本発明の他の目的及び利点は、以下の説明及び添付図面を検討することによって明瞭かつ明白になる。以下の説明及び添付図面は本発明を単に例示しているに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の嫌気性膜型バイオリアクタ及びプロセスの略図である。
【図２】例示的な膜分離ユニットを示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面、特に図１をさらに参照すると、嫌気性膜型バイオリアクタ（時にＡｎＭＢＲとも呼ばれる）が示されており、嫌気性膜型バイオリアクタは全体が符号１０によって示されている。本明細書で詳細に論じるように、嫌気性膜型バイオリアクタ１０は、嫌気的消化プロセスと膜分離プロセスとを組み合わせたコンパクトな浄化システムである。このシステム及びプロセスは、生分解性の構成物質又は成分を有する廃棄物流を、それらの構成物質を消化し、バイオガス及び新たなバイオマスを生成させることによって処理するのに有効である。嫌気性膜型バイオリアクタ１０は基本的に、嫌気性反応器１２及び膜分離ユニット１４を備える。嫌気性反応器１２からの流出物を膜分離ユニット１４へ導き、膜分離ユニット１４が、嫌気性反応器からの流出物を透過物流と保持物流とに分離する。保持物流は、バイオマスを含む固形物が濃縮されている。濃縮された保持物流を嫌気性反応器へ再循環させ、嫌気性反応器内の混合液と混合する。この再循環の目的は、反応器１２内の混合液懸濁固形物（ｍｉｘｅｄ  ｌｉｑｕｏｒ  ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｓｏｌｉｄｓ）（ＭＬＳＳ）の含量を通常よりも高く維持し、したがってＳＲＴを長くすることである。嫌気性膜型バイオリアクタシステム内におけるＭＬＳＳ濃度の一般的な範囲は、０．１〜６％固形物（ＴＳＳとして１Ｌあたり１，０００〜６０，０００ｍｇ）であろう。
【０００８】
この実施形態では、底ゾーンの混合液をハイドロサイクロンなどの固形物分離器へと送り込むことによって、嫌気性反応器１２から固形物を除去する。固形物分離器は、反応器内で形成された無機沈殿剤を含むより重い固形物を、より高いバイオマス濃度を含むより軽い固形物から分離する。このより高濃度のバイオマス流を嫌気性反応器１２へ再循環させる。保持物（分離されたより重い固形物）は、脱水ユニットでの処理など追加の処理にかけることができる。固形物分離器の目的は、ＳＲＴを維持又は制御し、蓄積された重い無機固形物を反応器１２から除去することである。反応器１２から固形物を除去する方法にはさまざまな方法があることを理解すべきである。固形物は直接に除去することができ、又は、後により詳細に説明するように、反応器１２のあるエリア又はゾーンからハイドロサイクロンなどの固形物分離器へ混合液を導くことによって除去することもできる。他の実施形態では、膜分離ユニット１４の保持物流の一部をハイドロサイクロンなどの固形物分離器へ導くことによって固形物を除去することができる。
【０００９】
本出願の中で使用されている用語「固形物」を説明し又は記述することは有益である。環境システム内の全固形物（ｔｏｔａｌ  ｓｏｌｉｄｓ）（ＴＳ）は、所与の試料中の水を除く全ての構成物質、すなわち溶解性固形物（ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ  ｓｏｌｉｄｓ）（ＴＤＳ）及び懸濁固形物（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｓｏｌｉｄｓ）（ＴＳＳ）と定義される。全固形物の一部は、関連したある化学的酸素要求量（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｏｘｙｇｅｎ  ｄｅｍａｎｄ）（ＣＯＤ）を有する生分解性の固形物、すなわち生分解性の溶解性固形物及び懸濁固形物である。
【００１０】
嫌気性反応器１２は、嫌気性膜型バイオリアクタ１０の一部分を形成している。嫌気性反応器１２は、反応器の底部において機械的な混合を提供し、反応器の上部又は頂部において機械的な混合を提供するように設計されている。好ましい一実施形態では、嫌気性反応器の中間部分又は中央部分においては機械的な混合が提供されず、又は相対的に少ない量の混合しか提供されない。反応器１２内において、形成されたより大きな生体フロック（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｆｌｏｃｋ）及び無機沈殿固形物を含む重い固形物は、反応器の底部へ沈降する傾向を有し、反応器の底部で実施される混合によって、反応器の底部の混合液と混合される。他のより軽い固形物又はより微細な固形物は反応器の上部に浮遊する傾向を有し、反応器の上部で実施される機械的な混合により、反応器の頂部においてこれらの固形物を懸濁状態に維持される。このことは、嫌気性反応器１２内の混合液を３つの異なるゾーンに層化させる傾向を有する。すなわち、反応器の中間部分の固形物濃度は、反応器の底部又は上部の固形物濃度に比べて低い。
【００１１】
嫌気性反応器１２の下流には膜分離ユニット１４がある。嫌気性反応器１２の中間部分又は中間ゾーンの混合液を膜分離ユニット１４へと送り込む。嫌気性反応器１２内の混合液の層化のため、膜分離ユニット１４へと送り込まれる混合液は、相対的に低い固形物濃度を含む。嫌気性反応器１２の中間部分又は中間ゾーン内の混合液が相対的に低い固形物濃度を含むと言うとき、それは、嫌気性反応器のこの部分の固形物濃度が、嫌気性反応器の底部及び最上部の固形物濃度に比べて低いことを意味する。嫌気性反応器１２の中間部分又は中間ゾーンの混合液を膜分離ユニット１４へ導くことには数多くの利点がある。反応器１２内で起こる層化は、全体として、システムの全体性能を高める働きをする。反応器１２内の混合液を層化することによって、反応器内においてより高い固形物濃度が維持され、より濃縮されていない流れが膜分離ユニット１４へ供給される。このことは、膜のファウリングを防ぎ又は低減させ、膜システムへの単位エネルギー投入量あたりの可能な最大膜透過流束レートを高め、定置洗浄（ＣＩＰ）サイクルの回数を最小限に抑えることで、膜分離ユニット１４を構成する膜の寿命を延ばす。膜分離ユニット１４は、その混合液を、相対的に純度が高く、低いＣＯＤ、ＢＯＤ及びＴＳＳ濃度を含む透過物流と、バイオマスを含むより濃縮された固形物を含む保持物流とに分離する。この保持物流を、嫌気性反応器１２へ再循環させ、嫌気性反応器内の混合液と混合する。
【００１２】
本発明はさらに、溶解性ＣＯＤ及び不溶解性ＣＯＤを含む流れを嫌気性膜型バイオリアクタ内で処理する方法を含む。この点に関して、この方法は、溶解性ＣＯＤ及び不溶解性ＣＯＤを有するこの流れを嫌気性反応タンク内へ供給することを含む。その後に、このプロセスは、溶解性ＣＯＤ及び不溶解性ＣＯＤを嫌気性反応器内の嫌気性バイオマスと反応させて、溶解性ＣＯＤ及び不溶解性ＣＯＤの量を低減させ、その過程で、嫌気性反応器内において混合液及びバイオガスを生成させることを含む。混合液中の相対的に重い固形物を混合するため、嫌気性反応器の下部に１つ又は複数のミキサを配置する。混合液中の相対的に軽い固形物を混合するため、一実施形態では、嫌気性反応器の上部にも１つ又は複数のミキサを配置する。これによって、混合液中の固形物濃度が相対的に低い、嫌気性反応器の中間部分又は中間ゾーンができる。嫌気性反応器１２の中間部分の混合液を膜分離ユニット１４へと送り込み、そこで、その混合液を、透過物流と、かなり高いバイオマス濃度を含む保持物流とに分離する。保持物流の少なくとも一部を嫌気性反応器１２へ再循環させる。一実施形態では、この方法がさらに、嫌気性反応器１２の底部の相対的に重い固形物を含む混合液を固形物分離器へと送り込み、バイオマスを含むより軽い固形物からより重い固形物を分離することを含む。最後に、バイオマスを含むより軽い固形物の少なくとも一部を嫌気性反応器へ再循環させる。
【００１３】
上記の議論では、嫌気性膜型バイオリアクタ１０及び廃棄物流を処理するプロセスの概要を示した。次に、嫌気性膜型バイオリアクタ１０の個々の構成要素及び実行されるさまざまなプロセスに注目する。
【００１４】
嫌気性反応器１２の上流には均等化タンク（ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｔａｎｋ）１６が位置する。均等化タンク１６は、１つ又は複数のミキサ１６Ａを含む。図１に示すように、廃棄物流又は供給水流を均等化タンク１６内へ導き、その廃棄物流又は供給水流を、１つ又は複数のミキサ１６Ａによって混合することができる。本明細書に記載されたプロセスに従ってさまざまな廃棄物流を処理することができる。廃棄物流は一般に、嫌気性細菌又は嫌気性バイオマスによって少なくとも部分的に生分解可能な材料又は物質を含む。本明細書に開示されたシステム又はプロセスによって処理することができる廃棄物流の例は、地方自治体の下水処理プラントからの汚泥流、工業用廃水処理施設からの汚泥流、農業活動に由来する廃棄物流、工業活動に由来する高強度（ｈｉｇｈ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）廃棄物流、及び嫌気性反応器内で生物学的に処理可能な他の液体廃水流である。
【００１５】
均等化タンク１６の下流には混合タンク１８が配置されている。混合タンク１８は１つ又は複数のミキサ１８Ａを含む。混合タンク１８には、全体が符号２０で示された１つ又は複数の化学物質注入器が結合されている。化学物質注入器２０は、混合タンク１８内へさまざまな化学物質を注入するように機能し、注入された化学物質は廃棄物流と混合される。廃棄物流の組成、プロセス全体を通じて維持したい条件、及び処理目的に応じて、さまざまな化学物質を混合タンク内へ注入することができる。例えば、プロセス全体を通じてｐＨを制御することが望ましいことがあり、その場合には、ＮａＯＨなどの苛性アルカリを廃棄物流に注入し、混合することができる。希望する場合には、例えばバイオガスの嫌気的生成を最適にするのに必要な無機要素である鉄塩などの他の化学物質を添加することもできる。いくつかの実施形態では混合タンク１８が不要である。その場合、化学物質は、廃棄物流がその中を流れている管路又は導管内へ直接に注入することができる。
【００１６】
混合タンク１８内に含まれる流入物は反応器供給ポンプ２２へ導かれる。反応器供給ポンプ２２はこの廃棄物流を熱交換器２４内へ導く。熱交換器２４は、熱交換器を通過する廃棄物流を加熱するための熱媒体を熱交換器へ供給する熱源２６に動作可能に結合されている。一実施形態では、熱源２６が、嫌気性膜型バイオリアクタ１０によって実行される他のプロセスから独立した熱源である。一実施形態では、入って来る廃棄物流を加熱するための熱を供給するため、このシステムによって生成した透過物を再循環させて熱交換器２４に通すことができる。さらに、後に説明するように、嫌気性反応器１２がバイオガスを生成させ、このバイオガスを熱源２６が利用して、熱交換器２４へ導く熱媒体を加熱することもできる。
【００１７】
廃棄物流は、熱交換器２４から嫌気性反応器１２内へ導かれる。嫌気性反応器１２は、反応器内の嫌気的条件を維持するように設計された閉鎖系である。嫌気性反応器１２はさまざまなサイズ及び容量を有することができる。
【００１８】
嫌気性反応器１２内へ導入された廃棄物流は、反応器内に存在する材料又は物質と混合されて、混合液を形成する。廃棄物流中の生分解性成分は一般に、嫌気性（及び条件的嫌気性）細菌及びメタン生成古細菌を含む嫌気性バイオマスと反応し、反応器内に含まれる生分解性固形物の量を低減させ、その過程で、バイオガス及び追加の生物学的固形物を生成させる。本明細書で使用する用語「混合液」は、限定はされないが、バイオマス、生分解性廃棄物及び非生分解性廃棄物を含む有機固形物と無機固形物の混合物と、水と、バイオガスとを含む。混合液は、反応器内に存在することがあり、又は膜システムからの再循環流として反応器内へ供給されることもある。
【００１９】
嫌気性反応器１２は、混合液を層化するように設計されている。図１に示されているように、より重い固形物は、嫌気性反応器内の１つの領域を占有し、微細な固形物又は軽い固形物は、嫌気性反応器内の他の領域を占有する。さらに、１つの領域では、混合液が、少なくともより重い固形物を相対的に少ない量しか含まず、又は、混合液が、反応器内の他の領域又はエリアに見られる固形物濃度よりも測定可能なほどに低い固形物濃度を含む。より具体的には、反応器１２が、固形物を次のように層化するように設計されている。相対的に重くより大きな固形物は反応器の底部へ沈降する傾向を有する。相対的に微細な固形物又は相対的に軽い固形物は反応器の頂部に浮遊する傾向を有する。これは、反応器の中間部分又は中央部分４０を、測定可能なほどに固形物がより少ない、又は、少なくとも、嫌気性反応器の底部の固形物濃度よりも測定可能なほどに低い固形物濃度を含むものにする。
【００２０】
嫌気性反応器１２内には一連のミキサが戦略的に配置されている。まず、反応器の底部又は下部に１つ又は複数のミキサ３０が位置する。さらに、反応器１２の頂部又は上部に１つ又は複数のミキサ３２が位置する。したがって、一実施形態では、嫌気性反応器の中間領域又は中央領域にはミキサが配置されていないことが理解される。反応器１２の下部及び上部での混合液の混合は、嫌気的に消化可能な成分と嫌気性バイオマスとの間の反応を改善し、反応を高める。さらに、例えば、反応器の上部での混合は、固形物が、反応器１２の上部に被覆層を形成することを防ぐ。
【００２１】
ミキサ３０及び３２は混合作用を提供し、その結果、嫌気性反応器の底部及び頂部は完全に混合される。さまざまなタイプのミキサを使用することができる。一実施形態では、これらのミキサが、側壁設置ミキサ（ｓｉｄｅｗａｌｌ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｍｉｘｅｒ）と呼ばれるミキサである。これらのミキサは、嫌気性反応器１２の側壁を通って突き出し、ミキサのプロペラ又は混合部分は反応器１２の内部に配置される。反応器の頂部及び底部における混合液の均一な混合を提供するため、ミキサ３０及び３２は一般に等間隔に配置される。機械式ミキサを論じ、図面に示したが、従来の他のタイプの嫌気性反応器ミキサを使用することもできる。例えば、気体の注入、機械的な流れ及び機械式ポンプによって混合を達成することができる。
【００２２】
嫌気性反応器１２内の層化された層の深さ及び正確な位置はさまざまに変更することができる。一例として、嫌気性反応器１２の高さが約５０フィートであるとする。そのような場合には、底部ミキサ３０の中心を、嫌気性反応器の底から約３フィートのところに置くことができる。上部ミキサ３２は、嫌気性反応器の底から約３８フィートのところに中心を置くことができる。この場合には、嫌気性反応器の底から２０から２５フィートの高さに、中間ゾーン又は中央ゾーン４０の少なくとも一部が位置することになるだろう。したがって、この例では、嫌気性反応器１２から膜分離ユニット１４へ混合液を供給する管路５０が、嫌気性反応器の底から２０フィートと２５フィートの間の中間の点の嫌気性反応器１２の壁に配管されることになる。この点で嫌気性反応器から送り込まれる混合液はおそらく、反応器の底に位置する混合液よりも低い固形物濃度を有するであろう。
【００２３】
固形物の消化によってバイオガスが生成する。下混合ゾーン内で生成したバイオガスは反応器の全長に沿って上昇し、中間ゾーンにおいて混合液の穏やかな低剪断混合を提供する。反応器１２は、生物によるバイオガスの生成によって生み出された力によって通過することができ、又は排気ブロワ３４及びバイオガス出口３６を利用することによって強めることができるバイオガス出口を備える。バイオガス出口３６は炎（ｆｌａｒｅ）へ通じ、あるいはボイラ、発電機、又はバイオガスを使用して使用可能なエネルギーを生み出す他の装置へ導くことができる。
【００２４】
当業者には理解されることだが、廃棄物流に含まれる嫌気的生分解性材料は、反応器１２内での反応を通して消化され、そこでは、嫌気性（及び条件的嫌気性）細菌及びメタン生成古細菌が、生分解性材料を、実質的にメタン及び二酸化炭素からなり、硫化水素などのより少量の他の気体成分を含むバイオガスに転化する。本明細書ではこれらの気体成分を一般に「バイオガス」と呼ぶ。バイオガスはさらに、廃棄物流中に存在し又は生分解中に生成する可能性がある少量の水蒸気及びアンモニア並びに他の微量の揮発性化合物を含むことがある。結果として生じるバイオガスの体積パーセントで表した組成は、処理している特定の消化可能な有機物によってさまざまである。反応器１２内で形成されるバイオガス中の好ましいメタン濃度は約５０から約９０体積パーセントである。好ましい二酸化炭素濃度は約５から約４５（体積）パーセントであり、硫化水素濃度は、約２００ｐｐｍ（体積）から約３体積パーセントの範囲にあることがある。
【００２５】
嫌気性反応器１２の下流には膜分離ユニット１４がある。嫌気性反応器１２からの混合液が膜分離ユニット１４へ導かれる。具体的には、混合液は、嫌気性反応器の中間ゾーン又は中央ゾーン４０から抜き取られる。このことは、嫌気性反応器１２から膜分離ユニット１４へ導かれる混合液が、嫌気性反応器１２の底部又は頂部に位置する混合液中に一般的に見られるであろう固形物濃度よりも低い固形物濃度を含むことを意味する。図１に示されているように、嫌気性反応器１２と膜分離ユニット１４の間には管路５０が動作可能に相互接続されており、管路５０は、反応器から膜分離ユニットへ混合液を導き又は運ぶ役目を果たす。管路５０内には膜供給ポンプ５２が動作可能に接続されている。ポンプ５２は、管路５０を通して反応器１２から膜分離ユニットへ混合液を導く。この膜供給ポンプは、膜分離ユニットへのベースライン圧力を提供する。一実施形態では、膜供給ポンプの代わりに流量制御弁が使用され、その場合には、反応器内の液面によって生み出される重力が膜分離ユニットへの必要なベースライン圧力を提供する。膜分離ユニット１４は、膜モジュール、ポンプ５４として示された膜再循環ポンプ及び必要な膜性能制御機構を含む、連続的に再循環する水流ループである。膜再循環ポンプ５４は、膜分離ユニット１４を回る恒常的再循環ループに沿って混合液を導いて、必要なクロスフロー（交差流）速度を提供する。
【００２６】
膜分離ユニット１４は基本的に、混合液を、２つの流れ、すなわち膜分離ユニット１４から透過物管路６０を通して導かれる透過物流と、膜分離ユニットから保持物管路６２を通して導かれる保持物流とに濾別し又は分離する。保持物管路６２は、膜供給ポンプ５４のすぐ上流で保持物流を管路５０へ再循環させるため、保持物管路６２も再循環管路であることに留意されたい。保持物管路６２は、膜供給ポンプ５４が、膜分離ユニットを通して保持物流を連続的に再循環させることを可能にする。
【００２７】
保持物流の少なくとも一部を嫌気性反応器１２へ戻し、嫌気性反応器１２内の混合液と混合する。保持物流の一部を嫌気性反応器１２へ戻すため、戻り管路６４が提供されている。したがって、前述のとおり、再循環管路６２から保持物流の一部を取り出し、反応器再循環ポンプ６６を介して嫌気性反応器１２へ戻す。一実施形態では、ポンプ６６の代わりに流量制御弁が使用され、混合液を反応器へ戻すのに必要な力は膜供給ポンプ、すなわちポンプ５２によって提供される。
【００２８】
膜分離ユニット１４は、全ての懸濁固形物又は実質的に全ての懸濁固形物を保持し、したがって、全ての懸濁固形物又は実質的に全ての懸濁固形物が嫌気性反応器へ再び戻される。さまざまなタイプの膜分離ユニット１４を使用することができる。
【００２９】
図２を参照すると、例示的な膜分離ユニット１４の略図が示されている。当業者には、従来のさまざまなタイプの膜濾過装置を使用することができることが理解される。図２は、嫌気性膜型バイオリアクタ１０の一部として使用することができる例示的な１つの膜濾過ユニットを示す。図２に示した膜濾過ユニット１４の場合には、膜が嫌気性反応器１２の外側に位置するため、膜濾過ユニット１４はサイドストリームシステムである。例示的な膜濾過ユニット１４内には、一連のクロスフロー膜モジュール１４Ａが配置されている。膜モジュール１４Ａの数は、供給水の組成及び処理目的に応じて変更することができる。この例では膜モジュール１４Ａが直列に接続されている。膜モジュール１４Ａはそれぞれ細長いハウジングを含み、ハウジングの中には管形の膜が入っている。前述のとおり、この例の膜は、それぞれの膜モジュール１４Ａのハウジングの中を縦に延びる管形膜である。反応器１２からの流出物は、加圧下で個々の管形膜内へ導かれる。嫌気性反応器１２からの供給液又は混合液が個々の膜を通過すると透過物が生じ、その透過物は、供給液に対してクロスフロー方向に外側へ流れる。それぞれの膜モジュール１４Ａ内の透過物は集められ、それぞれの膜モジュール１４Ａに提供された透過物出口１４Ｃを通して外へ導かれる。保持物は、それぞれのモジュール１４Ａの一端に配置された保持物出口１４Ｂを通して外へ導かれる。対応する保持物出口と保持物入口はそれぞれ接続管路１４Ｅによって相互接続されている。接続管路１４Ｅによって、１つの膜モジュール１４Ａからの保持物を下流の別の膜モジュール１４Ａ内へ導くことができる。したがって、図２に示されているように、対応するそれぞれの膜モジュール１４Ａは、単一の膜モジュール１４Ａ又は接続された一連の膜モジュール１４Ａを通して保持物が線形に流れるように、直列に接続された単一のユニット又は複数のユニットである。
【００３０】
最後の膜モジュール１４Ａを出た保持物は、図１に示した保持物管路６２に接続された最終出口管路１４Ｆ内へ導かれる。これによって、保持物を、膜濾過ユニット１４の入口又は反応器１２へ再循環させることができる。一実施形態では、膜濾過ユニット１４から膜濾過ユニットの入口へ、かなりの量の保持物を再循環させる。
【００３１】
さらに、最終出口管路１４Ｆは、定置洗浄（ＣｌＰ）ユニット９２へ通じる洗浄管路９０に連通するように接続されている。定置洗浄ユニット９２は、膜濾過ユニット１４を構成するそれぞれの膜を逆洗（ｂａｃｋｗａｓｈ）することにより、膜濾過ユニット１４を定期的に又は折々に洗浄するように動作するシステム又はユニットである。さまざまな膜洗浄システムを使用することができる。この例では、定置洗浄ユニット９２が、膜濾過ユニット１４からの保持物又は保持物を利用して、膜濾過ユニットのそれぞれの膜を逆洗及び洗浄するように設計されている。このようなシステム又はユニット及びそれらが動作する方法は当業者によく知られており理解されているため、定置洗浄ユニット９２の詳細はここでは詳細には取り扱わない。
【００３２】
嫌気性膜型バイオリアクタ１０はさらに、嫌気性反応器１２から固形物を除去するシステム及びプロセスを含む。より具体的には、ハイドロサイクロン分離器などの固形物分離器７４を含む固形物分離プロセスがある。この固形物分離器は、相対的に高い無機沈殿剤比率を含む重い固形物を、相対的に高いバイオマス濃度を含むより軽い固形物から優先的に分離するように設計されている。前述のとおり、嫌気性反応器１２から固形物を除去するのはＳＲＴを維持又は制御するためである。さらに、嫌気性反応器１２内にかなりの量の重い無機固形物が蓄積することがあり、それらの固形物は、嫌気性反応器から固形物分離器へそれらを導くことによって除去することができる。いずれにせよ、嫌気性膜型バイオリアクタ１０から固形物を除去するさまざまな方法が存在する。例えば、一実施形態では、従来どおり、嫌気性反応器１２から固形物を単純に廃棄することができる。別の例では、膜分離ユニットを出た保持物流から固形物を除去することができる。その場合には、選択された量又は制御された量の保持物流を固形物分離器へ導くことができる。本明細書に示したこの実施形態では、嫌気性反応器１２の下部から固形物分離器へと固形物を送り込む。図示されたこの例の場合には固形物分離器がハイドロサイクロン７４であ。この点に関して、嫌気性反応器１２には管路７０が動作可能に接続されており、管路７０はポンプ７２を含む。管路７０及びポンプ７２は、固形物を含む混合液を固形物分離器へ導くように固形物分離器７４に動作可能に接続されている。管路７０は、反応器１２の底部から混合液が引き出されるように反応器１２に接続されていることに留意されたい。上で説明したとおり、反応器１２の底部は、より重い固形物が含まれる場所である。いずれにせよ、混合液は、反応器１２の底部から管路７０を通って固形物分離器７４内へと送り込まれる。固形物分離器７４は、事実上より重い固形物を含むアンダーフローと、事実上アンダーフローよりも軽い固形物を含むオーバーフローとを生み出す。オーバーフローは、オーバーフロー管路７８を通って嫌気性反応器１２へと送り込まれ又は供給され、そこで嫌気性反応器１２内の混合液と混合される。固形物分離器又はハイドロサイクロン７４によって生み出されたアンダーフロー又はより重い固形物は、さらなる処理のためにアンダーフロー管路７６を通して導かれる。例えば、アンダーフロー中の生み出されたより重い固形物を脱水ユニットへ導いて脱水し、さらに濃縮することができる。
【００３３】
固形物分離器７４に関して上で説明した固形物除去プロセスは、膜分離ユニット１４と並列に実施することができる。ある場合には、反応器１２からの混合液を膜分離ユニット１４が濾過している間に、固形物除去プロセスを連続的に実施することができる。別の場合には、選択されたＳＲＴを維持するために、固形物除去プロセスを断続的に実施することができる。ＳＲＴは、状況及び条件に応じて変更することができる。本明細書に示し論じた実施形態に対するＳＲＴは約１５日から約８０日の範囲とすることができることが企図される。
【００３４】
固形物分離器７４は本発明の必須の構成要素ではない。固形物分離器７４が必要ない状況もある。より具体的には、嫌気性反応器１２の底部から固形物を除去する固形物分離器７４及びプロセスは、流入物流又は供給水流が、本発明のプロセスにおいて処理を受けたときに沈殿する溶解性固形物をかなりの量含むときに有用である。一部の供給水流は、沈殿する溶解性固形物をあまり含んでおらず、その場合には、本発明のプロセスにおいて、固形物分離器７４を利用する固形物分離プロセスが必要でないことがある。
【００３５】
嫌気性反応器及び嫌気的消化プロセスをより詳細に理解するためには、米国特許出願公開第２００２／０１９２８０９号及び米国特許出願公開第２００８／０３０２７２１号の開示を参照されたい。これらの文献の開示は参照によって本明細書に明白に組み込まれている。
【００３６】
当然ながら、本発明は、本発明の必須の特徴から逸脱することなく、本明細書に具体的に記載された方法以外の方法で実施することができる。本発明の実施形態は、あらゆる点で例示的であり、非限定的であるとみなされ、添付の特許請求項の意味及び等価の範囲に含まれる全ての変更は、特許請求の範囲に包含されることが意図されている。
【図１】
2013523450.tif 000003
【図２】
2013523450.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月11日(2012.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気的生分解性成分を有する廃棄物流を処理する方法であって、
ａ．前記嫌気的生分解性成分を有する廃棄物流を嫌気性反応器内へ供給する工程と、
ｂ．生分解性成分の量を低減させ、その過程でバイオマス及びバイオガスを生成させるために、前記嫌気性反応器内で前記生分解性成分を嫌気性バイオマスと反応させる工程と、
ｃ．第１の下部混合液ゾーンと、前記第１の下部混合液ゾーンの上の第２の混合液ゾーンと、前記第２の混合液ゾーンの上の第３の混合液ゾーンと、を形成することにより、前記嫌気性反応器内の混合液を３つの混合液ゾーンへと層化する工程と、を含み、
前記第１の下部混合液ゾーン内の混合液は相対的に重い固形物を含み、前記第２の混合液ゾーン内の前記混合液は前記第１の下部混合液ゾーン内の固形物濃度よりも実質的に低い固形物濃度を含み、前記第３の混合液ゾーンは相対的に軽い固形物を含み、
ｄ．前記方法は、前記嫌気性反応器内の前記第２の混合液ゾーンから混合液を膜分離ユニットへと導く工程と、当該混合液を透過物流と保持物流とに分離する工程と、
ｅ．前記保持物流の少なくとも一部を前記嫌気性反応器へ再循環させる工程と、当該保持物流を前記嫌気性反応器内の前記混合液と混合する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の下部混合液ゾーンから前記混合液を固形物分離器へと導く工程と、前記第１の下部混合液ゾーンからの前記混合液を、より重い固形物流と、バイオマスを含むより軽い固形物流と、に分離する工程とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の下部混合液ゾーン内で前記混合液を混合する工程と、前記第３の混合液ゾーン内で前記混合液を混合する工程とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１及び第３の混合液ゾーン内における混合作用が前記第２の混合液ゾーン内における混合作用よりも大きく、前記第２の混合液ゾーン内においては前記混合液が略混合されないことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記嫌気性反応器の下部に、前記第１の下部混合液ゾーン内において前記混合液を混合する１以上のミキサを設ける工程と、前記嫌気性反応器の上部に、前記第３の混合液ゾーン内において前記混合液を混合する１以上のミキサを設ける工程とを含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
廃棄物流中の成分を嫌気的に生分解する嫌気性膜型バイオリアクタであって、
ａ．嫌気性反応器であって、嫌気的生分解性成分を有する前記廃棄物流を前記嫌気性反応器内へと導き、その結果として生分解性成分の量を低減させかつ前記嫌気性反応器内においてバイオマス及びバイオガスを生成させるように、前記生分解性成分が前記反応器内の嫌気性バイオマスと反応することを可能とする入口を有する嫌気性反応器と、
ｂ．前記嫌気性反応器の下部における混合作用を提供し、前記嫌気性反応器の底の混合液及び相対的に重い固形物を混合する１つ又は複数の第１のミキサと、
ｃ．前記嫌気性反応器の上部における混合作用を提供し、前記嫌気性反応器の中間部分の混合液が相対的に低い固形物濃度及びバイオマス濃度を含むように、前記嫌気性反応器の前記上部の前記混合液及び相対的に軽い固形物を混合する１つ又は複数の第２のミキサと、
ｄ．前記嫌気性反応器の前記中間部分から混合液を膜分離ユニットへと送り込み、透過物流と、前記バイオマスが濃縮された保持物流と、に前記混合液を分離する第１のポンプと、
ｅ．前記保持物流を前記嫌気性反応器へ再循環させ、前記保持物流を前記嫌気性反応器内の混合液と混合するための第１の再循環管路と、
ｆ．前記嫌気性反応器の底部から混合液及び前記相対的に重い固形物の少なくとも一部を固形物分離器へと送り込み、前記相対的に重い固形物を、相対的に重い固形物を含む第１の流れと相対的に軽い固形物を含む第２の流れとの２つの流れに分離する第２のポンプと、
ｇ．前記第２の流れの少なくとも一部を前記嫌気性反応器へ再循環させ、前記第２の流れを、前記嫌気性反応器内の前記混合液と混合するための第２の再循環管路と
を備える嫌気性膜型バイオリアクタ。
【請求項７】
前記嫌気性反応器内において、前記混合液が相対的に重い固形物を含む下部ゾーンと、前記混合液が相対的に軽い固形物を含む上部ゾーンと、前記混合液が前記下部ゾーン内の前記混合液中の固形物濃度よりも測定可能なほどに低い固形物濃度を含む、前記嫌気性反応器内の前記下部ゾーンと前記上部ゾーンの間にある中間ゾーンと、である少なくとも３つのゾーンへと前記混合液を層化するように動作する、請求項６に記載の嫌気性膜型バイオリアクタ。
【請求項８】
前記嫌気性反応器から前記膜分離ユニットへと混合液を導く混合液供給管路を含み、
前記下部ゾーン及び前記上部ゾーンとは対照的に、前記中間ゾーンからの混合液が前記混合液供給管路内へと送り込まれて前記膜分離ユニットへと導かれるように、前記混合液供給管路が前記嫌気性反応器内へ配管されていることを特徴とする、請求項７に記載の嫌気性膜型バイオリアクタ。
【請求項９】
ａ．前記嫌気性反応器から前記膜分離ユニットへと混合液を導くように前記嫌気性反応器と前記膜分離ユニットとの間に接続された混合液供給管路をさらに含み、
ｂ．前記混合液供給管路は、前記膜分離ユニットへと導かれる前記混合液の大部分が前記嫌気性反応器の前記中間部分から来るように前記嫌気性反応器に接続されており、
ｃ．前記嫌気性反応器と前記固形物分離器の間に動作可能に接続された、混合液及び固形物供給管路をさらに含み、
ｄ．前記混合液及び固形物供給管路は、前記固形物分離器へ供給される前記混合液及び固形物が前記嫌気性反応器の前記下部から来るように前記嫌気性反応器の前記下部に接続されている
ことを特徴とする、請求項６に記載の嫌気性膜型バイオリアクタ。
【国際調査報告】
2013523450.tif 000005