(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物膜の成長用の担体要素（１０；２０）であって、前記担体要素（１０；２０）は、浄化される液体中で自由に流れるように設計され、生物膜成長用の保護表面（１３）で成長するよう意図されている生物膜の所望の厚さに対応する高さを有する畝部（４）によって、浄化される液体を含む容器での他の担体要素または表面からの摩耗から保護される生物膜成長用の表面（１３）を有し、
前記担体要素（１０；２０）は、それぞれの側にパターンを有するプレート（１０）の形態であり、前記パターンが、生物膜成長を保護する明確なくぼみを形成し、前記くぼみの深さが、前記保護生物膜の厚さを定め、
生物膜成長用の畝部間の表面（１３）領域と、畝部の側部領域と、の比は、１：１から２０：１の範囲にあり、
保護表面（１３）で成長するよう意図されている生物膜の所望の厚さに対応する、畝部（４）の高さは、０．０５‐１．０ｍｍの区間内にある、担体要素。
【請求項２】
請求項１に記載の担体要素（１０；２０）であって、保護表面（１３）で成長するよう意図されている生物膜の所望の厚さに対応する、畝部（４）の高さは、０．１‐０．５ｍｍの区間内にある、担体要素。
【請求項３】
請求項１に記載の担体要素（１０；２０）であって、保護表面（１３）で成長するよう意図されている生物膜の所望の厚さに対応する、畝部（４）の高さは、０．１５‐０．４５ｍｍの区間内にある、担体要素。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の担体要素（１０；２０）であって、前記プレートは、円形または楕円形である、担体要素。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の担体要素（１０；２０）であって、前記プレートは、サドル形である、担体要素。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の担体要素（１０；２０）であって、前記パターンは、正方形または長方形のくぼみを有するグリッドの形状である、担体要素。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の担体要素（１０；２０）であって、前記パターンは、六角形のくぼみを有するハニカムの形状である、担体要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物膜の成長用の担体要素に関し、前記の担体要素は、浄化される液体中で自由に流れるように設計され、浄化される液体を含む容器での他の担体要素または表面からの摩耗から保護される生物膜成長用の表面を有する。
【背景技術】
【０００２】
水または廃水の生物学的処理では、水が、ある種の反応器またはいくつかの反応器（容器または別の空間）を流れ、微生物が、水中で汚染物質を二酸化炭素および水などの無害な最終生成物に変換するのに利用されることが、知られている。処理は、空気の供給下で（好気的に）または空気の供給なしで（嫌気的に）または空気の供給はないが大量の硝酸塩の存在下で（無酸素的に）、行うことができる。処理方法の効率を高めるために、方法で活性微生物の高含量を、そのような生物が処理済み水と共に逃げるのを防ぐことによって、目指すのが一般的であり、微生物が反応器で浮遊して成長するようにし、反応器の後の分離段階で水からそれらを分離し、微生物を反応器に戻すことによって（例えば活性スラッジ法）、あるいは、ある種の支持材を方法に導入し、その表面で微生物が生物膜として成長でき、従って方法で保たれることによって（生物膜法）、である。ハイブリッド法と称される、これらの２つの方法の種類の混合もあり、支持材が活性スラッジ法に導入され、浮遊微生物および微生物を育てる生物膜が方法で利用可能になっている。
【０００３】
生物膜法は、活性スラッジ法に比べていくつかの利点を有する。例えば、より高い負荷を適用でき、生物膜法は、実質的に変動および外乱による影響が出にくい。従来の生物膜法の多くは、処理反応器での担体材料の充填に基づき、前記の材料は、充填体またはブロックを備え、それらは方法で固定して維持されて不動である。方法のこれらの実施形態は、バイオマスまたは別の粒状物質による生物膜床の目詰まりおよび方法でのデッドゾーンの形成のリスクを伴い、その場合、水と活性微生物との間の接触は、不十分である。
【０００４】
この２０年間で非常に成功してきた、生物膜法の別の種類では、浮遊状態で動いて保たれる担体材料は、ＭＢＢＲ法（すなわち“Ｍｏｖｉｎｇ  Ｂｅｄ  Ｂｉｏｆｉｌｍ  Ｒｅａｃｔｏｒ”）と称される方法で利用される。成長する微生物を有する担体材料は、担体材料が通り抜けることができないほど小さい開口直径またはスロット幅を有するろ過器（ふるいまたはグリッド）を、出ていく水が通ることで、方法で維持される。この種の方法の利点は、とりわけ、その床の目詰まりおよびデッドゾーンの形成のリスクが取り除かれることである。
【０００５】
方法で浮遊状態で動いて保たれる担体材料の使用は、異なるハイブリッド法用途でもともと報告された、すなわち、浮遊担体が活性スラッジ法にその機能を高めるために供給された。このために使用されてきた担体は、発泡ゴム片（特許文献１）、異なる種類の円筒形充填体（Ｂｕｎｄｅｓｍｉｎｉｓｔｅｒｉｕｍ  ｆｕｅｒ  Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ  ｕｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ，“Ｅｉｎｓａｔｚ  ｖｏｎ  Ｓｃｈｗｅｂｅｋｏｅｒｐｅｒ  ｚｕｒ  Ｅｒｈｏｅｈｕｎｇ  ｄｅｒ．．”Ｄｒ．Ｄ．Ｄｅｎｇｌｅｒ，Ｈ．Ｌａｎｇ，Ａ．Ｂａｕｍによる，Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｂｅｒｉｃｈｔ  ０２  ＷＡ  ８５３８，１９８８年１月，ページ１２および１３）、内壁を有する半球体を含む担体（特許文献２）、“ヘッジホッグ様”担体、有孔球体、および交差プレート（特許文献３）、を含む。
【０００６】
特許文献４は、特許文献１の発泡ゴム片に関する別の実施形態を開示している。発泡プラスチックの薄いフレークが使用され、それは、担体の無作為に作られた細孔に保護表面領域を提供する。
【０００７】
ＭＢＢＲ法の担体は、互いとのおよび反応器の他の表面との度重なる衝突にさらされ、他の担体または反応器の他の表面にさらされる表面は、生物膜成長からきれいに保たれる。方法の効率は、従って衝突から保護される領域によってかなり決まり、例えば担体の内部通路または区画である。
【０００８】
ＭＢＢＲ担体の別の実施形態は、特許文献５に開示され、それは、担体が使用される水の生物学的処理の方法に関し、担体は、プレートから突き出る突起を含むプレート状本体であり、前記の突起は、互いに分離し、突起および本体自体は、どちらも保護表面領域を提供する。この実施形態は、担体が近づけて積み重ねられるときに水が本体と突起との間で依然として動くことができるので、物質移動の利点を与えると主張されている。
【０００９】
特許文献６は、ＭＢＢＲ法に多分適している担体要素を開示している。担体要素は、気泡を保持する能力に関して優れた特性を有すると言われており、曝気工程がより効率的であることを意味する。
【００１０】
特許文献７は、例えば廃水の処理に使用できる「放射状流生物反応器」を開示している。その図１３‐１５では、所望の厚さを有する生物膜を可能にする成長領域を呈する担体要素の異なる実施形態が、示されている。しかしながら、これらの担体要素が自由流れ担体要素として使用できる可能性は、非常に少ない。いずれにしても、それらは極めて非効率的である。保護領域は、担体要素の表面積の領域の５０％未満になるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】欧州特許第０１４２１２３号
【特許文献２】独国特許第３０１７４３９号
【特許文献３】欧州特許第００５８９７４号
【特許文献４】国際公開第９６／１０５４２号
【特許文献５】仏国特許第０８５０４７８号
【特許文献６】欧州特許第１４３１２５２号
【特許文献７】国際公開第００／１５５６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
水処理用の全ての公知の担体に関する１つの問題は、それらが、生物活性微生物層の厚さの実質的に無制限の成長を許容することである。これは、嫌気性になるように設計されている環境であっても、制限された流れおよび／または生物膜の嫌気性域に関連する問題につながることがある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記および他の問題は、生物膜成長用の表面と、マイクロフィルム成長用の表面を保護する畝部の領域と、の比が、１：１から２０：１の範囲にある、担体要素を提供することによって、解決または少なくとも緩和される。
【００１４】
制御された生物膜厚さを得るために、畝部の高さは、保護表面で成長するよう意図されている生物膜の所望の厚さに対応してよい。
【００１５】
畝部の高さが、０．０５‐１．０ｍｍの区間内、好ましくは０．１‐０．５ｍｍ、最も好ましくは０．１５‐０．４５ｍｍであり得ることが実験によって示されている。
【００１６】
本発明の一実施形態では、前記の担体要素は、それぞれの側にグリッドを有するプレートの形態であってよく、前記のグリッドが、生物膜成長を保護する明確なくぼみを形成し、前記のくぼみの深さが、前記の保護生物膜の厚さを定める。
【００１７】
鋭いエッジを回避するために、前記のプレートは、円形または楕円形であってよい。
【００１８】
通気をよくするために、前記のプレートは、サドル形であってよい。
【００１９】
本発明の一実施形態では、前記のパターンは、正方形または長方形のくぼみを有するグリッドの形状であってよい。
【００２０】
本発明の別の実施形態では、前記のパターンは、六角形のくぼみを有するハニカムの形状であってよい。
【００２１】
本発明のなお別の実施形態では、担体要素は、縦内部流路を有する外形の形状であってよい、
縦内部流路は、内部流路壁から縦内部流路の中央に向かって延びる多数の縦保持壁を含む、
縦溝は、縦保持壁間に形成される、
棒状クリーニング要素は、縦内部流路の中央に入ることができる、
前記の棒状クリーニング要素は、前記の縦溝に入ることができない、
縦溝は、縦内部流路壁に沿って生物膜成長を保護する、
縦内部流路壁に沿った保護生物膜厚さは、縦保持壁の高さによって決定される。
【００２２】
棒状クリーニング要素が、担体要素の一部または全部に、担体要素の周辺に沿って配置されてよい。
【００２３】
棒状クリーニング要素は、担体要素とは違う反応器の構造に設けられてもよく、例えば反応器内のブラシ状構造の形状である。
【００２４】
担体要素は、任意の形状（例えば六角形、四角形または円形）であってよい。
【００２５】
本発明が有するこれらのおよび他の様相、特徴および利点は、本発明の実施形態の以下の説明から明白および明瞭になり、添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に従った六角形担体要素を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の第２実施形態に従った六角形担体要素を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の第３実施形態に従った六角形担体要素を示す概略斜視図である。
【図４】本発明の第４実施形態に従った六角形担体要素を示す概略斜視図である。
【図５】本発明の第５実施形態に従った六角形担体要素を示す概略斜視図である。
【図６】本発明の第６実施形態に従った平らで丸い担体要素を示す概略斜視図である。
【図７】本発明の第７実施形態に従ったサドル形担体要素を示す概略斜視図である。
【図８】アーチ形生物膜表面層を含む担体要素を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の第１実施形態は、図１に示され、微生物の生物学的に活性な層の成長を可能にする担体要素１に関する。担体要素１は、多数の貫通孔２を備え、それぞれの貫通孔２は、貫通孔２の長さに沿って延びる壁３および畝部４によって画定される。貫通孔２およびその畝部４は、畝部４によって定められる領域内に収まる直径を有する棒状構造（図示せず）によって掃除されるように配置される。示されている実施形態では、貫通孔２は、六角形に形作られて配置されているが、他の配置も本発明の範囲内で可能である。
【００２８】
棒状クリーニング要素および穴の畝部を有する配置は、穴の中で成長する微生物膜が、その厚さに関して限定されるという効果を有する。
【００２９】
図２は、図１の実施形態と類似している実施形態を示すが、しかしながら、図１の貫通孔に対応する形状を有する穴が設けられている２つの同一の要素間に隔壁を有する。
【００３０】
図３は、図１および２の実施形態と類似している実施形態を示すが、しかしながら、担体１の外表面から延びる棒状クリーニング要素５を含む。
【００３１】
図４は、図２の実施形態と類似している実施形態を示すが、しかしながら、担体１の外表面から延びる棒状クリーニング要素５を含む。
【００３２】
図５は、６つの棒状クリーニング要素５を有するなお別の実施形態を示す。
【００３３】
動作中、要素は辺りを漂い、反応器の他の要素および表面（図示せず）と接触する。貫通孔の内表面は、摩耗から保護されるが、しかしながら、畝部４によって定められる領域内に収まる直径を有する、実施形態３‐５に記載されている棒状クリーニング要素５は、貫通孔の中央で生物膜を掻き出すことができ、貫通孔２の長さに沿って延びる畝部４の高さによって定められる厚さを有する保護生物膜層を残す。
【００３４】
要素１は、例えばポリエチレン・プラスチックまたはポリプロピレン・プラスチックから押出または射出成形によって製造でき、それらは、２‐２０ｍｍの厚さ、１０‐５０ｍｍの直径、２‐５ｍｍの貫通孔直径を有してよく、畝部は、貫通孔の内表面から０．１‐０．５ｍｍ延びてよい。棒状クリーニング要素５は、好ましくは、それが穴に入れるような直径を有する、すなわち、その直径が、畝部４の高さによって差し引かれる穴直径よりも小さい。その長さは、好ましくは、担体の厚さの半分よりもいくらか大きい。
【００３５】
実施形態２，３および６に記載されている要素１は、穴の底に隔壁上で小突起（図示せず）を有することができる。この小突起は、穴の隔壁から０．１‐０．５ｍｍ延びてよく、畝部の高さによって差し引かれる穴直径よりも小さい直径を有する。穴の隔壁表面は、棒状クリーニング要素５からの摩耗から保護され、小突起の高さによって定められる厚さを有する保護生物膜層を残す。
【００３６】
この結果として、穴内で成長する生物膜は、限られた厚さを有し、それによって生物膜の嫌気性部分を回避する。
【００３７】
図６では、本発明の別の実施形態に従った担体１０が示されている。担体１０は、円板状体１１の全領域にわたって広がる畝部４のグリッド１２を備えている円板状体１１を備える。グリッド１２の畝部４は、そこで成長する生物膜の所望の厚さに対応する円板状体１１にわたる高さを有する。円板状体が、鋭い隅角部を回避する形状、すなわち円形または楕円形、を有するべきであることに注意すべきである。鋭い隅角部は、円板状体から生物膜を、畝部４のグリッド１２によって保護されるとしても、削り落とすからである。
【００３８】
動作中、この実施形態による多くの担体は、反応器で自由に動き、その表面で成長する生物膜が、削り落とされる。しかしながら、グリッド１２の提供および鋭い隅角部がないという事実のために、グリッド１２の畝部４間の領域１３は、損耗から保護される。しかしながら、生物膜厚さが大きすぎると、余剰分は削り落とされる。従って、生物膜厚さを効果的に制御できる。
【００３９】
図７では、担体２０が示され、担体２０は、図６の担体１０と実質的に同一であるが、しかしながら、サドル状構成に形成されている。この構成は、通気性の観点から良好に機能することが示されている。
【００４０】
図８は、円板状体１１担体のグリッド１２の畝部４間の生物膜表面が、平角で削り落とされていない場合を示している。２つの担体要素１０が削り合ったとき、円板状体１１の円または楕円の形状は、それに応じてアーチ形生物膜表面１４形状をグリッド１２の畝部４間に残すことができる。そのようなアーチ形表面１４の形状は、円板状体の直径およびグリッド１２密度によって決まる。
【００４１】
担体１０および２０は、射出成形によって製造されてよい。それらは、１０‐５０ｍｍの直径、５‐１０ｍｍのグリッド１２密度、および０．０５‐１．０ｍｍの畝部４高さを有してよい。本体の厚さは、好ましくは、その強度に関して可能な限り薄い。別の製造方法は、プラスチックのプレートをローラーで延ばすことであってよく、その表面に畝部４が形成され、その後ローラーで押しつぶしたプレートから所望の形状および寸法の担体を打ち抜くようになっている。
【００４２】
生物膜成長用の表面領域は、主に担体要素の壁３または領域１３である。畝部４およびグリッド１２は、同様のまたはより小さい生物膜成長領域を構成し、主に保護し、生物膜の厚さを定める。
【００４３】
担体要素１および１０および２０の畝部４と比べた保護表面３および１３間の生物膜成長領域の比は、１：１から２０：１の範囲にある。
【００４４】
それらは生物学的廃水処理を推進する機関であるので、生物反応器の微生物の量および質を注意深く監視することが極めて重要である。
【００４５】
ＭＢＢＲ法および担体要素の前の発展は、担体材料によって提供される保護表面に専ら焦点を合わせられており、生物膜が大きな厚さを有するときに、担体要素が、生物膜への物質移行を増加させるようにどのように形成されるべきであるかに、ある程度焦点を合わせられている。
【００４６】
全ての従来技術の担体およびＭＢＢＲ法の主な制限は、生物膜の厚さが、物質移動が生物膜にわたって有効である範囲に制御されず、従って生物膜の外側部分だけが所望の反応のために利用することである。
【００４７】
生物膜が担体要素上で厚く成長するとき、周囲にさらされる生物膜の有効範囲は減少し、バイオマスの大部分を所望の反応に関して不活性にし、ＭＢＢＲ法効率が低下する。方法は、従って生物膜がどのように発育するかに応じて変化する有効性を呈することができ、支持要素の生物膜の完全な進界成長は、効率の大幅な低下をもたらす。厚い生物膜のために、ＭＢＢＲ法に反対する反応が、さらに生物膜で起きることがあり、例えば硫化水素への硫酸塩の還元である。これらの問題はよく知られているが、それらを制御する解決策は存在していない。
【００４８】
不活性担体要素の過成長が激しくなるとき、異なる種類の洗浄装置が、担体から生物膜を機械的に払い落とすのに使用されている。個々の担体要素について、しかしながら、クリーニングの結果はランダムであり、生物膜は、最適な厚さに制御されない。本発明は、ＭＢＢＲ法での生物膜の厚さを、予め定めることができ、所望の反応に最適な範囲に維持できる、担体要素に関する。
【００４９】
担体要素が他の担体要素または方法での他の表面に対して動くときに生じる損耗は、ＭＢＢＲ法の不都合な点と以前は考えられていた。それは、担体が固定されて全表面が定着される他の生物膜法と比べて生物膜が定着できる支持材の領域の大きさを制限するからである。本発明に従った一般的な解決策は、この損耗を代わりに使用して、実現される反応に最適な範囲内の制御された厚さを提供することであり、それは、従来のＭＢＢＲ法および他の生物膜法より優れた重要な利点を提供する。
【００５０】
本発明と従前の実施形態との比較では、担体要素の「保護生物膜厚さ」を、材料の最大保護表面を実現する際の最適範囲内に保つことが、同じくらい重要であるということが見出されている。
【００５１】
方法の効率性は、所望の反応に活性的に関与するバイオマスの量によって実際に決定されることが示されており、これは、新たにされる反応物質によって達成される生物膜の部分に見られる。生物膜法の性質のため、液体の流れを止める担体材料表面、生物膜への反応物質の移行は、当該物質の拡散率によって制限される。生物膜のこの種の物質移行制限は、全ての種類の基質に当てはまり、好気法の酸素、嫌気法の揮発性脂肪酸、生物脱リンでのアンモニウムおよびリン酸塩の硝化などである。
【００５２】
より具体的には、本発明に従ったＭＢＢＲ試験は、最大活性生物膜を実現するために、その厚さが、０．０５‐１．０ｍｍの範囲、好ましくは０．１‐０．５ｍｍの範囲、特に０：１５から００：４５ｍｍの範囲に保たれなければならないことを、示している。
【００５３】
０．０５ｍｍよりも薄い生物膜では、活性バイオマスの量は、生物膜厚さによって制限され、全能力が達成されないようになっている。１．０ｍｍよりも厚い生物膜では、生物膜の内部の不活性バイオマスのかなりの量があり、不要な反応がそれ自体を示し始める。
【００５４】
保護生物膜厚さは、方法での他の表面、他の担体の表面、反応器壁または反応器の他の部分に擦れることなく、支持要素で生物膜が成長できる厚さである。保護生物膜厚さは、従って担体材料設計にも反応器の他の部分の設計にもよる。
【００５５】
本発明は、担体要素が、他の担体要素または方法での他の表面に対して動くときによる損耗およびほころびを使用して、実現される反応に最適な範囲内に生物膜の厚さを制御する、担体要素を提供するという従来技術より優れた利点を有し、それは、従来のＭＢＢＲ法および他の生物膜法より優れた重要な利点を提供する。
【００５６】
本発明は、特定の実施形態に関して上述されたが、ここに示した特定の形態に限定するものではない。より正確に言えば、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、上記の特定のもの以外の実施形態が、これらの添付の特許請求の範囲内で同様に可能である。
【００５７】
特許請求の範囲において、「備える／備えている」という用語は、他の要素またはステップの存在を除外しない。さらに、個々に記載されたが、複数の手段、要素または方法ステップが、例えば単一のユニットまたはプロセッサによって実施されてよい。また、個々の特徴は、異なる請求項に含まれる場合があるが、これらは有利に組み合わせられることもでき、異なる請求項に含めることは、特徴の組み合わせが、実行可能でないおよび／または有利でないことを意味しない。加えて、単数の言及は、複数を除外しない。「一つの（ａ）」、「一つの（ａｎ）」、「第１」、「第２」等の用語は、複数を除外しない。特許請求の範囲の引用符号は、単に例を明らかにするものとして提供され、何らかの形で特許請求の範囲を限定するものと見なされるべきではない。
【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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