(57)【要約】  高粘性液体を気体と混合するためのシステム及び方法が提供される。開示される実施形態は、ドラフトチューブ（１２）が内部に配置された反応器又は混合容器（１１）、ドラフトチューブの入口（１９）に近接する反応器又は混合容器の中に気体を注入するように適合された気体注入サブシステムを含む。実施形態は、ドラフトチューブ内に配置された攪拌機（１６）も含み、それによって、ドラフトチューブは気液混合にとって最も重要な場所になる。特に攪拌機は、約０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの平均直径を有する気泡を発生させるように適合され、次いで気泡は、反応器又は混合容器の中に射出される。ドラフトチューブ内で気体が高粘性液体中に溶解することと、高粘性液体内での気泡の滞留時間が増加することとを組み合わせた効果によって、本システム及び方法に伴う物質移動効率が高められる。
2010510063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
攪拌機と動作上関連する流体力学的構造体が内部に配置された、廃水システムの曝気槽内で固形分含有量の高い物質を処理する方法であって、
固形分含有量の高い物質を曝気槽内に配置するステップと、
攪拌機に近接する位置で曝気槽の中に酸素を導入するステップと、
固形分含有量の高い物質及び酸素を撹拌して、流体力学的構造体に近接する固形分含有量の高い物質の中に、約０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの平均直径を有する気泡を発生させるステップと、
気泡を含む固形分含有量の高い物質を、流体力学的構造体から離れるように曝気槽内に射出して、曝気槽内に気泡を分散させ、曝気槽内での気泡の滞留時間を増加させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
機械撹拌式接触器が内部に配置された、廃水システムの好気性消化装置内で固形分含有量の高い物質を処理する方法であって、
固形分含有量の高い物質を好気性消化装置の中に配置するステップと、
機械撹拌式接触器に近接する位置で好気性消化装置の中に酸素を導入するステップと、
固形分含有量の高い物質及び酸素を撹拌して、固形分含有量の高い物質の中に、約０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの平均直径を有する気泡を発生させるステップと、
気泡を含む固形分含有量の高い物質を好気性消化装置内に分散させて、好気性消化装置内での気泡の滞留時間を増加させるステップと
を含む方法。
【請求項３】
流体力学的構造体が、入口及び出口を有するドラフトチューブであり、酸素がドラフトチューブの入口の近くに導入され、固形分含有量の高い物質がドラフトチューブの出口から射出される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
固形分含有量の高い物質が、１リットルあたり約１０グラム超の固形分負荷を有する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
固形分含有量の高い物質が、１リットルあたり約１０グラム〜１リットルあたり約４０グラムの固形分負荷を有する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
廃水システムが膜バイオリアクタの廃水システムである請求項４に記載の方法。
【請求項７】
攪拌機と動作上関連する流体力学的構造体が内部に配置された混合容器内で、高粘性液体を気体と混合する方法であって、
高粘性液体を混合容器内に配置して、容器の液体部分及び容器の気体のヘッドスペース部分を画定するステップと、
攪拌機に近接する位置で容器の中に気体を導入するステップと、
高粘性液体及び気体を撹拌して、高粘性液体の中に、約０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの平均直径を有する気泡を発生させるステップと、
気泡を含む高粘性液体を、流体力学的構造体から離れるように混合容器の中に分散させて、混合容器内での気泡の滞留時間を増加させるステップと
を含む方法。
【請求項８】
流体力学的構造体がドラフトチューブであり、気泡を含む高粘性液体を、気体のヘッドスペースより低い位置でドラフトチューブ内に再循環させるステップをさらに含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
容器が廃水処理システムの曝気槽であり、廃水が、１リットルあたり約１０グラム〜１リットルあたり約４０グラムの固形分負荷、及び約２センチポアズ超の粘性を有する請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
容器が発酵容器であり、高粘性液体が、１リットルあたり約５グラム〜１リットルあたり約７０グラムの固形分負荷、及び約２センチポアズ超の粘性を有する発酵ブロスである請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
容器が化学反応器又はバイオリアクタであり、高粘性液体が約１０センチポアズ超の粘性を有する請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液混合操作に関し、より詳細には、気体の高粘性液体への高い物質移動をもたらすためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
当分野では、液体と気体の混合又は反応を実施するための様々な技術及びシステムが知られている。場合によっては、単純な気泡塔が用いられ、注入された気体が槽内の液体本体を通って上昇する。注入後、酸素、水素若しくは他の反応性ガスが、気泡形成時に直接反応する、若しくは液体中に溶解した後に反応する、又はその両方が起こる。
【０００３】
気液混合工程を促進するために、撹拌槽反応器（ＳＴＲ）も一般的に使用されている。ＳＴＲシステムでは、気体は通常、容器底部のスパージャに送り込まれ、フラットブレード式のラッシュトン型タービン、又は他のそうした機械的な攪拌機を用いて気体を剪断し、液相における分散を改善する。さらに気体の溶解を容易にするために、ＳＴＲシステムでは一般に軸流インペラが使用される。
【０００４】
他の気液混合操作では、混合容器内の中空のドラフトチューブの中に配置された下方ポンピング用のインペラを用いて、容器に含まれる液体の再循環流のパターンが作り出される。中空のドラフトチューブの中では下向き、容器内のドラフトチューブの外側では上向きのそうした液体の再循環のために、ドラフトチューブの上側の入口領域に渦が形成され、その結果、フィードガスが容器内のオーバーヘッド部の気体空間から再循環する液体の中に引き込まれ、液体は下方へ流れてドラフトチューブに入る。
【０００５】
多くの気液混合の用途、特に特殊化学分野及び製薬分野の用途では、溶液の粘性が清浄水の粘性より高い傾向があり、また経時的に変化する傾向をもつ場合がある。特に、特殊化学分野及び製薬分野における混合工程は、通常は液流中に固形分を含むこと（例えばスラリー）によって、又は非ニュートン流体の特徴を示すようにさせる液体のある特定の化学的特性によって生じる、中程度から高度の粘性の溶液の条件下で行われることがしばしばである。
【０００６】
高粘性溶液の場合の液気混合に対する従来技術の解決策には、粘性のある液体の中に気体をより適切に分散させるために、複数のミキサ、ノズル若しくはオリフィスを使用すること、又はアトマイザ及びスプレーノズル中で液体を強制的に循環させることが含まれる。不都合なことに、高粘性溶液の混合に使用される追加の装置及び処理ステップによって、しばしばエネルギー消費量が増加する。さらに、追加のミキサ、ノズル、アトマイザなどを含むことによって、基本的な処理システムの設置面積が増大するとともに、混合工程に関連する資本コスト及び操業コストが増える可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、本発明は、（ａ）高粘性液体を混合容器内に配置して、容器の液体部分及び容器の気体のヘッドスペース部分を画定するステップと、（ｂ）攪拌機に近接する位置で容器の中に気体を導入するステップと、（ｃ）高粘性液体及び気体を撹拌して、高粘性液体の中に、約０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの平均直径を有する気泡を発生させるステップと、（ｄ）気泡を含む高粘性液体を、流体力学的構造体から離れるように混合容器の中に分散させて、混合容器内での気泡の滞留時間を増加させるステップとを含む、高粘性液体を気体と混合する方法として特徴付けることができる。
【０００８】
他の態様において、本発明は、内部に配置された攪拌機と動作上関連するドラフトチューブなどの流体力学的構造体を有する曝気槽の廃水システムで、固形分含有量の高い液体を処理する方法として特徴付けることができる。当該方法は、（ａ）固形分含有量の高い液体を曝気槽内に配置するステップと、（ｂ）攪拌機に近接する位置で曝気槽の中に酸素を導入するステップと、（ｃ）固形分含有量の高い液体及び酸素を撹拌して、流体力学的構造体に近接する固形分含有量の高い液体の中に、約０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの平均直径を有する気泡を発生させるステップと、（ｄ）気泡を含む固形分含有量の高い液体を、流体力学的構造体から離れるように曝気槽内に射出して、曝気槽内に気泡を分散させ、曝気槽内での気泡の滞留時間を増加させるステップとを含む。
【０００９】
気泡のサイズと、攪拌機付近の高粘性液体中への気体の溶解と、反応器、容器又は曝気槽の高粘性液体中でのより長い気泡の滞留時間とを組み合わせた効果の結果として、本発明の方法に伴う物質移動効率が高められる、又は大きくなる。
【００１０】
最後に、本発明は、高粘性液体を収容するように適合された反応器と、反応器の中に配置された流体力学的構造体と、反応器と動作上関連付けて配置され、流体力学的構造体の入口に近接する位置で反応器の中に気体の供給源を注入するように適合された気体注入サブシステムと、容器の中に流体力学的構造体と動作上関連付けて配置され、さらに約０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの平均直径を有する気泡を発生させるように適合され、さらに高粘性液体及び気泡を反応器の中に分散させ、反応器内での気泡の滞留時間を増加させるように適合された攪拌機又はインペラとを含む、高粘性液体を気体と混合するためのシステムとして特徴付けることもできる。
【００１１】
前述の又は他の本発明の態様、特徴及び利点は、以下の図面と共に示す、それに関する以下のより説明的な記述からより明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】閉鎖式の容器システムに適用された、本発明による気液混合システムの概略図である。
【図２】廃水処理システムの曝気槽に適用された、本気液混合システムの概略図である。
【図３】廃水処理工程における活性汚泥の粘性に対する固形分濃度の効果に関するグラフである。
【図４】気液混合システムにおける平均の気泡サイズと物質移動係数の間の相関関係に関するグラフである。
【図５】従来の微細気泡拡散器システム、及び本発明によって実施される種類の機械撹拌式接触器システムに対するアルファ係数を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照すると、本システム１０は、容器１１、すなわち内部に垂直に配置されたドラフトチューブ１２を有する適切な容器を含んでいる。容器１１は、オーバーヘッド空間２０の中に作動ガスを収容するように、閉鎖又は密閉される。ドラフトチューブ１２は、螺旋形インペラ１６の上端より高いところから、容器１１の床部２２より実質的に上の点まで延び、したがって、液体の循環に適切な空間が形成される。ドラフトチューブ１２の頂部又は入口は、フレア加工された円錐形の入口１５を含み、その外壁は、ドラフトチューブ１２の外壁と約１４５〜約１７５度の鈍角を形成する。ドラフトチューブ１２の入口の上には、円錐形の入口１５に近接して約２〜８個の垂直な入口案内バッフル１４が配置される。バッフル１４は、ドラフトチューブ１２の入口のまわりに等辺形になるような間隔で対称に配置された、構造上剛性の材料からなる薄いシートであることが好ましい。螺旋形インペラ１６は、モータ３２によってインペラシャフト１３と共に回転するようにインペラシャフト１３に取り付けられた、１つ又は複数のブレード１７を含む。
【００１４】
動作中、少なくとも最低の液体レベルを円錐形の入口１５より高く維持することが好ましい。適切な液体入口１８、気体入口１９及び上側の圧力逃がし弁３１、並びに容器１１及びドラフトチューブ１２用の構造支持体が設けられる。インペラシャフト１３を矢印２３の時計回りの方向に駆動し、ドラフトチューブ１２内の液体及び気体を矢印２４の下向き方向に移動させるために、容器１１の頂部にモータ３２が設けられる。作動ガスは圧力下で、気体をオーバーヘッド空間へ、又はドラフトチューブ１２の入口の近くに放出する気体入口管路１９を通して導入されることが好ましい。典型的な気体の圧力は、約０.１ｐｓｉｇ（ポンド毎平方インチゲージ）〜約２０００ｐｓｉｇの範囲内であり、典型的な気体の流速は、約１ｓｃｆｍ（標準立方フィート毎分）〜約１０００ｓｃｆｍの範囲内である。液体が導入され、最終的には、容器１１の基部３５の近くの液体入口１８で取り出される。典型的な液体の流速は、容器１１の中で１０秒〜１０時間程度又は１０時間超の範囲の水理学的滞留時間を可能にする範囲内である。
【００１５】
螺旋形インペラ１６は、液体をドラフトチューブ１２の入口で引き込み、ドラフトチューブ１２の出口で放出することができるような形で、ドラフトチューブ１２の中に配置される。いくつかの配置では、インペラ１６の回転動作によって、オーバーヘッド空間２０からの気体の取り込みを容易にする、液体の渦を発生させる。インペラが十分に液体に沈められる他の配置では、液体の渦は形成されず、気体の取り込みが、インペラに近接する液体の中及び撹拌領域へ気体を直接注入することによって行われることが好ましい。
【００１６】
ドラフトチューブ１２内のインペラ１６又はその近くでは、密接な気液接触が生じる。容器１１への気体の連続供給が、気体入口管路１９を介して、ドラフトチューブ１２の入口又はその近くの液体、及びインペラ１６に近接する液体の中へ直接行われることが好ましい。或いは、ドラフトチューブ１２の代わりに、容器の中に配置された任意のタイプの流体力学的な囲い又は構造体を用いることができる。そうした同様の流体力学的な囲いは、密接な気液接触の領域を空間的に画定するように適合されるべきである。
【００１７】
容器１１の中の溶液の粘性及び固形分含有量の変化に対して処理条件を最適化するために、図示した実施形態における気体取り込みの速度は、気体の注入速度又はインペラ１６の速度を直接調節することによって制御することができる。
【００１８】
大量の溶液の混合は、容器１１の中で、液体噴流がドラフトチューブ１２を出て容器１１の床部２２に向かうときの液体噴流の分散作用によって行われる。噴流中に溶解しない気体は、所与の処理条件における気泡の平均浮遊速度に相当する臨界速度で、噴流から離れる。溶液の粘性が高まるにつれて、この分離ゾーン６０の深さは、ドラフトチューブ１２の遠位端、すなわち出口３３から、容器１１の床部２２に向かってさらに広がる。分離ゾーン６０の拡張は、気泡の直径の減少、及び気泡に対する粘性抵抗の増大に起因する。同時に、これらによって容器１１内の気泡の滞留時間が増加し、液体中の気泡の溶解、並びに気液混合工程に関連する全体的な気体の利用度及び物質移動効率が改善される。
【００１９】
再び図１を参照すると、ドラフトチューブ内の機械的な撹拌、及び対応するドラフトチューブ又は同様の流体力学的構造体の中の液体による下向きの力の結果として、液体の再循環が生じる。気泡を伴う液体がドラフトチューブの底部から射出されると、円錐形の入口に近接するドラフトチューブの頂部付近で、若干量の気体を有する適切な体積の補充の液体が取り込まれる。図１に示すように、ドラフトチューブ内への液体の再循環が、容器内の液体の上面より下で生じると有利である。こうして、液体中に伴出された気泡のうち、オーバーヘッド空間へ放出されるものが減少し、ドラフトチューブ内へ再循環されるものが増加して、気液混合及び関連する物質移動がさらに改善される。再循環方式によって、容器内で生じる企図された反応を促進する、容器内での液体と気体の連続的な混合も可能になる。
【００２０】
好ましい実施形態では、インペラ１６は少なくとも部分的にドラフトチューブ１２の中に配置され、インペラ１６の先端５２と、ドラフトチューブ１２又は同様の流体力学的構造体の内壁５４との間に、半径方向のクリアランス５０を画定する。開示したシステム１０の好ましい実施形態では、半径方向のクリアランス５０はインペラの直径（Ｄｉ）の２分の１以下であり、より好ましくは、半径方向のクリアランスはインペラの直径（Ｄｉ）の１０％未満であろう。高粘性溶液と共に使用するとき、このようにインペラ１６をドラフトチューブ１２の内壁５４のより近くに配置することにより、インペラ領域内又はその近くの液体及び気体に対してより高い剪断力が与えられ、それよって最適な気泡サイズ分布が得られるようになる。以下に説明するように、最適化された液体内の気体の気泡サイズ分布によって、混合工程の物質移動効率が高められる。
【００２１】
ドラフトチューブ１２及びインペラ１６の好ましい流動配向によって、液体及び気体の垂直方向下方への流れ２４（すなわち順流）が得られ、その結果、容器内での気泡の滞留時間の増加が最大になる。しかしながら、本発明は、直列の流動配向、水平な流動配向、角度のある流動配向（逆流及び順流）、並びに垂直な逆流配向を含めた他の配向を用いて実施すると有益である場合もある。必要に応じて本システムの中に、再循環ポンプ、エゼクタ及び他の補助装置も組み込むこともできる。
【００２２】
次に図２を参照すると、廃水処理システム１００の曝気槽に適用された本発明の実施形態が示してある。図２に見られるように、システムは、廃水処理システム１００の曝気槽１０６の中に配置された、アンカーリング１０４を有するフロート組立体１０２を含んでいる。この用途では、曝気槽１０６中の液体は、通常、１リットルあたりの固形分含有量が１０グラム超程度の固形分含有量の高い液体１２０である。フロート組立体１０２から下向きに、ドラフトチューブ１１０が延びている。ドラフトチューブ１１０は、曝気槽１０６内の固形分含有量の高い液体１２０の上面１２４より下に位置する、周方向の開口部１２２を有することが好ましい。ドラフトチューブ１１０への入口１２８に近接する開口部１２２のまわりには、バッフル１２６が等辺形になるような間隔で対称に配置される。ドラフトチューブ１１０の出口１２９に近接して追加のバッフル１２６を配置することもできる。ドラフトチューブ１００の中には螺旋形インペラ１３０が配置され、螺旋形インペラ１３０は一般に、モータ１３６によってインペラシャフト１３４と共に回転するようにインペラシャフト１３４に取り付けられた、１つ又は複数のブレード１３２を含み、モータ１３６は、フロート組立体１０２の頂部に配置することが好ましい。
【００２３】
モータは、インペラシャフト１３４を矢印１３８の反時計回りの方向に駆動し、ドラフトチューブ１１０の中の液体及び気体を、矢印１３６の下向き方向に移動させるように適合される。酸素ガスを、ドラフトチューブ１１０の入口１２８の近くに酸素ガスを放出する気体入口１４０を通して導入することが好ましい。ドラフトチューブ１１０内の機械的な撹拌、及び対応するドラフトチューブ１１０内の固形分含有量の高い液体１２０による下向きの力の結果として、固形分含有量の高い液体１２０の再循環が生じる。気泡を伴う液体がドラフトチューブ１１０の出口１２９から射出されると、ドラフトチューブ１１０の入口１２８に近い開口部１２２を通して、若干量の気体を有する適切な体積の補充の液体１２０が取り込まれる。
【００２４】
図１を参照して先に論じたように、インペラ１３０は、インペラのブレードの先端とドラフトチューブ１１０の内壁との間に、半径方向のクリアランスを画定する。好ましくは、半径方向のクリアランスはインペラの直径の２分の１以下であり、より好ましくは、半径方向のクリアランスはインペラの直径の１０％未満であろう。廃水の用途で固形分含有量の高い液体と共に使用するとき、インペラ１３０をドラフトチューブ１１０又は他の流体力学的構造体の内壁の近くに配置することによって、より高い剪断力が与えられ、最適な気泡サイズ分布、すなわち約０．３ｍｍ〜３．０ｍｍが得られるようになる。以下に説明するように、最適化された固形分含有量の高い液体中の酸素の気泡サイズ分布によって、混合工程の物質移動効率が高められる。
【００２５】
一般に、任意の混合システムにおいて液体の粘性が変化すると、気液移動の効率に著しい違いが生じる。概して、従来の気液混合システムにおける物質移動の効果は溶液の粘性に反比例することが、当業者には理解される。従来の混合システムで物質移動の効果が低下する原因となる主な要素の１つは、気泡サイズ分布に対する溶液の粘性の効果であると考えられる。また、従来の気体−流体混合システムで溶液の粘性が増加したときの物質移動の効果の低下は、通常、気体及び液体の流速が高いほど顕著である。
【００２６】
廃水処理工程では、様々なパラメータ測定を用いて、物質移動工程の効果に対する溶液の粘性の影響を突きとめることができる。特に、規定の試験条件、すなわち２０℃、溶存酸素ゼロ及び７６０ｍｍ水銀の圧力の下で清浄水を用いる標準化された曝気試験を行うことによって、標準酸素移動速度（ＳＯＴＲ、Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｒａｔｅ）が確かめられる。ＳＯＴＲの規定の試験条件以外の実地試験条件で得られた物質移動速度を、実酸素移動速度（ＡＯＴＲ、Ａｃｔｕａｌ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｒａｔｅ）と呼ぶ。
【００２７】
廃水中の固形分レベルの増加、又は廃物の流れの粘性成分の増加によって廃水の粘性が高まると、従来の廃水曝気方式を用いた実酸素移動速度、すなわちＡＯＴＲが、実験的に求められたＳＯＴＲより低い値まで低下することが知られている。ＡＯＴＲ及びＳＯＴＲの変動は一般に、標準的な処理条件又は制御された処理条件と、実際の処理条件との間の物質移動係数（ＫＬα）の違いによるものである。実際の条件での物質移動係数と標準的な条件での物質移動係数との比は、以下のアルファ係数（α）として知られるパラメータによって与えられる。
【数１】
2010510063.tif 000003
【００２８】
物質移動係数ＫＬαと実酸素移動速度との間の関係は、一般に下式で表される。
【数２】
2010510063.tif 000004
上式で、βは塩度−表面張力の補正係数、Ｆは汚れ係数であり、
【数３】
2010510063.tif 000005
は、温度Ｔ（℃）及び高度Ｈ（ｍ）における曝気槽又は反応槽内の清浄水の平均溶存酸素濃度である。他の変数がすべて一定である場合、アルファ係数はＡＯＴＲとＳＯＴＲの比に対する尺度を与える。
【００２９】
試験はすべて、約６００リットルのカルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）溶液の試験サンプルを用いて、２００ガロンのアクリル製の試験容器の中で行った。ＣＭＣは、様々な粘性の活性汚泥溶液を見積もるための試験溶液として用いた。ＣＭＣ溶液の粘性の大きさを、活性汚泥の同等物の粘性の大きさに変換するために、変換チャートを作成した。ＣＭＣから汚泥への変換チャートを作成し、廃水溶液の粘性と固形分濃度の間の関係を決定するために、グアールを処理する産業廃水処理設備からの活性汚泥を利用した。
【００３０】
様々な試験の実行時には、内径３.３”のドラフトチューブの中に配置され、１．５ＨＰのＤＣモータで駆動される３”のインペラを含む、機械撹拌式接触器（ＭＡＣ）システムを使用した。ドラフトチューブの入口に近接する試験容器の中に、酸素の供給源を導入した。次いで、機械撹拌式接触器による試験結果を、圧縮空気の供給源に取り付けられ、試験容器の中に配置された（ｉ）６×２０μｍの６”ディスクのスパージャ、及び（ｉｉ）３×１５０μｍの市販の微細気泡拡散式エアスパージャを用いて得られた試験結果と比較した。
【００３１】
図３は、活性汚泥の粘性に対する固形分濃度の効果をグラフで示したものである。このグラフでは、固形分の蓄積が増加するにつれて、活性汚泥の粘性が上昇している。特に図３のデータは、活性汚泥の見かけの粘性と汚泥内の固形分濃度との間の指数関数的な関係を示している。示したグラフの場合、指数関数的な関係は、
ｙ＝０９７５７ｅ０．１０１９ｘ
として特徴付けられる（式中、「ｙ」はセンチポアズ単位の見かけの粘性であり、「ｘ」は１リットルあたりのグラム単位の固形分濃度、又は同等の活性汚泥に関する混合液中の浮遊固形分（ＭＬＳＳ）の濃度である）。
【００３２】
次に図４を参照すると、平均の気泡サイズと物質移動係数の間の相関関係のグラフが示してある。図４に見られるように、物質移動係数は全般的に、平均の気泡の直径によってかなりの影響を受ける。したがって、気泡の直径（ｄｂ）を合体又は分裂によって変更し、直径約０．３ｍｍ〜約３．０ｍｍの間の最適範囲内にするシステムにおいて、物質移動を最適化することができると考えられる。気泡の直径の変更は、気体の送達方法、並びにインペラの設計及び動作特性を制御することによって、本明細書に開示するシステム及び方法において実現される。
【００３３】
表１は、本発明の機械撹拌式接触器システムを、従来の微細気泡拡散器ベースの気液混合システムと比較するために実施した、物質移動試験の結果をまとめたものである。表１及び関連する図５に見られるように、強化された気液混合のための本システム及び方法では、アルファ係数は、従来の拡散式空気混合システムを用いて示されるアルファ係数と実質的に異なる傾向を示す。試験結果によって、機械撹拌式接触器システムに伴うアルファ係数が１．０より大きくなる条件の範囲も特定される。これは、ほとんどすべての場合において、機械撹拌式接触器（ＭＡＣ）システム及び酸素の直接的な注入を用いたときの廃水処理に対する物質移動の効果が、従来の拡散式空気混合システムによる物質移動の効果を上回り、また場合によっては、清浄水を用いたときの機械撹拌式接触器システムの物質移動の効果より優れていることを示唆している。こうした結果は、目標とする酸素処理を行うための曝気動力の要求量が大幅に低減されることを意味し、廃水処理システムをより高い固形分負荷で動作させることが可能になる。実際には、これは操業コストの削減、固体廃棄物の問題の軽減、既存の廃水処理システムに対する順応性の向上を意味し、より小さい設置面積の廃水処理システムを建設することが可能になる。
【００３４】
さらに、廃水システムが約１〜約１０ｇ／Ｌの固形分濃度を有する場合、本発明の酸素注入及び機械撹拌式接触器（ＭＡＣ）システムに伴う物質移動係数が一般に、対応する固形分濃度の増加に伴って大きくなることが明らかである。しかしながら、前述の試験から分かるように、溶液中の固形分濃度又はＭＬＳＳの等価量が上昇して１０ｇ／Ｌより高くなると、固形分濃度が高まるにつれて、一般に機械撹拌式接触器システムに伴う物質移動係数は低下した。
表１  物質移動の試験データ
【表１】
2010510063.tif 000006
【００３５】
拡散式空気システムの場合、表１のデータは、図４と併せて考えると、典型的な約１０ｇ／Ｌ超の固形分濃度レベル又は等価なＭＬＳＳレベルにおいて、気泡の直径が２ｍｍ又は３ｍｍより大きかったことを示している。図４を参照して先に述べたように、そうした従来の気液混合システムでは、気泡の直径が約２ｍｍ又は３ｍｍより大きいと、物質移動の効果が低下する一因となる。廃水溶液の粘性及び廃水溶液中の固形分濃度が密接に関係していることに留意されたい（図３参照）。
【００３６】
反対に、廃水の場合には１〜１２ｇ／Ｌの固形分と定められる一定の限界範囲内で、本システムにおいて実施される機械撹拌式接触器システムを用いると、一般に溶液の粘性が高まるにつれて気泡の直径が小さくなり、従来の微細気泡拡散器システムに比べて優れた物質移動特性が得られる。
【００３７】
この機械撹拌式接触器システムの試験中、廃水溶液の粘性が高まるにつれて、噴流から離れる前に気泡プルームが下降する深さが大きくなることも観察された。気泡の浮遊速度は、溶液中の気泡に与えられる抵抗力による影響を受けることが知られている。気泡に与えられる抵抗力は、溶液の粘性の関数である。したがって、廃水溶液の粘性が高まると気泡に対する抵抗力が増大し、気泡が噴流の中に保持されるようになる。噴流及び伴出される気泡プルームは、一般にさらに下降して容器の中に入り、その結果、気泡はドラフトチューブから射出された噴流中をより遠くまで伴出されるようになり、それがさらに機械撹拌式接触器システムの物質移動効率の改善に寄与する。
【００３８】
本明細書に開示する発明を、特定の実施形態及びそれに関連する工程を用いて説明してきたが、当業者には、特許請求の範囲に示す本発明の範囲から逸脱することなく、又はその本質的な利点をすべて犠牲にすることなく、本発明に多くの修正及び変更を加えることが可能である。
【００３９】
例えば、開示した実施形態に示すインペラ又は攪拌機は、軸流ファンタービン、軸流ピッチブレード、軸流プロペラ、スクリュー遠心分離機、開放式の半径方向羽根、半開放式の半径方向羽根、閉鎖式の半径方向羽根、半径流アンカー、半径流パドル、半径流タービン又は他の不特定タイプのインペラを含む、様々な構成又はインペラのタイプのものとすることができる。さらに開示したシステムは、それぞれがドラフトチューブの中に入れられたインペラを有する容器内で、複数の機械撹拌式接触器を利用するように構成することができる。複数の機械撹拌式接触器を容器の中に均等に分散させても、積み重ねた構成として配向してもよい。積み重ねた構成は、処理中に液体レベルが著しく変化する用途において特に有用である。
【００４０】
好ましいことに、本明細書に開示したシステム及び工程を、溶液の粘性が約１０センチポアズを超える、より好ましくは溶液の粘性が１０〜１００センチポアズである気液混合工程に用いると、最も有利である。導入される気体は、酸素、窒素、オゾン富化ガス、空気、水素、二酸化炭素、アルゴン、若しくはそれらの任意の組み合わせ、又は工業的な気液混合工程に使用される任意の他の気体から選択することができる。
【００４１】
本明細書に開示した、高粘性溶液中での強化された気液混合のためのシステム及び方法を利用する際には、本明細書に開示した方法により、取り込まれる気体の総表面積が大きくなり、容器内での気泡の滞留時間が増加する結果として、容器内でのより効率的な気液接触及び優れた物質移動特性が可能になる。
【００４２】
従来技術の気液混合システム及び方法と比べると、本明細書に開示したシステム及び方法を用いて得られる優れた物質移動特性によって、使用する混合用の装置が少なくなり、場合によっては設置面積が小さくなり、また同じレベルの気液混合を実現するための時間及びエネルギーがかなり軽減される。
【００４３】
廃水処理工程の一部として使用される膜バイオリアクタシステムに本発明を適用すると、いくつかの注目すべき利点をもたらす。そうした利点には、かなり高いバイオマス濃度で膜バイオリアクタシステムを動作させることができること、所望の酸素処理レベルを得るために使用する曝気動力が低減されること、細胞の滞留時間が増加すること、及び余剰汚泥の生成量が全体的に減少することが含まれる。
【００４４】
さらに、本明細書に開示したシステム及び方法によって、追加の装置、エネルギー、及びそれに伴うコストを必要とせずに、より高い粘性レベルでの気液混合操作が可能になる。この強化された気液混合能力は、これまで気液混合工程の効率によって制約されていた用途、又は高い固形分レベル若しくは高い粘性レベルでの操作によって経済的利益が得られる用途において有用であろう。そうした工程には、例えばより高い反応物若しくは生成物の濃度を有する発酵工程又は化学工程、並びに前述したような、より高い固形分濃度を有する廃水処理工程を含むことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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