(57)【要約】本発明は、その無機成分、特に硫化物、鉄またはマンガンのいくつかの、固形産物および余剰スラッジへの変換を含む、廃水の生物学的処理のためのプロセスおよび装置に関する。このプロセスは、浮遊するキャリア粒子上に固定される選択された微生物により触媒される。適切なバイオフィルムリアクターは、廃水を供給するための１つ以上の入口（２）、処理された廃水（１２）を引き抜く出口、ガス（好ましくは空気）が注入され、キャリア粒子の環状流れをつくり、それによって逆流れ流動ベッド（９）を形成するドラフトチューブ（７）を備えた垂直方向に細長い反応ベッセル（１）を含む。ガスの一部分は、ポンプ（１４）により再使用される。この浮遊キャリア−粒子は、分離ゾーン（１１）および沈降ゾーン（８）中の産物から分離され、この産物は、円錐形状のリアクターの底（１０）から回収され、そこから、それはノズル（５）により除去される。
2004526561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持可能な生物学的触媒を用い、廃水の成分を容易に分離可能である固形形態に変換することによる、廃水の生物学的処理のためのプロセスであって：
（ａ）処理されるべき廃水を、廃水の流入のための１つ以上の入口／ノズル、精製された水の除去のための１つ以上の出口／ノズル、１つ以上のドラフトチューブ、該ドラフトチューブの内側の、泡を上昇させ得るガス／空気のインプットのための１つ以上の入口／ノズル、および微生物膜が付着した粒子のベッドを有する反応ベッセル中を通過させる工程；
（ｂ）該処理されるべき廃水を、該微生物を含む粒子のベッドと接触させ、該廃水のいくつかの成分を固形産物に変換する工程；
（ｃ）該ドラフトチューブを通る液体の上向き流れを形成するために、ガスノズルを通じて該ドラフトチューブ中にガス／空気を導入する工程；
（ｄ）浮力の作用により該固形産物から該粒子のベッドを分離し；該ベッセルから、処理水を、所望であれば連続的に除去する工程；および
（ｅ）該反応ベッセルの底から、該粒子の固形産物を、所望であれば連続的に除去する工程、
を包含する、プロセス。
【請求項２】
前記ガス／空気が、少なくとも１つの反応体成分を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記反応体成分が、酸素および水素からなる群から選択される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記ドラフトチューブが、両端部において開口し、そして前記ベッセルの底から離れて取り付けられ、そして該反応ベッセル中の液体のレベルより下に制限される垂直長さである、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
リアクター内側で一定の液体レベルを維持するための機構が提供される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
前記一定の液体レベルを維持するための機構が、バルブまたは前記リアクター内に存在する液体のレベルまで上げられた、上げられた出口チューブである、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７】
前記ガスが、前記反応ベッセルの頂部から出る排出ガスの一部分と混合され、前記ガスノズルに再循環する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
前記粒子キャリアのベッドを通過した処理水の一部分が、前記反応ベッセルに戻り得る、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
乱流フリーゾーンが、前記ドラフトチューブの底のレベルの下、および前記リアクターベッセルの底に空気が導入されるレベルの下に位置し、精製プロセスの固形産物、または水より重い不活性材料、または微生物が付着したキャリア上にせん断力を奏することにより剥がれる該キャリアに付着した過剰の微生物の沈降を可能にし、同時に浮力で誘導された浮上分離により該粒子のベッドを分離する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記精製プロセスの固形産物、または水より重い不活性材料、または粒子のベッドに付着した過剰の微生物が、せん断力を奏することにより剥がれる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記微生物が、硫化物酸化細菌、鉄酸化細菌、マンガン酸化細菌、硫酸塩還元細菌からなる群から選択される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記微生物が硫化物酸化細菌であり、そして前記ガスが酸素を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記微生物が鉄酸化細菌であり、そして前記ガスが酸素を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記微生物がマンガン酸化細菌であり、そして前記ガスが酸素を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記微生物が硫酸塩還元細菌であり、そして前記ガスが水素を含み、そして前記固形産物が金属硫化物を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記粒子のベッドが、処理されるべき廃水の比重より低い比重を有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記粒子のベッドが、０．９０と０．９９との間の比重を有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記粒子のベッドが、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）から作製される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記粒子のベッドが、フィルター材料を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記フィルター材料がカオリンである、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２１】
前記粒子のベッドが、フィルター材料としてカオリンを含む低密度ポリエチレンから作製される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記粒子のベッドが、１ｍｍと１０ｍｍとの間のサイズの粒子から作製される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２３】
空気の上昇が、前記ドラフトチューブ内の液体の上向き流れ、ならびにリアクターの内壁と前記ドラフトチューブとの間の環状空間中の下向き流れを始動する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２４】
ドラフトチューブ内の上昇ガスの作用により始動される循環の速度が、通気速度、ドラフトチューブの直径およびリアクターベッセルの内直径を調節することにより調節される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２５】
前記循環の速度が、流動速度より大きい、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２６】
前記流動速度が、前記粒子の浮遊重量に等しく、かつそれとは反対の上向きの引きずり力を作製するような、バイオキャリア粒子上に付与される力として規定される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２７】
前記廃水が、前記ベッセルの頂部上に配置されたリッドを開けることにより注がれ得る、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２８】
廃水の連続的精製のためのプロセスであって、該プロセスは：
（ｉ）処理されるべき廃水を、液体の適切なレベルを保持し得、そして廃水の流入のための１つ以上の入口／ノズルおよび反応産物の除去のための１つ以上の出口／ノズルを有する反応ベッセル中に、所望であれば連続的に通過させる工程、
（ｉｉ）該反応ベッセル内に１つ以上のドラフトチューブを提供する工程であって、該ドラフトチューブが、両端部において開口し、そして前記ベッセルの底から離れて取り付けられ、そして該反応ベッセル中の液体のレベルより下に制限される垂直長さである、工程、
（ｉｉｉ）該ドラフトチューブ内側に、上昇する泡を閉じ込めるように該反応ベッセル内に位置する、空気またはガスのインプットのための１つ以上のガス入口／ノズルを提供する工程、
（ｉｖ）該反応ベッセルを部分的に満たし、そして該反応ベッセル中の液体内に実質的に浸漬されて浮遊するように該反応ベッセル内に、処理されるべき廃水より低い比重を有する材料から作製される粒子のベッドを提供する工程、
（ｖ）該廃水中に存在する不純物から固形産物を形成し得る微生物を、該粒子のベッドに付着させる工程、
（ｖｉ）浮遊する粒子のベッドが妨害され、そして該ベッドを構成する複数の粒子が該リアクター内側で垂直方向のループ中を循環するよう、該ドラフトチューブを通る液体の上向き流れを形成するために、該ガスノズルを通って該ドラフトチューブ中にガスを導入する工程、
（ｖｉｉ）該処理されるべき廃水を該粒子のベッドと接触させ、それによって廃水中の溶解した汚染物のいくつかを固形産物に変換する工程、
（ｖｉｉｉ）浮力の作用により該固形反応産物から該粒子のベッドを分離し、そして該反応ベッセルから処理水を、所望であれば連続的に除去する工程、および
（ｉｘ）該反応ベッセルから、所望であれば連続的に該反応ベッセルから該固形反応産物を除去し、そして該反応ベッセル内に、該粒子のベッドに付着した微生物膜とともに該粒子のベッドを保持する工程、
を包含する、プロセス。
【請求項２９】
保持可能な生物学的触媒を用い、廃水の成分を、容易に分離され得る固形形態に変換することによる、廃水の生物学的処理のために用いられるデバイスであって、該デバイスが、垂直方向に細長い反応ベッセルを備え、該反応ベッセルが、廃水を供給するための１つ以上の入口／ノズル、処理された廃水を取り出すための１つ以上の出口／ノズル、ガス／空気のインプットのための１つ以上の入口／ノズル、両端部において開口し、そして前記ベッセルの底から離れて取り付けられ、そして該反応ベッセル中の水のレベルより下の垂直長さである１つ以上のドラフトチューブ、および廃水中に存在する固形粒子を除去するための微生物膜が付着した粒子のベッドを備える、デバイス。
【請求項３０】
前記デバイスが、「逆流動ループリアクター」（ＲＦＬＲ）と呼ばれる、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３１】
漏斗形状の底、沈降物質の除去のための出口／ノズル、排ガスの除去のための１つ以上の出口／ノズルを備えるリッド、リアクター内の一定の液体レベルを維持するための機構、排ガスを再循環するためのポンプ、および液体流出液から産物固形物の分離を増大するための１つ以上のバッフルをさらに備える、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記リアクター内の一定の液体レベルを維持するための機構が、バルブまたは前記リアクター内に存在する液体のレベルまで上げられた、上げらた出口チューブである、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記入口／ノズルが、前記ドラフトチューブの底部開放端部の直ぐ下で終わるか、または該ドラフトチューブの下部端部の内側で終わる、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記ノズルから出るガス／空気の流れが上向き方向である、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記ノズルから出るガス／空気の流れが前記ドラフトチューブのみに制限される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記ガス／空気が少なくとも１つの反応体成分を含む、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３７】
前記反応体ガスが、酸素および水素からなる群から選択される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３８】
前記微生物が、硫化物酸化微生物、鉄酸化微生物、マンガン酸化微生物、および硫酸塩還元微生物からなる群から選択される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項３９】
前記微生物が硫化物酸化細菌であり、そして前記ガスが酸素を含む、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４０】
前記微生物が鉄酸化細菌であり、そして前記ガスが酸素を含む、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４１】
前記微生物がマンガン酸化細菌であり、そして前記ガスが酸素を含む、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４２】
前記微生物が硫酸塩還元細菌であり、そして前記ガスが水素を含み、そして前記固形産物が金属硫化物を含む、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４３】
前記粒子のベッドが、処理されるべき廃水より低い比重を有する材料から作製される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４４】
前記粒子のベッドが、０．９と０．９９との間の比重を有する、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４５】
前記粒子のベッドが、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）から作製される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４６】
前記粒子のベッドが、フィルター材料を含む、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４７】
前記フィルター材料がカオリンである、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４８】
前記粒子のベッドが、フィルター材料としてカオリンを含む低密度ポリエチレンから作製される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項４９】
前記粒子のベッドが、１ｍｍと１０ｍｍとの間のサイズの粒子から作製される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５０】
前記粒子のベッドが、前記ベッセル内の液体中に浸漬されて浮遊する、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５１】
前記浮遊する粒子のベッドが分散されている、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５２】
前記粒子が、前記ノズルから出るガス／空気により前記リアクター内側の垂直方向ループ内を循環する、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５３】
前記粒子のベッドが、浮力の作用により前記固形反応産物から分離される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５４】
前記固形反応産物が沈降され、そして前記ノズルから除去される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５５】
過剰の微生物または固形産物または水より重い不活性材料が、力を奏することにより剥がれる、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５６】
前記デバイスが、浮遊バイオキャリア粒子ゾーン、離脱ゾーン、および沈降ゾーンに分割される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５７】
前記ガスが、前記反応ベッセルの頂部から出る排ガスの一部分と混合され、そして前記ガスノズルに再循環される、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５８】
前記粒子のキャリアのベッドを通過した処理水の一部分が、前記反応ベッセルに戻り得る、請求項２９に記載のデバイス。
【請求項５９】
乱流フリーゾーンが、前記ドラフトチューブの底のレベルの下、および前記リアクターベッセルの底に空気が導入されるレベルの下に位置し、精製プロセスの固形産物、または水より重い不活性材料、または微生物が付着したキャリア上にせん断力を奏することにより剥がれる該キャリアに付着した過剰の微生物の沈降を可能にし、同時に浮力で誘導された浮上分離により該粒子のベッドを分離する、請求項２９に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚水の連続純化のための生物学的プロセスに関する。このプロセスは、保持可能な生物学的触媒を用いて容易に分離され得る固体形態にその成分を変換することによる。本発明はまた、上記プロセスを行うために、本明細書において以降「逆流動ループリアクタ」（ＲＦＬＲ）と称する新規リアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物は、水および汚水の処理のために長い間使用されてきた。微生物のより新たな適用のいくつかとしては、硫化物塩および溶解鉄塩を酸化して、酸化形態の元素のイオウおよび鉄のスレートにすることが挙げられ、これは、それぞれ沈降によって除去され得る（例えば、以下を参照のこと：Ｂｕｉｓｍａｎ，Ｃ．Ｊ．Ｎ．，ｅｔ  ａｌ．，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．ａｎｄ  Ｂｉｏｅｎｇｎｇ．３５，５０−５６，（１９９０））。のような適用は、マンガンもまた溶解している場合にも実施可能である。水において本質的に不溶である主な元素イオウとして硫化物を生物学的に除去することは、種々の産業界からの硫化物を含む汚水、特にパルプおよび製紙における排水ならびに精錬および石油化学の排水の処理において適用することを見出す。硫化物はまた、酒造業（蒸留酒）の排水および製薬業の排水のような硫酸塩を含む汚水の嫌気的処理の間に生成される。水またはアルカリまたは炭酸塩の吸着体を用いて洗浄すること（ｓｃｒｕｂｂｌｅ）によって気体から硫化水素を除去することにより、硫化物含有アルコール廃液（ｌｉｑｕｏｒ）が生じ、これは、生物学的硫化物酸化プロセスによって処理および回復することができる。
【０００３】
溶解鉄は、石炭鉱業および他の鉱業の分野の排水に存在する。これらの水は、高度に酸性であり、そして処理を必要とする。生物学的酸化によって、溶解した鉄（ＩＩ）を、鉄（ＩＩＩ）の水酸化物または炭酸物の沈澱へと変換し、これは、水から容易に除去され得る。このようなプロセスは、酸性鉱山排水の処理のために適用されてきた（例えば、以下を参照のこと：Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｋ．ｅｔ  ａｌ．，Ｗａｔｅｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ２０，１，７３−７７（１９８６））。  生物学的な鉄除去のための別の適用は、飲用水、特に地下水の処理のためのものである。これは、特定の領域において、受容できないレベルの溶解鉄を含む。マンガンもまた、特定の領域からの地下水、製鉄およびマンガンのプラントからの工業排水ならびに石炭鉱山および鉄鉱石鉱山からの排水に存在する。マンガンの除去もまた、マンガンを生物学的に処理（ｉｘｉｄｉｓｅ）して、不溶性のマンガンの二酸化物および水酸化物の沈澱を形成させることによって実施可能である。そのようなプロセスは、現在、建設された湿潤地のような系において天然の酸化という形態でのみ使用されているが、生物学的酸化にによるマンガンの制御された除去のためのより高い速度で操作されるリアクタシステムが開発され得ることが考えられる。すべてのこれらのシステムは、不溶性の沈澱の形成を生じることに留意されたい。
【０００４】
固体の沈澱を生じる別の適用は、汚水から金属を除去するために適用する場合の生物学的な硫酸塩還元である。硫酸塩から硫化物への還元は、「硫酸還元細菌」として知られる生物によって実施される。これらの細菌は、エネルギー源すなわち電子供与体を必要としており、これは、メタノールまたは水素含有気体（例えば、プロデューサー気体）のような単純な有機化合物であり得る。気体のエネルギー源としての使用は、より大きなスケールでより経済的な選択肢として考慮される。ここでは再び、本発明者らは、所望の細菌−硫酸還元細菌−が、わずかに可溶性の気体性反応体が提供されるリアクタの中に保持されるべきであり、そして最終固体生成物がそのリアクターから効率よく除去されるべき状況を有する。
【０００５】
従来、曝気したリアクタは、そのリアクタ内の微生物の高濃度を維持するために２つの技術を利用してきた。広汎に使用される活性化スラッジリアクタ（例えば、以下を参照のこと：Ｍｅｔｃａｌｆ  ａｎｄ  Ｅｄｄｙ  Ｉｎｃ．「Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，Ｄｉｓｐｏｓａｌ  ａｎｄ  Ｒｅｕｓｅ」，Ｔａｔａ  ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏ．，Ｎｅｗ  Ｄｅｌｈｉ）において、スラッジは、排水液体から堆積によって分離した後にリサイクルされる。リアクタ内の高濃度の微生物は、固体のフロックの形態をとり、これは、リアクタ内の撹拌または曝気によって懸濁物中に保持される。懸濁物の混合されそして乱流となる性質は、生物触媒（すなわち、微生物）と、反応体（すなわち、酸素および汚染物質）とが有効に接触することを確実にする。これらの系が固体の汚染生成物を生産するプロセスに適用される場合、これらの生産物は、通常の沈降分離では活性生物触媒から分離され得ない。したがって、そのリアクター内の生成物の蓄積が存在し、これは、より低い効率および失敗の可能性へとつながる。活性生物触媒から固体汚染生成物を選択的に除去するための、高価な処理後手段は、この系を機能させ得ることが考えられる。
【０００６】
リアクタ内の固定不活性パッキング材料上に微生物をフィルムとして保持することもまた一般的である。このようなデバイスは、「バイオフィルムリアクタ」と呼ばれている。これらの系は、酸素も曝気も必要とせず、そして好気的系と比較して固有に遅い反応速度を有する嫌気的プロセスによりよく適している。曝気プロセスに適用される場合、反応体の固定バイオフィルムへの遅い質量移動は、性能を改善するのに役に立たない。
【０００７】
曝気プロセスにおいて、バイオフィルム系は、散水濾床の形態をとる。ここで、液体は、パッキング材料で充填されたリアクタの上方に撒きちらされ、これは、ランダムパッキングまたは構築されたパッキングのいずれかの形態で石または合成的に製造された媒体の天然のランダムなパッキングであり得る。これらの系において、その液体が不連続相として存在し、そして気体が連続相として存在することは注目すべきである。そのようなリアクタは、固体生成物がその反応の間に生成される場合適切ではないこともまた明らかである。なぜなら、これらの生成物はその媒体上に蓄積するからである。実際、これらの系は、沈澱可能な不活性固体がその生の汚水に存在する場合でさえも、同じ理由で推奨されない。
【０００８】
液体プール内に沈められた合成パッキングが、拡散された曝気装置を用いて下から曝気される系「曝気されたフィルター」がいくつか存在する。そのような系はまた、バイオフィルム系のすべての酸素質量移動の欠陥を有するが、このように保持されるバイオフィルムが沈降後に回避するという利点を有し、そしてショック負荷または一過的な毒性負荷のような汚水の特性における変動によってそれほど影響を受けない。固体生成物の有効な除去は沈められた曝気フィルターにおいては不可能であることは明白である。
【０００９】
別のバイオフィルム系は、流動床バイオリアクタである。この系では、バイオフィルムは、上方の方向において適用される液体速度を用いてバイオリアクタ内での懸濁物内に保持されるキャリア材料に存在する。キャリア粒子の攪拌の定常状態は、確実に固定バイオフィルムリアクタの質量移動の限定を最小化する。適用される速度は、「流動」型（ｒｅｇｉｍｅ）にあり、すなわち、バイオキャリア粒子上に適用される上方の抵抗力が、その粒子の浮遊重量に等しくかつ反対向きである。固体液体流動床リアクタにおいて、これが有効である速度の範囲は狭い。この状況は、曝気の適用によって複雑になる。流動床リアクタの上方において、その上で保持される気体、液体および固体が分離される分離（ｄｉｓｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）部分が存在する。適用されるべき液体の速度は、非常に高く、それゆえ流動床リアクタのエネルギー消費は、通常、他の型のリアクタについてよりも高い。流動床リアクターは、嫌気的汚水処理適用のために使用されてきたが曝気系について、そのような適用は、３相の流動床において安定性を維持する流体力学上の複雑性に起因して、稀である。固体生成物の除去もまた、問題である。なぜなら、その除去は、固体生成物を実施し、他方でバイオキャリア粒子の保持を確実にする速度の適用が必要であるからである。このことは、その操作型の安定性をさらに減少する。
【００１０】
エアリフト醗酵層の概念は、循環流を立ち上げるために曝気を伴う吸出し管系を用いる。この系は、バイオキャリアの存在なしに生物学的反応を実施するための開発および使用されてきた。エアリフトリアクターの拡張であり、バイオキャリアを用いるいわゆるバイオフィルムエアリフトリアクターは、汚水処理のために開発されてきた（Ｈｅｉｊｎｅｎ  Ｊ．Ｊ．ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，１３，２０２−２０８  （１９９０）．）。これは、いくつかの施設において商業的に実現されてきた。バイオキャリアは、これらのリアクタにおいて流動状態または循環される状態にある。このバイオフィルムエアリフトリアクタは、３相流動床リアクタと比較して、広い範囲の流体力学の操作性を有する。
【００１１】
逆流動床リアクタの概念は、流体（通常汚水）よりも低い比重を有するバイオキャリア粒子を使用することを意味する。バイオキャリア粒子の床は、そのリアクタの上方における浮遊床を形成する。流動は、下方への方向に流体の速度を適用することによって達成される。そのような系の基本的な利点は、分離と液体の同時流との組み合わせ作用によって固体生成物を除去することができる点である。しかし、この系は、曝気を実現することが非常に困難である。なぜなら、下方の流動速度が不安定であり、そして非常に狭い範囲にあるからである。さらに、同時に、生じる気体をチャネリングも除去もせずに流動化を可能にするためのリアクターの上方への液体の均一な分配は、技術的な問題を提示することから、逆流動床リアクタは、いかなる実用的な適用においても実現されてこなかった。曝気がそのリアクタに対する外的ループにおいて実用的に可能であるのみであり、これはそのリアクタの能力にさらなる制限を加える。
【００１２】
以下を参照することができる：Ｇａｒｃｉａ−Ｃａｌｄｅｒｏｎ，Ｄ．ｅｔ  ａｌ．，Ｗａｔｅｒ  Ｒｅｓ．，３２  （１２），３５９３−３６００，１９９８  およびＧａｒｃｉａ−Ｂｅｒｎｅｔ，Ｄ．ｅｔ  ａｌ．，Ｗａｔｅｒ  Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，３８  （８−９），３９３−３９９，１９９８。この文献では、下向きの流れの流動床リアクタまたは倒立（ｉｎｖｅｒｓｅ）流動床リアクタが汚水の嫌気性処理における適用について記載されている。下向流れの流動についてその文献に記載において、液体より小さな比重を有する粒子が、液体の並行流によって下向きに流動化される。この文献は、赤ワイン蒸留汚水の嫌気的消化のための、下向きの流れ（または倒立）の流動技術の適用を記載する。使用されるキャリアは、地盤のパーライトである、膨張性火山岩であった。バイオフィルムの形成および倒立流動床リアクタの流体力学に対するその形成の効果が記載されている（Ｇａｒｃｉａ−Ｃａｌｄｅｒｏｎ，Ｄ．ｅｔ  ａｌ．，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｅｎｇ．，５７  （２），１３６−１４４，１９９８）。すべてのこれらの作業は、嫌気性系についてなされたが、曝気された系にはされなかったことに留意すべきである。
【００１３】
研究室からフルスケールでのバイオリアクターへの、汚水処理における倒立流動の適用は、以下による文献に記載されている：Ｋａｒａｍａｎｅｖ，Ｄ．Ｇ．ａｎｄ  Ｎｉｋｏｌｏｖ，Ｌ．Ｎ．；Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｐｒｏｇ．，１５  （３），１９４−１９６，１９９６。この文献では、倒立流動床バイオフィルムリアクターは、バイオフィルムの厚さがバイオフィルム内の拡散限定を回避するように制御され得るように設計される。このリアクターの基礎は、吸出し管エアリフト装置である。液体を循環させることによって、環における浮遊粒子の床を拡大する。当初は、下部床の境界は、下部管の開口より十分上にある。支持粒子の表面上で成長するバイオフィルムは、バイオ粒子（支持粒子およびバイオフィルム）の直径の全体を増大させる。このことによって、下部レベルが下部吸出し管の開口に到達し、そしてバイオ粒子のいくつかが液体の流れとともに吸出し管に入るまで、床の拡大が生じ、そして下部床レベルの下向きの非常に遅い動きが生じる。そこでは、強力な剪断応力に起因して、そのバイオフィルムの部分が除去され、そしてそのバイオフィルムの厚さが減少する。最後には、これらのバイオ粒子は、吸出し管から出て、そして環の上方に入り、そこで、そのプロセスが反復される。このことによって、バイオフィルムの厚さが制御される。この説明において、倒立流動床は、まず、膨張した流動床として作動し、バイオキャリアのループ循環は、主に、より重い粒子から過剰のバイオフィルムの除去のために作動する。生物学的な硫化物の酸化または鉄の酸化またはマンガンの酸化において、固体生成物の生成および除去のためのリアクター系の使用の意図はない。
【００１４】
下向きの流れのモードで汚水の生物学的処理をするための装置が、以下により開示されている：Ｓｈｉｍｏｄａｉｒａ；  米国特許第４４５４０３８号；発行日／出願日：１９８４年６月１２日／１９８０年１０月３１日。同じ発明者による以前の特許である米国特許第４２５６５７３号は、汚水の生物学的処理のプロセスを開示する。ここでは、下向きの流れの流動床が嫌気性および好気性の汚水処理のために利用されている。開示される基本的な装置は、リアクター容器の上方における均一な液体分配のための分配器が提供された水バイオキャリアよりも軽い下向きの流れの流動床である。この装置は、硝化作用、脱硝化作用およびＢＯＤ除去における使用について記載されている。基本的な装置における改良が請求されており、ここでは、吸出し管が曝気系とともに提供され、これにより、曝気が流動を提供するための循環を設定する。請求される吸出し管の機能は、曝気のための液体の内的ループ流を提供するどころか、ポンピングによって液体の外的ループ流さえ提供するためのものである。本発明と、Ｓｈｉｍｏｄａｉｒａによって開示される発明との間には、顕著および重大な相違がある。これらは、以下に列挙される：
１．以前の装置は、固形物を除去するように設計されておらず、またそのように意図されていない。本発明は、特に固形物の生成および除去のためであり、それにより、処理を引き起こす。従って、本発明は、廃水からの硫化物、鉄、およびマンガンの生物学的除去において特別な有用性を有する。
【００１５】
２．以前の発明で開示された装置は、真の流動床である、すなわち、意図された操作は、実質的に一定の長さの床拡張であり、一方、本発明は、流動循環床のためである。一定の床拡張の維持は、床における注入またはガス形成によって補助されると言われる。不活性物質の十分な除去を達成するために、固形物の生成を生じる反応について意図される装置のための床循環を有することが重要である。
【００１６】
３．以前の発明に開示された装置は、ドラフトチューブとリアクタ壁との間の環状の空隙中にのみキャリア材料を想定し、従ってドラフトチューブの内側に反応の著しい部分を有しない。一方、本発明は、上方向に動くドラフトチューブの内側にキャリアのかなりの部分を有するので、反応の著しい部分がドラフトチューブの内側で生じる。本発明は、好ましい配置で、ドラフトチューブの断面積が、ドラフトチューブとリアクタ壁との間の環状の空隙の断面積よりも大きいような直径のドラフトチューブを用いることもまた、留意されるべき点である。
【００１７】
４．以前の発明に開示された装置は、床およびいくつかの配置の表面に液体を均一に分配するために特別に設計された液体分配を必要とする。なぜなら、このことが記載されているからである。一方、本発明は循環して流動される床であり、特別な液体分布機構を必要としない。
【００１８】
５．適用される循環速度は、流動速度よりも質的に大きい。
【００１９】
６．本発明およびその操作レジメは、一般に、バイオマスより実質的に大きな比重の、無機物であり、かつ微細に分割した形態である、元素イオウ、酸化鉄、および酸化マンガンのような固形生成物を生成する生物学的反応を実施するのに特に適している。
【００２０】
米国特許第５０１９２６８号（発行日：１９９１年５月２８日／出願日：１９８９年６月１５日）では、上流方向の配置に必須であるより軽い水流動床を含む装置が、好気性生物廃水処理のために記載されるが、廃水中に存在し得る捕獲された固形物の除去のために下流方向の流動によって周期的にフラッシュされなければならない。本発明は、完全に異なる配置および目的を有する。
【００２１】
Ｏｈ，Ｋｗａｎｇ−Ｊｏｏｎｇら、Ｋｏｒｅａｎ  Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．，１５（２），１７７−１８１（１９９８）Ｋｏｒｅａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓは、三相流動床バイオリアクタにおける生物学的酸化による硫化水素の除去のためのプロセスを記載する。Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｐ．が、生物砂（ｂｉｏｓａｎｄｓ）上に固定化された。
【００２２】
硫化物酸化のためにキャリア粒子および固定床を用いることに伴う課題が、特許（Ｃ．Ｊ．Ｎ．Ｂｕｉｓｍａｎ，米国特許第５，６３７，２２０号：１９９７年６月１０日）において議論されている。ここでは、リアクタ中に保持される生成物イオウ自体が、バイオキャリアとして働き得ることが開示されている。リアクタ中に保持されるイオウの大量の在庫を伴うこの配置は、通気不全である場合またはシャットダウンの間に、イオウから硫化物に再形成する、強くかつ速い逆方向の反応のために、不安定に陥りやすい。本発明は、リアクタ中のイオウの停滞をほとんど無視できる程度にすることを確実にすることによって、これらの不利を克服する。本発明は、開示された発明と比較して、イオウによるバイオマスの汚染がないため、生物触媒の優れた活性を維持する。本発明のさらなる利点は、生成物であるイオウの純度が、付着したバイオフィルム上にかなり保持される生物学的因子で汚染されていないので優れることである。
【００２３】
三相流動床バイオリアクタにおいて、セラミクスまたは砂または活性炭素ではなくＰＶＣのようなプラスチックのような合成材料を使用することは、一般的ではない。ここで再度、キャリア材料は、流体よりも高い比重を有することに留意される。特異的形状および流動床適用のための水よりも少ない比重の微生物キャリアならびにそれらの生成が、特許（例えば、［ＪＰ  １１０００６８２  Ａ２（１９９９年１月６日）］）に記載される。可変性の比重を有するプラスチックから形成される微生物キャリア、および流動床リアクタと浮遊分離システムとの組み合わせが、特許［ＪＰ  １０１９２８７８  Ａ２（１９９８年７月２８日）］に記載されている。しかし、ループ流配置システム中で逆流動を達成するようなキャリアの相当の利点は、以前には要求されていないことが留意される。さらに、本発明の本質は、固形生成物を生じる生物学的反応の実施のために適用され得、かつリアクタ中に活性な生体触媒を保持しながら固形廃棄物の除去に有効であることである。
【００２４】
鉄の酸化および除去のための砂流動床の使用は、特許出願［ＰＣＴ国際出願ＷＯ９４０６７１７Ａ１（１９９４年３月３１日）］において要求されている。酸化沈殿物の分離の困難な工程は、高い速度を用いて、従って高いエネルギーコストで達成される。本発明においては、分離は、水より軽いキャリア粒子の使用により、低いコストで効率的に達成される。
【００２５】
従って、本発明は、上記特許に記載の発明とは、実質的かつ詳細に異なる。
【００２６】
従って、高い反応速度を達成するリアクタを有することが強く望まれ、このことは、上記のプロセスが、リアクタ内に微生物の所望の集団を保持することを必要とするからであり、十分に高い数のゆっくりと増殖する生物学的因子が、所望の反応を実施するためにいつでもリアクタの内側で利用可能であり、そして流出液および生成物の純度が、生物の除去のための分離段階を通過することなく増大される。このリアクタは、生物を不活性化しがちである衝撃荷重または絶食相に耐えるより良好な能力を有するべきである。
【００２７】
本発明は、エアリフトバイオフィルム手段と下流方向の流動床との相乗的な組み合わせとして理解され得る。このことは、特に、固形粒子が反応の結果として得られる生物学的廃水処理プロセスの実施のために用いられる場合、驚くべきかつ効果的な結果を生じる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２８】
（発明の目的）
本発明の主要な目的は、生物学的因子および少なくとも１つの気体反応物を用いる固形物の生成を包含する生物学的反応の実施による廃水の精製のためのプロセスを提供することである。
【００２９】
本発明の別の目的は、液体中に存在するか、または液体の精製のための反応の実施の間に生成される他の固形物から固形状の生物学的因子を効率的に分離し得るプロセスを提供することである。
【００３０】
本発明のさらに別の目的は、連続した再利用のために生物学的触媒を保持しながら反応物の連続した注入および液体生成物の連続した排出を可能にするプロセスを提供することである。
【００３１】
本発明のなお別の目的は、連続した再利用のために活性な生物学的触媒を保持しながら精製反応の固形生成物の非常に効率的な連続した排出を可能にするプロセスを提供することである。
【００３２】
本発明のもうひとつの目的は、反応の有効な実施のための条件を生み出すために、気体反応物および液体反応物と、生物学的触媒との混合を可能にするプロセスを提供することである。
【００３３】
本発明の１つの別の目的は、生物学的触媒の活性が維持され得、そして固形生成物による汚染が防止され得、それにより、反応物の質量移行の結果としての反応速度の減少が回避されるプロセスを提供することである。
【００３４】
（発明の要旨）
従って、本発明は、保持された生物学的触媒を用いる廃水の連続した精製のための生物学的プロセスに関する。本発明はまた、本明細書中、以降で「逆流動ループリアクタ（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｆｌｕｉｄｉｓｅｄ  Ｌｏｏｐ  Ｒｅａｃｔｏｒ）」（ＲＦＬＲ）と呼ばれる、上記プロセスを実施するための新規なリアクタに関する。
【００３５】
（発明の詳細な説明）
従って、本発明は、廃水の構成成分を、保持可能な生物学的触媒を用いて容易に分離可能である固体形態に変換することによる、廃水の生物学的処理を提供する。この方法は、以下の工程を包含する：
（ａ）処理される廃水を、廃水流入のための１つ以上の入口／ノズル、精製水流出のための１つ以上の出口／ノズル、１つ以上のドラフトチューブ、気体／大気の注入のための１つ以上の入口／ノズル、および微生物フィルムを付着した粒状床を備える容器に通す工程；
（ｂ）処理される廃水を、微生物を含有する粒状床に接触させて、廃水の構成成分のいくつかを固形生成物に変換する工程；
（ｃ）ドラフトチューブを通して液体の上向きの流れを形成させるために、気体／大気を、ガスノズルを通してドラフトチューブに導入する工程；
（ｄ）浮力（ｂｏｙａｎｃｙ）の作用により固形生成物から粒状床を分離する工程；容器から処理水を除去する工程（所望の場合、連続様式で）；および
（ｅ）反応容器の底から粒状固形生成物を除去する工程（所望の場合、連続様式で）。
【００３６】
本発明の実施形態において、気体／大気は、少なくとも１つの反応成分を含む。
【００３７】
本発明の別の実施形態において、反応成分は、酸素および水素からなる群から選択される。
【００３８】
本発明のさらに別の実施形態では、ドラフトチューブは、両端で開口するように構成され、そして容器の底から離れて設置され、その垂直方向の長さは、反応容器中の液体レベル以下に制限される。
【００３９】
本発明のさらに別の実施形態では、リアクタの内側に一定の液体レベルを維持する機構が、提供される。
【００４０】
本発明のもう一つの実施形態では、一定の液体レベルを維持する機構は、リアクタ中に存在する液体のレベルまで高められたバルブまたは高くなった出口チューブである。
【００４１】
本発明の１つの別の実施形態では、気体が、反応容器の上部から出て行く流出気体（ｏｆｆ−ｇａｓ）の一部と混合され、そしてこのガスノズルに再循環する。
【００４２】
本発明の実施形態では、粒状キャリアの床を通過した処理水の一部が、反応容器に戻り得る。
【００４３】
本発明の別の実施形態では、乱流自由帯域（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ  ｆｒｅｅ  ｚｏｎｅ）が、ドラフトチューブの底のレベル以下に、かつ気体が反応容器の底に導入されるレベル以下に位置し、微生物付着キャリアに剪断力をかけることにより、同時に浮力誘導浮遊により粒状床を分離しながら、水より重い精製プロセスの固形生成物もしくは不活性材料、またはキャリアに付着した過剰の微生物の沈殿を捨て去らせることを可能にする。
【００４４】
本発明のさらに別の実施形態では、水より重い精製プロセスの固形生成物または不活性材料、または粒状床に付着した過剰の微生物は、剪断力をかけることにより捨て去らせられる。
【００４５】
本発明のなお別の実施形態では、微生物は、硫化物酸化細菌、鉄酸化細菌（ｉｒｏｎ  ｉｘｉｄｉｓｕｉｎｇ  ｂａｃｔｅｒｉａ）、マンガン酸化細菌、および硫酸還元細菌からなる群から選択される。
【００４６】
本発明のもう１つの実施形態において、上記微生物は、硫化物（ｓｕｌｐｈｉｄｅ）酸化細菌であり、上記気体は、酸を含有する。
【００４７】
本発明の１つの別の実施形態において、上記微生物は、鉄酸化細菌であり、上記気体は、酸素を含有する。
【００４８】
本発明の１つの実施形態において、上記微生物は、マンガン酸化細菌であり、上記気体は、酸素を含有する。
【００４９】
本発明の別の実施形態において、上記微生物は、スルフェート還元細菌であり、上記気体は、水素を含有し、上記固体生成物は、硫化金属を含む。
【００５０】
本発明のなお別の実施形態において、粒子状ベッドは、処理される汚水より低い比重を有する。
【００５１】
本発明のなお別の実施形態において、上記粒子状ベッドは、０．９０〜０．９９の比重を有する。
【００５２】
本発明のもう１つの実施形態において、上記粒子状ベッドは、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）から作製される。
【００５３】
本発明の１つの別の実施形態において、上記粒子状ビーズは、フィルター材料を含む。
【００５４】
本発明の１つの実施形態において、上記フィルター材料は、カオリンである。
【００５５】
本発明の別の実施形態において、上記粒子状ベッドは、フィルター材料としてカオリン含有低密度ポリエチレンから作製される。
【００５６】
本発明のなお別の実施形態において、上記粒子状ベッドは、１ｍｍ〜１０ｍｍのサイズの粒子から作製される。
【００５７】
本発明のなお別の実施形態において、空気上昇は、吸出し管内の液体の上向きの流れを設定し、リアクターと吸出し管との間の環状空間において下向きの流れを設定する。
【００５８】
本発明のもう１つの実施形態において、吸出し管内の上昇気体の作用により設定された循環速度は、曝気速度、吸出し管の直径およびリアクター容器の内径を調節することにより調節される。
【００５９】
本発明の１つの別の実施形態において、循環速度は、流動化速度（ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）より大きい。
【００６０】
本発明の１つの実施形態において、流動化速度は、上向きの抵抗力を粒子の浮遊重（ｂｕｏｙａｎｔ  ｗｅｉｇｈｔ）と等しくかつ反対にするために、バイオキャリア粒子に付与される力として規定される。
【００６１】
本発明の別の実施形態において、汚水は、容器の頂部に配置された蓋を開けることにより注がれ得る。
【００６２】
本発明はさらに、汚水を連続的に精製するためのプロセスを提供し、このプロセスは、以下の工程を包含する：
（ｉ）処理される汚水を、所望であれば連続様式にて、適切なレベルの液体を保持し得、汚水の流入のための１以上の入り口／ノズルおよび反応生成物の除去のための１以上の出口／ノズルを有する反応容器中に、通過させる工程、
（ｉｉ）上記反応容器内の１以上の吸出し管を提供する工程であって、この吸出し管は、両端が開いており、この容器の底部から外れ、この反応容器中の液体のレベル未満に制限された垂直長である、工程，
（ｉｉｉ）この吸出し管の内部で発生する泡を閉じ込めるために、この反応容器内に位置した空気または気体の投入ための１以上の気体入り口／ノズルを提供する工程、
（ｉｖ）部分的に反応容器を満たし、反応容器中の液体内に実質的に沈められて浮かせるために、この反応容器内に、処理される汚水より低い比重を有する材料から作製された粒子状ベッドを提供する工程、
（ｖ）汚水中に存在する不純物から固体生成物を形成し得る微生物を、この粒子状ベッドに付着させる工程、
（ｖｉ）この吸出し管を通る液体の上向きの流れを形成するために、浮遊粒子状ベッドが、攪拌され（ｄｉｓｔｕｒｂ）ベッドを構成する粒子が、このリアクター内部の垂直ループ内を循環する様式にて、この吸出し管へ、気体ノズルを通じて気体を導入する工程、
（ｖｉｉ）処理される汚水と、粒子状ベッドとを接触させ、それにより、汚水中に溶解した汚染物質のいくらかを固体生成物に変換する工程、
（ｖｉｉｉ）所望であれば連続様式にて、この粒子状ベッドを、浮力作用により固体反応生成物から分離し、反応容器から処理した水を取り出す工程、ならびに
（ｉｘ）所望であれば連続様式にて、この固体生成物を、反応容器から取り出し、この反応容器内のその付着した微生物フィルムとともに、この粒子状ベッドを保持する工程。
【００６３】
本発明はまた、保持可能な生物学的触媒を使用して容易に分離され得るその成分を固体形態に変換することにより、汚水の生物学的処理のために使用されるデバイスを提供する。このデバイスは、垂直方向に細長い反応容器を備え、この反応容器は、汚水を供給するための１以上の入り口／ノズル、処理された汚水を取り出すための１以上の出口／ノズル、気体／空気を投入するための１以上の入り口／ノズル、両端で開いており、容器の底部から外れ、容器中の水のレベル未満の垂直長である１以上の吸出し管、および微生物フィルムが付着して、汚水中に存在するこの固体粒子を取り除く粒子状ベッドが設けられている。
【００６４】
本発明の好ましい実施形態において、このデバイスは、本明細書中以降、「逆流動化ループリアクター（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｆｌｕｉｄｉｓｅｄ  Ｌｏｏｐ  Ｒｅａｃｔｏｒ）」（ＲＦＬＲ）といわれる。
【００６５】
本発明の１つの実施形態において、このデバイスはさらに、漏斗型形状の底部、沈殿した物質を除去するための出口／ノズル、排出気体を除去するための１以上の出口／ノズルを備えた蓋、リアクター中の液体の一定レベルを維持するための機構、排出気体を再循環させるためのポンプ、および液体流出液からの生成物固体の分離を増強するための１以上のバッフルから構成される。
【００６６】
本発明の別の実施形態において、本発明は、曝気を提供し、かつ反応の固体生成物を除去すると同時に、触媒として作用する微生物因子を必要とする、汚水処理反応のクラスを実施するための新たなリアクターシステムに関する。本発明は、生物学的プロセスの細かいサイズの産物を含む固体生成物の効率的かつ連続的除去を確実に行うと同時に、攪拌されかつ曝気された懸濁物中で維持された活性な微生物因子が付着したバイオフィルムを備えるバイオキャリアの保持を可能にする。本明細書中以降、「逆流動化ループリアクター（ＲＦＬＲ）」といわれるシステムは、流体（特に汚水）より低い密度のバイオキャリア粒子を有する。このリアクターは、円筒状または他の所望の断面の容器またはタンクである。このリアクターは、１以上の「吸出し管」が設けられ、この吸出し管は、円筒状チューブであり、かつ両端にて開いている。この吸出し管の長さは、好ましくは、リアクターの液体混合プール内に抑えられる。曝気ノズルは、注入された空気を含みかつ直接方向付けて、吸出し管のみを通じて上方向に上昇させるために、吸出し管の下または吸出し管内に設けられる。空気の上昇は、吸出し管内の液体の上向きの流れを設定し、リアクターと吸出し管との間の環状空間において下向きの流れを設定する。吸出し管内の上昇気体の作用により設定された循環速度は、曝気速度、吸出し管の直径およびリアクター容器の直径寸法を選択することにより広範に調節され得る。ＲＦＬＲの操作についての循環速度は、吸出し管の外側のゾーンにおいてバイオキャリア粒子を下ろすことを可能にするように選択される。この循環速度は、流動化速度を上回る任意の値にて選択され得、従って、システムの安定な操作が可能な速度は、広範囲に存在する。処理される液体は、容器の側部にあるポートを通して反応容器に入り得るか、容器の開いた蓋（ｏｐｅｎ  ｔｏｐ）を介して注がれ得る。いずれの特別な液体分配システムの必要もない。反応容器は、分離部分（ｄｉｓｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ  ｓｅｃｔｉｏｎ）および曝気ノズルのレベル未満の液体出口ノズルが設けられる。この分離部分の寸法は、この部分における液体流の速度が、バイオキャリア粒子の流動速度未満であるように選択される。実際に、これは、曝気ノズルレベルより下の断面が変化することなく、単に反応容器を継続させることにより最も実際的な適用において容易に達成される。反応容器の底部は、適切にスロープ状になって、全ての沈澱した固体が除去され得る。実際に、急勾配に角度がついた円錐型底部は、沈澱した固体を流出させ得る。容器の底部部分が液体流出液から固体生成物を沈澱させることによる分離のために設計され得る。
【００６７】
本発明のなお別の実施形態において、リアクター内部で一定の液体レベルを維持する機構は、バルブまたはリアクター中に存在する液体のレベルに上昇した上昇出口チューブである。
【００６８】
本発明のなお別の実施形態において、入り口ノズルは、吸出し管の底部開放端部の直ぐ下または吸出し管の下部末端の内部のいずれかで終わる。
【００６９】
本発明のもう１つの実施形態において、ノズルから出てくる気体／空気の流れは、上方向である。
【００７０】
本発明の１つの別の実施形態において、ノズルから出てくる気体／空気の流れは、吸出し管のみに制限される。
【００７１】
本発明の１つの実施形態において、気体／空気は、少なくとも１つの反応成分を含む。
【００７２】
本発明の別の実施形態において、上記反応気体は、酸素および水素を含む群から選択される。
【００７３】
本発明のなお別の実施形態において、上記微生物は、硫化物酸化微生物、鉄酸化微生物、マンガン酸化微生物およびスルフェート還元微生物を含む群から選択される。
【００７４】
本発明のなお別の実施形態において、上記微生物は、硫化物酸化細菌であり、上記気体は酸素を含有する。
【００７５】
本発明のもう１つの実施形態において、上記微生物は、鉄酸化細菌であり、上記気体は、酸素を含有する、
本発明の１つの別の実施形態において、上記微生物は、マンガン酸化細菌であり、上記気体は、酸素を含有する。
【００７６】
本発明の１つの実施形態において、上記微生物は、スルフェート還元細菌であり、上記気体は、水素を含有し、上記固体生成物は、金属硫化物を含有する。
【００７７】
本発明の別の実施形態において、粒子状ベッドは、処理される汚水より低い比重を有する材料から作製される。
【００７８】
本発明のなお別の実施形態において、上記粒子状ベッドの比重は、０．９０〜０．９９である。
【００７９】
本発明のなお別の実施形態において、上記粒子状ベッドは、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）から作製される。
【００８０】
本発明のもう１つの実施形態において、上記デバイスはさらに、フィルター媒体から構成される。
【００８１】
本発明の１つの別の実施形態において、上記フィルター媒体は、カオリンである。
【００８２】
本発明の実施形態において、粒子床は、フィルタ材料としてカオリンを含む低密度ポリエチレンから作製される。
【００８３】
本発明の別の実施形態において、この粒子床は、フィルタ材料としてカオリンを含む低密度ポリエチレンから作製される。
【００８４】
本発明のさらに別の実施形態において、この粒子床は、液体に浸されて容器の中で浮く。
【００８５】
本発明のなお別の実施形態において、この粒子床は、約１ｍｍ〜１０ｍｍの間の大きさの粒子から作製される。
【００８６】
本発明のもう１つの実施形態において、この粒子床は、液体に浸されて容器の中で浮く。
【００８７】
本発明の別の１つの実施形態において、浮いている粒子床は、分配される。
【００８８】
本発明の実施形態において、この粒子は、ノズルから出てくる気体／空気によってリアクターの内側のバーティカルループ（ｖｅｒｔｉｃｌｅ  ｌｏｏｐ）の中で循環する。
【００８９】
本発明の別の実施形態において、この粒子床は、浮力（ｂｏｙａｎｃｙ）の作用によって固体反応生成物から分離される。
【００９０】
本発明のさらに別の実施形態において、この固体反応生成物は、沈降しそしてノズルから除去され得る。
【００９１】
本発明のなお別の実施形態において、過剰な微生物あるいは水より重い固体生成物または不活性材料は、力を加えることによって廃棄される。
【００９２】
本発明のもう１つの実施形態において、上記のデバイスは、浮動性生体キャリア粒子領域、再係合領域および沈降（ｓｅｔｔｌｉｎｇ）領域に分けられる。
【００９３】
本発明の別の１つの実施形態において、上記の粒子キャリアの床を通過して処理された水の一部は、反応容器に戻され得る。
【００９４】
本発明の実施形態において、無乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ  ｆｒｅｅ）領域は、上記の吸出し管の下位レベルの下および空気が反応容器の底部に導入されるレベルの下に位置され、そして精製プロセスでの固体生成物または水より重い不活性材料、あるいは微生物が付着したキャリアにせん断力を働かせることにより除去されたキャリアに付着した過剰な微生物の沈殿を可能にし、その間に同時に浮力に誘導される浮遊によって粒子床を分離する。
【００９５】
本発明の方法および装置を使用して、生物学的に増強された好気性反応を使用する汚水の精製のための反応を実行することが可能であり、この反応は、固体生成物の生成または沈殿を生じる。このような反応の適切な例は、硫化物または硫黄の生物学的な部分酸化である。別の例は、酸化物または水酸化物の形態として沈殿している第一鉄状態で溶解した鉄イオンの第二鉄状態への生物学的な酸化である。異なる例は、硫酸塩還元菌を使用する重金属硫酸塩を含有する汚水の硫化物沈殿物への還元であり、ここで還元剤は、水素を含有する気体である。このような廃棄物固体は、後の分離のために、処理された水とともにデバイスから容易に除去され得るが、この反応を触媒する生物学的因子は、反応容器の中に保たれる。本発明のこのプロセスは、不活性生成物による沈着および汚染を予防しながら、所望の微生物集団をリアクターの中に保つことによって、上記のプロセスを高い反応速度で実施可能である。
【００９６】
（図面の詳細な説明）
図１に１として反応容器を示す。この容器は、概して、細長い円筒状の構造であり得るが、都合に応じて所望の他の形状をとり得る。この容器は、液体反応物を投入するための、その壁を通るノズル２を備え、この液体反応物は、主に処理されるべき汚水である（材料の流れは、矢印Ａである）。ノズル２の位置は、任意である。容器（１）は、反応した溶液の除去のためのノズル（３）を備え、この溶液は、おもに処理された汚水である（材料の流れは、矢印Ｂである）。ノズル３の位置は、好ましくは領域８にあり、そして、容器１の中の液体の定常レベルを維持するためのいくつかの機構を有するべきである。このような機構は、１２に示されるようなサイホンブレーク（ｓｉｐｈｏｎ  ｂｒｅａｋ）を備える単純な上昇出口であり得る。この容器は、内部に固定された１つ以上の吸出し管７を備える。これらの管は、両端が開口している。吸出し管は、容器の底に配置され、そして容器の中の液体のレベルに制限される。この吸出し管はまた、好ましくは、領域１１および領域８を形成するように容器の底の上の領域に制限される。この容器は、気体または空気を投入するための別のノズル４を備える（材料の流れは、矢印Ｃである）。このノズルは、容器の内部から伸び、吸出し管７の底部開口端の底部の中の位置でかまたは底部で直接終わる。この容器は、沈殿した固体の回収のために、好ましくは、円錐形の底部１０を備え得る。別のノズル５（これもまた、任意である）は、定着した固体の除去（材料の流れの矢印Ｄ）のために、容器の底に提供される。この容器はまた、必要に応じて、排気気体の導管（材料の流れの矢印Ｅ）のために、カバーおよびノズル６と共に提供され得る。これらの気体は、ポンプ１４によりノズル４に再循環され得る（材料の流れの矢印Ｇ）。この容器は、０．１〜１０ｍｍの範囲の大きさでありそしてこの容器に含まれる液体中で浮遊する材料で形成される生体キャリア粒子で充填される。従って、この粒子は、浮遊床９を形成する。
【００９７】
図２は、操作の間の、リアクター内での種々の流れの方向を示す。ノズル４を通って気体が容器へと通過する際に、気体は、吸出し管７を通って泡として上昇し、６を通って液体の外および容器の外に逃げる。この泡の上昇は、矢印Ｆとして示される方向への、この容器に含まれる液体中での循環流を構成する。液体流の速度は、気体発生率ならびに吸出し管および容器の相対的な断面積に依存する。本発明の装置において、この液体流は、それによって生体キャリア粒子の床を輸送し、次いで、吸出し管のレベル未満に達するよう拡張するのに十分な速度である。一旦吸出し管のレベルを下回ると、液体速度は方向を変化させ、そして吸出し管を通って気体流と共に上方へ向けられる。結果として、生体キャリア粒子もまた、領域１１（解放領域と呼ばれる）に方向を変化させ、そして吸出し管を通って上方へ移動することにより循環床を形成する。この容器は、領域１１より下に拡張し、生成固体が定着する領域８を形成する。必要とされる場合、１３として示されるバッフルが、生成固体と液体廃液との分離を増強するために提供され得る。
【００９８】
本発明はさらに、以下の実施例において記載される。以下の実施例は、例示目的で与えられ、従って、いかなる様式においても本発明を限定すると解釈されるべきではない。
【実施例】
【００９９】
（実施例１）
生体触媒（通常は、生きている微生物）を、上記の「水より軽い」生体キャリア粒子上に生体フィルムとして保持する。生体フィルムの成長は、必要とされる生物の懸濁物と共にリアクター中に生体キャリア粒子を特定の時間維持し、そして成長に適した条件を提供することにより自然に得られる。本発明の別の実施において、生体フィルムを既に培養した生体キャリアを、反応容器に充填し得る。生体キャリア粒子の重要な特性は、その比重が反応容器中の流体よりも小さいことであり、それによって、この粒子の浮遊床が形成される。床の攪拌により、液体よりも重い固体粒子が、床から解放され、そして容器の底に定着する。気泡の上昇が吸出し管内で制限されるように容器に気体を導入することにより、吸出し管内では上方方向、吸出し管外では下方方向への液体の循環流が引き起こされる。この循環移動は、気体発生の結果としての吸出し管の内側と外側との間の静水圧の差の結果としてである。循環移動は、十分に強力である場合、それによって浮遊する生体キャリア床を移動させる。このことは、床粒子と気泡および液体流との良好な混合を可能にする。これはまた、液体中に存在するかまたは反応の結果として形成される不活性粒子または固体粒子からの生体キャリアの解放を可能にする。考えられる全ての実践的使用において、固体粒子は、リアクター内の液体よりも重く、従って、定着する傾向を有するが、生体キャリア粒子は浮遊する傾向を有する。攪拌状態にある生体キャリア自体は、それら自体の間の接触により絶えずすり減らされ、そしてこれは、生体フィルムの内部への反応物の塊の移動または生体フィルムの外部への生成物の塊の移動を遅延させる程度まで生体フィルムが成長するのを防止するための機構である。絶え間ない攪拌はまた、生体フィルムからの固体生成物の除去においても補助となる。リアクターは、液体の連続的な流入および流出ならびに定着した固体の廃棄のための入口ノズルおよび出口ノズルと共に提供され得る。従って、本発明は、本明細書中に記載される全ての目的を満たし得る。
【０１００】
以下に与えられる寸法の逆流ループリアクター（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ  ｌｏｏｐ  ｒｅａｃｔｏｒ）（ＲＦＬＲ）を設計し、そして硫黄を沈殿させるための硫化物含有廃水の生物学的酸化についてのその性能を調査した。
【０１０１】
廃水は、以下に与えられる組成を有した。リアクターへの流速を、１リットル容量のリアクターに供給される予め決定された硫化物充填速度（１日当たりのグラム硫化物として規定される）を達成するように、種々のレベルで固定した。流速を、硫化物変換の安定な効果が達成された場合に増加させた。この実験の目的は、このプロセスにおいて達成される最大硫化物充填速度を決定することであった。
【０１０２】
物質                                    濃度、ｍｇ／ｌ
硫化ナトリウム（純粋）                  ５８４．１
重炭酸ナトリウム                        ６７．０１
リン酸水素二カリウム                    ９２．３
リン酸二水素カリウム                    ９２．３
硫酸マグネシウム、７Ｈ２Ｏ              １８．４
リアクターの微量元素溶液の              ７．５
活発なｐＨ制御を行わない
実験用培地の調製されたｐＨ
リアクターの詳細を以下に示す：
１．リアクター中の液体容量：５５０ｍｌ
２．直径：５０ｍｍ
３．リアクター中の液体の高さ：４８０ｍｍ
４．吸出し管の直径：ＩＤ１５ｍｍ、ＯＤ２５ｍｍ
５．吸出し管の長さ：４６０ｍｍ
６．静止時の生体キャリア粒子の容量：１２５ｍｌ
７．停止時の静的な床の長さ（この床の長さはバルク容量と関連しない。なぜならば、吸出し管内での床の長さは、環状の空間での長さと同一ではないからである。しかし、この床の長さは、リアクターの有効容量の良好な概算を与え、静的な床の長さがリアクターの総容量の最大５０％であり得ることを仮定する。）：１５０ｍｍ
８．生体キャリア粒子の平均寸法２ｍｍ
９．ループ流を誘導するための空気の流速
生体キャリア粒子の詳細は以下に与えられる：
１．材料：２５重量％のカオリン充填剤を含むＬＤＰＥ
２．粒子の密度９９０ｇ／ｍｌ
３．長いストリングへの押し出しにより調製され、そして大きさに切り取られる。
【０１０３】
操作の間、この粒子を流動化し、そして気体散布によるループ循環を通して輸送する。このリアクターは、必要とされる場合に増加した酸化を可能にする。操作レジメンはまた、粒子の過剰輸送を防止するための必要性によって制限されない。この制御系は、供給ポンプを制御することにより酸化還元電位を維持する。酸化還元電位が低すぎる場合、供給ポンプを停止する。酸化還元電極は、読み取りを変動させる気泡から保護されるように配置される。いくつかの研究の間、ｐＨ制御系を使用して、硫化物の硫黄への変換の結果として増加するリアクターのｐＨを自動的に制御した。ｐＨ電極を、リアクター内部に直接導入した。
【０１０４】
ＲＦＬＲは、以下の性能を達成する：
１．リアクターｐＨ＞９．５でさえも２０ｋｇ／ｍ３／ｄよりも大きい硫化物充填速度
２．９９％よりも高い硫化物除去効率
３．硫黄収率：８０％を超過し得るが、より大きな系で実証されるべきである
４．操作の安定性−流体力学的安定性−非常に良好
５．操作の安定性−処理安定性−酸化還元を用いて制御され得る
６．系の始動−容易
７．生成する硫黄：系から容易に除去される。
【０１０５】
この実施例は、高硫化物負荷速度および硫化物変換効率のために、改良された性能のプロセスを示す。当業者は、５ｋｇ／ｍ３／日を超える高い変換の硫化物高負荷速度は、従来実施されたとき実施可能でないことを認識する。この実施例は、このリアクターシステムの目的の達成を示す。
【０１０６】
本発明は、その他のシステムと比べ以下の利点を有する。
１．バイオキャリア粒子が反応ベッセル内に保持される広範囲の稼動条件。
２．種々の適用に適するためにスケールアップおよび操作を可能にする、反応ベッセル内の良く規定された流れパターン。
３．リアクターからのすべての固形反応産物の効果的除去、および固形物が価値をもつ場合その回収。
４．均一な流動を可能にするための特別に設計された液体分散システムを必要としない。
５．通気強度および酸素インプットが、リアクターの流体力学によって課される束縛なしに増大され得る。
６．外部ポンプ輸送ループが不要。
７．流動床リアクターと比較したときの、高エネルギー効率。
８．バイオキャリア材料およびサイズは、リアクターの流体力学により課される束縛なくして、広範囲の浮遊材料から選択され得る。
９．バイオキャリア粒子の粒子サイズにおける不均一性のより大きな寛容性。
１０．連続式の受容可能な品質の水の精製。
【０１０７】
（要約）
本発明は、保持可能な生物学的触媒を用い、その成分を、容易に分離し得る固形形態に変換することによる、廃水の連続的精製のための生物学的プロセス、および上記のプロセスを実施するための「逆流動ループリアクター」（ＲＦＬＲ）と以後呼ばれる新規なリアクターをに関する。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】図１は、静的状態の本発明の模式図である。
【図２】図２は、操作の間の本発明の模式図である。
【国際公開パンフレット】
2004526561.tif 000003
2004526561.tif 000004
2004526561.tif 000005
2004526561.tif 000006
2004526561.tif 000007
2004526561.tif 000008
2004526561.tif 000009
2004526561.tif 000010
2004526561.tif 000011
2004526561.tif 000012
2004526561.tif 000013
2004526561.tif 000014
2004526561.tif 000015
2004526561.tif 000016
2004526561.tif 000017
2004526561.tif 000018
2004526561.tif 000019
2004526561.tif 000020
2004526561.tif 000021
2004526561.tif 000022
2004526561.tif 000023
2004526561.tif 000024
2004526561.tif 000025
2004526561.tif 000026
2004526561.tif 000027
2004526561.tif 000028
2004526561.tif 000029
2004526561.tif 000030
2004526561.tif 000031
2004526561.tif 000032
2004526561.tif 000033
2004526561.tif 000034
【国際調査報告】
2004526561.tif 000035
2004526561.tif 000036
2004526561.tif 000037