(57)【要約】縦坑バイオリアクタにおいて、生活排水、都市排水および産業排水を含む排水の強化された二次および／または三次処理のために改良された装置と方法がここに提供される。本発明の装置と方法は、ＢＯＤとＴＳＳ除去を含む、強化された二次排水処理に有用である。三次処理は、アンモニアの硝化と、硝化および脱窒化と、硝化、脱窒化および化学的脱リン化処理を伴うバイオリアクタで、代替的または付加的に可能である。ここでは、オプションとしてＡ級バイオソリッドを製造し、下水スラッジの好熱好気消化と消毒を達成する、縦坑バイオリアクタも提供されている。
2004528163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生分解性有機性物質を含む排水の浄化のための長尺縦坑バイオリアクタであって、
前記バイオリアクタの全深さの約７０−９０％の深さまで伸びている、少なくとも１個の主下降流チャンネルと、
該主下降流チャンネルと流体的に連結する少なくとも１個の主上昇流チャンネルであって、前記主下降流チャンネルの下部ポートの下に位置して混合ゾーンが形成され、前記主上昇流チャンネルは少なくとも１個の隔壁、バルブ、またはバッフルによって前記主上昇流チャンネルと流体的に連結された少なくとも第１および第２の上部上昇流チャンネルが形成される、少なくとも１個の主上昇流チャンネルと、
第１のヘッドタンクを介して前記主下降流チャンネルと流体的に連結する前記第１の上部上昇流チャンネルであって、前記第１のヘッドタンクには、流れを前記第１の上部上昇流チャンネルから横に向けて脱気を行わせる脱気板が取り付けられている、第１の上部上昇流チャンネルと、
該第１の上部上昇流チャンネルと流体的に連結する排水流入チャンネルと、
該排水流入チャンネルと前記第１上部上昇流チャンネルとの間の液体流を調整する作動可能な第１の液体流量レギュレータと、
第２のヘッドタンクと流体的に連結する前記第２の上部上昇流チャンネルであって、前記第２のヘッドタンクには、流れを前記第２の上部上昇流チャンネルから横に向けて脱気を行わせる脱気板が取り付けられている、第２の上部上昇流チャンネルと、
該第２の上部上昇流チャンネルと流体的に連結する再循環チャンネルと、
該再循環チャンネルと前記第２の上部上昇流チャンネルとの間の液体流を調整するために作動可能な第２の液体流量レギュレータと、
前記主上昇流チャンネル内にエアリフトを生成するため、酸素を含む気体を前記主上昇流チャンネルに配分する気体配分ポートとを含む、長尺縦坑バイオリアクタ。
【請求項２】
前記主上昇流チャンネルは、該主上昇流チャンネル内を上昇する前記酸素を含む気体の予め決められた部分を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向け、同時に、全液体流量の異なる部分を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けるような位置および構成で設けられた少なくとも１個の転流バッフルによって区分される、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項３】
前記主上昇流チャンネル内における液体の滞留時間が、前記主上昇流チャンネル内を上昇する前記の酸素を含む気体の予め決められた部分を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向け、同時に全液体流量を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けることによって、調節可能に制御されている、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項４】
前記長尺縦坑バイオリアクタは、リサイクルされ脱気された液体を前記第１のヘッドタンクから前記第１の上部上昇チャンネルに必要に応じて仕向けるために、前記第１のヘッドタンクと前記第１の上部上昇流チャンネルの間に設けられるリサイクルチャンネルを含み、
前記主上昇流チャンネル内の液体の滞留時間は、前記主上昇流チャンネル内を上昇する前記酸素を含む気体の予め決められた部分を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けるような位置と構成で転流バッフルを設けることによって部分的に調節可能に制御され、
前記液体の滞留時間は、前記リサイクルチャンネルから前記第１の上部上昇流チャンネルの間のリサイクル流量を選択的に調整すること、およびまたは前記再循環チャンネルと前記第２の上部上昇流チャンネルとの間の再循環流量を選択的に調整することによって部分的に調整可能に制御される、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項５】
前記排水流入チャンネルは、上向きのポートにより前記第１の上部上昇流チャンネルと連結する下降流チャンネルによって、前記第１上部上昇流チャンネルと流体的に連結される、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項６】
前記再循環チャンネルは、上向きのポートにより前記第２の上部上昇流チャンネルと連結する下降流チャンネルによって、前記第２の上部上昇流チャンネルと流体的に連結される、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項７】
前記第２のヘッドタンクには前記第２のヘッドタンクから流出液を必要に応じて排出する排出装置が取り付けられる、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項８】
前記第２のヘッドタンクから前記流出液が必要に応じて排出される浄化器を含む、請求項７に記載のバイオリアクタ。
【請求項９】
前記主上昇流チャンネル内の液体滞留時間は、前記バイオリアクタ内の酸素供給率を該バイオリアクタ内の微生物のバイオマスによる酸素取り込み率とほぼ適合させるように調整可能に制御される、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１０】
バイオリアクタ内の空隙制御は、前記第２のヘッドタンクと前記第２の上部上昇流チャンネルとの間の脱気されたリサイクル液流の流量を調整することによって効果的に達成される、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１１】
空隙制御は、前記主上昇流チャンネル内の酸素を含む気体の流量を変えることなく、前記第２のヘッドタンクと前記第２の上部上昇流チャンネルとの間の脱気されたリサイクル液流の流量を調整することによって効果的に行われる、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１２】
前記主上昇流チャンネル内の液体の滞留時間は、前記第２のヘッドタンクと前記第２の上部上昇流チャンネルとの間の脱気されたリサイクル液流の流量を規制して空隙を調整することにより、調節可能に制御される、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１３】
１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルへの酸素を含む気体の流れは、前記１または２個以上の上部上昇流チャンネルへの液体流量と独立に調節可能である、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１４】
前記第１の上部上昇流チャンネルへの酸素を含む気体の流れは、該第１の上部上昇流チャンネルへの液体流量と独立に調節可能である、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１５】
前記第２の上部上昇流チャンネルへの酸素を含む気体の流れは、前記第２の上部上昇流チャンネルへの液体流量と独立に調節可能である、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１６】
前記第１および／または第２のヘッドタンクから前記第１および／または第２の上部上昇流チャンネルへの脱気液体のリサイクルまたは循環が、システムのマイクロプロセッサ制御または手動制御されたバルブまたはバッフルアクチュエータによって調節可能に制御される、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１７】
沈殿浄化槽を含む、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１８】
仕上げバイオフィルタを含む、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項１９】
消毒チャンバーを含む、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項２０】
沈殿した活性化スラッジを前記バイオリアクタに戻す手段を含む、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項２１】
前記第２のヘッドタンクおよび／または前記第１の上部上昇流チャンネル内で固定されたまたは循環する微生物を付着させるための付着媒体を含む、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項２２】
前記第１の上部上昇流チャンネルと第２の上部上昇流チャンネルとの間に置かれた自動バッチングエアロックを含む、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項２３】
前記バイオリアクタの下部から廃棄固形物を取り出す手段を含む、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項２４】
前記混合ゾーンにおける混合および／または気泡生成を増強するために前記気体配分ポートと作動可能に一体化されたせん断ヘッダまたは気泡配分機構を含む、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項２５】
前記主下降流チャンネルおよび前記第１の上部上昇流チャンネルに十分な嫌気性環境を提供するように選択的に作動可能である、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項２６】
前記主下降流チャンネルおよび前記第１の上部上昇流チャンネルにおいて実質的に嫌気性環境を提供するように調整可能であり、このモードにおけるバイオリアクタの運転は硝酸塩の脱窒を含む栄養素処理の最終段階である、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項２７】
前記再循環チャンネルによって連結された前記第２の上部上昇流チャンネルと前記第２のヘッドタンクとにより区切られた第２の処理ゾーンにおいて増強された硝化方法を提供するように調節可能な、請求項１のバイオリアクタ。
【請求項２８】
前記硝化方法を増強するための第２の処理ゾーン内の固定または移動付着媒体を含む、請求項２７に記載のバイオリアクタ。
【請求項２９】
前記再循環チャンネルによって連結された前記第２の上部上昇流チャンネルと前記第２のヘッドタンクとにより区切られた第２の処理ゾーンにおいて増強された硝化方法を行うように調節可能な請求項１に記載の長尺縦坑バイオリアクタであって、
前記硝化方法は、前記主上昇流チャンネルから前記第２の上部上昇流チャンネルに少なくとも部分的には未使用の気体を分流することによって進行する、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項３０】
チャンネルを形成することができる１または２個以上の半径方向の隔壁によって囲まれる中央導管を有するリアクタのモジュール式部品を特徴とする、請求項１に記載のバイオリアクタ。
【請求項３１】
前記未使用気体は、前記硝化方法を進行させる無機炭素の供給源となる二酸化炭素の濃度が高い、請求項２９に記載のバイオリアクタ。
【請求項３２】
生分解性有機性物質を含む排水の浄化のための長縦坑バイオリアクタであって、
前記バイオリアクタの全深さの約７０−９０％の深さまで伸びている少なくとも１個の主下降流チャンネルと、
前記主下降チャンネルと流体的に連結する少なくとも１個の主上昇流チャンネルであって、前記主上昇流チャンネルの下側のポートの下に位置して混合ゾーンが形成され、前記主上昇流チャンネルには少なくとも１個の隔壁、バルブ、またはバッフルが設けられて前記主上昇流チャンネルと流体的に連結された少なくとも第１および第２の上部上昇流チャンネルが形成される、少なくとも１つの主上昇流チャンネルと、
第１のヘッドタンクを介して前記主下降流チャンネルと流体的に連結する前記第１の上部上昇流チャンネルであって、前記第１のヘッドタンクには、流れを前記第１の上部上昇流チャンネルから横に向けて脱気を行わせる脱気板が取り付けられる、第１の上部上昇流チャンネルと、
該第１の上部上昇流と流体的に連結する排水流入チャンネルと、
該排水流入チャンネルと前記第１の上部上昇流チャンネルとの間の液体流を調整する第１の液体流量レギュレータと、
第２のヘッドタンクと流体的に連結する前記第２の上部上昇流チャンネルであって、前記第２のヘッドタンクには、流れを前記第２の上部上昇流チャンネルから横に向けて脱気を行わせる脱気板が取り付けられる、第２の上部上昇流チャンネルと、
該第２の上部上昇流チャンネルと流体的に連結する再循環チャンネルと、
該再循環チャンネルと前記第２の上部上昇流チャンネルとの間の液体流を調整する第２の液体流量レギュレータと、
前記主上昇流チャンネル内にエアリフトを発生するため、酸素を含むガスを前記主上昇流チャンネルに配分する気体配分ポートであって、前記第１の上部上昇流チャンネルおよび前記第１のヘッドタンクは第１の処理ゾーンを部分的に区切り、前記第２の上部上昇流チャンネルおよび前記第２ヘッドタンクは第２処理ゾーンを部分的に区切る、気体配分ポートとを含む、長縦坑バイオリアクタ。
【請求項３３】
前記第１の処理ゾーンと第２の処理ゾーンとの間に液体の実質的な移動が起きないように前記第１の処理ゾーンと第２の処理ゾーンとが構造的に分離されている、請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項３４】
前記第１の処理ゾーンと第２の処理ゾーンとの間に液体の実質的な移動が起きないように、自動バッチングエアロックによって前記第１の処理ゾーンと第２の処理ゾーンとが構造的に分離されている、請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項３５】
前記第１の処理ゾーンが前記第２の処理ゾーンを囲むように、または前記第１の処理ゾーンが前記第２の処理ゾーンと隣接するように配置される、請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項３６】
前記第１の処理ゾーンは前記主下降流チャンネルと前記主上昇流チャンネルとを含む、前記請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項３７】
前記第２の処理ゾーンは、前記バイオリアクタから周辺の地学的材料への熱損失を最小にするために、第２の封止された第２の外壁によって囲まれている、請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項３８】
前記第１および第２の処理ゾーンの各々は独立した曝気手段を含む、請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項３９】
前記第１および第２の処理ゾーンの各々は上部循環ゾーンと下部擬似プラグフローゾーンとを含む、請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項４０】
前記第１の処理ゾーン内の脱酸素化は機械的なミキサーなしに達成される、請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項４１】
前記第１の処理ゾーン内の脱窒化は機械的なミキサーなしに達成される、請求項３２に記載のバイオリアクタ。
【請求項４２】
長尺縦坑バイオリアクタを使う改良された排水処理方法であって、前記バイオリアクタの主上昇流チャンネル内を上昇する酸素を含む気体の予め決められた部分を１または２個以上の上部上昇流チャンネルに仕向けること、および、
全液体流量の異なる部分を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けることを同時に含む、排水処理方法。
【請求項４３】
前記主上昇流チャンネル内における液体の滞留時間は、前記主上昇流チャンネル内を上昇する前記の酸素を含む気体の予め決められた部分を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けること、および
全液体流量を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けることを同時に行うことにより調節可能に制御される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
リサイクルされ脱気された液体を前記バイオリアクタの第１のヘッドタンクから第１の上部上昇流チャンネルに仕向けることを含む請求項４２に記載の改良された排水処理方法であって、
前記主上昇流チャンネルは主上昇流チャンネル内を上昇する前記の酸素を含む気体の予め決められた部分を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けること、および同時に、全液体流量を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けるような位置と構成で転流バッフルを設けることによって、部分的に、前記主上昇流チャンネル内の液体の滞留時間は調節可能に制御されることを含む、改良された排水処理方法。
【請求項４５】
前記主上昇流チャンネル内の前記液体滞留時間は、１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルへの脱気された液体のリサイクル流量を選択可能に調節することにより、少なくとも部分的には調節可能に制御される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記主上昇流チャンネル内の液体滞留時間は、前記バイオリアクタ内の酸素供給率を前記バイオリアクタ内の微生物のバイオマスによる酸素取り込み率とほぼ適合させるように調節可能に制御される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
前記バイオリアクタ内の空隙制御は、第２の処理ゾーンヘッドタンクと第２の処理ゾーン上部上昇流チャンネルとの間の脱気されたリサイクル液流の流量を調整することによって効果的に達成される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４８】
空隙制御は、前記バイオリアタの前記主上昇流チャンネル内の酸素を含む気体の流量を変えることなく、第２の処理ゾーンヘッドタンクと前記処理ゾーン上部上昇流チャンネルとの間の脱気されたリサイクル液流の流量を調整することによって効果的に達成される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４９】
前記主上昇流チャンネル内の液体の滞留時間は、前記第２の処理ゾーンヘッドタンクと前記第２の処理ゾーン上部上昇流チャンネルとの間の脱気されたリサイクル液流の流量を規制して空隙を調整することによって調節可能に制御される、請求項４２に記載の方法。
【請求項５０】
前記バイオリアクタの１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルへの酸素を含む気体の流れは、前記１または２個以上の上部上昇流チャンネルへの液体流量と独立して調節される、請求項４２に記載の方法。
【請求項５１】
前記バイオリアクタの前記第１の上部上昇流チャンネルへの酸素を含む気体の流れは、前記第１の上部上昇流チャンネルへの液体流量と独立して調節される、請求項４２に記載の方法。
【請求項５２】
前記バイオリアクタのヘッドタンクから前記バイオリアクタの上昇流チャンネルへの脱気された液体のリサイクルまたは循環は、システムのマイクロプロセッサで制御され、または手動で制御されたバルブまたはバッフルアクチュエータによって調節可能に制御される、請求項４２に記載の方法。
【請求項５３】
混合ゾーンにおける機械的混合および／または気泡の発生を増強するために、前記バイオリアクタの気体配分ポートと一体化されたせん断ヘッダまたは気泡の配分機構の運転により、混合ゾーンにおいて混合することおよび／または気泡を発生させることを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項５４】
前記バイオリアクタの主下降流チャンネルおよび第１の上部上昇流チャンネルに実質的に嫌気性の環境を設けることを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項５５】
前記バイオリアクタの主下降流チャンネルおよび第１の上部上昇流チャンネルに実質的に嫌気性の環境を設けることを含み、本モードにおけるバイオリアクタの運転は硝酸塩の脱窒化を含む栄養素処理の最終段階である、請求項４２に記載の方法。
【請求項５６】
循環チャンネルで連結された第２の上部上昇流チャンネルと第２のヘッドタンクとによって区切られる前記バイオリアクタの第２の処理ゾーンにおいて増強された硝化方法を行うことを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項５７】
循環チャンネルで連結された第２の上部上昇流チャンネルと第２のヘッドタンクとによって区切られる前記バイオリアクタの第２の処理ゾーンにおいて増強された硝化方法を行うことを含み、該硝化方法は、前記主上昇流チャンネルから前記第２の上部上昇流チャンネルに未使用の気体を分流することによって少なくとも部分的に進行する、請求項４２に記載の方法。
【請求項５８】
前記未使用気体は、前記硝化方法を進行させる無機炭素の供給源となる二酸化炭素の濃度が高い、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
加圧好気性バイオリアクタ処理とその後スラッジの脱水とから得られるバイオマスの懸濁液またはスラッジからバイオマスを浮遊分別するための改良された方法であって、浮遊化の前に前記バイオマスの懸濁液またはスラッジに酸性化剤を添加することを含む方法。
【請求項６０】
前記バイオリアクタは縦坑バイオリアクタである、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記酸性化剤は鉱酸である、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記鉱酸は硫酸である、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記酸性化剤は酸性凝集剤である、請求項５９に記載の方法。
【請求項６４】
前記酸性凝集剤はミョウバンである、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記酸性凝集剤は塩化鉄である、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
浮遊分別の前に前記バイオマスまたはスラッジのｐＨが３．０から５．５の間の値に低下させる、請求項５９に記載の方法。
【請求項６７】
長尺縦坑バイオリアクタを使う改良された排水処理方法であって、
該バイオリアクタの主上昇流チャンネル内を上昇する酸素を含む気体の予め決められた部分を１または２個以上の上部上昇流チャンネルに仕向けること、および、
全液体流量の異なる部分を１または２個以上の前記上部上昇流チャンネルに仕向けることを同時に含み、
前記主上部上昇流チャンネル内の非プラッギングフローはオリフィス板なしで達成される、長尺縦坑バイオリアクタを使う改良された排水処理方法。
【請求項６８】
前記主上昇流チャンネル内の流速が毎秒０．２５フィートに効果的に調整される、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
機械的混合をせずに脱酸素化を行わせるために、脱気された液体および／または原流入液を前記バイオリアクタの第１の処理ゾーン内にリサイクルさせることを含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７０】
機械的混合をせずに脱窒を行わせるために、脱気された液体および／または原流入液を前記バイオリアクタの第１の処理ゾーン内にリサイクルさせることを含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７１】
前記バイオリアクタの前記主上昇流チャンネル内における滞留時間を変えることなく、曝気率を約０．２−０．５ｍｇ／Ｌ  ＤＯに維持することを含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７２】
縦坑バイオリアクタの改良された建設方法であって、
掘削されたリアクタ部位にリアクタの内壁を構成する筒状のリアクタハウジングを設置すること、
該ハウジング内にチャンネルを形成する半径方向の１または２個以上の隔壁で囲まれた中央導管を有するモジュール式リアクタ部品を挿入し、挿入の際に、前記中央導管の直径を前記隔壁とほぼ垂直な方向に拡張することにより、前記隔壁を前記内壁から引き離すように変形させること、
前記モジュール式リアクタ部品の変形を弛緩させて前記隔壁を前記内壁の近傍にくるようにすることを含む、縦坑バイオリアクタの改良された建設方法。
【請求項７３】
前記中央導管の中に挿入できる寸法の拡張器によって前記中央導管を機械的に拡張させる、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記拡張器は、拡張状態の形状と弛緩状態の形状との間を手動で往復しながら位置を変えることが可能な一対の向き合って往復運動する部品を有する、請求項７３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は排水処理の方法と装置に関連する。さらに具体的に言えば、本発明は縦坑バイオリアクタ型排水処理装置とその使用および建設方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は２００１年２月２３日出願の米国仮出願６０／２７１，２０１号に基づく特典を請求する。
【０００３】
世界の人口が増加の一途をたどるにつれ、高効率の排水処理の重要性は高まっている。人間の消費および他の用途に必要とされる水の量は急速に増加してきたが、一方で自然界から得られる水の量は増えていない。使用可能な清浄な水に対する絶え間なく増加する要求により、排水の再利用は人口増加と人類の発展のための基本的な要素となっている。
【０００４】
米国およびその他の先進国においては、大都市の過密化とともに、都市開発業者に対しては従来開発されていなかった地域に新たに住居施設を建設することが推奨され、または求められている。これらの未開発地域では、多くの場合、人間の消費、灌漑およびその他の同様な目的のための水が不足しており、水資源の再生および再利用が必要となっている。それらの地域における開発を成功させるためには、一般的に排水とよばれている、住居地域からの下水が再生の主要対象となる。
【０００５】
生活排水は高い含水率を持っているが、人間の排泄物および他の汚染物を含有しているので、再使用を可能にするためには、相当な処理が必要である。既存の下水処理施設から孤立している多くの新開発地域における生活排水の再生を実現するためには、現地での下水処理と再生が非常に有効であり、または不可欠である。
【０００６】
すでに、居住下水およびその他の分類に属する排水を再生するために、数多くの排水処理システムが提案されている。そのようなシステムの１つである以下の特許文献１に開示されたものは、排水から固形廃棄物、すなわち「スラッジ（下水汚泥）」を分離するために、簡単な沈殿槽を使用している。沈殿したのち、スラッジは消化システムに送られ、そこでスラッジは沈降し、スラッジから水性の上澄み液が分離される。清浄化された液体は再び沈殿槽に戻される。残念ながら、このシステムにはいくつかの短所があり、そのため効率が悪い。具体的には、このシステムは流入する下水を分離するだけで、下水を曝気したり、処理することがないという、比較的粗雑な沈殿システムよりなる。
【特許文献１】
米国特許第２，５２８，６４９号明細書
【０００７】
一方、ＣＯＤ、リンおよび／または窒素を排水から分離するために、活性化されたバイオマスまたはスラッジに含まれる微生物を利用した「生物学的」システムから構成されている排水処理法もいくつかある。これらの処理法は、一般的に複数の処理段階ないし「ゾーン」、すなわち、（１）前処理エリア；（２）一次処理エリア；および（３）二次処理エリアからなる。前処理は、未処理の排水から固形の有機物を除去することを主とする。一般的に、この前段階はスクリーンおよび／または沈殿によって固形物を取り除く、２段階の処理プロセスからなる。有機物は後処理のために液体の流れによって運び出される。一次処理は、糞、食物のかけらなどの浮遊している固形物を含む有機物の一部分が、浮遊または沈殿によって除去される物理的なプロセスを伴っている。二次処理は一般的に微生物を使って残りに有機物、窒素およびリンを排水の流れから除去する生物学的処理プロセスを含んでいる。そこでは成長条件を制御することによって微生物の成長と新陳代謝活動が利用され、制御されている。
【０００８】
都市または産業用の大規模のシステムでは、排水をバイオマス／スラッジの浮遊物と混ぜ合わせるために、微生物処理プロセスに一般的に地上槽または貯槽を使用している。微生物のその後の成長と新陳代謝ならびにそれによる廃水処理は、好気性および／または嫌気性／無酸素状態下で実施される。都市または産業用のほとんどの大規模処理システムにおいては、処理プロセスの様々な要素が個別の地上槽またはリアクタの中で実施される。したがって、排水は１つのプロセスから次のプロセスへ連続的に流れる。活動的な微生物を含んでいるバイオマスは、１つのプロセスから次のプロセスへリサイクルされることもあり得る。特定の種類の代謝プロセス、たとえばリン酸塩の除去や窒素の除去を行う傾向を持つ特殊な微生物のサブグループの成長を増強するためのそのようなバイオマスの状態調節は、以下の特許文献２〜５の米国特許など多数の特許の主題となっている。生物学的排水処理の他の要素または様相の最適化も、以下の特許文献６〜２３の米国特許および特許文献２４〜２９のカナダ特許など多数の特許の主題となっている。
【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
【０００９】
排水から有機炭素、窒素およびリン化合物を生物学的に除去するには、処理機器に特別な環境的条件を考慮しなければならない。たとえば、バクテリアおよび他の微生物を使って有機炭素化合物（ＢＯＤとして測定される）を変換するためには、良く混合された好気的な環境を必要とする。ＢＯＤ１ポンドを除去するためには、約１ポンドの酸素を必要とする。窒素化合物を窒素気体と炭酸気体に変換するためには、ニトロソーマとニトロバクタが無機炭素を消費するために好気的環境の下で作用しなければならない。アンモニアーＮの１ポンドを硝酸塩―Ｎに変換するためには（十分なアルカリ性があると仮定して）約４．６ポンドの酸素が必要である。その後、条件的バクテリアは無酸素環境の下で有機炭素を消費し、窒素気体を放出して働く。硝酸―Ｎの１ポンドが窒素気体に変換する際には約２．６ポンドの酸素が回収される。リン酸塩を生物学的に細胞集団中に束縛するためには、揮発性の脂肪酸を生成するための嫌気性段階が必要である。その後には、嫌気性環境の中で揮発性脂肪酸を代謝し、それによってバイオマス中のリン酸塩を濃縮するために必要な大量のリンを消費するポリＰ微生物が続く（たとえば、以下の非特許文献１を参照）。
【非特許文献１】
Ｗ．ウィルソン博士によるカナダ水と排水会議の抄録、アルバータ州カルガリー市、２００２年１月
【００１０】
これら数多くの生物学的プロセスの組み合わせが理想的に行われた場合には三次処理とも呼ばれる生物学的栄養分除去（ＢＮＲ）プロセスが達成される。しかしながら、巧みに設計された三次処理の実行には、要素、プロセスおよび条件の複雑な組み合わせが互いに協調し、順序よく行われなければならない。構成要素である微生物学的処理の各段階は、それぞれ独自の速度で進行し、特定の環境パラメータを必要とする。効率の良い三次プロセスを行うためには、微生物の個体群を維持し、特定のプロセス機能を実行するために、適正な量の特殊微生物が必要になる。
【００１１】
三次処理を提供するための現行の排水処理システムにはアップフロー・スラッジ・ベッド・フィルタ（ＵＳＢＦ）、シーケンシング・バッチ・リアクタ（ＳＢＲ）および分離膜活性化スラッジ（ＭＳＡＳ）システムが含まれる。シーケンシングバッチリアクタ（ＳＢＲ）プロセスは通常の活性化スラッジプロセスの一変形である。以下の特許文献３０の米国特許はＳＢＲ技術に応用された長い垂直軸リアクタを開示している。ＳＢＲプロセスはいくつかの個別の段階から成り、その典型としては、密封したリアクタ内にバイオマスを含む排水を逐次充填し、反応、沈殿させた後に沈殿を乱さないように静かに取り出す。このプロセスの最初の段階では、バイオマスを入れたリアクタに排水を移して混合液を形成する。この処理プロセスの反応段階では、バイオマスの微生物が排水中の窒素、リンおよび／または有機物質を利用および代謝および／または吸収する。これらの後半の反応は、生物の成長、個体群の動態および汚染体処理を操作するために、嫌気性条件、無酸素条件、好気性条件、またはそれらの組み合わせの下で実行される。この段階の長さは排水の特性、バイオマスの濃度、およびその他の要因に依存する。反応サイクルに続いて、混合液中のバイオマスは沈殿の機会を与えられる。リアクタの底にはスラッジブランケットが沈殿し、処理された流出液の上澄み液が分離される。処理後の浄化された排水（すなわち流出液）はその後静かに流し出されれる。反応容器は次に再充填され、処理プロセスが再開される。したがって、順次バッチ処理リアクタのプロセスは時間的に区切られた個別作業を基礎においており、一方、他の排水処理プロセスは空間的に個別の作業、たとえば異なる反応を個別の反応容器で行うことを基礎においている。
【特許文献３０】
米国特許第５，５０３，７４８号明細書
【００１２】
いくつかの排水処理デザインでは、機械的に単純な気体・液体複合流装置であるエアリフトリアクタをその特徴としており、その装置では特別設計のチャンネルを規定のサイクルパターンに従って液体が循環する。液体の動きはリアクタのアップフロー（上昇管）とダウンフロー（下降管）の平均密度の差により生じる。エアリフトリアクタは、一般的に各々異なる流れパターンを持つ特定の各域からなる。上昇管は、一般的に注入される気体が密度の差を発生し、その結果、液相と気相両方の上昇流を生むゾーンである。リアクタの上部には、一般的に液が水平に流れ、かつ、気体の気泡が液相から分離する逆流するゾーンである、気体と液体の分離部が設けられている。下降管は一般的に気体・液体分散体または脱気液が上昇管に戻るゾーンである。下降管では、泡の自由上昇速度より液体の速度の方が大きいかどうかによって、単相、２相、または２相混合等方向−異方向下降流のいずれかが発生する。容器の底に近い基部は下降管の出口と上昇管の入口を連絡している。
【００１３】
エアリフトリアクタは主としてＩＣＩ単細胞蛋白生産のような微生物発酵プロセスに使用される。いずれにしても、廃水処理のためにエアリフトリアクタを利用する多数のシステムが知られている。これらの例としては、ベッツ（Ｂｅｔｚ）・リアクタ（非特許文献２）および流出液処理用の「ディープシャフト」バイオリアクタ（非特許文献３を参照）が挙げられる。
【非特許文献２】
ガスナー（Ｇａｓｎｅｒ）、Ｂｉｏｔｅｃｈ．Ｂｉｏｅｎｇ．、１６巻、１１７９−１１９５頁、１９７４年
【非特許文献３】
ハインズ（Ｈｉｎｅｓ）ら、Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｓｙｍ．Ｓｅｒ．Ｕ．Ｋ．、４１巻、Ｄ１−Ｄ１０頁、１９７５年
【００１４】
ディープシャフト・バイオリアクタの原開発に続いて最近では排水処理用として長い縦坑のバイオリアクタシステムに関する開発が進められている。これらの改良としては、ポラック（Ｐｏｌｌａｃｋ）による特許文献３１〜３３の米国特許は生分解性の排水および／またはスラッジ処理のための改良縦坑バイオリアクタシステムをそれぞれ開示している。一般的に、これらの縦坑バイオリアクタシステムはバイオリアクタ、固体／液体分離機およびバイオリアクタと分離機の間に介在する機器を含んでいる。バイオリアクタは、並列または同軸に置かれた２つ以上の縦型チャンバーー、ダウンフローチャンバー（下降管）およびアップフロー（上昇管）を含む１つの循環システムを構成している。これらのチャンバーはその上部においては地上槽で互いに連結されており、その下部では下降管の底部に隣接して設けた共通の「混合ゾーン」によって連絡し合っている。
【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
【００１５】
混合ゾーンに加えて、これらのリアクタは混合ゾーンの下にあり、それと連絡している「プラグフローゾーン」があることが特徴である。上述のように、用語「プラグフローゾーン」は混合ゾーンからリアクタの底部に設けられた流出液出口への固形物粒子の相対的な下降移動を意味する。スラッジ吸収の１つの応用における相対的な下降移動がＧｕｉｌｄらによって報告（非特許文献４）されており、局部バックミキシングだけであるが、長期間の作業中（たとえば約１６時間）ゾーン間混合が発生したことが示された。
【非特許文献４】
Ｇｕｉｌｄら、２００１年１０月ジョージア州アトランタでのＷＥＦ会議議事録
【００１６】
廃棄物を含む液（「混合液」）は、酸素を含む気体、通常は空気をリアクタの底部近く（たとえば混合ゾーンおよびプラグフローゾーン）に吹き込むことによって、循環システム（たとえばダウンフローチャンバーとアップフローチャンバーの間、地上槽と混合ゾーンの間）を通じて押し流される。循環流の一部はプラグフローゾーンに向けられ、その下端で流出液として除去される。排水処理リアクタにおいては、空気は、一般的にリアクタの底部より５−１０フィート上、時には、下降管の下端の直近に吹き込まれる。最も深い空気吹き込み点は、プラグフローゾーンを空気吹き込みの最深点より上の局部バックミキシングを伴う準プラグフローゾーンと、最深点より下の混合がまったく生じないと報告されている完全プラグフローとに分ける。
【００１７】
バイオリアクタの始動時には、エアリフトポンプのように上昇管の中に空気が吹き込まれ、混合液を上昇流チャンバーと下降流チャンバーの間で還流させる。下降管の中の液体は、上昇管の中の液体と泡の混合体よりも高い密度を持ち、それによって循還流を維持するのに十分な持ち上げ力を提供する。
【００１８】
こうしてバイオリアクタの循環流が始まると、全ての空気吹き込みを混合ゾーンおよび／またはプラグフローゾーンに向ける。これらのゾーンから上がってくる気泡はアップフローチャンバーに導かれ、気泡の上昇率よりも混合液の下降管が上回っているダウンフローチャンバーから引き離される。循環する混合液中に溶解した酸素は廃棄物の生物化学的分解のための主たる反応剤である。混合液が上昇管の中を上昇し低静水圧のゾーンに達すると、これと他の溶解した気体が分離し、気泡が発生する。上昇管の液体／気泡の混合物が地上槽に達すると、気体の離脱が発生する。この目的の達成を容易にするために、地上槽は、一般的にアップフローチャンバーの上部に水平のバッフルが設けられており、混合液が地上槽の表面の全面を流れ、液が次の処理のためにダウンフローチャンバーに入る前に使用済みの気体を放出するように強制的に導く。
【００１９】
以下の特許文献３４の米国特許は、流入する汚水が流入管の上向きの部分から上向きに上昇流チャンバーの深部に導入されるプロセスを開示している。循環流が下向きから上向きに変わるとき、転回速度水頭によって下向きチャンバーの下部に乱流域が発生する。この混合ゾーンは十分に定義されていないが、通常は１５−２５フィートの深さである。上述のように、処理済の流出液がプラグフローゾーンの底部から流出ラインに排除される量に見合って、混合ゾーンにある混合液の一部は下向きに流れてプラグフローゾーンの上部に入る。バイオリアクタの作業中、流入液の流れとバイオリアクタからの流出液は、連結している上部槽の液面レベルの変化に応じて制御されている。
【特許文献３４】
米国特許第５，６５０，０７０号明細書
【００２０】
廃棄物、溶解酸素、栄養素およびバイオマス（活性化された微生物個体群も含む）の間の反応は、その大部分が地上槽、上昇流チャンバー、下降流チャンバーおよび混合ゾーンとして定義されるバイオリアクタの上部循環ゾーンの中で発生する。混合ゾーンの成分の大半は上昇チャンバーの中に上向きに循環する。上昇チャンバー内では、不溶解気体（大半が窒素）は膨張して気体リフトを生じ、リアクタ上部への混合液の循環を助ける。混合液が地上槽のバッフルを回る間に、使用済みの気体は混合液から放出される。上部循環ゾーンの下部に存在するプラグフローゾーンは、混合ゾーンから下向きに流れ、リアクタの下部から流出する混合液の最終処理、いわば「仕上げ」を行う。
【００２１】
吹き込まれた酸素を含む気体はプラグフロー中の液に圧力のために容易に溶解し、そこでは局部的なバックミキシングが生じてその結果ゆっくりした相対的に下向きの動きが生じる。不溶解気体（気泡）は圧力によって上向きに移動し、乱流ゾーンに達する。このゾーンにおける気体から液体への移転は非常に活発で、総合的なリアクタ酸素移転効率が６５％以上に達する。反応生成物は炭酸気体と追加のバイオマスであり、そのバイオマスは流入汚水に含まれていた未反応固形物質とともにスラッジ（バイオソリッド）を形成する。
【００２２】
ＢＯＤの好気性吸収に加えて、普通の排水処理における窒素とリンの化合物の生物学的栄養分除去（ＢＮＲ）の重要性はますます増えている。流出液の質の高さに対する要求が高まる現在、本発明が提供する技術の必要性は疑いようもない。過去の二次的生物学的処理基準である、３０ｍｇ／Ｌ  ＢＯＤと３０ｍｇ／Ｌ  ＴＳＳはいまや多くの地域において不十分となっており、またさらに窒素やリンの制限値も設けられつつある。これらの栄養素の効果的な除去は、天然水の富栄養化とそれから生じる付随エコシステムの被害の防止を図る既存の、またこれから開発される環境保護法の観点から不可欠である。
【００２３】
基本的には、窒素の除去は混合液の流れに含まれるアンモニアを酸素の存在する状態で亜硝酸塩と硝酸塩に変換すること、すなわち、好気性硝化段階により達成される。アンモニアの亜硝酸塩への変換はニトロソモナスとして知られる微生物により行われ、亜硝酸塩の硝酸塩への変換はニトロバクタにより行われる。硝酸塩の窒素気体への変換は、溶解酸素がない成長停止環境において行われる無酸素脱窒段階で発生する。窒素、二酸化炭素と水が作られ、気体はシステムから放出される。硝化率は相互に依存し合う排水流のパラメータ、たとえば温度、溶解酸素レベル（Ｄ．Ｏ．）、ｐＨ、固体保留時間（ＳＲＴ）、アンモニア濃度とＢＯＤ／ＴＫＮ比（総合Ｋｊｅｌｄａｈｌ窒素、すなわちＴＫＮは有機窒素にアンモニアとアンモニウムからの窒素が加わったもの）などを制御することによって最適化できる。高温と高溶解酸素レベルは硝化率を増進させる傾向があり、ｐＨレベルが７．０から８．０の範囲にある場合も同様である。スラッジ留保時間が３．５から５、さらに望ましくは５−８日であるときには、硝化率が劇的に増加し、それ以上留保時間が長くても効率は不変である。アンモニアの濃度の増加は硝化率を増加させるが、最大値に達した後は、アンモニアの濃度を増やしても硝化率はあまり増加しない。率はＢＯＤ／ＴＫＮ比１．０以下で最大値に達することが認められた（たとえばＷｅｓｔｅｒｎ  Ｃａｎａｄａ  Ｗａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ  ＢＮＲ、カナダ国アルバータ州カルガリー、２００２年１月におけるウィルソン（Ｗ．  Ｗｉｌｓｏｎ）博士の発表参照）。
【００２４】
物理的／生化学的リン除去は、一般的に嫌気性成長停止ゾーンとリン摂取生物（アシネトバクタ）のエネルギー需要のために揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）を供給するスラッジ発酵タンクとを必要とする。最近では、嫌気性フォースメインが生物学的脱リン化を達成するのに十分な揮発性酸を発生することが報告されている。
【００２５】
このプロセスの最終浄化段階の後に不応性処理と仕上げ段階が追加されることもある。多くの排水流において、有機化合物の大半（８０％−９０％）は容易に生分解可能である。残りの部分はより緩やかに生分解し、したがって「不応性」化合物と称される。先行技術による生化学栄養素除去デザインは、たとえばバーナード（Ｂａｒｎａｒｄ）の特許文献３５米国特許の場合、単一スラッジと単一浄化剤で組み立てられているが、その場合、システムの総合的な酸化率は酸化速度が最も遅いものに合わせて減少されなければならない。
【特許文献３５】
米国特許第３，９６４，９９８号明細書
【００２６】
生物学的栄養分除去（ＢＮＲ）システムは多様なプロセス形態をとり得る。そのような実施例はバーナードの以下の特許文献３６の米国特許に基づく５段階から成る修正ＢａｒｄｅｎｐｈｏＴＭプロセスに見られる。それはリン、窒素および有機酸の除去に嫌気、無酸素および好気段階を提供する。現在２４のＢａｒｄｅｎｐｈｏＴＭ処理プラントが稼動中であり、そのほとんどが、従来の４段階プロセスに変えて５段階プロセスを使用している。こえらの施設のほとんどが、１．０ｍｇ／Ｌ以下の流出リンの規制を満たすためには補助の薬品追加を必要としている。このプロセスを使っているプラントは様々な曝気法、タンク構成、ポンプ設備およびスラッジ処理法を実施している。
【特許文献３６】
米国特許第３，９６４，９９８号明細書
【非特許文献５】
ＷＥＦ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ（ＷＥＦ実施マニュアル）第８号、「都市排水処理工場の設計（Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ  Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｐｌａｎｔｓ）」、第２巻、１９９１年
【００２７】
縦型バイオリアクタ技術に関連して、ポラック（Ｐｏｌｌｏｃｋ）（特許文献３６の米国特許、１９９７年７月２９日発行、ここに言及することによって本出願に援用）は浮遊セパレータを介して浸水フィルタに連結された縦型バイオリアクタを利用した革新的なプロセスを開示している。このデザインによると、バイオマスを高効率の好気性有機炭素除去段階用と、別に設けられた好気性硝化段階に使われる硝化バイオマスに分けることで反応率を改善することができる。これらの段階の次には、有機炭素源を提供して酸素を消費するために流入液と戻り混合液すなわち流出液をそのゾーンに供給することにより出現する無酸素環境にしつらえられた高効率の脱窒段階が控えている。
【特許文献３７】
米国特許第５，６５１，８９２号明細書
【００２８】
脱リン酸化のために嫌気性プロセス段階を組み込むことは、一般的に別のリアクタで行われるが、これは揮発性脂肪酸を生成するのに長時間がかかるからである。さらに、当該プロセスの好気性部分で生成されたリン酸塩に富んだバイオマスは捕捉されているリン酸塩を再び溶解可能にする危険があり、したがって無気性発酵リアクタ生成物に接触させるべきではないので、単一の混合液システムにおける脱リン化は困難である。別の場合には、金属塩、たとえば塩化鉄またはミョウバンを追加することによって生物学的脱リン化を増強することができる。これらはリン酸塩を化学的に結合するためにリアクタの好気性ゾーンに直接加えることができる。
【００２９】
したがって、縦坑リアクタとＳＢＲの組み合わせを含む、数多くの処理システムが成功裏に三次排水処理用に使用されている。しかしながら、これらの三次処理システムは単一の混合液体プロセスを扱うものである一方、プロセスで取り扱われている特殊微生物のすべてが互いに混合されている。それらは有機物質（たとえば、硝化剤ニトロソモナスおよびニトロバクタ）からのエネルギーを利用する自家栄養生物や、有機エネルギー源を利用するもので好気性ＢＯＤとアシネトバクタ生物学的脱リン剤（バイオーＰ生物）を含む従属栄養生物を含む。したがって、これらすべての種類のシステムにおいて、処理速度は反応が最も遅い微生物、すなわち一般的にはアンモニアを亜硝酸塩に変換するニトロソーマによって決まってしまう。処理速度が遅いので、これらの単一混合液システムは拡張型曝気システムと呼ばれ、非常にエネルギー依存度が高い。
【００３０】
上記のような排水処理技術における開発と進歩にもかかわらず、拡大された応用範囲と、既存の排水処理技術では満たされないさらに強力な機能を満たし得る改良された排水処理システムの技術への切迫したニーズが存在する。たとえば、簡素化された排水処理プロセスの技術とより強力な生物学的栄養分除去（ＢＮＲ）を提供する機器に対しては今まで長いこと満たされなかったニーズがあり、後者の場合、特定の実施例においては無制限の陸地への応用が求められているＡ級バイオー固体を生成し得るものである。さらに、これらの拡張された機能を満たす一方で従来の排水処理プラントへの据付と運用に対するコストと環境への影響を最小にし得る排水処理システムへの満たされていないニーズも残っている。
【００３１】
驚くべきことは、本発明はこれらのニーズを満足し、追加された目的と利点を満たすものであり、そのことは以下の説明と添付した図面から明らかになるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
本発明は、生活排水、都市排水および産業排水の増強二次および／三次排水処理を提供するために適用される、運営上および副次的機能とプロセス段階を含む排水処理用の改良された縦坑バイオリアクタおよびそれに関連する方法を提供して、前述のニーズを満たし、さらに付加的目的をも満たすものである。
【００３３】
本発明の装置は、高度のＢＯＤとＴＳＳ除去を含む、増強された二次的排水処理を達成するために建設され、副次的機能を持って構成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、人口５，０００人の集落から出る生活排水を、中型のバンガロー程度の大きさの建物のなかで処理する能力を持つ装置と方法を提供する。この結果は、リサイクルクラスの水、Ａ級のバイオソリッド、および無臭清浄なオフ気体を生成する装置と方法によって達成できる。
【００３５】
その代替または追加として、アンモニアの硝化（アンモニアの硝酸塩への変換）と共に増強された二次的処理が同じバイオリアクタで達成可能である。
【００３６】
他の代替実施例においては、本発明のバイオリアクタにおいて硝化と脱窒（アンモニアと硝酸塩の除去）と共に増強された二次的処理が提供される。
【００３７】
本発明のさらに別の装置と方法においては、バイオリアクタにおける増強された二次的排水処理には硝化、脱窒、および化学的脱リン化処理（三次処理）が付加されている。負荷率が低いときは、本発明で可能になった非常に緩慢な下降循環率と嫌気バクテリアの付加成長の存在の故に、嫌気ダウンフローチャンネルにおいてはある程度の生物学的脱リン化が予想される。ある種の負荷条件の下では、同様なリアクタのダウンフローチャンネルの壁に嫌気性の生物学的なヘドロが発見されている。
【００３８】
本発明のさらに別の実施例においては、下水のスラッジの好熱好気性消化および殺菌を達成し、オプションで、すなわち必要に応じて、Ａ級のバイオソリッドを生成する目的で、新規なデザインと方法による縦坑バイオリアクタが構成されている。
【００３９】
実施例の説明
添付した図面に図示したように、本発明は排水処理のための長い縦坑バイオリアクタ１０を提供する。本発明のバイオリアクタは、前述の縦坑バイオリアクタシステム（たとえばＰｏｌｌａｃｋによる特許文献３８〜４０の米国特許、いずれもここに言及することにより本出願に援用）といくつかの構造的および機能的特徴を共有しているが、いくつかの重要な点で違いがあり、かつ新規な様態を含んでいる。
【特許文献３８】
米国特許第４，２７９，７５４号明細書
【特許文献３９】
米国特許第５，６４５，７２６号明細書
【特許文献４０】
米国特許第５，６５０，０７０号明細書
【００４０】
図１において、本発明の縦坑バイオリアクタシステム１０は、２つ以上のほぼ垂直なチャンネルを含み、さらに少なくとも１つの上昇流チャンネル、または上昇管チャンネル１４に、開放または閉鎖回路パスによって流体的に連結された、少なくとも１つの下降流チャンネル、または下降管チャンネル１２を含む排水循環システムであることをその特徴とする。下降管と上昇流チャンネルは、一般的にはそれらの上端で開放または閉鎖された地上槽またはヘッドタンク１６により相互に連結され、下端では下降管の下部ポートまたは開口２０の下にある混合ゾーン１８に相当する下部接合部で連結されている。
【００４１】
下降管１２チャンネルと上昇管１４チャンネルは、一般的には個別の導管、たとえば個別の円筒壁パイプである。しかし、別の形態では、それらは相互に連結され、１つまたは複数の壁を共有する相互に連結された個室またはチャンネルを形成しており、たとえば、長尺の個室化された容器またはフレームの中に設けられた、隔壁構造物（たとえば半径方向の隔壁）で区切られた並行チャンネルとなっている。下降管チャンネルと上昇管チャンネルは互いにほぼ並行、たとえば並列または同心円的であることが望ましい。
【００４２】
一般的には、下降管チャンネル１２と上昇管チャンネル１４は各々少なくとも全長の一部において個別の導管となっている。１例の場合、下降管チャンネルは、大径の円筒壁上昇管２４（これはバイオリアクタ組立全体の外壁またはケーシングに相当することが多い）の中に同心円的に収められた別個の円筒壁下降管（例えば鋼鉄のパイプ）２２となっている。したがって、添付された図面は一般的に概要図として理解されるべきであり、そこでは図解の便宜上、下降管が上昇管と並置されたように描かれているが、これは並列または大きい上昇管の内側に同心円的に配置された下降管を意図されたものとして理解されるべきである。
【００４３】
本発明を生活排水に適用した１つの実施例においては、本発明の排水処理バイオリアクタ１０は人口約５，０００人の小集落のために建設される。一般的に、ＥＰＡの冗長要件を満たすための二つの平行したバイオリアクタは、通常のドリリング技術で掘られた地中の穴に縦位置に設置される。本発明のバイオリアクタは様々な実施例において、二次的機能、または二次的および／または三次的な処理を果たすように建設することができる。
ａ）二次的処理（ＢＯＤとＴＳＳの除去）のみ
ｂ）アンモニアの硝化（アンモニアを硝酸塩に変換すること）を伴う二次的処理
ｃ）硝化と脱窒（アンモニアと硝酸塩の除去）を伴う二次的処理
ｄ）硝化、脱窒、および化学的脱リン化（三次処理）を伴う二次的処理低負荷の場合は生物学的脱リン化が生じる。
ｅ）下水スラッジの好熱好気性消化と殺菌によるＡ級バイオスラッジの生成
【００４４】
下記の説明に関連するが、上記ａ）の二次的処理は、ゾーン１のヘッドタンク１６と下降管チャンネル１２、およびゾーン２の上昇流チャンネル８２とヘッドタンク１５を完全に好気的にすることも可能である。この構成には直径約３０インチで深さ２５０フィートの縦坑、直径約６フィート深さ１０フィートのゾーン１ヘッドタンク、および直径約１２フィート深さ１０フィートの同心円ゾーン２ヘッドタンクが使われる。同心円浄化槽は、直径約２８フィート負荷さ１０フィートで、スラッジの除去用として掻き取り機構を備えている。さらに詳しい実施例においては、このリアクタは少なくとも人口２，５００人の集落からの生活下水を処理し、＜  ３０ｍｇ／Ｌ  ＴＢＯＤおよび＜３０ｍｇ／Ｌ  ＴＳＳを生成する。
【００４５】
二次処理プロセスｂ）は、完全に好気性でありゾーン２ヘッドタンクの直径が約１６フィートである以外はａ）と同様である。ゾーン１の底部に発生する空気の大半は、切り替え機構８４によってゾーン２に向けられる。前述の処理システムｃ）は、ゾーン１の下降管とヘッドタンクにおける無酸素条件のために設計されている。ある実施例の場合、このリアクタは少なくとも人口２，５００人の集落からの生活下水を処理し、＜１ｍｇ／Ｌ  アンモニアーＮ、＜１５ｍｇ／Ｌ  ＴＢＯＤおよび＜１５ｍｇ／Ｌ  ＴＳＳを生成する。
【００４６】
ゾーン１の底部に発生する空気のごく僅かの部分が、ゾーン１上昇流チャンネル４０に向けられる。ゾーン１の上端への流入原液に加えて、リサイクルされる硝化流出液または浄化槽または、代わりにゾーン２からの活性化された戻りスラッジが流入原液に加えられて、無酸素条件を生じる。
【００４７】
この処理プロセスにおいては、リアクタは直径が約３６インチに拡大、ゾーン１ヘッドタンクは直径が約８フィートに拡大、ゾーン２ヘッドタンクは直径が約１６フィートに拡大されている。同心円浄化槽は外径が約３０フィートであり、掻き取り機構がもうけられている。さらに詳しい実施例においては、このプロセスは少なくとも人口２，５００人の集落からの生活下水を処理し、＜５ｍｇ／Ｌ  ＴＫＮ、＜１０ｍｇ／Ｌ  ＴＢＯＤおよび＜１０ｍｇ／Ｌ  ＴＳＳを生成する。
【００４８】
前述の処理システムｄ）は、ｃ）と寸法が全般的に同一である。処理プロセスｄ）においては、塩化鉄のミョウバンをゾーン２にリンの化学的活性化のために加えることがある。高度の脱リン化（例えば残存量が２−３ｍｇ／Ｌ）のために生物学的脱リン化プロセスのみを小規模のプラントで使用することは、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）をつくるために予備的発酵を必要とすることがあるので一般的に不経済である。このプラントからの流出液の一般的な特性は：ＴＢＯＤ＜１０ｍｇ／Ｌ；  ＴＳＳ＜１０ｍｇ／Ｌ；ＴＮ＜５ｍｇ／Ｌ；ＰＯ４＜１ｍｇ／Ｌである。
【００４９】
スラッジ処理ｅ）の場合、リアクタは異なった構成であり、ゾーン１がゾーン２を取り巻くか、またはリアクタの長さの大半にわたってゾーン２に並置され、かつゾーン２のヘッドタンク１５’がゾーン１のヘッドタンク１６’を取り巻く形式である。ゾーン１とゾーン２はゾーン２の底部で自動バッチングエアロック装置を介して流体的に連結されており、同装置は各バッチがプロセスされている間にゾーン１の内容がゾーン２に入らないようにしている。構成ｅ）における好熱好気消化器の容量は、バイオマスを生成する排水処理用リアクタの容量の約半分である。スラッジ収容装置を建設するほうがリアクタに余裕を持たせるより経済的なので、２つのリアクタに対して１つの消化器しか必要でない。したがって人口５０００人の小さい町は、すべて同じサイズの処理リアクタ２基とスラッジ消化器１基を必要とする。上記の例は人口約５０００人の小さいコミュニティのための典型的なデザインである。
【００５０】
どんなエアリフトリアクタでも、空隙（エアリフト、ａｉｒｌｉｆｔ）の約８０％は上部の８０−１００フィートに集中しているので、上部のチャンネルは深さ１５０と５０フィート、さらに望ましくは８０−８８の間で有効であり、それは２重に無作為に選ばれた長さのパイプの２つのジョイントの標準長さである。市販の標準エアコンプレッサには１００、１２５および１５０  ｐｓｉの各モデルがあり、それぞれ深さ２００、２５０および３００フィートの縦坑に対応する。エアリフトバイオリアクタは深さ６０フィートと５００フィートの間で作られているが、普通は１５０から３５０フィートであり、さらに現在もっとも普通なのは２００フィートから３００フィートのものである。
【００５１】
普通の井戸のリグは直径約４８インチまで、パイリング用の深基礎装置なら直径約１０フィートまでドリリングが可能である。オーガー（土質が許す限り）は直径約２０フィートまでドリリング可能だが、深さは約２００フィートが最大である。鉱山の縦坑は最大直径３０フィート、深さは制限はない。
【００５２】
小規模の都市用プラントリアクタ（人口５０００）には、一般的に普通の井戸掘り用リグを使用し、直径は約２４から４８インチである。
【００５３】
より大きいコミュニティ（人口１０，０００−５０，０００人）の場合は、直径５ないし１０フィートｘ深さ２００フィートの縦坑を深基礎パイリング用機械とオーガーを使って掘ることが必要であり、大型工場（例えばパルプ工場）の場合は鉱山用の技術で縦坑を掘らなければならない場合がある。
【００５４】
本発明の長い縦坑のバイオリアクタ１０は、排水またはスラッジからなる流入液を流入管３０経由で受け取り、流入チャンネル３２に導入する。流入液は流入チャンネルの底まで下がり、そこで遮蔽された流入ポート３４を通り、流入ポートの脇のゾーン１上昇流チャンネル４０内の上昇流と混じり合う。ゾーン１上昇流チャンネルの下からの泡が流入チャンネルに入り込まないように、流入ポートは上向きにされているか、遮蔽されている。
【００５５】
本発明の別の実施例では、流入チャンネル３２がバイオリアクタ１０のゾーン１のヘッドタンク１６からのリサイクル液を受け入れるようにすることもできる。この流れは、たとえば、手動またはモータ駆動のバッフル、バルブまたは他の流量規制装置から成るゾーン１のリサイクルレギュレータ５０によって規制される。この方式の場合、ゾーン１のリサイクルレギュレータ５０を通過する流入液は、一般的に流入量絞り制御機構によって絞られる。これは、たとえば、バルブまたはバッフルアクチュエータ５２および流入量および／またはゾーン１リサイクル流量を測定するオプションの流量センサ５３または５３’または酸素レベルをモニタする溶解酸素ＤＯプローブ４９に連結されたシステム制御ユニット５１（例えば制御マイクロプロセッサ）を含んでいる。流入量の上記レギュレータによる制御は、ゾーン１の上昇流チャンネル４０を調節し、重力流入量を増やすような機能をも果たす。ゾーン１上昇流チャンネル内の混合流は、無酸素気泡（以下参照）を含むので流入チャンネル３２内の液体より軽く、上昇する。ここで無酸素気泡とは、主として利用できる酸素以外の気体を含む気泡を意味する。ゾーン１上昇流チャンネル４０は水平方向の脱気板５４を通過し、元々含んでいた気泡をほとんど失って重力によって下降管チャンネル１２を下り、混合ゾーン１８の付近の主上昇管チャンネル１４に入り、そこで強力に空気を取り入れる。
【００５６】
バイオリアクタ１０のスタートアップでは、圧縮空気または他の酸素を含む気体または、代わりの液体／気体溶液または懸濁液がリアクタの下部に送られ、バイオリアクタにおける好気性排水処理のための酸素供給源となる。一般的に、プロセス用空気を大幅に分散されたアレーとして送り込むために、下降管チャンネル１２の下部ポートより低く、上昇管チャンネル１４の底部付近に固定されたスパージャまたは空気分配ヘッダ６０から圧縮空気が供給される。一般的には、空気分配ヘッダは上が平らまたは円錐形で、オプションで下側周辺に固定された鋸歯状スカートがついたものである。ヘッダはプロセス用の空気をほぼ均一な、気泡の円状アレイとして分散し、その結果、気泡はヘッダの周辺−下降管チャンネルの下部ポート２０の下と混合ゾーン１８の周辺から気泡のカーテンとして上昇する。したがって、本発明の１つの実施例における混合ゾーンは、上昇管チャンネルの下部、下降管チャンネルの下部ポートの周辺および空気配分ヘッダの上および周辺として定義される。下降管チャンネルからの流れは分配ヘッダの上面６１に衝突し、一部は上向きに方向を変えられる。同時に、ヘッダの周囲から発する気泡は下降管チャンネルからの流れと混じり合い、この物質の激しい混合に寄与し、その結果、下降管チャンネル内の液体にくらべて気泡が混じった分だけ密度は小さくなる。したがって、その結果生じた液体と気泡の混合物は上昇管チャンネル１４の中を上昇し、バイオリアクタのこの部分に図１に矢印で示したような一般的な循環パターンを持つ循環を生む。
【００５７】
バイオリアクタ１０の酸素添加源として使用する圧縮空気または酸素を含む気体または液体は、一般的に、圧縮空気ライン６２のような専用の単独または複数のラインを通じて供給される。専用の圧縮空気ラインは、地上に置かれた圧縮空気源に接続され、上昇管チャンネル（例えば上昇管２４に内蔵された）に平行に下向きに走って酸素添加ポート、たとえば空気供給ポート６４に達しており、後者は上昇管チャンネル１４に流体的に開口している。空気供給ポート６４は一般的に空気分配ヘッダ６０の下に配置されて、前述のようにヘッダが分配する圧縮空気を供給する。本発明の実施例においては、圧縮空気（または他の酸素を含む気体または液体）曝気・固体摘出兼用ライン６６によってバイオリアクタ内で代替方法として、あるいは追加的に供給されるものもある。このラインは、たとえば前述のシステム制御ユニット５１により代替方法として圧縮空気または他の酸素含有気体または液体を供給するように制御することができ、第２の運用モードにおいては、上昇管チャンネルの底部に配置されたリアクタの排水溜め６７から固体廃棄物をパージするための固体廃棄物摘出ライン６６としても機能する。固体廃棄物摘出ラインは地表から（地上に設置された固体廃棄物摘出・浮遊槽）排水溜めと流体接続する酸素添加・固体廃棄物摘出ポート６８まで伸びている。排水溜めに沈殿する固体廃棄物は何時間も運転された結果蓄積する。バイオリアクタの運転時間の大部分において、曝気・固体摘出兼用ラインは圧縮空気の流れによって連続的にパージされており、したがって排水溜め６７は十分にかき混ぜられ、酸素が添加され、したがって混合ゾーン１８の機能的な一部を構成している。曝気・固体摘出兼用ラインは定期的に減圧され、それによって排水溜め内に沈殿した固形物は、リアクタの最上部に急速に送られ、そこで取り除かれる。これらの固形物は高度に酸素添加されており、非常に安定（無臭化）しており、気体成分が高いので濃縮化されたスラッジの上に浮かび上がる。
【００５８】
本発明の関連実施例において、改良された縦坑バイオリアクタ１０は上昇流を生み、バイオリアクタ内にプロセス用の空気を供給するために、同時に作動する２本の酸素添加ラインまたはポートを持つている。２本の酸素添加ラインは、専用の圧縮空気ライン６２と曝気・固体摘出兼用ライン６６で例示されており、その場合両ライン共にバイオリアクタの運転時間の大半において圧縮空気供給モードで使用される。このモードでは、２本のラインが協調的に本発明の複数の圧縮空気源を提供してリアクタの混合ゾーン１８における乱流と微細な気泡の生成能力を助け、複数の圧縮空気源またはポートの働きでリアクタの効果をさらに高める。この増強された乱流と微細な気泡の生成機構の１つの態様においては、専用の空気ライン６２の空気供給ポート６４によって例示される第１の曝気ライン開口部は、空気分配ヘッダ６０の下、かつ曝気・固体摘出兼用ラインの曝気・固体摘出ポート６８により例示される第２の曝気ライン開口部の上に配置される。この下部曝気ポートから放出される圧縮空気は、上昇管チャンネル１４の底部付近の液体のミキシングと気泡の生成に刺激を与え、第１の循環パスまたはベクトルを設定する。その結果としての循環する液体・気泡混合体は、第１の、上部空気ライン６２からの圧縮空気によって生成された液体・気泡混合体と上向きにおよび／または横向きに衝突する。これによって、せん弾力が増し、単一の曝気ラインの運転により得られる結果にくらべてより細かい気泡がより広い混合ゾーンに生まれる（図１参照）。
【００５９】
上述の協調的に複数の圧縮空気源を使用する方法に加えて、本発明の一部の実施例では修正された（一般的には段階的、チャンバー構成、またはバッフルつきの）ヘッダ、または複要素ヘッダを使用して、複数の相互作用的曝気源により乱流と微細な気泡の生成機構をさらに増強している。１つの態様においては、協調するせん断ヘッダ７０は上昇管チャンバー１４の中で主気泡分配ヘッダ６０の下に取り付けられ、ほぼ前述と同じように２つの垂直方向に段階が設けられた２つの曝気源と協力して働く。せん断ヘッダは、第２の低い位置に設けられた曝気源（曝気・固体摘出ポート６８）によって生成される混合ゾーンを上向きおよび／または横向きまたは半径方向の流れ成分を増強するような任意の変流または分岐装置であればよい。ひとつの実施例では、せん断ヘッダは分配ヘッダの下側に垂直支柱によって取り付けられた、内部に段が付いた吸出し管（図１）を含んでいる。曝気・固体摘出ライン６６に供給された圧縮空気は段付き吸出し管にエアリフト効果を生じ、それによって図１に示したように混合ゾーンの下部に別の循環パターンをまたはべクトルを発生する。この上向きおよび／または横向きまたは半径方向の循環流は、最初の上部空気ライン６２による圧縮空気の導入によって分配ヘッダの周辺に発生した混合液と気泡に衝突し、その相互作用は部分的に曝気・固体摘出ポートを介して供給された空気によって規制され、一方、残りのプロセス空気は専用の空気供給ポート６４を通じて供給される。これによって鋸歯状スカートの内側に非常に強い流れを発生し、それは気泡をせん断して細かいサイズにすることにおおいに役立つ。従来のバイオリアクタが一般的に直径で０．５−０．７５インチの気泡を分配器の近傍で生成していたのに対して、本発明の新らしい相互作用による流れのメカニズムおよび協調的ヘッダのデザインは、一般的には直径０．２５−０．５インチ、多くの場合０．２５インチ以下、場合によっては０．２−０．１２５インチあるいはそれ以下の細かい気泡をを生成する。例えば、以下の非特許文献６に記載された研究（ここに言及することによって本出願に援用）は、混合と酸素移転のために最適な気泡の直径は約２  ｍｍであると結論している。しかしこの大きさの気泡は、気泡をせん断しない限り、オリフィスで自然には発生しないない。気泡のサイズは浮力とオリフィスでの牽引力とが等しいときに決まり、気泡のサイズは必ずしもオリフィスのサイズの関数ではない。このサイズ範囲の気泡が水中での浮上速度が毎秒０．８−１．０  フィートなので、鋸歯状スカート６０の近傍の下向き循環速度が毎秒１フィート以上であると気泡がオリフィスからせん断される。循環速度はライン６８に吹き込まれる空気量によって規制され、オリフィス６４に適用される空気によって独立に調整される。定期的にライン６６で抽出されるサンプルは酸素溶解量の測定に使うことができる。曝気要素６０と７０の間の循環速度は酸素移転を最大にするために調節することができる。この新規なデザインは、目詰まりを生じることなく混合と気泡配分を増強することを可能にしている。曝気・固体摘出ラインがバイオマスの処理に使用されているときは、専用空気ラインの空気流がリアクタ��環を維持する。このとき、せん断ヘッダのリアクタバレルが減圧されると、新規なバッチの排水バイオマスが混合ゾーン１８から排水溜めに送られ、せん断ヘッダのリアクタバレル内のバイオマスの曝気が再開される。
【非特許文献６】
Ｗａｔｅｒ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｊｏｕｒｎａｌ、１９９９年５／６月号、３０７−３１５頁
【００６０】
本発明のさらに別の実施例では、バイオマス１０内での液体、空気および／またはバイオマスのチャンネル化、循環化、および分離化が特徴となっている。これらの特徴は、リアクタの構成に応じて本発明の様々な態様の中で可変であり、組み合わせ可能であるし、また調整可能でもあり、それによって様々な排水処理と期待される結果に応じてリアクタを使用し、変更することができる。一般的に、本発明のバイオリアクタは、排水、溶解酸素、栄養素およびバイオマス（活性化した微生物個体群を含む）の基本的反応の大半（例えば８０％以上、最高９０−９５％以上）が起こるゾーン１と呼ばれる第１の処理またはプロセス「ゾーン」を持つことを特徴としている。ある種の実施例の場合、このゾーンは地上槽またはヘッドタンク１６、上昇管チャンネル１４、下降管チャンネル１２、および混合ゾーン１８からなる中央容量を含む主反応チャンバー８０を含むものとして定義される。
【００６１】
混合ゾーン１８の成分の大半は液体と気泡の混合体であり、下降管チャンネル１２内の液体より密度が低いので、混合ゾーンから上に向かって循環して主反応チャンバー８０に入る。溶解していない気体、主として窒素は、膨張してリアクタ１０の上部にある混合液に各図に矢印で示したようなパターンの循環を起こさせるために必要な気体の浮力を提供する。反応生成物は炭酸気体と追加のバイオマスであり、そのバイオマスは流入汚水に含まれていた未反応固形物質とともにスラッジ（バイオソリッド）を形成する。
【００６２】
ある種の実施例の場合、本発明の図１に示したように、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の中で複数の小さい上昇流チャンネルに分割される。１つの実施例の場合、主リアクタチャンネルからの上昇流は、図１に示したゾーン１上昇流チャンネル４０とゾーン２（一般的には仕上げゾーンとして使われる）上昇流チャンネル８２で例示されるように、少なくとも２つの独立した上部上昇流チャンネルに転流される。１つの実施例の場合、主リアクタチャンネルからの流れの複数の上部チャンネルへの転流は、主リアクタチャンネル上部付近に固定した固定のまたは調節可能な転流板８４またはそれに相当する転流装置を使用して達成される。
【００６３】
転流板８４は主リアクタチャンネル８０上昇流を複数の上部チャンネルに転流するような構造と寸法になっている。一般的に転流板は、主リアクタチャンネルからの液・気泡混合体の全上昇流量の大半を捕捉して、以下に詳述するようにバイオリアクタ１０の望ましい運転モードに応じて選ばれた「好気性」上昇流チャンネルに転流できるような構造と寸法になっている。図１に示した実施例の場合、主リアクタチャンネルからの液・気泡混合体の全上昇流量の大半を第１ゾーン上昇流チャンネル４０または第２ゾーン上昇流チャンネル８２に転流させる転流板は、主リアクタチャンネル内を上向きに流れる液・気泡混合体の転流板の上、横または半径方向に伸びる転流板の転流延長部８８に沿った分離・チャンネル化を助ける垂直バッフル８６を持つことを特徴とする。したがって、液・気泡混合体の全上昇流量の小部分は残された上部上昇流チャンネル４０に流れることを許され、それによって主なプロセス決定子として、曝気された液体流のこの残されたチャンネルへの侵入を制限し、よって必要な場合にこのチャンネルに嫌気性状態を生成することに寄与する。
【００６４】
転流機構の選択、位置および調節は、バイオリアクタ１０の選ばれた運転モードに依存する。別の実施例においては、主リアクタチャンネル８０からの液・気泡混合体の上昇流を１つまたはそれ以上の上部チャンネルに分流し、それによって高い好気性環境条件を選ばれたチャンネルに実現し、一方では１つまたはそれ以上の上部チャンネルへの上昇流（特に高酸素含有液体の上昇流）を制限して低い好気性、場合によっては嫌気性の環境条件を実現するように、転流板８４の位置、形状・寸法を合わせ、また調節することができる。調節可能なバッフル８６と８４の定常状態の機能を実施例を参考にして下記に説明する。図１において、ゾーン１の上部でバッフル８６のすぐ下に１０個の気泡が一様に上昇する姿が描かれている。バッフルは、３個の気泡がエリア３９に、７個がエリア８１に別れるように調節されている。しかし、エリア８１への流量はほぼＱに等しく、したがって流入／流出液＋１．７５Ｑ硝酸塩リサイクル流＝２．７５Ｑとなる。このデザイン例においては、エリア３９への流入量は５Ｑに制御されている。したがって、エリア３９における気泡１つ当りの流量は５／３＝１．７Ｑであり、エリア８１においては気泡１つ当りの流量は２．７５／＝０．４Ｑである。同様に上部チャンネルおよびヘッドタンクにおける酸素の需要と供給も計算できる。一般的に、エリア３９と８１の平均ＢＯＤは約１０ｍｇ／Ｌで、除去すべき平均のアンモニアーＮ濃度は１５ｍｇ／Ｌ（細胞合成に使用された後のアンモニア）で、脱窒化リサイクル流量は１．７５Ｑである。したがって平均的なアンモニア濃度は１５／１．７５＝８．５７ｍｇ／Ｌである。このアンモニアーＮレベルはＢＯＤ相当値８．７５ｍｇ／Ｌ−Ｎｘ４．６＃  酸素／＃Ｎ＝３９ｍｇ／Ｌと同等である。したがってゾーン２への合計負荷は２．７５Ｑ［１０＋３９］＝１３４Ｑ酸素単位となる。これには気泡７個の酸素単位が関わっているので、気泡当りの負荷は１３４／７＝１９酸素単位である。同様に、エリア３９への負荷は５Ｑｘ１０ｍｇ／Ｌ  ＢＯＤ＝５０Ｑ酸素単位が必要である。しかし、ポート３４の上のチャンネル４０内では、必要な全負荷２５０Ｑ単位に対して負荷が５０Ｑ単位＋Ｑｘ２００単位に増える（流入ＢＯＤが２００ｍｇ／Ｌであると仮定）。この場合関係するのは気泡３個だけなので、気泡当り必要な酸素は２５０／３＝８３酸素単位である。したがって、気泡当りに必要とされる酸素単位はヘッドタンク１６のほうがヘッドタンク１５より８３／１９＝４．３倍高いことになる。この結果、ヘッドタンク１６に対して計量できる溶解酸素がヘッドタンク１６にあれば、ヘッドタンク１５には余剰ＤＯがあるはずで、もしヘッドタンク１６に余剰ＤＯがあればバッフル８６から下の混合ゾーン１８までのあらゆるレベルにかなりのＤＯがある。バッフル８６は広範囲の負荷と流量値に対して調節可能である。
【００６５】
したがって、本発明の１つの態様においては、ＢＯＤの好気性消化ならびに単一の混合液プロセスＢＮＲ処理を提供することにより、改良された縦坑バイオリアクタが多目的排水処理に対して機能する。図２において、主リアクタチャンネルからの液・気泡混合体の上昇流の大半を第２ゾーン上昇流チャンネル８２に転流させ、一方では主リアクタチャンネル８０からの液・気泡混合体が第１ゾーン上昇流チャンネル４０に進入することを防止するために、転流板８４は図示のように構成されている（仮想線９０で示された代替転流板と比較のこと）。流入チャンネル３２とゾーン１上昇流チャンネル（主リアクタチャンネルからの気泡の僅かな部分のみを阻止する）への流れとの流量比は、微細に調節可能である。ここで、この転流板の構成においては、ゾーン２上昇流チャンネルにおけるエアリフトと緩慢な循環率に比べて比較的少量のエアリフトと緩慢な循環率をゾーン１上昇流チャンネルに対して提供することが可能である。したがってゾーン１上昇流チャンネルにおける混合液の滞留時間が増加し、ゾーン１上昇流チャンネル４０における酸素移転能力は気泡の上昇流の減少に伴って減少する。ここで注意すべきことは、酸素が主としてゾーン１の下部および中部（特に混合ゾーン１８と転流板の下の主リアクタチャンネル８０を含む）で消費されてしまうので、ゾーン１上昇流チャンネル内の気泡が主として窒素であるという点である。
【００６６】
本実施例とバイオリアクタ１０の調節／運転モードの中で、ゾーン１上昇流チャンネル４０と呼ばれる上部チャンネルは、相対的に低い酸素流入量と原流入液の酸素に対する高い要求度によって達成される無酸素環境を提供するために選択することが可能である。この無酸素ゾーンは、図２の矢印でおおよそ示したように、ゾーン１上昇流チャンネルと下降管チャンネル１２の間の循環経路全体にわたって継続する。この無酸素ゾーンの中では、ＢＮＲプロセスの最終段階、すなわち、ゾーン１上昇流チャンネルの液体に元々含まれていた硝酸塩の脱窒が行われる。図示された経路をたどってこの混合液が混合ゾーン１８に到達すると、下部下降管ポート２０に存在する無酸素流の再曝気が発生し、無酸素ゾーンで除去されなかった残存ＢＯＤがゾーン１（混合ゾーンえお主リアクタチャンネル８０を含む）の下部で酸化される。その後、主リアクタチャンネル内の上昇流の一部が上向きに流れてゾーン１上昇流チャンネル４０に入り、ゾーン１の上部は無酸素であるように設計されているので、生物学的酸化に必要な気泡の数が減少する。エアリフト効果はまた大幅に減少し、それによってリアクタのこの部分の上昇流が緩慢になる。さらに、ゾーン１リサイクルレギュレータ５０を経由して流入する流れを制御する能力はまた、ゾーン１上昇流チャンネル内の流量とエアリフトを調整することもできる。
【００６７】
バイオリアクタ１０の前述の運転モードの中で、主リアクタチャンネル８０内の上昇空気流の大半は上向きに流れ、別の上部上昇流チャンネル、たとえばゾーン２上昇流チャンネル８２に入る。こうして分離された相対的下部液体上昇流部分は、ゾーン１の下端で発生した気泡（気泡配分ヘッダ６０とせん断ヘッダ７０で例示されたオプションのせん断増強機構と協調して働く専用の空気ライン６２とオプションの多目的曝気・固体摘出ライン６６により発生した気泡）の大半を含む。転流板８４の作用によってゾーン２に分離されたこの活性化した、液体・気泡混合体は、ゾーン２上昇流チャンネルに入り、ゾーン２にゾーン２再循環チャンネル１１０（ゾーン２ヘッドタンク１５からの液を再循環させるもの）を経由して流入する激しい再循環流と混じり合う。この再循環流は、オプションとして、手動またはモータ駆動のじゃま板、バルブまたは他の流量規制装置から成るゾーン２のリサイクルレギュレータ１１２によって規制される。このリサイクル流レギュレータは、オプションとして、バルブまたはバッフルアクチュエータ５２とオプションの流量センサ５３にリンクされている流量制御ユニット５１（たとえばシステム制御マイクロプロセッサ）によって制御されている（ゾーン２のリサイクル流量を決定するために）。
【００６８】
バイオリアクタ１０がこのようにＢＮＲの除去のために構成および／または調節されると、上述の構造と運転の詳細に従って、バイオリアクタのゾーン２内の混合液の硝化が効率的に実施および制御される。ゾーン２からの混合液の一部は、分離型１２０または組み込み型固体・液体分離器（浄化器）に排出することができる（図２−４、および図６参照）。ゾーン２からの混合液の一部は、上述のように流入チャンネル３２に戻されて脱窒され、このサイクルが繰り返される。オプションとしては、浄化された流出液の一部は、流量が少ない時にチャンネル３２に戻されて、さらに窒素化合物全体を除去することもできる。
【００６９】
本発明のさらに詳しい実施例においては、流入液、浄化された戻り流出液（例えば独立した浄化器１２０または組み込まれた浄化器１２０’からリサイクルされるもの）、および活性化された戻りスラッジはバイオリアクタ１０の運転にふさわしいあらかじめ選ばれた割合で混合される。これは本発明の様々な制御機能を使って、また、一部はゾーン１活性化スラッジ戻りチャンネル１２２とゾーン２活性化スラッジ戻りチャンネル１２４との協調と制御された運転（たとえば、浄化器に連結されたスラッジ摘出ライン１２６経由）により、また、スラッジをゾーン１流入チャンネル３２またはゾーン２リサイクルチャンネル１１０にそれぞれ向けることにより達成される（例えば図２−４、８参照）。添付した各図面に図示された供給ライン、連絡ラインおよびドレンライン中および相互間の流量制御は、バルブアクチュエータまたはバッフルアクチュエータ５２および／または流量センサと連結された各流量レギュレータ５０によって容易に達成可能であり、それらすべては１つあるいはそれ以上の制御ユニット５２によって操作が統合され、制御されている。
【００７０】
流入する典型的な都市排水の流入量に対する選択された混合比は、大は浄化済流出液の容量３に対し戻り活性化済スラッジの容量１から、小は浄化済流出液の容量１に対し戻り活性化済スラッジの容量１まで様々である。流入液の１容量に対して浄化流出液または混合液の１．７５容量によって総窒素量の約８５％がＮ２に変換される（例えば、以下の非特許文献７；ここに言及することによって本出願に援用）。しかしながら、一部の産業排水の場合には流入液の単位量に対して１００倍以上のリサイクル量を必要とすることもある。
【非特許文献７】
谷口ナオヒロら、硝化および脱窒のためのエアリフト再循環、日本下水道工事局研究開発部、１９８７年
【００７１】
バイオリアクタ１０の硝化プロセス機能に関しては、上述の各種のリアクタ特性と運転パラメータの選択または調節によって、さらに修正または増強することができる。さらに、システムはＢＮＲプロセス機能を増強するために、追加のシステム機能または部品を容易に組み込んだり、結合することができる。ＢＯＤはゾーン２で低いので、ＢＯＤ除去生物の発育は一般的に低く抑えられ、硝化バクテリアにバイオマスを支配させることができる。この特徴に加えて、脱硝バクテリア濃度を増加することにより、アンモニアの亜硝酸塩と硝酸塩への変換率を大幅に改善することができる。一部の硝化剤は添加生物であるので、添加サイトを混合液中にスポンジボール、懸濁媒体、液中に小径のプラスチックまたはゴム（エラストーマ系）ポリエチレンチューブの切れ端、多孔質繊維のひもの形で提供することは、本発明の装置と方法において非常に有効である（例えば、非特許文献８；ここに言及することによって本出願に援用）。たとえば、図４において、硝化バクテリアのための基板を包含するまたは提供する懸濁媒体１３０をゾーン２のリサイクリング循環経路に含むことにより、バイオリアクタのＢＮＲプロセスは大幅に改善可能であり（非特許文献９を参照のこと；ここに言及することによって本出願に援用）、その修正はゾーン１とゾーン２の間の新規な相対位置決めとゾーン間分離により便宜が図られている。移動ベッド媒体が流出液に逃げることは、例えば簡単な網で防止することが可能である。代替案として、固定媒体１３２をヘッドタンクに固定してＢＮＲプロセスのために微生物のバイオマスを増加することもできる。これらの修正はより優れたＢＮＲの性能をもたらす。例えば、ＢＯＤ除去バクテリアを減少させるゾーン２の領域を硝化バクテリアの増加した添付成長バイオマス（例えば１５−２０ｇ／Ｌ相当の脱窒剤）と組み合わせることは、本発明のバイオリアクタ中の高度に有効なＢＮＲプロセスを提供する。単一のスラッジ拡張好気プロセスは、一般的に１５−２０％（スラッジマスの重量または個体数パーセンテージ）の硝化バクテリアを含む。しかし、添付媒体が本発明で使用された場合、硝化剤のバイオマスはシステムの個体数の３０％以上、しばしば６０−７０％、最高７５−８５％かそれ以上にも拡大できる。これは本プロセス段階とシステムのゾーンにおけるＢＯＤの相対的な消化、また、ゾーン２内の固定または循環添付媒体の効果的な利用に関連する。これらの新規な特徴と特性は、本発明の改善型単一スラッジシステムを他の単一スラッジプロセスから際立たせるものである。
【非特許文献８】
キース・ガンゼ（Ｋｅｉｔｈ  Ｇａｎｚｅ）、“Ｍｏｖｉｎｇ  Ｂｅｄ  Ａｅｒｏｂｉｃ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ”、Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｗａｔｅｒ  Ｗａｓｔｅ  Ｗａｔｅｒ、１９９８年１１／１２月
【非特許文献９】
Ｔ・レセル（Ｔ  Ｌｅｓｓｅｌ）ら、“Ｅｒｆａｈｒｕｎｇｅｎ  ｍｉｔ  ｇｅｔａｕｃｈｔｅｎ  Ｆｅｓｔｂｅｔｔｒｅａｋｔｏｒｎ  ｆｕｒ  ｄｉｅ  Ｎｉｔｒｉｆｉｋａｔｉｏｎ”、３８．Ｊａｈｒｇａｎｇ、Ｈｅｆｔ  １２／１９９１、１６５２〜１６６５頁
【００７２】
本発明のその他の態様には、新規な消化プロセスが提供されており、それはプロセスの原動力としての酸素の源泉として、ゾーン１の底部付近に発生する残存溶解酸素に大半をあるいは全的に依存している。さらにゾーン１からの未使用気体を使うことから生じるもう１つの利益と差別は有機炭素源として硝化バクテリアも必要とする高レベルのＣＯ２が得られることである。他の硝化システムにおいては、基本的な有機炭素源を排水のアルカリ性に依存しており、一般的にはＣａＣＯ３の存在によって決定される。本発明のバイオリアクタプロセスシステムは、したがって現在の拡張型好気性システムよりコンパクトであり、少ないエネルギーで稼動する。本発明に基づいて建設され、運転されるバイオリアクタはさらに、より良質で（必要ならＡ級バイオソリッドを含む）、原液からより簡単に分離できるバイオマスを作り出す。
【００７３】
本発明のバイオリアクタ１０の機能と運転をさらに増強するために、組み合わされたまたは統合された様々の特徴をバイオリアクタに組み込んで排水処理の能力を高める。図２に示したように、本発明によるバイオリアクタを排水処理に使用する場合、普通の独立した沈殿浄化槽１２０が使われることがある。バイオリアクタはさらにオプションとして、曝気された仕上げバイオフィルタ１３３および／または紫外線殺菌チャンバー１３４および／または洗浄タンクと流体結合されている。一部の実施例では、ライン１３６はバックウォッシュを流入液に戻す。
【００７４】
代替案として、図３と図８（各々概略図および部分的断面斜視図）は本発明によるバイオリアクタ１０の別の実施例を示すが、その特徴は円形ゾーン２ヘッドタンク１５を取り巻く統合された円形沈殿浄化槽１２０’であり、前者はさらに円形ゾーン１ヘッドタンク１６を取り巻いている（この縦型リアクタではこれら３つのタンクがいずれも同心である）。これらの実施例では、沈殿した活性化スラッジは重力でゾーン１またはゾーン２に戻る。
【００７５】
図４に示したバイオリアクタ１０の代替実施例は、移動ベッド媒体１３０がゾーン２で循環しているほか、追加的または代替的に、固定媒体１３２がゾーン２のヘッドタンク１５に懸濁している。別の実施例では、図５のように、加圧されたヘッドタンク１３５、およびオプションのオフ気体収集器１３６（例えば、ポラック（Ｐｏｌｌａｃｋ）の特許文献４１の米国特許；ここに言及することにより、本発明に援用）が含まれ、オフ気体がヘッドタンク圧力に対抗するためエアリフト流入液ポンプ１３７を駆動し、オプションの薄膜フィルタカートリッジ１３８（例えば以下の非特許文献１０を参照；ここに言及することによって本出願に援用）がバイオマスを液と清浄水から分離するために圧力下で作動し、紫外光線（ＵＶ）殺菌チャンバー１３９がまた薄膜バックウォッシュのための保管室としても機能する。図６に示すさらに別の実施例では、統合された浄化槽１２０’が曝気された仕上げバイオフィルタ１３３、紫外光線（ＵＶ）殺菌チャンバー１３４およびフィルタバックウォッシュタンクと流体的に連結されている。
【特許文献４１】
米国特許第４，２７２，３７９号明細書
【非特許文献１０】
ジョウジ・ハイナー（Ｇｅｏｒｇｅ  Ｈｅｉｎｅｒ）ら、”Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ”、Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１９９９年１２月
【００７６】
一般的には、長尺縦坑バイオリアクタにおいて、生物学的酸化プロセスのための最適生物学的空気供給率は、本件の場合、ゾーン１上昇流チャンネル４０およびゾーン２上昇流チャンネル８２によって例示される上昇流チャンネルと同等な過剰な「空隙」をリアクタの上部に発生する。過剰な空隙は望ましくない振動（水撃現象）を生じ、振動に基づくリアクタの損傷を生じる可能性がある。振動を生じるエア空隙はまた循環する液体内の酸素の移転がうまくいっていないことも意味する。本発明はこれらの問題に様々な方法で対処するが、その中には循環速度を制御する新たな方法や、リアクタの特定な部分やチャンネルの気体成分を調整する方法も含む。
【００７７】
リアクタ１０内の液体の上昇流の流速に比較して酸素の移転と酸素の利用率は比較的緩やかに生じるので、流速を増加させることはリアクタの運転効率を低下させるだけに終わる。流速を上げると気泡の接触時間が減少し、酸素の移転を遅らせ、その結果プロセスの最適化のためにより多くの曝気が必要になる。同様に、曝気を減少するとリアクタの能力が下がる。エア空隙や関連する問題の解決法の１つとして、２０００年５月１１日に出願された以下の特許文献４２の米国特許出願（ここに言及することにより本出願に援用）が「ヴェルトリート（ＶｅｒＴｒｅａｔ）  ＩＩ」バイオリアクタを提案している。この開示によれば、上昇管チャンネルの下部にオリフィスを設けて流速を下げると良い効果が上がるとされている。しかし、この解決策は水撃現象に対する根本的な解決策ではなく、むしろオリフィス板が腐敗や異常な問題を生じ、特に小都市のプラントでその傾向が顕著である。
【特許文献４２】
米国特許出願第０９／５７０，１６２号明細書
【００７８】
本発明のバイオリアクタ１０は、ゾーン１とゾーン２の新規な相対的な構成を導入することにより、これらの問題を部分的に解決している。ゾーン１の下にゾーン２を設けたのでゾーン２内の空隙発生を規制できるという上述の「ヴェルトリート（ＶｅｒＴｒｅａｔ）ＩＩ」バイオリアクタ（１９９７年７月２２日登録の以下の特許文献４３の米国特許を参照のこと；ここに言及することにより本出願に援用）と異なり、本発明は各ゾーンにおける流れと気体成分を独立に制御できる。従来の技術による「深縦坑」リアクタの場合、毎秒２フィートの上昇流の流速で水撃現象が発生する。上記のオリフィス板つきヴェルトリート（ＶｅｒＴｒｅａｔ）ＩＩリアクタは毎秒１．２５フィートまでは運転可能である。本バイオリアクタ内では、上昇管チャンネルの下部においてこの値を毎秒０．２５ないし０．５フィートまで下げることができる。上昇管速度が低いと、一部の重い固形物は排水溜め６７に沈殿する。これらの固形物は、必要に応じて曝気・固体摘出兼用ライン６６のパージングを行うことにより、余剰バイオマスと一緒に（例えば、せん断ヘッダ７０および周囲の混合ゾーン１８内で循環させることにより）容易に取り出すことが可能である。
【特許文献４３】
米国特許第５，６５０，０７０号明細書
【００７９】
本発明は、流速を下げるうえで先行技術の方法に比べてはるかに有効な新規な機能と方法を提供しており、それには上述のように気泡が混入していない液体によってリアクタの１つまたは複数の上部上昇流チャンネル内のエアリフト流を薄める能力が含まれている。これらのヴェルトリート（ＶｅｒＴｒｅａｔ）ＩＩ技術を上回る機能と方法の利点は、特に小径のリアクタの場合に問題となる、上昇管チャンネルの下部および到達不可能な部分にあるオリフィス板が詰まる可能性を解消することを含んでいる。
【００８０】
本発明のバイオリアクタ１０のような液体と気体の混合体が垂直のチャンネルを循環する長尺の縦坑リアクタにおいては、一定の体積を持つ液体の中の気体の体積は圧力によって変化する（気体の法則）。したがって、リアクタの底部においては液体の中の気体の体積（空隙）は小さく、一方、リアクタの上部においては、膨張によって気体の体積の液体の体積に対する比率は何倍も大きくなる。水柱３４フィートが約１気圧に相当するので、地表における１立方フィートの空気は深さ３４フィートの水底では０．５立方フィート、深さ６８フィートの水底では０．３３立方フィート、深さ１０２フィートの水底では０．２５立方フィートとなることは容易に計算できる。したがって、体積の下にある面積対深さの曲線を積分することによって、リアクタの上から１０２フィートの範囲で気体体積の７８％の空隙が発生することがわかる。
【００８１】
エアリフトポンプとその他の気泡／水柱に関する多くの研究により、水撃現象は空隙が１１−１４％の時に発生することがわかっている。水撃は気泡が集合してさらに大きい気泡をつくるときにリアクタに振動を生じるので望ましいことではなく、さらに重要なのは大きい気泡は酸素の移転特性が非常に悪いことである。これらの欠点を改善するために空隙を規制することは、過去にも少なくとも２つの方法で試みられている。１つの規制方法は、気体が気体・液体混合体から遊離するのに十分なだけリアクタの断面積を広げることである。代替方法として、リアクタ上部において気体・液体混合体の残存圧力を維持することが試みられた。これらの提案された規制方法は、それぞれ欠点があり、本発明のバイオリアクタで使用するには望ましくない。例えば、一部のエアリフトリアクタのヘッドタンクのデザインでは、０．５気圧の水深（１７フィート）が使用されている。これによって最大空隙が１７％減少されるが、深さ１７フィートよりもはるかに深いヘッドタンクは製作が困難である。さらに、地上高の高いヘッドタンクは、かなりな水頭に対抗してポンプで流入液を押し上げる必要を生じ、相当なエネルギーの無駄を生じる。
【００８２】
本発明は空隙を規制し、水撃現象の悪影響を改善する新規な機能と方法を提供する。簡単に言えば、これらの機能と方法は、リアクタ１０の１つまたは複数のチャンネルまたはチャンバーにおいて、液量を増やすか気体量を減らすことによって液体の単位量に対する気泡の量を減少するものである。さらに詳しく述べるならば、リアクタの上部（例えば６０−９０’）からのリサイクル液を、脱泡段階を経由し上部の底に近いリサイクル流入点（例えば、地表から６０−９０フィート下）まで戻して増やすことによって、リアクタの１つまたは複数のチャンネルの上部上昇流チャンネル内の液体の流量を増やす。一般的には、総気体流量（空気流）は生物学的な最適化要件によって決定されると考えられているが、この総気体流量はまた、ここに説明する新規な流量制御機構を使って選ばれた、リアクタ上部の各上昇流チャンネルに分配することができる。
【００８３】
空隙の約７５−８０％はリアクタの上部６０−９０％で生じるので、リサイクルチャンネル（ゾーン１リサイクルポート１４０からのゾーン１リサイクルおよびゾーン２リサイクルポート１１０からのリサイクルを受け取る、オプションとしてネスティングされた流入チャンネル３２によって例示される）は典型的なバイオリアクタの全深さの約２５−３５％しかなく、リアクタの断面積と体積の僅かな部分を占めるのみである。実際には、リアクタのゾーン１とゾーン２はほぼ同等の液体体積からなるが、ＢＮＲ除去の場合、ゾーン２ヘッドタンク１５の直径を大きくしてゾーン２は硝化のために体積が拡大されている。ゾーン２ヘッドタンク１５からの気体抜きされた液体のリサイクル流をゾーン２リサイクルレギュレータ１１２で十分に調節可能なように設計することにより、ゾーン２リサイクルチャンネルの空隙は広範囲の運転条件下で容易に制御可能である。したがって、ゾーン１上昇流チャンネル４０の気泡体積は、流入流量の最小最大値の許容範囲によって制限される範囲内で、その範囲に多少の制限があるものの、脱泡した液体によって希釈可能である。この制限を解消するために、ゾーン１リサイクル流量レギュレータ５０（システム制御ユニットによって操作される）の調節によって規制された量の液体がゾーン１リサイクルポートを介して分流される。このように協調したヘッドタンクからの制御流は、流出液の重力供給を維持するために必要である。
【００８４】
本発明はしたがって、低いバイオリアクタ１０流速での水撃現象を軽減するためのいくつかの個別かつ選択随意な協調機構と方法を提供する。別な態様においては、この問題は固定または調節可能な機構８４で例示される、調節可能な転流板またはバッフル装置を提供することで軽減される。この例示された転流板の構成（大きさ、形状、位置および姿勢）はリアクタの建設および据付時に決めても良い。代替案として、これらのそしてその他の転流板のパラメータは自由に選択・変更することが可能であり、たとえばシステムコントローラ５１による機能的な制御（位置および姿勢のパラメータ）のためにオプションとして組み込まれた手動またはモータ駆動の転流板調節機構を使用することができる。転流板の操作は主リアクタチャンネル８０からの上昇流で運ばれる大半のあるいは一部の気泡を１つまたは複数の選ばれた上部チャンネルに向ける役目を果たし、例えば液・気泡混合体の大部分をゾーン２上昇流チャンネル８２に向け、残りの部分をゾーン１上昇流チャンネル４０に向けて転流する。
【００８５】
望ましい部分の気泡がこうしてゾーン２上昇流チャンネル８２に向けて転流されると、ゾーン２リサイクル流レギュレータ１１２を調整してゾーン２リサイクル流量を変更することにより、このチャンネル内の空隙は容易に修正することができる。循環ループ（ゾーン２上昇流チャンネル８２、ゾーン２脱気板１５０、ゾーン２リサイクルレギュレータ１１２、ゾーン２リサイクルチャンネル１１０、ゾーン２遮蔽された循環ポート１５２を経る矢印をたどるループ）と最上部の地上槽またはゾーン２ヘッドタンク１５はゾーン２を構成し、ゾーン１の排水気体で駆動されるバイオリアクタの仕上げプロセスおよびオプションの硝化機能を代表する。ゾーン２上昇流チャンネル８２内の液体と気泡が共に一方方向的に上向きなので、流れを上部の各上昇流チャンネルに分配する転流板の構成によって、処理液がゾーン２からゾーン１に移ることが防止される。この点においては、上述したように、ゾーン２の循環の特性は固定媒体１３２（図４）および代替的または強調的に薄膜分離部品（図５）の適用にとって理想的である。リアクタの代替プロセスモードにおける硝化作用を増強するために、ゾーン２はゾーン１から完全に独立して循環するので、移動ベッド媒体１３０（図４）も使用することができる。
【００８６】
水力学的に言えば、バイオリアクタ１０のゾーン１へ入る流れ（ならびに浄化槽１２０またはゾーン２ヘッドタンク１５からの外部リサイクル流）はゾーン２の底に入ることによってゾーン１を離れるはずである。ゾーン１は閉ループであり、すなわちゾーン１上昇流チャンネル４０、ゾーン１ヘッドタンク１６、下降管１２および主リアクタチャンネル８０からなるので、このループのリサイクル数と流速は転流板８４でゾーン１上昇流チャンネル４０に転流される気泡の体積に直接依存している。たとえば、一般的な都市排水の２００ｍｇ／Ｌ  ＢＯＤにおいて、内部リサイクル数はほぼｍｇ／Ｌで表したＢＯＤをリアクタ中のＯ２で除し、酸素の移転効率で除した値に等しい。深さ２５０フィートのリアクタにおいては、酸素は約７．３気圧で注入される。水中、１気圧、２０℃におけるＯ２の溶解度は約８ｍｇ／Ｌである。これは酸素の７．３気圧における溶解酸素のポテンシャルが７．３ｘ８＝５９ｍｇ／Ｌ、または移転効率を７０％としたとき約４０ｍｇ／Ｌであることを意味する。したがって、最低リサイクル数は２００を５９ｘ０．７０で除し、すなわち約５である。現実には６ないし７が安全値として使用されるであろう。液圧損失計算により６ないし７の内部リサイクル数に対して必要な空気の割合、たとえば、ゾーン１の底部に投入した空気の３０％という割合を決めることができる。プラントへの有機負荷の増減に伴って空気の割合は調節され、ＢＯＤの要件を満たすように内部リサイクル数が増減される。しかし、転流板８４により決定される定数である、投入した空気の３０％は定常的に維持される。例えば、レギュレータバルブ５０を調節してゾーン１上昇流チャンネル４０内のリサイクル流を変え、それによってエアリフト能力を増減することによって、現地調整が行われる。
【００８７】
同様にゾーン１からゾーン２に入る流れは、ゾーン２からの流出流として離れるはずである。ゾーン２の下部は上昇流チャンネル８２を構成しているので、また、隣接する下降チャンネル１１０は一般的になんらゾーン１との内部リサイクルと連結していないので、ゾーン１からゾーン２へ転送された空気はゾーン２の上部チャンネルに循環を生じるだけであり、ゾーン１の循環率には一切変化を生じない（ただし、ゾーン１の空気率変化はゾーン２の循環率に影響を及ぼすが、その逆は起こらない）。
【００８８】
したがって、本発明のある態様においては、ゾーン１の底部で生じた空気の例えば７０％をゾーン２に転流してもゾーン２の循環に影響を及ぼすだけであり、それはゾーン２リサイクルレギュレータ１１２で容易に制御できる。水力学的に言えば、ゾーン１に入る流量は上昇してゾーン２に入り、リアクタ１０内のゾーン２からの流出量と同じであり、すなわちゾーン１からリアクタに入る流れはゾーン２から出る。先行技術による都市廃水処理の縦坑バイオリアクタに関して、内部サイクルの流量は流入量または流出量の１０ないし１２倍である。上述のような新規なエアリフト制御を特徴とする本プロセスはこの流量を２−３分の１に、多くの場合、５−６分の１に、またはそれ以上減少することができる。
【００８９】
転流器の構成を調節することにより（一般的には主リアクタチャンネル８０からの流れを複数の上部上昇チャンネルに分ける任意の転流装置を意味する）、ゾーン１とゾーン２で最適の運転が達成できるように、主リアクタチャンネル内の選択された気泡部分のみを（一般的に液体流の部分と一致しない）選んだ任意の比率で任意の数のチャンネルに（リアクタのサイズと目的に応じて、普通は２、４、または６）に分けることが可能である（図８に示された各上部チャンネルはそれの反対側にペアとなるチャンネルがあり、これが２つ以上の浄化槽を使う大型リアクタでは典型的なレイアウトであることに注意。小型のリアクタでは、図７に示すように４つのチャンネルと中央に１本の下降管があるだけである。）。例えば、ゾーン１上昇流チャンネル４０における典型的な流量は、転流板８４のレベルにおけるゾーン１の上部（ゾーン２上昇流チャンネル８２の直下）でゾーン２に入る流量の６−８倍に選択されるかもしれないが（代替として、ＢＮＲでは２−３倍）、水撃現象のないエアリフト効果を作るためには空気量の２０−３０％を必要とするだけである。代替案として、ＢＮＲを使っていないときは、ゾーン２上昇流チャンネルへの流量はゾーン１上昇流チャンネルへの流量の約６分の１に選び、代わりに約７５−８５％の空気を受け取ることができる。ゾーン２上昇流チャンネルにおける空気流の設定値は、したがって広範囲の設定値、たとえば、１０−１５％、２０−３０％、３０−５０％、５０−７５％、７５−９０％、またはそれ以上の値をとることができる。
【００９０】
ゾーン２上昇流をたとえばゾーン２ヘッドタンク１５からゾーン２リサイクルレギュレータ１１２を経由するリサイクル流の８−１０倍に希釈したのちは、ゾーン２上昇流チャンネルにおけるエアリフト効果は容易に制御可能である。この制御は、縦コラム中の曝気された流れを分け、２つ以上の上部縦コラムに異なる割合でチャンネル分けする一方で、気泡は完全に異なる割合でこれらの縦コラムに分けることができるという新規な機構と方法に依存している。このエアリフト制御の新規な方法により、酸素供給（流速の関数である、酸素の溶解のため圧力をかけるために得られる時間に依存する）と呼吸率の関数である酸素利用（気泡の量よりも溶解した酸素に依存する）の間のより優れた生物学的適合が得られる。
【００９１】
本発明のさらに別な態様の中に、副産物スラッジおよび／またはバイオリアクタ１０処理プロセスからの余剰バイオソリッドの廃棄に関する問題に対処するための新規な機能と方法が提示されている。これらのバイオソリッドの栄養価を認めた米国のＥＰＡは１９９３年に４０  ＣＦＲ  ５０３を採択したが、それは土壌補完品として無制限に使用するためのＡ級バイオソリッドを得るために各種のプロセス基準を規定している。できる限り、バイオソリッドの有効再利用が推奨されている。Ａ級バイオソリッドに対する基準の１つは、揮発性固形物の最低削減と時間−温度関係であり、たとえば揮発性固形物の３８％削減と５時間で６０℃というのがＡ級製品の合格基準である。図１２
【００９２】
図７に示す本発明の修正実施例においては、バイオリアクタ１０が廃棄物スラッジ消化器として機能し、かつ、Ａ級製品の合格基準である揮発性固形物の最低削減と時間−温度関係を満たすように設計されている。この点に関して、リアクタは、５８−６５℃、一般的には５８−６２℃、しばしば６０℃で運転される好熱好気性バクテリアを利用して、５−６日、しばしば３−４日、さらにそれ以下の日数で急速にＡ級バイオソリッドを生産できるユニークな流量とゾーン分離方法を持つように特に設計され、運転されている。揮発性固形物の３８％削減はバイオマスの安定性またはベクトル引力削減（ＶＡＲ）の算定基準であり、一方、高温処理により製品を殺菌して大腸菌を抑制し、サルモネラ菌を事実上絶滅させる。揮発性物質の３８％消化により、臭気を削減し、好熱性バクテリアに十分な食物エネルギーを供給して外来の熱を供給しなくともリアクタ温度を６０℃以上にあげることができる。
【００９３】
Ａ級バイオソリッドを生産するための既存の縦坑バイオリアクタに関しては２つの問題点が出版されたデータから伺える（たとえば、以下の非特許文献１１；ここに言及することにより本出願に援用）。始めに、小型の縦坑バイオリアクタ（例えば２０００年５月１１日出願の以下の特許文献４４の米国特許出願に「ヴェルタド・リアクター（ＶｅｒＴａｄ  ｒｅａｃｔｏｒｓ）」として説明されたもの；ここに言及することにより本出願に援用）はゾーン１の下にゾーン２を相対配置することを特徴としている。これらのリアクタは、容積に対して比較的大きい表面積の比率を持っており、周囲の土地に過剰な熱を失っている。したがって、小型のリアクタはＡ級バイオソリッド生産のために補助熱源を必要とし、コンプレッサまたは高温の流出流から熱を回収してまかなっている。
【非特許文献１１】
Ｒｅｐｏｒｔ  ｏｎ  ＶｅｒＴａｄ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ  Ｋｉｎｇ  Ｃｏｕｎｔｙ    ＷＡ、ｐｒｏｊｅｃｔ  ３０９００、２００１年５月
【特許文献４４】
米国特許出願第０９／５７０，１６２号明細書
【００９４】
高品質バイオソリッド生産を狙った従来の縦坑バイオリアクタの２番目の問題は、ゾーン１とゾーン２の間の液体隔離のための液体が不十分なことである。ヴェルタド・リアクタにおけるトレーサ調査の発表されたデータは、ゾーン２（仕上げゾーン）が局部的バックミキシングの重要な機能を持つプラグフローリアクタとして働いていることを示している。約８時間のあいだに、ゾーン２はゾーン１との混合を開始し、システム全体（ゾーン１とゾーン２）が１６−２０時間で混合を完了した。したがって、サルモネラまたはその他の禁止されている汚染物質である可能性がある一部の固形粒子はゾーン１からゾーン２にかけて沈殿し、殺菌温度で必要な時間保留されなくともＡ級バイオソリッドの要件を満たすことができる。
【００９５】
本発明の改良されたバイオリアクタ／消化器１０’は、与えられたリアクタ体積に対して表面対体積比が前述のリアクタより小さくて高品質バイオソリッドの生産に向いており、周囲の土地への熱損失もはるかに小さくなるような、特定な様式でゾーン２を取り巻くゾーン１（図７）に構成されている。改良されたバイオリアクタ／消化器は、ゾーン１とゾーン２の間の転移点で改良された液対液隔離を提供する。転移点は、図７に示したように、普通はエアバックバッフル１７０を含むエアロック機構１７２（例えば無ダイアフラム式空気操作弁）により指示される。バッフルは、空気供給ポート６４付きの専用の空気ライン６２または同等のポート６８付きの曝気・固体摘出ラインから清浄な加圧された空気を供給することにより生じたエアポケットに向かって、上向きに伸びている。ゾーン１はポート６９を経由して曝気されている。
【００９６】
本発明のこの態様においては、装置が好気好熱性スラッジ消化器として使われている場合に、ゾーン２内の殺菌された製品が再び菌に接触する危険を防ぐためにゾーン１からの気泡がゾーン２に侵入しないことが肝要であると考えられている。この防止策としては、エアロック内の圧力は新鮮清浄な加圧空気によって維持され、ゾーン１とゾーン２の間に液体の流れまたは接触がなく、またゾーン１の汚染された空気がゾーン２に移動しないことが必要である。エアロックは、バッチからバッチの間にゾーン間の液体の混じり合いが生じることを防ぎ、ゾーン２内の殺菌されたバイオマスがバッチ処理中にゾーン１によって再び病原菌に接触することが無いように、設計されている。一例として、５−８時間ごとに１バッチのスラッジが処理され、各バッチにおいて臨界時間温度の６０℃が５時間にわたり必ず維持される。
【００９７】
本発明のこの実施例の運転において、廃棄物バイオマスは継続的または間欠的にリアクタ／消化器１０’、例えばゾーン１ヘッドタンク１６’に供給される。ゾーン１のヘッドタンクはゾーン２のヘッドタンク１５’より背が高いので、エアロックの中央バッフル１７０の上に圧力差が生じる。結果的にエアロック内のゾーン１の液面はバッフルの高さを越えることになり、液体がゾーン１からゾーン２に侵入する。ライン６４の空気供給はエアロック内のゾーン２の液面レベルよりやや下に設置されており、そのためゾーン１からゾーン２への流れが始めて起きるとき、気泡がゾーン２側へ流されエアロックが崩壊する。ヘッドタンクレベルが各々等しくなると流れは止まり、エアロックが自動的に再設定される。ゾーン２ヘッドタンク１５’をドレンすることにより、バッチが再び始まる。図７はバッチ移転に近づきつつある、エアロックとドレンされているゾーン２ヘッドタンクとを示す。バッチのサイズはヘッドタンクレベルの変化にタンクの表面積を乗じたものである。したがって、フルバッチはたかだかヘッドタンク内の１−２フィートの液面レベルの変化に相当するだけなので、バッフル１７０のエアロック１７２への挿入量は１−２フィートで良い。本発明のこの態様におけるその他の水力学的な考慮は、記述の各実施例に対するものと同じである。
【００９８】
バイオリアクタ１０’が廃棄物スラッジ消化器（例えば図７参照）として機能するとき、一般的に重量で４−５％である濃縮された廃棄物スラッジが例えば流入管３０経由でリアクタに供給される。この供給は、スラッジを生成する排水処理システムの運転に応じて、連続またはバッチ的に行われる。生のスラッジは一般的に、流入管チャンネル３２を経由してリアクタに降下し、気泡のパーセンテージの高い（例えば１０−１５％）ゾーン１上昇流４０’に達する。混合流は流入液３２’または１２’下降管チャンネル１２’内の流れより濃度が低く、その結果、下降循環が下降管チャンネルおよび流入チャンネル内に誘発される。こうして、流入液はリアクタ内に引き込まれ、循環と曝気がゾーン１内に発生する。図７において、ゾーン１上昇流チャンネル４０’から下降管チャンネル１２’へのヘッドタンク循環は、矢印で示したようにゾーン２ヘッドタンク１５’の背後にある点を認識することが重要である。
【００９９】
ゾーン１とゾーン２が水力学的に無ダイアフラム式空気弁（エアロック１７２）によって隔離されていることに加えて、各ゾーンの下部は擬似プラグフローゾーンとして機能し、一方、各ゾーンの最上部は上部チャンネル内を循環して十分に混合されている。仕上がり製品が原流入液と接触することに対する二重ガードとして、ゾーン１とゾーン２の各々はさらに２つの小さいゾーンに分割されている。本発明がスラッジ消化器として使用される場合、バッフル８６はリアクタ深さの７０−９０％まで伸びており、バッフル８４はゾーン２の底部をゾーン１から完全に遮蔽している。交差汚染を絶対に起こさせないようにするために、ゾーン２はさらに第２の外壁１９７によって図１０と図１１に示すように外部ケーシング１９６の近辺でシール、すなわちされている。エアブロック１７０がゾーン１とゾーン２の間の隔壁をバッフル８４の上、ただしポート３４と１５２の下で貫通していることが示されている。ゾーン１はゾーン２の下に少なくとも１バッチ、できれば２バッチの曝気体積を持っている。
【０１００】
したがって図７のリアクタ／消化器１０’は図１に図示された排水処理リアクタと良く似た運転を行うが、下記の４点で異なる：
１．ゾーン１はゾーン２を取り囲んでいる；
２．ゾーン２はゾーン１内のリアクタの深さの約７０−９０％まで下に伸びている；
３．各ゾーンは各々の曝気手段を持っている；
４．ゾーン１とゾーン２の間にはエアロック１７２を使った液対液の隔離がある；
５．ゾーン１とゾーン２の各々はさらに上部循環ゾーンと下部擬似プラグフローゾーンによって隔離されている。
【０１０１】
スラッジがいったんリアクタ／消化器１０’に入ると、滞留期間はゾーン１で約２−３日、ゾーン２で約２−３日となる。Ａ級バイオソリッドの生産に関するＥＰＡ基準は、温度で変化するバッチ間の時間を６０℃のバッチの最低滞留期間が５時間、言い換えれば１日４．８バッチとしている。したがって、ゾーン１とゾーン２には理論上９．６−１４．４バッチが存在することになる。しかし、実際には、各バッチは約８時間であり、したがってゾーン１とゾーン２には６−９バッチが存在することになる。総合的な滞留期間はスラッジの生分解性で決まる。Ａ級バイオソリッドに対して、プロセスは揮発性固形分を最低３８％削減しなければならないが、それには３．５−５日かかる。バッチングタイムは温度で決まる（例えば図１２参照）。推奨される運転温度である５８−６２℃は約８−４時間を要する。
【０１０２】
上述のように、バッチングを制御するためのリアクタ／消化器１０’のエアロック１７２の空気圧を維持するためにエアライン６２を使うことができる。エアライン６２の空気流を止めると、適当なプロセス時間後にバッチの排出が始まる。ゾーン２ヘッドタンク１５’の液面を下げることによっても、バッチが始まる。いったんゾーン２のバッチが排出されると、ゾーン１と２の底部の間に設けられた自動バッチングバルブによって、ゾーン１内のヘッドタンク液面が自動的に同じ量だけ下げられ、サイクルが繰り返される。バッチがリアクタを通じてプロセスされると、固形成分が４−５％から約２−３％に削減される。この製品（Ａ級バイオソリッド）は次に脱水される。
【０１０３】
ワシントン大学  （非特許文献１２；ここに言及することにより本出願に援用）から出版されている研究によれば、本発明のリアクタと共通のある種の特徴を有する縦坑リアクタからの好熱性好気性で消化されたスラッジが中等温度好性嫌気性消化器に供給されると、嫌気性消化器における滞留時間が削減され、総合的な揮発性固形分の削減の改善、脱水性の改善が得られ、ポリマーの使用量を削減できる。好熱好気消化器は約２日間の滞留期間で稼動し、Ａ級バイオソリッドの基準を満たす熱を発生することができる。
【非特許文献１２】
ギルド（Ｇｕｉｌｄ）ら、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＷＥＦ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ａｔｌａｎｔａ  ＧＡ、２００１年
【０１０４】
バイオマスの好気性好熱性消化期間中に４２℃以上の温度ではアンモニアの硝化は僅かしか生じないことが数多く記録されている。また、バイオマスの嫌気性消化（無抜気）においては、アンモニアと二酸化炭素が反応して重炭酸アンモニウムを精製する。縦型好熱好気消化器においては、圧力のせいで大量のアンモニアと二酸化炭素が溶液中に残存しているために、重炭酸アンモニウムが生成されると考えてよい。
【０１０５】
重炭酸アンモニウムは約６０℃で分解するので、長尺の縦型好熱好気消化器においては運転温度の選択が非常に重要である。重炭酸アンモニウムはプロセス中の気液分離（脱水）段階の効率において非常に重要である。たとえば、深い縦型好熱好気消化器を５５−５８℃で運転する場合、消化されたスラッジのサンプルはサンプルを乾燥する前は非常に粒状性だが、１０４℃で乾燥させた後は粒状性でない。一例においては、リアクタを冷まさずにヘッドタンクを開いたところ（フロートスイッチの緊急修理のため）、内面、特に絶縁されていないカバー、が細かい白色の塩か砂糖のような結晶で覆われていた。これらの結晶はその後消滅し、高温では２度と現れなかった。一般的な別の例では、ある製品のバッチを約５８℃でソークゾーンに持ち込んだところ（ほとんど生物学的活動はなかった）、温度が上昇し、約２時間ほど一定温度を保ち、その後温水で運転したところ、リアクタの冷却率で冷却した。重炭酸アンモニウムの１０，０００ｍｇ／Ｌの結晶化熱がソークゾーンにおける発熱原因である。実験的には、これらの観察は、重炭酸アンモニウムの結晶が６０℃以下で生成していることを示唆している。これは重炭酸アンモニウムが水に非常によく溶けるという事実と矛盾しているが、他の水溶性の塩が多く存在する場合はそれほどでもなく、多分微生物の表面化学が結晶プロセスを助けているものと思われる。たとえば、スツルバイト（リン酸マグネシウムアンモニウム）は、生物学的脱リン反応を使っているプラントの嫌気性消化器中で容易に生成されるが、化学的脱リン反応を使っているプラントでは生成されない。リアクタ温度を６０℃以下に制御していると、重炭酸アンモニウムの結晶が容易に生成されて、スラッジから分離して浮遊する。
【０１０６】
表１は、本発明と同様な深縦型好熱好気消化器から得られた好熱好気消化スラッジの浮遊性能、栄養素分別、および脱水化性を比較するものである。好熱性消化されたスラッジは、はるかに多量のポリマーを使用した嫌気性消化されたバイオソリッドよりも脱水性に優れていることが良く知られている。多量のポリマーの必要性の理由に関する従来の研究で、ナトリウム、カリウム、およぼ特にアンモニウムイオンのような１価のイオンがフロックにおける電荷架橋メカニズムと干渉する可能性が突き止められている。通常の好熱好気消化器においてアンモニアの硝化は４２℃を超えると抑制され、したがって生成されたアンモニアは主として溶液中にあることがｐＨの高さからも証明されている。生成された二酸化炭素は、これらの消化器によって必要とされる大量の空気流によって大幅に除去されており、重炭酸アンモニウムを生成するための二酸化炭素は溶液中にわずかに残っているだけである。気泡の接触はほんの数秒であり、アンモニアの溶解速度は二酸化炭素のそれよりはるかに速いので、その環境は重炭酸アンモニウムの生成には不利である。
【０１０７】
【表１−１】
2004528163.tif 000003
【０１０８】
【表１−２】
2004528163.tif 000004
【０１０９】
深縦坑バイオリアクタ内では、６０℃以下の温度では二酸化炭素とアンモニアの濃度が高いことと長期にわたって圧力がかかるため、重炭酸アンモニウムが形成されると信じられている。しかし６０℃以上の温度では、通常の好熱好気性プロセスと同様に重炭酸アンモニウムが分解し、二酸化炭素とアンモニアが空気流で取り出される。６０℃以下の温度で処理された最終製品が硫酸、ミョウバン、または硫化鉄などで酸性化すると、硫化アンモニウムが形成され、ＣＯ２が放出され、スラッジが浮上する。意外なことだが、浮上した製品は非常に良く脱水する。Ｍｕｒｔｈｙらによる最近の報告  （Ｍｅｓｏｐｈｉｌｉｃ  Ａｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃ  Ａｅｒｏｂｉｃａｌｌｙ  Ｄｉｇｅｓｔｅｄ  Ｂｉｏｓｏｌｉｄｓ  ｔｏ  Ｉｍｐｒｏｖｅ  Ｐｌａｎｔ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ  Ｗａｔｅｒ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ７２，  ４７６，  ２０００；  Ａｅｒｏｂｉｃ  Ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃ  Ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａ  Ｄｅｅｐ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｒｅａｃｔｏｒ，  Ｐｒｏｊｅｃｔ  ３０９００，  Ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｆｏｒ  Ｋｉｎｇ  Ｃｏｕｎｔｙ  Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，  ２００１年３月２８日，  それぞれここに言及することにより本出願に援用）によると、好熱好気消化プロセスにおけるバイオポリマ（蛋白と多糖類）の濃度は好熱消化プロセスにおける滞留時間を制限することで  削減することができるとされている。本発明の滞留時間は通常の好熱好気消化器の１／３ないし１／２である。溶液中のバイオポリマと１価イオン、特にアンモニアの存在とポリマー消費の増加との間には強い相関性がある。重炭酸アンモニウムの形成はアンモニウムイオンを大幅に削減する。
【０１１０】
酸のｐＨを約５．０に低下することによって、バイオソリッドの濃度は約１０−１２％に浮上する。ｐＨを４．５−４．０に低下し、生産量を下げれば浮遊物の分離速度は速まるが、そのためには調節、例えばｐＨを５．５−６．０、すなわち消化前のスラッジのｐＨ範囲にする必要がある。６０℃以下での消化はリアクタｐＨを７．８−８．０に制御するが、６０℃以上での消化は重炭酸アンモニウムの分解による自由アンモニアの効果を反映して作動ｐＨ８．６−８．８をもたらす。全ての分類において、浮遊分離は６０℃以下のほうが６０℃以上より有利であり、酸の使用量がｓ少ないので浮遊ブランケットが厚くなり、栄養素の分別に有利である。これらのバイオソリッドは、さらに乾燥バイオマス１トン当り１５ポンドの低ポリマーを使って遠心分離することにより３０−３５％の固形物濃度を得ることができる。酸性化プロセスは多少の細胞溶解を起こすが、それによってもスラッジの脱水が行われる。
【０１１１】
これらの結果は、バイオソリッドの乾燥重量１トンに対して３０−５０ポンドのポリマーを必要し、遠心分離の結果２０−２５％しか収穫できない通常の好熱好気消化器プロセスよりはるかに優れている。普通の好熱好気消化器製品の酸性化では固形物を浮遊させることができないが、その理由は重炭酸アンモニウムが欠けているからであろう。
【０１１２】
表１のデータを検討すると、リアクタの運転を６０℃以下か、６０℃以上でするかによって、固形物の浮遊、脱水、および栄養素分別において重大な差が生じることがわかる。６０℃以下で運転した場合、自由アンモニアと重炭酸アンモニウムの生成が少なく、したがってｐＨが低く、オフ気体に存在するアンモニアわずかである。２組のデータの間で比較するための共通のベースとして、濃度係数が計算される。濃縮率（ＣＦ）とは最終濃度の最初の濃度に対する比率である。
【０１１３】
「６０℃以下」のデータをみると、浮遊固形物は消化された固形物に比べて２．２倍、浮遊物が含む窒素の合計は２．４倍、浮遊物が含むアンモニアの合計は１．６倍、有機窒素は３．１倍、リンの合計は２．８倍に濃度が高まっていることがわかる。固形物の濃縮率が２．２であったのに対して、アンモニア以外の栄養素の濃縮率は２．４から３．１であった。
【０１１４】
「６０℃以上」のデータをみると、浮遊固形物は消化された固形物に比べて１．５倍、浮遊物が含む窒素の合計は１．７倍、浮遊物が含むアンモニアの合計は１．２倍、有機窒素は２．１倍、リンの合計は１．３倍に濃度が高まっていることがわかる。固形物の濃度率が１．５であったのに対して、アンモニアを含む栄養素の濃度率は１．２から２．１であった。
【０１１５】
これらのデータは栄養素が固形物濃縮率とほとんど同じ比率でスラッジの固形物に分別されことを示唆している（ただし、以下に検討する６０℃以下のアンモニアを除く）。同じ分別が浮遊固形物の脱水中にも発生することが予想される。
【０１１６】
しかしながら、低浮遊性またはリサイクル流と比較して浮遊固形物を検討すると、完全に異なる驚くべき事実が現れる。
【０１１７】
「６０℃以下」のデータによると、浮遊物の合計窒素量はリサイクル流の濃度の７．１倍であり、同じく浮遊物のアンモニアは１．２倍、有機窒素は５００倍、リンの合計は２４倍濃縮されている。アンモニアを除く全ての栄養素は、清浄なリサイクル液からスラッジ固形物に劇的な変容を遂げている。言い換えれば、アンモニアを除いた他の栄養素はリサイクル流から大幅に除去され、したがって処理プラントの運転を助け、バイオソリッドの栄養価を改善している。
【０１１８】
「６０℃以上」のデータによると、浮遊物の合計窒素量はリサイクル流の濃度の３．４倍であり、同じく浮遊物のアンモニアは１．８倍、有機窒素は１０倍、リンの合計は１．６倍濃縮されている。アンモニアとリン以外の栄養素はかなり動いているが、混濁リサイクル液の固形物への移動と比べるとそれほど劇的ではない。
【０１１９】
アンモニアの固形物への移動の説明としては、重炭酸アンモニウムの酸性化によって硫化アンモニウムが発生し、それが非常に安定しており、非常に可溶性が高いことが挙げられる。有機窒素の固形スラッジへの移動は、有機窒素が消化されたスラッジの微粒子物質内に存在していて、容易に浮遊するからと考えられる。重炭酸アンモニウム結晶は、もし酸性化の後に残っているとすれば、やはり微粒子として浮遊する。リンのスラッジ固形物へのスラッジの酸性化による移動は、スラッジの中に自然に起こり得る高い濃度の金属の存在の下に不溶性の微粒子が形成されるからであるとして説明できる。この効果が６０℃以上の場合ほど顕著ではないのは、浮遊分離が不十分で沈殿物中の細かい分子が浮遊し難いからであろう。
【０１２０】
本発明の改良された縦坑バイオリアクタ１０の建設と据付において、２連バイオリアクタ（ＥＰＡの冗長性要件を満たすために）が直径３６インチで深さ２５０フィートという鉄筋コンクリートで枠を作ったような縦坑に収められることも少なくない。ここに例示するリアクタの設計の範囲は、約５０００人のコミュニティに適切なものであり、生物学的栄養分除去を行う三次処理プラントは次のようなものである。またここに例示の目的で説明するものは、新規なモジュール式のバイオリアクタの構成のデザインであるが、本発明の実施には必ずしもモジュール式の構成方法は必要とされないことを理解すべきである。
【０１２１】
この据付例の内側ヘッドタンクは直径約８フィートで高さが１２フィートである。リアクタ内部の製造には各々長さ４０フィートのチューブを６個束ねてフランジを持つものが使われた。４０フィートの長さ（第１長さ）の下部は曝気分配器６０、せん断ヘッダ７０、空気ライン６２および６６から成り、短い下降管１２に取り付けられている。第２、３および４チューブ束は、空気ライン６２および６６羽取り付けられた、長さ４０フィートの中央下降管２２モジュール式セクション１９０を含んでいる（図９−１１参照）。これらのセクションは、先行部分が縦坑に下ろされていくときに、次々とモジュール式セクションジョイント１９２で先行部分にボルトなどで連結し、継ぎ足されていく。最上部の２つのセクション５と６は、中央下降管２２と半径方向チャンネル隔壁１９４を使って一体に形成された下降管エアラインと上部チャンネルを含んでいる。据付後、半径方向隔壁は軽い締まりばめでリアクタシェルにはめられる（たとえば、上昇管２４の内壁１９６に対して）。
【０１２２】
バイオリアクタ１０の建設を容易にするために、上部チャンネル形成半径方向隔壁１９４は、それを挿入するときに、半径方向隔壁に対してほぼ垂直方向に（例えば図１１）中央導管（例えば下降管２２）の直径を押し広げてリアクタの内壁１９６に対して余裕をもたせる。この方法において下降管を拡張するために使われるのが、図９に示した新規な導管拡張装置１９８であり、例えば下降管内に挿入して拡張器として使えるような寸法になっている。拡張器は１組の、相反する、往復動をする部品２００と２０２から成り、手動で交互に緩めた状態と張った状態に置かれる（例えば、ねじを使った拡張子２０４を外部から回し、それが拡張器の前記両部品と係合して図９の矢印のように外向きに両部品を押し広げたり、逆向きに動いて緩めたりする）。図１０はリアクタ内部の端面図で下降管と半径方向のバッフルを示している。拡張器１９８が下降管２２の中心にあって弛緩した状態が図示されている。したがって、この図では下降管も弛緩した状態にある。図１１はリアクタ内部の端面図であり、下降管が拡張状態にある拡張器によって押し広げられ円形から歪んだ状態を示し、下降管に連結された半径方向バッフル１９４は内側ケーシング壁１９６から強制的に引きこめられており、リアクタセクション１９０を挿入しやすくしている。本発明が消化器として使用される場合、半分の組立上で第２の外壁１９７を追加することにより、シールされたゾーン２を提供することができる。この第２の壁が円周の半分にしか適用されないので、拡張器によって中央管は変形させられ、したって隔壁の壁の圧力が緩む。
【０１２３】
この段階への組み付けが完了すると、ゾーン１ヘッドタンク１６は最終セクションの上部にボルトで取り付けられる。ゾーン２ヘッドタンク１５はプレハブのセクションを使って現地で組み立てられる。モジュール式リアクタチューブの束は１台のトラックで、ヘッドタンクは２台目のトラックで現地に運搬可能である。浄化器１２０シェルは、現地でコンクリート打ちするかまたは鋼鉄製のプレハブ製のセクションとして製作することができる。浄化器には普通のスキマ機構が取り付けられる。最後にコンプレッサおよびその他の補機類が接続される。このような小型のプラントならば、容易に１つのビルディングに収めることができる。
【０１２４】
このような新規の機器を使った排水処理の顕著で異なる各方法のさらに深い理解のために、図１３に示したブロック流れ線図で各種の流れパターンと、各単位プロセスの相関関係を示している。図１３は点線で示したように、４つのエリアに分割できる。左下のエリアは普通の前処理エリアで、そこでは排水がユニットＡの細目の網を通じて流れ、ハイドロクローンセパレータＣで粒子が取り除かれる。網で取ったものと粒子はホッパＢに入れられて埋め土に使われる。
【０１２５】
図１３について下記の符号が適用される：  予備的処理
Ａ                    細目フィルタ
Ｂ                    固形物ホッパ・フィルタおよび洗った細粒
Ｃ                    ハイドラクローン（Ｈｙｄｒａｃｌｏｎｅ）脱粒器
本書で説明さる排水ＢＮＲ処理
Ｄ                    脱酸素ユニット［チャンネル３２＋４０］
Ｅ                    脱窒［ヘッドタンク１６］
Ｆ                    無酸素／嫌気ユニット［チャンネル１２］
Ｇ                    好気性ユニット［ゾーン１チャンネル８０］
Ｈ                      硝化［ゾーン２ヘッドタンク、１１０と８２］
Ｉ                    沈殿浄化槽［１２０］
Ｊ                    排水活性スラッジ浮遊濃縮器
Ｋ                    ミョウバンまたは塩化鉄フィーダ
Ｌ                    プロセスエアコンプレッサ
リサイクル高品質水［法定上必要とされる単位］
Ｍ                    凝集タンク
Ｎ                    布製円板フィルタ
０                    塩素消毒
Ｐ                    紫外線殺菌
Ｑ                    バックウォッシュポンプ
本書で説明される好熱好気性消化
Ａ級バイオソリッド
Ｒ                    ゾーン１好熱好気性消化器
Ｓ                    ゾーン２
Ｔ                    酸フィーダ
Ｕ                    ポリマーフィーダ
Ｖ                    遠心分離機脱水
Ｗ                    浮遊セル
Ｘ                    エアコンプレッサ
Ｙ                    オフ気体収集システム
Ｚ                    Ａ級バイオソリッド収集
【０１２６】
図１３の左上のエリアは本発明の排水処理とバイオリアクタのＢＮＲ部分であり、その特徴的な部品が例示されている。ユニットＤは脱酸素段階と予行脱窒段階で、図１のチャンネル４０、チャンネル３２およびリサイクル５０と関連している。ユニットＤは図１の下部ゾーン１（チャンネル８０）からの無酸素排気体によって攪拌されている。ライン３０１は系統的には下部ゾーン１（チャンネル８０）から上部ゾーン１（チャンネル４０）への排気体の移動を代表するが、本発明のこの態様においては、下部ゾーン１は上部ゾーン１のすぐ下にあり、移動ラインは不要である。ユニットＤはユニットＣからの原流入液（チャンネル３０）、ヘッドタンクＥからのリサイクル液およびゾーン２（ユニットＨ）からの脱硝リサイクル液を受け取る。ユニットＤの目的は、全ての使用可能な分子酸素を除去し、リサイクル液から硝酸塩を、また、アンモニアとＢＯＤを原流入液がら受け取る。
【０１２７】
ユニットＥはヘッドタンク１６を代表する。このユニットは無酸素気体（３０９）をユニットＤから受け取り、後者はヘッドタンク１６の内容を混合する役目を果たす。ユニットＥはまた、アンモニア約２５ｍｇ／Ｌを含む原排水、およびアンモニアまたはＢＯＤを含まない硝酸塩リサイクル液１．７５体積分を受け取る。混合後、硝酸塩リサイクル液１．７５体積分中の硝酸塩は窒素気体に変換され、濃縮流入液は、例えば１  Ｑｘ２５ｍｇ／Ｌアンモニア＋１．７５ｘｎｉｌアンモニア／２．７５Ｑ＝２５／２．７５＝９ｍｇ／Ｌアンモニアおよび２００／２．７５  ＝７２ｍｇ／Ｌ  ＢＯＤ同様にで希釈される。脱窒プロセスは、たとえば１ｍｇの脱窒された硝酸塩当り約２．６ｍｇの酸素を開放してアルカリ性の一部が回複する。  これらの数量は典型的なものであり、プロセスにとって有利に働くものである。脱窒は非常に早い反応であり、微生物によって排水のなかで自然に起こる。
【０１２８】
ユニットＦは、例えば、約２．７５体積のほぼ９ｍｇ／Ｌのアンモニアと７２ｍｇ／ＬのＢＯＤを含む脱窒された排水を受け取る。分子酸素または結合された酸素が無いので、バイオマスは嫌気性となり、アミノ酸をつくるために原下水中のタンパクを使用し始める。システム中のポリＰ微生物は持っているリンを放出しＶＦＡをロードする。嫌気性のヘドロがパイプの壁に集積することが許されているところでは嫌気性の下水管内でＶＦＡが生成され得ることが実験で照明されている。ロープのような縒りチューブ（１３１）をヘッドタンクから清浄な穴のチャンネル１２の中に垂らす。他の従来のリアクタと異なり、絡んでしまうようなエアラインや他のパイプが無いので、チャンネルが詰まる可能性はほとんどゼロである。嫌気性のバイオマスがロープの上に集積し、ある程度ＶＦＡが生成され、ある程度生物学的リンの除去が行われることが予想される。ロープの重量をモニタすることにより、存在するバイオマスの量がある程度判明する。ロープの柔軟性と水の流速によって過剰なバイオマスはチャンバー６７の排水溜めに落下するので、そこで廃棄物スラッジとして取り出すことができる。
【０１２９】
ユニットＧはゾーン１の下部を示している。このエリアは高度の好気性であり、嫌気性の混合液をできるだけ迅速に再曝気するように設計されている。ゾーン１の下部に流入する混合液は豊かなＢＯＤ、アンモニアおよび十分なＶＦＡを含むので、ゾーン１の下部における酸素の要求はリアクタのあらゆる部分に比べて最大である。ＢＯＤ除去段階は、ＢＯＤの５％または約４ｍｇ／Ｌである細胞合成のアンモニアを要求する。約［細胞合成で消費されるゾーン１−４における９］  ＝  ５ｍｇ／Ｌのアンモニアを含むゾーン２に移動する２．７５Ｑのフィードフォワード流が存在する。縦型バイオリアクタの経験によると、アンモニアの一部は実際に下部ゾーン１で硝化される。硝化しないように設計されているバイオリアクタの中に２−３ｍｇ／Ｌの硝酸塩が見つかることは稀ではない。硝化するように設計されたＢＮＲプラントの場合、ゾーン２からゾーン１への１．７５Ｑリサイクル流れのために、一部の硝化バクテリアはゾーン１に落ち着く。さらに、ゾーン１から出す酸素化ユニットＤへの５Ｑの流れ（２ｍｇ／Ｌの硝酸塩を含む）がある。これらの流れは脱窒され、さらにシステムから窒素を取り除く。控えめに見ても、ゾーン１からゾーン２への流出液は５ｍｇ／Ｌより以上のＢＯＤ、３ｍｇ／Ｌより以上のアンモニア、および２ｍｇ／Ｌより以上の硝酸塩を含むことはあり得ない。３ｍｇ／Ｌのアンモニアはゾーン２で完全に硝酸塩に変換される。したがって、結果的に、流出液は約＜１０ｍｇ／Ｌ  ＢＯＤ、＜１０ｍｇ／Ｌ  ＴＳＳ  および＜  ５ｍｇ／Ｌ全窒素となる。
【０１３０】
ユニットＨはヘッドタンク１５を代表し、非常に低い負荷率の下で運転する。ゾーン２への供給率は２．７５Ｑで、３ｍｇ／Ｌのアンモニアと１０ｍｇ／ＬのＢＯＤを含んでいる。ゾーン２はゾーン１から空気の供給を受ける（ライン３０２として図示されている）。ＢＯＤが低いので、バイオマス生産も低く、硝化によって生産されるバイオマスはＢＯＤ削減の生産量の１／５−１／３である。硝化バクテリアの緩慢な成長のゆえに、ゾーン１への１．７５リサイクル流においてはそれらがゾーン２から洗い流されることがあってはならない。幸い、これらのバクテリアは付着微生物であり、あらゆる固定または移動ベッド媒体の上に成長する。本発明の場合、ゾーン２の下端はゾーン１に逆流しないように設計されており、簡単な網で媒体が上部に逃げないようにすることができるので、移動ベッド媒体を有利に利用することが可能である。固定の媒体も利用できるが、固定の媒体は目詰まりを生じる傾向があり、掃除や交換がひつようである。移動ベッド媒体は自己浄化作用をもつ傾向があるが、しかしそれも時間と共に減耗する。
【０１３１】
ユニットＩはバイオソリッドを流出液から分離する普通の沈殿浄化器であり、これらのバイオソリッド（活性化されたスラッジ、ＲＡＳ）をユニットＤまたはＥに戻す。ＢＮＲプラントにおいては、流出液とＲＡＳ中の硝酸塩が脱窒し、それによってスラッジが浄化器中で浮遊し始めるので、ＲＡＳは決して無酸素にしてはならない。本発明には、高いＤＯを伴うが酸素要求が低い流出液をゾーン２から提供し、それによって浄化器において無酸素状態の出現を妨げる能力を潜めている。浄化器におけるリン酸塩と再可溶化をもたらしかねないので、流出液における非常に高いＤＯは望ましくない。
【０１３２】
薄膜分離は高価につくという欠点があるものの、ＢＮＲプラントにおける浄化器に関する運用上の問題の多くを解消することができる。本発明の薄膜分離は、はるかに高いＭＬＳＳと小型のリアクタの使用を可能にしている。薄膜分離は現在の業界基準が求めるものより質の高いリサイクル水を提供する。
【０１３３】
図１３の右上には、リサイクル基準を満たす三次水の最終的な化学処理を示す。現行の法律では、化学的凝集、ろ過および残留塩素が使用されなければならない。ユニットＭは機械的ミキサつきの凝集タンクである。ユニットＮは回転式布フィルタである。ユニットＰは紫外線消毒チャンネルと組み合わせたバックウォッシュタンクである。ユニットＯはパイプラインに残渣を維持するにぎりぎり必要な塩素を添加する塩素処理段階である。ユニットＱは必要に応じて布フィルタまたは薄膜をバックウォッシュするのに使用可能なバックウォッシュポンプである。
【０１３４】
図１３の左下はプラントの好熱好気消化部を示している。ユニットＲは２段階プロセスの最初の好気性段階（ゾーン１）を示している。ユニットＳは硝化またはゾーン２の第２段階を示している。これら２つのゾーンはエアロックバルブで連結されている。ユニットＷは酸浮遊濃縮段階を示している。ユニットＴは酸の供給器である。ユニットＶは、ユニットポリマー供給器Ｕを持つ脱水段階、この場合は遠心分離機を示す。
【０１３５】
上記のＢＮＲプロセスは、従来のバイオリアクタ設計において報告されなかったプロセスの利点を明示するために、図１３において詳細に検討されている。これらの新規なプロセスの利点の中には、網を通して細粒を除去した流入液が脱酸素チャンネル４０に供給され、ヘッドタンク１６からの脱窒化された液と混合されることが含まれる。ヘッドタンク１６は、チャンネル４０の中で製造され、ＤＯが０．０５未満の無酸素気体と共に攪拌される。ヘッドタンク１６からの脱窒された液体は、無酸素または場合によっては嫌気性状態の下にチャンネル１２に降下して脱窒プロセスを完成させ、また場合によってはＶＦＡを生成する。
【０１３６】
さらに、チャンネル１２内の下降流は、激しい混合領域にある曝気分配器の周辺でゾーン１の底部に入る。ゾーン１の主要部であるチャンネル８０は高度に好気性であり、ＢＯＤを除去し、急速にＶＦＡのリンを消費し、場合によってはアンモニアの一部を硝化する。
【０１３７】
さらに注目すべきは、チャンネル８０において上昇する液体は脱酸化領域に分流し、一部はゾーン２へ上昇する。ゾーン２はＢＯＤの残りの部分を大幅に劣化させ、残ったアンモニアを硝酸に変換する。
【０１３８】
また別の態様においては、チャンネル８０からの排気体は脱酸素チャンネル３２と４０を経由して循環し、ゾーン２におけるＢＯＤとアンモニアのバイオ酸化をも提供する。
【０１３９】
さらに注目すべきは、硝化された液は脱窒段階に戻され、そこで硝酸塩の−Ｎが窒素気体に変換され、また第２の部分は浄化段階に行ってバイオマスが流出液から分離される。バイオマスは脱窒段階に戻され、浄化された流出液が排出される。
【０１４０】
関連する各実施例においては、無酸素気体が無酸素液の攪拌に使用される。ユニットＤは各種の液流だけでなく、ユニットを通過する気体流をも脱酸素する。この脱酸素された気体は、その後脱硝ユニットＥの内容物の攪拌にも使用することができる。これは機械的なミキサを不要にするので、エネルギー、メンテナンスおよび資本の節約をももたらす。
【０１４１】
本発明の別の実施例においては、新規な嫌気性プロセスが提供されている。ユニットＦは長尺の垂直チャンネルで、ＶＦＡを生成する目的の嫌気性チャンバーとして使うことができる。本発明においては、ユニットＦ中になんら空気ラインまたは抽出ラインがない。これによって、例えば開放縒りロープまたはチューブのような媒体を、チャンネルを目詰まりさせたり、他のパイプと絡んだりするおそれなく、リアクタ内に懸垂させて使用することができる。固定媒体の目的は付着型嫌気性バクテリア（酸形成体）を集積することである。固定媒体と嫌気性バイオマスの量は、地上からロープまたは布のチューブを巻き取ることによって調節することができる。媒体の量はロープの重さを測定してオンラインでモニタすることができる。チャンネル１２内の液体の下降速度によって、バイオマスが過剰に形成されるのが防止され、余剰量は落下する。チャンネル１２が底部で開口しているので、廃棄物嫌気性バイオマスが排水溜め６７に集積し、浮遊タンクユニットＪで除去される。
【０１４２】
さらに別の実施例においては、スラッジを空気ライン６６または６９を通じて廃棄することにより、減圧と共に瞬時かつ同時に浮上させることができる。従来の設計では考えも及ばなかったプロセスである、十分に曝気され混合されているゾーン１からのスラッジの廃棄（ＷＡＳ）は、スラッジ中のリンの捕獲に役立っている。浮遊固形物はそれ以上濃縮することなく消化に適している。
【０１４３】
前記の発明の説明において、理解を助けるために例を使って詳述したが、この開示から、ここに説明した発明の本旨の範囲内における様々な変化や修正は当業者にとって容易に理解でき、また本発明の範囲において不必要な実験をせずに実施できることは明らかである。ここに参照したすべての印刷物、特許および特許申請はそれらを言及することによって、それらの目的に関する内容の全体が本特許に組み込まれるものとする。
【０１４４】
本発明のその他の実施例とさらに詳細な様相が、以下の説明と添付図面によって例示されている。
図１は本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図である。
図２は本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図である。本実施例は従来の沈殿清澄器の後に好気性仕上げバイオフィルタを置き、さらにその後に紫外線殺菌チャンバーとバックウォッシュタンクを続けたものである。
図３は本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図である。本実施例は、円形ゾーン１ヘッドタンクの周囲に設けた円形ゾーン２ヘッドタンクの周囲に設けた統合円形沈殿清澄器をその特徴とする。これら３個のタンクはすべて縦坑リアクタと同心円を成している。沈殿した活性化されたスラッジは重力でゾーン１ないしゾーン２に戻されるような仕組みになっている。
図４は本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図である。本実施例は移動ベッドがメディアをゾーン２で循環させるか、またはゾーン２の中に懸垂された固定メディアがその特徴である。
図５は本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図である。本実施例は加圧ヘッドタンク、オフガス収集手段から成り、前記オフガスが前記ヘッドタンク圧力に対抗するのに必要なエアリフト流入ポンプを駆動し、薄膜フィルタカートリッジが圧力下でバイオマスを液体から分離し、さらに浄水紫外線（ＵＶ）殺菌チャンバーは薄膜フィルタのバックウォッシュのためのバックウォッシュ格納器の機能も果たしている。
図６は本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図である。本実施例は統合された沈殿清澄器の後に好気性仕上げバイオフィルタを置き、さらにその後に紫外線殺菌チャンバーとフィルタバックウォッシュタンクを続けたものである。
図７は本発明の実施例であるバイオソリッド処理用のバイオリアクタの縦断面図である。この実施例は、バイオリアクタの底部にあるゾーン間自動バッチングエアロックをその特徴とする。この場合、ゾーン２ヘッドタンクはゾーン１ヘッドタンクと同心円をなしており、その内部にある。
図８は本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタのアイソメトリック縦断面図である。この断面には典型的な各種のチャンネルの配置と曝気ヘッダの位置、ゾーン１ヘッドタンク、ゾーン２ヘッドタンクおよびそれらと一体の沈殿清澄器が示されている。
図９はリアクタ内部の各チャンネル一部と下降管がフランジを介してボルトで結合されている部分のアイソメトリック断面図である。この図は組立をリアクタケーシングに挿入するときに使用される下降管拡張工具を示す。
図１０はリアクタ内部の端面図で下降管と半径方向のバッフルを示している。中央に示されているのは、弛緩状態の拡張工具である。下降管も弛緩位置で示されている。地上レベルから作動手段によって操作される取り外し可能な拡張工具は組み付け時には弛緩状態で挿入される。
図１１はリアクタ内部の端面図で、拡張工具によって丸い状態から変形させられた下降管を示している。下降管に連結された半径方向のバッフルは、楽に挿入できるようにケーシングの壁から離れ、弛緩した状態にあることが示されている。
図１２はＡ級バイオソリッドに対するＥＰＡの時間と温度に関する要件のグラフィック表示である。
図１３は、リサイクルクラスの水、Ａ級のバイオソリッド、清浄な無臭オフガスを生成するための本発明のブロック流れ図の一例を示す。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図。
【図２】本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図。
【図３】本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図。
【図４】本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図。
【図５】本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図。
【図６】本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタの縦断面図。
【図７】本発明の実施例であるバイオソリッド処理用のバイオリアクタの縦断面図。
【図８】本発明の実施例である排水処理用のバイオリアクタのアイソメトリック縦断面図。
【図９】リアクタ内部の各チャンネル一部と下降管がフランジを介してボルトで結合されている部分のアイソメトリック断面図。
【図１０】下降管と半径方向のバッフルを示す、リアクタ内部の端面図。
【図１１】拡張工具によって丸い状態から変形させられた下降管を示す、リアクタ内部の端面図。
【図１２】Ａ級バイオソリッドに対するＥＰＡの時間と温度に関する要件を示すグラフ。
【図１３】リサイクルクラスの水、Ａ級のバイオソリッド、清浄な無臭オフ気体を生成するための本発明の一例のブロック流れ図。
【符号の説明】
【０１４６】
１０    縦坑バイオリアクタシステム
１２    主下降流チャンネル
１４    主上昇管チャンネル
１５，１６    ヘッドタンク
１８    混合ゾーン
２０    下部ポート
３２    流入チャンネル
４０、８２    上昇流チャンネル
５０、１１２    レギュレータ
５４、１５０    脱気板
６４    気体配分ポートまたは空気供給ポート
１１０    再循環チャンネル
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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