(57)【要約】  複数成分廃棄物ストリームを処理するためのシステム及び方法を開示する。概ね、本明細書に記載のシステム及び方法は、バリアにより分離された第１のチャンバ及び第２のチャンバと、第１のチャンバ及び第２のチャンバに流体接続される濾過構成要素とを使用する。処理される廃棄物ストリームは、炭素含有廃棄物の処理のために第１のチャンバ内に流入し、次いで、ストリームを固体の廃棄物分画及び液体の廃棄物分画に分離するために、濾過構成要素内に流入する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物ストリームの処理のためのシステムであって、
少なくとも第１の物質及び第２の物質を含む廃棄物ストリームを受容するための第１のチャンバと、
第２のチャンバと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間に配置された半透過性バリアであって、少なくとも前記第１の物質に前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間を通過させながら、前記第２の物質の通過を防止する、半透過性バリアと、
前記第２のチャンバではなく前記第１のチャンバ内での処理に適した材料を、前記第２のチャンバ内で処理されるべき材料から分離するための、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で流体接続された機械的フィルタと
を備える、前記システム。
【請求項２】
前記第１のチャンバは、嫌気性消化チャンバである、請求項１に記載の前記システム。
【請求項３】
前記第２のチャンバは、好気性硝化反応器である、請求項１に記載の前記システム。
【請求項４】
前記機械的フィルタは、前記廃棄物ストリームから固体材料を分離する、請求項１に記載の前記システム。
【請求項５】
前記半透過性バリアは、イオン交換膜である、請求項１に記載の前記システム。
【請求項６】
前記イオン交換膜は、アニオン交換膜である、請求項５に記載の前記システム。
【請求項７】
廃水は、水産養殖の廃水である、請求項１に記載の前記システム。
【請求項８】
２種以上の物質が、実質的に異なる処理環境内で処理されるところの、廃棄物ストリームの複合的処理のためのシステムであって、
第１のチャンバ及び第２のチャンバと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間に配置された半透過性バリアであって、前記２種以上の物質の少なくとも１種に、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間を通過させながら、他の物質を防止する、半透過性バリアと、
前記第２のチャンバではなく前記第１のチャンバ内での処理に適した材料を、前記第２のチャンバ内で処理されるべき材料から分離することができる濾過構成要素と
を備える、前記システム。
【請求項９】
前記第１のチャンバは、嫌気性消化チャンバである、請求項８に記載の前記システム。
【請求項１０】
前記第２のチャンバは、好気性硝化反応器である、請求項８に記載の前記システム。
【請求項１１】
前記濾過構成要素は、生物学的処理ユニットを備える、請求項８に記載の前記システム。
【請求項１２】
前記半透過性バリアは、イオン交換膜である、請求項８に記載の前記システム。
【請求項１３】
前記イオン交換膜は、アニオン交換膜である、請求項１２に記載の前記システム。
【請求項１４】
廃水は、水産養殖の廃水である、請求項８に記載の前記システム。
【請求項１５】
廃棄物ストリームを処理するための方法であって、
廃棄物のストリームを第１のチャンバ内に流入させることと、
前記廃棄物の少なくとも一部を濾過構成要素内に流入させることと、
前記濾過構成要素を使用して、前記廃棄物内の液体の廃棄物分画から固体の廃棄物分画を分離することと、
前記液体の廃棄物分画を、処理のために第２のチャンバ内に流入させることと
を含む、前記方法。
【請求項１６】
前記濾過構成要素は、機械的フィルタを含み、前記分離することは、前記廃棄物を機械的に濾過することを含む、請求項１５に記載の前記方法。
【請求項１７】
前記第１のチャンバは、嫌気性消化チャンバを含む、請求項１５に記載の前記方法。
【請求項１８】
前記第２のチャンバは、好気性硝化膜生物反応器である、請求項１５に記載の前記方法。
【請求項１９】
前記好気性硝化膜生物反応器は、移動床膜生物反応器を含む、請求項１８に記載の前記方法
【請求項２０】
前記移動床膜生物反応器は、
生物膜の成長のための構造としての懸濁媒体と、
いくつかの化合物を通過させると共に前記移動床膜生物反応器から排出させる半透膜バリアと
を備える、請求項１９に記載の前記方法。
【請求項２１】
廃水は、水産養殖の廃水である、請求項１５に記載の前記方法。
【請求項２２】
水産養殖の廃棄物ストリームの処理のためのシステムであって、
少なくとも第１の物質及び第２の物質を含む水産養殖の廃棄物ストリームを受容するための嫌気性消化チャンバと、
好気性硝化反応器と、
前記嫌気性消化チャンバと前記好気性硝化反応器との間に配置された半透過性バリアであって、
少なくとも前記第１の物質に前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間を通過させながら、前記第２の物質を防止する、半透過性バリアと
を備える前記システム。
【請求項２３】
前記嫌気性消化チャンバ及び前記好気性硝化反応器に流体接続された機械的フィルタを更に備える、請求項２２に記載の前記システム。
【請求項２４】
前記機械的フィルタは、前記廃棄物ストリームから固体材料を分離する、請求項２３に記載の前記システム。
【請求項２５】
前記半透過性バリアは、イオン交換膜である、請求項２２に記載の前記システム。
【請求項２６】
前記イオン交換膜は、アニオン交換膜である、請求項２５に記載の前記システム。
【請求項２７】
前記好気性硝化膜生物反応器は、移動床膜生物反応器を含む、請求項２２に記載の前記システム。
【請求項２８】
前記移動床膜生物反応器は、
生物膜の成長のための構造としての懸濁媒体と、
いくつかの化合物を通過させると共に前記移動床膜生物反応器から排出させる半透膜バリアと
を備える、請求項２７に記載の前記システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１３年１０月２８日出願の米国仮特許出願第６１／８９６，３１７号の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
［技術分野］
本出願は、概して、複数成分廃棄物ストリームの処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
水産養殖(aquaculture)−水生生物の養殖業−は、野生魚の減少する供給と、シーフードの世界的需要との間のギャップを埋める急成長事業である。水産養殖が世界的に拡大し、環境規制がより厳しくなるにつれて、規制に適合すると共に生産を維持するために水の再利用が必要である。しかしながら、水産養殖廃水は、再利用するために処理されなければならない。さらに、水産養殖サイトは、典型的には、地表の水路または市のシステムへの排出が唯一の選択肢であるエリアに近い。一般的には、Ｆｏｏｄ  ａｎｄ  Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｎａｔｉｏｎｓ  （ＦＡＯ）  Ｆｉｓｈｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ  Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔによる、Ｔｈｅ  Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｗｏｒｌｄ  Ｆｉｓｈｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ，  Ｒｏｍｅ，  Ｉｔａｌｙ，  ２０１２  （２０９頁）を参照されたい。
【０００４】
嫌気性消化は、有機炭素及び固形物の体積及び質量を低減するために市政機関が廃水を処理する１つの手段である。嫌気性消化は、農業廃棄物を処理するために使用されており、その成功率は様々である。農業廃棄物、特に農業廃水の嫌気性消化は、アンモニア阻害及び固体濃度に起因して困難である。固体は一般に希釈により処理されるが、これは非常に大きな体積の廃棄物を生成する。また、アンモニアの物理的除去は、必ずしも満足のいくものであることが証明されているわけではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本出願は、概して、廃棄物ストリームの成分を別個の処理用に分離することを含む、複数成分廃棄物ストリームを処理するためのシステム及び方法に関する。ある特定の態様によれば、本明細書に記載の方法及びシステムは、アンモニア濃度の経済的低減を提供し、複数の産業に有益となり得、全固形物（ＴＳ）、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）及び窒素の、複合的な低減または除去を可能とする、安定でコスト効率の良い嫌気性消化槽の開発を促進する。本明細書に記載のシステム及び方法は、農業廃水の処理における具体的な適用性を見出すことができる。
【０００６】
一態様によれば、システム及び方法は、バリアにより分離された第１のチャンバ及び第２のチャンバと、第１のチャンバ及び第２のチャンバに流体接続される濾過構成要素(filtration component)とを使用する。処理される廃棄物ストリームは、炭素含有廃棄物の処理のために第１のチャンバ内に流入し、次いで、ストリームを実質的に固体の廃棄物分画(solid waste fraction)及び実質的に液体の廃棄物分画(liquid waste fraction)に分離するために、濾過構成要素内に流入する。次いで、液体の廃棄物分画は、さらなる処理のために第２のチャンバに流入する。具体的実施形態において、第１のチャンバは農業廃水源に流体接続され、廃棄物ストリームは農業廃水を含む。
【０００７】
ある特定の態様において、本出願は、廃棄物ストリームの処理のためのシステムを提供する。システムは、少なくとも第１の物質及び第２の物質を含む廃棄物ストリームを受容するための第１のチャンバと、第２のチャンバと、少なくとも第１の物質を第１のチャンバと第２のチャンバとの間に通過させながら、第２の物質を妨げる、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に配置される半透過性バリアとを含む。システムはまた、第２のチャンバではなく第１のチャンバ内での処理に好適な材料を、第２のチャンバ内で処理される材料から分離するための機械的フィルタを含んでもよい。機械的フィルタは、典型的には、廃棄物ストリームから固体材料を分離する。
【０００８】
いくつかの実施形態において、第１のチャンバは、嫌気性消化チャンバであり、第２のチャンバは、好気性硝化反応器であってもよい。ある特定の実施形態において、半透過性バリアは、イオン交換膜（例えば、アニオン交換膜）である。
【０００９】
本発明の関連した態様は、２種以上の物質が、実質的に異なる処理環境内で処理される、廃棄物ストリームの複合的処理のためのシステムを提供する。システムは、第１のチャンバ（例えば嫌気性消化用）及び第２のチャンバ（例えば好気性硝化用）を含み、２種以上の物質の少なくとも１種を、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に通過させながら、他の物質を防止する半透過性バリアが、第１のチャンバと第２のチャンバとの間に配置されている。第２のチャンバではなく第１のチャンバ内での処理に好適な材料を、第２のチャンバ内で処理される材料から分離することができる濾過構成要素が含まれてもよい。
【００１０】
いくつかの態様において、濾過構成要素は、廃棄物ストリームから固体材料を分離する。いくつかの実施形態において、半透過性バリアは、アニオン交換膜等のイオン交換膜である。
【００１１】
また、廃棄物のストリームを第１のチャンバに流入させ、廃棄物の少なくとも一部を濾過構成要素内に流入させ、濾過構成要素を使用して、液体の廃棄物分画から固体の廃棄物分画を分離し、液体の廃棄物分画を、処理のために第２のチャンバに流入させることにより、廃棄物ストリームを処理するための方法が、本明細書に記載されている。いくつかの実施形態において、濾過構成要素は、機械的フィルタを含み、分離することは、廃棄物を機械的に濾過することを含む。一実施形態によれば、第１のチャンバは、嫌気性消化チャンバを含む。ある特定の実施形態において、第２のチャンバは、移動床膜生物反応器(moving bed membrane bioreactor)を含み得る、好気性硝化膜生物反応器を含む。
【００１２】
いくつかの実施形態において、移動床膜生物反応器は、生物膜（バイオフィルム）の成長のための構造としての懸濁媒体(suspended media)と、いくつかの化合物を通過させ移動床膜生物反応器から排出させる半透膜バリアとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一態様による、一般的プロセスの説明を提供する図である。
【図２】構成要素のパッケージ化された構成に関連する、本発明の一実施形態を示す図である。
【図３】構成要素の副ストリーム構成に関連する、本発明の別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
詳細な説明：
本出願は、廃水を処理するためのシステム及び方法に関する。ある特定の実施形態によれば、本出願は、アンモニア濃度の経済的低減のための方法及びシステムを提供し、安定でコスト効率の良い嫌気性消化槽の開発を促進して、全固形物（ＴＳ）、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）及び窒素の複合的な低減または除去を可能とする。本明細書に記載のシステム及び方法は、農業廃水の処理における具体的な適用性を見出すことができる。
【００１５】
［定義］
「導管」という用語またはその任意の変化形は、本明細書において使用される場合、それを通して流体が運搬され得る任意の構造を含む。導管の限定されない例は、パイプ、配管、チャネル、または他の囲まれた構造を含む。
【００１６】
「チャンバ」という用語またはその任意の変化形は、本明細書において使用される場合、流体を保持することができる任意の本体構造を含む。チャンバの限定されない例は、樽、ケトル、桶、反応器または他の同様の構造を含む。
【００１７】
「約」または「およそ」という用語は、本明細書において使用される場合、当業者により理解されるものに近いものとして定義され、１つの限定されない実施形態において、その用語は、１０％以内、より具体的には５％以内、さらにより具体的には１％以内、いくつかの場合においては０．５％以内であると定義される。
【００１８】
「阻害する」(inhibiting)もしくは「低減する」という用語、またはこれらの用語の任意の変化形は、本明細書において使用される場合、所望の結果を達成するための任意の測定可能な減少または完全な阻害(inhibition)を含む。
【００１９】
「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」という単語の使用は、本明細書において「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と併せて使用される場合、「１つ」を意味し得るが、「１つ以上」、「少なくとも１つ」、及び「１つまたは２つ以上」という意味にも一致する。
【００２０】
「または」という用語は、本明細書において使用される場合、選択肢のみを示すこと又は選択肢が相互排他的であることが明示的に示されていない限り、「及び／または」を意味するが、本開示は、選択肢のみ、ならびに「及び／または」を示す定義を支持する。
【００２１】
「濾液」または「透過物」という用語は、本明細書において使用される場合、フィルタまたは膜を含むがこれらに限定されない分離デバイスを通過する材料を示し得る。
【００２２】
「保持液」という用語は、本明細書において使用される場合、拡散物が分離デバイスを通過した後に残留する材料を示し得る。
【００２３】
本明細書において使用される場合、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（ならびに「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」等の任意の形態の備えること）、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」（ならびに「有する（ｈａｖｅ）」及び「有する（ｈａｓ）」等の任意の形態の有すること）、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」（ならびに「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」等の任意の形態の含むこと）、または「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」（ならびに「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」及び「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」等の任意の形態の含有すること）という単語は、包含的または非限定的であり、追加的な列挙されていない要素または方法ステップを除外しない。
【００２４】
「固相」という用語は、本明細書において使用される場合、概して大抵が固体である材料の集合を示し、相中の材料の全てが固体であることを意味することを意図しない。したがって、実質的な量の固体を有するがある程度の液体を保持する相は、その用語の意味に包含される。一方、「液相」という用語は、本明細書において使用される場合、概して大抵が液体である材料の集合を示し、そのような集合は、固体材料及び気体材料を含み得る。
【００２５】
「廃水」という用語は、本明細書において使用される場合、処理される水、例えば、住宅、商業、市営、工業または農業源及びそれらの混合からの水のストリーム（水流）または水体を示し、これは、典型的には、様々な不純物または汚染物質を含有する。
【００２６】
「エンド・オブ・パイプ（ＥＯＰ）廃水」という用語は、本明細書において使用される場合、上流側の工業、家庭、または他の廃水生成プロセスからの未処理廃水を示す。
【００２７】
「廃棄物ストリーム」という用語は、本明細書において使用される場合、廃水の流れまたは源を示す。
【００２８】
「処理廃水」という用語は、出発組成物に比べてより少ない望ましくない種または汚染物質を含有する組成物を提供するようないくつかの様式で処理された廃水を示す。
【００２９】
「実質的に」という用語は、本明細書において使用される場合、ほとんどを意味するものとする。
【００３０】
一実施形態において、第１のチャンバは、嫌気性消化（ＡＤ）チャンバを含み、第２のチャンバは、好気性硝化膜生物反応器を含む。硝化膜生物反応器は、移動床生物反応器または懸濁成長生物反応器であってもよい。特に有用な移動床の一例は、移動床膜生物反応器（ＭＢＭＢＲ）である。従来の移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）の改善であるＭＢＭＢＲは、生物膜の生長を支持及び促進するための構造として懸濁媒体を利用し、いくつかの化合物のＭＢＭＢＲによる処理を維持しながら、それらの化合物を通過させ、ＭＢＭＢＲから排出させる、半透過性バリアを含む。しかしながら、懸濁成長硝化生物反応器等の任意の好気性硝化反応器が第２のチャンバにおいて使用され得ることが、留意されるべきである。
【００３１】
ＡＤ反応器動作の安定性を改善するためには、まず反応を制限するアンモニアが消化残渣から除去され、硝酸塩に変換されなければならない。消化残渣への硝酸塩の再輸送は、膜バリアとしてイオン交換膜を有する好気性硝化膜生物反応器を実装することにより直接促進され得る。イオン交換膜内に硝化生物反応器を含有し、次いで反応器を直接ＡＤ消化残渣の隣に設置することで、硝酸塩は消化残渣内に直接輸送される。この設計は、次いで、完全に別個の反応器槽を必要とするのではなく、ｉｎ  ｓｉｔｕ脱硝化を促進する。
【００３２】
図１は、本発明のある特定の態様による一般的プロセス１０の概略であり、嫌気性消化（ＡＤ）システム１２、１４及び好気性硝化反応器１６を描写している。半透膜１８が、ＡＤ１４と好気性硝化反応器１６との間に配置されている。廃水源がＡＤ１２に供給されるが、その内容物は、典型的には高レベルのＮＨ３を特徴とする。ＡＤ１２からの廃水部分は、それぞれ導管２２及び２４を通して、ＡＤ１４または好気性硝化反応器１６に誘導され得る。ＡＤ１４からの消化残渣は、導管２６を通して再びＡＤ１２に運搬され得る。典型的には、廃水はＡＤ１２に誘導され、有機廃棄物が低減される。ＡＤ内の典型的な全固形物（ＴＳ）濃度は、およそ０．５〜６％の間である。ある特定の態様によれば、ＴＳ濃度は、およそ０．５〜２．０％の間、またはいくつかの場合において２．０〜４．０％の間、さらに他の場合において４．０〜６．０％の間である。嫌気性消化残渣は、導管２２を通して好気性硝化反応器１６に運搬され、硝化によって全アンモニア性窒素（ＴＡＮ）のＮＯ３−Ｎへの変換がもたらされる。半透膜１８は、好気性硝化反応器１６からＡＤ１４に自由に通過する負電荷イオンの輸送を可能にし、脱窒による最終的な窒素除去を促進する。窒素の除去は、ＡＤ内の従属栄養細菌により行われ、細菌は、可溶化されたＣＯＤを炭素源として、また硝酸塩を電子受容体として使用して、最終的に窒素ガスを生成する。硝化膜ユニットの後のシステム流出物は、理想的には、低減された量の窒素、生物学的酸素要求量、及び懸濁固体を含有する。これらの量は、従来のシステムと比べて低減されている。実際の量は、流入する廃水ストリームの組成に依存して変動する。
【００３３】
図２は、本発明のある特定の態様による、パッケージ化された構成１１０を示す概略図である。示されるように、この構成は、嫌気性消化チャンバ（ＡＤ）１１４及び好気性硝化反応器１１６を描写している。半透膜１１８が、ＡＤ１１４と好気性硝化反応器１１６との間に配置されている。廃水源からのエンド・オブ・パイプ（ＥＯＰ）廃棄物がＡＤ１１４に供給され、有機廃棄物固体が低減される。嫌気性消化残渣は、機械的フィルタ１２８に運搬されて過剰のバイオマスが除去され得、次いで、拡散物が好気性硝化反応器１１６に導入され得、硝化によって全アンモニア窒素（ＴＡＮ）のＮＯ３−Ｎへの変換がもたらされる。半透膜１１８は、好気性硝化反応器１１６からＡＤ１１４に自由に通過する負電荷イオンの輸送を可能にし、脱窒による最終的な窒素除去を促進する。窒素の除去は、ＡＤ１１４内の従属栄養細菌により行われてもよく、細菌は、可溶化されたＣＯＤを炭素源として、また硝酸塩を電子受容体として使用して、最終的に窒素ガスを生成する。ある特定の態様によれば、硝化膜ユニットの後のシステム流出物は、低減された量の窒素、生物学的酸素要求量、及び固体を含有する。追加的な窒素除去が必要な場合は、ＡＤプロセスを通したストリームの再循環が可能とされてもよい。ＡＤ１１４内の残留固体は、沈降により濃縮され得、システムから除去され得る。
【００３４】
図３は、本発明のある特定の態様による、副ストリーム構成２１０の概略図である。構成２１０は、嫌気性消化システム２１２、２１４及び好気性硝化反応器２１６を含む。半透膜２１８が、ＡＤ２１４と好気性硝化反応器２１６との間に配置されている。廃水源が嫌気性チャンバ２１２に供給され、有機廃棄物が低減される。嫌気性消化残渣は、機械的フィルタ２２８に運搬されて過剰のバイオマスがさらに除去され得、次いで、拡散物が好気性硝化反応器２１６に導入され得、硝化によって全アンモニア窒素（ＴＡＮ）のＮＯ３−Ｎへの変換がもたらされる。半透膜２１８は、好気性硝化反応器２１６からＡＤ２１４に自由に通過するイオンの輸送を可能にし、脱窒による最終的な窒素除去を促進する。窒素の除去は、可溶化されたＣＯＤと組み合わせてＡＤ内の従属栄養細菌により行われてもよく、最終的に窒素ガスを生成する。追加的な窒素除去が必要な場合は、ポンプ２３０を使用してＡＤ２１４からＡＤ２１６への流れを運搬することによるストリームの再循環が可能とされてもよい。硝化膜ユニットの後のシステム流出物は、理想的には、低減された量の窒素、生物学的酸素要求量、及び固体を含有する。
【００３５】
ある特定の実施形態によれば、半透膜バリア１８、１１８、２１８は、イオン交換膜であり、いくつかの場合においては、アニオン交換膜である。流出物ストリーム中のイオン構成成分の相対的存在度を理解することにより、膜生物反応器ユニットプロセスの適切な寸法決定が可能となる。膜を介したイオン輸送を生じさせるためには、２つの膜サイド（膜側面）間のイオン及び対イオンの両方に濃度勾配が存在しなければならないこと、ならびに、電荷の等価性により、膜を介した電荷移動が阻止されなければならないことの２つの条件が満たされなければならない。換言すれば、負電荷の一価イオンが膜を介してカソードからアノードに輸送される場合、同等の一価対イオンもまた膜を介して逆方向に移動し、再び区画間の電気的中性を確立しなければばらない。ある特定の態様によれば、根底にある目標は、硝酸塩輸送がＡＤから膜ユニットへの無害な対イオン移動により促進される、膜ユニットと嫌気性消化槽との間の有利な硝酸塩濃度勾配を形成することである。
【００３６】
いくつかの実施形態によれば、好気性硝化反応器１６、１１６、２１６は、移動床反応器または懸濁成長生物反応器を含む。移動床反応器は、移動床膜生物反応器（ＭＢＭＢＲ）または従来の移動床生物反応器（ＭＢＢＲ）であってもよい。有機廃棄物（例えば、ＣＯＤ及びＢＯＤ）ならびに窒素性廃棄物の複合的処理における使用のために、バリアは、硝酸塩及び亜硝酸塩の通過を可能としながら、アンモニアの通過を防止する。これは、硝酸塩を微生物脱窒のために第１のチャンバに通過させながら、ＭＢＭＢＲにおいて硝化のための物質を維持し、第２のチャンバ内の好気性条件が、第１のチャンバの嫌気性の特性に干渉しないようにする。これにより、システムは、大量の窒素性廃棄物成分を有する廃棄物の処理における嫌気性システムの大きな制限、すなわち、さらなる消化を阻害し消化槽内の全固形物濃度を制限するアンモニアの生成に対応することができる。他の便益の中でも、これによってより高濃度の固体が処理され得、またより小型の処理システムが、従来のＡＤシステムに匹敵する固体処理能力を提供することができる。脱窒は、Ｓｉｌｖｅｒらに対する米国特許出願公開第２０１３／０１１２６０１号において議論されており、その内容は、全ての目的において参照することにより組み込まれる。また、Ｓｉｌｖｅｒらに対する米国特許出願公開第２０１２／０１３２５２１号も参照されたく、その内容は、参照することにより組み込まれる。
【００３７】
機械的濾過構成要素１２８、２２８は、Ｚａｂｅｌフィルタもしくは中空繊維限外濾過膜等、純粋に機械的な機能を有してもよく、または、上向流固定床生物反応器（ＵＦＢＢＲ）もしくは上向流嫌気性スラッジブランケット（ＵＡＳＢ）反応器等の別個の生物学的処理ユニットであってもよい。第１のチャンバのストリームから固体を分離するように機能する任意の構成要素または機構が、本明細書において開示される方法及びシステムにおける使用に好適であることが留意されるべきである。
【００３８】
反応器システムは、ＥＯＰストリーム中の全懸濁固体（ＴＳＳ）、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）、及び窒素の各濃度、ならびに、一般に許容される上限濃度である２００ｍｇ／Ｌ未満のアンモニア濃度を維持するための予測処理速度に対して寸法決定され得る。複合的な嫌気性消化及び好気性硝化反応器システムは、文献または以前の内部試験（社内試験）から得られた関連した反応速度に従って寸法決定され得る。関連した区画の寸法決定は、以下の式１（数１）において、Ｂｌａｅｄｅｌら（１９６９）により説明されているように、主として反応速度及び膜を通るイオン束に依存する。
ここで、式中、Ｃi,1及びＣi,2は、それぞれ１及び２として示されるＭＢＭＢＲ及びＡＤ区画内の汚染イオンｉの濃度であり、Ｃa,1及びＣa,2は、各区画内の主要なバルク対イオン濃度（例えば重炭酸塩）であり、ａは、主要な対イオンの価数を表し、ｚは、標的イオン（ｉ）（例えば硝酸塩）の価数と主要な対イオンの価数との間の比率を表し、δ１、δ２は、それぞれＭＢＭＢＲ及びＡＤ側の膜表面の隣の対応する境界層の厚さであり、Ｌは、膜厚であり、Ｐi,mは、膜透過度であり、Ｑは、膜のイオン交換能であり、Ｄi,wは、水中の対イオンの拡散係数である。ここで、式１は、ＭＢＭＢＲからＡＤへの硝酸塩束が、２つの区画内の主要な対イオン濃度に対する標的対イオン濃度の比率間の差に比例することを示している。この差が、プロセス駆動力である。
【数１】
2016534860.tif 000003
【００３９】
嫌気性消化槽（ＡＤ）に進入する廃棄物ストリームは、大量のＣＯＤ、ＴＳＳ、窒素（有機及び無機）、ならびにリン含有化合物を含有する。ＥＯＰ中の可溶性ＣＯＤ（ｓＣＯＤ）は、それだけでは窒素の完全除去を可能とするには不十分であるため、粒子形態で存在するＣＯＤを抽出及び可溶化するためにＥＯＰの粒子分画の消化が必要である（ｖａｎ  Ｒｉｊｎ、１９９５）。しかしながら、ＮＯ３−Ｎの存在は、従属栄養性の脱窒（嫌気呼吸）プロセスを優先的に選択し、おそらくは基質利用において発酵性の嫌気性生物に打ち勝ち、したがってＶＦＡ抽出プロセスを低減し得る。したがって、反応器システムは、ＶＦＡ生成プロセス、ＭＢＭＢＲからＡＤへの硝酸塩輸送プロセス、及び後続の脱窒プロセスが全て組み合わされ最適化されるバランスに基づいて設計されるべきである。最初に粒子状物質としてのみ存在するＣＯＤを可溶化することにより、ＣＯＤは脱窒に利用可能となるが、目標は、ＣＯＤ可溶化の速度、及び消化残渣への硝酸塩送達速度のバランスを取ることにより、二酸化炭素、ならびに潜在的にはメタン及び／または水素等のバイオガス最終生成物へのさらなる還元を防止することである。
【００４０】
ＭＢＭＢＲは、典型的には、硝化細菌の成長を支持するためにプラスチック生物媒体を使用する。媒体の量及び水力学的保持時間は、必要なアンモニア変換に基づく。同様に、ＡＤプロセスへの硝酸塩の輸送は膜表面積の量により軽減されるため、硝酸塩生成の量もまた、２つのユニットを分離する膜壁の寸法決定に寄与する。バイオマス担体に好適な媒体は、生物膜付着及び高バイオマス濃度の蓄積のための極めて保護された外部または内部表面積を形成するように処理される、ポリエチレンまたはポリプロピレン等の疎水性ポリマーから作製され得る。いくつかの商業組織が、主に押出円筒状媒体としてそのような媒体を供給している。好適な媒体は、Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ  Ａｑｕａ  Ｌｔｄ．，Ｓｉｅｍｅｎｓ／Ａｑｗｉｓｅ及びＨｙｄｒｏｘｙｌを含むいくつかの会社から市販されている。ある特定の実施形態において、生物膜担体は、チャンバの体積の約２０％から７５％を占有し得る。
【００４１】
ＭＢＭＢＲ及びＡＤ反応器は、イオン交換膜によってのみ分離された同じタンク内に設置されてもよい。２つの反応器体積は、膜の両側で等しい圧力を確立するように水力学的に均等化される。
【００４２】
ある特定の実施形態は、ＣＯＤ及び窒素性廃棄物の複合的処理に特に好適であるが、同様の構成が、他のイオン性化合物の処理を可能とする。半透過性バリアは、チャンバ間の化学的化合物及び生物の移動を防止するように選択され得るため、実質的に異なる処理環境が形成され得る。
【００４３】
嫌気性消化プロセス自体は、最終的に化学的酸素要求量（ＣＯＤ）及び全固形物（ＴＳ）を低減するが、最適な低減速度は、ｐＨ、温度、アルカリ度、固体供給速度、消化槽固体濃度、水力学的滞留時間（ＨＲＴ）、固体保持時間（ＳＲＴ）、及び内部再循環速度を含む（但しこれらに限定されない）多くの因子に依存する。
【００４４】
硝化プロセスの目標は、嫌気性消化プロセス中に生成されるアンモニアを硝酸塩に変換するために必要である。その後、好気性硝化反応器内で生成された硝酸塩は、可能な限り効率的に膜を介してＡＤに輸送される。硝化性能は、体積流速、流入及び流出ＴＡＮ濃度の間の差、ならびに好気性硝化反応器内の媒体体積（体積ＴＡＮ除去速度、ＶＴＲ）の関数として特徴付けられる。窒素が異なる形態に変換されるのではなくシステムから確かに除去されていることを検証するために、硝酸塩輸送速度の定量が流入及び流出全窒素投入速度（好気性硝化反応器への、またはそこからの硝酸塩質量流）の関数として決定され得る。
【００４５】
システム１０、１１０、２１０の構造は、半透膜により互いに分離された２つのチャンバが存在するような任意の様式で構成され得る。例えば、第１のチャンバ及び第２のチャンバは、図３のように、バリアの両側に配置された２つの別個のタンクにより形成されてもよい。代替として、第２のチャンバは、その構造の少なくとも一部がバリアで構成され（例えば、壁として膜材料を備える円筒）、既存の嫌気性消化ユニット内に挿入または設置され得る、自己完結型のユニットであってもよい。
【００４６】
本発明はまた、本明細書に記載のシステムを利用する方法に関する。一態様によれば、方法は、廃棄物のストリームを第１のチャンバに流入させることと、廃棄物の少なくとも一部を濾過構成要素内に流入させることと、濾過構成要素を使用して、廃棄物中の実質的に液体の廃棄物分画から実質的に固体の廃棄物分画を分離することと、液体の廃棄物分画を、処理のために第２のチャンバに流入させることとを含む。いくつかの実施形態において、濾過構成要素は、機械的フィルタを含み、分離することは、廃棄物を機械的に濾過することを含む。一態様によれば、第１のチャンバは、嫌気性消化チャンバを含む。ある特定の実施形態において、第２のチャンバは、移動床膜生物反応器を含み得る、好気性硝化膜生物反応器を含む。
【００４７】
いくつかの実施形態において、移動床膜生物反応器は、生物膜の成長のための構造としての懸濁媒体と、いくつかの化合物を通過させ、移動床膜生物反応器から排出させる、半透膜バリアとを含む。
【００４８】
水質は、Ｂｕｃｋ及びＳｉｌｖｅｒらに対する米国特許出願公開第２０１３／００７５２７９号においてさらに議論されており、その内容は、全ての目的において参照することにより組み込まれる。
【００４９】
本発明は、その特に有用な具体的実施形態と併せて説明されていること、及び上記説明は、例示を意図し、本発明の範囲の限定を意図しないことを理解されたい。本発明の範囲内の他の態様、利点及び修正は、本発明が関連する技術分野の当業者には明らかである。
【符号の説明】
【００５０】
１２，１４  嫌気性消化（ＡＤ）システム
１６  好気性硝化反応器
１８  半透膜
１１４  嫌気性消化チャンバ（ＡＤ）
１１６  好気性硝化反応器
１１８  半透膜
１２８  機械的フィルタ
２１２，２１４  嫌気性消化システム
２１６  好気性硝化反応器
２１８  半透膜
２２８  機械的フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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