(57)【要約】  第１の生物学的反応ゾーンと、第２の生物学的反応ゾーンと、膜操作システムとを備える廃水処理システムが提供される。第１の生物学的反応ゾーンは、廃水を受け、処理するように構築され、配列される。第２の生物学的反応ゾーンは分離サブシステムを含み、第１の生物学的反応ゾーンから排出物を受けるように構築され、配列される。吸着性物質のための懸濁システムは、第２の生物学的反応ゾーン中に設けられる。膜操作システムは、第２の生物学的反応ゾーンの下流に配置され、第２の生物学的反応ゾーンからの処理済み廃水を受け、膜透過物を排出するように構築されて、配列される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水を処理するための廃水処理システムであって、
前記廃水を受け、処理するように構築され、配列された第１の生物学的反応ゾーンと、
分離サブシステムを含み、前記第１の生物学的反応ゾーンから排出物を受けるように構築され、配列された第２の生物学的反応ゾーンと、
前記第２の生物学的反応ゾーン中の吸着性物質のための懸濁システムと、
前記第２の生物学的反応ゾーンの下流に配置され、前記第２の生物学的反応ゾーンから処理済み廃水を受け、膜透過物を排出するように構築され、配列された膜操作システムと、
を備える、廃水処理システム。
【請求項２】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、同一容器の区分されたセクションである、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項３】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、別個の容器中に配置される、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項４】
前記分離サブシステムが、前記第２の生物学的反応ゾーンの出口に配置されたスクリーンを含む、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項５】
前記分離サブシステムが、前記第２の生物学的反応ゾーンの前記出口に近接して配置された沈殿ゾーンを含む、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項６】
前記沈殿ゾーンは、前記吸着性物質が混合液から分離し、前記第２の生物学的反応ゾーンの下方部分において前記混合液中に沈殿する静止ゾーンを規定するように配置され、寸法設定された第１のバッフルおよび第２のバッフルを備える、請求項５に記載の廃水処理システム。
【請求項７】
前記第２の生物学的反応ゾーンの前記出口に近接して配置されたスクリーンをさらに備える、請求項５に記載の廃水処理システム。
【請求項８】
前記第２の生物学的反応ゾーンの前記出口に近接して配置された堰をさらに備える、請求項５に記載の廃水処理システム。
【請求項９】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、生物学的酸化をサポートするように構築され、配列された、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項１０】
前記第１の生物学的反応ゾーンの上流に無酸素ゾーンをさらに備える、請求項６に記載の廃水処理システム。
【請求項１１】
前記懸濁システムが、ガスリフト懸濁システムを備える、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項１２】
前記ガスリフト懸濁システムが、前記第２の生物学的反応ゾーン中に配置された少なくとも１つのドラフトチューブと、前記ドラフトチューブの入口端部に気体を向けるように配置され、寸法設定された１つまたは複数のアパーチャを有する気体導管とを備える、請求項１１に記載の廃水処理システム。
【請求項１３】
前記ガスリフト懸濁システムが、前記第２の生物学的反応ゾーン中に配置された少なくとも１つのドラフトトラフと、前記ドラフトトラフの下方部分に気体を向けるように配置され、寸法設定された１つまたは複数のアパーチャを有する気体導管とを備える、請求項１１に記載の廃水処理システム。
【請求項１４】
前記ドラフトトラフが、前記第２の生物学的反応ゾーン中に配置された１対のバッフルによって形成される、請求項１３に記載の廃水処理システム。
【請求項１５】
前記懸濁システムが、ジェット懸濁システムを備える、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項１６】
前記第２の生物学的反応ゾーンと連通する吸着性物質導入源装置と、
前記システムのパラメータを測定するように構築され、配列されたセンサと、
前記センサと電子通信し、前記システムの前記測定されたパラメータに基づいて行為の実行を命令するようにプログラムされたコントローラと、
をさらに備える、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項１７】
前記測定されたパラメータが、１つまたは複数のあらかじめ規定された化合物の濃度である、請求項１６に記載の廃水処理システム。
【請求項１８】
前記行為が、前記第２の生物学的反応ゾーンから前記吸着性物質の少なくとも一部分を除去することを含む、請求項１６に記載の廃水処理システム。
【請求項１９】
前記行為が、前記第２の生物学的反応ゾーンに吸着性物質を加えることを含む、請求項１６に記載の廃水処理システム。
【請求項２０】
廃水を処理するための廃水処理システムにおいて、
廃水入口および第１ゾーン混合液出口を有する第１の生物学的反応ゾーンと、
第２の生物学的反応ゾーンであって、
前記第１ゾーン混合液出口と流体連通する混合液入口、
吸着性物質のための懸濁システム、
第２ゾーン混合液出口、および
前記第２ゾーン混合液出口に関連づけられた分離サブシステム
を有する第２の生物学的反応ゾーンと、
前記第２の生物学的反応ゾーンの下流に配置された膜操作システムであって、
前記第２ゾーン混合液出口と流体連通する入口、および
処理済み排出物出口
を有する膜操作システムと、
を備える、廃水を処理するための廃水処理システム。
【請求項２１】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、同一容器の区分されたセクションである、請求項２０に記載の廃水処理システム。
【請求項２２】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、別個の容器中に配置された、請求項２０に記載の廃水処理システム。
【請求項２３】
廃水を処理するためのプロセスであって、
処理済み混合液を形成するために、第１の生物学的反応ゾーン中に混合液を導入することと、
前記処理済み混合液を第２の生物学的反応ゾーンに流すことと、
前記第２の生物学的反応ゾーンの前記処理済み混合液中に吸着性物質を懸濁させることであって、前記懸濁行為が、前記吸着性物質上の前記処理済み混合液中の汚染物質の吸着を促進する条件下で動作して、懸濁させることと、
前記第２の生物学的反応ゾーン中に吸着性物質を維持しながら、吸着性物質が実質的にない排出物を、前記第２の生物学的反応ゾーンから膜操作システムに流すことと、
を含む、廃水を処理するためのプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年７月８日付で出願された米国仮特許出願第６１／２２４，０００号および２００９年６月１５日付で出願された米国仮特許出願第６１／１８６，９８３号に基づく優先権を主張し、それらの出願の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、廃水処理システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
家庭廃水および産業廃水の効果的な処理は、生活の質の向上および清浄水の保全に関する極めて重要な側面である。約半世紀前までは標準的な慣習であった、廃水を河川、湖、および海洋などの水源に単に排出することに関連する問題は明らかであり、生物学廃棄物および化学廃棄物は、感染症の拡大および発癌性化学物質への曝露を含めて、すべての生命体に対する危険を引き起こす。したがって、廃水処理プロセスは、一般家庭の住民からの汚水を清浄する遍在する自治体の廃水処理施設から、様々な産業用途からの廃水中の特定の汚染物質に対処すべき専用の産業廃水処理プロセスに至るシステムへと発展した。
【０００４】
ある特定の処理すべき産業排水流および汚水流には、生物学的抵抗性および生物学的阻害性の有機化合物および無機化合物が存在する。そのような生物学的抵抗性および生物学的阻害性の化合物の処理に対処するために、様々な試みがなされてきた。ある特定のタイプの既知の処理は、生物学的抵抗性および生物学的阻害性の有機化合物を吸着し、その後に除去するための粉末活性炭の使用を含む。
【０００５】
それにもかかわらず、粉末活性炭および他の既存の技術を使用することに関連する不利益なしに、生物学的抵抗性および生物学的阻害性の有機化合物および無機化合物を含有する廃水を処理する必要性がある。
【発明の概要】
【０００６】
１つまたは複数の実施形態によると、本発明は、廃水を処理するシステムおよび方法に関する。
【０００７】
１つまたは複数の実施形態によると、本発明は、廃水を処理するための廃水処理システムに関する。本システムは、第１の生物学的反応ゾーンと、第２の生物学的反応ゾーンと、膜操作システムとを含む。第１の生物学的反応ゾーンは、廃水を受け、処理するように構築され、配列される。第２の生物学的反応ゾーンは分離サブシステムを含み、第１の生物学的反応ゾーンから排出物を受けるように構築され、配列される。吸着性物質のための懸濁システムは、第２の生物学的反応ゾーン中に設けられる。膜操作システムは、第２の生物学的反応ゾーンの下流に配置され、第２の生物学的反応ゾーンから処理済み廃水を受け、膜透過物を排出するように構築され、配列される。
【０００８】
１つまたは複数の実施形態によると、第１の生物学的反応ゾーンおよび第２の生物学的反応ゾーンが、同一容器の区分されたセクションである。
【０００９】
１つまたは複数の実施形態によると、第１の生物学的反応ゾーンおよび第２の生物学的反応ゾーンが、別個の容器中に配置される。
【００１０】
１つまたは複数の実施形態によると、懸濁システムは、ガスリフト懸濁システムを備える。ガスリフト懸濁システムは、第２の生物学的反応ゾーン中に配置された少なくとも１つのドラフトチューブと、ドラフトチューブの入口端部に気体を向けるように配置され、寸法設定された１つまたは複数のアパーチャを有する気体導管とを含むことができる。代替的には、ガスリフト懸濁システムは、第２の生物学的反応ゾーン中に配置された少なくとも１つのドラフトトラフと、ドラフトトラフの下方部分に気体を向けるように配置され、寸法設定された１つまたは複数のアパーチャを有する気体導管とを含むことができる。
【００１１】
１つまたは複数の実施形態によると、懸濁システムは、ジェット懸濁システムを備える。
【００１２】
１つまたは複数の実施形態によると、分離サブシステムは、第２の生物学的反応ゾーンの出口に配置されたスクリーンを含む。
【００１３】
１つまたは複数の実施形態によると、分離サブシステムは、第２の生物学的反応ゾーンの出口に近接して配置された沈殿ゾーンを含む。沈殿ゾーンは、吸着性物質が混合液から分離し、第２の生物学的反応器の下方部分において混合液中に沈殿する静止ゾーンを規定するように配置され、寸法設定された第１のバッフルおよび第２のバッフルを含むことができる。さらに、沈殿ゾーンは、第２の生物学的反応ゾーンの出口に近接して配置されたスクリーンまたは堰を含むことができる。
【００１４】
１つまたは複数の実施形態によると、本発明は、吸着性物質導入源装置が第２の生物学的反応ゾーンと連通している廃水処理システムに関する。さらに、センサは、システムのパラメータを測定するように構築され、配列される。さらに、コントローラは、センサと電子通信し、システムの測定されたパラメータに基づいて行為の実行を命令するようにプログラムされる。測定されたパラメータは、１つまたは複数のあらかじめ規定された化合物の濃度であり得る。行為は、第２の生物学的反応ゾーンから吸着性物質の少なくとも一部分を除去すること、および／または第２の生物学的反応ゾーンに吸着性物質を加えることを含むことができる。
【００１５】
１つまたは複数の実施形態によると、本発明は、廃水を処理するための廃水処理システムに関する。本システムは、廃水入口および第１ゾーン混合液出口を有する第１の生物学的反応ゾーンを含む。本システムはまた、第１ゾーン混合液出口と流体連通する混合液入口、吸着性物質のための懸濁システム、第２ゾーン混合液出口、および第２ゾーン混合液出口に関連づけられた分離サブシステムを有する第２の生物学的反応ゾーンを含む。本システムはさらに、第２ゾーン混合液出口と流体連通する入口、および処理済み排出物出口を有する第２の生物学的反応ゾーンの下流に配置された膜操作システムを含む。
【００１６】
１つまたは複数の実施形態によると、本発明は、廃水を処理するためのプロセスに関する。本プロセスは、処理済み混合液を形成するために、第１の生物学的反応ゾーン中に混合液を導入することと、処理済み混合液を第２の生物学的反応ゾーンに流すことと、第２の生物学的反応ゾーンの処理済み混合液中に吸着性物質を懸濁させることであって、懸濁行為が、吸着性物質上の処理済み混合液中の汚染物質の吸着を促進する条件下で動作して、懸濁させることと、第２の生物学的反応ゾーン中に吸着性物質を維持しながら、吸着性物質が実質的にない排出物を、前記第２の生物学的反応ゾーンから膜操作システムに流すことと、を含む。
【００１７】
さらなる別の態様、実施形態、ならびにこれらの例示的な態様および実施形態の利点について以下に論じる。さらに、前述の情報も以下の詳細な説明の両方も、様々な態様および実施形態の例を示すものにすぎず、特許請求された態様および実施形態の性質および特徴を理解するための概略または枠組みを提供することを意図するものであることが理解されよう。添付の図面は、例示ならびに様々な態様および実施形態のさらなる理解を提供するために含まれるものであり、本明細書に組み込まれ、一部を構成する。図面は、本明細書の残りの部分とともに、説明され、特許請求された態様および実施形態の原理および動作を説明する。
【００１８】
本発明の装置、システムおよび方法について説明し、それに関するすべての添付の図面を参照して、本発明を以下に詳細に説明する。各図は、縮尺通りに描かれたものではなく、様々な図面に図示される同様の各構成要素は、類似する符号で表されている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】吸着性物質が懸濁している１つまたは複数のゾーンを含む生物学的反応器を使用する膜生物学的反応器システムの概略図である。
【図２】膜操作システムの上流にある生物学的反応器中で吸着性物質を使用する、廃水の処理のためのシステムの一実施形態の概略図である。
【図３】脱窒素ゾーンを含む、図２に示されたシステムと同様のシステムの第２の実施形態の概略図である。
【図４】生物学的反応器タンクの一部分でのみ吸着性物質が懸濁状態に維持されている別の実施形態の概略図である。
【図５】無酸素ゾーンを含む複数のセクションに分けられた生物学的反応器のさらなる実施形態の概略図である。
【図６】一連の生物学的反応器を使用するさらなる実施形態の概略図であり、生物学的反応器のうちの１つのみにおいて吸着性物質が懸濁状態に維持されている。
【図７】混合液中に吸着性物質を懸濁させるためのジェット懸濁システムを示す、生物学的反応器システムの実施形態である。
【図８】混合液中に吸着性物質を懸濁させるためのジェット懸濁システムを示す、生物学的反応器システムの実施形態である。
【図９】混合液中に吸着性物質を懸濁させるためのジェット懸濁システムを示す、生物学的反応器システムの代替実施形態であり、ソースから取られた混合液は、吸着性物質が除去されている。
【図１０】混合液中に吸着性物質を懸濁させるためのジェット懸濁システムを示す、生物学的反応器システムの代替実施形態であり、ソースから取られた混合液は、吸着性物質が除去されている。
【図１１】吸着性物質がジェットノズルを通って循環されない、混合液中に吸着性物質を懸濁させるためのジェット懸濁システムを示す代替実施形態である。
【図１２】吸着性物質を懸濁状態に維持するために循環を行うためのガスリフト懸濁システムを示す、生物学的反応器のさらなる実施形態である。
【図１３Ａ】沈殿ゾーンを示すさらなる実施形態である。
【図１３Ｂ】沈殿ゾーンを示すさらなる実施形態である。
【図１４】膜生物学的反応器システム中の生物学的環境順化の様々な段階における、供給ＣＯＤ濃度（ミリグラムグラム／リットル）と残留排出物ＣＯＤ濃度（オリジナルに対する百分率）とを示すチャートである。
【図１５】ジェット懸濁システムの使用を実証する例で使用されるタイプのジェットノズルの一実施形態の概略図である。
【図１６】本明細書の別の例で使用されるシステム構成の概略図である。
【図１７】図１６のシステムを使用する様々な検査条件下で決定されるある特定のノズルスロート速度および液体流量での吸着性物質の懸濁を示すチャートである。
【図１８】図１６のシステム構成で採用される生物学的反応器の実施形態の上面図および断面図である。
【図１９】図１６のシステム構成で採用される生物学的反応器の実施形態の上面図および断面図である。
【図２０】ガスリフト懸濁システムを使用する本明細書の別の例における、様々なタイプの吸着性物質の動作時間と相関関係にある摩耗を示すチャートである。
【図２１】ガスリフト懸濁システムを使用する生物学的反応器の一実施形態の上面図および断面図である。
【図２２】図２１のガスリフト懸濁システムを使用するフローパターンの概略図である。
【図２３】ガスリフト懸濁システムの他の構成を使用する生物学的反応器の一実施形態の上面図および断面図である。
【図２４】ガスリフト懸濁システムの様々な構成を使用する生物学的反応器の実施形態の上面図、側断面図および端断面図である。
【図２５】ガスリフト懸濁システムの様々な構成を使用する生物学的反応器の実施形態の上面図、側断面図および端断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書で使用される場合、「生物学的抵抗性化合物」は、微生物と接触したときに生物学的に分解することが難しい種類の、廃水中の化学的酸素要求量（「ＣＯＤ」）化合物（有機および／または無機）を指す。「生物学的抵抗性化合物」は、穏やかな抵抗性をもつものから高い抵抗性をもつものまで、様々な程度の抵抗性を有し得る。
【００２１】
「生物学的阻害性化合物」は、生分解プロセスを阻害するような、廃水中の化合物（有機および／または無機）を指す。
【００２２】
「生物学的不安定」とは、人間および動物の排泄物、食品廃棄物などの分解が容易な単純有機物、ならびにアンモニア系化合物およびリン系化合物などの無機物を意味する。
【００２３】
「ＣＯＤ」または「化学的酸素要求量」は、有機物の酸化（分解）、ならびにアンモニアおよび亜硝酸塩などの無機化学物質の酸化を引き起こす化学反応中に、酸素を消費する水の能力の測度を指す。ＣＯＤ測度は、生物学的不安定化合物、生物学的阻害性化合物、および生物学的抵抗性化合物を含む。
【００２４】
「混合液浮遊物質」または「ＭＬＳＳ」とは、処理される廃水中に存在する、溶解した微生物または他の物質と懸濁した微生物または他の物質の両方を意味する。「混合液有機性浮遊物質」または「ＭＬＶＳＳ」とは、ＭＬＳＳ中の活性微生物を意味し、「混合液」とは、廃水とＭＬＳＳとの混合物を意味する。
【００２５】
本明細書で使用される「吸着材」または「吸着性物質」とは、粒状活性炭（処理すべき廃水中に存在することが分かっているあらかじめ規定された化学種、金属または他の化合物に対する親和性を提供するように処理された粒状活性炭を含む）、粒状鉄系化合物（たとえば、酸化鉄複合材料）、合成樹脂、および粒状アルミノケイ酸複合材料のうちの１つまたは複数を意味する。
【００２６】
システムの１つのセクションから別のセクションに、たとえば、懸濁した吸着性物質を含む生物学的反応器から膜操作システムに流れる排出物中の吸着性物質の存在について記載しているコンテキストにおける「実質的にない」または「実質的に防止される」とは、膜操作システムに流れる吸着性物質の量を、その中での膜ろ過プロセスの必要な有効性に悪影響を与えない量に制限することを指す。たとえば、ある特定の実施形態では、「実質的にない」または「実質的に防止される」とは、生物学的反応器あるいは１つまたは複数の生物学的反応ゾーン内の所与のシステム中で使用すべき吸着性物質のあらかじめ規定された量の少なくとも体積の約８０％を、さらなる実施形態では少なくとも体積の約９０％を、さらに別の実施形態では少なくとも体積の約９５％を、さらに別の実施形態では少なくとも体積の約９９％を保持することを指す。ただし、当業者には、本明細書の教示に基づいて、これらの割合が単に例示的ものにすぎず、ファクタに応じて変動することができ、ファクタは、使用される（１つまたは複数の）膜のタイプ、それらの耐摩耗性、必要とされる排出水質、所与のシステム中で使用すべき吸着性物質のあらかじめ規定された量、および他のファクタを含むが、それらに限定されるものではないことを理解されたい。
【００２７】
本発明は、廃水処理システムおよび方法を対象とする。本明細書で使用される「廃水」とは、生物分解性材料、無機物、バクテリアによって分解できる不安定有機化合物、生物学的抵抗性化合物、および／または生物学的阻害性化合物で汚染され、廃水処理システム中に流れ込む、地表水、地下水、ならびに産業排水源、農業排水源、および水道排水源からの廃水流などのあらゆる水を規定する。
【００２８】
産業排水源および水道排水源からの廃水は、一般に、生物学的固形物と、生物学的阻害性および抵抗性の有機物を含む不活性材料および有機物とを含む。生物学的阻害性および抵抗性の有機物の例には、高分子電解質処理化学物質などの合成有機化学物質が含まれる。他の生物学的阻害性および抵抗性の有機物は、ポリ塩化ビフェニル類、多環芳香族炭化水素類、ポリ塩化ジベンゾ−ｐ−ジオキシン、およびポリ塩素化ジベンゾフラン類を含む。環境ホルモン化合物も、有機体中のホルモンシステムに影響を及ぼすことがあり、環境中で発見される生物学的阻害性および抵抗性の有機物のクラスである。環境ホルモン化合物の例には、油を除去するために使用されるノニルフェノールなどのアルキルフェノール類、ならびに１７−ｂ−エストラジオール、エストロン、テストステロン、エチニルエストラジオールなどの天然ホルモンおよび避妊薬中に見られる合成ステロイドが含まれる。
【００２９】
処理すべき廃水の他の例には、高強度廃水、低強度廃水、および埋立地からの浸出水が含まれる。また、廃水を処理してウィルスを除去することができる。廃水中の汚染の他の例として、難燃剤、溶剤、安定剤、ポリ塩化ビフェニル類（ＰＣＢ）、ダイオキシン、フラン類；多核芳香族（ＰＮＡ）、医薬品、石油、石油化学製品、石油化学製品副産物、セルロース、リン、リン化合物および誘導体、ならびに化学肥料、殺虫剤、および除草剤から抽出される、またはそれらを作製するために使用されるような農薬が含まれる。
【００３０】
また、産業排水源および水道排水源からの廃水は、水処理プロセス中に生じ、後で除去するのが難しい微量成分化合物を含有し得る。水処理プロセス中に生じる微量成分の例には、特許権が設定されたカチオン樹脂およびアニオン樹脂から放出され得るＮ−ニトロソジメチルアミン（ＮＤＭＡ）などのニトロソアミン類が含まれる。
【００３１】
一般に、廃水処理施設は、湖、河川、および水流などの水域中に安全に放出できるように、水を清浄するために複数の処理ステージを使用する。現在、多くの汚水処理プラントは、機械的手段を使用して大きな物体を除去する予備処理フェーズ（たとえば、バースクリーン）と、砂、粗砂、および石が沈殿する砂または粗砂チャネルを含む。また、いくつかの処理システムは、スキミングのためにある特定の脂肪、グリース、および油を表面に浮かせ、より重い固形物を底に沈殿させ、その後、その固形物を好気性または嫌気性ダイジェスタ内で処理して、バイオマスを分解し、生物学的固形物のレベルを低減する予備ステージを含む。
【００３２】
予備処理および／または１次処理後、２次生物学的活性汚泥処理フェーズに廃水を送る。廃水の生物学的処理は広く実用化されている。廃水は、一般に、廃棄活性汚泥とともに処理され、生物学的固形物には、処理タンク内のバクテリアが作用する。活性汚泥プロセスは好気性生物学的処理を含み、好気性生物学的処理は、一般に、曝気タンクに続いて除濁／沈殿タンクにおいて行われる。適切な混合液浮遊物質濃度を維持するために、沈殿した汚泥を曝気タンクに再び循環させて、汚染物質を分解する。過剰なバイオソリッド、たとえば、汚泥の廃棄のために利用できるいくつかの代替例には、焼却、埋立地における廃棄、または毒性成分がない場合には肥料としての使用が含まれるが、それらに限定されるものではない。
【００３３】
曝気タンクにおいて、空気または純酸素などの酸素含有ガスを混合液に加える。一般に、空気からの酸素は、廃水フィード内に溶解している有機化合物、またはその中に懸濁している有機化合物を生物学的に酸化するために、バクテリアによって使用される。生物学的酸化は、一般に、有機汚染物質、ならびにアンモニアおよびリン化合物などのいくつかの無機化合物を廃水から除去するために利用できる最も低コストの酸化方法であり、生物学的に処理可能な有機化合物で汚染された廃水のための最も広く使用されている処理システムである。バイオ分解に対して全体的に耐性のある化合物、生物学的阻害性化合物、および／または生物学的抵抗性化合物を含有する廃水は、従来の単純な生物学的廃水処理システムでは適切に処理することができない。これらの化合物には、処理タンク内における水理学滞留時間中のみ、バクテリアが作用し得る。水理学滞留時間は、一般に、十分な生物学的阻害性化合物および／または生物学的抵抗性化合物の生物学的酸化には不十分であるので、これらの難分解化合物のうちの一部は処理または破壊することができず、排出物または過剰な残留汚泥のいずれかの排出の前には、変化しないまたは部分的にのみ処理されて処理システムを通過することができる傾向がある。
【００３４】
曝気タンクから排出された混合液は、一般に、除濁／沈殿タンクに入り、そこで、凝縮された混合液浮遊物質を含む汚泥は、重力によって沈殿する。過剰なバイオマスは、離れた廃棄場所に廃棄、すなわち、排出される。ただし、廃水および経済的な必要性に基づいて、いくつかの生物学的酸化システムは、異なる処理方法を使用して排出廃水から固形物を取り除く。除濁／沈殿タンクは、膜操作システムと置換することができ、あるいは溶解／誘導空気浮揚デバイスなどのその他のユニット操作を使用してもよい。除濁／沈殿タンク、オペレーティングシステム、または溶解空気浮揚デバイスから排出された液体は、排出されるか、または排出される前にさらなる処理を施されるかのいずれかである。混合液から除去される固形物は、さらなる処理のために、およびシステム中のバクテリアを適切な濃度に保つために、循環活性汚泥として曝気タンクに戻される。この戻された活性汚泥のなんらかの部分は、混合液中のバクテリアの濃度を制御するために、このリサイクルラインから周期的に除去される。
【００３５】
従来の産業生物学的廃水処理プラント技術における１つの最近の進歩は、混合液に粉末活性炭微粒子を加えることを含む。粉末活性炭を利用する生物学的処理システムにおいて、有機物は、活性炭上に吸着され、汚泥滞留時間と同様の水理学滞留時間の間、処理タンクにとどまり、したがって、ある特定の生物学的阻害性または生物学的抵抗性の化合物の除去を向上させる結果となる吸着処理と生物学的処理の両方を施すことができる。これらのプロセスでは、ある特定の有機化合物および無機化合物は、粉末活性炭微粒子の表面に物理的に吸着される。
【００３６】
粉末活性炭は、生物学的阻害性および生物学的抵抗性の化合物を吸着し、それにより、これらの汚染物質の濃度が低下した排出物を提供することができるので、従来の生物学的処理プラントで使用されてきた。混合液に粉末活性炭を含むことにより、多くの操作上の利点が提供される。カーボンは、汚染物質のさらなる除去、およびアップセット状態に対する許容度の向上を含む、懸濁媒体生物学的処理システムの利点を提供する。さらに、カーボンにより、生物学的阻害性および生物学的抵抗性の化合物をカーボンの表面に吸着し、従来の生物学的処理システムよりも著しく長い周期の間、生物に曝すことがきるようになり、それにより、固定フィルムシステムと同様の利点を提供することができるようになる。また、カーボンにより、生物学的阻害性有機材を分解する能力がさらに高いバクテリアの特定の菌株が発生できるようになる。カーボンが、循環活性汚泥とともに、曝気タンクに継続的に循環するという事実、すなわち、汚泥滞留時間は、バクテリアが生物学的処理システムの水理学滞留時間よりも長い時間周期の間、カーボンの表面に吸着された生物学的阻害性有機化合物を分解するように作用することができることを意味する。また、このプロセスの結果、カーボンが生物学的に再生され、カーボンは、単純な充填床カーボンろ過システム中で除去することができる量に比べて非常に多くの生物学的阻害性および生物学的抵抗性の化合物を除去することができるようになる。単純な充填床カーボンろ過システムはまた、カーボンの吸着力が衰弱すると、頻繁に交換が必要となったり、カーボンの物理的再生に費用がかかったりすることになる。また、混合液中のカーボンは、ある特定の化合物を吸着し、したがって、従来の生物学的酸化によって処理できない、あるいはバイオ分解に対して全体として耐性がある化合物がない、あるいはそのような化合物の濃度が著しく低い排出物を提供することができる。既知の粉末活性炭システムの１つの例は、商標「ＰＡＣＴ（登録商標）」としてＳｉｅｍｅｎｓ  Ｗａｔｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓにより提供されている。
【００３７】
しかしながら、有機化合物および無機化合物中の生物学的成長も吸着も、粉末形態の活性炭で生じるので、過剰な固形物の廃棄が必要である。さらに、粉末活性炭は、バイオソリッドの除去とともに処理プロセスから排出され、したがって、継続的に交換しなければならない。
【００３８】
汚水はますます、膜生物学的反応器技術を使用して処理されており、それにより、排出物品質が改善され、物理フットプリントを小さくし（単位面積当たり、より多くの廃水を処理することができる）、アップセット状態に対する許容度が高まり、処理が難しい廃水を処理する能力が高まり、様々な他の操作上の利点が提供される。たとえば、高い全溶解固形物を含有する廃水は、従来の除濁／沈殿タンクにおける沈殿問題を経験することがあり、溶解空気浮揚デバイスなどの非常に操作が難しい固形物分離デバイス、または何らかの他の固形物除去システムを必要とする。しかしながら、膜生物学的反応器は、除濁／沈殿タンクシステムによりもたらされる沈殿問題はなくすが、除濁装置を使用する従来のシステムにおいて生じない膜汚染および起泡の問題をしばしば提示する。膜汚染は、混合液浮遊物質中の生物学的生命体の分解、油などの有機物の蓄積、または無機材によるスケーリングにより生じる細胞外高分子化合物によって起こり得る。
【００３９】
さらに、現時点では、粉末活性炭添加を伴う膜生物学的反応器は商業的に利用されていない。ろ過に膜を利用する地表水処理システム中において、粉末活性炭がいくらか使用されてきた。しかしながら、膜および粉末活性炭を使用するこれらの地表水処理システムには、カーボンが膜を摩耗する、カーボンが膜を永続的に詰める、および／または汚染するという問題があることが報告されている。
【００４０】
排出または再利用の前に処理されなければならない産業廃水は、しばしば、乳化炭化水素を含有し得る油性廃水を含む。油性廃水は、鋼およびアルミニウム産業、化学処理産業、自動車産業、洗濯業、ならびに原油生産および石油精製産業を含むさまざまな産業に由来し得る。上述のように、一定量の非乳化油および他の炭化水素は、浮遊する油を上部からすくい取る１次処理プロセスにおいて除去することができる。しかしなら、生物学的な２次廃水プロセスは、一般に、一部の遊離油であり、概して溶解し乳化した油が存在した廃水から、残留油を取り除くために採用される。１次処理後に残留している典型的な炭化水素は、潤滑油、切削油、タール、グリース、原油、ディーゼル油、ガソリン、灯油、ジェット燃料などを含み得る。これらの炭化水素は、一般に、水を環境中に排出する、または水を産業プロセスにおいて再利用する前に除去されなければならない。政府規則および環境配慮に加えて、残留する炭化水素の効率的な除去はまた、適切に処理された廃水を多くの産業プロセスで利用することができ、原水処理コストをなくし、規則上の排出懸念を低減することができるので有効である。
【００４１】
処理されるべき他のタイプの廃水には、医薬品、様々な物品、農業用製品（たとえば、化学肥料、殺虫剤、除草剤）の製造、および紙加工などの他の産業プロセスからの汚染された処理水、ならびに医療廃水が含まれる。
【００４２】
油性／産業廃水の処理における膜生物学的反応器の商業的な展開は、膜の油および化学的汚染と関連する保守問題を主な理由にして、発展に非常に時間がかかった。混合液に粉末活性炭が加えられた膜生物学的反応器内で処理された産業／油性廃水の試験は、粉末活性炭を含む従来の生物学的廃水処理システムで観察されるものと同じ処理利点を示した。また、膜生物学的反応器を使用する利点も達成されることを留意されたい。しかしながら、粉末活性炭を加えた膜生物学的反応器と粉末活性炭を加えていない膜生物学的反応器を並べて比較すると、粉末活性炭が含まれる膜生物学的反応器は、活性炭が含まれていない膜生物学的反応器と比較して処理利点があることが実証される。さらに、カーボンが添加されていない膜生物学的反応器は、溶解された有機物および細胞外高分子化合物が膜を汚染するので、操作が大変難しかった。さらに、試験により、粉末活性炭の添加により、非常に実用的な生物学的廃水処理システムが提供されるが、カーボンは、相当な量の膜の摩耗および不可逆汚染という悪影響を有することが実証された。この摩耗および不可逆汚染は著しいので、膜の推定寿命が著しく短くなり、膜の清浄が頻繁になるので、このシステムが操作に非常にコストがかかる結果となるには十分である。
【００４３】
本発明のシステムおよび方法は、同じまたはさらなる利点を提供しつつ、粉末活性炭を使用することの悪影響を克服する。
【００４４】
図１を参照すると、膜操作システム１０４の上流にある生物学的反応器システム１０２を含む廃水処理システム１００が概略的に示されている。ある特定の実施形態では、生物学的反応器システム１０２は、単一の生物学的反応器容器を含む。さらなる実施形態では、生物学的反応器システム１０２は、複数の生物学的反応器容器と、別々のセクションに分けられた１つの生物学的反応器容器、または、一部または全部が別々のセクションに分けられた複数の生物学的反応器容器を含む。個々の反応器容器または分離されたセクションは、本明細書では、生物学的反応ゾーンとまとめて呼ばれる。本発明による廃水処理操作中、微生物を伴う吸着性物質は、生物学的反応ゾーンのすべて、または生物学的反応ゾーンの総数のサブセット中で懸濁状態に維持される。膜操作システム１０４は、本明細書に記載される分離サブシステムのうちの１つまたは複数を使用して、吸着性物質が実質的にない状態に維持される。流入廃水流１０６は、１次処理システム、予備スクリーニングシステムから、あるいは、あらかじめ処理されていない廃水の直接流として導入され得る。さらなる実施形態では、流入廃水流１０６は、あらかじめ処理された廃水、たとえば、１つまたは複数の上流にある生物学的反応器からの排出物であり得、これらの反応器には、好気性生物学的反応器、嫌気性生物学的反応器、連続流反応器、逐次バッチ反応器、あるいは、有機物およびある特定の実施形態では無機化合物を生物学的に分解することができる任意の数の他のタイプの生物学的処理システムが含まれるが、それらの処理システムに限定されるものではない。
【００４５】
（１つまたは複数の）生物学的反応器および／またはある特定の生物学的反応器ゾーンは、好気性生物学的反応器、嫌気性生物学的反応器、連続流反応器、逐次バッチ反応器，散水ろ過機、あるいは、有機物およびある特定の実施形態では無機化合物を生物学的に分解することができる任意の数の他のタイプの生物学的処理システムを含むが様々なタイプの生物学的反応器であり得るが、それらの処理システムに限定されるものではない。
【００４６】
さらに、本明細書で使用される（１つまたは複数の）生物学的反応器および／またはある特定の生物学的反応器ゾーンは、懸濁システムと連携して吸着性物質を懸濁させるのに好適な任意のサイズまたは形状のものとすることができる。たとえば、容器は、円形、楕円形、正方形、長方形または任意の不規則形状など、任意の形状の断面領域を有してもよい。いくつかの実施形態では、反応器容器は、吸着性物質の好適な懸濁を促進するために構築または変形させてもよい。
【００４７】
図２に、生物学的不安定、生物学的抵抗性、生物学的阻害性、ならびに／あるいは生物学的分解に対して全体的に耐性のある有機化合物および無機化合物の濃度が低減された処理済み排出物を生成するための廃水処理システム２００のプロセスフローを概略的に示す。システム２００は、一般に、生物学的反応器２０２と、膜操作システム２０４とを含む。生物学的反応器２０２は、廃水を受けるための入口２０６と、混合液有機性浮遊物質および／または混合液を含む生物学的処理済みの排出物を膜操作システム２０４に排出するための出口２０８とを含む。
【００４８】
生物学的反応器２０２は、分散した大量の孔２３６のある吸着性物質２３４と、有効量の１つまたは複数の微生物２３８とを含み、それらは両方とも、混合液中の生物学的不安定ならびにある特定の生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の化合物に対して作用するために、吸着性物質に吸着され、自由に浮遊し、混合液中で吸着性物質から分離している。吸着性粒子または微粒子の外側表面と孔２３６の壁面とを含む吸着性物質の吸着部位は、最初に、生物学的不安定、生物学的抵抗性、生物学的阻害性、ならびに／あるいは生物学的分解に全体として耐性がある有機化合物および無機化合物の吸着部位として機能する。さらに、吸着性物質の吸着部位上で、微生物２３８を吸着することができる。これにより、ある特定の生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の化合物が、吸着性物質上に、延長された時間期間の間保持され、生物学的反応器中で分離され、あるいは保持されるという事実に起因して、比例して水力学的滞留時間および汚泥滞留時間を長くすることを必要とせずに、これらのある特定の生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の化合物のより高い分解レベルが可能になる。
【００４９】
一般的には、生物学的不安定化合物およびある特定の無機物は、吸着性物質に吸着されない微生物、すなわち、混合液中の浮動性微生物によって比較的迅速に、優先的に分解されることになる。生物学的分解に全体的に耐性がある有機物および無機物、ならびに非常に抵抗性である生物学的抵抗性および生物学的阻害性の化合物を含むある特定の成分は、吸着性物質上に吸着されて保持され、あるいは吸着され、および／または（１つまたは複数の）反応器中の浮動性生物学的物質によって吸着されることがある。最終的には、これら非分解性化合物は、排出物を許容可能なレベルの吸着能力に維持するために吸着材の交換が必要となる時点まで、吸着材上に凝集する。吸着性物質が本発明によるシステム中に維持される間、微生物は成長し、一般に、吸着性物質上に凝集した、特定の流入廃水のうちの少なくともある特定の生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の化合物を分解するのに十分に長く吸着性物質上に保持される。さらに、理論にしばられることを意図するものではないが、微生物は、最終的には、特定の流入廃水中の処理が難しい化合物を分解するのに必要な具体的環境順化により成長した株に成長すると考えられている。さらに時間がたつと、たとえば、数日間から数週間たつと、その間ある特定の生物学的抵抗性、および／または生物学的阻害性化合物を有する吸着性物質がシステム中に維持され、高い度合いの特異性を有する微生物は、第２世代、第３世代、およびさらに後の世代になり、それにより、システムが環境順化するにつれて、特定の流入廃水中に存在する特定の生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の化合物のうちの少なくともいくつかを生物学的分解するための有効性が高まる。これは、図１４にも示された残留ＣＯＤの段階的変化によって示され、図中に、吸着性物質が添加される、膜生物学的反応器システムの環境順化の様々な段階、すなわち、吸着性物質が添加される前の段階Ａ、環境順化期間中の段階Ｂ、および環境順化後の段階Ｃにおける、生物学的抵抗性および生物学的阻害性の化合物の供給濃度（ｍｇ／ｌ）と残留している排出物の濃度（オリジナルに対する百分率）とのプロットを示す。
【００５０】
様々な流入廃水は、生物学的反応器２０２中で生じる、生物学に有益なある特定の栄養素が不足していることがある。さらに、ある特定の流入廃水は、過剰に酸性または腐食性であるｐＨレベルを有することがある。したがって、当業者には明らかなように、反応器２０２における、生物学的寿命と生物学的酸化を含む関連するアクティビティのための最適な栄養素比およびｐＨレベルを維持するために、リン、窒素、およびｐＨ調整材料もしくは化学物質を加えることができる。
【００５１】
生物学的反応器２０２からの排出物は、分離サブシステム２２２を介して、膜操作システム２０４の入口２１０に導入される。この輸送された混合液は、生物学的反応器２０２中で処理済みであり、吸着性物質が実質的にない。膜操作システム２０４において、廃水は、１つまたは複数の精密ろ過膜または限外ろ過膜を通過し、それにより、浄化および／または３次ろ過の必要性がなくなる、または最小限に抑えられる。膜透過物、すなわち、膜２４０を通過する液体は、膜操作システム２０４から、出口２１２を介して排出される。膜残留物、すなわち、活性汚泥を含む、生物学的反応器２０２から排出された固形物は、循環活性汚泥ライン２１４を介して、生物学的反応器２０２に戻される。
【００５２】
生物学的反応器２０２からの使用済み吸着性物質、たとえば、バイオ分解に対して全体的に耐性のある特定の化合物、生物学的抵抗性化合物、および生物学的阻害性化合物などの汚染物質を吸着する際にもはや有効でない粒状活性炭は、生物学的反応器２０２の混合液廃棄物排出ポート２１６を介して除去され得る。また、廃水出口２１８を循環パイプ２１４に接続して、たとえば、混合液および／または培地の濃度を制御するために、廃棄すべき循環活性汚泥のうちの一部または全部を進路変更することができる。汚泥は、混合液固形物濃度が、特定の膜生物学的反応器システムの動作を妨げるほど高いポイントまで増加したときに、廃棄活性汚泥とともに装置から排出される。さらに、廃棄活性汚泥とともに循環活性汚泥ラインからではなく、混合液廃棄物排出ポート２１６を使用して吸着性物質の一部分を取り除き、それにより、生物学的抵抗性化合物、生物学的阻害性化合物、ならびに／あるいは生物学的分解に全体的に耐性のある有機化合物または無機化合物の何らかの部分を取り除くことでき、その結果、排出物中のこれらの生物学的抵抗性化合物、生物学的阻害性化合物、ならびに／あるいは生物学的分解に全体的に耐性のある有機化合物および無機化合物の濃度がより低くなり、膜生物学的反応器中のバイオマスがより安定化する。等価量の新しいまたは再生された吸着性物質を加えることができる。
【００５３】
生物学的反応器２０２の入口２０６の上流に予備スクリーニングおよび／または分離システム２２０を設けることができる。この予備スクリーニングおよび／または分離システムは、溶解気泡分離システム、粗スクリーン、あるいはこれらの処理デバイスおよび／または当技術分野で知られるタイプの懸濁物質を分離するための他の予備処理デバイスの組合せを含むことができる。任意選択で、予備スクリーニングおよび／または分離システム２２０をなくすことができ、あるいは処理される具体的な廃水に応じて他のタイプの予備処理デバイスを含んでもよい。
【００５４】
吸着性物質２３４のうちの少なくとも大部分が、膜操作システム２０４に入り、望ましくない摩耗を引き起こす、および／または膜２４０を汚すことを防止するために、分離サブシステム２２２を設ける。図２に示されるように分離サブシステム２２２は、生物学的反応器２０２の出口の近位に配置される。しかしながら、ある特定の実施形態では、生物学的反応器２０２の下流にある別個の容器中に分離サブシステム２２２を配置することができる。いずれの場合でも、分離サブシステム２２２は、膜操作システム２０４中で吸着材２３４の少なくとも大部分と膜２４０とが接触しないようにするための好適な装置および／または構造を含む。分離サブシステム２２２は、スクリーニング装置、沈殿ゾーン、および／または他の好適な分離装置のうちの１つまたは複数を備えることができる。
【００５５】
本発明のある特定の実施形態で使用するための好適なタイプのスクリーンまたはスクリーニング装置は、円筒構造または平坦な構造で、その間に垂直方向、水平方向、または任意の角度を含む様々な角度で配置されたウェッジワイヤスクリーン、金属製またはプラスチック製の開口付きプレート、あるいは織布繊維を含む。さらなる実施形態では、回転ドラムスクリーン、振動スクリーン、またはその他の運動スクリーニング装置など、アクティブなスクリーニング装置を採用することができる。一般に、分離サブシステム２２２がスクリーニング装置であるシステムの場合、メッシュサイズは、使用される吸着性物質の有効な粒子または微粒子サイズの下限よりも小さい。
【００５６】
また、分離サブシステムにおいて、スクリーニング装置の代わりに、またはそれと組み合わせて他のタイプの分離サブシステムを使用することができる。たとえば、以下にさらに記載するように、吸着性物質が重力によって沈殿する沈殿ゾーンを設けることができる。
【００５７】
代替実施形態では、または、前述の実施形態と組み合わせて、分離サブシステムは、遠心分離システム（たとえば、ハイドロサイクロン、遠心分離機など）、曝気沈砂池、（誘導式気体浮揚または溶解気体などの）浮揚システム、あるいは他の既知の装置を含むことができる。
【００５８】
任意選択で、または生物学的反応器２０２の出口の近位にある分離サブシステム２２２と組み合わせて、生物学的反応器２０２と膜操作システム２０４との間に分離サブシステムを設けることができる（図示せず）。この代替形態または追加の分離サブシステムは、分離サブシステム２２２とタイプおよび／または寸法が同じでも、異なっていてもよい。たとえば、ある特定の実施形態では、沈殿ゾーン、クラリファイア、ハイドロサイクロン分離機、遠心分離機、またはこれらの組合せを、生物学的反応器２０２と膜操作システム２０４との間に固有のユニット操作として設けてもよい。
【００５９】
分離サブシステム２２２は、元の寸法の吸着性物質が膜操作システムへと通過しないようにするためには非常に効果的であることを留意されたい。ある特定の好ましい実施形態では、分離サブシステム２２２は、吸着性物質２３４の実質的に全部が膜操作システム２０４へと通過することを防止する。しかしながら、システム２００の動作中、粒子間衝突、せん断、循環、または固定されたもしくは動いている機器内の粒子の衝突を含む、吸着性物質の摩耗の様々な原因により、分離サブシステム２２２を用いて効果的に保持されるには小さすぎる微粒子が生成され得る。膜に対する障害と、廃棄に対する吸着性物質の損失を最小限に抑えるために、ある特定の実施形態は、元の寸法の約７０パーセントから約８０パーセント以内の吸着性物質２３４の実質的に全部が通過することを防止することができる分離サブシステム２２２を含む。元の寸法の許容可能な減少率は、たとえば、経済的評価に基づいて、当業者によって決定され得る。寸法を縮小した結果、スクリーニングシステムを通過する微粒子が増加する場合、膜はさらなる摩耗にさらされる。したがって、破損を最小限に抑える吸着性物質に関連するコスト、ならびに元の吸着性物質粒子または微粒子よりもはるかに小さい微粒子の通過を防止することができる分離サブシステムに関連する操作および運転コストと比較して、摩耗と膜の偶発的な交換とのコストに基づいて、吸着性物質の許容可能な減少率は何であるかを決定するために、費用便益分析を使用することができる。さらに、ある特定の実施形態では、吸着性物質の外側表面から過剰なバイオマスを滑落させる、何らかの程度の粒子間衝突、あるいは固定されたまたは動いている機器内の粒子の衝突が望ましい。
【００６０】
生物学的反応器２０２から排出されたスクリーニングされたまたは分離された混合液を、（特定のシステムの設計に応じて）膜操作システム２０４中にポンプ圧送または重力によって流すことができる。外部の分離サブシステム（図示せず）を使用するシステムでは、外部の微細スクリーニングまたは分離機サブシステムを通過する混合液から分離された吸着性物質が重力によって落ちて、生物学的反応器２０２に戻るように装置を構成するのが好ましい。
【００６１】
システム２００中の様々なポイントにおいて、たとえば、吸着性物質源２２９から廃水に、たとえば、吸着性物質のスラリーを形成するために好適に事前湿潤された粒状活性炭などの吸着性物質を加えることができる。図２に示されるように、１つまたは複数の場所２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、および／または２３０ｄにおいて、吸着性物質を導入することができる。たとえば、予備スクリーニングシステム２２０の下流にある供給流に吸着性物質を加えることができる（たとえば、場所２３０ａ）。任意選択で、または組み合わせて、吸着性物質を生物学的反応器２０２に直接加えることができる（すなわち、場所２３０ｂ）。ある特定の実施形態では、循環活性汚泥ライン２１４を介して吸着性物質を導入することができる（たとえば、場所２３０ｃ）。さらなる実施形態では、吸着性物質を予備スクリーニングシステム２２０の上流で加えることが望ましいことがあり（たとえば、場所２３０ｄ）、予備スクリーニングシステム２２０は、吸着性物質が生物学的反応器２０２を通過できるようにする、または生物学的反応器２０２中に流れることができるようにするスクリーニングを含むことによってこの適用例のために特に設計される。混合液は分離サブシステム２２２を通過し、吸着性物質は、混合液浮遊物質とともに膜操作システム２０４中に通過することを実質的に防止される。
【００６２】
吸着性物質が、システムにとどまって、生物学的抵抗性化合物、生物学的阻害性化合物、ならびに／あるいは生物学的分解に対して全体的に耐性のある有機化合物および無機化合物を含む廃水構成成分に露出するので、吸着性物質の一部または全部は、構成成分を処理するための効果がなくなり、すなわち、吸着能力が低下する。この結果、膜操作システム２０４に入るこれらの構成成分の濃度がより高くなり、それらは膜を通過し、膜排出物２１２とともに排出される。さらに、バクテリア、多糖類、および／または細胞外重合物質によるコーティングにより、吸着性物質の効果をなくすことがある。このコーティング層は、孔部位を遮断し、それにより、生物学的抵抗性化合物、生物学的阻害性化合物、ならびに／あるいは生物学的分解に対して全体的に耐性がある有機化合物および無機化合物がアクセスできないようにし、結果として、吸着を妨げ、生物学的分解を阻害するレベルに達することがある。本発明のある特定の実施形態では、混合液に懸濁している吸着性物質粒子間の衝突、あるいは吸着性物質の懸濁および／または運動に関連するせん断力などの、システムにおける１つまたは複数のメカニズムによって生成されたせん断アクションによって、このコーティングを除去することができる。
【００６３】
吸着性物質が、生物学的抵抗性化合物、生物学的阻害性化合物、ならびに／あるいは生物学的分解に対して全体的に耐性がある有機化合物および無機化合物の排出物濃度を低減させるための有効性のすべてまたは一部分が失われたりすると、たとえば、内部に分散した吸着性物質を含有している混合液の一部分を排出することによって、吸着性物質の一部分を廃棄ポート２１６を介して廃棄することができる。
【００６４】
吸着性物質導入装置２２９を介して、ならびに／あるいは１つまたは複数の好適な追加の場所において、追加の新しいまたは再生された吸着性物質を、上述のようにシステムに導入することができる。システム中の吸着性物質とそれに付随するバイオマスの効果がいつ低減したかを判断するために、入口廃水濃度および排出物廃水ＣＯＤ化合物濃度ならびに／あるいは無機化合物濃度を監視することができる。入口ＣＯＤと、入口ＣＯＤ濃度によって除算された排出物ＣＯＤの濃度との差のプロットにより、混合液中の吸着性物質の効果がだんだんと失われていくことがわかる。同じタイプのプロットを使用して、システムの無機物除去能力を監視することができる。供給流から除去されたＣＯＤの量は、廃水フィードから除去される生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の有機化合物の相対量を示すことができる。システムのオペレータは、特定の廃水を処理する経験を積むにつれて、この比率が生物学的反応器中の吸着性物質の一部分を除去し、新しい吸着性物質と交換する必要性がある時点をいつ示すかを判断することできるようになる。たとえば、法的要件に準拠する排出物を生成するために、生物学的抵抗性、生物学的阻害性、および／またはバイオ分解に対して全体として耐性のある化合物に関してシステムの求められる効果が回復される。また、特定の有機化合物および無機化合物の濃度に関する排出物のサンプリングおよび分析を使用して、混合液中の吸着性物質およびそれに付随するバイオマスの有効性がいつ低減したか、ならびにいつ部分的交換を開始すべきかを判断することができる。
【００６５】
本発明による膜生物学的反応器システム２００のオペレータは、特定の有機化合物または無機化合物の排出物濃度が、これらの化合物に関する、施設の許可された排出濃度に近づき始めたときに、吸着性物質の一部を交換し始めることができる。許容された排出濃度は、一般に、たとえば、米国環境保護庁によって規定された国家汚染物質排出除去システム（ＮＰＤＥＳ）許可プログラム、または特定の州または国家における他の同様の規制団体によって決定されるように、施設の許可によって制限される。オペレータは、特定の廃水をもつこのシステムを操作する経験を得るにつれて、吸着性物質の交換を開始すべきときを予期できるようになる。オペレータが、吸着性物質およびそれに付随するバイオマスの効果が汚染物質の必要な排出物濃度を達成することができなくなっていくと判断したとき、ライン２１８からの循環活性汚泥を廃棄することによって実行される、過剰なバイオマスの通常の廃棄を終了することができ、過剰なバイオマスおよびそれに伴う吸着性物質は、廃棄ポート２１６を介して生物学的反応器２０２から廃棄される。廃棄される物質の量は、混合液浮遊物質を特定の膜生物学的反応器システムに関する最適操作範囲内に維持するためにどれだけ必要かによって決定される。吸着性物質の一部分を交換した後、必要な汚染物質除去効果が回復されたかどうかを決定するために、オペレータによって排出物を監視する。操作経験に基づいて、必要に応じてさらなる交換を行うことができる。
【００６６】
いくつかの実施形態では、システムおよび／またはシステムの個々の装置は、所望に応じてシステムを監視し、調整するためのコントローラを含むことができる。コントローラは、所望の動作条件に応じて、システム内のパラメータのいずれかを指示することができ、それらのパラメータは、たとえば、排出物流に関する政府規則に基づき得る。コントローラは、システムまたは個々の装置内に配置されたセンサまたはタイマによって生成された１つまたは複数の信号に基づいて、各ポテンシャル流に関連するバルブ、フィーダ、またはポンプを調節または調整することができる。コントローラはまた、特定の傾向、たとえばあらかじめ規定された時間期間にわたるシステムの特徴または特性の上昇傾向または下降傾向を示す、センサまたはタイマによって生成された１つまたは複数の信号に基づいて各ポテンシャル流に関連するバルブ、フィーダ、またはポンプを調節または調整することができる。たとえば、排出物流中のセンサは、生物学的抵抗性化合物、生物学的阻害性化合物、および／またはバイオ分解に対して全体的に耐性のある化合物などの汚染物質の濃度があらかじめ規定された値または傾向に達したことを示す信号、あるいは、ＣＯＤレベルを示す信号を生成することができ、それにより、センサから上流で、センサから下流で、またはセンサにおいて何らかの行為を実行するようにコントローラをトリガする。この行為は、生物学的反応器から吸着性物質を除去すること、新しいまたは再生された吸着性物質を生物学的反応器に加えること、異なるタイプの吸着性物質を加えること、供給入口またはシステム内の別の装置への入口における廃水の流れを調整すること、システム内の別の装置への供給入口または入口の流れを貯蔵タンクに再配向すること、生物学的反応器内において空気流を調整すること、生物学的反応器または他の装置内における滞留時間を調整すること、ならびに生物学的反応器または他の装置内における温度および／またはｐＨを調節することのうちの任意の１つまたは複数を含むことができる。システム内で実行される任意の１つまたは複数のプロセスの状態または条件の指標または特徴を提供するために、１つまたは複数のセンサを、システムの１つまたは複数の装置またはストリーム内で、またはそれらとともに利用することができる。
【００６７】
本発明の１つまたは複数の実施形態のシステムおよびコントローラは、複数の動作モードを有する多目的ユニットを提供し、それにより、複数の入力に応答して本発明の廃水処理システムの効率を高めることができる。たとえば、汎用コンピュータであり得る１つまたは複数のコンピュータシステムを使用して、コントローラを実装することができる。代替的には、コンピュータシステムは、特別にプログラムされた、専用のハードウェア、たとえば、水処理システムのために意図された特定用途向け集積回路（ＡＩＣ）またはコントローラを含むことができる。
【００６８】
コンピュータシステムは、一般に、たとえば、ディスクドライブメモリ、フラッシュメモリデバイス、ＲＡＭメモリデバイス、またはデータを記憶するための他のデバイスのうちの任意の１つまたは複数を含むことができる１つまたは複数のメモリデバイスに接続された１つまたは複数のプロセッサを含むことができる。メモリは、一般に、システムの動作中、プログラムおよびデータを記憶するために使用される。たとえば、メモリを使用して、時間期間にわたるパラメータに関係する履歴データならびに操作データを保存することができる。本発明の実施形態を実装するプログラミングコードを含むソフトウェアを、コンピュータ可読および／または書込み可能不揮発性記憶媒体に保存し、次いで、一般に、メモリ中にコピーし、そこで、１つまたは複数のプロセッサによって実行することができる。そのようなプログラミングコードは、複数のプログラミング言語のうちのいずれかで、またはそれらを組合せて書き込むことができる。
【００６９】
たとえば、同じデバイス内に組み込まれたコンポーネント間の１つまたは複数のバス、ならびに／あるいは、たとえば、別個の個別デバイス上に常駐するコンポーネント間のネットワークを含むことができる１つまたは複数の相互接続機構によって、コンピュータシステムのコンポーネントを結合することができる。一般に、相互接続機構により、たとえば、システムのコンポーネント間で交換されるべきデータ、命令を通信できるようにする。
【００７０】
コンピュータシステムは、１つまたは複数の入力デバイス、たとえば、キーボード、マウス、トラックボール、マイクロフォン、タッチスクリーン、および他のマンマシンインターフェースデバイス、ならびに１つまたは複数の出力デバイス、たとえば、印刷デバイス、ディスプレイスクリーン、またはスピーカーを含むことができる。さらに、コンピュータシステムは、システムのコンポーネントのうちの１つまたは複数によって形成することができるネットワークに加えて、またはそれに代えて、通信ネットワークにコンピュータシステムを接続することができる１つまたは複数のインターフェースを含むことができる。
【００７１】
本発明の１つまたは複数の実施形態によると、１つまたは複数の入力デバイスは、システムおよび／またはそのコンポーネントの任意の１つまたは複数のパラメータを測定するためのセンサを含むことができる。代替的には、センサ、ポンプ、または計量バルブもしくは容量供給装置を含むシステムの他のコンポーネントのうちの１つまたは複数を、コンピュータシステムに動作可能に結合された通信ネットワークに接続することができる。１つまたは複数の通信ネットワークを介してコンピュータシステムと通信するために、上記のうちの任意の１つまたは複数を、別のコンピュータシステムまたはコンポーネントに結合することができる。そのような構成により、任意のセンサまたは信号生成デバイスは、データ供給を維持しながら、コンピュータシステムからかなり離れた場所に配置できるようになり、ならびに／あるいは任意のセンサを任意のサブシステムおよび／またはコントローラからかなり離れた場所に配置することが可能になる。そのような通信機構は、ワイヤレスプロトコルを利用する技法を含むが、それには限定されない任意の好適な技法を利用することによって影響を受けることがある。
【００７２】
本発明の様々な態様を実施することができるコンピュータシステムの１つのタイプを例としてコンピュータシステムについて記載するが、本発明は、例示されたソフトウェア中で、またはコンピュータシステム上で実装されるように限定されるものではないことを了解されたい。実際には、コントローラ、またはそのコンポーネントもしくはサブセクションは、たとえば、汎用コンピュータシステム上で実装されるのではなく、代替的には、専用のシステムとして、または専用のプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）として、あるいは、分散制御システム中で実装され得る。さらに、本発明の１つまたは複数の特徴または態様は、ソフトウェア、ハードウェア、またはファームウェア、あるいはそれらの任意の組合せ中に実装できることを了解されたい。たとえば、コントローラによって実行可能なアルゴリズムの１つまたは複数のセグメントは別個のコンピュータ中で実装でき、それらのコンピュータは、１つまたは複数のネットワークを介して通信することができる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数のセンサは、システム２００全体の複数の場所に含まれ得、好適なプロセス修正形態をプログラマブルロジック制御膜生物学的反応器システム中で実装するために、手動のオペレータまたは自動制御システムと通信している。１つの実施形態では、システム２００は、任意の好適なプログラムされたまたは専用のコンピュータシステム、ＰＬＣ、あるいは分散制御システムとすることができるコントローラ２０５を含む。ある特定の有機および／または無機化合物の濃度は、点線接続線によって示されるように、コントローラ２０５と排出物ライン２１２との間でも、出口２０８と入口２１０との間にある中間排出物ラインとコントローラ２０５との間でも、操作システム排出物２１２、または生物学的反応器２０２の出口２０８からの排出物で測定することができる。別の実施形態では、揮発性有機化合物の濃度、またはシステムの他の特性もしくは特徴は、入口２０１、２０６または２１０のうちの１つまたは複数において測定することができる。プロセス制御装置の当業者には既知のセンサは、レーザ誘起蛍光に基づくセンサ、あるいは排出物中の有機もしくは無機化合物の濃度、またはシステムの他の特性もしくは特徴を本来の場所でリアルタイムで監視するのに好適な任意の他のセンサを含むことができる。使用することができるセンサは、ＴｒｉＯＳ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｅｎｓｏｒｓ（ドイツ、オルデンブルク）から入手可能なｅｎｖｉｒｏＦｌｕ−ＨＣセンサなどの、検出のためにＵＶ蛍光を使用する水中油測定において使用するための浸漬式センサを含む。センサはレンズを含むことができ、レンズは、コーティングされる、あるいはレンズ上で生じる汚染またはフィルムの量を予防または制限するように処理される。システム中の１つまたは複数のセンサは、１つまたは複数の有機および／または無機化合物の濃度があらかじめ規定された濃度を超えたことを示す信号を発生すると、制御システムは、好適なフィードバックアクションまたはフィードフォワードアクションなどの応答性アクションを実装することができ、これらのアクションには、（コントローラ２０５と廃棄物排出ポート２１６との間の点線接続線によって示されるように）廃棄物排出ポート２１６を介して吸着性物質を除去すること、（コントローラ２０５と吸着性物質導入装置２２９との間の点線接続線によって示されるように）吸着性物質導入装置２２９を介して、または他の場所のうちの１つで新しいまたは再生された吸着性物質を加えること、異なるタイプの吸着性物質を加えること、水力学的滞留時間を修正すること、微生物に関する単純なカーボンフードなどの生物学的特徴を修正すること、あるいはリン、窒素、および／またはｐＨ調節化学物質を加えること、および／または上述のまたは当業者には明らかになるであろう他の修正形態を含まれるが、それらに限定されるものではない。
【００７４】
コントローラ２０５および吸着性物質導入装置２２９のみが図２に関して示されているが、これらの特徴および様々なフィードバックおよびフィードフォワード能力を、本明細書に記載されるシステムのいずれかに組み込むことができることを留意されたい。さらに、コントローラ２０５は、廃水フィードポンプおよび懸濁システム２３２などの他のコンポーネントに電気的に接続することができる。
【００７５】
混合液を曝気処理し、生物学的反応器２０２中の吸着性物質によって処理した後、処理された混合液は分離サブシステム２２２を通過し、吸着性物質が実質的にない膜操作システム２０４に輸送される。分離サブシステム２２２は、吸着性物質が膜操作システム２０４中へ通過を防止する。生物学的反応器２０２中に、あるいは膜操作システム２０４の上流に吸着性物質を維持することによって、本発明の方法およびシステムは、吸着性物質による膜操作システムタンク膜の汚染および／または摩耗の可能性を最小限に抑える、またはなくす。
【００７６】
膜操作システム２０４は、バイオ反応器２１２からの排出物から、膜操作システムタンク２０４中の混合液に含まれるバイオマスおよび任意の他の固形物をフィルタ除去するためのろ過膜２４０を含む。これらの膜２４０は、中空の繊維膜の形態、または当業者には知られるような他の好適な構成とすることができ、一般に、非常に高価であり、それらの耐用寿命を最大にするために、ダメージからそれらを保護することが非常に望ましい。本発明の方法およびシステムでは、分離サブシステム２２２により、膜操作システム２０４中への粒状活性炭、および／または任意の他の固形粒子または微粒子などの吸着性物質の導入が実質的に低減される、またはなくなるので、操作システムタンクの膜の寿命が延長される。
【００７７】
出口２１２は、膜操作システムタンク２０４からフィルタ除去された排出物を輸送する。循環活性汚泥ライン２１４は、循環活性汚泥流を、廃水フィード流の処理でさらに使用するために、膜操作システムタンク２０４から生物学的反応器２０２に輸送する。過剰な汚泥は、従来の膜生物学的反応器システムと同様に、廃棄ライン２１８を使用してシステムから廃棄される。
【００７８】
生物学的反応器２０２が曝気タンクのような好気性反応器であり、微生物が好気性微生物であるシステムでは、空気拡散装置または機械的混合システムを使用して、吸着性物質を懸濁状態に維持することができる。以下にさらに詳述するように、本発明の様々な追加の実施形態は、吸着性物質を懸濁状態に維持するために、代替のまたは補助的な懸濁装置またはシステム２３２を含む。
【００７９】
比較的な大きな粒子の吸着性物質を懸濁状態に維持するには、一般に、吸着性物質を使用しない、つまり粉末活性炭を採用する従来技術のシステムよりも非常に大きなエネルギーが必要とされる。それにもかかわらず、本発明にしたがって吸着性物質の粒子を使用する利点は、汚染物質除去率または除去の度合いを高め、それにより、さらなる下流での処理の必要性を最小限に抑える、または不要にすることを含み、システムを動作させるためのエネルギー消費の増加を補って余りある。
【００８０】
本発明のある特定の実施形態における懸濁システム２３２は、吸着性物質２３４の摩耗を最小限に抑えつつ、吸着性物質２３４を懸濁状態に維持するため、ジェット混合、機械混合、ジェットエアレーション、粗気泡曝気、および他のタイプの機械的懸濁または空気懸濁のうちの１つまたは複数を利用する。
【００８１】
ある特定の実施形態では、吸着性物質２３４が生物学的反応器２０２内にあり、何らかの粒子破壊が生じる、たとえば、吸着性物質２３４の粗表面および／または突起表面の一部が破壊し、粉末、微粉体、針葉、または他のより小さい微粒子となる初期時間期間後、ジェット懸濁システム２３２によって懸濁状態に維持された吸着性物質２３４は安定化し、それにより、さらなる破壊またはサイズの低下は、ほとんど、または全く起こらなくなる。
【００８２】
本発明の追加の実施形態では、システム中に吸着性物質を導入する前に、吸着性物質の破壊しやすい部分を除去することによって吸着性物質を事前調整し、それにより、分離するのが難しく、膜を摩耗させる得る微粉体およびその他の望ましくないより小さい微粒子の生成を最小限に抑えることができる。たとえば、湿潤または乾燥微粒子タンブラーなどの好適な調整装置中で、事前湿潤とともに、または事前湿潤の前に事前調整を行うことができる。
【００８３】
一般に、混合液中の吸着性物質の濃度は、施設の排出要件を満たすように生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の有機化合物または無機化合物の特定の組合せを処理するために、特定のシステムパラメータおよび廃水に基づいて判断される。試験は、（採用される特定の膜生物学的反応器構成に関する通常の範囲内の）典型的な産業混合液浮遊物質濃度、および（総混合液浮遊物質濃度の）約２０％の（粒状活性炭などの）吸着性物質濃度で膜生物学的反応器を動作させることは、使用されるスクリーニングシステム上に汚染問題を生成することなし、廃水フィード中に存在する生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の有機化合物を除去するのに適することを示した。より高い濃度の吸着性物質を加えて、生物学的抵抗性化合物、生物学的阻害性化合物、ならびに／あるいは生物学的分解に対して全体的に耐性のある有機化合物または無機化合物の通常の排出物濃度よりも高くし得るプロセスアップセットに対する安全性マージンをさらに高めることができる。この吸着性物質の追加の結果、スクリーニングおよび／または沈殿要件が増加することを留意されたい。利用でき、さらに求められる排出物品質を達成することができる吸着性物質の最低濃度は、経験に基づく、あるいは特定のシステムおよびプロセスに適していると見なされるプロセスアップセットに対する所望の安全性マージンに基づいて、経験的に判断され得る。
【００８４】
（生物学的抵抗性、生物学的阻害性など）有機材および無機材を吸着するために、ならびに懸濁媒体膜生物学的反応器を提供するために、膜操作システムタンクの上流で吸着性物質を使用する本発明は、さまざまな異なる構成に適用可能である。さらに、生物学的反応器中に吸着性物質を維持するために、様々な分離デバイスを使用することもできる。当業者には、様々なシステムには、廃水の個々の特徴と、施設が設置される領域とに基づいて、異なる経済的利益があることが理解されよう。
【００８５】
最適な処理状態を生成するように制御されるファクタには、サイズ、形状、硬度、比重、沈殿速度、空気流要件、または、混合液中の粒子懸濁に関する、すなわち、粒状活性炭を懸濁媒体として維持するための他の懸濁要件を含む吸着性物質のタイプ、スクリーンバー間隔または開口サイズおよび孔構成、混合液中における吸着性物質の濃度、混合液有機性浮遊物質の濃度、混合液浮遊物質の全濃度、膜操作システムタンクに入る混合液の流量で除算された循環活性汚泥流量の比率、水理学滞留時間および汚泥滞留時間が含まれる。この最適化により、生物学的抵抗性化合物、分解が容易な生物学的酸素要求量化合物（ＢＯＤ５）、生物学的阻害性化合物、生物学的分解に対して全体的に耐性がある有機化合物または無機化合物、ならびに細胞外高分子物質の何らかの部分が、混合液中に懸濁している粒状活性炭などの吸着性物質によって吸着される。
【００８６】
本発明の装置の他の利点は、混合液浮遊物質中の微生物を接着することができるサイトを提供することである。プロセスのこの態様は、アップセット状態に応答してより安定性および耐性が増した混合液有機性浮遊物質流を生成し、同様の水力学的滞留時間および汚泥滞留時間で動作する非粒状活性炭強化膜生物学的反応器と比べて、廃水中に存在する有機物の生物学的分解を強化することができる。吸着性物質のポアスペースの内側の、または表面上の微生物源は、アップストリームプロセスアップセットの結果、混合液中に浮遊している生育可能な微生物の一部が失われた場合、シードバクテリア源として作用する。システムに対して、従来のシステムにおいてある特定のバクテリアを消滅させる可能性がある温度ショックまたは毒性化学物質ショックが与えられた場合、ポアスペース内の、または表面上の微生物の一部は生き残り、したがって、吸着材を含まない従来のシステムと比べて、ほんのわずかな回復時間しか必要ではない。たとえば、バクテリアが中温性であるシステムでは、吸着材は、ポアサイト内の何らかのバクテリアが、温度が上昇したことによる温度ショックを与えられた場合にも生き残ることができるようにすることができる。同様に、バクテリアが高温性であるシステムでは、吸着材は、ポアサイト内の何らかのバクテリアが、温度が低下したことによる温度ショックを与えられた場合にも生き残ることができるようにすることができる。これらの環境のどちらにおいても、培地を再環境順化するために必要な時間を大幅に低減することができる。さらに、微生物群の全部または一部分を消滅させるシステムショックが起こった場合には、吸着性物質が存在することにより、微生物群を調節しつつ、不安定汚染物質、抵抗性線物質、および阻害性汚染物質を吸着することができる連続運転が可能になる。
【００８７】
様々な利点の結果、廃水フィードに対する混合液の環境順化がより迅速になり、膜の汚染が低減され、供給濃度および流量の変動に対する許容度が改善され、取り扱いがより簡単な油分の少ない性質を用いてより迅速に脱水することができる汚泥と、従来の膜生物学的反応器装置から取得できるものよりも低濃度の有機および無機不純物を有する排出物とが生成される。
【００８８】
粉末活性炭の代わりに粒状活性炭などの吸着材を使用することにより、粉末活性炭膜生物学的反応器試験における問題として識別されてきた膜汚染および／または摩耗がなくなる。
【００８９】
粉末活性炭の代わりに粒状活性炭を使用することは、重量ベースで効果的にカーボンを使用するものでないが、本発明のシステムおよび方法は、粒状活性炭が膜操作システムに入ることを実質的に防止し、それにより、膜の摩耗および汚染の可能性が最小限に抑えられる、またはなくなる。しかしながら、粉末活性炭の代わりに粒状活性炭を使用した結果、吸着効率が低下するという影響は、活性炭強化膜生物学的反応器装置全体の効率に大幅な影響を与えるものではない。
【００９０】
試験は、ある特定の生物学的阻害性有機物および／または生物学的抵抗性化合物の除去の主要なメカニズムが、生物学的抵抗性および生物学的阻害性の化合物が粉末活性炭強化装置中で微生物にさらされる滞留時間の増大に関係することを示した。粒状活性炭などの吸着性物質上に吸着された混合液有機性浮遊物質中の微生物は、これらのある特定の生物学的抵抗性および生物学的阻害性の化合物を分解するためにより長い時間期間がかかる。生物学的分解の増大した滞留時間は、膜生物学的反応器排出物中におけるある特定の生物学的抵抗性および生物学的阻害性の化合物の濃度を低減させる主なファクタであることを示し、所望の結果を達成するために、粉末活性炭のより高い吸着効率は必要とされない。
【００９１】
カーボン補助膜生物学的反応器中の粒状活性炭は、生物学的抵抗性化合物、生物学的阻害性化合物、生物学的分解に対して全体的に耐性のある化合物、および細胞外高分子化合物の除去を強化するうえで粉末活性炭強化膜生物学的反応器と同様に、あるいはそれよりも良好に性能を発揮する。また、サイズがより大きいので、（１つまたは複数の）膜操作システムタンクに入る混合液から粒状活性炭を効果的にフィルタ除去、あるいは分離することができる。本発明に従って粒状活性炭を採用することによって、粉末活性炭を使用するときに生じる摩耗をなくす、または大幅に低減することができる。
【００９２】
膜生物学的反応器中における粉末活性炭微粒子の使用により、粒状活性炭システムについて上述した同じ利点のいくつかが実証されるが、膜の耐用寿命を許容できないレベルまで低減する、たとえば、典型的な膜保証よりも大幅に少なくし得るので、（１つまたは複数の）膜操作システムタンク中の粉末活性炭微粒子から観察された膜摩耗は許容できない。膜のコストは、膜生物学的反応器システムの全コストの大部分を占めるので、それらの耐用寿命の延長は、膜操作システムの運用コストにおける重要なファクタである。
【００９３】
図３に、生物学的脱窒素操作を利用する膜生物学的反応器システム３００の代替実施形態を示す。当業者には明らかなように、図２に関して全体的に示される本発明のシステムに、特定の流入廃水によって必要とされる他の特別な生物学的または化学的処理システムを組み込むことができる。図３の実施形態は、図２の実施形態と同様であり、無酸素（低酸素濃度）ゾーン３３１が加えられている。無酸素ゾーンまたは容器を使用するこの実施形態では、メタノールなどの単純な有機カーボン源または廃水自体の生物化学的酸素要求量含有物は、生物学的有機体よって消費される。吸着性物質３３４を含んでいる生物学的反応器３０２と流体連通している無酸素ゾーン３３１中に廃水３０６を導入する。無酸素ゾーン３３１は、ミキサおよび／または曝気デバイス（図示せず）を含むことができる。曝気デバイスが使用されるこの実施形態では、無酸素状態を維持するために溶解酸素濃度が制御される。生物学的反応器３０２からの排出物は、分離サブシステム３２２を介して、膜操作システム３０４の入口３１０に導入される。膜操作システム３０４において、廃水は、１つまたは複数の精密ろ過膜または限外ろ過膜を通過し、それにより、浄化および／または３次ろ過の必要性がなくなる、または最小限になる。膜透過物、すなわち、膜３４０を通過する液体は、膜操作システム３０４から、出口３１２を介して排出される。膜残留物、すなわち、活性汚泥を含む、生物学的反応器３０２から排出された固形物は、循環活性汚泥ライン３１４を介して無酸素ゾーン３３１に戻される。生物学的反応器３０２の混合液廃棄物排出ポート３１６を介して、使用済み吸着性物質を生物学的反応器３０２から除去することができる。また、たとえば、混合液および／または培地の濃度を制御するために、廃水出口３１８を、循環パイプ３１４に接続して、循環活性汚泥の一部または全部を廃棄のために方向転換することができる。また、混合液廃棄物排出ポート３１６を使用して、吸着性物質の一部分を除去することもできる。等価量の新しいまたは再生された吸着性物質を加えることができる。
【００９４】
図２に記載されたシステムと同様に、複数の場所で吸着性物質３３４をシステムに加えることができる。好ましい実施形態では、吸着性物質は場所３３０ｂで加えられ、無酸素ゾーン３３１中に通過することができなくなる。
【００９５】
図４は、図１に示したシステム１００の１つの実施形態である水処理システム４００の概略図である。システム４００において、生物学的反応器４０２は、たとえば、バッフル壁４０３を使用して、複数のセクション４０２ａおよび４０２ｂに分割または区画されている。生物学的反応器４０２の下流に膜操作システム４０４が配置される。
【００９６】
ゾーン４０２ａと４０２ｂとの間の液体フローは、下流方向の流れを提供するように設計される。これは、ゾーン４０２ａと４０２ｂとの間の積極的な分離を維持し、ゾーン４０２ｂ中にのみ吸着性物質４３４を維持するための溢れ堰、潜りオリフィス、および／または様々な分散配管構成を含む構成および／または装置によって達成できるが、それらに限られるものではない。これらの様々な構成は、また、ゾーン４０２ａと４０２ｂの間の流量を制御するように設計することができる。当業者には理解されるので、さらなる特定の構成は図示されていない。
【００９７】
動作中、流入廃水流４０６は、生物学的反応器４０２に、具体的には、生物学的反応器４０２の第１のゾーン４０２ａに導入される。上述のように、当業者には、生物学的寿命と、第１のゾーン４０２ａ中の生物学的酸化を含む関連するアクティビティとについて最適な栄養素比率およびｐＨレベルを維持するために、リン、窒素、ｐＨ調整材または化学物質を加えることができることが明らかになろう。第１のゾーン４０２ａ中の微生物は、混合液浮遊物質の生物学的不安定成分の少なくとも一部分を分解することができる。混合液浮遊物質中の単純なカーボン、すなわち、生物学的不安定化合物は、微生物の食料源として機能する。廃水をゾーン４０２ａで処理して、混合液浮遊物質の生物学的不安定成分の実質的に全部を取り除くことができ、またはある特定の実施形態では、混合液浮遊物質の生物学的不安定成分の一部分を生物学的反応ゾーン４０２ｂ中への通過のために保持することができる。ゾーン４０２ａにおいて、混合液浮遊物質の生物学的不安定成分が、下流で微生物を効率的にサポートするのに不十分なレベルまで低減される実施形態では、特に下流の生物学的反応ゾーン４０２ｂにおいて微生物食料源の有効濃度を維持するために、１つまたは複数の制御が実装される。この制御は、たとえば、上流のゾーン４０２ａ中における廃水の滞留時間に基づいて、未処理の流入廃水のスリップストリームをゾーン４０２ｂに直接流すこと、循環活性汚泥を制御すること、微生物のためのメタノールまたは別の単純なカーボン食料源を導入することとすることができ、あるいは、ゾーン４０２ａにおける間欠的な曝気、またはゾーン４０２ｂにおいて健全なバイオマスを促進する他の方法を実施することができる。
【００９８】
吸着性物質４３４は、たとえば、本明細書の例における図７、図８、図９、図１０、図１１または図１２に示されるような本明細書に記載される懸濁システムのうちの１つまたは複数を含むことができる懸濁装置４３２、あるいは、空気、液体、または空気と液体との混合物を循環させるための任意の好適な従来の装置を使用して、生物学的反応ゾーン４０２ｂ中で懸濁状態に維持される。これらの従来の装置には、空気拡散気泡発生器、パドル、ミキサ、表面エアレータ、液体循環ポンプ、および当業者に知られているものなどが含まれるが、これらに限定されるものではない。ある特定の実施形態では、図７、図８、図９、図１０、図１１または図１２とあわせて記載されているもの、あるいは実施例３、実施例４または実施例５に記載されているものなど、吸着性物質４３４を懸濁状態に維持するために比較的低いエネルギーを消費する懸濁装置４３２を使用することが望ましく、吸着性物質４３４を懸濁状態に維持しなければならないゾーン４０２ｂの総全体積は、生物学的反応器４０２の総容量の一部分にすぎないので、効率が低い装置を使用する他の実施形態も好適であることを理解されたい。
【００９９】
膜操作システム４０４への吸着性物質４３４の通過を実質的に防止するために、スクリーニング／分離システム４２２がセクション４０２ｂ中に配置される。ある特定の実施形態では、吸着性物質は、すなわち、ゾーン４０２ｂに対応する場所４３０ｂでのみ加えられる。
【０１００】
実質的に吸着材を含まない１つの生物学的反応器ゾーンと、吸着性物質４３４を含む１つのゾーンとをもつシステム４００が図示されているが、当業者には、より少数のまたはより多数の各タイプのゾーンを採用することができることが明らかであろうことを留意されたい。セクション４０２ｂ中における吸着性物質４３４の濃度は、たとえば、図１のシステム中で採用される濃度と同じ濃度であり得、あるいは処理される廃水に応じてより高いまたはより低い濃度を使用してもよい。
【０１０１】
さらに、生物学的反応器ゾーンを様々な構成で形成することができる。たとえば、角柱生物学的反応器タンクでは、タンクの幅全体に隔壁を設けて、タンクをゾーンに分けることができる。円筒形タンクでは、たとえば、弦として隔壁を設けることができ、または、２つ以上のセクタを形成する、たとえば、半径として複数の壁を設けることができる。
【０１０２】
１つまたは複数の最終生物学的反応ゾーン中にのみ吸着性物質を有することによって、吸着性物質なしに上流セクション中で生物学的不安定化合物を処理することができ、したがって、システム４００の吸着材を含まないゾーンの混合液中に吸着性物質を懸濁させる必要がない。また、これにより、このシステムの上流セクション中に存在するであろう従来の有機微生物によって生物学的に分解できない、少なくともある特定の生物学的抵抗性および／または生物学的阻害性の化合物を生物分解する微生物のコロニーが発展できるようになる。また、当業者には、本発明にしたがって、図６に概略的に示されるような生物学的反応器の分割されたセクションではなく別個のタンク、または生物学的反応器の分割されたセクションと別個の容器との組合せを使用して、システム４００と同様のシステムを提供することができることを理解されたい。
【０１０３】
さらに図４を参照すると、生物学的反応ゾーン４０２ｂからの排出物は、スクリーニング／分離システム４２２を介して、膜操作システム４０４の入口４１０に導入される。膜操作システム４０４において、廃水は、１つまたは複数の精密ろ過膜または限外ろ過膜４４０を通過し、膜透過物は出口４１２を介して排出されるが、活性汚泥を含む膜残留物は、循環活性汚泥ライン４１４を介して生物学的反応ゾーン４０２ａに戻される。
【０１０４】
生物学的反応ゾーン４０２ｂからの使用済み吸着性物質は、混合液廃棄物排出ポート４１６を介して周期的に除去することができる。また、廃水出口４１８を循環活性汚泥ライン４１４に接続して、たとえば、混合液および／または培地の濃度を制御するために、循環活性汚泥の一部または全部を廃棄のために進路変更することができる。また、混合液廃棄物排出ポート４１６を使用して、吸着性物質の一部分を除去することができる。等価量の新しいまたは再生された吸着性物質を加えてもよい。
【０１０５】
図５に、複数のゾーン５０２ａおよび５０２ｂに分割された生物学的反応器５０２と、生物学的反応器５０２に組み込まれる生物学的脱窒素ステップとをもつ、システム４００と同様に動作するシステム５００を示す。この実施形態では、たとえば、場所５３０ｂで加えられた吸着性物質５３５は、ゾーン５０２ｂ中に懸濁状態に維持され、無酸素ゾーン５３１またはゾーン５０２ａ中には導入されない。
【０１０６】
生物学的反応ゾーン５０２ｂからの排出物は、スクリーニング／分離システム５２２を介して、膜操作システム５０４の入口５１０に導入される。膜操作システム５０４では、廃水は、１つまたは複数の精密ろ過膜または限外ろ過膜５４０を通過し、膜透過物は出口５１２を介して排出されるが、活性汚泥を含む膜残留物は、循環活性汚泥ライン５１４を介して無酸素ゾーン５３１に戻される。
【０１０７】
生物学的反応ゾーン５０２ｂからの使用済み吸着性物質は、混合液廃棄物排出ポート５１６を介して周期的に除去することができる。また、廃水出口５１８を循環活性汚泥ライン５１４に接続して、たとえば、混合液および／または培地の濃度を制御するために、循環活性汚泥の一部または全部を廃棄のために進路変更することができる。また、混合液廃棄物排出ポート５１６を使用して、吸着性物質の一部分を除去することができる。等価量の新しいまたは再生された吸着性物質を加えてもよい。
【０１０８】
ある特定の動作条件では、脱窒素プロセスを補助するために、メタノールなどの単純な有機カーボン源を無酸素ゾーンに導入する必要があることがある。代替的には、原廃水の生物学的酸素要求量は、一般に、生物学的有機体による消費のために必要な食料源を提供することができる。
【０１０９】
さらなる実施形態では、ゾーン５０２ｂの下流（図示せず）に、あるいは、ゾーン５０２ａと５０２ｂの間に無酸素ゾーンを設けることができる。いずれの場合でも、脱窒素プロセスを補助するために、無酸素ゾーン中の生物学的有機体による消費のための食料源を加える必要がある可能性がある。
【０１１０】
当業者には、本発明にしたがって、図６に示されるような生物学的反応器の分割されたセクションではなく別個の生物学的反応器、または生物学的反応器の分割されたセクションと別個の反応器の組合せを使用して、システム５００と同様のシステムを提供することができることが了解できよう。
【０１１１】
図６は、水処理システム６００の別の実施形態の概略図である。システム６００中に、実質的に吸着性物質がない第１の生物学的反応器６０２ａと、たとえば、場所６３０ａおよび６３０ｂの一方または両方で加えることができる吸着性物質６３４の懸濁液を含んでいる第２の生物学的反応器６０２ｂとを含む一連の生物学的反応器が設けられる。生物学的反応器６０２ａおよび６０２ｂの下流に膜操作システム６０４が配置される。第２の生物学的反応器６０２ｂは、膜操作システム６０４への吸着性物質の通過を実質的に防止するために、セクション６０２ｂ中に配置されたスクリーニング／分離システム６２２を含む。
【０１１２】
反応器６０２ａと６０２ｂとの間の流量は、ゾーン６０２ｂ中にのみ吸着性物質を維持するために、すなわち、反応器６０２ｂから反応器６０２ａへの吸着性物質の逆流を防止するために、下流方向の流れを提供するように設計され、ゾーン６０２ａと６０２ｂとの間の流量を制御するように設計することができる。
【０１１３】
動作中、流入廃水流６０６は、生物学的反応器６０２ａ中に導入される。第１の生物学的反応器６０２ａ中の微生物は、混合液浮遊物質中に含有される生物学的不安定化合物の少なくとも一部分を分解することができる。混合液浮遊物質中の単純な有機物は、微生物のための食料源として機能する。部分的に処理された廃水は、導管６０７を介して生物学的反応器６０２ｂへと流れる。また、生物学的反応器６０２ａからの部分的に処理された廃水を、生物学的反応器６０２ｂに重力送りする、または当業者に知られる他の手段によって流すことができる。
【０１１４】
廃水は、混合液浮遊物質の生物学的不安定化合物の実質的に全部を除去するために第１の生物学的反応器６０２ａ中で処理され得、あるいは、ある特定の実施形態では、混合液浮遊物質中に含有される生物学的不安定化合物の一部分は保持され、第２の生物学的反応器６０２ｂへ通過され得る。混合液浮遊物質中に含まれる生物学的不安定化合物が、第１の生物学的反応器６０２ａにおいて、下流で微生物を効率的にサポートするには十分でないレベルまで低減される実施形態では、特に下流の生物学的反応器６０２ｂ中で微生物食料源の効果的な濃度を維持するために１つまたは複数の制御が実装される。この制御は、たとえば、上流の生物学的反応器６０２ａ中における廃水の滞留時間に基づいて、未処理流入廃水のスリップストリームを生物学的反応器６０２ｂに直接流すこと、循環活性汚泥を制御すること、メタノール、または微生物のための他の単純なカーボン食料源を導入すること、あるいは他の好適なフィードバックまたはフィードフォワードアクションとすることができる。
【０１１５】
吸着性物質６３４は、たとえば、本明細書の例における図７、図８、図９、図１０、図１１または図１２に示されるような本明細書に記載される懸濁システムのうちの１つまたは複数を含むことができる懸濁装置６３２、あるいは気体、液体、または気体と液体との混合物を循環させるための任意の好適な従来の装置を使用して、生物学的反応器６０２ｂ中に懸濁状態で維持される。これらの従来の装置には、空気拡散気泡発生器、パドル、ミキサ、表面エアレータ、液体循環ポンプ、および当業者に知られているものなどが含まれるが、これらに限定されるものではない。ある特定の実施形態では、図７、図８、図９、図１０、図１１または図１２とあわせて記載されているもの、あるいは実施例３、実施例４または実施例５に記載されているものなど、吸着性物質を懸濁状態に維持するために比較的低いエネルギーを消費する懸濁装置６３２を使用することが望ましく、ゾーン６０２ｂの総体積は、生物学的反応器６０２ａと６０２ｂの総合計容量の一部分にすぎないので、効率が低い装置を使用する他の実施形態も好適であることを理解されたい。
【０１１６】
膜操作システム６０４への吸着性物質６３４の通過を実質的に防止するために、スクリーニング／分離システム６２２が生物学的反応器６０２ｂ中に配置される。ある特定の例では、吸着性物質６３４は、たとえば、導管６０７に結合した場所６３０ａで生物学的反応器６０２ｂにのみ、または生物学的反応器６０２ｂ中に（場所６３０ｂ）直接加えられる。ある特定の好ましい実施形態では、吸着性物質は、たとえば、スラリーを形成するために生物学的反応器６０２ｂ中に導入される前に、事前湿潤される。
【０１１７】
実質的に吸着材のない１つの生物学的反応器と吸着性物質６３４を含んでいる１つの生物学的反応器とをもつシステム６００が示されているが、当業者には、各タイプのより少数のまたはより多数の生物学的反応器、あるいは生物学的反応器のセクションを採用することができることが明らかであろうことを留意されたい。生物学的反応器６０２ｂ中の吸着性物質の濃度は、たとえば、図１のシステム中で採用される濃度と同じ濃度であり得、あるいは生物学的反応器６０２ｂ中で処理される部分的に処理された廃水の特徴を含むがそれには限定されないファクタに応じて、より高い濃度を使用してもよい。
【０１１８】
最終生物学的反応器中にのみ吸着性物質を有することによって、生物学的不安定化合物を、吸着性物質なしに上流の生物学的反応器中で処理することができる。これにより、システムの上流セクション中に存在するであろう従来の有機微生物によって生物学的に酸化できない生物学的不安定有機体を生物分解することができる微生物のコロニーが発展できるようになる。また、当業者には、本発明にしたがって、図４に概略的に示されるような別個の生物学的反応器ではなく生物学的反応器の分割されたセクション、または生物学的反応器の分割されたセクションと別個の反応器との組合せを使用して、システム６００と同様のシステムを提供することができることを理解されたい。
【０１１９】
さらに図６を参照すると、生物学的反応器６０２ｂからの排出物は、スクリーニング／分離システム６２２を介して、膜操作システム６０４の入口６１０に導入される。膜操作システム６０４において、廃水は、１つまたは複数の精密ろ過膜または限外ろ過膜６４０を通過し、膜透過物は出口６１２を介して排出されるが、活性汚泥を含む膜残留物は、循環活性汚泥ライン６１４を介して生物学的反応ゾーン６０２ａに戻される。
【０１２０】
生物学的反応器６０２ｂからの使用済み吸着性物質は、混合液廃棄物排出ポート６１６を介して周期的に除去することができる。また、廃水出口６１８を循環パイプ６１４に接続して、たとえば、混合液および／または培地の濃度を制御するために、循環活性汚泥の一部または全部を廃棄のために進路変更することができる。
【０１２１】
図７、図８、図９、図１０および図１１を全体的に参照すると、（ＭＬＶＳＳを有するＭＬＳＳを含む）混合液とその中に分散した吸着材とがジェットノズルを介して循環するジェット懸濁システムを含む様々な代替実施形態が示されている。この循環により、吸着材と混合液との緊密混合が行われ、また、生物学的反応器中に吸着材を懸濁状態で維持する乱流が起こる。乱流は、たとえば、ノズルオリフィスに近接する局所的な乱流であり、ジェットノズルから出る流体の渦および回転を生じさせ得る。図７、図８、および図１１において、中実の黒いエレメントは吸着性物質を表し、不規則な線状のエレメントは微生物またはバイオマスを表す。
【０１２２】
図７に、生物学的反応器７０２内にある懸濁装置７３２を概略的に示す（説明を明瞭にするために、図７にはその一部分のみを示す）。懸濁装置７３２は、ポンプ７４８と気体源７６０とに流体接続されたジェットノズル７４４を備える。気体は、好気性生物学的反応器７０２の場合には酸素含有ガスであり得、あるいは嫌気性生物学的反応器７０２の場合には酸素を含まないまたは実質的に酸素を含まないガスであり得る。
【０１２３】
図７に、ならびに図８、図９、および図１０について記載されるある特定の追加の実施形態に示される構成は、たとえば、アメリカ合衆国ウィスコンシン州ロスチャイルドのＳｉｅｍｅｎｓ  Ｗａｔｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから市販されているＶａｒｉ  Ｃａｎｔ（登録商標）システムを使用して展開することができる。図８、図９、および図１０に関して示されるシステムのうちの１つまたは複数については、他のジェットエアレーションシステムを展開することもできる。たとえば、様々なシステムは、アメリカ合衆国アイオワ州シーダーフォールズのＦｌｕｉｄｙｎｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、アメリカ合衆国マサチューセッツ州アソネットのＫＬａ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、およびアメリカ合衆国オハイオ州デイトンのＭｉｘｉｎｇ  Ｓｙｔｅｍｓ  Ｉｎｃ．から市販されているジェットエアレーションシステムを含むが、これらに限定されるものではない。
【０１２４】
図７、図８、図９、図１０および図１１に関して本明細書に記載されるシステムは、一般に、生物学的反応器タンクの外側にあるポンプを示しているが、当業者には、１つまたは複数のポンプを（１つまたは複数の）タンクの内側に配置し得ることが理解されるであろうことを留意されたい。さらなる実施形態では、有効吸込みを維持するために、ヘッドタンクの内側または外側に１つまたは複数のポンプを設けてもよい。
【０１２５】
さらに、図７、図８、図９、図１０および図１１に関して本明細書に記載されるシステムは、一般に、例示を目的として、生物学的反応器タンク中に配置されたジェットノズル全体を示しているが、ある特定の実施形態では、（１つまたは複数の）ジェットノズルの一部分を、少なくともそれらの（１つまたは複数の）出口オリフィスが生物学的反応器タンク中に配置された状態で、生物学的反応器タンクの外側に配置してもよい。
【０１２６】
ジェットノズル７４４の液体入口７４６、および出口オリフィス７６４、ポンプ装置７４８の入口７５２、および出口７５４は、吸着性物質とＭＬＶＳＳを含むＭＬＳＳとの通過を可能にするように寸法設定され、構成される。したがって、ＭＬＳＳおよびＭＬＶＳＳを含む混合液と吸着性物質との混合物は、生物学的反応器７０２の出口７５０から、ライン７５１を介してポンプ装置７４８の入口７５２中に引き込まれる。混合物は、ライン７５５を通って、ポンプ装置７４８から出口７５４を介してポンプで排出され、ジェットノズル７４４と一体の、あるいはそれと流体連通する液体入口７４６に方向づけられる。
【０１２７】
同時に、気体７６０は、ジェットノズル７４４と一体の、あるいはそれと流体連通している気体吸気口７５８にライン７６１を通って方向づけられ、混合チャンバ７６６に方向づけられ、そこで気体が膨張し、ノズル出口オリフィス７６４の方向に混合液と分散した吸着性物質の混合流に運動エネルギーを与える。膨張した気体、混合液、および分散した吸着性物質は、流体流の方向に断面積が小さくなり、その中で速度が増すスロート７６８を通過し、出口オリフィス７６４から出る。気体、液体、および固形物微粒子の複合流は、生物学的反応器７０２に強制的に入れられ、吸着性物質の固形物粒子は、生物学的反応器７０２内の液体乱流に起因して、継続運転下においては懸濁したままになる。
【０１２８】
次に図８を参照すると、ジェット懸濁システムを含む生物学的反応器の別の実施形態が示されている。具体的には、生物学的反応器８０２は、吸着性物質を分散させた混合液を循環させるために、生物学的反応器８０２中に配置された出口オリフィス８６４を少なくとも有するジェットノズル８４４を含むジェット懸濁システム８３２を含む。ジェットノズル８４４は、吸着性物質を分散させた混合液を循環させて吸着性物質を懸濁状態に維持する乱流を生成するために、ポンプ８４８に流体接続している。当業者には理解されるように、任意のジェットミキサ、スプレー、または気体入口を必要とせずに吸着性物質を分散させた混合液を方向づけ、排出することができる他のデバイスを、ジェットノズル８４４として使用することができる。
【０１２９】
好気性生物学的反応器８０２には、従来の空気拡散装置などの酸素含有ガス源が設けられる（図示せず）。
【０１３０】
ジェットノズル８４４の液体入口８４６および出口オリフィス８６４、ならびにポンプ装置８４８の入口８５２および出口８５４は、吸着性物質と揮発性混合液浮遊物質とを含む混合液浮遊物質の通過を可能にするように寸法設定され、構成される。したがって、ＭＬＳＳおよびＭＬＶＳＳを含む混合液と吸着性物質との混合物は、生物学的反応器８０２の出口８５０から、ライン８５１を通ってポンプ装置８４８の入口８５２に引き込まれる。混合物は、ライン８５５を通って、出口８５４を介してポンプ装置８４８からポンプで排出され、ジェットノズル８４４と一体の、あるいはそれと流体連通する液体入口８４６に方向づけられる。ジェットノズル８４４は、流体流の方向に断面積が小さくなるスロート部分８６８を含んで、入口オリフィス８６４から出る混合液および吸着性物質の速度が増す。
【０１３１】
図９、図１０および図１１を全体的に参照すると、混合液および／または循環活性汚泥が吸着性物質なしにジェットノズルによって循環するジェット懸濁システムを含む代替実施形態が示されている。この循環により、ジェットノズルの出口で吸着性物質と混合液との緊密混合が行われ、また、生物学的反応器内において吸着性物質を懸濁状態に維持する乱流が起こる。乱流は、たとえば、ノズルオリフィスに近接する局所的な乱流であり、ジェットノズルから出る流体の渦および回転を生じさせ得る。
【０１３２】
図９に、生物学的反応器９０２内の、膜操作システム９０４の上流にある懸濁装置９３２を含む廃水処理システム９００を概略的に示される。懸濁装置９３２は、ポンプ９４８に流体接続されたジェットノズル９４４と、圧縮気体源９６０とを備える。システム９００は、たとえば、生物学的反応器９０２の出口９０８で吸着性物質の少なくとも大部分の通過を防止するスクリーニング／分離システム９２２を含む。
【０１３３】
ある特定の実施形態では、混合液は、生物学的反応器９０２の排出物から、導管９７２、９７０を通ってポンプ装置９４８に入口９５２中に引きこまれ、導管９７２は、生物学的反応器９０２の出口９０８と膜操作システム９０４の入口９１０の間にある。さらなる実施形態では、循環活性汚泥は、膜操作システム９０４からの導管９１４から、ポンプ装置９４８の入口９５２へのライン９７０中に引き込まれる。さらなる実施形態では、生物学的反応器９０２からの排出物と膜操作システム９０４からの循環活性汚泥との複合流は、ポンプへの循環する液体として使用される。排出物からの液体および／または循環活性汚泥は、ライン９５５を通ってポンプ装置９４８からポンプで排出され、ジェットノズル９４４と一体の、あるいはそれと流体連通する液体入口に方向づけられる。同時に、圧縮気体は、ライン９６１を通ってジェットノズル９４４と一体の、あるいはそれと流体連通する気体入口に方向づけられ、混合チャンバ９６６に方向づけられ、そこで圧縮気体９６０が膨張し、ノズル出口オリフィス９６４の方向の混合液に運動エネルギーを与える。膨張した気体および混合液は、流体流の方向に断面積が小さくなるスロート９６８を通過し、その中で速度が増し、出口オリフィス９６４から出る。気体と液体との混合物ストリームは生物学的反応器９０２に強制的に入れられ、吸着性物質の固形物粒子は、生物学的反応器９０２内の乱流に起因して、継続的運転下においては懸濁したままになる。
【０１３４】
図１０に、廃水処理システムの別の実施形態を示し、廃水処理システム１０００は、生物学的反応器１００２内の、膜操作システム１００４の上流にある懸濁装置１０３２を含む。システム１０００は、たとえば、生物学的反応器１００２の出口１００８で吸着性物質の少なくとも大部分の通過を防止するスクリーニング／分離システム１０２２を含む。懸濁装置は、混合液を循環させて吸着材を懸濁状態に維持する乱流を生成するためにポンプ１０４８に流体接続したジェットノズル１０４４を含む。好気性生物学的反応器１００２中には、当業者には明らかになるように、従来の空気拡散装置、または酸素を混合液中に輸送することができる任意の数の他のデバイスなどの酸素含有ガス源も設けられる（図示せず）。
【０１３５】
システム１０００中の液体流は、図９に関して示され、上述されたシステム９００の流体流と同様である。したがって、ある特定の実施形態では、混合液は、生物学的反応器１００２の排出物から、導管１０７２、１０７０を通ってポンプ装置１０４８の入口１０５２に引き込まれ、導管１０７２は、生物学的反応器１００２の出口１００８と膜操作システム１００４の入口１０１０との間にある。さらなる実施形態では、循環活性汚泥は、膜操作システム１００４からの導管１０１４から、ポンプ装置１０４８の入口１０５２へのライン１０７０中に引き込まれる。さらなる実施形態では、生物学的反応器１００２からの排出物と膜操作システム１００４からの循環活性汚泥との複合流は、ポンプへと循環する液体として使用される。
【０１３６】
排出物からの液体および／または循環活性汚泥は、ライン１０５５を通ってポンプ装置１０４８からポンプで排出され、ジェットノズル１０４４と一体の、あるいはそれと流体連通する液体入口に方向づけられる。混合液は、流体流の方向に断面積が小さくなるスロート１０６８を通過し、その中で速度が増し、出口オリフィス１０６４から出る。液体ストリームは、生物学的反応器１００２に強制的に入れられ、吸着性物質の固形物粒子は、生物学的反応器１００２中の乱流に起因して、継続的運転下においては懸濁したままになる。
【０１３７】
システム９００および１０００のある特定の実施形態では、ポンプを通る流量が、システムを通る全体的な、すなわち、流入９０６、１００６および排出物９１２、１０１２の流量によって表される流量に等しいか、またはそれよりも大きくなるようにシステムの水力学を設計する必要があることがある。
【０１３８】
図１１に、生物学的反応器１１０２内の懸濁装置１１３２を概略的に示す（説明のために図１１にはその一部分が示される）。懸濁装置１１３２は、ポンプ１１４８と流体接続されたジェットノズル１１４４と、気体源１１６０とを備える。気体は、好気性生物学的反応器１１０２の場合には酸素含有ガスであり得、あるいは嫌気性生物学的反応器１１０２の場合には酸素を含まない、または実質的に酸素を含まない気体であり得る。
【０１３９】
生物学的反応器１１０２の出口１１５０は、吸着性物質の少なくとも大部分の通過を防止するスクリーニング装置１１７０を含む。スクリーニング装置１１７０からビルドアップを除去するために、スプレーノズル１１７２または他の好適な装置が設けられる。スプレーノズル１１７２は、スクリーニング装置を清浄するために気体および／または液体を方向づけることができる。ある特定の実施形態（図示せず）では、スプレーノズル１１７２をポンプおよび／または圧縮気体源１１６０に接続して、スクリーニング装置１１７０を清浄するために加圧流体を提供することができる。さらなる実施形態では、たとえば、スクリーニング装置１１７０が、回転スクリーンなどの吸着性物質のビルドアップを防止するアクティブなスクリーニングデバイスであるときには、スプレーノズル１１７２をなくしてもよい。
【０１４０】
したがって、ＭＬＳＳおよびＭＬＶＳＳを含む、吸着性物質が実質的にない混合液は、生物学的反応器１１０２の出口１１５０から、ライン１１５１を通ってポンプ装置１１４８の入口１１５２中に引き込まれる。混合液は、出口１１５４を介してポンプ装置１１４８からポンプで排出され、ライン１１５５を通ってジェットノズル１１４４と一体の、あるいはそれと流体連通する液体入口１１４６に方向づけられる。同時に、圧縮気体１１６０は、ライン１１６１を通って、ジェットノズル１１４４と一体の、あるいはそれと流体連通する気体入口１１５８に方向づけられ、混合チャンバ１１６６に方向づけられ、そこで圧縮気体が膨張し、ノズル出口オリフィス１１６４の方向に混合液に運動エネルギーを与える。膨張した気体および混合液は、流体流の方向に断面積が小さくなるスロート１１６８を通過し、その中で速度が増し、出口オリフィス１１６４から出る。気体と液体との混合物ストリームは、生物学的反応器１１０２に強制的に入れられ、吸着性物質の固形物粒子は、生物学的反応器１１０２中の乱流に起因して、継続運転下においては懸濁状態のままである。
【０１４１】
本明細書に記載される廃水処理システムのある特定の実施形態では、システムは、１つまたは複数のドラフトチューブ、あるいは１つまたは複数の他の構成を備えることができるガスリフト懸濁システムを含む。１つまたは複数のドラフトチューブは、吸着性物質を懸濁させること、吸着性物質を懸濁状態に維持すること、容器全体で吸着性物質を混合すること、および好気性有機微生物を含み得る容器の環境を曝気することのうちの１つまたは複数を実行するために、生物学的反応器または他の装置などの容器の所望の応用例および容量のためにサイズ設定され、形成することができる。ガスリフト懸濁システムは、配置される容器のサイズおよび形状に基づいて、様々なサイズおよび形状で構築され得る。ガスリフト懸濁システムは、廃水処理システム中に吸着性物質が組み込まれる容器内に配置された１つまたは複数のドラフトチューブを備えることができる。本明細書で使用される場合、「ドラフトチューブ」は、両端で開口し、それにより、容器に配置されたときに流体流のための通路を提供する、１つまたは複数の側壁を有するチューブまたはその他の構造とすることができ、固形物微粒子懸濁液、たとえば、空気または他の気体とともに、廃水または混合液中の吸着性物質と関係する固形物との懸濁液を含むことができる。
【０１４２】
ドラフトチューブは、廃水処理の典型的な状態において耐摩耗性であり、廃水構成成分に対して耐性がある限り、特定の目的のために好適な任意の材料で構築することができ、ドラフトチューブ内とまわりで起こる乱流に耐えることができる。たとえば、ドラフトチューブは、容器と同じ材料で形成しても、またはガラス繊維強化プラスチックを含むプラスチック、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、またはアクリルなどの他のより軽量で安価な材料で形成してもよい。ドラフトチューブは、容器中に挿入されても、または容器の一部として製造されてもよい。したがって、ドラフトチューブは、現在のシステムを改造するように設計してもよい。ガスリフト懸濁システムは、ドラフトチューブ全体でそのまわりに流れを起こすことができるかぎり、容器の壁上で支持されても、または容器の底部分によって支持されてもよい。代替的には、ガスリフト懸濁システムは、容器内において１つまたは複数のドラフトチューブを保持し、懸架するように構築され、配列された追加の構造によって支持され得る。
【０１４３】
容器内で吸着性物質を懸濁させる、および／またはあらかじめ選択された操作時間内で動作するなど、所望の応用例にしたがって、個々のドラフトチューブをサイズ設定し、形成することができる。また、容器内で吸着性物質を適度に懸濁させるために、または容器の環境を曝気するために、ドラフトチューブ内で所望のレベルの撹拌を行うようにドラフトチューブをサイズ設定し、形成してもよい。単一のドラフトチューブによって、または所望の容積に実質的に等しい総容積を有する複数のドラフトチューブによって、所望のガスリフト懸濁システムの容積を提供することができる。ガスリフト懸濁システムの容積と容器の容積との具体的な比は、ドラフトチューブ内において吸着性物質を最適に懸濁させるように選択することができる。個々のドラフトチューブは、円形、楕円形、正方形、長方形、または任意の不規則形状などの任意の形状の断面を有することができる。個々のドラフトチューブは、円錐形、長方形、および円筒形などの任意の全体形状を有することができる。１つの実施形態では、ドラフトチューブは円筒形である。長さ、幅および高さなどのドラフトチューブの全体寸法は、容器内において吸着性物質を最適に懸濁させるように選択することができる。たとえば、ドラフトチューブの長さとドラフトチューブの幅または直径との具体的な比は、容器内における吸着性物質の最適な懸濁を達成するように選択することができる。ドラフトチューブは、「トラフ」と称される構造の、容器内の２つの対向する側壁で構成される。ドラフトチューブ中への、および／またはそこからの吸着性物質の流れを補助するように、ドラフトチューブの一端または両端を構築し、配列することができる。たとえば、ドラフトチューブの第１の端部の側壁は、ドラフトチューブの第１の端部に、またはその近くに配置された容器の吸着性物質、廃水、または他の含有物のうちの一部が、ドラフトチューブの側壁を通って入る、または出ることができるようにするために、通路を形成する１つまたは複数の開口を含むことができる。通路を形成する開口は、容器内において吸着性物質が十分に懸濁できるようにするための任意の形状を有することができる。たとえば、開口は、三角形、正方形、半円形としても、不規則形状を有してもよい。複数の通路は、互いに同一とすることができ、ドラフトチューブ中の吸着性物質の流れを均等に分散させるために、ドラフトチューブの第１の端部のまわりに均一に配置され得る。
【０１４４】
１つまたは複数のドラフトチューブは、容器内において吸着性物質を適度に懸濁させる限り、容器内の任意の好適な場所に配置することができる。たとえば、容器側壁に関して中央に単一のドラフトチューブを配置することができるが、必ずしもそうである必要はない。同様に、単一の容器中にある複数のドラフトチューブは、ランダムに配置しても、あるいは容器側壁に関して均一なパターンで配置してもよい。単一の容器中にある複数のドラフトチューブは、容積または断面積を同一とすることができるが、必ずしもそうである必要はない。たとえば、単一の容器は、さまざまな高さおよび断面積の円筒形、円錐形、および長方形のドラフトチューブを含むことができる。１つの実施形態では、容器は、中央に配置された第１のドラフトチューブと、容器の側壁に隣接して配置された複数の第２のドラフトチューブとを有することができ、第１のドラフトチューブは第１の断面積を有し、第２のドラフトチューブの各々は、第１の断面積よりも小さい第２の断面積を有する。別の実施形態では、容器は、複数の同じドラフトチューブを有する。さらに別の実施形態では、第１のドラフトチューブを第２のドラフトチューブ内に配置してもよい。この実施形態では、ドラフトチューブの底部は、互いに整列していても、あるいは互いにずれていてもよい。
【０１４５】
別の実施形態では、ドラフトチューブは、吸着性物質の懸濁を促進するためのバッフルを含むことができる。バッフルは、特定のドラフトチューブに好適な任意のサイズおよび形状を有することができる。たとえば、バッフルは、ドラフトチューブの内側表面上に好適に配置されたプレート、またはドラフトチューブ中に配置されたシリンダとすることができる。１つの実施形態では、バッフルは、ドラフトチューブ内の中央に配置された中実または中空のシリンダとすることができる。別の実施形態では、バッフルは、ガスリフト懸濁システム中の１つまたは複数のドラフトチューブの第１の端部または第２の端部に配置されるスカートとすることができる。バッフルは、ドラフトチューブと同じ材料で構築しても、懸濁システムに適合する異なる材料で構築してもよい。
【０１４６】
ドラフトチューブをその中に置くことができる容器は、ガスリフト懸濁システムと連携して吸着性物質を懸濁させるのに好適な任意のサイズまたは形状とすることができる。たとえば、容器は、円形、楕円形、正方形、長方形、または任意の不規則形状などの任意の形状の断面を有することができる。いくつかの実施形態では、吸着性物質の好適な懸濁を促進するために、容器を構築または修正してもよい。ある特定の実施形態では、ガスリフト懸濁システムに向かう吸着性物質の運動を促進するために、容器の基部に傾斜部分を含むように容器を構築または修正してもよい。傾斜部分は、ガスリフト懸濁システムに向かう吸着性物質の運動を促進するために、容器の基部に関して任意の角度とすることができる。
【０１４７】
次に図１２を参照すると、１つの実施形態による、生物学的反応器１２０２などの容器内において吸着性物質を懸濁状態に維持するためのガスリフト懸濁システム１２３２の一例が概略的に示されている。図１２において、円形エレメントは気泡を表し、小さい中実エレメントまたはドットは吸着性物質を表し、不規則な線状のエレメントは微生物またはバイオマスを表す。ガスリフト懸濁システム１２３２は、上述のように容易に吸着性物質をリフトし、吸着性物質を懸濁状態に維持することができるように構成され、配置され、寸法設定された１つまたは複数のドラフトチューブ１２９２を含む。気体は気体導管１２９０を通って入り、拡散ノズルまたは拡散器１２９１を介して、（１つまたは複数の）ドラフトチューブ１２９２の底部分中へと方向づけられる。ある特定の代替実施形態では、拡散ノズルまたは拡散器１２９１ではなく、あるいはそれと連携して気体導管１２９０のアパーチャを介して、（１つまたは複数の）ドラフトチューブ１２９２の底部分中へと気体を方向づけることができる。導管１２９０からの気体は、指定された（１つまたは複数の）場所において、粗気泡拡散器と同様の方法で容器または生物学的反応器１２０２中に導入することができ、混合液中の吸着性物質に接着した微生物と吸着性物質から分離した微生物との支持のための酸素または他の気体の源としても、生物学的反応器１２０２中において吸着性物質およびバイオマスを懸濁状態に維持するためのリフト力の源としても機能する。具体的には、気体は、ドラフトチューブ１２９２中に含まれている結果として、上向きリフトを提供する。気泡はドラフトチューブの内側で上昇するので、気体により、チューブの底部において吸引を提供する上向きの流れが生じる。これは、混合液および吸着性物質をチューブを通して引き込み、タンク内で混合液および吸着性物質をリフトして懸濁させるために使用される運動力である。気体の循環により、ドラフトチューブ内に適度なリフトが起こって、タンクの含有物が十分に撹拌された状態を保ち、それにより、吸着性物質の沈殿が最小限に抑えられる。
【０１４８】
さらに、図１２の構成により、他の混合および懸濁システムと比べて極めて低いエネルギー必要量で、適度な混合および懸濁が行わる。たとえば、吸着性物質を使用する生物学的反応器１２０２中でガスリフトシステム１２３２が必要とするエネルギーは、代替的な懸濁システムで必要とされるエネルギーの１０分の１となり得、生物学的システムのために必要な気体のみを必要とすることがある。
【０１４９】
ガスリフト懸濁システム１２３２は、気体源に近接して構成され、配置された複数のドラフトチューブのコンテキストについて図示および記載されるが、生物学的反応器内の１つまたは複数のトラフ、あるいは上述のガスリフト現象を生成する他の好適な構造などの代替的な構造を採用することができる。さらに、図１２に示される方向を示す矢印は、流体がシステムを通って流れる１つの可能な方向を例示するものにすぎず、流体は、容器のサイズおよび形状、ドラフトチューブのサイズ、形状および数、ならび空気流量を含む、システムのパラメータに応じて、システムを通って、任意の数の方向に流れることができる。
【０１５０】
図１３Ａおよび図１３Ｂに、分離サブシステムの一部分として沈殿ゾーン１３８２を組み込んでいる本発明の追加の実施形態を示す。図１３Ａおよび図１３Ｂにおいて、中実の黒いエレメントは吸着性物質を表し、不規則な線状のエレメントは微生物またはバイオマスを表す。生物学的反応器１３０２は、処理すべき廃水を受けるための入口１３０６と、膜操作システム（図示せず）に流体接続された出口１３０８とを含む。沈殿ゾーン１３８２は、たとえば、静止ゾーンは出口１３０８に近接しており、沈殿ゾーン１３８２から離れるように吸着性物質を方向づけるように配置され、寸法設定されたバッフル１３８０および１３８１によって全体的に規定される。生物学的反応器１３０２中のジェットエアレーションまたは他の懸濁システムに起因する乱流は、沈殿ゾーン１３８２中で実質的に低減されるので、バッフル１３８０を越えて流れる液体と吸着性物質との複合混合物は、沈殿する。懸濁した生物学的固形物よりも高い密度をする吸着性物質は沈殿し、沈殿ゾーン１３８２を出るにつれて、沈殿ゾーン１３８２の外側で懸濁システムによって引き起こされた乱流によって懸濁状態に戻される。また、図１３Ａに示されるように、出口１３０８に近接してスクリーニング装置１３２２が設けられる。スクリーニング装置１３２２によって遮断された吸着材の量は、沈殿ゾーン１３８２が隣接することにより最小限に抑えられる。ある特定の好ましい実施形態では、スクリーニング装置１３２２は、バッフルシステム内の、吸着性物質のほとんどがスクリーンに達する前に混合液から確実に分離する／沈殿するために十分なバッフルからの距離に置かれる。結果として、スクリーニング装置１３２２は、潜在的にスクリーン表面に接着してスクリーンの閉塞／汚染を加速させる吸着材微粒子をより少なく受けることになる。バッフルシステムと組み合わせてスクリーニングシステムを使用するとき、スクリーンの閉塞／汚染の可能性が大幅に低減され、また、スクリーン清浄の頻度が低減される。
【０１５１】
しかしながら、ある特定の実施形態では、スクリーニング装置１３２２をすべてなくすことができることが企図される。曝気タンクの出口１３０８のまわりでバッフルを使用することにより、懸濁装置によって与えられる混合エネルギーが低減され、沈殿ゾーン１３８２を乱流および気泡の上昇がないままとし、それにより、より高密度の吸着材粒子を、排出物洗浄によって、タンクを出る前に混合液と分離することができるようになる。バッフルシステムにより、同時に曝気タンク中の混合ゾーン中に混合液を戻しながら、高密度の吸着性物質を混合液から分離できるようになる。
【０１５２】
生物学的反応器内の代替的な沈殿ゾーンシステムも企図される。たとえば、前述のスクリーンのうちのいずれかを使用することができ、あるいは以下にさらに詳述するように、スクリーニング装置１３２２の代わりに堰を使用することができる。
【０１５３】
沈殿ゾーンをポンプ吸引、混合、またはジェットエアレーションによって提供されるせん断アクションと組み合わせることにより、過剰なバイオマスをそこからせん断された吸着性物質が、混合することなく区域内に沈殿させることができるようになる。吸着性物質は、この区域の底部へと沈殿し、混合液に再び入ることになる。
【０１５４】
図１３Ｂに、堰１３２３を有する沈殿ゾーンの別の実施形態を示す。低密度のバイオマスは堰１３２３を越えて流れ、吸着材は沈殿する。吸着材は、静止ゾーンから滴下するにつれて、混合液浮遊物質および吸着材を含むタンクの撹拌された含有物と混合し、再び懸濁される。
【０１５５】
吸着性物質廃棄物排出ポートを有する沈殿ゾーンを含む本発明の実施形態では、その廃棄物排出ポートを沈殿ゾーンに近接して配置するのが有利である。これにより、混合液の除去を最小限に抑えつつ、廃棄吸着性物質を除去することができるようになる。
【０１５６】
本発明のために有用な吸着性物質は、活性炭などの様々なタイプのカーボンを含む。具体的には、粒子のサイズ範囲および密度が、システムのあらかじめ規定された部分における保持が可能となるように選択され、それにより、膜を汚染するおよび／または摩耗させることを実質的に防止することができるので、粒状活性炭が非常に効果的である。
【０１５７】
粒状活性炭が大きなせん断力および／または粒子間衝突にさらされないシステムでは、木材、ココナツ、バガス、おがくず、泥炭、パルプ廃棄物、または他のセルロースベースの材料から粒状活性炭を製造することができる。１つの好適な例は、１４×３５の公称メッシュサイズ（米国標準篩系列に基づく）を有するＭｅａｄＷｅｓｔｖａｃｏ  Ｎｕｃｈａｒ（登録商標）ＷＶ  Ｂである。
【０１５８】
さらなる実施形態では、具体的には、ポンプおよび／またはジェットノズル中における乱流および／または粒子間衝突によってせん断アクションが生じる実施形態では、より高い硬度値を有する（１つまたは複数の）吸着性物質の使用が望ましい。たとえば、ビチューメンまたは石炭ベースの材料から導出される粒状活性炭が効果的である。特定の実施形態では、粒状活性炭は亜炭から導出される。
【０１５９】
また、処理プロセスおよび／または化学種とともに修正され、それにより、廃水中のある特定の化学種および／または金属に対する親和性を提供するカーボン材料を用意してもよい。たとえば、比較的高いレベルの水銀を有する廃水中においては、吸着性物質の少なくとも一部分は、ヨウ化カリウムまたは硫黄を含浸された粒状活性炭を含むのが好ましい。特定の金属、他の無機化合物および／または有機化合物に対処するために、他の処理および／または含浸された化学種を用意することができる。
【０１６０】
さらに、吸着材は、活性炭以外の材料とすることができる。たとえば、鉄系化合物または合成樹脂を、単独であるいは他の吸着性物質と組み合わせて、たとえば、粒状活性炭と組み合わせて、吸着性物質として使用することができる。さらに、ある特定の金属、他の無機化合物、または有機化合物を対象とする活性炭以外の処理された吸着性物質を使用してもよい。たとえば、比較的高いレベルの鉄および／またはマンガンを有する廃水中では、吸着材の少なくとも一部分は、媒体をろ過する粒子状二酸化マンガンを含むことができる。ヒ素を有する廃水中では、吸着材の少なくとも一部分は、粒子状酸化鉄複合材料を含むことができる。鉛または重金属を含む廃水中では、吸着材の少なくとも一部分は、粒状アルミノ−ケイ酸複合材料を含むことができる。
【０１６１】
１つの実施形態では、所望の比重範囲に基づいて吸着性物質を選択することができる。許容可能なエネルギー消費／コスト範囲内で吸着性物質を懸濁状態に維持するためには、廃水の比重範囲に比較的近い比重が望ましい。一方、分離が材料の沈殿に少なくとも部分的に基づく実施形態では、より高い比重が好適である。一般に、比重は、２０°Ｃの水中で約１．０５よりも大きくなるのが好ましい。ある特定の実施形態では、比重は、２０°Ｃの水中で約１．１０よりも大きい。ある特定の実施形態では、比重の好適な上限は、２０°Ｃの水中で約２．６５である。
【０１６２】
したがって、十分に懸濁することで、廃水および汚染物質と十分に接触する比重範囲を有する吸着性物質が選択される。さらに、ある特定の実施形態では、比重範囲は、後に続く廃水からの吸着性物質の除去に十分な沈殿特徴を提供する。さらなる実施形態では、吸着性物質の比重の選択は、吸着性物質を懸濁状態に維持するために必要なエネルギーの最小化に基づく。
【０１６３】
さらに、粒状活性炭などの所望の吸着性物質は、粒子間衝突および他のプロセス効果に起因する微粉体または他の微粒子の生成を最小限に抑える硬度レベルを有する。
【０１６４】
分離サブシステムが吸着物質を保持し、それにより、膜操作システム中への通過を防止するように設計された吸着性物質のサイズは、膜操作システムに入る吸着性物質および微粉体の量を最小限に抑えるように最適化される。したがって、本発明の方法およびシステムは、活性炭を含む吸着性物質の使用と関連する動作上の利点をさらに提供しつつ、膜に衝突するカーボン粒子または他の粒子状材料による摩耗および汚染を最小限に抑える。
【０１６５】
吸着性物質の好適な粒子サイズは、選択されたスクリーニング／分離方法、および、処理すべき特定の廃水の必要性を補完するように選択される。ある特定の好ましい実施形態では、吸着性物質の有効粒子サイズの下限は、膜が配置される（１つまたは複数の）膜操作システムタンクに入る混合液の流れから粒子が簡単に分離できるように選択される。一般に、吸着性物質の有効粒子サイズの下限は約０．３ミリメータであり、約９９．５重量％を超える吸着性物質は下限を上回り、好ましくは、（米国標準篩系列に基づくメッシュサイズ５０からメッシュサイズ８に対応して）約０．３ミリメータの下限から約２．４ミリメータの上限を有し、９９．５重量％を超える吸着性物質は下限から上限までの範囲内にあり、ある特定の好ましい実施形態では、（米国標準篩系列に基づくメッシュサイズ５０からメッシュサイズ１４に対応して）約０．３ミリメータから約１．４ミリメータであり、９９．５重量％を超える吸着性物質は下限および上限内にある。約０．５ミリメータから約０．６ミリメータの最小有効粒子サイズをもつ粒状活性炭は、好適な分離システムを用いて混合液から簡単にかつ効率的にスクリーニングすることができ、また、好適な密度の粒状活性炭中のそのような有効サイズは、懸濁状態に経済的に維持できることが実証された。
【０１６６】
実施例
次に、以下の非限定的な実施例によって本発明を説明する。
【０１６７】
実施例１
約３，７８５リットル（ｌ）（１，０００ガロン（ｇａｌ））の容量の無酸素セクションをもつ曝気タンクと、市販の膜生物学的反応器システムと等価の膜操作システムとを有する、パイロットスケールのプログラマブルロジック制御された膜生物学的反応器システム（アメリカ合衆国ウィスコンシン州ロスチャイルドのＳｉｅｍｅｎｓ  Ｗａｔｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能なＰｅｔｒｏ（商標）ＭＢＲ  Ｐｉｌｏｔ  Ｕｎｉｔ）を、本発明に記載された粒状活性炭添加に適応するように修正した。曝気タンクから膜操作システムに混合液を輸送するポンプの入口にウェッジワイヤスクリーンを定置した。
【０１６８】
ベース合成フィードストックは、以下の濃度の有機物／無機物、すなわち、４８グラム／リットル（ｇ／ｌ）（４８オンス／立法フィート（ｏｚ／ｃｆ））の酢酸ソーダ、１６ｇ／ｌ（１６ｏｚ／ｃｆ）のエチレングリコール、２９ｇ／ｌ（２９ｏｚ／ｃｆ）のメタノール、１．９ｇ／ｌ（１．０ｏｚ／ｃｆ）の水酸化アンモニウム、および０．８９ｇ／ｌ（０．８９ｏｚ／ｃｆ）のリン酸を有する水を含んだ。水酸化アンモニウムおよびリン酸は、膜生物学的反応器システム内のバクテリアのための適切な栄養バランス源であった。
【０１６９】
高濃度の生物学的抵抗性有機化合物および／または生物学的阻害性有機化合物を有するサンプル廃水混合物が調製された。具体的に、サンプル廃水混合物は、以下の濃度の生物学的抵抗性有機化合物および／または生物学的阻害性有機化合物、すなわち、９０ミリグラム／リットル（ｍｇ／ｌ）（０．０９オンス／立法フィート（ｏｚ／ｃｆ）のＥＤＴＡ、３０ミリグラム／リットル（０．０３ｏｚ／ｃｆ）のフタル酸ジ−ｎ−ブチル、１２０ｍｇ／ｌ（０．１２ｏｚ／ｃｆ）の２，４−ジニトロフェノール、２１ｍｇ／ｌ（０．０２１ｏｚ／ｃｆ）の２，４−ジニトロトルエン、および７５ｍｇ／ｌのメチルｔｅｒｔ‐ブチルエーテルを含有した。混合物を無酸素タンクに供給した。
【０１７０】
最初に、粒状活性炭なしに膜生物学的反応器を動作させてベースラインを取得した。粒状活性炭の添加の前には、排出物中の約９２％の生物学的抵抗性有機物または生物学的阻害性有機物の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）化合物のみが除去され、膜生物学的反応器を完全に環境順化した長期間のバイオ環境順化後には、したがって、（ＣＯＤとして測定された）これらの化合物の約８％を排出物中に流すことが可能になったことが分かった。
【０１７１】
粒状活性炭の効率を判断するために、（米国標準篩系列に基づく）１４×３５の公称メッシュサイズを有する３８００グラム（ｇ）（１３４オンス（ｏｚ））のＭｅａｄＷｅｓｔｖａｃｏ  Ｎｕｃｈａｒ（登録商標）ＷＶ  Ｂを曝気タンクに加え、粒状活性炭を懸濁状態に維持するために過剰な空気を提供して、曝気タンクに空気を供給するブロワを曝気タンクに２１２４標準リットル／分（ｓｌｍ）（７５ｓｃｆｍ（ｓｃｆｍ））供給するように調整した。曝気タンクに加えられた粒状活性炭の量は、ユニット中の混合液浮遊物質の２０パーセントに基づき、約５０００ｍｇ／ｌ（５ｏｚ／ｃｆ）となるように決定された。
【０１７２】
ＭＬＶＳＳの環境順化後、総膜操作システム排出物ＣＯＤ濃度が４％未満となり、したがって、ＣＯＤとして測定された生物学的抵抗性または生物学的阻害性の有機化合物の９６％超の除去を達成した。図１４は、膜生物学的反応器システム中の生物学的環境順化の様々な段階における、生物学的抵抗性および生物学的阻害性の化合物の供給濃度（ｍｇ／ｌ単位）と残留排出物濃度（オリジナルに対する百分率）とを示すチャートである。具体的には、図１４は、粒状活性炭の添加前（段階Ａ）と、環境順化期間（段階Ｂ）中と、環境順化（段階Ｂ）後との排出物濃度の比較を示す。粒状活性炭がシステムに添加されると、粒状活性炭の吸着能力が１日未満で消耗したので、排出物ＣＯＤ濃度の非常に大幅な初期低下が起こったが、これは図１４には示されていない。次いで、供給ＣＯＤの６．５％程度が処理後に残っているようにシステムを安定化した。これは、カーボンの吸着能力が消耗し、粒状活性炭上のバイオマスがＣＯＤとして測定された生物学的阻害性有機化合物を分解するために作用し始めた期間を表した。粒状活性炭の表面上にバクテリアが完全に確立された後、電子顕微鏡評価を用いて確認されたように、取り付けられた成長／固定フィルムシステムの利点が明らかになった。排出物中の残留ＣＯＤ濃度は、供給ＣＯＤ濃度の４％未満まで低下し、生物学的抵抗性または生物学的阻害性の有機化合物の高度に集中された供給の９６％よりも高いＣＯＤ除去効率が提供された。
【０１７３】
本発明の方法および装置を使用すると、（１つまたは複数の）膜操作システムタンクの外にカーボンを保つことによって、膜の閉塞および摩耗がなくなる。より大きいサイズのカーボン粒子を使用することによって、カーボン粒子スクリーニングおよび／または分離が可能になる。一方、小さい微粒子サイズの粉末活性炭は、混合液からの効果的なろ過を妨げる。
【０１７４】
実施例２
圧縮空気源に接続されたロータメータと、ロータメータの出口からメスシリンダの底部に達するチューブまでのチューブとを有する２０００ミリリットルメスシリンダを使用して、実験室微粒子懸濁スケール試験を実施した。２０ｇ（０．７ｏｚ）の完全に乾燥した粒状活性炭をメスシリンダ中に置いた。また、室温の蒸留水をシリンダに加えて微粒子を湿潤した。スパーテルを用いてシリンダの含有成分を混合して、含有物全体を懸濁させ、気泡を除去した。
【０１７５】
第１の固形物が懸濁するまで、シリンダ中のチューブに、速度を増しながら空気を加え、空気流が記録された。（シリンダの底部に残っているカーボンの量をもとにして）固形物の約５０％が懸濁するまで、空気流を増加させ、空気流が記録された。粒状活性炭のすべてが懸濁するまで、空気流をさらに増加させた。最後の空気流が記録された。結果を表１に示す。
【表１】
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【０１７６】
より多くの微粒子を懸濁させるにつれて、微粒子を懸濁させるために必要なエネルギー量が増加した。これらの結果に基づいて、粒子状活性炭を懸濁させるための空気必要量を計算すると、１，０００リットルの反応器容積当たり約７，０８０から約８，５００ｓｌｍ（１，０００平方フィートの反応器容積当たり約２５０から約３００ｓｃｆｍ）となった。対照的に、粒子状活性炭なしに生物学的固形物を懸濁させる業界標準は、１，０００リットルの反応器容積当たり約８５０ｓｌｍ（１，０００平方フィートの反応器容積当たり３０ｓｃｆｍ）である。単純な粗気泡拡散器システムを使用して、粒子状活性炭と生物学的固形物とを懸濁させるための空気必要量は、生物学的固形物だけを懸濁させ、生物学的分解のために必要な酸素を供給するための空気必要量の最大１０倍となることがわかった。
【０１７７】
実施例３
直径１．８３メートル（ｍ）（６フィート（ｆｔ））で水深２．５９ｍ（８．５ｆｔ）の縦型円筒形タンクを利用する粒状活性炭懸濁パイロットユニットを用意した。タンクの外壁を通して、タンク床から４３．５センチメートル（ｃｍ）（１７．１２５インチ（ｉｎ））の距離にＳｉｅｍｅｎｓ  Ｗａｔｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（アメリカ合衆国ウィスコンシン州ロスチャイルド）の１つのエダクタジェットノズルを設置した。図１５に示されるノズルをタンクの中央に向かって水平に方向づけた。５０ｍｇ／ｌ濃度の粒状活性炭、Ｍｅａｄ  Ｗｅｓｔｖａｃｏ  Ｎｕｃｈａｒ  ＷＶＢ  １４×３５／木材をタンク中に導入した。
【０１７８】
図１５に示されるように、ジェットノズルシステムは、流体入口１５４６と、圧縮空気入口１５５８と、出口１５６４とを備えるジェットノズル１５４４を含んだ。流体は、入口１５４６から混合チャンバ１５６６へと流れた。また、圧縮空気は混合チャンバ１５６６に入り、そこで膨張し、流体にエネルギーを与えた。空気が膨張するにつれて、流体と空気との混合物がノズルスロート１５６８へと流れ、そこで混合物の速度が増大した。空気を含有する流体は、出口１５６４を通りノズル１５４４から出て、タンクへと入った。
【０１７９】
様々な液体流量および圧縮空気流量を用いて試験が行われた。液体流は５３０リットル／分（ｌｐｍ）から７５７ｌｐｍ（１４０ガロン／分（ｇｐｍ）から２００ｇｐｍ）の範囲であり、圧縮空気流量は０から８５０ｓｌｍ（３０ｓｃｆｍ）の範囲であった。
【０１８０】
液体流量を５８７ｌｐｍ（１５５ｇｐｍ）にし、空気流量を８５０ｓｌｍ（３０ｓｃｆｍ）にすると、活性炭が懸濁したが、空気流を４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）以下にすると、活性炭はタンクの底部に堆積する結果となった。同様に、液体流量を６４４ｌｐｍ（１７０ｇｐｍ）にし、空気流量を８５０ｓｌｍ（３０ｓｃｆｍ）にすると、活性炭が懸濁したが、空気流量を４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）以下にすると、活性炭はタンクの底部に沈殿する結果となった。液体流が７００ｌｐｍ（１８５ｇｐｍ）まで増加させると、空気流量を４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）に低減した時点で活性炭が懸濁する結果となった。
【０１８１】
ノズルを通る液体の流量を６４４から７００ｌｐｍ（１７０から１８５ｇｐｍ）まで、１０％未満増加させると、粗気泡拡散器システムが必要とする空気と比べて、空気消費量が５０％少なくなった。したがって、ジェット懸濁システムは圧縮空気の消費量を、したがって、圧縮空気の使用に関連するエネルギーコストを大幅に低減した。
【０１８２】
実施例４
粒状活性炭の懸濁を実行するためのジェットノズルの有効性を判断し、下流膜操作システムの膜への粒状活性炭微粒子の通過を最小限に抑えるための構造を実証するために、実施例４を行った。円筒形タンクおよびジェット混合ノズルを使用して、ジェット混合は粒状活性炭を完全に懸濁することができるかどうかを実証した。様々な混合液体流量および気体流量について評価した。
【０１８３】
図１６、図１８および図１９に示されるように、約７，５７０ｌ（約２，０００ｇａｌ）のろ過された水道水をレベルＬまで満たした直径６フィートの９，０８５ｌ（２，４００ｇａｌ）スチールタンク１６０２中にジェット混合／曝気ノズル１６４４を設置した。
【０１８４】
この実施例では、様々な液体流量および気体流量で、円筒形タンク中でジェット混合ノズルを使用して、木材ベースのＭｅａｄ  Ｗｅｓｔｖａｃｏ  Ｎｕｃｈａｒ（登録商標）ＷＶ−Ｂ粒状活性炭と、石炭ベースのＮｏｒｉｔ  Ｄａｒｃｏ（登録商標）ＭＲＸ粒状活性炭を懸濁させた。Ｍｅａｄ  Ｎｕｃｈａｒ（登録商標）ＷＶ−Ｂ粒状活性炭の比重は１．１であり、有効サイズは０．６ミリメータ（０．０２４ｉｎ）であったが、一般に、石炭ベースの粒状活性炭よりも比較的軟らかく、Ｄａｒｃｏ（登録商標）ＭＲＸの比重は１．５であり、有効サイズは０．７ミリメータ（０．０２８ｉｎ）であった。
【０１８５】
約５０ｍｇ／ｌ（０．０５ｏｚ／ｃｆ）の木材ベースの粒状活性炭を水に加えた。水中ビデオカメラを使用して、タンク中の混合プロファイルを観察することができるように、低濃度の粒状活性炭を使用した。以下の表２に使用した試験条件の範囲を示す。
【表２】
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【０１８６】
ディスクポンプ１６４８によってジェット混合／曝気エアレータ１６４４のノズルに水を供給し、ブロワ１６６０から圧縮空気を噴出した。可変周波数ドライブ１６４９および１６６１は、それぞれの供給速度を調節することができるポンプおよびブロワのモータのスピードをそれぞれ制御した。ディスクポンプ１６４８の排出ライン中にある磁気式流量計が液体流を監視した。ブロワモータのスピードは、空気流に比例した。
【０１８７】
図１７を参照すると、ジェットノズルのスロート速度は、各試験条件において計算され、液体流量に対して示された。図示のように、木材ベースの粒状活性炭の完全な懸濁を達成するためには、約１０．４メートル／秒（３４フィート／秒）の最小スロート速度が必要とされた。この速度は、粒状活性炭の比重および最大微粒子サイズに相関し得る。
【０１８８】
木材ベースの粒状活性炭を用いた試験の完了時に、タンクを廃水し、洗浄し、水を再充填し、約５０ｍｇ／ｌの石炭ベースの粒状活性炭を加えた。同様の一連のテストに基づいて、ジェットエアレータが、より密度の高い粒状活性炭を懸濁状態に維持することができたことが観察された。
【０１８９】
粒状活性炭微粒子が下流膜操作システムの膜に到達することを実質的に防止することが必要なので、曝気／反応器タンクの出口に０．３８ミリメータ開口部をもつスロット付きスクリーンを配置して、それにより、直径０．３８ミリメータ（０．０１５ｉｎ）未満の微粒子までジェットエアレーション循環中に分解された任意の粒状活性炭微粒子は、スクリーンを通過し、膜操作システムに入ることができるようにした。
【０１９０】
さらに、静止ゾーン、すなわち、粒状活性炭がスクリーンに到達する前に沈殿することができるようにする低乱流のゾーンを使用する曝気／反応器タンク中にあるジェットポンプの吸引の側にスクリーンを置いて、２つの試験を実行した。
【０１９１】
図１８を参照すると、第１の試験では、縦型バッフル１８９４を使用して、曝気タンク１８０２中に近位静止ゾーンを作製した。バッフルは、タンクの底部の上０．６１ｍ（２ｆｔ）から水位の上方まで延長した。この構成では、スクリーン１８２２はウェッジワイヤスクリーンであり、水がスクリーン１８２２に到達する前にタンク１８０２の底部から低乱流ゾーンを通って引かれなければならない静止ゾーンの頂部の近くに、スクリーン１８２２を装着した。静止ゾーンは、上向き速度が粒状活性炭の沈殿速度よりも小さくなるように、ユニットの計算されたプラグ流よりも４０〜５０％大きくサイズ設定した。この構成が効果的であるために、微粒子の比重に依存する沈殿速度は上向き速度よりも大きくなければならない。計算された沈殿速度が１．８メートル／秒である活性化された石炭ベースの粒子を使用して試験を実行した。静止ゾーンのプラグ流を仮定すると、上向き速度を、粒状活性炭が沈殿できるようにするのに十分に低く保つためには、少なくとも０．３９ｍ２（４．２ｆｔ２）でなければならない。静止ゾーンの実際の断面積は０．７３ｍ２（７．８ｆｔ２）であった。
【０１９２】
さらに図１８を参照すると、ポンプに供給するために使用されたタンク１８０２のノズル１８４４をタンク床から約１５．２ｃｍ（６ｉｎ）に配置した。ウェッジワイヤスクリーン１８２２がタンクの頂部の近くで懸架され、出口１８０８と流体連通することができるように、ゴムブーツを使用して、ポリ塩化ビニルパイプをノズル１８４４に取り付けた。ウェッジワイヤスクリーンは、直径が８．９ｃｍ（３．５ｉｎ）であり、長さが０．９１ｍ（３ｆｔ）であり、０．３８ミリメータ（０．０１５ｉｎ）の開口を有した。
【０１９３】
約１８時間の稼働時間の間、７００ｌｐｍ（１８５ｇｐｍ）の水流および４１９ｓｌｍ（１４．８ｓｃｆｍ）の空気流で混合試験を行った。粒状活性炭は、タンクの乱流部分中でなおも懸濁している粒状活性炭がほとんどない静止ゾーンの下のタンクの床上で観察された。時折、静止ゾーンの下方の床上で回旋アクションが生じ、粒状活性炭の一部がスクリーンに向かって上向きに巻き上げられることになった。
【０１９４】
ポンプおよびブロワをオフしたとき、スクリーン上に存在する粒状活性炭の一部分が落ちて、スクリーンに強力には接着されていなかったことを示し、残りの粒状活性炭は軽いブラッシングで容易に除去された。
【０１９５】
図１９を参照すると、タンク１９０２と、縦型バッフル１９９４と、ノズル１９４４と、図１８に関して説明された等価エレメントと実質的に同一に寸法設定され配置された出口１９０２と流体連通するスクリーン１９２２とを使用して、第２のテストを実施した。さらに、上向き流れを分散させるために、第２のバッフル１９９３を縦型バッフル１９９４の下方に４５度の角度で配置した。静止ゾーンは、スクリーンに到達する粒状活性炭の量を最小限に抑えるための手段を提供した。スクリーン上に経時的に累積し得る任意の粒状活性炭を取り払うために、機械的ワイパー、あるいは水または空気の逆流パルスのいずれかを使用することができる。
【０１９６】
実施例５
実施例４で使用した同じ木材ベースの粒状活性炭と石炭ベースの粒状活性炭材料とを効率的に懸濁させるために混合するドラフトチューブおよびトラフを使用して、エアリフトポンプシステムの効果を実証するために、実施例５を行った。円筒形タンクおよび長方形タンクを様々な構成で使用した。実施例４の木材ベースの粒状活性炭と石炭ベースの粒状活性炭の両方を使用して摩耗を測定し、混合試験は、より高い密度の石炭ベースの粒状活性炭を使用した。
【０１９７】
試験データは、円筒形タンク中でも長方形タンク中でも、それらのタンク中の生物学的な呼吸を持続させるために必要な空気流量に匹敵する空気流量を使用すると、ドラフトチューブおよびドラフトトラフ中で粒状活性炭が懸濁できるということを確立した。データはまた、タンクの床の周囲区域から粒状活性炭を移動させて懸濁させる点に関して、一定の空気流量では、より小さいドラフトチューブよりも、より大きい直径のドラフトチューブが効率的であることを示す。
【０１９８】
粒状活性炭の摩耗の程度を判断するために、直径０．３１ｍ（１２インチ）でセクション高さ３．７ｍ（１２フィート）のアクリルパイプを、１５０ｌ（５．３ｇａｌ）の水で２．３ｍ（９２インチ）まで満たし、１，５００ｇ（５３ｏｚ）の乾燥粒状活性炭を加えて、約１重量パーセントの濃度にした。直径２．１ｍ（８２インチ）で長さ７ｃｍ（３インチ）のポリ塩化ビニルパイプをドラフトチューブとして機能させるために、直径０．３１ｍ（１２インチ）のパイプの中央に固定した。粒状活性炭および水を通過させるために、２．５４ｃｍ（１インチ）高×１．９ｃｍ（０．７５インチ）幅の４つのスロットをチューブの底部に設け、１．９ｃｍ（０．７５インチ）ノズルをドラフトチューブの中央に置いた。
【０１９９】
約３００ｓｌｍ／１０００リットルの水（３００ｓｃｆｍ／１０００平方フィートの水）と等価である２，８３１標準リットル／時（１００標準平方フィート／時）の速さで空気をノズルを介して導入した。摩耗を判断するために、フルスケール動作で予想されるより多くの乱流混合を生成するように、この比較的高い空気流量を選択した。第１のサンプルを取得する前に、約１０分間にわたって流体を混合させた。
【０２００】
水および粒状活性炭のグラブサンプルをアクリルパイプの頂部からとり、２０メッシュスクリーンを通してそのサンプルを注ぐことによって、試験中に摩耗を測定した。摩耗の結果として生じたと仮定されるスクリーンを通過した固形物を収集し、乾燥させ、重量を測定した。
【０２０１】
石炭ベースの粒状活性炭（ＭＲＸ）よりも木材ベースの粒状活性炭（ＷＶ−Ｂ）のほうが、粒状活性炭摩耗率が高いという結果が示された。３０日間の運転後、木材ベースの粒状活性炭の約１０％の摩耗と、石炭ベースの粒状活性炭の約５％の摩耗が観察された。作動している生体反応器中で本発明を実施すると、生物学的プロセスの通常運転中に消耗する固形物によって、この摩耗量が生成されることになる。試験の結果を図２０にまとめる。また、プロットは、各データセットに関する標準的な線形回帰分析のためのｙ交差値およびＲ２値を示す。
【０２０２】
様々な構成の（１つまたは複数の）ドラフトチューブ、ならびにドラフトチューブの数、タンクの底部からのドラフトチューブの距離、およびドラフトチューブ直径などの変量について試験し、性能に影響を与えることが分かった。
【０２０３】
１つの構成では、図２１を参照すると、直径が０．３ｍ（１２ｉｎ）で高さが１．５ｍ（５ｆｔ）の単一のドラフトチューブ２１９２を直径が１．８ｍ（６ｆｔ）のタンク２１０２の中心に置き、タンクの底部の上方の脚部２１９５上に配置した。タンク２１０２を約６，４３５ｌ（１，７００ｇａｌ）の水で水位Ｌまで満たし、混合特徴を独力で観察し記録することができるように、十分な石炭ベースの粒状活性炭（４００〜１，２００ｇ（１４．１〜４２．３ｏｚ））を加えた。ドラフトチューブ壁を貫通し、頂部表面にドリルで開けられたいくつかの直径３．２ミリメータ（０．１２５ｉｎ）の孔を有する直径２．５４ｃｍ（１ｉｎ）のポリ塩化ビニル製粗気泡拡散器パイプ２１９０によって空気を供給した。空気流量を１４１ｓｌｍ（５ｓｃｆｍ）から４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）まで変動させ、タンクの底部とドラフトチューブとの間の距離Ｄは、８．３ｃｍ（３．２５ｉｎ）または１．９ｃｍ（０．７５ｉｎ）のいずれかであった。
【０２０４】
この一連の試験に関して使用する場合、用語「衝撃ゾーン」は、粒状活性炭がないドラフトチューブのまわりのタンク床の区域である。
【０２０５】
他の条件が同じで、ドラフトチューブをタンク床の上８．３ｃｍ（３．２５ｉｎ）に配置すると、ドラフトチューブをタンク床の上１．９ｃｍ（０．７５ｉｎ）に配置したときよりも衝撃ゾーンが大きくなることが観察された。一般的な条件のためのドラフトチューブの底部とタンク床との間の最適距離は、ルーチンの実験によって判断することができる。
【０２０６】
加えられた空気の量が２倍に増加しても、衝撃ゾーンのサイズは２倍にはならなかった。４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）で床とドラフトチューブの間の隙間が８．３ｃｍ（３．２５ｉｎ）であると、直径約７１ｃｍ（２８ｉｎ）の、すなわち、ドラフトチューブの外壁を２０ｃｍ（８ｉｎ）越える衝撃ゾーンが生成され、観察された衝撃ゾーンは最も大きくなった。
【０２０７】
同じ量の空気を使用する衝撃ゾーンのサイズを拡張させようとして、ドラフトチューブの底部から水平方向に延びるスカートまたはフランジを加え、ドラフトチューブおよびスカートの全体直径を７１ｃｍ（２８ｉｎ）まで増大させることによって、図２１に示された構成を修正した。すべての他の条件は上述の条件と同じであった。空気流量を１４１ｓｌｍ（５ｓｃｆｍ）から４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）まで変動させた。
【０２０８】
ドラフトチューブの底部にスカートを加えると、衝撃ゾーンのサイズが増大したことが観察された。４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）の空気流量では、同じ空気流量でスカートがない７１ｃｍ（２８ｉｎ）の衝撃ゾーンの場合に比べると、１１２ｃｍ（４４ｉｎ）まで、すなわち、スカートの外側縁部を２０ｃｍ（８ｉｎ）越えるまで衝撃ゾーンが増大した。衝撃ゾーンは、スカートのサイズに比例して増大した。
【０２０９】
これらのドラフトチューブ構成は図２２に示される流れパターンを生成し、図中、水および懸濁した粒状活性炭がドラフトチューブ２２９０の入口２２９６に向かって下に内向きに描かれている。図２２には停滞領域も表されている。
【０２１０】
さらなる実施例では、より小径およびより短いドラフトチューブをより大きいドラフトチューブの内側に配置したが、両方の長さは１．８２ｍ（６ｆｔ）であり、タンクの底部から約７．６ｃｍ（３ｉｎ）に内側ドラフトチューブを装着し、外側ドラフトチューブは内側ドラフトチューブよりも２２．９ｃｍ（９ｉｎ）高い位置に配置された。ポリ塩化ビニルシートは、直径１５．３ｃｍ（６ｉｎ）の内側ドラフトチューブの底部から延び、直径７１ｃｍ（２８ｉｎ）のスカートを生成した。傾斜表面またはランプを形成するために、スカートの頂部縁部に、直径１５．３ｃｍ（６ｉｎ）のドラフトチューブの外側表面上約１２．７ｃｍ（５ｉｎ）の位置でプラスチックシートを取り付けた。変形されたドラフトチューブを直径１．８２ｍ（６フィート）のタンクの中央に置き、空気流量は１４１ｓｌｍ（５ｓｃｆｍ）から４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）まで変動した。
【０２１１】
同心円チューブは、直径７１ｃｍ（２８ｉｎ）のフランジスカートをもつ単一のドラフトチューブの衝撃ゾーンに匹敵する約１１２ｃｍ（４４ｉｎ）の衝撃ゾーンを生成した。どちらの構成でも、衝撃ゾーンは約１１２ｃｍ（４４ｉｎ）であった。
【０２１２】
直径０．３１ｍ（１２ｉｎ）のドラフトチューブを単一の直径１５．３ｃｍ（６ｉｎ）のドラフトチューブと交換することによって、図２１のドラフトチューブ構成を修正した。さらに、空気流量は１４１ｓｌｍ（５ｓｃｆｍ）から４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）の範囲で変動させ、タンクの底部とドラフトチューブとの間隔を８．３ｃｍ（３．２５ｉｎ）および６．４ｃｍ（２．５ｉｎ）で試験した。
【０２１３】
これらの試験の結果は、８．３ｃｍ（３．２５ｉｎ）から６．４ｃｍ（２．５ｉｎ）への間隔の変動は、チューブのまわりの衝撃ゾーンの直径を大幅には変化させなかったことを示した。
【０２１４】
空気流量が２倍に増大しても、衝撃ゾーンのサイズを２倍にはならなかった。最も衝撃ゾーンを生成した条件は、床とドラフトチューブとの間のスペースが８．３ｃｍ（３．２５ｉｎ）である４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）である。この構成により、ドラフトチューブの外壁を２０ｃｍ（８ｉｎ）越える直径約５６ｃｍ（２２ｉｎ）である衝撃ゾーンが生成された。
【０２１５】
上記試験に基づくと、所与の空気流量の場合、試験された範囲およびサイズ内において、より大きい直径のドラフトチューブは、より小さいドラフトチューブよりも粒状活性炭を懸濁させるのにより効果的であると結論付けることができる。直径１．８２ｍ（６フィート）のタンク中で粒状活性炭を混合し懸濁させるためには、２つ以上のドラフトチューブが必要とされることが明らかになる。空気流量を増大させると、混合率および衝撃ゾーンのサイズをあるポイントまで増大させるが、空気流量を２倍にしても、衝撃ゾーンは２倍にはならなかった。スカートまたはフランジをもつ、またはもたない、ドラフトチューブの周囲を越えて約２０ｃｍ（８ｉｎ）の区域のタンク床には、一貫して粒状活性炭がなかった。（１つまたは複数の）ドラフトチューブ衝撃ゾーンに向かって粒状活性炭を押すために、代替構造および／または補助混合デバイスをタンク中で採用してもよい。
【０２１６】
他の構成において、図２３を参照すると、３つの直径１２インチのドラフトチューブ２３９２をタンク２３０２中に等間隔に置き、これらのドラフトチューブ２３９２は、各ドラフトチューブの中央がタンクの中央から０．６１ｍ（２４ｉｎ）となり、ドラフトチューブの中央からタンク壁までの距離が約０．３１ｍ（１２ｉｎ）となるように互いに固定されている。各ドラフトチューブを、タンク床から約７ｃｍ（３ｉｎ）離して懸架した。
【０２１７】
それぞれが２つの３．２ミリメータ（０．１２５ｉｎ）孔を備える１インチ直径のポリ塩化ビニルパイプを通して、各ドラフトチューブに空気を均一に供給した。３つのドラフトチューブすべてに供給される空気の総量は４５３ｓｌｍ（１６ｓｃｆｍ）であった。
【０２１８】
３つのドラフトチューブに直接隣接して形成された衝撃ゾーンの外側の粒状活性炭の混合および運動を補助するために、孔をもつ２．５４ｃｍ（１ｉｎ）ポリ塩化ビニルパイプの水分散システムを製造しタンクの底部に配置した。水が４５度の角度で床に向かって方向づけられるように、パイプの向かい合う側部に約３２ｃｍ（７ｉｎ）離して孔を穿孔した。分散システムに、遠心ポンプによって、別個の水貯蔵および循環タンクから５３ｌｐｍ（１４ｇｐｍ）で水を供給した。この構成は、膜生体反応器システム中の膜操作システムタンクからの返送水に類似している。第２のポンプおよびバルブは貯蔵タンクに戻る水の流れを制御し、スクリーンを使用して粒状活性炭を試験タンク中に保持した。
【０２１９】
各ドラフトチューブが、ドラフトチューブの外壁を越えて２０ｃｍ（８ｉｎ）延びている区域を清浄し、水分散器システム中の各孔が、長さ３１〜４１ｃｍ（１２〜１６ｉｎ）で幅２０〜３１ｃｍ（８〜１２ｉｎ）の区域を清浄したことが観察された。ドラフトチューブの衝撃ゾーンと水分散器との間の区域中では、一部の粒状活性炭はタンク床に沈殿したが、衝撃ゾーンにゆっくりと動き、そこでリフトされ懸濁状態になった。
【０２２０】
水分散システムのさらなる試験では、排出された水が円形パターンでタンク中で混合するように、水分散器のパイプ中の孔を配向した。
【０２２１】
水分散器配管の間隔、空気流量、および水流量を含むすべての他の条件を、膜操作システム返送水をタンクに均一に加える３つの直径３１ｃｍ（１２ｉｎ）で高さ９１ｃｍ（３６ｉｎ）のドラフトチューブに関して記載したものと同じにした。
【０２２２】
この試験の結果は、各ドラフトチューブがドラフトチューブの外壁を越えて２０ｃｍ（８ｉｎ）延びている区域を清浄したことが示した。さらに、水流は円形パターンで粒状活性炭を混合する際に効果的であった。周囲に３つのドラフトチューブを置く代わりに、１つのドラフトチューブをタンクの中央に置くことよって、タンクの中央における粒状活性炭のビルドアップをなくすことができる。
【０２２３】
ドラフトチューブの長さが１５２ｃｍ（６０ｉｎ）から９１ｃｍ（３６ｉｎ）まで低減されたときでさえ、粒状活性炭がタンク中の水位の頂部まで混合されたことが観察された。さらに、返送液体をタンクの底部に加えるために水分散器を使用することは、粒状活性炭を旋回させるためには効果的であった。複数のドラフトチューブをタンクの内部に置くと、各ドラフトチューブのまわりの衝撃ゾーンのサイズは、単一のドラフトチューブのまわりで観察された衝撃ゾーンのサイズと等価、すなわち、ドラフトチューブの外壁を２０ｃｍ（８ｉｎ）越えた。
【０２２４】
他の構成において、図２４を参照すると、円形タンクの混合特徴と比較するために、幅０．９１ｍ（３ｆｔ）、長さ２．１ｍ（７ｆｔ）、および深さ２．７ｍ（９ｆｔ）の長方形タンク２４０２を用意して、２．４ｍ（８ｆｔ）の水で満たした。上述のようにブロワ、ブロワモータ、および流量計を設定し、動作させた。
【０２２５】
図２４に示されるように、タンク床２４０５の外側３１ｃｍ（１２ｉｎ）を、粒状活性炭が水環境中でスライドして進み始める角度となるようにあらかじめ決定された３０度の角度で傾斜させた。傾斜壁の３０度の角度により、粒状活性炭をドラフトチューブ入口に向かって方向づけた。
【０２２６】
それぞれが高さ９１ｃｍ（３６ｉｎ）で、タンクの底部から約１２．７ｃｍ（５ｉｎ）離れて支持された３つの直径３１ｃｍ（１２ｉｎ）のドラフトチューブ２４９２を、タンク２４０２の非傾斜部分全体に均等に離隔して配置した。３つの粗気泡拡散器を介してドラフトチューブ中に空気を導入するために、ドラフトチューブの下方に穿孔された開口を有する直径７．６ｃｍ（３ｉｎ）の空気パイプ２４９０を配置した。空気流量を２２１ｓｌｍ（７．８ｓｃｆｍ）から５１２ｓｌｍ（１８．１ｓｃｆｍ）まで変動させた。
【０２２７】
その範囲内で採用された空気流量で、粒状活性炭を充分に混合した。空気流量が高くなると、混合流がより活発になり、粒状活性炭がタンクの床に残った時間が短くなった。空気添加中、タンクの深さ全体に粒状活性炭が存在することが観察された。
【０２２８】
他の構成において、今度は図２５を参照すると、図２４に関して上述された傾斜壁と拡散器とを有するタンク２５０２が用意され、高さ６１ｃｍ（２４ｉｎ）で、３１ｃｍ（１２ｉｎ）離隔し、タンク床の上方６．４ｃｍ（２．５ｉｎ）に配置された２つの平行なバッフル２５９７を加えて「ドラフトトラフ」２５９２を形成した。パイプ２５９０を通る空気流量を、９０．６ｓｌｍ（３．２ｓｃｆｍ）から３３１．３ｓｌｍ（１１．７ｓｃｆｍ）まで変動させた。粒状活性炭は１４１．６ｓｌｍ（５ｓｃｆｍ）よりも高いすべての空気流量においてよく混合および懸濁し、空気流量が１４１．６ｓｌｍ（５ｓｃｆｍ）よりも上まで増大すると、混合率が増加することが観察された。
【０２２９】
タンク床および拡散器の構成が、ドラフトトラフまたはドラフトチューブがない図２４および図２５に関して記載された試験と同一である追加の試験において、１１３３ｓｌｍ（４０ｓｃｆｍ）においてでさえ、外観上、粒状活性炭の１０％未満しか懸濁しないことがわかり、それは、トラフの存在が、粒状活性炭のエネルギー効率的懸濁の非常に重要なファクタであることを示す。
【０２３０】
別の試験構成では、タンク壁からトラフまでの距離を増大させた。大型の曝気槽では、トラフをより大きな距離だけ離隔できることが経済的に有効となる。トラフ間の間隔を２．１ｍ（７ｆｔ）まで延ばすことの有効性を判断するために、試験を実行した。これを判断するために、上述の図２５に関する構成をタンク中で９０度回転させた。タンクの各端部から９１ｃｍ（３６ｉｎ）延びた２つの３０度傾斜壁を設置した。
【０２３１】
直径７．６ｃｍ（３ｉｎ）のポリ塩化ビニルパイプの全長９１ｃｍ（３６ｉｎ）にわたって、均等に離隔した９つの３．２ミリメータ（０．１２５ｉｎ）直径の孔を穿孔することによって、粗気泡拡散器を製造した。１６４ｓｌｍ（５．８ｓｃｆｍ）から４０２ｓｌｍ（１４．２ｓｃｆｍ）まで空気流量を変動させた。
【０２３２】
タンクの中央に気泡拡散器を置いた。タンク床の上方６．４ｃｍ（２．５ｉｎ）にある３１ｃｍ（１２ｉｎ）離隔している長さ９１ｃｍ（３６ｉｎ）で高さ６１ｃｍ（２４ｉｎ）の２つの平行なバッフルを使用して、拡散器パイプのまわりの２つの傾斜したタンク壁の間にトラフを作製した。
【０２３３】
粒状活性炭は、空気流量範囲全体にわたってよく混合し懸濁していることが観察された。粒状活性炭は、傾斜を下に向かってドラフトトラフ中へと流れ、それにより、トラフの間隔は間の床が３０度傾斜で最大２．１ｍ（７ｆｔ）離隔できることを示した。
【０２３４】
上述の試験は、ドラフトトラフ設計により、ドラフトトラフに向かって垂直な外壁から延びる３０度の傾斜した床または壁を使用して、幅０．９１ｍ（３フィート）、長さ２．１ｍ（７フィート）、２．４ｍ（８フィート）容積の水中に粒状活性炭を懸濁させることが成功したことを示した。
【０２３５】
粒状活性炭を懸濁させるためのエネルギー効率性能をさらに最適化するために、異なる構造のタンク床とともに上述のように９１ｃｍ（３６ｉｎ）長のトラフを使用して追加試験を実行した。この構成は、全体的に傾斜した床を取り除くことと、外壁からトラフまで床を傾斜させることと、３０度から１５度まで角度を小さくすることと、３０度の角度を維持しながらタンクの各端部上の傾斜した床の長さを９１ｃｍ（３６ｉｎ）から３１ｃｍ（１２ｉｎ）まで減少させることとを含んだ。さらに、２つの長さ９１ｃｍ（３６ｉｎ）のトラフが傾斜した床のないタンクの各端部にあるようにタンクを構成し、試験を実行した。これらの構成の各々において、１４１ｓｌｍ（５ｓｃｆｍ）から４２５ｓｌｍ（１５ｓｃｆｍ）まで空気流量を変動させた。
【０２３６】
パイロット曝気タンクの各端部に２つのドラフトトラフを設置した。９１ｃｍ（３６ｉｎ）粗気泡拡散器をタンクの各端部に置くことによってトラフを生成した。５つの均等に離隔した３．２ミリメータ（０．１２５ｉｎ）の孔を有する７．６ｃｍ（３ｉｎ）のポリ塩化ビニルパイプで拡散器を製造した。壁から約２０ｃｍ（８ｉｎ）、すなわち、拡散器の中央から６インチ離して、長さ９１ｃｍ（３６ｉｎ）で高さ６１ｃｍ（２４ｉｎ）のバッフルプレートをタンク床から約５．１ｃｍ（２ｉｎ）離して装着した。
【０２３７】
長方形のパイロットスケール曝気タンク中で実行された試験から、３つの直径３１ｃｍ（１２ｉｎ）高さ９１ｃｍ（３６ｉｎ）のドラフトチューブを拡散器の上に加えると、２２７ｓｌｍ（８ｓｃｆｍ）から５１０ｓｌｍ（１８ｓｃｆｍ）の空気流量で粒状活性炭が懸濁したことが観察された。しかしながら、このように構成した結果、サポートの近くでタンクの中心に停滞ゾーンが形成する可能性がある。長さ２．１ｍ（７フィート）のドラフトトラフをタンクの中央に置き、床を３０度の角度で傾斜させると、１４１ｓｌｍ（５ｓｃｆｍ）を上回る空気流量で、粒状活性炭をタンク中に徹底的に混合し懸濁させる。さらなる試験は、最大２．１ｍ（７ｆｔ）離隔したドラフトトラフを用いて適度な混合を取得することができることを示した。
【０２３８】
ドラフトチューブを使用する上述の構成では、空気流量を増大させると収量漸減となることが明らかになった。空気流量を増大させると、混合率および衝撃ゾーンのサイズが増大した。しかしながら、空気流量を２倍にしても、衝撃ゾーンは２倍にはならなかった。各ドラフトチューブの衝撃ゾーンは、チューブの外側を越えて約２０ｃｍ（８ｉｎ）延びることが分かった。この領域を越えると、タンク床の粒状活性炭をドラフトチューブ衝撃ゾーンに向かってその中へと動かすためには、タンク中の材料の補助的な局所混合が必要であった。この混合を達成するために水分散システムを使用した。
【０２３９】
ドラフトチューブの長さが１５２ｃｍ（６０ｉｎ）から９１ｃｍ（３６ｉｎ）に低減された場合であっても、タンクの深さ全体に粒状活性炭が懸濁した。ドラフトチューブまたはトラフに向かって３０度の角度でタンクの床を傾斜させることは、粒状活性炭の循環させる効果的な方法を提供する。ドラフトトラフおよび傾斜した床を使用すると、長方形に成形されたタンク中において粒状活性炭が完全に混合され、ドラフトチューブを使用するよりも停滞ゾーンが形成されづらくなる。ドラフトトラフは、タンク床から粒状活性炭を上昇させるのに効果的であった。トラフの上方に粒状活性炭を上昇させると、粗気泡拡散器によって生成された混合は、粒状活性炭をタンクの頂部まで上昇させるために十分であった。試験結果は、３０度傾斜した表面を利用することによって、トラフの中心が２．１ｍ（７ｆｔ）離隔できるようになり、より広い間隔が可能になり得ることを示した。
【０２４０】
実施例６
上述され、各図面に示された本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがって実質的に設計された廃水処理システムは、第１の生物学的反応器と、第１の生物学的反応器の下流に配置された、粒状活性炭を含む第２の生物学的反応器とを備える。生物学的反応器の下流に膜操作システムを配置する。最適性能のための条件を識別するために、および排出物の生物学的酸素要求量の許容可能なレベルと、システムから出る化学的酸素要求量化合物とを提供するために、流量、滞留時間、温度、ｐＨレベル、およびシステム中に存在する粒状活性炭の量などの動作パラメータを調節する。下流方向の流れを提供し、第２の反応器中に粒状活性炭を維持するように、第１の反応器と第２の反応器との間の液体流を制御する。
【０２４１】
動作中、廃水流は第１の生物学的反応器に導入される。第１の反応器中において最適な栄養素比およびｐＨレベルを維持するために、リン、窒素、および／またはｐＨ調節材料を必要に応じて加える。第１の反応器中の微生物は、廃水中の生物学的不安定有機体の少なくとも一部分を分解することができ、排出物中の生物学的酸素要求量化合物を許容可能なレベルまで低減する。粒状活性炭を含んでいる第２の生物学的反応器は、廃水中の生物学的抵抗性および生物阻害性の化合物を処理するために使用され、排出物中の化学的酸素要求量化合物を許容可能なレベルまで低減する。
【０２４２】
粒状活性炭を第２の反応器中に懸濁状態で維持するために、懸濁システムが使用される。膜操作システムを粒状活性炭が実質的にない状態に維持するために、第２の反応器中にスクリーンを配置する。排出物中で測定された生物学的酸素要求量化合物および化学的酸素要求量化合物に基づいて、必要に応じて、粒状活性炭を第２の反応器に加える。
【０２４３】
第２の反応器からの排出物は、スクリーンを通過した後に膜操作システムに導入される。膜操作システムでは、処理された廃水は、１つまたは複数の膜を通過することになる。膜透過物は、膜操作システムの出口を通って排出されることになる。活性汚泥を含む残留物は、循環活性汚泥ラインを通って第１の反応器に戻されることになる。
【０２４４】
第２の生物学的反応器からの使用済み粒状活性炭は、混合液廃棄物排出ポートから周期的に除去される。また、たとえば、反応器中の構成成分の濃度を制御するために、破棄のために循環活性汚泥の一部または全部を進路変更するために、廃棄物出口を循環活性汚泥ラインに接続する。
【０２４５】
システムは、所望に応じて、システムを監視し調節するためのコントローラを含む。コントローラは、所望の動作条件と所望の排出物流の品質とに応じて、システム内のパラメータのいずれかを指示する。コントローラは、システム内に配置されたセンサまたはタイマによって発生された１つまたは複数の信号に基づいて、あるいはあらかじめ規定された時間期間にわたって監視されたシステムの特徴または特性の上向き傾向または下向き傾向に基づいて、各ポテンシャル流に関連するバルブ、フィーダ、またはポンプを調節または調整する。センサは、生物学的抵抗性／阻害性の有機化合物および無機化合物などの汚染物質の濃度が、あらかじめ規定された値または傾向に達したことを示すことができる信号を発生し、それにより、センサから上流で、センサから下流で、またはセンサにおいて、対応するあらかじめ規定されアクションを開始するようにコントローラがトリガされる。このアクションは、粒状活性炭を生物学的反応器に加えることと、異なるタイプの吸着性物質を加えることと、システム内における反応器への廃水の流れを調節することと、システム内における貯蔵タンクへの廃水の流れを再び方向づけることと、生物学的反応器内における空気流を調節することと、生物学的反応器内における滞留時間を調節することと、生物学的反応器内における温度および／またはｐＨを調節することとのうちのいずれかの１つまたは複数を含むことができる。
【０２４６】
排出物中であらかじめ規定されたレベルの生物学的酸素要求量化合物および化学的酸素要求量化合物を達成するために、第１の反応器および第２の反応器をそれら自身の液体滞留時間で動作させる。第１の反応器の液体滞留時間と第２の反応器の液体滞留時間との最適比を決定するために、第１の反応器および第２の反応器の液体滞留時間を変動させる。システムの総液体滞留時間は、標準的な単一の生物学的反応器に等しいか、またはそれよりも短く、たとえば、約８時間から１２時間となるであろう。好ましい動作モードでは、第１の反応器の液体滞留時間は約４時間から約８時間となり、第２の反応器の液体滞留時間は約４時間となる。一般に、第１の反応器の液体滞留時間は、第２の反応器の液体滞留時間よりも長くなるが、相対的な時間は、処理される廃水のタイプに応じて変動することになる。システムの液体滞留時間および流量を使用して、当技術分野における標準的な実施にしたがって各反応器のサイズを判断する。システムからの排出物は、標準的な単一の生物学的反応器からの排出物と比べると、化学的酸素要求量化合物が少なくとも約１０％少なくなるであろう。さらに、好ましい実施形態では、このシステムの使用によって粒状活性炭の再生を達成する。
【０２４７】
実施例７
複合型活性汚泥／粒状活性炭処理を伴う活性汚泥処理をシミュレートするためのベンチスケールシステムを構築し、試験した。粒状活性炭のない生物学的反応器（第１段階反応器）の下流にある生物学的反応器（第２段階反応器）中で粒状活性炭を使用する効果を判断するために、この試験を実行した。
【０２４８】
第１段階反応器は、活性汚泥のみを含む４リットル（１．０６ガロン）タンクであった。空気流量が３７０ｃｍ３／分（２３インチ３／分）である微気泡拡散器を使用した。第２段階反応器は、活性汚泥および石炭ベースの粒状活性炭（Ｓｉｅｍｅｎｓ  Ｗａｔｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社のＡｑｕａＣａｒｂ（登録商標）カーボン）を含む３リットル（０．７９ガロン）タンクであった。粒状活性炭は、８×３０の米国標準メッシュサイズを有した。第２段階反応器中における粒状活性炭の濃度は、２０ｇ／ｌ（２０ｏｚ／ｃｆ）であった。粒状活性炭を３６８ｓｌｍ（１３ｓｃｆｍ）の空気流量で懸濁状態に維持するために、直径５．１ｃｍ（２ｉｎ）のＰＶＣパイプを備えるドラフトチューブを、直径１２．７ｃｍ（５ｉｎ）の第２段階反応器中にセットアップした。第１段階反応器中における混合液浮遊物質濃度は約３，４７０ｍｇ／ｌ（３．５ｏｚ／ｃｆ）であり、第２段階反応器中における濃度は約１６，３００ｍｇ／ｌ（１６．３ｏｚ／ｃｆ）であった。システムの全体の水理学滞留時間が約１４時間である場合、第１段階反応器の水理学滞留時間は約６時間であり、第２段階反応器の水理学滞留時間は約８時間であった。
【０２４９】
３０日間以上にわたってシステムを動作させた。第１段階反応器に入る可溶性ＣＯＤの平均供給濃度は１３０ｍｇ／ｌ（０．１３ｏｚ／ｃｆ）であり、第１段階反応器の排出物の平均可溶性ＣＯＤ濃度は７０ｍｇ／ｌ（０．０７ｏｚ／ｃｆ）であり、第２段階反応器のためのフィードであった。第２段階反応器の排出物中で測定された平均可溶性ＣＯＤ濃度は、６２ｍｇ／ｌ（０．０６２ｏｚ／ｃｆ）であった。第２段階反応器による可溶性ＣＯＤにおけるこの１０％超の低減は、粒状活性炭を含まない第１の生物学的反応器の下流に粒状活性炭を含む生物学的反応器を有するシステムにおいて廃水を処理することの実用性を実証する。
【０２５０】
廃水の効果的な処理を達成するために、第２段階反応器中の分離サブシステムと第２段階反応器の下流にある膜操作システムの使用とを含む、本明細書に記載された本発明の他の態様を、この実施例に記載された装置に適用する。
【０２５１】
本発明の方法および装置について、上述し、添付の図面に示してきたが、当業者には修正形態が明らかであろう。本発明に関する保護範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月15日(2011.4.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水処理システムにおいて、
前記廃水を受け、処理するように構築され、配列された第１の生物学的反応ゾーンと、
分離サブシステムを含み、前記第１の生物学的反応ゾーンから排出物を受けるように構築され、配列された第２の生物学的反応ゾーンであって、前記分離サブシステムが、前記第１の生物学的反応ゾーンからの前記排出物とともに、吸着性物質を前記第２の生物学的反応ゾーン中に維持するように構築され、配列された第２の生物学的反応ゾーンと、
前記第２の生物学的反応ゾーン中に前記吸着性物質を懸濁状態に維持するように構築され、配列された懸濁システムと、
前記第２の生物学的反応ゾーンの下流に配置され、前記第２の生物学的反応ゾーンから処理済み廃水を受け、膜透過物を排出するように構築され、配列された膜操作システムと、
を備える、廃水処理システム。
【請求項２】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび第２の生物学的反応ゾーンが、同一容器の区分されたセクションである、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項３】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、別個の容器中に配置される、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項４】
前記分離サブシステムが、前記第２の生物学的反応ゾーンの出口に配置されたスクリーンを含む、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項５】
前記分離サブシステムが、前記第２の生物学的反応ゾーンの前記出口に近接して配置された沈殿ゾーンを含む、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項６】
前記沈殿ゾーンは、前記吸着性物質が混合液から分離し、前記第２の生物学的反応ゾーンの下方部分において前記混合液中に沈殿する静止ゾーンを規定するように配置され、寸法設定された第１のバッフルおよび第２のバッフルを備える、請求項５に記載の廃水処理システム。
【請求項７】
前記分離サブシステムが、前記第２の生物学的反応ゾーンの前記出口に近接して配置されたスクリーンを備える、請求項５に記載の廃水処理システム。
【請求項８】
前記分離システムが、前記第２の生物学的反応ゾーンの前記出口に近接して配置された堰を備える、請求項５に記載の廃水処理システム。
【請求項９】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、生物学的酸化をサポートするように構築され、配列された、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項１０】
前記第１の生物学的反応ゾーンの上流に無酸素ゾーンをさらに備える、請求項６に記載の廃水処理システム。
【請求項１１】
前記懸濁システムが、ガスリフト懸濁システムを備える、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項１２】
前記ガスリフト懸濁システムが、前記第２の生物学的反応ゾーン中に配置された少なくとも１つのドラフトチューブと、前記ドラフトチューブの入口端部に気体を向けるように構築され、配列された１つまたは複数のアパーチャを有する気体導管とを備える、請求項１１に記載の廃水処理システム。
【請求項１３】
前記ガスリフト懸濁システムが、前記第２の生物学的反応ゾーン中に配置された少なくとも１つのドラフトトラフと、前記ドラフトトラフの下方部分に気体を向けるように構築され、配列された１つまたは複数のアパーチャを有する気体導管とを備える、請求項１１に記載の廃水処理システム。
【請求項１４】
前記ドラフトトラフが、前記第２の生物学的反応ゾーン中に配置された少なくとも２つのバッフルによって形成される、請求項１３に記載の廃水処理システム。
【請求項１５】
前記懸濁システムが、ジェット懸濁システムを備える、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項１６】
前記第２の生物学的反応ゾーンと連通する吸着性物質導入源装置と、
前記システムのパラメータを測定するように構築され、配列されたセンサと、
前記センサと電子通信し、且つ、前記システムの前記測定されたパラメータに基づいて行為の実行を命令するようにプログラムされたコントローラと、
をさらに備える、請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項１７】
前記測定されたパラメータが、少なくとも１つのあらかじめ規定された化合物の濃度である、請求項１６に記載の廃水処理システム。
【請求項１８】
前記行為が、前記第２の生物学的反応ゾーンから前記吸着性物質の少なくとも一部分を除去することを含む、請求項１６に記載の廃水処理システム。
【請求項１９】
前記行為が、前記第２の生物学的反応ゾーンに吸着性物質を加えることを含む、請求項１６に記載の廃水処理システム。
【請求項２０】
廃水処理システムにおいて、
廃水入口および第１ゾーン混合液出口を有する第１の生物学的反応ゾーンと、
第２の生物学的反応ゾーンであって、
前記第１ゾーン混合液出口と流体連通する混合液入口、
吸着性物質のための懸濁システム、
第２ゾーン混合液出口、および
前記第２ゾーン混合液出口に関連づけられた分離サブシステム
を有する第２の生物学的反応ゾーンと、
前記第２の生物学的反応ゾーンの下流に配置された膜操作システムであって、
前記第２ゾーン混合液出口と流体連通する入口、および
処理済み排出物出口
を有する膜操作システムと、
を備える、廃水処理システム。
【請求項２１】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、同一容器の区分されたセクションである、請求項２０に記載の廃水処理システム。
【請求項２２】
前記第１の生物学的反応ゾーンおよび前記第２の生物学的反応ゾーンが、別個の容器中に配置された、請求項２０に記載の廃水処理システム。
【請求項２３】
廃水を処理するためのプロセスであって、
処理済み混合液を形成するために、第１の生物学的反応ゾーン中に混合液を導入することと、
前記処理済み混合液を第２の生物学的反応ゾーンに流すことと、
前記第２の生物学的反応ゾーンの前記処理済み混合液中に吸着性物質を懸濁させることであって、前記吸着性物質上の処理済み混合液中の汚染物質の吸着を促進する条件下で動作して、懸濁させることと、
前記第２の生物学的反応ゾーン中に吸着性物質を維持しながら、吸着性物質が実質的にない排出物を、前記第２の生物学的反応ゾーンから膜操作システムに流すことと、
を含む、廃水を処理するためのプロセス。
【国際調査報告】
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