(57)【要約】  閉環境においてガス状組成物を液体組成物中へ移行させるためのバイオリアクターシステム及び方法を開示する。更に、微生物の高密度培養及び活性汚泥の安定培養のためのバイオリアクターシステム及び方法も開示する。
2012515550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の表面を有するホイール板と当該表面上のネット構造体とを備える、周囲ガスを液体中に導入するための回転式ホイールアセンブリ。
【請求項２】
前記ホイール板を貫通する軸を更に備え、前記ホイール板の一部が前記液体の液面よりも上に出るように前記軸が位置決めされている請求項１に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項３】
前記ネット構造体が、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、又は耐オゾン性プラスチックで形成されている請求項１に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項４】
前記ネット構造体が、前記表面上にプラスチックネット又は金属ネットによる１つ以上の層を備える請求項１に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項５】
前記ネットが、ダイヤモンド形、四角形、又は六角形のメッシュを有する請求項４に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項６】
前記ネットが、直径０．５〜２．０ｃｍのメッシュを有する請求項４に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項７】
前記ネットの層から最もホイール側の層が、第一のサイズを有する複数のメッシュを含み、複数の前記ネットの層から最も反ホイール側の層が、第二のサイズを有する複数のネットメッシュを含み、前記第二のサイズが前記第一のサイズより大きい請求項４に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項８】
前記表面が、前記ホイール板の側面である請求項１に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項９】
前記表面が、前記ホイール板の円周方向の面である請求項１に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項１０】
複数のホイール板を備え、当該複数のホイール板のそれぞれが、前記ネット構造体を配置するための前記表面を有する請求項１に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項１１】
第一ホイール板と、
前記第一ホイール板と同軸状に、かつ当該第一ホイール板から軸方向に沿って離間して取り付けられた第二ホイール板と、
前記第一ホイールと前記第二ホイールとの間に延在し、所定の表面を有する複数のボードと、を備え、
前記ネット構造体が、前記ボードの表面上に配置されている請求項１０に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項１２】
前記ホイールが、前記ネット構造体の１つ以上の層によって覆われた回転式の管である請求項１に記載の回転式ホイールアセンブリ。
【請求項１３】
ガスを液体中に導入するための回転式ホイールアセンブリであって、
前記ガスの泡を取り込むための手段と、
前記取り込むための手段を前記液体の液面下に浸漬するための手段と、
大きいサイズの気泡を捕捉してより小さいサイズに破壊するための手段と、
を備える回転式ホイールアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１又は１３に記載の複数の回転式ホイールアセンブリを備え、当該アセンブリがバイオリアクタータンク又はチャンバー内において一緒に組み立てられている装置。
【請求項１５】
液体を保持するためのタンクと、
前記タンク内に回転可能に取り付けられた請求項１に記載の回転式ホイールアセンブリと、
を備える、周囲ガスを液体中に導入するためのバイオリアクター。
【請求項１６】
前記タンク用の気密性の蓋を更に備える請求項１５に記載のバイオリアクター。
【請求項１７】
前記ガスが、空気、酸素、オゾン、芳香ガス、窒素、又は二酸化炭素である請求項１５に記載のバイオリアクター。
【請求項１８】
前記ネット構造体が、プラスチック、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼で形成されており、前記ガスが、空気、酸素、芳香ガス、窒素、又は二酸化炭素である請求項１５に記載のバイオリアクター。
【請求項１９】
前記ネット構造体が、耐オゾン性プラスチックで形成されており、前記ガスがオゾンである請求項１５に記載のバイオリアクター。
【請求項２０】
前記タンクが気密性である請求項１９に記載のバイオリアクター。
【請求項２１】
前記液体が、化学薬品、ウイルス、微生物、植物細胞、又は哺乳動物細胞を含有する請求項１６に記載のバイオリアクター。
【請求項２２】
前記微生物が、バクテリア又は酵母である請求項２１に記載のバイオリアクター。
【請求項２３】
前記液体が、水、産業廃水、又は汚水を含有する請求項１５に記載のバイオリアクター。
【請求項２４】
液体中に溶解させるガス中で、ネット構造体を繰り返し移動させる工程と、
前記ネット構造体を、タンク内の前記液体中に浸漬する工程と、
を備える液体処理方法。
【請求項２５】
前記ガスが、空気、酸素、オゾン、芳香ガス、窒素、又は二酸化炭素である請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ネット構造体が、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、又はプラスチックで形成されており、前記ガスが、空気、酸素、芳香ガス、窒素、又は二酸化炭素である請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ネット構造体が、耐オゾン性プラスチックで形成されており、前記ガスがオゾンである請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記タンクが気密性である請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記液体が、化学薬品、ウイルス、微生物、植物細胞、又は哺乳動物細胞を含有する請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記微生物が、バクテリア又は酵母である請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記液体が、水、産業廃水、汚水、培養培地、又は培養液を含有する請求項２４に記載の方法。
【請求項３２】
前記ホイール板が中実である回転式ホイールアセンブリ。
【請求項３３】
前記タンクが、活性汚泥を更に含む請求項１５に記載のバイオリアクター。
【請求項３４】
前記活性汚泥が、マトリックス上で増殖される請求項１５に記載のバイオリアクター。
【請求項３５】
前記マトリックスが、プラスチックネットの間に位置するポリマー不織布の層を含有する請求項３４に記載のバイオリアクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、周囲ガスを液体中に導入するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願
本出願は、２００９年１月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／１４５，８９３号、２００９年４月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／１６８，７４０号、２００９年１月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／２０５，５９０号、２００９年４月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／２１２，３８７号、及び２００９年１１月５日に出願された米国仮特許出願第６１／２５８，３２２号の優先権を主張するものである。これら先願の内容は、参考として本明細書で援用される。
【０００３】
様々なガスを液体に溶解させることが必要とされる。例えば、廃水処理において、酸素又はオゾンを水に溶解させることが有用である。既知の廃水処理方法の１つとして、好気性バクテリアの増殖を支援するための、水への酸素の導入が挙げられる。これは、通常、酸素を水に通してバブリングすることによって達成される。バクテリア及びウイルスを殺すため、並びに臭い及び色を除去するために、オゾンを水に添加することも有用である。そのような処理は、例えば、果物及び野菜を処理する工程において使用される。オゾンの導入もやはり、通常、オゾンを水中でバブリングさせることによって達成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のエアバブリング法に関連する課題は、電力消費である。更に、そのような方法は、効率的ではない。エアバブリングを利用する場合、溶存ガス濃度が有用なレベルに達するまでには相当の時間を要する。その結果、大量のガスが溶解せずに、結局は浪費されることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、液体媒体中にガスを導入するための回転式ホイールの使用に関する。前記ホイールは、１つ以上のネット構造体によって覆われる。前記構造体は、リブを互いに相互接続させて空隙を形成することにより形成される。前記空隙が規則的に形成される場合、前記構造体の各層を、メッシュ層又はネット層として見なすことができる。
【０００６】
前記ホイールは、液面の上にはみ出るように取り付けても良い。前記ホイールが回転するのに伴い、ネット構造体における空隙が気泡を捉える。これらの気泡が前記空隙の間において境界（例えば、ネットの隣接層におけるリブ等）と相互作用するのに伴って、それらは次第に小さくなり、従って、より液体に溶解しやすくなる。
【０００７】
一形態において、本発明は液体中に周囲ガスを導入するための回転式ホイールアセンブリを特徴とする。前記アセンブリは、所定の表面を有するホイール板と当該表面上のネット構造体とを含む。前記ホイール板は、中実（solid）とすることができ、或いは、水等の液体に対して非透過性とすることができる。前記回転式ホイールアセンブリは、前記ホイール板を貫通する軸を更に備えることができ、前記軸は、ホイール板の一部が液面の上に出るように位置決めされる。前記ネット構造体は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、又は耐オゾン性プラスチックで形成することができる。前記ネット構造体は、前記表面上にプラスチックネット又は金属ネットによる１つ以上の層を備えていても良い。前記ネットは、ダイヤモンド形、四角形、又は六角形のメッシュを有することができる。前記メッシュは、直径０．５〜２．０ｃｍとすることができる。
【０００８】
一実施形態において、前記アセンブリは、ネットの層から最もホイール側の、第一のサイズを有する複数のメッシュを含有する層と、複数のネット層から最も反ホイール側の、第二のサイズを有する複数のネットメッシュを含有する層とを有し、第二のサイズは第一のサイズより大きい。
【０００９】
別の実施形態において、前記表面は、ホイール板の側面又は円周方向の面である。例えば、前記ホイールは、ネット構造体の１つ以上の層によって覆われた回転式の管である。これについては、図２を参照されたい。
【００１０】
前記回転式ホイールアセンブリは、複数のホイール板を備えていても良く、このホイール板のそれぞれは、ネット構造体を配置するための表面を有する。前記回転式ホイールアセンブリは、第一ホイール板と、当該第一ホイール板と同軸上に取り付けられかつ軸方向に沿って前記第一ホイール板から離間している第二ホイール板と、前記第一ホイールと前記第二ホイールとの間に延在し、所定の表面を有する複数のボードと、を備えていても良い。前記ネット構造体は、前記ボードの表面上に配置される。
【００１１】
本発明は更に、ガスを液体中に導入するための回転式ホイールアセンブリも特徴とする。前記アセンブリは、液体を保持するための手段と、前記ガスの泡を取り込むための手段と、前記取り込む手段を前記液体の表面下に浸漬する手段と、サイズの大きな気泡を捕捉して小さいサイズに破壊するための手段と、を備えることができる。
【００１２】
別の形態において、本発明は、上述した複数の回転式ホイールアセンブリを有する装置を特徴とする。前記アセンブリは、バイオリアクターのタンク又はチャンバー内において一緒に組み立てられる。
【００１３】
別の形態において、本発明は、周囲ガスを液体中に導入するためのバイオリアクターを特徴とする。このバイオリアクターは、液体を保持するためのタンクと、当該タンクに回転可能に取り付けられた、上述のホイールアセンブリとを備える。前記バイオリアクターは、タンク用の気密性の蓋を更に備えることができる。前記ガスは、空気、酸素、オゾン、芳香ガス、窒素、又は二酸化炭素とすることができる。空気、酸素、芳香ガス、窒素、又は二酸化炭素に対して、前記ネット構造体は、プラスチック、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、又はプラスチックで形成することができる。オゾンに対しては、前記ネット構造体は、耐オゾン性プラスチックで形成することができ、前記タンクは気密性である。
【００１４】
前記バイオリアクターにおいて、前記液体は、化学薬品、ウイルス、微生物（例えば、バクテリア又は酵母）、植物細胞、又は哺乳動物細胞を含有することができる。前記液体中に導入されたガスは、化学薬品を処理することができ、又はウイルス、微生物、植物細胞、又は哺乳動物細胞を殺すこともできる。前記液体は、水、産業廃水、又は汚水を含有することができる。或いは、前記ガスは、微生物又は細胞の増殖のために必要とされる。
【００１５】
バイオリアクターの一実施形態において、前記タンクは活性汚泥を更に含み、汚染水を処理するために使用することができる。前記活性汚泥は、プラスチックネットの間にポリマー性不織布を備え得るマトリックス上において増殖させることができる。前記活性汚泥は、腐生細菌で構成され得るが、アメーバ、Spirotrich、Vorticellid等のPeritrich、及び様々な他の濾過摂食種で主に構成される原生動物細菌叢を有することもできる。他の重要な成分としては、運動性及び定住性のワムシ（Rotifer）が挙げられる。
【００１６】
別の形態において、本発明は、液体処理方法を特徴とする。この方法は、液体中に溶解させるガス中で、ネット構造体を繰り返し移動させる工程と、前記ネット構造体を、タンク中の液体に浸漬する工程とを備える。前記ガスは、空気、酸素、オゾン、芳香ガス、窒素、又は二酸化炭素とすることができる。空気、酸素、芳香ガス、窒素、又は二酸化炭素に対して、前記ネット構造体は、プラスチック、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、又はプラスチックで形成することができる。オゾンに対しては、前記ネット構造は、耐オゾン性プラスチックで形成することができ、前記タンクは気密性である。前記液体は、化学薬品、ウイルス、微生物、植物細胞、又は哺乳動物細胞を含有することができる。前記液体中に導入されたガスは、化学薬品を処理することができ、或いはウイルス、微生物（例えば、バクテリア又は酵母）、植物細胞、又は哺乳動物細胞を殺すこともできる。前記液体は、水、産業廃水、汚水、培養培地、又はブロス（broth）を含有することができる。
【００１７】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細については、添付の図面及び以下の説明において詳細に説明する。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、以下の説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】周囲ガスを水中に移行させるために複数層のネットで覆われた（有機ガラス、アルミニウム合金、又はプラスチックによって形成された）回転式ホイール。
【図２】典型的な周囲ガス移行回転式ホイールの詳細な構造図。
【図３】マイクロバブル及び溶存酸素の生成のための新規な酸素移行ホイール法を示す図。
【図４】密閉チャンバー内において周囲オゾンを水又は廃水中へ１００％移行させる能力によって特徴付けられるオゾン処理用回転式ホイールバイオリアクター。
【図５】密閉チャンバー内において周囲オゾンを水又は排水中に１００％移行させるための、オゾン移行ボードと組み合わされた回転式オゾン移行ホイールによって特徴付けられるオゾン処理用バイオリアクター。
【図６】少量の廃水を処理するための、小規模オゾン処理用回転式ホイールバイオリアクター。
【図７】大量の排水を処理するための、大規模オゾン処理用回転式ホイールバイオリアクター。
【図８】野菜、水産食品、肉、衣服、及び皿を清浄化又は消毒するための、オゾン処理用回転式ホイールバイオリアクター。
【図９】地下水を清浄化又は消毒するためのオゾンバイオリアクターシステム。
【図１０】図５の処理システムの可搬型であるオゾン水処理バイオリアクターを備えたトラック。
【図１１】溶存酸素生成ホイールバイオリアクターと従来のインペラー／バブリングベースの深水タンクバイオリアクターの、酸素移行速度を比較する実験。（培養のために空気を使用した。インペラーの最大速度は７５０ｒｐｍであり、ホイールの最大回転数は１９０ｒｐｍであった。第３のパネルの写真は、溶存酸素生成ホイールバイオリアクターが発生させる剪断力がかなり小さいこと、すなわち、遠心分離後の試料の上澄みが非常に澄んでいることを示している。）
【図１２】酸素移行ホイール実験用プラットホームを使用した、実験中の回転式ホイール（直径２．０メートル）の写真。
【図１３】新規な小規模オゾン処理用回転式ホイールバイオリアクターシステム。
【図１４】新規な大規模オゾン処理用回転式ホイールバイオリアクターシステム。
【図１５】活性汚泥及び微生物の付着増殖のための、２つのプラスチックネットの間に挟持されたポリマー不織布担持体を示す写真群。
【図１６】溶存酸素生成のための、直径０．５メートルの回転式ホイールを用いた廃水処理用バイオリアクターユニット。
【図１７】直径０．５メートルの回転式ホイールを用いた小規模廃水処理用バイオリアクターシステム。
【図１８】酸素及びオゾンを溶解するための、特に再生水を生成するために設計された、直径０．５、１．０、及び２．０メートルの回転式ホイールを使用する中規模廃水処理用バイオリアクターシステム。
【図１９】酸素及びオゾンを溶解するための、特に病院／ワクチン製造会社からの感染性廃水の処理のために設計された、直径０．５、１．０、及び２．０メートルの回転式ホイールを用いた中規模廃水処理用バイオリアクターシステム。
【図２０】酸素及びオゾンを溶解するための、直径０．５、１．０、及び２．０メートルの回転式ホイールを用いた大規模廃水処理用バイオリアクターシステム。
【図２１】（図２１ａ〜ｆ）小規模ホイールバイオリアクターシステム（直径０．２５メートルのホイール）の写真群。（完全なシステムは、嫌気性発酵、好気性発酵、オゾン処理、及びＰｉ除去を含む（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、及びｆ）。様々な種類の廃水の小規模パイロット試験に当該システムを用いた。）
【図２２】閉じた状態の、処理チャンバーを備える液体処理システムを示す略図。
【図２３】開いた状態の、図２２の液体処理チャンバーを示す略図。
【図２４】図２３に示されているホイールのリムを示す図。
【図２５】図２４に示したものと同様のホイールの、積み重ねられたテセレーション層又はネット層の分解図。
【図２６】地下水浄化に使用された図２２のシステムを示す略図。
【図２７】リム上にネット構造体を備える幅広リムを有するホイールを示す略図。
【図２８】図２７に示された幅広リムの効果を協働的に達成する同軸ホイールを備えたホイールアセンブリを示す略図。
【図２９】一組のホイールの間に軸方向に延びるボードを有するホイールアセンブリを示す略図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、多層ネットで覆われた回転式ホイールを用いた新規な方法による、液体（例えば、水、廃水、又は他の液体）中への周囲ガス状組成物（例えば、周囲オゾン、周囲空気又は周囲酸素、周囲窒素、周囲二酸化炭素、及び周囲芳香ガス）の効果的な移行に関する（図１〜図１０を参照）。本発明は更に、水、廃水、並びに他の好気性及び嫌気性発酵用途の処理のための、懸濁状態及び付着状態の両方における微生物及び活性汚泥の高密度培養用の新規なバイオリアクターに関する（図１１〜図１８を参照）。
【００２０】
オゾンは、バクテリア及びウイルスを殺すために有効な物質である。更に、オゾンは、有毒物質を酸化し、水及び廃水から臭い及び色を除去する。現在の水処理、食品加工又は野菜加工、及び廃水処理は、多くの場合、廃水処理のためにオゾンを水に移行させるのに、オゾンバブリング法を用いている。この方法は、高価なオゾンを効果的に利用することができず、そのため、コストが増加し、周囲の環境に対して有害であり得る。従って、周囲オゾンを水中に直接移行させてオゾンを１００％利用するための代替手段が求められている。
【００２１】
現在の生物学的廃水処理又は微生物培養では、多くの場合、活性汚泥及び微生物の懸濁培養のために酸素を廃水中に移行させて水質を改善するため、エアバブリング法を採用している。エアバブリング法による活性汚泥及び微生物の懸濁培養は、理想的なプロセスとは言えない。例えば、懸濁させた活性汚泥及び微生物のバイオマス（biomass）は、限られた空間で大量の廃水を処理するには不十分である。その一方で、バブリング酸素移行法によって達成された溶存酸素レベルは、活性汚泥及び微生物の大きなバイオマスの増殖を支援するには不十分である。更に、このバブリング酸素移行法の混合力は、活性汚泥微生物の大きなバイオマスの増殖を支援するために溶存酸素を分配するには不十分である。従って、大きなバイオマスにおいて活性汚泥及び微生物を培養するためのより効果的なシステムと、活性汚泥微生物の大きなバイオマスの増殖を支援するために酸素を移行させ又は溶存酸素を生成するためのより良い方法とが求められている。
【００２２】
本発明は、図３によって図示されるような、ガス状組成物を液体組成物中に導入するための新規なシステム及び新規な方法を提供する。一実施例において、本発明は、ガス移行用回転式ホイールを用いる、オゾン又は空気のマイクロバブルの生成を含む。このホイールは、半分弱の表面を液体組成物中に浸漬し、残りの半分の表面を周囲ガス（例えば、空気又はオゾン）に晒すように、設計され構築される。このホイールは、当該ホイールの各側面が、多層からなる耐オゾン性プラスチックネット又は金属ネットによって覆われている（図１、図２、及び図５を参照）。回転式ホイールのガスへの露出部分は、マイクロバブルの形態で周囲ガスを液体組成物中へと運ぶ。マイクロバブルは、一連の媒体の流れが、ネットの金属バー又はプラスチックバー、次いでホイールの表面に繰り返し衝突することによって生成されて取り込まれる（図３を参照）。このマイクロバブルは、溶存酸素プローブ、溶存オゾンプローブ、高速カメラ付きのプローブ、Multisizer-3（コールターカウンター、Ｂｅｃｋｍａｎ社）、又は位相ドップラー流速計（ＰＤＡ）プローブによって検出することができるであろう。マイクロバブルの生成率は、水流の通過速度（sweeping speed）、表面材料の物理的特徴及び化学的特徴、並びに水流が通過する材料表面の角度に関連する。このマイクロバブルの生成方法又は生成メカニズムを図３に図示する。これらの材料の例としては、ポリプロピレン、ＥＶＡ／ＰＥ、金属、合成ガラス、及びプラスチックが挙げられるが、これらに限定されない。マイクロメートル及びナノメートルのレベルでの材料表面の物理特性は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて選択され、一方、それらの酸素及びオゾンの移行特性は、溶存酸素プローブ、溶存オゾンプローブ、高速カメラ付きのプローブ、Multisizer-3（コールターカウンター、Ｂｅｃｋｍａｎ社）、又は位相ドップラー流速計（ＰＤＡ）プローブを用いて実験的に選択される。本方法は、スパージングをベースとする従来の酸素移行法でも、膜ろ過をベースとする従来の酸素移行法でもない。本方法は、回転式ホイールを覆う多層ネットによりマイクロバブルを水中で生成させ、又は水中に取り込むための新規な方法を含む。「ＤＯ」は、水分子間の微細気泡として化学的に定義される。
【００２３】
本明細書において説明されるシステム及び方法は、周囲酸素及び周囲オゾン（これらは、漏れることなく１００％のオゾン移行のためにチャンバー内に密封されている）を、水又は液体中に移行させるため、並びに低コストかつ低エネルギーな水処理及び廃水処理のために使用することができる。上記の方法に基づいて、水、汚染水、及び廃水の処理のため、周囲酸素（Ｏ２）及び周囲オゾン（Ｏ３）を水中に効果的に移行させるように、新規な回転式ホイールバイオリアクターシステム（図４〜図２１を参照）を設計し構築した。水又は他の液体中への周囲酸素及び周囲オゾン（これらは、漏れることなく１００％のオゾン移行のためにチャンバー内に密封されている）の最良の移行のための、回転式ホイールの表面に有効な材料は、下記の実験によって様々な材料及び表面性質（化学的性質及び物理的性質）を選択し決定した。
【００２４】
本発明は更に、懸濁状態及び付着状態の両方における、微生物の高密度培養及び活性汚泥の培養に対する新規なバイオリアクターにも関する。プラスチックネットの間に挟持されて積み重ねられたポリマーペーパー担持体の壁、及び新規な酸素移行法を使用することによる、より大きなバイオマスでの微生物の高密度培養及び活性汚泥の安定培養に対する方法も本発明の範囲内であり、本方法は、廃水処理のためにまさしく説明した方法の使用を含む。
【００２５】
一実施例において、本方法は、従来のインペラーベースの深水タンクバイオリアクターと比較して、懸濁液中において大腸菌を高密度培養するための溶存酸素生成ホイールの使用を含む（図１１、図１３、及び図１４を参照）。他の実施例において、本方法は、付着モードでの大きなバイオマスによる活性汚泥の安定培養のために、プラスチックネットの間に挟持されて積み重ねられたポリマーペーパー担持体の壁の使用を含む（図１６〜図２１を参照）。これらの材料の例としては、不織ポリマー繊維ペーパー担持体及び生体適合性プラスチックネットが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２６】
本明細書において説明したシステム及び方法は、廃水の処理のために、懸濁状態及び付着状態の両方における微生物及び活性汚泥の高密度培養に使用することができる。上記の方法に基づいて、微生物を効果的に高密度培養するため、及び廃水を処理するための新規なバイオリアクターシステム（図１１〜図２１を参照）を、設計し構築した。有効な材料は、以下の実験によって様々な材料（化学的特徴及び物理的特徴）を選択することにより決定した。
【００２７】
以下は、多くの特定の実施形態である。ガスを液体媒体中に導入するためのシステムは、図５又は図２２に示すように、タンク１０を備える。タンク１０への引き込みは、液体媒体を導入する場合には液体導入口１２により行われ、液体媒体中に導入されるガスを供給する場合にはガス導入口１４により行われる。取り外し可能な蓋１５は、タンク１０を覆い、密閉チャンバー１７を形成する。蓋１５は、図２３では開いた状態で示されているが、オペレーション中は閉じられる。結果、ガス導入口１４より導入されたガスは、チャンバー１７内に閉じ込められる。
【００２８】
ここで、図５又は図２３を参照すると、ホイールアセンブリは、タンク１０内に取り付けられた回転可能なホイール１６を特徴とする。ホイール１６は、通常は中実のアルミニウム合金又はプラスチックであり、選択された速度でホイール１６を回転させるモーター１８に連結されている。典型的な実施形態において、モーター１８は、４０ｒｐｍ〜９０ｒｐｍでホイール１６を回転させる。ホイール自体は、通常、０．５メートル程度の直径を有する。しかしながら、ホイールの直径及び回転数は、個別の用途に応じて決定することができる。
【００２９】
図１の下方のパネル又は図２４は、リム１８の方を向いた視点からのホイール１６の一実施例を示している。ホイールは、当該ホイールの面に直交する方向を規定する軸２３の周りを回転する。軸２３に沿ってホイール１６の方を向いた方向を「ホイール側」方向と呼ぶ。ホイール側方向とは反対の方向は、「反ホイール側」方向と呼ぶ。
【００３０】
ホイール１６は、その１つの表面上に、外側ネット／テセレーション層２０と内側ネット／テセレーション層２２とによって形成されるネット構造体２１を有する。ネット／テセレーション層２０，２２は、図２５にその実施例が示されており、一連の空隙を形成するように互いにクロスオーバー又は交差するリブ２３によって形成され得る。これらの空隙は、本明細書において「セル２７」と呼ばれ、ホイールの表面のテセレーションを形成する。
【００３１】
リブ２３は、チャンバー１７内に存在するガスの影響に耐え得る材料で形成される。従って、ガスがオゾンを含む場合、リブ２３は、耐オゾン性材料で形成される。リブ２３に使用することができる他の材料としては、ポリプロピレン、ＥＶＡ／ＰＥ、合成ガラス、耐オゾン性プラスチック等のプラスチック、及び例えばアルミニウム等の金属、が挙げられる。
【００３２】
セル２７は、不規則な形状又はランダムな形状であり得る。しかしながら、いくつかの実施形態において、セル２７は、規則的なサイズ及び形状を有する。そのような実施形態において、テセレーション層は、メッシュ層又はネットとして見なすことができる。
【００３３】
セル２７は、正方形、長方形、六角形、菱形、又は平行四辺形であり得る。更に、異なるメッシュ層のセル２７は、同じ形状を有する必要はない。従って、菱形のセルを有する外層と、六角形のセルを有する内層とを有していても良い。
【００３４】
更に、任意の数のメッシュ層が存在していても良い。下記の実験において説明されるように、１つのメッシュ層だけでもかなりの改良を達成することができる。しかしながら、より多くの層が追加されるに従って、溶解速度は増加する。
【００３５】
図１又は図２４に示す例では、２層だけが存在する。しかしながら、層の数は、２つに制限される訳ではない。例えば、３層〜６層を有するホイール１６を使用することもできる。更に、最内層、すなわち、ホイール１６に最も近い層は、それ自体がホイール１６と一体化されていても良い。例えば、ホイール１６は、メッシュを形成するために穿設された多数の孔を有していても良いであろうし、或いは中に形成された多数のくぼみを有していても良いであろう。
【００３６】
図２５は、ホイール１６の表面上の最もホイール側の層３２で始まり、反ホイール側方向に積み重ねられた更なる層３４、３６、３０によって形成されるネット構造体２１の分解図を示している。
【００３７】
ホイール１６上にメッシュ層又はテセレーション層を積み重ねることは、ネット構造体２１を構築するために有用な方法ではある。しかし、ネット構造体２１は、他の任意の方法、例えば、機械加工、鋳造、又はエッチングによって構築することもできる。
【００３８】
２つのテセレーション層のみを有するホイールの特定の場合において、図１又は図２４に示すように、最も反ホイール側の層（すなわち最外層）のセルのサイズは、好ましくは、最もホイール側の層（すなわち最内層）のセルのサイズよりも大きい。ホイール１６上に３層以上が存在する場合、セルのサイズは、好ましくは、ホイール側方向に進むにつれて小さくなる。本明細書では、セルのサイズは、セル２７がどのくらい大きいかを表すメトリック（測定基準）を意味する。好適なメトリックとしては、セル面積、セルの周囲の長さ、又はセル幅が挙げられる。
【００３９】
オペレーションにおいて、タンク１０は、ガスが導入される液体で部分的に満たされる。タンク１０内の液体のレベルは、ホイール１６が液面の上に部分的に突き出るようなレベルである。好ましくは、ホイール１６の半分程度が液面の上に出る。次いで、チャンバー１７は、ガスで満たされる。チャンバー１７が満たされた後、モーター１８が、予め設定された速度で予め設定された期間、ホイール１６を回転させる。
【００４０】
図２５を参照すると、ホイール１６が回転する際に、ホイール１６上のネット構造体２１のセル２７が交互に液面下に差し入れられ、そして液面上に引き上げられる。ホイール１６上のネット構造体２１がガスの溶解を促進する物理的メカニズムは、完全には理解されていない。しかしながら、ホイール１６が回転する際に、周囲ガスの気泡がネット構造体２１の最外層３８に取り込まれると考えられている。これらの泡は、可能性として、ネット構造体２１を通って、内層３６に存在するより小さいセル２７へと、ホイール側に向かって移行する。その際、それらは、内層３６のリブ２３に遭遇し、これらのリブ２３によってより小さい気泡へと分割される。結果として徐々により小さい気泡を生じる、ネット構造体を通過してのホイール側への移行は、最もホイール側の層（すなわち最内層）３２に到達するまで続くであろう。最もホイール側の層３２によって形成されるマイクロバブルは、そこを抜け出し、そして十分に小さいので容易に溶解される。しかしながら、上述した物理的メカニズムは、単なる理論であって特許請求の範囲を限定するための根拠とされるべきではない。以下に説明するように、拠り所となる物理的メカニズムによることなく、本明細書において開示される装置は、迅速にかつ効率的にガスを液体中に溶解させる。
【００４１】
いくつかの実施において、一定濃度又は一定量のガスが常に存在するように、チャンバー１７へとガスが連続的に供給される。
【００４２】
溶存ガス濃度が最適レベルに達すると、ガス供給が停止されるが、ホイール１６は、その後しばらく回転することができる。チャンバー１７内に残存しているガスは、いずれもその期間中に液体中に溶解する。これは、ガス供給が遮断された後にホイール１６がどれだけの期間回転状態を維持するかに応じて、ほぼ１００％のガス利用を可能にする。
【００４３】
一実施例において、直径０．５メートルの異なる数のテセレーション層を有するホイールを、酸素で満たされたチャンバー内において、１１０リットルの水に浸漬した。テセレーション層を有しない場合、０％の溶存酸素レベル（ベースライン）から１００％溶存酸素レベルに達するまでに２０分かかることが分かった。１層のネット構造体をホイール１６に付加することにより、この時間が、わずか１５０秒まで短縮された。このネット構造体に第二の層を追加することにより、この時間は、わずか９０秒まで更に短縮された。
【００４４】
別の実験において、青色のインクで染色した１１０リットルの水でチャンバーを満たし、当該チャンバーの残りの部分をオゾンで満たした。同じホイール径（０．５メートル）及び回転数（９０ｒｐｍ）とした。この実験では、ホイール１６が１つのテセレーション層を有する場合、水は４０分で清澄となり、２つのテセレーション層を有するネット構造体を用いた場合には、水は２５分で清澄となった。
【００４５】
複数のテセレーション層を備えるネット構造体を有する有効性は、例えば、後述する実施例３の表３に見られる。これは、異なる数のテセレーション層を使用するオペレーションの、最初の６分間における溶存酸素レベルを示している。この実験において、テセレーション層はアルミニウムで形成されており、ホイール１６は直径１．０ｍであり、５３ｒｐｍで回転し、０．１６ｇ／ＬのＮａ２ＳＯ３水溶液が６５０リットル存在していた。
【００４６】
本明細書において説明されるように、ネット構造体によって促進されるガスの溶解は、様々な用途において使用することができる。例えば、本システムは、酸素を廃水中に導入し、好気性バクテリアの増殖を促進するために使用することができる。或いは、本システムは、オゾンによって水を消毒するために使用することができる。そのような水は、洗浄において有用であり、従って、野菜又は肉の消毒に有用である。或いは、本システムは、芳香ガス、例えばレモンの匂いのガス等、を水中に導入するため、又は塩素若しくは他の消毒用ガスを水泳用プールの水に導入するために使用することができる。本明細書において説明されるオゾン処理は、汚染された廃水、例えばフェノール汚染廃水等、を前処理するために使用することができる。
【００４７】
本明細書において説明されるオゾン処理は、図９又は図２６に示すように、汚染された地下水を処理するためにも使用することができる。図示されているシステムは、井戸５２から地下水をくみ上げるためのポンプ５０と、直径０．５ｍのホイール１６を有するバイオリアクター５４とを含む。オゾン発生器５６は、バイオリアクター５４を満たすようにオゾンを供給する。バイオリアクター５４からの水は、活性炭カラム５８を通り、地面へ戻すために水排出口５９より放出される。
【００４８】
図１０に示すように、本明細書において説明されるバイオリアクターは、十分に小さくかつ可搬性であり、トラック６０の上に載せることができる。図示されているバイオリアクター６１において、モーター６４は、それぞれが図５又は図２３に関連して説明したように構築された多くのホイール６２を有するホイールアセンブリを駆動させる。これらは、オゾン発生器６６によって生成されたオゾンの、より急速な溶解を提供する。図１０に示すような可搬性のシステムは、地下水浄化、或いは、水泳プール、池、及び他の水域の除染等、輸送が容易ではない作業に対して特に有用である。
【００４９】
ホイール１６がガスを液体中に導入する速度は、ホイール１６及びそれに付随するネット構造体２１の構造に依存する。実施例１５は、直径０．２５ｍの数個のホイールであれば、９０ｒｐｍで回転させた場合に、７分以内に酸素を溶解させることができる程度であることを示している。
【００５０】
本明細書において説明したシステム及び方法は、懸濁状態であるか付着状態であるかにかかわらず、微生物の高密度培養及び活性汚泥の培養を促進するように適合させることができる。例えば、本システムは、プラスチックメッシュの間に挟持されて積み重ねられたポリマーペーパー担持体の壁を備え得る。そのような材料の例としては、不織ポリマー繊維ペーパー担持体及び生体適合性プラスチックネットが挙げられるが、これらに限定されない。
【００５１】
更なる実施形態において、ホイール１６のリム１８は、その上にネット構造体２１を配置させることができる円周方向の表面を定義する。これは、図２又は図２７に示すような幅広いリム１８を有するホイールに対して特に有用である。ネット構造体２１は、軸２３に対して垂直ではなく平行である法線ベクトルを有するホイールのそれらの表面上に位置されたネット構造体に関して上述したものと同様である。ホイール側及び反ホイール側方向は、ホイールの表面に対して定義されるため、図２又は図２７との関連において、当該表面が実際のところホイールのリム１８である場合、ネット構造体２１におけるセル２７のサイズは、やはり、ホイール側方向に進むに従って減少するであろう。
【００５２】
図２又は図２７に示すような、ネット構造体に充てられるホイールの表面積の拡張は、図９又は図２８に示すように、複数の同軸ホイール８２、８４、８６を有するホイールアセンブリを使用して達成することもできる。
【００５３】
図５又は図２９は、ネット構造体２１に充てるホイール面積を増やすための別の方法を示している。図５又は図２９において、ホイールアセンブリは、それらの間にボード９６が延在している第一同軸ホイール９２及び第二同軸ホイール９４を備える。ネット構造体２１は、ボード９６上に配置される。各ボード９６は、ボード９６面の法線ベクトルが、半径方向のベクトル（すなわち、軸２３の法線ベクトルであり、ボード９６に向かって延びている）に平行となるように取り付けることができる。しかしながら、ボードは、当該ボードの表面に対する法線ベクトルが、半径方向のベクトルを形成するように取り付けることもできる。
【００５４】
更に、図５又は図２９に示す実施形態において、１つ以上のボード９６は、ボード９６の一部がホイール９２、９４のリムを超えて延びるように、半径方向へ外側に移動させることができる。これは、結果として外輪配置であり、ボード９６のみが水面下に浸かるように、ホイール９２、９４を水面よりも上に取り付けることができる。このような構成は、タンク１０が浅すぎてホイール９２、９４を収容できない場合に有用である。
【００５５】
図２７〜図２９に示す構成は、ネット構造体２１がホイールの側面（すなわち、軸２３に対して平行な法線ベクトルを有する面）上にある場合とは異なり、セル２７の線速度が位置によって変化することがないため、特に有用である。
【００５６】
図２３では、単一のホイール１６のみが示されている。しかしながら、任意の数のホイールを使用することができる。更に、このホイールは、タンク１０内の様々な場所に位置することができる。
【００５７】
更に、本明細書において説明されるように、ネット構造体２１は、回転式構造体上に取り付けられることによって、水中に差し込まれ、そして引き上げられる。しかしながら、ネット構造体２１又はその一部を差し込むための他のメカニズムを採用することも可能である。例えば、ネット構造体２１は、水中に繰り返し差し込まれ引き上げられる往復式構造体、例えば平坦なボード又は湾曲したボード等、の上に取り付けることができる。或いは、ネット構造体２１は、水面下の回転式シリンダと水面上の別の回転式シリンダとの間を循環するエンドレスベルトの上に取り付けることができる。
【実施例】
【００５８】
下記の具体例は、単なる例示として解釈されるべきであり、いかなる場合においても本開示の残りの部分を制限するものではない。更なる詳述がなくても、当業者であれば本明細書における説明に基づいて本発明を最大限に利用できると考えられる。本明細書において引用されたすべての刊行物は、その開示内容全体が参考として本明細書で援用される。更に、下記において提案される任意のメカニズムは、本発明の範囲を何ら制限するものではない。
【００５９】
（実施例１）
この実施例において、図１及び図２に示すような酸素移行ホイールの構築のため、改変された自転車のホイール構造を使用した。結果は、この設計が、最も強力で最も安定的なガス移行ホイールを作成するために首尾良く使用されることを示した。例えば、ホイールの安定性を失うことなく、最も軽いホイール構造体が得られる。他の実施例では、回転時の水の抵抗が最少で最も安定的なホイール構造が得られた（図１、図２、図４、図５、及び図８〜図１２を参照）。
【００６０】
（実施例２）
マイクロバブルを発生させるため、大きな気泡は、金属、プラスチック、又は有機ガラスのバー又はネットの表面、更には最終的に固体表面、との三度に亘る衝突及びそれらとの相互作用（この相互作用の間に微細気泡が取り込まれる）の後に、マイクロバブルになると仮定した（図３に図示される）。この仮説について検証するため、０層〜２層のプラスチック、有機ガラス、又は金属のネットで覆われた中実のホイール（直径０．５メートル）を使用した。微細気泡の形成は、溶存酸素（ＤＯ）プローブ、高速カメラ、又は位相ドップラー流速計（ＰＤＡ）により検出した。酸素を移行させるため、アルミニウムネットを使用した。表１の結果から、２層のネットで覆われたホイールが、著しく良好な酸素移行能力を有していることが明確に示された。
【００６１】
【表１】
2012515550.tif 000003
【００６２】
オゾンを移行させるため、オゾンの酸化活性化を回避するべくプラスチックネットを使用した。マーカーとしてのインクの青色を除去するため、オゾンの活性を使用した。表２の結果から、２層のネットで覆われたホイールがより良好なオゾン移行能力を有していることが示された。
【００６３】
【表２】
2012515550.tif 000004
【００６４】
（実施例３）
上述したように、大きな気泡は、金属ネット、又はプラスチック若しくは有機ガラスのバー、更には最終的な固体表面への三度に亘る衝突の後、マイクロバブルとなる（図３を参照）。この仮説について更に検証するため、１層〜６層のプラスチック、有機ガラス、又は金属のネットで覆われた中実のホイールを使用した。微細気泡の形成は、上述したのと同じ方法で検出した。酸素を移行させるため、アルミニウムネットを使用した。表３及び表４の結果から、６層のネットで覆われたホイールが、著しく良好な酸素移行能力を有していることが明確に示された。
【００６５】
表３に示す結果では、直径１．０メートルのホイールが使用されている。酸素移行は、ＤＯ（％）によって表される。水の総体積は６５０Ｌであり、０．１６ｇ／ＬのＮａ２ＳＯ３（亜硫酸ナトリウム）を投入した。ホイールの回転数は、５３ｒｐｍであった。
【００６６】
【表３】
2012515550.tif 000005
【００６７】
表４に示す結果では、直径１．０メートルのホイールが使用されている。酸素移行速度は、ＫＬaで表される。水の総体積は６５０Ｌであった。０．１６ｇ／ＬのＮａ２ＳＯ３を投入する。ホイールの回転数は、５３ｒｐｍであった。
【００６８】
【表４】
2012515550.tif 000006
【００６９】
（実施例４）
酸素及びオゾンの移行のため、直径２．０ｍのホイールを有するホイールバイオリアクターアセンブリを用いた。表５に示すように、結果から、同様の酸素移行速度及びオゾン移行速度が示された。
【００７０】
【表５】
2012515550.tif 000007
【００７１】
（実施例５）
水消毒（表６）、野菜洗浄（表７）、皿の清浄化（表８）（オゾン４０ｍｇ／Ｌ）、及び肉の清浄化（オゾン４０ｍｇ／Ｌ）のため、周囲オゾンを密閉チャンバー内に１００％移行させるべく、オゾン供給を停止した１０分後にホイールの回転を停止した。オゾンガスの測定結果は、オゾン供給の停止後の１０分間の回転後、オゾンが存在しないことを示していた。これは、すべてのオゾンが、周囲の環境に漏れることなく、水中に１００％移行されたことを示していた。
【００７２】
【表６】
2012515550.tif 000008
【００７３】
【表７】
2012515550.tif 000009
【００７４】
【表８】
2012515550.tif 000010
【００７５】
（実施例６）
芳香ガス（レモンの香り）を水に移行させるため、上述した周囲ガス移行用バイオリアクターを使用した。下記の表９に示す結果から、芳香ガス（レモンの香り）の水への急速な移行が示された。
【００７６】
【表９】
2012515550.tif 000011
【００７７】
（実施例７）
上述したバイオリアクター（図４に図示される）は、１００％のオゾン移行を達成することができ、これを釣り池の水の処理のために使用した。このオゾン処理（６〜１２ｍｇ／Ｌのオゾン）の後、池の水の著しい清澄化が観察された。
【００７８】
（実施例８）
上述したバイオリアクター（図５に図示される）を水泳プールの水の処理のためにも使用した。このオゾン処理（６〜１２ｍｇ／Ｌのオゾン）の後、水泳プールの著しい清澄化が確認された。
【００７９】
（実施例９）
嫌気性発酵のバクテリアの種子接種のための培養培地を前処理するため、上述したバイオリアクター（図５に図示される）を、窒素及び二酸化炭素の移行のために使用した。結果は、当該培地中の溶存酸素を０〜２％に低下させるのに１５分の処理時間で十分であることを示し、嫌気性発酵の培養培地の前処理の様々な適用が示された。
【００８０】
（実施例１０）
産業廃水処理の例の１つ（東中国のＰｈａｒｍａ）を、この実施例において説明する。より効率的な生物学的方法による処理のために化学的組成を変更するべく、上述したバイオリアクター（図４に図示される）を使用して、化学的に（フェノールで）汚染された廃水を前処理した。表１０に示す結果は、廃水の前処理が、次の工程の生物学的処理の効率を向上させることを示している。これは、およそ１００％のオゾン利用方法を用いることによる、化学的に汚染された産業廃水のオゾン前処理のための基礎を確立する。
【００８１】
【表１０】
2012515550.tif 000012
【００８２】
（実施例１１）
産業的に汚染された池の水の処理に、上述したバイオリアクター（図４に示す）を使用した。それらの結果を、下記の表１１に示す。表１１に示すように、周囲オゾン移行用バイオリアクターは、産業的に汚染されて着色された池の水から、臭い及び色を効果的に除去した。この結果も、周囲オゾン移行用バイオリアクターによる、周囲オゾンの水への低コストかつ効果的な移行を示した。
【００８３】
【表１１】
2012515550.tif 000013
【００８４】
（実施例１２）
水試料は、中国の６番目に大きな淡水湖である、藻が繁茂するテン池（Dianchi Lake）から採取した。上述したバイオリアクターを使用して、水試料に３０分間のオゾン処理を施した。処理後、味、臭い、及び色は確認されなかった。
【００８５】
（実施例１３）
水へのオゾン移行速度は、周囲オゾン移行用バイオリアクター（６リットルの作業容量；直径０．２５メートルのホイール２個；１２ｇ／時のオゾン発生器）を使用して調べた。表１２に結果を示す。
【００８６】
【表１２】
2012515550.tif 000014
【００８７】
（実施例１４）
オゾン移行効果は、周囲オゾン移行用バイオリアクター（６リットルの作業容量；直径０．２５メートルのホイール２個；１２ｇ／時のオゾン発生器）及びインクで着色した水試料を使用して調べた。様々な処理期間において脱色された水試料により、オゾン移行効果を明確に示すことが、結果から示された。
【００８８】
（実施例１５）
回転式ホイールの構築に最良の材料を見出すため、様々な構造形状における、金属、プラスチック、ポリマー、及び合成ガラスを含む様々な材料について、それらの酸素移行特性及びオゾン移行特性を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、溶存酸素プローブ、溶存オゾンプローブ、高速カメラ付きのプローブ、及び位相ドップラー流速計（ＰＤＡ）プローブによって調べた。表１３及び表１４は、それらの酸素移行及びオゾン移行の結果を示している。現在の使用では、ステンレス鋼金属ネットで両側を覆われた合成ガラスホイールが選択されている。この研究では、廃水試料において直径０．２５メートルのホイール（９０ｒｐｍ）を使用した。
【００８９】
【表１３】
2012515550.tif 000015
【００９０】
【表１４】
2012515550.tif 000016
【００９１】
（実施例１６）
回転式ホイール（直径１．０メートル）酸素移行法とエアスパージングとが、互いに妨げ合うのか、又はそれらが異なるメカニズムを採用するのかを理解するため、異なる方法及び組み合わせを用いた。表１５の結果は、組み合わせとしてこれら２つの方法を同時に使用した場合、回転式ホイール法単独の場合より良好には機能しないことを示しており、これら２つの方法が互いに性能を妨げていることを示した。これは、２つの酸素移行法が異なるメカニズムで働くことも示している。
【００９２】
【表１５】
2012515550.tif 000017
【００９３】
（実施例１７）
異なる直径（０．２５、０．５、１．０、又は２．０メートル）の回転式ホイールについて、１０分間でのオゾン移行特性について調べた。表１６に示す結果は、すべてのサイズが良好に機能していることを示している。すべての実験で、１２ｇ／Ｌのオゾン発生器を使用した。従って、オゾンの供給は、オゾン発生器の能力の限界ゆえに、大きいホイールでのオゾン移行実験では、オゾンの供給が十分ではなかった。
【００９４】
【表１６】
2012515550.tif 000018
【００９５】
（実施例１８）
上述したオゾン移行技術を、汚染された地下水の処理にも適用した。詳細な設計を図９に示す。結果は、１０ｍｇ／Ｌのオゾン供給を用いることにより、６００コロニーから０コロニーまで、バクテリアのレベルを著しく減少させることを示した。他の化学的汚染についても調べた。農業目的の重要な一般的化学薬品は、１０ｍｇ／Ｌのオゾン供給用量を使用することにより、ゼロにまで減少した。
【００９６】
本発明は更に、懸濁状態及び付着状態の両方における、微生物の高密度培養及び活性汚泥の培養に対する新規なバイオリアクターにも関する。プラスチックネットの間に挟持されて積み重ねられたポリマーペーパー担持体の壁、及び新規な酸素移行法を使用することによる、より大きなバイオマスでの微生物の高密度培養及び活性汚泥の安定培養方法も、本発明の範囲内である。当該方法は、廃水処理のためにまさしく説明した方法の使用を含む。
【００９７】
一実施例において、本方法は、従来のインペラーベースの深水タンクバイオリアクターと比較して、懸濁液において大腸菌を高密度培養するための溶存酸素生成ホイールの使用を含む（図１１、図１３、及び図１４を参照）。他の実施例において、本方法は、付着モードでの大きなバイオマスによる活性汚泥の安定培養のための、プラスチックネットの間に挟持されて積み重ねられたポリマーペーパー担持体の壁の使用を含む（図１６〜図２１を参照）。これらの材料の例としては、不織ポリマー繊維ペーパー担持体及び生体適合性プラスチックネットが挙げられるが、これらに限定されない。
【００９８】
本明細書において説明したシステム及び方法は、廃水処理のため、懸濁状態及び付着状態の両方における微生物及び活性汚泥の高密度培養に使用することができる。上記の方法に基づいて、微生物を効果的に高密度培養して廃水を処理するための新規なバイオリアクターシステム（図１１〜図２１を参照）を設計し、構築した。有効な材料は、以下の実験によって様々な材料（化学的特徴及び物理的特徴）を選択することにより決定した。
【００９９】
（実施例１９）
図１１は、ＤＯ生成ホイールバイオリアクターと、従来のインペラー／バブリングベースの深水タンクバイオリアクターとの、酸素移行速度を比較する実験を示す。培養のために空気を使用した。インペラーの最大速度は７５０ｒｐｍであり、ホイールの最大回転数は１９０ｒｐｍであった。その結果（図１１における第３のパネル）から、ＤＯ生成ホイールバイオリアクターが発生させる剪断力がかなり小さいこと、すなわち、遠心分離後の試料の上澄みが非常に澄んでいることが明確に示された。表１７の結果から、それぞれ異なる酸素移行メカニズムを有する２つのバイオリアクターによって、同様の最大酸素移行速度が得られることが示された。表１８の結果からは、それぞれ異なる酸素移行メカニズムを有する２つのバイオリアクターによって、同様の最大細胞密度が得られることが示された。表１９の結果からは、ＤＯ生成ホイールバイオリアクターは、細胞生存率に対してはあまり影響を及ぼさず、生じる剪断力もインペラーベースの深水タンクバイオリアクターよりもかなり小さいことが示された。まとめると、ＤＯ生成ホイールバイオリアクターは、従来のインペラー／バブリングベースの深水タンクバイオリアクターと比較した場合に、発生する剪断力が小さいこと、優れた酸素移行速度、及び優れた細胞増殖機能によって特徴付けられる。従って、ＤＯ生成ホイールは、図３によって図示されるように、新規かつ有効な酸素移行法であると結論付けられる。
【０１００】
【表１７】
2012515550.tif 000019
【０１０１】
【表１８】
2012515550.tif 000020
【０１０２】
【表１９】
2012515550.tif 000021
【０１０３】
（実施例２０）
この実施例では、活性汚泥の調整のための方法について説明する。室温（１８〜２４℃）でエアスパージングにより供給される容器において、ＣＯＤが４００〜８００ｍｇ／Ｌの廃水を使用した。１週間の培養後、活性汚泥が見られた。次いで、毎週、５０％の廃水を除去し、等量の新鮮な廃水を加えた。２週間で、品質を満たす活性汚泥が得られた。活性汚泥の培養を維持するため、毎週、５０体積％の交換を続けた。
【０１０４】
（実施例２１）
廃水を処理するため、廃水１リットル当たり６０グラムの、積み重ねられたポリマーペーパーを有するバイオリアクターを使用した。廃水を、６、８、１０、及び１２時間培養した。ＣＯＤを測定した。表２０の結果から、ＣＯＤが効果的に低減されたことが示された。
【０１０５】
【表２０】
2012515550.tif 000022
【０１０６】
ポリマーペーパー担持体への活性汚泥の付着についても、培養容器内で調べた。汚泥の付着状態及び上澄みの清澄度を観察した。表２１に示す結果は、エアスパージング又は回転式ホイールのいずれかによって混合される際に、上澄みは澄んでおり、活性汚泥もほぼ完全に付着していることを示している。
【０１０７】
【表２１】
2012515550.tif 000023
【０１０８】
活性汚泥及び関連する微生物の、付着及び増殖を詳細に理解するため、走査型電子顕微鏡を使用した。その結果から、明確な微生物の増殖、並びに担持体上及び担持体内での付着が示された。
【０１０９】
（実施例２２）
不織ポリマー繊維内、並びにプラスチックネット及び有機ガラスネット上での微生物の増殖を観察した（図１５を参照）。次いで、付着状態での活性汚泥及び微生物の培養に対して、不織ポリマー繊維、プラスチックネット、有機ガラスネット、アルミニウムネット、アルミニウム合金ネット、及びステンレスネットについて調べた。その結果、不織ポリマー繊維シートとプラスチック又は有機ガラスで形成されたネットは、アルミニウム、アルミニウム合金、及びステンレスのネットより、活性汚泥及び微生物の付着増殖に対して、より良好であるということを見出した（図１５を参照）。従って、活性汚泥及び微生物の付着増殖のため、担持体としてのプラスチックネット又は有機ガラスネットの１層〜２層の間に挟持された不織ポリマー繊維を使用した（図１５を参照）。６ヶ月の実験を通して、これらの材料の表面に腐食が生じないことを確認した。
【０１１０】
（実施例２３）
プロセス開発のため、直径０．２５メートルの回転式ホイール培養システムを使用する灌流システムを使用した。プロトタイプのシステムを図２１のＡ〜Ｆに示した。完全なシステムは、嫌気性発酵、好気性発酵、オゾン処理、及びＰｉ除去を含む。廃水処理を研究するため、このシステムを使用した。好気性発酵に対する４時間の保持時間の処理結果を表２２に示した。更に、水質を生物学的にモニタリングするために魚槽を使用した。１週間、魚の死亡は確認されなかった。驚いたことに、魚を水草と共に飼育した場合、全リン酸（total phosphate ;ＴＰ）及び全アンモニア性窒素（total ammonia nitrogen ;ＮＨ４−Ｎ）が著しく減少した。例えば、ＴＰは０．８ｍｇ／Ｌから０．２ｍｇ／Ｌまで減少し、ＮＨ４−Ｎは２０．０ｍｇ／Ｌから７．１ｍｇ／Ｌまで減少した。これらの結果は、最終的な清浄な水のタンクにおいて魚と一緒に水草を使用することで、ＴＰ及びＮＨ４−Ｎが減少するということを示した。
【０１１１】
【表２２】
2012515550.tif 000024
【０１１２】
数回の実施の後、ＣＯＤレベル等の廃水の負荷の程度は、おのずと活性汚泥のバイオマスを規制すると結論付けた。例えば、廃水のより高いＣＯＤ負荷は、結果として、ペーパー担持体に付着した活性汚泥のより高いバイオマスを生じる。廃水のより低いＣＯＤ負荷は、結果として、活性汚泥のより低いバイオマスを生じる。この特徴は、廃水処理のための安定した灌流培養システムにとって非常に有利に働く。
【０１１３】
非常に驚くべきことに、好気性発酵ユニットの前にオゾン処理を使用したところ、その結果から、１０ｍｇ／Ｌレベルでのオゾン処理は、ＣＯＤを１００１から６５０まで減少させ、アンモニア性窒素を３７ｍｇ／Ｌから１９ｍｇ／Ｌまで減少させることが示された。これらの驚くべき結果から、オゾンユニットと好気性発酵ユニットとの併用が、廃水処理のプロセス開発に対してもう１つの選択肢となり得ることが示された。
【０１１４】
（実施例２４）
直径１．０メートルの回転式ホイール培養システムを用いる灌流システムを、１日１２０トンの処理能力に設計した。完全なシステムは、嫌気性発酵、好気性発酵、オゾン処理、及びＰｉ除去を含む。１２０トン／日の廃水処理を研究するため、このシステムを使用した。各好気性ユニット（１ユニットあたり２トンの作業容量）に対して、２００〜５００グラム／トン／時のＣＯＤ低減が予想された。表２３は、２５〜３０℃での４時間の灌流培養保持時間＋２時間のオゾン処理の結果を示す。排出口の水質を生物学的にモニタリングするため、再度、魚槽を使用した。結果、安定な廃水処理システムが構築されたと結論付けた。
【０１１５】
再度、魚を水草と共に飼育した場合、全リン酸（ＴＰ）及び全アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）は著しく減少した。例えば、ＴＰは１．２ｍｇ／Ｌから０．４ｍｇ／Ｌまで減少し、ＮＨ４−Ｎは１６．０ｍｇ／Ｌから４．６ｍｇ／Ｌまで減少した。これらの結果は、やはり、最終的な清浄水のタンクにおいて魚と一緒に水草を使用することで、ＴＰ及びＮＨ４−Ｎが減少することを示した。
【０１１６】
【表２３】
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【０１１７】
〔その他の実施形態〕
本明細書において開示されたすべての特徴は、任意の組み合わせで組み合わせることができる。本明細書において開示された各特徴は、同一の、同等の、又は同様の目的に役立つ代替的な特徴に置換することができる。従って、明示的に別段の定めをした場合を除き、開示された各機能は、一般的な一連の同等又は同様の機能の実施例に過ぎない。上記の説明から、当業者であれば、本発明の本質的特徴を容易に究明することができ、並びに本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本発明を様々な用途及び条件に適合させるため、様々な変更及び修正を行うことができる。従って、他の実施形態も、本発明の範囲内である。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【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２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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