JP2004528981A - 嫌気的消化装置、嫌気的消化方法及び消化における抑制ポリマーの使用を最小にする方法 - Google Patents

Abstract

本発明には、消化槽（３０）、少なくとも一つのドラフトチューブ（２８）、少なくとも一つのノズル（１８）及びバイオガス源（２７）を含む嫌気的固体消化槽装置（１００）、ごみの流れを消化槽（３０）に供給する工程；ごみの流れの中の嫌気的生分解性固体を消化槽内の嫌気的バクテリアと反応させる工程、混合液を消化槽（３０）に導入する工程；及び混合液を混合する工程を含む、嫌気的固体消化装置内でごみの流れを消化する方法、及び消化槽（３０）内で混合液を消化及び濃縮を同時に行うことにより抑制ポリマーの使用を最小にする方法が含まれる。

Description

【技術分野】
【０００１】
この出願は２００１年５月３１に出願された「Shear Enhanced Anaerobic Digestion Apparatus」(剪断強化嫌気的消化装置)の名称の米国公開特許出願６０/２９４８０５号公報の利益を主張している。米国公開特許出願６０/２９４８０５号公報に開示の全内容が参考としてここに記載されている。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、高固体容量のごみの流れの嫌気的生物学的処理に関する。嫌気的生物処理は都市汚水処理施設で一次及び二次スラッジの消化に伝統的に適用されているが、また都市固体ごみ、農業肥料及び収穫かす、又は産業固体ごみ及びスラリー、これらは固体材料の大部分が潜在的に生分解性である、にも適用できる。
【０００３】
都市のスラッジの嫌気的消化は、体積の減少、非常に腐敗し易い材料の安定化、病原体の駆除のために１０年間行われてきた。従来の消化は、最適な消化を達成するために２０〜４０日間消化槽にスラッジが置かれるという一度処理（one-through process）である。これは、一度処理システムにおいて水圧保持時間（ＨＲＴ）に等しい固体保持時間（ＳＲＴ）として表わされている。ＳＲＴは、固体が消化槽にある平均時間を表し、ＨＲＴは液体が消化槽にある平均時間を表している。消化処理を最適化し、消化槽容器の大きさを減少させるために、ＳＲＴを減少して効果的に稼動できる消化方法を改良することが必要である。
【０００４】
都市スラッジ消化と関係する一つの問題は大きな体積が嫌気的消化に必要であることである。消化槽上流の都市スラッジの固体を濃縮することが消化体積を減少するために使用されてきた。都市スラッジは多くの産業用廃水と比較して懸濁された固体が比較的高いけれども、典型的には都市スラッジの約９９％が水である。従来のＳＲＴを達成するために、消化槽は、スラッジ中の水の体積を収容する能力が無ければならない。二つのファクターによってそれらのスラッジ固体を濃縮することにより、消化に必要な消化槽体積を半分にすることができる。典型的には、濃縮処理は消化槽への供給物の固体の割合を増加させるために消化槽の上流に適用されている。典型的な方法は、固体を濃縮するために機械的濃縮装置、溶解空気浮揚又は同様な装置を伴っている。
【０００５】
ポリマーのような添加剤が濃縮処理を高めるためスラッジ流に混合されている。それらのポリマーは従来知られており、例えば、油中水型エマルジョンのカチオン性ポリアクリルアミド、溶液マンニッヒポリマー−ポリアクリルアミド骨格に沿ってアミド基と、ジアルキルアミンとホルムアルデヒド供給源の両方との反応によってカチオン化された非イオン性ポリアクリルアミドポリマー、及び水溶性カチオンポリマーエマルジョン、例えば、ポリアミン又はポリ（ジアリルジアルキルアンモニウムハライド）を挙げることができる。出願人は、このようなポリマーが嫌気的生物学的消化を抑制することができることを発見した。この効果は、長いＳＲＴで比較的低生物学的活性を持つ従来のシステムには顕著でなかった。しかしながら、消化処理が最適化され、ＳＲＴが減少されるにつれて、この効果は、より顕著になり、最適消化性能の達成を妨げる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
膜分離のようなスラッジを濃縮する従来法ではまた消化槽の上流を使用してない。しかしながら、ごみ流れの中の固体の親水性の性質により、膜分離機を効率的に使用して水を抽出することが困難になり、膜の付着物やコロイド状水溶性化合物の形成を助長して浸透することやかき乱すことが困難になる。典型的には、このことは、膜分離は、ごみの流れの濃縮法を魅力の無いものにしていた。従って、嫌気的スラッジ消化を最適化するために、消化槽に投入される原料を濃縮し、最適化された消化槽で上記のポリマーの必要性を排除する方法を改良することが必要である。
【０００７】
都市公営処理場（ＰＯＴＷ）スラッジの嫌気的消化のための消化槽は、一般に２０〜４０日間のＨＲＴを与える比較的低い高さの大きなタンクである。都市ＰＯＴＷスラッジの適当な処理には、活性消化バクテリアの十分な調査一覧やそれらのバクテリアとスラッジの生分解性断片との接触が必要になる。接触は消化槽内容を混合することで達成される。消化槽内容が十分に攪拌されることが最適である。従来の混合方法には、機械的な方法による混合や混合ガスを使用した混合が含まれる。しかしながら、大きく低い設計の従来の消化槽は、典型的には混合されない及び消化槽の約１５％に達するか越える、“デッドゾーン”になっている。
【０００８】
“卵型”消化槽はそれらの問題に対処するために開発された。この形は１００％混合消化槽体積に効果的に近づけることにより全体にわたる性能を改良した。この消化槽はまた、上記で述べた伝統的な形のタンクに対して比較的高いので、より小さい最大幅断面領域を必要とする。しかしながら、卵型消化槽の建設は、複雑な結合構造を克服しなければならない。卵型消化槽は従来の消化槽より小さいが、まだ比較的大きく、建設費はかさむ。これらの構造は、混合効率が改良されるが、それらの設計パラメータにより命令される固体保持時間（ＳＲＴ）及び連続攪拌システムの典型的生物学的活性によって制限されている。
【０００９】
従って、またそれらの間の反応機会を増加させるために、生分解性有機物や利用可能な消化バクテリアの表面領域をより露出させることによって消化槽の性能を改良することは依然必要である。これを達成するための一つの方法は、生分解性有機物と消化バクテリアを粒子の内側上で露出させるようにするためにスラッジ粒子を砕くことである。これらの成分が次いで高エネルギー環境で接触することになる。このことは消化槽内での激しい混合が必要である。
【００１０】
嫌気的スラッジ消化槽で混合することの一つの方法はループ消化槽である。ループ消化槽は周囲にドラフトチューブ配置を取り巻く連続循環流を有している。好気的消化の分野で使用される混合方法は液体が満たされた容器中に沈められた排出ノズルの概念である。ノズルの汲み上げられる側の圧力はノズル出口で液体の流れを加速させるように使用することができる。そのため液体が満たされた容器内にエネルギーを逃がし、混合するように容器内容をかき乱すことができる。それに加え、この加速により、二次流体を引き起こす又は流れの中にガスを送るように使用できる（ベンチュリと類似の）吸引効果が生じる。
【００１１】
生物学的固体を破砕するための排出ノズルは、消化槽内で混合液体に剪断力を与える高割合好気的消化槽を使用する廃水の処理で使用されている。空気注入の形で酸素の補足的添加に伴って、それらの消化槽は、酸素リッチの環境で廃水に含まれる溶解成分の好気的バクテリア消化を増進させるために、廃水とバイオマス粒子間の接触に依存している。
【００１２】
都市スラッジに関連する別の問題はその廃棄である。スラッジの廃棄への取締り規制によってスラッジが廃棄前では“クラスＡ”標準で処理されることが望ましい。４０ＣＦＲ§５０３．３２は、下水スラッジの使用と処理に関するＥＰＡ標準を禁止し、それはここに参考に記載されている。従って、クラスＡ標準で処理されるスラッジを達成する操作上又は処理上の変更ができるように消化槽の設計を改良することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、消化槽、消化槽内で混合液の流れを案内できる消化槽内の混合装置及び消化槽への混合液入口に連通する剪断装置を含み、該剪断装置が消化槽内で混合液に剪断を与えることができる嫌気的固体消化装置を含むものである。
【００１４】
本発明はまた、消化槽内で混合液に剪断を与えることができる剪断源を含む消化槽及び消化槽の少なくとも一つの混合液出口及び消化槽の混合液入口と流体連通した濃縮機を含み、濃縮機と消化槽が混合液の濃縮と消化を同時に可能にするように形成されている嫌気的固体消化装置を含むものである。
【００１５】
本発明はまた、消化槽；消化槽内に位置し、混合液の流れを案内することができ、上部入口及び下部入口を有する、少なくとも一つのドラフトチューブ；ガス入口、液体入口、出口及び内側表面を有する少なくとも一つのノズルであり、さらに該ノズルが外側表面を有するガスチューブを含み、該チューブが、ノズルガス入口からノズル出口に延びており、略環状スペースがガスチューブの外側表面とノズルの内側表面との間に区画されており、及びノズルのガス入口と連通するバイオガス源を含む嫌気的固体消化装置を含むものである。
【００１６】
本発明は、更に嫌気的固体消化装置内でごみの流れを消化するための方法を含み、該方法が、嫌気的生分解性固体を含むごみの流れを消化槽に供給する工程；生分解性固体量を減量させるために、消化槽内でごみの流れの中の嫌気的生分解性固体を嫌気的バクテリアとを反応させ、それにより混合液とバイオガスを製造する工程；剪断装置を経由して混合液を消化槽に導入する工程；及び消化槽内で混合液を混合する工程を含む。
【００１７】
本発明は、嫌気的生分解性固体を含むごみの流れを消化槽に供給する工程；生分解性固体量を減量させるために、消化槽内でごみの流れの中の嫌気的生分解性固体を嫌気的バクテリアと反応させ、それにより混合液とバイオガスを製造する工程；剪断力を消化槽内の混合液に与える工程；及び混合液を濃縮する工程を含み、嫌気的生分解性固体の反応工程と混合液の濃縮工程が同時に起ることを含む嫌気的固体消化装置の効率を改善するための方法を含む。
【００１８】
本発明は、更に消化装置内のごみの流れに生物学的活性を抑制するポリマーの使用を必要最小限にする方法であって、該方法が、ごみの流れの一部が生分解性である、ごみの流れを消化槽に供給する工程；ごみの流れの生分解性部分を消化槽のバクテリアと反応させ、混合液とガスとを製造する工程；及び混合液を膜分離装置で濃縮する工程を含み、ごみの流れの生分解性部分を反応させる工程と混合液を濃縮する工程が同時に起ることを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、１００として図面に大まかに描かれている装置及び剪断強化嫌気的消化装置（ＳＥＡＤ）を使用してごみの流れの中の固体の嫌気的消化のための処理法に関する。また本発明は、ごみの流れの生分解性固体断片を同時に濃縮し、消化する装置と方法に関する。更に本発明は、ごみの流れの中の生物学的活性を抑制することができるポリマーの使用を必要最小限にする方法に関する。ドラフトチューブの回りの好ましい連続再循環流を利用することで、システムの混合が消化槽内で部品を動かすことなく達成することがことができる。剪断ノズルは固体粒子を粉砕し最大の反応性表面領域を露出させるように消化槽内容物にエネルギーを与えるために装置内で使用することができる。エネルギーがノズルにより放出されると、ドラフトチューブ内側の流体は加速され、その結果、再循環流に比較して内部流速が約１０倍増加する。ごみの流れの中の粒子やごみスラリー固体の剪断が、ノズルの出口の乱れた混合ゾーンにおけると同様にノズル内の両方に起り、ごみの流れの固体生分解性粒子又はごみスラリーが物理的に更に小さい粒子に分解され、生分解性固体の表面領域がより露出する。嫌気的消化で発生するバイオガスは２相ノズル内を循環し、混合液と混合される。混入されたバイオガスは、混合液の中の最大乱れを与える循環混合液にくまなく分散されて、生分解性有機物と嫌気的バクテリアとの最適な接触が確保される。それらのファクターは物質移動速度を上昇させ、ＳＲＴの減少により明示されているが、反応効率がかなり改良される。
【００２０】
消化槽内容の断片は膜分離を使用して又は他の従来の濃縮処理と消化装置とを組み合わせて、好ましくは同時に、濃縮することができる。濃縮機は消化槽の入口及び出口と流体連通しており、その結果、濃縮機及び消化装置は同時に稼動する。消化が消化槽の分解性ごみ材料に作用すると、親水性成分は消化され、消化槽内容がより簡単に濃縮される。装置は濃縮機と平行して機能することができるので、同時に稼動され、ごみの濃縮化はかなり改良される。従って、ここに述べるように濃縮機を含む装置の消化によって、消化槽への原料が効率的に濃縮されるという結果になって従来の濃縮処理に対する分離性能が高められる。それに加え、濃縮が、生物学的活性を抑制するポリマー又はここに述べられた消化槽のような最適化された消化槽に否定的な影響を与える他の添加剤の使用の必要なく濃縮を行うことができるので、消化槽の性能は高められる。出願人は、それに加え、例えば、剪断のない強化嫌気的消化槽、卵型嫌気的消化槽及び好気的消化槽を含む消化槽の他のタイプのための原料を消化している間、同時に濃縮することはまた、最適化されるとそれらの消化槽で生物学的活性を抑制するように作用する濃縮化ポリマーのような添加剤を必要最小限にすることができる。
【００２１】
一般に、本発明の様々の態様及び視点に従って処理されるごみの流れは、嫌気的又は好気的バクテリアにより少なくとも部分的に生分解性である材料を含むどのようなごみの流れでもよい。しかしながら、本発明の主な視点は、ここではその他の点で特徴付けられていないかぎり、嫌気的バクテリアに向けられている。好ましくは、そのようなごみの流れは、都市の汚水処理施設又は産業好気的汚水処理施設からの一次及び／又はごみ活性化スラッジであるが、固体ごみの農業肥料、収穫かす、産業固体ごみ、スラッジ、及びスラリー又は固体材料の相当部分が潜在的に生分解性であるいずれの他の高固体ごみ流れを含んでいる。本発明は、スラリー又は嫌気的消化性材料を有する固体ごみと同様に、全浮遊固体（ＴＳＳ）及び／又は脂肪、油及びグリース（ＦＯＧ）の高濃縮で流れを処理することができる。
【００２２】
添付図面に示された本発明の好ましい態様において、ごみの流れは好ましくはごみスラリーである。より好ましくは、ごみスラリーは約７０：３０〜約３０：７０の比、最も好ましくは約６０：４０〜４０：６０の比の一次及び二次スラッジの混合物ある。ごみスラッジの場合、サンプルの重量で割られる固体重量に基づいて、濃縮機無しで本発明の消化槽の態様では、全固体濃度の約２〜約２０重量％が好ましい。濃縮機を有する消化槽の態様に対しては、全固体濃度は、約１〜約１０重量％が好ましく、更に好ましくは、約１〜５重量％である。そのようなごみスラッジに存在する固体の約６０〜約９０重量％は、一般には揮発性であり、潜在的に生分解性固体である。ごみスラッジはまた好ましくは、濃縮機のない本発明の消化槽の態様に対しては少なくとも２００００ｍｇ／lの入口化学酸素要求（ＣＣＤ）レベルを有し、及び濃縮機を有する本発明の態様の場合には、少なくとも５０００ｍｇ／ｌ、より好ましくは少なくとも１００００ｍｇ／ｌである。ごみスラリーに対しては、２０００ｍｇ／ｌより大きなレベルのＣＯＤであることが好ましい。しかしながら、本発明で処理される嫌気的消化性流れは特徴を変えることができるという開示に基づいていることが理解される。
【００２３】
本発明の好ましい態様の説明は以下に限定されない。
図１〜６に参照される概略図は、代表例であり、一定のスケールで描かれてない。ある用語は次の便宜上次の説明で使用されているが、それに限定されない。“下部”及び“上部”、“頂部”及び“底部”、“上方”及び“下方”、及び“左”及び“右”は参照されている図の方向を示す。用語には、具体的に述べられた言葉、それらの派生語及び同様な意味の言葉を含んでいる。
【００２４】
図１に示すように、ごみの流れは、消化槽容器周囲の回りに位置する一又はそれ以上の入口２により、又はここに記載されているように、消化槽再循環導管６０、６４により、消化槽３０に導入することができる。消化槽３０はまた好ましくは、消化槽容器周囲の回りに一又はそれ以上の混合液出口５０を有し、その一つは、消化槽廃水又は消化液又は廃棄又は更なる処理のためのスラッジを排出するための主出口としての役をする。消化槽はまた消化槽周囲の回りに一又はそれ以上のサンプルポート４４を有していてもよい。消化槽３０は、更に使用しないときに容器を空にするための一又はそれ以上のドレイン４０を有していてもよい。本明細書において“混合液”は、混合液に限定されるものではなく、固体、液体及びガスの混合物及びそれらの中の生分解性部分及びそれらの中のバクテリア、好ましい態様では、嫌気的バクテリアが含まれる。混合液は消化槽中にあってもよいし、消化槽からのリサイクル流れ及び消化槽からのどのような廃水として消化槽に供給されてもよい。
【００２５】
好ましくは、消化槽体積は、消化槽内のスラッジ保持時間ＳＲＴが約２日〜約２０日、好ましくは約６日〜１２日であるように選ばれる。消化槽の構造は、しかし、好ましくは一般に円筒状容器で消化槽の縦軸Ａに沿って測定される高さが好ましくは約２．５フィート（８ｍ）〜約７．５フィート（２３ｍ）であり、より好ましくは約４．５フィート（１４ｍ）〜約５．５フィート（１７ｍ）であり、直径比に対する高さは約０．２〜２０であり、より好ましくは、約１〜約４であり、その直径は消化槽の最大左右面に沿った横方向で測定されている。消化槽は、扱う材料や消化される特殊な材料の構造的な要求及び選ばれる消化槽のデザインに合ういずれの従来の材料から作ることができる。しかしながら、好ましくは消化槽はコンクリート、スチール又はファイバーグラスから構成されることである。
【００２６】
図１に見られるように、ごみの流れは、好ましくは再循環ポンプ６の上流の消化槽に供給される。消化槽入口２は、好ましくは消化槽再循環ポンプ６の上流であることが好ましい。その結果、供給物は導管６０を通じて流れる好ましい再循環流れにある消化バクテリアと直ちに及び激しく接触する。好ましい態様では、バッチ供給操作が利用されてもよいが、ごみの流れは消化槽３０に連続的に供給されることである。消化槽へのごみの流れの供給比は変えることができるが、最大供給比は、一般に設計水圧保持時間（ＨＲＴ）により利用される消化槽の体積を割る事により決定される。
【００２７】
好ましくは消化槽は、実質的に一定体積で、典型的制御変動を受ける制御混合溶液体積で運転される。制御体積に消化槽の内側の混合液体積を維持させるためには、実質的にごみの流れの供給流速に等しい混合液の量は、混合液出口５０、好ましくは消化槽容器の側面３２からほぼ横に延びて位置される出口、を介して消化槽３０から引き出される。重力オーバーフロー又は制御バルブのような制御バルブ４、又はいずれの他の適当な流量制御機構を実質的一定体積で消化槽の液体体積を維持するように混合液排出を制御するために使用することができる。
【００２８】
図１及び５に示された好ましい態様では、装置は更に、再循環ポンプ６及び再循環導管６０、６４を含む再循環システム４６を含んでいる。再循環システムは、混合液出口５０から消化槽３０内の混合液Ｌのための流体流通を可能にし、この例では、好ましくは消化槽容器の底５２で、図２に最もよく示されているように好ましい２相ノズル１８の少なくとも一つの液体入口６５に対する混合液再循環出口として役をする。好ましい態様では、再循環システムによる再循環比は、消化槽体積再循環比により割られる消化槽体積が約１５〜１５０分、より好ましくは、約４５〜約７５分となるように実質的に一定になるように制御されている。農業又は産業スラリーのような他のごみスラリーの処理においても類似の消化槽再循環比であることが好ましい。しかしながら、再循環比は変えることができ、又はシステムを変えるために最適化することができる。第１導管６０は、導管６０、６４を通して液体を移動させるポンプやいずれの液体ポンプ装置でよい、ポンプ６からの液体をノズル１８の液体入口６５に搬送する。第２導管６４は、混合液再循環出口としての役をする混合液出口５０から液体をポンプ６に搬送する。本明細書で説明されている、導管の用語は、ここで説明されているように、流体流通を可能にする、いずれのパイプ、導管、チューブ、搬送機構、バルブ、又は間接又は直接連結又はそのようなものである。
【００２９】
もし入口２が第２導管６４に連結されている場合、再循環システム４６は、ごみの流れの供給と消化槽から好ましい２相ノズル１８の液体入口６５までの再循環混合液との連続的ブレンドを与える。ノズルはついで新鮮なごみの流れを排出し、混合液とバイオガス源からバイオガスを消化槽内に再循環させる。図２に最もよく示されているノズル１８は、バイオガス源、ノズル液体入口６５、及びノズル出口２０との流体連通するノズルガス入口１３を有している。さらにノズルは、ノズルガス入口１３からノズルガス出口２０に近接したガスチューブ出口３３まで延びるガス流れチューブ１５を有している。略環状のノズルスペース５６はガス流れチューブ１５の外側表面３５とノズル１８の内側表面５４により区画されており、そこを再循環混合液が通過する。
【００３０】
図１に示されているように、ポンプ６によって再循環流れ及び／又は供給流れは循環し、好ましい２相ノズル１８の上流のスラリーが加圧される。ポンプエネルギーは好ましい２相ノズル１８の流体出口２０で消化槽内容に移動される。好ましい２相ノズル１８の流体出口２０は、ノズル環状スペース５６は出口で混合液の加速を生じさせるノズル出口で狭くさせるように形成されている。ノズル出口２０を介して発生される速度勾配は、式（Ｉ）により定義されているように、好ましくは約５０〜約５００／秒のレベルで維持されている。
【００３１】
【数１】

ここでＧは、平均速度勾配、／秒、であり、Ｐは、ワッツの力要求量であり、Ｖは、立方メータの消化槽体積であり、μは、Ｎｓ／ｍ²の消化槽容量の動的粘度である。
【００３２】
ノズル出口２０で混合液に移動したエネルギーは、流れの中の固体に剪断力を与え、固体をより小さい粒子に砕き、及び表面領域を増加させる。表面領域の増加により、未反応有機物が、それらが嫌気的バクテリアにアクセスできるように更に露出される。流体が加速され、混合液のエネルギーが消化槽内容物に移動されるところのノズル出口２０の外側の混合ゾーン６６にあるとき、剪断が、ノズル１８の内側の両方に起る。
【００３３】
好ましい態様では、ノズルは、ガスの排出及び剪断力を与える２相ノズルである。しかしながら、図２ａに示されるように、単相ノズル７２がまた消化槽内に混合液に剪断を与えるように適応させることができることは当業者において認識される。図２ａのノズルは、図１に示される消化槽３０の混合液出口５０と流体連通し、直径ｄ₂の液体入口７３と、混合液を消化槽に導入するための液体入口７３の直径ｄ₂より狭い直径ｄ₃の液体出口７４とを含み、直径ｄ₂及びｄ₃は、最も大きな寸法で測定されており、各々開口７３と７４を横断している。狭い出口７４は、そこで混合液の加速を生じさせる。再循環液はノズル７２の内側壁７６により区画されるノズル７２の内側スペース７５を通過する。上述した２相ノズル１８とは異なって、単相ノズル７２はガスチューブを含まない。さらに、剪断装置の他のタイプ、例えば、ベンチュリバルブ又はノズル、又は固体を粉砕でき、それらを消化槽に導入する、インペラ、本発明のノズルほど好ましくはないが、本発明の範囲で使用することができる。
【００３４】
使用するノズルの数は消化槽の体積及び／又は望まれる最適処理により変えることができる。例えば、図５の好ましい態様では２つのノズルが示されている。好ましくは、約１５０〜約１５００立方メータの消化体積に対して約１つのノズルが好ましく、より好ましくは、約６００〜約９００立方メータの消化槽体積に対しては約１つのノズルである。
【００３５】
ドラフトチューブが好ましいが、消化槽内で混合を生じさせることが可能なインペラ、注入ガス、真空ポンプ、混合羽根及びそのようなものを含むいずれの混合装置も、本発明の請求の範囲の“混合装置”に含まれる。機械的混合又はガス注入のような混合の他の形又は剪断強化媒体の存在下での混合方法によって、物質移動速度が改良され、従って本発明で使用するには相応しい。図１に最もよく示されているように、ノズル出口２０は消化槽内の混合液レベル４８の下に位置するドラフトチューブ２８の入口２２に近接して排出する。ノズルから出る流体はドラフトチューブ２８により区画される内側領域２６を通して下方に流れる。チューブを通して横に測定したときのドラフトチューブ２８の直径ｄ₁は好ましくは一定であり、好ましくは約４０〜２００ｃｍである。ドラフトチューブの縦軸Ｂに沿って測定したときのドラフトチューブ２８の長さｌ₁は、ドラフトチューブ入口２２が、図１に見られるように、消化槽内容物をドラフトチューブ入口２２の中に循環させる液体レベルの表面より実質的にかなり下にあり、ドラフトチューブ出口４３は、流量制限又は過剰圧力低下を最小にするために消化槽の底より実質的にかなり上にあるようにされるべきである。より好ましくは、ドラフトチューブ２８の長さｌ₁は、ドラフトチューブ入口より上の液体深さがドラフトチューブ出口４３より下の液体深さ以下であり、消化槽底５２から混合液表面４８まで縦方向に測定した場合の消化槽液体深さＱの約５０％〜約９０％の範囲にある。利用されるノズルの数に関して上述した考慮に従って１以上のドラフトチューブを利用してもよい。利用されるノズルの数と利用されるドラフトチューブの数との間の１：１の関係が好ましい。しかしながら、本発明に従って嫌気的消化装置ではドラフトチューブ当り１以上であってもよい。
【００３６】
ノズル排出流のドラフトチューブ２８内への連続下降流によって、ドラフトチューブ内側にほぼ下降流が生じる。混合液がドラフトチューブ出口４３に出ると、混合液は消化槽底により上方に押しやられ、その結果、循環パターンが消化槽３０内に生じて、液体流はドラフトチューブ２８の外側表面２４の回りに逆流した後、上部入口２２を通しドラフトチューブ２８内に再び下方に引かれ及び／又は押される。ドラフトチューブの回りにこのように生じた循環パターンは好ましくはノズルから排出される体積流量を超え、混合溶液の混合に役立ち、より好ましくは、循環はノズルの排出体積流量の約５〜２５倍に強化される。ドラフトチューブの回りの好ましい循環により与えられる混合が強化されると、物質移動速度が増加する。
【００３７】
特殊な生分解性固体物質の嫌気的消化度はその物質の有機構成により制限される。しかしながら、この消化が達成される速度は、物質移動速度により影響を受ける。物質移動速度を改良することで、消化を達成する時間の減少が達成される。消化槽３０内の混合溶液を循環させることにより、供給材料が十分に分散され、未反応の有機物が消化バクテリアにさらされて消化内容物の混合が高められる。ノズル１８の剪断効果が未反応有機物の露出表面領域を増加させるので、嫌気的消化処理の物質移動速度は従来の嫌気的消化槽に対して改良される。ノズル１８からの排出により消化槽に加えられたエネルギーの影響下では、それらの条件は物質移動速度を増加させる。
【００３８】
ごみの流れに含まれる嫌気的生分解性材料は消化槽３０で反応により消化される。ここでは嫌気的バクテリアが生分解性材料を硫化水素のような他のわずかな量のガスと共に実質的にメタンと二酸化炭素からなるバイオガスに変換する。これらの組成及び他の類似の嫌気的ガス副生物は通常ここでは“バイオガス”と称されている。バイオガスはまた少量の水蒸気、窒素及び供給物に存在する又は生分解中に形成される微量の他の揮発性化合物を含んでいてもよい。体積百分率当りのバイオガスの組成は、特殊な消化性有機物が処理されることにより変化する。本発明の消化槽で形成されるバイオガスの好ましいメタンレベルは約５０〜約９０堆積百分率の範囲にある。好ましい二酸化炭素のレベルは約５〜約４５体積百分率の範囲にあり、硫化水素レベルは百万分の約２００（体積）〜約６体積百分率の範囲にある。消化性有機物への嫌気的バクテリアの作用によって、また嫌気的バクテリアの増殖が起る。
【００３９】
この装置は好ましくはノズル１８にバイオガスを与えるためにノズル１８と流体連通してバイオガス源を有する。好ましいバイオガス源は消化槽で発生したガスの一部をノズルへのガス供給として使用する２７で示される通常バイオ再生システムである。しかしながら、バイオガス又は他の嫌気的消化供給ガスは入口３７を通して独立に供給することができ及び／又は図１に示されるようにバイオガス再生システム共に使用することができる。消化槽の上部表面３４の下に、混合液のレベル４８があり、その液上部に、その上部表面４８で混合液から流出入するバイオガスを収集可能にする領域３がある。混合液上の領域３の体積は変化するが、発生するどのような泡が循環又はガス収集を妨げることから防止するために混合液の上部表面４８と消化槽３０の上部表面３４との間のスペースは好ましくは約４フィート（１ｍ）〜約７フィート（２．５ｍ）の距離があり、より好ましくは約５フィート（１．５ｍ）〜約６フィート（２ｍ）である。このバイオガス収集領域３は好ましくはバイオガスリサイクルシステムのノズル８と流体連通している。好ましくは、バイオガスリサイクルシステムは収集領域３からノズル１８にバイオガスの部分をリサイクルために設けられている。より好ましくは、このバイオガスリサイクルシステム２７は、導管５を有する。導管は収集領域３にバイオガスのための一方の端部７に出口を備えている。導管の他端部１１はノズルへのガス入口と連通している。導管５は好ましくはバイオガスの流速を調整するための制御バルブ４を有している。バイオガスはまた好ましくは収集領域から、例えば、バイオガス出口２９を通して脱泡フード１７を介して通気されている。好ましくは、このような通気は、例えば、さらにバルブ６７によって制御されており、３５℃で約大気圧から約５０インチ水（１２４００Ｐａ）の領域３のガス圧が維持される。より好ましくは、圧力範囲は３５℃で約１０インチ水（２５００Ｐａ）〜３５℃で約２０インチ水（５０００Ｐａ）である。バイオガスリサイクルシステム２７でリサイクルされないバイオガスのいくらかは排気してもよいし、実質的に燃料として燃焼されてもよいし、又は他の目的に利用されてもよい。
【００４０】
バイオガスに加えて、更にガスを入口３７からノズル１８に導入してもよい。例えば、剥離性毒（strippable toxin）を制御するために、あるいはバイオガスと混合液との間の二酸化炭素平衡を変えるために、窒素供給ガスをノズル１８に送ってもよい。それによって消化槽の混合液のｐＨに影響を与えることができる。あるいは少量の空気又は酸素を入口３７を経由してノズル１８に送ってもよいし、又は混合液の酸化還元電位（ＯＲＰ）を変えるためにガス入口（図示していない）を分離してもよい。このことは、硫化水素を生じさせる嫌気的バクテリア反応の望まない傾向が酸化還元電位の特別な範囲で裏付けられるので望ましい。硫化水素は、悪臭が強く、ある材料に対して腐食性があり、人間や消化性バクテリアに対して有毒である。混合液の酸化還元電位を、硫化水素の生成を裏付けるそれら以外の範囲に調整することにより、混合液に存在する硫化水素レベルを減少することができる。それにより、嫌気的消化と関連する望ましくない特徴の一つを緩和することができる。このことは、ＳＥＡＤシステム１００、好ましくは再循環システム４６に沿ったどこか、最も好ましくは導管６０に沿ったどこかと連結したＯＲＰメータ又はゲージ１４により容易にされる。このＯＲＰメータ又はゲージ１４は、入口３７からのガス流を調整するためにバルブ１６のようなモータ制御バルブに合図する。
【００４１】
前述したように、混合液は、それがガス流チューブ１５の出口３３に最も近くにある、ノズル１８を出るとき、加速される。このことで、ノズル１８を経由して、バイオガスを引き出し、及びバイオガス収集領域３からバイオガスの部分を除去し、及びバイオガスの部分を消化槽３０に導入する好ましいバイオガスリサイクルシステムに有益な排出効果が生じる。混合液とバイオガスがノズル１８を出ると、ノズル排出で乱れが増加したガスに伴ってノズル出口２０及びガス流チューブの出口３３でバイオガスの部分と再循環混合液との間に更に混合が起る。この乱れは、混合液の固体粒子、更には粉砕した粒子に剪断力を与え、それにより、生分解性有機物の表面領域が更に与えられる。この更なる剪断メカニズムによって、より多くの生分解性有機物が露出されるとき、上述したように、物質移動速度が増加するために本発明の性能がより高められる。
【００４２】
嫌気的処理で物質移動速度を増加させるには、物質移動反応が最適速度で起ることができることを確保するための十分な混合と共に消化バクテリアに利用可能な露出表面領域を増加させることが必要である。ノズル１８で再循環された混合液流れの中にガス収集領域３から除去されたバイオガスの部分を排出することによって、消化槽３０の内側を循環している混合液に微細ガス泡が巻き込まれる。ガス速度は、混合液の流体速度がドラフトチューブ２８の内側２６とその外側領域において異なっていて、内側２６では、混合液がその浮力に打ち勝つことにより巻き込まれたガスを運び下方に流れ、外側領域においては、混合液とガスの速度は共に上向きであるが、異なっているために、巻き込まれたガスにより、混合液の剪断粒子に高い乱れ度が促進される。ノズル１８とドラフトチューブ２８により加えられた強制循環と協同で、この巻き込まれたガス乱れによって、更に本発明の最適性能に有益である物質移動速度の増加が促進される。
【００４３】
上で議論したように、ノズルの排出効果により、バイオガス源、好ましくはバイオガスリサイクルシステム２７からバイオガスが混合液の中に吸い込まれる。混合液中へのリサイクルバイオガスの量は、例えば、導管５の制御バルブ４により制御することが好ましい。好ましい態様において、ノズルの液体に対するバイオガスの体積比はノズルを通して流れる液体の体積当りバイオガスの体積の約０．５までである。しかしながら、各混合液の特性は供給ごみの流れの特性を含む多くの理由で変化することが認識される。及びそれらの特性は混合液内で生じる又は混合液内に注入された、巻き込まれたガスが放出される速度に影響を与えることが認識される。また消化槽３０の物質移動速度が増加するにつれ、バイオマスが消化処理による混合液のマンモス流内で発生する速度もまた増加することが認識される。消化により混合液に巻き込まれたバイオガス体積が、所定の適用に対して好ましいガス乱れ量を与えるのに十分なレベルに到達するというシステムの操作上の点では、バイオガスリサイクルは制御バルブ４を閉じることで停止してもよい。
【００４４】
ごみの流れ供給の固体濃度は、全懸濁固体百分率（ＴＳＳ）で表される。都市のＰＯＴＷごみスラッジの説明図の場合には、濃縮前の供給のＴＳＳは典型的には１．０％ＴＳＳより少ない。典型的にはこのスラッジは、濃縮処理でポリマーを利用することにより約５％ＴＳＳに濃縮される。出願人は、本発明の装置のように、最適化消化槽の性能は、ごみの流れにそのような濃縮ポリマーの存在により悪い影響を与えるということを発見した。濃縮化されないごみの流れを消化することは、このことに効果があり、しかし消化槽体積は比例して大きくなり、望まないものになる。従って、ポリマーの添加の必要が無くごみ供給材料を濃縮化する方法が望まれている。
【００４５】
図３に示される従来の消化処理では、消化槽内への供給物の濃縮又は濃厚化は消化槽の上流で起る。しかしながら、従来の方法は典型的にはごみの流れの中で親水性化合物を消化しない。ごみの流れの中の固体中に存在する親水性化合物は、典型的には濃厚化を困難にする。親水性化合物が水を放出する媒体の傾向を減少させるのでもし親水性化合物を媒体から除去することができるならば、どのような濃縮装置、特に膜濃縮機の性能を改良することができる。本発明の消化装置により、それらの親水性化合物が消化され、該装置を濃縮機と同時に稼動させると、濃縮機が濃厚化することを困難にするそれらの親水性化合物を除去することによって濃縮機の性能が高められる。
【００４６】
本発明の好ましい態様である、図４及び５に示すように、濃縮機６２は消化槽の混合液出口５０、好ましくは、混合液再循環出口、から濃縮機まで固体と液体の混合物の部分を搬送し、及び消化槽入口７７に戻す。濃縮機６２は、消化槽の入口７７及び混合液出口５０と液体連通している。より好ましくは、濃縮機はポンプ７０、再循環システムのポンプ６でもよい、しかし１又はそれ以上の分離ポンプであることが好ましい、及び消化槽の入口７７と流体連通した出口５３と消化槽の混合液出口５０と連通した入口６８を有する分離機５８を含んでいる。分離機はまた好ましくは分離機５８の出口５３と結合した第１端部５７と消化槽の入口７７と結合した第２の端部５９を有する導管５５を含んでいる。この導管は好ましくは分離機５８の濃縮側６９から消化槽３０に戻るまで濃縮物を搬送する。
【００４７】
最も好ましくは、分離機は、異なった大きさの懸濁固体及び懸濁固体粒子の様々な濃度を有する液体を処理するために適した材料を含む、および好ましくは材料で製造された水透過性膜である。適した膜の例としては、超多孔性、非対称、重合性限外濾過膜である。通常使用されるポリマーの例としては、セルロースアセテート、ポリアミド、ポリスルホン、塩化ビニール―アクリルニトリル共重合体、及びポリ弗化ビニリデンを挙げることができる。膜分離は効果的な濃縮方法であるが、薄膜分離機、気泡浮上分離法、重力ベルトフィルター、デカンター、回転スクリーン、又は他のもののような濃縮法が適した分離機である。濃縮機からの透過物及び使用されない濃縮物の何れもは、以下に述べるように、システムから排出する又は１又はそれ以上の熱交換器８に送られる。
【００４８】
もし望むなら、流速制御メータ又はゲージ５１及び好ましくはモータバルブ１６が濃縮機及び濃縮機から混合液の流れを制御するように備えられていることである。しかしながら、いずれの制御機構でも濃縮機に及び濃縮機からの液の流れの制御のために許容できる。それに加えて、モータバルブ１６と結合した圧力メータ又はゲージ６３は分離機５８から消化槽３０に搬送される混合液の圧力を制御するために利用されてもよい。しかしながら、いずれの圧力制御機構も消化槽に搬送される混合液の圧力を制御するために相応しい。
【００４９】
前述した消化槽の構造により、物質移動速度の増加による消化槽の速度が改良されるが、揮発性固体の破壊はごみの流れで利用できる生分解性固体の割合により制限され、固体保持時間（ＳＲＴ）の関数である。同じ装置の処理性能は、消化槽のＳＲＴが消化槽体積を増加させないで延ばすことができるなら、更に改良することができる。このことは、消化槽の固体濃度を更に増加させることにより達成される。好ましい態様の装置では、濃縮と消化を同時にすることにより、混合液の濃縮を調整することが可能になり、その結果、一定のごみの流れの供給速度で消化槽のＳＲＴが増加する。従って、設計ＳＲＴは、例えば、揮発性固体破壊を増加させる、又は特定の排出固体濃度を達成するというような特別な目的を達成するために目標とされることができる。出願人は、膜分離装置を使用する上記の方法で濃縮及び消化を同時にすることで、本発明の装置の様々な態様を含む、最適化された消化槽ばかりでなく、剪断のない強化嫌気的消化槽、卵型嫌気的消化槽及び好気的消化槽を含む、いずれの消化槽においても潜在的な抑制ポリマーの使用の必要性を最小にする又は除去することを発見した。
【００５０】
都市のＰＯＴＷごみスラッジ又はごみスラリーの場合に対して好ましい態様が説明されている。類似する消化槽デザイン及びこの方法の使用は本発明により農業又は産業源からの他のごみスラリーを消化するために想定される。スラリーの生分解性材料の百分率比は源に基づいて変わり、またスラリーの固体濃度は約０．５％〜約１２％ＴＳＳの範囲にあるが、好ましくは約１％ＴＳＳであるということが認識される。更に処理目的又は所定の適用の経済性によっては好ましい範囲外のパラメータで消化槽３０及び濃縮機６２を操作することがむしろ望ましいことが認識される。それらのファクターを考慮して、ある適用では、供給材料の濃度が必要とされない、及び事実、それどころか希釈流れは消化槽の所望の混合液ＴＳＳを達成させるために好ましいことが認識される。また、この嫌気的消化処理はまた流体流れの溶解性生分解性有機物を消化することが認識される。本発明のこれら又は他のバリエーションが検討される。
【００５１】
図５に示すように、任意のガス流出入ゾーン(gas de-entrainment zone)４５を消化槽３０に設けることができる。ガス流出入は、壁４７により区画された垂直シリンダの形にあり、開いた頂部と閉じた底６１を有し、好ましくは消化槽の底５２と隣接しているが、消化槽の混合液出口５０、好ましくは混合液リサイクル出口と連通する底５２にある開口は除かれている。好ましくはゾーンの壁４７の形はほぼシリンダ状又は、さもなければ、再循環ポンプ６の吸引により生じるゾーンの混合液の下方速度が、そのような泡が混合液から流出入できるようにするために、直径約１ｍｍ以下のガスバブルの発生速度以下であるということで足りるようにゾーンの横断面領域が形成される。好ましい断面領域は変化するが、流出ゾーンにある混合液の下方速度は０．０２〜０．２ｍ／ｓ、より好ましくは０，０５〜０．１ｍ／ｓの範囲にあることで足りる。このガス流出入ゾーンは、機械的なダメージを生じるので、そのようなガスバブルが再循環ポンプ又は濃縮ポンプで空洞を作るどのような可能性をも避けることが好ましい。
【００５２】
それとは別に、図１及び５に描かれている、任意のガスディフレクタプレート２５がドラフトチューブ２８の下部出口４３と消化槽底５２との間に位置していることが好ましい。それにより、混合液が再循環システム４６又は濃縮機６２の導管５０に入る位置で混合液中のガスバブルの流入を最小にすることができる。一般にプレートの形や構成材料の限定は無い。好ましくは、ガスディフレクタプレート２５は、ドラフトチューブの出口より大きいが、そのようなバブルが混合液から流出入できるようにするために、プレート２５の回りに流れる混合液の下方速度が直径約１ｍｍ以下のガスバブル発生速度をこえて増加されるようなサイズより小さい。しかしながら、本発明のＳＥＡＤシステムを変える場合に、任意のガス流出入ゾーン及びディフラクタプレートは各々一つで又は組み合わせて使用することができる。
【００５３】
システムの性能は、ｐＨの最適レベルでシステムを操作させることにより更に高めることができる。従来の手動又は自動ｐＨ制御機構のいずれも、消化槽内側のそれらの条件を制御し、最適化するように使用することができる。このような場合、従来のｐＨ制御システム１０が、ｐＨを維持し、調整薬品の適当量を混ぜるために、好ましくは再循環導管６０に含まれることができる。嫌気的消化のための消化槽の好ましいｐＨレベルは、約６〜約８である。３００００ｍｇ／ｌ以下の化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を持つそのようなもののあるごみスラリーに対しては、消化槽の最適なレベルを維持するためにｐＨの調整が必要である。
【００５４】
システムの性能は温度の最適レベルでシステムを操作させることにより高めることができる。従来の温度制御機構のいずれも消化槽の混合液の温度を制御するために使用することができる。図１に示す一つの機構は、好ましくは本発明の再循環システム４６に温度メータ又はゲージ１２及び熱交換器８を有する。図５に示す好ましい方法は、再循環ポンプ６の上流に熱交換器８及びスチーム注入機９が使用されている。図５に示されるように、熱交換器８は濃縮機６２からの浸透物から熱を得る回収熱交換器としての役をする。ごみの熱は、また（図示しない）分離熱交換器を使用して消化槽廃液又は過剰濃縮物から回収することができる。温度制御機構は好ましくは消化槽の中の（又は再循環導管の中の）供給物を、混合液及び／又は供給物を消化槽入口２の中に入れる前に好ましい反応温度又は僅かに高い好ましい反応温度に加熱する。中温生嫌気的消化のための消化槽の好ましい温度レベルは、約８０°Ｆ（２５℃）〜約１０５°Ｆ（４０℃）である。消化槽は、また１２５°Ｆ（５０℃）〜約１４５°Ｆ（６０℃）の好熱性範囲で操作してもよい。しかしながら、消化槽への供給物は、嫌気的バクテリアにダメージを与えない、消化処理に否定的影響を与える程度までのいずれの温度にも加熱することができる。クラスＡの都市スラッジを製造する目的のように、スラリーの病原体を駆除することが好ましい場合には、好熱性範囲での運転によって、生分解性有機物の消化と同じこの目的を達成することが可能になる。
【００５５】
ここで述べるように、ノズル１８を経由して混合液の再循環は、消化槽の内容物の混合のために与える、ドラフトチューブ２８の回りの循環パターンを含む。加えて、混合液に流入するバイオガスによって、混合が高められる。今まで述べた混合と乱れの有益な効果に加えて、混合はより均一なｐＨ及び消化槽を横切る温度プロファイルを与え、それにより、消化槽容器内の反応条件が安定に維持される。
【００５６】
長期の停止後、消化槽稼動の連続的な再スタートを可能にするために要素を設けることは剪断強化嫌気的消化装置の望ましい操作性のために有利である。停止すると、固体材料は、消化槽３０に固まる傾向にあり、ドラフトチューブ２８の少なくとも出口を塞ぐのに十分な深さの層を形成する可能性がある。固体の堆積物は消化槽稼動の再スタートを阻止するので、改善運動を遠ざけ、固体は静止したままの傾向を有し、それにより入口供給を塞ぐ可能性と共にポンプ吸入及びドラフトチューブ２８を塞ぐことになる。消化槽の底に液体循環を与えることにより、堆積固体の層を消化槽３０内の液体循環を改良するのに十分にかき乱し、始動を助けることが分かった。図１及び５に示すように、好ましくは、液体循環はポンプ６及びポンプ６の排出と流体連通する導管３６及び消化槽３０上のノズル３８により供給され、液体循環は、ディフレクタプレート２５の下又は、それに代わる上の領域にあり、及び消化槽底５２に最も近くに導かれている。この液体循環は堆積固体の層を十分にかき乱すいずれの形を有していてもよい。
【００５７】
液体循環が固体堆積物のドラフトチューブ２８を一掃するに十分でない場合には、又は液体循環の代わりに、別のバイオガスリサイクルシステム２１を利用することができる。バイオガスリサイクルシステム２１は、ノズル１８の通常の稼動開始前に、固体を無理に取り除くようにドラフトチューブ２８の回りに及び中にガスを上方に移動させるために導管１９と連通する、好ましくは内部ガスノズル２３を有している。システムはまたノズル２３へのガスの流れを加速させるために、任意のポンプ４９により更に簡便化されていてもよい。
【００５８】
また本発明の嫌気的消化槽の最適な操作のために消泡スプレーシステムを使用することが望ましいことが分かった。このようなシステムは消化槽の混合液の上部表面上に好ましくは連続的に液体をスプレーすることにより、消化槽３０内側の泡の形成を防ぐ。このようなスプレーは好ましくは液体表面の大部分又は実質的に全てをカバーする。液体レベルの表面上にスプレーされた液体の衝突により、泡は潰され、泡の形成が阻止される。好ましくは、スプレーされた液体は消化槽３０からの混合液である。図１に示すように、少なくとも一つのスプレーヘッド３１が使用され、好ましくはそのような多くのスプレーヘッドが使用される。この消泡スプレーシステムはもし必要なら、適当な泡センサーにより作動する従来の化学消泡注入装置、及び／又は泡破壊用の従来の機械的方法が付設されていてもよい。
【００５９】
上記の詳細な説明は、本発明の好ましい態様に関する。しかしながら、本発明の装置は、通常消化槽；上述した例に限定されないものを含み、循環を生じさせ及び物質移動速度の改良につながるいずれかの適当な混合装置；及び上述した例に限定されないものを含む、固体を粉砕し及びそれらを消化槽に導入できるいずれかの適当な剪断装置を含むときに稼動できるものである。
【００６０】
図５の「−」の矩形で輪郭された領域は、図６に示す装置に置き換えることができる。図６は、消化槽、好ましくは、濃縮機と結合した、嫌気的及び剪断強化消化槽を含む本発明の別の態様の装置である。装置は、消化槽と濃縮機を同時に作動することにより効率が改良されたものである。装置は、好ましくは、剪断ノズル、ベンチュリノズル、インペラ、又は消化槽内で混合液に剪断を与えることが可能なその他の装置のような剪断源７１’を含む消化槽３０'、及び消化槽の混合液入口７７'及び少なくとも一つの混合液出口５０'に流体連通した濃縮機６２'を含んでいる。消化槽３０'は、上記消化槽３０又は好ましくは消化槽の混合液に剪断を与えるための源を有するいずれの消化槽でよい。もし使用するなら、剪断源７１'は、消化槽内の混合液に剪断を与えるために形成されている限り、消化槽３０'の内側又は外側のいずれかでよく、又は消化槽３０'と流体連通していてもよい。濃縮機６２'は、図５に関して上述したいずれの濃縮機６２を含む、ごみの流れの水量を減少するいずれの濃縮機でよい。濃縮機６２'と消化槽３０'は混合液の濃縮と消化とを同時に実施する図５に関する上述のように形成することができる。装置は、更にどのような装置を含んでもよいし、上述のどのような配置を採ることができ、それで効率性、特に嫌気的消化装置の効率性が最適化される。上述した濃縮機６２と同様に、濃縮機６２'はポンプ７０'及び消化槽の入口７７'と流体連通している出口５３'及び消化槽の混合液出口５０'と連通した出口６８'を有する分離機５８'を含んでいてもよい。濃縮機はまた分離機５８'の出口５３'と結合した第１端部５７'及び消化槽３０'の入口７７'と結合した第２端部５９'を有する導管５５'を含んでいてもよい。この導管は好ましくは、濃縮物を分離機５８'の濃縮側６９'から消化槽３０'に戻すように搬送する。
【００６１】
ごみの流れは、ここに述べたように、消化槽内にごみの流れを供給することにより、好ましくは、上述したパラメータを考慮して嫌気的消化装置の様々な態様に設計することができる。ごみの流れの中の生分解性材料は嫌気的バクテリアと反応して混合液とバイオガスを発生させる。この反応は、もし望むなら、温度及びｐＨの制御、混合液を濃縮すること、ガスバブルの流入を最小にすること、などを含む、更に上述の方法のいずれかで最適化することができる。混合液は、消化槽に導入され、いずれの剪断装置又は方法が、好ましくは消化槽の入口と連通して使用され、及び消化槽内の混合液は、ここに述べたそれらを含む、いずれかの混合装置又は方法により混合される。
【００６２】
本発明は、次の限定されない具体例により詳細に説明される。
[実施例１]
【００６３】
表１のデータは、本発明の消化装置の改良された物質移動速度を示している。この研究の試験装置は通常添付図面の図１に描かれた消化装置の態様であり、以下、剪断強化嫌気的消化槽（ＳＥＡＤ消化槽）と称する。装置は、一つの２相ノズル、ドラフトチューブ、及びガス衝撃プレートを含むが、濃縮機はない。データはそのうえ、嫌気的消化処理への典型的ポリマーの影響を示している。このデータは、ＰＯＴＷで試験研究から得られた。ここではＳＥＡＤ消化槽への供給は一次及び二次スラッジの混合物であり、混合物はポリマーの添加で従来のベルト濃縮機を使用して濃厚化された。この研究で消化槽は、濃縮機のない一度通しモード（once-through mode）で稼動された。研究の間、表に示されているように、ポリマーのタイプを変えるために選ばれたＰＯＴＷが使用された。表１に示された場所では、消化装置への供給は、ポリマー添加の上流位置に変えられ、ポリマーは、ポリマーが無くなるまでシステムからパージされた。
【００６４】
【表１】

【００６５】
上記データは月平均稼動データである。「ポリマーＡ」は、カチオン性水溶性ポリマーエマルジョンである。「ポリマーＢ」は、溶解性マンニッヒポリマーである。「供給濃度」は、全固体百分率（％ＴＳ）で表されており、即ち、液体スラッジの１００ｌｂｓ．当りの固体のｌｂｓ．である。「ＨＲＴ」は、日における水圧保持時間であり、一度通しシステムにおいて固体保持時間（ＳＲＴ）と等しい。「生物活性」は、嫌気的バイオマスの揮発性固体変換容量の基準であり、一日当りの消化バクテリア（揮発性固体）のキログラム当り消化された揮発性固体のキログラムとして表現されている。
【００６６】
「ＲｘＶＦＡ」はリッター当りのミリ当量（ｍｅｑ／Ｌ）で表される消化槽の揮発性脂肪酸の濃度である。ＲｘＶＦＡは、消化槽の処理安定性の基準である。１．０以下のＲｘＶＦＡの示数は、消化環境が非常に安定しており、高物質移動速度でさえ行えるであろうことを示している。
【００６７】
第１コラムはポリマーＡが加えられた最後の月間データを示している。ＳＲＴは積極的にデザインされた従来の消化槽のそれとほぼ等しい。ＶＦＡは最適な安定性以下であることを示している。第２コラムはＰＯＴＷがより経済的なポリマーにスイッチしたときの操作のその後の月間データを示している。ＳＥＡＤ消化槽の性能は、ポリマーＢがポリマーＡよりかなり抑制することを示すＶＦＡの上昇と同様に、より長いＳＲＴにより示されるように悪化した。
【００６８】
この研究のこのときでは、供給位置はＳＥＡＤ消化槽が濃縮化及びポリマーの添加前に同じスラッジ混合物を受けるように移動された。次のコラムはＳＥＡＤ消化槽から徐々にポリマーが除去されている月間データを示している。ＳＥＡＤ消化槽性能は、より安定したＶＦＡを伴い、従来の２０〜４０日以下のＳＲＴを達成してかなり増加した。研究の最後の月はポリマーがＳＥＡＤシステムから完全にパージされた後同じスラッジに基づくＳＥＡＤ消化槽性能を反映した。１０日以下のＳＲＴが、非常に安定したＶＦＡ表示に伴って達成された。この研究は、この出願のために達成できる最も最適化されたＳＲＴが決定された後に終了したが、非常に低いＶＦＡは、ＳＲＴの更なる減少が多分可能であることを示している。
【００６９】
本発明の剪断強化嫌気的消化槽装置の効果は、このデータにより説明されている。物質移動速度の改良により、従来のシステムに対して勧められた低設計ガイドラインの５０％であるＳＲＴでスラッジ消化を行えることができる。この研究はまた、もし原料が濃縮処理で通常使用されるポリマーを含まないなら、ＳＥＡＤ装置の利益が最も得られるということを示している。
【００７０】
表２のデータは、産業ごみ活性スラッジの試験研究から得られた。スラッジはポリマーとして油中水型エマルジョンのカチオン性ポリアクリルアミドの添加で従来の濃縮機を使用して濃縮された。研究のための試験装置は実質的に図１に描かれた態様である。
【００７１】
【表２】

【００７２】
表２の「高比率」として示されている従来の消化槽のデータは、ＷＥＦ（１９９２）（「Manual of Practice No. 8 : Design of Municipal Wastewater Treatment Plants VolumeII: Chapters 13 ？ 20」, pp. 1261-1263. ISBN 0-943244-85-4）から得られた。表２の「卵型」消化槽のデータは、Brinkman, Doug and Voss, Denton (1999)(「Egg Shaped Digesters, are they all they're cracked up to be ?」Water Environment & Technology, November Issue, pp. 28-33)から得られた。それらのデータ源の各々は、参考にここに記載されている。ＳＥＡＤのための１２．２日のＳＲＴは、従来の消化槽のための設計基準ＳＲＴに対してかなり改良されていることを示している。高ＶＦＡは、システムの安定性が最適でないことを示している。ポリマーの効果の研究はここでは着手されてないけれども、いずれの理論によっても拘束されることを望まないが、ここでは出願人は、少なくとも幾分高ＶＦＡは消化効率性へのポリマーの抑制的影響のせいであると考えている。
【００７３】
表３のデータは、濃縮化及びポリマー添加前の時点のＰＯＴＷシステムから採取された一次と二次スラッジの混合物に関する試験研究から得られた。この研究のための試験装置は、ただ一つの２相ノズル及び一つのドラフトチューブが使用された以外、実質的に図５に描かれたものであり、ここでは、膜連結剪断強化消化装置（ＭＣＳＥＡＤ消化槽）として設計されている。
【００７４】
【表３】

【００７５】
第１コラムは操作に濃縮機のない非濃縮化供給を基に得られた性能を示す。ＳＲＴは再び本発明のＳＥＡＤ装置の物質移動速度の改良は消化処理において有益であることを示している。低ＶＦＡは更にＳＲＴの減少は可能であることを示している。濃縮機は稼動されると同じスラッジ供給は同時に濃縮化及び消化がされた。濃縮は、好ましい態様に示されているように、ポリマーの添加なしで膜分離システムで達成された。第２コラムは、混合液ＴＳＳが増加している移行期間中稼動した濃縮機のときの性能を示している。消化性バクテリアの量が消化槽に溜まったので、既存バクテリアの要求量の増加が、生物活性の増加及び僅かに上昇したＶＦＡによって示されている。濃度移行が完了すると、平衡が保持され、外挿結果がコラム３に示されている。平衡状態のデータは試験スケールで機械的限定により得られなかった。膜分離は、一定の供給濃度及びＳＲＴでＨＲＴの減少により立証されているように効果的に作動した。
【００７６】
スラッジ消化槽システムは、典型的には、ＳＲＴ及びＨＲＴに基づいた一度通しシステムである。生スラッジの固体濃度は、典型的には約１％ＴＳである。適度な消化槽体積を維持するために、スラッジはしばしば消化の前に約５％ＴＳに濃縮される。表２は、剪断装置及び混合装置を含む本発明装置の消化槽の態様は、かなりＳＲＴ及びＨＲＴが減少しているが、従来の高速度又は卵型消化槽と同じ予め濃縮化されたスラッジでの処理性能を達成することができる。
【００７７】
更に、表１は、濃縮ポリマーが剪断装置及び混合装置を有する出願人の消化槽では適度からかなり厳しく嫌気的バクテリアを抑制でき、そのようなポリマーの除去により処理安定性及びバクテリア活性が改良することを示している。ポリマーを更に除去することはそのような処理安定性及びバクテリア活性を改良するための実際的な方法ではない。それはＳＲＴ及びＨＲＴの減少でさえ、大きな消化体積が必要であり、そのような消化装置で希釈スラッジの処理が必要であるからである。更に、消化槽の上流の膜分離機で１％ＴＳ〜５％ＴＳの生スラッジを予備濃縮することは、上で議論したように困難である。スラッジ中の親水性化合物の存在により、上流膜の効率性が妨げられるからである。従って、混合液の同時の消化と濃縮を更に含む出願人の態様により、ＨＲＴとは無関係にＳＲＴを制御することが可能になるので、表２に使用されているように予備濃縮スラッジと関係する消化槽体積と同等又は以下の消化槽体積を使用して抑制ポリマーを使用することなく希釈スラッジの消化が可能になる。表３は、所定の消化槽体積に対して、本発明の膜濃縮機を加えて使用する出願人の消化槽態様により、ＨＲＴが１１日から１日の減少によって示されているように、１１のファクターにより消化槽原料量を増加させている間、１１日のＳＲＴが維持されることを示している。
【００７８】
本発明の広い概念から逸脱しないで上述の態様を変えることができることは当業者は認識される。それゆえ、本発明は開示された特別の態様に限定されないが、追加したクレームにより本発明の意図及び範囲内で変化をカバーするように意図されていることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の剪断強化嫌気的消化装置の特徴を示す模式図である。
【図２】二相混合及び剪断ノズルを示す模式図であり、２ａは、単相混合及び剪断ノズルを示す模式図である。
【図３】従来のスラッジ処理工程を示す模式図である。
【図４】膜濃縮機を含む本発明の態様のスラッジ処理工程を示す模式図である。
【図５】嫌気的消化装置と膜濃縮機を示す模式図である。
【図６】別の嫌気的消化装置と膜濃縮機を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８０】
２ 消化槽入口
３ バイオガス収集領域
１５ ガス流チューブ
１８ ２相ノズル
２５ ガスディフレクタプレート
２１、２７ バイオガスリサイクルシステム
２８ ドラフトチューブ
３０、３０’ 消化槽
４６ 再循環システム
４８ 混合液レベル
５０ 混合液出口
５８、５８’ 分離機
６０、６４ 再循環導管
６２、６２’ 濃縮機
７１’ 剪断源
７７’ 混合液入口
１００ ＳＥＡＤシステム
Ｌ 混合液
Ｑ 消化槽液体深さ

Claims (54)

1. （ａ）消化槽；
   （ｂ）消化槽内の混合液の流れを案内することができる消化槽にある混合装置；及び
   （ｃ）消化槽の混合液出口と連通し、該消化槽内の混合液に剪断を与えることができる剪断装置；を含む嫌気的固体消化装置。
2. 混合装置が消化槽に位置し、上部入口と下部出口とを有するドラフトチューブを含む請求項１に記載の装置。
3. ドラフトチューブが、消化槽の縦軸に沿って測定される消化槽液体深さの約５０％〜約９０％のドラフトチューブの縦軸に沿って測定される長さを有する請求項２に記載の装置。
4. さらにドラフトチューブの下部出口の下にディフレクタプレートを有し、ドラフトチューブの下部出口からのガスが消化槽の液体出口に入るのを少なくとも部分的に塞ぐように位置している請求項２に記載の装置。
5. 剪断装置が、剪断ノズルを有する請求項１に記載の装置。
6. ノズルが、ガス入口、液体入口、出口、内側表面、及び外側表面を有するガスチューブを含み、ガスチューブがノズルガス入口からノズル出口に延びており、略環状スペースがガスチューブの外側表面とノズルの内側表面とにより区画されている請求項５に記載の装置。
7. さらにノズルのガス入口と連通したバイオガス源を有する請求項６に記載の装置。
8. バイオガス源が、消化槽のバイオガス収集領域からバイオガスを除去でき、ノズルのガス入口にバイオガスを案内することができるバイオガスリサイクルシステムである請求項７に記載の装置。
9. バイオガスリサイクルシステムが、ガス収集領域から除去されたバイオガス用出口を形成する第１端部と、ノズルのガス入口と連通した第２端部とを有する導管を含む請求項８に記載の装置。
10. バイオガス源がメタンと二酸化炭素とを含む請求項７に記載の装置。
11. バイオガス源が窒素を含む請求項１０に記載の装置。
12. バイオガス源が混合液の酸化還元電位（ＯＲＰ）を変えるのに十分な少量の酸素を含む請求項１０に記載の装置。
13. 更に再循環システムを含み、ノズルが更に液体入口を有し、及び再循環システムが、消化槽の混合液再循環出口からノズルの液体入口に混合液を再循環可能な消化槽の混合液再循環出口と流体連通している請求項５に記載の装置。
14. 再循環システムが、ポンプ、該ポンプに結合した第１端部とノズルの液体入口と流体連通した第２端部とを有する第１導管、及び混合液再循環出口と流体連通した第１端部とポンプの入口に結合した第２端部とを有する第２導管を含む請求項１３に記載の装置。
15. 再循環システムが、消化槽内に液体循環を与えることが可能である請求項１３に記載の装置。
16. 再循環システムが更に温度制御機構を含む請求項１３に記載の装置。
17. 温度制御機構が熱交換器である請求項１６に記載の装置。
18. 温度制御機構がスチーム注入機である請求項１６に記載の装置。
19. 更に消化槽の混合液入口及び消化槽の少なく一つの混合液出口と流体連通した濃縮機を含む請求項１に記載の装置。
20. 濃縮機が、ポンプ、及び消化槽の混合液入口と流体連通した出口を有する分離機を含む請求項１９に記載の装置。
21. 濃縮機が、さらにポンプ、及び消化槽の混合液入口と流体連通した第１端部と、分離機の出口と流体連通した第２端部とを有する導管を含む請求項２０に記載の装置。
22. 分離機が膜分離機である請求項２０に記載の装置。
23. 消化槽が、消化槽の混合液出口と連通したガス流出入ゾーンを有する請求項１に記載の装置。
24. 消化槽が、約２〜約２０日の固体保持時間を有する請求項１に記載の装置。
25. 消化槽が、約６〜約１２日の固体保持時間を有する請求項２４に記載の装置。
26. 更にｐＨ約６〜約８に消化槽の混合液を維持することができるｐＨ調整システムを含む請求項１に記載の装置。
27. （ａ）消化槽内で混合液に剪断を与えることができる剪断源を含む消化槽；及び
    （ｂ）消化槽の混合液入口及び消化槽の少なくとも一つの混合液出口と流体連通した濃縮機を含み、該濃縮機と消化槽が混合液の濃縮と消化を同時に可能なように形成されている嫌気的固体消化装置。
28. 更に、消化槽内に位置し、上部入口と下部出口とを含むドラフトチューブを含み、該ドラフトチューブが混合液の流れを案内できる請求項２７に記載の装置。
29. 剪断源が混合液を消化槽に導入するための剪断ノズルである請求項２７に記載の装置。
30. ノズルが、ガス入口、液体入口、出口及び内側表面を有し、該ノズルが更に外側表面を有するガスチューブを有し、該ガスチューブがノズルガス入口からノズル出口に延びており、略環状スペースがガスチューブの外側表面とノズルの内側表面により区画されている請求項２９に記載の装置。
31. 更に、バイオガス源を含み、ノズルが更にガス入口を有し、バイオガス源が、消化槽内のバイオガス収集領域からバイオガスを除去し、バイオガスをノズルのガス入口に案内することができるバイオガスリサイクルシステムである請求項２９に記載の装置。
32. 更に、バイオガス源を含む請求項２７に記載の装置。
33. 濃縮機が、ポンプ及び消化槽の混合液入口と流体連通した出口を有する分離機とを有する請求項２７に記載の装置。
34. 濃縮機が、更に消化槽の混合液入口と流体連通した第１端部及び分離機の出口と流体連通した第２の端部とを有する導管を含む請求項３３に記載の装置。
35. 分離機が膜分離機である請求項３３に記載の装置。
36. （ａ）消化槽；
    （ｂ）消化槽内に位置し、混合液の流れを案内でき、上部入口と下部出口を有する少なくとも１つのドラフトチューブ；
    （ｃ）ガス入口、液体入口、出口及び内側表面を含む少なくとも１つのノズルであり、該ノズルが更に外側表面を有するガスチューブを含み、該チューブがノズルガス入口からノズル出口まで延び、略環状スペースがガスチューブの外側表面とノズルの内側表面との間で区画されており；及び
    （ｄ）ノズルのガス入口と連通したバイオガス源を含む嫌気的固体消化装置。
37. 嫌気的固体消化装置のごみの流れを消化するための方法であって、該方法が：
    （ａ）嫌気的生分解性固体を含むごみの流れを消化槽に供給する工程；
    （ｂ）ごみの流れの中の嫌気的生分解性固体を消化槽内の嫌気的バクテリアと反応させて、生分解性固体の量を減少させ、それにより、混合液とバイオガスを製造する工程；
    （ｃ）混合液を、剪断装置を経由して消化槽に導入する工程；及び
    （ｄ）消化槽内で混合液を混合する工程；を含む。
38. 剪断装置がノズルを有し、混合液が、ノズル内に位置するガス流チューブの外側表面とノズルの内側表面により区画される略環状スペース内のノズルを経由して流れる請求項３７に記載の方法。
39. 更に、バイオガスの一部を消化槽から除去し、該バイオガスの部分をノズルガス入口に導入する工程を含む請求項３７に記載の方法。
40. 更に、バイオガスの一部とノズルからの混合液を消化槽内のドラフトチューブに導入する工程とバイオガス部分と混合液とを混合する工程とを含み、それにより、ドラフトチューブを経由して下方へのバイガスと混合液流として内部循環を生じさせる請求項３７に記載の方法。
41. 更に混合液を濃縮する工程を含む請求項３７に記載の方法。
42. 嫌気的生分解性固体を反応させる工程と混合液を濃縮する工程とが同時に起る請求項４１に記載の方法。
43. 方法が、ポリマーの使用の必要を最小にし、かつごみの流れの生物学的活性を抑制する請求項３７に記載の方法。
44. 更に約６〜約８の混合液ｐＨを維持する工程を含む請求項３７に記載の方法。
45. 更に約８０°Ｆ（２５℃）〜約１０５°Ｆ（４０℃）の混合液温度を維持する工程を含む請求項３７に記載の方法。
46. 更に約１２５°Ｆ（３０℃）〜約１４５°Ｆ（６０℃）の混合液温度を維持する工程を含む請求項３７に記載の方法。
47. 更に再循環システムのガスバブルの流入を最小にする工程を含む請求項３７に記載の方法。
48. 更に消化槽のガス収集領域からバイオガスを排出する工程を含む請求項３７に記載の方法。
49. 更に消化槽の泡を最小する工程を含む請求項３７に記載の方法。
50. 更に消化槽からスカムを除去する工程を含む請求項３７に記載の方法。
51. （ａ）嫌気的生分解性固体を含むごみの流れを消化槽に供給する工程；
    （ｂ）ごみの流れの中の嫌気的生分解性固体を消化槽内の嫌気的バクテリアと反応させて、生分解性固体の量を減少させ、それにより、混合液とバイオガスを製造する工程；
    （ｃ）消化槽の混合液に剪断力を与える工程；及び
    （ｄ）混合液を濃縮する工程を含み、嫌気的生分解性固体を反応させる工程と混合液を濃縮する工程とを同時起る、嫌気的固体消化装置の効率性を改良するための方法。
52. 消化装置内のごみの流れの生物学的活性を抑制するポリマーの使用の必要を最小にするための方法であって、該方法が、下記の工程を含む：
    （ａ）ごみの流れの一部が生分解性であるごみの流れを消化槽に供給する工程；
    （ｂ）ごみの流れの中の生分解性部分を消化槽内のバクテリアと反応させて、混合液とガスを製造する工程；
    （ｃ）混合液を膜分離機で濃縮する工程を含み、ごみの流れの生分解性部分を反応させる工程と混合液を濃縮する工程とが同時起る。
53. ごみの流れが嫌気的生分解性固体を含み、該方法がさらに、ごみの流れの中の生分解性固体と消化槽内の嫌気的バクテリアと反応させて、混合溶液とバイオガスを製造する工程を必要とし、該嫌気的生分解性固体を反応させる工程と混合溶液を濃縮する工程が同時に起る請求項５２に記載の方法。
54. 嫌気的固体消化装置内のごみの流れの生物学的活性を抑制するポリマーの使用の必要が排除される請求項５２に記載の方法。

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