JP5826851B2 - エネルギーの回収を伴って同時的に行う低酸素で生物的なリンと窒素の除去 - Google Patents

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関連出願についてのクロス・リファレンス
本出願は「エネルギーの回収を伴って同時的に行う低酸素で生物的なリンと窒素の除去」と題する米国出願１２／９８１９８４号（２０１０年１２月３０日提出）の優先権を主張し、その米国出願は「同時的に行う低酸素で生物的なリンと窒素の除去」と題する米国出願１２／８８６３２１号（２０１０年９月２０日提出）の一部継続出願であるとともにその優先権を主張し、その米国出願の内容は全てがこの明細書に取り込まれる。

廃水から窒素、炭素、およびリンのような様々な成分を除去することは、困難で高コストのプロセスになることがあり、ある場合には、廃水処理プロセスに炭素源を添加することを要するかもしれない。さらに、多くの廃水処理プロセスにおいて用いられる高濃度の溶存酸素は、実質的に廃水処理プラントのエネルギー利用のコストの原因となる。例えば脱窒素を促進するために、メタノールのような炭素源がプロセスでの低酸素タンクに添加されるかもしれない。さらに、通気タンクは、生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）とアンモニアに関する酸化を促進するための高濃度の溶存酸素を必要とするかもしれない。しかし、炭素源の添加と高濃度の溶存酸素の必要性は高い費用を招き、廃水を処理するための費用を著しく増大させる原因となる。

本発明の態様は、この概要ではなく、後述する特許請求の範囲によって定義される。開示についての概観を提示するために、また後述する詳細な説明の部分でさらに説明される概念についての選択を紹介するために、本発明の様々な態様についての高い位置での概観がここで提供される。この概要は、権利請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を確認することを意図したものではなく、また権利請求される主題の範囲を決定するための助けとして独立して用いることを意図したものでもない。

第一の態様において、有機物質、窒素、およびリンを、エネルギーの回収を伴って同時に除去するために廃水を処理するための方法が提供される。この方法は、アンモニアを含有する流れを予備処理タンクの中に供給することを含み、その予備処理タンクで、少なくとも、過剰なスラッジ、バイオガス、および予備処理された流れを生成する。その予備処理された流れは、アンモニアを含有する流れよりも少なくとも４５％少ない炭素を有する。さらに、バイオガスは少なくともメタンと二酸化炭素を含む。この方法はさらに、予備処理された流れと戻りの活性スラッジを、低酸素（ａｎｏｘｉｃ）の条件下で作用する低酸素タンクに流し、そして予備処理された流れと戻りの活性スラッジを低酸素タンクの中で混合することによって混合液を形成し、それによってリンの放出および粒状有機物質と溶存態有機物質の発酵を開始させることを含む。さらに、この方法は、その混合液を、微好気性の条件下で作用する通気タンクへ移すことを含む。通気タンク中の溶存酸素の濃度は混合液の１．０ｍｇ／ｌ未満であり、これは、同時の硝化（ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、脱窒素、リンの放出、およびリンの取り込みを促進するのに有効な量である。また、この方法は、混合液をメンブランタンクへ移し、そこで、微生物を含む活性スラッジから処理済み流出液を分離することを含む。活性スラッジの第一の部分は、戻りの活性スラッジとして低酸素タンクへ戻される。

第二の態様において、エネルギーを回収しながら、流れの中のアンモニアを低減させるための方法が提供される。この方法は、アンモニアを含有する流れを予備処理タンクの中に供給することを含み、その予備処理タンクは嫌気性の微生物を含んでいて、それがアンモニアを含有する流れと反応して、バイオガスおよび予備処理された流れを生成する。さらに、この方法は、その予備処理された流れを、酸素を含有する流れと有効な処理条件下で接触させ、それによって第一の生成物流れを形成することを含み、このとき、酸素を含有する流れの中の酸素に対する予備処理された流れの中のアンモニアの比率は、約２．２８ｇＯ２／ｇＮ−ＮＨ３（アンモニア中の窒素１グラム当り２．２８グラムの酸素）以下である。この方法はさらに、その第一の生成物流れを、約０．５７ｇＣＯＤ／ｇＮ−ＮＨ３（アンモニア中の窒素１グラム当り０．５７グラムの化学的酸素要求量（ＣＯＤ））以下の比率での有効な処理条件下で、有機物質に曝露することを含む。

第三の態様において、有機物質、窒素、およびリンを、エネルギーの回収を伴って同時に除去するために廃水を処理するための装置が提供される。この装置は、プラントの流入廃水を受け入れるとともに、嫌気性の微生物を含んでいる予備処理タンクを有し、嫌気性の微生物がプラントの流入廃水と反応することによって、少なくとも、メタン、過剰なスラッジ、および予備処理された流れを含むバイオガスが生成され、その予備処理された流れは、プラントの流入廃水よりも少なくとも４５％少ない炭素を有する。装置はまた、予備処理された流れと戻りの活性スラッジを受け入れる低酸素タンクも有している。低酸素タンクは低酸素の条件下で作用して、それにより脱窒素、リンの放出、および粒状有機物質と溶存態有機物質の発酵が促進される。さらに、装置は、低酸素タンクから混合液を受け入れる通気タンクを有する。通気タンク中の溶存酸素の濃度は混合液の１．０ｍｇ／ｌ未満であり、それにより低酸素タンクの中へ受け入れた戻りの活性スラッジ中に存在するリン放出性バクテリアの発育が効果的に促進される。戻りの活性スラッジ中のリン放出性バクテリアは、低酸素タンクの中でのリンの放出と粒状有機物質の発酵を可能にする。装置はさらに、活性スラッジからプラントの流出廃水を分離するメンブランタンクを有し、活性スラッジの一部は戻りの活性スラッジとして低酸素タンクへ再循環される。

（１） 有機物質、窒素、およびリンを、エネルギーの回収を伴って同時に除去するために廃水を処理するための方法であって：
アンモニアを含有する流れを、少なくとも、過剰なスラッジ、バイオガス、および予備処理された流れを生成する予備処理タンクの中に供給すること、このとき、その予備処理された流れは、アンモニアを含有する流れよりも少なくとも４５％少ない炭素を有し、そしてバイオガスは少なくともメタンと二酸化炭素を含む；
予備処理された流れと戻りの活性スラッジを、低酸素の条件下で作用する低酸素タンクに流すこと；
予備処理された流れと戻りの活性スラッジを低酸素タンクの中で混合することによって混合液を形成し、それによってリンの放出および粒状有機物質と溶存態有機物質の発酵を開始させること；
その混合液を、微好気性の条件下で作用する通気タンクへ移すこと、このとき、通気タンク中の溶存酸素の濃度は混合液の１．０ｍｇ／ｌ未満であり、これは、同時の硝化、脱窒素、リンの放出、およびリンの取り込みを促進するのに有効な量である；および
混合液をメンブランタンクへ移し、そこで、微生物を含む活性スラッジから処理済み流出液を分離すること、このとき、活性スラッジの第一の部分は、戻りの活性スラッジとして低酸素タンクへ戻される；
を含む方法。
（２） アンモニアを含有する流れは、アンモニアを窒素ガスと水に転化することによって処理されるべきプラントの流入廃水である、（１）に記載の方法。
（３） バイオガスはメタンを約６０％含む、（１）に記載の方法。
（４） 予備処理タンクは逆流嫌気性スラッジブランケット（ＵＡＳＢ）反応器である、（１）に記載の方法。
（５） バイオガスは、廃水処理プラントのエネルギー要件を埋め合わせることによって、プラントの流入廃水を処理する廃水処理プラントに動力を供給するために用いることができるように処理される、（２）に記載の方法。
（６） 通気タンクの中の微好気性の条件によって、混合液中の粒状有機物質の発酵が促進され、そしてリンの除去のために用いられる微生物の個体群の発育が可能になる、（１）に記載の方法。
（７） アンモニアを含有する流れの一部が予備処理タンクを迂回し、そして低酸素タンクに導入される、（１）に記載の方法。
（８） 予備処理タンクにおいて化学的促進一次処理（ＣＥＰＴ）が利用される、（１）に記載の方法。
（９） 予備処理タンクにおいて一段法活性スラッジ装置が利用される、（１）に記載の方法。
（１０） エネルギーを回収しながら、流れの中のアンモニアを低減させるための方法であって：
アンモニアを含有する流れを予備処理タンクの中に供給すること、このとき、その予備処理タンクは嫌気性の微生物を含んでいて、それがアンモニアを含有する流れと反応して、バイオガスおよび予備処理された流れを生成する；
その予備処理された流れを、酸素を含有する流れと有効な処理条件下で接触させ、それによって第一の生成物流れを形成すること、このとき、酸素を含有する流れの中の酸素に対する予備処理された流れの中のアンモニアの比率は、約２．２８ｇＯ _２ ／ｇＮ−ＮＨ _３ （アンモニア中の窒素１グラム当り２．２８グラムの酸素）以下である；および
その第一の生成物流れを、約０．５７ｇＣＯＤ／ｇＮ−ＮＨ _３ （アンモニア中の窒素１グラム当り０．５７グラムの化学的酸素要求量（ＣＯＤ））以下の比率での有効な処理条件下で、有機物質に曝露すること；
を含む方法。
（１１） バイオガスは、アンモニアを含有する流れの中に存在する炭素の少なくとも４５％を含む、（１０）に記載の方法。
（１２） 低酸素タンクの中でリンの放出が起こる、（１０）に記載の方法。
（１３） 通気タンクの中で硝化、脱窒素、リンの放出、およびリンの取り込みが同時に起こる、（１０）に記載の方法。
（１４） 通気タンクの中の溶存酸素の濃度は、流体の１．０ｍｇ／ｌ未満である、（１０）に記載の方法。
（１５） 有機物質、窒素、およびリンを、エネルギーの回収を伴って同時に除去するために廃水を処理するための装置であって：
プラントの流入廃水を受け入れるとともに、嫌気性の微生物を含んでいる予備処理タンクであって、ここで、嫌気性の微生物がプラントの流入廃水と反応することによって、少なくとも、メタン、過剰なスラッジ、および予備処理された流れを含むバイオガスが生成され、その予備処理された流れは、プラントの流入廃水よりも少なくとも４５％少ない炭素を有する；
予備処理された流れと戻りの活性スラッジを受け入れる低酸素タンクであって、ここで、低酸素タンクは低酸素の条件下で作用して、それにより脱窒素、リンの放出、および粒状有機物質と溶存態有機物質の発酵が促進される；
低酸素タンクから混合液を受け入れる通気タンクであって、ここで、通気タンク中の溶存酸素の濃度は１．０ｍｇ／ｌ未満であり、それにより低酸素タンクの中へ受け入れた戻りの活性スラッジ中に存在するリン放出性バクテリアの発育が効果的に促進され、そして、戻りの活性スラッジ中のリン放出性バクテリアは、低酸素タンクの中でのリンの放出と粒状有機物質の発酵を可能にする；および
活性スラッジからプラントの流出廃水を分離するメンブランタンクであって、ここで、活性スラッジの一部は戻りの活性スラッジとして低酸素タンクへ再循環される；
以上の構成要素を有する装置。
（１６） 通気タンクは一つ以上の通気タンクを有する、（１５）に記載の装置。
（１７） 通気タンクは微好気性の条件下で作用する、（１５）に記載の装置。
（１８） 通気タンクの中で硝化、脱窒素、リンの放出、およびリンの取り込みが同時に起こる、（１７）に記載の装置。
（１９） プラントの流入廃水、（１５）に記載の装置。
（２０） 第二のタンクの中の溶存酸素の濃度は、混合液の０．３ｍｇ／ｌ未満である、（１５）に記載の装置。
本発明を例証する態様が、添付図面を参照して以下で詳細に説明される。

図１は、本発明の態様に従う廃水処理プロセスの概略図を示す。 図２は、本発明の態様に従う代替の廃水処理プロセスの概略図を示す。 図３は、本発明の態様を実施した結果としての廃水処理プラントにおけるエネルギー使用量の減少を示す。 図４は、本発明の態様が廃水処理プラントにおいて実施されたときのアンモニアとホスフェート（リン酸塩）の両者の減少を示す。 図５は、各々のタンク中のリン、溶存酸素、および硝酸塩の濃度を示す棒グラフである。 図６は、本発明の態様に従う、エネルギーの回収を伴う廃水処理プロセスの概略図を示す。 図７は、本発明の態様に従う、逆流嫌気性スラッジブランケット（ＵＡＳＢ）反応器を利用する廃水処理プロセスの概略図を示す。 図８は、本発明の態様に従う、化学的促進一次処理（ＣＥＰＴ）を利用する廃水処理プロセスの概略図を示す。 図９は、本発明の態様に従う、一段法活性スラッジ装置を利用する廃水処理プロセスの概略図を示す。 図１０は、本発明の態様に従う、一段法活性スラッジ装置を利用する廃水処理プロセスの概略図を示す。 図１１は、本発明の態様に従う様々な水処理装置を用いるときのエネルギー強度の比較を示す棒グラフである。 図１２は、本発明の態様に従う、バイオガスからのエネルギーの生成の比較を示す棒グラフである。

本発明の態様の主題を、法定の要件を満たすための特殊性とともにここで説明する。しかし、その説明自体は、特許請求の範囲を限定することを必ずしも意図していない。むしろ、権利請求される主題は、他の現在ある技術または将来の技術とともに、本明細書の中で説明されるものと類似する別の工程または工程の組み合わせを含めるように、別のやり方で具現化されるだろう。個々の工程の順序が明確に記述される場合を除いて、本明細書で開示される様々な工程の中またはそれらの間の任意の特定の順序を含むものとして、用語が解釈されるべきではない。

図１は、廃水処理プロセス１０の概略図を示す。特に、この廃水処理プロセスは、プラントの流入廃水から窒素、リン、および有機物質を同時に除去するための、エネルギー効率と費用効率のよい方法を提供する。多くの装置においては、外部の炭素源と高レベルの溶存酸素を必要とするが、本発明の態様においてはそのいずれも必要とせず、実際には、廃水処理装置において典型的に用いられる量と比較して非常に少ない量の溶存酸素と炭素しか必要としない。例えば、多くの装置においてはリンの除去と窒素の除去のための外部の炭素源を必要とするが、しかし本発明の態様においては、窒素の除去には大部分がアンモニアを用いるので、最少量の炭素だけを必要とする。さらに、リンの除去には、溶存炭素または外部の炭素源だけを用いるのではなく、廃水中に存在する溶存炭素と粒状炭素（例えば粒状有機物質）を用いる。図１の態様において、プラントの流入廃水１２から窒素、リン、および有機物質を同時に除去するために、三つの個別のタンクが用いられる。ここで言うプラントの流入廃水１２は、処理されていない元のままの廃水であり、従って、廃水処理装置（例えば、本明細書で説明される廃水処理装置）には未だ導入されていないものを指す。

図１に示される第一のタンクは、プラントの流入廃水１２と戻りの活性スラッジ１４を含めた少なくとも二つの流れを受け入れる低酸素タンク１６である。本明細書中でさらに説明されるであろうが、戻りの活性スラッジ１４は、第三のタンク（すなわちメンブランタンク（膜タンク）２０）から一つ以上の他のタンク（例えば低酸素タンク１６）の中へ再循環される活性スラッジの一部である。ここで言う活性スラッジは、プラントの流出液から分離された流れである。この活性スラッジの流れは、硝酸塩（ニトレート）と溶存酸素に加えて、微生物群を含んでいる。微生物群には、バクテリア、真菌類、原生動物、ワムシなどを含めた様々な生物学的成分が含まれる。従属栄養微生物と独立栄養微生物の両者が活性スラッジの中に存在するかもしれないが、典型的には従属栄養微生物が優勢である。従属栄養微生物は、新たな細胞の合成のために、プラントの流入廃水の中の炭素質有機物質からエネルギーを得る。次いで、これらの微生物は、有機物質を二酸化炭素や水のような化合物に転化させることによってエネルギーを放出する。活性スラッジの中の独立栄養微生物は一般に、細胞の成長のための酸化した炭素化合物（例えば二酸化炭素）を減少させる。これらの微生物は、アンモニアをニトレート（硝酸塩）へと酸化すること（これは硝化として知られる）によってエネルギーを得るが、これについてはさらに後述する。

上述したように、戻りの活性スラッジ１４は、処理プロセスの最後における分離工程（例えば、メンブランタンクまたはメンブランバイオリアクター）によって生成される活性スラッジの一部である。戻りの活性スラッジ１４は低酸素タンク１６の中へ再循環され、そしてそのタンクに微生物群、残留酸素、ニトレート（硝酸塩）およびニトリット（亜硝酸塩）を供給する。リンの放出は、典型的には、硝酸塩と溶存酸素を有する戻りの活性スラッジを用いて低酸素タンクの中では起きないが、しかし、本発明の態様においては、低酸素タンク１６の中でリンの放出が起こる、ということに注目されたい。戻りの活性スラッジ１４の中にリンを消費するために用いられるバクテリアも存在するために、リンの放出が起こる。さらに、流入廃水の中に存在する粒状有機物質の活性のある加水分解と発酵の条件のために、リンの放出が起こる。ここで言う加水分解とは、微生物作用によるポリマー有機物質のモノマーへの分解である。一つの態様において、加水分解とは、化学機構の過程において、反応の間に水の分子が水素陽イオンと水酸化物陰イオンに***する化学反応を指す。このタイプの反応は、特定のポリマーを分解するために用いられる。従って、リンの除去のための炭素源として溶存態有機物質を用いるだけではなく、本発明の態様によれば、リンの除去のための炭素源として溶存態有機物質と粒状有機物質の両者を用いることが可能になる。通常は粒状有機物質を用いることはできないが、しかし、ここではそれは発酵されるので、それを炭素源として用いることができて、従って、外部の炭素源を用いる必要がなくなる。

廃水中では、有機物質は粒状有機物質と溶存態有機物質として存在する。廃水中の有機物質を決定するために、三つの主要な試験が用いられる。これらには、生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）、全有機炭素（ＴＯＣ）、および化学的酸素要求量（ＣＯＤ）が含まれる。溶存態有機物質と異なって、粒状有機物質は廃水中で見いだされる浮遊した固体の形態をとる。本明細書中でさらに説明するように、本発明の態様が利用されるとき、粒状有機物質は加水分解のプロセスを受け、それによって粒子は可溶性の固体へ転化され、従って、より高速度のリンの除去が可能になる。

リンの放出とリンの取り込みは、細胞内の小粒中のエネルギー保留体としてポリリン酸塩を貯蔵するリン蓄積性有機体（ＰＡＯｓ）のプロセスと関連する。嫌気性の条件下で、ＰＡＯｓはオルトリン酸塩を放出し、これは単純な有機体を蓄積してそれらをポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡｓ）として貯蔵するために、エネルギーを利用する。好気性の条件下で、あるいは少なくとも幾分かの酸素、亜硝酸塩、または硝酸塩が存在する条件下では、ＰＡＯｓは貯蔵された有機物質の上で成長し、このとき、オルトリン酸塩を取り込んでそれをポリリン酸塩として貯蔵するために、エネルギーの幾分かを利用する。従って、ＰＡＯｓが将来の成長のために炭素を貯蔵するとき、ＰＡＯｓはリンの放出も行い、しばしばこれらを同時に行う。ＰＡＯｓが貯蔵された炭素を利用するとき、それらは電子受容体として亜硝酸塩を優先的に用いてリンを取り込む。本明細書中でさらに説明されるであろうが、通気タンクは低レベルの溶存酸素を有しているが、しかしそれでもＰＡＯｓはリンを取り込む。酸素、亜硝酸塩、または硝酸塩が存在するとき、ＰＡＯｓは炭素からエネルギーを得ることができる。従って、炭素が豊富にあるとき、ＰＡＯｓはそれを細胞の中に貯蔵し、そして、電子受容体が存在することによって成長のための炭素を利用してリンを取り込むことができるような条件になるまで待つ。次いで、リン酸塩は廃棄活性スラッジ２６の中で除去されるが、そのスラッジは一般に、低酸素タンク１６へ循環されない活性スラッジである。ＰＡＯの個体群の発育については後にさらに説明する。低酸素タンク１６は、溶存酸素がほとんど存在しないか、あるいは全く存在しないが、しかし硝酸塩（例えばＮＯ２およびＮＯ３）が存在するかもしれないような低酸素の条件下で作用する。連続的な酸素の不足状態は、低酸素タンク中で維持される。

一つの態様において、低酸素タンク１６は、プラントの流入廃水１２と戻りの活性スラッジ１４を混合して混合液を形成するための混合器を有する。ここで言う混合液は単に、プラントの流入廃水１２と戻りの活性スラッジ１４の混合物を指す。低酸素タンク１６におけるリンの放出を制御するために、戻りの活性スラッジ１４の流量を調節することに加えて、混合の割合を調節してもよい。本発明の態様を実施するために追加の炭素源を必要としないので、本発明の態様においては外部の炭素源（例えばメタノール）の添加が避けられることに注目すべきである。低酸素タンク１６においては、リンの放出に加えて脱窒素も起こる。脱窒素は亜硝酸塩または硝酸塩が分解して窒素ガスを放出することであり、また同時に、微生物が亜硝酸塩または硝酸塩から酸素を消費する。より具体的には、脱窒素は、硝酸塩の異化還元が微生物によって促進されるプロセスであり、最終的に分子状窒素（Ｎ２）が生成し、これが大気へ戻される。硝酸塩と亜硝酸塩は脱窒素プロセスによって窒素ガスへ転化される。脱窒素によって一般に、酸化された形の窒素が有機物質のような電子供与体の酸化に応じて還元され、この場合、その有機物質は戻りの活性スラッジ１４の中に存在する。このプロセスは主として、低酸素タンク１６や通気タンク１８のような、酸素が消耗した環境または酸素の消費が酸素が供給される速度を上回る環境において従属栄養微生物によって行われる。本発明の態様を用いると、低酸素タンク１６や通気タンク１８の中の低溶存酸素の条件下で独立栄養硝化細菌によっても脱窒素プロセスが行われる。下記の反応は脱窒素プロセスを説明するものであり、これには酸化還元反応の説明が含まれる。

プラントの流入廃水１２からの粒状有機物質と溶存態有機物質は、低酸素タンク中で発酵される。本発明の態様における低酸素タンク中の条件は粒状有機物質の高速度の加水分解と発酵を誘発し、これにより脱窒素反応に必要な量よりも過剰な発酵有機物質が得られ、そのためリンの放出とＰＨＡｓの形成が同時に起こることが可能になる。粒状有機物質の発酵は、リンの除去のために追加の炭素が用いられることを可能にする。低酸素タンクでの流入廃水の流れの平均の滞留時間は、１時間から１０時間までの間で変動するだろう。一つの態様において、低酸素タンク中の溶存酸素の濃度は０．３ｍｇ／Ｌ未満である。さらなる態様において、低酸素タンク中の溶存酸素の濃度は０．２ｍｇ／Ｌ未満である。さらなる態様において、低酸素タンク中の溶存酸素の濃度は０．１ｍｇ／Ｌ以下である。さらに、戻りの活性スラッジの再循環の割合は、流入廃水の流量の０．３〜６倍の間で変動するだろう。

低酸素混合液は通気タンク１８へ移される。図１においては単一の通気タンク１８が例示されているが、複数の通気タンクを用いてもよく、またそれらは平行または直列のいずれかに構成されていてもよい。あるいは、一つの通気タンクを用いてもよいが、しかし、その通気タンクは、混合液が通過する一つよりも多い区画を有しているかもしれない。一つよりも多い区画を設ける目的は、タンクの容積を最小にするような全体的なプロセスの動力学的条件を改善することである。場合により、粒状有機物質と溶存態有機物質を発酵させ、そしてリンの放出を促進させるのに必要な追加の微生物の個体群を供給するために、活性スラッジの一部が通気タンクの中へ移される。このことは、メンブランタンク中の硝酸塩の濃度が過度に高い場合に有利である。多くの通気タンクと違って、本発明の態様において設けられる通気タンク１８は、微好気性の条件のような非常に低い溶存酸素濃度の下で操作され、そのような条件は、リンの放出と取り込みのために用いられる微生物の個体群（例えば、リン酸塩蓄積性有機体（ＰＡＯ））の発育を促進する。一般に、このバクテリアの個体群は、ポリリン酸塩などの形でリンを貯蔵することができ、そしてそれをエネルギーの生成と細胞の合成のために代謝し、その結果、活性スラッジを通る系からリンが除去される。この特定の微生物の個体群は、高濃度の溶存酸素が存在する場合には発育することができない。この特定の微生物の個体群は、通気タンク１８の中では発育することができるので、それは、低酸素タンク１６へ再循環される戻りの活性スラッジ１４の中にも存在し、それによって、低酸素タンク１６の中でのリンの放出が可能になる。通気タンク１８の中では、リンの放出と同時にリンの取り込みが起こるだろう。

リンの放出とリンの取り込みに加えて、通気タンク１８の中では硝化と脱窒素も起こる。一つの態様において、通気タンク１８の中で硝化、脱窒素、およびリンの放出が同時に起こる。前に述べたように、脱窒素は、硝酸塩の異化還元が微生物によって促進されるプロセスであり、最終的には、酸化された形の窒素が還元されることによって窒素ガスが生成する。一方、硝化は、硝酸塩と水へのアンモニアの分解である。特に、硝化は、酸素によるアンモニアの亜硝酸塩への生物的酸化であり、それに続いて亜硝酸塩の硝酸塩への酸化が起こる。一般に、二つのグループの有機体が、アンモニアの亜硝酸塩への酸化の原因となる。それら二つのグループは、アンモニア酸化性バクテリア（ＡＯＢ）とアンモニア酸化性古細菌（ＡＯＡ）である。第二のグループは、亜硝酸塩酸化性バクテリア（ＮＯＢ）であり、これは亜硝酸塩の硝酸塩への酸化の原因となる。次の式が硝化のプロセスを表す。

しかし、本発明の態様においては、式（４）および（６）によって表される反応は最少限に起こり、従って、酸素の必要性は減少して、エネルギーの利用はかなり省かれる。幾つかの態様において、反応（４）および（６）はプロセスの全体で非常に小さな割合となるので、混合液中に硝酸塩はほとんど見出されないか、あるいは全く見出されず、従って、前の式（１）において窒素ガスに転化されるのは硝酸塩ではなく、主として亜硝酸塩である。従って、式（２）において、亜硝酸塩を窒素ガスへ転化するのに必要な電子は１０未満である。本発明の態様において、これらの電子は、メタノールまたはその他の外部の炭素源から来るのではなく、アンモニアから来る。本発明の態様においては、ＰＡＯバクテリアは、脱窒素のための電子受容体として亜硝酸塩も用いることができる。これについては、後にさらに詳細に説明するだろう。上の反応（３）および（５）によって示されるように、亜硝酸塩を窒素ガスへ転化するためにアンモニアが用いられる。外部の炭素源を必要としないので、アンモニアの幾分かは反応（３）および（５）のために用いられるが、しかしアンモニアの幾分かは、脱窒素のために電子を還元するための供給源としても用いられる。このようにして、低酸素濃度で外部の炭素源を用いない系において硝化と脱窒素が起こりうる。

さらに、微好気性の条件は通気タンク１８の中の粒状有機物質と溶存態有機物質の発酵を可能にし、これは典型的に、高濃度の溶存酸素を伴った場合には生じないであろう。
上述したように、本発明の態様によれば、硝化と脱窒素は低酸素タンクと通気タンクの両者において起こる。従来の硝化−脱窒素は、下の反応（７）、（８）および（９）によって表される。反応（９）は反応（７）および（８）の最終結果である。多くの場合、この反応の連鎖は高濃度の溶存酸素と外部の炭素源を必要とする。ここで、反応（７）については１グラムのＮ-ＮＨ３につき約４．５７グラムのＯ２が必要であり、反応（８）については１グラムのＮ-ＮＯ３につき約２．８６グラムのＣＯＤ-Ｏ２が必要である。これらの式は次の通りである。

下の反応（９）と（１０）は硝化の近道と呼ばれるプロセスを示していて、この場合、最初の反応（すなわち、反応（１０））は亜硝酸塩についてだけ進み、その結果、酸素と有機物質の両者の必要量が節約される。反応（９）については１グラムのＮ-ＮＨ３につき約３．４３グラムのＯ２が必要であり、反応（１０）については１グラムのＮ-ＮＨ３につき約１．７１グラムのＣＯＤ-Ｏ２が必要である。一つの例として、上の第一の反応の組（反応（７）および（８））と下の第二の反応の組（反応（９）および（１０））を比較すると、酸素要求量は約２５％減少し（４．５７ｇＯ２／ｇＮ-ＮＨ３−３．４３ｇＯ２／ｇＮ-ＮＨ３＝１．１５ｇＯ２／ｇＮ-ＮＨ３）、そして有機物質の必要量は約４０％減少する（２．８６ｇＯ２／ｇＮ-ＮＯ３−１．７１ｇＯ２／ｇＮ-ＮＨ３＝１．１５ｇＣＯＤ／ｇＮ-ＮＨ３）。この反応の組は、ＰＡＯバクテリアを伴う低酸素タンクと通気タンクにおいて起こり、これは下の反応（１０）を優先的に触媒する。

下の（１１）および（１２）と表示した反応の組は、低酸素タンクと通気タンクにおいて起こる。幾つかの場合、この反応の組は硝化細菌−脱窒素プロセスと呼ばれる。式（１１）で示されるように、アンモニアと酸素は窒素ガス、亜硝酸および水へ転化される。次いで、有機物質が用いられて、亜硝酸が窒素ガス、水および二酸化炭素へ転化される。反応（１１）については１グラムのＮ-ＮＨ３につき約２．２８グラムのＯ２が必要であり、反応（１２）については１グラムのＮ-ＮＨ３につき約０．５７グラムのＣＯＤが必要である。三つの反応の組を比較すると、この第三の反応の組（反応（１１）および（１２））が最も少ない量の酸素を必要とする。下記の第三の反応の組について必要な有機物質の量を第一の反応の組（反応（７）および（８））と比較すると、有機物質の節約は約８０％である（２．８６ｇＯ２／ｇＮ-ＮＯ３−０．５７ｇＣＯＤ／ｇＮ-ＮＨ３＝２．２９ｇＯ２／ｇＮ）。さらに、化学式の第一の組と第三の組との間で必要な酸素の節約は約５０％である（４．５７ｇＯ２／ｇＮ-ＮＨ３−２．２８ｇＯ２／ｇＮ-ＮＨ３＝２．２８ｇＯ２／ｇＮ）。

図１に戻ると、次に混合液は、微生物が処理水から分離される固−液分離工程のために、通気タンク１８から第三のタンク（ここではメンブランタンク（膜タンク）２０として示されている）へ移される。ここで説明されているような活性スラッジのプロセスにおいて、溶存有機汚染物質は水、二酸化炭素およびバイオマスに変換され、その結果、スラッジが過剰に生成する。メンブランタンク２０は、このスラッジを、処理済みのプラント流出液２２から分離する。一つの態様において、メンブランタンクはメンブランバイオリアクターであり、これは浮遊成長バイオリアクターを用いる膜プロセス（例えば、精密ろ過、限外ろ過、中空繊維、フラットシート、チューブ式）の組み合わせである。バイオリアクターは、生物学的に活性な環境で使用される装置である。バイオリアクターは、バイオマスと精製された液体を回収するために分離装置と結合させなければならず、個別の装置を用いる非効率さと不便さがある故に、単一の装置において同等か、またはもっと良好な結果を得るためにメンブランバイオリアクターが用いられる。従って、メンブランバイオリアクターは生物学的反応器とクロスフロー式ろ過を結合させたものである。一例として、メンブランタンク２０は、水没させた膜フィルターを洗い流すための水の乱流を与えるために、通気される。一つの態様において、膜フィルターは精密ろ過を利用するが、しかし別の態様においては、限外ろ過が用いられる。

メンブランタンク２０において行われる膜ろ過の結果、処理済みのプラント流出液２２と活性スラッジ２４を含む少なくとも二つの出口流れが生じ、活性スラッジの一部は低酸素タンク１６へ再循環され、そして幾つかの態様においては、通気タンク１８へ再循環される。ここで言う処理済みのプラント流出液２２とは、炭素、窒素、リン、およびその他の望ましくない成分を除去するために処理された、第三のタンクから出る流れである。超過の活性スラッジは、活性スラッジ２６として示されている。低酸素タンク１６へ再循環される活性スラッジ２４の量は変化するが、しかし幾つかの態様においては、低酸素タンク１６に入るプラントの流入廃水１２の量のおよそ５０％〜６００％の範囲である。従って、プラントの流入廃水１２の１ガロンにつき、０．５〜６ガロンの戻りの活性スラッジ１４が低酸素タンク１６に加えられるだろう。図１の態様における第三のタンクはメンブランタンク２０として示されているが、別の態様においては、これは清澄器である。清澄器は、活性スラッジを分離し、濃縮し、そして再循環させるために用いられるタンクである。典型的に、清澄器はメンブランバイオリアクターよりもずっと大きな設置面積を有する。

ここで図２を参照すると、代替の廃水処理プロセスの概略図が示されている。図２の態様においては、低酸素タンク１６ａ、通気タンク１８ａ、およびメンブランタンク２０ａが示されていて、これらは図１で説明したものと同様に作用する。ここでは、低酸素タンク１６ａの下流に（すなわち、後ろに）、そして通気タンク１８ａの上流に（すなわち、前に）、無気タンク（嫌気タンク）２８が付加されている。一般に、無気タンク２８は嫌気性の条件下で（すなわち、酸素が存在しない下で）作用する。無気タンク２８は非通気タンクであり、従って、酸素は添加されず、硝酸塩も存在しない。無気タンク２８の中で内容物は混合され、従って、ミキサーが存在する。図２の態様、すなわち、特に無気タンク２８が装置に加えられる場合の態様は、流入廃水の流れの中に存在する有機物質の性質が粒状有機物質の加水分解と発酵の両方のために追加の滞留時間が必要であるような条件において用いられる。一つの態様において、追加のリンの放出が無気タンク２８の中で起こる。図１で説明したものと同様に、プラントの流入廃水１２ａが、低酸素タンク１６ａの中で戻りの活性スラッジ１４ａと混合される。混合液は最初に無気タンク２８へ移され、次いで通気タンク１８ａへ移され、そして最後にメンブランタンク２０ａに送られる。メンブランタンク２０ａから出てくるものは、処理済みのプラント流出液２２と活性スラッジ２４ａである。活性スラッジ２４ａの一部は、戻りの活性スラッジ１４ａとして低酸素タンク１６ａへ再循環され、そして場合により、一部は通気タンク１８ａへも再循環される。一つの態様において、廃棄活性スラッジ２６ａは処分される。

図３は、本発明の態様を実施した結果としての廃水処理プラントにおけるエネルギー使用量の減少を示す折れ線グラフ３００である。すでに説明したように、通気タンクにおいて溶存酸素濃度が最少に保たれた場合、廃水処理プラントのための全エネルギーコストについて溶存酸素を添加するコストが占める割合は５０％以下であろうから、エネルギー使用のコストは著しく減少する。「試験の開始」と表示しているように、ここで説明されている技術が試験されて、そして少なくとも部分的には、通気タンクにおいて必要な溶存酸素の量が少ないことにより、エネルギーコストが著しく減少したことが見いだされた。そこで示されているように、試験の前の最も高いエネルギー使用量は約６４０００ｋＷｈ／月であり、一方、試験後の最も高い使用量は約５４０００ｋＷｈ／月であり、そのレベルは試験前の月よりもずっと低い量になった。

ここで図４を参照すると、廃水処理プラントにおいて本発明の態様が実施されるときにアンモニアとリン酸塩の両者が減少することを示す棒グラフ４００が示されている。そこで示されているように、アンモニアの流入濃度は約７２ｍｇ／ｌであったが、ここで説明されている処理方法を用いてプラントの流入廃水が処理された後には約１ｍｇ／ｌに低下した。さらに、リン酸塩の流入濃度は、ここで説明されている処理方法を用いてプラントの流入廃水が処理された後には、約７４ｍｇ／ｌから約４ｍｇ／ｌに低下した。

以下の実施例は、第一のトレイン（トレインＡ）と第二のトレイン（トレインＢ）を含む、二つの並行するトレイン（縦に並んだ系列）を有するプラントについて例証するものである。それぞれのトレインにおけるタンクは同一であり、そして同じ位置にある。しかし、タンクにおける条件は異なる。トレインＡは、本発明の態様を用いずに行われる典型的なプロセスを表し、一方、トレインＢは、先に説明したように、通気タンク中の溶存酸素の濃度を低くした本発明の態様を用いるプロセスを表す。例えば、下の表１に示すように、トレインＡの通気タンク中の溶存酸素の濃度は１．３ｍｇ／ｌであり、一方、トレインＢの通気タンク中の溶存酸素の濃度は０．１ｍｇ／ｌである。リンおよび硝酸塩または亜硝酸塩が除去されるレベルによって示されるように、トレインＢをトレインＡと比較すると、通気タンク中のより低いレベルの溶存酸素によって、通気タンク中のリン除去性バクテリアの発育が可能になる。次に、これらのリン除去性バクテリアは、メンブランタンクから低酸素タンクへ戻される戻りの活性スラッジ（図示せず）の中に存在する。リンの放出はトレインＢの低酸素タンク中で認められるが、トレインＡの低酸素タンク中では認められない。正味のリンの取り込みがトレインＢの通気タンク中では起こり、トレインＡの通気タンク中では起こらない。従って、このプロセスにおいて高いレベルのリンの取り込みと除去が起こる。その結果、メンブランタンク（すなわち、プラント流出液）中のリンのレベルは、トレインＢについて３．６５ｍｇ／ｌであり、これはトレインＡについてのメンブランタンク中のレベルである７．４１ｍｇ／ｌよりもずっと低い。同様に、硝酸塩の濃度における著しく大きな差によって表されているように、トレインＢの通気タンク中で同時の硝化−脱窒素が起きているのに対して、トレインＡの通気タンク中では硝化だけが起きている。トレインＢについてのメンブランタンク中の硝酸塩または亜硝酸塩のレベルは７．１５ｍｇ／ｌであり、これはトレインＡのメンブランタンク中の８．３１ｍｇ／ｌというレベルよりも低い。

上で説明した実施例について続け、そして下の表１において例証を行うと、図５は、それぞれのタンク中のリン、溶存酸素、および硝酸塩の濃度を示す棒グラフ５００を例示している。例えば、リンのレベルを比較すると、そのレベルはトレインＢについてのメンブランタンクにおいて、トレインＡよりもずっと低いことがわかり、それは、ある程度は、通気タンク中の溶存酸素濃度が低いことによる。

ここで図６を参照すると、本発明の態様に従う、エネルギーの回収を伴う廃水処理プロセスの概略図６００が示されている。ここで説明している本発明の態様は、図６においてＡｎｏｘ−Ｐプロセス６２０として示されている。その態様として、Ａｎｏｘ−Ｐプロセス６２０は、図１に表されたような、低酸素タンク、少なくとも一つの通気タンク、およびメンブランタンクを含む装置に当てはまる。しかし、図６の態様においては、Ａｎｏｘ−Ｐプロセス６２０の前に、炭素除去予備処理プロセス６１２が全体のプロセスに付加されている。炭素除去予備処理プロセス６１２の機能は、入ってくるプラントの流入廃水６１０から相当な量の炭素を除去することである。一般に、可溶性の有機物質と粒状有機物質は不溶性のガスへ転化されるが、ここではそれはバイオガス６１４としている。ここで説明しているＡｎｏｘ−Ｐプロセス６２０は他の装置よりも少ない量の炭素を必要とするので、プラントの流入廃水６１０の中に存在する炭素の量は、実際に必要な量よりも多いかもしれない。他の廃水処理装置は、（例えば窒素を除去するために）もっと多くの炭素を必要とするので、炭素除去予備処理プロセス６１２を使用することは考慮すらされないだろう。というのは、プラントの流入廃水６１０の中に存在するものを超過する炭素に加えて、プラントの流入廃水６１０の中の炭素が、廃水を処理するために必要だからである。予備処理プロセスにおいて流入水の流れからかなり多くの炭素を除去することによって、炭素を除去するために通気タンクにおいて用いられる酸素の量はより少なくなる。従って、図６に示される装置の主な利点は、Ａｎｏｘ−Ｐプロセス６２０においてはメタンが生成して、そして空気または酸素の必要量が少ないということである。さらに、Ａｎｏｘ−Ｐプロセス６２０のために必要なタンクのサイズは、予備処理プロセスによって炭素が除去されないＡｎｏｘ−Ｐプロセスに比べて小さくなるかもしれない。

炭素除去予備処理プロセス６１２においては、流入水の流れから相当な量の炭素を除去することのできる様々な技術を利用してもよい。それらの幾つかの技術がここで挙げられて説明されるが、それは例示する目的だけのものであって、本発明の態様を限定する意図はない。例えば、これらの炭素除去技術の幾つかのものとしては、逆流嫌気性スラッジブランケット（ＵＡＳＢ）反応器、化学的促進一次処理（ＣＥＰＴ）、および一段法活性スラッジ装置（しばしば、Ａ／Ｂプロセスにおける「Ａ」と称される）のような嫌気性プロセスがあるだろう。重ねて言うが、これらの技術は例示する目的だけのために挙げているのであり、説明を簡潔にするためにここで挙げない他の利用可能な技術がある。これら例示する技術の各々についての詳細は、あとに続く図面と関連させて本明細書中で説明される。

図６に示す態様において、プラントの流入廃水６１０から除去される炭素は、メタン（ＣＨ４）および／または二酸化炭素（ＣＯ２）の形をとる。一つの態様において、バイオガス６１４はメタンと二酸化炭素を含む（これらが形成された場合）。バイオガス６１４は、これが形成されたならば、他のプロセス（これについてはここでは説明しないが、全体として「バイオガスの利用６１６」と呼ぶ）へ送られる。このバイオガス６１４は、例えば、水処理プラントにおいて用いられる電力の派生部分または全体についての電力を発生させるための燃料電池、マイクロタービン、発電機などにおけるエネルギーのために用いてもよい。ここで、二酸化炭素は、これらの装置において用いられる前に除去されてもよい。あるいは、バイオガス６１４は、天然ガスを生成するために二酸化炭素の大部分を除去するなどすることによって処理されて、そして品質の向上がなされてもよい。そのような天然ガスは、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を生成するために圧縮された形で用いることができ、あるいは、液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するために液化することができる。一例として、プラントの流入廃水６１０の中に存在する炭素の約６０％が炭素除去予備処理プロセス６１２において生じるプロセスと反応によって除去され、従って、炭素の約４０％が予備処理された流れ６１８の中に残る。別の例として、プラントの流入廃水６１０の中に存在する炭素の約７０％が炭素除去予備処理プロセス６１２において生じるプロセスと反応によって除去され、従って、炭素の約３０％が予備処理された流れ６１８の中に残る。さらに別の例として、炭素の６０％未満、例えば炭素の４５％が炭素除去予備処理プロセス６１２によって流入水の流れから除去される。一つの態様において、バイオガス６１４自体は８０％以下のメタンからなる。バイオガス６１４の他の部分は、様々な割合の二酸化炭素、窒素、および硫化水素の混合物であるかもしれない。他の部分に対するメタンの割合は廃水処理プラントの操作条件によってかなり変化してもよく、従って、ここで提示される実施例は例示する目的だけのものであって、本発明の態様を限定する意図はない。例えば、一つの態様におけるメタンの割合は５０％であるかもしれないが、しかし別の態様においては８０％であるかもしれない。上述したように、従来の廃水処理装置と比べて、ここで説明されている態様を用いれば、アンモニア中の窒素を窒素ガス、水、および二酸化炭素へ転化するのに必要な炭素はずっと少なくなる。従って、プラントの流入廃水から多くの割合の炭素を除去することができて、そのため、Ａｎｏｘ−Ｐプロセスにおいて窒素を上で挙げた生成物へ転化するために、十分な炭素を利用することができる。類似したやり方で廃水を処理する他の装置を用いると、それらの装置においては典型的に、廃水中に存在する炭素以外に炭素を転化する必要があるので、これほどの量の炭素を除去することはできないであろうし、あるいは炭素を全く除去することができないであろう。炭素を除去する予備処理とＡｎｏｘ−Ｐプロセスを組み合わせることによって、外部の炭素供給源を必要とせずに、バイオガスの形でエネルギーを回収しながら、廃水から炭素、窒素、リンを除去し、そして粒状有機物質と溶存態有機物質の発酵を行うための高い効率のプロセスが可能になる。

一つの態様において、炭素除去予備処理プロセス６１２における条件には、１８℃以上の温度が含まれる。温度がこれよりも低い場合、同じ結果が得られるであろうが、しかし、７０％程度ではなく、およそ４０〜６０％の炭素の除去というような、少し低い効率でなされるであろう。ある場合において、プラントの流入廃水６１０の一部は、炭素除去予備処理プロセス６１２に入る前に迂回され、そして予備処理された流れ６１８と混合される。これは、食品産業の廃水成分を含む生汚水を用いる場合や、幾つかの水の再利用用途の場合のように、この流れにおけるアンモニア濃度が高いか、あるいは窒素の量が多い場合に行われるかもしれない。入ってくる流れの幾分かは迂回されてもよく、それにより、予備処理された流れ６１８の中の炭素の量は、それがＡｎｏｘ−Ｐプロセス６２０に入る前に多くなる。一般に、アンモニアまたは窒素のレベルが高い場合、Ａｎｏｘ−Ｐプロセス６２０において窒素を除去するのには多くの炭素が必要である。

図７は、本発明の態様に従う、逆流嫌気性スラッジブランケット（ＵＡＳＢ）反応器を利用する廃水処理プロセスの概略図７００を示す。一般に、ＵＡＳＢ反応器は、少なくともメタンを生成するメタン産生高圧釜である。ＵＡＳＢ反応器は、典型的に廃水の処理において用いられる嫌気性高圧釜の形態のものである。ＵＡＳＢ反応器によって嫌気性のプロセスが用いられ、この場合、タンク中に浮遊した粒状のスラッジのブランケットが形成される。一般に、廃水はスラッジのブランケットを通して上へ向かって流れ、それにより、廃水は嫌気性微生物によって処理される。幾つかの場合において、スラッジのブランケットが浮遊するのを助けるために、凝集剤が用いられる。メタン（これは典型的には高濃度である）を含む副生物が生成する。前述したように、バイオガスが捕捉され、そしてこれは、例えば廃水処理プラントのエネルギー要件を埋め合わせるという目的のような、エネルギー供給源として用いられるだろう。ＵＡＳＢ反応器の中の温度は典型的には、１８０℃以上である。ＵＡＳＢ反応器のさらなる条件には、少なくとも３〜２４時間の水流滞留時間が含まれ、そしてスラッジ滞留時間は少なくとも１５日間である。さらに、流出速度はおよそ３フィート／時以下である。典型的なＵＡＳＢ反応器における生化学的なプロセスとしては、典型的には、加水分解または可溶化、酸発酵または酢酸生成、およびメタン生成がある。第一段階の加水分解は典型的に、錯有機体を可溶性にすることによって、それらがバクテリアの細胞内に吸収され、そこで内酵素によって分解されるために１０〜１５日間を要する。第二段階の酸発酵においては、別のグループの有機体を利用して、有機酸を形成する。第三段階のメタン生成においては、メタンを生成する嫌気性バクテリアを利用して、分解プロセスを完了させる。

図７に示すように、プラントの流入廃水７１０はＵＡＳＢ反応器７１２に導入される。ＵＡＳＢ反応器７１２の中で起こる反応の結果、バイオガス７１４が生成し、これは典型的にはメタン、窒素、および二酸化炭素を含んでいる。ＵＡＳＢ反応器７１２からはスラッジの流れ７１８も生じ、これはスラッジ加工処理７２６に導入される。ある場合には、プラントの流入廃水７１０の一部７１６はＵＡＳＢ反応器７１２を迂回して、予備処理された流れ７２０に加えられる。これは典型的には、プラントの流入廃水７１０が高い含有量のアンモニアを含んでいるためにＡｎｏｘ−Ｐプロセス７２２において多くの炭素が必要とされる場合に行われる。次いで、予備処理された流れ７２０はＡｎｏｘ−Ｐプロセス７２２へ流れ、ここでプラント流出液７２４が生成される。

ここで図８を参照すると、本発明の態様に従う、化学的促進一次処理（ＣＥＰＴ）を利用する廃水処理プロセスの概略図８００が示されている。一般に、ＣＥＰＴにおいては金属塩および／またはポリマーのような化学種が用いられて一次沈降容器に入れる前にそれらが加えられ、それら化学種によって浮遊粒子が凝結と凝集によって集合する。これによって、より完全で速い凝集時間が粒子にもたらされ、それにより処理効率が向上する。長期間にわたって、上澄み液の中には残留金属は存在しない。ＣＥＰＴにおいて用いられるその他の化学種の幾つかのものとしては、塩化鉄と硫酸アルミニウムがある。沈降タンクのようなＣＥＰＴタンクを、ＣＥＰＴプロセスにおいて用いてもよい。他のプロセスに対してのＣＥＰＴの利点は、従来のタイプの処理と比べて手ごろであって、効率的な選択肢だということである。典型的に、ＣＥＰＴプロセスは棒状スクリーン（棒篩）、沈砂池、沈降タンクのような固−液分離工程からなり、一つの態様として沈降タンクは一次清澄器である。篩い分けや溶存空気浮選のような、他のタイプの固−液分離工程を用いてもよい。

図８に示すように、プラントの流入廃水８１０はＣＥＰＴ８１２に入り、ＣＥＰＴ８１２からのスラッジ８１４は最初に濃縮工程８１６に導入され、次いで、スラッジ８１８は嫌気性消化工程８２０に導入される。嫌気性消化工程８２０の結果、バイオガス８２２が形成されるが、これは少なくともメタンと二酸化炭素からなる。さらに、嫌気性消化工程８２０からのスラッジ８２４はスラッジ加工処理８２６へ送られる。予備処理された流出液８２８は、ＣＥＰＴ８１２からＡｎｏｘ−Ｐプロセス８３０へ送られ、ここで、窒素、リンなどの量がかなり低減されたプラント流出液８３２が生成される。Ａｎｏｘ−Ｐプロセス８３０からの超過のスラッジ８３４は嫌気性消化工程８２０へ送られて、安定化と追加のメタン生成が行われる。

図９を参照すると、本発明の態様に従う、一段法活性スラッジ装置を利用する廃水処理プロセスの概略図９００が示されている。二段法活性スラッジ装置は典型的にはＡＢプロセスと称され、このとき第一段階、すなわち「Ａ」段階は沈砂タンク、バイオリアクター、および中間の清澄器を用いてＣＯＤを低減させるためのものであり、第二段階、すなわち「Ｂ」段階では硝化と脱窒素のためのものであって、典型的にはバイオリアクターと二次清澄器が用いられる。しかし、図９の態様においては、第一段階だけが用いられて、第二段階は、ここで説明されるようにＡｎｏｘ−Ｐプロセスに置き換えられている。流出液は、さらに処理するためにＡｎｏｘ−Ｐプロセスに導入される。幾つかの態様において、流入液の流れの中に存在する炭素の９０％以下が一段法活性スラッジ装置によって除去されるだろう。図９に示される一段法活性スラッジ装置は、０．５日のスラッジ滞留時間（ＳＲＴ）を有していてもよい。それは典型的に高速度のシステムであるが、しかし１日未満の低速のＳＲＴがあり、０．５日程度の遅いものがある。ＣＯＤの除去（炭素の除去）はおよそ７０〜８０％である。

図９に示すように、プラントの流入廃水９１０は一段法活性スラッジ装置９１２に入る。この装置からの超過のスラッジ９１４は濃縮工程９１６へ流れ、次いで、スラッジ９１８は嫌気性消化工程に流入する。嫌気性消化工程９２０の結果、バイオガス９２２が形成され、これはメタンと二酸化炭素を含むかもしれない。一段法活性スラッジ装置９１２からの予備処理された流出液９２４はＡｎｏｘ−Ｐプロセス９２６に入り、ここで窒素、リンなどが除去されることによってプラント流出液が形成される。

図１０は、本発明の態様に従う、一段法活性スラッジ装置を利用する廃水処理プロセスの概略図１０００を示す。図１０は、図９の一段法活性スラッジ装置９１２の詳細な図である。プラントの流入廃水１０１０は沈砂タンク１０１２に導入され、そこからの流出液１０１４はバイオリアクター１０１６へ送られる。バイオリアクター１０１６から、流出液１０１８は中間の清澄器１０２０へ送られる。中間の清澄器１０２０は一段法活性スラッジ装置の最後にあって、予備処理された流出液１０２８は、さらなる処理に供するためにＡｎｏｘ−Ｐプロセス１０３０へ送られる。中間の清澄器１０２０からのスラッジ１０２２の一部は、戻りの活性スラッジ１０２６として、沈砂タンク１０１２に入る流れに再循環されてもよく、そして一部は、超過のスラッジ１０２４としてさらに処理するために迂回される。

ここで図１１を参照すると、本発明の態様に従う様々な水処理装置を用いるときのエネルギー強度を比較した棒グラフが示されている。図１１ではエネルギーの利用量が比較されて示されている。棒グラフによって、従来の硝化−脱窒素プロセス（「典型」と表示）と、エネルギー中立廃水処理プラントによる結果（「ストラス」）、そして最後に、ここで説明している嫌気性予備処理とＡｎｏｘ−Ｐ処理を組み合わせた結果（「嫌気性予備処理＋Ａｎｏｘ−Ｐ」）を比較している。そこで示されているように、嫌気性予備処理とＡｎｏｘ−Ｐ装置を組み合わせたものについて必要なエネルギーは、他の装置と比較して低減されている。これについての一つの理由は、通気のために必要なエネルギーの利用量は、外部の炭素供給源を用いなくても十分な硝化−脱窒素が達成されているにもかかわらず、他の装置の約５０％だということである。一つの態様において、予備処理プロセスからのスラッジとＡｎｏｘ−Ｐプロセスからの廃活性スラッジは嫌気性消化を受ける。消化プロセスからのバイオガスは、現場でのエネルギー生成のために用いられてもよい。

図１２を参照すると、本発明の態様に従う、バイオガスからのエネルギーの生成の比較が棒グラフによって示されている。一つの態様において、図１２に示されたエネルギーの生成は、様々なプロセスから生成されたスラッジの嫌気性消化からのものである。図１２は、電気エネルギーに変換された生成メタンのエネルギーによるエネルギー変換効率を示している。

説明された様々な構成要素および示されていない構成要素の多くの異なる配置が、特許請求の範囲から逸脱することなく可能である。これらの技術の態様は、限定的なものではなく、例示する意図をもって説明されたものである。この開示を読む人にとっては、代替の態様が明らかであろう。さらに、上述したことを実施するための代替手段は、特許請求の範囲から逸脱することなく完成させることができる。特定の態様とサブコンビネーション（下位の組み合わせ）が有用であり、それらは他の態様やサブコンビネーションと関係なく用いることができて、そして特許請求の範囲に含まれると考えられる。

１０、１０ａ 廃水処理プロセス、 １２、１２ａ プラントの流入廃水、 １４、１４ａ 戻りの活性スラッジ、 １６、１６ａ 低酸素タンク、 １８、１８ａ 通気タンク、 ２０、２０ａ メンブランタンク、 ２２、２２ａ 処理済みのプラント流出液、 ２４、２４ａ 活性スラッジ、 ２６、２６ａ 廃棄活性スラッジ、 ２８ 無気タンク、 ３００ 折れ線グラフ、 ４００ 棒グラフ、 ５００ 棒グラフ、 ６００ 廃水処理プロセス、 ６１０ プラントの流入廃水、 ６１２ 炭素除去予備処理プロセス、 ６１４ バイオガス ６１６ バイオガスの利用、 ６１８ 予備処理された流れ、 ６２０ Ａｎｏｘ−Ｐプロセス、 ６２２ 迂回された流れ、 ７００ ＵＡＳＢ反応器を利用する廃水処理プロセス、 ７１０ プラントの流入廃水、７１２ ＵＡＳＢ反応器、７１４ バイオガス、 ７１６ 流入廃水の一部、 ７１８ スラッジの流れ、 ７２０ 予備処理された流れ、 ７２２ Ａｎｏｘ−Ｐプロセス、 ７２４ プラント流出液、 ７２６ スラッジ加工処理、 ８００ ＣＥＰＴを利用する廃水処理プロセス、 ８１０ プラントの流入廃水、 ８１２ ＣＥＰＴ、 ８１４ スラッジ、 ８１６ 濃縮工程、 ８１８ スラッジ、 ８２０ 嫌気性消化工程、 ８２２ バイオガス、 ８２４ スラッジ、 ８２６ スラッジ加工処理、 ８２８ 予備処理された流出液、 ８３０ Ａｎｏｘ−Ｐプロセス、 ８３２ プラント流出液、 ８３４ 超過のスラッジ、 ９００ 一段法活性スラッジ装置を利用する廃水処理プロセス、 ９１０ プラントの流入廃水、 ９１２ 一段法活性スラッジ装置、 ９１４ スラッジ、 ９１６ 濃縮工程、 ９１８ スラッジ、 ９２０ 嫌気性消化工程、 ９２２ バイオガス、 ９２４ 予備処理された流出液、 ９２６ Ａｎｏｘ−Ｐプロセス、 ９２８ プラント流出液、１０００ 一段法活性スラッジ装置を利用する廃水処理プロセス、 １０１０ プラントの流入廃水、 １０１２ 沈砂タンク、 １０１４ 流出液、 １０１６ バイオリアクター、 １０１８ 流出液、 １０２０ 中間の清澄器、 １０２２ スラッジ、 １０２４ 超過のスラッジ、 １０２６ 戻りの活性スラッジ、 １０２８ 予備処理された流出液、 １０３０ Ａｎｏｘ−Ｐプロセス。

Claims (18)

1. 有機物質、窒素、およびリンを、エネルギーの回収を伴って同時に除去するために廃水を処理するための方法であって：
   アンモニアを含有する流れを、少なくとも、過剰なスラッジ、バイオガス、および予備処理された流れを生成する予備処理タンクの中に供給すること、このとき、その予備処理された流れは、アンモニアを含有する流れよりも少なくとも４５％少ない炭素を有し、そしてバイオガスは少なくともメタンと二酸化炭素を含む；
   予備処理された流れと戻りの活性スラッジを、溶存酸素の濃度が０．３ｍｇ／ｌ未満である低酸素の条件下で作用する低酸素タンクに流すこと；
   予備処理された流れと戻りの活性スラッジを低酸素タンクの中で混合することによって混合液を形成し、それによってリンの放出および粒状有機物質と溶存態有機物質の発酵を開始させること；
   その混合液を、微好気性の条件下で作用する通気タンクへ移すこと、このとき、通気タンク中の溶存酸素の濃度は混合液の１．０ｍｇ／ｌ未満であり、これは、同時の硝化、脱窒素、リンの放出、およびリンの取り込みを促進するのに有効な量である；および
   混合液をメンブランタンクへ移し、そこで、微生物を含む活性スラッジから処理済み流出液を分離すること、このとき、活性スラッジの第一の部分は、戻りの活性スラッジとして低酸素タンクへ戻される；
   を含む方法。
2. アンモニアを含有する流れは、アンモニアを窒素ガスと水に転化することによって処理されるべきプラントの流入廃水である、請求項１に記載の方法。
3. バイオガスはメタンを６０％含む、請求項１に記載の方法。
4. 予備処理タンクは逆流嫌気性スラッジブランケット（ＵＡＳＢ）反応器である、請求項１に記載の方法。
5. バイオガスは、廃水処理プラントのエネルギー要件を埋め合わせることによって、プラントの流入廃水を処理する廃水処理プラントに動力を供給するために用いることができるように処理される、請求項２に記載の方法。
6. 通気タンクの中の微好気性の条件によって、混合液中の粒状有機物質の発酵が促進され、そしてリンの除去のために用いられる微生物の個体群の発育が可能になる、請求項１に記載の方法。
7. アンモニアを含有する流れの一部が予備処理タンクを迂回し、そして低酸素タンクに導入される、請求項１に記載の方法。
8. 予備処理タンクにおいて化学的促進一次処理（ＣＥＰＴ）が利用される、請求項１に記載の方法。
9. 予備処理タンクにおいて一段法活性スラッジ装置が利用される、請求項１に記載の方法。
10. エネルギーを回収しながら、流れの中のアンモニアを低減させるための方法であって：
    アンモニアを含有する流れを予備処理タンクの中に供給すること、このとき、その予備処理タンクは嫌気性の微生物を含んでいて、それがアンモニアを含有する流れと反応して、バイオガスおよび予備処理された流れを生成する；
    溶存酸素の濃度が０．３ｍｇ／ｌ未満である低酸素タンクにおいて、予備処理された流れを、酸素を含有する流れと有効な処理条件下で接触させ、それによって第一の生成物流れを形成すること、このとき、酸素を含有する流れの中の酸素に対する予備処理された流れの中のアンモニアの比率は、２．２８ｇＯ_２／ｇＮ−ＮＨ_３（アンモニア中の窒素１グラム当り２．２８グラムの酸素）以下である；および
    通気タンクにおいて、０．５７ｇＣＯＤ／ｇＮ−ＮＨ_３（アンモニア中の窒素１グラム当り０．５７グラムの化学的酸素要求量（ＣＯＤ））以下の比率での有効な処理条件下で、第一の生成物流れを有機物質に曝露すること；
    を含む方法。
11. バイオガスは、アンモニアを含有する流れの中に存在する炭素の少なくとも４５％を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 低酸素タンクの中でリンの放出が起こる、請求項１０に記載の方法。
13. 通気タンクの中で硝化、脱窒素、リンの放出、およびリンの取り込みが同時に起こる、請求項１０に記載の方法。
14. 通気タンクの中の溶存酸素の濃度は、流体の１．０ｍｇ／ｌ未満である、請求項１０に記載の方法。
15. 有機物質、窒素、およびリンを、エネルギーの回収を伴って同時に除去するために廃水を処理するための装置であって：
    プラントの流入廃水を受け入れるとともに、嫌気性の微生物を含んでいる予備処理タンクであって、ここで、嫌気性の微生物がプラントの流入廃水と反応することによって、少なくとも、メタン、過剰なスラッジ、および予備処理された流れを含むバイオガスが生成され、その予備処理された流れは、プラントの流入廃水よりも少なくとも４５％少ない炭素を有する；
    予備処理された流れと戻りの活性スラッジを受け入れる低酸素タンクであって、ここで、低酸素タンクは溶存酸素濃度が０．３ｍｇ／ｌ未満である低酸素の条件下で作用して、それにより脱窒素、リンの放出、および粒状有機物質と溶存態有機物質の発酵が促進される；
    低酸素タンクから混合液を受け入れる通気タンクであって、ここで、通気タンク中の溶存酸素の濃度は１．０ｍｇ／ｌ未満であり、それにより低酸素タンクの中へ受け入れた戻りの活性スラッジ中に存在するリン放出性バクテリアの発育が効果的に促進され、そして、戻りの活性スラッジ中のリン放出性バクテリアは、低酸素タンクの中でのリンの放出と粒状有機物質の発酵を可能にする；および
    活性スラッジからプラントの流出廃水を分離するメンブランタンクであって、ここで、活性スラッジの一部は戻りの活性スラッジとして低酸素タンクへ再循環される；
    以上の構成要素を有する装置。
16. 通気タンクは一つ以上の通気タンクを有する、請求項１５に記載の装置。
17. 通気タンクは微好気性の条件下で作用する、請求項１５に記載の装置。
18. 通気タンクの中で硝化、脱窒素、リンの放出、およびリンの取り込みが同時に起こる、請求項１７に記載の装置。

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