JP6545717B2 - バイオフィルム材、処理システム、および処理の方法 - Google Patents

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関連出願の相互参照
本願は、２０１４年５月２１日に出願され、参照によってここに組み込まれるBIOFILM MEDIA TREATMENT SYSTEM, AND METHOD OF WASTEWATER TREATMENTと題するＵ．Ｓ．出願番号６２／００１，２４１の優先権の利益を主張する。

本明細書の開示は、流動性バイオフィルムを利用する汚染水の処理のためのシステムおよび方法に関する。

水は生命にとって必須である重要な天然資源である。地球の表面のおよそ７１パーセントは水によって占められている。しかしながら、地球上に見いだされる水の２．５パーセントのみが淡水と見なされている（すなわち、塩水または汽水ではない。これらの両方とも人間の摂取には不向きである）。なおその上に、この淡水の９８．８パーセントは氷および地下水中に含有されている。全ての淡水の０．３パーセント未満が湖水および河川などの地表水域に見いだされ得る。汚染水は環境および公衆衛生にとって有害である。結果的に、汚染水の処理および監視を司る規制が米国などの先進国においては存在する。汚染水の処理および監視のための同様の基準が世界中の発展途上国において現れつつある。

水汚染物質（単数または複数）のソースおよび性質に応じてだが、汚染水の処理は、最大限の効率および最小限の総ライフサイクルコスト（すなわち、典型的には２０年と定められる所定の動作寿命のための資本および動作コストの組み合わせ）によって、ある特定の処理目的または複数の処理目的を満たすように配列された一連の処理ステップを包含する。汚染水は再生水、飲み水、雨水、工業排水、および生活排水を包含するが、これに限定されない。例えば、最後の生活排水は、微粒子状および溶存の有機汚染物質および栄養素（主として主要栄養素の窒素およびリン）を両方含有する。集中排水処理施設によって生活排水を処理することは、４つの主要な部分プロセスの予備、一次、二次、および三次処理を包含する。第１の部分プロセスは大きい非生分解性の微粒子状物質を除去する役を果たし、予備処理として公知である（例えばスクリーニングおよび除砂）。第２の部分プロセスは易沈澱性の有機および無機微粒子状物質を除去する役を果たし、一次処理として公知である。一次処理は沈澱池、または一次クラリファイヤ、および加圧浮上装置によって達成される。

第３の部分プロセスは二次処理として公知であり、生物学的な排水処理プロセスを組み込む。二次処理プロセスは、典型的には、生物反応器またはバイオリアクターおよび固液分離装置プロセスを包含する。一緒になって、バイオリアクターおよび固液分離装置プロセス（例えば、沈澱池、加圧浮上法、またはメンブレン）は、生分解性の有機物質（溶存および微粒子状）および浮遊物質を除去する。そうするように設計されたときには、バイオリアクターおよび固液分離装置プロセスは栄養素除去の能力もまたある（例えば、窒素、リン、または窒素およびリン）。バイオリアクターは、処理目的に応じて、汚染水の流れ中の汚染物質を生物化学的に酸化（例えば、５日間生物化学的酸素要求量ＢＯＤ_５として定量される有機汚染物質、アンモニア態窒素ＮＨ_３−Ｎ）または還元（例えば、亜硝酸態窒素ＮＯ_２−Ｎ、硝酸態窒素ＮＯ_３−Ｎ）する能力がある細菌集団を発育させ維持するために要求される特定の環境条件を維持する。固液分離装置プロセスは、バイオリアクターの流出液の流れ中の残りの細菌および微粒子状物質を処理水から分離する。細菌は生物フロック（すなわち、浮遊増殖物）中またはバイオフィルム中に存在し得る。第４の部分プロセスは三次処理である。処理目的に応じて種々の三次処理プロセスが存在し、薬剤添加三次清澄化（脱リンのため）、粒状濾過（例えば、砂濾過器による）、または高度酸化プロセスを包含し得る。流出液の流れを放出することに先行する排水処理施設流出液の消毒は、少数の消毒の代替を挙げると、塩素または紫外光によって達成され得、典型的には三次処理の定義に包含される。

溶存有機化合物の生物化学的な転換、すなわち集中生活排水処理プラントの典型的特徴である第３の部分プロセスは、最も一般的には浮遊増殖プロセス（すなわち、活性汚泥プロセスの一つの変形）を用いて実施される。浮遊増殖プロセスは、汚染物質、典型的には汚染水の流れ中の有機物質ならびに栄養素の窒素およびリンをバイオマスおよび他の反応副生成物に生物化学的に転換する（細菌のような）微生物を包含する。

浮遊増殖プロセスは、バイオフィルムがあるようにもまた改変され得る。かかる場合には、プロセスは区画化され、それぞれの細菌形態は浮遊増殖区画およびバイオフィルム区画と言われる。バイオフィルムは、種々の表面上に形成されてそれをコーティングする（細菌のような）微生物の薄くて通常は耐性の層である。バイオフィルムが増殖する表面は基質として公知である。バイオフィルムは、典型的には、汚染水からの易生分解性の有機物質（または、バイオフィルム中に容易に拡散し得る有機物質）の酸化および／または窒素系化合物の酸化もしくは還元のために、単独でまたは浮遊増殖と組み合わせてのいずれかで単一のバイオリアクター内において用いられる。浮遊増殖区画と一緒に用いられるときに、バイオフィルムエリアは、さもなければ浮遊増殖区画の特徴である固体滞留時間では有意な量で浮遊増殖区画に存在しないであろう遅増殖性細菌の増殖を支持するように確立される。浮遊増殖およびバイオフィルム区画の一緒の使用は、さもなければ追加のバイオリアクター体積および二次クラリファイヤエリアを要求するであろう処理目的（単数または複数）をプロセスが満たすことを可能にする。それによって、プロセス槽およびプロセス機械設備を加えるために要求される建造および土地を原因とする資本コストが回避され、これは典型的には実質的なコスト節約をもたらす。

他の場合において、バイオフィルムの提供および維持は、より一定な微生物集団をもたらし、これは汚染水処理の効率および一貫性を最大化する。バイオフィルム区画のみを用いるバイオリアクターは、散水ろ床（ＴＦ）、回転生物接触装置（ＲＢＣ）、生物活性フィルタ（ＢＡＦ）、移動床バイオフィルム反応器（ＭＢＢＲ）、流動床バイオフィルム反応器（ＦＢＢＲ）、グラニュール汚泥反応器（ＧＳＲ）、およびメンブレンバイオフィルム反応器（ＭＢｆＲ）を包含する。浮遊増殖およびバイオフィルム区画両方を用いるシステムは、一般的には固定化フィルム−活性汚泥統合（ＩＦＡＳ）プロセスと言われる。汚染水を処理するために用いられるバイオフィルムの基質は、粉末状天然リンゴセルロース系材料、砂（微粒子状バイオフィルム）、非生分解性の細菌材料（すなわち、グラニュール汚泥）、ならびにポリスチレンおよび高密度ポリエチレンなどの人工材料を包含する。

特許文献１は、汚染水処理のための活性汚泥プロセスにおいて浮遊増殖と組み合わされたときに、生分解性の吸着剤およびバイオフィルム増殖のための基質両方として作用するケナフ繊維（粉末状天然リンゴセルロース系材料）の使用を記載している。バイオフィルムは、バイオリアクター流出液を受け取る固液分離装置（沈澱池であると想定される）内において、浮遊増殖物と一緒に沈澱させられる。いくつかの場合において、固液分離プロセスは薬剤凝集法（すなわち、薬剤添加清澄化）によって補助され、バイオフィルム／浮遊増殖物混合物が処理水から分離される。他の場合において、バイオフィルム／浮遊増殖物混合物の一部は、追加の処理サイクルのための接種物としてバイオリアクター流入液に（すなわち、返送活性汚泥の流れによって）返送される。

特許文献２および３は、好気性および嫌気性細菌両方を含有するバイオフィルムを形成するために、ケナフ繊維などのリグノセルロース系繊維の使用を記載している。例えば、好気性および嫌気性ゾーン両方を含有するバイオフィルムは、好気性ゾーンにおいてはアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）、嫌気性ゾーンにおいては嫌気性アンモニア酸化細菌（アナモックス）の生育を支持し得る。ゆえに、バイオフィルムは、外部炭素源の再循環および提供がない単一のバイオリアクター内においてアンモニア態窒素を窒素ガスに変換し得る。バイオフィルムは固液分離装置プロセスにおいて浮遊増殖物と一緒に沈澱させられる。他の固体からのバイオフィルムの分離は実施されない。

ヴェオリア・ウォーター・ソリューションズ＆テクノロジーズは、ＡＮＯＸＫＡＬＤＮＥＳ（登録商標）ＭＢＢＲおよびハイブリッドバイオフィルム・活性汚泥（ＨＹＢＡＳ（登録商標））プロセスを販売している。これらのプロセスの両方とも、特定のバイオリアクターまたはバイオリアクターゾーン内に保持された自由移動性のプラスチックバイオフィルム担体を包含し、ウェッジワイヤーまたは多孔板から構築されたステンレス鋼スクリーンを有する。スクリーンは、好気性ゾーンのステンレス鋼の媒液・気泡ディフューザおよび／または無酸素ゾーンの湾曲ブレードミキサーと一緒にプロセスパッケージに包含される。自由移動性のプラスチックバイオフィルム担体は典型的にはサイズが直径１０から５０ｍｍの範囲であり、蜂の巣に似ている。自由移動性のプラスチックバイオフィルム担体はずっとバイオリアクター内に保持される。

米国特許第７，４８１，９３４号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０２３３，７９２号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０２３３，７９４号明細書

本明細書においては処理システムが開示され、１つ以上のコンタミナントを有する流入液を受け取るように適合した入口と、その中に配された流動性バイオフィルムと、流動性バイオフィルムを含むバイオリアクター流出液を排出するように適合した出口とを包含するバイオリアクター、および、バイオリアクター出口に取り付けられ、バイオリアクター流出液の少なくとも一部分を受け取って、流動性バイオフィルムを含む流れと残留固体を含む流れとに分離し、流動性バイオフィルムを含む流れをバイオリアクターに返送するように適合した固固分離装置を包含する。いくつかの実施形態において、バイオリアクターは好気性条件、無酸素条件、嫌気性条件、またはその２つ以上の組み合わせを包含する。いくつかの実施形態において、固固分離装置は、バイオリアクター出口と流体連通した入口と、流動性バイオフィルムを含む流れを排出するための第１の出口と、残留固体を含む流れを排出するための第２の出口とを包含する。いくつかの実施形態において、固固分離装置は液体サイクロンを包含する。

いくつかの実施形態において、処理システムは、さらに、残留固体を包含する流れを液体サイクロンから受け取って、さらに流れを二次流出液と下層流とに分離するように適合した固液分離装置を包含する。いくつかの実施形態において、処理システムは、バイオリアクター出口および液体サイクロンの間に流体連通して配された固液分離装置をさらに包含し、固液分離装置はバイオリアクター流出液を受け取って二次流出液部分と下層流部分とに分離するように適合しており、液体サイクロンは、バイオリアクター流出液の下層流部分の少なくとも一部分を受け取って分離するように適合している。いくつかのかかる実施形態において、下層流は第１の下層流部分および第２の下層流部分に分けられ、第１の下層流部分はバイオリアクターに返送され、第２の下層流部分は液体サイクロンに送られる。

処理システムのいくつかの実施形態において、バイオリアクター流出液は第１のバイオリアクター流出液および第２のバイオリアクター流出液に分けられ、固液分離装置は、第１のバイオリアクター流出液を受け取って二次流出液部分と下層流部分とに分離して、下層流部分をバイオリアクターに送るように適合しており、液体サイクロンは、第２のバイオリアクター流出液を受け取って流動性バイオフィルム部分と残留固体部分とに分離して、流動性バイオフィルム部分をバイオリアクターに送るように適合している。

処理システムのいくつかの実施形態において、流動性バイオフィルムはリグノセルロース系粒子または生物グラニュールを包含する。処理システムのいくつかの実施形態において、流動性バイオフィルムを包含する流れは、液体サイクロンによって受け取られるバイオリアクター流出液部分中に存在する流動性バイオフィルムの５０％および１００％の間を包含する。

処理システムのいくつかの実施形態において、バイオリアクターは第１のバイオリアクターであり、システムは、液体サイクロンおよび第１のバイオリアクターの間に流体連通して配され、流動性バイオフィルムの流れを液体サイクロンから受け取るように適合した第２のバイオリアクターをさらに包含し、二次バイオリアクターは、流動性バイオフィルムの流れを受け取るための第１の入口と第２のバイオリアクター流入液を受け取るための第２の入口と第２の流出液を排出するための出口とを有し、第２の流出液は第１のバイオリアクターに送られる。いくつかのかかる実施形態において、第１および第２のバイオリアクター流入液は異なる。いくつかのかかる実施形態において、二次バイオリアクターは、好気性条件、無酸素条件、嫌気性条件、またはその２つ以上の組み合わせを包含する。いくつかのかかる実施形態において、処理システムは、残留固体を包含する流れを液体サイクロンから受け取るように適合した第３のバイオリアクターをさらに包含し、第３のバイオリアクターは、残留固体を含む流れを受け取るための第１の入口と、第３のバイオリアクター流入液を受け取るための第２の入口と、第３の流出液を排出するための出口とを有する。いくつかのかかる実施形態において、第３のバイオリアクター流入液は第１および第２のバイオリアクター流入液とは異なる。

いくつかの実施形態において、処理システムは、残留固体を含む流れを液体サイクロンから受け取るように適合した第２のバイオリアクターをさらに包含し、第２のバイオリアクターは、残留固体を含む流れを受け取るための第１の入口と、第２のバイオリアクター流入液を受け取るための第２の入口と、第２の流出液を排出するための出口とを有する。

本明細書においては排水を処理する方法もまた開示され、方法は、（ａ）第１の流入液および流動性バイオフィルムを第１のバイオリアクターに加えること、（ｂ）流動性バイオフィルムが流入液中の１つ以上のコンタミナントを生物化学的に転換するために好適な条件を提供して、少なくとも流動性バイオフィルムと水と残留固体物質とを包含する流出液を形成すること、（ｃ）流出液の第１の部分から流動性バイオフィルムの５０％から１００％をサイクロン式に単離して、単離された流動性バイオフィルムの流れと残留固体の流れとを形成し、単離された流動性バイオフィルムの流れを第１のバイオリアクターに返送すること、ならびに（ｄ）流出液の第２の部分から水の実質的な部分を分離して、下層流を形成することを包含する。

いくつかの実施形態において、（ａ）は、浮遊増殖物を第１のバイオリアクターに加えることをさらに包含する。

いくつかの実施形態において、方法は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順序で実施され、（ｃ）からの残留固体の流れは（ｄ）における流出液の第２の部分であり、下層流を処分することまたは下層流をさらなる処理にかけることをさらに包含する。

他の実施形態において、方法は（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｃ）の順序で実施され、（ｄ）からの下層流は（ｃ）における流出液の第１の部分であり、残留固体の流れを処分することまたは残留固体の流れをさらなる処理にかけることをさらに包含する。いくつかのかかる実施形態において、方法は、下層流を第１の下層流と第２の下層流とに分割することと、第１の下層流を第１のバイオリアクターにおくることとをさらに包含し、第２の下層流は（ｃ）における流出液の第１の部分である。

いくつかの実施形態において、方法は（ｃ）および（ｄ）が同時に実施される様式で実施され、方法は、残留固体の流れを処分することまたは残留固体の流れをさらなる処理にかけることと、下層流を第１のバイオリアクターに送ることとをさらに包含する。

いくつかの実施形態において、方法は、それを第１のバイオリアクターに返送することに先行して、単離された流動性バイオフィルムの流れを第２のバイオリアクターに送ることと、第２の流入液を第２のバイオリアクターに加えることとをさらに包含する。いくつかのかかる実施形態において、方法は、残留固体の流れを第３のバイオリアクターに送ることと、第３の流入液を第３のバイオリアクターに加えることとをさらに包含する。

いくつかの実施形態において、方法は、残留固体の流れを第２のバイオリアクターに送ることと、第２の流入液を第２のバイオリアクターに加えることとをさらに包含する。

本発明の追加の利点および新規特徴は、部分的には下記の記載において示されるか、部分的には下記の検討によって当業者には明らかになるか、または本発明の実施において普通の実験によって知得されるであろう。

図１は本発明の処理システムの第１の実施形態の模式図である。 図２は本発明の処理システムの別の実施形態の模式図である。 図３は本発明の処理システムのさらに別の実施形態の模式図である。 図４は本発明の処理システムのさらに別の実施形態の模式図である。 図５は本発明の処理システムのさらに別の実施形態の模式図である。 図６は本発明の処理システムのさらに別の実施形態の模式図である。

本開示は好ましい実施形態を参照するが、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、変更が形式および細部においてなされ得るということを認識するであろう。種々の実施形態が図面を参照して詳細に記載され、同種の参照数字はいくつかの図を通して同種の部品および組立物を表す。種々の実施形態の参照は本明細書に添付される請求項の範囲を限定しない。加えて、本明細書において示される何らかの例は限定することを意図されず、添付の請求項について多くの可能な実施形態のいくつかを示すに過ぎない。

定義

本明細書において用いられる用語「浮遊増殖物」は生物フロック、すなわち、水中に浮遊した（細菌のような）微生物の凝集塊を意味する。細菌は生きているかもしくは死んでいるか、またはその組み合わせである。フロックは流動性バイオフィルムと比較されたときに開放的な構造であり、基質を含有しない。

本明細書において用いられる用語「流動性バイオフィルム」は基質によって支持されたバイオフィルムを意味し、複合したバイオフィルムおよび基質は水、残留固体、および存在する何らかの浮遊増殖物と一緒にバイオリアクター内へ、その中を、およびその外へ移動することができる。バイオフィルム基質は本質的に微粒子状であり、粉末状リグノセルロース系材料、砂、非生分解性の細菌材料、および例えばポリスチレンまたは高密度ポリエチレンから形成された合成微粒子などの材料を包含する。

本明細書において用いられる用語「固液分離装置」は、非溶存または浮遊固体を水などの液体から実質的に分離するために利用されるいずれかの装置を意味する。かかる装置は膜濾過装置、清澄化（または沈澱）槽装置、粒状濾過装置、加圧浮上装置、微粒砂凝集清澄化（または沈澱）装置、遠心などを包含するが、これに限定されない。「固液分離装置プロセス」は、選択された固液分離装置によって実施される分離のプロセスである。

本明細書において用いられる用語「固固分離装置」は、向心力、流体抵抗（ドラッグ）、沈澱速度、ならびにサイズ、形状、および密度などの粒子の特徴を包含するがこれに限定されない因子に基づいて、液体または汚泥の流れ中の他の非溶存または浮遊固体から流動性バイオフィルムを実質的に分離するために利用されるいずれかの装置を意味する。かかる装置は、液体サイクロン、ラメラ傾斜板沈澱槽、スクリーン、篩、ｓｐｉｔｚｋａｓｔｅｎ（サイズに基づいて粒子を連続的に分離する一連のコーン）、ダブルコーン分級機、エルトリエーション装置（垂直カラム）、バルボタージ（発泡）チャンバー、および浮選チャンバーを包含するが、これに限定されない。いくつかの実施形態において、固固分離装置は２つより多くのかかる装置を包含し、装置は同じであるかまたは異なり、例えば直列に配列された４つの液体サイクロン、またはバルボタージチャンバーと対になった浮選チャンバーなどである。「固固分離装置プロセス」は選択された固固分離装置によって実施される分離のプロセスである。

本明細書において用いられる用語「汚泥」は、バイオリアクター流出液の流れ中に浮遊しているかまたは固液もしくは固固分離装置を用いてそれから分離された濃縮された有機および無機微粒子状物質を意味する。微粒子状物質は浮遊増殖物および他の微粒子を含有する。いくつかの実施形態において、汚泥は流動性バイオフィルムを含有する。典型的には、汚泥は固液分離装置内において実施される分離プロセスによって濃縮され、そこで、浮遊増殖物および他の微粒子状物質がバイオリアクター流出液から分離される。いくつかの実施形態において、汚泥の一部分はそこへの流入液としてバイオリアクターに返送される。かかる実施形態において、汚泥のこの部分は「返送活性汚泥」またはＲＡＳと言われる。バイオリアクター内の安定な浮遊増殖物塊（典型的には、安定な浮遊物質濃度を用いて見積もられる）を維持するために、汚泥の一部分が、典型的には細菌増殖または収量の速度に相当する速度で処分される。処分される汚泥は、処分に先行して濃縮、消化、および／または脱水などのさらなる処理（単数または複数）にかけられ得る。汚泥濃縮装置、消化装置、脱水装置、および場合によっては他の技術がまとめて固体取り扱い設備と言われる。汚泥の廃棄部分は「余剰活性汚泥」またはＷＡＳと言われる。

本明細書において用いられる用語「廃棄固体」は、微粒子状物質を固液分離装置プロセスにおいて除去されることなしにバイオリアクターから直接的に流れる微粒子状物質（例えば、剥離したバイオフィルム断片）を含有する流れを意味するか、または固液分離装置プロセスから流れる濃縮された固体である。「廃棄固体」は、返送活性汚泥の流れによって浮遊増殖物を蓄積しないシステムに特有である。いくつかの実施形態において、廃棄固体は処分に先行してさらなる処理（単数または複数）にかけられる。

本明細書において用いられる用語「バイオリアクター流入液」はバイオリアクターに流入する水を意味し、その中に存在する１つ以上のコンタミナント（汚染物質としても公知）を有する。バイオリアクター流入液のソースは再生水、飲み水、雨水、工業排水、および生活排水を包含するが、これに限定されない。

本明細書において用いられる用語「バイオリアクター流出液」は、微粒子状物質が固液分離装置プロセスにおいて除去されていないバイオリアクターから流れる水を意味する。バイオリアクター流出液の流れを構成する水は、バイオリアクター流入液の流れ中のコンタミナントの全てまたは一部分が、バイオリアクター内の環境条件の特定のセット（例えば、温度、ｐＨ、溶存酸素濃度、および浮遊物質濃度）からもたらされる細菌的に誘導される生物化学的な転換プロセスによって酸化または還元されている。細菌は流動性バイオフィルムおよび任意の浮遊増殖物として存在する。

本明細書において用いられる用語「二次流出液」は、固体の実質的な部分がそれから除去されたバイオリアクター流出液を意味し、固体は沈澱池などの固液分離装置によって液体から分離される。

本明細書において用いられる用語「下層流」は、固液分離装置プロセスから流れる濃縮された浮遊物質または汚泥を意味する。いくつかの実施形態において、下層流量はバイオリアクター流出液の流量引く二次流出液の流量である。いくつかの実施形態において、下層流は流動性バイオフィルムを包含する。

本明細書において用いられる用語「分離された流動性バイオフィルム」は、固固分離装置プロセスによってバイオリアクター流出液中の１つ以上の追加の固体から分離されている流動性バイオフィルムを意味する。

本明細書において用いられる用語「バイオリアクター引き抜き分」は、余剰活性汚泥またはＷＡＳによって固液分離装置下層流から廃棄のために固体材料を抽出する代わりに、バイオリアクターからの直接的な廃棄のための固体材料（浮遊増殖物、流動性バイオフィルム、残留固体、および他の微粒子状材料を包含する）の抽出を意味する。処理目的および排水の特徴に応じて、内部引き抜き分はバイオリアクターのいずれかのポイントから、またはバイオリアクターが分割型である場合にはいずれかのゾーンから抽出され得る。

本明細書において用いられる用語「内部再循環」は、特定の位置（または、分割型バイオリアクター内の特定のゾーン）からの浮遊物質（浮遊増殖物、流動性バイオフィルム、残留固体、および他の微粒子状材料を包含する）の抽出、およびバイオリアクター内の別の位置（または、分割型バイオリアクター内の特定のゾーン）へのそれらの浮遊物質の搬送を意味する。

本明細書において用いられる用語「好気性」は、酸素の存在下においてのみ生きている、活性である、または起こるということを意味する。

本明細書において用いられる用語「無酸素」は、酸素の不在下において、硝酸態窒素および／または亜硝酸態窒素の実質的な存在下においてのみ生きている、活性である、または起こるということを意味する。

本明細書において用いられる用語「嫌気性」は、酸素、硝酸態窒素、および亜硝酸態窒素の不在下においてのみ生きている、活性である、または起こるということを意味する。

本明細書において用いられる用語「分割」または「分割型」はバイオリアクターに関し、２つ以上のゾーンに分離されたバイオリアクターを指す。ゾーンは、別のゾーンとは異なる条件を有するバイオリアクター内のエリアとして定義され、条件は好気性、無酸素、および嫌気性条件から選択される。具体的なバイオリアクター環境条件は限定されず、好気性、無酸素、または嫌気性である。いくつかのバイオリアクターゾーンにおいて、環境条件は２つ以上の異なる環境条件の間を周期的に交互させられる（例えば、環境条件は空気流が終了するまでの所定の期間好気性であり、これは、空気流が再開するまで環境が嫌気性であることをもたらす）。いくつかの実施形態において、複数ゾーンが例えば１つ以上の仕切りまたは壁によって物理的に分離される。仕切りは堰壁、もぐり堰壁、カーテン、または他の物理的分離装置を包含する。いくつかの実施形態においては、１つ以上の仕切りが、バイオリアクター内の流れる汚染水の方向に対して平行に位置し、それによって、平行な複数のバイオリアクターを作り出す。他の実施形態においては、１つ以上の仕切りがバイオリアクター内の流れる排水の方向に対して直角に位置し、それによって直列の複数のバイオリアクターを作り出す。他の実施形態においては、複数のゾーンが、例えばバイオリアクターの上流部分には酸素を加えず、かつバイオリアクターの下流部分には酸素を加えることによって、専ら流れによって分離される。これらの分割型の実施形態のいずれかは、別様に指定されない限り、下の分割型バイオリアクターを参照するときに包摂される。本明細書に記載されるいずれかのバイオリアクターは、それが具体的な実施形態においてかかるものとして指定されているか否かにかかわらず、分割型バイオリアクターであり得る。具体的な分割案の代表的な例は、別様に指定されない限り、実施形態を他の分割案に関して限定しない。

本明細書において用いられる用語「約」は、例えば濃度、体積、プロセス時間、収量、流量、圧力、および同種の値、ならびにその範囲を修飾し、本開示の実施形態を記載する際に利用され、数的な量の変動を指し、それは例えば、化合物、組成物、濃縮物、または使用配合物を作るために用いられる典型的な測定および操作手順において、それらの手順における非意図的な誤差、方法を実施するために用いられる出発材料または成分の製造、ソース、または純度の差異、および同種の近似の問題点によって起こり得る。用語「約」は、特定の初期濃度または混合物を有する材料の経時変化を原因として異なる量、および特定の初期濃度または混合物を有する材料を混合または処理することを原因として異なる量をもまた包摂する。用語「約」によって修飾されるところでは、本明細書に添付の請求項はそれらの量の均等物を包含する。

本明細書において用いられる語「実質的に」は、例えば特性、測定可能な量、方法、位置、値、または範囲を修飾し、本開示の実施形態を記載する際に利用され、意図される特性、量、方法、位置、値、または範囲を無効化する様式では、その全体的な記載された特性、量、方法、位置、値、または範囲に影響しない変動を指す。用語「実質的に」によって修飾されるところでは、本明細書に添付の請求項はそれらの量、方法、位置、値、または範囲の均等物を包含する。

処理システム

我々は、少なくともバイオリアクターと流動性バイオフィルムと固固分離装置とを包含する汚染水の処理のためのシステムを本明細書において報告する。いくつかの実施形態において、システムは固液分離装置をさらに包含する。いくつかの実施形態において、バイオリアクターは単一の条件（すなわち、好気性、無酸素、または嫌気性）を支持する。他の実施形態において、バイオリアクターは、好気性、無酸素、および／または嫌気性状態を包含する２つ以上の環境条件を包含するように分割される。いくつかの実施形態において、固固分離装置はバイオリアクターから直接的に放出物を受け取るように適合している。バイオリアクターが固液分離装置をもまた包含するいくつかの実施形態において、バイオリアクターは固液分離装置に取り付けられ、固固分離装置は固液分離装置から放出物を受け取るように適合している。

各実施形態において、固固分離装置によって受け取られる流れは流動性バイオフィルムを包含する。流動性バイオフィルムは、バイオリアクターを通って循環するために利用され、固固分離装置は、流動性バイオフィルムを１つ以上の追加の流れの成分から分離し、流動性バイオフィルムをバイオリアクター内に送るように適合している。固液分離装置が利用されるところでは、バイオリアクター、固液分離装置、および固固分離装置は種々の構成で有利に配列される。

バイオリアクター流出液、固液分離装置下層流、およびバイオリアクター引き抜き分は流動性バイオフィルムを含有する。二次流出液は、排水処理システム中に存在する全ての固体から実質的に分離されている。個々の分離された成分、その部分、複合した成分、またはその部分は、汚染された流入液の流れの処理のために、バイオリアクター流入液にまたは直接的にバイオリアクターに返送される。残りの成分、その部分、複合した成分、またはその部分は単離され、さらなる処理および／または従来の技術を用いる廃棄物処分プロセスにかけられる。

我々はさらに、再生水、飲み水、雨水、工業排水、および生活排水を包含するがこれに限定されない水からのコンタミナントの除去のための処理システムを本明細書において報告する。処理システムは、単段式バイオリアクター、分割型バイオリアクター、または直列に置かれた２つ以上の単段式もしくは分割型バイオリアクター内に置かれた流動性バイオフィルムを包含する。種々の実施形態において、単段式バイオリアクターは単一の環境条件（例えば、好気性、無酸素、または嫌気性）を有する。他の実施形態において、単段式バイオリアクターは、好気性、無酸素、または嫌気性条件（例えば、環境条件は空気流が終了するまでの所定の動作期間好気性であり、これは、空気流が再開するまで環境条件が嫌気性であることをもたらす）の間で交互することによって、１つの環境条件から別のものに変更される交互する条件を有する。さらに他の実施形態において、バイオリアクターは分割型である。すなわち、バイオリアクターは、好気性、無酸素、または嫌気性である１つ以上の環境条件を有する。さらに他の実施形態において、処理システムは直列に配列された複数のバイオリアクターを包含する。

バイオリアクター流入液の流れは汚染物質によって汚染されている。汚染物質は、微粒子状有機物質、溶存有機物質、窒素系化合物、およびリン系化合物の１つ以上を包含するが、これに限定されない。いくつかの実施形態において、好気性の生物化学的な転換プロセスに要求される溶存酸素は、微細気泡ディフューザ中のものなどのマクロ的なオリフィスまたは多孔質材料を通して圧縮空気を放出することによってバイオリアクターにフィードされる。１つのかかる実施形態においては、ブロワとして公知の遠心式圧縮機（低い圧力で動作する）が空気を圧縮し、これが配管網を通って微細孔ディフューザなどに搬送される。ガスが空気であるところでは、微細孔ディフューザは小さい直径の空気泡を放出する。それによって、空気は、好気性バイオリアクターまたは分割型バイオリアクターの好気性ゾーン内のプロセス要件を満たすために十分な溶存酸素を提供し、バイオリアクターに流入する空気によって賦与されるエネルギーは、十分な混合をさらに提供し、バイオリアクターの内容の沈澱を防ぐ。使用中に、バイオリアクターへの汚染された流入液の流れは、バイオリアクター流出液の流れが処理水、流動性バイオフィルム、ならびに他の溶存および微粒子状の物質を包含するように処理される。いくつかの実施形態において、バイオリアクター流出液の流れは浮遊増殖物を包含する。

実施形態の第１のセットは処理システムを対象とする。実施形態の第１のセットにおいては、固固分離装置がバイオリアクター流出液の流れをその全体として受け取るように適合している。種々のプロセス機械、制御、および監視設備が種々の実施形態において利用されて、当業者に周知の処理原理に従って固固分離装置へのバイオリアクター流出液の流れを制御する。実施形態のこの第１のセットにおいては、流動性バイオフィルムは残りの微粒子状物質から固固分離装置によって分離される。分離された流動性バイオフィルムは、例えばポンプの作用によるプロセス配管によって、バイオリアクター流入液または分割型バイオリアクターの所定のゾーンに送られる。固固分離装置を通って流れた後で、バイオリアクター流出液は、例えばポンプの作用によるプロセス配管によって、固液分離装置内に送られる。固液分離装置は二次流出液を下層流から分離する。

いくつかの実施形態において、二次流出液は、固液分離装置からさらなる処理のための下流装置プロセスまたは搬送のためのポンプステーション内に送られる。いくつかの実施形態において、下層流は固体取り扱い設備に搬送される。

実施形態の第２のセットは別の処理システムを対象とする。実施形態の第２のセットにおいては、固液分離装置がバイオリアクター流出液全体を受け取るように適合している。種々のプロセス機械、制御、および監視設備が種々の実施形態において利用されて、当業者に周知の処理原理に従って固液分離装置へのバイオリアクター流出液の流れを提供および制御する。固液分離装置はバイオリアクター流出液を二次流出液と下層流とに分離する。下層流は他の固体に追加して流動性バイオフィルムを包含する。いくつかの実施形態において、二次流出液は、さらなる処理のための下流装置プロセスまたは搬送のためのポンプステーションに送られる。

実施形態のこの第２のセットのいくつかにおいては、下層流の第１の部分が返送活性汚泥（またはＲＡＳ）としてバイオリアクター流入液に返送される。下層流の第１の部分は流動性バイオフィルムの一部分をもまた含有する。種々のプロセス機械、制御、および監視設備が種々の実施形態において利用されて、当業者に周知の処理原理に従ってバイオリアクターへの返送活性汚泥を制御する。かかる実施形態において、固固分離装置は、下層流の第２の部分を受け取って下層流の第２の部分から流動性バイオフィルムを分離するように適合しており、分離されたバイオフィルムはバイオリアクターに返送され、下層流の残りの第２の部分は余剰活性汚泥を包含する。種々のプロセス機械、制御、および監視設備が種々の実施形態において利用されて、当業者に周知の処理原理に従って、固固分離装置への下層流の第２の部分を制御し、バイオリアクター流入液へのまたは分割型バイオリアクターの所定のゾーンへの分離された流動性バイオフィルムの返送を提供および制御する。いくつかの実施形態においては、ＷＡＳは固体取り扱い設備に搬送される。

代替的には、実施形態の第２のセットにおいて、分離された流動性バイオフィルムは、二次バイオリアクター流入液を供給されるようにさらに適合した第２のバイオリアクターに送られる。かかる実施形態において、上で論じられているバイオリアクターは第１のバイオリアクターと言われる。いくつかの実施形態において、二次バイオリアクター流入液は第１の（一次）バイオリアクター流入液とは異なる。いくつかの実施形態において、第２のバイオリアクター内の環境条件は第１のバイオリアクター内に存在する環境条件（または、第１の分割型バイオリアクターの１つ以上のゾーンに存在する条件）とは異なる。実施形態の第２のセットにおけるさらなる代替としては、ＷＡＳは、三次バイオリアクター流入液を供給されるようにさらに適合した第３のバイオリアクターに送られる。いくつかの実施形態において、三次バイオリアクター流入液は一次および二次バイオリアクター流入液の流れとは異なる。いくつかの実施形態において、第３のバイオリアクター内の環境条件は第１および第２のバイオリアクター内に存在する条件（または、第１および／もしくは第２の分割型バイオリアクターの１つ以上のゾーンに存在する条件）とは異なる。

１つの例示的な例においては、第２のバイオリアクターは、第２の排水の流れである二次バイオリアクター流入液を受け取るように適合しており、これは、生活排水を処理するときには、一次バイオリアクター流入液の流れと比較するときに、比較的高いアンモニア態窒素（例えば、１，０００ｍｇＮ／Ｌ）およびオルトリン（例えば、２００ｍｇＰ／Ｌ）濃度ならびに低い体積流量を有する。かかる実施形態において、第２のバイオリアクターは、１つ以上のレドックスゾーンを含有し１つ以上の特定の細菌型（単数または複数）を選抜するバイオフィルムの発育を促すための、正確な溶存酸素、ｐＨ、および温度制御にさらされる。例えば、いくつかの実施形態においては、異なるレドックスゾーンが、好気性バイオフィルムゾーンにおいて主としてアンモニア酸化細菌またはＡＯＢを、嫌気性バイオフィルムゾーンにおいて主として嫌気性アンモニア酸化細菌またはアナモックスを形成するために要求される。二次バイオリアクターは、流動性バイオフィルムを第１のバイオリアクター流入液または第１の分割型バイオリアクターの所定のゾーンにフィードして、第１のバイオリアクターまたは分割型バイオリアクターの第１のゾーンにおける脱アンモニア処理を容易にするように適合している。二次バイオリアクター使用の他の例は当業者によって容易に想定される。１つの例示的な例は第２のバイオリアクター内における（細菌のような）特定の微生物または微生物の群の増殖および蓄積であり、第２のバイオリアクターは、第１のバイオリアクター内に存在する（細菌のような）特定の微生物または微生物の群の集団の補充として流動性バイオフィルム中の細菌をシステマティックに（すなわち、連続的にまたは回分式に）フィードするために、第１のバイオリアクター内の環境条件とは実質的に異なる環境条件を包含する。このプロセスはバイオオーグメンテーションの例であり、これは、定義上、コンタミナントの生分解の速度を速めるため、かつ減損した細菌集団を回復させるためまたは余分な在庫として（細菌のような）微生物の特定の型の過剰量を蓄積するために要求される、細菌培養物および必要な栄養素の追加である。バイオオーグメンテーションは、第１のバイオリアクターからの流動性バイオフィルムの部分的もしくは完全な損失の場合に第１のバイオリアクターに十分な流動性バイオフィルムを再棲息させるために、微生物集団を加えるためもしくは流動性バイオフィルムの在庫を蓄えるための実施形態、または両方に有用である。

実施形態の第３のセットは別の処理システムを対象とする。実施形態の第３のセットにおいて、バイオリアクター流出液は第１のバイオリアクター流出液と第２のバイオリアクター流出液とに分けられる。固液分離装置は第１のバイオリアクター流出液を受け取るように適合している。種々のプロセス機械、制御、および監視設備が種々の実施形態において利用されて、当業者に周知の処理原理に従って固液分離装置への第１のバイオリアクター流出液の流れの流れを制御する。固液分離装置は、第１のバイオリアクター流出液を二次流出液と下層流とに分離する。下層流は他の固体に追加して流動性バイオフィルムを包含し、下層流の一部分は返送活性汚泥またはＲＡＳとしてバイオリアクターに返送される。種々のプロセス機械、制御、および監視設備が種々の実施形態において利用されて、バイオリアクターへの下層流の返送を制御する。いくつかの実施形態において、二次流出液はさらなる処理のための下流装置プロセスまたは搬送のためのポンプステーションに送られる。

固固分離装置は、バイオリアクター内のいずれかのポイントまたはバイオリアクターが分割型である場合には所定のゾーンから引き抜かれ得る第２のバイオリアクター流出液を受け取るように適合している。第２のバイオリアクター流出液引き抜きポイントは汚染水品質および処理目的（単数または複数）によって定められる。種々のプロセス機械、制御、および監視設備が種々の実施形態において利用されて、当業者に周知の処理原理に従って固固分離装置への第２のバイオリアクター流出液の流れの流量を制御する。固固分離装置は、流動性バイオフィルムを第２のバイオリアクター流出液中の他の浮遊物質から分離する。分離された流動性バイオフィルムはバイオリアクター流入液または分割型バイオリアクターの所定のゾーンに搬送される。残りの第２のバイオリアクター流出液は余剰活性汚泥またはＷＡＳおよび他の微粒子状物質を包含する。種々のプロセス機械、制御、および監視設備が種々の実施形態において利用されて、当業者に周知の処理原理に従ってバイオリアクターへの分離された流動性バイオフィルムの返送を制御する。いくつかの実施形態において、ＷＡＳは処分に先行してさらなる処理のために固体取り扱い設備に搬送される。さもなければ、ＷＡＳは最終処分にかけられる。

第３の実施形態の設計は、ＷＡＳの処分される量対ＲＡＳの量が容易に調整されて、バイオリアクター内における浮遊増殖物（活性汚泥としても公知）の一定な量を維持し、一方で、流動性バイオフィルムの実質的な部分をバイオリアクターに一貫して返送するように、第１および第２のバイオリアクター流出液の分配を可能にする。

実施形態の第３のセットにおいては、第２のバイオリアクターがそのいくつかの実施形態において実施形態の第２のセットと同じ様式で有利に利用されるということは認識されるであろう。それゆえに、かかる実施形態においては、第２のバイオリアクターが固固分離装置およびバイオリアクターの間に配され、分離された流動性バイオフィルムをそれから受け取るように適合し、第２のバイオリアクターは、上の実施形態の第２のセットに記載されているように二次バイオリアクター流入液をさらに包含する。

実施形態の第３のセットのいくつかの処理システムは、２つ以上のゾーンに分割された第２のバイオリアクターをさらに包含する。分割型の第２のバイオリアクターの第１のゾーンは、二次バイオリアクター流入液および分離された流動性バイオフィルム両方を固固分離装置から受け取る。分割型の第２のバイオリアクターの第２のゾーンは、浮遊増殖物および他の微粒子状物質を包含する固固分離装置からのＷＡＳの流れを受け取る。このようにして、ＷＡＳからの浮遊増殖物は特定の細菌、例えばアンモニア酸化細菌（またはＡＯＢ）の増殖を促進するように整えられる。いくつかの実施形態においては、単一の分割型バイオリアクターではなく、実施形態の第３のセットは直列に配列された２つ以上の追加のバイオリアクターを包含する。いくつかの実施形態において、分割型の第２のバイオリアクターの第２のゾーンの細菌は、細菌がリンなどのそれらの内部貯蔵生成物を放出することを引き起こす特定の環境条件にさらされる。それゆえに、２つ以上のゾーンを有する分割型の第２のバイオリアクターが固固分離装置および第１のバイオリアクターの間に配され、第１のゾーンについては分離された流動性バイオフィルムを受け取るように、第２のゾーンについてはＷＡＳまたはそれから分離された浮遊増殖物および他の微粒子状物質を受け取るように適合する。

本明細書に記載される処理システムは、本明細書に記載される各実施形態において一緒になって働く少なくとも３つの部分、バイオリアクターと流動性バイオフィルムと固固分離装置とを包含する。バイオリアクターおよび固固分離装置は直接的または間接的に接続され、流動性バイオフィルムはバイオリアクターおよび固固分離装置の間を進み、流動性バイオフィルムはバイオリアクター流出液または下層流から繰り返し分離され、バイオリアクターに返送される。いくつかの実施形態において、使用の２つ以上のかかるサイクルが流動性バイオフィルムによって実現される。例えば、処理システム内のバイオフィルムによって、使用の約２から１，０００，０００，０００サイクル、または使用の約１０，０００から１００，０００，０００サイクル、または約１００，０００から１０，０００，０００サイクル、または約１，０００，０００から１０，０００，０００サイクルが実現される。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載される処理システムは、回分式のフィード／引き抜き型システムに、すなわち回分式処理システムとして利用される。固固分離装置がバイオリアクター廃棄固体の流れから流動性バイオフィルムを分離およびリサイクルする能力と一緒に流動性バイオフィルム部分を利用する利点が、汚染水の処理のための回分式のフィード／引き抜きプロセスのためにもまた有用であるということは認識されるであろう。しかしながら、かかるシステムにおいて利用される変形の多数とかかるシステムが複数の環境において有する有用性とを原因として、連続式処理システムが本明細書においては詳細に記載される。

本明細書に記載される処理システムに利用される固固分離装置は、固固分離装置にフィードされようとする流れまたは固固分離装置流入液中に浮遊する他の微粒子状物質と比較したときに、比較的狭い範囲の特定の特徴を有する粒子の分離に利用される従来の固固分離装置である。いくつかの実施形態において、固固分離装置は液体サイクロンである。当業者は、液体サイクロンの寸法が、分離されるべき固体の型および量、特にそれらの間の密度の差異、処理されようとする汚染水から生ずる固体の型を原因とする粒径の差異、ならびに流動性バイオフィルム基質として選択される粒径などの特徴によって決定されるということを認識するであろう。固固分離装置の異なる型を利用するとき、他の例は当業者によって容易に想定される。

本明細書に記載される処理システムに有用な流動性バイオフィルムは、多様なサイズ、化学的性質、および密度の粒子を利用する。粒子に利用される材料、特に粒子表面に利用される材料は、最も有用には次の特性、生分解条件に対して耐久性、範囲０および１４のｐＨ値においてｐＨ耐性、予期される水コンタミナントに対して化学的に耐性、および摩耗耐性の１つ以上を有する。有用な粒径は特に限定されない。いくつかの実施形態において、粒径は最大寸法が約５００ｎｍから５ｍｍ、または最大寸法が約１μｍから３ｍｍ、または最大寸法が約２μｍから２ｍｍ、または最大寸法が約５μｍから１ｍｍの範囲である。より小さい粒径はバイオフィルム増殖のためのより大きい表面積を提供するが、基質をカバーするバイオフィルムの発育に先行して、およびそれに続いて分離することの両方がより難しい。いくつかの実施形態において粒子は実質的に球形であり、一方、他の実施形態においては、粒子は限定なしに細長い、繊維状の、不規則な形状、またはいずれかの他の形状である。いくつかの実施形態において、約２５：１よりも高いアスペクト比、例えば約５０：１から１，０００，０００：１、または約１００：１から１００，０００：１を有する繊維状微粒子は、固固分離装置を用いてかかる微粒子を分離する際の困難さを原因として、より有用でない。

いくつかの実施形態において、粒子はサーモプラスチックまたは熱硬化性合成ポリマーから形成される。有用なポリマー材料はポリアミド、ポリエステル、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリハロゲン化ビニルポリマー、ポリハロゲン化ビニリデンポリマーなど、ならびにコポリマー、アロイ、グラフトまたはブロックコポリマー、およびそのブレンドを包含する。いくつかの実施形態において、粒子は、セルロース、リグノセルロースなどの天然に存在するポリマー、または本明細書において挙げられる合成ポリマーもしくはコポリマーとのそのグラフトコポリマーから形成される。さらに他の実施形態において、粒子は砂であるか、またはシリカガラス、ゼオライト、チタニア、ホウケイ酸などのガラスもしくはセラミック材料から形成される。さらに他の実施形態において、粒子は、チタン、ステンレス鋼などの金属またはそのブレンドもしくは合金、およびポリマーまたはガラスコーティングした金属から形成される。さらに他の実施形態において、粒子は、カーボンブラックまたは活性炭などの炭素から形成されるかまたはそれを包含する。さらに他の実施形態において、粒子は、不溶性でありかつ通常は汚染水中において分解性でない生物の副生成物（すなわちグラニュール）である。

いくつかの実施形態において、粒子の密度は、さらにユーザによって対象の液体（例えば水）の密度よりも高いかまたは低いように選択されて、液体−粒子および／または粒子−粒子分離を容易にする。４℃における純水の密度は１．０００ｇ／ｃｍ^３であり、一方、チタンの密度は４．５０６ｇ／ｃｍ^３であり、シリカの密度は約２．６５ｇ／ｃｍ^３であり、硬質ポリ塩化ビニルの密度は約１．３０から１．４５ｇ／ｃｍ^３であり、ポリウレタンの密度は具体的な構造に応じて約１．０１から１．２０ｇ／ｃｍ^３の範囲であり、ポリスチレンの密度は約０．９６から１．０４ｇ／ｃｍ^３であり、生物グラニュールの密度は約１．００から１．０５ｇ／Ｌであり、ケナフの密度は約０．９１から１．１３ｇ／ｃｍ^３である。さらに、いくつかの材料の固有密度は粒子自体の構造を改変することによって変改される。例えば、粒子が合成ポリマー、金属、またはガラスから形成されるいくつかの実施形態においては、粒子は好適に気泡粒子に形成される。気泡粒子は空洞の内側部分を特徴とする。気泡内側（空気）体積対シェル厚の比はシェル材料の固有密度と一緒になって、気泡粒子の密度を決定する。シリカガラスなどの高密度材料がシェル材料として利用されるところでさえも、１．００ｇ／ｃｍ^３よりも実質的に低い密度を有する気泡微粒子が容易に形成する。例えば、メープルウッド、ＭＮの３Ｍ（登録商標）Ｃｏ．は０．３０ｇ／ｃｍ^３から０．６９ｇ／ｃｍ^３の範囲の密度を有するガラスバブルズを販売している。流動性バイオフィルムの見かけ上の密度が、基質粒子密度および基質によって支持されるバイオフィルムの密度両方の関数であるということは理解されるであろう。

いくつかの実施形態において、流動性バイオフィルム、液体の流れ、および残りの非溶存または浮遊物質（または微粒子）の間の密度の差異は固固分離の基礎である。流動性バイオフィルム密度がそれを運ぶ液体の流れの密度よりも低いかかる実施形態において、固固分離装置は、流動性バイオフィルムが上層流（または上部分）によって固固分離装置を出る様式で流動性バイオフィルムを分離するであろう。流動性バイオフィルムの密度がそれを運ぶ液体の流れの密度よりも高いところでは、固固分離装置は、流動性バイオフィルムが底層流（または底部分）によって固固分離装置を出る様式で流動性バイオフィルムを分離するであろう。下に示される種々の実施形態に関連して、微粒子は、選択されたポイントにおいて固固分離装置を出て、かつ選択された流れの流れに入るように各場合に選択される。その変形は当業者によって認識されるであろう。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載される処理システムに有用な流動性バイオフィルムは、バイオフィルム基質の表面上への流入液コンタミナントの吸収を促進する特徴を有する基質または担体を利用するかまたは用いる。例えば、１つの実施形態において、バイオフィルム基質は正味の負電荷を有する。かかるバイオフィルム基質は、正味の正電荷を有するアンモニアなどのコンタミナントを吸収する。非エアレーション相においては、バイオフィルム基質はアンモニアなどの正味の正電荷のコンタミナントを活発に除去する（吸収する）。なぜなら、非エアレーション条件において、バイオフィルム中の硝化細菌、例えばＡＯＢは活性ではないからである。それから、好気性条件においては、アンモニアなどの正味の正電荷のコンタミナントはＡＯＢによって直接的に代謝される。有利には、これは、バイオフィルム表面の外界の液相中においてバイオフィルムに課される物質移動の制約を低減または回避する。

いくつかの実施形態において、上に記載されているバイオフィルム基質は、吸収された流入液コンタミナントの生物取り込みを促進するさまざまな環境条件に暴露される。環境条件は、好気性条件、無酸素条件、もしくは嫌気性条件の１つ、または好気性条件、無酸素条件、および嫌気性条件の１つよりも多くを確立することを包含する。例えば、１つの実施形態においては、嫌気性相において、アンモニアなどの流入液コンタミナントがバイオフィルム基質上に吸収される。バイオフィルムは、無酸素または好気性ゾーンなどのような亜硝酸イオンが液相から利用可能である環境条件に暴露される。かかる条件はアナモックス細菌の増殖を促進する。なぜなら、細菌は、吸収されたコンタミナント（例えばアンモニア）および液相またはバイオフィルム内のＡＯＢ層からの亜硝酸イオンを代謝するからである。

処理の方法

実施形態の第４のセットは汚染水を処理する方法を対象とする。実施形態の第４のセットにおいて、汚染水を処理する方法は、流動性バイオフィルムをバイオリアクターに加えることと、流動性バイオフィルム中の（細菌のような）微生物による１つ以上のコンタミナントの生物化学的な転換のために好適なバイオリアクター内の条件を確立することと、連続的に流れるバイオリアクター流入液をバイオリアクターに加えてバイオリアクター流出液を生成し、バイオリアクター流出液は流動性バイオフィルム、代謝されたコンタミナント、および処理水を包含することと、流動性バイオフィルムの少なくとも一部分をバイオリアクター流出液から単離することと、分離された流動性バイオフィルムをバイオリアクターに返送することとを包含する。単離することは固固分離装置によって達成される。いくつかの実施形態において、単離することはサイクロン式に単離することを包含する。

いくつかの実施形態において、方法は、浮遊増殖物をバイオリアクターに加えることをさらに包含する。いくつかの実施形態において、方法は、好気性条件、無酸素条件、もしくは嫌気性条件の１つまたは好気性条件、無酸素条件、および嫌気性条件の１つよりも多くを、分割型バイオリアクターまたは直列の２つ以上の単段式もしくは分割型バイオリアクター内に確立することを包含する。いくつかの実施形態において、方法は、バイオリアクターの内容を十分に撹拌して、バイオリアクター内の固体の沈澱または浮上を防ぐことをさらに包含する。

いくつかの実施形態において、流動性バイオフィルムを残りのバイオリアクター流出液から単離した後に、方法は、残りのバイオリアクター流出液を分離して二次流出液および下層流を形成することをさらに包含する。他の実施形態において、方法は、流動性バイオフィルムを単離することに先行して、バイオリアクター流出液を分離して二次流出液および下層流を形成することをさらに包含する。いくつかのかかる実施形態において、方法は、下層流を第１の下層流部分と第２の下層流部分とに分割することと、第１の下層流部分をバイオリアクターに返送することと、第２の下層流部分を流動性バイオフィルム部分および残りの固体部分に分離することと、分離された流動性バイオフィルム部分をバイオリアクターに返送することとを包含する。それゆえに、かかる実施形態において、下層流は２つのセグメント、返送活性汚泥と余剰活性汚泥とに分離される。返送活性汚泥はバイオリアクター流入液に搬送される。余剰活性汚泥は固固分離装置に搬送され、流動性バイオフィルムの少なくとも一部分は、バイオリアクター流出液から分離されるのではなく、余剰活性汚泥と呼称される下層流のセグメント中の他の微粒子状物質から分離される。分離された流動性バイオフィルムはバイオリアクターに返送される。

いくつかの実施形態において、方法は、バイオリアクター流出液を第１のバイオリアクター流出液と第２のバイオリアクター流出液とに分けることと、流動性バイオフィルムの少なくとも一部分を第１のバイオリアクター流出液から単離して、単離された流動性バイオフィルムをバイオリアクターに返送することと、第２のバイオリアクター流出液を固液分離装置プロセスにおいて二次流出液と下層流とに分離することと、下層流を返送活性汚泥としてバイオリアクターに返送することとを包含する。

実施形態の第４のセットのいずれかにおいて、バイオリアクターは第１のバイオリアクターであり、バイオリアクター流入液は第１のバイオリアクター流入液であり、方法は、単離されたバイオフィルムを第１のバイオリアクターに返送することに先行して、単離された流動性バイオフィルムを第２のバイオリアクターを通過させることをさらに包含し、さらに、二次バイオリアクター流入液が第２のバイオリアクターに加えられ、第２のバイオリアクター内の条件は第１のバイオリアクター内の条件とは異なる。

図面の詳細な説明

図１は、流動性バイオフィルム１２０を有するバイオリアクター１１０と固固分離装置１３０と固液分離装置１４０とを包含する処理システム１００を示している。バイオリアクター１１０はディフューザ１１２、入口１１４、および出口１１６を包含する。バイオリアクター流入液は入口１１４からバイオリアクター１１０に入り、そこで、ディフューザ１１２を通って流れる空気からもたらされる溶存酸素を原因とする好気性条件にさらされる。流動性バイオフィルム１２０はバイオリアクター１１０内に均等に分布する。バイオリアクター流入液がバイオリアクター１１０を通って通常は入口１１４から出口１１６への方向に流れると、バイオリアクター流入液中に存在する１つ以上のコンタミナントは、ディフューザ１１２を通って流れる空気中の利用可能な溶存酸素とバイオリアクター流入液中の溶存および微粒子状のコンタミナントと流動性バイオフィルム１２０との複合作用による生物化学的な転換プロセスによって、バイオマスおよび他の反応副生成物に変換される。流入液が出口１１６に達すると、バイオリアクター流出液になる。バイオリアクター流出液は、少なくとも、生物化学的な転換プロセスからもたらされる微粒子状物質、他の溶存および微粒子状の材料、処理水、および流動性バイオフィルムを包含し、生物化学的な転換からもたらされる固体物質は、剥離したバイオフィルム断片と、剥離したバイオフィルム断片中に結合および流出液の流れ中に浮遊した有機および無機微粒子状材料とを包含する。

バイオリアクター流出液は固固分離装置１３０に送られる。この実施形態において、固固分離装置１３０は液体サイクロンである。しかしながら、当業者は、他の固固分離装置が限定なしに本明細書の種々の実施形態において同様に有用であるということを認識するであろう。固固分離装置１３０は、分離された流動性バイオフィルムを再導入入口１３４からバイオリアクター１１０に導く第１の出口１３２と、固液分離装置入口１３８に導く第２の出口１３６とを有する。固固分離装置１３０の作用は、第１の出口１３２の流れおよび第２の出口１３６の流れを包含する放出物の分離された流れを提供する。第１の出口１３２の流れは、流動性バイオフィルム１２０とバイオリアクター流出液の残りから実質的に分離された処理水の一部分とを包含する。第１の出口１３２の流れは流動性バイオフィルム１２０を包含し、これはバイオリアクター１１０に、再導入入口１３４からバイオリアクター入口１１４に返送される。第２の出口１３６からの流れは固液分離装置入口１３８を通って固液分離装置１４０に進む。示されている特定の実施形態において、固液分離装置１４０は沈澱池（または二次クラリファイヤ）である。しかしながら、他の固液分離装置が限定なしに本明細書の種々の実施形態に利用されるということは認識されるであろう。固液分離装置１４０は堰１４２、二次流出液出口１４４、および下層流出口１４６を包含する。固固分離装置の第２の出口１３６の流れは固液分離装置１４０に入り、そこで重力が固体物質に作用して、固体が固液分離装置１４０の底へ沈澱することを引き起こし、下層流として公知の濃縮された固体を作り出し、ここで下層流は固液分離装置出口１４６から固液分離装置１４０を出る。固固分離装置出口１３６を通るバイオリアクター流出液の連続的な流れは、二次流出液が堰１４２を越えて通過して二次流出液出口１４４を出ることを引き起こす。出口１４４および１４６を出る二次流出液は、処分または従来の技術を利用する爾後の処理のために単離される。

図２は処理システム１００に類似である処理システム１０１を示しており、ただし処理システム１０１は２つのゾーンに分割される。第１のゾーンは無酸素ゾーン１１５であり、第２のゾーンは好気性ゾーン１１８である。無酸素ゾーン１１５および好気性ゾーン１１８は仕切り壁１１７によって分離されている。無酸素ゾーン１１５は撹拌装置１１９を包含し、ディフューザ１１２の欠如を特徴とする。撹拌装置１１９は流動性バイオフィルム１２０の集塊化および沈澱／浮上を防ぎ、無酸素ゾーン１１５内において大きい表面積を維持し、処理システムを通ってバイオリアクター流出液出口１１６への一貫した流れを保証する。バイオリアクター流入液は入口１１４からバイオリアクター１１０に入り、そこで、ディフューザ１１２から好気性ゾーン１１８に流入する空気によって好気性条件にさらされる。流動性バイオフィルム１２０はバイオリアクター１１０内に均等に分布する。バイオリアクター流入液がバイオリアクター１１０を通って通常はバイオリアクター流入液入口１１４からバイオリアクター流出液出口１１６への方向に流れると、バイオリアクター流入液中に存在する１つ以上のコンタミナントは、無酸素環境と好気性ゾーン１１８においてディフューザ１１２を通って流れる空気中の利用可能な酸素と流動性バイオフィルム１２０と内部再循環の流れ１１３との複合作用による生物化学的な転換プロセスによって、バイオマスおよび他の反応副生成物に変換される。内部再循環の流れ１１３は、さもなければ利用不可能である反応副生成物を搭載した水をバイオリアクター流入液中に搬送する。それによって、それらの反応副生成物、例えば硝酸態／亜硝酸態窒素（ΝΟ_Ｘ−Ν）はバイオリアクター流入液中の有機物質と反応して、酸化された窒素系化合物を汚染水から除去する。流動性バイオフィルム１２０を包含するバイオリアクター流入液が仕切り壁１１７に達すると、仕切り壁１１７を越えて好気性ゾーン１１８に流入する。流入液が連続してバイオリアクター流出液出口１１６へ流れると、バイオリアクター流入液は、さらに、好気性条件下で流動性バイオフィルム１２０中において増殖する細菌の作用による生物化学的な転換プロセスにさらされる。

図３は、バイオリアクター２１０、固液分離装置２４０、および固固分離装置２３０を包含する処理システム２００を示している。バイオリアクター２１０はディフューザ２１２、バイオリアクター流入液入口２１４、およびバイオリアクター流出液出口２１６を包含する。バイオリアクター流入液はバイオリアクター流入液入口２１４からバイオリアクター２１０に入り、そこで、ディフューザ２１２を通って流れる空気によって好気性条件にさらされる。流動性バイオフィルム２２０および浮遊増殖物２１８はバイオリアクター２１０内に実質的に均等に分布する。バイオリアクター流入液がバイオリアクター２１０を通って通常はバイオリアクター流入液入口２１４からバイオリアクター流出液出口２１６への方向に流れると、バイオリアクター流入液中に存在する１つ以上のコンタミナントは、ディフューザ２１２を通って流れる空気中の利用可能な溶存酸素と浮遊増殖物２１８と流動性バイオフィルム２２０との複合作用による生物化学的な転換プロセスによって、バイオマスおよび他の反応副生成物に変換される。バイオリアクター流入液がバイオリアクター流出液出口２１６に達すると、バイオリアクター流出液になる。バイオリアクター流出液出口２１６を出るバイオリアクター流出液は、少なくとも生物化学的な転換からもたらされる固体物質、他の溶存および微粒子状の材料、処理水、浮遊増殖物２１８、および流動性バイオフィルム２２０を包含する。生物化学的な転換からもたらされる固体物質は、処理水中に浮遊した剥離したバイオフィルム断片、浮遊増殖物、有機および無機微粒子状材料、ならびに剥離したバイオフィルム断片および浮遊増殖物中に結合した有機および無機微粒子状材料を包含する。

バイオリアクター流出液はバイオリアクター流出液出口２１６を出て、固液分離装置２４０に入る。この実施形態において、固液分離装置２４０は沈澱池である。しかしながら、当業者は、他の分離装置が限定なしに本明細書の種々の実施形態において同様に有用であるということを認識するであろう。固液分離装置２４０内においては、重力が、剥離したバイオフィルム断片、浮遊増殖物２１８、および流動性バイオフィルム２２０が固液分離装置２４０の底へ沈澱することを引き起こす。濃縮された微粒子状物質は下層流になり、これは固液分離装置出口２４６から固液分離装置２４０を出る。バイオリアクター流出液出口２１６を通るバイオリアクター流出液の連続的な流れは、二次流出液が堰２４２を越えて通過して、二次流出液出口２４４を出ることを引き起こす。二次流出液出口２４４は、処分または従来の技術を利用する他の最終処理のために単離される。

固液分離下層流出口２４６は２つの流れに分けられる。第１の下層流の流れは返送活性汚泥であり、これは返送活性汚泥入口２４８を通ってバイオリアクターに送られる。第２の下層流の流れは固固分離装置２３０に入る。この実施形態において、固固分離装置２３０は液体サイクロンである。しかしながら、当業者は、他の固固分離装置が限定なしに本明細書の種々の実施形態において同様に有用であるということを認識するであろう。固固分離装置２３０は第１の出口２３２を有し、これは、放出物の流れ２３８によって表されているように、余剰活性汚泥が従来の技術を利用する他の最終処理に送られるかまたは処分されることを可能にする。固固分離装置２３０は再導入入口２３５に導く第２の出口２３６をもまた有し、これは分離された流動性バイオフィルムをバイオリアクター２１０に返送する。下層流出口２４６からの下層流の流れに及ぼす固固分離装置２３０の作用は、固液分離装置出口２４６から固液分離装置２４０を出る下層流中に浮遊する浮遊増殖物２１８および他の微粒子状物質から分離されるべき流動性バイオフィルム２２０の目標の密度およびサイズに基づいて、流れを第１の出口２３２の流れと第２の出口２３６の流れとに分離する。固固分離装置の第２の出口２３６の流れは、下層流の残りから実質的に分離された処理水の一部分と流動性バイオフィルム２２０とを含有する。流動性バイオフィルム２２０を含有する固固分離装置の第２の出口２３６の流れは、再導入入口２３５からバイオリアクター２１０に返送される。固固分離装置の第１の出口２３２の流れを通って流れる余剰活性汚泥は、処分または従来の技術を利用する他の最終処理のために単離される。

返送活性汚泥入口２４８からバイオリアクター２１０に返送される、固液分離装置出口２４６を出る下層流の量は、所定の体積流量を維持するように設定されるが、下層流および返送活性汚泥としての体積流量の差異はシステムから放出される余剰活性汚泥の量に基づいて選択されるということは認識されるであろう。

いくつかの実施形態において、図３のバイオリアクターは２つ以上のゾーンに分割される。加えて、いくつかの実施形態において、バイオリアクターは完全混合槽反応器またはその直列として機能する。加えて、いくつかの実施形態において、バイオリアクターは管型反応器またはその直列として機能する。加えて、いくつかの実施形態において、バイオリアクターは回分式反応器またはその直列として機能する。加えて、いくつかの実施形態において、バイオリアクターは、好気性条件の代わりにバイオリアクター（またはバイオリアクターゾーン）内の無酸素または嫌気性条件にさらされる。好気性バイオリアクターは、槽底に固定されたディフューザからの空気の流入を受け取る。それらのディフューザを通って流れる空気は、プロセス要件を満足およびバイオリアクターのバルク液体積中に内容を均等に分布させるために要求される溶存酸素を提供する。嫌気性および無酸素バイオリアクターは、無酸素または嫌気性環境を要求する生物化学的な転換プロセスを重度に妨げるであろう溶存酸素を導入することなしに、バイオリアクターバルク液体積中に内容を均等に分布させるためのプロペラ、インペラなどの撹拌装置を要求する。

図４は、バイオリアクター３１０と固液分離装置３４０と固固分離装置３３０とを包含する処理システム３００を示している。バイオリアクター３１０はディフューザ３１２、バイオリアクター流入液入口３１４、第１のバイオリアクター流出液出口３１６、および第２のバイオリアクター流出液出口３１７を包含する。バイオリアクター流入液はバイオリアクター流入液入口３１４からバイオリアクター３１０に入り、そこでディフューザ３１２による好気性条件にさらされる。流動性バイオフィルム３２０および浮遊増殖物３１８は、バイオリアクター３１０内のバルク液中に実質的に均等に分布する。バイオリアクター流入液がバイオリアクター３１０を通って通常はバイオリアクター流入液入口３１４から第１のバイオリアクター流出液出口３１６への方向に流れると、バイオリアクター流入液中のコンタミナントおよび主要栄養素は、ディフューザ３１２を通って流れる空気によって提供される溶存酸素と流動性バイオフィルム３２０と浮遊増殖物３１８との複合作用によって生物化学的に転換される。バイオリアクター流入液がバイオリアクター流出液出口３１６に達すると、バイオリアクター流出液になる。バイオリアクター流出液出口３１６および３１７を出るバイオリアクター流出液は、少なくとも、バイオリアクター３１０内で起こる生物化学的な転換プロセスからもたらされる微粒子状物質、他の溶存および微粒子状の材料、処理水、浮遊増殖物３１８、および流動性バイオフィルム３２０を包含し、バイオリアクター３１０内で起こる生物化学的な転換プロセスからもたらされる微粒子状物質は、剥離したバイオフィルム断片、浮遊増殖物３１８、ならびにバイオリアクター流出液３１６、３１７中に浮遊および剥離したバイオフィルム断片および浮遊増殖物中に結合した有機および無機微粒子状材料を包含する。

バイオリアクター流出液の第１の部分は第１のバイオリアクター流出液出口３１６を出て、固液分離装置３４０に入る。再び、示されている固液分離装置３４０は沈澱池（または二次クラリファイヤ）であるが、固液分離のための別の装置もまた限定なしに好適に用いられる。固液分離装置３４０内においては、重力が、バイオリアクター流出液の第１の部分が二次流出液と下層流とに分離することを引き起こし、下層流は少なくとも浮遊増殖物３１８および流動性バイオフィルム３２０を包含する。下層流は固液分離装置出口３４６を通って固液分離装置３４０を出て、バイオリアクター流入液入口３１４からバイオリアクター３１０に返送される。第１のバイオリアクター流出液出口３１６からのバイオリアクター流出液は固液分離装置３４０に流入し、二次流出液が堰３４２を越えて通過して二次流出液出口３４４から出ることを引き起こす。二次流出液出口３４４を出る二次流出液は、処分または従来の技術を利用する他の最終処理のために単離される。

バイオリアクター流出液の第２の部分は第２のバイオリアクター流出液出口３１７を出て、固固分離装置３３０に入る。再び、この実施形態において、固固分離装置３３０は液体サイクロンである。しかしながら、当業者は、他の固固分離装置が限定なしに本明細書の種々の実施形態において同様に有用であるということを認識するであろう。第２のバイオリアクター流出液出口３１７がバイオリアクター内において位置するポイントは、汚染水品質および処理目的などの因子に基づいて選択される。いくつかの実施形態において、バイオリアクターは上に記載されている実施形態などの分割型であり、第２のバイオリアクター流出液出口３１７は分割、汚染水品質、および処理目的の性質に基づいて所定のゾーンに位置する。固固分離装置３３０は第１の出口３３２および第２の出口３３６を有する。固固分離装置３３０の作用は、浮遊増殖物および他の微粒子状物質の実質的な部分を包含する固固分離装置放出物を包含する第１の出口３３２と、分離された流動性バイオフィルム３２０の実質的な部分を包含する固固分離装置放出物を包含する第２の出口３３６とを提供する。流動性バイオフィルム３２０は第２の出口３３６において固固分離装置３３０から排出され、再導入入口３３５からバイオリアクター３１０に返送される。再導入入口３３５がバイオリアクター内において位置するポイントは汚染水品質および処理目的などの因子に基づいて選択される。いくつかの実施形態において、バイオリアクターは上に記載されている実施形態などの分割型であり、再導入入口３３５は分割、汚染水品質、および処理目的の性質に基づいて所定のゾーンに位置する。バイオリアクター流出液の第２の部分からの残りの材料は第１の出口３３２において固固分離装置３３０から排出され、処分または従来の技術を利用する他の最終処理のために単離される。

いくつかの実施形態において、バイオリアクター流出液出口３１６および３１７は複合して、分割された単一の出口になっており、リサイクルされる分離された固体対処分される固体の量を制御するために、流れは固固分離装置３３０および固液分離装置３４０内への分岐した経路間で分配される。このシナリオおよび二つ出口のシナリオ両方において、処分される固体廃棄物の量は容易に制御され、一方、流動性バイオフィルム３２０はシステム内において確実かつ制御可能にリサイクルされる。

実質的に本明細書の実施形態のいずれかに記載されるいずれかの構成のシステム内の他の固体から流動性バイオフィルムを分離する際の固固分離装置の効率は、いずれかの所与の時間においてシステム内に滞留する粒子の数および具体的な特徴に基づいて約５０％から９９．９９９９％である。いくつかの実施形態において、他の固体から流動性バイオフィルムを分離する際の固固分離装置の効率は、いずれかの所与の時間においてシステム内に滞留する粒子の数に基づいて約６０％から９９．９９９９％、または約７０％から９９．９９９％、または約８０％から９９．９９９％、または約９０％から９９％、または約９５％から９９．９％、または約９８％から９９．９９％である。汚染水処理システム内の他の固体材料から流動性バイオフィルムを分離する際の固液分離装置プロセスおよび固固分離装置の効率が１００％未満であるということの帰結は、流動性バイオフィルムまたは流動性バイオフィルム基質が経時的に交換されなければならないということである。交換の流動性バイオフィルムまたは流動性バイオフィルム基質はシステムに加えられて、損失した流動性バイオフィルムまたは流動性バイオフィルム基質に取って代わる。いくつかの実施形態において、固固分離装置における他の粒子からの流動性バイオフィルム分離の効率は、最適な効率、コスト効果、または他の基準のためにシステム設計者によって選択される。

いくつかの実施形態においては交換の粒子が加えられて、二次流出液または汚染水処理システムから損失もしくは分離する他の部分によってシステムを出る損失した流動性バイオフィルムを補充する。流動性バイオフィルムまたは流動性バイオフィルム基質を交換する必要性に影響する他の因子は、基質の物理的損傷、生分解、化学的分解、またはさもなければ摩損を包含する。いくつかの実施形態において、流動性バイオフィルム基質は、（汚染水処理システムからの）流動性バイオフィルム摩損の速度に等しい速度で汚染水処理システムに連続的に加えられる。他の実施形態において、流動性バイオフィルム基質は定期的に、すなわち回分式に加えられる。定期的な追加は、複数の実施形態において、汚染水処理システムの性能低下をもたらさない間隔で実施される。このようにして、システムは常にかつ一貫して処理目的を満たすことができる。さらに他の実施形態において、バイオリアクターは第１のバイオリアクターであり、流動性バイオフィルム基質の追加の部分が、流動性バイオフィルムの増殖を促進する第２のバイオリアクター内の増殖条件にさらされる。第２のバイオリアクター内の流動性バイオフィルムは汚染水処理システムの処理目的を満たす能力がある。第２のバイオリアクター内の流動性バイオフィルムは、複数の実施形態において、流動性バイオフィルム摩損の速度に等しい速度で第１のバイオリアクター（すなわち、汚染水処理システム）に送られる。

上に記載されている処理システムに関連して好適に利用される追加の実施形態は、固固分離装置出口または複数の出口のすぐ下流に配置された二次バイオリアクターまたは複数のバイオリアクターを用いることを包含する。例えば、図１〜４に示されている実施形態のいずれかにおいて、バイオリアクターは第１のバイオリアクターであり、第２のバイオリアクターが、例えば図１もしくは２の再導入入口１３４に合わせて、または図３の再導入入口２３５に合わせて、または図４の再導入入口３３５に合わせて好適に配置される。固固分離装置出口（単数または複数）および第１のバイオリアクターの間に第２のバイオリアクターを組み込むことによって、一次バイオリアクター流入液の流れとは異なる特徴を有する廃棄物の流れが第２のバイオリアクターにフィードされ得、第２のバイオリアクターは、（細菌のような）特定の微生物または微生物の群を増殖させるように特有に確立された環境条件を有する。それから、（細菌のような）この特定の微生物または微生物の群は、二次バイオリアクターにフィードおよび／または第１のバイオリアクターにフィードされようとする汚染水の流れの処理に用いられて、さもなければ第１のバイオリアクターのみでは可能でないであろう汚染水処理の仕組みを達成する。いくつかの実施形態において、（細菌のような）特定の微生物または微生物の群は好気性、無酸素、または嫌気性環境において増殖する。他の実施形態において、それは、周期的な好気性および嫌気性条件などの交互する環境を所定の期間要求する。

１つのかかる実施形態においては、嫌気性アンモニア酸化またはアナモックス細菌が、上の第１、第２、または第３の実施形態に記載されている汚染水処理システムに合わせて配置される二次バイオリアクター内で利用される流動性バイオフィルムを蓄積し得る。アナモックス細菌は、硝化バイオフィルムおよび活性汚泥プロセスにおいて見いだされる一般的な細菌種である亜硝酸酸化細菌またはＮＯＢを蓄積する汚染水処理システム内には蓄積しないであろう。適当な固固分離装置寸法と対になった、適切に選択された粒径および密度を有する流動性バイオフィルムの使用が、流動性バイオフィルムと複合した浮遊増殖物を有するバイオリアクターからの放出物を受け取るように有用につながり、浮遊増殖物不含の流動性バイオフィルムを二次バイオリアクターに送達して、アナモックス細菌などの（細菌のような）特定の微生物または微生物の群の蓄積を促進する能力があるということは本発明の利点である。このようにして、有機廃棄物および窒素系化合物両方によって汚染された水の流れを処理する能力があるコンパクトで効率的なシステムが提供される。

図５は、図４として例示されている処理システムを、再導入入口３３５に合わせて固固分離装置３３０の第２の出口３３６（これは、分離された流動性バイオフィルムを含有する）およびバイオリアクター３１０（これは、図５の実施形態において第１のバイオリアクター３１０である）と流体連通して配置された第２のバイオリアクター３５０の追加と共に示している。第２のバイオリアクター３５０は流動性バイオフィルム３２０、撹拌装置３５２、第１の入口３５４、第２の入口３５６、および出口３５８を包含する。第２のバイオリアクター３５０は浮遊増殖物３１８の実質的不在を特徴とする。プロセスの酸素要件およびバイオリアクター内における流動性バイオフィルムの実質的に均等な分布は撹拌装置／曝気装置３５２によって達成される。二次流入液は、バイオリアクター流入液入口３１４から第１のバイオリアクター３１０に入る一次バイオリアクター流入液の速度よりも大きいか、それと同じであるか、またはそれよりも小さい速度で、第１の入口３５４から第２のバイオリアクターに流入する。二次流入液のソースは、バイオリアクター流入液入口３１４から第１のバイオリアクター３１０に入るバイオリアクター流入液のソースと同じ流入液ソースであるか、または異なる流入液ソースである。流動性バイオフィルム３２０は固固分離装置３３０の第２の出口３３６から第２の入口３５６を通って第２のバイオリアクター３５０に入る。二次バイオリアクター流入液は、流動性バイオフィルム３２０の存在下において好気性、無酸素、嫌気性、または周期的条件にさらされる。流動性バイオフィルム３２０は曝気装置／撹拌装置３５２によって第２のバイオリアクター３５０内に実質的に一様に分布する。二次バイオリアクター流入液が第２のバイオリアクター３５０を通って通常は第１の入口３５６から出口３５８への方向に流れると、二次バイオリアクター流入液は、第２のバイオリアクター３５０内において支持される生物化学的な転換プロセスに続いて二次バイオリアクター流出液になる。流動性バイオフィルム３２０を含有する二次バイオリアクター流出液は、再導入入口３３５から第１のバイオリアクター３１０に再導入される。

代替的には、上に示されている図５において、再導入入口３３５の位置は流入液の流れの特性および最終的な処理目的に基づいて選択される。それゆえに、例えばいくつかの実施形態においては、再導入入口３３５は、直接的にバイオリアクター３１０とではなくバイオリアクター流入液入口３１４と流体接続して好適に配される。再導入入口３３５の種々の位置が、本開示において利用されるシステムの範囲内においてさらに想定される。

図５の別の代替において、バイオリアクター３１０は２つ以上のゾーンに分割され、再導入入口３３５の位置は、処理目的、汚染水品質、および当業者によって想定され得る他の問題点に基づいてゾーンの１つに流入するように選択される。

図５において、第２のバイオリアクター流入液は、ユーザによって選択された好気性、無酸素、および／もしくは嫌気性条件、または周期的な好気性〜無酸素条件にさらされる。例えば、いくつかの実施形態において、第２のバイオリアクターは、非常に低い溶存酸素濃度を維持するためのディフューザとバイオリアクター内の全ての固体の実質的に一様な分布を保証するための撹拌装置とを両方包含する。

図６は図５の別の代替的な実施形態を示している。図６においては、第２のバイオリアクター３５１が、固固分離装置３３０のすぐ下流において、再導入入口３３５に合わせて固固分離装置の第２の出口３３６（これは、分離された流動性バイオフィルムを送る）と流体連通して配置され、最終的には、その内容を第１のバイオリアクター３１０に転送する。第２のバイオリアクター３５１の内容が再導入入口３３５から第１のバイオリアクター３１０に導入されるポイントは、処理目的、汚染水品質、および当業者によって想定され得る他の問題点によって決定される。第２のバイオリアクター３５１は流動性バイオフィルム３２０、曝気装置／撹拌装置３５２、第１の入口３５６、第２の入口３５３、および出口３５８を包含する。第２のバイオリアクター３５１は実質的な浮遊増殖物３１８の不在を特徴とする。二次バイオリアクター流入液のソースは、バイオリアクター流入液入口３１４から第１のバイオリアクター３１０に入るバイオリアクター流入液の速度よりも大きいか、それと同じであるか、またはそれよりも小さい速度で第１の入口３５３から入る。二次流入液のソースは、バイオリアクター流入液入口３１４からバイオリアクター３１０に入るバイオリアクター流入液のソースと同じ流入液ソースであるか、または異なる流入液ソースである。流動性バイオフィルム３２０は固固分離装置の第１の出口３３６から第１の入口３５６を通って第２のバイオリアクター３５１に入る。二次バイオリアクター流入液は、第２のバイオリアクター３５１内に実質的に一様に分布する流動性バイオフィルム３２０の存在下において好気性、無酸素、および／または嫌気性条件にさらされる。二次バイオリアクター流入液が第２のバイオリアクター３５１を通って通常は第１の入口３５６から出口３５８への方向に流れると、流入液は、第２のバイオリアクター３５１内において支持される生物化学的な転換プロセスによって二次バイオリアクター流出液になる。流動性バイオフィルム３２０を含有する二次バイオリアクター流出液は、再導入入口３３５から第１のバイオリアクター３１０に再導入される。

図６の代替的な実施形態において、第１のバイオリアクター３１０は分割型である。かかる実施形態において、第２のバイオリアクター３５１の内容が再導入入口３３５から第１のバイオリアクター３１０に導入されるゾーンは、処理目的、汚染水品質、および当業者によって想定される他の問題点によって決定される。

図６は、固固分離装置の第２の出口３３２と流体連通して固固分離装置３３０の下流に位置する第３のバイオリアクター３６１をさらに示しており、これは浮遊増殖物３１８および他の微粒子状材料を包含するが、流動性バイオフィルム３２０からは実質的に分離されている。第３のバイオリアクター３６１は浮遊増殖物３１８’、曝気装置／撹拌装置３６２、第１の入口３６４、第２の入口３６３、および出口３６８を包含する。浮遊増殖物３１８’は、第３のバイオリアクター３６１内の環境条件に応じて浮遊増殖物３１８と同じであるかまたは異なる。第３のバイオリアクター３６１は、その中に配された流動性バイオフィルムの実質的な不在を特徴とする。三次バイオリアクター流入液のソースは、第１のバイオリアクター３１０に入る一次バイオリアクター流入液の速度よりも大きいか、それと同じであるか、またはそれよりも小さい選択された速度で、第２の入口３６３から入る。第３のバイオリアクターの第２の入口３６３を通って流れる三次流入液のソースは、第１のバイオリアクター３１０に入る一次流入液のソースと同じであるか、または第２のバイオリアクター３５１に入る二次バイオリアクター流入液のソースと同じであるか、または、一次もしくは二次流入液のソースいずれとも異なる流入液ソースである。

浮遊増殖物３１８’は固固分離装置の第２の出口３３２から第１の入口３６４を通って第３のバイオリアクター３６１に入る。第３のバイオリアクター流入液もまた、二次バイオリアクター３６１内に実質的に一様に分布する浮遊増殖物の存在下において、選択された好気性、無酸素、および／または嫌気性条件（例えば、静的なまたは周期的な好気性〜無酸素の条件）にさらされる。それゆえに、いくつかの実施形態においては、酸素のソースがさらに第３のバイオリアクター３６１内に提供される。三次バイオリアクター流入液が第３のバイオリアクター３６１を通って通常は第１の入口３６４から出口３６８への方向に流れると、三次流入液は、第３のバイオリアクター３６１内において支持される生物化学的な転換プロセスによって三次バイオリアクター流出液になる。浮遊増殖物３１８’を含有する三次バイオリアクター流出液は処分されるか、または浮遊増殖物出口３６６に隣接する公知技術による固体取り扱い設備に搬送される。

図６によって例示される代替的な実施形態の例の応用は、例えばＵ．Ｓ．特許Ｎｏ．７，６０４，７４０に記載されているプロセスに関連して有用であり、汚泥処理に先行するリンおよびマグネシウムの選択的な放出が、揮発性脂肪酸に富んだ特徴的な流れ（この実施形態においては、第３のバイオリアクター３６１の第２の入口３６３によって提供される）を有することによって実施される。第３のバイオリアクター入口３６４は固固分離装置の第２の出口３３２から浮遊増殖物を受け取り、これは浮遊増殖物３１８、他の微粒子状材料を含有し、実質的に流動性バイオフィルム不含である。この例の実施形態においては、第３のバイオリアクター３６１が嫌気性条件において動作し、浮遊増殖物３１８’が、その中の内在性の呼吸または代謝プロセスの結果として、内部のマグネシウムおよびリン貯蔵リザーバをバイオリアクター３６１内に放出する。それゆえに、出口３６８から第３のバイオリアクター３６１を出る放出物は、上昇したリンおよびマグネシウムの濃度を特徴とする。余剰活性汚泥出口３６６の残りの過剰なリンおよびマグネシウムは、無機栄養素生成物として第３のバイオリアクター３６１内に放出されるマグネシウムおよび／もしくはリンを回収するための方法にかけられるか、または排水および／もしくは汚泥処理のためにマグネシウムおよび／もしくはリンを要求する生物学的な排水処理装置に加えられ得る。本明細書において実質的に開示されるこのシステムおよび関連システムにおいて、処理目的のためにマグネシウムおよびリンを要求するいずれかの汚染水処理方法が、かかる第３のバイオリアクターの包含によって利するであろうということは認識されるであろう。

当業者は、特化した処理シナリオのために誂えられた追加の特化したバイオリアクターおよび処理システムを包含する他の特化したシステムおよびその変形が、本明細書に記載される他の実施形態のいずれかに関連して示されている一般的な原理を利用して容易に実装されるということを認識するであろう。例えば、複数の実施形態においては、複数の流動性バイオフィルム系バイオリアクターが、流入液および／または流出液の流れの適切な分岐によって単一の処理システム内に流体接続して実装される。別の例において、二次バイオリアクターは第２の好気性バイオリアクターである。さらに別の例において、図５のバイオリアクター３１０は嫌気性バイオリアクターであり、二次バイオリアクター３５０は好気性バイオリアクターである。当業者は多くの追加の例を容易に想定し得る。

本明細書において例示的に開示される発明は、本明細書において具体的に開示されていないいずれかの要素の不在下において好適に実施され得る。本発明が種々の改変および代替的な形態を許す一方で、その細部が例として示されており、詳細に記載されている。しかしながら、本発明が記載されている特定の実施形態に限定されないということは理解されるべきである。むしろ、意図は本発明の趣旨および範囲に属する改変、均等物、および代替をカバーすることである。加えて、本明細書に記載される本発明のいかなる実施形態も、単独で、または本明細書に記載されるいずれかの他の実施形態、ならびに本発明の趣旨および範囲に属するその改変、均等物、および代替と組み合わせてのいずれかで用いられることが意図されている。

種々の実施形態において、本発明は、本明細書に記載および請求項に従って請求される要素を好適に含み、それらから本質的になり、またはそれらからなる。

１００ 処理システム
１０１ 処理システム
１１０ バイオリアクター
１１２ ディフューザ
１１３ 内部再循環の流れ
１１４ （バイオリアクター）入口
１１５ 無酸素ゾーン
１１６ （バイオリアクター）出口
１１７ 仕切り壁
１１８ 好気性ゾーン
１１９ 撹拌装置
１２０ 流動性バイオフィルム
１３０ 固固分離装置
１３２ （固固分離装置の）第１の出口
１３４ 再導入入口
１３６ （固固分離装置の）第２の出口
１３８ 固液分離装置入口
１４０ 固液分離装置
１４２ 堰
１４４ （二次流出液）出口
１４６ （下層流）出口
２００ 処理システム
２１０ バイオリアクター
２１２ ディフューザ
２１４ （バイオリアクター）入口
２１６ （バイオリアクター）出口
２１８ 浮遊増殖物
２２０ 流動性バイオフィルム
２３０ 固固分離装置
２３２ （固固分離装置の第１の）出口
２３５ 再導入入口
２３６ （固固分離装置の）第２の出口
２３８ 放出物の流れ
２４０ 固液分離装置
２４２ 堰
２４４ 二次流出液出口
２４６ （固液分離）下層流出口
２４８ 返送活性汚泥入口
３００ 処理システム
３１０ バイオリアクターまたは第１のバイオリアクター
３１２ ディフューザ
３１４ バイオリアクター流入液入口
３１６ 第１のバイオリアクター流出液出口
３１７ 第２のバイオリアクター流出液出口
３１８ 浮遊増殖物
３１８’ 浮遊増殖物
３２０ 流動性バイオフィルム
３３０ 固固分離装置
３３２ （固固分離装置の）第１の出口
３３５ 再導入入口
３３６ （固固分離装置の）第２の出口
３４０ 固液分離装置
３４２ 堰
３４４ 二次流出液出口
３４６ 固液分離装置（下層流）出口
３５０ 第２のバイオリアクター
３５１ 第２のバイオリアクター
３５２ 撹拌装置／曝気装置
３５３ 第１の入口、第２の入口
３５４ 第１の入口
３５６ 第１の入口、第２の入口
３５８ （第２のバイオリアクターの）出口
３６１ 第３のバイオリアクター
３６２ 曝気装置／撹拌装置
３６３ （第３のバイオリアクターの）第２の入口
３６４ （第３のバイオリアクター）入口
３６６ 浮遊増殖物出口または余剰活性汚泥出口
３６８ （第３のバイオリアクター）出口

Claims (33)

1. １つ以上のコンタミナントを有する第１のバイオリアクター流入液を受け取るように適合した入口と、流動性バイオフィルムを含むバイオリアクター流出液の第２の部分を前記第１のバイオリアクターから排出するように適合した第１のバイオリアクター流出液第２の出口と、を含む第１のバイオリアクター、
   前記第１のバイオリアクターからのバイオリアクター流出液の前記第２の部分を受け取って、流動性バイオフィルムを含む流れと残留固体を含む流れとに分離するように適合しており、前記第１のバイオリアクターの前記第１のバイオリアクター流出液第２の出口と流体連通した固固分離装置であって、前記流動性バイオフィルムを含む前記流れを前記第１のバイオリアクターに返送するための出口を含む固固分離装置、および
   前記第１のバイオリアクターおよび前記固固分離装置の前記出口の間に流体連通して配された第２のバイオリアクターであって、前記固固分離装置からの流動性バイオフィルムを含む前記流れを受け取るための第１の入口と、第２のバイオリアクター流入液を受け取るための第２の入口と、第２の流出液を前記第１のバイオリアクターへ排出するための出口と、を有する第２のバイオリアクター、
   を含む、処理システム。
2. 前記第１のバイオリアクターが好気性条件、無酸素条件、嫌気性条件、またはその２つ以上の組み合わせを含む、請求項１に記載の処理システム。
3. 第１のバイオリアクター流出液第１の出口と流体連通した固液分離装置であって、バイオリアクター流出液の第１の部分を前記第１のバイオリアクターから受け取って、前記第１のバイオリアクターからのバイオリアクター流出液の前記第１の部分を固液分離装置流出液と固液分離装置下層流とに分離するように適合した固液分離装置をさらに含む、請求項１に記載の処理システム。
4. 前記第１のバイオリアクター流出液第２の出口および前記固固分離装置の間に流体連通した固液分離装置をさらに含み、
   前記固液分離装置は、前記第１のバイオリアクターからのバイオリアクター流出液の前記第２の部分を受け取って固液分離装置流出液部分と固液分離装置下層流部分とに分離するように適合しており、
   前記固固分離装置は、前記固液分離装置下層流部分の少なくとも一部分を受け取って分離するように適合している、
   請求項１に記載の処理システム。
5. 前記固液分離装置下層流部分が第１の下層流部分と第２の下層流部分とに分けられ、
   前記第１の下層流部分が前記第１のバイオリアクターに返送され、前記第２の下層流部分が前記固固分離装置に送られる、
   請求項４に記載の処理システム。
6. 第１のバイオリアクター流出液第１の出口と流体連通しており、前記第１のバイオリアクターからのバイオリアクター流出液の第１の部分を受け取って固液分離装置流出液部分と固液分離装置下層流部分とに分離し、前記固液分離装置下層流部分を前記第１のバイオリアクターに送るように適合している固液分離装置をさらに含む、請求項１に記載の処理システム。
7. 前記固固分離装置が液体サイクロンを含む、請求項１に記載の処理システム。
8. 前記固固分離装置が、前記第１のバイオリアクターからバイオリアクター流出液の前記第２の部分を受け取るための入口と、残留固体を含む前記流れを排出するための第２の出口とを有する、請求項１に記載の処理システム。
9. 前記流動性バイオフィルムがリグノセルロース系粒子、生物グラニュール、またはその組み合わせを含む、請求項１に記載処理システム。
10. 前記流動性バイオフィルムが、流入液コンタミナントの吸収を促進する特徴を含む、請求項１に記載の処理システム。
11. 前記特徴が正味の負電荷である、請求項１０に記載の処理システム。
12. 前記流入液コンタミナントが正味の正電荷を有する、請求項１１に記載の処理システム。
13. 前記流入液コンタミナントがアンモニアである、請求項１２に記載の処理システム。
14. 前記第１のバイオリアクターが好気性条件、無酸素条件、嫌気性条件、またはその２つ以上の組み合わせを含む、請求項１０に記載の処理システム。
15. 前記流動性バイオフィルムを含む前記流れが、前記固固分離装置によって受け取られる前記第１のバイオリアクターからのバイオリアクター流出液の前記第２の部分中に存在する前記流動性バイオフィルムの５０％から１００％を含む、請求項１に記載の処理システム。
16. 前記第１のバイオリアクター流入液および前記第２のバイオリアクター流入液が異なる、請求項１に記載の処理システム。
17. 前記第２のバイオリアクターが好気性条件、無酸素条件、嫌気性条件、またはその２つ以上の組み合わせを含む、請求項１に記載の処理システム。
18. 残留固体を含む前記流れを前記固固分離装置から受け取るように適合した第３のバイオリアクターをさらに含み、
    前記第３のバイオリアクターが、残留固体を含む前記流れを前記固固分離装置から受け取るための第１の入口と、第３のバイオリアクター流入液を受け取るための第２の入口と、第３の流出液を排出するための出口とを有する、
    請求項１に記載の処理システム。
19. 前記第３のバイオリアクター流入液が前記第１および第２のバイオリアクター流入液とは異なる、請求項１８に記載の処理システム。
20. 汚染水を処理する方法であって、
    前記方法が、
    （ａ）第１のバイオリアクター流入液および流動性バイオフィルムを第１のバイオリアクターに加えることと、
    （ｂ）前記流動性バイオフィルムが前記第１のバイオリアクター流入液中の１つ以上のコンタミナントを生物化学的に転換するために好適な条件を提供して、少なくとも前記流動性バイオフィルムと水と残留固体物質とを含む第１のバイオリアクター流出液を形成することと、
    （ｃ）前記流動性バイオフィルムの５０％から１００％を前記第１のバイオリアクター流出液の第１の部分から単離して、単離された流動性バイオフィルムの流れと残留固体の流れとを形成し、前記単離された流動性バイオフィルムの流れを前記第１のバイオリアクターに返送することと、
    （ｄ）前記単離された流動性バイオフィルムの流れを前記第１のバイオリアクターに返送することに先行して、前記単離された流動性バイオフィルムの流れを第２のバイオリアクターに送ることと、
    （ｅ）第２のバイオリアクター流入液を前記第２のバイオリアクターに加えることと、
    （ｆ）前記第１のバイオリアクター流出液の第２の部分から前記水の実質的な部分を分離して、下層流を形成することと、
    を含む、汚染水を処理する方法。
21. （ａ）が、浮遊増殖物を前記第１のバイオリアクターに加えることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記単離することがサイクロン式の単離することである、請求項２０に記載の方法。
23. 前記方法が順序（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）で実施され、
    （ｃ）からの前記残留固体の流れが（ｆ）における流出液の前記第２の部分であり、
    前記下層流を処分することまたは前記下層流をさらなる処理にかけることをさらに含む、
    請求項２０に記載の方法。
24. 前記方法が順序（ａ）、（ｂ）、（ｆ）、（ｃ）で実施され、
    （ｆ）からの前記下層流が（ｃ）における前記流出液の前記第１の部分であり、
    前記残留固体の流れを処分することまたは前記残留固体の流れをさらなる処理にかけることをさらに含む、
    請求項２０に記載の方法。
25. 前記下層流を第１の下層流と第２の下層流とに分割することと、前記第１の下層流を前記第１のバイオリアクターに送ることとをさらに含み、
    前記第２の下層流が（ｃ）における前記流出液の前記第１の部分である、
    請求項２４に記載の方法。
26. （ｃ）および（ｆ）が同時に実施され、
    前記残留固体の流れを処分することまたは前記残留固体の流れをさらなる処理にかけることと、
    前記下層流を前記第１のバイオリアクターに送ることと、
    をさらに含む請求項２０に記載の方法。
27. 前記残留固体の流れを第２のバイオリアクターに送ることと、
    第２の流入液を前記第２のバイオリアクターに加えることと、
    をさらに含む請求項２０に記載の方法。
28. 前記残留固体の流れを第３のバイオリアクターに送ることと、
    第３の流入液を前記第３のバイオリアクターに加えることと、
    をさらに含む請求項２０に記載の方法。
29. 前記固液分離装置が、前記第１のバイオリアクター流出液第１の出口と直接流体連通している、請求項１に記載の処理システム。
30. 前記固固分離装置が、前記第１のバイオリアクター流出液第２の出口と直接流体連通している、請求項１に記載の処理システム。
31. （ｆ）が固液分離装置によって行われる、請求項２０に記載の方法。
32. （ｃ）が固固分離装置によって行われる、請求項２０に記載の方法。
33. 前記第２のバイオリアクターに加えられた前記単離された流動性バイオフィルムの流れが前記第２のバイオリアクター流入液中の１つ以上のコンタミナントを生物化学的に転換するために好適な条件を提供して、前記単離された流動性バイオフィルムを含む第２のバイオリアクター流出液を形成することと、
    前記第２のバイオリアクター流出液を前記第１のバイオリアクターへ送達することと、
    をさらに含む請求項２０に記載の方法。

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