JPH06505159A - 生物学的反応方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、生物学的反応方法およびそのような方法で使用するバイオリアクター に関する。

セルマス（ｃｅｌｌ　ｍａｓｓ）またはバイオマスの製造のために、ならびに代 謝産物の生成および生物学的転換のために、生物学的反応方法が使用される。本 発明は、特に、該方法において使用される微生物がサポート（担持）媒体に吸着 または固定化されるそのような方法に関する。

生物学的反応方法は、下水、工業流出物および表面水の処理におけるように、溶 解したまたはコロイド状の汚染栄養分を、セルマスに転化することを包含する。

簡潔および好都合のために、下水または工業流出物の汚染能力を実質的に減少す るかまたは無くするように、下水または工業流出物のような液体供給原料を処理 するセルマスを製造および利用することを含んでなる生物学的反応方法に関して 、本発明を説明する。しかしながら、本発明が、下水または工業流出物の処理に 限定されず、本発明を他の供給原料に適用してもよ（、本方法で使用される微生 物をサポート媒体上に吸着または固定化または他の形態で担持する他の生物学的 反応方法に本発明を適用してもよいことを理解していただきたい。微生物（例え ば、バクテリア、菌類、藻類および原生動物）が、下水、および下水中に存在し てもよい消化栄養分から誘導されることが好ましい。この栄養分は、炭質材料を 含んでいてよ（、固形形状または溶解形状であってよく、生物学的酸素要求量（ ＢＯＤ）および化学的酸素要求量（ＣＯＤ）として定量可能である。生物学的反 応方法は、ナイトレートへの転化により下水から窒素を取り除くために、使用で きる。

！二箆！ 下水を処理する従来技術の生物学的反応方法には、所定容量の下水を処理するの に要する時間および必要な資源の量に関して効率が、種々の程度で低いという欠 点がある。

下水を処理する既知の生物学的反応方法の効率を増加する試みが、反応容器へ呼 吸空気を分布する手段；チャネリングを防止するためおよびサポート媒体を通過 する空気および液体のより大きい流動を導入するためのサポート媒体を再配向す る技術：サポート媒体の性質；ならびに系への空気および液体のデイリバリー速 度を制御する方法を包含するこれら種類の反応方法の種々のパラメーターに集ま っている。

例えば、オーストラリア国特許明細書第５２８，７６０号には、水中に入れられ た固定された粒状床を通過して下方向にパーコレートすることによって汚水をき れいにするプロセスを開示している。酸素化されたガスが床の中間レベルから、 上方向に供給され、処理された水が床の底から放出される。処理すべき水の流動 および酸素化されたガスの流動は、特定の数学的関係を満足するように調節され る。

オーストラリア国特許明細書第５２８，７６０号に記載されているプロセスにお いて、効果的な操作のために重要なパラメーターは、微生物に供給される酸素の 容量および粒状床で処理される水の流量であると記載されている。これら２つの パラメーターの中で、水の溶解酸素含量の調節は、プロセスを最適速度に維持す るのに重要なものである。

このプロセスによって許容できる結果を達成するために、オゾンによる前酸化お よび砂による濾過を包含する幾つかの前処理および後処理を行うことが必要であ る。

オーストラリア国特許明細書第５２８，７６０号に記載されているプロセスは、 Ｂａｒｒ　Ｋ、　Ｇ、によりジャーナルＷａｔｅｒ（１９８８年３月）に記載さ れている論文に記載されている。そのプロセスにおいて、水流動／酸素化ガス流 動の数学的関係が、高い負荷速度または低い水圧保持時間を可能にするように、 粒状床でのバイオマス成長の高い濃度を達成する。

下水または汚水を処理する従来技術のプロセスは、生物学的反応方法の基本的性 質に関して数多くのことを当然のこととしている。オーストラリア国特許明細書 第５２８，７６０号をものを包含する全てのこれら従来技術のプロセスは、所望 生成物への栄養分の転化の高い速度を達成するために大きなバイオフィルム密度 を得るように、多量の微生物を必要であることを当然のこととしている。

微生物種の環境的要求（例えば、系の全ての部分に対する溶解酸素の最適濃度） および栄養分がプロセスの効果的な操作において格別な役割を果たすことを当然 のこととしている。

既知の生物学的反応方法の種々の要素が、効果的な操作および最も高い転化速度 になると考えられる多量のバイオフィルムに対する要望に基づいて、研究されて いる。

特に、従来技術のプロセスは、主として、バイオフィルム量を増加する手段を見 つけることを意図していた。

これら研究から生じる改良プロセスは、より首尾良いプロセスが操作の初期段階 のみにおける高い効率を示す程度に種々の程度で成功している。

しかし、現在までの改良は、これら従来技術プロセスが、長期間にわたって高い 効率レベルを維持できるようになっていない。効率は徐々に低下し、プロセスの 初期の効率を回復するためにパックウオツシング（逆流操作）、クリーニング、 メンテナンスおよび他の工程を必要とするようにプラントが操業休止するような 許容できないレベルにまで低下する。

効率が低下する理由は、系を目詰まりさせてプロセス容器またはバイオリアクタ ーににおける悪いチャネリング効果を導くプロセスにより形成される過剰に多量 のバイオフィルムまたは厚いバイオフィルムに原因していると考えられる。

本出願人による研究によれば、驚くべきことに、長時間にわたる厚いバイオフィ ルムの妨害されない成長が、最も高い転化速度を与えずに、生物学的反応方法に おけるより大きな非効率性を与えることが示された。

本発明者は、栄養分の最も高い転化速度およびプロセスの非常に効率的な操作が 、従来技術、特にオーストラリア国特許第５２８．７６０号で行われるよりも頻 繁に、バイオフィルムの成長を妨害することによって達成されること、およびサ ポート媒体のために選択された粒子が最適の寸法を有する限りこの高い効率が、 均一に多量のバイオフィルムのために維持されることを見い出した。

本発明の目的は、微生物への栄養分の物質輸送速度を、できる限り高い値に保つ ことにある。このことは、プロセス容器またはバイオリアクターを通過する空気 および栄養分のチャンネリングの有害な影響を最小にすることによって大いに達 成される。

本発明の物質輸送システムは、液体供給原料からバイオフィルムへの溶解酸素お よび他の栄養分の移動、ならびに生物学的反応方法の生成物の除去を包含してい る。本方法は次のように定義される：栄養分　十　セルマス（微生物）　＝ セルマス　十　Ｃｏ、＋　Ｈ，Ｏ＋　代謝産物（生成物）栄養分の高い物質輸送 速度は、サポート粒子の床を***させるために、かつ代謝的に能力のあるセルマ スから遠ざけて栄養分のチャネリングに導くであろう床における固形物の極在し た目詰まりを除去するために、バイオリアクターを通過する空気の周期的なパル スを供給することによって達成される。

周期的なパルスは、サポート粒子の床を***させるのに充分な破壊性質を有する ことが好ましい。

栄養分の高い物質輸送速度の達成は、最適寸法を有する床中におけるサポート粒 子を準備することによって助けられる。サポート粒子の有効寸法が小さければ小 さいほど、微生物の付着および成長のための金床表面積が大きくなり、従って、 得られるバイオフィルムの表面積が大きくなる。しかし、より小さいサポート粒 子の蓄積は、より大きいサポート粒子での蓄積よりも小さい、粒子間の空隙を形 成するので、隣接する小さい寸法の粒子にかかるブリッジを形成するというノく イオフイルム成長の可能性が高くなり、代謝的に能力のあるセルマスの有効表面 積が低下するという影響がある。本発明におけるプロセス容器を通過する空気に よる、より頻繁な周期的パルスによって、これらブリ・ツジカ（除去され、代謝 釣書；能力のあるセルマスの高い有効表面積が得られる。

加えて、パルスは、床中の固形物の滞留時間を制御するように頻繁；二生じる。

発明の要旨 本発明によれば、粒状物の床に担持された微生物のバイオフィルムへの、液体供 給原料流れの中に含まれている栄養分の高１．Ｘ物質輸送速度を維持する方法で あって、 バイオフィルム成長を支持するように、液体供給原料流れの連続で均一な流動お よび呼吸空気の逆方向流れを）くイオフイルム番二おける微生物１こ供給し、ノ くイオフイルムから微生物を発散させる（ｓｈｅｄ）の３＝充分な圧力で、およ び床を通過する液体供給原料流れの優先的チャンネリングを防止しおよび／また （ま粒状物の床を***させ再配列するのに充分な間隔で、床番二空気を周期的１ ニノでパルスすることを特徴とする方法が提供される。

周期的パルスよりも少ない頻度で床をｌくツクウオツシング（逆流操作）するこ とによってプロセスを中断することが好ましＬＸ０本発明は、さらに、液体供給 原料流れから栄養分ＢＯＤ　（生物学的酸素要求量）およびＣＯＤ　（化学的酸 素要求量）を除去するため１こ液体供給原料流れを処理するバイオリアクターで あって、 （ｉ）栄養分ＢＯＤおよびＣＯＤを除去する微生物のノくイオフイルムを成長さ せる粒状物の床を有する容器、 （ｉｔ）床を通過して下方向に液体供給原料流れを通す手段、および（ｆｆｌ） 床を通過して上方向にパルス空気を流れおよび呼吸空気の連続で均一な流れを通 す手段 を有してなるバイオリアクターを提供する。

床を通過して空気を通す手段は、空気が床に通る前；；位置する、間隔を置（Ｘ て離れている複数の多孔質チューブを有することが好ましく１゜多孔質チューブ は微孔質ポリエチレンからできてもＡることが好まし０゜粒状物は、石炭、活性 炭、無煙炭、ゼオライト、または微生物を担持てきる他の不活性粒状物であって よい。

粒状物は、１．５の均等係数を有する有効寸法２．３〜２．５ｍｍのいずれかの 石炭質であってよい。粒状物の床は、固定されるかまたは流動化されて、プロセ スの操作中において水中に浸される。

本方法に適した微生物は、下水中で自然に生じるものか、あるいは処理すべき工 業排水中に存在するものであってよい。プロセスの流れには、要すれば、微生物 を植え付けてよい。しかし、この種の植え付けは、本発明の方法の高い操作効率 を達成するためには、必要ではないことが多い。

呼吸空気がバイオリアクターに入る圧力は、限定されないが、好ましくは２０〜 ７ＱｋＰａであり、経済的手順で呼吸空気条件を与える。

本発明の方法は、サポート床の流動化と同流れで操作してよい。この操作モード において、液体および空気の圧力は、必要な程度にサポート媒体を流動化するの に充分でなければならず、一般に７０ｋＰａよりも高い。

処理すべき液体中に溶解する栄養分などの物質の量は、／＜ルス間隔および必要 なパルスの圧力に影響するのと同程度に、本発明の方法の操作において重要なフ ァクターである。処理すべき液体の種々の流動速度は、著しく本方法に影響する ことはない。

パルスは、床サポート粒子を撹拌し再配列し、従って、サポート粒子およびｌく イオマスのチャネリングおよびクランピングを防止する。）くルスは、サポート 粒子からバイオマスを取り出すかあるいは発散させもする。

呼吸空気は、床の粒子間の狭い空間における乱れまたは剪断力を形成し、セルマ スにガス状栄養分を与える。

床サポート粒子の乱れおよび微小の撹拌を増加する、処理すべき液体および呼吸 空気の逆方向流れの組み合わせた効果も存在する。

バイオリアクター容器のパックウオツシングは、プロセスの操作中のノくイオマ ス発散物を除去し、床の頂部に形成されたスラッジを除去する。

パルスは、２０分間〜２時間の間隔で行うことが好ましい。パルスは、１〜８秒 の持続時間で行うことが好ましい。パルスの圧力は、６０＝１２０ｋＰａ、より 好ましくは７０ｋＰａであることが好ましい。パルスの効果は、破壊的性質にあ り、床の急速な***を生じさせる。

バイオリアクターのパックウオツシングは、３〜２４時間の間隔で行うことが好 ましい。パックウオツシングは、３〜７分の持続時間で行うことがさらに好まし い。

パックウオツシングは、生物学的反応方法の操作を停止すること、ならびに均一 におよび穏やかにサポート粒子を持ち上げるのに充分な速度でバイオリアクター 容器の中で液体を上方向にポンプ輸送することを包含する。

液体のポンプ輸送の間、空気のパルスが容器を通過して上方向に送られ、サポー ト粒子からバイオマスを発散させる。より軽い下水固形物および発散バイオマス が容器の頂部に残り、これら固形物および発散バイオマスを含有する液体で排出 される。

本発明の特別な形態において、バイオリアクター容器は、オーストラリア国特許 明細書第５６３，３２１号および第５７６．４２４号に記載されている種類の連 続的な精密濾過ユニットに接続されていてよい。従って、残存固形物および発散 バイオマスが濾過ユニットによりバイオリアクター容器流出液から除去され、流 出液が殺菌される。連続的精密濾過ユニットからのパックウォッシュは、バイオ リアクター供給原料にリサイクルされてよい。

パックウオツシングサイクル中に上方向にポンプ輸送される液体はバイオリアク ターからの流出液であることが好ましい。

図面の簡単な説明 本発明をより容易に理解して実際できるように、添付図面を参照する。

第１図は、本発明の好ましい態様のバイオリアクターの斜視図である。

第２図は、第１図のバイオリアクターの正面図である。

第３図は、第１図のバイオリアクターの側面図である。

第４図は、第２図のバイオリアクターの一部分の矢印ＡＡの方向でとった断面図 である。

第５図は、第２図の矢印ＢＢの方向でとった断面図である。

第６図は、第１図のバイオリアクターのボトム部分の平面図である。

第７図は、第１図のバイオリアクターのボトム部分の正面図である。

第８図は、第７図の矢印ＣＣの方向でとった断面図である。

第９図は、第８Ｆｌ：ｉの矢印ＤＤの方向でとった断面図である。

第１０図は、第１図のバイオリアクターのトップ部分の平面図である。

第１１図は、第１図のバイオリアクターに用いる空気供給ヘッダーの側面図であ る。

第１２図は、第１１図の矢印ＥＥの方向でとつた断面図である。

第１３図は、第１２図の矢印ＦＦの方向でとった断面図である。

第１４図は、第１図のバイオリアクターに用いる液体フローヘッダーの側面図で ある。

第１５図は、第１４図の矢印ＧＧの方向でとった断面図である。

第１６図は、第１５図の矢印ＨＨの方向でとった断面図である。

第１７図は、第１図のバイオリアクターを利用する下水処理プラントの模式的ダ イヤグラムである。

第１８図は、パルス技術を使用しないで操作されるバイオリアクターと比較した 、本発明のパルス供給技術に基づいて操作されるバイオリアクターの場合の時間 対流量のグラフである。

第１９図は、パルス技術を使用しないで操作されるバイオリアクターと比較した 、本発明のパルス供給技術に基づいて操作されるバイオリアクターの場合の時間 対懸濁固形分濃度のグラフである。

第２０図は、本発明の原理に基づいてバイオリアクターにパルスを加えた後の懸 濁固形分濃度の時間プロフィールのグラフである。

第２１図は、本発明のパルス技術に基づいて操作されるバイオリアクターの場合 のＣＯＤ負荷流量に対する流出液ＣＯＤのグラフである。

第２２図は、パルス技術を使用しないで操作されるバイオリアクターと比較した 、本発明のパルス供給技術に基づいて操作されるバイオリアクターの場合の時間 に対する流出液ＣＯＤのグラフである。

好ましい態様の説明 第１図、第２図および第３図に示すバイオリアクター１０は、前方壁１２．２つ の同じ側壁１３および１４ならびに前方壁と同じ後方壁（図示せず）を有する矩 形の角柱形状のベッセル１１を含む。凸壁は一連の補剛フランジ１６を有する。

ベッセル１１の断面積は、この例では、約２０平方メートルである。

ベッセル１１は、その内部を目視により監視するために覗きガラス（ｓｉｇｈｔ 　ｇｌａｓｓ）　１７ならびに前壁、側壁および後壁にリフトビーム（ｌｉｆｔ ｉｎｇ　ｂｅａｍ）　１８を有する。

バイオリアクターｌＯの通常の操作の間、空気は、空気供給ヘッダー１９を経由 してベッセル１１の内部に供給される。このヘッダーは、前方および後方壁に沿 って延びている。また、液体は、これも前および後壁に沿って延びている液体フ ローヘッダー２０を経由してベッセル１１の内部から取り出される。へ゛ラダー １９および２０は、その中にあるメインヘッダー空気供給チューブ４３およびメ インヘッダー液体フローチューブ４４にアクセスするようにヒンジ（蝶番）付き カバー２６および２７を有する。ハンドル３３および３４は、カバー２６および ２７を開くのを容易ならしめる。

ベッセル１１内には、均等係数（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ　ｃｏ−ｅｆｆｉｃｉｅ ｎｔ）が１．５の有効寸法が２．３〜２，５１１１の石炭粒状物２１（第２図に おいて前方壁の切り欠き部分を通して部分的に図示）の充填床が配置されている 。充填床の粒状物２１はベッセル１１の床２２の上に載置されている。

中央の補剛フランジ１６ａは、ベッセル１１のボトム部分２４からトップ部分２ ３を分割している。トップ部分２３の平面図を別に第１０図に示している。ボト ム部分２４の平面図および正面図を分離して、ヘッダー１９および２０を除去し て、また、内側チューブを除去して第６図および第７図に示している。

双方の側壁１３および１４に位置するドレン部分２１により、ベッセル１１から 液体の排出および床の粒状物の取り出しが可能となる。

ベッセル１１は、ベッセルの床２２に接続される一連のスタンド２５に載置され る。床２２は、第５図に示すドレンチャンネル２２ａを有し、これは、ドレン部 分２１につながっている。

ベッセル１１は、６つの同等の処理室またはセル３５．３６，３７．３８．３９ および４０に分割され、これらは、第５図および第１０図に示すように分割壁に より隔てられている。

空気供給ヘッダー１９および液体フローヘッダー２０を第１図に示しているが、 これらは、それぞれのヘッダー内で規定されている、メインヘッダー空気供給キ ャビティ４３とつながっている複数のベッセル空気供給チューシ２８ならびにメ インヘッダー液体フローキャビティ４４とつながっているベッセル液体コレクタ ーチューブ２９へのアクセスを提供する。第１１図は、空気供給ヘッダー１９を 分離して示す。

逆洗出口部分３１および３１ａは、側壁１３および１４の双方に位置し、ベッセ ルのトップ部分２３に位置するトラフ・アンド・サイフオン（ｔｒｏｕｇｈ　ａ ｎｄ　５ｙｐｈｏｎ）装置を通じてベッセル１１の内部と連絡している。このト ラフ・アンド・サイフオン装置は、第５図および第１０図を参照してより詳細に 説明する。

液体フィードトラフ３２および３２ａは、ベッセル１１の対向する内側上方端部 に沿って延びている。液体フィードトラフ３２および３２ａは、第５図および第 １０図を参照してより詳細に説明する。

第４図は、個々のベッセル空気供給チューブ２８および個々のベッセル液体コレ クターチューブ２９の長手方向断面図を示す。双方のチューブは、中央分割壁４ １に対して端が閉じられている。ベッセル空気供給チューブ２８は、空気供給ヘ ッダー１９内においてメインヘッダー空気供給キャビティ４３への開口部４２を 有する。ベッセル液体コレクターチューブ２９は、メインヘッダー液体フローキ ャビティ４４への開口部４５を有する。

ベッセル空気供給チューブ２８およびベッセル液体コレクターチューブ２９のそ れぞれは、ステンレススチールメツシュの石炭粒状物シールド３ｏおよび３゜ａ 内に包囲されている（第４図に断面の詳細を示す）。

ベッセル空気供給チューブ２８の場合、粒状物シールド３ｏは、微孔性（ｍｉｃ ｒｏｐｏｒｏｕｓ）ポリエチレンの内側チューブ４６の回りに包囲されている。

空気は、ポリエチレンチューブ４６およびメツシュシールド３ｏの孔を通過でき る。ベッセル液体コレクターチューブ２９の場合、粒状物シールド３０ａは、Ａ ＢＳポリマー製の内側チューブ４７の周囲に包囲されている。内側チューブ４７ は、下方部分の回りで部分的に周方向に切除された、約４０龍の間隔で長さ方向 に離れた弓状の一連のスリット４８を有する。それぞれのスリット４８は、約０ ．５ｍｍの開口幅を有する。

第５図は、ベッセル１１の断面図を示し、室４０および３７の内部を表している 。これらの室は壁４１により相互に分離され、それぞれ、これらの後方に位置す る室３９および３６から分割壁４９および５０により分離されている。壁４９お よび５０には孔５１があけられ、これにより、室４０および３７がそれぞれ室３ ９および３６と液体連絡できるようになっており、これらは、次に、壁５２およ び５３の同様の孔を通じて室３８および３５とそれぞれ液体連絡している。室３ ５．３６および３７の組と室３８．３９および４１の組との間の分割壁４１は、 孔を有さず、従って、これらの２つの室の組は、相互に液体連絡しておらず、相 互に独立して操作できる。

中央分割壁４１は、分岐点５４を有して、そこでは、壁４１はサブウオール（Ｓ ｕｂｖａｌｌ）　５５および５６に分かれている。壁４１のサブウオール５５お よび５６は、その間で谷部分（ｔｒｏｕｇｈ）　５７を規定している。谷部分５ ７は、それぞれ側壁１３および１４を通る出口部分３１および３１ａを有する。

それぞれのベッセルの室のトップ部分には一対のサイフオンが配置されている。

室４０および４７のサイフオン５８および５９をそれぞれ第５図に示す。それぞ れのサイフオン５８および５９は、それぞれ前および後のベッセル壁に取り付け られたクランプアーム６０および６１により支持されている。それぞれのサイフ オン５８および５９は、サブウオール５５および５６を通るトラフ開口部６２お よび６３を有し、このサブウオールに対してもサイフオンが支持されている。そ れぞれのサイフオン５８および５９の他方の端部では、ベルの口の形状の開口部 ６４および６５がそれぞれ存在する。

床の粒状物は、ベルの口の開口部６４および６５より約１００〜２００ＩＩ１１ 下の高さまで充填されている。

第１０図は、クランプアーム６７により支持されている室３５に配置されたサイ フオン６６の上面図を示す。

第１０図に示していないが、それぞれの室は２つのサイフオンを有する。

第５図および第１０図に示す液体フィードトラフ３２および３２ａは、双方の端 部にて閉じられている。それぞれのトラフ３２および３２ａは、直立したナイフ 状縁！６８および６９をそれぞれ有し、その上を越えてそれぞれのトラフを満た す液体フィードがベッセル１１内にあふれていくようになっている。

壁６８および６９は、ベッセル１１内にこぼれてい（液体フィードの体積を調節 するＶ字形状ノツチ７０を間隔を隔てて有する。

液体フィードは、トラフ内に配置された出口を有するホースパイプ（図示せず） を通じてトラフ３２および３２ａに供給される。

第６図および第７図に示すベッセルのボトム部分２４は、ヘッダー１９および２ ０を有し、ベッセル空気供給チューブ２８およびベッセル液体コレクターチュー ブ２９はそれから除去されている。リフトビーム１８も除去されている。メイン ヘッダー空気供給キャビティ４３と複数のベッセル空気供給チューブ２８との間 で連絡するようになっている前方壁１２の開口部は、開口部４２ａとして示して いる。メインヘッダー液体フローキャビティ４４と複数のベッセル液体コレクタ ーチューブ２９との間で連絡するようになっている前方！１２の開口部は、開口 部４５ａとして示している。

第８図は、第７図のボトム部分２４を通る断面図を示し、その中の分割壁４１． ４９および５０ならびに孔５１を示している。また、ヘッダー１９および２０用 の壁フランジ７０および破きガラス１７も示している。

第９図は、第８図のボトム部分を通る断面図を示し、分割壁Ａ１．４９および５ ２を示している。壁４１から延びる受容バイブ７１は、ベッセル空気供給チュー ブ２８の端部を支持するようになっている。同様に、受容バイブ７２は、ベッセ ル液体コレクターチューブ２９の端部を支持するようになっている。

第１１図に分離して示す空気供給ヘッダー１９は、３つのヒンジ付きカッ＜−２ ６，２６ａおよび２６ｂならびにハンドル３３を有し、第１２図および第１３図 に断面図で示している。ヘッダー１９内に規定されているメインヘッダー空気供 給キャビティ４３は端部開口部７３および７４ならびに補剛材７５を有する。

第１４図に分離して示す液体フローヘッダー２０は、３つのヒンジ付きカバー２ ７．２７ａおよび２７ｂならびにハンドル３４を有し、第１５図および第１６図 に断面図で示している。ヘッダー２０内に規定されているメインヘッダー液体フ ローキャビティ４４は、端部開口部７６および７７ならびに補剛材７８を有する 。

バイオリアクターベッセル１１内の石炭粒状物の充填床は、好ましくは下水また は他の処理すべきフィードに由来する微生物の成長を支える。この微生物はフィ ード中の栄養分を消化し、その結果として、ＢＯＤおよびＣＯＤを減らす。粒状 物質上の微生物の成長により、粒状物上に微生物のフィルムまたはバイオフィル ム（ｂｉｏｆｉｌ＋ｇ）が形成される。

通常の操作の間、床の微生物には、メインヘッダー空気供給キャビティ４３を通 ってその後に一連のベッセル空気供給チューブ２８内に送られ、そこからチュー ブ２８を形成する微孔性ポリエチレン材料の孔を通ってベッセル内に出て行（、 少し加圧の酸素を含む呼吸用またはプロセス空気が供給される。このプロセス空 気は、（第１図にて矢印Ａにより示すように）一端からメインヘッダー空気供給 キャビティ４３に入り、反対の端部は適当なバルブ機構（図示せず）により閉じ られて所望の圧力を形成できるようになりでいる。

プロセス空気を導入するために使用するものに対して、メインヘッダー空気供給 キャビティ４３の（第１図にて矢印Ｂにより示すように）反対の端部を通ってよ り高い圧力で所定の間隔にてパルス空気を導入する。この場合、反対の端部（ま 適当なバルブ機構（図示せず）により閉じられて必要なノくルス圧力を発生でき るようになっている。

通常の操作の間、処理された流出液は、スロツト４８を通ってべ・ソセル液体コ レクターチューブ２９内に送られ、チューブ２９を通ってメインへ・ソダー液体 フローキャビティ４４に、その後、第１図の矢印Ｃの方向にキャビティ４４を出 る。

キャビティ４４の反対の端は、適当なバルブ機構（図示せず）により閉じられて いる。

所定の間隔で、処理された流出液は、スロット４８を通ってべ・ツセル１１内に 逆流させる。この逆流液体は、第１図の矢印りの方向でメインヘッダー液体フロ ーキャビティ４４に入り、ベッセル液体コレクターチューブ２９に送られ、そこ で、ベッセル１１内に吐き出される。この逆流（逆洗、ｂａｃｋｗａｓｈ）操作 の間、キャビティ４４の反対の端部は適当なバルブ機構（図示せず）により閉じ られる。

第１７図に模式的に示すような下水処理プラントにおけるノくイオリアクタ−１ ０の操作を説明する。

そのままの砂を除去した下水（ｒａｗ　ｄｅｇｒｉｔｔｅｄ　ｓｅｗａｇｅ）を 第１調整タンク１３５に送り、静置する。その上澄みをフィードポンプ１３６に よりホース、（イブを経由してバイオリアクター１０のフィードトラフ３２およ び３２ａｌ：ポンプ輸送し、そこから、既に床を浸している液上にあふれさせる 。

バイオリアクターベッセルは、５６■３の有効体積を有する高さ２．８■の石炭 粒状物の床を含む。床は、２６がの体積の下水に浸され、この下水１よ、通常の 運転の間、床より０．１〜１．２ｍ高い高さになっている。床の石炭の体積番二 対する空隙の体積の割合は、約０．４である。下水の温度は２０℃である。

通常の処理操作の間、バイオリアクターを通過する下水の流量１４１００■３／ 時である。向流の呼吸用空気の流量は２４０ｍ”／時である。

微生物の代謝活動により細胞の成長および急激な無性生殖の***による増殖がも たらされ、これが、次に、床の粒状物のバイオフィルムの厚さの増加をもたらす 。

バイオフィルムを構成する微生物が床を閉塞させない厚さにバイオフィルムの成 長の制限するために、床を周期的に上向きの空気のパルスにさらす。

この通常の処理操作は、６０分間継続したが、その後、室３８．３９および４０ において下水のフィードおよび呼吸用の空気のフローを止めたが、室３５．３６ および３７においては継続した。２秒遅れでバルブを閉じることができる。

室３８．３９および４０において、７０ｋＰａの圧力において３秒間継続する空 気パルスを床に通す。この後に第２番目の同じパルスが８秒後に続（。それぞれ の空気パルスの間、５０００リツトルの空気が床に注入される。箪２パルスの後 、次のパルス操作を繰り返すまで、室３８．３９および４０において下水フィー ドおよび呼吸用空気の供給を前の割合で更に６０分間再開する。空気パルス操作 は、上述と同じパラメーターで室３５．３６および３７においても実施したが、 室３８．３９および４０のパルス操作と興なる時刻に実施し、従って、６つの全 部の室が同時にパルス操作はされなかった。

処理操作およびパルス操作のサイクルは、逆流操作を開始するまで、８時間の間 継続した。逆流操作の時、室３５．３６および３７に於ける処理操作は停止した 。次に、前のパルスと同じ空気パルスを床に通した。バイオリアクターからの１ ２０００リツトルの濾液を室３５．３６および３７１：３８０ｍ３／時の流量で ポンプで戻した。最初の８０秒間、断続的な小さい空気パルスを前と同様に室に ポンプで供給したが、僅か１秒間のパルスであり、１０秒間の間隔をおいた。

濾液の供給およびその後のミニパルスの供給が終了した後、呼吸用空気を６０秒 間戻す。これにより空気が床に戻され、床の粒状物が準備されて床を形成するの が確保される。次に、呼吸用空気を除去し、更に４０秒間静置することにより逆 流流出液内で懸濁していた石炭粒状物が沈降できる。沈降期間の後、下水フィー ドを３０秒間再供給して、サイフオン操作を開始する。

次に、逆流液体をバイオリアクターのトップからサイフオンを通じて除去する。

このサイフオン操作は、１３５秒以内に完結し、その後、通常の処理操作および パルス操作を再開した。この場合では、逆流操作には全体で６分３４秒要した。

通常の処理の間、スロット４８を通って床を出て行く処理された下水は、ヘッダ ー２０を経由してバランスタンク１３７に送られ、その後、オーストラリア国特 許第５６３，３２１号および第５７６．４２４号に従って操作される連続精密濾 過（ｗｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）装置ｆ　（ＣＭＦ）により濾過される。

オーストラリア国特許第５６３．３２１号および第５７６．４２４号の教示事項 は、本明細書において参照される。

更に、ＣＭＦにより処理した後に、透明な殺菌された水が生成する。バランスタ ンク１３７からの液体を、バイオリアクターの逆流において使用するために、貯 蔵タンク１３９に供給してよい。ＣＭＦのメンブレンフィルター（図示せず）に 集まる固形分を、ＣＭＦ逆洗により、沈降タンク１３５に周期的に除去して、上 澄みの液体をバイオリアクター１０にポンプにより供給してよい。ＣＭＦ１３８ の逆洗は、主として空気のブローバック（ｂｌｏｗｂａｃｋ、吹き戻いにより行 う。

バイオリアクター１０から脱落するバイオマス（ｓｈｅｄ　ｂｉｏ＋ａａｓｓ） を逆流させる場合、逆流液体をバイオリアクター１０のボトムにポンプにより供 給し、脱落したバイオマスを含む液体をバイオリアクターｌＯのトップがらサイ フオンにより集める。このようにして集められる固形分は、沈降タンク１３５に て所定時間沈降させる。次に、沈降した固形分はスラッジシックナー１４１およ び脱水プラント１４２に送られ、更に濃縮されて安定なスラッジ１４３に処理さ れ、他方、沈降タンク１３５からのより清澄な液体は、最終的にはバイオリアク ター１０にリサイクルされる。バイオリアクター１０の呼吸用、パルス操作およ び逆流操作ならびにＣＭＦ１３８のブローバック用の空気は、空気供給システム １４４により供給される。

本発明において、パルス操作を実施する頻度は、主として微生物の代謝活動を比 較的阻害しないために床の長期間の安定性に着目されてきた従来技術のシステム より大きい。先に説明したように、従来技術のバイオリアクター床は、阻害され ないバイオフィルムの成長により粒状物間の空隙が橋渡しされて、バイオマスに より急速に詰まってしまうので、より長い下水滞留時間となる。

本発明において空気により周期的なパルス操作を実施することにより、床の粒状 物が再配列または混合され、従って、呼吸用空気または下水ストリームに生じる チャンネリング効果が除去される。チャンネリングは、床のある領域にのみ栄養 分の優先的な通路をもたらすことがあり、他方、栄養分の不足する床の他の領域 を残し、有効なバイオリアクターの床容積が減少する結果となるので、チャンネ リング効果を除去することは、バイオリアクターの効率的な操作において重要な 要素である。

詰まらない床を維持することにより本発明のバイオリアクターを通過する下水の 流量をコントロールする場合における爆発的なパルス操作方式の重要性は、次の 実施例において示される。この実施例は、パルスの有無がバイオリアクターの性 能に与える影響を測定するために平行な２つの直径６インチの円筒状試験バイオ リアクターを用いて実施した。試験の意図は、２つのバイオリアクター操作の間 における唯一の相違点はパルスが有るか、無いかということある。

３ｍの媒体深さを採用した。バイオフィルムの担体媒体として使用した石炭媒体 は、有効寸法が２．３〜２．５市であり、均等係数は１．５であった。

これらの試験を２５日間実施した。双方のバイオリアクターを８時間後に逆流操 作し、パルス操作反応器は、空気供給による２つの短い空気パルスにより６０分 毎に規則的にパルス処理した。これらのパルスは、典型的には３秒間であった。

通常のエアレーンヨンは、１０〜２５ｍ３／時／ｌ１１２−床であり、パルス空 気は６００ｍ３７時／ｍ　２−床であった。フィードの温度は、１６〜２２℃で 変化した。パルス操作をしないバイオリアクターは明らかにコントロールが困難 であった。８日後、逆流操作を変更する必要があり、より多くの空気を逆流操作 に使用して運転を維持した。

これは、第１８図の２つのバイオリアクターの流量を比較すると解る。

パルス無しのバイオリアクターのバイオフィルムの成長はコントロールできず、 従って、媒体をコントロールするためにより強い逆流操作を行う必要に至った。

また、これは、第１９図に示す２つのバイオリアクターの逆流操作における懸濁 固形分（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　５ｏｌｉｃｌｓ）により解る。

流出液中の懸濁固形分の典型的なパルス有りの場合のプロフィールを第２０図に 示す。

バイオリアクターの逆流の容積は、３５１であり、従って、パルス有りとパルス 無しとの間のマスの違いは、４２ｇである。示すように、パルスの直後の余波に おいて、２ｇ以上の固形分が除去され、これは、逆流のインターバルにおける１ ６ｇに相当する。残りの違いは、パルスの残りにおいて除去され、また、自然変 動によるものであろう。

使用した現在のシステムの貯蔵能力は、１．５ｋｇ／薦３であると計算される。

パルスを使用することにより、床における固形分の滞留時間をコントロールする ことができる。逆流操作を減らすことができるが、入って来る懸濁固形分が床の 表面付近で凝集する傾向がある場合は、必ずしも減らすことはできない。

単位容積当たりの表面積をより大きくすることにより、より大きい負荷流量とす ることができる。バイオリアクター試験において達成された負荷割合を第２１図 に示す。

これらの結果は、７ｋｇＣＰＤ／ｒｓ”の最大負荷を処理するオーストラリア国 特許第５２８，７６０号の従来技術において一般に使用されているパルスを加え ない技術に匹敵する。

微孔性エアレーションチューブは、バイオリアクターに空気を分配する良い方法 である。これらは、良好な分配特性を有し、微細な起泡のストリームを生成する 。しかしながら、これらは、使用に際して、詰まる傾向がある。これらに規則的 に空気パルスを加える場合、この詰まり易い傾向は減少する。これを第２２図に 示す。

本発明の範囲または領域から逸脱することなく、本発明のバイオリアクターの設 計および構造の詳細ならびに生物学的反応方法の詳細において種々の修正を行う ことができる。

ｈひ、／ ｂ６．３ 聾 ｔｊ ｈθ、５ Ｆ六ジ、ｅ Ｆθ、δ ｈ６１石 関ヤぜいらの日◆笑 Ｅｖｅ、　、ｌ：す フロントページの続き （７２）発明者　クー、ポール オーストラリア　２１５２　ニュー・サウス・ウェールズ、ノースミード、クリ スティーン・ストリート２６番 （７２）発明者　ジョンソン、ウォレンオーストラリア　２７５６　ニュー・サ ウス・ウェールズ、ブライ・パーク、スカーズボロー・クレセント　８番 （７２）発明者　ベイト、アローフ ォーストラリア　２７５６　ニュー・サウス・ウェールズ、サウス・ウィンザー 、ドラモンド・ストリート　３２番

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．粒状物体の床に支持されている微生物のバイオフィルムヘの液体フィードス トリームに含まれる栄養分の物質移動の大きい割合を維持するための方法であっ て、 液体フィードストリームの連続的な均一フローおよび呼吸用の空気の向流のフロ ーをバイオフィルム中の微生物に供給してバイオフィルムの成長を支え、バイオ フィルムから微生物を脱落させるのに十分圧力にて床を通過する液体フィードス トリームの優先的なチャンネリングをび避け、および／または粒状物体の床を乱 して再配置するのに十分な間隔で周期的に床に空気をパルス供給することを含ん で成る方法。
2. ２．周期的なパルス操作より少ない頻度で床の逆流操作により中断される請求の 範囲第１項記載の方法。
3. ３．呼吸用空気は、２０ｋＰａ〜７０ｋＰａの間の圧力で床に入る請求の範囲第 １項記載の方法。
4. ４．床は、２０分〜２時間の間隔でパルスが加えられる請求の範囲第１項記載の 方法。
5. ５．床は、１〜８秒間パルスが加えられる請求の範囲第１項記載の方法。
6. ６．パルス空気は、６０ｋＰａ〜１２０ｋＰａの間の圧力で床に入る請求の範囲 第１項記載の方法。
7. ７．圧力は７０ｋＰａである請求の範囲第６項記載の方法。
8. ８．床は３〜２４時間の間隔で逆流操作される請求の範囲第２項記載の方法。
9. ９．床は３〜７分間逆流操作される請求の範囲第２項記載の方法。
10. １０．床は処理されたフィードストリーム流出液により逆洗される第２項記載の 方法。
11. １１．液体フィードストリームを処理してそれから栄養分ＢＯＤおよびＣＯＤを 除去するためのバイオリアクターであって、（ｉ）栄養分ＢＯＤおよびＣＯＤを 除去する微生物のバイオフィルムが上で成長する粒状物体の床を含む容器、 （ｉｉ）液体フィードストリームを床を過って下向きに通過させるための手段、 ならびに （ｉｉｉ）呼吸用空気の連続的な均一フローおよびパルス空気のフローを床を通 って上向きに通過させるための手段 を有して成るバイオリアクター。
12. １２．床を通って空気を通過させるための手段は、空気を床に送り込む複数の間 隔を隔てて離れた多孔質のチューブを含む請求の範囲第１１項記載のバイオリア クター。
13. １３．多孔質チューブは、微孔性ポリエチレンでできている請求の範囲第１２項 記載のバイオリアクター。
14. １４．粒状物体は、均等係数が１．５の２．３〜２．５ｍｍの有効寸法を有する いずれかの石炭媒体である請求の範囲第１１項記載のバイオリアクター。
15. １５．床は固定床であり、液体フィードストリームの処理の間、液に浸かってい る請求の範囲第１１項記載のバイオリアクター。
16. １６．請求の範囲第１１項記載のバイオリアクターおよびバイオリアクターから の流出物から固形分を除去する精密濾過装置を有して成る液体フィードストリー ム処理プラント。