JP6038119B2 - 改善された生物学的排水浄化リアクターおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、排水、特に都市排水、工業排水および飲料水にする水および配水の生物学的浄化の技術分野に関する。具体的には、本発明は浄化プロセスに関し、このプロセスでは、処理対象である水と酸素化ガスとが、生物学的ろ過材料として充填床および可動キャリアの集合体を備える同一のリアクターまたは生物学的フィルタ内に上昇並流で送られる。

例えば水などの生物学的処理は、自由であるか固定されている浄化バイオマスであって、活性化スラッジ、バクテリア、酵母菌、原生動物、後生動物などの高濃度の種々の種の微生物を含む浄化バイオマスの作用によって、有機汚染物を分解することが知られている。活性化スラッジなどの自由バイオマスを使用する方法では、低い沈降能力を有する種々の種の微生物を高濃度にすることは不可能である、何故ならば、バイオマスの濃度は沈降により得られるからである。したがって、この方法は、ＢＯＤ（生物学的酸素要求量）およびＣＯＤ（化学的酸素要求量）の観点から適用可能な負荷に関して制限されている。固定バイオマスを有するシステムでは、（バクテリアを有する）バイオマスの濃度は、バクテリアが担体媒体にくっつけることにより達成される。これにより、沈降能力はもはや重要な基準ではなくなり、この技術は、標準の方法の浄化潜在能力より大幅に大きい浄化潜在能力を有する。

固定バイオマスによる浄化原理に基づく最も効率的な方法のうち、我々は、異なる粒度分布および異なる生物学的特徴を有する２つのゾーンにより形成される粒状床の単一上向流リアクター内での出願人により開発され特許を得た特筆すべき方法を引用する（第２３５８３６２号の下で公開された仏国特許第７６２１２４６号、第２４３９７４９号の下に公開された仏国特許第７８３０２８２号、第２６０４９９０号の下に公開された仏国特許第８６１３６７５号）。

いわゆる自由バイオマス技術に関し本明細書では特に、流動床を使用する方法を参照し、これらの方法では、バイオフィルムとして使用される材料は、現在公開されているプロセスによると例えば膨張ポリマーなどの１より小さい密度を有する生成物から成り（１９６３年の仏国特許第１３６３５１０号、１９６２年の英国特許第１０３４０７６号）、これらのプロセスの種々の変形実施例は、多くの特許発明へ導いた（仏国特許第３３０６５２号、仏国特許第２４０６６６４号、仏国特許第２５３８８００号、米国特許第４２５６５７３号、日本の特公昭５８−１５３５９０号など）。

これらの浮遊材料および流動化粒状床の使用は、それ自体は有望ではあるが、多数の困難を伴い、しばしば欠点を露呈する。例えば水より重い材料（砂あるいは同様の材料）が流動化されると、大量のエネルギー入力が、液体をポンピングするのに必要であり、リアクター内の材料の維持を制御するのは困難である。エネルギー消費に関するこの欠点を克服するために、水より低い密度を有する軽い材料を有する流動床を使用し、床の底部で空気を吹き込み、下降水を供給することが提案された（上述の米国特許第４２５６５７３号および日本の特公昭５８−１５３５９０号）。しかしながら、水がある下降流速度を越えると、空気が材料内に捕捉されるか、さもなければ液体流により押し流され、リアクターを適切に曝気できない。

従来の技術における困難は、本件出願人が出願した欧州特許第０５０４０６５号に開示されているシステムの開発により克服され、このシステムでは、水およびガスの上昇並流を有する単一リアクターまたは生物学的フィルタにおいて、使用されるろ過手段およびバクテリア支持媒体は、水より低い３５〜６５ｋｇ／ｍ^３の密度を有する粒子の固定床である。特に好ましくは、２ｍｍ〜６ｍｍの平均粒径を有する膨張ポリスチレン球を使用する。

欧州特許第０５０４０６５号のリアクターは、底部から頂部への方向で順に、媒体のスラッジの膨張および除去とほぐされたスラッジの沈降とのためのゾーンと、少なくとも１つの空気噴射装置と、上述の軽い粒子の床により形成されたろ過材料のゾーンと、コンクリートまたはその他の有孔材料から成る天井と、最後にリアクターの頂部に、処理された流出液の除去のための手段が先端に設けられている清浄水貯蔵ゾーンとを備える。

出願人により開発された別のリアクターが欧州特許第０３４７２９６号に開示されており、このリアクターは、ろ過のための下部流動床および上部固定床を備える。これらの床中の粒子は、１より小さい密度を有する膨張粒子から成る。固定床の粒子は、流動床の粒子より小さく軽い。

このシステムにおいても、上昇並流および酸素化ガスを有する単一リアクターまたは生物学的フィルタが使用される。２つの前述の重ね合わされた床の組み合わせのために、欧州特許第０３４７２９６号に記載のプロセスは、水より軽い材料であって、しかし粒度分布の特性、密度および床の高さが異なる材料を実現し、したがって一方では、上部床をひどくは混乱させずに酸素化ガスの噴射の間に下部床を流動化でき、他方、軽い材料を向流により洗浄して膨張させるフェーズの間に２つの層すなわち床を「自動的」に再分類できる。

休止時、水より軽いこれら２つの材料層は、それらの密度が異なるのでくっつき合う。この分類は、フィルタが向流により洗浄されている間維持される。空気が拡散装置によりフィルタの底部に導入されると、材料を通過する空気および水混合物は、前述の下部床内の粒子と類似の密度を有する。この場合、下部床は、酸素化気泡の上昇運動により流動化され、これにより、集中的な交換が、ガスと、処理する水と、床の粒子に付着する「バイオフィルム」との間に生じる。

下部流動床では、粒径は３〜１５ｍｍであり、体積質量は一般に３００〜８００ｇ／ｌであり、床の高さは、使用リアクターのタイプに依存して０.２〜２メートルであり、上部固定床では、軽い粒子の平均直径は１〜１０ｍｍであり、体積質量は２０〜１００ｇ／Ｌであり、高さは０.５〜３メートルである。最後に、前述の変形では上部床に上から重なる上部層は、３〜２０ｍｍの寸法の粒子を含み、体積質量は１０〜５０ｇ／Ｌであり、高さすなわち厚さは０.１０〜０.５０メートルである。

ろ過媒体／バクテリア支持体として使用できる軽い材料の粒子は例えば、膨張プラスチック材料、ポリオレフィン由来の独立気泡材料、ポリスチレン、合成ゴムポリマーまたはコポリマーなど、さらに、粘土あるいは膨張頁岩などの軽い無機材料、あるいは木材粒子などのセルロース生成物などである。これらの材料の粒状体は、有利には球、円筒形さや状体などの種々の形をとる。実際には、プロセスを効果的に実行するためには、本発明の文脈で使用される軽い材料の密度は、下部層（流動床）から上部層へさらに前述の支持層へと移行するにつれて低くなることが重要である。密度はそれぞれ例えば、０.５〜０.８（流動床）、０.３〜０.１（固定床）および０.００５〜０.０８（上部支持床）である。

別の出願である仏国特許第２７４１８７２号で出願人は、固定床と流動床とを組み合わせた別の水処理リアクターを開示している。このリアクターは、固定３次元構造を有する硬質ＰＶＣ材料の第１のろ過ゾーンと、充填材により充填された第２のろ過ゾーンとを有し、充填材は例えば膨張ポリスチレン球であり、この球は、水より低い密度を有し、固定されている。このようなリアクターには向流で逆洗する間に粒子が損失するという問題がしばしば起こるので、リアクターには洗浄の間に第２のろ過ゾーンの固定床が膨張することを可能にするスペースが、２つのゾーンの間に設けられている。酸素噴射手段がこのスペース内に配置されている。したがって酸素は第１のゾーンの上にのみ噴射され、したがって第１のゾーンは無酸素のままである。このリアクターでは、一方は脱窒のため他方は硝化のための２つの異なるゾーンが組み合わせられている。

これらのバイオリアクターで使用される粒子には、粒子上にバイオフィルムを成長させるためのいかなる保護された表面積も設けられていない、何故ならば使用粒子は小さい球状粒子であるからである。したがってバイオフィルムは、球状粒子の表面上のみでしか成長できず、しかしこの表面は、球状粒子同士の衝突が引き起こすかもしれないいかなる損傷からも保護されていない。

それに対して、欧州特許第０７５０５９１号に開示されている担体は大きく、バイオフィルムための広い表面を提供し、摩耗に対して保護され、しかもプロセスの効率が、利用可能な小さい担体に比してバイオフィルムの酸素制限がさらに大きいにもかかわらず大幅に減じられることはない。

欧州特許第０７５０５９１号に記載の大きい担体要素は、外部リングにより相互接続されいくつかの軸方向通路を形成する半径方向内壁を有するタービンホイールに類似の構造を有する。このようにして、担体の内面の広い領域は、別の担体の表面による摩耗から保護されている。さらに流路により水は良好に流れることができる。その他の適切な担体が欧州特許第１３４０７２０号および欧州特許第０５７８５３１４号に記載されている。

欧州特許第０７５０９１号に記載の担体要素は水の密度に近い密度を有し、したがってバイオフィルムを有する担体は、懸濁状態に維持され、リアクター内の水中を動く。これにより、水が担体内で静止状態のままであることを回避でき、空気が担体の内部通路を確実に通過できるようになる。

本発明の出願人は、これらの従来のリアクターの構成の利点を、例えば欧州特許第０７５０５９１号、欧州特許第１３４０７２０号および欧州特許第０５７８５３１４号に開示されている担体のタイプの利点と組み合わせて、歩留りの大幅な増加を示す水浄化の改善された方法を提供する。

提供される解決は、以下に説明する本発明に係る排水の生物学的浄化のための改善されたリアクターおよび方法である。

本発明は、体積Ｖを有するスラッジを膨張および除去するスペースと、このスラッジを膨張および除去するスペースの底部に近接する下部領域内に位置するガス噴射システムと、このスラッジを膨張および除去するスペースの底部に位置するか又はその上に位置する流体噴射システムと、生物学的フィルタとを備える生物学的浄化リアクターに関する。生物学的フィルタは、上方運動に抗して有孔保持天井によってリアクターの下部内に保持される粒子充填床と、スラッジを膨張および除去するスペース内に位置し且つスラッジを膨張および除去するスペースの底部の上に位置する可動粒子の集合体とを備える。

前記充填床および可動粒子の集合体の粒子は、微生物膜のためのキャリアである。

前記可動粒子は、９００〜１２００ｋｇ／ｍ^３、好ましくは９２０〜９８０ｋｇ／ｍ^３の密度を有する。充填床の粒子の密度は、９００ｋｇ／ｍ^３より小さく、好ましくは５００ｋｇ／ｍ^３より小さい。

前記可動粒子は、その他のキャリア要素の表面との衝突に対して保護された保護表面積を含む中空キャリアである。

本発明のさらなる実施の形態では、可動粒子が、５００〜１８００ｍ^２／ｍ^３の全比表面積と、６００〜１４００ｍ^２／ｍ^３の好ましい範囲の粒子要素体積と、水およびガスが前記キャリアを良好に流れるように成形された流路とを有する。本明細書では「粒子要素体積当たりの単位表面積」とは、可動粒子の表面が、粒子の体積自体により分割されていることを意味する。この出願では、それは、このようなキャリアの特徴の商業的説明で通常使用される「粒子のかさ容積当たりの単位表面積」のことではない。

さらに前記可動粒子は、好ましくは３００〜１６００ｍ^２／ｍ^３の広い保護表面積と、５００〜１２００ｍ^２／ｍ^３の好ましい範囲の粒子要素体積とを有する。前記可動粒子の長さおよび幅は、１０〜７０ｍｍ、好ましくは２０〜４５ｍｍである。それらの厚さは、１〜３０ｍｍ、好ましくは３〜２０ｍｍである。

本発明の好ましい実施の形態では、スラッジを膨張および除去するスペースの体積Ｖは、前記生物学的浄化リアクターの有孔保持天井の下の全体積の３０〜８０％、好ましくは３０〜５５％である。１つの実施の形態では、スラッジを膨張および除去するスペースの体積Ｖの２０〜７０％、好ましくは３０〜６５％は、前記可動粒子により充填されている。

本発明の別の好ましい実施の形態では、充填床の粒子は、１５〜１００ｋｇ／ｍ^３、好ましくは３５〜９０ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは６０〜９０ｋｇ／ｍ^３の密度、および２〜６ｍｍの粒径（granulometric size）を有する。充填層の粒子が可動粒子を閉塞しないためには、粒径は好ましくは３ｍｍより大きい。

別の好ましい実施の形態では、流体噴射システムは複数の穴を備える。この穴の寸法は、前記可動粒子の選択された寸法よりも小さくなるように選択し、前記粒子が前記穴を通過できず、ひいては流体噴射システムが前記粒子を保持するようにする。

好ましい実施の形態では、生物学的浄化リアクターは第２のガス噴射システムを備え、この第２のガス噴射システムは、粒子充填床内に位置する。

さらに本発明は、排水の生物学的浄化方法に関し、この方法は、上述した生物学的浄化リアクターを用意する第１のステップを含む。

本発明の方法に含まれる第２のステップは、生物学的に浄化する対象の水を、前記リアクターに上方方向で通し、可動粒子の集合体に通し、生物学的フィルタを形成する充填床に通し、同時にスラッジを膨張および除去するスペース内にガスを噴射して、前記ガスを、前記生物学的に浄化する対象の水に対して並流方向に前記生物学的フィルタに上方方向で通す。

本発明の方法に含まれる第３のステップは、前記リアクターの上部内に、処理および蓄積された水を向流方向で急速に流出流させて、可動粒子の集合体および充填床を周期的に逆洗する。

本発明の方法の一実施の形態では、生物学的浄化リアクターが、粒子充填床内に位置する第２のガス噴射システムを備える場合、第２のガス噴射システムによってガスを前記充填床に噴射する。

この方法の好ましい実施の形態では、逆洗ステップは、３０〜１００ｍ／ｈの水流出速度で行われる。逆洗の間、ガスを噴射して、過剰の生物学的スラッジをより良好にほぐすことも可能である。ガス噴射は、１０〜１００ｍ／ｈ、好ましくは１０〜４０ｍ／ｈの空気流速度で順次に実施し、これらのガスシーケンスは、逆洗水弁の開放と交互に噴射されるか、または逆洗水弁が開いている間に同時に実施されることする。

１つの実施の形態では、この方法は、短時間で小規模なフラッシング動作を周期的に実施して、可動粒子の集合体および充填床内の懸濁固体をほぐし、２つの逆洗サイクルの間の動作が長くなるようにするにステップをさらに含む。

本発明はさらに、前述のバイオリアクターを１つ又は複数の組（battery）として備える水処理設備に関する。バイオリアクターの各組は、並列動作する１〜２０のバイオリアクターを備える。スムーズな動作のためには、好ましくは４〜１４の並列動作するバイオリアクターを用いる。

本発明に係る水処理設備は、１〜１０のバイオリアクターの組を備える。

さらなる実施の形態では、水処理設備での逆洗動作は、組毎に一度に１つのバイオリアクターに対して行われる。

従来技術である欧州特許第０５０４０６５号に記載のバイオリアクターを示す断面図である。 本発明に係るバイオリアクターの一実施の形態を示す断面図である。 本発明における可動粒子の集合体を形成するのに使用される中空キャリアの好ましい実施の形態を示す断面図である。 バイオリアクターの底部とその流体噴射システムとを示す斜視図である。 バイオリアクターの底部とその代替の流体噴射システムとを示す斜視図である。 本発明に係るバイオリアクターの一実施の形態を示す断面図である。

添付図面に示すように、図１に示す従来技術のバイオリアクター１並びに図２および図５に示す本発明の２つの好ましい実施の形態に係るバイオリアクター１’および１’’は、バイオリアクターの下部に位置するスラッジを膨張および除去するためのスペース２と、流体噴射システム３と、ガス噴射システム４と、天井として機能する有孔プレート６により保持された充填床（packed bed）５と、最後に、処理水が出口８を介して排出される洗浄リザーブとして機能するフリー上部ゾーン７を備える。

流体噴射システム３は、図１、図２、図４Ａ、図４Ｂおよび図５において両方向の矢印で示すように、バイオリアクターの逆洗操作の間のスラッジ排出のためのシステムとしても同時に機能する。

処理対象である液体は、入口９から導入され、弁１２を介してガス噴射装置４の下方に位置する流体噴射システム３を通り、ゾーン２内へと到達する。ガス噴射デバイス４によってガスが導入されると、ガスと、処理対象である水と、粒子に付着したバイオフィルムとの間に強い交換が得られる。この操作の間、充填床５は非乱流状態が維持される。したがって、これは「固定床」である。

次に、図２および図５を参照する。本発明のバイオリアクターにおいて、スラッジを膨張および除去するためのスペース２には、中空キャリア１０が部分的に充填されている。これらの中空キャリアは、本発明で「可動粒子の集合体（a volume of movable particles）」と呼ばれるものを形成する。しかしながら、充填床５について上述したことと異なり、この可動粒子の集合体は、固定床を形成せず、中空キャリア１０は自由に動ける。これは、ガス噴射システム４によりガスが底部に導入されると、この可動粒子の集合体は、乱流状態となり、中空キャリア１０は、流れによりスペース２内で動き回ることを意味する。さらに、これらの中空キャリア１０は通路を通って流れるという事実に起因して、水およびガスがスペース２内でキャリアを動き回るようにするだけでなく、水およびガスは中空キャリア１０を通って流れることもし、これにより、これらの中空キャリア１０の全ての内面領域が水およびガスと接触する。これは、処理する水と、中空キャリア１０の外面および内面を含む全ての表面上に存在するバイオフィルム表面との接触を最大化する。中空キャリアの内面は、これらの表面が水中のキャリアの自由運動およびその結果のキャリアの衝突により損傷されない事実を強調するために「保護された表面積」と呼ばれる。これに対して、中空キャリア１０上のバイオフィルムが利用可能であり、したがって全ての内面および外面を含む全表面積は「全表面積」と呼ばれる。

再び図１、図２および図５を参照する。懸濁固体の蓄積と、充填床５および中空キャリア１０中の生物学的成長とに起因して、材料は徐々に詰まる。負荷損が増加すると、入口９における負荷損測定カラムの液体レベルが上昇したり、圧力計での測定値が上昇したりすることもある。

予め設定された負荷損の値に達すると、充填床の洗浄が開始される。洗浄とは、バイオフィルタの粒子から過剰のスラッジを除去し、除去されたスラッジが、リアクターの底部に位置する管／チャネルシステムを通ってバイオリアクターから出ることを意味する。この管システムはフラッシュバルブ１１に接続されている。洗浄を開始するには弁１２を閉じ、弁１１を開き、予め設定された所望の洗浄速度が得られるまで開いた位置にする。処理されてリアクターの上部７に蓄積された液体は、向流方向で急速に流出すると、充填床５の材料の膨張が起こる。充填床５の材料の上記設定された粒径および密度において、３０〜１００ｍ／ｈの洗浄速度が選択される。この洗浄速度は、スラッジを膨張および除去するためのスペース２内に位置する中空キャリア１０にも同様に適したものである。

逆洗の間、充填床５に必要な通常の膨張ゾーンの体積は、スラッジを膨張および除去するためのスペース２の体積より小さい。

これは、逆洗の間、自由に動く中空キャリア１０は、動き回りながら大部分がリアクターの底部へ向うので、充填床の粒子が粒子運動を制限されずに流動化するのに十分なスペースが生じることを意味する。さらに、底部への中空キャリア１０の運動は、上部に位置する充填床５から粒子がさらに下降して、スラッジ出口システム３へ向かう非常に希な場合に付加的な保護格子（protection grid）として「挙動する」ことができる。

上述したように、流体噴射システム３は、図１、図２、図４Ａ、図４Ｂおよび図５に記載の両方向の矢印が示すように、バイオリアクターの逆洗動作の間にスラッジ排出のためのシステムとしても同時に機能すると理解されるべきである。

スペース２は、従来技術の解決法では一般に、逆洗プロセスの間の粒子損失を避けるために、生物学的浄化リアクターの有孔保持天井の下の全体積に比して約３０〜５０％という比較的大きい体積を有する。しかしながら、本発明ではこのスペースは、この体積の２０〜７０％、好ましくは３０〜６５％を中空キャリア１０で充填し、バイオリアクターの全体積を同一に維持する一方で、生物学的により活性の表面を提供することによって、より効率的に使用される。従来技術の解決法を考慮に入れると、自由スペース２の体積を最小化すると、逆洗の間の充填床の粒子損失が増加すると予想され、これは、このスペースは一般に、上述したように逆洗の間に充填床の粒子が膨張するのに必要であると考えられているからである。しかしながら本発明では、流体噴射システム３の（図４Ａおよび図４Ｂに示す）穴１５の寸法が、用いられた中空キャリアの最小直径よりも小さくなるように選択されている事実に起因して、中空キャリア１０は流体噴射システム３によりリアクター内に保持される。このようにして流体噴射システム３は、中空キャリア１０がリアクターから流し出されるのを阻止する保護格子としても同時に機能する。流体噴射システム３の穴１５の好ましい寸法は、直径６〜６０ｍｍである。

逆洗の間に下降する中空キャリア１０は、充填床５の粒子がスラッジ出口システム３に到達するのを阻止する充填床５の粒子のための付加的な保護格子としても同時に機能する。本発明のリアクターがスムーズに動作するためには、充填床５の粒子がリアクターから出るのを阻止するこの追加のバリアを中空キャリアが提供することが非常に重要である。これに関して、中空キャリアと充填床のための粒子との正しい組み合わせを慎重に選択することが非常に重要である。充填床の粒子は、中空キャリアの内部流路に入れないように選択されなければならなく、これは、粒子が中空キャリアの内部流路に入ると、中空キャリアを閉塞してリアクターの効率を低くするからである。これは、充填床の粒子の寸法が、中空キャリア内に存在する最大の内部流路より大きくなければならないか、または逆に、それらの内部流路が充填床の最小粒子より小さくなるように中空キャリアが選択されなければならないことを意味する。

適切な中空キャリアと充填床のための適切な粒子を選択するときに留意すべき別の重要なパラメータは、粒子の密度である。密度は温度および圧力に依存するので、本発明の密度範囲は４℃および通常の大気圧に対して決定される。上述したように、中空キャリアの密度は、９００〜１２００ｋｇ／ｍ^３、好ましくは９２０〜９８０ｋｇ／ｍ^３である。さらに充填床粒子の密度は、９００ｋｇ／ｍ^３より小さく、好ましくは５００ｋｇ／ｍ^３より小さい。これは、通常の動作の間と逆洗の間の２つのタイプの粒子の混合を最小化する。

好ましい実施の形態では、充填床粒子の密度は１５〜１００ｋｇ／ｍ^３であり、好ましくは３５〜９０ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは６０〜９０ｋｇ／ｍ^３である。この低い密度は、充填床の粒子が、保持されなければ水面へ向かって上方へ浮遊することを保証する。このようにして粒子は、逆洗後の保持天井の下のそれらの箇所に非常に迅速に、すなわち数秒以内に戻る一方、より密度の高い中空粒子は、懸濁状態に維持され、充填床の下の水中で動く。加えて、充填床の粒子の密度が低いことに起因して、これらの粒子の押し上げ力は非常に大きい。したがって、充填床は非常にコンパクトであり、ほぼ完全に固定された床である。このようにして、この充填床のろ過量は非常に高いものとなる。さらに、２つの異なる種類の粒子の間の密度差は、リアクターの通常の動作の間の２つの種類の粒子の混合が非常に制限されることを保証する。

本発明では、２つのタイプの粒子を編成し非常にコンパクトな充填床を形成するのに、空気または水の付加的な上昇流は必要としない。したがって、バイオリアクター自身を機能状態に維持するのに流れを制御および調整することは必要でない。このようにして流れを、最適な水処理効率を達成するだけに調整するようにできる。これに対して、水の密度により近い密度を有する固定され流動化された粒子床を含む従来技術のリアクターは、通常、下部床を流動化された状態に維持し上部床を充填された状態に維持するために、付加的な空気または水の上昇流を必要とする。さらに逆洗後の２つの床の再編成は、本発明における充填床および可動キャリアの場合のように、迅速には達成されない。

水の密度に近い密度を有し、したがってよりコンパクトでない固定床粒子を使用するさらなる欠点は、排水の浄化のために空気を噴射するとき噴射空気は、固定床内に「通路」を形成することがあることである。これらの「通路」は、固定床の処理効率を低くする。本発明ではこれは生じない。さらに、充填床が十分にコンパクトである事実に起因して、空気の泡は、充填床を通過するのにより長い時間がかかる。これは、空気から水への酸素の移行のための時間を長くし、したがってバイオフィルムの活性を増加させる。

図２および図５に示すバイオリアクターの動作に戻る。向流への迅速な変化は、間隙スペース内に蓄積された固体を押し流し、材料表面に集まった過剰のバイオマスを移動除去することを可能にするが、しかしながら、上述した速度の範囲は、材料上の活性バイオフィルムを保存することを可能にする。リザーブ７を排水し、弁１１を閉じた後、弁１２を開くことにより、洗浄の前に使用した負荷と類似の負荷の供給を再始動できる。

向流逆洗を使用する別の利点は、充填床の上部内の粒子が汚染物と接触しないことであり、これは、動作の間、浄化された水のみが、充填床のこれらの部分に到達し、一方、汚染物の大部分は、動作の間に下部内に留まるからである。次いで逆洗の間、汚染物は再び下方へ移動し、したがって充填床の上部は、逆洗の間に汚染物とやはり接触しない。これに対して、並流逆洗は、充填床粒子全部を全汚染物と接触させ、したがって充填床の効率を低くする。加えて、汚染物は、並流逆洗を使用すると、保持天井に到達して保持天井を閉塞することがある。向流逆洗の間、保持天井は閉塞の危険がない。

浄化された流出液をポンプにより再循環すると、必要な場合には分布を改善できるであろうし、あるいは窒化物を予備ろ過ゾーンに供給できるであろう。

洗浄と洗浄の間の時間を延長するには、弁１１を開いて非常に短いフラッシング動作を周期的に行って材料をほぐし、これによりろ過床内へ不純物がより深く侵入できるようにする。これらの短時間の洗浄動作は、フィルタの下部の閉塞をさらに除去し、これによりフィルタに懸濁固体をさらに捕捉させることができる。急速なフラッシング動作は、ろ過床の高さ全体にわたりバランスのとれた負荷損を提供する。

逆洗の間、逐次的なガス噴射を維持することで、充填床および中空キャリアの閉塞を除去するのを助けることも可能である。逆洗の間の空気の短時間のシーケンスにより、中空キャリアを揺さぶり、中空キャリアの閉塞を阻止することができる。空気のシーケンスは、例えば後述する好ましい実施の形態で説明するように、洗浄水中に休止の間に導入でき、あるいは洗浄水が連続的に流れている間にシーケンスで導入できる。

本発明の好ましい実施の形態では、逆洗手順として次のステップを含む。
ａ）水のみでの予備洗浄。
この動作の間フィルタはオフになっており、この動作は、混合のために空気を噴射する前にスラッジをほぐすために所定の時間Ｔ０にわたり洗浄水排出弁を開くことにより（水のみでの）予備洗浄を行うことから成る。
ｂ）空気のみでスラッジをほぐす。
このステップの間洗浄水排出弁は閉じており、このステップは、過剰のスラッジを混合してほぐすために空気システム内に空気を噴射することから成る。このステップは時間Ｔ２にわたり続く。
ｃ）休止。
ほぐされた材料が沈降するために時間Ｔ１４にわたり休止。
ｄ）水工程と空気工程を交互に行うことにより清浄。
このステップは、
Ｔ１にわたり水のみを噴射する工程と、
Ｔ２にわたり空気のみを噴射する工程と、
Ｔ１４にわたり休止する工程と、
Ｔ１にわたり水のみを噴射す工程
を順次に行うことから成る。
これらの工程は、全ての過剰のスラッジをほぐし、それを部分的にフィルタ媒体へ向かって排出するように設計されている。付加的な水掃除工程（プリセット時間Ｔ１）および空気掃除工程（プリセット時間Ｔ２）および休止（プリセット時間Ｔ１４）を付加して、より完全な洗浄を得ることができる。
ｅ）水のみでのすすぎ。
この工程は、時間Ｔ３にわたり水の下降流により残った過剰のスラッジを排出することにある。

逆洗のシーケンスは、時間Ｔ３が経過すると終わる。実際のろ過速度に依存して、次いでフィルタはろ過モードに戻るか、あるいは待機モードにされる。

リアクター内で第２の流動化または固定された床を使用する代りに自由に動く中空キャリアを使用することの多数の利点のうちの１つは、ただ僅かな付加的な気圧損失水頭しか、バイオリアクターの通常動作の間にこれらの可動キャリアにより導入されないことである。これにより、バイオリアクターを曝気するためのエネルギー消費が小さくなる。

最後に述べるからといって重要でないということではないが、中空キャリアは分布を改善し、充填床へ向かってのガスの上昇運動を遅くすることができ、これは、気泡は、リアクターの下部内の自由に動く中空キャリアと接触すると小さい気泡へ分裂するからである。これは、バイオフィルムの供給を確実に改善し、したがってリアクターの効率を高くする。

さらに中空キャリアは、全懸濁固体（ＴＳＳ）による充填床の閉塞を減らし、これは、中空キャリア上に生成され蓄積されたバイオマスは、逆洗の間に除去されるからである。さらに、より小さいＣＯＤが充填床に到達するので、充填床粒子上でのバイオマスの成長は、図１に示すように充填床のみが使用される従来のバイオリアクターに比してより遅い。これは逆洗頻度を最小化し、ひいては廃棄する必要がある洗浄水も最小化する。

図３の側面図は、本発明で使用するのに適した中空キャリアの例を示す。図示された構造は、バイオフィルムの成長に適したキャリアの外部および内部壁を示す。この図面から容易に理解できるように、キャリアの内面上に成長するバイオフィルムは、バイオリアクターの動作の間別のキャリアとの接触により損傷されないように保護される。

図４Ａおよび図４Ｂに、２つの代替的な流体噴射システムを示す。図４Ａは、図２のバイオリアクター内に示されている流体噴射システムに係るコンクリートから成る流体噴射システムを示す。この流体噴射システムは、例えばコンクリートあるいは当技術分野で知られている別の適切な材料から成ることも可能である。バイオリアクター１３の底部に、穴１５を有する入口チャネル１４が形成されている。代替的解決法を示す図４Ｂは、穴１５を有する管１６が、バイオリアクターの底部またはその上に挿入されている。これらの管は例えば、スチールまたはプラスチックまたは当技術分野で知られている適切な材料から成ることが可能である。両実施の形態では水入口チャネルは、両方向を指す矢印が示すように逆洗の間スラッジ出口チャネルとしても機能する。穴１５の寸法は、可動粒子１０の選択された寸法より小さくなるように選択され、したがって粒子は穴１５を通過できず、流体噴射システム１５により保持される。逆洗の間、可動粒子１０は、リアクターの底部へ向かって押し下げられると流体噴射システム３により保持されるので、貴重な可動粒子１０の損失を回避できる。

図５は、本発明のリアクターの代替の実施形態を示す。この代替の実施形態は、図２に示すバイオリアクターと同様に機能するが、相違点は、代替の実施形態が、充填床５内に位置する第２の空気噴射システム１７を備えることである。バイオリアクターが動作され、空気が空気噴射システム４および第２の空気噴射システム１７を介して導入されると、充填床５は、図５に示すように充填床内に曝気ゾーン１９および非曝気ゾーン１８を備えることになる。曝気ゾーン１９内で、噴射空気からのＯ_２を使用する硝化が行われる。空気噴射システム４からの曝気が行われないと、無酸素ゾーンすなわちＮＯ_３−Ｎのみからの酸素を有するゾーンが確実に生じるので、窒素の除去（脱窒）を、曝気により供給される酸素の代りにＮＯ_３−Ｎからの酸素を使用して炭素を除去して行うことができる。第２の空気噴射システム１７を空気噴射に用いることは、逆洗の間には行わず、バイオリアクターの通常の動作の間にのみ行うと理解すべきである。空気噴射システム４のみを有する実施の形態において上述したように、空気が付加的にまたはもっぱら空気噴射システム１７を通って導入されるこの実施の形態でも、集中的な交換が、ガスと、処理する水と、粒子にくっついているバイオフィルムとの間に得られる。この動作の間、充填床５は非乱流状態のままであり、したがって「固定床」である。

本発明の方法の有利な実施の形態では、上述のようにそれぞれ複数のバイオリアクターから成る１つ又は複数の組が、大型水処理設備内に並列に配置される。大型水処理設備内の並列バイオリアクターの各組は、１〜２０のバイオリアクターを含むことが可能である。しかしながら、一組毎に４〜１４のバイオリアクターの量が好ましい。１〜１０のバイオリアクター組を大型水処理設内に並列に実現できる。

各バイオリアクター組は１つの共通の水リザーバを有し、この水リザーバは、各バイオリアクターと個別に関連する負荷カラムに供給する。これにより、１つのカラムが閉塞したときにバイオリアクター内の圧力が過剰になるのを阻止できる、何故ならば別の負荷カラムが圧力を補償できるからである。

各バイオリアクターの浄水のための水リザーブも相互接続され、各組の上面に浄水のための１つの大きいコンパートメントを形成する。このようにして、動作中の各バイオリアクターの浄水は、その時に逆洗中の閉塞されたバイオリアクターの逆洗のための水流を供給する。

水処理設備をスムーズに動作させるには、一度にただ１つのバイオリアクターを逆洗し、その他のバイオリアクターは通常の未処理動作を行うようにすることが好ましい。並列でいくつかの組を使用すると、組毎にただ１つのバイオリアクターしか逆洗できないにもかかわらず一度に２つ以上の逆洗が可能となり、これにより処理設備の効率が増す。

試運転が、図２に示す本発明の生物学的浄化リアクターの懸濁固体（ＴＳＳ）および可溶性ＣＯＤの全てを除去する効率を測定するために行われた。

試運転に使用されたリアクターは、高さ６.５ｍ、直径０.９ｍのカラムであった。リアクターは、直径４.５ｍｍ、密度５５ｋｇ／ｍ^３の球状媒体を使用する３.５ｍの充填床を有した。高さ１.９ｍの充填床の下の体積は、９６０ｋｇ／ｍ^３の密度および８００ｍ^２／ｍ^３の保護表面積を有する３５％の中空キャリアにより充填された。リアクターに、フランスのサン・ティボ・デ・ヴィニュ（St. Thibauｌt des Vignes）市の排水処理設備（ＷＷＴＰ）の一次沈降槽からの都市排水を供給し、リアクターの前および後での懸濁固体（ＴＳＳ）および可溶性化学的酸素要求量（ろ過されたＣＯＤ）の総含有量を測定した。

リアクターが１ｍ／ｈの流入流で３週間にわたりシードされ、十分な活性が記録されると、リアクターへの負荷を数ステップで増やした。平均２４のサンプルが、設備の最高負荷の間に採取された。

試運転の結果を、以下の表１および表２に示す。結果は、図１に示す従来技術で開示されている生物学的浄化リアクターから期待される標準設計値および結果に比して示されている。

サン・ティボ・デ・ヴィニュ（St. Thibauｌt des Vignes）市の排水処理設備（ＷＷＴＰ）は、高い程度の流入液が排水処理設備（ＷＷＴＰ）に流入し、したがって到来排水中の可溶性ＣＯＤの非分解性部分が比較的大きいことに注意されたい。したがって、流出液中の可溶性ＣＯＤの量は、より「古典的」な都市排水から期待されるであろう量よりわずかに大きく、したがってこのパラメータにおける達成除去率は低くなった。このような「古典的」な都市排水は、従来技術に開示され図１に示されている生物学的浄化リアクターのための効率データを得るために使用された。

Claims (15)

1. 体積Ｖを有するスラッジを膨張および除去するスペース２と、
   前記スラッジを膨張および除去するスペース２の底部に近接した下部領域内に位置するガス噴射システム４と、
   前記スラッジを膨張および除去するスペース２の底部に位置するか又はその上に位置する流体噴射システム３と、
   生物学的フィルタと
   を備えた生物学的浄化リアクターであって、
   前記生物学的フィルタが、上方運動に抗して有孔保持天井６により前記リアクターの下部内に保持される粒子充填床５と、前記スラッジを膨張および除去するスペース２内に位置し且つ前記スラッジを膨張および除去するスペース２の底部の上に位置する可動粒子１０の集合体とを備え、
   前記粒子充填床５と前記可動粒子１０の集合体の粒子が、微生物膜のためのキャリアであり、
   前記可動粒子１０が、９００〜１２００ｋｇ／ｍ^３ の密度を有し、
   前記充填床５の粒子が１５〜１００ｋｇ／ｍ ^３ の密度と、２〜６ｍｍの粒径を有し、
   前記可動粒子１０が、内部流路を有する中空キャリアであり、
   前記充填床５の粒子の寸法が、前記中空キャリア内に存在する最大の内部流路より大きく、
   前記スラッジを膨張および除去するスペース２の体積Ｖが、前記生物学的浄化リアクターの前記有孔保持天井６の下の全体積の３０〜８０％であり、
   前記スラッジを膨張および除去するスペース２の体積Ｖの２０〜７０％が、前記可動粒子１０によって充填されている生物学的浄化リアクター。
2. 前記スラッジを膨張および除去するスペース２の体積Ｖが、前記生物学的浄化リアクターの前記有孔保持天井６の下の全体積の３０〜５５％であり、前記スラッジを膨張および除去するスペース２の体積Ｖの３０〜６５％が、前記可動粒子１０によって充填されている請求項１に記載の生物学的浄化リアクター。
3. 前記可動粒子１０が、９２０〜９８０ｋｇ／ｍ ^３ の密度を有する請求項１または２に記載の生物学的浄化リアクター。
4. 前記充填床の粒子が、膨張粒子である請求項１〜３のいずれか１つに記載の生物学的浄化リアクター。
5. 前記可動粒子１０の長さおよび幅が、１０〜７０ｍｍであり、それらの厚さは、１〜３０ｍｍである請求項１〜４のいずれか１つに記載の生物学的浄化リアクター。
6. 前記可動粒子１０の長さおよび幅が、２０〜４５ｍｍであり、それらの厚さは、３〜２０ｍｍである請求項５に記載の生物学的浄化リアクター。
7. 前記スラッジを膨張および除去するスペース２の底部またはその上に位置する流体噴射システム３が、穴１５を備え、前記穴１５の寸法が、前記可動粒子１０の選択された寸法より小さくなるように選択され、前記穴が前記粒子の保持を可能にするものである請求項１〜６のいずれか１つに記載の生物学的浄化リアクター。
8. 前記粒子充填床５内に、第２のガス噴射システム１７が位置する請求項１〜７のいずれか１つに記載の生物学的浄化リアクター。
9. （ｉ）請求項１〜８のいずれか１つに記載の生物学的浄化リアクターを用意するステップと、
   （ｉｉ）生物学的に浄化する対象の水を、前記リアクターに上方方向で通し、可動粒子１０の集合体に通し、生物学的フィルタを形成する充填床５に通し、同時にスラッジを膨張および除去するスペース２内にガス噴射システム４からガスを噴射し、前記ガスを、前記生物学的に浄化する対象の水に対して並流方向で前記生物学的フィルタに上方方向で通すステップと、
   （ｉｉｉ）前記リアクターの上部７内に処理および蓄積された水を向流方向で急速に流出させて、前記可動粒子１０の集合体および前記充填床５を周期的に逆洗するステップと
   を含む排水の生物学的浄化方法。
10. 請求項８に記載の生物学的浄化リアクターを使用する際に、前記ステップ（ｉｉ）で、第２のガス噴射システム１７を介して前記充填床５にガスを同時に噴射する請求項９に記載の方法。
11. 前記逆洗ステップが、３０〜１００ｍ／ｈの水流出速度で実施する請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記ガス噴射システム４からのガス噴射が、１０〜１００ｍ／ｈの空気流速度で実施する請求項９〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. フラッシング動作を周期的に実施して、前記可動粒子１０の集合体および前記充填床５内の懸濁固体をほぐし、２つの逆洗サイクルの間の動作が長くなるようにするステップを更に含む請求項９〜１２のいずれか１つに記載の方法。
14. 請求項１から８のいずれか１つに記載のバイオリアクターからそれぞれ成る１〜１０の組を備える水処理設備であって、バイオリアクターの各組が、並列動作する１〜２０のバイオリアクターを備える水処理設備。
15. 前記逆洗動作が、組毎に一度に１つのバイオリアクターに対して行われるものである請求項１４に記載の水処理設備。

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