支持されたバイオフィルム装置と方法
例えば密な壁のポリメチルペンテン（ＰＭＰ）からつくられている細い、中空繊維（１９）をトウの形で使ったり、布（２６）の形にして使っているモジュールが膜支持式バイオフィルムに使用されている。一つのモジュールでは布の１枚もしくはそれ以上のシートがモジュールに取りつけられて酸素含有ガスが中空繊維の内腔に供給できるようにしている。このようなモジュールを使用する、例えば汚水処理の様々なリアクターと方法とが説明されている。機械的、化学的そして生物学的方法を使用してバイオフィルム（３０）の厚みを調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国については本願は、２００３年２月１３日に出願した米国仮出願６０／４４７，０２５と２００３年８月１８日に出願した米国仮出願６０／４９６，１７８とについてＵＳＣ１１９（ｅ）に規定の権利を主張しての出願である。他国についての本願はこれら二つの出願に基づく優先権を主張している。また、本願は、すべて２００３年８月２２日に出願したカナダ特許出願２，４３８，４４１；２，４３８，４３２；２，４３８，０５０；２，４３８，１０１に基づく優先権を主張している。
【０００２】
本発明は、水もしくは汚水処理法またはその装置における例えば液体内でバイオフイルム（生物膜）を支持するガス供給装置と方法とに係るものである。
【背景技術】
【０００３】
現在大抵の汚水処理プラントは活性汚泥処理法を使用しており、これは懸濁成長媒体の形の有機汚染物質を生物学的に酸化することを基礎としている。空気利用のバブル型瀑気槽から酸素を供給する。これらの装置の効率は低く、非常に大きなエネルギを使ってしまう。酸素デマンド・ローディングが低いのでタンクのサイズは大きくなる。その結果、資本と運転コストとは高くなる。
【０００４】
第２の型の確立した生物学的酸化法は固体媒体の上に成長したバイオフィルムを利用する。例えば、汚水をリアクターの頂部へ循環させ、少しずつ下に流す。底に空気を供給する。酸素転移効率はバイオフィルムの面積により制限され、そしてその操作コストは汚水を圧送しなければならないので高くなる。
【０００５】
最近、薄膜（メンブレン）支持バイオリアクターの思想に基づく開発がなされてきている。例えば、米国特許４，１８１，６０４と４，７４６，４３５とは、ガス透過性膜の一方の側面からその膜の他方の側面に成長している微生物へ酸素を供給することにより汚水を処理する方法を説明している。多孔壁を持つ中空繊維を薄膜として使用している。米国特許５，１１６，５０６ではガス透過性膜がリアクター槽を液体室とガス室とに分割している。バイオフィルムはガス透過膜の上でその薄膜の液体側に成長させられる。酸素と代替のガスはその薄膜を通過して薄膜の液体側で成長しているバクテリアに到達する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的はこの先行技術を改善することである。本発明の別の目的は、水を処理するに適した方法と装置とを提供することであり、水の処理とは例えば、薄膜支持のバイオリアクター技術を利用した産業汚水や都市の汚水を処理することである。本発明の別の目的は、例えばバイオフィルムを支持するに適した中空繊維のガス転移薄膜とモジュールを提供することである。これらが本文に記述され、特許を請求している本発明である。以下の要約は本発明の様々なアスペクトを示すためのものであって本発明を限定するものではない。本発明は以下の要約と本文の他の個所に記載の様々な要素や段階の組合せにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つのアスペクトとしての本発明の薄膜（メンブレーン）とモジュールは、ガス転移率（転送速度）が妥当な大きさであり、酸素転移、バイオフィルム支持もしくはその両方にとって十分な表面積があって薄膜支持式バイオフィルムリアクターがこの方面の技術で使われる他の方法に優る運転コストの利点を発揮できるようになる。薄膜とモジュールとの酸素転移効率（ＯＴＥ）は５０％を越えるか、もしくは５０％ないし７０％以上の範囲にある。モジュールは非多孔性もしくは密な壁の中空繊維の薄膜からつくられ、多孔性繊維では時間につれて湿ってきて酸素転移効率を酷く低下させるという傾向を本発明は回避して大きな表面積を与えている。
【０００８】
別のアスペクトとして本発明は、酸素に対して高い選択性と拡散係数とを有するポリメチルペンテン（ＰＭＰ）からつくられた非常に細かい密度の（目の詰んだ）中空繊維を提供する。ＰＭＰのガス透過性は約７０，０００ｃｃ-ｍｍ／ｍ２-２４時間-バールである。目の詰んだ密な壁とは濡れないフォームである。これは極端にガス浸透性の高いシリコーンよりもかなり小さいけれども、ＰＭＰは溶かして中空繊維に紡ぐことができる。繊維の外直径は５００μｍか、もしくはそれ以下であり、または１００μｍかそれ以下である。このような小直径の繊維の使用がモジュールのコスト低減の助となるのは極細繊維技術を使ってモジュールを造れるからである。高いＯＴＥを達成する非常に大きな表面積が得られる。非多孔性の壁が上述の濡れの問題を回避している。
【０００９】
別のアスペクトとして本発明が提供する布は例えばＰＭＰの非常に多数の中空繊維を有し、十分に大きな表面積を与え、生物学的なカイネテックスを制御するときに酸素転移が制限因子とはならないようにしている。布は例えば中空繊維でつくられ、オプションとしてそれら繊維を集めてユニットにしたり、それらの繊維を横糸とし、編んでいるときその送っている繊維を痛めないように不活性の繊維を縦糸にして編んだりする。布をつくるのに他の方法も使える。布はその細い繊維に強度を与えてそれの表面に殆ど繊維を破壊させることなくバイオフィルムを成長させることができる。
【００１０】
別のアスペクトとしての本発明が提供するモジュールは、非常にパッキング密度の高い繊維シートからつくられていて大量の液体を再循環させることなく表面を横切る十分な基板速度を許している。モジュールは汚水へ内腔を曝すことなく、空気のような酸素を含むガスを中空繊維の内腔へ供給できるようにしている。例えば１メートルと３メートルの間の、もしくは１．５メートルと２．５メートルの間の長い繊維要素を使ってモジュールヘッダーに入れて低コストのものをつくる。
【００１１】
別のアスペクトとしては、ガス透過性の中空繊維から、例えばＰＭＰの密な壁の中空繊維からつくった布の上でバイオフィルムを成長させる。酸素搬送ガスを繊維の内腔に入れる。好気性反応が繊維の表面近くで生じ、そこには最高レベルの酸素がある。これらの反応は有機炭素化合物を二酸化炭素と水とに変換し、そしてアンモニアを硝酸に変換する。バイオフィルムの表面は嫌気（無酸素）条件下にあって硝酸を窒素に変える。その結果は有機炭素、アンモニアそして全窒素の同時低減である。
【００１２】
別のアスペクトとして本発明はピークフローを処理する手段として酸素富化を使う。このような酸素富化の必要はオンラインＣＯＤモニターにより決定されるか、もしくは一日の内の時間に従って、例えば日週性フローと強さの変動がよく知られている都市応用で設定される。
【００１３】
別のアスペクトとして本発明はモジュールとバイオリアクター設計を利用して、布の表面で他の生物学的反応を行う。例として、中空繊維の内腔へ供給された水素を使って水の中の硝酸塩のような化合物を生物学的になくす。
【００１４】
別のアスペクトとして本発明は、酸素を供給するのに空気か富化空気を使う。富化空気の選択とそのような空気の中の酸素レベルとは汚水の強さにより決められる。
【００１５】
別のアスペクトとして本発明は一次及び又は二次ヘドロを消化するのに使われる。
【００１６】
別のアスペクトとして繊維の外直径は小さく、例えば１００μｍもしくはそれ以下であり、そして繊維は例えば３０％以上もしくは４０％以上もの実質的な中空領域を有し、そのため薄い壁となっている。繊維は織られ、編まれ、ステッチなどして布にする。細い中空繊維の使用により繊維壁の厚みは薄くて、例えば２０μｍ以下であって、それは手で扱い易い薄膜をつくるに必要とされるであろうものの数分の一の薄さである。細い繊維それ自体は扱い難いが、組合せてユニット、例えば織物を形成することを含む扱い易い糸もしくはトウにする。多数の中空繊維の布は酸素を転移できるに十分な表面積を与え、バイオフィルムの成長を制限することなく、もしくは他のバイオロジカルカイネテイックを制限することなく、そしてモジュールを通る空気流れに許容できる圧力損失で空気を供給ガスとして使えるようにする。
【００１７】
別のアスペクトとして、栓流もしくは多段連続攪拌もしくはバッチタンクリアクターを使って、所与の供給水に対して最高基質濃度で生物学的反応を行える。これがバイオフィルムにおける有機炭素化合物とアンモニアのマス移送を最大とし、反応速度に対する重要な制限としてのこれらのプロセスを排除する。多段リアクターにおいて、バイオフィルム表面積に対する酸素転移表面積の比が小さいモジュール設計を下流段に使用できる。例えばタンク容積の単位当たりの酸素転移全表面積もしくは給水の流速は下流リアクターにおいて増加したり減少したりする。酸素転移表面積の減少ではなくバイオフィルム表面積の増加から低い比が生じるからである。
【００１８】
別のアスペクトとして、本発明は薄膜支持式バッチバイオフィルムリアクター（ＭＳＢＢＲ）を提供している。このリアクターは、酸素含有ガスを供給されており、そしてバイオフィルム層を支持している一つもしくはそれ以上の薄膜を含んでいる。バッチ処理を行うため周期的に充填し、排出しているタンクの内側にモジュールを配置している。実施例ではモジュールは中空繊維からできていて、産業汚水の中のＣＯＤ、アンモニア、全窒素そして懸濁固形物をなくし都市の下水施設に放出できるに適した濃縮物とするか、または流してもよい川に直接放出する濃縮物とする。別の実施例においてはモジュールを使って都市の汚水系のＣＯＤ、アンモニア、全窒素そして懸濁固形物をなくして流してもよい川に直接放出する。別の実施例ではモジュールを使って腐敗タンク内のＣＯＤ、アンモニア、全窒素そして懸濁固形物をなくすようにして腐敗タンクの規模を小さくできるようにしたり、処理技術を簡単にし、コストを低減させまたは直接川に流せるようにする。
【００１９】
別の実施例では本発明は、モジュールで成長したバイオフィルム層の成長もしくは厚みを制御もしくは調整する一つもしくはそれ以上の方法を提供する。その方法のあるものはタンクの供給水を排出しながらタンク側からバイオフィルムへ一つもしくはそれ以上の物質を加えるようにしている。これらの物質はオゾンや塩素のようなガス、または加熱した水のような液体、もしくは塩基性か酸性の溶液を含んでいる。この制御物質を加えている間バイオフィルムの状態はモジュールの内側への酸素供給を断続させることにより好気性から嫌気性へと周期的に変える。供給水を除いて、清浄な水と置換えたり、もしくは０．１ｋｇＣＯＤ／ｋｇＭＬＳＳ／日以下の充填率で供給水を置換えることによって制御物質の添加前にバイオフィルムを飢えさせておく。制御物質の添加後その弱らせたバイオフィルムに対して機械的なバイオフィルム制御法を使う。
【００２０】
別のアスペクトでは本発明は、バイオフィルムの厚みを最適な厚みとする調整手段として繊維の外側に擦って洗い流すための空気を流す。バイオフィルムの厚みを最適な厚みとする制御手段として空気を使う。酸、アルカリ、酸化剤もしくは酵素での処理又は嫌気性処理をエアースコアリング前に周期的に行って、バイオフィルムを弱めたり、バイオフィルムを全体的にもしくは部分的に取除く空気の実効性を高める。他のバイオフィルム制御法は原位置（その場での）消化、この消化に続いての周期的オゾン化、消化に続いての周期的アルカリもしくは酸処理、消化に続いての周期的酵素処理そしてワームもしくはぜん虫のような高度生命体の利用であって、それによりバイオフィルムを周期的に消化する。生物学的な消化をスピード・アップするため、モジュールの内側へ供給される空気はバイオリアクターの温度を高めるため予め加熱されている。
【００２１】
別のアスペクトでは、本発明は外直径（ＯＤ）が５００μｍかもしくはそれ以下、又は１００μｍかもしくはそれ以下の中空繊維のトウを提供している。繊維の実効表面積を最小としたモジュールをつくるのを容易とするため長さのかなりの部分にわたって、例えば半分もしくはそれ以上にわたって繊維をトウとして処理もしくは使用する。最初に布にするのではなくトウから直接繊維をつくる。また、例えばかなりの部分例えばその布の縁と縁の間の部分をトウとして残して布の縁に沿って差し込み固定（ポッティング）し易いようにトウをオープン・ファブリックにする。トウからつくられたモジュールは両端で差し込み固定され、もしくは一端で差し込み固定されて他端は差し込み固定されず布の端は開いていて排気ガスが逃げれるようにしておく。シングル・ヘッダーモジュールはダブル・ヘッダーモジュールよりも低コストである。シングル・ヘッダーモジュールは垂直のコンフィギュレーションにヘッダーを底にし、そして繊維を上方に浮かせて挿入される。このようなモジュールはモジュールの外側から空気に曝されごみや固形物の溜まったものを取除く。供給水も例えば０．５ｍｍのスクリーンを通して濾過されてそれがリアクターに入る前に供給水内のごみをなくすようにする。トウモジュールを多段リアクターの下流段リアクターで使用するときは、上流段でもトウモジュールリアクターへ送られるごみの量を減らす。
【００２２】
別のアスペクトでは異なる強度の汚水を処理するリアクターにその取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比が異なるモジュールを設ける。ガス転移表面積とは、支持されたバイオフィルムと接触しているモジュールの外側表面の面積である。バイオフィルムの表面積とは、汚水に接触しているバイオフィルムの外表面の面積である。ある場合には、バイオフィルムの表面積はバイオフィルムの厚みにより変わり、その厚みとは、計算のためもしくはモジュール比較のため、リアクター内のバイオフィルムの実際の厚みもしくは時間平均厚み、公称もしくは設計厚みもしくは平均厚みであって例えば２５０μｍである。ＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌを越える汚水を処理するリアクターのモジュールの取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は１以上、１．６以上、もしくは１．６と１０との間にある。ＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌを越えない汚水を処理するリアクターのモジュールの取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は２．５以下、もしくは０．２と２．５との間にある。ＣＯＤが３００ｍｇ／Ｌを越えない汚水を処理するリアクターのモジュールの取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は１以下、もしくは０．１と１０との間にある。多段プロセスでは二台もしくはそれ以上のリアクターを、下流側のリアクターの入口へ上流側のリアクターの出口を接続して、直列接続にしている。処理しなければならない汚水のＣＯＤはリアクターを通る毎に少なくなり、そして下流側のリアクターのモジュールの取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は上流側のリアクターのモジュールのよりも小さくなっている。
【００２３】
本発明の他のアスペクトは以下の図面と請求の範囲の請求項に明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施例を以下に添付図を参照して詳述する。
１．0
モジュール要素
１．１ 繊維
【００２５】
図１と図１ａはポリ（４‐メチルペンテン‐１）（ＰＭＰ）繊維１０を示し、これは内側は中空であるが密な壁を持ち非多孔性である。グループとなっている繊維１０は様々な直径を有し、そしてその外直径は５００μｍ以下、もしくは１００μｍ以下、例えば３０μｍと１００μｍの間、または５０μｍと６０μｍの間の細い繊維である。示された中空繊維１０は非多孔性、すなわち密な壁を持っており、そして水は移流により繊維壁を通って流れない。しかしながら酸素や他のガスは分子拡散もしくは溶解拡散により繊維壁を通過する。
【００２６】
溶融紡錘、別名溶融押出しにより中空繊維１０をつくれる。溶融紡錘においてはポリマーの粒質物、例えばＰＭＰの粒状物を押出器のホッパーに送る。ポリマー粒状物を押出器の中で加熱溶解し、そして数トンの圧力を押棒にかけて連続的に紡錘ヘッドへ押出す。紡錘ヘッドは加熱イン・ラインフイルタとスピネレットから成る。このスピネレットは円形に細い弧状スロットを配列した鋼板である。中空繊維を形成する適当な弧状スロット構造例を図２ａないし２ｄに示す。
図２ｅに示すように、スピネットは複数群のスロットを有していて、このスピネットでは８つのスロット群を有して、多くの繊維を同時に押出せる。溶けたポリマーはスピネットを押出され、スロットを出て、そして冷却域で中空繊維に閉じていく。扇形分割により生じる間隙によって空気が繊維に入り込み繊維部分が環状となる前に潰れないようにしている。冷却域において空気の制御された交差流によりポリマー繊維形状物は固化され、冷却され、そして巻取器に集められる。他の紡錘法によっても適当な繊維１０はつくれる。例えば、ホール・スピンニングのパイプ内でポリマーを溶かし環状スピネットで引き、その間そのスピネットの別の孔を通しガスをその押出された繊維の内腔に通して繊維が潰れるのを防いでいる。溶融紡錘以外の方法も使える。
【００２７】
図１ａを参照する。図示の実施例では溶融紡錘法を使って外直径１２が１００μｍ以下の繊維１０をつくっている。繊維の中空域（すなわち内腔１４の領域）は繊維の横断面積の１０％以上、または３０％もしくは４０％以上である。中空域は繊維の横断面積の６０％もしくは５０％以下が典型である。例えば、ポリメチルペンテン繊維の外直径１２は約５０μｍと６０μｍとの間であって、内直径１６は３０μｍ以上であり、その結果壁厚１８は１０μｍ以下となって、ガス透過率は３０、０００ｃｃ‐ｍｍ／ｍ２‐２４時間‐バール以上である。
【００２８】
図１の実施例では、布のＰＭＰ繊維１０の外直径１２は約４５μｍであり、内直径１６は約１５ないし３０μｍである。繊維１０は日本の三井石油化学製のＭＸ‐００１もしくはＭＸ‐００２ＰＭＰを使って溶融押出しされており、そして上に説明した扇形スピネットを通して生のポリマーとしてＴＰＸの名で売り出されている。
１．２ 繊維集合体（例えばトウ）
【００２９】
図１ｂを参照する。中空繊維１０を取扱いのため纏めて繊維ユニット１９にする。繊維ユニト１９は個々の繊維１０、例えばそれぞれ１本ないし２００本もしくは１６本ないし９６本の繊維を縒って、もしくは縒らないで纏めたトウ２０（図１ｂ）、糸、ヤーン、平らなもしくは索状の編組、もしくは他の取り扱えられるようにしたユニット１９である。複式巻取りスプールから繊維を巻き解いて第２のスプールへ移してトウ２０をつくる。ＰＥもしくはＰＰのヤーンのように強い不活性繊維はトウ２０もしくは他のユニット１９に含まれる。繊維１０はユニット１９内で使うためカールしている。様々な張力でボビンに巻きつけることによりカールした繊維１０をつくる。
１．３ シート構造
【００３０】
繊維１０及び又は繊維ユニット１９はシート２６にできる。図３ａ、３ｂにおいて、繊維１０は繊維ユニット１９として基本的な２次元構成に、もしくは繊維シート２６に織られている。図の実施例ではユニット１９はシートを横切っている、つまりシート２６が織機から出て行く方向に直交している。不活性繊維２２はシート２６の長さに沿って走り、繊維ユニット１９への支持となっている。図３ｃは織りのプロセスにおける段階を示している。シャトルの通過毎に交互に上下する不活性繊維２２の２つのグループを通るシャトルに繊維ユニット１９は運ばれている。他の織り方も使える。ユニット１９の種類、ユニット１９の束の大きさ、ユニットどうしの間隔そして各方向における繊維のパーセントを個々の用途の機械的もしくは生化学的要件に合致するよう調整する。
【００３１】
更に詳細には、繊維ユニット１９はバイオフィルム３０の成長のための支持表面を与えている。中空繊維ユニット１９の数とユニット１９当たりの繊維１０の数を調整して、バイオフィルム３０の表面積に対しもしくは繊維シート２６の平らな表面積に対しＯ２転移のための所望表面積を与えるようにする。シート２８の平らな表面積はシートの長さにそれの幅を掛け、（シートは２つの側面を有するので）二倍すれば求められる。バイオフィルム３０の表面積はリアクター内の液体へ曝されるバイオフィルム３０の全表面積であり、実質的に２次元シートの形であるシート２６の平らな面積と同じである。
【００３２】
Ｏ２転移のための表面積はバイオフィルムへ曝されるシートの中空繊維１０の全面積である。これは繊維１０の実効直径と長さにシート２６の繊維１０の数を掛けた積に等しい。拡散のための実効直径は、壁厚の効果を説明する繊維の直径の対数平均である。シート２６の中空繊維１０を横切っており、繊維１０の間で接触している不活性繊維２２は、ある実施例では、例えば目の詰まった織られた布に対しての酸素転移を阻害するが、その阻害は一般には小さく、酸素転移の計算の表面積としては無視される。
【００３３】
バイオフィルム３０の表面積はシートの平らな面積と同じであるけれども、非常に目の粗い、もしくは開いている、または繊維ユニット１９が分散している布ではそれはいくらか大きくなっている。布目が変化するものを使ってバイオフィルム３０の厚みに影響させるようにしたり、もしくはバイオフィルム３０が容易に縮小しもしくは制御されるようにする。バイオフィルムの面積に対するＯ２転移表面積（ＳＡＯ２／ＳＡバイオフィルム）の高い比が、例えば６ないし１０もしくはそれ以上の範囲で得られる。しかしながら、ＣＯＤの濃度が高い、例えば３００ｍｇ／ＬＣＯＤもしくはそれ以上である供給水を処理するには、例えば１．６と１０との間の低いＳＡＯ２／ＳＡバイオフィルムで十分であり、そしてモジュールコストを低減するのに好ましい。約２ないし８、もしくは約４ないし６の範囲のＳＡＯ２／ＳＡバイオフィルムは多くの処理に当たって満足すべき結果を出すことができる。
【００３４】
繊維１０を緩い配列とし、そしてバイオフィルム３０の厚みを十分に薄い層へ制御することによりバイオフィルム３０の表面積は、シート２６の平らな面積よりも大きくでき、そのため隣接して並列となっている繊維上のバイオフィルムは連続層を形成しない。粗いもしくは織られた表面を持ち、その表面のゆるやかな起伏の高さが所望のバイオフィルムの厚みの範囲にあるシート２６が望ましいのは、それがバイオフィルムの制御を容易にするからである。所望のバイオフィルムの厚みは２００ないし１，０００である。
【００３５】
モジュール４０を通る酸素転移がバイオフィルム３０における反応を制限しなければ、汚水のＣＯＤ減少率は汚水のＣＯＤ濃度に大体比例する。酸素転移が制限因子とはならないようにするには汚水ＣＯＤ濃度が増加するにつれてより多くの酸素をモジュール４０に流して、同じ表面積のブローマス（blomass）を支持することが必要である。ブローアーの作動速度もしくはブローアーの大きさを増加することにより、より多くの酸素が与えられる。しかしながら、大きな圧力損失、例えば１０ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）もしくはそれ以上の圧力損失が繊維内腔１４を通る酸素の流れに対する抵抗のために生じる。所与のバイオフィルムの外表面積に対し十分な全内腔面積をつくる布の種類と繊維の数を選択することにより圧力損失は１０ｐｓｉ以下に、もしくは６ないし９ｐｓｉの範囲に維持できる。
【００３６】
また本発明者が確認したこととして、ＣＯＤの濃度が高い、例えば１０００ｍｇ／ＬＣＯＤもしくはそれ以上、または２０００ｍｇ／ＬＣＯＤもしくはそれ以上である汚水内で成長するバイオフィルムは、ＣＯＤ濃度が低い汚水内で成長するバイオフィルムよりも早く数ｍｍと言う望ましくない厚みに成長し、もっと弾力を持つようになる。ＣＯＤが高い汚水内で成長するバイオフィルムはより一層有効なバイオフィルム制御方法を必要とし、そのような方法は強い布を望ましいものとする。
【００３７】
上に述べた様々な問題は、シートの同じ平らな全表面積もしくは支持されるバイオフィルムの外表面積に対してＣＯＤの低い汚水を処理するのに使用する布よりもより多くの繊維を持ち、そしてオプションとしてより表面の粗い布をＣＯＤの高い汚水に使用するのが好ましいこととする。このことは布をつくるのに使う方法の選択と糸もしくは布ユニットまたは布の目の細かさの選択とによって達成できる。多段リアクターも使用できる。多段リアクターでは上流のリアクターはそれの最高ＣＯＤ濃度における供給水を処理し、そして繊維の多い、密度の高い布を持つモジュールを装備している。下流のリアクターは部分的に処理されたＣＯＤの低い汚水を受け取り、そして同じシートもしくはバイオフィルムの外表面積に対して繊維の少ない、密度の低い布を持つモジュールを装備している。この密度の低い布が経済的であるのは繊維が少ないからであり、そして同じ平らな表面積のシートに対しバイオフィルムの面積は大きいからである。
【００３８】
布シート２６は編み、ステッチ、ニッティング、例えばワープニッティングなど他の方法でもつくれる。例えば小さいユニット１９もしくはトウもしくは細い繊維１０の個々のストランドすら使用するときはワープニッティングが望ましい。布シート２６は所望ならば、パターンニッティングのように模様をつけられていて少ない繊維の処や穴を開けてシート２６を通る流れを促進させることもできる。
【００３９】
ワープニッティングでは図３ｄに示すような布シート２６は「ニットしたステッチ」の絡み合ったループを含んでいる。一針で形成されているステッチのコラムがフリンジをつくる。布の長さ方向のフリンジ（「ワープ」）は比較的廉価な、日用品のヤーン例えばＰＥＴ、ＰＰなどにより不活性繊維２２としてつくれる。不活性繊維２２は処理中と使用中とにおけるストレスと引っ張りとに耐えられる。布シート２６は縦糸方向（長さ方向）において一般に強くて堅く、そして横糸方向（横断方向）では弾性がある。横糸は直角ヤーン系であり、フリンジを横切り、縦糸繊維２２のステッチ（ループ）により固定されている。横糸は布（ループ）形成で役を果たしていない。それ故、横糸繊維ユニット１９はそっと処理され、縦糸よりもストレスや引張りをかけないようにする。従って、横糸としてユニット１９を持つシート２６をつくることはシート２６の作成中繊維１０への損傷の怖れを最小とする。通常横糸は、ニッティング中フリンジ（横糸）に交叉して動いているヤーンの平行な層もしくは帯である。布シートの幅は約２−３メートルであってよい。
【００４０】
図４ａ、４ｂの実施例では、織機のシャトルを通してトウ２０を織ることにより、そして布２６の縁に沿って不活性繊維２２とトウ２０を交叉させることによりつくられた開いた布からシート２６は構成されている。図示の布の幅は約１．３メートルであり、すなわち、それは長さが約１．３メートルの活性繊維１０と、トウ２０に垂直に織られて縁に沿って約２センチメートルの細長部分となっている不活性繊維２２とを有する。図４ｂに示すように、各トウ２０における繊維１０は細長部分を越えて分散し、トウ２０は抑制されないままであって細長部分と細長部分との間で隙間を開けて開いている。その結果できた幅１．３メートルの布のロールを切って約２−２００センチメートル、もしくは３０−６０センチメートルにして個々のシート２６にする。図４ｂにおいて各トウ２０の繊維１０の数は見易くするため少なくしてあるが、トウ２０はそれぞれ例えば、１本と２００本の間、例えば１６，４８、もしくは９６本の繊維１０を有している。
１．４
モジュール
１．４．１ 緩いトウモジュール
【００４１】
本発明に従って繊維１０、トウ２０もしくはシート２６を含む多繊維ユニット１９をグループに分けて薄膜モジュール４０を形成する。図５に示すモジュール４０は、トウもしくは緩いトウモジュールと呼び、繊維１０は繊維のトウ２０の形に配置され、そしてポットに入れられている。多数の、１本と２００本の間、もしくは１６本ないし９８本の繊維１０を緩く集めてトウ２０をつくっている。繊維１０は軽く縒りをかけており、もしくは縒りをかけないままである。繊維１０はカールされ、クリンプされ、波型にされてそれぞれポット付きの列の形の3次元構造となっている。繊維にかかる張力を変えながらボビンに繊維を巻き戻すことによりカールする。トウ２０の個々の繊維１０は相互に分離している。そのようなトウ２０は薄い例えば１ミリ圧のバイオフィルムで被膜されるときに生じるバイオフィルムの外表面積に対する繊維壁を通過するガス転移面積の比（ＳＡoxygeon／ＳＡbiofilm）は２．５以下、１以下、もしくは０．１もしくは０．２と１の間である。不活性繊維２２は必要であればトウに加えてそれを強化する。各トウ２０は樹脂３２のプラグに入れられ、それの端３４は樹脂３２の一面で開いている。樹脂プラグ３２はポート３６を持つプラスチックのヘッダー包囲体３５に固着され、それは空所もしくはキャビティ３７を通って繊維１０の開いた端３４へポート３６を接続するヘッダー４４を形成している。入口ヘッダー４４を持つモジュール４０がつくられているが、繊維１０のそれぞれの端に一つずつ、２つのヘッダーがある。２つのヘッダー４４があり、空気もしくは他のガスが一方のヘッダー４４に入れられ、繊維１０を通って流され、そして第２のヘッダー４４から出て行く。トウをポリウレタンのような樹脂３２に差し入れ、そして差し入れた端を切って繊維の内腔を露出する。又は、米国特許６，５９２，７５９に記載のように一過性のポッティング材料を使って繊維の端を閉塞するか、もしくは他のポッティング法を利用してもよい。図５ではトウ２０の数とトウ２０当たりの繊維１０の数との両方が図面をハッキリさせるため少なくして示してあるが、実際にははるかに多い。
１．４２ シートモジュール
【００４２】
モジュール４０をシート２６の束もしくは堆積から構成することができる。図３ａに示すようにシート２６の全幅を横切って、もしくはシート２６の幅の一部分を例えば図４に示すように端の処で横切っている直交不活性繊維をシート２６は有している。シート２６の生の材料を巻いて布ロールにする。例えば、織ってシート２６をつくるときは、その材料をつくっているとき織機の端で巻き取り式ロールにその材料を巻く。繊維ユニット１９はロールを横切って延び、不活性繊維２２はそのロールの周りにらせん状となる。繊維をこのように配向して、ロールからある長さの材料を引出してそれをホット・ナイフもしくはヒートカッターで裁断して個々のシート２６をロールから切り出す。ヒートカッターは繊維ユニット１９と不活性繊維２２とを溶かし、そしてそれらを一緒にくっつけてバラバラになっているもしくはほつれているところから布端を突出させる。ヒートカッターが切断線の両側で繊維の細長い部分、例えば約５ｍｍ幅の細長い部分を溶かすので、ロールに残る繊維は同じように一緒に溶けて安定した縁をつくる。シート２６をロールから切断した後シートのその他の２つの端、つまり熱切断した縁に直角なシート２６の縁は切られて、繊維ユニット１９の内腔を開く。切断圧力の下での繊維１９の端の乱れや潰れを最小にするため切断しようとする区域を、例えばそれにポリウレタンを含侵させて繊維１０もしくは繊維ユニットの周りに強化被膜をつくることによって先ず強化する。それから繊維ユニット１９を横切って鋭いナイフで、例えば剃刀の刃のカッターで切断する。カッターは刃を定期的に取り替えて非常に鋭くしているのが好ましく、繊維１０の端の乱れが殆どないようにする。衣服産業や織布産業で使用している他の切断機械もしくは切断道具も使用できる。
【００４３】
一枚もしくは複数枚のシート２６の端をヘッダーのポットに入れてポート３６を繊維１０の内腔に連絡する。シート２６をポットに入れるためシート２６を上に述べたようにしてロールから切り出す。繊維ユニット１９を横断しているレーザーカット線に平行しているが、それから離してシート２６の端で、シート２６の一側もしくは両側に例えば接着剤もしくは粘着テープでプラスチックのスペーサー細長片を取りつける。多数のシート２６にポットを付けるにはスペーサー細長片を取りつけたシート２６を相互に重ねて一緒に、例えば接着剤もしくは粘着テープで、隣同士のスペーサーの間もしくは一方のシート２６と第２のシート２６のスペーサーの間でくっつける。スペーサーはシート２６とシート２６との間を開けているだけではなく、後で加えるポット材料と繊維１０の端を含むヘッダーのキャビティもしくは空所との間で障壁を形成している。シート２６もしくはシートの積み重ねの端を、例えば注入式塑造法によりつくれる長いヘッダーのキャビティに入れる。ヘッダーの壁に対する間隔と密封とは長いヘッダーの壁のそれぞれへ取りつけた自己粘着性のクローズドセルネオプレーンガスケットストリップでつくられている。スペーサーストリップで残されたヘッダーのキャビティの開口は熱い溶融接着剤で覆われる。スペーサーストリップにわたって例えば２成分ポリウレタン化合物であるポッティング材料層を注ぐことによりヘッダーを最終的に密封する。この層は約４５ｍｍ厚であって、ヘッダーの壁の内側と内側との間にある。多数のシートでは、シート２６間で完全にそして均一にポッティング材料が流れるのを確実とするよう注意する。ポッティング材料が硬化すると繊維１０の外側とヘッダーの壁との間に密封が形成されるが、繊維１０の端はヘッダー内の空所と連通したままとなっている。
【００４４】
図６ないし図９に示すモジュール４０においては、ヘッダー４４内で間隙４２を一組の並列シート２６の間に開けてそれらのシートにポットを付けている。排気が望まれるときは図に示すように、２つのヘッダー４４を使う。一方のヘッダー４４を使って繊維１０の対向した開口端を通して排気するか、またはデッドエンド操作するため繊維１０の他端を閉じる。間隙４２は２ｍｍと１０ｍｍの間であるか、もしくは３ｍｍと１５ｍｍの間である。間隙４２は処理しようとする水もしくはバイオフィルムの厚みを制御する方法の選択によって変わってくる。例えば、引っ張られたシート２６のモジュール４０の間隙は、バイオフィルム３０の厚みを空気で擦って調整するときは６ｍｍである。ヘッダー４４を剛性の構造体に取り付けることにより張力はかけられるが、その構造体はタンクの部分を含んでいて一方もしくは両方のヘッダー４４がその構造体に対して動けるようにしている。又は、距離を調整できるフレームの部分にヘッダー４４を取りつけてもよい。様々なポッティング材料４６により布２６のシートをヘッダー４４内でポットに入れ、分離させておくのであるが、そのようなポッティング材料４６にはポリウレタン、高温溶解接着剤、粘着ストリップ、プラスチック間隔片もしくはエポキシがある。隣り合うシート２６どうしの間もしくは隣り合う間隙４２どうしの間の隙間はエアースコアリングのための空気そしてモジュール４０を通る代わりの流れのためのスペースとなっている。別々のシートを使うのではなく布２６の大きなシートをロールにしたり、折り畳んでモジュール４０をつくる。モジュール４０の長さはＯＴＥと圧力降下との間の妥協であって、そして１メートルから５メートルの間であるか、もしくは１メートルから３メートルの間である。
【００４５】
図８に示すように、モジュール４０をつくるには繊維１０の端を横断するよう置いた接着ストリップ５０（各端に一つづつ）に繊維１０のシート２６を載せる。別の接着ストリップ５０と間隔ストリップ５２とをシート２６に置き、別の粘着ストリップ５０と別の布シート２６がこれに続く。これらの工程を所望のシート２６の数に合っただけ反復する。その結果できた組立体を一対の対向ヘッダー４４のヘッダー包囲体３５に密封して、繊維１０の内腔１４がキャビティ３７を介してヘッダー４４のポート３６と連通する。繊維１０の端をポットにつける前に切断してそれらを例えば上に述べたようにして開いておく。別の接着剤もしくはポッティング樹脂４１はオプションでヘッダー包囲体３５に流し込んで繊維１０をヘッダー包囲体３５へ一層密封する。又は、シート２６の端で間隔ストリップに接着し、そしてヘッダーのキャビティに挿入し、そして別の接着剤もしくはポッティング樹脂４１をこの組立体の周りに置いてそれをヘッダー包囲体３５へ密封する。更に代替的に、上述の第１の組立法を使ってもよい。
【００４６】
図９は上に大体述べたようにして組立てられたモジュールの図である。ヘッダー４４どうしは約２メートル離れている。別のスペーサー３３をヘッダーの中間に使ってシート２６の分離を一層確かなものとしてもよい。細い鋼鉄棒４５をモジュールの右半分の布シート２６の縁に取り付けてモジュールの左半分に見ることのできる折り返しにアドレスする。モジュール４０のＳＡoxygen／ＳＡbiofilmの比は約５である。
【００４７】
モジュール４０の別の実施例を図１０ａないし１０ｃに示す。モジュール４０は中空繊維ユニット１９と不活性繊維２２とを有する１枚のシート２６を有する。中空繊維ユニット１９はシート２６の両端のヘッダー４４と４４の間にある。隣接モジュール４０のヘッダー４４を衝合させて相互に隣接して積み上げた複数のモジュール４０が隣接シート２６の間で所望の間隔となるようにヘッダー４４の幅６２を決めている。このモジュール４０のヘッダー包囲体３５はキャビティ３７を見られるように透明である。シート２６にポットを付けるには、プラスチックの被覆ストリップであるヘッダー包囲体３５を力で広げて、シート２６を挿入する。ヘッダー包囲体３５はシート２６の上で撥ね戻って閉じる。ポート３６として作用するチューブがヘッダー包囲体の端に挿入される。ポット樹脂３１がシート２６とヘッダー包囲体３５との間の、ポート３６とヘッダー３５との間の継ぎ目に沿って、そして他のすべての開口に沿ってキャビティ３７を密封する。
【００４８】
図４を再び参照する。織られた縁に沿って切られて繊維１０の端を開いて、それらの間を０ないし１０ｍｍ広げて一つもしくは一対のヘッダーに入れたトウ２０の開いたシート２６からトウもしくはトウシートモジュールと呼ばれる別のモジュールをつくる。上述のポッティング法を含む、使用されるポッティング法によって異なるが、繊維１０はポッティング樹脂に挿入する前後のいずれかで切って開いておいてよい。１ないし１００枚、もしくは８ないし２０枚のシートを一対のヘッダーに入れてモジュールをつくる。図１の繊維を使ってこうしてできたモジュールのＳＡoxygen／ＳＡbiofilmの比は、バイオフィルム厚２５０μｍで１：２．５（０．４）と１／１１（０．１）の間である。
１．５ カセット／リアクター
【００４９】
一般に、複数のモジュールをグループに分けてカセットを形成し、そして一つもしくはそれ以上のモジュールもしくは一つもしくはそれ以上のカセットをリアクターの部分としてタンク内に置くことができる。図１１と図１２を参照する。ＣＯＤが１，０００ｍｇ／Ｌを越える、典型的には７，０００ｍｇ／Ｌを含む産業汚水を一日当たり１立方メートル処理するプロット・リアクターのタンク１２にカセット１１０のモジュール４０を取り付ける。供給水はバッチもしくは連続プロセスにより処理されてＣＯＤ濃度を出口である都市下水に放出するに必要な３００ｍｇ／Ｌまで減少する。タンク１１２の充填容積は１．８立方メートルである。１５個のモジュール４０をタンク１２に設け、それぞれのモジュール１１４は、トウ２０として織られた、ＰＭＰ繊維ユニット１９の織布の３．６平方メートルの表面積の６枚のシート２６を含んでいる。繊維１０は１．８メートルの長さであって、モジュール４０の入口ヘッダー１１６と出口ヘッダー１２２との間に延びている。シート当たりのＰＭＰトウの全数は１９６８であり、そしてシート当たりの繊維は９４４６４本である。トウ当たり４８本の繊維があり、そしてシート２６のインチ当たり５０本の糸の２パッキングがある。また、ポリエステルヤーンはＰＭＰ繊維に垂直に織られており、そしてモジュール当たりのヤーンの全数は１９１２本である。繊維の内腔における空気圧低下は５ないし１０ｐｓｉの範囲にある。モジュール当たりの全バイオフィルムの面積は１７平方メートルであり、そして酸素転移面積は約５．１×バイオフィルム面積である。
【００５０】
図示の実施例のモジュールは、ヘッダー１１６と１２２との間で延びるシート２６の張力が調整できるような仕方で取りつけられている。カセットは剛性構造体１５０であって、タンク１１２の要素もしくはモジュール４０に隣接するカセットサブ・フレームの要素を含むことができ、そしてヘッダー１１６と１２２の一方もしくは両方が剛性構造体１５０に対して動けるようになっている。
【００５１】
図示の実施例では剛性構造体１５０は、モジュール４０の積み重ねの一番外側のモジュール４０の遠い方の側面に沿って延びる一対の側板１５２を備えている。図１３と図１４によく示されているように、モジュール４０は、それの両端の側板１５２の間を横切っている取り付けブラケット１５４により側板１５２へ取りつけられている。シート２６に対向して、ヘッダー１１６の表面から伸びるＴ字型舌片１５８を受けるようにした形の溝１５６を取り付けブラケット１５４につける。ブラケット１５４の溝１５６にヘッダー１１６と１２２の舌片１５８を滑り込ませることによりモジュール４０を取り付けブラケット１５４に固定する。例えば、ブラケット１５４の縁面において孔１６２にボルト１６０を通して板１５２とネジ付き穴１６４とを係合させるすことにより取り付けブラケット１５４を側板１５２へ固定する。
【００５２】
取り付けたヘッダー１１６、１２２が水平に動かされてシート２６の張力を増減するように孔１６２のスロットの形を決める。板１５２へ固定した取り付け面１６８と外直径表面を係合させ、偏心させて取り付けたカム部材１６６をボルト１６０の頭と板１５２との間に設ける。カム部材１６６を回転させると対向したブラケット１５４を押し広げ、もしくはそれらを近づけて、それによりモジュール４０におけるシート２６の張力を調整する。
【００５３】
モジュール４０の一端だけにもしくは両端に張力調整機構を設け、そして各モジュール４０毎に又はモジュールのサブ・グループ毎に個別に張力を調整できるようにする。他の取り付け法を使ってモジュール４０を取除いたり、もしくは張力をかけたりしてもよい。
【００５４】
本発明の別の実施例ではモジュールの要素は垂直に積み重ねている。外部からのスコアリング空気、もしくはタンク内の水が上から下へ、もしくは下から上へ流れる。このことがスコアリング空気と空気の作動コストに必要な資本を最小とする。
２．０ 動作／用途
【００５５】
一本もしくはそれ以上の繊維１０を有する繊維ユニット１９をリアクターにおけるバイオフィルムを支持する薄膜として使用する。一般に、酸素含有ガスがモジュール４０のヘッダー４４の少なくとも一つに流れる。繊維を通る以外は出口のないデッド・エンドモードでモジュール４０は作動する。代替的には、モジュールは交叉流方式で作動させてもよく、この方式ではガスは一方のヘッダー４４を通って入り、繊維を通過して流れ、それから他方のヘッダー４４から出て行く。ガスの酸素含有量と流速とは、酸素レベルが最高となる繊維１０の外面近くに好気性状態をつくるだけの酸素を移送するようガスの酸素含量と流速とを設定する。この区域で有機化合物の二酸化炭素と水への変換、そしてアンモニアの硝酸塩への変換とを含む好気性反応が生じる。バイオフィルムはそれの外面でもしくは処理されている基質近くで無酸素もしくは嫌気性条件下にあり、そして窒素の硝酸塩への変換が生じる。こうして、カーボンベースの有機体、アンモニアそして全窒素の減少を含む多くの、そして同時発生的反応がバイオフィルムで行われる。
【００５６】
図１５に例としてのリアクターを示す。図１５は近栓流をつくる。リアクター８０はタンク８２、タンク８２への供給水取入口８４、タンク８２からの放出口８６、取入口８４と放出口８６との間の流路８８そしてタンク８２内のモジュール４０の形状の多数の繊維１９を有している。各モジュール４０は一つもしくはそれ以上のヘッダー４４から伸びる１枚もしくはそれ以上のシート２６を有する。複数のモジュール４０は一つもしくはそれ以上のカセット１１０の部分として設けることができる。
【００５７】
シート２６とモジュール４０はタンク８２に入ってそれの容積の実質的な部分を占める大きさとなっている。シート２６はタンク８２内の利用できる空間を効率よく利用するようつくられた注文製作である。シート２６はいくつもの列となってタンク８２内に配置されているのが好ましく、そのような一つの列を図１５に示す。シート２６は０．２６から２ｍｍまでの厚みがあり、タンク８２内の隣同士のシート２８の間隔は２ないし１５ｍｍであって隣接シート２５間でバイオフィルムが成長でき、そして汚水が流れることができる。
【００５８】
タンク８２は深さよりも長さの方があり、そして全体としてほぼ水平な流路８８を有して、僅かに混合を伴う。これは、タンク８２の端近くに（すなわち、入口８４と出口８６近くに）幾らかの空間を残して水を垂直に動かすようにし、そしてタンク８２の頂部、底部そして側面に最小の自由空間を残すことにより達成される。バッフル９０を流出出口８６の上流に配して流路８８をその下に行くようにする。ヘドロ出口９２を設けて過剰なヘドロを除去する。
【００５９】
供給口８４と排出口８６との間のタンク８２の実質的な部分８２にわたり流路８８は真直ぐになっている。各モジュール４０はフレーム（図を複雑にしないため示していない）に取り付けたヘッダー４４によりタンク８２内に保持され、このフレームはリアクター８０内に各モジュール４０を正しく配置してそれにより各モジュール４０のシート２６が流路８８に全体として平行になる。好ましくは、複数のシート２６は流路８８に沿って直列となっていて、リアクター８０は一層潜流の特性を持つようになる。処理しようとする汚水の一部は放出口８６から供給口８４へリサイクルする。このようなリサイクルは流路８８に沿う汚水速度を高めることによりガス転移速度を増加できるが、リサイクルの割合を小さくしてリアクター８０における混合流特性を大きくしないようにするのが好ましい。
【００６０】
処理しようとする水よりも上にある供給マニフォルド９４へ接続された入口導管２１６を介して各モジュール４０へ酸素含有ガスを送る。入口マニフォルド９４が水面よりも上になっているのでモジュール４０に漏洩口があってもマニフォルド内に水を入れさせないし、他のモジュール４０にも入れさせない。排出マニフォルド９５へ接続された出口導管２１８を介してガスは各モジュール４０を出る。各モジュール４０を出たガスを集めることは絶対に必要ではないけれども、そうするとかなりの利点がある。例えば、排出マニフォルド９５内のガスは揮発性有機化合物が富裕となっているかもしれず、そのことはそのリアクター８０を配置した建物内で匂いや健康問題を生じることがある。
【００６１】
酸素は拡散し、そして繊維１０を通過する。そのように拡散し、そして通過した酸素の量は、好気性バイオフィルムがシート２６に隣接して生育し、嫌気性バイオフィルムがその好気性バイオフィルムの隣で生育し、そして処理しようとする汚水が嫌気性状態に保たれている。そのようなバイオフィルムは窒素固定と脱窒とを同時に行う。攪拌源９８を時々作動させてシート２６を攪拌して蓄積されたバイオフィルムを解放する。適当な攪拌源は、処理しようとする水を非嫌気性にするに十分な酸素を与えない一連の疎い気泡の通気装置である。
【００６２】
図１６に示す第２のリアクター８０は、タンク８２、給水口８４、放出口８６、流路８８そして複数のモジュール４０を有する。各モジュール４０のシート２６が全体として流路８８に平行となるような位置にフレーム（図示せず）が各モジュール４０を保持する。
【００６３】
タンク８２に入ってそれの容積の実質的な部分を占めるような大きさにシート２６をする。シート２６は注文してタンク１８２の利用できる空間を効率よく使えるようにつくる。シート２６の厚みは０．２５ｍｍから２ｍｍの範囲にあって、隣同士のシートの間隔は２ないし１５ｍｍであってバイオフィルムが成長でき、そして汚水が隣同士のシート２６の間を流れる。
【００６４】
タンク８２は長さよりも深さがあって殆ど混合することなくタンク８２の実質的な部分にわたって垂直な流路８８をつくれるようになっている。これは、タンク８２の端と側面とに近いところでは殆ど空間を残さないようにするが、タンク８２の頂部と底部近くに実質的な空間を残すことにより実現できる。処理しようとする水の一部は排出口８６から供給口８４へリサイクルするが、このリサイクルを使ってもそのリサイクル速度は小さいのが好ましい。
【００６５】
酸素含有ガスは、マニフォルド９４に接続した入口導管２１６を介して各モジュール４０へ送られる。代替的にはマニフォルド９４は処理しようとする水よりも高いところに配置して、モジュール４０に漏れ口があってもマニフォルド９４に水を入れたり、もしくはどれか他のモジュール４０に水を入れたりしないようにする。出口導管２１８は出口マニフォルド９５に接続されていてこのマニフォルドは処理しようとする水の表面より高くなっている。
【００６６】
代替的には、モジュール４０を通るガス流は出口導管２１８への吸込みをつけることによりつくれる。入口導管２１６は大気と流体連絡している。この方法により膜を横断するガス拡散速度は僅かに減少するが、ブローワーからの排気を排出ガス処理装置へ接続できる。
【００６７】
好気性バイオフィルムがシート２６の隣で培養され、嫌気性もしくは無酸素バイオフィルムが好気性バイオフィルムに隣接して培養され、そして処理しようとする汚水が嫌気性状態に維持されるように酸素が拡散しもしくは透過するのが好ましい。攪拌源９８を時々作動させてシート２６を攪拌して蓄積バイオフィルムを解除する。適当な攪拌源は直列の機械的な混合器である。
【００６８】
図１７を参照する。リアクター１００のタンク１１２には一つもしくはそれ以上の薄膜支持式バイオフィルムモジュールカセット１１０が装備されている。これらのカセットは上に述べたように一つもしくはそれ以上のモジュール４０を有する。モジュール４０はトウモジュール、平らな要素のモジュール、もしくはバイオフィルムを支持する薄膜を使う他のタイプのモジュールである。各モジュール４０のガス入口ヘッダー１１６に空気もしくは他の酸素含有ガスをブローワー１１８を介して供給している。入口ヘッダー１１６から一つもしくはそれ以上の繊維１０の内側（すなわち、内腔１４）へガスは通る。繊維１０の壁はガス転移膜１２０として働く。ガスの一部分は膜１２０を通り、タンク１１２から取り出された別の部分そして多分かなりのガスがモジュール４０の出口ヘッダー１２２へ、そして出口１２４へ流れる。排出口１２４を出るガスは後処理されるか、大気へ放出される。
【００６９】
供給弁１２６と供給ポンプ１２８とを介して供給水がリアクター１００へ入る。供給水がモジュール４０より上の供給充填レベルまで入れられる。一バッチの供給水が処理された後ドレイン弁１３１を開いて処理された水のタンク１１２を排出する。この処理された水は都市の下水へ、周囲へ流れ、受給系へ直接流れ、もしくはＭＳＢＢＲ（薄膜支持式バイオフィルムバッチリアクター）の別の段へ、もしくは更に処理するため別の種類のリアクターへ流れて行く。
【００７０】
薄膜１２０の外側にバイオフィルム１３２が成長する。バイオフィルム１３２の厚みを調整するために一つもしくはそれ以上の通気装置１３４をモジュール１４０の下に設けて、通気弁１３８を介して第２のスコアリング空気ブローアー１３６へ接続される。スコアリング空気ブローアー１３６は、タンク１１２にいっぱい水が入っているとき作動させて気泡をつくる。気泡はモジュール１４０を通って上がり、そして薄膜１２０からバイオフィルム１３２の幾らかを物理的に取り除く。通気装置１３４はガス供給弁１４２を介してガス供給源１４０へ取りつけられている。ガス供給源１４０は加圧ガスもしくはガス発生器とポンプまたはタンク１１２が空のときガスを供給する他の装置である。リアクター１００は供給水以外の液体でタンク１１２を充填するよう作動する液体ポンプ１４４も有している。液体ポンプ１４４は液体を入れている貯槽へ接続されるか、もしくは化学薬品注入装置もしくはヒーターのような修正装置を介して流す清浄水源へ接続されている。タンク１１２は大気に向って開いていて、一般に周囲圧の液体を含んでいるが、蓋１４６を時々閉じて閉じた空間をつくる。
【００７１】
リアクター１００内での主処理法はバイオフィルム１３２へ供給水をバッチ供給することを含む。タンク１１２には給水ポンプ１２８を使って給水レベル１３０まで水を満たす。給水ポンプ１２８は平衡貯槽１４８を介して給水源へ接続されていて非バッチ給水源からバッチ給水をする。ある期間、例えば１２時間と９６時間との間供給水はタンク１１２内にあって、その期間中バイオフィルム３２により処理されている。処理期間中は蓋４６は開けたままであるが、タンク１１２内の水は一般に無酸素性もしくは嫌気性である。しかしながら、典型的に空気成分として酸素がブローワー１１８により薄膜１２０を介してバイオフィルム１３２へ供給され、バイオフィルム１３２に有酸素性もしくは好気性域をつくる。時々その処理期間中再循環弁１４９を開いて、給水ポンプ１２８を作動してタンク内の供給水を混ぜる。
【００７２】
バイオフィルム１３２が供給水を所望程度まで消化してから、ドレイン弁１３１を開いてタンク１１２の水を抜く。この水抜きは２段階で行われる。第１段階ではタンクの底にある固形ヘドロである水抜きして残った固形物を除去し、この固形物をヘドロ管理装置へ移す。第２段階で、きれいな上澄み液を第２段階処理もしくは殺菌システムへ移すか、もしくは下水へ放出するか、流してもよい河川に放出する。
【００７３】
酸素搬送ガス供給を充填操作中連続させ、バイオフィルムに吸収された物質を連続消化させ、そしてバイオフィルムの一部分が汚水の中に浸ると直ちに処理を開始することを保証する。同様に、水の抜出し操作中も通気を連続させてバイオフィルムの一部分が浸漬している限り処理を継続し、そして浸漬していないときでさえ短期間バイオフィルムの吸収有機物を消化してバッチ毎の処理時間を最大とする。
【００７４】
図１８に示すリアクター４００はリアクター１００と同じような特徴を持っているが、ガス供給源１４０、ガス供給弁１４２もしくは液体ポンプ１４４はない。
【００７５】
バッチプロセスで、汚水の濃度は各処理期間の終わりに向って減少して行く。バイオフィルムに供給される酸素要請も減少して行き、そしてモジュールへのガス供給を減少する。トウの形で少なくとも部分的に繊維を使用しているモジュールは、酸素転移とバイオフィルム成長に対して非常に高い表面積を提供する。トウモジュールは、例えば１，０００ｍｇ／Ｌ以下、もしくは５００ｍｇ／Ｌ以下、もしくは３００ｍｇ／Ｌ以下のＣＯＤの低い汚水を処理するときに特に有利である。細い繊維内腔を通しての圧力損失が、ＣＯＤの低い汚水を処理するバイオフィルムへ酸素を送るに必要な空気供給量を制限することはない。細い繊維は他の汚水でも同じように処理するけれども、最初の供給水のＣＯＤが低い場合、又は強い汚水のＣＯＤ濃度を減少する他の処理プロセスもしくは装置の後段の、第２もしくは第３段階としてトウモジュールを使用できる。都市の汚水や他の供給水例えば、ＣＯＤが１、０００ｍｇ／Ｌか、それ以上であると、二段階装置を使う。第１段階では、繊維シートの形の薄膜支持式バイオフィルムを図９のように使用する。これらのモジュールを含んでいるリアクターからの出口は、第２段階処理を行う図４のようなシートを持つトウモジュールを含んでいるリアクターへつながる。本発明者が確認したことであるが、ＣＯＤの高い汚水からＣＯＤを急速に低くすると薄膜支持式バイオフィルムリアクターで生じる脱窒を制限することとなる。２段階プロセスでは第１段階はＣＯＤ除去に対して最適化されている。第２段階への供給水のＣＯＤは減少しており、そして第２段階は例えば種の硝酸菌属と亜硝酸菌属の硝酸化成微生物、過剰な炭素分解微生物を支持するよう最適化されて、第２段階において改善されたアンモニア酸化を行う。
【００７６】
一般に、ＣＯＤを考えるときは、可溶性ＣＯＤを使うのであって、その理由は可溶性ＣＯＤはバイオフィルム３０により最も容易に消化され、そして容易に測定されるからである。しかしながら、緩いタウ２０がモジュール４０のかなりの、もしくは全面積を覆っているとき特にそうなるが、不可溶性ＣＯＤの粒子が相当量バイオフィルムに引っかかってしまう。時間が経つとこれらの粒子は壊れて可溶性ＣＯＤになって消化される。従って、ある実施例において全ＣＯＤもしくは全生分解性のＣＯＤも関連パラメーターである。
【００７７】
供給水のＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌもしくはそれ以上であると、モジュール４０のＳＡOXYGEN/ＳＡBIOFILMは１もしくはそれ以上であり、例えば１と１０の間にある。繊維１０の全長にわたって織られている、例えば多数の繊維を非常に詰めて密に織られたシート２６を有するモジュール４０は有用である。供給水のＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌもしくはそれ以下であると、モジュール４０のＳＡOXYGEN/ＳＡBIOFILMは０．２と２．５の間にある。繊維の全長にわたって織られているが、あまり密に織られていない、もしくは例えばトウ２０の中央で開いているシート２６を有するモジュール４０は有用である。供給水のＣＯＤが３００ｍｇ／Ｌもしくはそれ以下であるとそのモジュール４０のＳＡOXYGEN/ＳＡBIOFILMは１もしくはそれ以下であり、例えば１と１０の間にある。トウ２０の中央で開いているシート２６を有するモジュール４０、例えば、緩いトウ２０を有するモジュール４０は有用である。
【００７８】
図１９ａに示すベンチスケールリアクターのモジュール４０は１００本のトウ２０を一対の対向したヘッダー４４に入れてあり、９６本の繊維１０のそれぞれは図１に示したようなものである。このモジュール４０を使ってバッチプロセスで供給水を処理した。このプロセスでモジュール４０は合成物汚水４リットルを満たしたタンク１１２内に配置された。１ないし７日毎にタンクは水抜きされ、そして新しい供給水で満たされた。毎分１０ミリリットルの空気がモジュールに加えられた。安定した厚みのバイオフィルムが６ヶ月でモジュール４０に成長した。バイオフィルム３０の小さい部分が破壊してタンク排水の中のあるものと一緒に放出されることを除けば、バイオフィルム３０は本質的に内生であって、それの成長率はそれの崩壊率に等しい。トウ２０の断面を図１９ｂに示す。個々の繊維１０はバイオフィルム３０に覆われている。ある場所では小さいグループの繊維１０の周りのバイオフィルム３０は溶けこんで繊維１０の長さの一部になっている。バイオフィルム３０の厚みは約２５０μｍである。
【００７９】
図２０の別のリアクターは、例えば腐敗タンク、腐敗タンクレトロフィットもしくは艦載処理プラントに適している。このリアクターは、両側に入口４１２と出口４１４とを持つ標準腐敗タンク４１０を使用する腐敗タンクレトロフィットである。タンク４１０は一次室４１６と二次室４１８とを含む２段階となっている。部屋４１６、４１８の間で流れるようにしている水面下オリフイス４２２を分離壁４２０は有している。一つもしくはそれ以上のモジュール４２４を二次室４１８内に置く。入口管４２６を通ってモジュール４２４の底のヘッダーへ空気を供給する。排出管４２８を通してモジュール４２４の上方のヘッダーから排出空気を出す。攪拌空気管４３２を通してモジュール４２４の下部近くもしくはその下に配置した多孔分散管４３０へ定期的に攪拌空気を供給する。図４に示すような１００枚の、もしくは８−２０枚のシートを一対のヘッダーに入れてそれぞれのモジュール４２４をつくる。例えば、一所帯の腐敗タンクでは８−１０枚のシートを有する一つのモジュール４２４に１/４馬力の空気ブローワーで空気を送り、約１−７ｐｓｉもしくは約３ｐｓｉの圧力降下を生じさせる。典型的な所帯の供給水では、全体として内生的なバイオフィルムが個々の繊維１９とトウ２０の表面に成長する。バイオフィルムにおける生物学的処理が懸濁固形物を減少させ、そして排出水の化学酸素要求を減少させ、腐敗タイルフイールドの大きさを減少させるか排除させれるようにする。
【００８０】
本発明の別の実施例では複数のバイオリアクターを直列に設置して栓流に近い流れパターンをつくる。このことが反応率を高め、そして酸素の利用改善を果たす。
【００８１】
本発明の別の実施例においては、異なる酸素要求レベルに応え、そしてバイオリアクターの充填を高めるため酸素スパイキングによりバイオリアクターの異なる段階で異なる酸素レベルを使う。単一のリアクターにおいてもしくは一つのリアクターの段階において異なる酸素レベルを異なる時間に使うこともある。酸素レベルを増加するには繊維の内腔に送られるガス圧もしくは供給ガスの酸素含有量を増加させる。同様に、酸素レベルを低下させるには供給ガス圧もしくは酸素含有量を減少させる。多段リアクターの上流段階に、または大量に充填されたリアクターに高レベルの酸素を使用する。酸素レベルを定期的にもしくは時折増加させてリアクターの充填量を一時的に増加させたときに対応させ、例えば汚水の強さもしくは汚水の質の季節的な変化もしくは一日の変化に応じられるようにする。
３．０ バイオフィルム制御
【００８２】
薄膜支持式バイオフィルムリアクターにおいて、薄膜上のバイオフィルムの厚みを調整することは有利である。例えば、リアクター１００（図１７）において、タンク１１２は定期的に水抜きされているが、バイオフィルム１３２の大部分は膜１２０上に、特に、供給水のＣＯＤが高い、たとえば３００ｍｇ／Ｌ以上である場合には、残っている。バイオフィルム１３２の厚みが過剰となると、例えば、２ｍｍもしくはそれ以上の厚さであると、薄い層、例えば１ｍｍもしくはそれ以下の薄い層を越えて消化率はあったとしても極めて僅かしか増加しない。しかしながら、バイオフィルム１３２を薄くしておくことはモジュール４０のシート２６を相互にもっと近づけることができ、モジュールの単位体積当たりの表面積を大きくできる。表面積のこの増加は、厚いバイオフィルム１３２で達成されるかもしれない、もしくは達成されないかもしれない消化のあっても僅かな増加を差し引いても余りある。
【００８３】
従って、バイオフィルム３２が不必要に厚くならないような手段を講じる。以下の方法を単独で、もしくは様々に組合せても行う。処理頻度数をバイオフィルム１３２の成長につれて変えていく。例えば、バイオフィルム１３２は毎日１０μｍづつ成長する。そして、モジュール４０は０．２ｍｍと０．８ｍｍとの間のバイオフィルムに耐えさせられる。それ故、バイオフィルムの調整は５−１０日毎に必要となる。代替的に、バイオフィルムの調整と調整との間の期間は、最後の調整以来バイオフィルムが消化したＣＯＤの量に関係し、それは最後の調整以来の時間とバイオフィルムの厚みの増加に関係している。例えば、調整は、最後の調整以来バイオフィルムの面積の平方メートル当たり約２０−２００グラムのＣＯＤをバイオフィルムが消化したときに行う。調整すなわち厚み減少処置をこの頻度で行うときは、各調整期がバイオフィルムの厚みに大きな効果をもたなくても安定したバイオフィルム層を長期間維持できる。調整は一時に全バイオフィルムに加えてもよいし、もしくは一時にはバイオフィルムの一部分に加えてもよい。
３．１ バイオフィルム調整の機械的方法
【００８４】
膜１２０の上のバイオフィルム１３２の厚みを調整する方法のあるものはバイオフィルム１３２を部分的に機械的に除去することを含んでいる。そのような一つの方法において、図１７を参照すると、一つもしくはそれ以上の通気装置１３４をモジュール１１４の下に設け、そして通気弁１３８を介してブローアー１３６へ接続する。タンク１１２に液体を一杯にして、ブローアー１３６を作動させてモジュール４０の下の通気装置１３４から気泡をつくる。気泡はバイオフィルム１３２を機械的に擦り、そしてまたモジュール４０を通る水流をつくり、これがバイオフィルム１３２のあるものを物理的に除去する。攪拌する空気は高速であって、毎秒２−８フイートであり、空気印加率は５−２０、例えば１−１０分の間隔で約１０立方メートル／時間／モジュールの占有面積の平方メートルである。これが例えば日に一回から週に一回なされる。また、空気を使ってバイオリアクターの内容物を定期的に混合する。
【００８５】
他の機械的方法はタンク１１２が空の間にモジュール４０を水で噴霧し、櫛、ワイヤーもしくはブラシでバイオフィルム１３２を物理的に除去することを含んでいる。その除去されたバイオフィルム１３２はタンク１１２の床に倒して、ヘドロなどを排水管１３１を介して洗い流す。これらの機械的方法は他の方法よりも実施する頻度は少なく、そして別の方法がバイオフィルム１３２を弱らせてしまった後で行う。
【００８６】
バイオフィルムを調整する機械的な方法はシート２６２を粗いもしくはなめらかでない表面にすることにより強化され、その表面のうねりは所望のバイオフィルムの厚み程度である。所望のバイオフィルムの厚みとは２００−１，０００μｍである。
３．２ 化学的方法
【００８７】
別の実施例では繊維の内腔に注入したオゾンガスを使ってバイオフィルムの一部を酸化してそれを消化できるようにする。その場合、内腔へ酸素が与えられてバイオフィルムはその酸化された有機物を消化でき、それにより発生固形物の総量を低下させ、そしてバイオフィルムの厚みを調整する。酸素を別の段階としてもしくは汚水を消化する通常の段階の一部として与えるようにしてもよい。リアクターはこのようにして一時に一つのモジュールもしくはその一部について処理される。
【００８８】
別の方法では制御物質をバイオフィルム１３２のタンク側に加える。例えば、タンク１１２を排水してから例えば摂氏３５−５５度に加熱したきれいな水を液体ポンプ１４４によりタンク１１２に注入する。この温めた水はタンク１１２にある時間（接触期間）だけ例えば３−５時間入れておく。この接触期間とはバイオフィルム１３２の一部を殺し、そしてバイオフィルムを形成している有機物のあるものを溶解してしまうに足る時間である。供給水が取除かれてからバイオフィルムをある程度飢餓状態にする。酸素を内腔に供給しつづけてもよいし、停止してもよい。この期間中空気攪拌も行ってバイオフィルム除去を強化してもよい。この操作を空気攪拌なしで実施すれば経済的であり、その場合リアクター１００から完全にブローアー１３６と通気装置１３４を除去でき、経済的となる。バイオフィルム１３２もある程度飢餓状態にする。この調整期間後排水弁１３１を介して水を抜く。産業処理システムにおいてはこの放出水はある程度ＣＯＤを有する。しかし、殺された有機体の大部分はバイオフィルム３２に残っているので、都市下水に放出できるように調整期間を選定する。調整期間の後の部分ではバイオフィルム３２の生きている内部がその殺した有機体を分解している。例えばｐＨが１と６の間、もしくは３と３の間、ｐＨが８と１３の間、もしくは９と１１の間の酸のような化学物質、または酵素を加えて加熱した水もしくは加熱していない水の作用効果を高める。これらの化学物質とそれらの濃度と接触時間とを選定して、バイオフィルムの構成要素である有機物を部分的に溶かし、もしくは弱めるようにするが、リアクターの急速な再始動のため活性バイオフィルム内で全体から離れている微生物の一部だけを殺すようにする。
【００８９】
別の方法では、バイオフィルム１３２のタンク側にガス状制御物質を加える。バッチサイクルの終わりでタンク１１２を排水している間ガスをガス供給源１４０から加える。蓋１４６を閉じてガスがタンク１１２内に残っているようにする。ガスは多様であって、例えば塩素のような酸である。代替的には、オゾンを使ってもよい。オゾンの主目的はバイオフィルム１３２における微生物の細胞壁を破壊してそれを一層分解し易くする。加えるオゾンの量はバイオフィルムの約５％以上を直接酸化するに足りるものではなく、バイオフィルムに存在する微生物の一部だけ殺すに足りるものでもない。しかしながら有機物質は、タンクが再び満たされたとき生物学的酸化により後で減少されることとなる有機物質に変えられる。オゾンはガス相（空気もしくは酸素）の形で発生させられ、そして空のタンク１１２内で容易に分散する。バイオフィルム１３２に吸収させるだけの期間オゾンをタンク１１２に保っておく。タンク１１２内の酸化還元反応状態を調整し、その間タンクは排水されてヘドロ沈殿を促進させている。タンク１２にオゾンを満たしている間入口ヘッダー１１６への供給をオンにし、オフにすることによりバイオフィルム１３２に交互に好気性状態と嫌気性状態とをつくってオゾンの作用効果を高める。殺され、そして酸化した有機物はバイオフィルム１３２に残っており、そしてその後その場所で消化されるので、その後の処理にとって過剰なバイオマスをタンクから取除く必要はない。炭素／窒素（Ｃ／Ｎ）比が増加するので脱窒作用も改善される。バイオフィルム３２により薄膜１２０が保護されているのでオゾンに感じ易い薄膜１２０でもこの方法にオゾンを使用してもよい。
３．３ 生物学的方法
【００９０】
別の方法においてはぜん虫や他の生物もしくは高度生命体をリアクターの隔離部に使用して過剰なバイオフィルムを消化して生物発生を減らす。ぜん虫などは別個のバイオリアクター内で成長させる。所望であればぜん虫などは、ぜん虫などを含んでいる懸濁液もしくは塩水でタンクを満たすことによりバイオフィルムへ加えられるようにする。
【００９１】
バイオフィルム調整の別の方法は内生呼吸運動である。この方法によりバイオフィルム１３２へ加えられる供給負荷は、バイオフィルム１３２の崩壊速度とそれの成長速度とが等しくなるように保てる。実際に、成長速度はバッチプロセスでは少しだけ崩壊速度を超える。その理由はタンク１２を排水するときにバイオフィルム１３２は幾らか剥がれてタンク１２を出てしまうからである。しかしながら、実際には低負荷率においてのみ内生呼吸運動が生じ、そしてそれであるからそれはＣＯＤ濃度が低い、例えばＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌかもしくはそれ以下、または３００ｍｇ／Ｌかもしくはそれ以下の供給水に対して一層適切である。
【００９２】
別の方法は定期的な餓死である。この方法では供給水を長期間タンク１１２内に保ってＣＯＤ濃度が、典型的なバッチ法の終わりの時よりも低く低下させるようにする。バイオフィルム１３２は栄養を与えられず、そして次のバッチサイクルの開始までに急速に崩壊する。供給水を除いて清浄な水、例えば水道水もしくは飲料水でタンクを満たすことにより、又は０．１ｋｇＣＯＤ／ｋｇＭＬＳＳ／日以下をリアクターに充填することによりバイオフィルムを飢餓状態にできる。
【００９３】
別の方法ではモジュール４０の入口ヘッダー１１６をある期間周期的にオン・オフする。酸素の変動供給がバイオフィルム１３２にショックを与え、崩壊を高める。バイオフィルムにおける好気性区域と嫌気性区域とが、他方を破壊し、もしくは他方により破壊されている間拡張し収縮する。代替的にオゾンもしくは塩素のようなガスを入口ヘッダー１１６に加えてショックを高める。
【００９４】
化学的なもしくは生物学的なバイオフィルム調整では、シート２６の相互間隔を例えば３−４ｍｍぐらいに狭くする。その理由はモジュール４０を通る水流はエアースコアリング、攪拌もしくはバイオフィルム除去の他の物理的方法のようなことを必要としないからである。スコアリング空気流がバイオフィルムのすべての部分に到達するようにはシート２６もしくは繊維１０もしくはユニット１９が配列されていない場合も化学的なもしくは生物学的な方法は有用である。エアースコアリング、攪拌もしくは他の物理的方法によって壊されてしまうような、支持されていないもしくは緩い繊維１０、繊維ユニット１９もしくはトウ２０を持つオープンシート２６又はモジュールでも化学的なもしくは生物学的な方法は有用である。代替的に、一つもしくはそれ以上の化学的方法、一つもしくはそれ以上の生物学的方法を組合せて使用してもよい。
実施例：
実施例１：薄膜支持式バイオリアクターにおける化学的酸素要求（ＣＯＤ）減少
【００９５】
繊維の単一シートだけを使用すること以外は図６−９に示された通りのモジュールを使ってベンチスケールのバイオリアクターをつくった。シートの長さは０．５７メートル、高さは０．４５メートルであって、シートの両側をバイオフィルム成長に使えるとしてバイオフィルムの全面積は約０．５平方メートルである。取り付けたバイオフィルムの表面積に対するガス転送のための表面積の比は約５と６の間である。入口空気流は３４．５ｋＰａで２５ｍｌ／分であった。リアクターの容積は３０Ｌであった。ＣＯＤレベルが１０００ｍｇ／ｌの合成物質汚染水を定期的にバッチ式で注入した。水道水に溶解した可溶性ペプトン１．０ｇ／Ｌと燐酸水素ナトリウム０．０３ｇ／Ｌから汚水は構成されている。一連のバッチ反応が行われて反応速度と酸素転移効率とが決定された。図３１は３つのバッチ期間の結果を示す。これらのバッチ期間は日２から日５の三日、日６から日９の三日、日９から日１０の一日である。３日バッチ期間のそれぞれでＣＯＤが８０−９０％減少したことが判った。１日バッチ期間ではＣＯＤが約４０％減少し、汚水濃度が高い間ＣＯＤ減少速度は高く、そしてバッチの汚水濃度が時間につれて低くなるにつれてＣＯＤ減少速度は一定になっていくことが判った。これらの試験期間中酸素転移効率は５０−７０％であった。
実施例２：合成物質汚染水でのベンチ試験
【００９６】
実施例１で述べたような単一シートモジュールを使ってベンチスケールのバイオリアクターを設計した。実施例１で説明したようにＣＯＤレベルが１０００ｍｇ／ｌの合成物質汚染水を入れて、モジュール上のバイオフィルムにより処理した。ＣＯＤ除去率と酸素転移率とバイオフィルムの厚みとを計算し、測定しそして記録した。ほぼ最初の２１日間リアクター（３０リットルの充填容積を有する）を様々なバッチ期間の後で排水し、そして供給水を充填してタンク内のＣＯＤを５００と１０００ｍｇ／ｌの間に保った。日８と日１６とで、タンクを空にし新しい供給水で満たしたことに加えて、モジュールを水スプレイで洗ってバイオフィルムを除去した。ほぼ日２１から日３０でバイオフィルムは飢餓状態にされ（すなわち、タンクは綺麗で飲める水道水で満たされ、モジュールへの酸素供給は継続された）、そしてエアースコアリングを受けた。ほぼ日３０でタンクを空にし、供給水で再充填した。それ以降は、毎日タンクは空にされ、供給水で再充填されたが、バイオフィルム調整は行われず、バイオフィルムは厚みを増していき、そしてそのような成長の効果と速さとを観察した。その試験の結果は図２１に示されている。バイオフィルムの厚みに比例することなくＣＯＤ除去率は約１９と３８グラム／平方メートル／日の間で変化したことが認められる。約１０と１５グラム／平方メートル／日の間で酸素転移は、比較的広いバイオフィルムの厚み範囲にわたって、すなわち約０．５ｍｍないし２．３ｍｍ以上の範囲にわたって、変化した。２．３ｍｍの厚みで測定器はそれの計測最大厚みに達した。
実施例３：産業汚水での予備実験
【００９７】
図６ないし９に示す４つのモジュールを使って小さい予備実験を行った。各モジュールは繊維のシート６枚を有し、バイオフィルムの平らな全表面積は約３．６平方メートルであって、取りつけられたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は約５と６との間である。モジュールは３００リットルのタンク内に装着されている。リアクターは最初ペプトン（約２０００ｍｇ／ｌ）で作動され、それから、量を減らしてペプトンを汚水に加えてシート上のバイオフィルムの初期成長を加速するが、それからはバイオフィルムを汚水へ順化させる。バイオフィルムを順化させた後はバッチ作業を行って、産業汚水をタンクに満たす。約３０００ｍｇ／ｌの供給水ＣＯＤをつくるよう選定された比率で汚水を複数源から引き込んだ。「純粋」酸素を約５ｐｓｉの供給圧力でモジュールへ送った。図２３に示すように、約２日ないし３日経つとバルクＣＯＤ濃度は１０００ｍｇ／ｌ以下に落ちた。汚水のバルクＣＯＤ濃度につれて、そして時間につれてＣＯＤ除去率も低下することもバッチ毎に認められた。
【００９８】
タンク内のＣＯＤの異なる濃度に対応しているバッチ間の異なる期間にＣＯＤ除去率を計算した。初期のＣＯＤが５０００ｍｇ／ｌと７０００ｍｇ／ｌとの間にあるバッチも試験して、これらの高い初期ＣＯＤ濃度のＣＯＤ除去率に対する効果を観察した。その結果を図２４に示す。図２４に示すように、除去率は高い充填量で一般に高くなるが、試験されたリアクターにおいて非常に高い充填量が非常に高い除去率を必ずしも生じないということであって、このことは空気供給圧、バイオフィルムの表面積への空気移行のための表面積もしくは全モジュール面積の一つもしくはそれ以上が非常に高い充填量に対して最適ではなくそれより小さかったことを示唆している。
【００９９】
同じリアクターを使って一連の試験を連続操作で行った。これらの試験ではＨＲＴと入口ＣＯＤとを変化させた。供給ガスは供給圧５ｐｓｉの「純粋」酸素であった。試験のＨＲＴにより系統立てた、平均入口ＣＯＤ、出口ＣＯＤそして除去率を図２５に試験毎に示す。ＣＯＤ除去率はＨＲＴが増大するにつれて、もしくは入口ＣＯＤが減少するにつれて減少した。
【０１００】
上述のバッチ試験中リアクターにおいてバイオフィルム調整法の有効性も実証された。毎時間１５秒間約１ｓｃｆｍ／モジュールの緩やかな通気が主として混合のため行われ、そして２−３日毎に２−３分間約４ｓｃｆｍ／モジュールの激しいエアースコアリングが主としてバイオフィルム除去のため行われた。リアクター内の平均バルクＣＯＤ（これは３００ｍｇ／ｌから５，５００ｍｇ／ｌとの間で変化）とは関係なくバイオフィルムの厚みは約０．２ｍｍから０．８ｍｍ以下の範囲に成功裏に維持された。
実施例４：都市汚水での予備実験
【０１０１】
実施例３で説明したような２つのモジュールを使って別の予備実験を行った。各モジュールの表面積は約３．６平方メートルであって、８５リットルのタンクに設置された。空気を５ｐｓｉの供給圧力でモジュールへ供給した。ペプトンを最初汚水に加えて実施例３で説明したシート上のバイオフィルムの初期成育を加速した。バッチ操作を行った。タンクに都市汚水を満たし、３ｍｍスクリーンを通して濾過し、初期ＣＯＤは平均で１００−２００ｍｇ／ｌとなったが時々７００ｍｇ／Ｌまでとなった。バッチの終わりでＣＯＤの濃度は３０ｍｇ／ｌ以下に落ち、そしてＣＯＤ除去率は１ｇ／ｍ２／ｄ以下に落ちた。バッチにおけるサンプル期間内での時間についてのＣＯＤｓとＣＯＤｔのレベルを図２６に示す。
【０１０２】
連続プロセスについても全期間約６０日にわたって異なる試験を行い研究がなされた。試験においてＨＲＴは２４時間から３時間まで変化し、そしてＣＯＤは１００ｍｇ／ｌから２００ｍｇ／ｌまで変化した。平均除去率は充填率低下につれて低下する傾向を示した。
【０１０３】
この連続プロセス研究で硝化カイネテックスと脱窒カイネテックスとが測定された。４つの試験の結果を次表に示す。
表１：連続操作における硝化と脱窒
【０１０４】
都市汚水研究でバイオフィルム調整も試験した。エアスコアリングではバイオフィルム厚み平均０．２ｍｍが観測されたが、何枚かの個別のシート間でもっと厚いバイオフィルムが出現し、これらの区域では十分にエアスコアリングが受けられなかったことを示した。
実施例５：汚水で行ったトウモジュールを持つベンチスケールの研究
【０１０５】
図５に示したのと同じモジュールを試験した。このモジュールは１００ＰＭＰ繊維トウを持ち、それぞれのトウは９６本の密な壁のＰＭＰの繊維を有する。モジュールの繊維の全表面積は０．５４平方メートルであった。モジュールにおいて各トウは上下ヘッダーにそれぞれ入れられている。底のヘッダーへ１０ｍｌ／分の割合で空気を送ってモジュールに供給し、そして頂部ヘッダーから排気した。クランプで頂部ヘッダーを水面に保持し、底部ヘッダーを自重で下げてモジュールを４リットルの容積まで満たした容器内に吊り下げた。ＣＯＤ１０００ｍｇ／Ｌの合成物汚水を使って、そして腐敗タンクからの汚水も使ってバッチモードでモジュールを作動させた。各バッチ処理期間の開始において容器は汚水で満たされた。汚水をタンクへ加えもしないし、抜き取りもしないで、約１日から７日の間の処理期間中繊維上で成長したバイオフィルムを支持しているモジュールへ空気を供給した。ＣＯＤの濃度が低い汚水では一般に、バッチ期間は短くした。処理期間の終わりでタンクを排水した。新しい汚水を加えて次の処理期間を開始した。時間を変えてモジュールを除去してそれらの上のバイオフィルムの厚みを非破壊的に計測し、そして汚水のＣＯＤを測定した。
【０１０６】
合成物質汚水を使った試験からの厚み測定は図２７に記録されており、それは１８０日の作動期間にわたる繊維上のバイオフィルムの厚みを示している。最初はバイオフィルムはないが、約２０日もしくは４０日後にバイオフィルムが生じ、それの厚みは約１００μｍと３００μｍの間であった。試験をしている間の大部分でバイオフィルムを調整する方法を使わなかったが、バイオフィルムの厚みは一般に安定しており、許容できるものであった。少なくともどれかのタンク排水中モジュールからバイオフィルムの小さい部分が剥落したことが認められ、そしてそうでなかったものについてはバイオフィルムの内生的成長によりバイオフィルム制御が行われた。しかしながら約１５日間モジュールは飢餓状態で作動させられた。この態様ではタンクは水道水で満たされ、そして空気供給は継続された。飢餓状態の間バイオフィルムの厚みは約２５０μｍから１００μｍへ減少し、飢餓期間がバイオフィルムの厚み減少に有効であることを示した。
【０１０７】
図２８と図２９とは合成物質汚水を使っての試験でのＣＯＤの除去率を示す。図２８は時間の関数として除去率を示し、そして図２９はＣＯＤ濃度の関数として除去率を示している。先ず、図２８を参照する。この図の各垂直線は新しいバッチ処理期間の開始を示している。垂直線により示された時間にＣＯＤが１，０００ｍｇ／Ｌの新しい汚水がタンクに加えられた。バッチが進むにつれて、汚水は処理され、従ってそれのＣＯＤ濃度は減少する。図２８に示すように、ＣＯＤ除去率は各バッチ処理期間に時間につれて降下する傾向があり、このことは除去率が汚水のＣＯＤ濃度に関係していることを示唆している。日１５４と日１５９との間のバッチ内の除去率はゼロに近づいており、このことは更なる処理時間はムダであり、ここが限界であろうことを示している。図２９ではＣＯＤ除去率を汚水内の平均ＣＯＤ濃度に対して直接プロットした。図２９に示すように、汚水内のＣＯＤ除去率とＣＯＤ濃度との間の関係は、ＣＯＤ濃度に全体として除去率は比例しており、ほぼ線形である。
【０１０８】
腐敗タンクの汚水を使っての試験では汚水は腐敗タンクの第２室から取り出された。一つの試験について汚水の特性を以下に示す。
全化学酸素要求（ＣＯＤ１）： ３７７ｍｇ／Ｌ
可溶性ＣＯＤ（ＣＯＤ６）： １９９ｍｇ／Ｌ
アンモニア窒素（ＡＮ）： ５５．１ｍｇ／Ｌ
全懸濁固形物（ＴＳＳ）： ７０ｍｇ／Ｌ
モジュールはバッチモードで作動され、バッチ処理期間は約２４時間であって腐敗タンク内の実際の反応状態をシミュレートしている。バイオフィルムへ酸素を供給するためこれらの期間上に述べた率で空気を供給した。２２時間と３５分である一度の処理期間後にその処理された汚水のサンプルを分析した。結果を以下に示す。
ＣＯＤｔ： １４０ｍｇ／Ｌ
ＣＯＤｓ： ７３ｍｇ／Ｌ
ＡＮ： ２４．７ｍｇ／Ｌ
ＴＳＳ： １ｍｇ／Ｌ
排水品質のかなりの改善が達成されている。すなわち、ＴＳＳにおける顕著な減少が達成された。視覚による観察で除去されたＴＳＳの大きな部分はコロイダル物質の形をしていた。
【０１０９】
図３０は腐敗タンク汚水を使った別の試験からの結果の記録である。２日のバッチ期間中リアクターを作動させ、ＣＯＤｔ、ＣＯＤｓ、ＴＳＳそしてアンモニア窒素の濃度をバッチ期間の始まり、中程そして終わりに測定した。比較の目的で、同じ日に同じ腐敗タンクから取り出した汚水の別のサンプルを５００ｍＬの目盛つきシリンダーに入れ、そしてコントロールとして観察した。作動２日後リアクター内の全ＣＯＤ（ＣＯＤｔ）の減少は７５ｍｇ／Ｌに達し、除去は７０％を超えた。２日処理した後ＴＳＳは３４ｍｇ／Ｌから殆ど検知できないほど低下した。アンモニアもこの期間減少した。同じ期間コントロールのＣＯＤは４０％以下の減少を、そしてＴＳＳでは増加を生じた。ＣＯＤを除去することにより、またプロセスの静止性ということもあって、懸濁固形物も除去することによってバッチプロセスとリアクターは有効に腐敗タンクの汚水を処理した。
実施例６：化学的バイオフィルム調整
【０１１０】
実施例１に記載の単一シートリアクターを使って、その上に非常に厚いバイオフィルムをつくってバイオフィルムの調整研究を行った。試験の始まりでタンクは排水され、そして温度４０℃、ｐＨ９．４３の脱イオン水に３０Ｌの水酸化ナトリウム溶液を加えてリアクターへ入れた。最初の４時間の浸漬後２ｓｃｆｍでエアースコアリングを開始して、水酸化ナトリウム溶液がタンク内にある間１８時間以上継続した。内腔への空気供給も継続した。バイオフィルムの厚みは最初の４時間にわたって幾らか（４．６ｍｍから４．３ｍｍ）減少した。浸漬とエアースコアリングを１８時間続けた後バイオフィルムの厚みは３．２ｍｍに減少した。
【０１１１】
別のバイオフィルム調整研究では、図１０ａと図１０ｂに示す６つの単一シートモジュールを使った。各シートは長さ２７センチメートル、幅２０センチメートルそして表面積は約０．１１平方メートルであった。これらのシートは長く伸びて両端で開いている中空繊維で織られていた。バイオフィルム面積に対する空気転移面積の比は約１対６である。モジュールを２０リットル（作動容積）のリアクター内に配置し、このリアクターは室温で約３日のバッチ期間でバッチ操作された。ＣＯＤが２０００から８０００ｍｇ／ｌの濃度の合成物質汚水をリアクターに供給した。各シートの入口ヘッダーへ約２０ｍＬ／分の流量で約２ｐｓｉでモジュールの内腔へ空気を送った。バッチとバッチとの間の間隔を３日から７日にして、ｐＨ１０の熱した５０℃の水にＮａＯＨを溶かし、その中に４時間モジュールを漬けた。内腔への空気供給は続けた。４時間後リアクターに供給水を再び満たした。浸漬期間中もしくはバッチ期間中エアースコアリングはしなかった。図３１は時間に対してのバイオフィルムの厚みを示す。厚みは１４０日の期間にわたり０．２ｍｍと０．８ｍｍとの間に維持され、そして約５５０μｍの平均であった。その期間中バッチからの計算結果は、洗浄と洗浄との間隔中バイオフィルムは平方メートル当たり６６グラムから１２０グラムのＣＯＤを除去したことを示した。
【０１１２】
本発明の多くの変形態様は本発明の教示内で可能であり、そして本発明は上に説明した以外の仕方で実施できる。本発明の思想は請求項に記載されているとおりである。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】一群の中空繊維の図である。
【図１ａ】中空繊維の横断面図である。
【図１ｂ】一群の中空繊維と不活性繊維とをユニットの形に集めたものを示す。
【図２ａ】繊維を溶融紡錘してつくるスロット構造とスピネットを示す。
【図２ｄ】繊維を溶融紡錘してつくるスロット構造とスピネットを示す。
【図２ｅ】繊維を溶融紡錘してつくるスロット構造とスピネットを示す。
【図３ａ】織られた布の平面図である。
【図３ｂ】織られた布の断面図である。
【図３ｃ】布を織る段階を示す。
【図３ｄ】ワープ編みにした布を示す。
【図４ａ】シートの中央部は繊維がトウになっている中空繊維のシートを示す。
【図４ｂ】図４ａのシートの一部分の詳細を示す。
【図５】緩いトウモジュールの断面図である。
【図６】繊維のシーツを有するモジュールの頂面図である。
【図７】図６のモジュールの、部分断面立面図である。
【図８】図６のモジュールの別の部分の横断面、平面図である。
【図９】図６と７のモジュールの立面図である。
【図１０ａ】繊維シートを有する別のモジュールの立面図である。
【図１０ｂ】繊維シートを有する別のモジュールの平面図である。
【図１０ｃ】繊維シートを有する別のモジュールの部分断面図である。
【図１１】中空繊維シートのモジュールのカセットを装備したタンクの平面図である。
【図１２】中空繊維シートのモジュールのカセットを装備したタンクの立面図である。
【図１３】図１１，１２の装置における張力機構の詳細図である。
【図１４】図１３の機構の立面略図である。
【図１５】リアクターの立面略図である。
【図１６】リアクターの立面略図である。
【図１７】他のリアクターの略図である。
【図１８】他のリアクターの略図である。
【図１９ａ】トウモジュールを使ったベンチスケールバッチリアクターである。
【図１９ｂ】図１９ａのリアクターで成長した繊維のトウの上のバイオフィルムの顕微鏡写真である。
【図２０】支持されたバイオフィルムモジュールを使うよう変更した腐敗タンクの立面略図である。
【図２１】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２２】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２３】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２４】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２５】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２６】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２７】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２８】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２９】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図３０】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図３１】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ 中空繊維
１２ 外直径
１４ 内腔
１６ 内直径
１９ 繊維ユニット
２０ トウ
２２ 不活性繊維
２６ シート
３０ バイオフィルム
３２ 樹脂プラグ
３４ 端
３５ ヘッダー包囲体
３６ ポート
３７ キャビティ
４０ モジュール
４２ 間隙
４４ 入口ヘッダー
４５ 鋼鉄棒
４６ ポッティング材料
５２ 間隔ストリップ
６２ 幅
８２ タンク
８４ 取入口
８６ 放出口
８８ 流路
９０ バッフル
９２ ヘドロ出口
９４ マニホルド
９８ 攪拌源
１００ リアクター
１１０ カセット
１１２ タンク
１１４ モジュール
１１６ 入口ヘッダー
１２０ 薄膜
１２２ 出口ヘッダー
１２６ 供給弁
１２８ 供給ポンプ
１３１ 排水弁
１３２ バイオフィルム
１３４ 通気装置
１３６ ブロアー
１３８ 通気弁
１４０ モジュール
１４２ ガス供給弁
１４４ 液体ポンプ
１４６ 蓋
１４８ 平衡貯槽
１４９ 再循環弁
１５０ 剛性構造体
１５２ 側板
１５４ ブラケット
１５６ 溝
１５８ Ｔ字型舌片
１６０ ボルト
１６２ 孔
１６４ 穴
１６６ カム部材
１６８ 取付け面
２１６ 入口導管
２１８ 出口導管
２６２ シート
４００ リアクター
４１０ タンク
４１２ 入口
４１４ 出口
４１６ 一次室
４１８ 二次室
４２０ 分離壁
４２２ オリフイス
４２４ モジュール
４２５ 出口管
４２６ 入口管
４３０ 多孔分散管
４３２ 攪拌排気管
【技術分野】
【０００１】
米国については本願は、２００３年２月１３日に出願した米国仮出願６０／４４７，０２５と２００３年８月１８日に出願した米国仮出願６０／４９６，１７８とについてＵＳＣ１１９（ｅ）に規定の権利を主張しての出願である。他国についての本願はこれら二つの出願に基づく優先権を主張している。また、本願は、すべて２００３年８月２２日に出願したカナダ特許出願２，４３８，４４１；２，４３８，４３２；２，４３８，０５０；２，４３８，１０１に基づく優先権を主張している。
【０００２】
本発明は、水もしくは汚水処理法またはその装置における例えば液体内でバイオフイルム（生物膜）を支持するガス供給装置と方法とに係るものである。
【背景技術】
【０００３】
現在大抵の汚水処理プラントは活性汚泥処理法を使用しており、これは懸濁成長媒体の形の有機汚染物質を生物学的に酸化することを基礎としている。空気利用のバブル型瀑気槽から酸素を供給する。これらの装置の効率は低く、非常に大きなエネルギを使ってしまう。酸素デマンド・ローディングが低いのでタンクのサイズは大きくなる。その結果、資本と運転コストとは高くなる。
【０００４】
第２の型の確立した生物学的酸化法は固体媒体の上に成長したバイオフィルムを利用する。例えば、汚水をリアクターの頂部へ循環させ、少しずつ下に流す。底に空気を供給する。酸素転移効率はバイオフィルムの面積により制限され、そしてその操作コストは汚水を圧送しなければならないので高くなる。
【０００５】
最近、薄膜（メンブレン）支持バイオリアクターの思想に基づく開発がなされてきている。例えば、米国特許４，１８１，６０４と４，７４６，４３５とは、ガス透過性膜の一方の側面からその膜の他方の側面に成長している微生物へ酸素を供給することにより汚水を処理する方法を説明している。多孔壁を持つ中空繊維を薄膜として使用している。米国特許５，１１６，５０６ではガス透過性膜がリアクター槽を液体室とガス室とに分割している。バイオフィルムはガス透過膜の上でその薄膜の液体側に成長させられる。酸素と代替のガスはその薄膜を通過して薄膜の液体側で成長しているバクテリアに到達する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的はこの先行技術を改善することである。本発明の別の目的は、水を処理するに適した方法と装置とを提供することであり、水の処理とは例えば、薄膜支持のバイオリアクター技術を利用した産業汚水や都市の汚水を処理することである。本発明の別の目的は、例えばバイオフィルムを支持するに適した中空繊維のガス転移薄膜とモジュールを提供することである。これらが本文に記述され、特許を請求している本発明である。以下の要約は本発明の様々なアスペクトを示すためのものであって本発明を限定するものではない。本発明は以下の要約と本文の他の個所に記載の様々な要素や段階の組合せにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つのアスペクトとしての本発明の薄膜（メンブレーン）とモジュールは、ガス転移率（転送速度）が妥当な大きさであり、酸素転移、バイオフィルム支持もしくはその両方にとって十分な表面積があって薄膜支持式バイオフィルムリアクターがこの方面の技術で使われる他の方法に優る運転コストの利点を発揮できるようになる。薄膜とモジュールとの酸素転移効率（ＯＴＥ）は５０％を越えるか、もしくは５０％ないし７０％以上の範囲にある。モジュールは非多孔性もしくは密な壁の中空繊維の薄膜からつくられ、多孔性繊維では時間につれて湿ってきて酸素転移効率を酷く低下させるという傾向を本発明は回避して大きな表面積を与えている。
【０００８】
別のアスペクトとして本発明は、酸素に対して高い選択性と拡散係数とを有するポリメチルペンテン（ＰＭＰ）からつくられた非常に細かい密度の（目の詰んだ）中空繊維を提供する。ＰＭＰのガス透過性は約７０，０００ｃｃ-ｍｍ／ｍ２-２４時間-バールである。目の詰んだ密な壁とは濡れないフォームである。これは極端にガス浸透性の高いシリコーンよりもかなり小さいけれども、ＰＭＰは溶かして中空繊維に紡ぐことができる。繊維の外直径は５００μｍか、もしくはそれ以下であり、または１００μｍかそれ以下である。このような小直径の繊維の使用がモジュールのコスト低減の助となるのは極細繊維技術を使ってモジュールを造れるからである。高いＯＴＥを達成する非常に大きな表面積が得られる。非多孔性の壁が上述の濡れの問題を回避している。
【０００９】
別のアスペクトとして本発明が提供する布は例えばＰＭＰの非常に多数の中空繊維を有し、十分に大きな表面積を与え、生物学的なカイネテックスを制御するときに酸素転移が制限因子とはならないようにしている。布は例えば中空繊維でつくられ、オプションとしてそれら繊維を集めてユニットにしたり、それらの繊維を横糸とし、編んでいるときその送っている繊維を痛めないように不活性の繊維を縦糸にして編んだりする。布をつくるのに他の方法も使える。布はその細い繊維に強度を与えてそれの表面に殆ど繊維を破壊させることなくバイオフィルムを成長させることができる。
【００１０】
別のアスペクトとしての本発明が提供するモジュールは、非常にパッキング密度の高い繊維シートからつくられていて大量の液体を再循環させることなく表面を横切る十分な基板速度を許している。モジュールは汚水へ内腔を曝すことなく、空気のような酸素を含むガスを中空繊維の内腔へ供給できるようにしている。例えば１メートルと３メートルの間の、もしくは１．５メートルと２．５メートルの間の長い繊維要素を使ってモジュールヘッダーに入れて低コストのものをつくる。
【００１１】
別のアスペクトとしては、ガス透過性の中空繊維から、例えばＰＭＰの密な壁の中空繊維からつくった布の上でバイオフィルムを成長させる。酸素搬送ガスを繊維の内腔に入れる。好気性反応が繊維の表面近くで生じ、そこには最高レベルの酸素がある。これらの反応は有機炭素化合物を二酸化炭素と水とに変換し、そしてアンモニアを硝酸に変換する。バイオフィルムの表面は嫌気（無酸素）条件下にあって硝酸を窒素に変える。その結果は有機炭素、アンモニアそして全窒素の同時低減である。
【００１２】
別のアスペクトとして本発明はピークフローを処理する手段として酸素富化を使う。このような酸素富化の必要はオンラインＣＯＤモニターにより決定されるか、もしくは一日の内の時間に従って、例えば日週性フローと強さの変動がよく知られている都市応用で設定される。
【００１３】
別のアスペクトとして本発明はモジュールとバイオリアクター設計を利用して、布の表面で他の生物学的反応を行う。例として、中空繊維の内腔へ供給された水素を使って水の中の硝酸塩のような化合物を生物学的になくす。
【００１４】
別のアスペクトとして本発明は、酸素を供給するのに空気か富化空気を使う。富化空気の選択とそのような空気の中の酸素レベルとは汚水の強さにより決められる。
【００１５】
別のアスペクトとして本発明は一次及び又は二次ヘドロを消化するのに使われる。
【００１６】
別のアスペクトとして繊維の外直径は小さく、例えば１００μｍもしくはそれ以下であり、そして繊維は例えば３０％以上もしくは４０％以上もの実質的な中空領域を有し、そのため薄い壁となっている。繊維は織られ、編まれ、ステッチなどして布にする。細い中空繊維の使用により繊維壁の厚みは薄くて、例えば２０μｍ以下であって、それは手で扱い易い薄膜をつくるに必要とされるであろうものの数分の一の薄さである。細い繊維それ自体は扱い難いが、組合せてユニット、例えば織物を形成することを含む扱い易い糸もしくはトウにする。多数の中空繊維の布は酸素を転移できるに十分な表面積を与え、バイオフィルムの成長を制限することなく、もしくは他のバイオロジカルカイネテイックを制限することなく、そしてモジュールを通る空気流れに許容できる圧力損失で空気を供給ガスとして使えるようにする。
【００１７】
別のアスペクトとして、栓流もしくは多段連続攪拌もしくはバッチタンクリアクターを使って、所与の供給水に対して最高基質濃度で生物学的反応を行える。これがバイオフィルムにおける有機炭素化合物とアンモニアのマス移送を最大とし、反応速度に対する重要な制限としてのこれらのプロセスを排除する。多段リアクターにおいて、バイオフィルム表面積に対する酸素転移表面積の比が小さいモジュール設計を下流段に使用できる。例えばタンク容積の単位当たりの酸素転移全表面積もしくは給水の流速は下流リアクターにおいて増加したり減少したりする。酸素転移表面積の減少ではなくバイオフィルム表面積の増加から低い比が生じるからである。
【００１８】
別のアスペクトとして、本発明は薄膜支持式バッチバイオフィルムリアクター（ＭＳＢＢＲ）を提供している。このリアクターは、酸素含有ガスを供給されており、そしてバイオフィルム層を支持している一つもしくはそれ以上の薄膜を含んでいる。バッチ処理を行うため周期的に充填し、排出しているタンクの内側にモジュールを配置している。実施例ではモジュールは中空繊維からできていて、産業汚水の中のＣＯＤ、アンモニア、全窒素そして懸濁固形物をなくし都市の下水施設に放出できるに適した濃縮物とするか、または流してもよい川に直接放出する濃縮物とする。別の実施例においてはモジュールを使って都市の汚水系のＣＯＤ、アンモニア、全窒素そして懸濁固形物をなくして流してもよい川に直接放出する。別の実施例ではモジュールを使って腐敗タンク内のＣＯＤ、アンモニア、全窒素そして懸濁固形物をなくすようにして腐敗タンクの規模を小さくできるようにしたり、処理技術を簡単にし、コストを低減させまたは直接川に流せるようにする。
【００１９】
別の実施例では本発明は、モジュールで成長したバイオフィルム層の成長もしくは厚みを制御もしくは調整する一つもしくはそれ以上の方法を提供する。その方法のあるものはタンクの供給水を排出しながらタンク側からバイオフィルムへ一つもしくはそれ以上の物質を加えるようにしている。これらの物質はオゾンや塩素のようなガス、または加熱した水のような液体、もしくは塩基性か酸性の溶液を含んでいる。この制御物質を加えている間バイオフィルムの状態はモジュールの内側への酸素供給を断続させることにより好気性から嫌気性へと周期的に変える。供給水を除いて、清浄な水と置換えたり、もしくは０．１ｋｇＣＯＤ／ｋｇＭＬＳＳ／日以下の充填率で供給水を置換えることによって制御物質の添加前にバイオフィルムを飢えさせておく。制御物質の添加後その弱らせたバイオフィルムに対して機械的なバイオフィルム制御法を使う。
【００２０】
別のアスペクトでは本発明は、バイオフィルムの厚みを最適な厚みとする調整手段として繊維の外側に擦って洗い流すための空気を流す。バイオフィルムの厚みを最適な厚みとする制御手段として空気を使う。酸、アルカリ、酸化剤もしくは酵素での処理又は嫌気性処理をエアースコアリング前に周期的に行って、バイオフィルムを弱めたり、バイオフィルムを全体的にもしくは部分的に取除く空気の実効性を高める。他のバイオフィルム制御法は原位置（その場での）消化、この消化に続いての周期的オゾン化、消化に続いての周期的アルカリもしくは酸処理、消化に続いての周期的酵素処理そしてワームもしくはぜん虫のような高度生命体の利用であって、それによりバイオフィルムを周期的に消化する。生物学的な消化をスピード・アップするため、モジュールの内側へ供給される空気はバイオリアクターの温度を高めるため予め加熱されている。
【００２１】
別のアスペクトでは、本発明は外直径（ＯＤ）が５００μｍかもしくはそれ以下、又は１００μｍかもしくはそれ以下の中空繊維のトウを提供している。繊維の実効表面積を最小としたモジュールをつくるのを容易とするため長さのかなりの部分にわたって、例えば半分もしくはそれ以上にわたって繊維をトウとして処理もしくは使用する。最初に布にするのではなくトウから直接繊維をつくる。また、例えばかなりの部分例えばその布の縁と縁の間の部分をトウとして残して布の縁に沿って差し込み固定（ポッティング）し易いようにトウをオープン・ファブリックにする。トウからつくられたモジュールは両端で差し込み固定され、もしくは一端で差し込み固定されて他端は差し込み固定されず布の端は開いていて排気ガスが逃げれるようにしておく。シングル・ヘッダーモジュールはダブル・ヘッダーモジュールよりも低コストである。シングル・ヘッダーモジュールは垂直のコンフィギュレーションにヘッダーを底にし、そして繊維を上方に浮かせて挿入される。このようなモジュールはモジュールの外側から空気に曝されごみや固形物の溜まったものを取除く。供給水も例えば０．５ｍｍのスクリーンを通して濾過されてそれがリアクターに入る前に供給水内のごみをなくすようにする。トウモジュールを多段リアクターの下流段リアクターで使用するときは、上流段でもトウモジュールリアクターへ送られるごみの量を減らす。
【００２２】
別のアスペクトでは異なる強度の汚水を処理するリアクターにその取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比が異なるモジュールを設ける。ガス転移表面積とは、支持されたバイオフィルムと接触しているモジュールの外側表面の面積である。バイオフィルムの表面積とは、汚水に接触しているバイオフィルムの外表面の面積である。ある場合には、バイオフィルムの表面積はバイオフィルムの厚みにより変わり、その厚みとは、計算のためもしくはモジュール比較のため、リアクター内のバイオフィルムの実際の厚みもしくは時間平均厚み、公称もしくは設計厚みもしくは平均厚みであって例えば２５０μｍである。ＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌを越える汚水を処理するリアクターのモジュールの取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は１以上、１．６以上、もしくは１．６と１０との間にある。ＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌを越えない汚水を処理するリアクターのモジュールの取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は２．５以下、もしくは０．２と２．５との間にある。ＣＯＤが３００ｍｇ／Ｌを越えない汚水を処理するリアクターのモジュールの取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は１以下、もしくは０．１と１０との間にある。多段プロセスでは二台もしくはそれ以上のリアクターを、下流側のリアクターの入口へ上流側のリアクターの出口を接続して、直列接続にしている。処理しなければならない汚水のＣＯＤはリアクターを通る毎に少なくなり、そして下流側のリアクターのモジュールの取りつけたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は上流側のリアクターのモジュールのよりも小さくなっている。
【００２３】
本発明の他のアスペクトは以下の図面と請求の範囲の請求項に明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施例を以下に添付図を参照して詳述する。
１．0
モジュール要素
１．１ 繊維
【００２５】
図１と図１ａはポリ（４‐メチルペンテン‐１）（ＰＭＰ）繊維１０を示し、これは内側は中空であるが密な壁を持ち非多孔性である。グループとなっている繊維１０は様々な直径を有し、そしてその外直径は５００μｍ以下、もしくは１００μｍ以下、例えば３０μｍと１００μｍの間、または５０μｍと６０μｍの間の細い繊維である。示された中空繊維１０は非多孔性、すなわち密な壁を持っており、そして水は移流により繊維壁を通って流れない。しかしながら酸素や他のガスは分子拡散もしくは溶解拡散により繊維壁を通過する。
【００２６】
溶融紡錘、別名溶融押出しにより中空繊維１０をつくれる。溶融紡錘においてはポリマーの粒質物、例えばＰＭＰの粒状物を押出器のホッパーに送る。ポリマー粒状物を押出器の中で加熱溶解し、そして数トンの圧力を押棒にかけて連続的に紡錘ヘッドへ押出す。紡錘ヘッドは加熱イン・ラインフイルタとスピネレットから成る。このスピネレットは円形に細い弧状スロットを配列した鋼板である。中空繊維を形成する適当な弧状スロット構造例を図２ａないし２ｄに示す。
図２ｅに示すように、スピネットは複数群のスロットを有していて、このスピネットでは８つのスロット群を有して、多くの繊維を同時に押出せる。溶けたポリマーはスピネットを押出され、スロットを出て、そして冷却域で中空繊維に閉じていく。扇形分割により生じる間隙によって空気が繊維に入り込み繊維部分が環状となる前に潰れないようにしている。冷却域において空気の制御された交差流によりポリマー繊維形状物は固化され、冷却され、そして巻取器に集められる。他の紡錘法によっても適当な繊維１０はつくれる。例えば、ホール・スピンニングのパイプ内でポリマーを溶かし環状スピネットで引き、その間そのスピネットの別の孔を通しガスをその押出された繊維の内腔に通して繊維が潰れるのを防いでいる。溶融紡錘以外の方法も使える。
【００２７】
図１ａを参照する。図示の実施例では溶融紡錘法を使って外直径１２が１００μｍ以下の繊維１０をつくっている。繊維の中空域（すなわち内腔１４の領域）は繊維の横断面積の１０％以上、または３０％もしくは４０％以上である。中空域は繊維の横断面積の６０％もしくは５０％以下が典型である。例えば、ポリメチルペンテン繊維の外直径１２は約５０μｍと６０μｍとの間であって、内直径１６は３０μｍ以上であり、その結果壁厚１８は１０μｍ以下となって、ガス透過率は３０、０００ｃｃ‐ｍｍ／ｍ２‐２４時間‐バール以上である。
【００２８】
図１の実施例では、布のＰＭＰ繊維１０の外直径１２は約４５μｍであり、内直径１６は約１５ないし３０μｍである。繊維１０は日本の三井石油化学製のＭＸ‐００１もしくはＭＸ‐００２ＰＭＰを使って溶融押出しされており、そして上に説明した扇形スピネットを通して生のポリマーとしてＴＰＸの名で売り出されている。
１．２ 繊維集合体（例えばトウ）
【００２９】
図１ｂを参照する。中空繊維１０を取扱いのため纏めて繊維ユニット１９にする。繊維ユニト１９は個々の繊維１０、例えばそれぞれ１本ないし２００本もしくは１６本ないし９６本の繊維を縒って、もしくは縒らないで纏めたトウ２０（図１ｂ）、糸、ヤーン、平らなもしくは索状の編組、もしくは他の取り扱えられるようにしたユニット１９である。複式巻取りスプールから繊維を巻き解いて第２のスプールへ移してトウ２０をつくる。ＰＥもしくはＰＰのヤーンのように強い不活性繊維はトウ２０もしくは他のユニット１９に含まれる。繊維１０はユニット１９内で使うためカールしている。様々な張力でボビンに巻きつけることによりカールした繊維１０をつくる。
１．３ シート構造
【００３０】
繊維１０及び又は繊維ユニット１９はシート２６にできる。図３ａ、３ｂにおいて、繊維１０は繊維ユニット１９として基本的な２次元構成に、もしくは繊維シート２６に織られている。図の実施例ではユニット１９はシートを横切っている、つまりシート２６が織機から出て行く方向に直交している。不活性繊維２２はシート２６の長さに沿って走り、繊維ユニット１９への支持となっている。図３ｃは織りのプロセスにおける段階を示している。シャトルの通過毎に交互に上下する不活性繊維２２の２つのグループを通るシャトルに繊維ユニット１９は運ばれている。他の織り方も使える。ユニット１９の種類、ユニット１９の束の大きさ、ユニットどうしの間隔そして各方向における繊維のパーセントを個々の用途の機械的もしくは生化学的要件に合致するよう調整する。
【００３１】
更に詳細には、繊維ユニット１９はバイオフィルム３０の成長のための支持表面を与えている。中空繊維ユニット１９の数とユニット１９当たりの繊維１０の数を調整して、バイオフィルム３０の表面積に対しもしくは繊維シート２６の平らな表面積に対しＯ２転移のための所望表面積を与えるようにする。シート２８の平らな表面積はシートの長さにそれの幅を掛け、（シートは２つの側面を有するので）二倍すれば求められる。バイオフィルム３０の表面積はリアクター内の液体へ曝されるバイオフィルム３０の全表面積であり、実質的に２次元シートの形であるシート２６の平らな面積と同じである。
【００３２】
Ｏ２転移のための表面積はバイオフィルムへ曝されるシートの中空繊維１０の全面積である。これは繊維１０の実効直径と長さにシート２６の繊維１０の数を掛けた積に等しい。拡散のための実効直径は、壁厚の効果を説明する繊維の直径の対数平均である。シート２６の中空繊維１０を横切っており、繊維１０の間で接触している不活性繊維２２は、ある実施例では、例えば目の詰まった織られた布に対しての酸素転移を阻害するが、その阻害は一般には小さく、酸素転移の計算の表面積としては無視される。
【００３３】
バイオフィルム３０の表面積はシートの平らな面積と同じであるけれども、非常に目の粗い、もしくは開いている、または繊維ユニット１９が分散している布ではそれはいくらか大きくなっている。布目が変化するものを使ってバイオフィルム３０の厚みに影響させるようにしたり、もしくはバイオフィルム３０が容易に縮小しもしくは制御されるようにする。バイオフィルムの面積に対するＯ２転移表面積（ＳＡＯ２／ＳＡバイオフィルム）の高い比が、例えば６ないし１０もしくはそれ以上の範囲で得られる。しかしながら、ＣＯＤの濃度が高い、例えば３００ｍｇ／ＬＣＯＤもしくはそれ以上である供給水を処理するには、例えば１．６と１０との間の低いＳＡＯ２／ＳＡバイオフィルムで十分であり、そしてモジュールコストを低減するのに好ましい。約２ないし８、もしくは約４ないし６の範囲のＳＡＯ２／ＳＡバイオフィルムは多くの処理に当たって満足すべき結果を出すことができる。
【００３４】
繊維１０を緩い配列とし、そしてバイオフィルム３０の厚みを十分に薄い層へ制御することによりバイオフィルム３０の表面積は、シート２６の平らな面積よりも大きくでき、そのため隣接して並列となっている繊維上のバイオフィルムは連続層を形成しない。粗いもしくは織られた表面を持ち、その表面のゆるやかな起伏の高さが所望のバイオフィルムの厚みの範囲にあるシート２６が望ましいのは、それがバイオフィルムの制御を容易にするからである。所望のバイオフィルムの厚みは２００ないし１，０００である。
【００３５】
モジュール４０を通る酸素転移がバイオフィルム３０における反応を制限しなければ、汚水のＣＯＤ減少率は汚水のＣＯＤ濃度に大体比例する。酸素転移が制限因子とはならないようにするには汚水ＣＯＤ濃度が増加するにつれてより多くの酸素をモジュール４０に流して、同じ表面積のブローマス（blomass）を支持することが必要である。ブローアーの作動速度もしくはブローアーの大きさを増加することにより、より多くの酸素が与えられる。しかしながら、大きな圧力損失、例えば１０ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）もしくはそれ以上の圧力損失が繊維内腔１４を通る酸素の流れに対する抵抗のために生じる。所与のバイオフィルムの外表面積に対し十分な全内腔面積をつくる布の種類と繊維の数を選択することにより圧力損失は１０ｐｓｉ以下に、もしくは６ないし９ｐｓｉの範囲に維持できる。
【００３６】
また本発明者が確認したこととして、ＣＯＤの濃度が高い、例えば１０００ｍｇ／ＬＣＯＤもしくはそれ以上、または２０００ｍｇ／ＬＣＯＤもしくはそれ以上である汚水内で成長するバイオフィルムは、ＣＯＤ濃度が低い汚水内で成長するバイオフィルムよりも早く数ｍｍと言う望ましくない厚みに成長し、もっと弾力を持つようになる。ＣＯＤが高い汚水内で成長するバイオフィルムはより一層有効なバイオフィルム制御方法を必要とし、そのような方法は強い布を望ましいものとする。
【００３７】
上に述べた様々な問題は、シートの同じ平らな全表面積もしくは支持されるバイオフィルムの外表面積に対してＣＯＤの低い汚水を処理するのに使用する布よりもより多くの繊維を持ち、そしてオプションとしてより表面の粗い布をＣＯＤの高い汚水に使用するのが好ましいこととする。このことは布をつくるのに使う方法の選択と糸もしくは布ユニットまたは布の目の細かさの選択とによって達成できる。多段リアクターも使用できる。多段リアクターでは上流のリアクターはそれの最高ＣＯＤ濃度における供給水を処理し、そして繊維の多い、密度の高い布を持つモジュールを装備している。下流のリアクターは部分的に処理されたＣＯＤの低い汚水を受け取り、そして同じシートもしくはバイオフィルムの外表面積に対して繊維の少ない、密度の低い布を持つモジュールを装備している。この密度の低い布が経済的であるのは繊維が少ないからであり、そして同じ平らな表面積のシートに対しバイオフィルムの面積は大きいからである。
【００３８】
布シート２６は編み、ステッチ、ニッティング、例えばワープニッティングなど他の方法でもつくれる。例えば小さいユニット１９もしくはトウもしくは細い繊維１０の個々のストランドすら使用するときはワープニッティングが望ましい。布シート２６は所望ならば、パターンニッティングのように模様をつけられていて少ない繊維の処や穴を開けてシート２６を通る流れを促進させることもできる。
【００３９】
ワープニッティングでは図３ｄに示すような布シート２６は「ニットしたステッチ」の絡み合ったループを含んでいる。一針で形成されているステッチのコラムがフリンジをつくる。布の長さ方向のフリンジ（「ワープ」）は比較的廉価な、日用品のヤーン例えばＰＥＴ、ＰＰなどにより不活性繊維２２としてつくれる。不活性繊維２２は処理中と使用中とにおけるストレスと引っ張りとに耐えられる。布シート２６は縦糸方向（長さ方向）において一般に強くて堅く、そして横糸方向（横断方向）では弾性がある。横糸は直角ヤーン系であり、フリンジを横切り、縦糸繊維２２のステッチ（ループ）により固定されている。横糸は布（ループ）形成で役を果たしていない。それ故、横糸繊維ユニット１９はそっと処理され、縦糸よりもストレスや引張りをかけないようにする。従って、横糸としてユニット１９を持つシート２６をつくることはシート２６の作成中繊維１０への損傷の怖れを最小とする。通常横糸は、ニッティング中フリンジ（横糸）に交叉して動いているヤーンの平行な層もしくは帯である。布シートの幅は約２−３メートルであってよい。
【００４０】
図４ａ、４ｂの実施例では、織機のシャトルを通してトウ２０を織ることにより、そして布２６の縁に沿って不活性繊維２２とトウ２０を交叉させることによりつくられた開いた布からシート２６は構成されている。図示の布の幅は約１．３メートルであり、すなわち、それは長さが約１．３メートルの活性繊維１０と、トウ２０に垂直に織られて縁に沿って約２センチメートルの細長部分となっている不活性繊維２２とを有する。図４ｂに示すように、各トウ２０における繊維１０は細長部分を越えて分散し、トウ２０は抑制されないままであって細長部分と細長部分との間で隙間を開けて開いている。その結果できた幅１．３メートルの布のロールを切って約２−２００センチメートル、もしくは３０−６０センチメートルにして個々のシート２６にする。図４ｂにおいて各トウ２０の繊維１０の数は見易くするため少なくしてあるが、トウ２０はそれぞれ例えば、１本と２００本の間、例えば１６，４８、もしくは９６本の繊維１０を有している。
１．４
モジュール
１．４．１ 緩いトウモジュール
【００４１】
本発明に従って繊維１０、トウ２０もしくはシート２６を含む多繊維ユニット１９をグループに分けて薄膜モジュール４０を形成する。図５に示すモジュール４０は、トウもしくは緩いトウモジュールと呼び、繊維１０は繊維のトウ２０の形に配置され、そしてポットに入れられている。多数の、１本と２００本の間、もしくは１６本ないし９８本の繊維１０を緩く集めてトウ２０をつくっている。繊維１０は軽く縒りをかけており、もしくは縒りをかけないままである。繊維１０はカールされ、クリンプされ、波型にされてそれぞれポット付きの列の形の3次元構造となっている。繊維にかかる張力を変えながらボビンに繊維を巻き戻すことによりカールする。トウ２０の個々の繊維１０は相互に分離している。そのようなトウ２０は薄い例えば１ミリ圧のバイオフィルムで被膜されるときに生じるバイオフィルムの外表面積に対する繊維壁を通過するガス転移面積の比（ＳＡoxygeon／ＳＡbiofilm）は２．５以下、１以下、もしくは０．１もしくは０．２と１の間である。不活性繊維２２は必要であればトウに加えてそれを強化する。各トウ２０は樹脂３２のプラグに入れられ、それの端３４は樹脂３２の一面で開いている。樹脂プラグ３２はポート３６を持つプラスチックのヘッダー包囲体３５に固着され、それは空所もしくはキャビティ３７を通って繊維１０の開いた端３４へポート３６を接続するヘッダー４４を形成している。入口ヘッダー４４を持つモジュール４０がつくられているが、繊維１０のそれぞれの端に一つずつ、２つのヘッダーがある。２つのヘッダー４４があり、空気もしくは他のガスが一方のヘッダー４４に入れられ、繊維１０を通って流され、そして第２のヘッダー４４から出て行く。トウをポリウレタンのような樹脂３２に差し入れ、そして差し入れた端を切って繊維の内腔を露出する。又は、米国特許６，５９２，７５９に記載のように一過性のポッティング材料を使って繊維の端を閉塞するか、もしくは他のポッティング法を利用してもよい。図５ではトウ２０の数とトウ２０当たりの繊維１０の数との両方が図面をハッキリさせるため少なくして示してあるが、実際にははるかに多い。
１．４２ シートモジュール
【００４２】
モジュール４０をシート２６の束もしくは堆積から構成することができる。図３ａに示すようにシート２６の全幅を横切って、もしくはシート２６の幅の一部分を例えば図４に示すように端の処で横切っている直交不活性繊維をシート２６は有している。シート２６の生の材料を巻いて布ロールにする。例えば、織ってシート２６をつくるときは、その材料をつくっているとき織機の端で巻き取り式ロールにその材料を巻く。繊維ユニット１９はロールを横切って延び、不活性繊維２２はそのロールの周りにらせん状となる。繊維をこのように配向して、ロールからある長さの材料を引出してそれをホット・ナイフもしくはヒートカッターで裁断して個々のシート２６をロールから切り出す。ヒートカッターは繊維ユニット１９と不活性繊維２２とを溶かし、そしてそれらを一緒にくっつけてバラバラになっているもしくはほつれているところから布端を突出させる。ヒートカッターが切断線の両側で繊維の細長い部分、例えば約５ｍｍ幅の細長い部分を溶かすので、ロールに残る繊維は同じように一緒に溶けて安定した縁をつくる。シート２６をロールから切断した後シートのその他の２つの端、つまり熱切断した縁に直角なシート２６の縁は切られて、繊維ユニット１９の内腔を開く。切断圧力の下での繊維１９の端の乱れや潰れを最小にするため切断しようとする区域を、例えばそれにポリウレタンを含侵させて繊維１０もしくは繊維ユニットの周りに強化被膜をつくることによって先ず強化する。それから繊維ユニット１９を横切って鋭いナイフで、例えば剃刀の刃のカッターで切断する。カッターは刃を定期的に取り替えて非常に鋭くしているのが好ましく、繊維１０の端の乱れが殆どないようにする。衣服産業や織布産業で使用している他の切断機械もしくは切断道具も使用できる。
【００４３】
一枚もしくは複数枚のシート２６の端をヘッダーのポットに入れてポート３６を繊維１０の内腔に連絡する。シート２６をポットに入れるためシート２６を上に述べたようにしてロールから切り出す。繊維ユニット１９を横断しているレーザーカット線に平行しているが、それから離してシート２６の端で、シート２６の一側もしくは両側に例えば接着剤もしくは粘着テープでプラスチックのスペーサー細長片を取りつける。多数のシート２６にポットを付けるにはスペーサー細長片を取りつけたシート２６を相互に重ねて一緒に、例えば接着剤もしくは粘着テープで、隣同士のスペーサーの間もしくは一方のシート２６と第２のシート２６のスペーサーの間でくっつける。スペーサーはシート２６とシート２６との間を開けているだけではなく、後で加えるポット材料と繊維１０の端を含むヘッダーのキャビティもしくは空所との間で障壁を形成している。シート２６もしくはシートの積み重ねの端を、例えば注入式塑造法によりつくれる長いヘッダーのキャビティに入れる。ヘッダーの壁に対する間隔と密封とは長いヘッダーの壁のそれぞれへ取りつけた自己粘着性のクローズドセルネオプレーンガスケットストリップでつくられている。スペーサーストリップで残されたヘッダーのキャビティの開口は熱い溶融接着剤で覆われる。スペーサーストリップにわたって例えば２成分ポリウレタン化合物であるポッティング材料層を注ぐことによりヘッダーを最終的に密封する。この層は約４５ｍｍ厚であって、ヘッダーの壁の内側と内側との間にある。多数のシートでは、シート２６間で完全にそして均一にポッティング材料が流れるのを確実とするよう注意する。ポッティング材料が硬化すると繊維１０の外側とヘッダーの壁との間に密封が形成されるが、繊維１０の端はヘッダー内の空所と連通したままとなっている。
【００４４】
図６ないし図９に示すモジュール４０においては、ヘッダー４４内で間隙４２を一組の並列シート２６の間に開けてそれらのシートにポットを付けている。排気が望まれるときは図に示すように、２つのヘッダー４４を使う。一方のヘッダー４４を使って繊維１０の対向した開口端を通して排気するか、またはデッドエンド操作するため繊維１０の他端を閉じる。間隙４２は２ｍｍと１０ｍｍの間であるか、もしくは３ｍｍと１５ｍｍの間である。間隙４２は処理しようとする水もしくはバイオフィルムの厚みを制御する方法の選択によって変わってくる。例えば、引っ張られたシート２６のモジュール４０の間隙は、バイオフィルム３０の厚みを空気で擦って調整するときは６ｍｍである。ヘッダー４４を剛性の構造体に取り付けることにより張力はかけられるが、その構造体はタンクの部分を含んでいて一方もしくは両方のヘッダー４４がその構造体に対して動けるようにしている。又は、距離を調整できるフレームの部分にヘッダー４４を取りつけてもよい。様々なポッティング材料４６により布２６のシートをヘッダー４４内でポットに入れ、分離させておくのであるが、そのようなポッティング材料４６にはポリウレタン、高温溶解接着剤、粘着ストリップ、プラスチック間隔片もしくはエポキシがある。隣り合うシート２６どうしの間もしくは隣り合う間隙４２どうしの間の隙間はエアースコアリングのための空気そしてモジュール４０を通る代わりの流れのためのスペースとなっている。別々のシートを使うのではなく布２６の大きなシートをロールにしたり、折り畳んでモジュール４０をつくる。モジュール４０の長さはＯＴＥと圧力降下との間の妥協であって、そして１メートルから５メートルの間であるか、もしくは１メートルから３メートルの間である。
【００４５】
図８に示すように、モジュール４０をつくるには繊維１０の端を横断するよう置いた接着ストリップ５０（各端に一つづつ）に繊維１０のシート２６を載せる。別の接着ストリップ５０と間隔ストリップ５２とをシート２６に置き、別の粘着ストリップ５０と別の布シート２６がこれに続く。これらの工程を所望のシート２６の数に合っただけ反復する。その結果できた組立体を一対の対向ヘッダー４４のヘッダー包囲体３５に密封して、繊維１０の内腔１４がキャビティ３７を介してヘッダー４４のポート３６と連通する。繊維１０の端をポットにつける前に切断してそれらを例えば上に述べたようにして開いておく。別の接着剤もしくはポッティング樹脂４１はオプションでヘッダー包囲体３５に流し込んで繊維１０をヘッダー包囲体３５へ一層密封する。又は、シート２６の端で間隔ストリップに接着し、そしてヘッダーのキャビティに挿入し、そして別の接着剤もしくはポッティング樹脂４１をこの組立体の周りに置いてそれをヘッダー包囲体３５へ密封する。更に代替的に、上述の第１の組立法を使ってもよい。
【００４６】
図９は上に大体述べたようにして組立てられたモジュールの図である。ヘッダー４４どうしは約２メートル離れている。別のスペーサー３３をヘッダーの中間に使ってシート２６の分離を一層確かなものとしてもよい。細い鋼鉄棒４５をモジュールの右半分の布シート２６の縁に取り付けてモジュールの左半分に見ることのできる折り返しにアドレスする。モジュール４０のＳＡoxygen／ＳＡbiofilmの比は約５である。
【００４７】
モジュール４０の別の実施例を図１０ａないし１０ｃに示す。モジュール４０は中空繊維ユニット１９と不活性繊維２２とを有する１枚のシート２６を有する。中空繊維ユニット１９はシート２６の両端のヘッダー４４と４４の間にある。隣接モジュール４０のヘッダー４４を衝合させて相互に隣接して積み上げた複数のモジュール４０が隣接シート２６の間で所望の間隔となるようにヘッダー４４の幅６２を決めている。このモジュール４０のヘッダー包囲体３５はキャビティ３７を見られるように透明である。シート２６にポットを付けるには、プラスチックの被覆ストリップであるヘッダー包囲体３５を力で広げて、シート２６を挿入する。ヘッダー包囲体３５はシート２６の上で撥ね戻って閉じる。ポート３６として作用するチューブがヘッダー包囲体の端に挿入される。ポット樹脂３１がシート２６とヘッダー包囲体３５との間の、ポート３６とヘッダー３５との間の継ぎ目に沿って、そして他のすべての開口に沿ってキャビティ３７を密封する。
【００４８】
図４を再び参照する。織られた縁に沿って切られて繊維１０の端を開いて、それらの間を０ないし１０ｍｍ広げて一つもしくは一対のヘッダーに入れたトウ２０の開いたシート２６からトウもしくはトウシートモジュールと呼ばれる別のモジュールをつくる。上述のポッティング法を含む、使用されるポッティング法によって異なるが、繊維１０はポッティング樹脂に挿入する前後のいずれかで切って開いておいてよい。１ないし１００枚、もしくは８ないし２０枚のシートを一対のヘッダーに入れてモジュールをつくる。図１の繊維を使ってこうしてできたモジュールのＳＡoxygen／ＳＡbiofilmの比は、バイオフィルム厚２５０μｍで１：２．５（０．４）と１／１１（０．１）の間である。
１．５ カセット／リアクター
【００４９】
一般に、複数のモジュールをグループに分けてカセットを形成し、そして一つもしくはそれ以上のモジュールもしくは一つもしくはそれ以上のカセットをリアクターの部分としてタンク内に置くことができる。図１１と図１２を参照する。ＣＯＤが１，０００ｍｇ／Ｌを越える、典型的には７，０００ｍｇ／Ｌを含む産業汚水を一日当たり１立方メートル処理するプロット・リアクターのタンク１２にカセット１１０のモジュール４０を取り付ける。供給水はバッチもしくは連続プロセスにより処理されてＣＯＤ濃度を出口である都市下水に放出するに必要な３００ｍｇ／Ｌまで減少する。タンク１１２の充填容積は１．８立方メートルである。１５個のモジュール４０をタンク１２に設け、それぞれのモジュール１１４は、トウ２０として織られた、ＰＭＰ繊維ユニット１９の織布の３．６平方メートルの表面積の６枚のシート２６を含んでいる。繊維１０は１．８メートルの長さであって、モジュール４０の入口ヘッダー１１６と出口ヘッダー１２２との間に延びている。シート当たりのＰＭＰトウの全数は１９６８であり、そしてシート当たりの繊維は９４４６４本である。トウ当たり４８本の繊維があり、そしてシート２６のインチ当たり５０本の糸の２パッキングがある。また、ポリエステルヤーンはＰＭＰ繊維に垂直に織られており、そしてモジュール当たりのヤーンの全数は１９１２本である。繊維の内腔における空気圧低下は５ないし１０ｐｓｉの範囲にある。モジュール当たりの全バイオフィルムの面積は１７平方メートルであり、そして酸素転移面積は約５．１×バイオフィルム面積である。
【００５０】
図示の実施例のモジュールは、ヘッダー１１６と１２２との間で延びるシート２６の張力が調整できるような仕方で取りつけられている。カセットは剛性構造体１５０であって、タンク１１２の要素もしくはモジュール４０に隣接するカセットサブ・フレームの要素を含むことができ、そしてヘッダー１１６と１２２の一方もしくは両方が剛性構造体１５０に対して動けるようになっている。
【００５１】
図示の実施例では剛性構造体１５０は、モジュール４０の積み重ねの一番外側のモジュール４０の遠い方の側面に沿って延びる一対の側板１５２を備えている。図１３と図１４によく示されているように、モジュール４０は、それの両端の側板１５２の間を横切っている取り付けブラケット１５４により側板１５２へ取りつけられている。シート２６に対向して、ヘッダー１１６の表面から伸びるＴ字型舌片１５８を受けるようにした形の溝１５６を取り付けブラケット１５４につける。ブラケット１５４の溝１５６にヘッダー１１６と１２２の舌片１５８を滑り込ませることによりモジュール４０を取り付けブラケット１５４に固定する。例えば、ブラケット１５４の縁面において孔１６２にボルト１６０を通して板１５２とネジ付き穴１６４とを係合させるすことにより取り付けブラケット１５４を側板１５２へ固定する。
【００５２】
取り付けたヘッダー１１６、１２２が水平に動かされてシート２６の張力を増減するように孔１６２のスロットの形を決める。板１５２へ固定した取り付け面１６８と外直径表面を係合させ、偏心させて取り付けたカム部材１６６をボルト１６０の頭と板１５２との間に設ける。カム部材１６６を回転させると対向したブラケット１５４を押し広げ、もしくはそれらを近づけて、それによりモジュール４０におけるシート２６の張力を調整する。
【００５３】
モジュール４０の一端だけにもしくは両端に張力調整機構を設け、そして各モジュール４０毎に又はモジュールのサブ・グループ毎に個別に張力を調整できるようにする。他の取り付け法を使ってモジュール４０を取除いたり、もしくは張力をかけたりしてもよい。
【００５４】
本発明の別の実施例ではモジュールの要素は垂直に積み重ねている。外部からのスコアリング空気、もしくはタンク内の水が上から下へ、もしくは下から上へ流れる。このことがスコアリング空気と空気の作動コストに必要な資本を最小とする。
２．０ 動作／用途
【００５５】
一本もしくはそれ以上の繊維１０を有する繊維ユニット１９をリアクターにおけるバイオフィルムを支持する薄膜として使用する。一般に、酸素含有ガスがモジュール４０のヘッダー４４の少なくとも一つに流れる。繊維を通る以外は出口のないデッド・エンドモードでモジュール４０は作動する。代替的には、モジュールは交叉流方式で作動させてもよく、この方式ではガスは一方のヘッダー４４を通って入り、繊維を通過して流れ、それから他方のヘッダー４４から出て行く。ガスの酸素含有量と流速とは、酸素レベルが最高となる繊維１０の外面近くに好気性状態をつくるだけの酸素を移送するようガスの酸素含量と流速とを設定する。この区域で有機化合物の二酸化炭素と水への変換、そしてアンモニアの硝酸塩への変換とを含む好気性反応が生じる。バイオフィルムはそれの外面でもしくは処理されている基質近くで無酸素もしくは嫌気性条件下にあり、そして窒素の硝酸塩への変換が生じる。こうして、カーボンベースの有機体、アンモニアそして全窒素の減少を含む多くの、そして同時発生的反応がバイオフィルムで行われる。
【００５６】
図１５に例としてのリアクターを示す。図１５は近栓流をつくる。リアクター８０はタンク８２、タンク８２への供給水取入口８４、タンク８２からの放出口８６、取入口８４と放出口８６との間の流路８８そしてタンク８２内のモジュール４０の形状の多数の繊維１９を有している。各モジュール４０は一つもしくはそれ以上のヘッダー４４から伸びる１枚もしくはそれ以上のシート２６を有する。複数のモジュール４０は一つもしくはそれ以上のカセット１１０の部分として設けることができる。
【００５７】
シート２６とモジュール４０はタンク８２に入ってそれの容積の実質的な部分を占める大きさとなっている。シート２６はタンク８２内の利用できる空間を効率よく利用するようつくられた注文製作である。シート２６はいくつもの列となってタンク８２内に配置されているのが好ましく、そのような一つの列を図１５に示す。シート２６は０．２６から２ｍｍまでの厚みがあり、タンク８２内の隣同士のシート２８の間隔は２ないし１５ｍｍであって隣接シート２５間でバイオフィルムが成長でき、そして汚水が流れることができる。
【００５８】
タンク８２は深さよりも長さの方があり、そして全体としてほぼ水平な流路８８を有して、僅かに混合を伴う。これは、タンク８２の端近くに（すなわち、入口８４と出口８６近くに）幾らかの空間を残して水を垂直に動かすようにし、そしてタンク８２の頂部、底部そして側面に最小の自由空間を残すことにより達成される。バッフル９０を流出出口８６の上流に配して流路８８をその下に行くようにする。ヘドロ出口９２を設けて過剰なヘドロを除去する。
【００５９】
供給口８４と排出口８６との間のタンク８２の実質的な部分８２にわたり流路８８は真直ぐになっている。各モジュール４０はフレーム（図を複雑にしないため示していない）に取り付けたヘッダー４４によりタンク８２内に保持され、このフレームはリアクター８０内に各モジュール４０を正しく配置してそれにより各モジュール４０のシート２６が流路８８に全体として平行になる。好ましくは、複数のシート２６は流路８８に沿って直列となっていて、リアクター８０は一層潜流の特性を持つようになる。処理しようとする汚水の一部は放出口８６から供給口８４へリサイクルする。このようなリサイクルは流路８８に沿う汚水速度を高めることによりガス転移速度を増加できるが、リサイクルの割合を小さくしてリアクター８０における混合流特性を大きくしないようにするのが好ましい。
【００６０】
処理しようとする水よりも上にある供給マニフォルド９４へ接続された入口導管２１６を介して各モジュール４０へ酸素含有ガスを送る。入口マニフォルド９４が水面よりも上になっているのでモジュール４０に漏洩口があってもマニフォルド内に水を入れさせないし、他のモジュール４０にも入れさせない。排出マニフォルド９５へ接続された出口導管２１８を介してガスは各モジュール４０を出る。各モジュール４０を出たガスを集めることは絶対に必要ではないけれども、そうするとかなりの利点がある。例えば、排出マニフォルド９５内のガスは揮発性有機化合物が富裕となっているかもしれず、そのことはそのリアクター８０を配置した建物内で匂いや健康問題を生じることがある。
【００６１】
酸素は拡散し、そして繊維１０を通過する。そのように拡散し、そして通過した酸素の量は、好気性バイオフィルムがシート２６に隣接して生育し、嫌気性バイオフィルムがその好気性バイオフィルムの隣で生育し、そして処理しようとする汚水が嫌気性状態に保たれている。そのようなバイオフィルムは窒素固定と脱窒とを同時に行う。攪拌源９８を時々作動させてシート２６を攪拌して蓄積されたバイオフィルムを解放する。適当な攪拌源は、処理しようとする水を非嫌気性にするに十分な酸素を与えない一連の疎い気泡の通気装置である。
【００６２】
図１６に示す第２のリアクター８０は、タンク８２、給水口８４、放出口８６、流路８８そして複数のモジュール４０を有する。各モジュール４０のシート２６が全体として流路８８に平行となるような位置にフレーム（図示せず）が各モジュール４０を保持する。
【００６３】
タンク８２に入ってそれの容積の実質的な部分を占めるような大きさにシート２６をする。シート２６は注文してタンク１８２の利用できる空間を効率よく使えるようにつくる。シート２６の厚みは０．２５ｍｍから２ｍｍの範囲にあって、隣同士のシートの間隔は２ないし１５ｍｍであってバイオフィルムが成長でき、そして汚水が隣同士のシート２６の間を流れる。
【００６４】
タンク８２は長さよりも深さがあって殆ど混合することなくタンク８２の実質的な部分にわたって垂直な流路８８をつくれるようになっている。これは、タンク８２の端と側面とに近いところでは殆ど空間を残さないようにするが、タンク８２の頂部と底部近くに実質的な空間を残すことにより実現できる。処理しようとする水の一部は排出口８６から供給口８４へリサイクルするが、このリサイクルを使ってもそのリサイクル速度は小さいのが好ましい。
【００６５】
酸素含有ガスは、マニフォルド９４に接続した入口導管２１６を介して各モジュール４０へ送られる。代替的にはマニフォルド９４は処理しようとする水よりも高いところに配置して、モジュール４０に漏れ口があってもマニフォルド９４に水を入れたり、もしくはどれか他のモジュール４０に水を入れたりしないようにする。出口導管２１８は出口マニフォルド９５に接続されていてこのマニフォルドは処理しようとする水の表面より高くなっている。
【００６６】
代替的には、モジュール４０を通るガス流は出口導管２１８への吸込みをつけることによりつくれる。入口導管２１６は大気と流体連絡している。この方法により膜を横断するガス拡散速度は僅かに減少するが、ブローワーからの排気を排出ガス処理装置へ接続できる。
【００６７】
好気性バイオフィルムがシート２６の隣で培養され、嫌気性もしくは無酸素バイオフィルムが好気性バイオフィルムに隣接して培養され、そして処理しようとする汚水が嫌気性状態に維持されるように酸素が拡散しもしくは透過するのが好ましい。攪拌源９８を時々作動させてシート２６を攪拌して蓄積バイオフィルムを解除する。適当な攪拌源は直列の機械的な混合器である。
【００６８】
図１７を参照する。リアクター１００のタンク１１２には一つもしくはそれ以上の薄膜支持式バイオフィルムモジュールカセット１１０が装備されている。これらのカセットは上に述べたように一つもしくはそれ以上のモジュール４０を有する。モジュール４０はトウモジュール、平らな要素のモジュール、もしくはバイオフィルムを支持する薄膜を使う他のタイプのモジュールである。各モジュール４０のガス入口ヘッダー１１６に空気もしくは他の酸素含有ガスをブローワー１１８を介して供給している。入口ヘッダー１１６から一つもしくはそれ以上の繊維１０の内側（すなわち、内腔１４）へガスは通る。繊維１０の壁はガス転移膜１２０として働く。ガスの一部分は膜１２０を通り、タンク１１２から取り出された別の部分そして多分かなりのガスがモジュール４０の出口ヘッダー１２２へ、そして出口１２４へ流れる。排出口１２４を出るガスは後処理されるか、大気へ放出される。
【００６９】
供給弁１２６と供給ポンプ１２８とを介して供給水がリアクター１００へ入る。供給水がモジュール４０より上の供給充填レベルまで入れられる。一バッチの供給水が処理された後ドレイン弁１３１を開いて処理された水のタンク１１２を排出する。この処理された水は都市の下水へ、周囲へ流れ、受給系へ直接流れ、もしくはＭＳＢＢＲ（薄膜支持式バイオフィルムバッチリアクター）の別の段へ、もしくは更に処理するため別の種類のリアクターへ流れて行く。
【００７０】
薄膜１２０の外側にバイオフィルム１３２が成長する。バイオフィルム１３２の厚みを調整するために一つもしくはそれ以上の通気装置１３４をモジュール１４０の下に設けて、通気弁１３８を介して第２のスコアリング空気ブローアー１３６へ接続される。スコアリング空気ブローアー１３６は、タンク１１２にいっぱい水が入っているとき作動させて気泡をつくる。気泡はモジュール１４０を通って上がり、そして薄膜１２０からバイオフィルム１３２の幾らかを物理的に取り除く。通気装置１３４はガス供給弁１４２を介してガス供給源１４０へ取りつけられている。ガス供給源１４０は加圧ガスもしくはガス発生器とポンプまたはタンク１１２が空のときガスを供給する他の装置である。リアクター１００は供給水以外の液体でタンク１１２を充填するよう作動する液体ポンプ１４４も有している。液体ポンプ１４４は液体を入れている貯槽へ接続されるか、もしくは化学薬品注入装置もしくはヒーターのような修正装置を介して流す清浄水源へ接続されている。タンク１１２は大気に向って開いていて、一般に周囲圧の液体を含んでいるが、蓋１４６を時々閉じて閉じた空間をつくる。
【００７１】
リアクター１００内での主処理法はバイオフィルム１３２へ供給水をバッチ供給することを含む。タンク１１２には給水ポンプ１２８を使って給水レベル１３０まで水を満たす。給水ポンプ１２８は平衡貯槽１４８を介して給水源へ接続されていて非バッチ給水源からバッチ給水をする。ある期間、例えば１２時間と９６時間との間供給水はタンク１１２内にあって、その期間中バイオフィルム３２により処理されている。処理期間中は蓋４６は開けたままであるが、タンク１１２内の水は一般に無酸素性もしくは嫌気性である。しかしながら、典型的に空気成分として酸素がブローワー１１８により薄膜１２０を介してバイオフィルム１３２へ供給され、バイオフィルム１３２に有酸素性もしくは好気性域をつくる。時々その処理期間中再循環弁１４９を開いて、給水ポンプ１２８を作動してタンク内の供給水を混ぜる。
【００７２】
バイオフィルム１３２が供給水を所望程度まで消化してから、ドレイン弁１３１を開いてタンク１１２の水を抜く。この水抜きは２段階で行われる。第１段階ではタンクの底にある固形ヘドロである水抜きして残った固形物を除去し、この固形物をヘドロ管理装置へ移す。第２段階で、きれいな上澄み液を第２段階処理もしくは殺菌システムへ移すか、もしくは下水へ放出するか、流してもよい河川に放出する。
【００７３】
酸素搬送ガス供給を充填操作中連続させ、バイオフィルムに吸収された物質を連続消化させ、そしてバイオフィルムの一部分が汚水の中に浸ると直ちに処理を開始することを保証する。同様に、水の抜出し操作中も通気を連続させてバイオフィルムの一部分が浸漬している限り処理を継続し、そして浸漬していないときでさえ短期間バイオフィルムの吸収有機物を消化してバッチ毎の処理時間を最大とする。
【００７４】
図１８に示すリアクター４００はリアクター１００と同じような特徴を持っているが、ガス供給源１４０、ガス供給弁１４２もしくは液体ポンプ１４４はない。
【００７５】
バッチプロセスで、汚水の濃度は各処理期間の終わりに向って減少して行く。バイオフィルムに供給される酸素要請も減少して行き、そしてモジュールへのガス供給を減少する。トウの形で少なくとも部分的に繊維を使用しているモジュールは、酸素転移とバイオフィルム成長に対して非常に高い表面積を提供する。トウモジュールは、例えば１，０００ｍｇ／Ｌ以下、もしくは５００ｍｇ／Ｌ以下、もしくは３００ｍｇ／Ｌ以下のＣＯＤの低い汚水を処理するときに特に有利である。細い繊維内腔を通しての圧力損失が、ＣＯＤの低い汚水を処理するバイオフィルムへ酸素を送るに必要な空気供給量を制限することはない。細い繊維は他の汚水でも同じように処理するけれども、最初の供給水のＣＯＤが低い場合、又は強い汚水のＣＯＤ濃度を減少する他の処理プロセスもしくは装置の後段の、第２もしくは第３段階としてトウモジュールを使用できる。都市の汚水や他の供給水例えば、ＣＯＤが１、０００ｍｇ／Ｌか、それ以上であると、二段階装置を使う。第１段階では、繊維シートの形の薄膜支持式バイオフィルムを図９のように使用する。これらのモジュールを含んでいるリアクターからの出口は、第２段階処理を行う図４のようなシートを持つトウモジュールを含んでいるリアクターへつながる。本発明者が確認したことであるが、ＣＯＤの高い汚水からＣＯＤを急速に低くすると薄膜支持式バイオフィルムリアクターで生じる脱窒を制限することとなる。２段階プロセスでは第１段階はＣＯＤ除去に対して最適化されている。第２段階への供給水のＣＯＤは減少しており、そして第２段階は例えば種の硝酸菌属と亜硝酸菌属の硝酸化成微生物、過剰な炭素分解微生物を支持するよう最適化されて、第２段階において改善されたアンモニア酸化を行う。
【００７６】
一般に、ＣＯＤを考えるときは、可溶性ＣＯＤを使うのであって、その理由は可溶性ＣＯＤはバイオフィルム３０により最も容易に消化され、そして容易に測定されるからである。しかしながら、緩いタウ２０がモジュール４０のかなりの、もしくは全面積を覆っているとき特にそうなるが、不可溶性ＣＯＤの粒子が相当量バイオフィルムに引っかかってしまう。時間が経つとこれらの粒子は壊れて可溶性ＣＯＤになって消化される。従って、ある実施例において全ＣＯＤもしくは全生分解性のＣＯＤも関連パラメーターである。
【００７７】
供給水のＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌもしくはそれ以上であると、モジュール４０のＳＡOXYGEN/ＳＡBIOFILMは１もしくはそれ以上であり、例えば１と１０の間にある。繊維１０の全長にわたって織られている、例えば多数の繊維を非常に詰めて密に織られたシート２６を有するモジュール４０は有用である。供給水のＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌもしくはそれ以下であると、モジュール４０のＳＡOXYGEN/ＳＡBIOFILMは０．２と２．５の間にある。繊維の全長にわたって織られているが、あまり密に織られていない、もしくは例えばトウ２０の中央で開いているシート２６を有するモジュール４０は有用である。供給水のＣＯＤが３００ｍｇ／Ｌもしくはそれ以下であるとそのモジュール４０のＳＡOXYGEN/ＳＡBIOFILMは１もしくはそれ以下であり、例えば１と１０の間にある。トウ２０の中央で開いているシート２６を有するモジュール４０、例えば、緩いトウ２０を有するモジュール４０は有用である。
【００７８】
図１９ａに示すベンチスケールリアクターのモジュール４０は１００本のトウ２０を一対の対向したヘッダー４４に入れてあり、９６本の繊維１０のそれぞれは図１に示したようなものである。このモジュール４０を使ってバッチプロセスで供給水を処理した。このプロセスでモジュール４０は合成物汚水４リットルを満たしたタンク１１２内に配置された。１ないし７日毎にタンクは水抜きされ、そして新しい供給水で満たされた。毎分１０ミリリットルの空気がモジュールに加えられた。安定した厚みのバイオフィルムが６ヶ月でモジュール４０に成長した。バイオフィルム３０の小さい部分が破壊してタンク排水の中のあるものと一緒に放出されることを除けば、バイオフィルム３０は本質的に内生であって、それの成長率はそれの崩壊率に等しい。トウ２０の断面を図１９ｂに示す。個々の繊維１０はバイオフィルム３０に覆われている。ある場所では小さいグループの繊維１０の周りのバイオフィルム３０は溶けこんで繊維１０の長さの一部になっている。バイオフィルム３０の厚みは約２５０μｍである。
【００７９】
図２０の別のリアクターは、例えば腐敗タンク、腐敗タンクレトロフィットもしくは艦載処理プラントに適している。このリアクターは、両側に入口４１２と出口４１４とを持つ標準腐敗タンク４１０を使用する腐敗タンクレトロフィットである。タンク４１０は一次室４１６と二次室４１８とを含む２段階となっている。部屋４１６、４１８の間で流れるようにしている水面下オリフイス４２２を分離壁４２０は有している。一つもしくはそれ以上のモジュール４２４を二次室４１８内に置く。入口管４２６を通ってモジュール４２４の底のヘッダーへ空気を供給する。排出管４２８を通してモジュール４２４の上方のヘッダーから排出空気を出す。攪拌空気管４３２を通してモジュール４２４の下部近くもしくはその下に配置した多孔分散管４３０へ定期的に攪拌空気を供給する。図４に示すような１００枚の、もしくは８−２０枚のシートを一対のヘッダーに入れてそれぞれのモジュール４２４をつくる。例えば、一所帯の腐敗タンクでは８−１０枚のシートを有する一つのモジュール４２４に１/４馬力の空気ブローワーで空気を送り、約１−７ｐｓｉもしくは約３ｐｓｉの圧力降下を生じさせる。典型的な所帯の供給水では、全体として内生的なバイオフィルムが個々の繊維１９とトウ２０の表面に成長する。バイオフィルムにおける生物学的処理が懸濁固形物を減少させ、そして排出水の化学酸素要求を減少させ、腐敗タイルフイールドの大きさを減少させるか排除させれるようにする。
【００８０】
本発明の別の実施例では複数のバイオリアクターを直列に設置して栓流に近い流れパターンをつくる。このことが反応率を高め、そして酸素の利用改善を果たす。
【００８１】
本発明の別の実施例においては、異なる酸素要求レベルに応え、そしてバイオリアクターの充填を高めるため酸素スパイキングによりバイオリアクターの異なる段階で異なる酸素レベルを使う。単一のリアクターにおいてもしくは一つのリアクターの段階において異なる酸素レベルを異なる時間に使うこともある。酸素レベルを増加するには繊維の内腔に送られるガス圧もしくは供給ガスの酸素含有量を増加させる。同様に、酸素レベルを低下させるには供給ガス圧もしくは酸素含有量を減少させる。多段リアクターの上流段階に、または大量に充填されたリアクターに高レベルの酸素を使用する。酸素レベルを定期的にもしくは時折増加させてリアクターの充填量を一時的に増加させたときに対応させ、例えば汚水の強さもしくは汚水の質の季節的な変化もしくは一日の変化に応じられるようにする。
３．０ バイオフィルム制御
【００８２】
薄膜支持式バイオフィルムリアクターにおいて、薄膜上のバイオフィルムの厚みを調整することは有利である。例えば、リアクター１００（図１７）において、タンク１１２は定期的に水抜きされているが、バイオフィルム１３２の大部分は膜１２０上に、特に、供給水のＣＯＤが高い、たとえば３００ｍｇ／Ｌ以上である場合には、残っている。バイオフィルム１３２の厚みが過剰となると、例えば、２ｍｍもしくはそれ以上の厚さであると、薄い層、例えば１ｍｍもしくはそれ以下の薄い層を越えて消化率はあったとしても極めて僅かしか増加しない。しかしながら、バイオフィルム１３２を薄くしておくことはモジュール４０のシート２６を相互にもっと近づけることができ、モジュールの単位体積当たりの表面積を大きくできる。表面積のこの増加は、厚いバイオフィルム１３２で達成されるかもしれない、もしくは達成されないかもしれない消化のあっても僅かな増加を差し引いても余りある。
【００８３】
従って、バイオフィルム３２が不必要に厚くならないような手段を講じる。以下の方法を単独で、もしくは様々に組合せても行う。処理頻度数をバイオフィルム１３２の成長につれて変えていく。例えば、バイオフィルム１３２は毎日１０μｍづつ成長する。そして、モジュール４０は０．２ｍｍと０．８ｍｍとの間のバイオフィルムに耐えさせられる。それ故、バイオフィルムの調整は５−１０日毎に必要となる。代替的に、バイオフィルムの調整と調整との間の期間は、最後の調整以来バイオフィルムが消化したＣＯＤの量に関係し、それは最後の調整以来の時間とバイオフィルムの厚みの増加に関係している。例えば、調整は、最後の調整以来バイオフィルムの面積の平方メートル当たり約２０−２００グラムのＣＯＤをバイオフィルムが消化したときに行う。調整すなわち厚み減少処置をこの頻度で行うときは、各調整期がバイオフィルムの厚みに大きな効果をもたなくても安定したバイオフィルム層を長期間維持できる。調整は一時に全バイオフィルムに加えてもよいし、もしくは一時にはバイオフィルムの一部分に加えてもよい。
３．１ バイオフィルム調整の機械的方法
【００８４】
膜１２０の上のバイオフィルム１３２の厚みを調整する方法のあるものはバイオフィルム１３２を部分的に機械的に除去することを含んでいる。そのような一つの方法において、図１７を参照すると、一つもしくはそれ以上の通気装置１３４をモジュール１１４の下に設け、そして通気弁１３８を介してブローアー１３６へ接続する。タンク１１２に液体を一杯にして、ブローアー１３６を作動させてモジュール４０の下の通気装置１３４から気泡をつくる。気泡はバイオフィルム１３２を機械的に擦り、そしてまたモジュール４０を通る水流をつくり、これがバイオフィルム１３２のあるものを物理的に除去する。攪拌する空気は高速であって、毎秒２−８フイートであり、空気印加率は５−２０、例えば１−１０分の間隔で約１０立方メートル／時間／モジュールの占有面積の平方メートルである。これが例えば日に一回から週に一回なされる。また、空気を使ってバイオリアクターの内容物を定期的に混合する。
【００８５】
他の機械的方法はタンク１１２が空の間にモジュール４０を水で噴霧し、櫛、ワイヤーもしくはブラシでバイオフィルム１３２を物理的に除去することを含んでいる。その除去されたバイオフィルム１３２はタンク１１２の床に倒して、ヘドロなどを排水管１３１を介して洗い流す。これらの機械的方法は他の方法よりも実施する頻度は少なく、そして別の方法がバイオフィルム１３２を弱らせてしまった後で行う。
【００８６】
バイオフィルムを調整する機械的な方法はシート２６２を粗いもしくはなめらかでない表面にすることにより強化され、その表面のうねりは所望のバイオフィルムの厚み程度である。所望のバイオフィルムの厚みとは２００−１，０００μｍである。
３．２ 化学的方法
【００８７】
別の実施例では繊維の内腔に注入したオゾンガスを使ってバイオフィルムの一部を酸化してそれを消化できるようにする。その場合、内腔へ酸素が与えられてバイオフィルムはその酸化された有機物を消化でき、それにより発生固形物の総量を低下させ、そしてバイオフィルムの厚みを調整する。酸素を別の段階としてもしくは汚水を消化する通常の段階の一部として与えるようにしてもよい。リアクターはこのようにして一時に一つのモジュールもしくはその一部について処理される。
【００８８】
別の方法では制御物質をバイオフィルム１３２のタンク側に加える。例えば、タンク１１２を排水してから例えば摂氏３５−５５度に加熱したきれいな水を液体ポンプ１４４によりタンク１１２に注入する。この温めた水はタンク１１２にある時間（接触期間）だけ例えば３−５時間入れておく。この接触期間とはバイオフィルム１３２の一部を殺し、そしてバイオフィルムを形成している有機物のあるものを溶解してしまうに足る時間である。供給水が取除かれてからバイオフィルムをある程度飢餓状態にする。酸素を内腔に供給しつづけてもよいし、停止してもよい。この期間中空気攪拌も行ってバイオフィルム除去を強化してもよい。この操作を空気攪拌なしで実施すれば経済的であり、その場合リアクター１００から完全にブローアー１３６と通気装置１３４を除去でき、経済的となる。バイオフィルム１３２もある程度飢餓状態にする。この調整期間後排水弁１３１を介して水を抜く。産業処理システムにおいてはこの放出水はある程度ＣＯＤを有する。しかし、殺された有機体の大部分はバイオフィルム３２に残っているので、都市下水に放出できるように調整期間を選定する。調整期間の後の部分ではバイオフィルム３２の生きている内部がその殺した有機体を分解している。例えばｐＨが１と６の間、もしくは３と３の間、ｐＨが８と１３の間、もしくは９と１１の間の酸のような化学物質、または酵素を加えて加熱した水もしくは加熱していない水の作用効果を高める。これらの化学物質とそれらの濃度と接触時間とを選定して、バイオフィルムの構成要素である有機物を部分的に溶かし、もしくは弱めるようにするが、リアクターの急速な再始動のため活性バイオフィルム内で全体から離れている微生物の一部だけを殺すようにする。
【００８９】
別の方法では、バイオフィルム１３２のタンク側にガス状制御物質を加える。バッチサイクルの終わりでタンク１１２を排水している間ガスをガス供給源１４０から加える。蓋１４６を閉じてガスがタンク１１２内に残っているようにする。ガスは多様であって、例えば塩素のような酸である。代替的には、オゾンを使ってもよい。オゾンの主目的はバイオフィルム１３２における微生物の細胞壁を破壊してそれを一層分解し易くする。加えるオゾンの量はバイオフィルムの約５％以上を直接酸化するに足りるものではなく、バイオフィルムに存在する微生物の一部だけ殺すに足りるものでもない。しかしながら有機物質は、タンクが再び満たされたとき生物学的酸化により後で減少されることとなる有機物質に変えられる。オゾンはガス相（空気もしくは酸素）の形で発生させられ、そして空のタンク１１２内で容易に分散する。バイオフィルム１３２に吸収させるだけの期間オゾンをタンク１１２に保っておく。タンク１１２内の酸化還元反応状態を調整し、その間タンクは排水されてヘドロ沈殿を促進させている。タンク１２にオゾンを満たしている間入口ヘッダー１１６への供給をオンにし、オフにすることによりバイオフィルム１３２に交互に好気性状態と嫌気性状態とをつくってオゾンの作用効果を高める。殺され、そして酸化した有機物はバイオフィルム１３２に残っており、そしてその後その場所で消化されるので、その後の処理にとって過剰なバイオマスをタンクから取除く必要はない。炭素／窒素（Ｃ／Ｎ）比が増加するので脱窒作用も改善される。バイオフィルム３２により薄膜１２０が保護されているのでオゾンに感じ易い薄膜１２０でもこの方法にオゾンを使用してもよい。
３．３ 生物学的方法
【００９０】
別の方法においてはぜん虫や他の生物もしくは高度生命体をリアクターの隔離部に使用して過剰なバイオフィルムを消化して生物発生を減らす。ぜん虫などは別個のバイオリアクター内で成長させる。所望であればぜん虫などは、ぜん虫などを含んでいる懸濁液もしくは塩水でタンクを満たすことによりバイオフィルムへ加えられるようにする。
【００９１】
バイオフィルム調整の別の方法は内生呼吸運動である。この方法によりバイオフィルム１３２へ加えられる供給負荷は、バイオフィルム１３２の崩壊速度とそれの成長速度とが等しくなるように保てる。実際に、成長速度はバッチプロセスでは少しだけ崩壊速度を超える。その理由はタンク１２を排水するときにバイオフィルム１３２は幾らか剥がれてタンク１２を出てしまうからである。しかしながら、実際には低負荷率においてのみ内生呼吸運動が生じ、そしてそれであるからそれはＣＯＤ濃度が低い、例えばＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌかもしくはそれ以下、または３００ｍｇ／Ｌかもしくはそれ以下の供給水に対して一層適切である。
【００９２】
別の方法は定期的な餓死である。この方法では供給水を長期間タンク１１２内に保ってＣＯＤ濃度が、典型的なバッチ法の終わりの時よりも低く低下させるようにする。バイオフィルム１３２は栄養を与えられず、そして次のバッチサイクルの開始までに急速に崩壊する。供給水を除いて清浄な水、例えば水道水もしくは飲料水でタンクを満たすことにより、又は０．１ｋｇＣＯＤ／ｋｇＭＬＳＳ／日以下をリアクターに充填することによりバイオフィルムを飢餓状態にできる。
【００９３】
別の方法ではモジュール４０の入口ヘッダー１１６をある期間周期的にオン・オフする。酸素の変動供給がバイオフィルム１３２にショックを与え、崩壊を高める。バイオフィルムにおける好気性区域と嫌気性区域とが、他方を破壊し、もしくは他方により破壊されている間拡張し収縮する。代替的にオゾンもしくは塩素のようなガスを入口ヘッダー１１６に加えてショックを高める。
【００９４】
化学的なもしくは生物学的なバイオフィルム調整では、シート２６の相互間隔を例えば３−４ｍｍぐらいに狭くする。その理由はモジュール４０を通る水流はエアースコアリング、攪拌もしくはバイオフィルム除去の他の物理的方法のようなことを必要としないからである。スコアリング空気流がバイオフィルムのすべての部分に到達するようにはシート２６もしくは繊維１０もしくはユニット１９が配列されていない場合も化学的なもしくは生物学的な方法は有用である。エアースコアリング、攪拌もしくは他の物理的方法によって壊されてしまうような、支持されていないもしくは緩い繊維１０、繊維ユニット１９もしくはトウ２０を持つオープンシート２６又はモジュールでも化学的なもしくは生物学的な方法は有用である。代替的に、一つもしくはそれ以上の化学的方法、一つもしくはそれ以上の生物学的方法を組合せて使用してもよい。
実施例：
実施例１：薄膜支持式バイオリアクターにおける化学的酸素要求（ＣＯＤ）減少
【００９５】
繊維の単一シートだけを使用すること以外は図６−９に示された通りのモジュールを使ってベンチスケールのバイオリアクターをつくった。シートの長さは０．５７メートル、高さは０．４５メートルであって、シートの両側をバイオフィルム成長に使えるとしてバイオフィルムの全面積は約０．５平方メートルである。取り付けたバイオフィルムの表面積に対するガス転送のための表面積の比は約５と６の間である。入口空気流は３４．５ｋＰａで２５ｍｌ／分であった。リアクターの容積は３０Ｌであった。ＣＯＤレベルが１０００ｍｇ／ｌの合成物質汚染水を定期的にバッチ式で注入した。水道水に溶解した可溶性ペプトン１．０ｇ／Ｌと燐酸水素ナトリウム０．０３ｇ／Ｌから汚水は構成されている。一連のバッチ反応が行われて反応速度と酸素転移効率とが決定された。図３１は３つのバッチ期間の結果を示す。これらのバッチ期間は日２から日５の三日、日６から日９の三日、日９から日１０の一日である。３日バッチ期間のそれぞれでＣＯＤが８０−９０％減少したことが判った。１日バッチ期間ではＣＯＤが約４０％減少し、汚水濃度が高い間ＣＯＤ減少速度は高く、そしてバッチの汚水濃度が時間につれて低くなるにつれてＣＯＤ減少速度は一定になっていくことが判った。これらの試験期間中酸素転移効率は５０−７０％であった。
実施例２：合成物質汚染水でのベンチ試験
【００９６】
実施例１で述べたような単一シートモジュールを使ってベンチスケールのバイオリアクターを設計した。実施例１で説明したようにＣＯＤレベルが１０００ｍｇ／ｌの合成物質汚染水を入れて、モジュール上のバイオフィルムにより処理した。ＣＯＤ除去率と酸素転移率とバイオフィルムの厚みとを計算し、測定しそして記録した。ほぼ最初の２１日間リアクター（３０リットルの充填容積を有する）を様々なバッチ期間の後で排水し、そして供給水を充填してタンク内のＣＯＤを５００と１０００ｍｇ／ｌの間に保った。日８と日１６とで、タンクを空にし新しい供給水で満たしたことに加えて、モジュールを水スプレイで洗ってバイオフィルムを除去した。ほぼ日２１から日３０でバイオフィルムは飢餓状態にされ（すなわち、タンクは綺麗で飲める水道水で満たされ、モジュールへの酸素供給は継続された）、そしてエアースコアリングを受けた。ほぼ日３０でタンクを空にし、供給水で再充填した。それ以降は、毎日タンクは空にされ、供給水で再充填されたが、バイオフィルム調整は行われず、バイオフィルムは厚みを増していき、そしてそのような成長の効果と速さとを観察した。その試験の結果は図２１に示されている。バイオフィルムの厚みに比例することなくＣＯＤ除去率は約１９と３８グラム／平方メートル／日の間で変化したことが認められる。約１０と１５グラム／平方メートル／日の間で酸素転移は、比較的広いバイオフィルムの厚み範囲にわたって、すなわち約０．５ｍｍないし２．３ｍｍ以上の範囲にわたって、変化した。２．３ｍｍの厚みで測定器はそれの計測最大厚みに達した。
実施例３：産業汚水での予備実験
【００９７】
図６ないし９に示す４つのモジュールを使って小さい予備実験を行った。各モジュールは繊維のシート６枚を有し、バイオフィルムの平らな全表面積は約３．６平方メートルであって、取りつけられたバイオフィルムの表面積に対するガス転移表面積の比は約５と６との間である。モジュールは３００リットルのタンク内に装着されている。リアクターは最初ペプトン（約２０００ｍｇ／ｌ）で作動され、それから、量を減らしてペプトンを汚水に加えてシート上のバイオフィルムの初期成長を加速するが、それからはバイオフィルムを汚水へ順化させる。バイオフィルムを順化させた後はバッチ作業を行って、産業汚水をタンクに満たす。約３０００ｍｇ／ｌの供給水ＣＯＤをつくるよう選定された比率で汚水を複数源から引き込んだ。「純粋」酸素を約５ｐｓｉの供給圧力でモジュールへ送った。図２３に示すように、約２日ないし３日経つとバルクＣＯＤ濃度は１０００ｍｇ／ｌ以下に落ちた。汚水のバルクＣＯＤ濃度につれて、そして時間につれてＣＯＤ除去率も低下することもバッチ毎に認められた。
【００９８】
タンク内のＣＯＤの異なる濃度に対応しているバッチ間の異なる期間にＣＯＤ除去率を計算した。初期のＣＯＤが５０００ｍｇ／ｌと７０００ｍｇ／ｌとの間にあるバッチも試験して、これらの高い初期ＣＯＤ濃度のＣＯＤ除去率に対する効果を観察した。その結果を図２４に示す。図２４に示すように、除去率は高い充填量で一般に高くなるが、試験されたリアクターにおいて非常に高い充填量が非常に高い除去率を必ずしも生じないということであって、このことは空気供給圧、バイオフィルムの表面積への空気移行のための表面積もしくは全モジュール面積の一つもしくはそれ以上が非常に高い充填量に対して最適ではなくそれより小さかったことを示唆している。
【００９９】
同じリアクターを使って一連の試験を連続操作で行った。これらの試験ではＨＲＴと入口ＣＯＤとを変化させた。供給ガスは供給圧５ｐｓｉの「純粋」酸素であった。試験のＨＲＴにより系統立てた、平均入口ＣＯＤ、出口ＣＯＤそして除去率を図２５に試験毎に示す。ＣＯＤ除去率はＨＲＴが増大するにつれて、もしくは入口ＣＯＤが減少するにつれて減少した。
【０１００】
上述のバッチ試験中リアクターにおいてバイオフィルム調整法の有効性も実証された。毎時間１５秒間約１ｓｃｆｍ／モジュールの緩やかな通気が主として混合のため行われ、そして２−３日毎に２−３分間約４ｓｃｆｍ／モジュールの激しいエアースコアリングが主としてバイオフィルム除去のため行われた。リアクター内の平均バルクＣＯＤ（これは３００ｍｇ／ｌから５，５００ｍｇ／ｌとの間で変化）とは関係なくバイオフィルムの厚みは約０．２ｍｍから０．８ｍｍ以下の範囲に成功裏に維持された。
実施例４：都市汚水での予備実験
【０１０１】
実施例３で説明したような２つのモジュールを使って別の予備実験を行った。各モジュールの表面積は約３．６平方メートルであって、８５リットルのタンクに設置された。空気を５ｐｓｉの供給圧力でモジュールへ供給した。ペプトンを最初汚水に加えて実施例３で説明したシート上のバイオフィルムの初期成育を加速した。バッチ操作を行った。タンクに都市汚水を満たし、３ｍｍスクリーンを通して濾過し、初期ＣＯＤは平均で１００−２００ｍｇ／ｌとなったが時々７００ｍｇ／Ｌまでとなった。バッチの終わりでＣＯＤの濃度は３０ｍｇ／ｌ以下に落ち、そしてＣＯＤ除去率は１ｇ／ｍ２／ｄ以下に落ちた。バッチにおけるサンプル期間内での時間についてのＣＯＤｓとＣＯＤｔのレベルを図２６に示す。
【０１０２】
連続プロセスについても全期間約６０日にわたって異なる試験を行い研究がなされた。試験においてＨＲＴは２４時間から３時間まで変化し、そしてＣＯＤは１００ｍｇ／ｌから２００ｍｇ／ｌまで変化した。平均除去率は充填率低下につれて低下する傾向を示した。
【０１０３】
この連続プロセス研究で硝化カイネテックスと脱窒カイネテックスとが測定された。４つの試験の結果を次表に示す。
表１：連続操作における硝化と脱窒
【０１０４】
都市汚水研究でバイオフィルム調整も試験した。エアスコアリングではバイオフィルム厚み平均０．２ｍｍが観測されたが、何枚かの個別のシート間でもっと厚いバイオフィルムが出現し、これらの区域では十分にエアスコアリングが受けられなかったことを示した。
実施例５：汚水で行ったトウモジュールを持つベンチスケールの研究
【０１０５】
図５に示したのと同じモジュールを試験した。このモジュールは１００ＰＭＰ繊維トウを持ち、それぞれのトウは９６本の密な壁のＰＭＰの繊維を有する。モジュールの繊維の全表面積は０．５４平方メートルであった。モジュールにおいて各トウは上下ヘッダーにそれぞれ入れられている。底のヘッダーへ１０ｍｌ／分の割合で空気を送ってモジュールに供給し、そして頂部ヘッダーから排気した。クランプで頂部ヘッダーを水面に保持し、底部ヘッダーを自重で下げてモジュールを４リットルの容積まで満たした容器内に吊り下げた。ＣＯＤ１０００ｍｇ／Ｌの合成物汚水を使って、そして腐敗タンクからの汚水も使ってバッチモードでモジュールを作動させた。各バッチ処理期間の開始において容器は汚水で満たされた。汚水をタンクへ加えもしないし、抜き取りもしないで、約１日から７日の間の処理期間中繊維上で成長したバイオフィルムを支持しているモジュールへ空気を供給した。ＣＯＤの濃度が低い汚水では一般に、バッチ期間は短くした。処理期間の終わりでタンクを排水した。新しい汚水を加えて次の処理期間を開始した。時間を変えてモジュールを除去してそれらの上のバイオフィルムの厚みを非破壊的に計測し、そして汚水のＣＯＤを測定した。
【０１０６】
合成物質汚水を使った試験からの厚み測定は図２７に記録されており、それは１８０日の作動期間にわたる繊維上のバイオフィルムの厚みを示している。最初はバイオフィルムはないが、約２０日もしくは４０日後にバイオフィルムが生じ、それの厚みは約１００μｍと３００μｍの間であった。試験をしている間の大部分でバイオフィルムを調整する方法を使わなかったが、バイオフィルムの厚みは一般に安定しており、許容できるものであった。少なくともどれかのタンク排水中モジュールからバイオフィルムの小さい部分が剥落したことが認められ、そしてそうでなかったものについてはバイオフィルムの内生的成長によりバイオフィルム制御が行われた。しかしながら約１５日間モジュールは飢餓状態で作動させられた。この態様ではタンクは水道水で満たされ、そして空気供給は継続された。飢餓状態の間バイオフィルムの厚みは約２５０μｍから１００μｍへ減少し、飢餓期間がバイオフィルムの厚み減少に有効であることを示した。
【０１０７】
図２８と図２９とは合成物質汚水を使っての試験でのＣＯＤの除去率を示す。図２８は時間の関数として除去率を示し、そして図２９はＣＯＤ濃度の関数として除去率を示している。先ず、図２８を参照する。この図の各垂直線は新しいバッチ処理期間の開始を示している。垂直線により示された時間にＣＯＤが１，０００ｍｇ／Ｌの新しい汚水がタンクに加えられた。バッチが進むにつれて、汚水は処理され、従ってそれのＣＯＤ濃度は減少する。図２８に示すように、ＣＯＤ除去率は各バッチ処理期間に時間につれて降下する傾向があり、このことは除去率が汚水のＣＯＤ濃度に関係していることを示唆している。日１５４と日１５９との間のバッチ内の除去率はゼロに近づいており、このことは更なる処理時間はムダであり、ここが限界であろうことを示している。図２９ではＣＯＤ除去率を汚水内の平均ＣＯＤ濃度に対して直接プロットした。図２９に示すように、汚水内のＣＯＤ除去率とＣＯＤ濃度との間の関係は、ＣＯＤ濃度に全体として除去率は比例しており、ほぼ線形である。
【０１０８】
腐敗タンクの汚水を使っての試験では汚水は腐敗タンクの第２室から取り出された。一つの試験について汚水の特性を以下に示す。
全化学酸素要求（ＣＯＤ１）： ３７７ｍｇ／Ｌ
可溶性ＣＯＤ（ＣＯＤ６）： １９９ｍｇ／Ｌ
アンモニア窒素（ＡＮ）： ５５．１ｍｇ／Ｌ
全懸濁固形物（ＴＳＳ）： ７０ｍｇ／Ｌ
モジュールはバッチモードで作動され、バッチ処理期間は約２４時間であって腐敗タンク内の実際の反応状態をシミュレートしている。バイオフィルムへ酸素を供給するためこれらの期間上に述べた率で空気を供給した。２２時間と３５分である一度の処理期間後にその処理された汚水のサンプルを分析した。結果を以下に示す。
ＣＯＤｔ： １４０ｍｇ／Ｌ
ＣＯＤｓ： ７３ｍｇ／Ｌ
ＡＮ： ２４．７ｍｇ／Ｌ
ＴＳＳ： １ｍｇ／Ｌ
排水品質のかなりの改善が達成されている。すなわち、ＴＳＳにおける顕著な減少が達成された。視覚による観察で除去されたＴＳＳの大きな部分はコロイダル物質の形をしていた。
【０１０９】
図３０は腐敗タンク汚水を使った別の試験からの結果の記録である。２日のバッチ期間中リアクターを作動させ、ＣＯＤｔ、ＣＯＤｓ、ＴＳＳそしてアンモニア窒素の濃度をバッチ期間の始まり、中程そして終わりに測定した。比較の目的で、同じ日に同じ腐敗タンクから取り出した汚水の別のサンプルを５００ｍＬの目盛つきシリンダーに入れ、そしてコントロールとして観察した。作動２日後リアクター内の全ＣＯＤ（ＣＯＤｔ）の減少は７５ｍｇ／Ｌに達し、除去は７０％を超えた。２日処理した後ＴＳＳは３４ｍｇ／Ｌから殆ど検知できないほど低下した。アンモニアもこの期間減少した。同じ期間コントロールのＣＯＤは４０％以下の減少を、そしてＴＳＳでは増加を生じた。ＣＯＤを除去することにより、またプロセスの静止性ということもあって、懸濁固形物も除去することによってバッチプロセスとリアクターは有効に腐敗タンクの汚水を処理した。
実施例６：化学的バイオフィルム調整
【０１１０】
実施例１に記載の単一シートリアクターを使って、その上に非常に厚いバイオフィルムをつくってバイオフィルムの調整研究を行った。試験の始まりでタンクは排水され、そして温度４０℃、ｐＨ９．４３の脱イオン水に３０Ｌの水酸化ナトリウム溶液を加えてリアクターへ入れた。最初の４時間の浸漬後２ｓｃｆｍでエアースコアリングを開始して、水酸化ナトリウム溶液がタンク内にある間１８時間以上継続した。内腔への空気供給も継続した。バイオフィルムの厚みは最初の４時間にわたって幾らか（４．６ｍｍから４．３ｍｍ）減少した。浸漬とエアースコアリングを１８時間続けた後バイオフィルムの厚みは３．２ｍｍに減少した。
【０１１１】
別のバイオフィルム調整研究では、図１０ａと図１０ｂに示す６つの単一シートモジュールを使った。各シートは長さ２７センチメートル、幅２０センチメートルそして表面積は約０．１１平方メートルであった。これらのシートは長く伸びて両端で開いている中空繊維で織られていた。バイオフィルム面積に対する空気転移面積の比は約１対６である。モジュールを２０リットル（作動容積）のリアクター内に配置し、このリアクターは室温で約３日のバッチ期間でバッチ操作された。ＣＯＤが２０００から８０００ｍｇ／ｌの濃度の合成物質汚水をリアクターに供給した。各シートの入口ヘッダーへ約２０ｍＬ／分の流量で約２ｐｓｉでモジュールの内腔へ空気を送った。バッチとバッチとの間の間隔を３日から７日にして、ｐＨ１０の熱した５０℃の水にＮａＯＨを溶かし、その中に４時間モジュールを漬けた。内腔への空気供給は続けた。４時間後リアクターに供給水を再び満たした。浸漬期間中もしくはバッチ期間中エアースコアリングはしなかった。図３１は時間に対してのバイオフィルムの厚みを示す。厚みは１４０日の期間にわたり０．２ｍｍと０．８ｍｍとの間に維持され、そして約５５０μｍの平均であった。その期間中バッチからの計算結果は、洗浄と洗浄との間隔中バイオフィルムは平方メートル当たり６６グラムから１２０グラムのＣＯＤを除去したことを示した。
【０１１２】
本発明の多くの変形態様は本発明の教示内で可能であり、そして本発明は上に説明した以外の仕方で実施できる。本発明の思想は請求項に記載されているとおりである。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】一群の中空繊維の図である。
【図１ａ】中空繊維の横断面図である。
【図１ｂ】一群の中空繊維と不活性繊維とをユニットの形に集めたものを示す。
【図２ａ】繊維を溶融紡錘してつくるスロット構造とスピネットを示す。
【図２ｄ】繊維を溶融紡錘してつくるスロット構造とスピネットを示す。
【図２ｅ】繊維を溶融紡錘してつくるスロット構造とスピネットを示す。
【図３ａ】織られた布の平面図である。
【図３ｂ】織られた布の断面図である。
【図３ｃ】布を織る段階を示す。
【図３ｄ】ワープ編みにした布を示す。
【図４ａ】シートの中央部は繊維がトウになっている中空繊維のシートを示す。
【図４ｂ】図４ａのシートの一部分の詳細を示す。
【図５】緩いトウモジュールの断面図である。
【図６】繊維のシーツを有するモジュールの頂面図である。
【図７】図６のモジュールの、部分断面立面図である。
【図８】図６のモジュールの別の部分の横断面、平面図である。
【図９】図６と７のモジュールの立面図である。
【図１０ａ】繊維シートを有する別のモジュールの立面図である。
【図１０ｂ】繊維シートを有する別のモジュールの平面図である。
【図１０ｃ】繊維シートを有する別のモジュールの部分断面図である。
【図１１】中空繊維シートのモジュールのカセットを装備したタンクの平面図である。
【図１２】中空繊維シートのモジュールのカセットを装備したタンクの立面図である。
【図１３】図１１，１２の装置における張力機構の詳細図である。
【図１４】図１３の機構の立面略図である。
【図１５】リアクターの立面略図である。
【図１６】リアクターの立面略図である。
【図１７】他のリアクターの略図である。
【図１８】他のリアクターの略図である。
【図１９ａ】トウモジュールを使ったベンチスケールバッチリアクターである。
【図１９ｂ】図１９ａのリアクターで成長した繊維のトウの上のバイオフィルムの顕微鏡写真である。
【図２０】支持されたバイオフィルムモジュールを使うよう変更した腐敗タンクの立面略図である。
【図２１】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２２】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２３】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２４】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２５】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２６】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２７】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２８】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図２９】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図３０】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【図３１】様々なモジュールとリアクターで行った試験結果である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ 中空繊維
１２ 外直径
１４ 内腔
１６ 内直径
１９ 繊維ユニット
２０ トウ
２２ 不活性繊維
２６ シート
３０ バイオフィルム
３２ 樹脂プラグ
３４ 端
３５ ヘッダー包囲体
３６ ポート
３７ キャビティ
４０ モジュール
４２ 間隙
４４ 入口ヘッダー
４５ 鋼鉄棒
４６ ポッティング材料
５２ 間隔ストリップ
６２ 幅
８２ タンク
８４ 取入口
８６ 放出口
８８ 流路
９０ バッフル
９２ ヘドロ出口
９４ マニホルド
９８ 攪拌源
１００ リアクター
１１０ カセット
１１２ タンク
１１４ モジュール
１１６ 入口ヘッダー
１２０ 薄膜
１２２ 出口ヘッダー
１２６ 供給弁
１２８ 供給ポンプ
１３１ 排水弁
１３２ バイオフィルム
１３４ 通気装置
１３６ ブロアー
１３８ 通気弁
１４０ モジュール
１４２ ガス供給弁
１４４ 液体ポンプ
１４６ 蓋
１４８ 平衡貯槽
１４９ 再循環弁
１５０ 剛性構造体
１５２ 側板
１５４ ブラケット
１５６ 溝
１５８ Ｔ字型舌片
１６０ ボルト
１６２ 孔
１６４ 穴
１６６ カム部材
１６８ 取付け面
２１６ 入口導管
２１８ 出口導管
２６２ シート
４００ リアクター
４１０ タンク
４１２ 入口
４１４ 出口
４１６ 一次室
４１８ 二次室
４２０ 分離壁
４２２ オリフイス
４２４ モジュール
４２５ 出口管
４２６ 入口管
４３０ 多孔分散管
４３２ 攪拌排気管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液中にバイオフィルムを支持する装置において、
ａ）内腔、外面そして開口端をそれぞれが有している複数のガス透過性の中空繊維と、
ｂ）キャビティとこのキャビティに開いているポートとを有するヘッダーと
を備え、中空繊維がヘッダーから伸びていて、中空繊維の開口端の外面はヘッダーへシールされており、そして中空繊維の内腔はキャビティに連通していることを特徴とした装置。
【請求項２】
中空繊維の外直径は１００μｍかそれ以下である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
中空繊維は１０％もしくはそれ以上、好ましくは３０％もしくはそれ以上の中空領域を有する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
中空領域は５０％もしくはそれ以下である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
中空繊維は非多孔性のもしくは密な壁となっている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
中空繊維はポリメチルペンテンから成る先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
中空繊維は第２の端を有し、そして０．２５メートルと３．０メートルの間の長さとなっている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
中空繊維は第２の端を有し、そして１．０メートルと２．０メートルの間の長さとなっている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
中空繊維はグループに配列されている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
グループは２４本と９６本の間の中空繊維から構成されている請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
グループは中空繊維よりも強い第２の繊維を含んでいる請求項９もしくは１０に記載の装置。
【請求項１２】
グループは繊維のトウである請求項９ないし１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
グループは糸、ヤーンもしくは縒った繊維である請求項９ないし１１に記載の装置。
【請求項１４】
中空繊維はカールしており、ちぢれており、もしくは波状となっている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
中空繊維はそれの長さに沿ってほぼ第１の方向に伸びている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
それの長さに沿ってほぼ第１の方向と直交する第２の方向に伸びている第３の繊維を含んでいる先行請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
第３の繊維と中空繊維とはからみ合っている請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
中空繊維と第３の繊維とは布を形成している請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
布は中空繊維の長さを横切って全体に連続している請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
布は、中空繊維の長さの一部分にわたってそれらの開口端近くまで伸びているが、繊維の長さの中央部分を越えて伸びてはいない請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
中空繊維と第３の繊維とは中空繊維の長さの少なくとも一部分にわたって織られ、編まれ、ステッチもしくはワープ編みされている請求項１６ないし２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
中空繊維は第２の開口端を有している先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
中空繊維の第２の開口端は第２のヘッダーに差し込まれている請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
第２の開口端は、第２のヘッダーのキャビティを通して第２のヘッダーの第２のポートと連通している請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
ヘッダーと第２のヘッダーとは相互に離れており、中空繊維はそれらのヘッダー間を伸びる一つもしくはそれ以上の平らなシートの形に、またはほぼ並行な平らな構造体の形に配列されている請求項２３もしくは２４に記載の装置。
【請求項２６】
平らなシートもしくはほぼ並行な平らな構造体は相互に並行となっている請求項２６に記載の装置。
【請求項２７】
隣接する平らな構造体の間隔は２ｍｍと２０ｍｍ、更に好ましくは３ｍｍと１５ｍｍの間である請求項２５もしくは２６に記載の装置。
【請求項２８】
第１のヘッダーと第２のヘッダーとは中空繊維へ張力をかけられる距離だけ離されている請求項２３ないし２７のいずれかに記載の装置。
【請求項２９】
ヘッダーの外側で、平らなシートもしくは平らな要素の間にスペーサーをさらに備えている請求項２５ないし２８のいずれかに記載の装置。
【請求項３０】
平らなシートもしくは平らな構造体はヘッダー間に伸びる剛性部材を備えている請求項２５ないし２９のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が約１．６かもしくはそれ以上である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３２】
支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が約２もしくはそれ以上である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３３】
支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が約５もしくはそれ以上である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３４】
支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が約１もしくはそれ以下である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３５】
布の粗さは０．１ｍｍと２ｍｍとの間にある請求項１８ないし２１のいずれかに記載の装置。
【請求項３６】
ａ）入口と出口とを有し、処理しようとする液体を入れるタンクと、
ｂ）先行請求項のいずれかに記載のバイオフィルム支持装置と、
ｃ）ポートへガスを供給するガス配送システムと
を備えることを特徴とするリアクター。
【請求項３７】
バイオフィルム支持装置の周りの液体を攪拌する攪拌装置もしくは瀑気装置をさらに備える請求項３６に記載のリアクター。
【請求項３８】
中空繊維の内腔にか、中空繊維の外面と連通しているリアクターの部分のどちらかに化学薬品を注入する薬品注入システムを含んでいる請求項３６もしくは３７に記載のリアクター。
【請求項３９】
ポートへ供給されるガスか、タンク内の液体のどちらかを加熱するヒーターを有する請求項３６ないし３８のいずれかに記載のリアクター。
【請求項４０】
第１のリアクターの出口が第２のリアクターの入口へ接続されている先行請求項のいずれかに記載の多段リアクター。
【請求項４１】
第１と第２のリアクターが栓流リアクター、バッチリアクター、もしくは連続攪拌リアクターである請求項４０に記載の多段リアクター。
【請求項４２】
第２のリアクターの装置の、支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が第１のリアクターの装置よりも小さい請求項３７もしくは３８に記載の多段リアクター。
【請求項４３】
第１のリアクターの装置の、支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が５かもしくはそれ以上であり、第２のリアクターの装置の、支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が５かもしくはそれ以下である請求項４０ないし４２に記載の多段リアクター。
【請求項４４】
出口と入口との間に複数のバイオフィルム支持装置が平行に配置されている請求項３６ないし４３に記載の多段リアクター。
【請求項４５】
第１リアクターの装置の繊維がそれの全長に沿ってシートを形成しており、第２リアクターの装置の繊維がそれの長さの一部にわたって垂直の繊維により支持されていない請求項４０ないし４２のいずれかに記載の多段リアクター。
【請求項４６】
ａ）請求項１ないし３５のいずれかに記載の装置か、もしくはガス透過性バイオフィルム支持媒体の一つもしくはそれ以上の内面と連通しているポートを有する別の装置かを液体と接触させる段階、そして
ｂ）当該装置のポートへガスを供給し、このガスは外面で成長しているバイオフィルムを支持している媒体の当該外面へ通り抜ける段階
を備えていることを特徴とする液体処理方法。
【請求項４７】
液体は汚水である請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
ガスは酸素を含む請求項４６もしくは４７に記載の方法。
【請求項４９】
ガスは水素を含む請求項４６ないし４８に記載の方法。
【請求項５０】
バイオフィルムは外面に隣接して好気性状態に保たれ、そして液体に隣接して嫌気性もしくは無酸素状態に保たれている請求項４７もしくは４８に記載の方法。
【請求項５１】
バッチ・プロセスもしくは連続プロセスでバイオフィルム支持装置と液体とを接触させている請求項４８ないし５０のいずれかに記載の方法。
【請求項５２】
液体は連続してもしくは断続的に攪拌されている請求項４６ないし５１のいずれかに記載の方法。
【請求項５３】
液体が全体に栓流となって外面を通過する請求項４６ないし５１のいずれかに記載の方法。
【請求項５４】
バイオフィルムが全体に内因性成長状態となっている請求項４６ないし５３のいずれかに記載の方法。
【請求項５５】
腐敗タンクもしくは艦載システムにおいて行われる、または一つもしくはそれ以上の家もしくは店舗もしくは船の部分から直接取り出される汚水を処理する請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
バイオフィルムが０．０５ｍｍと２ｍｍとの間の厚さであり、さらに好ましくは０．１ｍｍと１ｍｍとの間の厚さである請求項４６ないし５５のいずれかに記載の方法。
【請求項５７】
バイオフィルムの少なくとも一部分の厚みを交互に増減させる段階を備え、第１の期間中にバイオフィルムの厚みは増加し、そして第１の期間と第１の期間との間ではバイオフィルムの厚みは減少する請求項４６ないし５３のいずれかもしくは請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
バイオフィルムの一部分だけの厚みが一時減少する請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
液体の少なくとも一部分をエアー・スコアリングするか、もしくは攪拌することによりバイオフィルムを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６０】
バイオフィルムを消化するぜん虫もしくは他の生物を含む第２の液体とバイオフィルムの少なくとも一部分を接触させてバイオフィルムの厚みを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６１】
バイオフィルムの少なくとも一部分に繊維の内腔からか、もしくはバイオフィルムの外側からオゾンを加えてバイオフィルムのその部分を酸化させ、その酸化された部分を消化させることによりバイオフィルムの厚みを減少させる請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６２】
ポートにオゾンを注入し、その後ポートに酸素を供給することによりバイオフィルムの厚みを減少させる請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
バイオフィルムとの接触から液体を除いている間ポートに空気を供給することによりバイオフィルムの厚みを減少させ、または０．１ｋｇＣＯＤ／ｋｇＭＬＳＳ／日以下を充填してバイオフィルムを好気的に消化させる請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６４】
バイオフィルムの外面の少なくとも一部分へ制御剤を加えることによりバイオフィルムの厚みを減少させる請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６５】
制御剤が清浄な水である請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
制御剤が好ましくは４０℃と６０℃との間の清浄な湯である請求項６４に記載の方法。
【請求項６７】
制御剤がオゾンガスである請求項６４に記載の方法。
【請求項６８】
制御剤はｐＨが８と１３の間、好ましくは９と１１との間のアルカリ溶液である請求項６４に記載の方法。
【請求項６９】
制御剤はｐＨが１と６の間、好ましくは３と４との間の酸である請求項６４に記載の方法。
【請求項７０】
制御剤が第２液体であり、そしてこの第２液体をバイオフィルムと接触させて攪拌するか、空気吹き込みする請求項６４に記載の方法。
【請求項７１】
制御剤を加えてからバイオフィルムを好気的に消化する請求項６４ないし７０のいずれかに記載の方法。
【請求項７２】
バイオフィルムとの接触から液体を離して排水することによりバイオフィルムの厚みを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項７３】
ポートへの酸素供給を時々停止もしくは減少させることにより、またはバイオフィルムの部分に交互の好気性と嫌気性もしくは無酸素状態を周期的につくりだすことによりバイオフィルムの厚みを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項７４】
バイオフィルムの一部分を物理的に除去することによりバイオフィルムの厚みを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項７５】
第３の液体を噴霧するか、またはブラッシもしくはスクレーパーで掻き落すことにより物理的にバイオフィルムの厚みを減少する請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
バイオフィルムの一部分から液体を取除いてバイオフィルムのその部分の厚みを減少する請求項５７ないし７５に記載の方法。
【請求項７７】
液体のＣＯＤを増加させている間ポートに供給される酸素の量を増加させる請求項４６ないし７６に記載の方法。
【請求項７８】
バイオフィルムから液体を周期的に取除き、新鮮な液体バッチで置換え、そしてその液体を除去している間、バイオフィルムを液体に接触させない間または新鮮な液体バッチを置換えバイオフィルムと接触させている間ガスの供給を継続している請求項４６ないし４９のいずれかに記載の方法。
【請求項７９】
処理された後の液体は懸濁固形物が１０ｍｇ／Ｌ以下であり、そしてＣＯＤが５０ｍｇ／Ｌ以下である請求項４６ないし７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８０】
２段階となっているうちの最初の段階が液体のＣＯＤを３００ｍｇ／Ｌ以下に、好ましくは２００と３００ｍｇ／Ｌの間まで減少する請求項４６ないし７９のいずれかに記載の方法。
【請求項８１】
処理前の液体のＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌか、もしくはそれ以上であり、そしてバイオフィルム支持装置の取り付けたバイオフィルムの表面積に対するガス転移の表面積が１もしくはそれ以上であり、好ましくは１と１０との間にある請求項４６ないし８０のいずれかに記載の方法。
【請求項８２】
処理前の液体のＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌか、もしくはそれ以下であり、そしてバイオフィルム支持装置の取り付けたバイオフィルムの表面積に対するガス転移の表面積が０．２と２．５との間にある請求項４６ないし８０のいずれかに記載の方法。
【請求項８３】
処理前の液体のＣＯＤが３０００ｍｇ／Ｌか、もしくはそれ以下であり、そしてバイオフィルム支持装置の取り付けたバイオフィルムの表面積に対するガス転移の表面積が１もしくはそれ以下であり、好ましくは０．１と１との間にある請求項４６ないし８０のいずれかに記載の方法。
【請求項８４】
先行請求項の装置における繊維の端を切断する方法において、複数の繊維の開口端もしくは輪になった端の周りにペースト状の樹脂を塗って、それから固まった樹脂と繊維の固まりを切断することを特徴とした方法。
【請求項８５】
中空繊維の開口端に平行でそれから離されている平らな部材へスペーサーを固着する段階を備え、スペーサーの第１の縁は中空繊維の端に近く、そしてスペーサーの第２の縁は中空繊維の端から遠くなっており、ヘッダーのキャビティに平らな部材を挿入する段階、そして平らな部材からヘッダーのキャビティの壁へ伸びるスペーサーの第２の縁にペースト状の樹脂を塗る段階を備えていることを特徴とした請求項１８ないし２７のいずれかに記載の装置の製法。
【請求項８６】
バイオフィルムの厚みを少なくとも１０日毎に減少するか、または最後の減少以来バイオフィルムの面積の平方メートル当たりのＣＤＯの２０と２００グラムとの間でバイオフィルムが消化した後にバイオフィルム厚みを減少する請求項５７ないし７６のいずれかに記載の方法。
【請求項８７】
バッチ法として操作され、バイオフィルム支持装置を含んでいるタンクから液体を排水する段階を備え、この排水段階は沈殿固形物を含んでいる液体の第１部分を第１処理システムへ排水し、そして液体の第２部分を第２処理システムへ排水する段階を備えている請求項４６ないし８３のいずれかに記載の方法。
【請求項１】
液中にバイオフィルムを支持する装置において、
ａ）内腔、外面そして開口端をそれぞれが有している複数のガス透過性の中空繊維と、
ｂ）キャビティとこのキャビティに開いているポートとを有するヘッダーと
を備え、中空繊維がヘッダーから伸びていて、中空繊維の開口端の外面はヘッダーへシールされており、そして中空繊維の内腔はキャビティに連通していることを特徴とした装置。
【請求項２】
中空繊維の外直径は１００μｍかそれ以下である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
中空繊維は１０％もしくはそれ以上、好ましくは３０％もしくはそれ以上の中空領域を有する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
中空領域は５０％もしくはそれ以下である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
中空繊維は非多孔性のもしくは密な壁となっている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
中空繊維はポリメチルペンテンから成る先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
中空繊維は第２の端を有し、そして０．２５メートルと３．０メートルの間の長さとなっている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
中空繊維は第２の端を有し、そして１．０メートルと２．０メートルの間の長さとなっている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
中空繊維はグループに配列されている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
グループは２４本と９６本の間の中空繊維から構成されている請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
グループは中空繊維よりも強い第２の繊維を含んでいる請求項９もしくは１０に記載の装置。
【請求項１２】
グループは繊維のトウである請求項９ないし１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
グループは糸、ヤーンもしくは縒った繊維である請求項９ないし１１に記載の装置。
【請求項１４】
中空繊維はカールしており、ちぢれており、もしくは波状となっている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
中空繊維はそれの長さに沿ってほぼ第１の方向に伸びている先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
それの長さに沿ってほぼ第１の方向と直交する第２の方向に伸びている第３の繊維を含んでいる先行請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
第３の繊維と中空繊維とはからみ合っている請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
中空繊維と第３の繊維とは布を形成している請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
布は中空繊維の長さを横切って全体に連続している請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
布は、中空繊維の長さの一部分にわたってそれらの開口端近くまで伸びているが、繊維の長さの中央部分を越えて伸びてはいない請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
中空繊維と第３の繊維とは中空繊維の長さの少なくとも一部分にわたって織られ、編まれ、ステッチもしくはワープ編みされている請求項１６ないし２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
中空繊維は第２の開口端を有している先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
中空繊維の第２の開口端は第２のヘッダーに差し込まれている請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
第２の開口端は、第２のヘッダーのキャビティを通して第２のヘッダーの第２のポートと連通している請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
ヘッダーと第２のヘッダーとは相互に離れており、中空繊維はそれらのヘッダー間を伸びる一つもしくはそれ以上の平らなシートの形に、またはほぼ並行な平らな構造体の形に配列されている請求項２３もしくは２４に記載の装置。
【請求項２６】
平らなシートもしくはほぼ並行な平らな構造体は相互に並行となっている請求項２６に記載の装置。
【請求項２７】
隣接する平らな構造体の間隔は２ｍｍと２０ｍｍ、更に好ましくは３ｍｍと１５ｍｍの間である請求項２５もしくは２６に記載の装置。
【請求項２８】
第１のヘッダーと第２のヘッダーとは中空繊維へ張力をかけられる距離だけ離されている請求項２３ないし２７のいずれかに記載の装置。
【請求項２９】
ヘッダーの外側で、平らなシートもしくは平らな要素の間にスペーサーをさらに備えている請求項２５ないし２８のいずれかに記載の装置。
【請求項３０】
平らなシートもしくは平らな構造体はヘッダー間に伸びる剛性部材を備えている請求項２５ないし２９のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が約１．６かもしくはそれ以上である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３２】
支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が約２もしくはそれ以上である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３３】
支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が約５もしくはそれ以上である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３４】
支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が約１もしくはそれ以下である先行請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３５】
布の粗さは０．１ｍｍと２ｍｍとの間にある請求項１８ないし２１のいずれかに記載の装置。
【請求項３６】
ａ）入口と出口とを有し、処理しようとする液体を入れるタンクと、
ｂ）先行請求項のいずれかに記載のバイオフィルム支持装置と、
ｃ）ポートへガスを供給するガス配送システムと
を備えることを特徴とするリアクター。
【請求項３７】
バイオフィルム支持装置の周りの液体を攪拌する攪拌装置もしくは瀑気装置をさらに備える請求項３６に記載のリアクター。
【請求項３８】
中空繊維の内腔にか、中空繊維の外面と連通しているリアクターの部分のどちらかに化学薬品を注入する薬品注入システムを含んでいる請求項３６もしくは３７に記載のリアクター。
【請求項３９】
ポートへ供給されるガスか、タンク内の液体のどちらかを加熱するヒーターを有する請求項３６ないし３８のいずれかに記載のリアクター。
【請求項４０】
第１のリアクターの出口が第２のリアクターの入口へ接続されている先行請求項のいずれかに記載の多段リアクター。
【請求項４１】
第１と第２のリアクターが栓流リアクター、バッチリアクター、もしくは連続攪拌リアクターである請求項４０に記載の多段リアクター。
【請求項４２】
第２のリアクターの装置の、支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が第１のリアクターの装置よりも小さい請求項３７もしくは３８に記載の多段リアクター。
【請求項４３】
第１のリアクターの装置の、支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が５かもしくはそれ以上であり、第２のリアクターの装置の、支持されたバイオフィルムの表面積に対する酸素転移の表面積の比が５かもしくはそれ以下である請求項４０ないし４２に記載の多段リアクター。
【請求項４４】
出口と入口との間に複数のバイオフィルム支持装置が平行に配置されている請求項３６ないし４３に記載の多段リアクター。
【請求項４５】
第１リアクターの装置の繊維がそれの全長に沿ってシートを形成しており、第２リアクターの装置の繊維がそれの長さの一部にわたって垂直の繊維により支持されていない請求項４０ないし４２のいずれかに記載の多段リアクター。
【請求項４６】
ａ）請求項１ないし３５のいずれかに記載の装置か、もしくはガス透過性バイオフィルム支持媒体の一つもしくはそれ以上の内面と連通しているポートを有する別の装置かを液体と接触させる段階、そして
ｂ）当該装置のポートへガスを供給し、このガスは外面で成長しているバイオフィルムを支持している媒体の当該外面へ通り抜ける段階
を備えていることを特徴とする液体処理方法。
【請求項４７】
液体は汚水である請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
ガスは酸素を含む請求項４６もしくは４７に記載の方法。
【請求項４９】
ガスは水素を含む請求項４６ないし４８に記載の方法。
【請求項５０】
バイオフィルムは外面に隣接して好気性状態に保たれ、そして液体に隣接して嫌気性もしくは無酸素状態に保たれている請求項４７もしくは４８に記載の方法。
【請求項５１】
バッチ・プロセスもしくは連続プロセスでバイオフィルム支持装置と液体とを接触させている請求項４８ないし５０のいずれかに記載の方法。
【請求項５２】
液体は連続してもしくは断続的に攪拌されている請求項４６ないし５１のいずれかに記載の方法。
【請求項５３】
液体が全体に栓流となって外面を通過する請求項４６ないし５１のいずれかに記載の方法。
【請求項５４】
バイオフィルムが全体に内因性成長状態となっている請求項４６ないし５３のいずれかに記載の方法。
【請求項５５】
腐敗タンクもしくは艦載システムにおいて行われる、または一つもしくはそれ以上の家もしくは店舗もしくは船の部分から直接取り出される汚水を処理する請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
バイオフィルムが０．０５ｍｍと２ｍｍとの間の厚さであり、さらに好ましくは０．１ｍｍと１ｍｍとの間の厚さである請求項４６ないし５５のいずれかに記載の方法。
【請求項５７】
バイオフィルムの少なくとも一部分の厚みを交互に増減させる段階を備え、第１の期間中にバイオフィルムの厚みは増加し、そして第１の期間と第１の期間との間ではバイオフィルムの厚みは減少する請求項４６ないし５３のいずれかもしくは請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
バイオフィルムの一部分だけの厚みが一時減少する請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
液体の少なくとも一部分をエアー・スコアリングするか、もしくは攪拌することによりバイオフィルムを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６０】
バイオフィルムを消化するぜん虫もしくは他の生物を含む第２の液体とバイオフィルムの少なくとも一部分を接触させてバイオフィルムの厚みを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６１】
バイオフィルムの少なくとも一部分に繊維の内腔からか、もしくはバイオフィルムの外側からオゾンを加えてバイオフィルムのその部分を酸化させ、その酸化された部分を消化させることによりバイオフィルムの厚みを減少させる請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６２】
ポートにオゾンを注入し、その後ポートに酸素を供給することによりバイオフィルムの厚みを減少させる請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
バイオフィルムとの接触から液体を除いている間ポートに空気を供給することによりバイオフィルムの厚みを減少させ、または０．１ｋｇＣＯＤ／ｋｇＭＬＳＳ／日以下を充填してバイオフィルムを好気的に消化させる請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６４】
バイオフィルムの外面の少なくとも一部分へ制御剤を加えることによりバイオフィルムの厚みを減少させる請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項６５】
制御剤が清浄な水である請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
制御剤が好ましくは４０℃と６０℃との間の清浄な湯である請求項６４に記載の方法。
【請求項６７】
制御剤がオゾンガスである請求項６４に記載の方法。
【請求項６８】
制御剤はｐＨが８と１３の間、好ましくは９と１１との間のアルカリ溶液である請求項６４に記載の方法。
【請求項６９】
制御剤はｐＨが１と６の間、好ましくは３と４との間の酸である請求項６４に記載の方法。
【請求項７０】
制御剤が第２液体であり、そしてこの第２液体をバイオフィルムと接触させて攪拌するか、空気吹き込みする請求項６４に記載の方法。
【請求項７１】
制御剤を加えてからバイオフィルムを好気的に消化する請求項６４ないし７０のいずれかに記載の方法。
【請求項７２】
バイオフィルムとの接触から液体を離して排水することによりバイオフィルムの厚みを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項７３】
ポートへの酸素供給を時々停止もしくは減少させることにより、またはバイオフィルムの部分に交互の好気性と嫌気性もしくは無酸素状態を周期的につくりだすことによりバイオフィルムの厚みを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項７４】
バイオフィルムの一部分を物理的に除去することによりバイオフィルムの厚みを減少する請求項５７もしくは５８に記載の方法。
【請求項７５】
第３の液体を噴霧するか、またはブラッシもしくはスクレーパーで掻き落すことにより物理的にバイオフィルムの厚みを減少する請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
バイオフィルムの一部分から液体を取除いてバイオフィルムのその部分の厚みを減少する請求項５７ないし７５に記載の方法。
【請求項７７】
液体のＣＯＤを増加させている間ポートに供給される酸素の量を増加させる請求項４６ないし７６に記載の方法。
【請求項７８】
バイオフィルムから液体を周期的に取除き、新鮮な液体バッチで置換え、そしてその液体を除去している間、バイオフィルムを液体に接触させない間または新鮮な液体バッチを置換えバイオフィルムと接触させている間ガスの供給を継続している請求項４６ないし４９のいずれかに記載の方法。
【請求項７９】
処理された後の液体は懸濁固形物が１０ｍｇ／Ｌ以下であり、そしてＣＯＤが５０ｍｇ／Ｌ以下である請求項４６ないし７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８０】
２段階となっているうちの最初の段階が液体のＣＯＤを３００ｍｇ／Ｌ以下に、好ましくは２００と３００ｍｇ／Ｌの間まで減少する請求項４６ないし７９のいずれかに記載の方法。
【請求項８１】
処理前の液体のＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌか、もしくはそれ以上であり、そしてバイオフィルム支持装置の取り付けたバイオフィルムの表面積に対するガス転移の表面積が１もしくはそれ以上であり、好ましくは１と１０との間にある請求項４６ないし８０のいずれかに記載の方法。
【請求項８２】
処理前の液体のＣＯＤが１０００ｍｇ／Ｌか、もしくはそれ以下であり、そしてバイオフィルム支持装置の取り付けたバイオフィルムの表面積に対するガス転移の表面積が０．２と２．５との間にある請求項４６ないし８０のいずれかに記載の方法。
【請求項８３】
処理前の液体のＣＯＤが３０００ｍｇ／Ｌか、もしくはそれ以下であり、そしてバイオフィルム支持装置の取り付けたバイオフィルムの表面積に対するガス転移の表面積が１もしくはそれ以下であり、好ましくは０．１と１との間にある請求項４６ないし８０のいずれかに記載の方法。
【請求項８４】
先行請求項の装置における繊維の端を切断する方法において、複数の繊維の開口端もしくは輪になった端の周りにペースト状の樹脂を塗って、それから固まった樹脂と繊維の固まりを切断することを特徴とした方法。
【請求項８５】
中空繊維の開口端に平行でそれから離されている平らな部材へスペーサーを固着する段階を備え、スペーサーの第１の縁は中空繊維の端に近く、そしてスペーサーの第２の縁は中空繊維の端から遠くなっており、ヘッダーのキャビティに平らな部材を挿入する段階、そして平らな部材からヘッダーのキャビティの壁へ伸びるスペーサーの第２の縁にペースト状の樹脂を塗る段階を備えていることを特徴とした請求項１８ないし２７のいずれかに記載の装置の製法。
【請求項８６】
バイオフィルムの厚みを少なくとも１０日毎に減少するか、または最後の減少以来バイオフィルムの面積の平方メートル当たりのＣＤＯの２０と２００グラムとの間でバイオフィルムが消化した後にバイオフィルム厚みを減少する請求項５７ないし７６のいずれかに記載の方法。
【請求項８７】
バッチ法として操作され、バイオフィルム支持装置を含んでいるタンクから液体を排水する段階を備え、この排水段階は沈殿固形物を含んでいる液体の第１部分を第１処理システムへ排水し、そして液体の第２部分を第２処理システムへ排水する段階を備えている請求項４６ないし８３のいずれかに記載の方法。
【図１】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公表番号】特表２００６−５１８６６１（Ｐ２００６−５１８６６１Ａ）
【公表日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０１４１９（Ｐ２００６−５０１４１９）
【出願日】平成１６年２月１３日（２００４．２．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００４／０００２０６
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７１９７３
【国際公開日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（５０１２１４０３０）ゼノン、エンバイロンメンタル、インコーポレーテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＺＥＮＯＮ ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ， ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年２月１３日（２００４．２．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００４／０００２０６
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７１９７３
【国際公開日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（５０１２１４０３０）ゼノン、エンバイロンメンタル、インコーポレーテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＺＥＮＯＮ ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ， ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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