JP7011671B2 - メンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタと共に使用するための低圧可逆エアリフト混合システム - Google Patents

Description

本発明は、水又は廃水を処理するために使用されるメンブレン支持型バイオフィルムリアクタの、メンブレンエアレーションモジュールと共に使用するための低圧エアリフト混合システムに関する。特に、本発明は、モジュールがバイオリアクタ又はタンクに設置されているときに、メンブレンモジュール内を液体が良好に流れるのを促すための低圧エアリフトポンプを含むメンブレン支持型バイオフィルムリアクタの、メンブレンエアレーションモジュールと共に使用するための低圧エアリフト混合システムに関する。

メンブレン支持型バイオフィルムリアクタ（ＭＳＢＲ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ）は、浸漬ガス透過性メンブレンを通して、水又は廃水に又は付着したバイオフィルムに酸素（又はその他のガス）を供給することができるバイオリアクタである。メンブレンは、中空型、平面型、又はスパイラル型であってもよく、メンブレンは、疎水性多孔質、あるいは、高密度ガス透過性材料（例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ））製とできる。メンブレンは、一端がガス供給部に接続され、他端は、閉鎖されるか使用済みガスの排出を可能にするために開放されるかのいずれかであり得る。メンブレンは、アレイ又はカセットへと配列することができ、次いで、モジュールを形成するために更に接続され得る。メンブレンに供給されるガスが、空気、酸素富化空気、又は純酸素の形態の酸素である場合、このリアクタは、より一般には、メンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ａｅｒａｔｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ）として知られている。酸素はメンブレンの一方の側に供給してもよく、次いで、酸素をメンブレン内に拡散させ、他方の側であるメンブレン表面上の水境界層で水中に溶解させる、又は、メンブレンに付着して成長するバイオフィルムに直接拡散させる。酸素がバイオフィルム内で消費されない場合、酸素はバイオフィルムの周囲の水中に拡散し続けることができる。メンブレンを通る酸素流束はメンブレンを通る酸素の濃度勾配に比例するため、メンブレン内が高い酸素分圧で、メンブレンの外部表面が非常に低い溶存酸素濃度で動作することによって高流束を得ることができる。他のガスは酸素と同様に供給され、同様に挙動することができる。

生物分解性の有機及び無機汚染物質を含む廃水と接触する酸素に富んだメンブレンの表面はバクテリア増殖のための理想的環境を提供する。ここで増殖するバクテリアは、必要な酸素をメンブレンを通した拡散によって、及び、必要な基質を周囲の廃水からの拡散によって、受け取る。その結果、バクテリアがガス透過性メンブレンの表面に自然に定着し、メンブレンの液体側にバイオフィルムを形成する。

バクテリアは酸素を消費し、メンブレン壁の濃度勾配に影響を与えるため、メンブレンの液体側におけるこのバイオフィルムの活動はメンブレンを通る酸素の流束に大きな影響を及ぼす。バイオフィルム内のバクテリアは、廃水からの栄養（基質）及びメンブレンからの酸素の両方を必要とするため、バクテリアの活動は、溶存酸素濃度及び基質濃度の両方が高いときに最も大きい。バクテリアの活動は、酸素の供給（メンブレンの酸素拡散速度により制御される）を制限すること、又は、溶解した基質の供給（廃水中の基質濃度及びメンブレン上における廃水の速度に影響される）を制限すること、のいずれかによって制限してもよい。バイオフィルムの厚み、及びバイオフィルム内の生物活性は、メンブレン壁における酸素流束移動及び基質酸化速度の両方を制御する。バイオフィルムが厚く成長するにつれて、好気層、無酸素層、及び嫌気層を形成することができ、バイオフィルムのこれらの領域において増殖するバクテリアは、有機及び無機汚染物質の両方（例えば、ＢＯＤ及び窒素系汚染物質）を除去することができる。

ＭＡＢＲにおける高い酸素移動速度及び高い基質除去速度を達成するために、メンブレンへの酸素の供給及びバイオフィルムへの基質の供給の両方が適切に制御されること、並びにバイオフィルムを厚くなりすぎないようにすることを確実とする必要があり、バイオフィルムの厚みを制御するために、外層を除去するためのバイオフィルム表面の頻繁な洗浄（scouring）が一般に用いられる。洗浄（scouring）は、十分量のバイオフィルムを除去して良好な性能を確保するために頻度及び継続時間が変更されてもよい。バイオリアクタにおいて提供される水力混合条件は、基質がバイオフィルムの外側に効率的に送達されることを確実としなければならない。

酸素と同様に、水素、メタン、及び二酸化炭素が挙げられるがこれらに限定されない他のガス及びガス混合物を、ガス透過性メンブレンを介して供給することができる。ＭＳＢＲ内におけるこれらのガスの移動速度は、ＭＡＢＲ内における酸素移動を制御するのと同じ因子により制御される。バイオフィルムの存在、その厚み、及びバイオフィルム内のバクテリアが増殖のために必要とする種の局所化学濃度は、全てプロセス性能に影響する。

圧力差が小さい場合、水を１つの場所から別の場所に送り込むための多くの用途においてエアリフトポンプが使用されてきた。例示的な用途としては、水を１つのタンクから別のタンクに移動させるためにエアリフトポンプが使用されることが多い水産養殖が挙げられる。

関連する先行技術として、水で満たされたタンクに沈められてタンク全体にわたる良好な混合を促進することができる、鉛直カラムの底部にある泡発生器について記載している、米国特許出願公開第２００７／０１８２０３３号明細書が挙げられる。カラムの基部にある泡発生器に組み込まれた逆サイフォンの設計は、大きな泡の断続的な放出を生じさせるためのものである。米国特許出願公開第２０１６／０００９５７８号明細書は、メンブレンから別個の空気供給を有するエアレータを備えた、ＭＡＢＲのエアレーション用の逆サイフォンを有する区画化された覆いを含む。国際公開第２０１６／２０９２３５号パンフレットは浮動メンブレンモジュールの開発に関する。特許請求の範囲では、繊維をモジュールの基部の静水圧よりも高い圧力まで加圧する必要があることを強調している。独国特許出願第１０００４８６３号明細書は、中空繊維メンブレンを有するメンブレンエアレーションモジュールを囲むために使用される複数のパネルを含み、エアリフトシステムを作製するためにメンブレン下に空気を生じさせる筐体システムについて記載している。メンブレンがマニホールドに一端（下端）でのみ取り付けられているため、メンブレンの周囲のこの連続的な上昇流は、メンブレンが常に鉛直であることを確実とするのに必要である。

本発明の目的は、上述の課題の少なくとも１つを克服することである。

ＭＡＢＲにおいて、バイオフィルムは酸素透過性メンブレン上に自然に固定化される。酸素はメンブレンを通ってバイオフィルムに拡散し、バイオフィルム－液体界面に供給された汚染物質の酸化が起こる。酸素供給速度は、メンブレン中の酸素分圧（プロセスパラメータ）及びメンブレン表面積（設計パラメータ）によって制御される。しかしながら、従来の廃水処理プロセスでは、酸素は廃水処理タンクの底部に空気を送り込むことによって供給される。空気は、その後、ディフューザを通って液体に入り、廃水中を上昇する泡を形成し、酸素を廃水に移動させると共に処理タンク内の混合も行う。十分な混合を行う泡を生成するための空気がＭＡＢＲに送られないため、長期にわたる試みにおいて高性能比率を維持することは非常に困難であることが分かっている。

ＭＡＢＲが廃水処理のより効果的な技術になり得るように、リアクタが十分に混合され、メンブレンに付着させた汚染物質分解バイオフィルムと処理される汚染物質に富む廃水との間にできるだけ多くの効果的な接触があることを確実にすることに重要なニーズがある。本出願人らは、ＭＡＢＲ処理ハウジング内の液体を混合するための低いエネルギー所要量を維持しながら、ＭＡＢＲ処理ハウジング又はタンク内の廃水流体を十分に混合する解決策を提供する。

本発明によれば、添付の特許請求の範囲で述べるように、上部ヘッドスペース及び下部ヘッドスペースを有するハウジングと、ハウジング内に配置されたカセット内に配列されており、上部ヘッドスペースから下部ヘッドスペースへと延びる、ガス透過性中空繊維メンブレンのアレイと、を含むタイプの、メンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ）と共に使用するための筐体が提供され、メンブレン上において鉛直廃水流を促進するための可逆低圧エアリフト混合システムを含む。

本発明によれば、添付の特許請求の範囲で述べるように、上部ヘッドスペース及び下部ヘッドスペースを有するハウジングと、ハウジング内に配置されたカセット内に配列されており、上部ヘッドスペースから下部ヘッドスペースへと延びる、ガス透過性中空繊維メンブレンのアレイと、を含むタイプの、メンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ）と共に使用するための筐体が提供される。カセットはモジュール内に更に配列されている。筐体は、メンブレン上において鉛直廃水（液体）流を促進するための可逆低圧エアリフト混合システムを含む。メンブレンは、モジュール内に鉛直に配列することができ、その場合、得られる液体流はメンブレンに平行である、又は、メンブレンは、モジュール内に水平に配列することができ、この場合クロスフロー構成をもたらす

ガス透過性中空繊維メンブレンカセットのアレイによって隔てられた上部ヘッドスペース及び下部ヘッドスペースを有するタイプのメンブレンモジュールと共に使用するための筐体システムであって、筐体システムは、メンブレンモジュールの内部からメンブレンモジュールの外部に、又はメンブレンモジュールの外部からメンブレンモジュールの内部に、のいずれかにおいて液体を輸送するように構成されているエアリフト混合システムと、メンブレンモジュールを封止し、囲い込み式メンブレンモジュールを形成するように構成されている複数のパネルと、を含むことを特徴とする。

ガス透過性中空繊維メンブレンのアレイによって隔てられた上部ヘッドスペース及び下部ヘッドスペースを有するタイプのメンブレンモジュールと共に使用するための筐体システムであって、筐体システムは、
囲い込み式メンブレンモジュールを形成するように構成されている複数のパネルと、
エアリフトチャネルと第１の下降管とを含むエアリフト混合システムであって、エアリフトチャネルと第１の下降管はそれらの底部で互いに流体連通し、両端において開放された実質的にＵ字形の管の２つの鉛直チャネルを形成しており、メンブレンモジュールの内部からメンブレンモジュールの外部に、又はメンブレンモジュールの外部からメンブレンモジュールの内部に、のいずれかにおいて液体を輸送するように構成されている、エアリフト混合システムと、
を含み、
筐体は、上部及び底部が開放されており、筐体システム内に収容されている、
ことを特徴とする。

ガス透過性中空繊維メンブレンカセットのアレイによって隔てられた上部ヘッドスペース及び下部ヘッドスペースを有するタイプのメンブレンモジュールと共に使用するための筐体システムであって、筐体システムは、以下を特徴とする。筐体システムは、メンブレンモジュールの内部からメンブレンモジュールの外部に、又はメンブレンモジュールの外部からメンブレンモジュールの内部に、のいずれかにおいて液体を輸送するように構成されているエアリフト混合システムと、メンブレンモジュールを封止し、囲い込み式メンブレンモジュールを形成するように構成されている複数のパネルと、を含む。メンブレンモジュールは、モジュールの底部及び上部が開放しており、モジュールの底部から入る液体の流れがエアリフト混合システムを通って出なければならないように、又は、エアリフト混合システムを通ってモジュールに入る液体の流れがモジュールの開放底部を通って出なければならないように、モジュールの下方の液体と、液面の上方で延びるパネルとの直接流体連通をもたらす。

一実施形態では、筐体システムは、囲い込み式メンブレンモジュールに取り付けられ、システム内の液面の上方で鉛直に延びるように構成されたモジュール式カラーを更に含む。これにより、液面を越える上部ヘッドスペースの高さが増加する。あるいは、複数のパネルは、上部ヘッドスペースの上方で鉛直に延び、システム内の液面を越えて延びる。

一実施形態では、エアリフト混合システムは、エアリフトチャネルと第１の下降管とを含む。好ましくは、第１の下降管とエアリフトチャネルとは流体連通し、互いに隣接し、実質的にＵ字形の管の２つの鉛直チャネルを形成している。したがって、ガスをこのエアリフト混合システムのいずれの側にも注入することができ、エアリフトチャネル内に上昇流を生成し、Ｕ字形の管の他方のチャネル（第１の下降管）内に下降流を引き起こす。このようにして、Ｕ字形の管の１つの鉛直チャネルから他方の隣接する鉛直チャネルへの流れが引き起こされる。

一実施形態では、エアリフト混合システムは、エアリフト混合システムを実質的にＷ字形にする第３の鉛直チャネルを含み、第３の鉛直チャネルは第２の下降管であり、鉛直チャネルのうちの１つは、第１の下降管及び第２の下降管と流体連通するエアリフトチャネルである。

一実施形態では、筐体システムは、鉛直戻りチャネルを更に含み、鉛直戻りチャネルは、実質的にＵ字形の管又はＷ字形の管の隣接する鉛直チャネルと流体連通する。

好ましくは、実質的にＵ字形の管（及びＷ字形の管）は両端において開放されており、鉛直戻りチャネルの遠位にある実質的にＵ字形の管（又はＷ字形の管）の１つの開放端部は、囲い込み式メンブレンモジュール内部へのアクセスを有するポートを形成する。鉛直戻りチャネルの近位にある実質的にＵ字形の管（又は実質的にＷ字形の管）の他方の開放端部は、囲い込み式メンブレンモジュール外部へのアクセスを有するポートを形成する。

一実施形態では、鉛直戻りチャネルは、エアリフトチャネル又は第１の下降管及び／又は第２の下降管のいずれかと流体連通し、筐体の上部から筐体の底部まで、又はその真下のモジュールの鉛直戻りチャネルの上部まで延びる。好ましくは、鉛直戻りチャネルは、囲い込み式メンブレンモジュールの外部の環境に開かれており、保持タンク、又は処理システム内の別の保持タンク又は隔室内の１つの場所から、実質的にＵ字形の管又は保持タンク内の別の場所のいずれかに液体を供給するための連続チャネルを設けるように構成されている。

一実施形態では、第１の下降管は、囲い込み式メンブレンモジュールの内部の液体と流体連通し、エアリフトチャネルは、囲い込み式メンブレンモジュールの外部の液体又は鉛直戻りチャネルと流体連通する。

一実施形態では、第１の下降管及び第２の下降管は、囲い込み式メンブレンモジュールの内部の液体と流体連通し、エアリフトチャネルは、囲い込み式メンブレンモジュールの外部の液体又は鉛直戻りチャネルと流体連通する。

一実施形態では、第１の下降管及び／又は第２の下降管は、囲い込み式メンブレンモジュールの外部の液体又は鉛直戻りチャネルと流体連通し、エアリフトチャネルは、囲い込みメンブレンモジュールの内部の液体と流体連通する。

一実施形態では、エアリフトチャネルは、空気注入ポートを更に含む。空気注入ポートは、Ｕ字形又はＷ字形のエアリフト混合システムの鉛直チャネルのいずれかがエアリフトチャネルになることができ、囲い込み式メンブレンモジュール内の液体の鉛直流の方向を反転することができるように、空気を受け入れ、エアリフトチャネルに送達するように構成されている。好ましくは、エアリフトチャネルに供給される空気は、メンブレンからの排出空気、外部ソースからの補充空気、又はその両方、のいずれかから調達される。

一実施形態では、実質的にＵ字形の管は管の両側に空気注入ポートを含み、空気注入ポートは、実質的にＵ字形の管のいずれかの鉛直チャネルがエアリフトチャネルになることができ、囲い込み式メンブレンモジュール内の液体の鉛直流の方向を反転することができるように、空気を受け入れ、実質的にＵ字形の管のいずれかの鉛直チャネルに送達するように構成されている。好ましくは、エアリフトチャネルに供給される空気は、メンブレンからの排出空気、外部ソースからの補充空気、又はその両方、のいずれかから調達される。

一実施形態では、空気注入ポートは、パルスの態様で、又は周期的に、又は両者の組み合わせで、連続的に空気を放出するように構成されている。

一実施形態では、空気注入ポートは空気サイフォンに接続されている。空気サイフォンは、空気を蓄積し、空気注入ポートに定期的に放出可能に構成されている。

一実施形態では、空気注入ポートは、エアリフトチャネル内で液体に乱流を生じさせるように、空気を、軸方向に、径方向に、軸方向及び径方向の両方に、又は角度を成して、導入するように構成されている。

一実施形態では、空気注入ポートは、フレーミングシステムのモジュール式カラー内の水面より３．０ｍ未満下方にある。

一実施形態では、エアリフト混合システムは、囲い込み式メンブレンモジュール内の液位を、囲い込み式メンブレンモジュールの外部の液位に対して制御するように構成されている。

一実施形態では、筐体システムの４面囲い込み式メンブレンモジュール内の少なくとも１つのパネルは、それぞれ、エアリフト混合システムを収容するように構成されている。

一実施形態では、筐体システムの４面囲い込み式メンブレンモジュール内の少なくとも２つ、３つ、又は全ての４つのパネルは、それぞれ、エアリフト混合システムを収容するように構成されている。

一実施形態では、エアリフト混合システムは、囲い込み式メンブレンモジュールを通して液体を上方向又は下方向に送るように構成されている。

一実施形態では、筐体システムは、囲い込み式メンブレンモジュールのヘッドスペース内に液体流分配手段を更に含み、液体流分配手段は、囲い込み式メンブレンモジュールの全体にわたり均一な水流を提供するように構成されている。エアリフト混合システムから囲い込み式メンブレンモジュールに入る液体は、モジュール内の液面に沿って均一に分配される。あるいは、囲い込み式メンブレンモジュールを出てエアリフト混合システムの第１の下降管に入る水は、囲い込み式メンブレンモジュールの液面にわたって均一に供給される。これを実現するために、システムは、鉛直チャネルの開放端部に取り付けられた、囲い込み式メンブレンモジュールの内部と流体連通する１つ以上の堰を更に含む。各堰は、均一なＶ字形の切り欠き又は異なるサイズのＶ字形の切り欠きを、堰の長さに沿って、又は同じく囲い込み式メンブレンモジュールの内部と流体連通する鉛直チャネルの開放端部に取り付けられているベルマウス水取り入れ口に沿って有する。

一実施形態では、筐体システムはモジュール式であり、複数の囲い込み式メンブレンモジュールは積み重ねることができる。

一実施形態では、下部ガスマニホールドは、凝縮又はマニホールドに液体が漏れた結果として蓄積し得る液体をパージできる。好ましくは、蓄積された液体をエアリフトシステム又は液面のいずれかに輸送するために、メンブレンを通る空気流を増大させること、又は補充空気を下部マニホールドに直接供給すること、又は両者の組み合わせ、のいずれかによって高空気流量が下部マニホールドに送達される。

一実施形態では、筐体システムは既存のメンブレンモジュールに後付け可能である。

一実施形態では、上部ヘッドスペース及び下部ヘッドスペースを有するフレームと、フレーム内に配置され、上部ヘッドスペースと下部ヘッドスペースとの間に延びるメンブレンのアレイと、を含むタイプのメンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ）であって、上述のような筐体システムを更に含むことを特徴とするＭＡＢＲも提供される。

一実施形態では、空気注入ポートは、フレーミングシステムのモジュール式カラー内の液面より０．５ｍ～３ｍ下方にある。好ましくは、空気注入ポートは、フレーミングシステムのモジュール式カラー内の液面より０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１．０，１．１，１．２，１．３，１．４，１．５，１．６，１．７，１．８，１．９，２．０，２．１，２．２，２．３，２．４，２．５，２．６，２．７，２．８，２．９，又は３．０ｍ下方にある。理想的には、空気注入ポートは、フレーミングシステムのモジュール式カラー内の液面の２．５ｍ未満下方、即ち、フレーミングシステムのモジュール式カラー内の液面より０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１．０，１．１，１．２，１．３，１．４，１．５，１．６，１．７，１．８，１．９，２．０，２．１，２．２，２．３，２．４，又は２．５ｍ下方にある。

一実施形態では、メンブレン支持型バイオフィルムリアクタのメンブレンモジュールと共に使用するための筐体システムであって、メンブレンモジュールは、モジュール内に並列で固定されたガス透過性中空繊維メンブレンカセットのアレイによって隔てられた上部ヘッドスペース及び下部ヘッドスペースを有するタイプのものであり、カセットは、植え込まれた（ｐｏｔｔｅｄ）中空繊維メンブレンの直線的配置であり、多数の中空繊維メンブレン又は中空繊維メンブレンのいくつかの束が植え込まれた上部マニホールド及び下部マニホールドを含む筐体システムを提供する。
筐体システムは、
（i）メンブレンモジュールを封止し、上部及び底部が開放されているが筐体システム内に収容されている囲い込み式メンブレンモジュールを形成するように構成されている複数のパネルと、
（ii）囲い込み式メンブレンモジュールに鉛直に取り付けるように構成されており、上部ヘッドスペースの高さを増加させるモジュール式カラーと、
（iii）前記複数のパネルのうちの少なくとも１つのパネルに統合された低圧エアリフト混合システムであって、囲い込み式メンブレンモジュールがバイオリアクタタンク内に設置されているときに囲い込み式メンブレンモジュール内を液体が良好に流れるのを促すために、液体が囲い込み式メンブレンモジュール内を上方向又は下方向に送るように、メンブレンモジュールの内部からメンブレンモジュールの外部に、又はその逆のいずれかにおいて液体を輸送するように構成されている低圧エアリフト混合システムと、
を備え、
エアリフト混合システムは、
エアリフトチャネル及び第１の下降管であって、エアリフトチャネルと第１の下降管とはそれらの底部で互いに流体連通しており、両端において開放された実質的にＵ字形の管の２つの鉛直チャネルを形成している、エアリフトチャネル及び第１の下降管と、
鉛直戻りチャネルの近位にある実質的にＵ字形の管のチャネルの上部と流体連通する上部を有する鉛直戻りチャネルと、
空気を受け入れ、エアリフトチャネルの基部に送達するように構成された空気注入ポートであって、エアリフトチャネルの空気注入ポートの上方に液体の上昇流を生じさせ、第１の下降管内に対応する液体の下降流を生じさせる空気注入ポートと、
を含み、
鉛直戻りチャネルの遠位にあるＵ字形の管の開放端部は、囲い込み式メンブレンモジュール内部へのアクセスを有するポートを形成し、鉛直戻りチャネルの近位にあるＵ字形の管の開放端部は、囲い込み式メンブレンモジュール外部へのアクセスを有するポートを形成し、鉛直戻りチャネルの下端部は、鉛直戻りチャネルと前記バイオリアクタ又はタンクの底部との間の流体連通を可能にする、
ことを特徴とする。

一実施形態では、エアリフト混合システムは、エアリフト混合システムを実質的にＷ字形とする第３の鉛直チャネルを更に含み、第３の鉛直チャネルは第２の下降管であり、鉛直チャネルのうちの１つは、第１の下降管及び第２の下降管と流体連通するエアリフトチャネルである。

好ましくは、鉛直戻りチャネルは、囲い込み式メンブレンモジュールの外部の環境に開かれており、バイオリアクタ又はタンク又は処理システム内の別の保持タンク又は隔室内の１つの場所から液体を供給するための連続チャネルを設けるように構成されている。

好ましくは、第１の下降管は囲い込み式メンブレンモジュールの外部の液体と流体連通し、エアリフトチャネルは囲い込み式メンブレンモジュールの内部の液体と流体連通する。

好ましくは、第１の下降管及び第２の下降管は、囲い込み式メンブレンモジュールの外部の液体と流体連通し、エアリフトチャネルは、囲い込み式メンブレンモジュールの内部の液体と流体連通する。

好ましくは、エアリフトチャネルに供給される空気は、メンブレンからの排出空気、外部ソースからの補充空気、又はその両方、のいずれかから調達される。

好ましくは、空気注入ポートは、パルスの態様で、又は周期的に、又は両者の組み合わせで、連続的に空気を放出するように構成されている。

好ましくは、空気注入ポートは空気サイフォンに接続されている。空気サイフォンは、空気を蓄積し、空気注入ポートに定期的に放出することを可能にするように構成されている。

好ましくは、空気注入ポートは、エアリフトチャネル内で液体に乱流を生じさせるように、空気を、軸方向に、径方向に、軸方向及び径方向の両方に、又は角度を成して、導入するように構成されている。

好ましくは、空気注入ポートは、筐体システムのモジュール式カラー内の液面より３．０ｍ以下下方にある。

好ましくは、エアリフト混合システムは、囲い込み式メンブレンモジュール内の液位を、囲い込み式メンブレンモジュールの外部の液位に対して制御するように構成されている。

好ましくは、４面囲い込み式メンブレンモジュールのパネルのうちの少なくとも１つは、それぞれ、エアリフト混合システムを収容するように構成されている。好ましくは、４面囲い込み式メンブレンモジュール内の少なくとも２つ、３つ、又は全てのパネルはそれぞれ、エアリフト混合システムを収容するように構成されている。

好ましくは、システムは、囲い込み式メンブレンモジュールのヘッドスペース内に液体流分配手段を更に含み、液体流分配手段は、囲い込み式メンブレンモジュールを通して均一な液体流を提供するように構成されている。

好ましくは、筐体システムはモジュール式であり、複数の囲い込み式メンブレンモジュールは積み重ねることができる。

好ましくは、下部ガスマニホールドは、凝縮又は漏れの結果として蓄積し得る水などの液体をパージすることができる。蓄積された液体をエアリフト混合システム又は液面のいずれかに輸送するために、メンブレンを通る空気流を増大させること、又は補充空気を下部マニホールドに直接供給すること、又は両者の組み合わせ、のいずれかによって高空気流量が下部マニホールドに送達される。

好ましくは、筐体システムは既存のメンブレンモジュールに後付け可能である。

一実施形態では、メンブレンエアレーションモジュールであって、フレームと、メンブレンエアレーションモジュールのフレーム内に並列で取り付けられたガス透過性中空繊維メンブレンカセットのアレイによって隔てられた上部ヘッドスペース及び下部ヘッドスペースと、を含むタイプのメンブレンエアレーションモジュールが提供される。カセットは、植え込まれた（ｐｏｔｔｅｄ）中空繊維メンブレンの直線的配置であり、多数の中空繊維メンブレン又は中空繊維メンブレンのいくつかの束が植え込まれた上部マニホールド及び下部マニホールドを含む。

本明細書において、用語「メンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ａｅｒａｔｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ）」は、廃水液を処理し、炭素質汚染物質を除去する、汚染物質を除去、硝化／脱窒する、及び／又は廃水成分の生体異物生物処理（ｘｅｎｏｂｉｏｔｉｃ ｂｉｏｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を実施するためのメンブレン支持型バイオフィルムリアクタ（ＭＳＢＲ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ）を意味するものと理解すべきである。液体中の可溶性有機化合物は、バイオフィルム－液体界面からバイオフィルムに供給され、バイオフィルムへのガス供給は、バイオフィルム－メンブレン界面からである（メンブレンを通って拡散することによる）。典型的には、バクテリア（一般に、硝化バクテリア、脱窒バクテリア、及び従属栄養バクテリアを含む）の異種集団（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）からなるバイオフィルムは、メンブレンの流体相側で増殖する。ＭＡＢＲは、泡がより少ないエアレーション及び高い酸素利用効率（１００％まで）を実現することができ、バイオフィルムは、炭素質有機汚染物質の除去と窒化及び脱窒を単一のバイオフィルムで同時に実現するため、好気／無酸素／嫌気ゾーンに分けることができる。気相と、液相と、気相と液相との間に界面を提供するガス透過性メンブレンと、を含む内腔（ｌｕｍｅｎ）を有するタイプのＭＡＢＲの一例は、欧州特許第２３６１３６７号明細書（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｄｕｂｌｉｎ）に記載されている。

本明細書において、用語「上部ヘッドスペース（ｕｐｐｅｒ ｈｅａｄｓｐａｃｅ）」は、メンブレンカセット上方の囲い込まれた上部のメンブレンの無いゾーンを意味するものと理解すべきであり、用語「下部ヘッドスペース（ｌｏｗｅｒ ｈｅａｄｓｐａｃｅ）」は、メンブレンカセットの下方の、タンク内の水と流体連通する下部のメンブレンの無いゾーンを意味するものと理解すべきである。

本明細書において、用語「メンブレンの束（ｂｕｎｃｈ ｏｆ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ）」は、繊維の端部が開放されるように、いずれかの端部が円形束又は成形要素に植え込まれた１０～１００，０００本、１０～１０，０００本、１０～１，０００本、又は１０～１００本のガス透過性中空メンブレン繊維の集合体を意味するものと理解すべきである。メンブレンは、ＭＡＢＲ内に鉛直に配列することができ、その場合、得られる液体流はメンブレンに平行である、又はメンブレンはＭＡＢＲ内に水平に配列することができ、この場合クロスフロー構成をもたらす。

本明細書において、用語「成形要素（ｓｈａｐｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）」又は「成形コネクタ（ｓｈａｐｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）」は、メンブレンの束に特定の形状（例えば、山形、十字形、線形、正方形、矩形、三角形、六角形、その他の多角形又は円形断面等）を与える要素を意味するものと理解すべきである。これにより、上部又は下部マニホールドに接着することができる、さもなければ気密状態で固定することができるコネクタ端部を提供し、したがって、植え込まれたメンブレンとして知られるようになる。

本明細書において、用語「上部マニホールド（ｕｐｐｅｒ ｍａｎｉｆｏｌｄ）」及び「下部マニホールド（ｌｏｗｅｒ ｍａｎｉｆｏｌｄ）」は、メンブレンの束の各端部に取り付けられた成形要素コネクタを受け入れるように設計されたポートを備えたガスマニホールドを意味するものと理解すべきである。加えて、メンブレンの束は、上部ガスマニホールド及び下部ガスマニホールドに直接植え込まれ、マニホールドの一端から他端に及ぶ連続的なメンブレンの束を形成してもよい（図１Ｂを参照）。鉛直に方向付けられているとき、上マニホールドは上部マニホールドと呼ばれ、下マニホールドは下部マニホールドと呼ばれる。上部マニホールド及び下部マニホールドは、空気／ガスが上部マニホールドの内部から中空繊維を通って下部マニホールドに、又はこの逆に流れることができるように、全ての中空繊維の内部構造と流体連通する。

本明細書において、用語「カセット（ｃａｓｓｅｔｔｅ）」は、多数の中空繊維メンブレン又は中空繊維メンブレンのいくつかの束が植え込まれた上部マニホールド及び下部マニホールドを含む、植え込まれた中空繊維メンブレンの直線的配置を意味するものと理解すべきである。カセットは、図１Ａ及び図１Ｂに示される。ガスが上部マニホールドに供給される場合、このマニホールドは入口マニホールドとして機能し、ガスは中空繊維内を下方に、排出ガスマニホールドとして機能する下部マニホールドへと流れる。しかしながら、ガスが下部マニホールドに供給される場合、このマニホールドが入口マニホールドとして機能し、ガスは中空繊維内を上方に、排出ガスマニホールドとして機能する上部マニホールドへと流れる。

本明細書において、用語「メンブレンモジュール（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｍｏｄｕｌｅ）」又は「メンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ａｅｒａｔｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ）」は、中空繊維メンブレンからなるいくつか（２～１，０００個、２～９００個、２～８００個、２～７５０個、２～７００個、２～６５０個、２～６００個、２～５５０個、２～５００個、２～４５０個、２～４００個、２～３５０個、２～３００個、２～２５０個、２～２００個、２～１５０個、２～１００個、２～５０個）のカセットが並列で固定され得るデバイスを意味するものと理解すべきである。カセットは、一般に、フレーム内に固定されている。

本明細書において、メンブレンモジュールと共に使用する状況における用語「フレーム（ｆｒａｍｅ）」は、２～１，０００個、２～９００個、２～８００個、２～７５０個、２～７００個、２～６５０個、２～６００個、２～５５個、２～５００個、２～４５０個、２～４００個、２～３５０個、２～３００個、２～２５０個、２～２００個、２～１５０個、２～１００個、２～５０個のカセットを受け入れ可能で、それらを、隣接するカセットの間に、適切に画定された、均等な間隔を伴って並列で保持するハウジングを意味するものと理解すべきである。好ましくは、典型的には、２～２００個のカセットがフレーム内に配列されている。フレームは図１Ｃに示される。

本明細書において、用語「囲い込み式メンブレンモジュール（ｅｎｃｌｏｓｅｄ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｍｏｄｕｌｅ）」は、図２に示されるように上部及び底部が開放されているが筐体システムに収容されるメンブレンモジュールを意味するものと理解すべきである。

本明細書において、用語「筐体システム（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ）」又は「モジュール式筐体システム（ｍｏｄｕｌａｒ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ）」は、メンブレンモジュールのフレームに取り付けることができる（図２を参照）又はメンブレンモジュール用の囲い込み式フレームを形成するように配置され得る一連のパネルを意味するものと理解すべきである。筐体システムのパネルは、囲い込みチャネル又は水流用の導管を有してもよい。水がこれらのチャネル又は導管内を流れることを促される場合、これらは囲い込み式メンブレンモジュール内のメンブレンを通る鉛直水速度を生じさせる。筐体は、本質的にモジュール式であり、いくつかの階層のメンブレンカセットからなる連続的な囲い込み容積を形成するために、囲い込み式メンブレンモジュールの積み重ねを可能にするように設計することができる。パネルは、また、上部マニホールドの上方に鉛直に延びてもよく、システム内の水面を越えて延びる。この配置構成により、囲い込み式メンブレンモジュール内部の水を囲い込み式メンブレンモジュール外部の水から分離する。

本明細書において、用語「囲い込みチャネル（ｅｎｃｌｏｓｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ）」は、本発明の筐体を形成するパネルに成型される又は取り付けられる、のいずれかである完全に囲い込みされた導管又はパイプを意味するものと理解すべきである。囲い込みチャネルは、正方形、矩形、三角形、六角形、その他の多角形、又は円形断面を有してもよい。

本明細書において、用語「モジュール式カラー（ｍｏｄｕｌａｒ ｃｏｌｌａｒ）」は、（本発明の筐体によって収容された）囲い込み式メンブレンモジュールのパネルの高さを上部マニホールドの１００ｍｍ～５００ｍｍ上方に、好ましくは１００ｍｍ～１０００ｍｍ上方に鉛直に延び、液面を越えて延びる、しっかりと取り付けられた筐体を意味するものと理解すべきである。これは、囲い込み式メンブレンモジュール内部の液体を囲い込み式メンブレンモジュールの外部の液体から分離する。

本明細書において、用語「下降管（ｄｏｗｎｃｏｍｅｒ）」は、囲い込み式メンブレンモジュールのパネルに成型された又は取り付けられた鉛直囲い込みチャネルを意味するものと理解すべきである。この下降管の上部は、液面の下方に位置しており、下降管内の液体は下方向に流れる。

本明細書において、用語「エアリフトチャネル（ａｉｒｌｉｆｔ ｃｈａｎｎｅｌ）」は、廃水などの液面より下方に設置された、又は液面より上方に突出した、通常、液体で満たされている鉛直囲い込みチャネルを意味するものと理解すべきである。空気は、バイオリアクタ内の液（廃水）面レベルの約０．５ｍ～３ｍ下方の箇所の鉛直囲い込みチャネルの壁を通して連続的に又はパルスの態様で導入される。囲い込みチャネル内で形成され、放出された上昇する泡は、上昇し、囲い込みチャネル内において液体（廃水）の上昇流を促す。空気は、定常注入モード及び脈動注入モードの両方において、放射状、軸方向、放射状及び軸方向のデュアル、並びに渦状（ｓｗｉｒｌ）を含む様々な注入方法を用いてエアリフトチャネルに注入されてもよい。定常空気注入領域において、結果は、デュアル注入は軸方向注入及び放射状注入よりも優れ、液体の体積流量はパルス式空気注入によって向上していることを示した。パルス式空気注入は、電磁弁又は空気サイフォンの使用のいずれかによって、空気流の停止及び開始のいずれかの影響を受け得る。空気サイフォンを用いたパルス式空気注入方法の構成は、米国特許第６，１６２，０２０号明細書に詳述されている。

本明細書において、用語「実質的にＵ字形の管（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ Ｕ－ｓｈａｐｅｄ ｔｕｂｅ）」は、筐体システムの側壁内に作成された又はこれに取り付けられた２つの鉛直方向の整列された囲い込みチャネルを意味するものと理解すべきであり、１つのチャネルが下降管であり、１つのチャネルがエアリフトチャネルである。２つの鉛直チャネルは基部においてＵベンド又は実質的にＵ字形のベンドコネクタにより接続されている。実質的にＵ字形の管の上端の１つは、囲い込み式モジュールに向かって開かれており（モジュール式カラー内、通常、下降管であるが、エアリフトチャネルでもあり得る）、実質的にＵ字形の管の他の上端は、モジュール式カラーの外部の領域に開かれている（通常、エアリフトチャネルであるが、下降管でもあり得る）。

本明細書において、用語「実質的にＷ字形の管（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ Ｗ－ｓｈａｐｅｄ ｔｕｂｅ）」は、筐体システムの側壁内に作成された又はこれに取り付けられた３つの鉛直方向の整列された囲い込みチャネルを意味するものと理解すべきであり、２つのチャネルが第１及び第２の下降管であり、１つのチャネルがエアリフトチャネルである。３つの鉛直チャネルは、互いに隣接して並べられ、基部においてＵベンド又は実質的にＵ字形のベンドコネクタにより接続されている。実質的にＷ字形の管の上端の１つは囲い込み式モジュールに向かって開かれている（モジュール式カラー内、通常、エアリフトチャネルであると考えられる）。実質的にＷ字形の管の他の上端は、モジュール式カラーの外部の領域に開かれている（通常、第１及び第２の下降管チャネルであると考えられる）。Ｗ字形の管において現れる際のエアリフトチャネルと第１及び第２の下降管の順序は、ユーザの好みに従い変更できる。

本明細書において、用語「エアリフトポンプ（ａｉｒｌｉｆｔ ｐｕｍｐ）」は、空気が実質的にＵ字形の管の鉛直チャネルのうちの１つの基部に注入され、実質的にＵ字形の管内に液体の流れを生じさせる実質的にＵ字形の管を含むシステムを意味するものと理解すべきである。上昇する気泡は、エアリフトチャネルの空気注入箇所の上方に液体の上昇流を生じさせ、実質的にＵ字形の管の他方の鉛直チャネル（第１の下降管）内に対応する液体の下降流を生じさせる。空気が実質的にＷ字形の管の鉛直チャネルのうちの１つの基部に注入され、実質的にＷ字形の管内に液体の流れを生じさせる実質的にＷ字形の管を有するシステムに対して同様の配置構成を作成することができる。上昇する気泡は、エアリフトチャネルの空気注入箇所の上方に液体の上昇流を生じさせ、実質的にＷ字形の管の他の鉛直チャネルの１つ又は両方（第１の下降管及び／又は第２の下降管）内に対応する液体の下降流を生じさせる。

本明細書において、用語「空気サイフォン（ａｉｒ ｓｙｐｈｏｎ）」は、連続的に空気で満たされるが、空気の量がサイフォンを形成するのに十分になると空気をエアリフトチャネルの注入ポートに定期的に排出する空気溜めを有する、米国特許第６，１６２，０２０号明細書に記載されているタイプのサイフォンを意味するものと理解すべきである。

本明細書において、用語「鉛直戻りチャネル（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｒｅｔｕｒｎ ｃｈａｎｎｅｌ）」は、囲い込み式メンブレンモジュールの上部から囲い込み式メンブレンモジュールの基部まで、又はモジュールが積み重ねられている場合は最下の囲い込み式メンブレンモジュールの基部までの連続チャネルを意味するものと理解すべきである。鉛直戻りチャネルは、囲い込み式メンブレンモジュールの上部とモジュールが設置されたタンクの基部との間を液体が流れることを可能にする。流れの方向は、エアリフトポンプの動作モードに依存する。あるいは、鉛直戻りチャネルは、処理済み液体を囲い込み式メンブレンモジュールの上部からエアリフトポンプを介してタンクの底部に送ることを可能にする。

本明細書において、用語「タンク（ｔａｎｋ）」、「保持タンク（ｈｏｌｄｉｎｇ ｔａｎｋ）」又は「バイオリアクタ（ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ）」は、液体（水又は廃水）が供給され、水又は廃水が処理される間、水又は廃水を保持するために使用される大型保持容器を意味するものと理解すべきである。メンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタ（ＭＡＢＲ）を作成するために、１つ以上の囲い込み式メンブレンモジュールがタンク内に設置されてもよい。

本明細書において、用語「液体（ｌｉｑｕｉｄ）」は、「水」又は「廃水」を意味するものと理解すべきであり、人間が原因の影響によって品質に悪影響を受けた任意の水を意味するものと理解すべきである。廃水は、家庭的（例えば、汚水）、工業的、商業的、又は農業的活動、表面流出、又は暴風雨水の組み合わせから、及び、下水道流入又は浸透から発生し得る。

本発明は、添付の図面を参照し、単なる例として提供されるその実施形態の以下の説明からより明確に理解されよう。

個々の繊維束を有する成形要素を含む先行技術のカセットを示す。 メンブレンが上部マニホールド及び下部マニホールドに直接的に連続的に植え込まれている、成形要素コネクタを必要としない先行技術のカセットを示す。 メンブレンモジュールを形成する先行技術の金属フレーム内のメンブレンカセットの立面図を示す。 本発明の囲い込み式メンブレンモジュールの側立面図を示す。 エアリフトポンプと、第１の下降管と、戻りチャネルとを含む統合型エアリフトシステムを示す本発明の囲い込み式メンブレンモジュールの側立面図を示す。これらのメンブレンモジュールは、筐体のパネルによって完全に取り囲まれ保護されているが、上部及び底部は開放されている。 本発明の囲い込み式メンブレンモジュールの平面図を示す。 モジュール式カラーが取り付けられ、保持タンク又はバイオリアクタ（図示せず）内に設置された本発明の囲い込み式メンブレンモジュールの側面図を示す。 モジュール式カラー内の液位（水位）がタンク内の周囲液位（水位）よりも高い場合に、流れ方向が図３Ａの流れ方向と比較して反転することを示す。 本発明の筐体システムのパネル上に設けられたエアリフト混合システムがエアリフトポンプとしてどのように動作可能かを示す。エアリフト混合システムは流れを上部ヘッドスペースからタンクに、又は流れをタンクから上部ヘッドスペースに供給することができ、このため、本発明の囲い込み式メンブレンモジュール内にそれぞれ上方又は下方の液体流を引き起こす。図４Ａでは、エアリフト混合システムの取り込みポートはモジュール式カラー内に位置し、囲い込み式メンブレンモジュール内から液体を引く。エアリフトチャネルはモジュール式カラーの外部に液体を排出し、液体は戻りチャネルを通って囲い込み式メンブレンモジュール全体が位置しているタンクの基部へと下方に流れることができる。 図４Ｂでは、空気注入ポートはエアリフト混合システムを形成するＵ字形の管の反対側の囲い込みチャネル（ここでは上方に流れるチャネル）内に位置し、エアリフトチャネルの排出箇所は、ここではモジュール式カラー内に位置し、メンブレン上方の上部ヘッドスペースに液体を送達するため、囲い込み式モジュール内により高い液位を生じさせ、液体の下降速度を強制的に高める。タンク内の液体は、ここではタンクの底部から戻りチャネルを通って又はポイント１２にある開口部を通って上に引かれる。第１の下降管及び戻りチャネルの取り込みポートは、ここでは囲い込み式メンブレンモジュールの外部に位置している。 本発明の囲い込み式メンブレンモジュールの上部に、又はスタック内の最上メンブレンモジュールの上部に取り付けられるモジュール式カラーの平面図を示す。 本発明の囲い込み式メンブレンモジュールの上部に、又はスタック内の最上メンブレンモジュールの上部に取り付けられるモジュール式カラーの側立面図を示す。 本発明の囲い込み式メンブレンモジュールがタンク内でどのように積み重ねられるかを示す。図６Ａでは、図４Ａに示されるモードで動作している。 本発明の囲い込み式メンブレンモジュールがタンク内でどのように積み重ねられるかを示す。図６Ｂでは、図４Ｂに示されるモードで動作している。 本発明のフレーミングシステムによって囲い込まれ、タンク内に設置された４つのメンブレンモジュールの平面図を示す。処理システム全体は、入れられた廃水を処理して処理済み廃液を排出するメンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタを構成する。 本発明のフレーミングシステムによって囲い込まれ、タンク内に設置された４つのメンブレンモジュールの側断面図を示す。処理システム全体は、入れられた廃水を処理して処理済み廃液を排出するメンブレンエアレーション型バイオフィルムリアクタを構成する。 囲い込み式メンブレンモジュールの上部ヘッドスペース１０４内の液体流分配手段をその場で有する囲い込み式メンブレンモジュールを示す。 エアリフト混合システムが実質的にＷ字形である本発明のエアリフト混合システムの側面図を示す。 エアリフト混合システムが実質的にＷ字形である本発明のエアリフト混合システムの正面図を示す。 本発明の囲い込み式メンブレンモジュールの実質的にＷ字形のエアリフト混合システムを示す。

本明細書に記載される発明は、メンブレンを取り囲む本発明の筐体システムによって囲い込まれているメンブレンモジュールが組み込まれる低圧エアリフト混合システムを設けることによって、低剪断力条件及びメンブレン上で成長するバイオフィルムへの基質の効果的な送達を提供する。

典型的には、エアリフトチャネルは、水を送り込む圧力が約３００水柱ミリメートル未満である場合に実現可能である。３００水柱ミリメートルを超える圧力降下は、エアリフト揚水の効率を低下させ、水の流量が大幅に減少する。このため、エアリフト混合システム自体内の損失ヘッド及び圧力降下を最小にすることが重要である。エアリフト混合システムに使用されるパイプ又はチャネルのサイズは、圧力損失が最小になり、空気流量が最大になるように選択されなければならない。

エアリフト混合システムにおいて達成可能な液体の流量は、空気流量、空気注入ポートの深さ、及びエアリフトチャネルのサイズ（有効径）の関数である。典型的には、液体流量は、空気流量及び空気注入ポートの深さと共に増大する。エネルギー消費は環境に対する大きな懸念であり、運転費は廃水処理に関連するため、混合及びエアレーションのエネルギー所要量を最小限にすることが重要である。これは、メンブレンに供給される空気を酸素移動及び混合の両方に使用することによって達成することができる。また、エアリフト混合システムを浅い深さの空気注入ポートと共に使用することにより、メンブレン内に必要な空気圧を低く維持することができ、エネルギー消費量を最小限にすることができる。したがって、囲い込み式メンブレンモジュールを通る液体流量は、エアリフト混合システムの設計及び動作条件によって制御することができ、動作空気圧は積層メンブレンモジュール内のメンブレンの浸漬深さに依存せず、エアリフト混合システムへの空気注入深さのみに依存する。

ここで図を参照すると、図１は、上部マニホールド９８及び下部マニホールド９９に植え込まれた個々の繊維束１０２を有する成形要素コネクタ１０１を含むカセット１００を示す。図１Ｂは、メンブレン繊維１０２が上部マニホールド９８及び下部マニホールド９９に連続的且つ直接的に植え込まれ、成形要素コネクタ１０１を必要としないカセット１００を示す。図１Ｃは、先行技術のメンブレンモジュール１２０に組み付けられたメンブレンカセット１００の図を示す。メンブレンモジュール１２０はフレーム１１０を含み、フレーム１１０内にカセット１００を取り付けることができる。

ここで図２を参照すると、本発明の一般的な実施形態が図示されている。具体的には、図２Ａは、本発明の筐体システムによって囲まれている、囲い込み式メンブレンモジュールを形成するメンブレンモジュールの側立面図を示し、囲い込み式メンブレンモジュールは全体的に参照番号１で参照される。囲い込み式メンブレンモジュール１は、パネル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを含み、パネル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、メンブレンモジュール１２０を囲み、エアリフト混合システム４（図２Ｂを参照）を含む。メンブレンモジュール１２０と共に使用するとき、囲い込み式メンブレンモジュール１のパネル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄはカセット１００を完全に取り囲むが、囲い込み式メンブレンモジュール１はその上部及び底部が開放されている。図２Ｂは、エアリフト混合システム４を示す、囲い込み式メンブレンモジュール１の側立面図を示す。図示される実施形態においては、エアリフト混合システム４は、パネル３ａ，３ｃ内に統合されている。また、エアリフト混合システム４は、パネル３ｂ，３ｄ内に統合され得る。エアリフト混合システム４は、鉛直管が取り付けられた実質的にＵ字形の管５を形成する一連の密閉された管を含む。具体的には、実質的にＵ字形の管５は、Ｕベンド８によってエアリフトチャネル７に接続された第１の下降管６を含む。加えて、システムは、戻りチャネル９を含んでもよい。囲い込み式メンブレンモジュール１は、補強バー１０とポート１１，１２とを更に含むことが示されている。補強バー１０は、パネル３ａから対向するパネル３ｃまで延びる。モジュール式カラー２０は、囲い込み式メンブレンモジュール１の上部に取り付けられており、ポート１１とポート１２とを隔てるように構成されている。上部ヘッドスペース１０４から下部ヘッドスペース１０６に水が流れているとき、ポート１２は、実質的にＵ字形の管５を介してタンク内の液体と上部ヘッドスペース１０４との間に流体連通を提供する。下部ヘッドスペース１０６から（又は保持タンクの底部から）上部ヘッドスペース１０４に液体が流れているとき、ポート１１は、実質的にＵ字形の管５を介して上部ヘッドスペースとバルクタンク内の液体との間に流体連通を提供する。ポート１２は、エアリフトチャネル７内に注入された空気が大気に逃げることを許容し、タンクの底部へと戻りチャネル９内を下方に流れる液体中に混入しないようにする。

図２Ｃは、囲い込み式メンブレンモジュール１の平面図を示す。図示されているように、囲い込み式メンブレンモジュール１の上部ヘッドスペース１０４及び一連の並列メンブレンカセット１００を見ることができる。カセット１００は、各カセット１００の間に空間を設け、それらの間に液体が流れることを可能にする並列で配置されている。

図３Ａは、モジュール式カラー２０が取り付けられ、保持タンク又はバイオリアクタ２００内に設置された囲い込み式メンブレンモジュール１の側面図を示す。モジュール式カラー２０の内部の液位が周囲タンク２００内の液位より低い時、液体は、囲い込み式メンブレンモジュール１を通って上方に流れ、タンク２００の内部と外部の水位を等しくする。モジュール式カラー２０の外部と内部との間の液位の差（図３Ａに示すような液体ｈｍｍ）が大きいほど、囲い込み式メンブレンモジュール１内で生じる液体速度は大きくなる。図３Ｂは、モジュール式カラー２０内の液位がタンク２００内の周囲液位よりも高い場合、流れの方向が反転されることを示す。この場合も、液位の差（ｈ）が大きいほど囲い込み式メンブレンモジュール内で生成される液体速度は大きくなる。図３Ａ及び図３Ｂの矢印は、メンブレンモジュール１２０及びタンク２００内の液位の変化によって生じる液体流の方向を示す。

図４Ａ及び図４Ｂは、エアリフトポンプとして動作することができ、囲い込み式メンブレンモジュール１内でそれぞれ上方又は下方いずれかの液体流を供給することができる、パネル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ内のエアリフト混合システム４の詳細を示す。エアリフト混合システム４は囲い込まれた実質的にＵ字形の管５を含み、囲い込まれた実質的にＵ字形の管５はその一方の側において鉛直戻りチャネル９に接続されている。図４Ａに、タンク２００の底部から囲い込み式メンブレンモジュール１の上部への液体の移動を示すエアリフト混合システム４のチャネルの構成が示されている。この例では、エアリフト混合システム４の外部囲い込みチャネル（ｏｕｔｅｒ ｅｎｃｌｏｓｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ）は第１の下降管６として機能し、第１の下降管６はモジュール式カラー２０の内部から（上部ヘッドスペース１０４から）液体を受け入れ、モジュール式カラー２０内の液位を、タンク２００内の液位に対して低減させるように機能する。ここではエアリフトポンプ７と呼ばれる中間囲い込みチャネルに、空気注入ポート４０を通して空気が注入される。空気注入ポート４０により生じた上昇する泡は、示される矢印で図示されているように水を移動させる鉛直液体速度流（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌｉｑｕｉｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｌｏｗ）（矢印Ａで示される）を生じさせる。囲い込み式メンブレンモジュール１の上部において、エアリフトポンプ７と戻りチャネル９とは囲い込み式メンブレンモジュール１の外部で連結され、気泡は液面で排出され、液体は戻りチャネル９を通ってタンク２００の基部へと下方に流れる。図４Ｂに、囲い込み式メンブレンモジュール１内の上部マニホールド１０４からカセット１００を通ってタンク２００の底部への下方の液体の移動を示すエアリフト混合システム４のチャネルの構成が示されている。空気注入ポート４０は実質的にＵ字形の管５の外部チャネルに切り換えられてエアリフトポンプ７になり、実質的にＵ字形の管５の内部チャネルは第１の下降管６になり、戻りチャネル９に物理的に接続される。エアリフトチャネル７は、モジュール式カラー２０及び上部マニホールド１０４の内部に液体を供給し、メンブレンモジュール１２０上方の水位を、タンク２００内のモジュール式カラー２０の外部の液体に対して増加させる。この動作モードでは、液体は、図示されているようにタンク２００の底部から戻りチャネル９を通って引かれる。図４Ｂの矢印Ａは、エアリフトチャネル７によって生じる液体流の方向を示す。

エアリフト混合システム４が、メンブレンモジュール１を覆う液位をタンク２００内の液位に対して上昇又は低下させることができるように、囲い込み式メンブレンモジュール１を覆うモジュール式カラー２０内の液位は、囲い込み式メンブレンモジュール１により生成されたシールによって、モジュールが浸漬されるタンク２００内の外部の液体から分離されている。

図５Ａ及び図５Ｂは、囲い込み式メンブレンモジュール１の上部に取り付けられるモジュール式カラー２０の平面図及び側立面図を示す。モジュール式カラー２０は、側面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを含み、メンブレンモジュール１２０のフレーム１１０に、又は囲い込み式メンブレンモジュール１の上部に取り付けられるように構成されており、そのため、モジュール式カラー２０が所定の位置にない上部ヘッドスペース１０４に比べて増加した高さを有する上部ヘッドスペース１０４を提供する。使用時、モジュール式カラー２０は、ポート１１とポート１２とを隔てるように構成されている。

図６Ａ及び図６Ｂは、いくつかの囲い込み式メンブレンモジュール１，１’がどのようにタンク２００内で互いに積み重ねられ得るかを示す。積み重ねられた囲い込み式メンブレンモジュール１，１’は、モジュール１の戻りチャネル９がモジュール１’の戻りチャネル９’に接続するように構成されている。図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ図４Ａ及び図４Ｂに示されるモードで動作している。モジュール１’の実質的にＵ字形の管５’はバッフル２２の挿入によって遮断され、使用されないままである。図６Ａに示される実施形態では、囲い込み式メンブレンモジュール１のモジュール式カラー２０の外部の液位は、モジュール式カラー２０の内部の液位よりも高く、そのため、タンク２００の底部から囲い込み式メンブレンモジュール１の上部ヘッドスペース１０４への液体の上昇速度を生成する。図６Ｂに示す実施形態では、メンブレンモジュール１のモジュール式カラー２０の外部の液位は、モジュール式カラー２０の内部の液位よりも低く、そのため、囲い込み式メンブレンモジュール１の上部ヘッドスペース１０４からタンク２００の底部への液体の下降速度を生成する。

図７Ａ及び図７Ｂは、タンク２００内に設置され、処理システム３００を形成する４つの囲い込み式メンブレンモジュール１の平面図及び側断面図を示す。処理システム３００全体は、入れられた廃水を処理し、処理済み廃液を排出するＭＡＢＲを構成する。処理システム３００は、ハウジング２０１を有するタンク２００と、一連の積み重ねられた囲い込み式メンブレンモジュール１とを含む。図７Ｂに示す実施形態では、タンク２００内のモジュール式カラー２０の外部の液位は、モジュール式カラー２０の内部の液位（ｈｍｍで示される）よりも低く、このため、囲い込み式メンブレンモジュール１の上部マニホールド１０４からタンク２００の底部への液体の下降速度を生成する。

図７Ａ及び図７Ｂでは、液体（水又は廃水（廃液））は入口排液パイプＡを通ってシステム３００に入り、処理済み廃液は出口Ｂを通ってシステム３００を出る。液体は、囲い込み式メンブレンモジュール１のカセット１００との相互作用により処理される。エアリフト混合システム４は、メンブレン１０２上に蓄積する、メンブレンに付着した汚染物質分解バイオフィルムと、処理される汚染物質に富む廃水との間にできるだけ多くの効果的な接触があることを確実にする低圧低エネルギー混合システムを提供する。一般に、囲い込み式メンブレンモジュール１は、タンク２００の外部静水圧よりも高くても低くてもよい中空メンブレン繊維１０２内のガス圧によって動作するように設計されている。

図８では、囲い込み式メンブレンモジュール１が図示され、囲い込み式メンブレンモジュール１の上部ヘッドスペース１０４内のその場に液体流分配手段６０が示される。概して、水流分配手段６０はポート１２と流体連通し、囲い込み式メンブレンモジュール１を通して均一な流れを確実にするように構成されている。即ち、モジュール内の液体の流れの速度は水平面上において等しい。囲い込み式メンブレンモジュール１を通して均一な液体流を提供すると、メンブレンモジュール１の全体を通して均一な上方流液体速度を確実にし、ポート１２と戻りチャネル９の底部との間の液体の短絡を防止する。均一な速度により、メンブレン支持型バイオフィルムの全体が廃水に接触することを確実にし、流れが生じない死領域（ｄｅａｄ ｚｏｎｅ）又は混合が乏しい領域の生成を排除する。

図９Ａ～図９Ｃに、エアリフト混合システム４を実質的にＷ字形にする第２の下降管６ａを含み、中央鉛直チャネルは、その両側の第１の下降管６と第２の下降管６ａと流体連通するエアリフトチャネル７であるエアリフト混合システム４が示されている。空気は空気注入ポート４０において中央エアリフトチャネル７内に送達され、鉛直チャネル、第１の下降管６及び第２の下降管６ａは、底部に沿う共通の水マニホールド８ａによってエアリフトチャネル７に接続されており、そのため、実質的にＷ字形の管５０を形成している。水と空気の混合物が中央鉛直チャネル７を通って上方に流れることで、第１の下降管６及び第２の下降管６ａの両方に下方水流が生じる。液面を越えて延びるパネル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ（図９Ｃを参照）が存在することで、エアリフトチャネル７から生じた、ポート１１及び流量分配手段６０を通って排出される液体は鉛直下方に流れ、開放底部を通って囲い込み式メンブレンモジュール１から出なければならない。Ｗ字形の混合システムの利点の１つは、この構成では下降管への２つの入口があり、液体をタンクの２つの異なる箇所からＷ字形の混合システム内に導入することができることである。好適な構成では、Ｗ字形の管内の液体の流れが反転される場合、側部鉛直チャネルの両方がエアリフトチャネルになり、中央鉛直チャネルが下降管になることを確実とするために、空気は中央鉛直チャネルの両側の両方の鉛直チャネルに導入されなければならない。Ｗ字形のエアリフト混合システムは図６Ａ及び図６Ｂに示すように積み重ねることもでき、１つ又は２つの鉛直戻りチャネルもまたＷ字形の混合システムの両側に設置することができる。Ｗ字形の混合システムは既存のモジュールへの後付けが容易であり、より小さな断面積を持つ鉛直チャネルを使用し、流れのためのより広い面積を提供することができる。

本発明の利点の１つは、囲い込み式メンブレンモジュールが輸送中にメンブレンを破損から保護すると共に、モジュールがバイオリアクタ内に設置されているときにメンブレンモジュール内を液体が良好に流れるのを促すための低圧エアリフトシステムを組み込むことである。これは、大型タンクに設置されているときのＭＡＢＲの有効性がタンクによる混合に依存せず、囲い込み式メンブレンモジュール内の液体速度により独立制御されることを意味する。このような独立制御によって、様々な深さ及び形状を持つタンクにおける設置を成功させることが可能になる、又は異なる目的、例えば沈殿槽のために予め設計されたタンクを、独立した混合システムの設置を必要とすることなく、ＭＡＢＲを組み込むようにアップグレードすることができる。

本明細書において、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）、含んだ（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）及び含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」又はそのあらゆる変化形、及び用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）、含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）、含まれる（ｉｎｃｌｕｄｅｄ）及び含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」又はそのあらゆる変化形は完全に互換性があるとみなされ、これらには全て、可能な最も広い解釈が与えられるべきであり、逆の場合も同様である。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、構造及び細部の両方において異なってもよい。

Claims (16)

1. メンブレン支持型バイオフィルムリアクタのメンブレンモジュール（１２０）と共に使用するための筐体システムであって、前記メンブレンモジュール（１２０）は、前記モジュール（１２０）内に並列で固定されたガス透過性中空繊維メンブレンカセット（１００）のアレイによって隔てられた上部ヘッドスペース（１０４）及び下部ヘッドスペース（１０６）を有するタイプのものであり、前記カセット（１００）は、植え込まれた中空繊維メンブレンの直線的配置であり、多数の中空繊維メンブレン又は中空繊維メンブレン（１０２）のいくつかの束が植え込まれた上部マニホールド及び下部マニホールド（９８，９９）を含む、筐体システムであって、
   （i）前記メンブレンモジュール（１２０）を封止し、上部及び底部が開放されているが前記筐体システム内に収容されている囲い込み式メンブレンモジュール（１）を形成するように構成されている複数のパネル（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）と、
   （ii）前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）に鉛直に取り付けるように構成されており、前記上部ヘッドスペース（１０４）の高さを増加させるモジュール式カラー（２０）と、
   （iii）前記複数のパネル（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）のうちの少なくとも１つのパネルに統合された低圧エアリフト混合システム（４）であって、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１２０）がバイオリアクタタンク（２００）内に設置されているときに前記囲い込み式メンブレンモジュール（１２０）内を液体が良好に流れるのを促すために、液体が前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）内を上方向又は下方向に送るように、前記メンブレンモジュール（１２０）の内部から前記メンブレンモジュール（１２０）の外部に、又は前記メンブレンモジュール（１２０）の外部から前記メンブレンモジュール（１２０）の内部に、のいずれかにおいて液体を輸送するように構成されており、前記エアリフト混合システム（４）は、
   エアリフトチャネル（７）及び第１の下降管（６）であって、前記エアリフトチャネル（７）と前記第１の下降管（６）とは前記エアリフトチャネル（７）と前記第１の下降管（６）との底部で互いに流体連通しており、両端において開放された実質的にＵ字形の管（５）の２つの側部を形成している、エアリフトチャネル（７）及び第１の下降管（６）と、
   鉛直戻りチャネル（９）の近位にある前記実質的にＵ字形の管（５）の前記チャネルの上部と流体連通する上部を有する鉛直戻りチャネル（９）と、
   空気を受け入れ、前記エアリフトチャネル（７）の基部に送達するように構成された空気注入ポート（４０）であって、前記エアリフトチャネル（７）の前記空気注入ポート（４０）の上方に液体の上昇流を生じさせ、前記第１の下降管（６）内に対応する液体の下降流を生じさせる空気注入ポート（４０）と、
   を含む、低圧エアリフト混合システム（４）と、
   を備え、
   前記鉛直戻りチャネル（７）の遠位にある前記Ｕ字形の管（５）の開放端部は、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）内部へのアクセスを有するポート（１１）を形成し、前記鉛直戻りチャネル（７）の近位にある前記Ｕ字形の管（５）の開放端部は、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）外部へのアクセスを有するポート（１２）を形成し、前記鉛直戻りチャネル（９）の下端部は、前記鉛直戻りチャネル（９）と前記バイオリアクタ又はタンク（２００）の底部との間の流体連通を可能にする、
   ことを特徴とする、筐体システム。
2. 前記エアリフト混合システムは、前記エアリフト混合システムを実質的にＷ字形とする第３の鉛直チャネルを更に含み、前記第３の鉛直チャネルは第２の下降管（６ａ）であり、前記鉛直チャネルのうちの１つは、前記第１の下降管及び前記第２の下降管（６、６ａ）と流体連通する前記エアリフトチャネル（７）である、
   請求項１に記載の筐体システム。
3. 前記鉛直戻りチャネル（９）は、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）の外部の環境に開かれており、前記バイオリアクタ又は前記タンク（２００）又は処理システム内の別の保持タンク又は隔室内の１つの場所から水を供給するための連続チャネルを設けるように構成されている、
   請求項１又は２に記載の筐体システム。
4. 前記第１の下降管及び前記第２の下降管（６、６ａ）は、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）の外部の液体と流体連通し、前記エアリフトチャネル（７）は、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）の内部の液体と流体連通する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の筐体システム。
5. 前記エアリフトチャネル（７）に供給される空気は、前記メンブレンからの排出空気、外部ソースからの補充空気、又はその両方、のいずれかから調達される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の筐体システム。
6. 前記空気注入ポート（４０）は、パルスの態様で、又は周期的に、又は両者の組み合わせで、連続的に空気を放出するように構成されている、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の筐体システム。
7. 前記空気注入ポート（４０）は空気サイフォンに接続されており、前記空気サイフォンは空気を蓄積し、前記空気注入ポート（４０）に定期的に放出することを可能にするように構成されている、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の筐体システム。
8. 前記空気注入ポート（４０）は、前記エアリフトチャネル（７）内で水に乱流を生じさせるように、空気を、軸方向に、径方向に、軸方向及び径方向の両方に、又は角度を成して導入するように構成されている、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の筐体システム。
9. 前記空気注入ポート（４０）は、前記筐体システムの前記モジュール式カラー（２０）内の液面より３．０ｍ以下下方にある、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の筐体システム。
10. 前記エアリフト混合システム（４）は、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）内の液位を、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）の外部の液位に対して制御するように構成されている、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の筐体システム。
11. ４面囲い込み式メンブレンモジュール（１）の少なくとも１つのパネル（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）は、それぞれ、前記エアリフト混合システム（４）を収容するように構成されている、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の筐体システム。
12. ４面囲い込み式メンブレンモジュール内の少なくとも２つ、３つ、又は全てのパネルは、それぞれ、前記エアリフト混合システムを収容するように構成されている、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の筐体システム。
13. 前記囲い込み式メンブレンモジュールの前記ヘッドスペース内に液体流分配手段を更に含み、前記液体流分配手段は、前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）を通して均一な液体流を提供するように構成されている、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の筐体システム。
14. 前記筐体システムはモジュール式であり、複数の前記囲い込み式メンブレンモジュール（１）は積み重ねることができる、
    請求項１から１３のいずれか１項に記載の筐体システム。
15. 前記下部ガスマニホールド（９９）は、凝縮又は漏れの結果として蓄積し得る液体をパージすることができる、
    請求項１から１４のいずれか１項に記載の筐体システム。
16. 前記蓄積された液体を前記エアリフト混合システム（４）又は液面のいずれかに輸送するために、前記メンブレンを通る空気流を増大させること、又は補充空気を前記下部マニホールド（９９）に直接供給すること、又は両者の組み合わせ、のいずれかによって高空気流量が前記下部マニホールド（９９）に送達される、
    請求項１５に記載の筐体システム。

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