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生物ろ過は、生物反応器に生物を収容して汚染物質を捕捉し、生物学的に分解する汚染制御技術です。一般的な用途としては、廃水処理、地表流出水からの有害化学物質や沈泥の捕捉、空気中の汚染物質の微生物酸化などが挙げられます。工業用生物ろ過は、揮発性有機化合物、臭気、炭化水素を除去するために生物学的酸化を利用するプロセスとして分類できます。
生物ろ過の例としては、以下のようなものがあります。
空気のろ過と浄化に適用されるバイオフィルターは、微生物を使用して空気汚染物質を除去します。[ 1 ] 空気は充填層を通過し、汚染物質は充填材の表面にある薄いバイオフィルムに移行します。細菌や真菌などの微生物はバイオフィルムに固定され、汚染物質を分解します。トリクリングフィルターとバイオスクラバーは、バイオフィルムと循環水中の細菌の作用に依存しています。
この技術は、悪臭化合物や揮発性有機化合物（VOC）の処理に最も広く応用されています。この技術を採用している産業には、食品や動物製品、廃水処理施設からの排ガス、医薬品、木材製品製造、塗料やコーティング剤の塗布・製造、樹脂の製造・塗布などがあります。処理される化合物は、一般的に混合VOCや硫化水素などの様々な硫黄化合物です。非常に大きな気流を処理できますが、通常、広い面積（設置面積）が必要でした。大型バイオフィルター（200,000 acfm以上）は、サッカー場と同じかそれ以上の土地を占有する可能性があり、これがこの技術の主な欠点の1つでした。1990年代初頭から、改良されたバイオフィルターは、従来の平床式有機媒体タイプに比べて設置面積を大幅に削減しています。
バイオフィルターを最適に稼働させるための主な課題の1つは、システム全体で適切な湿度を維持することです。空気は通常、散水（スプレー）システム、加湿チャンバー、バイオスクラバー、またはバイオトリクリングフィルターによって、ベッドに入る前に加湿されます。適切に維持管理されていれば、ピート、野菜マルチ、樹皮、またはウッドチップなどの天然有機充填材は数年間持ちますが、天然有機と合成成分を組み合わせた人工充填材は、一般的に10年までさらに長持ちします。いくつかの企業は、従来の堆肥やウッドチップベッドのバイオフィルターでは通常提供されない、このような独自の充填材と複数年の保証を提供しています。
広く利用されているにもかかわらず、科学界はバイオフィルターの動作を支える物理現象についてまだ確信が持てず、関与する微生物に関する情報は開発され続けている。[ 2 ]バイオフィルター/バイオ酸化システムは、比較的簡単に構築および操作できる装置であり、汚染物質が適度な時間枠内で生分解可能であり（滞留時間の増加は、適切な濃度（およびlb/hr負荷率）で、気流が生物の生存可能な温度であれば、費用対効果の高いソリューションを提供する。大量の空気の場合、バイオフィルターは費用対効果の高い唯一のソリューションとなる可能性がある。二次汚染はなく（焼却の場合とは異なり、燃料の燃焼により追加のCO2およびNOxが生成される）、分解生成物は追加のバイオマス、二酸化炭素、および水を形成する。培地灌漑水は、多くのシステムで運転コストを削減するためにその一部をリサイクルしているが、生物化学的酸素要求量（BOD）が中程度に高く、廃棄前に処理が必要になる場合がある。しかし、生物酸化システムの適切な維持管理に必要なこの「ブローダウン水」は、一般的に自治体の公営下水処理場で前処理なしで受け入れられている。
バイオフィルターは、モンタナ州コロンビアフォールズにあるプラムクリークティンバー社のファイバーボード工場で使用されています。 [ 3 ]バイオフィルターは製造工程で排出される汚染物質を減らし、排出される排気ガスは98%クリーンです。プラムクリークに新しく追加された最大のバイオフィルターには950万ドルかかりましたが、この新しい技術は高価であるにもかかわらず、長期的には天然ガスを燃料とする代替の排気ガス浄化焼却炉（環境に優しくない）よりもコストが低くなります。
生物ろ過は、1893年にイギリスで初めて廃水処理用の滴下式フィルターとして導入され、それ以来、さまざまな種類の水の処理に成功裏に使用されてきました。[ 5 ]生物処理は、1900年代初頭からヨーロッパで飲料水用の地表水のろ過に使用されており、現在では世界中でより注目を集めています。生物ろ過は、廃水処理、養殖、雑排水のリサイクルでも一般的であり、水の交換を最小限に抑えながら水質を向上させる方法です。
バイオフィルターは、微生物が付着して成長し、バイオフィルムと呼ばれる生物学的層を形成する媒体のベッドです。そのため、バイオろ過は通常、固定膜プロセスと呼ばれます。一般的に、バイオフィルムは、さまざまな微生物（細菌、真菌、酵母など）、大型生物（原生動物、蠕虫、昆虫の幼虫など）、および細胞外ポリマー物質（EPS）のコミュニティによって形成されます（Flemming and Wingender、2010）。空気または水が媒体ベッドを通過すると、懸濁化合物は表面バイオフィルムに移行し、そこで微生物が保持されて汚染物質を分解します。バイオフィルムの外観[ 6 ]は通常、ぬるぬるして泥状です。
処理対象水は、上向流または下向流によって、間欠的または連続的にろ材に供給することができる。一般的に、生物ろ過器は、供給方式（浸透式生物ろ過器または浸漬式生物ろ過器）に応じて、2段階または3段階の構造を持つ。
有機物やその他の水成分は、主に生分解によって処理が行われるバイオフィルムに拡散します。生物ろ過プロセスは通常好気性であり、微生物は代謝のために酸素を必要とします。酸素は、水の流れと同時または逆方向にバイオフィルムに供給できます。曝気は、プロセス内の自然な空気の流れ（三相バイオフィルター）による受動的な曝気、または送風機による強制的な空気供給によって行われます。
微生物の活動は、プロセス性能の重要な要素です。主な影響要因としては、水の組成、バイオフィルターの水理負荷、ろ材の種類、供給方法（浸透式または浸漬式）、バイオフィルムの経過時間、温度、曝気などが挙げられます。
バイオフィルターのろ材表面に特定の微生物が付着してコロニーを形成するメカニズムは、輸送、初期付着、強固な付着、コロニー形成によるものと考えられる[Van Loosdrecht et al., 1990]。微生物のろ材表面への輸送は、拡散（ブラウン運動）、対流、沈降、微生物の能動的な移動という4つの主要なプロセスによってさらに制御される。ろ過プロセス全体は、微生物の付着、バイオマス成長を引き起こす基質利用、バイオマスの剥離から構成される。[ 5 ]
ほとんどのバイオフィルターは、砂、砕石、川砂利、または小さなビーズやリングの形をしたプラスチックやセラミック材料などの媒体を使用します。[ 7 ]
生物ろ過器は表面構造は単純ですが、内部の流体力学や微生物の生物学および生態学は複雑で変化に富んでいます。[ 8 ]これらの特性により、プロセスは堅牢性を備えています。つまり、プロセスは、流量がない期間、集中的な使用、毒性ショック、媒体の逆洗（高レート生物ろ過プロセス）などの後に、性能を維持したり、初期レベルに迅速に戻ったりする能力を持っています。
バイオフィルムの構造は、微生物を過酷な環境条件から保護し、生育に最適な条件ではない場合でも、プロセス内にバイオマスを保持します。バイオろ過プロセスには、次のような利点があります（Rittmann et al., 1988）。
ろ過とバイオマスの増殖によりろ過媒体に物質が蓄積するため、このタイプの固定膜プロセスではバイオクロギングと流路の偏りが発生します。用途の種類や微生物増殖に使用する媒体に応じて、バイオクロギングは物理的および／または化学的方法によって制御できます。可能な限り、空気や水、あるいはその両方を用いて逆洗を行い、バイオマットを破壊して流れを回復させることができます。酸化剤（過酸化物、オゾン）や殺生物剤などの化学物質も使用できます。
生物ろ過は、一部の処理技術（浮遊成長および付着成長プロセス）では広い面積を必要とする場合があり、また長い水力滞留時間（嫌気性ラグーンおよび嫌気性バッフルリアクター）を必要とする場合もある。[ 11 ]
飲料水の場合、生物学的浄水処理とは、地表水に自然に存在する微生物を利用して水質を改善する処理方法です。濁度が比較的低く、酸素濃度が高いといった最適な条件下では、これらの微生物が水中の物質を分解し、水質を向上させます。微生物の増殖を支えるために、緩速砂ろ過器や活性炭ろ過器が使用されます。これらの生物学的浄水処理システムは、水系感染症、溶存有機炭素、濁度、地表水の着色を効果的に低減し、水質全体を向上させます。
一般的に飲料水処理では、粒状活性炭または砂フィルターが使用され、微生物の栄養源となる鉄と硝酸塩のレベルを低下させることで、配水管内での微生物の再増殖を防ぎます。粒状活性炭は、第一線消毒として機能することで、塩素要求量やその他の消毒副生成物の蓄積も低減します。バイオフィルムとしてフィルター媒体に付着した細菌は、エネルギー源と炭素源の両方として有機物を酸化します。これにより、望ましくない細菌がこれらの資源を利用するのを防ぎ、水の臭いや味を軽減することができます[Bouwer、1998]。これらの生物学的処理システムは、水系感染症、溶存有機炭素、表面水の濁度と色を効果的に低減し、全体的な水質を向上させます。
バイオテクノロジー技術は、水中の微生物群集を研究することで、飲料水の生物ろ過を改善するために使用できます。このような技術には、qPCR（定量的ポリメラーゼ連鎖反応）、ATPアッセイ、メタゲノミクス、フローサイトメトリーなどがあります。[ 12 ]
生物ろ過は、さまざまな有機物組成と濃度を持つ幅広い発生源からの廃水を処理するために使用されます。生物ろ過の応用例は文献に多数記載されています。動物の廃棄物[ 13 ] 、埋立地の浸出水[ 14 ] 、酪農廃水[ 15 ]、および家庭廃水[ 16 ]の処理用に、特注の生物ろ過装置が開発され、商品化されています。
このプロセスは、オンサイトの汚水[ 17 ]のような小規模な流量（< 1 m3/d）にも、自治体によって発生する流量（> 240 000 m3/d）にも適応できるため、汎用性が高い。[ 18 ]孤立した住居などの分散型家庭排水の発生については、現代の家族のライフスタイルに関連した水力および有機物の発生率に、日、週、年単位で大きな変動があることが実証されている。[ 19 ]このような状況において、浄化槽の後ろに配置されたバイオフィルターは、処理性能を損なうことなく、観察された変動に対応できる堅牢なプロセスを構成する。
嫌気性廃水処理施設では、バイオガスはバイオスクラバーを通して供給され、曝気槽からの活性汚泥液で「洗浄」されます。[ 20 ]廃水処理で最も一般的に見られるのは、散水ろ床法（TF）です[Chaudhary、2003]。散水ろ床法は、付着媒体上の微生物を使用して廃水から有機物を除去する好気性処理です。
一次廃水処理では、生物ろ過は生物化学的酸素要求量、化学的酸素要求量、および浮遊物質のレベルを制御するために使用されます。三次処理プロセスでは、生物ろ過は有機炭素のレベルを制御するために使用されます[Carlson、1998]。
生物濾過器の使用は、循環式養殖システム(RAS)などの閉鎖型養殖システムで一般的です。養殖で使用される生物濾過技術は、生物学的、物理的、化学的の 3 つのカテゴリーに分類できます。主な生物学的方法は硝化です。物理的方法には機械的方法と沈殿があり、化学的方法は通常、他の方法のいずれかと組み合わせて使用されます。[ 21 ]一部の養殖場では、アオサ属などの海藻を使用して、水中の過剰な栄養分を除去し、「循環システム」で生態系に酸素を放出すると同時に、海藻を安全な食用として販売することで収入源にもなっています。[ 22 ]
さまざまな設計が使用されており、それぞれ利点と欠点がありますが、機能は同じです。アンモニアを硝酸塩に変換することで水交換を減らします。アンモニア（NH 4 +および NH 3 ）は、水生動物の鰓からの腕管排泄物と有機物の分解に由来します。アンモニア-N は毒性が非常に高いため、毒性の低い亜硝酸塩（ Nitrosomonas sp. による）に変換され、さらに毒性の低い硝酸塩（Nitrobacter sp. による）に変換されます。この「硝化」プロセスには酸素（好気性条件）が必要であり、酸素がないとバイオフィルターが機能しなくなる可能性があります。さらに、この硝化サイクルで H +が生成されるため、pH が低下する可能性があり、石灰などの緩衝剤の使用が必要になります。