JP3260558B2 - 間欠曝気式活性汚泥法の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、下水や生活排水を生物
学的に処理する方法であり、特に排水中の窒素、リンを
除去する間欠曝気式活性汚泥法の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】下水や生活排水の処理は有機物除去が主
体であり、活性汚泥法に代表される生物学的処理法が一
般に用いられてきた。しかし近年になって、湖沼等の閉
鎖性水域では富栄養化が大きな問題となっており、この
原因となる窒素、リンの除去が重要となってきた。その
ため、有機物に加えて窒素、リンを除去できる処理法が
活性汚泥法の改良法として開発されてきており、代表的
な方法としてＡ₂ Ｏ（嫌気−無酸素−好気法）、回分式
活性汚泥法、間欠曝気式活性汚泥法（以下、間欠曝気法
と略称する）等が挙げられる。これらの方法では、微生
物が好気条件、嫌気条件に交互におかれ有機物、窒素、
リンの除去がなされる。

【０００３】ここで、窒素、リン除去を目的とする下水
処理について、その原理を簡単に述べる。下水中の有機
物は活性汚泥を構成する微生物の食物となり分解除去さ
れる。窒素は好気性の条件下で硝化菌の働きによりＮＨ
₄ −Ｎ（アンモニア性窒素）がＮＯ₃ −Ｎ（硝酸性窒
素）に酸化され、次いで嫌気性の条件下で脱窒菌の働き
によりＮＯ₃ −ＮがＮ₂ （窒素ガス）に還元されて除去
される。脱窒速度は有機物が存在すると速くなり、有機
物の種類によっても影響を受ける。硝化・脱窒の関係を
整理すると次のようになる。

【０００４】 反応 窒素の形態変化 反応条件 微生物 硝化反応 アンモニア性窒素→硝酸性窒素 好気性（溶存酸素あり） 硝化菌 脱窒反応 硝酸性窒素 →窒素ガス 嫌気性（溶存酸素なし） 脱窒菌 リンは曝気槽の運転条件を好気性、嫌気性に交互に変え
ることにより、細胞内にリンを多量に蓄積する性質を持
つ活性汚泥をつくりだし、この活性汚泥を利用して除去
する。即ち、この活性汚泥は嫌気性条件でリンを放出
し、好気性条件でリンを吸収する性質があるため、好気
性条件でリンの吸収を行ない、リンを多量に吸収した活
性汚泥を余剰汚泥として処理系から除くことにより脱リ
ンを行なう。この関係は下記のように整理することがで
きる。

【０００５】 反応 槽内のリン濃度 反応条件 リン除去 リン放出 増加 嫌気性（溶存酸素なし） ─ リン吸収 減少 好気性（溶存酸素あり） 活性汚泥抜き出し このように窒素、リンの除去においては、好気性、嫌気
性の２条件が不可欠であるが、厳密には脱窒のための嫌
気性条件と脱リンのための嫌気性条件とは異なってお
り、間欠曝気法では脱窒が終了し槽内にＮＯ₃ −Ｎに起
因する酸素分子が無くなった後で活性汚泥からのリンの
放出が起こり、これが次の曝気工程におけるリンの吸収
につながっている。

【０００６】間欠曝気法は好気条件、嫌気条件の比率を
時間的に設定でき、しかも既存の施設にも比較的容易に
適用できることから注目されている方法であり、本発明
者らは従来の間欠曝気法を大幅に改善する方法として、
排水が流入する第１曝気槽と、この第１曝気槽に直列に
連結した第２曝気槽の二つの曝気槽を用い、その後段に
最終沈澱池を設けた装置と、その制御方法（以下、２槽
式間欠曝気法と記す）を特開平６─５５１９０号公報に
より開示している。

【０００７】以下にその概要を図３と図４（ａ），
（ｂ）を参照して説明する。図３は特開平６─５５１９
０号公報に記載の間欠曝気法及び制御システムを説明す
るための要部構成を示す模式図であり、図３では、水お
よび空気の経路を実線の矢印、制御信号系統を点線の矢
印で表わしてあり、この装置は主として、下水１が流入
し活性汚泥によって有機物、窒素、リンが除去される第
１曝気槽２ａと第２曝気槽２ｂ、重力沈降によって活性
汚泥が分離され処理水３が得られる最終沈澱池４、沈降
した活性汚泥を第１曝気槽２ａに返送する返送汚泥ポン
プ５から構成してある。第１曝気槽２ａと第２曝気槽２
ｂの容積比はおよそ１：１であり、処理水の滞留時間の
合計は最終沈澱池４も含めて１６〜３２時間である。制
御系は第１曝気槽２ａ内の酸化還元電位を測定する第１
のＯＲＰ計６ａ、第２曝気槽２ｂ内の酸化還元電位を測
定する第２のＯＲＰ計６ｂ、およびこれらＯＲＰ計の値
に基づいて第１曝気ブロワ７ａ、第２曝気ブロワ７ｂ、
第１攪拌ポンプ８ａ、第２攪拌ポンプ８ｂへの制御信号
を出力する制御装置９からなっている。

【０００８】このような装置系における運転制御の基本
的な考え方は、下水１が流入する第１曝気槽２ａと、こ
の第１曝気槽２ａに直列に連結した第２曝気槽２ｂの二
つの曝気槽を用い、第１曝気槽２ａで硝化、脱窒を一定
時間に制御することにより、リン放出時間を確保し、第
２曝気槽２ｂでは硝化、脱窒を行うとともに、リン放出
を防止しつつ制御の１周期を所定の時間に維持し、高い
窒素、リン除去率を得ることにある。その具体的な方法
を、制御に伴うＯＲＰの変化とともに、図４（ａ）、
（ｂ）を併用参照して説明する。図４（ａ）、（ｂ）
は、制御を実施中に、任意のタイミングで曝気開始時間
を零点として、時間の経過に伴うＯＲＰの変化を示した
ものであり、図４（ａ）は第１曝気槽におけるＯＲＰ、
図４（ｂ）は第２曝気槽におけるＯＲＰのそれぞれ時間
経過に対する線図である。

【０００９】はじめに、第１曝気槽２ａの制御方法につ
いて述べる。硝化とリン吸収を行なう曝気時間をＴ_a 、
脱窒時間をＴ_b とし、Ｔ_a とＴ_b の和である時間Ｔ_c が
あらかじめ設定した時間Ｔ_csと一致するように、曝気時
間Ｔ_a を調節する。ここで第１のＯＲＰ計６ａのＯＲＰ
の変化を見ると、脱窒終了時に屈曲点Ａが出現してお
り、屈曲点Ａを検出することによって時間Ｔ_c を測定
し、Ｔ_csとＴ_c の差に基づいて曝気時間Ｔ_a を調節す
る。その結果、後述のように１周期はほぼＴ_fs 時間に
維持されているため、リン放出時間がＴ_fs−Ｔ_csとして
確保されることになる。

【００１０】第２曝気槽２ｂの制御方法は、硝化とリン
吸収のための曝気時間をＴ_d 、脱窒が進行する攪拌時間
をＴ_e とし、Ｔ_d とＴ_e の和である時間Ｔ_f があらかじ
め設定した時間Ｔ_fsと一致するように、曝気時間Ｔ_d を
調節し、併せて時間Ｔ_f 経過後１周期が終了したとし
て、第１曝気槽２ａ、第２曝気槽２ｂを同時に曝気状態
に復帰させる。これは、第２のＯＲＰ計６ｂのＯＲＰの
変化から屈曲点Ｂを検出して時間Ｔ_f を測定し、Ｔ_fsと
Ｔ_f の差に基づいて曝気時間Ｔ_d を調節することにより
行なう。この結果、脱窒が終了すると直ちに曝気状態と
なるため、第２曝気槽２ｂにおいてリンが放出されるこ
となく、高い窒素、リン除去率が得られる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、本
発明者らが特開平６─５５１９０号公報により開示した
２槽式間欠曝気法は、通常の下水や生活排水を処理する
場合、高い窒素、リン除去率が得られるなど優れた利点
を持つものであるが、本発明者らのその後の研究によ
り、なお次のような問題を解決しなければならないこと
がわかった。

【００１２】それは、水温が１０℃程度と低い場合、脱
窒速度が低下して脱窒が不十分となり、処理水中の窒素
濃度が高くなるという点である。即ち、水温が低い場
合、第１及び第２曝気槽の脱窒速度が低下するが、脱窒
時間を長くすると曝気時間が不足するため、脱窒時間を
ある程度以上長くすることができず、この場合、第２曝
気槽では脱窒が完了しない状態で、強制的に次の運転周
期に移行することになり、結果的に脱窒が不十分となる
ことである。

【００１３】また、水温が２０℃前後の常温であったと
しても、充当できる脱窒時間には限界があることから、
流入水中の窒素濃度が５０ｍｇ／Ｌ程度以上と高い場合
には、脱窒時間が不足して、処理水中の窒素濃度が高く
なる。本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、
その目的は水温が低い場合や窒素濃度が高い場合にも、
窒素除去率の低下を防止することができる２槽式間欠曝
気法の制御方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明による２槽式間欠曝気法の運転は次のよう
に行なう。即ち、本発明では、第１曝気槽にＯＲＰ計を
設置しておき、所定の時間（Ｔ_a ）曝気を行なった後攪
拌工程に移行して、ＯＲＰ屈曲点の検出に基づいて脱窒
時間（Ｔ_b ）を測定し、Ｔ_a とＴ_b の和の時間（Ｔ_c ）
を求め、Ｔ_c があらかじめ設定した時間（Ｔ_cs）となる
ように、言い換えれば屈曲点が所定の時間Ｔ_csに出現す
るように、第１曝気槽の脱窒工程で添加する例えばメタ
ノールのような生物易分解性有機物の注入量を制御す
る。

【００１５】

【作用】脱窒速度は添加する有機物の種類によって大き
く異なり、メタノールを添加した場合の速度は、下水中
の有機物を利用する場合に比べて４倍程度速くなる。そ
こで、メタノールを第１曝気槽の脱窒工程に添加するこ
とにより、大幅に脱窒速度を増すことができる。ただ
し、屈曲点が所定の時間Ｔ_csに出現しないとリン除去に
悪影響を与えるので、屈曲点が時間Ｔ_csに出現するよう
にメタノールの注入量を制御する。

【００１６】このような運転制御を行なうと、高い脱窒
速度が得られるため、水温が低い場合や流入水窒素濃度
が高い場合にも窒素除去率が低下することはない。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による制御方法の実施例を図面
を参照して説明する。図１は本発明の方法が適用される
２槽式間欠曝気法の装置および制御システムの要部構成
を示す模式図である。図１の図３と共通する部分には同
一符号を用いてあり、矢印線の扱いも図３と同じであ
る。図１において、この装置は図３に示した装置と基本
的に同じであるが、異なる点はメタノール貯留槽１０と
メタノール注入ポンプ１１を備えていることにある。

【００１８】この装置を用いた運転制御方法を制御に伴
うＯＲＰの変化とともに、図２（ａ）、（ｂ）も併用参
照して説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、制御を実施中
に、任意のタイミングで曝気開始時間を零点として、時
間の経過に伴うＯＲＰのの変化を示したものであり、図
２（ａ）は第１曝気槽におけるＯＲＰ、図２（ｂ）は第
２曝気槽におけるＯＲＰの時間経過に対する線図であ
る。

【００１９】はじめに、第１曝気槽２ａの制御方法を説
明する。第１曝気槽２ａでは曝気時間Ｔ_a はあらかじめ
設定されており、脱窒時間をＴ_b とし、Ｔ_a とＴ_b の和
である時間Ｔ_c があらかじめ設定した時間Ｔ_csと一致す
るように、脱窒時間Ｔ_b をメタノールの注入量を制御す
ることによって調節する。即ち、第１のＯＲＰ計６ａの
ＯＲＰの変化を見ると、脱窒終了時に屈曲点Ａが出現し
ており、屈曲点Ａを検出することによって時間Ｔ_c を測
定し、Ｔ_csとＴ_c の差に基づいてメタノールの注入量を
制御し、結果として脱窒時間Ｔ_b を調節する。

【００２０】ここで脱窒工程における反応について述べ
る。脱窒は下水１が流入している条件で進行するため、
この工程では有機物として下水１中の有機物と、注入さ
れるメタノールが混合した形態で利用されることにな
る。有機物がメタノール単独の場合、下水１中の有機物
のみを利用した場合に比べ、脱窒速度は約４倍速くなる
ので、前記のように混合して利用される場合は、メタノ
ールの割合によって脱窒速度が変化することになる。し
たがって、メタノールの注入量を変えることによって脱
窒速度を調節し、結果的に脱窒時間Ｔ_b を調節すること
ができる。

【００２１】具体的にメタノールの注入量を調節する方
法は下記（１）式による。 Ｍ_n ＝Ｍ_n-1 −Ｋ₁ （Ｔ_cs−Ｔ_c ） （１） 但し、Ｍ_n ：次周期におけるメタノール注入量 Ｍ_n-1 ：現周期におけるメタノール注入量 Ｋ₁ ：定数 Ｔ_cs ：曝気時間と脱窒時間の和の設定値 Ｔ_c ：現周期における曝気時間と脱窒時間の和 時間Ｔ_c は、現周期までの数回の周期の第１曝気槽の曝
気時間と脱窒時間の和の平均値（移動平均）を用いても
よい。また、メタノールは計算量を脱窒工程の初期段階
で注入する。なお、メタノールを添加した脱窒速度にも
上限があり、添加量を増すにつれて脱窒速度が上がる訳
ではない。したがって、制御プログラムにおけるメタノ
ール添加量には上限を設けておき、その範囲内で注入量
の制御を行なう。この制御演算は制御装置９で行なわ
れ、メタノール貯留槽１０からのメタノールを流量制御
されたメタノール注入ポンプ１１を用いて注入すること
ができる。

【００２２】次に、このようにメタノールの注入制御を
行なうことにより、窒素除去量が増加する理由をさらに
具体的に説明する。図２（ａ）では硝化を行う曝気時間
Ｔ_aは４０分に設定されており、Ｔ_csは６０分であるか
ら、脱窒時間Ｔ_b は２０分に制御されている。一方、前
述の図４における制御方法では、Ｔ_csは同じ６０分であ
るが、脱窒に時間を要するため曝気時間Ｔ_a は２５分程
度に制御されている。即ち、図２に示した本発明の制御
法は、図４の場合に比べ、１周期当たりの曝気時間が１
５分も長くなっており、その分硝化量が増えているが、
脱窒速度が速いため時間Ｔ_c で脱窒が完了している。こ
れは、第１曝気槽２ａにおける窒素除去量の増加を意味
している。

【００２３】また、リン除去については、後述のように
１周期はほぼＴ_fs 時間に維持されているため、リン放
出時間がＴ_fs−Ｔ_csとして確保されることになり、リン
除去は良好に維持される。さらに、本発明による制御方
法では、第１曝気槽２ａ内に有機物を添加することにな
るが、添加した有機物は脱窒で殆ど消費され、流出した
有機物は第２曝気槽２ｂで処理されるから、処理水中の
有機物濃度が高くなることはない。

【００２４】次に第２曝気槽２ｂの制御方法は、前述の
従来の技術の項に記載した方法と同じであるから説明を
省略するが、前述のように第１曝気槽２ａで多量の窒素
が除去されているため、第２曝気槽２ｂで除去すべき窒
素は少なく、脱窒速度が低下していても脱窒を完了させ
ることができる。したがって、屈曲点Ｂが出現するた
め、１周期はほぼＴ_fs時間に維持されることになる。

【００２５】以上、本発明の実施例について説明した
が、第１曝気槽２ａに添加する有機物としては、生物易
分解性の有機物であればよく、これまで述べてきたメタ
ノールに限ることなく、微生物に分解されやすい酢酸や
エタノールを用いても同様の効果を得ることができる。

【００２６】

【発明の効果】２槽式間欠曝気法は、水温が１０℃程度
と低い場合、脱窒速度が低下して脱窒が不十分となり、
処理水中の窒素濃度が高くなり、また、水温が２０℃前
後の常温であったとしても、充当できる脱窒時間には限
界があることから、流入水中の窒素濃度が５０ｍｇ／Ｌ
程度以上と高い場合には、脱窒時間が不足して、処理水
中の窒素濃度が高くなるという問題に対処するためにな
された本発明の方法は、以下の利点を有する。

【００２７】即ち、本発明は、第１曝気槽において、Ｏ
ＲＰ計を設置しておき、所定の時間曝気を行った後攪拌
工程に移行してＯＲＰ屈曲点の検出に基づいて脱窒時間
を測定し、曝気時間と脱窒時間の和を求め、その和があ
らかじめ設定した所定の値となるように、言い換えれば
屈曲点が所定の時間に出現するように、第１曝気槽の脱
窒工程でメタノールを添加し、その注入量を制御するも
のであり、メタノールを添加した場合の脱窒速度は、原
水の有機物添加の場合より約４倍速く、水温が低い場合
や、原水中の窒素濃度が高い場合にも必要な脱窒速度を
得ることが可能である。したがって、限られた脱窒時間
に多量の窒素を除去し、良好な窒素除去率を得ることが
できる。また、本発明の制御方法では第１曝気槽におい
てリン放出時間を確保するので、リン除去率が低下する
こともない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の２槽式間欠曝気法の制御方法が適用さ
れる下水処理装置の要部構成を示す模式図

【図２】本発明の２槽式間欠曝気法の制御方法における
第１曝気槽、第２曝気槽のＯＲＰの変化を示し、（ａ）
は第１曝気槽のＯＲＰ、（ｂ）は第２曝気槽のＯＲＰの
それぞれ時間経過に対する関係線図

【図３】本発明者らが出願中の２槽式間欠曝気法の制御
方法が適用される下水処理装置の要部構成を示す模式図

【図４】本発明者らが出願中の２槽式間欠曝気法の制御
方法における第１曝気槽、第２曝気槽のＯＲＰの変化を
示し、（ａ）は第１曝気槽のＯＲＰ、（ｂ）は第２曝気
槽のＯＲＰのそれぞれ時間経過に対する関係線図

【符号の説明】

１ 下水 ２ａ 第１曝気槽 ２ｂ 第２曝気槽 ３ 処理水 ４ 最終沈殿池 ５ 返送汚泥ポンプ ６ａ 第１のＯＲＰ計 ６ｂ 第２のＯＲＰ計 ７ａ 第１曝気ブロワ ７ｂ 第２曝気ブロワ ８ａ 第１攪拌ポンプ ８ｂ 第２攪拌ポンプ ９ 制御装置 １０ メタノール貯留槽 １１ メタノール注入ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 豊 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 初又 繁 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−262197（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−238293（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−104896（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 3/12 C02F 3/30 C02F 3/34 101

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１曝気槽と、この第１曝気槽に直列に連
   結した第２曝気槽を備え、これら二つの曝気槽で排水の
   曝気を行う好気状態と、曝気を停止して攪拌を行なう嫌
   気状態を交互に繰り返すことにより、排水中の窒素、リ
   ンを除去する間欠曝気式活性汚泥法の制御方法であっ
   て、各曝気槽にＯＲＰ計を設置しておき、第１曝気槽で
   所定の時間（Ｔ_a ）曝気を行った後攪拌工程に移行して
   第１曝気槽のＯＲＰ屈曲点の検出に基づいて脱窒時間
   （Ｔ_b ）を測定し、Ｔ_a とＴ_b の和の時間（Ｔ_c ）を求
   め、Ｔ_c があらかじめ設定した時間（Ｔ_cs）となるよう
   に、第１曝気槽の脱窒工程で添加する生物易分解性有機
   物の注入量を制御することを特徴とする間欠曝気式活性
   汚泥法の制御方法。