JP2014205104A - 水処理装置および方法 - Google Patents

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佳記 西田
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一郎 山野井
浩人 横井
Hiroto Yokoi
浩人 横井
隆広 舘
Takahiro Tachi
隆広 舘
剛 武本
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剛 武本
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Abstract

【課題】A2N法におけるDPAOの活性および処理水質維持を両立する水処理装置および方法を提供する。【解決手段】原水が流入する嫌気槽１と，前記嫌気槽１から流出する活性汚泥混合液を上澄み液と濃縮汚泥とに分離する汚泥分離槽２と，前記上澄み液を処理する硝化槽３と，前記濃縮汚泥と前記硝化槽３からの流出水が流入する無酸素槽４と，前記無酸素槽４からの流出水が流入する好気槽５とを備えた水処理装置において，前記無酸素槽４の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度の指標を計測する水質計測手段１６，１８を備え，前記水質計測手段１６，１８から，前記無酸素槽４の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度を算出し，該算出した硝酸性窒素濃度を用いて前記硝化槽３の曝気風量を制御する第1風量制御手段１９を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は，活性汚泥を用いた生物処理による水処理プロセスに関する。
下水処理場をはじめとする水処理プラントにおいて，処理水質の向上を目的として有機物に加えて窒素やリンを活性汚泥（微生物群）により除去する高度処理が各地で導入されている。高度処理における一般的な生物学的窒素除去は，硝化工程と脱窒工程から構成されている。硝化工程は好気状態で行われ，硝化菌により下水中のアンモニア性窒素(NH4-N)は硝酸性窒素(NO3-N)へ酸化される。脱窒工程は無酸素状態で行われ，脱窒菌によりNO3-NはN2ガスへ還元される。N2ガスは大気中へ放出されるため，液相中から窒素は除去される。一方，生物学的リン除去は，リン蓄積菌(PAO)と呼ばれる微生物の働きを利用している。このPAOは，嫌気工程において細胞内に蓄積したポリリン酸を加水分解し，エネルギー（ATP：アデノシン三リン酸）を獲得する。このATPを利用し，PAOは有機物を摂取するが，同時に分解されたポリリン酸がリン酸態リン(PO4-P)として放出されるため，液相中のPO4-P濃度は上昇する。一方，好気工程では，PAOの細胞内に蓄積した有機物が酸素により酸化分解され，エネルギー (ATP)が発生する。PAOはこのATPを利用して放出量以上のPO4-Pを取り込み，ポリリン酸として蓄積する。そして，PO4-Pが蓄積した活性汚泥は沈殿池で引き抜かれ，系外へリンが除去される。
窒素とリンの除去を両立するプロセスとしては，嫌気―無酸素―好気法（A2O法）がある。A2O法では，硝化菌，脱窒菌，PAOの併用により窒素とリンを除去している。しかし，脱窒菌とPAOは共に従属栄養細菌であるため，両者の間には有機物を巡る競合関係が存在する。そのため，特に日本のような流入下水中の有機物濃度が低い場合，有機物が制限因子となり窒素とリンの除去が不十分になるおそれがある。このような問題の解決手段として，PAOの持つリン除去能力に加えて脱窒能力をも有する脱窒性リン蓄積菌 (DPAO)の活用が期待されている。全てのPAOは電子受容体として酸素を利用することができるが，DPAOは酸素に加えて硝酸も利用することができる。DPAOは単独で窒素とリンを除去するため，有機物の効率的な利用が可能である。
DPAO活用プロセスとしては，Single-sludge systemとTwo-sludge systemがある。Single-sludge systemの例としては，嫌気−好気−無酸素活性汚泥法（AOA法）がある(［特許文献1］を参照)。AOA法における活性汚泥は嫌気，好気，無酸素状態の全てに曝される。AOA法では，好気工程でのDPAOによるリン摂取を抑制し，無酸素工程で十分な脱窒を行うために，好気工程開始前に有機物の添加が必要であるとされている。一方，Two-sludge system の例としては，外部硝化嫌気無酸素法法（A2N法あるいはDEPHANOX法）(［非特許文献1］参照)がある。A2N法では，嫌気槽の後段に汚泥分離槽が設置される。汚泥分離槽において活性汚泥を沈降させ，上澄み液と，濃縮させた濃縮汚泥とに分離される。上澄み液は硝化槽へ移送され，硝化槽内に存在する硝化菌によりNH4-NがNO3-Nに硝化される。そして，無酸素槽において硝化槽流出水と，濃縮汚泥が混合される。無酸素槽の後段には最終沈殿池が設置され，活性汚泥と上澄み液を沈降分離し，上澄み液を処理水として系外に放流する。沈降した活性汚泥は返送ポンプにより嫌気槽へと返送され，再度一連の生物処理に利用される。下水中の有機物は嫌気槽においてDPAOにより摂取され，窒素は硝化槽での硝化を経て，無酸素槽においてDPAOもしくは脱窒菌により脱窒され，リンは硝化槽流出水中の硝酸を用いてDPAOが摂取することにより除去される。
A2N法では，硝化工程と脱窒・リン除去工程で用いる活性汚泥を分離しており，後者の活性汚泥は好気条件に曝露されないため，電子受容体として酸素のみ利用可能なPAOに比べてDPAOの活性は高まり，DPAOは高度に集積する。集積したDPAOの活用により，酸素供給なしにリン除去が可能となるため，ブロワの消費電力を低減できる。また，DPAOは蓄積した有機物は脱窒とリン除去の両方に利用するため，流入有機物負荷が低い場合においても窒素・リン除去が可能となる。
特許第4267860号公報
T. Kuba, M.C.M Van Loosdrecht, J.J. Heijnen: Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system. Water Research, Vol.30, No.7, pp.1702-1710, 1996. 山野井一郎，武本剛，田所秀之：酸化還元電位 (ORP)によるN2O抑制制御方式の開発，学会誌「EICA」，Vol.2/3, pp.28-37, 2011.
非特許文献１のA2N法の構成では，硝化工程での硝化が不十分であると，後段の無酸素工程におけるDPAOの脱窒・リン蓄積量および脱窒菌の脱窒量が減少し，処理水質が悪化するという問題がある。また，無酸素工程でのDPAOや脱窒菌の活性が低い場合，無酸素工程での窒素・リン除去が低下し，処理水質が悪化する恐れがある。そこで，本発明では，A2N法におけるDPAOの窒素・リン除去性能を確保し，高い処理水質を維持する水処理装置および方法を提供することを目的とする。
上記課題を達成するために本発明は，原水が流入する嫌気槽と，前記嫌気槽から流出する活性汚泥混合液を上澄み液と濃縮汚泥とに分離する汚泥分離槽と，前記上澄み液を処理する硝化槽と，前記濃縮汚泥と前記硝化槽からの流出水が流入する無酸素槽と，前記無酸素槽からの流出水が流入する好気槽とを備えた水処理装置において，
前記無酸素槽の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度の指標を計測する水質計測手段を備え，前記水質計測手段から，前記無酸素槽の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度を算出し，該算出した硝酸性窒素濃度を用いて前記硝化槽の曝気風量を制御する第1風量制御手段を備えたことを特徴とするものである。
更に，本発明の水処理装置は，前記水質計測手段として，硝酸性窒素濃度計，又は酸化還元電位計を設置したことを特徴とするものである。
更に，本発明の水処理装置は，前記濃縮汚泥の流量を制御する移送汚泥量制御手段を備え，前記水質計測手段により計測した前記無酸素槽の流出水の硝酸性窒素濃度を算出し，該算出した硝酸性窒素濃度に基づいて前記移送汚泥量制御手段による前記濃縮汚泥の流量の制御を行うことを特徴とするものである。
更に，本発明の水処理装置は，前記好気槽の曝気風量を制御する第２風量制御手段と，前記無酸素槽の流出水のリン濃度を計測するリン濃度計測手段とを備え，前記リン濃度計測手段により計測した前記無酸素槽の流出水のリン濃度に基づいて，前記第２風量制御手段による前記好気槽の曝気風量を制御することを特徴とするものである。
更に，本発明の水処理装置は，前記好気槽の曝気風量を制御する第２風量制御手段と，前記無酸素槽の流出水のリン濃度を計測するリン濃度計測手段とを備え，前記無酸素槽の流出水のリン濃度と目標値のリン濃度の差分に基づいて前記第２風量制御手段の曝気風量の制御を行うことを特徴とするものである。
また，上記課題を達成するために本発明は，原水が流入する嫌気槽と，前記嫌気槽から流出する活性汚泥混合液を上澄み液と濃縮汚泥とに分離する汚泥分離槽と，前記上澄み液を処理する硝化槽と，前記濃縮汚泥と前記硝化槽からの流出水が流入する無酸素槽と，前記無酸素槽からの流出水が流入する好気槽とを備え，前記原水を処理する水処理方法において，
前記無酸素槽の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度の指標を計測し，前記無酸素槽の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度を算出して，前記硝化槽の曝気風量を制御することを特徴とするものである。
更に，本発明の水処理方法は，前記硝酸性窒素濃度の指標を計測するために，硝酸性窒素濃度計，又は酸化還元電位計を用いることを特徴とするものである。
更に，本発明の水処理方法は，前記無酸素槽の流出水の硝酸性窒素濃度を算出し，該算出した硝酸性窒素濃度に基づいて前記濃縮汚泥の流量の制御を行うことを特徴とするものである。
更に，本発明の水処理方法は，前記無酸素槽の流出水のリン濃度を計測し，計測したリン濃度に基づいて，前記好気槽の曝気風量を制御することを特徴とするものである。
更に，本発明の水処理方法は，前記無酸素槽の流出水のリン濃度を計測し，計測したリン濃度と目標値のリン濃度の差分に基づいて，前記好気槽の曝気風量を制御することを特徴とするものである。
本発明によれば，脱窒性リン蓄積菌を用いた水処理における安定的な窒素，リン除去を実現することが可能になる。
実施例1に係る水処理装置Sの構成を示す構成図である。 実施例１における，第１ブロワ９の曝気風量および移送ポンプ７の制御フロー図である。 実施例２に係る水処理装置Sの構成を示す構成図である。 実施例２における，第２ブロワ１１の曝気風量の制御フロー図である。 実施例２の変形例に係る水処理装置Sの構成を示す構成図である。 実施例２の変形例における，第２ブロワ１１の曝気風量の制御フロー図である。
図１は，第１実施形態に係る水処理装置５００の構成を示す構成図である。この水処理装置５００は，DPAOを活用して窒素とリンを除去する。
（水処理装置の構成）
図１に示すように，水処理装置５００は，主な構成要素として，嫌気槽１，汚泥分離槽２，硝化槽３，無酸素槽４，好気槽５及び最終沈殿池６を有している。これらの構成要素の機能について以下説明する。
（嫌気槽）
嫌気槽１は，活性汚泥中のPAO及びDPAOに原水（下水１００）中の有機物を摂取させ，有機物を除去する槽である。
（汚泥分離槽）
汚泥分離槽２は，上澄み液１０１と，活性汚泥を沈降させて濃縮した濃縮汚泥１０２とに分離する槽である。上澄み液１０１は硝化槽３に移送され，濃縮汚泥１０２は無酸素槽４に移送される。
（硝化槽）
硝化槽３には，汚泥分離槽２で分離された上澄み液１０１が移送され，硝化槽３内に存在する硝化菌によりNH4-Nを硝化し，NO3-Nとする槽である。
（無酸素槽）
無酸素槽４は，DPAOや脱窒菌が，硝化槽３で硝化により生成したNO3-Nを脱窒して除去するとともに，硝化槽３で生成した硝酸イオンを用いて，DPAOがリンを摂取する槽である。
（好気槽）
好気槽５は，無酸素槽４の流出水中の脱窒気泡を曝気により除去し，活性汚泥の沈降性を維持するとともに，無酸素槽４の流出水中に残存したNH4-Nの硝化や，PAOやDPAOによる補完的な好気的リン除去を行う槽である。
（最終沈殿池）
最終沈殿池６は，上澄み液と活性汚泥を沈降分離する施設である。沈降分離した上澄み液は，処理水１０３として系外に放流される。また，沈降分離した活性汚泥は嫌気槽１へと返送され，再度一連の生物処理に利用される。
以下，水処理装置５００についてより詳細に説明する。
図１に示すように，嫌気槽１と汚泥分離槽２は流路により連通している。汚泥分離槽２の下流に硝化槽３が設置され，また，汚泥分離槽２は流路２００と移送ポンプ７を通じて無酸素槽４と連通している。硝化槽３には，第１散気部８と，これに空気を供給する第１ブロワ９が設置されている。硝化槽３の下流には無酸素槽４が設置されており，無酸素槽４には，硝化槽３からの流出水と，移送ポンプ７により移送される汚泥分離槽２からの濃縮汚泥１０２とが流入する。無酸素槽４の下流には好気槽５が設置されており，好気槽５には第２散気部１０と，これに空気を供給する第２ブロワ１１が設置されている。好気槽５の下流側には最終沈殿池６が設置されており，流路８００と返送ポンプ１２を通じて嫌気槽１と連通している。硝化槽３には，活性汚泥担体１３が投入されており，硝化槽３の末端には活性汚泥担体１３を捕捉するためにスクリーン１４が設置されている。
嫌気槽1の上流側に，下水１００の流入水量を計測する流量計１５が設置されている。硝化槽３と無酸素槽４とを連通する流路には，NO3-N濃度の指標を計測する水質計測手段である第１水質計１６が設置されており，無酸素槽４の流入水のNO3-N濃度が算出される。さらに，硝化槽３と無酸素槽４とを連通する流路には，無酸素槽４の流入水のNH4-N濃度の指標を計測する水質計測手段である第２水質計１７が設置されており，無酸素槽４の流入水のNH4-N濃度が算出される。また，無酸素槽４と好気槽５とを連通する流路には，NO3-N濃度の指標を計測する水質計測手段である第３水質計１８が設置されており，無酸素槽４からの流出水のNO3-N濃度が算出される。本実施例では，第１水質計１６および第３水質計１８として，ともにNO3-N濃度計を用いる。また，本実施例では，第２水質計１７として，NH4-N濃度計を用いる。第１ブロワ９には第１風量制御手段１９が接続されており，第１風量制御手段１９により第１ブロワ９の曝気風量は制御される。また，移送ポンプ７には移送汚泥量制御手段２０が接続されており，移送汚泥量制御手段２０により移送ポンプ７の流量は制御される。
前述したように，水処理装置５００は，硝化工程で用いる活性汚泥と，脱窒・リン除去工程で用いる活性汚泥とを分離するA2N法を実施する。
活性汚泥中のPAOには，リンの取り込み時において，電子受容体として酸素のみ利用可能なPAOと，酸素と硝酸の両方を利用可能なPAO (DPAO)存在する。A2N法では，脱窒・リン除去工程で用いられる活性汚泥は，長時間の好気状態が存在する硝化槽３を通過しないため，電子受容体として酸素のみ利用可能なPAOに比べてDPAOの活性は高まり，DPAOの集積度は上昇する。
第１実施形態に係る水処理装置５００によるA2N法での処理の流れは以下の通りである。
原水（下水１００）は嫌気槽１に流入し，下水１００中の有機物は活性汚泥中のPAO及びDPAOにより摂取される。嫌気槽１からの活性汚泥は汚泥分離槽２に流入し，重力により上澄み液１０１と濃縮汚泥１０２とに分離される（沈降分離）。上澄み液１０１は硝化槽３に流入し，活性汚泥担体１３内に固定化された硝化菌により，上澄み液１０１中のNH4-NはNO3-Nに硝化される。無酸素槽４には，硝化槽３からの流出水と，流路２００及び移送ポンプ７により汚泥分離槽２から移送される濃縮汚泥１０２とが流入する。無酸素槽４ではDPAOによる脱窒・リン除去と，脱窒菌による脱窒が行われる。好気槽５では残存したNH4-Nの硝化と好気的なリン除去が行われる。また，好気槽５において脱窒気泡は曝気により除去され，最終沈殿池６における活性汚泥の沈降性が維持される。最終沈殿池６では，好気槽５からの活性汚泥が固液分離され，上澄み液は処理水１０３として系外に排出される。一方，最終沈殿池６において分離された活性汚泥は流路８００と返送ポンプ１２により嫌気槽１へ返送される。
従来のA2N法では第１ブロワ９の曝気風量は一定に維持するか，下水１００の流入水量に対する比を一定に制御する。また，移送ポンプ７の流量は一定に維持するか，上澄み液１０１の流量と濃縮汚泥１０２の流量との比率を一定に制御する。そのため，第１ブロワ９の曝気風量が少ない場合，硝化槽３での硝化が不十分となる可能性がある。無酸素槽４への流入NO3-N量が低下すると，DPAOによる無酸素的リン摂取および脱窒菌による脱窒が制限され，無酸素槽４における窒素・リン除去性能が低下する。また，無酸素槽４におけるDPAOの活性が低い場合，無酸素槽４での窒素除去性能が低下し，処理水１０３中の窒素濃度が上昇する可能性がある。そこで，本実施例では，硝化槽３での硝化効率と無酸素槽４での脱窒効率とを評価し，評価結果から第１ブロワ９の曝気風量，および移送ポンプ７の流量を調整する制御フローを示す。図２は第１ブロワ９の曝気風量および移送ポンプ７の流量の制御フロー図である。以下，第１風量制御手段１９および移送汚泥量制御手段２０における前記制御フローについて詳細に説明する。
まず，ステップ１０１(以下，S101と称す)で流量計１５により計測した下水１００の流入水量 (Q)に，設定した空気倍率 (k1)を乗ずることにより第１ブロワ９の曝気風量 (q1)を算出する。なお，この段階では第１ブロワ９の曝気風量 (q1)は下水１００の流入水量 (Q)に関わらず一定でもよい。次に，S102で，第１水質計１６の計測値 (CNO3)と，第２水質計１７の計測値 (CNH4)と，第３水質計１８の計測値 (C’NO3)とを取り込む。S103で，評価指標として，硝化槽３における硝化率 (RN)と，無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度 (C’NO3)を算出する。ここで，硝化槽３における硝化率 (RN)とは，無酸素槽４の流入水のNH4-N濃度 (CNH4)およびNO3-N濃度 (CNO3)の合計量に占めるNO3-N濃度 (CNO3)の割合を表し式(1)で定義される。
S104で，第１風量制御手段１９において算出した硝化槽３における硝化率 (RN)が目標値 (RN-0)以上であれば，S105で，第１ブロワ９の曝気風量 (q1)を一定とする，または，硝化率 (RN)が目標値 (RN-0)より小さくならない程度に減少させる。一方，S104で，硝化槽３における硝化率(RN)が目標値 (RN-0)未満であれば，S106で，第１ブロワ９の曝気風量 (q1)を増加する。これにより，硝化槽３における硝化率 (RN)が向上し，十分量のNO3-Nを無酸素槽４に流入させることができるため，DPAOの活性を維持できる。
次に，S107で第３水質計１８により測定した無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度 (C’NO3)が目標値 (C’NO3-0)以下であれば，S108で移送ポンプ７の流量 (qS)を一定とする。一方，S107で第３水質計１８により測定した無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度 (C’NO3)が目標値 (C’NO3-0)より高ければ，S109で移送ポンプ７の流量 (qS)を増加させる。これにより，硝化槽３を経ずに直接無酸素槽４に流入する濃縮汚泥１０２量が増大する。DPAOは，好気状態においてもPO4-Pを摂取するため，先に好気状態（硝化槽３）を通過すると，続く無酸素状態（無酸素槽４）におけるDPAOのPO4-Pの摂取量は減少し，これに伴いDPAOによる脱窒量も減少する。また，脱窒菌による脱窒に必要な有機物は好気状態（硝化槽３）において酸化により減少する。以上より，移送ポンプ７の流量 (qS)を増加させ濃縮汚泥１０２に含まれるDPAOおよび有機物をより多く直接無酸素槽４に流入させることで，無酸素槽４における脱窒性能を向上させることができる。また，DPAOの好気状態（硝化槽３）との接触を低減できるため，DPAOの集積度も向上できる。ただし，移送ポンプ７の流量 (qS)を増加させると，上澄み液１０１の流量と濃縮汚泥１０２の流量との比率も変化するため移送ポンプ７の流量 (qS)の変化量 (ΔqS)に応じて，硝化槽３における硝化率の目標値 (RN-0)を調整しても良い。
ここで，第１ブロワ９の曝気風量 (q1)の変化量 (Δq1)は硝化槽３における硝化率 (RN)を目標値 (RN-0)に達するまでに必要な硝化量，つまり無酸素槽４に流入する窒素成分濃度の総和と，硝化率 (RN)と目標値 (RN-0)との差分との関数となる。また，S105で第１ブロワ９の曝気風量 (q1)を減少させる場合もその減少量 (Δq1)は式 (1)に従う。式(2)にΔq1の算出式を示す。また，移送ポンプ７の流量 (qS)の変化量 (ΔqS)は，無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度 (C’NO3)と目標値(C’NO3-0)の差分の関数で表される。式(3)にΔqSの算出式を示す。

以上の第１ブロワ９の曝気風量および移送ポンプ７の流量の制御により，A2N法の処理性能の安定化とDPAO活性維持を両立できる。すなわち，硝化槽３における硝化効率が不十分な場合，第１ブロワ９の曝気風量を増加し，硝化率を向上させることで，窒素除去率を向上し，さらにDPAOの活性を維持または向上させることができる。また，硝化槽３における硝化率は十分であるが，無酸素槽４における脱窒効率が低い場合，移送ポンプ７の流量を増加させることにより，硝化槽３を経ずに無酸素槽４への流入する有機物量およびDPAOが増加するため，脱窒性能を向上させることができる。
なお，本実施例では，硝化槽３に活性汚泥担体１３を投入したが，活性汚泥担体１３の代わりに浮遊活性汚泥を投入してもよい。その場合，硝化槽３の後段に沈殿池と活性汚泥返送設備を設置し，硝化槽３からの活性汚泥混合液を重力により固液分離し，沈降した活性汚泥は硝化槽３に返送する。
本実施例では，硝化槽３と無酸素槽４とを連通する流路に第１水質計１６を設置したが，無酸素槽４の流入水のNO3-N濃度の指標を測定できる場所であれば，硝化槽３の内部や無酸素槽４の内部に設置しても良い。同様に，第３水質計１８を，無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度の指標を測定できる場所であれば，無酸素槽４の内部や好気槽５の内部に設置しても良い。
本実施例では，硝化槽３と無酸素槽４とを連通する流路に，第２水質計としてNH4-N濃度計を設置したが，第２水質計を硝化槽３の上流側に設置し，その計測値から無酸素槽４の流入水のNH4-N濃度を算定しても良い。また，下水１００のNH4-N濃度の変動を記録したデータベースに基づき，無酸素槽４の流入水のNH4-N濃度 (CNH4)の最大値を推定し，その推定値を用いても良い。
ブロワ９の曝気風量については，上限値を設け，必要以上に曝気風量が増加しないようにしてもよい。
本実施例では，硝化槽３における硝化率の目標値 (RN-0)を設定したが，処理水１０３の水質が下水の放流水質基準値を満足するように，下水１００の窒素濃度または下水１００の流量に応じて調整しても良い。また，下水１００中のNH4-Nの除去は，硝化を経て脱窒されなければ実現できない。そのため，水処理装置５００の窒素除去性能は，汚泥分離槽２の流出水のうち，硝化槽３に流入する割合，つまり，上澄み液１０１の流量と，濃縮汚泥１０２の流量との比率に影響を受ける。そこで，硝化槽３における硝化率の目標値 (RN-0)は，処理水１０３の水質が下水の放流水質基準値を満足するように，上澄み液１０１の流量と，濃縮汚泥１０２の流量との比率に応じて調整しても良い。
本実施例では，硝化槽３における硝化率 (RN)の目標値 (RN-0)を設定したが，必ずしも目標値を設定する必要はなく，硝化槽３の硝化率 (RN)に応じて，ブロワ９の曝気風量 (q1)を制御しても良い。
本実施例では，無酸素槽４の流出水の目標値(C’NO3-0)を設定したが，必ずしも目標値を設定する必要なく，無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度 (C’NO3)に応じて，移送ポンプ７の流量 (qS)を制御しても良い。

＜第１実施形態の変形例１＞
前述の第１実施形態では，第１水質計１６としてのNO3-N濃度計の計測値と，第２水質計１７としてのNH4-N濃度計の計測値とを用いて硝化槽３における硝化率 (RN)を算出したが，第１水質計１６として酸化還元電位 (ORP)計を用いて，無酸素槽４の流出水のORPを計測し硝化槽３における硝化率 (RN)を算出しても良い。
ORPは式(4)に示すNernstの式で定義されており，酸化体と還元体の濃度によって算出される。ここでOxは酸化体，Redは還元体で，m, nは平衡式における係数を表す。また，Eh [V]: 電極電位，E0 [V]: 標準電極電位，R [J/(K・mol)]: 気体定数，T [K]: 絶対温度, n [mol]: 酸化還元反応において授受される電子数，F [C/mol]: ファラデー定数である。活性汚泥混合液中に含まれる酸化還元物質のうち，硝化反応ではNO3-NがNH4-Nに酸化される反応が主反応で，他の物質の濃度は一定と仮定した場合，ORP値は，式(4)に示すようにlog ([NO3-N] / [NH4-N])の一次式で近似できることが知られている（非特許文献２）。ここで，a, bは係数である。ORPを用いて硝化率を表すと，式(6)に示す形となる。そのため，予め式(6)における係数A, Bを下水処理場の実測データに基づき推定しておくと，無酸素槽４の流入水のORPを計測することで，硝化槽３における硝化率 (RN)を導出することが可能である。また，第２水質計１７の計測値を用いることで，無酸素槽４の流入水のNO3-N濃度 (CNO3)を導出することも可能である。



以上のことから，第１水質計１６としてORP計を設置した場合においても，図２に示した制御フローを通じて，第１ブロワ９の曝気風量 (q1)と移送ポンプ７の流量 (qS)を制御することができる。第１水質計としてORP計を用いることで，前述の第１実施形態の効果に加えて，計測器の構成が簡易となり，メンテナンス頻度を低減できる。

＜第１実施形態の変形例２＞
第１実施形態では，第３水質計１８としてNO3-N濃度計を用いて，無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度 (C’NO3)を計測したが，第３水質計１８としてORP計を用いて，無酸素槽４の流出水のORPを計測し，無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度 (C’NO3)を算出しても良い。
無酸素槽４において，活性汚泥混合液中に含まれる酸化還元物質がNO3-NとNH4-Nのみであると仮定すると，無酸素槽４の流出水のORPは，式(5)に示すように，無酸素槽４の流出水のNH4-N濃度とNO3-N濃度 (C’NO3)との比により表される。無酸素槽４においてNH4-N濃度の変化はないと仮定すると，第２水質計１７により計測した無酸素槽４の流入水のNH4-N濃度 (CNH4)と，第３水質計１８により計測した無酸素槽４の流出水のORPとから，無酸素槽４の流出水のNO3-N濃度 (C’NO3)を算出することが出来る。
以上のことから，第３水質計１８としてORPを設置した場合においても，図２に示した制御フローを通じて，第１ブロワ９の曝気風量 (q1)と移送ポンプ７の流量 (qS)を制御することができる。第１水質計１６および第３水質計１８を共にORP計とした場合，前述の第１実施形態の変形例１の効果に加えて，さらに計測器の構成が簡易となりメンテナンス頻度を低減できる。
図３は，第２実施形態に係る水処理装置５００の構成を示す構成図である。第２実施形態では，第１実施形態の構成に加えて，無酸素槽４の流出水のリン濃度計測手段であるリン濃度計２１を，無酸素槽４と好気槽５とを連通する流路に設置している。また，第２ブロワ１１の曝気風量を制御する第２風量制御手段２２を設置している。
従来のA2N法では，第１ブロワ９と同様に，第２ブロワ１１の曝気風量は一定に維持するか，下水１００の流入水量に対する比を一定に制御する。そのため，好気槽５におけるリン除去能力には限界があり，高濃度のリンが好気槽５に流入した場合，処理水１０３の水質が悪化するおそれがある。そこで，本実施例では，リン濃度計２１により計測した無酸素槽４の流出水のリン濃度に応じて，第２ブロワ１１の曝気風量を調整する制御フローを考案した。図４は第２ブロワ１１の曝気風量の制御フローである。以下，第２風量制御手段２２による第２ブロワ１１の曝気風量の制御フローについて詳細に説明する。
まず，ステップ２０１(以下，S201と称する)で，流量計１５により計測した下水１００の流入水量 (Q)に，設定した空気倍率 (k2)を乗ずることにより第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)を算出する。なお，この段階では第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)は下水１００の流入水量 (Q)に関わらず一定でもよい。次に，S202でリン濃度計２１により，無酸素槽４の流出水のリン濃度 (CP)を算出する。S203で無酸素槽４の流出水のリン濃度 (CP)が目標値 (CP-0)以下であれば，S204で第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)を一定とする。一方，S203で酸素槽４の流出水のリン濃度 (CP)が，目標値 (CP-0)より高ければ，S205で第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)を増加させる。ブロワ１１の曝気風量 (q2)の増加により，好気槽５においてPAOまたはDPAOによる好気的なリン摂取が促進され，リン除去性能が向上する。
ここで，第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)の変化量 (Δq2)は，無酸素槽４の流出水のリン濃度 (CP)と目標値(CP-0)の差分の関数で表される。式(7)にΔq2の算出式を示す。
以上の第２ブロワ１１の曝気風量の制御により，水処理装置５００のリン除去能力の維持が可能となる。DPAOの活性が低いなどにより，無酸素槽４におけるリン除去が不十分な場合， ブロワ１１の曝気風量を一定制御や下水１００との流量比一定制御にしていると，好気的リン摂取能力に限界があり，残存したリンの処理が達成できない可能性がある。これに対し，本実施例では，無酸素槽４の流出水のリン濃度に応じて，処理水基準を満足するようにブロワ１１の曝気風量を制御するため，処理性能の維持が実現できる。
なお，本実施例では，無酸素槽４の流出水のリン濃度の目標値 (CP-0)を設定したが，無酸素槽４の流出水のリン濃度の目標値 (CP-0)は，処理水１０３の水質が下水の放流水質基準値を満足するように，下水１００のリン濃度または下水１００の流量に応じて調整しても良い。
本実施例では無酸素槽４の流出水のリン濃度の目標値 (CP-0)を設定したが，必ずしも目標値を設定する必要はなく，無酸素槽４の流出水のリン濃度 (CP)に応じてブロワ１１の曝気風量 (q2)を制御しても良い。
本実施例では，無酸素槽４と好気槽５とを連通する流路に，リン濃度計２１を設置したが，好気槽５の下流に設置しても良い。例えば，最終沈殿池６の下流側にリン濃度計２１を設置し，処理水１０３のリン濃度に応じて，ブロワ１１の曝気風量を制御することも可能である。

＜第２実施形態の変形例＞
図５は第２実施形態の変形例に係る水処理装置５００の構成を示す構成図である。前述の第２実施形態では，リン濃度計２１により計測した無酸素槽４の流出水のリン濃度 (CP)を用いて，第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)を制御したが，第１水質計１６および第３水質計１８の計測値から算出した無酸素槽４におけるリン濃度の減少量 (ΔP)から，第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)を制御しても良い。図６は第２実施形態の変形例における第２ブロワ１１の曝気風量の制御フロー図である。
第１水質計１６および第３水質計１８の計測値から，無酸素槽４におけるリン濃度の減少量 (ΔP)を算出する方法について詳細に説明する。
無酸素状態では，DPAOによるリン摂取と，DPAOと脱窒菌とによる脱窒が進行するため，NO3-N濃度とリン濃度は共に減少する。そこで，予め下水処理場の実測データから，無酸素槽４におけるNO3-N濃度の減少量あたりのリン濃度の減少量の比を設定しておくと，第１水質計１６および第３水質計１８の計測値から算出した無酸素槽４におけるNO3-N濃度の減少量から無酸素槽４におけるリン濃度の減少量 (ΔP)を算出できる。
第２実施形態の変形例における第２ブロワ１１の曝気風量の制御フローについて詳細に施説明する。
まず，ステップ３０１(以下，S301と称す)で，流量計１５により計測した下水１００の流入水量 (Q)に，設定した空気倍率 (k2)を乗ずることにより第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)を算出する。なお，この段階では第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)は下水１００の流入水量 (Q)に関わらず一定でもよい。次に，S302で，第１水質計１６および第３水質計１８の計測値を取り込む。次に，S303で，第１水質計１６および第３水質計１８の計測値から算出した無酸素槽４におけるNO3-N濃度の減少量から，無酸素槽４におけるリン濃度の減少量 (ΔP)を算出する。S304で無酸素槽４におけるリン濃度の減少量 (ΔP)が目標値 (ΔP-0)以上であれば，S305で第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)を一定とする。一方，S304で無酸素槽４におけるリン濃度の減少量 (ΔP) が目標値 (ΔP-0)より高ければ，S306で第２ブロワ１１の曝気風量 (q2)を増加させる。ブロワ１１の曝気風量 (q2)の増加により，好気槽５においてPAOまたはDPAOによる好気的なリン摂取が促進されリン除去性能が向上する。
この構成によりリン濃度計の設置が不要となるため，前述の第１実施形態および第２実施形態の効果に加えて，計測器に掛る費用を削減できる。
なお，本実施例では，無酸素槽４におけるリン濃度の減少量の目標値 (ΔP-0)を設定したが，無酸素槽４の流出水のリン濃度の目標値 (ΔP-0)は，処理水１０３の水質が下水の放流水質基準値を満足するように，下水１００のリン濃度または下水１００の流量に応じて調整しても良い。
本実施例では，無酸素槽４におけるリン濃度の目標値 (ΔP-0)を設定したが，必ずしも目標値を設定する必要はなく，無酸素槽４におけるリン濃度の減少量 (ΔP)に応じて，ブロワ１１の曝気風量 (q2)を制御しても良い。
1…嫌気槽
2…汚泥分離槽
3…硝化槽
4…無酸素槽
5…好気槽
6…最終沈殿池
7…移送ポンプ
8…第１散気部
9…第１ブロワ
10…第２散気部
11…第２ブロワ
12…返送ポンプ
13…活性汚泥担体
14…スクリーン
15…流量計
16…第１水質計
17…第２水質計
18…第３水質計
19…第１風量制御手段
20…移送汚泥量制御手段
21…リン濃度計
22…第２風量制御手段
100…下水
101…上澄み液
102…濃縮汚泥
103…処理水
200…硝化槽3への濃縮汚泥の移送流路
500…水処理装置
800…返送汚泥の移送流路

Claims (10)

  1. 原水が流入する嫌気槽と，前記嫌気槽から流出する活性汚泥混合液を上澄み液と濃縮汚泥とに分離する汚泥分離槽と，前記上澄み液を処理する硝化槽と，前記濃縮汚泥と前記硝化槽からの流出水が流入する無酸素槽と，前記無酸素槽からの流出水が流入する好気槽とを備えた水処理装置において，
    前記無酸素槽の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度の指標を計測する水質計測手段を備え，
    前記水質計測手段から，前記無酸素槽の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度を算出し，該算出した硝酸性窒素濃度を用いて前記硝化槽の曝気風量を制御する第1風量制御手段を備えたことを特徴とする水処理装置。
  2. 請求項１の水処理装置において，
    前記水質計測手段として，硝酸性窒素濃度計，又は酸化還元電位計を設置したことを特徴とする水処理装置。
  3. 請求項１，又は請求項２の水処理装置において，
    前記濃縮汚泥の流量を制御する移送汚泥量制御手段を備え，
    前記水質計測手段により計測した前記無酸素槽の流出水の硝酸性窒素濃度を算出し，該算出した硝酸性窒素濃度に基づいて前記移送汚泥量制御手段による前記濃縮汚泥の流量の制御を行うことを特徴とする水処理装置。
  4. 請求項１から請求項３のうちの１つの水処理装置において，
    前記好気槽の曝気風量を制御する第２風量制御手段と，前記無酸素槽の流出水のリン濃度を計測するリン濃度計測手段とを備え，
    前記リン濃度計測手段により計測した前記無酸素槽の流出水のリン濃度に基づいて，前記第２風量制御手段による前記好気槽の曝気風量を制御することを特徴とする水処理装置。
  5. 請求項１から請求項３のうちの１つの水処理装置において，
    前記好気槽の曝気風量を制御する第２風量制御手段と，
    前記無酸素槽の流出水のリン濃度を計測するリン濃度計測手段とを備え，
    前記無酸素槽の流出水のリン濃度と目標値のリン濃度の差分に基づいて前記第２風量制御手段の曝気風量の制御を行うことを特徴とする水処理装置。
  6. 原水が流入する嫌気槽と，
    前記嫌気槽から流出する活性汚泥混合液を上澄み液と濃縮汚泥とに分離する汚泥分離槽と，
    前記上澄み液を処理する硝化槽と，
    前記濃縮汚泥と前記硝化槽からの流出水が流入する無酸素槽と，
    前記無酸素槽からの流出水が流入する好気槽とを備え，前記原水を処理する水処理方法において，
    前記無酸素槽の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度の指標を計測し，
    前記無酸素槽の流入水および流出水の硝酸性窒素濃度を算出して，前記硝化槽の曝気風量を制御することを特徴とする水処理方法。
  7. 請求項６の水処理方法において，
    前記硝酸性窒素濃度の指標を計測するために，硝酸性窒素濃度計，又は酸化還元電位計を用いることを特徴とする水処理方法。
  8. 請求項６，又は請求項７の水処理方法において，
    前記無酸素槽の流出水の硝酸性窒素濃度を算出し，該算出した硝酸性窒素濃度に基づいて前記濃縮汚泥の流量の制御を行うことを特徴とする水処理方法。
  9. 請求項６から請求項８のうちの１つの水処理方法において，
    前記無酸素槽の流出水のリン濃度を計測し，
    計測したリン濃度に基づいて，前記好気槽の曝気風量を制御することを特徴とする水処理方法。
  10. 請求項６から請求項８のうちの１つの水処理方法において，
    前記無酸素槽の流出水のリン濃度を計測し，
    計測したリン濃度と目標値のリン濃度の差分に基づいて，前記好気槽の曝気風量を制御することを特徴とする水処理方法。
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CN109824147A (zh) * 2019-03-27 2019-05-31 合肥訫淼环境工程有限责任公司 复合型一体化污水处理设备

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