JP3837758B2 - 硝化脱窒装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒素含有排液を導入し、生物汚泥（活性汚泥）の存在下に曝気工程および嫌気工程を交互に行って、生物学的に硝化脱窒を行うようにした間欠曝気式の硝化脱窒装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
間欠曝気式の硝化脱窒装置では、単一の処理槽に被処理液（窒素含有排液）を導入し、曝気工程において曝気することにより硝化細菌の作用によってアンモニア性窒素を（亜）硝酸性窒素に酸化し、嫌気工程において嫌気状態に維持することにより脱窒細菌の作用によって（亜）硝酸性窒素を窒素ガスに還元して生物学的に脱窒するようになっている。この装置では１個の処理槽で硝化と脱窒を行えるため、被処理液が間欠的に発生する系では有利である。
【０００３】
上記のような装置では曝気工程において、ＤＯ（溶存酸素）が０．１ｍｇ／ｌ以下となり、通常の好気的な生物処理と比較して還元的な条件で曝気すると、硝化反応と脱窒反応が同時に進行し、硝化反応により生成した（亜）硝酸が脱窒反応で消費される反応が顕著に発生する。このため嫌気工程で脱窒すべき（亜）硝酸は曝気工程で消費されなかった（亜）硝酸だけとなり、嫌気工程で処理する量が少なくなる。これに応じて脱窒工程で添加する基質（例えばメタノール）の使用量も少なくなる。ただし極端に還元的な環境下では、窒素処理の前提である硝化反応の速度が遅くなるため、単にＤＯが十分に低くて還元的な環境であればよいわけではなく、適切な還元的レベルが存在する。
【０００４】
上記のような条件下で一定時間内に確実に硝化反応を完了させるために、標準曝気時間を設定し、標準時間より早くＤＯ値が所定値に達した場合は、次のサイクルの曝気量を少なくし、逆に標準時間よりも遅くＤＯ値が所定値に達した場合は、次のサイクルの曝気量を多くし、これにより次のサイクルにおける曝気時間が標準時間となるように制御する装置が提案されている（特開平１−８５１９５号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この装置ではＤＯ値のピークを検出して曝気量を調整することにより、被処理液の負荷の変動に追随して曝気量を調整するものであるが、曝気工程途中のＤＯレベルを制御しているわけではなく、現実的にも０．１ｍｇ／ｌ以下の溶存酸素濃度を廃水処理装置で精度よく連続測定することは困難である。従ってＤＯ値のみによる制御では、曝気工程における還元的雰囲気を一定の範囲に制御することは困難である。脱窒細菌は溶存酸素が存在すると脱窒活性を失うので、曝気量をＤＯ値が前記値以下になるように維持する必要があるが、曝気量が少ない場合、ＤＯのみのモニタリングではＤＯがほぼ０に近いとＤＯ値の判別はつき難く、極端に還元的な雰囲気となって硝化率が低下し、処理効率が低下する。
【０００６】
従って曝気工程における硝化率および脱窒率が最も高くなる条件で曝気を行えば、効率のよい処理が行え、曝気のための動力費が小さくなるとともに、脱窒のために添加する基質の量を少なくすることが可能になるが、従来の装置ではこのような目的を達成できない。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点を解決するため、ＯＲＰ（酸化還元電位）値を検出して制御することにより、簡単な構成と操作により曝気量を調整して、硝化率および脱窒率を高くすることができ、これにより効率のよい処理を行って、曝気のための動力費を小さくするとともに、脱窒のための基質の使用量を少なくすることができる硝化脱窒装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の硝化脱窒装置である。
（１） 窒素含有排液を導入し、生物汚泥の存在下に曝気工程と嫌気工程とを交互に行う処理槽と、
曝気工程において処理槽内の混合液を曝気するように、曝気量が調整可能に設けられた吸気装置と、
処理槽内の混合液のＯＲＰ値を検出するＯＲＰ計と、
ＯＲＰ値の検出値から曝気工程におけるＯＲＰ値の振幅、平均値および最小値を演算し、前記振幅が一定値以下の場合に曝気量を多くし、前記平均値が一定値以上の場合または前記最小値が一定値以上の場合に曝気量を少なくするように調整する制御装置とを備えていることを特徴とする硝化脱窒装置。
（２） 上記（１）において、さらに処理槽内の混合液のＤＯ値を検出するＤＯ計を備え、制御装置は曝気工程におけるＤＯ値が所定の値に達した場合に曝気が停止するように構成されていることを特徴とする硝化脱窒装置。
（３） 上記（１）または（２）において、制御装置は嫌気工程は予め設定した標準時間またはＯＲＰ値によって終了するように構成されていることを特徴とする硝化脱窒装置。
【０００９】
本発明において「（亜）硝酸」は「硝酸および／または亜硝酸」を意味する。本発明において処理の対象となる窒素含有排液は、窒素化合物を含有する排液であり、主として有機性窒素および／またはアンモニア性窒素化合物を含有する排液が一般的であるが、さらに（亜）硝酸性窒素を含有する排液も対象に含まれる。このような排液としては、し尿、下水、食品排水、肥料製造排水などがあげられる。
【００１０】
本発明においてこれらの排液を処理する処理槽は、生物汚泥の存在下に曝気工程と嫌気工程を交互に行う間欠曝気式の処理槽である。生物汚泥は通常の間欠曝気式の硝化脱窒装置で用いられている生物汚泥であって、アンモニア性窒素を（亜）硝酸性窒素に酸化する硝化菌、および（亜）硝酸性窒素を窒素ガスに還元する脱窒細菌を含み、通常は下水処理汚泥等を種汚泥として馴養される。
【００１１】
処理槽に設ける曝気装置は曝気工程において処理槽内を曝気するとともに、その曝気量を調整できるものを用いる。曝気工程と嫌気工程の切換はＤＯの検出により行うことができるが、予め定めた標準曝気時間に基づいてタイマーで切換えることもできる。
【００１２】
ＯＲＰ計は処理槽内の混合液のＯＲＰ値を検出し、その検出値を制御装置に入力するように構成される。ＤＯ計を設ける場合も、同様に混合液のＤＯ値を検出し、その検出値を制御装置に入力するように構成される。
【００１３】
制御装置はＯＲＰ検出値からＯＲＰ値の振幅、平均値および最小値を演算し、その結果をそれぞれの設定値と比較し、制御信号を曝気装置に入力し、曝気量を調整するように構成される。また制御装置は予め設定されたプログラムにより、あるいはＤＯ計を設ける場合は検出されたＤＯ値により、曝気装置に駆動または停止信号を入力するように構成される。
【００１４】
【作用】
処理槽に窒素含有排液を導入し、生物汚泥の存在下に曝気工程と嫌気工程を交互に行うと、典型的には曝気工程では被処理液中の有機物が有機物分解細菌の作用により分解され、有機性窒素はアンモニア性窒素に分解される。一方硝化細菌の作用によりアンモニア性窒素は（亜）硝酸性窒素に酸化される。嫌気工程では曝気の停止により酸素が遮断された状態で、脱窒細菌が（亜）硝酸中の酸素を利用して有機物を分解し、脱窒が行われる。
【００１５】
曝気工程において、ＤＯ値が０．１ｍｇ／ｌ以下となり、通常の好気的な生物処理と比較して還元的な雰囲気を維持するように曝気を行うと、硝化と脱窒が同時に進行し、硝化が行われるとともに、発生した（亜）硝酸も消費される。このため曝気工程の終期において存在する（亜）硝酸の量が少なくなり、脱窒工程で必要となる基質の量も少なくなる。ただし、曝気量を抑えすぎると雰囲気が極端に還元的になり窒素処理の前提となる硝化の速度が低下する。ここで廃水処理装置に於てＤＯを０．１ｍｇ／ｌ以下で精度よく連続測定するのは困難であり、ＤＯ計測値のみで還元的雰囲気のレベルを制御するのは困難である。
【００１６】
本発明ではＯＲＰ計で検出したＯＲＰ値から曝気工程におけるＯＲＰ値の振幅、平均値および最小値を制御装置で演算し、これらの値を指標として曝気装置の曝気量を調整する。ＯＲＰ値は処理槽への被処理液の導入により最小値に達し、曝気工程の進行とともに上昇し、曝気工程の終期に最大値に達し、嫌気工程では下降する。
【００１７】
ＯＲＰ値の振幅は曝気工程におけるＯＲＰ値の最小値と最大値の差であり、曝気工程における硝化率（被処理液に含まれる有機性およびアンモニア性窒素が（亜）硝酸性窒素に転換した割合）に対応する。ＯＲＰ値の平均値は曝気工程におけるＯＲＰ値の平均値であり、曝気工程における脱窒率（曝気工程において（亜）硝酸性窒素が窒素ガスに転換した割合）に対応する。ＯＲＰ値の最小値は曝気工程におけるＯＲＰ値の最小値であり、嫌気工程終了後の（亜）硝酸濃度に対応する。
【００１８】
これらの値を指標として制御するには、ＯＲＰ値の振幅が一定値以下の場合は硝化率が低いので、曝気量を多くする。またＯＲＰの平均値が一定値以上の場合は脱窒率が低く、過剰曝気になっているので、曝気量を少なくする。そしてＯＲＰの最小値が一定値以上の場合は最終的な（亜）硝酸濃度が高くなり、過剰曝気となっているので、曝気量を低下させる。
【００１９】
このような調整は次のサイクルから実行されるが、負荷の変動はほぼ連続的に起こるから、実質的に負荷の変動に伴って曝気量を調整することができる。制御の方法は制御装置からの制御信号により直接曝気装置を制御してもよく、またＤＯ計のＤＯ信号により曝気量を制御する系ではＤＯ値の設定値を調整することにより制御することも可能である。
【００２０】
上記の制御により曝気工程における曝気量は適正値に保たれ、曝気工程における硝化と脱窒が同時に起こり、しかも硝化と脱窒が効率よく行われ、生成した（亜）硝酸が効率よく消費され、曝気工程終期に残留する（亜）硝酸の量は少なくなる。曝気工程の進行により硝化が進行し、ＤＯ値が上昇する。
【００２１】
曝気工程の終了により曝気装置を停止し、嫌気工程に移る。曝気工程の終了は予め設定した標準時間によることもできるが、ＤＯ値が所定値以上に達したときに終了するのが好ましい。嫌気工程では曝気工程で生成した（亜）硝酸が還元されて脱窒が進行する。このとき基質として有機物が消費される。基質としては通常メタノールが添加されるが、被処理液その他の排液であってもよい。この嫌気工程では残留する（亜）硝酸が少ないため、基質の使用量も少なくなる。
【００２２】
嫌気工程の終了により、処理液を排出し、新たに被処理液を導入し、上記操作を繰返す。被処理液は処理の初めに間欠的に導入するのが典型的であるが、曝気工程および／または嫌気工程を通して導入してもよい。処理液は固液分離し、分離液は必要により後処理を行った後放流する。分離汚泥は一部を返送汚泥として処理槽に返送し、残部を系外に排出する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は実施例の硝化脱窒装置を示すブロック図である。
図１において、１は処理槽、２は曝気装置、３はＯＲＰ計、４はＤＯ計、５は攪拌装置、６は制御装置である。
【００２４】
処理槽１は内部に混合液１１を収容し、上部に被処理液路１２、返送汚泥路１３および基質導入路１４が連絡し、下部に処理液路１５が連絡している。１５ａは弁である。曝気装置２は処理槽１の底部に設けられた散気管１６と、散気管１６に送風する送風機１７と、送風機１７を制御する駆動制御装置１８とから構成されている。
【００２５】
ＯＲＰ計３およびＤＯ計４は処理槽１の混合液１１内に検出部を有し、その検出値を制御装置６の演算部２１に入力するように接続されている。攪拌装置５は嫌気工程において処理槽１の混合液１１を攪拌するように構成されている。制御装置６はＯＲＰ計３およびＤＯ計４の検出値からＯＲＰ値の振幅、平均値、最小値、ＤＯ設定値等を演算する演算部２１と、その演算結果に基づいて駆動制御装置１８および攪拌装置５に制御信号を送る制御部２２から構成されている。
【００２６】
上記の装置による硝化脱窒方法は、まず処理槽１に被処理液路１２から被処理液を導入し、返送汚泥路１３から返送汚泥を導入して混合液１１と混合し、曝気装置２により曝気する曝気工程と、曝気装置２を停止して攪拌装置５により緩やかに攪拌する嫌気工程を交互に行う。被処理液の導入および処理液の排出は曝気工程の初期において行い、中間では行わないようにされている。
【００２７】
このような処理におけるＯＲＰ値およびＤＯ値の変化のパターンは図２に示される。ＯＲＰ値は（亜）硝酸の量に対応しており、曝気工程の初期には被処理液の導入により低下するが、その後は曝気の進行に伴って上昇する。これは曝気により有機性およびアンモニア性窒素が（亜）硝酸性窒素に硝化されるためである。曝気工程では曝気装置２において、駆動制御装置１８により制御される送風機１７から送風して散気管１６から散気して曝気を行い、攪拌装置５は停止する。
【００２８】
曝気の進行により（亜）硝酸が生成してＯＲＰ値が上昇するに従い、有機またはアンモニア性窒素が少なくなると、曝気により導入された酸素は消費されることなく液中に溶解し、ＤＯ値が上昇して来る。このＤＯ値はＤＯ計４で測定され、制御装置６の演算部２１でＤＯ設定値と比較される。
【００２９】
検出ＤＯ値がＤＯ設定値に達すると、制御部２２から停止信号が駆動制御装置１８に与えられ、曝気装置２は曝気を停止し、嫌気工程に移る。これと同時に基質導入路１４から基質としてメタノール等が導入され、また制御部２２から駆動信号が攪拌装置５に与えられ、混合液１１が緩やかに攪拌される。これにより脱窒反応が起こり、（亜）硝酸が窒素ガスに転換して消費され、ＯＲＰ値は低下する。
【００３０】
上記処理工程中のＯＲＰ値はＯＲＰ計３により検出され、演算部２１に入力される。演算部２１では曝気工程におけるＯＲＰ値の振幅、平均値および最小値が演算され、その演算結果に基づいて制御部２２から駆動制御装置１８に制御信号が送られ、次の曝気工程における曝気量が調整される。
【００３１】
ＯＲＰ値振幅と硝化率、平均値と脱窒率、最小値と硝酸濃度の関係は図３（Ａ）〜（Ｃ）に示されている。ＯＲＰ値の振幅が一定値以下、例えば１４０ｍＶ以下の場合は硝化率が低く、曝気不足となっているため、次の曝気工程における曝気量を多くする。
【００３２】
ＯＲＰ平均値が一定値以上、例えば２０ｍＶ以上の場合は脱窒率が低く、過曝気になっているので、次の曝気工程における曝気量を少なくする。
ＯＲＰ最小値が一定値以上、例えば−１００ｍＶ以上の場合は最終的な硝酸濃度が高く、過曝気になっているので、次の曝気工程における曝気量を少なくする。
【００３３】
上記各値が上記範囲外の場合、すなわち調整を必要としないときは適正曝気が行われているため、次の曝気工程における曝気量は従前通りとする。また上記ＯＲＰ平均値による調整と最小値による調整はＯＲの関係にあり、どちらか一方の演算結果により調整の必要性が出た場合は調整を行う。
【００３４】
曝気量の調整を行う方法として、制御信号により直接曝気装置２を制御する場合は制御信号を駆動制御装置１８に与えて送風機１７の送風量を調整する。この場合、例えば曝気過不足を−２〜＋２の５段階に判定して流量設定値を調整可能とし、
【数１】
新設定値＝旧設定値×（１−判定値／２０）
のような式で修正することができる。
【００３５】
前記特開平１−８５１９５号のように、曝気工程の標準時間を設定し、標準時間よりも早くＤＯ値が設定値に達したときは次の曝気工程の曝気量を少なくし、逆に標準時間よりも遅くＤＯ値が設定値に達したときは次の曝気工程における曝気量を多くする制御方法を採用する場合は、前記ＯＲＰ振幅が一定値（例えば１４０ｍＶ）以下の場合はＤＯ設定値を高くし、ＯＲＰ平均値が一定値（例えば２０ｍＶ）以上の場合はＤＯ設定値を低くし、ＯＲＰ設定値を低くすることにより、次の曝気工程における曝気量を調整することができる。
【００３６】
この場合ＤＯ設定値を０．０５〜０．２ｍｇ／ｌ、例えば０．１ｍｇ／ｌの変化量で高くし、または低くすることにより曝気量が調整される。ＤＯ設定値の変更はＤＯ設定値の検出時期を早くし、または遅くするから、検出時期が標準時間より早く、または遅くなることにより、結果として曝気量が変更される。
【００３７】
上記のようにして曝気工程における曝気量を調整することにより、曝気強度が適正に保たれ、曝気工程における槽内液のＤＯ値を０．１ｍｇ／ｌ以下に保ちつつ一定の還元的雰囲気が維持できる。このため曝気工程における硝化および脱窒が同時に効果よく行われる。これにより嫌気工程で脱窒される（亜）硝酸の量が少なくなり、基質の使用量が少なくなる。
【００３８】
嫌気工程は予め設定した標準時間により、あるいはＯＲＰ値等により終了する。嫌気工程の終了により槽内液の一部（一般的には１０〜１５％）を、処理液路１５から処理液として排出し、新しく被処理液を導入して曝気工程に移り、以下同様の操作を繰返す。処理液は固液分離して分離液を放流し、分離汚泥の一部を返送汚泥として処理槽に返送し、残部を余剰汚泥として排出する。
【００３９】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、間欠曝気式の硝化脱窒装置において、処理槽内の混合液のＯＲＰを検出するＯＲＰ計を設け、制御装置において曝気工程におけるＯＲＰの振幅、平均値および最小値を演算し、前記振幅が一定値以下の場合に曝気量を多くし、前記平均値が一定値以上の場合または前記最小値が一定値以上の場合に曝気量を少なくするように調整するようにしたので、簡単な構成と操作により曝気量を調整して、曝気工程において硝化と脱窒を同時にかつ効率的に行わせ、これにより効率のよい処理を行って曝気のための動力費を小さくするとともに、脱窒のための基質の使用量を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の硝化脱窒装置を示すブロック図である。
【図２】処理中のＯＲＰ値およびＤＯ値の変化のパターンを示すグラフである。
【図３】（Ａ）はＯＲＰ振幅と硝化率のグラフ、（Ｂ）はＯＲＰ平均値と脱窒率のグラフ、（Ｃ）はＯＲＰ最小値と硝酸濃度のグラフである。
【符号の説明】
１ 処理槽
２ 曝気装置
３ ＯＲＰ計
４ ＤＯ計
５ 攪拌装置
６ 制御装置
１１ 混合液
１２ 被処理液路
１３ 返送汚泥路
１４ 基質導入路
１５ 処理液路
１５ａ 弁
１６ 散気管
１７ 送風機
１８ 駆動制御装置
２１ 演算部
２２ 制御部

Claims (3)

1. 窒素含有排液を導入し、生物汚泥の存在下に曝気工程と嫌気工程とを交互に行う処理槽と、
   曝気工程において処理槽内の混合液を曝気するように、曝気量が調整可能に設けられた曝気装置と、
   処理槽内の混合液のＯＲＰ値を検出するＯＲＰ計と、
   ＯＲＰ値の検出値から曝気工程におけるＯＲＰ値の振幅、平均値および最小値を演算し、前記振幅が一定値以下の場合に曝気量を多くし、前記平均値が一定値以上の場合または前記最小値が一定値以上の場合に曝気量を少なくするように調整する制御装置と
   を備えていることを特徴とする硝化脱窒装置。
2. 請求項１において、さらに処理槽内の混合液のＤＯ値を検出するＤＯ計を備え、制御装置は曝気工程におけるＤＯ値が所定の値に達した場合に曝気が停止するように構成されていることを特徴とする硝化脱窒装置。
3. 請求項１または２において、制御装置は嫌気工程は予め設定した標準時間またはＯＲＰ値によって終了するように構成されていることを特徴とする硝化脱窒装置。

Images