JP5922406B2 - 排水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、工業排水を再利用するために浄化処理するための排水処理装置に関する。

プラントからの工業排水は、重金属成分や浮遊粒子などの除去や、微生物による有機物の分解除去などの浄化処理が施される。浄化処理された処理水は、一般に環境中に放出されるが、工業用水の確保が困難な場所においては、工業排水を浄化処理した処理水が工業用水に再利用される。
微生物による有機物の分解除去方法としては、膜分離活性汚泥法（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ，ＭＢＲ）や生物膜法（Ｂｉｏｆｉｌｍ Ｒｅａｃｔｏｒ，ＢＦＲ）が用いられる。

膜分離活性汚泥法は、槽内で活性汚泥を用いて排水中の有機物を分解し、ろ過膜を用いて処理水と活性汚泥とを分離する方法である。膜分離活性汚泥法は、活性汚泥濃度を高くすることができ、処理水と活性汚泥とを分離する沈殿槽が不要であるため容積効率が高いという利点がある。一方で、水質、すなわち排水中の有機物濃度が短期間に大きく変動すると、処理能力が有機物濃度の変動に追従することができずに、処理水中の有機物濃度が規制値を超える場合がある。

生物膜法は、担体表面に活性汚泥を膜状に付着させて排水中の有機物を分解する方法である。膜（生物膜）表面では通常の活性汚泥と同様の処理が行われるが、膜内面では栄養源が不足しているために休眠状態となっている。有機物の濃度が変動した場合、生物膜内部の汚泥が活性化することになる。すなわち、有機物濃度の変動に応じて、活動する汚泥の厚さが変動する。有機物濃度に応じた活性汚泥量が維持されるため、有機物濃度の変動に対応して処理を継続することが可能である。

排水処理装置では、膜分離活性汚泥法、生物膜法のいずれか一方が適用されるのが一般的である。特許文献１は、生物処理槽を備え、処理する水の流量の時系列変動が大きい場合に対応可能な水処理装置を開示している。特許文献１の水処理装置では、処理前の水を流量調整槽に取り込み、流量調整槽中の水の汚濁負荷量に応じて、生物処理手段に送る水とオゾン処理手段に送る水の流量を制御している。

特開平１１−２４４８９６号公報（請求項１、段落［００１５］〜［００１７］、［００２９］〜［００３２］、図１）

特許文献１の水処理装置では、排水を一時的に貯留する流量調整槽を必要とするため、装置の容積効率が悪い。また、オゾン処理は高価である。更に、オゾン漏れを防止するための付帯設備が別途必要になる上、オゾン漏れを監視する等運用が複雑になるのが問題であった。

本発明は、簡易な装置により、水質変動が大きい場合でも安定して排水を処理することができる排水処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、膜分離活性汚泥法により排水を処理する第１の生物処理装置と、生物膜法により排水を処理する第２の生物処理装置と、前記第１の生物処理装置及び前記第２の生物処理装置の上流を流通する排水中の負荷濃度と流量とを計測する計測部と、前記負荷濃度と前記流量とから負荷量を算出し、前記負荷量に応じて、前記第１の生物処理装置に送給する前記排水の流量と、前記第２の生物処理装置に送給する前記排水の流量との分配比率を９０：１０〜５０：５０の範囲内で決定し、該分配比率に基づいて、前記第１の生物処理装置に送給する前記排水の流量と前記第２の生物処理装置に送給する前記排水の流量とを調整する制御部とを含む排水処理装置を提供する。
この場合、前記負荷量が、ＣＯＤまたはＢＯＤとされる。

上述のように、膜分離活性汚泥法を用いた処理装置は、排水の水質が短時間で変動した場合に処理能力を追従することができない。これに対し、生物膜法を用いた処理装置は、水質の変動に応じて処理能力を変動させることが可能である。本発明の排水処理装置では上記特徴を利用し、膜分離活性汚泥法と生物膜法とを併用して有機物の分解処理を実施する。この時、排水中の負荷濃度と流量とを監視し、負荷濃度と流量とから算出される負荷量に基づいて、各方法を採用した処理装置への排水の分配比率を決定し、分配比率に基づいて各処理装置へ送給する排水の流量を制御する。こうすることで、処理能力を超える負荷量を含む排水が膜分離活性汚泥法を用いた処理装置に流入して、処理後の水中の有機物が規制値を超えることを防止することができる。本発明の排水処理装置は、水質の変動に対応することができ、安定した排水処理を継続させることができる。

上記発明において、前記制御部が第１の閾値を格納し、前記制御部が、前記負荷量が前記第１の閾値以下である場合に前記第１の生物処理装置に前記排水を送給するとともに、前記第２の生物処理装置への前記排水の送給を停止し、前記負荷量が前記第１の閾値より大きい場合に、前記制御部が、所定の前記分配比率で前記第１の生物処理装置と前記第２の生物処理装置とに前記排水を送給する。

上記発明において、前記制御部が前記第１の閾値と第２の閾値とを格納し、前記負荷量が前記第１の閾値より大きく前記第２の閾値以下である場合に、前記制御部が、前記所定の分配比率で前記第１の生物処理装置及び前記第２の生物処理装置に前記排水を送給し、前記負荷量が前記第２の閾値よりも大きい場合に、前記制御部が、前記第１の生物処理装置の処理量が所定の値になるように前記第１の生物処理装置に前記排水を送給するとともに、残りの前記排水を前記第２の生物処理装置に送給する。

本発明の排水処理装置では、主として膜分離活性汚泥法を用いた処理装置（第１の生物処理装置）で排水を処理する。膜分離活性汚泥法は系内の負荷濃度が極端に低くなると、微生物の一部が死滅して汚泥の活性が大幅に低下する。この状態で負荷濃度が増加した場合には、処理が追従できなくなる可能性がある。このため、本発明では負荷量が低くなった場合（第１の閾値以下）、第２の生物処理装置の運転を停止して、第１の生物処理装置が安定運転できる負荷濃度を確保する。
一方で、負荷量が大きい場合には、第１の生物処理装置の処理量を超える排水量を、生物膜法を用いた処理装置（第２の生物処理装置）に送給する。あるいは、第１の生物処理装置を所定の負荷範囲で運転し、一部の排水処理を第２の生物処理装置が負担するような分配比率で、各生物処理装置に排水を送給する。
従って、本発明の排水処理装置は安定した排水処理を実施することができる。

上記発明において、前記制御部が、前記第１の閾値と前記第２の閾値との間に１つまたは複数の中間閾値を格納し、前記制御部が、前記中間閾値より大きい場合と当該中間閾値以下の場合とで異なる前記分配比率にて、前記第１の生物処理装置と前記第２の生物処理装置に前記排水を送給する。
この場合、前記制御部が、前記中間閾値を超える毎に、前記第２の生物処理装置への前記排水の分量が増加するように、前記排水を送給することが好ましい。
こうすることで、負荷変動に対する処理の追従性を高めることができる。

上記発明において、前記第２の生物処理装置から排出された排水が、前記第１の生物処理装置に送給されることが好ましい。

生物膜法を用いた第２の生物処理装置では、浮遊粒子が発生しやすい。膜分離活性汚泥法では、分離膜により微生物と処理水とが固液分離される。第２の生物処理装置の下流に第１の生物処理装置を配置すれば、第１の生物処理装置の分離膜によって処理水から浮遊粒子を分離除去することができる。このため、下流側で逆浸透膜や静電式脱塩装置を用いて脱塩処理を実施する場合に、膜モジュール内部での閉塞を防止することができる。

上記発明において、前記制御部が、前記負荷濃度の移動平均及び回帰推定値の少なくとも一方を算出し、前記移動平均及び回帰推定値の少なくとも一方を用いて前記負荷量を算出することが好ましい。

移動平均や回帰推定値を用いると、負荷濃度が短時間で急激に変動した場合や負荷濃度の計測誤差があった場合に、その変動量が補正される。このため、負荷濃度のごく短時間の変動や測定誤差に対応させて排水の分配量を決定する必要がなくなるので、制御が安定するという効果を奏する。

本発明の処理装置は、膜分離活性汚泥法を用いた生物処理装置と生物膜法を用いた生物処理装置とを併用している。各生物処理装置の特性を利用し、ＣＯＤ負荷量の変動に応じて排水の分配量を制御している。このため、水質変動が激しい場合にも対応でき、処理水の水質を安定させることができる。

排水処理装置のブロック図である。 排水処理装置の生物処理部の概略図である。 膜分離活性汚泥処理装置と生物膜処理装置とを用いて排水を処理した場合のＣＯＤ濃度及び流量の経時変化を表すグラフである。 膜分離活性汚泥処理装置のみを用いて排水を処理した場合のＣＯＤ濃度及び流量の経時変化を表すグラフである。

図１に、本実施形態に係る排水処理装置のブロック図を示す。排水処理装置１は、上流側から前処理部２、生物処理部３、及び、脱塩部４を備える。

前処理部２は、プラントからの原水を受け入れ、原水中の油分、重金属類、浮遊粒子などを除去する。

脱塩部４は、排水中に含まれるイオンを除去する。脱塩部４は、逆浸透膜式脱塩装置、あるいは、静電式脱塩装置を有する。

逆浸透膜式脱塩装置は、逆浸透膜（ＲＯ膜）は水のみを透過させる。逆浸透膜を透過した水（処理水）は、工業用水として再利用される。逆浸透膜の上流側はイオンが濃縮された排水（濃縮水）となっている。濃縮水は、逆浸透膜式脱塩装置から排出されることにより、排水処理装置１の系外に排出される。

静電式脱塩装置は、一対の対向する多孔質電極を有し、正極側には陰イオン交換膜が設置され、負極側には陽イオン交換膜が設置される。電極の間を排水が流通可能になっている。

正極がプラス、負極がマイナスになるように電流を流すと、排水中の陰イオンは正極側に移動し、陰イオン交換膜を透過して多孔質の正極に吸着される。一方、排水中の陽イオンは負極側に移動し、陽イオン交換膜を透過して多孔質の負極に吸着される。従って、電極間を流通する際に排水中のイオンが除去され、処理水が回収される。回収された処理水は、工業用水として再利用される。静電式脱塩装置を用いると、逆浸透膜式脱塩装置よりも水の回収率を向上させることができるので有利である。

所定時間経過した時点で通水を遮断し、各電極に流す電流を反転させて、正極をマイナス、負極をプラスにする。こうすると、多孔質電極中に吸着されていたイオンが放出され、イオン交換膜を透過して排水中に移動する。この後、イオンを含む排水が静電式脱塩装置から排出され、ドレインとして排水処理装置１の系外に排出される。

図２は、本実施形態に係る排水処理装置の生物処理部３の概略図である。
生物処理部３は、膜分離活性汚泥法を適用した処理装置１０（第１の生物処理装置、以下では膜分離活性汚泥処理装置と称する）と、生物膜法を適用した処理装置２０（第２の生物処理装置、以下では生物膜処理装置と称する）と、計測部と、制御部３０とを備える。

膜分離活性汚泥処理装置１０は、生物反応槽１１と、分離膜１２とを備える。生物反応槽１１中には活性汚泥が収容されている。生物反応槽１１の排水中に微生物（活性汚泥）が浮遊した状態となっている。分離膜１２は精密ろ過膜とされ、０．１μｍ程度の孔を有する。分離膜１２は、生物反応槽１１中の排水中に浸漬されている。分離膜１２はポンプ１３に接続される。

生物膜処理装置２０は、処理槽２１と、固定床２２とを備える。固定床２２は処理槽２１内に収容されている。固定床２２は、表面に生物膜を担持する担体が容器内に収納される構成となっている。所定量の排水が固定床２２の容器内に取り込まれ、担体表面の生物膜と排水とが接触することで、有機物の分解が行われる。本実施形態では、生物膜法として散水ろ床法、回転円板法、接触曝気法などが採用可能である。なお、本実施形態では、生物膜を担持する担体としては固定床に限定されず、排水中で浮遊する担体（大きさ３〜１０ｍｍ程度）の表面に生物膜を担持する方法も採用することができる。

膜分離活性汚泥処理装置１０及び生物膜処理装置２０の入口側に、それぞれバルブ３４，３６が設置される。バルブ３４、３６はそれぞれ制御部３０の出力部に接続する。膜分離活性汚泥処理装置１０と生物膜処理装置２０とは、配管によって連絡している。

計測部は、排水中の負荷濃度を計測する負荷濃度計測部と、排水の流量を計測する流量計測部とで構成される。
本実施形態において、負荷濃度計測部で計測される負荷は、ＣＯＤ（化学的酸素要求量）またはＢＯＤ（生物化学的酸素供給量）とされる。負荷濃度計測部は、ＣＯＤ計３１とＵＶ計３２とを備える。なお、ＣＯＤ計で計測されたＣＯＤから、ＢＯＤを換算することが可能である。負荷濃度計測部は、生物処理部３の入口近傍（膜分離活性汚泥処理装置１０及び生物膜処理装置２０の上流側）に設置される。ＣＯＤ計３１及びＵＶ計３２は、制御部３０の入力部に接続する。なお、本実施形態では負荷濃度計測部としてＣＯＤ計３１及びＵＶ計３２のいずれか一方のみが設置されていても良い。また、ＣＯＤ計やＵＶ計の他に、ＴＯＣ（全有機炭素濃度）を計測するＴＯＣ計を設置しても良い。

図２の生物処理部３は、流量計測部として、膜分離活性汚泥処理装置１０の入口に設置される流量計３３と、生物膜処理装置２０の入口に設置される流量計３５とを備える。但し、流量計の設置場所は図２に限定されず、膜分離活性汚泥処理装置１０の入口と生物処理部３の入口（具体的にＣＯＤ計３１及びＵＶ計３２の近傍）、または、生物膜処理装置２０の入口と生物処理部３の入口に設置されても良い。流量計３３，３５はそれぞれ制御部３０の入力部に接続する。

ＣＯＤ計３１及びＵＶ計３２の上流側の配管に、中和薬品タンク４０が接続される。中和薬品タンク４０は、ＨＣｌなどの酸、あるいはＮａＯＨなどのアルカリが収容する。酸とアルカリのいずれを使用するかは排水の特性により変わる。特性によっては酸とアルカリの二種類の薬品を別のタンクに収納し、ｐＨ変動に応じて使い分けることもある。生物処理部３に流入した排水に所定量の中和薬品が供給され、排水のｐＨが調整される。

図２では、膜分離活性汚泥処理装置１０の下流側にＵＶ計が設置され、生物処理部３で処理された処理水中の負荷濃度が計測されても良い。

本実施形態の生物処理部３で排水を処理する工程を以下で説明する。以下では、負荷濃度としてＣＯＤ濃度を計測した場合を例に挙げて説明する。
前処理部２で排水中の重金属類、油類、浮遊粒子等が除去された排水が、生物処理部３に流入する。

ＣＯＤ計３１は、所定時間毎に、例えば１時間毎に生物処理部３に流入した排水中のＣＯＤ濃度を計測する。ＣＯＤ計３１は、ＣＯＤ濃度を計測する。ＣＯＤ計３１で計測されたＣＯＤ濃度は、制御部３０に送信される。

ＵＶ計３２は、生物処理部３に流入した排水に波長２５４ｎｍの紫外光を照射し、排水の吸光度を計測する。計測された吸光度は、制御部３０に送信される。

制御部３０は、ＣＯＤ計３１で計測されたＣＯＤ濃度と、ＵＶ計３２で計測された吸光度とを取得する。制御部３０は、ＵＶ計３２で計測される吸光度と排水中のＣＯＤ濃度との相関データが予め格納している。制御部３０は取得した吸光度を当該相関データに照合し、排水中のＣＯＤ濃度を推定する。制御部３０は、ＣＯＤ計３１で計測されたＣＯＤ濃度と、ＵＶ計３２で計測された吸光度から推定したＣＯＤ濃度とに基づき、生物処理部３に流入した排水中のＣＯＤ濃度の経時変化を取得する。本実施形態のようにＣＯＤ計３１とＵＶ計３２とを併用すると、より詳細なＣＯＤ濃度の経時変化を取得できる。

制御部３０は、取得したＣＯＤ濃度の経時変化から、ＣＯＤ濃度の移動平均や回帰推定値を算出しても良い。

移動平均では、任意の測定時点での計測値、及び、当該任意の測定時点の直前であって複数の測定時点での計測値の平均値が、当該任意の測定時点での計測値と定義される。
回帰推定は、一次回帰推定と二次回帰推定のいずれかを採用できる。回帰推定では、任意の測定時点での計測値、及び、当該任意の測定時点の直前であって複数の測定時点での計測値の一次回帰式または二次回帰式が作成され、回帰式から当該任意の測定時点での計測値が推定される。回帰推定の方法はこれらに限定されず、排水の特性によっては三次回帰推定などの多項式回帰推定、指数回帰推定、対数回帰推定、累乗回帰推定を使用しても良い。

本実施形態では、制御部３０は例えば測定時点４点のＣＯＤ濃度の移動平均を取得する。または、制御部３０は例えば測定時点４点のＣＯＤ濃度の回帰式を作成し、回帰推定値を取得する。

流量計３３は、所定時間毎に、膜分離活性汚泥処理装置１０の入口側の配管を流通する排水の流量（第１の流量）Ｆ_１を計測する。流量計３５は、所定時間毎に、生物膜処理装置２０の入口側の配管を流通する排水の流量（第２の流量）Ｆ_２を計測する。第１の流量Ｆ_１及び第２の流量Ｆ_２は、ＵＶ計３２での計測間隔と略同一とされる。計測された第１の流量Ｆ_１及び第２の流量Ｆ_２は、制御部３０に送信される。

制御部３０は、第１の流量Ｆ_１と第２の流量Ｆ_２とを取得する。制御部３０は、生物処理部３に流入した排水の総流量として第１の流量Ｆ_１と第２の流量Ｆ_２との和Ｆ_ｔを算出する。制御部３０は、排水の総流量の経時変化を取得する。なお、流量に関しては、必ずしも取得した経時変化から移動平均や回帰推定値を算出する必要はない。

制御部３０は、同一時間に計測されたＣＯＤ濃度と総流量Ｆ_ｔとから、ＣＯＤ負荷量Ｌを算出し取得する。ＣＯＤ負荷量Ｌは単位時間当たりのＣＯＤ絶対量であり、ＣＯＤ濃度と流量Ｆ_ｔとの積で定義される。

ＣＯＤ負荷量の算出に用いるＣＯＤ濃度は、上述のＣＯＤ濃度の経時変化から取得した値としても良いし、ＣＯＤ濃度の移動平均、回帰推定値としても良い。あるいは、ＣＯＤ濃度の移動平均と回帰推定値とを組み合わせても良い。例えば、制御部３０は、ＣＯＤ濃度の経時変化と、ＣＯＤ濃度の移動平均と、ＣＯＤ濃度の回帰推定値とを参照する。移動平均及び回帰推定値を取得した測定点でＣＯＤ濃度が常に増加または減少している場合はＣＯＤ負荷量の算出に回帰推定値を採用し、ＣＯＤ濃度が変動している場合はＣＯＤ負荷量の算出に移動平均を採用する。ＣＯＤ負荷量の算出に移動平均や回帰推定値を用いれば、ＣＯＤ計やＵＶ計の測定誤差を小さくすることができ、安定した制御を行うことができる。

制御部３０は、膜分離活性汚泥処理装置１０及び生物膜処理装置２０への排水の分配比率を決定するためのＣＯＤ負荷量Ｌの閾値を予め格納している。ＣＯＤ負荷量の閾値は、排水の性状に応じて１つまたは複数設定可能である。ＣＯＤ負荷量の閾値は、排水の処理状況に応じて適宜変更可能とされる値である。
制御部３０は、生物処理部３の設計上の最大ＣＯＤ量を考慮した、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷と生物膜処理装置２０の設計負荷とを格納している。

生物処理部３全体のＣＯＤ処理量（生物処理部３の設計負荷）を１としたときに、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷と生物膜処理装置２０の設計負荷との割合は、Ｘ：１−Ｘとされる。上記の割合は、処理コストと各処理装置の性能とを考慮して設定される。すなわち、処理コストを考慮すると、膜分離活性汚泥処理装置は生物膜処理装置に対して有利である。しかし、生物膜処理装置の方が負荷変動が大きい場合の処理能力追従性が高い。これらを考慮して、設計負荷の比率は、膜分離活性汚泥処理装置：生物膜処理装置＝９０：１０〜５０：５０の範囲内に設定することが好ましい。

以下では、ＣＯＤ負荷量の閾値を１つ設けた場合に排水を処理する方法を説明する。閾値を１つ設ける場合は、水質変動が比較的少なく、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷を大きく超えるようなＣＯＤ負荷量の変動がない場合に有効である。

制御部３０は閾値Ｌ_１を格納する。閾値Ｌ_１は、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷に基づいて決定される。
閾値Ｌ_１は、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷に一定の割合を乗算したＣＯＤ負荷量とされる。例えば、閾値Ｌ_１は、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷に一定の割合（１０％〜５０％）を乗算した値の範囲内の値とされる。一般的には、閾値Ｌ_１は設計負荷の２０％の値とされる。

制御部３０は、取得したＣＯＤ負荷量Ｌと閾値Ｌ_１とを比較する。
ＣＯＤ負荷量が閾値以下である場合（Ｌ≦Ｌ_１）、制御部３０は、バルブ３６を閉鎖し、生物膜処理装置２０への排水の送給を停止する。生物膜処理装置２０は、運転が停止される。制御部３０は、バルブ３４の開度を調整し、生物処理部３に流入した排水の全量を膜分離活性汚泥処理装置１０に送給する。これにより、膜分離活性汚泥処理装置１０での安定した排水処理が保たれる。

ＣＯＤ負荷量が閾値Ｌ_１より大きい場合（Ｌ＞Ｌ_１）、制御部３０は、バルブ３６を開放する。制御部３０は、生物処理部３に流入した排水を、所定の比率で膜分離活性汚泥処理装置１０に送給される排水と生物膜処理装置２０に送給される排水とに分配する。
Ｌ＞Ｌ_１の場合の排水の分配比率（Ｆ_１’とＦ_２’との比率）は、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷と生物膜処理装置２０の設計負荷との割合（Ｘ：１−Ｘ）とされる。例えば、設計負荷の割合Ｘ：１−Ｘ＝８０：２０である場合、生物処理部３に流入する排水は、Ｆ_１’：Ｆ_２’＝８０：２０の割合で分配される。

制御部３０は、Ｌ＞Ｌ_１となった場合の第１の流量Ｆ_１’と第２の流量Ｆ_２’の値を予め格納している。なお、Ｆ_１’とＦ_２’とは、上述の所定の比率を満たす値である。制御部３０は、予め格納されている第１の流量Ｆ_１’と現在の第１の流量Ｆ_１とを比較する。制御部３０は、Ｆ_１＝Ｆ_１’となるように、バルブ３４の開度を調整する。制御部３０は、予め格納されている第２の流量Ｆ_２ ’と現在の第２の流量Ｆ_２とを比較する。制御部３０は、Ｆ_２＝Ｆ_２’となるように、バルブ３６の開度を調整する。

以下では、ＣＯＤ負荷量の閾値を２つ設けた場合を例に挙げ、排水を処理する方法を説明する。
制御部３０は第１の閾値Ｌ_１と第２の閾値Ｌ_２とを格納する。第１の閾値Ｌ_１及び第２の閾値Ｌ_２は、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷に基づいて決定される。
第１の閾値Ｌ_１は、上述した閾値を１つ設ける場合と同じ値とされる。すなわち、第１の閾値Ｌ_１は、例えば膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷に一定の割合（１０％〜５０％）を乗じた値の範囲内とされる。
第２の閾値Ｌ_２は、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷に基づいて決定される。第２の閾値Ｌ_２の上限値は、膜分離活性汚泥処理装置１０の最大処理能力とされる。第２の閾値Ｌ_２の下限値は、生物膜処理装置２０の処理能力を考慮した値とされる。具体的に、第２の閾値Ｌ_２は、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷の８０％以上１２５％以下の範囲内の値とされる。

制御部３０は、取得したＣＯＤ負荷量Ｌと、第１の閾値Ｌ_１及び第２の閾値Ｌ_２とを比較する。
ＣＯＤ負荷量が第１の閾値以下である場合（Ｌ≦Ｌ_１）、上述のように制御部３０は、バルブ３６を閉鎖して、生物膜処理装置２０の運転を停止させる。制御部３０は、バルブ３４の開度を調整し、生物処理部３に流入した排水の全量を膜分離活性汚泥処理装置１０に送給する。

ＣＯＤ負荷量が第１の閾値より大きく第２の閾値以下である場合（Ｌ_１＜Ｌ≦Ｌ_２）、制御部３０は、生物処理部３に流入した排水を、所定の比率で膜分離活性汚泥処理装置１０に送給される排水と生物膜処理装置２０に送給される排水とに分配する。
排水の分配比率（Ｆ_１’とＦ_２’との比率）は、膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷と生物膜処理装置２０の設計負荷との割合（Ｘ：１−Ｘ）とされる。例えば、設計負荷の割合Ｘ：１−Ｘ＝８０：２０である場合、生物処理部３に流入する排水は、Ｆ_１’：Ｆ_２’＝８０：２０の割合で分配される。

制御部３０は、Ｌ_１＜Ｌ≦Ｌ_２となった場合の第１の流量Ｆ_１’と第２の流量Ｆ_２’の値を予め格納している。なお、Ｆ_１’とＦ_２’とは、上述の所定の比率を満たす値である。制御部３０は、予め格納されている第１の流量Ｆ_１’と現在の第１の流量Ｆ_１とを比較する。制御部３０は、Ｆ_１＝Ｆ_１’となるように、バルブ３４の開度を調整する。制御部３０は、予め格納されている第２の流量Ｆ_２ ’と現在の第２の流量Ｆ_２とを比較する。制御部３０は、Ｆ_２＝Ｆ_２’となるように、バルブ３６の開度を調整する。

ＣＯＤ負荷量が第２の閾値を超える場合（Ｌ＞Ｌ_２）、制御部３０は、膜分離活性汚泥処理装置１０の負荷が所定値となる流量（第１の流量）Ｆ_１”で、膜分離活性汚泥処理装置１０に排水を送給する。Ｌ＞Ｌ_２の場合における負荷の所定値とは、上述のＬ_１＜Ｌ≦Ｌ_２の場合の負荷範囲の上限値と同じとされる。すなわち、膜分離活性汚泥処理装置の設計負荷の８０％から１２５％の範囲内の値とされる。制御部３０は、膜分離活性汚泥処理装置１０の負荷が上記範囲内の値となる流量（第１の流量）Ｆ_１”を決定する。制御部３０は、格納されている第１の流量Ｆ_１”と、現在の第１の流量Ｆ_１とを比較する。制御部３０は、Ｆ_１＝Ｆ_１”となるように、バルブ３４の開度を調整する。

制御部３０は、上述のように決定された膜分離活性汚泥処理装置１０の所定負荷を超えるＣＯＤを生物膜処理装置２０で処理させるために、生物膜処理装置２０に送給する排水の流量（第２の流量）Ｆ_２”を決定する。制御部３０は、決定された第２の流量Ｆ_２”を現在の第２の流量Ｆ_２と比較する。制御部３０は、Ｆ_２＝Ｆ_２”となるように、バルブ３６の開度を調整する。

上記の通り、閾値Ｌ_１を設定することで、排水の負荷変動が閾値Ｌ_１よりも小さい場合でも、膜分離活性汚泥処理装置の処理能力を低下させずに安定した処理を継続させることができる。排水の負荷変動により閾値Ｌ_１を超える負荷が発生した場合、膜分離活性汚泥処理装置１０と生物膜処理装置２０とに負荷を分配することで、負荷変動に対して追従しながら処理を行うことができる。

閾値Ｌ_２を設定して、膜分離活性汚泥処理装置１０での処理量を制限している。こうすることで、生物処理部３に流入する排水の負荷が膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷を超えるような場合であっても、最大でも膜分離活性汚泥処理装置１０に処理能力を大幅に超過する排水が流入しないようになっている。また、膜分離活性汚泥処理装置１０は、高負荷状態が続くと微生物の活性が高まり、より高い負荷での運転が可能となる。また、生物膜処理装置２０は、負荷変動に強いとされるが、高負荷状態での負荷変動がある場合には、いかに負荷変動追従性が高いとはいえ、処理水として不適なものとなる可能性もある。そこで、閾値Ｌ_２を膜分離活性汚泥処理装置の設計負荷の１００％より大きい値に設定すれば、生物膜処理装置２０での処理の負担を軽減できる。このように閾値Ｌ _２ を設定したことで、高負荷の排水が生物処理部３へ流入した際においても、安定した処理が実施でき、安定した性状の処理水を供給できる。

本実施形態では、負荷変動に対する処理の追従性を高めるために、閾値Ｌ_１と閾値Ｌ_２の間に、１または複数の中間閾値（Ｌ_Ｎ）を設定しても良い。中間閾値Ｌ_Ｎを境界として、ＣＯＤ負荷量がＬ≦Ｌ_Ｎの場合とＬ＞Ｌ_Ｎの場合とで、膜分離活性汚泥処理装置１０と生物膜処理装置２０とに送給する排水の分配比率を変化させる。この場合、Ｌ≦Ｌ_Ｎの場合よりもＬ＞Ｌ_Ｎの方が、生物膜処理装置２０に送給する排水の比率が大きくなるように、分配比率を決定する。こうすることで、負荷変動に対する処理の追従性を高めることができる。

以下で具体例を示しながら定量的に説明する。
第１の閾値を２０％、第２の閾値を１２５％とし、第３の中間閾値を８０％とする。第１の閾値２０％、第３の中間閾値８０％までは二つの閾値の場合と同様の分配比率とし、第３の中間閾値を超えると、越えた部分の分配比率を５０：５０とし、第２の閾値を超えると、膜分離活性汚泥処理装置１０へのＣＯＤ量の分配を上限として変化させない制御を行う。

膜分離活性汚泥処理装置１０は設計負荷の１２０％程度までであれば安定した処理が保たれる。生物膜処理装置２０は設計負荷の３倍程度までであれば若干悪化するものの安定した処理が保たれる。生物膜処理装置２０では通常ＣＯＤを９０％以上処理できるが、設計負荷の３倍程度までであれば７０％以上を処理することができる。経済性を考慮すると膜分離活性汚泥処理装置１０の設計負荷の割合を増やすことが望ましい。以下の定量評価では、この負荷への変動能力を考慮して、膜分離活性汚泥処理装置１０と生物膜処理装置２０への分配比率を決定した場合の評価を記載する。

負荷１００％のとき、第３の中間閾値がなければ、生物膜処理装置２０の処理水ＣＯＤ量は１００％×０．２×（１−０．７）＝６％となる。このとき、膜分離活性汚泥処理装置１０の負荷は１００％×０．８＋６％＝８６％となる。一方、第３の閾値があれば、生物膜処理装置２０の処理水ＣＯＤ量は｛８０％×０．２＋（１００％−８０％）×０．５｝×（１−０．７）＝７．８％となる。このとき、膜分離活性汚泥処理装置１０の負荷は８０％×０．８＋（１００％−８０％）×０．５＋７．８％＝８１．８％と低くなり、より安定した排水処理が保たれる。

負荷１５０％のとき、第３の閾値Ｌ_３がなければ、生物膜処理装置２０の処理水ＣＯＤ量は（１５０％−１００％）×０．３＝１５％となる。よって、膜分離活性汚泥処理装置１０の負荷は１００％＋１５％＝１１５％となる。一方、第３の閾値Ｌ_３があれば、生物膜処理装置２０の処理水ＣＯＤ量は｛８０％×０．２＋（１２５％−８０％）×０．５＋（１５０％−１２５％）｝×（１−０．７）＝１９％となる。このとき、膜分離活性汚泥処理装置１０の負荷は８０％×０．８＋（１２５％−８０％）×０．５＋１９％＝１０５．５％と低くなり、より安定した排水処理が保たれる。

生物膜処理装置２０で処理を実施した場合、生物膜処理装置２０での処理水は、膜分離活性汚泥処理装置１０に流入する。ポンプ１３により、生物反応槽１１中の処理水が膜分離活性汚泥処理装置１０（生物処理部３）から排出される。この時、分離膜１２により、活性汚泥及び浮遊粒子と処理水とが固液分離される。

生物処理部３から排出された処理水は、脱塩部４に搬送される。脱塩部４において、脱塩処理が実施される。

図３は、本実施形態の排水処理装置を用いて排水を処理した場合のＣＯＤ濃度及び流量の経時変化を表すグラフである。すなわち、生物処理部で膜分離活性汚泥処理装置と生物膜処理装置とを併用して処理を実施した結果である。図３（ａ）は、生物処理部に流入した排水中のＣＯＤ濃度及び流量を示している。図３（ｂ）は、生物膜処理装置の処理水中のＣＯＤ濃度と、生物膜処理装置に送給された排水の流量とを示している。図３（ｃ）は、膜分離活性汚泥処理装置の処理水中のＣＯＤ濃度と、膜分離活性汚泥処理装置に送給された排水の流量とを示している。図３において、横軸は排水処理の経過時間、第１の縦軸はＣＯＤ濃度、第２の縦軸は流量である。

図３の取得に当たり、ＣＯＤ濃度及び流量の計測間隔は、１５分とした。図３ではＣＯＤ濃度の移動平均を示している。また、第２の閾値Ｌ _２ を膜分離活性汚泥処理装置の設計負荷の１２５％、第１の閾値Ｌ _１ を設計負荷の２５％に設定した。Ｌ _１ ＜Ｌ≦Ｌ _２ である場合の排水の分配比率Ｆ_１”：Ｆ_２”は、８０：２０に設定した。

図４は、膜分離活性汚泥処理装置のみを用いて排水を処理した場合のＣＯＤ濃度及び流量の経時変化を表すグラフである。図４（ａ）は生物処理部に流入した排水中のＣＯＤ濃度及び流量を示している。図４（ｂ）は膜分離活性汚泥処理装置で処理されたＣＯＤ濃度を示している。なお、図４の場合、膜分離活性汚泥処理装置に送給された排水量は、生物処理部に流入した排水量と一致している。

図３において、０日から９日の間はＬ _１ ＜Ｌ≦Ｌ _２ であり、所定比率で膜分離活性汚泥処理装置及び生物膜処理装置への排水の分配が実施されている。図３（ａ）に示すように、９日〜１０日にかけてＣＯＤ濃度及び流量が大きく変動している。この時、Ｌ＞Ｌ _２ となっている。図３（ｂ）に示すように、ＣＯＤ濃度及び流量の変動に対応して、生物膜処理装置に送給される排水の流量及びＣＯＤ濃度が大きく変動している。一方、図３（ｃ）に示すように、膜分離活性汚泥処理装置での処理量は９日以前と変動はない。

また、図３では、１１日〜１２日にかけて、ＣＯＤ濃度に大きな変動はないが流量が変動した。この時、Ｌ _１ ＜Ｌ≦Ｌ _２ であったために、所定の比率で排水が分配された。

一方、図４に示すように、膜分離活性汚泥処理装置のみを使用した場合は、ＣＯＤ濃度及び流量の変動により、膜分離活性汚泥処理装置で処理されるＣＯＤ濃度が変動する。特に、９日〜１０日にかけてＣＯＤ濃度及び流量が大きく変動した場合、図３では処理水中にＣＯＤ濃度が４０ｍｇ／ｌであるのに対し、図４では１４０ｍｇ／ｌと高くなっている。

以上の結果から、膜分離活性汚泥処理装置と生物膜処理装置とを併用し、排水中のＣＯＤ負荷量に応じて排水を分配することにより、安定して排水を処理できることが理解できる。

１ 排水処理装置
２ 前処理部
３ 生物処理部
４ 脱塩部
１０ 膜分離活性汚泥処理装置（第１の生物処理装置）
１１ 生物反応槽
１２ 分離膜
１３ ポンプ
２０ 生物膜処理装置（第２の生物処理装置）
２１ 処理槽
２２ 固定床
３０ 制御部
３１ ＣＯＤ計
３２ ＵＶ計
３３，３５ 流量計
３４，３６ バルブ
４０ 中和薬品タンク

Claims (7)

1. 膜分離活性汚泥法により排水を処理する第１の生物処理装置と、
   生物膜法により排水を処理する第２の生物処理装置と、
   前記第１の生物処理装置及び前記第２の生物処理装置の上流を流通する排水中の負荷濃度と流量とを計測する計測部と、
   前記負荷濃度と前記流量とから負荷量を算出し、前記負荷量に応じて、前記第１の生物処理装置に送給する前記排水の流量と、前記第２の生物処理装置に送給する前記排水の流量との分配比率を９０：１０〜５０：５０の範囲内で決定し、該分配比率に基づいて、前記第１の生物処理装置に送給する前記排水の流量と前記第２の生物処理装置に送給する前記排水の流量とを調整する制御部とを含み、
   前記制御部が第１の閾値を格納し、
   前記制御部が、前記負荷量が前記第１の閾値以下である場合に前記第１の生物処理装置に前記排水を送給するとともに、前記第２の生物処理装置への前記排水の送給を停止し、
   前記負荷量が前記第１の閾値より大きい場合に、前記制御部が、所定の前記分配比率で前記第１の生物処理装置と前記第２の生物処理装置とに前記排水を送給する排水処理装置。
2. 前記制御部が前記第１の閾値と第２の閾値とを格納し、
   前記負荷量が前記第１の閾値より大きく前記第２の閾値以下である場合に、前記制御部が、前記所定の分配比率で前記第１の生物処理装置及び前記第２の生物処理装置に前記排水を送給し、
   前記負荷量が前記第２の閾値よりも大きい場合に、前記制御部が、前記第１の生物処理装置の処理量が所定の値になるように前記第１の生物処理装置に前記排水を送給するとともに、残りの前記排水を前記第２の生物処理装置に送給する請求項１に記載の排水処理装置。
3. 前記制御部が、前記第１の閾値と前記第２の閾値との間に１つまたは複数の中間閾値を格納し、
   前記制御部が、前記中間閾値より大きい場合と当該中間閾値以下の場合とで異なる前記分配比率にて、前記第１の生物処理装置と前記第２の生物処理装置に前記排水を送給する請求項２に記載の排水処理装置。
4. 前記制御部が、前記中間閾値を超える毎に、前記第２の生物処理装置への前記排水の分量が増加するように、前記排水を送給する請求項３に記載の排水処理装置。
5. 前記第２の生物処理装置から排出された排水が、前記第１の生物処理装置に送給される請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の排水処理装置。
6. 前記制御部が、前記負荷濃度の移動平均及び回帰推定値の少なくとも一方を算出し、前記移動平均及び回帰推定値の少なくとも一方を用いて前記負荷量を算出する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の排水処理装置。
7. 前記負荷量が、ＣＯＤまたはＢＯＤとされる請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の排水処理装置。

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