JP2004290780A

JP2004290780A - 曝気攪拌機の自動制御方法

Info

Publication number: JP2004290780A
Application number: JP2003085005A
Authority: JP
Inventors: Teruhisa Yoshida; 輝久吉田; Hideaki Hamada; 英明浜田
Original assignee: Hitachi Kiden Kogyo Ltd
Current assignee: Hitachi Kiden Kogyo Ltd
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】曝気槽内の水質を検知し、これに対応した好気状態での硝化反応と、嫌気状態での脱窒反応とを選択的に行って、汚水の硝化脱窒処理を効率的に行えるように運転を自動制御するようにした曝気攪拌機の運転制御方法を提供すること。
【解決手段】回転方向を切り替えることにより、好気運転と嫌気運転を選択的に行えるようにした曝気攪拌機の自動制御方法において、曝気攪拌機に回転数制御手段と、槽内の水質の変化をオンラインで測定するセンサーとを設け、好気運転時には、回転数を数段階に切り替えながら、センサーの値が規定値に達した段階で、好気運転を終了し、タイマーで所定の時間、嫌気運転を行った後、再び好気運転に切り替え、これを繰返すことにより硝化脱窒を促進するようにする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、曝気攪拌機の自動制御方法、特に、下水等の有機性汚水を活性汚泥により生物処理する際、単一の曝気槽内の水質を検知して、それに基づいて好気状態での硝化反応と、嫌気状態での脱窒反応とを促進させて、汚水の硝化脱窒処理を効率的に行うようにした曝気攪拌機の運転制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、単一の曝気槽で硝化脱窒を行う方法として、曝気攪拌機による間欠曝気が用いられている。この間欠曝気の手段としては、一般に水中型の曝気攪拌機が設けられ、攪拌羽根を回転した状態で、ブロアからの曝気用空気の弁を開放すれば攪拌羽根の回転により空気が微細気泡となって水中に溶解し、空気弁を閉じれば攪拌のみ行うことができるよう構成されている。すなわち、空気弁の開閉やブロアの運転停止を繰返し行うことによって、好気状態と嫌気状態を交互に、あるいは選択的に切り替え、間欠曝気による硝化脱窒を行うことができるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の水中型の曝気攪拌機による運転制御方法では、曝気槽の攪拌に際して、槽内の活性汚泥が沈殿しない最小限の攪拌力を与えれば良いが、槽内の攪拌状態は、曝気槽の形状や容量と、曝気攪拌機の動力との関係により異なり、これらを考慮して嫌気運転時に必要な回転数を決める必要があるため、この回転数の決定が難しくてなかなか適正な回転数を定めにくく、また、曝気運転時に水中に溶解する酸素量も、モータの回転数によって異なり、回転数が大きいほど溶解する酸素量も増加するため、回転数と酸素溶解速度との関係を予め把握しておく必要があり、困難な作業となっている。
また、流入汚水量が少ない期間や、曝気槽の汚泥濃度が低い場合には、酸素の消費量が少ないので短時間曝気を行うだけでも、多量の酸素が溶解して溶存酸素となり、好気運転から嫌気運転に切り替わっても、溶存酸素がなかなか消失せず、嫌気状態にならないために脱窒が阻害され、汚水を効率的に、かつ適正に硝化脱窒を行うことができないという問題点があった。
また、このような曝気攪拌機は、駆動部が水中にあるための保守点検性が悪く、軸受けの交換頻度も多いという問題点があった。
【０００４】
上記従来の曝気攪拌機の運転制御における問題点に鑑み、曝気槽内の水質を検知し、これに対応した好気状態での硝化反応と、嫌気状態での脱窒反応とを選択的に行って、汚水の硝化脱窒処理を効率的に行えるように運転を自動制御するようにした曝気攪拌機の運転制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の曝気攪拌機の自動制御方法は、回転方向を切り替えることにより、好気運転と嫌気運転を選択的に行えるようにした曝気攪拌機の自動制御方法において、曝気攪拌機に回転数制御手段と、槽内の水質の変化をオンラインで測定するセンサーとを設け、好気運転時には、回転数を数段階に切り替えながら、センサーの値が規定値に達した段階で、好気運転を終了し、タイマーで所定の時間、嫌気運転を行った後、再び好気運転に切り替え、これを繰返すことにより硝化脱窒を促進するようにしたことを特徴とする。
【０００６】
本発明の曝気攪拌機の自動制御方法は、回転方向を切り替えることによって、好気運転と嫌気運転を１台の装置で行うことができる曝気攪拌機に、回転数を制御するための回転数制御手段と、曝気槽内の水質の変化をオンラインで測定するセンサーとを設けて、好気運転時には、回転数を数段階に切り替えながら、センサーの値が規定値に達した段階で、好気運転を終了し、タイマーで所定の時間、嫌気運転を行った後、再び好気運転に切り替え、これを繰返すことによって間欠曝気を行うようにしているため、負荷の時間変動があっても、常に曝気槽内の水質をセンサーにて検知することができるので、好気状態で進行する硝化反応と、嫌気状態で進行する脱窒反応の両者をバランス良く働かせることができ、安定した硝化、脱窒性能を確保することができる。
【０００７】
また、この場合、回転数制御手段としてインバータを用いることができる。
【０００８】
これにより、曝気攪拌機の回転数をインバータにより簡易に切り替えることができるので、変動負荷に対応した好気運転若しくは嫌気運転を迅速に切り替えて汚水を効率的に、簡易に処理することができる。
【０００９】
また、この場合、センサーを、溶存酸素濃度（ＤＯ）、酸化還元電位（ＯＲＰ）、ｐＨ、アンモニア性窒素濃度、又は硝酸性窒素濃度の何れかを測定するセンサーを用いることができる。
【００１０】
これにより、何れのセンサーを用いても、曝気に伴うセンサー測定値の小さい変化を検知して好気運転を終了し、嫌気運転に切り替えられるため、短時間で嫌気状態となって、脱窒反応を促進することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の曝気攪拌機の自動制御方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１、図２は、完全混合型の曝気槽１１の中央部に１台の曝気攪拌機Ｐを設置した状態の断面図で、図１は嫌気運転を行っている状態を示し、また図２は好気運転を行っている状態を示し、この嫌気運転と好気運転との切替は、モータの回転方向を切り替えることにより行うもので、さらに図１においては、回転数制御手段と槽内の水質の変化をオンラインで測定するセンサーとを省略しているが、図２に示すように配設されるものである。
なお、立方形状に近い完全混合型の曝気槽１１の中央部に縦型の曝気攪拌機Ｐを１台設置するのが一般的であるが、曝気攪拌機Ｐを設置した曝気槽１１の構成は、特にこれに限定されるものではなく、例えば、曝気槽１１の形状によって、曝気攪拌機を２台、あるいはそれ以上設置（図示省略）することができ、さらには、立方形状の曝気槽中央に１台設置し、この曝気槽１１の複数を直列に連結する実施例（図示省略）にも適用することができる。
【００１３】
汚水を生物処理するために用いる曝気攪拌機Ｐとしては、特に限定されるものではないが、例えば、図１、２に示すように、正逆と逆転が可能な駆動用のモータ１に、直接あるいは変速機（図示省略）などを介して間接的にシャフト２を接合してモータ１の回転力をシャフト２に伝達するようにし、このシャフト２の先端あるいは先端部分の水中部となる位置に攪拌スクリュー３を、シャフト２の水上部に遠心羽根４を、互いに上下位置で対向するようにして設け、モータ１の回転によりシャフト２を介して攪拌スクリュー３と遠心羽根４とが共に回転するように構成する。
なお、この縦型の曝気攪拌機Ｐは、モータ１を正回転の一方向回転とし、変速機（図示省略）を介して攪拌スクリュー３を逆回転できるようにする構成することもでき、また、この攪拌スクリュー３、遠心羽根４の形状は、図示のものでは異形状としたが、特にこれに限定されるものではないが、攪拌スクリュー３は常に汚水中に浸る位置に、また遠心羽根４は水面上方位置になるよう配設する。
【００１４】
また、この遠心羽根４の外周と、少なくとも該遠心羽根４を取り付けたシャフト２の外周部分とを覆うようにしてドラフトチューブ５を設けるが、このドラフトチューブ５の下端は常に汚水中に没するようにして固定し、またドラフトチューブ５の上端は大気中に開口し、かつドラフトチューブ５の上方位置に、特に限定されるものではないが、例えば、モータ取付台の下部に水流ガイド板６を設け、ドラフトチューブ５内部に吸い上げられた曝気槽内の汚水９（混合液）が、ドラフトチューブ５の上端と水流ガイド板６との隙間から放射方向に噴出されるよう構成される。
なお、モータ１及び攪拌スクリュー３の回転方向に関係なく、常に攪拌スクリュー３はこのドラフトチューブ５の下端より突出して、汚水９を攪拌できるようにするが、この場合、曝気攪拌機Ｐは、図１に示すように、攪拌スクリュー３と遠心羽根４の間に曝気槽の水面位置がくるように設置する。
【００１５】
また、曝気槽１１には、槽内の水質の変化を把握するためのセンサー２１を設けるとともに、このセンサーの測定値が曝気槽外の任意の位置に配設された回転数制御手段２２（制御装置）に取りこまれるように構成する。そして、このセンサー２１による測定値に応じて前記回転数制御手段２２内に設けられたインバータの周波数を自動的に変更し、この回転数制御手段２２と配線で接続した曝気攪拌機のモータ１の回転数を変更できるよう構成する。
回転数の制御手段としては、インバータが最も簡便であるが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、機械的な回転数制御手段であっても、自動的に回転数を切り替えられる装置であれば利用することができる。
また、使用するセンサーとしては、実施例では溶存酸素濃度（ＤＯ）を測定するＤＯセンサーを用いているが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、酸化還元電位（ＯＲＰ）、ｐＨ、アンモニア性窒素濃度、又は硝酸性窒素濃度の何れかを測定するセンサーの何れかを用いることができる。
【００１６】
図３は、本発明の曝気攪拌機の自動制御方法としてＤＯセンサーを用いて制御した場合のＤＯ値の時間変動を示している。
図３において、曝気攪拌機の好気運転開始後は、インバータの周波数設定値に応じた回転数Ｎ１で短時間運転し、その後、周波数の自動切替によってそれぞれ回転数が異なるようにした回転数Ｎ２と、回転数Ｎ３との３段階に設定変更を行うことができるようにしている。この回転数の切替の段階数や各回転数での運転時間は、流入汚水の負荷や曝気能力等を考慮して、適切な値に設定するようにする。
また、回転数の切替は、タイマーによる運転時間の設定値に基づいて行うことができるが、この方法以外にも、溶存酸素濃度の制御値を複数設定できる場合は、回転数Ｎ１で運転し、ＤＯ値がＣ１になれば回転数を回転数Ｎ１よりも遅い回転数Ｎ２に切り替え、さらにＤＯ値がＣ２になれば、さらに回転数Ｎ３に切り替え、このようにして最終的にＤＯ値がＣｔに達した時点で、好気運転を終了して、嫌気運転に切り替える方法を用いることも可能であるが、この時のＤＯ規定値Ｃｔは、０．５〜２ｍｇ／Ｌ程度の範囲で選定するのが適切である。
【００１７】
なお、溶存酸素濃度を検知するＤＯセンサー以外のセンサーを使用して同様の制御を行う場合でも、曝気槽内の硝化の進行に伴って上昇するＯＲＰ値や硝酸性窒素濃度の上昇分、あるいは硝化の進行に伴って減少するｐＨやアンモニア性窒素濃度の減少分を考慮して、好気運転を終了して嫌気運転に切り替えるための規定値を設定するようにする。
【００１８】
また、嫌気運転では、曝気攪拌機Ｐのモータ１の回転を逆回転になるよう切り替えて、所定の回転数で運転することにより、汚泥が沈降しない最低限の攪拌力を保つのが適切であるが、回転を停止したり、断続的に攪拌することで、嫌気状態をつくることも可能である。
タイマーにより所定時間Ｔａ、嫌気運転を行った後、曝気を再開し、これを繰返すことにより間欠曝気を行うことができる。
【００１９】
次に、本発明の動作、作用を説明する。
図１に示すように、嫌気運転を行う時は、モータ１の正転により攪拌スクリュー３が回転し、下向きの流れが発生するするようにする。この時、曝気攪拌機Ｐは曝気槽１１の中央付近に設置しているため、表面付近では、中央に向かう流れが生じ、中央部を下降した流れが水槽の底にぶつかった後、放射状に広がって底部を外壁１２に向かって流れ、さらに外壁１２に沿って上昇する。このような循環水流７が形成されると、混合液中の汚泥分が沈降することなく、また、流入した汚水が水槽全体に混合されて、汚泥中の微生物と接触して有機物の分解や嫌気状態で進行する脱窒反応が促進される。この時、遠心羽根４も回転しているが、水上にあるため何ら流れに影響を与えることはない。
【００２０】
次に、好気運転を行う時は、図２に示すように、モータ１の回転を逆回転するよう切り替えると、攪拌スクリュー３の逆回転によって曝気槽内の汚水に上向きの流れが形成されてドラフトチューブ５の内部へと汚水が侵入し、さらに遠心羽根４の回転によって上部へと汚水が吸い上げられ、この汚水はドラフトチューブの上端と水流ガイド板６との隙間から放射状に噴出される。
噴出した汚水の空中での空気との接触や、水面に落下した時の水面の乱れ等により、汚水に空気中の酸素が溶解する。このようにして汚水に溶解した酸素は、汚泥中の微生物の呼吸作用に使われる他、有機物の分解や、好気状態で進行する硝化反応に利用される。
【００２１】
また、必要な酸素量は、時間とともに変化し、通常は徐々に減少していくため、溶解した酸素のうち溶存酸素濃度として残留する量が徐々に増加していく。また、水面に落下した汚水は、放射方向の速度を持つため、表面付近には外壁１２に向かう流れが生じ、外壁１２にぶつかって下降した流れは、水槽底部を中央に向かう流れとなり、水槽中央部では、上向きの流れとなって循環水流８が形成される。
【００２２】
好気運転開始時は、嫌気運転時の流れ（循環水流７）が残っており、短時間で前記循環水流８を形成させるためには、回転数を大きくすることが好ましい。そこで、図３に示すように好気運転の最初は大きい回転数Ｎ１で短時間運転して、曝気槽内にある程度の水流が発生するようになると、次に回転数を回転数Ｎ２に下げ、さらにその後、より小さい回転数Ｎ３に切り替えるようにする。
なお、この回転数の切替の段数は、特にこれに限定されるものではなく、例えば、２段階でも良く、また、より細かい制御を行うために３段階以上とすることも可能である。
このように好気運転では、回転数を段階的に下げていくため、急激な溶存酸素濃度上昇が生じないため、好気運転から嫌気運転に切り替える時のＤＯ規定値を０．５〜２ｍｇ／Ｌ程度の小さい値に設定することができる。
【００２３】
図４は、好気運転時の回転数を一定として運転した時のＤＯ値の時間変動を示した従来の制御方法を示すものである。
曝気攪拌機Ｐのシャフトの回転数を、回転数Ｎ１と大きい値に固定して運転した場合、特に、供用開始初期の流入汚水量が少ない時期には、酸素消費量が少なく、短時間でＤＯ値が上昇するが、硝化速度には限界があり、溶存酸素濃度が上昇しても硝化は必ずしも終了していないため、図４に示すように、ＤＯ規定値を大きく設定して自動運転を行うことになる。
【００２４】
硝化脱窒を安定的に行うためには、好気状態と嫌気状態の時間比を１：１前後とするのが適切で、好気運転終了後、嫌気Ａのように短時間で溶存酸素濃度が消失して嫌気状態が得られる場合は、脱窒に必要な嫌気時間を確保することができる。しかし、流入汚水が停止する時間帯は、急激に溶存酸素濃度が上昇して好気運転から嫌気運転に切り替わっても、酸素消費速度が極めて小さいため、嫌気Ｂのように溶存酸素濃度がなかなか消失せず、溶存酸素濃度ゼロの嫌気状態はわずかの時間となって、脱窒が十分進まないまま、次の好気運転に切り替わってしまう。
逆に、曝気攪拌機Ｐのシャフトの回転数が小さい場合は、負荷が極めて大きい時間帯に消費される酸素量に見合った酸素が供給できず、いつまでたっても溶存酸素濃度が規定値に達しないといった問題を生じる場合がある。
【００２５】
本発明では、回転数を段階的に下げていくため急激な溶存酸素濃度上昇が生じず、ＤＯ規定値を０．５〜２ｍｇ／Ｌ程度の小さい値に設定して運転切り替えを行うため、嫌気運転に切り替われば、速やかに溶存酸素濃度ゼロの嫌気状態が得られ、脱窒反応を効率良く進めることができる。
なお、ＤＯセンサーに限らず、他のセンサーを使用する場合も、曝気に伴うセンサー測定値の小さい変化を検知して、好気運転を終了し、嫌気運転に切り替えるため、上記同様に、短時間で嫌気状態となって、脱窒反応を促進することができる。
【００２６】
以上、本発明の曝気攪拌機の運転制御方法について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、例えば、曝気攪拌機は図示のものに限定されるものではなく、他の方式の表面曝気機、水中型曝気攪拌機など、モータやブロアの回転数の調整によって水中に溶解する酸素量が変化する方式の曝気攪拌機にも適用することが可能で、さらに曝気攪拌機の回転数の切替の段数も、これに限定されることなく２段階でも良く、またより細かい制御を行うために３段階以上とすることも可能で、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の曝気攪拌機の自動制御方法によれば、回転方向を切り替えることによって、好気運転と嫌気運転を１台の装置で行うことができる曝気攪拌機に、回転数を制御するための回転数制御手段と、曝気槽内の水質の変化をオンラインで測定するセンサーとを設けて、好気運転時には、回転数を数段階に切り替えながら、センサーの値が規定値に達した段階で、好気運転を終了し、タイマーで所定の時間、嫌気運転を行った後、再び好気運転に切り替え、これを繰返すことによって間欠曝気を行うようにしているため、負荷の時間変動があっても、常に曝気槽内の水質をセンサーにて検知することができるので、好気状態で進行する硝化反応と、嫌気状態で進行する脱窒反応の両者をバランス良く働かせることができ、安定した硝化、脱窒性能を確保できる利点がある。
【００２８】
また、本発明においては、回転数制御手段としてインバータを用いているため、曝気攪拌機の回転数をインバータにより簡易に切り替えることができるので、変動負荷に対応した好気運転若しくは嫌気運転を迅速に切り替えて汚水を効率的に、簡易に処理することができる。
【００２９】
また、本発明においては、制御用のセンサーとして、溶存酸素濃度（ＤＯ）、酸化還元電位（ＯＲＰ）、ｐＨ、アンモニア性窒素濃度、又は硝酸性窒素濃度の何れかを測定するセンサーを利用しても、曝気に伴うセンサー測定値の小さい変化を検知して好気運転を終了し、嫌気運転に切り替えられるため、短時間で嫌気状態となって、脱窒反応を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の曝気攪拌機の運転制御方法を実施するために適用した嫌気運転時の曝気攪拌機の断面図である。
【図２】同曝気攪拌機にオンラインセンサーと制御装置とを配設した好気運転時の曝気攪拌機の断面図である。
【図３】本発明の運転制御方法を示すＤＯ値の時間変動パターンである。
【図４】従来の自動制御方法を示すＤＯ値の時間変動パターンである。
【符号の説明】
１モータ
２シャフト
３スクリュー
４遠心羽根
５ドラフトチューブ
６水流ガイド板
７循環水流
８循環水流
９汚水
１１曝気槽
１２外壁
２１オンラインセンサー
２２制御装置
Ｐ曝気攪拌機

Claims

回転方向を切り替えることにより、好気運転と嫌気運転を選択的に行えるようにした曝気攪拌機の自動制御方法において、曝気攪拌機に回転数制御手段と、槽内の水質の変化をオンラインで測定するセンサーとを設け、好気運転時には、回転数を数段階に切り替えながら、センサーの値が規定値に達した段階で、好気運転を終了し、タイマーで所定の時間、嫌気運転を行った後、再び好気運転に切り替え、これを繰返すことにより硝化脱窒を促進するようにしたことを特徴とする曝気攪拌機の自動制御方法。
回転数制御手段としてインバータを用いることを特徴とする請求項１記載の曝気攪拌機の自動制御方法。
センサーを、溶存酸素濃度（ＤＯ）、酸化還元電位（ＯＲＰ）、ｐＨ、アンモニア性窒素濃度、又は硝酸性窒素濃度の何れかを測定するセンサーを用いるようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の曝気攪拌機の自動制御方法。