JP2005058920A - 合流式下水処理場からの雨天時ｂｏｄ流出負荷の算出方法及びこれを利用した合流式下水処理場の計画・設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷を正確に求めることができる方法と、この方法を利用した合流式下水処理場における合流改善計画の策定方法とを提供する。
【解決手段】浮上ろ材が充填された高速ろ過槽または雨水貯留池を備えた合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷量の算出方法である。実際の雨天時における流入量から所定時間ごとに流入水の処理施設への配分先を求めたうえ、その配分先毎に設定したＢＯＤ除去率と原水ＢＯＤからＢＯＤ流出負荷量を計算して１降雨全体のＢＯＤ流出量を求め、その長期間の各降雨に対して平均値を取る。その合流式下水処理場に求められる貯留規模に見合う高速ろ過槽の規模（有効ろ過面積）を求めることができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷の算出方法及びこれを利用した合流式下水処理場の計画・設計方法に関するものである。

下水処理場の建設が早くから行われている大都市部では、汚水と雨水が共通の管路を経由して下水処理場に流入する合流式下水処理が行われている。一般に下水処理場の高級処理の設計水量Ｑｓｄは、晴天時の日最大水量を基準として設定されているため、雨天時には設計水量Ｑｓｄを越える水量が流入する。降雨時には時間最大処理水量Ｑｓｈを越え３〜４Ｑｓｈまでの分は最初沈殿池で簡易沈殿処理されただけで公共水域に放流されるため、水質汚濁の問題が生じている。

この問題を解決するために提案されている一つの方法は、巨大な雨水貯留池を設けて雨天時に流入する下水を一時的に貯留し、降雨終了後に二次処理系列に送水し、徐々に高級処理する方法である。この雨水貯留池の貯留規模は、その下水処理場が管轄する流域面積と想定降雨量との積として計算され、例えば流域面積が500ha、想定降雨量が5mmの場合には25000m³となる。平成１３年に行われた国土交通省合流改善検討委員会においては、その下水処理場を仮想で分流式とした場合のＢＯＤ流出負荷と同等にするといういわゆる「分流並み」を達成することを目的とし、望ましくは、想定降雨量5mmに見合う貯留規模の雨水貯留池の建設を提言している。ところが都市部では多くの場合、このような大規模な雨水貯留池を建設する用地の確保が困難であり、雨水貯留池の設置による合流改善はあまり進んでいない。

またこの問題を解決するための他の方法として、本発明者らは前記の特許文献１において有効な高速雨水処理装置として、最初沈殿池の一部に浮上ろ材が充填された高速ろ過槽を設け、雨天時に設計水量Ｑｓｈを超過した流入下水をこの高速ろ過槽で高速ろ過処理して放流する方法を提案した。この方法は、既設の処理場の改造を行うだけで、設計水量Ｑｓｈを越える流入水量を大量に処理することができるので、雨水貯留池の貯留規模増大が不可能な場合にも、合流改善に大きく寄与することができる。

ところが、実際に合流改善を求められている地方公共団体にとっては、国土交通省合流改善検討委員会が求める想定降雨量（例えば5mm）に対応する雨水貯留池と同等の効果を得るためには、どの程度の規模の高速ろ過槽を設置すればよいのかが不明である。このために適切な合流式下水処理場における合流改善のための計画・設計が行えないという問題があった。
特開2001-219193号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決し、雨天時の下水Ｑｓｈ超過分を処理する浮上ろ材充填型高速ろ過槽等の高速雨水処理装置を備えた合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷を正確に求めることができる方法と、この方法を利用した合流式下水処理場における合流改善の計画・設計方法とを提供するためになされたものである。

上記の課題を解決するためになされた請求項１の発明は、通常の高級処理を行う二次処理系列のほかに高速雨水処理装置と雨水貯留池とを備えた合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷の算出方法であって、実際の雨天時における流入下水量から所定時間ごとに流入水の配分先を求めたうえ、その配分先毎に設定したＢＯＤ除去率と原水ＢＯＤからＢＯＤ流出量を計算して１降雨全体のＢＯＤ流出負荷量を求め、その長期間の平均値を取ることを特徴とするものである。なお、高速雨水処理装置を、浮上ろ材が充填された高速ろ過槽とすることが好ましく、その場合には高速ろ過槽のＢＯＤ除去率を、ろ過速度と原水ＢＯＤ濃度との関数として設定することが好ましい。

また請求項４の発明は、雨水貯留池の貯留規模と高速ろ過槽の規模とを変化させて請求項２記載の方法により合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷を算出し、雨天時ＢＯＤ流出負荷量がその合流式下水処理場に求められる雨水貯留池の貯留規模と同等の能力を有する高速ろ過槽の規模を算出することを特徴とするものである。

以下に詳細に説明するように、請求項１の発明によれば、実際の雨天時の流入量とＢＯＤ変化の実績に基づいて、通常の水処理系列のほかに、浮上ろ材が充填された高速ろ過槽等の高速雨水処理装置とを備えた合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷を正確に求めることができる。この演算は、仮定の雨水貯留池の貯留規模と高速ろ過槽の規模とを各々机上で自由に変化させて行うことができるので、その合流式下水処理場に求められる雨天時ＢＯＤ流出負荷となる貯留の算定、その貯留規模と雨天時ＢＯＤ流出負荷が等しくなる高速ろ過槽の規模、あるいはその貯留規模と雨天時ＢＯＤ流出負荷が同等になる小型の貯留と高速ろ過を組み合わせた場合の各々の規模を求めることができる。このため適切な合流式下水処理場の合流改善の策定が可能となる。

図１に合流改善対策として雨水貯留池と高速ろ過槽を有する合流式下水処理場の概念的な平面図を示す。１は合流下水が最初に流入する着水井、２は最初沈殿池、３は生物反応槽、４は最終沈殿池、５は既設の最初沈殿池２の一部を改造した高速ろ過槽、６は雨水貯留池である。先ずこれらの各設備の機能を説明する。

流入水量が設計水量Ｑｓh以下である晴天時には、流入水の全量が最初沈殿池２、生物反応槽３、最終沈殿池４からなる通常の高級処理を行う二次処理系列により高級処理され、処理水は高度処理水として放流される。しかし雨天時には流入水量が設計水量Ｑｓｈを超過するため、通常の二次処理経路で処理できない設計水量Ｑｓｈの超過分については着水井１から雨水貯留池６への送水が行われる。しかし雨水貯留池６の貯留規模には制限があるため、雨水貯留池６が満杯になったときには高速ろ過槽５に送水され、高速ろ過処理される。なお、これらの処理能力を越えて流入水量が増加したときには、やむを得ず着水井１からの直接放流がなされる。

高速ろ過槽５は図２に示すように隔壁により区画された複数のろ過槽７と、洗浄排水槽８とからなるもので、各ろ過槽７の内部には浮上ろ材９が充填され、その上面にはろ材流出防止スクリーン１０が設けられている。流入水は流入水路１１から各ろ過槽７の下部に導かれ、図３に示すように浮上ろ材９の充填層を上向流として通過する間にろ過される。

この高速ろ過槽５の特徴は浮上ろ材９としてみかけ比重が0.1〜0.4でサイズが4〜10mmの凹凸状ろ材を用いることにより、1000m/日までの高速ろ過が可能なことである。ろ過水は上部の共通処理水槽１２に入り、所定量を超えると高速ろ過水として放流される。なお逆洗の際には、図４に示すように流入水路１１を必要に応じて閉鎖し、槽底部の逆洗弁１３を開く。この結果、重力により上部の共通処理水槽１２内のろ過水が浮上ろ材９の充填層を下向きに流れ、逆洗が行われる。洗浄排水はパイプ１４を通じて洗浄排水槽８に流入し、ポンプ１５によりくみ出されるようになっている。

上記構成の合流式下水処理場を前提として、以下に本発明の雨天時ＢＯＤ流出負荷の算出方法を説明する。なお計算のためには、雨水貯留池６の貯留規模（容積）と、高速ろ過槽５の規模（有効ろ過面積）を予め設定しておく。

先ず第１ステップとして、雨天時に着水井１から流入水が配分される各配分先のＢＯＤ除去率をそれぞれ設定する。配分先は雨水貯留池６、通常の水処理系列による高級処理経路、高速ろ過槽５、直接放流の４つである。雨水貯留池６の貯留水は最終的に晴天時に通常の処理経路で高級処理されることとなるが、ここでは日本下水道協会発行の合流式下水道改善対策指針と解説−２００２年版に準拠して雨水貯留池６のＢＯＤ除去率を90％と設定する。

本発明においては降雨時Ｑｓｈ超過分の下水のみの算定とするため、Ｑｓｈ以下の通常の処理経路のＢＯＤ除去は、計算対象外とする。すなわち本発明は流入水量が通常の処理経路によっては処理できないレベルＱｓｈを超えて増加した降雨時の処理を対象としており、Ｑｓｈ以下の通常の処理経路は晴雨にかかわらず一定量で高級処理が行われるため、雨天時ＢＯＤ流出負荷の計算を行ううえでは関係がない。

高速ろ過槽５のＢＯＤ除去率については、過去の多数のデータを図５のように整理し、ＢＯＤ除去率をろ過速度と原水ＢＯＤ濃度との関数として設定することができる。ろ過速度(m/日）をＡとし、原水ＢＯＤ(mg/L)をBとすると、例えばろ過速度が０〜１０００ｍ/日の場合、ＢＯＤ除去率(％)=−0.019Ａ+0.141 B+59.1の式で、またろ過速度が１０００〜１５００ｍ/日の場合、ＢＯＤ除去率(％)=−0.0032Ａ+0.160 B+70.2の式で表すことができる。この式は浮上ろ材９の径を7.5mmとした場合のデータに基づくものであるが、浮上ろ材９の径が異なる場合にも係数は異なるものの、同様の傾向の式で表すことができる。最後の直接放流の場合のＢＯＤ除去率はもちろんゼロである。

図１に示した合流式下水処理場の雨天時ＢＯＤ流出負荷の計算には以上の設定で十分であるが、高速ろ過槽５を持たない既設の合流式下水処理場では、前記したようにＱｓｈを越えた場合も全て最初沈殿池を利用した簡易沈殿処理が行われている。対比のために既設の合流式下水処理場の雨天時ＢＯＤ流出負荷を求める場合には、簡易処理のＢＯＤ除去率を設定する必要があり、ここでは日本下水道協会発行の合流式下水道改善対策指針と解説−２００２年版に準拠して30％と設定する。以上で第１ステップの作業は完了である。

第２ステップは、実際の雨天時における下水処理場への流入量変化と、その原水ＢＯＤ変化のデータを取得することである。図６に示すように１回の降雨ごとにデータを集積し、好ましくは１年分のデータを集める。図６に例示するように、降雨量の変化に応じて原水ＢＯＤも変化する。図６の例では１５分ごとに流入量と原水ＢＯＤのデータを取得している。

第３ステップは、所定時間ごとに流入水の配分先を求めることである。その詳細を図７の流入量変化のグラフを参照しながら説明する。なお、この図７は雨天時の下水量増加分のみを示しており、合流式下水処理場への全流入量から時間最大処理水量Ｑｓｈを差し引いた値となっている。晴雨にかかわらず時間最大処理水量Ｑｓｈは通常の高級処理経路によって処理されるため、雨天時ＢＯＤ流出負荷の計算の対象外としたものである。ただし高速ろ過により発生する洗浄排水を最初沈殿池に送水する場合には、その量的負荷を含めて,時間最大処理水量Ｑｓｈを設定する必要がある。

さて図７に示すように雨天時に流入量が増加し始めると、最初のうち流入水は雨水貯留池６に送水されて貯留される。ここでは着水井１から雨水貯留池６への送水ポンプの能力が80万m³/日であるため、この流入量を越えた点Ａからは高速ろ過槽５への送水が開始され、高速ろ過処理が行われる。高速ろ過槽５の処理能力の限界（1000m/日）であるＢ点に達するまではこの状態が継続されるが、Ｂ点に達した後もなお流入量が増加すると、やむを得ず直接放流が行われる。

このようにして雨水貯留池６がＤ点で満杯になると雨水貯留池６への送水は停止される。その後、流入水のうち高速ろ過槽５の処理能力分は優先して高速ろ過され、それを超えた分はやむを得ず直接放流される。高速ろ過される部分をハッチングで示す。図７中のＤＣの距離とＥＦの距離とは、ともに高速ろ過槽５の最大処理能力を示すものでＤＣ=ＥＦである。この後は流入水量が水平線ＥＧよりも減少すれば全量が高速ろ過槽５で処理されるが、水平線ＥＧを越えるとその分は未処理で直接放流されることとなる。以上のようにして、所定時間ごとに流入水の配分先が決定される。

第４ステップは、配分先毎に第１ステップで設定したＢＯＤ除去率と原水ＢＯＤからＢＯＤ流出量を計算して１降雨全体のＢＯＤ流出量を求めることである。図７の例では流入水の配分先は、雨水貯留池６、高速ろ過槽５、直接放流のいずれかである。そこで各配分先毎に各単位計算時間毎に、流入水量×原水ＢＯＤ×（１−ＢＯＤ除去率）の式によってＢＯＤ流出負荷量が計算できる。なお前記したように、高速ろ過槽５のＢＯＤ除去率は、ろ過速度と原水ＢＯＤとによって変化するので、図６に示す原水ＢＯＤの変化と図７に示す高速ろ過のろ過速度を用いて計算を行う。

このようにして、１降雨全体のＢＯＤ流出負荷量を求め、同様の計算を長期間（例えば１年間）の各降雨に対して行い平均値を取る。上記の計算は雨水貯留池６の貯留規模と、高速ろ過槽５の規模（有効ろ過面積）を自由に変化させて行うことができる。そこで、その合流式下水処理場に求められる貯留規模の雨水貯留池を仮に単独で設けた場合の雨天時ＢＯＤ流出負荷量を計算し、その雨天時ＢＯＤ流出負荷を達成するために必要な実際の貯留規模および高速ろ過槽の規模を求めることが可能となる。

すなわちこの方法によれば、雨水貯留池６の貯留規模と高速ろ過槽５の規模（有効ろ過面積）とを、雨天時ＢＯＤ流出負荷量を媒体として換算できることとなる。従って、スペースの関係で雨水貯留池６の貯留規模を確保できない場合、あるいは雨水貯留池６自体を設けることができない場合等にも、それに見合う高速ろ過槽５の規模を求めて設置することができ、合流改善が可能となる。

合流式下水処理場として５つのケースを設定し、本発明の方法によりそれぞれの場合の雨天時ＢＯＤ流出負荷量を計算した。ケース１は、雨水貯留池６も高速ろ過槽５もない従来型の合流式下水処理場である。この場合にはＱｓｈを越え３Ｑｓｈまでの流入水は簡易処理（ＢＯＤ除去率3０％）され、それ以上は直接放流される。

ケース２は、雨水貯留池６はないが従来の最初沈殿池の面積の３３％を改造し、その改造面積の半分に高速ろ過槽５を設けた合流式下水処理場である。この場合にはＱｓｈを越え５Ｑｓｈまでの流入水が高速ろ過され、それ以上は直接放流される。ケース３はケース１の従来型の合流式下水処理場に、降雨量5mmに対応する雨水貯留池を設置したものである。ケース４は実施形態に示したとおりの雨水貯留池６（貯留規模５mm）と高速ろ過槽５とを備えた合流式下水処理場であり、ケース５は雨水貯留池を降雨量10mmに対応する規模に設定したものである。各ケースにおける流入水の配分先を図８に概念的に示す。各ケースにつき本発明の方法により実際に雨天時ＢＯＤ流出負荷を計算すると、表１のようになる。

表１のデータに示されるように、高速ろ過槽５を設けたケース２と降雨量5mmに対応する雨水貯留池を設置したケース３とは、雨天時ＢＯＤ流出負荷がほぼ等しい。これは高速ろ過槽５が雨水貯留池と同様のＢＯＤ流出負荷削減機能を発揮していることを意味している。さらに実施形態に示したケース４では、雨水貯留池と高速ろ過槽とを設置することにより、雨天時ＢＯＤ流出負荷量はケース５の降雨量１０ｍｍに対応する雨水貯留池を設置した場合とほぼ等しい結果となっている。

以上に説明したように、本発明によれば、通常の高級処理を行う二次処理系列のほかに高速雨水処理装置や雨水貯留池を備えた合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷量を正確に求めることができる。また高速ろ過槽や雨水貯留池のサイズを自由に設定して雨天時ＢＯＤ流出負荷を求めることができるので、スペースの関係で雨水貯留池の設置ができない場合にも、それに見合う高速ろ過槽の規模を算定することができ、最適な合流式下水処理場における合流改善計画の策定が可能となる。

合流式下水処理場の概念的な平面図である。 高速ろ過槽の断面図である。 ろ過状態を説明する断面図である。 逆洗状態を説明する断面図である。 高速ろ過槽のＢＯＤ除去率のグラフである。 降雨時の流入水のＢＯＤと流量の変化を示すグラフである。 実施形態における流入水の配分先を示すグラフである。 実施例の各ケースにおける流入水の配分先を示すグラフである。

符号の説明

１ 着水井
２ 最初沈殿池
３ 生物反応槽
４ 最終沈殿池
５ 高速ろ過槽
６ 雨水貯留池
７ ろ過槽
８ 洗浄排水槽
９ 浮上ろ材
１０ ろ材流出防止スクリーン
１１ 流入水路
１２ 共通処理水槽
１３ 逆洗弁
１４ パイプ
１５ ポンプ

Claims (4)

1. 通常の高級処理を行う二次処理系列のほかに高速雨水処理装置と雨水貯留池とを備えた合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷の算出方法であって、実際の雨天時における流入下水量から所定時間ごとに流入水の配分先を求めたうえ、その配分先毎に設定したＢＯＤ除去率と原水ＢＯＤからＢＯＤ流出量を計算して１降雨全体のＢＯＤ流出負荷量を求め、その長期間の平均値を取ることを特徴とする合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷の算出方法。
2. 高速雨水処理装置を、浮上ろ材が充填された高速ろ過槽とする請求項１記載の合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷の算出方法。
3. 高速ろ過槽のＢＯＤ除去率を、ろ過速度と原水ＢＯＤ濃度との関数として設定する請求項１または２記載の合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷の算出方法。
4. 雨水貯留池の貯留規模と高速ろ過槽の規模とを変化させて請求項２記載の方法により合流式下水処理場からの雨天時ＢＯＤ流出負荷を算出し、雨天時ＢＯＤ流出負荷量がその合流式下水処理場に求められる雨水貯留池の貯留規模と同等の能力を有する高速ろ過槽の規模を算出することを特徴とする合流式下水処理場の計画・設計方法。

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