JP2009509756A - 膜バイオリアクタシステムの動的制御 - Google Patents

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Abstract

膜バイオリアクタシステムの運転パラメータを制御する方法であって、膜バイオリアクタシステムに提供される流入液のパラメータの値とシステムの最適性能測定パラメータとの間の関係に基づいて制御アルゴリズムを決定する段階と、決定された制御アルゴリズムを使用して膜バイオリアクタシステムの1つもしくは複数の運転パラメータを制御する段階とを含む方法。

Description

本発明は、膜バイオリアクタシステムに関し、より詳細には、そのようなシステムの運転の動的制御のための方法に関する。
膜バイオリアクタ(MBR: Membrane Bioreactor)システムは、小さな設置面積、より良好に処理された水質、汚泥バルキングがないなど、従来の活性汚泥システムを上回る多くの利点を有する。しかし、そのようなシステムは、混合液濃度が高いバイオリアクタに酸素を供給するためのエネルギー消費が高いこと、大きな流入液流れ変動を取り扱う際の困難、低い生物学的リン除去能力など、いくつかの問題を抱える。
MBRは、定常状態に達することのない動的システムである。動的因子には、以下が含まれる:
流入液および混合液温度の年間を通した季節変動
流入液流量の日変動、週変動、および季節変動
汚染物質濃度の日変動、週変動、および季節変動
膜清浄化の前後の膜透過性。
国際公開第２００６／０７１７１６号パンフレット
本発明は、エネルギー消費を低減し、費用効果の高い方法で流入液流れ変動に対処し、かつ生物学的リン除去能力を改善するために、MBRシステムの運転パラメータを動的に最適化しようとする制御アルゴリズムを提供することによって、前述の問題の少なくともいくつかの克服に努める。
一態様によれば、本発明は、膜バイオリアクタシステムの運転パラメータを制御する方法であって、
a)膜バイオリアクタシステムに提供される流入液のパラメータの値とシステムの最適性能測定パラメータとの間の関係に基づいて制御アルゴリズムを決定する段階と、
b)決定された制御アルゴリズムを使用して膜バイオリアクタシステムの1つもしくは複数の運転パラメータを制御する段階とを含む方法を提供する。
好ましくは、流入液のパラメータには、流入液の温度、システムへの流入液の流量、および流入液の有機物負荷のうちの1つもしくは複数が含まれる。
好ましくは、最適性能パラメータには、汚泥滞留時間もしくは汚泥日齢(SRT: sludge retention time or sludge age)、混合液浮遊物質濃度(MLSS: mixed liquor suspended solid concentration)、溶存酸素(DO: dissolved oxygen)、有機物/微生物比(F/M: food to micro-organism ratio)、硝化速度、およびリン除去速度のうちの1つもしくは複数が含まれる。
好ましくは、膜バイオリアクタの運転パラメータには、システムへの曝気ガス流および混合液循環速度が含まれる。
本発明には、また、制御方法を実施する装置も含まれる。
ここで、本発明の好ましい諸実施形態について、単なる一例として、添付図面に即して説明する。
ほとんどの生物学的反応速度は、水の温度に非常に敏感である。例えば、硝化菌の比増殖速度は、次のように記載することができる。
μ=μ20CA温度-20 (1)
式中、Aは、温度補正係数である。一般的に言えば、10℃での硝化速度は、20℃での硝化速度の半分以下にすぎない。
流入水温度および混合液温度は、季節によって変化する。北米、ヨーロッパ、およびアジアの北部では、冬の流入液温度は、非常に低温であることがあり、ゆえに、遅い硝化速度は、通常、混合液濃度、SRT、および膜バイオリアクタの容積を計算するときの決定的因子となる。
膜バイオリアクタシステムは、機械設備およびバイオリアクタ容積を含めて、通常、最悪の状況に基づいて設計されるが、本発明は、運転コストを削減し、かつ流出液品質を改善するように、運転パラメータを最適化するための動的制御システムの提供に努める。
流入液を生物化学的酸素要求量(BOD: biochemical oxygen demand)=200mg/l、全ケルダール窒素(TKN: Total Kjeldahl Nitrogen)=45mg/l、全浮遊物質(TSS: total suspended solids)=150mg/lと仮定する、典型的な膜バイオリアクタシステムにおいて、10℃と27℃との間の季節的な流入液温度変動の影響が図1に示されている。
流入液を完全に硝化するために、運転パラメータは、混合液浮遊物質(MLSS)=10,000mg/l、好気性固形物滞留時間(SRTOX)=14日、好気性水理学的滞留時間(HRTOX: aerobic hydraulic retention time)=6.1時間に設定される。膜バイオリアクタの容積が決定された後、平均水理学的滞留時間(HRTOX)は、変化しない。しかし、生物学的モデルを使用すると、制御アルゴリズムは、流入液温度に基づいて、最適化された好気性SRTOXおよびMLSS濃度を計算する。この例では、制御アルゴリズムのための指示式は、次の通りである:
好気性タンク容積VOX=Q*HRTOX=Q*(S0-S)/(U*MLVSS) (2)
式中、
Q:廃水流入流量
S0およびS:流入廃水および処理済み流出液中の基質濃度
MLVSS:混合液揮発性浮遊物質濃度
U:基質利用率
U=(1/SRTOX+kd)/Y (3)
式中、kdおよびYは、それぞれ、最大産出係数および内在性腐敗係数(endogenous decay coefficient)である。
SRT0X=f/(μ-kd) (4)
式中、fは、安全率である。
温度が上昇するときには、比増殖率μは、式(1)に従って増大する。これは、硝化およびBOD酸化を達成するために必要とされるSRTOXの短縮をもたらす(式4)。固形物滞留時間(SRT)がより低い値に調整される場合、それに応じて、基質利用率が増大される(式(3))。システムの設計が最悪のシナリオ(最も低い温度)に基づいており、タンク容積または水理学的滞留時間(HRT)が一定であるので、式(2)は、より高い利用率Uの場合にMLVSSを低減できることを示す。したがって、より暖かい季節の間は、本発明のこの実施形態の動的制御を使用してSRTおよびMLSS濃度を低下させることができる。バイオリアクタ内のより低いMLSS濃度は、空気供給要件、混合液循環速度、および膜への濾過負荷を低減する。これについては以下で詳細に説明する。
本発明の諸実施形態は、酸素を膜バイオリアクタへと移動させるのに必要とされるエネルギー消費の削減を可能にする。
高負荷速度プロセスとして、膜バイオリアクタプロセスは、通常、有機汚染物質およびアンモニアを生物学的に酸化できるように、微気泡ディフューザを使用して、好気性微生物の活動を維持するために酸素をバイオリアクタへと移動させる。バイオプロセスブロワが供給する必要のある、酸素を含むガス(通常は空気)の量は、主に有機物負荷およびシステムの酸素質量移動係数によって決定される。混合液環境における酸素移動係数は、清浄水環境における酸素移動係数とは異なり、式5で記載される。
kLa=α×kLa_清浄水 (5)
近年、図2に示されるように、酸素移動速度(α)と混合液浮遊物質(MLSS)との間に強い相関関係が見出された。
水の温度に基づいて、制御アルゴリズムは、最適化された好気性固形物滞留時間(SRTOX)を計算し、徐々に汚泥廃棄物を増減させるようにシステムオペレータを案内する。より暖かい月にはMLSS濃度が低減されるので、α値および酸素移動係数は、例えば、冬期の0.46から夏期の0.79へと増大する。酸素移動係数が増大するにつれて、バイオプロセスブロワからの空気流れ要件が減少して、バイオプロセスブロワを動かすエネルギーの大幅な節約をもたらす。
また、酸素移動係数を増大させる低い空気流量自体によって、さらなるプラスの効果がもたらされることが見出されている。バイオプロセスブロワによって送出される空気流量が低下するときには、また、微気泡ディフューザ1平方フィート当たりの空気流量も低下する。この状況では、微気泡曝気装置から出てくる気泡サイズが縮小し、より大きな表面積をもたらして酸素移動係数をさらに増大させる。
ほとんどの膜バイオリアクタシステムでは、バイオプロセスブロワは、システム内で最大の機器であり、ゆえに、バイオプロセスブロワを使用する際のエネルギーの節約は、エンドユーザにとって重大な経済的利益を生み出すことができる。
本発明の諸実施形態によってもたらされる他の利益は、膜循環ポンプのエネルギー消費の減少である。
膜透過液が浮遊物質をほとんど含まないので、バイオリアクタと膜タンク(MT: membrane tank)との間で混合液を循環させる主目的は、膜タンク内のMLSS濃度を低減することである。膜循環比が、日平均流量によって除された膜タンクに入る流量として定義される場合、この比は、式6に示されるように膜タンクの定常状態固形物マスバランスに基づいて計算することができる(汚泥の喪失がないと仮定する、または無視する)。
膜タンク内の最高MLSS濃度が12,000mg/lであると仮定して、制御アルゴリズムは、図3に示されるように、1年の様々な月におけるMLSS濃度に基づいて膜循環比を計算する。可変流駆動装置(VFD: variable flow drive)が、混合液を膜タンクへと送り出す(1つもしくは複数の)膜循環ポンプを駆動するために使用されると仮定すると、ポンピングエネルギーは、流量が減少するときに低下する。
制御システムの効果を評価するときには、最小膜循環比が190%に設定されたので、6月から10月までのMLSS濃度は、SRT/MLSS制御がない場合の12,000mg/lに比べて、わずか6,544mg/lにすぎない。膜タンク内の低い固形物濃度は、また、膜汚損の危険を低減し、かつ/または膜ブロワのエネルギー消費の減少に役立つことができる。
本発明の諸実施形態による制御システムは、また、生物学的リン除去を高めるために使用することもできる。生物学的リン除去のメカニズムは、リン蓄積有機体にとって有利な環境を提供し、リンが最終的に廃棄活性汚泥(WAS: waste activated sludge)ストリーム内で除去されるように汚泥廃棄量を増加させることである。本発明の諸実施形態による制御システムは、流入液温度が温かいときには固形物滞留時間(SRT)を短縮する。したがって、該制御システムは、また、生物学的リン除去を改善する。生物学的リン除去は、ほとんどの状況では測定されない流入液揮発性脂肪酸(VFA: volatile fatty acid)濃度に敏感である。より暖かい月のVFA濃度は、より高く、したがって、SRTを短縮させ、生物学的リン除去を開始することが望ましい。
生物学的リン除去プロセスが季節条件に応じて1年の間にオン/オフに切り替えられる、一プロセス実施形態が、図4aおよび4bに示されている。図4aおよび4bに示される膜バイオリアクタは、3つのゾーン、すなわち、脱気ゾーン5、無酸素ゾーン6、および好気ゾーン7から成り、該好気ゾーン7は、膜フィルタ8に供給している。それらのゾーンは、直列に連結されており、好気ゾーン7からの活性汚泥が、混合液から酸素を含むガスを除去する働きをする脱気ゾーン5を通じてシステムへと送り戻される。好気ゾーン7からの供給物は、流出液を除去する膜フィルタ8を通じて循環される。図4aに示されるように、寒い月には、流入液は、無酸素ゾーン6に入り、リンは、好気ゾーン7で化学沈殿によって除去される。図4bに示されるように、より暖かい月には、流入液の一部が、嫌気ゾーンとなっている脱気ゾーン5の第2の部分に入る。リンは、生物学的リン除去と、必要な場合には好気ゾーン7での化学沈殿とによって除去される。リンの一部が生物学的メカニズムによって除去されるので、やはり化学沈殿が必要な場合でも、化学物質注入量および生成される化学スラッジが低減される。
図5aおよび5bは、混合液が膜フィルタ8から直接的に脱気ゾーン5へと循環される、他の実施形態を示す。脱気ゾーン5は、溶存酸素(DO)を低減するのに役立ち、無酸素ゾーン6での脱窒を促進する。
制御アルゴリズムは、また、流入液流れ変動を考慮に入れることができる。流入液が低流量のときには、生物学的要件にしたがってVFD(可変流駆動装置)を使用して、給気および混合液循環速度の両方が低減される。膜濾過は、また、間欠モードに設定することができる。休止期間中、膜を清浄化するために使用される洗浄空気は、単に短期間膜を律動させるためにしか必要とされず、膜フィルタ8への混合液の流れは、図4に示される実施形態では必要とされず、図5に示される実施形態では脱窒要件を満たすために低減された流量である。
ニューラルネットワークアルゴリズムなどの高度制御アルゴリズムを使用して、ここに記載の制御アルゴリズムをさらに洗練できることが理解されよう。そのようなアルゴリズムを使用して、天気予報データに基づいて流入液温度および流量を予測することができる。次いで、予測されたパラメータを制御アルゴリズムに入力して、膜バイオリアクタシステムの運転を最適化することができる。
ここに記載の本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、本発明の他の諸実施形態および例証が可能であることが理解されよう。
1年間にわたる典型的な膜バイオリアクタシステムについての流入水温度、好気性SRT、および酸素供給コスト変動を示すグラフである。 注入器および微気泡曝気を使用する、混合液浮遊物質に対するα因子を示すグラフである。 典型的な膜バイオリアクタシステムについての1年間にわたるMLSS、膜循環比、および循環ポンピングコストを示すグラフである。 冬期には生物学的リン除去がオフに切り替えられる、冬に動作している膜バイオリアクタシステムの略図である。 冬期には生物学的リン除去がオフに切り替えられる、夏に動作している膜バイオリアクタシステムの略図である。 冬期には生物学的リン除去がオフに切り替えられる、冬に動作している膜バイオリアクタシステムの他の実施形態の略図である。 冬期には生物学的リン除去がオフに切り替えられる、夏に動作している膜バイオリアクタシステムの他の実施形態の略図である。
符号の説明
5 脱気ゾーン
6 無酸素ゾーン
7 好気ゾーン
8 膜フィルタ

Claims (6)

  1. 膜バイオリアクタシステムの運転パラメータを制御する方法であって、
    a)前記膜バイオリアクタシステムに提供される流入液のパラメータの値と前記システムの最適性能測定パラメータとの間の関係に基づいて制御アルゴリズムを決定する段階と、
    b)決定された制御アルゴリズムを使用して前記膜バイオリアクタシステムの1つもしくは複数の運転パラメータを制御する段階とを含む方法。
  2. 前記流入液のパラメータが、前記流入液の温度、前記システムへの流入液の流量、および流入液の有機物負荷のうちの1つもしくは複数を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記最適性能パラメータが、汚泥滞留時間もしくは汚泥日齢(SRT)、混合液浮遊物質濃度(MLSS)、溶存酸素(DO)、有機物/微生物比(F/M)、硝化速度、およびリン除去速度のうちの1つもしくは複数を含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記膜バイオリアクタの前記運転パラメータが、前記システムへの曝気ガス流および混合液循環速度を含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記流入液の前記パラメータの値が予測アルゴリズムを使用して決定される、請求項1に記載の方法。
  6. 前記予測アルゴリズムが天気予報データに基づいて前記流入液の前記パラメータの値を決定する、請求項5に記載の方法。
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