JP2010125370A - 余剰汚泥減容化処理の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】汚泥減容化プロセスの可溶化処理量の制御を、原水変動の大きい活性汚泥でも適切に制御可能な新しい制御法を提供する。
【解決手段】活性汚泥混合液の活性とＭＬＳＳを測定し、可容化処理量の増減を、混合液の活性とＭＬＳＳの両方が設定値以上になったとき可容化処理量を増加し、活性が設定値以上に増大しＭＬＳＳが設定値以下に減少したときは可容化処理量を減少し、活性が設定値以下に低下した場合はＭＬＳＳの増減にかかわらず、可容化処理量を減少する制御。
【選択図】図1

Description

本発明は、好気性微生物を用いた廃水処理の際に発生する、余剰汚泥の減容化処理の制御方法に関する。

好気性微生物を利用する廃水処理として汎用的に用いられる活性汚泥処理法は、良好な処理水が得られる利点がある反面、発生する多量の余剰汚泥の処理が欠点となっている。このため、活性汚泥に汚泥減容化処理プロセスを組み込むことがおこなわれている。一般に、汚泥減容化プロセスは、図１０に示すように、沈殿槽からの返送汚泥ラインから、返送汚泥の一部を分岐し、可溶化処理後、返送汚泥とともに曝気槽に戻すのが一般的である。
可溶化処理は、汚泥の細胞膜を破壊し、曝気槽の汚泥が栄養素として取り込めるようにするものである。
この場合、可溶化処理量は汚泥の増殖量により増減するが、処理が多すぎれば曝気槽内の微生物濃度（以下、ＭＬＳＳという）が過少となって処理水が悪化し、処理が少なすぎればＭＬＳＳが増加し系外への余剰汚泥が増加して、本来の目的が達成できなくなる。
このため可溶化処理量の調節が必要であり、その方法としてＭＬＳＳを一定にするように制御するのが一般的である。間接的または直接的にＭＬＳＳを一定にする制御する方法として、以下の技術が提案されている。
特許文献１には、沈殿槽における汚泥界面を監視し、汚泥界面が一定の範囲に維持されるように、改質処理を行う引抜汚泥量を調整する方法が提案されている。
特許文献２には、曝気槽内の活性汚泥のＶＳＳ／ＳＳおよびＭＬＳＳを一定量に保つように汚泥の引抜量を制御する方法が提案されている。

しかしながら、汚泥の増加量は、主として原水のＢＯＤ負荷量により変動するうえ、原水のＢＯＤ濃度を短時間に正確に把握することは難しく、しかもＭＬＳＳの変化は、原水の負荷に対し１日〜数日の時間遅れがある。このため、原水変動の少ない活性汚泥の場合は、ＭＬＳＳの変化を指標にして可溶化処理量を制御することは概略可能であるが、原水変動の大きい活性汚泥の場合は、これを指標にして処理水を悪化させることなく適正に制御することは非常に難しいのが現状である。

特開平１１-０１０１８５号公報 特開平７−１１６６８５号公報

ＭＬＳＳ一定制御の根拠は、ＭＬＳＳが曝気槽内の微生物量を表す指標であり、一方、汚泥が汚濁物を分解する力（以下、活性と称す）は微生物量と比例するから、ＭＬＳＳを一定に保つことにより、可溶化処理量を制御可能と判定することによる。
たしかに、安定状態においてはＭＬＳＳと活性には相関があるとしても、両者の変化速度を考慮すれば、常にこの関係が成立するとはいえない。この点、従来、ＭＬＳＳと汚泥の活性の変化速度の差を関連づけて解析した例は見当たらない。
本発明者は、この関係を明らかにするため、小型の活性汚泥テストで測定し、結果を解析することにより以下の知見を得た。
たとえば、原水ＢＯＤ負荷がある値からステップ状に増加する場合の、活性とＭＬＳＳの変化は図３のようになる。また、原水ＢＯＤ負荷がある値からステップ状に負荷０に減少する場合の、活性とＭＬＳＳの変化は図４のようになる。図３、図４に示すように、活性は速やかに変化するが、ＭＬＳＳの変化は遅いため、負荷が変化して数日後（図では72時間経過以降）には、活性とＭＬＳＳは相関があるが、変化の初期の段階（図ではスタートから24時間経過まで）では、全く相関性はない。
したがってＭＬＳＳを指標として制御すると、制御にハンチングが生じ、可容化処理の過不足が生じる。可溶化処理をしすぎて活性が低下することは、活性汚泥の処理能力不足や処理水質悪化に直結することで、運転管理上極めて不都合である。

以上説明したように、活性とＭＬＳＳの関係を明確にするためには、活性の変化を迅速、かつ、精度よく測定することが不可欠となるが、従来、これを可能とする簡便な計器がなかった。汚泥の内生呼吸速度を測定して評価する方法があるが、これは測定精度が不十分であった。また、アデノシン三リン酸を測定する方法も提案されているが技術や手間がかかり普及しているとは言い難い。また、手分析で原水ＢＯＤの分解量を測定するのは測定時間や手間がかかる。

さらに、可溶化処理においては、活性汚泥に対する阻害作用の視点が必要である。汚泥の可溶化処理は、汚濁物の処理の主体である微生物を殺す処置であり、活性汚泥の処理能力を低下させることを意味する。特に、オゾン処理や過酸化水素などの化学処理を行うと、単に微生物が死滅するだけでなく、部分的に阻害性の物質が反応生成される危険性が大きく、可溶化処理後の混合液が曝気槽に戻ることは、活性汚泥からみると、阻害性廃水が流入したことと同等になる。したがって、減容化のし過ぎは活性の低下を意味し、処理能力低下や処理水の悪化を招きかねない。

本発明者は、両者の関係、及び、活性汚泥に対する阻害作用の観点に着目し、さらに、本発明者が開発した活性測定方法を用いることにより、活性の変動に適切に追従可能な制御方法を考案し、以下の発明を完成させた。すなわち、
好気性微生物を用いた廃水浄化における余剰汚泥の減容化処理プロセスの制御方法であって、活性汚泥混合液の活性とＭＬＳＳを測定し、可容化処理量の増減を、混合液の活性とＭＬＳＳの両方が設定値以上になったとき可容化処理量を増加し、活性が設定値以上に増大しＭＬＳＳが設定値以下に減少したときは可容化処理量を減少し、活性が設定値以下に低下した場合はＭＬＳＳの増減にかかわらず、可容化処理量を減少することを特徴とする。

活性及びＭＬＳＳ測定値の各条件に対する可溶化処理制御の内容をまとめると、図１の通りである。
同図において、従来のＭＬＳＳ一定制御方式と異なるのは、ケース３の場合である。従来方式では、ＭＬＳＳが設定値以上であるため、可溶化処理量をアップさせることになるが、本方式では、活性が低下しているためダウンさせる。

各ケースの説明は以下のとおりである。
ケース0は、活性汚泥が標準状態のときである。ＢＯＤ負荷が適当にあって、増殖が順調に進行しＭＬＳＳが通常増加率で増加している状態なので、可溶化処理量を基準量にして安定している。

ケース１は、ＢＯＤ負荷量が増大し、活性汚泥が良好な状態である。ＢＯＤ負荷量増大により、ＭＬＳＳが可容化処理以上に増殖している状態なので、可溶化処理をアップする。

ケース２は、活性は良好であるが、汚泥がなんらかの要因でＭＬＳＳが減少してしまっている状態である。従来のようにＭＬＳＳと活性が連動しているのであれば、このケースはありえないが、活性の変化とＭＬＳＳの変化の数日のずれがこのケースを生じさせている。このケースはたとえば、低負荷状態が続いてＭＬＳＳが減少しているときに、負荷増となり、汚泥の活性が回復しつつあるときに相当する。この状態が続けば、やがてＭＬＳＳが回復するが、原水変動がある場合、負荷増の状態が続く保証はないため、この時点では可容化処理量はダウンさせ、ＭＬＳＳの回復、活性の回復を促進する。

ケース３は、ＭＬＳＳは過多であるが、活性は良くない状態である。このケースはたとえば、阻害性排水が流入し、活性が低下した初期の状態であり、ＭＬＳＳは過多の状態のままの状態である。この時点ではＭＬＳＳが過多なので、従来制御のように可容化処理をアップすると、活性は益々低下して処理悪化を招く。本発明の制御では活性の回復を最優先にするため、可容化処理はダウンさせ、少しでも汚泥のダメージを少なくする。
なお、原水の水質や負荷が平均状態から大きく変化し、且つその状態が継続するなどの原因により、ケース３が常態となる場合があり得るが、その場合は、そのときの状況を判断して、制御のもとになる設定値を更新するなどの処置が必要となる。

ケース４は、活性は良くない状態で、ＭＬＳＳも少ない状態である。このケースはたとえば、低負荷過曝気状態が続いており、活性低下、ＭＬＳＳ減少となっている状態であり、可容化処理はダウンさせる。

本発明において活性測定は、汚泥減容化を適用する活性汚泥混合液が、その活性汚泥の原水の汚濁物質を分解する速度を、迅速に定量化できる方法であれば適用可能であり、活性汚泥混合液が汚濁物を分解する際に消費する酸素消費速度を測定する方法、活性汚泥混合液が体内の栄養物をエネルギーに変化する指標であるアデノシン三リン酸を迅速に測定する方法などがある。
より具体的には、特開２００１−２３５４６２号公報に開示した方法を用いることができる。活性汚泥に阻害性排水が流入した場合の例にすると、阻害性排水流入の影響を処理水水質でみると、曝気槽の滞留時間は６時間から２０時間程度で沈殿槽の滞留時間は４時間程度かかり、さらに返送汚泥で約５０％が曝気槽に戻ることなどから、沈殿槽からの処理水水質にはっきりと影響が現れるのは、阻害性排水流入から、約1日から数日かかる。その理由は以下による。ＭＬＳＳの変化については、阻害性廃水が流入すると、まず食物連鎖においてバクテリアや細菌などの最下層の微生物群や酵素が阻害をうけ活性が低下する。その状態が長く続くと、最下層の微生物が増殖しないため、食物連鎖が機能しなくなり、藻類や原生動物などの中間層や後生動物などの最上層の微生物群が衰退し、その結果ＭＬＳＳが減少していく。最下層の微生物は形状が小さいため、ＭＬＳＳの測定値への寄与が小さく、明確な減少を検知するまで、１日から数日の遅れが発生する。

これに対し、汚泥の活性変化は非常に速い。具体的内容は実施例欄で詳述するが、本発明者が開発した上記測定方法によれば、活性変化をオンタイムで分析することができる。

次に、原水変動が大きい場合における、従来方法と本発明方法の比較について説明する。
図８は、従来方法による、ＭＬＳＳを指標にして可溶化量をオンオフ制御した場合の、ＭＬＳＳ及び活性の変化を示す図である。
原水ＢＯＤ負荷一定の状態から、負荷増、負荷減を繰り返すと、ＭＬＳＳは原水ＢＯＤ負荷変動から遅れて増減するため、可溶化制御値も遅れて増減する。その結果、原水ＢＯＤ負荷が減少しているときに、可溶化制御値が増の状態ができ、そのときに活性が通常より大きく減少することになる。原水ＢＯＤ負荷が増加しているときに活性は回復するが、回復が十分でないまま、再度原水ＢＯＤ負荷が減少しているときに、可溶化制御値が増の状態ができ、活性がさらに低下する。これを繰り返すと、だんだん右下がりに活性は低下していき、制御しない場合（可溶化処理量一定）の活性変化と較べて、平均的にも活性低下となる。活性低下は、処理水の悪化となる。
図９は、本発明方法による、活性とＭＬＳＳを指標にした場合の、同上変化を示す図である。
原水ＢＯＤ負荷に対し活性は速やかに応答するため、原水ＢＯＤ負荷が減少する領域で可溶化制御量が増の状態で活性が活性上限以下になると、可溶化処理量を減少させるため、活性の低下が緩和される。活性低下が少ないため、原水ＢＯＤ負荷が増加している領域で、活性は十分回復し、原水ＢＯＤ変動が繰り返されても、活性の以上低下はない。可溶化処理量を一定にして制御しない場合の活性変化と較べて、平均的にも活性は同じで、しかも変動の振幅は小さくなる。活性変化の振幅が小さいので、処理水は制御しない場合と較べて、原水ＢＯＤ変化が大きい場合でも、処理水は良化する。

本発明によれば、活性とＭＬＳＳを指標として可容化処理を制御するため、原水変動の大きい廃水や阻害性排水の流入の可能性のある活性汚泥でも、減容化のし過ぎにより処理水を悪化させることなく、適正な制御が可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図５乃至７を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
図５は、本発明の一実施形態に係る汚泥減容化制御装置１の構成を示す図である。図６は、サンプリングした混合液の活性とＭＬＳＳを測定する測定装置２の詳細構成を示す図である。図７は、測定中のＤＯ変化曲線を示す図である。

図５を参照して、曝気量制御装置１は活性汚泥中の好気性微生物により廃水を曝気処理する曝気槽１ａと、曝気後の廃水を処理水と活性汚泥に分離して活性汚泥を回収するための沈殿槽１ｂと、汚泥減容化のための可容化処理装置1c、曝気槽１ａ中の混合液をサンプリングして活性とＭＬＳＳを測定する測定装置２と、を主要構成として備えている。

また、図６を参照して、測定装置２は、活性汚泥の混合液のＭＬＳＳを測定する装置と、活性を想定する装置から構成される。ＭＬＳＳを測定する装置としては、市販のＭＬＳＳ計１７を用いることができる。活性を測定する部分は、以下のようになる。曝気槽からサンプリングした、混合液を入れ曝気する曝気容器３と、曝気容器３と底部の配管で連結する測定容器４と、循環ポンプ５と、アスピレータ方式の曝気装置６と、空気流量計７と、空気電磁弁８と、溶存酸素計電極９と、ヒータ１０と、冷却水が内部に流れる冷却用熱交換パイプ１１と、汚泥の揚水ポンプ１２と、基準液の添加ポンプ１３と、基準液タンク１５と、排水電磁弁１４と、制御盤１６と、を備えている。
装置内の混合液は、循環ポンプ５により、測定容器４→曝気装置６のアスピレータ→曝気容器３→測定容器４の流れで循環し、曝気装置６のアスピレータで空気を吸引し、曝気容器３で曝気をおこない底部から測定容器４に移液することで気泡を分離し、測定容器４内の入口ノズル近傍に設置した溶存酸素計電極９のセンサー面の流速を確保する。
制御盤２から指令により測定装置のポンプや電磁弁等を制御する。溶存酸素計電極９の測定値を取り込む。また制御盤１６には温度コントローラを装備し、ヒータ１０を制御することで混合液の温度を一定に保つ。

次に、図７を参照して、曝気量制御装置１の曝気量制御フローについて説明する。最初に、曝気装置（図示せず）から測定装置２に培養装置の活性汚泥混合液を一定量サンプリングする。サンプリングと同時にＭＬＳＳ計１７でＭＬＳＳを測定する。曝気容器３において曝気処理する。図７におけるStep1は、サンプリングした混合液の曝気工程である。曝気により混合液のＤＯは上昇していくが、混合液中にＢＯＤ成分が残留しているあいだは、酸素消費速度が大きいためＤＯは比較的低いレベルで推移する。残留するＢＯＤ成分が少なくなるとＤＯは上昇し、残留するＢＯＤ成分がほとんどなくなると、酸素消費速度は汚泥の内生呼吸による酸素消費速度のみとなり、酸素供給速度と曝気による酸素供給速度がバランスするＤＯ値で変化がほとんどなくなり安定する。この点をＤＯhfとして取得する。

Step2-１は、ＤＯhfを取得した後に曝気装置を停止し、外部から酸素が溶け込まない状態にしてＤＯの変化を測定する工程である。混合液は内生呼吸により酸素を消費するため混合液のＤＯは低下していく。
Step2-2は、曝気装置で曝気を再開する工程である。混合液のＤＯ値は上昇していく。上昇していくＤＯの変化の、実測値に一致するように曝気装置の酸素供給の物質移動係数（Ｋ_La）を決定する。

Step3は、再度曝気によりＤＯがＤＯhfになり、ＤＯ変化がほとんどなくなった後に活性を測定するための基準液を適量添加する工程である。基準液が添加され、基準液のＢＯＤ成分を分解する酸素消費速度が発生するため、混合液のＤＯは低下し、曝気によりＢＯＤ成分が処理されるに従って、ＤＯはもとのＤＯhfに向かって上昇し、ＢＯＤ成分の分解がし終わるとＤＯhfあたりでＤＯの変化がほとんどなくなる。ＤＯhfとＤＯの変化曲線でかこまれた面積にＫ_Laをかけた値がＢＯＤを分解するために要した酸素量ＢＯＤ tsが計算される。平均分解速度は添加開始から分解し終わるまでの時間とｔとすると、ＢＯＤts/ｔで表わさせる。また任意の分解量までの平均分解速度も計算できる。ここで基準液は、成分と濃度が一定の、活性汚泥で容易に分解可能な成分で構成される。一般的には、原水を代表する成分で構成するが、活性汚泥の微生物群がほぼ共通する分解可能な酢酸などを中心として構成してもよい。基準液は成分と濃度が一定であるから、基準液の平均分解速度の大きさで、汚泥の活性を評価できる。

汚泥の活性とＭＬＳＳの値を測定装置制御部１６に取り込んで、可容化装置の処理量を制御する。可容化装置の処理量は、処理量を変えてもよいし、反応程度を調節してもよい。また制御の具体的な仕方は、比例制御やオンオフ制御などがとられる。
また、活性の測定方法は、他の方法で測定してもよい。

次に、活性の変化速度が早いことを、実証試験により示した結果について説明する。
試験装置として、本発明者が開発した活性測定装置（商品名：TS checker）を用いた。測定手順は、以下のとおりである。最初に、活性汚泥曝気槽出口から採取した混合液を試験装置の曝気装置で曝気する。混合液中の残留ＢＯＤが処理され、ＤＯが平衡に達した後、曝気を停止する。ＤＯ低下後、再度同じ条件で曝気し、上昇するＤＯの変化に基づいて、曝気装置の酸素の物質移動係数（以下、KLaと称す）を計測する。、その後、中程度の阻害性がある試料（原水に阻害性のある廃水を混入させることにより調製）を繰り返し添加する。図２は、その際のＤＯ変化を示したものである。同図の横軸は、経過時間（分）である。特開２００１−２３５４６２に記載されているように、ＤＯ変化とＤＯhfに囲まれた面積はＢＯＤに相当し、ＤＯ変化の大きさは酸素の消費速度で評価した分解速度の大きさを表している。
阻害性がなければ、１回目から5回目の試料が添加されたＤＯの変化は、ほぼ同じ形状になるはずであるが、同図では添加回数を追うごとに、試料添加のＤＯ変化は明らかに小さくなっている。平均分解速度はＢＯＤ／測定時間で計算されるが、試料の平均分解速度は0.87mg/l/min→0.85mg/l/min →0.77mg/l/min→0.71mg/l/min→0.63mg/l/min と低下し、活性が低下していることが定量的にわかる。このように、阻害性排水が流入すると、分単位で活性は影響をうけることが分かる。

本発明は、活性汚泥や生物学的脱窒プロセスのみならず、接触酸化法、生物ろ過法などにおいても、実質的に浮遊汚泥の処理効果の大きい好気性生物処理に適用できる。

本発明による可溶化処理制御の内容を示す図である。 阻害性がある試料を繰り返し添加したときの、ＤＯ変化を示す実験データである。 負荷がステップ状に増加した場合の、活性とＭＬＳＳの変化の速度を示す図である。 負荷がステップ状に0になった場合の、活性とＭＬＳＳの変化の速度を示す図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置１を示す図である。 測定装置２の詳細構成を示す図である。 測定中のＤＯ変化曲線を示す図である。 従来法のＭＬＳＳを指標にして制御する場合の活性変化推移を示す図である。 本発明の活性とＭＬＳＳを指標にして制御する場合の活性変化推移を示す図である。 従来の活性汚泥装置における汚泥減容化プロセスの構成を示す図である。

符号の説明

１・・・・曝気量制御装置
３・・・・曝気容器
４・・・・測定容器
５・・・・循環ポンプ
６・・・・曝気装置
７・・・・空気流量計
８・・・・空気電磁弁
９・・・・循環ポンプ
１０・・・ヒータ
１１・・・冷却用熱交換パイプ
１２・・・汚泥揚水ポンプ
１３・・・基準液添加ポンプ
１４・・・排水電磁弁
１５・・・基準液タンク
１６・・・測定装置制御部
１７・・・ＭＬＳＳ計

Claims (1)

1. 好気性微生物を用いた廃水浄化における余剰汚泥の減容化処理プロセスの制御方法であって、
   活性汚泥混合液の活性とＭＬＳＳを測定して、
   混合液の活性とＭＬＳＳの両方が設定値以上になったときは、可容化処理量を増やし、
   活性が設定値以上に増大し、ＭＬＳＳが設定値以下に減少したときは、可容化処理量を減らし、
   活性が設定値以下に低下したときは、ＭＬＳＳの増減にかかわらず可容化処理量を減らす、
   ことを特徴とする制御方法。
   

Images