JP2015016410A

JP2015016410A - 排水の処理方法および排水の処理装置、並びに制御方法、制御装置、およびプログラム

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Publication number: JP2015016410A
Application number: JP2013144381A
Authority: JP
Inventors: 勇治古屋; Yuji Furuya; 高橋　宏幸; Hiroyuki Takahashi; 宏幸高橋
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: JP6062328B2

Abstract

【課題】曝気を行う反応槽における気体供給量を適切に制御して、嫌気無酸素領域を形成して脱窒処理を適切に制御でき、窒素除去率を向上させて処理水質を改善させること。
【解決手段】硝化脱窒反応が行われる反応槽３の下流側に、アンモニア計１０および硝酸計１１を設け、反応槽３内のアンモニア濃度および硝酸濃度をモニタリングする。制御部６は、アンモニア濃度計測値ＣＡとアンモニア濃度目標値ＳＡとの比較、および硝酸濃度計測値ＣＮと硝酸濃度目標値ＳＮとの比較、並びにアンモニア濃度変化率ｍと硝酸濃度変化率ｐとの比較に基づいて、気体供給量制御部９ａ〜９ｄを制御して、反応槽３内の散気部７ａ〜７ｄからの気体供給量を、維持、減少、または増加のいずれかに制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒素含有水を処理する排水の処理方法および排水の処理装置、並びに制御方法、制御装置、およびプログラムに関する。

従来、生活排水または工場排水等の下水を処理する下水処理システムとして、標準活性汚泥法によるものや散水ろ床法によるものなど、様々な下水処理システムが実用化されている。

これらのうちの標準活性汚泥法による下水処理システムにおいては、反応槽内に処理対象の下水を流入させつつ、この反応槽内に存在する多種類の好気性微生物に対して酸素を供給する曝気処理を行う。これによって、反応槽内の下水中に含まれる有機物は、好気性微生物の作用によって分解され、安定した処理水質が得られる。

また、反応槽内での曝気処理においては、曝気を行う散気装置に対して、アンモニア制御を行う方法が知られている（特許文献１参照）。アンモニア制御は、反応槽の流出側の末端に設置したアンモニア計を用いて、反応槽の末端におけるアンモニア性窒素（ＮＨ₄−Ｎ）を所定の濃度に維持するように散気装置に空気を供給する制御である。

特開２００５−１９９１１６号公報

しかしながら、従来のアンモニア制御においては、次のような問題があった。すなわち、アンモニア制御においては、窒素を含有する流入水のアンモニア負荷に応じて適切な量の空気を散気装置に供給できる反面、アンモニア制御を行う前段階での脱窒処理の制御を行うことが困難であった。すなわち、アンモニア濃度が目標とする値になった場合でも、被処理水中に硝酸や亜硝酸が残留してしまい、被処理水全体の窒素量を削減することができないという問題があった。本発明者の知見によれば、このような問題は、曝気量が多い場合や流速が速い場合に、反応槽内において嫌気領域や無酸素領域を形成できないことに起因する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、曝気を行う反応槽における気体供給量を適切に制御することによって、嫌気領域や無酸素領域を形成して脱窒処理を適切に制御することができ、窒素除去率を向上させて処理水質を改善させることができる排水の処理方法および排水の処理装置、並びに制御方法、制御装置、およびプログラムを提供することにある。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る排水の処理方法は、反応槽内を流れる窒素含有水に対して硝化反応および脱窒反応による生物処理を、窒素含有水の流れに従って窒素含有水に含まれるアンモニアが硝酸に硝化され、窒素含有水の流れ方向に沿って硝酸が脱窒されるように窒素含有水に対して流れ方向の略全域に亘って気体を供給する排水の処理方法において、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第１の所定位置におけるアンモニア濃度を計測するアンモニア濃度計測ステップと、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第２の所定位置における硝酸濃度を計測する硝酸濃度計測ステップと、アンモニア濃度計測ステップにおいて計測されたアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係を比較するアンモニア濃度比較ステップ、および硝酸濃度計測ステップにおいて計測された硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係を比較する硝酸濃度比較ステップを含む大小関係比較ステップと、単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率を算出する変化率算出ステップと、アンモニア濃度比較ステップにおいてアンモニア濃度計測値がアンモニア濃度目標値より大きく、かつ硝酸濃度比較ステップにおいて硝酸濃度計測値が硝酸濃度目標値よりも大きい場合に、変化率算出ステップにおいて算出したアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係を比較する変化率比較ステップと、大小関係比較ステップにおける、アンモニア濃度計測値とアンモニア濃度目標値との大小関係、および硝酸濃度計測値と硝酸濃度目標値との大小関係と、さらに変化率比較ステップを実行した場合にアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係とに基づいて、気体の供給量を制御する気体供給量制御ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る排水の処理方法は、上記の発明において、アンモニア濃度変化率が、気体の供給量の増加に対するアンモニア濃度の低下の変化率であり、硝酸濃度変化率が気体の供給量の減少に対する硝酸濃度の低下の変化率であることを特徴とする。

本発明に係る排水の処理方法は、上記の発明において、第１の所定位置と第２の所定位置との間隔が、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽における水理学的滞留時間の１／４以下の間隔であることを特徴とする。

本発明に係る排水の処理装置は、反応槽内において窒素含有水の流れに沿って窒素含有水が含有するアンモニアが硝酸に硝化され、硝酸が脱窒されるように窒素含有水の流れ方向の略全域に亘って気体を供給する散気手段と、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第１の所定位置におけるアンモニア濃度を計測するアンモニア濃度計測手段と、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第２の所定位置における硝酸濃度を計測する硝酸濃度計測手段と、アンモニア濃度計測手段によって計測されたアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係の比較と、硝酸濃度計測手段によって計測された硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係の比較と、単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率の算出と、アンモニア濃度計測値がアンモニア濃度目標値より大きく、かつ硝酸濃度計測値が硝酸濃度目標値よりも大きい場合に行うアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係の比較と、少なくともアンモニア濃度計測値とアンモニア濃度目標値との大小関係および硝酸濃度計測値と硝酸濃度目標値との大小関係に基づき、さらにアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係を比較した場合には、アンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係にも基づいて、散気手段からの気体の供給量の制御と、をそれぞれ実行する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る制御装置は、窒素含有水の流れに従って窒素含有水に含まれるアンモニアが硝酸に硝化され、硝酸が脱窒されるように窒素含有水の流れ方向の略全域に亘って気体を供給する散気手段に対して、アンモニア濃度計測手段によって計測されたアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係の比較と、硝酸濃度計測手段によって計測された硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係の比較と、単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率の算出と、アンモニア濃度計測値がアンモニア濃度目標値より大きく、かつ硝酸濃度計測値が硝酸濃度目標値よりも大きい場合に行うアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係の比較とを実行し、少なくともアンモニア濃度計測値とアンモニア濃度目標値との大小関係および硝酸濃度計測値と硝酸濃度目標値との大小関係、およびアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係を比較した場合にアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係に基づいた気体の供給量の増減の制御と、をそれぞれ実行することを特徴とする。

本発明に係る制御方法は、窒素含有水に対する気体供給量を制御する制御装置による制御方法において、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第１の所定位置におけるアンモニア濃度を計測するアンモニア濃度計測ステップと、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第２の所定位置における硝酸濃度を計測する硝酸濃度計測ステップと、アンモニア濃度計測ステップにおいて計測されたアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係を比較するアンモニア濃度比較ステップ、および硝酸濃度計測ステップにおいて計測された硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係を比較する硝酸濃度比較ステップを含む大小関係比較ステップと、単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率を算出する変化率算出ステップと、大小関係比較ステップにおいて、アンモニア濃度計測値がアンモニア濃度目標値より大きく、かつ硝酸濃度計測値が硝酸濃度目標値よりも大きい場合に、変化率算出ステップにおいて算出したアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係を比較する変化率比較ステップと、少なくとも大小関係比較ステップにおける、アンモニア濃度計測値とアンモニア濃度目標値との大小関係、および硝酸濃度計測値と硝酸濃度目標値との大小関係、および変化率比較ステップを実行した場合にアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係に基づいて、気体供給量の増減を制御する気体供給量制御ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係るプログラムは、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第１の所定位置におけるアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係を比較するアンモニア濃度比較ステップと、窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第２の所定位置における硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係を比較する硝酸濃度比較ステップと、単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率を算出する変化率算出ステップと、アンモニア濃度計測値がアンモニア濃度目標値より大きく、かつ硝酸濃度計測値が硝酸濃度目標値よりも大きい場合に、変化率算出ステップにおいて算出したアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係を比較する変化率比較ステップと、少なくともアンモニア濃度比較ステップにおけるアンモニア濃度計測値とアンモニア濃度目標値との大小関係、および硝酸濃度比較ステップにおける硝酸濃度計測値と硝酸濃度目標値との大小関係、および変化率比較ステップを実行した場合におけるアンモニア濃度変化率と硝酸濃度変化率との大小関係に基づいて、窒素含有水への気体供給量の増減を制御する気体供給量制御ステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明に係る排水の処理方法および排水の処理装置、並びに制御方法、制御装置、およびプログラムによれば、曝気を行う反応槽に流入する窒素含有水の負荷に応じて気体供給量を適切に制御することができ、反応槽に適正量の酸素を供給することができるとともに、脱窒処理を適切に制御することができ、窒素除去率を向上させて処理水質を改善させることが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態による排水処理装置を示す構成図である。図２は、本発明の一実施形態による排水処理方法を説明するためのフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態による排水処理装置の反応槽の変形例を示す構成図である。図４は、本発明の一実施形態によるアンモニア計および硝酸計の配置における変形例を示す構成図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の一実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する一実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明の一実施形態による排水の処理装置について説明する。図１は、この一実施形態による排水の処理装置を示す。

（排水処理装置の構成）
まず、この一実施形態による制御装置を含む排水の処理装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態による排水処理装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、この一実施形態による排水処理装置は、最初沈殿池１、嫌気槽２、硝化脱窒槽からなる反応槽３、固液分離槽４、および制御装置の一部としての制御部６を備える。

最初沈殿池１には、窒素含有原水（以下、原水）が流入する。最初沈殿池１においては、原水を緩やかに流水させて、比較的粒子の小さいゴミなどを沈殿させる。

また、嫌気槽２は、被処理水の流れ方向に沿った最初沈殿池１の後段に設けられている。嫌気槽２は、窒素含有水である被処理水が最初沈殿池１を介して流入する槽である。この嫌気槽２は、嫌気環境下でリン蓄積細菌の作用によって被処理水に対し脱リン処理（嫌気処理）を施すための槽である。そして、嫌気槽２においては、嫌気条件下で被処理水中に含まれる有機物が活性汚泥に取り込まれるとともに、活性汚泥中に含まれるリンが原水中に放出される。また、嫌気槽２内には、外部のモータ２ａにより回転可能な攪拌部２ｂが設けられている。この攪拌部２ｂが嫌気槽２内の活性汚泥を攪拌する。なお、下水処理場の構成によっては最初沈殿池１が設けられていない場合もある。この場合、窒素含有原水は最初に嫌気槽２に流入する。

反応槽３は、単一の好気槽である硝化脱窒反応槽から構成されている。反応槽３には、嫌気槽２から流出した窒素含有水である被処理水が流入する。この流入量は所定の流量計（図示せず）により逐次計測されて制御部６に供給される。ここで、反応槽３における被処理水の流入側においては、ＢＯＤ酸化領域が生じている場合もある。また、反応槽３には、被処理水の流れ方向に沿って散気手段としての散気部７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが順次設けられている。これらの散気部７ａ〜７ｄにはブロア８が接続されている。そして、ブロア８が空気などの気体を散気部７ａ〜７ｄに供給することによって、反応槽３内に散気を行い、貯留されている活性汚泥を曝気する。反応槽３においては、主に、好気条件下の好気領域において被処理水中に含まれるアンモニア性窒素が亜硝酸性窒素や硝酸性窒素に硝化されるとともに、部分的に嫌気無酸素領域が生じて脱窒が行われる。

また、散気部７ａ〜７ｄにはそれぞれ、制御装置を構成する気体供給量制御手段の一部としての気体供給量制御部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが設けられている。気体供給量制御部９ａ〜９ｄはそれぞれ、例えば空気流量制御弁などから構成される。気体供給量制御部９ａ〜９ｄは、制御装置を構成する気体供給量制御手段の一部としての制御部６からの制御信号に従って、反応槽３における散気部７ａ〜７ｄからの気体供給量をそれぞれ一様または個別に制御する。

また、制御装置としての制御部６は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶媒体、およびハードディスクなどの記録媒体を有して構成されるコンピュータ（ＰＣ）などからなる。制御部６においては、記録媒体に、後述する排水の処理方法や制御方法を実行可能な所定のプログラムが格納されている。また、制御部６は、後述するように、入力された硝酸濃度やアンモニア濃度の計測値データなどに応答して、格納されたプログラムに従って制御信号を出力することで、気体供給量制御部９ａ〜９ｄを制御して散気部７ａ〜７ｄからの気体供給量を制御する。

また、この反応槽３の被処理水の流れ方向に沿った中間位置より下流側の所定位置、具体的には、反応槽３の流出位置から被処理水の流れ方向に沿った全長に対して１／２より下流側、好適には１／４より下流側にアンモニア計１０および硝酸計１１が設置されている。ここで、反応槽３の設計滞留時間は例えば８時間程度であり、硝化速度は１．０〜２．５ｍｇＮ／ｇＭＬＳＳ／ｈｒ程度である。この点から、アンモニア計１０と硝酸計１１とを被処理水の流れ方向に沿ってほぼ同じ位置、かつ水理学的滞留時間（ＨＲＴ）に換算して１／４より下流側に設置した場合、設置位置におけるアンモニア濃度の制御目標値は０．０〜５．０ｍｇ／Ｌであるが、アンモニア計１０の精度を考慮すると制御目標値を１．０ｍｇ／Ｌ以上にする必要がある。これらの点を考慮すると、アンモニア計１０が設置される第１の所定位置と、硝酸計１１が設置される第２の所定位置との間隔は、反応槽３におけるＨＲＴに換算して１／４以下、好適には１／５以下とするのが望ましい。

アンモニア濃度計測手段としてのアンモニア計１０は、被処理水のアンモニア濃度を計測する。アンモニア計１０は、第１の所定位置におけるアンモニア濃度を計測して計測結果を制御部６に供給する。硝酸濃度計測手段としての硝酸計１１は、被処理水の硝酸濃度を計測する。硝酸計１１は、第２の所定位置における硝酸濃度を計測して計測結果を制御部６に供給する。制御部６は、供給されたアンモニア濃度および硝酸濃度に基づいて、散気部７ａ〜７ｄの気体供給量（曝気量）を制御する。すなわち、制御部６および気体供給量制御部９ａ〜９ｄによって、制御装置である気体供給量制御手段が構成される。そして、制御部６、気体供給量制御部９ａ〜９ｄ、アンモニア計１０、および硝酸計１１によって、排水の処理システムが構成されている。なお、制御部６および気体供給制御部９ａ〜９ｄによる気体供給量の制御方法の詳細については後述する。

なお、本明細書において硝酸とは、硝酸（ＨＮＯ₃）、亜硝酸（ＨＮＯ₂）、硝酸性窒素（ＮＯ₃−Ｎ）、亜硝酸性窒素（ＮＯ₂−Ｎ）、硝酸性窒素と亜硝酸性窒素との集合、および硝酸と亜硝酸とをともに示すＮＯ_ｘを含む概念である。また、本明細書においてアンモニアとは、アンモニアおよびアンモニア性窒素を含む概念である。すなわち、本明細書において硝酸濃度は、硝酸、亜硝酸、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素と亜硝酸性窒素との集合、および硝酸と亜硝酸とをともに示すＮＯ_ｘの、いずれの濃度であってもよく、アンモニア濃度は、アンモニア（ＮＨ₃）およびアンモニア性窒素（ＮＨ₄−Ｎ）のいずれの濃度であっても良い。

固液分離槽４には、反応槽３から流出した被処理水が流入する。固液分離槽４においては、被処理水が分離液４ａと活性汚泥４ｂとに分離する。固液分離槽４の側壁には、配管（図示せず）が接続されており、この配管を介して分離液４ａが消毒処理過程に送られるように構成されている。また、固液分離槽４の底部には汚泥返送経路１２が接続されている。そして、この汚泥返送経路１２によって、固液分離槽４の底部に堆積した活性汚泥４ｂが嫌気槽２に返送される。これにより、嫌気槽２および下流側の反応槽３内の生物量を所定量に維持できる。なお、固液分離槽４において生成された活性汚泥４ｂの残部は余剰汚泥として外部に排出される。

（排水の処理方法における気体供給量制御）
次に、反応槽３において行われる排水の処理方法、およびこれに伴う制御方法並びに制御部６が実行するプログラムによる気体供給量の制御について説明する。

この反応槽３において行われる排水の処理方法においては、まず、図１に示す最初沈殿池１からの被処理水が、嫌気槽２から反応槽３に順次送られる。反応槽３においては、好気性条件下で活性汚泥中の好気性微生物である硝化菌により、被処理水中のアンモニア性窒素（ＮＨ₄−Ｎ）が、下記の反応式（１）〜（３）のように、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）や硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）に硝化される。

ＮＨ_３＋Ｏ_２＋２e^-＋２Ｈ^＋→ＮＨ_２ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ …（１）
ＮＨ_２ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＯ_２ ^-＋５Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（２）
ＮＯ_２ ^-＋０．５Ｏ_２→ＮＯ_３ ^- …（３）

一方、反応槽３における被処理水中の酸素量が少ない領域や、場合によって硝化槽などにおいても、酸素量が少ない領域において脱窒菌による脱窒反応（嫌気反応）が発生する。そのため、この脱窒反応を生じる領域（脱窒反応領域）に充分な炭素源を供給すれば、脱窒反応も充分に進行させることができる。その結果、反応槽３において、部分的に脱窒反応が行われる領域が発生する。これにより、下記の反応式（４）〜（１０）のように、硝化が不充分であることによって発生した亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスを分解したり、亜酸化窒素を発生させることなく亜硝酸を還元したりして、窒素と二酸化炭素とに分解させて、窒素除去を行うことができる。

ＮＯ_２ ⁻＋３Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → ０．５Ｎ_２Ｏ＋１．５Ｈ_２Ｏ …（４）
ＮＯ_２ ⁻＋Ｈ^＋＋２（Ｈ） → ０．５Ｎ_２Ｏ＋１．５Ｈ_２Ｏ …（５）
ＮＯ_３ ⁻＋Ｈ^＋＋５（Ｈ） → ０．５Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ …（６）
ＮＯ_３ ⁻＋２Ｈ → ＮＯ_２ ⁻＋Ｈ_２Ｏ …（７）
ＮＯ_２ ⁻＋Ｈ^＋＋（Ｈ） → ＮＯ＋Ｈ_２Ｏ …（８）
ＮＯ＋（Ｈ） → ０．５Ｎ_２Ｏ＋０．５Ｈ_２Ｏ …（９）
Ｎ_２Ｏ＋２（Ｈ） → Ｎ_２＋Ｈ_２Ｏ …（１０）

ここで、本発明者は、このような脱窒反応と硝化反応とが並行して進行する場合について、反応槽３の流入側から流出側の方向、すなわち被処理水の流れの方向に沿って、アンモニア性窒素（ＮＨ₄−Ｎ）、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）、および硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）におけるそれぞれの窒素濃度と、これらを合計した全窒素濃度とを測定した。そして、反応槽３において、硝化反応領域と脱窒反応領域とが存在し、硝化反応領域における硝化処理と脱窒反応領域における脱窒処理とが同時に進行していることを確認した。また、反応槽３の比較的後半側の位置においては、脱窒反応が継続して進行しているとともに、硝化反応が急速に進行していることを確認した。

そこで、本発明者は、アンモニア計１０および硝酸計１１を反応槽３の比較的下流側に設置して、アンモニア計１０によってアンモニア濃度を計測するとともに硝酸計１１によって硝酸濃度を計測し、これらのアンモニア濃度および硝酸濃度に基づいて、反応槽３内への気体供給量を制御することにより、脱窒反応および硝化反応をともに制御可能になることを想起した。

（気体供給量制御方法）
次に、この気体供給量の制御方法について以下に説明する。図２は、この一実施形態による排水の処理方法における気体供給量の制御方法を示すフローチャートである。図２に示すように、この一実施形態においてはまず、制御部６は、反応槽３の下流側の所定位置に設置したアンモニア計１０および硝酸計１１によりそれぞれアンモニア濃度および硝酸濃度をモニタリングする。具体的には、アンモニア計１０が、反応槽３の所定位置におけるアンモニア濃度を計測する（ステップＳＴ１）。アンモニア計１０は、アンモニア濃度の計測値（アンモニア濃度計測値ＣＡ）を制御部６に供給する。これとともに、硝酸計１１が、反応槽３の所定位置におけるＮＯ_２−ＮおよびＮＯ_３−Ｎの合計の硝酸濃度を計測する（ステップＳＴ２）。硝酸計１１は、硝酸濃度の計測値（硝酸濃度計測値ＣＮ）を制御部６に供給する。制御部６は、アンモニア計１０および硝酸計１１による計測値を、後述するアンモニア濃度変化率ｍおよび硝酸濃度変化率ｐの算出のために、制御部６の記録領域に時系列で格納する。また、制御部６の記録領域には、アンモニア濃度および硝酸濃度のそれぞれに関して、あらかじめ設定された目標値（アンモニア濃度目標値ＳＡおよび硝酸濃度目標値ＳＮ）が格納されている。これらのアンモニア濃度目標値ＳＡおよび硝酸濃度目標値ＳＮは、反応槽３の形状や寸法などの設計に応じて反応槽３ごとに最適な目標値が設定されるが、この一実施形態においては、アンモニア濃度目標値ＳＡが例えば２ｍｇ／Ｌであり、硝酸濃度目標値ＳＮが例えば１ｍｇ／Ｌである。

続いて、制御部６は、アンモニア濃度目標値ＳＡとアンモニア濃度計測値ＣＡとの比較を行う（ステップＳＴ３）とともに、硝酸濃度目標値ＳＮと硝酸濃度計測値ＣＮとの比較を行う（ステップＳＴ４）。

そして、まず、制御部６は、アンモニア濃度目標値ＳＡとアンモニア濃度計測値ＣＡとの比較において、アンモニア計１０により計測されたアンモニア濃度計測値ＣＡがアンモニア濃度目標値ＳＡ以下であるか否かを判断する（ステップＳＴ５）。制御部６が、アンモニア濃度計測値ＣＡがアンモニア濃度目標値ＳＡ以下であると判断する（ステップＳＴ５：Ｙｅｓ）と、ステップＳＴ６に移行する。

ステップＳＴ６において制御部６は、硝酸計１１により計測された硝酸濃度計測値ＣＮが硝酸濃度目標値ＳＮ以下であるか否かを判断する。そして、制御部６は、硝酸濃度計測値ＣＮが硝酸濃度目標値ＳＮ以下であると判断する（ステップＳＴ６：Ｙｅｓ）と、ステップＳＴ７に移行する。ステップＳＴ７において制御部６は、それぞれの気体供給量制御部９ａ〜９ｄによって散気部７ａ〜７ｄから供給される空気の気体供給量（曝気量）を維持するように制御した後、ステップＳＴ１に復帰する。なお、この時点における気体供給量は制御部６の記録領域に読み出し可能に格納される。

他方、ステップＳＴ６において制御部６は、硝酸濃度計測値ＣＮが硝酸濃度目標値ＳＮより大きいと判断する（ステップＳＴ６：Ｎｏ）と、ステップＳＴ８に移行する。ステップＳＴ８において制御部６は、それぞれの気体供給量制御部９ａ〜９ｄによって散気部７ａ〜７ｄから供給される空気の気体供給量を減少させるように制御した後、ステップＳＴ１に復帰する。なお、この時点における気体供給量は制御部６の記録領域に読み出し可能に格納される。

さて、ステップＳＴ５において制御部６は、アンモニア濃度計測値ＣＡがアンモニア濃度目標値ＳＡより大きいと判断する（ステップＳＴ５：Ｎｏ）と、ステップＳＴ９に移行する。ステップＳＴ９において制御部６は、ステップＳＴ６と同様に、硝酸計１１により計測された硝酸濃度計測値ＣＮが硝酸濃度目標値ＳＮ以下であるか否かを判断する。そして、制御部６は、硝酸濃度計測値ＣＮが硝酸濃度目標値ＳＮ以下であると判断する（ステップＳＴ９：Ｙｅｓ）と、ステップＳＴ１０に移行する。ステップＳＴ１０において制御部６は、それぞれの気体供給量制御部９ａ〜９ｄによって散気部７ａ〜７ｄから供給される空気の気体供給量（曝気量）を増加させるように制御する。その後、ステップＳＴ１に復帰する。なお、この時点における気体供給量は、制御部６の記録領域に読み出し可能に格納される。

他方、ステップＳＴ９において、制御部６は、硝酸濃度計測値ＣＮが硝酸濃度目標値ＳＮより大きいと判断する（ステップＳＴ９：Ｎｏ）と、ステップＳＴ１１に移行する。

ステップＳＴ１１において制御部６は、アンモニア濃度変化率ｍおよび硝酸濃度変化率ｐを算出した後、アンモニア濃度変化率ｍと硝酸濃度変化率ｐとの大小関係を比較する。

次に、これらのアンモニア濃度変化率ｍおよび硝酸濃度変化率ｐの算出方法の一例について説明する。この一実施形態においては、気体供給量の増加に対するアンモニア濃度の低下の変化率であるアンモニア濃度変化率ｍを以下の（１１）式によって算出する。

ここで、Δｔは現在の時点と過去の時点との間の経過時間であり、Ｑは現在の時点における流入水量、Ｑ₁は過去の時点から現在の時点までの流入水量の移動平均、Ａは現在の時点における気体供給量、Ａ₁は過去の時点から現在の時点までの気体供給量の移動平均、ＣＡ₁は過去の時点から現在の時点までのアンモニア濃度計測値の移動平均、およびＣＡは現在の時点におけるアンモニア濃度計測値である。なお、過去の時点から現在の時点までの移動平均として算出される、流入水量Ｑ₁、気体供給量Ａ₁、およびアンモニア濃度計測値ＣＡ₁は、制御部６によって逐次計算され、記録領域に読み出し可能に格納されている。

また、この一実施形態においては、気体供給量の減少に対する硝酸濃度の低下の変化率である硝酸濃度変化率を以下の（１２）式によって算出する。

ここで、ＣＮ₁は過去の時点から現在の時点までの硝酸濃度の移動平均、ＣＮは現在の時点における硝酸濃度の計測値、および、ｋは、アンモニア濃度変化率ｍとの比較における比較均等性を確保するための補正係数である。なお、過去の時点から現在の時点までの移動平均として算出される硝酸濃度ＣＮ₁は、制御部６の記録領域に読み出し可能に格納されている。

また、過去の時点としては、現在の時点から、反応槽３における水理学的滞留時間（ＨＲＴ）の１／４〜１／５程度だけ遡った時点が望ましい。すなわち、現在の時点と過去の時点との間の経過時間Δｔは、ＨＲＴの１／５以上１／４以下の範囲、具体的には例えば１０〜３０分の範囲から選択するのが望ましい。

そして、制御部６が、上述した（１１）式および（１２）式を用いて、アンモニア濃度変化率ｍと硝酸濃度変化率ｐとを算出して比較した結果、アンモニア濃度変化率ｍが硝酸濃度変化率ｐ以上であると判断した場合（ステップＳＴ１２：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１０に移行する。ステップＳＴ１０において制御部６は、それぞれの気体供給量制御部９ａ〜９ｄによって散気部７ａ〜７ｄから供給される空気の気体供給量を増加させるように制御する。その後、ステップＳＴ１に復帰する。なお、この時点における気体供給量は制御部６の記録領域に読み出し可能に格納される。

他方、制御部６が、アンモニア濃度変化率ｍが硝酸濃度変化率ｐ未満であると判断した場合（ステップＳＴ１２：Ｎｏ）、ステップＳＴ８に移行する。ステップＳＴ８において制御部６は、それぞれの気体供給量制御部９ａ〜９ｄによって散気部７ａ〜７ｄから供給される空気の気体供給量を減少させるように制御する。その後、ステップＳＴ１に復帰する。なお、この時点における気体供給量は制御部６の記録領域に読み出し可能に格納される。

そして、制御部６は、以上のステップＳＴ１からステップＳＴ１２を、排水の処理が終了するまで繰り返し実行する。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、制御部６が、計測されたアンモニア濃度および硝酸濃度と、さらに特定の条件下において算出されるアンモニア濃度変化率ｍおよび硝酸濃度変化率ｐとに基づいて、それぞれの気体供給量制御部９ａ〜９ｄに制御信号を供給して、それぞれの散気部７ａ〜７ｄからの気体供給量の維持、増加、および減少を制御することにより、反応槽３内において、脱窒反応と硝化反応とを適切に共存させて、反応槽３の内部において硝化脱窒反応の生成を制御することが可能となる。また、制御部６が気体供給量を最適に制御していることにより、散気部７ａ〜７ｄによる気体供給量を必要十分な量に制御することができ、ブロア８の消費電力量を削減して、排水処理における消費電力を削減することも可能になる。

（変形例）
次に、上述した一実施形態の変形例について説明する。図３は、この一実施形態の変形例１による反応槽を示す構成図であり、また、図４は、この一実施形態による変形例２による排水の処理装置を示す構成図である。

（変形例１）
図３に示すように、変形例１における散気手段としては、複数の散気部７ａ〜７ｄの代わりに単体の散気部２１から構成しても良い。この散気部２１は、制御部６（図３中、図示せず）からの制御信号に基づいて、気体供給量を制御する気体供給量制御部２２により制御される。この場合においても、アンモニア計１０および硝酸計１１は、被処理水の流れ方向に沿って下流側の所定位置に設けられる。なお、散気手段を単体の散気部２１から構成した場合であっても、散気部２１における反応槽３内での気体の供給部分ごとに気体供給量を制御可能に構成しても良い。そして、制御部６により、散気部２１は、時間の経過に従って、順次、交互、または繰り返して曝気を行ったり曝気を行わなかったりするように制御することも可能である。この場合においても、上述した一実施形態と同様の効果を得ることができる。

（変形例２）
また、図４に示すように、変形例４においては、上述した一実施形態と異なり、アンモニア計１０および硝酸計１１を、反応槽３と固液分離槽４との間に設ける。そして、アンモニア計１０および硝酸計１１が、反応槽３から流出した被処理水における硝酸濃度およびアンモニア濃度を計測する。この場合においても、上述した一実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

１最初沈殿池
２嫌気槽
２ａモータ
２ｂ攪拌部
３反応槽
４固液分離槽
４ａ分離液
４ｂ活性汚泥
６制御部
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，２１散気部
８ブロア
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，２２気体供給量制御部
１０アンモニア計
１１硝酸計
１２汚泥返送経路

Claims

反応槽内を流れる窒素含有水に対して硝化反応および脱窒反応による生物処理を、前記窒素含有水の流れに従って前記窒素含有水に含まれるアンモニアが硝酸に硝化され、前記窒素含有水の流れ方向に沿って硝酸が脱窒されるように前記窒素含有水に対して前記流れ方向の略全域に亘って気体を供給する排水の処理方法において、
前記窒素含有水の流れ方向に沿った前記反応槽の中間位置より下流側の第１の所定位置におけるアンモニア濃度を計測するアンモニア濃度計測ステップと、
前記窒素含有水の流れ方向に沿った前記反応槽の中間位置より下流側の第２の所定位置における硝酸濃度を計測する硝酸濃度計測ステップと、
前記アンモニア濃度計測ステップにおいて計測されたアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係を比較するアンモニア濃度比較ステップ、および前記硝酸濃度計測ステップにおいて計測された硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係を比較する硝酸濃度比較ステップを含む大小関係比較ステップと、
単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率を算出する変化率算出ステップと、
前記アンモニア濃度比較ステップにおいて前記アンモニア濃度計測値が前記アンモニア濃度目標値より大きく、かつ前記硝酸濃度比較ステップにおいて前記硝酸濃度計測値が前記硝酸濃度目標値よりも大きい場合に、前記変化率算出ステップにおいて算出した前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係を比較する変化率比較ステップと、
前記大小関係比較ステップにおける、前記アンモニア濃度計測値と前記アンモニア濃度目標値との大小関係、および前記硝酸濃度計測値と前記硝酸濃度目標値との大小関係と、さらに前記変化率比較ステップを実行した場合に前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係とに基づいて、前記気体の供給量を制御する気体供給量制御ステップと、
を含むことを特徴とする排水の処理方法。
前記アンモニア濃度変化率が、前記気体の供給量の増加に対するアンモニア濃度の低下の変化率であり、前記硝酸濃度変化率が前記気体の供給量の減少に対する硝酸濃度の低下の変化率であることを特徴とする請求項１に記載の排水の処理方法。
前記第１の所定位置と前記第２の所定位置との間隔が、前記窒素含有水の流れ方向に沿った前記反応槽における水理学的滞留時間の１／４以下の間隔であることを特徴とする請求項１または２に記載の排水の処理方法。
反応槽内において窒素含有水の流れに沿って前記窒素含有水が含有するアンモニアが硝酸に硝化され、前記硝酸が脱窒されるように前記窒素含有水の流れ方向の略全域に亘って気体を供給する散気手段と、
前記窒素含有水の流れ方向に沿った前記反応槽の中間位置より下流側の第１の所定位置におけるアンモニア濃度を計測するアンモニア濃度計測手段と、
前記窒素含有水の流れ方向に沿った前記反応槽の中間位置より下流側の第２の所定位置における硝酸濃度を計測する硝酸濃度計測手段と、
前記アンモニア濃度計測手段によって計測されたアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係の比較と、前記硝酸濃度計測手段によって計測された硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係の比較と、単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率の算出と、前記アンモニア濃度計測値が前記アンモニア濃度目標値より大きく、かつ前記硝酸濃度計測値が前記硝酸濃度目標値よりも大きい場合に行う前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係の比較と、少なくとも前記アンモニア濃度計測値と前記アンモニア濃度目標値との大小関係および前記硝酸濃度計測値と前記硝酸濃度目標値との大小関係に基づき、さらに前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係を比較した場合には、前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係にも基づいて、前記散気手段からの気体の供給量の制御と、をそれぞれ実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする排水の処理装置。
窒素含有水の流れに従って前記窒素含有水に含まれるアンモニアが硝酸に硝化され、前記硝酸が脱窒されるように前記窒素含有水の流れ方向の略全域に亘って気体を供給する散気手段に対して、
アンモニア濃度計測手段によって計測されたアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係の比較と、硝酸濃度計測手段によって計測された硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係の比較と、単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率の算出と、前記アンモニア濃度計測値が前記アンモニア濃度目標値より大きく、かつ前記硝酸濃度計測値が前記硝酸濃度目標値よりも大きい場合に行う前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係の比較とを実行し、
少なくとも前記アンモニア濃度計測値と前記アンモニア濃度目標値との大小関係および前記硝酸濃度計測値と前記硝酸濃度目標値との大小関係、および前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係を比較した場合に前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係に基づいた気体の供給量の増減の制御と、をそれぞれ実行する
ことを特徴とする制御装置。
窒素含有水に対する気体供給量を制御する制御装置による制御方法において、
前記窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第１の所定位置におけるアンモニア濃度を計測するアンモニア濃度計測ステップと、
前記窒素含有水の流れ方向に沿った前記反応槽の中間位置より下流側の第２の所定位置における硝酸濃度を計測する硝酸濃度計測ステップと、
前記アンモニア濃度計測ステップにおいて計測されたアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係を比較するアンモニア濃度比較ステップ、および前記硝酸濃度計測ステップにおいて計測された硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係を比較する硝酸濃度比較ステップを含む大小関係比較ステップと、
単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率を算出する変化率算出ステップと、
前記大小関係比較ステップにおいて、前記アンモニア濃度計測値が前記アンモニア濃度目標値より大きく、かつ前記硝酸濃度計測値が前記硝酸濃度目標値よりも大きい場合に、前記変化率算出ステップにおいて算出した前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係を比較する変化率比較ステップと、
少なくとも前記大小関係比較ステップにおける、前記アンモニア濃度計測値と前記アンモニア濃度目標値との大小関係、および前記硝酸濃度計測値と前記硝酸濃度目標値との大小関係、および前記変化率比較ステップを実行した場合に前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係に基づいて、前記気体供給量の増減を制御する気体供給量制御ステップと、
を含むことを特徴とする制御方法。
窒素含有水の流れ方向に沿った反応槽の中間位置より下流側の第１の所定位置におけるアンモニア濃度計測値とあらかじめ設定されたアンモニア濃度目標値との大小関係を比較するアンモニア濃度比較ステップと、
前記窒素含有水の流れ方向に沿った前記反応槽の中間位置より下流側の第２の所定位置における硝酸濃度計測値とあらかじめ設定された硝酸濃度目標値との大小関係を比較する硝酸濃度比較ステップと、
単位時間あたりのアンモニア濃度変化率および硝酸濃度変化率を算出する変化率算出ステップと、
前記アンモニア濃度計測値が前記アンモニア濃度目標値より大きく、かつ前記硝酸濃度計測値が前記硝酸濃度目標値よりも大きい場合に、前記変化率算出ステップにおいて算出した前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係を比較する変化率比較ステップと、
少なくとも前記アンモニア濃度比較ステップにおける前記アンモニア濃度計測値と前記アンモニア濃度目標値との大小関係、および前記硝酸濃度比較ステップにおける前記硝酸濃度計測値と前記硝酸濃度目標値との大小関係、および前記変化率比較ステップを実行した場合における前記アンモニア濃度変化率と前記硝酸濃度変化率との大小関係に基づいて、前記窒素含有水への気体供給量の増減を制御する気体供給量制御ステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。