JP2021151646A

JP2021151646A - 水処理装置及び水処理方法

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Publication number: JP2021151646A
Application number: JP2020053457A
Authority: JP
Inventors: 宜之安村; Nobuyuki Yasumura
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Environment Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Environment Co Ltd
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-09-30

Abstract

【課題】本発明の課題は、被処理水中の窒素成分を間欠曝気処理する水処理において、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価し、間欠曝気運転の最適化を行うことができる水処理装置及び水処理方法を提供することである。【解決手段】上記課題を解決するために、あらかじめ決められた１サイクルの処理時間において、硝化速度を算出し、得られた硝化速度に基づき、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量とを調整する調整部を備える水処理装置及びこの装置を用いた水処理方法を提供する。本発明によれば、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価することができる。また、被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、水処理装置及び水処理方法に関するものである。特に、被処理水中の窒素成分の硝化脱窒処理に係る水処理装置及び水処理方法である。

排水処理に係る処理手段は様々なものが知られており、排水中の除去対象成分に応じて処理手段を選択することが行われている。例えば、排水中の除去対象成分として窒素成分が含まれている場合の処理手段の一つとして、硝化脱窒処理が挙げられる。

このような硝化脱窒処理としては、活性汚泥を用い、被処理水中の窒素成分を窒素ガスに還元する生物学的硝化脱窒処理が挙げられる。この活性汚泥を用いた生物学的硝化脱窒処理は、好気条件下で硝化菌によりアンモニア性窒素が硝酸性窒素や亜硝酸性窒素に硝化される硝化工程と、嫌気条件下で脱窒菌により硝酸性窒素や亜硝酸性窒素が窒素ガスに還元される脱窒工程とからなる処理として知られている。

この生物学的硝化脱窒処理の一つとして、窒素成分を含む被処理水に対し、空気曝気と曝気停止を交互に繰り返し、好気条件下における硝化工程と嫌気条件下における脱窒工程を１サイクルとした処理を行う間欠曝気処理が知られている。

例えば、特許文献１には、窒素成分を含む被処理水の硝化脱窒処理として、間欠曝気処理によるものが記載されている。また、特許文献１には、間欠曝気処理を行う反応槽内のｐＨを経時的に測定し、間欠曝気処理の１サイクルにおけるｐＨの最大値と最小値の差分があらかじめ定めた値を下回った場合に、反応槽への被処理水の供給量を低減させることが記載されている。

特開２００８−３６５５８号公報

特許文献１に記載されるような間欠曝気処理に用いられる水処理装置は、１槽内で処理を行うことができ、装置の小型化が容易であることが知られている。このため、間欠曝気処理による水処理は、窒素成分を含む被処理水の処理に広く活用されている。

また、間欠曝気処理による水処理は、１槽内で空気曝気と曝気停止を行うことで、好気条件下における硝化工程と嫌気条件下における脱窒工程という２段階の処理工程を進行させるものであり、処理工程に係る運転管理が重要である。このため、硝化工程及び脱窒工程の進行に係る処理状態を把握し、安定した運転を維持するための制御を行う必要がある。

特許文献１では、間欠曝気処理における処理状態を把握するために、ｐＨを指標として用いている。しかし、ｐＨを指標とする場合、被処理水の処理状態を間接的に評価するものであることから、間欠曝気処理における運転制御が十分に最適化されているとは言い切れない。したがって、被処理水の処理状態をより的確に評価することができる指標を用い、間欠曝気処理における運転制御を最適化することが求められている。

本発明の課題は、被処理水中の窒素成分を間欠曝気処理する水処理において、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価し、間欠曝気運転の最適化を行うことができる水処理装置及び水処理方法を提供することである。

本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、間欠曝気処理を行う水処理装置において、あらかじめ決められた１サイクルの処理時間において、硝化速度を算出し、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量を調整する制御部を備えることで、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価し、間欠曝気運転を最適化できることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の水処理装置及び水処理方法である。

上記課題を解決するための本発明の水処理装置は、被処理水中の窒素成分を間欠曝気運転により除去する水処理装置であって、曝気及び撹拌に係る運転を１サイクルとし、あらかじめ決められた１サイクルの処理時間において、硝化速度を算出し、得られた硝化速度に基づき、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量と、を調整する制御部を備えることを特徴とするものである。

本発明の水処理装置によれば、制御部を設け、１サイクルごとの硝化速度を算出することで、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価することができる。また、この算出結果を基に、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量とを調整することで、被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。

また、本発明の水処理装置の一実施態様としては、制御部は、１サイクルの処理時間終了時点におけるアンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度の値から、脱窒処理量を決定するという特徴を有する。
この特徴によれば、制御部において、１サイクルの処理時間終了時におけるアンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度の値を用い、脱窒工程における処理量である脱窒処理量を決定することで、被処理水の処理状態を的確に評価した上で被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。

また、本発明の水処理装置の一実施態様としては、制御部は、アンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度の処理時の値の最大値あるいは最小値に基づき、被処理水の投入量を調整するという特徴を有する。
この特徴によれば、制御部において、アンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度の処理時の値の最大値あるいは最小値を用いることで、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価するとともに、この値を基に、被処理水の投入量を調整することで、被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。

また、本発明の水処理装置の一実施態様としては、制御部は、脱窒処理量を制御するために、水素供与体の添加量を調整するという特徴を有する。
この特徴によれば、制御部において、脱窒処理量の制御を行うために、撹拌及び曝気に係る運転だけではなく、水素供与体添加量の調整も行うことで、被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。

上記課題を解決するための本発明の水処理方法は、被処理水中の窒素成分を間欠曝気運転により除去する水処理方法であって、曝気及び撹拌に係る運転を１サイクルとし、あらかじめ決められた１サイクルの処理時間において、硝化速度を算出し、得られた硝化速度に基づき、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量と、を調整する制御工程を備えるという特徴を有する。

本発明の水処理方法によれば、制御工程として、１サイクルごとの硝化速度を算出することで、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価することができる。また、この算出結果を基に、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量とを調整することで、被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。

本発明によれば、被処理水中の窒素成分を間欠曝気処理する水処理において、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価し、間欠曝気運転の最適化を行うことができる水処理装置及び水処理方法を提供することができる。

本発明の実施態様の水処理装置を示す概略説明図である。本発明の実施態様の水処理装置における測定部による測定結果の一例を示すグラフである。本発明の実施態様の水処理装置における制御部による制御の一例を示すフロー図である。本発明の実施態様の水処理装置における制御部による別の制御の一例を示すフロー図である。

本発明の水処理装置及び水処理方法は、窒素成分を含む被処理水の水処理に利用されるものである。特に、本発明の水処理装置及び水処理方法は、生物学的硝化脱窒処理の一つとして、窒素成分を含む被処理水に対し、曝気及び撹拌に係る工程をそれぞれ１回ずつ行ったものを１サイクルとした処理を行う間欠曝気処理に利用されるものである。

本発明における被処理水Ｗとしては、被処理水Ｗ内に処理対象となる窒素成分を含むものであればよく、特に限定されない。このような被処理水の具体的な例としては、例えば、工場排水、生活排水等の排水などが挙げられる。特に、窒素成分としてアンモニア性窒素あるいは硝酸性窒素を含む被処理水Ｗとしては、例えば、下水やし尿などが挙げられる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る水処理装置及び水処理方法の実施態様を詳細に説明する。なお、本発明の水処理方法については、以下の水処理装置の構造及び作動の説明に置き換えるものとする。また、実施態様に記載する水処理装置の構造については、本発明に係る水処理装置を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。

［実施態様］
（水処理装置）
図１は、本発明の実施態様における水処理装置１０の概略説明図である。
本実施態様に係る水処理装置１０は、図１に示すように、ラインＬ１を介して被処理水Ｗが投入される処理槽１と、曝気装置２と、撹拌装置３と、水素供与体添加部４と、アンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度を測定する測定部５と、制御部６と、を備えている。また、ラインＬ１上には、被処理水Ｗの投入量を調整する被処理水量調整部７が設けられている。
なお、図１において、一点鎖線の矢印は、制御可能あるいは入力可能に接続されていることを示している。

本実施態様の水処理装置１０では、処理槽１内に投入された窒素成分を含む被処理水Ｗに対し、間欠曝気処理が行われる。
図１に示すように、処理槽１内には、曝気装置２及び撹拌装置３が備えられている。また、処理槽１内には、硝化菌及び脱窒菌等の微生物菌体を含む活性汚泥が投入されている。
この処理槽１において、曝気装置２による曝気と撹拌装置３による撹拌を交互に繰り返す間欠曝気運転を行うことにより、被処理水Ｗ中の窒素成分が処理される。
より具体的には、処理槽１内で曝気装置２を駆動させることで、好気性（酸化性）雰囲気が形成され、硝化菌によりアンモニア性窒素が硝酸性窒素に酸化される酸化反応が進行する。一方、処理槽１内で撹拌装置３を駆動させることで、嫌気性（還元性）雰囲気が形成され、脱窒菌により硝酸性窒素が窒素ガスに還元される還元反応が進行する。
そして、処理槽１において処理された処理水Ｗ１は、ラインＬ２を介して系外に排出される。また、処理槽１において発生した窒素ガスは、ラインＬ３を介して系外に排出される。

曝気装置２は、処理槽１内に好気性雰囲気を形成するためのものである。
曝気装置２は、空気や酸素などの気体を処理槽１内に供給することができるものであればよく、具体的な構造については特に限定されない。曝気装置２としては、例えば、図１に示すように、散気体２１とブロワＢを接続したものが挙げられる。ここで、散気体２１としては、複数のノズルを備える散気体のほか、多孔質材料からなる管状部材や、多数の孔あるいはスリットが設けられた管状部材や板状部材からなる散気体などが挙げられる。また、ブロワＢとしては、気体を圧送することができるものであればよく、例えば送風機や圧縮機などを用いることが挙げられる。これにより、処理槽１内に気体を供給し、処理槽１内を好気性雰囲気下とし、硝化菌による硝化工程（酸化反応）を進行させることができる。

撹拌装置３は、曝気装置２の停止時に処理槽１の撹拌を行うことにより、処理槽１内に嫌気性雰囲気を形成するためのものである。
撹拌装置３は、処理槽１内の被処理水Ｗを撹拌することができるものであればよく、具体的な構造については特に限定されない。撹拌装置３としては、例えば、図１に示すように、撹拌羽根３１と、撹拌羽根３１に取り付けられた撹拌軸３２と、撹拌羽根３１を回転させる駆動機構３３を備えるものが挙げられる。これにより、処理槽１内を撹拌するとともに、処理槽１内を嫌気性雰囲気下とし、脱窒菌による脱窒工程（還元反応）を進行させることができる。
なお、撹拌装置３としては、撹拌羽根以外の構造を用いるものとしてもよい。また、回転以外の駆動機構によって撹拌を行うものとしてもよい。

撹拌装置３の配置箇所は特に限定されない。図１に示すように、処理槽１上部側から撹拌羽根を設けるものとすること以外に、処理槽１の側壁側に撹拌羽根を設けるものとすることや、処理槽１の底面側に撹拌羽根を設けるものとすることなどが挙げられる。

水素供与体添加部４は、処理槽１内の被処理水Ｗに対して水素供与体を添加するためのものである。
上述した脱窒工程に係る還元反応においては、反応を進行させるために水素が必要である。通常、被処理水Ｗ中のＢＯＤ成分が水素供与体として機能するが、被処理水Ｗの水質や処理状況によって不足する場合がある。このため、水素供与体添加部４を設け、必要に応じて被処理水Ｗに水素供与体を添加することにより、脱窒工程を効率的に進行させることが可能となる。

水素供与体添加部４の構造については特に限定されない。例えば、図１に示すように、水素供与体を貯留する貯留部４１と、処理槽１へ水素供与体を添加するための配管４２と、水素供与体添加量を調整するために配管４２上に設けられた調整機構４３を備えるものが挙げられる。ここで、調整機構４３としては、流量調整弁やポンプなどが挙げられる。
なお、水素供与体としては、易分解性の有機物を用いることが挙げられる。このような有機物としては、アルコール、酢酸などの有機酸、糖を含む廃液などが挙げられる。特に、水素供与体としては、脱窒菌の炭素源、エネルギー源としても作用するメタノールを用いることが好ましい。また、メタノールを水素供与体として用いることで、添加量に応じた脱窒工程（還元反応）への影響を算出することが容易となる。これにより、後述する制御部６において、被処理水Ｗ中に添加する水素供与体の添加量制御が容易となる。

測定部５は、被処理水Ｗ中のアンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度を測定するためのものである。
測定部５は、少なくともアンモニア性窒素濃度あるいは硝酸性窒素濃度のいずれか一方を測定できるものであればよいが、アンモニア性窒素濃度及び硝酸性窒素濃度の両方を測定できるものとすることがより好ましい。これにより、後述する制御部６において間欠曝気運転の最適化条件に係る演算精度が向上する。
測定部５は、アンモニア性窒素濃度計及び硝酸性窒素濃度計としてそれぞれ公知の測定機器を設け、アンモニア性窒素濃度と硝酸性窒素濃度を独立して測定するものとしてもよく、アンモニア性窒素濃度計あるいは硝酸性窒素濃度計のいずれか一方と全窒素濃度計との組み合わせにより、アンモニア性窒素濃度及び硝酸性窒素濃度の値を得るものとしてもよい。なお、アンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度を測定可能な公知の測定機器としては、イオン電極を備えるものなどが挙げられる。
また、測定部５は、連続測定及びデータの自動送信が可能であることが好ましい。これにより、後述する制御部６における演算精度が高まるとともに、制御部６へのデータ入力が容易となる。

被処理水量調整部７は、処理槽１内に投入する被処理水Ｗの量を調整するためのものである。
被処理水量調整部７は、後述する制御部６によりラインＬ１から投入する被処理水Ｗの量を調整することができるものであればよい。被処理水量調整部７としては、例えば、図１に示すように、ラインＬ１上に設けられる流量調整弁やバルブなどを用いることや、被処理水移送装置のインバータ制御によるものなどが挙げられる。

制御部６は、処理槽１における間欠曝気運転に係る制御を行うためのものである。
制御部６は、図１に示すように、制御対象となる曝気装置２、撹拌装置３、水素供与体添加部４、被処理水量調整部７に対し、制御可能に接続されており、また、測定部５の測定結果が入力可能となるように接続されている。

制御部６としては、制御対象として接続した各構成の制御あるいは情報取得を行うことができるものであればよい。本実施態様における制御部６としては、例えば、図１に示すように、情報取得部６１と、演算部６２と、運転制御部６３を備えるものが挙げられる。

情報取得部６１は、測定部５における測定結果に係るデータの取得を行うものである。
また、演算部６２は、情報取得部６１が取得したデータに基づき、間欠曝気運転に係る曝気装置２の駆動時間、撹拌装置３の駆動時間、水素供与体添加部４による水素供与体の添加量、被処理水量調整部７による被処理水Ｗの投入量など、間欠曝気運転の制御に係る演算を行うものである。なお、この演算に係る説明については後述する。
さらに、運転制御部６３は、演算部２の演算結果に基づく制御信号を、制御対象として接続された各構成に対して発信するものである。

制御部６を構成する情報取得部６１、演算部６２及び運転制御部６３は、作業者の手動による操作を含むものであってもよいが、情報取得のためのデータ入出力機能を有し、制御に係る演算や制御信号発信を行うためのプログラムをＣＰＵ等のプロセッサにより実行する計算装置を用い、自動制御可能とすることが好ましい。これにより、水処理装置１０の間欠曝気運転を最適化することが容易となる。

（水処理装置における間欠曝気運転の制御）
以下、本実施態様の水処理装置１０を用い、被処理水Ｗとして窒素成分を含む被処理水の間欠曝気処理を行うにあたり、被処理水Ｗ中の窒素挙動に応じた好適な間欠曝気運転の制御について、例示して説明する。なお、各運転制御に係る説明及びフローチャートについては、実施態様の例示にすぎず、これに限定されるものではない。

図２は、本実施態様の水処理装置１０の間欠曝気運転に係る１サイクルの処理時間内において、測定部５で得られる測定結果を模式的に示すグラフである。
なお、本発明の間欠曝気運転においては、曝気及び撹拌の組み合わせを１サイクルと定義するものであり、曝気と撹拌の順序については特に限定されない。本実施態様においては、曝気装置２による曝気後、撹拌装置３による撹拌を行うものを１サイクルとして示しているが、これに限定されるものではなく、撹拌装置３による撹拌後、曝気装置２による曝気を行うものを１サイクルとするものであってもよい。

図２は、水処理装置１０に投入された被処理水Ｗに対し、曝気装置２の駆動による硝化工程（酸化反応）後、撹拌装置３の駆動による脱窒工程（還元反応）を行った時のアンモニア性窒素濃度の経時変化（図２Ａ）及び硝酸性窒素濃度の経時変化（図２Ｂ）を示すものである。
このとき、アンモニア性窒素濃度の初期値をＣ_{ＮＨ４−Ｎ０}、処理後の値をＣ_{ＮＨ４−Ｎ１}、処理時における最大値をＣ_{ＮＨ４−Ｎｍａｘ}、最小値をＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}とし、硝酸性窒素濃度の初期値をＣ_{ＮＯ３−Ｎ０}、処理後の値をＣ_{ＮＯ３−Ｎ１}、処理時における最大値をＣ_{ＮＯ３−Ｎｍａｘ}とする。
また、このとき、硝化工程に係る曝気時間をＴ_Ｎ０、脱窒工程に係る撹拌時間をＴ_Ｄ０、１サイクルの処理時間をＴ_０とする。なお、Ｔ_Ｎ０、Ｔ_ＤＯ、Ｔ_０の関係は、Ｔ_０＝Ｔ_Ｎ０＋Ｔ_Ｄ０が成り立つものとなっている。Ｔ_０はあらかじめ決められた１サイクルの処理時間であり、Ｔ_Ｎ０、Ｔ_ＤＯは、Ｔ_０以後の処理サイクルにおける曝気及び撹拌に係る基準時間となる。

図２に示すようなデータが情報取得部６１を介して、演算部６２に入力されると、演算部６２では、硝化速度ｖ_Ｎの算出を行う。より具体的には、処理時におけるアンモニア性窒素濃度の最大値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍａｘ}と最小値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の傾きを計算する。図２に示すように、初期値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎ０}を示す曝気開始時と最大値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍａｘ}を示す処理時間の間には一定の時間差が生じている。また、アンモニア性窒素濃度の最小値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}は、曝気停止時点ではなく、一定時間後に示されるものである。したがって、曝気開始及び停止時のアンモニア性窒素濃度ではなく、測定部５により測定したデータを用い、アンモニア性窒素濃度の最大値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍａｘ}と最小値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の傾きに基づき、硝化速度ｖ_Ｎを算出することで、処理槽１内における窒素挙動を的確に把握することが可能となる。この硝化速度ｖ_Ｎに基づき、次の１サイクルにおける運転制御に係る内容を決定する。この運転制御に係る演算については後述する。

得られた硝化速度ｖ_Ｎに基づき、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１と、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１において曝気により供給される空気量の調整を行う。
ここで、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１は、あらかじめ決められた１サイクルの処理時間Ｔ_０から変動する変動値として扱う。
また、このとき調整する空気量とは、硝化に必要な空気量であり、曝気時間と曝気装置の性能に基づき決めることができる。例えば、次の１サイクルにおいて硝化に係る空気量を増やす必要がある場合、曝気装置の性能は一定であるとし、次の１サイクルにおける曝気時間Ｔ_Ｎ１を増加させるという制御を行うものとする。

演算部６２の演算結果に基づき、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１と、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１において曝気により供給される空気量の調整を実行するため、運転制御部６３は、曝気装置２のブロワＢの駆動時間、撹拌装置３の駆動機構３３の駆動時間に係る制御信号をそれぞれの構成（曝気装置２及び撹拌装置３）に対して発信する。
これにより、被処理水Ｗ中の窒素挙動を直接把握して被処理水Ｗの処理状態を的確に評価した上で、被処理水Ｗ中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。

演算部６２で用いるデータとしては、上述したように、アンモニア性窒素濃度の値に基づくものだけに限定されるものではなく、硝酸性窒素濃度の値に基づくものをデータとして用い、同様の演算処理を行い、間欠曝気運転の制御を行うものとしてもよい。例えば、１サイクル内におけるアンモニア性窒素濃度と硝酸性窒素濃度の相関性に基づき、硝酸性窒素濃度の経時変化から硝化速度ｖ_Ｎを求めるものとしてもよい。

本実施態様においては、アンモニア性窒素濃度及び硝酸性窒素濃度の値を用いた演算処理を行うことが好ましい。これにより、被処理水Ｗ中の窒素挙動をより詳細に捉えた上で、間欠曝気運転の最適化を行うことが可能となる。

図３は、本実施態様の水処理装置１０における制御部６の制御に係るフロー図を示すものであり、測定部５においてアンモニア性窒素濃度及び硝酸性窒素濃度の両方を測定し、この測定した結果を情報取得部６１に入力した場合のフロー図である。
また、図３は主に硝化工程に係る制御を示している。

まず、１サイクルの処理時間Ｔ_０において、曝気時間Ｔ_Ｎ０、撹拌時間Ｔ_Ｄ０で処理を行う。そして、測定部５で得られたアンモニア性窒素濃度及び硝酸性窒素濃度のデータを、情報取得部６１を介して演算部６２に入力する。
ここで、アンモニア性窒素濃度の最大値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍａｘ}と最小値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の傾きから、硝化速度ｖ_Ｎを算出する。
また、アンモニア性窒素濃度の最小値Ｃ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}と１サイクル前の処理時におけるアンモニア性窒素濃度の最小値Ｃ’_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の差分ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}を計算する。

次に、この差分ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の値を、設定値Ｘ_１、Ｘ_２と比較し、この比較による値区分を行う。この値区分は、図３に示すように、ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}＜Ｘ_２、Ｘ_２≦ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}≦Ｘ_１、Ｘ_１＜ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の３つに分けられる。
なお、設定値Ｘ_１及びＸ_２は、１サイクル内において許容されるアンモニア性窒素濃度の変動分あるいはアンモニア性窒素濃度の測定誤差分に相当し、Ｘ_１＞Ｘ_２の関係が成り立つものである。また、通常、Ｘ_１とＸ_２は絶対値が同じで正負の関係にあるものとするが、これに限定されるものではなく、Ｘ_１とＸ_２の絶対値が異なるものを設定するものとしてもよい。設定値Ｘ_１及びＸ_２については、過去の処理実績などを基に適宜決定することができる。

差分ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の値と、設定値Ｘ_１及びＸ_２の比較における値区分に基づき、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における曝気時間Ｔ_Ｎ１を、曝気時間Ｔ_Ｎ０に対して増加あるいは減少させる調整を行う。これにより、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１と、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１において曝気により供給される空気量の調整が可能となる。

図３で示すように、差分ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}に係る値区分がΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}＜Ｘ_２の場合、硝化工程における処理に余力があると判断し、曝気時間Ｔ_Ｎ１は曝気時間Ｔ_Ｎ０よりも減少するように調整する。また、差分ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}に係る値区分がＸ_１＜ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の場合、硝化工程における処理が十分ではないと判断し、曝気時間Ｔ_Ｎ１は曝気時間Ｔ_Ｎ０よりも増加するように調整する。一方、差分ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}に係る値区分がＸ_２≦ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}≦Ｘ_１の場合、曝気時間Ｔ_Ｎ１は曝気時間Ｔ_Ｎ０と同じ、つまり曝気時間Ｔ_Ｎ０から変更せずに維持するように調整する。

そして、Ｘ_１＜ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}及びΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}＜Ｘ_２の場合において、曝気時間Ｔ_Ｎ１を調整するための曝気時間変動分は、以下の式１により算出する。

ここで、式１中のそれぞれのパラメータの単位については、曝気時間変動分が秒（ｓｅｃ）、ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}がｍｇ／Ｌ、処理槽容量がｍ^３、ｖ_Ｎがｇ−Ｎ／ｓｅｃである。

Ｘ_１＜ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の場合、式１に基づき求めた曝気時間変動分を曝気時間Ｔ_Ｎ０に加算し、演算曝気時間Ｔ_{Ｎ１−Ｃ１}を求める。そして、求めた演算曝気時間Ｔ_{Ｎ１−Ｃ１}と、曝気時間の上限として設定する最大曝気時間Ｔ_Ｎｍａｘとを比較する。
Ｔ_{Ｎ１−Ｃ１}≦Ｔ_Ｎｍａｘの場合、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における曝気時間Ｔ_Ｎ１は式１に基づく演算結果どおり、Ｔ_Ｎ１＝Ｔ_{Ｎ１−Ｃ１}とする。
一方、Ｔ_Ｎｍａｘ＜Ｔ_{Ｎ１−Ｃ１}の場合、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における曝気時間Ｔ_Ｎ１は、Ｔ_Ｎ１＝Ｔ_Ｎｍａｘとする。そして、ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の値が所定の範囲に収まるように、曝気時間ではなく、被処理水の投入量を調整する。すなわち、Ｘ_２≦ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}≦Ｘ_１が成り立つよう、被処理水の投入量が減少するように調整する。

また、ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}＜Ｘ_２の場合、式１に基づき求めた曝気時間変動分を曝気時間Ｔ_Ｎ０から減算し、演算曝気時間Ｔ_{Ｎ１−Ｃ２}を求める。そして、求めた演算曝気時間Ｔ_{Ｎ１−Ｃ２}と、曝気時間の下限として設定する最大曝気時間Ｔ_Ｎｍｉｎとを比較する。
Ｔ_{Ｎ１−Ｃ２}≦Ｔ_Ｎｍｉｎの場合、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における曝気時間Ｔ_Ｎ１は式１に基づく演算結果どおり、Ｔ_Ｎ１＝Ｔ_{Ｎ１−Ｃ２}とする。
一方、Ｔ_Ｎｍｉｎ＜Ｔ_{Ｎ１−Ｃ２}の場合、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における曝気時間Ｔ_Ｎ１は、Ｔ_Ｎ１＝Ｔ_Ｎｍｉｎとする。そして、ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}の値が所定の範囲に収まるように、曝気時間ではなく、被処理水の投入量を調整する。すなわち、Ｘ_２≦ΔＣ_{ＮＨ４−Ｎｍｉｎ}≦Ｘ_１が成り立つよう、被処理水の投入量が増加するように調整する。

また、図３に示すように、Ｔ_Ｎ１＝Ｔ_Ｎ０の場合や、Ｔ_Ｎ１が式１に基づく演算結果どおりに変動する場合、被処理水の投入量は調整不要となる。

被処理水の投入量の調整については、図３に示したフローチャートに基づき、運転制御部６３が、被処理水量調整部７の駆動（開閉）に係る制御信号を発信する。これにより、ラインＬ１から投入する被処理水Ｗの量を調整することができる。

このように、硝化速度及びアンモニア性窒素濃度の最小値（最大値）に基づく演算を行うことで、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における曝気時間Ｔ_Ｎ１を、曝気時間Ｔ_Ｎ０から変動させる調整を行うに当たり、適切な曝気時間変動分を演算することが可能となる。また、曝気装置２の能力を超える曝気時間調整を行ってしまうことを回避できる。さらに、曝気時間調整だけではなく、被処理水の投入量の調整を併せて行うことで、硝化工程における処理能力を低下させることなく、間欠曝気運転を行うことが可能となる。

図４は、本実施態様の水処理装置１０における制御部６の制御に係るフロー図を示すものである。また、図４は主に脱窒工程に係る制御を示している。なお、図４において破線で囲った部分は、図３に示したフローチャートとの共通部分を示している。

まず、１サイクルの処理時間Ｔ_０において、曝気時間Ｔ_Ｎ０、撹拌時間Ｔ_Ｄ０で処理を行う。そして、測定部５で得られたアンモニア性窒素濃度及び硝酸性窒素濃度のデータとして、硝酸性窒素濃度の処理後の値Ｃ_{ＮＯ３-Ｎ１}を、情報取得部６１を介して演算部６２に入力する。

次に、演算部６２において、硝酸性窒素濃度の処理後の値Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}と、あらかじめ設定した設定値Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}及びＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}とを比較し、値区分を行う。ここで、設定値Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}及びＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}は、それぞれ１サイクルの処理時間が経過した後の硝酸性窒素濃度として適切な範囲内にあることを示す最大値と最小値を示すものであり、過去の処理実績などを基に適宜決定されるものである。また、処理後の値Ｃ_{ＮＯ３-Ｎ１}と設定値Ｃ_{ＮＯ３-ＳＶｍａｘ}及びＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}とを比較することで、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１において処理が必要となる脱窒処理量を決定することができる。そして、制御部６により、撹拌時間等を調整し、この脱窒処理量の制御を行うものとする。ここで、脱窒処理量の制御とは、１サイクルの処理時間内における脱窒処理量の増減に係るものであり、主に脱窒処理量を間欠曝気運転により減少させることを指す。脱窒処理量の制御としては、例えば、処理後の値Ｃ_{ＮＯ３-Ｎ１}が設定値Ｃ_{ＮＯ３-ＳＶ}を上回る分が、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１において処理が必要となる脱窒処理量に対する上乗せ分に相当し、この上乗せ分を考慮した処理が可能となるように撹拌時間等を調整することが挙げられる。

硝酸性窒素濃度の処理後の値Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}と、あらかじめ設定した設定値Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}及びＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}との比較による値区分に基づき、脱窒処理量を処理するためにかかる時間、すなわち撹拌時間Ｔ_Ｄ１の調整を行う。

図４に示すように、Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}がＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}より小（Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}＜Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}）となる場合、脱窒工程による処理が過度に進行していると判断し、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における撹拌時間Ｔ_Ｄ１は、撹拌時間Ｔ_Ｄ０から減少させるように調整する。また、水素供与体の添加量については添加自体を停止するように調整する。また、Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}がＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}とＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}の間（Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}≦Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}≦Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}）となる場合、脱窒工程による処理が適切に進行していると判断し、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における撹拌時間Ｔ_Ｄ１は、撹拌時間Ｔ_Ｄ０と同じ、つまり撹拌時間Ｔ_Ｄ０から変更せずに維持するように調整する。また、水素供与体の添加量についても変更せずに維持するように調整する。さらに、Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}がＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}より大（Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}＜Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}）となる場合、脱窒工程による処理が十分ではないと判断し、次の１サイクルの処理時間Ｔ_１における撹拌時間Ｔ_Ｄ１を増加させるように調整する。

Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}がＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}より大（Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}＜Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}）となる場合、撹拌時間Ｔ_Ｄ１の増加による調整は、曝気時間Ｔ_Ｎ１に所定倍数Ｎを乗じた値を基準とすることが挙げられる。例えば、曝気時間Ｔ_Ｎ１の所定倍数Ｎ（例えば、Ｎ＝２）分となるまで撹拌時間Ｔ_Ｄ１を増加させることが挙げられる。撹拌時間Ｔ_Ｄ１の増加により、Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}がＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}以下となる場合、水素供与体の添加量については変更せずに維持する。一方、撹拌時間Ｔ_Ｄ１が曝気時間Ｔ_Ｎ１の所定倍数Ｎ分より大きくなってもＣ_{ＮＯ３−Ｎ１}がＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍａｘ}以下とならない場合、撹拌時間Ｔ_Ｄ１ではなく、水素供与体の添加量を増加させ、脱窒処理量の処理に必要な反応を進行させる。

水素供与体の添加量調整については、図４に示したフローチャートに基づき、運転制御部６３が、水素供与体添加部４における調整機構４３の駆動に係る制御信号を発信する。これにより、配管４２を介し貯留部４１から添加する水素供与体の量を調整することができる。このとき、水素供与体の添加量調整については、式２に基づき行うことが挙げられる。なお、式２は、水素供与体としてメタノールを添加する調整機構４３（ポンプ）の駆動時間を示している。

ここで、式２中のそれぞれのパラメータの単位については、駆動時間が分（ｍｉｎ）、Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}がｍｇ／Ｌ、処理槽容量がｍ^３、ポンプ能力がＬ／ｍｉｎ、水素供与体比重がｍｇ／Ｌ、水素供与体濃度がパーセント（％）である。また、式２中の係数「２」は硝酸性窒素１ｇの除去に必要なメタノールの単位量を示すものである。さらに、式２中の定数「１０００」は式２中の単位の次元を合わせるための値である。

また、Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}がＣ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}より小（Ｃ_{ＮＯ３−Ｎ１}＜Ｃ_{ＮＯ３−ＳＶｍｉｎ}）となる場合においては、曝気時間Ｔ_Ｎ１の所定倍数Ｎを乗じた値を基準に撹拌時間Ｔ_Ｄ１の調整を行うものとしてもよい。例えば、曝気時間Ｔ_Ｎ１の所定倍数Ｎ（例えば、Ｎ＝１）分となるまで撹拌時間Ｔ_Ｄ１を減少させることが挙げられる。これにより、必要な処理効率を維持した状態で処理時間Ｔ_１を短縮することができ、処理に係るコスト低減を行うことが可能となる。

このように、硝酸性窒素濃度の処理後の値を用い、脱窒処理量を把握した演算を行うことで、被処理水Ｗ中の窒素挙動をより的確に把握して被処理水Ｗの処理状態を評価することができる。また、この評価を基に、撹拌時間を調整することで、被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。また、撹拌時間の調整において曝気時間の所定倍数を基準にすることで、間欠曝気運転の処理時間を徒に延長することを回避できる。さらに、撹拌時間調整だけではなく、水素供与体の添加量調整を併せて行うことで、脱窒工程における処理能力を低下させることなく、間欠曝気運転を行うことが可能となる。

なお、図３及び図４に基づく制御において用いられるデータは、アンモニア性窒素濃度あるいは硝酸性窒素濃度に係るものであればよく、上述したものに限定されない。それぞれの制御において用いられるデータは、１サイクル内における撹拌及び曝気の順番や、アンモニア性窒素濃度と硝酸性窒素濃度の関係性（処理による変換）等に応じて選択することができる。
例えば、硝酸性窒素濃度の処理時における最大値又は最小値に基づき、硝化工程に係る制御を行うものとしてもよい。また、アンモニア性窒素濃度の処理後の値を用いて、脱窒工程に係る制御を行うものとしてもよい。さらに、アンモニア性窒素濃度及び硝酸性窒素濃度の両方に係るデータを考慮した演算を行い、硝化工程及び脱窒工程に係る制御を行うものとしてもよい。

以上のように、本実施態様の水処理装置１０は、制御部を設け、１サイクルごとの硝化速度を算出することで、被処理水中の窒素挙動を直接把握して被処理水の処理状態を的確に評価することができる。また、この算出結果を基に、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量とを調整することで、被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。

また、本実施態様の水処理装置１０は、制御部において、次の１サイクルの処理時間及び次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量に加え、被処理水の投入量や水素供与体の添加量についても調整を行うことで、被処理水中の窒素制御を細かく行うことができ、間欠曝気運転を最適化することが可能となる。

なお、上述した実施態様は水処理装置及び水処理方法の一例を示すものである。本発明に係る水処理装置及び水処理方法は、上述した実施態様に限られるものではなく、要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る水処理装置及び水処理方法を変形してもよい。

本実施態様の水処理装置は、撹拌及び曝気を繰り返す間欠曝気運転を行うものであればよく、１槽（単槽）で処理を行うものに限定されるものではない。例えば、複数の槽に対して本実施態様における制御に基づく間欠曝気運転を行うものとしてもよい。これにより、所定時間内で処理可能な被処理水の量を増加させることができ、処理効率を高めることが可能となる。

本発明の水処理装置及び水処理方法は、窒素成分を含む被処理水の水処理に好適に用いられる。特に、被処理水中の窒素成分を間欠曝気運転により除去する硝化脱窒処理において好適に用いられる。

１０水処理装置、１処理槽、２曝気装置、２１散気体、３撹拌装置、３１撹拌羽根、３２撹拌軸、３３駆動機構、４水素供与体添加部、４１貯留部、４２配管、４３調整機構、５測定部、６制御部、６１情報取得部、６２演算部、６３運転制御部、７被処理水量調整部、Ｂブロワ、Ｌ１〜Ｌ３ライン、Ｗ被処理水、Ｗ１処理水

Claims

被処理水中の窒素成分を間欠曝気運転により除去する水処理装置であって、
曝気及び撹拌に係る運転を１サイクルとし、あらかじめ決められた１サイクルの処理時間において、硝化速度を算出し、得られた硝化速度に基づき、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量と、を調整する制御部を備えることを特徴とする、水処理装置。
前記制御部は、１サイクルの処理時間終了時点におけるアンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度の値から、脱窒処理量を決定することを特徴とする、請求項１に記載の水処理装置。
前記制御部は、アンモニア性窒素濃度及び／又は硝酸性窒素濃度の処理時の値の最大値あるいは最小値に基づき、被処理水の投入量を調整することを特徴とする、請求項１又は２に記載の水処理装置。
前記制御部は、脱窒処理量を制御するために、水素供与体の添加量を調整することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理装置。
被処理水中の窒素成分を間欠曝気運転により除去する水処理方法であって、
撹拌及び曝気に係る運転を１サイクルとし、あらかじめ決められた１サイクルの処理時間において、硝化速度を算出し、得られた硝化速度に基づき、次の１サイクルの処理時間と、次の１サイクルの処理時間における曝気により供給される空気量と、を調整する制御工程を備えることを特徴とする、水処理方法。