JP3120532B2

JP3120532B2 - 嫌気性消化槽モニター用制御装置

Info

Publication number: JP3120532B2
Application number: JP2026092A
Authority: JP
Inventors: 浩之後藤; 徳正吉野; 茂雄佐藤
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1992-02-05
Filing date: 1992-02-05
Publication date: 2000-12-25
Anticipated expiration: 2015-12-25
Also published as: JPH05212400A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は汚泥を処理する嫌気性消
化槽内の状態変化を連続的にモニタリングするようにし
たモニタ用制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に生物学的な嫌気性汚泥消化は、２
種類の細菌群によって段階的に進行する。第一段階は
「酸生成段階」と呼称され、消化槽に投入された汚泥が
加水分解菌とか酸生成菌の働きによって有機酸等の中間
生成物に分解される。第二段階は「メタン生成段階」と
呼称され、上記酸生成段階で生成された有機酸等の中間
生成物が、メタン生成菌の働きによってメタンガス，二
酸化炭素，アンモニア等の最終生成物に分解される。

【０００３】上記第二段階で生成されるアンモニアは、
第一段階で生成される有機酸を中和する機能と、二酸化
炭素が溶解して生じる重炭酸塩とともにｐＨ緩衝能力
（ｐＨ変化に抵抗する能力）を有しており、メタン生成
菌にとって良好な弱アルカリの槽内環境を創り出すこと
に役立っている。

【０００４】メタン生成菌は酸生成菌に比較して増殖速
度が遅く、且つ環境変化に敏感であることから、一般に
消化速度を律速するのはメタン生成段階であるとされて
いる。従って消化槽の良好な運転のためには、メタン生
成菌の生存に適した槽内環境を維持することが重要であ
る。

【０００５】このような観点から、良好な嫌気性汚泥消
化を達成維持するためには、消化槽内の状態変化を連続
的にモニタリングすることが極めて重要であり、特に嫌
気性汚泥消化では一旦処理が不良となった場合には、そ
の回復に長時間を要するため、槽内の状態が異常である
ことをいち早く察知することが運転管理上の最重要課題
である。更に経済性をも考慮に入れた最適運転制御を目
指す場合には、連続モニター監視によって対象となる消
化槽の良好な運転範囲を常時把握しておき、槽内の状態
がその良好な運転範囲を逸脱しないように監視しながら
制御を行う必要がある。

【０００６】従来から知られている消化槽の運転管理指
標としては、以下の４項目が挙げられる。（１）ｐＨの管理（２）有機酸濃度の管理（３）アルカリ度の管理（４）メタンガス生成速度(ガス生成速度＋ガス組成)の
管理上記（１）のｐＨの管理に関して述べると、一般に良好
に稼働している消化槽の場合には槽内のｐＨは中性付近
に維持されている。しかし消化槽内に異常が発生した場
合には、先ずｐＨ異常，即ちｐＨが中性付近からの逸脱
するという現象となって現れる。例えば前記第二段階の
メタン生成菌の活動が弱まると、嫌気性消化の第一段階
で生成される有機酸が分解されずに蓄積され、ｐＨ低下
（酸敗）現象が起こる。又、第二段階でのアンモニア生
成が第一段階での酸生成に比べて過剰な場合には、ｐＨ
上昇現象が発生する。

【０００７】前記（２）の有機酸濃度の管理に関して述
べると、この有機酸はメタン生成菌にとって基質である
が、有機酸濃度が高くなるか或はｐＨが低下すると、有
機酸が弱酸であることからイオン化していない非電離の
有機酸が増加する。この非電離の有機酸は、ある濃度以
上となるとメタン生成菌にとっての抑制毒性物質となる
ことが知られており、消化槽への有機物過負荷が原因と
しておこる酸敗現象は、非電離有機酸の抑制毒性効果の
結果とされている。非電離有機酸濃度は、有機酸濃度か
らｐＨの関数として求めることができる。

【０００８】次に前記（３）のアルカリ度の管理に関し
て述べると、消化槽内の汚泥はｐＨの緩衝能力が高いた
め、消化槽の異常がｐＨ異常として顕著に現れるのは、
トラブルの進行がかなり進んだ末期状態である場合が多
い。しかし消化槽のｐＨ異常の前兆は、ｐＨの緩衝能力
の変化として捕らえることができる。上記アルカリ度と
は、このｐＨの緩衝能力を表わす指標である。嫌気汚泥
のアルカリ度は主に溶解性無機炭素によるものである。
溶解性無機炭素は、溶液中のイオン電荷の変化に伴い、
二酸化炭素・重炭酸・炭酸と形態変化することによっ
て、溶液ｐＨの変化を緩衝する。これら三形態無機炭素
のモル比は、三形態の総和としての溶解性無機炭素濃度
からｐＨの関数として理論計算によって求めることがで
きる。

【０００９】更に前記（４）のメタンガス生成速度の管
理に関して述べると、メタン生成菌の環境変化とか抑制
毒性物質（硫化物や重金属類）流入による活性度異常
は、メタンガス生成速度の低下として現れる。メタンガ
スの発生速度は、ガス生成速度にガス中のメタンガス分
圧（濃度）を乗じることで求められる。但しメタンガス
分圧に関しては、直接メタンガス濃度を測定しなくても
前記（３）の溶解性無機炭酸濃度から計算することも可
能である。即ち、メタンガス分圧は、消化ガスのほとん
どがメタンガスと二酸化炭素ガスより構成されているこ
とから、１分圧より二酸化炭素ガス分圧を差し引くこと
で求めることができる。

【００１０】更に消化ガス中の二酸化炭素ガス分圧は、
ヘンリーの法則（気液平衡）から、溶解性の二酸化炭素
濃度より理論計算で求めることが可能である。溶解性の
二酸化炭素濃度は、前記（３）の溶解性無機炭素濃度と
ｐＨより理論計算で求められるものである。従って発生
ガス速度、溶解性無機炭素濃度とｐＨとが分かっていれ
ば、メタンガス発生速度は計算で推定することができ
る。

【００１１】上記の各項目以外にも、連続モニターすべ
き指標としてイオン化していないアンモニア濃度があ
る。即ち、嫌気性消化の第二段階でのアンモニア生成
は、これが適度な場合には槽内ｐＨの中性付近を維持す
る上で不可欠であるが、アンモニア生成が過度である場
合には、槽内ｐＨの上昇を引き起こして、メタン生成に
とって好ましくない環境を作ってしまうことになる。更
に高いｐＨと過度のアンモニア蓄積は、結果としてイオ
ン化していない遊離アンモニア濃度を上昇させ、この遊
離アンモニアが高濃度の場合には、メタン生成菌への抑
制毒性効果があることが報告されている。遊離アンモニ
ア濃度は、アンモニア濃度とｐＨより求めることができ
る。

【００１２】更に上記以外のモニター項目として、栄養
塩バランス（Ｃ／Ｎ比、微量必須重金属）や槽内温度の
管理が挙げられる。しかし栄養塩バランスは、投入汚泥
組成が急変しない限り頻度高く連続的にモニターする必
要はなく、槽内温度は従来から十分監視制御されている
項目である。

【００１３】上記（１）のｐＨと（４）のメタンガス生
成速度は連続的に測定することが可能であるが、消化状
態を決定する最も重要な因子である（２）の有機酸濃度
は連続的に測定することができないため、この有機酸濃
度の管理は、操作員が現場に赴いて試料のサンプリング
を行い、高価な分析機器を用いて測定を実施しているの
が実情である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上嫌気性消化槽にお
いて連続的にモニタリングすることが好ましい項目を挙
げて説明したが、操作員が試料のサンプリングを行って
総有機酸濃度，アンモニア濃度及び全無機炭素濃度を測
定する方法は、測定者の手操作に依存する不可避的な測
定誤差とか、汚泥状態での測定に起因するｐＨ値の誤差
があり、しかも測定に多くの機器を使用しなければなら
ないため、全工程を自動的に実施することが困難である
という課題があった。

【００１５】例えば上記連続モニター項目を測定するた
めの既存の機器として以下のものが使用される。ｐＨ・・・・・・・・・・・・・ｐＨ電極有機酸・・・・・・・・・・・液体クロマトグラフ無機炭酸・・・・・・・・・ＩＣ計或は滴定によるアルカリ度測
定メタンガス・・・・・・・ガスクロマトグラフガス生成速度・・・・・ガス流量計アンモニア・・・・・・・アンモニア電極従来はこのような分析に必要な各種分析機器を全て確保
しなければならない上、多くの機器は前処理が必要であ
ったり、サンプル用の特殊機器が必要であったりして、
連続的に測定することができる機器は少ない。更に測定
に際しても各々の機器で検量線を作成しなければならな
いという繁雑さがあり、測定機器が多いほど保守点検を
行う作業員の数を増大させなければならない。

【００１６】又、汚泥を固形物と抽出液とに分離する作
業とか、滴定用試料の計量及び滴定用試薬の注入作業は
厳密な正確性が要求され、これらの要求が満足されない
場合には測定の再現性が充分に得られない場合もある。

【００１７】そこで本発明はこのような従来の消化槽の
モニタリングを実施する際に生じる各種の課題を解消し
て、測定者の手操作により不可避的に生じる測定誤差を
なくし、しかも多くの測定機器を使用することなく、管
理指標となる項目を高精度に且つ自動的に測定すること
ができる嫌気性消化槽モニター用制御装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、試料としての消化汚泥を受け入れる受泥
槽と、凝集剤の注入によって上記消化汚泥を凝集させる
凝集槽と、この凝集槽の上澄液が貯留される沈澄槽と、
該沈澄槽からフィルタを介して流入する液が貯留される
濾液槽と、この濾液槽内の消化汚泥がサンプリングされ
るとともにｐＨ計が夫々配備された酸滴定槽及びアルカ
リ滴定槽と、このサンプリング液に予め制御部にて求め
られた値に対応した量の試薬を分注しながら液ｐＨ値を
測定し、この液ｐＨ値と試薬分注量によって消化状態を
連続的にモニタリングするものにおいて、前記受泥槽へ
の試料注入のために設けられ、受泥槽に配備されたレベ
ルセンサの水位検出信号出力時に閉路される受泥バルブ
と、前記レベルセンサの信号出力に伴って起動され、受
泥槽内の試料を凝集槽内に所定水位レベルにまで汲み上
げる凝集採泥ポンプと、該凝集採泥ポンプの停止後に起
動されて凝集槽内に所定の凝集剤を投入する凝集剤注入
ポンプと、投入された凝集剤を撹拌するために配設され
た撹拌羽根を駆動するモータと、このモータの停止後に
起動されて凝集槽内の試料を沈澄槽内に導入し、この沈
澄槽に配備されたレベルセンサの水位検出信号出力後に
停止される固液分離ポンプと、該沈澄槽に配備されたレ
ベルセンサの検出信号出力後に起動され、該沈澄槽から
フィルタを介して濾液槽に試料を注入する濾過ポンプ
と、濾液槽に配備されたレベルセンサの所定水位検出信
号出力後に濾液槽内の試料を汲み上げる注入ポンプと、
この注入ポンプにより汲み上げられた試料を酸滴定槽と
アルカリ滴定槽に切換注入するための注入切換バルブ
と、前記各ポンプと各バルブ及びモータを順次制御する
制御部とを備えた嫌気性消化槽モニター用制御装置の構
成にしてある。

【００１９】

【作用】かかる消化槽モニター用制御装置によれば、制
御部のスタート命令によって先ず受泥バルブが開いて消
化槽から受泥槽に消化汚泥が注入され、この受泥槽に配
備されているレベルセンサの水位検出信号によって受泥
バルブが閉じられ、同時に凝集採泥ポンプが起動して、
受泥槽から凝集槽への試料の汲み上げが開始される。こ
の凝集槽に配備されているレベルセンサの水位検出信号
によって凝集採泥ポンプが停止し、次に凝集剤注入ポン
プが起動して、凝集剤貯留タンクから凝集槽に所定の凝
集剤が注入され、撹拌モータが一定時間作動されて撹拌
羽根によって凝集槽内の試料が撹拌される。

【００２０】次に撹拌モータが停止して凝集槽内での微
粒子成分の静止沈降後、固液分離ポンプが起動して凝集
槽から沈澄槽への試料の注入が開始され、この沈澄槽に
配備されているレベルセンサの水位検出信号によって固
液分離ポンプの駆動が停止するとともに濾過ポンプが起
動し、沈澄槽内の試料が濾液槽に流入する。

【００２１】この濾液槽に配備されているレベルセンサ
の水位検出信号によって濾過ポンプが停止し、次に注入
ポンプが起動して濾液槽内の試料が汲み上げられ、注入
切換バルブによって酸滴定槽もしくはアルカリ滴定槽の
何れかに切換注入される。

【００２２】このようにして酸滴定槽とアルカリ滴定槽
に試料が規定量だけサンプリングされると、注入ポンプ
が停止してサンプリング動作が終了し、酸滴定槽とアル
カリ滴定槽に滴定試薬が自動分注器等を用いた滴定機構
の作用に基づいて順次添加され、所定のｐＨ値になるま
で滴定が行われる。この滴定量とｐＨ計で測定されたｐ
Ｈ値とが制御部に送り込まれて酸−アルカリ平衡理論に
基づく処理が実施され、総有機酸濃度，アンモニア濃
度，全無機炭素濃度等が連続的にモニタリングされる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の基本的な実施例
を説明する。図２は本実施例が適用した嫌気性消化槽モ
ニター装置の基本的構成を説明する概要図であり、図中
の１は消化汚泥を受け入れる受泥槽、２は凝集槽、３は
沈澄槽、４はフィルタであり、このフィルタ４を通過し
たサンプルが濾液槽５に貯留される。

【００２４】６は酸滴定槽、７はアルカリ滴定槽であ
り、該酸滴定槽６とアルカリ滴定槽７にはｐＨ計８と温
度計９，９が配備されている。

【００２５】１０ａ，１０ｂは滴定試薬を各酸滴定槽６
とアルカリ滴定槽７に添加する分注器、１１はシーケン
スコントローラ、１２はパーソナルコンピュータであ
り、このシーケンスコントローラ１１とパーソナルコン
ピュータ１２とによって制御部１３が構成される。尚、
上記の各槽には後述する測定フロー図（図１）で説明す
るように、槽内の水位検出手段であるレベルセンサが配
備され、又、凝集槽２と酸滴定槽６及びアルカリ滴定槽
７には、モータと撹拌羽根を備えた回転式の撹拌機構が
配備されている。

【００２６】かかる消化槽モニター装置の基本的動作は
以下の通りである。先ず受泥槽１に消化汚泥が受け入れ
られ、次段の凝集槽２で高分子凝集剤２ａが添加されて
微粒子成分が凝集化される。次に沈澄槽３で固液分離さ
れた後、この沈澄槽３の上澄液がフィルター４を用いて
濾過され、目標とするｓｓ濃度以下の濾液を得て、この
濾液が濾液槽５に貯留される。

【００２７】次に濾液槽５内に送り込まれた消化汚泥の
一定量がサンプリング用ポンプ（図示せず）の作用に基
づいてサンプリングされて、酸滴定槽６及びアルカリ滴
定槽７に送り込まれる。

【００２８】酸滴定槽６とアルカリ滴定槽７には、滴定
試薬であるＨＣｌとＮａＯＨが分注器１０ａ，１０ｂ及
び電動ビューレットを用いて順次添加され、試料溶液の
ｐＨが所定の値になるまで滴定が行われて、この滴定量
とｐＨ計８で測定されたｐＨ値とが制御部１３に送り込
まれ、後述する酸−アルカリ平衡理論に基づく処理が実
施され、総有機酸濃度（Ａ）の外に、アンモニア濃度
（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ）等がモニタリングされ
る。尚、シーケンスコントローラ１１を介さずにパーソ
ナルコンピュータ１２のみで処理を行うことも出来る。
更に測定されたデータは、温度計９，９によって測定さ
れた液温度値により補正される。

【００２９】上記の基本的実施例における酸−アルカリ
平衡理論に基づく嫌気性消化槽用の連続モニタリングを
実施するに際して、全工程が制御部１３を構成するシー
ケンスコントローラ１１に予め組み込まれたプログラム
に基づいて全自動的に実施されることが本制御方法の特
徴となっている。

【００３０】以下図１の測定フロー図に基づいて具体的
な作用を説明する。図１中に記入されたＶ₁は受泥バル
ブ、Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ₄，Ｖ₆，Ｖ₉，Ｖ₁₀はドレンバルブ、
Ｖ₅は濾過バルブ、Ｖ₇は注入バルブ、Ｖ₈は注入切換バ
ルブであり、これらＶ₁〜Ｖ₁₀の各バルブは、制御部１
３を構成するシーケンスコントローラ１１から出力され
る制御信号によって流通及び遮断状態が制御される開閉
制御バルブである。

【００３１】Ｐ₁は凝集採泥ポンプ、Ｐ₂は凝集剤注入ポ
ンプ、Ｐ₃は固液分離ポンプ、Ｐ₄は濾過ポンプ、Ｐ₅は
注入ポンプであり、これらＰ₁〜Ｐ₅の各ポンプは上記シ
ーケンスコントローラ１１から出力される制御信号によ
って稼働状態が駆動制御される流体ポンプである。

【００３２】Ｌ₁〜Ｌ₆は各槽に配備されたレベルセンサ
であり、このレベルセンサＬ₁〜Ｌ₅によって、各槽にお
ける試料液の水位が検出され、制御部１３に伝えられ
る。

【００３３】尚、通常上記装置には、測定後の槽内を洗
浄する純水が貯留された洗浄水槽と洗浄配管とが備えら
れているが、本実施例では説明の便宜上から上記の洗浄
系統を省略して図示してある。

【００３４】先ずＣＰＵ１２からの指令に基づくシーケ
ンスコントローラ１１のシーケンススタート命令によっ
て受泥バルブＶ₁が開き、図外の消化槽から受泥槽１に
試料である消化汚泥が注入される。この受泥槽１にはレ
ベルセンサＬ₁が配備されていて、試料の水位が所定の
レベルに達すると該レベルセンサＬ₁から水位検出信号
が出力され、この信号によって受泥バルブＶ₁が閉じら
れる。尚、試料の注入時には受泥槽１のドレンバルブＶ
₂を数秒間開いて、受泥槽１内に残存する液を試料とと
もにドレンバルブＶ₂から流下させる作業が必要であ
る。

【００３５】次に上記レベルセンサＬ₁の信号出力によ
って凝集採泥ポンプＰ₁が起動して、受泥槽１から凝集
槽２への試料の汲み上げが開始される。同時に凝集槽２
のドレンバルブＶ₃が１０秒間開いて、凝集採泥ポンプ
Ｐ₁中に残存している水分がドレンバルブＶ₃から外方に
流下される。この凝集槽２にはレベルセンサＬ₂が配備
されており、凝集槽２の水位が所定のレベルに達すると
該レベルセンサＬ₂から水位検出信号が出力され、この
信号によって凝集採泥ポンプＰ₁が５秒間停止し、その
後に該凝集採泥ポンプＰ₁が２０秒間逆回転動作を行っ
て、過剰に注入された試料が受泥槽１に戻される。

【００３６】上記の凝集採泥ポンプＰ₁の試料流出口
は、凝集槽２に規定された水位に達する位置まで延長し
てあるので、凝集採泥ポンプＰ₁の一時停止と逆回転動
作を行うことにより、凝集槽２内に注入された試料の水
位レベルを規定された水位に一致させることができる。

【００３７】この凝集採泥ポンプＰ₁の逆回転動作が終
了すると、凝集剤注入ポンプＰ₂が起動して、凝集剤貯
留タンク１５から凝集槽２に高分子凝集剤が４０秒間注
入され、次に撹拌モータＭ₁が約４０秒間作動されるこ
とによって撹拌羽根１６によって凝集槽２内の試料が撹
拌される。そして撹拌モータＭ₁を１０秒間静止するこ
とによって凝集された微粒子成分が静止沈降される。

【００３８】次に凝集槽２内での微粒子成分の静止沈降
後、固液分離ポンプＰ₃が起動して、凝集槽２から沈澄
槽３への試料の注入が開始される。同時に沈澄槽３のド
レンバルブＶ₄が５０秒間開いて、固液分離ポンプＰ₃中
に残存している水分が該ドレンバルブＶ₄から外方に流
下される。この沈澄槽３にはレベルセンサＬ₃が配備さ
れていて、沈澄槽３の水位が所定のレベルに達すると、
該レベルセンサＬ₃から水位検出信号が出力され、この
信号によって上記固液分離ポンプＰ₃の駆動が停止する
とともに濾過ポンプＰ₄が起動し、同時に濾過バルブＶ₅
が開く。すると沈澄槽３内の試料がフィルタ４，濾過ポ
ンプＰ₄及び濾過バルブＶ₅を介して濾液槽５に流入され
る。同時に濾液槽５のドレンバルブＶ₆が２５秒間開い
て、濾過ポンプＰ₄中に残存している水分がドレンバル
ブＶ₆から外方に流下される。

【００３９】この濾液槽５にはレベルセンサＬ₄が配備
されており、濾液槽５の水位が所定のレベルに達する
と、該レベルセンサＬ₄から水位検出信号が出力され、
この信号によって濾過ポンプＰ₄が停止し、且つ濾過バ
ルブＶ₅が閉止される。そして酸滴定槽６のドレンバル
ブＶ₉が先ず２５秒間開き、その１５秒後に注入バルブ
Ｖ₇と注入切換バルブＶ₈が開くと同時に注入ポンプＰ₅
が起動して、濾液槽５内の試料が注入バルブＶ₇を介し
て汲み上げられ、注入切換バルブＶ₈によって酸滴定槽
６もしくはアルカリ滴定槽７の何れかに注入される。こ
の注入ポンプＰ₅は４０秒間正転してから５秒間停止
し、更に１５秒間逆転する。

【００４０】酸滴定槽６にはレベルセンサＬ₅が配備さ
れており、このレベルセンサＬ₅によって酸滴定槽６内
に試料が規定量だけサンプリングされたことが確認され
ると、次にアルカリ滴定槽７のドレンバルブＶ₁₀が２５
秒間開き、その１５秒後に注入切換バルブＶ₈がアルカ
リ滴定槽側に切り換えられ、この状態で注入ポンプＰ₅
が４０秒間正転してから５秒間停止し、更に１５秒間逆
転する。そしてアルカリ滴定槽７に配備されたレベルセ
ンサＬ₆によって該アルカリ滴定槽７に試料が規定量だ
けサンプリングされたことが確認されると、注入ポンプ
Ｐ₅が停止してサンプリング動作が終了する。

【００４１】尚、上記受泥槽１、凝集槽２及び沈澄槽３
にはそれぞれオーバーフロー用の配管２１ａ，２１ｂ，
２１ｃが付設されている。

【００４２】図示したように、酸滴定槽６とアルカリ滴
定槽７への試料流出口は、両槽６，７に規定された水位
に達する位置まで延長してあり、試料のサンプリング時
に注入ポンプＰ₅の正転，一時停止及び逆回転動作を行
うことによって過剰に注入された試料が濾液槽５に戻さ
れるので、前記の凝集槽２への試料注入時に説明した動
作態様と同様に、注入された試料の水位レベルを規定さ
れた水位に一致させることができる。

【００４３】酸滴定槽６とアルカリ滴定槽７には、ｐＨ
計８，８、温度計９，９及びモータＭ₂，Ｍ₃と撹拌羽根
１７，１８を持つ回転式の撹拌機構が配備されており、
それぞれＨＣｌの分注器１０ａ及びＮａＯＨの分注器１
０ｂと、電動ビューレット１９ａ，１９ｂが配備されて
いる。そしてサンプリングされた試料に対して酸とアル
カリの滴定が行われ、この滴定量とｐＨ計８，８で測定
されたｐＨ値とがＣＰＵ１２に送り込まれて酸−アルカ
リ平衡理論に基づく処理が実施され、総有機酸濃度
（Ａ）の外に、アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭素濃度
（Ｔ）等がモニタリングされる。

【００４４】次に本発明の基本的な測定原理である酸−
アルカリ平衡理論を説明する。即ち、本実施例は消化槽
内汚泥に対する酸−アルカリ滴定カーブから以下の１０
個の物質濃度を求めることを特徴としている。［H⁺］,［OH^-］,［CH₃COO^-］,［CH₃COOH］,［H₂CO₃］,
［HCO₃ ^-］,［CO₃ ^2-］,pCO₂,［NH₄ ⁺］,［NH₄OH］消化槽内の有機酸は、酢酸，プロピオン酸、酪酸等であ
るが、これらの有機酸はそれぞれ1.76×10^-5，1.34×10
^-5，1.54×10^-5の比較的似通った電離定数を持ってい
る。従ってこれらの有機酸は、一括した形で酢酸として
まとめて考えて、電離定数は1.5×10^-5であると仮定で
きる。

【００４５】すると前記の物質濃度間には、以下に記す
化学平衡関係式が成立する。

【００４６】

【数１】

【００４７】

【数２】

【００４８】

【数３】

【００４９】

【数４】

【００５０】

【数５】

【００５１】

【数６】

【００５２】上記（３）式を除く（１）〜（６）式は、
総有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機
炭素濃度（Ｔ）と水素イオン濃度によって以下のように
式の変形が可能である。

【００５３】

【数７】

【００５４】

【数８】

【００５５】

【数９】

【００５６】

【数１０】

【００５７】

【数１１】

【００５８】更に酸−アルカリ平衡では、電荷バランス
式が成立する。これはプラスイオンの電荷の総和がマイ
ナスイオンの電荷の総和と等しいとの法則である。これ
を式で表わすと（１２）式となる。

【００５９】

【数１２】

【００６０】ここで［Z］は正味の陽イオン濃度の総和
である。実際の試料中には上記の有機酸，アンモニア，
無機炭素等のイオンの他にも様々な物質がイオンとして
存在する。しかしそれらのイオン濃度は、消化槽内の微
生物反応で変化せず、一定であると考える。

【００６１】従って［H⁺］、［NH₄ ⁺］、［HCO₃ ^-］、［CO₃
^2-］、［CH₃COO^-］、［OH^-］イオン以外の全てのイオンの
電荷のプラス総和（陽イオン電荷の総和−陰イオン電荷
の総和）を正味の陽イオン濃度［Z］として定数扱いす
ることができる。

【００６２】前記電荷バランス式の［NH₄ ⁺］、［HC
O₃ ^-］、［CO₃ ^2-］、［CH₃COO^-］、［OH^-］濃度は、先にも
示したように総有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度
（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ）と水素イオン濃度によっ
て（１３）式のように表わすことができる。

【００６３】

【数１３】

【００６４】上記水素イオン濃度はｐＨ計で容易に測定
することができるので、電荷バランス式中の未知数は総
有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭
素濃度（Ｔ）と正味の陽イオン濃度（Z）の４項目であ
る。ここで連立方程式の未知数と式数の関係から、４つ
の未知数を求めるためには４つの式が必要である。１つ
は滴定をしていない試料のｐＨを測定することによって
得られる。他の３つは酸或はアルカリの滴定によって３
つの異なるｐＨ値を達成すれば得ることが可能である。
但しこの場合、正味の陽イオン濃度（Z）は酸或はアル
カリの滴定量で修正を受ける。

【００６５】例えば酸（ＨＣｌ）を X1 mol/L 注入して
ｐＨがｐＨ１となった場合、

【００６６】

【数１４】

【００６７】となる。従って、滴定をしていない試料の
ｐＨと、滴定によって３つの異なるｐＨ値を達成した際
の滴定量さえ分かれば４つの連立方程式が成立し、この
連立方程式を解くことによって４つの未知数である総有
機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭素
濃度（Ｔ）及び正味の陽イオン濃度（Z）を求めること
ができる。しかし実際にはｐＨ値や滴定量に機器の測定
誤差が当然含まれるため、４つ以上のデータ（全ての滴
定点データ）から重回帰分析によって統計的に４つの未
知数を求めることが必要となる。

【００６８】そして上記４つの未知数を求めることによ
り、前記（７）〜（１１）式を用いて他のイオン濃度を
計算することができる。特に酸−アルカリ平衡理論（化
学平衡式、電荷バランス式）に基づいて導かれる（式１
４）から水素イオン濃度（ｐＨ）と全無機炭素濃度
（Ｔ），総アンモニア濃度（Ｎ），総有機酸濃度（Ａ）
の関係を求めることができる。

【００６９】図３は、酸−アルカリ滴定カーブをシミュ
レーションしたものであり、表１は図３中のグラフ１，
２，３，４における各モニター項目の濃度を示してい
る。

【００７０】

【表１】

【００７１】滴定には１．０ＮのＨＣｌとＮａＯＨを用
いる。図３の横軸は滴定量をモル濃度に換算したもので
あり、縦軸は滴定時のｐＨ値である。図示したようにア
ンモニア濃度（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ），総有機酸
濃度（Ａ）及び正味の陽イオン濃度（Ｚ）が変化するこ
とによって異なる滴定カーブが得られる。本実施例の場
合にはこのカーブから逆に上記４つのモニター項目の濃
度を求めたことを特徴としている。

【００７２】図４〜図７は実際の消化槽汚泥を用いた滴
定カーブであり、図中の○点は実際の測定点、実線は本
実施例で説明した測定原理に基づいて計算した値から逆
に滴定カーブをシミュレーションしたものである。各図
に見られるように実際の測定点とシミュレーションした
曲線とが良く一致しており、本消化槽モニターの測定原
理に基づく計算手法が信頼できるものであることがわか
る。

【００７３】上記図４〜図７は同じ消化汚泥を用いてお
り、測定条件の違いはＳＳ成分の濃度にある。図４は消
化槽汚泥の濾液（ＳＳ濃度ゼロ）を滴定試料としてお
り、図５は消化槽汚泥を３０００ｒｐｍで５分間遠心分
離した後の上澄液（ＳＳ濃度＝１０７３ｍｇ／ｌ）を滴
定試料にしている。又、図６の例では消化汚泥そのまま
（ＳＳ濃度＝２７３４５ｍｇ／ｌ）を滴定試料とし、図
７の例ではＳＳ成分を２７３５ｍｇ／ｌまで除去した消
化汚泥を滴定試料としている。各試料の測定結果を表２
にまとめて示す。

【００７４】

【表２】

【００７５】通常、酸−アルカリ滴定分析では試料中の
ＳＳ成分がｐＨの緩衝能力を持つことから遠心分離した
上澄液を滴定試料として用いることが推奨されている。
しかし表２に示された総有機酸濃度（Ａ），アンモニア
濃度（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ）及び正味の陽イオン
濃度（Ｚ）の結果から、消化槽汚泥の濾液と遠心分離し
た上澄液との間には計算上の大きな差がない。しかし消
化汚泥をそのまま滴定試料とした図６の場合には、低ｐ
Ｈ値での滴定カーブが図４，図５の滴定カーブと顕著に
異なっており、その結果、図６の例ではＳＳ成分の緩衝
作用によって有機酸濃度の計算値が非常に高く現れてい
る。図７の例では滴定カーブが図４，図５と一見一致し
ているが、やはり総有機酸濃度は高くなっている。これ
らの結果から酸−アルカリ滴定を行うために、前もって
ＳＳ成分を遠心分離された上澄液程度のＳＳ成分（１０
００ｍｇ／ｌ）にまで下げる固液分離工程が不可欠であ
る。前記図４に示す消化槽汚泥濾液を滴定試料とする
滴定カーブから計算された総有機酸濃度（Ａ）は酢酸換
算で１０４（ｍｇ／ｌ），アンモニア濃度（Ｎ）は１１
１６（ｍｇ／ｌ），全無機炭素濃度（Ｔ）は９６１（ｍ
ｇ／ｌ）であった。同じ試料を用いて液体クロマトグラ
フで測定した総有機酸濃度はプロピオン酸のみ２（ｍｇ
／ｌ），アンモニア電極で測定したアンモニア濃度
（Ｎ）は９３２（ｍｇ／ｌ）であった。全無機炭素濃度
（Ｔ）は、図中の測定点とシミュレーション曲線とがｐ
Ｈ４．８付近でもよく一致しているため、計算値（９６
１ｍｇ／Ｌ）とアンモニア度滴定法による全無機炭素濃
度（Ｔ）とはほとんど等しい値になっている。

【００７６】以上の結果から、アンモニア濃度と全無機
炭素濃度に関しては、本消化槽モニターの測定原理に基
づく計算値は他の分析値とまず一致したが、有機酸濃度
に関しては多少相違点がみられた。これは計算に用いら
れる電離定数の温度補償とか、重回帰分析において特定
ｐＨ付近のデータに重みを加える等の処理を行うことに
よって精度の改善をはかることができる。

【００７７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる嫌気性消化槽モニター用制御装置によれば、制御部
に設定されたプログラムに基づいて作動する凝集採泥ポ
ンプ，凝集剤注入ポンプ，固液分離ポンプ，濾過ポンプ
及び注入ポンプによって消化槽からの試料が受泥槽、凝
集槽、沈澄槽、濾液槽に順次送り込まれ、各槽によって
所定の処理が実施されてから滴定槽に一定量がサンプリ
ングされ、制御部にて求められた値に対応した試薬の酸
−アルカリ滴定アルゴリズムに基づく自動分注器による
滴定と、サンプリングの液ｐＨ値と試薬の滴定量とから
汚泥の消化状態を連続的にモニタリングすることによ
り、消化槽内の水質を連続的にモニタリングするための
管理指標となる項目である全無機炭素濃度，全アンモニ
ア濃度，総有機酸濃度を無人状態で高精度に且つ自動的
に測定することを可能として、工程の全自動化をはかる
ことができる。従って測定者の手操作に起因する不可避
的な測定誤差をなくすことができる。

【００７８】従って本発明によれば、測定に多くの機器
を使用する必要がないので、従来のように各々の分析に
必要な分析機器を確保する必要がなく、且つこれらの機
器を保守点検する作業員を不要とし、各機器の操作上の
繁雑さが解消される上、測定の再現性を向上させること
ができる。更に嫌気性消化槽以外の対象でも、物質濃
度，ｐＨ，薬品注入量に本対象と同様の関係があるもの
については本制御法をそのまま適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる嫌気性消化槽モニター装置の制
御方法を示す測定フロー図。

【図２】本発明が適用した嫌気性消化槽モニター装置の
基本的構成を説明する概要図。

【図３】本発明を適用した酸−アルカリ滴定量とｐＨ値
との関係をシミュレーションしたグラフ。

【図４】実際の消化槽汚泥のＳＳ成分ゼロの濾液を用い
てアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実
測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値
（実線）との比較を示すグラフ。

【図５】実際の消化槽汚泥を遠心分離した上澄液を用い
てアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実
測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値
（実線）との比較を示すグラフ。

【図６】実際の消化槽汚泥をそのまま用いてアルカリ又
は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実測値（○印）
と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値（実線）との比
較を示すグラフ。

【図７】実際の消化槽汚泥のＳＳ成分を一定量除去した
濾液を用いてアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定
量曲線の実測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用い
た計算値（実線）との比較を示すグラフ。

【符号の説明】

１…受泥槽、２…凝集槽、３…沈澄槽、４…フィルタ、
５…濾液槽、６…酸滴定槽、７…アルカリ滴定槽、８…
ｐＨ計、９…温度計、１０ａ，１０ｂ…分注器、１１…
シーケンスコントローラ、１２…パーソナルコンピュー
タ、１３…制御部、１５…凝集剤貯留タンク、１６，１
７，１８…撹拌羽根、１９ａ，１９ｂ…電動ビューレッ
ト。

フロントページの続き (56)参考文献特開平５−185097（ＪＰ，Ａ) 特開平５−212399（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 11/04,3/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料としての消化汚泥を受け入れる受泥
槽と、凝集剤の注入によって上記消化汚泥を凝集させる
凝集槽と、この凝集槽の上澄液が貯留される沈澄槽と、
該沈澄槽からフィルタを介して流入する液が貯留される
濾液槽と、この濾液槽内の消化汚泥がサンプリングされ
るとともにｐＨ計が夫々配備された酸滴定槽及びアルカ
リ滴定槽と、このサンプリング液に予め制御部にて求め
られた値に対応した量の試薬を分注しながら液ｐＨ値を
測定し、この液ｐＨ値と試薬分注量によって消化状態を
連続的にモニタリングするものにおいて、前記受泥槽への試料注入のために設けられ、受泥槽に配
備されたレベルセンサの水位検出信号出力時に閉路され
る受泥バルブと、前記レベルセンサの信号出力に伴って
起動され、受泥槽内の試料を凝集槽内に所定水位レベル
にまで汲み上げる凝集採泥ポンプと、該凝集採泥ポンプ
の停止後に起動されて凝集槽内に所定の凝集剤を投入す
る凝集剤注入ポンプと、投入された凝集剤を撹拌するた
めに配設された撹拌羽根を駆動するモータと、このモー
タの停止後に起動されて凝集槽内の試料を沈澄槽内に導
入し、この沈澄槽に配備されたレベルセンサの水位検出
信号出力後に停止される固液分離ポンプと、該沈澄槽に
配備されたレベルセンサの検出信号出力後に起動され、
該沈澄槽からフィルタを介して濾液槽に試料を注入する
濾過ポンプと、濾液槽に配備されたレベルセンサの所定
水位検出信号出力後に濾液槽内の試料を汲み上げる注入
ポンプと、この注入ポンプにより汲み上げられた試料を
酸滴定槽とアルカリ滴定槽に切換注入するための注入切
換バルブと、前記各ポンプと各バルブ及びモータを順次
制御する制御部とを備えたことを特徴とする嫌気性消化
槽モニター用制御装置。