JP3260554B2 - 下水処理プロセスの制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、下水や生活排水を生物
学的に処理する方法であり、特に排水中の窒素およびリ
ンを除去するプロセスの制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】下水や生活排水の処理は有機物除去が主
体であり、活性汚泥法に代表される生物学的処理法が一
般に用いられてきた。しかし近年になって、湖沼等の閉
鎖性水域では富栄養化が大きな問題となり、この原因と
なる窒素、リンの除去が重要となってきた。そのため、
有機物に加えて窒素、リンを除去できる処理法が活性汚
泥法の改良法として開発されてきており、代表的な方法
としてＡ₂ Ｏ法（嫌気−無酸素−好気法），回分式活性
汚泥法，間欠曝気式活性汚泥法（以下、間欠曝気法と略
称する）等が挙げられる。これらの方法は、微生物が好
気条件、嫌気条件に交互におかれ有機物、窒素、リンの
除去がなされる。

【０００３】ここで、窒素、リンの除去を目的とする下
水処理について、その原理を簡単に述べる。下水中の有
機物は活性汚泥を構成する微生物の食物となり分解除去
される。窒素は好気性の条件下で、硝化菌の働きにより
ＮＨ₄ −Ｎ（アンモニア性窒素）がＮＯ₃ −Ｎ（硝酸性
窒素）に酸化され、次いで嫌気性の条件下で脱窒菌の働
きによりＮＯ₃ −ＮがＮ₂ （窒素ガス）に還元されて除
去される。硝化、脱窒の関係を整理すると次のようにな
る。

【０００４】 反応 窒素の形態変化 反応条件 微生物 硝化反応 アンモニア性窒素→硝酸性窒素 好気性（溶存酸素あり） 硝化菌 脱窒反応 硝酸性窒素 →窒素ガス 嫌気性（溶存酸素なし） 脱窒菌 リンは曝気槽の運転条件を好気性、嫌気性に交互に変え
ることにより、細胞内にリンを多量に蓄積する性質を持
つ活性汚泥をつくりだし、この活性汚泥を利用して除去
する。即ち、この活性汚泥は嫌気性条件でリンを放出
し、好気性条件でリンを吸収する性質があるため、好気
性条件でリンの吸収を行ない、リンを多量に吸収した活
性汚泥を余剰汚泥として処理系から除くことにより脱リ
ンを行なう。この関係は下記のように整理することがで
きる。

【０００５】 反応 槽内のリン濃度 反応条件 リン除去 リンの放出 増加 嫌気性（溶存酸素なし） ─ リンの吸収 減少 好気性（溶存酸素あり） 活性汚泥抜き出し このように窒素、リンの除去においては、好気性、嫌気
性の２条件が不可欠であるが、厳密には脱窒のための嫌
気性条件と脱リンのための嫌気性条件とは異なってお
り、間欠曝気法では脱窒が終了し槽内にＮＯ₃ −Ｎに起
因する酸素分子がなくなった後で活性汚泥からのリンの
放出が起こり、これが次の曝気工程におけるリンの吸収
につながっている。

【０００６】間欠曝気法は好気条件、嫌気条件の比率を
時間的に設定でき、しかも既存の施設にも比較的容易に
適用できることから注目されている方法であり、本発明
者らは従来の間欠曝気法を大幅に改善する方法として、
排水が流入する第１曝気槽と、この第１曝気槽に直列に
連結した第２曝気槽の二つの曝気槽を用い、その後段に
最終沈澱池を設けた装置と、その制御方法（以下、２槽
式間欠曝気法とする）を特願平４─２３３９５３号によ
り出願中である。

【０００７】以下にその概要を図３と図４（ａ），
（ｂ）を参照して説明する。図３は特願平４─２３３９
５３号に記載の間欠曝気法及び制御システムを説明する
ための要部構成を示す模式図であり、図３では、水およ
び空気の経路を実線の矢印、制御信号系統を点線の矢印
で表わしてあり、この装置は主として、下水１が流入し
活性汚泥によって有機物、窒素、リンが除去される第１
曝気槽２ａと第２曝気槽２ｂ、重力沈降によって活性汚
泥が分離され処理水３が得られる最終沈澱池４、沈降し
た活性汚泥を第１曝気槽２ａに返送する返送汚泥ポンプ
５から構成してある。第１曝気槽２ａと第２曝気槽２ｂ
の容積比はおよそ１：１であり、処理水の滞留時間の合
計は最終沈澱池４も含めて１６〜３２時間である。制御
系は第１曝気槽２ａ内の酸化還元電位を測定する第１の
ＯＲＰ計６ａ、第２曝気槽２ｂ内の酸化還元電位を測定
する第２のＯＲＰ計６ｂ、およびこれらＯＲＰ計の値に
基づいて第１曝気ブロワ７ａ、第２曝気ブロワ７ｂ、第
１攪拌ポンプ８ａ、第２攪拌ポンプ８ｂへの制御信号を
出力する制御装置９からなっている。

【０００８】このような装置系における運転制御の基本
的な考えかたは、排水が流入する第１曝気槽２ａと、こ
の第１曝気槽に直列に連結した第２曝気槽２ｂの二つの
曝気槽を用い、第１曝気槽２ａで硝化、脱窒を一定時間
に制御することによりリン放出時間を確保し、第２曝気
槽２ｂでは硝化、脱窒を行うとともに、リン放出を防止
しつつ制御の１周期を所定の時間に維持し、高い窒素、
リン除去率を得ることにある。 その具体的な方法を、
制御に伴うＯＲＰの変化とともに、図４（ａ）、（ｂ）
を併用参照して説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、制御
を実施中に、任意のタイミングで曝気開始時間を零点と
して、時間の経過に伴うＯＲＰの変化を示したものであ
り、図４（ａ）は第１曝気槽のＯＲＰ、（ｂ）は第２曝
気槽のＯＲＰのそれぞれ時間経過に対する関係線図であ
る。

【０００９】はじめに、第１曝気槽２ａの制御方法につ
いて述べる。硝化とリン吸収を行う曝気時間をＴ_e 、脱
窒時間をＴ_f とし、Ｔ_e とＴ_f の和である時間Ｔ_g があ
らかじめ設定した時間Ｔ_gsと一致するように、曝気時間
Ｔ_e を調節する。ここで第１のＯＲＰ計６ａのＯＲＰの
変化を見ると、脱窒終了後に屈曲点Ａが出現しており、
屈曲点Ａを検出することによって時間Ｔ_g を測定し、Ｔ
_gsとＴ_g の差に基づいて曝気時間Ｔ_e を調節する。その
結果、後述のように１周期はほぼＴ_ds時間に維持されて
いるため、リン放出時間がＴ_ds−Ｔ_gsとして確保される
ことになる。

【００１０】第２曝気槽２ｂの制御方法は、硝化とリン
吸収のための曝気時間をＴ_b 、脱窒が進行する攪拌時間
をＴ_C とし、Ｔ_b とＴ_C の和である時間Ｔ_d があらかじ
め設定した時間Ｔ_dsと一致するように、曝気時間Ｔ_b を
調節し、併せて時間Ｔ_d 後１周期が終了したとして、第
１曝気槽２ａ、第２曝気槽２ｂを同時に曝気状態に復帰
させる。これは、第２のＯＲＰ計６ｂのＯＲＰの変化か
ら屈曲点Ｂを検出して時間Ｔ_d を測定し、Ｔ_dsとＴ_d の
差に基づいて曝気時間Ｔ_b を調節することにより行う。
この結果、脱窒が終了すると直ちに曝気状態となるた
め、第２曝気槽２ｂにおいてリンが放出されることな
く、高い窒素、リン除去率が得られる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上、本発明者らが特
願平４−２３３９５３号により出願中の２槽式間欠曝気
法について説明したが、この方式のような生物学的脱窒
素法は、その後の研究によって次のような問題があるこ
とがわっかた。即ち、１５℃以下の低水温条件で運転を
行なうと、脱窒速度の低下から窒素の除去率が低下する
ことである。このような１５℃以下の低水温条件では、
脱窒時間を長くとればよいが、曝気時間が不足するた
め、脱窒時間をある程度以上長くすることができずに、
脱窒が不十分となる。この場合、第２曝気槽２ｂでは脱
窒が完了しない状態で強制的に次の運転周期に移行して
いる。

【００１２】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は窒素の除去率の低下を防止することが
できる２槽式間欠曝気法による下水処理プロセスの制御
方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の２槽式間欠曝気法の運転は次のように行
なう。第１、第２の二つの曝気槽を用いる間欠曝気法に
おいて、第２曝気槽にＯＲＰ計を設置しておき、所定の
時間（Ｔ_b ）曝気を行った後攪拌工程に移行する。また
この第２曝気槽において前回まで処理工程におけるＯＲ
Ｐ計のＯＲＰ屈曲点の出現時間に基づいて、曝気時間
（Ｔ_b ）と攪拌時間の和の時間を所定の時間（Ｔ_ds）と
なるように、攪拌工程時に、第２曝気槽に有機物として
メタノールを添加し、制御する。

【００１４】

【作用】第２曝気槽２ｂにおいて所定のＴ_b 時間、例え
ば８０分間曝気を行った後攪拌工程に移行する。第２曝
気槽２ｂで起こる脱窒反応は、有機物が殆どない状態で
進行する内生脱窒と呼ばれる反応形態であり、この内生
脱窒は有機物のある場合の脱窒反応に比べて反応速度が
遅く、約１／１０であることが知られている。そこで第
２曝気槽２ｂの攪拌工程時に、有機物としてメタノール
を添加することにより、脱窒速度を上げることができ
る。その添加方法は上述したように、前回までの処理工
程におけるＯＲＰ計のＯＲＰ屈曲点の出現時間に基づい
て、メタノールの添加量を調節するので、例えば屈曲点
の出現時間が所定の時間（Ｔ_ds）より長いときにはメタ
ノール添加量が少ないと判断することができ、また屈曲
点の出現時間がＴ_dsより短いときには、メタノール添加
量が多いと判断し、現工程でのメタノールの添加量を決
定することができる。

【００１５】以上の運転方法によれば、第２曝気槽２ｂ
における脱窒時間が短縮され、その分硝化時間を長くと
ることができ、窒素除去率が低下するのを防止すること
ができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明による制御方法の実施例を図面
を参照して説明する。図１は２槽式間欠曝気法の装置お
よび制御システムの要部構成を示す模式図である。図１
の図３と共通する部分には同一符号を用いてあり、矢印
線の扱いも図３と同じである。図１において、この装置
は図３に示した装置と基本的に同じであるが、異なる点
はメタノール貯留槽１０とメタノール添加ポンプ１１を
備えていることにある。

【００１７】この装置を用いた運転制御方法を図２
（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ），
（ｂ）は本発明の方法において、処理特性として第２曝
気槽２ｂの時間経過に伴うＯＲＰの変化と、そのときの
ＮＯＸ−Ｎ濃度変化を示すものであり、図２（ａ）はＯ
ＲＰの変化，図２（ｂ）はＮＯＸ−Ｎ濃度変化を表わす
線図である。

【００１８】第１曝気槽２ａの制御方法は、前記の従来
の技術の項に記載した方法と同じであるから省略し、第
２曝気槽２ｂの制御方法を図２（ａ）を用いて説明す
る。図２（ａ）は、制御を実施中に、任意のタイミング
で曝気開始時間を零点として、時間の経過に伴うＯＲＰ
の変化を示したものであり、第２曝気槽２ｂでは曝気時
間（Ｔ_b ）はあらかじめ設定されており、脱窒時間を
（Ｔ_c ）とし、（Ｔ_b ）と（Ｔ_c ）の和である時間（Ｔ
_d ）があらかじめ設定した時間（Ｔ_ds）と一致するよう
に、脱窒時間（Ｔ_c ）をメタノールの注入量を制御する
ことによって調節する。すなわち、第２のＯＲＰ計６ｂ
のＯＲＰ変化を見ると、脱窒終了時に屈曲点Ｂが出現し
ており、屈曲点Ｂを検出することによって時間（Ｔ_d ）
を測定し、（Ｔ_ds）と（Ｔ_d ）の差に基づいてメタノー
ルの注入量を制御し、脱窒時間（Ｔ_c）を調節する。

【００１９】ここで脱窒工程（Ｔ_c ）における反応を図
２（ｂ）を用いて説明する。図２（ｂ）は、第２曝気槽
２ｂでのＮＯ_x −Ｎ濃度の経過時間に対する線図であ
る。この脱窒工程では添加したメタノールを有機物とし
て利用する脱窒（Ｔ_m 時間）と、その後の有機物が殆ど
ない状態で進行する内生脱窒（Ｔ_e 時間）が行われてお
り、メタノールの注入量を変えることによって時間（Ｔ
_m ）を調節することができ、結果的に脱窒時間（Ｔ_c ）
が調節される。始めのメタノールの添加量は、あらかじ
め実験的にメタノール添加の脱窒速度を求めておくこと
により決定することができる。

【００２０】具体的な制御方法として、Ｔ_d 時間が、Ｔ
_ds時間と一致するようにメタノールの添加量Ｍ_anを調節
する方法は、下記（１）式による。 Ｍ_an＝Ｍ_an-1−Ｋ（Ｔ_ds−Ｔ_d ） （１） 但し、Ｍ_an ：次工程におけるメタノールの添加量 Ｍ_an-1：現工程におけるメタノールの添加量 Ｋ ：定数 Ｔ_ds ：曝気時間と攪拌時間の和の設定値 Ｔ_d ：現工程における曝気時間と攪拌時間の和 （１）式から、Ｔ_d ＜Ｔ_dsのときはメタノールの添加量
を少なくし、Ｔ_d ＞Ｔ_dsのときはメタノールの添加量を
多くすること、つまりメタノールを利用した脱窒時間
（Ｔ_m ）を調節することにより、Ｔ_d 時間をＴ_ds時間に
一致させることができる。時間（Ｔ_d ）は、現工程まで
の数回の周期の第２曝気槽２ｂの曝気時間と脱窒時間の
和の平均値（移動平均）を用いてもよい。このような制
御演算は制御装置９で行なわれ、メタノール貯留槽１０
のメタノールが流量制御されたメタノール注入ポンプ１
１から注入される。

【００２１】このようにメタノール注入制御をおこなう
ことにより、窒素除去量が増加する理由を説明する。従
来の制御方法において第２曝気槽２ｂで起こる脱窒反応
は内生脱窒であるが、有機物を利用した脱窒の場合、内
生脱窒に比べ、脱窒速度は約１０倍速くなるので、メタ
ノール注入を行なうと、第２曝気槽２ｂでの脱窒時間を
短く、曝気時間の設定を長くとることができる。曝気時
間を長くするとその分硝化量が増えることになるが、脱
窒速度が速いために脱窒を完了させることができる。こ
れは、第２曝気槽２ｂにおける窒素除去量の増加を意味
している。

【００２２】また本発明の制御方法では、第２曝気槽２
ｂ内に有機物を添加することになるが、添加した有機物
は脱窒で消費され、注入量も制御によりほぼ過不足なく
注入することができるので、処理水中の有機物濃度は若
干高くなる程度である。本発明の制御方法は、第２曝気
槽２ｂに設置した第２のＯＲＰ計６ｂの屈曲点を検出す
る必要があり、これはＯＲＰ変化曲線の傾きが急変する
点Ｂを屈曲点としている。詳細な検出方法については、
本発明者らが出願中の特願平４−２３３９５３号に記載
されているので、ここではその説明を省略する。

【００２３】以上、本発明の実施例について説明した
が、これまで説明したメタノールに代えて他の有機物を
添加してもよく、微生物に分解されやすい酢酸やエタノ
ール等を使用することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上、本発明の２槽式間欠曝気法による
下水処理プロセスの制御方法に関して説明した。従来、
水温が１５℃以下と低い場合、脱窒速度が低下して脱窒
が不十分となり、処理水中の窒素濃度が高くなる問題が
あった。本発明の方法は、この問題に対処するためにな
されたものであり、以下の利点を有する。

【００２５】本発明の方法は、第２曝気槽にＯＲＰ計を
設置しておき、所定の時間曝気を行った後攪拌工程に移
行してＯＲＰ屈曲点の検出に基づいて曝気時間と攪拌時
間の和を求め、その和があらかじめ設定した所定の値と
なるように、第２曝気槽の攪拌工程において、有機物と
してメタノールを添加し、その注入量を制御する。有機
物を利用する場合の脱窒速度は、有機物が殆どない状態
で進行する内生脱窒に比べて約１０倍速く、水温が低い
場合でも必要な脱窒速度を得ることが可能である。従っ
て、限られた脱窒時間内により多くの窒素を除去し、良
好な窒素除去率を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御方法が適用される下水処理装置の
要部構成を示す模式図

【図２】本発明の運転方法における第２曝気槽の処理特
性を示し、（ａ）はＯＲＰ，（ｂ）はＮＯ_x −Ｎ濃度の
それぞれ時間経過にたいする関係線図

【図３】本発明者らが出願中の間欠曝気法の制御方法が
適用される下水処理装置の要部構成を示す模式図

【図４】本発明者らが出願中の間欠曝気法の制御方法に
おける第１曝気槽、第２曝気槽のＯＲＰの変化を示し、
（ａ）は第１曝気槽のＯＲＰ、（ｂ）は第２曝気槽のＯ
ＲＰのそれぞれ時間経過に対する関係線図

【符号の説明】

１ 下水 ２ａ 第１曝気槽 ２ｂ 第２曝気槽 ３ 処理水 ４ 最終沈殿池 ５ 返送汚泥ポンプ ６ａ 第１のＯＲＰ計 ６ｂ 第２のＯＲＰ計 ７ａ 第１曝気ブロワ ７ｂ 第２曝気ブロワ ８ａ 第１攪拌ポンプ ８ｂ 第２攪拌ポンプ ９ 制御装置 １０ メタノール貯留槽 １１ メタノール添加ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 康成 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 初又 繁 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−262197（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−238293（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−104896（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 3/12 C02F 3/30 C02F 3/34 101

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１のＯＲＰ計を設置した第１曝気槽と、
   この第１曝気槽に直列に連結し第２のＯＲＰ計を設置し
   た第２曝気槽を備え、排水を第１曝気槽へ流入させて、
   前記二つの曝気槽において曝気を行なう好気状態と、曝
   気を停止して攪拌を行なう嫌気状態を交互に繰り返して
   処理を行なった後、この処理水を最終沈殿池から放流さ
   せ、沈澱汚泥は曝気槽へ返送するとともに余剰汚泥とし
   て抜き出し、排水中の窒素、リンを除去する間欠曝気式
   活性汚泥法による下水処理プロセスの制御方法におい
   て、第２曝気槽で所定の時間（Ｔ_b ）曝気を行なった後
   攪拌工程に移行し、前回までの処理工程における第２の
   ＯＲＰ計のＯＲＰ屈曲点の出現時間に基づいて、曝気時
   間（Ｔ_b ）と攪拌時間の和の時間を所定の時間（Ｔ _ds）
   となるように、第２曝気槽の攪拌工程で有機物を添加す
   ることを特徴とする下水処理プロセスの制御方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、有機物とし
   てメタノールを用いることを特徴とする下水処理プロセ
   スの制御方法。