JP3279008B2 - 間欠曝気式活性汚泥法の制御方法 - 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、とくに排水中の窒素、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っており、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、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た
め、嫌気好気活性汚泥法と総称されている。

【０００３】はじめに、窒素、リンの除去を目的とした
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、つ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】

【表１】 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
するのである。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】

【表２】 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） ー 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は異なっており、脱
窒が終了し曝気槽内に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】次に、小規模下水処理向けの代表的な嫌気
好気活性汚泥法の一つである間欠曝気法について説明す
る。間欠曝気法には、開発の歴史が長く既に実装置が運
転されている曝気槽が一つの単槽式間欠曝気法と、現在
開発が進んでいる曝気槽を二つ使用する２槽式間欠曝気
法とがある。２槽式間欠曝気法は特願平４─２３３９５
３号公報に詳細が記載されており、理論的にも実験的に
も窒素、リンの除去率が高いことから期待されている方
法であるが、まだ実規模での運転例が少ない。これに対
し、単槽式間欠曝気法はかなりの窒素、リンの除去が可
能であり、しかも装置構成も簡単なことから、近年設置
数が増加しつつある。

【０００７】単槽式間欠曝気法における窒素、リンの同
時除去を目的とした運転制御法は、特開平４−１９７４
９７号公報に述べられているが、その概要は下記のよう
に要約することができる。図３は単槽式間欠曝気法に用
いられる装置の要部構成を示す模式図であり、図３には
装置構成とともに、水および空気の経路を実線の矢印、
制御信号を点線の矢印で表わしてある。図３において、
この装置は主として下水１が流入し間欠曝気により処理
が行われる曝気槽２、活性汚泥と処理水３が分離される
最終沈殿池４から構成される。制御系は、溶存酸素濃度
を測定するＤＯ計５、ＤＯ測定値に基づいて曝気ブロワ
６に運転、停止の制御信号を出力する制御装置７からな
っている。また曝気攪拌装置８は散気装置と攪拌装置の
機能を有し、通常は連続して運転されている。

【０００８】この装置では１回の処理サイクル（以下、
単にサイクルと記すこともある）を２時間程度として、
１サイクル内で曝気と攪拌が行われており、ＤＯが０．
２ｍｇ／ｌ以下の時間（嫌気レベル時間：Ａ）と、０．
５ｍｇ／ｌ以上の時間（好気レベル時間：Ｂ）との比率
Ａ／Ｂが０．５〜１．０となるように運転制御されるの
が普通である。その場合、窒素除去率は８０〜９０％が
得られている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】単槽式間欠曝気法にお
いて窒素、リンを効率良く除去するためには１サイクル
内において硝化とリン吸収を進行させる曝気，脱窒を進
行させる攪拌，引き続きリン放出を進行させる攪拌の３
工程の時間配分を適切に維持する必要がある。しかし、
上記のＡ／Ｂの比率を制御する方法は、曝気時間と攪拌
時間の見かけの配分を制御することに重点がおかれ、攪
拌時間における脱窒工程とリン放出工程の時間配分に関
しては充分な対応がなされていない。そのため、前記の
Ａ／Ｂを制御する方法では、窒素除去率は良好である
が、原水質や水温等が変動するとリン除去率が低下し不
安定となるという問題がある。

【００１０】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、原水質や運転条件の変動の如何
にかかわらず、常に高い脱窒、脱リン効率の得られる単
槽式間欠曝気法の制御方法を提供することにある。

【００１１】

【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、本発明の制御方法は、間欠曝気式活性汚泥法を運
転制御するに当たり、曝気槽にＯＲＰ計を設置し、現在
までの処理サイクルにおけるＯＲＰ曲線上の屈曲点の出
現時間に基づき、次回の処理サイクルの曝気時間と攪拌
工程における脱窒時間との和を、所定の時間に制御する
ものであり、この所定の時間は、現在までの処理サイク
ルにおける曝気時間と脱窒時間との和に基づいて決定
し、または現在までの処理サイクルの数回のサイクルの
曝気時間と脱窒時間との和の平均値に基づいて決定す
る。

【００１２】

【作用】本発明は上記のような制御を行なうことによ
り、ＯＲＰの屈曲点を検出するため、脱窒時間とリン放
出時間を測定することができ、しかも曝気時間は各サイ
クル毎に設定してあることから、結果として、１サイク
ルにおける曝気、脱窒、リン放出時間を確定することが
できる。したがって、現在までのサイクルの屈曲点の出
現時間に基づいて、次回のサイクルの曝気時間を調節す
ることにより、常に適切な曝気、脱窒、リン放出時間の
比率を維持することができる。その結果、有機物、窒
素、リンのそれぞれの除去率の高い良好な処理水質が得
られる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による単槽式間欠曝気法の制御
方法の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明
が適用される単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ＤＯ計５を備
えることなく、その代わりに曝気槽２にＯＲＰ計９を設
置したことである。

【００１４】この装置系における本発明の制御方法を、
制御に伴う水質の変化とともに、図２も併用参照して説
明する。図２（ａ）はＮＯ_X −Ｎ（硝化に伴って生成す
る亜硝酸性窒素と硝酸性窒素の和）の変化と経過時間の
関係、図２（ｂ）はＰＯ₄ −Ｐ（正リン酸性リン）の変
化と経過時間の関係、図２（ｃ）はＯＲＰの変化と経過
時間の関係をそれぞれ示す線図であり、図２（ｃ）には
併せて曝気槽２の運転条件および生物反応を併記してあ
る。

【００１５】上記のように、図２（ｃ）は本発明による
制御方法を実施中に、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
ものである。本発明の制御方法の要点は、１サイクル時
間Ｔ_S2を固定し、その時間内で曝気時間Ｔ_N と脱窒時間
Ｔ_D の和（Ｔ_N ＋Ｔ_D ）を、曝気時間Ｔ_N を調節するこ
とにより、あらかじめ設定した時間Ｔ_S1に制御すること
である。即ち、図２（ｃ）において１サイクル時間Ｔ_S2
は２時間に設定してあり、曝気時間と脱窒時間の和の設
定値であるＴ_S1は１．５時間である。また曝気時間Ｔ_N
は後述の演算の結果、あらかじめ１時間に設定してあ
る。ここでＯＲＰの変化を見ると、曝気が終了して攪拌
開始２５分後に屈曲点Ａが出現している。屈曲点Ａは脱
窒が終了した時点で出現する性質があるため、屈曲点Ａ
を検出（検出法は後述）することにより時間Ｔ_D 、すな
わち脱窒時間は２５分と決定することができる。その結
果、１サイクル時間Ｔ_S2は２時間であるから、リン放出
時間Ｔ_P は残りの３５分となる。このように、ＯＲＰの
屈曲点を検出することにより、脱窒時間Ｔ_D 、リン放出
時間Ｔ_P を確定することができる。

【００１６】ところで、脱窒時間Ｔ_D は２５分であり、
Ｔ_N ＋Ｔ_D は８５分となってＴ_S1の設定値より５分短
い。そこで、次回のサイクルではＴ_N ＋Ｔ_D がＴ_S1によ
り近づくように、曝気時間Ｔ_N の調節を行なう。具体的
に曝気時間Ｔ_N を調節する方法は下記の（１）式によ
る。

【００１７】

【数１】 Ｔ_{N ,n}＝Ｔ_N,n-1 ＋Ｋ₁ ［Ｔ_S1−（Ｔ_N ＋Ｔ_D ）］ （１） 但し、Ｔ_N,n ：次回のサイクルにおける曝気時間 Ｔ_N,n-1 ：現在のサイクルにおける曝気時間 Ｋ₁ ：定数 Ｔ_S1 ：曝気時間と脱窒時間の和の設定値 Ｔ_N ＋Ｔ_D ：現在のサイクルにおける曝気時間と脱窒時
間の和 時間Ｔ_N ＋Ｔ_D は、現在のサイクルまでの数回のサイク
ル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。

【００１８】このような制御を行なうことにより、水質
や運転条件の変動にかかわらず、常に曝気時間、脱窒時
間、リン放出時間を一定の比率に維持することができ、
後述のように安定した高い窒素、リンの除去率を得るこ
とができる。ここで、各時間設定について述べる。１サ
イクル時間Ｔ_S2は２時間程度が適切であって、これより
長くなると処理水質の変動が大きくなり、短くすると屈
曲点Ａの検出が技術的に困難となってくる。また、曝気
時間と脱窒時間の和Ｔ_N ＋Ｔ _D は、リン放出時間Ｔ_P を
考慮して決定する。即ち、従来の知見からリン放出時間
は、処理時間の２０〜４０％を充てる必要があることが
分かっているので、１サイクル時間Ｔ_S2の２０〜４０％
を計算してリン放出時間に充て、残りの時間をＴ_N ＋Ｔ
_D とする。図２の場合は、設定されているＴ_P は３０分
であり、Ｔ_S2は２時間であるから、リン放出時間は処理
時間の２５％に相当する。

【００１９】屈曲点Ａの検出は以下のようにして行な
う。即ち、きざみ時間をΔｔとして時間経過に伴うＯＲ
Ｐ曲線の傾きを求め、最新の傾きをα2 、Δｔ時間前の
傾きをα1 とし、α2 ／α1 を計算する。ＯＲＰ曲線の
傾きがほぼ一定の場合は、α2／α1 は約１であるが、
屈曲点ではα2 ／α1 は１．５〜３と急激に大きくな
る。そこで、しきい値βを設け、（α2 ／α1 ）＞βと
なった時屈曲点出現と判断する。

【００２０】次に、以上のような制御を行った場合の曝
気槽２内の水質変化を説明する。図２（ａ）において、
ＮＯ_X −Ｎは曝気時間Ｔ_N で硝化が進行して増加する
が、多くの場合、曝気時間が終了する前にアンモニア性
窒素が全て硝化されて、ＮＯ_X−Ｎの増加は停止する。
続いて脱窒工程では、ＮＯ_X −Ｎは窒素ガスとなって除
去される。また図２（ｂ）に示すように、ＰＯ₄ −Ｐは
曝気時間Ｔ_N において活性汚泥に吸収されて低下し、脱
窒が終了した時点でリン放出反応が進行し増加する。こ
のようにＰＯ₄ −Ｐ濃度が変化する場合、活性汚泥中の
リン濃度は増加しているので、余剰汚泥を抜き出せばリ
ン除去を達成することができる。また、曝気槽２内の水
質は図２（ａ）、（ｂ）のように変動するが、下水１は
連続して曝気槽２に流入しているため、沈殿池４を経た
処理水３の水質はこの平均値となり、低いレベルに維持
される。

【００２１】なお、有機物は曝気−攪拌のサイクルのな
かで活性汚泥により除去されることは良く知られてお
り、その詳細な説明は省略する。ところで、本発明の制
御方法では、リン除去が不必要の場合は、Ｔ_P の設定値
を小さくして脱窒優先の運転とすることもできる。ま
た、下水１は連続流入が一般的であるが、攪拌時間にの
み流入させてもよく、その場合も本発明の制御方法は問
題なく適用することができる。曝気時間のＤＯは空気量
を調節し２〜３ｍｇ／ｌとするが、水質をより安定化す
るためには、２ｍｇ／ｌ程度に制御することが望まし
い。但し、ＤＯ制御は本発明の方法では、不可欠な要素
ではない。

【００２２】

【発明の効果】従来の単槽式間欠曝気法の制御方法で
は、曝気時間と攪拌時間の比率は制御されていたが、攪
拌時間における脱窒工程とリン放出工程の時間配分に関
しては制御されていなかったために、窒素除去率は良好
であるが、原水質や水温等が変動するとリン除去率が低
下するという問題があった。

【００２３】これに対処するためになされた本発明の制
御方法は、以下の利点を有する。即ち、本発明の制御方
法は曝気槽にＯＲＰ計を設置し、攪拌工程におけるＯＲ
Ｐ曲線上の屈曲点の出現時間を検出することにより、脱
窒、リン放出時間を測定して、適切なリン放出時間を確
保することができるように、１サイクル当たりの曝気時
間を決定するものである。しかも、曝気時間は現在のサ
イクルの時間配分をもとに、常に修正演算され決定され
る。

【００２４】その結果、本発明の制御方法を実施するこ
とにより、原水質や運転条件の変動に迅速に対応して、
１サイクル当たりの所定のリン放出時間を確保しつつ、
曝気時間を設定することが可能であるから、常に高率で
安定した窒素、リンの同時除去を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法が適用される装置の要部構成を示
す模式図。

【図２】本発明の方法が適用される装置の曝気槽におけ
る水質、ＯＲＰの変化を示し、（ａ）はＮＯ_X −Ｎ、
（ｂ）はＰＯ₄ −Ｐ、（Ｃ）はＯＲＰのそれぞれ時間経
過に対する関係線図。

【図３】従来の方法が適用される装置の要部構成を示す
模式図。

【符号の説明】

１ 下水 ２ 曝気槽 ３ 処理水 ４ 最終沈殿池 ５ ＤＯ計 ６ 曝気ブロワ ７ 制御装置 ８ 曝気攪拌装置 ９ ＯＲＰ計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−104896（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−262197（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−55190（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 3/30,3/12

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排水が流入する曝気槽内で、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とをこ
   の順に繰り返す処理サイクルを行なった後、この処理水
   を最終沈殿池から放流し、活性汚泥の一部を余剰汚泥と
   して抜き出して、排水中の窒素、リンを除去する間欠曝
   気式活性汚泥法を制御するに当たり、曝気槽にＯＲＰ計
   を設置して、現在までの処理サイクルにおけるＯＲＰ曲
   線上の屈曲点を検出し、屈曲点の出現時間に基づき、次
   回の処理サイクルの曝気時間と攪拌工程における脱窒時
   間との和を所定の時間に制御することを特徴とする間欠
   曝気式活性汚泥法の制御方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の制御方法において、次回の
   処理サイクルの曝気時間と攪拌工程における脱窒時間と
   の和を、現在の処理サイクルにおける曝気時間と脱窒時
   間との和に基づいて決定することを特徴とする間欠曝気
   式活性汚泥法の制御方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の制御方法において、次回の
   処理サイクルの曝気時間と攪拌工程における脱窒時間と
   の和を、現在までの数回の処理サイクルの曝気時間と脱
   窒時間との和の平均値に基づいて決定することを特徴と
   する間欠曝気式活性汚泥法の制御方法。