JP3567453B2

JP3567453B2 - 活性評価試験装置

Info

Publication number: JP3567453B2
Application number: JP24347998A
Authority: JP
Inventors: 英明川原; 啓介中村; 裕紀中村; 均吉川; 正博緑川
Original assignee: 日立プラント建設株式会社
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: JP2000069955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性評価試験装置に係り、特に廃水の生物学的処理において処理装置の状態監視や微生物の有機物酸化、硝化などの活性を評価するために必要な微生物の酸素消費速度を計測する活性評価試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
廃水中の有機物や窒素成分を生物学的に処理する方法では、一般に有機物の酸化やアンモニア性窒素の硝化反応が利用される。これらの反応には、微生物による酸素消費が伴うため、酸素消費速度をもとに、処理装置の状態監視や微生物の有機物酸化、硝化などの活性を評価することができる。
【０００３】
廃水処理装置における微生物の酸素消費速度を計測する方法として、処理槽から微生物混合液を槽外の小型反応器に採取し、反応器内で微生物反応を回分で進行させ、その際の酸素消費速度を求める方法が知られている。反応器内に採取した微生物混合液の酸素消費速度を求める方法としては、溶存酸素濃度計（ＤＯ計）および／または気相中の酸素濃度計（Ｏ_２計）を用いた以下の方法が知られている。
【０００４】
ａ）反応器に空気を供給し、微生物混合液から気相部に排出されるガス中のＯ_２濃度を数ｍｇ／Ｌ程度またはそれ以上に高めた後、空気の供給を止め、微生物混合液を攪拌しながらＤＯ計によりＤＯ濃度の減少速度を計測する。
ｂ）反応器に空気を供給し、微生物混合液から気相部に排出されるガス中のＯ_２濃度をＯ_２計で計測し、供給空気（大気）中のＯ_２濃度との差および供給空気量から酸素消費速度を算出する。なお、ＤＯ濃度が変化する場合は、ＤＯ計によりＤＯ濃度の変化速度を計測し、酸素消費速度を補正する。
【０００５】
ｃ）反応器に空気を供給しながら、微生物の混合液のＤＯ濃度を測定し、その変化速度と総括酸素移動容量係数（Ｋ_Ｌａ）から酸素消費速度を算出する。
ａ）の方法は、混合液のＤＯ濃度が０ｍｇ／Ｌになった時点で計測が終了するため、反応器における混合液の初期の酸素消費速度のみを測定するために用いられる。
【０００６】
これに対し、ｂ）およびｃ）の方法は、空気を継続して供給するため、反応器内の微生物反応に伴う酸素消費速度の推移を継続して計測することができる。しかし、ｂ）の方法は、反応器を小型容器とした場合、排気ガス中のＯ_２濃度と大気中のそれとの差はごく僅かであり、酸素消費速度の測定誤差が比較的大きいという問題がある。ｃ）の方法は、間接指標であるＫ_Ｌａを用いて酸素消費速度を換算するためＤＯ計のみを備えればよく、装置が簡単であるが、水温や空気量その他のパラメータとの相関を把握する必要があるので、計測が煩雑になるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さて、処理槽の微生物混合液を反応器に採取する場合、微生物の活性および混合液の水質は刻々と変化するため、高速流で短時間に採取工程を終了させる必要がある。そのため、混合液の採取には、通常、高速流の送液ポンプが用いられるが、その際、ポンプの高速回転部に混合液が直接接触するため、混合液内の微生物のフロックが破壊される場合があった。さらに、混合液が、微生物を表面または内部に固定化した担体を含む場合には、担体表面からの微生物の剥離や場合により担体自体の磨耗、破壊を生じかねない問題もあった。
【０００８】
送液ポンプを用いずに、反応器内に混合液を採取する方法として、減圧ポンプによって反応器内を減圧し、その負圧で混合液を反応器内に吸引する方法が知られている。この方法を実施する装置は、反応器を減圧状態にし、流入弁を開くことにより、外部の液を反応器内に吸引し、反応器に設置された液面計に液位が達した時点で流入弁を閉じ、さらに大気弁を開き、気相部を大気圧に戻すように構成されている。そして計測後は、内部の液を排出弁から排出させ、次の液の採取工程に移る。この装置によれば、ポンプの高速回転部に混合液が直接接触することがなく、混合液内の微生物のフロックが破壊されることなく、さらに、混合液が、微生物を表面または内部に固定化した担体を含む場合に、担体表面からの微生物の剥離や場合により担体自体の磨耗、破壊を生じることなく、外部の液を高流速で容器内に採取することができる。
【０００９】
しかしながら、この反応器に、内部の混合液中のＤＯ濃度と上部ガス中のＯ_２濃度を計測するためのＤＯ計とＯ_２計を導入する場合には、混合液の採取時にＤＯ計が混合液に接触する時間が短く、混合液のＤＯ濃度に十分に応答できない。そのため、採取終了後に混合液のＤＯ濃度変化の計測を開始する際に、応答の遅れが生じて精度の良い計測ができない。また、混合液の採取時に容器内が減圧状態になり、ガス中のＯ_２濃度およびＯ_２計の指示値が低下するため、採取終了後に気相部を大気圧にしてガス中のＯ_２濃度変化の計測を開始する際に、応答の遅れが生じて精度の良い計測ができない。さらに、この反応器に、隔膜内に電解液が保持された従来のＤＯ電極を導入する場合には、混合液を採取するために、反応器内を減圧状態（６００Ｔｏｏｒ以下）にした際、ＤＯ電極の指示値が一時的に、極端に高い数値を示すなど異常がみられ、採取された混合液のＤＯ濃度に十分に応答できない場合があり、採取終了後に混合液のＤＯ濃度変化の計測を開始する際に、応答の遅れが生じ、精度の良い計測ができなかった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、上記従来技術の欠点を解消して、微生物混合液を反応器に採取し、微生物の酸素消費速度を測定する装置において、混合液内の微生物のフロックの破壊や担体表面または内部に固定化した微生物の剥離および担体自体の磨耗、破壊を生じることなく、さらには反応器に採取した微生物混合液のＤＯ濃度と上部気相部のＯ_２濃度の変化の計測開始時に、ＤＯ計とＯ_２計の指示値を、それぞれ混合液の初期のＤＯ濃度と大気中のＯ_２濃度に確実に合わせることにより、精度良く酸素消費速度を計測することができる活性評価試験装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために、本発明の請求項１の活性評価試験装置は、反応器が内部液中の溶存酸素（ＤＯ）濃度と上部ガス中の酸素（Ｏ_２）濃度を計測する手段を有し、前記反応器内を減圧状態とすることにより、外部の微生物混合槽から微生物混合液を前記反応器内に一定量採取するように構成され、前記反応器への混合液の採取終了時から、前記反応器上部に密閉されたガスを混合液内に循環しながら混合液のＤＯ濃度とガス中のＯ_２濃度の変化を計測することにより微生物活性を評価することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の請求項２の活性評価試験装置は、請求項１において、前記反応器がその容積よりも大きい容積をもつ減圧タンクに連結され、微生物混合液の採取時に、前記減圧タンクを減圧し、微生物混合液を外部から前記反応器内、次いで前記減圧タンク内に吸引することにより、前記反応器内の混合液を外部からの混合液と入れ換えながら、反応器に備えたＤＯ計の指示値を混合液のＤＯ濃度に合わせるように構成したことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の請求項３の活性評価試験装置は、請求項２において、前記反応器と前記減圧タンクを連結する連結管の位置を前記反応器内の混合液の液位と合わせることにより、前記反応器に混合液を一定量採取するように構成したことを特徴としている。
また、本発明の請求項４の活性評価試験装置は、請求項１、２または３において、微生物混合液の採取終了時に、前記反応器の上部ガス部に外気を吸引することにより、減圧されていたガス部の圧力を大気圧に戻すことを特徴としている。
【００１４】
反応器を減圧状態にした際にＤＯ電極の指示値が異常を示す原因として、電極の隔膜内に保持された電解液が、隔膜を介して反応器内に吸引されることにより、電解液内でキャビテーションを生じるためであることが種々の検討から推測された。そこで、電解液部から反応器の同じく減圧された気相部に通じる連通管を取付け、隔膜を介した吸引力を打ち消す方向に電解液に引力を生じさせるように構成したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明の活性評価試験装置の好ましい実施の形態について詳説する。
図１は、本発明係る活性評価試験装置の一実施の形態を示している。この装置は、微生物混合槽２、反応器４、減圧タンク６等によって構成されている。
【００１６】
反応器４は、その下部に流入管８の一端が接続されている。この流入管８は、中間部が立ち上げられ、他端が微生物混合槽２の微生物混合液１０内に浸漬されている。そして、流入管８の中間部には流入弁１２が配設されている。また、反応器４の上部には連結管１４の一端が配置されており、該連結管１４の他端は減圧タンク６の上部（気相部）６ａに配置されている。さらに、反応器４の上部には、ＤＯ計１６が設置されている。このＤＯ計１６は、その先端に隔膜１８を備え、該隔膜１８を上記連結管１４の一端よりも僅かに低い位置に配置させている。このＤＯ計１６は一端を内部に接続し、他端を上記連結管１４の一端よりも高く位置させた連通管２０を備えている。また、この反応器４には、上部（気相部）４ａと底部とを接続する循環ライン２２が形成され、該循環ライン２２の中間には循環ポンプ２４が介在され、該循環ポンプ２４と反応器４の上部４ａとの間に切換え弁２６、また循環ポンプ２４と反応器４の底部との間に切換え弁２８がそれぞれ介在されている。上記切換え弁２６は、反応器４の上部４ａを大気または循環ライン２２に選択的に連通させるもので、上記切換え弁２８は、循環ライン２２を反応器４の底部または大気に選択的に連通するものである。さらに、循環ライン２２における循環ポンプ２４と切換え弁２６との間にはＯ_２計３０が配設されている。
【００１７】
減圧タンク６は、上部（気相部）６ａに吸引管３２の一端が接続されており、該吸引管３２には減圧ポンプ３４が設置されている。この減圧タンク６の底部には、排液管３６の一端が接続され、該排液管３６の他端は上記微生物混合槽２に接続されている。そして、該排液管３６には、排出弁３８が介在されている。さらに、この減圧タンク６の上部には、液面計４０および開放弁４２が設置されている。
【００１８】
本発明に係る活性評価試験装置は、反応器４の気相部（上部）４ａを密閉構造とし、反応器４内の微生物混合液からの排出ガスを循環ポンプ２４により反応器４内の混合液中に供給し、その際のＤＯ濃度とＯ_２濃度のそれぞれの変化を計測するものである。そしてＤＯ濃度とＯ_２濃度のそれぞれの変化速度および混合液、気相部の容積から酸素消費速度を算出する。
【００１９】
本装置により試料（微生物混合液）を採取し、その酸素消費速度を計測する運転例を、図１に基づいて各工程ごとに示すと以下のようになる。
▲１▼試料採取
反応器４の切換え弁２６によって反応器４を大気から遮断するとともに、開放弁４２を閉じて減圧タンク６を大気から遮断して、減圧ポンプ３４を作動させると、減圧タンク６および反応器４は減圧ポンプ３４によって減圧される。そこで、流入管８の流入弁１２を開けると、微生物混合槽２から混合液１０が反応器４、次いで減圧タンク６に吸引される。減圧タンク６に混合液が所定量満たされ、液面が液面計４０の接触子先端に至ると、流入弁１２を閉じて混合液の採取を終了する。続いて、切換え弁２６を操作して反応器４を大気に開放するとともに、開放弁４２を開き減圧タンク６を大気に開放する。すると、反応器４上部の気相部４ａが外気と入れ替わり、減圧タンク６の気相部６ａとともに大気圧に戻る。その結果、反応器４内には連結管１４の開口位置と同じ液位で、混合液が一定量採取される。また、減圧タンク６に残った余分の混合液は、その後、適当な時間に排出弁３８を開放することによって微生物混合槽２へ戻される。なお、混合液の採取時には、反応器４の気相部４ａから反応器４の底部に至る循環ライン２２は切換え弁２６と切換え弁２８によって反応器４から遮断され、かつそれらの切り換え弁２６、２８を介して大気に連通され、同時に、循環ポンプ２４によって外気をライン中のＯ_２計３０に通過させ、Ｏ_２計３０のキャリブレーションを行なう。
【００２０】
この活性評価試験装置では、減圧タンク６の容積を反応器４のそれより大きく構成している。そのため、反応器４内の混合液は完全に入れ換えられ、反応器６に備えられたＤＯ計１６は、混合液採取の間、連続して入れ替わる混合液と接触することができ、ＤＯ計１６の指示値が混合液のＤＯ濃度（初期値）と一致するようになる。なお、採取が終了するまでの混合液とＤＯ計１６の接触時間は、減圧タンク６の容積、液面計４０の高さ、減圧ポンプ３４の吸引量、流入管８、連結管１４の内径、長さなどにより容易に調節することができ、通常、０．５〜３分に設定される。
▲２▼試料の酸素消費速度の計測
反応器４への混合液の採取後、切換え弁２６および切換え弁２８を操作して、循環ライン２２を反応器４に接続し、循環ポンプ２４により、密閉された反応器４の気相部４ａのガスをライン中のＯ_２計３０に連通させた後、反応器４の底部から反応器４内の混合液に供給する。混合液の採取終了時に、ＤＯ計１６は混合液の初期のＤＯ濃度を示しており、またＯ_２計３０は外気を用いてキャリブレーションが終了し、反応器４の気相部４ａのガスも外気と入れ替わっているため、反応器４に採取した混合液内の微生物反応による酸素消費に伴う、混合液のＤＯ濃度およびガス中のＯ_２濃度の変化を精度良く計測することができる。
【００２１】
なお、酸素消費速度は次式（１）から求められる。
【００２２】
【数１】

なお、本発明の活性評価試験装置は、上記実施の形態に限らず各種変更が可能である。例えば、流入弁１２は流入管８に介在させ、該流入弁１２を開くことによって流入管８を開通させ、流入弁１２を閉じることによって流入管８を閉止しているが、流入管８を大気弁とし、該弁を開くことによって流入管８を大気に開放し、それによって微生物混合槽２の混合液が反応器４へ流入するのを阻止することもできる。この場合には、大気弁の設置位置を反応器４における連結管１４の開口位置よりも高い位置に設置する必要がある。また、各弁の作動タイミングは、本発明の目的を達成できる範囲で適宜変更することもできる。
【００２３】
【実施例】
上記した活性評価試験装置による酸素消費速度の計測例を図２に示す。本例は、下水の硝化、脱窒処理プロセスの硝化槽から、硝化細菌を固定化した担体（３ｍｍ角）と浮遊活性汚泥の混合液を採取したものである。計測開始時（初期）に、反応器のガス中のＯ_２濃度（％表示）はほぼ大気と同じ２１％を示し、微生物反応の進行に伴って低下し、３０分後に１７％近くに達している。ＤＯ濃度は、初期に５ｍｇ／Ｌ程度を示し、３０分後に６ｍｇ／Ｌに達してしる。２０秒毎の各計測値とＶ_Ｌ＝１．６Ｌ、Ｖ_Ｇ＝０．４Ｌをもとに、酸素消費速度Ｋ_ｒを算出した結果を同じく図２に示す。Ｋ_ｒは、初期に３０ｍｇ／Ｌ・ｈ程度を示し、時間の経過とともに低下し、約２０分後、１０ｍｇ／Ｌ・ｈ程度で安定する結果が得られた。
【００２４】
また、上記した活性評価試験装置では、４００〜６００Ｔｏｒｒの減圧状態において、従来装置にみられたＤＯ計の指示値の異常を解消することができた。なお、４００Ｔｏｒｒ以下では、減圧状態が２分以上続くと、反応器内の液中からＯ_２が析出し、液のＤＯ濃度そのものが変化するため、そのような運転を避けることが好ましい。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の活性評価試験装置では、ポンプを通過することなく負圧を利用することによって微生物混合槽の混合液を反応器へ導入しているので、混合液内の微生物のフロックの破壊や担体表面または内部に固定化した微生物の剥離および担体自体の磨耗、破壊を生じることなく、さらには反応器に採取した微生物混合液のＤＯ濃度と上部気相部のＯ_２濃度の変化の計測開始時に、ＤＯ計とＯ_２計の指示値を、それぞれ混合液の初期のＤＯ濃度と大気中のＯ_２濃度に確実に合わせることにより、迅速に精度良く酸素消費速度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る活性評価試験装置の一実施の形態を示した構成図
【図２】図１の活性評価試験装置によって得られた酸素消費速度、ＤＯ濃度およびＯ_２濃度を示した特性線図
【符号の説明】
２…微生物混合槽
４…反応器
４ａ…気相部
６…減圧タンク
６ａ…気相部
８…流入管
１０…微生物混合液
１２…流入弁
１４…連結管
１６…ＤＯ計
１８…隔膜
２０…連通管
２２…循環ライン
２４…循環ポンプ
２６、２８…切換え弁
３０…Ｏ_２計
３２…吸引管
３４…減圧ポンプ
３６…排液管
３８…排出弁
４０…液面計

Claims

反応器が内部液中の溶存酸素（ＤＯ）濃度と上部ガス中の酸素（Ｏ_２）濃度を計測する手段を有し、前記反応器内を減圧状態とすることにより、外部の微生物混合槽から微生物混合液を前記反応器内に一定量採取するように構成され、前記反応器への混合液の採取終了時から、前記反応器上部に密閉されたガスを混合液内に循環しながら混合液のＤＯ濃度とガス中のＯ_２濃度の変化を計測することにより微生物活性を評価することを特徴とする活性評価試験装置。
前記反応器がその容積よりも大きい容積をもつ減圧タンクに連結され、微生物混合液の採取時に、前記減圧タンクを減圧し、微生物混合液を外部から前記反応器内、次いで前記減圧タンク内に吸引することにより、前記反応器内の混合液を外部からの混合液と入れ換えながら、反応器に備えたＤＯ計の指示値を混合液のＤＯ濃度に合わせるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の活性評価試験装置。
前記反応器と前記減圧タンクを連結する連結管の位置を前記反応器内の混合液の液位と合わせることにより、前記反応器に混合液を一定量採取するように構成したことを特徴とする請求項２に記載の活性評価試験装置。
微生物混合液の採取終了時に、前記反応器の上部ガス部に外気を吸引することにより、減圧されていたガス部の圧力を大気圧に戻すことを特徴とする請求項１、２または３に記載の活性評価試験装置。