JP3704697B2 - 廃水の硝化方法及び装置並びに窒素除去装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃水の硝化方法及び装置並びに活性検出装置に係り、特に、下水等の廃水中のアンモニア性窒素を除去する際の硝化処理の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
脱窒槽と硝化槽とを備えた廃水の窒素除去装置では、硝化槽において硝化細菌の働きにより、アンモニア性窒素(NH4-N)を亜硝酸性窒素や硝酸性窒素に酸化する硝化処理を行う。そして、下水等の実際の廃水処理において、廃水原水のアンモニア性窒素負荷の変動や水温の年間変動或いは日間変動に対して、安定して高い窒素除去率を維持するためには、硝化槽での硝化処理を略完全に終了させることが必要である。
【0003】
しかし、硝化細菌は独立栄養細菌であり、脱窒細菌等の一般の従属栄養細菌に比べると増殖反応が極めて遅い。従って、浮遊汚泥による硝化反応では、浮遊汚泥中に硝化細菌を保持して高い硝化性能を得るためには、浮遊汚泥の滞留時間(以下「SRT」という)を厳密に管理することが重要になる。また、硝化性能は、硝化槽内の廃水に溶存する溶存酸素濃度(以下「DO濃度」という)の影響を比較的受けやすく、DO濃度の適切な管理も必要である。
【0004】
このことから、活性汚泥循環変法などのように浮遊汚泥のみを硝化槽に浮遊させて硝化処理を行う廃水の窒素除去装置の場合、廃水原水の硝化槽における滞留時間を7〜9時間程度と長くし、冬期でも浮遊汚泥中に硝化細菌を保持するための長いSRTを確保する条件を整えた上で、SRTとDO濃度の2つの因子を対象とした制御が必要である。また、廃水原水量や汚泥濃度(MLSS)などの多くの項目を測定し、これら測定したデータに動力学式等を駆使して、SRTのDO濃度を管理する上での直接の因子である汚泥引抜量や硝化槽の曝気装置の曝気量の目標値を演算する必要があった。このように、浮遊汚泥型の窒素除去装置の場合、SRTとDO濃度の2つの因子を同時に制御対象とするため、制御システムが複雑になると共に高精度の制御を行うことが困難であった。
【0005】
このような背景から、浮遊汚泥型の窒素除去装置の最大の課題であった、装置の系内に高い濃度の硝化細菌を安定して保持することのできる窒素除去装置として、硝化細菌を固定した微生物固定化担体(以下、「担体」という)を硝化槽内に添加した硝化促進型の窒素除去装置(通称、硝化促進型循環変法という)が開発された。この硝化促進型の窒素除去装置は、冬期の低水温時でも硝化反応が促進されるため、硝化槽の廃水原水の滞留時間を3時間程度まで短縮できる。更に、硝化槽に共存する担体と浮遊汚泥のうち、硝化反応の多くを担体で負担し、且つ担体の硝化槽からの流出がないために、担体等の固形物のSRTである固形物滞留時間を厳密に管理する必要がない。これにより、SRTとDO濃度のうちのDO濃度のみを管理すればよいという大きなメリットがある。このことから、硝化促進型の廃水の窒素除去装置では、従来、硝化槽内への曝気量を一定に維持して硝化を行う硝化方法が行われていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の曝気量を一定にして硝化を行う硝化方法は、日間変動するアンモニア性窒素濃度に対して適切な曝気量で制御することが難しく、曝気量の過不足が生じやすい。これにより、曝気が不足すると処理水の水質が悪化し、曝気が過剰になると曝気のためのブロア動力費の無駄になるという欠点がある。
【0007】
ちなみに、図10は、硝化槽の曝気量を年間を通して一定として実際に下水を処理した場合の例である。この結果から分かるように、高水温時に廃水原水のアンモニア性窒素濃度が低くなると、硝化槽のアンモニア性窒素濃度は、例えば0.1mg/L程度まで下がるが、この時の硝化槽のDO濃度が6mg/Lは上回った。このことは、明らかに曝気量が過剰傾向にあることを示している。
【0008】
この対策として、硝化槽内のDO濃度を一定に維持して硝化する硝化方法が試みられている。
しかし、この硝化方法は、アンモニア性窒素濃度が極端に上昇したり、廃水の水温が低下した場合には硝化速度を大きくすることが必要であるが、DO濃度を一定にすると十分な硝化速度を得ることが困難になる。この結果、処理水のアンモニア性窒素濃度が高くなってしまう。逆に、アンモニア性窒素濃度が極端に低下したり、廃水の水温が高くなった場合には、硝化性能に余裕ができるので、アンモニア性窒素濃度の対してDO濃度が高くなり過ぎ、過剰に曝気していることになる。この結果、ブロア動力費の無駄になるだけでなく、浮遊汚泥のフロック解体による最終沈殿槽での汚泥の沈降性の悪化による処理水水質の低下や、硝化液の循環により脱窒槽に持ち込まれる溶存酸素量の増加により嫌気性条件を必要とする脱窒反応を阻害する。特に、ブロア動力費は、窒素除去装置の動力費全体のかなりの比率を占めるものであり、省エネの観点からも好ましくない。
【0009】
ところで、担体を硝化槽に添加した硝化促進型の窒素除去装置の場合、担体の硝化速度を活性検出装置で測定して的確に把握し、最大の硝化速度を発揮するように運転することが必要である。
しかし、従来の活性検出装置は、硝化槽内の硝化液の一部(被測定液)と担体の一部を活性検出装置に供給する際に、担体が摩耗等の損傷をしてしまう欠点がある。担体が摩耗する理由は、担体を硝化槽から活性検出装置の測定槽に送るためのポンプを担体が通過するときに担体に損傷を与えるためである。また、この損傷を生じる担体の損傷率は、測定槽に担体を含む被測定液を入れ換える時間が長いほど大きくなる。担体が損傷されると、測定のたびに硝化槽に担体を補充しなくてはならず経済的でないと共に、損傷の大きな担体を硝化槽に戻すと硝化性能を低下させる要因になる。
【0010】
そして、従来は、アンモニア性窒素濃度の対する的確な硝化速度を検出する活性検出がなかったことも、曝気量の過不足を生じる原因の一因であった。このことから、担体を損傷することなく、硝化速度を精度良く検出することのできる活性検出装置が要望されていた。
本発明は、このような事情に鑑みて成されたもので、硝化槽での硝化処理において適切な硝化性能を得ることができると共に、曝気量の過不足をなくし省エネを図ることができる廃水の硝化方法及び装置を提供することを目的とする。
【0012】
【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、硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化方法において、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を0.3〜1.5mg/Lの設定範囲に設定すると共に、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度及び前記微生物固定化担体の硝化速度を測定し、前記設定範囲内の場合には、前記曝気手段の曝気量を制御して前記硝化速度が最大になるように前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整し、前記設定範囲を下回った場合には、前記曝気手段の曝気量を減少して前記硝化速度を小さくすることで前記設定範囲に戻し、前記設定範囲を上回った場合には、前記曝気手段の曝気量を増加して前記硝化速度を大きくすることで、前記設定範囲に戻すことを特徴とする。
【0013】
また、本発明は、前記目的を達成するために、硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化装置において、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と前記微生物固定化担体の硝化速度を測定する活性検出装置と、前記活性検出装置で測定したアンモニア性窒素濃度と前記微生物固定化担体の硝化速度に基づいて前記曝気手段の曝気量を、アンモニア性窒素濃度が所定値以上の場合には増加して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することにより前記硝化速度が最大になるようにし、アンモニア性窒素濃度が前記所定値を下回った場合には減少して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することによりアンモニア性窒素濃度を前記所定値以上に戻すように制御する制御手段と、を備え、前記活性検出装置は、前記硝化槽内の廃水と前記微生物固定化担体とが供給される測定槽と、該測定槽内にエアを曝気する測定用曝気手段と、前記測定槽内の溶存酸素濃度を測定するDO測定手段とを備え、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体の硝化速度を測定する活性検出装置であって、前記硝化槽内を、前記微生物固定化担体を含む反応部と、前記微生物固定化担体を含まない分離部とに前記廃水が往来可能に区画する区画手段と、前記反応部から前記測定槽に前記微生物固定化担体を含む廃水を送給する第1の送給手段と、前記分離部から前記測定槽に前記微生物固定化担体を含まない廃水を送給する第2の送給手段と、前記第1の送給手段と前記第2の送給手段とを切り換える切換手段と、で構成されていることを特徴とする。
【0014】
本発明によれば、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と微生物固定化担体の硝化速度を測定し、測定したアンモニア性窒素濃度が所定値以上の場合には、曝気手段からの曝気量を制御して硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することにより硝化速度が最大になるようにする。即ち、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度が所定値以上であれば、硝化速度はアンモニア性窒素濃度の影響を受けずにDO濃度に支配されるので、硝化速度をDO濃度で正確に制御することができる。従って、最大の硝化速度を得るDO濃度になるように曝気量を制御してやれば、硝化処理における適切な硝化性能を得ることができ、しかも曝気量が過不足になることもない。また、アンモニア性窒素濃度が所定値を下回った場合には、硝化速度はDO濃度の他にアンモニア性窒素濃度の影響を受けるので、硝化速度をDO濃度で正確に制御することができない。この為、最大の硝化速度を得るDO濃度になるように曝気量を制御しても、曝気量が多過ぎて脱窒槽に悪影響を与えたりする。従って、この場合には、硝化槽のアンモニア性窒素濃度が所定値に戻るように曝気量を減少させた後、再び硝化速度をDO濃度で制御する。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面により本発明の廃水の硝化方法及び装置並びに窒素除去装置の好ましい実施の形態について詳説する。
先ず、本発明の硝化方法における理論的根拠を説明する。
発明者等は、硝化槽に微生物を固定化した担体を添加した場合の管理指標を見い出すために硝化速度に影響を及ぼす諸因子の影響を調べた。
I .先ず、アンモニア性窒素濃度(以下「NH4-N濃度」という)が硝化速度に及ぼす影響について検討した結果を説明する。
【0017】
硝化槽内に担体を添加して、廃水として実際の下水を連続処理した場合において、硝化速度に及ぼすNH4-N濃度の影響について調べた。試験を行った窒素除去装置としては、反応槽を脱窒槽と硝化槽の各1槽で構成し、硝化槽比率(反応槽全体に対する硝化槽容積の比率)を0.4とした。また、担体添加量(硝化槽容積当たりの担体の容積比)は7.5体積%とした。廃水原水の反応槽内の滞留時間は、約6〜8時間になるように設定した。硝化槽から担体と浮遊汚泥を採取して、各々の硝化速度を測定した。
【0018】
連続処理における硝化槽内のNH4-N濃度と担体の硝化速度との関係を図1に、NH4-N濃度と浮遊汚泥の硝化速度との関係を図2に示した。尚、いずれの場合も硝化速度は、経験的に得られる温度係数を用いて水温が20°Cでの値に換算したものである。
図1及び図2から明らかなように、担体と浮遊汚泥の何れの場合にも、硝化速度はNH4-N濃度の大きく影響を受けた。即ち、担体の場合は、NH4-N濃度が0.3mg/L以上であれば、硝化速度が最大値で一定になる。また、NH4-N濃度が0.3mg/Lを下回ると、硝化速度が急激に低下し、硝化槽の総窒素(T−N)負荷量によって、硝化速度は概ね100〜550mg−O2 /L−担体・hの範囲で大きく変化した。
【0019】
一方、浮遊汚泥の場合は、NH4-N濃度が担体の場合よりもやや低い0.2mg/L以上で硝化速度が最大値で一定になった。また、0.2mg/Lを下回ると急激に低下した。しかし、硝化槽の総窒素(T−N)負荷量による硝化速度の変化は、概ね2〜5.5mg−O2 /g・SS・hの範囲であり、担体に比べてかなり小さかった。
【0020】
以上の結果から、担体と浮遊汚泥では、硝化速度に及ぼすNH4-N濃度の影響が異なり、NH4-N濃度が0.3mg/Lを下回ると、担体は浮遊汚泥と比較して硝化速度の低下が著しい。これは、担体の場合は、硝化細菌が担体の表面や内部に固定されているため、アンモニア性窒素に対する親和性が浮遊汚泥よりも低いものと考察される。また、浮遊汚泥は、脱窒槽や硝化槽、更に最終沈殿槽同士の間を循環するのに対し、担体は硝化槽に保持され、常に好気性条件下にあるために、低いNH4-N濃度下では、硝化細菌の自己分解が進み易いものと考察される。
【0021】
このI .の結果から、発明者等は、硝化槽内のNH4-N濃度が0.3mg/Lを下回らなければ、硝化速度はNH4-N濃度の影響を受けることがないという知見を得た。
II .次に、硝化槽全体の硝化速度に占める担体の硝化分担比について説明する。
担体と浮遊汚泥の各々の硝化速度から、連続処理での硝化槽全体の硝化速度に占める担体の分担比率を求めた。硝化槽全体での硝化速度は次の(1)式から算出した。
【0022】
【数1】
〔N−Kr〕T=〔N−Kr〕P・η+〔N−Kr〕S・X・(1−η)…(1)
ここで、〔N−Kr〕T :硝化槽の硝化に係る硝化速度(mg−O2 /L・槽・h)
〔N−Kr〕P :担体の硝化速度
〔N−Kr〕S :浮遊汚泥の硝化速度
η:担体添加量(硝化槽容積当たりの担体容積比)
X:浮遊汚泥濃度(g−SS/L)
また、硝化槽全体に占める担体の硝化分担比〔PN 〕を硝化速度をもとにした次の(2)式で定義した。
【0023】
【数2】
実際の下水処理の場合(η=0.075)について、担体の硝化分担比〔PN 〕と硝化槽のNH4-N濃度の関係を示すと、図3のようになる。
【0024】
図3から分かるように、NH4-N濃度が0.2mg/L近傍では、担体の硝化分担比〔PN 〕が0.5程度であるが、NH4-N濃度が0.3mg/L以上になると、担体の硝化分担比〔PN 〕は安定して0.9程度の高い値を維持する。これは、NH4-N濃度が0.3mg/Lを下回ると、上述したように担体は浮遊汚泥よりもアンモニア性窒素に対する親和性が低いために、担体の硝化分担比〔PN 〕が小さくなり、相対的に浮遊汚泥の分担比が大きくなるものと考察される。一方、NH4-N濃度が0.3mg/L以上では、担体の硝化分担比が浮遊汚泥に比べて顕著に高くなり、硝化槽全体の硝化速度の90%程度を支配する。
【0025】
このII .の結果から、発明者等は、硝化槽のNH4-N濃度が0.3mg/Lを下回らない場合には、硝化槽全体の硝化速度を担体が略支配するという知見を得た。
III .次に、硝化速度に及ぼすDO濃度の影響について説明する。
試験を行った窒素除去装置としては、I .と同様に反応槽を脱窒槽と硝化槽の各1槽から構成したものを用い、試験に供した廃水として合成の下水を用いた。
【0026】
反応槽全体に占める硝化槽比率を0.2、担体添加量を20容積%とし、硝化槽のDO濃度を5〜10日ごとに1.5、3.0、5.0mg/Lの3段階に変化させ、硝化速度へのDO濃度の影響を調べた。硝化槽比率を0.4、担体添加量を10容積%とし、硝化槽のDO濃度を時間単位で変化させ、硝化速度に対するDO濃度の影響を調べた。反応槽の廃水の滞留時間は8.5時間で一定とし、硝化液循環比(原水量に対する硝化液循環量の比で返送汚泥比を含む)は3.5とした。
【0027】
そして、硝化速度がNH4-N濃度に影響を受けないとみなせるNH4-N濃度0.3mg/L以上を満足する1.5mg/L以上のNH4-N濃度条件において、硝化速度とDO濃度との関係を調べた。
図4は、DO濃度を5〜10日ごとに変化させた場合であり、図5はDO濃度を時間単位で変化させた場合である。
【0028】
図4及び図5から分かるように、いずれの場合にも、硝化速度は硝化槽内のDO濃度の影響を大きく受け、DO濃度に関する半飽和定数〔KS 〕が9.1〜9.2mg/LのMonod型の次式(3)が得られた。
【0029】
【数3】
ここで、KN max :硝化速度がアンモニア濃度に影響を受けない条件における最大硝化速度
DO:硝化槽のDO濃度
k:定数
KS :DO濃度に関する半飽和定数(mg/L)
この半飽和定数〔KS 〕は、浮遊汚泥による硝化では0.4〜2mg/L程度の低い値が報告されているのに対し、担体を使用した硝化槽の場合には、上記結果からも分かるように、9mg/L以上の高い値が得られた。このことは、担体による硝化速度は、浮遊汚泥に比べてDO濃度の影響を大きく受けることを意味している。
【0030】
このIII .の結果から、発明者等は、担体を硝化槽に添加して硝化反応を行う場合、廃水のNH4-N濃度に見合った最大硝化速度〔KN max 〕を得るために、硝化槽内のDO濃度、即ち曝気量を制御することにより正確に行えるという知見を得た。このことを換言すると、担体を硝化槽に添加して硝化反応を行う場合には、曝気量1因子を適切に制御すれば、最大の硝化性能を得ることができることを意味する。
【0031】
以上のI .、II .及びIII .による結果から、硝化槽に微生物を固定化した担体を添加した場合の管理指標として以下の知見を得ることができた。
即ち、
(1) 硝化槽内のNH4-N濃度が0.3mg/Lを下回らなければ、アンモニア性窒素濃度が担体の硝化速度に影響を及ぼさない。
【0032】
(2) 硝化槽内のNH4-N濃度が0.3mg/Lを下回らなければ、硝化槽全体の硝化速度(担体及び浮遊汚泥の硝化速度の合計)は担体の硝化速度に支配される。
(3) 担体の硝化速度は硝化槽内のDO濃度に大きく影響を受け、廃水のNH4-N濃度に見合った最大硝化速度〔KN max 〕を得るために、硝化槽内のDO濃度、即ち曝気量の制御することにより正確に行うことができる。
【0033】
本発明は、以上(1) 〜(3) の知見に基づいて、硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化方法において、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度及び前記微生物固定化担体の硝化速度を測定し、前記測定したアンモニア性窒素濃度が所定値以上の場合には、前記曝気手段からの曝気量を制御して前記硝化速度が最大硝化速度になるように前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整し、前記アンモニア性窒素濃度が前記所定値を下回った場合には、前記曝気手段からの曝気量を制御して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することにより前記アンモニア性窒素濃度を前記所定値以上に戻すように構成したものである。
【0034】
図6は、本発明の硝化装置10を組み込んだ窒素除去装置40であり、反応槽15として脱窒槽14と硝化槽16の各1槽で構成したもである。
原水供給管12から脱窒槽14に供給された廃水は、脱窒槽14において浮遊汚泥と混合された後、担体が添加された硝化槽16に流入する。硝化槽16に流入した廃水中のアンモニア性窒素は、ブロア装置18からの曝気による好気性条件下で担体及び浮遊汚泥により硝化されて硝化液となる。そして、浮遊汚泥を含む一部の硝化液は、硝化液循環路20を介して脱窒槽14に循環されて脱窒処理されて窒素ガスとして放出される。残りの硝化液は、最終沈殿槽22に送られ、汚泥が沈降分離されて処理水となる。最終沈殿槽22で沈殿した沈殿汚泥の一部は汚泥返送路24を介して脱窒槽14に返送され、残りは余剰汚泥として引抜管25から系外に引き抜かれる。
【0035】
また、硝化装置10には、硝化槽16内のNH4-N濃度と硝化速度を検出する活性検出装置26と、硝化槽内のDO濃度を検出するDO検出器28と、活性検出装置26とDO検出器28の検出結果に基づいてブロア装置18から硝化槽16内に曝気する曝気量を制御するコントローラ30から成る制御系統が設けられる。また、原水供給管12には原水量検出器32が配設されて、脱窒槽14に流入する廃水原水量のデータがコントローラ30に送られる。
【0036】
次に、上記の如く構成された硝化装置10において硝化槽16の曝気量を制御する方法について説明する。
硝化槽16内の担体を含む硝化液が、活性検出装置26に定期的に供給されて硝化槽16内のNH4-N濃度〔Ne mea 〕と担体の硝化速度〔KN mea ] が検出される。また、DO検出器28では硝化槽16内のDO濃度〔DOmea 〕が検出され、原水量検出器32では廃水原水量〔Q〕が検出される。そして、これらの検出データがコントローラ30に送られる。コントローラ30には、硝化槽16内のNH4-N濃度の下限を0.3mg/Lとすると共に、上限を例えば1.5mg/Lとした設定範囲〔Ne SET 〕が設定されている。設定範囲〔Ne SET 〕の上限として0.3mg/Lを下回らない限度でなるべく低い方が良いが、NH4-N濃度の設定範囲〔Ne SET 〕が狭すぎると管理が難しくなり、0.3mg/Lを下回る頻度が多くなるので、かえって問題がある。コントローラ30では、活性検出装置26で検出されたNH4-N濃度が設定範囲〔Ne SET 〕の範囲内であれば、当初設定してある硝化槽が最大硝化速度になるためのDO濃度設定値を維持する。担体11の硝化速度が支配する硝化槽16の最大硝化速度は、上記(3)式により求められる。
【0037】
また、NH4-N濃度が設定範囲の下限または上限から外れている場合には、以下の演算により新しい目標DO濃度設定値〔DOSET 〕を算出する。
即ち、活性検出装置26で検出されたNH4-N濃度〔Ne mea 〕と設定NH4-N濃度〔Ne SET 〕の偏差に基づき目標硝化速度〔KN SET ] を、次の(4)式から算出する。
【0038】
【数4】
ここで、Vnは硝化槽容積であり、Qは廃水原水量である。尚、Ne SET の値としては、例えばNH4-N濃度の設定値である0.3〜1.5mg/Lのほぼ真ん中の値である1mg/Lを用いる。そして、硝化速度式に計測値、目標値を代入した次の(5)式及び(6)式に基づいて硝化槽16のDO濃度〔DOmea 〕及び目標DO濃度設定値〔DOSET 〕を算出する。
【0039】
【数5】
【0040】
【数6】
k′は定数である。
【0041】
そして、上記(5)式及び(6)式から、DOmea がDOSET なるように、ブロア装置18から硝化槽16内に曝気する曝気量を制御する。即ち、活性検出装置26で検出されたNH4-N濃度〔Ne mea 〕が設定NH4-N濃度〔Ne SET 〕の下限である0.3mg/Lを下回った場合には、担体11の硝化速度がNH4-N濃度の影響を受けて、DO濃度で正確に制御できなくなる。従って、測定されたNH4-N濃度〔Ne mea 〕を設定NH4-N濃度〔Ne SET 〕に戻すための目標DO濃度設定値〔DOSET 〕を算出し、DOmea がDOSET なるように、ブロア装置18から硝化槽16内に曝気する曝気量を減少して硝化速度を意図的に小さくする。また、活性検出装置26で検出されたNH4-N濃度〔Ne mea 〕が設定NH4-N濃度〔Ne SET 〕の上限である1.5mg/Lを上回った場合には、硝化槽内の硝化速度が最大になっていない可能性がある。従って、測定されたNH4-N濃度〔Ne mea 〕を設定NH4-N濃度〔Ne SET 〕に戻すための目標DO濃度設定値、即ち、最大硝化速度を得られるための〔DOSET 〕を算出してDOmea がDOSET なるように、ブロア装置18から硝化槽16内に曝気する曝気量を多くする。
【0042】
ここで、(5)式から算出されたDOmea の代わりにDO検出器28での検出値をそのまま使用してもよいが、DO検出器28で検出されたDO濃度の100%が硝化速度に寄与するわけではない。従って、活性検出装置26で測定した硝化速度〔KN mea 〕から算出したDO濃度〔DOmea 〕、即ち硝化速度に実質的に寄与するDO濃度を使用した方がよい。DO検出器28で検出したDO濃度は、あくまでも硝化速度を制御する指標として使用する。
【0043】
尚、DOmea がDOSET なるように、ブロア装置18から硝化槽16内に曝気する曝気量を制御する方法としては、例えば、DOmea がDOSET の偏差に基づいた比例制御を行うことが可能であり、ブロア装置18の曝気量の変更は例えばインバータにより行うことができる。
次に、本発明の硝化方法で硝化処理した場合の効果を、従来の硝化方法と比較して説明する。
〔1〕条件
〔窒素除去装置の構成〕
(1) 反応槽:脱窒槽(押し出し流れ)と硝化槽(完全混合槽)の各1槽
(2) 硝化液循環比:3(返送汚泥量も含む)
(3) 担体添加量:10%
〔廃水原水〕
(1) 滞留時間:脱窒槽4.8時間(h)、硝化槽3.2時間(h)で合計8時間(h)とし、原水量は一定とした。
【0044】
(2) NH4-N濃度:20〜40mg/Lで変動し、濃度ピークが日に2回(廃水の窒素成分は全てNH4-Nの合成廃水を使用した)あった。
(3) BOD/N比:3
〔酸素の供給・消費〕
(1) 曝気の酸素利用効率:23.5%
(2) NH4-Nの硝化量に対するDO消費量:4.57mg−O2 /mg−NH4-N)
(3) BODの酸素量に対するDO消費量:1mg−O2 /mg−BOD
(但し、BOD50%が酸化され、残りは酸素を消費しない脱窒や汚泥引き抜きにより消費される)
〔硝化速度〕
前記した(5)式及び(6)式の硝化速度式(定数k′=35、廃水の水温を15°Cとした)に基づいて算出する。但し、NH4-Nは硝化反応によってのみ除去されるとした。
〔2〕以上の条件において、次の3通りの硝化方法で硝化槽の硝化方法を行った。
【0045】
1.硝化槽内への曝気量を1.5m3 /m3 −硝化槽・hで一定にする従来の硝化方法
2.硝化槽内のDO濃度を4.2mg/Lで一定になるように曝気量を制御する従来の硝化方法
3.本発明の硝化方法
(3)結果
1.、2.、3.の各硝化方法における曝気量(Gs)、硝化槽のDO濃度(DO)及び硝化槽のNH4-N(Ne)等の日間変動の結果を図7に示す。
【0046】
その結果、1.の硝化方法は、曝気量を一定にしたため、廃水原水のNH4-N濃度がピーク時に硝化槽内のDO濃度が低下した。これにより、硝化槽のNH4-Nが3mg/L程度まで増加し、処理水の水質が悪化した。
2.の硝化方法は、DO濃度を一定に維持するため、硝化槽のNH4-N濃度のピークが1.に比べてやや低下したが、依然として2mg/Lを越える値を示した。
【0047】
これに対し、3.の本発明の硝化方法は、廃水原水のNH4-N濃度ピーク時にはDO濃度が高くなるように、曝気量を増加して最大硝化速度になるようにする。これにより、硝化処理を効果的に行うことができ、硝化槽内のNH4-N濃度を安定化させることができる。また、廃水原水のNH4-N濃度が低い場合には、DO濃度と曝気量が低下して硝化槽内のNH4-N濃度が0.3mg/Lを下回らないようにし、0.3〜1.5mg/Lの範囲に入るようにしてから、硝化速度をDO濃度で制御する。これにより、硝化速度はDO濃度に正確に支配されるので、曝気量の過不足が発生しない。
【0048】
また、図7に示したように、曝気量の日間変動から、1日に必要な曝気量を測定した結果、1.の硝化方法を100%とした場合、2.の硝化方法では84%、3.の本発明の硝化方法では、77.3%まで低減された。
以上の結果から、3.の本発明の硝化方法は、1.及び2.の従来の硝化方法に比べて硝化槽16内のNH4-N濃度を安定化することができ、しかも硝化速度をDO濃度で正確に制御できるので曝気量の過不足が発生しない。従って、曝気量を1.の硝化方法よりも20%以上節約でき、2.の硝化方法よりも約7%節約できるので、ブロア装置の動力費が安価になる。
【0049】
図8は、本発明の硝化装置10を組み込んだ別の窒素除去装置41の構成図であり、図6の窒素除去装置40と同じ部材や装置には同符号を付して説明する。
この窒素除去装置41は、図6で説明した窒素除去装置40を更に改良したものであり、硝化槽16の後段に好気槽34が1段設けられる。そして、好気槽34の浮遊汚泥混合液の一部が脱窒槽14に循環されると共に、残りの液が最終沈殿槽22に送られる。尚、図8の硝化槽16には図6で示した制御系統と同じものが装備されているが、図中には一部を示している。また、硝化槽16には、担体11が好気槽34に流出しないように、分離スクリーン42が設けられている。
【0050】
硝化槽16には、活性検出装置26、DO検出器28、コントローラ30等の制御系統が設定され図6で説明したと同様の制御によりブロア装置18の曝気量が調整される。
この硝化槽16のの制御系統とは別に、好気槽34では別のDO検出器36を用いて好気槽34内のDO濃度が2mg/L以下になるように好気槽用ブロア装置38の曝気量が調節される。
【0051】
次に、このように構成された窒素除去装置40、41の作用について説明する。
図6の窒素除去装置40の場合、硝化槽16に供給される廃水のNH4-N濃度に見合う最大硝化速度を得るためのDO濃度に設定される。従って、廃水原水のNH4-N濃度がピーク時には曝気量が大幅に増加するので、浮遊汚泥のフロック解体して最終沈殿槽22での沈降を阻害したり、残存エアが脱窒槽14まで持ち込まれる危険性がある。
【0052】
そこで、図8の窒素除去装置41では、硝化槽16の後段にDO濃度が2mg/Lと低い好気槽34を設け、この好気槽34から硝化液の一部を脱窒槽14に戻したり、残りの硝化液を最終沈殿槽22に送るようにした。これにより、浮遊汚泥のフロック解体して最終沈殿槽22での沈降を阻害したり、残存エアが脱窒槽14まで持ち込まれる危険性を確実に防止することができる。
【0053】
更に、浮遊汚泥が浮遊する好気槽34は、担体11が添加された硝化槽16に比べて、好気槽34内のNH4-N濃度が0.3mg/Lを下回っても硝化性能が極端に低下することがないので、硝化槽16で残存した残存NH4-Nを好気槽34で更に硝化処理することができる。これにより、処理水の水質をより向上させることができる。尚、浮遊汚泥の硝化速度のDO濃度に関する半飽和定数としては、前記したように0.4〜2mg/L程度であり、好気槽34のDO濃度は2mg/Lあれば十分である。
【0054】
ところで、担体11を硝化槽16に添加した硝化促進型の窒素除去装置の場合、担体11の硝化速度を活性検出装置26で測定して的確に把握し、最大の硝化速度を発揮するように運転することが必要である。
図9は、担体11が損傷することなく硝化槽16内のNH4-N濃度及び担体11の硝化速度を検出することのできる活性検出装置26の構成を説明する構成図である。尚、図6と同じ部材や装置は同符号を付して説明する。
【0055】
図9に示すように、硝化槽16は、その内部に設けられたスクリーン42により、担体11を含む硝化液の領域である反応部16Aと、担体11を含まない硝化液のみの領域である分離部16Bとに区画される。そして、反応部16Aに取込口44Aを有する第1の送給管44は、三方切換弁46及び1軸偏心ポンプ48を介して測定槽50に接続される。一方、分離部16Bに取込口52Aを有する第2の送給管52は、前記三方切換弁46に接続される。これにより、1軸偏心ポンプ48を作動させて三方切換弁46を切り換えると、分離部16Bから測定槽50への供給と、反応部16Aから測定槽50への供給とに切り換えることができる。従って、分離部16Bからは硝化槽16内の硝化液の一部である被測定液のみが測定槽50に供給され、反応部16Aからは担体11を含む被測定液が測定槽50に供給される。三方切換弁46は、信号ケーブル54を介してタイマー機構部56に接続され、三方切換弁46の切換タイミングの時間制御が行われる。
【0056】
また、測定槽50の上部から硝化槽16の反応部16Aに戻し配管58が配設され、測定槽50内の被測定液のオーバフローした分が戻し配管58から硝化槽に戻される。
測定槽50には、測定槽50内にエアを曝気するエアポンプ60と、測定槽50内のDO濃度を測定するDO濃度計62が設けられる。そして、硝化槽16内の被測定液と担体11の一定量が前記第1の送給管44及び第2の送給管52を介して測定槽50にサンプリングされ、被測定液のDO濃度値が変化しなくなるまでエアポンプ60から曝気し、その間の被測定液の変化量からNH4-N濃度と硝化速度を求める。この測定操作を定期的に行うことにより、硝化槽16の硝化性能を把握する。一般的に、測定終了後の測定槽50内のDO濃度値は、7〜8mg/Lであるが、次の測定を開始するまでに、測定槽50内のDO濃度値を硝化槽16内のDO濃度値(通常、2〜3mg/L)まで下げる必要がある。硝化槽16内の担体及び被測定液を測定槽50に採取するサンプリング時間は、測定槽50内の被測定液が次に測定する被測定液に入れ代わるまでの時間、通常30秒程度であるが、DO濃度計62が測定終了後のDO濃度値から硝化槽16のDO濃度値まで下がるまでの応答時間は通常3分と長い。従って、硝化槽16からは3分間担体11を含む被測定液を測定槽50に供給し続け、測定槽50でオーバフローした被測定液は戻し配管58で硝化槽16に戻される。このDO濃度計62の応答時間が長いことが担体11の損傷率を高くしている。
【0057】
上記の如く構成された活性検出装置の作用について、測定槽50で最初の測定が終了した後、次の測定をするために測定槽50内の被測定液を入れ換える場合で説明する。
測定槽50での最初の測定が終了すると、測定槽50内のDO濃度値7〜8mg/Lから硝化槽16内のDO濃度値2〜3mg/Lになるまでの約2分30秒間は、三方切換弁46を第2の送給管52に切り換えて分離部16Bから被測定液のみを測定槽50に送給する。次に、三方切換弁46を第2の送給管52から第1の送給管44に切り換えて、DO濃度計62の応答時間である3分のうちの残り30秒で担体11を含む被測定液を測定槽50に送給する。
【0058】
これにより、担体11を含む被測定液が1軸偏心ポンプ48を通過する時間は30秒だけである。従って、本発明の活性検出装置は、担体11を含む被測定液を3分間1軸偏心ポンプ48を通過させていた従来の活性検出装置に比べて担体11の損傷率を大幅に減少させることができる。これにより、担体11の硝化速度を正確に測定することができると共に、測定に使用した担体11を硝化槽16に戻しても、測定により硝化槽16の硝化速度が低下することが殆どない。更には、担体11が損傷しにくいので担体の寿命を延ばすことができる。
【0059】
実際に本発明で使用した活性検出装置と従来の活性検出装置での損傷率を比較したところ、本発明は従来よりも1軸偏心ポンプ48を通過する時間が1/5になった分、損傷率も1/5に減少した。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の廃水の硝化方法及び装置によれば、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を低い値で安定化することができ、しかも硝化速度を溶存酸素濃度で正確に制御できるので曝気量の過不足が発生しない。従って、曝気量を従来の硝化方法よりも大幅に削減でき、ブロア装置の動力費が安価になる。
【0061】
また、本発明で使用した活性検出装置によれば、担体の損傷率を大幅に低減することができ、硝化速度を正確に測定できるので、硝化槽の硝化速度を的確に把握することができる。また、担体が損傷しにくいので、担体の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 担体の硝化速度に対するアンモニア性窒素濃度の影響を説明するグラフ
【図2】 浮遊汚泥の硝化速度に対するアンモニア性窒素濃度の影響を説明するグラフ
【図3】 担体と浮遊汚泥が共存する硝化において担体の硝化分担比を説明するグラフ
【図4】 担体の硝化速度に対するDO濃度の影響を説明するグラフ
【図5】 浮遊汚泥の硝化速度に対するDO濃度の影響を説明するグラフ
【図6】 本発明の硝化装置を組み込んだ窒素除去装置の構成図
【図7】 本発明の硝化装置を組み込んだ窒素除去装置と従来の窒素除去装置の効果を比較するグラフ
【図8】 本発明の硝化装置を組み込んだ窒素除去装置の別の態様を示す構成図
【図9】 本発明で使用した活性検出装置の構成を説明する構成図
【図10】 硝化槽内のアンモニア性窒素濃度の推移を示した説明図
Claims (4)
- 硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化方法において、
前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を0.3〜1.5mg/Lの設定範囲に設定すると共に、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度及び前記微生物固定化担体の硝化速度を測定し、
前記設定範囲内の場合には、前記曝気手段の曝気量を制御して前記硝化速度が最大になるように前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整し、
前記設定範囲を下回った場合には、前記曝気手段の曝気量を減少して前記硝化速度を小さくすることで前記設定範囲に戻し、
前記設定範囲を上回った場合には、前記曝気手段の曝気量を増加して前記硝化速度を大きくすることで、前記設定範囲に戻すことを特徴とする廃水の硝化方法。 - 硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化装置において、
前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と前記微生物固定化担体の硝化速度を測定する活性検出装置と、
前記活性検出装置で測定したアンモニア性窒素濃度と前記微生物固定化担体の硝化速度に基づいて前記曝気手段の曝気量を、アンモニア性窒素濃度が所定値以上の場合には増加して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することにより前記硝化速度が最大になるようにし、アンモニア性窒素濃度が前記所定値を下回った場合には減少して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することによりアンモニア性窒素濃度を前記所定値以上に戻すように制御する制御手段と、を備え、
前記活性検出装置は、
前記硝化槽内の廃水と前記微生物固定化担体とが供給される測定槽と、該測定槽内にエアを曝気する測定用曝気手段と、前記測定槽内の溶存酸素濃度を測定するDO測定手段とを備え、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体の硝化速度を測定する活性検出装置であって、
前記硝化槽内を、前記微生物固定化担体を含む反応部と、前記微生物固定化担体を含まない分離部とに前記廃水が往来可能に区画する区画手段と、
前記反応部から前記測定槽に前記微生物固定化担体を含む廃水を送給する第1の送給手段と、
前記分離部から前記測定槽に前記微生物固定化担体を含まない廃水を送給する第2の送給手段と、
前記第1の送給手段と前記第2の送給手段とを切り換える切換手段と、で構成されていることを特徴とする廃水の硝化装置。 - 前記所定値は、0.3mg/Lであることを特徴とする請求項2の廃水の硝化装置。
- 請求項2の硝化装置の前段に脱窒槽を設けると共に、後段に溶存酸素濃度を2mg/L以下に維持した浮遊汚泥型の好気槽を設け、前記好気槽の処理液を前記脱窒槽で脱窒処理することにより廃水中のアンモニア性窒素を除去することを特徴とする窒素除去装置。
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