JP3863566B2 - 廃水の生物学的酸素要求量を算出する方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃水の生物学的酸素要求量（ＢＳＢ）を算出する方法と装置に関する。この場合、廃水試料が生化学的に中性の希釈水と予め設定されている希釈度で混合され、かつ、酸素濃度が生化学溶液中で測定される。この酸素濃度は、生化学溶液中での所定のバイオマスと希釈された廃水試料との生物学的反応に基づいて調節される。
この生物学的酸素要求量（ＢＳＢ）は、廃水の汚染度を示すための重要な特性パラメータである。何故なら、廃水の汚物は主に生物学的に分解可能な物質だからである。この汚染度を算出するための知られている方法では、従来のように生化学溶液中の付着生物面上にすみついた、好気性の微生物から成るバイオマスは、検査すべき廃水又は希釈物によりそれらから養分が与えられる点で共通している。この場合、生物学的反応の結果として生じる酸素消費量は、生化学溶液中の酸素濃度を減少させる。この酸素濃度の減少は測定され、かつ生物学的酸素要求量及びひいては検査すべき廃水の汚染度を算出するために利用される。
冒頭で述べた種類（ヨーロッパ特許公開公報第0 049 887号明細書）の知られている方法の場合では、検査すべき廃水試料の流れが、それが生化学溶液中へ連続して流入する前に、予め設定された希釈度の希釈水を連続的に定量して追加することによって希釈される。この方法は、その前に知られている時間のかかる方法に比べてＢＳＢの算出が大幅に改良され速くなっている。酸素濃度は生化学溶液中への流入前及びその生化学溶液中からの流出後に測定される。測定値の差は、希釈度を可変することによって予め設定した所定の値に調節される。この希釈度は生物学的酸素要求量を算出するために利用される。十分な反応速度に必要な生化学溶液中のバイオマスの乱流の循環は、生化学溶液中に含まれている循環中の溶液をポンプで連続的に流動させることによって起きる。
この知られている方法を実施するために必要な装置は比較的経費がかかる。何故なら、試料の流れ及び希釈水の定量を制御する必要があるからである。酸素濃度の測定は２カ所で行う必要がある。生化学溶液からその溶液をポンプで流動させるため、ポンプを１つ追加する必要がある。
本発明の課題は、簡単な方法で、迅速に、そして特に少ない器具経費で実施され得る冒頭で述べた種類の方法を提供することにある。
この課題は、本発明により、断続動作中に予め設定された量の廃水試料が酸素で飽和された希釈水で満たされた生化学溶液に追加されて混合されること、単位時間当たりに生じる酸素消費量が測定されること、及び生化学溶液が希釈水で洗い流されることによって解決される。
この方法は断続的に実施され、そして、 − １つ又は多数の測定サイクルを通じて実施される作動条件を規格化した後 − 検査された廃水中の生物学的酸素要求量の測定値がその個々の測定サイクル毎に得られる。
本発明の方法の場合、溶液の促進に必要なことは、各測定サイクル中に廃水試料を生化学溶液中に流入すること、そしてその生化学溶液中の生物学的に分解可能な物質の濃度が無視できるほど少なくなるまで、測定後にその溶液を希釈水で再び洗い流すことだけである。この場合、希釈水は定量されないで供給できるので、そのためポンプは必要ない。むしろ、１本の給水管に１つの接続部だけで十分である。廃水量を定量して追加するには、非常に簡単で、断続的に作動する１台の容積式ポンプで足りる。それ故、この方法は、非常に少ない器具経費で迅速にそして簡単に実施できる。この場合、十分に高い測定精度が得られる。
本発明の概念的な構成では、各測定サイクルでの生化学溶液中の希釈度が一定量の廃水試料を追加することにより一定に調節され、かつ、生物学的酸素要求量が単位時間当たりに生じる酸素消費量及びその希釈度から算出される。各方法のサイクルで一定量の廃水が生化学溶液中に常時一定に供給されることによって、一定の希釈度が非常に簡単な方法で得られる。
さらに、単位時間当たりの酸素消費量が予め設定した所定の量になるように、及び、生物学的酸素要求量がそれぞれ選択された希釈度から算出されるように、各方法のサイクルで追加された廃水試料の量を定量することも可能である。
本発明は、その方法を実施する好適な装置にも関する。生化学溶液を収容する反応容器を有する知られている装置（ヨーロッパ特許公開公報第0 049 887号明細書）、廃水試料用の定量装置、希釈水用の供給装置、生化学溶液中の酸素濃度を算出する装置、及び生化学溶液用の循環装置から出発して、本発明は、その反応容器が閉ざされた容器であり、希釈水用の給水管がこの容器内に流入すること、単位時間当たりの酸素消費量を算出する装置がその反応容器内に配置された酸素プローブを備えていること、この反応容器が廃水試料用の引込口として且つ生化学溶液を洗い流す際の排出口としてはたらく１つの開口部を通じて検査すべき廃水とつながっていることを特徴とする。
この場合、廃水を導き、それによって汚染しうる導管が完全に省略できる。溶液が貫流する系は、主に閉ざされたその反応容器からだけで構成される。この反応容器は、その中で起きる生化学反応及び洗浄工程の結果として全く手入れ不要に操作され得る。
好ましい実施形では、反応容器が検査すべき廃水中に沈めることのできるプローブヘッドを形成する。この装置は非常に僅かな空間しか占有せず、簡単な方法でいろいろな測定位置に持って行くことができる。この場合、プローブヘッドを検査すべき廃水中に沈めることだけを要する。
測定工程に必要な全ての重要な装置は、プローブソケット内で一体化できる。プローブヘッドとして作られた反応容器は、そのプローブソケットと気密に連結している。このようにして形成された検査すべき廃水中に沈められる測定プローブは、希釈水用の給水管、ポンプ駆動用及び攪拌器駆動用の電力供給管、並びに測定配線及び制御配線だけを介して中央ユニットに接続されている。評価コンピュータがその中央ユニット内に配置されている。
本発明のその他の好ましい構成は、その他の従属請求項の対象物である。
以下に、本発明の実施形を図面に基づいて詳しく説明する。この図面は、廃水の生物学的酸素要求量を算出する方法を最も簡単な表記様式で示す。この場合、測定プローブは縦断面図で示されている。
生化学溶液２が、主にシリンダ状で縦長の閉じている反応容器１内に存在する。この溶液は自由に動く付着生物本体３を有する。例えば、小さな中空シリンダとして作られたこの付着生物本体３は、好気性の微生物のための付着面を有する。これらの微生物はバイオマスを構成する。このバイオマスは、溶解された酸素を消費しながら生物学的に分解可能な物質を分解することに適している。
反応容器１はプローブソケット４に気密に装着されていて、測定を実施するために検査すべき廃水５の中へ沈められる。
攪拌器６の軸がプローブソケット４中に軸支されている。この攪拌器６は電気モータ７によって駆動され、そしてその攪拌器が生化学溶液２を乱流運動の状態に定常的に保持する。つまり、反応容器１中へ突出する攪拌器６は生化学溶液２用の循環装置である。
酸素プローブ８がプローブソケット４内に配置されている。この酸素プローブ８は生化学溶液２中の単位時間当たりの酸素消費量を測定して、この測定値を中央制御装置９に送る。制御装置９が操作すべき弁を中に設けた給水管１０を通じて、酸素で飽和された希釈水が反応容器１に供給され得る。
この反応容器１はそれの下の領域内に１つの開口部を有する。この開口部１は廃水試料用の流入口として、また生化学溶液２を洗い流す際の排出口として作用する。この生化学溶液２はその開口部１２を通じて周囲を取り巻く廃水５とつながっている。
反応容器１に連結され、プローブソケット４内に配置された容積式設計の吸引ポンプ１３は、廃水試料を引込むための定量装置としてはたらく。図示された実施形では、この吸引ポンプ１３が１つの吸引ピストン１４を備えている。この吸引ピストン１４のシリンダは反応容器１に通じている。その吸引ポンプ１３の駆動は電気モータ１６によって行われる。電力が制御装置９によってその電気モータ１６に供給される。測定サイクルは、例えば次のように進行する。付着生物本体３が生化学溶液２中で攪拌器６によって乱流運動の状態に保持される。各測定サイクルは、弁１１を開くことによって酸素で飽和されかつ温度調節した水道水で反応容器１の洗浄を開始する。このとき、水道水が反応容器１の上の部分内に流れる。そこに入っているその水は反応容器１の下の部分内の開口部１２を通じてその反応容器１から排出する。
洗浄工程が終了し、この前の測定サイクルの際に生じた反応容器１内の水混合物が入れ替えられると、予め設定されている一定の廃水量が吸引ピストン１４の上昇により開口部１２を通じてその反応容器１内に吸引される。栄養素混合物がこの廃水の追加により生化学溶液２中の希釈水と廃水から生じる。バイオマスのその栄養素混合物は栄養素の基剤としてはたらく。シリンダ１５の内部空間が不十分な混合溶液の量を含むことを回避するため、その吸引ピストン１４はそれの下の排出口の位置に戻る。吸引ピストン１４の代わりに容積式ピストンも使用され得る。
希釈度、すなわち、反応容器１の容積に対する吸引された廃水試料の量の割合は、混合物のＢＳＢ濃度が或る範囲内にあるように選ばれる。その範囲内では、ＢＳＢ濃度とバイオマスが吸込んだ酸素量との間に広範囲にわたって線形関係が存在する。この関係は、いわゆるミカエルの方程式（Michaelisgleichung）により知られている。これは欧州特許第0 049 887号明細書に説明されている。
一定の希釈度、及び酸素プローブ８が測定した酸素濃度から検出されるそのときに得られる単位時間当たりの酸素消費量は、生物学的酸素要求量を算出するために中央制御装置９内の評価コンピュータ中で利用される。検出したＢＳＢは表示装置１７に表示され、必要に応じて記憶される。
測定の実施後、既に説明した方法で管１０を通じて希釈水を流入することによって反応容器１が洗浄される。その後、この反応容器１は別の測定サイクルのために自由に使用される。したがって、この測定はバッチ処理中に断続的に行われる。
ＢＳＢの算出法のその他の可能性は、混合物のＢＳＢ濃度が各測定サイクルで十分に一定であるように吸入される廃水試料の量を選ぶことにある。この場合、前述のそれぞれの測定値がそれらの連続した測定値を修正するために利用される。この場合、生物の酸素消費量が一定に維持される必要があり、かつ、それが基準値として使用される。このとき、吸引ポンプ１３は調節可能な定量ポンプとして作られている。このとき、例えば、吸引ピストン１４の往復工程の制御が行われる。
ＢＳＢが制御ユニット９の評価コンピュータ中でそれぞれ選択された希釈度から算出される。
同じ構造のもう１つの測定プローブをさらに使用することによって、ＢＳＢのほかに同時に廃水の毒性も測定できる。この目的のため、第１の測定プローブがＢＳＢを検出するために上述した方法で作動する。第２の測定プローブの場合には、毒性が廃水中に存在しない範囲内でバイオマスが最大限に酸素を消費するように希釈度を小さく設定するために、一層より多くの量の廃水が各測定サイクル中に反応容器１内へ吸入される。この場合、毒性のある廃水の場合でもその毒性によってその測定プローブの測定結果に影響与えないように、第１の測定プローブ内の希釈度は常に大きく選ばれる。それに反して、第２の測定プローブ内の希釈度は、毒性が廃水に生じるように常に高く選ばれる。そのため、廃水から成る混合物のＢＳＢ濃度及び希釈水は、第２の測定プローブ内が第１の測定プローブ内より少なくとも５倍高く目的に合うように選択される。したがって、両測定プローブが等しい廃水のＢＳＢ値を確認した場合には、毒性が存在しない。測定されたそれらの両ＢＳＢ値の差が毒性度を示す。
一定の廃水生物学的な酸素消費量は、通常の地方自治体の廃水の場合、ＢＳＢに対して約25mg/lまでほぼ線形である。例えば、ＢＳＢを測定するための説明した測定プローブの場合、ＢＳＢ濃度Ｘ_mが25mg/lの容積200mlのときに、約1mg O_z/minの酸素Ｙ_mが消費される。ＢＳＢ濃度がほぼ零の場合、基礎呼吸として約0.12mg O_z/minの酸素Ｙ_oが所定の時間内に消費される。これらから、一次方程式が得られる：
Y=Y_o+m X
Ｙは、0-25mg BSB/lに対するmg/minで示した生物学的なO_z消費量である。ここで、Ｙ_oは0.12mg O_z/minの基礎呼吸である。
これから、一次方程式の定数ｍが得られる：

これから、ＢＳＢ濃度Ｘ_m=25mg BSB/lが得られる。
廃水と希釈水の一定の比が1：20の場合、0-500mg/lの間のＢＳＢ濃度がＢＳＢ測定プローブにより検出できる。したがって、ＢＳＢは算出される：

この場合、ｎは希釈液の割合である。
数値例：

Claims (9)

1. 廃水試料が予め設定された希釈度で生化学的に中性な希釈水と混合され、酸素濃度が生化学溶液中で測定され、この酸素濃度は所定のバイオマスと希釈された廃水試料との生化学反応に基づいて生化学溶液中で生じる、廃水の生物学的酸素要求量（ＢＳＢ）を算出する方法において、断続操作中に予め設定された量の廃水試料が酸素で飽和された希釈水で満たされた生化学溶液に供給されて混合されること、単位時間当たりに生じる酸素消費量が測定されること、及び、生化学溶液が希釈水で洗い流されることを特徴とする方法。
2. 各方法のサイクル中に一定量の廃水試料を追加することによって、生化学溶液中の希釈度が一定に調節されること、及び、生物学的酸素供給量が単位時間当たりに生じる酸素消費量から算出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 各測定サイクル中に供給された廃水試料の量は、単位時間当たりの酸素消費量が予め設定された量に調節されるように定量されること、及び、生物学的酸素供給量がそれぞれ選択される希釈度から算出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 生化学溶液を収容する反応容器、廃水試料用の定量装置、希釈水用の給水装置、生化学溶液中の酸素濃度を算出する装置、及び生化学溶液用の循環装置を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法を実施する装置において、反応容器（１）は閉ざされた容器であり、希釈水用の給水管（１０）がその容器内に通じていること、酸素濃度を算出する装置はその反応容器（１）内に配置された１本の酸素プローブ（８）を備えていること、及び上記反応容器（１）は、廃水試料用の引込口として且つ生化学溶液（２）を洗い流す際の排出口としてはたらく１つの開口部（１２）を通じて検査すべき廃水とつながっていることを特徴とする装置。
5. 反応容器（１）は検査すべき廃水中に沈めることのできるプローブヘッドを形成することを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 廃水試料用の定量装置は反応容器（１）に連結している容積式設計の吸引ポンプ（１３）であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 吸引ポンプ（１３）は吸引ピストン（１４）又は容積式ピストンを有し、このピストンのシリンダ（１５）は反応容器（１）に通じていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 生化学溶液（２）用の循環装置は反応容器（１）中へ突出する攪拌器（６）であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
9. 酸素プローブ（１８）、吸引ポンプ（１３）及び攪拌器（６）はプローブソケット（４）内で一体化され、プローブヘッドとして作られた反応容器（１）がこれらと気密に連結されていることを特徴とする請求項４，５，６及び８に記載の装置。

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