JP4295635B2 - 活性汚泥の活性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、活性汚泥の活性評価方法に係り、水処理施設の処理能力診断等に用いることのできる活性汚泥の活性評価方法に関する。

活性汚泥を用いて窒素あるいはリンを除去する下水処理方法に関しては、使用する活性汚泥の活性を評価するための種々の方法が提案されている。

例えば特許文献１には、硝化阻害剤を用いないで測定した好気処理工程における反応液の酸素消費速度（呼吸速度）及び硝化阻害剤を用いて測定した前記反応液の呼吸速度との差から硝化による呼吸速度を求め、次いで、予め調べておいた硝化速度と前記硝化による呼吸速度との関係式から硝化速度を推定し、この硝化速度をもとに活性汚泥の活性を評価することが記載されている。
特開２００１−１０４９７９号公報

上記従来技術では、活性状況を表す硝化速度を評価するため酸素消費速度を測定する。この測定に際して、採取した活性汚泥を採取した状態のままで測定するため、採取時の水質の影響をうけ、活性汚泥本来の活性を評価できないことがある。また、硝化反応を評価するに際には、硝化反応を抑制する抑制剤として(アリルチオ尿酸)を使用することができる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、活性汚泥本来の活性を正確に評価することのできる活性評価方法を提供する。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

活性汚泥を含む反応液の前記活性汚泥を分離し、分離した活性汚泥と標準液を懸濁する工程と、標準液に置換した反応液にアンモニア性窒素を添加した系の酸素消費速度と何も添加しない系の酸素消費速度との差である酸素消費速度の増加分をもとに硝化速度を評価する工程を備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、活性汚泥本来の活性を正確に評価することのできる活性評価方法を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

活性汚泥を用いた窒素除去処理では、アンモニア性窒素（ＮＨ_４−Ｎ）を酸化して亜硝酸性窒素（ＮＯ_２−Ｎ）あるいは硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）を生成する硝化反応、及び生成した硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）を窒素ガスに還元して大気に放出する脱窒反応を利用する。

硝化反応は、好気条件で硝化菌（Nitrosomonas、Nitrobacterなど）が窒素１モル当り１．５モルあるいは２モルの酸素を消費する反応であり、次式で表すことができる。

ＮＨ_４ ^＋＋１．５Ｏ_２ → ＮＯ_２ ⁻＋Ｈ_２Ｏ＋２Ｈ^＋ （１）
ＮＨ_４ ^＋＋２．０Ｏ_２ → ＮＯ_３ ⁻＋Ｈ_２Ｏ＋２Ｈ^＋ （２）
脱窒反応は、嫌気条件で脱窒菌が有機物を電子供与体として利用し、硝酸性窒素（ＮＯ_３−Ｎ）を窒素ガスに還元する反応であり、次式で表すことができる。

２ＮＯ_３ ⁻＋５Ｈ_２ → Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋２ＯＨ⁻ （３）
このような生物学的窒素除去プロセスにおいては、硝化菌の増殖速度が脱窒菌に比して遅く、かつ菌体増殖量が少ないため、一般に硝化反応が反応全体を律速することになる。したがって、活性汚泥による窒素除去能力を評価するには硝化反応の活性を把握することが重要となる。

次に、活性汚泥を用いたリン除去処理では、嫌気条件で有機物を取り込みリンを放出するリン放出反応、及び好気条件でリンを摂取するリン摂取反応を利用する。

リン除去反応はリン蓄積菌（Acinetobacterなど）が酸素のような有効な電子受容体が無くエネルギーを生成しにくい環境で、ポリリン酸を利用してＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を再生し、これを嫌気条件で有機物を取り込むためのエネルギー源として利用する。嫌気条件で取り込まれた有機物は多糖やＰＨＡ（ポリヒドロキシ脂肪酸）として貯蔵され、好気条件で微生物の増殖に利用される。また、嫌気条件で蓄積された有機物の酸化分解によって生成するエネルギーの一部は加水分解されたポリリン酸の再合成に利用される。このように活性汚泥によるリン除去はリン放出反応とリン摂取反応が連動するためどちらか一方の活性を把握できれば、リン除去能力を評価できる。

リン摂取反応ではリンを取込むためのエネルギーを捻出するため、リンが存在すると酸化反応が促進すると考えられる。また、リン摂取反応ではマグネシウム、カリウムなども同時に摂取されることが報告されている。

したがって、リン摂取反応の進行に伴い、反応液の電気伝導度は低下することが予想される。

次に、本実施形態による活性汚泥の活性評価方法を説明する。まず、嫌気条件を経た活性汚泥を供試汚泥とし、この活性汚泥を含む反応液をＮＨ_４−Ｎ、ＰＯ_４−Ｐを含まず、かつ活性汚泥の活性を阻害しない標準液に置換した。標準液としてＭＯＰＳ（C₇H₁₅NO₄S：緩衝剤）5mmol／L溶液（NaOHを添加しpHを6.7〜7.0に調整）を使用した。置換は活性汚泥を沈降させ上澄液を標準液に置き換える方法、あるいはろ過により汚泥を回収した後、回収した汚泥を標準液に再懸濁させる方法で行うことができる。

次に標準液に置換した反応液を用いてＤＯ（溶存酸素）の経時変化、及び電気伝導度の経時変化を測定する。

（１）ＤＯの経時変化の測定方法
標準液に置換した活性汚泥を２分割し、その一方をＮＨ_４−Ｎを添加した添加系の試料とし、他方を何も添加しない無添加系の試料とする。次いで、添加系及び無添加系の試料に空気を供給し、各系のＤＯが８ｍｇ／Ｌに到達した後、空気の供給を停止し、ＤＯの経時変化を測定する。このとき、各系の液面にはプラスチック製ボール等を浮遊させて表面からの空気の溶解を遮断する。

（２）電気伝導度の経時変化の測定方法
標準液に置換した活性汚泥に空気を連続して供給し、ＤＯ不足により反応が律速にならないようにＤＯを５ｍｇ／Ｌ以上に維持し、この状態で電気伝導度を測定する。

ところで、好気条件下ではＮＨ_４−ＮをＮＯｘ−Ｎに酸化する硝化反応が進行する。ＮＨ_４−Ｎが存在すると酸化反応により酸素消費速度が増加すると仮定すると、酸素消費速度の増加量を用いて硝化速度を定量化することができる。

図１は、ＮＨ_４−Ｎ添加系、及び非添加系の試料のＤＯの経時変化とそのときのＮＯｘ−Ｎの経時変化の一例を示す図である。図に示すように、ＤＯは前記無添加系の試料及び添加系の試料ともに時間に比例して減少した。また、添加系の試料のＮＯｘ−Ｎ濃度は時間に比例して増加した。

ここで、酸素消費速度、及びＮＯｘ−Ｎ生成速度（硝化速度）を、ＤＯ、ＮＯｘ−Ｎの線形近似式と、その時の汚泥濃度から算出する。また、添加系の試料の酸素消費速度と無添加系の試料の酸素消費速度との差を酸素消費速度の増加分と定義する。

図２は、前記酸素消費速度の増加分と硝化速度の関係を示す図である。図に示すように、硝化速度は酸素消費速度の増加分に比例して増加し、次式で線形近似することができる。 ここでｙは硝化速度［ｍｇ／ｇＳＳ／ｈ］、ｘは酸素消費速度の増加分［ｍｇ／ｇＳＳ／ｈ］である。

ｙ＝０．２５・ｘ＋０．３６ （４）
すなわち、硝化速度ｙは酸素消費速度の増加分ｘによって定式化することができる。

次に、前述のように置換する標準液の組成が一定であれば、リン摂取反応によるＰＯ_４−Ｐの減少量と電気伝導度の減少量が相関すると仮定し、この仮定をもとに電気伝導度の減少速度を用いてリン摂取速度を評価する。

図３は、電気伝導度とＰＯ₄−Ｐの経時変化の一例を示す図である。図に示すように、電気伝導度はＰＯ_４−Ｐの添加（３００秒時点）により上昇し、その後、徐々に低下する。すなわち、リン摂取反応の進行に伴ってＰＯ_４−Ｐ濃度は時間とともに低下する。

リン摂取反応では、ポリリン酸形成のため、ＰＯ_４−Ｐと共にマグネシウム及びカリウムを取込むため反応液の電気伝導度が低下することになる。

すなわち、ＰＯ_４−Ｐ添加以前の電気伝導度はほぼ一定であり、ＰＯ_４−Ｐ添加後の電気伝導度は、リン摂取反応により減少する。電気伝導度とＰＯ_４−Ｐ濃度は時間に比例して低下するため、線形近似によって、電気伝導度減少速度とリン摂取速度を求めることができる。

図４は、電気伝導度減少速度とリン摂取速度の関係を示す図である。図に示すように、リン摂取速度は電気伝導度減少速度に比例して増加するため、次式で線形近似することができる。ここでｙはリン摂取速度［ｍｇ／ｇＳＳ／ｈ］、ｘは電気伝導度減少速度［μＳ／ｃｍ／ｇＳＳ／ｈ］である。

ｙ＝０．５８・ｘ−４．６２ （５）
すなわち、リン摂取速度は電気伝導度減少速度によって定式化することができる。

図５は、本発明の活性評価方法を水処理施設に適用した例を説明する図である。

流入水は、順次、嫌気槽３０、無酸素槽３１、好気槽３２、及び最終沈殿池３３を流れ、最終沈殿池３３を介して環境に排水される。嫌気槽３０ではリン蓄積菌からリンが吐き出され、無酸素槽３１では移送ポンプ４０によって好気槽３２から送られてきた硝化混合液が脱窒菌によって脱窒される。ブロワ４５によってエアレーションされている好気槽３２では、嫌気槽３０で吐き出した以上のリンが脱リン菌に取り込まれ、この脱リン菌を最終沈殿池３３から余剰汚泥ポンプ４４により吸引することによってリンを除去する。

好気槽３２からサンプリングポンプ４１によってサンプリングされた反応液は、遠心分離機またはろ過器等により構成した前処理装置２０によって自動的に活性汚泥とそれ以外の上澄液とに分離し、上澄液は標準液に置換する。次いで、置換した標準液と活性汚泥を再懸濁して、標準液に置換した反応液を得る。

前記処理装置２０での自動的に活性汚泥とそれ以外の上澄み液に分離する方法の一例を詳述する。

サンプリングポンプ４１によって定期的にサンプリングされた反応液は、遠心分離機および標準液貯留槽、懸濁槽で構成された前処理装置２０において、（１）遠心分離機によって活性汚泥とそれ以外の上澄液とに分離される。（２）分離した活性汚泥は標準液貯留槽から注入された標準液と懸濁槽にて懸濁され、上澄液は排水ポンプ４２によって排水される。（３）標準液と活性汚泥を再懸濁して得た反応液のＤＯ、電気伝導度から硝化速度、りん摂取速度を算出後、懸濁槽内の反応液は排水ポンプ４２によって排水される。

制御装置１０は、反応液のＤＯを検出しこの検出値をもとに硝化速度を算出する硝化速度算出部１０２、反応液の電気伝導度を検出しこの検出値をもとにリン摂取速度を算出しするリン摂取速度算出部１０２、及び算出した硝化速度及びリン摂取速度をもとに余剰汚泥ポンプ４４、ブロワ４５、撹拌器４６等を制御する制御部１０１を備える。これにより、適切な硝化速度、リン摂取速度を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、酸素消費速度を測定する以前に、反応液を活性汚泥の活性を阻害しない標準液に置換するので、採取時の水質の影響を除去し、活性汚泥本来の硝化反応及びりん摂取反応を評価することができる。また、リン摂取反応は電気伝導度の減少速度を用いて迅速に評価することができる。なお、ＤＯ計及び電気伝導度計は水処理施設に普及している測定器であり、新たな測定器を導入することなく容易に測定することができる。

ＮＨ_４−Ｎ添加系、及び非添加系の試料のＤＯの経時変化とそのときのＮＯｘ−Ｎの経時変化の一例を示す図である。 酸素消費速度の増加分と硝化速度の関係を示す図である。 電気伝導度とＰＯ₄−Ｐの経時変化の一例を示す図である。 電気伝導度減少速度とリン摂取速度の関係を示す図である。 本発明の活性評価方法を水処理施設に適用した例を説明する図である。

符号の説明

１０ 制御装置
２０ 前処理装置
３０ 嫌気槽
３１ 無酸素槽
３２ 好気槽
３３ 最終沈殿池
４０ 移送ポンプ
４１ サンプリングポンプ
４２ 排水ポンプ
４３ 返送汚泥ポンプ
４４ 余剰汚泥ポンプ
４５ ブロワ
４６ 撹拌器
１０１ 制御部
１０２ 硝化速度算出部
１０３ リン摂取速度算出部

Claims (5)

1. 活性汚泥を含む反応液の前記活性汚泥を分離し、分離した活性汚泥と標準液を懸濁する工程と、
   標準液に置換した反応液にアンモニア性窒素を添加した系の酸素消費速度と何も添加しない系の酸素消費速度との差である酸素消費速度の増加分をもとに硝化速度を評価する工程を備えたことを特徴とする活性汚泥の活性評価方法。
2. 活性汚泥を含む反応液の前記活性汚泥を分離し、分離した活性汚泥と標準液を懸濁する工程と、
   標準液に置換した反応液にアンモニア性窒素を添加した系の酸素消費速度と何も添加しない系の酸素消費速度との差である酸素消費速度の増加分をもとに硝化速度を評価する工程と、
   標準液に置換した反応液にリン化合物を添加した後の電気伝導度の減少速度をもとにリン摂取速度を評価する工程を備えたことを特徴とする活性汚泥の活性評価方法。
3. 請求項２記載の活性汚泥の活性評価方法において、
   リン化合物はＰＯ_４−Ｐであることを特徴とする活性汚泥の活性評価方法。
4. 請求項１または２記載の活性汚泥の活性評価方法において、
   標準液はアンモニア性窒素、及びリン化合物を含有しないことを特徴とする活性汚泥の活性評価方法。
5. 活性汚泥を用いて窒素を除去し、水を処理する水処理システムにおいて、
   処理対象の水に酸素を送るブロワを備える好気槽から得た液の前記活性汚泥を分離し、前記活性汚泥と標準液を懸濁する機能を有する前処理装置と、
   前記懸濁された液にアンモニア性窒素を添加した系の酸素消費速度と何も添加しない系の酸素消費速度との差である酸素消費速度の増加分をもとに硝化速度を評価し、前記好気槽の攪拌機又は酸素を送るブロワを制御する機能を有する制御装置とを有することを特徴とする水処理システム。

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