JP4381473B1

JP4381473B1 - 排水処理装置

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Publication number: JP4381473B1
Application number: JP2009074730A
Authority: JP
Inventors: 弘之菅坂; 鍾▲福▼ 趙; 克美森山
Original assignee: 弘之菅坂; 鍾▲福▼ 趙
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010221201A

Abstract

【課題】反応槽の特定位置での汚染物質の除去の進行度を把握し、その進行度から個別の散気手段にて特定位置での酸素供給量を調節する排水処理装置を提供する。
【解決手段】排水処理装置は、流入端から流出端まで排水の流れに沿って複数の送風制御領域に分割されている。各々の領域にセンサと、散気手段と、可変式送風バルブを設けている。センサから得られる情報に基づいて可変式送風バルブと送風手段とを制御することによりそれぞれの送風制御領域における空気の送風量を調節する。
【選択図】図２

Description

この発明は、汚染物質の除去を行うために連続的に排水を流入させる生物学的排水処理装置に関する。

従来より、排水中の有機物や窒素成分を除去する排水処理方法としては、それぞれ標準活性汚泥法や、様々な生物学的窒素除去法など、反応槽の全体または一部に、あるいは回分式の処理法にあっては時間を区切って空気を送風する生物学的処理法が知られている。具体的には、有機物除去を目的とした標準活性汚泥法では反応槽全体を好気性状態にするために、反応槽全体に空気を送風する。しかし、送風に関して制御をしないケースも多く、流入する排水水質および流入水量の両方の変動により必要空気量の時間変動があるにも拘わらず、送風手段の出力は最大もしくはそれに近い一定出力で運転し続け、過剰な動力エネルギーを消費している。送風を制御するケースとしては、流入水流量と送風量を一定の比率にする流入水流量比例制御、反応槽の定点の或るセンサ値を一定値に制御する方式があるが、必要空気量の時間変動や反応槽形状によっては過不足が生じており、最適化は達成されていない。

一方、連続的に排水を流入させる生物学的窒素除去法では、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する硝化槽と硝酸性窒素を窒素ガスに還元する脱窒槽との２種類の槽が一つずつ、もしくは複数設けられている。硝化槽ではその槽内を好気性状態にするために空気を送風し、脱窒槽ではその槽内を無酸素状態にするために空気を送風しない方式があり、硝化槽の送風量が過剰にならないような何らかの制御はなされている。また、硝化と脱窒を同時並行的に完全混合型の反応槽で達成することから、硝化槽と脱窒槽の区別のない反応槽全体に空気を送風する方式もあり、この場合は、硝化槽と脱窒槽を有する窒素除去法よりは高度な制御法を使用している。

断続的に排水を流入させる方式である回分式の生物学的窒素除去法では、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する硝化時間帯は好気性状態にするために空気を送風し、硝酸性窒素を窒素ガスに還元する脱窒時間帯は、無酸素状態にするために空気を送風しない。回分式での送風制御は、このように基本的には送風（設備）のオンとオフの制御であり、その制御方式には、時間設定による方式、好気状態を示す水質となる溶存酸素およびまたは酸化還元電位の動きにより硝化完了を判定する方式、あるいは硝化によるアルカリ度の減少とｐＨの低下の関係を利用して硝化完了を判定するｐＨによる方式などがあるが、いずれも基本的には硝化完了を判定して送風のオン／オフを決める方式であり、また、回分式は完全混合型反応槽を利用することから、その制御の困難性は、連続的に排水を流入させる方式よりは遙かに低い。

このような従来技術の中で、硝化と脱窒を同時並行的に完全混合型の反応槽で達成することから、硝化槽と脱窒槽の区別のない反応槽全体への空気の送風制御技術として、特許文献１および特許文献２が開示されている。
特許文献１，２に記載の装置は、生物処理によって排水の硝化及び脱窒を同時に行う単一の反応槽を有している。この反応槽には、数種類のセンサ（蛍光測定センサ、ｐＨセンサ、溶存酸素濃度センサ）がその位置を特定せずに反応槽内に配設されている。このセンサから排水の硝化脱窒の反応状況を反応状況判断部で算出する。算出されたデータに基づき、酸素供給部の運転を制御部にて制御する。

特表平１１−５０４８５４号公報特開２００５−１９３２３６号公報

特許文献１，２に記載の発明の内容は、各種センサの設置位置に関する記述がないことから、連続流入式の完全混合型反応槽への適用を述べている。完全混合型反応槽の特徴は、反応槽全体で各種水質成分濃度、微生物活性あるいは反応状態が均等で変動が少ないことである。このため、センサの配置場所を特定する必要が無く、何処に配置してもその得られる値としては、均一な代表的値が得られる。また、その情報を用いた送風制御も常に槽全体が均一なものとして制御されることとなる。したがって、制御機構としては、硝化槽と脱窒槽を個別に有する窒素除去法よりは高度であるが、制御の容易な環境であることから適切な負荷量の範囲であれば、制御目的の達成もまた容易と言える。
しかしながら、実際の生物学的排水処理装置のほとんどは完全混合型ではなく、その対局にある細長い形状の押し出し流れ型と呼ばれる反応槽として建設されている。この押し出し流れ型反応槽の場合は、流入端から流出端に沿って、各種水質成分濃度や微生物活性が変化し不均一となる。また、流入水質の時間変動があるため、その不均一の分布形状は、時々刻々変化する。つまり、押し出し流れ型反応槽内での特定の位置の必要空気量も時々刻々変化する。このため、空気の必要な箇所と不必要な個所があるにもかかわらず、一律に、もしくは固定された送風量分布で空気を供給すると、空気に過不足が生じることになる。この結果、汚染物質の除去効率も悪く、また、空気供給部に送風する送風手段も無駄なエネルギーを消費することにもなる。この欠点は、有機物除去を目的とした標準活性汚泥法でも課題となっており、この解決は、有機物除去、窒素除去を問わず処理水質の向上と送風に要する電力の削減に大きく貢献する。

本発明では、流入端から流出端まで排水の流れに沿って複数の送風制御領域に分割された押し出し流れ型反応槽にあって、それぞれの送風制御領域での汚染物質の除去の進行度をセンサを用いて把握し、その進行度から個別に散気手段にてそれぞれの領域ごとの送風量を調節することで、除去効率と送風効率の高い排水処理装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、流入端から流出端まで排水の流れに沿って複数の送風制御領域に分割され、供給された排水を硝化細菌と通性嫌気性微生物とを含む微生物フロックを用いて微生物処理することによって排水中の窒素に対してそれぞれの送風制御領域において硝化および脱窒を同時に行う反応槽と、それぞれの送風制御領域内に一つずつ設けられ、排水中に散気する複数の散気手段と、それぞれの送風制御領域ごとに設けられ、排水中の溶存酸素濃度を測定する複数の溶存酸素濃度センサと、上記複数の散気手段のそれぞれに対して必要な量の空気を送風する送風手段と、それぞれの散気手段とこの送風手段との間にそれぞれ介在された複数の可変式送風バルブと、上記反応槽の全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に設けられ、上記微生物フロックに紫外線を照射することで微生物が発する生物蛍光体の蛍光量を測定する１個の蛍光測定センサと、を有し、好気的条件で減少する特性を有する生物蛍光体の蛍光量の上限値及び下限値を設定し、排水中の生物蛍光体の蛍光量を上記蛍光測定センサを用いて測定し、測定した生物蛍光体の蛍光量が上限値を超えるとき、すべての送風制御領域において送風する空気の流量を現在の流量より増加させ、測定した生物蛍光体の蛍光量が下限値未満のとき、送風する空気の流量を現在の空気の流量より減少させることにより生物蛍光体の蛍光量を上記上限値と上記下限値との間に収め、その後、蛍光量が上記上限値と上記下限値との間のときは、それぞれの送風制御領域での排水中の溶存酸素濃度を、それぞれの溶存酸素濃度センサを用いて測定し、測定した溶存酸素濃度から溶存酸素消費速度を算出し、算出した溶存酸素消費速度が増加したときは送風する空気の流量を増加させ、算出した溶存酸素消費速度が減少したときは送風する空気の流量を減少させる排水処理装置である。

請求項１に記載の発明によれば、反応槽は複数の送風制御領域に分割されている。各送風制御領域の面積が略等しくなるように分割してもよく、この面積がそれぞれ異なるように分割してもよい。これらの送風制御領域に排水が流れる。各々の送風制御領域に設けられた複数の溶存酸素濃度センサと、上記反応槽の全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に設けられた１個の蛍光測定センサとにより排水中の硝化および脱窒の反応状態を判断し、それに基づいて、各々の送風制御領域において送風する空気の量を調節する。
このため、各々の送風制御領域での硝化と脱窒とを同時に行うのに過不足のない空気の送風量になり、反応槽全体で適切な送風量の空気を排水に供給することができる。また、その適切な送風量にみあう送風手段（ブロワ）の出力およびまたは送風手段を構成する機器（ブロワ）台数の制御により、およびまたは可変式送風バルブの開閉度の制御により、送風に必要な電力消費の節約に貢献するものである。さらに、硝化と脱窒が同時並行的に進行することから、硝化槽と脱窒槽とを個別に有する生物学的窒素除去法より、反応槽容積を大幅に縮小することができる。
さらにまた、上記反応槽にあってその全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に１個の蛍光測定センサが配設されている。これにより、溶存酸素濃度センサと蛍光測定センサとを用いる場合、すべての送風制御領域毎に蛍光測定センサを配設しなくても、１個の蛍光測定センサを配設するだけで、反応槽の状態を把握することができる。反応槽の全長において上記流入端から１／２の位置までの領域に１個の蛍光測定センサを配設した場合、センサ設置位置としては流入端に近すぎるため、送風量制御が良好に機能しないことが実験により確かめられている。つまり、反応槽の全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に配設する必要がある。

上記流入端とは、未処理の上記排水が上記反応槽に流入する入口のことをいう。上記流出端とは、処理されたこの排水がこの反応槽から流出する出口のことをいう。
上記複数の送風制御領域とは、この反応槽内に設けられた上記散気手段による散気によって各種水質成分濃度や微生物活性が影響を受ける領域をさす。この反応槽内に複数の散気手段が設けられていることから、散気手段と同数の送風制御領域を有することになる。なお、送風制御領域間には、その一部に通水口を有する隔壁や、多数の孔を有する隔壁状の整流板が設けられてもよい。また、一つの送風制御領域内が隔壁または整流板で複数に分かれていてもよい。
上記排水としては、下水、汚水、し尿、畜産排水、産業排水等を対象とすることができる。
上記散気手段は、後述する送風手段から送られた空気を細かい気泡にして送風制御領域中の排水に吹き込み、微生物が必要とする空気（酸素）を供給する装置であり、その先端には例えば、散気板、円形式散気板、多孔性散気筒、フレキシブルチューブ、ディスクディフューザ、スパージャ、多孔管、水中撹拌式エアレーション装置等の散気装置が装着される。
上記可変式送風バルブの開閉度の制御とは、上記複数の可変式送風バルブの開閉度をそれぞれ個別に制御することをいう。
上記送風手段は、各散気手段に空気を送る送風機である。送風機の機種は送風量、送気圧等を勘案して選定する。例えば、遠心式ターボブロワ、多段ターボブロワ、単段増速ブロワ、容積型回転式ブロワ等を挙げることができる。送風手段は、単一のブロワで構成することも、複数のブロワにより構成することもできる。複数のブロワにより送風手段を構成した場合、全てのブロワから全ての散気手段に送風を可能とすることができる。または、複数の散気手段のそれぞれに対応して複数のブロワを配設することもできる。
上記送風手段の動作の制御とは、１台のブロワの動作を制御すること、複数のブロワの動作をそれぞれ個別に制御することを意味する。例えば、各ブロアの出力（送風量）を制御すること、作動するブロアの台数を増減することを含む。

上記蛍光測定センサは、汚染物質の除去を担う、反応槽中に浮遊させた微生物に含まれる生物蛍光体の蛍光量を測定するセンサである。この蛍光測定センサは微生物に含まれる生物蛍光体の量が生息環境により変化し、特定の励起波長により特定の波長の蛍光を発する特性を利用している。
生物蛍光体としては、生体（生細胞）によって合成され、分子に光を照射すると蛍光を発する物質が用いられる。例えば、タンパク質類、特にトリプトファン含有タンパク質類やチロシン含有タンパク質類；トリプトファン含有ペプチド類やチロシン含有ペプチド類；トリプトファンやチロシンを含有するアミノ酸や誘導体；補助因子類；プリン類、ピリミジン類、ヌクレオシド類、ヌクレオチド類、核酸類、ステロイド類、ビタミン類等が挙げられる。具体的には、ＮＡＤＨ（還元ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）、ＮＡＤＰＨ（リン酸ニコチンアデニンジヌクレオチド）等の補酵素、ＡＴＰ（アデノシン三リン酸）、ＡＤＰ（アデノシン二リン酸）、チロシン、トリプトファン、アデニン、アデノシン、エストロゲン酸、ヒスタミン、ビタミンＡ、フェニルアラニン、ｐ−アミノ安息香酸、ドーパミン（３，４−ジヒドロキシフェニルエチルアミン）、セロトニン（５−ヒドロキシトリプトアミン）、３，４−ジヒドロキシフェニルアラニン、キヌレニン、ビタミンＢ１２等を挙げることができる。

上記微生物処理とは、硝化機能を有する硝化細菌と脱窒素機能を有する通性嫌気性微生物を含む微生物フロックにより排水中の窒素に対して硝化、脱窒を行うことである。

蛍光測定センサから得られる生物蛍光体の濃度（蛍光量）からは、硝化機能を有する硝化細菌と脱窒素機能を有する通性嫌気性微生物による硝化反応の進行度と脱窒反応の進行度とを判断することができる。好気的条件で減少する特性を有する蛍光を利用するなら、蛍光測定センサから得られる蛍光量が多い場合、硝化反応が抑制されていると判断できる。逆に蛍光量が少ない場合、脱窒反応が抑制されていると判断できる。そこで、蛍光量の制御範囲を設定し、蛍光量がその制御範囲での上限値を超えればすべての送風制御領域において送風する空気の量を増やし、蛍光量がその制御範囲での下限値より低ければ、送風する空気の量を減らす。
溶存酸素濃度センサから経時的に得られる溶存酸素濃度からは、溶存酸素消費速度を演算し、その速度が時間経過に従って上昇傾向にあるか、下降傾向にあるかを判断することができる。溶存酸素消費速度が上昇傾向にある場合、酸素要求物質すなわち硝化の対象となるアンモニア性窒素の濃度が高い、もしくは高くなりつつあることを示しているので、送風制御領域ごとに送風する空気の量を増やし、溶存酸素消費速度が下降傾向にある場合、硝化の対象となるアンモニア性窒素の濃度が低い、もしくは低くなりつつあることを示しているので、送風する空気の量を減らす。

以上のような操作を行うことで、各々の送風制御領域において硝化と脱窒が同時に進行するのに過不足のない空気の送風量になり、反応槽全体で適切な送風量の空気を排水に対して供給することができる。また、その適切な送風量にみあう送風手段（ブロワ）の出力およびまたは送風手段を構成する機器（ブロワ）台数の制御により、およびまたは可変式送風バルブの開閉度の制御により、送風に必要な電力消費の節約に貢献するものである。さらに、硝化と脱窒が同時並行的に進行することから、硝化槽と脱窒槽を有する生物学的窒素除去法より、反応槽容積を大幅に縮小することができる。

請求項２に記載の発明は、流入端から流出端まで排水の流れに沿って複数の送風制御領域に分割され、供給された排水を硝化細菌と通性嫌気性微生物とを含む微生物フロックを用いて微生物処理することによって排水中の窒素に対してそれぞれの送風制御領域において硝化および脱窒を同時に行う反応槽と、それぞれの送風制御領域内に一つずつ設けられ、排水中に散気する複数の散気手段と、それぞれの送風制御領域ごとに設けられ、排水中の溶存酸素濃度を測定する複数の溶存酸素濃度センサと、上記複数の散気手段のそれぞれに対して必要な量の空気を送風する送風手段と、それぞれの散気手段とこの送風手段との間にそれぞれ介在された複数の可変式送風バルブと、上記反応槽の全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に設けられ、上記微生物フロックに紫外線を照射することで微生物が発する生物蛍光体の蛍光量を測定する１個の蛍光測定センサと、上記反応槽の全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に設けられた補助センサと、を有し、この補助センサは、上記排水のアンモニア濃度を測定するアンモニアセンサおよびまたは上記排水のｐＨを測定するｐＨセンサであり、好気的条件で減少する特性を有する生物蛍光体の蛍光量の上限値及び下限値を設定し、排水中の生物蛍光体の蛍光量を蛍光測定センサを用いて測定し、測定した生物蛍光体の蛍光量が上限値を超えるとき、すべての送風制御領域において送風する空気の流量を現在の流量より増加させ、測定した生物蛍光体の蛍光量が下限値未満のとき、空気の流量を現在の流量より減少させることにより、上記生物蛍光体の蛍光量を生物蛍光体の蛍光量の上限値と下限値との間に収めると同時に、排水のアンモニア濃度およびまたは排水のｐＨの上限値及び下限値を設定し、排水のアンモニア濃度およびまたは排水のｐＨを上記アンモニアセンサおよびまたはｐＨセンサを用いて測定し、測定した排水のアンモニア濃度およびまたは測定した排水のｐＨが上限値を超えるとき、すべての送風制御領域において送風する空気の流量を現在の空気の流量より増加させ、測定した排水のアンモニア濃度およびまたは測定した排水のｐＨが下限値未満のとき、すべての送風制御領域において送風する空気の流量を現在の空気の流量より減少させることにより、上記排水のアンモニア濃度およびまたは上記排水のｐＨを排水のアンモニア濃度およびまたは排水のｐＨの上限値と下限値と、の間に収め、その後、上記生物蛍光体の蛍光量が生物蛍光体の蛍光量の上限値と下限値との間に収まり、かつ、上記排水のアンモニア濃度およびまたは上記排水のｐＨが排水のアンモニア濃度およびまたは排水のｐＨの上限値と下限値との間に収まっている間、各送風制御領域での排水中の溶存酸素濃度を溶存酸素濃度センサを用いてそれぞれ測定し、測定した溶存酸素濃度から溶存酸素消費速度を算出し、算出した溶存酸素消費速度が増加したときは、送風する空気の流量を増加させ、算出した溶存酸素消費速度が低下したときは、送風する空気の流量を減少させる排水処理装置である。
この場合の補助センサは、上記蛍光測定センサ、溶存酸素濃度センサの他に設けるセンサであって、補助センサとしてアンモニアセンサを配設する場合、補助センサとしてｐＨセンサを配設する場合、補助センサとしてアンモニアセンサおよびｐＨセンサを配設する場合を含む趣旨である。

蛍光測定センサ、溶存酸素濃度センサは、硝化反応の対象水質成分であるアンモニア性窒素を直接計測できるものではない。そこで、アンモニア性窒素を直接計測できるアンモニアセンサの測定値を請求項１に記載の発明に係る制御方式に組み込むことで、硝化の制御精度を高めることができる。
また、蛍光測定センサ、溶存酸素濃度センサは、脱窒反応の対象水質成分である硝酸性窒素を直接計測できるものでもない。一方、化学量論的に硝化反応では硝化されるアンモニア性窒素１ｍｇ当たり排水中のアルカリ度が約７ｍｇ消費され、脱窒反応では脱窒される硝酸性窒素１ｍｇ当たり約３．５ｍｇのアルカリ度が生成される。硝化と脱窒が同時に進行しているときには、これらの消費と生成の化学量論的計算から、硝化・脱窒同時反応により除去したアンモニア性窒素１ｍｇ当たり約３．５ｍｇのアルカリ度が消費され、それに見合うｐＨの減少が観測できることになる。そこで、ｐＨを測定することで、硝化反応が優先しているか、硝化と脱窒反応が同時並行的に進行しているか等の硝化と脱窒の同時進行の程度を判断できるので、ｐＨの測定値を請求項１に記載の発明に係る制御方式に組み込むことで、硝化・脱窒同時反応の制御精度を高めることができる。

本発明の排水処理装置によれば、反応槽は複数の送風制御領域に分割され、これらの複数の送風制御領域ごとにセンサを設け各々の送風制御領域ごとに排水処理の状態を確認するため、反応槽全体の排水処理の状態を確実に把握することができる。
これらの送風制御領域ごとに設けられたセンサに基づいて、各々の送風制御領域の空気の送風量を調節することができるため、各々の送風制御領域に過不足のない送風量になり、反応槽全体で適切な送風量の空気を排水に供給することができる。
また、過剰な空気を送風することがないため、送風手段にかかる電力などのエネルギーを節約することが可能となり、排水処理に係る経費を軽減することもできる。さらに窒素除去法においては硝化と脱窒が同時並行的に進行することから、硝化槽と脱窒槽を有する生物学的窒素除去法より、反応槽容積を大幅に縮小することが出来る。

本発明の排水処理装置を用いた排水処理システムを示すフローシートである。本発明の実施例１に係る排水処理装置を示す模式図である。本発明の実施例１に係る微生物フロックを示す断面図と、この微生物フロック内の溶存酸素濃度分布を示すグラフである。本発明の実施例１に係る排水処理装置における排水処理を行ったときのＮＡＤＨ蛍光量と総窒素量の関係を示すグラフである。本発明の実施例１に係る排水処理装置にて排水処理を行ったときのＮＡＤＨ蛍光量とｐＨと溶存酸素濃度の日間変動を示すグラフである。本発明の実施例１に係る排水処理装置にて排水処理を行ったときの処理前後の総窒素量と、処理後のアンモニア性窒素の濃度の経日変化を示すグラフである。本発明の実施例２に係る排水処理装置を示す模式図である。本発明の実施例２に係る排水処理装置における送風手段の出力および送風手段を構成する機器（ブロワ）台数の制御を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の排水処理装置を用いた排水処理システムを示すフローシートである。
図１において、排水処理システムに流入した排水は、まず、スクリーン１にて粗大浮遊物等を除去される。スクリーン１の下流に沈砂池２が設けられ、スクリーン１を通過した排水に含まれる砂等の固形物を沈砂池２にて沈降分離させる。
沈降分離された排水の反応槽への流入量は、流量調整槽３にて調整される。流量が調整された排水は、最初沈殿池４にて排水の懸濁物質等が沈降分離される。その後、懸濁物質等が沈降分離した排水は、押出流れ型反応槽１１（以下、反応槽１１と記述する。）にて、微生物処理により汚染物質が除去される。また、この反応槽１１に対しては送風機１５（送風手段）により空気が供給されるよう構成されている。
汚染物質が除去された排水は、最終沈殿池６にて微生物や、反応槽１１にて生じた汚泥が沈降し固液分離される。固液分離された排水は、消毒及び放流槽７にて消毒され、処理水として河川等に放流される。
なお、排水の種類に応じて、流量調整槽３や最初沈殿池４を省略して排水処理システムを構成して運転することも可能である。この場合は、沈砂池２から流出した排水が最初沈殿池４に直接流入されるように、又は、流量調整槽３から流出した排水が反応槽１１に直接流入されるように配管を連結して排水処理システムが構成される。

図２は、本発明の排水処理装置１０を示す模式図である。
この排水処理装置１０は、反応槽１１の底面に４つの散気手段１３が排水の流れに沿って等間隔となるように取付けられている。これらの散気手段１３は、４つのバルブ１４にそれぞれ連結されており、これらのバルブ１４は送風機１５（送風手段）に連結されている。また、各バルブ１４は、これに付設された４つのバルブ開閉装置１４ａによりそれぞれその開閉度が制御される構成である。
この散気手段１３は、送風機１５から送られた空気を微細な気泡にして送風制御領域中の排水に吹き込み、反応目的に適した空気を供給する。この散気手段１３は、円筒状の主筒に複数の散気装置（ディフューザ）が取り付けられて構成されている。空気は主筒から供給され、散気装置の気孔から微細な気泡となって排出される。
反応槽１１にあっては、これらの散気手段１３の上方に４つの溶存酸素濃度センサ１２ａがそれぞれ対応して設けられている。また、この反応槽１１の流入口１１ａから反応槽１１の流出口１１ｂに向かってその全長の３／４の位置にＮＡＤＨセンサ１２ｂとｐＨセンサ１２ｃが設けられている。これらの溶存酸素濃度センサ１２ａとＮＡＤＨセンサ１２ｂとｐＨセンサ１２ｃの出力信号ケーブルは、反応判断・風量制御装置１６に連結されており、この反応判断・風量制御装置１６は、制御信号ケーブルを介して、バルブ開閉装置１４ａおよび送風手段１５に連結・接続されている。

上記反応槽１１には、後述する４つの散気手段１３が設けられており、隣り合う散気手段１３間の中間位置を境に４つの送風制御領域が自ずと形成される。つまり、この反応槽１１は、流入口１１ａから流出口１１ｂに向かってその流れに沿って４つの送風制御領域に等分割されている。
この反応槽１１は、排水が流入する流入口１１ａ（流入端）と、排水が流出する流出口１１ｂ（流出端）を有している。つまり、排水は流入口１１ａから流入し、直線的な１本の流れを構成して流出口１１ｂから排出される。なお、反応槽の平面形状としては矩形に限られず、円形その他の形状を呈する場合も含まれる。要は、反応槽１１内に流入口１１ａから流出口１１ｂに向かって１本の流れを形成する場合、この流れに沿って複数の送風制御領域を設けるものである。
ここで、この反応槽１１内には硝化機能を有する硝化細菌と脱窒素機能を有する通性嫌気性微生物を含む微生物フロック１００が浮遊している。この微生物フロック１００の内部における酸素濃度分布、溶存酸素の存在しない脱窒反応領域、溶存酸素の存在する硝化反応領域は、図３のように、イメージすることができる。曲線（ｂ）として示す溶存酸素濃度分布の場合、硝化反応がフロック外周域１１０（硝化反応領域）で生じ、その内部領域１２０（脱窒反応領域）で脱窒反応生じることから、この溶存酸素濃度分布（ｂ）が好ましい制御状態である。曲線（ａ）の場合は、溶存酸素がフロック中心部まで存在するため、硝化反応は生じるが、脱窒反応は生じない状況である。このときは送風量を下げることになる。曲線（ｃ）の場合は、その逆の状況であり、送風量を上げることになる。
或る時刻の送風量によって好ましい溶存酸素濃度分布（ｂ）があったとしても、流入する排水中の酸素を消費する有機物やアンモニア性窒素の濃度は時々刻々変化するので、（ａ）や（ｃ）に遷移しようとするので、複数のセンサ値の変化に基づき、演算と判断によって曲線（ｂ）の状況となるように送風制御することになる。

また、上記反応槽１１の底部には、４つの散気手段１３が排水の流れに沿って等間隔に取り付けられている。これらの散気手段１３の上方には吊り下げ状に保持された溶存酸素濃度センサ１２ａがそれぞれ設けられている。そして、流入口１１ａから反応槽１１の流下方向にあってその全長さの３／４の位置には、吊り下げ状に保持されたＮＡＤＨセンサ１２ｂとｐＨセンサ１２ｃとが設けられている。
この溶存酸素濃度センサ１２ａは、排水中の溶存酸素濃度を測定するセンサである。この溶存酸素濃度センサ１２ａは、この溶存酸素濃度センサ１２ａの配置された送風制御領域の溶存酸素消費速度を演算するために溶存酸素濃度を測定する。
ＮＡＤＨセンサ１２ｂは、ＮＡＤＨ（還元ニコチンアミノアデニンジヌクレオチド）に光を照射することにより蛍光を発する原理に基づき、微生物の呼吸が、硝化反応状態である溶存酸素用いた通常の好気的呼吸か、脱窒反応状態である硝酸性窒素に含まれる化学的結合酸素を利用したいわゆる硝酸呼吸か、あるいはこれら二つの反応と異なり酸素を要しない嫌気反応状態であるかを判断できる情報をリアルタイムで取得できるセンサである。具体的には、上記の微生物フロック内部が、硝化と有機物酸化が生じる好気的呼吸状態、脱窒が生じる硝酸呼吸状態、嫌気状態の順に大きなＮＡＤＨ値（生物蛍光体の濃度に相当する）となるように変化する。ＮＡＤＨ値での目標とする制御値としては、好気的呼吸状態と硝酸呼吸状態で得られる２つの値で挟まれた範囲の値を採用することで、硝化と脱窒を同時進行させる。
ｐＨセンサ１２ｃは、硝化反応によるアルカリ度の消費と脱窒反応によるアルカリ度の生成との結果としてのｐＨの変化を測定し、その変化から硝化・脱窒の同時進行の程度、もしくは、硝化と脱窒のいずれかへの反応の偏りをｐＨの変化として確認し、このことにより、ＮＡＤＨによる硝化と脱窒の同時進行の制御をさらに安定させる。

上記送風機１５は、ケーシング内に収められた羽根車を高速回転させ、羽根を通過する気体の運動量の増加によって、圧力と速度を高めるブロワである。この送風機１５の回転数を増減することで送風量の増減を制御できる。

上記バルブ１４は、上記散気手段１３と送風機１５との間に設けられた、空気の送風量を調節する部材である。これらのバルブ１４には、電動モータで構成されてその弁体を開閉するバルブ開閉装置１４ａがそれぞれ連結されている。このバルブ開閉装置１４ａは、後述する反応判断・風量制御装置１６から送信された制御信号に基づいて連結されている各々のバルブ１４の開閉度を調節する。

反応判断・風量制御装置１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏなどで構成され、多数の部品を保護しながら外部の湿気に影響を受けないように防水処理された外箱、演算プログラムが記録・格納された反応状況判断部と、送風量制御部とを収納するための内箱を備えている。反応判断・風量制御装置１６の内箱は、判断部と送風量制御部とが収納されるように空間及び位置が確保されており、内箱の一側面には判断部、送風量制御部及びその他の部品に電源が供給できるように電源供給端子と連通されるよう孔部が形成されている。
反応判断部に格納された演算プログラムは、微生物の反応状態を反映する蛍光量を測定する蛍光測定センサ１２ｂと、ｐＨセンサ１２ｃと、反応槽１１内の送風制御領域別の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃度センサ１２ａとで測定され、入力された信号から得られる蛍光変化量、ｐＨ変化量及び溶存酸素消費速度に基づき、反応が硝化優先、脱窒優先、硝化脱窒同時進行のどの状況にあるかを判断するための条件式で構成されている。
制御部は、上記反応判断部で判断された反応状況に基づいて、各々の送風制御領域において必要な空気の送風量を算出し、バルブ開閉装置１４ａに信号を送信する装置である。
制御の流れは、まず（１）ＮＡＤＨ値とｐＨとがそれぞれの目標の制御領域に収まるまで、すべての送風制御領域で送風増加もしくは送風削減とする。（２）つぎにＮＡＤＨ値とｐＨが目標制御領域に収まると、それぞれの送風制御領域の溶存酸素消費速度が一定の時間帯は、同一の送風量とする。溶存酸素消費速度が低下傾向を示せば、送風量を削減し、低い溶存酸素濃度へ遷移させる。逆に、溶存酸素消費速度が増加傾向を示せば、送風量を増加し、高い溶存酸素濃度へ遷移させる。この操作をそれぞれの送風制御領域で個別に独立して作動させる。（３）さらに時間経過により、ＮＡＤＨ値とｐＨとが目標の制御領域から逸脱もしくは逸脱する傾向を示したら、すべての送風制御領域を同時に、ＮＡＤＨ値とｐＨとを目的の制御領域に収斂させる方向の増もしくは減の送風制御を作動させる。すなわち、上記（１）に戻ることになり、つまりは、このような（１）〜（３）のループが制御の流れとなっている。

以下に、上記構成からなる排水処理装置１０にて、硝化脱窒同時反応処理を行った例を示す。

まず、送風制御領域を４領域とした排水処理装置１０にてＮＡＤＨの蛍光量の基準値を決定するための処理実験を行った。具体的には、体積が６４ｍ^３の反応槽に、排水を連続流入させた。排水は分流式都市下水処理場の最初沈殿池流出水であり、排水の「生物化学的酸素要求量／総窒素量」比が２．５〜４．５、処理水量が３００ｍ^３／日、反応槽滞留時間が５．２時間、処理を担う生物フロックの濃度が平均３５００ｍｇ／Ｌ、汚泥返送率が４０〜５０％になるような状態で排水処理装置を運転した。反応槽には、４つの送風制御領域となるように４つの散気手段１３を排水の流下方向に配置した。ＮＡＤＨセンサとｐＨセンサを、第３と第４の送風制御領域の境界付近にそれぞれ１機設置した。各送風制御領域には溶存酸素濃度センサも配置した。ＮＡＤＨの蛍光量の増減は散気手段１３から送風される空気の送風量により調整を行った。水温変化の影響を受けないよう短時日の期間で処理実験を実施した。このため、すべての実験ケースでの水温は、２０〜２１℃のほぼ一定とみなせる結果であった。この処理結果からＮＡＤＨによる蛍光量と総窒素量の関係について図４のグラフを得た。このグラフにおいて一番低い総窒素濃度となったＮＡＤＨの蛍光量を最適なＮＡＤＨの蛍光量とした。具体的には２１．５〜２２．５の範囲とした。
微生物の種類は、硝化・脱窒反応に関しては、亜硝酸細菌、硝酸細菌、脱窒細菌の３種類である。亜硝酸細菌ではNitrosomonas、硝酸細菌ではNitrobacter、そして、脱窒細菌では通性嫌気性のPseudomonas denitrificans等が代表的な微生物である。また、同時に機能する有機物の生物学的好気性分解では、ZoogloeaやSphaerotilus等の細菌類、鞭毛虫類や繊毛虫類などの原生動物、輪虫類や貧毛類等の後生動物等の微生物が利用される。
また、上記実験時におけるｐＨと処理水窒素形態の関係から、好適なｐＨとして６．４前後が得られ、溶解性全窒素（ＤＴＮ）が８ｍｇ／Ｌとなることが分かった。この範囲を下回るｐＨ６．３前後では、アンモニア性窒素は低濃度となるが、硝酸性窒素が高濃度で残留し、硝化過多となり、従って脱窒反応が抑制されることからＤＴＮも１２〜１４ｍｇ／Ｌの高い濃度を呈した。
一方、ｐＨ６．８前後では、ほとんど硝化反応が生じず、ＤＴＮが１８ｍｇ／Ｌであり、排水中の窒素成分のほとんどがアンモニア性窒素であった。このｐＨと硝化反応の程度に関する関連性を制御プログラムに構成することでｐＨセンサが、ＮＡＤＨによる硝化と脱窒の同時進行の制御をさらに安定させることができる。なお、上記のｐＨの好適な範囲は、処理対象となる排水の処理前のｐＨや、含まれるアルカリ度、緩衝能によって変化するので、対象排水ごとに異なる。

次に、上記処理と同じ条件で長期の排水処理を行った。ただし、長期に渡るため上記実験と異なり水温は１３〜２７℃の範囲で変化した。図５は、ＮＡＤＨの蛍光量、流入口に近い第１送風制御領域および流出口に近い第３送風制御領域の溶存酸素濃度の日間変動を示すグラフである。図４にて求められたＮＡＤＨの蛍光量の制御範囲を目標として運転を行った。第１送風制御領域と第３送風制御領域の送風は個別になされるため、両領域の溶存酸素濃度には相関性や相似性は見られないが（図５（ｃ））、ＮＡＤＨ値、ｐＨはほぼ好適な範囲を推移するように制御がなされていることが理解できる（図５（ａ），（ｂ））。

図６は、上述の長期処理実験時の窒素の処理状況と水温を示すグラフである。流入水の総窒素量（流入水ＴＮ）は３０〜４０ｍｇ／Ｌ、処理水の総窒素量（処理水ＴＮ）は夏季では４〜１０ｍｇ／Ｌ、冬季では５〜１５ｍｇ／Ｌであった。低水温期の一部を除けばアンモニア性窒素は、ほぼ１ｍｇ／Ｌ以下であった。約６時間の処理時間で、約７５％の総窒素除去率が得られる処理方式であることが確認できた。また、微生物フロックのみを使用する従来法の必要処理時間は１２〜１８時間程度であることから、本法の性能の高さも確認できた。

このように本排水処理装置は、コンパクトな反応槽容積で、硝化と脱窒の同時進行に最適なＮＡＤＨ値、ｐＨを維持するように反応槽全体で適切な送風量の空気を排水に供給することができる。また、その適切な送風量にみあう送風手段（ブロワ）の出力およびまたは送風手段を構成する機器（ブロワ）台数の制御により、およびまたは可変式送風バルブの開閉度の制御により、送風に必要な電力消費の節約に貢献するものである。

実施例２は送風手段の出力およびまたはこの送風手段を構成する機器台数の制御法の一例を表し、図７と図８を用いて説明する。図７は、実施例２に係る排水処理装置３０であり、３つの送風制御領域を持つ押し出し流れ型反応槽３１を３系列有する排水処理装置３０である。各系列には３つの送風制御領域があり、それぞれの送風制御領域を制御できるバルブ３４が１つの送風制御領域に対して１つずつ設けられている。なお、このバルブ３４は制御部からの電気信号を受け、モータを回して空気供給弁を開閉するものである。図７には図示されていないが、図２と同様に送風制御領域毎に必要な各種センサーと反応判断・風量制御装置が送風制御システムとして装備されている。各バルブ３４は系列別送風配管と接続され、さらに各系列別送風配管は１つの中央送風配管に接続される。中央送風配管はブロワ３５まで案内され、５つのブロワ３５を並列に連結したブロワ配管に接続される。
通常、それぞれの送風制御領域では、排水の酸素要求に関わる負荷変化による酸素消費速度の変化に従ってバルブ３４を開閉しながら独立的に各領域の適正溶存酸素濃度を維持する。しかし、各バルブ３４を独立的に開閉を行うため、それぞれの送風制御領域に同等な送風量を維持するにはブロワ３５の出力およびまたは作動するブロワの台数を調整する必要がある。図８はバルブ３４の開閉状況によるブロワ出力制御と台数制御の一例を表す模式図である。ここではブロワ１台の制御可能な最小出力が、最大出力の５０％である８０ｍ^３／ｍｉｎの送風量であると仮定して例示する。この送風量は１つの送風制御領域に対する最大送風量と同じである。図８によると、１つのバルブ３４が開くごとに５０％出力で１台ずつブロワを稼動し始める。しかし、開いたバルブ３４が６個以上になるとそれぞれのブロワ３５の出力を１０％ずつ上げ始める。そして、全てのバルブ３４が開くと５台のブロワ３５は全て９０％の出力で７２０ｍ^３／ｍｉｎを送風する。このようなブロワ制御によって開いたバルブ３４の数の変化に応じて各送風制御領域に８０ｍ^３／ｍｉｎずつ一定に送風することができる。なお、ブロワ３５の出力およびまたはブロワ台数を制御する方法には、ブロワ３５の最大・最小送風量、設置台数、またはバルブ３４の設置数、送風制御領域別送風量、開度率調整対応バルブなどさまざまな条件によってさまざまな方法がある。

実施例３は、実施例１におけるｐＨセンサをアンモニアセンサに置き換えた排水処理装置である。このアンモニアセンサは、ｐＨセンサと同等の制御パラメータとしての効果をもたらす。その他の構成は実施例１と同等である。

アンモニアセンサは、排水中のアンモニア性窒素量を直接測定するセンサである。このため、排水中のアンモニア性窒素量を直接測定することができ、排水中の窒素に対して硝化、脱窒の進行度を直接把握することができる。

実施例４は実施例１における排水処理装置１０を従来の窒素除去法である硝化内生脱窒法の硝化槽に適用したものである。すなわち、硝化槽内をその流れに沿って４つの領域に分割し、これらの領域毎にそれぞれ散気手段を設けている。これらの散気手段の上方に溶存酸素濃度センサが設けられている。そして、硝化槽の流入口から流出口に向かってその全長の３／４の位置にＮＡＤＨセンサとｐＨセンサが設けられている。その他の機器の構成は実施例１と同等であり、その説明は省略する。

硝化内生脱窒法は、処理時間が８時間程度の硝化槽と、続いて処理時間が８時間程度の内生脱窒槽と、続いて処理時間が２時間程度の再曝気槽とからなる窒素除去プロセスである。この窒素除去プロセスは、全体で要する処理時間が１８〜２０時間程度で、非常に長い。しかしながら、従来技術の中では窒素除去率の高い窒素除去プロセスである。
実施例１の排水処理装置１０を上記硝化槽に適用し、排水中の窒素に対して硝化・脱窒を行わせる。実施例１に示したように、この排水処理装置１０内で６時間程度排水処理を行うことによって、７５％ほど脱窒されることから、上記内生脱窒槽の負荷が７５％低減する。このため、内生脱窒槽容積を縮小することができる。すなわち、硝化内生脱窒法の硝化自体を従来の８時間から６時間に短縮でき、脱窒時間も従来の８時間から２時間に短縮することが可能となる。よって、高い窒素除去率が合計１０時間程度の処理時間で可能となり、より高い窒素除去率を必要とする場合には有効な処理方法として利用することが可能である。

実施例５は、実施例１における排水処理装置１０を従来のリン除去法である嫌気−好気法の好気槽に適用したものである。すなわち、好気槽内を４つの領域に分割し、これらの領域毎に、それぞれ散気手段と溶存酸素濃度センサとが設けられている。そして、好気槽の流入口からその全長の３／４の位置にＮＡＤＨセンサとｐＨセンサが設けられている。その他の機器の構成は実施例１と同等であり、その説明は省略する。

嫌気−好気法は、処理時間が２時間程度の嫌気槽（リン吐き出し槽）と、処理時間が６時間程度の好気槽（リン摂取槽）からなる全体で８時間程度のリン除去プロセスである。８時間の処理時間は、標準活性汚泥法の処理時間に等しいことから、リン除去法として多くの標準活性汚泥法の下水処理場が採用している。
実施例１の排水処理装置１０を上記好気槽に適用させ、排水中のリン摂取処理を行うと同時に、排水中の窒素に対して硝化・脱窒を行わせる。実施例１に示したとおり、この排水処理装置１０内で６時間程度排水処理を行うことによって、７５％脱窒される。このため、リン除去と窒素除去を行うために従来は１５時間程度の時間を要していたが、実施例５では全体で８時間程度の時間しか要しない。よって、リン除去のみならず、窒素除去を必要とする場合には有効な処理方法として利用することが可能である。

１０、３０排水処理装置、
１１、３１反応槽、
１１ａ流入口（流入端）、
１１ｂ流出口（流出端）、
１２ａ溶存酸素濃度センサ、
１２ｂＮＡＤＨセンサ、
１２ｃｐＨセンサ、
１３散気手段、
１４、３４バルブ、
１５、３５送風機（送風手段）。

Claims

流入端から流出端まで排水の流れに沿って複数の送風制御領域に分割され、供給された排水を硝化細菌と通性嫌気性微生物とを含む微生物フロックを用いて微生物処理することによって排水中の窒素に対してそれぞれの送風制御領域において硝化および脱窒を同時に行う反応槽と、
それぞれの送風制御領域内に一つずつ設けられ、排水中に散気する複数の散気手段と、
それぞれの送風制御領域ごとに設けられ、排水中の溶存酸素濃度を測定する複数の溶存酸素濃度センサと、
上記複数の散気手段のそれぞれに対して必要な量の空気を送風する送風手段と、
それぞれの散気手段とこの送風手段との間にそれぞれ介在された複数の可変式送風バルブと、
上記反応槽の全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に設けられ、上記微生物フロックに紫外線を照射することで微生物が発する生物蛍光体の蛍光量を測定する１個の蛍光測定センサと、を有し、
好気的条件で減少する特性を有する生物蛍光体の蛍光量の上限値及び下限値を設定し、
排水中の生物蛍光体の蛍光量を上記蛍光測定センサを用いて測定し、測定した生物蛍光体の蛍光量が上限値を超えるとき、すべての送風制御領域において送風する空気の流量を現在の流量より増加させ、測定した生物蛍光体の蛍光量が下限値未満のとき、送風する空気の流量を現在の空気の流量より減少させることにより生物蛍光体の蛍光量を上記上限値と上記下限値との間に収め、
その後、蛍光量が上記上限値と上記下限値との間のときは、それぞれの送風制御領域での排水中の溶存酸素濃度を、それぞれの溶存酸素濃度センサを用いて測定し、測定した溶存酸素濃度から溶存酸素消費速度を算出し、算出した溶存酸素消費速度が増加したときは送風する空気の流量を増加させ、算出した溶存酸素消費速度が減少したときは送風する空気の流量を減少させる排水処理装置。
流入端から流出端まで排水の流れに沿って複数の送風制御領域に分割され、供給された排水を硝化細菌と通性嫌気性微生物とを含む微生物フロックを用いて微生物処理することによって排水中の窒素に対してそれぞれの送風制御領域において硝化および脱窒を同時に行う反応槽と、
それぞれの送風制御領域内に一つずつ設けられ、排水中に散気する複数の散気手段と、
それぞれの送風制御領域ごとに設けられ、排水中の溶存酸素濃度を測定する複数の溶存酸素濃度センサと、
上記複数の散気手段のそれぞれに対して必要な量の空気を送風する送風手段と、
それぞれの散気手段とこの送風手段との間にそれぞれ介在された複数の可変式送風バルブと、
上記反応槽の全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に設けられ、上記微生物フロックに紫外線を照射することで微生物が発する生物蛍光体の蛍光量を測定する１個の蛍光測定センサと、
上記反応槽の全長に対して上記流入端から１／２の位置から上記流出端までの領域に設けられた補助センサと、を有し、
この補助センサは、上記排水のアンモニア濃度を測定するアンモニアセンサおよびまたは上記排水のｐＨを測定するｐＨセンサであり、
好気的条件で減少する特性を有する生物蛍光体の蛍光量の上限値及び下限値を設定し、
排水中の生物蛍光体の蛍光量を蛍光測定センサを用いて測定し、測定した生物蛍光体の蛍光量が上限値を超えるとき、すべての送風制御領域において送風する空気の流量を現在の流量より増加させ、測定した生物蛍光体の蛍光量が下限値未満のとき、空気の流量を現在の流量より減少させることにより、上記生物蛍光体の蛍光量を生物蛍光体の蛍光量の上限値と下限値との間に収めると同時に、
排水のアンモニア濃度およびまたは排水のｐＨの上限値及び下限値を設定し、
排水のアンモニア濃度およびまたは排水のｐＨを上記アンモニアセンサおよびまたはｐＨセンサを用いて測定し、測定した排水のアンモニア濃度およびまたは測定した排水のｐＨが上限値を超えるとき、すべての送風制御領域において送風する空気の流量を現在の空気の流量より増加させ、測定した排水のアンモニア濃度およびまたは測定した排水のｐＨが下限値未満のとき、すべての送風制御領域において送風する空気の流量を現在の空気の流量より減少させることにより、上記排水のアンモニア濃度およびまたは上記排水のｐＨを排水のアンモニア濃度およびまたは排水のｐＨの上限値と下限値と、の間に収め、
その後、上記生物蛍光体の蛍光量が生物蛍光体の蛍光量の上限値と下限値との間に収まり、かつ、上記排水のアンモニア濃度およびまたは上記排水のｐＨが排水のアンモニア濃度およびまたは排水のｐＨの上限値と下限値との間に収まっている間、各送風制御領域での排水中の溶存酸素濃度を溶存酸素濃度センサを用いてそれぞれ測定し、測定した溶存酸素濃度から溶存酸素消費速度を算出し、算出した溶存酸素消費速度が増加したときは、送風する空気の流量を増加させ、算出した溶存酸素消費速度が低下したときは、送風する空気の流量を減少させる排水処理装置。