JP4543649B2

JP4543649B2 - 硝化処理方法及び装置

Info

Publication number: JP4543649B2
Application number: JP2003337650A
Authority: JP
Inventors: 一彦能登; 清和武村
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2005103381A

Description

本発明は硝化処理方法及び装置に係り、特に硝化菌を含む活性汚泥を硝化槽内に高濃度で保持するようにした硝化処理方法及び装置に関する。

被処理水中のアンモニア性窒素を生物学的な硝化，脱窒反応によって窒素ガスに還元処理する排水の硝化脱窒処理方法は周知である。硝化脱窒処理方法に使用される硝化処理装置として、硝化槽内に膜ユニットを浸漬した膜式硝化処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この膜式硝化処理装置では、硝化菌を含む活性汚泥を硝化槽内に保持し、被処理水中のアンモニア性窒素を活性汚泥により好気条件下で硝化処理する。硝化処理を受けた被処理水を膜ユニットによって膜分離し、清澄な処理水として装置外に排出する。活性汚泥は膜分離によって硝化槽内に残存するので、硝化槽内の活性汚泥は６〜２０ｇ／Ｌの高濃度に保持される。このため、沈殿池で分離した活性汚泥を循環させる方式の装置に比べて、高負荷の硝化処理が可能であり処理効率が高いという利点がある。硝化処理に際しては被処理水と活性汚泥を好気条件下におくことが重要であり、そのための管理手法として被処理水中の溶存酸素濃度（以下、ＤＯ値という）が所定の範囲となるように散気空気量を制御する必要がある。

散気空気量が少なくＤＯ値が過小であると硝化反応に必要な酸素が不足し、処理効率が低下する。また、散気空気量が多くＤＯ値が過大であると脱窒処理に返送される被処理水と活性汚泥の混合液（硝化液）のＤＯ値が高くなり、嫌気性処理である脱窒反応の処理効率が低下する。さらに、散気空気量を過大にすると散気のための消費エネルギが嵩み、運転コストが増大する。このような観点から、硝化処理装置では一般に被処理水のＤＯ値が１〜２ｍｇ／Ｌ程度となるように散気空気量を制御している。

特開２００１−２５９６８９号公報

しかしながら、膜式硝化処理装置では上記したように硝化槽内の活性汚泥が高濃度に保持され、高負荷の硝化処理が行われるため、硝化反応に伴う溶存酸素の消費が激しく、硝化槽内ではＤＯ値が大きいエリアと小さいエリアが分布する。このため、定位置に設けた溶存酸素濃度計で検出したＤＯ値が適正であっても、他のエリアではＤＯ値が過大又は過小である場合が多い。したがって、定位置における被処理水のＤＯ値を一定の範囲内に制御する手法では適正な散気空気量の制御を行うことが難しい。溶存酸素濃度計を硝化槽内に多点に配置し、各溶存酸素濃度計で検出したＤＯ値の平均値が一定となるように、散気空気量の制御を行っても根本的な対策にはならない。

特許文献１には、硝化槽内の被処理水の窒素酸化物濃度又はアンモニア濃度を検出し、これらの濃度を所定範囲に維持するように散気空気量を制御する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法は被処理水の窒素酸化物濃度又はアンモニア濃度を検出するために特殊な試薬を使用する複雑な機構の自動分析計が必要となる。また、１サンプルの分析に３０分以上の時間を要するので敏速性が要求されるオンサイト用の制御手法としては実用性に欠ける。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を改善し、特殊な試薬などを使用することなく、オンサイト用として硝化槽に散気する散気空気量を敏速かつ適正に制御可能な硝化処理方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る硝化処理方法は、膜ユニットを浸漬した槽内に硝化菌を含む活性汚泥を６〜２０ｇ／Ｌの濃度で保持するとともに、前記膜ユニットの下方に粗大気泡散気手段とこの粗大気泡散気手段からの散気によって前記硝化槽内に形成された旋回流の下向流の領域となる前記膜ユニットの側方に微細気泡散気手段を備えた硝化槽に被処理水を流入させ、前記粗大気泡散気手段及び微細気泡散気手段からの散気によって被処理水を好気条件下におき、被処理水中のアンモニア性窒素を前記活性汚泥により硝化処理するとともに、前記硝化槽内の被処理水と活性汚泥との混合液を採取し、採取した混合液の酸素消費速度の経時変化量を測定し、その測定結果に基づいて前記微細気泡散気手段から散気する散気空気量を制御することを特徴とする。具体的には、混合液の酸素消費速度が相対的に大きい時には微細気泡散気手段からの散気空気量を増加し、小さい時には微細気泡散気手段からの散気空気量を減少するように制御する。

また、本発明に係る硝化処理装置は、膜ユニットを浸漬した槽内に硝化菌を含む活性汚泥を６〜２０ｇ／Ｌの濃度で保持するとともに、前記膜ユニットの下方に粗大気泡散気手段と前記膜ユニットの側方に微細気泡散気手段を備えた硝化槽と、前記硝化槽内の被処理水と活性汚泥との混合液を採取し、採取した混合液の酸素消費速度の経時変化量を測定する酸素消費速度検出器と、この酸素消費速度検出器の測定結果に基づいて前記微細気泡散気手段からの散気空気量を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする。

上記装置において、前記微細気泡散気手段は、前記粗大気泡散気手段からの散気によって前記硝化槽内に形成された旋回流の下向流の領域に配置されている。

本発明によれば、硝化槽内から採取した被処理水と活性汚泥との混合液の酸素消費速度の経時変化量状況によって、硝化槽内の硝化反応に必要な酸素供給量を直接に把握し、散気空気量を適正に制御することができる。また、採取した混合液中の活性汚泥の濃度が６〜２０ｇ／Ｌと高濃度であるため、酸素消費速度の経時変化量状況の測定を敏速に行うことができ、敏速な制御が要求されるオンサイト用として実用性に優れた硝化処理方法及び装置を実現することができる。

図１は本発明に係る硝化処理方法及び装置の第１実施形態を示す装置系統図である。硝化槽１０内には硝化菌を含む活性汚泥が６〜２０ｇ／Ｌの高濃度で保持されており、被処理水１２中のアンモニア性窒素を前記活性汚泥により好気条件下で硝化処理する。硝化槽１０内には膜ユニット１４が浸漬されている。膜ユニット１４の下方には粗大気泡散気手段１６が配置されている。また、膜ユニット１４の側方の水深が深い位置には微細気泡散気手段１８が配置されている。膜ユニット１４の二次側には管路２４を介して吸引ポンプ２０が接続している。

管路２２から流入した被処理水１２が硝化槽１０内に高濃度に保持した活性汚泥によって好気的に硝化処理される。この硝化処理によって、被処理水１２中のアンモニア性窒素が酸化分解し、硝酸性窒素となる。膜ユニット１４は、複数枚の鉛直状の平膜が間隔を空けて平行に配列された構造とされる。この膜ユニット１４によって被処理水１２が膜分離される。膜ユニット１４を透過した被処理水は膜ユニット１４の二次側から排出管路２４を介し吸引ポンプ２０により処理水として装置外に排出される。なお、図中、点線で示した管路２２Ａは硝化槽１０に隣接して脱窒槽（図示せず）を配設した場合に、硝化槽１０内の硝化液を脱窒槽に循環させるための管路である。この場合には脱窒槽からの流出水が管路２２から硝化槽１０に流入することになる。

粗大気泡散気手段１６から散気された粗大気泡には主に３つの作用がある。第１の作用は膜ユニット１４の平膜に対する膜面洗浄作用である。粗大気泡はその浮力によって膜ユニット１４の平膜相互の間隙を上昇し、その上昇過程で平膜の膜面を擦る。その結果、膜分離されて膜面に付着した活性汚泥などの懸濁分離物が膜面から剥離し洗われる。また、粗大気泡のエアリフト作用によって平膜相互の間隙には被処理水１２の上向流が生起される。この被処理水の上向流によっても膜面の洗浄が行われる。第２の作用は被処理水１２に対する酸素供給作用である。粗大気泡が被処理水１２と接触する過程で、気泡中の酸素が被処理水１２に溶解する。この被処理水１２に溶解した酸素が活性汚泥による硝化処理に必要な酸素源として利用される。第３の作用は旋回流の形成作用である。上記したように散気された粗大気泡のエアリフト作用によって平膜相互の間隙には被処理水１２の上向流が生起され、この上向流の生起に伴い、硝化槽１０内には矢印Ｆで示したような上下方向の旋回流が形成される。この旋回流によって、被処理水１２と活性汚泥が十分に混合接触し、活性汚泥による硝化処理が効率よく進行する。また、旋回流によって被処理水１２が万遍なく膜ユニット１４を通過することになり、安定した膜分離が行われる。

活性汚泥は膜分離により硝化槽１０内に残存するため、硝化槽１０内には活性汚泥が高濃度に維持される。したがって、高負荷の運転が可能であり、酸素の消費速度も速い。このため、粗大気泡散気手段１６から散気された粗大気泡によって被処理水に溶解する酸素だけでは硝化処理に必要な酸素を賄えず、被処理水中の溶存酸素が不足する場合がある。すなわち、粗大気泡は径が１０mm前後であり、エアリフト力が大きいので前記した膜面洗浄作用や旋回流の形成作用には有効である。反面、単位体積当たり気泡表面積が小さいので、被処理水１２に対する酸素溶解効率が低い欠点がある。一方、微細気泡散気手段１８から散気される微細気泡は径が１mm前後であり、単位体積当たり気泡表面積が大きいので、被処理水に対する酸素溶解効率が高い。このため、被処理水中の溶存酸素を補うために有効である。

粗大気泡散気手段１６は管路２６を介してブロア２８に接続しており、このブロア２８で昇圧した空気が粗大気泡散気手段１６に供給され散気される。微細気泡散気手段１８は管路３０を介してブロア３２に接続しており、このブロア３２で昇圧した空気が微細気泡散気手段１８に供給され散気される。

硝化槽１０の側方には被処理水と活性汚泥との混合液の混合液採取管３６が開口し、この混合液採取管３６から採取された混合液が酸素消費速度検出器３４に送られ、酸素消費速度検出器３４では採取した混合液の酸素消費速度の経時変化量を測定する。酸素消費速度検出器３４の測定結果は制御器４０に送信される。測定が終了した混合液は混合液戻り管３８によって硝化槽１０内に戻される。制御器４０では酸素消費速度検出器３６の測定結果に基づいてブロア３２の稼動を制御し、微細気泡散気手段１８からの微細気泡の散気量を調節する。

微細気泡散気手段１８は前記したように膜ユニット１４の側方に設置され、この位置は粗大気泡散気手段１６からの散気によって形成された旋回流の下向流の領域に位置している。このため、微細気泡散気手段１８から散気された微細気泡は、被処理水に対する酸素溶解効率を高める上で好適な条件下に置かれる。図２は微細気泡と下向流との関係をモデル化して示した説明図である。図２（イ）は微細気泡の径が比較的大きく、その理論浮上速度Ｖ₁が下向流の流速Ｖ₂よりも大きい場合である。この場合には微細気泡は下向流に逆らって浮上するが、実質浮上速度Ｖ₃はＶ₃＝Ｖ₁−Ｖ₂となり、理論浮上速度Ｖ₁よりも十分に小さくなる。このため、微細気泡は被処理水中を緩慢に浮上し、被処理水との接触時間が長くなる。その結果、微細気泡による被処理水への酸素溶解効率が高まる。図２（ロ）は微細気泡の径が比較的小さく、その理論浮上速度Ｖ₁が下向流の流速Ｖ₂よりも小さい場合である。この場合には微細気泡は下向流に逆らいつつ、下降速度Ｖ₄＝Ｖ₂−Ｖ₁で被処理水に随伴して緩慢に下降し、被処理水との接触時間が長くなる。その結果、この場合にも微細気泡による被処理水への酸素溶解効率が高まる。

硝化槽１０内には前記したように活性汚泥が６〜２０ｇ／Ｌの高濃度で保持され、酸素の消費速度が速い。このため、硝化槽１０内の被処理水は旋回する過程でＤＯ値が激しく変動し、不安定な状態にある。したがって、この種の硝化槽１０では被処理水のＤＯ値に基づいて、粗大気泡散気手段１６や微細気泡散気手段１８から散気する散気空気量を制御すると、制御が不安定となり不適である。そこで、本実施形態では酸素消費速度検出器３４の測定結果に基づく、散気空気量の制御を行う。

図３は酸素消費速度検出器３４の構成を示す説明図である。酸素消費速度検出器３４は酸素溶解槽４２を具備しており、この酸素溶解槽４２の底部に混合液採取ポンプ４４を備えた混合液採取管３６が接続している。酸素溶解槽４２の上部には混合液戻り管３８が接続している。また、酸素溶解槽４２の底部にはエアポンプ４６から送り込んだ空気を散気する散気器４８が配置されている。散気器４８から散気された空気は酸素溶解槽４２を経て空気貯留部５０に一旦、貯留された後、エアポンプ４６によって再び散気され、循環使用される。空気貯留部５０には酸素濃度計５４の検出端が挿入され、循環空気の酸素濃度を検出する。酸素濃度計５４の検出値は演算器５６に送信される。

上記構成の酸素消費速度検出器３４では例えば２０〜３０分に１回の頻度で回分式に硝化槽１０内の被処理水と活性汚泥との混合液を採取し、混合液の酸素消費速度の経時変化量を測定する。すなわち、混合液採取ポンプ４４を駆動することによって、硝化槽１０内の混合液を酸素溶解槽４２に導入し、酸素溶解槽４２内の混合液のすべてを測定対象である新規の混合液に置換した後、混合液採取ポンプ４４の稼動を停止する。次に、エアポンプ４６を駆動して所定量の空気を散気器４８から散気する操作を所定時間、継続する。散気された空気は酸素溶解槽４２内を浮上する過程で混合液と接触し、その一部が混合液に溶存酸素として溶け込む。溶け込んだ溶存酸素は活性汚泥による硝化などの酸化反応に消費される。この散気操作の開始から終了までの各時刻における空気中の酸素濃度を酸素濃度計５４によって連続的に検出し、その検出結果が演算器５６に送信される。演算器５６では酸素濃度計５４から送信された空気中の酸素濃度に基づいて、時々刻々の混合液の酸素消費速度を演算する。

すなわち、混合液の酸素消費速度は混合液中のアンモニア性窒素や有機性物などの被酸化性物質の濃度に大きく依存する。これらの被酸化性物質の濃度が大きいと活性汚泥による生物学的な酸化反応が進行するので、混合液の酸素消費速度が大きくなる。したがって、酸素溶解槽４２内に採取された混合液中の被酸化性物質の濃度が大きく、酸素消費速度が大きい時には、酸素濃度計５４によって検出される空気中の酸素濃度の減少程度が大きい。逆に、混合液中の被酸化性物質の濃度が小さい時には、酸素濃度計５４によって検出される空気中の酸素濃度の減少程度が小さい。すなわち、混合液の酸素消費速度と空気中の酸素濃度との間には、線形の関係が成立する。この線形の関係を予め演算器５６にデータとして取り込んでおけば、演算器５６では酸素濃度計５４から送信された空気中の酸素濃度に基づいて、直ちに混合液の酸素消費速度を演算することができる。

図４は酸素消費速度検出器３４で検出される混合液の酸素消費速度の経時変化を示す説明図である。図４の横軸は経過時間であり、縦軸は演算器５６で演算された時々刻々の混合液の酸素消費速度を示す。同図において曲線ａは混合液中のアンモニア性窒素の濃度が非常に大きい場合であり、酸素消費速度の初期値が大きく、以降、酸素消費速度が低下し、約２０分経過後にＹまで達した後はほぼＹを維持する。すなわち、本実施形態の係る混合液中の被酸化性物質としてはアンモニア性窒素と活性汚泥自体が蓄積している有機物が主であり、活性汚泥に由来する酸素消費速度がほぼＹの一定値を占め、Ｙよりも上の部分がアンモニア性窒素に由来する酸素消費速度である。初期はアンモニア性窒素の硝化反応によって酸素が消費されるので酸素消費速度の初期値が大きい。以降，硝化反応によるアンモニア性窒素量の減少に伴って硝化反応が減少し，酸素消費速度が徐々に低下する。アンモニア性窒素が零になるとアンモニア性窒素に由来する酸素消費速度も零になり、以降は活性汚泥に由来する酸素消費速度であるＹが検出される。したがって、曲線ａと直線Ｙと縦軸に囲まれた略三角形の面積が採取した混合液（換言すれば硝化槽１０の混合液）中のアンモニア性窒素の濃度を間接的に表示している。採取した混合液中のアンモニア性窒素の濃度が小さくなるにつれて酸素消費速度検出器３４で検出される混合液の酸素消費速度は曲線ｂ、曲線ｃ、曲線ｄの順に小さくなる。

演算器５６では酸素消費速度検出器３４から時々刻々に送信される空気中の酸素濃度をデータ処理し、酸素消費速度曲線と直線Ｙと縦軸に囲まれた略三角形の面積Ｓを算出し、算出結果を制御器４０に送信する。

制御器４０では送信された面積Ｓに基づいて、ブロワ３２の稼動を制御し、微細気泡散気手段１８からの微細気泡の散気量を調節する。すなわち、面積Ｓが図４の曲線ａ、曲線ｂで囲われたように大きい場合には、硝化槽１０での硝化反応が遅滞しておりアンモニア性窒素の濃度が高いと判定し、微細気泡の散気量を増加させる。また、面積Ｓが曲線ｃ又は曲線ｄで囲われたように小さい場合には、硝化槽１０での硝化反応が円滑に進行しておりアンモニア性窒素の濃度が適正であると判定し、微細気泡の散気量を現状維持する。また、面積Ｓが曲線ｄで囲われた面積を下回る場合には、硝化槽１０での微細気泡の散気量が過剰気味であると判定し、隣接する脱窒槽への悪影響や散気動力の節減を配慮して微細気泡の散気量を減少させる。前記したＹの値は採取した混合液中の活性汚泥の濃度などによって変動するが、この実施形態ではＹよりも上の部分のアンモニア性窒素に由来する酸素消費量を面積Ｓとして求め、この面積Ｓの大小によって微細気泡の散気量を調節している。このため、混合液中の活性汚泥濃度の変動に影響を受けることなく、微細気泡の散気量を適正に制御できる。

上記の操作を酸素消費速度検出器３４での１回の混合液の採取ごとに繰り返す。次回の酸素消費速度検出器３４による検出は、混合液採取ポンプ４４を再駆動し、前回の検出時に酸素溶解槽４２に収容されていた混合液を混合液戻り管３８を介して硝化槽１０内に払い出し、酸素溶解槽４２内を新規の混合液に置換することによって実施する。

上述のとおり、本実施形態によれば、硝化槽１０内から採取した被処理水１２と活性汚泥との混合液の酸素消費速度の経時変化量によって、硝化槽１０内の硝化反応に必要な酸素供給量を直接に把握することができる。すなわち、面積Ｓが大きい場合には、硝化反応に必要な酸素量が多いと判定して散気空気量を増加させ、面積Ｓが小さい場合には、硝化反応に必要な酸素量が少ないと判定して散気空気量を減少させることにより、散気空気量を適正に制御することができる。また、混合液中の活性汚泥の濃度が６〜２０ｇ／Ｌと高濃度であるため、酸素消費速度の経時変化量の測定を敏速に行うことができ、敏速な制御が要求されるオンサイト用として実用性に優れた硝化処理方法及び装置を実現することができる。

本発明に係る硝化処理方法及び装置の第１実施形態を示す装置系統図である。微細気泡と下向流との関係をモデル化して示した説明図である。酸素消費速度検出器３４の構成を示す説明図である。酸素消費速度検出器３４で検出される混合液の酸素消費速度の時間変化量を示す説明図である。

符号の説明

１０………硝化槽、１２………被処理水、１４………膜ユニット、１６………粗大気泡散気手段、１８………微細気泡散気手段、２０………吸引ポンプ、３２………ブロア、３４………酸素消費速度検出器、４０………制御器。

Claims

膜ユニットを浸漬した槽内に硝化菌を含む活性汚泥を６〜２０ｇ／Ｌの濃度で保持するとともに、前記膜ユニットの下方に粗大気泡散気手段とこの粗大気泡散気手段からの散気によって前記硝化槽内に形成された旋回流の下向流の領域となる前記膜ユニットの側方に微細気泡散気手段を備えた硝化槽に被処理水を流入させ、前記粗大気泡散気手段及び微細気泡散気手段からの散気によって被処理水を好気条件下におき、被処理水中のアンモニア性窒素を前記活性汚泥により硝化処理するとともに、前記硝化槽内の被処理水と活性汚泥との混合液を採取し、採取した混合液の酸素消費速度の経時変化量を測定し、その測定結果に基づいて前記微細気泡散気手段から散気する散気空気量を制御することを特徴とする硝化処理方法。
膜ユニットを浸漬した槽内に硝化菌を含む活性汚泥を６〜２０ｇ／Ｌの濃度で保持するとともに、前記膜ユニットの下方に粗大気泡散気手段と前記膜ユニットの側方に微細気泡散気手段を備えた硝化槽と、前記硝化槽内の被処理水と活性汚泥との混合液を採取し、採取した混合液の酸素消費速度の経時変化量を測定する酸素消費速度検出器と、この酸素消費速度検出器の測定結果に基づいて前記微細気泡散気手段からの散気空気量を制御する制御手段とを具備し、前記微細気泡散気手段は、前記粗大気泡散気手段からの散気によって前記硝化槽内に形成された旋回流の下向流の領域に配置されていることを特徴とする硝化処理装置。