JP4550547B2 - 廃水処理測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、微生物を利用する活性汚泥や生物学的硝化脱窒法などの廃水処理の運転管理のための測定方法および装置に関する。

廃水中の窒素は富栄養化防止のために処理する必要がある。処理方法として、いくつかの方法があるが、微生物を利用した活性汚泥法や生物学的硝化脱窒法は最も汎用的な処理法である。
活性汚泥法においては排水中の窒素化合物は菌体の増殖により固定され余剰汚泥として除去され、一部は活性汚泥中の硝化菌のはたらきで亜硝酸イオンや硝酸イオンに酸化され、脱窒菌の働きで部分的に嫌気状態にある曝気槽や沈殿槽から窒素ガスとして除去される。活性汚泥では除去率が不十分な場合には、活性汚泥法を発展させた生物学的硝化脱窒法が適用される。
生物学的硝化脱窒法はそのユニットの構成法にいろいろなバリエーションがあるが、基本は、好気性条件下において、廃水中のＢＯＤ成分を酸化分解するとともに硝化菌の働きにより窒素化合物を（５）式、（６）式で示すように、アンモニアイオン経由亜硝酸イオンや硝酸イオンに酸化するＢＯＤ酸化・硝化工程と、嫌気性条件下において、脱窒菌の働きにより、（７）式、（８）式で示すように、亜硝酸イオンや硝酸イオンを水素供与体の存在下で、窒素ガスに還元する脱窒工程を組み合わせたものである。ここに水素供与体はメタノールや酢酸や原水などを添加する。
２ＮＨ_４ ⁻＋３Ｏ_２→２ＮＯ_２ ⁻＋Ｈ_２Ｏ＋４Ｈ^＋ （５）式
２ＮＯ_２ ⁻＋Ｏ_２→２ＮＯ_３ ⁻ （６）式
２ＮＯ_２ ⁻＋ＣＨ_３ＯＨ→Ｎ_２↑＋ＣＯ_２ ⁻↑＋Ｈ_２Ｏ＋２ＯＨ⁻ （７）式
６ＮＯ_３ ⁻＋５ＣＨ_３ＯＨ→３Ｎ_２↑＋５ＣＯ_２ ⁻↑＋７Ｈ_２Ｏ＋６ＯＨ⁻ （８）式

図３は生物学的硝化脱窒法の装置例を示すフロシートである。
このプロセスの中心はＢＯＤ酸化・硝化工程であり、ＢＯＤ酸化・硝化工程は基本的に活性汚泥と同じプロセスである。ＢＯＤ酸化菌と硝化菌を高濃度に含む活性汚泥と廃水との混合液を曝気して、混合液中の溶存酸素により微生物が廃水中のＢＯＤを酸化分解し、アンモニアイオンを硝酸イオンに酸化するものである。その硝化混合液を先頭の脱窒槽に戻し、脱窒槽で嫌気条件下、原水中のＢＯＤ成分を水素供与体として硝化菌により亜硝酸イオンや硝酸イオンを窒素ガスに還元する。ＢＯＤ酸化・硝化工程から流出する処理液中に含まれる亜硝酸イオンや硝酸イオンは後段の脱窒槽で嫌気条件下、メタノールなどの水素供与体を添加して硝化菌により亜硝酸イオンや硝酸イオンを窒素ガスに還元する。最後に嫌気状態の混合液を再曝気して残りのＢＯＤを処理して、沈殿槽で固液分離して上澄水を処理水とする。

生物学的硝化脱窒プロセスを適切に運転管理するためには、上記ＢＯＤ酸化・硝化工程と脱窒工程を適切に運転管理することが必要であるが、なかでも硝化工程の管理が重要である。それは硝化工程の担い手である硝化菌はＢＯＤ酸化菌や脱窒菌と比べ、増殖速度が遅いうえに対薬品性が弱いため、硝化菌の活性が容易に大きく変動して廃水中の窒素化合物を亜硝酸イオンまたは硝酸イオンにする作用が変動するためである。したがって生物学的硝化脱窒プロセスの運転管理は通常の活性汚泥の管理に加え、硝化菌のはたらきを管理する必要が重要である。

しかしながら、現時点において、直接的に硝化菌のはたらきをオンラインで簡便に測定できる計器はないため、例えば、全窒素や硝酸イオンを自動測定する計器を、それぞれの工程の前後に設備し、その測定濃度データから運転管理をおこなうことができる。しかしながら、これら計器は高価なうえ、全窒素から亜硝酸イオンや硝酸イオンへの酸化は窒素含有物質の分解性やＢＯＤ酸化・硝化槽の運転条件やＢＯＤ酸化菌の活性や硝化菌の活性などの総合的な結果であって、水質変動がある場合には、適切な運転操作に反映させるためには不十分である。

もし、生物学的硝化脱窒プロセスの運転管理中に硝化菌の活性や硝化菌の阻害性が定量量化でき、運転操作に反映できれば、生物学的硝化脱窒プロセスの最適な運転が可能になり、窒素除去率の向上や処理のなどの大きな効果が得られることになる。

本発明者は、溶存酸素濃度計を使って微生物の酸素消費速度の挙動を測定し、これをコンピュータで解析することにより、短時間で活性汚泥処理に必要なＢＯＤを測定するとともに、原水中のＢＯＤ成分の分解速度を計算し、微生物の活性を定量化する方法を開示した。具体的には、溶存酸素濃度の測定データの取得方法および取得したデータからＢＯＤを計算する計算方法およびＢＯＤの分解速度を解析する方法を計算原理から詳細に記載している（特許文献１参照）。

また、同様の計算原理をベースにして、運転中の活性汚泥装置を曝気槽上に設置し、曝気槽中の混合液のサンプリングと、混合液中のＢＯＤや汚泥の活性測定を繰り返すことにより、実用上連続測定に近い頻度で活性汚泥の運転管理に必要なデータを採取可能な方法と装置を開示している（特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１、２に記載している方法を使えば、活性汚泥の運転管理に必要なデータは採取できるものの、これだけでは生物学的硝化脱窒プロセスの運転管理に必要な硝化活性や硝化阻害性を評価することはできない。
特開2001-235462 特開平10-28992

上述のように、生物学的硝化脱窒プロセスの運転管理に用いることができる硝化菌の硝化活性や硝化阻害性を自動測定する装置は実用化されていない。本発明は、[特許文献２]に記載されている活性汚泥の自動測定方法及び装置の機能を変更・拡張し、生物学的硝化脱窒プロセスを運転管理する上で本来絶対必要な、硝化菌の硝化活性や硝化阻害性をオンラインで精度よく定量測定可能な方法及び装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、
曝気槽から混合液をサンプリングし、該混合液を測定装置にチャージし、曝気装置で曝気し、曝気により該混合液中のＢＯＤを分解し、分解し終わって曝気装置の酸素供給速度と該混合液の酸素消費速度がバランスする点の溶存酸素濃度（この濃度をhighfinalDOと称す）を取得したのち、曝気装置を停止し、該混合液の酸素消費で低下した溶存酸素濃度を低下させたのち、曝気装置を再稼動させ、上昇するＤＯ変化から計算で曝気装置の物質移動係数（以後Kabsと称す）を取得したのち、基準液を添加し、混合液中の汚泥による成分の分解で変化するＤＯ変化から基準液の分解速度を計算し分解速度の大きさから硝化活性を評価し、基準液の分解速度があらかじめコンピュータに記憶している設定値より大きい場合には、基準液の分解終了後、原水を添加し、原水のＢＯＤを分解後、再度基準液を添加し、分解で変化するＤＯ変化から基準液の分解速度を計算し、原水添加前後の基準液の分解速度の変化から原水の硝化活性の阻害性を評価する。設定値より小さい場合は原水の添加をおこなうことなく、測定を終了する。このサンプリング−測定の操作を繰り返すことにより、混合液の硝化活性、原水の混合液の硝化活性阻害を実用上連続測定に近い頻度で測定する。

本発明の測定法によれば、２〜３時間程度の短時間で汚泥の硝化活性及び原水の硝化阻害性を精度よく定量測定できる。そして、測定−サンプリングを繰り返すことにより、実用上連続測定に近い頻度で自動測定が可能となる。これにより、従来、定性的な取扱しかできなかった活性汚泥での窒素除去率の挙動や生物学的硝化脱窒プロセスの定量的な取扱いが可能になり、最適運転や安定運転に資する。

本発明の説明上必要なので、はじめに計算の基礎となる原理について簡単に述べる。
活性汚泥と廃液を含む混合液を曝気装置で曝気していくと廃水中の溶存酸素濃度は曝気時間とともに上昇していくが、その変化は(1)式で表される。

ここに、DOsatは飽和溶存酸素濃度[mg/l]、DOは曝気槽内溶存酸素濃度[mg/l]、Kabsは総括物質移動係数[1/min]、ASactは活性汚泥が呼吸で使う酸素消費速度[mg/l／min]、BODactは活性汚泥がＢＯＤ成分の分解で使う酸素消費速度[mg/l／min]である。

(1)式の右辺第1項は、曝気装置から酸素供給速度であり、第2項は活性汚泥が呼吸およびＢＯＤの分解で使う酸素消費速度である。 ASactは汚泥の基礎呼吸による酸素の消費速度である。基礎呼吸なのでＢＯＤ成分とは直接無関係であり、短時間内ではほとんど一定である。ASactは概ねDO値が0.5mg/l以上あれば、ASactはDO値に無関係に一定であることが知られている。このことは、ＢＯＤ成分がほとんど0mg/lの混合液を、酸素の供給を断った状態で溶存酸素濃度が高い状態からDOが直線状に減少していくことから容易に実証できる。

BODactは、汚泥がＢＯＤ成分やアンモニアイオンを硝酸イオンに酸化しているときに使う酸素の消費速度である。BODactは、汚泥がその物質に馴化しているかどうか、汚泥の状態、水温、ｐH、塩濃度等の棲息環境などで変化する。微生物がＢＯＤ成分やアンモニアイオンを硝酸イオンに酸化する場合、反応はＢＯＤ成分に対応した微生物や硝化菌等によりおこなわれ、その成分ごとに固有の反応速度を示す。

曝気過程でBODactが変化する場合には、(1)式は簡単には積分できないが、ＢＯＤ成分やアンモニアイオンが殆ど0mg/lの混合液の場合、(1)式のBODactは殆ど０となり、(2)式で示される。

ASactは、前述のごとくDO＞0.5mg/lでは、概ねDOに無関係に一定であるから、この範囲で(2)式は容易に積分でき(3)式で表される。
DO＝α−（α−DO₀）exp(−Kabs・ｔ) (3)式
但しα＝DOsat−ASact／Kabs
DO₀は、曝気を開始したときの初期値である。また、（3）式において、曝気経過時間ｔが十分大きければ右辺第2項は無視できるから
DO＝α＝DOsat−ASact／Kabs
の値で一定となる。この値をhighfinalDOと表せば、highfinalDOはＢＯＤ成分が殆ど0mg/lの混合液を曝気した場合、最終的に到達するDO値と定義できる。
従って、(3)式は
DO＝highfinalDO-（highfinalDO-DO₀）exp(-Kabs・ｔ) (4)式
と書き直せる。(4)式において、DOの変化は図２の点線1に示す曲線となる。
一方、混合液中にＢＯＤ成分やアンモニアイオンが存在する場合、BODactは無視できない値を持つ。さらに、BODactの値は、主として分解対象のＢＯＤ成分が変わることにより、曝気経過時間ｔとともに大きい値から小さい値へ変化する。最終的に分解できるＢＯＤ成分がなくなれば、BODactは殆ど０になる。このため、(1)式は(3)式のように単純に積分できないが、DOの変化は図２の実線２の曲線で示すような２段曲線となる。すなわち、メタノールや酢酸のような単純なＢＯＤ成分の場合には、分解中は、DOは酸素供給速度とASact+BODactの酸素消費速度でバランスする低いレベルで一定となり、分解が終了すると、速やかに上昇しhighfinalDOで一定となる。

今、曝気を開始したときのDOの初期値DO₀を同じとし、ＢＯＤ成分やアンモニアイオンが殆ど0mg/lの混合液を曝気したときのDO変化曲線（(4)式で表される）を図２の点線１で表し、ＢＯＤ成分やアンモニアイオンが存在する混合液を曝気したときのDO変化曲線を図２の実線２で表すものとする。この場合、各曝気経過時間における点線と実線の値の差にKabsを掛けた値は、その時点におけるＢＯＤ成分やアンモニアイオンを酸化に使用される酸素消費速度＝反応速度を表す。この差を曝気経過時間ｔで積分した値は、両曲線で囲まれた面積Ｓに相当する。さらに、この値にKabsを掛けた値は、微生物がＢＯＤ成分やアンモニアイオンを酸化するために使用する酸素量に相当する。本測定の原理そのものは、特許文献１に詳しく記述されている。特許文献１では、さらに（４）式のhighfinalDOおよび（１）式のKabsを測定装置のなかで具体的に取得する操作手順および計算手順を示している。

次に、本発明を具体化する装置について説明する。図４は、本発明の一実施例に係る処理装置１を示す。
処理装置１は、サンプリング装置部２ａと測定装置部２ｂからなり、測定装置部２ｂは活性汚泥の混合液を入れ曝気する曝気容器３と、曝気容器３と底部の配管で連結する測定容器４と、循環ポンプ５と、アスピレータ方式の曝気装置６と、空気流量計７と、空気電磁弁８と、溶存酸素計電極９と、循環ポンプ５と、ヒータ１０と、冷却水が内部に流れる冷却用熱交換パイプ１１と、基準液の添加ポンプ１２と、原水の添加ポンプ１３と、排水電磁弁１４と、溶存酸素計１５と、制御盤１６と、コンピュータ１７と、を備えている。また、サンプリング装置部２ａは、計量容器１８と、真空ポンプ１９と、真空電磁弁２０と、大気開放電磁弁２１と、サンプリング電磁弁２２と、計量容器１８と、排水電磁弁２３と、を備えている。
なお、装置例では曝気装置６としてアスピレータ方式を採用しているが、コンプレッサーと散気管を用いてもよい。
循環ポンプ５により、装置内の混合液は測定容器４→曝気装置６のアスピレータ→曝気容器３→測定容器４の流れで循環し、曝気装置６のアスピレータで空気を吸引し、曝気容器３で曝気をおこない底部から測定容器４に移液することで気泡を分離し、測定容器４内の入口ノズル近傍に設置した溶存酸素計電極９のセンサー面の流速を確保する。
コンピュータ１７には、デジタル出力兼アナログ-デジタル変換ＰＣカードをＰＣＭＣＩＡアダプターに装着し、制御盤と連結しており、コンピュータ１７からの指令で測定装置のポンプや電磁弁等を制御する。コンピュータ１７は、シリアルポートを介して溶存酸素計電極９の測定値を取り込む。また制御盤１６には温度コントローラを装備し、ヒータ１０を制御することで混合液の温度を一定に保つ。またこのほかに曝気槽から混合液をサンプリングするためのサンプリング装置が必要であり、本装置例では後述するブロック３との関連で真空ポンプを使用したシステムを採用しているが、揚水ポンプと流量計などを使ったシステムでも構成可能である。
サンプリング装置部２ａの計量容器１８には、温度センサー２５、圧力計センサー２６を装備し、それぞれの測定値はＰＣカードを介してコンピュータ１７に取り込まれる。
サンプリング装置部２ａと測定装置部２ｂは連通電磁弁２４を介して接続されている。

以下、操作方法について説明する。図５は、本実施形態に係る装置１の操作フローチャートである。なお、同図において、以下の説明においてブロック１とはブロック２を除く範囲をいう。また、図１は、本実施形態の測定方法によるＤＯ変化を概念的に示す図である。

最初に、まずブロック１部分について説明する。第一のステップ（以後Step1と称す）は、曝気槽から混合液をサンプリングする工程であり、排水電磁弁１４を開き、測定装置内の測定済み混合液を排水する。フローチャートＳ１.とＳ２.がこれに該当する。次にステップＳ２.の操作をおこなう。サンプリング装置部２ａを使って、曝気槽から測定装置に混合液をサンプリングする。具体的方法には、電磁弁２０、２１、２２，２３，２４を閉じた状態から、真空電磁弁２０を開き、真空ポンプ１９を作動して計量容器１８をp1KPaまで減圧する。次に、サンプリング電磁弁２２を開き、曝気槽の混合液を計量容器１８に吸引する。計量容器１８内の圧力がp2KPaになったら、サンプリング電磁弁２０を閉じる。計量容器１８に吸引した混合液量は、計量容器１８の全空間容積V０とp１とp2から計算できる。p1とp2を所定の吸引量になるようにコンピュータ１７から電磁弁を操作することにより、任意の混合液量をサンプリングできる。次に大気開放電磁弁２１、連通電磁弁２４を開き、計量容器１８と測定容器４との落差で計量容器１８内の混合液を測定装置に移液する。

Step1に関して、本実施形態では、測定時間の短縮の観点から主として曝気槽出口の混合液をサンプリングする。但し、曝気槽の形状は完全混合槽型のように入口出口が明確でないタイプや、また生物学的脱窒法のように硝化槽の次が沈殿槽とは限らない場合や回分式活性汚泥のように時間で処理状態がかわる場合があり、サンプリング位置は曝気槽の形態、測定の目的などで異なるため、上記位置に限定されるものではない。

次の工程（以後Step2と称す）はhighfinalDOとKabsの値を取得する工程（フローチャートＳ３.からＳ１０.の部分）である。図１のStep2-1からStep2-3は、この工程におけるＤＯ変化の測定パターンを示すものである。この工程での測定・計算方法は特許文献１に示した方法でおこなう。すなわち、サンプリングした混合液の初期のＤＯ値をＤＯ_０として循環ポンプ５を作動し、空気電磁弁８を開き、アスピレータによる曝気を開始すると、やがて混合液のＢＯＤが処理される。酸素消費速度がASactのみになり、ＤＯ値が曝気による酸素供給速度とバランスする高い位置で平衡する。この間の溶存酸素濃度は、図１のＤＯ曲線２−１のような変化を示す。ＤＯ曲線２−１の終わりで平衡になった点をhighfinalDOとする。ここまでの工程をStep2-1と称す。
highfinalDOを取得したあと、空気電磁弁８を閉じて曝気を止め、混合液のASactによる溶存酸素の消費でＤＯを低下させると、溶存酸素濃度は図１のＤＯ曲線２−２のような変化を示す。この工程をStep2-2と称す。
十分ＤＯが低下したＤＯ_１の時点から、空気電磁弁８を開き曝気を再開し、ＤＯの変化を測定すると、図１のＤＯ曲線２−３のような変化を示す。ここまでの工程をStep2-3と称す。
このＤＯ曲線２−３の実測値からKabsの値を計算する。計算方法は（４）式のＤＯ_０をＤＯ_１に変え、ＤＯ曲線２−１で取得したhighfinalDO
と仮定したKabsを使って、（４）式から計算した計算値がＤＯ曲線２−３の実測値と一致するまでKabsの値を変えて計算を繰返し、最終的に一致するKabsを曝気装置のKabsと定める。フローチャートＳ７.とＳ９．における設定値１と設定値２は、（４）式を計算する際に十分大きなＤＯの計算幅をとって誤差を少なくするために設けたものである。

次の工程（以後、Step3-1と称す）は、基準液を添加して基準液の分解速度から硝化活性を計測する工程であり、フローチャートＳ１１.からＳ１４.の部分がこれに該当する。図１のＤＯ曲線３−１は、この工程におけるＤＯ変化の測定パターン例である。Step2-3においてKabsを計算後、完全に平衡に達した後に、コンピュータ１７からの指令により基準液の添加ポンプ１２を作動させ、測定装置１に基準液を添加する。
混合液中の活性汚泥が基準液を分解していく際のＤＯの変化を測定する。測定データに基づいて基準液の分解速度を計測し、分解速度の大きさから硝化菌の硝化活性を定量化する。以上が請求項１に対応する部分の説明である。

次に請求項２に対応する部分の説明をおこなう。図５のフローチャートにおいて、ブロック２のＳ１６.からＳ２１.の部分について説明する。この工程をStep3-2、Step3-3と称する。図１のＤＯ曲線３−２、ＤＯ曲線３−３は、この工程におけるＤＯ変化の測定パターン例である。

Step3-1で基準液の添加・測定を行い、汚泥の硝化活性が評価できたら、次に、その活性の値に基づいてStep3-2をおこなうか否かを判定する。Step3-2は、本来は原水を添加して原水のＢＯＤを分解する工程で、原水の硝化阻害性を評価するためのものであるが、Step3-1で硝化活性が既に阻害され分解速度が小さい場合、原水の硝化阻害性を評価するまでもなく、異常であるので、測定を省略したほうが全体の測定時間短縮となり効率的である。このため硝化活性が設定値３より低下したら原水のＢＯＤの測定を省略する。判断基準となる設定値３は、予めコンピュータ１７に入力しておくが、具体的な数値は硝化活性阻害性の情報を求めるニーズに基づいて任意に選択できる。このような処置を組み込むことで、全体の測定時間を短縮することができる。

Step3-1における基準液の添加・測定の結果、硝化活性が設定値３以上であれば、Step3-2でコンピュータ１７からの指令により原水の添加ポンプ１３を作動させ、測定装置１に原水を添加する。
混合液中の活性汚泥が原水のＢＯＤ成分を分解していく際のＤＯの変化を測定し、分解終了となったら、コンピュータ１７からの指令により基準液の添加ポンプ１２を作動させ、再度基準液を添加し、測定データに基づいて基準液の分解速度を計測し、原水添加前後の基準液の分解速度の変化から原水による硝化活性阻害の程度を定量化する。

もし、原水が硝化菌に対し毒性をもっていれば、原水添加後の基準液の添加・測定の分解速度は、原水添加前のそれと比較して必ず低下する。低下の度合いは、毒性の程度が強ければ強いほど大きくなる。図１のＤＯ曲線３−１とＤＯ曲線３−３の測定パターンは、原水が強い毒性を示す場合の例であり、ＤＯ曲線３−３のＤＯ変化は、ＤＯ曲線３−１のＤＯ変化と較べてＤＯ低下幅は小さく、測定終了時間が長い同図のような扁平な形状となる。

Step3-3の測定終了後は、自動測定モードに設定されていれば、フローチャートＳ１.に戻る。すなわち、測定済みの混合液を排水して新たに曝気槽から混合液をサンプリングし、上記の測定を繰り返す。通常の活性汚泥の場合、処理が良好であれば、上記操作に要する時間はStep1が約50分、Step2が35分、Step3-1が約20分、Step3-2が約55分、Step3-3が約20分、合計約３時間程度である。つまり、約３時間ごとに生物学的硝化脱窒プロセスにきわめて重要な運転指標である硝化菌の活性および原水の硝化菌に対する硝化阻害の程度の定量的な情報を得ることができる。

次に、基準液の成分に関する事項について説明する。
Step3-1やStep3-3で添加する基準液は、硝化菌の活性を評価するための基準となる添加液であって、成分組成が一定の添加液である。基準液として使用できる必要条件は、
（１）基準液の成分が、適正な硝化菌の濃度および活動状態において、変化を識別できるだけの充分大きな分解速度の大きさがあること。
(２) 基準液の成分が、ＢＯＤ酸化菌による酸素消費量と硝化菌による硝酸イオンへの酸化による酸素消費量に充分大きな差があること。
(３) 基準液の成分が、ＢＯＤ酸化菌による酸素消費速度と硝化菌による硝酸イオンへの酸化による酸素消費速度に充分大きな差があること。
上記（１）から（３）の条件を満たす物質としては、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、などの水に溶けてアンモニウムイオンを生じる物質および尿素、ニトリルアミド、ヒドロキシルアミン、ホルムアミドがある。基準液はこれらの物質のうち少なくとも１種類以上を含有する。
選定後は、常に同じ基準液を使用する。

硝化菌による基準液の成分の酸化反応速度は、必ずしも一定ではない。従って、活性の変化を比較するには、どの時点の分解速度を比較対象にするかを規定する必要がある。多くの場合、基準液添加によるＤＯの変化パターンは、硝化菌の活性のみによる一定の酸化速度で進行する過程では、階段状に変化し、成分が少なくなると酸化速度が濃度依存となりスロープ状に上昇する。そして、最終的に、硝化が終了すると活性汚泥のASactによる酸素消費速度と、曝気による酸素供給速度がバランスするhighfinalDOの値に収束する。

図６に、この過程におけるＤＯ変化のパターン例を示す。図６のＤＯ測定曲線は、図２の実線２の曲線と異なっているが、これは初期値ＤＯ_０が高いhighfinalDO値からスタートしているためである。硝化菌の活性が変化した場合、基準液のすべての成分の分解速度が均等に変化するとは限らない。このため、マクロ的な把握の仕方が実用的で、例えば全体のＢＯＤの５０％を分解するまでの平均分解速度を指標にする。この値を大きくとればとるほど、分解力を評価する指標としては理に適っているが、測定上の誤差も大きくなる。また、少量の分解性の遅い成分のわずかな変動により測定終了時間が大きく左右されるので、成分変動によるバラツキが不必要に大きくなり、測定上の誤差も大きくなる。一方、添加直後の最大分解速度は変化を敏感に捉えることができるが、基準液成分中の最も分解性の早い成分による寄与が非常に大きい。このため、その成分を選択的に硝化する微生物のみの活性を評価する危険性がある。これに対し、５０％程度を硝化するまでには、基準液中のいろいろな成分を硝化する微生物の平均的な活性が寄与することになる。従って、一般的には５０％程度の分解までの平均酸化速度を指標にするのが適当である。もちろん、基準液が単独成分の場合などで単純な分解速度の場合などでは最大分解速度を指標にしたり、また、硝化槽内での硝化率を重視する場合は、硝化率の大きい平均酸化速度を指標にすることもある。

ある硝化率までの平均酸化速度は、ＤＯ測定データを用いて以下のように求めることができる。
硝化による全酸素消費量（以後ＢＯＤｔと称す）は、図６において、添加開始から分解終了までのＤＯ変化曲線と、ＤＯ₀を初期値とし、（４）式で計算される曲線（以後、仮想ＤＯ曲線１と称す）により囲まれる面積にKabsを乗じた値で示される。初期値ＤＯ₀がhighfinalDO値である場合は、仮想ＤＯ曲線は一定（highfinalDO値）の直線となる。
次に、ある時間までに硝化されたされた酸素消費量（以後ＢＯＤと称す）は、以下のようにして求めることができる。すなわち、その時点でＢＯＤが0mg/lになったとすれば、ＤＯ変化曲線は、その時点のＤＯ測定値を初期値ＤＯ₂とし、highfinalDOとKabsを使って（４）式で計算される曲線（以後、仮想ＤＯ曲線２と称す）になる。したがって、添加開始からその時点までのＤＯ変化曲線と、仮想ＤＯ曲線１と仮想ＤＯ曲線２により囲まれた面積にKabsを掛けた値が、その時点までのＢＯＤ（以後ＢＯＤｐと称す）になる。
さらに、ＢＯＤｐ／ＢＯＤｔ×100（％）が目的の分解率になる時点をtpとすれば、ＢＯＤｐ／tpが求める平均分解速度となる。

次に、分解反応が終了したかどうかの判定法について述べる。図５のフローチャートにおいても、Ｓ４,Ｓ１３,Ｓ１７,Ｓ２１で分解反応が終了したかどうかの判定が必要である。この判定には、活性汚泥の微生物反応の特徴を利用する。通常、廃液を添加すると、図６に示すように、ＤＯ測定曲線は廃液中の主要成分の分解進行によって、階段状の変化を経る。そして、反応終了近くになるとスロープ上に上昇し、最終的にhighfinalDO付近で殆ど一定になる変化をする。したがって、ＤＯ値がhighfinalDO付近でほとんど一定になれば、反応終了と判断できる。これをコンピュータ１７上で実現する方法は、例えば以下の通りである。測定時の数分前からの数点のＤＯ測定値から回帰直線の傾きβを計算する。βはＤＯの上昇変化速度となるので、βとＤＯの上昇変化速度の最小許容値である設定値５（予めコンピュータ１７に格納）と比較し、
β＜設定値５ and ＤＯ≒highfinalDO
の条件を以って反応終了と判定する。

ここに、ＤＯ≒highfinalDOとしたのは、反応終了時の活性汚泥の状態がhighfinalDOを取得した時点とは必ずしも同じでないことを考慮したためである。例えば、Step2-1においてhighfinalDOを取得した時点では混合液のＢＯＤが0mg/lであるとしたが、厳密には測定精度以下の遅い分解速度を持ったＢＯＤ成分もある。また、廃液の添加により汚泥の性質が変わる可能性もある。Kabs=0.3[1/min]、highfinalDO=6.0[mg/l]のとき、分解反応は概ねhighfinalDO-0.5以上になるとＤＯの上昇はほとんどの場合スロープ状になる。この点を図６のＤＯ_Ｌに示す値とすれば、実用上、β＜設定値５ and ＤＯ＞ＤＯ_Ｌのような設定で判定可能である。

本発明は、生物学的硝化脱窒法や活性汚泥に限らず、浮遊微生物を部分的にでも利用するものであれば、接触酸化法、生物ろ過法、担体の微生物を保持する流動層法など、他の好気性微生物を利用する廃水処理法においても、硝化活性を評価する必要がある場合には適用可能である。

本発明による測定の基本操作とＤＯ変化を表すパターン例である。 本発明の基礎となる計算原理を説明する図である。 生物学的硝化脱窒法の装置例を示すフロシートである。 測定装置の具体例を示すフローシートである。 測定装置の作動を説明するフローチャートである。 本実施例の測定装置によるＤＯ測定パターン例である。

符号の説明

３ 曝気容器
４ 測定容器
５、１２、１３ ポンプ
６ 曝気装置
７ 空気流量計
８、１４、２０〜２４ 電磁弁
９ 溶存酸素計電極
１０ ヒータ
１１ 冷却用熱交換パイプ
１５ 溶存酸素計
１６ 制御盤
１７ コンピュータ
１８ 計量容器
１９ 真空ポンプ
２５ 温度センサー
２６ 圧力計センサー

Claims (3)

1. 微生物を利用する活性汚泥や生物学的硝化脱窒法などの廃水処理における運転評価方法であって、
   曝気槽からサンプリングした廃水と活性汚泥を含む混合液を曝気して、混合液中の溶存酸素濃度の変化曲線（以下、ＤＯ曲線２−１という）及び混合液中のＢＯＤ分解後の酸素供給速度と混合液の酸素消費速度とのバランス点における溶存酸素濃度（以下、highfinalDOという）を測定し、
   次に、曝気を停止して溶存酸素濃度を低下させた後に、曝気を再開したときの溶存酸素濃度変化曲線（以下、ＤＯ曲線２−３という）を測定し、
   ＤＯ曲線２−３およびhighfinalDOに基づいて酸素供給手段における物質移動係数（以下、Kabsという）を演算し、
   次に、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウムなどの水に溶けてアンモニウムイオンを生成する塩および尿素、ニトリルアミド、ヒドロキシルアミン、ホルムアミドの少なくとも一種類以上含有し、かつ、成分組成一定の基準液を混合液に添加して、その後の溶存酸素濃度変化及びhighfinalDOとKabsに基づいて前記基準液の分解速度を求めることにより、混合液中の活性汚泥の硝化活性を評価する、
   ことを特徴とする廃水処理運転評価方法。
2. 請求項１において、さらに、硝化活性が予め定めた設定値より大きい場合には、前記基準液の分解終了後に原水を添加して、原水のＢＯＤ成分の分解終了後、再度前記基準液を添加して、その後の溶存酸素濃度変化及びhighfinalDOとKabsに基づいて前記基準液の分解速度を求め、原水添加前後の基準液の分解速度を比較することにより、原水の活性汚泥に対する硝化活性の阻害程度を評価する、
   ことを特徴とする廃水処理運転評価方法。
3. 微生物を利用する活性汚泥や生物学的硝化脱窒法などの廃水処理における運転評価装置であって、
   サンプリングした廃水と活性汚泥を含む混合液を曝気して、混合液中の溶存酸素濃度の変化曲線（以下、ＤＯ曲線２−１という）及び混合液中のＢＯＤ分解後の、酸素供給速度と混合液の酸素消費速度とのバランス点における溶存酸素濃度（以下、highfinalDOという）を測定する手段と、
   曝気を停止して溶存酸素濃度を低下させた後に、曝気を再開したときの溶存酸素濃度変化曲線（以下、ＤＯ曲線２−３という）を測定する手段と、
   ＤＯ曲線２−３およびhighfinalDOに基づいて酸素供給手段における物質移動係数（以下、Kabsという）を演算する手段と、
   成分組成一定の基準液を混合液に添加して、その後の溶存酸素濃度変化及びhighfinalDOとKabsに基づいて前記基準液の分解速度を求めることにより、混合液中の活性汚泥の硝化活性を評価取得する手段と、
   硝化活性が予め定めた設定値より大きい場合には、前記基準液の分解終了後に原水を添加し、原水のＢＯＤ成分が分解終了後、再度基準液を添加して、その後の溶存酸素濃度変化及びhighfinalDOとKabsに基づいて基準液の分解速度を演算する手段と、
   原水添加前後の基準液の分解速度を比較することにより、原水の活性汚泥に対する硝化活性の阻害程度を評価する手段と、
   を備えて成ることを特徴とする廃水処理における運転評価装置。
   

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