JP5150560B2

JP5150560B2 - 下水処理方法

Info

Publication number: JP5150560B2
Application number: JP2009123682A
Authority: JP
Inventors: 剛武本; 一郎山野井; みさき隅倉; 直樹原; 秀之田所
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: JP2010269255A

Description

本発明は、下水処理の過程で発生する温室効果ガス、特に生物反応槽の曝気槽から発生するＮ₂Ｏを削減するための下水処理方法に関する。

下水処理方法には、活性汚泥と呼ばれる微生物により生物学的に処理する活性汚泥法がある。活性汚泥法では、廃水中の窒素は、アンモニア体窒素を硝酸体窒素に酸化する硝化工程と、硝酸体窒素を窒素ガスに還元する脱窒工程により除去される。硝化工程，脱窒工程の副生成物としてＮ₂Ｏが生成することが知られている。〔非特許文献１〕には、排ガス中のＮ₂Ｏは硝化反応が進行するほど増加することが記載されている。Ｎ₂ＯはＣＯ₂に比べ３１０倍の温室効果を有しており、地球温暖化防止のための排出削減対象物質になっている。

〔非特許文献２〕に記載のように、脱窒反応でＮ₂ＯはＮ₂に還元される。このため、脱窒反応を有する反応槽にＮ₂Ｏを溶解させると除去できる。〔特許文献１〕には、Ｎ₂Ｏを含有する排気ガスを反応槽に導入して、Ｎ₂Ｏを溶解させ除去する方法が記載されている。

特開２００７−０７５８２１号公報

松原誠，水落元之：下水処理場からの亜酸化窒素放出量調査、環境衛生工学研究、Vol.8，No.3（1994）下水道の長期的技術開発に関する基礎調査、(財)下水道新技術推進機構（1996）http://www.jiwet.jp/result/annual/plan/1996a1-1-2m.htm

下水処理場では流入条件が変動するため、排ガス中のＮ₂Ｏ濃度が変化する。〔特許文献１〕に記載の従来の技術では、常に排気ガスの全量が反応槽に導入される。Ｎ₂Ｏが低濃度の場合でもガスを全量処理するため、処理効率が低下する恐れがある。

本発明の目的は、Ｎ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収することで、Ｎ₂Ｏ処理効率を向上できる下水処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の下水処理方法は、生物反応槽に設置された溶存酸素計と、生物反応槽にエアレーションされたガスを回収するための排ガス回収手段と、排ガス回収手段に設けられた制御弁を開閉制御する制御手段を備え、制御手段は前記溶存酸素計の計測値の少なくとも６時間以上の平均値を、前記溶存酸素計の計測値の現状値が超えた場合に、前記制御弁を開閉制御してエアレーションされたガスを回収する、又は、溶存酸素計の計測値に応じて排ガス回収手段からの回収ガス流量を制御するものである。

又、複数の生物反応槽にエアレーションして、活性汚泥により廃水を処理する下水処理方法であって、複数の生物反応槽の各々設置された溶存酸素計と、生物反応槽にエアレーションされたガスを回収するための排ガス回収手段と、排ガス回収手段平均値を、前記溶存酸素計の計測値の現状値が超えた場合に、排ガス回収手段に設けられた制御弁を開閉制御してエアレーションされたガスを回収する制御手段を備え、制御手段は上流側の前記溶存酸素計と下流側の前記溶存酸素計の計測値の差分を求め、少なくとも６時間以上の平均値を算出し、平均値を、溶存酸素計の計測値の差分の現状値が超えた場合に、前記制御弁を開閉制御してエアレーションされたガスを回収する、又は、差分の現状値で排ガス回収手段の回収ガス流量を制御するものである。

又、生物反応槽に流入する流量と濃度の情報を有する流入条件管理手段と、プラントの仕様と運転条件の現状値の情報を有するプラント条件管理手段と、流入条件管理手段とプラント条件管理手段の情報を元にエアレーションの排気ガスに含有するＮ₂Ｏ濃度を算出するＮ₂Ｏ濃度算出手段と、生物反応槽にエアレーションされたガスを回収するための排ガス回収手段と、排ガス回収手段に設けられた制御弁を開閉制御する制御手段を備え、制御手段はＮ₂Ｏ濃度算出手段の算出値が、設定値以上の場合に制御弁を開閉制御する、又は、算出値で排ガス回収手段からの排ガス回収流量を制御するものである。

又、生物反応槽の反応液の硝酸体窒素濃度，亜硝酸体窒素，アンモニア体窒素のうちの一つ以上を計測するための窒素計測手段と、生物反応槽にエアレーションされたガスを回収するための排ガス回収手段と、排ガス回収手段に設けられた制御弁を開閉制御する制御手段を備え、制御手段は窒素計測手段の計測値によって制御弁を開閉制御する、又は、計測値で排ガス回収手段からの排ガス回収流量を制御するものである。

本発明によれば、生物反応槽の溶存酸素、又は窒素濃度からＮ₂Ｏ発生量を予測し、排ガス中のＮ₂Ｏ濃度が高い場合に、排ガスを処理できるので、Ｎ₂Ｏ処理効率を向上できる。

本発明の実施例１を示す廃水処理装置の構成図である。本発明の実施例２を示す廃水処理装置の構成図である。本発明の実施例３を示す廃水処理装置の構成図である。本発明の実施例４を示す廃水処理装置の構成図である。本発明の実施例５を示す廃水処理装置の構成図である。本発明の実施例６を示す廃水処理装置の構成図である。本発明の実施例７を示す廃水処理装置の構成図である。

本発明の各実施例について図面を用いて説明する。

本発明の実施例１を図１により説明する。図１に示すように、本実施例の反応槽は、生物反応槽１と沈殿池２で構成されている。

生物反応槽１には、流入水が流入し、沈殿池２から処理水が流出する。生物反応槽１には複数の微生物群が生息する活性汚泥が混入されている。ブロワ３に接続された散気手段４により、生物反応槽１にエアレーションされ、エアレーションにより空気中の溶存酸素が活性汚泥に供給される。図１では、生物反応槽１は１つの槽として示しているが、生物反応槽１を複数に分割し、エアレーションする好気槽とエアレーションしない嫌気槽を設けてもよい。

生物反応槽１の上部には、エアレーションされた排気ガスを回収するための排ガス回収手段５が設置されている。排ガス回収手段５には制御弁６が設けられ、制御手段７の信号により排ガスの回収するために、ｏｎ−ｏｆｆ信号により制御弁６が開閉制御され、排ガス回収量が制御される。制御弁６は、排ガス処理装置に接続されている。生物反応槽１には反応液の溶存酸素を計測するための溶存酸素計８が設置され、その計測信号が制御手段７に入力される。なお、生物反応槽１の廃水処理性能は、排ガス回収手段５による排ガスの回収有無で影響されない。

生物反応槽１の下流には、反応液と活性汚泥とを固液分離する沈殿池２が設置されている。沈殿池２に沈降した活性汚泥の一部は生物反応槽１に返送汚泥として循環し、一部が余剰汚泥として排出される。

生物反応槽１に流入した廃水は、活性汚泥により処理される。流入水中の有機物は酸化分解され、最終的にＣＯ₂として除去される。流入水中の窒素成分の大部分は、アンモニア体窒素と有機体窒素であるが、活性汚泥により有機体窒素はアンモニア体窒素となり、アンモニア体窒素は亜硝酸体窒素，硝酸体窒素に酸化される。

有機物や窒素が酸化する際に、反応液中の溶存酸素が消費される。酸素供給速度が等しい場合は、反応液中のこれら被処理物質の濃度が低下すると、すなわち処理が終了すると溶存酸素濃度が増加する。一般に、下水は流入水量や流入水濃度が変化するため、溶存酸素濃度は増減する場合が多い。すなわち、溶存酸素濃度が上昇した場合は、酸化が終了しており、硝酸体窒素濃度が増加していることが分かる。

排ガス中のＮ₂Ｏ濃度は、アンモニア体窒素の減少と、硝酸体窒素の増加に比例して増加する。制御手段７は、溶存酸素計８の計測信号を元に制御弁６を制御することで高濃度にＮ₂Ｏを含有する排ガスを選択的に処理することができる。

制御手段７の制御方法について説明する。制御手段７は、溶存酸素計８の計測値を設定された期間保存する。制御手段７は、例えば６時間前までの溶存酸素計８の計測値の平均値を算出する。平均値と現状の溶存酸素計８の計測値とを比較し、計測値が、平均値以上の場合には、制御弁６を制御して排ガスを処理装置に導入する。平均値以上の代わりに、上限値を設け、溶存酸素計８の計測値が、上限値以上で制御弁６を制御するようにしてもよい。この場合、上限値は１mg／Ｌ程度にするとよい。また、制御手段７は溶存酸素計８の計測値を元に制御弁６を制御し、計測値に比例して排気ガスの回収量を増加させてもよい。

制御手段７に、ブロワ３から供給される空気量の情報を入力してもよく、空気量が増加すると溶存酸素計８の計測値も増加するため、空気量も考慮して溶存酸素濃度により制御弁６を制御することで、Ｎ₂Ｏ濃度の予測精度を向上できるので、Ｎ₂Ｏの回収効率が向上できる。

このように、本実施例によれば、溶存酸素濃度を計測することでＮ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収でき、Ｎ₂Ｏ処理効率を向上できる。

本発明の実施例２を図２により説明する。図１に示す実施例１との違いは、実施例２では、生物反応槽１を分割して、上流側溶存酸素濃度計８−１と下流側溶存酸素濃度計８−２の２つの溶存酸素濃度計を設置したことにある。生物反応槽１は、仕切り壁がなくてもよく、本実施例では排ガス回収手段５を下流側溶存酸素濃度計８−２が設置された反応槽に設置したが、両槽に設置してもよい。制御手段７には、上流側溶存酸素濃度計８−１と下流側溶存酸素濃度計８−２の両方の信号が入力されている。散気手段４の散気量が均一の場合は、上流側の生物反応槽の方が下流側の生物反応槽に比べ、アンモニア対窒素や有機物が多く、溶存酸素濃度計の値も低い場合が多い。

制御手段７による制御方法について説明する。制御手段７は、下流側溶存酸素濃度計８−２と上流側溶存酸素濃度計８−１の計測値の差分を求める。制御手段７は、６時間前までの差分の平均値を算出する。算出された平均値と、計測値の差分とを比較し、計測値の差分が平均値以上の場合には、制御弁６を制御して排ガスを処理装置に導入する。また、制御手段７は、計測値の差分が設定値を超えた場合に、制御弁６を制御して排ガスを処理装置に導入してもよい。この場合、設定値は０.５mg／Ｌ以上にするとよい。

制御手段７は、制御弁６を制御し、計測値の差分の大きさに比例して排気ガスの回収量を増加させてもよい。なお、設定値は、散気手段４から各々生物反応槽１へ供給される空気量のデータを基に変更すると良く、空気量が少ない場合は設定値を小さくし、空気量が多い場合は設定値を大きくする。設定値以上となった下流側溶存酸素濃度計８−２の設置された生物反応槽では硝化反応が進行し、硝酸体窒素濃度が増加して排ガス中のＮ₂Ｏ含有率が高い。

このように、実施例２によれば、溶存酸素濃度を計測することでＮ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収でき、Ｎ₂Ｏ処理効率を向上できる。

本発明の実施例３を図３により説明する。実施例３と実施例１との違いは溶存酸素計８と窒素濃度計９との違いである。窒素濃度計９は、アンモニア体窒素，亜硝酸体窒素，硝酸体窒素の内少なくとも１つ以上を計測できる。窒素濃度計９の計測値は制御手段７に入力され、制御手段７は計測値に応じて制御弁６を制御する。

制御手段７による制御方法について説明する。制御手段７は、計測項目がアンモニア体窒素の場合は、計測値が予め設定した設定値以下の場合に、計測項目が亜硝酸体窒素，硝酸体窒素の場合は、計測値が設定値以上の場合に、制御弁６を制御して排ガスを処理装置に導入する。設定値は、アンモニア体窒素の場合が１０mg／Ｌ、亜硝酸体窒素の場合が０.５mg／Ｌ、硝酸体窒素の場合が５mg／Ｌにするとよい。

また、制御手段７は、２４時間前までの窒素濃度計９の計測値の平均値を算出する。平均値と現状値とを比較し、計測項目がアンモニア体窒素の場合は、計測値が平均値以下、計測項目が亜硝酸体窒素と硝酸体窒素の場合は、計測値が平均値以上の場合に、制御弁６を制御して排ガスを処理装置に導入するとよい。

また、制御手段７は制御弁６を制御して、アンモニア体窒素濃度が少ない程、亜硝酸体窒素と硝酸体窒素が多い程排気ガスの回収流量を増加させるとよい。

このように、実施例３によれば、窒素濃度を直接計測することで硝化反応の進行が分かり、硝化反応が進行したＮ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収でき、Ｎ₂Ｏ処理効率を向上できる。

本発明の実施例４を図４により説明する。実施例４と実施例３との違いは、実施例３の窒素濃度計９の代わりに、実施例４では、Ｎ₂Ｏ濃度演算手段１０、流入条件管理手段１１及びプラント条件管理手段１２が設けられている点である。制御手段７は、Ｎ₂Ｏ濃度演算手段１０の演算結果を元にして、演算結果が設定値を超えた場合に制御弁６を制御する。

Ｎ₂Ｏ濃度演算手段１０の演算方法について説明する。Ｎ₂Ｏ濃度演算手段１０には、流入条件管理手段１１から流入水量及び流入水質の情報と、プラント条件管理手段１２からプラントの仕様や現在の運転情報が入力される。図示していないが、流入条件管理手段１１には、流入水量，流入水質のデータベースや流入水量計測器，流入水質計測器からの計測値が蓄積されている。図示していないが、プラント条件管理手段１２には、生物反応槽１の水温や散気手段４からの送風量，活性汚泥の濃度などの情報のデータベースがあり、それらの情報は逐次更新されている。

Ｎ₂Ｏ濃度演算手段１０には、活性汚泥の反応をモデル化した活性汚泥モデル、例えば、ＩＷＡ（International Water Association、国際水学会）モデルが記録されている。活性汚泥モデルは、硝化反応がモデル化されており、流入条件やプラント運転条件によって生物反応槽１のアンモニア体窒素濃度や硝酸体窒素濃度を算出できるようになっている。流入条件管理手段１１の流入水の濃度と反応槽の濃度の差分から硝化量を求め、硝化量からＮ₂Ｏ濃度を推定する。この推定されたＮ₂Ｏ濃度から生物反応槽にエアレーションされた排気ガスに含有されるＮ₂Ｏ濃度を算出する。制御手段７は、Ｎ₂Ｏ濃度が設定値以上の場合に制御弁６を制御する。制御手段７は、Ｎ₂Ｏ濃度の算出値に応じて、排ガス処理装置の排ガス回収流量を制御してもよい。

このように、実施例４によれば、モデルによりＮ₂Ｏガス濃度を予測でき、Ｎ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収できるので、Ｎ₂Ｏ処理効率を向上できる。

本発明の実施例５を図５により説明する。実施例５は、実施例３と同様に構成されているが、実施例５では、窒素濃度計９が設置されていなく、生物反応槽１が前段の嫌気槽と後段の好気槽に分割され、生物反応槽１の上流側に排ガス処理装置１３−１が設置され制御弁６と接続されている。

流入水は、排ガス処理装置１３−１を経て生物反応槽１に流入する。排気ガスは、排ガス処理装置１３−１に導入され、Ｎ₂Ｏガスは流入水中に溶解する。流入水に溶解したＮ₂Ｏは、生物反応槽１に流入する。生物反応槽１の流入水は、嫌気槽（無酸素槽ともいう）に流入する。嫌気槽は、溶存酸素が実質的にない槽であり、Ｎ₂Ｏは嫌気槽で活性汚泥により脱窒反応でＮ₂ガスに還元処理される。排ガス処理装置１３−１では、排ガスを流入水に溶解させる際に、ポンプなどの動力が必要だが、本実施例では、Ｎ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収でき、処理する排ガス量が削減できるためＮ₂Ｏ処理効率を向上できる。

本発明の実施例６を図６により説明する。実施例６は、実施例１と同様に構成されているが、実施例６では、溶存酸素計８が設置されていなく、沈殿池２の下流側に排ガス処理装置１３−２が設置され制御弁６と接続されている。

排ガス処理装置１３−２は、処理水が滞留している。排気ガスは、排ガス処理装置１３−２に導入され、Ｎ₂Ｏガスは処理水中に溶解する。排ガス処理装置１３−２では、排ガスを流入水に溶解させる際に、ポンプなどの動力が必要だが、本実施例では、Ｎ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収でき、処理する排ガス量が削減できるためＮ₂Ｏ処理効率を向上できる。

本発明の実施例７を図７により説明する。実施例７は、実施例６と同様に構成されているが、実施例７では、排ガス中のＮ₂Ｏを熱分解するための排ガス熱分解装置１４が設置されており、制御手段７が排ガス熱分解装置１４に接続されている。

適用される排ガス熱分解装置１４には、触媒が充填されているもの、発電機，汚泥焼却炉などが挙げられる。Ｎ₂Ｏは熱で分解できるので、例えば汚泥焼却炉ではフリーボードの燃焼温度を８５０℃以上に上げることでＮ₂Ｏを削減できる。

排ガスが多いと排ガス熱分解装置１４への負荷が増加するが、Ｎ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収でき、排ガス量を低減しているので消費エネルギーを削減できる。本実施例では、Ｎ₂Ｏ濃度の高い排ガスを選択的に回収でき、処理する排ガス量が削減できるためＮ₂Ｏ処理効率を向上できる。

１生物反応槽
２沈殿池
３ブロワ
４散気手段
５排ガス回収手段
６制御弁
７制御手段
８溶存酸素計
９窒素濃度計
１０Ｎ₂Ｏ濃度演算手段
１１流入条件管理手段
１２プラント条件管理手段
１３−１，１３−２排ガス処理装置
１４排ガス熱分解装置

Claims

活性汚泥により廃水を処理する生物反応槽に設置された溶存酸素計と、
前記生物反応槽にエアレーションされたガスを回収するための排ガス回収手段と、
前記排ガス回収手段に設けられた制御弁を開閉制御する制御手段を備え、
前記制御手段は前記溶存酸素計の計測値の少なくとも６時間以上の平均値を、前記溶存酸素計の計測値の現状値が超えた場合に、前記制御弁を開閉制御してエアレーションされたガスを回収して、前記生物反応槽から発生するＮ ₂ Ｏを削減することを特徴とする下水処理方法。
請求項１に記載の下水処理方法において、
前記排ガス回収手段から回収された排気ガスを流入下水に注入して処理することを特徴とする下水処理方法。
請求項１に記載の下水処理方法において、
前記排ガス回収手段から回収された排ガスを処理水に注入して処理することを特徴とする下水処理方法。
請求項１に記載の下水処理方法において、
前記排ガス回収手段から回収された排ガスを熱分解して処理することを特徴とする下水処理方法。