JP5656656B2 - 水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、下水処理の過程で発生する温室効果ガスを削減するための下水処理装置に係り、特に、生物反応槽において生成する亜酸化窒素（以下、Ｎ₂Ｏ）を対象とした下水処理装置に関する。

近年、閉鎖性水域における富栄養化対策として、窒素を除去する高度な下水処理プロセスの導入が進められている。下水処理プロセスでの窒素除去は、硝化工程と脱窒工程の組み合わせによって行われる。

硝化工程は、ブロワにより酸素が供給されている好気槽で行われる。好気槽に流入してきた下水中のアンモニア性窒素（以下、ＮＨ₄−Ｎという）が、好気槽内の硝化菌により、亜硝酸性窒素（以下、ＮＯ₂−Ｎという）となり、さらに硝酸性窒素（以下、ＮＯ₃−Ｎという）に酸化される。

脱窒工程は、無酸素槽で行われる。硝化工程で生成したＮＯ₂−ＮあるいはＮＯ₃−Ｎは、無酸素槽に流入すると、脱窒菌により原水中の有機物をエネルギー源として窒素（以下、Ｎ₂という）に還元される。Ｎ₂がガス態として大気に放出されることにより下水中の窒素成分が除去される。

窒素を除去する実際の都市下水処理プロセスの代表例として、循環式硝化脱窒法がある。循環式硝化脱窒法は、前段に無酸素槽、後段に好気槽を配置し、ＮＯ₃−Ｎ，ＮＯ₂−Ｎを含む好気槽の硝化液を、前段の無酸素槽にポンプにより送水して循環させることにより、無酸素槽において脱窒し、窒素を除去する。脱窒反応を十分に進行させるためには、好気槽で十分に硝化されていること、脱窒菌のエネルギー源である有機物が無酸素槽に十分存在していることが求められる。

近年、米国や韓国の下水処理場において導入が進められている新たな窒素除去プロセスに、同時硝化脱窒法がある。従来は、硝化だけに適用されていた好気槽において、溶存酸素量（以下、ＤＯという）を低く維持することにより、硝化反応と脱窒反応を同時に行うことができる。ＤＯが低くなると、下水を処理する微生物の塊（以下、微生物フロックという）の内部にまで酸素が行き渡らず、微生物フロックの外周部は好気状態、内部が無酸素状態となる。外周部では硝化反応によりＮＯ₃−Ｎが生成し、内部では硝化反応で生成したＮＯ₃−ＮがＮ₂へと脱窒される。このように微生物フロック内に好気領域と無酸素領域が混在する状態を維持することにより、硝化脱窒反応が同時に進行する。

〔非特許文献１〕には、脱水素酵素の補酵素であるニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド（以下、ＮＡＤＨという）を測定するセンサーを用いて、同時硝化脱窒プロセスを制御する方法が例示されている。微生物フロック内部の通性嫌気性菌が産生するＮＡＤＨが好気、無酸素，嫌気状態に置かれた時に差異を示すことを利用している。ＮＡＤＨ値は、好気，無酸素，嫌気状態の順に大きな値となり、微生物フロック内が好気無酸素の共存状態では、好気状態と無酸素状態におけるＮＡＤＨ値の中間の値となり、同時硝化脱窒反応が進行する。同時硝化脱窒反応が進行し、脱窒率が最も大きくなるＮＡＤＨ値（２３ＢＰＡ（Biological Potential Activity）の略）で曝気量を制御するものである。

上記のように硝化脱窒反応を利用した高度処理プロセスが普及する一方、近年、下水処理の硝化反応，脱窒反応の副生成物としてＮ₂Ｏが生成することが問題となっている。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。Ｎ₂Ｏ生成量が増加する条件は、〔非特許文献２〕に記載のように、硝化反応，脱窒反応の進行阻害が挙げられる。硝化反応に伴い生成するＮ₂Ｏ生成量をＮ₂Ｏ濃度計により測定し、生物反応槽の曝気量を制御する方法が〔特許文献１〕に記載されている。

特開２０１０−９９５６０号公報

標準活性汚泥法に窒素除去機能を付加する風量制御システム、第４５回下水道研究発表会講演集、pp.725-727 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

Ｎ₂Ｏ生成量を抑制する手段には、硝化反応や脱窒反応の進行阻害を抑制する運転が挙げられる。特にＤＯは硝化反応，脱窒反応の進行阻害に影響を与えるため、硝化工程においては、十分なＤＯが存在すること、脱窒工程においてはＤＯが存在しないことが重要である。〔非特許文献１〕では、微生物フロック内に無酸素領域と好気領域が混在する状態をＮＡＤＨ値により制御する方法が例示されているが、硝化反応と脱窒反応が共存する領域においては、硝化反応，脱窒反応とも進行が阻害されやすく、Ｎ₂Ｏ生成量が増加する恐れがある。

〔特許文献１〕では、生物反応槽から放出されるＮ₂Ｏ濃度を直接測定することにより、Ｎ₂Ｏ濃度の変化を検知し、曝気量を制御している。例えば、Ｎ₂Ｏ濃度が上昇した場合は、曝気量を減少させ、硝化反応を抑制することにより、Ｎ₂Ｏ生成量を抑制する。しかしながら、この方法では、Ｎ₂Ｏ生成量を抑制できるが、硝化反応が進行せず水質が悪化する恐れがある。また、有機物の酸化反応の進行も抑制される恐れがある。

このため、Ｎ₂Ｏ生成量を抑制するためには、硝化工程においては、十分なＤＯが存在する状態（微生物フロック内が全て好気領域），脱窒工程においてはＤＯが存在しない状態（微生物フロック内が全て無酸素領域）を維持する制御方法が必要とされている。

本発明の目的は、生物反応槽に設置されたＮＡＤＨ計測手段の計測値を制御指標として微生物フロック内の好気領域，無酸素領域を適正な範囲に維持することにより、硝化脱窒反応の進行阻害を抑制し、水質の維持とＮ₂Ｏ生成量の低減を両立できる下水処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の下水処理装置は、活性汚泥が投入されている生物反応槽と、生物反応槽内のＮＡＤＨ値を計測するためのＮＡＤＨ計測手段と、生物反応槽に酸素を供給するための曝気手段と、ＮＡＤＨ値の計測値を指標として曝気手段を制御する制御手段とを備えたものである。制御手段は、生物反応槽におけるＮＡＤＨ値とＮ₂Ｏ生成量の関係を予め把握し、把握した関係によって曝気量を決定する。また、制御手段が、ＮＡＤＨ計測手段の計測値が２１ＢＰＡ以下の範囲となるように曝気手段を制御するものである。また、ＮＡＤＨ計測手段の設置場所が好気槽の上流側とするものである。

また、無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、好気槽から無酸素槽へ反応液を循環する循環ポンプと、前記無酸素槽に設置されたＮＡＤＨ計測手段と、ＮＡＤＨ計測手段の計測値を基に循環ポンプを制御する制御手段とを備えたものである。制御手段は、生物反応槽の無酸素工程におけるＮＡＤＨ値とＮ₂Ｏ生成量の関係を予め把握し、把握した関係によって、循環量を決定するものである。また、制御手段が、ＮＡＤＨ計測手段の計測値が２５ＢＰＡ以上の範囲となるように循環ポンプを制御するものである。

また、無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、好気槽から嫌気槽へ反応液を循環する循環ポンプと、無酸素槽および好気槽にそれぞれ設置されたＮＡＤＨ計測手段と、無酸素槽のＮＡＤＨ計測値および好気槽のＮＡＤＨ計測値を基に循環ポンプおよび曝気手段を制御する制御手段とを備えたものである。制御手段が、無酸素槽のＮＡＤＨ計測手段の計測値が２５ＢＰＡ以上、好気槽のＮＡＤＨの計測値が２１ＢＰＡ以下の範囲となるように循環ポンプおよび曝気手段を制御するものである。

本発明によれば、ＮＡＤＨ計測手段の計測値を基に生物反応槽の運転を制御することにより、水質の維持とＮ₂Ｏ生成量の抑制が可能となるため、下水処理場からの温室効果ガス排出量を削減できる。

本発明の実施例１である下水処理装置の構成図である。 ＮＡＤＨ値とＮ₂Ｏ生成量の関係を表す図である。 本発明の実施例２である下水処理装置の構成図である。 本発明の実施例３である下水処理装置の構成図である。 本発明の実施例４である下水処理装置の構成図である。

以下、本発明の各実施の形態を、図面に参照しつつ説明する。

［実施例１］
図１は実施例１の下水処理装置の構成図である。複数の微生物群からなる活性汚泥が投入されている生物反応槽１が設置され、生物反応槽１の上流側に供給された被処理水１００は下流側より処理水１０１として流出する。生物反応槽１の後段には、図示していない沈殿池が設けられ、反応液中の活性汚泥を固液分離する。固液分離された活性汚泥の一部は、図示していないが生物反応槽１に返送汚泥として戻される。

生物反応槽１の底部には散気部２が設置されており、散気部２は曝気手段３と接続されている。曝気手段３から散気部２を通じて、空気などの酸素含有気体が生物反応槽１へ送り込まれ、生物反応槽１内の溶存酸素濃度が増加し、下水を処理する際に活性汚泥が必要とする酸素が供給される。制御手段４は曝気手段３を制御し、生物反応槽１への曝気量を調整する。

反応液中の微生物フロックが産生するＮＡＤＨ量を計測するＮＡＤＨ計測手段５が生物反応槽１に設置されている。ＮＡＤＨ計測手段５は、３４０ｎｍの波長の紫外線を照射する発光部と、反応液中の微生物フロックが励起して発光する光を４６０ｎｍの波長にて検出する検出部とを備えており、ＮＡＤＨ計測手段５の計測信号は制御手段４に伝達される。

下水処理におけるＮ₂Ｏ生成条件の一つに硝化反応の阻害が挙げられる。流入下水中に含まれるＮＨ₄−Ｎは、活性汚泥による硝化反応でＮＯ₂−Ｎを経てＮＯ₃−Ｎに酸化される。通常、活性汚泥への酸素の供給量が十分な場合には、硝化反応が速やかに進行し、流入するＮＨ₄−Ｎの大部分がＮＯ₃−Ｎまで酸化される。

しかし、酸素の供給量が不十分になった場合は、微生物フロックの内部にまで酸素が行き渡らず、微生物フロックの外周部は好気状態、内部が無酸素状態となる。外周部では硝化反応によりＮＯ₃−Ｎが生成し、内部では硝化反応で生成したＮＯ₃−ＮがＮ₂Ｏ、Ｎ₂へと還元される。微生物フロックが産生するＮＡＤＨ値は、微生物フロック内部の通性嫌気性菌が好気、無酸素状態に置かれた時に差異を示す。一般に、ＮＡＤＨ値は好気，無酸素，嫌気状態の順に大きな値となり、微生物フロック内に好気無酸素領域が共存している状態では、好気状態と無酸素状態の中間の値となる。

図２に発明者らが実施した実験結果を示す。Ｎ₂Ｏ生成量はＮＡＤＨ値が約２３ＢＰＡにおいて最大値となる。ＮＡＤＨ値が２５ＢＰＡ以上に増加すると、Ｎ₂Ｏ生成量は大きく減少する。これは、ＮＡＤＨ値の上昇、すなわち微生物フロックの内部の無酸素領域の拡大により、硝化反応の進行が停止し、ＮＯ₃−ＮやＮＯ₂−Ｎの生成量が減少するため、Ｎ₂Ｏ生成量が減少する。

また、ＮＡＤＨ値が２１ＢＰＡ以下に低下するとＮ₂Ｏ生成量は大きく減少する。これは、ＮＡＤＨ値の減少すなわち微生物フロックの内部の無酸素領域が縮小し、フロック内部が完全好気領域となるため、硝化反応の進行が促進され、ＮＯ₃−ＮやＮＯ₂−Ｎの生成量は増加するが、Ｎ₂Ｏへの還元反応が停止し、Ｎ₂Ｏ生成量が減少する。

このように、硝化工程においては、微生物フロック内が完全好気領域となるＮＡＤＨ値２１ＢＰＡ以下でＮ₂Ｏ生成量を抑制でき、脱窒工程においては、微生物フロック内が完全無酸素領域となるＮＡＤＨ値２５ＢＰＡ以上でＮ₂Ｏ生成量を抑制できることを見出した。

本実施例の制御手段４の制御方法について説明する。制御手段４には、ＮＡＤＨ値とＮ₂Ｏ生成量の関係式が入力されており、制御手段４は、ＮＡＤＨ計測手段５の計測値が予め設定した上限値以下になるように曝気手段３の送気量を制御する。ＮＡＤＨ値とＮ₂Ｏ生成量の関係式は、関数あるいはデータベースとして記録されている。ここで、上限値は予め把握したＮ₂Ｏ生成量が最小となるように、ＮＡＤＨ値を２１ＢＰＡ以下の範囲に設定することができる。ＮＡＤＨ計測値が２１ＢＰＡを超えた場合は、送気量を増加させる。本実施例によりＮＡＤＨ計測手段の計測値を基に曝気手段を制御することで、Ｎ₂Ｏ生成量を抑制することができる。

また、特に好気槽の上流部では、ＤＯが低下し、Ｎ₂Ｏ生成量が増加しやすいため、ＮＡＤＨ計測手段５の設置場所は、生物反応槽１の上流側に近い位置とするのが好適である。

［実施例２］
図３は、実施例２の下水処理装置の構成図である。本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、さらに生物反応槽１の下流部に硝化率推定手段６が設置されている。硝化率推定手段６の計測信号は制御手段４に送られる。

本実施例では、硝化率を考慮したＮＡＤＨ値によるＮ₂Ｏ抑制方法について説明する。制御手段４は、ＮＡＤＨ計測手段５と硝化率推定手段６の計測値を受信する。制御手段４は、予め把握したＮ₂Ｏ生成量が最小となるように、ＮＡＤＨ値が２１ＢＰＡ以下の範囲を維持するように曝気手段３の送気量を制御するが、硝化率推定手段６の推定値Ｘが予め設定した目標値Ｘ１以上を超えた場合に、送気量を減少させる。送気量の減少により、再びＮＡＤＨ値が２１ＢＰＡを超えた場合には、送気量を再度増加させる。また、ここで硝化率推定手段６は、ＮＯ₃−Ｎ濃度計，ＮＨ₄−Ｎ濃度計，ＯＲＰ計の少なくとも１つ以上の組み合わせとしてもよい。

本実施例により、ＮＡＤＨ計測手段の計測値を基に曝気手段を制御することで、Ｎ₂Ｏ生成量を抑制し、目標硝化率を維持することができる。

［実施例３］
図４は、実施例３の下水処理装置の構成図である。本実施例は、実施例１と同様に構成されているが、生物反応槽１を無酸素槽８と好気槽９に分割し、好気槽９から無酸素槽８に反応液を循環させるための循環ポンプ７が設置されている。被処理水１００は無酸素槽８へ供給され、好気槽から処理水１０１として流出する。循環ポンプ７は制御手段４によって流量を制御される。また、ＮＡＤＨ計測手段５は無酸素槽８に設置されており、ＮＡＤＨ計測手段５の計測信号は制御手段４に伝達される。

Ｎ₂Ｏは、無酸素槽の脱窒工程においてＮＯ₃−Ｎ→ＮＯ₂−Ｎ→Ｎ₂Ｏ→Ｎ₂へと還元される過程で生成する。脱窒反応が良好に進行している場合は、Ｎ₂ＯはＮ₂となり大気中に発散するが、脱窒反応が阻害されるとＮ₂Ｏが反応液中に生成する。液中に生成したＮ₂Ｏは無酸素槽から好気槽へ流下すると、曝気によりガス化され、排ガス中のＮ₂Ｏ濃度が増加する。このため、脱窒反応の阻害される条件を回避することにより、反応液中のＮ₂Ｏの生成を抑制できる。

無酸素槽の脱窒工程において、脱窒反応の進行が阻害される要因として、好気槽から無酸素槽へ循環される反応液中のＤＯの持ち込みがある。無酸素槽へＤＯが持ち込まれると、微生物フロックの外周部が好気状態となり、好気無酸素領域の共存状態となる。このような条件において、Ｎ₂Ｏ生成量が増加する。

このため、Ｎ₂Ｏ生成量を抑制するためには、微生物フロック内が完全無酸素状態になるように維持する必要がある。実施例１にて述べたように、ＮＡＤＨ値が２５ＢＰＡ以上で、フロック内が無酸素状態となりＮ₂Ｏの生成量が抑制される。

本実施例の制御手段４の制御方法について説明する。無酸素槽８におけるＮＡＤＨ値の増加は、循環ポンプ７により、無酸素槽８に循環される反応液中のＤＯの持ち込み量の増加によるものと推察される。制御手段３は、ＮＡＤＨ計測手段５の計測値が、予め設定した下限値以上となるように循環ポンプ７の循環流量を制御する。ここで、下限値はＮ₂Ｏ生成量が最小となるように、ＮＡＤＨ値が２５ＢＰＡ以上の範囲に設定することができる。ＮＡＤＨ計測値が２５ＢＰＡ以下に低下した場合、循環量を減少させる。

本実施例により、無酸素槽および好気槽のＮＡＤＨ計測手段の計測値を基に、循環ポンプおよび曝気手段を制御することで、無酸素槽および好気槽におけるＮ₂Ｏの生成を抑制できる。

［実施例４］
図５は実施例４の下水処理装置の構成図である。本実施例は、実施例３と同様に構成されているが、無酸素槽８に無酸素槽のＮＡＤＨ計測手段５−１、好気槽９に好気槽のＮＡＤＨ計測手段５−２が設置されている。制御手段４は曝気手段３を制御し、好気槽９の曝気量を調整する。無酸素槽のＮＡＤＨ計測手段５−１および好気槽のＮＡＤＨ計測手段５−２の計測信号は制御手段４に伝達される。

本実施例では、循環ポンプ７の循環流量を低下させても、無酸素槽のＮＡＤＨ計測手段５−１の計測値が予め設定したＮ₂Ｏ生成量が最小となるＮＡＤＨ値である２５ＢＰＡを下回る場合、制御手段４は曝気手段３を制御し、曝気量を削減し、好気槽９内のＤＯを低下させる。

ただし、好気槽９のＤＯを低下させた場合は、好気槽９からのＮ₂Ｏ生成量が増加する恐れがあるため、好気槽９に設置された好気槽のＮＡＤＨ計測手段５−２の計測値が、予め設定したＮ₂Ｏ生成量が最小となるように、ＮＡＤＨ値が２１ＢＰＡより増加した場合は、曝気量を再び増加させる。

本実施例により、無酸素槽および好気槽のＮＡＤＨ計測手段の計測値を基に、循環ポンプおよび曝気手段を制御することで、無酸素槽および好気槽におけるＮ₂Ｏの生成を抑制できる。

１ 生物反応槽
２ 散気部
３ 曝気手段
４ 制御手段
５ ＮＡＤＨ計測手段
６ 硝化率推定手段
７ 循環ポンプ
８ 無酸素槽
９ 好気槽
１００ 被処理水
１０１ 処理水

Claims (5)

1. 活性汚泥により下水を処理する下水処理装置において、
   前記活性汚泥が投入されている生物反応槽と、
   前記生物反応槽内のＮＡＤＨ値を計測するためのＮＡＤＨ計測手段と、
   前記生物反応槽に酸素を供給するための曝気手段と、
   前記ＮＡＤＨ値の計測値を指標として曝気手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記生物反応槽におけるＮＡＤＨ値と亜酸化窒素生成量の関係を関数あるいはデータベースとして備え、予め設定した亜酸化窒素生成量の目標値に基づきＮＡＤＨ値の上限値を決定し、決定したＮＡＤＨ値の上限値以下に前記ＮＡＤＨ値の計測値が維持されるように前記曝気手段を制御することを特徴とする下水処理装置。
2. 活性汚泥により下水を処理する下水処理装置において、
   無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、
   前記好気槽から前記無酸素槽へ反応液を循環する循環ポンプと、
   前記無酸素槽に設置されたＮＡＤＨ計測手段と、
   前記ＮＡＤＨ計測手段の計測値を基に前記循環ポンプを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記無酸素槽におけるＮＡＤＨ値と亜酸化窒素生成量の関係を関数あるいはデータベースとして備え、予め設定した亜酸化窒素生成量の目標値に基づきＮＡＤＨ値の下限値を決定し、決定したＮＡＤＨ値の下限値以上に前記ＮＡＤＨ値の計測値が維持されるように前記循環ポンプを制御することを特徴とする下水処理装置。
3. 請求項２に記載の下水処理装置において、
   前記下限値が２５ＢＰＡ以上の範囲であることを特徴とする下水処理装置。
4. 活性汚泥により下水を処理する下水処理装置において、
   無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、
   前記好気槽から前記無酸素槽へ反応液を循環する循環ポンプと、
   前記無酸素槽に設置されたＮＡＤＨ計測手段と、
   前記ＮＡＤＨ計測手段の計測値を基に前記循環ポンプを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段が、前記ＮＡＤＨ計測手段の計測値が予め設定した下限値以上になるように前記循環ポンプを制御し、
   前記下限値が２５ＢＰＡ以上の範囲であることを特徴とする下水処理装置。
5. 活性汚泥により下水を処理する下水処理装置において、
   無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、
   前記好気槽から前記無酸素槽へ反応液を循環する循環ポンプと、
   前記好気槽に設置した酸素を供給するための曝気手段と、
   前記無酸素槽および前記好気槽のそれぞれに設置したＮＡＤＨ計測手段と、
   前記無酸素槽のＮＡＤＨ計測値および好気槽のＮＡＤＨ計測値を基に前記循環ポンプおよび前記曝気手段を制御する制御手段と
   前記制御手段が、前記無酸素槽のＮＡＤＨ計測手段の計測値が予め設定した下限値以上、前記好気槽のＮＡＤＨの計測値が予め設定した上限値以下を維持するように前記循環ポンプおよび前記曝気手段を制御し、
   前記上限値が無酸素槽では２５ＢＰＡ以上、前記下限値が好気槽では２１ＢＰＡ以下の範囲であることを特徴とする下水処理装置。

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