JP6391325B2 - Ｎ２ｏ抑制型水処理方法及び処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒素含有排水の処理においてＮ_２Ｏの発生を抑制した処理方法に関する。

生活排水や工場排水などの排水中に含まれるアンモニア性窒素は、排水の放流先となる湖沼や内湾などの閉鎖性水域における溶存酸素の低下や富栄養化現象の原因になる。そのため、多くの排水処理設備においては、一般に硝化処理が行われる。硝化処理とは、反応槽内の排水に投入した微生物や排水中に元々存在する微生物を利用して、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素や硝酸性窒素に硝化する処理である。

このような硝化処理においては、微生物活動や反応槽の運転条件などの変化によって、反応副生成物として亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスが発生することが知られている。Ｎ_２Ｏガスは温室効果ガスであり、その温室効果は二酸化炭素ガスの約３１０倍と非常に高い。また、Ｎ_２Ｏガスは、フロンガスと同様に、成層圏のオゾン層を破壊するオゾン層破壊ガスとしても知られている。そのため、地球環境保護の観点から、大気中へのＮ_２Ｏガスの拡散を抑制することが急務となっている。

この硝化処理の工程は、以下に示す、反応式（１）および反応式（２）によりアンモニアが酸化されて亜硝酸となる工程と、反応式（３）により亜硝酸が酸化されて硝酸となる工程と、を含む。また、以下に示す反応式（１）により生成されたＮＨ_２ＯＨは、反応式（２）により酸化されてＮＯ^２−となるが、ＮＨ_２ＯＨの一部は、反応式（４）により酸化されてＮ_２Ｏとなる。

ＮＨ_３＋Ｏ_２＋２e⁻＋２Ｈ^＋→ＮＨ_２ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ …（１）
ＮＨ_２ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＯ_２ ⁻＋５Ｈ^＋＋４ｅ⁻…（２）
ＮＯ_２ ⁻＋０．５Ｏ_２→ＮＯ_３ ⁻…（３）
ＮＨ_２ＯＨ＋０．５Ｏ_２→０．５Ｎ_２Ｏ＋１．５Ｈ_２Ｏ…（４）

この硝化反応を促進するためには、排水中に１．５ｍｇ／Ｌ程度の溶存酸素が残存していることが必要である。そのため、硝化処理においては、ブロアから空気による曝気を行って、必要な溶存酸素量を確保している。

従来の標準活性汚泥法では、処理槽の溶存酸素量を調整するため、処理槽の所定位置における溶存酸素量をＤＯ計で測定し、曝気量を制御する方法が一般的であった。
しかし、この従来方法では、ＤＯ計の測定値に基づいて当該ＤＯ計の上流部における曝気量を制御するもので、下流側の曝気量を管理する概念がなかった。
また、ＤＯ計は低濃度域では感度が悪く、例えば、処理槽の前段部で硝化を抑制した場合、曝気手段への送風量の制御が難しく、前段部での硝化の進行具合を調整することは不可能に近かった。
さらに、ＤＯ計によるＤＯ制御では、末端部での溶存酸素量をある程度確保することにより、硝化の達成度を基準にして送風量を制御しているため、硝化が完了した後もＤＯ値が設定の値になるまで曝気が継続されるので、無駄な風量が発生していた。
反応槽から排出されるＮ_２Ｏは、硝化の進行を制御することにより、排出量を制御できると考えられるが、ＤＯ制御でＮ_２Ｏの生成を抑制することは困難であった。

そこで、窒素含有排水の流れ方向に沿って配列された複数段の硝化槽において、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）を利用して窒素含有排水中に含まれるアンモニア性窒素を段階的に硝化する硝化ステップを含む排水の処理方法が開発された（特許文献１参照）。そして、この硝化ステップが、各硝化槽の曝気量を調整することによって各硝化槽の酸化還元電位（ＯＲＰ）がそれぞれ、各硝化槽においてアンモニア酸化細菌活性（ＡＯＢ活性）を亜硝酸酸化細菌活性（ＮＯＢ活性）と同等もしくはそれ以下に維持するための目標酸化還元電位になるように制御する制御ステップを含んでいる。このような排水の処理方法によれば、窒素含有排水を生物処理する際の亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）の発生を抑制できる。

しかしながら、上述した排水の処理方法においては、目標酸化還元電位は、各硝化槽においてアンモニア酸化細菌活性（ＡＯＢ活性）が、亜硝酸酸化細菌活性（ＮＯＢ活性）と同等もしくはそれ以下に維持されるように、硝化槽ごとにあらかじめ実験データを蓄積することによって設定される。ここで、ＡＯＢ活性とＮＯＢ活性との大小関係は、それぞれの菌の酸化速度を測定することにより確認する必要がある。

すなわち、目標酸化還元電位の設定に際しては、時間の手間のかかる煩雑な作業を余儀なくされており、Ｎ_２Ｏの発生の抑制効果が効率的に得られないという問題があった。

特開２０１１−１０４５８５号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、亜酸化窒素の発生の抑制効果を効率良く得られ、且つ必要な水質を維持するような風量制御を、時間および手間を要すことなく容易に行うことができる排水の処理装置および排水の処理方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、窒素含有排水を所定速度で流下させる処理槽を前段区間と後段区間に区分し、前段区間の始点部、前段区間と後段区間の境界部、後段区間の終点部にそれぞれアンモニア計を設置し、これら各部に設置したアンモニア計の測定値に基づいて、前記前段区間と前記後段区間とを独立に散気手段の動作制御を実施する散気制御工程を含む下水硝化処理方法であって、
あらかじめ、前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）生成速度との相関関係及び前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）生成速度との相関関係を算出し、
処理槽全体の容積に対する前段区間の始点部と前記境界部までの処理槽の容積の割合（％）をα、前段区間の始点部におけるアンモニア性窒素濃度に対する前記境界部におけるアンモニア性窒素濃度の減少値で表わされるアンモニア性窒素の硝化率（％）をβとした場合、
β／αが前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲となるか、及び（１００−β）／（１００−α）が前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲となるようにα及びβを選択し、
前記前段区間でのアンモニア性窒素の硝化率がβとなるよう前段区間の曝気量を制御し、前記後段区間の終点部でのアンモニア性窒素の濃度が０となるよう前記後段区間の曝気量を制御することを特徴とする。

また、本発明の下水処理装置は、窒素含有排水を所定速度で流下させる処理槽が前段区間と後段区間に区分され、前段区間の始点部、前段区間と後段区間の境界部、後段区間の終点部にそれぞれアンモニア計が設置され、これら各部に設置されたアンモニア計によるアンモニア窒素濃度の測定値に基づいて、前記前段区間と前記後段区間とを独立に散気手段の動作制御を実施する散気制御手段を有する下水処理装置であって、
前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係、及び前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素成速度との相関関係を算出し、前段区間および後段区間における亜酸化窒素生成速度を最小にする流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲を設定する手段、処理槽全体の容積に対する前段区間の始点部と前記境界部までの処理槽の容積の割合（％）をα、前段区間の始点部におけるアンモニア性窒素濃度に対する前記境界部におけるアンモニア性窒素濃度の減少値で表わされるアンモニア窒素の硝化率（％）をβとした場合、β／αが前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲となり、及び（１００−β）／（１００−α）が前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲となるようにα及びβを選択する手段
を備え、
前記散気制御手段が、前記前段区間でのアンモニア性窒素の硝化率が前記選択したβとなるよう前段区間の曝気量を制御し、及び、前記後段区間の終点部でのアンモニア性窒素の濃度が０となるよう前記後段区間の曝気量を制御する手段であることを特徴とする。

亜酸化窒素生成速度を最小にするする流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲を設定する手段とは、前段区間あるいは後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係から、予め設定された亜酸化窒素生成速度の最小値からの許容値に基づき、自動的に最適範囲を設定するプログラム、あるいは、流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係をモニターなどに表示させ、装置の管理者により手動で最適範囲値を入力する入出力装置が例示できる。

ここで、前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係及び前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係は、後述するように、シミュレーションにより求める。

処理槽全体の容積に対する前段区間の始点部と前記境界部までの処理槽の容積の割合α（％）は、処理槽が単一槽の場合、処理槽の流れ方向の全長に対する処理槽の始点から境界部までの距離の割合で表わされ、処理槽が多槽の場合、処理槽の全槽数に対する第１槽から境界部までの槽数で表わされ、処理槽の始点部で０％、処理槽の終点部で１００％となる。
また、アンモニア性窒素の硝化率β（％）は、前段区間の始点部におけるアンモニア性窒素濃度Ｎin、前記境界部におけるアンモニア性窒素濃度Ｎxとした場合、β＝（Ｎin−Ｎx）／Ｎin×１００（％）で計算される値であり、処理槽の始点部ではＮin＝Ｎxであるからβは０％である。
ここで、アンモニア計を用いたのは、槽内の溶存酸素濃度が０．１ｍｇ/Ｌ程度の条件下では、アンモニア計の値の方が、変化量が大きく捉えることができ、送風量制御に適していると考えられるからである。

本発明に係る排水の処理方法によれば、亜酸化窒素の発生の抑制効果を効率良く得られ、且つ必要な水質を維持するような風量制御を時間および手間を要することなく容易に行うことができる。
本発明の方法で使用する流入負荷当たりのアンモニア酸化速度は無次元数であり、処理条件に依存しないので、如何なる処理条件においても、当該処理条件におけるＮ_２Ｏの発生量を最小限とすることができ、しかも処理槽から排出されるアンモニア性窒素濃度をほぼ０とすることができる。

図１は、従来技術の実施形態による排水の処理装置の構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施形態による排水の処理装置の構成を示す模式図である。 図３は、従来技術の実施形態による境界部における硝化率（％）を変化させたときの、境界部でのＤＯ値及び前段部におけるＮ_２Ｏ生成速度の関係を表すグラフである。 図４は、本発明の実施形態による境界部における硝化率（％）を変化させたときの、境界部でのアンモニア性窒素濃度及び前段部におけるＮ_２Ｏ生成速度の関係を表すグラフである。 図５は、境界部における硝化率とＮ_２Ｏ生成速度の関係を表すグラフである。 図６は、本発明の実施形態による前段部における処理条件を変化させたときの、前段部における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度との関係を表すグラフである。 図７は、本発明の実施形態による後段部における処理条件を変化させたときの、前段部における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度とＮ_２Ｏ生成速度の関係を表すグラフである。 図８は、アンモニア酸化細菌によるＮ₂Ｏの生成モデルの説明図である。

図１は、従来技術の排水の処理装置を示す。この実施形態では、排水の処理装置１は、第１〜第ｎの複数段、例えば６段（ｎ＝６）の硝化槽２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ、固液分離槽４、汚泥返送経路５、および情報処理部１０を備える。硝化槽２ａには、窒素含有排水としての窒素含有処理原水（以下、処理原水）が流入する。硝化槽２ａ〜２ｆは、処理原水の流れ方向に沿って直列に配列されている。それぞれの硝化槽２ａ〜２ｆにおいては、硝化槽２ａに流入した処理原水が被処理水として順次生物処理される。すなわち、各硝化槽２ａ〜２ｆにおいては、好気条件下で、処理原水中に含まれるアンモニア性窒素が亜硝酸性窒素および硝酸性窒素に硝化されるとともに、処理原水中に含まれるリンが活性汚泥中に取り込まれる。情報処理部１０は、例えばＰＣなどのハードウェアと、このＰＣに対して所定の情報処理を実行させるプログラムなどのソフトウェアとを有して構成される。

それぞれの硝化槽２ａ〜２ｆにはそれぞれに対応して、亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）計３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆと、散気部６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆと、酸化還元電位（ＯＲＰ）計７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆと、攪拌機１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆとが設けられている。散気部６ａ〜６ｆにはそれぞれ、曝気量を制御する制御弁９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆを介して、気体として例えば空気を供給するブロワ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆが連結されている。散気部６ａ〜６ｆはそれぞれ、ブロワ８ａ〜８ｆのそれぞれから供給される空気を利用して、それぞれの硝化槽２ａ〜２ｆ内に貯留されている活性汚泥に対して散気を行う。なお、これらのＮ₂Ｏ計３ａ〜３ｆは、排水の処理装置１において必ずしも設ける必要はない。また、攪拌機１１ａ〜１１ｆにおいても、必要に応じて設置され、必ずしも設ける必要はない。

また、酸化還元電位計測手段としてのＯＲＰ計７ａ〜７ｆはそれぞれ、各硝化槽２ａ〜２ｆ内の酸化還元電位（ＯＲＰ）を測定する装置である。ＯＲＰ計７ａ〜７ｆはそれぞれ、計測した酸化還元電位の値を情報処理部１０に入力する。すなわち、ＯＲＰ計７ｆが第ｎの酸化還元電位計測手段を構成し、これより上流側のＯＲＰ計７ａ〜７ｅがそれぞれ、第１の酸化還元電位計測手段〜第ｎ−１の酸化還元電位計測手段を構成する。なお、ｎは２以上の自然数であり、この第１の実施形態においては、ｎ＝６である。

また、亜酸化窒素測定手段としてのＮ₂Ｏ計３ａ〜３ｆはそれぞれ、各硝化槽２ａ〜２ｆ内の亜酸化窒素量を計測する装置である。なお、これらのＮ₂Ｏ計３ａ〜３ｆは、排水の処理装置１において、Ｎ₂Ｏガスの排出量を計測する必要がある場合に設置される。

また、各散気部６ａ〜６ｆにそれぞれ連結された制御弁９ａ〜９ｆは、例えば空気流量制御弁などによって構成され、情報処理部１０からの制御信号に従って各硝化槽の曝気量を個別に制御する。すなわち、情報処理部１０は、曝気量制御手段の一部としての曝気量制御部を構成するソフトウェアにおけるプログラムを有する。そして、曝気量制御部は、曝気量制御手段の一部としての、各ブロワ８ａ〜８ｆ、および各ブロワ８ａ〜８ｆに対応する各制御弁９ａ〜９ｆをそれぞれ個別に制御する。これにより、曝気量制御部は、各散気部６ａ〜６ｆによる曝気量をそれぞれ独立して制御する。また、攪拌機１１ａ〜１１ｆはそれぞれ、各硝化槽２ａ〜２ｆにおける、各散気部６ａ〜６ｆからの空気や内部の活性汚泥を攪拌するためのものである。

固液分離槽４には、被処理水の流れに沿った最も下流側の硝化槽２ｆから流出した被処理水が流入する。固液分離槽４では、被処理水が分離液４ａと活性汚泥４ｂとに分離され、活性汚泥４ｂは、攪拌機４ｃによって攪拌される。また、固液分離槽４の側壁には、配管（図示せず）が接続されており、この配管を介して消毒処理された分離液４ａが系外に排出される。また、固液分離槽４の底部には、ポンプ５ａを備えた汚泥返送経路５が接続されており、固液分離槽４の底部に堆積した活性汚泥４ｂを例えば硝化槽２ａに返送する。これにより、硝化槽２ａ内の生物量を所定量に維持できる。

（実施形態）
次に、本発明の実施形態について説明する。図２は、この実施形態による排水の処理装置を示す模式図である。

図２示すように、本実施形態による排水の処理装置２１は、アンモニア濃度計測手段としてのアンモニア計１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられている。アンモニア計１２ａは、処理原水に含まれるアンモニア濃度またはアンモニア性窒素濃度を計測可能に構成されている。アンモニア計１２ｂは、硝化槽２ａ〜２ｆのうちの途中位置としての略中間位置に設置され、このアンモニア計１２ｂより上流側が硝化領域の前段区間となる。また、アンモニア計１２ｂは、例えば硝化槽２ｃ内の被処理水に含まれるアンモニア濃度またはアンモニア性窒素濃度を計測可能に構成されている。アンモニア計１２ｃは、硝化槽２ａ〜２ｆのうちの終点位置としての下流側位置に設置され、このアンモニア計１２ｃより上流側かつアンモニア計１２ｂより下流側が硝化領域の後段区間を構成する。また、アンモニア計１２ｃは、例えば硝化槽２ｆ内の被処理水に含まれるアンモニア濃度またはアンモニア性窒素濃度を計測する。なお、アンモニア計１２ｂは、硝化槽２ａ〜２ｆにおけるいずれかの硝化槽に設置可能であるが、曝気量を制御する観点から、硝化槽２ａ，２ｆを除く２ｂ〜２ｅに設置するのが好ましい。

また、情報処理部１０は、曝気量制御手段の一部としての曝気量制御部を構成するソフトウェアに従って各部を制御可能に構成されている。そして、曝気量制御部は、曝気量制御手段の一部を構成する、各ブロワ８ａ〜８ｆ、および各ブロワ８ａ〜８ｆに対応する各制御弁９ａ〜９ｆをそれぞれ個別に制御する。これにより、各散気部６ａ〜６ｆによる曝気量はそれぞれ独立して制御される。また、情報処理部１０は、各種シミュレーションを実行可能に構成されているとともに、排水の処理装置２１における各種実験データがテーブル状に読み出しおよび書き出し可能に格納された制御手段としても用いられる。さらに、情報処理部１０は、前段及び後段区間の曝気量を各アンモニア計の測定値に応じて制御する制御部を有している。そして、情報処理部１０は、これらの各部を構成するソフトウェアによって処理装置２１における情報に基づいて、情報を処理したり各部を制御したりする。その他の構成は、従来技術の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
以上、処理槽を６槽に分割した設備で説明したが、処理槽を単一槽とし、アンモニア計１２ｂを処理槽の中間部に、アンモニア計１２ｃを処理槽の終端部に、それぞれ設けた構成としてもよい。この場合、アンモニア計１２ｂより上流側の処理槽前段部の曝気手段からの曝気量とアンモニア計１２ｂより下流側の処理槽後段部の曝気手段からの曝気量は、別個に制御できるようにしておく。

図３は、本発明者らが行った実験およびシミュレーションにより得られたＮ_２Ｏの生成速度の前段区間硝化率依存性の一例を示すグラフであり、図１に示される従来技術の排水の処理装置におけるＤＯ計による測定値も示している。

図４は、本発明者らが行った実験およびシミュレーションにより得られたＮ_２Ｏの生成速度の前段区間硝化率依存性の一例を示すグラフであり、硝化率（％）に対応させて、図２に示される本発明の実施態様のアンモニア計で測定されるアンモニア性窒素濃度値も示したグラフである。

図３及び図４から明らかなように、硝化率が２０〜３０％である領域においては、Ｎ_２Ｏの生成速度が最少となるが、図３に示されるように、この領域でのＤＯ値が低く、且つ変化量も小さく、ＤＯ計による従来技術の装置では、硝化率を精度よく制御することは困難である。
これに対し、図４に示されるように、硝化率とアンモニア性窒素濃度は比例関係にあるので、アンモニア計を備えた本発明の装置では、前段における硝化率を精度よく制御することが可能である。

以下、図３、図４における硝化率とＮ_２Ｏ生成速度の関係の求め方について説明する。
本発明者らは、上述したアンモニア計１２ｂにより境界部の計測に基づいて算出される前段区間硝化率（％）を種々変化させて、アンモニア計１２ｃの計測位置である終点部でのアンモニア性窒素濃度を計測した。なお、図２の実施形態において硝化率（％）は、以下の（５）式から求められる。

｛（流入位置（硝化槽２ａ）におけるアンモニア性窒素濃度−アンモニア計１２ｂにより計測されるアンモニア性窒素濃度）／（流入位置におけるアンモニア性窒素濃度）｝×１００（％）……（５）

ここで、流入位置におけるアンモニア性窒素濃度とは、アンモニア計１２ａにより計測される処理原水のアンモニア性窒素濃度に対して、返送汚泥とともに返送された返送水の流入分を考慮したアンモニア性窒素濃度である。具体的な一例を挙げると、処理原水の流入量Ｑ₁、返送水の返送量Ｑ_２に対して、流入位置（硝化槽２ａ）におけるアンモニア性窒素濃度は、処理原水のアンモニア性窒素濃度のＱ_１／（Ｑ_１＋Ｑ_２）倍になる。

そして、本発明者らは、アンモニア計１２ｂの設置位置（中間位置）において計測される前段区間の硝化率（前段区間硝化率）を種々の硝化率として、下流側の硝化槽２ｆ（末端槽）におけるアンモニア性窒素濃度を測定し、硝化槽２ｆにおけるアンモニア性窒素濃度が単調減少することを知見した。

ここで、Ｎ_２Ｏが生じる発生経路においては、以下の反応式（６），（７）のように、ＮＯ₂ ^-が還元されてＮ_２Ｏとなる。すなわち、Ｎ_２Ｏは、主にアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）による亜硝酸の還元により生成される。

ＮＨ_２ＯＨ＋ＮＯ_２ ^-→Ｎ₂Ｏ＋Ｈ_２Ｏ＋ＯＨ^- …（６）
Ｈ_２＋ＮＯ_２ ^-→０．５Ｎ₂Ｏ＋０．５Ｈ_２Ｏ＋ＯＨ^- …（７）

Ｎ_２Ｏの生成はＡＯＢのみが担うとし、ＡＯＢによるＮ_２Ｏ生成経路として亜硝酸の脱窒を主たる生成経路とし、その表現法として転換率モデル（図８（b））を採用した。即ち、Ｎ_２Ｏ生成速度をアンモニア酸化速度に転換率を乗じて表す方法である。これまで、いわゆる逐次反応としてモデル（図８(a)）化する例が多いようであるが、ＮＯに関する定数を決める必要がないなど簡便で実用性が高いと判断した。
また、本発明者らは、前段区間における硝化率（前段区間硝化率）を種々の硝化率として、硝化槽２ａ〜２ｆにおけるＮ_２Ｏ生成速度の導出を試みた。なお、上述したようにＮ_２Ｏは、ＡＯＢのアンモニア酸化に伴って生成される。そして、詳細は後述するが、本発明者がシミュレーションおよび実験に基づいて鋭意検討を行った結果、Ｎ_２Ｏ生成速度が以下の（８）式から導出可能であることを知見するに至った。

Ｎ₂Ｏ生成速度＝アンモニア酸化速度×Ｎ₂Ｏ転換率 ……（８）

そして、（８）式に関して本発明者らが実験およびシミュレーションに基づいた鋭意検討により得た知見によれば、アンモニア酸化速度は、ＡＯＢの生物学的定数に基づき、アンモニア濃度および溶存酸素（ＤＯ）濃度に依存し、Ｎ_２Ｏ転換率は、亜硝酸濃度およびＤＯ濃度に依存する。すなわち、上述した反応式（６），（７）によって、（８）式のＮ_２Ｏ生成速度に影響があることを知見した。

また、上述したように、ＡＯＢ活性がＮＯＢ活性以下になる条件下（ＡＯＢ活性≦ＮＯＢ活性）、特にＮＯＢ活性がＡＯＢ活性とほぼ等しくなる中庸の条件下においては、Ｎ_２Ｏの増加が抑制される。一方、一般的に微生物の倍化速度は、ＮＯＢに比してＡＯＢの方が倍程度大きい。これらの点から、本発明者らは、ＡＯＢ活性に着目して、Ｎ_２Ｏを抑制するためにＡＯＢに含まれる微生物の区別に着目した。ＡＯＢには種々の微生物が含まれ、具体的には、Nitrosospira属、およびNitorosomonas属などが含まれる。本発明者らの知見によれば、アンモニア酸化活性に関しては、Nitorosomonas属のアンモニア酸化活性は、Nitrosospira属のアンモニア酸化活性より大きい。

そこで、本発明者らは、これらのNitrosospira属およびNitorosomonas属の微生物に着目して、種々実験およびシミュレーションを行った。ここで、本発明者らの従来の知見から、それぞれの硝化槽２ａ〜２ｆにおける微生物の増殖速度については、以下の（９）式、（１０）式および（１１）式が成立することが分かっている。なお、（９）〜（１１）式において、ｄＸ_SPR／ｄｔはＡＯＢのNitrosospira属の増殖速度、ｄＸ_MNS／ｄｔはＡＯＢのNitorosomonas属の増殖速度、ｄＸ_NOB／ｄｔはＮＯＢの増殖速度である。また、Ｓ_Ｏ２は溶存酸素濃度（ＤＯ濃度）であって、例えば、硝化槽２ｆにおいて２．０ｍｇとして硝化槽２ｃにおいて０〜２．０ｍｇ／Ｌで種々の値とし、これらの値に応じて、硝化槽２ｂ，２ｄ，２ｅにおけるＤＯ濃度Ｓ_Ｏ２も種々の値としたものである。また、Ｓ_NH4はアンモニア濃度であって、例えばＤＯ濃度Ｓ_Ｏ２を種々の値とした場合に、そのＤＯ濃度Ｓ_Ｏ２ごとに対応させた各硝化槽２ａ〜２ｆにおけるアンモニア濃度Ｓ_NH4である。また、Ｓ_NO2は亜硝酸濃度である。さらに、Ｘ_SPRはNitrosospira属の微生物濃度、Ｘ_MNSはNitorosomonas属の微生物濃度、Ｘ_NOBはＮＯＢの微生物濃度であり、Ｋ^SPR _O2、Ｋ^SPR _NH4、μ^SPR _max、Ｋ^MNS _O2、Ｋ^MNS _NH4、μ^MNS _max、μ^NOB _max、Ｋ^NOB _O2、およびＫ^NOB _NO2については、以下の表１に示す定数である。なお、これらの定数については、必ずしもこれらの定数に限定されるものではなく、種々の定義に基づく定数を採用可能である。また、ｂ^SPR、ｂ^MNS、およびｂ^NOBはそれぞれ、Nitrosospira属、Nitorosomonas属、およびＮＯＢの死滅係数である。

表１参考文献
1) Taylor, A.E., Bottomley, P.J., : Nitrite production by Nitrosomonas europaea and Nitrosospira sp. AV in soils at different solution concentrations of ammonium. Soil Biol. Biochem.38 (4), p.828-836. (2006)
2) Sin, G., Kaelin, D., Kampschreur, M.J., Taka´ cs, I., Wett, B., Gernaey, K.V., Rieger, L., Siegrist, H., van Loosdrecht, M. : Modelling nitrite in wastewater treatment systems: a discussion of different modelling concepts. Water Science and Technology 58 (6), p.1155-1171 (2008)

また、本発明者の知見によれば、Nitrosospira属およびNitorosomonas属によるアンモニア酸化速度γ^SPR _NH4，γ^MNS _NH4については、以下の（１２）式および（１３）式が成立することが知られている。また、ＮＯＢによる亜硝酸酸化速度γ^NOB _NO2については、以下の（１４）式が成立することが知られている。なお、（１２）〜（１４）式において、Ｙ_SPR、Ｙ_MNS、Ｙ_NOBはそれぞれ、収率である。

しかしながら、上述した微生物増殖速度、ならびにアンモニア酸化速度および亜硝酸酸化速度のみでは、各硝化槽２ａ〜２ｆにおけるＮ₂Ｏ生成速度をシミュレーションによって導出することは極めて困難であった。そこで、本発明者は、さらなる実験および鋭意検討を行い、それぞれの硝化槽２ａ〜２ｆにおいて、ＤＯ濃度と亜硝酸濃度とに基づいたＮ₂Ｏ転換率を導出することを想起した。

そして、本発明者が種々の実験およびシミュレーションを行った結果、本発明者は、Nitrosospira属およびNitorosomonas属のぞれぞれのＮ₂Ｏ転換率η^SPR，η^MNSが、以下の（１５）式および（１６）式により導出可能であることを案出した。なお、η^SPR _maxは、Nitrosospira属による最大Ｎ₂Ｏ転換率である定数であって、本発明者らの実験から求めた値は４０であり、η^MNS _maxは、Nitorosomonas属による最大Ｎ₂Ｏ転換率である定数であって、本発明者らの実験から求めた値は１１であった。また、Ｋ^SPR _{η_O2}は、Nitrosospira属による回分試験結果から導いた酸素濃度に対する飽和定数であり、Ｋ^MSN _{η_O2}は、Nitorosomonas属による回分試験結果から導いた酸素濃度に対する飽和定数であって、本発明者らの実験から求めた値はいずれも０．０７であった。

（１５）式に示すように、Nitrosospira属によるＮ₂Ｏ転換率は、ＤＯ濃度Ｓ_Ｏ２および亜硝酸濃度Ｓ_NO2に基づいて導出され、（１６）式に示すように、Nitorosomonas属によるＮ₂Ｏ転換率は、ＤＯ濃度Ｓ_Ｏ２に基づいて導出される。

また、（８）式におけるＮ_２Ｏ生成速度は、Nitrosospira属およびNitorosomonas属によるＮ₂Ｏ生成速度の合計値であり、以下の（１７）式により導出される。

Ｎ₂Ｏ生成速度
＝Nitrosospira属によるＮ₂Ｏ生成速度＋Nitorosomonas属によるＮ_２Ｏ生成速度
＝（γ^SPR _NH4・η^SPR）＋（γ^MNS _NH4・η^MNS）…… （１７）

そして、上述した（８）〜（１７）式に基づいて、表２に示す一例としての運転条件である境界条件を設定することによって、Ｎ_２Ｏ生成速度の前段区間硝化率依存性が導出できる。これにより、本発明者らは、Ｎ_２Ｏ生成速度と前段区間硝化率との関係において、図３、図４に示すような、Ｎ_２Ｏ生成速度の前段区間硝化率依存性の傾向を導出可能であることを知見した。

具体的に図３に示すように、Ｎ_２Ｏ生成速度は、前段区間硝化率が０から所定の第１の硝化率、例えば２５％程度までの範囲においては、硝化率の増加に伴い減少する。一方、前段区間硝化率が第１の硝化率を超え、第２の硝化率、例えば８０％程度までの範囲においては、Ｎ_２Ｏ生成速度は硝化率の増加に伴い単調増加する。そして、前段区間硝化率が第２の硝化率を超えると、Ｎ_２Ｏ生成速度は、また硝化率の増加に伴って単調減少する。

すなわち、Ｎ_２Ｏ生成速度は、前段区間硝化率が５０％以下である場合には極小（図３、図４中、囲み部）となり、約５０％〜７０％である場合には極大となることが判明した。そして、本発明者らが種々実験および検討を行った結果、この傾向は硝化槽を用いた一般の排水の処理装置において生じる傾向であることが判明した。

さらに、本発明者らは、被処理水の負荷や処理量などの処理条件を変化させて同様なシミュレーション及び実験を行った。その結果を図５に示す。
図５から明らかなように、処理条件を変更すると、前段区間におけるＮ_２Ｏ生成速度が最少となる最適な硝化率の領域も変動することが判明した。

本発明者らは、さらに処理条件の影響について検討し、Ｎ_２Ｏ生成速度の変数として、硝化率の代わりに、以下の式で求められる、流入負荷当たりのアンモニア酸化速度（無次元）を採用したところ、処理条件にかかわらず、図６に示すように、前段区間におけるＮ_２Ｏ生成速度が最少となる最適な領域がほぼ一定となることを見出した。

流入負荷当たりのアンモニア酸化速度［−］
＝アンモニア酸化速度［ｍｇＮ／Ｌ・ｈ］／流入負荷［ｍｇＮ／Ｌ・ｈ］・・（１８）

流入負荷［ｍｇＮ／Ｌ・ｈ］
＝流入アンモニア濃度［ｍｇＮ／Ｌ］／滞留時間［ｈ］ ・・・・・（１９）

図６の結果によれば、流入負荷当たりのアンモニア酸化速度を適切な領域となるよう制御すれば、処理条件を変えても、常にその条件下においてはＮ_２Ｏ生成速度を最小とすることができる。

また、本発明者らは、中間位置の硝化槽としての硝化槽２ｃと、末端槽としての硝化槽２ｆとの間における平均のアンモニア酸化速度である後段区間硝化速度について検討を行い、その結果、Ｎ₂Ｏの生成速度における排水の処理装置の段部の硝化速度依存性を確認し、後段区域についても、Ｎ_２Ｏ生成速度が最少となる最適な領域が存在することを突き止めた。
そして、本発明者らは、後段区域についても、Ｎ_２Ｏ生成速度の変数として、アンモニア酸化速度の代わりに流入負荷当たりのアンモニア酸化速度（無次元）を採用したところ、処理条件にかかわらず、図７に示すように、前段区間におけるＮ_２Ｏ生成速度が最少となる最適な領域がほぼ一定となることを見出した。

図６、図７のグラフより、Ｎ_２Ｏ生成速度の変数として、流入負荷当たりのアンモニア酸化速度（無次元）を採用し、前段区間及び後段区間で、それぞれＮ_２Ｏ生成速度が最少となる最適な領域となる流入負荷当たりのアンモニア酸化速度となるよう制御すれば、設備全体としてＮ_２Ｏ生成量を最小限に抑えることができることになる。

本発明者らはさらに、設備全体としてＮ_２Ｏ生成量を最小限に抑えつつ、アンモニア性窒素を処理できる条件について検討した。
処理槽全体の容積に対する前段区間の始点部と前記境界部までの処理槽の容積の割合（％）をα、前段区間の始点部におけるアンモニア性窒素濃度に対する前記境界部におけるアンモニア性窒素濃度の減少値で表わされるアンモニア性窒素の硝化率（％）をβとした場合、前段区間におけるアンモニア酸化速度は、前段区間におけるアンモニア性窒素濃度の減少を前段槽における滞留時間で除した値であり、（β×アンモニア流入濃度×単位時間当たりの流入量）／（α×処理槽容量）で表わされる。

したがって、前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度は、（１８）、（１９）式より、β／αとなる。
一方、後段区間におけるアンモニア酸化速度は、後段区間の最終段ではアンモニア濃度は０が目標であるから後段区間のアンモニア濃度の減少量は、前段区間最終段におけるアンモニア濃度となるから、これを後段槽における滞留時間で除した値であり、（１００−β）×アンモニア流入濃度×単位時間当たりの流入量／（（１００−α）×処理槽容量）で表わされる。
したがって、後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度は、（１８）、（１９）式より、（１００−β）／（１００−α）となる。

以上によれば、シミュレーションによって前段区間と後段区間におけるそれぞれの流入負荷当たりのアンモニア酸化速度とＮ_２Ｏ生成速度との関係をグラフ化してＮ_２Ｏ生成速度が最少となる最適領域を決定し、β／αが前段区間の最適領域、（１００−β）／（１００−α）が後段区間の最適領域を充足する、α及び／又はβを選択し、境界部に設置したアンモニア計の設定値を前段区間における硝化率がβとなるよう設定して前段区間の曝気量を制御し、後段区間の最終端に設置したアンモニア計の測定値が０となるよう、後段区間の曝気量を制御することにより、設備全体としてＮ_２Ｏ生成量を最小限に抑えつつ、設備から排出される処理排水中のアンモニア性窒素の含有量を０に近付けることが可能となる。

図６より、前段区間におけるＮ_２Ｏ生成速度が最少となる領域を流入負荷当たりのアンモニア酸化速度が０．３０〜０．６５、図７より、後段区間におけるＮ_２Ｏ生成速度が最少となる領域を流入負荷当たりのアンモニア酸化速度が１．２〜１．５とすると、上記の結果から、前段区間では、
０．３０≦β／α≦０．６５ ・・・・・・・・・・・・・・（２０）
後段区間では、
１．２≦（１００−β）／（１００−α）≦１．５ ・・・・（２１）
となり、これら（２０）（２１）式を満たすα、βを選択すれば、設備全体としてＮ_２Ｏ生成量を最小限に抑えることが可能であるが、設備の条件によっては、一方の式しか満たさない場合も考えられるが、その場合でも、上記式を満たす区間においてであれば、Ｎ_２Ｏ生成量を最小限に抑えることが可能である。
例えば、図２の実施態様では、境界部は処理槽の流れ方向の中間点であるから、α＝５０％であり、（２０）、（２１）式を充足するβは、２５％〜３３％の範囲内の値に設定すれば、設備全体としてＮ_２Ｏ生成量を最小限に抑えることが可能である。

１，２１ 処理装置
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ 硝化槽
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ Ｎ_２Ｏ計
４ 固液分離槽
４ａ 分離液
４ｂ 活性汚泥
４ｃ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ 攪拌機
５ 汚泥返送経路
５ａ ポンプ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ 散気部
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ ＯＲＰ計
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ ブロワ
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ 制御弁
１０ 制御部
１２ａ，１２ｂ、１２ｃ アンモニア計

Claims (3)

1. 窒素含有排水を所定速度で流下させる処理槽を前段区間と後段区間に区分し、前段区間の始点部、前段区間と後段区間の境界部、後段区間の終点部にそれぞれアンモニア計を設置し、これら各部に設置したアンモニア計によるアンモニア窒素濃度の測定値に基づいて、前記前段区間と前記後段区間とを独立に散気手段の動作制御を実施する散気制御工程を含む下水処理方法であって、
   あらかじめ、前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係及び前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係を算出し、
   処理槽全体の容積に対する前段区間の始点部と前記境界部までの処理槽の容積の割合（％）をα、前段区間の始点部におけるアンモニア性窒素濃度に対する前記境界部におけるアンモニア性窒素濃度の減少値で表わされるアンモニア窒素の硝化率（％）をβとした場合、
   β／αが前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲となり、及び（１００−β）／（１００−α）が前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲となるようにα及びβを選択し、
   前記前段区間でのアンモニア性窒素の硝化率が前記選択したβとなるよう前段区間の曝気量を制御し、及び、前記後段区間の終点部でのアンモニア性窒素の濃度が０となるよう前記後段区間の曝気量を制御する
   下水処理方法。
2. 前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲が０．３０〜０．６５であり、及び／または、前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲が１．２〜１．５である、請求項１記載の下水処理方法。
3. 窒素含有排水を所定速度で流下させる処理槽が前段区間と後段区間に区分され、前段区間の始点部、前段区間と後段区間の境界部、後段区間の終点部にそれぞれアンモニア計が設置され、これら各部に設置されたアンモニア計によるアンモニア窒素濃度の測定値に基づいて、前記前段区間と前記後段区間とを独立に散気手段の動作制御を実施する散気制御手段を有する下水処理装置において、
   前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係、及び前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度と亜酸化窒素生成速度との相関関係を算出し、前段区間および後段区間における亜酸化窒素生成速度を最小にする流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲を設定する手段、
   処理槽全体の容積に対する前段区間の始点部と前記境界部までの処理槽の容積の割合（％）をα、前段区間の始点部におけるアンモニア性窒素濃度に対する前記境界部におけるアンモニア性窒素濃度の減少値で表わされるアンモニア窒素の硝化率（％）をβとした場合、β／αが前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記前段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲となり、及び（１００−β）／（１００−α）が前記亜酸化窒素生成速度を最小にする前記後段区間における流入負荷当たりのアンモニア酸化速度の最適範囲となるようにα及びβを選択する手段
   を備え、
   前記散気制御手段が、前記前段区間でのアンモニア性窒素の硝化率が前記選択したβとなるよう前段区間の曝気量を制御し、及び、前記後段区間の終点部でのアンモニア性窒素の濃度が０となるよう前記後段区間の曝気量を制御する手段である下水処理装置。

Images