JP6482127B2 - 曝気システム - Google Patents

Description

本発明は、被処理水を生物処理するための生物処理設備に設置される曝気システムに関するものである。

下水や汚水等の被処理水を生物処理する方法として、無終端水路を用いたオキシデーションディッチ法が知られている。オキシデーションディッチ法は、被処理水が周回する無終端水路の１又は数か所に曝気撹拌装置を設け、被処理水を曝気撹拌することにより、生物処理の条件を調整している。曝気撹拌装置としては、縦軸型曝気撹拌装置、横軸型曝気撹拌装置、斜軸型曝気撹拌装置が知られている。

例えば、オキシデーションディッチ法に用いる曝気撹拌装置として、特許文献１には、被処理水の水面にロータの横軸を配置した横軸型曝気撹拌装置が記載されている。また、特許文献２には、インペラの一部を被処理水の水面上に出した状態で配置された縦軸型曝気撹拌装置が記載されている。

特開昭５９−１０９２９１号公報 特開２０１４−１７１９４５号公報

曝気システムでは、曝気装置の長時間の稼働に多大な電力を消費する。そのため、本発明では、曝気システムの電力消費量を抑制することを目的とする。

本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、曝気装置の運転を停止又は低下した際に、曝気装置のインペラ等に掛かる慣性力を利用して電力を回生することにより、曝気システムの電力消費を抑制できることを見出して本発明を完成させた。
具体的には、以下の曝気システムである。

上記課題を解決するための本発明の曝気システムは、被処理水の生物処理に用いる曝気システムであって、被処理水を曝気する曝気装置と、曝気装置で発生するエネルギーを電力として回生する回生手段と、を備えたことを特徴とする。
この曝気システムによれば、曝気装置の運転を停止又は低下させる際に、曝気装置に掛かる慣性力のエネルギーを利用して電力を回生することができるため、曝気システムに使用する電力消費量を抑制することができる。

更に本発明の曝気システムは、被処理水を撹拌する撹拌装置を備え、撹拌装置は回生手段により回生された電力を利用するという特徴を有する。
撹拌装置は、被処理水を撹拌することを主目的とするものであり、曝気装置のように被処理水の溶存酸素濃度等の条件に応じて運転条件を頻繁に変更しないため、常に電力が供給されている。よって、上記特徴によれば、回生手段により回生された電力を一時的に蓄えることなく、直接利用することが可能となり、回生電力を効率的に利用することができる。

更に本発明の曝気システムは、被処理水の水質を計測する水質計測器を備え、曝気装置は、水質計測器の計測値に基づいて、被処理水を曝気する曝気運転を、回生手段により電力を回生する回生運転に切り替えるという特徴を有する。
上記特徴によれば、水質計測器により得られた計測値に基づいて曝気運転から回生運転への切り替えを制御するため、曝気状態が良好な状態となれば、直ちに回生運転が実行される。そのため、不要な曝気運転の時間が削減され、回生運転の時間を多く確保することができる。

更に本発明の曝気システムは、水質計測器は、溶存酸素の濃度を測定する溶存酸素計測器であるという特徴を有する。
曝気システムにおいて、溶存酸素濃度は、曝気装置の作用を最も反映する水質であるため、溶存酸素濃度は、他の水質の計測値よりも早く変動する。よって、回生運転への切り替えも早く行われるため、回生運転の時間を最大限に確保することができる。

本発明によれば、曝気システムにおいて、曝気装置の運転を停止又は低下した際に、曝気装置のインペラ等に掛かる慣性力を利用して電力を回生するため、曝気システムに使用する電力消費量を抑制することができる。

本発明の第１の実施例の曝気システムを備えた生物処理設備の構成を示す概略説明図である。 本発明の第１の実施例の曝気システムに使用する曝気装置及び撹拌装置の構成を示す概略説明図である。 本発明の第１の実施例の曝気システムにおいて、溶存酸素計測器における溶存酸素濃度の計測値と、回生運転への切り替えのタイミングについて説明する概略説明図である。 本発明の第２の実施例の曝気システムを備えた生物処理設備の構成を示す概略説明図である。 本発明の第３の実施例の曝気システムを備えた生物処理設備の構成を示す概略説明図である。 本発明の第４の実施例の曝気システムを備えた生物処理設備の構成を示す概略説明図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。

［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例の曝気システムを備えた生物処理設備１の構成を示す概略説明図である。
生物処理設備１は、無終端水路２内で被処理水を循環しながら生物処理を行うオキシデーションディッチ法に使用するものであり、被処理水としては、下水、畜産排水、工場排水等の有機性廃水が用いられる。

第１の実施例の曝気システムは、被処理水を曝気する曝気装置３と、被処理水を撹拌する撹拌装置４と、被処理水の水質を計測する水質計測器１０と、曝気装置３及び撹拌装置４に電流を供給するための電源７を備えている。なお、電源７は、交流電流を供給する交流電源である。

曝気装置３は、被処理水の表面で曝気撹拌を行う装置である。表面曝気により被処理水中へ酸素を溶解せしめ、被処理水の溶存酸素濃度を調整することができる。
図１に示すように、曝気装置３より下流側は溶存酸素濃度の高い好気ゾーンを形成し、曝気装置３の上流側は嫌気ゾーンを構成している。なお、曝気装置３の設置場所は、特に制限されず、例えば、第１の実施例のように無終端水路２の折り返し部に設置する他、無終端水路２の直線部に設置してもよい。

図２の右図には、第１の実施例の曝気装置３の構成を示した。曝気装置３は、天井部より垂下するシャフト３１と、シャフト３１の周囲に配設したインペラ３２を備えた縦軸型曝気撹拌装置である。インペラ３２は、上端部が水面から出た状態で設置され、インペラ３２を回転することにより、被処理水の飛沫が周囲に飛散して被処理水に酸素を溶解することができる。

更に、シャフト３１を回転させるための駆動部としてモーター３３を有し、モーター３３の回転数を制御するインバータ５Ａを備えている。インバータ５Ａは、電源７から供給された電流を所定の周波数の交流電流に変換することにより、モーター３３の回転数を調整する構成である。
モーター３３の回転数を調整することにより、表面曝気の状態が調整される。例えば、回転数を高めると酸素を溶解する作用が高まり、回転数を低くすれば酸素を溶解する能力が小さくなる。

なお、第１の実施例では、曝気装置３として縦軸型曝気撹拌装置を用いたが、表面曝気を行う装置であればどのような装置でもよく、例えば、横軸型曝気撹拌装置、斜軸型曝気撹拌装置でもよい。
縦軸型曝気撹拌装置は、酸素を溶解する能力に優れており、また、横軸型曝気撹拌装置と比べて、モーターの回転数を変更しやすいため、溶存酸素濃度の制御に適している。

ここで、モーター３３の作動について説明すると、モーター３３は、Ｓ極とＮ極の永久磁石を備えたステータの中に、電磁石を備えたロータが回転可能に設置されている。そして、電磁石に電流を供給すると、ロータが極性を有し、ステータの中を回転する。一方、モーター３３の回転数を減速又は停止すると、インペラ３２に掛かる慣性力によりステータの中でロータが過度に回転するため、モーター３３から電力が発生し、電源７の方向に逆流する。
従来の曝気システムでは、モーター３３で生じる電力は、回路に設けられた放電抵抗器により熱として放出していた。

第１の実施例の曝気システムでは、電源７と曝気装置３の間に、回生手段として回生コンバータ６を備えている。本発明の回生手段とは、曝気装置３で発生したエネルギーを他の装置等に使用できるように電力として回生するための構成である。回生コンバータ６は、電源７から供給された交流電流を直流電流に変換する機能の他、インバータ５Ａから逆流する直流電流を交流電流に変換して電源７に戻す機能を有する回路である。

そして、第１の実施例の曝気システムにおける曝気運転とは、曝気装置３のモーター３３の回転数を上げて、被処理水への酸素の溶解量を高めるための運転であり、回生運転とは、曝気装置３のモーター３３の回転数を減速又は停止した際に、モーター３３から生じる電力を回生コンバータ６により電源側に戻すための運転である。

更に、第１の実施例の曝気システムでは、水質計測器１０として溶存酸素濃度を測定する溶存酸素計測器を備えており、水質計測器１０により得られた計測値に基づいて曝気運転から回生運転へ切り替えるというものである。

なお、曝気運転から回生運転への切り替える手段としては、特に限定されず、第１の実施例のように、水質計測器１０の計測値に基づいて切り替える手段の他、タイマーを用いて、一定時間ごとに切り替える手段等でもよい。
水質計測器により得られた計測値に基づいて曝気運転から回生運転への切り替える手段は、曝気状態が良好な状態となれば、直ちに回生運転が実行されるため、不要な曝気運転の時間が削減され、回生運転の時間を多く確保することができる。よって、より多くの回生電力を得ることできる。

図３には、溶存酸素濃度を経時的に計測したグラフを示している。なお、曝気装置３のインペラ３２の回転数は、特に限定されないが、第１の実施例では、曝気運転を４０ｒｐｍで行い、回生運転への切り替えでは１５ｒｐｍに減速した（インペラ３２の直径は約２ｍ）。

図３に示すように、曝気運転時には溶存酸素濃度が上昇し、所定の溶存酸素濃度Ｐに至ると、曝気装置３のモーター３３の回転数を１５ｒｐｍに減速して、溶存酸素濃度の上昇を抑制する。この時、曝気装置３は、インペラ３２に掛かる慣性力によりモーター３３から電力が生じるため、この電力を回生コンバータ６により電源７に戻す回生運転へと切り替わる。そして、電源７に戻された回生電力は、他の装置の消費電力として利用されるため、曝気システム全体の電力消費量を削減することができる。なお、第１の実施例では、他の装置として、撹拌装置４の消費電力として利用される。

そして、モーター３３の回転数が１５ｒｐｍまで低下すると、慣性力によるモーター３３からの電力の発生は止まり、電源７からの電力により１５ｒｐｍの回転が維持される。

次に、溶存酸素濃度が低下すると、曝気装置３のモーター３３の回転数を４０ｒｐｍとし、曝気運転へ切り替えられる。曝気運転へ切り替えの判断は、どのような方法でもよく、例えば、溶存酸素濃度の下限値を設定して、溶存酸素濃度が下限値となった場合に曝気運転に切り替える方法や、回生運転への切り替え後、所定の時間経過後に曝気運転に切り替える方法でもよい。
そして、曝気運転を続けることにより溶存酸素濃度が所定の値Ｐまで上昇すると、再び回生運転へ切り替わり、上記制御運転を繰り返している。

なお、第１の実施例では、水質計測器として溶存酸素計測器を用いたが、水質計測器は、曝気装置の運転状態を制御するための指標として利用できる水質であれば、どのような水質を測定してもよい。曝気装置の運転状態を制御する指標となる水質としては、例えば、溶存酸素濃度（ＤＯ）の他、酸化還元電位（ＯＲＰ）、アンモニア性窒素量、ｐＨ、生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）、懸濁物質（ＳＳ）等が挙げられる。

本発明の水質計測器として、好ましくは、溶存酸素濃度を測定する溶存酸素計測器、酸化還元電位を測定する酸化還元電位検出器、アンモニア性窒素量を測定するアンモニア検出器、生物化学的酸素要求量を測定するＢＯＤ測定器、化学的酸素要求量を測定するＣＯＤ測定器である。

溶存酸素濃度は、表面曝気により酸素を溶解するという曝気装置３の作用を直接的に検出するものであるため、水質の指標の中でも曝気運転において最も早く変動する項目である。よって、回生運転への切り替えが素早く行われるため、回生電力を多く得ることができるという効果を奏する。

一方、溶存酸素濃度は、無終端水路内に形成された無酸素ゾーンで測定する場合には、正確に測定することができない。そのため、無酸素ゾーンにおける生物処理条件の管理を行う場合には、酸化還元電位検出器を用いることにより、曝気運転と回生運転の切り替えを行うことができる。

また、溶存酸素計測器による処理条件の制御では、被処理水の汚染度が低く、酸素供給が不要な場合にも、溶存酸素を一定に保つように運転されるため、不要な電力消費が生じることがある。このような場合には、アンモニア検出器、ＢＯＤ測定器、ＣＯＤ測定器等を用いて、処理の対象となる被処理物質を測定することにより、酸素供給が不要な場合の電力消費を抑制することができる。

第１の実施例の曝気システムでは、上記回生手段により回生した電力は、撹拌装置４に利用される。なお、回生電力は、どの装置に利用してもよく、例えば、水質計測器、照明、循環流を形成するための推進器等に利用してもよい。また、蓄電池に蓄電してもよい。

図２の左図には、第１の実施例の撹拌装置４の構成を示した。第１の実施例の撹拌装置４は、曝気装置３と同様、天井部から垂下したシャフト４１と、シャフト４１の周囲に配設されたインペラ４２、インペラ４２を回転するためのモーター４３を備えた縦軸型曝気撹拌装置である。但し、インペラ４２の水中に完全に沈めることにより、表面曝気作用が生じないように使用している。

なお、撹拌装置としては、どのような形状のものを使用してもよく、横軸型のプロペラ攪拌機等でもよい。縦軸型曝気撹拌装置は、被処理水中に旋回流を形成するため、生物処理槽１の底部まで強い撹拌流を形成することができる。

撹拌装置４のインペラ４２の回転数を制御するための構成としては、整流器８及びインバータ５Ｂを備えている。整流器８は、交流電流を直流電流に変換する装置であり、電源７から供給された交流電流を直流電流に変換する回路である。インバータ５Ｂは、直流電流を交流電流に変換する回路であり、変換する際に所定の周波数の交流電流に調整することにより撹拌装置４のモーター４３の回転数を制御している。

なお、インバータ５Ｂと整流器８の間には、放電抵抗器９を備えている。放電抵抗器９は、撹拌装置４のモーター４３で生じる電力を熱エネルギーとして放出するための構成であり、過電力によるインバータ５Ｂ、整流器８等の破損を防止している。

なお、本発明の回生手段により回生された電力は、撹拌装置４に利用することが好ましい。撹拌装置４は、曝気装置３のように水質計測器１０の計測値により運転条件を頻繁に変更することがないため、常に電力が供給されている。よって、回生手段により回生された電力を撹拌装置４に利用すれば、回生電力を一時的に蓄えることなく、直接利用することが可能である。そのため、回生電力を効率的に利用することができる。

［第２の実施例］
図４は、本発明の第２の実施例の曝気システムを備えた生物処理設備１の構成を示す概略説明図である。
第２の実施例では、曝気装置３の直流電流部と撹拌装置４の直流電流部とを接続することにより、曝気装置３のモーター３３により生じた電力を、撹拌装置４に直接供給する回生手段を備えた構成である。

第１の実施例では、回生コンバータ６を介して撹拌装置４に回生電力を供給するため、回生コンバータ６において直流電流から交流電流へ変換する際に、電力にロスが生じる。一方、第２の実施例によれば、曝気装置３のモーター３３により生じた電力が、直流電流部を介して撹拌装置４側のインバータ５Ｂに直接供給されるため、電力のロスが小さくなるという効果がある。

［第３の実施例］
図５は、本発明の第３の実施例の曝気システムを備えた生物処理設備１の構成を示す概略説明図である。
第３の実施例では、第２の実施例の整流器８に代えて、回生コンバータ６を備えた回生手段を有している。この回生手段では、第２の実施例のように、曝気装置３のモーター３３により生じた電力を、直流電流部を介して撹拌装置４側のインバータ５Ｂに供給する機能に加え、更に、曝気装置３及び撹拌装置４を停止する場合などに生じる電力を、回生コンバータ６を介して電源７に戻すための機能を付加したものである。
そして、回生コンバータ６により不要となった放電抵抗器９は取り除かれている。

第２の実施例の回生手段では、曝気装置３及び撹拌装置４を停止した場合などで発生する電流は、放電抵抗器９により熱として放出していた。一方、第３の実施例によれば、回生コンバータ６を有しているため、第２の実施例で熱として放出していた電力を、電源７に戻すことにより、他の装置の消費電力として利用することができる。よって、曝気システム全体の電力消費量を更に抑制することができる。

［第４の実施例］
図６は、本発明の第４の実施例の曝気システムを備えた生物処理設備１１の構成を示す概略説明図である。
生物処理設備１１は、被処理水の表面付近に曝気装置１２として横軸型曝気撹拌装置を備えた構成である。また、回生手段として回生コンバータ６を有しており、回生運転時に曝気撹拌装置１２で発生した電力を電源７に回生する曝気システムである。なお、電源７に戻された回生電力は、他の設備に利用されている。

曝気装置として横軸型曝気撹拌装置を使用すると、曝気装置の慣性力の他に、無終端水路２を流れる循環流の作用が加わるため、曝気装置のモーターから生じる電力量が大きくなる。
よって、第４の実施例によれば、回生手段により回生される電力量が大きいという効果がある。

本発明の曝気システムは、例えば、オキシデーションディッチ法のような無終端水路を用いた生物処理に利用される。生物処理とは、例えば、下水汚泥等のような有機性汚泥や、食品工場や医薬品工場等から発生する有機性排水を微生物の働きにより浄化する水処理が挙げられる。そのほか、無終端水路を用いた生物処理設備として、栄養分やバイオ燃料を産生する藻類等の大型培養施設にも応用することができる。

また、本発明の曝気システムは、水質計測器の計測値に基づいて曝気装置の運転条件を調整する生物処理であればよく、オキシデーションディッチ法による生物処理以外にも使用することができる。例えば、無終端水路ではなく、水槽に曝気装置を備えた生物処理槽等にも利用することができる。

１ 生物処理設備、２ 無終端水路、３ 曝気装置、３１ シャフト、３２ インペラ、３３ モーター、４ 撹拌装置、４１ シャフト、４２ インペラ、４３ モーター、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ インバータ、６ 回生コンバータ、７ 電源、８ 整流器、９ 放電抵抗器、１０ 水質計測器、１１ 生物処理設備、１２ 曝気装置、Ｋ 回生運転への切り替え点

Claims (3)

1. 被処理水の生物処理に用いる曝気システムにおいて、
   前記被処理水を曝気する曝気装置と、
   前記曝気装置で発生するエネルギーを電力として回生する回生手段と、
   前記被処理水の水質を計測する水質計測器を備え、
   前記曝気装置は、前記水質計測器の計測値に基づいて、前記被処理水を曝気する曝気運転を、前記回生手段により電力を回生する回生運転に切り替えることを特徴とする曝気システム。
2. 更に、前記被処理水を撹拌する撹拌装置を備え、
   前記撹拌装置は、前記回生手段により回生された電力を利用することを特徴とする請求項１に記載の曝気システム。
3. 前記水質計測器は、溶存酸素の濃度を測定する溶存酸素計測器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の曝気システム。
   

Images