JP7006717B2 - 好気性生物処理方法および装置 - Google Patents
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Description
(1) 自己造粒グラニュール又は充填担体に付着増殖する生物膜内外の酸素濃度勾配に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した拡散係数
(2) 自己造粒グラニュール又は充填担体に付着増殖する生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積
(3) 自己造粒グラニュール又は充填担体に付着増殖する生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の、単位反応槽容積あたりの比表面積
(4) 自己造粒グラニュール又は充填担体に付着増殖する生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の担体充填容積あたりの表面積
(5) 自己造粒グラニュール又は充填担体に付着増殖する生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の担体当たりの汚泥保持量
(6) 自己造粒グラニュール又は充填担体に付着増殖する生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の平均厚み
(7) 自己造粒グラニュール又は充填担体に付着増殖する生物膜の酸素拡散係数と比表面積とを乗算した値
汚濁物質除去のために自己造粒微生物グラニュールや流動床もしくは固定床担体に付着させた生物膜を利用する生物膜処理の場合、浮遊法と比較して流動状態の液相と微生物とが接触する表面積が少なく、汚濁物質の生分解のためには生物膜の内部へ(厚み方向へ)酸素や汚濁物質が拡散浸透する必要があり、この拡散浸透プロセスの速度は微生物の増殖速度・酸素消費速度と比較して遅いため、拡散浸透プロセスが処理性能を決定する主要な要因の一つである。
本発明では、原水負荷又は酸素消費速度とDO目標値及び/又は曝気強度設定値(弱曝気時間設定値)の相関関係を、複数の酸素拡散性指標において予め作成する。下記の表1を例に説明する。
原水負荷を管理指標とする場合の原水担体負荷の計算方法について、図1を用いて次に説明する。
図1に示す生物処理装置は、原水のTOC濃度の計測値を利用した原水負荷に基づく曝気制御を行うものである。
原水負荷は次式によって算出される。
Load:原水負荷[kg/d]
Q:原水流量[m3/d]
Conc:原水濃度[kg/m3]
原水濃度としては、TOC、アンモニア性窒素、UV吸光度から推算したTOC・Nの濃度が挙げられる。
担体容積負荷は次式によって算出される。
LoadCarrierVol:担体容積負荷[kg/(m3・d)]
VCarrier:曝気槽内の担体充填容積[m3]
担体表面積負荷は次式によって算出される。
LoadCarrierSurf:担体表面積負荷[kg/(m2・d)]
SCarrier:曝気槽内の担体群の総表面積[m2]
[酸素消費速度の演算方法]
酸素消費速度を管理指標とする場合の酸素消費速度の演算方法について、図2を用いて説明する。
<ケース1:曝気風量計測値と排ガスの酸素濃度計測値から酸素消費速度を演算する方法
曝気風量と排ガス中の酸素濃度を計測し、酸素消費速度qO2を次式により直接的に演算する。
Z0:吹き込み空気中の酸素モル分率[-]
Z:排ガス中の酸素モル分率[-]
qO2:酸素消費速度[kg/d]
Gν:標準状態換算の曝気空気の吹き込み流量[Nm3/d]
νm:酸素の比容[Nm3/kg]
曝気風量とDOを計測し、酸素消費速度qO2を間接的に推算する。
(i)(制御装置実装前の準備)酸素消費速度の推算に必要な酸素溶解性指標φを次式により算出する。
Z0:吹き込み空気中の酸素モル分率[-]
Z:排ガス中の酸素モル分率[-]
φ:酸素溶解性指標[m]
νm:酸素の比容[Nm3/kg]
h:散気装置の水深[m]
Cs:飽和溶存酸素濃度[kg/m3]
C:混合液中の溶存酸素濃度[kg/m3]
Gν:標準状態換算の曝気空気の吹き込み流量[Nm3/d]
h:散気装置の水深[m]
Cs:飽和溶存酸素濃度[kg/m3]
C:混合液中の溶存酸素濃度[kg/m3]
φ:酸素溶解性指標[m]
本発明の一様態では、曝気槽の担体またはグラニュールの体積もしくは比表面積あたりの酸素消費速度と、これに対応するDO目標値及び/又は曝気強度設定値の適正値との相関関係を酸素拡散性の違いに応じて予め複数設定しておき、酸素消費速度の計測値の変動に応じて特定の酸素拡散性を想定した前記相関関係に基づいて対応するDO目標値もしくは曝気強度設定値を調整する。
酸素消費速度と、DO目標値または曝気強度設定値との相関関係は、予備実験の結果データ、実機の運転実績データ、生物膜における酸素の拡散性を考慮した機構モデルのシミュレーション結果などを用いて設定される。
制御表を構築するための1手法として、汚濁物質と酸素を含む流動状態にあるバルク水相に生物膜が接したときの、汚濁物質の減少や生物膜中の活性汚泥菌体量の増減を推定する動力学モデル(以降、生物膜機構モデルと称する場合がある。)を利用することができる。このような動力学モデルは、菌体増殖と汚濁物質の消費・酸素消費が生物膜内で同時に発生する状況、バルク水相中の溶存酸素の生物膜への拡散およびエアレーションにより酸素がバルク水量に溶解する現象も考慮して構築する必要がある。また、生物膜の増加や縮小は、菌体の増殖および死滅に伴った菌体群の体積の増加および減少やバルク水からの菌体の付着およびバルク水への菌体の剥離により発生する。生物膜利用処理に動力学モデルを利用する場合これらの現象を数学モデル化する必要がある。このような現象は本来3次元空間で発生する現象のため、モデル化は複雑なものとなるが、生物膜の増加・縮小を厚さ方向のみの変化を考慮する1次元モデルで表現することでシミュレーションを比較的容易に行うことができる。活性汚泥による排水処理をシミュレーションするための数学モデルとしては、例えばInternational Water AssociationのTask groupが提案している一連の数学モデルが活用できる(下記報文1)。生物膜を対象とした数学モデル例としては、下記報文2などが報告されている。
2.Boltz, J. P., Johnson, B.R., Daigger, G.T., Sandino, J.,(2009a). “Modeling Integrated Fixed-Film Activated Sludge and Moving Bed Biofilm Reactor Systems I: Mathematical Treatment and Model Development”. Water Environment Research, 81(6), 555-575
本発明では原水負荷や酸素消費速度の変化(すなわち、処理水槽内に保持されている微生物膜量の変化)に応じ、DO制御のDO目標値を調整することが要件となっているが、曝気強度を時間と共に変化し平均的な曝気強度を調整する手法と組み合わせて適用することが可能である。ここでは、本発明の一様態として、原水負荷が高負荷時には一般的なDO制御を行い、低負荷時には弱曝気と強曝気を時間的に繰り返すいわゆる間欠曝気を組み合わせた事例を説明する。本事例の間欠曝気では、一定の時間サイクル毎に、所定時間は必要最低限の一定風量で曝気風量を抑制もしくは曝気停止を行う弱曝気工程と、残りの時間は一般的なDO制御を行う強曝気工程とを繰り返す。
本事例の間欠曝気の説明では、弱曝気工程と強曝気工程から構成される制御サイクルの合計工程時間をサイクル時間と称し、弱曝気工程の工程時間を弱曝気工程時間、強気工程の工程時間を強曝気工程時間と称する。弱曝気工程の時間および強曝気工程におけるDO目標値は、原水負荷に応じて連続的又は段階的に制御する。強曝気工程時間はサイクル時間から弱曝気工程時間を引いた時間として自動的に決定される。また、弱曝気工程時間を調整する場合の最長時間を最長弱曝気工程時間と称する。従って最長弱曝気工程時間はサイクル時間より短い時間となる。
本発明では弱曝気工程における一定の風量を弱曝気工程風量と呼ぶ。この風量は弱曝気工程における処理槽内の液相の最低限の攪拌を維持して生物膜とバルク水との接触を維持するために必要な風量である。弱曝気工程で完全に曝気を停止する場合には、曝気による攪拌がなくなるため、曝気とは別の機械的な攪拌機能が必要となる。本事例では弱曝気工程でも最小限の曝気を行い曝気による攪拌を行うことを想定している。最小担体流動曝気風量は、特に流動床担体を利用する装置において、強曝気工程で担体全体の流動状態を確保し、曝気槽底部への担体の堆積を防ぎ、堆積に伴い低下する生物膜とバルク水との接触面積低下を抑制するとともに、担体の底部への堆積に伴い発生する汚泥の腐敗の問題および硫化水素臭の発生を抑制するために必要な最小限の曝気風量であり、通常の弱曝気工程風量よりも多くなる。強曝気工程ではDO制御を行うが、風量が常に最小担体流動曝気風量以上の風量となることを制約条件とした制御を行う。
(a) 原水負荷の計測値
(b) 曝気槽の酸素消費速度の計測値
(c) 連続曝気下で負荷に応じて制御するDO目標値
(d) 連続曝気下で負荷に応じて制御する風量以外の曝気強度指標値。このような指標値としてブロワシステムのエア配管の圧力値、ブロワのインバーター周波数値、ブロワの電力消費値などが想定される。
表1では、担体充填容積当りの原水TOC負荷に対応した制御となっているが、担体充填容積当りの酸素消費速度に対応した制御であってもよい。その場合の制御表(5段階表)の一例を表2に示す。
図2では、流動床担体を用いた生物処理について説明したが、固定床担体やグラニュールを用いる場合も同様の手法で本発明を実施することができる。
制御に用いられている制御表や、制御操作を表示するための画面の一例を図3~5に示す。
図2に示す流動床担体の好気性生物処理装置において、上記表1の制御表に従って、原水負荷に追随して随時適切に曝気制御しつつ、処理水水質の程度に応じて制御表を切り替えるという制御を行っている。
実際には3次元構造を持つ担体内部とバルク水との間で発生する汚濁物質と酸素の拡散現象を、1次元の簡易モデルで表現し、この1次元モデルはバルク水1層と生物膜3層の全4層の完全混合コンパートメントを想定したモデルで構成した。
構築した生物膜の1次元の拡散モデルを用いて、数値積分シミュレーションにより原水負荷条件に対する処理水質を予測し適切な制御条件を探索的に求めて、以下の制御表にまとめた。担体の表面積を一定とした。
酸素拡散性レベルが5段階のうちの3段階目の処理能力が「標準」の制御表で運転を開始し、毎週実施する処理水質の分析結果に基づき処理水TOC濃度5mgC/L以上、10mgC/L以下を適正水質の判断基準として制御表の切替えを行った。この運転による処理水TOC濃度及び評価期間中の原水TOC負荷あたりの平均使用電力量を表3に示す。検討は、原水TOC濃度150mgC/Lで、水量変動により担体充填容積あたりのTOC負荷が1日の間に0.5kgC/(担体m3・d)~1.0kgC/(担体m3・d)の範囲で周期的に変動する条件で検討を行った。180日間の連続稼働後、微生物膜の保持量の増加に伴い、「標準」の制御表で曝気制御を継続した場合に処理水質が11mgC/Lとなり目標範囲である10mgC/L以下を逸脱する状況となり、処理能力が「若干悪化」の制御表での制御に切り替え、360日後も処理水質を目標範囲に維持すること可能であった。この間の原水負荷あたりの平均使用電力量は4.5kWh/kgCとなった。
実施例1と同一の負荷条件で処理を行った。ただし曝気風量は最大負荷1.0kgC/(担体m3・d)を想定した一定風量で固定し、制御表を利用した風量強度調整を行わなかった。結果を表3に示す。このときの処理水TOC濃度は3.0~3.5mgC/Lの範囲であり、適正処理水質の下限5mgC/Lを下回る水質で常時維持される結果となり、制御目標の観点からは過剰な処理を行った状況ということができる。高い風量を維持した結果この間の原水負荷あたりの平均使用電力量は6.5kWh/kgCとなり実施例1と比較して顕著に高い値であった。
「標準」の制御表のみを利用した曝気制御を行い負荷変動に応じた制御表の変更を行わなかったこと以外は実施例1と同一の条件での処理を行った。このときの処理水TOC濃度及び平均使用電力量を表3に示す。180日間の連続稼働後、微生物膜の保持量の増加に伴い、「標準」の制御表で曝気制御を継続した場合に処理水質TOC濃度が11mgC/Lとなり適正水質である10mgC/L以下を逸脱する状況となり、さらに「標準」の制御表での曝気制御を継続した結果、処理水TOC濃度は13mgC/Lまで悪化する結果となった。この間の原水負荷あたりの平均使用電力量は4.2kWh/kgCであった。この結果は微生物膜の増加に伴う酸素拡散性低下を処理水質の悪化で検出し「若干低下」の制御表に切り替えた実施例1と比較して、「標準」の制御表を常時利用した比較例2では180日目以降は実施例1よりも曝気風量を抑えた運転となっていたからである。結果、電力消費は比較的抑えられたものの処理水質が目標範囲よりも悪い運転を180日目以降継続してしまうこととなった。
3,3a,3b,3c 散気管
4 ブロア
Claims (5)
- 原水を曝気槽に供給し、曝気槽に充填された担体または自己造粒グラニュールにより原水中の除去対象物質を好気性生物膜処理して処理水を得る方法において、
曝気槽の生物膜の酸素拡散性指標の高低レベルに応じた、原水負荷又は酸素消費速度に対応するDO目標値及び/又は曝気強度設定値の関係を相関関数として複数設定しておき、
該相関関係と原水負荷又は酸素消費速度とに従って曝気を制御する方法であって、
該酸素拡散性指標は、以下の(1)~(7)のいずれかであり、
処理水水質に応じて、用いる相関関係を切り替えることを特徴とする好気性生物処理方法。
(1) 自己造粒グラニュール又は生物膜内外の酸素濃度勾配に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した拡散係数
(2) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積
(3) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の、単位反応槽容積あたりの比表面積
(4) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の担体容積あたりの表面積
(5) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の担体当たりの汚泥保持量
(6) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の平均厚み
(7) 自己造粒グラニュール又は生物膜の酸素拡散係数と比表面積とを乗算した値 - 処理水水質が所定値よりも良好になったときに、1段階高いレベルの酸素拡散性指標に対応した相関関係に切り替えることを特徴とする請求項1の好気性生物処理方法。
- 処理水水質が規定値よりも不良になったときに、1段階低いレベルの酸素拡散性指標に対応した相関関係に切り替えることを特徴とする請求項1又は2の好気性生物処理方法。
- 現在用いている相関関係に対応した酸素拡散性指標のレベルを表示手段に表示することを特徴とする請求項1~3のいずれかの好気性生物処理方法。
- 原水が供給される曝気槽と、該曝気槽に充填された生物膜保持担体またはグラニュールと、該曝気槽を曝気する曝気装置とを有する好気性生物処理装置において、
曝気槽の生物膜の酸素拡散性指標の高低レベルに応じた、原水負荷又は酸素消費速度に対応するDO目標値及び/又は曝気強度設定値の関係を相関関数として複数記憶しておく手段と、
該相関関係と原水負荷又は酸素消費速度とに従って曝気を制御する曝気制御手段とを備え、
該酸素拡散性指標は、以下の(1)~(7)のいずれかであり、
該曝気制御手段は、処理水水質に応じて、用いる相関関係を切り替えることを特徴とする好気性生物処理装置。
(1) 自己造粒グラニュール又は生物膜内外の酸素濃度勾配に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した拡散係数
(2) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積
(3) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の、単位反応槽容積あたりの比表面積
(4) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の担体容積あたりの表面積
(5) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の担体当たりの汚泥保持量
(6) 自己造粒グラニュール又は生物膜の表面積もしくは比表面積に対する酸素拡散速度の依存性を係数化した装置全体の自己造粒グラニュール又は生物膜の平均厚み
(7) 自己造粒グラニュール又は生物膜の酸素拡散係数と比表面積とを乗算した値
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