JPH05253600A

JPH05253600A - 嫌気性消化槽のモニター方法とその装置

Info

Publication number: JPH05253600A
Application number: JP4039921A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Goto; 浩之後藤; Shigeo Sato; 茂雄佐藤; Norimasa Yoshino; 徳正吉野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1992-02-27
Publication date: 1993-10-05

Abstract

(57)【要約】【目的】嫌気性消化槽の水質を連続的にモニタリング
するに際して、多くの分析機器を確保する必要がなく、
管理指標となる項目を高精度に且つ全自動的に測定する
ことができるモニター方法とその装置を提供することを
目的とする。【構成】消化汚泥をサンプリングして滴定槽に導入
し、このサンプリング液に予め制御部にて求められた値
に対応した量の試薬を分注しながら液ｐＨ値を測定し、
この液ｐＨ値と試薬分注量によって消化状態を連続的に
モニタリングするものにおいて、タイマー設定時間内で
の液ｐＨ値の変化率を用いたｐＨ測定値と、予め酸及び
アルカリの注入量とｐＨの変化率との相関を求めた分注
量テーブルとｐＨ変化率とを比較して決定された試薬の
分注量と、この試薬を注入した際のｐＨ測定値とを測定
データとして用いて、消化槽内の状態変化を連続的にモ
ニタリングする嫌気性消化槽のモニター方法とその装置
を実現手段としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は汚泥を処理する嫌気性消
化槽内の状態変化を連続的にモニタリングするようにし
たモニター方法とその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に生物学的な嫌気性汚泥消化は、２
種類の細菌群によって段階的に進行する。第一段階は
「酸生成段階」と呼称され、消化槽に投入された汚泥が
加水分解菌とか酸生成菌の働きによって有機酸等の中間
生成物に分解される。第二段階は「メタン生成段階」と
呼称され、上記酸生成段階で生成された有機酸等の中間
生成物が、メタン生成菌の働きによってメタンガス，二
酸化炭素，アンモニア等の最終生成物に分解される。

【０００３】上記第二段階で生成されるアンモニアは、
第一段階で生成される有機酸を中和する機能と、二酸化
炭素が溶解して生じる重炭酸塩とともにｐＨ緩衝能力
（ｐＨ変化に抵抗する能力）を有しており、メタン生成
菌にとって良好な弱アルカリの槽内環境を創り出すこと
に役立っている。

【０００４】メタン生成菌は酸生成菌に比較して増殖速
度が遅く、且つ環境変化に敏感であることから、一般に
消化速度を律速するのはメタン生成段階であるとされて
いる。従って消化槽の良好な運転のためには、メタン生
成菌の生存に適した槽内環境を維持することが重要であ
る。

【０００５】このような観点から、良好な嫌気性汚泥消
化を達成維持するためには、消化槽内の状態変化を連続
的にモニタリングすることが極めて重要であり、特に嫌
気性汚泥消化では一旦処理が不良となった場合には、そ
の回復に長時間を要するため、槽内の状態が異常である
ことをいち早く察知することが運転管理上の最重要課題
である。更に経済性をも考慮に入れた最適運転制御を目
指す場合には、連続モニター監視によって対象となる消
化槽の良好な運転範囲を常時把握しておき、槽内の状態
がその良好な運転範囲を逸脱しないように監視しながら
制御を行う必要がある。

【０００６】従来から知られている消化槽の運転管理指
標としては、以下の４項目が挙げられる。（１）ｐＨの管理（２）有機酸濃度の管理（３）アルカリ度の管理（４）メタンガス生成速度(ガス生成速度＋ガス組成)の
管理上記（１）のｐＨの管理に関して述べると、一般に良好
に稼働している消化槽の場合には槽内のｐＨは中性付近
に維持されている。しかし消化槽内に異常が発生した場
合には、先ずｐＨ異常，即ちｐＨが中性付近からの逸脱
するという現象となって現れる。例えば前記第二段階の
メタン生成菌の活動が弱まると、嫌気性消化の第一段階
で生成される有機酸が分解されずに蓄積され、ｐＨ低下
（酸敗）現象が起こる。又、第二段階でのアンモニア生
成が第一段階での酸生成に比べて過剰な場合には、ｐＨ
上昇現象が発生する。

【０００７】前記（２）の有機酸濃度の管理に関して述
べると、この有機酸はメタン生成菌にとって基質である
が、有機酸濃度が高くなるか或はｐＨが低下すると、有
機酸が弱酸であることからイオン化していない非電離の
有機酸が増加する。この非電離の有機酸は、ある濃度以
上となるとメタン生成菌にとっての抑制毒性物質となる
ことが知られており、消化槽への有機物過負荷が原因と
しておこる酸敗現象は、非電離有機酸の抑制毒性効果の
結果とされている。非電離有機酸濃度は、有機酸濃度か
らｐＨの関数として求めることができる。

【０００８】次に前記（３）のアルカリ度の管理に関し
て述べると、消化槽内の汚泥はｐＨの緩衝能力が高いた
め、消化槽の異常がｐＨ異常として顕著に現れるのは、
トラブルの進行がかなり進んだ末期状態である場合が多
い。しかし消化槽のｐＨ異常の前兆は、ｐＨの緩衝能力
の変化として捕らえることができる。上記アルカリ度と
は、このｐＨの緩衝能力を表わす指標である。嫌気汚泥
のアルカリ度は主に溶解性無機炭素によるものである。
溶解性無機炭素は、溶液中のイオン電荷の変化に伴い、
二酸化炭素・重炭酸・炭酸と形態変化することによっ
て、溶液ｐＨの変化を緩衝する。これら三形態無機炭素
のモル比は、三形態の総和としての溶解性無機炭素濃度
からｐＨの関数として理論計算によって求めることがで
きる。

【０００９】更に前記（４）のメタンガス生成速度の管
理に関して述べると、メタン生成菌の環境変化とか抑制
毒性物質（硫化物や重金属類）流入による活性度異常
は、メタンガス生成速度の低下として現れる。メタンガ
スの発生速度は、ガス生成速度にガス中のメタンガス分
圧（濃度）を乗じることで求められる。但しメタンガス
分圧に関しては、直接メタンガス濃度を測定しなくても
前記（３）の溶解性無機炭酸濃度から計算することも可
能である。即ち、メタンガス分圧は、消化ガスのほとん
どがメタンガスと二酸化炭素ガスより構成されているこ
とから、１分圧より二酸化炭素ガス分圧を差し引くこと
で求めることができる。

【００１０】更に消化ガス中の二酸化炭素ガス分圧は、
ヘンリーの法則（気液平衡）から、溶解性の二酸化炭素
濃度より理論計算で求めることが可能である。溶解性の
二酸化炭素濃度は、前記（３）の溶解性無機炭素濃度と
ｐＨより理論計算で求められるものである。従って発生
ガス速度、溶解性無機炭素濃度とｐＨとが分かっていれ
ば、メタンガス発生速度は計算で推定することができ
る。

【００１１】上記の各項目以外にも、連続モニターすべ
き指標としてイオン化していないアンモニア濃度があ
る。即ち、嫌気性消化の第二段階でのアンモニア生成
は、これが適度な場合には槽内ｐＨの中性付近を維持す
る上で不可欠であるが、アンモニア生成が過度である場
合には、槽内ｐＨの上昇を引き起こして、メタン生成に
とって好ましくない環境を作ってしまうことになる。更
に高いｐＨと過度のアンモニア蓄積は、結果としてイオ
ン化していない遊離アンモニア濃度を上昇させ、この遊
離アンモニアが高濃度の場合には、メタン生成菌への抑
制毒性効果があることが報告されている。遊離アンモニ
ア濃度は、アンモニア濃度とｐＨより求めることができ
る。

【００１２】更に上記以外のモニター項目として、栄養
塩バランス（Ｃ／Ｎ比、微量必須重金属）や槽内温度の
管理が挙げられる。しかし栄養塩バランスは、投入汚泥
組成が急変しない限り頻度高く連続的にモニターする必
要はなく、槽内温度は従来から十分監視制御されている
項目である。

【００１３】上記（１）のｐＨ値と（４）のメタンガス
生成速度はともに連続的に測定することが可能である
が、消化状態を決定する最も重要な因子である（２）の
有機酸濃度の管理は、操作員が現場に赴いて試料のサン
プリングを行っているのが実情である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上嫌気性消化槽にお
いて連続的にモニタリングすることが好ましい項目を挙
げて説明したが、操作員が試料のサンプリングを行って
総有機酸濃度，アンモニア濃度及び全無機炭素濃度を測
定する方法は、測定者の手操作に依存する工程に起因す
る不可避的な測定誤差があり、しかも測定に際して多く
の機器を使用しなければならないため、全工程を自動的
に実施することが困難であるという課題があった。

【００１５】例えば上記連続モニター項目を測定するた
めの既存の機器として以下のものが使用される。ｐＨ・・・・・・・・・・・・・ｐＨ電極有機酸・・・・・・・・・・・液体クロマトグラフ無機炭酸・・・・・・・・・ＩＣ計或は滴定によるアルカリ度測
定メタンガス・・・・・・・ガスクロマトグラフガス生成速度・・・・・ガス流量計アンモニア・・・・・・・アンモニア電極従来はこのような各々の分析に必要な分析機器を全て確
保しなければならない上、多くの機器は前処理が必要で
あったり、サンプル用の特殊機器が必要であったりし
て、連続的に測定することができる機器は少ない。更に
測定に際しても各々の機器で検量線を作成しなければな
らないという繁雑さがあり、測定機器が多いほど保守点
検を行う作業員の数を増大させなければならない。

【００１６】そこで本発明はこのような従来の消化槽の
モニタリングを実施する際に生じる課題を解消して、測
定者の手操作により不可避的に生じる測定誤差をなく
し、しかも多くの測定機器を使用することなく、管理指
標となる項目を高精度に且つ自動的に測定することがで
きる嫌気性消化槽のモニター方法及びその装置を提供す
ることを目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、消化汚泥をサンプリングして滴定槽に導
入し、このサンプリング液に予め制御部にて求められた
値に対応した量の試薬を分注しながら液ｐＨ値を測定
し、この液ｐＨ値と試薬分注量によって消化状態を連続
的にモニタリングするものにおいて、先ず請求項１によ
り、前記制御部は、タイマー設定時間内での液ｐＨ値の
変化率を用いたｐＨ測定値と、滴定槽への滴定試薬分注
量とを測定データとして用いて、消化槽内の状態変化を
連続的にモニタリングする嫌気性消化槽のモニター方法
を提供し、請求項２により、酸滴定槽及びアルカリ滴定
槽のｐＨ変化率を演算して、この演算結果と予め酸及び
アルカリの注入量とｐＨの変化率との相関を求めた分注
量テーブルとを比較して試薬の分注量を決定し、この試
薬を注入した際のｐＨ測定値と前記分注量とを測定デー
タとして用いて、消化槽内の状態変化を連続的にモニタ
リングするモニター方法を提供する。

【００１８】更に請求項７により、前記試薬分注量を演
算するに要する時間が設定されるタイマーと、このタイ
マーの設定時間と前記液ｐＨ値測定開始後の時間とを比
較して、測定時間が設定時間よりも大の時には測定ｐＨ
値と判断して記憶する時間比較手段と、この時間比較手
段での比較時で前記測定時間がタイマーの設定時間より
小の時に液ｐＨ値の変化率を計算し、変化率が前もって
入力された値より小さい時に前記試薬分注量を演算し、
大の時には測定ｐＨ値として記憶する変化率測定手段と
を前記制御部に備えたモニター装置の構成にしてある。

【００１９】又、請求項８により、サンプリング液のｐ
Ｈ変化率演算手段と、酸及びアルカリの注入量とｐＨの
変化率との相関を求めた分注量テーブルと、演算された
ｐＨ変化率と前記分注量テーブルから分注量を決定する
比較手段と、決定された分注量の薬品を酸滴定槽及びア
ルカリ滴定槽に注入する分注手段と、サンプリング液の
ｐＨ値を所定の時間間隔を保って測定して、安定した時
のｐＨ値を測定値とする測定手段とを前記制御部に備え
た嫌気性消化槽のモニター装置の構成にしてある。

【００２０】更に精度を高めるため、上記の測定データ
に計測開始時と終了時の平均液温度値を加えて温度補正
する方法と、測定データに計測の都度測定された液温度
値を加える方法を付加してある。

【００２１】

【作用】かかる嫌気性消化槽のモニター方法及びその装
置によれば、酸滴定槽及びアルカリ滴定槽の双方に注入
された薬品の分注量とｐＨ測定値に基づいて、制御部に
よってサンプリング液の消化状態が連続的にモニタリン
グされる。

【００２２】請求項１の方法によれば、ｐＨ値の測定中
にタイマーの設定時間と液ｐＨ値測定開始後の時間とが
時間比較手段によって比較されて、測定時間が設定時間
よりも大の時には測定ｐＨ値と判断されて制御部に記憶
され、この比較時に前記測定時間がタイマーの設定時間
より小の時には、変化率測定手段によって液ｐＨ値の変
化率が計算されてこの変化率が前もって入力された値よ
り小さい時には前記試薬の分注量が演算され、大の時に
は測定ｐＨ値として制御部に記憶される。そして薬品の
分注により試料のｐＨが予め設定された所定の値に達し
た際に計測が終了する。

【００２３】請求項２の方法によれば、測定時の酸及び
アルカリ滴定槽内のｐＨ変化率が演算されて、この演算
結果と、酸及びアルカリの注入量とｐＨの変化率との相
関を求めた分注量テーブルとが比較されて薬品の分注量
が決定され、決定された分注量の薬品が分注手段によっ
て各酸滴定槽及びアルカリ滴定槽に注入されてから、液
ｐＨ値が測定される。上記の液ｐＨ値の測定時に、第１
回目のｐＨ測定から一定時間だけ待機した後に第２回目
のｐＨ測定を行って、両ｐＨ測定値の差が設定値以下に
達した場合にのみ該測定値を安定した値として取り込ま
れることにより、ｐＨの測定誤差を最小限として測定精
度が高められる。

【００２４】このようにして得られた薬品の分注量と測
定されたｐＨ値の各データが制御機構に伝送され、酸−
アルカリ平衡理論に基づいて消化槽内の状態変化が連続
的にモニタリングされる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の各種実施例を
詳述する。先ず図３の概要図を用いて装置の全体的な構
成を説明する。即ち、受泥槽１に消化槽汚泥をサンプリ
ングし、凝集槽２で高分子凝集剤２ａを添加して微粒子
成分を凝集化し、次に沈澱槽３で凝集沈澱させて固液分
離した後、この沈澱槽３の上澄液をフィルター４を用い
て濾過し、目標とするｓｓ濃度以下の濾液を得て、この
濾液の一定量（例えば１００ｍｌ）が計量されて酸滴定
槽５及びアルカリ滴定槽６に送り込まれる。濾液の余剰
分は各滴定槽５，６から図外のエアーポンプで排出され
る。尚、上記の凝集沈澱に代えて遠心分離機を利用する
方法もある。

【００２６】酸滴定槽５とアルカリ滴定槽６には、滴定
試薬であるＨＣｌとＮａＯＨが分注器８，９及び電動ビ
ューレットを用いてピッチ量０．０５−０．１０ｍｌで
順次添加されて、ｐＨが各々２．０と１０．０になるま
で滴定が行われ、この滴定量とｐＨ計１０で測定された
ｐＨ値とが制御部１３を構成するシーケンスコントロー
ラ１１及びパーソナルコンピュータ１２に送り込まれて
酸−アルカリ平衡理論に基づく処理が実施され、総有機
酸濃度（Ａ）の外に、アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭
素濃度（Ｔ）等がモニタリングされる。尚、シーケンス
コントローラ１１を介さずにパーソナルコンピュータ１
２のみで処理を行うことも出来る。

【００２７】本実施例では、上記酸−アルカリ平衡理論
に基づく嫌気性消化槽用の連続モニタリングを実施する
に際して、全工程が制御部１３を構成するシーケンスコ
ントローラ１１もしくはパーソナルコンピュータ１２に
予め組み込まれたプログラムに基づいて全自動的に実施
されることが特徴となっている。

【００２８】図１は本発明の第１実施例を示すアルゴリ
ズム、図２は本発明の第２実施例を示すアルゴリズムで
あり、何れの実施例の場合にあっても消化槽モニターと
してｐＨ−滴定量のデータ対から消化槽モニターとして
連続的にモニタリングすべき項目の全てを測定すること
ができる。

【００２９】図１に基づいて本発明の第１実施例にかか
るアルゴリズムの実際を説明する。この制御で示される
メインルーチン内での処理は、図示しないオペレーティ
ングシステムにより所定の周期（例えば20msec）で駆動
される定時間割り込み処理である。

【００３０】同図において制御がスタートすると、先ず
ステップ101で初期データ等の設定データが入力され、
ステップ102で各データの配列宣言及び割り込み条件が
セットされた後、ステップ103で各変数が初期化され、
必要とするシステム状態がセットされる。次にステップ
104で酸，アルカリ側の各々について０回目のｐＨ値と
温度が測定され、且つ自動分注器の初期化とエラーチェ
ックが行われる。

【００３１】次にステップ105により、酸側計測用のタ
イマー１がセットされ、ステップ106により前記設定デ
ータに基づいて酸の分注量１が演算される。この演算結
果に基づいてステップ107により自動分注器により薬品
が酸滴定槽に分注される。そしてステップ108により、
直ちに酸滴定槽のｐＨ１及び温度Ｔ１が測定される。

【００３２】次にステップ109により、タイマー＞ＴＭ
１，即ち上記の測定中にタイマー１に設定された時間Ｔ
Ｍ１よりも時間が経過した場合には、ステップ111へ進
んで強制的に最後のデータが測定データとされる。上記
の時間ＴＭ１は全体の計測時間に大きな影響を与えず、
且つｐＨを安定化させるのに十分な時間であることが望
ましい。

【００３３】上記のステップ109で、タイマー＜ＴＭ
１，即ち測定時間が上記タイマー１に設定された時間Ｔ
Ｍ１に達しない場合、換言すればタイマー１がカウント
アップされない場合には、ステップ110でｐＨ１−ｐＨ
１’即ちｐＨの変化率を計算して、その値が前記設定デ
ータで入力した初期値ＤｐＨを越えていない場合には、
ステップ106へ戻って分注量１の演算を再度行い、設定
された分注量範囲に基づいて次回の分注量が演算され
る。又、ステップ110でｐＨ１−ｐＨ１’＞ＤｐＨ，即
ちｐＨの変化率が設定データに基づいて入力したｐＨを
超えた場合には、ステップ111で最後のｐＨと分注器及
び温度データがデータセットされる。尚、温度データは
精度向上のための補正信号として用いるものであり、本
実施例では必ずしも必要としない。

【００３４】そして薬品の分注により試料のｐＨが次第
に小さくなり、ステップ112で該ｐＨがｐＨＤＮ（下
限）以下になると、ステップ113で終了フラグセットが
立ち、酸側の計測が終了してステップ114でパーソナル
コンピュータ１２においてモニタリングのためのデータ
処理が行われる。

【００３５】一方、上記ステップ105〜ステップ114と一
定の時間間隔を保って交互にアルカリ側の計測が行われ
る。このアルカリ側の計測は、先ずステップ115により
アルカリ側計測用のタイマー２がセットされ、ステップ
116により前記設定データに基づいてアルカリの分注量
２が演算される。この演算結果に基づいてステップ117
により薬品がアルカリ滴定槽に分注される。そしてステ
ップ118により、直ちにアルカリ滴定槽のｐＨ２及び温
度Ｔ２が測定される。

【００３６】以下、酸側のステップ109〜111で説明した
工程とほぼ同一のステップ119〜121を踏んでアルカリ側
のデータセットが行われる。そして薬品の分注によって
試料のｐＨが次第に大きくなり、ステップ122で該ｐＨ
がｐＨＵＰ（上限）になると、ステップ123で終了フラ
グセットが立ち、アルカリ側の計測が終了してステップ
124でパーソナルコンピュータ１２においてモニタリン
グのためのデータ処理が行われる。

【００３７】尚、上記の酸側の各ステップとアルカリ側
の各ステップは、ある時間毎に交互に行うものである
が、酸側を先に実施するかもしくはアルカリ側を先に実
施するか或は交互に実施するかは自在に選択可能であ
る。

【００３８】次に図２に基づいて本発明の第２実施例に
かかるアルゴリズムの実際を説明する。同図において制
御がスタートすると、先ずステップ201で初期データ等
の設定データが入力されるとともに各データの配列宣言
及び割り込み条件がセットされ、且つ各変数が初期化さ
れて必要とするシステム状態がセットされる。次にステ
ップ202で酸，アルカリ側の各々について０回目のｐＨ
値と温度が測定され、ステップ203で自動分注器の初期
化とエラーチェックが行われる。

【００３９】次にステップ204により、酸側計測のため
の酸滴定槽のｐＨ変化率が演算される。このｐＨ変化率
は図２中に記入した演算式

【００４０】

【数１】

【００４１】に基づいて演算される。式（Ａ）中のｐＨ
（Ｎ−２）−ｐＨ（Ｎ−１）は、前回測定されたｐＨ値
と今回測定されたｐＨ値との差であり、ＴＹＩ（Ｉ−
１）は上記の差を生ずるために要した酸の注入量であ
る。そしてステップ205で上記（Ａ）式によって演算さ
れた変化率が分注量テーブルＣ₁と比較されて酸の分注
量が決定される。

【００４２】上記の分注量テーブルＣ₁は、所定量の試
料液に対する酸の注入量とｐＨの変化率との相関を予じ
め求めたデータであり、この分注量テーブルＣ₁のデー
タとの比較によって前記（Ａ）式により演算されたｐＨ
の変化率から酸の分注量を決定することが出来る。

【００４３】この結果に基づいて、ステップ206により
自動分注器により酸が酸滴定槽に分注される。そしてス
テップ207により直ちに酸滴定槽のｐＨが測定される。
このｐＨの測定は、試料のｐＨ変化の安定後に第１回目
のｐＨ測定を行い、その測定値が安定した値であるこ
とを判断するため、Δｔ時間だけ待機した後に第２回目
のｐＨ測定を行う。上記のΔｔ時間は、全体の計測時
間に大きな影響を与えず、且つｐＨを安定化させるのに
十分な時間であることが望ましい。

【００４４】そしてステップ208で上記第１回目と第２
回目のｐＨ測定値の差が設定値以下であるか否かが判定
され、YES，即ち設定値以下であれば測定値が安定した
ものとみなし、ｐＨ測定を測定値としてステップ209
へ進む。又、ステップ208でNO，即ち測定値の差が設定
値以上である場合には、ステップ207へ戻って再度ｐＨ
の測定を繰り返す。

【００４５】次にステップ209により、データ化判定，
即ち上記ｐＨ測定値をデータとして取り込むための判
定を行う。この判定はｐＨの変化，即ち滴定曲線の勾配
が設定値よりも大きいか否かによって行われ、大きい場
合にはその値をデータとして取り込んで次段のステップ
210で最後のｐＨ値がデータセットされる。又、ステッ
プ209でｐＨの変化が設定値よりも小さいものと判定さ
れた場合には、その時の分注量がメモリーされ、再度ス
テップ206へ戻って酸の分注が行われ、メモリーされた
分注量に今回の分注量が加えられる。

【００４６】そして薬品の分注により試料のｐＨが次第
に小さくなり、ステップ211で該ｐＨがｐＨＤＮ（下
限）以下になると、ステップ212で終了フラグセットが
立ち、酸側の計測が終了するとともにステップ213でパ
ーソナルコンピュータ１２にデータが伝送されて、モニ
タリングのためのデータ処理が行われる。ステップ２１
１でｐＨがｐＨＤＮ以下でない場合には、ｐＨ及び分注
量等の変数が初期化されてステップ２０４へ戻り、再度
同じステップが繰り返される。

【００４７】一方、上記ステップ204〜ステップ213と一
定の時間間隔を保って交互にアルカリ側の計測が行われ
る。即ち、ステップ214によってアルカリ側計測のため
のアルカリ滴定槽のｐＨ変化率が前記演算式（Ａ）に基
づいて演算され、次にステップ215で演算された変化率
が分注量テーブルＣ₂と比較されて酸の分注量が決定さ
れる。この分注量テーブルＣ₂は、所定量の試料液に対
するアルカリの注入量とｐＨの変化率との相関を予じめ
求めたデータであり、この分注量テーブルＣ₂のデータ
との比較によって前記（Ａ）式により演算されたｐＨの
変化率からアルカリの分注量を決定することが出来る。

【００４８】以下のアルカリ側の計測ステップ215〜219
は、酸側の計測における前記ステップ205〜209で説明し
た工程とほぼ同一であり、ステップ220でアルカリ側の
データセットが行われる。そしてアルカリの分注によっ
て試料のｐＨが次第に大きくなり、ステップ221で該ｐ
ＨがｐＨＵＰ（上限）になると、ステップ222で終了フ
ラグセットが立ち、アルカリ側の計測が終了してステッ
プ223でパーソナルコンピュータ１２においてモニタリ
ングのためのデータ処理が行われ、ステップ221でｐＨ
がｐＨＵＰでない場合には、ｐＨ及び分注量等の変数が
初期化されてステップ214へ戻り、再度同じステップが
繰り返される。

【００４９】従ってこの第２実施例によれば、サンプリ
ング液ｐＨ値の測定時に、第１回目のｐＨ測定から一
定時間Δｔだけ待機した後に第２回目のｐＨ測定を行
い、両ｐＨ測定値の差が設定値以下に達した場合に、こ
の測定値を安定した値と判断してデータとして取り込む
ようにしているため、ｐＨ測定値の精度が高められて測
定誤差に起因する精度低下をなくすという作用が得られ
る。

【００５０】次に本発明の基本原理である酸−アルカリ
平衡理論を説明する。即ち、本実施例は消化槽内汚泥に
対する酸−アルカリ滴定カーブから以下の１０個の物質
濃度を求めることを特徴としている。［H⁺］,［OH^-］,［CH₃COO^-］,［CH₃COOH］,［H₂CO₃］,
［HCO₃ ^-］,［CO₃ ^2-］,pCO₂,［NH₄+］,［NH₄OH］消化槽内の有機酸は、酢酸，プロピオン酸、酪酸等であ
るが、これらの有機酸はそれぞれ1.76×10^-5，1.34×10
^-5，1.54×10^-5の比較的似通った電離定数を持ってい
る。従ってこれらの有機酸は、一括した形で酢酸として
まとめて考えて、電離定数は1.5×10^-5であると仮定で
きる。

【００５１】すると前記の物質濃度間には、以下に記す
化学平衡関係式が成立する。

【００５２】

【化１】

【００５３】

【化２】

【００５４】

【化３】

【００５５】

【化４】

【００５６】

【化５】

【００５７】

【化６】

【００５８】上記（３）式を除く（１）〜（６）式は、
総有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機
炭素濃度（Ｔ）と水素イオン濃度によって以下のように
式の変形が可能である。

【００５９】

【化７】

【００６０】

【化８】

【００６１】

【化９】

【００６２】

【化１０】

【００６３】

【化１１】

【００６４】更に酸−アルカリ平衡では、電荷バランス
式が成立する。これはプラスイオンの電荷の総和がマイ
ナスイオンの電荷の総和と等しいとの法則である。これ
を式で表わすと（１２）式となる。

【００６５】

【化１２】

【００６６】ここで［Z］は正味の陽イオン濃度の総和
である。実際の試料中には上記の有機酸，アンモニア，
無機炭素等のイオンの他にも様々な物質がイオンとして
存在する。しかしそれらのイオン濃度は、消化槽内の微
生物反応で変化せず、一定であると考える。

【００６７】従って［H⁺］、［NH₄ ⁺］、［HCO₃ ^-］、［CO₃
^2-］、［CH₃COO^-］、［OH^-］イオン以外の全てのイオンの
電荷のプラス総和（陽イオン電荷の総和−陰イオン電荷
の総和）を正味の陽イオン濃度［Z］として定数扱いす
ることができる。

【００６８】前記電荷バランス式の［NH₄ ⁺］、［HC
O₃ ^-］、［CO₃ ^2-］、［CH₃COO^-］、［OH^-］濃度は、先にも
示したように総有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度
（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ）と水素イオン濃度によっ
て（１３）式のように表わすことができる。

【００６９】

【化１３】

【００７０】上記水素イオン濃度はｐＨ計で容易に測定
することができるので、電荷バランス式中の未知数は総
有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭
素濃度（Ｔ）と正味の陽イオン濃度（Z）の４項目であ
る。ここで連立方程式の未知数と式数の関係から、４つ
の未知数を求めるためには４つの式が必要である。１つ
は滴定をしていない試料のｐＨを測定することによって
得られる。他の３つは酸或はアルカリの滴定によって３
つの異なるｐＨ値を達成すれば得ることが可能である。
但しこの場合、正味の陽イオン濃度（Z）は酸或はアル
カリの滴定量で修正を受ける。

【００７１】例えば酸（ＨＣｌ）を X1 mol/ｌ注入し
てｐＨがｐＨ１となった場合、

【００７２】

【化１４】

【００７３】となる。従って、滴定をしていない試料の
ｐＨと、滴定によって３つの異なるｐＨ値を達成した際
の滴定量さえ分かれば４つの連立方程式が成立し、この
連立方程式を解くことによって４つの未知数である総有
機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭素
濃度（Ｔ）及び正味の陽イオン濃度（Z）を求めること
ができる。しかし実際にはｐＨ値や滴定量に機器の測定
誤差が当然含まれるため、４つ以上のデータ（全ての滴
定点データ）から重回帰分析によって統計的に４つの未
知数を求めることが必要となる。

【００７４】そして上記４つの未知数を求めることによ
り、前記（７）〜（１１）式を用いて他のイオン濃度を
計算することができる。特に酸−アルカリ平衡理論（化
学平衡式、電荷バランス式）に基づいて導かれる（式１
４）から水素イオン濃度（ｐＨ）と全無機炭素濃度
（Ｔ），総アンモニア濃度（Ｎ），総有機酸濃度（Ａ）
の関係を求めることができる。

【００７５】図４は、酸−アルカリ滴定カーブをシミュ
レーションしたものであり、表１は図４中のグラフ１，
２，３，４における各モニター項目の濃度を示してい
る。

【００７６】

【表１】

【００７７】滴定には１．０ＮのＨＣｌとＮａＯＨを用
いる。図４の横軸は滴定量をモル濃度に換算したもので
あり、縦軸は滴定時のｐＨ値である。図示したようにア
ンモニア濃度（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ），総有機酸
濃度（Ａ）及び正味の陽イオン濃度（Ｚ）が変化するこ
とによって異なる滴定カーブが得られる。本実施例の場
合にはこのカーブから逆に上記４つのモニター項目の濃
度を求めたことを特徴としている。

【００７８】図５〜図８は実際の消化槽汚泥を用いた滴
定カーブであり、図中の○点は実際の測定点、実線は本
実施例で説明した測定原理に基づいて計算した値から逆
に滴定カーブをシミュレーションしたものである。各図
に見られるように実際の測定点とシミュレーションした
曲線とが良く一致しており、本消化槽モニターの測定原
理に基づく計算手法が信頼できるものであることがわか
る。

【００７９】上記図５〜図８は同じ消化汚泥を用いてお
り、測定条件の違いはＳＳ成分の濃度にある。図５は消
化槽汚泥の濾液（ＳＳ濃度ゼロ）を滴定試料としてお
り、図６は消化槽汚泥を３０００ｒｐｍで５分間遠心分
離した後の上澄液（ＳＳ濃度＝１０７３ｍｇ／ｌ）を滴
定試料にしている。又、図７の例では消化汚泥そのまま
（ＳＳ濃度＝２７３４５ｍｇ／ｌ）を滴定試料とし、図
８の例ではＳＳ成分を２７３５ｍｇ／ｌまで除去した消
化汚泥を滴定試料としている。各試料の測定結果を表２
にまとめて示す。

【００８０】

【表２】

【００８１】通常、酸−アルカリ滴定分析では試料中の
ＳＳ成分がｐＨの緩衝能力を持つことから遠心分離した
上澄液を滴定試料として用いることが推奨されている。
しかし表２に示された総有機酸濃度（Ａ），アンモニア
濃度（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ）及び正味の陽イオン
濃度（Ｚ）の結果から、消化槽汚泥の濾液と遠心分離し
た上澄液との間には計算上の大きな差がない。しかし消
化汚泥をそのまま滴定試料とした図７の場合には、低ｐ
Ｈ値での滴定カーブが図５，図６の滴定カーブと顕著に
異なっており、その結果、図７の例ではＳＳ成分の緩衝
作用によって有機酸濃度の計算値が非常に高く現れてい
る。図８の例では滴定カーブが図５，図６と一見一致し
ているが、やはり総有機酸濃度は高くなっている。これ
らの結果から酸−アルカリ滴定を行うために、前もって
ＳＳ成分を遠心分離された上澄液程度のＳＳ成分（１０
００ｍｇ／ｌ）にまで下げる固液分離工程が不可欠であ
る。

【００８２】前記図５に示す消化槽汚泥濾液を滴定試料
とする滴定カーブから計算された総有機酸濃度（Ａ）は
酢酸換算で１０４（ｍｇ／ｌ），アンモニア濃度（Ｎ）
は１１１６（ｍｇ／ｌ），全無機炭素濃度（Ｔ）は９６
１（ｍｇ／ｌ）であった。同じ試料を用いて液体クロマ
トグラフで測定した総有機酸濃度はプロピオン酸のみ２
（ｍｇ／ｌ），アンモニア電極で測定したアンモニア濃
度（Ｎ）は９３２（ｍｇ／ｌ）であった。全無機炭素濃
度（Ｔ）は、図中の測定点とシミュレーション曲線とが
ｐＨ４．８付近でもよく一致しているため、計算値（９
６１ｍｇ／ｌ）とアンモニア度滴定法による全無機炭素
濃度（Ｔ）とはほとんど等しい値になっている。

【００８３】以上の結果から、アンモニア濃度と全無機
炭素濃度に関しては、本消化槽モニターの測定原理に基
づく計算値は他の分析値とまず一致したが、有機酸濃度
に関しては多少相違点がみられた。これは計算に用いら
れる電離定数の温度補償とか、重回帰分析において特定
ｐＨ付近のデータに重みを加える等の処理を行うことに
よって精度の改善をはかることができる。

【００８４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる嫌気性消化槽のモニター方法及びその装置によれ
ば、酸−アルカリ滴定アルゴリズムに基づく酸滴定槽及
びアルカリ滴定槽への自動分注器による薬品の滴定及び
ｐＨ値の測定と、タイマー及び分注量テーブルとｐＨの
変化率を利用した分注量の演算を実施することにより、
測定者の手操作に起因する不可避的な測定誤差をなくす
ことができる。特にサンプリング液ｐＨ値の測定時に、
第１回目のｐＨ測定から一定時間だけ待機した後に第２
回目のｐＨ測定を行い、両測定値の差が設定値以下に達
した場合に該測定値をデータとして取り込むようにして
いるため、ｐＨの測定誤差を最小限として精度の向上を
はかることができる。

【００８５】又、測定に多くの機器を使用する必要がな
いので、従来のように各々の分析に必要な分析機器を確
保する必要がなく、且つこれらの機器を保守点検する作
業員を不要とし、各機器の操作上の繁雑さが解消される
上、消化槽内の水質を連続的にモニタリングするための
管理指標となる項目を高精度に且つ自動的に測定するこ
とを可能として、工程の全自動化をはかることができ
る。更に嫌気性消化槽以外の対象でも、物質濃度，ｐ
Ｈ，薬品注入量に本対象と同様の関係があるものについ
ては本法をそのまま適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した消化槽モニター方法の第１実
施例を示すチャート図。

【図２】本発明を適用した消化槽モニター方法の第２実
施例を示すチャート図。

【図３】本発明を適用した酸−アルカリ滴定装置例を示
す概要図。

【図４】本発明を適用した酸−アルカリ滴定量とｐＨ値
との関係をシミュレーションしたグラフ。

【図５】実際の消化槽汚泥のＳＳ成分ゼロの濾液を用い
てアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実
測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値
（実線）との比較を示すグラフ。

【図６】実際の消化槽汚泥を遠心分離した上澄液を用い
てアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実
測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値
（実線）との比較を示すグラフ。

【図７】実際の消化槽汚泥をそのまま用いてアルカリ又
は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実測値（○印）
と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値（実線）との比
較を示すグラフ。

【図８】実際の消化槽汚泥のＳＳ成分を一定量除去した
濾液を用いてアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定
量曲線の実測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用い
た計算値（実線）との比較を示すグラフ。

【符号の説明】

１…受泥槽、２…凝集槽、３…沈澱槽、４…フィルタ、
５…酸滴定槽、６…アルカリ滴定槽、８，９…分注器、
１０…ｐＨ計、１１…シーケンスコントローラ、１２
…パーソナルコンピュータ、１３…制御部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】消化汚泥をサンプリングして滴定槽に導
入し、このサンプリング液に予め制御部にて求められた
値に対応した量の試薬を分注しながら液ｐＨ値を測定
し、この液ｐＨ値と試薬分注量によって消化状態を連続
的にモニタリングするものにおいて、前記制御部は、タイマー設定時間内での液ｐＨ値の変化
率を用いたｐＨ測定値と、滴定槽への滴定試薬分注量と
を測定データとして用いて、消化槽内の状態変化を連続
的にモニタリングすることを特徴とする嫌気性消化槽の
モニター方法。
【請求項２】消化汚泥をサンプリングして滴定槽に導
入し、このサンプリング液に予め制御部にて求められた
値に対応した量の試薬を分注しながら液ｐＨ値を測定
し、この液ｐＨ値と試薬分注量によって消化状態を連続
的にモニタリングするものにおいて、酸滴定槽及びアルカリ滴定槽のｐＨ変化率を演算して、
この演算結果と予め酸及びアルカリの注入量とｐＨの変
化率との相関を求めた分注量テーブルとを比較して試薬
の分注量を決定し、この試薬を注入した際のｐＨ測定値
と前記分注量とを測定データとして用いて、消化槽内の
状態変化を連続的にモニタリングすることを特徴とする
嫌気性消化槽のモニター方法。
【請求項３】サンプリング液ｐＨ値の測定時に、第１
回目のｐＨ測定から一定時間だけ待機した後に第２回目
のｐＨ測定を行い、両ｐＨ測定値の差が設定値以下に達
した場合に、該測定値を安定した値として取り込むこと
を特徴とする請求項２記載の嫌気性消化槽のモニター方
法。
【請求項４】測定データに計測開始時と終了時の平均
液温度値を加えて温度補正したことを特徴とする請求項
１，２記載の嫌気性消化槽のモニター方法。
【請求項５】測定データに計測の都度測定された液温
度値を加えたことを特徴とする請求項１，２記載の嫌気
性消化槽のモニター方法。
【請求項６】滴定槽のサンプリング液は、固液分離工
程後の上澄液であることを特徴とする請求項１，２，
３，４記載の嫌気性消化槽のモニター方法。
【請求項７】消化汚泥をサンプリングして滴定槽に導
入し、このサンプリング液に予め制御部にて求められた
値に対応した量の試薬を分注しながら液ｐＨ値を測定
し、この液ｐＨ値と試薬分注量によって消化状態を連続
的にモニタリングするものにおいて、前記試薬分注量を演算するに要する時間が設定されるタ
イマーと、このタイマーの設定時間と前記液ｐＨ値測定
開始後の時間とを比較して、測定時間が設定時間よりも
大の時には測定ｐＨ値と判断して記憶する時間比較手段
と、この時間比較手段での比較時で前記測定時間がタイ
マーの設定時間より小の時に液ｐＨ値の変化率を計算
し、変化率が前もって入力された値より小さい時に前記
試薬分注量を演算し、大の時には測定ｐＨ値として記憶
する変化率測定手段とを前記制御部に備えたことを特徴
とする嫌気性消化槽のモニター装置。
【請求項８】消化汚泥をサンプリングして滴定槽に導
入し、このサンプリング液に予め制御部にて求められた
値に対応した量の試薬を分注しながら液ｐＨ値を測定
し、この液ｐＨ値と試薬分注量によって消化状態を連続
的にモニタリングするものにおいて、サンプリング液のｐＨ変化率演算手段と、酸及びアルカ
リの注入量とｐＨの変化率との相関を求めた分注量テー
ブルと、演算されたｐＨ変化率と前記分注量テーブルか
ら分注量を決定する比較手段と、決定された分注量の薬
品を酸滴定槽及びアルカリ滴定槽に注入する分注手段
と、サンプリング液のｐＨ値を所定の時間間隔を保って
測定して、安定した時のｐＨ値を測定値とする測定手段
とを前記制御部に備えたことを特徴とする嫌気性消化槽
のモニター装置。