JPH07232187A

JPH07232187A - 水処理システムの監視及び制御方法

Info

Publication number: JPH07232187A
Application number: JP6022313A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Kubota; 昌良久保田; Tetsuro Haga; 鉄郎芳賀; Masahiko Ishida; 昌彦石田; Kenji Baba; 研二馬場; Minoru Suzuki; 実鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 1995-09-05

Abstract

(57)【要約】【目的】活性炭層の逆洗洗浄及び活性炭の補充，交換を
効率よく行う。【構成】活性炭充填層２８内に観察装置３０を設置し、
活性炭層の生物層深さを計測する。活性炭層入口及び出
口の通水抵抗による水位上昇から活性炭の劣化を予測し
て活性炭の補充，交換を行う。また、活性炭層の堆積物
を画像処理３６して懸濁物類の流出を予測し、フィード
バック制御する。【効果】活性炭層の閉塞状態の監視活性炭の劣化の推定
ができ、逆洗及び活性炭の補充，交換が効率的に行え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固定床ろ過による水処理
における監視及び制御方法に関し、特に高度浄水処理に
おける生物活性炭塔の監視及び制御方法及びシステムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】粒状活性炭を用いた水処理法には、大別
すると下向流式固定床と、上向流式移動床がある。それ
ぞれ特徴があり、前者は除去対象物の除去性能が高く、
運転が容易で大容量処理に向いているが、その反面、Ｓ
Ｓ等による活性炭ろ床の閉塞が起こり易く、ろ床の洗浄
周期が短い。後者は除去対象物の除去効率は前者に比べ
低いが、活性炭ろ床の閉塞の問題は生じにくく、両者に
は一長一短がある。近年、湖沼や河川の汚濁が進行して
水質の富栄養化により、それを取水源とする上水道処理
において水道水にカビ臭等の異臭味被害が発生してい
る。安全でおいしい水を供給するため、図１に示す凝集
剤混和−フロック形成−沈殿の従来の一般的な浄水処理
工程に加え、オゾン処理と下向流式固定床からなる生物
活性炭処理による高度浄水処理システムの導入が急速に
進みつつある。ここで生物活性炭とは、活性炭の吸着作
用に加えて活性炭層内の微生物による有機物の分解作用
を利用することによって、活性炭の吸着機能をより長く
持続させるための処理方法である。この高度浄水処理シ
ステムは、富栄養化によって増加した原水中の生物難分
解性の有機物をオゾン処理により易分解性の物質に変化
させ、生物活性炭での除去性を改善すると同時に活性炭
層だけでは通過するアンモニア性窒素が生物による硝化
反応で除去されるという特長がある。さらには、オゾン
処理によって形成される反応生成物に関する安全性への
危惧から、オゾン利用の処理法には活性炭処理の併設が
国によって指導されている。

【０００３】生物活性炭では、通水処理の経過とともに
懸濁物等が堆積して活性炭層を閉塞させる、あるいは活
性炭担体表面に微生物が付着し生物膜を形成して増殖す
る。これらが蓄積されると活性炭層の通水抵抗がしだい
に増加し、活性炭充填層上部の水位の上昇及び処理水量
が低下、あるいは処理水質の悪化、生物のリークなどが
起こる。このため、活性炭充填層を洗浄して処理性能を
回復させるための逆洗操作が必要である。ろ床の洗浄に
は、公知の逆洗技術として、活性炭充填層の下方から逆
洗水を上向きに流入させ、水流で活性炭を流動化させ堆
積物を系外に洗い出す逆洗洗浄方式，ろ床上層部の汚れ
が著しい場合の表面を洗浄する機械的撹拌と逆洗水によ
る表洗方式，気泡の剪断力を利用して逆洗水で洗い出す
空気洗浄方式などがあるが、高度浄水処理では空気洗浄
方式が多く採用されている。逆洗プロセスの制御方法は
高度浄水処理システムにおいては必要不可欠な技術で、
その効率化は極めて重要である。逆洗のための検出方法
は上記の通水抵抗から損失水頭差を検出する方法が一般
的である。水位検出による生物活性炭塔の洗浄方法では
特公報平4−87688号，同平4−197484 号がある。その
他、活性炭の飽和積算吸着量から破過予測する同平4−3
34586 号、水質を吸光度で検出して監視する同平4−298
295 号がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高度浄水処理システム
における生物活性炭の制御は、適切な検出手段による逆
洗制御の効率化がポイントであり、従来の検出方法では
以下の問題がある。

【０００５】１）損失水頭差の検出：通水抵抗から損失
水頭差を検出して逆洗洗浄する場合、活性炭ろ床に堆積
し、活性炭より見掛け比重が小さい浮遊性のＳＳ成分や
微細粒子等は逆洗水で洗い出すことが可能である。しか
し、空気洗浄により破砕され細粒化した活性炭や生物膜
に取り込まれた微粉炭との固化物等は活性炭との見掛け
比重差が少ないため逆洗水で洗い出すことが困難であ
る。このため、逆洗洗浄後の通水時に、細粒化された活
性炭や固化物により、初期ろ床より通水抵抗が大きく、
逆洗周期が短くなる等の問題が生じる。

【０００６】２）水質監視による検出：生物活性炭での
処理水水質を監視する方法は、処理水質の分析に時間
を要すること、水質が悪化してからでは遅く、応答遅
れが大であることが問題となる。

【０００７】本発明の目的は、上記状況に鑑み、生物活
性炭処理における生物層の挙動を把握し、通水抵抗の原
因を明らかにすることにより最適な逆洗プロセスを実施
し、高度浄水処理システムを円滑に運転制御することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、１）活性炭充填層の生物の挙動を画像観察装置で直接観
察して画像表示し、生物層の増殖状態を計測して、処理
水質の悪化及び生物のリークが起こらない範囲の充填層
深さに達すると逆洗操作を行い、生物活性炭塔を運転制
御する。

【０００９】２）活性炭の細粒化や生物との固化物等の
蓄積を上記画像観察による直接監視と、従来の検出方法
である活性炭充填層の損失水頭差の検出から活性炭層の
劣化を予測し、もって活性炭の交換及び補充等を制御す
ると同時に逆洗操作の最適化を図る。

【００１０】３）活性炭充填層の堆積物を画像処理し、
堆積物の成分すなわち生物か無機質な懸濁物かの割合に
よって、高度浄水処理プロセスでの前処理すなわち凝集
−沈殿処理での凝集剤添加の制御にフィードバックさせ
処理システムの最適化を図る。

【００１１】これにより、生物活性炭塔の劣化予測及び
診断を行い、最適な洗浄プロセスを構成し、効率的な高
度浄水処理システムの運転制御方法を提供する。

【００１２】

【作用】水中のアンモニア性窒素(ＮＨ₄−Ｎ）は活性炭
層を通過しても通水初期には除去されないが、水温２０
℃以上の条件では通水後１５日頃から除去されるように
なり、約４０日を経過した時点で活性炭層厚み１０cmで
ＮＨ₄−Ｎがほぼ１００％除去される（文献：大阪市に
おける高度浄水処理〔生物活性炭〕実験，水道協会誌，
VOL62，NO１，平5.1)。これは、生物による硝化反応に
よりＮＨ₄−Ｎが除去されていることを示しているが、
通水経過にしたがい前記活性炭層厚みは深くなる。この
結果は生物が活性を維持していると酸化反応が進行し、
活性が飽和すると生物は増殖して活性炭層厚の深さ方向
に生長するものと考えられる。したがって、飽和した生
物層などが堆積して通水抵抗の要因となり、活性炭層の
逆洗が必要となる。本発明は上記生物層に着目し、活性
炭層の生物層を画像観察装置で直接監視して計測し、逆
洗プロセス及び高度浄水処理プロセスを効率的に制御す
る方法である。

【００１３】

【実施例】高度浄水処理における生物活性炭処理の維持
管理では、安定した水質を確保することが基本である。
そこで、発明者らは生物活性炭塔の連続通水実験により
処理性能の確認と活性炭層における生物の挙動を見るた
め実験を行った。図６に生物活性炭処理の実験装置のフ
ローを示す。生物活性炭塔のうち１塔には活性炭層厚み
方向に観察装置を配置し、活性炭層の微生物付着状態を
直接観察した。両者とも圧力損失検出用のマノメ−タを
設置し、従来の検出方法と比較した。観察装置は市販の
工業用内視鏡を使用し、テレビジョンモニターに表示す
る。光源は可視光と紫外光の切り換えが可能な光源装置
を用いた。観察部の詳細の一例を図３に示す。活性炭層
に挿入され、適宜間隔に開口部を有する固定フレーム３
１を外筒にし、その内側に上下に可動できる透明セル３
２，中心部に工業用内視鏡のプローブ３４を配置する。
プローブ３４を上下に走査させて活性炭層の生物の付着
状態を外部のＴＶモニター３６に表示する。通水経過の
状態により透明セル３２の外側表面に藻類等が付着する
と、透明セル３２を上下に可動して固定フレーム３１内
側に設けたスポンジ３３により拭い取る。供試水は図１
の一般的な浄水プロセス，凝集剤混和−フロック形成−
沈殿処理水を用いた。但し、前塩素処理がされているた
め、供試水は一旦タンクに貯留し、エアレーション(滞
留約１時間)を行い使用した。実験条件を下表に示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】処理性能としては、微生物によるＮＨ₄−
Ｎの除去性能を指標とし、ＮＨ₄−Ｎ成分として塩化ア
ンモニウムを０.５mg／ｌを通水経過に応じ、適宜添加
して除去率をみた。分析は、ＵＶ２６０ｎｍ（Ｅ２６
０）の吸光度で評価した。図７に通水経過日数とＥ２６
０ｎｍでの除去率と活性炭層における生物層深さとの関
係で示す。通水開始後約１０日で活性炭層上層の数cmに
主に懸濁物が堆積し、２０日経過で約１０cmまでに達す
るが、１０日経過頃から通水抵抗の上昇が著しくなり、
１ケ月で停止した。一方、通水初期１０日間塩化アンモ
ニウム０.５mg／ｌ添加してＮＨ₄−Ｎ除去率をみた
が、活性炭だけでは除去率は３５％程度であり、約２０
日経過してから除去率９０％以上となる。前記生物層深
さの観察結果とＮＨ₄−Ｎの除去率とが良く一致し、生
物によりＮＨ₄−Ｎが除去されていることがわかる。図
８は通水２０日後の活性炭層上層５cm部の蛍光画像写真
とその画像処理結果を示す。図８中、左図の斜線部が蛍
光発色部で、右表は画像処理してその面積比の積算を示
すが、８０％強が有機性の懸濁物である。生物が活性な
状態では明るい蛍光を発するが活性な生物は少なかっ
た。新炭はＵＶを照射しても蛍光を発しない。これは、
被処理水の水質にもよるが供試水が沈殿処理水であり、
本実験では特に粘土質や有機性の懸濁物が多かった為と
考えられ、適切な前処理（凝集混和−凝集沈殿−砂ろ
過）を行う必要がある。この結果から、砂ろ過工程を経
て、オゾン−ＢＡＣ処理するシステムが好適であり、画
像計測の結果を前処理の制御にフィードバックさせるこ
とにより高度浄水処理システム全体を効率よく運転制御
できる。

【００１６】以上の実験での知見よりオゾン−生物活性
炭の高度浄水処理工程について以下本発明の実施例を図
２に示す。砂ろ過６を経た処理水６′を高度処理するシ
ステムとし、オゾン発生器１０，オゾン反応槽１１及び
排オゾン処理装置１２からなるオゾン処理工程と、生物
活性炭は複数塔（２０ａ，２０ｂ）配置し、塔内に観察
装置３０を設置して、それを画像モニター３５に表示す
る他、逆洗用のポンプ２３及びブロワー２６と各配管の
切り換え用電磁弁と、これらの制御系から構成される。
砂ろ過処理水６′はオゾン反応槽１１に流入し、オゾン
発生器１０からのオゾン化ガス吹き込みにより複数段
（図は２段向流接触を示す）オゾン化ガスと順次向流接
触して流出する。向流接触したオゾン化ガスは排オゾン
処理装置１２で処理され、排出する。オゾン処理水１
１′は生物活性炭塔２０ａに流入して浄化された後、処
理水槽７に至る。図４に生物活性炭塔詳細の一例を示
す。生物活性炭塔の活性炭２８充填層高さは２ｍ前後が
一般的で、その層高さの約１／２程度まで内視鏡からな
る観察装置３０を設置し、通水中に活性炭層における生
物層を画像表示装置３５に表示して計測し、好ましくは
画像処理３６して生物層が所定の深さに至ると、制御系
３２の信号により電磁弁２１ａを２２ａ切り換え、他方
の生物活性炭塔に通水して、前記生物活性炭塔は逆洗す
るように制御する。一方、充填層の上部に水位センサー
２９を配置して通水抵抗による水位上昇を検出し、前記
画像処理結果と、水位上昇検出のいずれか、又は両者の
結果から逆洗するように制御系３２からの信号で制御す
る。逆洗は通常の逆洗操作と同様、処理水貯槽７の浄水
２０′を逆洗ポンプ２３で生物活性炭塔底部から所定の
条件で注入して活性炭の流動化と、ブロワー２６から空
気２６′を吹き込み気泡の剪断力により活性炭層に堆積
した懸濁物及び付着生物層を剥離し、活性炭より見掛け
比重が小さい浮遊物や微細粒子等は逆洗排水２４′とし
て系外に排出する。前記の実験結果では、生物層が活性
炭層深さの約半分以下で通水抵抗が大となり水位センサ
ー２９が作動する傾向で、観察部３０及び逆洗空気の吹
き込み位置は充填層の約半分で充分であると考えられ、
下層はバックアップとなる。所定の逆洗を終えると活性
炭は重力沈降して再び充填層として復帰するが、前記逆
洗時微粒化した活性炭が逆洗水とともに流出して充填量
が減少する。そのため、逆洗終了時に新炭を補充タンク
３３から活性炭スラリー３４でスラリーポンプ３６によ
り生物活性炭塔の充填層底部に注入し、補充する。すな
わち、逆洗により活性炭が流動化され、有機物を吸着あ
るいは付着生物が残存した活性炭などがブレンドされた
状態で再充填されるため、活性炭の吸着力及び生物層増
殖の傾向が乱れることから、生物活性炭塔のコントロー
ルが難しくなる。したがって、前記操作により常に新炭
が充填層底部に補充され、バックアップとなるように制
御する。逆洗を繰り返し行うと、気泡により破砕され細
粒化した活性炭や生物膜に取り込まれた微粉炭との固化
物等は活性炭との見掛け比重差が少なく通常の逆洗水で
洗い出すことが困難で、これらが再充填されると通水抵
抗となり逆洗頻度が多くなる。そこで、観察装置３０に
より活性炭粒径の変化等充填層の状態観察と、従来の損
失水頭差を検出することによりその要因を解明し、適宜
逆洗水量を大にして前記見掛け比重差が少ないものの排
出操作を行えばよいが、活性炭の流出も若干増加する。
その際空気吹き込みは停止する方が活性炭の流出が少な
い。

【００１７】図５は生物活性炭塔の他の実施例を示す。
生物活性炭塔の活性炭充填部に透明覗き窓２０１を設置
して、塔外部から観察装置３０で監視する。この場合、
覗き窓２０１部は遮光して光合成による藻類発生を抑止
するためのアコーデオン式遮光部２０２を設置する。こ
の場合、観察部がコンパクト化できる利点がある。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果がある。

【００１９】１．画像観察装置で活性炭充填層を直接観
察することにより、生物層の深さが計測できることか
ら、逆洗の予測が可能となる。

【００２０】２．逆洗後再充填された活性炭の生物付着
状態が観察でき、逆洗条件の最適化が計れる。

【００２１】３．活性炭の微粒化などが直接観察でき活
性炭の劣化が予測でき、適切な活性炭の補充及び交換を
行える。

【００２２】４．従来の損失水頭差の検出及び画像観察
の結果から、活性炭充填層の堆積物の種類及び閉塞の要
因が推定でき、その結果を凝集混和−沈殿−砂ろ過の前
処理制御にフィードバックして全体処理プロセスの効率
的な運転制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高度浄水処理システムフロー。

【図２】本発明の高度浄水処理システムの一実施例。

【図３】本発明によるＢＡＣ塔観察装置の詳細図。

【図４】本発明によるＢＡＣ塔実施例の詳細図。

【図５】本発明によるＢＡＣ塔の他実施例の詳細図。

【図６】本発明によるＢＡＣ塔実験装置の処理フロー。

【図７】本発明による実験結果。

【図８】活性炭の蛍光写真及び画像処理結果。

【符号の説明】

１…取水源、２…着水井、３…混和池、４…フロック形
成池、５…沈殿池、６…砂ろ過、７…浄水池、１０…オ
ゾン発生機、１１…オゾン反応槽、１２…排オゾン処理
装置、２０…ＢＡＣ塔、３０…観察装置、３５…ＴＶモ
ニター、３６…画像処理装置、３７…制御系。

フロントページの続き (72)発明者馬場研二茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者鈴木実茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充填固定床層による水処理系において、処
理中に該充填層に微生物が付着し、増殖して充填層の上
層部から下層部に成長するのを画像観察装置により計測
し、該計測値に基づいて逆洗の頻度及び／又は強度を制
御することを特徴とする水処理システムの制御方法。
【請求項２】前記充填層の入口及び出口に損失水頭差検
出手段を設け、その検出値と前記充填層の微生物層及び
充填物粒径の直接画像観察の結果とに基づいて、充填物
の微粒化などによる劣化を予測して充填物の交換及び補
充を行うように制御することを特徴とする水処理システ
ムの制御方法。
【請求項３】前記充填層内の堆積物を画像観察装置によ
り画像処理し、その結果により凝集剤添加などの前処理
プロセスを制御することを特徴とする請求項１及び２に
記載の水処理システムの制御方法。
【請求項４】前記充填層の微生物層の深さは、処理水質
の悪化及び処理水中への生物リークが起こらない充填層
深さに設定し、該深さに達すると逆洗するように制御す
ることを特徴とする請求項１に記載の水処理システムの
制御方法。
【請求項５】前記画像観察装置は、該充填層内の充填層
高さ方向に走査するための手段を具備し、観察装置で該
充填層に付着した微生物を観察して、その微生物像を外
部に設置した画像表示装置に表示することを特徴とする
請求項１及び２に記載の水処理システムの監視方法。
【請求項６】前記観察装置の光源に任意の励起紫外光を
照射し、微生物が蛍光を発する蛍光像を画像表示装置に
表示し、画像処理することを特徴とする請求項５に記載
の水処理システムの監視装置。
【請求項７】前記画像観察装置には藻類等の微生物付着
の除去，洗浄機構を具備してなることを特徴とする請求
項５〜６に記載の水処理システムの監視装置。
【請求項８】前記充填層内に配置した画像観察装置の観
察部は中心部に内視鏡、それを透明内筒好ましくは角筒
を配し、その外部に透明内筒に接する面にはスポンジ等
の洗浄体を有し、充填層の活性炭と接する開孔部を適宜
配した固定外筒からなる構成とし、中心部の内視鏡を上
下に走査して固定外筒の開孔部から充填層深さ方向を観
察し、微生物付着状態により透明内筒を上下に駆動して
洗浄体により透明内筒外側の付着物を除去することを特
徴とする請求項５〜７に記載の水処理システムの監視装
置。
【請求項９】前記充填塔は充填層高さが外部から監視可
能な透明部を有し、該充填塔外部から観察装置を走査し
て充填層を観察することを特徴とする請求項５〜６に記
載の水処理システムの監視装置。
【請求項１０】前記充填塔外部からの観察部は遮光して
いることを特徴とする請求項９に記載の水処理システム
の監視装置。
【請求項１１】前記充填層が活性炭を充填してなること
を特徴とする請求項１〜２に記載の水処理システムの装
置。
【請求項１２】前記活性炭充填塔及び該塔内に設置の材
料はステンレス鋼あるいはＦＲＰ等の耐腐食及び不溶出
性材料で構成することを特徴とする請求項５〜９に記載
の水処理装置。