JPH09174084A - 回分式活性汚泥処理の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】溶存酸素濃度に替わる新規な制御量とその検出
方法を用いて、原水質や運転条件の変動の如何にかかわ
らず、常に高い脱窒、脱リン効率の得られる回分式活性
汚泥処理の制御方法を得る。 【解決手段】反応槽内にｐＨ計を設置し、現処理サイク
ルの攪拌工程におけるｐＨ曲線上の変曲点の出現時間
（これは脱窒時間に等しい）に基づいて現処理サイクル
の攪拌工程におけるリン放出時間とその合計を算出す
る。次いでリン放出時間の合計を制御量として設定値と
比較し、現処理サイクルで用いた曝気時間に対する補正
値を求め、補正された曝気時間を後の処理サイクルにお
ける曝気時間として用いる曝気時間の操作を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、下水や生活排
水、産業排水を生物学的に処理する方法に係り、特に排
水中の窒素およびリンを生物学的に除去するプロセスの
制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】下水や生活排水の処理は有機物除去が主
体であり、活性汚泥法に代表される生物学的処理法が一
般に用いられている。近年になって、湖沼等の閉鎖性水
域では富栄養化が大きな問題となっており、この原因と
なる窒素，リンの除去が重要となってきた。そのため有
機物に加えて窒素，リンを除去できる処理法が活性汚泥
法の改良法として開発されてきており、代表的な方法と
してＡ２Ｏ法、回分式活性汚泥法、間欠曝気式活性汚泥
法などが挙げることができる。これらの方法は、微生物
が好気条件、嫌気条件に交互におかれて有機物，窒素，
リンの除去がなされるため、嫌気好気活性汚泥法と総称
される。

【０００３】窒素，リンの除去を目的とした下水処理に
ついて、その必要性を簡単に述べる。下水中の有機物
は、活性汚泥を構成する微生物の食物となり分解除去さ
れる。窒素は好気性の条件下で、硝化菌の働きによりＮ
Ｈ４−Ｎ（アンモニア性窒素）がＮＯ３−Ｎ( 硝酸性窒
素）に酸化され、次いで嫌気性の条件下で脱窒菌の働き
によりＮＯ３−ＮがＮ２（窒素ガス）に還元されて除去
される。硝化、脱窒の関係を整理すると次のようにな
る。

【０００４】 反応 窒素の形態 反応条件 微生物 硝化反応 アンモニア性窒素→硝酸性窒素 好気性（溶存酸素あり） 硝化菌 脱窒反応 硝酸性窒素→窒素ガス 嫌気性（溶存酸素なし） 脱窒菌 リンは反応槽の運転条件を好気性、嫌気性に交互に変え
ることにより、細胞内にリンを多量に蓄積する性質を持
つ活性汚泥を作りだし、この活性汚泥を利用して除去す
る。すなわち、この活性汚泥は嫌気性条件下でリンを放
出し、好気性条件下でリンを吸収する性質があるため、
好気性条件でリンの吸収を行い、リンを多量に吸収した
活性汚泥を余剰汚泥として処理系から除くことにより脱
リンが行われる。

【０００５】この関係は下記のように整理することがで
きる。 反応 槽内のリン濃度 反応条件 リン除去 リンの放出 増加 嫌気性（溶存酸素なし） − リンの吸収 減少 好気性（溶存酸素あり） 活性汚泥抜き出し このように窒素，リンの除去においては、好気性、嫌気
性の２条件が不可欠であるが、脱窒のための嫌気条件と
リン放出のための嫌気条件とは異なっており、脱窒が終
了した反応槽内にＮＯ３−Ｎに起因する酸素分子が無く
なった後で活性汚泥からのリンの放出が起こり、これが
次の曝気工程におけるリンの吸収につながる。

【０００６】次に小規模下水処理向けの代表的な嫌気好
気活性汚泥法の一つである回分式活性汚泥処理法につい
て説明する。回分式活性汚泥法は単一の反応槽内で曝
気、攪拌、沈澱、処理水の排出を行う処理方法であり、
近年設置数が増加しつつある。回分式活性汚泥法におけ
る窒素，リンの除去法は特公平３‐８８３９号公報に開
示されているが、その概要は下記のように要約すること
ができる。

【０００７】図３は従来の回分式活性汚泥処理装置を示
す構成図である。図３には装置構成とともに、水および
空気の経路を実線の矢印、制御信号を点線の矢印で表し
てある。この装置は主として、下水１が流入し処理が行
われる反応槽２、処理水３を排出する処理水排出装置４
から構成される。制御系は、溶存酸素濃度を測定するＤ
Ｏ計５、ＤＯ測定値および制御シーケンスに基づいてＤ
Ｏ制御用のインバーター６、曝気ブロア７、曝気攪拌装
置８に制御信号を出力する制御装置９からなっている。

【０００８】この装置の代表的な運転方法は、攪拌・曝
気の組み合わせ工程、活性汚泥の沈澱工程、処理水の排
出工程からなる処理サイクル（以下、単にサイクルと記
すこともある）の１サイクルを６時間に設定し、サイク
ル開始後４時間内に反応槽２において攪拌、曝気を断続
的に数回繰り返し（断続曝気処理工程）、その後沈澱を
１時間、処理水排出を１時間行うものであり、断続曝気
処理期間に硝化、脱窒、リン放出、リン吸収の反応が進
行し、窒素とリンの除去が行われる。こうした運転にお
いて、ＤＯは源水質や運転条件にもよるが２ｍｇ／Ｌ程
度に制御され、ＤＯの設定値が適切な場合は窒素および
リンの除去は良好である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】回分式活性汚泥法にお
いて窒素およびリンを効率よく除去するためにはＤＯ制
御が不可欠であり、制御運転時にＤＯを適切な値に設定
することが重要であるが、問題はＤＯ設定値の決定方法
が確立されていないことである。そのためＤＯを高めに
設定した場合は、主として硝化、脱窒が進行して、リン
放出が不十分となって脱リン効率が低下し、ＤＯを低め
に設定した場合は、リン除去は良好であるが、硝化が完
結せず脱窒効率が低下するという現象が起こる。これに
対応するために、処理水中の窒素、リンの濃度を分析
し、分析結果に基づいてＤＯ設定値を決める方法が実施
されているが、水質分析を高頻度で行うことは事実上困
難であるから、原水質や運転条件の変化に対応するＤＯ
設定が難しく、結果としてＤＯ設定値が不適切となり、
処理水質の低下を招いている。

【００１０】また異なる問題点として、断続曝気処理工
程中における曝気時間と攪拌時間の比率を決定する方法
も確立されていないことが挙げられる。現在は処理水質
の分析結果を参考に上記の比率が決定されているが、比
率の設定は前記のＤＯ設定とも関連しており、経験的要
素が多いために不適切となって、窒素，リンの除去率が
低下することもしばしば起こる。

【００１１】本発明は上述の点に鑑みてなされ、その目
的は溶存酸素濃度に替わる新規な制御量とその検出方法
を用いて、原水質や運転条件の変動の如何にかかわら
ず、常に高い脱窒、脱リン効率の得られる回分式活性汚
泥処理の制御方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば排水が流入する反応槽内で、撹拌・曝気の組合せ
の繰り返し工程と活性汚泥の沈澱工程と処理水の排出工
程からなる処理サイクルを反復して排水を処理する回分
式活性汚泥処理の制御方法において、反応槽内にｐＨ計
を設置し、現処理サイクルの攪拌工程におけるｐＨ曲線
上の極大値の出現時間に基づいて現処理サイクルの攪拌
工程におけるリン放出時間とその合計を求め、リン放出
時間の合計を設定値と比較して現処理サイクルで用いた
曝気時間に対する修正値を求め、修正された曝気時間を
後の処理サイクルにおける曝気時間に定めるとすること
により達成される。

【００１３】また上述の発明において後の処理サイクル
は、現処理サイクルの直後の処理サイクルであるとする
こと、または水質変動が規則的に反復される場合には現
処理サイクルに等価な後の処理サイクルであるとするこ
とが有効である。処理サイクル内で所定の時間（例えば
２時間）にそれぞれ設定された攪拌・曝気工程の内の攪
拌行程におけるｐＨ極大値の出現時間により攪拌行程内
の脱窒時間が定まり、それに伴って攪拌行程内のリン放
出時間が定まる。１サイクルにおいて複数回の攪拌・曝
気工程が設定されている場合、それぞれの工程の脱窒、
リン放出、曝気時間を合計することにより、断続曝気工
程全体として脱窒、リン放出、曝気時間を確定すること
ができる。

【００１４】制御量としてリン放出時間を選び、現処理
サイクルのリン放出時間の合計をリン放出時間の設定値
と比較して曝気時間の修正値を求め、後の処理サイクル
の曝気時間を修正値に従って操作してリン放出時間を定
値制御すると、脱窒、リン放出、曝気時間比率が常に適
切に維持される。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施例に係る回
分式活性汚泥処理装置を示す構成図である。図１と図３
との共通する部分には同一符号を用い、矢印線の取扱も
図３と同じである。この装置は図３に示した装置と基本
的に同じであるが、異なる点はＤＯ計５とインバーター
６を備えることなく、反応槽２にｐＨ計１０を設置した
ことである。

【００１６】図２はこの発明の実施例に係る制御の運転
条件と水質変化を示し、図（ａ）はＮＯ_X −Ｎ（硝化に
伴って生成する亜硝酸性窒素と硝酸性窒素の和）変化の
時間依存性を示す線図、図（ｂ）はＰＯ₄ −Ｐ（正リン
酸性リン）変化の時間依存性を示す線図、図（ｃ）はｐ
Ｈの変化の時間依存性を示す線図である。この装置系に
おける本発明の制御方法を、制御に伴う水質の変化とと
もに説明する。はじめに本発明の制御方法を適用した回
分式活性汚泥処理における各工程の時間配分について説
明する。図（ｃ）において、処理サイクル時間Ｔ_S4を６
時間、断続曝気時間Ｔ_S3を４時間、沈澱時間を１時間、
処理水排出時間を１時間に設定してある。また断続曝気
時間Ｔ_S3において、１回目の攪拌・曝気時間Ｔ_S1を２時
間、２回目の攪拌・曝気時間Ｔ_S2も２時間に設定してあ
る。さらに１回目の攪拌・曝気時間Ｔ_S1に着目すると、
後述のようにＴ_S1はあらかじめ決められており、曝気時
間Ｔ_N1も同様に決められているため、時間Ｔ_S1において
残り時間がＴ _N1時間になると攪拌が終了して曝気が始ま
っており、攪拌時間はＴ_D1＋Ｔ_P1となっている。また２
回目の攪拌・曝気時間Ｔ_S2においても同様の運転がなさ
れている。なお下水はサイクルの開始から２回目の攪拌
が終了まで流入している。

【００１７】このような運転においてｐＨの変化をみる
と、１回目の攪拌運転中に極大値Ａ ₁ 、２回目の攪拌運
転中に極大値Ａ₂ が出現している。すなわちｐＨの極大
値は脱窒が終了した時点で出現することから、１回目の
攪拌・曝気時間Ｔ_S1において、極大値Ａ₁ が出現するま
での時間Ｔ_D1が脱窒時間となり、その後曝気を開始する
までの経過時間Ｔ_P1がリン放出時間となる。これは極大
値Ａ₁ を検出する（検出方法は後述）ことにより、脱窒
時間Ｔ_N1、リン放出時間Ｔ_P1を測定することが可能であ
り、あらかじめ設定した曝気時間Ｔ_N1とともに、Ｔ_S1時
間内のＴ_N1とＴ _P1のそれぞれの時間を決定することがで
きることを意味している。図２ではＴ_D1は２５分、Ｔ_P1
は３５分、Ｔ_N1は６０分でる。２回目の攪拌・曝気時間
Ｔ_S2についてはＴ_D2３０分、Ｔ_P2３０分、Ｔ_N2６０分で
あり、後述のようにＴ_N1とＴ_N2は等しくなっている。

【００１８】次に以上の時間配分における水質について
説明する。図（ａ）においてＮＯ_X−Ｎは、はじめ時間
とともに減少し、攪拌工程の脱窒時間Ｔ_D1で零となり、
次いで曝気時間Ｔ_N1で硝化が進行して増加する。次の攪
拌・曝気時間Ｔ_S2においてもほぼ同様の変化を繰り返す
が、通常は曝気時間Ｔ_N2においてアンモニア性窒素が全
て硝化される。沈澱、排出時間にはＮＯ_X −Ｎ濃度は殆
ど変化しないが、脱窒が進行し若干低下することもあ
る。このように断続曝気処理期間中に硝化、脱窒が繰り
返されるため、処理水排出時点においてＮＯ_X −Ｎ濃度
は低く、通常１ｍｇ／Ｌ以下である。また図２には示し
ていないが、アンモニア性窒素は硝化により消失し、処
理水中には殆ど検出されない。この結果、処理水中の窒
素濃度は低くなり、高い窒素除去率が得られる。

【００１９】一方、ＰＯ₄ −Ｐは攪拌工程のリン放出時
間Ｔ_P1では増加するが、曝気時間Ｔ _N1において活性汚泥
に吸収されて低下する。これは次の攪拌・曝気時間Ｔ_S2
においても同様であり、最後の曝気段階である曝気時間
Ｔ_N2において吸収され低濃度となる。ＰＯ₄ −Ｐは沈
澱、排出の過程で少し増加することもあるが、基本的に
低濃度に維持されるから、リン除去率も高くなる。

【００２０】なお有機物は攪拌・曝気のサイクル中で活
性汚泥により除去されることは良く知られており詳細な
説明は省略する。以上のように図２に示した時間配分で
回分式活性汚泥処理の運転を行なうことにより良好な窒
素、リン除去が可能となるが、重要な点は適切な反応時
間配分を常に安定して維持することにあり、特にリン放
出時間Ｔ_P1およびＴ_P2の維持は不可欠である。そこで本
発明では、あらかじめＴ_S1及びＴ_S2を設定しておき、そ
の範囲内でＴ_P1及びＴ_P2があらかじめ設定した値となる
ように、曝気時間Ｔ_N1及びＴ_N2を操作する。Ｔ_S1及びＴ
_S2は同じ時間に設定するので、この時間をＴ_S とし、ま
たＴ_N1とＴ_N2も同じ時間に設定するので、それをＴ_N と
すると、曝気時間Ｔ _N を調節する方法は下記の（１）式
による。

【００２１】

【数１】 即ち、現処理サイクルのリン放出時間の合計をリン放出
時間の設定値と比較し、後の処理サイクルの曝気時間を
決定する。なお水量または水質の変動が毎日規則的に繰
り返され、しかも１サイクル時間を６時間に設定した場
合は、１日が４サイクル運転となるので、前日の同時刻
の運転結果から、翌日の曝気時間を決定することもでき
る。その場合の演算は（１）式と同じでよいが、サフィ
ックスのｎ−１は翌日の処理サイクルに対応した前日の
処理サイクルと解釈して用い、サフィックスのｎは翌日
の処理サイクルと解釈して用いる。

【００２２】ここで各時間設定について説明する。１サ
イクル時間Ｔ_S4は通常６時間程度に設定し、沈殿１時
間、排出１時間として、４時間程度を断続曝気時間Ｔ_S3
に設定する。その結果、１回目及び２回目の攪拌・曝気
時間Ｔ_S1、Ｔ_S2は２時間程度に設定することになる。ま
たＴ_S1とＴ_S2は等しくする。次にリン放出時間の合計の
設定に関しては、従来の知見からリン放出時間は処理時
間の２０〜４０％を充てる必要があることがわかってい
るため、断続曝気処理時間Ｔ_S3の２０〜４０％を計算
し、リン放出時間の合計の設定値Ｔ_PSとする。

【００２３】図２の場合、Ｔ_PSは６０分でありＴ_S3は４
時間であるから、２５％に相当している。後の処理サイ
クルの曝気時間Ｔ_N,n は前述の（１）式に基づいて決定
され、後の処理サイクルの各脱窒時間Ｔ_D1及びＴ_D2もそ
の結果として得られるが、窒素はこの硝化、脱窒の繰り
返しにおいて良好に除去される。極大値Ａ₁ 、Ａ₂ の検
出は以下のようにして行なわれる。刻み時間をΔｔとし
て時間経過に伴うｐＨ曲線の傾きを求め、最新の傾きを
α₂ 、Δｔ時間前の傾きをα₁ とする。α₁ とα₂ を比
較しα₁ ＞０＞α₂ になった時点を極大値と判定するこ
とができる。

【００２４】ところで本発明の制御方法では、リン除去
が不必要の場合は、リン放出時間の合計の設定値Ｔ_PSを
小さくして脱窒優先の運転とすることもできる。また図
２では下水１の流入は、１回目の攪拌・曝気時間および
２回目の攪拌時間を通して連続的ではあるが、例えばそ
れぞれの攪拌時間にのみ流入させてもよく、その場合も
本発明の制御方法は問題なく適用される。曝気時間のＤ
Ｏは空気量を調節し２〜３ｍｇ／Ｌとするが、水質をよ
り安定化するためには、２ｍｇ／Ｌ程度に制御すること
が望ましい。但しＤＯ制御は本発明においては必要不可
欠な要素ではない。また本実施例では攪拌・曝気工程は
２回としてあるが、これを２回に限定することなく、例
えば処理サイクルを８時間とし、２時間の攪拌・曝気工
程を３回設けることも可能である。

【００２５】

【発明の効果】この発明によれば反応槽内にｐＨ計を設
置し、現処理サイクルの攪拌工程におけるｐＨ曲線上の
極大値の出現時間に基づいて現処理サイクルの攪拌工程
におけるリン放出時間とその合計を求め、リン放出時間
の合計を設定値と比較して現処理サイクルで用いた曝気
時間に対する修正値を求め、修正された曝気時間を後の
処理サイクルにおける曝気時間として用いるので、現在
のサイクルまたは時間的に対応した前日のサイクルに基
づいて、曝気時間の修正の操作がなされる結果、処理サ
イクルのリン放出時間が設定値に制御されるとともに原
水質や運転条件の変動に対応して攪拌時間と曝気時間の
比率が最適値に維持されて安定した窒素、リンの同時除
去が常に高率に達成される。

【００２６】ｐＨ曲線の極大値を用いると脱窒時間が正
確に求まるのでリン放出時間とその合計が精度良く決定
され回分式活性汚泥処理の制御の安定性が高まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に係る回分式活性汚泥処理装
置を示す構成図

【図２】この発明の実施例に係る制御の運転条件と水質
変化を示し、図（ａ）はＮＯ_X−Ｎ（硝化に伴って生成
する亜硝酸性窒素と硝酸性窒素の和）変化の時間依存性
を示す線図、図（ｂ）はＰＯ₄ −Ｐ（正リン酸性リン）
変化の時間依存性を示す線図、図（ｃ）はｐＨの変化の
時間依存性を示す線図

【図３】従来の回分式活性汚泥処理装置を示す構成図

【符号の説明】

１ 下水 ２ 反応槽 ３ 処理水 ４ 処理水排出装置 ５ ＤＯ計 ６ インバーター ７ 曝気ブロワ ８ 曝気攪拌装置 ９ 制御装置 １０ ｐＨ計

フロントページの続き (72)発明者 森 豊 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 小倉 明子 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排水が流入する反応槽内で、撹拌・曝気の
   組合せの繰り返し工程と活性汚泥の沈澱工程と処理水の
   排出工程からなる処理サイクルを反復して排水を処理す
   る回分式活性汚泥処理の制御方法において、反応槽内に
   ｐＨ計を設置し、現処理サイクルの攪拌工程におけるｐ
   Ｈ曲線上の極大値の出現時間に基づいて現処理サイクル
   の攪拌工程におけるリン放出時間とその合計を算出し、
   リン放出時間の合計を設定値と比較して現処理サイクル
   で用いた曝気時間に対する修正値を求め、修正された曝
   気時間を後の処理サイクルにおける曝気時間として用い
   ることを特徴とする回分式活性汚泥処理の制御方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の制御方法において、後の
   処理サイクルは現処理サイクルの直後の処理サイクルで
   あることを特徴とする回分式活性汚泥処理の制御方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載の制御方法において、後の
   処理サイクルは水質変動が規則的に反復される場合に現
   処理サイクルに等価な後の処理サイクルであることを特
   徴とする回分式活性汚泥処理の制御方法。