JPS6031886A - 水中の微生物の監視制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沈降性に優れた活性汚泥を培養するのに好適
な環境を維持し、処理水質の向上に有効な活性汚泥プロ
セスの制御装置、およびその方法に関する。

〔発明の背景〕

活性汚泥プロセスは生物学的下水処理法の１つで、好気
性微生物の酸化分解作用を利用して下水中の有機物を処
理するものである。このプロセスは好気性状態に維持さ
れる曝気槽と、微生物を重力沈降させる沈殿池とから構
成される。活性汚泥プロセスの運転管理上、特に重要な
ことは沈降性に優れた微生物を培養することである。こ
れは、微生物の沈降性が悪くなると、沈殿池から微生物
が流出して処理水質を悪化させるはかシでなく、プロセ
ス系内の線機生物量の低下を招いて処理不能となるため
である。

一般に、活性汚泥の沈降性は微生物相の影譬によるもの
とされている。活性汚泥プロセスでよく出現する微生物
は５０種類程度と言われている。

これらの微生物群の総称である活性汚泥を大別すると、
２つの微生物群に分類できる。１つは凝集性の有るズー
グｌ／アタイプの微生物で、良好なフロックを形成する
ため沈降性に優れている。他方は糸状性の微生物で、フ
ロックから糸がはみ出した様に生息し、フロック相互の
接近を妨害するため沈降性及び圧密性に劣っている。こ
の糸状性微生物が増殖しすぎるとドルキング状態（汚泥
膨化）を引き起こし、固液分離ができず沈殿池から活性
汚泥が流出してしまう。また、糸状性微生物がなく、ズ
ーグレア性微生物が支配的である場合においても、フロ
ックが小径となると、フロックが沈降しづらいために沈
殿池から流出し、処理水を悪化させることがある。

したがって、沈降性の優れた活性汚泥を培養するには、
ズーグレア性微生物と糸状性微生物のバランスがとれ、
フロックが適度の大きさにあることが必要である。一方
、ズーグレア性微生物及び糸状性微生物の増殖は、曝気
槽における有機物負荷あるいは曝気条件等により異なる
ことが知られている。ところで、活性汚泥プロセスの処
理対象となる都市下水の流入条件は一日単位、さらに季
節等で大きく変化する。このような条件下で沈降性の優
れた微生物相を維持するには、活性汚泥の状態を常時監
視し、微生物相に対応した運転操作を行わなければなら
ない。しかし、現状の各禎運転操作は微生物相の情報を
考慮しておらず、オペレータの勘と経験に基づいて行わ
れている。これは、微生物相の判定法に原因している。

活性汚泥の状態を把握する方法として、一般的に光学顕
微鏡が用いられている。顕微鏡を用いて微生物の種類や
その数を観察することによシ、活性汚泥の状態を知るこ
とができる。従来、この情報を読みとる手段としては、
顕微鏡像そのものを目視で観察するか、あるいは写真撮
影してその撮像結果を目視で観察する方式がとられてい
た。しかし、この情報を読みとることのできる熟練オペ
レータは少数であシ、また、微生物に詳しい熟練オペレ
ータでも解析に長時間を費し、頻度高い観察が困難であ
った。さらに糸状性微生物の出現数は、撮像結果から個
々の長さを手分析によシ割シ出し、総延長数をめるとい
う労苦があった。したがって、顕微鏡像による活性汚泥
の解析には、専門知識を持つ熟練オペレータでも長時間
を要し、頻繁に観察をすることができず、観察結果をプ
ラント運転に反映されてい　問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は、従来技術の問題点に対処して成されたもので
、その目的とするところはズーグレア性微生物と糸状性
微生物の出現状況を自動的に検出し、これらの微生物情
報を管理指標とすることにより沈降性に優れた微生物相
を形成させる活性汚泥プロセスの制御装置及びその方法
を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、顕微鏡像を画像処理することによ多糸状性微
生物とズーグレア性微生物の出現状態を自動的に検出で
きることを見出したことを基本原理とし、糸状性微生物
とズーグレア性微生物の出現比率を指標として曝気空気
量、あるいは返送汚泥量、あるいは余剰汚泥量を操作し
て沈降性に優れた微生物相を形成して、処理水質の向上
とプロセスの安定化を企図したものである。

〔発明の実施例〕

第１図に活性汚泥プロセスを対象とした実施例を示す。

１は曝気槽であシ、有機物を含む流入水３と活性汚泥を
含む返送汚泥３を導入し、空気７を散気管８から噴射す
る。２は沈殿池で、曝気槽１流出液の固液分離を行い、
上澄液を処理水５として放流し、沈降した活性汚泥の大
部分を返送汚泥４として曝気槽１に循環し、一部を余剰
汚泥６として系外に抜出す。このようなプロセスにおい
て、本発明は活性汚泥中の微生物相に基づいて運転操作
するものである。

微生物相判定装置１１は、曝気槽１から活性汚泥混合液
をサンプリング管９によシ採取して、この液中の微生物
相すなわち糸状性微生物とズーグレア性微生物を判定す
る。この判定法について以下具体的に説明する。第２図
は、微生物相判定装置１１の一構成例である。検出部４
０は例えばプレパラートで、活性汚泥をここで観察する
。画像拡大装置４１は光学顕微鏡のような画像を拡大す
る装置である。活性汚泥を含む検液を検出板４０、例え
ばプレパラート上に採り、明視野で検鏡すると、第３図
に示すようなコントラストのある原画像ができる。原画
像は、明るい背景である液相部Ｂの中に、暗い部分が存
在する。暗い部分は、フロック部Ｚと糸状部Ｆから成り
、２はズーグレア性微生物、Ｆは糸状性微生物でおる。

ビジコンカメラ４２は、例えば順次走査型撮像装置で、
原画像を微少画素単位の輝度情報に変換する。この輝度
情報は画像情報処理装置６０によって画像処理され、そ
の処理結果が演算回路１３に入力される。

画像情報処理装置６０内の具体的な情報処理過程を第４
図に示し、以下詳細に説明する。

輝度情報処理回路４３は、例えばビジコンカメラ４２か
らの輝度情報をＡ／Ｄ変換してディジタル信号化する。

第５図は、第３図のＡＡ’線で走査した場合の処理状態
で、輝度ヒストグラムと呼ばれるものである。横軸は任
意の走査線ｌ上における画素位置ｊを示している。第４
図は、輝度を８ピツ）（２５６目盛）に処理したもので
、明るい液相部Ｂは高い値を示し、ズーグレア性微生物
部Ｚは低値となり、その中間に糸状性微生物部Ｆが表示
される。この傾向は、第６図に示す複雑な原画像におい
ても第７図と同様な結果が得られる。

液相部Ｂとフロック部Ｆとの輝度レベルは、像拡大装置
４１とビジコンカメラ４２の計測条件によって変化する
。そこで、液相部Ｂとフロック部Ｆとの輝度レベルを選
定する必要がある。

輝度レベル選定回路４４は、得られた輝度ヒストグラム
から輝度レベルの最大値Ｓｋと最小値Ｓｔを取り出す回
路である。第５図において、最大値ａｈには液相部Ｂの
輝度値が、最小値Ｓｔにはズーグレア性微生物部Ｚの輝
度値が設定される。

閾値設定回路４５はＳｈとＳｔの中間値に２つの閾値Ｓ
Ｋと８２を選ぶ回路である。ここで、８１＞　８２の条
件とし、８ｔを液相部Ｂの輝度変動範囲以下に、Ｓ２を
ズーグレア性微生物部Ｚの輝度変動範囲以上に設定する
。この設定法によシ、糸状性微生物部Ｆの輝度レベルは
Ｓｌと８２の間に位置させることができる。

輝度比較回路４６は、水平方向ｊ及び垂直方向ｉの各画
素が持つ輝度情報ＳＩＪを（１）式によって２値化する
回路である。この操作により、糸状性微生物が存在する
画素ｆ目の抽出が可能となる。一方、輝度比較回路４７
は次式に基づいて２値化する回路で、ズーグレア性微生
物が存在する画素ＺＩＪの抽出が可能となる。ズーグレ
ア性微生物の画素抽出方法として、第６図の原画像のう
ち糸状性微生物を除去し、ズーグレア性微生物のみを強
調抽出して２値化する方式がある。本発明はいずれの方
式でおっても良い。

ところで、撮像画面を分割して形成される各々の画素は
一定の長さと面積を持つことから、２値化された情報を
用いて糸状性微生物及びズーグレア性微生物の出現状況
を把握することができる。

加算回路４８では、（１）式及び（２）式で２値化され
た糸状性微生物の画素数ｅｐｔ（Ｆ）をめ、加算（ロ）
路４９では（３）武及び（４）式で２値化されたズーグ
レア性微生物の画素数ｅｐ＋（Ｚ）をめる。積分回路５
０及び５１は次式に基づいてプレパラート全体の糸状性
微生物の総画素数Ｅ（Ｆ）、ズーグレア性微生物の総画
素数Ｅ　（Ｚ）をめる。ここで、Ｎは画面数、ｎは走査
線数である。積分回路５０で得（１０） られた画素数Ｂ　（Ｆ）は演算回路５２に入力され、糸
状性微生物の総長Ｌ′がめられる。これは、本発明者ら
が全画面の原画像を写真撮影し、キルビメータを用いて
糸状性微生物の長さを測定したところ、（３）式で得た
糸状性微生物の全画素数との間に第７図の関係を得たこ
とによシ初めて可能となった。この図から、全画素数Ｅ
　（Ｆ）と総長Ｌ′との間には一次相関があシ、次式で
表わせることがわかる。ここで丸印は本実施例によシ得
られた値を表し、ｋｌとｂとは係数である。

Ｌ’　＝ｋｌ−Ｅ　（Ｆ’）十ｂ　・・・・・・（７）
また、単位検液量の総長りは次式から容易に算出できる
。ここで、■は供試検液量である。

Ｌ＝Ｌ’／Ｖ　・・・・・・・・・・・・・・・（８）
一方、演算回路５３はズーグレア性微生物の出現量をめ
る回路である。（６）式でめた画素数Ｅ　（Ｚ）に画素
面積ａを乗ずれば、ズーグレア性微生物の全面積Ａ　（
Ｚ）が得られる。ところで、第４（１１） Ａ　（Ｚ）　＝　ａ　−Ｅ　（Ｚ）　＝・−・・−−−
−（９）図に示すヒストグラムにおいて、液相部Ｂの輝
度レベルＳ−は微生物による光吸収のない状態の時の輝
度情報であり、ＳＬはズーグレア性微生物を透過した時
の輝度情報で、これらは比較的安定している。このこと
から、吸収係数に２を考慮すると、８ｈ　、Ｓｔを用い
て次式によりズーグレア性微生物の厚さｔを推定できる
。ここでに２は係数である。また、ｓｈが画像処理条件
で変化する場合、輝度の差に比例する次式の形で表わす
ことができる。ここでに２′は係数である。したがって
、単位検液量当シのズーグレア性微生物量Ｖ（Ｚ）は次
式で表わせる。

Ｖ　（Ｚ）＝　ｔ−Ａ　（Ｚ）　／　Ｖ　・（１２）以
上の操作により、糸状性微生物量とズーグレア性微生物
量を自動的に検出できる。

（１２） 次に、ズーグレア性微生物の粒径分布をめる方法につい
て説明する。第６図は微生物が複数個存在する場合の画
像を示し、第７図はＡＡ’線における輝度分布を示す。

この輝度分布を閾値Ｓ′で２値化すると第９図のように
、フロックに対応した出力信号が得られる。ここで２１
＝１がズーグレア性のフロック部分を示し、一方２目−
〇がそれ以外の部分を示す。この信号は、第４図の比較
回路４７で処理できる。第９図に基づいて、フロック数
ｍ及び走査線ｉにおける各フロック毎の画素数ｅｐｉ（
Ｚ駒を積分回路５４でめ、さらに積分回路５５で各フロ
ックの全画素数ｅ　（Ｚ、　）を算出する。演算回路５
６は、各７０ツク毎の画素数ｅ　（Ｚ、　）を積算して
、Ｅ　（Ｚ）をめ、さらに（９）式に基づいてズーグレ
ア性微生物の全面積Ａ　（Ｚ）を算出する。また、各フ
ロック毎の画素数が把握されていることから、フロック
の粒径分布をめることが可能である。各フロックの粒径
は、例えば画素数ｅ　（Ｚ、　）と等価な面積を持つ円
と仮定し、次式でめることができる。これを全フロック
に（１３） ｄ（Ｚ、）−（４−ａ　−ｅ　（ｚｍ）／ｇ）”５・・
−（ｉａ）ついて実施すれば、粒径分布が得られる。粒
径分布の算出法は画像処理技術でよく知られているので
、詳細は割愛した。

このようにして糸状性微生物の総長し、ズーグレア性微
生物量Ｖ　（Ｚ）及びその粒径分布が微生物相判定装置
１１から出力されて、第１図に示した演算回路１３に入
力される。

演算回路１３は、まず微生物の出現比率αを次式で演算
する。一方、出現比率には沈降性が良好α＝Ｌ／Ｖ（Ｚ
）　・・・・・・（１４）となる範囲が存在する。その
上限値をα１、下限値をα２と設定し、（１４）式で演
算されたαがこの範囲に位置する場合、偏差信号Ｃをゼ
ロとして出力する。また、αがαｌ及びα、の範囲外に
ある場合、次式によｌ）ｇが演算される。

α〉α１のとき、−＝αｌ−α　・・・（１５）α〈α
１のとき、Ｃ＝αｇ−α　・・・（１６）風量調節回路
１５は、演算回路１３から出力された偏差６に応じて風
量調節装置２１を操作し、（１４） 曝気風量を制御する。風量制御は６が負であれば風量を
増加させ、Ｃが正であれば風量を低下させる。さらに、
糸状性微生物数が少ないα〈α２の場合、ズーグレア性
微生物の粒径分布の平均粒径ｄをめ、至適粒径ｄ＊との
偏差に対応して風量を補正する。具体的には、この風量
補正はａ＜Ｃｔ＊であれば風量低減率を太きくさせ、ｄ
＞ｄ＊であれば低減率を小さくする方向に行う。このよ
うな操作により、糸状性微生物数が増加する場合には曝
気風量が増加される。一方、糸状性微生物数が少なく、
かつフロック粒径が小さくなるにつれて曝気風量が低減
されて、溶存酸素濃度の上昇とフロック粒径の増大化が
はかられる。このようにして、微生物相に対応した曝気
風量の調節が可能となる。

曝気風量の他の制御方法を第１０図に示す。第１０図に
おいて、比較回路１７は、演算回路１３から出力された
微生物出現比率の偏差６が負であれば溶存酸素濃度目標
値ＤＯ＊を高くし、６が正であればＤＯ＊を低くさせ、
さらに、設定された（１５） ＤＯ＊と曝気槽１に設置された溶存酸素濃度計２３の出
力値ＤＯとを比較して、ＤＯとＤＯ＊との偏差信号ΔＤ
Ｏ（＝ＤＯ−ＤＯ本）を出力する。

風を調節回路１５は、比較回路１７の出力信号ΔＤｏに
応じて風量調節装置２１例えばブロワ−を操作し、曝気
風量を制御する。具体的には、ΔＤＯが正のとき、曝気
風量を低下させ、逆にΔＤＯが負のとき、曝気風量を増
加させる。

ところで、微生物の出現状態を調節するには、前記の曝
気風量の他に、有機物負荷を対象としてもよい。第１１
図はその一実施例である。第１１図において、１４は演
算回路、１８は比較回路、１６は有機物負荷調節回路、
２２は有機物負荷調節装置、２４は汚泥濃度計である。

演算回路１４では演算回路１３から出力された微生物出
現比率の偏差８に応じて有機物負荷の目標値Ｕ＊を演算
する。目標値Ｕ＊は前回の目標値Ｕ１に対して、６が負
であれば有機物負荷を低くし、Ｃが正であれば高くする
ように設定する。比較回路１８では、目標値Ｕ＊と現在
の有機物負荷値Ｕとを比較する。

（１６） 現在の負荷Ｕは、図示しないが流入水３の流量、あるい
は流入水３の流量と有機物濃度からめた流入有機物量と
、汚泥濃度計２４で出力された曝気槽１の混合液の汚泥
濃度よ請求めることができることが知られている。Ｕ＊
とＵから、Ｕ＊となるような汚泥濃度目標値Ｓｗａ＊が
められ、汚泥濃度の実測値８．と目標値Ｓ−の偏差ΔＢ
、（＝８゜−８，”）Ｋ応じて有機物負荷調節回路１６
により有機物負荷調節装置２２例えば返送汚泥ポンプを
操作し、返送汚泥量を制御する。

具体的には、ΔＳ、が正のとき、返送汚泥量を減少させ
、逆にΔＳ、が負のとき返送汚泥量を増加させる。

これと同様に５余剰汚泥を操作することによっても微生
物の出現状態を調節することができる。

第１２図は余剰汚泥量を操作する一実施例である。

余剰汚泥量操作の指標としては次式に与えられる汚泥日
令ＳＡやプロセス内の総汚泥量などが対象８Ａ＝（８，
・■）／（８ｍ−Ｑ−）　・・・（１７）となるが、第
１２図ではＳＡを例とする実施例を（１７） 示す。（１７）式において、■は曝気槽１の容積、８ｍ
は返送汚泥濃度、ＱＷは余剰汚泥量である。

第１２図において、演算回路１２は、演算回路１３から
出力された微生物出現比率の偏差εに応じて汚泥日令の
目標値ＳＡ＊を演算する。目標値８Ａ＊は、前回の目標
値ＳＡ、＊に対して、εが負であれば小さくし、ｅが正
であれば高くするように設定する。演算回路１９は、汚
泥日令の目標値８Ａ＊と、曝気槽１に設定した汚泥濃度
計２４の実測値８１、及び返送汚泥４ラインに設置した
汚泥濃度計２６の実測値８ｙｎが入力され、（１８）式
に基づいて余剰汚泥引抜量Ｑｗが演算される。

Ｑ−””（８−’Ｖ）／（ＳＲ’ＳＡ）　”・（１８）
余剰汚泥調節回路２０は、演算回路１９で演算された引
抜量Ｑ１になるように、余剰汚泥調節装置２５例えば、
余剰汚泥ポンプを操作し、余剰汚泥量を制御する。

以上、活性汚泥プロセスについて具体的な実施例を説明
したが、本発明は他のプロセスに対しても適用可能であ
る。例えば、生物学的な脱窒素プ（１８） ロセス、及び脱リングロセス、あるいは糸状性細菌を利
用するペニシリン生産などの醗酵プロセスなどである。

また、実施例は糸状性微生物数、ズーグレア性微生物量
及びその粒径分布を含んだ制御について説明したが、こ
れらのいずれかを利用する方式であっても制御上支障な
い。

さらに、実施例では糸状性微生物の総長、及び容積基準
のズーグレア性微生物量を用いたが、微生物の固形物濃
度基準であってもよい。固形物濃度換算は、それぞれの
比重が把握されていることから、容易に行える。

〔発明の変形例〕

以上の実施例において、微生物の出現比率αを第２図に
示す構成から得られた糸状性微生物数とズーグレア性微
生物量よりめたが、第１３図の方式でめることができる
。第１３図において、１１′は微生物相判定装置で、第
２図の全構成、すなわち糸状性微生物を検出するシステ
ム構成と同じである。制御回路１３′は、微生物相判定
装（１９） 置１１′から出力された糸状性微生物総長りと汚泥濃度
計２４の出力値Ｓ１とが入力し、次式により出現比率α
′をめる。さらに、沈降性が良好α’＝Ｌ／Ｓ、　・・
・・・・・・・（１９）となる出現比率の上限値をα１
’　、下限値をα２′とし、（１５）式及び（１６）式
と同様に演算し、偏差εをめ出力する。この出力信号ε
による制御方法は前記実施例と同様に行うことができる
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、糸状性微生物とズーグレア性微生物の
出現状態を自動的に検出でき、その出現比率に対応した
運転操作を実施することにより、沈降性の優れた微生物
を培養することができる。

この結果、処理水質の向上とプロセスの安定化とを図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図、第２図は微生物相判
定装置の一構成例、第３図は活性汚泥を対象とした顕微
鏡像を示す図、第４図は画像処理の情報処理過程を示す
図、第５図は第３図のＡＡ’（２０） 線で走査したときの輝度ヒスドグ２ム、第６図は複数個
の７０ツクが存在する場合の顕微鏡像を示す図、第７図
は第６図のＡＡ’　線で走査したときの輝度ヒストグラ
ム、第８図は糸状性微生物の総長と画素数の関係を示す
特性図、第９図は第７図をＳ′で２値化した場合の出力
特性図、第１０図は曝気風量制御の他の実施例を説明す
る構成図、第１１図は返送汚泥量制御の一実施例を説明
する構成図、第１２図は余剰汚泥量制御の一実施例を説
明する構成図、第１３図は微生物の出現比率をめる変形
例を説明する構成図である。 １・・・曝気槽、２・・・沈殿池、３・・・流入水、４
・・・返送汚泥、６・・・余剰汚泥、７・・・空気、１
１．１１’・・・微生物相判定装置、１３．１３’・・
・制御回路、１２．１４．１９・・・演算回路、１５・
・・風量調節回路、１６・・・有機物負荷調節回路、２
０・・・余剰汚泥調節回路、１７．１８・・・比較回路
、２１・・・風量調節装置、２２・・・有機負荷調節装
置、２５・・・余剰汚泥調節装置、２３・・・溶存酸素
濃度計、２４．２６・・・汚泥濃度計、４０・・・検出
板、４１・・・像拡大装置、（２１） ４２・・・ビジコンカメラ、４３・・・輝度情報処理回
路、４４・・・輝度レベル選定回路、４５・・・閾値設
定回路、４６．４７・・・輝度比較回路、４８，４９．
５４・・・加算回路、５０，５１．５５・・・積分回路
、５２゜（２２） 男　１　口 第　２　口 第　３０ 躬　５［２１ 第　６　［］ 走査拉ｉ 第　８　口 、Ｏ 躬　９　口 Ａ　Ａ’ 活１１　口 １１　−二ｇ’４ ε　ぴ ］ ｒ−−−−−一−ｆ：Ｊ−／８ ）　Ｓｌ ■ １１乙５ＴＩＬ 中 ４ １・６２ １ 〜　エ 活１２（ｉ］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸素を含むガスで曝気し、有機物質を微生物処理す
   る反応槽と、該微生物を固液分離する沈殿池とを有し、
   該分離微生物の大半を返送汚泥として前記反応槽に循環
   し、残りの分離微生物を余剰汚泥として系外に排出する
   下水処理装置において、微生物を含む試料の鏡像を輝度
   情報に変換し、任意の走査線での輝度ヒストグラムから
   糸状性微生物に対応する画素を抽出し、該抽出画素数か
   ら糸状性微生物の出現数をめると共に、前記輝度ヒスト
   グラムからフロック性微生物の存在する画素を抽出し、
   該抽出画素数からフロック性微生物の出現数をめ、該糸
   状性及びフロック性微生物から微生物の出現比率をめ、
   該出現比率によシ微生物の出現に影響する操作量を調節
   することを特徴とする下水処理装置の制御装置。 ２、操作量が前記反応槽への曝気量であることを特徴と
   する特許 処理装置の制御装置。 ３、操作量が前記反些槽への返送汚泥量であることを特
   徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の下水処理装置
   の制御装置。 ４、操作量が前記沈殿池からの余剰汚泥量であることを
   特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の下水処理装
   置の制御装置。