JPS61100659A - 生物学的アンモニア濃度測定装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、活性汚泥法における生物学的アンモニア濃度
測定装置、特に生物学的脱窒法における硝化プロセスに
おいて曝気槽内のアンモニア濃度をオン２）インで測定
する装置に関する０〔従来技術と問題点〕 環境汚染の進行に伴い、廃水中の栄養塩類、とシわけ窒
素及びりん化合物に帰因する河川、湖沼あるいは海域の
富栄養化現象が深刻な社会問題となっている。この富栄
養化の防止策として廃水中の窒素又はシん化合物の除去
技術が開発されている。このうちで、窒素除去法として
は、生物学的脱窒法が有望視されている０この方法は、
好気性条件下において活性汚泥とともに生育する硝化菌
によりアンモニアを亜硝酸又は硝酸に酸化するプロセス
と、嫌気性条件下において通性嫌気性菌が亜硝酸又は硝
酸イオンの酸素を呼吸に利用することによシ亜硝酸又は
硝酸イオンを窒素ガスに還元する脱硝プロセスとからな
る。これら両プロセスの組合せにより廃水中の窒素化合
物は最終的に窒素ガスとして除去される。しかしながら
、硝化プロセスは、硝化菌の増殖速度が遅く、また水温
などの影響を受けやすいことから、その管理が難しく、
シたがって生物学的脱窒法を実用化する上で硝化プロセ
スの適正な管理が最大の課題の一つである。

硝化プロセスを管理するためには、曝気槽内のアンモニ
ア濃度を測定し、アンモニアが確実に硝化されているか
をチェックする必要がある。この目的のためには、アン
モニウムイオンの分析用トして開発された選択性電離を
使用することが考えられた。しかしながら、イオン選択
性電極は安定性に乏しく、オンライン計器としての使用
は必ずしも充分とはいえない。

そこで、廃水中のアンそニアが活性汚泥中に存在する硝
化菌の働きで亜硝酸や硝酸に変化することに着目しｓ　
ｐＨ調節計の原理を応用した測定法が考案された。この
測定法は、硝化プロセスにおける曝気槽から活性汚泥を
小型曝気槽にサンプリングしてそこで曝気し、硝化によ
る酸の生成に対して槽内のｐＨを一定に保持するように
アルカリを圧入し、この圧入したアルカリの総量よりサ
ンプル中に含まれるアンモニア量を測定するものである
。

この測定法では、検出端が既に廃水処理などに使用され
実績のあるｐＨ電極であるためオンライン計器としての
安定性は高かった。

しかしながら、このｐＨ調節計の原理を応用した測定法
では、小型曝気槽で曝気中に炭酸ガスの溶は込みや放出
により硝化反応に起因する以外のｐＨ変動が生じたため
に測定に大きな誤差を生じた。この　−ためにオンライ
ン測定を実用化することができなかった。

〔発明の目的〕

したがって、本発明の目的は、生物学的脱窒法の硝化プ
ロセスを適正に管理するためのアンモニア濃度測定の必
要性に鑑みて、アンモニア濃度をオンラインで安定して
測定できるアンモニア濃度測定装置を提供することであ
る。

〔発明の要点〕

本発明の目的をなす生物学的アンモニア濃度側１．　　
　　　　定装置は、廃水を生物学的に処理する活性汚泥
処理工程忙おける活性汚泥の一部を定量導く小型曝気槽
と、小型曝気槽内の気相中の炭酸ガス濃度を；□ 一定に制御する手段と、小型曝気槽内の液相中のｐＨを
一定に制御する演算制御装置とを有し、ｐＨを一定に制
御するために圧入したアルカリの総量を前記演算制御装
置によシ加算し、この総量値からアンモニア濃度を測定
するように構成したものである。□ ｊ　　　　＊−ｉ″１１（７）ｉｔＫ″″′・′ＪＪＪ
Ｉ＠”０１１”ける重炭酸イオン濃度が変動しないよう
に気相中′１ の炭酸ガス濃度を一定に制御しながら、硝化反応による
酸の生成に対して液相中のｐＨを一定に保持するように
アルカリを圧入し、このアルカリの注”、、、　ｘｔ＜
−・・〜＝ｅ＝７ｍＫ’ｌ・〜・・〜ｆｆｆｉｌＪ５ｆ
ｉｉｆ６ととができる。

〔発明の実施例〕

一、ｉ　　　　′″１゛′″−（Ｄ％＃ｈ’ｌｎ“°“
°４１“”９７１ゞの測定原理と関連させて説明する。

一般に、廃水を活性汚泥法によシ処理すると、ＢＯＤ成
分が酸化除去されると同時に廃水中のアンモニアが亜硝
酸又は硝酸に酸化される、いわゆる硝化作用が現われる
。これは活性汚泥中に生育する硝化菌によるものである
。硝化菌にはアンモニアを亜硝酸に酸化するＮｉｔｒｏ
ｓｏｍｏｎａｓと亜硝酸を硝酸に酸化するＮｉ　ｔｒｏ
ｂａｃｔｏｒとがある。これら硝化菌は、独立栄養性細
菌と呼ばれ、二酸化炭素、すなわち水中の炭酸塩を唯一
の炭素源として増殖する。これは、廃水中の有機物を炭
素源として増殖するＢＯＤ酸化園（従属栄養性細菌）と
大きく異なる点である。また、ＢＯＤ酸化菌及び硝化菌
はともに好気性細菌であるが、ＢＯＤ酸化菌は廃水中の
有機物を水と二酸化炭素に酸化する際のエネルギーを増
殖に刹用するのに対して、硝化菌はアンモニアを亜硝酸
に、又は亜硝酸を硝酸に酸化する際のエネルギーによっ
て増殖する。曝気槽内ではこれらの酸化反応と微生物の
増殖が行なわれる。

ここで、硝化菌によるアンモニア及び亜硝酸の酸化反応
は、 ＮＨ：　＋””　”　Ｎ　、ｔｒｏｓｏｍｏｎａ５　”
Ｏ；十ト■”　＋２Ｈ＋・”　（１）ＮＯＺ＋ｏ、ｓｏ
、　ｔＮｉｔｒｏｂａｃｔｏｒ　＞Ｎｏ；″　　　　°
−°−−−−−＋２１で表わすことができる。

次に、活性汚泥法における曝気槽の出口から活性汚泥を
サンプリングして小型曝気槽に導き、ここで曝気した場
合を考えると、硝化が完全に済んでいない場合には、（
１）及び（２）の反応が小型曝気槽内で生じ、アンモニ
ア１モルの減少に対して２モルの酸が生成されるために
ｐ［（が低下する方向に働く０ したがって、この酸の生成に対して小型曝気槽内のｐＨ
を一足に保持するようにアルカリを圧入すれば、このア
ルカリの圧入総量が生成した酸、すなわち最初に存在し
たアンモニアの量に対応する。

しかし、このような測定法はｐ）Ｉの変化を基礎として
いるために％硝化反応以外にｐＨの変動の要因があると
それが誤差として現われてくる。このｐＥ（の変動の主
因となるのが反応槽内における重炭酸イオンの濃度の変
動である。この影響を調査するために本発明者らは以下
の実験を行なった。

バッチ型の小型曝気槽に硝化菌の存在しない活性汚泥を
とシ、一定量の空気を供給しながら曝気を行ない、その
ときの水中の重炭酸イオンの濃度の経時変化とｐＨを一
定にするための塩酸量の経時変化を測定した。その結果
を第３図に示す。小型曝気槽へサンプリングした直後の
活性汚泥は、重炭酸イオンを多く含んでいるが、時間の
経過とともに重炭酸イオンの濃度は減少する。これは酸
の減少に相当し、このため曝気反応槽のｐＨを一定に制
御するには塩酸の圧入が必要であった。このことは、ア
ンモニア濃度を測定する場合には、圧入されるアルカリ
の総量が重炭酸イオンの濃度の減少分だけ硝化反応に対
応するアルカリ量より少なくなることであり、アンモニ
ア濃度測定における誤差となることを示している。

この問題を解決するためには、測定期間中の水中の重炭
酸イオン濃度を一定に維持できればよい。

そとで、本発明者らは、気相中のＣＯ２濃度とｐＥ（を
制御することにより、水中の重炭酸イオン濃度を制御す
る方法を鋭意検討した。

ＣＯ８とＨＣＯｓは、水中で酸欠式となる。

ＣＯ２＋　Ｈ２Ｏ’：；　ＨＣＯｓ　＋　Ｈ・−・・・
聞（３）また、ＣＯ２濃度とＨＣＯ；＠度の関係は灰式
ここで（Ｃ０２］　　　・・・・・・・・・遊離炭酸＠
度１：ＨｃＯａ、ｌ　　・・・・・・・・−重炭酸イオ
ン濃度Ｋ　　　・・・・・・・・・解離定数 のようになるため、〔ＣＯ２〕とｐＨを一定にすれば（
ＨＣＯｓ）は一定になる。

また、平衡状態においてはヘンリーの法則で次式 ％式％） ここで　Ｈ・・・・・・・・・　ヘンリ一定数Ｘｃ・・
・・・・・・・　気相中の炭酸ガスｍ度が成立するため
、Ｘｃを制御することにより［Ｃ０ｚ）を制御すること
ができ、（ＨＣＯ；）を一定に保持することができる。

しかしながら、活性汚泥は、常にＣＯ３を生成するため
曝気槽内が平衡状態になることはなく、（５）式は成立
しない。そとで、本発明者らは、機械攪拌方式によシ曝
気反応槽の攪拌効率を高めることによって（５）式が近
似的に成立するような条件を作る方法を検討した。

気相中でのＣＯｚのマスバランスは次式となる。

ここでＫＬａ・・・・−・・・・ガス移動係数■　・・
・・・・・・・液相部の体積 Ｖｇ　　・・・・・・・・・気相部の体積ｃｇ　　・・
・・・・・・・液相中のＣＯ２濃度Ｃｇ　　・・・・・
・・・・気相中のＣＯｉ濃度と平衡する液相中のＣＯ８
磯反 ｆ　・・・・・・・・・空気流量 気相中のＣＯｉ亙Ｘｃを一定に制御する場合にはＸｃ ｍ＝　Ｏ ｔ であるので、 ｆＸｃ　　　　　　　　　簀 一１□−＝ＫＬａ　（Ｃｇ−Ｃｇ　）　　　　　　　　
・・・曲・・（ヵとなる。

今、Ｘｃ　＝　Ｉ　Ｘの場合を考えると、Ｃｇ　＝　１
６．８Ｗ／Ｘｃ ｔである０また’　　Ｖ７は活性汚泥のＣＯ：発生速度
に等しいため、この値として活性汚泥プロセスの曝気タ
ンク出口における値（約ｔｏｗ／ｌ／ｈ　）を用いる０
ことで、本発明者らが試作した装置によれば、ＫＬａは
約２５１／ｈであったＯとれらの値をもと１１ＣＣｇと
Ｃｇ′の差を求めると約０．４　Ｗ／ｌとなシ、Ｃｇ　
ｚ　Ｃｇであることがわかる０　すなわち、このような
条件においてはＣｇ　：　ＨＸｃである０したがって、
気相中のＣＯ冨濃度を制御することによってＣＯＯ鵞）
を制御することができ、さらＫｐＨ’を制御すれば（Ｈ
ＣＯｓ−］を制御することができるＯこのような状態で
は（ＨＣＯｓ）は一定であるから、ｐＨ制御に用いたア
ルカリの総量は、サンプリング時に存在したアンモニア
の量に直接比例することになる０ 以上のように、気相中のＣＣｈ濃度を制御するためには
、小ＷＭ気槽に圧入する空気量を調節すればよい０また
、アルカリ圧入量を調節することによってｐＨを制御す
ることができる０ しかし、ｐＨが変化すると（４）式に従ってＣＣ０２）
も変化し、それに伴って気相中のＣＯ２濃度は変化する
。同様に、気相中のＣＯ２の変化はｐＨにも影響する。

したがって、このような干渉作用のためｐＨの制御とＣ
Ｏ２の制御を独立に行う方法では安定した制御が望めな
い０これに対しては、ＣＯ２とｐＨの各制御子、段に補
償要素を付加することによシ非干渉化制御を行うことが
できるＯ 本発明に従う生物学的アンモニア濃度測定装置の構成の
一具体例を第１図に示す０ ここで１は曝気槽、２は原水サンプリング装置、４は小
型曝気槽、７はガス循環ポンプ、８はガス流量調整パル
プ、９は空気ポンプ、１０はｐＨ計、１１はアルカリ供
給装置、１２は炭酸ガス分析計、１３は演算制御装置で
ある。

ここで、活性汚泥法における曝気槽１から活性汚泥が原
水サンプリング装置２により小型曝気槽４へ供給される
。曝気用の空気は、ガス循環ポンプ７によシ小型曝気槽
４と炭酸ガス分析計１２の間を循環し、攪拌ベラ６の働
きで活性汚泥中に供給される。そして、小型曝気槽内の
炭酸ガス濃度が設定値よシ高くなった場合には、演算制
御装置１３の制御信号を受けてガス流量調整パルプ８が
開き、空気が空気ポンプ９よシ供給され、槽内の炭酸ガ
ス濃度が一定になるように制御される〇一方、小型曝気
槽内のｐＨはｐＨＨＩＯ２より検知されｓ　ｐＨが設定
値よシも低下した場合は、演算制御装置１３の制御信号
を受けてアルカリ供給装置１１が作動し、　ｐＨが一定
になるように制御される０そして、反応が終了するまで
のアルカリ圧入量が演算制御装置１３で加算され、サン
プリング時のアンモニア濃度が求められる。

しかし、前記したようにｓ　ｐＨが変化すると槽内の炭
酸ガス濃度が変化し、また炭酸ガス濃度の変化はｐＨに
影響する。このような干渉作用を除くためにＣＯ２及び
ｐＨの各制御手段に補償要素を設けて非干渉化制御が行
われる。このような非干渉化制御の構成例を第２図に示
す。

〔発明の効果〕

本発明は、生物学的脱窒法における硝化プロセスによっ
て生じた亜硝酸や硝酸に対して小型曝気槽内のｐＨを一
定に保持するようにアルカリを圧入し、このアルカリの
圧入量からアンモニア濃度を測定する装置において、小
型曝気槽の気相中の炭酸ガス濃度を一定に制御する機構
を設けたことにヨフ測定誤差を少くすることができ、し
かしてアンモニア濃度のオンライン測定を可能とし、硝
化プロセスの管理を容易にした０

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う生物学的アンモニア濃度測定装
置の構成の一具体例を示す０ 第２図は、本発明に従う測定装置におけるＣＯ２とｐＨ
の非干渉化制御機構の構成の一具体例を示す０第３図は
、重炭酸イオン濃度とｐＨを一定に保持するのに要した
塩酸圧入速度の経時変化を示すグラフである。 第１図において、１・・・曝気槽、２・・・原水サンプ
リング装置、４・・・小型曝気槽、７・・・ガス循環ポ
ンプ、８・・・ガス流量調整パルプ、９・・・空気ポン
プ、１０・・・ｐＨ計、１１・・・アルカリ供給装置、
１２・・・炭酸ガス分析計、１３・・・演算制御装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）廃水を生物学的に処理する活性汚泥処理工程におけ
   る活性汚泥の一部を一定量導く小型曝気槽内の気相中の
   炭酸ガス濃度を一定に制御する手段と、小型曝気槽内の
   液相中のｐＨを一定に制御する演算制御装置とを有し、
   ｐＨを一定に制御するために圧入したアルカリの総量を
   前記演算制御装置により加算し、この総量値から活性汚
   泥法における曝気槽のアンモニア濃度を測定するように
   構成した生物学的アンモニア濃度測定装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の生物学的アンモニア濃
   度測定装置において、小型曝気槽内の気相中の炭酸ガス
   濃度と液相中のｐＨを非干渉化制御によって測定するよ
   うに構成したことを特徴とする生物学的アンモニア濃度
   測定装置。