TW202202454A

TW202202454A - 好氧性生物處理方法及裝置

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Publication number: TW202202454A
Application number: TW110117762A
Authority: TW
Inventors: 大月孝之; 中野達馬
Original assignee: 日商栗田工業股份有限公司
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2022-01-16
Also published as: KR20230015330A; JP7014258B2; JP2021186695A; CN115667157A; WO2021240968A1

Abstract

本發明是一種好氧性生物處理方法及裝置，其為將原水供給到曝氣槽並藉由填充在曝氣槽中的生物膜保持載體或顆粒對原水中的除去對象物質進行好氧性生物處理而獲得處理水的方法及裝置，所述好氧性生物處理方法及裝置的特徵在於，在負荷為規定值以下的低負荷條件下，交替進行將曝氣強度設定為所述載體或所述顆粒能夠流動的規定值的強曝氣、及將曝氣強度設定為小於所述規定值或停止曝氣的弱曝氣。

Description

好氧性生物處理方法及裝置

本發明是有關於一種藉由自造粒顆粒或流化床載體、固定床載體等對含有可進行生物學氧化的污濁物質的排水進行生物膜處理的方法及裝置，特別是有關於其曝氣強度控制。本發明中，將存在於進行微生物處理的生物膜外部的排水稱為主體水（bulk water）。

作為含有可進行生物學氧化的污濁物質的排水的處理方法，除了使用浮游污泥的活性污泥法以外，亦利用了自造粒顆粒（granule）法、流化床載體法、固定床載體法等以微生物進行了被稱為生物膜的集聚增殖的形式進行處理的生物膜法等。

在前一種使用浮游污泥的活性污泥法中，在被稱為微生物絮凝物（floc）的典型而言1 mm左右的微生物凝集體內外，微生物與主體水相的接觸面積得到充分確保，因此絮凝物內的氧或污濁物質的滲透性、擴散性不會成為污濁物除去速度的主要處理性能的限速因子。在專利文獻1中，記載了用儀器測量污濁物質的負荷，並與其成比例地控制曝氣風量的內容。

在使用浮游污泥的活性污泥法、及自造粒顆粒法、流化床載體法、固定床載體法等生物膜法中，作為簡易地調整與原水負荷成比例的氧供給量的方法，廣泛使用了進行將液體中的溶解氧濃度（以下記載為DO（Dissolved Oxygen））保持固定的風量控制的所謂的DO控制系統。

關於自造粒顆粒法、流化床載體法，在專利文獻2中記載了一種在生化需氧量（biochemical oxygen demand，BOD）容積負荷小於規定值時以微生物載體的流動化為判斷基準，在BOD容積負荷大於所述規定值時以廢水的需氧量為判斷基準控制對廢水的曝氣量的廢水處理方法及裝置。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2001-353496號公報 [專利文獻2]日本專利特開昭63-256185號公報

在自造粒顆粒法、流化床載體法、固定床載體法等進行利用生物膜的處理的方法中，實際上難以僅基於通常作為原水負荷指標的、由原水的單位時間的流量與原水的污濁物質濃度的積求出的流入負荷或將流入負荷除以反應槽的容積求出的槽負荷來進行適當的氧供給量調整。其理由列舉如下。

也就是說，即使原水負荷相同、用以氧化原水中的有機物所需的氧量相同，在利用生物膜的方法中，以生物膜的形式保持在反應槽中的微生物量亦會隨時間變化，故由於微生物自身的自分解製程而產生的氧消耗量會發生變化。因此，提供給裝置的氧供給量亦需要考慮該因素來決定。

由於所述要因，原水中有機物的氧化所需的氧量根據負荷變動發生變化，根據處理裝置內保持的生物膜的量，需要供給的氧量發生變化。在氧供給依賴於擴散現象的生物膜法的情況下，需要根據應供給至生物膜的氧量來調整主體水的DO，亦需要調整用以維持主體水DO的曝氣風量。

特別是在負荷增加的情況下，原水中有機物的氧化所需的氧量增加，在處理裝置內保持的生物膜的量增加情況下，需要供給的氧量亦增加。

在氧氣供給依賴於擴散現象的生物膜法的情況下，當應供給至生物膜的氧量增加時，需要提高主體水的DO，亦需要增加用於提高主體水的DO的曝氣風量。

根據所述理由，在不進行與曝氣風量的負荷相應的調整及控制的運轉時，需要進行增加曝氣風量狀態下的風量固定運轉，以在高負荷時亦可維持較高的主體水的DO，而可維持氧供給量。

在高負荷時所需的可維持高DO的風量固定運轉下，由於不抑制與負荷降低時的氧消耗降低時的氧消耗降低相對應的風量，因此會發生能量的浪費。另外，在假定高負荷時的氧供給，而進行設定了較高的DO目標值的DO控制的情況下，由於在生物膜處理裝置中在維持負荷降低時亦可降低DO水準，故只要降低DO控制的目標DO水準，則能夠進一步減少曝氣風量，但在通常的DO控制中，不進行此種藉由DO目標值降低的風量抑制，因此亦會產生能量消耗的浪費。

由於此種理由，能量消耗的浪費在負荷變動大的情況下變得特別顯著。

另一方面，在利用了自造粒顆粒或載體附著微生物的好氧性生物膜處理中，在根據原水負荷進行曝氣控制的情況下，在原水負荷低時，每單位底面積的風量降低。因此，基於曝氣的槽內水的混合攪拌作用不足，無法維持載體或顆粒的流動狀態，載體或顆粒長時間堆積在槽底部。其結果，由於與主體水的接液面積的減少而導致處理效率降低、或槽內的底部成為厭氧氣氛，由於污泥腐敗而產生腐敗臭，特別是在處理含硫排水的情況下，產生硫化氫等硫系臭味氣體，引起臭味問題的產生。另外，暫時堆積在槽底部的載體或顆粒塊狀化，藉由在內部蓄積在脫氮反應中產生的氮氣或在腐敗反應中產生的厭氧性氣體，反而比重變得較主體水更輕而上浮到水面附近，成為難以將載體或顆粒穩定地維持在處理水槽內的狀況，產生與載體向裝置外漏出相關的問題或處理能力的降低問題。

專利文獻2中提出了以下對策：在BOD容積負荷小於規定值時，以微生物載體的流動化為判斷基準，在BOD容積負荷大於所述規定值時，以廢水的需氧量為判斷基準，控制對於廢水的曝氣量。但是，利用該方法進行曝氣控制時，特別是在想要同時促進生物膜內的硝化反應及脫氮反應這兩個反應的生物膜處理中，特別是在負荷降低的情況下，由於對生物膜的氧供給過多，因此產生在生物膜內部亦無法維持沒有氧、僅殘留硝酸的所謂無氧的狀態，在生物膜內的脫氮反應不進行的狀況。結果，產生處理水的NO₃ -N濃度上升，同時中和NO₃ -N所需的鹼性藥劑的使用量增加的問題。

[發明所欲解決之課題] 本發明的目的在於提供一種利用生物膜的好氧性生物處理方法及裝置，可確保作為生物膜製程的特徵的高負荷下的處理能力，並且在低負荷條件下抑制能量損失，進而避免與顆粒污泥或載體的堆積相關的問題，並且亦可減輕氮處理性能降低的問題。

[解決課題之手段] 本發明的好氧性生物處理方法是將原水供給到曝氣槽，利用填充在曝氣槽中的生物膜保持載體或顆粒對原水中的除去對象物質進行好氧性生物處理而獲得處理水的方法，其特徵在於，在負荷為規定值以下的低負荷條件下，交替進行將曝氣強度設定為所述載體或顆粒能夠流動的規定值的強曝氣、及將曝氣強度設定為小於該規定值或停止曝氣的弱曝氣。

本發明的好氧性生物處理裝置是具有供給原水的曝氣槽、填充在該曝氣槽中的生物膜保持載體或顆粒、及對該曝氣槽進行曝氣的曝氣裝置的好氧性生物處理裝置，其特徵在於包括曝氣控制機構，所述曝氣控制機構在負荷為規定值以下的低負荷條件下，交替進行將曝氣強度設定為所述載體或所述顆粒能夠流動的規定值的強曝氣、及將曝氣強度設定為小於該規定值或停止曝氣的弱曝氣。

在本發明的一形態中，所謂前項的規定條件以下的低負荷條件是指滿足以下的（a）～（d）的任一者的低負荷：（a）原水負荷的測量值為規定值以下（b）曝氣槽的氧消耗速度的測量值為規定值以下（c）在負荷超過規定值的高負荷條件下控制的DO濃度的目標值為規定值以下（d）在負荷超過規定值的高負荷條件下控制的曝氣強度的設定值為規定值以下。

在本發明的一方式中，所述（a）～（d）的各規定值是以弱曝氣時的曝氣風量在最小曝氣風量的1/2～1/5之間的方式設定的曝氣風量時的數值。

在本發明的一方式中，所述原水負荷是流入負荷、槽負荷、及載體容積負荷中的任一種。

在本發明的一方式中，藉由曝氣風量、曝氣停止時間、或曝氣抑制時間來控制所述曝氣強度。

在本發明的一方式中，不包括用於攪拌槽內水的機械攪拌機構或導流管（draft tube）。

[發明的效果] 根據本發明，防止槽內的底部成為厭氧氣氛，高效率地進行生物處理。另外，在以硝化脫氮為目的的處理的情況下，即使低負荷條件化亦可促進弱曝氣步驟中的脫氮反應。

＜以原水負荷為管理指標的控制＞在本發明的一方式中，在負荷為規定值以上的高負荷條件下進行連續曝氣，在負荷為規定值以下的低負荷條件下，進行一般被稱為間歇曝氣的曝氣控制。具體而言，包括反覆進行弱曝氣步驟及強曝氣步驟的曝氣控制機構，所述弱曝氣步驟進行指定時間曝氣停止或抑制，所述強曝氣步驟定期地使指定時間曝氣強度為規定強度以上。下面，使用圖1對此種情況下的原水載體容積負荷的計算方法進行說明。

[由總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）計及流量計算出原水負荷的方法] 圖1所示的生物處理裝置進行基於利用了原水的TOC濃度的測量值的原水負荷的曝氣控制。

在圖1的生物處理裝置中，被處理排水（原水）經由配管1導入曝氣槽2。在曝氣槽2內填充有負載生物膜的載體C。在曝氣槽2內的底部設置有散氣管3，自鼓風機4經由配管5供給空氣，進行曝氣。

已由生物膜進行好氧性生物處理的水穿過篩網6，自配管7作為處理水取出。

在該生物處理裝置中，作為測量單元，設置有測定在配管1中流動的原水的流量及TOC濃度的流量計22及TOC計23、測定曝氣槽2內的DO濃度的DO計19、測定自鼓風機4向散氣管3供給的空氣量的風量計20，該些檢測值被輸入到控制器21。由控制器21藉由控制鼓風機4的馬達轉速來控制曝氣強度。

利用流量計22測定原水流量，利用TOC計23測定原水的TOC濃度，藉此作為原水負荷而算出TOC負荷。

＜原水負荷＞藉由下式算出原水負荷。

Load=Q·Conc/1000 Load：原水負荷[kg/d] Q：原水流量[m³ /d] Conc：原水濃度[kg/m³ ] 作為原水濃度，可列舉由TOC、氨性氮、UV吸光度推算的TOC·N的濃度。

＜載體容積負荷＞藉由下式算出載體容積負荷。

Load_CarrierVol =Load/V_Carrier Load_CarrierVol ：載體容積負荷[kg/（m³ ·d）] V_Carrier :曝氣槽內的載體填充容積[m³ ]

＜載體表面積負荷＞藉由下式算出載體表面積負荷。

Load_CarrierSurf =Load/S_Carrier Load_CarrierSurf ：載體表面積負荷[kg/（m² ·d）] S_Carrier ：曝氣槽內的載體組的總表面積[m² ]

再者，在曝氣槽中，原水負荷有時會隨時間以分鐘為單位急速變動，但載體性狀（曝氣槽內的載體填充容積或曝氣槽內的載體組的總表面積）的經時變化以日～月為單位比較緩慢地變化。因此，原水負荷的計算值較佳為頻繁更新。另外，關於曝氣槽內的載體填充容積或曝氣槽內的載體組的總表面積，只要定期（例如以1～3個月一次左右的頻率）對載體採樣並進行分析，更新載體填充容積、載體組的總表面積資料即可。

[以氧消耗速度為管理指標的控制] [氧消耗速度的運算方法] 在本發明的一方式中，將氧消耗速度作為原水負荷的管理指標來進行曝氣控制。即，在氧消耗速度為規定值以下的低負荷條件下，使曝氣強度為規定強度以上。如此，利用圖2說明以氧消耗速度為管理指標時的氧消耗速度的運算方法。

在圖2的生物處理裝置中，被處理排水（原水）經由配管1被導入曝氣槽2。曝氣槽2內填充有負載生物膜的載體C。曝氣槽2內的底部設置有散氣管3a、散氣管3b、散氣管3c，自鼓風機4經由配管5及分支配管5a、分支配管5b、分支配管5c供給空氣，進行曝氣。曝氣槽2設有頂蓋2r。

在該生物處理裝置中，作為測量單元，設有測定曝氣槽2上部且頂蓋2r下側的氣相部氣體中的氧濃度的排氣計24、測定曝氣槽2內的DO濃度的DO計19、測定自鼓風機4向散氣管3a～散氣管3c供給的空氣量的風量計20。

＜情況1：根據風量計及排氣計運算氧消耗速度的方法＞測量曝氣風量及排氣中的氧濃度，藉由下式直接運算氧消耗速度qO₂ 。

[數1]

···（1）

[數2]

···（2）

OTE：氧移動效率[-] Z_O ：吹入空氣中的氧莫耳分率[-] Z：排氣中的氧莫耳分率[-] qO₂ ：氧消耗速度[kg/d] G_ν ：標準狀態換算的曝氣空氣的吹入流量[Nm³ /d] ν_m ：氧的比容[Nm³ /kg]

＜情況2：根據DO計及曝氣風量計算氧消耗速度的方法＞測量曝氣風量及DO，間接推算氧消耗速度qO₂ 。（i）（控制裝置安裝前的準備）藉由下式算出氧消耗速度的推算所需的氧溶解性指標ϕ。

[數3]

···（3）

[數4]

···（4）

OTE：氧移動效率[-] Z_O ：吹入空氣中的氧莫耳分率[-] Z：排氣中的氧莫耳分率[-] ϕ：氧溶解性指標[m] ν_m ：氧的比容[Nm³ /kg] h：散氣裝置的水深[m] C_s ：飽和溶解氧濃度[kg/m³ ] C：混合液中的溶解氧濃度[kg/m³ ]

（ii）（裝置運行時）連續測量氧消耗速度的經時變化。

根據DO計及曝氣風量的連續測量資料、以及預先求出的氧溶解性指標ϕ，藉由下式連續推算氧消耗速度qO₂ 。

[數5]

···（5）

qO₂ ：氧消耗速度[kg/d] G_ν ：標準狀態換算的曝氣空氣的吹入流量[Nm³ /h] h：散氣裝置的水深[m] C_s ：飽和溶解氧濃度[kg/m³ ] C：混合液中的溶解氧濃度[kg/m³ ] ：氧溶解性指標[m]

[控制中使用的管理指標的相關關係] 在原水負荷及氧消耗速度大時，在所述負荷指標為規定值以上的情況下，設為連續曝氣而應用DO控制，根據負荷提高曝氣槽內的DO濃度目標值，在負荷為規定值以下的情況下，縮短間歇曝氣的弱曝氣步驟的時間，即，延長強曝氣步驟時間。使用初步實驗的結果資料、實機的運轉實際資料、考慮了生物膜中的氧的擴散性的機構模型的模擬結果等，預先構築該原水負荷或氧消耗速度與對應的DO濃度目標值或弱曝氣步驟的時間的相關關係。

作為在控制系統中實現該相關關係的方法，可為利用記述了原水負荷與DO目標值或弱曝氣時間的適當值或兩者的組合的適當值的相關關係的函數式來實現的方法、或者利用控制表等來表現的方法中的任一種。

[用於製作控制表的生物膜機構模型] 作為用於構築控制表的一種方法，可利用推定生物膜與含有污濁物質及氧的處於流動狀態的主體水相接觸時的、污濁物質的減少或生物膜中的活性污泥菌體量的增減的動力學模型（以下，有時稱為生物膜機構模型）。此種動力學模型亦需要考慮菌體增殖與污濁物質的消耗、氧消耗在生物膜內同時發生的狀況、主體水相中的溶解氧向生物膜的擴散及氧由於通氣（aeration）而溶解在主體水相中的現象來構建。另外，生物膜的增加或縮小藉由伴隨菌體的增殖及死亡的菌體組的體積的增加及減少、或菌體自主體水的附著及菌體向主體水的剝離而發生。在生物膜利用處理中利用動力學模型時需要對該些現象進行數學模型化。由於此種現象本來是在三維空間中發生的現象，所以模型化變得複雜，但藉由利用只考慮厚度方向的變化的一維模型表現生物膜的增加、縮小，可比較容易地進行模擬。作為用於模擬藉由活性污泥的排水處理的數學模型，例如可活用國際水協會（International Water Association）的任務小組（Task group）提出的一系列數學模型（下述報告1）。作為以生物膜為對象的數學模型例子，提出了下述報告2等。

1.M.亨齊（M Henze）；國際水協會（International Water Association，IWA）.數學模型設計及生物廢水處理的操作的工作組；等等（Task Group on Mathematical Modelling for Design and Operaton of Biological Wastewater Treatment；et al） 2.博爾茨,J.P.、約翰遜,B.R.、戴格爾,G.T.、桑迪諾,J.（Boltz,J.P.,Johnson,B.R.Daigger,G.T.,Sandino,J.）,（2009a）.≪模型化整合的固定生物膜活性污泥及移動床生物膜反應器系統I：數學處理及模型開發（Modeling Integrated Fixed-Film Activated Sludge and Moving Bed Biofilm Reactor Systems I：Mathematical Treatment and Model Development）≫.水環境研究（Water Environment Research），81(6)，555-575

藉由利用如前項的數學模型，例如可構築流化床載體的數學模型。一般此種數學模型大多以聯立常微分方程式的形式描述，可利用聯立常微分方程式的數值積分軟體模擬所述製程的動態行為。例如，可進行與根據特定的裝置結構、負荷設想、曝氣強度而變化的主體水相的DO的條件對應的處理水質的預想。

藉由利用如前項的數學模型，可預想針對各種生物膜中的氧擴散性條件下的各種負荷條件，以各種曝氣強度進行處理時的例如處理水的TOC濃度。製作整理了模擬結果的表，能夠活用於在本發明的控制系統中利用的控制表。

[曝氣強度的控制] 曝氣強度例如可藉由改變曝氣風量（供氣流量）、每固定時間週期的弱曝氣步驟時間來控制。弱曝氣步驟進行較流動化最小曝氣風量少的指定風量下的曝氣，在強曝氣步驟中進行流動化最小曝氣風量以上的曝氣或可確保該風量的DO目標值下的DO控制。

曝氣風量、曝氣停止時間、曝氣抑制時間根據原水負荷連續或階段性地控制。

[流動化最小曝氣風量、最長曝氣停止時間或最長弱曝氣時間] 本發明實施例中的流動化最小曝氣風量是用於在流化床載體裝置中確保載體整體的流動狀態、防止載體向曝氣槽底部的堆積、促進載體與主體水的接觸、同時抑制伴隨載體向底部的堆積而發生的污泥腐敗的問題以及硫化氫臭的問題的產生以及堆積後發生的塊狀載體上浮的問題所需的最小限度的曝氣風量。

在採用反覆進行曝氣及曝氣停止的間歇曝氣方式的流化床載體裝置中，本發明實施例中的最長曝氣停止時間或最長弱曝氣時間是指每隔固定時間週期進行反覆的曝氣停止或曝氣抑制運轉的弱曝氣步驟時間的最大時間。在弱曝氣步驟中，設想實現不確保流動化最小曝氣風量的風量抑制，與藉由該風量調整進行連續的曝氣的處理裝置相比，具有可進一步抑制平均的曝氣強度、亦抑制相關的電力消耗的特徵。因此，在該步驟期間，發生一定比例的載體向裝置底部的堆積。將該步驟的時間限制在固定時間內，在剩餘的週期時間內，藉由確保最低曝氣風量以上的風量（在本發明中稱為強曝氣步驟中的風量）而實現堆積的載體的再流動化，結果抑制伴隨著載體在底部的長期堆積而產生的污泥腐敗的問題以及硫化氫臭的產生。最長曝氣停止時間或最長弱曝氣時間是為了該目的而設定。

流動化最小曝氣風量或最長曝氣停止時間較佳為基於初步實驗的結果資料、實機的實際運轉資料等來決定。在本發明的安裝例中，在負荷高的情況下，不進行反覆弱曝氣及強曝氣的間歇曝氣運轉，進行可最大限度地利用曝氣裝置的能力的連續曝氣。在負荷降低的情況下，按照控制表設定較低的DO目標值、抑制曝氣風量，但在曝氣風量達到最小曝氣風量的階段，將曝氣方式切換為間歇曝氣運轉。作為自連續曝氣運轉切換到間歇曝氣運轉時的判斷基準的曝氣風量亦可直接測定風量進行管理，但亦可進行如下控制：藉由監視下述（a）～（d）的任一個指標，事先評估指標值與風量的關係，基於指標推定曝氣風量，在曝氣風量≧流動化最小曝氣風量的情況下進行連續曝氣，在曝氣風量＜流動化最小曝氣風量的情況下進行間歇曝氣。（a）原水負荷的測量值為規定值以下（b）曝氣槽的氧消耗速度的測量值為規定值以下（c）在高負荷條件下（連續曝氣下）根據負荷控制的DO濃度的目標值為規定值以下（d）在高負荷條件下（連續曝氣下）根據負荷控制的曝氣強度（包含的曝氣風量）的設定值為規定值以下

所述（a）的原水負荷較佳為流入負荷、槽負荷、載體容積負荷、及載體表面積負荷中的任一種。

[流化床以外的生物處理] 在圖2中，對使用流化床載體的生物處理進行了說明，但使用固定床載體或顆粒的情況亦可利用同樣的方法實施本發明。

[TOC以外的曝氣管理] 在本實施方式中，說明了藉由伴隨曝氣的好氧性生物膜處理對含有有機物的排水進行處理時使用的情況，但除此之外，在進行使用生物膜的生物學硝化脫氮處理等包括在曝氣槽中使用生物膜的好氧處理步驟的生物處理的情況下，亦可利用相同的方法實施本發明。因此，處理水的水質值不限於TOC，亦可以是NH₄ -N·NO₃ -N、NO₂ -N或特定的化學物質的濃度、或該些的組合。

在本發明的一方式中，在不進行利用機械攪拌機構或導流管等其他動力的攪拌的曝氣槽中，將弱曝氣步驟中的風量設為維持生物膜與主體水的攪拌接觸且可發揮水處理性能的必要最小限度的風量，強曝氣步驟中的風量設為流動化最小曝氣風量以上。另外，在強曝氣步驟中進行DO控制的情況下，亦進行曝氣風量為流動化最小曝氣風量以上的DO控制。在弱曝氣運轉步驟中，由於進行不確保流動化最小曝氣風量的風量抑制，故與一邊進行連續的曝氣一邊將流動化最小曝氣風量維持在最低限度的處理裝置相比，能夠進一步抑制平均的曝氣強度。但是，在該弱曝氣步驟期間，生物膜與主體水的最低限度的攪拌接觸得以維持，但產生一定比例的載體向裝置底部的堆積。將該步驟的時間限制在固定時間內，在剩餘的循環時間、即，強曝氣步驟時間，以流動化風量進行曝氣，藉此實現堆積的載體的再流動化，結果抑制伴隨著載體向底部的長期堆積而產生的污泥腐敗的問題以及硫化氫臭的產生。最長弱曝氣時間是為了確保可靠地引起再流動化的最大的弱曝氣步驟時間，換言之，為了確保可靠地引起再流動化的最小的強曝氣步驟時間而設定。

在本發明的一方式中，在低負荷時，藉由進行可定期地維持載體的流動性的間歇曝氣，抑制載體或顆粒長期地堆積在曝氣槽底部，結果，可抑制伴隨厭氧性氣體的產生或處理含硫排水時的硫化氫等的產生的臭氣問題、抑制暫時堆積在槽底部的載體或顆粒塊狀化，且藉由在內部蓄積在脫氮反應中產生的氮氣或在腐敗反應中產生的厭氧性氣體，反而比重較主體水變輕而上浮到水面附近，成為難以將載體或顆粒穩定地維持在處理水槽內的狀況，而產生與載體漏出至反應槽外部有關的問題或處理能力的降低問題。

在硝化脫氮處理中，藉由定期地進行弱曝氣的間歇曝氣，避免與載體或顆粒的堆積有關的問題，並且與進行連續的曝氣的情況相比，藉由降低平均曝氣強度，可主要在弱曝氣步驟中維持生物膜內的無氧環境，而可維持脫氮反應的進行，抑制處理水的硝酸態氮的濃度的上升。結果，可實現由於在低負荷條件下的處理水的硝酸態氮的濃度上升而無法達成處理水的氮處理目標的問題的減輕、基於硝酸態態氮的pH調整所需的鹼性藥品的添加濃度抑制的成本削減、對後級的RO等水處理製程的離子負荷降低。

再者，在高負荷時，藉由停止間歇曝氣，進行連續曝氣，能夠進行最大限度地發揮散氣裝置的氧供給能力的高負荷處理。在硝化脫氮處理中，即使不進行間歇曝氣，藉由生物膜內的氧擴散及有機物的擴散現象及包含利用微生物的硝化的氧化處理的進行，亦可在微生物膜內深部形成無氧環境，維持脫氮性能，因此，進行適當的曝氣控制，只要調整有機物負荷等條件，脫氮反應就良好地進行。在DO控制下進行連續曝氣，進行在氨的硝化及脫氮反應中未處理的有機物的氧化所需的氧供給，同時使生物膜內的脫氮反應最大化，藉此可在實現節能的同時確保氮除去性能。 [實施例]

[實施例1] 在圖2所示流化床載體的好氧性生物處理裝置中，在下述及表1所示的條件下處理了下述水質的排水1或排水2。

＜排水的水質＞排水種類：電子產品製造工廠有機排水高負荷時：原水濃度變動範圍TOC115 mgC/L～150 mgC/L、氨態氮15 mgN/L～30 mgN/L 每天約2次，以半天為週期變動原水水量固定低負荷時：原水濃度變動範圍TOC60 mgC/L～90 mgC/L、氨態氮7 mgN/L～15 mgN/L 每天約2次，以半天為週期變動

＜處理裝置方式＞流化床式的好氧性生物膜處理 3 mm角立方體胺基甲酸酯海綿載體填充率40% ＜處理條件＞高負荷：0.7～1.0 kgC/（載體m³ ·d）低負荷：0.4～0.6 kgC/（載體m³ ·d）藉由曝氣的攪拌混合流動化最小曝氣風量：7 m³ /（底面m² ·h）處理時間：0.5天適用本發明時的曝氣控制的條件間歇曝氣控制時的曝氣週期時間：120分鐘弱曝氣步驟中的單位底面積風量：2.6 m³ /（底面m² ·h）強曝氣步驟中的DO控制的目標值：根據負荷設定曝氣量在流動化最小曝氣量以上的DO目標值利用表1的多個控制表，根據負荷調整曝氣條件所利用的控制表使用藉由實機處理水質的實測值與處理水質目標的比較來選擇的、在本實施例中為第三個「標準」控制表。

＜處理水水質目標值＞ TOC 5 mgC/L～10 mgC/L 硝酸態氮濃度 5 mgN/L～10 mgN/L

再者，在表2中，「低負荷」表示在所述＜排水的水質＞中的「低負荷時」的水質下設為所述＜處理條件＞中的「低負荷」的條件的情況，「高負荷」表示在所述＜排水的水質＞中的「高負荷時」的水質下設為所述＜處理條件＞中的「高負荷」的條件的情況。

在以下條件下，改變曝氣控制方式、控制條件，評價了原水負荷每單位碳量的電力消費量（稱為電力原單位）、處理水質。

實施例1：在低負荷條件下，實施基於「標準」控制表的曝氣控制。在低負荷條件下，為反覆進行弱曝氣步驟、強曝氣步驟的間歇曝氣控制，根據負荷，弱曝氣步驟時間控制在60分鐘～20分鐘之間，強曝氣步驟的DO目標值控制在3.1 mg/L～3.8 mg/L之間。

比較例1：在低負荷條件下，為了維持載體流動，進行流動最小曝氣風量下的固定曝氣風量控制。

比較例2：在低負荷條件下，以減少曝氣風量為目的，將DO目標值控制在實施例1的DO實際值的大致平均值3.0 mg/L。

比較例3：在低負荷條件下，假設與負荷條件無關，始終以固定的DO值進行曝氣的運轉，在高負荷條件下亦進行可獲得良好的TOC處理水質的DO控制目標4.8 mg/L下進行曝氣控制。

比較例4：在低負荷條件下，假設與負荷條件無關，始終以固定風進行曝氣的運轉，在高負荷條件下亦進行可獲得良好的TOC處理水質的單位底面積的曝氣風量14 m³ /（m² ·h）下的曝氣。

實施例2：在高負荷條件下，按照本專利的曝氣控制，實施基於「標準」控制表的曝氣控制。在高負荷條件下，為基於DO控制的連續曝氣，根據負荷，DO目標值被控制在3.9 mg/L～4.8 mg/L之間。

比較例5：在高負荷條件下，假設與負荷條件無關，始終以固定的DO值進行曝氣的運轉，在高負荷條件下亦進行可獲得良好的TOC處理水質的DO控制目標4.8 mg/L下的曝氣控制。

比較例6：在高負荷條件下，假設與負荷條件無關，始終以固定風進行曝氣的運轉，在高負荷條件下亦進行可獲得良好的TOC處理水質的單位底面積的曝氣風量14 m³ /（m² ·h）下的曝氣。

[表1]

氧擴散性高	TOC載體容積負荷	[kgC/(m³ ·d)]	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
=處理性能優良	DO目標值	[mg/L]	2.8	2.8	2.8	2.8	2.8	3.2	3.3	3.3	3.3	3.7
	弱曝氣時間設定值	[分/2小時］	110	90	80	60	40	20	0	0	0	0

氧擴散性稍高	TOC載體容積負荷	[kgC/(m³ ·d)]	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
=處理性能良	DO目標值	[mg/L]	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	3.5	3.6	3.6	3.9	4.2
	弱曝氣時間設定值	[分/2小時]	110	90	80	60	40	20	0	0	0	0

氧擴散性普通	TOC載體容積負荷	[kgC/(m³ ·d)]	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
=處理性能標準	DO目標值	[mg/L]	3.1	3.1	3.1	3.1	3.1	3.8	3.9	3.9	4.4	4.8
	弱曝氣時間設定值	[分/2小時]	110	90	80	60	40	20	0	0	0	0

氧擴散性稍差	TOC載體容積負荷	[kgC/(m³ ·d)]	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
=處理性能稍低	DO目標值	[mg/L]	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0	4.2	4.4	4.9	5.5
	弱曝氣時間設定值	[分/2小時]	110	90	80	60	40	20	0	0	0	0

氧擴散性差	TOC載體容積負荷	[kgC/(m^3· d)]	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
=處理性能降低	DO目標值	[mg/L]	4.2	4.2	4.2	4.2	4.2	4.5	4.5	4.9	5.5	6.1
	弱曝氣時間設定值	[分/2小時］	110	90	80	60	40	20	0	0	0	0

[表2]

	原水負荷	曝氣方式	曝氣控制	弱曝氣步驟時間	DO範圍	單位底面積風量	載體流動	臭氣	曝氣動力原單位	處理水TOC	處理水硝酸態氮
單位	一	一	一	分/Cycle（週期）	mg/L	n³ /(m² ·h)	一	一	kWh/kgC	mgC/L	mgN/L
實施例1 本專利	低負荷	弱強間歇	弱曝氣時固定風量強曝氣時DO控制調整DO值維持流動化最小曝氣風量	20～60	弱曝氣為2-3 順其自然強曝氣控制為3.1-3.8	弱曝氣 2.6 強曝氣 7	良	無	4	6	8
比較例1	低負荷	連續	固定風量	0分	4-6 順其自然	7	良	無	6	4	11
比較例2	低負荷	連續	DO控制	0分	控制為3	2-3	差	有	3	11	6
比較例3	低負荷	連續	DO控制	0分	控制為4.8	7-10	差	無	7	4	15
比較例4	低負荷	連續	固定風量	0分	8-9 順其自然	14	良	無	14	3	20
實施例2 本專利	高負荷	弱強間歇	DO控制根據負荷調整DO值	0分	控制為3.9-4.8	5-14	良	無	4	7	4
比較例5	高負荷	連續	DO控制	0分	控制為4.8	9-14	良	無	5	6	6
比較例6	高負荷	連續	固定風量	0分	5～7 順其自然	14	良	無	7	5	12

如表2所示，各曝氣條件下的載體流動狀態、曝氣動力原單位、處理水質如下。

實施例1：在弱曝氣步驟中藉由抑制風量來抑制曝氣動力，同時在強曝氣步驟中確保流動最小曝氣風量的曝氣風量，藉此使弱曝氣步驟中沈降的載體再流動化，從而可抑制載體堆積在底部而產生臭氣問題。處理水質為TOC 6 mgC/L、硝酸態氮8 mgN/L，可達成目標值，曝氣動力原單位為4 kWh/kgC。

比較例1：藉由維持通常流動最小曝氣風量，不會產生伴隨載體的堆積的臭氣問題，處理水質為TOC 4 mgC/L而成為目標值以下的水質，另外，硝酸態氮為11 mgN/L而較目標值高。認為其理由在於，藉由使載體流動優先，曝氣量過多，碳系的污濁物質的處理良好地進行，但抑制曝氣時在載體內產生的脫氮反應被抑制，而無法促進氮處理，硝酸濃度上升。另外，曝氣動力的原單位為6 kWh/kgC，成為較實施例1高2 kWh/kgC的值。

比較例2：藉由設為始終抑制DO的運轉，曝氣動力原單位為3 kWh/kgC，較實施例1低1 kWh/kgC，但總是維持較流動最小曝氣風量7 m³ /（m² ·h）小的單位底面積的曝氣量2～3 m³ /（m² h）的結果是，載體流動性惡化，產生載體向底部的堆積，產生臭氣問題。處理水質為TOC 11 mgC/L，無法達到目標值，硝酸性氮為6 mgN/L，成為目標值範圍內的值。TOC值的惡化推測是由於載體的堆積，與主體水接觸的生物膜的表面積實質上降低，向生物膜的氧擴散量降低，碳系有機物的氧化能力降低。

比較例3：在高負荷下進行維持必要的DO值的曝氣的結果，雖然進行了與負荷相應的曝氣風量抑制，但對於低負荷條件而言維持了高的DO值，因此動力原單位為7 kWh/kgC，與實施例1相比為高3 kWh/kgC的值。處理水質為TOC 4 mgC/L而成為目標值以下的水質，另外，硝酸態氮成為15 mgN/L，成為較目標值高，進而較比較例1高的值。其原因認為雖然曝氣量過多，碳系的污濁物質的處理可良好地進行，但在抑制曝氣時在載體內產生的脫氮反應被抑制，無法促進氮處理，硝酸濃度上升。

比較例4：在高負荷下進行維持必要風量的曝氣的結果，對於低負荷條件而言，由於維持了過剩的曝氣風量，故動力單位為14 kWh/kgC，與實施例1相比，為大幅度地高10 kWh/kgC的值。處理水質為TOC 3 mgC/L，成為目標值以下的水質，另外，硝酸態氮為20 mgN/L，成為較目標值高，進而較比較例3高的值。

實施例2：根據對應於負荷變動的DO目標值設定，曝氣動力原單位為4 kWh/kgC，可以與低負荷條件下的曝氣動力原單位相同。處理水質為TOC 7 mgC/L，硝酸態氮為4 mgN/L，而可達成目標值。

比較例5：進行以高負荷的峰值維持必要的DO值的曝氣的結果，雖然進行了與負荷相應的曝氣風量抑制，但在負荷週期性地變動並降低的狀態下，由於維持了較高的DO值，故動力原單位為5 kWh/kgC，成為較實施例2高1 kWh/kgC的值。處理水質為TOC 6 mgC/L、硝酸態氮為6 mgN/L，成為目標範圍的水質。

比較例6：進行以高負荷的峰值維持必要風量的曝氣的結果，在負荷週期性地變動而降低的狀態下維持過剩的曝氣風量，故動力原單位為7 kWh/kgC，與實施例2相比為高3 kWh/kgC的值。處理水質為TOC 5 mgC/L，成為目標值範圍內的水質，但硝酸態氮為12 mgN/L而成為較目標值高的值。在高負荷條件下，假定不依賴於負荷條件而始終以固定風進行曝氣的運轉，在高負荷條件下亦進行可獲得良好的TOC處理水質的單位底面積的曝氣風量14 m³ /（m² ·h）下的曝氣。

實施例與比較例相比，確認了在低負荷條件下不會引起載體向底部的堆積導致的臭氣的問題及處理能力的降低，可將曝氣動力原單位抑制得低，同時使處理水質為目標值範圍，即使在高負荷條件下亦進行與負荷對應的曝氣風量調整，可將曝氣動力原單位抑制得低，同時使處理水質為目標值範圍。

已利用特定的形態對本發明進行詳細說明，但所屬技術領域中具有通常知識者當知，在不脫離本發明的意圖及範圍的情況下能夠進行各種變更。本申請案基於在2020年5月25日提出申請的日本專利申請案2020-090648，藉由引用而援引其全文。

1:配管 2:曝氣槽 2r:頂蓋 3、3a～3c:散氣管 4:鼓風機 5:配管 5a～5c:分支配管 6:篩網 7:配管 19:DO計 20:風量計 21:控制器 22:流量計 23:TOC計 24:排氣計 C:載體

圖1是生物處理裝置的結構圖。圖2是應用本發明的生物處理裝置的結構圖。

1:配管

2:曝氣槽

2r:頂蓋

3a~3c:散氣管

4:鼓風機

5:配管

5a~5c:分支配管

6:篩網

7:配管

19:DO計

20:風量計

24:排氣計

C:載體

Claims

一種好氧性生物處理方法，向曝氣槽供給原水，藉由填充在曝氣槽中的生物膜保持載體或顆粒對原水中的除去對象物質進行好氧性生物處理而獲得處理水，所述好氧性生物處理方法的特徵在於，在負荷為規定值以下的低負荷條件下，交替進行強曝氣及弱曝氣，所述強曝氣將曝氣強度設定為所述載體或所述顆粒能夠流動的規定值，所述弱曝氣將曝氣強度設定為小於所述規定值或停止曝氣。
如請求項1所述的好氧性生物處理方法，其中，所述低負荷條件為滿足以下的（a）～（d）的任一者的低負荷：（a）原水負荷的測量值為規定值以下（b）曝氣槽的氧消耗速度的測量值為規定值以下（c）在負荷超過規定值的高負荷條件下控制的溶解氧濃度的目標值為規定值以下（d）在負荷超過規定值的高負荷條件下控制的曝氣強度的設定值為規定值以下。
如請求項1所述的好氧性生物處理方法，其中，所述（a）～（d）的各規定值是以弱曝氣時的曝氣風量在最小曝氣風量的1/2～1/5之間的方式設定的曝氣風量時的數值。
如請求項2或請求項3所述的好氧性生物處理方法，其中所述原水負荷為流入負荷、槽負荷、及載體容積負荷中的任一種。
如請求項1至請求項4中任一項所述的好氧性生物處理方法，其中，藉由曝氣風量、曝氣停止時間、或曝氣抑制時間來控制所述曝氣強度。
如請求項1至請求項5中任一項所述的好氧性生物處理方法，其中，所述曝氣槽不包括用於攪拌槽內水的機械性攪拌機構或導流管。
一種好氧性生物處理裝置，包括供給原水的曝氣槽、填充在所述曝氣槽中的生物膜保持載體或顆粒、及對所述曝氣槽進行曝氣的曝氣裝置，所述好氧性生物處理裝置的特徵在於，包括曝氣控制機構，所述曝氣控制機構在負荷為規定值以下的低負荷條件下交替進行強曝氣及弱曝氣，所述強曝氣將曝氣強度設定為所述載體或所述顆粒能夠流動的規定值，所述弱曝氣將曝氣強度設定為小於所述規定值或停止曝氣。