下水処理装置
【課題】本発明の課題は、消費電力削減とＮ２Ｏ放出量を抑制し、下水処理場から排出されるＣＯ２を削減できる下水処理装置を提供する。
【解決手段】本発明の下水処理装置は、活性汚泥により下水を処理する下水処理装置Ｇ１であって、活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽１と、生物反応槽１内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段４と、生物反応槽１内の液体に酸素を供給する曝気手段２と、酸化還元電位計測手段４の計測値を基に生物反応槽１のＮ２Ｏガス生成量を推定し、Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき曝気手段２を制御する第１制御手段３とを備える。
【解決手段】本発明の下水処理装置は、活性汚泥により下水を処理する下水処理装置Ｇ１であって、活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽１と、生物反応槽１内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段４と、生物反応槽１内の液体に酸素を供給する曝気手段２と、酸化還元電位計測手段４の計測値を基に生物反応槽１のＮ２Ｏガス生成量を推定し、Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき曝気手段２を制御する第１制御手段３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理の過程で発生する温室効果ガスおよびＣＯ２排出量を削減するための下水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下水処理方式には活性汚泥と呼ばれる微生物で下水中の窒素、リン等を生物学的に処理する活性汚泥法がある。活性汚泥法では下水中の窒素は、アンモニア体窒素(ＮＨ４−Ｎ)を硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)に酸化する硝化工程と、硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)を窒素ガス(Ｎ２)に還元する脱窒工程により除去される。
【０００３】
しかし、硝化工程、脱窒工程の副生成物としてＮ２Ｏが生成することが知られている。Ｎ２ＯはＣＯ２に比べ３１０倍程度の温室効果を有しており、温室効果が高いことから地球温暖化防止のための排出削減対象物質になっている。
Ｎ２Ｏ生成量が増加する条件は、硝化反応の進行および不完全な脱窒反応が挙げられる（非特許文献１）。
【０００４】
硝化反応に伴い生成する硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)の生成量を酸化還元電位（以下、ＯＲＰ(Oxidation-reduction Potential)と称す）により推定し、生物反応槽の曝気流量や反応槽間の循環流量を制御する方法が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−０３８６８３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】下水道の長期的技術開発に関する基礎調査，(財)下水道新技術推進機構（1996）http://www.jiwet.jp/result/annual/plan/1996a1-1-2m.htm
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、Ｎ２Ｏ生成量を抑制する手段には硝化反応の抑制や脱窒反応の促進が挙げられる。特許文献１では硝化反応や脱窒反応は反応に伴い、ＯＲＰが変化することを利用して微生物に酸素を与えるための曝気流量や反応槽間の循環流量を制御しているが、Ｎ２Ｏが発生することについては考慮されていない。このため、曝気のためのブロワ(送風機)や循環ポンプの電力消費量は削減できるが、Ｎ２Ｏを含めた下水処理場全体のＣＯ２排出量を削減できない恐れがある。
【０００８】
本発明は上記実状に鑑み、ブロワ、ポンプなどの消費電力削減とＮ２Ｏ放出量を抑制し、下水処理場から排出されるＣＯ２を削減できる下水処理装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わる下水処理装置は、活性汚泥により下水を処理する下水処理装置であって、前記活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽と、前記生物反応槽内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段と、前記生物反応槽内の液体に酸素を供給する曝気手段と、前記酸化還元電位計測手段の計測値を基に前記生物反応槽のＮ２Ｏガス生成量を推定し、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき前記曝気手段を制御する第１制御手段とを備えている。
【００１０】
第２の本発明に関わる下水処理装置は、活性汚泥により下水を処理する下水処理装置であって、前記活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽と、前記生物反応槽内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段と、前記生物反応槽内の液体に酸素を供給する曝気手段と、前記生物反応槽内の排気ガス中のＮ２Ｏガス量を計測するＮ２Ｏ計測手段と、前記酸化還元電位計測手段の計測値と前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値とに基づいて前記曝気手段を制御する第２制御手段とを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、酸化還元電位計測手段、Ｎ２Ｏ計測手段等の計測値を基に生物反応槽の運転を制御することで、曝気風量を削減し、かつＮ２Ｏガス発生(生成)量を抑制できるため、下水処理場のＣＯ２排出量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係わる実施形態１の下水処理装置を示す概念的構成図である。
【図２】実施形態１の実験結果の好気槽のＯＲＰ(酸化還元電位)とＮ２Ｏ生成量との関係を示す図である。
【図３】実施形態２の下水処理装置を示す概念的構成図である。
【図４】実施形態２の実験結果の嫌気槽のＯＲＰ(酸化還元電位)とＮ２Ｏ生成量との関係を示す図である。
【図５】実施形態３の下水処理装置を示す概念的構成図である。
【図６】実施形態３のＮ２Ｏ生成レベルの分類の例を示す図である。
【図７】実施形態４の下水処理装置を示す概念的構成図である。
【図８】実施形態４の制御手段の制御方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
（実施形態１）
図１に、本発明に係わる実施形態１の下水処理装置Ｇ１の概念的構成図を示す。
実施形態１の下水処理装置Ｇ１は、複数の微生物群を含む活性汚泥が投入され、流入する下水(被処理水)を微生物群で生物反応させて処理する生物反応槽１を備える。
【００１４】
生物反応槽１の後段には沈殿池５(図１中、二点鎖線で示す)が備えられており、生物反応槽１から送られる処理水を活性汚泥の沈殿により、沈殿した活性汚泥と上澄みの処理水とに固液分離する。
図示していないが、沈殿池５で分離された活性汚泥の一部は生物反応槽１に返送汚泥として戻される。
【００１５】
下水処理装置Ｇ１の生物反応槽１には、生物反応槽１に流入する下水(液体)中に空気などの酸素含有気体を供給する曝気手段２が設置されている。曝気手段２から生物反応槽１に送られた空気などの酸素含有気体は、槽内の撹拌と下水を処理する際に活性汚泥が必要とする酸素を供給している。
また、生物反応槽１には、反応液の酸化還元電位(ＯＲＰ)を計測するＯＲＰ計４が生物反応槽１に設置されている。
【００１６】
下水処理装置Ｇ１には、ＯＲＰ計４の計測値が送信される制御手段３が設置されており、制御手段３は、ＯＲＰ計４の計測値に従って曝気手段２を制御し、生物反応槽１への曝気量を調整している。制御手段３は、コンピュータ、回路等で成るコントローラ等で構成される。
【００１７】
ところで、生物反応槽１の下水処理におけるＮ２Ｏ生成条件の一つに、アンモニア体窒素(ＮＨ４−Ｎ)を硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)に酸化する硝化反応の進行が挙げられる。
生物反応槽１に流入する下水中に含まれるアンモニア体窒素(ＮＨ４−Ｎ)は、活性汚泥による硝化反応でＮＯ２−Ｎを経てＮＯ３−Ｎに酸化される。そのため、Ｎ２Ｏが硝化工程の副生成物として生成される。
【００１８】
硝化反応は、アンモニア体窒素(ＮＨ４−Ｎ)に酸素原子(Ｏ)が化学結合する酸化反応であるため、曝気手段２による酸素(Ｏ２)の供給量によって反応量を制御できる。このように、硝化反応の進行に伴い電子のやり取りが行われることから、ＯＲＰ(酸化還元電位)は上昇する。このため、ＯＲＰは硝化反応の間接的な指標となる。
【００１９】
図２に、発明者らが実施した実験の結果である好気槽でのＯＲＰ(酸化還元電位)とＮ２Ｏ(ガス)生成量との関係を示す。なお、生物反応槽１を、その内部の液体に、空気などの酸素含有気体を供給する場合を好気槽と称し、空気などの酸素含有気体を供給しない場合を嫌気槽と称する。
【００２０】
図２から、好気槽においては、Ｎ２Ｏ(ガス)生成量(以下、Ｎ２Ｏ生成量と記載)はＯＲＰ(酸化還元電位)の上昇にほぼ比例して増加することが分かる。この結果より、好気槽において、硝化反応を促進するために、ＯＲＰを上昇させることを目的として曝気量を増加させることは、曝気手段２の動力由来のＣＯ２排出量(曝気手段２の電力消費に起因するＣＯ２排出量)の増加に加え、Ｎ２Ｏに由来するＣＯ２排出量も増加させることが明らかある。なお、Ｎ２Ｏに由来するＣＯ２排出量とは、Ｎ２Ｏ(ガス)生成量をＣＯ２排出量に換算したものをいう。
【００２１】
次に、制御手段３の制御方法について説明する。
制御手段３のメモリ等の記憶部には、予め、図２に示す好気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式の情報が入力されている。一例として図２の実験結果の点を内挿、外挿して一次関数の近似式として入力すると、例えば直線の線形式となる。これにより、制御手段３は、入力されたＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式(近似式)を用いて、ＯＲＰ計４の計測値からＮ２Ｏ生成量を算出する。
【００２２】
制御手段３は、予め設定されたＮ２Ｏ生成量の目標値になるように曝気手段２の送気量を制御する。
窒素の流入負荷が大きい下水処理装置Ｇ１では、Ｎ２Ｏが多く生成されるため、Ｎ２Ｏ生成量の目標値を大きく設定するとよい。また、ＯＲＰ計４の設置場所が生物反応槽１の上流側に近いほど、相対的に、下流側での化学反応量が多くＮ２Ｏ(ガス)の生成量が多くなると想定されるため、Ｎ２Ｏ生成量の目標値を小さく設定すると良い。
【００２３】
実施形態１によれば、ＯＲＰ計４の計測値を基に曝気手段２を制御することで曝気風量を削減しつつＮ２Ｏ発生量を抑制できるため、下水処理場のＣＯ２排出量を削減できる。また、温室効果が大きいＮ２Ｏの生成量を目標とする量に制御でき、地球温暖化防止に貢献できる。
【００２４】
（実施形態２）
図３に、実施形態２の下水処理装置Ｇ２の概念的構成図を示す。
実施形態２の下水処理装置Ｇ２は、図１に示す実施形態１の生物反応槽１を嫌気槽２１Ａと好気槽２１Ｂとに分割して設け、好気槽２１Ｂで処理した反応液(液体)を嫌気槽２１Ａに循環させるための循環ポンプ(循環手段)２５を設置したものである。
実施形態２のその他の構成は、実施形態１の構成と同様であるので、同様な構成要素には、実施形態１の構成要素に２０番台の符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
【００２５】
下水処理装置Ｇ２の循環ポンプ２５は、コントローラなどの制御手段２３によって流量を制御される。
また、ＯＲＰ計２４が、嫌気槽２１Ａに設置され、嫌気槽２１Ａの反応液(液体)のＯＲＰが測定される。嫌気槽２１Ａは、硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)が窒素ガス(Ｎ２)に還元される脱窒反応が進行する反応槽であり、無酸素槽とも呼ばれる。
Ｎ２Ｏは、嫌気槽２１Ａの脱窒工程おいて、硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)の酸素原子(Ｏ)が分離され窒素(Ｎ２)に還元される過程で生成する。すなわち、Ｎ２Ｏは、ＮＯ３−Ｎ → ＮＯ２−Ｎ → Ｎ２Ｏ → Ｎ２と反応が進む還元される過程で生成する。
【００２６】
嫌気槽２１Ａにおける脱窒反応が良好に進行している場合、Ｎ２ＯはＮ２ガスとなり大気中に発散するが、脱窒反応が不完全、すなわち脱窒不良になると溶解性Ｎ２Ｏが嫌気槽２１Ａの反応液(液体)内に蓄積する。嫌気槽２１Ａ内の溶解性Ｎ２Ｏを含む反応液が、嫌気槽２１Ａから好気槽２１Ｂへ流下すると、好気槽２１Ｂにおいて、反応液中の溶解性Ｎ２Ｏが、曝気によりパージされ排ガス中のＮ２Ｏ濃度が大きく増加する。
そのため、嫌気槽２１Ａにおいて脱窒不良を回避して溶解性Ｎ２Ｏの蓄積を抑制できれば、好気槽２１ＢからのＮ２Ｏの排出量を削減できる。
【００２７】
図４に、発明者らが実施した実験の結果である嫌気槽のＯＲＰ(酸化還元電位)とＮ２Ｏ生成量との関係を示す。
Ｎ２Ｏ生成量は嫌気槽２１ＡのＯＲＰの上昇に伴い増加することが分かる。図４の結果より、Ｎ２Ｏ生成量をＯＲＰに対して指数関数による近似式でＮ２Ｏ生成量を推定できることが分かる。なお、指数関数の代わりにＯＲＰ値を変数とする２次式等の線形式の近似式を用いてＮ２Ｏ生成量を推定してもよい。
【００２８】
次に、下水処理装置Ｇ２の制御手段２３の制御方法について説明する。
嫌気槽２１ＡのＯＲＰの増加は、循環ポンプ２５の循環に伴い、好気槽２１Ｂから嫌気槽２１Ａに循環される反応液中のＮＯ３−ＮのＮに対する脱窒時に消費される流入水由来の有機物の炭素源（Ｃ）の比率（Ｃ／Ｎ）の低下や、反応液の循環による嫌気槽２１Ａへの溶存酸素の持ち込みが起因する。なお、ＮＯ３−Ｎの脱窒工程で、有機物(炭素源（Ｃ）)が用いられ(消費され)るので、有機物(炭素源（Ｃ）)の減少は脱窒不良の起因となる。
【００２９】
制御手段２３のメモリ等の記憶部には、予め図４の結果より求めた嫌気槽２１ＡのＯＲＰに対するＮ２Ｏ生成量の近似式のデータが記憶されている。
制御手段２３は、嫌気槽２１Ａの反応液のＯＲＰ計２４の計測値から、記憶された近似式のデータに従い、Ｎ２Ｏ生成量の推定値を算出する。
そして、制御手段２３はＮ２Ｏ生成量の推定値が予め設定されたＮ２Ｏ生成量の目標値になるように、循環ポンプ２５の循環流量を制御する。
【００３０】
Ｎ２Ｏ生成量の推定値が、目標値を超えた場合は循環ポンプ２５による循環流量を小さくする一方、Ｎ２Ｏ生成量の推定値が、Ｎ２Ｏ目標値を下回る場合は循環ポンプ２５による循環流量を増加するか、或いは、現状の流量を維持する。
循環ポンプ２５による循環流量を低下させても、Ｎ２Ｏ生成量の推定値が目標値を超える場合、制御手段２３は曝気手段２２を制御して曝気量を削減する。これにより、嫌気槽２１Ａへの反応液の循環等による持ち込み溶存酸素を削減する。
【００３１】
実施形態２によれば、ＯＲＰ計２４の計測値を基に、循環ポンプ２５や曝気手段２２を制御することで、嫌気槽２１Ａと好気槽２１Ｂとの間の循環流量や、好気槽２１Ｂの曝気手段２２による曝気風量を削減しつつ、Ｎ２Ｏ発生量を抑制できる。そのため、下水処理場のＣＯ２排出量を削減できる。
【００３２】
（実施形態３）
図５に、実施形態３の下水処理装置Ｇ３の概念的構成図を示す。
実施形態３の下水処理装置Ｇ３は、図１に示す実施形態１の生物反応槽１を嫌気槽３１Ａと好気槽３１Ｂとに分割して設け、嫌気槽３１Ａにその内部の反応液の酸化還元電位を計測する嫌気槽用ＯＲＰ計３４Ａを設置するとともに、好気槽３１Ｂにその内部の反応液の酸化還元電位を計測する好気槽用ＯＲＰ計３４Ｂを設置する。そして、制御装置３３の演算結果を表示するための表示手段３６を備えたものである。
【００３３】
実施形態３のその他の構成は、実施形態１の構成と同様であるので、同様な構成要素には、実施形態１の構成要素に３０番台の符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
下水処理装置Ｇ３における表示手段３６の表示方法について説明する。
制御手段３３のメモリ等の記憶部は、予め、図２に示す好気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式(近似式)の情報と図４に示す嫌気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式(近似式)の情報とが入力されている。
【００３４】
制御手段３３は、嫌気槽３１Ａにおける嫌気槽用ＯＲＰ計３４ＡのＯＲＰ(酸化還元電位)の計測信号と好気槽３１Ｂにおける好気槽用ＯＲＰ計３４ＢのＯＲＰ(酸化還元電位)の計測信号を受信する。制御装置３３は、嫌気槽３１Ａおよび好気槽３１ＢのそれぞれのＯＲＰの計測値を基に、図２に示す好気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量との関係式(近似式)の情報、図４に示す嫌気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式(近似式)の情報とに基づいて、嫌気槽３１Ａおよび好気槽３１ＢのそれぞれのＮ２Ｏ生成量を推定する。
【００３５】
制御装置３３は、嫌気槽３１Ａおよび好気槽３１ＢのそれぞれのＮ２Ｏ生成量の推定値の情報を表示手段３６に送る。表示手段３６は、嫌気槽３１Ａおよび好気槽３１ＢにおけるＮ２Ｏ生成量の各推定値、両推定値を加えた値等を表示装置(図示せず)に表示する。
なお、表示手段３６では、制御手段３３から現状の運転条件を入手し、曝気手段３２や循環ポンプ（図示せず）などの消費エネルギからＣＯ２排出量を算出し、消費エネルギによるＣＯ２排出量に、Ｎ２Ｏ推定値から換算したＣＯ２排出量を加えて表示することが好ましい。
【００３６】
表示手段３６の他の表示方法として、ＯＲＰ計測値からＮ２Ｏ排出量をＮ２Ｏ排出量の多さでレベル分けして表示してもよい。
図４に示す嫌気槽３１ＡでのＯＲＰの増加は、ＯＲＰの増加によりＮ２Ｏ生成量が指数関数的に増加する一方、図２に示す好気槽３１ＢでのＯＲＰの増加は、ＯＲＰの増加によりＮ２Ｏ生成量が直線的に増加する。そのため、ＯＲＰが−１５０ｍＶを超えると、図４に示す嫌気槽３１ＡでのＯＲＰの増加は、次第に図２に示す好気槽３１ＢでのＯＲＰの増加に比べ、Ｎ２Ｏ生成量が大きくなる。
従って、Ｎ２Ｏ生成量のレベルは、例えば、図６に示すように、分類できる。レベル１からレベル５になるに従ってＮ２Ｏ発生量が増加し、レベル５が最もＮ２Ｏ発生量が大きい。
【００３７】
図６では、レベル１から３では、図４に示す嫌気槽３１ＡでのＯＲＰ＜−１５０の場合にＮ２Ｏ発生量が小さいので、ＯＲＰ＜−１５０と設定する一方、図２に示すように、好気槽３１Ｂでは、ＯＲＰの増加に対してＮ２Ｏ発生量が直線的に増加するため、好気槽３１ＢのＯＲＰを３段階に分けて設定する。そして、図６のレベル３、４、５では、図２に示す好気槽３１ＢでのＯＲＰを＞１００とする一方、図４に示す嫌気槽３１ＡでのＯＲＰ≧−１５０でのＮ２Ｏ発生量が次第に大きく増加するので、嫌気槽３１ＡでのＯＲＰを、−１５０(ｍＶ)でレベル４、５に２段階に分けて設定したものである。一例として発生(生成)レベルを５段階に分類したが、Ｎ２Ｏ発生(生成)レベルに合わせ警報等を出力するとよい。
【００３８】
実施形態３によれば、ＯＲＰ計３４Ａ、３４Ｂの計測値を基に、Ｎ２Ｏ発生量の推定値を表示できるため、Ｎ２Ｏ推定値から換算したＣＯ２排出量と消費エネルギによるＣＯ２排出量とを表示でき、下水処理場のＣＯ２排出量を容易に把握できる。
なお、実施形態３では、Ｎ２Ｏ発生レベルを５段階に分けた場合を例示したが、２以上の任意の複数レベルに分けてもよいのは勿論である。
【００３９】
（実施形態４）
図７に、実施形態４の下水処理装置Ｇ４の概念的構成図を示す。
実施形態４の下水処理装置Ｇ４は、図１に示す実施形態１の下水処理装置Ｇ１と異なり、生物反応槽４１の上部に曝気の排ガスを回収するための排ガス回収手段４７と、排ガス回収手段４７のガスのＮ２Ｏ濃度(Ｎ２Ｏ生成量)を計測するためのＮ２Ｏ計４８を備え、Ｎ２Ｏ発生量の計測信号を制御手段４３に伝達したものである。
【００４０】
実施形態４のその他の構成は、実施形態１の構成と同様であるので、同様な構成要素には、実施形態１の構成要素に４０番台の符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
下水処理装置Ｇ４の制御手段４３の制御方法を、図８を用いて説明する。図８は、実施形態４の制御手段４３の制御方法を示すフロー図である。
【００４１】
先ず、制御手段４３は、ＯＲＰ計４４による生物反応槽４１の反応液のＯＲＰ(酸化還元電位)の検知信号を受け取り、生物反応槽４１の反応液のＯＲＰの計測値が所定値ａ未満か否か判定する(図８のＳ８０１)。所定値ａは０〜１００ｍＶに設定すると良い。
ＯＲＰ計４４のＯＲＰの計測値が所定値ａ未満の場合(Ｓ８０１でＹes)、制御手段４３は曝気手段４２の曝気流量を増加させる(Ｓ８０２)。
【００４２】
一方、ＯＲＰ計４４のＯＲＰの計測値が所定値ａ以上の場合(Ｓ８０１でＮo)、Ｓ８０３に移行し、制御手段４３は生物反応槽４１におけるＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ生成量の検知信号を受信し、Ｎ２Ｏ生成量の計測値が所定値ｂより大きいか否か判定する。所定値ｂは１０〜１００ｐｐｍに設定すると良い。
【００４３】
生物反応槽４１におけるＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ生成量の計測値が所定値ｂより大きい場合(Ｓ８０３でＹes)、制御手段４３は曝気風量を増加させる(Ｓ８０２)。
一方、生物反応槽４１におけるＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ生成量の計測値が所定値ｂ以下の場合(Ｓ８０３でＮo)、制御手段４３は曝気風量を減少させ(Ｓ８０４)、制御を終了する。
なお、一回の制御で、曝気手段４２の曝気量の増減は現状値の１０％〜２０％程度にするとよい。また、制御手段４３の制御周期はＯＲＰ計４４とＮ２Ｏ計４８の計測周期以上に設定するとよい。実施形態４では、所定値ａを低く設定すると曝気量を削減できる。
【００４４】
但し、曝気量を削減しすぎると、生物反応槽４１の一部に溶存酸素が低く、嫌気化する部分ができ、脱窒反応(ＮＯ３−Ｎ → ＮＯ２−Ｎ → Ｎ２Ｏ → Ｎ２)が進行する。その際、有機物(Ｃ)不足や溶存酸素(Ｏ)により不完全な脱窒反応となり、Ｎ２Ｏが発生することがある。Ｎ２Ｏが大量に発生した場合は不完全な脱窒が進行していると考えられるため、曝気量を増加させる必要がある。
【００４５】
実施形態４の下水処理装置Ｇ４は、Ｎ２Ｏを抑制できる最低限の曝気量に曝気手段４２を制御可能であり、下水処理場から排出されるＣＯ２を削減できる。
実施形態１〜４によれば、ＯＲＰ計の計測値またはＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ(ガス)生成量の計測値を基に、生物反応槽の運転を制御することにより、曝気風量または嫌気槽、好気槽間の循環流量の少なくとも何れかを削減し、かつ、Ｎ２Ｏ発生量を抑制できるため、下水処理場のＣＯ２排出量を削減できる。
【００４６】
また、下水処理場において、ＯＲＰ計の計測値またはＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ(ガス)生成量の計測値、および曝気風量や嫌気槽、好気槽間の循環流量等の下水処理装置の電力消費量等の消費エネルギを基に、ＯＲＰ計の計測値またはＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ(ガス)生成量の計測値から換算されるＣＯ２排出量と消費エネルギによるＣＯ２排出量の少なくとも何れかを最小または少なく制御することも可能である。
【００４７】
なお、実施形態１(図１参照)の生物反応槽１におけるＯＲＰ計４の計測値によるＮ２Ｏ生成量の推定値を、実施形態３と同様に、Ｎ２Ｏ生成量の大きさで、２以上の任意の複数レベルに分けてもよい。同様に、実施形態２(図３参照)の嫌気槽２１ＡにおけるＯＲＰ計２４の計測値によるＮ２Ｏ生成量の推定値を、Ｎ２Ｏ生成量の大きさで、２以上の任意の複数レベルに分けてもよい。同様に、実施形態４(図７参照)の生物反応槽４１におけるＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ生成量の計測値を、Ｎ２Ｏ生成量の大きさで、２以上の任意の複数レベルに分けてもよい。
【００４８】
また、実施形態１、２、４において、実施形態３と同様に、Ｎ２Ｏ推定値またはＮ２Ｏ計４８の計測値や、Ｎ２Ｏ推定値またはＮ２Ｏ計４８の計測値から換算されるＣＯ２排出量の多さでの分類の結果を表示装置に表示する表示手段を設けることも可能である。
なお、嫌気槽、好気槽間の循環手段として、循環ポンプ２５を例示したが、嫌気槽、好気槽間で反応液の循環が行えれば、循環ポンプ以外の循環手段としてもよい。
また、前記実施形態においては、各構成を個別に説明したが、これらの構成を適宜、組み合わせて構成してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１、４１ 生物反応槽
２、２２、３２、４２ 曝気手段
３、２３、３３ 制御手段(第１制御手段)
４、２４、４４ ＯＲＰ計(酸化還元電位計測手段)
２１Ａ 嫌気槽
２１Ｂ 好気槽
２５ 循環ポンプ(循環手段)
３４Ａ 嫌気槽ＯＲＰ計(第１酸化還元電位計測手段)
３４Ｂ 好気槽ＯＲＰ計(第２酸化還元電位計測手段)
３６ 表示手段(Ｎ２Ｏ推定値表示手段)
４３ 制御手段(第２制御手段)
４７ 排ガス回収手段
４８ Ｎ２Ｏ計
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４ 下水処理装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理の過程で発生する温室効果ガスおよびＣＯ２排出量を削減するための下水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下水処理方式には活性汚泥と呼ばれる微生物で下水中の窒素、リン等を生物学的に処理する活性汚泥法がある。活性汚泥法では下水中の窒素は、アンモニア体窒素(ＮＨ４−Ｎ)を硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)に酸化する硝化工程と、硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)を窒素ガス(Ｎ２)に還元する脱窒工程により除去される。
【０００３】
しかし、硝化工程、脱窒工程の副生成物としてＮ２Ｏが生成することが知られている。Ｎ２ＯはＣＯ２に比べ３１０倍程度の温室効果を有しており、温室効果が高いことから地球温暖化防止のための排出削減対象物質になっている。
Ｎ２Ｏ生成量が増加する条件は、硝化反応の進行および不完全な脱窒反応が挙げられる（非特許文献１）。
【０００４】
硝化反応に伴い生成する硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)の生成量を酸化還元電位（以下、ＯＲＰ(Oxidation-reduction Potential)と称す）により推定し、生物反応槽の曝気流量や反応槽間の循環流量を制御する方法が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−０３８６８３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】下水道の長期的技術開発に関する基礎調査，(財)下水道新技術推進機構（1996）http://www.jiwet.jp/result/annual/plan/1996a1-1-2m.htm
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、Ｎ２Ｏ生成量を抑制する手段には硝化反応の抑制や脱窒反応の促進が挙げられる。特許文献１では硝化反応や脱窒反応は反応に伴い、ＯＲＰが変化することを利用して微生物に酸素を与えるための曝気流量や反応槽間の循環流量を制御しているが、Ｎ２Ｏが発生することについては考慮されていない。このため、曝気のためのブロワ(送風機)や循環ポンプの電力消費量は削減できるが、Ｎ２Ｏを含めた下水処理場全体のＣＯ２排出量を削減できない恐れがある。
【０００８】
本発明は上記実状に鑑み、ブロワ、ポンプなどの消費電力削減とＮ２Ｏ放出量を抑制し、下水処理場から排出されるＣＯ２を削減できる下水処理装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わる下水処理装置は、活性汚泥により下水を処理する下水処理装置であって、前記活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽と、前記生物反応槽内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段と、前記生物反応槽内の液体に酸素を供給する曝気手段と、前記酸化還元電位計測手段の計測値を基に前記生物反応槽のＮ２Ｏガス生成量を推定し、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき前記曝気手段を制御する第１制御手段とを備えている。
【００１０】
第２の本発明に関わる下水処理装置は、活性汚泥により下水を処理する下水処理装置であって、前記活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽と、前記生物反応槽内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段と、前記生物反応槽内の液体に酸素を供給する曝気手段と、前記生物反応槽内の排気ガス中のＮ２Ｏガス量を計測するＮ２Ｏ計測手段と、前記酸化還元電位計測手段の計測値と前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値とに基づいて前記曝気手段を制御する第２制御手段とを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、酸化還元電位計測手段、Ｎ２Ｏ計測手段等の計測値を基に生物反応槽の運転を制御することで、曝気風量を削減し、かつＮ２Ｏガス発生(生成)量を抑制できるため、下水処理場のＣＯ２排出量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係わる実施形態１の下水処理装置を示す概念的構成図である。
【図２】実施形態１の実験結果の好気槽のＯＲＰ(酸化還元電位)とＮ２Ｏ生成量との関係を示す図である。
【図３】実施形態２の下水処理装置を示す概念的構成図である。
【図４】実施形態２の実験結果の嫌気槽のＯＲＰ(酸化還元電位)とＮ２Ｏ生成量との関係を示す図である。
【図５】実施形態３の下水処理装置を示す概念的構成図である。
【図６】実施形態３のＮ２Ｏ生成レベルの分類の例を示す図である。
【図７】実施形態４の下水処理装置を示す概念的構成図である。
【図８】実施形態４の制御手段の制御方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
（実施形態１）
図１に、本発明に係わる実施形態１の下水処理装置Ｇ１の概念的構成図を示す。
実施形態１の下水処理装置Ｇ１は、複数の微生物群を含む活性汚泥が投入され、流入する下水(被処理水)を微生物群で生物反応させて処理する生物反応槽１を備える。
【００１４】
生物反応槽１の後段には沈殿池５(図１中、二点鎖線で示す)が備えられており、生物反応槽１から送られる処理水を活性汚泥の沈殿により、沈殿した活性汚泥と上澄みの処理水とに固液分離する。
図示していないが、沈殿池５で分離された活性汚泥の一部は生物反応槽１に返送汚泥として戻される。
【００１５】
下水処理装置Ｇ１の生物反応槽１には、生物反応槽１に流入する下水(液体)中に空気などの酸素含有気体を供給する曝気手段２が設置されている。曝気手段２から生物反応槽１に送られた空気などの酸素含有気体は、槽内の撹拌と下水を処理する際に活性汚泥が必要とする酸素を供給している。
また、生物反応槽１には、反応液の酸化還元電位(ＯＲＰ)を計測するＯＲＰ計４が生物反応槽１に設置されている。
【００１６】
下水処理装置Ｇ１には、ＯＲＰ計４の計測値が送信される制御手段３が設置されており、制御手段３は、ＯＲＰ計４の計測値に従って曝気手段２を制御し、生物反応槽１への曝気量を調整している。制御手段３は、コンピュータ、回路等で成るコントローラ等で構成される。
【００１７】
ところで、生物反応槽１の下水処理におけるＮ２Ｏ生成条件の一つに、アンモニア体窒素(ＮＨ４−Ｎ)を硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)に酸化する硝化反応の進行が挙げられる。
生物反応槽１に流入する下水中に含まれるアンモニア体窒素(ＮＨ４−Ｎ)は、活性汚泥による硝化反応でＮＯ２−Ｎを経てＮＯ３−Ｎに酸化される。そのため、Ｎ２Ｏが硝化工程の副生成物として生成される。
【００１８】
硝化反応は、アンモニア体窒素(ＮＨ４−Ｎ)に酸素原子(Ｏ)が化学結合する酸化反応であるため、曝気手段２による酸素(Ｏ２)の供給量によって反応量を制御できる。このように、硝化反応の進行に伴い電子のやり取りが行われることから、ＯＲＰ(酸化還元電位)は上昇する。このため、ＯＲＰは硝化反応の間接的な指標となる。
【００１９】
図２に、発明者らが実施した実験の結果である好気槽でのＯＲＰ(酸化還元電位)とＮ２Ｏ(ガス)生成量との関係を示す。なお、生物反応槽１を、その内部の液体に、空気などの酸素含有気体を供給する場合を好気槽と称し、空気などの酸素含有気体を供給しない場合を嫌気槽と称する。
【００２０】
図２から、好気槽においては、Ｎ２Ｏ(ガス)生成量(以下、Ｎ２Ｏ生成量と記載)はＯＲＰ(酸化還元電位)の上昇にほぼ比例して増加することが分かる。この結果より、好気槽において、硝化反応を促進するために、ＯＲＰを上昇させることを目的として曝気量を増加させることは、曝気手段２の動力由来のＣＯ２排出量(曝気手段２の電力消費に起因するＣＯ２排出量)の増加に加え、Ｎ２Ｏに由来するＣＯ２排出量も増加させることが明らかある。なお、Ｎ２Ｏに由来するＣＯ２排出量とは、Ｎ２Ｏ(ガス)生成量をＣＯ２排出量に換算したものをいう。
【００２１】
次に、制御手段３の制御方法について説明する。
制御手段３のメモリ等の記憶部には、予め、図２に示す好気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式の情報が入力されている。一例として図２の実験結果の点を内挿、外挿して一次関数の近似式として入力すると、例えば直線の線形式となる。これにより、制御手段３は、入力されたＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式(近似式)を用いて、ＯＲＰ計４の計測値からＮ２Ｏ生成量を算出する。
【００２２】
制御手段３は、予め設定されたＮ２Ｏ生成量の目標値になるように曝気手段２の送気量を制御する。
窒素の流入負荷が大きい下水処理装置Ｇ１では、Ｎ２Ｏが多く生成されるため、Ｎ２Ｏ生成量の目標値を大きく設定するとよい。また、ＯＲＰ計４の設置場所が生物反応槽１の上流側に近いほど、相対的に、下流側での化学反応量が多くＮ２Ｏ(ガス)の生成量が多くなると想定されるため、Ｎ２Ｏ生成量の目標値を小さく設定すると良い。
【００２３】
実施形態１によれば、ＯＲＰ計４の計測値を基に曝気手段２を制御することで曝気風量を削減しつつＮ２Ｏ発生量を抑制できるため、下水処理場のＣＯ２排出量を削減できる。また、温室効果が大きいＮ２Ｏの生成量を目標とする量に制御でき、地球温暖化防止に貢献できる。
【００２４】
（実施形態２）
図３に、実施形態２の下水処理装置Ｇ２の概念的構成図を示す。
実施形態２の下水処理装置Ｇ２は、図１に示す実施形態１の生物反応槽１を嫌気槽２１Ａと好気槽２１Ｂとに分割して設け、好気槽２１Ｂで処理した反応液(液体)を嫌気槽２１Ａに循環させるための循環ポンプ(循環手段)２５を設置したものである。
実施形態２のその他の構成は、実施形態１の構成と同様であるので、同様な構成要素には、実施形態１の構成要素に２０番台の符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
【００２５】
下水処理装置Ｇ２の循環ポンプ２５は、コントローラなどの制御手段２３によって流量を制御される。
また、ＯＲＰ計２４が、嫌気槽２１Ａに設置され、嫌気槽２１Ａの反応液(液体)のＯＲＰが測定される。嫌気槽２１Ａは、硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)が窒素ガス(Ｎ２)に還元される脱窒反応が進行する反応槽であり、無酸素槽とも呼ばれる。
Ｎ２Ｏは、嫌気槽２１Ａの脱窒工程おいて、硝酸体窒素(ＮＯ３−Ｎ)の酸素原子(Ｏ)が分離され窒素(Ｎ２)に還元される過程で生成する。すなわち、Ｎ２Ｏは、ＮＯ３−Ｎ → ＮＯ２−Ｎ → Ｎ２Ｏ → Ｎ２と反応が進む還元される過程で生成する。
【００２６】
嫌気槽２１Ａにおける脱窒反応が良好に進行している場合、Ｎ２ＯはＮ２ガスとなり大気中に発散するが、脱窒反応が不完全、すなわち脱窒不良になると溶解性Ｎ２Ｏが嫌気槽２１Ａの反応液(液体)内に蓄積する。嫌気槽２１Ａ内の溶解性Ｎ２Ｏを含む反応液が、嫌気槽２１Ａから好気槽２１Ｂへ流下すると、好気槽２１Ｂにおいて、反応液中の溶解性Ｎ２Ｏが、曝気によりパージされ排ガス中のＮ２Ｏ濃度が大きく増加する。
そのため、嫌気槽２１Ａにおいて脱窒不良を回避して溶解性Ｎ２Ｏの蓄積を抑制できれば、好気槽２１ＢからのＮ２Ｏの排出量を削減できる。
【００２７】
図４に、発明者らが実施した実験の結果である嫌気槽のＯＲＰ(酸化還元電位)とＮ２Ｏ生成量との関係を示す。
Ｎ２Ｏ生成量は嫌気槽２１ＡのＯＲＰの上昇に伴い増加することが分かる。図４の結果より、Ｎ２Ｏ生成量をＯＲＰに対して指数関数による近似式でＮ２Ｏ生成量を推定できることが分かる。なお、指数関数の代わりにＯＲＰ値を変数とする２次式等の線形式の近似式を用いてＮ２Ｏ生成量を推定してもよい。
【００２８】
次に、下水処理装置Ｇ２の制御手段２３の制御方法について説明する。
嫌気槽２１ＡのＯＲＰの増加は、循環ポンプ２５の循環に伴い、好気槽２１Ｂから嫌気槽２１Ａに循環される反応液中のＮＯ３−ＮのＮに対する脱窒時に消費される流入水由来の有機物の炭素源（Ｃ）の比率（Ｃ／Ｎ）の低下や、反応液の循環による嫌気槽２１Ａへの溶存酸素の持ち込みが起因する。なお、ＮＯ３−Ｎの脱窒工程で、有機物(炭素源（Ｃ）)が用いられ(消費され)るので、有機物(炭素源（Ｃ）)の減少は脱窒不良の起因となる。
【００２９】
制御手段２３のメモリ等の記憶部には、予め図４の結果より求めた嫌気槽２１ＡのＯＲＰに対するＮ２Ｏ生成量の近似式のデータが記憶されている。
制御手段２３は、嫌気槽２１Ａの反応液のＯＲＰ計２４の計測値から、記憶された近似式のデータに従い、Ｎ２Ｏ生成量の推定値を算出する。
そして、制御手段２３はＮ２Ｏ生成量の推定値が予め設定されたＮ２Ｏ生成量の目標値になるように、循環ポンプ２５の循環流量を制御する。
【００３０】
Ｎ２Ｏ生成量の推定値が、目標値を超えた場合は循環ポンプ２５による循環流量を小さくする一方、Ｎ２Ｏ生成量の推定値が、Ｎ２Ｏ目標値を下回る場合は循環ポンプ２５による循環流量を増加するか、或いは、現状の流量を維持する。
循環ポンプ２５による循環流量を低下させても、Ｎ２Ｏ生成量の推定値が目標値を超える場合、制御手段２３は曝気手段２２を制御して曝気量を削減する。これにより、嫌気槽２１Ａへの反応液の循環等による持ち込み溶存酸素を削減する。
【００３１】
実施形態２によれば、ＯＲＰ計２４の計測値を基に、循環ポンプ２５や曝気手段２２を制御することで、嫌気槽２１Ａと好気槽２１Ｂとの間の循環流量や、好気槽２１Ｂの曝気手段２２による曝気風量を削減しつつ、Ｎ２Ｏ発生量を抑制できる。そのため、下水処理場のＣＯ２排出量を削減できる。
【００３２】
（実施形態３）
図５に、実施形態３の下水処理装置Ｇ３の概念的構成図を示す。
実施形態３の下水処理装置Ｇ３は、図１に示す実施形態１の生物反応槽１を嫌気槽３１Ａと好気槽３１Ｂとに分割して設け、嫌気槽３１Ａにその内部の反応液の酸化還元電位を計測する嫌気槽用ＯＲＰ計３４Ａを設置するとともに、好気槽３１Ｂにその内部の反応液の酸化還元電位を計測する好気槽用ＯＲＰ計３４Ｂを設置する。そして、制御装置３３の演算結果を表示するための表示手段３６を備えたものである。
【００３３】
実施形態３のその他の構成は、実施形態１の構成と同様であるので、同様な構成要素には、実施形態１の構成要素に３０番台の符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
下水処理装置Ｇ３における表示手段３６の表示方法について説明する。
制御手段３３のメモリ等の記憶部は、予め、図２に示す好気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式(近似式)の情報と図４に示す嫌気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式(近似式)の情報とが入力されている。
【００３４】
制御手段３３は、嫌気槽３１Ａにおける嫌気槽用ＯＲＰ計３４ＡのＯＲＰ(酸化還元電位)の計測信号と好気槽３１Ｂにおける好気槽用ＯＲＰ計３４ＢのＯＲＰ(酸化還元電位)の計測信号を受信する。制御装置３３は、嫌気槽３１Ａおよび好気槽３１ＢのそれぞれのＯＲＰの計測値を基に、図２に示す好気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量との関係式(近似式)の情報、図４に示す嫌気槽のＯＲＰとＮ２Ｏ生成量の関係式(近似式)の情報とに基づいて、嫌気槽３１Ａおよび好気槽３１ＢのそれぞれのＮ２Ｏ生成量を推定する。
【００３５】
制御装置３３は、嫌気槽３１Ａおよび好気槽３１ＢのそれぞれのＮ２Ｏ生成量の推定値の情報を表示手段３６に送る。表示手段３６は、嫌気槽３１Ａおよび好気槽３１ＢにおけるＮ２Ｏ生成量の各推定値、両推定値を加えた値等を表示装置(図示せず)に表示する。
なお、表示手段３６では、制御手段３３から現状の運転条件を入手し、曝気手段３２や循環ポンプ（図示せず）などの消費エネルギからＣＯ２排出量を算出し、消費エネルギによるＣＯ２排出量に、Ｎ２Ｏ推定値から換算したＣＯ２排出量を加えて表示することが好ましい。
【００３６】
表示手段３６の他の表示方法として、ＯＲＰ計測値からＮ２Ｏ排出量をＮ２Ｏ排出量の多さでレベル分けして表示してもよい。
図４に示す嫌気槽３１ＡでのＯＲＰの増加は、ＯＲＰの増加によりＮ２Ｏ生成量が指数関数的に増加する一方、図２に示す好気槽３１ＢでのＯＲＰの増加は、ＯＲＰの増加によりＮ２Ｏ生成量が直線的に増加する。そのため、ＯＲＰが−１５０ｍＶを超えると、図４に示す嫌気槽３１ＡでのＯＲＰの増加は、次第に図２に示す好気槽３１ＢでのＯＲＰの増加に比べ、Ｎ２Ｏ生成量が大きくなる。
従って、Ｎ２Ｏ生成量のレベルは、例えば、図６に示すように、分類できる。レベル１からレベル５になるに従ってＮ２Ｏ発生量が増加し、レベル５が最もＮ２Ｏ発生量が大きい。
【００３７】
図６では、レベル１から３では、図４に示す嫌気槽３１ＡでのＯＲＰ＜−１５０の場合にＮ２Ｏ発生量が小さいので、ＯＲＰ＜−１５０と設定する一方、図２に示すように、好気槽３１Ｂでは、ＯＲＰの増加に対してＮ２Ｏ発生量が直線的に増加するため、好気槽３１ＢのＯＲＰを３段階に分けて設定する。そして、図６のレベル３、４、５では、図２に示す好気槽３１ＢでのＯＲＰを＞１００とする一方、図４に示す嫌気槽３１ＡでのＯＲＰ≧−１５０でのＮ２Ｏ発生量が次第に大きく増加するので、嫌気槽３１ＡでのＯＲＰを、−１５０(ｍＶ)でレベル４、５に２段階に分けて設定したものである。一例として発生(生成)レベルを５段階に分類したが、Ｎ２Ｏ発生(生成)レベルに合わせ警報等を出力するとよい。
【００３８】
実施形態３によれば、ＯＲＰ計３４Ａ、３４Ｂの計測値を基に、Ｎ２Ｏ発生量の推定値を表示できるため、Ｎ２Ｏ推定値から換算したＣＯ２排出量と消費エネルギによるＣＯ２排出量とを表示でき、下水処理場のＣＯ２排出量を容易に把握できる。
なお、実施形態３では、Ｎ２Ｏ発生レベルを５段階に分けた場合を例示したが、２以上の任意の複数レベルに分けてもよいのは勿論である。
【００３９】
（実施形態４）
図７に、実施形態４の下水処理装置Ｇ４の概念的構成図を示す。
実施形態４の下水処理装置Ｇ４は、図１に示す実施形態１の下水処理装置Ｇ１と異なり、生物反応槽４１の上部に曝気の排ガスを回収するための排ガス回収手段４７と、排ガス回収手段４７のガスのＮ２Ｏ濃度(Ｎ２Ｏ生成量)を計測するためのＮ２Ｏ計４８を備え、Ｎ２Ｏ発生量の計測信号を制御手段４３に伝達したものである。
【００４０】
実施形態４のその他の構成は、実施形態１の構成と同様であるので、同様な構成要素には、実施形態１の構成要素に４０番台の符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
下水処理装置Ｇ４の制御手段４３の制御方法を、図８を用いて説明する。図８は、実施形態４の制御手段４３の制御方法を示すフロー図である。
【００４１】
先ず、制御手段４３は、ＯＲＰ計４４による生物反応槽４１の反応液のＯＲＰ(酸化還元電位)の検知信号を受け取り、生物反応槽４１の反応液のＯＲＰの計測値が所定値ａ未満か否か判定する(図８のＳ８０１)。所定値ａは０〜１００ｍＶに設定すると良い。
ＯＲＰ計４４のＯＲＰの計測値が所定値ａ未満の場合(Ｓ８０１でＹes)、制御手段４３は曝気手段４２の曝気流量を増加させる(Ｓ８０２)。
【００４２】
一方、ＯＲＰ計４４のＯＲＰの計測値が所定値ａ以上の場合(Ｓ８０１でＮo)、Ｓ８０３に移行し、制御手段４３は生物反応槽４１におけるＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ生成量の検知信号を受信し、Ｎ２Ｏ生成量の計測値が所定値ｂより大きいか否か判定する。所定値ｂは１０〜１００ｐｐｍに設定すると良い。
【００４３】
生物反応槽４１におけるＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ生成量の計測値が所定値ｂより大きい場合(Ｓ８０３でＹes)、制御手段４３は曝気風量を増加させる(Ｓ８０２)。
一方、生物反応槽４１におけるＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ生成量の計測値が所定値ｂ以下の場合(Ｓ８０３でＮo)、制御手段４３は曝気風量を減少させ(Ｓ８０４)、制御を終了する。
なお、一回の制御で、曝気手段４２の曝気量の増減は現状値の１０％〜２０％程度にするとよい。また、制御手段４３の制御周期はＯＲＰ計４４とＮ２Ｏ計４８の計測周期以上に設定するとよい。実施形態４では、所定値ａを低く設定すると曝気量を削減できる。
【００４４】
但し、曝気量を削減しすぎると、生物反応槽４１の一部に溶存酸素が低く、嫌気化する部分ができ、脱窒反応(ＮＯ３−Ｎ → ＮＯ２−Ｎ → Ｎ２Ｏ → Ｎ２)が進行する。その際、有機物(Ｃ)不足や溶存酸素(Ｏ)により不完全な脱窒反応となり、Ｎ２Ｏが発生することがある。Ｎ２Ｏが大量に発生した場合は不完全な脱窒が進行していると考えられるため、曝気量を増加させる必要がある。
【００４５】
実施形態４の下水処理装置Ｇ４は、Ｎ２Ｏを抑制できる最低限の曝気量に曝気手段４２を制御可能であり、下水処理場から排出されるＣＯ２を削減できる。
実施形態１〜４によれば、ＯＲＰ計の計測値またはＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ(ガス)生成量の計測値を基に、生物反応槽の運転を制御することにより、曝気風量または嫌気槽、好気槽間の循環流量の少なくとも何れかを削減し、かつ、Ｎ２Ｏ発生量を抑制できるため、下水処理場のＣＯ２排出量を削減できる。
【００４６】
また、下水処理場において、ＯＲＰ計の計測値またはＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ(ガス)生成量の計測値、および曝気風量や嫌気槽、好気槽間の循環流量等の下水処理装置の電力消費量等の消費エネルギを基に、ＯＲＰ計の計測値またはＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ(ガス)生成量の計測値から換算されるＣＯ２排出量と消費エネルギによるＣＯ２排出量の少なくとも何れかを最小または少なく制御することも可能である。
【００４７】
なお、実施形態１(図１参照)の生物反応槽１におけるＯＲＰ計４の計測値によるＮ２Ｏ生成量の推定値を、実施形態３と同様に、Ｎ２Ｏ生成量の大きさで、２以上の任意の複数レベルに分けてもよい。同様に、実施形態２(図３参照)の嫌気槽２１ＡにおけるＯＲＰ計２４の計測値によるＮ２Ｏ生成量の推定値を、Ｎ２Ｏ生成量の大きさで、２以上の任意の複数レベルに分けてもよい。同様に、実施形態４(図７参照)の生物反応槽４１におけるＮ２Ｏ計４８のＮ２Ｏ生成量の計測値を、Ｎ２Ｏ生成量の大きさで、２以上の任意の複数レベルに分けてもよい。
【００４８】
また、実施形態１、２、４において、実施形態３と同様に、Ｎ２Ｏ推定値またはＮ２Ｏ計４８の計測値や、Ｎ２Ｏ推定値またはＮ２Ｏ計４８の計測値から換算されるＣＯ２排出量の多さでの分類の結果を表示装置に表示する表示手段を設けることも可能である。
なお、嫌気槽、好気槽間の循環手段として、循環ポンプ２５を例示したが、嫌気槽、好気槽間で反応液の循環が行えれば、循環ポンプ以外の循環手段としてもよい。
また、前記実施形態においては、各構成を個別に説明したが、これらの構成を適宜、組み合わせて構成してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１、４１ 生物反応槽
２、２２、３２、４２ 曝気手段
３、２３、３３ 制御手段(第１制御手段)
４、２４、４４ ＯＲＰ計(酸化還元電位計測手段)
２１Ａ 嫌気槽
２１Ｂ 好気槽
２５ 循環ポンプ(循環手段)
３４Ａ 嫌気槽ＯＲＰ計(第１酸化還元電位計測手段)
３４Ｂ 好気槽ＯＲＰ計(第２酸化還元電位計測手段)
３６ 表示手段(Ｎ２Ｏ推定値表示手段)
４３ 制御手段(第２制御手段)
４７ 排ガス回収手段
４８ Ｎ２Ｏ計
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４ 下水処理装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性汚泥により下水を処理する下水処理装置であって、
前記活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽と、
前記生物反応槽内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段と、
前記生物反応槽内の液体に酸素を供給する曝気手段と、
前記酸化還元電位計測手段の計測値を基に前記生物反応槽のＮ２Ｏガス生成量を推定し、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき前記曝気手段を制御する第１制御手段とを
備えたことを特徴とする下水処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の下水処理装置において、
前記生物反応槽は、嫌気槽と好気槽とを有し、
前記好気槽内の液体を前記嫌気槽へ循環する循環手段をさらに備え、
前記酸化還元電位計測手段は前記嫌気槽に設置されるとともに、前記曝気手段は前記好気槽に設置されており、
前記第１制御手段は、前記酸化還元電位計測手段の計測値を基に前記生物反応槽のＮ２Ｏガス生成量を推定し、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき前記曝気手段と前記循環手段とを制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項３】
請求項２記載の下水処理装置において、
前記酸化還元電位計測手段は、第１酸化還元電位計測手段と第２酸化還元電位計測手段とであり、
前記第１酸化還元電位計測手段は前記嫌気槽に設置され、かつ、前記第２酸化還元電位計測手段は前記好気槽に設置されており、
前記第１制御手段は、前記第１・第２酸化還元電位計測手段のそれぞれの計測値を基に前記嫌気槽および前記好気槽のそれぞれのＮ２Ｏガス生成量を推定し、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき前記曝気手段と前記循環手段とを制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３何れか一項記載の下水処理装置において、
前記第１制御手段は、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき少なくとも２つ以上のＮ２Ｏ生成レベルに分類するＮ２Ｏ生成レベル分類手段と、当該分類の結果を表示装置に表示するＮ２Ｏ推定値表示手段とを備えた
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちの何れか一項記載の下水処理装置において、
前記第１制御手段は、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値が所定の目標値になるように制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちの何れか一項記載の下水処理装置において、
前記第１制御手段は、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値と前記下水処理装置の消費エネルギとに基づき、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値から換算されるＣＯ２排出量と前記消費エネルギによるＣＯ２排出量の少なくとも何れかを最小または少なくなるように制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項７】
活性汚泥により下水を処理する下水処理装置であって、
前記活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽と、
前記生物反応槽内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段と、
前記生物反応槽内の液体に酸素を供給する曝気手段と、
前記生物反応槽内の排気ガス中のＮ２Ｏガス量を計測するＮ２Ｏ計測手段と、
前記酸化還元電位計測手段の計測値と前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値とに基づいて前記曝気手段を制御する第２制御手段とを
備えたことを特徴とする下水処理装置。
【請求項８】
請求項７記載の下水処理装置において、
前記第２制御手段は、前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値が所定の目標値になるように制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の下水処理装置において、
前記第２制御手段は、前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値と前記下水処理装置の消費エネルギとに基づき、前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値の推定値から換算されるＣＯ２排出量と前記消費エネルギによるＣＯ２排出量の少なくとも何れかを最小または少なくなるように制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項１】
活性汚泥により下水を処理する下水処理装置であって、
前記活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽と、
前記生物反応槽内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段と、
前記生物反応槽内の液体に酸素を供給する曝気手段と、
前記酸化還元電位計測手段の計測値を基に前記生物反応槽のＮ２Ｏガス生成量を推定し、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき前記曝気手段を制御する第１制御手段とを
備えたことを特徴とする下水処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の下水処理装置において、
前記生物反応槽は、嫌気槽と好気槽とを有し、
前記好気槽内の液体を前記嫌気槽へ循環する循環手段をさらに備え、
前記酸化還元電位計測手段は前記嫌気槽に設置されるとともに、前記曝気手段は前記好気槽に設置されており、
前記第１制御手段は、前記酸化還元電位計測手段の計測値を基に前記生物反応槽のＮ２Ｏガス生成量を推定し、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき前記曝気手段と前記循環手段とを制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項３】
請求項２記載の下水処理装置において、
前記酸化還元電位計測手段は、第１酸化還元電位計測手段と第２酸化還元電位計測手段とであり、
前記第１酸化還元電位計測手段は前記嫌気槽に設置され、かつ、前記第２酸化還元電位計測手段は前記好気槽に設置されており、
前記第１制御手段は、前記第１・第２酸化還元電位計測手段のそれぞれの計測値を基に前記嫌気槽および前記好気槽のそれぞれのＮ２Ｏガス生成量を推定し、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき前記曝気手段と前記循環手段とを制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３何れか一項記載の下水処理装置において、
前記第１制御手段は、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値に基づき少なくとも２つ以上のＮ２Ｏ生成レベルに分類するＮ２Ｏ生成レベル分類手段と、当該分類の結果を表示装置に表示するＮ２Ｏ推定値表示手段とを備えた
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちの何れか一項記載の下水処理装置において、
前記第１制御手段は、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値が所定の目標値になるように制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちの何れか一項記載の下水処理装置において、
前記第１制御手段は、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値と前記下水処理装置の消費エネルギとに基づき、前記Ｎ２Ｏガス生成量の推定値から換算されるＣＯ２排出量と前記消費エネルギによるＣＯ２排出量の少なくとも何れかを最小または少なくなるように制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項７】
活性汚泥により下水を処理する下水処理装置であって、
前記活性汚泥が投入され、流入する下水が生物反応して処理される生物反応槽と、
前記生物反応槽内の液体の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計測手段と、
前記生物反応槽内の液体に酸素を供給する曝気手段と、
前記生物反応槽内の排気ガス中のＮ２Ｏガス量を計測するＮ２Ｏ計測手段と、
前記酸化還元電位計測手段の計測値と前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値とに基づいて前記曝気手段を制御する第２制御手段とを
備えたことを特徴とする下水処理装置。
【請求項８】
請求項７記載の下水処理装置において、
前記第２制御手段は、前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値が所定の目標値になるように制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の下水処理装置において、
前記第２制御手段は、前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値と前記下水処理装置の消費エネルギとに基づき、前記Ｎ２Ｏ計測手段の計測値の推定値から換算されるＣＯ２排出量と前記消費エネルギによるＣＯ２排出量の少なくとも何れかを最小または少なくなるように制御する
ことを特徴とする下水処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４５３５９（Ｐ２０１１−２４５３５９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７９１７（Ｐ２０１０−１１７９１７）
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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