説明

水処理装置

【課題】生物反応槽に設置されたNADH計測手段の計測値を制御指標として微生物フロック内の好気領域,無酸素領域を適正な範囲に維持することにより、硝化脱窒反応の進行阻害を抑制し、水質の維持とN2O生成量の低減を両立できる下水処理装置を提供する。
【解決手段】活性汚泥により下水を処理する下水処理装置において、前記活性汚泥が投入されている生物反応槽1と、前記生物反応槽1内のNADH値を計測するためのNADH計測手段5と、前記生物反応槽1に酸素を供給するための曝気手段3と、前記NADH値の計測値を指標として曝気手段3を制御する制御手段4とを備えた。

【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を削減するための下水処理装置に係り、特に、生物反応槽において生成する亜酸化窒素(以下、N2O)を対象とした下水処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、閉鎖性水域における富栄養化対策として、窒素を除去する高度な下水処理プロセスの導入が進められている。下水処理プロセスでの窒素除去は、硝化工程と脱窒工程の組み合わせによって行われる。
【0003】
硝化工程は、ブロワにより酸素が供給されている好気槽で行われる。好気槽に流入してきた下水中のアンモニア性窒素(以下、NH4−Nという)が、好気槽内の硝化菌により、亜硝酸性窒素(以下、NO2−Nという)となり、さらに硝酸性窒素(以下、NO3−Nという)に酸化される。
【0004】
脱窒工程は、無酸素槽で行われる。硝化工程で生成したNO2−NあるいはNO3−Nは、無酸素槽に流入すると、脱窒菌により原水中の有機物をエネルギー源として窒素(以下、N2という)に還元される。N2がガス態として大気に放出されることにより下水中の窒素成分が除去される。
【0005】
窒素を除去する実際の都市下水処理プロセスの代表例として、循環式硝化脱窒法がある。循環式硝化脱窒法は、前段に無酸素槽、後段に好気槽を配置し、NO3−N,NO2−Nを含む好気槽の硝化液を、前段の無酸素槽にポンプにより送水して循環させることにより、無酸素槽において脱窒し、窒素を除去する。脱窒反応を十分に進行させるためには、好気槽で十分に硝化されていること、脱窒菌のエネルギー源である有機物が無酸素槽に十分存在していることが求められる。
【0006】
近年、米国や韓国の下水処理場において導入が進められている新たな窒素除去プロセスに、同時硝化脱窒法がある。従来は、硝化だけに適用されていた好気槽において、溶存酸素量(以下、DOという)を低く維持することにより、硝化反応と脱窒反応を同時に行うことができる。DOが低くなると、下水を処理する微生物の塊(以下、微生物フロックという)の内部にまで酸素が行き渡らず、微生物フロックの外周部は好気状態、内部が無酸素状態となる。外周部では硝化反応によりNO3−Nが生成し、内部では硝化反応で生成したNO3−NがN2へと脱窒される。このように微生物フロック内に好気領域と無酸素領域が混在する状態を維持することにより、硝化脱窒反応が同時に進行する。
【0007】
〔非特許文献1〕には、脱水素酵素の補酵素であるニコチンアミド−アデニン−ジヌクレオチド(以下、NADHという)を測定するセンサーを用いて、同時硝化脱窒プロセスを制御する方法が例示されている。微生物フロック内部の通性嫌気性菌が産生するNADHが好気、無酸素,嫌気状態に置かれた時に差異を示すことを利用している。NADH値は、好気,無酸素,嫌気状態の順に大きな値となり、微生物フロック内が好気無酸素の共存状態では、好気状態と無酸素状態におけるNADH値の中間の値となり、同時硝化脱窒反応が進行する。同時硝化脱窒反応が進行し、脱窒率が最も大きくなるNADH値(23BPA(Biological Potential Activity)の略)で曝気量を制御するものである。
【0008】
上記のように硝化脱窒反応を利用した高度処理プロセスが普及する一方、近年、下水処理の硝化反応,脱窒反応の副生成物としてN2Oが生成することが問題となっている。N2Oは、CO2に比べ310倍の温室効果を有しており、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、〔非特許文献2〕に記載のように、硝化反応,脱窒反応の進行阻害が挙げられる。硝化反応に伴い生成するN2O生成量をN2O濃度計により測定し、生物反応槽の曝気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】
【0009】
【特許文献1】特開2010−99560号公報
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】標準活性汚泥法に窒素除去機能を付加する風量制御システム、第45回下水道研究発表会講演集、pp.725-727
【非特許文献2】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】
【0011】
2O生成量を抑制する手段には、硝化反応や脱窒反応の進行阻害を抑制する運転が挙げられる。特にDOは硝化反応,脱窒反応の進行阻害に影響を与えるため、硝化工程においては、十分なDOが存在すること、脱窒工程においてはDOが存在しないことが重要である。〔非特許文献1〕では、微生物フロック内に無酸素領域と好気領域が混在する状態をNADH値により制御する方法が例示されているが、硝化反応と脱窒反応が共存する領域においては、硝化反応,脱窒反応とも進行が阻害されやすく、N2O生成量が増加する恐れがある。
【0012】
〔特許文献1〕では、生物反応槽から放出されるN2O濃度を直接測定することにより、N2O濃度の変化を検知し、曝気量を制御している。例えば、N2O濃度が上昇した場合は、曝気量を減少させ、硝化反応を抑制することにより、N2O生成量を抑制する。しかしながら、この方法では、N2O生成量を抑制できるが、硝化反応が進行せず水質が悪化する恐れがある。また、有機物の酸化反応の進行も抑制される恐れがある。
【0013】
このため、N2O生成量を抑制するためには、硝化工程においては、十分なDOが存在する状態(微生物フロック内が全て好気領域),脱窒工程においてはDOが存在しない状態(微生物フロック内が全て無酸素領域)を維持する制御方法が必要とされている。
【0014】
本発明の目的は、生物反応槽に設置されたNADH計測手段の計測値を制御指標として微生物フロック内の好気領域,無酸素領域を適正な範囲に維持することにより、硝化脱窒反応の進行阻害を抑制し、水質の維持とN2O生成量の低減を両立できる下水処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記目的を達成するために、本発明の下水処理装置は、活性汚泥が投入されている生物反応槽と、生物反応槽内のNADH値を計測するためのNADH計測手段と、生物反応槽に酸素を供給するための曝気手段と、NADH値の計測値を指標として曝気手段を制御する制御手段とを備えたものである。制御手段は、生物反応槽におけるNADH値とN2O生成量の関係を予め把握し、把握した関係によって曝気量を決定する。また、制御手段が、NADH計測手段の計測値が21BPA以下の範囲となるように曝気手段を制御するものである。また、NADH計測手段の設置場所が好気槽の上流側とするものである。
【0016】
また、無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、好気槽から無酸素槽へ反応液を循環する循環ポンプと、前記無酸素槽に設置されたNADH計測手段と、NADH計測手段の計測値を基に循環ポンプを制御する制御手段とを備えたものである。制御手段は、生物反応槽の無酸素工程におけるNADH値とN2O生成量の関係を予め把握し、把握した関係によって、循環量を決定するものである。また、制御手段が、NADH計測手段の計測値が25BPA以上の範囲となるように循環ポンプを制御するものである。
【0017】
また、無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、好気槽から嫌気槽へ反応液を循環する循環ポンプと、無酸素槽および好気槽にそれぞれ設置されたNADH計測手段と、無酸素槽のNADH計測値および好気槽のNADH計測値を基に循環ポンプおよび曝気手段を制御する制御手段とを備えたものである。制御手段が、無酸素槽のNADH計測手段の計測値が25BPA以上、好気槽のNADHの計測値が21BPA以下の範囲となるように循環ポンプおよび曝気手段を制御するものである。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、NADH計測手段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、水質の維持とN2O生成量の抑制が可能となるため、下水処理場からの温室効果ガス排出量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施例1である下水処理装置の構成図である。
【図2】NADH値とN2O生成量の関係を表す図である。
【図3】本発明の実施例2である下水処理装置の構成図である。
【図4】本発明の実施例3である下水処理装置の構成図である。
【図5】本発明の実施例4である下水処理装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の各実施の形態を、図面に参照しつつ説明する。
【0021】
[実施例1]
図1は実施例1の下水処理装置の構成図である。複数の微生物群からなる活性汚泥が投入されている生物反応槽1が設置され、生物反応槽1の上流側に供給された被処理水100は下流側より処理水101として流出する。生物反応槽1の後段には、図示していない沈殿池が設けられ、反応液中の活性汚泥を固液分離する。固液分離された活性汚泥の一部は、図示していないが生物反応槽1に返送汚泥として戻される。
【0022】
生物反応槽1の底部には散気部2が設置されており、散気部2は曝気手段3と接続されている。曝気手段3から散気部2を通じて、空気などの酸素含有気体が生物反応槽1へ送り込まれ、生物反応槽1内の溶存酸素濃度が増加し、下水を処理する際に活性汚泥が必要とする酸素が供給される。制御手段4は曝気手段3を制御し、生物反応槽1への曝気量を調整する。
【0023】
反応液中の微生物フロックが産生するNADH量を計測するNADH計測手段5が生物反応槽1に設置されている。NADH計測手段5は、340nmの波長の紫外線を照射する発光部と、反応液中の微生物フロックが励起して発光する光を460nmの波長にて検出する検出部とを備えており、NADH計測手段5の計測信号は制御手段4に伝達される。
【0024】
下水処理におけるN2O生成条件の一つに硝化反応の阻害が挙げられる。流入下水中に含まれる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。通常、活性汚泥への酸素の供給量が十分な場合には、硝化反応が速やかに進行し、流入するNH4−Nの大部分がNO3−Nまで酸化される。
【0025】
しかし、酸素の供給量が不十分になった場合は、微生物フロックの内部にまで酸素が行き渡らず、微生物フロックの外周部は好気状態、内部が無酸素状態となる。外周部では硝化反応によりNO3−Nが生成し、内部では硝化反応で生成したNO3−NがN2O、N2へと還元される。微生物フロックが産生するNADH値は、微生物フロック内部の通性嫌気性菌が好気、無酸素状態に置かれた時に差異を示す。一般に、NADH値は好気,無酸素,嫌気状態の順に大きな値となり、微生物フロック内に好気無酸素領域が共存している状態では、好気状態と無酸素状態の中間の値となる。
【0026】
図2に発明者らが実施した実験結果を示す。N2O生成量はNADH値が約23BPAにおいて最大値となる。NADH値が25BPA以上に増加すると、N2O生成量は大きく減少する。これは、NADH値の上昇、すなわち微生物フロックの内部の無酸素領域の拡大により、硝化反応の進行が停止し、NO3−NやNO2−Nの生成量が減少するため、N2O生成量が減少する。
【0027】
また、NADH値が21BPA以下に低下するとN2O生成量は大きく減少する。これは、NADH値の減少すなわち微生物フロックの内部の無酸素領域が縮小し、フロック内部が完全好気領域となるため、硝化反応の進行が促進され、NO3−NやNO2−Nの生成量は増加するが、N2Oへの還元反応が停止し、N2O生成量が減少する。
【0028】
このように、硝化工程においては、微生物フロック内が完全好気領域となるNADH値21BPA以下でN2O生成量を抑制でき、脱窒工程においては、微生物フロック内が完全無酸素領域となるNADH値25BPA以上でN2O生成量を抑制できることを見出した。
【0029】
本実施例の制御手段4の制御方法について説明する。制御手段4には、NADH値とN2O生成量の関係式が入力されており、制御手段4は、NADH計測手段5の計測値が予め設定した上限値以下になるように曝気手段3の送気量を制御する。NADH値とN2O生成量の関係式は、関数あるいはデータベースとして記録されている。ここで、上限値は予め把握したN2O生成量が最小となるように、NADH値を21BPA以下の範囲に設定することができる。NADH計測値が21BPAを超えた場合は、送気量を増加させる。本実施例によりNADH計測手段の計測値を基に曝気手段を制御することで、N2O生成量を抑制することができる。
【0030】
また、特に好気槽の上流部では、DOが低下し、N2O生成量が増加しやすいため、NADH計測手段5の設置場所は、生物反応槽1の上流側に近い位置とするのが好適である。
【0031】
[実施例2]
図3は、実施例2の下水処理装置の構成図である。本実施例は、実施例1と同様に構成されているが、さらに生物反応槽1の下流部に硝化率推定手段6が設置されている。硝化率推定手段6の計測信号は制御手段4に送られる。
【0032】
本実施例では、硝化率を考慮したNADH値によるN2O抑制方法について説明する。制御手段4は、NADH計測手段5と硝化率推定手段6の計測値を受信する。制御手段4は、予め把握したN2O生成量が最小となるように、NADH値が21BPA以下の範囲を維持するように曝気手段3の送気量を制御するが、硝化率推定手段6の推定値Xが予め設定した目標値X1以上を超えた場合に、送気量を減少させる。送気量の減少により、再びNADH値が21BPAを超えた場合には、送気量を再度増加させる。また、ここで硝化率推定手段6は、NO3−N濃度計,NH4−N濃度計,ORP計の少なくとも1つ以上の組み合わせとしてもよい。
【0033】
本実施例により、NADH計測手段の計測値を基に曝気手段を制御することで、N2O生成量を抑制し、目標硝化率を維持することができる。
【0034】
[実施例3]
図4は、実施例3の下水処理装置の構成図である。本実施例は、実施例1と同様に構成されているが、生物反応槽1を無酸素槽8と好気槽9に分割し、好気槽9から無酸素槽8に反応液を循環させるための循環ポンプ7が設置されている。被処理水100は無酸素槽8へ供給され、好気槽から処理水101として流出する。循環ポンプ7は制御手段4によって流量を制御される。また、NADH計測手段5は無酸素槽8に設置されており、NADH計測手段5の計測信号は制御手段4に伝達される。
【0035】
2Oは、無酸素槽の脱窒工程においてNO3−N→NO2−N→N2O→N2へと還元される過程で生成する。脱窒反応が良好に進行している場合は、N2OはN2となり大気中に発散するが、脱窒反応が阻害されるとN2Oが反応液中に生成する。液中に生成したN2Oは無酸素槽から好気槽へ流下すると、曝気によりガス化され、排ガス中のN2O濃度が増加する。このため、脱窒反応の阻害される条件を回避することにより、反応液中のN2Oの生成を抑制できる。
【0036】
無酸素槽の脱窒工程において、脱窒反応の進行が阻害される要因として、好気槽から無酸素槽へ循環される反応液中のDOの持ち込みがある。無酸素槽へDOが持ち込まれると、微生物フロックの外周部が好気状態となり、好気無酸素領域の共存状態となる。このような条件において、N2O生成量が増加する。
【0037】
このため、N2O生成量を抑制するためには、微生物フロック内が完全無酸素状態になるように維持する必要がある。実施例1にて述べたように、NADH値が25BPA以上で、フロック内が無酸素状態となりN2Oの生成量が抑制される。
【0038】
本実施例の制御手段4の制御方法について説明する。無酸素槽8におけるNADH値の増加は、循環ポンプ7により、無酸素槽8に循環される反応液中のDOの持ち込み量の増加によるものと推察される。制御手段3は、NADH計測手段5の計測値が、予め設定した下限値以上となるように循環ポンプ7の循環流量を制御する。ここで、下限値はN2O生成量が最小となるように、NADH値が25BPA以上の範囲に設定することができる。NADH計測値が25BPA以下に低下した場合、循環量を減少させる。
【0039】
本実施例により、無酸素槽および好気槽のNADH計測手段の計測値を基に、循環ポンプおよび曝気手段を制御することで、無酸素槽および好気槽におけるN2Oの生成を抑制できる。
【0040】
[実施例4]
図5は実施例4の下水処理装置の構成図である。本実施例は、実施例3と同様に構成されているが、無酸素槽8に無酸素槽のNADH計測手段5−1、好気槽9に好気槽のNADH計測手段5−2が設置されている。制御手段4は曝気手段3を制御し、好気槽9の曝気量を調整する。無酸素槽のNADH計測手段5−1および好気槽のNADH計測手段5−2の計測信号は制御手段4に伝達される。
【0041】
本実施例では、循環ポンプ7の循環流量を低下させても、無酸素槽のNADH計測手段5−1の計測値が予め設定したN2O生成量が最小となるNADH値である25BPAを下回る場合、制御手段4は曝気手段3を制御し、曝気量を削減し、好気槽9内のDOを低下させる。
【0042】
ただし、好気槽9のDOを低下させた場合は、好気槽9からのN2O生成量が増加する恐れがあるため、好気槽9に設置された好気槽のNADH計測手段5−2の計測値が、予め設定したN2O生成量が最小となるように、NADH値が21BPAより増加した場合は、曝気量を再び増加させる。
【0043】
本実施例により、無酸素槽および好気槽のNADH計測手段の計測値を基に、循環ポンプおよび曝気手段を制御することで、無酸素槽および好気槽におけるN2Oの生成を抑制できる。
【符号の説明】
【0044】
1 生物反応槽
2 散気部
3 曝気手段
4 制御手段
5 NADH計測手段
6 硝化率推定手段
7 循環ポンプ
8 無酸素槽
9 好気槽
100 被処理水
101 処理水

【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において、前記活性汚泥が投入されている生物反応槽と、前記生物反応槽内のNADH値を計測するためのNADH計測手段と、前記生物反応槽に酸素を供給するための曝気手段と、前記NADH値の計測値を指標として曝気手段を制御する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】
前記制御手段が、前記NADH値の計測値が予め設定したNADH値の上限値以下になるように前記曝気手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の下水処理装置。
【請求項3】
前記制御手段は、前記生物反応槽におけるNADH値と亜酸化窒素生成量の関係を関数あるいはデータベースとして備え、予め設定した亜酸化窒素生成量の目標値に基づきNADH値の上限値を決定し、決定したNADH値の上限値以下に前記NADH値の計測値が維持されるように前記曝気手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の下水処理装置。
【請求項4】
前記上限値が21BPA以下の範囲であることを特徴とする請求項2又は3に記載の下水処理装置。
【請求項5】
前記NADH計測手段の設置場所が好気槽内の上流側であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の下水処理装置。
【請求項6】
前記生物反応槽における硝化率を推定する硝化率推定手段と、前記硝化率推定手段の推定値が予め設定された目標値を超えた場合に、曝気量を減少させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の下水処理装置。
【請求項7】
活性汚泥により下水を処理する下水処理装置において、無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、前記好気槽から前記無酸素槽へ反応液を循環する循環ポンプと、前記無酸素槽に設置されたNADH計測手段と、前記NADH計測手段の計測値を基に前記循環ポンプを制御する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】
前記制御手段が、前記NADH計測手段の計測値が予め設定した下限値以上になるように前記循環ポンプを制御することを特徴とする請求項7に記載の下水処理装置。
【請求項9】
前記制御手段は、前記無酸素槽におけるNADH値と亜酸化窒素生成量の関係を関数あるいはデータベースとして備え、予め設定した亜酸化窒素生成量の目標値に基づきNADH値の下限値を決定し、決定したNADH値の下限値以上に前記NADH値の計測値が維持されるように前記循環ポンプを制御することを特徴とする請求項7に記載の下水処理装置。
【請求項10】
前記下限値が25BPA以上の範囲であることを特徴とする請求項8又は9に記載の下水処理装置。
【請求項11】
活性汚泥により下水を処理する下水処理装置において、無酸素槽と好気槽に分割された生物反応槽と、前記好気槽から前記無酸素槽へ反応液を循環する循環ポンプと、前記好気槽に設置した酸素を供給するための曝気手段と、前記無酸素槽および前記好気槽のそれぞれに設置したNADH計測手段と、前記無酸素槽のNADH計測値および好気槽のNADH計測値を基に前記循環ポンプおよび前記曝気手段を制御する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12】
前記制御手段が、前記無酸素槽のNADH計測手段の計測値が予め設定した下限値以上、前記好気槽のNADHの計測値が予め設定した上限値以下を維持するように前記循環ポンプおよび前記曝気手段を制御することを特徴とする請求項11に記載の下水処理装置。
【請求項13】
前記上限値が無酸素槽では25BPA以上、前記下限値が好気槽では21BPA以下の範囲であることを特徴とする請求項12に記載の下水処理装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate


【公開番号】特開2012−143727(P2012−143727A)
【公開日】平成24年8月2日(2012.8.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−5379(P2011−5379)
【出願日】平成23年1月14日(2011.1.14)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】