生物学的廃水処理装置およびその運転制御方法
【課題】 廃水の性状が変動して、廃水処理性能が変化する場合においても、放流水質基準を満たし得る水質の処理水を得ることができる生物学的廃水処理装置を提供する。
【解決手段】 廃水の窒素濃度を測定する廃水窒素濃度計１１および廃水の流入量を測定する流量計１５と、硝化処理水の窒素濃度を測定する硝化処理水窒素濃度計１２と、脱窒処理水の窒素濃度を測定する脱窒処理水窒素濃度計１３と、これら各計器からの測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めた硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数理モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と放流する処理水の処理水窒素濃度の因果関係を演算する演算装置１７と、前記因果関係に基づいて、処理水の水質基準が放流水質基準をみたすように、硝化槽４ａに廃水を供給する水ポンプ３ａの回転数を制御するコントローラ１８とから構成する。
【解決手段】 廃水の窒素濃度を測定する廃水窒素濃度計１１および廃水の流入量を測定する流量計１５と、硝化処理水の窒素濃度を測定する硝化処理水窒素濃度計１２と、脱窒処理水の窒素濃度を測定する脱窒処理水窒素濃度計１３と、これら各計器からの測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めた硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数理モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と放流する処理水の処理水窒素濃度の因果関係を演算する演算装置１７と、前記因果関係に基づいて、処理水の水質基準が放流水質基準をみたすように、硝化槽４ａに廃水を供給する水ポンプ３ａの回転数を制御するコントローラ１８とから構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的廃水処理装置およびその運転制御方法に係り、より詳しくは、たとえ窒素成分を含有する廃水の性状が変動しても、放流する処理水の水質基準が放流水質基準を確実に満足し得るように運転することを可能ならしめる生物学的廃水処理装置およびその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のとおり、廃水に含まれている窒素成分は、湖沼や湾等の閉鎖性水域における富栄養化の原因となるから環境保全にとって好ましくない。そのため、例えば、生物学的廃水処理により廃水中の窒素成分を除去した上で放流することにより、環境汚染を抑制するようにしている。生物学的処理による廃水からの窒素成分の除去原理は、廃水中のアンモニア態窒素を硝化槽（好気槽）で酸化させて酸化態窒素（硝酸態窒素、亜硝酸態窒素）にし、次いでこの酸化態窒素を脱窒槽（無酸素槽）で還元して窒素ガスにして大気中に放散させるというものである。アンモニア態窒素の酸化には酸素が必要であるため、硝化槽では曝気が行われ、また脱窒には有機物が必要であるため、廃水中の有機物を利用するか、または必要に応じて脱窒槽にメタノール等の有機物を注入するようにしている。
【０００３】
従来例に係る代表的な生物学的廃水処理方法としては、循環式硝化脱窒方法、および硝化−内生脱窒方法が知られている。このような脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置は、何れも硝化槽における硝化反応と、脱窒槽における脱窒反応とを組み合わせて窒素成分を除去する構成になっている。
【０００４】
因に、循環式硝化脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置は、その模式的構成説明図の図８に示すように構成されている。即ち、この生物学的廃水処理装置５０は、窒素成分を含有する処理すべき廃水が流入する最初沈殿池５１と、この最初沈殿池５１で沈殿処理された廃水が流入する脱窒槽５２と、この脱窒槽５２で脱窒処理された脱窒処理水が流入する硝化槽５３と、この硝化槽５３で硝化処理された硝化処理水が流入する最終沈殿池５４とを備えている。さらに、前記硝化槽５３から脱窒槽５２に硝化液を戻す硝化液循環ライン５３ａと、前記最終沈殿池５４の底に溜まった汚泥を脱窒槽５２上流側（最初沈殿池と脱窒槽の間）に戻す汚泥循環ライン５４ａおよび余剰汚泥を排出する余剰汚泥排出ライン５４ｂを備えている。
【０００５】
また、硝化−内生脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置は、その模式的構成説明図の図９に示すように構成されている。即ち、この生物学的廃水処理装置６０は、窒素成分を含有する処理すべき廃水が流入する硝化槽６１と、この硝化槽６１で硝化処理された硝化処理水が流入すると共に、メタノール等の有機物が添加される脱窒槽６２と、この脱窒槽６２で脱窒処理された脱窒処理水が流入する再曝気槽６３と、この再曝気槽６３で曝気処理された曝気処理水が流入する最終沈殿池６４とを備えている。さらに、前記最終沈殿池６４の底に溜まった汚泥を硝化槽６１の上流側に戻す汚泥返送ライン６４ａおよび余剰汚泥を排出する余剰汚泥排出ライン６４ｂを備えている。
【０００６】
これら生物学的廃水処理装置５０，６０では、設計指針が示されているものの、その運転に関しては勘と経験によるところが大きく、最適な条件で運転できているとはいい難い状況にあった。しかしながら、近年、廃水の生物学的処理に関する数学モデルが確立されつつあり、この数学モデルを利用したシミュレーション技術の進歩により、生物学的廃水処理装置の運転条件を最適化することができるようになってきている。このような生物学的廃水処理装置としては、例えば、下記のようなものが知られている。
【０００７】
第１の生物学的廃水処理装置は、硝化脱窒を行うもので、廃水である原水の流入量と溶存酸素濃度（ＤＯ）、硝化槽の呼吸速度と溶存酸素濃度（ＤＯ）が制御部に入力され、その制御値に応じて硝化液の循環量を最適値に制御されるようになっている。つまり、この第１の生物学的廃水処理装置は、各入力値から硝化液の循環量を最適値に制御するようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
第２の生物学的廃水処理装置は、硝化脱窒を行うもので、廃水である原水の流量と溶存酸素濃度（ＤＯ）、硝化槽内における硝化処理水の溶存酸素濃度（ＤＯ）、硝化槽の酸素消費量から推定した硝化速度とが制御部に入力され、溶存酸素濃度（ＤＯ）制御、固形物滞留時間（ＳＲＴ）制御が実施され、各制御値に応じて硝化液の循環量を最適値に制御するようになっている。つまり、各入力値から溶存酸素濃度（ＤＯ）と固形物滞留時間（ＳＲＴ）を制御しながら、硝化液の循環量を最適値に制御するようにしたものである（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
第３の生物学的廃水処理装置は、生物反応槽の大きさ、生物反応槽の分割数、循環量、酸素量等を算出するようにしたものである（例えば、特許文献３参照。）。
【００１０】
第４の生物学的廃水処理装置は、酸化態窒素（硝酸態窒素、亜硝酸態窒素）の脱窒に有機物が必要であるため、酸化態窒素濃度を測定する。そして、この酸化態窒素濃度の測定値から有機物の必要量を演算により算出し、有機物の量が算出値になるように有機物の注入量を制御するようにしたものである（例えば、特許文献４参照。）。
【００１１】
第５の生物学的廃水処理装置は、廃水である原水が流入する最初沈殿池の窒素濃度と化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を測定し、これら２つの測定値を基にシミュレーションを行い、有機物の注入量を制御する。つまり、有機物の注入量を最適に制御するようにしたものである（例えば、特許文献５参照。）。
【００１２】
第６の生物学的廃水処理装置は廃水である流入水の窒素濃度、ｐＨ、溶存酸素濃度（ＤＯ）、および酸化還元電位（ＯＲＰ）を測定して、次週期における各測定値を予測し、それらの予測結果に基づいて曝気量を最適に制御するようにしたものである（例えば、特許文献６参照。）。
【特許文献１】特開平８−１１７７９２号公報
【特許文献２】特開平８−１１７７９３号公報
【特許文献３】特開２００１−１３７８８１号公報
【特許文献４】特開２００１−１７０６８５号公報
【特許文献５】特開２００１−３１４８９２号公報
【特許文献６】特開２００３−８８８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１乃至６に記載されている従来例に係る生物学的廃水処理装置は、何れも限られた範囲内における運転制御には有効である。しかしながら、上記従来例に係る生物学的廃水処理装置の場合には、流入する廃水の性状が大きく変動し、生物学的廃水処理装置の処理性能を変化させる必要が生じるような場合、つまり流入する廃水の性状が大きく変動するような場合に対処することができなくなる。そのため、処理水の水質が放流水質基準値を満たすことができなくなるという問題があった。物理・化学的処理方法を利用した廃水処理装置の場合には、廃水の処理性能が安定しているため、装置の運転制御は極めて容易である。しかしながら、生物学的廃水処理装置の場合には、硝化菌や脱窒菌等の微生物の生物活性（処理性能）が環境変化に左右されるからである。特に、生物学的廃水処理装置に流入する廃水中に微生物の活性を阻害するような物質が含まれている場合は、生物学的廃水処理装置の安定運転が難しい。
【００１４】
勿論、シミュレーション技術を活用すれば、状況に応じて硝化槽から脱窒槽に循環させる硝化液の循環量、硝化槽への曝気量、脱窒槽への有機物の添加量等を制御することにより、その状況における生物学的廃水処理装置の最適な運転制御が可能である。しかしながら、例えば、微生物に対して悪影響がある物質が流入した場合等は、微生物の活性が低下して本来の処理性能が発揮されず、硝化液の循環量、曝気量、有機物の添加量等を制御しても、処理水の水質が放流水質基準を満たすことができなくなることがある。特に、生物学的廃水処理は、硝化菌と脱窒菌の両方が効果的に働いた場合に窒素を効率良く除去できるものであるため、どちらか一方の菌の活性が低下すれば廃水を効果的に処理することができなくなるという問題がある。
【００１５】
従って、本発明の目的は、窒素成分を含有する処理すべき廃水の性状が変動して、生物学的廃水処理装置の廃水処理性能が変化する場合においても、放流水質基準を満たし得る水質の処理水を得ることができる生物学的廃水処理装置およびその運転制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明者らは、流入する廃水の排水窒素濃度、硝化槽における硝化処理水の硝化速度、脱窒槽における脱窒処理水の脱窒速度の値を用いて数値モデルに基づくシミュレーションを行い、廃水の流入量と処理水窒素濃度との因果関係を予測し、この因果関係に基づいて処理水の窒素濃度に係る水質基準が放流水質基準を満たすように、生物学的廃水処理装置への廃水の流入量を制御してやれば、放流水質基準を満たし得る水質の処理水を得ることができると考えて、本発明をなしたものである。
【００１７】
従って、上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る生物学的廃水処理装置が採用した手段は、窒素成分を含有する廃水を浄化処理する反応槽が設けられると共に、この反応槽の硝化槽と脱窒槽で処理された処理水が流入する最終沈殿池が設けられてなる生物学的廃水処理装置において、前記反応槽に流入する廃水の廃水窒素濃度を測定する廃水窒素濃度計と、廃水の流入量を測定する流量計と、前記硝化槽内の硝化処理水の窒素濃度を測定する硝化処理水窒素濃度計と、前記脱窒槽内の脱窒処理水の窒素濃度を検出する脱窒処理水窒素濃度計と、前記流量計、廃水窒素濃度計、硝化処理水窒素濃度計、脱窒処理水窒素濃度計のそれぞれから入力される測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めたこれら硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と前記最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を演算する演算装置と、前記因果間関係に基づいて、放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、前記反応槽に廃水を供給する水ポンプの回転数を制御するコントローラとからなることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の請求項２に係る生物学的廃水処理装置が採用した手段は、請求項１に記載の生物学的廃水処理装置において、前記水ポンプの上流側に、前記反応槽に流入させる廃水を貯留すると共に、貯留した廃水の廃水窒素濃度が前記廃水窒素濃度計により測定される廃水貯留槽を設け、この廃水貯留槽に、貯留された廃水のレベルを測定し、測定したレベル値を前記演算装置に出力するレベル計を設けたことを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の請求項３に係る生物学的廃水処理装置が採用した手段は、請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の生物学的廃水処理装置において、前記演算装置に、必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度、溶存酸素濃度、有機物量が入力されるように構成されてなることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の請求項４に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法が採用した手段は、窒素成分を含有する廃水を浄化処理する反応槽が設けられると共に、この反応槽の硝化槽と脱窒槽で処理された処理水が流入する最終沈殿池が設けられてなる生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、前記反応槽に流入する廃水の廃水窒素濃度および廃水の流入量を測定し、前記硝化槽内の硝化処理水の硝化処理水窒素濃度を測定し、前記脱窒槽内の脱窒処理水の脱窒処理水窒素濃度を測定し、測定したこれら廃水の流入量の測定値、廃水窒素濃度の測定値、硝化処理水窒素濃度の測定値、脱窒処理水窒素濃度の測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めたこれら硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と前記最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を求め、この因果関係に基づいて、前記最終沈殿池から放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、前記反応槽に廃水を供給する水ポンプの回転数を制御することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の請求項５に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法が採用した手段は、請求項４に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、前記廃水の流入量と処理水窒素濃度との因果関係を求めるに際して、必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度、溶存酸素濃度、有機物量それぞれの測定値を用いることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の請求項６に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法が採用した手段は、請求項５に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、前記硝化速度は、廃水の流入量の測定値と、廃水窒素濃度の測定値と、硝化処理水窒素濃度の測定値とから求めることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の請求項７に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法が採用した手段は、請求項５または６のうちの何れか一つの項に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、前記脱窒速度は、廃水の流入量の測定値と、硝化処理水窒素濃度の測定値と、脱窒処理水窒素濃度の測定値とから求めることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の請求項１乃至３に係る生物学的廃水処理装置、本発明の請求項４乃至７に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法では、廃水の流入量の測定値、廃水窒素濃度の測定値、硝化処理水窒素濃度の測定値、脱窒処理水窒素濃度の測定値から求めた硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度測定値、廃水の流入量測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を求め、求めた因果間関係に基づいて、最終沈澱池から放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、硝化槽に廃水を供給する水ポンプの回転数がコントローラによって制御される。
【００２５】
従って、本発明の請求項１乃至３に係る生物学的廃水処理装置、本発明の請求項４乃至７に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法によれば、流入する廃水の性状変動により硝化菌や脱窒菌が悪影響を受けて、これら硝化菌や脱窒菌の生物活性が変動しても、これら硝化菌や脱窒菌の生物活性の変動状況に応じて、生物学的廃水処理装置に供給される廃水の流入量が制御される。そのため、確実に放流水質基準を満した処理水を放流することができるから、湖沼や湾等の閉鎖性水域における富栄養化の防止に対して大いに寄与することができる。
【００２６】
工場廃水では工場の操業状態によりその発生量が相違し、また生活廃水であれば水の使用量によってその発生量が相違するため廃水の発生量をコントロールすることが難しい。
ところが、本発明の請求項２に係る生物学的廃水処理装置では、廃水の発生量が日々変動しても、満タンにならない限り水ポンプの上流側に設けられた廃水貯留槽で受入れることができる。そして、廃水貯留槽が満タンにならないように廃水の流入量を制御して生物学的廃水処理装置に供給することにより廃水を効果的に浄化処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の生物学的廃水処理方法を実施する、本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置を、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置の模式的構成説明図である。
【００２８】
以下、図１を参照しながら、本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置の構成を説明する。本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置１の主要構成は、図９との比較において良く理解されるように、硝化−内生脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置に類似した構成になるものである。より具体的には、窒素成分を含有する廃水が流入する、後述する廃水貯留槽２が設けられている。この廃水貯留槽２に流入する廃水の廃水窒素濃度は廃水窒素濃度計１１で測定されると共に、貯留されている貯留廃水のレベルがレベル計１６により測定されるように構成されている。なお、この形態の場合には、廃水貯留槽２が設けられているが、廃水窒素濃度が測定され、かつ廃水の発生量が一定であれば、この廃水貯留槽２は設けられていなくても良いものである。
【００２９】
前記廃水貯留槽２中の廃水は、水ポンプ３ａが介装されると共に、廃水の流入量を測定する流量計１５が介装された廃水供給ライン３を介して、消化槽４ａと脱窒槽４ｂと再曝気槽４ｃとからなる反応槽４に供給されるように構成されている。より詳しくは、前記廃水貯留槽２中の廃水は、廃水供給ライン３を介して、図示しない曝気装置により曝気され、硝化菌でアンモニア態窒素を酸化態窒素（硝酸態窒素、亜硝酸態窒素）に酸化する消化槽（好気槽）４ａに供給されるように構成されている。次いで、この硝化槽４ａで硝化処理された硝化処理水は、脱窒に必要なメタノール等の有機物が適宜注入され、脱窒菌により酸化態窒素を窒素ガスに還元する脱窒槽（無酸素槽）４ｂに導入されるように構成されている。そして、この脱窒槽４ｂで脱窒処理された脱窒処理水は、この脱窒処理水中に残存する有機物を除去する再曝気槽４ｃに供給されると共に、この再曝気槽４ｃで曝気処理された曝気処理水が最終沈殿池５に供給され、この最終沈殿池５から上澄みが図示しない河川等に放流されるように構成されている。さらに、前記最終沈殿池５の底に溜まった汚泥の一部は汚泥返送ライン５ａを介して硝化槽４ａの上流側に戻されると共に、残りの余剰汚泥は余剰汚泥排出ライン５ｂを介して系外に排出されるように構成されている。
【００３０】
前記硝化槽４ａには，この槽内の硝化処理水の硝化処理水窒素濃度を測定する硝化処理水窒素濃度計１２が設けられると共に、前記脱窒槽４ｂにはこの槽内の脱窒処理水の脱窒処理水窒素濃度を測定する脱窒処理水窒素濃度計１３が設けられている。そして、前記廃水窒素濃度計１１、硝化処理水窒素濃度計１２、脱窒処理水窒素濃度計１３で測定され続けるそれぞれの窒素濃度の測定値、レベル計１６で測定され続ける廃水貯留槽２の貯留廃水のレベル測定値、および流量計１５測定され続ける廃水の硝化槽４ａへの流入量の測定値が演算装置１７に入力されるようになっている。そして、この演算装置１７では、廃水の流入量の測定値と廃水窒素濃度（アンモニア態窒素、硝酸態窒素、亜硝酸態窒素）の測定値と硝化処理水窒素濃度の測定値とから硝化速度が演算され、また廃水の流入量の測定値と硝化処理水窒素濃度の測定値と脱窒処理水窒素濃度の測定値とから脱窒速度が演算されるように構成されている。
【００３１】
前記演算装置１７は、上記のようにして求めた硝化速度および脱窒速度に加えて、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値および必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度（ＭＬＳＳ）、溶存酸素濃度（ＤＯ）、添加したメタノール等の有機物の注入量それぞれの測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と処理水窒素濃度との因果関係を演算により求められるように構成されている。また、前記演算装置１７から演算結果が、最終沈殿池５から放流される処理水窒素濃度が、演算した因果関係を満足するように、前記硝化槽４ａに廃水を供給する水ポンプ３ａの回転数を制御するコントローラ１８に出力される。そして、このコントローラ１８によりインバータ１９を介して水ポンプ３ａの回転数が制御されることにより、硝化槽４ａへの廃水の流入量が制御されるように構成されている。
【００３２】
なお、最終沈澱池５から処理水を放流する放流ライン６に設けられてなるものは処理水窒素濃度計１４であって、これは最終沈殿池５から放流される処理水窒素濃度が演算した因果関係を満足、つまり目標とする放流水質基準を満たしているか、否かを確認する働きをするものである。また、この処理水窒素濃度計１４を、シミュレーションパラメータのキャリブレーションに用いることができる。
【００３３】
上記のとおり、廃水貯留槽２にはレベル計１６が設けられているが、このレベル計１６で測定された貯留廃水のレベル測定値も前記演算装置１７に入力されるように構成されている。即ち、廃水貯留槽２に貯留されている貯留廃水のレベルが低い場合、硝化槽４ａに供給する廃水の流入量を多くする必要がないので、このレベルも演算装置１７に入力して、廃水の流入量の決定の指標にしている。また、この場合、シミュレーションのために、演算装置１７に廃水の温度、汚泥濃度（ＭＬＳＳ）、溶存酸素濃度（ＤＯ）、メタノール等の有機物の注入量が入力されるようになっているが、自動測定して演算装置１７に入力するようにしても良いし、別途測定して入力しても良いし、また設定値として予め入力しておいても良いものである。
【００３４】
前記硝化速度は硝化槽４ａの入口と出口（または入口と槽内）とにおけるそれぞれの硝化処理水窒素濃度の物質収支から演算することにより求めることができ、また硝化槽４ａ内の硝化処理水をサンプリングして、別途硝化速度を測定し、測定により得られた測定値を演算装置１７に入力して求めることができる。また、硝化速度の場合と同様に、前記脱窒速度は脱窒槽４ｂの入口と出口（または入口と槽内）とにおけるそれぞれの脱窒処理水窒素濃度の物質収支から演算することにより求めることができ、また脱窒槽４ｂ内の脱窒処理水をサンプリングして、別途脱窒速度を測定し、測定により得られた測定値を演算装置１７に入力して求めることができる。
【００３５】
なお、生物学的廃水処理装置１に供給する廃水の性状が安定している場合には、供給する廃水の流入量を変化させずに曝気量、有機物の注入量、循環量等の運転条件を最適化するだけで、処理水の水質を、放流水質基準を満たすことができるように生物学的廃水処理装置を運転することができる。しかしながら、廃水の性状変動により硝化菌や脱窒菌が悪影響を受けて生物活性が低下する場合には、通常の運転条件では対応することができないため、本願発明が有効である。即ち、本願発明は、一旦生物活性が低下した場合でも、廃水の流入量を少量にして硝化菌、脱窒菌への悪影響を低減させ、悪影響の低減による生物活性の回復度合いに応じて、廃水の流入量を最適に制御するものである。これにより、確実に放流水質基準を満す処理水を放流することができるため、湖沼や湾等の閉鎖性水域における富栄養化の防止に対して大いに寄与することができる。
【実施例】
【００３６】
以下、図１に示す本発明の生物学的廃水処理装置１を用いて、１０ｍｇ／Ｌ以下の処理水窒素濃度を目標として運転した実施例を、図２，３を参照しながら説明する。図２は運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図、図３は運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。なお、この生物学的廃水処理装置１の仕様、および基本となる運転条件は、下記のとおりである。
廃水貯留槽の容量 ：５０００ｍ3
硝化槽の容量 ： ４００ｍ3
脱窒槽の容量 ： ４００ｍ3
再曝気槽の容量 ： ２００ｍ3
廃水の流入量 ：１２００〜１８００ｍ3
設定水温 ： ３０℃
硝化槽のＤＯ ： ２ｍｇ／Ｌ
汚泥濃度（ＭＬＳＳ）：５０００ｍ3
返送汚泥量 ： ６００ｍ3／ｄ
メタノール添加量 ：窒素量に対して２．５〜３倍
【００３７】
数値モデルに基づくシミュレーションモデルはモデル式による微生物の増殖モデルを基本とし、そしてパラメータは実測値と整合するように適宜キャリブレーションを行った。
硝化速度（ｍｇ・Ｎ／ｇ・ＭＬＳＳ／ｄ）については、硝化槽４ａに流入させる廃水の流入量（Ｑsｍ3／ｄ）、廃水中の酸化態窒素濃度（Ｎsinｍｇ／Ｌ）、硝化槽４ａ内の酸化態窒素濃度（Ｎsoutｍｇ／Ｌ）、硝化槽４ａの容量（Ｖsｍ3）、ＭＬＳＳ（汚泥濃度：Ｍｍｇ／Ｌ）を用いて、下記（１）式から求める。
硝化速度＝（Ｎsout−Ｎsin）×１０００×Ｑs／（Ｍ×Ｖs）‥‥‥（１）
【００３８】
また、脱窒速度（ｍｇ・Ｎ／ｇ・ＭＬＳＳ／ｄ）については、脱窒槽４ｂに流入する硝化処理水の流入量（Ｑdｍ3／ｄ）、硝化槽＊４内の酸化態窒素濃度（Ｎdinｍｇ／Ｌ）、脱窒槽４ｂ内の酸化態窒素濃度（Ｎdoutｍｇ／Ｌ）、脱窒槽４ｂの容量（Ｖdｍ3）、ＭＬＳＳ（汚泥濃度：Ｍｍｇ／Ｌ）を用いて、下記（２）式から求める。
脱窒速度＝（Ｎdout−Ｎdin）×１０００×Ｑd／（Ｍ×Ｖd）‥‥‥（２）
【００３９】
そして、前記各関係式を入力した演算装置１７により硝化速度、脱窒速度を演算して求めると共に、演算して求めた硝化速度、脱窒速度の他に、廃水の流入量、廃水の水質、廃水の温度、溶存酸素（ＤＯ）、汚泥濃度（ＭＬＳＳ）、メタノールの注入量を用いてシミュレーションを行った。そして、その結果に基づいて、コントローラ１８によってインバータ１９を介して水ポンプ３ａの回転数を制御することにより、廃水貯留槽２から硝化槽４ａへ供給する廃水の流入量を制御した。
【００４０】
図２によれば、最終沈殿池５から放流する処理水の水質（処理水窒素濃度）は、目標とする放流水質基準１０ｍｇ／Ｌ以下であり、常に目標水質を満たしていることが分かる。
また、図３によれば、レベル計１６で測定される廃水貯留槽２の貯留廃水のレベルは、空の状態が０％、満タンの状態が１００％であるが、水ポンプ３ａの回転数の制御により変動していることが分かる。また、廃水貯留槽２の貯留廃水のレベルは、上下変動しながらも、漸減傾向であり、この廃水貯留槽２が満タンになるような様子は認められず、廃水の処理能力は低下していない。
【００４１】
次に、本発明に係る生物学的廃水処理方法の優位性を実証するため、硝化槽４ａに供給する廃水の流入量を６５ｍ3／ｈの一定に保持した比較例１と、目標水質を満たすために硝化槽４ａに供給する廃水の流入量を少し減少させて、廃水の流入量を６０ｍ3／ｈで一定に保持した比較例２について、それぞれ図面を参照しながら説明する。図４は比較例１に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図であり、図５は比較例１に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。また、図６は比較例２に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図であり、図７は比較例２に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。
【００４２】
比較例１については、レベル計１６で測定される廃水貯留槽２の貯留廃水のレベルが低下傾向にあって廃水の処理能力は低下していないが、処理水窒素濃度が目標水質を満たさない場合があることが分かる。また、比較例２については、本発明に係る生物学的廃水処理方法の場合と同様に、目標とする放流水質基準１０ｍｇ／Ｌ以下であり、常に目標水質を満たしている。しかしながら、廃水貯留槽２の貯留廃水のレベルが低い状態から運転を開始したにも拘らず、レベルが次第に上昇し、３０日後には満タンに近いレベルになっている。このことは、以降の運転継続が困難であることを意味し、無理に運転を継続するとすれば比較例１のように運転する必要があるから、処理水窒素濃度が目標水質を満たさない場合が生じることとなる。
【００４３】
ところで、以上の形態においては、生物学的廃水処理装置の反応槽４が、上流側から下流側に向かって順に、消化槽、脱窒槽、および再曝気槽から構成されてなる場合の例を説明した。しかしながら、この形態に限らず、例えば反応槽４が、上流側から下流側に向かって順に、脱窒槽、消化槽、および再曝気槽から構成されていても、また再曝気槽が設けられていなくても同等の効果を得ることができる。従って、上記形態に係る生物学的廃水処理装置によって、本発明の技術的思想の適用範囲が限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置の模式的構成説明図である。
【図２】本発明の実施例に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図である。
【図３】本発明の実施例に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。
【図４】比較例１に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図である。
【図５】比較例１に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。
【図６】比較例２に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図である。
【図７】比較例２に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。
【図８】従来例に係り、循環式硝化脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置の模式的構成説明図である。
【図９】従来例に係り、硝化−内生脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置の模式的構成説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…生物学的廃水処理装置，２…廃水貯留槽，３…廃水供給ライン，３ａ…水ポンプ，４…反応槽，４ａ…硝化槽，４ｂ…脱窒槽，４ｃ…再曝気槽，５…最終沈殿池，５ａ…汚泥返送ライン，５ｂ…余剰汚泥排出ライ，６…放流ライン
１１…廃水窒素濃度計，１２…硝化処理水窒素濃度計，１３…脱窒処理水窒素濃度，１４…処理水窒素濃度計，１５…流量計，１６…レベル計，１７…演算装置，１８…コントローラ，１９…インバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的廃水処理装置およびその運転制御方法に係り、より詳しくは、たとえ窒素成分を含有する廃水の性状が変動しても、放流する処理水の水質基準が放流水質基準を確実に満足し得るように運転することを可能ならしめる生物学的廃水処理装置およびその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のとおり、廃水に含まれている窒素成分は、湖沼や湾等の閉鎖性水域における富栄養化の原因となるから環境保全にとって好ましくない。そのため、例えば、生物学的廃水処理により廃水中の窒素成分を除去した上で放流することにより、環境汚染を抑制するようにしている。生物学的処理による廃水からの窒素成分の除去原理は、廃水中のアンモニア態窒素を硝化槽（好気槽）で酸化させて酸化態窒素（硝酸態窒素、亜硝酸態窒素）にし、次いでこの酸化態窒素を脱窒槽（無酸素槽）で還元して窒素ガスにして大気中に放散させるというものである。アンモニア態窒素の酸化には酸素が必要であるため、硝化槽では曝気が行われ、また脱窒には有機物が必要であるため、廃水中の有機物を利用するか、または必要に応じて脱窒槽にメタノール等の有機物を注入するようにしている。
【０００３】
従来例に係る代表的な生物学的廃水処理方法としては、循環式硝化脱窒方法、および硝化−内生脱窒方法が知られている。このような脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置は、何れも硝化槽における硝化反応と、脱窒槽における脱窒反応とを組み合わせて窒素成分を除去する構成になっている。
【０００４】
因に、循環式硝化脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置は、その模式的構成説明図の図８に示すように構成されている。即ち、この生物学的廃水処理装置５０は、窒素成分を含有する処理すべき廃水が流入する最初沈殿池５１と、この最初沈殿池５１で沈殿処理された廃水が流入する脱窒槽５２と、この脱窒槽５２で脱窒処理された脱窒処理水が流入する硝化槽５３と、この硝化槽５３で硝化処理された硝化処理水が流入する最終沈殿池５４とを備えている。さらに、前記硝化槽５３から脱窒槽５２に硝化液を戻す硝化液循環ライン５３ａと、前記最終沈殿池５４の底に溜まった汚泥を脱窒槽５２上流側（最初沈殿池と脱窒槽の間）に戻す汚泥循環ライン５４ａおよび余剰汚泥を排出する余剰汚泥排出ライン５４ｂを備えている。
【０００５】
また、硝化−内生脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置は、その模式的構成説明図の図９に示すように構成されている。即ち、この生物学的廃水処理装置６０は、窒素成分を含有する処理すべき廃水が流入する硝化槽６１と、この硝化槽６１で硝化処理された硝化処理水が流入すると共に、メタノール等の有機物が添加される脱窒槽６２と、この脱窒槽６２で脱窒処理された脱窒処理水が流入する再曝気槽６３と、この再曝気槽６３で曝気処理された曝気処理水が流入する最終沈殿池６４とを備えている。さらに、前記最終沈殿池６４の底に溜まった汚泥を硝化槽６１の上流側に戻す汚泥返送ライン６４ａおよび余剰汚泥を排出する余剰汚泥排出ライン６４ｂを備えている。
【０００６】
これら生物学的廃水処理装置５０，６０では、設計指針が示されているものの、その運転に関しては勘と経験によるところが大きく、最適な条件で運転できているとはいい難い状況にあった。しかしながら、近年、廃水の生物学的処理に関する数学モデルが確立されつつあり、この数学モデルを利用したシミュレーション技術の進歩により、生物学的廃水処理装置の運転条件を最適化することができるようになってきている。このような生物学的廃水処理装置としては、例えば、下記のようなものが知られている。
【０００７】
第１の生物学的廃水処理装置は、硝化脱窒を行うもので、廃水である原水の流入量と溶存酸素濃度（ＤＯ）、硝化槽の呼吸速度と溶存酸素濃度（ＤＯ）が制御部に入力され、その制御値に応じて硝化液の循環量を最適値に制御されるようになっている。つまり、この第１の生物学的廃水処理装置は、各入力値から硝化液の循環量を最適値に制御するようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
第２の生物学的廃水処理装置は、硝化脱窒を行うもので、廃水である原水の流量と溶存酸素濃度（ＤＯ）、硝化槽内における硝化処理水の溶存酸素濃度（ＤＯ）、硝化槽の酸素消費量から推定した硝化速度とが制御部に入力され、溶存酸素濃度（ＤＯ）制御、固形物滞留時間（ＳＲＴ）制御が実施され、各制御値に応じて硝化液の循環量を最適値に制御するようになっている。つまり、各入力値から溶存酸素濃度（ＤＯ）と固形物滞留時間（ＳＲＴ）を制御しながら、硝化液の循環量を最適値に制御するようにしたものである（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
第３の生物学的廃水処理装置は、生物反応槽の大きさ、生物反応槽の分割数、循環量、酸素量等を算出するようにしたものである（例えば、特許文献３参照。）。
【００１０】
第４の生物学的廃水処理装置は、酸化態窒素（硝酸態窒素、亜硝酸態窒素）の脱窒に有機物が必要であるため、酸化態窒素濃度を測定する。そして、この酸化態窒素濃度の測定値から有機物の必要量を演算により算出し、有機物の量が算出値になるように有機物の注入量を制御するようにしたものである（例えば、特許文献４参照。）。
【００１１】
第５の生物学的廃水処理装置は、廃水である原水が流入する最初沈殿池の窒素濃度と化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を測定し、これら２つの測定値を基にシミュレーションを行い、有機物の注入量を制御する。つまり、有機物の注入量を最適に制御するようにしたものである（例えば、特許文献５参照。）。
【００１２】
第６の生物学的廃水処理装置は廃水である流入水の窒素濃度、ｐＨ、溶存酸素濃度（ＤＯ）、および酸化還元電位（ＯＲＰ）を測定して、次週期における各測定値を予測し、それらの予測結果に基づいて曝気量を最適に制御するようにしたものである（例えば、特許文献６参照。）。
【特許文献１】特開平８−１１７７９２号公報
【特許文献２】特開平８−１１７７９３号公報
【特許文献３】特開２００１−１３７８８１号公報
【特許文献４】特開２００１−１７０６８５号公報
【特許文献５】特開２００１−３１４８９２号公報
【特許文献６】特開２００３−８８８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１乃至６に記載されている従来例に係る生物学的廃水処理装置は、何れも限られた範囲内における運転制御には有効である。しかしながら、上記従来例に係る生物学的廃水処理装置の場合には、流入する廃水の性状が大きく変動し、生物学的廃水処理装置の処理性能を変化させる必要が生じるような場合、つまり流入する廃水の性状が大きく変動するような場合に対処することができなくなる。そのため、処理水の水質が放流水質基準値を満たすことができなくなるという問題があった。物理・化学的処理方法を利用した廃水処理装置の場合には、廃水の処理性能が安定しているため、装置の運転制御は極めて容易である。しかしながら、生物学的廃水処理装置の場合には、硝化菌や脱窒菌等の微生物の生物活性（処理性能）が環境変化に左右されるからである。特に、生物学的廃水処理装置に流入する廃水中に微生物の活性を阻害するような物質が含まれている場合は、生物学的廃水処理装置の安定運転が難しい。
【００１４】
勿論、シミュレーション技術を活用すれば、状況に応じて硝化槽から脱窒槽に循環させる硝化液の循環量、硝化槽への曝気量、脱窒槽への有機物の添加量等を制御することにより、その状況における生物学的廃水処理装置の最適な運転制御が可能である。しかしながら、例えば、微生物に対して悪影響がある物質が流入した場合等は、微生物の活性が低下して本来の処理性能が発揮されず、硝化液の循環量、曝気量、有機物の添加量等を制御しても、処理水の水質が放流水質基準を満たすことができなくなることがある。特に、生物学的廃水処理は、硝化菌と脱窒菌の両方が効果的に働いた場合に窒素を効率良く除去できるものであるため、どちらか一方の菌の活性が低下すれば廃水を効果的に処理することができなくなるという問題がある。
【００１５】
従って、本発明の目的は、窒素成分を含有する処理すべき廃水の性状が変動して、生物学的廃水処理装置の廃水処理性能が変化する場合においても、放流水質基準を満たし得る水質の処理水を得ることができる生物学的廃水処理装置およびその運転制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明者らは、流入する廃水の排水窒素濃度、硝化槽における硝化処理水の硝化速度、脱窒槽における脱窒処理水の脱窒速度の値を用いて数値モデルに基づくシミュレーションを行い、廃水の流入量と処理水窒素濃度との因果関係を予測し、この因果関係に基づいて処理水の窒素濃度に係る水質基準が放流水質基準を満たすように、生物学的廃水処理装置への廃水の流入量を制御してやれば、放流水質基準を満たし得る水質の処理水を得ることができると考えて、本発明をなしたものである。
【００１７】
従って、上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る生物学的廃水処理装置が採用した手段は、窒素成分を含有する廃水を浄化処理する反応槽が設けられると共に、この反応槽の硝化槽と脱窒槽で処理された処理水が流入する最終沈殿池が設けられてなる生物学的廃水処理装置において、前記反応槽に流入する廃水の廃水窒素濃度を測定する廃水窒素濃度計と、廃水の流入量を測定する流量計と、前記硝化槽内の硝化処理水の窒素濃度を測定する硝化処理水窒素濃度計と、前記脱窒槽内の脱窒処理水の窒素濃度を検出する脱窒処理水窒素濃度計と、前記流量計、廃水窒素濃度計、硝化処理水窒素濃度計、脱窒処理水窒素濃度計のそれぞれから入力される測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めたこれら硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と前記最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を演算する演算装置と、前記因果間関係に基づいて、放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、前記反応槽に廃水を供給する水ポンプの回転数を制御するコントローラとからなることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の請求項２に係る生物学的廃水処理装置が採用した手段は、請求項１に記載の生物学的廃水処理装置において、前記水ポンプの上流側に、前記反応槽に流入させる廃水を貯留すると共に、貯留した廃水の廃水窒素濃度が前記廃水窒素濃度計により測定される廃水貯留槽を設け、この廃水貯留槽に、貯留された廃水のレベルを測定し、測定したレベル値を前記演算装置に出力するレベル計を設けたことを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の請求項３に係る生物学的廃水処理装置が採用した手段は、請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の生物学的廃水処理装置において、前記演算装置に、必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度、溶存酸素濃度、有機物量が入力されるように構成されてなることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の請求項４に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法が採用した手段は、窒素成分を含有する廃水を浄化処理する反応槽が設けられると共に、この反応槽の硝化槽と脱窒槽で処理された処理水が流入する最終沈殿池が設けられてなる生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、前記反応槽に流入する廃水の廃水窒素濃度および廃水の流入量を測定し、前記硝化槽内の硝化処理水の硝化処理水窒素濃度を測定し、前記脱窒槽内の脱窒処理水の脱窒処理水窒素濃度を測定し、測定したこれら廃水の流入量の測定値、廃水窒素濃度の測定値、硝化処理水窒素濃度の測定値、脱窒処理水窒素濃度の測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めたこれら硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と前記最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を求め、この因果関係に基づいて、前記最終沈殿池から放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、前記反応槽に廃水を供給する水ポンプの回転数を制御することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の請求項５に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法が採用した手段は、請求項４に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、前記廃水の流入量と処理水窒素濃度との因果関係を求めるに際して、必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度、溶存酸素濃度、有機物量それぞれの測定値を用いることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の請求項６に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法が採用した手段は、請求項５に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、前記硝化速度は、廃水の流入量の測定値と、廃水窒素濃度の測定値と、硝化処理水窒素濃度の測定値とから求めることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の請求項７に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法が採用した手段は、請求項５または６のうちの何れか一つの項に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、前記脱窒速度は、廃水の流入量の測定値と、硝化処理水窒素濃度の測定値と、脱窒処理水窒素濃度の測定値とから求めることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の請求項１乃至３に係る生物学的廃水処理装置、本発明の請求項４乃至７に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法では、廃水の流入量の測定値、廃水窒素濃度の測定値、硝化処理水窒素濃度の測定値、脱窒処理水窒素濃度の測定値から求めた硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度測定値、廃水の流入量測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を求め、求めた因果間関係に基づいて、最終沈澱池から放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、硝化槽に廃水を供給する水ポンプの回転数がコントローラによって制御される。
【００２５】
従って、本発明の請求項１乃至３に係る生物学的廃水処理装置、本発明の請求項４乃至７に係る生物学的廃水処理装置の運転制御方法によれば、流入する廃水の性状変動により硝化菌や脱窒菌が悪影響を受けて、これら硝化菌や脱窒菌の生物活性が変動しても、これら硝化菌や脱窒菌の生物活性の変動状況に応じて、生物学的廃水処理装置に供給される廃水の流入量が制御される。そのため、確実に放流水質基準を満した処理水を放流することができるから、湖沼や湾等の閉鎖性水域における富栄養化の防止に対して大いに寄与することができる。
【００２６】
工場廃水では工場の操業状態によりその発生量が相違し、また生活廃水であれば水の使用量によってその発生量が相違するため廃水の発生量をコントロールすることが難しい。
ところが、本発明の請求項２に係る生物学的廃水処理装置では、廃水の発生量が日々変動しても、満タンにならない限り水ポンプの上流側に設けられた廃水貯留槽で受入れることができる。そして、廃水貯留槽が満タンにならないように廃水の流入量を制御して生物学的廃水処理装置に供給することにより廃水を効果的に浄化処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の生物学的廃水処理方法を実施する、本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置を、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置の模式的構成説明図である。
【００２８】
以下、図１を参照しながら、本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置の構成を説明する。本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置１の主要構成は、図９との比較において良く理解されるように、硝化−内生脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置に類似した構成になるものである。より具体的には、窒素成分を含有する廃水が流入する、後述する廃水貯留槽２が設けられている。この廃水貯留槽２に流入する廃水の廃水窒素濃度は廃水窒素濃度計１１で測定されると共に、貯留されている貯留廃水のレベルがレベル計１６により測定されるように構成されている。なお、この形態の場合には、廃水貯留槽２が設けられているが、廃水窒素濃度が測定され、かつ廃水の発生量が一定であれば、この廃水貯留槽２は設けられていなくても良いものである。
【００２９】
前記廃水貯留槽２中の廃水は、水ポンプ３ａが介装されると共に、廃水の流入量を測定する流量計１５が介装された廃水供給ライン３を介して、消化槽４ａと脱窒槽４ｂと再曝気槽４ｃとからなる反応槽４に供給されるように構成されている。より詳しくは、前記廃水貯留槽２中の廃水は、廃水供給ライン３を介して、図示しない曝気装置により曝気され、硝化菌でアンモニア態窒素を酸化態窒素（硝酸態窒素、亜硝酸態窒素）に酸化する消化槽（好気槽）４ａに供給されるように構成されている。次いで、この硝化槽４ａで硝化処理された硝化処理水は、脱窒に必要なメタノール等の有機物が適宜注入され、脱窒菌により酸化態窒素を窒素ガスに還元する脱窒槽（無酸素槽）４ｂに導入されるように構成されている。そして、この脱窒槽４ｂで脱窒処理された脱窒処理水は、この脱窒処理水中に残存する有機物を除去する再曝気槽４ｃに供給されると共に、この再曝気槽４ｃで曝気処理された曝気処理水が最終沈殿池５に供給され、この最終沈殿池５から上澄みが図示しない河川等に放流されるように構成されている。さらに、前記最終沈殿池５の底に溜まった汚泥の一部は汚泥返送ライン５ａを介して硝化槽４ａの上流側に戻されると共に、残りの余剰汚泥は余剰汚泥排出ライン５ｂを介して系外に排出されるように構成されている。
【００３０】
前記硝化槽４ａには，この槽内の硝化処理水の硝化処理水窒素濃度を測定する硝化処理水窒素濃度計１２が設けられると共に、前記脱窒槽４ｂにはこの槽内の脱窒処理水の脱窒処理水窒素濃度を測定する脱窒処理水窒素濃度計１３が設けられている。そして、前記廃水窒素濃度計１１、硝化処理水窒素濃度計１２、脱窒処理水窒素濃度計１３で測定され続けるそれぞれの窒素濃度の測定値、レベル計１６で測定され続ける廃水貯留槽２の貯留廃水のレベル測定値、および流量計１５測定され続ける廃水の硝化槽４ａへの流入量の測定値が演算装置１７に入力されるようになっている。そして、この演算装置１７では、廃水の流入量の測定値と廃水窒素濃度（アンモニア態窒素、硝酸態窒素、亜硝酸態窒素）の測定値と硝化処理水窒素濃度の測定値とから硝化速度が演算され、また廃水の流入量の測定値と硝化処理水窒素濃度の測定値と脱窒処理水窒素濃度の測定値とから脱窒速度が演算されるように構成されている。
【００３１】
前記演算装置１７は、上記のようにして求めた硝化速度および脱窒速度に加えて、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値および必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度（ＭＬＳＳ）、溶存酸素濃度（ＤＯ）、添加したメタノール等の有機物の注入量それぞれの測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と処理水窒素濃度との因果関係を演算により求められるように構成されている。また、前記演算装置１７から演算結果が、最終沈殿池５から放流される処理水窒素濃度が、演算した因果関係を満足するように、前記硝化槽４ａに廃水を供給する水ポンプ３ａの回転数を制御するコントローラ１８に出力される。そして、このコントローラ１８によりインバータ１９を介して水ポンプ３ａの回転数が制御されることにより、硝化槽４ａへの廃水の流入量が制御されるように構成されている。
【００３２】
なお、最終沈澱池５から処理水を放流する放流ライン６に設けられてなるものは処理水窒素濃度計１４であって、これは最終沈殿池５から放流される処理水窒素濃度が演算した因果関係を満足、つまり目標とする放流水質基準を満たしているか、否かを確認する働きをするものである。また、この処理水窒素濃度計１４を、シミュレーションパラメータのキャリブレーションに用いることができる。
【００３３】
上記のとおり、廃水貯留槽２にはレベル計１６が設けられているが、このレベル計１６で測定された貯留廃水のレベル測定値も前記演算装置１７に入力されるように構成されている。即ち、廃水貯留槽２に貯留されている貯留廃水のレベルが低い場合、硝化槽４ａに供給する廃水の流入量を多くする必要がないので、このレベルも演算装置１７に入力して、廃水の流入量の決定の指標にしている。また、この場合、シミュレーションのために、演算装置１７に廃水の温度、汚泥濃度（ＭＬＳＳ）、溶存酸素濃度（ＤＯ）、メタノール等の有機物の注入量が入力されるようになっているが、自動測定して演算装置１７に入力するようにしても良いし、別途測定して入力しても良いし、また設定値として予め入力しておいても良いものである。
【００３４】
前記硝化速度は硝化槽４ａの入口と出口（または入口と槽内）とにおけるそれぞれの硝化処理水窒素濃度の物質収支から演算することにより求めることができ、また硝化槽４ａ内の硝化処理水をサンプリングして、別途硝化速度を測定し、測定により得られた測定値を演算装置１７に入力して求めることができる。また、硝化速度の場合と同様に、前記脱窒速度は脱窒槽４ｂの入口と出口（または入口と槽内）とにおけるそれぞれの脱窒処理水窒素濃度の物質収支から演算することにより求めることができ、また脱窒槽４ｂ内の脱窒処理水をサンプリングして、別途脱窒速度を測定し、測定により得られた測定値を演算装置１７に入力して求めることができる。
【００３５】
なお、生物学的廃水処理装置１に供給する廃水の性状が安定している場合には、供給する廃水の流入量を変化させずに曝気量、有機物の注入量、循環量等の運転条件を最適化するだけで、処理水の水質を、放流水質基準を満たすことができるように生物学的廃水処理装置を運転することができる。しかしながら、廃水の性状変動により硝化菌や脱窒菌が悪影響を受けて生物活性が低下する場合には、通常の運転条件では対応することができないため、本願発明が有効である。即ち、本願発明は、一旦生物活性が低下した場合でも、廃水の流入量を少量にして硝化菌、脱窒菌への悪影響を低減させ、悪影響の低減による生物活性の回復度合いに応じて、廃水の流入量を最適に制御するものである。これにより、確実に放流水質基準を満す処理水を放流することができるため、湖沼や湾等の閉鎖性水域における富栄養化の防止に対して大いに寄与することができる。
【実施例】
【００３６】
以下、図１に示す本発明の生物学的廃水処理装置１を用いて、１０ｍｇ／Ｌ以下の処理水窒素濃度を目標として運転した実施例を、図２，３を参照しながら説明する。図２は運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図、図３は運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。なお、この生物学的廃水処理装置１の仕様、および基本となる運転条件は、下記のとおりである。
廃水貯留槽の容量 ：５０００ｍ3
硝化槽の容量 ： ４００ｍ3
脱窒槽の容量 ： ４００ｍ3
再曝気槽の容量 ： ２００ｍ3
廃水の流入量 ：１２００〜１８００ｍ3
設定水温 ： ３０℃
硝化槽のＤＯ ： ２ｍｇ／Ｌ
汚泥濃度（ＭＬＳＳ）：５０００ｍ3
返送汚泥量 ： ６００ｍ3／ｄ
メタノール添加量 ：窒素量に対して２．５〜３倍
【００３７】
数値モデルに基づくシミュレーションモデルはモデル式による微生物の増殖モデルを基本とし、そしてパラメータは実測値と整合するように適宜キャリブレーションを行った。
硝化速度（ｍｇ・Ｎ／ｇ・ＭＬＳＳ／ｄ）については、硝化槽４ａに流入させる廃水の流入量（Ｑsｍ3／ｄ）、廃水中の酸化態窒素濃度（Ｎsinｍｇ／Ｌ）、硝化槽４ａ内の酸化態窒素濃度（Ｎsoutｍｇ／Ｌ）、硝化槽４ａの容量（Ｖsｍ3）、ＭＬＳＳ（汚泥濃度：Ｍｍｇ／Ｌ）を用いて、下記（１）式から求める。
硝化速度＝（Ｎsout−Ｎsin）×１０００×Ｑs／（Ｍ×Ｖs）‥‥‥（１）
【００３８】
また、脱窒速度（ｍｇ・Ｎ／ｇ・ＭＬＳＳ／ｄ）については、脱窒槽４ｂに流入する硝化処理水の流入量（Ｑdｍ3／ｄ）、硝化槽＊４内の酸化態窒素濃度（Ｎdinｍｇ／Ｌ）、脱窒槽４ｂ内の酸化態窒素濃度（Ｎdoutｍｇ／Ｌ）、脱窒槽４ｂの容量（Ｖdｍ3）、ＭＬＳＳ（汚泥濃度：Ｍｍｇ／Ｌ）を用いて、下記（２）式から求める。
脱窒速度＝（Ｎdout−Ｎdin）×１０００×Ｑd／（Ｍ×Ｖd）‥‥‥（２）
【００３９】
そして、前記各関係式を入力した演算装置１７により硝化速度、脱窒速度を演算して求めると共に、演算して求めた硝化速度、脱窒速度の他に、廃水の流入量、廃水の水質、廃水の温度、溶存酸素（ＤＯ）、汚泥濃度（ＭＬＳＳ）、メタノールの注入量を用いてシミュレーションを行った。そして、その結果に基づいて、コントローラ１８によってインバータ１９を介して水ポンプ３ａの回転数を制御することにより、廃水貯留槽２から硝化槽４ａへ供給する廃水の流入量を制御した。
【００４０】
図２によれば、最終沈殿池５から放流する処理水の水質（処理水窒素濃度）は、目標とする放流水質基準１０ｍｇ／Ｌ以下であり、常に目標水質を満たしていることが分かる。
また、図３によれば、レベル計１６で測定される廃水貯留槽２の貯留廃水のレベルは、空の状態が０％、満タンの状態が１００％であるが、水ポンプ３ａの回転数の制御により変動していることが分かる。また、廃水貯留槽２の貯留廃水のレベルは、上下変動しながらも、漸減傾向であり、この廃水貯留槽２が満タンになるような様子は認められず、廃水の処理能力は低下していない。
【００４１】
次に、本発明に係る生物学的廃水処理方法の優位性を実証するため、硝化槽４ａに供給する廃水の流入量を６５ｍ3／ｈの一定に保持した比較例１と、目標水質を満たすために硝化槽４ａに供給する廃水の流入量を少し減少させて、廃水の流入量を６０ｍ3／ｈで一定に保持した比較例２について、それぞれ図面を参照しながら説明する。図４は比較例１に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図であり、図５は比較例１に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。また、図６は比較例２に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図であり、図７は比較例２に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。
【００４２】
比較例１については、レベル計１６で測定される廃水貯留槽２の貯留廃水のレベルが低下傾向にあって廃水の処理能力は低下していないが、処理水窒素濃度が目標水質を満たさない場合があることが分かる。また、比較例２については、本発明に係る生物学的廃水処理方法の場合と同様に、目標とする放流水質基準１０ｍｇ／Ｌ以下であり、常に目標水質を満たしている。しかしながら、廃水貯留槽２の貯留廃水のレベルが低い状態から運転を開始したにも拘らず、レベルが次第に上昇し、３０日後には満タンに近いレベルになっている。このことは、以降の運転継続が困難であることを意味し、無理に運転を継続するとすれば比較例１のように運転する必要があるから、処理水窒素濃度が目標水質を満たさない場合が生じることとなる。
【００４３】
ところで、以上の形態においては、生物学的廃水処理装置の反応槽４が、上流側から下流側に向かって順に、消化槽、脱窒槽、および再曝気槽から構成されてなる場合の例を説明した。しかしながら、この形態に限らず、例えば反応槽４が、上流側から下流側に向かって順に、脱窒槽、消化槽、および再曝気槽から構成されていても、また再曝気槽が設けられていなくても同等の効果を得ることができる。従って、上記形態に係る生物学的廃水処理装置によって、本発明の技術的思想の適用範囲が限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の形態に係る生物学的廃水処理装置の模式的構成説明図である。
【図２】本発明の実施例に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図である。
【図３】本発明の実施例に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。
【図４】比較例１に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図である。
【図５】比較例１に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。
【図６】比較例２に係り、運転日数に対する廃水と処理水の窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）の変化説明図である。
【図７】比較例２に係り、運転日数に対する廃水の流入量（ｍ3／ｈ）と廃水貯留槽の貯留廃水のレベル（％）の変化説明図である。
【図８】従来例に係り、循環式硝化脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置の模式的構成説明図である。
【図９】従来例に係り、硝化−内生脱窒方法を実施する生物学的廃水処理装置の模式的構成説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…生物学的廃水処理装置，２…廃水貯留槽，３…廃水供給ライン，３ａ…水ポンプ，４…反応槽，４ａ…硝化槽，４ｂ…脱窒槽，４ｃ…再曝気槽，５…最終沈殿池，５ａ…汚泥返送ライン，５ｂ…余剰汚泥排出ライ，６…放流ライン
１１…廃水窒素濃度計，１２…硝化処理水窒素濃度計，１３…脱窒処理水窒素濃度，１４…処理水窒素濃度計，１５…流量計，１６…レベル計，１７…演算装置，１８…コントローラ，１９…インバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素成分を含有する廃水を浄化処理する反応槽が設けられると共に、この反応槽の硝化槽と脱窒槽で処理された処理水が流入する最終沈殿池が設けられてなる生物学的廃水処理装置において、
前記反応槽に流入する廃水の廃水窒素濃度を測定する廃水窒素濃度計と、廃水の流入量を測定する流量計と、前記硝化槽内の硝化処理水の窒素濃度を測定する硝化処理水窒素濃度計と、前記脱窒槽内の脱窒処理水の窒素濃度を検出する脱窒処理水窒素濃度計と、前記流量計、廃水窒素濃度計、硝化処理水窒素濃度計、脱窒処理水窒素濃度計のそれぞれから入力される測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めたこれら硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と前記最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を演算する演算装置と、前記因果間関係に基づいて、放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、前記反応槽に廃水を供給する水ポンプの回転数を制御するコントローラとからなることを特徴とする生物学的廃水処理装置。
【請求項２】
前記水ポンプの上流側に、前記反応槽に流入させる廃水を貯留すると共に、貯留した廃水の廃水窒素濃度が前記廃水窒素濃度計により測定される廃水貯留槽を設け、この廃水貯留槽に、貯留された廃水のレベルを測定し、測定したレベル値を前記演算装置に出力するレベル計を設けたことを特徴とする請求項１に記載の生物学的廃水処理装置。
【請求項３】
前記演算装置に、必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度、溶存酸素濃度、有機物量が入力されるように構成されてなることを特徴とする請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の生物学的廃水処理装置。
【請求項４】
窒素成分を含有する廃水を浄化処理する反応槽が設けられると共に、この反応槽の硝化槽と脱窒槽で処理された処理水が流入する最終沈殿池が設けられてなる生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、
前記反応槽に流入する廃水の廃水窒素濃度および廃水の流入量を測定し、前記硝化槽内の硝化処理水の硝化処理水窒素濃度を測定し、前記脱窒槽内の脱窒処理水の脱窒処理水窒素濃度を測定し、測定したこれら廃水の流入量の測定値、廃水窒素濃度の測定値、硝化処理水窒素濃度の測定値、脱窒処理水窒素濃度の測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めたこれら硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と前記最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を求め、この因果関係に基づいて、前記最終沈殿池から放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、前記反応槽に廃水を供給する水ポンプの回転数を制御することを特徴とする生物学的廃水処理装置の運転制御方法。
【請求項５】
前記廃水の流入量と処理水窒素濃度との因果関係を求めるに際して、必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度、溶存酸素濃度、有機物量それぞれの測定値を用いることを特徴とする請求項４に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法。
【請求項６】
前記硝化速度は、廃水の流入量の測定値と、廃水窒素濃度の測定値と、硝化処理水窒素濃度の測定値とから求めることを特徴とする請求項５に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法。
【請求項７】
前記脱窒速度は、廃水の流入量の測定値と、硝化処理水窒素濃度の測定値と、脱窒処理水窒素濃度の測定値とから求めることを特徴とする請求項５または６のうちの何れか一つの項に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法。
【請求項１】
窒素成分を含有する廃水を浄化処理する反応槽が設けられると共に、この反応槽の硝化槽と脱窒槽で処理された処理水が流入する最終沈殿池が設けられてなる生物学的廃水処理装置において、
前記反応槽に流入する廃水の廃水窒素濃度を測定する廃水窒素濃度計と、廃水の流入量を測定する流量計と、前記硝化槽内の硝化処理水の窒素濃度を測定する硝化処理水窒素濃度計と、前記脱窒槽内の脱窒処理水の窒素濃度を検出する脱窒処理水窒素濃度計と、前記流量計、廃水窒素濃度計、硝化処理水窒素濃度計、脱窒処理水窒素濃度計のそれぞれから入力される測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めたこれら硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と前記最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を演算する演算装置と、前記因果間関係に基づいて、放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、前記反応槽に廃水を供給する水ポンプの回転数を制御するコントローラとからなることを特徴とする生物学的廃水処理装置。
【請求項２】
前記水ポンプの上流側に、前記反応槽に流入させる廃水を貯留すると共に、貯留した廃水の廃水窒素濃度が前記廃水窒素濃度計により測定される廃水貯留槽を設け、この廃水貯留槽に、貯留された廃水のレベルを測定し、測定したレベル値を前記演算装置に出力するレベル計を設けたことを特徴とする請求項１に記載の生物学的廃水処理装置。
【請求項３】
前記演算装置に、必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度、溶存酸素濃度、有機物量が入力されるように構成されてなることを特徴とする請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の生物学的廃水処理装置。
【請求項４】
窒素成分を含有する廃水を浄化処理する反応槽が設けられると共に、この反応槽の硝化槽と脱窒槽で処理された処理水が流入する最終沈殿池が設けられてなる生物学的廃水処理装置の運転制御方法において、
前記反応槽に流入する廃水の廃水窒素濃度および廃水の流入量を測定し、前記硝化槽内の硝化処理水の硝化処理水窒素濃度を測定し、前記脱窒槽内の脱窒処理水の脱窒処理水窒素濃度を測定し、測定したこれら廃水の流入量の測定値、廃水窒素濃度の測定値、硝化処理水窒素濃度の測定値、脱窒処理水窒素濃度の測定値から硝化速度および脱窒速度を求め、求めたこれら硝化速度および脱窒速度の他、廃水窒素濃度の測定値、廃水の流入量の測定値から数値モデルに基づくシミュレーションを行って、廃水の流入量と前記最終沈澱池から放流される処理水の処理水窒素濃度との因果関係を求め、この因果関係に基づいて、前記最終沈殿池から放流される処理水の水質基準が放流水質基準を満すように、前記反応槽に廃水を供給する水ポンプの回転数を制御することを特徴とする生物学的廃水処理装置の運転制御方法。
【請求項５】
前記廃水の流入量と処理水窒素濃度との因果関係を求めるに際して、必要に応じて廃水の温度、汚泥濃度、溶存酸素濃度、有機物量それぞれの測定値を用いることを特徴とする請求項４に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法。
【請求項６】
前記硝化速度は、廃水の流入量の測定値と、廃水窒素濃度の測定値と、硝化処理水窒素濃度の測定値とから求めることを特徴とする請求項５に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法。
【請求項７】
前記脱窒速度は、廃水の流入量の測定値と、硝化処理水窒素濃度の測定値と、脱窒処理水窒素濃度の測定値とから求めることを特徴とする請求項５または６のうちの何れか一つの項に記載の生物学的廃水処理装置の運転制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１４２１６６（Ｐ２００６−１４２１６６Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３３６００（Ｐ２００４−３３３６００）
【出願日】平成１６年１１月１７日（２００４．１１．１７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１７日（２００４．１１．１７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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