(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化方法において、
前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を０．３〜１．５ｍｇ／Ｌの設定範囲に設定すると共に、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度及び前記微生物固定化担体の硝化速度を測定し、
前記設定範囲内の場合には、前記曝気手段の曝気量を制御して前記硝化速度が最大になるように前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整し、
前記設定範囲を下回った場合には、前記曝気手段の曝気量を減少して前記硝化速度を小さくすることで前記設定範囲に戻し、
前記設定範囲を上回った場合には、前記曝気手段の曝気量を増加して前記硝化速度を大きくすることで、前記設定範囲に戻すことを特徴とする廃水の硝化方法。
【請求項２】
硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化装置において、
前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と前記微生物固定化担体の硝化速度を測定する活性検出装置と、
前記活性検出装置で測定したアンモニア性窒素濃度と前記微生物固定化担体の硝化速度に基づいて前記曝気手段の曝気量を、アンモニア性窒素濃度が所定値以上の場合には増加して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することにより前記硝化速度が最大になるようにし、アンモニア性窒素濃度が前記所定値を下回った場合には減少して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することによりアンモニア性窒素濃度を前記所定値以上に戻すように制御する制御手段と、を備え、
前記活性検出装置は、
前記硝化槽内の廃水と前記微生物固定化担体とが供給される測定槽と、該測定槽内にエアを曝気する測定用曝気手段と、前記測定槽内の溶存酸素濃度を測定するＤＯ測定手段とを備え、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体の硝化速度を測定する活性検出装置であって、
前記硝化槽内を、前記微生物固定化担体を含む反応部と、前記微生物固定化担体を含まない分離部とに前記廃水が往来可能に区画する区画手段と、
前記反応部から前記測定槽に前記微生物固定化担体を含む廃水を送給する第１の送給手段と、
前記分離部から前記測定槽に前記微生物固定化担体を含まない廃水を送給する第２の送給手段と、
前記第１の送給手段と前記第２の送給手段とを切り換える切換手段と、で構成されていることを特徴とする廃水の硝化装置。
【請求項３】
前記所定値は、０．３ｍｇ／Ｌであることを特徴とする請求項２の廃水の硝化装置。
【請求項４】
請求項２の硝化装置の前段に脱窒槽を設けると共に、後段に溶存酸素濃度を２ｍｇ／Ｌ以下に維持した浮遊汚泥型の好気槽を設け、前記好気槽の処理液を前記脱窒槽で脱窒処理することにより廃水中のアンモニア性窒素を除去することを特徴とする窒素除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃水の硝化方法及び装置並びに活性検出装置に係り、特に、下水等の廃水中のアンモニア性窒素を除去する際の硝化処理の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
脱窒槽と硝化槽とを備えた廃水の窒素除去装置では、硝化槽において硝化細菌の働きにより、アンモニア性窒素（ＮＨ4-Ｎ）を亜硝酸性窒素や硝酸性窒素に酸化する硝化処理を行う。そして、下水等の実際の廃水処理において、廃水原水のアンモニア性窒素負荷の変動や水温の年間変動或いは日間変動に対して、安定して高い窒素除去率を維持するためには、硝化槽での硝化処理を略完全に終了させることが必要である。
【０００３】
しかし、硝化細菌は独立栄養細菌であり、脱窒細菌等の一般の従属栄養細菌に比べると増殖反応が極めて遅い。従って、浮遊汚泥による硝化反応では、浮遊汚泥中に硝化細菌を保持して高い硝化性能を得るためには、浮遊汚泥の滞留時間（以下「ＳＲＴ」という）を厳密に管理することが重要になる。また、硝化性能は、硝化槽内の廃水に溶存する溶存酸素濃度（以下「ＤＯ濃度」という）の影響を比較的受けやすく、ＤＯ濃度の適切な管理も必要である。
【０００４】
このことから、活性汚泥循環変法などのように浮遊汚泥のみを硝化槽に浮遊させて硝化処理を行う廃水の窒素除去装置の場合、廃水原水の硝化槽における滞留時間を７〜９時間程度と長くし、冬期でも浮遊汚泥中に硝化細菌を保持するための長いＳＲＴを確保する条件を整えた上で、ＳＲＴとＤＯ濃度の２つの因子を対象とした制御が必要である。また、廃水原水量や汚泥濃度（ＭＬＳＳ）などの多くの項目を測定し、これら測定したデータに動力学式等を駆使して、ＳＲＴのＤＯ濃度を管理する上での直接の因子である汚泥引抜量や硝化槽の曝気装置の曝気量の目標値を演算する必要があった。このように、浮遊汚泥型の窒素除去装置の場合、ＳＲＴとＤＯ濃度の２つの因子を同時に制御対象とするため、制御システムが複雑になると共に高精度の制御を行うことが困難であった。
【０００５】
このような背景から、浮遊汚泥型の窒素除去装置の最大の課題であった、装置の系内に高い濃度の硝化細菌を安定して保持することのできる窒素除去装置として、硝化細菌を固定した微生物固定化担体（以下、「担体」という）を硝化槽内に添加した硝化促進型の窒素除去装置（通称、硝化促進型循環変法という）が開発された。この硝化促進型の窒素除去装置は、冬期の低水温時でも硝化反応が促進されるため、硝化槽の廃水原水の滞留時間を３時間程度まで短縮できる。更に、硝化槽に共存する担体と浮遊汚泥のうち、硝化反応の多くを担体で負担し、且つ担体の硝化槽からの流出がないために、担体等の固形物のＳＲＴである固形物滞留時間を厳密に管理する必要がない。これにより、ＳＲＴとＤＯ濃度のうちのＤＯ濃度のみを管理すればよいという大きなメリットがある。このことから、硝化促進型の廃水の窒素除去装置では、従来、硝化槽内への曝気量を一定に維持して硝化を行う硝化方法が行われていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の曝気量を一定にして硝化を行う硝化方法は、日間変動するアンモニア性窒素濃度に対して適切な曝気量で制御することが難しく、曝気量の過不足が生じやすい。これにより、曝気が不足すると処理水の水質が悪化し、曝気が過剰になると曝気のためのブロア動力費の無駄になるという欠点がある。
【０００７】
ちなみに、図１０は、硝化槽の曝気量を年間を通して一定として実際に下水を処理した場合の例である。この結果から分かるように、高水温時に廃水原水のアンモニア性窒素濃度が低くなると、硝化槽のアンモニア性窒素濃度は、例えば０．１ｍｇ／Ｌ程度まで下がるが、この時の硝化槽のＤＯ濃度が６ｍｇ／Ｌは上回った。このことは、明らかに曝気量が過剰傾向にあることを示している。
【０００８】
この対策として、硝化槽内のＤＯ濃度を一定に維持して硝化する硝化方法が試みられている。
しかし、この硝化方法は、アンモニア性窒素濃度が極端に上昇したり、廃水の水温が低下した場合には硝化速度を大きくすることが必要であるが、ＤＯ濃度を一定にすると十分な硝化速度を得ることが困難になる。この結果、処理水のアンモニア性窒素濃度が高くなってしまう。逆に、アンモニア性窒素濃度が極端に低下したり、廃水の水温が高くなった場合には、硝化性能に余裕ができるので、アンモニア性窒素濃度の対してＤＯ濃度が高くなり過ぎ、過剰に曝気していることになる。この結果、ブロア動力費の無駄になるだけでなく、浮遊汚泥のフロック解体による最終沈殿槽での汚泥の沈降性の悪化による処理水水質の低下や、硝化液の循環により脱窒槽に持ち込まれる溶存酸素量の増加により嫌気性条件を必要とする脱窒反応を阻害する。特に、ブロア動力費は、窒素除去装置の動力費全体のかなりの比率を占めるものであり、省エネの観点からも好ましくない。
【０００９】
ところで、担体を硝化槽に添加した硝化促進型の窒素除去装置の場合、担体の硝化速度を活性検出装置で測定して的確に把握し、最大の硝化速度を発揮するように運転することが必要である。
しかし、従来の活性検出装置は、硝化槽内の硝化液の一部（被測定液）と担体の一部を活性検出装置に供給する際に、担体が摩耗等の損傷をしてしまう欠点がある。担体が摩耗する理由は、担体を硝化槽から活性検出装置の測定槽に送るためのポンプを担体が通過するときに担体に損傷を与えるためである。また、この損傷を生じる担体の損傷率は、測定槽に担体を含む被測定液を入れ換える時間が長いほど大きくなる。担体が損傷されると、測定のたびに硝化槽に担体を補充しなくてはならず経済的でないと共に、損傷の大きな担体を硝化槽に戻すと硝化性能を低下させる要因になる。
【００１０】
そして、従来は、アンモニア性窒素濃度の対する的確な硝化速度を検出する活性検出がなかったことも、曝気量の過不足を生じる原因の一因であった。このことから、担体を損傷することなく、硝化速度を精度良く検出することのできる活性検出装置が要望されていた。
本発明は、このような事情に鑑みて成されたもので、硝化槽での硝化処理において適切な硝化性能を得ることができると共に、曝気量の過不足をなくし省エネを図ることができる廃水の硝化方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化方法において、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を０．３〜１．５ｍｇ／Ｌの設定範囲に設定すると共に、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度及び前記微生物固定化担体の硝化速度を測定し、前記設定範囲内の場合には、前記曝気手段の曝気量を制御して前記硝化速度が最大になるように前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整し、前記設定範囲を下回った場合には、前記曝気手段の曝気量を減少して前記硝化速度を小さくすることで前記設定範囲に戻し、前記設定範囲を上回った場合には、前記曝気手段の曝気量を増加して前記硝化速度を大きくすることで、前記設定範囲に戻すことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記目的を達成するために、硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化装置において、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と前記微生物固定化担体の硝化速度を測定する活性検出装置と、前記活性検出装置で測定したアンモニア性窒素濃度と前記微生物固定化担体の硝化速度に基づいて前記曝気手段の曝気量を、アンモニア性窒素濃度が所定値以上の場合には増加して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することにより前記硝化速度が最大になるようにし、アンモニア性窒素濃度が前記所定値を下回った場合には減少して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することによりアンモニア性窒素濃度を前記所定値以上に戻すように制御する制御手段と、を備え、前記活性検出装置は、前記硝化槽内の廃水と前記微生物固定化担体とが供給される測定槽と、該測定槽内にエアを曝気する測定用曝気手段と、前記測定槽内の溶存酸素濃度を測定するＤＯ測定手段とを備え、前記硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体の硝化速度を測定する活性検出装置であって、前記硝化槽内を、前記微生物固定化担体を含む反応部と、前記微生物固定化担体を含まない分離部とに前記廃水が往来可能に区画する区画手段と、前記反応部から前記測定槽に前記微生物固定化担体を含む廃水を送給する第１の送給手段と、前記分離部から前記測定槽に前記微生物固定化担体を含まない廃水を送給する第２の送給手段と、前記第１の送給手段と前記第２の送給手段とを切り換える切換手段と、で構成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度と微生物固定化担体の硝化速度を測定し、測定したアンモニア性窒素濃度が所定値以上の場合には、曝気手段からの曝気量を制御して硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することにより硝化速度が最大になるようにする。即ち、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度が所定値以上であれば、硝化速度はアンモニア性窒素濃度の影響を受けずにＤＯ濃度に支配されるので、硝化速度をＤＯ濃度で正確に制御することができる。従って、最大の硝化速度を得るＤＯ濃度になるように曝気量を制御してやれば、硝化処理における適切な硝化性能を得ることができ、しかも曝気量が過不足になることもない。また、アンモニア性窒素濃度が所定値を下回った場合には、硝化速度はＤＯ濃度の他にアンモニア性窒素濃度の影響を受けるので、硝化速度をＤＯ濃度で正確に制御することができない。この為、最大の硝化速度を得るＤＯ濃度になるように曝気量を制御しても、曝気量が多過ぎて脱窒槽に悪影響を与えたりする。従って、この場合には、硝化槽のアンモニア性窒素濃度が所定値に戻るように曝気量を減少させた後、再び硝化速度をＤＯ濃度で制御する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面により本発明の廃水の硝化方法及び装置並びに窒素除去装置の好ましい実施の形態について詳説する。
先ず、本発明の硝化方法における理論的根拠を説明する。
発明者等は、硝化槽に微生物を固定化した担体を添加した場合の管理指標を見い出すために硝化速度に影響を及ぼす諸因子の影響を調べた。
I ．先ず、アンモニア性窒素濃度（以下「ＮＨ4-Ｎ濃度」という）が硝化速度に及ぼす影響について検討した結果を説明する。
【００１７】
硝化槽内に担体を添加して、廃水として実際の下水を連続処理した場合において、硝化速度に及ぼすＮＨ4-Ｎ濃度の影響について調べた。試験を行った窒素除去装置としては、反応槽を脱窒槽と硝化槽の各１槽で構成し、硝化槽比率（反応槽全体に対する硝化槽容積の比率）を０．４とした。また、担体添加量（硝化槽容積当たりの担体の容積比）は７．５体積％とした。廃水原水の反応槽内の滞留時間は、約６〜８時間になるように設定した。硝化槽から担体と浮遊汚泥を採取して、各々の硝化速度を測定した。
【００１８】
連続処理における硝化槽内のＮＨ4-Ｎ濃度と担体の硝化速度との関係を図１に、ＮＨ4-Ｎ濃度と浮遊汚泥の硝化速度との関係を図２に示した。尚、いずれの場合も硝化速度は、経験的に得られる温度係数を用いて水温が２０°Ｃでの値に換算したものである。
図１及び図２から明らかなように、担体と浮遊汚泥の何れの場合にも、硝化速度はＮＨ4-Ｎ濃度の大きく影響を受けた。即ち、担体の場合は、ＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌ以上であれば、硝化速度が最大値で一定になる。また、ＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回ると、硝化速度が急激に低下し、硝化槽の総窒素（Ｔ−Ｎ）負荷量によって、硝化速度は概ね１００〜５５０ｍｇ−Ｏ2 ／Ｌ−担体・ｈの範囲で大きく変化した。
【００１９】
一方、浮遊汚泥の場合は、ＮＨ4-Ｎ濃度が担体の場合よりもやや低い０．２ｍｇ／Ｌ以上で硝化速度が最大値で一定になった。また、０．２ｍｇ／Ｌを下回ると急激に低下した。しかし、硝化槽の総窒素（Ｔ−Ｎ）負荷量による硝化速度の変化は、概ね２〜５．５ｍｇ−Ｏ2 ／ｇ・ＳＳ・ｈの範囲であり、担体に比べてかなり小さかった。
【００２０】
以上の結果から、担体と浮遊汚泥では、硝化速度に及ぼすＮＨ4-Ｎ濃度の影響が異なり、ＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回ると、担体は浮遊汚泥と比較して硝化速度の低下が著しい。これは、担体の場合は、硝化細菌が担体の表面や内部に固定されているため、アンモニア性窒素に対する親和性が浮遊汚泥よりも低いものと考察される。また、浮遊汚泥は、脱窒槽や硝化槽、更に最終沈殿槽同士の間を循環するのに対し、担体は硝化槽に保持され、常に好気性条件下にあるために、低いＮＨ4-Ｎ濃度下では、硝化細菌の自己分解が進み易いものと考察される。
【００２１】
このI ．の結果から、発明者等は、硝化槽内のＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回らなければ、硝化速度はＮＨ4-Ｎ濃度の影響を受けることがないという知見を得た。
II．次に、硝化槽全体の硝化速度に占める担体の硝化分担比について説明する。
担体と浮遊汚泥の各々の硝化速度から、連続処理での硝化槽全体の硝化速度に占める担体の分担比率を求めた。硝化槽全体での硝化速度は次の（１）式から算出した。
【００２２】
【数１】
〔Ｎ−Ｋｒ〕T＝〔Ｎ−Ｋｒ〕P・η＋〔Ｎ−Ｋｒ〕S・Ｘ・（１−η）…（１）
ここで、〔Ｎ−Ｋｒ〕T ：硝化槽の硝化に係る硝化速度（ｍｇ−Ｏ2 ／Ｌ・槽・ｈ）
〔Ｎ−Ｋｒ〕P ：担体の硝化速度
〔Ｎ−Ｋｒ〕S ：浮遊汚泥の硝化速度
η：担体添加量（硝化槽容積当たりの担体容積比）
Ｘ：浮遊汚泥濃度（ｇ−ＳＳ／Ｌ）
また、硝化槽全体に占める担体の硝化分担比〔ＰN 〕を硝化速度をもとにした次の（２）式で定義した。
【００２３】
【数２】
0003704697.tif 000002
実際の下水処理の場合（η＝０．０７５）について、担体の硝化分担比〔ＰN 〕と硝化槽のＮＨ4-Ｎ濃度の関係を示すと、図３のようになる。
【００２４】
図３から分かるように、ＮＨ4-Ｎ濃度が０．２ｍｇ／Ｌ近傍では、担体の硝化分担比〔ＰN 〕が０．５程度であるが、ＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌ以上になると、担体の硝化分担比〔ＰN 〕は安定して０．９程度の高い値を維持する。これは、ＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回ると、上述したように担体は浮遊汚泥よりもアンモニア性窒素に対する親和性が低いために、担体の硝化分担比〔ＰN 〕が小さくなり、相対的に浮遊汚泥の分担比が大きくなるものと考察される。一方、ＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌ以上では、担体の硝化分担比が浮遊汚泥に比べて顕著に高くなり、硝化槽全体の硝化速度の９０％程度を支配する。
【００２５】
このII．の結果から、発明者等は、硝化槽のＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回らない場合には、硝化槽全体の硝化速度を担体が略支配するという知見を得た。
III ．次に、硝化速度に及ぼすＤＯ濃度の影響について説明する。
試験を行った窒素除去装置としては、I ．と同様に反応槽を脱窒槽と硝化槽の各１槽から構成したものを用い、試験に供した廃水として合成の下水を用いた。
【００２６】
反応槽全体に占める硝化槽比率を０．２、担体添加量を２０容積％とし、硝化槽のＤＯ濃度を５〜１０日ごとに１．５、３．０、５．０ｍｇ／Ｌの３段階に変化させ、硝化速度へのＤＯ濃度の影響を調べた。硝化槽比率を０．４、担体添加量を１０容積％とし、硝化槽のＤＯ濃度を時間単位で変化させ、硝化速度に対するＤＯ濃度の影響を調べた。反応槽の廃水の滞留時間は８．５時間で一定とし、硝化液循環比（原水量に対する硝化液循環量の比で返送汚泥比を含む）は３．５とした。
【００２７】
そして、硝化速度がＮＨ4-Ｎ濃度に影響を受けないとみなせるＮＨ4-Ｎ濃度０．３ｍｇ／Ｌ以上を満足する１．５ｍｇ／Ｌ以上のＮＨ4-Ｎ濃度条件において、硝化速度とＤＯ濃度との関係を調べた。
図４は、ＤＯ濃度を５〜１０日ごとに変化させた場合であり、図５はＤＯ濃度を時間単位で変化させた場合である。
【００２８】
図４及び図５から分かるように、いずれの場合にも、硝化速度は硝化槽内のＤＯ濃度の影響を大きく受け、ＤＯ濃度に関する半飽和定数〔ＫS 〕が９．１〜９．２ｍｇ／ＬのＭｏｎｏｄ型の次式（３）が得られた。
【００２９】
【数３】
0003704697.tif 000003
ここで、ＫN max ：硝化速度がアンモニア濃度に影響を受けない条件における最大硝化速度
ＤＯ：硝化槽のＤＯ濃度
ｋ：定数
ＫS ：ＤＯ濃度に関する半飽和定数（ｍｇ／Ｌ）
この半飽和定数〔ＫS 〕は、浮遊汚泥による硝化では０．４〜２ｍｇ／Ｌ程度の低い値が報告されているのに対し、担体を使用した硝化槽の場合には、上記結果からも分かるように、９ｍｇ／Ｌ以上の高い値が得られた。このことは、担体による硝化速度は、浮遊汚泥に比べてＤＯ濃度の影響を大きく受けることを意味している。
【００３０】
このIII ．の結果から、発明者等は、担体を硝化槽に添加して硝化反応を行う場合、廃水のＮＨ4-Ｎ濃度に見合った最大硝化速度〔ＫN max 〕を得るために、硝化槽内のＤＯ濃度、即ち曝気量を制御することにより正確に行えるという知見を得た。このことを換言すると、担体を硝化槽に添加して硝化反応を行う場合には、曝気量１因子を適切に制御すれば、最大の硝化性能を得ることができることを意味する。
【００３１】
以上のI ．、II．及びIII ．による結果から、硝化槽に微生物を固定化した担体を添加した場合の管理指標として以下の知見を得ることができた。
即ち、
(1) 硝化槽内のＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回らなければ、アンモニア性窒素濃度が担体の硝化速度に影響を及ぼさない。
【００３２】
(2) 硝化槽内のＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回らなければ、硝化槽全体の硝化速度（担体及び浮遊汚泥の硝化速度の合計）は担体の硝化速度に支配される。
(3) 担体の硝化速度は硝化槽内のＤＯ濃度に大きく影響を受け、廃水のＮＨ4-Ｎ濃度に見合った最大硝化速度〔ＫN max 〕を得るために、硝化槽内のＤＯ濃度、即ち曝気量の制御することにより正確に行うことができる。
【００３３】
本発明は、以上(1) 〜(3) の知見に基づいて、硝化槽内の廃水に曝気手段からエアを曝気して前記硝化槽内に添加された微生物固定化担体と廃水とを好気性条件下で接触させることにより前記廃水中のアンモニア性窒素を硝化処理する廃水の硝化方法において、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度及び前記微生物固定化担体の硝化速度を測定し、前記測定したアンモニア性窒素濃度が所定値以上の場合には、前記曝気手段からの曝気量を制御して前記硝化速度が最大硝化速度になるように前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整し、前記アンモニア性窒素濃度が前記所定値を下回った場合には、前記曝気手段からの曝気量を制御して前記硝化槽内の溶存酸素濃度を調整することにより前記アンモニア性窒素濃度を前記所定値以上に戻すように構成したものである。
【００３４】
図６は、本発明の硝化装置１０を組み込んだ窒素除去装置４０であり、反応槽１５として脱窒槽１４と硝化槽１６の各１槽で構成したもである。
原水供給管１２から脱窒槽１４に供給された廃水は、脱窒槽１４において浮遊汚泥と混合された後、担体が添加された硝化槽１６に流入する。硝化槽１６に流入した廃水中のアンモニア性窒素は、ブロア装置１８からの曝気による好気性条件下で担体及び浮遊汚泥により硝化されて硝化液となる。そして、浮遊汚泥を含む一部の硝化液は、硝化液循環路２０を介して脱窒槽１４に循環されて脱窒処理されて窒素ガスとして放出される。残りの硝化液は、最終沈殿槽２２に送られ、汚泥が沈降分離されて処理水となる。最終沈殿槽２２で沈殿した沈殿汚泥の一部は汚泥返送路２４を介して脱窒槽１４に返送され、残りは余剰汚泥として引抜管２５から系外に引き抜かれる。
【００３５】
また、硝化装置１０には、硝化槽１６内のＮＨ4-Ｎ濃度と硝化速度を検出する活性検出装置２６と、硝化槽内のＤＯ濃度を検出するＤＯ検出器２８と、活性検出装置２６とＤＯ検出器２８の検出結果に基づいてブロア装置１８から硝化槽１６内に曝気する曝気量を制御するコントローラ３０から成る制御系統が設けられる。また、原水供給管１２には原水量検出器３２が配設されて、脱窒槽１４に流入する廃水原水量のデータがコントローラ３０に送られる。
【００３６】
次に、上記の如く構成された硝化装置１０において硝化槽１６の曝気量を制御する方法について説明する。
硝化槽１６内の担体を含む硝化液が、活性検出装置２６に定期的に供給されて硝化槽１６内のＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe mea 〕と担体の硝化速度〔ＫN mea ] が検出される。また、ＤＯ検出器２８では硝化槽１６内のＤＯ濃度〔ＤＯmea 〕が検出され、原水量検出器３２では廃水原水量〔Ｑ〕が検出される。そして、これらの検出データがコントローラ３０に送られる。コントローラ３０には、硝化槽１６内のＮＨ4-Ｎ濃度の下限を０．３ｍｇ／Ｌとすると共に、上限を例えば１．５ｍｇ／Ｌとした設定範囲〔Ｎe SET 〕が設定されている。設定範囲〔Ｎe SET 〕の上限として０．３ｍｇ／Ｌを下回らない限度でなるべく低い方が良いが、ＮＨ4-Ｎ濃度の設定範囲〔Ｎe SET 〕が狭すぎると管理が難しくなり、０．３ｍｇ／Ｌを下回る頻度が多くなるので、かえって問題がある。コントローラ３０では、活性検出装置２６で検出されたＮＨ4-Ｎ濃度が設定範囲〔Ｎe SET 〕の範囲内であれば、当初設定してある硝化槽が最大硝化速度になるためのＤＯ濃度設定値を維持する。担体１１の硝化速度が支配する硝化槽１６の最大硝化速度は、上記（３）式により求められる。
【００３７】
また、ＮＨ4-Ｎ濃度が設定範囲の下限または上限から外れている場合には、以下の演算により新しい目標ＤＯ濃度設定値〔ＤＯSET 〕を算出する。
即ち、活性検出装置２６で検出されたＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe mea 〕と設定ＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe SET 〕の偏差に基づき目標硝化速度〔ＫN SET ] を、次の（４）式から算出する。
【００３８】
【数４】
0003704697.tif 000004
ここで、Ｖｎは硝化槽容積であり、Ｑは廃水原水量である。尚、Ｎe SET の値としては、例えばＮＨ4-Ｎ濃度の設定値である０．３〜１．５ｍｇ／Ｌのほぼ真ん中の値である１ｍｇ／Ｌを用いる。そして、硝化速度式に計測値、目標値を代入した次の（５）式及び（６）式に基づいて硝化槽１６のＤＯ濃度〔ＤＯmea 〕及び目標ＤＯ濃度設定値〔ＤＯSET 〕を算出する。
【００３９】
【数５】
0003704697.tif 000005
【００４０】
【数６】
0003704697.tif 000006
ｋ′は定数である。
【００４１】
そして、上記（５）式及び（６）式から、ＤＯmea がＤＯSET なるように、ブロア装置１８から硝化槽１６内に曝気する曝気量を制御する。即ち、活性検出装置２６で検出されたＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe mea 〕が設定ＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe SET 〕の下限である０．３ｍｇ／Ｌを下回った場合には、担体１１の硝化速度がＮＨ4-Ｎ濃度の影響を受けて、ＤＯ濃度で正確に制御できなくなる。従って、測定されたＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe mea 〕を設定ＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe SET 〕に戻すための目標ＤＯ濃度設定値〔ＤＯSET 〕を算出し、ＤＯmea がＤＯSET なるように、ブロア装置１８から硝化槽１６内に曝気する曝気量を減少して硝化速度を意図的に小さくする。また、活性検出装置２６で検出されたＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe mea 〕が設定ＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe SET 〕の上限である１．５ｍｇ／Ｌを上回った場合には、硝化槽内の硝化速度が最大になっていない可能性がある。従って、測定されたＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe mea 〕を設定ＮＨ4-Ｎ濃度〔Ｎe SET 〕に戻すための目標ＤＯ濃度設定値、即ち、最大硝化速度を得られるための〔ＤＯSET 〕を算出してＤＯmea がＤＯSET なるように、ブロア装置１８から硝化槽１６内に曝気する曝気量を多くする。
【００４２】
ここで、（５）式から算出されたＤＯmea の代わりにＤＯ検出器２８での検出値をそのまま使用してもよいが、ＤＯ検出器２８で検出されたＤＯ濃度の１００％が硝化速度に寄与するわけではない。従って、活性検出装置２６で測定した硝化速度〔ＫN mea 〕から算出したＤＯ濃度〔ＤＯmea 〕、即ち硝化速度に実質的に寄与するＤＯ濃度を使用した方がよい。ＤＯ検出器２８で検出したＤＯ濃度は、あくまでも硝化速度を制御する指標として使用する。
【００４３】
尚、ＤＯmea がＤＯSET なるように、ブロア装置１８から硝化槽１６内に曝気する曝気量を制御する方法としては、例えば、ＤＯmea がＤＯSET の偏差に基づいた比例制御を行うことが可能であり、ブロア装置１８の曝気量の変更は例えばインバータにより行うことができる。
次に、本発明の硝化方法で硝化処理した場合の効果を、従来の硝化方法と比較して説明する。
〔１〕条件
〔窒素除去装置の構成〕
(1) 反応槽：脱窒槽（押し出し流れ）と硝化槽（完全混合槽）の各１槽
(2) 硝化液循環比：３（返送汚泥量も含む）
(3) 担体添加量：１０％
〔廃水原水〕
(1) 滞留時間：脱窒槽４．８時間（ｈ）、硝化槽３．２時間（ｈ）で合計８時間（ｈ）とし、原水量は一定とした。
【００４４】
(2) ＮＨ4-Ｎ濃度：２０〜４０ｍｇ／Ｌで変動し、濃度ピークが日に２回（廃水の窒素成分は全てＮＨ4-Ｎの合成廃水を使用した）あった。
(3) ＢＯＤ／Ｎ比：３
〔酸素の供給・消費〕
(1) 曝気の酸素利用効率：２３．５％
(2) ＮＨ4-Ｎの硝化量に対するＤＯ消費量：４．５７ｍｇ−Ｏ2 ／ｍｇ−ＮＨ4-Ｎ）
(3) ＢＯＤの酸素量に対するＤＯ消費量：１ｍｇ−Ｏ2 ／ｍｇ−ＢＯＤ
（但し、ＢＯＤ５０％が酸化され、残りは酸素を消費しない脱窒や汚泥引き抜きにより消費される）
〔硝化速度〕
前記した（５）式及び（６）式の硝化速度式（定数ｋ′＝３５、廃水の水温を１５°Ｃとした）に基づいて算出する。但し、ＮＨ4-Ｎは硝化反応によってのみ除去されるとした。
〔２〕以上の条件において、次の３通りの硝化方法で硝化槽の硝化方法を行った。
【００４５】
１．硝化槽内への曝気量を１．５ｍ3 ／ｍ3 −硝化槽・ｈで一定にする従来の硝化方法
２．硝化槽内のＤＯ濃度を４．２ｍｇ／Ｌで一定になるように曝気量を制御する従来の硝化方法
３．本発明の硝化方法
（３）結果
１．、２．、３．の各硝化方法における曝気量（Ｇｓ）、硝化槽のＤＯ濃度（ＤＯ）及び硝化槽のＮＨ4-Ｎ（Ｎｅ）等の日間変動の結果を図７に示す。
【００４６】
その結果、１．の硝化方法は、曝気量を一定にしたため、廃水原水のＮＨ4-Ｎ濃度がピーク時に硝化槽内のＤＯ濃度が低下した。これにより、硝化槽のＮＨ4-Ｎが３ｍｇ／Ｌ程度まで増加し、処理水の水質が悪化した。
２．の硝化方法は、ＤＯ濃度を一定に維持するため、硝化槽のＮＨ4-Ｎ濃度のピークが１．に比べてやや低下したが、依然として２ｍｇ／Ｌを越える値を示した。
【００４７】
これに対し、３．の本発明の硝化方法は、廃水原水のＮＨ4-Ｎ濃度ピーク時にはＤＯ濃度が高くなるように、曝気量を増加して最大硝化速度になるようにする。これにより、硝化処理を効果的に行うことができ、硝化槽内のＮＨ4-Ｎ濃度を安定化させることができる。また、廃水原水のＮＨ4-Ｎ濃度が低い場合には、ＤＯ濃度と曝気量が低下して硝化槽内のＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回らないようにし、０．３〜１．５ｍｇ／Ｌの範囲に入るようにしてから、硝化速度をＤＯ濃度で制御する。これにより、硝化速度はＤＯ濃度に正確に支配されるので、曝気量の過不足が発生しない。
【００４８】
また、図７に示したように、曝気量の日間変動から、１日に必要な曝気量を測定した結果、１．の硝化方法を１００％とした場合、２．の硝化方法では８４％、３．の本発明の硝化方法では、７７．３％まで低減された。
以上の結果から、３．の本発明の硝化方法は、１．及び２．の従来の硝化方法に比べて硝化槽１６内のＮＨ4-Ｎ濃度を安定化することができ、しかも硝化速度をＤＯ濃度で正確に制御できるので曝気量の過不足が発生しない。従って、曝気量を１．の硝化方法よりも２０％以上節約でき、２．の硝化方法よりも約７％節約できるので、ブロア装置の動力費が安価になる。
【００４９】
図８は、本発明の硝化装置１０を組み込んだ別の窒素除去装置４１の構成図であり、図６の窒素除去装置４０と同じ部材や装置には同符号を付して説明する。
この窒素除去装置４１は、図６で説明した窒素除去装置４０を更に改良したものであり、硝化槽１６の後段に好気槽３４が１段設けられる。そして、好気槽３４の浮遊汚泥混合液の一部が脱窒槽１４に循環されると共に、残りの液が最終沈殿槽２２に送られる。尚、図８の硝化槽１６には図６で示した制御系統と同じものが装備されているが、図中には一部を示している。また、硝化槽１６には、担体１１が好気槽３４に流出しないように、分離スクリーン４２が設けられている。
【００５０】
硝化槽１６には、活性検出装置２６、ＤＯ検出器２８、コントローラ３０等の制御系統が設定され図６で説明したと同様の制御によりブロア装置１８の曝気量が調整される。
この硝化槽１６のの制御系統とは別に、好気槽３４では別のＤＯ検出器３６を用いて好気槽３４内のＤＯ濃度が２ｍｇ／Ｌ以下になるように好気槽用ブロア装置３８の曝気量が調節される。
【００５１】
次に、このように構成された窒素除去装置４０、４１の作用について説明する。
図６の窒素除去装置４０の場合、硝化槽１６に供給される廃水のＮＨ4-Ｎ濃度に見合う最大硝化速度を得るためのＤＯ濃度に設定される。従って、廃水原水のＮＨ4-Ｎ濃度がピーク時には曝気量が大幅に増加するので、浮遊汚泥のフロック解体して最終沈殿槽２２での沈降を阻害したり、残存エアが脱窒槽１４まで持ち込まれる危険性がある。
【００５２】
そこで、図８の窒素除去装置４１では、硝化槽１６の後段にＤＯ濃度が２ｍｇ／Ｌと低い好気槽３４を設け、この好気槽３４から硝化液の一部を脱窒槽１４に戻したり、残りの硝化液を最終沈殿槽２２に送るようにした。これにより、浮遊汚泥のフロック解体して最終沈殿槽２２での沈降を阻害したり、残存エアが脱窒槽１４まで持ち込まれる危険性を確実に防止することができる。
【００５３】
更に、浮遊汚泥が浮遊する好気槽３４は、担体１１が添加された硝化槽１６に比べて、好気槽３４内のＮＨ4-Ｎ濃度が０．３ｍｇ／Ｌを下回っても硝化性能が極端に低下することがないので、硝化槽１６で残存した残存ＮＨ4-Ｎを好気槽３４で更に硝化処理することができる。これにより、処理水の水質をより向上させることができる。尚、浮遊汚泥の硝化速度のＤＯ濃度に関する半飽和定数としては、前記したように０．４〜２ｍｇ／Ｌ程度であり、好気槽３４のＤＯ濃度は２ｍｇ／Ｌあれば十分である。
【００５４】
ところで、担体１１を硝化槽１６に添加した硝化促進型の窒素除去装置の場合、担体１１の硝化速度を活性検出装置２６で測定して的確に把握し、最大の硝化速度を発揮するように運転することが必要である。
図９は、担体１１が損傷することなく硝化槽１６内のＮＨ4-Ｎ濃度及び担体１１の硝化速度を検出することのできる活性検出装置２６の構成を説明する構成図である。尚、図６と同じ部材や装置は同符号を付して説明する。
【００５５】
図９に示すように、硝化槽１６は、その内部に設けられたスクリーン４２により、担体１１を含む硝化液の領域である反応部１６Ａと、担体１１を含まない硝化液のみの領域である分離部１６Ｂとに区画される。そして、反応部１６Ａに取込口４４Ａを有する第１の送給管４４は、三方切換弁４６及び１軸偏心ポンプ４８を介して測定槽５０に接続される。一方、分離部１６Ｂに取込口５２Ａを有する第２の送給管５２は、前記三方切換弁４６に接続される。これにより、１軸偏心ポンプ４８を作動させて三方切換弁４６を切り換えると、分離部１６Ｂから測定槽５０への供給と、反応部１６Ａから測定槽５０への供給とに切り換えることができる。従って、分離部１６Ｂからは硝化槽１６内の硝化液の一部である被測定液のみが測定槽５０に供給され、反応部１６Ａからは担体１１を含む被測定液が測定槽５０に供給される。三方切換弁４６は、信号ケーブル５４を介してタイマー機構部５６に接続され、三方切換弁４６の切換タイミングの時間制御が行われる。
【００５６】
また、測定槽５０の上部から硝化槽１６の反応部１６Ａに戻し配管５８が配設され、測定槽５０内の被測定液のオーバフローした分が戻し配管５８から硝化槽に戻される。
測定槽５０には、測定槽５０内にエアを曝気するエアポンプ６０と、測定槽５０内のＤＯ濃度を測定するＤＯ濃度計６２が設けられる。そして、硝化槽１６内の被測定液と担体１１の一定量が前記第１の送給管４４及び第２の送給管５２を介して測定槽５０にサンプリングされ、被測定液のＤＯ濃度値が変化しなくなるまでエアポンプ６０から曝気し、その間の被測定液の変化量からＮＨ4-Ｎ濃度と硝化速度を求める。この測定操作を定期的に行うことにより、硝化槽１６の硝化性能を把握する。一般的に、測定終了後の測定槽５０内のＤＯ濃度値は、７〜８ｍｇ／Ｌであるが、次の測定を開始するまでに、測定槽５０内のＤＯ濃度値を硝化槽１６内のＤＯ濃度値（通常、２〜３ｍｇ／Ｌ）まで下げる必要がある。硝化槽１６内の担体及び被測定液を測定槽５０に採取するサンプリング時間は、測定槽５０内の被測定液が次に測定する被測定液に入れ代わるまでの時間、通常３０秒程度であるが、ＤＯ濃度計６２が測定終了後のＤＯ濃度値から硝化槽１６のＤＯ濃度値まで下がるまでの応答時間は通常３分と長い。従って、硝化槽１６からは３分間担体１１を含む被測定液を測定槽５０に供給し続け、測定槽５０でオーバフローした被測定液は戻し配管５８で硝化槽１６に戻される。このＤＯ濃度計６２の応答時間が長いことが担体１１の損傷率を高くしている。
【００５７】
上記の如く構成された活性検出装置の作用について、測定槽５０で最初の測定が終了した後、次の測定をするために測定槽５０内の被測定液を入れ換える場合で説明する。
測定槽５０での最初の測定が終了すると、測定槽５０内のＤＯ濃度値７〜８ｍｇ／Ｌから硝化槽１６内のＤＯ濃度値２〜３ｍｇ／Ｌになるまでの約２分３０秒間は、三方切換弁４６を第２の送給管５２に切り換えて分離部１６Ｂから被測定液のみを測定槽５０に送給する。次に、三方切換弁４６を第２の送給管５２から第１の送給管４４に切り換えて、ＤＯ濃度計６２の応答時間である３分のうちの残り３０秒で担体１１を含む被測定液を測定槽５０に送給する。
【００５８】
これにより、担体１１を含む被測定液が１軸偏心ポンプ４８を通過する時間は３０秒だけである。従って、本発明の活性検出装置は、担体１１を含む被測定液を３分間１軸偏心ポンプ４８を通過させていた従来の活性検出装置に比べて担体１１の損傷率を大幅に減少させることができる。これにより、担体１１の硝化速度を正確に測定することができると共に、測定に使用した担体１１を硝化槽１６に戻しても、測定により硝化槽１６の硝化速度が低下することが殆どない。更には、担体１１が損傷しにくいので担体の寿命を延ばすことができる。
【００５９】
実際に本発明で使用した活性検出装置と従来の活性検出装置での損傷率を比較したところ、本発明は従来よりも１軸偏心ポンプ４８を通過する時間が１／５になった分、損傷率も１／５に減少した。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の廃水の硝化方法及び装置によれば、硝化槽内のアンモニア性窒素濃度を低い値で安定化することができ、しかも硝化速度を溶存酸素濃度で正確に制御できるので曝気量の過不足が発生しない。従って、曝気量を従来の硝化方法よりも大幅に削減でき、ブロア装置の動力費が安価になる。
【００６１】
また、本発明で使用した活性検出装置によれば、担体の損傷率を大幅に低減することができ、硝化速度を正確に測定できるので、硝化槽の硝化速度を的確に把握することができる。また、担体が損傷しにくいので、担体の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  担体の硝化速度に対するアンモニア性窒素濃度の影響を説明するグラフ
【図２】  浮遊汚泥の硝化速度に対するアンモニア性窒素濃度の影響を説明するグラフ
【図３】  担体と浮遊汚泥が共存する硝化において担体の硝化分担比を説明するグラフ
【図４】  担体の硝化速度に対するＤＯ濃度の影響を説明するグラフ
【図５】  浮遊汚泥の硝化速度に対するＤＯ濃度の影響を説明するグラフ
【図６】  本発明の硝化装置を組み込んだ窒素除去装置の構成図
【図７】  本発明の硝化装置を組み込んだ窒素除去装置と従来の窒素除去装置の効果を比較するグラフ
【図８】  本発明の硝化装置を組み込んだ窒素除去装置の別の態様を示す構成図
【図９】  本発明で使用した活性検出装置の構成を説明する構成図
【図１０】  硝化槽内のアンモニア性窒素濃度の推移を示した説明図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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