(57)【要約】【課題】  下水中の有機物をより詳細に区分し、区分した各有機物の組成と硫黄の変化とを定量的に把握することにより、管内における下水の性状変化モデルを構築して、下水管渠における硫化水素による腐食の危険性のある区間を精度良く予測できるようにする。【解決手段】  下水管渠内の各地点における反応にもとづく溶存硫化物変化速度から、前記各地点における溶存硫化物収支を求め、下水管渠内の各地点における反応にもとづく溶存酸素変化速度から、前記各地点における溶存酸素収支を求め、これら各地点における溶存硫化物収支と溶存酸素収支とから前記各地点における溶存硫化物濃度と溶存酸素濃度を求める。【選択図】        図１
2005264428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水管渠内の各地点における反応にもとづく溶存硫化物変化速度から、前記各地点における溶存硫化物収支を求め、下水管渠内の各地点における反応にもとづく溶存酸素変化速度から、前記各地点における溶存酸素収支を求め、これら各地点における溶存硫化物収支と溶存酸素収支とから前記各地点における溶存硫化物濃度と溶存酸素濃度を求めることを特徴とする硫化水素による下水管渠の腐食を予測する方法。
【請求項２】
生物膜中の溶存硫化物生成反応の計算値と、下水中の溶存硫化物酸化反応の計算値と、生物膜中の溶存硫化物酸化反応の計算値と、硫化水素放散反応の計算値との総和から溶存硫化物変化速度を求めるとともに、下水中の好気性生物増殖反応の計算値と、生物膜中の好気性生物増殖反応の計算値と、生物による生存エネルギーの獲得反応の計算値と、下水中の硫化物酸化反応の計算値と、生物膜中の硫化物酸化反応の計算値と、再曝気による酸素溶解反応の計算値との総和から溶存酸素変化速度を求めることを特徴とする請求項１記載の硫化水素による下水管渠の腐食を予測する方法。
【請求項３】
硫化水素放散反応の計算値に、管渠の段差部における硫化水素放散反応の計算値を含ませるとともに、再曝気による酸素溶解反応の計算値に、管渠の段差部における再曝気による酸素溶解反応の計算値を含ませることを特徴とする請求項１または２記載の硫化水素による下水管渠の腐食を予測する方法。
【請求項４】
管渠における自然流下管路内に溶存硫化物が存在する区間を、硫化水素による腐食の危険区間とすることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の硫化水素による下水管渠の腐食を予測する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硫化水素による下水管渠の腐食を予測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水の輸送を効率化するために圧送管が開発されているが、この圧送管は、下水の輸送時間が長くなると、管内の下水から溶存硫化物が生成し、この溶存硫化物から硫化水素が発生して、管路を構成するコンクリートの腐食の原因となる。このため、溶存硫化物の発生のおそれのある下水道施設では、空気注入、酸素注入、薬液注入などを施すことにより溶存硫化物の発生を抑制する対策を講じたり、硫化水素に対して抵抗力のある材料にて管路を構築するなどの対策を講じたりすることがなされている。
【０００３】
これらの対策を立案するにあたって、溶存硫化物がどの程度発生し、どの範囲まで輸送されるかを予測することは、腐食範囲を推定し、必要な対策の規模や費用を算出するうえで、きわめて重要である。
【０００４】
これまで、管渠における下水の変質は、生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）あるいは化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を基準として議論されるのが一般的である（特許文献１、［０００２］［０００３］）。しかし、微生物プロセスを論じようとすると、これらのパラメータでは限界がある。
【特許文献１】特開２００１−３２７９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、下水中の有機物をより詳細に区分し、区分した各有機物の組成と硫黄の変化とを定量的に把握することにより、管内における下水の性状変化モデルを構築して、硫化水素による腐食の危険性のある区間（以下、「危険区間」と称する）を精度良く予測できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するため本発明は、下水管渠内の各地点における反応にもとづく溶存硫化物変化速度から、前記各地点における溶存硫化物収支を求め、下水管渠内の各地点における反応にもとづく溶存酸素変化速度から、前記各地点における溶存酸素収支を求め、これら各地点における溶存硫化物収支と溶存酸素収支とから前記各地点における溶存硫化物濃度と溶存酸素濃度を求めるものである。
【０００７】
このようにすると、下水管渠内の各地点における溶存硫化物濃度と溶存酸素濃度を求めることができるため、危険区間を精度良く予測することができる。
【０００８】
本発明によれば、生物膜中の溶存硫化物生成反応の計算値と、下水中の溶存硫化物酸化反応の計算値と、生物膜中の溶存硫化物酸化反応の計算値と、硫化水素放散反応の計算値との総和から溶存硫化物変化速度を求めるとともに、下水中の好気性生物増殖反応の計算値と、生物膜中の好気性生物増殖反応の計算値と、生物による生存エネルギーの獲得反応の計算値と、下水中の硫化物酸化反応の計算値と、生物膜中の硫化物酸化反応の計算値と、再曝気による酸素溶解反応の計算値との総和から溶存酸素変化速度を求めることが好適である。
【０００９】
このようにすると、溶存硫化物変化速度と溶存酸素変化速度とを正確に求めることができる。
【００１０】
本発明によれば、硫化水素放散反応の計算値に、管渠の段差部における硫化水素放散反応の計算値を含ませるとともに、再曝気による酸素溶解反応の計算値に、管渠の段差部における再曝気による酸素溶解反応の計算値を含ませることが好適である。
【００１１】
このようにすると、溶存硫化物変化速度と溶存酸素変化速度とをいっそう正確に求めることができる。
【００１２】
本発明によれば、管渠における自然流下管路内に溶存硫化物が存在する区間を、硫化水素による腐食の危険区間とすることが好適である。
【００１３】
このようにすると、硫化水素による下水管渠の腐食を正確に予測することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、下水管渠内の各地点における反応にもとづく溶存硫化物変化速度から、前記各地点における溶存硫化物収支を求め、下水管渠内の各地点における反応にもとづく溶存酸素変化速度から、前記各地点における溶存酸素収支を求め、これら各地点における溶存硫化物収支と溶存酸素収支とから前記各地点における溶存硫化物濃度と溶存酸素濃度を求めるため、下水管渠における硫化水素による腐食の危険性のある区間を精度良く予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
下水管内での溶存硫化物（以下、「硫化物」と称する）と溶存酸素（以下、「ＤＯ」と称する）との挙動の様子を図１に示す。ここで、１は送水ポンプ場、２は送水ポンプ場１から上り勾配に沿って敷設された圧送管路、３は勾配の頂部に設けられたマンホール、４はマンホール３から下流側への下り勾配に沿って敷設された自然流下管路である。圧送管路２では満水状態で液相のみが存在する状態で下水５が輸送され、自然流下管路４では下水５と気相６とが存在する状態で輸送が行われる。
【００１６】
詳細は後述するが、圧送管路２では、主に嫌気状態となって、ＤＯが消費され、硫化物が形成される。硫化物の量は、圧送管路２の終端で最大となる。一方自然流下管路では、気相６が存在することによる再曝気により、下水５が好気状態となり、硫化物は下水５の中で酸化されて硫黄に変化する。また、硫化物の一部は気相６の中に硫化水素ガスとして放散される。自然流下管路４において、ＤＯは、管路に沿って徐々に増加し、下水５の中に硫化物が存在しなくなると増加の程度が大きくなる。ここで、下水５の中に硫化物が存在する区間が、硫化水素が放散され硫酸に酸化されることによって腐食の発生のおそれのある危険区間であると判断することができる。
【００１７】
次に下水管渠内の反応について説明する。圧送管路２は、上述のように満流状態であるため、下水中の反応のみを考えれば良い。これに対し自然流下管路４では、下水５から気相６への硫化水素の放散や下水５への酸素溶解（再曝気）など、気液界面での物質移動があり、相互に影響を及ぼしながら反応が進んでいく。
【００１８】
まず、下水中の反応について説明する。図２は、下水管内の有機物と硫黄とに関する好気／嫌気プロセスを示す。また、図３および図４は、圧送管路２（図３）と自然流下管路（図４）とについて、各反応とそれが起こる「場」とを示す。
【００１９】
図３に示すように、圧送管路２では、図１に示す送水ポンプ場１にＤＯが存在すると、管路２の入口から限られた区間で好気状態になることがあるが、大半の区間では嫌気プロセスのみが進行する。一方、図４に示す自然流下管路４では、酸素消費と酸素溶解（再曝気）とのバランスによって好気／嫌気の状態が決まり、また場や時間によって好気／嫌気が変化することもある。すなわち、好気／嫌気のどちらが支配的か明確でない。
【００２０】
図２に示すように、好気状態では、易分解性有機物とＤＯが消費されて、下水中や、管内面などに生成される生物膜中で微生物が増殖すると同時に、加水分解有機物から発酵性易分解性有機物が生成する。また、下水５の中に硫化物が存在する場合には、ＤＯにより硫化物酸化も同時に起こる。
【００２１】
一方嫌気状態では、同様に加水分解有機物から発酵性易分解性有機物が生成されるが、これは発酵によって発酵生成物に変質される。さらに、易分解性有機物は硫化物の生成過程（硫酸塩還元反応）で利用される。生成した硫化物は、管内に気相６が存在する場合はその一部がガスとして放出され、酸化し硫酸になることによってコンクリート施設の腐食の原因となる。
【００２２】
図２〜図４に示す反応をさらに詳細に説明する。
下水中の反応に関し、これらの図中における反応−１〜反応−６は、主に有機物の変質に関連したものであって、反応−１は下水５中におけるＤＯの消費を伴う好気微生物の増殖反応、反応−２は管内面などに生成する生物膜７中におけるＤＯの消費を伴う好気微生物増殖反応、反応−３は微生物によるＤＯの消費を伴う生存エネルギーの獲得反応、反応−４は好気加水分解反応、反応−５は嫌気加水分解反応である。これら、反応−４の好気加水分解反応と、反応−５の嫌気加水分解反応とには、速加水分解反応と遅加水分解反応とがある。反応−６は、下水５６の中および生物膜７の中における発酵反応である。反応−７は、生物膜７中における硫化物の生成反応である。反応−８は下水５の中におけるＤＯの消費を伴う硫化物の酸化反応、反応−９は生物膜７の中におけるＤＯの消費を伴う硫化物の酸化反応であり、これらの硫化物の酸化反応は、自然流下管路４での硫化物収支の点でもっとも大きな影響を及ぼす反応である。反応−１０は、気相６の酸素による再曝気にもとづく下水５への酸素溶解反応である。反応−１１は硫化水素の放散反応である。
【００２３】
これらの反応−１〜反応−１１の起こる場所は、それぞれ図３および図４に示すとおりである。すなわち、好気区間における下水５の中では反応−１、−３、−４、−８が起こり、好気区間における生物膜７の中では反応−２、−４、−９が起こり、嫌気性区間における下水５の中では反応−５、−６が起こり、嫌気性区間における生物膜７の中では反応−５、−６、−７が起こり、自然流下管路４における下水５と気相６との界面では反応−１０、−１１が起こる。
【００２４】
次に、図５に示した区間における下水中の硫化物およびＤＯの収支について説明する。図は自然流下管路について示しているが、気液間の反応を無視することで圧送管路にも適用できる。硫化物およびＤＯの収支は、次の（１）式、（２）式で表すことができる。
【数１】
2005264428.tif 000003
【数２】
2005264428.tif 000004
ここで、
ＳＨ２Ｓｏｕｔ：区間下流端における硫化物濃度（ｍｇＳ／リットル）
ＳＨ２Ｓｉｎ：区間上流端における硫化物濃度（ｍｇＳ／リットル）
Ｑ：下水流量（ｍ３／ｈｒ）
ＲＨ２Ｓ：硫化物変化速度（ｍｇＳ／（リットル・ｈｒ））［生物膜での反応、硫化物の放散反応も含んだ変化速度］
Ｖ：下水容量（ｍ３）
Ａ：下水断面積（ｍ２）
ΔＸ：区間の長さ（ｍ）
ＳＯｏｕｔ：区間下流端におけるＤＯ濃度（ｍｇ／リットル）
ＳＯｉｎ：区間上流端におけるＤＯ濃度（ｍｇ／リットル）
ＲＯ：ＤＯ変化速度（ｍｇ／（リットル・ｈｒ））［生物膜での反応、酸素溶解も含んだ変化速度］
である。
【００２５】
このような、区間ごとの下水中の硫化物およびＤＯの収支を上流側から下流側に向かって順次計算していくことで、各地点での濃度を求めることができる。
【００２６】
硫化物変化速度ＲＨ２ＳとＤＯ変化速度ＲＯは、下水の流れの状況、有機物濃度、生物量などの数多くのパラメータの影響を受ける。この変化速度を定量的に把握するために、表１に示す式で計算する。表１は、図２に示す好気／嫌気プロセスをマトリックスにしたものである。このマトリックスの行は図２に示したプロセスを表し、列は系にかかわる物質を表す。
【００２７】
表２に示した物質の詳細は、次のとおりである。すなわち、
ＳＦ：発酵性易分解性有機物（ｍｇＣＯＤ／リットル）
ＳＡ：発酵生成物（ｍｇＣＯＤ／リットル）
ＸＢｗ：下水中従属栄養細菌（ｍｇＣＯＤ／リットル）
ＸＳ１：速加水分解有機物（ｍｇＣＯＤ／リットル）
ＸＳ２：遅加水分解有機物（ｍｇＣＯＤ／リットル）
ＳＯ：ＤＯ濃度（ｍｇ／リットル）
ＳＨ２Ｓ：硫化物濃度（ｍｇＳ／リットル）
である。また表２において、
ＹＨｗ、ＹＨｆ：バイオマスの増殖収率（ｇＣＯＤ／ｇＣＯＤ）
である。なお、添字のｗは下水中のプロセスを表し、添字のｆは生物膜中のプロセスを表す。
【００２８】
【表１】
2005264428.tif 000005
【００２９】
マトリックスの各成分は、速度式にかかる係数である。各列について、マトリックスの成分とそれに対応する速度式の計算値との積の総和が、その列で表されている物質の変化速度となる。たとえば、ＤＯ（ＳＯ：組成５）については、反応−１、−２、−３、−８、−９、−１０を計算して、それらの総和が反応速度となる。硫化物（ＳＨ２Ｓ：組成６）の変化速度は、反応−７、−８、−９、−１１の総和となる。
【００３０】
表１における、プロセスの速度についての式の詳細は、次の（３）式〜（１５）式のとおりである。
【００３１】
なお、自然流下管路４に段差が存在する場合は、酸素溶解（再曝気）および気相６中への硫化水素の放散の反応への影響が大きいため、反応−１０と反応−１１においては、段差部での反応を示す（１４）式、（１５）式も導入している。
【００３２】
また、表１では、モデルを簡単にするために、酸生成細菌と硫酸塩還元細菌との増殖プロセスは省略している。
【数３】
2005264428.tif 000006
ここで、
μＨ：最大比増殖速度（ｄ−１）
ＫＳｗ：易分解性有機物の飽和定数（ｍｇＣＯＤ／リットル）
ＫＯ：ＤＯの飽和定数（ｍｇ／リットル）
αｗ：下水中のプロセスに関する温度補正係数
Ｔ：水温（℃）
である。
【００３３】
【数４】
2005264428.tif 000007
ここで、
Ｋ１／２：生物膜中での好気増殖の１／２次速度定数（ｇ０．５／（ｍ０．５・ｄ））
ＡＷ・Ｐ：下水と接触している管壁の面積（＝生物膜の表面積）（ｍ２）
ＫＳｆ：易分解性有機物の飽和定数（ｍｇＣＯＤ／リットル）
αｆ：生物膜中のプロセスに関する温度補正係数
である。
【００３４】
【数５】
2005264428.tif 000008
ここで、
ｑｍ：微生物の生存エネルギー摂取速度定数（ｄ−１）
である。
【００３５】
【数６】
2005264428.tif 000009
ここで、
ｋｈ＃：加水分解速度定数（ｄ−１）
ＫＸ＃：加水分解に関する飽和定数（ｇＣＯＤ／ｇＣＯＤ）
εＡ：好気条件下における生物膜中バイオマスの効率係数
ＸＢｆ：生物膜中の従属栄養微生物（ｇＣＯＤ／ｍ２）
＃：加水分解の種類［＃＝１：速加水分解、＃＝２：遅加水分解］
である。
【００３６】
【数７】
2005264428.tif 000010
ここで、
ηｆｅ：嫌気加水分解の速度低減係数
εＡｎ：嫌気条件下における生物膜中バイオマスの効率係数
である。
【００３７】
【数８】
2005264428.tif 000011
ここで、
ｑｆｅ：最大発酵速度（ｄ−１）
Ｋｆｅ：発酵に関する飽和定数（ｍｇＣＯＤ／リットル）
である。
【００３８】
【数９】
2005264428.tif 000012
ここで、
ｋｎＳ：硫化物生成に関するｎ次速度定数（ｇｎ／（ｍｎ・ｈｒ））
ＫＯ（Ｓ）：ＤＯによる硫化物生成の抑制に関する飽和定数（ｍｇ／リットル）
ｎ：硫化物生成反応の次数
である。
【００３９】
【数１０】
2005264428.tif 000013
ここで、
ＲＯＭＡＸ：最大硫化物酸化速度（ｍｇＳ／（リットル・ｈｒ））
ＫＨ２Ｓ：硫化物酸化に関する飽和定数（ｍｇＳ／リットル）
ＫＯ２：硫化物酸化に関するＤＯの飽和定数（ｍｇ／リットル）
である。
【００４０】
【数１１】
2005264428.tif 000014
ここで、
ＫＯ１／２：生物膜中での硫化物酸化の１／２次速度係数（ｇ０．５／（ｍ０．５・ｄ））
である。
【００４１】
【数１２】
2005264428.tif 000015
ここで、
ＫＬａ：酸素の総括物質移動容量係数（ｈｒ−１）
ＳＯＳ：飽和ＤＯ濃度（ｍｇ／リットル）
Ｆｒ：フルード数［＝ｕ／（ｇｄｍ）０．５］
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ２）
ｓ：勾配（ｍ／ｍ）
ｕ：下水流速（ｍ／ｓ）
ｄｍ：水理学的水深［気液接触面積／下水容量］（ｍ）
αＴ：再曝気に関する温度補正係数
である。
【００４２】
【数１３】
2005264428.tif 000016
ここで、
α：酸素と硫化物の物質移動係数の比率
ｊ：硫化物中の分子態硫化物の占める割合
Ｈ２Ｓ（ｇ）：気相中の硫化水素濃度（ｐｐｍ）
Ｋ：ヘンリー定数（ｐｐｍ／（ｍｇＳ／リットル））
ｐＨ：ｐＨ
ｐｋ：解離定数
である。
【００４３】
【数１４】
2005264428.tif 000017
ここで、
ＳＯ（１）：管路の段差部よりも上流側でのＤＯ濃度（ｍｇ／リットル）
β：係数
ρ：水の密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｈ：管路の段差部での落差（ｍ）
である。
【００４４】
【数１５】
2005264428.tif 000018
ここで、
ＳＨ２Ｓ（１）：管路の段差部よりも上流側での硫化物濃度（ｍｇＳ／リットル）
β２：係数
である。
【００４５】
［実施例］
以下に、本発明の実施例としての、実際の下水管渠について、硫化水素濃度とＤＯ濃度とに関し、実測値と本発明にもとづく計算値とを求めた例を説明する。
【００４６】
図６は、調査対象とした実際の下水管渠の例を示す。この下水管渠は、自然流下管路４における２箇所のマンホール３の位置に、段差部８が形成されたものであった。
図７は、硫化物濃度に関する実測値と本発明にもとづく計算値とを示す。調査は、当該調査を行った一日のうちの午前と午後に２回実施した。同図（ａ）は午前の調査の結果を示し、同図（ｂ）は午後の調査の結果を示す。
【００４７】
図８は、ＤＯ濃度に関する実測値と本発明にもとづく計算値とを示す。調査は、同様に午前と午後に２回実施した。同図（ａ）は午前の調査の結果を示し、同図（ｂ）は午後の調査の結果を示す。自然流下管路４においては、段差部８においてＤＯ値が急激に上昇すると予想されるが、実測値のみならず、本発明にもとづく計算値においても、その傾向が現れ、計算値は実測値に良好に対応していた。
【００４８】
そして、図７および図８の計算結果から、硫化水素の発生により管渠に腐食の発生のある、図１に示した危険区間を、求めることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の方法を説明するための、下水管路内での硫化物とＤＯとの挙動の様子を示す図である。
【図２】本発明の方法を説明するための、下水管路での有機物と硫黄に関する好気／嫌気プロセスを示す図である。
【図３】本発明の方法を説明するための、圧送管路の内部における反応の様子を示す図である。
【図４】本発明の方法を説明するための、自然流下管路の内部における反応の様子を示す図である。
【図５】本発明の方法を説明するための、下水中の硫化物とＤＯの収支を示す図である。
【図６】本発明の実施例を説明するための、調査対象管渠の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例を説明するための、硫化物濃度に関する実測値と本発明にもとづく計算値とを示す図である。
【図８】本発明の実施例を説明するための、ＤＯ濃度に関する実測値と本発明にもとづく計算値とを示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
２    圧送管路
４    自然流下管路
５    下水
６    気相
【図１】
2005264428.tif 000019
【図２】
2005264428.tif 000020
【図３】
2005264428.tif 000021
【図４】
2005264428.tif 000022
【図５】
2005264428.tif 000023
【図６】
2005264428.tif 000024
【図７】
2005264428.tif 000025
【図８】
2005264428.tif 000026