(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を曝気処理と非曝気処理との繰り返しにより処理する間欠曝気法において、被処理水のpHを継続監視し、非曝気時に出現するpH極大値検出後のpH減少量に基づき曝気を開始する非曝気処理と曝気時に出現するpH極大値検出後のpH減少量に基づき曝気を停止する曝気処理とからなるサイクルを繰り返してなる間欠曝気法の制御方法。
【請求項２】
被処理水を曝気処理と非曝気処理との繰り返しにより処理する間欠曝気法において、被処理水のpHを継続監視し、非曝気時に出現するpH極小値検出後のpH増加量に基づき曝気を開始する非曝気処理と所要時間の曝気処理とからなるサイクルを繰り返してなる間欠曝気法の制御方法。
【請求項３】
請求項１の制御方法において、前記非曝気時及び曝気時のpH極大値検出後のpH減少量に基づくサイクルを繰り返した後、非曝気時に出現するpH極小値検出後のpH増加量に基づき曝気を開始する非曝気処理と所要時間の曝気処理とからなるサイクルを繰り返してなる間欠曝気法の制御方法。
【請求項４】
被処理水を曝気処理と非曝気処理との繰り返しにより処理する間欠曝気法において、被処理水が流入する第一活性汚泥処理槽と該第一処理槽の処理水が流入する第二活性汚泥処理槽とを設け、各処理槽内の被処理水のpHをそれぞれ継続監視し、前記第一処理槽において非曝気時に出現するpH極大値検出後のpH減少量に基づき曝気を開始する非曝気処理と曝気時に出現するpH極大値検出後のpH減少量に基づき曝気を停止する曝気処理とからなるサイクルを繰り返し、前記第二処理槽において非曝気時に出現するpH極小値検出後のpH増加量に基づき曝気を開始する非曝気処理と所要時間の曝気処理とからなるサイクルを繰り返してなる間欠曝気法の制御方法。
【請求項５】
被処理水が流入する活性汚泥処理槽に設けたpH計、前記pH計に接続されたpH極値検出手段、前記検出手段で検出したpH極値と前記pH計の出力信号との差からpH極値検出後のpH変化量を算出する変化量算出手段、及び前記pH変化量に基づき前記処理槽の曝気の開始及び／又は停止を制御する制御手段を備えてなる間欠曝気法の制御装置。
【請求項６】
請求項５の制御装置において、前記検出手段により前記処理槽の曝気時及び非曝気時に出現するpH極大値を検出し、前記算出手段により曝気時及び非曝気時のpH極大値からのpH減少量を算出し、前記制御手段により非曝気時のpH減少量に基づき曝気を開始し且つ曝気時のpH減少量に基づき曝気を停止するサイクルを繰り返してなる間欠曝気法の制御装置。
【請求項７】
請求項５の制御装置において、前記検出手段により前記処理槽の非曝気時に出現するpH極小値を検出し、前記算出手段により非曝気時のpH極小値からのpH増加量を算出し、前記制御手段により非曝気時のpH増加量に基づき曝気を開始し且つ曝気を所要時間後に停止するサイクルを繰り返してなる間欠曝気法の制御装置。
【請求項８】
被処理水が流入する第一活性汚泥処理槽と該第一処理槽に連通する第二活性汚泥処理槽とにそれぞれ設けたpH計、前記第一処理槽のpH計に接続され曝気時及び非曝気時に出現するpH極大値を検出する極大値検出手段及び該検出手段によるpH極大値検出後のpH減少量を算出する減少量算出手段、前記第二処理槽のpH計に接続され非曝気時に出現するpH極小値を検出する極小値検出手段及び該検出手段によるpH極小値検出後のpH増加量を算出する増加量算出手段、前記減少量算出手段による非曝気時及び曝気時のpH減少量に基づき前記第一処理槽の曝気の開始及び停止を制御する第一制御手段、並びに前記増加量算出手段による非曝気時のpH増加量及び所要曝気時間に基づき前記第二処理槽の曝気の開始及び停止を制御する第二制御手段を備えてなる間欠曝気法の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は間欠曝気法の制御方法及び装置に関し、とくに曝気処理と非曝気処理（曝気停止により活性汚泥処理槽内を無酸素状態又は嫌気状態とする処理）との繰り返しにより被処理水中の有機物、窒素及び／又はリンを除去する間欠曝気法の制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、下廃水等の被処理水中のBOD（Biochemical Oxygen Demand）で表される有機基質（以下、BOD成分という）は、主に活性汚泥法で除去されている。また最近では、BOD成分以外の窒素やリン等の栄養塩類の除去が求められており、窒素やリンの除去を目的として標準活性汚泥法を応用した様々な生物学的方法が開発されている。
【０００３】
BOD成分と栄養塩類とを単一のプロセスで同時に除去する生物学的方法の一例として、間欠曝気法の開発と普及が進められている。この方法は、単独又は複数の活性汚泥処理槽内に被処理水を連続的に流入させ、曝気を行う曝気処理（以下、曝気工程ということがある。）と曝気を停止して攪拌のみを行う非曝気処理（以下、攪拌工程ということがある。）とを交互に繰り返したのち、被処理水から汚泥を沈降分離することによりBOD成分と栄養塩類とを同時に除去するものである。
【０００４】
【化１】
硝化反応
NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+   …………………………………(1)
脱窒反応
2NO3- + 10( H+ + e- ) → N2 + 4H2O + 2OH-  ……………………(2)
リン放出反応
ATP + H2O → ADP + HPO42- + H+   …………………………………(3)
リン吸収反応
ADP + HPO42- + H+ → ATP + H2O   …………………………………(4)
【０００５】
間欠曝気法では、被処理水中のBOD成分は好気状態において活性汚泥により酸化分解される。被処理水中のアンモニア態窒素（NH4-N）は、先ず好気状態において活性汚泥中の硝化菌により硝酸に硝化され（硝化反応、(1)式参照）、次に無酸素状態において活性汚泥中の脱窒菌により脱窒される（脱窒反応、(2)式参照）。被処理水中のリンは、先ず嫌気状態において活性汚泥中の脱リン菌にリンを放出させたのち（リン放出反応、(3)式参照）、好気状態において該脱リン菌にリンを過剰摂取させ（リン吸収反応、(4)式参照）、その後リンを過剰に含んだ汚泥を分離することにより脱リンされる。
【０００６】
間欠曝気法では、異なる環境で活性化される微生物の集合体である活性汚泥によってBOD成分・窒素・リンという複数の成分を除去するため、活性汚泥の好気状態・無酸素状態・嫌気状態等の制御、すなわち曝気工程と撹拌工程との切り替えのタイミングが重要となる。従来、間欠曝気法における曝気工程と撹拌工程との切り替えは熟練管理者の経験的ノウハウに基づいて行われていた。しかし、管理者の常駐が難しい小規模排水処理施設等では切り替え運転の簡素化・自動化が望まれている。
【０００７】
本発明者等は、撹拌工程の脱窒反応からリン放出反応への移行時に出現するpH極大値に基づき曝気工程への切り替えを制御する間欠曝気法を開発し、特開2001-276867公報に開示した。図７は、同公報に開示した２槽式の活性汚泥処理装置の一例を示す。同図の処理装置は、被処理水１が連続的に流入する第一活性汚泥処理槽10と、第一処理槽10に連通する第二活性汚泥処理槽20と、第二処理槽20の処理水５が流入する沈殿槽40とを有する。従来から撹拌工程では先ず無酸素状態において脱窒反応が進み、脱窒反応完了後の嫌気状態においてリン放出反応が進むことが知られている。窒素とリンを共に除去するためには、第二処理槽20において撹拌工程における脱窒反応の完了を検知してリン放出が始まる前に曝気工程へ切り替える必要がある。前記pH極大値に基づき撹拌工程から曝気工程への切り替えを制御すれば、窒素とリンの良好な除去が期待できる。
【０００８】
図７の処理装置は、第一処理槽10、第二処理槽20にそれぞれ曝気装置14、24、撹拌装置15、25、pH計11、21、DO（Dissolved Oxygen、溶存酸素濃度）計12、22、ORP（Oxidation-Reduction Potential、酸化還元電位）計13、23を設け、各pH計11、21にpH極大値検出手段17、27を接続し、検出手段17、27により各処理槽10、20の撹拌工程におけるpH極大値を検出する。pH計11、21、DO計12、22、ORP計13、23、pH極大値検出手段17、27はそれぞれ制御装置30に接続する。制御装置30には例えばファジィ制御規則33を記憶し、ファジィ制御規則33の出力に応じた制御信号を曝気装置14、24へ出力し、各処理槽10、20の曝気処理と非曝気処理との切り替え及び曝気処理の曝気量を制御する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７の処理装置では、被処理水の水量や水質（以下、流入負荷ということがある。）の変動が大きいとシステムを安定して運転することが難しい問題点がある。流入負荷の変動応じて(1)〜(4)式に示す生物反応状態は変化するが、その生物反応状態の変化に応じた曝気工程と撹拌工程との切り替え制御が難しいからである。長期的に安定した窒素・リンの除去率を達成するため、流入負荷の変動に対応できる制御技術、すなわち被処理水中の生物反応状態に応じた制御技術の開発が求められている。また、同図の処理装置はファジィ制御規則33に多くの時間条件を含めているが、時間条件は処理施設毎に固有の値を設定しなければならないため、条件の設定に非常に手間がかかる問題点がある。被処理水中の生物反応状態に応じた制御によれば、処理装置毎の条件設定の容易化を図ることもできる。
【００１０】
そこで本発明の目的は、被処理水中の生物反応状態に応じて曝気の開始と停止を制御する間欠曝気法の制御方法及び装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、図７の装置を用いて処理水の窒素・リン除去率の向上を図る実験・研究を重ねた結果、被処理水のリン除去率を向上するためには第一処理槽10でリン吸収反応とリン放出反応とを十分に行わせる必要があること、及びリン除去率が高いときには第一処理槽10の撹拌工程においてpH極小値とpH極大値が検出され曝気工程においてpH極大値が検出されることを見出した。
【００１２】
第一処理槽10の１サイクルにおけるpH、DO、ORP、NH4-N、NOx-N（硝酸性窒素、亜硝酸性窒素の和）及びPO4-Pの水質挙動の一例を図４に示す。第一処理槽10の撹拌工程では曝気停止直後にDOの減少と相関してpHが低下するが、無酸素状態になると脱窒反応（(2)式参照）が進み硝酸イオンの減少によりpHが上昇するため（同図下段のNOx-Nのグラフ参照）、撹拌工程のpH極小値が検出される。このpH極小値から脱窒反応の開始を判断できる。また、脱窒反応終了後にリン放出反応（(3)式参照）が進みリンイオンの放出によりpHが低下するため（同図下段のPO4-Pのグラフ参照）、撹拌工程のpH極大値が検出される。このpH極大値から脱窒反応の終了とリン放出反応の開始を判断できる。更に、pH極大値検出後のpH挙動から嫌気状態下でのリン放出状況を判断できる（同図下段のPO4-Pのグラフ参照）。
【００１３】
第一処理槽10の曝気工程では、硝化反応（(1)式参照）とリン吸収反応（(4)式参照）とが同時に進行する。硝化反応では水素イオンが生成されるのに対し、リン吸収反応で水素イオンが消費される。図４に示すように、撹拌工程でリン放出反応を十分行わせた場合は曝気開始直後に急激なリン吸収反応（リン吸収速度が大きい反応）が起こるため、リン吸収反応の水素イオン消費量が硝化反応の水素イオン生成量を上回るのでpHが上昇する（同図下段のPO4-P及びNH4-Nのグラフ参照）。やがてリン吸収反応が緩やかになると、リン吸収反応の水素イオン消費量の低下によってpHが下降するため、曝気工程のpH極大値が検出される。このpH極大値から強いリン吸収反応の終了を判断できる。また、pH極大値検出後のpH挙動から好気状態下でのリン吸収反応と硝化反応の進行状況を判断できる。
【００１４】
以上の水質挙動の観察から本発明者等は、第一処理槽10の１サイクルのpH挙動と前記(1)〜(4)式に示す生物反応との間に表１に示す関係があることを見出した。即ち、第一処理槽10のpHの挙動から第一処理槽10における生物反応状態をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥ工程の５つに分類できる。図３は第一処理槽10のpHの挙動をＡ〜Ｅ工程に分けて表したグラフを示す。このpHの挙動に基づいて曝気の開始と停止を制御すれば、生物反応状態に応じた制御が期待できる。本発明はこの知見に基づき完成に至ったものである。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
図３のpH挙動グラフを参照するに、本発明の間欠曝気法の制御方法は、被処理水１を曝気処理と非曝気処理との繰り返しにより処理する間欠曝気法において、被処理水１のpHを継続監視し、非曝気時に出現するpH極大値（pHE）の検出後のpH減少量（ΔpHE）に基づき曝気を開始する非曝気処理と、曝気時に出現するpH極大値（pHB）の検出後のpH減少量（ΔpHB）に基づき曝気を停止する曝気処理とからなるサイクルを繰り返してなるものである。
【００１７】
また図１のブロック図を参照するに、本発明の間欠曝気法の制御装置は、被処理水１が流入する活性汚泥処理槽10に設けたpH計11、pH計11に接続されたpH極値検出手段18、検出手段18で検出したpH極値（極大値pHmax又は極小値pHmin）とpH計11の出力信号pHとの差からpH極値検出後のpH変化量ΔpH（＝pHmax−pH又はpH−pHmin）を算出する変化量算出手段35、及びpH変化量ΔpHに基づき処理槽10の曝気の開始及び／又は停止を制御する制御手段30を備えてなるものである。
【００１８】
好ましくは、図３のpH挙動グラフに示すように、検出手段18により処理槽10の曝気時及び非曝気時に出現するpH極大値（pHB、pHE）を検出し、算出手段35により曝気時及び非曝気時のpH極大値（pHB、pHE）からのpH減少量（ΔpHB、ΔpHE）を算出し、制御手段30により非曝気時のpH減少量（ΔpHE）に基づき曝気を開始し且つ曝気時のpH減少量（ΔpHB）に基づき曝気を停止するサイクルを繰り返す。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、単独の活性汚泥処理槽10で非曝気処理と曝気処理とからなるサイクルを繰り返す本発明の実施例を示す。処理槽10には曝気装置14と撹拌装置15とpH計11を設ける。曝気装置14と撹拌装置15を駆動することにより処理槽10内を好気状態とし、曝気装置14を停止して撹拌装置15のみを駆動することにより処理槽10内を無酸素状態又は嫌気状態とする。曝気装置14に接続した制御装置30により、曝気装置14の駆動・停止を制御する。なお、図示例の処理槽10にはDO計12及びORP計13が設けてあるが、DO計12及びORP計13は本発明に必須のものではない。必要に応じて、DO計12及びORP計13の出力を制御装置30へ入力して曝気装置14の駆動・停止の制御に利用してもよい。
【００２０】
処理槽10に流入した被処理水１は返送汚泥７と混合され、汚泥７が浮遊する状態で曝気処理・非曝気処理サイクルにより処理され、処理水５として下流の沈殿槽40へ送られる。沈殿槽40において処理水５中の汚泥を沈降分離する。汚泥分離後の処理水は放流し、沈殿汚泥の一部は返送汚泥７として処理槽10へ戻し、残余の沈殿汚泥（以下、余剰汚泥という。）は引き抜いて処分される。
【００２１】
処理槽10のpH計11にpH極値検出手段18を接続し、pH計11の出力信号を継続的に検出手段18へ入力し、検出手段18においてpHの極大値pHmax及び／又は極小値pHminを検出する。pH計の出力信号には細かいノイズが含まれるが、例えばノイズ除去フィルタ16経由でpH計11の出力信号を検出手段18へ入力し、フィルタ16で出力信号中のノイズをカットすることにより、pHの極大値pHmax及び／又は極小値pHminを検出することが可能である。
【００２２】
検出手段18の一例は、pH値の経時的変化に基づきpHの増加（又は減少）から減少（又は増加）に変化する時点を検出し、又はpH値の変化率の経時的変化に基づきpH変化率が正（又は負）から負（又は正）に変化する時点を検出することによりpH極大値pHmax（又は極小値pHmin）を検出するコンピュータに内蔵のプログラムである。ノイズ除去フィルタ16の一例は高周波ノイズ除去フィルタ又は移動平均モデル（moving-average model）に基づくノイズ除去フィルタである。
【００２３】
移動平均モデルに基づくノイズ除去フィルタとは、例えば下記(11)式に基づき、時系列上のある時刻ｎのpH測定値Pn'を、当該時刻ｎのpH計出力信号（Pn）と時系列上の前後数点の時刻におけるpH計出力信号（例えばPn-4、Pn-3、Pn-2、Pn-1、Pn+1、Pn+2、Pn+3、Pn+4）との平均値として算出することにより、pH計出力信号中のノイズを除去するものである。例えば処理槽10内のpHデータ取り込みを30秒毎に行う場合、Pn-4、Pn-3、Pn-2及びPn-1は時刻ｎの２分前、１分30秒前、１分前及び30秒前のpH計出力信号、Pn+1、Pn+2、Pn+3及びPn+4は時刻ｎの30秒後、１分後、１分30秒後及び２分後のpH計出力信号を示す。移動平均モデルのデータの個数（(11)式では９個）を多く確保し、時刻ｎに近い時刻のpH計出力信号の重み（(11)式の定係数）を大きくすることにより、実際の処理槽10内のpH波形の特徴を残すことが望ましい。但し、データの個数や測定間隔、重み付け等は(11)式の例に限定されず、被処理水１の状態や処理槽10の環境等に応じて、pH波形の特徴を打ち消すことなく微細変動ノイズ成分を除去できるように適当に調整可能である。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
pH計11とpH極値検出手段18とを変化量算出手段35に接続し、検出手段18で検出したpH極値（極大値pHmax及び極小値pHmin）とpH計11の出力信号とを算出手段35へ入力し、算出手段35においてpH極値が検出された後のpH変化量を算出する。算出手段35で算出したpH変化量を制御手段30へ入力し、制御手段30によりpH変化量に基づき曝気装置14の駆動・停止を制御する。変化量算出手段35の一例は、pH極値（例えば極大値pHmax又は極小値pHmin）とpH計11からの出力信号pHとに基づき、(12)又は(13)式に基づいてpH変化量（例えばΔpH）を算出するプログラムである。制御手段30をコンピュータとし、変化量算出手段35をそのコンピュータに内蔵のプログラムとすることができる。
【００２６】
【数２】
ΔpH＝pHmax−pH  ……………………………………(12)
ΔpH＝pH−pHmin  ……………………………………(13)
【００２７】
図３のpH挙動グラフは、被処理水１中の主としてリンを除去する場合のpHの挙動を示す。リンを除去するためには、撹拌工程においてリン放出反応が十分に行われるように嫌気状態を確保すること、及び撹拌工程で十分な嫌気状態が得られるように曝気工程において過剰な曝気を避けることが重要である。以下、図３のグラフを参照して、主としてリンを除去する場合について本発明の制御方法を説明する。
【００２８】
曝気を停止して撹拌工程になるとpH極小値（図３のpHC）が出現するまでpHは低下し、その後脱窒反応が進むとpHが上昇する。次いでpHは、pH極大値（図３のpHE）が出現するまで上昇し、脱窒反応終了後に低下する。本実施例では、このpH極大値pHEをpH極値検出手段18により検出し、pH極大値pHEの検出により脱窒反応の終了を判断する。また、変化量算出手段35によりpH極大値pHEを検出した後のpH減少量ΔpHEを例えば(12)式により算出し、pH減少量ΔpHEにより脱窒反応終了後に進行するリン放出反応の状況を判断する。
【００２９】
リン放出反応の進行に応じてpH減少量ΔpHEは大きくなるが、嫌気状態が長くなり過ぎると曝気工程で所望の好気状態が得られなくなるので、最適なタイミングでリン放出反応を終了し、サイクルを曝気工程に切り替える必要がある。例えば、高いリン除去率が得られたサイクルにおけるpH極大値pHE検出後のpH減少量を最適減少量δpHEとして実験的に求め、pH減少量ΔpHEが最適減少量δpHEとなったときに制御手段30により曝気装置14を駆動する。
【００３０】
リン放出反応を十分行わせた後に曝気を開始すると、曝気開始直後に急激なリン吸収反応によりpH極大値（図３のpHB）が出現するまでpHは上昇し、その後リン吸収反応が緩やかになるのでpHは減少する。本実施例では、曝気状態のpH極大値pHBをpH極値検出手段18で検出し、急激なリン吸収反応の終了を判断する。またpH極大値pHBを検出した後のpH減少量ΔpHBを変化量算出手段35により算出し、pH減少量ΔpHBによりリン吸収反応の状況を判断する。
【００３１】
pH減少量ΔpHBはリン吸収反応の進行に応じて大きくなるが、曝気が長すぎると撹拌工程で十分な嫌気状態が得られなくなるので、最適なタイミングでリン吸収反応を終了し、サイクルを撹拌工程に切り替える必要がある。例えば、高いリン除去率が得られたサイクルにおけるpH極大値pHB検出後のpH減少量を最適減少量δpHBして実験的に求め、pH減少量ΔpHBが最適減少量δpHBとなったときに制御手段30により曝気装置14を停止する。
【００３２】
上述した曝気工程と撹拌工程とからなるサイクルを適宜繰り返し、被処理水１中のリンイオン濃度が最も低くなる曝気処理終了時点でサイクルを停止して処理水５を沈殿槽40へ送り、沈殿槽40において処理水５中の汚泥を沈降分離することにより被処理水１中のリンを除去することができる。本発明者等の実験によれば、例えば曝気工程のpH極大値pHB検出後のpH減少量ΔpHBが0.08程度となったときに曝気装置14を停止し、撹拌工程のpH極大値pHE検出後のpH減少量ΔpHEが0.18程度となったときに曝気装置14を駆動するサイクルを繰り返すことにより、90％以上のリン除去率を達成できた。
【００３３】
本発明によれば、撹拌工程のpH減少量ΔpHEに基づき曝気を開始し、曝気工程のpH減少量ΔpHBに基づき曝気を停止するので、リン放出反応及びリン吸収反応の進行に応じた撹拌工程と曝気工程との切り替えが可能である。時間条件に依存せずに生物反応状態に応じて撹拌工程と曝気工程とを切り替えることができるので、流入負荷の変動が大きい場合でもシステムの長期間安定した運転が期待できる。また、処理施設毎に固有の値を設定・調整する必要がなくなるので、システム導入時・メンテナンス時の手間を大幅に削減できる。
【００３４】
こうして本発明の目的である「被処理水中の生物反応状態に応じて曝気の開始と停止を制御する間欠曝気法の制御方法及び装置」の提供を達成できる。
【００３５】
【実施例】
図２は、被処理水１が流入する第一活性汚泥処理槽10と第一処理槽10の処理水が流入する第二活性汚泥処理槽20とを設け、２つの処理槽10、20により被処理水１中のBOD成分と窒素とリンとを除去する実施例を示す。各処理槽10、20にそれぞれpH計11、21、DO計12、22、ORP計13、23、曝気装置14、24及び撹拌装置15、25を設け、制御装置30により曝気装置14、24の駆動・停止をそれぞれ制御する。
第一処理槽10の役割は、１サイクル毎に確実に撹拌工程でリン放出反応を進行させ、曝気工程でリン吸収反応及び硝化反応を進行させることにある。また第二処理槽20の役割は、第一処理槽10で除去できなかった窒素・リンを除去することにある。
【００３６】
図２の実施例では、第一処理槽10のpH計11をノイズ除去フィルタ16経由でpH極値検出手段18に接続し、pH計11及び検出手段18を変化量算出手段35に接続し、上述した撹拌工程のpH極大値（pHE）検出後のpH減少量（ΔpHE）に基づき曝気を開始し且つ曝気工程のpH極大値（pHB）検出後のpH減少量（ΔpHB）に基づき曝気を停止するサイクルにより第一処理槽10の曝気・非曝気を制御する。第二処理槽20において第一処理槽10で除去できなかった窒素・リンを除去し、第二処理槽20の処理水５を下流の沈殿槽40へ送り、沈殿槽40において処理水５中の汚泥を沈降分離する。
【００３７】
第二処理槽20では、第一処理槽10において活性汚泥中に過剰摂取させたリンが被処理水１中へ再放出するのを防ぐ必要がある。すなわち第二処理槽20の撹拌工程において、無酸素状態を確保して脱窒反応を進行させつつ、リン放出反応が起こる嫌気状態を避ける必要がある。第二処理槽20の１サイクルにおけるpH、DO、ORP、NH4-N、NOx-N及びPO4-Pの水質挙動の一例を図６に示す。同図に示すようにに、第二処理槽20の撹拌工程では、曝気停止直後にpH極小値が出現するまでpHが低下し、無酸素状態になると脱窒反応によりpHが上昇する。このpH極小値とその後のpH挙動とから、無酸素状態における脱窒反応の状況を判断できる（同図下段のNOx-Nのグラフ参照）。但し、脱窒反応が終了してpH極大値が検出されるとリン放出反応が始まるので、第二処理槽20では脱窒反応が終了する前に曝気工程に切り替える。
【００３８】
第二処理槽20の曝気工程では、曝気開始直後にリン吸収反応の水素イオン消費量が硝化反応の水素イオン生成量を上回るのでpHが上昇するが（同図下段のPO4-P及びNH4-Nのグラフ参照）、リン吸収反応が緩やかになるとpHはほぼ一定値となるか又は非常に緩やかに低下する。第二処理槽10では、撹拌工程でリン放出反応を行わないため、第一処理槽10で見られた急激なリン吸収反応は見られない。
【００３９】
以上の水質挙動の観察から、第二処理槽20の１サイクルのpH挙動と前記(1)〜(4)式に示す生物反応状態との間には表２に示す関係が認められる。即ち、第二処理槽20のpHの挙動から、第二処理槽20における生物反応状態をA'、B'、C'及びD'工程の４つに分類できる。図５は第二処理槽10のpHの挙動をA'〜D'工程に分けて表したグラフを示す。このpHの挙動に基づいて第二処理槽20の曝気の開始と停止を制御すれば、第二処理槽20においても生物反応状態に応じた制御が期待できる。
【００４０】
図２の第二処理槽20では、pH計21をノイズ除去フィルタ26経由でpH極値検出手段28に接続し、撹拌工程において曝気停止直後に出現するpH極小値pHC（図５参照）をpH極値検出手段28により検出する。また、pH計21とpH極値検出手段28とを変化量算出手段36に接続し、pH極小値pHCが検出された後のpH増加量ΔpHC（図５参照）を例えば(13)式により算出する。pH増加量ΔpHCを制御装置30へ入力し、制御装置30がpH増加量ΔpHCに基づいて脱窒反応の進行状況を判断し、曝気装置14を駆動する。例えば、図２の装置において窒素・リンの高い除去率が得られたサイクルにおけるpH極小値pHC検出後のpH増加量を最適増加量δpHCして実験的に求め、pH増加量ΔpHCが最適増加量δpHCとなったときに制御手段30により曝気装置24を駆動することができる。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
第二処理槽20の曝気工程では、曝気工程への切り替え後に急激なリン吸収反応が見られないので、第１処理槽10のように曝気工程のpH極大値pHBからのpH減少に基づき曝気装置24の停止を制御することは難しい。このため、第二処理槽20の曝気装置24の停止については、図７に示したような従来の制御方法、例えば所要の曝気時間に基づき制御する。即ち、第２処理槽20では、上述したpH極小値pHC検出後のpH増加量ΔpHCに基づき曝気装置14を駆動する非曝気処理と、例えば所要時間の曝気処理とからなるサイクルを繰り返す。
【００４３】
本発明者の実験によれば、第１処理槽10において上述した曝気工程のpH極大値pHB検出後のpH減少量ΔpHBと撹拌工程のpH極大値pHE検出後のpH減少量ΔpHEとに基づく曝気・非曝気のサイクルを繰り返し、第２処理槽20において上述した撹拌工程のpH極小値pHC検出後のpH増加量ΔpHCに基づく曝気・非曝気のサイクルを繰り返すことにより、窒素除去率及びリン除去率を共に85％〜95％にまで向上させることができた。また、上述したpHの挙動に基づく曝気・非曝気の制御方法は小規模排水処理施設等の自動運転システムに容易に組み込むことができ、図７に示したファジィ制御規則33に組み込むことも可能である。
【００４４】
上述した第二処理槽10のpHの挙動に基づく曝気開始・停止の制御を図１の単独処理槽10に適用すれば、単独処理槽10において被処理水１の主として窒素の除去を生物反応状況に応じて制御することも期待できる。この場合は、撹拌工程において曝気停止直後に出現するpH極小値pHC（図５参照）をpH極値検出手段18により検出し、変化量算出手段35によりpH極小値pHCを検出した後のpH増加量ΔpHCを算出する。pH増加量ΔpHCにより脱窒反応の進行状況を判断し、pH増加量ΔpHCが最適増加量δpHCとなったときに制御手段30により曝気装置14を駆動する。曝気装置14の停止は、例えば所要の曝気時間に基づき制御する。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による間欠曝気法の制御方法及び装置は、被処理水を曝気処理と非曝気処理との繰り返しにより処理する間欠曝気法において、被処理水のpHを継続監視し、非曝気時に出現するpH極大値検出後のpH減少量に基づき曝気を開始する非曝気処理と曝気時に出現するpH極大値検出後のpH減少量に基づき曝気を停止する曝気処理とからなるサイクルを繰り返すので、次の顕著な効果を奏する。
【００４６】
（イ）生物反応状態に応じて撹拌・曝気の切り替えが制御できるので、流入負荷の変動が大きい場合でもシステムの長期間安定した運転が期待できる。
（ロ）時間条件に依存せずに撹拌・曝気の切り替えが制御できるので、処理施設毎に時間条件を設定・調整する手間を大幅に削減できる。
（ハ）流入負荷の変動に拘わらず生物反応状態に応じた適切な曝気時間・非曝気時間が確保できるので、とくにリンの良好な除去を達成できる。
（ニ）供用開始直後の低負荷状態においても、適切な曝気制御を行うことができ、あらゆる流入条件における最適な水処理の実現が期待できる。
（ホ）処理システム内の条件や流入水量の変動に対応しつつ最適な活性汚泥の生育環境を確保し、最適な生物学的BOD成分・窒素・リンの同時除去を達成できる。
（ヘ）排水処理施設等の自動運転システムに容易に組み込むことができ、水処理の自動化への寄与が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の一実施例の説明図である。
【図２】は、本発明の他の実施例の説明図である。
【図３】は、第一処理槽のpH挙動を生物反応状態の工程に分けて表したグラフの一例である。
【図４】は、第一処理槽の１サイクルにおける水質挙動の一例の説明図である。
【図５】は、第二処理槽のpH挙動を生物反応状態の工程に分けて表したグラフの一例である。
【図６】は、第二処理槽の１サイクルにおける水質挙動の一例の説明図である。
【図７】は、従来の間欠曝気法の一例の説明図である。
【符号の説明】
１…被処理水            ５…処理水
６…余剰汚泥            ７…返送汚泥
８…隔壁
10…（第一）活性汚泥処理槽
11…pH計                12…DO計
13…ORP計               14…曝気装置
15…攪拌装置            16…ノイズ除去フィルタ
17…pH極大値検出手段
18…pH極値検出手段
20…第二活性汚泥処理槽
21…pH計                22…DO計
23…ORP計               24…曝気装置
25…攪拌装置            26…ノイズ除去フィルタ
27…pH極大値検出手段
28…pH極値検出手段
29…DO減少速度算出手段
30…制御装置            31…経過時間算出手段
32…メンバーシップ関数  33…ファジィ制御規則
35、36…変化量算出手段
40…沈殿槽
【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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