(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥を凝集させる凝集混和槽への凝集剤注入量を決定する装置であって、
測定槽と、
凝集汚泥を脱水することによって得られる脱水分離液を前記測定槽へ一定の流量で供給する分離液供給部と、
前記測定槽内の液量を一定に保持する排液部と、
前記測定槽に供給された脱水分離液中に存在するフロックの量を測定する計測部と、
該計測部によるフロックの量の測定データに基づきフロックの量が最小になる凝集剤注入量を決定する制御手段と、
を備えたことを特徴とする凝集剤注入量決定装置。
【請求項２】
前記測定槽に回転速度変更が可能な攪拌装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の凝集剤注入量決定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥の脱水工程における凝集剤注入量を適正かつ自動的に決定する凝集剤注入量決定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から下水処理に際して、水中の汚濁物質が沈殿してできた泥状の物質（以下、汚泥とする）を回収し、天日乾燥あるいは機械乾燥による汚泥乾燥が行われている。天日乾燥は多くの時間と土地面積とを必要とし、また臭気が周辺地域にまで広がるため、現在は汚泥乾燥機による機械乾燥法が一般的である。
【０００３】
ところで、下水汚泥は、コロイド状の微粒子を主体とし、汚泥粒子表面は負に帯電して互いに反発しあっているので、そのままの状態では機械的に脱水することは困難である。そこで、図５に示すように、水処理施設における汚泥の機械脱水の前段工程として汚泥調質（汚泥凝集）を行うための工程が設けられている。
【０００４】
図５は、下水処理場の汚泥脱水工程における汚泥調質（汚泥凝集）を行うための装置の概略的構成を説明するための模式図である。この装置を用いた汚泥調質プロセスは以下の工程からなる。すなわち、水処理施設５０で排泥された汚泥を汚泥投入ポンプ５１および汚泥流量調節弁５２を介して凝集混和槽５５に投入する工程と、凝集混和槽５５内で攪拌混合し、汚泥粒子の粘質物に包含する水分を脱水しやすい状態にして、汚泥粒子による凝集体（以下、単にフロックと呼ぶ）を形成し成長させる工程と、凝集混和槽５５で凝集した汚泥を、いわゆるフロックの懸濁液として凝集汚泥弁５３を介して連接された汚泥脱水設備（不図示）に送る工程とを有する。ここで上記フロックとは、上記凝集剤によって凝集した水中の微粒子の大きな塊をいう。したがって、図５に示す装置を用いた汚泥調質プロセスの目的は、凝集混和槽５５内で凝集剤存在下によるフロックの形成・成長を行うことで、後段の機械脱水プロセスでの固液分離性を向上させることである。したがって、上記凝集混和槽５５における適正な凝集剤の注入が、機械脱水後の汚泥脱水性を良好に維持するための重要な因子となる。
【０００５】
ところで、上記汚泥調質プロセスに適用可能な凝集状態測定方法や装置は現在のところ知られていない。そのため、当業者と言えども汚泥凝集状態の定量的な把握は非常に困難である。よって、従来は実際の凝集状態がほとんど反映されない状態で上記凝集剤の注入率を決定する方法が採用されている。以下、従来の汚泥乾燥固形物一定比率式による凝集剤注入率の決定方法について説明する。
【０００６】
（１）ジャーテストによる最適凝集点の確認法
供給される汚泥の一定量をいくつかのビーカーに採取する。つぎに、採取された汚泥に凝集剤を投入する。この際、ビーカーごとに凝集剤注入率を段階的に変化させるとともに、攪拌速度を急速攪拌から緩速攪拌まで変化させる。それぞれのビーカーで凝集反応を起こさせて、フロック沈降性が最も良い、または上澄み液の濁度が最も低い注入率をもって最適な凝集点と判断する。さらに、このとき各条件で生成したフロックの水切れ性を測定し、最適凝集点の最終的な判断をする場合もある（例えば、生成フロックをろ過したときの分離水ろ過速度最大のものが最適）。
【０００７】
図６は、ジャーテストを行う装置の主要部の概略的構成を説明するための模式的側面図である。まず、汚泥６１の適量を採取した複数個のビーカー６２（図では３個）にそれぞれ攪拌機６３を挿入する。この攪拌機６３は、攪拌翼が取り付けられた一端と滑車６４が同軸的に取り付けられた他端とを有する軸棒から構成される。各滑車６４に掛けた共通のベルト６５を、回転数調節器６６によって駆動制御されるモーター６７を駆動することによって回転させる。この際、回転数調節器６６を用いてモーター６７の回転数を制御することによって各ビーカー６２中の汚泥６１の攪拌速度を変化させることができる。
【０００８】
（２）流動電流測定による最適凝集点の確認法
汚泥の脱水分離液の流動電流値を測定し、その値が０近傍（電気的に中和）、または凝集剤注入率に対する流動電流値履歴が変極点となる凝集剤注入率のときを最適凝集点と判断する。
【０００９】
（３）経験的な一定比率式による最適凝集剤注入率の決定法
予め（１）のジャーテストで最適凝集点を確認して最適な凝集剤注入率を求め、テストに用いた汚泥の汚泥乾燥固形物量と最適注入率との比を最適比率とする。そこで、実際のプロセスでは、供給される汚泥の供給量とインライン型汚泥濃度計の測定値とに基づく固形物濃度から汚泥乾燥固形物量を概算し、この汚泥乾燥固形物量と凝集剤注入率との比が、常に、先に求めた最適比率を維持するようにして、凝集剤注入率を決定する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来の最適凝集点の確認方法と凝集剤の注入率決定法は、以下のような問題点を有する。
【００１１】
上記（１）の方法は、テストに手間がかかるため、汚泥性状の経時変化に追従することができない。また、凝集剤注入率を細かく設定することが比較的困難なために、最適凝集点の詳細確認には不十分である。
【００１２】
上記（２）の方法は、汚泥粒子表面の電気的な中和点までは確認できる。しかし、それ以降の凝集機構は基本的には粒子の衝突（電気的結合・吸着）によるものであるから、この方法ではフロックの最終的な凝集状態を測定することは困難である。また、汚泥に含有する有機物や凝集剤の種類によって、最適凝集点と電気的中和点が一致しない場合がある。
【００１３】
上記（３）の方法は、基本的には（１）の方法により予め目標値（汚泥乾燥固形物量と凝集剤注入率の比）を決定する。したがって、前述した（１）と同様な問題を有する。また、実プロセスでのインライン型汚泥濃度計の信頼性にも問題がある。さらに、水温の相違や季節や天候による汚泥性状の変動による目標値の補正が必要であり、目標値に普遍性がないという問題も有する。
【００１４】
このように、従来の方法では実際の凝集状態がほとんど反映されない。したがって、現在のところ、下水処理に適用できるインラインの凝集状態測定方法や装置は知られていない。
【００１５】
したがって、本発明は上記課題を解決し、供給汚泥の性状変更に迅速に対応し、凝集剤の最適注入量を自動的に決定する装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明にもとづく凝集剤注入量決定装置は、汚泥を凝集させる凝集混和槽への凝集剤注入量を決定する装置であって、測定槽と、凝集汚泥を脱水することによって得られる脱水分離液を前記測定槽へ一定の流量で供給する分離液供給部と、前記測定槽内の液量を一定に保持する排液部と、前記測定槽に供給された脱水分離液中に存在するフロックの体積率を測定する計測部と、該計測部によるフロックの量の測定データに基づきフロックの量が最小になる凝集剤注入量を決定する制御手段とを備えたことを特徴とする。制御部は、フロックの量の測定データに基づきフロック大敵率が最小となるように自動的に凝集剤注入量を調整するプログラムを内蔵する制御用コンピュータであってもよい。測定槽は上記の他に、回転速度の変更が可能な攪拌装置を備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の凝集剤注入量決定装置は、上記のように構成したため、脱水分離液の残渣フロックの量を制御量とし、良好な汚泥脱水性が得られる最適薬注量を、フロックの量が最小となるようにして自動的に決定することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づき説明する。
【００１９】
図１は、本発明にもとづく凝集剤注入量決定装置の主要部の概略的構成を示す模式図である。図中、点線で示す部分は該装置の主要構成要素である。
【００２０】
凝集剤注入量決定装置は、測定槽１と、該測定槽に所定量の脱水分離液を供給する分離液供給部２と、測定槽１に供給された脱水分離液を攪拌する攪拌装置３と、脱水分離液中に存在する残渣フロックの量を測定する計測部４と、測定槽１内の脱水分離液量を常に一定にするための排水部５とを主要構成要素として備える。
【００２１】
脱水分離液１０は、図５に示す装置を用いた汚泥調質プロセス（凝集混和槽内で凝集剤存在下によるフロックの形成・成長）の後段にあたる汚泥脱水設備（不図示）における機械的脱水プロセスでの固液分離の際に生ずる。
【００２２】
分離液供給部２は、汚泥脱水設備から送られる脱水分離液１０を送液管６を介して測定槽１に送る。この際、分離液供給部２に設けられた手動バルブ７によって脱水分離液１０の供給量を調節する。
【００２３】
測定槽１に挿入される攪拌装置３は、モーター８と、該モーター８の駆動によって回転する攪拌翼９とを有する。この攪拌翼９の回転数は、測定槽１において脱水分離液１０中の残渣フロックが脱水分離液１０中の残留凝集剤によって再凝集しないようなＧ値（攪拌翼形状と回転数により決定される）になるように定めればよい。
【００２４】
排水部５は、測定槽１に貯えられた脱水分離液１０が所定の量以上にならないように、測定槽１の底部から所定の高さに位置した越流口１１と、該越流口１１から流出してくる脱水分離液１０を受ける排水堰１２とからなる。また、この排水堰１２の底部には排水管１３が連通している。排水管１３は、該越流口１１から流出してくる脱水分離液１０の単位時間あたりの量が排水堰１２から排水管１３を経由して排水される脱水分離液１０の単位時間あたりの量よりも十分少なくなるほどの、十分に大きな径を持つ。
【００２５】
計測部４は、測定槽１内の脱水分離液１０に含まれる残渣フロックの量を計測するセンサ１４を備える。このセンサ１４は、測定槽１内において排水部５の越流口１１の近傍に浸漬されている。計測部４の計測値の出力を、信号線１５によってコンピュータ１６に入力することができる。このコンピュータ１６は、残渣フロック体積率の測定データに基づきフロックの量が最小となるように自動的に凝集剤注入量を調整するプログラムを内蔵する制御用コンピュータである。
【００２６】
ここで、計測部４のセンサ１４は、例えば、特開平４−３６６７５０号公報に記載されている吸光度変動解析法を適用して、平均吸光度と吸光度標準偏差の測定結果からフロック粒径と個数濃度を演算できるセンサを用いればよく、フロックの量は上記粒径と個数濃度から算出するフロック体積率（フロックの量に比例する指標）で代替可能である。また、コンピュータ１６からの凝集剤注入量出力は、信号線１７により既設の凝集剤注入ポンプ制御装置へ送られる。このとき、コンピュータ１６では、計測部４で計測されるフロックの量が最小となるように凝集剤注入量を決定する。この決定にもとづいて、コンピュータ１６は、既設の凝集剤注入ポンプ制御装置を介して図５に示すような凝集剤注入ポンプ５４の駆動を制御し、凝集混和槽５５に投入される凝集剤の量を最適なものとする。
【００２７】
ところで、本発明にもとづく凝集剤注入量決定装置は、以下のような理論にもとづいて構成されている。
【００２８】
本来、凝集状態を直接的に反映しているのは、凝集混和槽（図５、参照符号５５）内のフロックである。しかし、下水汚泥の場合には、凝集混和槽内の凝集状態インライン計測は非常に困難である。そこで、本発明者らは、汚泥凝集後の脱水分離液の残渣フロックの量（例えば、残渣フロックの体積率）を測定することに着目した。
【００２９】
図２は、薬注量の違いによる凝集混和槽のフロック状態とその時の凝集汚泥の脱水分離液のフロック状態を推定して模式化したものである。上段の薬注量過少の場合、荷電中和不足でフロック化が進行せず、機械脱水により供給汚泥の多くが分離液側へ漏れ、この場合のケーキ脱水性は著しく悪い。中段の適正量の場合、フロックは成長し、かつフロックの機械的強度が強いので機械脱水後も分離液中に漏れる残渣フロックの量が少なく、ケーキ脱水性が良好となる。また、逆に下段の薬注量過剰の場合、成長ブロックと共に正電荷反発によるフロック分散で生じた小さなフロックが増え、かつフロックの機械的強度が弱く分離液へフロックが漏れやすい状態となり、再びケーキ脱水性は不良となる。つまり、残渣フロックの量（例えば、残渣フロックの体積率）は、凝集剤注入量に対して、適正薬注点を最小としたＵ字カーブを描くことが推定される。
【００３０】
本発明者らによって着想された上述の理論は、以下の実施例によってその妥当性が検証された。
【００３１】
はじめに、ここでは、フロックの量を代表する指標としてフロック体積率を用いた。脱水分離液のフロック体積率と脱水性との関係を、種々の汚泥と凝集剤との組み合わせ条件において薬注率（汚泥に注入した凝集剤溶液の固形物量を注入対象汚泥の固形物量で除したものを百分率で表したもの）を変化させ本発明の装置にて実測した場合の一例を図３および図４に示す。なお、何れの汚泥も水処理方式が標準活性汚泥法であるものを用い、凝集剤はカチオン性高分子凝集剤（以下、単にポリマーと呼ぶ）を使用した。具体的には、使用したポリマーは強カチオン性ポリメタクリレート系凝集剤（以下、単にポリマーＩとする）および強カチオン性ポリアクリレート系凝集剤（以下、単にポリマーＩＩ）である。これらのポリマーは当業者によく知られたものである。また、脱水機はベルトプレス脱水機を想定したリーフテスト機を使用し、ケーキ含水率は脱水ケーキの乾燥処理（１０５℃、１２時間）前後でのケーキ重量を計測することによって算出した。
【００３２】
図３は、Ａ処理場生汚泥をポリマーＩで凝集させた場合について、ポリマー薬注率に対するフロック体積率とケーキ含水率との関係をプロットしたグラフである。薬注率０．５〜１．６％の範囲において、フロック体積率は一旦減少してから急激に増加する傾向を示した。この時、フロック体積率は、薬注率０．８％での最小の０．０３％となった。一方、ケーキ含水率は、フロック体積率と同様な挙動を示し、体積率と同じ薬注率０．８％で最小値８９．４％となった。
【００３３】
また、図４はＢ処理場消化汚泥をポリマーＩＩで凝集させた場合について、ポリマー薬注率に対するフロック体積率とケーキ含水率の関係をプロットしたグラフである。薬注率１．０〜２．２％の範囲において、フロック体積率は薬注率１．６％までに急激に減少し、ここで最小値０．０１％となった。また、ケーキ含水率も同様に、薬注率１．６％で最小値８７．４％となった。
【００３４】
以上のように、脱水分離液中の残渣フロック体積率とケーキ含水率との関係をポリマー薬注率を変化させて検証した結果、ポリマー薬注率に対するフロック体積率の最小値と含水率の最小値とが良く一致し、上述の仮定の妥当性が実証された（上述以外の種々の汚泥、凝集剤についても普遍性を検証済み）。
【００３５】
これらの事実から、汚泥の性状や種類に関らず、機械脱水後の分離液中の残渣フロックの量を計測し、このときのフロックの量が最小となるように薬注量を自動的に決定することで、汚泥脱水性を良好に保つための薬注制御が可能である。本発明では、以上の原理に基づいて実施するので、
（１）インラインで自動制御ができるために手間がかからず、細かく最適薬注点を決定することができる。
【００３６】
（２）脱水分離液中の残渣フロック体積率の最小点と脱水汚泥含水率の最小点が一致する。
【００３７】
（３）フィードバック制御であるために注入汚泥性状の変動に追従した薬注量の設定が実現できる。などの従来にない特長が得られ、上述した従来法での解決すべき課題は全て解決される。
【００３８】
以上のことから明らかなように、従来、汚泥脱水工程に適用可能な凝集状態測定装置がなく、実際の凝集状態の定量的な把握が困難であったが、本実施形態例の凝集剤注入量決定装置は、脱水分離液を一定の流量で測定槽に注入させる分離液供給部と、測定槽内の液量を一定に保持する排液部と、測定槽内の分離液中のフロックの量を測定する計測部と、フロックの量の測定データに基づきフロックの量が最小となるように自動的に凝集剤注入量を調整するプログラムを内蔵する制御用コンピュータとを備え、また必要に応じて上記測定槽内に回転速度の変更が可能な攪拌装置を備えるものなので、供給汚泥の性状変化に迅速に対応して最適な薬注量が決定でき、その結果、汚泥脱水性を良好に安定な状態で維持することができるようになった。また、本実施形態例の装置は、機械的・物理的圧搾過程を経て固液分離された液体中の残渣フロックを測定対象としており、圧搾過程の方法に依らないことは自明である。すなわち、例えば、ベルトプレス脱水以外にも遠心脱水、スクリュープレス脱水などに適用可能であり、一部実証済みである。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にもとづく凝集剤注入量決定装置は、供給汚泥の性状変更に迅速に対応し、凝集剤の最適注入量を自動的に決定することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にもとづく凝集剤注入量決定装置の一構成例を説明するための模式図である。
【図２】薬注量による凝集混和槽と脱水分離液のフロック状態との違いを説明するための模式図である。
【図３】Ａ処理場生汚泥をポリマーＩで凝集させた場合について、ポリマー薬注率に対するフロック体積率とケーキ含水率との関係をプロットしたグラフである。
【図４】Ｂ処理場消化汚泥をポリマーＩＩで凝集させた場合について、ポリマー薬注率に対するフロック体積率とケーキ含水率との関係をプロットしたグラフである。
【図５】一般的な汚泥調質を行うための装置構成を説明するための模式図である。
【図６】ジャーテストを行う装置の主要部の構成を説明するため模式図である。
【符号の説明】
１  測定槽
２  分離液供給部
３  攪拌装置
４  計測部
５  排水部
６  送液管
７  手動バルブ
８  モーター
９  攪拌翼
１０  脱水分離液
１１  越流口
１２  排水堰
１３  排水管
１４  センサ
１５  信号線
１６  コンピュータ
１７  信号線
【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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