WTW技術資料

アンモニアセンサーを用いた制御システムによる省エネ化
Dr. Tao Su
Xylem Japan Product Manager, Wastewater Segment, North Asia

背景
下水処理場（WWTP）は、水質汚染を防ぐ重要な役割を果たしています。しかし、ほとんどの国では、最大のエネルギー消費源の1つと考えられています。日本では、WWTPは国全体の電力の0.7%[1]、EUでは0.8%[2]、米国では4%[3][4]と非常に多くのエネルギーが消費されています。
排水処理施設全体のエネルギー需要の内訳（図1）を見ると、日本では総エネルギー消費量の内の54％を反応槽における排水処理が占めており[5]、その他多くの国でも50％以上を占める排水処理部門のエネルギー消費量をいかに削減するかが重要な課題となっています[4]。



DOセンサーによる曝気制御システム
アンモニアセンサー基本とし、DOセンサーを組み合わせた曝気制御図2は、一般的なセンサー制御システムを簡略化して示したものです。プロセス制御で重要な焦点は、オン/オフ制御、設定値制御、フィードバック/フィードフォワード制御であり、これらは最適な結果を得るために適用されます。本報ではセンサーの種類に焦点を当てています。

図 1 日本のWWWTPで消費されるエネルギーの内訳[6]図2 DOセンサーを用いた曝気制御システムとアンモニアセンサーを用いたシステムの構成比較

排水処理のエネルギー消費量を削減するために、より大型のブロワーの利用、新しい効率的なディフューザー、省エネ改良型の反応ミキサーの設置、センサー制御システムの改良など、いくつかの方法が検討されています[7]。コストと効率を考慮すると、センサー制御システムの改善が最良の戦略となります。

センサーを利用した制御戦略
溶存酸素（DO）センサーによる曝気制御は、WWWTPで広く適用されており、現在の主流はセンサーベースの制御システムです。最近では、アンモニアセンサーを利用した新しいセンサーベースのシステムが、日本政府によって幅広く深く研究されています[8]。

本報では、異なるセンサーを利用した制御システムに焦点を当てるために、センサー制御システムを以下のように簡略化します。

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省エネ化の原理
理想的には、曝気槽内の酸素需要に合わせた送風機による曝気だけで満たすことができれば、無駄なエネルギーは発生しません。しかし実際には、酸素需要を評価するためのDOセンサーを用いた制御システム（DO設定値制御など）によるDOパラメータだけの評価では、過剰な曝気が行われてしまいます。
そこで、酸素需要を評価するパラメータとしてアンモニアを使用すれば、曝気槽の実際の酸素需要をより高感度にかつ正確に反映することができます。また、アンモニアセンサーで送風機を制御することで（アンモニア制御システム）、過剰な曝気を避けることができます。
図3は、WWWTPにおける省エネの基本的なメカニズムを示しています。アンモニアセンサーによる監視で、有機物の負荷が小さく酸素要求量が少ない時期は過剰な曝気を抑制することができます。一方、有機物の負荷が大きい時期には、アンモニアセンサーが適切な酸素要求量をコントローラーに伝え、適切な曝気を行うことができます。

図. 3 DO、アンモニアセンサー制御システムを活用した要求量の違い

アプリケーション例
アンモニアセンサー制御システムは、窒素を除去する省エネ戦略として利用されています。これは何年も前から認識されていましたが[9]、現在では、すべての生物学的廃水処理プロセスにおいて非常に効率的なアプローチとして実証されています。日本では、アンモニアセンサー制御システムを活用して大きな成果を上げています。10%～20%のエネルギーが節約できただけでなく、水質も排出規制を満たしています（表1）[10]。

表2 アンモニアセンサーの研究で報告された省エネ効果
WWTP
処理プロセスエネルギー 参考
処理能力
削減率
文献
嫌気性-無酸素-酸素プロセス 40,000 m3/d

16%

[11]

無酸素-酸素プロセス

200,000 m3/d

10.4%

[12]

標準活性汚泥法

68,700 m3/d

8.7%

[13]

無酸素-酸素プロセス

Not showed

2.3~8.9%[14]

無酸素-酸素プロセス

107,000 m3/d

16.9%

[15]

標準活性汚泥法

44,000 m3/d

10~15%[16]

無酸素-酸素プロセス

7,200 m3/d9.9~17.2% [17]嫌気性-無酸素-酸素プロセス

830,000 m3/d

10~25%[18]

嫌気性-無酸素-酸素プロセス 700,000 p. e.

18%

[19]

無酸素-酸素プロセス

25%

[20]

205,000 m3/d

WTW のアンモニアセンサー
WTW社（Xylem社ブランド）のAmmoLyt® Plus 700シリー
ズのアンモニアセンサー（図4）は、世界ではもちろん、日本でも多く使用されています[21], [22]。全世界で20,000台以上（NH4&NO3センサーを含む）が販売されています。特筆すべきは、東京都下水道局の芝浦水再生センターで採用されたAmmoLyt® Plusによる20％以上の電力エネルギー削減を達成していることです[18]。

表 1, 日本で実施したフィールドテストにおける省エネ効果 [10]テストNo.*

処理プロセスエネルギー削減率

事例 1

標準活性汚泥法

14.8%

事例 2

標準活性汚泥法

16.9%

事例 4

脱窒／硝化23%

事例 5

脱窒／硝化40%

事例 6

標準活性汚泥法10%

事例 8

標準活性汚泥法19%*事例3、7、9は、アンモニアセンサー制御システムを活用しても省エネにならないため、参考になりませんでした。

文献6で報告されたフィールドテストの他に、発表されている数多くの研究結果を表2にまとめました。標準活性汚泥法（AS）、無酸素-酸素プロセス（AO、窒素除去）、嫌気性-無酸素-酸素プロセス（A2O、窒素・リン除去）などそれぞれ異なった処理プロセスにおいても、最高で25％のエネルギー削減率が達成されています。

図4 XylemブランドWTW アンモニアセンサー :AmmoLyt® Plus 700

AmmoLyt® Plus 700シリーズの特徴
 補正電極でK+を自動補正し高精度を確保
 長時間安定した測定によるコスト低減
 電極やケーブルの交換が簡単で使いやすい 圧縮エアによる自動洗浄でメンテナンスが容易

概要
従来のDOセンサーによる曝気制御システムと比較して、アンモニアセンサーによる制御システムは、様々な処理工程でより多くのエネルギーを節約することができます。

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参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
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2021年5月
Xylem Japan（翻訳：セントラル科学株式会社）

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