JP4421372B2 - 汚水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、活性汚泥法を利用した汚水処理装置に関する。

現在、多くの下水処理設備においては、活性汚泥法によって汚水の浄化が行われている。これは、活性汚泥法は微生物の代謝作用を利用するため、処理効率が高く、経済的であるからである。ここで、活性汚泥法について以下に説明する。

先ず、汚水は、生物処理槽（曝気槽）へと連続的に供給され、そこで好気性微生物の集団と接触する。これにより、汚水の基質（ＢＯＤ成分）は、好気性微生物の集団によって酸化分解される。この好気性微生物の集団は、一般に「活性汚泥」と呼ばれる。生物処理槽で処理された汚水は、微生物集団と共に沈殿槽に流入する。

沈殿槽では、微生物集団は互いにくっつき合ってフロックとなり、沈降する。一方、上澄み（分離液）は溢流する。沈殿槽に沈降した微生物集団、即ち、汚泥はポンプによって再び生物処理槽に返送され（返送汚泥）、再び基質の酸化分解を行う。

但し、微生物は増殖するため、汚泥を全て返送すると、生物処理槽で酸素不足となったり、沈殿槽で固液分離が困難になったりする。このため、増殖した分は、余剰汚泥として系外に取り出され、脱水、焼却等の処理が行われる。最終的には、余剰汚泥は埋め立て処分される。

ところが、近年において、下水処理設備は増加しており、これに伴い余剰汚泥の発生量も着実に増加している。このため、埋め立て用の最終処分地の確保が年々困難となっている。また、各自治体においては、余剰汚泥の運搬や処理にかかる費用が増大している。このような状況から、余剰汚泥の削減方法については種々の研究がなされている。

余剰汚泥を削減するための手段としては、例えば、活性汚泥法の処理プロセスに、再基質化プロセスを追加することが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。再基質化プロセスは、沈殿槽に沈殿した汚泥（濃縮汚泥）の一部を再び生物分解可能な基質に変換（再基質化）するプロセスである。図６は、再基質化プロセスが追加された活性汚泥法の概略を示す図である。

図６に示すように、生物処理槽５１で発生した汚泥は、沈殿槽５３に送られ、そこで沈降・濃縮される。沈殿槽５３に沈降した汚泥のうち、一部は返送汚泥としてそのまま生物処理槽５１に送られ、別の一部は再基質化装置５２に送られる。

再基質化装置５２は、物理的、化学的又は生物学的方法によって、汚泥中の微生物の殺傷、細胞壁の破壊、可溶化・低分子化等を行う。これにより、汚泥中の微生物は死滅し、汚泥は再基質化される。また、この再基質化された汚泥（以下、「再基質化汚泥」という。）は、再度、生物処理槽５１に送られ、微生物集団によって酸化分解される。この結果、余剰汚泥の削減が図られる。

再基質化の具体的な方法としては、オゾン酸化法、好熱細菌法、ビーズミル法、水熱処理法、超音波法、高速回転ディスク法、ウォータージェット法、電解法、高圧処理法、酸・アルカリ処理法、マイクロ波法等が知られている。このうち、非特許文献１においては、水熱処理法を利用した方法が開示されている。

また、非特許文献１においては、水熱処理法による再基質化プロセスを導入した場合における汚泥削減のメカニズムを理論化する試みがなされている。また、この理論に基づいて構築されたモデルのシミュレーション解析を行い、これによって、再基質化量等の操作条件を決定している。

更に、非特許文献１においては、シミュレーション解析から得られた値と実測値とを比較することで、シミュレーション解析の正確性の実証も行っている。このことから、活性汚泥法を実施する既存の汚水処理装置に再基質化装置を組み込み、非特許文献１に開示された操作条件で汚水処理装置を稼動すれば汚泥を削減できると考えられる。
奥田友章著 「水熱反応による余剰汚泥削減型活性汚泥法の開発に関する研究」、大阪工業大学大学院工学研究科博士課程学位論文、２００２年１２月

しかしながら、再基質化装置を組み込んだ汚水処理装置においては、再基質化プロセスを実行する必要があるため、再基質化装置が組み込まれていない汚水処理装置に比べて、管理者の負担が増加してしまう。このため、余剰汚泥の処分にかかるコストを低減できても、管理者の増員等による運用コストの上昇を招来してしまう。

また、非特許文献１に開示された操作条件は、あくまで余剰汚泥を削減するための条件であり、汚水処理装置の省力化に貢献するものではない。更に、非特許文献１においては、余剰汚泥が全く発生しないことを前提にしてモデルを構築し、それに基づいて解析シミュレーションを行っている。このため、実際に汚水処理装置を長時間稼動した場合は、解析結果と実際の状況とが乖離する可能性がある。

本発明の目的は、余剰汚泥の発生を考慮した再基質化処理を行うことができ、且つ、運用コスト上昇の抑制を図り得る汚水処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明における汚水処理装置は活性汚泥法による汚水の浄化処理を行う汚水処理装置であって、生物処理槽と、前記生物処理槽で処理された汚水を濃縮汚泥と分離液とに分離させる固液分離手段と、前記濃縮汚泥に対して再基質化処理を行う再基質化手段と、前記濃縮汚泥を前記再基質化手段へと送るための第１の再基質化ラインと、前記再基質化処理によって生じた再基質化汚泥を前記生物処理槽へと送るための第２の再基質化ラインと、前記濃縮汚泥を前記生物処理槽へと返送するための返送ラインと、前記濃縮汚泥を余剰汚泥として外部へと排出するための排出ラインと、制御手段と、前記制御手段の指示に応じて、前記第１の再基質化ラインによる前記濃縮汚泥の前記再基質化手段への導入及び前記排出ラインによる前記余剰汚泥の外部への排出のうちいずれかに切替えるライン切替手段とを少なくとも有し、前記制御手段は、前記ライン切替手段によって前記排出ラインによる外部への排出を停止した状態で、前記生物処理槽中の非活性汚泥の濃度Ｘｄ１と、前記生物処理槽及び前記分離液中の流入基質の濃度Ｓｄと、前記生物処理槽及び前記分離液中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｅとから、前記生物処理槽に供給できる前記再基質化汚泥の一日あたりの量Ｑｒと、前記Ｑｒを達成した場合に排出が必要な前記余剰汚泥の一日あたりの量Ｑｅとを算出し、算出した前記Ｑｒ及び前記Ｑｅが満たされるように前記ライン切替手段に切替えを行わせることを特徴とする。

以上のように本発明における汚水処理装置によれば、制御手段によって、生物処理槽に供給できる再基質化汚泥の一日あたりの量が算出される。また、生物処理槽に供給できる再基質化汚泥の一日当たりの量の算出は、余剰汚泥の発生を考慮して行われている。更に、制御手段は、算出した再基質化汚泥の一日あたりの量を達成するために排出が必要となる余剰汚泥の一日あたりの量も算出する。このため、余剰汚泥の発生を考慮した再基質化処理を行うことができ、実際の状況と算出結果との乖離は抑制される。また、このように、算出を制御手段によって行うことができるため、算出分の再基質化汚泥の生物処理槽への供給や、算出分の余剰汚泥の排出を容易に自動化できるため、運用コスト上昇の抑制を図ることもできる。

上記本発明における汚水処理装置においては、前記生物処理槽における汚水の流入側に、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水の基質濃度Ｓａと、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水の一日あたりの量Ｑａとを測定する第１の測定手段が設けられ、前記第２の再基質化ラインに、前記再基質化汚泥中の汚泥濃度Ｘ４、及び再基質化汚泥中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｃを測定する第２の測定手段が設けられ、前記生物処理槽に、前記生物処理槽中の活性汚泥の濃度Ｘａ１と前記生物処理槽中の非活性汚泥の濃度Ｘｄ１との和である前記生物処理槽中の汚泥濃度Ｘ１を測定する第３の測定手段が設けられ、前記固液分離手段の前記分離液の排出側に、前記分離液中の汚泥濃度Ｘ２、及び前記Ｓｄと前記Ｓｅとの和である前記生物処理槽及び前記分離液中の基質濃度Ｓを測定する第４の測定手段が設けられ、前記固液分離手段の前記濃縮汚泥の排出側に、前記濃縮汚泥中の汚泥濃度Ｘ３を測定する第５の測定手段が設けられ、前記制御手段が記憶部を有し、前記記憶部には、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水中の基質の汚泥転換率ａ₁、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の懸濁成分の汚泥転換率ａ₂、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の可溶化成分の汚泥転換率ａ₃、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水中の基質の分解速度ｋ₁、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の懸濁成分の分解速度ｋ₂、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の可溶化成分の分解速度ｋ₃、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水中の基質の飽和定数Ｋｓ₁、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の懸濁成分の飽和定数Ｋｓ₂、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の可溶化成分の飽和定数Ｋｓ₃、活性汚泥の自己酸化率ｂ、前記生物処理槽中の汚水の体積Ｖ１、前記Ｓｅと前記Ｓとの比（Ｓｅ／Ｓ）、前記Ｘａ１と前記Ｘ１との比（Ｘａ１／Ｘ１）が格納されており、前記制御手段が、前記第１の測定手段から前記第５の測定手段によって測定された値と、前記記憶部に記憶された値とを、下記式（１）〜（８）に代入することによって、前記生物処理槽に供給できる前記再基質化汚泥の一日あたりの量Ｑｒと、前記Ｑｒを達成した場合に排出が必要な前記余剰汚泥の一日あたりの量Ｑｅとを算出する態様とするのが好ましい。この態様によれば、適切なＱｒ及びＱｅを簡単に算出することができる。

また、上記本発明の汚水処理装置においては、前記制御手段が検出部を有し、前記第１の測定手段、前記第２の測定手段、前記第３の測定手段、前記第４の測定手段、及び前記第５の測定手段のうち少なくとも一つが、それぞれの測定値に応じた信号を前記検出部に出力し、前記検出部が前記信号から前記測定値を検出する態様とするのが好ましい。この場合、制御手段によって自動的に係数を検出できる。

更に、前記再基質化手段は、超音波処理装置または水熱処理装置であるのが好ましい。この場合、再基質化処理の確実性を高めることができる。

また、上記本発明の汚水処理装置においては、前記第１の再基質化ラインに、前記第１の再基質化ラインによって前記再基質化手段に導入される前記濃縮汚泥の一日当たりの量を測定する第１の流量計が設けられ、前記排出ラインに、前記排出ラインから排出される前記余剰汚泥の一日当たりの量を測定する第２の流量計が設けられており、前記制御手段は、前記第１の流量計で測定された値が、前記生物処理槽に供給できる前記再基質化汚泥の一日あたりの量Ｑｒに到達したかどうかを判定し、到達した場合に、前記ライン切替手段に、前記第１の再基質化ラインによる前記濃縮汚泥の導入を停止させ、更に、前記第２の流量計で測定された値が、前記余剰汚泥の一日あたりの量Ｑｅに到達したかどうかを判定し、到達した場合に、前記ライン切替手段に、前記排出ラインによる前記余剰汚泥の排出を停止させる態様とするのが好ましい。この態様によれば、再基質化手段に自動的に必要量の濃縮汚泥を供給できる。また、自動的に、必要量の余剰汚泥を排出できる。

以下、本発明の汚水処理装置の一例について、図１〜図５を参照しながら説明する。最初に、本発明の汚水処理装置の物質収支モデルについて図１を用いて説明する。図１は、本発明の汚水処理装置の物質収支モデルを示す図である。

図１に示すように、汚水処理装置の外部から汚水が生物処理槽１へと流入すると、汚水中の基質は、生物処理槽１内の微生物によって酸化分解される。これにより、汚泥が発生する。また、生物処理された汚水は、図１には図示していない固液分離手段に送られ、分離液と濃縮汚泥とに分離する。分離液は処理水として排出される。

一方、濃縮汚泥の一部は引き抜き汚泥として再基質化装置２へと送られ、再基質化される。再基質化された濃縮汚泥（再基質化汚泥）は、再度酸化分解が可能であるため、生物処理槽１に返送される。また、濃縮汚泥の他の一部は、図１には図示していないが、返送汚泥としてそのまま生物処理槽１へと送られ、生物処理に利用される。残りの濃縮汚泥は余剰汚泥として外部に排出される。

よって、余剰汚泥の一日当たりの量Ｑｅ(L/day)の削減を図るためには、再基質化装置２へ送る濃縮汚泥（引き抜き汚泥）の一日当たりの量Ｑｒ(L/day)を適切な値とする必要がある。なお、図１中に記載されている各パラメータの定義を表１に示す。

なお、表１に示すパラメータにおいて、ＸＮ＝ＸａＮ＋ＸｄＮ（Ｎ＝１、２、３、４）であり、Ｓ＝Ｓｄ＋Ｓｅである。

図１に示す生物処理槽１における汚泥の増殖と分解は、表１に示すパラメータを用いて下記式（１）〜（３）によって示すことができる。また、図１に示す生物処理槽１における溶解性の基質の分解は、表１に示すパラメータを用いて下記式（４）〜（６）によって示すことができる。

なお、下記式（１）〜（６）で使用されている各種係数の定義を表２に示す。

また、表２中のａ₁、ａ₂、ａ₃の単位は特に限定されるものではないが、これらの単位としては「g-SS/g-BOD」、「g-SS/g-SS」、「g-SS/g-COD」、「g-SS/g-TOC」等が挙げられる。

図２は、再基質化汚泥を概念的に示す図である。図２に示すように、再基質化装置２（図１参照）へと送られた濃縮汚泥（活性汚泥）のうち、一部は、再基質化処理によって、微生物による酸化分解が可能な再基質化汚泥となる。残りは、微生物による酸化分解が不可能な未基質汚泥のままである。このとき、濃縮汚泥の再基質化率をε、濃縮汚泥の未基質化率をδとすると、ε＋δ＝１となる。

なお、図２において、γは濃縮汚泥の再基質化汚泥への転換係数を示す。再基質化汚泥への転換係数γは、再基質化汚泥の汚泥濃度と基質濃度とを測定し、その比率を算出することによって得ることができる。再基質化汚泥への転換係数γの単位としては、例えば、［g-BOD/g-SS］、［g-COD/g-SS］、［g-TOC/g-SS］等が挙げられる。通常、再基質化汚泥の転換係数γは、０．４［g-TOC/g-SS］程度となる。

また、図２に示すように、再基質化汚泥は、懸濁成分と可溶化成分に分かれる。再基質化汚泥の懸濁率をζ、再基質化汚泥の可溶化率をηとすると、ζ＋η＝１となる。更に、可溶化成分には、汚水中に溶け込んだ溶解成分とガス成分とが含まれる。再基質化汚泥の可溶化成分の溶解率をθ、ガス化率をιとすると、θ＋ι＝１となる。

ここで、図１に示す物質収支モデルにおける物質収支を検討する。生物処理槽１中の汚泥濃度Ｘ１(mg/L)に着目すると、物質収支は下記式（９）及び（１０）によって表される。また、上記式（３）と、下記式（９）及び（１０）とから、下記式（７）が導かれる。

また、生物処理槽１及び分離液中の基質濃度Ｓ(mg/L)に着目すると、物質収支は下記式（１１）及び（１２）によって表される。また、上記式（６）と、下記式（１１）及び（１２）とから、下記式（８）が導かれる。

従って、余剰汚泥の発生を考慮した上で、生物処理槽１に供給できる再基質化汚泥の一日当たりの量Ｑｒ(L/day)（即ち再基質化装置２に送る濃縮汚泥の一日当たりの量）を適切な値とするためには、Ｑｒが上記の物質収支の式（７）及び（８）を満たすように、汚水処理装置を稼動させてやることが望ましいと考えられる。このため、以下の図３に示す本発明の汚水処理装置の一例においては、上記式（１）〜（８）を用いて、生物処理槽１に供給できる再基質化汚泥の一日当たりの量Ｑｒ(L/day)と余剰汚泥の量Ｑｅ(L/day)とが決定される。

次に、本発明の汚水処理装置の構成について図３及び図４を用いて説明する。図３は、本発明の汚水処理装置の一例を示す構成図である。図４は、再基質化装置の一例を示す図であり、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は下面図である。

図３に示すように、汚水処理装置は、活性汚泥法を行うための生物処理槽１と、再基質化装置２と、沈殿槽３と、制御装置１５とを備えている。生物処理槽１内には、微生物が存在している。よって、外部から流入する汚水中の基質はこの微生物によって酸化分解される。生物処理槽１によって処理された汚水は沈殿槽３に流入する。

沈殿槽３は、生物処理槽１で処理された汚水を濃縮汚泥２２と分離液２１とに分離させる固液分離手段として機能している。分離液２１は溢水によって外部に排出される。一方、濃縮汚泥２２は、沈殿槽３の底に接続された引き抜きライン２７を介して、ポンプ４による吸引によって、沈殿槽３の外に排出される。

なお、本発明においてラインは流路を意味している。また、図３の例では、固液分離手段として沈殿槽３が用いられているが、固液分離手段はこれに限定されるものではない。本発明においては、固液分離手段として、膜分離装置、加圧浮上分離装置、遠心分離装置等を用いても良い。更に、生物処理槽１と沈殿槽３との代わりに、生物処理槽と固液分離手段とを一体化した回分式処理装置を用いても良い。

再基質化装置２は、沈殿槽３で得られた濃縮汚泥２２に対して再基質化処理を行う。本発明において再基質化装置２の種類は特に限定されるものではなく、水熱処理によって再基質化を行う水熱処理装置であっても良いし、超音波処理によって再基質化を行う超音波処理装置であっても良い。さらに、再基質化装置２としては、オゾン酸化法、好熱細菌法、ビーズミル法、高速回転ディスク法、ウォータージェット法、電解法、高圧処理法、酸・アルカリ処理法、またはマイクロ波法等を用いて再基質化処理を行う装置を用いることもできる。

図３の例では、再基質化装置２としては、図４に示す超音波処理装置が用いられている。図４の例では、超音波処理装置は、濃縮汚泥を貯留する処理槽３１の底面に、複数の超音波振動子３２を取り付けて構成されている。この構成により、処理槽３１内に送り込まれた濃縮汚泥では、超音波振動子３２からの超音波によってキャビテーションが発生する。この結果、濃縮汚泥中の微生物は破壊され、可溶化される。図３及び図４の例では、再基質化装置２の稼動、出力調整は、制御装置１５によって行われている。

また、再基質化装置２として超音波処理装置を用いる場合、超音波周波数は２０ｋHz〜１００ｋHz、特には２０ｋHz〜４０ｋHzに設定するのが好ましい。なお、再基質化装置２として用いることができる超音波処理装置は、図４に示す例に限定されるものではない。

また、再基質化装置２として、水熱処理によって再基質化を行う水熱処理装置を用いる場合、反応温度は１００℃〜３００℃、特には１００℃〜２００℃に設定するのが好ましい。なお、水熱処理装置の構成は特に限定されるものではない。更に、水熱処理装置において、加熱方式も特に限定されず、連続式でも回分式でも良い。また、水熱処理を行うための加熱手段も特に限定されず、加熱手段としては、ボイラー、ヒーター、電磁誘導装置、又はマイクロ波照射装置等を用いることができる。

また、図３に示すように、引き抜きライン２７は、返送ライン２３と、第１の再基質化ライン２４と、排出ライン２６とに分岐している。返送ライン２３は、濃縮汚泥２２をそのままの状態で生物処理槽１へと返送するためのラインである。第１の再基質化ライン２４は、濃縮汚泥を再基質化装置２に導入するためのラインである。排出ライン２６は、濃縮汚泥２２を余剰汚泥として外部へと排出するためのラインである。

また、各分岐ラインそれぞれには、バルブ５〜７が設けられている。バルブ５〜７は、信号の入力によって開閉が可能な自動弁であり、ライン切替手段として機能する。図３の例では、各バルブ５〜７の開閉は、制御装置１５によって制御されている。２５は、再基質化装置２によって再基質化された汚泥（再基質化汚泥）を生物処理槽１へと送るための第２の再基質化ラインである。

また、図３に示す汚水処理装置においては、第１の測定手段８〜第５の測定手段１２までの５つの測定手段が設けられている。更に、図３の例では、第２の測定手段９を除き、各測定手段は、測定した値に応じた信号を制御装置１５の検出部１６へと出力する機能を備えている。第２の測定手段９によって測定された値は、汚水処理装置の操作者によって入力部２０から制御装置１５に入力される。入力された値は、記憶部１８に格納される。

なお、第２の測定手段９に、測定した値に応じた信号を制御装置１５の検出部１６へと出力する機能を付与することもできる。また、第２の測定手段９以外の測定手段が、制御装置１５に信号を出力する機能を有していない態様であっても良く、この場合も、測定された値は汚水処理装置の操作者によって入力部２０から入力される。

第１の測定手段８は、生物処理槽１における汚水の流入側に設けられている。第１の測定手段８は、外部から生物処理槽１へと流入する汚水の基質濃度Ｓａ(mg/L)を測定する負荷測定器と、外部から生物処理槽へと流入する汚水の一日あたりの量Ｑａ(L/day)を測定する流量計とで構成されている。

第２の測定手段９は、第２の再基質化ライン２５から分岐したラインに取り付けられている。第２の測定手段９は、再基質化汚泥中の汚泥濃度Ｘ４(ｍg/L)と、再基質化汚泥中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｃ(ｍg/L)とを測定する。図３の例では、第２の測定手段９は、第１測定槽（図示せず）と第２測定槽（図示せず）とを備えている。各測定槽それぞれには、負荷測定器が備えられている。

第１測定槽の供給口には、粒子保持能力が５μｍ以上、好ましくは１．２μｍ以上のフィルター（図示せず）が備えられており、このフィルターを通過した成分の基質濃度が、再基質化汚泥中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｃ(ｍg/L)として測定される。更に、第２の測定槽の供給口には、粒子保持能力が１２５μｍ以上、好ましくは３７μｍ以上のフィルター（図示せず）が備えられており、このフィルターを通過した成分の汚泥濃度が、再基質化汚泥中の汚泥濃度Ｘ４(ｍg/L)として測定される。

また、第２の測定手段９によるＸ４及びＳｃの測定は、ライン切替手段によって排出ライン２６による外部への排出を停止した状態、即ち、バルブ７のみを閉じた状態で行われる。第２の測定手段９によって測定された値は、上述したように汚水処理装置の操作者によって入力部２０から制御装置１５に入力される。

また、第２の測定手段によって測定されたＸ４及びＳｃから、図２を用いて説明した、濃縮汚泥の再基質化率ε、再基質化汚泥の懸濁率ζ、及び再基質化汚泥の可溶化率η（図２参照）を算出できる。再基質化汚泥の可溶化成分の溶解率θ、及び再基質化汚泥の可溶化成分のガス化率ι（図２参照）は、再基質化処理におけるＴＯＣの損失量から算出できる。但し、再基質化装置２として、超音波処理装置や水熱処理装置を用いる場合は、通常、ガス化は起きないため、θ＝１、ι＝０となる。

第３の測定手段１０は、生物処理槽１に取り付けられている。第３の測定手段１０はＳＳ計であり、生物処理槽１中の汚泥濃度Ｘ１(mg/L)を測定する。第４の測定手段１１は、沈殿槽３の分離液２１の排出側に設けられている。第４の測定手段１１は、分離液２１中の汚泥濃度Ｘ２(mg/L)を測定するＳＳ計と、分離液２１中の基質濃度Ｓ(mg/L)を測定する負荷測定器とで構成されている。なお、このとき測定されたＸ２は、生物処理槽１中の汚泥濃度にも該当する。また、Ｓは、生物処理槽１中の基質濃度にも該当する。

第５の測定手段１２は、沈殿槽３における濃縮汚泥２２の排出側、即ち、引き抜きライン２７上に設けられている。第５の測定手段１２は、濃縮汚泥２２中の汚泥濃度Ｘ３を測定するＳＳ計である。

なお、図３の例で用いられる負荷測定器は特に限定されるものではない。負荷測定器としては、例えば、ＢＯＤ計、ＣＯＤ計、ＳＳ計、ＴＯＣ計等が挙げられる。また、ＳＳ計を用いる場合、その測定方式は特に限定されない。ＳＳ計としては、例えば、吸光度測定法や散乱光測定法を利用したものを用いることができる。また、ＣＯＤ計を用いる場合も、その測定方式は特に限定されない。ＣＯＤ計としては、例えば、吸光度測定法を利用したものを用いることができる。

また、図３に示すように、第１の再基質化ライン２４におけるバルブ６と再基質化装置２との間には、流量計１３が設けられている。流量計１３は、再基質化装置２へ送られる濃縮汚泥の量(L/day)を測定する。更に、排出ライン２６におけるバルブ７の下流側には、流量計１４が設けられている。流量計１４は、排出ライン２６を通る余剰汚泥の量(L/day)を測定する。また、流量計１３及び１４は、測定した値に応じた信号を検出部１６へと出力する。なお、流量計１３及び１４の種類は特に限定されるものではない。具体的には、超音波式や電磁式の流量計が挙げられる。

また、制御装置１５は、図３の例では、検出部１６、演算部１７、記憶部１８、駆動部１９、及び入力部２０を備えている。検出部１６は、第１の測定手段８〜第５の測定手段１２（第２の測定手段９を除く）、流量計１３及び１４と接続されており、各測定手段及び流量計が出力した信号は検出部１６に入力される。

また、検出部１６は、入力された信号から、生物処理槽１に供給できる再基質化汚泥の一日当たりの量Ｑｒ(L/day)と、排出する余剰汚泥の量Ｑｅ(L/day)との算出に必要な係数の検出を行う。具体的には、検出部１６は、第１の測定手段８からの信号によって、外部から生物処理槽１へと流入する汚水の基質濃度Ｓａ(mg/L)、及び外部から生物処理槽１へと流入する汚水の一日あたりの量Ｑａ(L/day)を検出する。

更に、検出部１６は、第３の測定手段１０からの信号によって、生物処理槽１中の汚泥濃度Ｘ１(mg/L)を検出し、第４の測定手段１１からの信号によって、分離液中の汚泥濃度Ｘ２(mg/L)と分離液２１中の基質濃度Ｓ(mg/L)とを検出する。また、検出部１６は、第５の測定手段１２からの信号によって濃縮汚泥２２中の汚泥濃度Ｘ３(mg/L)を検出する。

また、検出部１６は、第２の測定手段９によって測定された、再基質化汚泥中の汚泥濃度Ｘ４(ｍg/L)と、再基質化汚泥中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｃ(ｍg/L)との検出も行う。但し、図３の例では、Ｘ４及びＳｃの検出は、検出部１６が記憶部１８からＸ４及びＳｃを読み出すことによって行われる。また、図３の例では、検出部１６は、Ｘ４及びＳｃが記憶部１８に格納されているかどうかの判定も行う。

記憶部１８には、生物処理槽１に供給できる再基質化汚泥の一日当たりの量Ｑｒ(L/day)と、排出する余剰汚泥の一日当たりの量Ｑｅ(L/day)との算出に必要な係数であって、各測定手段からは得ることができない係数が格納されている。また、記憶部１８には、上述した式（１）〜（８）も格納されている。なお、図３の例では、各測定手段から得ることができない係数は、入力部２０を介して、操作者によって入力される。また、記憶部１８は、検出部１６によって検出された係数も記憶することができる。

図３の例において、記憶部１８に格納される係数としては、流入基質汚泥転換率ａ₁(g-SS/g-TOC)、再基質懸濁成分汚泥転換率ａ₂(g-SS/g-SS)、及び再基質可溶化成分汚泥転換率ａ₃(g-SS/g-TOC)が挙げられる。また、流入基質分解速度ｋ₁(1/day)、再基質懸濁成分分解速度ｋ₂(1/day)、及び再基質可溶化成分分解速度ｋ₃(1/day)も挙げられる。

更に、記憶部１８に格納される係数としては、流入基質飽和定数Ｋｓ₁(mg/L)、再基質懸濁成分飽和定数Ｋｓ₂(mg/L)、再基質可溶化成分飽和定数Ｋｓ₃(mg/L)、及び活性汚泥の自己酸化率ｂ(1/day)も挙げられる。また、記憶部１８には、生物処理槽１中の汚水の体積Ｖ１、ＳｅとＳとの比（Ｓｅ／Ｓ）、及びＸａ１とＸ１との比（Ｘａ１／Ｘ１）も格納されている。

演算部１７は、検出部１６によって検出された測定値と、それ以外の記憶部１８に格納されている係数とを用いて、再基質化装置２へ送る濃縮汚泥の量Ｑｒ(L/day)と、排出する余剰汚泥の量Ｑｅ(L/day)とを算出する。図３の例では、演算部１７による算出は、上述した式（１）〜式（８）に検出した測定値と読み出した係数とを代入することによって行われる。

駆動部１９は、演算部１７の指示に応じて、ライン切替手段として機能するバルブ５、６、及び７の開閉操作を行うための信号を出力する。例えば、演算部１７が再基質化装置２へ濃縮汚泥を導入することを指示した場合は、駆動部１９は、バルブ６を開け、バルブ７を閉じる。また、演算部１７が余剰汚泥を排出することを指示した場合は、駆動部１９は、バルブ６を閉じ、バルブ７を開ける。

また、第１の再基質化ライン２４を介して再基質化装置２へ導入された濃縮汚泥の量は、流量計１３によって測定され、検出部１６によって検出される。同様に、排出ライン２６から排出される余剰汚泥の量は、流量計１４によって測定され、検出部１６によって検出される。このため、演算部１７は、算出されたＱｒとＱｅが達成されるようにフィードバック制御を行う。

次に、図３に示す汚水処理装置の動作について図５を用いて説明する。図５は、図３に示す汚水処理装置の動作を示すフロー図である。なお、以下の説明においては、適宜図３を参酌する。

図５に示すように、先ず、演算部１７は、記憶部１８から、濃縮汚泥の量Ｑｒ及び余剰汚泥の量Ｑｅの算出に必要な係数を読み出す（ステップＳ１）。読み出される係数は、上述した、ａ₁(g-SS/g-TOC)、ａ₂(g-SS/g-SS)、ａ₃(g-SS/g-TOC)、ｋ₁(1/day)、ｋ₂(1/day)、ｋ₃(1/day)、Ｋｓ₁(mg/L)、Ｋｓ₂(mg/L)、Ｋｓ₃(mg/L)、ｂ(1/day)、Ｖ１、Ｓｅ／Ｓ、Ｘａ１／Ｘ１である。

次に、演算部１７は、駆動部１９に対してバルブ７のみを閉じるように指示を与える（ステップＳ２）。次いで、この状態で、演算部１７は検出部１６に以下のステップＳ３〜Ｓ６を行わせる。なお、ステップＳ３〜Ｓ６の順序は特に限定されるものではなく、これらは同時に実施することもできる。

ステップＳ３では、検出部１６は、第１の測定手段８からの信号によって、外部から生物処理槽１へと流入する汚水の基質濃度Ｓａ(ｍg/L)と、生物処理槽１へと流入する汚水の一日あたりの量Ｑａ(L/day)を検出する。

ステップＳ４では、検出部１６は、第４の測定手段１１からの信号によって、分離液２１中の汚泥濃度Ｘ２(mg/L)と、分離液２１中の基質濃度Ｓ(ｍg/L)とを検出する。ステップＳ５では、検出部１６は、第３の測定手段１０によって、生物処理槽１中の汚泥濃度Ｘ１(mg/L)を検出する。ステップＳ６では、検出部１６は、第５の測定手段１２によって、濃縮汚泥２２中の汚泥濃度Ｘ３(mg/L)を検出する。

次に、検出部１６は、再基質化汚泥中の汚泥濃度Ｘ４(ｍg/Ｌ)と、再基質化汚泥中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｃ(ｍg/Ｌ)とが入力され、これらが記憶部１８に格納されているかどうかを判定する（ステップＳ７）。格納されている場合は、検出部１６は、Ｘ４及びＳｃを記憶部１８から読み出す（ステップＳ８）。格納されていない場合は、検出部１６は待機状態となる。

なお、ステップＳ７及びＳ８は、ステップＳ３〜Ｓ６いずれかのステップの前に実行することもできる。また、Ｘ４及びＳｃの測定及び入力は、図５に示すステップの実行前に行っても良い。

次に、演算部１７は、記憶部１８に格納された式（１）〜（８）を読み出し、ステップＳ１、Ｓ３〜Ｓ６、及びＳ８によって得られた測定値及び係数をこれらの式に代入する（ステップＳ９）。これにより、生物処理槽１に供給できる一日当たりの再基質化汚泥の量Ｑｒ(L/day)と、Ｑｒを達成した場合に排出が必要な余剰汚泥の一日当たりの量Ｑｅ(L/day)とが算出される。なお、Ｘａ１、Ｘｄ１の値は、上述したようにＸ１＝Ｘａ１＋Ｘｄ１であることから、検出されたＸ１の値と、読み出された（Ｘａ１／Ｘ１）の値とから算出される。Ｓｅ及びＳｄの値も同様である。

次に、演算部１７は、再基質化ライン用のバルブ６が開状態、排出ライン用のバルブ７が閉状態となるように、駆動部１９に指示を与える（ステップＳ１０）。この結果、第１の再基質化ライン２４に濃縮汚泥２２が流れ、第２の再基質化ライン２５には再基質化汚泥が流れ、再基質化汚泥は生物処理槽１に流入する。また、余剰汚泥の排出は停止される。なお、この場合において、バルブ５は開いた状態であっても良いし、閉じた状態であっても良い。

次に、演算部１７は、流量計１３によって測定され、且つ検出部１６によって検出された濃縮汚泥の量が、ステップＳ８で算出された濃縮汚泥の量Ｑｒ(L/day)に到達したかどうかを判定する（ステップＳ１１）。到達していない場合は、駆動部１９にステップＳ１０の状態を維持させたまま、演算部１７は待機状態となる。

到達した場合は、演算部１７は、再基質化ライン用のバルブ６が閉状態、排出ライン用のバルブ７が開状態となるように、駆動部１９に指示を与える（ステップＳ１１）。また、演算部１７は、再基質化装置２に対しては稼動を停止するよう信号を出力する。なお、この場合においても、バルブ５は開いた状態であっても良いし、閉じた状態であっても良い。

次に、演算部１７は、流量計１４によって測定され、且つ検出部１６によって検出された余剰汚泥の量が、ステップＳ８で算出された余剰汚泥の量Ｑｅ(L/day)に到達したかどうかを判定する（ステップＳ１３）。到達していない場合は、駆動部１９にステップＳ１２の状態を維持させたまま、演算部１７は待機状態となる。到達した場合は、演算部１７は、排出ライン用のバルブ７が閉状態となるように、駆動部１９に指示を与えて処理を終了する。

このように図３に示す汚水処理装置によれば、制御装置１５によって、自動的に、生物処理槽１に供給できる再基質化汚泥の一日当たりの量Ｑｒと、Ｑｒを達成した場合に排出が必要な余剰汚泥の一日当たりの量Ｑｅとが算出される。また、制御装置１５によって、自動的に、算出分の再基質化汚泥が生物処理槽１に供給され、算出分の余剰汚泥が排出される。このため、余剰汚泥の発生を考慮した再基質化処理を行うことができると同時に、管理者の負担の増加を抑制できるので運用コストの上昇も抑制できる
ここで、記憶部１８に予め格納させておく係数について説明する。本発明において、記憶部１８に予め格納させておく係数の値は、汚水の種類に応じて、実験によって適宜設定できる。例えば、流入基質汚泥転換率ａ₁、再基質懸濁成分汚泥転換率ａ₂、再基質可溶化成分汚泥転換率ａ₃、及び自己酸化率ｂ、は、上述した「非特許文献１」の第９１頁から第１０２頁に記載された、異なる条件下での回分式の生物処理実験によって、基質の変化量、汚泥の変化量を測定することにより求めることができる。

また、同様にして、流入基質分解速度ｋ₁、再基質懸濁成分分解速度ｋ₂、及び再基質可溶化成分分解速度ｋ₃、流入基質飽和定数Ｋｓ₁、再基質懸濁成分飽和定数Ｋｓ₂、及び再基質可溶化成分飽和定数Ｋｓ₃も求めることができる。非特許文献１に記載の生物処理実験によって得られた係数の一例を下記の表３に示す。

また、ＳｅとＳとの比（Ｓｅ／Ｓ）は、再基質化汚泥の可溶化成分の比率である。（Ｓｅ／Ｓ）は、例えば、図５に示すステップを実行する日の前日に汚水処理装置を稼動させたときに得られたデータを用いて下記式（１３）から算出できる。

下記式（１３）において、ＰＱｒは、前日に算出された、生物処理槽１に供給できる再基質化汚泥の一日あたりの量Ｑｒ(g/day)である。また、ＰＱａは、前日に検出された、外部から生物処理槽１へと流入する汚水の一日あたりの量Ｑａ(g/day)である。ＰＳｃは、前日に検出された、再基質化汚泥中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｃ(mg/L)である。ＰＳａは、前日に検出された、外部から生物処理槽１へと流入する汚水の基質濃度Ｓａ(mg/L)である。

また、上記式（１３）による算出は、演算部１７によって行うことができる。演算部１７による上記式（１３）を用いた算出ステップは、図５に示したステップの実行前に行っても良いし、図５に示したステップＳ１〜Ｓ６のうちいずれかのステップの実行後に行っても良い。

但し、図５に示すステップを実行する日の前日のデータがない場合は、演算部１７が、ステップＳ３〜Ｓ８で取得されたデータと予め入力された予測再基質化汚泥量とから、ステップＳ９の実行前に（Ｓｅ／Ｓ）を算出する態様とするのが好ましい。具体的には、演算部１７は、ＰＱａ及びＰＳａの代わりに、ステップＳ３で検出されたＱａ及びＳａを上記式（１３）に代入する。また、ＰＳｃの代わりに、ステップＳ８で検出（読出し）されたＳｃを上記式（１３）に代入する。更に、ＰＱｒの代わりに、予測再基質化汚泥量を代入する。

なお、予測再基質化汚泥量は、生物処理槽１へ流入する汚水の基質濃度Ｓａ(mg/L)に流入基質汚泥転換率ａ₁を乗じて予測余剰汚泥量を求め、この予測余剰汚泥量に任意の係数を乗じることで算出できる。予測余剰汚泥量に乗じる係数は、１〜１０の範囲内、好ましくは２〜４の範囲内で再基質化装置の性能などを考慮して適宜設定できる。

また、Ｘａ１とＸ１との比（Ｘａ１／Ｘ１）は、生物処理槽１における汚泥中の活性汚泥の割合を示している。図３の例では、活性汚泥を非再基質化汚泥と考えて、（Ｘａ１／Ｘ１）を求めている。具体的には、粒子保持能力が１２５μｍ以上、好ましくは３７μｍ以上のフィルターによって阻害される懸濁成分の比率を測定し、この測定値を（Ｘａ１／Ｘ１）として記憶部１８に入力している。また、生物処理槽１における懸濁成分中の生菌数、またはＡＴＰ（アデノシン三リン酸）等を測定し、この測定値を（Ｘａ１／Ｘ１）として記憶部１８に入力することもできる。

なお、（Ｓｅ／Ｓ）及び（Ｘａ１／Ｘ１）の値は、生物処理槽１や再基質化装置２の運転状況の変動と伴に変動する。このため、これらの値については、随時測定及び算出して更新するのが好ましい。

本発明において、制御装置１５は、入出力のインターフェイスを備えたコンピュータに、図５に示すステップＳ１〜Ｓ１３を具現化させるプログラムをインストールし、このプログラムを実行することによって、実現することができる。この場合、コンピュータのＣＰＵ（central processing unit）は、検出部、演算部、及び駆動部として機能し、処理を行う。また、コンピュータ備えられたメモリやハードディスク等の記憶装置が、記憶部として機能する。また、コンピュータに備えられたマウスやキーボード等が入力部として機能する。なお、制御装置１５へのデータの入力は、有線又は無線で接続された別のコンピュータから行うこともできる。

以上のように、本発明における汚水処理装置によれば、余剰汚泥の発生を考慮した再基質化処理を行うことができ、この結果、余剰汚泥の発生を最小限に抑えることができる。このため、余剰汚泥の処分にかかるコストを低減でき、又余剰汚泥の処分地の確保が難しいという問題の解決にも貢献できる。更に、運用コストの上昇が抑制されるため、導入が容易である。

本発明の汚水処理装置の物質収支モデルを示す図である。 再基質化汚泥を概念的に示す図である。 本発明の汚水処理装置の一例を示す構成図である。 再基質化装置の一例を示す図であり、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は下面図である。 図３に示す汚水処理装置の動作を示すフロー図である。 再基質化プロセスが追加された活性汚泥法の概略を示す図である。

符号の説明

１ 生物処理槽
２ 再基質化装置
３ 沈殿槽（固液分離手段）
４ ポンプ
５、６、７ バルブ
８ 第１の測定手段
９ 第２の測定手段
１０ 第３の測定手段
１１ 第４の測定手段
１２ 第５の測定手段
１３、１４ 流量計
１５ 制御装置
１６ 検出部
１７ 演算部
１８ 記憶部
１９ 駆動部
２０ 入力部
２１ 分離液
２２ 濃縮汚泥
２３ 返送ライン
２４、４８ 第１の再基質化ライン
２５、４９ 第２の再基質化ライン
２６ 排出ライン
２７ 引き抜きライン
３１ 処理槽
３２ 超音波振動子

Claims (5)

1. 活性汚泥法による汚水の浄化処理を行う汚水処理装置であって、
   生物処理槽と、前記生物処理槽で処理された汚水を濃縮汚泥と分離液とに分離させる固液分離手段と、前記濃縮汚泥に対して再基質化処理を行う再基質化手段と、前記濃縮汚泥を前記再基質化手段へと送るための第１の再基質化ラインと、前記再基質化処理によって生じた再基質化汚泥を前記生物処理槽へと送るための第２の再基質化ラインと、前記濃縮汚泥を前記生物処理槽へと返送するための返送ラインと、前記濃縮汚泥を余剰汚泥として外部へと排出するための排出ラインと、制御手段と、前記制御手段の指示に応じて、前記第１の再基質化ラインによる前記濃縮汚泥の前記再基質化手段への導入及び前記排出ラインによる前記余剰汚泥の外部への排出のうちいずれかに切替えるライン切替手段とを少なくとも有し、
   前記制御手段は、前記ライン切替手段によって前記排出ラインによる外部への排出を停止した状態で、前記生物処理槽中の非活性汚泥の濃度Ｘｄ１と、前記生物処理槽及び前記分離液中の流入基質の濃度Ｓｄと、前記生物処理槽及び前記分離液中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｅとから、前記生物処理槽に供給できる前記再基質化汚泥の一日あたりの量Ｑｒと、前記Ｑｒを達成した場合に排出が必要な前記余剰汚泥の一日あたりの量Ｑｅとを算出し、算出した前記Ｑｒ及び前記Ｑｅが満たされるように前記ライン切替手段に切替えを行わせる汚水処理装置。
2. 前記生物処理槽における汚水の流入側に、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水の基質濃度Ｓａと、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水の一日あたりの量Ｑａとを測定する第１の測定手段が設けられ、
   前記第２の再基質化ラインに、前記再基質化汚泥中の汚泥濃度Ｘ４、及び再基質化汚泥中の再基質の可溶化成分濃度Ｓｃを測定する第２の測定手段が設けられ、
   前記生物処理槽に、前記生物処理槽中の活性汚泥の濃度Ｘａ１と前記生物処理槽中の非活性汚泥の濃度Ｘｄ１との和である前記生物処理槽中の汚泥濃度Ｘ１を測定する第３の測定手段が設けられ、
   前記固液分離手段の前記分離液の排出側に、前記分離液中の汚泥濃度Ｘ２、及び前記Ｓｄと前記Ｓｅとの和である前記生物処理槽及び前記分離液中の基質濃度Ｓを測定する第４の測定手段が設けられ、
   前記固液分離手段の前記濃縮汚泥の排出側に、前記濃縮汚泥中の汚泥濃度Ｘ３を測定する第５の測定手段が設けられ、
   前記制御手段が記憶部を有し、前記記憶部には、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水中の基質の汚泥転換率ａ₁、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の懸濁成分の汚泥転換率ａ₂、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の可溶化成分の汚泥転換率ａ₃、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水中の基質の分解速度ｋ₁、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の懸濁成分の分解速度ｋ₂、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の可溶化成分の分解速度ｋ₃、外部から前記生物処理槽へと流入する汚水中の基質の飽和定数Ｋｓ₁、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の懸濁成分の飽和定数Ｋｓ₂、前記生物処理槽における前記再基質化汚泥の可溶化成分の飽和定数Ｋｓ₃、活性汚泥の自己酸化率ｂ、前記生物処理槽中の汚水の体積Ｖ１、前記Ｓｅと前記Ｓとの比（Ｓｅ／Ｓ）、前記Ｘａ１と前記Ｘ１との比（Ｘａ１／Ｘ１）が格納されており、
   前記制御手段が、前記第１の測定手段から前記第５の測定手段によって測定された値と、前記記憶部に記憶された値とを、下記式（１）〜（８）に代入することによって、前記生物処理槽に供給できる前記再基質化汚泥の一日あたりの量Ｑｒと、前記Ｑｒを達成した場合に排出が必要な前記余剰汚泥の一日あたりの量Ｑｅとを算出する請求項１に記載の汚水処理装置。
   

   

   

   

   

   

   

   

   
3. 前記制御手段が検出部を有し、
   前記第１の測定手段、前記第２の測定手段、前記第３の測定手段、前記第４の測定手段、及び前記第５の測定手段のうち少なくとも一つが、それぞれの測定値に応じた信号を前記検出部に出力し、
   前記検出部が前記信号から前記測定値を検出する請求項２記載の汚水処理装置。
4. 前記再基質化手段が、超音波処理装置または水熱処理装置である請求項１から３のいずれかに記載の汚水処理装置。
5. 前記第１の再基質化ラインに、前記第１の再基質化ラインによって前記再基質化手段に導入される前記濃縮汚泥の一日当たりの量を測定する第１の流量計が設けられ、前記排出ラインに、前記排出ラインから排出される前記余剰汚泥の一日当たりの量を測定する第２の流量計が設けられており、
   前記制御手段は、前記第１の流量計で測定された値が、前記生物処理槽に供給できる前記再基質化汚泥の一日あたりの量Ｑｒに到達したかどうかを判定し、到達した場合に、前記ライン切替手段に、前記第１の再基質化ラインによる前記濃縮汚泥の導入を停止させ、更に、前記第２の流量計で測定された値が、前記余剰汚泥の一日あたりの量Ｑｅに到達したかどうかを判定し、到達した場合に、前記ライン切替手段に、前記排出ラインによる前記余剰汚泥の排出を停止させる請求項１から４のいずれかに記載の汚水処理装置。

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