申请日2016.08.29
公开(公告)日2017.09.26
IPC分类号C02F3/12; C02F3/34
摘要
本发明提供一种在曝气槽内的活性污泥混合液的DO几乎为0mg/l的状态下进行曝气处理(极低DO处理)的活性污泥中适当控制曝气量的方法。(1‑0)预先取得曝气槽‑测定装置间的曝气量相关关系(G=F(Gr))，(1‑1)在极低DO处理运转中，进行使采样的活性污泥混合液在测定装置内暂时性增强曝气量、然后停止的操作，(1‑2)基于测定装置DO值的随时间的变化计算氧消耗速度Rr、平衡DO值C1，(1‑3)使用预先求得的Ea‑G的关系式等取得试验装置的适当曝气量G2*，(1‑4)使用(1‑0)中求得的G=F(Gr)的关系求得曝气槽的适当曝气量Gr2*。
摘要附图
权利要求书
1.活性污泥处理装置中的曝气量控制方法，其中，在曝气槽内的活性污泥混合液的溶解氧浓度(以下，称为DO)为0.5mg/l以下的状态下进行曝气处理(以下，称为极低DO处理)，除去废水中的BOD或同时除去BOD和氮成分，其特征在于，
(1-0)曝气量相关关系的预先取得
使用曝气量测定装置(以下，称为测定装置)，其中，将曝气槽内的活性污泥混合液采样至装置内，且将该采样液曝气而求得适的当曝气量，
对于必要范围,预先取得曝气槽的DO值和测定装置的DO值相等时的、曝气槽中的曝气量Gr与测定装置中的曝气量G的相关关系(G=F(Gr))，
(1-1)极低DO处理运转中的测定装置中的曝气操作
进行如下操作：将活性污泥混合液从极低DO处理运转中的曝气槽采样至测定装置中，以曝气量G1(G1>G2)进行曝气，使活性污泥混合液的DO上升后，停止曝气，
其中，G2是该运转时的与曝气槽的曝气量Gr2对应的测定装置的曝气量(G2=F(Gr2))，
(1-2)氧消耗速度Rr、平衡DO值C1取得
将KLa设为总物质移动系数、将Cs设为饱和溶解氧浓度、且将Rr设为活性污泥混合液的好氧条件下的氧消耗速度时，DO值(C)的随时间的变化(dC(t)/dt)由式(1)表示，
dC(t)/dt=KLa(Cs-C(t))-Rr……式(1)
(1-2-1)基于停止曝气时的DO降低过程中的C(t)变化求得Rr，
(1-2-2)基于增强曝气时的DO上升过程中的C(t)变化及式(2)的关系，通过改变KLa或C1的重复运算求得暂时增强曝气时的平衡DO值C1(dC(t)/dt=0，C(t)=C1)，
KLa(Cs-C1)=Rr……式(2)
(1-3)测定装置的适当曝气量G2取得
将暂时增强曝气时的曝气量设为G1、且将此时的氧溶解效率设为Eal时，曝气产生的氧供给能力和混合液的氧消耗速度相等时的曝气量G0通过式(3’)求得，由此类推，使用式(3)并通过重复运算而求得测定装置内的极低DO处理运转时的适当曝气量G2*，
G0=((Cs-C1)/Cs)·(Ea1/Ea0)·G1……式(3’)
G2*=k·((Cs-C1)/Cs)·(Ea1/Ea2)·G1……式(3)
其中，Ea0、Ea2分别是曝气量G0、G2*时的氧溶解效率，可使用预先基于实验等求得的Ea和G的关系式取得，
k是根据由式(3’)类推的计算出的适当曝气量，导出该极低DO处理条件下的适当曝气量G2*的比例系数，预先对各种处理条件测定适当曝气量，取得对于各处理条件的k最佳值，并将与该极低DO处理条件对应的k最佳值应用于式(3)，
(1-4)曝气槽的适当曝气量Gr2*取得
根据上述相关关系(G2*=F(Gr2*))求得与(1-3)中求得的测定装置的曝气量G2*对应的曝气槽中的曝气量Gr2*，
(1-5)适当曝气量的维持控制
根据需要，进行将曝气槽的曝气量设定成(1-4)中求得的适当曝气量Gr2*的操作，由此，
适当地维持极低DO处理运转中的曝气量。
说明书
活性污泥中的曝气量控制方法
技术领域
本发明涉及活性污泥中的曝气量控制方法，特别是涉及利用微生物进行废水中的BOD成分的处理、或同时进行BOD成分的处理和脱氮的处理装置中的曝气量控制方法。
背景技术
活性污泥中的曝气槽的溶解氧浓度(以下称为DO)通常以2[mg/l]左右运转，但通过使DO在0[mg/l]附近运转，具有实现曝气动力的节能，而且可同时进行BOD处理和脱氮处理的优点。通常，曝气量管理通过测定曝气槽的DO并基于该值求得适当曝气量来进行，但若曝气槽的DO值大致为0.5mg/l以下，则难以基于DO值控制准确的氧消耗供给平衡，且难以准确地维持曝气槽内的溶解氧状态，因此，目前为止难以采用低DO运转控制。
作为与低DO运转控制相关的现有技术，公开有一种基于来自处理水BOD和污泥的氧消耗速度的处理水BOD预测值及硝酸根离子浓度，将曝气槽内DO控制成低DO的技术(例如，专利文献1)。
另外，报告了如下事例，以涉及活性污泥微生物的呼吸反应的辅酶NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)为指标进行送风量控制，将曝气槽内的DO控制在0.2mg/l至0.6mg/l的范围，并对城市污水进行75%左右的脱氮(非专利文献1)。
NADH传感器是可测定从好氧区域到由DO计不能测定的厌氧区域的变化的比较新的传感器，但存在受废水中的悬浮物质影响，测定值波动的问题，还提出了减轻NAND传感器的不均引起的控制误差的方法(例如专利文献2)。
在通常的活性污泥中，通过低DO运转单独除去BOD或同时除去BOD和氮的方法只要能适当控制，就是优点非常大的工艺，但当原水存在浓度或成分等的变动的情况下，实际情况是难以稳定地维持BOD处理和脱氮处理。
为了通过低DO运转准确地进行BOD·脱氮的同时处理，不仅通过DO计进行管理，而且与流入水变动及运转条件变化对应的、通过曝气进行的氧供给量的准确的追随也是重要的。
本申请人为了解决这些问题，研究了在BOD·脱氮同时处理中稳定地控制极低DO运转的方法，获得了专利(专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-005354
专利文献2：日本特开2014-83524
专利文献3：专利5833791
非专利文献
非专利文献1：森山克美等人著，“对标准活性污泥法附加氮除去功能的风量控制系统”，下水道研究发表会演讲集，45卷，725～727页2008年
发明内容
发明要解决的课题
专利文献3(以下，称为文献3)的方法可以说是BOD·脱氮同时处理领域中的划时代的技术，但在应用到实际中时，在以下方面还存在改善的余地。
其一是，在通过该方法进行后述的C1(强曝气时的平衡DO值)的测定中使用浸渍于曝气槽内的DO计，结果，曝气槽内是在因曝气而导致气泡分离不充分的状态下测定的，因此，受到与电极面接触的气泡的影响，测定值的波动略大，期待提高测定分析精度。
另外，在测定适当的曝气量的操作中，每一次测定需要10分钟左右。该操作时，虽然只是暂时的，但曝气槽DO值在适当范围以外，因此，该操作的测定频率受到限制。因此，为了应用于原水负荷变动大的活性污泥处理，期待进一步改良。
解决课题的手段
本申请人关于文献3发明的进一步改良，进行了反复深入的研究，研究了解决上述课题的技术。本发明的宗旨为如下内容。即，
一种活性污泥处理装置中的曝气量控制方法，其中，在曝气槽内的活性污泥混合液的溶解氧浓度(以下，称为DO)为0.5mg/l以下的状态下进行曝气处理(以下，称为极低DO处理)，除去废水中的BOD或同时除去BOD和氮成分，其特征在于，
(1-0)曝气量相关关系的预先取得
使用曝气量测定装置(以下，称为测定装置)，其中，将曝气槽内的活性污泥混合液采样至装置内，且将该采样液曝气而求得适的当曝气量，
对于必要范围,预先取得曝气槽的DO值和测定装置的DO值相等时的、曝气槽中的曝气量Gr与测定装置中的曝气量G的相关关系(G=F(Gr))，
(1-1)极低DO处理运转中的测定装置中的曝气操作
进行如下操作：将活性污泥混合液从极低DO处理运转中的曝气槽采样至测定装置中，以曝气量G1(G1>G2)进行曝气，使活性污泥混合液的DO上升后，停止曝气，
其中，G2是该运转时的与曝气槽的曝气量Gr2对应的测定装置的曝气量(G2=F(Gr2))，
(1-2)氧消耗速度Rr、平衡DO值C1取得
将KLa设为总物质移动系数、将Cs设为饱和溶解氧浓度、且将Rr设为活性污泥混合液的好氧条件下的氧消耗速度时，DO值(C)的随时间的变化(dC(t)/dt)由式(1)表示，
dC(t)/dt=KLa(Cs-C(t))-Rr……式(1)
(1-2-1)基于停止曝气时的DO降低过程中的C(t)变化求得Rr，
(1-2-2)基于增强曝气时的DO上升过程中的C(t)变化及式(2)的关系，通过改变KLa或C1的重复运算求得暂时增强曝气时的平衡DO值C1(dC(t)/dt=0，C(t)=C1)，
KLa(Cs-C1)=Rr……式(2)
(1-3)测定装置的适当曝气量G2取得
将暂时增强曝气时的曝气量设为G1、且将此时的氧溶解效率设为Eal时，曝气产生的氧供给能力和混合液的氧消耗速度相等时的曝气量G0通过式(3’)求得，由此类推，使用式(3)并通过重复运算而求得测定装置内的极低DO处理运转时的适当曝气量G2*，
G0=((Cs-C1)/Cs)·(Ea1/Ea0)·G1……式(3’)
G2*=k·((Cs-C1)/Cs)·(Ea1/Ea2)·G1……式(3)
其中，Ea0、Ea2分别是曝气量G0、G2*时的氧溶解效率，可使用预先基于实验等求得的Ea和G的关系式取得，
k是根据由式(3’)类推的计算出的适当曝气量，导出该极低DO处理条件下的适当曝气量G2*的比例系数，预先对各种处理条件测定适当曝气量，取得对于各处理条件的k最佳值，并将与该极低DO处理条件对应的k最佳值应用于式(3)，
(1-4)曝气槽的适当曝气量Gr2*取得
根据上述相关关系(G2*=F(Gr2*))求得与(1-3)中求得的测定装置的曝气量G2*对应的曝气槽中的曝气量Gr2*，
(1-5)适当曝气量的维持控制
根据需要，进行将曝气槽的曝气量设定成(1-4)中求得的适当曝气量Gr2*的操作，由此，
适当地维持极低DO处理运转中的曝气量。
以下，更详细地说明本发明的具体内容。此外，在以下的说明中，“废水”用作将需要处理的污浊水统称的一般概念。另外，作为处理对象，关于导入处理装置的“废水”，称为“流入水”(或原水)。
另外，将上述(1-1)～(1-3)的操作称为“曝气量校正”。
通常，活性污泥中的氧供给量的管理基于曝气槽内的活性污泥混合液的DO值进行，空气曝气时的DO值控制在0.5mg/l～3mg/l左右。与此相比，在作为本发明目的的极低DO控制中，以曝气槽内的DO几乎为0[mg/l]的状态运转管理。
曝气槽中的DO测定在将DO计电极浸渍于曝气槽的曝气中的活性污泥混合液中的状态下进行。测定的DO值是由活性污泥混合液的由微生物产生的氧消耗速度与由曝气等产生的氧供给速度的平衡决定的值。
当DO值为大致0.5mg/l以下时，DO变化量相对于曝气量变化量非常小，而且，DO计电极的响应速度、微细气泡与电极面的接触、或溶解氧浓度的位点等各种各样的原因的作用相对变大，不能正确地反映上述平衡。特别是在0.1mg/l左右的极低DO值的情况下，基本上基于DO计指示值的控制是不可能管理曝气产生的氧供给量的。
<曝气槽和测定装置的曝气量相关关系的预先取得>
在本发明中，预先求得运转中的曝气槽中的曝气量(Gr)和测定装置中的曝气量(G)的关系，并保存在本发明的测定装置的计算机中。两者曝气量的关系(Gr-G)可以通过以下方法而数值化。予以说明，以下，下标(a、b、c)是表示曝气量测定时刻的记号。另外，at是aerat iontank(曝气槽)的缩写。
首先，以曝气量Gra测定处于曝气状态的曝气槽内的活性污泥混合液的DO值(DOat)。将该活性污泥混合液采样至测定装置中，利用测定装置内的曝气装置对该活性污泥混合液进行曝气，并测定DO值变化。当DO>DOat时，曝气量减少，只要DO 当Gra变小时，DOat降低，成为大致0.5mg/l以下时，DOat及DO的差极小。另外，测定值也有误差，因此，不能测定准确的曝气量Ga。与Gra对应的DOat依赖活性污泥混合液的氧消耗速度，另外，氧消耗速度被利用活性污泥进行处理的原水BOD负荷量控制。因此，在Gra较小且DOat降低至大致0.5mg/l以下的情况下，预先设为使原水BOD负荷量降低的运转状态。由此，即使Gra较小，也能确保DOat可以准确测定的程度的高的DO值。 这样，测定可能在活性污泥的运转操作中使用的曝气量范围(必要范围)的Gra和Ga的对应，通过折线图等求得Gra-Ga的关系式，并预先保存在测定装置的计算机中。 <极低DO处理运转中的采样液的曝气操作> 极低DO控制所需要的曝气量的测定分析如下进行。 将某个时刻的、曝气量(Grb)的活性污泥混合液采样至测定装置中。接着，使用Gr-G的关系式，利用比与Grb对应的G的值大的G1对该活性污泥混合液进行曝气。G1优选为G的2倍左右。通过较强的曝气，活性污泥混合液的DO上升，如图2的L2曲线那样上升。如果充分上升，则停止曝气。当停止曝气时，如图2的L4那样，大致直线状地降低。 接着，使用式(1)～式(9)，根据L4的降低速度计算Rr，并根据Rr和L2的变化计算KLa，由Rr和KLa等求得测定装置内的极低DO控制所需要的适当曝气量G2。进一步使用Gr和G的关系式，求得与G2对应的曝气槽中的Grc。以下，依次说明其详情。 <曝气量增减操作与KLa、Rr、C1的关系> 将KLa设为总物质移动系数、将Cs设为饱和溶解氧浓度、将Rr设为活性污泥混合液的氧消耗速度，增强曝气时的曝气槽内活性污泥混合液的DO值(C)的随时间的变化(dC(t)/dt)由式(1)表示。 dC(t)/dt=KLa(Cs-C(t))-Rr……式(1) 若是短时间的曝气量变化，则认为Rr是恒定的。另外，由于在曝气量校正操作中的短时间内，温度不改变，所以Cs作为常数处理。由此，当对式(1)进行积分时，C(t)的变化可以将初始值设为C0并由式(5)表示。在极低DO处理的情况下，C0几乎为0。 C(t)=C1-(C1-C0)·exp(-KLa·t)……式(5) 在此，C1是充分延长t时的、氧供给速度KLa(Cs-C(t))和活性污泥混合液的氧消耗速度Rr相等时的DO值，由式(2)的关系表示。 KLa(Cs-C1)=Rr……式(2) 参照图2，根据进行极低DO处理时的DO值L1的状态增大曝气时，DO根据式(5)中计算的L3的曲线，如L2那样上升。 式(5)中，如果设定从曝气增大开始到t1时间后的DO值C(t1)、t2时间后的DO值C(t2)，则导出式(6)。 [数1] 接着，停止曝气时，DO值成为在式(1)中KLa=0的L4的变化。氧消耗速度Rr直到DO为0.5mg/L左右为止不依赖于DO而大致恒定，因此，通过停止曝气并测定DO下降过程的降低速度，可以求得活性污泥混合液的氧消耗速度Rr(与上述(1-2-1)对应)。 根据式(2)，C1=Cs-Rr/KLa，因此，式(6)由 [数2] 表示。使用曝气停止时的通过DO降低速度测定求得的Rr，改变KLa并进行重复运算，可以求得使式(6a)成立的KLa。 进而，使用求得的KLa和Rr，可以根据式(2)求得C1(与该(1-2-2)对应)。 另外，作为求得C1的其它方法，根据式(2)，KLa=Rr/(Cs-C1)，因此，式(6)由 [数3] 表示。因此，改变C1并进行重复运算，也可以求得使式(6b)成立的C1(与该(1-2-2)对应)。 <极低DO处理运转中的适当曝气量运算> KLa、曝气量G和氧溶解效率Ea的关系基于氧量平衡由式(7)表示。予以说明，式(7)以(社)日本下水道协会：“下水试验方法”及“下水道设施研究计划·研究指针和解说”的记载为依据。 [数4] 在此，V为曝气槽的有效容量，ρ为空气中的氧密度。 式(7)中，设定曝气量G1及此时的氧溶解效率Ea1时，式(2)改写为如式(8)所示。 Rr=γ·Ea1·G1·(Cs-C1)……式(8) 其中，γ=ρ/(Cs·V×10-1) 就曝气量G产生的氧供给能力而言，在与活性污泥混合液的氧消耗速度相同的状态下，曝气槽的DO值C(t)几乎为0，因此，当将此时的曝气量设为G0，且将此时的氧溶解效率以Ea0表示时，成为式(9)。 Rr=γ·Ea0·G0·Cs……式(9) 根据式(8)、(9)，成为 G0=((Cs-C1)/Cs)·(Ea1/Ea0)·G1……式(3’) 使用式(3’)可以求得氧供给能力与活性污泥混合液的氧消耗速度相等时的曝气量G0。 在不进行脱氮而对BOD进行处理的情况下，为了不导致氧不足，有必要将曝气产生的氧供给量与活性污泥混合液的氧消耗量G0设定为同等程度。 另外，为了高效地进行脱氮，有必要将曝气产生的氧供给量与活性污泥混合液的氧消耗量G0设定为同等程度，或设定为其下来进行运转。由此，如果将极低DO处理运转中的曝气空气量设为G2，将此时的氧溶解效率设为Ea2，且将k设为大致1左右以下的比例系数，则通过将式(3’)中的G0、Ea0置换为G2(=k·G0)、Ea2，可以根据式(3)推定出适当曝气空气量G2。 G2=k·((Cs-C1)/Cs)·(Eal/Ea2)·G1……式(3) <关于氧溶解效率Ea> 氧溶解效率Ea是依赖于曝气槽的水深及散气管的种类和构造的特性，成为各活性污泥装置固有的值。在适当使用范围内，曝气量G较少时，Ea较大，曝气量G较多时，Ea变小(具体的G-Ea的关系在文献3(图4)中示例)。因此，预先通过实验等求得Ea和G的关系式，并保存于计算机中，在计算式(3)时，假定G2，根据Ea和G的关系式求得此时的Ea2。使用求得的Ea2，根据式(3)求得G2，并进行重复计算，直到与假定的G2一致为止，由此，可以取得正确的G2。 <关于比例常数k> 式(3)的k是相对于曝气产生的氧供给量与氧消耗量一致的计算上的曝气量G0，确定怎样程度的曝气量适当的系数，在进行BOD单独处理的情况下，k成为1或1以上且接近1的数值。 在进行BOD·脱氮同时处理的情况下，需要进行以下考虑。为了引起脱氮反应，需要设置成微生物不得不取得来自NOx-N的氧那样的溶解氧不足的环境，当成为DO大致为0.5mg/l以上的好氧环境时，不能进行脱氮。 另一方面，为了引起脱氮，需要预先将氨态氮硝化成亚硝酸态氮或硝酸态氮。已知DO越高，硝化反应速度越快，DO变低时，硝化反应速度变慢。另外，过度的氧不足导致处理水BOD的急剧的恶化。 在极低DO处理中，以从活性污泥絮凝物的表面向中心内部的氧浓度梯度实现上述3个作用。作为曝气槽整体的平均，即使是氧稍微过量的状态，对于形状大的絮凝物来说，中心内部也成为氧不足的状态，可以进行BOD·脱氮同时处理。另外，在BOD分解的氧消耗速度大的情况下，即使是形状较小的絮凝物，在中心内部也能成为氧不足的环境，因此，k成为大致从1左右至1以下的数值。 絮凝物的形状、用于BOD分解的氧消耗速度、以及DO与硝化反应速度的关系等在各个活性污泥中是固有的，因此，最佳的k值成为分别不同的值。另外，在处理装置的整体构成中，极低DO处理根据承担的功能的不同而不同。例如在将3个曝气槽串联连接的活性污泥的情况下(参照文献3的实施例3)，在以专门脱氮为目的的第一曝气槽及第二曝气槽中将k设为1以下的数值、且在以专门BOD的处理为目的的第三曝气槽中将k设为1以上的数值是适当的。另外，在实施例3的装置之后具有再氧化槽(参照图5)的情况下，再氧化槽承担BOD的处理及硝化活性的维持，在第三曝气槽未结束脱氮的情况下，为了还进行脱氮，将k设为比1略小的值是有效的。 这样，k的值成为根据各个活性污泥的各种原因而若干不同的值，因此，最终通过实验确定的值是实际的值。 <与文献3的发明相比的本发明的特征> 接着，包括与文献3发明的对比在内，说明本发明的特征。参照图4，两者的不同点在于，测定装置的有无以及DO值测定位置、及曝气量相关关系的预先取得的有无。 即，文献3的发明中，曝气量校正的DO值测定利用曝气槽内的DO计进行(同图(b)1’-1、1’-2)，基于该值取得适当曝气量G2(同1’-3)。与此相比，，本发明中，曝气量校正的DO值测定利用测定装置的DO计进行(同图(a)1-1、1-2)，取得测定装置的适当曝气量G2*(同1-3)，基于取得的适当曝气量G2*并利用相关关系(G2*=F(Gr2*))，求得实际的曝气槽的曝气量Gr2*(同1-4)。 通过实施这种研究，本发明与文献3发明相比，实现了以下的显著改良。 将在曝气槽内曝气中的活性污泥混合液暂时吸上至测定装置内的容器，利用进行气泡分离的测定装置测定活性污泥混合液的DO，由此，可以几乎消除DO值的波动，提高测定精度。 另外，测定装置中的曝气量校正所需的污泥量为1升左右，与活性污泥整体的污泥量相比是微量的采样，因此，不会对实际的运转条件造成影响。因此，可以以每次每操作1次所需要的10分左右重复进行曝气量校正。由此，可以显著增加测定频率，对原水负荷变动大的活性污泥的适当控制也进一步容易化。 发明效果 根据本发明，可容易进行极低DO控制，从而可期待通过曝气量的减少实现大的节能效果、以及BOD和脱氮同时处理等。