JPH047096A - 呼吸速度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、例えば活性汚泥プロセスの制御に用いられる
呼吸速度測定装置に関するものである。

Ｂ０発明の概要 本発明は、被測定水をサンプリングし、硝化反応抑制剤
により硝化反応を抑制した状態での酸素消費速度、硝化
に必要な呼吸速度あるいは総呼吸速度を測定する装置に
おいて、 その測定値を標準ＰＨの値に換算することによって、 呼吸速度とこれに対応する基質濃度との関係を一義的に
定めるものである。

Ｃ１従来の技術 有機性廃水を処理する方法の一つとして活性汚泥を用い
る方法が実施されている。活性汚泥を用いるプロセスに
おいては、流入水や処理水の状態に応じて汚泥の引き抜
き量や曝気槽内の滞留時間等をコントロールする必要が
ある。こうした制御プロセスの入力因子の一つに曝気槽
内の酸素消費速度がある。

以下に酸素消費速度（呼吸速度ともいう）に関して説明
する。

活性汚泥プロセスに生息する微生物は、ＢＯＤ成分を除
去するＢＯＤ資化細胞とアンモニアを亜硝酸性窒素に硝
酸性窒素に酸化する硝化菌とから構成される。これらの
微生物は、基質を酸化するために酸素を消費する。また
、これに、内生呼吸による基礎代謝に必要な酸素量を加
えると、総呼吸速度（以下、ｒｒと略す）は、次式の通
り求められる。

ｒｒ−［ａＬ（ｄＬ／ｄｔ）］”［ａＮ（ｄＮ／ｄｔ）
］＋ｔｒＭＬＳＳ　−（１）ここで、ＡＴＵ−ｒｒ・Ｅ
ａＬ・（ｄＬ／ｄｔ））ｂ−ＭＬｓｓ　・（２）ａＬ−
単位ＢＯＤ除去当り必要な酸素量（ｍｇ　Ｏｔ／ｍｇ　
Ｂ　ＯＤ　）Ｌ　：ＢＯＤ濃度（ｇ／　ｌ　） ｂ：内生呼吸速度定数（１／ｈ） ＮＬ！ＳＳ　：　ｌｌ団＆農度（■／１）Ｎｉ　ｔ−ｒ
　ｒ＝　［ａＮ・　（ｄＮ／ｄ　ｔ）コａＮ＝単位アン
モニア窒素除去当り必要な酸素量（ｎｇｏｔ／ｍｇＮＨ
−Ｎ） Ｎ：アンモニア性窒素濃度（ｍｇ／Ｉ）（１）式より明
らかなように、ＡＴＵ−ｒｒ値（ＢＯＤ成分の除去に必
要な酸素量）は、総呼吸速度（ｒｒ）から硝化に必要な
酸素量（Ｎｉｔｒｒ）を差し引いた値として求められる
。

ＡＴＵ−ｒｒ＝ｒｒ−（Ｎｉｔ−ｒｒ）−（３）実際は
、硝化反応をＡＴＵ試薬（硝化反応抑制試薬）で抑制し
てＡＴＵ−ｒｒ値を求め、ｒｒとＡＴＵ−ｒｒ値との差
からＮ１ｔ−ｒｒ値を計算で求める。

ここでＡＴＵ−ｒｒ及びＮ　ｉ　ｔ　−ｒ　ｒを求める
ための呼吸速度計の略解図を第７図に示す。図中１１は
測定槽、１．はＤＯ電極、１３は撹拌器、Ｖ　１．　Ｖ
　ｔはピンチバルブである。この装置を用いて上記の値
を求めるためには次の操作手順を行う。

■　装置の下側からエアーを供給し、エアリフトポンプ
の原理で測定槽１．に曝気槽混合液をサンプリングする
。またこのとき別途設置したＭＬＳＳ（混合液浮遊物濃
度）計よりＭＬＳＳ値を読み込み、その値をホールドす
る。

■　一定時間（約２分）経過後、下側ピンチバルブＶ、
を閉にする。

■　測定槽内のＤＯｆｉ度が５ｍｇ／ｌ（設定）になる
まで曝気を継続する。

■　Ｄｏ濃度が５Ｂ／ｌになった時点で曝気を停止し、
一定時間（約３０秒）脱気した後、上側のピンチバルブ
■１を閉にする。

■　撹拌器ｌ、を起動し、Ｄｏ濃度の減少曲線を求める
。

■　ＤＯＩＷ度減少曲線よりｒｒ値を計算により求める
。

■　上側のピンチバルブＶ、を開にし、ＡＴＵ注入ポン
プを起動してＡＴＵ試薬を測定槽に注入する。

■　■〜■の工程を繰り返し、ｒｒと同様にり。

濃度減少曲線からＡＴＵ−ｒｒ値を求める。

■　ｒｒとＡＴＵ−ｒｒの差からＮ１ｔ−ｒｒを計算に
より求める。

［相］　サンプリング時にホールドしたＭＬＳＳ濃度と
ｒｒＳＡＴＵ−ｒｒおよびＮ１ｔ−ｒｒがら単位汚泥量
当りの呼吸速度、即ち、呼吸率、ｋｒ、ＡＴＵ−ｋ　ｒ
、　Ｎ　ｉ　ｔ−ｋ　ｒを求める。

Ｄ１発明が解決しようとする課題 活性汚泥混合液の呼吸速度（ｒ　ｒ　；　ｒｅｓｐｉｒ
ａｔｉｏｎｒａｔｅ）はその他の条件が同一でもＰＨが
変わると変化する。ｒｒの内、低栄養性細菌による炭素
系基質（ＢＯＤ、ＴＯＣ等）の酸化分解および内生呼吸
に基づく酸素消費速度分をＡＴＵ−ｒｒと定義すれば、
その基質ＰＨＮ特性第２図のように表される。

即ち、一般の活性汚泥処理施設の曝気槽内ＰＨ値は、５
〜７の値をとるが、ＰＨがＰ　Ｈ１，Ｐ　Ｈｖ。

ＰＨ，と低下するのに伴い、混合液中の炭素系基質濃度
が同一（ここでは、ＢＯＤ＋）条件下でＡＴＵ−ｒｒと
値はＡＴＵ−ｒ　ｒ　＋、　ＡＴＵ　−ｒ　ｒｔ。

ＡＴＵ−ｒｒ３と低下する。従って、ＡＴＵ−ｒｒの測
定値から混合液中の炭素系基質濃度を求める場合、ＰＨ
値により、ＡＴＵ−ｒｒ対ＢＯＤ特性か変化するため精
度よく求めることができなかった。

一方、ｒｒの内、硝化菌によるアンモニア性窒素の配化
分解に基づく酸素消費速度分をＮ１ｔｒｒと定義すれば
、その基質、ＰＨＮ特性第３図のように表される。即ち
、ＰＨ値がＰＨ，、ＰＨ。

ＰＨ３と低下するのに伴い、混合液中のＮＨ，−Ｎ濃度
が同一（ここでは、Ｎ　Ｈ４−Ｎ　＋　）条件下でも、
Ｎ１ｔ−ｒｒ値はＮｉ　ｔ−ｒｒ、、Ｎｉ　ｔ−ｒｒｔ
。

Ｎ１ｔｒｒｓと低下する。従って、Ａ　Ｔ　Ｕ　−ｒｒ
の場合と同様、Ｎ１ｔ−ｒｒの測定値から混合液中のＮ
Ｈ，−Ｎ濃度を求める場合、ＰＨ値により、Ｎ１ｔ−ｒ
ｒ対ＮＨ，−Ｎ特性が変化するため精度よく求めること
ができなかった。

第４図〜第６図に都市下水処理場からサンプリングした
活性汚泥混合液を用い、酸（塩酸）、アルカリ（水酸化
ナトリウム）を添加し、ＰＨ値を、４．５〜１２に調整
し、各ＰＨ値におけるｒｒ。

ＡＴＵ−ｒｒ、Ｎ１ｔ−ｒｒを測定した結果を示す。こ
こで、各ＰＨ調整液の水温、ＭＬＳＳ濃度。

ＢＯＤ濃度、ＮＨ，−Ｎ濃度等は同一条件下で行った。

また、Ｎ１ｔ−ｒｒ値はｒｒ値からＡＴｔＪｒｒを差し
引いて求めた。これより明らかなように、ＰＨ値が４，
５〜７の範囲では、ＡＴＵ−ｒｒおよびＮ１ｔ−ｒｒ共
にＰＨの低下とともに酸素消費速度が低下していること
がわかる。これより前述したように、ＡＴＵ−ｒｒ値か
らＢＯＤ濃度を求め、Ｎ１ｔ−ｒｒ値かＮＨ４−Ｎ濃度
を求めるにはＰＨ補償が必要なことがわかる。

本発明はこのような課題を解決することを目的とする。

８０課題を解決するための手段及び作用本発明者は、Ｐ
Ｈ値により各呼吸速度ｒｒ、ＡＴＵ−ｒｒ、Ｎ１ｔ−ｒ
ｒが律速（抑制）されることに着目し、各呼吸速度とこ
れに対応する基質濃度との関係を一義的に決定するため
に、現在のＰＨ値を用いて各呼吸速度の測定値を標準Ｐ
Ｈ値に変換する機能を従来のＡＴＵ−ｒｒ計に追加する
手法を採用することとした。

各呼吸速度（ｒｒ、ＡＴＵ−ｒｒ、Ｎｉ　ｔ−ｒｒ）の
測定結果を呼吸速度と同一測定点および測定時間におけ
るＰＨ値でＰＨ補償する。ＰＨ補償するＰＨ値としては
（１）呼吸速度測定器付近にＰＨ計を設置し、その出力
を利用する方法、（２）呼吸速度測定器内にＰＨ計を組
み込んで呼吸速度測定用検水のＰＨを測定する方法等が
ある。

標準ＰＨ値（ＰＨｏ）への変換方法としては（１）Ｄｏ
ｗｉｎｇ（ドウィング）の式等のモデル式を修正して利
用する方法、（２）特性曲線（第４図〜第６図）をテー
ブル（表）としてコントローラ内に設定し、変換する方
法等がある。

Ｆ、実施例 第１図は本発明の実施例を示す図である。図中２は流入
水と活性汚泥との混合液を曝気する曝気槽、３は固液分
離を行うための最終沈澱池である。曝気槽２内には、呼
吸速度計（ＡＴＵ−ｒｒ計）４ＰＨ計５か設けられてお
り、このうち呼吸速度計４は第７図に示すものと同一構
造のものである。６は第１の演算部であり、呼吸速度計
４の検出信号とＰＨ計５の検出信号を入力とし呼吸速度
検出値をＰＨ値で補償する。７は第２の演算部であり、
第１の演算部６の演算出力信号を入力とし、呼吸速度測
定時のＰＨ値によって呼吸速度を標準ＰＨ値（ｐ　Ｈ（
１）に変換する。

標準ＰＨ値への変換式としてｐｏｗ　ｉ　ｎｇの式が知
られている（　Ｄｏｓｉｎｇ、＾、Ｌ、ａｎｄＧ、　Ｋ
ｎｏｖＱｅｓ：Ｐｏｐｕ（！ａｔｉｏｎ　Ｄｙｎａｍｉ
ｃｓ　ｉｎ　Ｂｉｏ（！ｏｇｉｃａ１２　Ｔｒｅａｔｍ
ｅｕｔＰ１２ａｎｔｓ、Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｔ　ｔ
ｈｅ　３ｒｄ　ＣｏｎｒｅｒｅｎｃＱ　ｏｆｔｈｅ　Ｉ
ＡＷＰＲ，Ｍｕｎｉｃｈ、１９６６、）。

Ｄｏｗ　ｉ　ｎｇの式は、式（４）に示すように、汚泥
の比増殖速度（μ）式に対してＰＨ補正を行っている。

ルーμ。（Ｉ　　　ＫＬ（ＰＨＯＰＨ））　　　・・・
（４）ここで、μ６は標準ＰＨ値（Ｐ）（、）における
汚泥の比増殖速度、ＫＬは定数、ＰＨ測定値である。

Ｄａｗｉｎｇは、ＫＬ＝　０．８３３　、　Ｐ　Ｈｏ−
７，２を得ている。

ここでは、Ｄｏｗｉｎｇの式を用いる比増殖速度（μ）
の変わりに呼吸速度（ＡＴＵ−ｒｒ、Ｎ１ｔ−ｒｒ）を
適用する。以下、第４図〜第６図に示した都市下水処理
場における実験結果を用いてモデル式のパラメータ同定
、式の妥当性について説明する。

（１）ＡＴＵ−ｒｒのＰＨによる影響 式（４）のＤａｗｉｎｇ式に含まれる比増殖速度（μ）
の代わりにＡＴＵ−ｒｒを適用すると次式か得られる。

ＡＴＵ−ｒｒ（ＰＨ）・ＡＴＵ−ｒｒ（ＰＨｏ）　（１
−ＫＬ（Ｐｔ１．−ＰＨ）ｌ　　−（５）ここで、ＡＴ
Ｕ−ｒ　ｒ　（ＰＨ）は水素イオン濃度がＰＨのときの
ＡＴＵ−ｒｒ値、ＡＴＵ−ｒｒ（ＰＨ，）はＰ　Ｈ＝　
Ｐ　ＨｏにおけるＡＴＵ−ｒｒ値、ＫＬは定数である。

第１の演算部６は式（５）の演算処理を実行してＰＨ補
償を行う。

第４図〜第６図の実験結果より、ＰＨが７０以下でＡＴ
Ｕ−ｒｒ値は、ＰＨの低下とともに低下する。また、一
般に曝気槽内ＰＨ値は７０以下であるので、ここでは標
準ＰＨ値ＰＨ，＝７．０とする。式（５）のＰＨ適用範
囲を４．５≦ＰＨ≦７．０とし、定数Ｋｉ値を平均値に
近いＰＨ６゜０の値より求める。式（５）に、ＡＴＵ−
ｒｒ（ＰＨ＝６．０）　−７，０（ｍｇｏｔ／１１！　
／ｈ）。

ＡＴＵ−ｒ　ｒ　（ＰＨｏ）　−８，３（ｍｇｏｔ／１
２　／ｈ）（但し、ＰＨ＝７．０におけるＡＴＬＩ−ｒ
ｒ値）、ＰＨ＝７゜Ｏ，ＰＨ＝６．０をそれぞれ代入す
ると、ＫＬ＝０．１８５７が得られる。これ上り式（５
）は、 ＡＴＵ−ｒｒ（Ｐｌ（）４．３（１−Ｑ、１８５７（７
，Ｑ−Ｔ’ｔ（））　　−（６）式（６）によるＡＴＵ
−ｒｒの計算と実験値を第１表に示す。

ＰＨ，＝７．０ この結果より、計算値は実験値とよく一致しており、本
モデル式の適用が妥当であることがわかる。

（２）Ｎｉｔ−ｒｒのＰ　Ｈによる影響ＡＴＵ−ｒｒと
同様にＤｏｗｉｎｇの式にＮ１ｔ−ｒｒを適用すると、
第１の演算部６によって次式が得られる。

Ｎ１ｔ−ｒｒ（ＰＨ）−Ｎｉｔ−ｒｒ（ＰＨｏ）（１−
ＫＮ（ＰＨｏ−ＰＨ）ｌ　−（７）第６図の実験結果よ
り、ＰＨＩ（６，５以上ではＮ１ｔ−ｒｒ値はＰＨによ
りあまり影響を受けないので、７≧ＰＨ≧６．５ではＮ
１ｔ−ｒｒ＝一定、６．５≧ＰＨ≧５０でＤｏｗｉｎｇ
式に従うと仮ＰＨ適用範囲における平均ＰＨ値５．８で
定数Ｋｉ値を求める。

但し、Ｎ１ｔ−ｒｒ（ＰＨ＝５．８）＝１３．５（ｍｇ
ｏｔ／１２／ｈ）、Ｎｉ　ｔ−ｒｒ　（ＰＨｏ）−１６
，５ＣｍｔｘＯＪＱ　／ｈ）（ＰＨ＝６．５における値
）、ＰＨｏ＝６．５である。この結果、Ｋｓ値は０．２
４２４となる。このパラメータ値を用いて、Ｎ１ｔ−ｒ
ｒの計算値とその実測値を第２表に示す。

第２表　Ｎ１ｔ−ｒｒへのＤｏｗｎｉｎｇ式の適用例Ｎ
１ｔ−ｒｒ＝Ｎｉｔ−ｒｒ（１−Ｋｉ（ＰＨｏ−ＰＨ）
）第２表より、計算値は実測値とよく一致していること
がわかる。式（７）にこのバラメ、−夕を代入すると、
次式が得られる。

Ｎ１ｔ−ｒｒ（ＰＨ）４６．５（１−０，２４２４（Ｐ
Ｈｏ−ＰＨ））　　−（８）以上Ｊ’（１）、（２）の
結果を第１図に示す装置に適用する場合は、式（５）と
式（７）を次式のように変換して用いる。

この場合、Ｋｉ＝０．２４２４ Ｐ　Ｈｏ”　６．５ これにより、ＡＴＵ−ｒ　ｒ　（ＰＨ）、Ｎ　ｉむ−ｒ
ｒ、ＰＨ値をそれぞれ測定し、式（９）１式（１０）を
用いて、標準ＰＨ値（ＰＨａ）における各呼吸速度ＡＴ
Ｕ−ｒｒ（ＰＨｏ）、Ｎ１ｔ−ｒｒ（ＰＨＯ）をそれぞ
れ求めることができる。

また、式（９）１式（ｌＯ）の両辺を加算することによ
り、全呼吸速度（ｒ　ｒ）のＰＨ補正値ｒｒ（ＰＨ，）
を求めることができる。

ｒｒ（ＰＨｏ戸＾ＴＵ−ｒｒ（ＰＨａ）＋Ｎ１ｔ−ｒｒ
（ＰＨｏ）上記式（９）〜式（１１）は第２の演算部７
によって求められる。

ここでは、ＫＬ（Ｋ、）値の同定は、ＰＨの適用範囲に
おける平均的な値を用いたが、全データを用いてＡＴＵ
−ｒｒ　（Ｎｉ　ｔ−ｒｒ）の計算値と実測値との差が
最小になるようにＫＬ（ＫＮ）値を決定してもよい。

上述のように、第１図の呼吸速度測定装置によれば、先
ず曝気槽２内の汚泥混合液を呼吸速度計４内にサンプリ
ングすると共に、ＰＨ計５で汚泥混合液のＰＨ値を測定
し、第１の演算部６で呼吸速度検出値をＰＨ検出値に基
づいてＰＨ補償する。

次に、第１の演算部６でＰＨ補償した後に、第２の演算
部７でＰＨ補償した呼吸速度検出値に基づいて呼吸速度
ｒ　ｒ　（ＰＨｏ）　、　ＡＴＵ−ｒ　ｒ（ＰＨａ）　
、　Ｎ　ｉ　ｔ　　ｒ　ｒ　（ＰＨｏ）を求める。

Ｇ１発明の効果 本発明は、上述の如くであって、次のような効果を奏す
る。

■　ＰＨ補正することにより呼吸速度とそれに関与する
基質濃度特性の関係を一義的に、即ち、ｌ対ｌの関係と
して、正確に求めることができる。

■　呼吸速度とこれに関与する基質濃度特性がＰＨ補正
することにより正確に求められることから、この関係（
式）を利用して、呼吸速度測定値より基質濃度を短時間
で求めることが可能となる。

■　呼吸速度計測より求めた基質濃度から処理の状況を
判断し、曝気槽内溶存酸素（Ｄｏ）濃度や処理系内汚泥
量（微生物量）を、それぞれブロワ送風量や余剰汚泥量
を調節することにより適正レベルに管理することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図は呼吸速
度（ＡＴＵ−ｒｒ）のＰＨ値に対する特性図、第３図は
呼吸速度（Ｎｉｔ−ｒｒ）のＰＨ値に対する特性図、第
４図は呼吸速度（ｒｒ）のＰＨ値に対する特性測定図、
第５図は呼吸速度（ＡＴＵ−ｒｒ）のＰＨ値に対する特
性測定図、第６図は呼吸速度（Ｎｉｔ−ｒｒ）のＰＨ値
に対する特性測定図、第７図は呼吸速度計を示す略解側
面図でる。 ２・・曝気槽、４・・・呼吸速度計、５・・Ｐ、Ｈ計、
６・・第１の演算部、７・・第２の演算部。 外２名 第２図 ＡＴＵ−ｒｒ／１ＢＯＤ、ｐＨＭ−ｔ’ｆ８０Ｄ Ｎｉｔ−ｒｒ　／ｌＮＨ４−Ｎ　、ＰＨ特佐−ＮＨｔ、
−Ｎ 第４図 ｒ「のｐＨ竹／庄 Ｎｉｔ−ｒｒ（ｍｇｏ２／ｌ／ｈ） δ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定水をサンプリングし、硝化反応抑制剤によ
   り硝化反応を抑制した状態で酸素消費速度を測定する酸
   素消費速度測定部を備えた装置において、 被処理水のＰＨ値を測定するＰＨ計と、前記酸素消費速
   度測定部よりの酸素消費速度の測定値と前記ＰＨ計によ
   りのＰＨ値とに基づいて標準ＰＨ値に換算した酸素消費
   速度を演算する演算部を設けたことを特徴とする呼吸速
   度測定装置。