JPH05185097A

JPH05185097A - 嫌気性消化槽のモニター装置

Info

Publication number: JPH05185097A
Application number: JP616092A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Goto; 浩之後藤; Shigeo Sato; 茂雄佐藤; Norimasa Yoshino; 徳正吉野
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 1993-07-27
Anticipated expiration: 2015-12-25
Also published as: JP3120525B2

Abstract

(57)【要約】【目的】嫌気性消化槽の水質を連続的にモニタリング
するに際して、多くの分析機器を確保する必要がなく、
管理指標となる項目を高精度に且つ全自動的に測定する
ことができるモニター装置を提供することを目的とす
る。【構成】消化汚泥が貯留される濾液槽１と、この濾液
槽１内の消化汚泥がサンプリングされて導入されるとと
もにｐＨ計４，４が夫々配備された酸滴定槽２及びアル
カリ滴定槽３と、制御部９にて求められた値に対応した
量の試薬を分注器６ａ，３ｂにより上記酸滴定槽２及び
アルカリ滴定槽３に分注する滴定機構とを具備して成
り、サンプリングの液ｐＨ値と試薬の滴定量によって汚
泥の消化状態を連続的にモニタリングする嫌気性消化槽
のモニター装置の構成にしてある。又、上記濾液槽の前
段に受泥槽，凝集槽，沈澄槽及びフィルタを配設した構
成を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は汚泥を処理する嫌気性消
化槽内の状態変化を連続的にモニタリングするようにし
たモニター装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に生物学的な嫌気性汚泥消化は、２
種類の細菌群によって段階的に進行する。第一段階は
「酸生成段階」と呼称され、消化槽に投入された汚泥が
加水分解菌とか酸生成菌の働きによって有機酸等の中間
生成物に分解される。第二段階は「メタン生成段階」と
呼称され、上記酸生成段階で生成された有機酸等の中間
生成物が、メタン生成菌の働きによってメタンガス，二
酸化炭素，アンモニア等の最終生成物に分解される。

【０００３】上記第二段階で生成されるアンモニアは、
第一段階で生成される有機酸を中和する機能と、二酸化
炭素が溶解して生じる重炭酸塩とともにｐＨ緩衝能力
（ｐＨ変化に抵抗する能力）を有しており、メタン生成
菌にとって良好な弱アルカリの槽内環境を創り出すこと
に役立っている。

【０００４】メタン生成菌は酸生成菌に比較して増殖速
度が遅く、且つ環境変化に敏感であることから、一般に
消化速度を律速するのはメタン生成段階であるとされて
いる。従って消化槽の良好な運転のためには、メタン生
成菌の生存に適した槽内環境を維持することが重要であ
る。

【０００５】このような観点から、良好な嫌気性汚泥消
化を達成維持するためには、消化槽内の状態変化を連続
的にモニタリングすることが極めて重要であり、特に嫌
気性汚泥消化では一旦処理が不良となった場合には、そ
の回復に長時間を要するため、槽内の状態が異常である
ことをいち早く察知することが運転管理上の最重要課題
である。更に経済性をも考慮に入れた最適運転制御を目
指す場合には、連続モニター監視によって対象となる消
化槽の良好な運転範囲を常時把握しておき、槽内の状態
がその良好な運転範囲を逸脱しないように監視しながら
制御を行う必要がある。

【０００６】従来から知られている消化槽の運転管理指
標としては、以下の４項目が挙げられる。（１）ｐＨの管理（２）有機酸濃度の管理（３）アルカリ度の管理（４）メタンガス生成速度(ガス生成速度＋ガス組成)の
管理上記（１）のｐＨの管理に関して述べると、一般に良好
に稼働している消化槽の場合には槽内のｐＨは中性付近
に維持されている。しかし消化槽内に異常が発生した場
合には、先ずｐＨ異常，即ちｐＨが中性付近からの逸脱
するという現象となって現れる。例えば前記第二段階の
メタン生成菌の活動が弱まると、嫌気性消化の第一段階
で生成される有機酸が分解されずに蓄積され、ｐＨ低下
（酸敗）現象が起こる。又、第二段階でのアンモニア生
成が第一段階での酸生成に比べて過剰な場合には、ｐＨ
上昇現象が発生する。

【０００７】前記（２）の有機酸濃度の管理に関して述
べると、この有機酸はメタン生成菌にとって基質である
が、有機酸濃度が高くなるか或はｐＨが低下すると、有
機酸が弱酸であることからイオン化していない非電離の
有機酸が増加する。この非電離の有機酸は、ある濃度以
上となるとメタン生成菌にとっての抑制毒性物質となる
ことが知られており、消化槽への有機物過負荷が原因と
しておこる酸敗現象は、非電離有機酸の抑制毒性効果の
結果とされている。非電離有機酸濃度は、有機酸濃度か
らｐＨの関数として求めることができる。

【０００８】次に前記（３）のアルカリ度の管理に関し
て述べると、消化槽内の汚泥はｐＨの緩衝能力が高いた
め、消化槽の異常がｐＨ異常として顕著に現れるのは、
トラブルの進行がかなり進んだ末期状態である場合が多
い。しかし消化槽のｐＨ異常の前兆は、ｐＨの緩衝能力
の変化として捕らえることができる。上記アルカリ度と
は、このｐＨの緩衝能力を表わす指標である。嫌気汚泥
のアルカリ度は主に溶解性無機炭素によるものである。
溶解性無機炭素は、溶液中のイオン電荷の変化に伴い、
二酸化炭素・重炭酸・炭酸と形態変化することによっ
て、溶液ｐＨの変化を緩衝する。これら三形態無機炭素
のモル比は、三形態の総和としての溶解性無機炭素濃度
からｐＨの関数として理論計算によって求めることがで
きる。

【０００９】更に前記（４）のメタンガス生成速度の管
理に関して述べると、メタン生成菌の環境変化とか抑制
毒性物質（硫化物や重金属類）流入による活性度異常
は、メタンガス生成速度の低下として現れる。メタンガ
スの発生速度は、ガス生成速度にガス中のメタンガス分
圧（濃度）を乗じることで求められる。但しメタンガス
分圧に関しては、直接メタンガス濃度を測定しなくても
前記（３）の溶解性無機炭酸濃度から計算することも可
能である。即ち、メタンガス分圧は、消化ガスのほとん
どがメタンガスと二酸化炭素ガスより構成されているこ
とから、１分圧より二酸化炭素ガス分圧を差し引くこと
で求めることができる。

【００１０】更に消化ガス中の二酸化炭素ガス分圧は、
ヘンリーの法則（気液平衡）から、溶解性の二酸化炭素
濃度より理論計算で求めることが可能である。溶解性の
二酸化炭素濃度は、前記（３）の溶解性無機炭素濃度と
ｐＨより理論計算で求められるものである。従って発生
ガス速度、溶解性無機炭素濃度とｐＨとが分かっていれ
ば、メタンガス発生速度は計算で推定することができ
る。

【００１１】上記の各項目以外にも、連続モニターすべ
き指標としてイオン化していないアンモニア濃度があ
る。即ち、嫌気性消化の第二段階でのアンモニア生成
は、これが適度な場合には槽内ｐＨの中性付近を維持す
る上で不可欠であるが、アンモニア生成が過度である場
合には、槽内ｐＨの上昇を引き起こして、メタン生成に
とって好ましくない環境を作ってしまうことになる。更
に高いｐＨと過度のアンモニア蓄積は、結果としてイオ
ン化していない遊離アンモニア濃度を上昇させ、この遊
離アンモニアが高濃度の場合には、メタン生成菌への抑
制毒性効果があることが報告されている。遊離アンモニ
ア濃度は、アンモニア濃度とｐＨより求めることができ
る。

【００１２】更に上記以外のモニター項目として、栄養
塩バランス（Ｃ／Ｎ比、微量必須重金属）や槽内温度の
管理が挙げられる。しかし栄養塩バランスは、投入汚泥
組成が急変しない限り頻度高く連続的にモニターする必
要はなく、槽内温度は従来から十分監視制御されている
項目である。

【００１３】上記（１）のｐＨと（４）のメタンガス生
成速度は連続的に測定することが可能であるが、消化状
態を決定する最も重要な因子である（２）の有機酸濃度
は連続的に測定することができないため、この有機酸濃
度の管理は、操作員が現場に赴いて試料のサンプリング
を行い、高価な分析機器を用いて測定を実施しているの
が実情である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上嫌気性消化槽にお
いて連続的にモニタリングすることが好ましい項目を挙
げて説明したが、操作員が試料のサンプリングを行って
総有機酸濃度，アンモニア濃度及び全無機炭素濃度を測
定する方法は、測定者の手操作に依存する不可避的な測
定誤差とか、汚泥状態での測定に起因するｐＨ値の誤差
があり、しかも測定に多くの機器を使用しなければなら
ないため、全工程を自動的に実施することが困難である
という課題があった。

【００１５】例えば上記連続モニター項目を測定するた
めの既存の機器として以下のものが使用される。ｐＨ・・・・・・・・・・・・・ｐＨ電極有機酸・・・・・・・・・・・液体クロマトグラフ無機炭酸・・・・・・・・・ＩＣ計或は滴定によるアルカリ度測
定メタンガス・・・・・・・ガスクロマトグラフガス生成速度・・・・・ガス流量計アンモニア・・・・・・・アンモニア電極従来はこのような分析に必要な各種分析機器を全て確保
しなければならない上、多くの機器は前処理が必要であ
ったり、サンプル用の特殊機器が必要であったりして、
連続的に測定することができる機器は少ない。更に測定
に際しても各々の機器で検量線を作成しなければならな
いという繁雑さがあり、測定機器が多いほど保守点検を
行う作業員の数を増大させなければならない。

【００１６】又、汚泥を固形物と抽出液とに分離する作
業とか、滴定用試料の計量及び滴定用試薬の注入作業は
厳密な正確性が要求され、これらの要求が満足されない
場合には測定の再現性が充分に得られない場合もある。
又、測定作業を繰り返し実施する場合には、測定後の各
槽を手操作によって洗浄するという煩瑣な作業が要求さ
れる。

【００１７】そこで本発明はこのような従来の消化槽の
モニタリングを実施する際に生じる各種の課題を解消し
て、測定者の手操作により不可避的に生じる測定誤差を
なくし、しかも多くの測定機器を使用することなく、管
理指標となる項目を高精度に且つ自動的に測定すること
ができる嫌気性消化槽のモニター装置を提供することを
目的とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、請求項１により、消化汚泥が貯留される
濾液槽と、この濾液槽内の消化汚泥がサンプリングされ
て導入されるとともにｐＨ計が夫々配備された酸滴定槽
及びアルカリ滴定槽と、制御部にて求められた値に対応
した量の試薬を分注器により上記酸滴定槽及びアルカリ
滴定槽に分注する滴定機構とを具備して成り、サンプリ
ングの液ｐＨ値と試薬の滴定量によって汚泥の消化状態
を連続的にモニタリングするようにした嫌気性消化槽の
モニター装置をその実現手段としている。更に請求項２
として、消化汚泥を受け入れる受泥槽と、凝集剤の注入
によって上記消化汚泥を凝集させる凝集槽と、この凝集
槽の上澄液が貯留される沈澄槽と、該沈澄槽からフィル
タを介して流入する液が貯留される濾液槽と、この濾液
槽内の消化汚泥がサンプリングされて導入されるととも
にｐＨ計が夫々配備された酸滴定槽及びアルカリ滴定槽
と、制御部にて求められた値に対応した量の試薬を分注
器により上記酸滴定槽及びアルカリ滴定槽に分注する滴
定機構とを具備した嫌気性消化槽のモニター装置の構成
にしてある。

【００１９】更に上記消化槽のモニター装置には、測定
終了後に前記各槽内に洗浄水を注入して撹拌するための
洗浄水貯留槽を配備してあり、前記酸滴定槽及びアルカ
リ滴定槽には、測定されたデータを液温度値により補正
するための温度計を配備してある。

【００２０】

【作用】かかる請求項１記載のモニター装置によれば、
濾液槽内に送り込まれた消化汚泥の一定量がサンプリン
グされて酸滴定槽及びアルカリ滴定槽に送り込まれる。
この酸滴定槽とアルカリ滴定槽には、滴定試薬が自動分
注器等を用いた滴定機構の作用に基づいて順次添加さ
れ、所定のｐＨ値になるまで滴定が行われる。この滴定
量とｐＨ計で測定されたｐＨ値とが制御部に送り込まれ
て酸−アルカリ平衡理論に基づく処理が実施され、総有
機酸濃度，アンモニア濃度，全無機炭素濃度等が連続的
にモニタリングされる。測定されたデータは温度計によ
って測定された液温度値により補正される。

【００２１】又、請求項２の構成によれば、上記濾液槽
の前段で消化汚泥の凝集、沈澄及び濾過を行うことによ
り、ｐＨの測定値が実際の試料のｐＨ変化としてとらえ
られて、測定精度が高められる。

【００２２】上記測定の終了後に各槽内に洗浄水貯留槽
から洗浄水を注入し、撹拌器等を併用することによって
各槽の内壁面が直ちに洗浄されて次回の測定に対処する
ことができる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の各実施例を詳述
する。図１は本発明の第１実施例を説明する概要図であ
り、図中の１は濾液槽であって、この濾液槽１内に図外
の消化槽からの消化汚泥が貯留される。２は酸滴定槽、
３はアルカリ滴定槽であり、該酸滴定槽２とアルカリ滴
定槽３には夫々ｐＨ計４，４と温度計５，５が配備され
ている。

【００２４】６ａ，６ｂは滴定試薬を各酸滴定槽２とア
ルカリ滴定槽３に添加する分注器、７はシーケンスコン
トローラ、８はパーソナルコンピュータであり、このシ
ーケンスコントローラ７とパーソナルコンピュータ８と
によって制御部９が構成される。１０は消化汚泥のサン
プリング用ポンプ、１１は二方向バルブである。更に１
２は洗浄水貯留槽、１３は前記各槽に洗浄水を供給する
流体ポンプである。

【００２５】かかる第１実施例の基本的動作を以下に説
明する。先ず図外の消化槽から濾液槽１内に送り込まれ
た消化汚泥の一定量（例えば１００ｍｌ）がサンプリン
グ用ポンプ１０の作用に基づいてサンプリングされて、
二方向バルブ１１を介して酸滴定槽２及びアルカリ滴定
槽３に送り込まれる。

【００２６】次に酸滴定槽２とアルカリ滴定槽３には、
滴定試薬であるＨＣｌとＮａＯＨが分注器６ａ，６ｂ及
び電動ビューレットを用いて例えばピッチ量０．０５−
０．１０ｍｌで順次添加され、ｐＨが各々２．０と１
０．０になるまで滴定が行われ、この滴定量とｐＨ計
４，４で測定されたｐＨ値とが制御部９を構成するシー
ケンスコントローラ７及びパーソナルコンピュータ８に
送り込まれて後述する酸−アルカリ平衡理論に基づく処
理が実施され、総有機酸濃度（Ａ）の外に、アンモニア
濃度（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ）等がモニタリングさ
れる。尚、シーケンスコントローラ７を介さずにパーソ
ナルコンピュータ８のみで処理を行うことも出来る。更
に詳細は後述するアルゴリズムで説明するが、測定され
たデータは温度計５，５によって測定された液温度値に
より補正される。

【００２７】上記測定の終了後に、流体ポンプ１３を稼
働することにより、前記各槽内に洗浄水貯留槽１２から
洗浄水が注入されて、図外の撹拌器等を併用することに
よって各槽の内壁面が洗浄される。

【００２８】図２は本発明の第２実施例を説明する概要
図であり、この実施例では前記第１実施例における濾液
槽１の前段で消化汚泥の凝集、沈澄及び濾過を行って測
定精度を高めたことが特徴となっている。即ち、図中の
１５は消化汚泥を受け入れる受泥槽、１６は凝集槽、１
７は沈澄槽、１８はフィルタであり、このフィルタ１８
を通過したサンプルが濾液槽１に貯留される。以下第１
実施例と同様に、２は酸滴定槽、３はアルカリ滴定槽、
４，４は各滴定槽に配備されたｐＨ計、５，５は温度
計、６ａ，６ｂは滴定試薬を各酸滴定槽２とアルカリ滴
定槽３に添加する分注器、７は制御部９を構成するシー
ケンスコントローラ、８は同パーソナルコンピュータで
ある。尚、図２には図示していないが、本例の場合にあ
っても第１実施例で開示した洗浄水貯留槽１２と、この
洗浄水貯留槽１２から各槽に洗浄水を供給する流体ポン
プ１３とが配備されている。

【００２９】かかる第２実施例によれば、受泥槽１５に
受け入れられた消化汚泥に、次段の凝集槽１６で高分子
凝集剤１６ａが添加されて微粒子成分が凝集化される。
次に沈澄槽１７で固液分離された後、この沈澄槽１７の
上澄液がフィルター１８を用いて濾過され、目標とする
ｓｓ濃度以下の濾液を得て、この濾液が濾液槽１に貯留
される。そして第１実施例と同様に濾液の一定量がサン
プリングされて、酸滴定槽２及びアルカリ滴定槽３に送
り込まれ、滴定試薬であるＨＣｌとＮａＯＨが分注器６
ａ，６ｂ及び電動ビューレットを用いて添加されて滴定
が行われ、この滴定量とｐＨ計１０で測定されたｐＨ値
とが制御部１３を構成するシーケンスコントローラ１１
及びパーソナルコンピュータ１２に送り込まれて、酸−
アルカリ平衡理論に基づく処理が実施され、総有機酸濃
度（Ａ），アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭素濃度
（Ｔ）等がモニタリングされる。

【００３０】上記第１，第２実施例において、酸−アル
カリ平衡理論に基づく嫌気性消化槽用の連続モニタリン
グを実施するに際して、全工程が制御部９を構成するシ
ーケンスコントローラ７もしくはパーソナルコンピュー
タ８に予め組み込まれたプログラムに基づいて全自動的
に実施されることが特徴となっている。具体的には、図
３に示したアルゴリズムにより、消化槽モニターとして
ｐＨ−滴定量のデータ対から前記した連続的にモニター
すべき項目の全てを測定することができる。

【００３１】図３に基づいて上記アルゴリズムの実際を
説明する。この制御で示されるメインルーチン内での処
理は、図示しないオペレーティングシステムにより所定
の周期（例えば20msec）で駆動される定時間割り込み処
理である。

【００３２】同図において、制御がスタートすると、先
ずステップ101で初期データ等の設定データが入力さ
れ、ステップ102で各データの配列宣言及び割り込み条
件がセットされた後、ステップ103で各変数が初期化さ
れ、必要とするシステム状態がセットされる。次にステ
ップ104で酸，アルカリ側の各々について０回目のｐＨ
値と温度が測定され、且つ自動分注器の初期化とエラー
チェックが行われる。

【００３３】次にステップ105により、酸側計測用のタ
イマー１がセットされ、ステップ106により前記設定デ
ータに基づいて酸の分注量１が演算される。この演算結
果に基づいてステップ107により自動分注器により薬品
が酸滴定槽に分注される。そしてステップ108により、
直ちに酸滴定槽のｐＨ１及び温度Ｔ１が測定される。

【００３４】次にステップ109により、タイマー＞ＴＭ
１，即ち上記の測定中にタイマー１に設定された時間Ｔ
Ｍ１よりも時間が経過した場合には、ステップ111へ進
んで強制的に最後のデータが測定データとされる。上記
の時間ＴＭ１は全体の計測時間に大きな影響を与えず、
且つｐＨを安定化させるのに十分な時間であることが望
ましい。

【００３５】上記のステップ109で、タイマー＜ＴＭ
１，即ち測定時間が上記タイマー１に設定された時間Ｔ
Ｍ１に達しない場合、換言すればタイマー１がカウント
アップされない場合には、ステップ110でｐＨ１−ｐＨ
１’即ちｐＨの変化率を計算して、その値が前記設定デ
ータで入力した初期値ＤｐＨを越えていない場合には、
ステップ106へ戻って分注量１の演算を再度行い、設定
された分注量範囲に基づいて次回の分注量が演算され
る。又、ステップ110でｐＨ１−ｐＨ１’＞ＤｐＨ，即
ちｐＨの変化率が設定データに基づいて入力したｐＨを
超えた場合には、ステップ111で最後のｐＨと分注器及
び温度データがデータセットされる。尚、温度データは
精度向上のための補正信号として用いるものであり、本
実施例では必ずしも必要としない。

【００３６】そして薬品の分注により試料のｐＨが次第
に小さくなり、ステップ112で該ｐＨがｐＨＤＮ（下
限）以下になると、ステップ113で終了フラグセットが
立ち、酸側の計測が終了してステップ114でパーソナル
コンピュータ１２においてモニタリングのためのデータ
処理が行われる。

【００３７】一方、上記ステップ105〜ステップ114と一
定の時間間隔を保って交互にアルカリ側の計測が行われ
る。このアルカリ側の計測は、先ずステップ115により
アルカリ側計測用のタイマー２がセットされ、ステップ
116により前記設定データに基づいてアルカリの分注量
２が演算される。この演算結果に基づいてステップ117
により薬品がアルカリ滴定槽に分注される。そしてステ
ップ118により、直ちにアルカリ滴定槽のｐＨ２及び温
度Ｔ２が測定される。

【００３８】以下、酸側のステップ109〜111で説明した
工程とほぼ同一のステップ119〜121を踏んでアルカリ側
のデータセットが行われる。そして薬品の分注によって
試料のｐＨが次第に大きくなり、ステップ122で該ｐＨ
がｐＨＵＰ（上限）になると、ステップ123で終了フラ
グセットが立ち、アルカリ側の計測が終了してステップ
124でパーソナルコンピュータ１２においてモニタリン
グのためのデータ処理が行われる。

【００３９】尚、上記の酸側の各ステップとアルカリ側
の各ステップは、ある時間毎に交互に行うものである
が、酸側を先に実施するかもしくはアルカリ側を先に実
施するかは自在に選択可能であり、同時に行うこともで
きる。

【００４０】次に本発明の基本原理である酸−アルカリ
平衡理論を説明する。即ち、本実施例は消化槽内汚泥に
対する酸−アルカリ滴定カーブから以下の１０個の物質
濃度を求めることを特徴としている。［H⁺］,［OH^-］,［CH₃COO^-］,［CH₃COOH］,［H₂CO₃］,
［HCO₃ ^-］,［CO₃ ^2-］,pCO₂,［NH₄ ⁺］,［NH₄OH］消化槽内の有機酸は、酢酸，プロピオン酸、酪酸等であ
るが、これらの有機酸はそれぞれ1.76×10^-5，1.34×10
^-5，1.54×10^-5の比較的似通った電離定数を持ってい
る。従ってこれらの有機酸は、一括した形で酢酸として
まとめて考えて、電離定数は1.5×10^-5であると仮定で
きる。

【００４１】すると前記の物質濃度間には、以下に記す
化学平衡関係式が成立する。

【００４２】

【数１】

【００４３】

【数２】

【００４４】

【数３】

【００４５】

【数４】

【００４６】

【数５】

【００４７】

【数６】

【００４８】上記（３）式を除く（１）〜（６）式は、
総有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機
炭素濃度（Ｔ）と水素イオン濃度によって以下のように
式の変形が可能である。

【００４９】

【数７】

【００５０】

【数８】

【００５１】

【数９】

【００５２】

【数１０】

【００５３】

【数１１】

【００５４】更に酸−アルカリ平衡では、電荷バランス
式が成立する。これはプラスイオンの電荷の総和がマイ
ナスイオンの電荷の総和と等しいとの法則である。これ
を式で表わすと（１２）式となる。

【００５５】

【数１２】

【００５６】ここで［Z］は正味の陽イオン濃度の総和
である。実際の試料中には上記の有機酸，アンモニア，
無機炭素等のイオンの他にも様々な物質がイオンとして
存在する。しかしそれらのイオン濃度は、消化槽内の微
生物反応で変化せず、一定であると考える。

【００５７】従って［H⁺］、［NH₄ ⁺］、［HCO₃ ^-］、［CO₃
^2-］、［CH₃COO^-］、［OH^-］イオン以外の全てのイオンの
電荷のプラス総和（陽イオン電荷の総和−陰イオン電荷
の総和）を正味の陽イオン濃度［Z］として定数扱いす
ることができる。

【００５８】前記電荷バランス式の［NH₄ ⁺］、［HC
O₃ ^-］、［CO₃ ^2-］、［CH₃COO^-］、［OH^-］濃度は、先にも
示したように総有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度
（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ）と水素イオン濃度によっ
て（１３）式のように表わすことができる。

【００５９】

【数１３】

【００６０】上記水素イオン濃度はｐＨ計で容易に測定
することができるので、電荷バランス式中の未知数は総
有機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭
素濃度（Ｔ）と正味の陽イオン濃度（Z）の４項目であ
る。ここで連立方程式の未知数と式数の関係から、４つ
の未知数を求めるためには４つの式が必要である。１つ
は滴定をしていない試料のｐＨを測定することによって
得られる。他の３つは酸或はアルカリの滴定によって３
つの異なるｐＨ値を達成すれば得ることが可能である。
但しこの場合、正味の陽イオン濃度（Z）は酸或はアル
カリの滴定量で修正を受ける。

【００６１】例えば酸（ＨＣｌ）を X1 mol/L 注入して
ｐＨがｐＨ１となった場合、

【００６２】

【数１４】

【００６３】となる。従って、滴定をしていない試料の
ｐＨと、滴定によって３つの異なるｐＨ値を達成した際
の滴定量さえ分かれば４つの連立方程式が成立し、この
連立方程式を解くことによって４つの未知数である総有
機酸濃度（Ａ），総アンモニア濃度（Ｎ），全無機炭素
濃度（Ｔ）及び正味の陽イオン濃度（Z）を求めること
ができる。しかし実際にはｐＨ値や滴定量に機器の測定
誤差が当然含まれるため、４つ以上のデータ（全ての滴
定点データ）から重回帰分析によって統計的に４つの未
知数を求めることが必要となる。

【００６４】そして上記４つの未知数を求めることによ
り、前記（７）〜（１１）式を用いて他のイオン濃度を
計算することができる。特に酸−アルカリ平衡理論（化
学平衡式、電荷バランス式）に基づいて導かれる（式１
４）から水素イオン濃度（ｐＨ）と全無機炭素濃度
（Ｔ），総アンモニア濃度（Ｎ），総有機酸濃度（Ａ）
の関係を求めることができる。

【００６５】図４は、酸−アルカリ滴定カーブをシミュ
レーションしたものであり、表１は図４中のグラフ１，
２，３，４における各モニター項目の濃度を示してい
る。

【００６６】

【表１】

【００６７】滴定には１．０ＮのＨＣｌとＮａＯＨを用
いる。図４の横軸は滴定量をモル濃度に換算したもので
あり、縦軸は滴定時のｐＨ値である。図示したようにア
ンモニア濃度（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ），総有機酸
濃度（Ａ）及び正味の陽イオン濃度（Ｚ）が変化するこ
とによって異なる滴定カーブが得られる。本実施例の場
合にはこのカーブから逆に上記４つのモニター項目の濃
度を求めたことを特徴としている。

【００６８】図５〜図８は実際の消化槽汚泥を用いた滴
定カーブであり、図中の○点は実際の測定点、実線は本
実施例で説明した測定原理に基づいて計算した値から逆
に滴定カーブをシミュレーションしたものである。各図
に見られるように実際の測定点とシミュレーションした
曲線とが良く一致しており、本消化槽モニターの測定原
理に基づく計算手法が信頼できるものであることがわか
る。

【００６９】上記図５〜図８は同じ消化汚泥を用いてお
り、測定条件の違いはＳＳ成分の濃度にある。図５は消
化槽汚泥の濾液（ＳＳ濃度ゼロ）を滴定試料としてお
り、図６は消化槽汚泥を３０００ｒｐｍで５分間遠心分
離した後の上澄液（ＳＳ濃度＝１０７３ｍｇ／ｌ）を滴
定試料にしている。又、図７の例では消化汚泥そのまま
（ＳＳ濃度＝２７３４５ｍｇ／ｌ）を滴定試料とし、図
８の例ではＳＳ成分を２７３５ｍｇ／ｌまで除去した消
化汚泥を滴定試料としている。各試料の測定結果を表２
にまとめて示す。

【００７０】

【表２】

【００７１】通常、酸−アルカリ滴定分析では試料中の
ＳＳ成分がｐＨの緩衝能力を持つことから遠心分離した
上澄液を滴定試料として用いることが推奨されている。
しかし表２に示された総有機酸濃度（Ａ），アンモニア
濃度（Ｎ），全無機炭素濃度（Ｔ）及び正味の陽イオン
濃度（Ｚ）の結果から、消化槽汚泥の濾液と遠心分離し
た上澄液との間には計算上の大きな差がない。しかし消
化汚泥をそのまま滴定試料とした図７の場合には、低ｐ
Ｈ値での滴定カーブが図５，図６の滴定カーブと顕著に
異なっており、その結果、図７の例ではＳＳ成分の緩衝
作用によって有機酸濃度の計算値が非常に高く現れてい
る。図８の例では滴定カーブが図５，図６と一見一致し
ているが、やはり総有機酸濃度は高くなっている。これ
らの結果から酸−アルカリ滴定を行うために、前もって
ＳＳ成分を遠心分離された上澄液程度のＳＳ成分（１０
００ｍｇ／ｌ）にまで下げる固液分離工程が不可欠であ
る。前記図５に示す消化槽汚泥濾液を滴定試料とする
滴定カーブから計算された総有機酸濃度（Ａ）は酢酸換
算で１０４（ｍｇ／ｌ），アンモニア濃度（Ｎ）は１１
１６（ｍｇ／ｌ），全無機炭素濃度（Ｔ）は９６１（ｍ
ｇ／ｌ）であった。同じ試料を用いて液体クロマトグラ
フで測定した総有機酸濃度はプロピオン酸のみ２（ｍｇ
／ｌ），アンモニア電極で測定したアンモニア濃度
（Ｎ）は９３２（ｍｇ／ｌ）であった。全無機炭素濃度
（Ｔ）は、図中の測定点とシミュレーション曲線とがｐ
Ｈ４．８付近でもよく一致しているため、計算値（９６
１ｍｇ／Ｌ）とアンモニア度滴定法による全無機炭素濃
度（Ｔ）とはほとんど等しい値になっている。

【００７２】以上の結果から、アンモニア濃度と全無機
炭素濃度に関しては、本消化槽モニターの測定原理に基
づく計算値は他の分析値とまず一致したが、有機酸濃度
に関しては多少相違点がみられた。これは計算に用いら
れる電離定数の温度補償とか、重回帰分析において特定
ｐＨ付近のデータに重みを加える等の処理を行うことに
よって精度の改善をはかることができる。

【００７３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる嫌気性消化槽のモニター装置によれば、制御部にて
求められた値に対応した試薬の酸−アルカリ滴定アルゴ
リズムに基づく自動分注器による滴定と、サンプリング
の液ｐＨ値と試薬の滴定量とから汚泥の消化状態を連続
的にモニタリングすることにより、比較的簡易化された
装置によって、消化槽内の水質を連続的にモニタリング
するための管理指標となる項目である全無機炭素濃度，
全アンモニア濃度，総有機酸濃度を無人状態で高精度に
且つ自動的に測定することを可能として、工程の全自動
化をはかることができる。従って測定者の手操作に起因
する不可避的な測定誤差をなくすことができる。更に滴
定前の消化汚泥を凝集分離することにより、ｐＨの測定
値が実際の試料のｐＨ変化として把握することが出来
る。

【００７４】又、本発明によれば測定に多くの機器を使
用する必要がないので、従来のように各々の分析に必要
な分析機器を確保する必要がなく、且つこれらの機器を
保守点検する作業員を不要とし、各機器の操作上の繁雑
さが解消される上、滴定機構に基づく薬品の注入量は、
作業員の手操作による場合よりも正確であって測定の再
現性を向上させることができる。

【００７５】更に嫌気性消化槽以外の対象でも、物質濃
度，ｐＨ，薬品注入量に本対象と同様の関係があるもの
については本法をそのまま適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる嫌気性消化槽のモニター装置の
第１実施例を示す概要図。

【図２】本発明にかかる嫌気性消化槽のモニター装置の
第１実施例を示す概要図。

【図３】本発明装置における制御部に組み込まれたアル
ゴリズムを示すチャート図。

【図４】本発明を適用した酸−アルカリ滴定量とｐＨ値
との関係をシミュレーションしたグラフ。

【図５】実際の消化槽汚泥のＳＳ成分ゼロの濾液を用い
てアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実
測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値
（実線）との比較を示すグラフ。

【図６】実際の消化槽汚泥を遠心分離した上澄液を用い
てアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実
測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値
（実線）との比較を示すグラフ。

【図７】実際の消化槽汚泥をそのまま用いてアルカリ又
は酸を滴定した際のｐＨ−滴定量曲線の実測値（○印）
と酸−アルカリ平衡理論を用いた計算値（実線）との比
較を示すグラフ。

【図８】実際の消化槽汚泥のＳＳ成分を一定量除去した
濾液を用いてアルカリ又は酸を滴定した際のｐＨ−滴定
量曲線の実測値（○印）と酸−アルカリ平衡理論を用い
た計算値（実線）との比較を示すグラフ。

【符号の説明】

１…濾液槽、２…酸滴定槽、３…アルカリ滴定槽、４…
ｐＨ計、５…温度計、６ａ，６ｂ…分注器、７…シーケ
ンスコントローラ、８…パーソナルコンピュータ、９…
制御部、１０…サンプリング用ポンプ、１１…二方向バ
ルブ、１２…洗浄水貯留槽、１３…流体ポンプ、１５…
受泥槽、１６…凝集槽、１７…沈澄槽、１８…フィル
タ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】消化汚泥が貯留される濾液槽と、この濾
液槽内の消化汚泥がサンプリングされて導入されるとと
もにｐＨ計が夫々配備された酸滴定槽及びアルカリ滴定
槽と、制御部にて求められた値に対応した量の試薬を分
注器により上記酸滴定槽及びアルカリ滴定槽に分注する
滴定機構とを具備して成り、サンプリングの液ｐＨ値と
試薬の滴定量によって汚泥の消化状態を連続的にモニタ
リングすることを特徴とする嫌気性消化槽のモニター装
置。
【請求項２】消化汚泥を受け入れる受泥槽と、凝集剤
の注入によって上記消化汚泥を凝集させる凝集槽と、こ
の凝集槽の上澄液が貯留される沈澄槽と、該沈澄槽から
フィルタを介して流入する液が貯留される濾液槽と、こ
の濾液槽内の消化汚泥がサンプリングされて導入される
とともにｐＨ計が夫々配備された酸滴定槽及びアルカリ
滴定槽と、制御部にて求められた値に対応した量の試薬
を分注器により上記酸滴定槽及びアルカリ滴定槽に分注
する滴定機構とを具備して成り、サンプリング液ｐＨ値
と試薬の滴定量によって汚泥の消化状態を連続的にモニ
タリングすることを特徴とする嫌気性消化槽のモニター
装置。
【請求項３】上記消化槽のモニター装置に、測定終了
後に前記各槽内に洗浄水を注入して撹拌するための洗浄
水貯留槽を配備した請求項１，２記載の嫌気性消化槽の
モニター装置。
【請求項４】上記酸滴定槽及びアルカリ滴定槽に、測
定されたデータを液温度値により補正するための温度計
を配備した請求項１，２記載の嫌気性消化槽のモニター
装置。