JPH07232188A - 生物活性炭設備の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】オゾン処理及び生物活性炭処理を行う浄水高度
処理において、微生物や濁質の少ない安全でおいしい水
が得られるようにすること。 【構成】生物活性炭処理において生物の繁殖状態を監視
し、基準値を超えたならば洗浄する。生物の繁殖状態
は、処理水中の生物量，溶存酸素濃度或いはｐＨを計測
することにより求める。 【効果】生物活性炭槽の洗浄のタイミングを適正に制御
でき、安全でおいしい水を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、浄水場の高度浄水処理
の運転管理方法に係り、特にオゾン処理プロセスや生物
を成育させた活性炭処理プロセスを有する浄水場の処理
水を安定維持するのに好適な制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、異臭味を有する水道水が増加し、
社会問題化している。この異臭味障害は、水源である湖
沼やダム湖の富栄養化などにより異常増殖した植物プラ
ンクトンが発生するジオスミンやジメチルイソボルネオ
ール（２−ＭＩＢ）等の異臭味物質が原因とされてい
る。さらに、発癌性物質とされるトリハロメタン(ＴＨ
Ｍ)の前駆物質などの微量有機化学物質の存在が明らか
にされ、また、窒素化合物やりん化合物などの栄養塩類
が水道の原水に含まれ、問題となっている。これらの物
質は、従来の濁質除去を主体としている浄水プロセスで
ある凝集剤注入緩速ろ過方式や急速ろ過方式では除去が
困難であり、新たな対応が水道水に求められている。

【０００３】これらの物質を除去し、安全でおいしい水
を供給するために、浄水場では従来の浄水プロセスに加
えて、オゾン接触池と生物活性炭塔を基本構成施設とす
る高度処理プロセスが設置されるようになってきた。こ
れらのプラントではおいしい水を満たす水質基準を達成
することは勿論であるが、運転コストも考慮した日常管
理も必要である。高度処理プラントにおいて、オゾン接
触池や生物活性炭塔を対象とした運転管理方式が提案さ
れている。

【０００４】生物活性炭塔では、粒状活性炭の吸着効果
と微生物による有機物の分解作用を利用して浄化する。
粒状活性炭は、微細な穴を有しており強力な吸着力があ
る。この活性炭に通水すると最初は活性炭吸着作用によ
る有機物やマンガンの吸着除去のみであるが、次第に活
性炭の表面に微生物が繁殖して微生物による有機物の分
解除去，アンモニア性窒素の硝化分解除去の機能が加わ
る。広く使用されている固定層重力方式では、上部より
下降流で通水するため、通水を継続していると上部から
水深方向に吸着能力の低下，微生物の繁殖が進行する。

【０００５】従って、生物活性炭では微生物の状態を適
正に維持するように運転管理を行わないと、物質除去効
率の低下，微生物の剥離流出による処理水質の悪化の問
題が発生する。生物活性炭設備には、活性炭に吸着され
た有機物，マンガン、及び微生物などを洗浄する目的で
逆洗浄設備が必要になる。逆洗浄の方法には、予め設定
されたタイミングで逆洗浄する方法，ろ過抵抗を一定値
以内に保つように洗浄する方法，活性炭の表層部にそれ
より下方から撹拌水を噴射させて表層部に堆積した懸濁
物質を逆洗する方法（特開平2−233192 号公報）があ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、湖沼水やダム
水、及び河川水の水質は自然界の影響を受けて日間，季
節、及び経年変化する。浄水場ではこのような水系から
の水を取水しており、浄水プラント及び高度処理プラン
トが除去対象とする濁度物質，臭気物質，有機物質，Ｆ
ｅ+，Ｍｎ+などのイオン化物質及び栄養塩類などの水質
項目も当然変化する。予め設定されたタイミングで逆洗
浄していると適切な運転はできない。また、生物活性炭
塔を管理する上で、生物が活性炭に成育し、有機物質や
栄養塩類であるアンモニア性窒素を処理するまでには長
い期間がかかるため、成育生物量の適正維持とその活性
を保つことが重要である。従来技術のろ過抵抗による方
法、特開平2−233192 号公報の方法は生物量及び生物の
活性に関しては何ら考慮がなされていない。これは、従
来の洗浄方法が濁質除去に用いられる砂ろ過の洗浄方法
をそのまま適用したことに起因している。従来方式で
は、砂ろ過で除去された濁質による目詰り対策として洗
浄を実施して濁質を洗い流すことを目的としている。こ
れに対して生物活性炭は、濁質除去ではなく生物反応に
よる有機物除去，アンモニア性窒素の除去を主目的とす
るため、生物相を如何に良好な状態に維持するかが課題
であり、濁質の目詰り対策であるろ過抵抗を一定値以内
に保つように洗浄する方法では生物活性炭の適切な運転
はできない。また、重要な問題である微生物の流出に対
してもなんら考慮されていない。

【０００７】このように、生物活性炭設備においては生
物と活性炭の状態を把握した洗浄がなされておらず、除
去効率，処理水質の安全性を確保できない。従って、安
全でおいしい水を安定して供給することが困難である。

【０００８】本発明は上記従来技術の問題点に対処した
もので、その目的とするところは生物活性炭設備の生物
繁殖状態を考慮して適正に管理し、安全でおいしい水を
安定して供給する、生物活性炭設備の制御方法を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために生物繁殖状態監視手段，洗浄設備制御手段，
懸濁物質監視手段，洗浄開始制御手段，洗浄停止制御手
段で構成される。生物繁殖状態監視手段で生物や活性炭
の状態を監視して逆洗開始／停止の操作を行い生物活性
炭塔の逆洗制御を実行する。

【００１０】

【作用】生物繁殖状態監視手段は、生物活性炭設備の溶
存酸素，ｐＨ，生息する微生物量を計測し、繁殖状態を
監視する。生物の量が増えればそれに伴い溶存酸素消費
量も増加する。また、微生物は流入水のアンモニア性窒
素を硝酸性窒素にする硝化を進めると処理水は酸性にな
りｐＨは小さくなる。溶存酸素計，ｐＨ計，生息する微
生物量計測計は活性炭層の中央付近に設置し、活性炭層
内の微生物繁殖分布を把握する。これらに基づき生物繁
殖状態が過剰になってないかを判定し、過剰の場合は洗
浄設備制御手段に信号を送り洗浄を開始する。生物活性
炭逆洗浄の開始／停止制御は、活性炭層前後の圧力損
失、あるいは圧損変化に伴う塔全体の通水量の減少率を
指標としても逆洗するが、微生物過剰繁殖による洗浄は
これらに優先する。

【００１１】逆洗は処理水と空気を併用し、２段階の操
作を実施する。第１段階は洗浄能力を高めるために処理
水と空気の両者を吹き込む。これにより、活性炭表面だ
けでなく、細孔の中の吸着物質の一部も脱離される。第
２段階は処理水だけで洗浄するもので、脱離物質の完全
除去と活性炭表面で脱離しかかっている物質を除去す
る。なお、空気を用いない場合は、処理水の逆洗流量や
吹込み圧力を変化させて上記２段階の逆洗操作を実施す
る。さらに、逆洗操作の指標として活性炭から剥離した
微生物の有無あるいは剥離量、及び池入・出口の水質変
化から活性炭の破過状態や微生物の活性状態を監視し、
それらの結果を利用する。微生物量の計測は画像処理を
応用して行うが、微生物だけでなく、破砕した活性炭や
吸着池の活性炭層でろ過されていた懸濁物質の漏出監視
も可能で、逆洗時期や活性炭の寿命判定情報とする。

【００１２】このように、生物繁殖状態から逆洗操作す
るため、生物活性炭の微生物を適切に管理できる。従っ
て、微生物浄化作用を効率良く利用でき、安全で信頼で
きる水を提供することができる。

【００１３】本発明によれば、生物活性炭の生物に着目
した水質管理を行うことができ、安全で、信頼性の高い
おいしい水を常に安定して需要家に供給することができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１５】図１に固定層式重力式の生物活性炭設備に
適用した例を示す。

【００１６】オゾン接触池（図示せず）から流出した処
理水は流入弁５開にて生物活性炭塔７に送水され、充填
された粒状活性炭層８の吸着と、活性炭層８に付着成育
した微生物によりオゾン処理では除去できないアンモニ
ア性窒素や易分解性有機物が処理され、生物活性炭塔７
の処理水は流出弁１０から流出する。ろ過抵抗計３は活
性炭層８の流入と流出の圧力差を計測し、活性炭層８の
目詰り状態を把握できる。生物活性炭塔７は、空気と洗
浄水の２つを下方から吹き込み洗浄する。空気はブロワ
１３と空気弁１２から、また洗浄水はポンプ１５と洗浄
弁１４から吹き込み、洗浄中は流入弁５と流出弁１０を
閉、排水弁１６を開として洗浄排水を上側から流し出
す。洗浄水としては、活性炭搭７からの処理水を用い
る。弁，ブロワ、及びポンプの動作タイミングは洗浄設
備制御装置６で制御する。

【００１７】流入水質計４と処理水質計１１は、濁度，
ｐＨ，溶存酸素濃度（以下ＤＯ），アンモニア濃度など
を計測する。生物状態計測計９は、活性炭層８の表面，
中央，底面の３か所のＤＯ，ｐＨ，微生物量を計測す
る。生物繁殖監視装置２は流入水質計４，微生物状態計
測計９，処理水質計１１から生物繁殖状態を計算する。
制御用計算機１は、生物活性炭設備全体の情報を集中管
理する。

【００１８】図２にてＤＯによる生物活性炭層８の生物
繁殖状態を説明する。

【００１９】生物活性炭塔７への流入水にはオゾン接触
池のオゾンが分解して酸素になり溶け込んでいるのでＤ
Ｏが高い。生物活性炭通水初期は、生物が生成している
水深までＤＯは消費される。生物が生物活性炭層８の底
面まで繁殖すると、底面までＤＯは消費される。さらに
繁殖が進むと活性炭層の表面と底面ではＤＯの変化率が
大きくなる。ＤＯによる繁殖状態Ｓｄo は、流入ＤＯを
ＤＯ１，流出ＤＯをＤＯ2とすると（１）式で表せる。

【００２０】 Ｓｄo＝ＤＯ1−ＤＯ2 …（１） 図３にてｐＨによる生物活性炭層８の生物繁殖状態を説
明する。

【００２１】生物活性炭を用いた浄水処理では、生物の
繁殖に影響がないように前段の塩素注入は極力抑えるた
め、アンモニア性窒素の酸化が進まずその濃度は高い。
生物は、酸素を与えるとアンモニア性窒素を酸化し亜硝
酸にする硝化反応を起こす。硝化が進むと酸性になりｐ
Ｈが低くなることから微生物繁殖状態の指標になる。生
物活性炭通水初期は、生物が生成している水深まで硝化
は進みｐＨは低くなる。生物が生物活性炭層８の底面ま
で繁殖すると、底面までｐＨが低くなる。さらに繁殖が
進むと活性炭層の表面と底面ではｐＨの変化率が大きく
なる。尚、硝化は流入するアンモニア性窒素，溶存酸素
に加え温度の影響も強くを受ける。

【００２２】図５にｐＨによる生物繁殖状態監視の一例
を示す。

【００２３】図５（ａ）は生物が底面まで繁殖した状態
で、（ｂ）は生物が底面まで繁殖した状態，（ｃ）は生
物生成していない状態である。ｐＨによる繁殖状態Ｓph
は、流入ｐＨをｐＨ1，流出ｐＨをｐＨ2とすると（２）
式で表せる。

【００２４】 Ｓph＝ｐＨ1−ｐＨ2 …（２） 図４にて生物量による生物活性炭層８の生物繁殖状態を
説明する。

【００２５】微生物繁殖状態は、生物なし，生物生成
中，活性炭層底面まで繁殖，繁殖過剰のように生物量を
直接計測すると的確の判定できる。生物のなかで輪虫
類，線虫類の後生生物を指標生物として計測する。生物
による繁殖状態Ｓm は（３）式で表す。

【００２６】 Ｓm ＝後生生物の数 …（３） 図６に生物繁殖監視装置２の一構成例を示す。

【００２７】ｐＨ状態検出工程２１では、ｐＨが一定と
なった地点とｐＨによる繁殖状態Ｓphを計算し、ＤＯ状
態検出工程２２では、ＤＯが一定となった地点とＤＯに
よる繁殖状態Ｓdoを計算する。また、生物状態検出工程
２３では生物による繁殖状態Ｓm を計算する。このよう
に計算された値は流入水質補正工程２４で、流入水質の
水温Ｔ，アンモニア性窒素Ｎ，流量Ｗを加えて補正す
る。繁殖状態判定工程２５ではＳph，Ｓdo，Ｓm が設定
した基準値よりも大きいときは繁殖過剰とする。

【００２８】生物状態計測計９の一実施例を図７に示
す。

【００２９】活性炭層８より検水ポンプ４７でサンプリ
ングした活性炭を含む処理水はｐＨ計４３，ＤＯ計４４
でｐＨ，ＤＯを計測してタンク４５に導かれる。タンク
４５ではブロワ４６にて空気を送り込み活性炭を撹拌さ
せ付着した微生物を剥離させた後に撮像装置４１に送水
する。撮像装置４１で撮像した生物活性炭８のサンプル
液の映像信号は画像処理装置４２に送られる。図６にお
いて、撮像装置４１は導水管４１１の一部に導水管４１
１中を流れる生物活性炭８のサンプル液と接触している
窓ガラス４１１Ａ，４１１Ｂの一方が上下動し、その間
の液を拡大レンズ４１２で拡大し、テレビカメラ４１３
で拡大像を撮影する。拡大レンズ４１２と対向して照明
装置４１４が設置されている。導水管４１１には、切替
装置415により、生物活性炭８の処理水及び逆洗排水の
一部を導くことができる。画像解析装置４２では、ま
ず、撮像装置４１からのアナログ映像信号がＡ／Ｄ変換
工程４２ａでディジタル化し、得られた濃淡画像を濃淡
強調工程４２ｂで輝度（明るさ）の変化を明確にする処
理を行う。この処理工程により、画像内に存在する懸濁
物質の輪郭部あるいは全体が強調され、懸濁物質が鮮明
化される。物体認識工程４２ｃでは強調した濃淡画像を
２値化処理して２値画像を得る。２値画像は物体部が
“１”領域，液部が“０”領域に識別される。特徴量演
算工程４２ｄでは、物体認識工程４２ｃで識別された物
体の個数、及び各々の物体の面積，形状，輝度などを計
算する。物体判定工程４２ｅでは各々の物体の面積，形
状，輝度などから、物体が微生物か活性炭かを判定す
る。生物抽出工程４２ｆは、物体判定工程４２ｅから出
力された単画面ごとの上記判定結果を複数画面収集して
統計処理を行い、生物活性炭８からの漏出物の判定評価
とその量を計算する。また、微生物のなかで移動する物
体を個別に計算して後生生物と仮定し、計測する生物は
後生生物のみでもよい。

【００３０】これらの漏出物を、予め設定された計測時
間Ｔ２あるいは処理画面数Ｎ２から統計的代表値を時間
Ｔ２あるいは画面数Ｎ２が処理された毎に演算する。

【００３１】本実施例では、生物繁殖計９の計測地点を
活性炭層の表面，中央，底面で固定としたが、活性炭層
の中央のみを代表としてもよい。

【００３２】洗浄設備制御装置６の機能を図８を用いて
説明する。洗浄設備制御装置６は、逆洗浄開始処理６０
と逆洗浄停止処理６１から構成される。

【００３３】まず、逆洗浄開始処理６０について説明す
る。水質比較工程６００は、通水時すなわち水処理時に
は流入水質計４と処理水質計１１との水質計測情報を比
較する。この判定は、通水時に生物活性炭塔８出口の処
理水質計１１からの水質計測情報が所定値以上の場合に
実行する。判定結果は逆洗開始操作判定工程６０５に出
力される。差圧比較工程６０２は通水時のみに実行され
るもので、ろ過抵抗計３の圧力損失を求めて目詰り判定
工程６０３に出力する。目詰り判定工程６０３では圧力
損失が所定値以上の場合、活性炭層８の目詰りが激しい
と判定し、逆洗開始操作判定工程６０５に出力する。漏
出物検出工程６０４では生物繁殖監視装置２の内容によ
り、生物の繁殖が過剰になっていないかを判定する。活
性炭判定工程６０６では、生物繁殖監視装置２からの活
性炭粒径が洗浄で細かくなっていないかを判定する。活
性炭粒径の大きさが所定値より小さければ活性炭が微細
化したと判定し、ディスプレイに活性炭交換のガイダン
スを表示する。運転開始操作判定工程６０５では、これ
らの判定結果に基づいて、生物活性炭塔８の逆洗開始を
判定し、洗浄操作を開始する。生物繁殖判定工程６０４
による洗浄操作は、水質比較工程６００や目詰り判定工
程６０３からの洗浄指示に優先して実施する。

【００３４】逆洗浄停止処理６１は、逆洗操作開始信号
に連動して実行する。水質比較工程６１０は、流入水質
計４と処理水質計１１との水質計測情報を比較してその
偏差を演算する。判定結果は逆洗開始操作判定工程６１
５に出力される。漏出物判定工程６１４では漏出物の内
容により、微生物、あるいは活性炭、または濁質流出が
所定値以下になった場合に洗浄終了と判定する。判定結
果は逆洗開始操作判定工程６１５に出力される。これら
の判定結果に基づいて、生物活性炭塔８の逆洗終了を判
定し、洗浄操作を停止する。逆洗停止後タイマー６１１
に設定した時間経過の後、通水を開始する。

【００３５】なお、図中には示していないが、逆洗操作
は処理水を利用するのが原則であるが、空気を併用する
こともできる。また、圧損及び圧損変化に伴う通水量の
減少率を指標として逆洗操作の有無とその時期を判断で
きる。空気を併用している場合は、逆洗操作を２段階に
分けて実施することができる。第１段階は洗浄能力を高
めるために処理水と空気の両者を吹き込む。これによ
り、活性炭表面だけでなく、細孔の中の吸着物質の一部
も脱離される。第２段階は処理水だけで洗浄するもの
で、脱離物質の完全除去と活性炭表面で脱離しかかって
いる物質を除去する。なお、空気を用いない場合は、処
理水の逆洗流量や吹込み圧力を変化させて上記２段階の
逆洗操作を実施することができる。さらに、活性炭充填
層の表面を水中カメラなどで撮影し、懸濁物質堆積状態
の監視結果から逆洗操作を実施することもできる。ま
た、これらの判定及び監視結果のバックアップとしてタ
イマー設定による逆洗操作開始／停止実行することがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、生物活性炭塔の微生物
状態を監視しながら逆洗操作するため、微生物や濁質の
ない安全で信頼できる水を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す全体図である。

【図２】活性炭層の溶存酸素と生物繁殖の関係を示す図
である。

【図３】活性炭層のｐＨと生物繁殖の関係を示す図であ
る。

【図４】活性炭層の生物量と生物繁殖の関係を示す図で
ある。

【図５】ｐＨ計測の一例を示す図である。

【図６】生物繁殖監視装置の一例を示す構成図である。

【図７】生物状態計測計の一例を示す構成図である。

【図８】洗浄設備制御装置の一例を示す構成図である。

【符号の説明】

２…生物繁殖監視装置、３…ろ過抵抗計、４，１１…水
質計、６…洗浄設備制御装置、７…生物活性炭塔、８…
活性炭層、９…生物状態計測計、１３…ブロワ、１５…
ポンプ、４１…撮像装置、４２…画像処理装置、４１３
…テレビカメラ。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粒状活性炭に微生物を増殖させた生物活性
   炭設備において、該生物活性炭設備を洗浄する手段と、
   該洗浄手段を制御する手段と、生物繁殖状態を監視する
   手段を具備し、生物の繁殖状態に基づいて前記生物活性
   炭層の洗浄タイミングを図ることを特徴とする生物活性
   炭設備の制御方法。
2. 【請求項２】請求項１において、生物活性炭層内部を通
   過中の処理水を検水する検水手段を具備し、検水中の生
   物量にて繁殖状態を表すことを特徴とする生物活性炭設
   備の制御方法。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、生物活性炭層内
   部を通過中の処理水の溶存酸素を計測する手段を具備
   し、溶存酸素濃度にて繁殖状態を表すことを特徴とする
   生物活性炭設備の制御方法。
4. 【請求項４】請求項１又は２において、生物活性炭層内
   部を通過中の処理水のｐＨを計測する手段を具備し、ｐ
   Ｈにて繁殖状態を表すことを特徴とする生物活性炭設備
   の制御方法。
5. 【請求項５】請求項２において、前記生物量を後生生物
   の出現数で表し、該出現数量がある基準値を超えた場合
   に生物繁殖過剰として洗浄を開始することを特徴とする
   生物活性炭設備の制御方法。
6. 【請求項６】請求項５において、前記後生生物の出現数
   を所定の大きさの物体の総数で表し、該総数がある基準
   値を超えた場合に生物繁殖過剰として洗浄を開始するこ
   とを特徴とする生物活性炭設備の制御方法。
7. 【請求項７】請求項４において、前記生物量を所定の大
   きさの動く物体の個数で表し、該個数がある基準値を超
   えた場合に生物繁殖過剰として洗浄を開始することを特
   徴とする生物活性炭設備の制御方法。
8. 【請求項８】請求項２〜４のいずれか１項において、生
   物活性炭設備として固定式重力方式を用い、活性炭層の
   水深方向中央より下方の溶存酸素濃度，ｐＨ，生物量に
   て生物繁殖を表すことを特徴とする生物活性炭設備の制
   御方法。
9. 【請求項９】請求項２において、前記生物量を計測する
   手段は、微生物の拡大映像を撮像する手段と画像処理手
   段から構成されることを特徴とする生物活性炭設備の制
   御方法。
10. 【請求項１０】請求項１〜９のいずれか１項において、
    生物活性炭設備入口と出口の圧力差を計測する手段と、
    該圧力差計測手段に基づいて洗浄を制御する手段を具備
    し、ある繁殖状態に達した場合は圧力差による洗浄に優
    先して洗浄を開始することを特徴とする生物活性炭設備
    の制御方法。
11. 【請求項１１】請求項１〜９のいずれか１項において、
    生物活性炭設備入口と出口水質を計測する手段を具備
    し、ある繁殖状態に達した場合は水質による洗浄に優先
    して洗浄を制御することを特徴とする生物活性炭設備の
    制御方法。
12. 【請求項１２】請求項１〜１１のいずれか１項におい
    て、洗浄排水を前記生物繁殖監視手段に検水する手段を
    具備し、生物がある状態に達した場合に洗浄を停止する
    ことを特徴とする生物活性炭設備の制御方法。