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標準型活性汚泥法

1.はじめに

生活・産業に伴う排水中有機物の浄化には微生物を活用する方法が効果的である。比較的有機物の濃度が低い排水には、活性汚泥法が多用される。
これらの浄化施設は、毎日の排水を処理するため、年間を通した安定稼働が求められる。しかし、活性汚泥プロセスを適切に稼働するには、基本的な知識と経験が求められる。プロセスの管理に求められる各操作因子を理解し、実際に装置を運転して、処理施設の設計・管理に関する技術を習得するための実験手法を紹介する。
ここでは、連続的に排水を処理する方法について解説するが、基本的用語運転操作に関しては、他ページを参照されたい。

2.実験方法

(1)実験装置

 有効容積10Lの曝気槽を用いた活性汚泥装置の事例として、図1にその概略を示す。本装置の各部の詳細を次に示す。適宜、工夫して実験装置を構成するとよい。
①原水貯留槽(40~50L):ポリバケツ、定量送液ポンプ、チューブ(内径1mm)
②曝気槽(有効容積10L):内径233mm、高さ350mm、水深233mm、厚さ3mmのPVC板で加工)
 攪拌器具:マッグネチックスターラー、回転子、曝気槽の底面摩耗防止用ガラス板:直径220mm、暑さ2mm)(後述するように、曝気を主および補助の2台で運転する場合には、不要となる。)
 曝気器具:送気ポンプ、チューブ(内径4mm)、散気球(鑑賞魚水槽用エアディフィーザー)
 中和器具:貯留容器5L、送液ポンプ、チューブ(内径1mm)
 計測制御器:溶存酸素(DO)(隔膜電極)、pH(ガラス-比較一本電極)
③沈殿槽(円錐型、有効容積3L):内径240mm、高さ360mm、有効水深300mm
(負荷が大きくなると、汚泥の性状によっては沈殿槽のサイズを5L程度まで大きくする必要がある。)
 汚泥掻落器:低速回転モーター、掻落棒
 汚泥返送器具:定量送液ポンプ、チューブ(内径1mm)

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図1 活性汚泥の実験装置 有効容積:曝気槽10L、沈殿槽3~5L

aeration_tank_1

(A1) 曝気槽

aeration_tank_2

(A2) 曝気槽・底部

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(B1) 沈殿槽

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(B2) 沈殿槽・底部

写真1 活性汚泥装置の各部

   

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写真2 活性活性汚泥法実験の様子

(2)供試排水

実験に用いる排水は、生物分解性の汚濁物質を含むものであれば特に限定しない。
本実験では、都市下水の一般的なBOD濃度である150mg/Lの排水を使用した。表1に模擬下水の組成の一事例として示す。
表1 模擬排水の組成と汚濁成分
act_waste_wat

(3)計測制御

 活性汚泥法を適正に管理するための主な操作因子として、溶存酸素(DO)とpHがある。
<溶存酸素>
 連続型活性汚泥プロセスでは、DOを1~2mg/LとなるようにDOを計測して、曝気量の制御をする。ベンチスケールの曝気槽をエアポンプ1台で、曝気をon-off制御すると散気装置(本実験ではポーラス散気球を使用)の目詰まりが生じる。そこで、主ポンプ(連続稼働)と補助ポンプ(on-off制御)の2台を利用するとよい。主ポンプの送気量を負荷量に応じて僅かに不足する程度に調節し、この不足分を補助ポンプで補う程度に調節する。DO計測制御器を補助ポンプに接続して、曝気槽のDOを所定の値に保つ。主ポンプによる曝気は撹拌機能も有する。
 溶存酸素計として隔膜電極法(ガルバニックセル法とポーラログラフ法の2つの方式がある。性能・特徴・使用法は同じ。)を採用した計測制御器を使用する。隔膜・電解液の交換、電極の研磨など定期的なメンテナンスや校正作業が必要である。H2S、SO2、ハロゲンガスなどを含む排水では、DO測定の妨害となるので注意する。
<pH>
 通常の活性汚泥法では、有機物の酸化によりpHが低下する。中和剤をpH計測制御器に接続した送液ポンプで注入する。ベンチスケール実験では中和剤として、1N-水酸化ナトリウム液を用いるとよい。排水によっては、pHが上昇するものもある。この場合には、1N-硫酸液を添加するとよい。
 pH測定では、ガラス電極と比較電極の間に生じた起電力(電位差)を計測する。DO計では電流を、pH計では電圧をそれぞれ測定する。問題は、ガラス電極の抵抗が極めて大きい(300~500MΩ)ので、応答速度が遅い。また、ガラス膜が薄く、破損しやすいことである。破損防止のキャップを付ける(オプションでない場合には、半田ごてなどで穴を開けた円筒型プラスチックを電極先端を覆うように取り付ける。)。
 電極の保守には、①電極の洗浄、②標準液校正、③電極内部液の補充などがある。
 排水・曝気槽内混合液内では、ガラス電極や比較電極の液絡部に、懸濁物・粘性物質・微生物(清水で洗い落とす)、油性物質(中性洗剤溶液に浸す)や金属塩(1~2%の塩酸溶液に数分浸す)などの汚れが付着しやすいので、電極の洗浄を定期的に行う。
 標準液校正は、測定条件により大きく異なるので、運転当初は1週間ごとに校正し、データを記録して、校正間隔を決めるとよい。
 電極ホルダー中の内部液(3mol塩化カリウム溶液)が十分入っているか確認する。不足している場合には、補充する。

(4)運転操作

3.運転管理と操作条件

回分実験で詳しく説明したので、操作条件を簡単に説明する。

(1)負荷量の決定

この実験では曝気槽の容積(10L)と流入原水のBOD濃度が決まっているので、原水の適正流入量を決定する。
ここでは汚泥濃度Sa=2,000mg/L(仮定)とする。標準活性汚泥法の適正負荷Γsは0.2~0.4kgBOD/kgSSであるので、Γsを0.3とすると、表2原水流入量Qi=40L/dとなる。また、表3に示すように、曝気槽内に微生物(汚泥)を適正に保持できる負荷量にある。

(2)活性汚泥濃度の決定

次に、曝気槽内の適正な汚泥濃度を決定する。表2に示すようにSV30=30%としたときの、各活性汚泥濃度に対するSVIを推定すると、SVIを150mL/gSS以下に保つ最低濃度は2,000mgSS/Lとなる。
以上の理由から、本実験では汚泥濃度Sa=2,000mgSS/L、流入原水量Qi=40L/dが適正な操作条件となろう。分離槽から曝気委槽への返送比は43%以上とする。
この操作条件では、余剰汚泥として曝気槽の混合液1.3L/dを引き抜く。
なお、実施設では、余剰汚泥の引抜は返送汚泥の一部を引き抜くが、ベンチスケール(数十L程度)では返送汚泥の濃度が変化するので、適正な引抜が困難であり、曝気槽の混合液を引き抜くことに留意する。

表2 運転管理項目(1)-BOD負荷と操作条件
act_sludge_parameter(1)

表3 運転管理項目(2)-汚泥生成と操作条件
act_sludge_parameter(2)

表4 運転管理項目(3)-汚泥濃度と操作条件
act_sludge_parameter(3)

4.運転管理の留意事項

強熱残留物と汚泥の沈降性

本実験では、下水汚泥の返送汚泥を活性汚泥として植種した。一般に、下水汚泥には強熱残留物(IR)が汚泥中25~15%程度含まれている。このIRの成分は、無機塩類、金属酸化物、粘度鉱物などの微粒子である。下水返送汚泥中のIR量と組成は、天候条件により大きく異なる。
図2に下水汚泥を植種し、スキムミルクを主成分とする模擬排水を投入した活性汚泥プロセス(原水:300mgBOD/L、HRT=24h、MLSS=1,800mg、Sr=7,200mg/L、SRT=20d)におけるVSS/SSの経日変化を示す。VSS/SSは植種当初70%であったものが20日で90%となり、以後、一定の値で推移している。これは当初含まれていた金属酸化物や粘土鉱物などが余剰汚泥の引き抜きに伴って減少し、STR20日以後にはほぼ消失しているものと思われる。一方で、余剰汚泥の濃縮液(1時間程度静置後)は当初10,000mg/Lであったものが、7,000mg/Lにまで減少した。このことは、強熱残留物が汚泥の良好な沈降性を担っていることを示している。
模擬排水には金属酸化物や粘度鉱物の微粒子が存在しないので、沈降性の改善のため、カオリナオトなどの粘土成分を添加すると現実の下水性状に近くなり、沈降性が改善される。添加量としては、Sa[mg/L]×Va[L]×0.1/SRT[d]、を目安とする。Sa=1,500mg、Va=10L、SRT=8dであれば、1.9g/d程度となる。

VSS_SS
図2 下水処理場返送汚泥を植種した活性汚泥実験におけるVSS/SSの経日変化
原水:300mgBOD/L、HRT=24h、MLSS=1,800mg、Sr=7,200mg/L、SRT=20d

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掲載日:2017/05/10
更新日:2017/12/17(写真1・2を追加、他に変更はありません)

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