2-(3)-2 高 負 荷 運 転 に よ る 水 質 改 善 お よ び
省 エ ネ ル ギ ー 効 果 に つ い て
流 域 下 水 道 本 部 技 術 部 北 多 摩 二 号 水 再 生 セ ン タ ー 葛 西 孝 司 須 川 伊 津 代 、 渡 瀬 誠 司 、 松 下 勝 一 １ ． は じ め に 21 年 度 の 制 限 曝 気 A2O 法 の 調 査 1）の 過 程 で 、 反 応 槽 の BOD 容 積 負 荷 量 が 全 窒 素 （ 以 下 、T-N）お よ び 全 り ん（ 以 下 、T-P）の 除 去 に 対 し て 大 き な 影 響 を 与 え る こ と が 判 明 し た 。 こ の 結 果 を も と に 、 生 物 学 的 窒 素 り ん 同 時 除 去 法 の 効 果 的 な 運 転 方 法 に つ い て 確 立 す る と と も に そ の 効 果 を 実 際 に 検 証 し た 。 ２ ． BOD 容 積 負 荷 と 余 剰 汚 泥 発 生 量 の 関 係 ま ず 、 余 剰 汚 泥 の 発 生 量 が T-N、 T-P の 除 去 性 能 に 影 響 を 与 え て い る こ と が 分 か っ た の で 、最 初 に 余 剰 汚 泥 発 生 量 に つ い て 記 述 す る 。水 処 理 施 設 の 設 計 で は 、余 剰 汚 泥 発 生 量 は 、 流 入 水 の SS お よ び 溶 解 性 BOD な ど か ら 計 算 す る よ う に な っ て い る 。『 下 水 道 施 設 計 画 ・ 設 計 指 針 と 解 説 』 に 記 述 さ れ て い る 余 剰 汚 泥 発 生 量 の 計 算 式 を 式 1 に 示 す 。 余 剰 汚 泥 発 生 量（kg/日 ）＝ 流 入 水 量 (m3/日 )×｛ ａ ×溶 解 性 BOD(mg/L)＋ ｂ ×SS(mg/L)｝ － ｃ ×MLSS(mg/L)×好 気 槽 容 積 (m3) 式 1 こ こ で 、 ａ ： 溶 解 性 BOD の 汚 泥 転 換 率 （ 0.4～ 0.6 ｇ MLSS/gs-BOD） ｂ ：SS に 対 す る 汚 泥 転 換 率 （ 0.9～ 1 ： ｇ MLSS/ｇ SS） ｃ ： 汚 泥 の 自 己 分 解 に よ る 減 少 係 数 （0.03～ 0.05 ： 1/日 ） 式 1 は 、汚 泥 の 発 生 源 を 流 入 水 の 溶 解 性 BOD お よ び SS で 、汚 泥 の 減 少 量 を 自 己 分 解 す る 割 合 で 表 現 し て い る 。 水 処 理 の 原 理 か ら 、 様 々 な 処 理 方 式 に 当 て は ま る 式 で あ る が 、 一 方 で 、 ａ ， ｂ ， ｃ の 係 数 が 余 剰 汚 泥 発 生 量 に 大 き く 影 響 し て く る 。 こ れ に 対 し て 、21 年 度 の 調 査 で は 、 余 剰 汚 泥 発 生 量 は 、 BOD 容 積 負 荷 量 に 左 右 さ れ る こ と が 分 か っ た 。制 限 曝 気 A2O 法 お よ び A2O 法 に つ い て 、BOD 容 積 負 荷 量 に 対 す る 反 応 槽 1ｍ3 あ た り の 余 剰 汚 泥 発 生 量 の 関 係 を 図 1 に 示 す 。 制 限 曝 気 A2O 法 お よ び A2O 法 の 共 通 の 近 似 線 か ら 、ATU-BOD 容 積 負 荷 が 約 0.08kg/m3/日 以 下 で は 余 剰 汚 泥 が 発 生 せ ず 、 そ れ 以 上 の 負 荷 で は 直 線 的 に 増 大 す る こ と が 分 か る 。A2O 法 施 設 の 設 計 で は 、 BOD 容 積 負 荷 は 、 お お よ そ 0.2kg/m3/日 程 度 に な る 。 こ れ に 対 し て 、1.5 倍 程 度 の 0.3 kg/m3/日 で の 運 転 で は 、 余 剰 汚 泥 発 生 量 は 、 約 1.9 倍 と な り 、 結 果 的 に 、 単 位 処 理 水 量 あ た り の 余 剰 汚 泥 発 生 量 が 3 割 ほ ど 多 く な る こ と を 示 し て い る 。 す な わ ち 、 処 理 水 量 を 増 大 さ せ 、ATU-BOD 容 積 負 荷 を 上 げ る こ と で 、 処 理 水 量 当 た り の 余 剰 汚 泥 発 生 量 が 増 大 す る こ と に な り 、 見 方 を 変 え る と 、 こ 図 1 BOD 容 積 負 荷 量 と 余 剰 汚 泥 発 生 量 y = 1.4296x - 0.1226 R² = 0.8149 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 反応槽 1m 3あ た り の 余剰汚泥発生量 (k g/m 3/日） ATU-BOD容積負荷 （kg/m3/日） 制限曝気A2O法 A2O法の 余 剰 汚 泥 発 生 量 の 増 大 に よ っ て T-N 除 去 率 お よ び T-P 除 去 率 の 向 上 が 期 待 で き る 。 ３ ． BOD 容 積 負 荷 と り ん 除 去 の 関 係 活 性 汚 泥 に 吸 収 さ れ た り ん は 、 余 剰 汚 泥 と し て 系 外 に 排 除 さ れ る こ と か ら 、 余 剰 汚 泥 発 生 量 が 多 く な る ほ ど 、 り ん 除 去 に は 有 利 と い え る 。 余 剰 汚 泥 の 発 生 量 は 、ATU-BOD 容 積 負 荷 と 相 関 が 高 い こ と か ら 、 り ん 除 去 と の 関 係 に つ い て 、図 2 で 確 認 す る 。 制 限 曝 気 A2O 法 と A2O 法 と も に 、 一 つ の 近 似 線 付 近 に 点 が 集 ま っ て お り 、 両 者 に は 、 り ん 除 去 の 性 能 に 大 き な 差 が な い と い え る 。 ま た 、 図 2 の 近 似 線 を 用 い て 、 ATU-BOD 容 積 負 荷 量 か ら T-P の 除 去 量 を 予 測 す る こ と が で き る 。 こ れ を 図 示 し た の が 図 3 で あ る 。り ん 除 去 量 の 近 似 線 （ 実 線 ） は 、 図 2 か ら 得 ら れ た ATU-BOD 容 積 負 荷 量 に 対 す る 反 応 槽1m3当 た り のT-P 除 去 量 の 近 似 線 を 示 し て い る 。り ん の 流 入 量（ 破 線 ） は 反 応 槽 流 入 水 の ATU-BOD を 100mg/L、 T-P を 3.5mg/L と 仮 定 し て 、 ATU-BOD 容 積 負 荷 を 0 ～ 0.4kg/m3/ 日 に ま で 変 化 さ せ た と き の 反 応 槽 1m3当 た り の T-P 流 入 量 と の 関 係 を 示 し て い る 。り ん 除 去 量 の 近 似 線（ 実 線 ）は 原 点 を 通 過 せ ず 、り ん の 流 入 量（ 破 線 ）よ り も 傾 き が 大 き い た め 、両 者 の 交 点 が で き る（ 図 3 で は 、ATU-BOD 容 積 負 荷 量 で 0.28kg/m3/日 ）。BOD 容 積 負 荷 が こ れ 以 上 の 条 件 で は 、『 り ん 除 去 量 』 ≧ 『 り ん の 流 入 量 』と な る た め 、り ん 除 去 が 安 定 す る と 考 え ら れ る 。な お 、 図 2 の 近 似 線 は 、降 雨 時 等 の デ ー タ が 含 ま れ て い る た め 、降 雨 の 影 響 の な い と き で は 、T-P 除 去 量 は や や 上 昇 す る 。原 理 的 に は 、処 理 水 量 を 増 大 さ せ 、BOD 容 積 負 荷 の 高 い 運 転 を 行 う こ と で 、 り ん 除 去 が 安 定 す る と 考 え ら れ る 。 ４ ． BOD 容 積 負 荷 と 窒 素 除 去 の 関 係 窒 素 に つ い て 、BOD 容 積 負 荷 量 と 余 剰 汚 泥 に よ る T-N 除 去 率 の 関 係 を 図 4 に 示 す 。 ATU-BOD 容 積 負 荷 が 高 く な る ほ ど 余 剰 汚 泥 に よ る 窒 素 の 除 去 率 が 上 昇 す る 傾 向 が み ら れ 、 窒 素 除 去 に 対 し て も 有 利 に な る こ と が 分 か る 。 図 2 BOD 容 積 負 荷 量 と 反 応 槽 1m3あ た り の T-P 除 去 量 図 3 BOD 容 積 負 荷 量 と 反 応 槽 1m3あ た り の り ん 除 去 y = 52.146x - 4.7259 R² = 0.8175 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 反応槽 1m 3あ たり の T-P 除去量 （ｇ /m 3/日） ATU-BOD容積負荷（kg/m3/日） 制限曝気A2O法 A2O法 y = 52.146x - 4.7259 y = 35x 0 4 8 12 16 0 0.1 0.2 0.3 0.4 T -P 除去量 (g /m 3/日） T -P 流入 量 (g /m 3/日） ATU-BOD容積負荷量 (kg/m3/日） T-P除去近似線 T-P流入量 0 10 20 30 40 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 余剰 汚泥 に よ る 窒素 除去 率 （％） ATU-BOD容積負荷 （kg/m3/日) 制限曝気A2O法 A2O法
５ ． 高 負 荷 運 転 へ の 変 更 こ れ ま で 述 べ て き た よ う に 、従 来 の A2O 法 に 比 べ て 、処 理 水 量 を 増 大 さ せ 、高 負 荷 で 運 転 す る こ と で 余 剰 汚 泥 の 発 生 量 は 増 大 し 、 処 理 水 の T-P、 T-N と も に 改 善 で き る と 考 え ら れ る 。 ま た 、 こ の 効 果 は 、 活 性 汚 泥 処 理 全 般 に 共 通 し 、 標 準 法 に も 当 て は ま る と 考 え ら れ る 。そ こ で 、21 年 12 月 か ら 使 用 す る 反 応 槽 を こ れ ま で の 3 系 列 か ら 2 系 列 分 に 縮 小 し て 、 各 反 応 槽 へ の 負 荷 量 を 増 大 さ せ た 運 転 方 法 に 切 り 替 え た 。具 体 的 な 変 更 内 容 を 図 5 に 示 す 。 図 5 高 負 荷 運 転 へ の 切 り 替 え 各 系 列 へ の 処 理 水 量 を 増 大 さ せ る と 二 沈 で の 汚 泥 の 越 流 が 懸 念 さ れ る 。 こ れ ま で 使 用 し て い た 3 系 反 応 槽 は 、 4 回 路 の 押 し 出 し 流 れ 構 造 で あ る た め 、 反 応 槽 内 の 一 部 を 切 り 離 し て 停 止 す る こ と は で き な い が 、1 系 お よ び 2 系 の 反 応 槽 は 、 ４ つ の 水 路 に そ れ ぞ れ 分 か れ て い る た め 、1 水 路 ず つ 個 別 に 運 転 す る こ と が で き る 。 こ の た め 、 4 つ あ る 水 路 の 中 央 2 水 路 分 の み を 使 用 し て 、 使 用 す る 二 沈 の 数 は 変 更 せ ず に 反 応 槽 の 容 積 を ２ ／ ３ に 縮 小 す る 運 転 に 切 り 替 え た 。 こ の 運 転 変 更 に よ っ て 、 反 応 槽 の BOD 容 積 負 荷 は 、 ５ 割 増 大 さ せ る こ と が で き 、か つ 、反 応 槽 に 対 す る 二 沈 容 積 が 2 倍 に な る た め 、高 い MLSS で の 運 転 が 可 能 と な っ た 。 ６ ． 水 質 改 善 効 果 水 質 改 善 効 果 を 確 認 す る た め 、 公 共 用 水 域 へ の 排 出 負 荷 量 を 年 度 ご と に 比 較 す る 。T-P に つ い て 図 6 に 、 T-N に つ い て 図 7 に 示 す 。 図 6 年 度 別 T-P 累 積 負 荷 量 （ 排 出 量 ） 図 7 年 度 別 T-P 累 積 負 荷 量 （ 排 出 量 ） 休止施設 １－１2系反応槽 １－2１系反応槽 ２－２系反応槽 ２－３系反応槽 使用数量 1池 ３系列 3池 1池 ２系列 3池 ４系反応槽 １－１系二沈 １－２系二沈 変 更 前 3系 一沈 １－１系反応槽 １－２系反応槽 ３系反応槽 ３系二沈 ４系二沈 反応槽 第一沈殿池 第二沈殿池 第一沈殿池 反応槽 変 更 後 3系 一沈 ４系反応槽 １－１系二沈 １－2系二沈 ２系二沈 ４系二沈 第二沈殿池 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 4/1 6/1 8/1 10/1 12/1 2/1 全 り ん 累 積負荷量（ｔ ） 19年度 20年度 21年度 22年度 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 4/1 6/1 8/1 10/1 12/1 2/1 全 窒 素 累積負荷量（ ｔ） 19年度 20年度 21年度 22年度 運 転 変 更 運 転 変 更 空 気 量 の 調 節
放 流 水 質 は 、 降 雨 な ど の 影 響 で 変 動 が 大 き い が 、 負 荷 量 の 累 積 値 を 用 い る こ と で 比 較 が 容 易 に な る 。T-P の 負 荷 量 （ 排 出 量 ） で は 、 平 成 21 年 12 月 の 運 転 変 更 後 、 下 が り 始 め 、 21 年 度 末 に は 、 20 年 度 と 比 べ て 2 割 低 下 し た 。 負 荷 量 の 低 下 は 22 年 度 も 継 続 し て お り 、 22 年 度 末 時 点 で は 、 20 年 度 に 比 べ て 4 割 6 分 減 、 21 年 度 に 比 べ て 3 割 減 と な り 、 T-P 負 荷 量 の 削 減 が 確 認 で き る 。 一 方 、T-N に つ い て は 、 平 成 21 年 4 月 に 行 っ た 空 気 量 の 調 節 に よ る 効 果 が 大 き か っ た 。そ れ ま で 、ほ ぼ ゼ ロ で あ っ た 処 理 水 の ア ン モ ニ ア 性 窒 素 を 、0.5 ～1mg/L 程 度 に な る よ う に 曝 気 空 気 量 を 調 節 し た 。そ の 結 果 、反 応 槽 お よ び 二 沈 で の 脱 窒 量 が 増 大 し た と 考 え ら れ る 。21 年 度 の 負 荷 量 は 前 年 比 で 、 22％ 減 で あ っ た 。 22 年 度 は 、 21 年 度 と ほ ぼ 同 じ 値 で あ り 、 T-N 負 荷 量 削 減 の 効 果 は 継 続 し て い る。 ７ ． 省 エ ネ ル ギ ー 効 果 省 エ ネ 効 果 に つ い て 比 較 す る た め 、5 年 間 の 日 平 均 値 に つ い て 、 受 水 量 1m3あ た り の 送 風 機 電 力 を 図 8 に 、 濃 縮 と 脱 水 （ 以 下 、 汚 泥 処 理 ） に か か る 消 費 電 力 を 図 9 に 示 す 。 図 ８ 送 風 機 電 力 の 比 較 図 ９ 汚 泥 処 理 に か か る 消 費 電 力 の 比 較 高 負 荷 運 転 へ の 切 り 替 え は 平 成 21 年 12 月 で あ る た め 、 21 年 度 の デ ー タ は 約 4 ヶ 月 間 高 負 荷 運 転 を お こ な っ た 結 果 で あ る 。 受 水 量 1m3あ た り の 送 風 機 電 力 は 、 受 水 量 が 極 端 に 多 か っ た 20 年 度 に 低 か っ た 。 完 全 に 高 負 荷 運 転 に 切 り 替 え た 22 年 度 は 比 較 的 降 雨 が 少 な か っ た が 、20 年 度 と 同 程 度 で あ り 、 省 エ ネ 効 果 も あ る よ う に 思 わ れ る 。高 負 荷 運 転 で は 、系 列 あ た り の 曝 気 空 気 量 が 増 大 す る 。 散 気 板 の 特 性 と し て 、 通 気 量 が 増 す ほ ど 酸 素 移 動 効 率 が 低 下 す る こ と か ら 、 負 荷 量 が 高 す ぎ る と 、 送 風 機 電 力 の 削 減 効 果 が 小 さ く な る と 考 え ら れ る 。 当 セ ン タ ー で は 、 各 系 列 と も に 設 計 水 量 の 2 倍 近 い 量 を 処 理 し て い る た め 、散 気 板 の 使 用 範 囲 の 上 限 付 近 で 運 転 す る 時 間 帯 が 少 な く な い 。 こ の た め 、 送 風 機 電 力 の 削 減 効 果 が 比 較 的 少 な か っ た と 考 え ら れ る 。 今 回 は 、BOD 容 積 負 荷 を 5 割 増 大 さ せ た が 、 停 止 す る 反 応 槽 を 調 節 す る こ と で 、 さ ら に 、 省 エ ネ 効 果 が 生 ま れ る 可 能 性 が あ る 。 汚 泥 処 理 で は 、A2O 法 施 設 へ の 生 汚 泥 投 入 を 行 っ て い た 18 年 度 お よ び 19 年 度 の デ ー タ を 除 き 、22 年 度 の 余 剰 汚 泥 発 生 量 （ 固 形 物 ） は 20 年 度 と 比 較 し て 2 割 近 く 多 く 、 高 負 荷 に よ る 余 剰 汚 泥 発 生 量 （ 固 形 物 ） の 増 大 が 確 認 で き る 。 そ の 一 方 で 、 汚 泥 の 濃 縮 ・ 脱 水 に か か る 電 力 は 下 が る 傾 向 で あ っ た 。22 年 度 は 、返 送 汚 泥 量 の 調 節 に よ り 、余 剰 汚 泥 濃 度 を 高 く し て 、 遠 心 濃 縮 機 の 運 転 時 間 の 短 縮 を 行 っ て い る 。 こ れ が 汚 泥 処 理 に か か る 消 費 電 力 0 15,000 30,000 45,000 60,000 75,000 0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 18年度 19年度 20年度 21年度 22年度 日平均受水量 （ｍ ３/ 日） 受水量１ ｍ ３あ たり の送風機電力 (k W h /m 3） 送風機電力 受水量 0 20 40 60 80 100 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 18年度 19年度 20年度 21年度 22年度 受水量１ ｍ ３あ たり の余剰汚泥発生量 (k gDS/ ｍ ３） 受水量１ ｍ ３に 対す る 濃縮・ 脱水に かか る 消 費電力 （ｋ W h /ｍ ３） 濃縮・脱水の電力 余剰汚泥発生量 生 汚 泥 投 入 あ り
の 低 下 に つ な が っ て お り 、 運 転 方 法 の 工 夫 に よ っ て 、 余 剰 汚 泥 発 生 量 （ 固 形 物 ） の 増 大 に よ る 影 響 は 吸 収 で き る と い え る 。 ８ ． ま と め 使 用 す る 反 応 槽 の 縮 小 化 に よ っ て 、T-N お よ び T-P の 除 去 率 が 向 上 す る こ と が わ か っ た 。 特 に 、 り ん に つ い て は 、 公 共 用 水 域 へ の 負 荷 量 を 大 幅 に 削 減 で き た 。 一 方 、 省 エ ネ 効 果 で は 、 送 風 機 電 力 の 削 減 は わ ず か で あ っ た が 、 使 用 す る 反 応 槽 の 調 節 に よ っ て 、 さ ら に 改 善 で き る 可 能 性 が あ る 。 参 考 文 献 1）葛 西 孝 司 他 ： 制 限 曝 気 Ａ２Ｏ 法 に よ る 水 質 改 善 効 果 お よ び 処 理 コ ス ト の 比 較 、東 京 都 下 水 道 局 技 術 調 査 年 報 2010
