廃水の生物処理工程において、曝気槽は中核となる反応装置です。その中心的な機能は、微生物の代謝と汚染物質の分解のニーズを満たすために、曝気装置を通じて混合液に酸素を移送することです。酸素要求量（O₂要求量）とは、微生物が有機物の分解やアンモニア性窒素の酸化に必要とする総酸素量を指し、曝気量とは、酸素要求量と酸素移動効率などのパラメータに基づいて計算される曝気装置の実際の出力です。酸素要求量と曝気率を正確に計算することで、廃水処理の有効性が保証されるだけでなく、エネルギー消費が最適化され、運用コストが削減されます。この記事では、これら 2 つのパラメータの計算ロジック、中心となる公式、および主要な影響要因を詳細に説明し、エンジニアリング設計と運用調整の参考となります。
I. 酸素要求量の計算 (O₂ₙₑₑₙₑₙₜ)
酸素要求量の計算は微生物の代謝反応に基づいており、炭化酸素要求量（有機物の分解）と硝化酸素要求量（アンモニア態窒素の酸化）が含まれます。また、内因性呼吸の減衰によって消費される酸素と、廃液中の溶存酸素によって持ち去られる酸素を差し引いて、最終的に必要な実際の総酸素要求量を求めることも必要です。
1. コアの計算根拠と計算式
酸素要求量 (OD) の計算は、流入水の水質 (BOD₅、COD、NH₄⁺-N)、処理効率、汚泥濃度などの重要なパラメーターに基づいています。中心となる式は次のとおりです。
総酸素需要量 (O₂ₜₒₜₐₗ)=炭化酸素需要量 (O₂₍ₙ₎) + 硝化酸素需要量 (O₂₍ₙᵢₜ₎) - 内因性呼吸酸素需要量(O₂₍ₑₙₐₐ₎) - 排水中の DO によって運び去られた酸素 (O₂₍ₒᵤₜ₎)
(1) 炭酸化酸素要求量 (O₂₍ₙ₎)
炭酸化酸素要求量は、生分解性有機物の微生物による分解に必要な酸素の量です。 BOD₅をコア指標として使用すると、計算式は次のようになります。
O₂₍ₙ₎ = a' × Q × (Sᵢₙ - Sₒᵤₜ) - b' × V × X
式内のパラメータの説明:
1a': 有機物分解の酸素要求係数 (kg O2/kg) BOD5: 従来の生活排水の場合、a' は 0.42～0.53 となります。産業廃水の場合、生分解性に応じて値を調整する必要があります（生分解性が悪い場合は値が高く、生分解性が良い場合は値が低くなります）。
1Q: 処理量 (m3/日);
1Sᵢₙ,Sₒᵤₜ: 流入水および流出水の BOD₅ 濃度 (kg/m3、つまり g/L)。
1b': 汚泥の内因性呼吸酸素消費係数 (kg O2/(kg MLSS・d))、生活排水の場合、b' は 0.10 ～ 0.15 と見なされます。
1V: 曝気槽の有効容積 (m3);
1X: 曝気槽内の混合液懸濁物質濃度 (MLSS、kg/m3)。
注：CODを計算指標として使用する場合、CODをBOD₅に換算する必要があります（従来の生活排水の場合はBOD₅/COD≒0.5、産業排水の場合は実測が必要です）。
(2) 硝化酸素要求量 (O₂₍ₙᵢₜ₎)
プロセスで硝化（アンモニア態窒素の酸化による硝酸態窒素）が必要な場合は、硝化酸素要求量を別途計算する必要があります。式は次のとおりです。
O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × Q × (NH₄⁺-Nᵢₙ - NH₄⁺-Nₒᵤₜ) - 0.12 × Q × (NO₃⁻-Nₒᵤₜ -いいえ₃⁻-いいえₙ)
式内のパラメータの説明:
14.57: アンモニア性窒素の硝酸性窒素への酸化に対する理論上の酸素要求係数 (kg O₂/kg) NH₄⁺-N);
10.12: 硝酸塩脱窒の酸素消費オフセット係数 (脱窒がない場合、これは無視できます)。
1NH₄⁺-Nᵢₙ、NH₄⁺-Nₒᵤₜ: 流入水および流出水中のアンモニア態窒素濃度 (kg/m3)。
1NO₃⁻-Nᵢₙ、NO₃⁻-Nₒᵤₜ: 流入水および流出水の硝酸態窒素濃度 (kg/m3)。
(3) 内因性呼吸による酸素消費と排水中のDOによる酸素キャリーオーバー
内因性呼吸による酸素消費量は、b' パラメーターを通じて炭酸化酸素要求量式にすでに反映されているため、再計算する必要はありません。排水中のDOによる酸素キャリーオーバーの計算式は次のとおりです。
O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × Q × (DOₒᵤₜ - DOᵢₙ)
ここで、 8.33 は酸素密度換算係数 (kg O₂/(m³・mg/L))、DOᵢₙ と DOₒᵤₜ はそれぞれ流入水と流出水の溶存酸素濃度 (mg/L) です。通常、流入水中のDOは無視（0として）し、排水中のDOは2～3mg/Lに管理されています。
2. 酸素要求量 (OD) の計算例 処理能力が Q= 1000 m3/d、曝気タンクの有効容積が V= 300 m3、流入水 BOD₅=200 mg/L、流出水 BOD5=20 mg/L、MLSS=3000 mg/L、流入水) の家庭用廃水処理プラントがあるとします。 NH₄⁺-N=30 mg/L、排水 NH₄⁺-N=1 mg/L、排水 DO=2 mg/L、a'=0.5 と b'=0.12. を取る
(1) 炭酸化酸素要求量: O₂₍ₙ₎=0.5 × 1000 × (0.2 - 0.02) - 0.12 × 300 × 3=90 - 108=-18 (負の値は、内因性呼吸酸素要求量が炭酸化酸素要求量よりも大きいことを示すため、0 を採用します)。
(2) 硝化酸素要求量: O₂₍ₙᵢₜ₎=4.57 × 1000 × (0.03 - 0.001)=4.57 × 29 ≈ 132.53 kg O₂/日;
(3) 排水中の DO によって持ち去られる酸素: O₂₍ₒᵤₜ₎=8.33 × 1000 × (2 - 0)=16.66 kg O₂/日;
(4) 総酸素要求量: O₂ₜₒₜₐₗ=0 + 132.53 - 16.66≈115.87kg O₂/日。
II.曝気量（Gₛ）の計算
曝気量とは、曝気装置が曝気槽に投入する必要がある空気の量を指します。総酸素要求量に基づいて、酸素移動効率や空気酸素含有量などのパラメーターを組み合わせて計算する必要があります。水温や気圧などの要因による酸素移動の補正も考慮する必要があります。
1. コアの計算ロジックと公式
空気中の酸素含有量は約 21% (質量分率) です。酸素移動効率 (Eₚ) は、空気から混合液に実際に移動する酸素の割合を指します。通気量は次の式を使用して計算されます。
実際の曝気率 (Gₛ)=総酸素要求量 (O₂ₜₒₜₐₗ) / (空気中の酸素含有量 × 酸素移動効率 × 補正係数)
具体的な分解式:
Gₛ = O₂ₜₒₜₐₗ × 1000 / (0.21 × 1.205 × Eₚ × Kₜ × ... Kₚ)
式内のパラメータの説明:
10.21: 空気中の酸素の体積分率 (%);
11.205: 空気密度 (kg/m3、標準条件下、20 度、1 気圧);
1Eₚ: 酸素移動効率 (%)、Eₚは曝気装置によって大きく異なります: 送風機曝気(微孔性曝気装置) Eₚ=15%~25%、表面曝気(羽根車曝気装置) Eₚ=8% ~15%;
1Kₜ: 水温補正係数 Kₜ=1.024^(T-20)、ここで T は曝気槽内の実際の水温 (度) です。水温が上昇すると、酸素の溶解度が減少し、Kₜ が増加します。
1Kₚ: ガス圧力補正係数、Kₚ=P/1.013、P は現地の大気圧 (atm) です。大気圧が上昇すると、酸素の溶解度が増加し、Kₚ が増加します。
11000: 単位変換係数 (kg O₂ を g O₂ に変換)。
2. 曝気速度の計算例 (上記の酸素要求量の例に従う) 微多孔性曝気装置を使用した場合の総酸素要求量 O₂ₜₒₜₐₗ=115.87kg O₂/日、Eₚ=20%、曝気タンク水温 T=25 度、局所大気圧 P=1.0atm とします。
(1) 補正係数を計算します: Kₜ=1.024^(25-20)=1.024⁵≈1.127, Kₚ=1.0/1.013≈0.987;
(2) 曝気率の計算：Gₛ=115.87×1000 / (0.21×1.205×20%×1.127×0.987)≒115870 / (0.21×1.205×0.2×1.127×0.987)≒115870 / 0.056≈2069109m3/日?ここでの計算は正しくないため、次のように修正する必要があります。
再計算します (単位は一致します): O₂ₜₒₜₐₗ=115.87 kg/日=115870 g/日;
分母: 0.21 (酸素体積分率) × 1.205 (空気密度 kg/m3) × Eₚ (20%=0.2) × Kₜ (1.127) × Kₚ (0.987)=0.21 × 1.205 × 0.2 × 1.127 × 0.987 ≈ 0.21 × 1.205 ≈ 0.253、0.253 × 0.2 ≈ 0.0506、0.0506 × 1.127 ≈ 0.057、0.057 × 0.987 ≈ 0.056 kg O₂/m3 空気。
したがって、Gₛ=115.87 kg/日 / 0.056 kg O₂/m3 空気 ≈ 2069 m3/日 (約 86.2 m3/h)。
Ⅲ．主な影響要因と最適化調整
1. 水質要因
流入有機物（BOD₅、COD）とアンモニア性窒素の濃度は酸素要求量を直接決定します。濃度が高くなるほど酸素要求量も大きくなり、それに応じて曝気速度を増加する必要があります。産業廃水に難分解性有機物や有毒物質が含まれている場合、微生物の活動が阻害されるため、曝気速度を適切に増加させる（毒性阻害を緩和するためにDO濃度を増加させる）必要があります。
2. 動作パラメータ
MLSS 濃度が高すぎると、内因性呼吸酸素消費量が増加し、酸素移動効率が低下します (混合液の粘度が増加します)。そのため、MLSS と通気量のバランスが必要になります。スラッジ滞留時間 (SRT) は硝化効率に影響を与えるため、硝化プロセスでは SRT を 10 日 (20 度) 以上に制御し、十分な硝化酸素要求量に適合させる必要があります。
3. 環境要因
水温が上昇すると酸素の溶解度が低下し、酸素の移動効率が低下するため、エアレーションを増やす必要があります。気圧が低下すると（例: 高地）、酸素溶解度がさらに低下するため、それを補うために通気量を増やす必要があります。混合液の pH は硝化に影響します (最適 pH=7.5 ～ 8.5)。 pH が異常な場合は、エアレーションを最適化する前に水質調整を優先する必要があります。
4. 曝気装置の選定
曝気装置の種類が異なれば、酸素移動効率も大きく異なります。微多孔性エアレーターは酸素移動効率が最も高く、大型のエアレーションタンクに適しています。表面曝気装置は設置が簡単で、小規模な廃水処理プラントに適しています。機器を選択する際は、酸素需要とタンクの種類を考慮し、曝気量と運用コストを削減するために高効率、低-、低{4}}エネルギー消費-の機器を優先することが重要です。
IV.計算上の注意事項
1. 正確なパラメータ値: 経験値を直接適用することによって生じる計算の誤差を避けるために、a'、b'、Eₚ などの係数は、廃水の種類 (生活下水/産業排水)、曝気装置のモデル、および測定データに基づいて調整する必要があります。
2. 単位の一貫性が重要: エラーにつながる単位の混乱を避けるために、計算前にすべてのパラメータの単位が一貫している必要があります (例: mg/L から kg/m3、m3/d から m3/h)。
3. 設計マージン：実際のプロジェクトでは、水質変動や設備の老朽化などによる酸素移動効率の低下に対処するため、計算された曝気量に安全率 1.1 ～ 1.2 を乗じる必要があります。
4. 実運用に基づく調整：計算値は理論値です。実際の運転では、混合液のDO濃度(2~3mg/Lに制御)と排水水質(BOD₅、NH₄⁺-N)に基づいて曝気量を動的に調整し、効率とエネルギー消費量のバランスを図る必要があります。
V. 結論
曝気タンク内の酸素要求量と曝気率の計算は、廃水処理工学の設計と運用の最適化の中核となる側面です。基本的に、「オンデマンドの酸素供給」を達成するために、微生物の代謝ニーズと酸素伝達効率を定量化することが含まれます。-酸素要求量の計算は、水質パラメータと微生物の代謝パターンに厳密に準拠する必要があり、一方、曝気率の計算は、機器の性能と環境要因に関連して調整する必要があります。実際のアプリケーションでは、理論計算を通じて基本的なフレームワークを確立し、その後、測定データに基づいて動的に調整する必要があります。これにより、曝気エネルギー消費を最小限に抑えながら廃水処理結果が基準を確実に満たし、効率的で経済的なプロセス運用が実現します。