CN103443038B

CN103443038B - 水处理系统及其曝气风量控制方法

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Publication number: CN103443038B
Application number: CN201180044556.5A
Authority: CN
Inventors: 福本康二; 小山优; 山本洋士; 猪股昭彦
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-08-11
Also published as: JP2012066231A; JP5608027B2; WO2012042728A1; CN103443038A

Abstract

再生水制造系统（1）具备由厌氧槽（3）、无氧槽（4）和好氧槽（5）组成的一系列的生物反应槽（10）；测量原水的氨态氮浓度的第一测氨计（31）；生成目标操作量的曝气风量计算部（41）以及基于目标操作量控制曝气装置（9）的曝气风量的曝气风量控制部（91）。曝气风量计算部（41）具有包含基于原水氨态氮浓度生成目标操作量先行信号的FF操作量函数F₁（x）元件（71）、对目标操作量先行信号修正原水流入至好氧槽（5）所需时间的无用时间元件（75）的前馈控制系统（48）；基于好氧槽氨态氮浓度进行反馈控制的反馈控制系统（49）。于是，通过提高针对好氧槽氨态氮浓度的变动的氨分解能力的追随性，总体上降低曝气风量。

Description

水处理系统及其曝气风量控制方法

技术领域

本发明涉及设置于污水处理设备等中的、具备包含好氧槽的生物反应槽的水处理系统。特别是，涉及上述水处理系统中的好氧槽的曝气风量的控制。

背景技术

以往，作为生活排水等的污水的水处理系统之一，已知通过用膜分离活性污泥法（MBR：MembraneBio-Reactor）处理而制造再生水的再生水制造系统。这样的再生水制造系统具备，例如，储存原水（流入脏水）的原水槽、用活性污泥生物处理原水中的污浊物质的一系列生物反应槽、从混合原水与活性污泥的混合液中膜分离污泥的膜分离槽以及过滤后的处理水流入的过滤水槽。在一系列的生物反应槽中，包含厌氧槽、无氧槽和具备曝气装置的好氧槽等。在这些生物反应槽中，进行碳系有机物、含氮化合物和含磷化合物等的原水所包含的污浊物质的去除。

在上述再生水制造系统的好氧槽上，具备用于曝气好氧槽的曝气装置。通过用曝气装置将微小气泡供给至混合好氧槽的原水和活性污泥的混合液中，可以提高微生物的活动所需的混合液中的溶解氧，搅拌混合液。如果通过曝气装置向好氧槽的混合液中供给的空气的供给量（以下称“曝气风量”）不足，则处理水的水质恶化。因此，以往，在好氧槽上设置溶解氧浓度计，控制曝气风量，以使该溶解氧浓度计的测定值达到设定的溶解氧浓度的目标值。但是，由于基于溶解氧浓度这样的间接的指标，因此为了使处理水的水质维持于规定值内而应设定较高的溶解氧浓度目标值，运行系统会使曝气风量经常过剩。因而，运转需要能量的曝气装置成为削减再生水制造系统的运行成本和节能化的障碍。

因此，在专利文献1中，基于由于与有机物的去除和磷的吸收速度相比硝化细菌的硝化速度迟缓，因此如果供给硝化所需的氧则可以确保有机物的去除、磷的吸收和氮的去除所需的曝气风量这样的想法，提出了基于好氧槽内的氨态氮浓度控制好氧槽的曝气风量的曝气风量控制装置。该曝气风量控制装置具备测量好氧槽内的氨态氮浓度的测氨计、设定好氧槽的放流水的氨态氮浓度的目标值的目标设定单元以及计算能够使测量的氨态氮浓度接近设定的目标值的曝气风量的目标值的控制器。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2005-199116号公报。

发明内容

发明要解决的问题

在上述那样的再生水制造系统中，如果作为缓冲器发挥功能的原水槽为大容量，则流入生物反应槽的原水的氨态氮浓度的急剧的变动在原水槽被吸收。但是，如果原水槽为小容量，则流入生物反应槽的原水的氨态氮浓度会急剧地变动。又，好氧槽中硝化氨态氮的硝化细菌的繁殖速度比一般的活性污泥中的异养细菌迟缓。由于上述原因，在流入生物反应槽的原水的氨态氮浓度急剧地增加的情况下，即使如专利文件1的记载检查好氧槽的氨态氮浓度的上升而增加曝气风量，利用硝化细菌的硝化反应（氨分解反应）也不能追随好氧槽的氨态氮浓度的上升，可能发生从好氧槽中放流的处理水的氨态氮浓度超过规定值的事态。

本发明鉴于上述问题，其目的在于在设置于污水处理设备的水处理系统中，通过基于原水的氨态氮浓度控制好氧槽的曝气风量，提高针对好氧槽的氨态氮浓度的变动的氨分解能力的追随性，从总体上降低曝气风量。进而，其目的在于谋求水处理系统的运行的节能。

解决问题的手段

根据本发明的水处理系统具备具有具备曝气装置的好氧槽和设置于该好氧槽的上游侧的至少一个以上的厌氧槽或无氧槽，基于活性污泥法进行水处理的一系列的生物反应槽；测量流入所述一系列的生物反应槽的原水的氨态氮浓度的第一测氨计；生成所述曝气装置的目标操作量的曝气风量计算装置；以及基于生成的所述目标操作量控制所述曝气装置的曝气风量的曝气风量控制装置；所述曝气风量计算装置是具有包含基于原水的氨态氮浓度生成目标操作量先行信号的第一操作量计算元件和对所述目标操作量先行信号进行对应于所述原水流入至所述好氧槽所需的时间的修正的无用时间元件的前馈控制系统的装置。

同样，根据本发明的水处理系统的曝气风量控制方法是具备具有具备曝气装置的好氧槽和设置于该好氧槽的上游侧的至少一个以上的厌氧槽或无氧槽，基于活性污泥法进行水处理的一系列的生物反应槽的水处理系统的曝气风量控制方法，该水处理系统的曝气风量控制方法是测量流入所述一系列的生物反应槽的原水的氨态氮浓度；基于测量的所述原水的氨态氮浓度生成目标操作量先行信号；对所述目标操作量先行信号修正对应于流入所述一系列的生物反应槽的原水流入至所述好氧槽所需的时间的无用时间；基于修正的所述目标操作量先行信号生成目标操作量；基于生成的所述目标操作量控制所述曝气装置的曝气风量的方法。

根据上述水处理系统或水处理系统的曝气风量控制方法，可以用原水的氨态氮浓度预测流入好氧槽的混合液（混合原水与活性污泥的液体）的氨浓度的变动，从而改变好氧槽的曝气量。特别是，虽然在好氧槽中硝化氨态氮的硝化细菌与其他的活性污泥微生物相比达到活性化之前费时，但根据上述水处理系统或水处理系统的曝气风量控制方法，通过在混合液的氨态氮浓度急剧变动的不连续面到达好氧槽之前预先增大曝气风量，可以事先活性化硝化细菌。如上所述，通过根据原水的氨态氮浓度的增减改变曝气风量，针对流入好氧槽的混合液的氨浓度的变动的、在好氧槽的氨分解能力的追随性变高。因此，为防止氨浓度的急剧的变动没有必要进行经常过剩的曝气而事先不断活性化硝化细菌，使通常时维持低曝气量，而仅在必要时增加曝气量这样的运行成为可能。其结果是，使总体上降低好氧槽的曝气风量成为可能，从而可以谋求水处理系统的运行的节能。

又，根据本发明的水处理系统还具备测量所述好氧槽的氨态氮浓度的第二测氨计；所述曝气风量计算装置是还具有包含基于所述好氧槽的氨态氮浓度与氨态氮浓度设定值之间的偏差生成目标操作量反馈信号的第二操作量计算元件的反馈控制系统和将修正的所述目标操作量先行信号与所述目标操作量反馈信号进行加法运算的加法元件的装置。

同样，根据本发明的水处理系统的曝气风量控制方法是具备具有具备曝气装置的好氧槽和设置于该好氧槽的上游侧的至少一个以上的厌氧槽或无氧槽，基于活性污泥法进行水处理的一系列的生物反应槽的水处理系统的曝气风量控制方法，该水处理系统的曝气风量控制方法是测量流入所述一系列的生物反应槽的原水的氨态氮浓度；基于测量的所述原水的氨态氮浓度生成目标操作量先行信号；对所述目标操作量先行信号修正对应于流入所述一系列的生物反应槽的原水流入至所述好氧槽所需的时间的无用时间；测量所述好氧槽的氨态氮浓度；基于所述好氧槽的氨态氮浓度与氨态氮浓度设定值之间的偏差生成目标操作量反馈信号；将修正的所述目标操作量先行信号与所述目标操作量反馈信号进行加法运算而生成目标操作量；基于生成的所述目标操作量控制所述曝气装置的曝气风量的方法。

根据上述水处理系统或水处理系统的曝气风量控制方法，可以通过反馈控制补偿利用前馈控制的曝气风量的目标操作量。借助于此，可以更好地追随流入好氧槽的混合液的氨态氮浓度的变化而增减曝气风量，可以更准确地控制从一系列的生物反应槽中流出的混合液（或处理水）的氨态氮浓度。

又，在所述水处理系统中，所述曝气风量计算装置的所述前馈控制系统可以还包含修正所述目标操作量先行信号以对应于流入所述好氧槽的混合液的流入量的增减而增加或减少目标操作量的、好氧槽流入量修正元件。在这里，“混合液”是指混合流入生物反应槽的原水与生物反应槽中的活性污泥的液体，也就是说，活性污泥混合液。

同样，在所述水处理系统的曝气风量控制方法中，可以修正所述目标操作量先行信号以进一步对应于流入所述好氧槽的混合液的流入量的增减而增加或减少目标操作量。

根据上述水处理系统或水处理系统的曝气风量控制方法，可以对应于伴随流入好氧槽的混合液的量的增大的、应处理的氨态氮的增加，增加曝气风量。

在所述水处理系统中，所述曝气风量计算装置的所述前馈控制系统可以还包含修正所述目标操作量先行信号以对应于所述曝气装置的曝气风量的移动平均的增减而减少或增加目标操作量的、曝气风量移动平均修正元件。

同样，在所述水处理系统的曝气风量控制方法中，可以修正所述目标操作量先行信号以进一步对应于所述曝气装置的曝气风量的移动平均的增减而减少或增加目标操作量。

利用好氧槽的活性污泥微生物的活动的氨态氮的分解能力依存于曝气风量的历史。因此，根据上述水处理系统或水处理系统的曝气风量控制方法，通过修正目标操作量以在曝气风量的移动平均多时减少曝气风量、在曝气风量的移动平均少时增加曝气风量，可以更有效地进行曝气。

又，在所述上述水处理系统或水处理系统的曝气风量控制方法中，所述目标操作量先行信号可以是基于由原水的氨态氮浓度与处理水的氨态氮浓度之间的关系决定的函数而生成的。在此，“处理水”是指从一系列的生物反应槽中放出的水处理后的液体。

如上所述，由于可以根据处理水氨浓度的目标值，基于原水的氨浓度生成目标操作量先行信号，因此可以根据处理水氨浓度的目标值更有效地进行曝气。

发明效果

根据本发明，在再生水制造系统中，通过谋求具备好氧槽的曝气装置的曝气风量的最佳化，可以实现节能化。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施形态的再生水制造系统的概略结构的图；

图2是示出再生水制造系统的控制结构的框图；

图3是示出曝气风量计算部的信号的流向的框线图；

图4是示出FF操作量函数的特征的图表；

图5是示出流入量修正函数的特征的图表；

图6是示出曝气风量移动平均修正函数的特征的图表；

图7是示出曝气风量控制的目标操作量的时间序列变化的图表。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明用于实施本发明的形态。此外，在下述中对所有附图中相同或相当的元件标以相同的参照符号，并省略其重复说明。

根据本实施形态的再生水制造系统是用于利用膜分离活性污泥法（MBR：MembraneBio-Reactor）来净化污水的水处理系统。如图1所示，再生水制造系统1具备原水槽2、由厌氧槽3、无氧槽4和好氧槽5组成的一系列的生物反应槽10、膜分离槽6以及过滤水槽7。原水槽2作为暂时储存流入的污水的缓冲槽发挥功能。原水槽2的流出侧通过配管52与位于一系列的生物反应槽10的最上游侧的厌氧槽3的流入侧连接。在配管52上设有将储存于原水槽2中的原水压送至厌氧槽3的供给泵51。

生物反应槽10从上游侧按照厌氧槽3、无氧槽4和好氧槽5的顺序设置。流入至生物反应槽10的原水作为与活性污泥的活性污泥混合液（以下简称为“混合液”）存在。在本实施形态中，厌氧槽3与无氧槽4通过将一个反应槽隔开为两个而形成，厌氧槽3与无氧槽4连通。无氧槽4的流出侧通过配管53与好氧槽5的流入侧连接。另外，好氧槽5的流出侧通过配管54与膜分离槽6的流入侧连接。在膜分离槽6上设有从混合液中分离污泥的分离膜8。分离膜8设置于连接膜分离槽6与过滤水槽7的配管56的入口。在配管56上设有压送用分离膜8过滤的处理水的排出泵55。排出泵55通过膜分离槽6中的目标值操作间歇性驱动。然后，通过排出泵55排出的处理水量由液位开关（图示省略）检测，通过根据排出的处理水量驱动供给泵51，将对应于从膜分离槽6中流出的处理水量的量的原水供给至厌氧槽3和无氧槽4。通过将溢出量的混合液分别从无氧槽4供给至好氧槽5、从好氧槽5供给至膜分离槽6，维持生物反应槽10整体的整体保有水量。

在好氧槽5上设有曝气装置9。曝气装置9是将空气吹入至好氧槽5的混合液中，搅拌混合液而使微生物生存，同时供给利用微生物去除氮、磷和有机物时所需的氧的装置。根据本实施形态的曝气装置9形成为将微小气泡从好氧槽5的底部供给至好氧槽5的混合液内的结构。由曝气装置9供给至好氧槽5的混合液中的微小气泡的量（以下称为“曝气风量”）由控制装置40控制。

在膜分离槽6的底部上，开有循环水取出口6a、送回污泥取出口6b和剩余污泥取出口6c。膜分离槽6的循环水取出口6a与无氧槽4用具备循环泵62的配管61连接。通过该配管61，将循环水（硝化提高的混合液）从膜分离槽6供给至无氧槽4。又，膜分离槽6的送回污泥取出口6b与厌氧槽3的底部用具备污泥送回泵64的配管63连接。通过该配管63，污泥的一部分从膜分离槽6送回至厌氧槽3。此外，膜分离槽6的剩余污泥取出口6c上连接有具备剩余污泥泵60的配管59。通过该配管59，剩余污泥从膜分离槽6中排出。

在原水槽2的流出侧附近，设有测量从原水槽2流入至一系列的生物反应槽10（在此为最上游测的厌氧槽3）的原水的氨态氮浓度（以下称为“原水氨态氮浓度x”）的第一测氨计31。又，在好氧槽5的流出侧附近，设有测量从好氧槽5流出的处理水的氨态氮浓度（以下称为“好氧槽氨态氮浓度”）的第二测氨计32。此外，在过滤水槽7上，设有测量放流至过滤水槽7的处理水的氨态氮浓度（以下称为“处理水氨态氮浓度”）的第三测氨计33。

接着，说明再生水制造系统1的控制结构。图2是示出再生水制造系统的控制结构的框图。在该图中，特别是详细地示出了曝气装置9的控制，省略了其余的控制。如图2所示，管理再生水制造系统1整体的控制的控制装置40，与供给泵51、排出泵55、循环泵62、污泥送回泵64和剩余污泥泵60可通信地连接。又，测氨计31、32、33都与控制装置40可通信地连接，各测氨计31、32、33的测量信号发送至控制装置40。然后，控制装置40基于各测氨计31、32、33的测量信号，控制供给泵51、排出泵55、循环泵62、污泥送回泵64、剩余污泥泵60和曝气装置9的动作。借助于此，控制装置40将原水的流入量、处理水的放流量、循环水的流量、送回污泥的流量、剩余污泥的抽出量和曝气风量管理至适当的值，以使处理水的氮、磷和有机物不超过各自的规定值。

在利用上述结构的再生水制造系统1的再生水制造过程中，进行原水所包含的有机物、氮和磷等的去除。以下，简单说明该再生水制造过程中的去除氮、磷的机理。

（氮的去除）

在从原水槽2流入至厌氧槽3的原水中，包含有氨态氮（NH₄-N）和有机氮。在厌氧槽3、无氧槽4和好氧槽5中，有机态氮变化为氨态氮。此外，在好氧槽5中，通过硝化细菌，氨态氮氧化为亚硝酸态氮（NO₂-N）和硝酸态氮（NO₃-N）。通过循环泵62从膜分离槽6送入至无氧槽4的循环水所包含的亚硝酸态氮和硝酸态氮（NO₃-N），在无氧条件下通过利用以原水中的有机物为营养源的脱氮细菌的硝酸性呼吸或亚硝酸性呼吸，还原为氮气（N₂）而排出至系统外部。

（磷的去除）

在厌氧槽3中，活性污泥中的磷蓄积细菌将醋酸等的原水中的有机物摄入体内，放出保持的磷酸（PO₄）。在好氧槽5中，在好氧条件下过度摄取磷的磷蓄积细菌摄入超过厌氧槽3放出的磷酸态的磷。蓄积磷的活性污泥作为剩余污泥，通过配管59从膜分离槽6排出至系统外部。

（有机物的去除）

混合液中的有机物与活性污泥接触而吸附（凝聚）于活性污泥的表面，在好氧槽5的好氧条件下，通过活性污泥中的异养生物分解，蓄积至活性污泥中。此外，如上所述，原水中的有机物在厌氧槽3或无氧槽4中被消耗。这样，混合液所包含的有机物的大部分吸附于活性污泥后，利用活性污泥微生物，在混合液中被去除。

在此，参照图2和图3，说明利用控制装置40的曝气装置9的控制。控制装置40由一台或多台计算机组成，各计算机具备CPU（中央处理装置）、可重写地存储CPU执行的程序和程序使用的数据的主存储装置、在CPU执行程序时暂时存储数据的副存储装置、用于连接CPU与外部设备的接口以及连接这些的内部路径等（都不图示）。然后，通过用CPU执行规定的程序，实现如图2所示的控制装置40的各功能部（后述的曝气风量计算部41、移动平均计算部42和曝气风量控制部91）。

控制装置40具备计算对应于曝气装置9的曝气风量的目标操作量的曝气风量计算部41和计算曝气风量的目标操作量的移动平均的移动平均计算部42。又，控制装置40具备调整曝气装置9具备的鼓风机的转速（图示省略）的操作量或设置于从曝气装置9中放出的空气的供给路径上的调节用执行器（图示省略）的操作量的曝气风量控制部91。在本实施形态中，曝气风量控制部91配备于控制装置40中，但曝气风量控制部91也可以配备于曝气装置9中。曝气风量控制部91形成为基于从曝气风量计算部41指令的目标操作量，调整鼓风机的转速的操作量或调节用执行器的操作量的结构。

图3是示出曝气风量计算部41的信号的流向的框线图。如图3所示，曝气风量计算部41具备基于原水氨态氮浓度x生成作为目标操作量先行信号的前馈操作量（以下称为“FF操作量”）的前馈控制系统（以下称为“FF控制系统48”）和以好氧槽氨态氮浓度为控制量生成作为目标操作量反馈信号的反馈操作量（以下称为“FB操作量”）的反馈控制系统（以下称为“FB控制系统49”）。FF控制系统48与FB控制系统49协同动作发挥功能，用加法元件77对由FF控制系统48生成的FF操作量和由FB控制系统49生成的FB操作量进行加法运算，生成曝气装置9的目标操作量。该目标操作量从曝气风量计算部41输出至曝气风量控制部91。

首先，说明FB控制系统49的内容。FB控制系统49包含算出好氧槽氨态氮浓度（控制值）与好氧槽5的氨态氮浓度设定值之间的偏差的偏差计算元件78和由该偏差生成FB操作量的FB操作量计算元件79。FB控制系统49的输出信号（FB操作量）输入至加法元件77。FB操作量计算元件79可以作为采用，例如，PID控制方法、P控制方法或PI控制方法算出FB操作量的计算元件。好氧槽氨态氮浓度是设置于好氧槽5的第二测氨计32的测量值。又，好氧槽5的氨态氮浓度设定值是基于处理水的氨态氮浓度的目标值（例如，环境规定值等）而适当规定的值。

接着，说明FF控制系统48的内容。FF控制系统48包含FF操作量函数F₁（x）元件71、流入量修正函数F₂（u）元件72、曝气风量移动平均修正函数F₃（v）元件73、使这些计算信号相乘的积算元件74、无用时间元件75以及前馈增益元件76。FF控制系统48的输出信号（FF操作量）输入至加法元件77。

FF操作量函数F₁（x）是，为了基于原水氨态氮浓度x控制处理水氨态氮浓度，而函数化原水氨态氮浓度x与曝气风量操作量（特别是，FF操作量）之间的静特性的关系的函数。因而，FF操作量函数F₁（x）是原水氨态氮浓度x的函数。原水氨态氮浓度x是流入至厌氧槽3的原水的氨态氮浓度，在本实施形态中，是设置于原水槽2上的第一测氨计31的测定值。FF操作量函数F₁（x）由于受到来自水处理系统整体的处理能力和使用环境等的影响，优选的是，各个水处理系统分别设定。FF操作量函数F₁（x）可以通过实验求出，也可以通过模拟求出。

图4是示出FF操作量函数F₁（x）的特性的图表，纵轴y表示FF操作量（L/分钟），横轴x表示原水氨态氮浓度（mg/L）。FF操作量（L/分钟）即表示曝气风量，以Y1作为最低风量。最低风量Y1是为了维持系统整体最低限度需要的风量。为了维持系统整体最低限度需要的风量是，搅拌好氧槽中的污泥，在好氧槽5的好氧的条件下供给为了使利用碳系有机物繁殖的异养生物、硝化氨态氮的硝化细菌等的活性污泥微生物维持生物体所需的氧气的、最低限度的曝气风量。最低风量Y1根据好氧槽5的活性污泥微生物的数量或好氧槽5的容量而适当规定，通过标准操作量（原水的流入量、曝气风量的移动平均）的修正和前馈增益的参数设定修正量。另外，曝气风量以最低风量Y1运行时，好氧槽5的混合液的溶解氧浓度成为接近0的状态。

如图4的图表所示，原水氨态氮浓度x在从0至第一浓度X1的范围内，FF操作量y为固定的最低风量Y1。该第一浓度X1是曝气风量为最低风量Y1时处理水的氨态氮浓度达到目标值以下的、最大的原水氨态氮浓度。另外，处理水的氨态氮浓度的目标值基于环境规定值等而适当规定。然后，原水氨态氮浓度x在为第一浓度X1以上的范围内，FF操作量y随着原水氨态氮浓度x的增加而增加。

为了对上述FF操作量函数F₁（x）增加动特性，通过无用时间和前馈增益K_f调整由FF操作量函数F₁（x）得到的FF操作量y。原则上，无用时间（也称“转移（shift）时间”）是用第一测氨计31测量氨态氮浓度的原水流入一系列的生物反应槽10成为与活性污泥混合的混合液、流入至好氧槽5所需的时间。但是，在好氧槽5中硝化氨态氮的硝化细菌的繁殖速度由于比一般的活性污泥中的异养细菌迟缓，因此期望的是，在混合液的氨态氮浓度的不连续面到达好氧槽5之前增加曝气风量，事先使活性污泥微生物活性化，以能够应对该不连续面达到好氧槽5时氨态氮浓度的急剧地增加。也就是说，期望的是，无用时间设定为比用第一测氨计31测量氨态氮浓度的原水流入至好氧槽5所需的时间更短的时间。这样的无用时间作为包含从流入至厌氧槽3到从无氧槽4流出的滞留时间的时间，可以通过实验或计算求出。作为一个例子，在最大处理量为55吨/天的再生水制造系统中，原水从流入至厌氧槽3到从无氧槽4流出所需的时间为包含滞留时间的共两小时左右。前馈增益K_f是作为输入值的原水氨态氮浓度x的变化量与作为输出值的FF操作量y的变化量之比而适当设定。

流入量修正函数F₂（u）是函数化基于流入至好氧槽5的混合液的流入量（以下称为“好氧槽流入量u”）的FF操作量的修正系数的函数。由于如果好氧槽流入量u增大，相应地，应处理的氨态氮也增加，因此必须增加曝气风量。图5是示出流入量修正函数F₂（u）的特性的图表，纵轴α表示修正系数，横轴u表示好氧槽流入量u（L/分钟）。在本实施形态中，检测排出泵55的流量，将其作为好氧槽流入量u。但是，好氧槽流入量u也可以作为供给泵51的流量或设置于好氧槽5与膜分离槽6之间的水配管的流量。

如图5的图表所示，当好氧槽流入量u为0时，修正系数α为比1小的α1（F₂（0）=α1，α1﹤1）。当好氧槽流入量u为标准流量U1时，修正系数α为1（F₂（U1）=1）。当好氧槽流入量u为最大流量U2时，修正系数α为比1大的α2（F₂（U2）=α2，α2﹥1）。如上所述，修正系数α随着好氧槽流入量u的增加，好氧槽流入量u为标准流量U1时为1，从比1小的α1增加至比1大的α2。作为修正系数α的优选的一个例子，可以使α1=0.5，α2=1.5。另外，好氧槽流入量u的标准流量U1由再生水制造系统1的处理能力决定，最大流量U2除了由再生水制造系统1的处理能力决定以外，还由排出泵55的能力决定。

曝气风量移动平均修正函数F₃（v）是函数化基于曝气装置9的曝气风量的历史的FF操作量的修正系数的函数。好氧槽5的硝化细菌等的活性污泥微生物（在好氧的条件化下活动的好氧性的微生物）的氨态氮的分解能力依存于曝气风量的历史已被发明人们确认。例如，将曝气风量设定为最低风量Y1继续运行后，即使增加曝气风量，也无法得到与其相当的氨态氮的分解率。由此，由于停留于好氧槽5的曝气风量维持为最低风量Y1，溶解氧浓度几乎成为0而使活性污泥微生物维持生物体的状态，因此为了活性化活性污泥微生物来提高氨态氮的分解能力，增加比算出的目标操作量多的曝气风量而急剧地活跃化活性污泥微生物的活动是有效的。反之，在好氧槽5的活性污泥微生物处于已经活跃地活动的状态下，可以用比算出的目标操作量少的曝气风量得到根据需要的氨态氮的分解率。因此，基于曝气装置9的曝气风量的历史，为了在曝气风量的移动平均大时使曝气风量变小，在移动平均小时使曝气风量变大，通过用曝气风量移动平均修正函数F₃（v）修正FF操作量，有效地进行曝气。

图6是示出曝气风量移动平均修正函数F₃（v）的特性的图表，纵轴β表示修正系数，横轴v表示曝气风量的移动平均（L/分钟）。在此，以曝气风量的移动平均为曝气风量的目标操作量的移动平均。曝气风量的目标操作量的移动平均是由控制装置40的移动平均计算部42算出，提供至曝气风量计算部41。移动平均计算部42读取储存于曝气操作量数据库43中的曝气风量的目标操作量的数据，算出曝气风量的目标操作量的移动平均v。曝气风量的目标操作量的移动平均v是包含前次的n次的目标操作量的平均值。另外，移动平均化处理次数n可以根据活性污泥微生物的灵敏度（活性化所需的时间）等而适当规定。

如图6的图表所示，曝气风量的移动平均v为比标准流量V0少的最低风量V1时，修正系数β为比1大的β2（F₃（V1）=β2，β2﹥1）。移动平均v为标准流量V0时，修正系数β为1（F₃（V0）=1）。移动平均v为比标准流量V0多的最大流量V2时，修正系数β为比1小的β1（F₃（V2）=β1，β1﹤1）。如上所述，修正系数β在移动平均v为标准流量V0时为1，随着移动平均v的增加，从比1大的β2减小至比1小的β1。作为修正系数β的优选的一个例子，可以使β1=0.5，β2=1.5。此外，移动平均v的最低风量V1基本等于前述的最低风量Y1。

如上所述曝气风量计算部41生成的曝气装置9的目标操作量输出至曝气风量控制部91，在曝气装置9中根据目标操作量将曝气风量的气泡供给至好氧槽5的混合液中。曝气装置9的目标操作量是FF操作量和FB操作量加起来的量，但是FF控制系统48基于作为先行信号的原水氨态氮浓度x算出成为目标操作量的基础的FF操作量，以FB控制系统49补偿该FF操作量的形式算出FB操作量。

在下述中，参照图7举出具体的例子说明利用曝气风量计算部41的曝气风量控制。在图7所示的图表中，横轴表示时间，一侧的纵轴表示曝气风量的目标操作量，另一侧的纵轴表示氨态氮浓度。而且，用实线表示曝气风量的目标操作量的时间序列变化，用短划线表示原水氨态氮浓度的时间序列变化，用单点划线表示好氧槽氨态氮浓度的时间序列变化。

如图7所示，原水氨态氮浓度在达到第一浓度X1之前，以曝气风量维持为最低风量Y1的状态运行再生水制造系统1。而且，若在时刻T1上原水氨态氮浓度超过第一浓度X1，则曝气风量计算部41的FF控制系统48从时刻T1到转移时间（无用时间）经过后的时刻T2，对应于原水氨态氮浓度的增加而增加曝气风量的目标操作量。其结果是，混合液的氨态氮浓度的不连续面（特别是，急剧地增加的不连接面）到达好氧槽5时，曝气装置9已经改变曝气风量以可以无延迟地追随氨态氮浓度的急剧的变化。

而且，若在利用前馈控制的曝气风量的增加中无法对应的时刻T3上好氧槽氨态氮浓度超过好氧槽的氨态氮浓度设定值，则曝气风量计算部41的FB控制系统49对应于好氧槽氨态氮浓度的增加立刻增加曝气风量的目标操作量。这样，若在时刻T4上好氧槽氨态氮浓度变得比好氧槽的氨态氮浓度设定值小，且原水氨态氮浓度变得比第一浓度X1小，则曝气风量计算部41使曝气风量的目标操作量返回至最低风量Y1，以将曝气风量维持为最低风量Y1的状态继续再生水制造系统1的运行。

另外，虽然原水氨态氮浓度维持小于第一浓度X1，但是也可能由于某种原因而没有预兆地使好氧槽氨态氮浓度超过好氧槽的氨态氮浓度设定值。例如，在时刻T5上，即使从此时追溯转移时间，原水氨态氮浓度为小于第一浓度X1，但是好氧槽氨态氮浓度超过好氧槽的氨态氮浓度设定值。在这样的情况下，曝气风量计算部41的FB控制系统49对应于好氧槽氨态氮浓度的增加立刻增加曝气风量的目标操作量。这样，虽然在没有预兆地使好氧槽氨态氮浓度增加时在前馈控制中无法应对，但可以通过反馈控制对其进行补偿。而且，若由于曝气量的增加在时刻T6上好氧槽氨态氮浓度变得比好氧槽的氨态氮浓度设定值小，则曝气风量计算部41使曝气风量的目标操作量返回至最低风量Y1，以将曝气风量维持为最低风量Y1的状态继续再生水制造系统1的运行。

如上所述，在根据本实施形态的曝气风量控制中，通过协同动作执行基于原水氨态氮浓度的前馈控制与基于好氧槽氨态氮浓度的反馈控制，可以无延迟地追随混合液的氨态氮浓度的急剧的变化而增加曝气风量。

此外，在上述的曝气风量控制中，在原水氨态氮浓度比第一浓度X1小时，使曝气风量维持为最低风量Y1，根据原水氨态氮浓度或好氧槽氨态氮浓度的变化增加曝气风量。好氧槽5的曝气风量的最低风量Y1是如前所述的为了维持系统整体的最低限度需要的风量，通过标准操作量（原水的流入量、曝气风量的移动平均）的修正和前馈增益的参数设定修正量。由于通过如上所述控制曝气风量，可以无延迟地追随氨态氮浓度的急剧的变化，在必要时增加曝气量以外，在原水氨态氮浓度低时能够以最低风量运行，因此可以削减曝气装置9的剩余送风从而从总体上降低曝气风量。借助于此，可以谋求处理水的水质的维持和再生水制造系统1（特别是，曝气装置9）的运行的能量和成本的削减。

以上说明了本发明的优选实施形态，但本发明并不限于上述实施形态。例如，再生水制造系统1的结构并不限于上述实施形态。例如，好氧槽5与膜分离槽6形成为不同的槽，但其也可以一体地构成。又，例如，同时具备厌氧槽3与无氧槽4，但也可以只具备厌氧槽3和无氧槽4中的至少一方。此外，曝气装置9形成为通过鼓风机转速的操作量或调节执行器的操作量调整曝气风量的结构，但根据曝气装置9的结构，也可以用鼓风机转速的操作量和调节执行器的操作量这两者控制曝气风量。又，第三测氨计33也可以是连续测量氨浓度的浓度计，但也可以作为进行定期或不定期地采样用任意方法测定氨浓度的方法。

又，曝气风量计算部41的FF控制系统48是，在使FF操作量函数F₁（x）、流入量修正函数F₂（u）、曝气风量移动平均修正函数F₃（v）相乘的数值上，乘以无用时间和前馈增益K_f而算出FF操作量，但FF操作量的算出方法并不限于此。例如，将流入量修正函数F₂（u）和曝气风量移动平均修正函数F₃（v）的任意一方作为常数（=1），也可以算出FF操作量。

工业应用性

本发明在具备进行曝气的好氧槽的水处理系统中，为了控制好氧槽的曝气风量是有用的。

符号说明

1再生水制造系统（水处理系统）；

2原水槽；

3厌氧槽；

4无氧槽；

5好氧槽；

6膜分离槽；

7过滤水槽；

8分离膜；

9曝气装置；

10生物反应槽；

31第一测氨计；

32第二测氨计；

40控制装置；

41曝气风量计算部；

42移动平均计算部；

43曝气操作量数据库；

48前馈控制系统；

49反馈控制系统；

91曝气风量控制部；

51供给泵；

55排出泵；

71FF操作量函数F₁（x）元件（第一操作量计算元件）；

72流入量修正函数F₂（u）元件；

73曝气风量移动平均修正函数F₃（v）元件；

75无用时间元件；

79FB操作量计算元件（第二操作量计算元件）。

Claims

1.一种水处理系统，其特征在于，具备：

具有具备曝气装置的好氧槽和设置于该好氧槽的上游侧的至少一个以上的厌氧槽或无氧槽，基于活性污泥法进行水处理的一系列的生物反应槽；

测量流入所述一系列的生物反应槽的原水的氨态氮浓度的第一测氨计；

生成所述曝气装置的目标操作量的曝气风量计算装置；以及

基于生成的所述目标操作量控制所述曝气装置的曝气风量的曝气风量控制装置；

所述曝气风量计算装置具有前馈控制系统，所述前馈控制系统包含基于原水的氨态氮浓度生成目标操作量先行信号的第一操作量计算元件、决定用于所述曝气装置的曝气风量的移动平均比标准值大时减少所述目标操作量先行信号，所述曝气风量的移动平均比该标准值小时增加所述目标操作量先行信号的第一修正系数的曝气风量移动平均修正元件和对乘以所述第一修正系数的所述目标操作量先行信号进行对应于所述原水流入至所述好氧槽所需的时间的修正的无用时间元件；基于通过所述无用时间元件修正的所述目标操作量先行信号生成所述目标操作量。

2.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述水处理系统还具备测量所述好氧槽的氨态氮浓度的第二测氨计；

所述曝气风量计算装置还具有包含基于所述好氧槽的氨态氮浓度与氨态氮浓度设定值之间的偏差生成目标操作量反馈信号的第二操作量计算元件的反馈控制系统和将从所述前馈控制系统输出的所述目标操作量先行信号和从所述反馈控制系统输出的所述目标操作量反馈信号进行加法运算而生成所述目标操作量的加法元件。

3.根据权利要求1或2所述的水处理系统，其特征在于，所述曝气风量计算装置的所述前馈控制系统还包含决定用于流入至所述好氧槽的混合液的流入量比标准值大时增加所述目标操作量先行信号，所述混合液的流入量比该标准值小时减少所述目标操作量先行信号的第二修正系数的好氧槽流入量修正元件；

所述无用时间元件针对乘以所述第一修正系数和所述第二修正系数的所述目标操作量先行信号进行修正。

4.根据权利要求1或2所述的水处理系统，其特征在于，所述第一操作量计算元件是基于由原水的氨态氮浓度与处理水的氨态氮浓度的目标值之间的关系决定的函数而生成所述目标操作量先行信号的计算元件。

5.一种水处理系统的曝气风量控制方法，是具备具有具备曝气装置的好氧槽和设置于该好氧槽的上游侧的至少一个以上的厌氧槽或无氧槽，基于活性污泥法进行水处理的一系列的生物反应槽的水处理系统的曝气风量控制方法，其特征在于，

该水处理系统的曝气风量控制方法测量流入所述一系列的生物反应槽的原水的氨态氮浓度；

基于测量的所述原水的氨态氮浓度生成目标操作量先行信号；

修正所述目标操作量先行信号，以在所述曝气装置的曝气风量的移动平均比标准值大时减少所述目标操作量先行信号，在所述曝气风量的移动平均比该标准值小时增加所述目标操作量先行信号；

通过对应于流入所述一系列的生物反应槽的原水流入至所述好氧槽所需的时间的无用时间修正基于所述曝气风量的移动平均修正的所述目标操作量先行信号；

基于通过所述无用时间修正的所述目标操作量先行信号生成目标操作量；

基于生成的所述目标操作量控制所述曝气装置的曝气风量。

6.一种水处理系统的曝气风量控制方法，是具备具有具备曝气装置的好氧槽和设置于该好氧槽的上游侧的至少一个以上的厌氧槽或无氧槽，基于活性污泥法进行水处理的一系列的生物反应槽的水处理系统的曝气风量控制方法，其特征在于，

测量所述好氧槽的氨态氮浓度；

基于所述好氧槽的氨态氮浓度与氨态氮浓度设定值之间的偏差生成目标操作量反馈信号；

将通过所述无用时间修正的所述目标操作量先行信号和所述目标操作量反馈信号进行加法运算而生成目标操作量；

基于生成的所述目标操作量控制所述曝气装置的曝气风量。

7.根据权利要求5或6所述的水处理系统的曝气风量控制方法，其特征在于，在通过所述无用时间修正前修正基于所述曝气风量的移动平均修正的所述目标操作量先行信号，以在流入所述好氧槽的混合液的流入量比标准值大时增加所述目标操作量先行信号，在流入所述混合液的流入量比该标准值小时减少所述目标操作量先行信号。

8.根据权利要求5或6所述的水处理系统的曝气风量控制方法，其特征在于，所述目标操作量先行信号是基于由原水的氨态氮浓度与处理水的氨态氮浓度的目标值之间的关系决定的函数而生成的。