CN1609014A - 排水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明是即使出现生物反应槽的水质不能达到目标值水平的情况时、也能根据情况进行适当水质控制的发明。解决的手段是：水质控制目标值判定手段24根据流入流量计27和全氮浓度计28的测量数据和硝化菌浓度推定值，来判定水质控制目标值设定器22输入的水质控制目标值是否能够达到。判定结果实施手段25在判定结果是不能达到判定结果时，将水质控制目标值设定器22的目标值变为能够达到的水平；若不能变化时，将控制器23的对于吹风机13的操作量保持在规定水平以下。

Description

排水处理系统

技术领域

本发明涉及进行城市排水或工业排水等的处理的排水处理系统。

背景技术

经排水处理系统处理后的水被最终排放到河川等处，但因为这些排放的处理水，导致近年来湖泊或河海湾等封闭性水域内出现所谓的“富营养化”现象盛行的问题。富营养化是指排水中所含的氮或磷成为营养成分、导致植物性浮游生物大量生成的现象，是引起水质污浊或恶臭、或者对鱼贝类产生恶劣影响等的环境污染中的1种形态。

为了阻止上述富营养化现象的出现，必须对作为诱因元素的氮或磷从排水处理系统向封闭性水域排放的流出量进行控制。另一方面，在以往通常的排水处理系统中，利用称为活性污泥法的工艺仅能除去有机物，利用该活性污泥法不能有效地除去氮和磷。为此，在近期的排水处理系统中，如例如日本特许公开公报平9-248596号和日本特许公开公报平11-244894号所公开的那样，采用不仅除去有机物、还能够除去氮和磷的高级处理系统的例子增多。

图7是采用了上述高级处理系统的现有的排水处理系统结构图。在该图7中，来自省略了图示的沉砂池的流入排水经流入阀1送到最初的沉淀池2内，在该沉淀池内除去在沉砂池内不能除去的小砂或垃圾等。

经过最初沉淀池2的排水然后送入生物反应槽3内。该生物反应槽3是进行被称为“凝集剂注入A20法”的工艺处理类型的反应槽。由厌氧槽4、无氧槽5和厌氧槽6构成。因此，在该生物反应槽3内，利用活性污泥中所含的好氧性微生物来除去有机物，同时也除去氮和磷。

生物反应槽3中处理后的处理水然后被送入最终沉淀池7内，在这里，将活性污泥和上清液分离，上清液经氯混合池(无图示)消毒后，排放到河川等处。

旁通(bypass)阀8用于直接供给流入排水中大量含有的有机物的情况，以活化存在于厌氧槽4内的储磷细菌。

碳源注入泵10注入贮存在碳源贮存槽9内的甲醇、乙醇、乙酸、废乙酸、葡萄糖等的碳源，活化存在于厌氧槽4内的储磷细菌。

凝集剂注入泵用来将凝集剂(PAC)提供给好氧槽6内，该凝集剂是为了让贮存在凝集剂贮存槽11内的多氯化铝、硫酸铝、硫酸铁等的磷成分沉淀。

将作为排气装置的吹风机13再装在好氧槽6的下方，来自该吹风机13的空气通过配置在好氧槽6内的散气管14提供给活性污泥中的好氧性微生物。好氧槽6内的水经排气搅拌，处于和空气完全混合的状态，在该状态下利用供给的空气使好氧性微生物活化，促进有机物的分解和同化。

好氧槽6内的一部分水，经循环泵15循环到无氧槽5内。从最终沉淀池7的底部抽出的活性污泥被送还泵16送还到厌氧槽4开口部。

留在最初沉淀池2底部的剩余污泥被初淀抽出泵17抽出，送到污泥贮存槽19内，留在最终沉淀池7的底部的、没有被送还泵16向厌氧槽4内送还完的剩余污泥也被送到污泥贮存槽19内。

在好氧槽6内配置氨气性氮浓度计20，测量氨气性氮(NH₄-N)的浓度。另外，监视装置21具有水质控制目标值设定器22，输出好氧槽6内的关于氨气性氮浓度的目标值。控制器23控制吹风机13，以使氨气性氮浓度计20测得的氨气性氮浓度和水质控制目标值设定器22所设定的目标值一致。

下面，就图7结构中的关于氮除去和磷除去的作用进行说明。首先，就氮除去进行说明：在好氧槽6内，利用吹风机13提供的氧，硝化菌将氨气性氮(NH₄-N)氧化为亚硝酸性氮(NO₂-N)。被循环泵15由好氧槽6送入无氧槽5内的亚硝酸性氮(NO₂-N)、硝酸性氮(NO₃-N)在无氧条件下，经过将有机物作为营养源的脱氮细菌利用硝酸性呼吸或亚硝酸性呼吸还原为氮气(N₂)，排出除去到系统外。

此时，若不充分提供脱氮反应所需的有机物，就不能进行良好的氮除去。补给该有机物的方法是：打开旁通阀8，旁通最初沉淀池，将流入排水提供给厌氧槽4内；或者将贮存在碳源贮存槽9内的甲醇、乙醇、乙酸、废乙酸、葡萄糖等碳源注入厌氧槽4内；或者将最初沉淀池7内所生成的抽出污泥投入到好氧槽6内。

这里，除氮反应由如下化学式表示。即，硝化反应如式(1)和式(2)所述。

                                  ……式(1)

                                        ……式(2)

关于脱氮反应，若使用作为有机物的甲醇时的反应则如式(3)所述。

                    ……式(3)

控制器23根据氨气性氮浓度计20测得的测量数据以及水质控制目标值设定器22得到的目标值的输入来控制吹风机13的旋转，以促进上述反应。

接着，对除磷进行说明：在厌氧槽4内，活性污泥中的储磷细菌将乙酸等有机酸储积到体内，过剩放出磷酸(PO₄)。该过剩放出的磷酸态的磷被送入好氧槽6内，在好氧槽6内，利用储磷细菌的磷过剩摄取作用，厌氧槽4内所放出的以上的磷酸态的磷被活性污泥吸收。由此，进行除磷。

为了使上述反应进行，需要乙酸等有机酸来作为氢供给体。但是，在雨水流入时，由于有机酸浓度变稀，储磷细菌可利用的有机物减少，因此磷的吐出反应不充分，接下来，磷的过剩摄取反应也不充分。

为了进行补充，利用和除氮情况一样的方法来确保除磷所需的碳源；或者注入贮存在凝集剂贮存槽11内的多氯化铝、硫酸铝、硫酸铁等凝集剂(PAC)，以磷酸铝或磷酸铁的形式使磷成分沉淀，这样来除磷。

                ……式(4)

发明内容

含在流入排水中的氮和磷的除去，利用如上所述的生物反应进行，控制器23对各工艺设备进行控制，以使氮浓度和磷浓度达到目标值(固定值)。

但是，往往流入排水的流入量有较大变化(例如，降雨时)，由此，排水中的所含的氮浓度和磷浓度也会有较大变化。这里，关于磷浓度，即使降雨时排水流入量急剧增大，但由于通过增加凝集剂和碳源等的注入量，也容易维持目标值的水平，所以几乎不出现问题。

另一方面，关于氮浓度，由于生物反应槽3中的处理水的滞留时间和生物反应速度的关系，增加一定量以上的流入量的话，会出现水质不能达到目标值的情况。此时，控制器23无论怎样控制使吹风机13的排风量增加到最大值的水平，氮浓度也不能达到目标值，这样的控制成为引起电力浪费、电力成本的上升的原因。

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种排水处理系统，该系统即使出现生物反应槽的水质不能达到目标值水平的情况，也可根据情况，适当控制水质。

作为解决上述问题的手段，权利要求1所述的发明是一种排水处理系统，其特征在于，该系统包括含有最初沉淀池、生物反应槽和最后沉淀池的排水处理工艺(process)，通过控制设置在这些排水处理工艺中的规定工艺设备的操作量，使上述生物反应槽中的水质达到预定的水质控制目标值，以进行水质控制，在所述排水处理系统中，包括水质控制目标值判定手段和判定结果实施手段，水质控制目标值判定手段是根据规定测量数据或预测数据或者两者的输入来计算水质限度预测值，将该水质限度预测值和上述水质控制目标值进行比较，来判定是否能够达到该水质控制目标值的手段；而判定结果实施手段是在上述水质控制目标值判定部，不能达到时，对该判定结果进行指示，同时将该水质控制目标值变为规定水平或者将上述规定工艺设备的操作量保持在规定水平的手段。

2.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，上述生物反应槽的水质是构成该生物反应槽的一部分的好氧槽的氨气性氮浓度；设置在上述排水处理工艺的规定工艺设备的操作量是设置在上述好氧槽内的吹风机的排气风量。

3.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，上述生物反应槽的水质是构成该生物反应槽的一部分的好氧槽前段的无氧槽或该无氧槽前段的厌氧槽的硝酸性氮浓度；设置在上述排水处理工艺的规定工艺设备的操作量是碳源注入泵对上述无氧槽或厌氧槽的碳源注入量。

4.根据权利要求1-3任一项所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段是仅根据上述规定的测量数据进行上述判定的手段，其中该测量数据包括流入上述排水处理工艺中的排水的流量和全氮浓度。

5.根据权利要求1-3任一项所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段是根据上述规定的测量数据和预测数据两者进行上述判定的手段，该测量数据为流入上述排水处理工艺中的排水的流量，该预测数据是针对流入的该排水的全氮浓度的过去的时间序列数据。

6.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，包括根据上述规定预测数据制成目标值计划、并将该制成的目标值计划设定作为上述水质控制目标值的目标值计划手段。

7.根据权利要求3所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段是仅根据上述规定的测量数据进行上述判定的手段，该测量数据包括流入上述排水处理工艺中的排水流量、以及从上述好氧槽循环到上述无氧槽的处理水的循环流量和硝酸性氮浓度的数据。

8.根据权利要求3所述的排水处理系统，其特征在于，用设置在上述排水处理工艺中的规定工艺设备的操作量来代替上述碳源注入泵向上述无氧槽或厌氧槽的碳源注入量，作为对于构成上述生物反应槽的上述厌氧槽、上述无氧槽和上述好氧槽的各排水的步(step)流入量。

9.根据权利要求3所述的排水处理系统，其特征在于，用设置在上述排水处理工艺中的规定工艺设备的操作量来代替上述碳源注入泵向上述无氧槽或厌氧槽的碳源注入量，作为旁通上述最初沉淀池而流入上述生物反应槽的最初沉淀池旁通流量。

10.根据权利要求3所述的排水处理系统，其特征在于，用设置在上述排水处理工艺中的规定工艺设备的操作量来代替上述碳源注入泵向上述无氧槽或厌氧槽的碳源注入量，作为从上述最初沉淀池的底部投入到上述厌氧槽或上述无氧槽的生污泥投入量，或者作为让从上述最初沉淀池的底部出来的生污泥发酵所生成的发酵物投入到上述厌氧槽内的生污泥发酵物投入量。

11.根据权利要求1-10任一项所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段由计算决定上述生物反应槽的水质的物质收支的物质收支模型(model)、或者输出该物质收支计算结果的过去数据的统计模型构成。

12.根据权利要求1-11任一项所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段是分多阶段计算上述水质限度预测值，同时根据该多阶段的各预测值和上述水质控制目标值之间的区别进行每阶段的上述判定的手段。

13.根据权利要求12所述的排水处理系统，其特征在于，包括显示通过上述水质控制目标值判定手段得到的上述每个阶段的判定结果的显示部。

根据上述结构，即使出现生物反应槽的水质不能达到目标值水平的情况，也能根据情况，适当进行水质控制。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的排水处理系统结构图。

图2是本发明的第2实施方式的排水处理系统结构图。

图3是本发明的第3实施方式的排水处理系统结构图。

图4是对保存在图3的流入水质数据库33内的数据进行说明的说明图，图3(a)是表示保存数据例的图表；图3(b)是表示根据该保存数据例所得到的流入全氮浓度的图形例的特性图。

图5是本发明的第4实施方式的排水处理系统结构图。

图6是对图5的重要部分构成进行说明的说明图，图6(a)是表示流入负荷量预测手段36预测的流入氮负荷量的图形例的特性图；图6(b)是对目标值计划手段37生成的目标值计划进行说明的说明图。

图7是以往的排水处理系统结构图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的各实施方式进行说明。对于和图7一样的构成要素，附有相同的符号，并省略重复说明。在以下的各实施方式中，因仅仅将除氮作为问题，所以碳源注入泵10的注入处不是厌氧槽4，而是无氧槽5，本发明包括注入处为厌氧槽4的结构、以及注入处为厌氧槽4和无氧槽5两者的结构。

图1是本发明的第1实施方式的排水处理系统的构成图。图1和图7的不同点是：除了上述碳源注入泵10的注入处不同以外，还有将监视装置21变为监视装置21a这一点，以及在厌氧槽4的入口一侧配置全氮浓度计28这一点。监视装置21A除了有水质控制目标值设定器22，还有水质控制目标值判定手段24、判定结果实施手段25以及显示部26。

水质控制目标值判定手段24是根据流入流量计27和全氮浓度计28所测得的测量数据、和利用某种方法(例如试验或模拟等)推测的硝化菌浓度推测值来判定水质是否达到水质控制目标值设定器22输入的水质控制目标值即氨气性氮浓度。水质控制目标值判定手段24所进行的判定工作周期可被设定为任意的时间，在本实施方式中，假定约每1小时进行一次判定工作。

判定结果实施手段25是在水质控制目标值判定手段24的判定结果为不能达到时，将该不能达到的情况显示在显示部26上，提醒操作者注意。此时，判定结果实施手段25发出指令进行控制，将在水质控制目标值设定器22设定的目标值改变为能够达到的水平上，或者在不能改变为能够达到的水平上的情况下，控制器23保持对吹风机13的操作量，使吹风机13的排风量不超过一定水平。

下面，对如上所述构成的第1实施方式的作用进行说明。安装在好氧槽6上的氨气性氮浓度计20的测定值传送给控制器23，在控制器23内计算吹风机13的排气风量，使得接近水质控制目标值设定器22设定的氨气性氮浓度目标值。

硝化反应因处于氧不充分的状态不能进行，所以若氨气性氮浓度在目标值以上时，增加排气风量，在目标值以下时，减少排气风量，就能够不多不少进行适当的排气风量的控制。

关于排气风量计算式，例如在控制器为PI控制器时，以式(1.1)的形式表示。式中，Qair(t)为时刻t时的排气风量目标值[m³/min]，Qair₀为排气风量初始值[m³/min]，Kp为比例放大系数[m⁶/g·min]，T_I为积分常数[min]，Δt为控制周期[min]，e(t)为偏差[mg/L]，SV_NH4(t)为氨气性氮浓度目标值[mg/L]，PV_NH4(t)为氨气性氮浓度测定值[mg/L]。

排气风量控制器是如式(1.1)所述的PI控制器时，氨气性氮浓度测定值PV_NH4大于目标值SV_NH4时，计算的排气风量的目标值向排气风量增大的方向变化；相反在氨气性氮浓度测定值PV_NH4小于目标值SV_NH4时，计算的排气风量的目标值向排气风量减少的方向变化，

……式(1.1)

在好氧槽6中，由于最好促进硝化，尽量不要残留氨气性氮浓度，因此通常在好氧槽6的末端附近设定0.5-1[mg/L]的氨气性氮浓度目标值。但是，流入流量和流入全氮浓度的积、即流入负荷量大时，有时无论增加多大的风量，也会存在不能除去氨气性氮的状况。

在这样的情况下，若固定目标值不变进行控制的话，则增大风量到最大排气风量，风量会过大。因此，利用水质控制目标值判定手段24来判定是否能达到该控制目标值。

在图1中，若假设厌氧槽4、无氧槽5以及好氧槽6分别为完全混合槽，则厌氧槽4以及无氧槽5内，硝化基本上不发生，随着液体的混合和水解，仅氮成分会溶出。

这里，若计算在厌氧槽4内的氨气性氮的物质收支的话，则成为式(1.2)的情况。式中，Snh4(1)为厌氧槽氨气性氮浓度[mg/L]，Qin是流入流量[m³/day]，Snh4in是流入水氨气性氮浓度[mg/L]，Qret是送还流量[m³/day]、Snh4(4)是沉淀池氨气性氮浓度[mg/L]，V(1)是厌氧槽容积[m³]，Δxl是伴随着厌氧槽水解而溶出的氨气性氮的溶出速度[g/day]，

$\frac{\mathrm{dSnh}4\left(1\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{Qin}\·\mathrm{Snh}4\mathrm{in}+\mathrm{Qret}\·\mathrm{Snh}4\left(4\right)}{V\left(1\right)}-\frac{(\mathrm{Qin}+\mathrm{Qret})\·\mathrm{Snh}4\left(1\right)}{V\left(1\right)}+\mathrm{\Δx}1$ ……式(1.2)

同样，若计算在无氧槽5内的氨气性氮的物质收支的话，成为式(1.3)的情况。式中，Snh4(2)为无氧槽氨气性氮浓度[mg/L]，Qin是流入流量[m³/day]、Qcir是循环流量[m³/day]，Snh4(3)是好氧槽氨气性氮浓度[mg/L]，V(2)是无氧槽容积[m³]，Δx2是伴随着无氧槽水解而溶出的氨气性氮的溶出速度[g/day]，

$\frac{\mathrm{dSnh}4\left(2\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{(\mathrm{Qin}+\mathrm{Qret})\·\mathrm{Snh}4\left(1\right)+\mathrm{Qcir}\·\mathrm{Snh}4\left(3\right)}{V\left(2\right)}-\frac{(\mathrm{Qin}+\mathrm{Qret}+\mathrm{Qcir})\·\mathrm{Snh}4\left(2\right)}{V\left(2\right)}+\mathrm{\Δx}2$

……式(1.3)

在判断是否能够达到目标值时，由于只要以稳定状态来考虑即可，所以在式(1.2)、式(1.3)的左边为0时，经整理后得到式(1.4)。式中a1、a2为常数，

$\mathrm{Snh}4\left(2\right)=\frac{\mathrm{Qin}\·\mathrm{SNh}4\mathrm{in}+\mathrm{Qret}\·\mathrm{Snh}4\left(4\right)+\mathrm{Qcir}\·\mathrm{Snh}4\left(3\right)}{(\mathrm{Qin}+\mathrm{Qret}+\mathrm{Qcir})}+a1\mathrm{\Δx}1+a2\mathrm{\Δx}2$ ……式(1.4)

同样，若考虑在好氧槽内的氨气性氮浓度的物质收支的话，则成为式(1.5)的情况。式中，Snh4(3)为好氧槽氨气性氮浓度[mg/L]、V(3)是好氧槽容积[m³]、Δx3是伴随着好氧槽水解、有机物除去而溶出的氨气性氮的溶出速度[g/day]、Rnh4为伴随着硝化菌的增殖而氨气性氮的减少速度[g/day]，

$\frac{\mathrm{dSnh}4\left(3\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{(\mathrm{Qin}+\mathrm{Qcir}+\mathrm{Qret})\·\mathrm{Snh}4\left(2\right)}{V\left(3\right)}-\frac{(\mathrm{Qin}+\mathrm{Qcir}+\mathrm{Qret})\·\mathrm{Snh}4\left(3\right)}{V\left(3\right)}+\mathrm{\Δx}3-\mathrm{Rnh}4$

……式(1.5)

伴随着硝化菌增殖的氨气性氮的减少速度如式(1.6)中所示。式中，μaut为硝化菌的最大比增殖速度，Yaut是硝化菌的产率，SO₂(3)是好氧槽的溶解氧浓度[mg/L]，Salk(3)是好氧槽碱度[mg/L]，Xaut是硝化菌浓度[mg/L]，KO₂、Knh4、Kalk是不饱和常数，

$\mathrm{Rnh}4=\frac{\mathrm{\μaut}}{\mathrm{Yaut}}\·\frac{\mathrm{SO}2\left(3\right)}{\mathrm{SO}2\left(3\right)+\mathrm{KO}2}\·\frac{\mathrm{Snh}4\left(3\right)}{\mathrm{Snh}4\left(3\right)+\mathrm{Knh}4}\·\frac{\mathrm{Salk}\left(3\right)}{\mathrm{Salk}\left(3\right)+\mathrm{Kalk}}\·\mathrm{Xaut}\left(3\right)$ ……式(1.6)

在溶解氧和碱度不影响硝化的条件下(以最大效率引起硝化的条件)，式(1.6)成为式(1.7)，

Rnh4，max＝μaut/Yaut·Snh4(3)/(Snh4(3)+Knh4)·Xaut(3)……式(1.7)

若将式(1.5)的右边＝0时，可计算稳定状态下的氨浓度。将式(1.4)、式(1.7)代入式(1.5)，将右边＝0的话，得到式(1.8)，

$\frac{\mathrm{Qin}\·\mathrm{Snh}4\mathrm{in}}{V\left(3\right)}-\frac{\mathrm{Qin}\·\mathrm{Snh}4\left(3\right)}{V\left(3\right)}-\frac{\mathrm{\μaut}}{\mathrm{Yaut}}\·\frac{\mathrm{Snh}4\left(3\right)}{\mathrm{Snh}4\left(3\right)+\mathrm{Knh}4}\·\mathrm{Xaut}\left(3\right)+a1\mathrm{\Δx}1+a2\mathrm{\Δx}2+\mathrm{\Δx}3=0$

……式(1.8)

这里，因考虑流入水中几乎不存在硝酸性氮、亚硝酸性氮，所以只考虑水解等产生的氨气性氮是引起流入水的有机性氮的原因。由此，能够将式(1.8)改写为式(1.9)。式中ST-Nin是流入水的全氮浓度[mg/L]。计算式(1.9)得到正解时，成为式(1.10)，

$\frac{\mathrm{Qin}\·\mathrm{ST}-\mathrm{Nin}}{V\left(3\right)}-\frac{\mathrm{Qin}\·\mathrm{Snh}4\left(3\right)}{V\left(3\right)}-\frac{\mathrm{\μaut}}{\mathrm{Yaut}}\·\frac{\mathrm{Snh}4\left(3\right)}{\mathrm{Snh}4\left(3\right)+\mathrm{Knh}4}\·\mathrm{Xaut}\left(3\right)=0$ ……式(1.9)

$\mathrm{Snh}4\left(3\right)\lim =\frac{-b+\sqrt{b^2-4a\·c}}{2a}$ ……式(1.10)

式中、

$a=\frac{\mathrm{Qin}}{V\left(3\right)},b=-\frac{\mathrm{Qin}}{V\left(3\right)}(\mathrm{ST}-\mathrm{Nin}-\mathrm{Knh}4)+\frac{\mathrm{\μaut}}{\mathrm{Yaut}}\mathrm{Xaut}\left(3\right),$

$c=-\frac{\mathrm{Qin}}{V\left(3\right)}\·\mathrm{ST}-\mathrm{Nin}\·\mathrm{Knh}4$

Snh4(3)lim为好氧槽氨气性氮浓度的下限预测值。

μaut是取决于水温T[℃]的参数，μaut＝1.12^(T-20)、Yaut＝0.24、Knh4＝1。式(1.10)是在不影响硝化的条件下(以最大效率引起硝化的条件)所求出的解，所以成为氨气性氮浓度的限度值。

ST-Nin是通过全氮浓度计28测得，Qin是通过流入流量计27测得，所以若知道Xaut(3)的值的话，利用式(1.10)的判别式能够判定能否控制在目标值上。

关于Xaut(3)(硝化菌浓度)，由于很难直接测定，所以必须通过此时的硝化速度试验的结果进行推测，或者利用活性污泥模型进行模拟等的某种方法进行推测。

若通过模拟求出的话，Xaut(3)会因固体物滞留在排气槽内的滞留时间A-SRT的长短而变化，所以输入此前的运转条件(一周左右)、流入水质、流入流量(若无时间序列数据，则可用平均数据)，进行模拟，Xaut(3)只要采用稳定在稳定状态中的值即可。通常考虑该Xaut(3)稳定在50-100左右的值。该值，必须以每周1次-每月1次左右的频率进行更新。

这样，若可推测Xaut(硝化菌浓度)的话，则通过将硝化菌浓度推测值输入到水质控制目标值判定手段24内，利用式(1.10)来判定是否能够达到目标值。

例如，作为第1条件，设Xaut(3)＝80[mg/L]，ST-Nin＝30[mg/L]，水温20[℃]、Snh4ref＝1[mg/L]，V3＝1000[m³]，Qin＝4000[m³/day]时，式(1.10)求出的解(限度值)为0.54[mg/L]，由于满足等式，所以若pH和DO的下降对硝化不产生影响时，则能够控制。

作为第2条件，设Xaut(3)＝80[mg/L]，ST-Nin＝30[mg/L]，水温20[℃]，Snh4ref＝1[mg/L]，V3＝1000[m³]，Qin＝8000[m³/day]时，式(1.10)求出的解(限度值)为2.03[mg/L]，可知即使吹出多大的排气风量，因为滞留时间的关系，也不能控制本目标值。

在第2条件的情况下，指示操作员不能控制目标值，或者在给操作员指示的同时进行能够达到的目标值的逆计算(进行式(1.10)的计算)。本计算，因以能够最大除去的条件为准进行计算，因此不是直接将逆计算而得的值作为控制目标值，而是采用较其大某一定的值作为控制目标值进行设定计算。

即，若将ΔSnh4为偏差值(0.5左右)、将Snh4ref(auto)作为目标值自动计算值的话，可得到式(1.11)。此时，因解为2.03[mg/L]，所以取偏差，控制目标值大约取3时，能够控制，

         Snh4ref(auto)＝Snh4(3)lim+ΔSnh4  ……式(1.11)

通过如上所述的第1实施方式的话，则可得到如下的效果。第1，因自动计算能够达到的目标值，所以在流入负荷量高时，和以往的利用氨气性氮浓度计的PI控制相比，能够将风量减小。第2，由于在初期沉淀的旁通部分进行流入水质的测定，可正确把握流入排气槽的氮成分，所以可更加准确进行目标值判定。

第1实施方式除了上述的情形外，还广泛包括如下的情形。

(1)流入流量计27和全氮浓度计28的位置只要在厌氧槽4的上游侧的地点，则任何地方均可，例如可在最初沉淀池2的上游侧或流入泵1的上游侧。

(2)流入流量计27、全氮浓度计28和氨气性氮浓度计20的测定值还可通过式(1.12)或式(1.13)的计算式进行滤波处理而成。式中PV(t)为时刻t时的传感器测定值，FT是0-1的滤波系数，n是整数，

     PV(t)＝(1-FT)·PV(t-Δt)+FT·PV(t)  ……式(1.12)

$\mathrm{PV}\left(t\right)=\frac{\mathrm{PV}\left(t\right)+\mathrm{PV}(t-\mathrm{\Δt})+\mathrm{PV}(t-2\mathrm{\Δt})+\·\·\·\·+\mathrm{PV}(t-\mathrm{n\Δt})}{n}$ ……式(1.13)

(3)氨气性氮浓度限度预测值不一定限于式(1.10)，只要是更加详细或简洁地处理物质收支的模型及统计模型等的输出限度浓度的模型，则无论哪一种都可以。例如，可由流入水质数据和流量数据，利用式(1.14)那样的公式来预测好氧槽6的氨气性氮浓度限度值，

        Snh4(3)lim＝a·ST-Nin·Qin+b  ……式(1.14)

式中，a、b为常数，ST-Nin是流入水的全氮浓度[mg/L]，Qin是流入流量[m³/day]。

(4)式(1.10)的Xaut(3)的测定方法不限于模拟算出的方法，可以根据实际进行硝化速度试验而得的结果来推测Xaut(3)的存在量，也可以利用其他的方法来求出。

(5)第1实施方式的生物反应槽3是进行称为“凝集剂A2O法”的工艺处理的类型，但是，也可以不一定限于此，还可以是其他的类型，可以是进行AO工艺、循环式硝化脱氮工艺等的排水处理工艺，或者还可以是载体投入、凝集剂合用型的工艺或者利用AOAO法等的各种A²O法的类型。

(6)进行控制吹风机13的控制器23不限于PI控制器，只要是PID控制器等根据目标值和测定值的偏差进行计算的控制器即可。

(7)判定结果实施手段25在水质控制目标值判定手段24判定为不能达到现有设定的目标值时，不一定要将该目标值变化为能够达到的规定水平上，也可以仅进行该目标的指示，仅将吹风机13的操作量保持在规定水平上。

(8)在上述计算中，虽然是以无溶解氧限制的条件为前提，但是实际上，溶解氧浓度取决于进行排气的吹风机13的容量，有时即使吹出最大风量，溶解氧浓度(DO)也不上升，不引起硝化。为此，设定能最大供给的排气风量为Qair，max，若取好氧槽6中的溶解氧浓度(DO)的物质收支，则得到式(1.15)。式中Kla是总移动容量系数，Qair，max是最大排气风量[m³/day]，S_O2，sat是饱和溶解氧浓度[mg/L]，R_COD是从属营养细菌消耗氧的消耗速度((g/m³)/day)。利用该式(1.15)，求出氨气浓度限度值，

$\frac{d{S}_{O2}\left(3\right)}{\mathrm{dt}}=\mathrm{Kla}\·\mathrm{Qair},\max \·(S_{O2},\mathrm{sat}-S_{O2}\left(3\right))-R_{\mathrm{COD}}-\mathrm{Rnh}4-\frac{\mathrm{Qin}}{V\left(3\right)}\·S_{O2}\left(3\right)$ ……式(1. 15)

即，也可以解出式(1.15)的右边＝0时的SO2(3)，计算最大风量时的DO(SO2max，(3))，利用式(1.14)求出氨气浓度限度值Snh4lim。最大风量时的DO(SO2max，(3))的计算不限于式(1.14)，也可以根据过去的统计等，利用式(1.16)之类的计算式进行预测。式中a、b是常数，

         SO₂max，(3)＝a·Qair，max+b    ……  式(1.16)

(9)因限度浓度预测模型参考到带有误差，所以，也可以划分为例如“绝对不能的目标值”、“难以达到的目标值”以及“勉强能达到的目标值”等的3种输出，在显示部26的监视画面上以3条线表示出来。

下面，根据图2的结构图对本发明的第2实施方式进行说明。图2和图1的不同主要是如下几点：控制器23的输入和输出不同这一点、以及监视装置21B的水质控制目标值判定手段24的输入不同这一点。

即，在本实施方式中，控制对象的水质为无氧槽5内的硝酸性氮浓度，控制器23控制碳源注入泵10的注入量，以使硝酸性氮浓度计31测得的硝酸性氮浓度和水质控制目标值设定器22所设定的目标值一致。

水质控制目标值判定手段24根据通过流入流量计27、循环流量计29和硝酸性氮浓度计30测得的测定数据、以及利用某种方法(例如，试验或模拟等)推测得到的脱氮菌浓度推测值，对是否能够达到由水质控制目标值设定器22输入的水质控制目标值、即硝酸性氮浓度进行判定。

下面，对具有上述构成的第2实施方式的作用进行说明。由于在有机物不足的状态下不进行脱氮反应，因此若控制器23在硝酸性氮浓度处于目标值以上时，增加碳源注入泵10的注入量；另一方面，硝酸性氮浓度在目标值以下时，减少碳源注入量，就可以不多不少适当进行碳源投入量的控制。

关于碳源投入量计算式，例如控制器为PI控制器时，以式(2.1)的形式表示。式中Qcar(t)是时刻t的碳源注入量目标值[m³/min]，Qair_O为碳源注入量初始值[m³/min]，Kp为比例放大系数[m⁶/g·min]，T_I为积分常数[min]，Δt为控制周期[min]，e(t)为偏差[mg/L]，SV_NO3(t)为硝酸性氮浓度目标值[mg/L]、PV_NO3(t)为无氧槽硝酸性氮浓度计测定值[mg/L]，

……式(2.1)

控制器在是以式(2.1)的形式表示的PI控制器的情况下，硝酸性氮浓度测量定值PV_NO3大于目标值SV_NO3时，计算的碳源注入量目标值进行计算向碳源注入量增大的方向变化；相反，硝酸性氮浓度测量定值PV_NO3小于目标值SV_NO3时，计算的碳源注入量目标值向碳源注入量减少的方向变化。

在无氧槽5内，由于最好促进脱氮，硝酸性氮浓度尽量不残留，对水质是好的，所以好氧槽6的末端附近通常被设定为0.1-0.5[mg/L]的硝酸性氮浓度目标值。但是，流入无氧槽5内的硝酸性氮负荷量大时，有时无论注入怎样的碳源，存在也不能除去氮的状况。

此时，若固定目标值不变进行控制的话，则尽管不能促进脱氮反应，但却增大注入量到最大碳源注入量，会进行过大的碳源注入。为此，水质控制目标值判定手段24对该目标值进行判定。

在图2中，若假设厌氧槽4、无氧槽5和好氧槽6分别为完全混合槽时，可以认为流入水中几乎不存在硝酸性氮，在厌氧槽4内也几乎不存在硝酸性氮。因此，流入无氧槽5内的硝酸性氮被认为仅通过循环泵15从厌氧槽6循环而来。

若计算无氧槽内的硝酸性氮的物质收支的话，则形成式(2.2)。式中，Sno3(2)为无氧槽硝酸性氮浓度[mg/L]，Qin是流入流量[m³/day]，Sno3(3)为好氧槽硝酸性氮浓度[mg/L]，Qret是送还流量[m³/day]，Qcir是循环流量[m³/day]，V(2)是无氧槽容积[m³]，Rno3是伴随着脱氮菌的增殖而使硝酸性氮减少的量[g/day]，

$\frac{\mathrm{dSno}3\left(2\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{Qcir}\·\mathrm{Sno}3\left(3\right)}{V\left(2\right)}-\frac{(\mathrm{Qin}+\mathrm{Qret}+\mathrm{Qcir})\·\mathrm{Sno}3\left(2\right)}{V\left(2\right)}-\mathrm{Rno}3$ ……式(2.2)

伴随脱氮菌的增殖而使硝酸性氮减少的速度由式(2.3)表示。式中，μH是从属营养菌(脱氮菌)的最大比增殖速度，Yh是从属营养菌(脱氮菌)的产率，SO₂(2)是无氧槽溶解氧浓度[mg/L]，Sno3(2)是无氧槽硝酸性氮浓度[mg/L]，Scod(2)是无氧槽有机物浓度[mg/L]，Xh(2)是无氧槽从属营养细菌浓度[mg/L]，

$\mathrm{Rno}3=\frac{\mathrm{\ηno}3\·(1-\mathrm{YH})\·\mathrm{\μH}}{2.86\mathrm{YH}}\·\frac{\mathrm{KO}2}{\mathrm{SO}2\left(2\right)+\mathrm{KO}2}\·\frac{\mathrm{Sno}3\left(2\right)}{\mathrm{Sno}3\left(2\right)+\mathrm{Kno}3}\·\frac{\mathrm{Scod}\left(2\right)}{\mathrm{Scod}\left(2\right)+\mathrm{Kcod}}\·\mathrm{Xh}\left(2\right)$

……式(2.3)

因碳源被补充，所以碳源不成为本反应的速率。若假设从好氧槽6出来的水不带有溶解氧，则无氧槽5内的硝酸性氮的最大除去速度Rno3由式(2.4)表示，

Rno3＝ηno3·μH·(1-YH)/2.86YH·Sno3(2)/(Sno3(2)+Kno3)-Xh(2)

                                             ……式(2.4)

由此，让式(2.2)的右边＝0时，可计算稳定状态下的硝酸性氮浓度。若将式(2.4)代入式(2.2)，右边＝0时，得到式(2.5)。在不满足至少本条件时，不能控制到目标值，

$\frac{\mathrm{Qcir}\·\mathrm{Sno}3\left(3\right)}{V\left(2\right)}-\frac{(\mathrm{Qin}+\mathrm{Qret}+\mathrm{Qcir})\·\mathrm{Sno}3\left(2\right)}{V\left(2\right)}$

$-\mathrm{\ηno}3\·\mathrm{\μH}\·(1-\mathrm{YH})/2.86\mathrm{YH}\·\mathrm{Sno}3\left(2\right)/(\mathrm{Sno}3\left(2\right)+\mathrm{Kno}3)\·\mathrm{Xh}\left(2\right)=0$ ……式(2.5)

解式(2.5)而求出的Sno3(2)为硝酸性氮浓度的限度目标值(Sno3lim)。其中，Qcir、Qin、Qret等流量是通过流量计(无图示)测得的，Sno3(3)是通过硝酸性氮浓度计30测得的。V(2)因是无氧槽的容积，所以是已知的。

μH是取决于水温T[℃]的参数，若参考国际标准模型、即ASM2d的参数值，则μH＝6.0·1.07^(T-20)，YH＝0.63，ηno3＝0.8，Kno3＝0.5。由此，若知道Xh(2)(从属营养菌浓度)的值，则能够根据式(2.5)的判别式判定是否能够达到目标值。

这里，由于Xh(2)很难直接测定，所以必须通过利用活性污泥模型的模拟进行推测，或者通过来自MLSS的修正系数进行换算或以MLVSS进行代用等某种方法进行推测。MLVSS是微生物量的指标，因污泥中所含的微生物的大半为从属营养菌，所以可通过Xh(2)＝0.9×MLVSS来算出大概值。本推测值必须以每周1次-每月1次左右的频率进行更新。

无论通过上述哪一种方法都可以推测出从属营养菌浓度、即脱氮菌浓度Xh(2)的话，则可以利用式(2.6)来判定是否能够达到目标值，

Sno3ref(auto)＝{-b+(b²-4a·c)}/2a+ΔSno3  ……式(2.6)

式中，ΔSno3为偏差值(0.1左右)，Snh4ref(auto)是目标值自动计算值。如下所述定义a、b、c，

a＝Qcir/V(2)

b＝ηno3·μH·(1-YH)/2.86YH·Xh(2)+(Qin+Qret+Qcir)·Kno3/V(2)-Qcir/V(2)·Sno3(3)

c＝Qcir·Kno3/V(2)

当水质控制目标值判定手段24根据式(2.6)求得的限度目标值判定水质控制目标值设定器22所设定的目标值是难以达到时，将该情况通知判定结果实施手段25。

判定结果实施手段25通过显示部26将不能控制到目标值的情况指示操作员，同时对能够达到的目标值进行逆计算，将其变为水质控制目标值设定器22的新的设定值。该计算是以最大能够除去的氮负荷量作为基准的，所以不是以逆计算而得的值直接作为控制目标值，而是将比其大某一定的值设定为控制目标值。

通过如上所述的第2实施方式，可以得到如下所述的效果。第1，流入无氧槽的硝酸性氮流入负荷量高时，因自动计算能够达到的目标值，所以和通常利用硝酸性氮浓度计进行控制相比，能够削减碳源注入量。第2，因将流入无氧槽的硝酸性氮浓度计配置在循环管道上，所以能够直接计算流入无氧槽的硝酸性氮负荷量，能够进行更加准确的目标值判定。

第2实施方式除了如上所述的方式外，还可以广泛包括如下的形式。在第1实施方式的结尾处叙述的(5)、(6)、(7)和(9)的方式同样包括在本第2

实施方式中。

(1)在循环管道上不能配置硝酸性氮浓度计30时，也可以根据配置在最终沉淀池7的出口一侧或入口一侧的处理水全氮浓度计32和配置在好氧槽6内的氨气性氮浓度计20之间的各测定值的之差，计算循环的硝酸性氮浓度。

(2)流入流量计27、循环流量计27、硝酸性氮浓度计30，31的测定值可以进行滤波处理。在该情况使用的计算式和在第1实施方式中叙述的式(1.12)或式(1.13)相同。

(3)用于目标值判定的判定式不限于式(2.5)，只要是更加详细或简洁地处理物质收支的模型和利用过去数据的统计模型等输出限度浓度的模型，无论采用哪一种模型即可。

下面，根据图3的结构图对本发明的第3实施方式进行说明。图3和图1的不同点主要是以下几点：在监视装置21c中配置有流入水质数据库33和流入水质预测手段34这一点、以及省去全氮浓度计28这一点。

即，在本实施方式中，流入水质预测手段34通过检索流入水质数据库33，预测类似于运转当日的那一天的全氮浓度。然后，水质控制目标值判定手段24根据该预测值、流入流量计27测得的测定值和硝化菌浓度推测值，对水质控制目标值进行判定。

图4是对保存在流入水质数据库33内的数据进行说明的说明图，(a)是表示保存数据例的图表，(b)是根据该保存数据例而得到的表示流入全氮浓度的图形例的特性图。

图4(a)的保存数据是某天即2003年8月1日(星期二)的流入全氮量、流入流量、降雨量等数据，记载了每1取样周期的1小时的数据。在流入水质数据库33内，这样的数据连续数天进行登录。该登录数据可以是输入操作员进行手工分析而得的结果，或者是输入利用水质传感器测得的数据，无论哪一种数据都可。

流入水质预测手段34是将最类似于进行排水处理控制运转的当天的那一天的登录数据从保存在流入水质数据库33内的登录数据中取出，将该取出的数据输出给水质控制目标值判定手段24内作为流入水质预测值。

图4(b)的特性图是以时间序列表示该取出的保存数据的特性图。如图所示，通常若无降雨时，形成峰值存在于中午和傍晚的山形的波形。

本实施方式的水质控制目标值判定手段24，以流入水质预测手段34的预测值来代替全氮浓度计28(图1)所测得的测定值进行输入，再和第1实施方式一样，输入流入流量计27测得的测定值和硝化菌浓度推测值。然后，根据这些输入，判定能否达到水质控制目标值设定器22设定的目标值。

在上述的第3实施方式中，由于从过去的趋势数据来预测流入全氮浓度，所以可省去高价的全氮浓度计，另外还可高效地进行排气风量的控制。因此，可有助于系统的成本下降。

在图3所示的例子中，虽可根据保存在数据库的数据进行流入全氮浓度的预测，但进行这样预测的方法不一定要限制在利用数据库的方法。例如，也可以利用流入流量计27以外的UV计和SS计等的水质传感器，根据式(3.1)预测流入全氮浓度P_T-N。式中，Qin是流入流量，SS是流入SS计的测定值，UVin是流入UV计的测定值，a、b、c、d是常数，

            P_T-N＝a·Qin+b·SSin+c·UVin+d    ……式(3.1)

在第1实施方式的末尾叙述的(1)-(9)的方式也包括在第3的实施方式中。

下面，根据图5对本发明的第4实施方式进行说明。图5和图1的主要不同点是：在监视装置21D中配置流入负荷量数据库35、流入负荷量预测手段36和目标值计划手段37这一点、以及省去全氮浓度计28这一点。

即，在本实施方式中，流入负荷量预测手段36通过检索流入负荷量数据库35，取出类似于运转当日的那一天的流入水质图形和流入流量图形，以它们之积作为流入负荷量进行预测。保存在流入负荷量数据库35内的数据的内容与图4(a)所示的相同。

图6(a)是表示流入负荷量预测手段36预测的流入氮负荷量图形例的特性图。通常，无降雨时，形成峰值存在于中午和傍晚时的山形的波形，因流量和全氮的两者的峰值都存在于中午和傍晚时，所以和图4(b)所示的仅水质的变动相比，该负荷量的变动较大。

目标值计划手段37根据流入负荷量预测手段36预测的流入负荷量，生成如图6(b)所示的、好氧槽6内的氨气性氮浓度的目标值计划。目标值计划手段37生成的目标值计划输出给水质控制目标值设定器22，该目标值计划的值由水质控制目标值设定器22设定作为水质控制目标值。另外，水质控制目标值判定手段24输入了流入负荷量预测手段36预测的流入负荷量的预测值。由此，目标值计划手段37生成的目标值一旦被水质控制目标值设定器22设定后，起到和第1实施方式一样的作用。

在上述第4实施方式中，由于从过去的趋势数据预测以流入流量和流入水质的积表示的流入负荷量，所以和第3实施方式一样，可省去高价的全氮浓度计，另外，可高效地进行排气风量的控制，因此，可有助于系统成本的下降。

在第1实施方式的末尾叙述的(1)-(9)的方式也包括在第4的实施方式中。

Claims (13)

1.排水处理系统，其特征在于，具备含有最初沉淀池、生物反应槽和最后沉淀池的排水处理工艺，通过控制这些设置在这些排水处理工艺中的规定工艺设备的操作量，使上述生物反应槽中的水质达到预定的水质控制目标值，以进行水质控制，在上述排水处理系统中，包括水质控制目标值判定手段和判定结果实施手段，其中的水质控制目标值判定手段是根据规定测量数据或预测数据或者两者的输入来计算水质限度预测值，将该水质限度预测值和上述水质控制目标值进行比较，来判定是否能够达到该水质控制目标值的手段；判定结果实施手段是在上述水质控制目标值判定部判定为不能达到时，对该判定结果进行指示，同时将该水质控制目标值变为规定水平或者将上述规定工艺设备的操作量保持在规定水平的手段。

2.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，上述生物反应槽的水质是构成该生物反应槽的一部分的好氧槽的氨气性氮浓度；设置在上述排水处理工艺的规定工艺设备的操作量是设置在上述好氧槽内的吹风机的排气风量。

3.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，上述生物反应槽的水质是构成该生物反应槽的一部分的好氧槽前段的无氧槽或该无氧槽前段的厌氧槽的硝酸性氮浓度；设置在上述排水处理工艺的规定工艺设备的操作量是碳源注入泵对上述无氧槽或厌氧槽的碳源注入量。

4.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段是仅根据上述规定的测量数据进行上述判定的手段，其中该测量数据包括流入上述排水处理工艺中的排水的流量和全氮浓度。

5.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段是根据上述规定的测量数据和预测数据两者进行上述判定的手段，该测量数据为流入上述排水处理工艺中的排水的流量，该预测数据是针对流入的该排水的全氮浓度的过去的时间序列数据。

6.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，包括根据上述规定预测数据制作目标值计划，并将该制成的目标值计划设定为上述水质控制目标值的目标值计划手段。

7.根据权利要求3所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段是仅根据上述规定的测量数据进行上述判定的手段，该测量数据包括流入上述排水处理工艺中的排水流量、以及从上述好氧槽循环到上述无氧槽的处理水的循环流量和硝酸性氮浓度的数据。

8.根据权利要求3所述的排水处理系统，其特征在于，用设置在上述排水处理工艺中的规定工艺设备的操作量来代替上述碳源注入泵向上述无氧槽或厌氧槽的碳源注入量，作为对于构成上述生物反应槽的上述厌氧槽、上述无氧槽和上述好氧槽的各排水的步流入量。

9.根据权利要求3所述的排水处理系统，其特征在于，用设置在上述排水处理工艺中的规定工艺设备的操作量来代替上述碳源注入泵向上述无氧槽或厌氧槽的碳源注入量，作为旁通上述最初沉淀池而流入上述生物反应槽的最初沉淀池旁通流量。

10.根据权利要求3所述的排水处理系统，其特征在于，用设置在上述排水处理工艺中的规定工艺设备的操作量来代替上述碳源注入泵向上述无氧槽或厌氧槽的碳源注入量，作为从上述最初沉淀池的底部投入到上述厌氧槽或上述无氧槽的生污泥投入量，或者作为让从上述最初沉淀池的底部出来的生污泥发酵所生成的发酵物投入到上述厌氧槽内的生污泥发酵物投入量。

11.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段由计算决定上述生物反应槽的水质的物质收支的物质收支模型、或者输出该物质收支计算结果的过去数据的统计模型构成。

12.根据权利要求1所述的排水处理系统，其特征在于，上述水质控制目标值判定手段是分多阶段计算上述水质限度预测值，同时根据该多阶段的各预测值和上述水质控制目标值之间的区别进行每阶段的上述判定的手段。

13.根据权利要求12所述的排水处理系统，其特征在于，包括显示通过上述水质控制目标值判定手段得到的上述每个阶段的判定结果的显示部。

Images