JP2004105952A

JP2004105952A - 下水処理運転支援装置

Info

Publication number: JP2004105952A
Application number: JP2003286854A
Authority: JP
Inventors: Ryuzo Sugii; 杉井　隆造; Kazunari Tokunaga; 徳永　一成; Kazuya Hirabayashi; 平林　和也; Mariko Sakuma; 佐久間　真理子; Kiyoaki Kitamura; 北村　清明; Shinji Noda; 野田　慎治; Konyu Yanagi; 柳　根勇; Yuichi Mori; 毛利　雄一
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; Tokyo Metropolitan Government; Nihon Suido Consultants Co Ltd
Current assignee: Yaskawa Electric Corp; Tokyo Metropolitan Government; Nihon Suido Consultants Co Ltd
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】　予測精度が高く、実用的な運転支援装置を得る。
【解決手段】　本発明の下水処理運転支援装置は、下水処理場の水質や運転条件を蓄積するデータ蓄積部(1)と、運転条件を設定する運転条件設定部(2)と、下水処理場の土木構造などの処理場の仕様を設定する施設仕様設定部(3)と、反応槽101に流入する流入水の水質と水量を設定する流入負荷設定部(4)と、反応槽から流出する処理水の水質を予測する予測処理部(6)と、予測した処理水の水質データを出力する出力部(7)と、予測した水質が基準値を満たしているかどうかを判定する判定処理部(8)と、基準値を満足する水質が得られる運転条件を最適運転条件として設定する最適運転条件設定部(9)とを備え、反応槽の一部に下水成分が平均濃度とは異なる領域を、その濃度レベルに応じて少なくとも一つ設定する異常濃度領域設定部(5)を備えたものである。
【選択図】　　図１

Description

　本発明は都市下水や産業廃水が流入する下水処理場の水質を、予測モデルによる水質予測結果に基づいて制御する運転支援装置に関する。

　都市下水処理、工場廃水などの処理プロセスは、微生物の動作状態、気候などから運転方法を決定する必要がある（例えば、非特許文献１参照）。
　図５は従来の下水処理運転支援装置と処理プロセスとの関連を示すブロック図である。
　先ず、下水処理場の処理概要を説明する。下水処理場では、流入した下水は、最初沈殿池100、反応槽101、最終沈殿池102の順に流れて処理される。
　汚濁物質を含む下水は、最初沈澱池100に導入され、汚濁物質の中の沈降しやすいものを沈降分離して上澄水を反応槽101に流出する。反応槽101には最終沈澱池102の汚泥の一部が返送汚泥ポンプ10によって返送されており、反応槽101はその返送汚泥と最初沈殿池100の上澄水を処理する。反応槽101では、ブロワー(図示せず)から圧送された空気が曝気槽内の散気管によって放出されており、汚濁物質は活性汚泥により吸着、分解されて最終沈澱池102に導かれる。最終沈澱池102では活性汚泥を沈降分離し、沈降汚泥は余剰汚泥ポンプ11により汚泥処理系（図示せず）に排出され、清澄水は処理水として滅菌槽（図示せず）を経て放流される。
　次にこの運転支援システムについて説明する。
　図５の運転支援システムにおいて、１はデータ蓄積部、２は運転条件設定部、３は施設仕様設定部、４は流入負荷設定部、６は予測処理部、７は出力部、８は判定処理部、９は最適運転条件設定部である。
　つぎに、動作について説明する。
（１）データ蓄積部１により、反応槽101内および処理水の水質予測に必要な情報を収集・蓄積し、運転条件設定部２や流入負荷設定部４へ出力する。
　ここで、収集されるデータはリン酸性リン濃度、硝酸性窒素濃度、アンモニア性窒素濃度、Total-COD、溶解性COD、有機物およびその処理場の排水基準値などの水質情報と、流量、SS、pH、溶存酸素濃度などの運転情報である。
（２）運転条件設定部２により、プラントを動作させるために必要な運転指標である返送率、汚泥滞留時間(SRT)などを設定し、予測処理部４へ出力する。
（３）施設仕様設定部３により、水質の予測に必要な反応槽101の体積、管路などの処理場土木構造を設定し、予測処理部４へ出力する。
（４）流入負荷設定部４により、反応槽101の処理水の水質予測に必要な情報を収集・設定し、予測処理部６へ出力する。
（５）予測処理部６により、運転条件設定部２で設定された条件と、施設仕様設定部３で設定された施設の値と、流入負荷設定部４で設定された反応槽101入口の流入負荷データを用いて、反応槽101内、処理水の硝酸性窒素、リン酸性リン濃度、アルカリ度、アンモニア性窒素濃度などの水質予測を行う。そして、その予測結果を出力部７に出力する。
　ここで使われる水質予測モデルは、反応槽101内の微生物の挙動を数式で表している。その一例として、嫌気状態での微生物の加水分解過程の反応式を示す。

　ここで、ρ：嫌気条件下の加水分解
　　　　　Κ_h：加水分解速度定数
　　　　　η_fe：嫌気条件下の加水分解反応係数
　　　　　Κ_O2：酸素の半飽和定数
　　　　　Ｓ_O2：溶存酸素濃度
　　　　　Κ_NO3：硝酸塩の半飽和定数
　　　　　Ｓ_NO3：硝酸性窒素濃度
　　　　　Κ_X：固形性有機物の半飽和定数
　　　　　Ｘ_S：生物遅分解性の懸濁性有機物
　　　　　Ｘ_H：従属栄養細菌の菌体量
（６）出力部７により、予測された水質および実測値、排水基準値をグラフや表に表す。
（７）判定処理部８により、予測された水質がその処理場の排水基準値を満足しているか否かを判定する。
　排水基準値を満足しない場合は、運転条件設定部２に戻って別の運転条件で水質予測をしなおす。排水基準値を満足する場合は、最適運転条件設定部９においてその運転条件を最適と設定し、プラントの運転に反映させる、という形で運転支援を行う。
第４０回下水道研究発表会公演集　第159-161頁

　従来の運転支援装置では、反応槽内の成分の濃度は均一と仮定して水質を計算していた。ところが実際には反応槽の内部構造、攪拌や散気の条件によって槽内の成分濃度は均一ではなく、濃度ゼロの領域さえ存在する。このような違いによって、予測値と実測値の整合がうまくとれないことがある。実測値との整合を改善するため、通常は水質計算に使われる数学モデルのモデルパラメータ（定数）を調整することが多いが、パラメータ調整にはモデルの知識と経験を必要とするので、処理場の現場では実用に適さないという問題があった。
　そこで、本発明は成分濃度の不均一さを考慮することにより予測精度が向上し、より実用的な運転支援装置を提供することを目的とする。

　上記問題を解決するため、本発明は次のように構成している。
（１）最初沈殿池100、反応槽101、最終沈殿池102等からなる下水処理場の水質や運転条件を蓄積するデータ蓄積部(1)と、前記運転条件を設定する運転条件設定部(2)と、前記下水処理場の土木構造などの処理場の仕様を設定する施設仕様設定部(3)と、前記反応槽に流入する流入水の水質と水量を設定する流入負荷設定部(4)と、前記反応槽からの処理水の水質を予測する予測処理部(6)と、予測した処理水の水質データを出力する出力部(7)と、前記予測した水質データが基準値を満たしているかどうかを判定する判定処理部(8)と、前記基準値を満足する水質データが得られる運転条件を最適運転条件として設定する最適運転条件設定部(9)とを備えた下水処理運転支援装置において、前記反応槽の一部に下水成分が平均濃度とは異なる領域を、その濃度のレベルに応じて少なくとも一つ設定する異常濃度領域設定部(5)を備えたものである。
　本構成により、実際の反応槽の濃度分布に近い条件で水質を予測できるので、予測精度を向上させることができる。
（２）前記異常濃度領域設定部(5)は、前記下水成分を設定する成分設定部（51）を備えたものである。
　本構成により、濃度分布が問題になると想定される成分を設定して水質予測できるので、予測精度が向上する。
（３）前記異常濃度領域設定部(5)は、異常濃度を設定する槽を設定する反応槽設定部（52）を備えたものである。
　本構成により、成分に応じていずれかの反応槽を適切に設定して水質予測できるので、予測精度が向上する。
（４）前記異常濃度領域設定部(5)は、前記反応槽における異常濃度領域の個数と各々の体積の割合を設定する体積率設定部（53）を備えたものである。
　本構成により、異常濃度領域の個数と体積を濃度レベルに応じて適切に設定して水質予測できるので、予測精度が向上する。
（５）前記異常濃度領域設定部(5)は、前記反応槽において各々の異常濃度領域へ分岐する割合を設定する分岐率設定部（54）を備えたものである。
　本構成により、異常濃度領域へ分岐する水量の割合を適切に設定して水質予測できるので、予測精度が向上する。
（６）前記下水成分は、溶存酸素、リン酸性リン、硝酸性窒素、アンモニア性窒素、アルカリ度、有機物、微生物種、混合液浮遊物質の少なくとも１つとしたものである。
　本構成により、成分に応じていずれかの反応槽を適切に設定して水質予測できるので、予測精度が向上する。

　本発明によれば、実際の反応槽内の下水成分の不均一さを考慮した条件で水質予測するので、予測精度が向上するという効果がある。
　また、現場の感覚を活かせる簡単なやり方で予測精度が向上するので、下水処理が効率化される。

　以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

　図１は、本発明の運転支援装置の構成と処理プロセスとの関連を示すブロック図である。従来と同じ構成要素は同じ符号を付してその説明を省略し、異なる点のみを説明する。図において、異常濃度領域設定部５は、反応槽内のある下水成分について異常濃度領域を設定するもので、成分設定部51、反応槽設定部52、体積率設定部53、分岐率設定部54からなる。
　つぎに、動作について説明する。
（１）成分設定部51により、どの下水成分に異常濃度領域を設けるかを設定する。
（２）次に反応槽設定部52により、設定した成分についてどの槽に異常濃度領域を設けるかを設定する。例えば複数の好気槽がある場合、溶存酸素（DO）を選択したら、そのプラントの好気槽のいずれかまたは全てに、異常濃度領域を設定する。DOは散気板の設置位置、性能などによって好気槽中にDOがゼロの無酸素ゾーンが考えられる。あるいは嫌気槽の場合、りん蓄積細菌の吐き出しに関与する有機物であれば嫌気槽に、異常濃度領域を設定することになる。嫌気槽では攪拌機の設置位置や性能などによって有機物がりん蓄積細菌に供給されず、りんを吐き出せない領域が考えられる。
（３）次に体積率設定部53により、選択した反応槽にどの程度の個数と体積割合で異常濃度領域を設けるかを設定する。図２は、その異常濃度領域を示す概念図である。例えば反応槽を異常濃度領域１，２と平均濃度領域に分割して考え、計算上はそれぞれ濃度が均一な別の槽とみなす。これら異常濃度領域の体積は予めいくつかのケースを想定しておき、最も実測値に近い計算値を与える体積率を採用する。
（４）分岐率設定部54により、同じく異常濃度領域に流入する汚水の割合を設定する。図２にように、平均濃度領域に流入した汚水は一部が分岐してゼロ濃度領域に流入し、その後平均濃度領域へ戻って合流し流出すると考える。分岐率の場合も予めいくつかのケースを想定しておき、最も実測値に近い計算値を与える分岐率を採用する。
　ここでは、異常濃度領域を上記のように２つとしたが、その個数、体積率や分岐率は濃度範囲や要求予測精度に応じて自由に選ぶことができる。
　一例として、演算の対象とした下水処理場の概念図を図３に示す。この下水処理場の反応槽は、嫌気槽、無酸素槽１，２，３、好気槽１，２、の６槽からなり、硝化液を無酸素槽１に戻すＡ₂Ｏ法（嫌気―無酸素―好気法）である。図４に無酸素ゾーンを設定した場合のりん酸性りんの計算結果を示す。成分としてDO（溶存酸素）を選択し、これら好気槽２つを選択して、DOがゼロとなる無酸素ゾーンを０〜３０％まで１０％おきにそれぞれ同じ割合で設定した（体積率）。また、汚水は全て無酸素ゾーンに流入するとした（分岐率１００％）。処理水質を計算した結果、図４のように、無酸素ゾーンの割合が大きくなるにつれて、りん酸性りんの実測値との整合がよくなっていることがわかる。

　本発明は、反応槽の一部に下水成分が平均濃度とは異なる領域を設定することによって、下水処理場の水質を予測精度の高く制御する運転支援装置に適用できる。

本発明の運転支援装置の構成と処理プロセスとの関連を示すブロック図である。本発明の異常濃度領域を示す概念図である。演算対象の下水処理場の一例を示す概念図である。本発明の水質計算結果を示すグラフである。従来の運転支援装置の構成と処理プロセスとの関連を示すブロック図である。

符号の説明

１　データ蓄積部
２　運転条件設定部
３　施設仕様設定部
４　流入負荷設定部
５　異常濃度領域設定部
51　成分設定部
52　反応槽設定部
53　体積率設定部
54　分岐率設定部
６　予測処理部
７　出力部
８　判定処理部
９　最適運転条件設定部
10　返送汚泥ポンプ
11　余剰汚泥ポンプ
100 最初沈殿池
101 反応槽
102 最終沈殿池

Claims

最初沈殿池100、反応槽101、最終沈殿池102等からなる下水処理場の水質や運転条件を蓄積するデータ蓄積部(1)と、前記運転条件を設定する運転条件設定部(2)と、前記下水処理場の土木構造などの処理場の仕様を設定する施設仕様設定部(3)と、前記反応槽に流入する流入水の水質と水量を設定する流入負荷設定部(4)と、前記反応槽からの処理水の水質を予測する予測処理部(6)と、予測した処理水の水質データを出力する出力部(7)と、前記予測した水質データが基準値を満たしているかどうかを判定する判定処理部(8)と、前記基準値を満足する水質データが得られる運転条件を最適運転条件として設定する最適運転条件設定部(9)とを備えた下水処理運転支援装置において、
　前記反応槽の一部に下水成分が平均濃度とは異なる領域を、その濃度レベルに応じて少なくとも一つ設定する異常濃度領域設定部 (5)を備えたことを特徴とする下水処理運転支援装置。
前記異常濃度領域設定部(5)は、前記下水成分を設定する成分設定部（51）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の下水処理運転支援装置。
前記異常濃度領域設定部(５)は、異常濃度を設定する槽を設定する反応槽設定部（52）を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の下水処理運転支援装置。
前記異常濃度領域設定部(5)は、前記反応槽における異常濃度領域の個数と各々の体積の割合を設定する体積率設定部（53）を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の下水処理運転支援装置。
前記異常濃度領域設定部(5)は、前記反応槽において各々の異常濃度領域へ分岐する割合を設定する分岐率設定部（54）を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の下水処理運転支援装置。
前記下水成分は、溶存酸素、リン酸性リン、硝酸性窒素、アンモニア性窒素、アルカリ度、有機物、微生物種、混合液浮遊物質の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の下水処理運転支援装置。