JP2004243277A - 浄水場におけるpH制御装置 - Google Patents

浄水場におけるpH制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】原水水質の変動に応じてpH調整用薬品の注入率を最適化することで浄水プロセス全体のコストを低減し、安定した水質を提供する浄水場におけるpH制御装置を提供すること。
【解決手段】フィードバック演算手段23により、塩素及び凝集剤注入後における被処理水のpH実測値と目標とする設定値との差分からpH調整用薬品の注入率を求める。また、フィードフォワード演算手段22により、原水から測定される原水水質値に基き、予め定められた演算則により前記被処理水のpHを最適化するpH調整用薬品の注入率を求める。そして、これらフィードバック演算手段23及びフィードフォワード演算手段22により求めた各注入率に対して、合成制御手段24により、所定の重み係数をかけて合成し、pH調整用薬品の今回注入率として出力するので、原水水質の変化に応じた費用対効果の高い最適なpH制御を行うことができる。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、取水された原水に対し着水井でpH調整用薬品を注入し、pHを目標値に調整して塩素や凝集剤を注入する、浄水場におけるpH制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
浄水場では河川や貯水池などの水源から原水を取水し、凝集、フロック形成、沈殿、ろ過および殺菌の5つの単位プロセスによって、懸濁質とコロイド質を除去すると共に、細菌等を無害化し、清澄な水道水として需要家に供給している。一般に浄水処理(凝集、フロック形成、沈殿、ろ過による一連の除濁処理)では凝集剤を用いる(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この凝集剤の効果は、さまざまな物理的、生物化学的な影響を受け、最適凝集条件は、多くの因子によって定まる複雑な平衡の上に成り立っている。例えば、夏季において浄水場の取水河川の流量が低下し、河川水中や河床に付着している藻類の光合成が活発化することでpHが上昇した場合、凝集効果が低下することが知られている。
【0004】
この場合、pH調整用薬品の注入率一定注入や原水流量による比例注入が行われているが、原水水質の変動に応じた注入率の最適化が難しく、凝集剤の大量注入が必要となり、コストが増大するとともに、凝集特性も悪化し、さらには排水処理における汚泥の発生量が増大するという問題があった。
【0005】
【特許文献1】
特開平8−24515号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、原水のpHの値が凝集効果に影響を与えるので、原水の水質に応じてpH調整用薬品を適切に注入し、処理対象水のpHを最適に調整する必要がある。
【0007】
本発明の目的は、原水水質の変動に応じてpH調整用薬品の注入率を最適化することで浄水プロセス全体のコストを低減し、安定した水質を提供する浄水場におけるpH制御装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、取水された原水に対し着水井でpH調整用薬品を注入し、pHを目標値に調整して、塩素や凝集剤を注入する浄水場におけるpH制御装置であって、前記塩素や凝集剤注入後における被処理水のpH実測値と目標とする設定値との差分からpH調整用薬品の注入率を求めるフィードバック演算手段と、原水から測定される原水水質値に基き、予め定められた演算則により前記被処理水のpHを最適化するpH調整用薬品の注入率を求めるフィードフォワード演算手段と、前記フィードバック演算手段及びフィードフォワード演算手段により求めた各注入率に対して所定の重み係数をかけて合成し、pH調整用薬品の今回注入率として出力する合成制御手段とを備えたことを特徴とする。
【0009】
本発明では、フィードフォワード制御手段は、原水pH及び原水アルカリ度の実測値を入力し、予め求められた、複数のアルカリ度におけるpH調整用薬品注入率と原水pHとの変化の関係を用い、前記原水アルカリ度実測値における原水pH実測値を目標値に変化させるためのpH調整用薬品注入率を演算により求める。
【0010】
また、フィードフォワード演算手段は、着水井での全炭酸濃度と原水のアルカリ度及び原水pHから原水の緩衝能を演算し、この緩衝能と、原水pHの実測値と目標値との差とから、pH調整用薬品の最適注入率を算出してもよい。
【0011】
さらに、フィードフォワード演算手段は、着水井でのアルカリ度と現在注入されている塩素や凝集剤の注入率とから、被処理水のアルカリ度を推定し、被処理水のpH設定値に基き着水井の全炭酸濃度を用いて算出される目標とすべきアルカリ度を推定し、これら両アルカリ度推定値の差からpH調整用薬品の最適注入率を算出してもよい。
【0012】
これらの発明では、フィードバック演算手段により、塩素及び凝集剤注入後における被処理水のpH実測値と目標とする設定値との差分からpH調整用薬品の注入率を求め、フィードフォワード演算手段により、原水から測定される原水水質値に基き、予め定められた演算則により前記被処理水のpHを最適化するpH調整用薬品の注入率を求め、前記フィードバック演算手段及びフィードフォワード演算手段により求めた各注入率に対して、合成制御手段により、所定の重み係数をかけて合成し、pH調整用薬品の今回注入率として出力するので、原水水質の変化に応じた費用対効果の高い最適なpH制御を行うことができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による浄水場におけるpH制御装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0014】
図1は本実施の形態によるpH制御装置の構成例を示すブロック図である。図1において、11は浄水場の着水井で、河川などの水源12から、図示しない取水ポンプによって取水された原水が着水する。この着水井11の吐出側は、急速攪拌池(以下、急攪池と略称する)13に連結している。
【0015】
この着水井11には、硫酸等のpH調整用薬品(以下、硫酸として説明する)の注入設備16が設けられており、着水した原水に対し、所定の注入率(その求め方については後述する)により硫酸が注入される。また、この着水井11から急攪池13までの間には、塩素及び凝集剤の注入設備14,15がそれぞれ設けられ、塩素及び凝集剤が所定の注入率で注入される。急攪池13は、これら注入された塩素及び凝集剤を攪拌し、図示しない後続の処理設備に被処理水として供給する。
【0016】
17は原水水質計器で、水源12から着水井11に取水される原水の水質(pH、アルカリ度、水温等)を測定する。18は着水井の水質計器で、着水井11でのpH、濁度、水温、アルカリ度等を測定する。19は急攪池の水質計器で、急攪池13における被処理水のpHを測定する。
【0017】
21は演算装置で、各水質計器17,18,19の測定値を入力し、後述する各種設定値とから所定の演算により、硫酸の注入率Snを求め、硫酸注入設備16に出力する。この演算装置21は、フィードフォワード演算手段22と、フィードバック演算手段23と、これらの合成制御手段24とで構成される。
【0018】
フィードフォワード演算手段22には、原水水質計器17で測定された原水水質(pH、アルカリ度、水温等)が入力される。このほか、目標pHの値、前記注入器14,15で注入される塩素や凝集剤などの各薬品の注入率、後述する図2で示す注入率演算用近似曲線に関するデータが入力される。そして、このフィードフォワード演算手段22は、原水から測定される原水水質値に基き、予め定められた演算則により前記被処理水のpHを最適化する硫酸(pH調整用薬品)の注入率Sfを求める。
【0019】
フィードバック演算手段23には、急攪池の水質計19で測定された被処理水のpH値が入力されるとともに、この被処理水に対する設定値(目標pH値)が入力されている。このほか、着水井の水質計器18によって測定されたpH、濁度、水温、アルカリ度等が入力されている。そして、このフィードバック演算手段23は、塩素及び凝集剤注入後における急攪池13での被処理水のpH実測値と目標とする設定値との差分から、硫酸(pH調整用薬品)の注入率Sbを求める。
【0020】
合成制御手段24には、フィードフォワード演算手段22により求めた硫酸注入率Sf及びフィードバック演算手段23で求めた硫酸の注入率Sbが入力されており、これらを基に合成制御を行う。すなわち、以下の(1)式で示すように、各注入率Sf、Sbに対して所定の重み係数をかけて合成し、硫酸(pH調整用薬品)の今回注入率Snを求め、これを硫酸注入設備16に出力する。
【0021】
Sn = w1×Sf + w2×Sb ・・・ (1)
ここで,
Sn;今回硫酸注入率演算値 (mg/L as HSO
w1;フィードフォワード重み係数
w2;フィードバック 重み係数
次に、上記各演算手段22,23の具体的な演算手法について説明する。先ずフィードバック演算手段23による演算手法について説明する。
【0022】
このフィードバック制御による演算手法では、急攪池13での水質計器19によるpH実測値pHpvとpH設定値pHsvとによってフィードバック制御を行う。
【0023】
注入率演算は、次に示す(2)〜(4)式によって行う。
【0024】
Sb=Kp・{(e−en−1)+Δt/T・e}・Kb+Sn−1+Sbf ・・・(2)
=β・(pHpv − pHsv) ・・・(3)
Sbf=−(Pac−Pacn−1)・Kpac − (Cl―Cln−1)・Kcl ・・・(4)
ここで,
Sb;今回フィードバック硫酸注入率演算値 mg/L
Sn−1;前回硫酸注入率演算値 mg/L
pHsv;急速攪拌池pH設定値
pHpv;急速攪拌池pH実測値n分平均値
β ;被処理水のもつ緩衝能 mg/L as CaCO
;今回制御周期入力偏差
n−1;前回制御周期入力偏差
Kp;比例ゲイン
;積分時間
Δt;制御周期(分)
Kb ;硫酸のアルカリ度換算係数 (=98/100)
Sbf;PAC(凝集剤:硫酸ばんど)と塩素の注入率変動に対する補償分mg/L
Pac;今回のPAC注入率 mg/L
Pacn−1;前回のPAC注入率 mg/L
Kpac;PACのアルカリ度換算係数
Cl;今回の前塩素注入率 mg/L
Cln−1;前回の前塩素注入率 mg/L
Kcl;塩素のアルカリ度換算係数
なお,緩衝能βとは,酸・アルカリを注入したときのpHの変化のしにくさを示す値で,次のように(5)〜(15)で表せる。
【0025】
Figure 2004243277
すなわち、着水井11の水質計器18からの各測定値(アルカリ度、水温等)等に基いて緩衝能βを求め、この緩衝能βを用いて設定値pHsv及びpH実測値pHpvから、補償分を加味して注入率Sbを求めている。
【0026】
次に、フィードフォワード演算手段22による演算手法を説明する。このフィードフォワード演算手段22による演算手法は3種類ある。先ず、第1の演算手法を説明する。
【0027】
この第1の演算手法では、先ず、原水水質計器17により原水水質を測定し、フィードフォワード演算手段22に入力する。予め演算則を持つ演算手段22は、その原水水質に従う最適な注入率Sfを算出する。
【0028】
ここで、pH調整用薬品である硫酸の注入率は、図2で示す原水pHおよびアルカリ度の実測値と、予め決められたグラフによって決定する。
【0029】
グラフは3ケースのアルカリ度(ALK60,ALK40,ALK20)について、硫酸注入率−pH曲線をそれぞれ入力して作成したもので、演算手段22設定されている。ここでは、設定されたアルカリ度を20,40,60として説明する。
【0030】
硫酸注入率Sfは以下の手順により求める。
【0031】
原水ALKに近い2本のグラフを選ぶ
原水pHと目標pHに相当する硫酸注入率を各々のグラフから求める(図中A,B,C,D)。これらA,BからP点を,C,DからのQ点を求める。
【0032】
例) 原水の実測されたアルカリ度が50(ALK50)のとき:
原水pHと、原水アルカリ度(50)に近い2本のグラフALK40,ALK60との交点A,Bを結ぶ線分ABを1:1に内分した点をP、目標pHとALK40,ALK60の交点C,Dを結ぶ線分CDを1:1に内分した点をQとする。
【0033】
(Qの注入率‐Pの注入率)を原水に対する硫酸注入率Xとする。
【0034】
塩素や凝集剤などの薬品による補正項Yを求める。
【0035】
Y=Ka(Kpac×凝集剤実注入率+Kcl×前塩実注入率)
Kpac;凝集剤のアルカリ度換算係数
Kcl;塩素のアルカリ度換算係数
Sf=aX‐bY+cとする。
【0036】
a ;(手動設定値,0.0≦ a≦2.0)
b ;(手動設定値,0.0≦ b≦2.0)
c ;(手動設定値,−5.0≦ c≦5.0)
Sf;今回フィードフォワード硫酸注入率演算値 mg/L
ここで、手動設定値a,b,cは、注入率の偏りを経験的に補正するための係数である。すなわち、フィードフォワード制御では、原水水質やセンサーの応答等、現場の状況によって注入率が高めになったり低めになったりする偏りが生じることがあるので、係数a,b,cは、この偏りを経験的に補正するために設定される。
【0037】
このように、第1の演算手法では、原水pH及び原水アルカリ度の実測値を水質計器17から入力し、図2で示すように、予め求められた、複数のアルカリ度における硫酸(pH調整用薬品)注入率と原水pHとの変化の関係を用い、前記原水アルカリ度実測値における原水pH実測値を目標値に変化させるための硫酸(pH調整用薬品)注入率Sfを演算により求めている。
【0038】
次に第2の演算手法を説明する。この演算手法では、原水pHと取水の緩衝能予測値とから注入率Sfを求めている。
【0039】
前述したフィードバック制御の項で述べた水質の演算を利用し、水温と、アルカリ度、pH、全炭酸濃度の3種のうちのいずれか2種類が既知である場合、残りの1種類が演算で求められることを利用する。
【0040】
この場合の手順は,次のようになる;
(1)現在注入している硫酸の注入率と,着水井のアルカリ度から,時間差を考慮して,原水アルカリ度推定値を演算する。
【0041】
(2)着水井の全炭酸濃度Cを演算する。
【0042】
(3)着水井の全炭酸濃度は原水と同値であると仮定し、(2)で求めた着水井の全炭酸濃度、(1)で求めた原水アルカリ度推定値、計測している原水pH実測値、の各値より、原水の緩衝能βを演算する。
【0043】
硫酸注入率Sfは、次の(16)式で求める。
【0044】
Sf=β×(pH原水pv − pHsvff)×Kb −−−−−−−−−− (16)
ここで、
pH原水pv;原水pH実測値n分平均
pHsvff;フィードフォワード用pH目標値 (PAC,塩素による後段のpH変化を考慮し、設定される値)
このように第2の演算手法では、着水井での全炭酸濃度と原水のアルカリ度及び原水pHから原水の緩衝能を演算し、この緩衝能と、原水pHの実測値と目標値との差とから、pH調整用薬品の最適注入率Sfを算出している。
【0045】
次に、第3の演算手法を説明する。この演算手法は、急攪池13のpH設定値を急攪アルカリ度に置き換えて演算する方法である。
【0046】
この手法の場合も、前述したフィードバック制御の項で述べた水質の演算を利用し、水温と、アルカリ度、pH、全炭酸濃度の3種のうちのいずれか2種類が既知である場合、残りの1種類が演算で求められることを利用する。
【0047】
この場合の手順は,次のようになる;
(1)着水井の全炭酸濃度を演算する。
【0048】
(2)現在注入している塩素、凝集剤である硫酸ばんどの注入率と、着水井のアルカリ度から、時間差を考慮して急攪池アルカリ度推定値ALKxxを演算する。
【0049】
(3)一方,急攪池13のpH設定値、急攪池13の残留塩素濃度実測値、(1)で求めた着水井の全炭酸濃度から、急攪池の目標とすべきアルカリ度ALKsvffを推定する。
【0050】
(4)ΔALK=ALKxx − ALKsvffより、
Sf = ΔALK・Kb + Sn−1 ・・・(17)
このように、第3の演算手法では、着水井11でのアルカリ度と現在注入されている塩素、凝集剤の注入率とから、急攪池13における被処理水のアルカリ度ALKxxを推定し、被処理水のpH設定値に基き着水井11の全炭酸濃度Cを用いて算出された目標とすべきアルカリ度ALKsvffを推定し、これら両アルカリ度推定値の差ΔALKからpH調整用薬品の最適注入率Sfを算出している。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、pH調整用薬品を原水水質変化に応じて自動的に注入すると共に、フィードフォワード制御とフィードバック制御を合成することでpH調整用薬品注入の最適化を実現するので、運転監視の労力が低減し、薬品コスト等の維持管理の効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による浄水場におけるpH制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図2】同上一実施の形態のフィードフォワード演算に用いる特性を表すグラフである。
【符号の説明】
11 着水井
12 水源
13 急速攪拌池
16 pH調整用薬品注入設備
17 原水水質計器
18 着水井の水質計器
19 急攪池の水質計器
22 フィードフォワード演算手段
23 フィードバック演算手段
24 合成制御手段

Claims (4)

  1. 取水された原水に対し着水井でpH調整用薬品を注入し、pHを目標値に調整して、塩素や凝集剤を注入する浄水場におけるpH制御装置であって、
    前記塩素や凝集剤注入後における被処理水のpH実測値と目標とする設定値との差分からpH調整用薬品の注入率を求めるフィードバック演算手段と、
    原水から測定される原水水質値に基き、予め定められた演算則により前記被処理水のpHを最適化するpH調整用薬品の注入率を求めるフィードフォワード演算手段と、
    前記フィードバック演算手段及びフィードフォワード演算手段により求めた各注入率に対して所定の重み係数をかけて合成し、pH調整用薬品の今回注入率として出力する合成制御手段と、
    を備えたことを特徴とする浄水場におけるpH制御装置。
  2. フィードフォワード制御手段は、原水pH及び原水アルカリ度の実測値を入力し、予め求められた、複数のアルカリ度におけるpH調整用薬品注入率と原水pHとの変化の関係を用い、前記原水アルカリ度実測値における原水pH実測値を目標値に変化させるためのpH調整用薬品注入率を演算により求めることを特徴とする請求項1に記載の浄水場におけるpH制御装置。
  3. フィードフォワード演算手段は、着水井での全炭酸濃度と原水のアルカリ度及び原水pHから原水の緩衝能を演算し、この緩衝能と、原水pHの実測値と目標値との差とから、pH調整用薬品の最適注入率を算出することを特徴とする請求項1に記載の浄水場におけるpH制御装置。
  4. フィードフォワード演算手段は、着水井でのアルカリ度と現在注入されている塩素や凝集剤の注入率とから、被処理水のアルカリ度を推定し、被処理水のpH設定値に基き着水井の全炭酸濃度を用いて算出される目標とすべきアルカリ度を推定し、これら両アルカリ度推定値の差からpH調整用薬品の最適注入率を算出することを特徴とする請求項1に記載の浄水場におけるpH制御装置。
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