JP2005007326A - Apparatus for measuring concentration of organic matter - Google Patents

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organic
organic matter
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Masumi Wada
真澄 和田
Masashi Fujita
昌史 藤田
Hiroaki Komai
弘明 古米
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Nishihara Environment Co Ltd
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Nishihara Environmental Technology Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an apparatus for measuring the concentration of organic matter by which the concentration of organic matter components in waste water can automatically and continuously measured using a neutral network without requiring artificial measurement work. <P>SOLUTION: The apparatus for measuring the concentration of organic matter is provided with: an oxidation-reduction electrometer 2 measuring the oxidation-reduction potential of a bioreaction tank 1; a data collector 3 collecting the measured value in the oxidation-reduction electrometer 2; and an analyzer 4 predicting the concentration of organic matter from the data in the data collector 3 by a neural network. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃水中の有機物濃度を測定する有機物濃度測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の公共用水域における窒素・リン規制の強化を背景に、下水,産業廃水などの廃水処理において、生物学的窒素・リン除去プロセスが提供されてきた。例えば、循環式硝化脱窒法、嫌気・好気活性汚泥法、嫌気・無酸素・好気法等が知られている。
ここで、生物学的窒素除去プロセスでは脱窒プロセスの電子供与体として、リン除去プロセスではリン蓄積菌のPHA源として、有機物が必要となる。
その有機物濃度の指標として、これまで有機炭素の総量やBODが用いられてきたが、窒素・リン除去性能を把握するためには、これらの指標のみでは不十分であることが報告されている。
【0003】
一方、国際水協会(IWA)のタスクグループが提案した活性汚泥数学モデル(IWA Activated Sludge Model(以下、ASMという))では、生物分解可能な有機物としてBODをより詳しく分類した概念を導入している。すなわち、易分解性有機物S、発酵産物S、遅分解性有機物Xである。これらの有機物濃度を始めとした廃水の性状を把握することにより、処理水窒素・リン濃度の予測が可能であることがヨーロッパを中心に、日本でも実務利用の場で既に示されている。
【0004】
有機物成分の測定方法としてGujerらの方法が知られている。この方法は、回分実験により微生物の呼吸速度から有機物成分濃度を推定するものである。例えば、コンポジットサンプルを用いて、日平均有機物成分濃度を測定する場合など、連続測定する必要がない場合においては、この方法を利用できる。
【0005】
なお、上記先行技術は当業者一般に知られた技術であって、公知文献発明に係るものではない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなGujerらによる有機物成分の測定方法では、窒素やリンの安定した高いレベルの除去等さらなる処理性能の向上、省エネルギー化をめざし、非定常制御を行う目的で、廃水中の有機物成分濃度を測定する場合には、測定に時間や労力がかかり、このため、Gujerらによる有機物成分の測定方法は適さない。
また、Gujerらの方法で有機物成分を測定するには、酸素消費速度を人為的作業で測定しなければならず、しかも、その測定・解析にはある程度の技術が必要であり、そのため、例えば技術者が不足している小規模の処理場において実施することは難しいという課題があった。
したがって、容易な装置で廃水中の有機物成分濃度を測定する測定装置が望まれているが、現在に至るも、そのような測定装置は提案されていないのが実状である。
一方、廃水中の有機物成分濃度を測定する代わりに、これらの濃度をパラメータとして扱い、遺伝的アルゴリズム、最適レギュレータ法等の手法を用いて決定する方法の開発が行われている。しかし、これらの方法は廃水中の有機物濃度に影響を受ける因子から決定するのではなく、数学的手法を用いて決定するので、有機物成分濃度以外のパラメータが生物学的にあり得ない数値となることがあり、また季節ごと・処理場ごとにパラメータを求める作業が発生する等、他の部分への影響が大きい。
【0007】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、人為的測定・解体作業を必要とせず、ニューラルネットワークを利用して、廃水中の有機物成分濃度を自動測定することができる有機物濃度測定装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る有機物濃度測定装置は、生物反応槽の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計と、酸化還元電位計の計測値を収集するデータ収集器と、ニューラルネットワークによりデータ収集器のデータから有機物濃度を予測する解析器とを備えたことを特徴とするものである。
【0009】
本発明に係る有機物濃度測定装置は、生物反応槽の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計と、生物反応槽のpHを計測するpH計と、酸化還元電位計およびpH計の計測値を収集するデータ収集器と、ニューラルネットワークによりデータ収集器のデータから有機物濃度を予測する解析器とを備えたことを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による有機物濃度測定装置の基本的な構成を説明するためのフローシート図である。
図1において、1は生物反応槽であり、この生物反応槽1としては、嫌気槽(廃水を嫌気性処理する槽であり、またリン蓄積菌が有機物摂取のためにリンを放出するリン放出槽を含む)、無酸素槽(脱窒細菌により酸化態窒素を脱窒する脱窒槽など)、曝気槽などが適用可能である。また、浮遊生物処理槽でも、固定生物処理槽でも、担体投入型生物処理槽でも適用できる。
【0011】
2はその生物反応槽1内の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計である。この酸化還元電位計2としてはORP電極が用いられる。このORP電極は、生物反応槽1内の酸化還元電位(Oxydation Reduction Potential)を計測するものである。係るORP電極はpH電極と置き換えたり、pH電極と共用したりするものである。pH電極は、生物反応槽1内が酸性かアルカリ性かを示す指標を得るためにpH値を計測するものである。これらのORP電極やpH電極は、下水処理場で生物反応槽に常設されており、主として生物反応に大きく依存し、また、その生物反応は廃水の質・量に依存する。したがって、ORP電極やpH電極による計測データから廃水の質・量を逆推定することが可能である。
【0012】
3は前記酸化還元電位2による計測値を収集するデータ収集器、4はニューラルネットワークにより前記データ収集器3から有機物成分濃度を予測する解析器(ニューラルネットワーク解析装置)である。ここで、ニューラルネットワークとは、人間の脳(ニューロン)を模擬した情報処理方式であって、特にパターン認識に優れ、「結果」から「原因」を予測するという、いわゆる逆推定に用いられることが多い。
【0013】
そこで、本発明による有機物濃度測定装置では、前記「結果」としてORP電極および/またはpH電極の測定値を使用し、前記「原因」として廃水の有機物成分濃度を使用するものである。前記解析器4では、ニューラルネットワーク内のパラメータ(重み、閾値)を学習させることにより、前記ORP電極および/またはpH電極からの計測データに基づく廃水の有機物成分濃度を予測するものである。
【0014】
実施例1.
前記実施の形態1による実験を行った結果について以下に説明する。
図1の生物反応槽1として、有効容量100Lの回分式生物反応槽を用いた。廃水として、図2の表に示す酢酸/グルコース/ペプトン基質からなる人工下水を用いた。ASM上では、酢酸は発酵産物S,グルコースは易分解性有機物S、ペプトンは遅分解性有機物Xに分類される。人工下水は25Lをサイクル初期60分で流入させた。この流入時間を含め撹拌工程120分、曝気工程180分、沈殿排水工程60分、合計360分の嫌気・好気運転を行った。HRTは1日である。曝気工程では、生物反応槽内の溶存酸素濃度を2.5mg/Lに制御した。
SRTを20日に設定して、生物反応槽1内での曝気工程の終了直前に余剰汚泥の引き抜きを行った。また、サイクルを通じて水温は20℃に制御した。処理が安定した後、1サイクルだけ異なる酢酸、グルコース、ペプトン濃度の人工下水を流入させてORP、pHの値を測定する応答実験を行った。応答実験は図3に示す9パターンの酢酸、グルコース、ペプトン濃度の人工下水について実施した。
【0015】
測定結果の一例として、発酵産物S=0、易分解性有機物S=320mg/L、遅分解性有機物X=0の人工下水が流入した場合における撹拌工程120分間のORP、pH電極データを図4に示す。
ORPは、サイクル開始から減少し続け、約30分で屈曲点が観察された。そして、その後も減少し続けた。サイクル開始時に2.8mg−N/L残存していた硝酸性窒素が30分後には既にゼロに達していた。このことから、その屈曲点は、脱窒終了に対応しているものと考えられる。そして、屈曲点以降の減少は、発酵に関係しているものと考えられる。
一方、pHは、ORP屈曲点と同時刻まで増加し、その後減少した。このpHの増減は、脱窒に伴うOHの生成、発酵に伴う有機酸の生成にそれぞれ関係しているものと考えられる。
したがって、撹拌工程におけるORPやpHの変化は、流入下水の有機物成分やその濃度の影響を受けることが実証された。
【0016】
ここで、ニューラルネットワークによる解析の基本的概念について説明する。
ORP、pH電極データから流入有機物成分濃度を逆推定するためのニューラルネットワークの概念を図5に示す。ニューラルネットワークはORP時系列データおよび/またはpH時系列データを入力する入力層と、中間層と、出力層を有し、教師データとして、入力層にはORP、pHの時系列データを、出力層には流入有機物成分濃度として発酵産物S、易分解性有機物Sおよび遅分解性有機物Xをそれぞれ与えて学習させる。重みや閾値が決定した後、未知のORP、pH時系列データを入力層に与えて想起させると、S、SおよびXを推定することが可能となる。
【0017】
次にニューラルネットワークの構造および学習方法について説明する。
入力層は、ORP時系列データおよび/またはpH時系列データとする。これらのデータのみでなく、温度、流入硝酸濃度等生物反応に影響を与える因子を入力層に追加することにより、より安定した解析が実施可能となる。
また、ORP時系列データおよび/またはpH時系列データは測定値をそのまま用いても、平均や標準化など何らかのデータ処理を行った形で用いてもよい。
中間層の層数、ニューロン数および伝達関数は適当なものを選択することにより、推定精度の向上や計算時間の短縮を図ることが可能となる。
学習は誤差逆伝播法により行うのが一般的であるが、この方法に限定されるものではなく、適宜よりよい方法を用いてもよい。
【0018】
ネットワーク構造の一例として、今回使用した構造を以下に説明する。ニューラルネットワークは、入力層のニューロンの数を80,中間層を80,出力層を3からなる三層構造とした。ORPおよびpH電極データは、サイクル開始直後から120分の間に1分間隔で測定した。このため、それぞれ120データずつあるが、それぞれを3分間隔での平均値を求め40データずつにした。この40データに対し、標準化関数として、以下の式を用いて標準化した。
=(P−Pmin)/(Pmax−Pmin
ここで、Zはサイクル時間tにおけるORPまたはpHを標準化した値、Pはサイクル時間tにおけるORPまたはpHの値、PmaxはORPまたはpHの最大値、PminはORPまたはpHの最小値である。
ORPの40データ、次いでpHの40データを入力層の80個のニューロンに順に布置した。このときの伝達関数として、中間層ではシグモイド関数、出力層では線形関数を使用した。このニューラルネットワークに、9ケースの教師データを与え、誤差逆伝播法により学習を行った。
【0019】
次に、想起結果について説明する。学習に用いた応答実験と同様の実験条件で処理が安定した後、1サイクルだけ異なる酢酸、グルコース、ペプトン濃度の人工下水を流入させてORP、pHの値を測定する応答実験を行った。この応答実験は、6パターンの人工下水について実施した。なお、この有機物成分は学習に用いた流入有機物成分とは異なる組成である。
ORP、pH時系列データを同様に平均および標準化処理して学習済みのニューラルネットワークの入力層に与えて想起させた結果を図6の表に示す。この実施例1において、人工下水の有機物成分は、易分解性有機物S、発酵産物S、遅分解性有機物Xである。図6からわかるように、推定値は作成濃度と同程度の数値を示し、本発明装置により有機物濃度を測定することができた。
【0020】
実施例2.
次に、廃水として実下水(実際の下水)を用いて上記と同様の実験装置、条件において実験を実施した。学習済みのニューラルネットワークに、ORP、pH時系列データを同様に平均および標準化処理して入力層に与えて想起させた。この際、同時に有機物成分濃度をGujerらの方法により測定した。本発明装置により推定した結果と、Gujerらの方法により測定した結果を図7の表に示す。
本発明装置の推定値は、Gujerらの方法により測定した結果と同程度の数値を示し、実下水においても本発明装置により有機物濃度を測定することができた。
【0021】
実施の形態2.
図8は流通式の循環式硝化脱窒処理を行う実プラントである。図8において、10は無酸素槽、11は好気槽、12は沈殿槽、13は沈殿槽12から無酸素槽10への汚泥返送管であり、14は好気槽11から無酸素槽10への循環配管であり、これらによって実下水を循環式硝化脱窒処理する構成としたものである。21は前記無酸素槽10内に配置された複数のORP電極および/またはpH電極であり、これらのORP電極および/またはpH電極21は前記無酸素槽10内で廃水の流れ方向に複数点設置されている。
この実施の形態2においても、上記実施の形態1の場合と同様に、前記ORP電極および/またはpH電極21による計測値を入力収集するデータ収集器3と、ニューラルネットワークにより前記データ収集器3から有機物成分濃度を予測する解析器4とを備えるものである。
【0022】
実施例3.
前記実施の形態2による実験を行った結果について、以下に説明する。
図8の循環式硝化脱窒法実プラントは、無酸素槽1140m、好気槽1720m、一日平均汚水量は6800m/dである。循環水量は流入水量の約1.5倍、返送汚泥量は同約0.5倍で運転されている。
このプラントの無酸素槽において流れ方向にORP電極およびpH電極21を4点ずつ設置した。ORP、pHの値を測定するのと同時に、有機物成分濃度をGujerらの方法により測定した。このORP、pHの測定およびGujerらの方法による有機物成分濃度の測定を25回実施した。
ここで、有機物成分は「微生物が直接摂取可能な有機物Ss(易分解性有機物Sと発酵産物Sの合算値)」、「遅分解性有機物X」の2種類とした。
ネットワークの構造は入力層のニューロン数を50,中間層1を50,中間層2を50,出力層を2からなる4層構造とした。入力層にはORP、pHの測定値を平均および標準化処理した値、水温、水量を布置し、出力層にGujerらの方法により測定した有機物濃度を与えた。このとき伝達関数として、中間層ではシグモイド関数、出力層では線形関数を使用した。このニューラルネットワークに20ケースのデータを与え、誤差逆伝播法により学習を行った。学習に使用しなかった残り5ケースのORP、pH測定値の平均および標準化処理した値、水温、水量を学習後のニューラルネットワークに与え、想起させた結果を図9に示す。
【0023】
以上のような実験を行った結果、ORP、pH電極データから微生物が直接摂取可能な有機物濃度および遅分解性有機物濃度をニューラルネットワークにより推定することができ、本発明装置により有機物濃度を測定することができた。
【0024】
なお、上述したように有機物成分として「微生物が直接摂取可能な有機物Ss(易分解性有機物Sと発酵産物Sの合算値)」、「遅分解性有機物X」の2種類とすることにより、より簡便に推定が可能となる。窒素除去においては、この2種類の有機物成分の把握により、処理水窒素濃度の予測が可能である。
【0025】
本発明装置では既存の下水処理場で常用されているpH、ORP電極のデータを用いることから、分析機器等が整備されていない下水処理場にも適用可能となる柔軟性や汎用性を有している。
【0026】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、従来のような酸素消費速度の測定を人為的作業で行う必要がなく、ニューラルネットワークを利用して廃水中の有機物濃度を自動測定することができるという効果がある。
また、自動測定が可能であるため、特定の技術者を要せず、維持管理も煩雑にならず、流入する廃水の水質を把握できるという効果がある。
さらに、本発明の有機物濃度測定装置を用いて、自動で有機物成分濃度を測定し、この測定データに基づき廃水処理施設の運転管理を無人、遠隔で自動制御することが可能になるという効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1による有機物濃度測定装置の基本的な構成を説明するためのフローシート図である。
【図2】本発明の有機物濃度測定装置の実験に適用した人工下水の成分および水質を示す表である。
【図3】本発明の実施例1において学習に使用した人工下水の有機物成分濃度を示す表である。
【図4】本発明の実施例1による有機物濃度測定装置の人工下水での実験におけるORP、pH時系列データを例示した図である。
【図5】本発明の有機物濃度測定装置に適用したニューラルネットワークの概念図である。
【図6】本発明の実施例1による有機物濃度測定装置の人工下水での実験により推定した有機物成分濃度と、作成した人工下水の有機物成分濃度を示す比較表である。
【図7】本発明の実施例2による有機物濃度測定装置の実下水での実験により推定した有機物成分濃度と、Gujerらの方法により測定した有機物成分濃度を示す比較表である。
【図8】本発明の実施の形態2による有機物濃度測定装置を設置した循環式硝化脱窒処理プラントを示すフローシート図である。
【図9】本発明の実施例3による有機物濃度測定装置の実下水での実験により推定した有機物成分濃度と、Gujerらの方法により測定した有機物成分濃度を示す比較表である。
【符号の説明】
1 生物反応槽
2 ORP(酸化還元電位計)、pH計
3 データ収集器
4 解析器(ニューラルネットワーク解析装置)
10 無酸素槽
11 好気槽
12 沈殿槽
13 汚泥返送管
14 循環配管
21 ORP計および/またはpH計
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic matter concentration measuring apparatus for measuring an organic matter concentration in wastewater.
[0002]
[Prior art]
With the recent strengthening of nitrogen and phosphorus regulations in public water areas, biological nitrogen and phosphorus removal processes have been provided in the treatment of wastewater such as sewage and industrial wastewater. For example, a circulation type nitrification denitrification method, an anaerobic / aerobic activated sludge method, an anaerobic / anoxic / aerobic method, and the like are known.
Here, in the biological nitrogen removal process, an organic substance is required as an electron donor for the denitrification process, and in the phosphorus removal process, as a PHA source for phosphorus accumulating bacteria.
Until now, the total amount of organic carbon and BOD have been used as indicators of the organic matter concentration. However, it has been reported that these indicators alone are insufficient to grasp the nitrogen / phosphorus removal performance.
[0003]
On the other hand, the activated water sludge mathematical model (hereinafter referred to as ASM) proposed by the task group of the International Water Association (IWA) introduces a concept that classifies BOD in more detail as a biodegradable organic substance. . That is, it is an easily decomposable organic substance S F , a fermentation product S A , and a slow decomposable organic substance X S. It has already been shown in practical use in Japan, especially in Europe, that it is possible to predict the concentration of nitrogen and phosphorus in treated water by grasping the properties of wastewater including these organic matter concentrations.
[0004]
A method of Guger et al. Is known as a method for measuring organic components. This method estimates the concentration of organic components from the respiration rate of microorganisms by batch experiments. For example, this method can be used when continuous measurement is not necessary, such as when measuring the daily average organic component concentration using a composite sample.
[0005]
The above prior art is a technique generally known to those skilled in the art, and does not relate to a known document invention.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method for measuring organic components by Guger et al. As described above, organic substances in wastewater are used for the purpose of performing unsteady control for the purpose of further improvement of processing performance such as removal of nitrogen and phosphorus at a stable high level and energy saving. When measuring the component concentration, it takes time and labor to measure, and therefore, the organic component measurement method by Guger et al. Is not suitable.
Further, in order to measure organic components by the method of Gujer et al., The oxygen consumption rate must be measured manually, and a certain amount of technology is required for the measurement / analysis. There is a problem that it is difficult to implement in a small-scale treatment plant where there is a shortage of workers.
Therefore, there is a demand for a measuring device that measures the concentration of organic components in wastewater with an easy device, but to date, no such measuring device has been proposed.
On the other hand, instead of measuring the concentration of organic components in wastewater, these concentrations are treated as parameters, and methods are being developed for determination using methods such as genetic algorithms and optimal regulator methods. However, these methods are not determined based on factors that are affected by the concentration of organic matter in wastewater, but are determined using mathematical methods, so parameters other than the concentration of organic matter components are biologically impossible values. In addition, there is a large influence on other parts, such as work for obtaining parameters for each season and each treatment plant.
[0007]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and does not require an artificial measurement / disassembly operation, and an organic substance that can automatically measure the concentration of organic components in wastewater using a neural network. An object is to provide a concentration measuring device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The organic substance concentration measuring apparatus according to the present invention includes an oxidation-reduction potentiometer that measures the oxidation-reduction potential of a biological reaction tank, a data collector that collects the measurement value of the oxidation-reduction potentiometer, and data from the data collector by a neural network. And an analyzer for predicting the organic substance concentration.
[0009]
The organic matter concentration measuring apparatus according to the present invention collects the redox potential meter that measures the redox potential of the biological reaction tank, the pH meter that measures the pH of the biological reaction tank, and the measured values of the redox potential meter and the pH meter. And an analyzer for predicting the organic substance concentration from the data of the data collector using a neural network.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a flowchart for explaining a basic configuration of an organic substance concentration measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a biological reaction tank. As the biological reaction tank 1, an anaerobic tank (a tank for anaerobically treating wastewater, and a phosphorus release tank in which phosphorus accumulating bacteria release phosphorus for ingestion of organic substances. ), An oxygen-free tank (such as a denitrification tank that denitrifies oxidized nitrogen by denitrifying bacteria), and an aeration tank. In addition, the present invention can be applied to a floating biological treatment tank, a fixed biological treatment tank, and a carrier input type biological treatment tank.
[0011]
Reference numeral 2 denotes an oxidation-reduction potentiometer that measures the oxidation-reduction potential in the biological reaction tank 1. An ORP electrode is used as the oxidation-reduction potentiometer 2. This ORP electrode measures the oxidation reduction potential in the biological reaction tank 1. Such an ORP electrode can be replaced with a pH electrode or shared with a pH electrode. The pH electrode measures a pH value in order to obtain an index indicating whether the inside of the biological reaction tank 1 is acidic or alkaline. These ORP electrodes and pH electrodes are permanently installed in a biological reaction tank at a sewage treatment plant, and largely depend on biological reactions, and the biological reactions depend on the quality and amount of wastewater. Therefore, it is possible to reversely estimate the quality and quantity of wastewater from the measurement data obtained by the ORP electrode and the pH electrode.
[0012]
Reference numeral 3 denotes a data collector that collects the measured value based on the oxidation-reduction potential 2, and reference numeral 4 denotes an analyzer (neural network analyzer) that predicts the organic component concentration from the data collector 3 using a neural network. Here, the neural network is an information processing method that simulates a human brain (neuron), and is particularly excellent in pattern recognition, and is used for so-called inverse estimation in which “cause” is predicted from “result”. Many.
[0013]
Therefore, in the organic matter concentration measuring apparatus according to the present invention, the measured value of the ORP electrode and / or the pH electrode is used as the “result”, and the organic component concentration of waste water is used as the “cause”. The analyzer 4 predicts the organic component concentration of wastewater based on the measurement data from the ORP electrode and / or pH electrode by learning parameters (weights, threshold values) in the neural network.
[0014]
Example 1.
The results of the experiment according to the first embodiment will be described below.
As the bioreactor 1 in FIG. 1, a batch-type bioreactor having an effective capacity of 100 L was used. As waste water, artificial sewage composed of acetic acid / glucose / peptone substrate shown in the table of FIG. 2 was used. On ASM, acetic acid is classified as a fermentation product S A , glucose is classified as a readily decomposable organic substance S F , and peptone is classified as a slowly decomposable organic substance X S. Artificial sewage was introduced at 25 L in the initial 60 minutes of the cycle. Including this inflow time, the anaerobic / aerobic operation was performed for a total of 360 minutes, including a stirring process of 120 minutes, an aeration process of 180 minutes, and a precipitation drainage process of 60 minutes. HRT is one day. In the aeration process, the dissolved oxygen concentration in the biological reaction tank was controlled to 2.5 mg / L.
SRT was set on the 20th, and excess sludge was extracted immediately before the end of the aeration process in the biological reaction tank 1. The water temperature was controlled at 20 ° C. throughout the cycle. After the treatment was stabilized, a response experiment was conducted in which artificial sewage having different acetic acid, glucose, and peptone concentrations was introduced for one cycle to measure the values of ORP and pH. The response experiment was carried out on nine patterns of artificial sewage with acetic acid, glucose and peptone concentrations shown in FIG.
[0015]
As an example of the measurement result, ORP and pH electrode data for a stirring process of 120 minutes when artificial sewage of fermentation product S A = 0, readily degradable organic substance S F = 320 mg / L, slow degradable organic substance X S = 0 flows in Is shown in FIG.
ORP continued to decrease from the start of the cycle and an inflection point was observed at about 30 minutes. After that, it continued to decrease. The nitrate nitrogen remaining at 2.8 mg-N / L at the start of the cycle had already reached zero after 30 minutes. From this, it is considered that the bending point corresponds to the end of denitrification. The decrease after the inflection point is considered to be related to fermentation.
On the other hand, the pH increased until the same time as the ORP inflection point and then decreased. This increase / decrease in pH is considered to be related to the production of OH accompanying denitrification and the production of organic acid accompanying fermentation.
Therefore, it was demonstrated that changes in ORP and pH in the stirring process are affected by the organic components and the concentration of inflowing sewage.
[0016]
Here, the basic concept of analysis using a neural network will be described.
FIG. 5 shows the concept of a neural network for inversely estimating the inflow organic substance component concentration from ORP and pH electrode data. The neural network has an input layer for inputting ORP time-series data and / or pH time-series data, an intermediate layer, and an output layer. As teacher data, ORP and pH time-series data are input to the input layer. Are learned by giving the fermentation product S A , the readily decomposable organic substance S F and the slow decomposable organic substance X S as the inflow organic substance component concentration. When the unknown ORP and pH time-series data are given to the input layer and recalled after the weights and thresholds are determined, S A , S F and X S can be estimated.
[0017]
Next, the structure of the neural network and the learning method will be described.
The input layer is ORP time series data and / or pH time series data. In addition to these data, by adding factors that affect biological reactions such as temperature and influent nitric acid concentration to the input layer, more stable analysis can be performed.
Further, the ORP time series data and / or pH time series data may be used as they are, or may be used in a form in which some data processing such as averaging or standardization is performed.
By selecting appropriate numbers of intermediate layers, neurons, and transfer functions, it is possible to improve estimation accuracy and shorten calculation time.
Learning is generally performed by the error back propagation method, but is not limited to this method, and a better method may be used as appropriate.
[0018]
As an example of the network structure, the structure used this time will be described below. The neural network has a three-layer structure in which the number of neurons in the input layer is 80, the intermediate layer is 80, and the output layer is 3. ORP and pH electrode data were measured at 1 minute intervals for 120 minutes immediately after the start of the cycle. For this reason, there are 120 data each, and an average value at intervals of 3 minutes was obtained for each 40 data. The 40 data were standardized using the following formula as a standardization function.
Z t = (P t -P min ) / (P max -P min)
Here, Z t is a value obtained by standardizing ORP or pH at cycle time t, P t is a value of ORP or pH at cycle time t, P max is a maximum value of ORP or pH, and P min is a minimum value of ORP or pH. It is.
ORP 40 data and then pH 40 data were placed in order on 80 neurons in the input layer. As the transfer function at this time, a sigmoid function was used in the intermediate layer, and a linear function was used in the output layer. Nine cases of teacher data were given to this neural network, and learning was performed by the error back propagation method.
[0019]
Next, the recall result will be described. After the treatment was stabilized under the same experimental conditions as the response experiment used for learning, a response experiment was conducted in which artificial sewage with different concentrations of acetic acid, glucose, and peptone was flowed in to measure the values of ORP and pH. This response experiment was conducted on 6 patterns of artificial sewage. In addition, this organic substance component is a composition different from the inflow organic substance component used for learning.
The table of FIG. 6 shows the results of recalling the ORP and pH time-series data similarly applied to the input layer of the learned neural network after being averaged and standardized. In Example 1, organic components of artificial sewage are readily decomposable organic matter S F , fermentation product S A , and slowly decomposable organic matter X S. As can be seen from FIG. 6, the estimated value showed a numerical value comparable to the preparation concentration, and the organic substance concentration could be measured by the apparatus of the present invention.
[0020]
Example 2
Next, an experiment was carried out using actual sewage (actual sewage) as waste water in the same experimental apparatus and conditions as described above. The learned neural network was recalled by applying the ORP and pH time-series data to the input layer after averaging and standardizing in the same manner. At this time, the organic component concentration was simultaneously measured by the method of Gujer et al. The results estimated by the device of the present invention and the results measured by the method of Gujer et al. Are shown in the table of FIG.
The estimated value of the device of the present invention was the same as the result measured by the method of Guger et al., And the organic substance concentration could be measured by the device of the present invention even in actual sewage.
[0021]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 8 shows an actual plant that performs a circulation type nitrification denitrification treatment. In FIG. 8, 10 is an anaerobic tank, 11 is an aerobic tank, 12 is a sedimentation tank, 13 is a sludge return pipe from the sedimentation tank 12 to the anoxic tank 10, and 14 is an anaerobic tank 10 from the aerobic tank 11. This is a circulation pipe to which the actual sewage is subjected to a circulation nitrification denitrification treatment. 21 is a plurality of ORP electrodes and / or pH electrodes arranged in the oxygen-free tank 10, and a plurality of these ORP electrodes and / or pH electrodes 21 are installed in the flow direction of waste water in the oxygen-free tank 10. Has been.
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the data collector 3 that inputs and collects measurement values by the ORP electrode and / or the pH electrode 21 and the data collector 3 by a neural network. And an analyzer 4 for predicting the organic component concentration.
[0022]
Example 3 FIG.
The results of the experiment according to the second embodiment will be described below.
Circulating nitrification denitrification actual plant in Fig. 8, anoxic tank 1140M 3, the aerobic tank 1720M 3, the average daily sewage volume is 6800m 3 / d. The circulating water volume is about 1.5 times the inflow water volume and the return sludge volume is about 0.5 times the same.
In the oxygen-free tank of this plant, four ORP electrodes and four pH electrodes 21 were installed in the flow direction. Simultaneously with measuring the values of ORP and pH, the organic component concentration was measured by the method of Gujer et al. This ORP, pH measurement, and organic component concentration measurement by the method of Gujer et al. Were carried out 25 times.
Here, organic components "(sum of easily decomposable organic matter S F and fermentation products S A) microorganisms directly ingestible organic Ss" were two types of "slow degradable organic substances X S".
The network structure is a four-layer structure in which the number of neurons in the input layer is 50, the intermediate layer 1 is 50, the intermediate layer 2 is 50, and the output layer is 2. The values obtained by averaging and standardizing the measured values of ORP and pH, the water temperature, and the amount of water were placed in the input layer, and the organic substance concentration measured by the method of Gujar et al. Was given to the output layer. At this time, as a transfer function, a sigmoid function was used in the intermediate layer, and a linear function was used in the output layer. 20 cases of data were given to this neural network, and learning was performed by the error back propagation method. FIG. 9 shows the results of recalling the ORP, the average of the pH measurement values, the standardized value, the water temperature, and the water amount of the remaining five cases not used for learning to the neural network after learning.
[0023]
As a result of the above experiments, it is possible to estimate the organic substance concentration and slow-decomposable organic substance concentration that can be ingested directly by the microorganism from the ORP and pH electrode data, and measure the organic substance concentration with the device of the present invention. I was able to.
[0024]
Incidentally, "(sum of the easily degradable organic substances S F fermentation product S A) microorganisms directly ingestible organic Ss" as organic component as described above, be a two "slow degradable organic substances X S" Thus, estimation can be performed more easily. In nitrogen removal, the concentration of treated water nitrogen can be predicted by grasping these two types of organic components.
[0025]
Since the apparatus of the present invention uses pH and ORP electrode data that are commonly used in existing sewage treatment plants, it has flexibility and versatility that can be applied to sewage treatment plants that do not have analytical equipment. ing.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is not necessary to manually measure the oxygen consumption rate as in the prior art, and it is possible to automatically measure the concentration of organic substances in wastewater using a neural network. There is.
In addition, since automatic measurement is possible, there is an effect that a specific engineer is not required, maintenance is not complicated, and the quality of the influent wastewater can be grasped.
Furthermore, the organic substance concentration measuring apparatus of the present invention is used to automatically measure the concentration of organic substance components, and it is expected that the operation management of the wastewater treatment facility can be automatically and remotely controlled based on this measurement data. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flow sheet for explaining a basic configuration of an organic substance concentration measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a table showing components and water quality of artificial sewage applied to an experiment of an organic matter concentration measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a table showing organic component concentrations of artificial sewage used for learning in Example 1 of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating ORP and pH time-series data in an experiment with artificial sewage performed by the organic substance concentration measurement apparatus according to Example 1 of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram of a neural network applied to the organic matter concentration measuring apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a comparison table showing the organic substance component concentration estimated by the experiment with artificial sewage of the organic substance concentration measuring apparatus according to Example 1 of the present invention and the organic substance component concentration of the created artificial sewage.
FIG. 7 is a comparison table showing the organic component concentration estimated by an experiment in actual sewage of the organic concentration measuring apparatus according to Example 2 of the present invention and the organic component concentration measured by the method of Gujer et al.
FIG. 8 is a flow sheet diagram showing a circulation type nitrification denitrification treatment plant in which an organic substance concentration measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention is installed.
FIG. 9 is a comparative table showing the organic component concentration estimated by an experiment in actual sewage of the organic concentration measuring apparatus according to Example 3 of the present invention and the organic component concentration measured by the method of Gujar et al.
[Explanation of symbols]
1 biological reaction tank 2 ORP (redox potential meter), pH meter 3 data collector 4 analyzer (neural network analyzer)
10 Anoxic tank 11 Aerobic tank 12 Sedimentation tank 13 Sludge return pipe 14 Circulation pipe 21 ORP meter and / or pH meter

Claims (2)

生物反応槽の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計と、
酸化還元電位計の計測値を収集するデータ収集器と、
ニューラルネットワークによりデータ収集器のデータから有機物濃度を予測する解析器と
を備えたことを特徴とする有機物濃度測定装置。
An oxidation-reduction potentiometer that measures the oxidation-reduction potential of the biological reaction tank;
A data collector for collecting the measured values of the oxidation-reduction potentiometer;
An organic matter concentration measuring apparatus comprising: an analyzer for predicting an organic matter concentration from data of a data collector by a neural network.
生物反応槽の酸化還元電位を計測する酸化還元電位計と、
生物反応槽のpHを計測するpH計と、
酸化還元電位計およびpH計の計測値を収集するデータ収集器と、
ニューラルネットワークによりデータ収集器のデータから有機物濃度を予測する解析器と
を備えたことを特徴とする有機物濃度測定装置。
An oxidation-reduction potentiometer that measures the oxidation-reduction potential of the biological reaction tank;
A pH meter for measuring the pH of the biological reaction tank;
A data collector for collecting the measured values of the oxidation-reduction potentiometer and the pH meter;
An organic matter concentration measuring apparatus comprising: an analyzer for predicting an organic matter concentration from data of a data collector by a neural network.
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