JP2006315004A

JP2006315004A - 下水処理場水質制御装置

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Publication number: JP2006315004A
Application number: JP2006216932A
Authority: JP
Inventors: Takumi Obara; 原卓巳小; Masahiko Tsutsumi; 正彦堤; Osamu Yamanaka; 中理山; Tadao Motoki; 木唯夫本; Yoshihiro Shibamoto; 本吉広柴; Yukio Hatsuka; 鹿行雄初
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】窒素成分またはリン成分を効率的に除去できる下水処理場水質制御装置を提供する。
【解決手段】下水処理場水質制御装置１は、好気槽１２と、好気槽１２の前段に設けられ、被処理水３の流量を計測する流量計４と、好気槽１２の前段に設けられ、被処理水３中の特定物質の濃度を計測する前段水質計５とを備えている。
流量計４と前段水質計５には、流量計４と前段水質計５とからの情報に基づいて汚濁負荷量を算出する負荷量演算部６が接続されている。汚濁負荷量の基準値を設定する基準設定部７には、負荷量演算部６からの汚濁負荷量の値と基準設定部７からの汚濁負荷量の基準値との偏差に基づいて曝気装置９を制御する制御部８が接続されている。制御部８には、好気槽１２内を曝気する曝気装置９が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、生物学的硝化脱窒反応、生物学的脱リン反応および凝集剤添加による脱リン反応を用いた下水処理場水質制御装置に係り、とりわけ窒素成分またはリン成分を効率的に除去することができる下水処理場水質制御装置に関する。

近年、湖沼、湾等で富栄養化が進行しており、これら富栄養化の原因物質である窒素およびリンの抑制する必要が生じている。従来の下水処理場において、活性汚泥法と呼ばれるプロセスにより有機物除去が行なわれているが、湖沼、湾等で富栄養化の進行から窒素およびリンの除去も行う高度処理の要求が増大している。

図１１は、従来の窒素およびリンの除去を行う高度処理プロセスを示している。

図１１において、従来の高度処理プロセスは、配水管ａから被処理水３が流入する最初沈殿池２と、配水管ｂを介して最初沈殿池２に接続された嫌気槽１０と、嫌気槽１０に接続された無酸素槽１１とを備えている。無酸素槽１１には、好気槽１２が接続され、好気槽１２には、配水管ｃを介して最終沈殿池１３が接続されている。最終沈殿池１３には、処理水が流出する配水管ｆが接続され、好気槽１２と無酸素槽１１との間には配水管ｄを介して循環ポンプ１４が接続されている。また好気槽１２と嫌気槽１０との間には配水管ｅを介して返送ポンプ１５が接続されている。好気槽１２には、曝気装置９が設けられ、さらに配管ｇを介して凝集剤注入ポンプ１６が接続されている。

このような従来の高度処理プロセスには、凝集剤注入嫌気−無酸素−好気法（凝集剤注入Ａ_２Ｏ法）と呼ばれるプロセスが用いられている。

まず、従来の高度処理プロセスにおけるリンの除去方法を説明する。

凝集剤注入Ａ_２Ｏ法においてリン除去は次のようなプロセスで行われる。

曝気槽１２の前段に配置された嫌気槽１０おいて、活性汚泥中のリン蓄積細菌はリン酸（ＰＯ₄）を放出する。この過剰放出したリン酸態のリンを嫌気槽１０の後段に配置された好気槽１２においてリン蓄積細菌のリン過剰摂取作用を利用して、嫌気槽１０で放出された以上のリン酸態のリンを活性汚泥に吸収させることによりリン除去を行う。

このような生物学的リン除去に加え、ポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウムおよび硫酸鉄等の凝集剤を注入してリン酸アルミニウムやリン酸鉄の形でリン成分を沈殿させることによりリンを除去する。

次に従来の高度処理プロセスにおける窒素の除去方法を説明する。

好気槽１２において、アンモニア性窒素（ＮＨ_４-Ｎ）は硝化菌の働きにより、亜硝酸性窒素（ＮＯ_２-Ｎ）と硝酸性窒素（ＮＯ_３-Ｎ）に酸化される。次に循環ポンプ１４により無酸素槽１１に送り込まれた亜硝酸性窒素（ＮＯ_２-Ｎ）と硝酸性窒素（ＮＯ_３-Ｎ）は、無酸素条件下で脱窒細菌による硝酸性呼吸あるいは亜硝酸性呼吸により、窒素ガス（Ｎ₂）へと還元され、系外に除去される。

次に従来の下水処理場水質制御装置について説明する。

図１２は、従来の下水処理場水質制御装置を示している。

図１２に示すように、従来の下水処理場水質制御装置１は、配水管ａを介して被処理水３が流入する曝気槽１００と、曝気槽１００内の曝気量を調整する曝気装置１０３と、配水管ｃを介して処理水が流出する最終沈殿池１０１とを備えている。また曝気槽１００と最終沈殿池１０１の間には、返送ポンプ１０４が配置され、曝気槽１００には、アンモニア性窒素濃度計１０５が取付けられている。

曝気装置１０３には、信号線１０２ａを介して、曝気装置１０３を制御する制御装置１０２が接続され、制御装置１０２には、信号線１０６ａを介して制御目標値を設定する制御目標値設定器１０６が接続されている。アンモニア性窒素濃度計１０５には、信号線１０５ａを介して制御装置１０２が接続されている。

図１２において、制御装置１０２はアンモニア性窒素濃度計１０５からのアンモニア窒素濃度の値と制御目標値設定器１０６からの制御目標値との偏差に基づいて、曝気槽１００内のアンモニア性窒素濃度を一定に保つよう、曝気装置１０３を制御している

図１２に示す従来の下水処理場水質制御装置１において、制御装置１０２は硝化処理後の被処理水３のアンモニア性窒素濃度に基づいて、曝気装置１０３を制御し、曝気装置１０３は曝気槽１００への曝気量を調整している。しかしながら、下水処理場水質制御装置１に流入する被処理水３の量は大きく変動する一方で、曝気槽１００における硝化菌による硝化速度は比較的遅い。このため制御装置１０２は、硝化処理後のアンモニア性窒素濃度計１０５の値のみを利用して、曝気装置１０３を制御し、曝気装置１０３は、曝気槽１００の曝気量を調整するのでは、下水処理場水質制御装置１に流入する被処理水３の量が大きい場合には曝気槽１００内の曝気量が不足し、被処理水３の量が小さい場合には曝気槽１００内の曝気量が過剰となる。

また下水処理場水質制御装置１に流入する被処理水３の量が大きい場合、制御目標設定器１０６において設定したアンモニア濃度目標値に達するまで、曝気槽１００内の被処理水３が硝化反応を起こさない場合がある。したがって、曝気装置１０３の曝気量が最大値に達しているが、アンモニア濃度目標値に達していない状態が継続し、曝気装置１０３による過剰な曝気となることから、無駄なコストになる。さらに、曝気装置１０３による過剰な曝気により、汚泥フロックが破砕し、最終沈殿池１０１で汚泥浮上し、この汚泥が流出するという問題も生じている。

また下水処理場にとりつけられたアンモニア性窒素濃度計、硝酸性窒素濃度計、全窒素濃度計等の窒素成分濃度計、およびリン濃度計、全リン計等のリン成分濃度計は、被処理水３中の浮遊成分により汚れ等が付着しやすく、異常値を示すことが多いことから、制御用のセンサとしては不安定かつ低精度で利用困難である。さらに被処理水３をサンプリング管によりサンプリングし、その後サンプリングした被処理水３をろ過し、ろ過された被処理水３を、上記の濃度計で計測する場合でも、サンプリング管が詰まる等のメンテナンス上の問題が生じている。

曝気槽１００において、ポリ塩化アルミニウム等の凝集剤の注入なしには、リン除去が難しくなっているが、凝集剤の過注入による高コスト化及び処理水へのポリ塩化アルミニウム等の流出が問題となっている。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、曝気装置による曝気量を常に最適な量に調整し、コストの低減を図ることができる下水処理場水質制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、流入する汚濁水を処理する下水処理場に設置された下水処理場水質制御装置において、好気槽と、好気槽の前段に設けられ、汚濁水の流量を計測する流量計と、好気槽の前段に設けられ、汚濁水中の水質を計測する前段水質計と、流量計と前段水質計とからの情報に基づいて汚濁負荷量を算出する負荷量演算部と、汚濁負荷量の基準値を設定する基準設定部と、好気槽内を曝気する曝気装置と、
負荷量演算部からの汚濁負荷量の値と基準設定部からの汚濁負荷量の基準値との偏差に基づいて曝気装置を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする下水処理場水質制御装置である。

本発明によれば、曝気装置による曝気量を常に最適な量に調整し、コストの低減を図ることができる。

本発明は、流入する被処理水を処理する下水処理場に設置された下水処理場水質制御装置において、好気槽と、好気槽の前段に設けられ、被処理水の流量を計測する流量計と、被処理水に対する外部環境の変化により定まる水質と時間との関係のパターンが予め設定され、この設定されたパターンから現在の外部環境に最も近似したパターンを選択し、選択したパターンに基づいて水質と時間の関数を算出する水質予測部と、水質予測部からの関数に基づいて定められた当該時間に対応する水質を算出する水質算出部と、水質からの関数に基づいて定められた当該時間に対応する水質の値と流量計からの流量の値に基づいて、汚濁負荷量を算出する負荷量演算部と、汚濁負荷量の基準値を設定する基準設定部と、好気槽内に凝集剤を注入する凝集剤注入装置と、負荷量演算部からの汚濁負荷量の値と基準設定部からの汚濁負荷量の基準値との偏差に基づいて凝集剤注入装置を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする下水処理場水質制御装置である。

本発明によれば、凝集剤の注入量を最適な量に調整することができ、コストの低減を図ることができる。また、水質計を使用することなく、制御部は、凝集剤注入装置の制御を行なうことから、水質計の付着物の問題を解消でき、下水処理場水質制御装置の信頼性を向上させることができる。

本発明は、流入する被処理水を処理する下水処理場に設置された下水処理場水質制御装置において、好気槽と、好気槽の前段に設けられ、被処理水の流量を計測する流量計と、好気槽の前段に設けられ、被処理水中の特定物質の濃度を計測する前段水質計と、好気槽の後段に設けられ、被処理水中の特定物質の濃度を計測する後段水質計と、流量計と前段水質計とからの情報に基づいて汚濁負荷量を算出する負荷量演算部と、汚濁負荷量の基準値を設定する基準設定部と、汚濁負荷量と被処理水の目標水質との間の関数を設定する目標関数設定部と、目標関数設定部で設定された関数と負荷量演算部からの汚濁負荷量の値に基づいて制御目標値を算出する制御目標演算部と、好気槽内を曝気する曝気装置と、制御目標演算部で算出された制御目標値と後段水質計からの水質の値との偏差に基づいて曝気装置を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする下水処理場水質制御装置である。

本発明によれば、汚濁負荷量が大きく変動した場合に、必要以上の曝気をすることなく曝気装置を制御できることから、コストの低減を図ることができる。

本発明によれば、曝気装置による曝気量を常に最適な量に調整し、また凝集剤の注入量を最適な量に調整することができる。さらに汚濁負荷量が大きく変動した場合に、必要以上の曝気をすることなく曝気装置を制御できることから、コストの低減を図ることができる。また、水質計を使用することなく、制御部は、凝集剤注入装置の制御を行なうことから、水質計の付着物の問題を解消でき、下水処理場水質制御装置の信頼性を向上させることができる。

第１の実施の形態
以下、図１および図２を参照して本発明による下水処理場水質制御装置の第１の実施の形態について説明する。

図１は、本発明による下水処理場水質制御装置の第１の実施の形態を示す図である。

図１に示すように、本発明による下水処理場水質制御装置１は、被処理水３が配水管ａを経て流入する最初沈殿池２と、最初沈殿池２に配水管ｂを介して接続された嫌気槽１０と、嫌気槽１０に接続された無酸素槽１１と、無酸素槽１１に接続された好気槽１２と、好気槽１２には配水管ｃを介して接続された最終沈殿池１３とを備えている。このうち最初沈殿池２と嫌気槽１０の間に設けられた配水管ｂには、被処理水３の流量を計測する流量計４と、被処理水３中の特定物質の濃度を計測する前段水質計５が取付けられている。前段水質計５としては、アンモニア濃度計が用いられているが、窒素成分濃度計またはリン成分濃度計を用いられてもよい。

また、窒素成分濃度計としては、アンモニア性窒素濃度計または全窒素濃度計のいずれを用いてもよい。

さらに、好気槽１２には、好気槽１２内を曝気する曝気装置９が設置されている。

好気槽１２と無酸素槽１１とは、循環ポンプが配置１４が取付けられた配水管ｄにより連結されている。また最終沈殿池１３と嫌気槽１０とは返送ポンプ１５が取付けられた配水管ｅにより連結されている。また好気槽１２には、配管ｇを介して凝集剤注入装置１６が接続されている。

流量計４と前段水質計５には、流量計４と前段水質計５からの情報に基づいて汚濁負荷量を算出する負荷量演算部６が信号線４ａ、５ａを介して接続されている。

また負荷量演算部６には、信号線６ａを介して曝気装置９を制御する制御部８が接続され、制御部８には、信号線７ａを介して汚濁負荷量の基準値を設定する基準設定部７が接続されている。また制御部８は、信号線８ａを介して曝気装置９に接続され、この制御部８により曝気装置９の曝気量を制御するようになっている。制御部８には、好気槽１２に炭素源を投入する炭素源投入装置３１と、好気槽１２から余剰汚泥を引抜する余剰汚泥引抜装置３０が接続されている。

また、制御部８には、循環ポンプ１４、返送ポンプ１５、凝集剤注入装置１６、余剰汚泥引抜装置３０および炭素源投入装置３１とは、信号線８ａを介して各々接続されている。

次にこのような構成からなる実施の形態の作用について説明する。

図１に示すように被処理水３は、配水管ａを介して最初沈殿池２に流入し、その後最初沈殿池２から配水管ｂを介して、嫌気槽１０に流出する。嫌気槽１０で処理された被処理水３は、無酸素槽１１に流出し、無酸素槽１１において無酸素処理された後、好気槽１２に流出する。

また、好気槽１２内の被処理水３に対して曝気装置９からの曝気が行なわれて被処理水３は好気処理される。好気槽１２内の被処理水３は、次に最終沈殿池１３へ流入し、この最終沈殿池１３内において沈殿処理がされる。最終沈殿池１３内の被処理水３は、処理水となって配水管ｆにより外部へ排出される。さらに好気槽１２内の汚泥は循環装置１４により無酸素槽１１へ戻される。また、最終沈殿池１３内の汚泥は返送装置１５により嫌気槽１０内へ戻される。

この間、配水管ｂに設けられた流量計４は、配水管ｂ中を流れる被処理水３の流量を計測し、その計測信号を信号線４ａを介して負荷量演算部６に送信する。

また、配水管ｂに設けられたアンモニア濃度計５は、配水管ｂ中を流れる被処理水３中のアンモニア濃度を計測し、その計測信号を信号線５ａを介して負荷量演算部６に送信する。

負荷量演算部６は、流量計４からの計測信号とアンモニア濃度計５からの計測信号に基づいて、下記の（１．１）の演算を行ない、汚濁負荷量の算出を行なう。負荷量演算部６は算出した汚濁負荷量を信号線６ａを介して制御部８に送信する。
Ｐ_{ＮＨ４ｉｎ}＝Ｑｉｎ・Ｃ_{ＮＨ４ｉｎ} 式（１．１）

なお式（１．１）における各記号を以下のように設定する。
Ｐ_{ＮＨ４ｉｎ}：汚濁負荷量
Ｑｉｎ：流量計４からの被処理水３の流量
Ｃ_{ＮＨ４ｉｎ}：アンモニア濃度計５からの被処理水３のアンモニア濃度

基準設定部７には、アンモニアの平均濃度と被処理水の平均流量が入力され、基準設定部７は、入力されたアンモニアの平均濃度と被処理水の平均流量に基づいて、下記の（１．２）の演算を行ない、汚濁負荷量の基準値を算出する。基準設定部７は、算出した汚濁負荷量の基準値を信号線７ａを介して制御部８に送信する。
Ｐ _{ＮＨ４ｉｎ}＝Ｑａｖｅ_ｉｎ・Ｃａｖｅ_{ＮＨ４ｉｎ} 式（１．２）

なお、式（１．２）における各記号を以下のように設定する。
Ｐ _{ＮＨ４ｉｎ}：汚濁負荷量の基準値
Ｑａｖｅ_ｉｎ：被処理水３の平均流量
Ｃａｖｅ_{ＮＨ４ｉｎ}：被処理水３のアンモニアの平均濃度

制御部８は、負荷量演算部６からの汚濁負荷量と基準設定部７からの汚濁負荷量の基準値の偏差に基づいて、下記の（１．３）の演算を行ない、曝気装置９の曝気量目標値を算出する。制御部８は、算出した曝気量目標値を信号線８ａを介して、曝気装置９に送信し、曝気装置９は、曝気量目標値で好気槽１２内を曝気する。
Ｑａｉｒ＝Ｑ_０＋Ｋｐ(Ｐ_{ＮＨ４ｉｎ}−Ｐ _{ＮＨ４ｉｎ}) 式（１．３）

なお、式（１．３）における各記号を以下のように設定する。
Ｋｐ：比例定数
Ｑ_０：定数（平均汚濁負荷時に必要とされる曝気量）
定数Ｑ_０として、平均汚濁負荷時に必要とされる曝気量の値が予め制御部８に設定されているが、空気倍率一定制御または、ＤＯ一定制御による演算値が設定されていてもよい。また、比例定数Ｋｐは予め制御部８に設定されているが、制御部８において、自由に設定変更が可能なようになっている。

以上説明したように本実施の形態によれば、配水管ｂに流量計４および前段水質計５を取付けたことにより、汚濁負荷量の演算の精度を向上させることができる。また汚濁負荷量の基準値として、被処理水３の特定物質の平均濃度に被処理水３の平均流量を乗じた値である平均汚濁負荷量を用いていることから、過不足なく硝化反応に必要な曝気量を好気槽１２に送ることができる。さらに設定定数としてＫｐとＱ_０の２つのパラメータのみを用いていることから、パラメータの調整が容易である。

次に本発明の変形例について説明する。
（１）負荷量演算部６は、流量計４からの被処理水３の流量に基づいて汚濁負荷量を算出しているが、循環装置１４または返送装置１５の水位計からの水位値に基づいてＱ−Ｈ曲線を算出し、このＱ−Ｈ曲線により、被処理水３の流量を算出してもよい。
（２）制御部８は曝気装置９を負荷量演算部６からの汚濁負荷量の値と基準設定部７からの汚濁負荷量の基準値との偏差に基づいて制御しているが、返送装置１５、余剰汚泥引抜装置３０、循環装置１４、凝集剤注入装置１６および炭素源投入装置３１のうち少なくとも一つを、負荷量演算部６からの汚濁負荷量の値と基準設定部７からの汚濁負荷量の基準値との偏差に基づいて制御してもよい。
（３）制御部８は、負荷量演算部６からの汚濁負荷量と基準設定部７からの汚濁負荷量の基準値の偏差に基づいて、上記の（１．３）の演算を行ない、曝気装置９の曝気量目標値を算出しているが、被処理水３の汚濁負荷量が演算される時点と被処理水３が好気槽１２に流入するまでの時間遅れΔｔを考慮した下記の（１．４）の演算を行い、曝気装置９の曝気量目標値を算出してもよい。
Ｑａｉｒ,ｔ＝Ｑ_０,ｔ＋Ｋｐ(Ｐ_{ＮＨ４ｉｎ.ｔ-△ｔ}-Ｐ _{ＮＨ４ｉｎ}) 式（１．４）

なお、式（１．４）における各記号を以下のように設定する。
Ｑａｉｒ,ｔ：時間ｔにおける曝気量目標値
Ｐ_{ＮＨ４ｉｎ.ｔ-△ｔ}：時間（ｔ−△ｔ）における汚濁負荷量
△ｔ：時間遅れ
時間遅れΔｔは、予め制御部８に設定されているが、制御部８において自由に設定変更できるようになっている。

（４）負荷量演算部６は、被処理水３のアンモニ濃度を、アンモニア濃度計５にからの計測値を用いて汚濁負荷量を算出しているが、ＵＶ計、濁度計、ＣＯＤ計，ＢＯＤ計および流量計４により計測された値と予め負荷量演算部６に設定されたアンモニア濃度との相関関係から被処理水３のアンモニア濃度を算出し、算出されたアンモニア濃度を用いて汚濁負荷量を算出してもよい。

前段水質計５として、リン濃度計が用いられ、リン濃度計により被処理水のリン濃度を計測する代わりに、ＵＶ計にからのＵＶ値とリン濃度との相関関係により、負荷量演算部６がリン濃度を算出する方法を図２により説明する。

図２は、ＵＶ値と被処理水のリン濃度との関係を示す図である。

図２において、各プロットは予め被処理水３をサンプリングし、各サンプリングについて、計測を行ないグラフ上にプロットしたものである。さらに相関式（ｙ＝０．１６９ｘ−３．６１、Ｒ^２＝０．７５５４）は、図２の各プロットに基づいて、算出された相関式である。

なおＵＶ値はＣ＝Ｃ（炭素）の２重結合部分の数により増減し、この２重結合部分とリン濃度の比が約一定であることから、算出された相関式において、リン濃度とＵＶ値は高い相関関係を示している。

このように算出された相関式は負荷量演算部６に予め設定され、負荷量演算部６は、リン濃度計からの計測値の代わりに、設定された相関式に基づいて、ＵＶ計からのＵＶ値を用いて、リン濃度を算出する。

さらに、上述の算出方法では、ＵＶ値とリン濃度の単相関係を用いているが下水処理場の窒素成分またはリン成分濃度のデータと他の２つ以上の水質計または流量計からの値との重相関係より、下記の（１．５）の演算式により、被処理水３の窒素成分またはリン成分濃度を求めてもよい。
Ｃ_{ＮｏｒＰｉｎ}＝ａ_１Ｃ_１＋ａ_２Ｃ_２＋・・・・＋ｂ式（１．５）

なお、式（１．５）における各記号を以下のように設定する。
Ｃ_{ＮｏｒＰｉｎ}：被処理水３の窒素成分濃度またはリン成分濃度
ａ_１，ａ_２・・・：定数
ｂ：定数
Ｃ_１、Ｃ_２・・・：窒素成分またはリン成分濃度計以外の水質計からの値
以上のように、リン成分濃度、窒素成分濃度計が設置されていない下水処理場または、リン成分濃度、窒素成分濃度計が設置されているが異常値を示すことが多い下水処理場において、他のオンラインセンサが取り付けられていれば、リン成分濃度および窒素成分濃度計の代わりに、他のオンラインセンサの計測値を利用して、負荷量演算部６は、リン濃度および窒素成分濃度を算出することができる。

（５）対象プロセスとしては、以下に記載するプロセスのいずれに使用してもよい。また、担体投入、凝集剤併用型のプロセスまたは、ＡＯＡＯ法等、各種Ａ_２Ｏ法の変法いずれに使用してもよい。
１）標準活性汚泥法
２）Ａ_２Ｏ法（嫌気−無酸素−好気法）
３）ＡＯ法（嫌気−好気法）
４）硝化内生脱窒法
５）循環式硝化脱窒法
６）ＯＤ法
７）ステップ注入法
８）回分式活性汚泥法
９）間欠曝気法
１０）担体投入型活性汚泥法
１１）担体投入Ａ_２Ｏ法
１２）担体投入ＡＯ法
１３）担体投入硝化内生脱窒法
１４）担体投入循環式硝化脱窒法
１５）担体投入ＯＤ法
１６）担体投入ステップ注入法
１７）担体投入回分式活性汚泥法
１８）担体投入間欠曝気法
１９）凝集剤注入型活性汚泥法
２０）凝集剤注入Ａ_２Ｏ法
２１）凝集剤注入ＡＯ法
２２）凝集剤注入硝化内生脱窒法
２３）凝集剤注入循環式硝化脱窒法
２４）凝集剤注入ＯＤ法
２５）凝集剤注入ステップ注入法
２６）凝集剤注入回分式活性汚泥法
２７）凝集剤注入間欠曝気法
２８）膜分離型活性汚泥法
２９）膜分離型Ａ_２Ｏ法
３０）膜分離型ＡＯ法
３１）膜分離型硝化内生脱窒法
３２）膜分離型循環式硝化脱窒法
３３）膜分離型ＯＤ法
３４）膜分離型ステップ注入法
３５）膜分離型回分式活性汚泥法
３６）膜分離型間欠曝気法

第２の実施の形態
次に図３乃至図６により本発明の第２の実施の形態について説明する。

図３は、本発明の第２の実施の形態を示している。

図３に示す、第２の実施の形態は、前段水質計５を削除するとともに、被処理水３に対する外部環境の変化により定まる水質と時間との関係のパターンが格納された水質データベース１７と、水質データベース１７に信号線１７ａを介して接続され、水質データベース１７に設定されたパターンから現在の外部環境に最も近似したパターンを選択し、選択したパターンに基づいて水質と時間の関数を算出する水質予測部１８と、水質予測部１８に信号線１８ａを介して接続され、水質予測部１８からの水質と時間の関数に基づいて当該時間に対応する水質を算出する水質算出部１９とを備えたものである。

図３において、他の構成は図１に示す第１の実施の形態と略同一である。図３において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を符して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、水質データベース１７には、対象となる下水処理場に流入する被処理水３の通日水質試験等から得られる外部環境（日付、曜日、天候、季節、降雨開始時間、降雨量等）（図４（Ａ））により定まる水質と時間との関係パターン（図４（Ｂ））が格納されている。

ここで図４（Ａ）（Ｂ）における縦軸は、リン濃度（ｍｇ／Ｌ）を示し、横軸は時刻を示している。

また制御部８には、配管ｇを介して好気槽１２内に凝集剤を注入する凝集剤注入装置１６が接続されている。

水質予測部１８に、現在の外部環境が入力されると、水質予測部１８は、信号線１７ａを介して水質データベース１７に設定されたパターンから現在の外部環境に最も近似したパターンを選択する。

水質予測部１８は、選択した水質と時間との関係パターン（図４（Ｂ））における欠測値を直線及び曲線により補間（図５）することにより、水質と時間の関数（２．１）を算出する。ここで、図５における縦軸はリン濃度（ｍｇ／Ｌ）を示し、横軸は時刻を示している。また、上述したように水質と時間の関数（２．１）は、水質予測部１８により算出されているが、水質予測部１８において、水質と時間の関数（２．１）は、自由に設定変更ができるようになっている。
Ｃ_Ｔ−Ｐ＝Ｇ（ｔ）式（２．１）

なお式（２．１）における各記号を以下のように設定する。
Ｃ_Ｔ−Ｐ：リン濃度
ｔ：時間
Ｇ（ｔ）：水質と時間の関数

水質予測部１８において算出された水質と時間の関数（２．１）は信号線１８ａを介して水質算出部１９に送られ、水質算出部１９は、水質予測部１８からの水質と時間の関数（２．１）に基づいて当該時間ｔに対応するリン濃度を算出し、算出されたリン濃度を負荷量演算部６に信号線１９ａを介して送信する。

負荷量演算部６は、算出されたリン濃度と流量計４からの流量の値に基づいて、下記の（２．２）の演算式により汚濁負荷量を算出する。
Ｐ_{Ｔ−Ｐｉｎ}＝Ｑｉｎ・Ｃ'_{Ｔ−Ｐｉｎ} 式（２．２）

なお式（２．２）における各記号を以下のように設定する。
Ｐ_{Ｔ−Ｐｉｎ}：汚濁負荷量
Ｑｉｎ：流量計からの流量
Ｃ´_{Ｔ−Ｐｉｎ}：時間ｔに対応するリン濃度

負荷量演算部６において算出された汚濁負荷量は、信号線６ａを介して制御部８に送信される。

基準設定部７には、予め汚濁負荷量の基準値が設定されている。また汚濁負荷量の基準値としては、好気槽１２内に凝集剤を注入することなく、所定のリン濃度の目標値を達成できる汚濁負荷量の閾値が下記の（２．３）の演算式により設定されている。
Ｐ _{Ｔ−Ｐｉｎ}＝Ｐ_{Ｐ０４ｔｈ} 式（２．３）

なお式（２．３）における各記号を以下のように設定する。
Ｐ _{Ｔ−Ｐｉｎ}：汚濁負荷量の基準値
Ｐ_{Ｐ０４ｔｈ}：汚濁負荷量の閾値

基準設定部７は、汚濁負荷量の閾値をＩＡＷＱ活性汚泥モデルの理論的モデルを用いたシミュレーションにより、汚濁負荷量と汚濁負荷量の閾値の関係（図６）を算出し、この関係に基づいて汚濁負荷量の閾値を算出してもよい。

図６において、縦軸は汚濁負荷量の閾値を示し、横軸は汚濁負荷量を示している。

基準設定部７は、設定された汚濁負荷量の基準値を信号線７ａを介して、制御部８に送信する。

制御部８は、基準設定部７からの汚濁負荷量の基準値と負荷量演算部６からの算出された汚濁負荷量に基づいて、下記の（２．４）の演算式より、凝集剤の注入量を算出する。下記の（２．４）の演算式において、制御部８は、算出された汚濁負荷量が汚濁負荷量の基準値よりも大きい場合は（Ａ）の演算を行い、算出された汚濁負荷量が汚濁負荷量の基準値以下である場合は、（Ｂ）の演算を行なう。

次に制御部８は、信号線８ａを介して、算出された凝集剤の注入量で好気槽１２に凝集剤を注入するように凝集剤注入装置１６を制御する。

以上説明したように本実施の形態によれば、
被処理水３の汚濁負荷量が汚濁負荷量の基準値以下の場合、凝集剤注入装置１６は、好気槽１２に凝集剤の注入が行なわず、被処理水３の汚濁負荷量が汚濁負荷量の基準値以上の場合、凝集剤の注入を行なうように制御が行われるため、凝集剤の注入量を最適化できる。また前段水質計５を使用することなく汚濁負荷量を算出できることから、前段水質計５の汚れの付着による前段水質計５の精度の低下および異常信号の問題も解決でき、下水処理場水質制御装置１の信頼性を向上させることができる。さらに、前段水質計５のメンテナンスの手間を省くことができる。

第３の実施の形態
次に図７により本発明の第３の実施の形態について説明する。

図７は、本発明の第３の実施の形態を示している。

図７に示す、第３の実施の形態は、好気槽１２の前段に前段水質計５を設けるとともに、水質予測部１８からの関数に基づいて算出された水質の値と前段水質計５からの水質の値の偏差が予め設定された範囲内にあるか判定を行なう判定部２０とを備えたものである。

図７において、他の構成は図３乃至図６に示す第２の実施の形態と略同一である。図７において、図３乃至図６に示す第２の実施の形態と同一部分には同一の符号を符して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、前段水質計５は、信号線５ａ、５ｂを介して判定部２０および水質データベース１７に接続され、判定部２０は、信号線１９ａ、２０ａを介して水質算出部１９および負荷量演算部６に接続されている。

図７に示すように、前段水質計５において計測された計測値は、信号線５ｂを介して水質データベース１７に送信され、水質データベース１７に蓄積される。

また水質予測部１８に現在の外部環境が入力されると、水質予測部１８は、信号線１７ａを介して水質データベース１７に蓄積されたパターンから現在の外部環境に最も近似したパターンを選択し、選択したパターンに基づいて水質と時間の関数を算出する。

水質予測部１８は、算出した水質と時間の関数を信号線１８ａを介して水出算出部１９に送信し、水質算出部１９は、水質予測部１８からの水質と時間の関数に基づいて当該時間に対応する水質の値を算出する。水質算出部１９において算出された当該時間に対応する水質の値は、信号線１９ａを介して判定部２０に送信され、判定部２０は、水質算出部１９から送信された当該時間に対応する水質の値と前段水質計５からの当該時間に対応する水質の値の偏差を算出し、算出された偏差が予め設定された範囲内にあるか判定を行なう。判定部２０は、算出された偏差が予め設定された範囲内であると判断した場合は、前段水質計５は正常であると判断し、前段水質計５からの水質の値を、信号線２０ａを介して負荷量演算部６に送信する。判定部２０は、算出された偏差が予め設定された範囲外であると判断した場合は、前段水質計５は異常（故障、校正による非定常状態）であると判断し、水質算出部１９からの水質の値を、信号線２０ａを介して負荷量演算部６に送信する。ここで、予め設定された範囲は、判定部２０に予め設定されているが、判定部２０において自由に設定変更できるようになっている。

以上説明したように本実施の形態によれば、前段水質計５に異常が発生した場合においても、負荷量演算部６は汚濁負荷量を算出することができる。

第４の実施の形態
次に図８により本発明の第４の実施の形態について説明する。

図８は、本発明の第４の実施の形態を示している。

図８に示す第４の実施の形態は、好気槽１２と最終沈殿池１３の間の配水管ｃに被処理水３中の特定物質の濃度を計測する後段水質計２２を設け、汚濁負荷量と被処理水３の目標水質との間の関数を設定する目標関数設定部２３を設けるとともに、目標関数設定部２３で設定された関数と負荷量演算部６からの汚濁負荷量の値に基づいて制御目標値を算出する制御目標演算部２１とを設けたものである。

図８において、他の構成は図１に示す第１の実施の形態と略同一である。図８において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を符して詳細な説明は省略する。

図８に示す後段水質計２２としては、アンモニア濃度計が用いられている。

制御目標演算部２１は、負荷量演算部６と制御部８の間に配置され、制御目標演算部２１には、目標関数設定部２３が接続されている。

図８に示すように、負荷量演算部６は汚濁負荷量を算出し、算出された汚濁負荷量を制御目標演算部２１に信号線６ａを介して送信する。

次に目標関数設定部２３は、汚濁負荷量と被処理水３のアンモニア濃度目標値との間の関数（４．１）を設定する（図９）。図９において、縦軸はアンモニア濃度目標値を示し、横軸は汚濁負荷量を示している。

その後、目標関数設定部２３は、ＩＡＷＱ活性汚泥モデルの理論的モデルを用いたシミュレーションによって、被処理水３の汚濁負荷量と達成可能なアンモニア濃度の関数（ａ）を算出する。ここで目標関数設定部２３は、ＩＡＷＱ活性汚泥モデルの理論的モデルを用いているが、他の理論モデルを用いてもよい。

次に目標関数設定部２３は、このシュミレーションによって算出した関数（ａ）に基づいて、アンモニア濃度目標値が漸増するような関数（ｂ）を算出し、この関数（ｂ）が目標関数として目標関数設定部２３に設定される（図１０）。図１０において、縦軸は、アンモニア濃度目標値を示し、横軸は汚濁負荷量を示している。
ＳＶ_ＮＨ４＝Ｈ(Ｐ_{ＮＨ４ｉｎ}) 式（４．１）

なお式（４．１）における各記号を以下のように設定する。
Ｈ（Ｐ_{ＮＨ４ｉｎ}）：汚濁負荷量／目標関数
ＳＶ_ＮＨ４：アンモニア濃度目標値

目標関数設定部２３において設定された関数（ｂ）は、信号線２３ａを介して制御目標演算部２１に送信される。

制御目標演算部２１は、目標関数設定部２３で設定された関数（４．１）と負荷量演算部６からの汚濁負荷量の値に基づいてアンモニア濃度目標値（制御目標値）を算出する。制御目標演算部２１において算出されたアンモニア濃度目標値は、信号線２１ａを介して制御部８に送信される。

制御部８は、制御目標演算部２１で算出されたアンモニア濃度目標値とアンモニア濃度計２２からのアンモニア濃度の値との偏差ｅ_ｔを（４．２）の演算式により算出し、算出された偏差に基づいて、（４．３）の演算式により、曝気装置９の曝気量目標値Ｑａｉｒ_ｔを算出する。
ｅ_ｔ＝ＰＶ_{ＮＨ４、ｔ}−ＳＶ_{ＮＨ４、ｔ} 式（４．２）

なお式（４．２）における各記号を以下のように設定する。
ＰＶ_{ＮＨ４、ｔ}：時刻ｔの被処理水３のアンモニア濃度（アンモニア濃度計２２から送信された値）
ＳＶ_{ＮＨ４、ｔ}：時刻ｔの被処理水３のアンモニア濃度目標値（制御目標演算部２１において算出された値）
Ｑａｉｒ_ｔ＝Ｑａｉｒ_ｔ−Δｔ＋Ｋ_ｐｅ_ｔ式（４．３）

なお式（４．３）における各記号を以下のように設定する。
Ｑａｉｒ_ｔ：時刻ｔにおける曝気量目標値
Ｑａｉｒ_ｔ−Δｔ：時刻ｔ−Δｔにおける曝気量
Ｋ_ｐ：比例定数
Δｔ：時間遅れ

比例定数Ｋ_ｐおよび時間遅れΔｔは、予め制御部８に設定されているが、制御部８において自由に設定変更できるようになっている。

制御部８において算出された曝気量目標値は、信号線８ａを介して曝気装置９に送信され、曝気装置９は、曝気量目標値で好気槽１２内を曝気する。

以上説明したように本実施の形態によれば、
目標関数設定部２３において、ＩＡＷＱ活性汚泥モデルの理論的モデルを用いたシミュレーションによって、被処理水３の汚濁負荷量と達成可能なアンモニア濃度の関数（図９（ａ））を算出し、算出された関数（図９（ａ））に基づいて、アンモニア濃度目標値が漸増するような関数（図９（ｂ））を算出し、この関数（図９（ｂ））を用いることにより、被処理水３の汚濁負荷量が大きくなった場合に、被処理水３に対する曝気量目標値がゆるやかに変化することから、必要以上の曝気を抑制でき、コストの低減を図ることができる。

次に本発明の変形例について説明する。

制御目標演算部２１は、目標関数設定部２３で設定された関数（４．１）と負荷量演算部６からの汚濁負荷量の値に基づいてアンモニア濃度目標値（制御目標値）を算出しているが、被処理水３の汚濁負荷量が演算される時点と被処理水３が好気槽１２に流入するまでの時間遅れΔｔを考慮した下記の（４．４）の演算式により、アンモニア濃度目標値（制御目標値）ＳＶ_ｔを算出してもよい。
ＳＶ_ｔ＝Ｈ（Ｐ_ｔ−Δｔ）式（４．４）

なお式（４．４）における各記号を以下のように設定する。
ＳＶ_ｔ：アンモニア濃度目標値
Ｐ_ｔ−Δｔ：時間（ｔ一Δｔ）における汚濁負荷量
Δｔ：時間遅れ

本発明による下水処理場水質制御装置の第１の実施の形態を示す全体構成図。ＵＶ値と被処理水のリン濃度との関係を示す図。本発明による下水処理場水質制御装置の第２の実施の形態を示す全体構成図。水質データベースを示す図。水質と時間との関係を示す図。汚濁負荷量の閾値と汚濁負荷量との関係を示す図本発明による下水処理場水質制御装置の第３の実施の形態を示す全体構成図。本発明による下水処理場水質制御装置の第４の実施の形態を示す全体構成図。被処理水の汚濁負荷量と達成可能なアンモニア濃度の関数を示す図。目標関数設定部に設定される目標関数を示す図。従来の高度処理プロセスを示す図。従来の下水処理場水質制御装置を示す図。

符号の説明

１下水処理場水質制御装置
４流量計
５前段水質計
６負荷量演算部
７基準設定部
８制御部
９曝気装置
１２好気槽
１６凝集剤注入装置
１７水質データベース
１８水質予測部
１９水質算出部
２０判定部
２１制御目標演算部
２２後段水質計
２３目標関数設定部

Claims

流入する被処理水を処理する下水処理場に設置された下水処理場水質制御装置において、
好気槽と、
好気槽の前段に設けられ、被処理水の流量を計測する流量計と、
被処理水に対する外部環境の変化により定まるリン成分に関する水質と時間との関係のパターンが予め設定され、この設定されたパターンから現在の外部環境に最も近似したパターンを選択し、選択したパターンに基づいてリン成分に関する水質と時間の関数を算出する水質予測部と、
水質予測部からの関数に基づいて定められた当該時間に対応するリン成分に関する水質の値と流量計からの流量の値に基づいて、汚濁負荷量を算出する負荷量演算部と、
汚濁負荷量の基準値を設定する基準設定部と、
好気槽内に凝集剤を注入する凝集剤注入装置と、
負荷量演算部からの汚濁負荷量の値と基準設定部からの汚濁負荷量の基準値との偏差に基づいて凝集剤注入装置を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする下水処理場水質制御装置。
好気槽の前段に設けられ、被処理水中のリン成分の濃度を計測する前段水質計と、水質予測部からの関数に基づいて算出されたリン成分に関する水質の値と前段水質計からのリン成分に関する水質の値の偏差が予め設定された範囲内にあるか判定を行なう判定部を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の下水処理場水質制御装置。