JP2011156529A - 凝集剤注入量決定装置および凝集剤注入量制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】適正な凝集剤注入量を決定する。
【解決手段】ｐＨ計４６により原水のｐＨを計測し、導電率計４４により原水の導電率を計測する。制御装置５６は、特定のｐＨおよび導電率の原水に基づき決定した、凝集剤混和後の混和水におけるマイクロフロックの荷電状態を示す流動電流値の目標値である初期目標流動電流値を、計測したｐＨおよび導電率に基づき補正して、目標流動電流値を算出する。急速撹拌タンク５０で一定の滞留時間で原水に凝集剤を混和する。制御装置５６は、混和水の流動電流値が目標値になるように、凝集剤注入量を決定し、急速撹拌タンク５０における凝集剤注入量を制御する。そして、決定した凝集剤注入率を、目標凝集剤注入率として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水処理における凝集剤注入の決定に関する。

浄水場などの水処理施設においては、例えば、ＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）などの凝集剤を用いた凝集沈殿処理や、砂濾過処理などによって水を浄化している。ここで、この凝集処理において、凝集剤の注入率を適切に制御し、少ない添加で十分な処理を行うために各種の制御法が提案されている。

特許文献１，２などでは、凝集剤混和水におけるマイクロフロックのゼータ電位に相当する流動電流値（ＳＣ値）を検出し、この検出結果に基づいて凝集剤注入量を制御することが提案されている（特許文献１、２参照）。

特許第３５２２６５０号公報 特許第３４８５９００号公報

ここで、特許文献１、２の手法について、さらなる検討を行ったところ、自動操作には自動条件を決める検量線の実験が必要で、稼動中の実プラントでそれらを求める事は不可能である事が分かった。

本発明は、原水のｐＨを計測するｐＨ計測手段と、原水の導電率を計測する導電率計測手段と、特定のｐＨおよび導電率の原水に基づき決定した、凝集剤混和後の混和水におけるマイクロフロックの荷電状態を示す流動電流値の目標値である初期目標流動電流値を、計測したｐＨおよび導電率に基づき補正して、目標流動電流値を算出する目標流動電流値算出手段と、一定の滞留時間で、原水に凝集剤を混和する混和手段と、この混和手段による凝集剤混和後の混和水の流動電流値を検出する流動電流値検出手段と、検出した流動電流値が所定値になるように、前記混和手段における凝集剤注入量を決定し、前記混和手段における凝集剤注入量を制御する注入制御手段と、を有し、前記注入制御手段において決定した凝集剤注入量を、目標凝集剤注入量として出力することを特徴とする。

また、前記目標流動電流値Ｉ_spを、原水についてのジャーテストの結果から求めた適正凝集剤注入時の混和水ｐＨと、基準となる原水導電率と、計測した原水ｐＨと、計測した原水導電率と、に基づいて算出することが好適である。

また、前記目標流動電流値Ｉ_spを、原水についてのジャーテストの結果から求めた適正凝集剤注入時の混和水ｐＨ（ｐＨ₀）と、基準となる原水導電率（σ₀）と、計測した原水ｐＨ（ｐＨ）と、計測した原水導電率（σ）と、ＳＣ値換算係数Ｋ（ＳＣ／ｐＨ）に基づき、Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ₀）により算出することが好適である。Ｉ₀はＳＣ検量線Ｉ＝ａ＊ｐＨ_m＋ｂにｐＨ_m＝ｐＨ₀を代入しＩ₀を求めマイクロフロックの設定SC値とする。ＳＣ検量線はＰＡＣ注入率を４〜５点抽出して原水の水質が安定した時に手動で求める。測定時の原水導電率が基準導電率（σ₀）、ＳＣ検量線から求められるｐＨ＝ｐＨ₀の時の基準となるＳＣ値が設定基準ＳＣ値Ｉ₀となる。ここでＩ＝ＳＣ値、ｐＨ_m＝混和水ｐＨ，ａおよびｂは定数である。Ｋ値は試行錯誤法又は自動測定法何れかで求める。
なお、酸性原水を使用した場合には、Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）−Ｋ（ｐＨ−ｐＨ₀）とするとよい。

また、前記Ｋを、Ｋ₁をｐＨの変化量に対する流動電流値の変化量に換算する係数として、Ｋ＝Ｋ₁＋Ｋ₁（１−σ／σ₀）により求めることが好適である。

また、本発明は、上述した凝集剤注入量決定装置を有する水処理施設の凝集剤注入量制御システムであって、流入水を原水として前記凝集剤注入量決定装置に供給するとともに、その原水を使用して前記凝集剤注入量決定装置から出力される、凝集剤注入量を用いて、流入水への凝集剤注入量を制御して、凝集処理を行うことを特徴とする。

また、本発明は、原水の導電率を計測する導電率計測手段と、基準となる導電率の原水に基づき決定した、凝集剤混和後の混和水におけるマイクロフロックの荷電状態を示す流動電流値の目標値である初期目標流動電流値を、前記導電率計測手段により計測した導電率に基づき補正して、目標流動電流値を算出する目標流動電流値算出手段と、一定の滞留時間で、原水に凝集剤を混和する混和手段と、この混和手段による凝集剤混和後の混和水の流動電流値を検出する流動電流値検出手段と、検出した流動電流値が所定値になるように、前記混和手段における凝集剤注入量を決定し、前記混和手段における凝集剤注入量を制御する注入制御手段と、を有し、前記注入制御手段において決定した凝集剤注入量を、目標凝集剤注入量とすることを特徴とする。

また、前記目標流動電流値Ｉ_spを、基準となる原水導電率（σ₀）と、計測した原水導電率（σ）と、基準となるＳＣ値（Ｉ₀）とに基づき、Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）により算出することが好適である。原水ｐＨが、例えば８．０以下と低いとき、上述したＫ＝０とでき、Ｋ（ｐＨ−ｐＨ₀）の項を省略することができる。

このように、本発明によれば、凝集剤注入量決定装置において、原水の水質変化に応じて適切な凝集剤注入率を決定することができる。

水処理システムの全体構成を示すブロック図である。 制御の内容を説明するベクトル図である。 ＳＣ検量線を示す図である。 各種のデータの経時変化を示す図（トレンドグラフ）である。 処理のトレンドグラフである。 処理のトレンドグラフである。 ＳＣ値と混和水ｐＨの関係を示す（ｐＨ−ＳＣ変換係数を求める）図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る凝集剤注入量決定装置を備えた水処理施設の概略構成を示す図である。この水処理システムは、通常の水処理を行う水処理システム１００と、この水処理施設における凝集剤注入率を決定するための凝集剤注入量決定装置２００とを含んでいる。

「水処理施設の構成」
河川水などの浄化すべき対象である原水は、水処理システム１００の着水井１０に流入する。着水井１０内の原水は、急速撹拌池１２に供給され、ここで凝集剤と混合される。ここで、凝集剤は、薬剤タンク１４に貯留されており、薬剤ポンプ１６によって原水に混合される。凝集剤は、急速撹拌値に至る流路において注入されるように図示したが、急速撹拌池１２に直接供給してもよい。

また、着水井１０から急速撹拌池１２へ供給される原水量は流量計１８によって計測され、計測した流量が制御装置２０に供給される。制御装置２０では、凝集剤注入量決定装置２００から供給される凝集剤注入率についての指示と、流量計１８からの流量に応じて凝集剤の注入量を決定し、薬剤ポンプ１６の送液量を制御して、原水に対する凝集剤注入率を制御する。なお、凝集剤としては、通常ＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）が利用されるが、硫酸アルミニウムや塩化第二鉄など他の凝集剤を用いてもよい。

急速撹拌池１２では、撹拌機によって凝集剤と原水が急速撹拌混合され、原水中に含まれるコロイドと凝集剤が反応し粒子を形成する。ここで、凝集剤とコロイドが反応したものを粒子と呼び、一定の反応時間を経過した粒子をマイクロフロックと呼ぶが、水量が一定であれば急速撹拌池１２の反応時間が一定になるので、ここから流出する混和水中の粒子をマイクロフロックと呼ぶ。マイクロフロックを含有する混和水はフロック形成池２２に供給され、ここで緩速撹拌され、フロック粒径の粗大化が図られる。

フロック形成池２２によりフロックが粗大化されたフロック含有水は、凝集沈殿池２４に導入され、ここでフロックが沈澱分離され、上澄みに凝集沈殿処理水が得られる。凝集沈殿池２４において生じる沈澱汚泥は別途処分される。

凝集沈殿処理水は、急速ろ過池２６に供給され、ここで急速ろ過されろ過処理水が消毒／配水池２８に導入される。急速ろ過池２６は、通常砂ろ過である。消毒／配水池２８内の処理水は、塩素注入などの消毒処理された後、水道水として配水される。

「凝集剤注入量決定装置の構成」
本実施形態において、水処理システムは、凝集剤注入量決定装置２００を有している。この凝集剤注入量決定装置２００は、原水の一部をサンプリングして、これについての凝集処理を行い、凝集剤の注入量を決定する。この凝集剤注入量決定装置２００は、凝集剤の注入量を決定できればよく、処理水量はポンプなどを精度よく制御できる範囲内で、なるべく小さくすること（数１０Ｌ／分程度）が好適である。以下、この凝集剤注入量決定装置２００について説明する。

着水井１０内の原水は一定量ずつ原水タンク４２に導入される。図示の例では、サンプリングポンプ４０が設定した一定量吐出するものであり、これによって一定量の原水が原水タンク４２に導入される。この場合、水量を流量計などで計測してフィードバック制御することが好ましい。また、サンプリングポンプ４０ではなく、自然流下によって原水を原水タンク４２に導入してもよい。この場合、原水導水管の採水弁により、導入する原水を一定量とする。

原水タンク４２には、導電率計４４と、ｐＨ計４６が設けられており、原水タンク４２内の原水の導電率σと、ｐＨが計測される。なお、原水の導電率、ｐＨが計測できれば、着水井１０の原水について計測してもよいが、凝集剤注入量決定装置２００はコンパクトな装置であり、計測器も近くに配置した方がよいので、原水タンク４２に導電率計４４，ｐＨ計４６を設けることが好適である。また原水ｐＨが低い時や炭酸ガス等を使用し原水ｐＨを低下させて使用する時は原水ｐＨ計を省略する事も可能である。

原水タンク４２内の原水は自然流下により急速撹拌タンク５０に供給される。また、急速撹拌タンク５０へ供給する原水に、薬剤タンク５２からの凝集剤を薬剤ポンプ５４によって注入する。この際の凝集剤注入率は、制御装置５６により決定される。急速撹拌タンク５０への流入水量は上述のように一定量であり、この一定量に凝集剤注入率を乗算した凝集剤が急速撹拌タンク５０に供給される。なお、このような薬剤ポンプ５４の吐出量制御を行うために、サンプリングポンプ４０の吐出量は、制御装置５６において把握している必要がある。

急速撹拌タンク５０には、撹拌機が備えられており、凝集剤が注入された原水が急速撹拌され、原水中のコロイドと凝集剤の粒子が形成される。なお、凝集剤は急速撹拌タンク５０に直接注入してもよい。また、薬剤タンク５２に貯留される凝集剤は薬剤タンク１４と同じで、同じ製造メーカのＰＡＣであることが望ましい。

急速撹拌タンク５０において、マイクロフロックが形成された凝集剤混和水は、ＳＣメータ５８に供給され、ここで流動電流値（ＳＣ値）が計測される。このＳＣメータ５８は、混和水を移動させて荷電粒子の移動に応じた流動電位に対応する流動電流をＳＣ値として出力するものであり、ＳＣ値は混和水中のマイクロフロックの荷電状態に応じたものであり、マイクロフロックのゼータ電位に対応する。ここで、ＳＣメータ５８のスケールは０〜５００ｕｎｉｔｓと±２５０ｕｎｉｔｓの２種類から選択できる。本装置では、後者を使用しており、マイクロフロックの流動電位は通常負の値になる。なお、このＳＣメータ５８は、従来から知られている計器であり、詳細な説明は省略する。ＳＣメータ５８において計測したＳＣ値は、制御装置５６に供給される。また、ＳＣ値検出後の混和水は、排水タンク６０を介し排出されるが、この排水タンク６０には、ｐＨ計６２が設置されており、これにより混和水のｐＨが測定され、この混和水ｐＨは制御には使用しないが、ＳＣ検量線を測定する時に必要で、通常は混和水ｐＨのモニタとして使用し制御装置５６に供給される。ＳＣ値と同じ時刻で測定できれば排水タンクにこだわらない。ここで、ＳＣメータ５８に供給される混和水は、急速撹拌タンク５０から流出される混和水のうち、計測に必要な一部のみでよい。また、排水タンク６０からの排出水は排水処理施設に供給してもよいが、着水井１０や、急速撹拌池１２に導入してもよい。また、膜ろ過して飲料水にしても良い。

制御装置５６では、ＳＣメータ５８において計測したＳＣ値が所定値になるように、薬剤ポンプ５４による凝集剤注入量を制御する。これについて、以下に説明する。

まず、凝集剤の注入量の決定には、従来から回分式ジャーテストが利用されており、本実施形態においてもこれを利用する。

この回分式ジャーテストでは、マグネットスターラによる急速撹拌後、実験用電動式撹拌翼による緩速撹拌によって略式のフロックの粗大化を図り、上澄水の目標濁度から適正な凝集剤添加量を選定する。このような回分式ジャーテストは、水道用水（原水）中のコロイドと凝集剤が反応して形成されたマイクロフロックの表面電荷が中和された際の凝集剤添加量を求めることに対応している。すなわち、表面電荷が中和されることで、フロックの粗大化を図り、且つ上澄水濁度を目標値になったことを確認することで、凝集剤注入率を最適化することができ、凝集剤注入率を決定できる。

このようにして、回分式ジャーテストによって、その時の原水について、適正凝集剤注入率が決定され、これに処理水量を乗じて適正凝集剤注入量が決定される。しかし、実際の水処理施設に流入してくる原水の水質、水量は変化する。また、回分式ジャーテストにより決定された凝集剤注入率は連続測定が出来ないので急激な水質変動に追随出来ない欠点がある。

上述のような回分式ジャーテストは、本来、時間の経過に従って、常に、または原水の水質、水量が変化する度に測定されるべきであるが、殆どの浄水場では手間が掛かるので、経済的な理由から、一日一回程度のテストで凝集剤の注入を決定している。安全上の理由から凝集剤の過剰注入はクリプトスポリジュウム対策にも有効なため、全国的に行われていたが、水道水へのアルミの溶出の問題もあり、その注入率の削減が望まれている。過剰注入対策を行う浄水場での凝集剤の削減率は３０％程度と報告されており、凝集剤の適正注入が望まれている。本装置で確認された削減率は平均ＰＡＣ注入率３０ｍｇ／Ｌの原水をｐＨ中和剤として炭酸ガスと併用すればＰＡＣ注入率を１０ｍｇ／Ｌ以下にする事が可能である。

特に、原水中のコロイド濃度や、ｐＨ及び導電率などによって、適正凝集剤注入率が変化する。本実施形態の凝集剤注入量決定装置２００における、ＳＣメータ５８によれば、凝集剤混和水のマイクロフロックの電荷に対応するＳＣ値を連続的に検出できる。このため、このＳＣ値を用いて凝集剤の注入量を制御することで、より正確な凝集剤注入量制御が行える。

ＳＣ値は、原水ｐＨ、導電率などにより変化することは述べたが、さらに、マイクロフロックの流動電位は、急速撹拌タンクの滞留時間（反応時間）によっても変化する。従って、処理水量の変動する水処理施設において、凝集剤混和水のＳＣ値を計測しても、流量変動を補正する手段を開発しなければ正確な凝集剤注入量制御が行えない。

本実施形態では、サンプリングポンプ４０を用いて、凝集剤と原水の反応時間を一定に制御する。また、原水ｐＨ、原水導電率σを計測し、これら計測値に応じて目標流動電流値（目標ＳＣ値＝Ｉ_sp）を決定する。この目標ＳＣ値は、原水ｐＨ、導電率を考慮し、かつ反応時間も一定に保った状態での適正ＳＣ値である。また、目標ＳＣ値は、原水ｐＨの変化が混和水ｐＨに変化にも影響するため、本実施形態では混和水ｐＨの目標値ｐＨ₀に応じた基準となるＳＣ値（Ｉ₀）を決定する。設定ＳＣ値Ｉ₀は、ＳＣ検量線から求めるが、凝集剤や、原水の根本的な変化（例えばアルカリ度不足等）がない限りは適正ＰＡＣ注入率でのマイクロフロック表面電荷に近いものである。

そして、凝集剤注入量決定装置２００の制御装置５６は、凝集剤混和水のＳＣ値が目標ＳＣ値に一致するように、薬剤ポンプ５４の駆動を制御する。従って、制御装置５６において、常に適正凝集剤注入量の凝集剤が注入されることになり、その時の凝集剤注入量を決定することができる。

ここで、目標ＳＣ値の算出について説明する。上述のように、スタート時点では、回分式ジャーテストによって、適正凝集剤注入率を決定し、その時のｐＨ₀値を検出する。

そして、アルカリ性原水には、凝集剤注入量決定装置２００において、目標ＳＣ値を決定するがこの目標ＳＣ値は、下記のようにして決定する。

Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ₀）・・・・・（１）
Ｋ＝Ｋ₁＋Ｋ₁（１−σ／σ₀）・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
Ｉ＝ａｐＨ_m＋ｂ・・・・・・・・（３）

ここで、Ｉ_spは目標ＳＣ値（ｕｎｉｔｓ）、設定ＳＣ値であるＩ₀はＳＣ検量線の式（３）からｐＨ_m＝ｐＨ₀とした時のＳＣ値、σ₀はＳＣ検量線作成時の原水導電率、ｐＨ₀は回分試験で得た混和水ｐＨ、σは現時点での原水導電率、ｐＨは現時点での原水ｐＨである。また、Ｋ₁は試行錯誤法から求めるが単位ｐＨ当たり変化するＳＣ値を示すｐＨ−ＳＣ変換係数（＝ΔＳＣ／ΔｐＨ）であり、ＫはＫ₁に導電率変化を考慮したｐＨ−ＳＣ変換係数である。なお、Ｋ≧０，Ｋ₁≧０，Ｉ₀＜０とする。また、アルカリ性原水の場合、原水ｐＨは、ＰＡＣ添加後の混和水ｐＨ_mのひとつであるｐＨ₀より大きく、ｐＨ＞ｐＨ₀である。Ｋ値は自動測定法からも求める事ができる。式（３）からｐＨ_m＝ｐＨ₀の時のＳＣ値である設定ＳＣ値Ｉ₀を求め、式（１）にＩ₀を代入し、Ｋ＝０として自動運転することでＫ値は求まる。なお、式（２）については、後述する。

式(1)は、σ＝σ₀の場合には、
Ｉ_sp＝Ｉ₀＋Ｋ₁（ｐＨ−ｐＨ₀）となる。
σ＜σ₀の場合には、河川水が降雨で希釈されて、水の電気抵抗が大きくなる。その為には目標ＳＣ値を大きくし、同じコロイド濃度でも凝集剤注入率を大きくする。
Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）＋｛Ｋ₁＋Ｋ₁（１−σ／σ₀）｝（ｐＨ−ｐＨ₀）
ここで、ＳＣ値は電流量であり、オームの法則から導電率が高くなればＳＣ値は小さくなり、導電率が低くなればＳＣ値は大きくなる。凝集反応が進むと流動電位（＝Ｉ₀／σ₀：次元ｍＶ）が一定となるのでＩ₀／σ₀＝Ｉ／σ＝一定を用いることで、導電率の変化に正しく対応することが可能となった。

ＳＣ計のスケールは増幅倍率（ｇａｉｎ）Ｘ１でスケール±２５０を使用したのでＩ₀は負であり、Ｉ₀が大きくなる意味はより＋２５０に近づくことであり、Ｉ₀が小さくなる意味はより−２５０に近づくことを意味する。

σ＞σ₀の場合には、河川水が渇水に成る時起きるが、電気抵抗値が小さくなり、逆に目標値を小さくする。
Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）＋｛Ｋ₁＋Ｋ₁（１−σ／σ₀）｝（ｐＨ−ｐＨ₀）
と同じになり、Ｉ_spは−２５０側に移動し、またＫ＜Ｋ₁となる。

なお、本装置は、降雨時にσ＜σ₀となり、渇水時にσ＞σ₀となる水源の制御を対象としており、水源が複数で取水場所が合流点の時は凝集剤制御が困難に成ることが多い。

図２に示すように、本実施形態によれば、原水の導電率σ、原水ｐＨを考慮して、目標ＳＣ値であるＩ_spを修正する。混和水ｐＨは、混和水のｐＨを目標とするｐＨ₀まで中和（ここではＰＡＣで行う）することを基本とするが、その為（ｐＨ−ｐＨ₀）は凝集剤（ＰＡＣ）注入率のベクトルとなりｐＨ−ＳＣ変換係数Ｋを乗じたＩｘを導電率項に加算してＩ_spが求まる。

これによって、原水導電率、ｐＨが変化した場合にも適切な目標ＳＣ値を定めることができる。

「ＳＣ検量線の求め方」
基本式（３）をＳＣ検量線と呼ぶ。基本式（３）であるＩ＝ａ・ｐＨ_m＋ｂにおいて、ａは混和水ｐＨとＳＣ値の負の回帰式から求めた基本式（３）のｐＨ−ＳＣ勾配（Ｋ値とは異なる）であり、ｂは混和水ｐＨとＳＣ値の負の回帰式から求めた基本式（３）のｙ切片定数（ＳＣ：ｕｎｉｔｓ）を表し、凝集剤注入率ゼロの時の最小ＳＣ値である。

また、基本式（３）であるＩ＝ａ・ｐＨ_m＋ｂは、混和水ｐＨとＳＣ値の相関を表し、ＳＣ検量線としての基本式（３）における相関係数はＲ²＝０．９５以上が望ましい。

このＳＣ検量線を求めるには、原水ｐＨと原水導電率σ（μＳ／ｃｍ）が安定している時に、ＰＡＣ注入率を４〜５点変え、回帰式から求める。

「設定ＳＣ値Ｉ₀をｐＨ補正する」
ここで、ΔｐＨ＝（ｐＨ−ｐＨ_m）で表される制御に必要なベクトル量Ｉｘを図２に表す。図２はｐＨ_m＝ｐＨ₀とした時の制御原理図である。このように、ｐＨをｘ軸にとり、ＳＣ値をｙ軸にとる。この場合、ＰＡＣで原水ｐＨが低下するか又は原水ｐＨが減少するかでΔｐＨ＝０となる。

ｐＨ₀とは、回分式ジャーテストで得られた（上澄水濁度目標値を満足する）ＰＡＣ注入率（ＰＡＣ₀）での混和水ｐＨで、混和水の設定ｐＨを意味する。式（３）にｐＨ₀を代入しＩ₀を求める。Ｉ₀が求まれば図２の点Ｂが自動的に選定される。図２はｐＨ₀＝７．３としたときの想定図である。

一方、ＳＣメータでは、全てのＳＣ検量線が特異点Ａ（ｐＨ７．０、０）を通過するようにＳＣ計の±目盛が配置されている。点Ａ（ｐＨ７．０、０）と点Ｂ（（７．３、Ｉ₀）及び点Ｃ（７．３、０）の３点で不動のものとなり固有値となる。固有値とは使用したＳＣ線量線の固有値である。基本式（３）はＡＢを通るのでＩ₀を決定すればＳＣ検量線が制御に挿入されたことになる。点Ｂは原水導電率でｙ軸を上下する。

一方、原水ｐＨの増減で点Ｄもｘ軸を水平に左右移動する。点Ａが固定され点Ｂと点Ｄが上下、左右に移動するので基本式（３）は無限に存在する。実際に、毎日基本式（３）を求めると、毎回異なる式が得られる。ＳＣ値は相対値であるからどの式を使用しても相対的に同じ動きをするので、ＰＡＣ注入率は同じ結果となる。毎日変える必要は無い。

点Ｃを決めれば点Ａ＆Ｃは不動であるから、ΔＡＢＣとΔＢＣＤの三角形は大きさを示すベクトルが働き適正なＩ_spを保持し計算できる。ΔＡＢＣは導電率制御を示し、ΔＢＣＤがｐＨ制御を示す。ベクトルＢＣが導電率の影響を示すのに対し、ｐＨのそれはベクトルＤＥである。それを式（４）に示す。

Ｉ_sp＝ベクトルＢＣ＋ベクトルＤＥ＝基本式（１）・・・・・・（４）

点Ａの値は、ＳＣ検量線により異なるが基本的に点Ａ（ｐＨ７．０、０）に収束することを確認した。運転によって異なるが、基本的に点Ａ（ｐＨ７．０、０）に収束している。

点Ｂが＋側になることもあるがこの時はベクトルＢＣ＜ベクトルＤＥの時、Ｉ_sp≧０が成立する。

目標ＳＣ値を使用するのに始動時に選定したＰＡＣ₀、ｐＨ₀、Ｉ₀、σ₀をセットポイント（設定値）と呼ぶが、目標ＳＣ値Ｉ_spはこれらを基準にして適正なＰＡＣ注入率を保持し推移する。

ｐＨに関するｐＨ−ＳＣ比例定数Ｋ₁は式（３）のＳＣ検量線の勾配ａとは異なり正である。点Ｄが何処にあっても、制御には点Ｃに収束するように使用する。Ｋ値の求め方は上述した。

図２に示すベクトルＣＤ（＝原水ｐＨ−７．３）はベクトルＤＥを形成しＩ_xのＳＣ値を持つ。以上の説明を省略し、基本式（１）ではＫ（ｐＨ−ｐＨ₀）としている。

「Ｋ値を求める」
ｐＨ‐ＳＣ係数Ｋ（ＳＣｕｎｉｔｓ／ｐＨ）はスタート時のＰＡＣ₀を満たす試行錯誤法又は自動測定法で求めることができる。

さらに、本実施形態では、凝集剤注入量決定装置は、サンプリングポンプ４０（自然流下でも流量を確認出来れば良い）により一定量の原水について連続処理と連続測定を行う。回分式ジャーテストの欠点を補いながら反応時間を一定にできるので、目標ＳＣ値に基づき凝集剤注入量を制御することで、正確な凝集剤注入率を決定できる。

なお、図２において、＋Ｋ₁で示される直線のように、ｐＨがｐＨ₀より大きい程、Ｉ_xは大きくなる。一方、ｐＨがｐＨ₀より小さい場合には、−Ｋ₁で示される直線のようにｐＨが小さい程Ｉ_xが大きくなる。

「Ｋ１の決定（１）」
図３は、本装置２００の自動操作を止め、手動操作に切り替え、ＰＡＣの添加量を変更した場合における混和水のｐＨと、ＳＣ値の関係を示したＳＣ検量線の実験結果である。このように、この時の原水については、Ｉ＝−１０８．８ｐＨ_m＋７５６．８、の関係があることがわかった。この時の相関係数Ｒ²は、０．９８５７であった。混和水ｐＨ_mの目標値はジャーテストで求めるがｐＨ_m＝ｐＨ₀＝７．３とした時、この相関式にそれを代入することでＩ₀が求まる。式（１）からＩ_spが決まるので試行錯誤でＰＡＣ₀に成るようにＫを増減しＫを求める。式（１）で操作して目標のｐＨ_m＝ｐＨ₀に成らないとき、逆算でＫ値を求める。

ジャーテスト結果から得たＰＡＣ注入率は測定時により変化するが、ｐＨ₀は殆ど同じであるので、基本式（１）にｐＨ₀を代入しＩ₀を求める。Ｋ値は思考錯誤法で求める。ＰＡＣ₀を参考にしながらＫ＝４０，３０，２５，２０，１０と変え最適値を求める。

本自動ジャーテスト装置の運転条件としてｐＨ₀＝７．３、Ｉ₀＝−６７、σ₀＝１５０μＳ／ｃｍで、試行錯誤法からＫ₁＝２５として自動運転をした。その結果を表１に示す。

渇水時に相当するので、表１の平均値を利用し、基本式（２）より、
Ｋ＝２５＋２５＊（１−１６９．１／１５０）＝２５＋２５＊（−０．１２７３）＝２１．８（ｕｎｉｔｓ）
Ｉ_sp＝−６７−（−６７）＊（１−１６９．１／１５０）＋２１．８＊（８．０−７．３）
＝−６７−（−６７）＊（−０．１２７３）＋２１．８＊（０．７）＝−６７−８．５＋１５．２６＝−６０．２４（ｕｎｉｔｓ）に成るはずであり、表１に示す目標ＳＣ値と実測ＳＣ値はほぼ同じ値になった。Ｋ＝２０（ΔＳＣ／ΔｐＨ）位と推定できた。またｐＨ_m＝７．４で少し高めであったが、ＰＡＣも平均３０．６ｍｇ／Ｌで妥当な値であった。

「Ｋ値の決定（２）」
上述のように、Ｋ値は試行錯誤法によって、求めることができる。しかし、Ｋ＝０とおいた自動運転からＫ値を求めることもできる。

（基本式）
基本式は、上述したが、改めて下記に示す。式（１）と式（２）のＫ＝０として実験を行い、結果解析からＫ値の特性を求める。
Ｉ_sp＝｛Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）｝＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ₀） ・・・ （１）
Ｋ＝Ｋ₁＋Ｋ₁（１−σ／σ₀） ・・・ （２）
Ｉ＝ａ＊ｐＨ_m＋ｂ ・・・ （３）

（Ｋ値を求める手順）
次に、Ｋ値を求める手順について説明する。

１）始動Ｉ₀を決めるにはＳＣ検量線が必要である。式（３）を自動ジャーテスト装置の手動操作で求める。ｄｏｓｅ１、ｄｏｓｅ２、ｄｏｓｅ３、ｄｏｓｅ４、ｄｏｓｅ５、ｄｏｓｅ６等とＰＡＣ注入率を上げて行くと、混和水ｐＨ_mが下降し、ＳＣ値はより＋２５０側に移動する。この時のｐＨ_mとＳＣ値の相関式を求めると式（３）が得られる。これについての実験から式（４）を得た。なお、この時のσ₀＝１５０μＳ／ｃｍである。
Ｉ＝−２１３．０６ｐＨ_m＋１４８８．７・・・（４）

２）式（４）にｐＨ₀＝７．３を代入すると、Ｉ₀＝−６７を得るが、Ｋ＝０で自動運転に切り替える。

３）この自動運転において、２日間のデータとして図５のトレンドグラフを得た。この時の操作条件はＫ＝０、Ｉ₀＝−６７、ｐＨ₀＝７．３、σ₀＝１５０μＳ／ｃｍである。運転結果について、表２に示す。なお、この表では、原水導電率をＥＣ１、原水ｐＨをｐＨ１、混和水ｐＨ（ｐＨ_m）をｐＨ２と記載してある。

４）この時の最大ｐＨ_m、平均ｐＨ_m、最小ｐＨ_mは各々７．８、７．６、７．４であった。それに対応するＳＣ値は−７１．２、−７４．３、−７７．７であった。

５）上記結果からｐＨ_mとＳＣ値の相関式を求めると式（５）となった。
Ｉ＝１６．２５ｐＨ_m−１９７．９ ・・・ （５）

６） 試行錯誤法でもＫ₁＝２０位と見当していたが、式（５）からＫ＝１６．２５を得た。それを式（３）に代入し、Ｋ₁＝１８．３を得る。

（Ｋ＝１８．３の操作結果）
図６のトレンドグラフはＫ＝１８．３で運転したものである。また、Ｉ₀＝−６７、ｐＨ₀＝７．３、σ₀＝１５０μＳ／ｃｍである。制御は良いが、平均ｐＨ_m＝７．３５（最小値７．２〜最大値７．５４）で設計値より少し大きかった。運転結果について、表３に示す。なお、この表では、原水導電率をＥＣ１、原水ｐＨをｐＨ１、混和水ｐＨ（ｐＨ_m）をｐＨ２と記載してある。

（Ｋ値の自動測定法）
図５のトレンドグラフはＫ＝０とした時、何が起きるかは最初から分かっていた訳ではない。原理図から改めてＫ値の定義を考えるとｐＨ₀＝７．３とすると式（３）からＩ₀＝−６７が決定する。これを自動制御してｐＨ_m＝ｐＨ₀＝７．３に保持する時のｐＨ−ＳＣ値換算係数（Ｋ値）は図７又は式（５）のＳＣ勾配から得られる事を発見した。図７は、混和水ｐＨ_mとＳＣ値の関係をプロットしたものであり、ＳＣ勾配＝１６．２５を示した。これは明らかに式（４）のＳＣ勾配と異なる。また、Ｋ値は当初、負の勾配を持つと考えていたが、間違いで正の勾配であった。

濁度計では検出できない色コロイドが流入した。この時通常よりＰＡＣ注入率が１０ｍｇ／Ｌ以上増加し、混和水ｐＨは７．０〜７．３に低下した。

（アルカリ性原水へのＫ＝０の応用）
式（５）は原水コロイド濃度が低い（濁度５度以下）時、Ｋ値が混和水ｐＨ（又は原水ｐＨ）に比例しＩ₀が大きくなる事を示す。ＰＡＣを削減するには原水ｐＨを低くすれば良い。それにはＣＯ₂等を原水ｐＨの高い時に原水に混和しピークカットする方法が既に採用されている。この時の自動ジャーテスト装置の基本式ではＫ＝０として自動運転するのが好適である。

「ＳＣ値による凝集剤注入制御のまとめ」
流動電流（ＳＣ値＝ｓｔｒｅａｍｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ：ｕｎｉｔｓ）はマイクロフロックの表面電荷を相対値（増幅倍率と測定値の表示範囲選定でSC値が異なる：次元mＡ）ではあるが電流値に換算したものでオームの法則に従う。本実施形態では、水の電気抵抗を水の導電率で求め、混和水ｐＨとＳＣ値の関係から検量線を求める。ジャーテストで求めた適正凝集剤注入率ＰＡＣ₀と適正ｐＨ₀を利用し、目標ＳＣ値Ｉ_SP（ｕｎｉｔｓ）を計算し、それに現在ＳＣ値を合わせるように凝集剤を注入する。通常の場合には、混和水ｐＨが初期設定値ｐＨ₀を保持すれば、正しい制御が行われたことになる。それを下回る時もあるが適正注入率を算出できる。いつでも検量線の実験が出来るように水量一定とし、浄水場の施設から切り離し、コンパクトな連続的な凝集剤注入率制御装置とした。ＳＣ計はコロイドにのみ反応するので、原水濁度などの計測は不要であり、濁度計は制御から除外している。また、緩速撹拌は、ＰＡＣ₀注入率の設定ｐＨ₀が適正であれば凝集剤注入率決定装置で確認する必要は無いので省略している。

また、本実施形態により、制御を開始するスタート点でのセットポイント（複数）の定義を正確にし、基本式の次元を合わせ、設定値が増減する時の対応することが可能となる。

「アルカリ性原水でpHが低い時の制御」
ここで、原水ｐＨが高い場合には、上述した式（１）におけるＫ（ｐＨ−ｐＨ₀）の項が重要である。一方、原水ｐＨが比較的低い場合には、このＫ（ｐＨ−ｐＨ₀）の項の重要性は低くなる。例えば、ｐＨ＝ｐＨ₀であれば、この項は不要である。また、原水ｐＨが高い場合にあっても、炭酸ガスの注入などによってｐＨを低くすることができる。従って、原水ｐＨが８以下の場合には、Ｋ＝０として運転することが好適である。

すなわち、ＳＣ値検量線の式（３）にｐＨ₀を代入し設定ＳＣ値Ｉ₀を求め
Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）・・・・・（６）
を用いて、目標ＳＣ値（流動電流値）を決定して凝集剤注入量決定装置を運転し、凝集剤（ＰＡＣ）の注入率を決定することができる。この時原水タンクのｐＨ計は制御には不要となる。

「自動操作の実施例」
原水はＡ浄水場導水管の採水弁から、自然流下で原水タンク４２に供給し、ここから排水タンクまで水量Ｑ＝２６．４Ｌ／分と2個の流入調整弁で固定し実験した。流量は原水タンクで実測した。

ＰＡＣは２０Ｌ袋詰めで市販されているものを２０Ｌの薬剤タンク５２に入れ、吸い込み口を液中に浸漬させる型式の液中ポンプである薬剤ポンプ５４によって原水に注入した。このポンプの性能は本装置の最小ＰＡＣ注入率を正確に吐出する事が出来、それは相関係数の良さとして確認できた。排水タンク６０の排水は、ラインポンプでＡ浄水場の着水井１０へ返水した。

凝集剤（ＰＡＣ）は背圧弁を設け、原水タンク４２から急速撹拌槽への流入管４０φのトップから下へ点滴した。その流入管は急速撹拌タンク５０の下部で放出し、上昇流で撹拌混合し、越流堰をオーバーし、その下流に設けたＳＣメータ５８を経て排水タンク６０へ流下する。

制御装置５６は、ＰＩＤ比例制御器がありＳＣメータ５８から送られるＳＣ値が、混和水ｐＨと原水導電率σから計算される目標ＳＣ値Ｉ_spと一致するように凝集剤注入を継続し保持することでコロイド濃度に比例しｐＨ中和に消費される適正注入を行う。

ここで、混和水のマイクロフロック表面電荷は（ｐＨ₀，Ｉ₀）で設定でき、ＰＡＣ注入率の調整で一定に出来る。ＰＡＣポンプの吐出量は目標ＳＣ値と混和水ＳＣ値とが一致するように制御する。処理量Ｑ（＝２６．４Ｌ／分）に対する薬剤ポンプ５４の最大注入率は１８０ｍｇ／Ｌである。其の割合から回転数が計算されＰＡＣの自動制御を行う。

なお、水質やＳＣ値、目標ＳＣ値等はデータロガに集めＰＣで表示され記録される。原水タンク、急速撹拌槽、排水タンクの容量は各々３０、１５０、３０Ｌで滞留時間は約８分で急速撹拌タンク５０の滞留時間は５．７分である。撹拌機は６０Ｗ、排水ポンプは２００Ｖ×２５０Ｗで施設全体ではＡＣ２００Ｖで最大８．６４Ａの電気容量である。装置全体を幅１．８ｍ×長さ３．６ｍ×高さ２．４ｍのプレハブに納め、換気扇と扇風機で夏場室温４０度以上になったが、処理槽水面等の冷却効果もあり電子機器はそれに耐えた。

図４には、混和水ｐＨが目標の平均７．３になった実験結果のトレンドグラフを示す。この図は、原水ｐＨ、原水導電率、混和水ｐＨ（ｐＨ_m）、目標ＳＣ値（Ｉ_sp）、測定ＳＣ値（Ｉ）、ＰＡＣ添加量（ＰＡＣ）の経時変化を示してある。このデータを表４に示す。

このように、原水ｐＨの変化に伴い、目標ＳＣ値が修正され、凝集剤添加量が更新されている状態が示されている。このような制御によって、マイクロフロックの状態を所望の適正なものに設定することができた。そして、このようにして、決定された凝集剤注入率により、ジャーテストと同様のＰＡＣ注入率と混和水ｐＨを維持することができ、効果的な凝集処理を継続できる。

「酸性原水の自動ジャーテスター装置のＳＣ検量線」
図３はアルカリ性原水のＳＣ検量線の実験結果例であるが、酸性原水のＳＣ検量線はＮａＯＨ等を一定量原水に注入し、ｐＨ調整を例えば酸性原水ｐＨを７．７５（又はアルカリ度２５ｍｇ／Ｌ以上）に上昇させた後、ＳＣ検量線を求める。手動ジャーテストでｐＨ₀を得て、ＳＣ検量線からＩ₀を求め、混和水ＳＣ値とＩ₀が一致するようにＰＡＣの自動注入を行う。

この時、Ｋ＝０として扱う事ができる。導電率だけの制御になる。
Ｉ_sp＝｛Ｉ₀ −Ｉ₀（１−σ／σ₀）｝± Ｋ（ｐＨ−ｐＨ₀）・・・・（１）
Ｋ＝Ｋ₁ ＋ Ｋ₁（１−σ／σ₀） ・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
Ｉ ＝ａ×ｐＨ_m＋ｂ ・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
基本式は式（１）の右辺第２項および式（２）が不要となり、ｐＨ調整原水は式（４）と式（３）だけの制御となる。
Ｉ_sp＝Ｉ₀ −Ｉ₀（１−σ／σ₀）・・・・・・・・（４）
Ｉ ＝ａ×ｐＨ_m＋ｂ ・・・・・・・・・・・・・・・・（３）

「酸性原水の場合のフロー」
酸性原水の自動ジャーテスター装置のフローは、上述したアルカリ性原水場合のフローと同様であるが、酸性原水ではＮａＯＨ等のアルカリ剤の濃度を均一にするために、急速攪拌タンクと同類の攪拌機が原水タンクに必要となる。実プラント（浄水施設）からｐＨ調整原水を得る事が出来れば原水タンクに攪拌機は不要である。また、アルカリ性原水のｐＨ調整のＣＯ₂を注入する時もｐＨを均一にしなければならない事は言うまでもない。

なお、ｐＨ調整原水とはアルカリ度不足やｐＨ調整のために、原水にＮａＯＨ等を注入し、完全混合した原水を言う。

１０ 着水井、１２ 急速撹拌池、１４ 薬剤タンク、１６ 薬剤ポンプ、１８ 流量計、２０ 制御装置、２２ フロック形成池、２４ 凝集沈殿池、２６ 急速ろ過池、２８ 消毒／配水池、４０ サンプリングポンプ、４２ 原水タンク、４４ 導電率計、４６ ｐＨ計、５０ 急速撹拌タンク、５２ 薬剤タンク、５４ 薬剤ポンプ、５６ 制御装置、５８ ＳＣメータ、６０ 排水タンク、６２ ｐＨ計、１００ 水処理システム、２００ 凝集剤注入量決定装置。

Claims (7)

1. 原水のｐＨを計測するｐＨ計測手段と、
   原水の導電率を計測する導電率計測手段と、
   特定のｐＨおよび導電率の原水に基づき決定した、凝集剤混和後の混和水におけるマイクロフロックの荷電状態を示す流動電流値の目標値である初期目標流動電流値を、前記ｐＨ計測手段および前記導電率計測手段により計測したｐＨおよび導電率に基づき補正して、目標流動電流値を算出する目標流動電流値算出手段と、
   一定の滞留時間で、原水に凝集剤を混和する混和手段と、
   この混和手段による凝集剤混和後の混和水の流動電流値を検出する流動電流値検出手段と、
   検出した流動電流値が所定値になるように、前記混和手段における凝集剤注入量を決定し、前記混和手段における凝集剤注入量を制御する注入制御手段と、
   を有し、
   前記注入制御手段において決定した凝集剤注入量を、目標凝集剤注入量として決定する凝集剤注入量決定装置。
2. 請求項１に記載の凝集剤注入量決定装置であって、
   前記目標流動電流値Ｉ_spを、原水についてのジャーテストの結果から選定した適正凝集剤注入時の混和水ｐＨと、基準となる原水導電率と、計測した原水ｐＨと、計測した原水導電率と、に基づいて算出する凝集剤注入量決定装置。
3. 請求項１に記載の凝集剤注入量決定装置であって、
   前記目標流動電流値Ｉ_spを、原水についてのジャーテストの結果から求めた適正凝集剤注入時の混和水ｐＨ（ｐＨ₀）と、基準となる原水導電率（σ₀）と、計測した原水ｐＨ（ｐＨ）と、計測した原水導電率（σ）と、係数Ｋに基づき、
   Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ₀）
   により算出する凝集剤注入量決定装置。
4. 請求項３に記載の凝集剤注入量決定装置であって、
   前記Ｋを、Ｋ₁をｐＨの変化量に対する流動電流値の変化量に換算する係数として、
   Ｋ＝Ｋ₁＋Ｋ₁（１−σ／σ₀）
   により求める凝集剤注入量決定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の凝集剤注入量決定装置を有する水処理施設の凝集剤注入量制御システムであって、
   流入水を原水として前記凝集剤注入量決定装置に供給するとともに、その原水を使用して前記凝集剤注入量決定装置から出力される、凝集剤注入量を用いて、流入水への凝集剤注入量を制御して、凝集処理を行う水処理施設の凝集剤注入量制御システム。
6. 原水の導電率を計測する導電率計測手段と、
   特定の導電率の原水に基づき決定した、凝集剤混和後の混和水におけるマイクロフロックの荷電状態を示す流動電流値の目標値である初期目標流動電流値を、前記導電率計測手段により計測した導電率に基づき補正して、目標流動電流値を算出する目標流動電流値算出手段と、
   一定の滞留時間で、原水に凝集剤を混和する混和手段と、
   この混和手段による凝集剤混和後の混和水の流動電流値を検出する流動電流値検出手段と、
   検出した流動電流値が所定値になるように、前記混和手段における凝集剤注入量を決定し、前記混和手段における凝集剤注入量を制御する注入制御手段と、
   を有し、
   前記注入制御手段において決定した凝集剤注入量を、目標凝集剤注入量とする凝集剤注入量決定装置。
7. 請求項６に記載の凝集剤注入量決定装置であって、
   前記目標流動電流値Ｉ_spを、基準となる原水導電率（σ₀）と、計測した原水導電率（σ）と、基準となるＳＣ値（Ｉ₀）とに基づき、
   Ｉ_sp＝Ｉ₀−Ｉ₀（１−σ／σ₀）
   により算出する凝集剤注入量決定装置。