JP2012106198A - 生物学的廃水処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】最初沈殿池11、無酸素槽12,好気槽13及び最終沈殿池14順次接続した生物学的廃水処理部1と、曝気量制御装置28、循環量制御装置29、薬品投入量制御装置30、の少なくともいずれか一つの制御装置と、N2O発生量をコストに換算する第1のコスト計算部25、電力料金と薬品費を計算する第2のコスト計算部26、放流水中の水質に基づいて排水賦課金を計算する第3のコスト計算部27、の少なくともいずれか一つのコスト計算部5と、コスト計算部5によってリアルタイムに又は一定の周期で計算されるコストが最小になるように制御装置の制御量を制御するコスト最小化制御部6とを具備することを特徴とする生物学的廃水処理装置。
【選択図】図1
Description
(1) 上述したように、生物学的廃水処理装置は、生物学的廃水処理部と、曝気制御装置,循環量制御装置及び薬品投入量制御装置の少なくともいずれか一つの制御装置と、第1のコスト計算部,第2のコスト計算部及び第3のコスト計算部の少なくともいずれか一つのコスト計算部と、コスト最小化制御部とを備えている。
こうした構成によれば、N2Oガス発生による地球温暖化防止、放流水質による環境負荷の低減または運転コストを考慮し、コストを最小化するような最適な生物学的廃水処理プロセス制御が可能になる。
これにより、上記(1)の効果に加えて、コストをリアルタイムに計測・計算する手段を持つだけで、N2Oガス発生の抑制を含むコスト最小化制御を自動的に達成することができる。
こうした構成によれば、例えば、酸化還元電位差(ORP)、溶存酸素濃度(DO)、浮遊物量(MLSS)など通常の生物学的廃水プロセスで計測しているプロセス値の管理範囲を制御に組み込んだうえで上記(2)の効果を出すことができる。
こうした構成によれば、N2O発生量を連続計測する際に、通常採用すると考えられるN2Oガス計測装置を用いずにN2O発生量と高い相関があると言われている亜硝酸量を連続計測することにより上記(1)の効果を出すことができる。このような方法を採用する利点の一つは、ガスを無酸素槽や好気槽等の反応槽内から追い出してガス計測せずに反応槽内で亜硝酸量を計測することができる点にある。また、別な利点は、N2Oは溶解性が高いため、十分にN2Oが気中に放出されていない状態でN2Oガス計測を行うと大きな誤差を伴う可能性があるのに対し、水中の亜硝酸量を計測することによって安定した計測が可能になる点にある。
こうした構成によれば、放流水質の一部が計測されていないような生物学的廃水処理プロセスにおいても、水質予測モデルを用いて推定した水質により、上記(1)の効果を出すことができる。一般的なプラントでは薬品コストや電力コストに換算される電力量や薬品投入量は計測されているが、放流水質については一部のみ計測されている場合が多い。このような場合においても、新たにセンサーを設置することなく、例えば国際水協会(IWA:International Water Association)が公表する活性汚泥モデルなどの信頼性の高い水質予測モデルを用いて上記(1)の効果を出すことができる。
こうした構成によれば、処理系列間の処理量を調整することにより、処理プロセス全体の処理コストを最小化する制御システムを構築することができる。
こうした構成によれば、予めコストが最小値近傍になるように操作量を設定することができ、これにより極値制御が局所最小値(極小値)に陥るのを防止し、真のコスト最小値に到達する可能性を高めることができる。
こうした構成によれば、上記(1)の効果に加えて、プラントを監視運用するオペレータに現在の操作量の値とコストの関係を視覚的に訴えることができ、オペレータがどのような操作量がコストの最小化にとって良いのかを学習することができる。
(実施形態)
図1は、本実施形態の生物学的廃水処理装置の基本構成図を示す。なお、図1は、生物学的廃水処理装置の中で窒素除去を主目的とする循環式消化脱窒法と呼ばれる処理プロセス構成の例であるが、窒素除去を目的とした好気槽と無酸素槽を有する任意の処理プロセス構成に対して適用可能である。例えば、窒素とリンの同時除去を目的とした嫌気−無酸素−好気プロセス(A2Oプロセス)や無酸素−好気を直列に2段連結したプロセスなど、生物学的な窒素の除去をその目的の一つとするプロセスであれば、そのプロセス構成は問わない。
前記生物学的廃水処理部1は、順次接続された,最終沈殿池11、無酸素槽12、好気槽13及び最終沈殿池14を有する。また、流入水質・水量センサー15と、無酸素槽水質センサー16と、好気槽水質センサー17と、放流水質・水量センサー18と、好気槽13に空気を供給して曝気量を制御する曝気量制御装置(ブロワ)19と、好気槽13から無酸素槽12に輸送される硝酸を含む循環液の循環量を制御する循環量制御装置(循環ポンプ)20および循環量センサー(図示せず)と、最終沈殿池14から無酸素槽12に微生物の集合体からなる汚泥を返送する返送汚泥ポンプ21および返送量センサー(図示せず)と、最終沈殿池14から過剰な汚泥を引き抜く余剰汚泥引き抜きポンプ22および余剰流量センサー(図示せず)と、無酸素槽12へ投入される薬品の投入量を制御する薬品投入量制御装置(薬品投入ポンプ)23および薬品投入量センサー(図示せず)とを備えている。
(1) まず、流入水質・水量センサー15,無酸素槽水質センサー16,好気槽水質センサー17及び放流水質・水量センサー18で計測されている各種の計測値は、所定の周期で連続計測され、プロセス値記憶部3のプロセスデータサーバ24に予め決められたフォーマットに従って保存されている。
同様に、N2O連続計測部2では、生物学的廃水処理部1から曝気により気中にストリップされたN2Oガスを収集した上で、N2Oガス濃度を検出可能な任意の濃度センサーを適用することにより、N2Oガスを同じ所定周期で計測し、その計測値はプロセス値記憶部3のプロセスデータサーバ24に予め決められたフォーマットに従って保存されている。以上が、N2O連続計測部2の作用である。
まず、水質推定部4では、放流水質・水量センサー18で計測していない放流水質を水質シミュレータにより推定する。例えば、放流水質として有機物に関する指標であるCOD濃度やUV濃度のみしか計測されていない下水処理場も多いが、このような処理場においても窒素やリンの排出量を抑制することが好ましい。このような場合、例えば、国際水協会(IWA)が公表している活性汚泥モデル(ASM1〜ASM3)のいずれかのモデルを用いて放流水質である全窒素濃度(TN)(ASM1〜ASM3)や全リン濃度(TP)(ASM2とASM3の場合)を推定することができる。
最初に、N2Oガスは温室効果ガスとしての温暖化係数がCO2の310倍であると言われているので、N2Oガス濃度を310倍してCO2濃度に換算する。次に、CO2濃度を金額換算する。CO2濃度を金額換算する方法としては、例えば、発電に伴うCO2発生量を逆算して、発電に伴うコストとして換算する方法を適用できる。例えば、平成20年12月19日の環境省報道発表資料によると、東京電力の係数は0.425kg−CO2/kWhである。一方、電気料金は各電力会社の電気料金から換算できる。例えば、平均的に12円程度であるとの報告もあるので、ここでは仮に12円/kWhを採用する。そうすると、N2Oコスト計算部25では、下記(1)式のようにN2Oコストを計算することができる。
=単位時間に計測したN2ガス濃度×容積×310÷0.425×12 …(1)
これが、N2Oコスト計算部25の作用である。もちろん、他の方法でコスト換算を行っても良く、例えば、CO2に一旦換算した後に排出権取引のような仕組みでコストに換算しても良い。但し、本実施形態では、運転に関わる電力コストと温暖化ガスの効果を同じ次元のコストとして評価しようと考えているので、上記(1)式のような換算を用いることがより好ましい。
単位時間当たりのブロワ(又はポンプ)コスト(円/単位時間)
=単位時間当たりのブロワ(又はポンプ)の消費電力量×12 …(2)
もし、電力量が計測されておらず、ブロワ風量やポンプ流量のみが計測されている場合には、ブロワやポンプの定格値や過去の実績値などから風量・流量と電力量の関係を予め算出しておき、これを用いて下記(3)式のように計算することができる。
=単位時間当たりのブロワ風量(又はポンプ流量)×電力換算係数×12 …(3)
電力換算係数は該当するブロワやポンプの特性や定格によって異なるが、例えば典型的な下水処理場の例として0.02kwh/m3〜0.03kwh/m3程度で電力換算する。また、ブロワ19と循環ポンプ20のコストは明らかに窒素除去に関連する。しかし、返送汚泥ポンプ21と余剰汚泥引き抜きポンプ22は、窒素除去のために積極的に制御することはあまり多くないため、これらのコストは無視することもできる。
単位時間当たりの薬品コスト=単位時間当たりの薬品投入量化×薬品単価 …(4)
以上が運転コスト計算部26の作用である。
単位時間当たりの水質コスト
=単位時間当たりのSS負荷量×SSコスト換算係数+
単位時間当たりのCOD負荷量×CODコスト換算係数+
単位時間当たりのBOD負荷量×BODコスト換算係数+
単位時間当たりのTN負荷量×TNコスト換算係数+
単位時間当たりのTP負荷量×TPコスト換算係数
各コストの換算係数は、実際の排水賦課金に基づいて決定しても良いし、上記文献に示されているような値を用いても良い。なお、本実施形態では、この水質コスト計算において、各水質(SS、COD,BOD,TN,TP)の計測値を用いずに、水質推定部4によって推定した値を用いて計算する。但し、推定値を用いるか用いないかにかかわらず、上記計算によって水質コストが算出できる。これが水質コスト計算部27の作用である。
極値制御は、総コストなど何らかの最小化あるいは最大化評価指標が与えられた場合に、その評価指標をリアルタイムに計測しながら、その極値(局所的な最大値あるいは最小値)を自動的に探索しながら、操作量を調整していく制御方式である。
以上のような曝気制御部28と循環制御部29と薬品制御部30とから構成される機構が総コスト最小化制御部6の作用である。
(1) N2Oガス発生による地球温暖化防止と放流水質による環境負荷の低減と運転コストを全体的に考慮し、全体のコストを最小化するような最適な生物学的廃水処理装置が得られる。
(2) N2Oコストと水質コストと運転コストからなる総コストをオンラインで連続的に計測あるいは計算することができ、N2Oガスの発生機構や生物学的処理プロセスの処理メカニズムを全く知らなくても、あるいは、概要がわかっているだけであっても、自動的に総コストを最小化するような制御系を構築できうる。
例えば、循環量の制御と薬品投入量の制御は共に脱窒という操作を行うための制御量であるため、お互いに関係する。また、曝気制御は硝化を行うものであるが、硝化によってアンモニアが硝酸に変化し、その硝酸を循環ポンプで無酸素槽に送りこむため、曝気量の制御と循環量の制御もお互いに関連する。つまり、曝気制御部と循環制御部と薬品制御部に互いに干渉する複数の操作量が存在する。また、上記の総コストを、上述のように各々の操作量に対して修正した場合、修正された評価指標が複数存在する。従って、複数の入力と複数の出力を持つ多入出力系の極値制御を適用することにより総コスト最小化制御を実行してもよい。
即ち、実際の生物学的廃水処理プロセスでは、薬品を外部から投入することは、通常は実施しない。何故なら、炭素源等の薬品は有機物であり、生物学的廃水処理において除去されるべき物質であるため、除去されるべき物質を新たに投入するということは通常は行われない。しかし、有機物の除去と窒素やリンの除去は密接に関連しており、例えば硝酸を窒素ガスに還元する際に有機物が利用されることがある。また、生物学的リン除去はリン蓄積菌と呼ばれる菌がリンを体内に蓄積した後、この菌が汚泥として引き抜かれることによって達成されるが、体内にリンを蓄積する際に必要となる有機物を体内ため込むことが必要となる。
通常、中規模以上の下水処理場では、複数の水処理系列を持ち、被処理水を複数の系列に分配して処理することが多い。例えば、図4に示すように、着水池31から最初沈殿池11を経由した被処理水は、複数の流入調整弁32a,32b,32cによって制御されて調整池33,ポンプ井34,各反応槽35を経て最終沈殿池14に送ることができる。なお、各流入調整弁32a〜32は流入量分配比制御部36に電気的に接続されている。また、調整池33は、最初沈殿池11と図1の無酸素槽12間に位置する。分配比を変更するということは、各処理系列においての水理学的滞留時間HRTや汚泥滞留時間SRTを変更することに対応する。N2Oガスは、HRTが短すぎると不完全硝化により発生し、逆に長すぎても発生することが、例えば特許文献1に開示されている。従って、各系列の分配比を操作量として上記と同様な極値制御系を構成することができる。
Claims (7)
- 下水又は排水を生物学的に処理する生物学的廃水処理装置において、
下水又は排水を収容する最初沈殿池、有機物を利用して下水又は排水中の硝酸の脱窒を行う無酸素槽、好気槽、及び最終沈殿池を順次接続した生物学的廃水処理部と、
前記好気槽での曝気量を制御する曝気量制御装置、前記好気槽で生成された硝酸を含む循環液の前記好気槽から前記無酸素槽への循環量を制御する循環量制御装置、及び前記無酸素槽への薬品の投入量を制御する薬品投入量制御装置、の少なくともいずれか一つの制御装置と、
N2O発生量をコストに換算する第1のコスト計算部、前記制御装置の電力料金と薬品費を計算する第2のコスト計算部、及び放流水の水質に基づいて排水賦課金を計算する第3のコスト計算部、の少なくともいずれか一つのコスト計算部と、
前記コスト計算部によってリアルタイムに又は一定の周期で計算されるコストが最小になるように前記制御装置の制御量を制御するコスト最小化制御部と、
を具備することを特徴とする生物学的廃水処理装置。 - 前記コスト計算部に加えて、コストには直接的に換算されないが連続計測しているプロセス値に関する制約条件を持ち、この制約条件を数理計画法で用いられる手法を用いてコストに換算した上で、コストの最小値を自動的に探索する極値制御部を有することを特徴とする請求項1記載の生物学的廃水処理装置。
- N2O発生量に関係する量として前記無酸素槽及び/又は前記好気槽内の亜硝酸量を連続計測するNO2連続計測部を有するとともに、前記コスト計算部が前記第1のコスト計算部を有することを特徴とする請求項1記載の生物学的廃水処理装置。
- 前記コスト計算部が前記醍のコスト計算部を有し、前記第3のコスト計算は水質コスト計算の全部あるいは一部を、水質予測モデルを用いて行うことを特徴とする請求項1記載の生物学的廃水処理装置。
- 前記好気槽のN2O発生量を連続計測するN2O連続計測部を有するとともに、前記薬品投入量制御装置を有し、前記爆気制御装置による爆気量及び前記循環量制御装置による循環量の一方あるいは両方を制御対象プロセスの操作量として採用し、前記N2O連続計測部におけるN2O計測値が所定のしきい値を超えた場合にのみ薬品投入量制御装置から前記無酸素槽に薬品を投入することを特徴とする請求項1記載の生物学的廃水処理装置。
- 前記生物学的廃水処理部が複数の処理系列を持ち、前記生物学的廃水処理部の操作量は、曝気量、循環量、薬品投入量、及び各処理系列への流入量分配比であることを特徴とする請求項1記載の生物学的廃水処理装置。
- オペレータが監視するための監視画面を有する表示手段を備えていることを特徴とする請求項1記載の生物学的廃水処理装置。
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