JP2012213759A

JP2012213759A - 薬品注入制御方法及び薬品注入制御装置

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Publication number: JP2012213759A
Application number: JP2012053769A
Authority: JP
Inventors: Tomio Noami; 都夫野網
Original assignee: Metawater Co Ltd
Current assignee: Metawater Co Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: JP5845117B2

Abstract

【課題】処理水の水質を目標値に制御しつつ凝集処理に要するコストを削減すること。
【解決手段】薬品注入制御装置１８が、ニューラルネットワークを利用して複数の注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を注入した際の処理水の水質を予測し、予測された処理水の水質を用いて、複数の注入率条件について、ＰＡＣ及び粉末活性炭の使用コストと処理水の水質の目標値に対する予測値の乖離度とをパラメータとして少なくとも含む評価関数の値を算出し、算出された評価関数の値に基づいて、ＰＡＣ及び粉末活性炭の最適な注入率条件を決定し、決定した注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を原水に注入する。これにより、処理水の水質を目標値に制御しつつ凝集処理に要するコストを削減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原水に対するＰＡＣ及び粉末活性炭の注入率を制御する薬品注入制御方法及び薬品注入制御装置に関するものである。

従来より、浄水場では、凝集剤として機能するＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）及び吸着剤として機能する粉末活性炭を原水に注入し、膜ろ過によって原水から凝集フロックを除去することによって、色度等の処理水の水質を目標値にする凝集処理が行われている。このような凝集処理では、ＰＡＣの注入率は、原水の濁度に応じて比例制御されている（特許文献１，２参照）。また、粉末活性炭の注入率は、毎日行われる水質検査及びジャーテストの結果に基づいて決定されている。

特開２００７−６１８００号公報特開２００７−１８５６１０号公報

しかしながら、従来の凝集処理では、ＰＡＣの注入率を原水の濁度に応じて比例制御しているために、大雨や藻類の増殖等に起因する突発的な原水の濁度変化に対応できず、処理水の水質を目標値に制御できないことがある。また、ＰＡＣの注入率は水質の目標値に対し余裕を持たせた値に設定されるために、必要量より多くのＰＡＣが注入されてしまう。また、従来の凝集処理では、粉末活性炭の注入率は水質検査及びジャーテストの結果に基づいて決定されるために、ＰＡＣの注入率と同様に、原水の濁度変化に対応できず、処理水の水質を目標値に制御できないことがある。さらには、水質検査及びジャーテストを行うための人員が必要となり、凝集処理に要するコストが増加する。

一方、粉末活性炭の単価はＰＡＣの単価の１０倍以上と非常に高い。このため、処理水の水質を目標値に制御しつつ凝集処理に要するコストを抑えるためには、ＰＡＣ及び粉末活性炭の単価や処理能力を考慮して処理水の水質を目標値に制御するために最低限必要なＰＡＣ及び粉末活性炭を注入するようにＰＡＣ及び粉末活性炭の注入率を制御する必要がある。しかしながら、従来の凝集処理では、上述のように、ＰＡＣ及び粉末活性炭の注入率は個別に制御されているために、凝集処理に要するコストを削減することは困難である。このような背景から、処理水の水質を目標値に制御しつつ凝集処理に要するコストを削減可能な技術の提供が期待されていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、処理水の水質を目標値に制御しつつ凝集処理に要するコストを削減可能な薬品注入制御方法及び薬品注入制御装置を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る薬品注入制御方法は、ニューラルネットワークを利用して複数の注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を注入した際の処理水の水質を予測する処理水水質予測ステップと、前記処理水水質予測ステップにおいて予測された処理水の水質を用いて、前記複数の注入率条件について、ＰＡＣ及び粉末活性炭の使用コストと処理水の水質の目標値に対する予測値の乖離度とをパラメータとして少なくとも含む評価関数の値を算出する評価関数算出ステップと、前記評価関数算出ステップにおいて算出された評価関数の値に基づいて、ＰＡＣ及び粉末活性炭の最適な注入率条件を決定する注入率決定ステップと、前記注入率決定ステップにおいて決定された注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を原水に注入する薬品注入ステップと、を含む。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る薬品注入制御装置は、ニューラルネットワークを利用して複数の注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を注入した際の処理水の水質を予測する処理水水質予測部と、前記処理水水質予測部によって予測された処理水の水質を用いて、前記複数の注入率条件について、ＰＡＣ及び粉末活性炭の使用コストと処理水の水質の目標値に対する予測値の乖離度とをパラメータとして少なくとも含む評価関数の値を算出し、算出された評価関数の値に基づいて、ＰＡＣ及び粉末活性炭の最適な注入率条件を決定し、決定した注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を原水に注入する薬品注入率制御部と、を備える。

本発明に係る薬品注入率制御方法及び薬品注入率制御装置によれば、処理水の水質を目標値に制御しつつ凝集処理に要するコストを削減することができる。

図１は、本発明の一実施形態である薬品注入制御システム及びこの薬品注入制御システムが適用される浄水場の構成を示す模式図である。図２は、図１に示す薬品注入制御装置の内部構成を示す機能ブロック図である。図３は、本発明の一実施形態であるニューラルネットワークの構成を示す模式図である。図４は、本発明の一実施形態である薬品注入制御処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である薬品注入制御システムの構成及びその動作について説明する。

〔浄水場の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である薬品注入制御システムが適用される浄水場の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である薬品注入制御システム及びこの薬品注入制御システムが適用される浄水場の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である薬品注入制御システムが適用される浄水場は、原水槽２，薬品混和槽４，及び膜ろ過装置５を主な構成要素として備えている。

原水槽２は、河川等から取水された原水を貯留するためのものである。薬品混和槽４は、原水とＰＡＣ及び粉末活性炭とを急速攪拌することによって混和水を生成し、混和水を緩速攪拌することによって凝集フロックの合体，粗大化を図るものである。膜ろ過装置５は、薬品混和槽４を通過した原水を処理水と凝集フロックとに分離し、処理水を排出するものである。

〔薬品注入制御システムの構成〕
次に、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態である薬品注入制御システムの構成について説明する。図１に示すように、本発明の一実施形態である薬品注入制御システム１は、原水色度センサ１０，原水アンモニア濃度センサ１１，原水濁度センサ１２，原水ｐＨセンサ１３，塩素濃度センサ１４，混和水水温センサ１５，混和水ｐＨセンサ１６，処理水水質センサ１７，薬品注入制御装置１８，端末装置２０，ＰＡＣ注入装置２１，及び粉末活性炭注入装置２２を主な構成要素として備えている。

原水色度センサ１０は、原水槽２に貯留される原水（取水）の色度（ＵＶ）を検出し、検出値を薬品注入制御装置１８に出力するものである。原水アンモニア濃度センサ１１は、原水中のアンモニア濃度を検出し、検出値を薬品注入制御装置１８に出力するものである。原水濁度センサ１２は、原水槽２から排出された原水の濁度を検出し、検出値を薬品注入制御装置１８に出力するものである。原水ｐＨセンサ１３は、原水槽２から排出された原水のｐＨを検出し、検出値を薬品注入制御装置１８に出力するものである。

塩素濃度センサ１４は、原水中の塩素濃度を検出し、検出値を薬品注入制御装置１８に出力するものである。混和水水温センサ１５は、薬品混和槽４内の混和水の水温を検出し、検出値を薬品注入制御装置１８に出力するものである。混和水ｐＨセンサ１６は、薬品混和槽４内の混和水のｐＨを検出し、検出値を薬品注入制御装置１８に出力するものである。処理水水質センサ１７は、膜ろ過装置５から排出された処理水の水質を検出し、検出値を薬品注入制御装置１８に出力するものである。

薬品注入制御装置１８は、ワークステーション等の汎用の情報処理装置によって構成され、後述する薬品注入制御処理を実行することによって薬品注入制御システム１全体の動作を制御する。図２は、薬品注入制御装置１８の内部構成を示す機能ブロック図である。図２に示すように、薬品注入制御装置１８は、ＣＰＵ等の内部の演算処理装置がＲＯＭ等の内部の記憶装置に予め記憶されているコンピュータプログラムを実行することによって、処理水水質予測部１８１及び薬品注入率制御部１８２として機能する。

処理水水質予測部１８１は、ニューラルネットワークを利用して処理水の水質を予測する。図３は、本発明の一実施形態であるニューラルネットワークの構成を示す模式図である。図３に示すように、本発明の一実施形態であるニューラルネットワークは、薬品注入制御装置１８に入力される各センサの検出値とＰＡＣ及び粉末活性炭の注入率とを入力データ、処理水の水質を出力データとし、１０個のニューロンＸ_０〜Ｘ_９を有する入力層Ｌ_１，１０個のニューロンＹ_０〜Ｙ_９を有する中間層Ｌ_２，及び１個のニューロンＺ_１を有する出力層Ｌ_３からなる階層構造となっている。また、本実施形態では、ニューラルネットワークの学習アルゴリズムとして誤差逆伝搬法を採用した。

本実施形態では、原水が原水槽２内に貯留されてから膜ろ過装置５を通過するまでの時間を考慮して、（１）原水槽滞留時間前の原水の色度（取水ＵＶ），（２）原水槽滞留時間前の原水アンモニア濃度（原水アンモニア），（３）途中配管の滞留時間前の原水の濁度，（４）途中配管の滞留時間前の原水のｐＨ，（５）途中配管の滞留時間前の混和水中の塩素濃度（混和水残留塩素），（６）現在の混和水の水温，（７）現在の混和水のｐＨ（混和水ｐＨ），（８）ＰＡＣ注入率，及び（９）粉末活性炭注入率を入力データとして用いた。また、出力データは（１０）薬品混和槽及び膜ろ過装置の滞留時間先の処理水の水質（処理水水質（色度、ＵＶ等））とした。

薬品注入率制御部１８２は、処理水水質予測部１８１によって算出された処理水の水質に基づいてＰＡＣ及び粉末活性炭の注入率を決定し、決定したＰＡＣ及び粉末活性炭の注入率となるようにＰＡＣ注入装置２１及び粉末活性炭注入装置２２の動作を制御する。ＰＡＣ及び粉末活性炭の注入率の決定方法については後述する。端末装置２０は、パーソナルコンピュータ等の汎用の情報処理装置によって構成され、ニューラルネットワークの学習動作を実行する。ＰＡＣ注入装置２１は、薬品注入制御装置１８からの制御信号に従って薬品混和槽４内に指定量のＰＡＣを注入するものである。粉末活性炭注入装置２２は、薬品注入制御装置１８からの制御信号に従って薬品混和槽４内に指定量の粉末活性炭を注入するものである。

〔薬品注入制御処理〕
このような構成を有する薬品注入制御システム１においては、薬品注入制御装置１８が以下に示す薬品注入制御処理を実行することによって、処理水の水質を目標値に制御しつつ凝集処理に要するコストを低減する。以下、図４に示すフローチャートを参照して、この薬品注入制御処理を実行する際の薬品注入制御装置１８の動作について説明する。

図４は、本発明の一実施形態である薬品注入制御処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すフローチャートは、浄水場の稼働が開始されたタイミングで開始となり、薬品注入制御処理はステップＳ１の処理に進む。薬品注入制御処理は所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１の処理では、処理水水質予測部１８１が、図３に示すニューラルネットワークの入力データを取得する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、薬品注入制御処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、処理水水質予測部１８１が、ステップＳ１の処理によって取得した入力データを図３に示すニューラルネットワークに入力することによって、入力した注入率でＰＡＣ及び粉末活性炭を注入した場合の処理水の水質を予測する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、薬品注入制御処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、薬品注入率制御部１８２が、ステップＳ２の処理において入力したＰＡＣ注入率及び粉末活性炭注入率及びステップＳ２の処理によって算出された処理水の水質（処理水水質予測値）を以下に示す数式（１）に代入することによって、評価関数Ｆの値を算出する。数式（１）中、係数ａ，ｂはａ＋ｂ＝１を満たす値である。係数ａの値を係数ｂの値より大きくすることによってコスト削減を重視した制御が可能となり、係数ａの値を係数ｂの値より小さくすることによって処理水の水質を重視した制御が可能となる。また、数式（１）中、係数αは粉末活性炭の単価をＰＡＣの単価で除算した値等の重み係数であり、ｃは任意のペナルティ係数である。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、薬品注入制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、処理水水質予測部１８１及び薬品注入率制御部１８２がＰＡＣ注入率及び粉末活性炭注入率を変更しながらステップＳ２及びステップ３の処理を繰り返し実行する。そして、薬品注入率制御部１８２が、各処理において算出された評価関数Ｆの値に基づいて最適なＰＡＣ注入率及び粉末活性炭注入率を決定する。本実施形態では、薬品注入率制御部１８２は、評価関数Ｆの値が最大になった時のＰＡＣ注入率及び粉末活性炭注入率を最適なＰＡＣ注入率及び粉末活性炭注入率として決定する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、薬品注入制御処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、薬品注入率制御部１８２が、ステップＳ４の処理によって決定した注入率でＰＡＣ及び粉末活性炭を注入するようにＰＡＣ注入装置２１及び粉末活性炭注入装置２２の動作を制御する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、一連の薬品注入制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である薬品注入制御処理によれば、処理水水質予測部１８１が、ニューラルネットワークを利用して複数の注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を注入した際の処理水の水質を予測し、薬品注入率制御部１８２が、処理水水質予測部１８１によって予測された処理水の水質を用いて、複数の注入率条件について、ＰＡＣ及び粉末活性炭の使用コストと処理水の水質の目標値に対する予測値の乖離度とをパラメータとして少なくとも含む評価関数の値を算出し、算出された評価関数の値に基づいて、ＰＡＣ及び粉末活性炭の最適な注入率条件を決定し、決定した注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を原水に注入するので、処理水の水質を目標値に制御しつつ凝集処理に要するコストを削減することができる。

なお、本実施形態では、評価関数は、ＰＡＣ及び粉末活性炭の使用コストと処理水の水質の目標値に対する予測値の乖離度とをパラメータとして有しているが、膜ろ過装置５の洗浄コストをパラメータとして評価関数に加えてもよい。この場合、評価関数は以下に示す数式（２）のように表される。数式（２）中、係数ａ１，ａ２，ｂはａ１＋ａ２＋ｂ＝１を満たす値である。係数ａ１，ａ２の和を係数ｂの値より大きくすることによってコスト削減を重視した制御が可能となり、係数ａ１，ａ２の和を係数ｂの値より小さくすることによって処理水の水質を重視した制御が可能となる。また、係数ａ１の値を係数ａ２の値より大きくすることによりＰＡＣ及び粉末活性炭の使用コスト削減を重視した制御が可能となり、係数ａ１の値を係数ａ２の値より小さくすることにより膜ろ過装置５の洗浄コスト削減を重視した制御が可能となる。また、数式（２）中、係数αは粉末活性炭の単価をＰＡＣの単価で除算した値等の重み係数であり、ｃは任意のペナルティ係数である。

一般に、膜ろ過装置５の膜差圧は膜ろ過装置５の運転時間に応じて増加し、膜差圧が所定値以上になると膜ろ過装置５を特殊洗浄しなければならなくなる。また、膜ろ過装置５の洗浄コストは、膜ろ過の条件（原水水質、反応条件、ＰＡＣ及び粉末活性炭の注入率等）から膜差圧を予測し、特殊洗浄費を膜差圧が所定値以上になるまでの時間で除算等することによって、見積もることができる。膜ろ過装置５の膜差圧の予測方法としては、例えば非特許文献１（“凝集剤注入率制御を目的としたニューラルネットワークによる膜濾過抵抗変化のモデル化”、陰山晃治ほか、水道協会雑誌、第８０巻、第９号、９〜２１頁）に開示されている方法を例示できる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１薬品注入制御システム
２原水槽
４薬品混和槽
５膜ろ過装置
１０原水色度センサ
１１原水アンモニア濃度センサ
１２原水濁度センサ
１３原水ｐＨセンサ
１４混和水塩素濃度センサ
１５混和水水温センサ
１６混和水ｐＨセンサ
１７処理水水質センサ
１８薬品注入制御装置
２０端末装置
２１ＰＡＣ注入装置
２２粉末活性炭注入装置
１８１処理水水質予測部
１８２薬品注入率制御部

Claims

ニューラルネットワークを利用して複数の注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を注入した際の処理水の水質を予測する処理水水質予測ステップと、
前記処理水水質予測ステップにおいて予測された処理水の水質を用いて、前記複数の注入率条件について、ＰＡＣ及び粉末活性炭の使用コストと処理水の水質の目標値に対する予測値の乖離度とをパラメータとして少なくとも含む評価関数の値を算出する評価関数算出ステップと、
前記評価関数算出ステップにおいて算出された評価関数の値に基づいて、ＰＡＣ及び粉末活性炭の最適な注入率条件を決定する注入率決定ステップと、
前記注入率決定ステップにおいて決定された注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を原水に注入する薬品注入ステップと、
を含むことを特徴とする薬品注入制御方法。
前記評価関数は、処理水を膜ろ過する膜ろ過装置の洗浄コストをパラメータとして含むことを特徴とする請求項１に記載の薬品注入制御方法。
ニューラルネットワークを利用して複数の注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を注入した際の処理水の水質を予測する処理水水質予測部と、
前記処理水水質予測部によって予測された処理水の水質を用いて、前記複数の注入率条件について、ＰＡＣ及び粉末活性炭の使用コストと処理水の水質の目標値に対する予測値の乖離度とをパラメータとして少なくとも含む評価関数の値を算出し、算出された評価関数の値に基づいて、ＰＡＣ及び粉末活性炭の最適な注入率条件を決定し、決定した注入率条件でＰＡＣ及び粉末活性炭を原水に注入する薬品注入率制御部と、
を備えることを特徴とする薬品注入制御装置。
前記評価関数は、処理水を膜ろ過する膜ろ過装置の洗浄コストをパラメータとして含むことを特徴とする請求項３に記載の薬品注入制御装置。