JP2013022505A - 凝集剤注入量決定装置及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。演算部変数として、計測したｐＨおよびσのみを用いる式に基づき、凝集剤注入量を求める。
【選択図】図２

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困難である。

また、流動電流計は、凝集剤を添加してマイクロフロックを形成し、そのマイクロフロックの状態を計測する。そこで、安定した計測を行い、オンラインでの凝集剤添加量制御を適切に制御するのが比較的難しい。

本発明に係る凝集剤注入量決定装置は、原水のｐＨ（ｐＨ）を計測するｐＨ計測手段と、原水の導電率（σ）を計測する導電率計測手段と、変数として、計測したｐＨおよびσのみを用いる式に基づき、凝集剤注入量を求める凝集剤注入量算出手段と、を有することを特徴とする。

また、さらに前記原水を貯留する原水タンクを有し、前記ｐＨ計測手段および前記導電率計測手段は、前記原水タンク内の原水のｐＨ、σを計測することが好適である。なお、原水の水質に変動が無い時、原水タンクに貯留機能は無くても良い。この場合、原水タンクは、ｐＨ計と導電率計をセットするタンクとして使用する。

また、前記凝集剤注入量算出手段は、流動電位Ｅは、Ｅ_０を特定のｐＨおよび導電率σ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位の目標値である設定流動電位値、ｐＨ_０を設定目標流動電位値Ｅ_０を求めた時の混和水ｐＨとして、
Ｅ＝Ｅ_０＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ_０）／σ
で求め、係数Ｋは、Ｋ_１を定数、σ_０を設定目標流動電位値Ｅ_０を求めた時の原水導電率として、
Ｋ＝Ｋ_１＋Ｋ_１（１−σ／σ_０）
で求め、凝集剤注入量Ｘを、Ｅを流動電位、α，βを定数として、
Ｘ＝αＥ＋β
で求めることが好適である。ここで、Ｅ_０＝Ｉ_０／σ_０＝Ｉ／σより、Ｉ＝σＥ_０であるから、Ｉｓｐ＝σＥ_０＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ_０）を得る。両辺をσで除すと、Ｅ＝Ｉｓｐ／σであるから、Ｅ＝Ｅ_０＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ_０）／σとなる。

また、本発明は、上述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、凝集処理を行うことを特徴とする。

また、原水の濁度を検出する濁度計を有し、前記濁度計により検出した原水濁度が所定値以上であった場合には、濁質比例定数に基づき計算した凝集剤注入量を決定することが好適である。

このように、本発明によれば、原水のｐＨ、導電率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。 凝集剤注入量決定装置の構成を示す図である。 ＰＡＣ注入率と混和水ｐＨの関係を示す図である。 Ｋ値を求める直線を示す図である。 ＳＣ検量線を示す図である。 ＰＡＣ注入量と表面電位の関係を示す図である。 電位とＰＡＣ注入率の関係を示す図である。 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。 電位とＰＡＣ注入率の関係を示す図である。 電位とＰＡＣ注入率の関係を示す図である。 処理のトレンドグラフである。 電位とＰＡＣ注入率の関係を示す図である。

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、取水施設を介し、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、演算装置７０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／配水池に導入され、ここで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。また、凝集剤注入量を決定することで、各種定数を決定することができ、このような定数を決定した後は、原水導電率、原水ｐＨから凝集剤注入率を決定する。

図２に示すように、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。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（ＰＡＣ）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、演算部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、演算部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、演算部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演算部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。

演算部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、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、且つ上澄水濁度が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の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ｐＨ_０に応じた基準となるＳＣ値（Ｉ_０）を決定する。設定ＳＣ値Ｉ_０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の演算部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、演算部５６において、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、その時の混和水ｐＨであるｐＨ_０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＝Ｉ_０−Ｉ_０（１−σ／σ_０）＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ_０）・・・・・（１）
Ｋ＝Ｋ_１＋Ｋ_１（１−σ／σ_０）・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
Ｉ＝ａｐＨ_ｍｄ＋ｂ・・・・・・・・（３）

ここで、Ｉ_ｓｐは目標ＳＣ値（ｍＡ）、設定ＳＣ値であるＩ_０はＳＣ検量線の式（３）からｐＨ_ｍｄ＝ｐＨ_０とした時のＳＣ値、σ_０はＳＣ検量線作成時の原水導電率、ｐＨ_０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、Ｋ_１はＳＣ検量線試験、試行錯誤法等から求めるが単位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Ｋ_１に導電率変化を考慮したｐＨ−ＳＣ変換係数である。なお、Ｋ≧０，Ｋ_１≧０，Ｉ_０＜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_ｍｄの一つであるｐＨ_０より大きく、ｐＨ＞ｐＨ_０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_ｍｄ＝ｐＨ_０の時のＳＣ値である設定ＳＣ値Ｉ_０を求め、式（１）にＩ_０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。

ここで、ＳＣ値Ｉは、導電率σにより除算することで表面電位Ｅに換算できる。従って、式（１）は、次のように書き換えることができる。
Ｅ_ｓｐ＝Ｅ_０＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ_０）／σ・・・・・（１）’

「凝集剤注入量の決定」
演算部５６においては、凝集剤であるＰＡＣの注入量を、表面電位がＥ_ｓｐに一致するように制御する。

一方、上記式（１）’などからわかるように、一旦Ｅ_０、σ_０、ｐＨ_０、Ｋ_１を求めてしまえば、その後は、低濁度原水では原水ｐＨ、原水導電率から目標表面電位Ｅｓｐを求めることができる。そして、ＰＡＣの注入量は、表面電位をＥｓｐにするためのものであり、ＰＡＣ注入量とＥｓｐには、一定の関係があるはずである。

各種のｐＨ、導電率σの原水に対して、凝集剤注入量決定装置２００による凝集剤注入量を求めた結果から、目標凝集剤注入量ＰＡＣｓｐ（以降、適宜ＰＡＣ_４とも記す）は、α、βを定数として、
ＰＡＣｓｐ＝ＰＡＣ_４＝αＥ_ｓｐ＋β・・・・・（４）
で決定できることが確認された。すなわち、異なる目標表面電位Ｅ_ｓｐの時の凝集剤注入量を測定し、プロットすることで、定数α、βを求めることができ、その後は測定して得られた原水ｐＨ、原水導電率σに基づき、式（１）’により目標表面電位Ｅｓｐを算出し、そのＥ_ｓｐを利用して上式により凝集剤注入量ＰＡＣを算出することで、演算装置７０において凝集剤注入量を求めることができる。

そして、このようにして求められて凝集剤注入量を制御装置２０に供給することで、原水に対する凝集剤注入量が適正値に制御される。

ここで、本実施形態では、原水濁度を計測する濁度計７２が設けられている。濁度計７２は、原水タンク４２内の濁度を計測してもよいし、着水井１０の原水を検出してもよい。そして、検出した原水濁度が演算装置７０に供給される。

「ＰＡＣ注入量の算出」
上述のように、本実施形態によれば、原水のｐＨ、導電率σの水質情報を凝集剤注入量決定装置２００に送り、ここで凝集剤注入量が決定され、水処理システム１００における凝集剤注入量が決定された凝集剤注入量に制御される。

この演算により決定される凝集剤注入量を演算ＰＡＣ注入率（＝ＰＡＣｓｐ：ｍｇ／Ｌ）と呼ぶ。この演算ＰＡＣ注入率の定義を式（５．１）に示す。
ＰＡＣｓｐ＝ＰＡＣ_４＝αＥ＋β・・・・・・・・・（５．１）

ここで、ＰＡＣｓｐ＝任意の設定電位Ｅ_０一つ毎に成立する演算ＰＡＣ注入率（ｍｇ／Ｌ）、Ｅ＝実測表面電位（ｍＶ）、α、β＝導電率が異なる３回以上の自動注入連続実験の平均ＰＡＣ注入率を回帰分析で求めた定数である。

演算装置７０に送られた原水ｐＨと導電率の現在値は式（５．２）＆式（５．３）で示す実測流動電流値を実測表面電位Ｅに変換する。そして、ＰＡＣｓｐでＰＡＣ注入率が演算され水処理システム１００の制御装置２０に電送される。

ここで、オームの法則からＥ＝Ｉ÷σであるから、上述の式（１）の両辺をσで除すと、次のようになる。
Ｉ_ｓｐ÷σ＝Ｅ＝Ｅ_０＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ_０）÷σ・・・・・・（５．２）
Ｋ＝Ｋ_１＋Ｋ_１（１−σ／σ_０）・・・・・・・・・・・・・（５．３）

ここでＩ_ｓｐ＝目標ＳＣ値（ｍＡ）、Ｅ_０＝設定電位（ｍＶ），Ｅ＝実測表面電位（ｍＶ）、σ＝原水導電率（μＳ／ｃｍ）、σ_０＝設定導電率（μＳ／ｃｍ）、ｐＨ＝原水ｐＨ（−）、ｐＨ_０＝設定混和水ｐＨ（事例ではｐＨ_０＝７．３）、Ｋ＝ｐＨベクトル係数（ｍＡ／ｐＨ）、Ｋ_１＝ベクトル係数（ｍＡ／ｐＨ）である。

「演算ＰＡＣ注入率（αおよびβ）とその求め方」
式（５．１）は本水処理システムにおける凝集剤注入率を与えるが、低濁度（≦２５度）であればＰＡＣ注入率は原水濁度と関係が無く、ｐＨの中和剤として消費されるＰＡＣと水の電気抵抗率を表す導電率及びアルカリ度の影響を受ける。この導電率とアルカリ度は同時に大きくなったり、小さくなったりし、降雨の希釈率で変異する事が水道統計から判明している。

ジャーテストと同じ原理に基づくＳＣ検量の測定から式（５．２）を導くが、その表面電位Ｅは、導電率が一定という条件が付く。しかし、ＰＡＣｓｐは異なる３点以上の導電率を満足するので全ての導電率とアルカリ度に対応する演算ＰＡＣ注入率ＰＡＣｓｐ（ＰＡＣ_４）となる。

なお、ジャーテストと併用し、ＰＡＣの注入率の変化に伴うｐＨの変化を検出しておけば、さらに正確なαおよびβを求める事も可能である。

「ＳＣ検量線の測定とジャーテストの関係と実測表面電位の定義」
表１は、図２のフローを持つ凝集剤注入量決定装置に約３０Ｌ／分の原水を連続通水し、ＰＡＣ注入率を６回変化させ、接触時間（２０分）を一定にしてＳＣ値を測定した結果である。

表１に示す様に、原水のｐＨ、導電率、濁度が一定の時にＳＣ検量線を測定した。導電率とアルカリ度は共に同じ希釈率を持つので一定である。

例えば、ジャーテストは、バケツで採水し、攪拌した後、ＰＡＣ注入率を変えた６個の検体を作りジャーテスト装置で攪拌と沈殿を行い、その中から沈降性の良い検体を総合的判断で選定する。その検体の適正ｐＨ、適正ＰＡＣ注入率及び適正アルカリ度を求めるのが、本来のジャーテストであるが、図３に示す様に、混和水ｐＨ（＝ｐＨ_ｍｄ）とＰＡＣ注入率が負の比例関係にある事はあまり知られていない。水の電気抵抗が一定になるからである。

図３の４点はＳＣ検量線の測定値で他の４点は同じ検水のジャーテスト注入率をプロットしたものである。表１のｄ−１とｄ−２は凝集剤不足でこの式（６．１）のＰＡＣ検量線上に乗らない。ｄ−３のＰＡＣ注入率からｄ−６のまでのＰＡＣが図５に示すＳＣ検量線上に乗る。ＳＣ検量線上のフロックは全て沈降性が良いが、ジャーテストで総合的に決定する。ここではＳＣ検量線を求める実験とジャーテスト実験を同時に行った。異なる点は前者が粒子表面電流値を測定し、これを電位に変換してｍＶ表示することである。

これより、下記式（６．１）が得られる。
ＰＡＣ＝−１２０．７ｐＨ_ｍｄ＋９０３．７２・・・・・・（６．１）
ここでｐＨ_ｍｄ＝混和水ｐＨ（−）である。

式（６．１）が直線になるのは水質が一定であり、導電率σ＝１５０μＳ／ｃｍが一定であるので水の電気抵抗率Ｒ（Ω／ｃｍ）が一定となるからである。

一般に電気工学でＲとσは逆数の関係があり式（６．２）で表される。
Ｒ（＝１０^６Ω／ｃｍ）＝１／σ・・・・・・・・・（６．２）

ＳＣ値（＝Ｉ， ｍＡ）が相対値であるので式（５．２）でオームの法則を利用したが、ＳＣ値を電位変換すると何等かの係数が生じるはずであるが、ＰＡＣ注入率の制御には係数は不要の為Ｅ＝Ｉ／σ ｍＶとして扱う。

「ｐＨベクトル係数Ｋ値」
図４は、表１を利用しｘ軸にＬｏｇΔｐＨをｙ軸にΔＳＣ値を取り、単位ｐＨ当たりのＳＣ値の変化率Ｋ値（図における傾き）を求める図である。Ｋ値は図５のＳＣ検量線の勾配と同じ大きさを持つが符号が異なる。図４からＫ＝Ｋ_１＝１８．８ｍＡ／ｐＨ、Ｒ^２＝０．９９１３を得た。Ｋ値は目標ＳＣ値をＩｓ＝σＥ_０としてＰＡＣの自動注入実験からも求める事が出来るが表１から求める方が、測定精度は良く、相関係数０．９９１を得ることができた。

「ＳＣ検量線とＰＡＣ：表面電位関数」
ＳＣ検量線は、ジャーテスト実験と、凝集剤注入量決定装置２００の運転を同時に行い、適正ｐＨ_０から適正ＳＣ値（＝Ｉ_０）を求めた。

表１からｘ軸に混和水ｐＨ（＝ｐＨ_ｍｄ）を、ｙ軸にＳＣ値を取り、ＳＣ検量線を測定した。ジャーテスト結果の適正混和水ｐＨがｐＨ_ｍｄ＝７．３であったので設定ｐＨ_０＝７．３を採用した。この時の式（６．３）よりＳＣ＝−６７ｍＡであったので設定ＳＣ値（＝Ｉ_０）＝−６７ｍＡと決定した。

従って、図５に示すように、式（６．３）が得られる。
ＳＣ値：Ｉ＝−２１３．０５ｐＨ_ｍｄ＋１４８８．７、Ｒ^２＝０．９９８１・・・（６．３）

また、ｐＨ_ｍｄ＝ｐＨ_０＝７．３と図３から、適切ＳＣ値を求めた際の設定ＰＡＣ注入量（＝ＰＡＣ_０）＝２２．２ｍｇ／Ｌを決定した。

図６は、表１からＰＡＣと実測表面電位Ｅとの近似式（６．４）を得られることを示している。これより、設定電位Ｅ_０＝−６７ｍＡ／１５０＝−０．４４７ｍＶを決定した。これより、表面電位に対するＰＡＣ注入量の関係が得られる。
ＰＡＣ＝８５．１０Ｅ＋６０．２４３ ｍｇ／Ｌ、Ｒ^２＝０．９９９・・・（６．４）

「凝集剤の自動注入実験」
上述のように、設定条件における目標表面電位である
Ｅ_０＝−０．４４７ｍＶ、ＰＡＣ_０＝２２．２ｍＶ、ｐＨ_０＝７．３、σ_０＝１５０μＳ／ｃｍ、Ｋ＝Ｋ_１＝１８．８ｍＡ／ｐＨ
が決定できたので目標ＳＣ値をＩ_ｓｐ＝σＥ_０＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ_０）として計算し、ＰＡＣポンプの回転数制御を行い、現在ＳＣ値＝目標ＳＣ値となる様に自動運転した。但しＫ_１＝１４ｍＡ／ｐＨとして実験した為、平均ＰＡＣ注入率等はＫ_１＝１８．８に比較すると小さい。

この実験（ＰＡＣ_２を求める）は設定電位Ｅ_０を３回変えて行い、その平均ＰＡＣ注入率の回帰分析法からＰＡＣ−表面電位の一次関数の近似式（７．１）を得た（図７参照）。
ＰＡＣ＝８５．２Ｅ＋６６．３ 、Ｒ^２＝０．９９４・・・・・・（７．１）

図８に、表面電位Ｅ_０＝−０．４４７ｍＶに基づきＰＡＣの添加量を制御した結果を示す。この際の各種データは、表２に示すとおりである。

図７の中央の測点の平均ＰＡＣ注入率３１．５ｍｇ／Ｌは図８の自動注入の平均値であり、この時混和水ｐＨ＝７．２８を示した。目標ｐＨ＝７．３をほぼ満足した。

「導電率（アルカリ度）の影響と演算ＰＡＣ注入率」
図９に示すように、式（６．４）、式（７．１）及び設定電位Ｅ_０＝−０．４４７ｍＶ、Ｋ_１＝１８．３で自動注入した平均ＰＡＣ注入率点（−０．３５５ｍＶ、３８ｍｇ／Ｌ）から式（８．１）を得たが、各々ＰＡＣ_{１，２，３}とする。
ＰＡＣ_１＝８５．１０Ｅ＋６０．２４３ ｍｇ／Ｌ・・・・・・（６．４）
ＰＡＣ_２＝８５．２Ｅ＋６６．３ 、Ｒ^２＝０．９９４・・・・・（７．１）
ＰＡＣ_３＝８５．２Ｅ＋６９．８・・・・・・・・・・・（８．１）

３近似式のｙ切片の定数の相違は導電率（アルカリ度）の相違から起因する。導電率が大きくなると、アルカリ度も大きくなりＰＡＣ注入率が上昇するからである。しかし、最大導電率に近づくに連れ定数の上昇率が小さくなる。

これら３式を満足する図９に示す点Ａ，Ｂ，Ｃの回帰解析からＰＡＣｓｐの式（８．２）を得る。
ＰＡＣｓｐ＝ＰＡＣ_４＝１７１．５Ｅ＋９９．４、Ｒ^２＝０．９８７・・・・・（８．２）

当初に設定した電位Ｅ_０＝−０．４４７ｍＶは点ＡからＢ，Ｃと移動した。

しかもＰＡＣｓｐの相関係数Ｒ^２＝０．９８７と比較的高いがＫ値が異なっていても、理論通りに移動したと考察できた。ＰＡＣｓｐは設定電位Ｅ_０が同じであれば、全ての導電率の変化に対応するＰＡＣ注入率を計算できる事からこれを演算ＰＡＣ注入率と定義する。

「適正Ｋ値での補正と演算ＰＡＣ注入式」
図９は、実測値であるがＫ値を１８．８ｍＡ／ｐＨに修正し、正しい演算ＰＡＣ注入率を与えるＰＡＣ（ＰＡＣｓｐ）を求める。

表３にＫ_１を統一した時の実測表面電位の計算手順を示す。

実測表面電位を各々ＰＡＣ_２とＰＡＣ_３の表面電位関数に代入し、演算ＰＡＣ注入率を得る。

さらに、この３個の注入率の回帰分析から全ての導電率を満足する設定電位Ｅ_０＝−０．４４７ｍＶの演算ＰＡＣ注入率を与える式（９．１）を図１０より得る。
ＰＡＣｓｐ＝ＰＡＣ_４＝１５４．２４Ｅ＋９１．１２６， Ｒ^２＝１・・・・・（９．１）

「演算ＰＡＣ注入率と従来法によるＰＡＣ自動注入率の比較結果」
表４に演算ＰＡＣ注入率の計算値と目標ＳＣ値と現在ＳＣ値を同じにする自動注入の測定結果を示す。

また、図１１に実験期間７日間の演算ＰＡＣ注入率と実測値を示す。図９の場合と同様に、急速攪拌タンクの僅かな滞留時間（６分以下）で、ｐＨ変動にＳＣ値が最大値と最小値に追随していないが、平均値はそれなりに計算値とバランスが取れていた。

この運転における各種データを表５に示す。

また、Ｋ値が小さい事もあり、混和水ｐＨが平均７．３４と大きくしかも変動幅７．５８〜７．１６であった。これは処理に支障を来す事もあり、演算ＰＡＣ注入法が遥かに優れていると言える。すなわち、大きな原水ｐＨの変動に伴い、ＳＣ目標値が変動し、ＰＡＣの注入率（ＰＡＣ）は大きく変動する。そして、ＳＣ値に基づく自動運転により決定された凝集剤注入量ＰＡＣは、大きな変動となる。一方、演算ＰＡＣ注入率はかなり滑らかな変化となり、この演算ＰＡＣ注入率（ＦＦ制御）を利用する方が、目標ＳＣ値に基づく自動運転によるＰＡＣ注入率（ＦＢ制御）の決定より、優れている。

「濁度比例制御」
演算ＰＡＣ注入率のＦＦ制御から突然目標ＳＣ値のＦＢ制御に戻すには準備と時間が必要である。演算ＰＡＣ注入率は原水濁度２５度まで対応できるので、それ以上の濁度は濁度比例制御の同じＦＦ制御を継続すべきである。

その時のＰＡＣ注入率は式（１１．１）で自動注入する。
ＰＡＣ＝Ｔ＊０．６６５＊１．０５・・・・・・・・・・・（１１．１）
ここで、
Ｔ＝原水濁度（度）
０．６６５＝濁質比例定数（＝対イオンＡＬ／Ｔ比）＝濁度に含まれる濁質濃度比（−）（濁質比例定数は高濁度の時、観測でき粒子表面が電気的飽和になる最少凝集剤要求量比であり浄水場で異なる）
１．０５＝ＳＣ検量線上にＰＡＣ注入率を乗せる最小安全率（−）
である。

このように、濁度が所定値以上の場合には、濁度比例による凝集剤注入制御に切り換えることが好適である。すなわち、原水の濁度を検出する濁度計により検出した原水濁度が所定以上であった場合には、濁質比例定数に基づき計算した凝集剤注入量を決定することが好適である。低濁度の時、ＰＡＣ注入率は原水導電率とｐＨで律速され、高濁度では濁質濃度で律速される。低濁度では粒子表面積が小さく電気的飽和にする必要＋イオンは少なく、ｐＨを降下させる凝集剤の消費量の方が多くなる。高濁度では粒子表面積が大きいので単純な濁質比例反応となる。

「他の実測例」
図１２は、設定電位Ｅ_０＝−０．４１４ｍＶの時に演算ＰＡＣ注入率を表３と同様に求めたもので、Ｉ_０＝−６２．１ｍＡ、ｐＨ_０＝７．２８、ＰＡＣ_０＝２５ｍｇ／Ｌ（実測値）から求めた。

図１２から、設定電位Ｅ_０＝−０．４１４ｍＶの演算ＰＡＣ注入率は式（１２．１）のように表せる。
ＰＡＣｓｐ＝ＰＡＣ_４＝１４４．３６Ｅ＋８４．８４７、Ｒ^２＝１、・・・・・（１２．１）

一方、図１０では、設定電位Ｅ_０＝−０．４４７ｍＶの演算ＰＡＣ注入率は式（９．１）のように表される。
ＰＡＣｓｐ＝ＰＡＣ_４＝１５４．２４Ｅ＋９１．１２６、Ｒ^２＝１・・・（９．１）

図１２と図１０から、演算ＰＡＣｓｐの注入率は、ＳＣ検量線の測定から任意の設定電位Ｅ_０の選定で、ＰＡＣｓｐのα＆βが変化するが、設定電位を変えても演算可能であることがわかる。

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、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 演算部、５８ ＳＣメータ、６０ 排水タンク、６２ ｐＨ計、７０ 演算装置、１００ 水処理システム、２００ 凝集剤注入量決定装置。

Claims (5)

1. 原水のｐＨ（ｐＨ）を計測するｐＨ計測手段と、
   原水の導電率（σ）を計測する導電率計測手段と、
   変数として、計測したｐＨおよびσのみを用いる式に基づき、凝集剤注入量を求める凝集剤注入量算出手段と、
   を有する凝集剤注入量決定装置。
2. 請求項１における凝集剤注入量決定装置において、
   さらに、
   前記原水を貯留する原水タンクを有し、
   前記ｐＨ計測手段および前記導電率計測手段は、前記原水タンク内の原水のｐＨ、σを計測する凝集剤注入量決定装置。
3. 請求項１または２における凝集剤注入量決定装置において、
   前記凝集剤注入量算出手段は、
   流動電位Ｅは、Ｅ_０を特定のｐＨおよび導電率σ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位の目標値である設定流動電位値、ｐＨ_０を設定目標流動電位値Ｅ_０を求めた時の混和水ｐＨとして、
   Ｅ＝Ｅ_０＋Ｋ（ｐＨ−ｐＨ_０）／σ
   で求め、
   係数Ｋは、Ｋ_１を定数、σ_０を設定目標流動電位値Ｅ_０を求めた時の原水導電率として、
   Ｋ＝Ｋ_１＋Ｋ_１（１−σ／σ_０）
   で求め、
   凝集剤注入量Ｘを、Ｅを流動電位、α，βを定数として、
   Ｘ＝αＥ＋β
   で求める凝集剤注入量決定装置。
4. 請求項１〜３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。
5. 請求項４に記載の水処理施設の凝集剤注入量制御システムにおいて、
   原水の濁度を検出する濁度計を有し、
   前記濁度計により検出した原水濁度が所定以上であった場合には、濁質比例定数に基づき計算した凝集剤注入量を決定する水処理施設の凝集剤注入量制御システム。

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