JP2016120465A - 水処理システムおよびその曝気風量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】好気槽の混合液へ供給される空気量を適切に制御することができる水処理システムおよびその曝気風量制御方法を提供する。
【解決手段】水処理システムは、曝気装置を備えた好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する第１のアンモニア計と、一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する第２のアンモニア計と、曝気装置の曝気風量の目標値である目標操作量に基づいて曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御装置と、目標操作量を生成する曝気風量演算装置と、を備え、曝気風量演算装置は、帰還目標操作量信号を生成する第１の操作量演算要素を含むフィードバック制御系と、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じて先行目標操作量信号を生成する第２の操作量演算要素を含むフィードフォワード制御系と、帰還目標操作量信号および先行目標操作量信号を加算する加算演算要素と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、下水処理設備等に設けられる、好気槽を含む生物反応槽を備えた水処理システムに関する。特に、上記水処理システムにおける、好気槽の曝気風量の制御に関する。

従来、生活排水などの排水処理において、活性汚泥を用いて排水を浄化する水処理システムが知られている。このような水処理システムは、例えば、原水（流入下水）を貯溜する原水槽と、原水と活性汚泥が混合した活性汚泥混合液（以下、単に「混合液」ともいう）中の汚濁物質を生物処理する一連の生物反応槽と、混合液から汚泥を沈殿分離する沈殿槽とを備えている。一連の生物反応槽には、嫌気槽、無酸素槽および好気槽などが含まれ、これらの反応槽で、炭素系有機物、窒素含有化合物、リン含有化合物などの原水に含まれる汚濁物質の除去が行われる。

上記水処理システムにおいて、好気槽には混合液を曝気するための曝気装置が備えられている。混合液を曝気することにより、活性汚泥微生物の活動に必要となる混合液中の溶存酸素濃度を高めたり、混合液を攪拌したりすることができる。曝気装置により好気槽の混合液へ供給される空気量（以下、「曝気風量」という）が不足すれば、処理水の水質が悪化する。

これを防止するために、好気槽の曝気風量を好気槽内のアンモニア態窒素濃度に基づいてフィードバック制御する構成が提案されている（特許文献１参照）。さらに、好気槽内のアンモニア態窒素濃度に加えて一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測し、原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて曝気風量をフィードフォワード制御する構成も提案されている（特許文献２参照）。

特開２００５−１９９１１６号公報 特開２０１２− ６６２３１号公報

しかし、上記のようなフィードバック制御に加えてフィードフォワード制御を行う構成においても、適切な曝気風量とするのが難しい場合があった。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、好気槽の混合液へ供給される空気量を適切に制御することができる水処理システムおよびその曝気風量制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る水処理システムは、曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽または無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽と、前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する第１のアンモニア計と、前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する第２のアンモニア計と、前前記曝気装置の曝気風量の目標値である目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御装置と、前記目標操作量を生成する曝気風量演算装置と、を備え、前記曝気風量演算装置は、前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度とその設定値との偏差に基づいて帰還目標操作量信号を生成する第１の操作量演算要素を含むフィードバック制御系と、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じて先行目標操作量信号を生成する第２の操作量演算要素を含むフィードフォワード制御系と、前記帰還目標操作量信号および前記先行目標操作量信号を加算して前記目標操作量を生成する加算演算要素と、を有するものである。

上記構成によれば、好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度に基づいてフィードバック制御を行いつつ、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じたフィードフォワード制御を行う。これにより、原水のアンモニア態窒素濃度の変化の立ち上がりからそれに合わせて曝気風量を変化させることができるため、フィードバック制御では追従し難いアンモニア態窒素濃度の急激な変化に対しても適切な曝気風量に制御することができる。また、原水のアンモニア態窒素濃度の値自体が高くても単位時間当たりの変化量が小さい場合には、フィードフォワード制御による曝気風量の変化を小さくすることができる。このような場合には、フィードバック制御だけで十分対応できるため、フィードフォワード制御による過剰な曝気風量の変化を抑えることにより、適切な曝気風量に制御しつつ省電力化を図ることができる。

前記第２の操作量演算要素は、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じた先行目標操作量を算出し、当該先行目標操作量の減少が所定の期間抑制されるような前記先行目標操作量信号を生成するよう構成されてもよい。これによれば、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量が原水のアンモニア態窒素濃度の上昇を示す場合に、曝気風量の先行目標操作量を当該変化量に応じた操作量とした後、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量が原水のアンモニア態窒素濃度の減少を示した場合であっても、所定の期間、先行目標操作量の減少が抑制される。したがって、アンモニア態窒素濃度の上昇時には、好気槽の活性汚泥混合液におけるアンモニア態窒素濃度の上昇に追従した曝気風量の増加制御を迅速に行うとともに、アンモニア態窒素濃度の減少時には、フィードフォワード制御による過剰な曝気風量の変化を抑えることにより、好気槽における曝気処理を確実に行って処理後のアンモニア態窒素濃度を確実に低減させることができる。

前記所定の期間は、前記一連の生物反応槽における活性汚泥混合液の滞留時間に応じて設定可能に構成されてもよい。一連の生物反応槽における活性汚泥混合液の滞留時間に応じて曝気処理にかかる時間が変化するため、活性汚泥混合液の滞留時間に応じて曝気風量の減少を抑制する期間を変化させることにより、好気槽における曝気処理を確実に行って処理後のアンモニア態窒素濃度を確実に低減させることができる。

前記第２の操作量演算要素は、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じた先行目標操作量を算出し、当該先行目標操作量の時間的変化を示す基準波形から時間軸方向に所定の第１単位期間ずつずらした少なくとも１つの複製波形を生成し、前記所定の期間に応じて前記基準波形および前記複製波形のうちの少なくとも２つの波形を選択し、選択した波形のうち前記先行目標操作量が最も大きい値を選択することによって前記先行目標操作量信号を生成するよう構成されてもよい。これによれば、減少抑制期間において先行目標操作量の減少が抑制されるという処理を、基準波形を複製して重ねることにより実現することができる。したがって、当該処理を比較的簡単な演算処理とすることができる。

また、本発明の他の態様に係る水処理システムの曝気風量制御方法は、曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽または無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、前記曝気装置の曝気風量の目標値である目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する風量制御工程と、前記目標操作量を生成する目標操作量演算工程と、を有し、前記目標操作量演算工程は、前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する混合液計測工程と、前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する原水計測工程と、前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度とその設定値との偏差に基づいて帰還目標操作量信号を生成する帰還信号生成工程と、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じて先行目標操作量信号を生成する先行信号生成工程と、前記帰還目標操作量信号および前記先行目標操作量信号を加算して前記目標操作量を生成する操作量生成工程と、を有するものである。

上記方法によれば、好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度に基づいてフィードバック制御を行いつつ、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じたフィードフォワード制御を行う。これにより、原水のアンモニア態窒素濃度の変化の立ち上がりからそれに合わせて曝気風量を変化させることができるため、フィードバック制御では追従し難いアンモニア態窒素濃度の急激な変化に対しても適切な曝気風量に制御することができる。また、原水のアンモニア態窒素濃度の値自体が高くても単位時間当たりの変化量が小さい場合には、フィードフォワード制御による曝気風量の変化を小さくすることができる。このような場合には、フィードバック制御だけで十分対応できるため、フィードフォワード制御による過剰な曝気風量の変化を抑えることにより、適切な曝気風量に制御しつつ省電力化を図ることができる。

前記先行信号生成工程は、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じた先行目標操作量を算出し、当該先行目標操作量の減少が所定の期間抑制されるような前記先行目標操作量信号を生成してもよい。これによれば、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量が原水のアンモニア態窒素濃度の上昇を示す場合に、曝気風量の先行目標操作量を当該変化量に応じた操作量とした後、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量が原水のアンモニア態窒素濃度の減少を示した場合であっても、所定の期間、先行目標操作量の減少が抑制される。したがって、アンモニア態窒素濃度の上昇時には、好気槽の活性汚泥混合液におけるアンモニア態窒素濃度の上昇に追従した曝気風量の増加制御を迅速に行うとともに、アンモニア態窒素濃度の減少時には、フィードフォワード制御による過剰な曝気風量の変化を抑えることにより、好気槽における曝気処理を確実に行って処理後のアンモニア態窒素濃度を確実に低減させることができる。

本発明によれば、好気槽の混合液へ供給される空気量を適切に制御することができる。

図１は本発明の一実施の形態に係る再生水製造システムの概略構成を示す図である。 図２は再生水製造システムの制御構成を示すブロック図である。 図３は曝気風量演算部の信号の流れを示すブロック線図である。 図４はＦＦ操作量関数の特徴を示すグラフである。 図５は原水のアンモニア態窒素濃度の時間的変化を例示するグラフおよびこれに基づいて生成される先行目標操作量信号に含まれるＦＦ操作量の時間的変化を例示するグラフである。 図６は本実施の形態を適用した再生水製造システムにおける各槽のアンモニア態窒素濃度および曝気風量の時間的変化を示すグラフである。

［本発明に係る一形態を得るに至った経緯］
本発明の発明者らは、好気槽内の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度に基づいて曝気風量を制御するフィードバック制御に加えて一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて曝気風量を制御するフィードフォワード制御する従来の構成（特許文献２の構成）において、好気槽の混合液へ供給される空気量を適切に制御できない場合があることについて、その原因を検討した。その結果、本発明の発明者らは、上記従来の構成において以下のような課題があることを見出した。

まず、従来の構成では、原水のアンモニア態窒素濃度の値自体に応じて曝気風量を制御している。原水のアンモニア態窒素濃度の上昇が速い場合には、生物反応槽での反応遅れが発生するため、このような場合においても処理水のアンモニア態窒素濃度を規制値以下に抑制できるように、曝気風量に対する操作量が大きめに設定される。しかし、原水のアンモニア態窒素濃度の上昇が緩やかな場合には、生物反応槽での反応遅れが発生しないため、このような大きめに設定された操作量により、同じ原水のアンモニア態窒素濃度であっても過剰な曝気風量となってしまう。

そこで、本発明の発明者らは、鋭意研究の末、フィードバック制御においては、好気槽内の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の値自体に基づいて曝気風量を制御する一方で、フィードフォワード制御においては一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じて曝気風量を制御することにより、迅速な応答が要求されるアンモニア態窒素濃度の変化の立ち上がりに曝気風量を追従させつつ、アンモニア態窒素濃度の変化が緩やかな場合に過剰な曝気風量の変化を抑えることができることを想到した。

さらに、本発明の発明者らは、上記従来の構成において、一連の生物反応槽における活性汚泥混合液の滞留時間が長い場合には、曝気処理にかかる時間が長くなるため、十分にフィードフォワード制御の効果が得られない場合があるという課題があることを見出した。

そこで、本発明の発明者らは、活性汚泥混合液の滞留時間に応じて曝気風量の減少を抑制する期間を変化させることにより、好気槽における曝気処理を確実に行って処理後のアンモニア態窒素濃度を確実に低減させることができることを想到した。

［実施の形態］
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

図１は本発明の一実施の形態に係る再生水製造システムの概略構成を示す図である。同図に示す再生水製造システム１は、標準活性汚泥法を利用して下水を浄化するための水処理システムである。再生水製造システム１は、上流側から順番に、原水槽２と、嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５から成る一連の生物反応槽１０と、沈殿槽６とを備えている。

原水槽２は、流入した下水を一時的に貯えるバッファタンクとして機能する。原水槽２の流出側は、一連の生物反応槽１０の最も上流側に位置する嫌気槽３の流入側と配管５２によって接続されている。配管５２には、原水槽２に貯えられた原水を嫌気槽３へ圧送する供給ポンプ５１が設けられている。原水槽２の流出側には、原水槽２から一連の生物反応槽１０（ここでは、最も上流側の嫌気槽３）へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度（以下、「原水ＮＨ_４濃度」という）を計測するための、原水アンモニア計３１（第２のアンモニア計）が設けられている。

生物反応槽１０は、上流側から嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５の順に設けられており、生物反応槽１０へ流入した原水は活性汚泥との活性汚泥混合液（以下、単に「混合液」ともいう）として存在している。本実施の形態において、嫌気槽３と無酸素槽４とは一つの反応槽を２つに仕切ることにより形成されており、仕切りを介して嫌気槽３と無酸素槽４とは連通している。よって、嫌気槽３の混合液は、無酸素槽４へ移動することができる。無酸素槽４の流出側は、好気槽５の流入側と配管５３により接続されている。さらに、好気槽５の流出側は、沈殿槽６の流入側と配管５４により接続されている。

好気槽５には、混合液をエアレーションするための曝気装置９が設けられている。本実施の形態に係る曝気装置９は散気式のものであって、送風機（図示略）から送られた圧縮空気を微細な気泡状にして好気槽５の底部から混合液中に吹き込むように構成されている。好気槽５の混合液中に吹き込まれた空気が気泡となって水面に上昇するときに、混合液の撹絆および混合が行われるとともに、活性汚泥微生物による窒素、リンおよび有機物除去の際に必要となる酸素が混合液中に供給される。曝気装置９によって好気槽５の混合液に供給される空気量（以下、「曝気風量」という）は、後述する制御装置４０により制御される。

また、好気槽５には、好気槽５の混合液のアンモニア態窒素濃度（以下、「好気槽ＮＨ_４濃度」という）を計測する好気槽アンモニア計３２（第１のアンモニア計）が設けられている。なお、好気槽アンモニア計３２は、好気槽５から流出しようとする混合液の成分を測定する観点から何れも好気槽５の流出側に設けられることが望ましいが、好気槽５内の混合液は完全混合していると考えられるので、これらの配置は特に限定されない。

沈殿槽６では、好気槽５から流入した処理液のうちの汚泥が沈殿して処理液と汚泥とに分離される。汚泥は、汚泥返送ポンプ６４を備えた汚泥返送配管６３を通じて嫌気槽３へ返送される。

次に、再生水製造システム１の制御構成を説明する。図２は再生水製造システムの制御構成を示すブロック図である。同図では、特に曝気装置９の制御に関して詳細に示し、余を省略している。

図２に示すように、制御装置４０は主に、再生水製造システム１全体の制御を司る運転制御部４２、曝気装置９の目標操作量（すなわち、好気槽５の曝気風量の目標値）を生成する曝気風量演算部４１、目標操作量に基づいて曝気装置９を制御する曝気風量制御部９１等の機能部を有している。なお、本実施の形態において、曝気風量制御部９１は制御装置４０に備えているが、曝気装置９に備えられていてもかまわない。制御装置４０は、１又は複数のコンピュータからなり、各コンピュータはＣＰＵ（中央処理装置）、ＣＰＵが実行するプログラムやプログラムで使用されるデータを書き替え可能に記憶する主記憶装置、ＣＰＵがプログラム実行時にデータを一時的に記憶する副記憶装置、ＣＰＵと外部機器を接続するためのインターフェース、並びこれらを接続する内部経路等を備えている（何れも不図示）。そして、ＣＰＵで所定のプログラムが実行されることにより、図２に示す制御装置４０の各機能部が実現される。

制御装置４０と再生水製造システム１が備える各ポンプ、すなわち、供給ポンプ５１、および汚泥返送ポンプ６４の駆動部とは有線または無線で接続されており、各ポンプ５１，６４の動作は制御装置４０の運転制御部４２により制御されている。また、制御装置４０と曝気装置９において曝気風量を変化させる送風機（図示略）とは有線または無線で接続されており、曝気装置９の動作は制御装置４０の曝気風量制御部９１により制御されている。さらに、制御装置４０と各アンモニア計３１，３２は通信可能に接続されており、これらのアンモニア計３１，３２の計測信号が制御装置４０へ送信される。そして、制御装置４０は、アンモニア計３１，３２の計測信号に基づいて、各ポンプ５１，６４および曝気装置９を動作させる。これにより、制御装置４０は、濾過水槽７の処理水の窒素、リンおよび有機物がそれぞれの規制値を超えないように、原水の流入量、処理水の放流量、循環液の流量、返送汚泥の流量、余剰汚泥の引抜量および曝気風量を適正な値に管理および制御している。

上記構成の再生水製造システム１による再生水製造プロセスでは、以下に示すように混合液（原水）に含まれる有機物、窒素およびリン等の除去が行われる。

再生水製造プロセスにおいて、混合液に含まれる炭素系の有機物は、活性汚泥中の好気性および通性嫌気性の従属栄養細菌の作用により分解されるか、あるいは活性汚泥として系外へ排出される。具体的には、混合液中の有機物は、活性汚泥と接触して活性汚泥の表面に吸着（凝縮）され、活性汚泥に吸着された有機物は、嫌気槽３および無酸素槽４の嫌気条件下で、活性汚泥中の通性嫌気性の従属栄養細菌に摂取され、分解される。また、活性汚泥に吸着された有機物は、好気槽５の好気条件下で、活性汚泥中の好気性および通性嫌気性の従属栄養細菌によって生体の維持や細胞合成等に必要なエネルギーを得るために分解（酸化）される。さらに、この従属栄養細菌は酸化によって得たエネルギーを利用して、有機物を新しい細胞物質に合成（同化）する。このようにして、混合液に含まれる有機物の大部分は、活性汚泥に吸着されたのち、活性汚泥微生物の酸化および同化に利用され、混合液中より除去される。なお、酸化および同化されない有機物は系内に貯留され、活性汚泥微生物の内生呼吸により酸化されない細胞物質とともに最終的に余剰汚泥として系外へ排出される。

また、再生水製造プロセスにおいて、混合液に含まれるリンは、活性汚泥中のリン蓄積細菌の作用により活性汚泥に蓄積された状態で系外へ排出される。具体的には、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、嫌気槽３の嫌気条件下で、原水槽２から嫌気槽３へ流入した原水に含まれている酢酸などの有機物を体内に取り込み、保持していたリン酸（PO₄）を放出する。そして、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、好気槽５の好気条件下でリンを過剰摂取し、嫌気槽３で放出された以上のリン酸態のリンを取り込む。このようにして混合液中のリンが活性汚泥に蓄積され、リンが蓄積された活性汚泥は余剰汚泥として系外へ排出される。

また、再生水製造プロセスにおいて、窒素は無酸素槽４から系外へ放出される。詳細には、原水槽２から嫌気槽３へ流入した原水には、アンモニア態窒素（NH₄ ⁺-N）と有機態窒素とが含まれている。混合液に含まれる有機態窒素は、嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５で、アンモニア態窒素に変化する。混合液中のアンモニア態窒素は、好気槽５で硝化細菌の作用により酸化して、亜硝酸態窒素（NO₂-N）または硝酸態窒素（NO₃-N）となる。したがって、循環ポンプ６２により膜分離槽６から無酸素槽４に送り込まれる循環水には、亜硝酸態窒素および／または硝酸態窒素が含まれている。混合液中の亜硝酸態窒素および硝酸態窒素は、無酸素槽４の無酸素条件下で原水中の有機物を栄養源とする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）へと還元されて、無酸素槽４から系外へ放出される。

ここで、図３を参照しながら、制御装置４０の曝気風量演算部４１による曝気装置９の目標操作量、すなわち、好気槽５の曝気風量の目標値の生成方法について説明する。曝気風量演算部４１で生成された目標操作量に基づいて、曝気風量制御部９１は曝気装置９が具備する送風機（図示略）の回転速度の操作量、および、曝気装置９から好気槽５内へ供給される空気の供給経路に設けられた調節用アクチュエータ（図示略）の操作量のうち少なくとも一方を調整する。

図３は曝気風量演算部の信号の流れを示すブロック線図である。同図に示すように、曝気風量演算部４１は、原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量に基づいて先行目標操作量（以下、単にＦＦ操作量ともいう）を生成し、先行目標操作量信号として出力するフィードフォワード制御系（以下、ＦＦ制御系４８という）と、好気槽ＮＨ_４濃度を制御量として帰還目標操作量（以下、単にＦＢ操作量ともいう）を生成し、帰還目標操作量信号として出力するフィードバック制御系（以下、ＦＢ制御系４９という）とを備えている。ＦＦ制御系４８とＦＢ制御系４９とは協動して機能し、ＦＦ制御系４８で生成されたＦＦ操作量と、ＦＢ制御系４９で生成されたＦＢ操作量とが加算演算要素７０で加算されて、曝気装置９の目標操作量が生成される。

まず、ＦＢ制御系４９について説明する。ＦＢ制御系４９は、予め設定される好気槽５の混合液のアンモニア態窒素濃度設定値（以下、「好気槽ＮＨ_４濃度設定値」ともいう）と好気槽アンモニア計３２で計測された好気槽ＮＨ_４濃度との偏差を算出する偏差演算要素７１と、この偏差からＦＢ操作量を生成するＦＢ操作量演算要素（第１の操作量演算要素）７２とを備えている。ＦＢ操作量演算要素７２は、例えば、ＰＩＤ制御方法、Ｐ制御方法又はＰＩ制御方法を用いてＦＢ操作量を算出する演算要素である。ＦＢ制御系４９の出力信号（ＦＢ操作量）は、加算演算要素７０に入力される。

好気槽ＮＨ_４濃度設定値は、処理水のアンモニア態窒素濃度（処理水ＮＨ_４濃度）の規制値（目標値）に基づいて適宜定められる値である。ただし、好気槽ＮＨ_４濃度設定値は、処理水ＮＨ_４濃度の規制値に加えて、混合液の水温等の他の因子に基づいて定められてもよい。

次に、ＦＦ制御系４８について説明する。ＦＦ制御系４８は、微分演算要素７３と、ＦＦ操作量関数要素７４と、期間設定要素７５と、フィードフォワードゲイン要素７６とを含み、ＦＦ操作量を生成する第２の操作量演算要素を備えている。ＦＦ制御系４８の出力信号（ＦＦ操作量）は、加算演算要素７０に入力される。本実施の形態において、ＦＦ制御系４８は、図３に示すように、ＦＦ操作量関数要素７４を実行してから期間設定要素７５を実行するように構成されているが、期間設定要素７５の後にＦＦ操作量関数要素７４を実行するような構成としてもよい。

微分演算要素７３は、原水アンモニア計３１で計測された原水ＮＨ_４濃度ｘを微分することで原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量Δｘを演算する。ＦＦ操作量関数Ｆ₁(Δｘ)は、原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量Δｘに基づいて処理水のアンモニア態窒素濃度（処理水ＮＨ_４濃度）を制御するために、原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量Δｘと曝気風量操作量（特に、ＦＦ操作量）との静特性の関係を関数化したものである。なお、原水ＮＨ_４濃度ｘは、本実施の形態では、原水槽２に設けられた原水アンモニア計３１の測定値であるが、嫌気槽３へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度であればよいのでその測定位置は限定されない。

図４はＦＦ操作量関数Ｆ₁(Δｘ)の特性を示すグラフであって、縦軸ｙはＦＦ操作量（Ｌ／ｍｉｎ）を示し、横軸Δｘは原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量（ｍｇ／Ｌ）を示している。図４においては変化量Δｘにおいて原水ＮＨ_４濃度が増える場合を正にとっている。ＦＦ操作量（Ｌ／ｍｉｎ）は、すなわち、好気槽５の曝気風量を表している。ＦＦ操作量ｙの最低風量Ｙ₁は、システム全体を維持するために最低限必要な風量である。システム全体を維持するために最低限必要な風量とは、好気槽５の混合液を攪拌し、かつ、好気槽５の好気的条件下で炭素系有機物を利用して増殖する従属栄養生物、アンモニア態窒素を硝化する硝化細菌などの活性汚泥微生物が生体を維持するために必要な酸素を提供する最低限の曝気風量である。最低風量Ｙ₁は、好気槽５の活性汚泥微生物の数や好気槽５の容量に応じて適宜定められる。

ＦＦ操作量ｙは、原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量Δｘが負の値（濃度減少状態）から所定の第１変化量ΔＸ_１までの範囲において、ＦＦ操作量ｙは、最低風量Ｙ_１で一定である。第１変化量ΔＸ_１以上の範囲において、ＦＦ操作量ｙは、変化量Δｘの増加に伴って増加する。第１変化量ΔＸ_１は正の値であってもよいし、０であってもよいし、負の値であってもよい。例えば、図４の破線で示すように、負の値であるΔＸ_１’以下の領域で最低風量Ｙ_２となるように設定されてもよい。

原水ＮＨ_４濃度が減少する場合にはフィードバック制御だけで十分対応できるため、ＦＦ操作量ｙとしては一定値の最低風量Ｙ_１としている。このように設定することにより、ＦＦ操作量関数Ｆ₁(Δｘ)要素７４は、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量Δｘが原水のアンモニア態窒素濃度ｘの上昇を示す場合に曝気風量ｙを増大させ、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量Δｘが原水のアンモニア態窒素濃度ｘの減少を示す場合に曝気風量ｙを変化させないような先行目標操作量（後述する基準波形）を生成するよう構成される。

これによれば、アンモニア態窒素濃度の上昇時には、好気槽の活性汚泥混合液におけるアンモニア態窒素濃度の上昇に追従した曝気風量の増加制御を迅速に行うとともに、アンモニア態窒素濃度の減少時には、フィードフォワード制御による過剰な曝気風量の変化を抑えることにより、好気槽における曝気処理を確実に行って処理後のアンモニア態窒素濃度を確実に低減させることができる。

さらに、第１変化量ΔＸ_１が正の値である場合（０でない場合）、原水ＮＨ_４濃度の微小な変化によって頻繁にＦＦ操作量ｙが変化することを防止することができる。

期間設定要素７５は、上記ＦＦ操作量ｙに動特性を付加するために、ＦＦ操作量関数Ｆ₁(Δｘ)で得られたＦＦ操作量ｙの効果発揮期間を設定する。効果発揮期間は、無駄時間（シフト時間とも呼ばれる）および減少抑制時間（保持時間とも呼ばれる）を含んでいる。

無駄時間は、原則として、原水アンモニア計３１でアンモニア態窒素濃度が計測された原水が、一連の生物反応槽１０に流入して活性汚泥と混合された混合液となって、好気槽５に流入するまでに要する時間である。ただし、好気槽５においてアンモニア態窒素を硝化する硝化細菌の増殖速度は、通常の活性汚泥中にいる従属栄養細菌より遅いので、混合液のアンモニア態窒素濃度の不連続面が好気槽５に到達するよりも前に曝気風量を増加させ、その不連続面が好気槽５に到達したときにはアンモニア態窒素濃度の急激な増加に対応しうるように活性汚泥微生物を活性化させておくことが望ましい。つまり、無駄時間は、原水アンモニア計３１でアンモニア態窒素濃度が計測された原水が好気槽５に流入するまでに要する時間よりも短い時間に設定されることが望ましい。

さらに、減少抑制時間は、好気槽５に流入した混合液中のアンモニア態窒素が、曝気装置９により酸化されるまでの時間、すなわち、一連の生物反応槽１０における活性汚泥混合液の滞留時間である。言い換えると、原水のアンモニア態窒素濃度が上昇し出してから一連の生物反応槽１０における混合液中のアンモニア態窒素が目標値を超えないような時間を減少抑制時間として設定する。一連の生物反応槽１０における活性汚泥混合液の滞留時間に応じて曝気処理にかかる時間が変化するため、活性汚泥混合液の滞留時間に応じて曝気風量の減少を抑制する期間を変化させることにより、好気槽５における曝気処理を確実に行って処理後のアンモニア態窒素濃度を確実に低減させることができる。

このため、第２の操作量演算要素の期間設定要素７５は、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量Δｘに応じたＦＦ操作量を算出し、当該ＦＦ操作量の減少が所定の期間（減少抑制時間）抑制されるような先行目標操作量信号を生成する。より具体的には、第２の操作量演算要素は、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量Δｘに応じたＦＦ操作量を算出し、当該ＦＦ操作量の時間的変化を示す基準波形を生成する。さらに、第２の操作量演算要素は、生成した基準波形から時間軸方向に所定の第１単位期間ずつずらした少なくとも１つの複製波形を生成する。基準波形および少なくとも１つの複製波形は、第１単位期間に応じて互いに重なり合いが生じる。第２の操作量演算要素は、無駄時間および減少抑制期間に応じて基準波形および複製波形のうちの少なくとも１つの波形を選択する。選択した波形が複数ある場合には、第２の操作量演算要素は、単位時間ごとに選択された複数の波形のうちＦＦ操作量が最も大きい値を選択することによって先行目標操作量信号を生成する。すなわち、選択された複数の波形において互いに重なり合いが生じている箇所においては、ＦＦ操作量が最も大きい値が選択される。選択した波形が１つである場合には、第２の操作量演算要素は、当該選択した１つの波形を有する先行目標操作量を先行目標操作量信号として出力する。

図５は原水のアンモニア態窒素濃度の時間的変化を例示するグラフおよびこれに基づいて生成される先行目標操作量信号に含まれるＦＦ操作量の時間的変化を例示するグラフである。図５の上のグラフは、原水のアンモニア態窒素濃度の時間的変化を例示するグラフであり、図５の下のグラフは、原水のアンモニア態窒素濃度に対して生成される先行目標操作量信号に含まれるＦＦ操作量の時間的変化を例示するグラフである。

図５の上のグラフに示すように、原水のアンモニア態窒素濃度が単調増加した後、単調減少した場合、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量Δｘは、原水のアンモニア態窒素濃度が単調増加してピークに達するまでの間に単調増加してピークを迎え、当該ピークから原水のアンモニア態窒素濃度がピークに達するまでの間は単調減少する。

図５のグラフでは、原水のアンモニア態窒素濃度が単調減少している間は、単位時間当たりの変化量Δｘは０となる。例えば、第１変化量がΔＸ_１＝０に設定され、変化量がΔＸ_１以下の領域において最低風量Ｙ_１（≧０）に設定される。

このような単位時間当たりの変化量Δｘの時間的変化を示す波形は、０ｈで示される波形（基準波形）となる。なお、図５においては０ｈ，１ｈ，…等の標記は、当該標記位置にピークが来る波形に対応している。

第２の操作量演算要素は、０ｈの波形から時間軸方向に所定の第１単位期間ずつずらした波形を算出する。本例においては第１単位期間は１時間（１ｈ）に設定されている。第２の操作量演算要素が算出するＦＦ操作量の波形は、図５の下のグラフに示すように、１時間ごとに０ｈの波形が時間軸方向に平行移動した波形（１ｈ，２ｈ，３ｈ，４ｈの波形：複製波形）となる。そして、算出された０ｈから４ｈまでの波形のうちの少なくとも１つが設定される無駄時間Ａおよび減少抑制期間Ｂに応じて選択される。例えば無駄時間Ａを設けない場合には少なくとも０ｈの波形が選択される。減少抑制期間Ｂが第１単位期間（１時間）のみである場合には無駄時間Ａに応じて何れか１つの波形のみが選択される。例えば、無駄時間Ａが２時間で減少抑制期間Ｂが第１単位期間のみであれば２ｈの波形のみが選択される。なお、無駄時間Ａおよび減少抑制期間Ｂの設定は、オペレータによって設定入力されるものであってもよい。これに代えて、制御装置４０が季節や時間帯に応じて無駄時間Ａおよび減少抑制期間Ｂを自動的に設定するよう構成されてもよい。

また、例えば複数の波形が選択された場合、選択された複数の波形のうち単位時間ごとにＦＦ操作量が最も大きい値が選択される。例えば図５の下のグラフの例では、１ｈから３ｈまでの波形が互いに重ねられた状態で選択されている。これは、無駄時間Ａが１時間に設定され、減少抑制期間Ｂが３時間に設定されていることを意味する。１ｈから３ｈまでの波形のうち単位時間ごとにＦＦ操作量が最も大きい値を選択することによって先行目標操作量信号に含まれるＦＦ操作量が生成される。すなわち、図５の下のグラフにおいて実線で示されるように、生成されるＦＦ操作量は、１ｈから３ｈまでの波形の稜線をたどるような波形を有する。このようにして定められたＦＦ操作量の時間的変化が先行目標操作量信号として出力される。なお、図５の下のグラフでは、無駄時間Ａおよび減少抑制期間Ｂを各波形のピーク地点を基準に標記しているが、各波形において互いに対応する点同士を基準とする限り何れの点を基準にしてもよい。

これによれば、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量Δｘが原水のアンモニア態窒素濃度の上昇を示す場合に、曝気風量の目標操作量を当該変化量に応じたＦＦ操作量とした後、原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量が原水のアンモニア態窒素濃度の減少を示した場合であっても、所定の期間、ＦＦ操作量の減少が抑制される。したがって、アンモニア態窒素濃度の上昇時には、好気槽の活性汚泥混合液におけるアンモニア態窒素濃度の上昇に追従した曝気風量の増加制御を迅速に行うとともに、アンモニア態窒素濃度の減少時には、フィードフォワード制御による過剰な曝気風量の変化を抑えることにより、好気槽における曝気処理を確実に行って処理後のアンモニア態窒素濃度を確実に低減させることができる。しかも、減少抑制期間ＢにおいてＦＦ操作量の減少が抑制されるという処理を、基準波形を複製して重ねることにより実現することができる。したがって、当該処理を比較的簡単な演算処理とすることができる。

なお、本明細書および特許請求の範囲の記載において、「先行目標操作量（ＦＦ操作量）の減少が抑制される」という用語は、単位時間当たりの変化量Δｘに応じたＦＦ操作量の基準波形（０ｈの波形）においてＦＦ操作量が減少する期間の当該ＦＦ操作量の値に比べて、ＦＦ操作量が大きい時間帯を少なくとも一部に含んでいることを意味する。

無駄時間Ａおよび減少抑制期間Ｂは、原水が嫌気槽３へ流入してから無酸素槽４より流出し、好気槽５において曝気されるまでの滞留時間を含めた時間として、実験的または計算的に求めることができる。

また、フィードフォワードゲイン要素７６も、ＦＦ操作量ｙの動特性を付与する要素として機能する。フィードフォワードゲインＫ_fは、入力値である原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量Δｘの変化幅に対する出力値であるＦＦ操作量ｙの変化幅の比であり、適宜設定される。

本実施の形態において、最終的に得られるＦＦ操作量ｙは、図５の下の実線で示されるグラフのように、負の値を取らないように設定される。このためには、前述のように、第１変化量をΔＸ_１＝０に設定し、変化量がΔＸ_１以下の領域において最低風量がＹ_１（＞０）であるように設定してもよい。これに代えて、ＦＦ操作量の基準波形を複製して重ねることによりＦＦ操作量の時間的変化の値を生成する際（図５の下の実線で示されるグラフを生成する際）に、ＦＦ操作量が負の値を取らない（最低風量以下とならない）ように演算処理してもよい。これにより、第１変化量ΔＸ_１が負の場合でもＦＦ操作量が負の値を取らないようにすることができる。

以上の通り、ＦＦ制御系４８で原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量Δｘに基づいてＦＦ操作量が算出され、ＦＢ制御系４９で好気槽ＮＨ_４濃度に基づいてＦＢ操作量が算出され、これらのＦＦ操作量とＦＢ操作量とを足し合わせて曝気装置９の目標操作量が生成される。

図６は本実施の形態を適用した再生水製造システムにおける各槽のアンモニア態窒素濃度および曝気風量の時間的変化を示すグラフである。図６においては横軸を共通の時間軸とし、原水ＮＨ_４濃度、好気槽ＮＨ_４濃度、膜分離槽６で濾過された処理水のアンモニア態窒素濃度（図６および以下では処理水ＮＨ_４濃度と表記する）、処理水ＮＨ_４濃度の規制値（図６および以下では処理水規制値と表記する）、および曝気風量の時間的変化を示すグラフが示されている。なお、処理水ＮＨ_４濃度は、例えば濾過水槽７に貯留される処理水のアンモニア態窒素濃度を計測するアンモニア計（不図示）により計測される。

本実施の形態においては、上述したように、好気槽ＮＨ_４濃度に基づいてフィードバック制御を行いつつ、原水ＮＨ_４濃度の単位時間当たりの変化量Δｘに応じたフィードフォワード制御を行う。これにより、原水ＮＨ_４濃度の変化の立ち上がりからそれに合わせて曝気風量を変化させることができる。図６の例においては無駄時間Ａが設定されており、時刻ｔ１における原水ＮＨ_４濃度の立ち上がり時から無駄時間Ａ経過後すぐの時刻ｔ２においてフィードフォワード制御による曝気風量の増大が生じている。このため、フィードバック制御では追従し難いアンモニア態窒素濃度の急激な変化に対しても適切な曝気風量に制御することができる。

さらに、図６の例においては減少抑制期間Ｂが設定されており、原水ＮＨ_４濃度の減少が生じても（無駄時間Ａを差し引いても）原水ＮＨ_４濃度の増加期間（ピークに至るまでの期間）より長い期間、フィードフォワード制御による曝気風量の増大が維持されている。

この結果、その後の期間Ｃ（時刻ｔ３と時刻ｔ４との間の期間）においても好気槽ＮＨ_４濃度の増大が抑えられ、処理水ＮＨ_４濃度も処理水規制値を超えない値に制御されている。

また、期間Ｄ（時刻ｔ４と時刻ｔ５との間の期間）のように、原水のアンモニア態窒素濃度の値自体が高くても単位時間当たりの変化量が小さい場合には、フィードフォワード制御による曝気風量の変化を小さくすることができる。図６に示されるように、期間Ｄにおいては原水ＮＨ_４濃度は緩やかに上昇するため、曝気風量が急激に上昇していない。すなわち、期間Ｄにおける曝気風量の変化はフィードバック制御が支配的になっている。このように、フィードバック制御だけで十分対応できる期間においては、フィードフォワード制御による過剰な曝気風量の変化を抑えることにより、適切な曝気風量に制御しつつ省電力化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

例えば、再生水製造システム１の具体的な構造は、上記実施の形態に限定されない。本実施の形態に係る再生水製造システム１は、好気槽５の後に沈殿槽６を備えた構成を例示しているが、好気槽５の後に、好気槽５より流入した混合液から汚泥等を分離するための膜分離槽を備えた膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ：Membrane Bio-Reactor）を利用した水処理システムにも上記実施の形態の態様を適用可能である。また、本実施の形態に係る再生水製造システム１は、嫌気槽３と無酸素槽４とをともに備えているが、嫌気槽３と無酸素槽４とのうち少なくとも一方を備えていてもよい。さらに、本実施の形態に係る曝気装置９は、送風機の回転数の操作量または調節アクチュエータの操作量により曝気風量を調整するように構成されているが、送風機の回転数の操作量および調節アクチュエータの操作量の両方で曝気風量を調整するように構成されていてもよい。

また、例えば、本実施の形態においてアンモニア計３１，３２は、それぞれ原水および混合液のアンモニア態窒素濃度を連続的に計測する濃度計であるが、定期的または不定期にサンプリングを行って任意の方法でアンモニア態窒素濃度を測定する方法とすることもできる。

また、原水アンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量Δｘに基づく先行目標操作量の生成において、減少抑制期間Ｂにおける先行目標操作量の減少抑制を確保するための構成は、上述したような０ｈの波形を第１単位期間ずつずらして重ね合わせる態様に限られない。例えば、第２の操作量演算要素が、０ｈの波形のピーク（または単位時間当たりの変化量Δｘの減少）を検出し、減少抑制期間に応じて当該ピークの値を維持する、または緩やかに減少するような先行目標操作量を生成するように構成してもよい。また、例えば、第２の操作量演算要素が、減少抑制期間に応じて０ｈの波形を時間軸方向に広がるように拡大させることにより先行目標操作量を生成するように構成してもよい。

本発明は、好気槽の混合液へ供給される空気量を適切に制御することができる水処理システムおよびその曝気風量制御方法を提供するために有用である。

１ 再生水製造システム（水処理システム）
５ 好気槽
９ 曝気装置
１０ 生物反応槽
３１ 原水アンモニア計（第２のアンモニア計）
３２ 好気槽アンモニア計（第１のアンモニア計）
４０ 制御装置
４１ 曝気風量演算部（曝気風量演算装置）
４８ フィードフォワード制御系
４９ フィードバック制御系
７２ ＦＢ操作量演算要素（第１の操作量演算要素）
７３ 微分演算要素（第２の操作量演算要素）
７４ ＦＦ操作量関数要素（第２の操作量演算要素）
７５ 期間設定要素（第２の操作量演算要素）
７６ フィードフォワードゲイン要素（第２の操作量演算要素）
９１ 曝気風量制御部（曝気風量制御装置）

Claims (6)

1. 曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽または無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽と、
   前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する第１のアンモニア計と、
   前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する第２のアンモニア計と、
   前記曝気装置の曝気風量の目標値である目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御装置と、
   前記目標操作量を生成する曝気風量演算装置と、を備え、
   前記曝気風量演算装置は、前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度とその設定値との偏差に基づいて帰還目標操作量信号を生成する第１の操作量演算要素を含むフィードバック制御系と、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じて先行目標操作量信号を生成する第２の操作量演算要素を含むフィードフォワード制御系と、前記帰還目標操作量信号および前記先行目標操作量信号を加算して前記目標操作量を生成する加算演算要素と、を有する、
   水処理システム。
2. 前記第２の操作量演算要素は、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じた先行目標操作量を算出し、当該先行目標操作量の減少が所定の期間抑制されるような前記先行目標操作量信号を生成するよう構成される、
   請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記所定の期間は、前記一連の生物反応槽における活性汚泥混合液の滞留時間に応じて設定可能に構成される、
   請求項２に記載の水処理システム。
4. 前記第２の操作量演算要素は、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じた先行目標操作量を算出し、当該先行目標操作量の時間的変化を示す基準波形から時間軸方向に所定の第１単位期間ずつずらした少なくとも１つの複製波形を生成し、前記所定の期間に応じて前記基準波形および前記複製波形のうちの少なくとも２つの波形を選択し、選択した波形のうち前記先行目標操作量が最も大きい値を選択することによって前記先行目標操作量信号を生成するよう構成される、
   請求項２または３に記載の水処理システム。
5. 曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽または無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
   前記曝気装置の曝気風量の目標値である目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する風量制御工程と、
   前記目標操作量を生成する目標操作量演算工程と、を有し、
   前記目標操作量演算工程は、
   前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する混合液計測工程と、
   前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する原水計測工程と、
   前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度とその設定値との偏差に基づいて帰還目標操作量信号を生成する帰還信号生成工程と、
   前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じて先行目標操作量信号を生成する先行信号生成工程と、
   前記帰還目標操作量信号および前記先行目標操作量信号を加算して前記目標操作量を生成する操作量生成工程と、を有する
   水処理システムの曝気風量制御方法。
6. 前記先行信号生成工程は、前記原水のアンモニア態窒素濃度の単位時間当たりの変化量に応じた先行目標操作量を算出し、当該先行目標操作量の減少が所定の期間抑制されるような前記先行目標操作量信号を生成する、
   請求項５に記載の水処理システムの曝気風量制御方法。