JP2017109170A

JP2017109170A - 曝気制御装置及び曝気制御方法

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Publication number: JP2017109170A
Application number: JP2015245399A
Authority: JP
Inventors: 智及川; Tomo Oikawa; 北村　清明; Kiyoaki Kitamura; 清明北村; 伸一坂巻; Shinichi Sakamaki; 英雄寺島; Hideo Terajima; 志津男渡辺; Shizuo Watanabe; 昌幸中田; Masayuki Nakada; 和宏豊岡; Kazuhiro Toyooka
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd; Tokyo Metropolitan Government
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd; Tokyo Metropolitan Government
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: JP6655975B2

Abstract

【課題】活性汚泥モデルが適用された曝気制御において水質改善と省エネルギーとの両立を図る。【解決手段】曝気制御装置１は被処理水の生物処理に供される空気の供給量を制御する。曝気制御装置１において、設定値演算部１１は、前記被処理水とこの被処理水を生物処理する反応槽２の水質データを硝化速度の推定を行う生物反応モデルに供して当該被処理水の硝化速度を推定し当該硝化速度に基づく目標処理水質を満たすための必要硝化速度に基づき反応槽２に対する空気供給の制御因子の設定値を決定する。設定値判定部１２は、前記決定された設定値の適否の判定に基づき前記空気供給の制御信号を生成する。そして、制御部１５は、前記制御信号に基づき前記反応槽に供される空気の流量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、被処理水のアンモニア性窒素の硝化に供される空気の供給量を制御するための技術に関する。

主に下水処理場などの生物反応槽での曝気に供される空気の量は、ブロア（空気供給装置）から空気供給量若しくは生物反応槽の溶存酸素（以下、ＤＯ）にて制御されている。例えば、非特許文献１に示されたＤＯ一定制御では、反応槽の末端におけるＤＯ濃度という間接的な指標を一定に保つことで曝気量を制御している。

また、特許文献１で開示された曝気制御技術や非特許文献２に開示された評価技術が提案されている。

特許文献１の制御技術は、好気槽におけるアンモニア性窒素濃度に基づきＤＯ濃度の制御目標値を演算し、好気槽のＤＯ濃度が制御目標値となるよう好気槽に供される空気の供給量を制御する。

非特許文献２では、ＤＯ濃度とアンモニア性窒素濃度とを変数とする２次元・線形化の微分方程式で表現した活性汚泥モデルに基づき曝気制御の評価を行っている。

活性汚泥モデルとしては、国際水協会（ＩＷＡ）が提唱する活性汚泥モデル（以下、ＡＳＭ）が知られている。ＡＳＭは、活性汚泥中の微生物増殖である生物反応プロセスとそれに伴う物質収支（有機物、窒素、リン等）の水質変化を表現する数学的モデルであり、処理水質、必要酸素量、余剰汚泥発生量等の推定が可能となっている。

例えば、非特許文献３に開示された下水処理プロセスシミュレータは、欧州や日本で普及が進んでいる活性汚泥モデルであって、窒素、リンの除去工程を表現するＡＳＭを採用している。そして、このモデルに流入下水の水質や処理場の運転条件を与えて生物反応槽内での処理工程をシミュレートすることにより、運転方法の評価や支援が可能となっている。

特開２００５−１９９１１６号公報

日本下水道協会，「下水道施設計画・設計指針と解説」，２００９年版富士電機，「ＩＷＡ活性汚泥モデルを用いた曝気空気供給量制御における安定性評価」，環境システム計測制御学会，EICA 11(2)，45-48，2006-10-05 明電舎，「下水処理プロセスシミュレータ」，明電時報，2006(5)，19-23，2006-09 財団法人下水道新技術推進機構，「活性汚泥モデル利活用マニュアル」，pp.46，(2010)

下水処理場をはじめとする生物反応を利用した水処理において一定の処理水質を確保するには、汚濁負荷量に応じて必要となる空気の供給を適切に制御することが必要である。現在の下水処理場では、主に空気供給の制御には反応槽末端のＤＯ濃度を一定に保つＤＯ一定制御が広く用いられている。

しかしながら、ＤＯ一定制御は反応槽の末端におけるＤＯ濃度に基づき空気供給量を制御するフィードバック制御であるため、汚濁物質など流入負荷量の変動に対して遅れが生じ、低負荷時には過剰な供給によるエネルギーの浪費、高負荷時には供給不足による水質悪化を招くおそれがある。

また、放流水質を常に維持するためには一定以上のＤＯ濃度で運転する必要があり、特に窒素除去に重点をおいて硝化促進の運転をした場合、空気供給量が過多となりやすくなる。生物反応を用いた水処理では、必要な空気を反応槽に供給する空気供給装置（特にブロア）が多くの電力量を消費しているので、空気の供給量を削減することで電力使用量を低減させることは可能ではある。しかしながら、有機物除去やアンモニア性窒素の硝化のためには一定の空気量が必要であることから、過度な供給量の削減は処理水質の低下を招く。

このように、水質の改善と電力使用量の削減はトレードオフの関係となっており、これをバランス良く両立させた水処理設備の運用が、下水処理場をはじめとする生物反応を利用した水処理設備の運転上、共通の課題となっている。

また、ＡＳＭは、複雑な反応モデルであるため演算に時間を要していたが、近年の計算機性能の向上によりＡＳＭはＰＣを用いてもＡＳＭの演算を短時間に行えるようになっている。しかしながら、入力データからＡＳＭを用いて推定される処理水質、必要酸素量、余剰汚泥発生量等の演算結果に基づき制御を行なう場合、入力データの精度の高さが要求される一方で複雑な反応モデルであるゆえ異常データが出力される可能性もある。

本発明は、上記の事情に鑑み、ＡＳＭが適用された曝気制御において水質改善と省エネルギーとの両立を図ることを課題とする。

そこで、本発明の曝気制御装置の態様としては、被処理水の生物処理に供される空気の供給量を制御する曝気制御装置であって、前記被処理水とこの被処理水を生物処理する反応槽の水質データを硝化速度の推定を行う生物反応モデルに供して当該被処理水の硝化速度を推定し当該硝化速度に基づく目標処理水質を満たすための必要硝化速度に基づき当該反応槽に対する空気供給の制御因子の設定値を決定する設定値演算部と、前記決定された設定値の適否の判定に基づき前記空気供給の制御信号を生成する設定値判定部と、前記制御信号に基づき前記反応槽に供される空気の流量を制御する制御部を備える。

また、本発明の曝気制御方法の態様としては、被処理水の生物処理に供される空気の供給量を制御する曝気制御方法であって、前記被処理水とこの被処理水を生物処理する反応槽の水質データを硝化速度の推定を行う生物反応モデルに供して当該被処理水の硝化速度を推定し当該硝化速度に基づく目標処理水質を満たすための必要硝化速度に基づき当該反応槽に対する空気供給の制御因子の設定値を決定する過程と、前記決定された設定値の適否の判定に基づき前記空気供給の制御信号を生成する過程と、前記制御信号に基づき前記反応槽に供される空気の流量を制御する過程を有する。

以上の本発明によればＡＳＭが適用された曝気制御において水質改善と省エネルギーとの両立を図ることができる。

本発明の実施形態における水処理施設の概略構成図。本発明の実施形態における曝気制御のフローチャート。（ａ）は低負荷時の反応槽におけるアンモニア性窒素濃度の変化図、（ｂ）は高負荷時の反応槽におけるアンモニア性窒素濃度の変化図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［本実施形態の概要］
水質改善と省エネルギーの両立を更に進めていくためには、従来技術よりも、さらに高度な曝気制御技術が必要とされている。

本発明は、ＡＳＭの演算結果を既存の生物反応槽の曝気制御に供することにより既存の施設の大幅な改造を伴わずに容易かつ安価なコストで活性汚泥方式の水処理設備の維持管理とその水質改善を図る。また、アンモニア性窒素濃度計測値やＡＳＭの制御出力値などが異常と判断された場合、従来の制御に切り替えることにより水処理設備を安定的に継続運転できる。

特に、本発明では、生物反応槽への流入負荷量の変動に追従し、生物処理に必要となる空気の供給を制御することにより、従来技術の課題を解決し、既存施設への適用に限らず、新規の処理施設への導入によっても同様な効果が期待できる。

すなわち、本発明の曝気制御は、流入負荷量を入力データとする生物反応モデルによって生物処理に対する必要な空気供給量を推定する。そして、この空気供給量に基づいて当該生物処理に供される空気の供給量を調節する。

従来のＤＯ一定制御においては、主に反応槽末端におけるＤＯ濃度を一定値に保つことにより空気供給量を制御するフィードバック制御である。

これに対して、本発明による曝気制御方式は反応槽流入位置における流入負荷量に基づき空気供給量を制御するフィードフォワード制御である。

また、従来のＤＯ一定制御においては、制御の目標値は過去の経験を基に水量や水質の変動を考慮して安全側に設定される。そのため、例えば、図３（ａ）の流入アンモニア性窒素濃度が低い場合や流入水量が少ない場合などの低負荷時では、反応槽の途中でアンモニア性窒素の硝化が終了し、それ以降の曝気に無駄が生じる場合がある。

これに対して、本発明の曝気制御方式は流入水における流入負荷量の低下を検出し、ＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値を下げる制御を行うことにより処理水質を確保しつつ空気供給量の削減を図る。

また、図３（ｂ）の流入アンモニア性窒素濃度が高い場合や降雨で流入水量が多くなった場合、流入負荷量が短時間に増大するが、従来のＤＯ一定制御では流入水質・水量変動に対する制御の遅れが生じ、水質確保のための空気供給量が確保できないことがある。

これに対して、本発明の曝気制御方式は流入負荷量の増加を検出してＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値を高める制御を行うことにより流入負荷量の増加に応じて処理水質を確保する。

以上の制御により、通常負荷である低負荷時には過剰な空気の供給によるエネルギーの浪費をなくし、高負荷時には曝気量の不足による水質悪化を引き起こすことなく、水質改善と省エネルギーを両立できる。

尚、本発明ではＡＳＭを適用しているが、他の微生物反応モデルや他の硝化速度計算式も適用が可能である。また、本発明に適用されているＡＳＭは都市下水を処理対象としているが、他の微生物反応モデルや他の硝化速度計算式を用いることにより、他の処理方法に対しても適用が可能である。

［装置態様の構成例］
図１に例示された曝気制御装置１は、反応槽２内に滞留する活性汚泥に空気を供給するブロア（空気供給装置）３を備えた既存の水処理施設に適用される。

（計測器の態様例）
曝気制御装置１に供される計測データを検出する各種の計測器について説明する。

流量計Ｆは、反応槽２の流入水量を測定する。アンモニア計Ｎは、反応槽２の流入水のアンモニア性窒素濃度を測定する。

水温計Ｔは、反応槽２内の水温を測定する。ＤＯ計Ｄは、反応槽２内のＤＯ濃度を測定する。ＭＬＳＳ計Ｍは、反応槽２内のＭＬＳＳ濃度を測定する。

空気流量計Ａは、ブロア３から反応槽２に供給される空気の流量を測定する。返送汚泥流量計Ｓは、反応槽２に返送される汚泥の流入量を測定する。

流量計Ｆ、アンモニア計Ｎは、反応槽２外の位置である流入側配管などに設置される。これにより、ＤＯ一定制御が反応槽末端におけるＤＯ濃度に基づき空気供給量を制御するフィードバック制御であるのに対し、本発明による曝気制御は反応槽流入位置における流入負荷量に基づき空気供給量を制御するフィードフォワード制御である。

また、反応槽２外に流入水質測定用計測器を設置することで、活性汚泥を含んだ反応槽内液の影響を受けることなく流入水質を測定できるので、曝気制御装置１は正確な流入負荷量を利用でき硝化速度計算の精度が向上する。

（曝気制御装置１の態様例）
曝気制御装置１は、本発明において硝化速度計算を行い、処理に必要なＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値を決定する。曝気制御装置１の入力データは、例えば、前記各種の計測器にて検出された反応槽２への流入水量または及び流入アンモニア性窒素濃度の計測値、反応槽２のＤＯ濃度、ＭＬＳＳ濃度、水温、返送汚泥流量、空気流量のいずれかまたはこれら若しくはこれらから複数選択されたものの計測値である。

曝気制御装置１は、硝化制御を行う硝化制御部１０と、この硝化制御部１０からの制御信号に基づき反応槽２に供される空気の流量を制御する制御部１５を備える。
（硝化制御部１０の態様例）
硝化制御部１０は、少なくとも、設定値演算部１１、設定値判定部１２及び演算制御部１３を備える。

設定値演算部１１は、硝化速度計算機能を有し、生物反応プロセスと物質収支の計算を行なう周知の活性汚泥モデル（ＡＳＭ）のシミュレーションシステムから構成される。そして、流入水とこの流入水を生物処理する反応槽の水質データを硝化速度の推定を行う生物反応モデルに供して当該被処理水の硝化速度を推定する。尚、シミュレーションシステムとしては、非特許文献３の下水処理プロセスシミュレータが挙げられるが、これに限定されるものではない。

また、設定値演算部１１は、理論上必要とされる硝化速度（以下、必要硝化速度）から生物処理に必要な空気供給量（以下、必要空気供給量）を算出する。そして、この必要空気供給量に基づく目標とするＤＯ設定値（以下、目標ＤＯ設定値）若しくは空気供給量設定値（以下、目標空気供給量設定値）を空気供給の制御因子の設定値として決定して設定値判定部１２に出力する。

設定値判定部１２は、設定値判定部１２から供された設定値の適否の判定に基づき前記空気供給の制御信号を生成する。例えば、下記（１）〜（３）のいずれかの条件により、ＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値が異常と判断された場合、異常警報を出力する一方でＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値の更新を実行しない、若しくは予め設定された設定値に変更する。この制御は反応槽２内の微生物の安定と該当する機器（主にブロア３と空気流量調整弁Ｖ）への安全性を考慮するためである。

（ＤＯ設定値若しくは空気供給量設定値が異常と判断とされる条件）
（１）アンモニア計Ｎ、ＤＯ計Ｄ、空気流量計Ａ等の計測器の機器異常、通信の断絶、演算の停止等による異常警報が出力されている場合
（２）アンモニア計Ｎ、ＤＯ計Ｄ、空気流量計Ａ等の計測器の計測値が予め設定された上下限設定値を逸脱している場合
（３）演算によって出力された設定値が予め設定された上下限設定値を逸脱している場合
演算制御部１３は計算開始指示、計算終了指示及び計算間隔設定などの機能を有する。

（制御部１５の態様例）
制御部１５は、周知のシーケンサ等からなる制御装置を備え、前記計測器、ブロア３、空気流量調整弁Ｖ、図示省略のポンプ等の制御を行う。尚、空気流量調整弁Ｖは、ブロア３と反応槽２内の散気装置３１とを連結した空気配管３２に具備されている。

制御部１５は「硝化制御部１０による本発明の曝気制御運転モード」「既定の設定による運転モード」のいずれかを任意に選択可能となっている。

既定の設定による運転モードは、本発明の曝気制御運転モードの実行中に硝化制御部１０の制御出力値が異常（例えば、出力されていない）と判断されると、予め設定された制御、例えばＤＯ一定制御を実行する。このＤＯ一定制御は反応槽２のＤＯ濃度に基づき制御を行う制御部１５によって実行される。このように前記硝化制御部１０の制御出力値が異常となっても水処理施設を安定的に継続運転が可能となる。

また、上述の計測器の他に反応槽２の流出水（処理水）の水質情報に基づき反応槽２の生物処理状況の推定を行い、この結果に基づき設定値演算部１１での硝化速度の演算式に適用されるパラメータを修正する演算校正処理部１４を具備するとよい。このように、ＡＳＭのパラメータ変更を適宜行うことにより、ＡＳＭでの演算精度が向上し、さらに信頼性の高い本発明の曝気制御が期待できる。

［制御動作例の説明］
図２を参照しながら本実施形態の「本発明の曝気制御運転モード」の動作例について説明する。

予め設定された設定時間周期で演算制御部１３からの計算開始指令により、設定値演算部１１は以下のＳ１〜Ｓ３のステップを実行して硝化速度を算出し、処理に必要なＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値を算出する。そして、Ｓ４〜Ｓ５のステップで前記ＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値が正常であると設定値判定部１２が判定すると硝化制御部１０から当該設定値が制御部１５に出力される。

Ｓ１：設定値演算部１１は、流量計Ｆ、アンモニア計Ｎからそれぞれ流入水量、流入水アンモニア性窒素濃度の測定値を受信する。また、設定値演算部１１は水温計Ｔ、ＭＬＳＳ計Ｍ、ＤＯ計Ｄ、空気流量計Ａ、返送汚泥流量計Ｓからそれぞれ水温、ＭＬＳＳ濃度、ＤＯ濃度、空気流量、返送汚泥流量の測定値を受信する。

Ｓ２：設定値演算部１１は、Ｓ１で取得された水質データ（流入水量、流入水アンモニア性窒素濃度、水温、ＭＬＳＳ濃度、ＤＯ濃度、空気流量、返送汚泥流量）をＡＳＭに供して反応槽２内の硝化速度を計算（推定）する。

Ｓ３：設定値演算部１１は、Ｓ２で算出された硝化速度に基づき目標水質（例えば、処理水のアンモニア性窒素濃度）を満たす硝化速度である必要硝化速度を決定する。次いで、この必要硝化速度を満たすＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値を決定し、設定値判定部１２に出力する。

Ｓ４：設定値判定部１２は、Ｓ３で決定されたＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値が正常であるか否かの判断を行う。

Ｓ５：設定値判定部１２は、Ｓ４で決定されたＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値が正常であると判断すると、ＤＯ濃度若しくは空気供給量の前回設定値を当該決定されたＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値に更新する。

前記更新されたＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値（制御信号）は硝化制御部１０から制御部１５に出力される。制御部１５は当該設定値に基づき反応槽２の曝気制御を行う。これにより流入水の負荷変動に応じたフィードフォワード制御が実行される。

Ｓ６：Ｓ４で決定されたＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値が異常であると判断すると、前記更新が行われることなく前回設定値若しくは予め設定された設定値が硝化制御部１０から制御部１５に出力される。また、前記決定された設定値が異常である旨の異常警報が硝化制御部１０から制御部１５に出力される。そして、制御部１５は硝化制御部１０から供された前記設定値若しくは予め設定された設定値に基づきブロア３及び空気流量調整弁Ｖの制御を行うと共に前記異常警報を外部に出力する。

［本実施形態の効果］
従来のＤＯ一定制御は、制御の目標値は過去の経験を基に水量や水質の変動を考慮して安全側に設定される。したがって、流入水のアンモニア性窒素濃度が低い場合や流入水量が少ない場合などの低負荷時では、生物反応槽の途中でアンモニア性窒素の硝化が終了し、それ以降の曝気が無駄となる。

これに対して、本実施形態の曝気制御は、流入水の負荷量の低下を検出してＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値を低減させる制御を行うので、処理水質を確保しながらも空気供給量の削減が可能となる。

また、流入水のアンモニア性窒素濃度が高い場合や降雨で流入水量が多くなった場合、流入負荷量が短時間に増大し、従来のＤＯ一定制御では、流入水質・水量変動に対する制御の遅れが生じ、水質確保のための空気供給量が確保できないことがある。

これに対して、本実施形態の曝気制御は、流入水の負荷量の変化を検出してＤＯ濃度若しくは空気供給量の設定値を増加させる制御を行うので、増加した負荷量に対応して処理水質を確保することが可能となる。

本発明の曝気制御技術を適用した水処理施設の具体的な実施例について説明する。

図１の水処理施設において、本発明の曝気制御の適用の有無を比較検証することで本発明の効果の確認を行った。以下の実施例では、反応槽２に対する空気供給量の決定並びに判定をＤＯ濃度に基づき行ったが、この実施例は本発明の態様例であって本発明の曝気制御における設定値並びに目標値について何ら限定するものではない。

［シミュレーションモデルの構成及び水質分画］
本発明の曝気制御の適用の検証を行った水処理施設の処理方式並びに諸元は以下の通りである。本発明はこの処理方法及び処理施設を限定とするものではない。
・処理方式：疑似嫌気好気法（疑似嫌気槽：Ａ槽、反応槽２：Ｂ〜Ｅ槽）
・反応槽容量約８０００ｍ³、水理学的滞留時間（ＨＲＴ）約８時間
反応槽２のモデルとしては、実験池に適合するモデルを採用した。反応槽２は実施設と同様にＡ槽からＥ槽に分割し、各槽は容積比を考慮して１〜３分割した。また、各槽の空気供給量のバランスはライザー管の開度と処理の状況から決定した。

ＡＳＭシミュレーションに使用する水質及び処理状況データを採水サンプルより取得した。採水サンプルは、反応槽２への流入水、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ槽の末端の水、終沈越流水、返送汚泥である。流入水分画（流入水中の有機物等のＡＳＭ上で用いられる物質種へのふるい分け）にはＷＲＥＦ法（非特許文献４）を用いた。流入水分画結果を用いてＡＳＭシミュレーションを行い、その結果を採水調査から得られた処理状況と比較して、ＡＳＭパラメータの検証を行った。

採水により得られた水質及び処理状況データを用いて、硝化計算によるシミュレーションモデルの評価を行った。パラメータ及び反応速度係数はＡＳＭの定める典型値を使用した。シミュレーションモデルの評価結果は流入水分画によって得られた各反応槽におけるアンモニア性窒素濃度実測値とよく一致し、時系列の変化にも精度よく対応していた。

［本発明の曝気制御による空気供給量の制御実験］
（１）オフライン実験
曝気制御装置１の動作確認及びモデル調整のためのオフライン実験を実施した。

曝気制御装置１が連続して稼働し取得したデータからＤＯ設定値を計算できることを確認した。晴天時及び雨天時共に流入負荷量の変動に追従し、正常な範囲での最適と考えられるＤＯ設定値を示すように硝化制御部１０を調整できた。以上の調整後、本発明の曝気制御の効果を実験で確認した。

（２）オンライン実験
オフライン実験完了後、本発明の曝気制御による空気供給量のオンライン制御実験を実施した。

計測器が正常に計測を行っているかを確認するとともにＤＯ設定値については反応槽２内における微生物の安定とＤＯ制御に関わる機器（主に、ブロア３、空気流量調整弁Ｖ）の安全性を考慮し、ＤＯ設定値の上下限値の設定を行った。

本発明の曝気制御におけるＤＯ設定値の変更間隔は１時間毎、３０分毎など任意に設定変更可能であるが、実施例では２時間毎とした。

また、計測器が正常計測を行っているかの判断は、ＤＯ設定値と同様に上下限値の設定を行い、この範囲を逸脱した場合には計測器本体からの計器異常などの警報が出力された場合も含めて計測異常警報を出力すると共にＤＯ設定値の更新を実施しないようにした。さらに、ＤＯ設定値の上下限逸脱した場合にはＤＯ設定値の上下限逸脱警報を出力させた。

［実験結果］
（本発明の曝気御による空気供給量のオンライン制御実験結果）
実験期間中、本発明の曝気制御実施時において通信の断絶や制御のトラブルは発生せず、導入、接続した制御設備やソフトウェアが問題なく稼働していた。また、実験反応槽で本発明の硝化計算により、流入負荷量の変動に応じたフィードフォワード制御が可能であることも確認した。

従来のＤＯ一定制御と本発明の曝気制御を比較すると、ＤＯ一定制御ではＤＯ設定値２．５ｍｇ／Ｌで一定しているのに対し、本発明の曝気制御では、流入水の負荷変動に合わせ２．０〜３．０ｍｇ／Ｌの範囲で変動し、ＤＯ設定値の変更に対して実測ＤＯの追従性は高く、１０分以内に設定値とほぼ同値となった。

（本発明の曝気制御による空気供給量削減効果）
本発明の曝気制御による空気供給量削減効果を、流入負荷量が少ない晴天日における反応槽２の空気供給量のＤＯ一定制御の結果及び本発明の曝気制御の結果から比較検証した。まず、反応槽２の流出水質の測定結果から、同程度のアンモニア性窒素の流入負荷量（約２００００ｇ／ｈ）に対し、本発明の曝気制御においてＤＯ一定制御と同等に安定的な処理水質が維持されていることが確認された。表１に示したように、実験期間中の反応槽２の空気供給量平均値は本発明の曝気制御がＤＯ一定制御に対して約５％の削減となった。

また、流入水量、流入負荷量を比較すると、表１に示されたように、本発明の曝気制御時において流入水量が６％増、流入負荷量が４％増であった。この流入水量及び流入負荷量の差を考慮して空気供給量を比較した場合、流入水量に対するいわゆる送気倍率で約１０％、流入負荷量に対するいわゆる送気倍率で約８％の削減となった。

以上の結果から晴天日において本発明の曝気制御により空気供給量の削減が図れた。

（本発明の曝気制御による水質改善の効果）
本発明の曝気制御による水質改善効果を検証するため、実験期間中の流入負荷量が高い雨天日でのＤＯ一定制御の結果及び本発明の曝気制御の結果を比較検討した。各制御方法において降雨後２４時間おいて、反応槽２の流出水（処理水）のアンモニア性窒素濃度の平均値及び最大値を表２に示した。

ＤＯ一定制御では降雨の持ち込み溶存酸素によるＤＯ濃度の上昇を除き、ＤＯ濃度は概ね設定値である２．５ｍｇ／Ｌを示した。一方、本発明の曝気制御では、降雨の影響による流入負荷量の増加に合わせＤＯ濃度を上昇させ（最大４．５ｍｇ／Ｌ）、降雨の影響からの回復過程では、流入負荷量の上昇と雨水流入によって低下した水温による硝化反応速度の低下を見込みＤＯ濃度を上昇（最大５．０ｍｇ／Ｌ）させる制御となった。

具体的には、反応槽２の流出水のアンモニア性窒素濃度は、ＤＯ一定制御時に一時的に反応槽水温低下による硝化速度の低下により６ｍｇ／Ｌまで上昇した。

これに対して、本発明の曝気制御の結果では、反応槽２の水温の低下から引き起こされる硝化速度の低下を見込みＤＯ濃度を上昇させたので、流出水のアンモニア性窒素の平均濃度が１．０ｍｇ／Ｌ未満に維持された。また、本発明の曝気制御では、流入負荷量の増加に対応してＤＯ設定値を変動させたことにより、期間の平均ＤＯ設定値が２．５ｍｇ／Ｌよりも高くなり空気供給量は増大する結果となった。

以上の結果から雨天時において本発明の曝気制御による水質改善の効果が確認できた。

１…曝気制御装置
１０…硝化制御部、１１…設定値演算部、１２…設定値判定部、１３…演算制御部、１４…演算校正処理部
１５…制御部
２…反応槽
３…ブロア
Ｆ…流量計、Ｎ…アンモニア計、Ｔ…水温計、Ｄ…ＤＯ計、Ｍ…ＭＬＳＳ計、Ａ…空気流量計、Ｓ…返送汚泥流量計、Ｎ…アンモニア計、Ｖ…空気流量調整弁

Claims

被処理水の生物処理に供される空気の供給量を制御する曝気制御装置であって、
前記被処理水とこの被処理水を生物処理する反応槽の水質データを硝化速度の推定を行う生物反応モデルに供して当該被処理水の硝化速度を推定し当該硝化速度に基づく目標処理水質を満たすための必要硝化速度に基づき当該反応槽に対する空気供給の制御因子の設定値を決定する設定値演算部と、
前記決定された設定値の適否の判定に基づき前記空気供給の制御信号を生成する設定値判定部と、
前記制御信号に基づき前記反応槽に供される空気の流量を制御する制御部と
を備えた曝気制御装置。
前記制御因子は、前記反応槽の溶存酸素若しくは空気供給量であり、
前記設定値判定部は、前記反応槽の溶存酸素若しくは空気供給量の設定値が異常であるか否かの判断を行う請求項１に記載の曝気制御装置。
前記制御部は、既定の前記反応槽の溶存酸素若しくは空気供給量の設定値に基づく前記空気の流量の制御が可能である請求項２に記載の曝気制御装置。
前記制御部は、前記設定値判定部が前記反応槽の溶存酸素若しくは空気供給量の設定値が異常であると判定した場合、前記既定の前記反応槽の溶存酸素若しくは空気供給量の設定値に基づく前記空気の流量の制御を行う請求項３に記載の曝気制御装置。
前記反応槽から供された処理水の水質に基づき前記反応槽内の生物処理状況を判定してこの判定結果に基づき前記設定値演算部における硝化速度の演算式のパラメータを修正する演算校正処理部をさらに備えた請求項１から４のいずれか１項に記載の曝気制御装置。
前記被処理水の水質データは、被処理水アンモニア性窒素濃度若しくは被処理水流入量であり、
前記反応槽の水質データは、水温、ＭＬＳＳ濃度、溶存酸素濃度、返送汚泥流量、空気供給量のいずれかである請求項１から５のいずれか１項に記載の曝気制御装置。
被処理水の生物処理に供される空気の供給量を制御する曝気制御方法であって、
前記被処理水とこの被処理水を生物処理する反応槽の水質データを硝化速度の推定を行う生物反応モデルに供して当該被処理水の硝化速度を推定し当該硝化速度に基づく目標処理水質を満たすための必要硝化速度に基づき当該反応槽に対する空気供給の制御因子の設定値を決定する過程と、
前記決定された設定値の適否の判定に基づき前記空気供給の制御信号を生成する過程と、
前記制御信号に基づき前記反応槽に供される空気の流量を制御する過程と
を有する曝気制御方法。