JP2018187587A - 曝気風量制御装置及び曝気風量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微生物の働きによって水を浄化する水処理プロセスにおいて、曝気風量をより精度よく調整することができる曝気風量制御装置及び曝気風量制御方法を提供することである。【解決手段】実施形態の曝気風量制御装置は、評価量取得部と、極値制御部と、曝気風量制御部とを持つ。評価量取得部は、曝気装置を備えた生物反応槽を有する水処理設備から、この水処理設備の運転又は運用に関する評価量を示す情報を取得する。極値制御部は、前記評価量を示す情報に基づいて極値制御を実行することによって、前記評価量を最適値に近づけるように前記曝気装置の曝気風量の目標値を決定する。曝気風量制御部は、前記目標値に追従するように前記曝気装置の曝気風量を制御する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、曝気風量制御装置及び曝気風量制御方法に関する。

従来、標準活性汚泥法により水を浄化する水処理プロセスが実現されている。標準活性汚泥法は、ブロワなどの送風機によって処理対象の水（以下「被処理水」という。）に空気を供給する（曝気）ことで好気性微生物を活性化し、活性化した好気性微生物の働きによって被処理水中の有機物を分解する方法である。この標準活性汚泥法による水処理プロセスの目的は、主に被処理水中の窒素及びリンを除去することにある。このような水処理プロセスにおいて、被処理水に対する曝気風量は、窒素及びリンの除去率を向上又は低下させる重要な要素となる。しかしながら、従来の曝気風量制御装置では、被処理水に対する曝気風量を適切に制御することができない場合があった。

例えば、標準活性汚泥法による水処理プロセスの適用例として、嫌気領域と好気領域とを調整可能な有機排水処理装置が提案されている。しかしながら、従来は、嫌気領域と好気領域との調整の指針は定まっても、実際にどの程度の空気を吹き込めばよいかを定めることが困難であった。これは、実際に吹き込む空気量（曝気風量）は、予め設定した曝気風量で処理を行った際における被処理水の水質を、いくつかの流入量のパターンに合わせて事前に調査する必要があるためである。

特開２０１３−２１２４９０号公報 特開２０１５−９７９７６号公報

本発明が解決しようとする課題は、微生物の働きによって水を浄化する水処理プロセスにおいて、曝気風量をより精度よく調整することができる曝気風量制御装置及び曝気風量制御方法を提供することである。

実施形態の曝気風量制御装置は、評価量取得部と、極値制御部と、曝気風量制御部とを持つ。評価量取得部は、曝気装置を備えた生物反応槽を有する水処理設備から、この水処理設備の運転又は運用に関する評価量を示す情報を取得する。極値制御部は、前記評価量を示す情報に基づいて極値制御を実行することによって、前記評価量を最適値に近づけるように前記曝気装置の曝気風量の目標値を決定する。曝気風量制御部は、前記目標値に追従するように前記曝気装置の曝気風量を制御する。

第１の実施形態における水処理プラント１００の具体例を示す図。 第１の実施形態の曝気風量制御装置２の機能構成の具体例を示すブロック図。 第１の実施形態における極値制御を実現する制御系の構成例を示すブロック図。 第１の実施形態における極値制御の動作例を示す図である。 第２の実施形態の曝気風量制御装置２ａの機能構成の具体例を示すブロック図。 第３の実施形態における水処理プラント１００ｂの具体例を示す図。 第３の実施形態の曝気風量制御装置２ｂの機能構成の具体例を示すブロック図。 第４の実施形態における水処理プラント１００ｃの具体例を示す図。 第４の実施形態の曝気風量制御装置２ｃの機能構成の具体例を示すブロック図。

以下、実施形態の曝気風量制御装置及び曝気風量制御方法を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における水処理プラント１００の具体例を示す図である。例えば、水処理プラント１００（水処理設備の一例）は、生物学的排水処理プロセスを実現するプラントである。標準活性汚泥法は、生物学的排水処理プロセスを実現する方法の一例である。図１における実線矢印は、被処理水の流れ、及び被処理水から分離された汚泥の流れを表す。ここで、まず、水処理プラント１００の概略について説明する。

水処理プラント１００は、最初沈澱池１１０、生物反応槽１２０、最終沈澱池１３０、ろ過池１４０及び余剰汚泥貯留槽１５０の各貯留設備と、曝気風量制御装置２とを備える。また、水処理プラント１００は、各貯留設備間で被処理水又は汚泥を配送する汚泥引き抜きポンプ１１１、余剰汚泥ポンプ１３１、返送汚泥ポンプ１３２及び汚泥処理ポンプ１５１と、生物反応槽１２０内の被処理水を曝気するブロワ１２１−１〜１２１−３と、を備える。

まず、被処理水は最初沈澱池１１０に蓄えられる。最初沈澱池１１０では、比較的比重の大きな不要物が重力によって沈降し沈殿する。最初沈澱池１１０に沈殿した汚泥は、汚泥引き抜きポンプ１１１によって引き抜かれ、余剰汚泥貯留槽１５０に送られる。一方で、上澄みの被処理水は生物反応槽１２０に送られる。

生物反応槽１２０では、被処理水に微生物が投入される。被処理水に投入された微生物は、ブロワ１２１−１〜１２１−３による被処理水の曝気によって活性化され、被処理水中の有機物を分解するとともに、被処理水中のリンを吸収する。この微生物の働きによって、窒素成分及びリン成分が被処理水から分離される。図の例の生物反応槽１２０は、４つの領域を有し、被処理水は第１の領域、第２の領域、第３の領域、第４の領域の順に送られる。例えば、第１の領域は嫌気領域であり、曝気用のブロワを備えない。これに対して、第２〜第４の領域は好気領域又は嫌気雰囲気と好気雰囲気との中間の状態（以下「微好気雰囲気」という。）にある領域（以下「微好気領域」という。）であり、曝気用のブロワとして、第２の領域にはブロワ１２１−１が、第３の領域にはブロワ１２１−２が、第４の領域にはブロワ１２１−３が、それぞれ備えられる。生物反応槽１２０を経た被処理水は最終沈澱池１３０に送られる。以下、特に区別する必要がない場合、ブロワ１２１−１〜１２１−３をブロワ１２１と記載する。

最終沈澱池１３０では、被処理水中の活性汚泥が重力によって沈降し沈殿する。最終沈澱池１３０に沈殿した活性汚泥は、余剰汚泥ポンプ１３１によって引き抜かれ、余剰汚泥貯留槽１５０に送られる。なお、ここで一部の活性汚泥は返送汚泥ポンプ１３２によって生物反応槽１２０に返送され、循環的に再利用される。一方で、上澄みの被処理水はろ過池１４０に送られる。

ろ過池１４０では、ろ過による小さな不要物の除去や消毒など、被処理水に対する最終段階の浄化処理が行われる。ろ過池１４０における浄化処理を経た被処理水は、処理済みの水として河川等に放流される。なお、ろ過池１４０を経た処理済みの水が通る配管には、アンモニアセンサ１４１−１やリン酸センサ１４１−２、硝酸センサ１４１−３等の各種センサが備えられ、これらの各種センサよって放流水の水質が計測される。以下、水質情報を取得するこれらの各種センサを総称して水質センサ１４１と記載する。

余剰汚泥貯留槽１５０は、生物学的排水処理プロセスにおいて発生した不要な汚泥を一時貯留する施設である。余剰汚泥貯留槽１５０に貯留された汚泥は、汚泥処理ポンプ１５１によって汚泥処理工程に配送される。

曝気風量制御装置２は、放流水の水質を示す水質情報と、ブロワ１２１の運転に関する運転情報とに基づいて、ブロワ１２１−１〜１２１−３の曝気風量を制御する。水質情報は水質センサ１４１によって、運転情報は各ブロワ１２１によってそれぞれ取得される。

ここで、微生物による窒素及びリンの除去の原理を説明する。有機排水（被処理水）中の窒素成分の大半はアンモニアイオン（ＮＨ４＋）の形態で存在する。この窒素成分は、活性化した硝化菌の働きによって硝酸性窒素（ＮＯ３−）まで酸化される。硝化菌は活性汚泥中に存在し、酸素が存在する条件下で活性化する。この反応は、主に、好気領域において進行する。この硝酸性窒素は、酸素が存在しない条件下で活性化する脱窒菌の働きによって窒素ガスに還元される。この反応は、主に、嫌気領域において進行する。そのため、好気領域と嫌気領域とが混在した雰囲気下では、上記の両反応が同時に進行する場合がある。ただし、通常の運転時には上記の各領域に対してどの程度の空気を吹き込めばいいかは分からないため、各ブロワ１２１の曝気風量が決め打ちで設定されることが多いのが現状である。

リンは、活性汚泥中に存在するリン蓄積菌の働きによって除去される。リン蓄積菌は、菌体内に蓄積したリンを嫌気雰囲気下で吐出する。一方、リン蓄積菌は、好気雰囲気下では、嫌気雰囲気下で吐出した以上のリンを吸収する。このようなリン蓄積菌の働きによって、吐出量と吸収量との差分に相当するリンが水中から分離される。そして、リンを体内に蓄えたリン蓄積菌が最終沈殿池１３０で余剰汚泥として引き抜かれることにより、被処理水からリンが除去される。なお、リン蓄積菌によるリンの除去は、嫌気雰囲気の容積が大きいほど、効果的に進む場合が多い。また、硝化・脱窒反応が促進される微好気雰囲気下では、リン蓄積菌は体内のリンを吐出しない。

例えば、図１の例の生物反応槽１２０において、空気を供給するブロワがない第１の領域は嫌気領域となる。この場合、曝気風量制御装置２が、第３及び第４の領域に対して十分な空気が供給されるようにブロワ１２１−２及び１２１−３を制御し、第２の領域に対して第３及び第４の領域よりも少ない量の空気が供給されるようにブロワ１２１−１を制御することによって、上記の生物学的排水処理プロセスを実現することができる。しかしながら、第２の領域に対する曝気風量の決定には、予め設定した曝気風量で水処理プラント１００を運転し、設定した曝気風量に対する放流水質の変化を調査する必要があった。また、曝気風量の適正値は、プラントに流入する水の水質の変動に応じて変化することも想定される。そのため、従来は、第２の領域に対する曝気風量の適正値を事前に見積もることが困難である場合があった。

このような課題に対して、以下では、水質情報と運転情報とに基づいて各ブロワの曝気風量を制御することができる曝気風量制御装置２の構成について詳細に説明する。

図２は、第１の実施形態の曝気風量制御装置２の機能構成の具体例を示すブロック図である。曝気風量制御装置２は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、プログラムを実行する。曝気風量制御装置２は、プログラムの実行によって通信部２１、水質情報取得部２２、運転情報取得部２３、評価量算出部２４、極値制御部２５及びブロワ制御部２６を備える装置として機能する。なお、曝気風量制御装置２の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

通信部２１は、各ブロワ１２１及び各種水質センサ１４１との通信に必要な通信インタフェースを含んで構成される。通信部２１は、各ブロワ１２１及び各種水質センサ１４１と通信する。通信部２１は、通信先の装置に応じて複数の通信インタフェースを備えても良い。

水質情報取得部２２は、通信部２１を介して、各種水質センサ１４１から水質情報を取得する。水質情報取得部２２は、取得した水質情報を評価量算出部２４及び極値制御部２５に出力する。

運転情報取得部２３は、通信部２１を介して、各ブロワ１２１から運転情報を取得する。運転情報取得部２３は、取得した運転情報を評価量算出部２４に出力する。

評価量算出部２４（評価量取得部の一例）は、水質情報取得部２２及び運転情報取得部２３によって取得された水質情報及び運転情報に基づいて水処理プロセスに関する評価量を算出する。例えば、水処理プロセスの評価量を、水処理プラント１００の運用に要する各種コストの総和（以下「総コスト」という。）で定義することができる。この場合、総コストは、例えば運転コスト及び水質コストの総和として定義することができる。

例えば、運転コストは、ブロワ１２１及び返送汚泥ポンプ１３２の電力消費によるコストである。運転コストは、ブロワ１２１及び返送汚泥ポンプ１３２の消費電力及び電力単価に基づいて算出される。また、水質コストは、例えば排水行為に対して課せられる賦課金（一般に「排水賦課金」と呼ばれる。）によるコストである。近年の環境保全に対する意識の高まりから、排水者に対してこのような排水賦課金を課す考え方が広まりつつある。例えば、水処理プラント１００における水質コストは、次の式（１）によって算出される。

水質コスト=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 ・・・式（１）

式（１）において、ＴＮ負荷量は放流水に含まれる窒素成分（ＴＮ）の量を表し、ＴＰ負荷量は放流水に含まれるリン成分（ＴＰ）の量を表す。また、ＴＮコスト換算係数はＴＮ負荷量を水質コストに換算する係数を表し、ＴＰコスト換算係数はＴＰ負荷量を水質コストに換算する係数を表す。ＴＮ負荷量及びＴＰ負荷量は、放流水に溶存する各成分の濃度と放流水量とに基づいて算出される。評価量算出部２４は、このようにして算出した評価量を示す情報（以下「評価量情報」という。）を極値制御部２５に出力する。

なお、上記の総コストは評価量の一例であり、評価量は、水処理プロセスの最適化の評価に用いることができる指標値であれば、どのような評価基準によって取得されてもよい。例えば、水質コストは、ＴＮやＴＰのほか、アンモニア性窒素や硝酸性窒素、全窒素、リン酸、亜酸性窒素、ＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand：化学的酸素要求量）又はＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand：生物化学的酸素要求量）等に基づいて算出されてもよい。また、運転コストは、ブロワ１２１の消費電力のほか、返送汚泥ポンプ１３２や余剰汚泥ポンプ１３１、汚泥引き抜きポンプ１１１、汚泥処理ポンプ１５１等の消費電力に基づいて算出されてもよい。さらに、総コストには、汚泥の処分に要する費用や凝集剤を用いた場合に要する費用など他のコストが含められても良い。

極値制御部２５は、水質情報取得部２２及び評価量算出部２４によって取得された水質情報及び評価量情報に基づいて極値制御を実行することにより、評価量が最適値（最小値又は最大値）に近づくように操作量を制御する。極値制御部２５は、極値制御の実行によって操作量そのものを決定してもよいし、操作量を決定するための情報を出力してもよい。例えば、実施形態の水処理プラント１００では、操作量となるブロワ１２１の回転数を決定するための情報として曝気風量の目標値を示す情報（以下「風量情報」という。）を出力する。

ブロワ制御部２６は、極値制御部２５から出力される風量情報に基づいて各ブロワ１２１の動作を制御する。具体的には、ブロワ制御部２６は、風量情報に基づいて各ブロワ１２１の回転数の目標値を決定し、各ブロワ１２１が決定された回転数の目標値に追従して動作するように各ブロワ１２１を制御する。例えば、評価量が上記の総コストとして定義される場合、極値制御部２５は極値制御の実行により、総コストを最小値に近づけるような曝気風量の目標値を第２〜第４の領域ごとに決定する。ブロワ制御部２６は、極値制御部２５によって決定された曝気風量の目標値に基づいて、ブロワ１２１−１〜１２１−３の回転数の目標値を算出する。

図３は、極値制御を実現する制御系の構成例を示すブロック図である。図３は、制御対象プロセス３００と、その極値制御を実現する制御系４００とを表している。制御系４００は、評価量算出部４１０及び極値制御部４２０を備え、おおよそ以下のような処理の流れを繰り返すことによって制御対象プロセス３００の極値制御を実現する。

まず、極値制御部４２０から出力される操作量が制御対象プロセス３００に入力される（ステップＳ１１）。以下、簡単のため、ステップＳ１１で入力された操作量を第１の操作量と記載する。制御対象プロセス３００は、第１の操作量に対する応答として第１の制御量を出力する（ステップＳ１２）。第１の制御量は評価量算出部４１０に入力される。評価量算出部４１０は、第１の制御量に基づいて第１の評価量を算出する。評価量算出部４１０は、算出された第１の評価量を極値制御部４２０に出力する（ステップＳ１３）。

極値制御部４２０は、第１の評価量に基づいて、評価量をより最適な値に近づけるような第２の操作量を決定する。極値制御部４２０は、第１の評価量に基づいて決定された第２の操作量を新たな操作量として制御対象プロセス３００に出力する（ステップＳ１４）。制御対象プロセス３００は、第２の操作量に対する応答として第２の制御量を出力する（ステップＳ１５）。第２の制御量は、ステップＳ１２と同様に評価量算出部４１０に入力される。評価量算出部４１０は、第２の制御量に基づいて第２の評価量を算出する。

このような処理の流れにより、第２の評価量は、第１の評価量よりも最適値に近い評価量となる。極値制御では、このような制御量に基づく評価量の算出と、評価量に基づく新たな操作量の決定とが繰り返し実行されることにより、評価量が最適値に収束していくように制御対象プロセスの操作量が制御される。

なお、第１の評価量に基づいて第２の操作量を決定する機能は、極値制御部４２０の以下のような構成によって実現される。極値制御部４２０は、ハイパスフィルタ４２１（ＨＰＦ：High-Pass Filter）、ディザー信号出力部４２２、乗算器４２３、ローパスフィルタ４２４（ＬＰＦ：Low-Pass Filter）、積分器４２５、及び加算器４２６を備える。図３において、ｓはラプラス演算子、ωはディザー信号の角周波数、ａはディザー信号の振幅、ω１はローパスフィルタ４２４の角周波数、ω２はハイパスフィルタ４２１の角周波数、ｋは積分器４２５の積分係数を表す。

ハイパスフィルタ４２１は、フィードバックされた評価量の信号（以下「評価量信号」という。）を入力し、評価量信号からその極小値に応じた一定値のバイアスを除去する。ハイパスフィルタ４２１は、バイアスが除去された評価量信号を乗算器４２３に出力する。

ディザー信号出力部４２２は、乗算器４２３及び加算器４２６に対してディザー信号を出力する。ディザー信号出力部４２２は、乗算器４２３に対してｓｉｎωｔ（ｔは時間を表す変数）で表される第１のディザー信号を出力するディザー信号出力部４２２−１と、加算器４２６に対してａ×ｓｉｎωｔで表される第２のディザー信号を出力するディザー信号出力部４２２−２とを備える。なお、ｓｉｎωｔ(正弦波)はディザー信号の一例であり、ディザー信号は周期的に変化する信号であれば、どのような形状を持つものでもよい。

乗算器４２３は、ハイパスフィルタ４２１から出力されるバイアスが除去された評価量信号に対して、第１のディザー信号を乗算する。乗算器４２３は、第１のディザー信号が乗算された評価量信号をローパスフィルタ４２４に出力する。

ローパスフィルタ４２４は、ディザー信号が乗算された評価量信号から低周波成分を抽出する。ローパスフィルタ４２４は、評価量信号の低周波成分を示す信号を積分器４２５に出力する。この評価量信号の低周波成分は、ディザー信号の振動に応じて変化した評価量信号の周波数成分を表すと考えられる。そのため、評価量信号の低周波成分から、操作量の変化に対して評価量が増加したのか、又は減少したのかを判断することができる。

積分器４２５は、ローパスフィルタ４２４から出力される評価量信号の低周波成分に基づいて、評価量を最適値に近づけるために動かすべき操作量の方向を推定する推定器として機能する。具体的には、積分器４２５は、評価量信号の低周波成分を積分し、低周波成分の積分信号を出力する。ここで出力される積分信号は、現在の操作量に対して動かすべき方向（増加方向又は減少方向）を与える。

加算器４２６は、現在の操作量の信号（以下「操作量信号」という。）と、積分器４２５から出力される積分信号とに基づいて制御対象プロセス３００に対して次に入力すべき操作量信号を生成する。加算器４２６は、生成した操作量信号に対して、操作量信号を振動させるための第２のディザー信号（ａ×ｓｉｎωｔ）を足し合わせて制御対象プロセス３００に出力する。

このように極値制御は、制御対象プロセスの操作量と、操作量に応じて変化する制御量に基づく評価量と、に基づいて操作量の最適値を適応的に探索する制御手法である。評価量は、制御対象プロセスの最適化に関する指標値であり、制御対象プロセスの制御量に基づいて決定される。評価量と制御量との関係は所定の評価関数によって表される。この評価関数は、制御量に基づく関数であれば任意の評価基準に基づいて設定されてよい。なお、評価量は制御量そのものであってもよい。一般に、極値制御における制御対象プロセスでは、この評価関数は操作量に対して未知の関数である。

一般に、極値制御では、ディザー信号を作用させることによって操作量を強制的に振動させ、操作量に応じて変化する評価量を観測する。そして、評価量が評価関数の最適値に近づくような方向に操作量を変化させていく。このような操作量の増減を繰り返すことによって、評価量を評価関数の最適値に近づけていこうとする手法が極値制御によるプロセス制御の概念である。なお、操作量に作用するディザー信号は正弦波で与えられる場合が多い。

図４は、極値制御の動作例を示す図である。図４（Ａ）は、制御対象プロセスの評価関数の一例として、下に凸の形状をもつ評価関数の例を示す。また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す評価関数を持つ制御対象プロセスの制御に極値制御を適用した場合における操作量の時間変化を示す。図４の例では、制御対象プロセスの操作量の初期値がａであった場合、極値制御部４２０は、操作量を増減させたときの評価量の応答に基づいて、評価量が評価関数の最適値（ここでは最小値）に近づく方向を推定し、新たな操作量を決定する。この動作を繰り返すことにより、極値制御部４２０は、操作量を変化させながら評価関数の最適値を探索していくことができる。その結果、操作量は図４（Ｂ）に示すように、開始点ａから最適値ｂ（時刻ｔ１）へと収束していく。

このように構成された第１の実施形態の曝気風量制御装置２は、水質情報及び運転情報に基づいて水処理プロセスの最適化に関する評価量を算出する評価量算出部２４と、算出された評価量を示す評価量情報及び水質情報に基づいてブロワ１２１の曝気風量の目標値を決定する極値制御部２５とを持つことにより、ブロワ１２１の曝気風量をより精度よく調整することが可能になる。さらに、第１の実施形態の曝気風量制御装置２によれば、水質コスト及び運転コストに基づく評価量が最適化されるようにブロワ１２１の曝気風量が制御されるため、要求される放流水質の維持と運転コストの削減とを両立して実現することが可能になる。

なお、水処理プロセスの極値制御において、曝気風量の目標値を変化させる周期は、ブロワ１２１が指示された回転数に応じた曝気風量の空気を生物反応槽１２０に吹き込むのに要する時間よりも長くなるように設定されるとよい。また、曝気風量の目標値を変化させる周期は、ブロワ１２１による曝気が行われてから放流水質が変化するまでの反応時間よりも長くなるように設定されるとよい。

また、第２〜第４の各領域に対する曝気風量の極値制御は、領域ごとの評価量に基づいて行われても良い。この場合、例えば第２の領域の制御には、ブロワ１２１−１の電力コストを運転コストとする評価量が用いられてもよい。また、第２の領域の曝気風量の変化が第３及び第４の領域のいずれか一方又は両方の曝気風量に影響を及ぼす場合、第２の領域の制御に係る運転コストには、ブロワ１２１−１の電力コストに加えて、ブロワ１２１−２及び１２１−３のいずれか一方又は両方の電力コストが含まれても良い。

また、ブロワ制御部２６は、ブロワ制御装置として曝気風量制御装置２とは別体に構成されてもよい。同様に、評価量算出部２４は、評価量算出装置として曝気風量制御装置２とは別体に構成されてもよい。この場合、曝気風量制御装置２は、水質情報取得部２２と、上記評価量算出装置から評価量情報を取得する評価量情報取得部と、極値制御部２５とを備え、水質情報及び評価量情報の入力に対して曝気風量の目標値を出力する装置として構成されてもよい。

また、生物反応槽１２０に対する曝気風量が、ブロワ１２１の制御によってではなく、送風管等に設置されたバルブの制御によって調整される場合、曝気風量制御装置２は、ブロワ制御部２６に代えてバルブ制御部（図示せず）を備えてもよい。この場合、バルブ制御部は、ブロワ制御部２６と同様に、生物反応槽１２０に対する曝気風量が極値制御部２５によって決定された曝気風量の目標値に追従するように各バルブの開度を制御する。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態の曝気風量制御装置２ａの機能構成の具体例を示すブロック図である。曝気風量制御装置２ａは、極値制御部２５に代えて極値制御部２５ａを備える点、ブロワ制御部２６を備えない点で第１の実施形態の曝気風量制御装置２と異なる。他の機能部は、第１の実施形態の曝気風量制御装置２と同様のため、図２と同じ符号を付すことにより、他の機能部についての説明を省略する。

極値制御部２５ａは、第１の実施形態における極値制御部２５が曝気風量を操作量とする極値制御を行ったのに対し、ブロワ１２１の回転数を操作量とする極値制御を行う点で第１の実施形態における極値制御部２５と異なる。極値制御部２５ａによる極値制御には、第１の実施形態と同様の評価量が用いられても良い。極値制御部２５ａは、極値制御の実行によって各ブロワ１２１の新たな回転数を算出し、算出した回転数の指示値を各ブロワ１２１に出力する。

このように構成された第２の実施形態の曝気風量制御装置２ａは、極値制御の実行によってブロワ１２１の回転数を操作量として出力する。そのため、第２の実施形態の曝気風量制御装置２ａによれば、回転数の指示値が直接的に入力されることによって起動するブロワを備えた水処理プラントにおいて、極値制御を用いた水処理プロセスの最適化を実現することができる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態における水処理プラント１００ｂの具体例を示す図である。第３の実施形態における水処理プラント１００ｂは、生物反応槽１２０に槽内のＤＯ（Dissolved Oxygen：溶存酸素量）を測定するＤＯセンサが備えられる点、曝気風量制御装置２に代えて曝気風量制御装置２ｂを備える点で第１の実施形態における水処理プラント１００と異なる。他の構成は、第１の実施形態における水処理プラント１００と同様のため、図１と同じ符号を付すことにより、他の構成についての説明を省略する。

例えば、本実施形態では、生物反応槽１２０が有する第１〜第４の各領域のうち、微好気領域として運用される第２の領域にＤＯを測定するＤＯセンサ１２２が備えられる。この場合、曝気風量制御装置２ｂは、第２の領域のＤＯ値示す情報（以下「ＤＯ情報」という。）、水質情報及び運転情報に基づいて、ブロワ１２１−１〜１２１−３の曝気風量を制御する。ＤＯ情報は、ＤＯセンサ１２２によって取得される。

図７は、第３の実施形態の曝気風量制御装置２ｂの機能構成の具体例を示すブロック図である。曝気風量制御装置２ｂは、極値制御部２５に代えて極値制御部２５ｂを備える点、ブロワ制御部２６に代えてブロワ制御部２６ｂを備える点、ＤＯ情報取得部２７をさらに備える点で第１の実施形態の曝気風量制御装置２と異なる。他の機能部は第１の実施形態の曝気風量制御装置２と同様のため、図１と同じ符号を付すことにより、他の機能部についての説明を省略する。

ＤＯ情報取得部２７は、通信部２１を介して、ＤＯセンサ１２２からＤＯ情報を取得する。ＤＯ情報取得部２７は、取得したＤＯ情報をブロワ制御部２６ａに出力する。

極値制御部２５ｂは、第１の実施形態における極値制御部２５が曝気風量の目標値を操作量とする極値制御を行ったのに対し、第２の領域におけるＤＯ値を操作量とする極値制御を行う点で第１の実施形態における極値制御部２５と異なる。極値制御部２５ｂによる極値制御には第１の実施形態と同様の評価量が用いられても良い。極値制御部２５ｂは、局値制御の実行によって第２の領域における新たなＤＯの目標値を算出し、算出したＤＯの目標値をブロワ制御部２６ｂに出力する。

ブロワ制御部２６ｂは、ＤＯ情報取得部２７によって取得されたＤＯ情報と、極値制御部２５ｂから出力されるＤＯ目標値とに基づいて、各ブロワ１２１の回転数の目標値を決定する。具体的には、ブロワ制御部２６ｂは、新たに決定されたＤＯの目標値に応じてＰＩ制御（Proportional-Integral Control）を実行することにより、各ブロワ１２１の回転数の目標値を決定する。ブロワ制御部２６ｂは、各ブロワ１２１が決定された回転数の目標値に追従して動作するように各ブロワ１２１を制御する。

このように構成された第３の実施形態の曝気風量制御装置２ｂは、極値制御の実行によって第２の領域におけるＤＯの目標値を新たな操作量として出力する。そのため、第３の実施形態の曝気風量制御装置２ｂによれば、設定されたＤＯ値の目標値に追従するようにブロワの回転数を制御する従来の目標値追従型の水処理プラントにおいて、極値制御を用いた水処理プロセスの最適化を実現することができる。

また、生物反応槽１２０に対する曝気風量が、ブロワ１２１の制御によってではなく、送風管等に設置されたバルブの制御によって調整される場合、曝気風量制御装置２ｂは、ブロワ制御部２６ｂに代えてバルブ制御部（図示せず）を備えてもよい。この場合、バルブ制御部は、ブロワ制御部２６ｂと同様に、生物反応槽１２０のＤＯが極値制御部２５によって決定されたＤＯの目標値に追従するように各バルブの開度を制御する。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態における水処理プラント１００ｃの具体例を示す図である。第３の実施形態における水処理プラント１００ｃは、曝気風量制御装置２に代えて曝気風量制御装置２ｃを備える点、操作対象選択装置３をさらに備える点で第１の実施形態における水処理プラント１００と異なる。他の構成は、第１の実施形態における水処理プラント１００と同様のため、図１と同じ符号を付すことにより、他の構成についての説明を省略する。

操作対象選択装置３（操作対象選択部の一例）は、マウスやキーボード、タッチパネル等の入力装置を含んで構成され、入力装置を介して、極値制御の対象となるブロワ１２１を選択する入力を受け付ける。操作対象選択装置３は、入力された選択を示す情報（以下「選択情報」という。）を曝気風量制御装置２に出力する。なお、操作対象選択装置３は、上記の入力装置を備える代わりに、入力装置を自装置に接続するインタフェースを備えてもよい。

図９は、第４の実施形態の曝気風量制御装置２ｃの機能構成の具体例を示すブロック図である。曝気風量制御装置２ｃは、極値制御部２５に代えて極値制御部２５ｃを備える点、選択情報取得部２８をさらに備える点で第１の実施形態の曝気風量制御装置２と異なる。他の構成は、第１の実施形態の曝気風量制御装置２と同様のため、図２と同じ符号を付すことにより、他の構成についての説明を省略する。

選択情報取得部２８は、通信部２１を介して、操作対象選択装置３から選択情報を取得する。選択情報取得部２８は、取得した選択情報を極値制御部２５ｃに出力する。

極値制御部２５ｃは、水質情報及び評価量情報に基づいて極値制御を実行する。極値制御部２５ｃは、極値制御の実行によって決定した曝気風量の目標値のうち、選択情報が示すブロワ１２１に関する目標値を示す風量情報をブロワ制御部２６に出力する。この場合、極値制御部２５ｃは、必ずしも全てのブロワ１２１について極値制御を実行する必要はなく、選択情報が示すブロワ１２１についてのみ極値制御を実行してもよい。

このように構成された第４の実施形態の曝気風量制御装置２ｃは、極値制御の対象となるブロワ１２１を選択情報の入力に応じて切り替えることができる。そのため、第４の実施形態の曝気風量制御装置２ｃ及び操作対象選択装置３によれば、ユーザは制御対象のブロワを任意のタイミングで切り替えることができる。

なお、操作対象選択装置３は、各ブロワ１２１をはじめとする他の装置から水処理プロセスに関する諸情報を取得して表示する表示部を備えても良い。この場合、ユーザは、表示部に表示された諸情報から水処理プロセスの状態を把握し、どのブロワ１２１を制御すべきかを判断する。そして、ユーザは、制御すべきと判断したブロワ１２１の選択を操作対象選択装置３に入力することにより、制御対象を選択したブロワ１２１に切り替えることができる。また、操作対象選択装置３は、必ずしも曝気風量制御装置２ｃと別体に構成される必要はなく、曝気風量制御装置２ｃと一体に構成されてもよい。

なお、図８には、操作対象選択装置３によってブロワ１２１−４が制御対象として選択された場合の例を示したが、ブロワ１２１に対する回転数の指示は操作対象選択装置３を介して行われても良い。この場合、曝気風量制御装置２ｃに代えて操作対象選択装置３がブロワ制御部２６を備え、曝気風量制御装置２ｃは極値制御部２５ｃが出力する風量情報を操作対象選択装置３に出力する。操作対象選択装置３では、ブロワ制御部２６が曝気風量制御装置２ｃから出力された風量情報に基づいて、操作対象として選択されたブロワ１２１の回転数を算出する。

以上、極値制御による水処理プロセスの最適化を実現する水処理プラントの各実施形態について説明したが、各実施形態の水処理プラントは、他の実施形態にて説明した変形例の構成を適宜組み合わせて実現されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、曝気によって活性化する被処理水中の微生物の働きを利用して被処理水から不要物を分離するための生物反応槽を有する水処理プラントの運転又は運用に関する評価量を示す評価量情報を取得する評価量算出部と、生物反応槽に対する曝気風量の目標値を決定する制御部であって、評価量に基づく極値制御を実行することによって、評価量を最適値に近づけるように目標値を決定する極値制御部と、生物反応槽に対して空気を供給する曝気装置（ブロワ又はバルブ）の曝気風量が目標値に追従するように曝気装置の動作を制御する曝気風量制御部と、を持つことにより、微生物の働きによって水を浄化する水処理プロセスにおいて、曝気風量をより精度よく調整することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００，１００ｂ，１００ｃ，１００ｅ…水処理プラント、１１０…最初沈澱池、１１１…汚泥引き抜きポンプ、１２０…生物反応槽、１２１，１２１−１〜１２１−５…ブロワ、１２２…ＤＯセンサ、１３０…最終沈澱池、１３１…余剰汚泥ポンプ、１３２…返送汚泥ポンプ、１４０…ろ過池、１４１…水質センサ、１４１−１…アンモニアセンサ、１４１−２…リン酸センサ、１４１−３…硝酸センサ、１５０…余剰汚泥貯留槽、１５１…汚泥処理ポンプ、２，２ａ，２ｂ，２ｃ…曝気風量制御装置、２１…通信部、２２…水質情報取得部、２３…運転情報取得部、２４…評価量算出部、２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…極値制御部、２６，２６ａ，２６ｂ…ブロワ制御部、２７…情報取得部、２８…選択情報取得部、３…操作対象選択装置、３００…制御対象プロセス、４００…制御系、４１０…評価量算出部、４２０…極値制御部、４２１…ハイパスフィルタ、４２２，４２２−１，４２２−２…ディザー信号出力部、４２３…乗算器、４２４…ローパスフィルタ、４２５…積分器、４２６…加算器

Claims (10)

1. 曝気装置を備えた生物反応槽を有する水処理設備から、この水処理設備の運転又は運用に関する評価量を示す情報を取得する評価量取得部と、
   前記評価量を示す情報に基づいて極値制御を実行することによって、前記評価量を最適値に近づけるように前記曝気装置の曝気風量の目標値を決定する極値制御部と、
   前記目標値に追従するように前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御部と、
   を備える曝気風量制御装置。
2. 前記曝気装置が前記生物反応槽に空気を供給するブロワである場合、
   前記曝気風量制御部は、前記ブロワによる曝気風量が前記目標値に追従するように前記ブロワの回転数を制御する、
   請求項１に記載の曝気風量制御装置。
3. 前記空気供給設備が、前記生物反応槽に対して供給される空気の供給量を調節するためのバルブである場合、
   前記設備制御部は、前記バルブを介した曝気風量が前記目標値に追従するように前記バルブの開度を制御する、
   請求項１又は２に記載の曝気風量制御装置。
4. 曝気装置を備えた生物反応槽を有する水処理設備から、この水処理設備の運転又は運用に関する評価量を示す情報を取得する評価量取得部と、
   前記評価量を示す情報に基づいて極値制御を実行することによって、前記評価量を最適値に近づけるように前記曝気装置の曝気風量の目標値を決定する極値制御部と、
   前記目標値に追従するように前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御部と、
   を備える曝気風量制御装置。
5. 前記曝気装置が前記生物反応槽に空気を供給するブロワである場合、
   前記曝気風量制御部は、前記生物反応槽における溶存酸素量が前記目標値に追従するように前記ブロワの回転数を制御する、
   請求項４に記載の曝気風量制御装置。
6. 前記空気供給設備が、前記生物反応槽に対して供給される空気の供給量を調節するためのバルブである場合、
   前記設備制御部は、前記生物反応槽における溶存酸素量が前記目標値に追従するように前記バルブの開度を制御する、
   請求項５又は６に記載の曝気風量制御装置。
7. 前記評価量は、前記水処理設備から放流される処理水の水質と、前記曝気装置の動作に要する消費電力量とに基づいて算出されたコストであって、
   前記極値制御部は、前記コストを最小値に近づけるように前記目標値を決定する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の曝気風量制御装置。
8. 前記生物反応槽が、嫌気領域、微好気領域又は好気領域のいずれかである複数の領域を有し、前記複数の領域に空気を供給する複数の曝気装置を有する場合、
   前記複数の曝気装置から操作対象の曝気装置を選択する操作対象選択部をさらに備え、
   前記極値制御部は、前記評価量を示す情報に基づいて極値制御を実行することによって、操作対象として選択された前記曝気装置の曝気風量の目標値を決定し、
   前記曝気風量制御部は、前記目標値に追従するように操作対象として選択された前記曝気装置の曝気風量を制御する、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の曝気風量制御装置。
9. 曝気装置を備えた生物反応槽を有する水処理設備から、この水処理設備の運転又は運用に関する評価量を示す情報を取得し、
   前記評価量を示す情報に基づいて極値制御を実行することによって、前記評価量を最適値に近づけるように前記曝気装置の曝気風量の目標値を決定し、
   前記目標値に追従するように前記曝気装置の曝気風量を制御する、
   曝気風量制御方法。
10. 曝気装置を備えた生物反応槽を有する水処理設備から、この水処理設備の運転又は運用に関する評価量を示す情報を取得し、
    前記評価量を示す情報に基づいて極値制御を実行することによって、前記評価量を最適値に近づけるように前記生物反応槽における溶存酸素量の目標値を決定し、
    前記生物反応槽における溶存酸素量が前記目標値に追従するように前記曝気装置の曝気風量を制御する、
    曝気風量制御方法。

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