JP2019027212A - 水道の維持管理支援装置及び水道の維持管理支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】水道施設内の浄水処理施設に設置される各種機器の再起動又は水需要の急激な増加による運転条件の変化が生じた場合であっても、処理水質を維持可能とする水道の維持管理支援装置及び水道の維持管理支援システムを提供する。【解決手段】水道の維持管理支援装置７は、処理流量の変動が生じ得る浄水処理施設４の運転条件を含む運転計画を格納する運転計画データベース、浄水処理施設４における水質計測結果を格納するプロセス・水質データベース、水質計測結果に基づき沈殿池１３内に蓄積する汚泥量を求める浄水処理施設状態評価部、原水の濁度、運転計画に含まれる原水の取水量、沈殿池内に蓄積する汚泥量、及び凝集剤を含む薬品の注入量に基づき、沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め沈殿処理水濁度を算出する浄水水質予測部、及び、沈殿処理水濁度に基づき薬品の注入量又は運転計画を修正し浄水処理施設へ出力する運転条件設定部を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水道施設の維持管理を支援するシステムに係り、特に、凝集沈殿・急速ろ過プロセスの浄水場を対象とし、運転を停止した浄水場を再起動する際に処理水質を維持するために、処理流量の制御、凝集用薬品の注入の制御、または設備機器の整備についての情報提供をするシステムに関する。

水道事業は、河川水や地下水などを原水とし、浄水処理や消毒処理を行った後に、最終的には配管を経由して上水を需要家に供給している。水道事業における維持管理者の業務には、水処理施設の運転、施設・設備機器の保守、給配水の調整などが含まれる。
水処理施設の多くは河川水などの表流水を水源としており、原水水質は季節や天候により変化する。そのため、水処理施設の維持管理者は原水水質に応じた運転調整が必要である。平常時は監視制御システムにより予め決められたロジックで自動運転が実施できるが、豪雨、停電、地震、設備故障等の非定常的な事象に対しては維持管理者のノウハウに基づいた運転管理がなされることもある。国内で主流な浄水プロセスである凝集沈殿・急速ろ過プロセスでは取水へ凝集剤などの薬品を注入・処理されており、連続処理で所定の性能が出るような設計がされている。この連続プロセスで処理流量を変化させると、浄水性能も変化するため、処理水質が悪化しないように薬注などの運転操作を調整することが望まれる。

しかし、上述の非定常的な事象が発生すると、取水停止や機器の停止をせざるを得ない場合が生じる。再稼動に際しては、池内でフロック成長の核となるマイクロフロックの減少、池内流速の変化による沈降汚泥の巻上げ、残留塩素の消費による水質変化といった水質に係る影響がある。さらに、予定外の停止に伴う機器の不具合発生の有無を確認しながらの起動にも留意が必要となる。浄水施設の停止に伴って断水が発生した場合は、需要家の直接的な水消費量、配水池や貯水槽などへの水供給量が、平常時とは異なってくることが予想される。例えば、配水池の水位が下がっていて、各配水池で所定水位まで水を供給させるような制御が適用されると、取水量を急激に増加させる必要が生じる。これらの運転上の留意事項に対し、従来は運転員のノウハウに基づいて起動や運転調整がなされることが多かった。

運転操作モデルを用いて処理水質を維持する技術として、例えば、特許文献１に記載される技術が知られている。特許文献１には、運転操作モデルで被処理水水質により水処理プロセスの設定操作量Ｄを求めると共に、シミュレータで水処理プロセスの実操作量Ｄ＊により推定処理水質Ｃを求め、操作量決定部において予め定めた目標処理水質Ｃと推定処理水質Ｃ＊の偏差Ｅによって設定操作量Ｄを補正して水処理プロセスの実操作量Ｄ＊を求める構成が開示されている。

特開２００１−３８３４３号公報

水道施設内の浄水処理施設に設置される各種機器の再起動又は水需要の急激な増加による運転条件の変化によって、例えば、沈殿池内の汚泥の巻き上げ及び／又は沈降分離に要する時間の確保が困難となる場合が生じ得る。
しかしながら、上述のような事象が生じた場合への対応については、特許文献１に記載される技術では何ら考慮されていない。
そこで、本発明は、水道施設内の浄水処理施設に設置される各種機器の再起動又は水需要の急激な増加による運転条件の変化が生じた場合であっても、処理水質を維持可能とする水道の維持管理支援装置及び水道の維持管理支援システムを提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る水道の維持管理支援装置は、凝集沈殿及び急速ろ過プロセスを有し処理流量の変動が生じ得る浄水処理施設の少なくとも運転条件を含む運転計画を格納する運転計画データベースと、前記浄水処理施設における少なくとも水質計測結果を格納するプロセス・水質データベースと、少なくとも前記水質計測結果に基づき沈殿池内に蓄積する汚泥量を求める浄水処理施設状態評価部と、被処理水である原水の濁度、前記運転計画に含まれる原水の取水量、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量、及び凝集剤を含む薬品の注入量に基づき、前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め沈殿処理水濁度を算出する浄水水質予測部と、前記沈殿処理水濁度に基づき、薬品の注入量又は運転計画を修正し、前記浄水処理施設へ出力する運転条件設定部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る水道の維持管理支援システムは、少なくとも、取水施設と、浄水処理施設と、送配水施設と、給水施設を備える水道施設と、水道の維持管理支援装置と、前記水道の維持管理支援装置と前記水道施設とを葬儀に通信可能とする通信ネットワークを備え、前記水道の維持管理支援装置は、凝集沈殿及び急速ろ過プロセスを有し処理流量の変動が生じ得る前記浄水処理施設の少なくとも運転条件を含む運転計画を格納する運転計画データベースと、前記浄水処理施設における少なくとも水質計測結果を格納するプロセス・水質データベースと、少なくとも前記水質計測結果に基づき沈殿池内に蓄積する汚泥量を求める浄水処理施設状態評価部と、被処理水である原水の濁度、前記運転計画に含まれる原水の取水量、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量、及び凝集剤を含む薬品の注入量に基づき、前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め沈殿処理水濁度を算出する浄水水質予測部と、前記沈殿処理水濁度に基づき、薬品の注入量又は運転計画を修正し、前記浄水処理施設へ出力する運転条件設定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、水道施設内の浄水処理施設に設置される各種機器の再起動又は水需要の急激な増加による運転条件の変化が生じた場合であっても、処理水質を維持可能とする水道の維持管理支援装置及び水道の維持管理支援システムを提供することが可能となる。
例えば、沈殿池内の汚泥の巻き上げ及び／又は沈降分離に要する時間の確保が困難となる場合が生じた場合であっても、処理水質を維持することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る実施例１の水道の維持管理支援システムの概略全体構成図である。 図１に示す水道の維持管理支援装置の機能ブロック図である。 図２に示す水道の維持管理支援装置を構成する浄水処理施設状態評価部の処理フロー図である。 図２に示す水道の維持管理支援装置を構成する浄水水質予測部の処理フロー図である。 図２に示す水道の維持管理支援装置を構成する運転条件設定部の処理フロー図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２の水道の維持管理支援システムの概略全体構成図である。 図６に示す水道の維持管理支援装置の機能ブロック図である。 図７に示す水道の維持管理支援装置を構成するカメラ画像による運転条件ＦＢ部の処理フロー図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

＜水道の維持管理支援システム＞
図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の水道の維持管理支援システムの概略全体構成図である。図１に示すように、水道の維持管理支援システム１は、水道施設２、水道の維持管理支援装置７、及びこれらを相互に通信可能とする制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８から構成される。ここで、制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８は、有線であるか無線であるかを問わない。水道施設２は、少なくとも、取水施設３、浄水処理施設４、送配水施設５、及び給水施設６を備える。送配水施設５は、ポンプ場や貯水槽など人が容易にアクセスできる施設であり、給水施設６は、地下に埋設されていてアクセスのために掘削を必要とする管路等を含む。
浄水処理施設４は、原水を受ける着水井１０、凝集剤を添加し急速攪拌する混和池１１、緩速攪拌してフロックを成長させるフロック形成池１２、成長したフロックを重力沈降により沈降分離する沈殿池１３、ろ過池１４、浄水処理した水を蓄える浄水池１５を有する。本実施例では、処理流量や水質を計測するため、流量計１７及び濁度計１６ａ〜濁度計１６ｃを備える。流量計１７及び濁度計１６ａは、着水井１０に設置され、原水の水質と浄水処理する水量(流量)を測定する。濁度計１６ｂは、沈殿池１３の出口に設置され、沈殿処理の性能を判定する。また、濁度計１６ｃは、ろ過池１４の出口に設置され、ろ過後の水質を測定する。これらの計測情報は、制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８を介して水道の維持管理支援装置７へ送信される。水道の維持管理支援装置７からの出力は、同様に制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８を介して水道施設２の各設備機器へ送信され、取水量や薬注量が制御される。

＜水道の維持管理支援装置＞
図２は、図１に示す水道の維持管理支援装置７の機能ブロック図である。図２に示すように、水道の維持管理支援装置７は、通信Ｉ／Ｆ２１、浄水処理施設状態評価部２２、浄水水質予測部２３、運転条件設定部２４、プロセス・水質ＤＢ２５、運転計画ＤＢ２６、入力Ｉ／Ｆ２７、及び、出力Ｉ／Ｆ２８を備え、これらは内部バス１１２を介して相互に接続されている。また、入力Ｉ／Ｆ２７は入力部２９に接続され、入力部２９は、例えば、キーボード及び／又はマウスなどの入力装置であり、ユーザーによる運転計画等を入力するために用いられる。また、出力Ｉ／Ｆ２８は表示部３０に接続され、表示部３０は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は有機ＥＬディスプレイなどの表示装置であり、ガイダンスの表示或いはアラートの提示に用いられる。ここで、浄水処理施設状態評価部２２、浄水水質予測部２３、及び運転条件設定部２４は、例えば、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵなどのプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。

通信Ｉ／Ｆ２１は制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８に接続されており、水道施設２の各機器から運転条件や水質等の計測結果を取得することができる。また、逆に水道の維持管理支援装置７からの出力を制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８経由で外部に発信できる。

浄水処理施設状態評価部２２は、原水水質や取水量、処理水質、汚泥濃度、汚泥量などのプロセス・水質データ、及び、池の洗浄作業の実績値を用いて、沈殿池１３に蓄積された汚泥量を算出する。また、ろ過池１４への濁質負荷量を、沈殿処理水濁度、ろ過水量、ろ過水頭、ろ過池１４の逆洗実績などの情報を用いて算出する。

浄水水質予測部２３は、凝集、沈殿に加え、沈降した汚泥の舞い上がり（汚泥の巻き上げ）も考慮して凝集沈殿処理後の濁度を算出する。汚泥の舞い上がり（汚泥の巻き上げ）は、浄水処理施設状態評価部２２で求めた沈殿池１３に蓄積されている汚泥量、沈殿池１３内の流速、流速の時間変化などが影響するため、関連する入力項目と計算式を設定する。

運転条件設定部２４は、浄水処理施設状態評価部２２及び浄水水質予測部２３を用いて、初期に与える運転計画に対して、沈殿処理水の水質目標を維持するための凝集剤注入率、運転計画、または運転条件以外の対応(清掃や排水など)を評価し、制御値を浄水処理施設４へ通信Ｉ／Ｆ２１及び制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８を介して送信する。または、ガイダンスを表示部３０の表示画面へ出力Ｉ／Ｆ２８を介して出力する。

プロセス・水質ＤＢ２５には、水道施設１における各設備機器の運転操作量、流量・水質計測結果、システムのアラート情報を格納する。データ格納の頻度は計測項目にも依存するが、所定の周期にて取得されることが望ましい。以下、本実施例では、所定の周期の一例として１時間とした場合を示す。
運転計画ＤＢ２６には、予めユーザーにより入力部２９を介して入力される運転計画が内部バス１１２を介して所定の記憶領域に格納されている。

［浄水処理施設状態評価部の動作］
図３は、図２に示す水道の維持管理支援装置７を構成する浄水処理施設状態評価部２２の処理フロー図である。
図３に示すように、まず、ステップＳ１１において、浄水処理施設状態評価部２２は、内部バス１１２を介してプロセス・水質ＤＢ２５へアクセスし、プロセス・水質ＤＢ２５に格納されるフロック形成池１２と沈殿池１３の最新の洗浄実施日を取得する。この日を基準として、沈殿池１３内の汚泥の蓄積量を評価する。
次に、ステップＳ１２において、浄水処理施設状態評価部２２は、内部バス１１２を介してプロセス・水質ＤＢ２５へアクセスし、プロセス・水質ＤＢ２５に格納される運転データを取得する。ここで、汚泥蓄積に係る運転データとして本実施例では取水流量と凝集剤注入率を対象としている。この２項目から凝集剤由来の汚泥発生量を算出できる。

ステップＳ１３において、浄水処理施設状態評価部２２は、内部バス１１２を介してプロセス・水質ＤＢ２５へアクセスし、プロセス・水質ＤＢ２５に格納される、水質データとして、原水濁度、沈殿処理水濁度、沈殿池１３からの排出汚泥の濃度、及び、沈殿池１３からの排出汚泥の量を取得する。ここで、原水濁度は濁度計１６ａによる計測値であり、沈殿処理水濁度は濁度計１６ｂによる計測値である。また、排出汚泥濃度及び排出汚泥量については、排出汚泥とは沈殿池１３から排出される汚泥であり、排出汚泥濃度の計測は、例えば図示しない濃度計にて計測される。この計測された排出汚泥濃度に取水流量を乗算することにより、沈殿池１３から排出される排出汚泥量を求める。
そして、ステップＳ１４では、浄水処理施設状態評価部２２は、上述のステップＳ１１にて取得した最新の洗浄実施日を初期状態（汚泥蓄積量＝０）として、その後の浄水処理によって発生する汚泥量（発生汚泥量）を算出する。例えば、濁度由来の汚泥は濁度の計測値(度)をｍｇ／Ｌに換算し、所定の周期にて取得した原水濁度と沈殿処理水濁度との差に取水流量を乗じた値を積算する。

ステップＳ１５では、浄水処理施設状態評価部２２は、沈殿池１３からの排出汚泥量を算出する。汚泥の排出は不連続で行われるため、排出汚泥の濃度と取水流量の積を積算する。
そして、ステップＳ１６において、浄水処理施設状態評価部２２は、上述のステップＳ１４にて求めた発生汚泥量から上述のステップＳ１５にて求めた排出汚泥量を引いた値を、沈殿池１３の蓄積汚泥量として算出する。計測誤差により、発生汚泥量の計算値が排出汚泥量の計算値より小さくなる場合は蓄積汚泥量をゼロとする。汚泥が実際に堆積する箇所は沈殿池１３の構造のみならず、水流やフロック量の変化によっても異なるため、本実施例では正確な汚泥分布を設定しない。例えば、沈殿池１３内において、上流側（例えば、汚泥ピットが設けられる側）で汚泥量が多く、下流側（越流トラフが設置される側）で汚泥量が少なくなる分布が考えられる。より単純な分布としては、傾斜板など汚泥が堆積する部分の面積に対して一定量が分布するとすることも可能である。また、これらの組み合わせとして、沈殿池１３をいくつかのエリアに区切り、前段（上流側）のエリアや傾斜板のエリアは汚泥量分布が多く、後段（越流トラフが設置される下流側）や傾斜板がないエリアは少ないとし、それぞれのエリアに対して面積あたりの汚泥量を一定とする設定もできる。ここで、傾斜板とは、沈殿池１３内を上流側から下流側へと流れる被処理水に対し、所定の傾斜角にて設置される平板状の部材であり、例えば、複数の傾斜板が沈殿池１３の深さ方向に所定の間隔にて離間し配され、且つ、これらが、沈殿池１３内において上流側から下流側へ被処理水の流れの方向に沿って、所定の間隔にて離間し複数組配されている。これにより、被処理水中の汚泥は傾斜板へ衝突し、重力沈降による沈降分離の効率が向上する。

［浄水水質予測部の動作］
図４は、図２に示す水道の維持管理支援装置７を構成する浄水水質予測部２３の処理フロー図である。
図４に示すように、ステップＳ２１では、浄水水質予測部２３は、内部バス１１２を介して上述の浄水処理施設状態評価部２２により算出された沈殿池１３内の汚泥蓄積量を取得する。
ステップＳ２２では、浄水水質予測部２３は、内部バス１１２を介して運転計画ＤＢ２６へアクセスし、ユーザーにより入力部２９を介して設定入力され、運転計画ＤＢ２６の所定の記憶領域に格納される浄水処理施設４の運転計画、すなわち、所定の期間の取水計画を運転計画ＤＢ２６より読み出すことで取り込む。取水計画は、例えば、時間毎の取水量≒浄水処理量のことを示し、水需要に対応する取水量を過去の実績データ等に基づき設定される。水の需要量は朝と夕方に増加し、夜間と昼間は比較的少なくなるのが一般的である。取水計画の立案方法は既に様々な提案がなされており、特に限定されるものではないが、２４時間後までの１時間毎の取水量を設定することとする。

次にステップＳ２３にて、浄水水質予測部２３は、沈殿池１３内の流速及び流速の時間変化を算出する。平均的な流速及び流速の時間変化は、沈殿池１３の土木構造(流路断面積)及び取水流量をから求める。上述の汚泥蓄積量の分布を設定した場合と同様のエリア分けをし、それぞれのエリアでの平均値として算出すれば、汚泥の巻き上げの評価の際に対応が容易となる。
ステップＳ２４では、浄水水質予測部２３は、巻き上げ汚泥濃度（沈殿汚泥由来濁度）を算出する。堆積した汚泥が巻き上げられるモデルは、例えば海や湖の汚泥の流動や巻上げフラックスの研究の中で提案されている。例えば、巻き上げフラックスを以下の式により算出する。

Ｒｉ＝−ｇΔｈ（ρｂ’−ρｂ）／τｂ ・・・（２）
ここで、Ｆｚ：巻上げフラックス（ｇ／ｍ^２／ｓ）、Ｋ_０：定数、Ｒｉ：径深、Ｃ：液相中濃度、ｇ：重力加速度、Δｈ：基準水平面からの水位、ρｂ’：汚泥の密度、ρｂ：液相の密度、τｂ：掃流力(河床せん断力)である。

本実施例では、より簡易なモデルとして例えば以下の式で算出する。
Ｆｚ＝Ｋ_１×Ｄｓ×（ρｓ−ρｗ)×（ａ×Ｖ_ａ＋ｂ×ΔＶ_ａ＋ｃ） ・・・（３）
ここで、Ｋ_１：定数、Ｄｓ：汚泥厚さ、ρｓ：汚泥の密度、ρｗ：水の密度、Ｖ_ａ：平均流速、ΔＶ_ａ：平均流速の時間変化、ａ，ｂ，ｃ：定数である。
フラックスＦｚと平均流量から、沈殿池１３内の各エリアの蓄積汚泥由来の濁質の濃度（沈殿汚泥由来濁度）を算出することができる。

次にステップＳ２５では、浄水水質予測部２３は原水由来の濁度の予測を行う。取水量の計画は、上述のように２４時間後まで設定されているため、本実施例では降雨情報(予報)を用いて原水濁度（原水由来濁度）を算出する。
Ｔ_ｕｉ＝ｐ×（Ｑ_ｒ,_ｋ−Ｑ_０）^ｎ ・・・（４）
ここで、Ｔ_ｕｉ：ｉ時間後の予想濁度、Ｑ_ｒ,_ｋ：ｋ時間後の所定の地区での降雨量(予報値)、Ｑ_０，ｎ，ｐ：定数である。

ステップＳ２６では、浄水水質予測部２３は、ステップＳ２５にて求めた予想濁度（原水由来濁度）における凝集剤注入率を、予め設定した注入率式または設定値から算出する。本実施例では、凝集剤注入率式として、濁度のべき乗に比例する形式を用いる。

最後にステップＳ２７において、浄水水質予測部２３は、各エリアで発生する、上述のステップＳ２４にて算出された沈殿汚泥由来の濁度、上述のステップＳ２５にて算出された原水由来の濁度、及び上述のステップＳ２６にて算出された凝集剤注入率を入力として、沈殿処理水濁度を算出する。濁度の算出方法としては、濁質粒子が凝集剤に衝突して成長し、重力沈降により沈降分離されるモデルが提案されている。このモデルでは入力情報として粒形分布が必要となるが、逐次粒形分布を測定せず、予想される粒形分布をユーザーが入力部２９を介して設定し、濁度の変化を算出することが一つの方法である。また、簡易なモデルとしては、例えば、各エリアに流入する原水由来の濁度と、沈殿汚泥由来の濁度の割合を指標とするモデルを用いる。定性的には、原水由来の濁質は新たに注入された凝集剤を含むため、蓄積汚泥から巻き上がった低密度・小粒径の濁質に比べると凝集の能力が高いと推測される。これを次の式から算出する。
Ｔ_ｕ０，１＝Ｋ_２×ｒ×Ｔ_ｕ０，０×Ｖａ^ｍ ・・・（５）
Ｔ_ｕ１，１＝Ｋ_３×ｒ×Ｔ_ｕ１，０×Ｖａ^ｍ ・・・（６）
ｒ＝Ｔ_ｕ０，０／Ｔ_ｕ１，０／ＰＡＣ ・・・（７）
Ｔ_ｕ２＝Ｔ_ｕ０，１＋Ｔ_ｕ１，１ ・・・（８）
ここで、Ｔ_ｕ０，０：原水由来初期濁度、Ｔ_ｕ０，１：原水由来処理後濁度、Ｔ_ｕ１，０：沈殿汚泥由来初期濁度、Ｔ_ｕ１，１：沈殿汚泥由来処理後濁度、Ｖａ：平均流速、Ｋ_２，Ｋ_３:沈降分離に係る係数、ｍ：定数、ＰＡＣ：凝集剤注入率、Ｔ_ｕ２：沈殿処理水濁度である。

［運転条件設定部の動作］
図５は、図２に示す水道の維持管理支援装置７を構成する運転条件設定部２４の処理フロー図である。
運転条件設定部２４は、運転条件として、凝集剤の注入率、運転計画(取水流量)を調整する。これら凝集剤の注入率及び運転計画(取水流量)の操作量では所定の沈殿処理水濁度が得られない場合は、運転条件以外の対応として、浄水処理以外の対処法をユーザーへ表示部３０により提示する。

図５に示すように、まず、ステップＳ３１では、運転条件設定部２４は、内部バス１１２を介して、初期条件として上述の浄水水質予測部２３により算出された沈殿処理水濁度を取り込む。
ステップＳ３２では、運転条件設定部２４は、沈殿処理水濁度と所定の閾値(例えば、１度)とを比較し、比較の結果、沈殿処理水濁度が所定の閾値未満である場合にはステップＳ３３へ進む。一方、比較の結果、沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合であるものの、凝集剤の設定可能な範囲内であれはステップＳ３１へ戻り、凝集剤注入率の増減を調整し、その凝集剤注入率を浄水水質予測部２３へ内部バス１１２を介して転送する。そして浄水水質予測部２３は、転送された凝集剤注入率に基づき沈殿処理水濁度（処理水の水質）を求め、運転条件設定部２４は、内部バス１１２を介して、浄水水質予測部２３により予測された沈殿処理水濁度（処理水の水質）を取得し、再びステップＳ３２の処理を実行する。
ステップＳ３２において、比較の結果、沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合であって、凝集剤の設定可能な範囲で対応ができない(沈殿処理水濁度が所定の閾値未満とすることができない)と判断された場合にはステップＳ３４へ進む。
ステップＳ３３では、運転条件設定部２４は、修正した凝集剤注入率、すなわち、ステップＳ３２における沈殿処理水濁度の条件である、沈殿処理水濁度が所定の閾値未満となる凝集剤注入率を、通信Ｉ／Ｆ２１及び制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８を介して水道施設２を構成する浄水処理施設４へ送信する。

ステップＳ３４では、運転条件設定部２４は、運転計画の変更、すなわち、取水流量を減少させる、または、沈殿汚泥の舞い上がり（巻き上げ）に影響する流量変化率を減少させる方向に設定値を修正する。そして、再び浄水水質予測部２３により沈殿処理水濁度を予測し、浄水水質予測部２３により予測された沈殿処理水濁度（処理水の水質）を所定の閾値と比較する（ステップＳ３５）。比較の結果、沈殿処理水濁度が所定の閾値未満の場合にはステップＳ３６へ進み、ステップＳ３６にて修正した運転計画を、通信Ｉ／Ｆ２１及び制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８を介して水道施設２を構成する浄水処理施設４へ送信する。一方、沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合であるものの、運転計画の変更での対応が可能であればステップＳ３４へ戻り、ステップＳ３４での運転計画の変更を更に行う。

ステップＳ３５において、比較の結果、沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合であって運転計画の変更が可能な範囲で対応ができない場合にはステップＳ３７へ進む。
ステップ３７では、運転条件設定部２４は、凝集剤の注入率や取水流量などの運転条件による対処ではなく、沈殿処理水濁度上昇の原因となっていると思われる沈殿池１３の清掃(汚泥の排出)、或いは、浄水処理は継続するが濁度の基準を満足しない水は排水(放流)し、安定な運転ができるようになった後に需要家へ配水する等の対策案を、出力Ｉ／Ｆ２８を介して表示部３０の表示画面上に表示することによりユーザーに提示する（ガイダンス表示）。

なお、本実施例では図５に示す運転条件設定部２４の処理フローにおいて、凝集剤注入率の調整（ステップＳ３１）と運転計画の変更（ステップＳ３４）を順次実行するフローとしたがこれに限られるものではない。例えば、所定の間隔で条件を変化させる総当り法によって決定しても良い。
また、本実施例では、凝集剤を混和池１１で注入する、所謂、前凝集剤方式を一例とし、凝集処理の段階で所定の濁度を除去する構成としたがこれに限られるものではない。たとえは、ろ過池１４にも濁度負荷の分担をさせる構成としても良い。この場合において、所定の閾値は、急速ろ過や、沈殿池１３とろ過池１４の間に凝集剤注入設備を設ける後凝集剤方式も考慮した、高い値に設定することができる。
更には、本実施例の浄水処理施設状態評価部２２及び浄水水質予測部２３では、沈殿池１３内をエリアに分割してそれぞれの評価を行う構成としたが、更に分割すると共に、流体シミュレーションを用いて沈殿池１３内の詳細な流れ解析と粒子(濁質)の挙動を求め、その結果を用いて、蓄積汚泥や処理水の水質を評価する構成としても良い。
また、本実施例では、１台の水道の維持管理支援装置７にて１つの水道施設２を管理する場合を一例として説明したがこれに限られるものではない。例えば、水道施設２が複数系列設置されている場合においては、例えば、上述の図３におけるステップＳ１６では、各系列の沈殿池１３の蓄積汚泥量の算出を実行する構成としても良い。

本実施例によれば、水道施設内の浄水処理施設に設置される各種機器の再起動又は水需要の急激な増加による運転条件の変化が生じた場合であっても、処理水質を維持可能とする水道の維持管理支援装置及び水道の維持管理支援システムを提供することが可能となる。
例えば、沈殿池内の汚泥の巻き上げ及び／又は沈降分離に要する時間の確保が困難となる場合が生じた場合であっても、処理水質を維持することが可能となる。
また、本実施例によれば、凝集沈殿・急速ろ過プロセスにおいて、運転が停止した後に再起動する際、汚泥の巻き上がりや巻き上がった汚泥の再凝集を考慮した処理水濁度予測を行い、凝集剤や取水流量を制御する構成であることから、凝集沈殿処理の処理不良を抑制することが可能となる。

図６は、本発明の他の実施例に係る実施例２の水道の維持管理支援システム１ａの概略全体構成図である。本実施例では、上述の実施例１の構成に加え、混和池１１に撮像装置としてのカメラ１８ａ、フロック形成池１２に撮像装置としてのカメラ１８ｂ、及び沈殿池１３に撮像装置としてのカメラ１８ｃ〜１８ｅを設置する構成とした点が実施例１と異なる。以下では、実施例１と同様の構成要素に同一の符号を付し、実施例１と重複する説明を省略する。

図６に示すように、浄水処理施設４ａを構成する混和池１１に設置される撮像装置としてのカメラ１８ａは、混和池１１での凝集剤注入部の映像をモニターする。フロック形成池１２に設置される撮像装置としてのカメラ１８ｂは、フロック形成池１２内で緩速攪拌を行っているフロッキュレータの映像をモニターする。また、沈殿池１３に設置される撮像装置としてのカメラ１８ｃ〜１８ｅは、それぞれ沈殿池１３内の入口付近（沈殿池１３内の上流側）、中間部、及び出口付近（沈殿池１３内の下流側）におけるフロックの映像をモニターする。これらのカメラには、図示しない照明設備が合わせて設置されており、昼夜や天候にかかわらず撮像可能に構成されている。

図７は、図６に示す水道の維持管理支援装置７ａの機能ブロック図である。図７に示すように、本実施例の水道の維持管理支援装置７ａは、上述の実施例１の水道の維持管理支援装置７の構成に加えて、撮像装置としてのカメラ１８ａ〜１８ｅにより撮像された画像データを所定の時間間隔（所定の周期）で格納する画像ＤＢ４２、及びカメラ画像による運転条件ＦＢ部４１を備える。カメラ画像による運転条件ＦＢ部４１は、撮像装置としてのカメラ１８ａ〜１８ｅにより撮像された画像データに基づき、水質計である濁度計１６ａ及び濁度計１６ｂ、或いは、浄水処理施設４ａに設置される機器の異常を検知することが可能であり、凝集剤注入率或いは取水量のＦＢ制御（フィードバック制御）のみならず、浄水処理施設４ａに設置される機器の保守・メンテナンス実行の判断を行う上での情報をユーザーに提供し得る。

図８は、図７に示す水道の維持管理支援装置７ａを構成するカメラ画像による運転条件ＦＢ部４１の処理フロー図である。
図８に示すように、ステップＳ４１では、カメラ画像による運転条件ＦＢ部４１は、内部バス１１２を介して、運転条件設定部２４を起動し、沈殿処理水の濁度の予測に基づくＦＦ制御（フイードフォワード制御）の値を取得する。なお、運転条件設定部２４は、上述の実施例１における図５に示したステップＳ３１〜ステップＳ３６を実行することで、ＦＦ制御（フイードフォワード制御）の値を生成する。

一方、ステップＳ４２では、カメラ画像による運転条件ＦＢ部４１は、内部バス１１２を介して画像ＤＢ４２へアクセスする。そして、画像ＤＢ４２に格納される、沈殿池１３に設置される撮像装置としてのカメラ１８ｃ〜１８ｅにより撮像された最新の画像データを読み出し取得する。
次に、ステップＳ４３では、カメラ画像による運転条件ＦＢ部４１は、取得した上記画像データに基づきフロック濃度の評価（検出）を実行する。このとき、フロック濃度に対して処理水質（沈殿処理水濁度）がどのような状態であったのかの相関を過去の平常時や異常時を含め予め求め、求めた相関関係は運転計画ＤＢ２６ａの所定の記憶領域に格納されている。この相関関係は、フロック濃度、フロックサイズ、及び沈殿処理水濁度との一次関数でも良いが、ＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）などを用いた画像特徴量と沈殿処理水濁度との関係を用いても良い。
ステップＳ４４では、カメラ画像による運転条件ＦＢ部４１は、運転計画ＤＢ２６ａの所定の記憶領域に格納される相関関係とステップＳ４２にて取得した最新の画像データとを比較し、ＦＢ制御としての運転条件補正値（例えば、凝集剤注入率または取水量の補正値）を求める。
ステップＳ４５では、カメラ画像による運転条件ＦＢ部４１は、ステップＳ４１にて取得されたＦＦ制御（フイードフォワード制御）の値、及びステップＳ４４にて求めたＦＢ制御としての運転条件補正値とを運転条件として、通信Ｉ／Ｆ２１及び制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）８を介して水道施設２を構成する浄水処理施設４へ送信する。

本実施例では、画像データの活用方法としてフロック濃度を算出する例を示したが、混和池１１に設置される撮像装置としてのカメラ１８ａ及びフロック形成池１２に設置されるカメラ１８ｂに浄水処理施設４ａに設置される機器の不具合検出をさせ、検知したら作業員を対応に当たらせるような構成としても良い。例えば、混和池１１に設置される撮像装置としてのカメラ１８ａは凝集剤の注入口における凝集剤の流れる様子を撮像し、これを画像処理により凝集剤注入量に換算する。換算された凝集剤注入量を、図示しない監視制御装置（例えば、ＳＣＡＤＡ：Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）により注入率設定値と比較し、所定の誤差範囲にあるかどうかを判定する。また、フロック形成池１２に設置されるカメラ１８ｂの場合、フロッキュレータの回転状態をモニタリングし、平常時の画像データと比較する。画像解析により、攪拌翼の回転速度、翼の変形・破損の有無、翼への異物の付着を検出できる。これらの画像データによる判定結果が、所定の範囲を超えて異常を示す場合は、アラートをユーザーへ出力Ｉ／Ｆ２８を介して表示部３０の表示画面に提示する。

本実施例によれば、実施例１の効果に加え、撮像装置としてのカメラにより撮像された画像データを用いた観察結果に基づき、運転条件のＦＢ制御や設備機器の不具合の検知を行うことから、運転制御がロバストになる。さらに、従来の人による観察と運転制御システムの調整に比べ、対応に必要な従事者数を削減する効果も期待できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１，１ａ…水道の維持管理支援システム
２，２ａ…水道施設
３…取水施設
４，４ａ…浄水処理施設
５…送配水施設
６…給水施設
７，７ａ…水道の維持管理支援装置
８…制御ＬＡＮ（通信ネットワーク）
１０…着水井
１１…混和池
１２…フロック形成池
１３…沈殿池
１４…ろ過池
１５…浄水池
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…濁度計
１７…流量計
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ…カメラ
２１…通信Ｉ／Ｆ
２２…浄水処理施設状態評価部
２３…浄水水質予測部
２４…運転条件設定部
２５…プロセス・水質ＤＢ
２６，２６ａ…運転計画ＤＢ
２７…入力Ｉ／Ｆ
２８…出力Ｉ／Ｆ
２９…入力部
３０…表示部
４１…カメラ画像による運転条件ＦＢ部
４２…画像ＤＢ
１１２…内部バス

Claims (12)

1. 凝集沈殿及び急速ろ過プロセスを有し処理流量の変動が生じ得る浄水処理施設の少なくとも運転条件を含む運転計画を格納する運転計画データベースと、
   前記浄水処理施設における少なくとも水質計測結果を格納するプロセス・水質データベースと、
   少なくとも前記水質計測結果に基づき沈殿池内に蓄積する汚泥量を求める浄水処理施設状態評価部と、
   被処理水である原水の濁度、前記運転計画に含まれる原水の取水量、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量、及び凝集剤を含む薬品の注入量に基づき、前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め沈殿処理水濁度を算出する浄水水質予測部と、
   前記沈殿処理水濁度に基づき、薬品の注入量又は運転計画を修正し、前記浄水処理施設へ出力する運転条件設定部と、を備えることを特徴とする水道の維持管理支援装置。
2. 請求項１に記載の水道の維持管理支援装置において、
   前記運転条件設定部は、前記沈殿処理水濁度が所定の閾値未満となるよう、前記薬品の注入量又は運転計画を修正することを特徴とする水道の維持管理支援装置。
3. 請求項２に記載の水道の維持管理支援装置において、
   前記浄水水質予測部は、前記運転計画に含まれる原水の取水量及び前記被処理水である原水の濁度に基づき前記凝集剤を含む薬品の注入量を求めると共に、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量に基づき前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め、求めた前記凝集剤を含む薬品の注入量及び前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度並びに前記被処理水である原水の濁度に基づき前記沈殿処理水濁度を算出することを特徴とする水道の維持管理支援装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の水道の維持管理支援装置において、
   表示部を備え、
   前記運転条件設定部は、前記沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合、沈殿池の清掃及び急速ろ過水の排水を含む運転管理業務に関する情報を前記表示部へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援装置。
5. 請求項４に記載の水道の維持管理支援装置において、
   前記浄水処理施設に設置される複数の撮像装置を備え、
   前記複数の撮像装置のうち、沈殿池の上流側、中間部、及び下流側のそれぞれの位置に設置される複数の撮像装置により撮像された画像データに基づき沈殿池内のフロックの濃度を検出し、前記運転計画データベースに予め格納されるフロックの濃度と沈殿処理水濁度との相関関係に基づき、前記薬品の注入量又は前記原水の取水量の補正値を運転条件補正値として求めるカメラ画像による運転条件フィードバック部を有し、
   前記運転条件補正値及び前記運転条件設定部による修正後の薬品の注入量又は運転計画を前記浄水処理施設へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援装置。
6. 請求項５に記載の水道の維持管理支援装置において、
   前記カメラ画像による運転条件フィードバック部は、
   前記複数の撮像装置のうち、混和池及びフロック形成池に設置される撮像装置により撮像された画像データに基づき、前記混和池における凝集剤注入状況又は前記フロック形成池における緩速攪拌装置の異常が検出された場合、アラートを前記表示部へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援装置。
7. 少なくとも、取水施設と、浄水処理施設と、送配水施設と、給水施設を備える水道施設と、
   水道の維持管理支援装置と、
   前記水道の維持管理支援装置と前記水道施設とを葬儀に通信可能とする通信ネットワークを備え、
   前記水道の維持管理支援装置は、
   凝集沈殿及び急速ろ過プロセスを有し処理流量の変動が生じ得る前記浄水処理施設の少なくとも運転条件を含む運転計画を格納する運転計画データベースと、
   前記浄水処理施設における少なくとも水質計測結果を格納するプロセス・水質データベースと、
   少なくとも前記水質計測結果に基づき沈殿池内に蓄積する汚泥量を求める浄水処理施設状態評価部と、
   被処理水である原水の濁度、前記運転計画に含まれる原水の取水量、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量、及び凝集剤を含む薬品の注入量に基づき、前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め沈殿処理水濁度を算出する浄水水質予測部と、
   前記沈殿処理水濁度に基づき、薬品の注入量又は運転計画を修正し、前記浄水処理施設へ出力する運転条件設定部と、を備えることを特徴とする水道の維持管理支援システム。
8. 請求項７に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
   前記運転条件設定部は、前記沈殿処理水濁度が所定の閾値未満となるよう、前記薬品の注入量又は運転計画を修正することを特徴とする水道の維持管理支援システム。
9. 請求項８に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
   前記浄水水質予測部は、前記運転計画に含まれる原水の取水量及び前記被処理水である原水の濁度に基づき前記凝集剤を含む薬品の注入量を求めると共に、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量に基づき前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め、求めた前記凝集剤を含む薬品の注入量及び前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度並びに前記被処理水である原水の濁度に基づき前記沈殿処理水濁度を算出することを特徴とする水道の維持管理支援システム。
10. 請求項８又は請求項９に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
    前記水道の維持管理支援装置は、表示部を備え、
    前記運転条件設定部は、前記沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合、沈殿池の清掃及び急速ろ過水の排水を含む運転管理業務に関する情報を前記表示部へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援システム。
11. 請求項１０に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
    前記浄水処理施設に設置される複数の撮像装置を備え、
    前記複数の撮像装置のうち、沈殿池の上流側、中間部、及び下流側のそれぞれの位置に設置される複数の撮像装置により撮像された画像データに基づき沈殿池内のフロックの濃度を検出し、前記運転計画データベースに予め格納されるフロックの濃度と沈殿処理水濁度との相関関係に基づき、前記薬品の注入量又は前記原水の取水量の補正値を運転条件補正値として求めるカメラ画像による運転条件フィードバック部を有し、
    前記運転条件補正値及び前記運転条件設定部による修正後の薬品の注入量又は運転計画を前記浄水処理施設へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援システム。
12. 請求項１１に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
    前記カメラ画像による運転条件フィードバック部は、
    前記複数の撮像装置のうち、混和池及びフロック形成池に設置される撮像装置により撮像された画像データに基づき、前記混和池における凝集剤注入状況又は前記フロック形成池における緩速攪拌装置の異常が検出された場合、アラートを前記表示部へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援システム。

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