JP2020095604A - 水処理プラントの管理支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】水処理プラントの区画毎の原単位を正確に算出する。【解決手段】水処理プラントの管理支援システムは、複数の水処理ユニットから構成される水処理プラントを少なくとも２つ以上の区画に分割して管理支援する。この管理支援システムは、各区画の流入水及び流出水の水質を含む測定データを格納する測定データ記憶部と、各区画に対応付けられ、対象指標の量的実績を算出するための数式モデルを格納する数式モデル記憶部と、前記測定データと前記数式モデルに基づいて、各区画の対象指標の量的実績を算出する算出部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水処理プラントの管理支援システムに関する。

従来、水処理プラントの運転管理従事者は、受変電盤で受ける電力量や薬剤の購入量を管理し、水処理プラント全体としての収支から、コストや原単位の状態を把握していた（例えば特許文献１〜４参照）。ここで、原単位は、水処理プラントの処理水の単位量当たりの薬剤使用量や電力消費量など、各評価項目の使用量を指す。例えば、超純水製造装置では、製造される超純水１ｍ^３当たりの原単位、排水処理装置では、排出される排水の量と排水中の汚濁物質の濃度の積当たりの原単位とされる。

水処理プラント全体あるいは一連の水処理装置全体での原単位の状態を把握する従来の手法では、水処理プラントを構成する水処理装置毎にどの程度コストがかかっているか、原単位がいくらになっているかなどが定量的に把握できなかった。現状では、月ごとの薬剤購入量や受電盤で受けた電力量と、生産量の実績とから、月に１回程度の頻度の手計算によって、コストや原単位を算出することしかできていない。このような管理方法では、水処理プラント全体のコストや原単位の経時的変化を監視するために、手計算で継続的にデータを集める必要があり、非効率であった。また、水処理プラントを構成する特定の水処理装置に対して省コスト活動を行った後の効果を監視ができないので、何をどれだけコストダウンできるか目安にするものがなかった。

様々な評価項目の中で、薬剤使用量は定量的に把握することが困難であった。例えば、薬剤添加位置ごとに細かく薬剤添加量を計測することが考えられるが、計器の設置スペースや設置費用の点から現実的でない。また、薬剤タンクと薬剤供給ラインが複数の水処理装置で共用されている場合があり、その場合は、個別の計測がそもそも困難であった。

薬剤使用量の把握が特に困難なものとしてｐＨ調整剤が挙げられる。水処理プラントにおいてｐＨ調整は安定運転のために重要であり、必要なｐＨ調整剤（酸、アルカリ）が、水処理プラントの各所で添加されている。さらに、硝化を行う生物処理では、処理過程でｐＨが下がるので、ｐＨ低下に応じてアルカリが添加される。また、凝集などのｐＨ制御点を持つ装置では、前段の処理状況および凝集剤の添加量とのバランスに応じて、酸／アルカリのどちらをどの程度添加するか変わる。そのため、水処理プラントを構成する各水処理装置において、どれだけのｐＨ調整剤が消費されているかを把握することは非常に困難であった。

特開平９−３１８６６５号公報 特開２０００−３３９００２号公報 特開２００２−８６１３１号公報 特開２００６−２６０５１９号公報

本発明は、水処理プラントの区画毎の原単位を正確に算出できる水処理プラントの管理支援システムを提供することを目的とする。

本発明の水処理プラントの管理支援システムは、複数の水処理ユニットから構成される水処理プラントを少なくとも２つ以上の区画に分割して管理支援するシステムであって、各区画の流入水及び流出水の水質を含む測定データを格納する測定データ記憶部と、各区画に対応付けられ、対象指標の量的実績を算出するための数式モデルを格納する数式モデル記憶部と、前記測定データと前記数式モデルに基づいて、各区画の対象指標の量的実績を算出する算出部と、を備えるものである。

本発明の一態様では、前記対象指標の量的実績は、薬剤使用量実績、標準ガス使用量実績、補給水使用量実績、エネルギー消費量実績、産業廃棄物発生量実績、有価物生成量実績、及び放流水量実績のいずれか１つ以上である。

本発明の一態様では、前記複数の水処理ユニットのうち第１水処理ユニットに対象薬剤が添加され、該第１水処理ユニットとは異なる第２水処理ユニットに該対象薬剤又は該対象薬剤と解離時または部分分解時の生成物質が共通する共通薬剤が添加され、該第１水処理ユニットと該第２水処理ユニットとは異なる区画となるように分割され、前記数式モデル記憶部は、前記対象薬剤の使用量実績を算出するための薬剤使用量実績算出モデルを格納し、前記算出部は、前記測定データと前記薬剤使用量実績算出モデルに基づいて、各区画の前記対象薬剤の使用量実績を算出する。

本発明の一態様では、前記対象薬剤は電解質からなり、前記共通薬剤は該対象薬剤と解離時の陽イオンまたは陰イオンが共通する。

本発明の一態様では、前記数式モデル記憶部は、水処理プラントの種別に関連付けられた原単位の定義をさらに格納し、前記算出部は、算出した対象薬剤の使用量実績と、前記原単位の定義とに基づいて、各区画の薬剤使用量原単位を算出する。

本発明の一態様では、前記数式モデル記憶部は、前記対象薬剤の単価データをさらに格納し、前記算出部は、前記単価データと、算出した薬剤使用量原単位とに基づいて、各区画における前記対象薬剤のコストを算出する。

本発明の一態様では、前記数式モデル記憶部は、前記水処理プラントにおける交換部材の単価データ、及び各区画における前記交換部材の交換頻度データをさらに格納し、前記算出部は、前記単価データと前記交換頻度データとに基づいて、各区画のメンテナンスコストを算出し、該メンテナンスコストと前記対象薬剤のコストとを加算して各区画のランニングコストを算出する。

本発明によれば、水処理プラントの区画毎の原単位を正確に算出できる。

本発明の実施形態に係る水処理プラントの管理支援システムの概略構成図である。 数式モデルの例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は数式モデル記憶部に格納されるデータの例を示す図である。 同実施形態に係るコスト算出方法を説明するフローチャートである。 測定データの例を示す図である。 算出される量的実績の例を示す図である。 算出される原単位の例を示す図である。 算出される費目別のコストの例を示す図である。 算出されるランニングコストの例を示す図である。 水処理プラントの例を示す図である。 水処理プラントのｐＨ調整部分を示す図である。 水処理ユニットの定義の一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る水処理プラントの管理支援システムの概略図である。例えば、水処理プラントは、複数段の水処理ユニットを備えており、管理支援システムは、水処理プラントを複数の区画に分割した場合の各区画における対象指標の原単位やコストを算出する。例えば、対象指標は薬剤使用量や電力消費量であり、原単位は、処理水の単位量当たりの薬剤使用量や電力消費量である。

図１に示す例では、水処理プラントは、水処理ユニットＵ１〜Ｕ５を備え、水処理ユニットＵ１及びＵ２を区画α、水処理ユニットＵ３を区画βとする。

水処理プラントには、各区画の流入水や流出水の水質や通水量を測定するセンサ（図示略）が設けられている。例えば、図１に示す例では、水処理ユニットＵ１の流入水、水処理ユニットＵ２の流出水、水処理ユニットＵ３の流出水の水質を測定するセンサが設けられている。水処理ユニットＵ１の流入水は、区画αの流入水である。水処理ユニットＵ２の流出水は、区画αの流出水、区画βの流入水である。水処理ユニットＵ３の流出水は、区画βの流出水である。

管理支援システムは、制御装置１０、数式モデル記憶部１４、測定データ記憶部１５及び算出値記憶部１６を備える。制御装置１０は例えばコンピュータであり、測定データ収集部１１及び算出部１２を有する。測定データ収集部１１及び算出部１２はハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。例えば、測定データ収集部１１及び算出部１２の機能は、コンピュータのＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどで構成され、ＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。

測定データ収集部１１は、水処理プラントの各区画の流入水や流出水の水質や流量を測定するセンサ等から測定データを収集する。収集した測定データは測定データ記憶部１５に格納される。

図２に示すように、数式モデル記憶部１４は、測定データから、各区画における対象指標の量的実績を算出するための数式モデル（計算式）を格納する。対象指標の量的実績とは、例えば、薬剤使用量実績、標準ガス使用量実績、補給水使用量実績、エネルギー消費量実績、産業廃棄物発生量実績、有価物生成量実績、放流水量実績等である。標準ガス使用量は、例えば、窒素ガス使用量、二酸化炭素ガス使用量等である。エネルギー消費量は、例えば、電力消費量、ＣＯ_２排出量、冷熱発生量である。産業廃棄物発生量は、例えば、汚泥発生量や濃縮塩発生量である。有価物生成量は、例えば、フッ化カルシウム等である。

数式モデル記憶部１４には、図３（ａ）に示すような、水処理プラントの種別に関連付けられた原単位の定義及び換算式が格納されている。例えば、超純水製造装置では、製造される超純水１ｍ^３当たりの対象指標の量的実績として原単位が算出され、具体的には薬剤Ａ使用量実績［ｋｇ／ｍ^３］、電力消費量実績［ｋＷｈ／ｍ^３］、窒素パージガス使用量実績［Ｎｍ^３／ｍ^３］などのように適宜定義される。同様に、電子製造排水処理では、排水処理受入汚濁物質負荷（ＴＯＣ負荷）１ｋｇＣ当たりの対象指標の量的実績として原単位が算出され、具体的には薬剤Ａ使用量実績［ｋｇ／ｋｇＣ］、電力消費量実績［ｋＷｈ／ｋｇＣ］、汚泥排出量実績［ｋｇ／ｋｇＣ］などのように適宜定義される。

また、数式モデル記憶部１４には、図３（ｂ）に示すような対象指標の関連費目の原価（単価）が格納されている。

また、数式モデル記憶部１４には、図３（ｃ）に示すようなメンテナンス費用の費目毎の原価や、図３（ｄ）に示すような区画毎のメンテナンス実績が格納されている。このように、数式モデル記憶部１４には、原単位やコストの算出に必要なデータが格納されている。

算出部１２は、数式モデル記憶部１４に格納されているデータ、及びセンサによる測定データを用いて、区画毎の原単位や各種コストを算出する。算出した値は、算出値記憶部１６に格納される。

次に、区画毎の原単位や各種コストの算出方法を、図４に示すフローチャートに沿って説明する。

測定データ収集部１１が、水処理プラントに設けられたセンサ等から測定データを収集する（ステップＳ１）。例えば、図５に示すような測定データが測定データ記憶部１５に格納される。

算出部１２が、測定データと数式モデルとから、区画毎の対象指標の量的実績を算出する（ステップＳ２）。例えば、算出部１２は、区画αの流入水における薬剤Ａの解離イオン濃度、区画αの流出水における薬剤Ａの解離イオン濃度、及び流入水の流量の測定データと、数式モデル記憶部１４内の薬剤Ａ使用量実績算出モデルとを用いて、区画αにおける薬剤Ａの使用量実績を算出する。算出した値は、図６に示すように、算出値記憶部１６に格納される。

算出部１２が、図３（ａ）に示すような原単位換算式と、ステップＳ２で算出した量的実績とを用いて、区画毎の対象指標の原単位を算出する（ステップＳ３）。算出した値は、図７に示すように、算出値記憶部１６に格納される。

算出部１２が、数式モデル記憶部１４に格納されている原価情報と、ステップＳ３で算出した原単位とを用いて、区画毎の各種コストを算出する（ステップＳ４）。算出した値は、図８、図９に示すように、算出値記憶部１６に格納される。

例えば、算出部１２は、数式モデル記憶部１４に格納されている薬剤Ａの原価（単価）と、ステップＳ３で算出した区画αにおける薬剤Ａの使用量原単位とを用いて、区画αにおける薬剤Ａのコスト（購入費）を算出する（図８参照）。また、数式モデル記憶部１４に格納されている産廃処分費の原価（単価）と、ステップＳ３で算出した区画αにおける汚泥排出量の原単位とを用いて、区画αにおける産廃処分コストを算出する。

また、例えば、算出部１２は、メンテナンスに伴う交換部材Ｓの原価、及び区画αのメンテナンスによる部材Ｓの交換個数を用いて、区画αのメンテナンスコストを算出する。算出部１２は、区画αにおける薬剤Ａ購入コスト、産廃処分コスト及びメンテナンスコストを加算して、区画αのランニングコスト（トータルコスト）を算出する（図９参照）。また、電力消費量原単位から、電力料金を算出してもよい。

このように、本実施形態によれば、水処理プラントの区画毎に原単位やコストの経時変化を、正確に、かつオンタイムで把握することができる。測定データの更新と同時に各区画の原単位の変化を検知できるので、状態変化が起こった際の早期かつ正確な対処が可能である。また、各区画のコストを積算することで、水処理プラント全体のコストを把握できる。

本実施形態に係る管理支援システムを図１０に示す水処理プラントに適用した場合について説明する。

この水処理プラントは、生物処理手段２１で有機原水（有機物含有排水）を生物処理した後、凝集槽２２で凝集処理（凝集浮上濾過又は凝集沈殿濾過）を行い、次いでＲＯ装置２３で脱塩処理し、ＲＯ膜透過水を回収する。凝集槽２２の分離汚泥は、脱水機２５で脱水処理される。ＲＯ装置２３のブライン（濃縮水）は、蒸発濃縮装置２６に導入され、濃縮塩が分離される。

生物処理ではｐＨが低下するので、アルカリを添加してｐＨ調整する。凝集処理では、凝集領域ｐＨとなるように、凝集剤を添加した上で、酸／アルカリでｐＨを調整する。ＲＯ膜処理に際し、アルカリを添加してｐＨを調整する。本実施形態では、アルカリとして水酸化ナトリウムを添加する。また、酸として硫酸を添加する。凝集剤としてポリ鉄（ポリ硫酸第二鉄）を添加する。

タンク２４に貯留されているｐＨ調整用の水酸化ナトリウムは、循環ラインＣＬによって、生物処理手段２１、凝集槽２２、ＲＯ装置２３に添加されるようになっている。生物処理手段２１、凝集槽２２、ＲＯ装置２３のｐＨが低下すると、対応するバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３が開となり、水酸化ナトリウムが添加される。

硫酸など他のｐＨ調整剤も同様に循環ラインによって添加されるようになっていてもよい。

この水処理プラントをｐＨ調整剤に関連する部分に特化して切り出すと、図１１に示すようなものとなる。例えば、同一の薬剤が添加される水処理ユニット間で区画を分割する。例えば、生物処理手段２１、凝集槽２２、ＲＯ装置２３がそれぞれ区画α、β、γとなる。

例えば、管理支援システムは、区画βの薬剤使用量を算出する。薬剤は、水酸化ナトリウム、硫酸、ポリ鉄である。

凝集槽２２への水酸化ナトリウムの添加量は、バルブＶ２の開時間と相関があるように考えられるが、循環ラインＣＬを用いた場合、水酸化ナトリウムは成り行きで滴下される状態なので、バルブ開時間から添加量を正確に把握することはできない。

そのため、管理支援システムは、凝集槽２２の流入水と流出水におけるナトリウム濃度の測定値を収集し、水酸化ナトリウムの使用量を算出する。例えば、数式モデル記憶部１４に格納されている数式モデル及び原単位換算式を用いて、以下のようにして水酸化ナトリウムの使用量を算出する。以下の数式においてＮａ濃度差は、凝集槽２２の流出水におけるナトリウム濃度の測定値から、流入水におけるナトリウム濃度の測定値を減じたものである。

ＮａＯＨ使用量［ｋｇ／ｄａｙ］
＝Ｎａ濃度差［ｇ／ｍ^３］／１０００＊通水流量［ｍ^３／ｄａｙ］＊質量比（ＮａＯＨ式量４０／Ｎａ原子量２３）

ポリ鉄の使用量は以下の数式から算出できる。なお、ポリ鉄は、薬注ポンプにより目標濃度となるように添加されており、添加濃度は固定である。

ポリ鉄使用量［ｋｇ／ｄａｙ］
＝ポリ鉄の目標添加濃度［ｇ／ｍ^３］／１０００＊通水流量［ｍ^３／ｄａｙ］

硫酸使用量は以下の数式から算出できる。ポリ鉄におけるＳＯ_４イオン含有率を２５％としている。硫酸イオン濃度差は、凝集槽２２の流出水における硫酸イオン濃度のセンサ測定値から、流入水における硫酸イオン濃度のセンサ測定値を減じたものである。

Ｈ_２ＳＯ_４使用量［ｋｇ／ｄａｙ］
＝｛硫酸イオン濃度差［ｇ／ｍ^３］／１０００＊通水流量［ｍ^３／ｄａｙ］−ポリ鉄使用量＊２５％｝＊質量比（Ｈ_２ＳＯ_４式量９８／ＳＯ_４式量９６）

また、産業廃棄物としての汚泥の発生量を、以下の数式から算出することができる。ポリ鉄添加による水酸化鉄の発生係数を０．２１とした。

汚泥発生量［ｋｇ／ｄａｙ］
＝ポリ鉄使用量［ｋｇ／ｄａｙ］＊０．２１

濃縮塩の発生量は以下の数式から算出できる。まず、硫酸塩重量（Ｈ_２ＳＯ_４由来）、硫酸塩重量（ポリ鉄由来）、ナトリウム塩重量を算出する。

硫酸塩重量（Ｈ_２ＳＯ_４由来）［ｋｇ／ｄａｙ］
＝Ｈ_２ＳＯ_４使用量［ｋｇ／ｄａｙ］ ／ 質量比（Ｈ_２ＳＯ_４式量９８／ＳＯ_４式量９６）

硫酸塩重量（ポリ鉄由来）［ｋｇ／ｄａｙ］
＝ポリ鉄使用量［ｋｇ／ｄａｙ］＊ポリ鉄のＳＯ_４イオン含有率２５％

ナトリウム塩重量［ｋｇ／ｄａｙ］
＝ＮａＯＨ使用量［ｋｇ／ｄａｙ］／質量比（ＮａＯＨ式量４０／Ｎａ原子量２３）

次に、濃縮塩重量を算出する。

濃縮塩重量［ｋｇ／ｄａｙ］
＝硫酸塩重量（Ｈ_２ＳＯ_４由来）［ｋｇ／ｄａｙ］＋硫酸塩重量（ポリ鉄由来）［ｋｇ／ｄａｙ］＋ナトリウム塩重量［ｋｇ／ｄａｙ］

蒸発濃縮装置２６が蒸発量を比重制御しているとして、濃縮塩発生量を以下の式から算出する。

濃縮塩発生量［ｋｇ／ｄａｙ］
＝濃縮塩重量［ｋｇ／ｄａｙ］／（濃縮塩比重−１）＊濃縮塩比重

このように、本実施形態によれば、水処理単位要素ごとに、各単位での作用機構に基づいて被処理物質、薬剤、生成物質の収支をモデル化し、薬剤使用量実績を数式によって算出することによって、薬剤の添加量を直接測定することなく、薬剤使用量実績を把握することが可能である。

本実施形態に係る管理支援システムが対象とする水処理プラントは、複数の水処理ユニットから構成される同一系列の水処理プラントであり、独立並列の水処理プラントごとに区画して管理するものではない。複数の水処理ユニットに、同一の対象薬剤、または対象薬剤と解離時または部分分解時の生成物質が共通する共通薬剤（これらを総称して測定薬剤群という）が添加される。この測定薬剤群が添加される複数の水処理ユニットは、それぞれ異なる区画となるように分割される。

少なくとも１つの水処理ユニットに電解質からなる対象薬剤が添加され、２つ以上の水処理ユニットに、同一の対象薬剤、または対象薬剤と解離時の陽イオンまたは陰イオンが共通する共通薬剤（測定薬剤群）がそれぞれ添加されてもよい。例えば、対象薬剤が塩酸の場合、共通薬剤は塩化ナトリウムである。この測定薬剤群が添加される複数の水処理ユニットは、それぞれ異なる区画となるように分割される。対象薬剤に対して解離時のイオンが共通する共通物質が含まれる又は添加される場合は、算出部１２において測定薬剤群の量から共通物質の量を差し引く必要がある。

各区画の流入水と流出水の水量、クロスフロー濾過濃縮水の水量、排出濃縮分（汚泥、濃縮塩）の比重、のうち少なくとも１つを測定データとして測定データ記憶部１５に格納してもよい。

水処理プラントを構成する水処理ユニットの定義については、例えば、図１２のように水処理プラントによって大分類と小分類のうち適合するものを適宜選ぶことができ、さらに、例えば、同一の水処理単位要素であっても反応槽を直列多段に接続して各槽で同じ処理を行う場合、各槽を１ユニットと定義することもできる。なお、図１２は分類方法を示す一例であって必ずしもこの通り分類する必要はなく、水処理プラントにおいて必要な分類を適宜リストアップしておけばよい。

フッ素の不溶化処理の場合、使用薬剤である消石灰が循環ラインによって添加されるようになっていてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０ 制御装置
１１ 測定データ収集部
１２ 算出部
１４ 数式モデル記憶部
１５ 測定データ記憶部
１６ 算出値記憶部

Claims (7)

1. 複数の水処理ユニットから構成される水処理プラントを少なくとも２つ以上の区画に分割して管理支援するシステムであって、
   各区画の流入水及び流出水の水質を含む測定データを格納する測定データ記憶部と、
   各区画に対応付けられ、対象指標の量的実績を算出するための数式モデルを格納する数式モデル記憶部と、
   前記測定データと前記数式モデルに基づいて、各区画の対象指標の量的実績を算出する算出部と、
   を備える水処理プラントの管理支援システム。
2. 前記対象指標の量的実績は、薬剤使用量実績、標準ガス使用量実績、補給水使用量実績、エネルギー消費量実績、産業廃棄物発生量実績、有価物生成量実績、及び放流水量実績のいずれか１つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の水処理プラントの管理支援システム。
3. 前記複数の水処理ユニットのうち第１水処理ユニットに対象薬剤が添加され、該第１水処理ユニットとは異なる第２水処理ユニットに該対象薬剤又は該対象薬剤と解離時または部分分解時の生成物質が共通する共通薬剤が添加され、該第１水処理ユニットと該第２水処理ユニットとは異なる区画となるように分割され、
   前記数式モデル記憶部は、前記対象薬剤の使用量実績を算出するための薬剤使用量実績算出モデルを格納し、
   前記算出部は、前記測定データと前記薬剤使用量実績算出モデルに基づいて、各区画の前記対象薬剤の使用量実績を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の水処理プラントの管理支援システム。
4. 前記対象薬剤は電解質からなり、前記共通薬剤は該対象薬剤と解離時の陽イオンまたは陰イオンが共通することを特徴とする請求項３に記載の水処理プラントの管理支援システム。
5. 前記数式モデル記憶部は、水処理プラントの種別に関連付けられた原単位の定義をさらに格納し、
   前記算出部は、算出した対象薬剤の使用量実績と、前記原単位の定義とに基づいて、各区画の薬剤使用量原単位を算出することを特徴とする請求項３又は４に記載の水処理プラントの管理支援システム。
6. 前記数式モデル記憶部は、前記対象薬剤の単価データをさらに格納し、
   前記算出部は、前記単価データと、算出した薬剤使用量原単位とに基づいて、各区画における前記対象薬剤のコストを算出することを特徴とする請求項５に記載の水処理プラントの管理支援システム。
7. 前記数式モデル記憶部は、前記水処理プラントにおける交換部材の単価データ、及び各区画における前記交換部材の交換頻度データをさらに格納し、
   前記算出部は、前記単価データと前記交換頻度データとに基づいて、各区画のメンテナンスコストを算出し、該メンテナンスコストと前記対象薬剤のコストとを加算して各区画のランニングコストを算出することを特徴とする請求項６に記載の水処理プラントの管理支援システム。
   

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