JP2025041206A - 薬品の注入制御装置、注入制御方法、及び注入制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】薬品の適切な注入量を判断することができる、薬品の注入制御装置、注入制御方法、及び注入制御プログラムを提供する。【解決手段】本発明に係る薬品の注入制御装置は、水処理システムで使用される薬品の注入制御装置であって、被処理水の水質から、前記被処理水に注入される薬品の注入率を出力するように学習された第１モデルと、前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記被処理水に前記薬品を注入することで生成された処理水の水質を出力するように学習された第２モデルと、を備えている。【選択図】図６

Description

本発明は、水処理システムで使用される、薬品の注入制御装置、注入制御方法、及び注入制御プログラムに関する。

水処理システムでは、例えば薬品混和池に凝集剤を注入することで、濁質と凝集剤とを混和し、微小フロックを形成する。そして、下流側の沈殿池では、成長したフロックが沈殿し、水の浄化が行われる。このような水処理システムにおいては、適切な凝集剤の注入率を決定するための種々の試みがなされている。例えば、特許文献１では、決定木学習アルゴリズムを用いて薬品（凝集剤、塩素、活性炭）の注入率を予測することが提案されている。

特開２０１７－１２３０８８

しかしながら、上記のような学習アルゴリズムで用いられる教師データとしての実運転データでは、水処理の安全を考慮して薬品を過剰に注入しているケースがある。そのため、この学習アルゴリズムでは、予測値として過剰な注入率が出力されるおそれがあり、改善の余地があった。なお、このような水処理においては、凝集剤の注入に限られず、水処理を行うための薬品全般の注入において上記のような問題があった。本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、薬品の適切な注入量を判断することができる、薬品の注入制御装置、注入制御方法、及び注入制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る薬品の注入制御装置は、水処理システムで使用される薬品の注入制御装置であって、被処理水の水質から、前記被処理水に注入される薬品の注入率を出力するように学習された第１モデルと、前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記被処理水に前記薬品を注入することで生成された処理水の水質を出力するように学習された第２モデルと、を備えている。

本発明に係る薬品の注入制御方法は、水処理システムで使用される、薬品の注入制御方法であって、被処理水の水質から、前記被処理水に注入される薬品の注入率を出力するように学習された第１モデルを用いて、前記被処理水の水質から前記薬品の注入率を出力するステップと、前記被処理水の水質及び前記第１モデルで出力された前記薬品の注入率から、前記被処理水に前記薬品を注入することで生成された処理水の水質を出力するように学習された第２モデルを用いて、前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記処理水の水質を出力するステップと、を備えている。

本発明に係る薬品の注入制御プログラムは、水処理システムで使用される、薬品の注入制御プログラムであって、コンピュータに、被処理水の水質から、前記被処理水に注入される薬品の注入率を出力するように学習された第１モデルを用いて、前記被処理水の水質から前記薬品の注入率を出力するステップと、前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記被処理水に前記薬品を注入することで生成された処理水の水質を出力するように学習された第２モデルにより、前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記処理水の水質を出力するステップと、を実行させる。

本発明によれば、濾過システムにおいて、薬品の適切な注入量を判断することができる。

本発明に係る凝集剤の注入制御装置が適用される急速濾過システムの一例を示す概略図である。 本発明に係る凝集剤の注入制御装置の一実施形態のハードウェア構成を示すブロック図の一例である。 本発明に係る凝集剤の注入制御装置の一実施形態のソフトウェア構成を示すブロック図の一例である。 図３の判定部の動作の一例である。 図３の判定部の動作の一例である。 凝集剤の注入制御方法の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る薬品の注入制御装置を凝集剤の注入制御装置に適用した場合の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。まず、この注入制御装置が用いられる急速ろ過システムについて説明し、その後、注入制御装置について説明する。

＜１．ろ過システム＞
図１は、急速ろ過システムの一例を示す概略図である。図１に示すように、この急速ろ過システムは、上流側から下流側に向かって配置される、着水井１１、薬品混和池１２、フロック形成池１３、沈殿池１４、及び急速ろ過池１５を備え、この順で水が送られる。着水井１１は、河川などに設けられた取水場から取水された原水（被処理水）を収容する。着水井１１に収容された原水は、薬品混和池１２に送られる。また、水質の計測器１６により、着水井１１の原水の水質（濁度、ｐＨ、アルカリ度、水温、色度、ＵＶ等）が計測される。薬品混和池１２では凝集剤の注入装置１７により凝集剤が注入され、速やかに攪拌される。これにより、濁質と凝集剤が混和される。フロック形成池１３では、薬品混和池１２で形成された微小フロックを緩やかに攪拌し、フロックの成長を促進する。そして、沈殿池１４では、成長したフロックが沈殿し、懸濁物質の負荷が減少する。濁度計１８により、沈殿池１４から排出される水（処理水）の濁度が計測される。急速ろ過池１５では、フロックが沈殿した後の水が細かい砂層を通じて浄化され、懸濁物質が最終的に除去される。その後、図示を省略するが、浄化された水には、塩素が添加され、配水池に送られる。

＜２．注入制御装置のハードウェア構成＞
本実施形態に係る注入制御装置２は、急速ろ過システムに対し凝集剤の注入等の制御を行う装置である。図２は、注入制御装置２のハードウェア構成の一例である。この注入制御装置２は、制御部２１、記憶部２２、外部インタフェース２３、及び通信インタフェース２４が電気的に接続されたコンピュータである。このようなコンピュータとしては、例えば、汎用のパーソナルコンピュータ、専用のコンピュータ等で構成することができるほか、タブレットコンピュータなどで構成することもできる。また、注入制御装置２を複数のコンピュータで構成することもできる。なお、図２では、外部インタフェース２３及び通信インタフェース２４を「外部Ｉ／Ｆ」及び「通信Ｉ／Ｆ」と記載している。

制御部２１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を含み、プログラム及びデータに基づいて各種情報処理を実行するように構成される。記憶部２２は、例えば、ＨＤＤ、ＳＳＤ等の補助記憶装置で構成され、注入制御プログラム２２１、原水の水質データ２２２、凝集剤の注入率データ２２３、沈殿水の濁度データ２２４、制御データ２２５、及び注入制御装置２を駆動するための種々のデータを記憶する。

注入制御プログラム２２１は、後述するように、凝集剤の注入を制御するためのプログラムである。原水の水質データ２２２は、所定期間に亘って水質の計測器１６によって計測された原水の水質に関するデータである。凝集剤の注入率データ２２３は、所定期間に亘って薬品混和池１２に注入された凝集剤の注入率に関するデータである。沈殿池１４の濁度データ２２４は、所定期間に亘って濁度計１８によって計測された沈殿池の濁度に関するデータである。制御データ２２５は、急速ろ過池を制御するための各種のデータである。

外部インタフェース２３は、外部装置と接続するためのインタフェースであり、接続する外部装置に応じて適宜構成される。本実施形態では、外部インタフェース２３が、表示装置４及び入力装置５に接続されている。表示装置４は、例えば、ディスプレイであり、入力、出力等の各種のデータを表示するのに利用される。ディスプレイは、特には限定されず、公知の液晶ディスプレイ等を用いることができる。入力装置５は、キーボード、マウスなどであり、上述した入力を行うためのものである。その他、外部インタフェース２３には、各種の外部装置を適宜接続することができる。例えば、表示装置４及び入力装置５を兼ねたタッチパネルディスプレイを用いることができる。

通信インタフェース２４は、例えば、有線ＬＡＮ（Local Area Network）モジュール、無線ＬＡＮモジュール等であり、有線又は無線通信を行うためのインタフェースである。すなわち、通信インタフェース２４は、水質の計測器１６、凝集剤の注入装置１７、濁度計１８、及びその他の装置と通信を行うように構成された通信部の一例である。

なお、凝集剤の注入制御装置２の具体的なハードウェア構成は、実施形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換及び追加が可能である。例えば、制御部２１は、複数のプロセッサを含んでもよい。また、制御部２１は、ＦＰＧＡにより構成されてもよい。記憶部２２は、制御部２１に含まれるＲＡＭ及びＲＯＭにより構成されてもよい。

＜３．薬品の注入制御装置のソフトウェア構成＞
図３は、薬品の注入制御装置のソフトウェア構成の一例である。注入制御装置２においては、以下の処理が行われる。すなわち、注入制御装置２の制御部２１は、記憶部２２に記憶された注入制御プログラム２２１をＲＡＭに展開すると、その注入制御プログラム２２１をＣＰＵにより解釈及び実行して、図３に示すような第１モデル２１１、第２モデル２１２、及び判定部２１３として機能する。

第１モデル２１１は、原水の水質を入力とし、薬品混和池１２に注入される凝集剤の注入率を出力するように学習された学習済みモデルである。すなわち、この第１モデル２１１は、所定期間における、水質計測器１６により計測された原水の水質と、その原水に対して注入された凝集剤の注入率とを教師データとして機械学習がなされている。これにより、水質計測器１６により計測された原水の水質を第１モデル２１１に入力すると、それに対応する凝集剤の注入率が出力される。なお、上述した所定期間は、特には限定されるものではなく、機械学習を行うのに必要な教師データを収集できる期間であればよい。また、入力としての原水の水質は、上述した濁度等のパラメータの全てを用いる必要はなく、少なくとも１つを用いればよい。この点は、第２モデル２１２でも同様である。

第２モデル２１２は、第１モデル２１１で出力された凝集剤の注入率と原水の水質とを入力とし、沈殿水の濁度を出力するように学習された学習済みモデルである。すなわち、第２モデル２１２は、所定期間における、第１モデル２１１で出力された凝集剤の注入率及び原水の水質と、これらに対応する濁度計１８で計測された沈殿水の濁度とを教師データとして機械学習がなされている。これにより、第１モデル２１１で出力された凝集剤の注入率と水質計測器１６により計測された原水の水質とを第２モデル２１２に入力すると、それに対応する沈殿水の濁度が出力される。

第１モデル２１１及び第２モデル２１２の構築で用いられる機械学習は特には限定されず、上述したような教師データありの機械学習モデルを用いることができる。例えば、ニューラルネットワーク、Light GBM(Light Gradient Boosting Machine)等を用いることができるが、これらに限定されない。

判定部２１３は、第２モデル２１２で出力された沈殿水の濁度から適切な凝集剤の注入率を出力する。例えば、図４に示すように、濁度の目標値が１．０度、目標値から０．１度以内（０．９～１．０度）が適正範囲と設定されている場合、第１モデル２１１及び第２モデル２１２を経て出力された沈殿水の濁度が０．５度であれば（このときの注入率は３０ｍｇ／Ｌ）、濁度が過剰に低減されていると考えられる。したがって、この場合、判定部２１３は、凝集剤が過剰に注入されていると判断することができる。判定部２１３がこのように判断した場合には、第２モデル２１２に注入する凝集剤の注入率を低減する。図４の例では、第１モデル２１１で算出された凝集剤の注入率の９０％を２回目の注入率として第２モデル２１２に入力し、沈殿池１４の濁度を出力する。その結果、濁度が０．７度であれば、判定部２１３は、依然として適正範囲外と判定する。

そこで、判定部２１３は、第１モデル２１１で出力された凝集剤の注入率の８０％を３回目の注入率として第２モデル２１２に入力し、沈殿池１４の濁度を出力する。その結果、濁度が０．９度であれば、判定部２１３は、適正な濁度と判断し、このときの注入率である２４ｍｇ／Ｌを適切な注入率として出力する。したがって、注入制御装置２は、凝集剤注入装置１７を駆動し、この注入率にしたがって凝集剤を薬品混和池１２に注入する。

なお、図４の例では、凝集剤の注入率を１０％ずつ下げているが、これは一例であり、２回目以降の凝集剤の注入率の低減の設定は適宜変更することができる。つまり、注入率の低減の割合は一定でなくてもよく、適宜変更することができる。また、注入率の割合に限定されず、１ｍｇ／Ｌずつ低減するなど、注入率自体の低減量を調整することもできる。注入率の低減量についても一定でなくてもよく、適宜変更することができる。さらに、出力された濁度によっては、注入率を増大させることもできる。例えば、３回目の凝集剤の注入により、適切な濁度を超えた場合には(例えば濁度が１．０よりも大きくなった場合)、３回目よりも凝集剤の注入率を大きくして(例えば、２５ｍｇ／Ｌなど、２回目と３回目の注入率との間の注入率を採用する)、再度、凝集剤を注入することもできる。また、上述した濁度の目標値、適正範囲も一例であり、適宜設定することができる。

また、第２モデル２１２で出力された沈殿池の濁度が目標値よりも高い場合には、図５に示すように、図４とは反対の処理を行う。すなわち、沈殿池の濁度が目標値以下になるまで、凝集剤の注入率を所定値ずつ（例えば、１０％ずつ）増大させる。これにより、出力された濁度が目標値よりも高い場合であっても、適切な注入量を得ることができる。

また、注入制御装置２は、上記の制御のほか、例えば、フロック形成池１３における攪拌強度、回転数の制御など、急速ろ過システムの各種の制御を行うこともできる。

＜４．注入制御装置の動作＞
次に、上記のように構成された凝集剤の注入制御装置２の動作について、図６のフローチャートを参照しつつ説明する。

図６に示すように、まず、注入制御装置２は、原水の水質を計測し、これを第１モデル２１１に入力して凝集剤注入率を出力する（ステップＳ１）。次に、注入制御装置２は、第１モデル２１１で出力された凝集剤注入率と原水の水質を第２モデル２１２に入力し、沈殿水の濁度を出力する（ステップＳ２）。続いて、判定部２１３が、出力された濁度が目標値以下であると判定し（ステップＳ３のＹＥＳ）、さらに、その濁度が目標値から所定値以上低いと判定した場合には（ステップＳ４のＹＥＳ）、上記のように凝集剤注入率を所定割合下げて（例えば、１０％低減）、新たな凝集剤注入率を設定する（ステップＳ５）。そして、注入制御装置２は、新たに設定された凝集剤注入率を第２モデル２１２に入力し、沈殿水の濁度を出力する（ステップＳ６）。出力された沈殿水の濁度が目標値から所定値以上低いと、判定部２１３が判定した場合には（ステップＳ４のＹＥＳ）、さらに、凝集剤注入率を所定割合下げて（例えば、さらに１０％低減）、新たな凝集剤注入率を設定する（ステップＳ５）。

こうして、ステップＳ４～Ｓ６を繰り返し、出力された濁度が目標値から所定値以上低いと判定されなかった場合には（ステップＳ４のＮＯ）、その凝集剤注入率が適切であるとして、凝集剤の注入装置１７から薬品混和池１２に凝集剤を注入する（ステップＳ７）。

一方、判定部２１３が、出力された濁度が目標値より高いと判定した場合には（ステップＳ３のＮＯ）、凝集剤注入率を所定割合上げて（例えば、１０％増大）、新たな凝集剤注入率を設定する（ステップＳ８）。そして、注入制御装置２は、新たに設定された凝集剤注入率を第２モデル２１２に入力し、沈殿水の濁度を出力する（ステップＳ９）。出力された沈殿水の濁度が目標値より高いと、判定部２１３が判定した場合には（ステップＳ１０のＹＥＳ）、さらに、凝集剤注入率を所定割合上げて（例えば、さらに１０％増大）、新たな凝集剤注入率を設定する（ステップＳ８）。

こうして、ステップＳ８～Ｓ１０を繰り返し、出力された濁度が目標値より高いと判定されなかった場合には（ステップＳ１０のＮＯ）、その凝集剤注入率が適切であるとして、凝集剤の注入装置１７から薬品混和池１２に凝集剤を注入する（ステップＳ７）。

＜５．特徴＞
以上のように、本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、第１モデル２１１及び第２モデル２１２を組み合わせることで、凝集剤の適切な注入量を判断することができる。第１モデル２１１では、原水の水質と、その水質に対する凝集剤の注入率との関係を構築することで、原水の水質に対応した凝集剤の注入率を予測することができる。その上で、第２モデル２１２を組み合わせる理由は以下の通りである。

急速ろ過システムの運用としては、安全面を考慮し凝集剤の注入率を高く設定している可能性がある。そのため、実運転データを用いて学習された第１モデル２１１では、必要以上に高い注入率が出力される可能性がある。そこで、第２モデル２１２を用いて沈殿池の濁度を予測することで、注入率が適切であるか否かを判断することができる。上記のように、例えば、予測された濁度が目標値から所定値以上低い場合には、注入率が必要以上に高いと判断することができる。これに基づいて、注入率を低減する判断を下すことができるため、凝集剤のコストを低減することができる。したがって、本実施形態の注入制御装置２によれば、水質の改善とコストの低減を両立することができる。

（２）上記のような判定部２１３を設けると、沈殿池の濁度が所定値以上低い場合には、自動的に適切な濁度になる凝集剤の注入率を得ることができる。

＜６．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。また、以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。また、以下の変形例を上述した実施形態に組み合わせることもできる。

（１）上記実施形態では、注入制御装置２のソフトウェア構成として判定部２１３を有しているが、判定部２１３は必ずしも必要ではない。例えば、注入制御装置２が沈殿水の濁度を出力するように構成することができる。この場合、注入制御装置２の利用者が出力された沈殿池の濁度の適否を判断し、その判断に基づいて凝集剤の注入量を決定することもできる。

（２）一般的に、急速ろ過システムが通常運転時には、着水井１１の水質が所定値以下である場合（水質が悪くない場合）が多く、多くの運転データを得ることができる。また、ジャーテストを所定の頻度で行うことができるため、運転の補足データの追加も可能である。その場合には、上記のように、凝集剤の注入率は高く設定される傾向があるため、上記のように第１モデル２１１及び第２モデル２１２が併用される。

一方、雨天時など通常運転以外、つまり着水井１１の水質が所定値より高い場合（水質が悪い場合）には、運転データが多くなく、ジャーテストデータも少ないため、凝集剤の注入率を変動させた沈殿水の濁度の予測精度が低いと考えられる。また、このように水質が変動している場合には、処理された水質を重視して運転されることが多く、凝集剤のコストの適正について考慮するニーズが低いと考えられる。このような場合には、第１モデル２１１のみを用いて凝集剤の注入率を算出し、これを用いて凝集剤を注入することができる。すなわち、第２モデル２１２を用いず、過去の運転状態を再現する運転としてもよい。

（３）急速ろ過システムの構成は図１に示すものに限定されず、上述した第１モデル２１１及び第２モデル２１２の構築が可能である限り、適宜変更が可能である。

また、上記実施形態では、本発明を、急速ろ過システムに対して凝集剤を注入するための注入制御装置に適用した例を示したが、凝集剤に限られず、塩素、活性炭、カビ臭を除去する薬剤等の薬品を注入して被処理水の水質を改善するための水処理システム全般に適用することができる。したがって、このような水処理システムにおいて本発明の注入制御装置を適用する際には、薬品の種類に応じて、被処理水に対して薬品を注入する箇所、及び薬品によって改善された処理水の水質を評価する箇所を適宜変更することができる。

（４）上記実施形態では、第２モデルにおいて、沈殿池の濁度を出力しているが、これ以外に沈殿池やろ過池の水質を出力することもできる。沈殿池やろ過池の水質としては、例えば、沈殿水色度や、ろ過水濁度、ろ過水ＵＶ等を用いることができる。

（５）第１モデル２１１及び第２モデル２１２では、凝集剤の注入率を出力または入力として用いているが、凝集剤の注入率と等価の値、例えば凝集剤の注入量を用いることもできる。したがって、本発明において、凝集剤の注入率は、凝集剤の注入量と等価のものと考えることができる。

２ ：凝集剤の注入制御装置
２１１ ：第１モデル
２１２ ：第２モデル
２１３ ：判定部

Claims (7)

1. 水処理システムで使用される薬品の注入制御装置であって、
   被処理水の水質から、前記被処理水に注入される薬品の注入率を出力するように学習された第１モデルと、
   前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記被処理水に前記薬品を注入することで生成された処理水の水質を出力するように学習された第２モデルと、
   を備えている、薬品の注入制御装置。
2. 前記第２モデルで算出された前記処理水の水質の適否を判定する判定部をさらに備えている、
   請求項１に記載の薬品の注入制御装置。
3. 前記判定部は、
   前記第２モデルで算出された前記沈殿水の水質が目標値よりも良好であると判定した場合、前記第２モデルに入力する前記薬品の注入率を規定にしたがって低減した上で、前記第２モデルによって前記処理水の水質を出力する第１ステップと、
   出力された前記処理水の水質が、前記所定値よりも前記目標値に近いか否かを判定する第２ステップと、
   を実行する、
   請求項２に記載の薬品の注入制御装置。
4. 前記判定部は、
   前記第２ステップにおいて、出力された前記処理水の水質が、前記所定値よりも前記目標値に近いと判定されるまで、前記第１ステップ及び前記第２ステップを少なくとも１回実行する、
   請求項３に記載の薬品の注入制御装置。
5. 前記被処理水の水質が悪化している場合、前記第１モデルのみを用いて前記薬品の注入率を決定する、請求項１に記載の薬品の注入制御装置。
6. 水処理システムで使用される、薬品の注入制御方法であって、
   被処理水の水質から、前記被処理水に注入される薬品の注入率を出力するように学習された第１モデルを用いて、前記被処理水の水質から前記薬品の注入率を出力するステップと、
   前記被処理水の水質及び前記第１モデルで出力された前記薬品の注入率から、前記被処理水に前記薬品を注入することで生成された処理水の水質を出力するように学習された第２モデルを用いて、前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記処理水の水質を出力するステップと、
   を備えている、薬品の注入制御方法。
7. 水処理システムで使用される、薬品の注入制御プログラムであって、
   コンピュータに、
   被処理水の水質から、前記被処理水に注入される薬品の注入率を出力するように学習された第１モデルを用いて、前記被処理水の水質から前記薬品の注入率を出力するステップと、
   前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記被処理水に前記薬品を注入することで生成された処理水の水質を出力するように学習された第２モデルにより、前記被処理水の水質及び前記第１モデルで算出された前記薬品の注入率から、前記処理水の水質を出力するステップと、
   を実行させる、薬品の注入制御プログラム。