JP4439831B2

JP4439831B2 - 合流式下水道処理設備の水質改善制御装置

Info

Publication number: JP4439831B2
Application number: JP2003068117A
Authority: JP
Inventors: 岡由紀夫平
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2004275829A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雨水と汚水が同じ幹線に流入する合流式下水道の合流幹線を経由して雨水ポンプ井に流入した雨水を雨水ポンプにより汲み出し、汲み出した雨水に水質改善剤注入装置により水質改善剤を混入して放流先へ排出する合流式下水道処理設備の水質改善制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
合流式下水道では、雨天時に未処理の汚水が雨水とともに、河川等の公共用水域に排出されるので、水質汚濁等の問題を発生し、大きな問題となっている。
【０００３】
合流式下水道におけるこの種の水質汚濁の問題を解決する方法として、
（１）水貯留施設を設け、降雨を一時的に水貯留施設に貯留し、そこから処理場へ送って処理する方法、
（２）汚水管と雨水管を分離して整備し、汚水は汚水処理場へ送って処理する方法、
（３）渠内に一時的に雨水を貯留し、なるべく処理場への送水を多くする方法、
等がある。
【０００４】
しかし、（１）、（２）の方法については、雨水貯留設備や汚水管を建設するために多くのコストがかかり、またその整備のために膨大な時間もかかる。（３）の方法については、雨水は速やかに排出するという観点から見ると、雨水を管渠内に貯めるという逆の運用方法であり、降雨の状況によっては、溢れた水により浸水等を引き起こしてしまう虞がある、といった問題点がある。
【０００５】
そこで、この越流水の問題を解決する簡易的な方法として、雨水を雨水ポンプにより河川等に排出する際に、その吐出側で水質改善剤として消毒剤、例えば次亜塩素酸ナトリウム（以下、「次亜」と称する）等の消毒剤注入等による滅菌・消毒を行うことにより、河川等への水質汚濁の影響を低減する方法がある（例えば、特許文献１参照）。雨天時の流入雨水の特性として、降雨開始直後に汚濁負荷濃度が最も高く、降雨時間の経過により徐々にその濃度は低下する傾向にあることから、この消毒剤注入量は降雨開始後に排出する雨水への消毒剤注入率を高くし、その後この注入率を低くしていくことが望ましい。しかし、実際は、消毒剤注入率を一定にした制御（注入率一定制御）が一般的であり、降雨の状況や流入雨水の汚濁負荷濃度特性を考慮して、時々刻々と適量の水質改善剤、例えば消毒剤等を決定し、注入する方式はほとんど例を見ない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１２９７６３号公報（図２とその説明）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した合流式下水道越流水の対策として、河川等の放流先への汚濁負荷排出量を水質改善剤により、より適切に低減し得る、合流式下水道処理設備の水質改善制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、
雨水と汚水が同じ幹線に流入する合流式下水道の合流幹線を経由して雨水ポンプ井に流入した雨水を雨水ポンプにより汲み出し、汲み出した雨水に水質改善剤注入装置により水質改善剤を混入して放流先へ排出する合流式下水道処理設備の水質改善制御装置において、
流入渠水位信号、流入ゲート運用状況、地域住民の生活パターン及び工場廃水の規則的なパターンに従って排出される通常発生分の汚濁負荷量と、地表に堆積した汚濁負荷量が降雨時に下水管渠に流入する降雨時発生分汚濁負荷量と、を加算することにより前記汚濁負荷流入量を推定し、
雨水ポンプの吐出量に対する雨水ポンプ井に流入する汚濁負荷流入量の比をもとに水質改善剤の注入率を算定し、算定された注入率が達成するように水質改善剤注入装置に対し運用指令を出力するプロセスコントローラを備えた
ことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、汚濁負荷発生量や降雨の状況を考慮した適切量の水質改善剤注入が可能であり、河川等の放流先への汚濁負荷排出を適切に低減することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の水質改善制御装置において、水質改善剤注入装置が雨水ポンプ井から汲み出した雨水に水質改善剤を注入する注入ポンプを含み、プロセスコントローラから出力される運用指令が、注入ポンプの運転指令、停止指令及び回転数指令を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の水質改善制御装置において、プロセスコントローラが、少なくとも時刻、平日／休日の区別、及びイベントの有無を入力とし、パターンを選択して選択されたパターンに基づいて、通常発生分の汚濁負荷量を推定することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の水質改善制御装置において、プロセスコントローラが、降雨時発生分汚濁負荷全体量と、単位時間あたりの雨水流入量とを入力とし、過去の降雨における汚濁負荷発生量の統計データに基づいて、降雨時発生分汚濁負荷量を推定することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の水質改善制御装置において、プロセスコントローラが、刻々と計測される降雨信号に基づいて、今回の降雨信号と前回の降雨信号との間にある一定時間以上の間隔が開いたときに今回の降雨と前回の降雨とを別の降雨とみなし、前回の降雨と今回の降雨との間の時間間隔を表す無降雨時間を算出し、過去の無降雨時間の地表等に堆積した汚濁負荷量の統計データに基づいて降雨時発生分汚濁負荷全体量を推定することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項４に記載の水質改善制御装置において、プロセスコントローラが、計測される降雨信号を単位時間当たりの降雨量に換算した降雨強度と、流入幹線に設置された幹線流量計もしくは幹線水位計により得られる幹線流量もしくは幹線水位と、流入渠に設置された水位計により計測される流入渠水位とを入力とし、雨水流入量演算式に基づいて、単位時間あたりの雨水流入量を推定することを特徴とする。
【００１９】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の水質改善制御装置において、プロセスコントローラが、単位時間あたりの雨水流入量を、一定時間先まで推定することを特徴とする。
【００２２】
請求項８に係る発明は、請求項２ないし７のいずれか１項に記載の水質改善制御装置において、プロセスコントローラが、現在継続中の降雨が終了したことが判定されたとき、終了した降雨に対する情報として、運用状況信号、計測信号、及び放流先水質の運用状況を保存する運転実績保存手段を備えていることを特徴とする。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の水質改善制御装置において、プロセスコントローラが、運転実績保存手段に保存された最新の降雨に関する情報を、各演算機能の演算式に自動的に反映させる手段を備えていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の水質改善制御装置において、プロセスコントローラが、運転実績保存手段に保存された降雨に関する情報を、要求により伝送路を介して支援端末に提供する手段を備えていることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の水質改善制御装置は、図１に示すように、流入幹線１及び流入渠２を介して流入した雨水１９を雨水ポンプ井３に導き、複数台の雨水ポンプ５を適宜運転し、吐出弁６及び放流管渠３７を介して雨水を河川等の放流先３３へ排出するプロセスにおいて、放流先３３の水質悪化を防止するために、放流先３３へ排出する排水に水質改善剤として次亜塩素酸ナトリウム（次亜）等の消毒剤を適切に注入するために消毒剤注入ポンプ２０をより適切に、より実情に即して運転するための制御装置に関するものである。
【００２７】
合流式下水道においては、雨水と汚水が同じ幹線に流入する。晴天時は、通常、流入幹線１に流入する汚水量が少ないため、雨水ポンプ井３に設けられた越流堰２３により流入渠２への流入が堰き止められ、汚水管渠３８を介して下水処理施設へ送水される。しかし、降雨により、流入幹線１に雨水が入ってくるようになると、雨水は越流堰２３を越えて流入渠２に流入し、さらに流入ゲート４が開くと、雨水ポンプ井３にも雨水が流入する。その雨水は複数台の雨水ポンプ５により放流先３３へ排出する。この時、排出する雨水には汚水分も混合されてしまうため、そのまま排出すると、放流先３３の水質を悪化させてしまうことになる。このため、消毒剤注入ポンプ２０により、排出する雨水に消毒剤を注入し、排出する雨水の水質を改善する。
【００２８】
設備本来の放流制御及び本発明による水質改善の制御はプロセスコントローラ１１を介して行われる。そのため、プロセスコントローラ１１はマイクロプロセッサを含み、ここには、雨水ポンプ５の運転状況信号１４、流入ゲート運用状況信号８、吐出弁６の開度を表す吐出弁開度信号１３、消毒剤注入ポンプ２０の運転状況信号２２、地上雨量計７からの降雨量信号１２、幹線流量計９（及び／又は幹線水位計）からの流量信号１０（及び／又は水位信号）、流入渠２に設けられた水位計２４からの流入渠水位信号２８、雨水ポンプ井３に設けられた水位計２５からの雨水ポンプ井水位信号２９、放流管渠３７に設けられた水位計２６からの放流管渠水位信号３０、及び放流先３３の水質を検出する水質計２７からの放流先水質信号３１が取込まれる。プロセスコントローラ１１はこれらの入力情報を用いて所要の論理演算を行い、雨水ポンプ制御指令１５を出力して雨水ポンプ５を制御し、消毒剤注入ポンプ制御指令２１を出力して消毒剤注入ポンプ２０を制御し、吐出弁開度指令１６を出力して吐出弁６の開度を制御し、流入ゲート制御信号３２を出力して流入ゲート４を制御する。所要の論理演算に用いる演算式は、内蔵または外付けの記憶手段ないし保存手段に保存されている。
【００２９】
さて、汚濁負荷は大きく分けて、住民の生活パターンや工場廃水等のある程度規則的なパターンにより排出される第１の汚濁負荷分（通常発生分の汚濁負荷）と、地表等に堆積した汚濁負荷が降雨時に下水管渠に流入する第２の汚濁負荷分（降雨時発生分の汚濁負荷）とに分けられる。第１の汚濁負荷分は、日間変動、週間変動等といった周期的な特性を有する。また、第２の汚濁負荷分は、季節の影響や前の降雨が終わってから次の降雨が始まるまでの時間（無降雨時間）等により大きな影響を受ける。雨天時の流入雨水の特性として、降雨開始直後に汚濁負荷濃度が最も高く、降雨時間の経過により徐々にその濃度は低下する傾向にあることから、この第２の汚濁負荷分の影響を考慮することは極めて重要なことになる。
【００３０】
実際の汚濁負荷の下水管渠への流入に際しては、汚濁負荷濃度は管渠に流れ込む雨水の量によっても影響を受ける。降雨開始直後に汚濁負荷濃度が高くなるとしても、緩やかな降雨と急激な降雨とでは、その汚濁負荷濃度の特性に違いが出る。したがって、降雨状況により管渠に流入する雨水流入量を予測し、これを考慮して汚濁負荷分を算出することも重要なことになる。
【００３１】
図２は本発明による水質改善制御を実施するプロセスコントローラ１１における、消毒剤注入率を算定する演算の機能構成の一例を示すものである。消毒剤注入率の算定にあたっては、大別して７つの機能手段１０１〜１０７、すなわち、第２の汚濁負荷分に対応する汚濁負荷全体量を推定する汚濁負荷全体量推定手段１０１、第１の汚濁負荷分を推定する汚濁負荷量推定手段１０２、雨水流入量演算手段１０３、第２の汚濁負荷分を推定する汚濁負荷量推定手段１０４、汚濁負荷越流量推定手段１０５、雨水ポンプ吐出量演算手段１０６、及び消毒剤注入率演算手段１０７を用いる。
【００３２】
汚濁負荷全体量推定手段１０１は、ある降雨において、日付や季節等のほか、降雨量信号１２及び必要に応じてその他の降雨情報を基にして決定される無降雨時間を参照して、地表等に堆積した汚濁負荷が降雨時に下水管渠に流入する汚濁負荷全体量を推定する。その場合、地上雨量計７で観測される降雨量信号１２により、降雨量信号１２の間隔がある一定時間以上に開けば別の降雨とみなし、その最初の降雨量信号発生時点を降雨開始タイミングと判定する。そして、その前回の降雨量信号が途絶えてから今回の降雨量信号が発生するまでの間隔を無降雨時間とする。この無降雨時間と日付や季節的な要素を考慮して、今回の降雨で発生する汚濁負荷全体量を推定する。
【００３３】
汚濁負荷量推定手段１０２は、地域住民の生活パターンや工場廃水等のある程度規則的なパターンにより排出される汚濁負荷分を推定する。この推定では、時刻、平日／休日モード、イベントの有無等の要素を考慮して、単位時間あたりの第１の汚濁負荷量を推定する。
【００３４】
雨水流入量演算手段１０３は、地上雨量計７で観測される降雨量信号１２を降雨強度に換算した値（単位時間あたりの降雨量を１時間あたりの値に換算したもの［ｍｍ／ｈ］）や、幹線流量計９（あるいは幹線水位計）からの流量信号１０（あるいは水位信号）、流入渠水位計２４によって検出された流入渠水位信号２８を利用して、雨水流入量演算式により流入幹線１に流入する単位時間あたりの雨水流入量を算出する。
【００３５】
汚濁負荷量推定手段１０４は、汚濁負荷全体量推定手段１０１によって推定された汚濁負荷全体量に基づき、雨水流入量演算手段１０３によって推定された単位時間あたりの雨水流入量を考慮して、単位時間あたりの第２の汚濁負荷量を推定する。単位時間あたりの汚濁負荷量は積算処理を行い、今回の降雨で発生するトータルの汚濁負荷量を上回れば、それ以降の単位時間あたりの汚濁負荷量を０にするといった処理も行う。
【００３６】
汚濁負荷量推定手段１０４で算出された単位時間あたりの汚濁負荷量と、汚濁負荷量推定手段１０２で算出された単位時間あたりの汚濁負荷量との合計が、単位時間あたりの総汚濁負荷量となる。
【００３７】
汚濁負荷越流量推定手段１０５は、越流堰２３を越えて雨水ポンプ井３に流入する単位時間あたりの汚濁負荷量を推定する。単位時間あたりの総汚濁負荷量のうち、一部あるいは全部は下水処理施設へ流れてしまう。このため汚濁負荷越流量推定手段１０５は、総汚濁負荷量のほか、流入渠２の水位（水位信号２８）、あるいは流入ゲート４の運用状況（運用状況信号８）を考慮して、単位時間あたりの汚濁負荷流入量を推定する。
【００３８】
雨水ポンプ吐出量演算手段１０６は、雨水ポンプ運転状況信号１４、雨水ポンプ井水位信号２９、及び放流管渠水位信号３０を利用して、雨水ポンプ５のＱ−Ｈ特性に基づき雨水ポンプ５の吐出量を演算する。
【００３９】
消毒剤注入率演算手段１０７は、汚濁負荷越流量推定手段１０５によって推定された単位時間あたりの汚濁負荷越流量と、雨水ポンプ吐出量演算手段１０６によって推定された雨水ポンプ吐出量により、適切な消毒剤注入率を算出し、消毒剤注入ポンプ制御指令として消毒剤注入ポンプ２０に対して出力する。
【００４０】
以上の演算により、過去の降雨における汚濁負荷発生量の統計データに基づいて汚濁負荷発生量を推定し、降雨の状況に応じた適切な消毒剤注入を行うことが可能となる。なお、これらの演算については、降雨地点等と雨水ポンプ井３との間の雨水の移動時間に対応する時間遅れを考慮する必要がある。このため、対象機場の特性を考慮して、時間遅れの影響を考慮するものとする。
【００４１】
汚濁負荷全体量推定手段１０１、汚濁負荷量推定手段１０２、汚濁負荷量推定手段１０４、および汚濁負荷越流量推定手段１０５の各推定演算においては、それぞれ種々あり得るモデル式の中からパラメータのチューニングを含めて適切なものを予め経験的に、あるいは実験的に選定しておけばよい。
【００４２】
汚濁負荷全体量推定手段１０１及び消毒剤注入率演算手段１０７では、対象機場における過去の降雨における汚濁負荷発生量の統計データや放流先の水質基準を満たすために必要な消毒剤注入量のデータを考慮することが不可欠である。したがって、降雨時の運転実績を保存し、このデータを、統計的手法を用いて演算式に反映させることにより、より精度の高い制御を行うことが可能となる。これらのデータの反映については、伝送路１８を介して監視端末１７から行う方式や、プロセスコントローラ１１内で自動的に降雨実績のファイリングやデータの反映を行わせることも可能である。
【００４３】
また、雨水流入量演算手段１０３による雨水流入量演算においては、一定時間先の雨水流入量を予測し、その要素を加味することも可能である。これには、地上雨量計７や幹線流量計９あるいは幹線水位計の測定結果だけでなく、例えば、雨量レーダ３５により観測されたデータを雨量レーダデータ処理装置３６によって処理し、その処理結果を利用する方式や、気象業務センター等から配信される各種気象データを利用する方式があり得る。その場合、雨量レーダデータ処理装置３６や、気象情報端末３４を介して入手可能な気象データ情報を、伝送路１８を介してプロセスコントローラ１１へ導入し、その情報を雨水流入量演算手段１０３の入力情報として利用することになる。さらに、雨量レーダデータ処理装置３６や、気象情報端末３４からの情報は、汚濁負荷全体量推定手段１０１における無降雨時間の算定に用いることもできる。
【００４４】
以上述べた実施の形態によれば、次のような作用効果を奏することができる。すなわち、
１）河川等の放流先３３へ排水する雨水の水質を適切に改善することができ、合流式下水道越流水の対策として有効である。
２）雨水滞水池等の大規模な施設を必要としないため、比較的安価に実現することができる。
３）過去の統計データに基づいた適切な水質改善剤注入ポンプの運用が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、合流式下水道越流水の水質改善対策として、過去の降雨における汚濁負荷発生量等の統計データに基づいて汚濁負荷発生量を推定し、降雨の状況に応じた適量の水質改善剤を注入することにより、河川等の放流先への汚濁負荷排出量をより適切に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水質改善制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の水質改善制御装置におけるプロセスコントローラの消毒剤注入率算定のための機能構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１流入幹線
２流入渠
３雨水ポンプ井
４流入ゲート
５雨水ポンプ
６吐出弁
７地上雨量計
８流入ゲート運用状況信号
９幹線流量計もしくは幹線水位計
１０幹線流量もしくは幹線水位信号
１１プロセスコントローラ
１２降雨量信号
１３吐出弁開度信号
１４雨水ポンプ運転状況信号
１５雨水ポンプ制御指令
１６吐出弁開度変更指令
１７監視端末
１８伝送路
１９流入雨水
２０消毒剤注入ポンプ
２１消毒剤注入ポンプ制御指令
２２消毒剤注入ポンプ運転状況信号
２３越流堰
２４水位計（流入渠）
２５水位計（雨水ポンプ井）
２６水位計（放流管渠）
２７水質計
２８流入渠水位信号
２９雨水ポンプ井水位信号
３０放流管渠水位信号
３１放流先水質信号
３２流入ゲート制御信号
３３放流先（河川等）
３４気象情報端末
３５雨量レーダ
３６雨量レーダデータ処理装置
３７放流管渠
３８汚水管渠
１０１汚濁負荷全体量推定手段
１０２汚濁負荷量推定手段
１０３雨水流入量演算
１０４汚濁負荷量推定手段
１０５汚濁負荷流入量推定手段
１０６雨水ポンプ吐出量演算手段
１０７消毒剤注入率演算手段

Claims

雨水と汚水が同じ幹線に流入する合流式下水道の合流幹線を経由して雨水ポンプ井に流入した雨水を雨水ポンプにより汲み出し、汲み出した雨水に水質改善剤注入装置により水質改善剤を混入して放流先へ排出する合流式下水道処理設備の水質改善制御装置において、
流入渠水位信号、流入ゲート運用状況、地域住民の生活パターン及び工場廃水の規則的なパターンに従って排出される通常発生分の汚濁負荷量と、地表に堆積した汚濁負荷量が降雨時に下水管渠に流入する降雨時発生分汚濁負荷量と、を加算することにより前記汚濁負荷流入量を推定し、
前記雨水ポンプの吐出量に対する前記雨水ポンプ井に流入する汚濁負荷流入量の比をもとに前記水質改善剤の注入率を算定し、算定された注入率が達成するように前記水質改善剤注入装置に対し運用指令を出力するプロセスコントローラを備えた
ことを特徴とする合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記水質改善剤注入装置は、前記雨水ポンプ井から汲み出した雨水に水質改善剤を注入する注入ポンプを含み、前記プロセスコントローラから出力される運用指令は、前記注入ポンプの運転指令、停止指令及び回転数指令を含むことを特徴とする請求項１に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記プロセスコントローラは、少なくとも時刻、平日／休日の区別、及びイベントの有無を入力とし、パターンを選択して選択されたパターンに基づいて、前記通常発生分の汚濁負荷量を推定することを特徴とする請求項１に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記プロセスコントローラは、降雨時発生分汚濁負荷全体量と、単位時間あたりの雨水流入量とを入力とし、過去の降雨における汚濁負荷発生量の統計データに基づいて、前記降雨時発生分汚濁負荷量を推定することを特徴とする請求項１に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記プロセスコントローラは、刻々と計測される降雨信号に基づいて、今回の降雨信号と前回の降雨信号との間にある一定時間以上の間隔が開いたときに今回の降雨と前回の降雨とを別の降雨とみなし、前回の降雨と今回の降雨との間の時間間隔を表す無降雨時間を算出し、過去の無降雨時間の地表等に堆積した汚濁負荷量の統計データに基づいて前記降雨時発生分汚濁負荷全体量を推定することを特徴とする請求項４に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記プロセスコントローラは、計測される降雨信号を単位時間当たりの降雨量に換算した降雨強度と、流入幹線に設置された幹線流量計もしくは幹線水位計により得られる幹線流量もしくは幹線水位と、前記流入渠に設置された水位計により計測される流入渠水位とを入力とし、雨水流入量演算式に基づいて、前記単位時間あたりの雨水流入量を推定することを特徴とする請求項４に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記プロセスコントローラは、前記単位時間あたりの雨水流入量を、一定時間先まで推定することを特徴とする請求項６に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記プロセスコントローラは、現在継続中の降雨が終了したことが判定されたとき、終了した降雨に対する情報として、前記運用状況信号、前記計測信号、及び放流先水質の運用状況を保存する運転実績保存手段を備えていることを特徴とする請求項２ないし７のいずれか１項に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記プロセスコントローラは、前記運転実績保存手段に保存された最新の降雨に関する情報を、前記各演算機能の演算式に自動的に反映させる手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。
前記プロセスコントローラは、前記運転実績保存手段に保存された降雨に関する情報を、要求により伝送路を介して支援端末に提供する手段を備えていることを特徴とする請求項９に記載の合流式下水道処理設備の水質改善制御装置。