JP4542846B2 - 中水供給設備 - Google Patents

Description

本発明は、汚水などを高度処理施設によって中水に処理し、これを次亜塩素により消毒して中水利用施設に供給する中水供給設備に関する。

近年、限りある資源「水」を有効に利用するために中水リサイクルシステムが使用されるようになってきた。この中水リサイクルシステムは、汚水など、一度使った水に膜処理、オゾン処理といった高度処理を施して、その処理水をトイレの洗浄水や空調の冷却水、そして噴水・散水などに再利用するものである。

この中水リサイクルシステムでは、高度処理の後、次亜塩素を注入して消毒するのが一般的である。消毒後の中水は、中水利用施設に送水される。この中水の送水管は、その終端が中水供給設備に帰還する循環路を形成しており、この循環路の中間部に分岐接続する各中水利用施設に必要量の中水を供給する。そして、各中水利用施設で使用しきれなかった中水は、返水として中水供給施設に帰還する。

こうした中水のリサイクルプロセスでは、各中水利用設備で使用される中水の残留塩素濃度（以下、残塩濃度と呼ぶ）を所定値以上に保つ必要があり、このためには、中水供給施設に帰還した返水の残塩濃度が、規定値以上に保持されなければならない。すなわち、中水供給施設では、送水開始に当って、末端における残塩濃度を規定値以上に維持できる量の次亜塩素を注入しなければならない。

一般に、次亜塩素のような薬品の注入制御は、浄水場などにおいて広く行われており、それに関する提案がある（例えば、特許文献１参照）。すなわち、状態が時間とともに変化するプロセスに対してニューラルネットを適用して、運転を支援するものであり、ニューラルネットによりファジールールを学習・更新しながら運転ガイダンスの提示を行うものである。
特開平５−１２０１９号公報

ところで、上述した中水リサイクルシステムでは、生成した中水を循環利用するため、再利用する施設までの送水距離が比較的長く、注入点から末端に至るまでの残塩濃度コントロールが困難であるのが現状である。すなわち、制御上のむだ時間が長く、処理水の水質変化も生じるので、これらを考慮して中水への次亜塩素注入制御を実現しなければならず、上述した特許文献１の技術でも、このような次亜塩素注入制御は実現困難であった。

したがって、中水リサイクルを行う処理場にとっては、再利用する施設（中水利用施設）までの残塩濃度（最終的には、返水の残塩濃度）を制御可能なシステムの確立が求められている。

本発明の目的は、中水利用設備に供給される中水の残塩濃度を規定値以上に維持できる次亜塩素注入制御システムを有する中水供給設備を提供することにある。

本発明の中水供給設備は、汚水を中水に処理した後、次亜塩素注入設備にて次亜塩素を注入し、中水利用施設に送水すると共に、この中水利用施設で使用しきれない中水を返水として受入れ、循環利用する中水供給設備であって、前記送水の残留塩素濃度及び前記返水の残留塩素濃度をそれぞれ測定する残塩測定手段と、これら残塩測定手段で測定された送水残留塩素濃度及び返水残留塩素濃度をそれぞれ記憶しておくプラント状態記憶手段と、このプランと状態記憶手段に記憶された過去の送水残留塩素濃度及び返水残留塩素濃度を用い、ある時刻の送水残留塩素濃度と所定の送水循環時間を経た時刻の返水残留塩素濃度との相関関係を、１日の各時間帯毎に作成して複数個の水質モデルとして有する処理水変化推算手段と、前記１日の各時間帯毎に、対応する前記水質モデルを用いて、目的とする返水残留塩素濃度を得るための送水の残留塩素濃度の目標値を求める適正送水残塩濃度演算手段と、この求められた送水の残留塩素濃度目標値と測定された送水の残留塩素濃度との偏差に基き、前記次亜塩素注入設備の次亜塩素注入量を制御する次亜塩素注入制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明では、前記処理水変化推算手段は、過去の次亜塩素注入に対する送水の残留塩素濃度の変化から、汚水水質変化に伴う次亜塩素注入の過剰または不足状態を捉える機能を有し、この処理水変化推算手段により判断された過剰または不足状態に応じて適正送水残塩濃度演算手段により求められた送水残留塩素濃度目標値を変更するようにしてもよい。

また、本発明では、適正送水残塩濃度演算手段は、送水の残留塩素濃度の目標値を求める演算を、設備運転員の勤務サイクルに対応する予定の時間帯に実行する構成でもよい。

さらに、本発明では、次亜塩素注入制御手段には、適正送水残塩濃度演算手段で求められた送水の残留塩素濃度目標値が自動的に設定され、この自動設定された残留塩素濃度目標値と測定された送水の残留塩素濃度との偏差に基き、前記次亜塩素注入設備の次亜塩素注入量を制御するようにしてもよい。

本発明によれば、送水の残留塩素濃度と、これに対する返水の残留塩素能との相関関係を用いて、目的とする返水残留塩素濃度を得るための送水の残留塩素濃度の目標値を求めているので、各中水利用設備に供給される中水の残塩濃度を規定値以上に確実に維持することができる。

以下、本発明による中水供給設備の一実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１はこの実施の形態における中水供給設備の全体構成を示している。この中水供給設備は中水処理場１１と次亜塩素注入制御システム２１とで構成される。

中水処理場１１は、高度処理施設１２、次亜塩素注入池１３及び次亜塩素注入設備（以下、次亜注入機と呼ぶ）１４を有する。高度処理施設１２は、汚水や生活排水など、既に一度使われた水（以下、これらをまとめて汚水と呼ぶ）に対し、膜処理やオゾン処理などの高度処理を施して所謂中水（処理水）とする施設である。次亜塩素注入池１３は、上流側から配置された処理水混和池１３ａ、第１配水池１３ｂ、第２配水池１３ｃからなり、前記高度処理施設１２による処理水は、後述する返水と共に処理水混和池１３ａに流入する。

処理水混和池１３ａに流入した処理水は、第１配水池１３ｂにて次亜注入機１４により次亜塩素を注入され、殺菌された後、第２配水池１３ｃから送水管１５により送水される。この送水管１５は、その終端が中水処理場１１に帰還する循環路を形成しており、この循環路の中間部に分岐接続する各中水使用設備１６に必要量の中水を供給する。そして、各中水利用施設１６で使用しきれなかった中水は、返水として中水処理場１１に帰還する。この返水は、前述のように、処理水と共に処理水混和池１３ａに流入する。

１７，１８はそれぞれ残塩測定手段で、残塩測定手段１７は送水管１５の送水開始地点に設けられ、送水の残留塩素濃度を測定する。また、残塩測定手段１８は、送水管１５の終端部に設けられ、返水の残留塩素濃度を測定する。なお、１９は水位測定手段で、処理水混和池に設けられている。これら測定手段１７,１８,１９による測定値は、次亜塩素注入制御システム２１のプラント状態入力手段２２に入力される。

次亜塩素注入制御システム２１は、上記プラント状態入力手段２２のほか、プラント状態記憶手段２３、適正送水残塩濃度演算手段２４、次亜塩素注入制御手段２５を有する。

プラント状態記憶手段２３は、プラント状態入力手段２２に入力された中水処理場１１での各測定値（送水残塩濃度や返水残塩濃度など）を記憶している。適正送水残塩濃度演算手段２４は、プラント状態記憶手段２３に記憶されている送水の残留塩素濃度と、これに対する返水の残留塩素濃度との相関関係を用いて、目的とする返水残留塩素濃度を得るための送水残留塩素濃度の目標値を演算により求める。

すなわち、送水の残留塩素濃度と返水の残留塩素濃度とは、それぞれ対応する残塩測定手段１７，１８により測定され、プラント状態記憶手段２３に記憶されているので、これらの値を用い、送水の残留塩素濃度と、これに対する返水の残留塩素濃度との相関関係を得る。

例えば、ある時刻の送水残塩濃度に対し、所定の送水循環時間を経た時刻の返水残塩濃度を、図３で示すようにプロットし、これらの値を例えば線形近似することにより、送水の残留塩素濃度と、これに対する返水の残留塩素濃度との相関関係が得られる。

このようにして得られた相関関係を用い、必要とする返水残塩濃度を維持するために必要な送水残塩濃度を演算により求め、これを送水の残留塩素濃度の目標値として出力する。

次亜塩素注入制御手段２５は、残塩濃度一定制御手段２５ａと次亜注入手段２５ｂとで構成され、前述の次亜注入機１４の次亜塩素注入量を制御する。すなわち、残塩濃度一定制御手段２５ａには、適正送水残塩濃度演算手段２４で求められた送水の残留塩素濃度目標値が運転員により設定され、この送水の残留塩素濃度目標値と残塩測定手段１７により測定された送水の残留塩素濃度実測値との偏差に基き、次亜塩素注入量を求める。

残塩濃度一定制御手段２５ａの制御則はどの手法を用いてもよい。例えば、ＰＩ制御則を用いて、次の制御周期Δｔ分後での制御出力を演算する場合には、残塩濃度実測値ＰＶと残塩濃度目標値ＳＶとの偏差をｅ_ｎとすると、次式により次亜塩素の注入率ＭＶの演算を行う。

ＭＶ_ｎ=Ｋｐ｛（ｅ_ｎ−ｅ_ｎ−１）＋Δｔ／Ｔｉ・ｅ_ｎ｝＋ＭＶ_ｎ−１ ・・・（１）
ｅ_ｎ＝（ＳＶ）−（ＰＶ） ・・・（２）
上式において、Ｋｐは比例ゲイン、Ｔｉは積分時間（分）を表す。

上記構成において、中水利用施設１６を含む各施設で一度使用された水を含む汚水は、高度処理施設１２において膜処理やオゾン処理が施され、中水に処理される。この処理水は、返水と共に処理水混和池１２ａから第１配水池に入り、ここで次亜塩素を注入されて消毒される。そして、第２配水池１２ｂを経て送水管１５により送水される。送水された中水は、各中水利用施設１６に供給され、残りが中水処理場１１に返水として帰還する。

このような中水リサイクルシステムでは、各中水利用施設１６に供給される中水の残塩濃度が規定値以上である必要がある。このために、送水管１５の終端における返水の残塩濃度を測定し、この返水残塩濃度が規定値以上となるように次亜注入機１４による次亜塩素注入量を制御している。

しかしながら、中水リサイクルシステムでは、上述のように生成した中水を循環利用するため、各施設１６までの送水距離が長く、次亜塩素注入点から、送水管１５の終端における返水残塩濃度測定点までのむだ時間が長くなってしまう。このため送水管１５の開始地点における送水残塩濃度は自動制御可能であるが、返水残塩濃度を自動制御しようとすると、むだ時間の影響で制御系が不安定となり、従来は制御が困難であった。

そこで、この実施の形態では、送水管１５の送水開始地点における送水残塩濃度と終端における返水残塩濃度とをそれぞれ測定し、プラント状態記憶手段２３に記憶しておく。適正送水残塩濃度演算手段２４では、これらの値を用い、ある時刻における送水残塩濃度と、これに対する返水残塩濃度との相関関係を求め、比例関係の近似式から所定の返水残塩濃度を維持するための送水残塩濃度を推定演算し、その結果を送水残塩濃度の目標値として出力する。

運転員は、この送水残塩濃度目標値を、次亜塩素注入制御手段２５の残塩濃度一定制御手段２５ａに設定し、例えば、前述したＰＩ制御則により（１）式を用いて次亜塩素の注入操作量を求め、次亜注入手段２５ｂにより次亜注入機１４を制御して第１配水池１２ｂ内の処理水に次亜塩素を注入する。

このように次亜塩素の注入量を制御することにより、返水残塩濃度を規定値以上に保てるので、各施設１６に供給される中水の残塩濃度を充分な値に維持することができる。

上記実施の形態では、適正送水残塩濃度演算手段２４として、線形近似の手法により送水残塩濃度と返水残塩濃度との相関を得たが、ルールテーブル作成ロジックはどのような手法を用いてもよい。すなわち、入力と出力との数値データの対を与え、その間の関係を推定する手法はいくつか知られている。例えば、教師付き学習で利用されているアルゴリズムではニューラルネットワーク、ファジイ推論などがあり、これらの手法を用いてもかまわない。

次に、図２で示す実施の形態を説明する。中水リサイクルシステムでは、生活廃水など一度使用した汚水を高度処理して処理水(中水)を生成している。この処理水の水質は、元になる汚水の状態に応じて変化する。また、処理水の水質が異なれば次亜塩素注入後における送水の残塩濃度も変化する。一般に、生活廃水などの汚水は、人間の生活サイクルに伴って変化する。通常、生活廃水は朝方に増加しはじめ、夜間は減少する。

汚水が少ない場合は、高度処理施設１２による水処理が十分行われるため処理水の水質は向上し、残塩濃度は上昇する。一方、汚水が多い場合は、高度処理施設１２による水処理が不十分になるため処理水の水質は低下し、残塩濃度は低くなる。

そこで、この実施の形態では図１で示した構成に、処理水変化推算手段２６を新たに加えて図２で示す構成とした。

処理水変化推算手段２６は、プラント状態記憶手段２３からのプラント状態計測値の過去実績を入力とする。上述した処理水の水質変化は、過去の次亜塩素注入とその時の残塩濃度から推算することができ、過剰・過少な注入であったかどうかの判定を行う。

例えば、過去のデータから、残塩濃度が上昇する時刻を捉えることが出来るので、この残塩濃度上昇の原因となる時刻の次亜塩素注入量をあらかじめ低めるように、適正送水残塩濃度演算手段２４を制御する。

すなわち、処理水変化推算手段２６により、過去の次亜塩素注入に対する送水残留塩素濃度の変化から、汚水水質変化に伴う次亜塩素注入の過剰または不足状態を捉える。そして、この判断された過剰または不足状態に応じて、適正送水残塩濃度塩残手段２４により求められた送水残塩濃度目標値を変更する。

この他に、処理水変化推算手段２６では、過去の実績値を用いて、例えば、昼モード・夜モードのように２パターンの水質モデルを作成し、それぞれ何時に切り替えるべきかの情報などを適正送水残塩濃度演算手段２４に出力するようにしてもよい。この場合、適正送水残塩濃度演算手段２４では、その情報に基づいて水質モデルを切り替え、その時刻に対応した適性送水残塩濃度目標値を運転員に提示するようにしてもよい。

すなわち、処理水変化推算手段２６は、過去の実績値（送水の残留塩素濃度と、これに対する返水の残留塩素能）を用いて、１日の各時間帯に対応して作成した相関関係を、複数個の水質モデルとして有し、適正送水残塩濃度演算手段２４で、時刻毎に対応する時間帯の水質モデルを用い、送水残留塩素濃度目標値を求めている。

このようにしても、１日の時間帯ごとに異なる処理水の水質に対応した適切な次亜塩素の注入制御を行うことができる。

また、残塩濃度一定制御手段２５ａでも、処理水変化推算手段２６からの情報に基づいて、その制御モデルを切り替え、処理水変化に対応可能な次亜注入率を出力するようにしてもよい。

上記実施の形態では、適正送水残塩濃度演算手段２４で求めた送水残塩濃度目標値を、運転員が残塩濃度一定制御手段２５ａに設定し、次亜塩素の注入制御を行っているので、適正送水残塩濃度演算手段２４の演算タイミングは、システムを運転する運転員の勤務サイクルとマッチさせ、運転員の勤務時間帯に適正送水残塩濃度目標値を出力することが好ましい。つまり、適正送水残塩濃度演算手段２４に制約条件を考慮する機能を設け、システム利用者の意図に合った情報の提供を実現するとよい。

このために、適正送水残塩濃度演算手段２４は、送水の残留塩素濃度の目標値を求める演算を、設備運転員の勤務サイクルに対応する予定の時間帯に実行するように設定する。

また、上記実施の形態では、適正送水残塩濃度演算手段２４で求めた送水残塩濃度目標値を、運転員が残塩濃度一定制御手段２５ａに設定しているが、もちろん、適正送水残塩濃度演算手段２４で求めた送水の残留塩素濃度目標値を、運転員を介することなく、残塩濃度一定制御手段２５ａに自動的に設定し、この自動設定された残留塩素濃度目標値と測定された送水の残留塩素濃度との偏差に基き、次亜塩素注入量を制御してもよい。

本発明による中水供給設備の一実施の形態を示すブロック図である。 本発明の他の実施の形態を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態における送水残塩濃度と返水残塩濃度との相関関係を説明する特性図である。

符号の説明

１１ 中水処理場
１４ 次亜塩素注入設備
１５ 送水管
１６ 中水利用設備
１７，１８ 残塩測定手段
２１ 次亜塩素注入制御システム
２４ 適正送水残塩濃度演算手段
２５ 次亜塩素注入制御手段
２６ 処理水変化推算手段

Claims (4)

1. 汚水を中水に処理した後、次亜塩素注入設備にて次亜塩素を注入し、中水利用施設に送水すると共に、この中水利用施設で使用しきれない中水を返水として受入れ、循環利用する中水供給設備であって、
   前記送水の残留塩素濃度及び前記返水の残留塩素濃度をそれぞれ測定する残塩測定手段と、
   これら残塩測定手段で測定された送水残留塩素濃度及び返水残留塩素濃度をそれぞれ記憶しておくプラント状態記憶手段と、
   このプラント状態記憶手段に記憶された過去の送水残留塩素濃度及び返水残留塩素濃度を用い、ある時刻の送水残留塩素濃度と所定の送水循環時間を経た時刻の返水残留塩素濃度との相関関係を、１日の各時間帯毎に作成して複数個の水質モデルとして有する処理水変化推算手段と、
   前記１日の各時間帯毎に、対応する前記水質モデルを用いて、目的とする返水残留塩素濃度を得るための送水の残留塩素濃度の目標値を求める適正送水残塩濃度演算手段と、
   この求められた送水の残留塩素濃度目標値と測定された送水の残留塩素濃度との偏差に基き、前記次亜塩素注入設備の次亜塩素注入量を制御する次亜塩素注入制御手段と、
   を備えたことを特徴とする中水供給設備。
2. 前記処理水変化推算手段は、過去の次亜塩素注入に対する送水の残留塩素濃度の変化から、汚水水質変化に伴う次亜塩素注入の過剰または不足状態を捉える機能を有し、
   この処理水変化推算手段により判断された過剰または不足状態に応じて適正送水残塩濃度演算手段により求められた送水残留塩素濃度目標値を変更する
   ことを特徴とする請求項１に記載の中水供給設備。
3. 適正送水残塩濃度演算手段は、送水の残留塩素濃度の目標値を求める演算を、設備運転員の勤務サイクルに対応する予定の時間帯に実行することを特徴とする請求項１に記載の中水供給設備。
4. 次亜塩素注入制御手段には、適正送水残塩濃度演算手段で求められた送水の残留塩素濃度目標値が自動的に設定され、この自動設定された残留塩素濃度目標値と測定された送水の残留塩素濃度との偏差に基き、前記次亜塩素注入設備の次亜塩素注入量を制御することを特徴とする請求項１に記載の中水供給設備。

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