JP4829045B2 - 水処理プラントの運転支援システム - Google Patents

Description

本発明は、上下水道プラントなどの水処理プラントの運転支援システムに関する。

従来、例えば上水道プラントでは、水源からの原水を着水井に導入し、この着水井から各浄水プロセスへ送られる。一方、着水井には、浄水処理で排水されて、汚水池（排水池）に蓄積された汚泥水の一部が、返送水（返流水）として返流される。

このようなプロセスにおいて、着水井に流入される原水の水量に対して、返送水の割合が増大すると、浄水処理プロセスに悪影響が生じる。このため、原水と返送水の合流比率は一定となることが望ましいが、原水の流量は上水の要求量に応じて常に変化する。従って、上水道プラントでは、プラントの状態を安定化するためには、原水と返送水の比率（即ち、バランス）の異常を監視することが望ましい。

従来では、電気製品の異常を監視し、異常が発生する当該異常情報を通知する機能を有する異常監視装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平０５−１３８４８７号公報

例えば上水道プラントでは、原水と返送水の比率（即ち、バランス）の異常を監視する比率異常監視装置が望ましい。また、下水道プラントにおいても、処理水の流入量と返流水量の比率の異常を監視する装置が望ましい。

そこで、本発明の目的は、上下水道プラントなどの水処理プラントにおいて、例えば原水と返送水の水量の比率を監視する比率異常監視機能を有する運転支援システムを提供することにある。

本発明の観点は、上下水道プラントに適用し、原水や処理水の流入量と返送水量の比率の異常を監視し、水処理プロセスの状態の安定化を図る運転支援システムである。

本発明の観点に従った運転支援システムは、水源からの原水を導入して着水井に送水し、かつ浄水プロセスにより処理された水の一部を返送水として前記着水井に返流するプロセスを含む上水道プラントに適用する運転支援システムにおいて、前記着水井に流入する原水及び前記着水井に返流する返送水の各水量を計測する計測手段と、前記原水及び返送水の各水量の比率を算出し、この比率に基づいて前記原水と返送水の水量バランスの状態を判定する監視手段とを備えた構成である。

本発明によれば、上下水道プラントなどの水処理プラントにおいて、例えば原水と返送水の水量の比率を監視する比率異常監視機能を有し、水処理プロセスの状態の安定化を図ることができる運転支援システムを提供できる。

以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
以下、図１から図３を参照して、第１の実施形態に関する水処理プラントの運転支援システムを説明する。

（水処理プラントの構成）
本実施形態は、水処理プラントとして、上水道プラントを説明する。図１は、上水道プラントの浄水プロセスを説明するための図である。

上水道プラントは、水源（以下貯水池と表記する場合がある）として、例えばダム１または河川３０から原水を導水する。貯水池１からの原水は、配管６を経由して着水井５に導水される。配管６には、流量計２及び流量調節弁（流入弁）３が設けられている。流量調節弁３は、アクチュエータ４の動作により弁が開閉して、通水の流量を調節する。なお、図１において、「Ｘ」は流量計などの各種センサを意味し、「Ｍ」はアクチュエータ又はモータなどの駆動部を意味する。

一方、河川３０からの原水は、開閉弁３１を有する沈砂池３２に導水される。この沈砂池３２にはスクリーン３３が設けられて、導水された原水は濾過（ろ過）される。さらに、ポンプ井３４から導水ポンプ３５により、着水井５に導水される。ポンプ井３４と着水井５を結合する配管には、流量調節弁３６及び流量計３７が設けられている。

着水井５に導水された水は、沈殿池１１に送水される。沈殿池１１の前段には、混和池９及びフロック形成池１０が配置されている。着水井５と混和池９とを結合する配管には、流量計７及び流量調節弁８が設けられている。

一方、着水井５には、沈殿池１１からの返流水が導水される。沈殿池１１からの返流水は、流量調節弁３８により通水を調節されて汚泥池３９に送水される。さらに、返流水は、汚泥池３９から排水池（汚水池）４０に送水されて、この排水池４０から返流ポンプ４１により着水井５に返流される。汚泥池３９では、汚泥は脱水されて処分される。着水井５と排水池４０とを結合する配管には、流量調節弁４２及び流量計４３が設けられている。

次に、沈殿池１１に導水された水は、濾過池（ろ過池）１２で濾過された後に、洗浄水槽（浄水池）１３に送水される。濾過池１２と洗浄水槽１３とを結合する配管には、流量調節弁５０，５２及び流量計５１が設けられている。洗浄水槽１３に導水された水の上面からは、表洗ポンプ４６により、濾過池１２に返流されている。この表洗ポンプ４６と、濾過池１２とを結合する配管には、流量調節弁４７〜４９が設けられている。

さらに、洗浄水槽１３は、逆流ポンプ５３により導水された水の一部が、濾過池１２に返流される。逆流ポンプ５３と、濾過池１２とを結合する配管には、流量計５４及び流量調節弁５５，５６が設けられている。濾過池１２は、流量調節弁４４を経由して、導水された水の一部が排水池４０に返流される。また、逆流ポンプ５３により、濾過池１２に返流された水の一部は、流量調節弁４５を経由して排水池４０に返流される。

洗浄水槽１３により浄水化された水は、送水ポンプ２０により配管２３を経由して、配水池１６に送水される。配管２３には、流量調節弁（または吐出弁）１５，２１及び流量計２２が設けられている。配水池１６は、水位を計測する水位計１７や水質センサ１８が設けられている。配水池１６からの浄水は、流量調節弁１９により制御されて配水される。一方、洗浄水槽１３により浄水化された水は、配水ポンプ２４により配管２７を経由して配水される。配管２７には、流量調節弁（または吐出弁）２５及び流量計２６が設けられている。

このような上水道プラントの運転支援システムとして、コンピュータを主要素とするコントローラ１００が設けられている。コントローラ１００は、各種センサ群から計測信号を入力して流量、水位、汚泥量、水質等を検知すると共に、流量調節弁やポンプを制御する。

（運転支援システム）
図２は、本実施形態に関する上水道プラントの導水プロセスを示す図である。

導水プロセスは、水源であるダム（貯水池）１からの原水が、配管６に設置された流入弁３と流量計２を介して着水井５に送られる。着水井５には、配管６と配管５００が接続されている。また、着水井５は、配管４２０を介して汚水池（排水池）４０に接続されている。

汚水池４０の汚泥水の一部は返送水（返流水）として、配管４２０に設置された流入弁４２と流量計４３を介して、着水井５に返送される。着水井５にて合流された原水と返送水は、配管５００を介して、次の処理プロセスへ送られる。

一方、汚水池４０には配管４００が接続されており、浄水プロセスで生成された余剰汚泥水が供給される。汚水池４０に蓄積された汚泥水は、一部が返送水として着水井５に供給されて、さらに、一部が余剰汚泥として配管４１０を介して、汚泥処理プロセスへと送られる。

以上のような導水プロセスにおいて、図３を参照して、運転支援システムの動作を説明する。

図３は、着水井５に対する原水と返送水の流量の比率を示している。図３において、原水流量は、流入弁３の開度変化によって制御された原水の水量であり、流量計２の指示値である。一方、返送水流量は、流入弁４２の開度変化によって制御された返送水の水量であり、流量計４３の指示値である。

本実施形態の運転支援システムのコントローラ１００は、流量計２の指示値から原水流量と、流量計４３の指示値から返送水流量を監視している。さらに、コントローラ１００は、原水と返送水の流量の比率を算出し、着水井５に対する原水と返送水の合流比率を監視している。即ち、コントローラ１００は、返送水と原水の水量バランス（水量比率）が許容範囲（上限と下限からなる範囲）を超えているか否かを判定し、超えている場合には比率（バランス）異常が発生していると判定して警報を出力する。

このような運転支援システムの比率異常監視機能により、浄水プロセスの状態が常に安定しているように、上水道プラントの運用管理の支援を適切に行なうことができる。

具体的には、通常では、原水に対して返送水（汚水）の割合が多くなると、浄水処理プロセスに悪影響が生じる。このため、原水と返送水の流量比率を崩さないように、原水と返送水の合流比率は一定となるように制御することが望ましい。しかしながら、原水の流入量は、上水の要求量に応じて常に変化する。このため、返送水の流入量も、原水の流入量に合わせて、流入弁４２の開度を制御して行なわれる。ところが、原水流入量が急変したり、原水の濁度が変化すると、返送水水量とのバランスが崩れ、比率が変化する。

換言すれば、返送水と原水の水量バランス（水量比率）が許容範囲を超える場合には、上水の水質悪化や、浄水処理プロセスの延滞、薬液注入量の増大など、浄水プラントに悪影響がある。従って、本実施形態の運転支援システムによる比率異常監視機能があれば、水量バランスの異常を早期に検出し、かつ警報を出力することで、上水道プラントの運用管理において適切な対策をとることが可能となる。

［第２の実施形態］
図４は、本実施形態に関する下水処理プラントの要部を示す図である。

下水処理プラントでは、最初沈殿池２００で処理された処理水は、流量計２１０ａが設置された配管２２０を介してエアレーションタンク２３０に送られる。エアレーションタンク２３０は、送風機２６０から酸素が送り込まれて、同タンク２３０の中の微生物を含む活性汚泥に酸素を送り込み、汚水中の有機物を分解するように構成されている。

エアレーションタンク２３０で処理された処理水は、配管２７０を介して最終沈殿池２８０に送られる。最終沈殿池２８０で沈殿した汚泥の一部は、余剰汚泥ポンプ２５０と流量計２１０ｂが配置された配管２４０を介して、エアレーションタンク２３０に返送される。返送された余剰汚泥は、エアレーションタンク２３０で活性汚泥として働き、汚水中の有機物を分解するために再利用される。

以上のような下水処理プラントにおいて、図５を参照して、運転支援システムの動作を説明する。

図５は、処理水の流量と返送汚泥量の比率を示している。図５において、処理水流量は、流量計２１０ａで計測された処理水の水量である。一方、返送汚泥量は、流量計２１０ｂで計測された返送汚泥の量である。

本実施形態の運転支援システムのコントローラ１００は、流量計２１０ａで計測された処理水流量と、流量計２１０ｂで計測された返送汚泥量を監視している。さらに、コントローラ１００は、処理水流量と返送汚泥量の比率が許容範囲（上限と下限からなる範囲）を超えているか否かを判定し、超えている場合にはバランス異常が発生していると検知する。コントローラ１００は、バランス異常が発生していることを示す警報を出力する。

このような運転支援システムの比率異常監視機能により、下水処理プラントの状態が常に安定しているように、プラントの運用管理の支援を適切に行なうことができる。

具体的には、通常では、処理水と返送汚泥の比率は、２０〜３０％となるように制御されている。しかし、処理水量の急変などにより、比率が変化する。例えば比率が３０％を超えた場合には、処理水量が少なくなっているため、処理効率が低下していることを意味している。また、例えば比率が２０％を下回った場合には、処理水中の有機物を処理するための十分な活性汚泥（微生物）が確保出来ないため、下水処理が適正に行なわれていないことを意味する。

従って、本実施形態の運転支援システムによる比率異常監視機能があれば、処理水流量と返送汚泥量のバランス異常を早期に検出し、かつ警報を出力することで、下水処理プラントの運用管理において適切な対策をとることが可能となる。

なお、本実施形態の変形例として、汚泥濃縮機、または消化、脱水など汚水処理プロセスから排出される高濃度排水を最初沈殿池２００へ返流して再処理するプロセスに対しても、本実施形態の運転支援システムによる比率異常監視機能を適用できる。即ち、コントローラ１００は、最初沈殿池２００に流入する処理水量と、返流される高濃度排水との比率を算出する。コントローラ１００は、当該比率が許容範囲（上限と下限からなる範囲）を超えているか否かを判定し、超えている場合にはバランス異常が発生しているとして警報を出力する。従って、本変形例の場合も同様にして、下水処理プラントの状態が常に安定しているように、プラントの運用管理の支援を適切に行なうことができる。

なお、前記許容範囲は、異常を判定するために上下限値が設定されており、モディファイドエアレーション法やステップエアレーション法、コンタクトスタビリゼーション法など、エアレーションの方法によって異なる上下限値が設定されていてもよい。また、前記許容範囲は、エアレーションタンク内の活性汚泥浮遊物質濃度の目標値を逸脱しないよう設定される上下限値で、返送される汚泥の水中懸濁固形物濃度と目標とするエアレーションタンク内の活性汚泥浮遊物質濃度範囲によって算出される値であってもよい。

さらに、本実施形態の変形例として、最終沈殿池２８０からの返送汚泥をプリエアレーションタンクに返流して再処理するプロセスを含む下水処理プラントにも本実施形態の運転支援システムによる比率異常監視機能を適用できる。即ち、運転支援システムは、プリエアレーションタンクに流入する分配槽もしくは吐出槽からの処理水と、最終沈殿池２８０から返流した返送汚泥との比率を算出し、この比率に基づいて当該比率が許容範囲（上限と下限からなる範囲）を超えているか否かを判定し、超えている場合にはバランス異常が発生しているとして警報を出力する。

［第３の実施形態］
図６は、本実施形態に関する上水道プラントの浄水プロセスを示す図である。

浄水プロセスは、水源である河川３０から取り込まれた原水が、着水井３００から複数の沈殿池３４０ａ，３４０ｂに供給される。着水井３００と、沈殿池３４０ａ，３４０ｂのそれぞれとは、配管３３０ａ，３３０ｂにより接続されている。

各配管３３０ａ，３３０ｂには、流入弁３１０ａ，３１０ｂ、及び流量計３２０ａ，３２０ｂが設置されている。これにより、沈殿池３４０ａへの処理水の流入量は、流入弁３１０ａで制御されて、流量計３２０ａで計測される。また、沈殿池３４０ｂへの処理水の流入量は、流入弁３１０ｂで制御されて、流量計３２０ｂで計測される。

コントローラ１００は、沈殿池３４０ａ，３４０ｂの処理水の処理能力が異なる場合は、それぞれの処理能力に応じて、着水井３００からの処理水量を適正に分流する処理を行なう。例えば、沈殿池３４０ａの処理水処理能力が沈殿池３４０ｂの２倍である場合には、コントローラ１００は、流入弁３１０ａ，３１０ｂの開度を制御して、２倍の水量が沈殿池３４０ａに流れ込むように制御を行なう。

図７は、沈殿池３４０ａ，３４０ｂの処理水流入量と、各流入水量の比率を示すものである。

本実施形態の運転支援システムのコントローラ１００は、流量計３２０ａ，３２０ｂの計測値に基づいて、沈殿池３４０ａ，３４０ｂの処理水流入量を監視している。さらに、コントローラ１００は、各流入水量の比率が許容範囲（上限と下限からなる範囲）を超えているか否かを判定し、超えている場合にはバランス異常が発生していると検知する。コントローラ１００は、バランス異常が発生していることを示す警報を出力する。

このような運転支援システムの比率異常監視機能により、浄水プロセスの状態が常に安定しているように、プラントの運用管理の支援を適切に行なうことができる。

具体的には、通常では、沈殿池３４０ａ，３４０ｂのそれぞれの処理能力に比例した流入量で運用されているため、沈殿池３４０ａの流入量に対する沈殿池３４０ｂの流入量は、例えば５０％近傍となっている。しかし、流入制御の異常や、流入量の急変、水質の急変などがあった場合は、流入制御や沈殿池の処理が適正に行なわれない場合があり、その場合には流入水量の比率が許容範囲を超える。

従って、本実施形態の運転支援システムによる比率異常監視機能があれば、処理水流量のバランス異常を早期に検出し、かつ警報を出力することで、浄水プロセスの運用管理において適切な対策をとることが可能となる。

なお、上水道プラントにおいて、ろ過池から複数の浄水池または配水池に分流する場合や、配水本管から複数の配水池に分流する場合などにも、分流比率に対し、許容範囲（上下限値）を設定することで、バランス異常を早期に検出することができる。従って、浄水プロセスの運用管理において適切な対策をとることが可能となる。

さらに、本実施形態の変形例として、雨水処理や汚水処理を行うため処理水を取り込み、処理水に含まれる浮遊物や溶存物の処理を行なって河川などに放流する下水処理プラントに対しても、本実施形態の運転支援システムによる比率異常監視機能を適用できる。

即ち、ポンプ井から複数の最初沈殿池に分流する処理プロセス、最初沈殿池から複数のエアレーションタンクに分流する処理プロセス、最終沈殿池から引き抜かれた余剰汚泥を複数の汚泥貯留槽または汚泥分配槽に分流する処理プロセスで、分流比率に対し、許容範囲（上下限値）を設定することで、バランス異常を早期に検出することができる。従って、下水処理プラントの運用管理の支援を適切に行なうことができる。

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。

本発明の第１の実施形態に関する上水道プラントの構成を示す図。 本実施形態に関する上水道プラントの導水プロセスを示す図。 本実施形態に関する原水と返送水の流量比率の変化を示す図。 第２の実施形態に関する下水処理プラントの要部を示す図。 第２の実施形態に関する処理水の水量と返送汚泥の量との比率の変化を示す図。 第３の実施形態に関する浄水プロセスを示す図。 第３の実施形態に関する各沈殿池の処理水流入量と流入水量の比率の時間変化を示す図。

符号の説明

１…ダム（貯水池）、２…流量計、３…流入弁、５…着水井、６…配管、３０…河川、
４０…汚水池（排水池）、４２…流入弁、４３…流量計、１００…コントローラ、
２００…最初沈殿池、２１０ａ，２１０ｂ…流量計、２２０…配管、
２３０…エアレーションタンク、２４０…配管、２５０…余剰汚泥ポンプ、
２６０…送風機、２７０…配管、２８０…最終沈殿池、
３００…着水井、３１０ａ，３１０ｂ…流入弁、３２０ａ，３２０ｂ…流量計、
３３０ａ，３３０ｂ…配管、３４０ａ，３４０ｂ…沈殿池、
４００…配管、４１０…配管、４２０…配管、５００…配管。

Claims (16)

1. 水源からの原水を導入して着水井に送水し、かつ浄水プロセスにより処理された水の一部を返送水として前記着水井に返流するプロセスを含む上水道プラントに適用する運転支援システムにおいて、
   前記着水井に流入する原水及び前記着水井に返流する返送水の各水量を計測する計測手段と、
   前記原水及び返送水の各水量の比率を算出し、この比率に基づいて前記原水と返送水の水量バランスの状態を判定する監視手段と
   を具備したことを特徴とする運転支援システム。
2. 前記監視手段は、
   前記算出した比率が許容範囲を超えたときに、前記上水道プラントの異常を示す警報を出力する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の運転支援システム。
3. 流入下水を取り込む最初沈殿池と、汚水処理プロセスから排出される排水を前記最初沈殿池へ返流して再処理するプロセスを含む下水処理プラントに適用する運転支援システムにおいて、
   前記最初沈殿池に流入する流入下水及び返流した排水の各水量を計測する計測手段と、
   前記流入下水及び返流排水の比率を算出し、この比率に基づいて前記流入下水及び返流排水の水量バランスの状態を判定する監視手段と
   を具備したことを特徴とする運転支援システム。
4. 前記下水処理プラントは、最終沈殿池からの返送汚泥をエアレーションタンクに返流して再処理するプロセスを含み、
   前記監視手段は、
   前記エアレーションタンクに流入する最初沈殿池からの処理水と、前記最終沈殿池から返流した返送汚泥との比率を算出し、この比率に基づいて下水処理プラントの状態を判定することを特徴とする請求項３に記載の運転支援システム。
5. 前記監視手段は、
   前記算出した比率が許容範囲を超えたときに、前記下水処理プラントの異常を示す警報を出力する手段を含むことを特徴とする請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の運転支援システム。
6. 前記許容範囲は、異常を判定するために上下限値が設定されており、
   モディファイドエアレーション法やステップエアレーション法、コンタクトスタビリゼーション法など、エアレーションの方法によって異なる上下限値が設定されていることを特徴とする請求項５に記載の運転支援システム。
7. 前記許容範囲は、異常を判定するために上下限値が設定されており、
   エアレーションタンク内の活性汚泥浮遊物質濃度の目標値を逸脱しないよう設定される上下限値で、返送される汚泥の水中懸濁固形物濃度と目標とするエアレーションタンク内の活性汚泥浮遊物質濃度範囲によって算出される値であることを特徴とする請求項５に記載の運転支援システム。
8. 前記下水処理プラントは、最終沈殿池からの返送汚泥をプリエアレーションタンクに返流して再処理するプロセスを含み、
   前記監視手段は、
   前記プリエアレーションタンクに流入する分配槽もしくは吐出槽からの処理水と、前記最終沈殿池から返流した返送汚泥との比率を算出し、この比率に基づいて下水処理プラントの状態を判定することを特徴とする請求項３に記載の運転支援システム。
9. 水源からの原水を導入して複数の沈殿池に分流するプロセスを含む上水道プラントに適用する運転支援システムにおいて、
   前記各沈殿池に流入する原水流量を計測する計測手段と、
   前記計測結果に基づいて、前記各沈殿池に分流する分流比率を算出し、この分流比率に基づいて前記各沈殿池に対する分流バランスの状態を判定する監視手段と
   を具備したことを特徴とする運転支援システム。
10. 前記監視手段は、
    前記算出した分流比率が許容範囲を超えたときに、前記上水道プラントの異常を示す警報を出力する手段を含むことを特徴とする請求項９に記載の運転支援システム。
11. 着水井からの処理水が複数の沈殿池やろ過池に分流するプロセスを含む上水道プラントに適用する運転支援システムにおいて、
    前記沈殿池やろ過池に流入する処理水流量を計測する計測手段と、
    前記計測結果に基づいて、前記沈殿池やろ過池に分流する分流比率を算出し、当該分流比率が許容範囲を超えたときに、前記上水道プラントの異常を示す警報を出力する監視手段と
    を具備したことを特徴とする運転支援システム。
12. ろ過池からの処理水が複数の浄水池や配水池に分流するプロセスを含む上水道プラントに適用する運転支援システムにおいて、
    前記浄水池や配水池に流入する処理水流量を計測する計測手段と、
    前記計測結果に基づいて、前記浄水池や配水池に分流する分流比率を算出し、当該分流比率が許容範囲を超えたときに、前記上水道プラントの異常を示す警報を出力する監視手段と
    を具備したことを特徴とする運転支援システム。
13. 浄水処理を実施した上水を配水本管から複数の配水池に分流するプロセスを含む上水道プラントに適用する運転支援システムにおいて、
    前記各配水池に流入する上水流量を計測する計測手段と、
    前記計測結果に基づいて、前記各配水池に分流する分流比率を算出し、当該分流比率が許容範囲を超えたときに、前記上水道プラントの異常を示す警報を出力する監視手段と
    を具備したことを特徴とする運転支援システム。
14. ポンプ井から処理水が複数の最初沈殿池に分流するプロセスを含む下水処理プラントに適用する運転支援システムにおいて、
    前記各最初沈殿池に流入する処理水流量を計測する計測手段と、
    前記計測結果に基づいて、前記各最初沈殿池に分流する分流比率を算出し、当該分流比率が許容範囲を超えたときに、前記下水処理プラントの異常を示す警報を出力する監視手段と
    を具備したことを特徴とする運転支援システム。
15. 最初沈殿池から処理水が複数のエアレーションタンクに分流するプロセスを含む下水処理プラントに適用する運転支援システムにおいて、
    前記各エアレーションタンクに流入する処理水流量を計測する計測手段と、
    前記計測結果に基づいて、前記各エアレーションタンクに分流する分流比率を算出し、当該分流比率が許容範囲を超えたときに、前記下水処理プラントの異常を示す警報を出力する監視手段と
    を具備したことを特徴とする運転支援システム。
16. 最終沈殿池から引き抜かれた余剰汚泥を複数の汚泥貯留槽または汚泥分配槽に分流するプロセスを含む下水処理プラントに適用する運転支援システムにおいて、
    前記各汚泥貯留槽または各汚泥分配槽に流入する余剰汚泥量を計測する計測手段と、
    前記計測結果に基づいて、前記各汚泥貯留槽または各汚泥分配槽に分流する分流比率を算出し、当該分流比率が許容範囲を超えたときに、前記下水処理プラントの異常を示す警報を出力する監視手段と
    を具備したことを特徴とする運転支援システム。

Images