JP5143003B2 - 脱窒プロセス及び脱窒装置 - Google Patents

Description

本出願は、２００５年８月２４日に申請した米国仮出願第６０／７１０，６１２号及び２００６年８月１５日に申請した関連米国出願の便益を主張し、そのすべての内容は参照により本開示に含まれるものである。

本発明は、概略的には、汚水を処理するシステム及びプロセスに関し、より詳しくは、汚水を脱窒するシステム及びプロセスに関する。

ワシントンポスト紙に掲載された最近の記事（Troubled Waters in the Shenandoah: Death of Smallmouth Bass Brings Attention But No Quick Answers on Improving Quality、ワシントンポスト編集委員Michael Alison Chandler著、2005年6月20日水曜日、B01頁）では、チェサピーク湾に最終的に注ぎ込むシェナンドア渓谷内の水路に流れ込む水の水質に関する問題がしきりに提起されている。この記事に記載された幾つかのファクターの中でも、川に流れ込む水の栄養分（及び窒素分）が多いことが、水質問題の明らかな原因であると記されている。
「この川は、高濃度の栄養分を含むことでも知られている。多量の窒素及びリンが、植物や藻類の過度な成長を引き起こしており、これにより溶存酸素濃度は減少してしまう。魚は呼吸が困難となるため、病気やバクテリアへの耐性が弱まってしまう。」
「魚の大量死影響を受けている３河川のすべてに沿った地域では、主に農業がおこなわれている。シェナンドア渓谷における９００を超える農場では、養鶏業が広く行われている。農場からの高栄養廃棄物は、肥料として利用されるが、河川へ流れ込む可能性もある。」
したがって、汚水の窒素分をコントロールするためのより効果的な方法が必要とされていることが明らかである。

液体（例えば、汚水処理システムにおける汚水）の処理に用いられ、その処理のために供給される化学物質（以下、供給化学物質）の制御は、コンピュータ化された制御装置を用いて自動化可能であることが知られている。しかしながら、処理システムに化学物質を自動的に添加する際に、処理システム内に存在する化学物質の測定誤差と液体流量の変化に起因した液体対化学物質の比率の変動とにより、問題が生じる虞がある。

従来、添加は流入化学物質濃度を流入流量測定と共に試験する検査室又は検査ベンチで行われてきた。したがって、添加量計算が行われ、その計算結果にしたがって添加装置（例えば薬品注入ポンプ）が手動で調節されてきた。一方、近年では、添加ポンプのペース調節の一部で流入水量信号が用いられている。流出化学物質濃度の試験結果を望ましいものに維持するために、添加率を変化させることがより直接的なアプローチであると考えられてきた。

近年、信頼性の高い化学物質濃度の自動分析計が入手可能となってきており、したがって、添加工程のすべてを自動化することが可能となっている。更に自動分析計は、汚水処理システム中の重要な複数の化学物質を検出するようにセットアップすることができる。このため、具体的な処理内容（例えば、重炭酸ナトリウムの曝気生物反応槽への添加又は沈殿池前のリン除去制御のための鉄又はアルミニウム塩の添加）に応じて、種々の化学物質を用いることができるようになる。

米国特許第６，１２９，１０４号（以下、’１０４号特許）（その内容は、本明細書に参照によって組み込まれるものとする）では、自動添加制御による液体処理化学物質の添加処理方法が提供されている。この方法では、システムに添加される化学物質量の計算は、液体流量計、流入化学物質濃度分析計及び流出化学物質濃度分析計からの信号の組み合わせによりなされている。これらの信号は、コンピュータ化化学物質添加制御装置に送られる。このコンピュータ化化学物質添加制御装置では、これらの信号によるデータの分析及び調節がなされ、更に化学物質添加機構を制御する出力信号が生成される。’１０４号特許によれば、この方法は、例えば、供給化学物質としてメタノールを用いる汚水の脱窒に利用してもよい。

脱窒には、通性従属栄養細菌を用いて硝酸塩及び亜硝酸塩を汚水流から除去することが含まれる。この通性従属栄養細菌は、炭素源（例えばメタノール）の存在下及び溶存酸素（ＤＯ）の非存在下で、硝酸塩及び亜硝酸塩の両方から酸素原子を取り除き、窒素ガス（Ｎ_２）を残すことができる。この窒素ガスは、汚水流から大気中（空気の約８０％は窒素ガスである）へ移動する。この結果、汚水流を「脱窒」することができる。メタノールの消費量は、硝酸塩及び亜硝酸塩の流入量並びにＤＯの流入量に依存する。したがって、脱窒を十分に行うためには、流入したＤＯを消費し、続いて硝酸塩及び亜硝酸塩に付随した酸素原子をすべて取り除くための、十分なメタノールが必要となる。

ところが、’１０４号特許では、ＤＯおよび亜硝酸塩類が考慮されておらず、更には、硝酸塩類のみの流入及び流出濃度が、脱窒システムに供給するメタノール量を決定するために測定されることが記載されている。しかしながら、上述のように硝酸塩類の流入及び流出濃度の測定では、脱窒システムに供給するメタノールの適量を決定するには不十分である。言い換えれば、流入及び流出硝酸塩に厳密に対応させたメタノール添加システムでは、流入する亜硝酸塩及びＤＯの濃度変動に伴ったメタノール需要の変化に対処することができず、添加メタノールの過不足を招く可能性がある。例えば、流入硝酸塩の測定のみに頼ると、流入ＤＯ濃度の減少により添加量が過剰となる虞がある。同様に、流出硝酸塩の測定のみに頼ると、添加量が不足する虞がある。これは、流出硝酸塩の濃度減少が測定された場合、硝酸塩濃度の減少はその硝酸塩が全て亜硝酸塩（更に還元する必要有り）に変換されたことを単に意味するとの事実が見逃されているためである。つまり、硝酸塩が窒素ガスへ完全に変換される場合には、硝酸塩はまず亜硝酸塩に変換される（このため亜硝酸塩濃度は増加する）。一方、’１０４号特許では、測定対象を硝酸塩濃度に限定したことによる固有の誤差を補正するために、「調整（fudge）」ファクターを利用する。これには、例えば、「作業者により決定される調節可能なファクター」の使用や「作業者により選択される感度ファクター」の使用が挙げられている。まず、このような作業者により決定される「ファクター」は、知識に基づく推測によるものにすぎず、また、精々経験的に導き出されるものである。このように作業者による技術では、作業者がシステムの要求する「スピードに追いつく」必要があり、またこの要求は、多大な時間を要求する「ラーニングカーブ」を示してしまう。

したがって、脱窒システムに供給する化学物質（例えばメタノール）の供給量を決定するための、より正確で自動化された方法であって、作業者により決定される調節可能ファクター又は感度ファクターを利用しない方法が必要である。特に、硝酸塩類（例えば亜硝酸塩類）（いわゆるＮＯ_ｘ）に加えて窒素含有物質の流入濃度、溶存酸素、及びこれら窒素含有物質（すなわちＮＯ_ｘ）の流出濃度を考慮して、供給する化学物質の適正添加量を計算する方法が必要である。これらの測定は、流入サンプルのみ、又は流入サンプル及び流出サンプルの両方について行うことができる。

本発明の一態様では、汚水処理システムの水脱窒（aqueous denitrification）プロセスを提供する。この汚水処理システムは、流入及び流出水流、ろ床に付着（harboring）する微生物、並びにフィードフォワード制御ループとフィードバック制御ループ（適宜）とを有する。このプロセスは、
ａ）流入流量（適宜、１日あたり百万ガロン単位で表す）Ｑ、流入溶存酸素濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＤＯ_ｉｎ、流入硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ、及び流入亜硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎ、を測定すること、
ｂ）ために下記フィードフォワード制御ループ関係式（１）を用いて供給化学物質要求量（feed chemical requirement、ＦＣＲ）を求めること、
ＦＣＲ＝Ｑ[(Ｘ×ＤＯ)＋(Ｙ×ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ)＋(Ｚ×ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎ) （１）
（ここで、Ｘ、Ｙ及びＺは、約０．７〜約３．０の範囲の所定のファクター（単位なし）である。）
ｃ）流出硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ、及び流出亜硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆ、を適宜測定すること、並びに
ｄ）下記フィードバック制御ループ関係式（２）、（３）及び（４）を適宜用い並びに下記関係式（５）を用いて調節供給化学物質要求量（adjusted feed chemical requirement、ＡＦＣＲ）を求めること、を含んで構成される。
ＡＰ＝ＧＡＩＮ×ＥＲＲ （２）

Ａ＝ＡＰ＋ＡＩ （４）
ＡＦＣＲ＝ＦＣＲ×(１＋Ａ) （５）
（ここで、ＧＡＩＮは、所定の作用係数（単位なし）であり、ＥＲＲは、ＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ（ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆとＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆとの合計）測定値とＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ設定値との差であり、ｄｌは、マイクロプロセッサの処理時間（適宜、秒で表す）と測定間の時間間隔ＴＩ（適宜、秒で表す）との合計であり、記号ｎｅｗ及びｏｌｄは、それぞれ今回及び前回の測定を表す。）
ＦＣＲ値は、関係式（１）により得られたＦＣＲを換算係数（８．３４）で乗算し、１日あたりのポンドで表す。Ｘ、Ｙ及びＺの値は、メタノール存在下での溶存酸素、硝酸塩類、亜硝酸塩類の消費量を表す化学量論的な式により決定される。最良の形態に関しての詳細は後述する。本発明の一実施形態では、Ｘ値は例えば０．８１に、Ｙ値は例えば２．２５に、Ｚ値は例えば１．３５に設定する。ＧＡＩＮ値は、例えば０．２に設定する。ＴＩ値は、例えば４００秒に設定する。ＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ設定値は、０．２５ｍｇ／Ｌ〜１０．０ｍｇ／Ｌの範囲内の値に設定する。ｄｌ／ＴＩの商は、おおよそ１に等しい。ＡＩ_{（ｏｌｄ）}値及びＥＲＲ_{（ｏｌｄ）}値は、初期測定時には０に設定する。しかしながら、本発明は、上記の式に限定することも上記の式により限定されることも意図しない。これらの式は、本発明の好ましい実施形態を単に例示するためだけのものである。

本発明の他の態様では、汚水脱窒システムを提供する。このシステムは、流入流量（適宜、１日あたり百万ガロン単位で表す）Ｑを測定する流入流量計と、流入溶存酸素濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＤＯ_ｉｎ、流入硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ及び流入亜硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎを測定する流入濃度分析計と、流出硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ及び流出亜硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆを測定する流出濃度分析計（適宜）と、供給化学物質を制御された量で供給する供給化学物質制御装置と、を含んで構成される。供給化学物質制御装置は、流入濃度分析計及び流出濃度分析計（適宜）からの入力信号を受けた自動化制御ループから出力される１以上の出力信号に応答するように構成される。入力信号は、少なくともＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ及びＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎに、更に、適宜ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ及びＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆに、関連するように構成されている。更に、自動化制御ループは、ＤＯ_ｉｎに関連する入力信号を受けてもよい。更に、自動化制御ループは、Ｑに関連する入力信号を受けてもよい。また、供給化学物質を、流入流量の一部として供給してもよい。供給化学物質は、任意の炭素源を含んでもよく、この炭素源には、限定を意図するものではないが、酢酸、糖類、メタノール、エタノール等が含まれる。自動化制御ループは、所定の時間間隔ＴＩで入力信号を受けるように構成されてもよい。

更に、本発明の他の態様では、ろ床に付着する微生物に供給される供給化学物質の量を自動制御する方法を提供する。この方法は、（i）流入流量（適宜、１日あたり百万ガロン単位で表す）Ｑ、流入溶存酸素濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＤＯ_ｉｎ、流入硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ及び流入亜硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎを測定すること、（ii）供給化学物質要求量（ＦＣＲ）を、ステップ（i）で得られたＱ、ＤＯ_ｉｎ、ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ、ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎの値に一部基づいて求めること、（iii）流出硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ及び流出亜硝酸塩濃度（適宜、ｍｇ／Ｌで表す）ＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆを適宜測定すること、（iv）ステップ（iii）で得られたＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ及びＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆ（すなわちＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ）、並びにＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ（すなわち、ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆとＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆとの合計）測定値とＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ設定値との差であるＥＲＲに一部基づいて、調節供給化学物質要求量（ＡＦＣＲ）を適宜求めること、並びに（v）ステップ（i）、（ii）、（iii）及び（iv）を所定の時間間隔ＴＩで繰り返すこと、を含んで構成される。

本発明は、液流（代表的には汚水）の脱窒を行うシステム及び方法に関するものである。従来の脱窒システム、すなわち、供給化学物質（代表的にはメタノール）の添加量の計算を助けるための測定値である硝酸塩類の流入及び流出濃度の測定値に専ら依存し、供給化学物質添加量を「調節」するために熟練した作業者が「調節可能な」ファクター及び「感度」ファクターを決定する必要がある従来の脱窒システムとは異なり、本発明は、汚水処理プロセスで用いられるメタノールの添加量をより正確に決定するための硝酸塩類の流入及び流出濃度並びに溶存酸素の流入濃度の測定により得られる利点をも含む。つまり、本発明では、本明細書中に記載するように、作業者により決定されるファクターは必要とならない。更に、本発明には、流出測定が任意に適宜行われるシステムであって、これによりシステムの複雑さやコストを抑えることができるシステムを含む。

図１は、本発明の好ましい実施形態による脱窒システム１００のブロック図を示している。システム１００は、処理対象の液体（代表的には汚水）の流入流１０５を受け入れるように構成されている。流入流１０５は、まず流入流量計１１０にかけられる。この流入流量計１１０は、液体の流量を測定し、この測定結果に対応した流量信号を出力する。続いて、流入流１０５は、流入濃度分析計１１５にかけられる。この分析計１１５は、１以上の装置を含んで構成されてもよく、流入流中の硝酸塩類、亜硝酸塩類及び溶存酸素の濃度を測定し、各流入濃度に対応した信号を出力する。これらの信号は、その後、制御信号を供給するために流量信号と共に組み合わされてもよい。その後、流入流１０５は、処理プロセス１２０へ進む。この処理プロセス１２０では、汚水の処理が行われる。

処理プロセス１２０には、ろ過システムを含んでもよい。例えば、汚水から固形物質をろ過するために砂ろ過システムを用いてもよい。好ましい一実施形態として、処理プロセス１２０には、１又は複数の連続逆洗上向流砂ろ過システムを用いてもよい。適当な砂ろ過システムの例としては、米国特許第４，１２６，５４６号、第４，１９７，２０１号及び第４，２４６，１０２号を参照されたい。なお、これらの特許の内容は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。

処理プロセス１２０の一態様は、汚水の脱窒である。脱窒は、供給化学物質（代表的にはメタノール）を汚水に供給することにより行われる。上述のように、ろ床に付着する微生物は、メタノールを汚水中に存在する硝酸塩類及び亜硝酸塩類と共に消費して、窒素ガスを生成する。この窒素ガスは周辺の大気中へ自然に拡散する。このように、汚水中の窒素分相当量が取り除かれ、つまり「脱窒」が行われる。

本発明の好ましい実施形態では、供給化学物質としてメタノールを選択する。これは、メタノールが他の合成供給化学物質と比較して入手しやすく、コストがかからないためである。また、下流における流出水中のメタノール存在量は、最小限に抑える必要がある。したがって、本発明は、脱窒を所望のレベルで行うために必要なメタノールの量をより正確に決定すること、また、流出水中の存在が問題となりえるメタノールを過剰に供給しないことを実現するものである。

脱窒システムに導入されるメタノールにより、最初に流入水中の溶存酸素が次式で示されるように消費されることが知られている。
３Ｏ_２＋２ＣＨ_３ＯＨ＝２ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ
続いて、メタノールにより硝酸塩及び亜硝酸塩が還元される。この変換は、下記化学量論的な式で表される。
６ＮＯ_３ ^‐＋５ＣＨ_３ＯＨ＝３Ｎ_２＋５ＣＯ_２＋７Ｈ_２Ｏ＋６ＯＨ^‐、及び
２ＮＯ_２ ^‐＋ＣＨ_３ＯＨ＝Ｎ_２＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ＯＨ^‐
生成された窒素ガスは、大気中に拡散する。したがって、脱窒を完全に行うために必要なメタノールの化学量論的な量は、次式で与えられる。
ＣＨ_３ＯＨ＝０．７ＤＯ＋２．０ＮＯ_３‐Ｎ＋１．１ＮＯ_２‐Ｎ
（ここで、メタノール、流入溶存酸素、流入硝酸塩及び流入亜硝酸塩は、ｍｇ／Ｌで表される。）
実際のＸ、Ｙ及びＺの値は、最初に選択可能であり、また、必要があれば後々の変更も可能である。また、実際の値は、化学量論的に必要とされるものよりも数パーセント多くなることがある。

処理プロセス１２０の完了後、処理された汚水（処理水）は、流出濃度分析計１２５に適宜かけられる。この分析計１２５は、ろ過システムから放流された流出流１３０中の硝酸塩類及び亜硝酸塩類の濃度を適宜測定する。更に、分析計１２５は、流出硝酸塩及び流出亜硝酸塩の濃度にそれぞれ対応する信号を出力するように構成することもできる。

脱窒システム１００の態様では、処理プロセス１２０に供給されるメタノール添加量の決定が重要である。システム効率を最適化するために、計算して得られる量は可能な限り正確である必要がある。本発明では、複数の分析対象物を測定することにより、供給化学物質の必要量のより完全な実態が把握され、正確性を改善することができる。

図２は、処理プロセス１２０に供給されるメタノールの量を計算する方法を示すフローチャート２００である。最初に、ステップ２０５では、流入流量を、流入流量計１１０を用いて測定する。この第１の測定により、流量信号が出力される。この流量信号は、変数Ｑで表され、代表的には１日あたり百万ガロン単位で表されてもよい。第２のステップ２１０では、硝酸塩類、亜硝酸塩類及び溶存酸素の流入濃度を測定する。これにより、対応する信号が出力される。これらの信号は、代表的には、１リットルあたりのミリグラム（ｍｇ／Ｌ）単位で表され、次の変数で表現される。
溶存酸素の流入濃度＝ＤＯ_ｉｎ
硝酸塩類の流入濃度＝ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ
亜硝酸塩類の流入濃度＝ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎ

その後、ステップ２１５では、出力された信号を用いて、下記式（１）により、供給化学物質要求量（ＦＣＲ）の基準（nominal）値を計算する。
ＦＣＲ＝Ｑ[(Ｘ×ＤＯ_ｉｎ)＋(Ｙ×ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ)＋(Ｚ×ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎ)] (１)
（ここで、Ｘ、Ｙ及びＺは、代表的には０．７〜３．０の範囲の所定のファクター（単位なし）である。）
上述のように、脱窒を完全に行うために必要なメタノールの化学量論的な量には、Ｘ＝０．７、Ｙ＝２．０、Ｚ＝１．１が要求される。これらは最小値である。しかしながら、通常、化学量論的に反応を完了させるためには、過剰なメタノールが必要となる。したがって、化学量論的な要求量の最大で５０％にあたる過剰なメタノールが必要となることがある。通常は１０〜３０％の過剰分、好ましくは１５〜２０％の過剰分、が必要となることもある。したがって、本発明の一実施形態では、Ｘ＝０．９、Ｙ＝２．５、Ｚ＝１．５である。更に本発明の他の実施形態では、Ｘ＝０．８、Ｙ＝２．３、Ｚ＝１．４である。ＦＣＲ値は、初期値を換算係数（８．３４）で乗算することで、その単位を１日あたりのポンドに変換してもよい。

ステップ２２０では、硝酸塩類及び亜硝酸塩類の濃度について流出流を適宜測定する。再度、この測定結果にそれぞれ対応した信号が出力される。この信号は、次の変数で表してもよい。
硝酸塩類の流出濃度＝ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ
亜硝酸塩類の流出濃度＝ＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆ
硝酸塩類及び亜硝酸塩類の流出濃度の合計＝ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ＋ＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆ
＝ＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ
その後、ステップ２２５では、これらの信号（すなわちＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ）を用いて計算し、基準ＦＣＲ値を適宜調節する。その後、メタノールの値が、連続的な流入流と共に連続的に更新されるように、フローチャート２００による方法全体を連続的に繰り返す。

本発明の好ましい実施形態では、ＦＣＲ値の調節値は、比例積分（ＰＩ）ループを用いるフィードバックプロセスを適宜用いて決定される。調節値Ａは、比例成分ＡＰ及び積分成分ＡＩを含み、したがってＡ＝ＡＰ＋ＡＩとなる。比例成分ＡＰは、下記式（２）で規定される。
ＡＰ＝ＧＡＩＮ×ＥＲＲ (２)
（ここで、ＧＡＩＮは、認知されたエラーに応じた所望の反応の程度であり、ＥＲＲは、制御偏差であって、また流出設定値とプロセス値との差である。）
ここで、流出設定値は、硝酸塩類及び亜硝酸塩類の合計流出濃度の予測値であり、プロセス値は、硝酸塩類及び亜硝酸塩類の流出濃度の実測値の合計である。代表的には、流出設定値は、０．２５ｍｇ／Ｌ〜１０．０ｍｇ／Ｌの範囲内の値である。そのため、例えば、所定の時間では、流出設定値は０．５ｍｇ／Ｌ、硝酸塩類の実測流出濃度は、０．５ｍｇ／Ｌ、亜硝酸塩類の実測流出濃度は、０．４ｍｇ／Ｌ、であり、したがって、硝酸塩類及び亜硝酸塩類の合計流出濃度は、０．５ｍｇ／Ｌ＋０．４ｍｇ／Ｌ＝０．９ｍｇ／Ｌとなるため、ＥＲＲ＝０．９ｍｇ／Ｌ−０．５ｍｇ／Ｌ＝０．４ｍｇ／Ｌとなる。ＧＡＩＮ値は、代表的には０．２となる。したがって、この例では、ＡＰ＝０．２×０．４＝０．０８となる。

調節値の積分成分ＡＩは、下記式（３）で規定される。

ここで、ＴＩ＝（時間間隔又はリセット時間）＝（連続測定間の所定の時間間隔）である。例えば、ＴＩは、４００秒と等しくなるように設定される。ｄｌ＝（今回のスキャン時間）＝（内部システム機能）であり、これは、システムがすべてのプロセス変数を受け取った時点から機能を実行するために必要な時間である。今回のスキャン時間ｄｌは、ＴＩと実際の計算時間との合計である。これは、代表的にはミリ秒オーダーであり、例えば、約２０ミリ秒である。したがって、この例では、ｄｌ＝４００秒＋２０ミリ秒＝４００．０２０秒となる。したがって、ｄｌ／ＴＩの商は、通常は、１におおよそ等しく、しかしながら、常に１よりも僅かに大きく、つまり１と完全に等しくはならない。添え字の「ｎｅｗ」及び「ｏｌｄ」は、それぞれ今回と前回の計算を表す。したがって、積分成分ＡＩが今回計算されたものである場合は、ＡＩ_{（ｎｅｗ）}と表され、ＡＩ_{（ｏｌｄ）}は、４００秒前に計算されたＡＩの値であることを表す。

ＡＩ_{（ｏｌｄ）}及びＥＲＲ_{（ｏｌｄ）}の初期値は、通常０に設定される。そのため、上述の例による値をすべて式（３）に代入すると、次の結果が得られる。
ＡＩ_(ｎｅｗ)＝０＋０．２×(４００．０２０／４００)×[(０．５)×(０．４ｍｇ／Ｌ＋０)]＝０．０４０００２ｍｇ／Ｌ＝約０．０４ｍｇ／Ｌ
したがって、調節合計値Ａ＝ＡＰ＋ＡＩ＝０．０８＋０．０４＝０．１２となる。

調節量が所定の最大調節量を超えないように、合計調節値Ａを制限してもよい。例えば、特定の測定結果が前回までの測定による傾向から大きく外れた場合、測定異常又は測定エラーであるとみなすことができる。どの調節量についてもその最大量を制限することで、このような異常に対処することができる。ステップ２２５では、式（５）を用いて、ＡＦＣＲを、ＡＦＣＲ＝ＦＣＲ×（１＋０．１２）又はＦＣＲの１２％増、と計算する。

図３は、驚くべき予期不可能な結果を示している。これは、２４時間にわたり、流入硝酸塩類（赤／灰色の四角形）流入リン酸類（紺／黒色の菱形）及び流入溶存酸素（薄青／薄灰色の四角形）を測定した結果である。図中に示されるように、流入硝酸塩の濃度（ｍｇ／Ｌ）は、初期平均値（約５．０ｍｇ／Ｌ）から、値の低い正午平均値（約４．０ｍｇ／Ｌ）に減少し、その後、真夜中の数時間前から値の高い平均値（約５．５ｍｇ／Ｌ）へ向けて再び増加し始める。極めて予想外なことに、流入溶存酸素は、正午ピーク値（約２．７ｍｇ／Ｌ）まで増加し続け、その後次の５時間にわたって急激に減少する。したがって、流入硝酸塩類及び流入溶存酸素は、反対方向へ推移する。流入硝酸塩類の濃度のみを測定する作業者では、「調節可能」ファクター又は「感度」ファクターを用いたとしても、流入溶存酸素の予測不能な上昇を把握できず、したがって、所望のレベルの脱窒を達成するために必要なメタノールの適量を小さく見積もってしまう虞がある。

本発明は、出願時に考えうる好ましい実施形態をもって開示されており、本発明はここで開示した実施形態に限定されるものではない。これに関し、本発明は、特許請求の範囲に含まれる種々の修正や均等物による変更をもその範囲に含むことを意図している。特許請求の範囲は、このような変更並びに等価な構造及び機能のすべてを含むものとして広範囲に解釈されることを意図している。

本発明の好ましい実施形態による脱窒システムのブロック図を示す。 本発明の好ましい実施形態による、脱窒システムに供給されるメタノールの添加量を計算する方法を示すフローチャートを示す。 流入硝酸塩、流入リン酸塩、及び流入溶存酸素の流入濃度について観測される日変化を、色と形によってプロットした図を示す。

Claims (16)

1. 汚水処理システムの水脱窒プロセスであって、
   前記汚水処理システムは、
   流入及び流出水流と、
   ろ床に付着する微生物と、
   フィードフォワード制御ループ及びフィードバック制御ループと、
   を含んで構成され、
   前記水脱窒プロセスは、
   流入流量Ｑ、流入溶存酸素濃度ＤＯ_ｉｎ、流入硝酸塩濃度ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ、及び流入亜硝酸塩濃度ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎ、を測定すること、
   下記フィードフォワード制御ループ関係式（１）を用いて供給化学物質要求量（ＦＣＲ）を求めること、
   ＦＣＲ＝Ｑ［（Ｘ×ＤＯ_ｉｎ）＋（Ｙ×ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ）＋（Ｚ×ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎ）
   （１）
   （ここで、Ｘ、Ｙ及びＺは、０．７〜３．０の範囲の所定のファクター（単位なし）である。）
   流出硝酸塩濃度ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ、及び流出亜硝酸塩濃度ＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆ、を測定すること、並びに
   下記フィードバック制御ループ関係式（２）、（３）及び（４）並びに下記関係式（５）を用いて調節供給化学物質要求量（ＡＦＣＲ）を求めること
   を含んで構成され、
   供給化学物質が、メタノールである
   ことを特徴とする水脱窒プロセス。
   ＡＰ＝ＧＡＩＮ×ＥＲＲ （２）
   Ａ＝ＡＰ＋ＡＩ （４）
   ＡＦＣＲ＝ＦＣＲ×（１＋Ａ） （５）
   （ここで、ＧＡＩＮは、所定の作用係数（単位なし）であり、ＥＲＲは、ＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ測定値とＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ設定値との差であり、ＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆは、ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆとＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆとの合計であり、ｄｌは、マイクロプロセッサの処理時間と測定間の時間間隔ＴＩとの合計であり、記号ｎｅｗ及びｏｌｄは、それぞれ今回及び前回の測定を表す。）
2. 前記ＦＣＲは、前記関係式（１）により得られるＦＣＲ値を換算係数（８．３４）で乗算することにより、１日あたりのポンドで表される請求項１に記載の水脱窒プロセス。
3. 前記Ｘ、Ｙ及びＺの値は、化学量論により得られる値に設定される請求項１に記載の水脱窒プロセス。
4. 前記Ｘ、Ｙ及びＺの値は、化学量論により得られる値よりも１５％大きく設定される請求項１に記載の水脱窒プロセス。
5. 前記Ｘ、Ｙ及びＺの値は、化学量論により得られる値よりも３０％大きく設定される請求項１に記載の水脱窒プロセス。
6. 前記ＧＡＩＮは、０．２に設定される請求項１に記載の水脱窒プロセス。
7. 前記ＴＩは、４００秒に設定される請求項１に記載の水脱窒プロセス。
8. 前記ＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ設定値は、０．２５ｍｇ／Ｌ〜１０．０ｍｇ／Ｌの範囲内の値に設定される請求項１に記載の水脱窒プロセス。
9. 前記ｄｌ／ＴＩの商は、１より（前記マイクロプロセッサの処理時間）／（前記ＴＩ）の商だけ大きい請求項１に記載の水脱窒プロセス。
10. 前記ＡＩ_{（ｏｌｄ）}値及び前記ＥＲＲ_{（ｏｌｄ）}値は、初期測定時には０に設定される請求項１に記載の水脱窒プロセス。
11. 流入流量Ｑを測定する流入流量計と、
    流入溶存酸素濃度ＤＯ_ｉｎ、流入硝酸塩濃度ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ及び流入亜硝酸塩濃度ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎを測定する流入濃度分析計と、
    流出硝酸塩濃度ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ及び流出亜硝酸塩濃度ＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆを測定する流出濃度分析計と、
    供給化学物質を制御された量で供給する供給化学物質制御装置であって、前記流入濃度分析計及び前記流出濃度分析計からの少なくともＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ、ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎ、ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ及びＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆに関連する入力信号を受ける自動化制御ループから出力される１以上の出力信号に応答する前記供給化学物質制御装置と、
    を含んで構成され、
    前記供給化学物質が、メタノールであり、
    前記自動化制御ループが、
    前記流入濃度分析計、前記流出濃度分析計及び前記流入流量計からの少なくともＮＯ _３ ‐Ｎ _ｉｎ 、ＮＯ _２ ‐Ｎ _ｉｎ 、ＤＯ _ｉｎ 、ＮＯ _３ ‐Ｎ _ｅｆｆ 、ＮＯ _２ ‐Ｎ _ｅｆｆ 及びＱに関連する入力信号を連続測定間の時間間隔ＴＩで受け、
    下記フィードフォワード制御ループ関係式（１）を用いて供給化学物質要求量（ＦＣＲ）を求め、
    ＦＣＲ＝Ｑ［（Ｘ×ＤＯ _ｉｎ ）＋（Ｙ×ＮＯ _３ ‐Ｎ _ｉｎ ）＋（Ｚ×ＮＯ _２ ‐Ｎ _ｉｎ ）
    （１）
    （ここで、Ｘ、Ｙ及びＺは、０．７〜３．０の範囲の所定のファクター（単位なし）である。）
    下記フィードバック制御ループ関係式（２）、（３）及び（４）並びに下記関係式（５）を用いて調節供給化学物質要求量（ＡＦＣＲ）を求める
    ことを特徴とする汚水脱窒システム。
    ＡＰ＝ＧＡＩＮ×ＥＲＲ （２）
    Ａ＝ＡＰ＋ＡＩ （４）
    ＡＦＣＲ＝ＦＣＲ×（１＋Ａ） （５）
    （ここで、ＧＡＩＮは、所定の作用係数（単位なし）であり、ＥＲＲは、ＮＯ _ｘ ‐Ｎ _ｅｆｆ 測定値とＮＯ _ｘ ‐Ｎ _ｅｆｆ 設定値との差であり、ＮＯ _ｘ ‐Ｎ _ｅｆｆ は、ＮＯ _３ ‐Ｎ _ｅｆｆ とＮＯ _２ ‐Ｎ _ｅｆｆ との合計であり、ｄｌは、マイクロプロセッサの処理時間と前記時間間隔ＴＩとの合計であり、記号ｎｅｗ及びｏｌｄは、それぞれ今回及び前回の測定を表す。）
12. 前記自動化制御ループは、前記流入濃度分析計からのＤＯ_ｉｎに関連する入力信号を受ける請求項１１に記載の汚水脱窒システム。
13. 前記自動化制御ループは、前記流入流量計からのＱに関連する入力信号を受ける請求項１１に記載の汚水脱窒システム。
14. 前記供給化学物質は、前記流入流の一部として供給される請求項１１に記載の汚水脱窒システム。
15. 前記自動化制御ループは、連続測定間の時間間隔ＴＩで入力信号を受ける請求項１１に記載の汚水脱窒システム。
16. ろ床に付着する微生物に供給される供給化学物質の量を自動制御する方法であって、
    （ｉ）流入流量Ｑ、流入溶存酸素濃度ＤＯ_ｉｎ、流入硝酸塩濃度ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ及び流入亜硝酸塩濃度ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎを測定すること、
    （ｉｉ）供給化学物質要求量（ＦＣＲ）を、ステップ（ｉ）で得られたＱ、ＤＯ_ｉｎ、ＮＯ_３‐Ｎ_ｉｎ、ＮＯ_２‐Ｎ_ｉｎの値に基づいて求めること、
    （ｉｉｉ）流出硝酸塩濃度ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ及び流出亜硝酸塩濃度ＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆを測定すること、
    （ｉｖ）ステップ（ｉｉｉ）で得られたＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆ及びＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆ、並びにＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ測定値とＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆ設定値との差であるＥＲＲに基づいて、調節供給化学物質要求量（ＡＦＣＲ）を求めること、ここで、ＮＯ_ｘ‐Ｎ_ｅｆｆは、ＮＯ_３‐Ｎ_ｅｆｆとＮＯ_２‐Ｎ_ｅｆｆとの合計であり、並びに
    （ｖ）ステップ（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）及び（ｉｖ）を連続測定間の時間間隔ＴＩで繰り返すこと、
    を含んで構成され、
    前記供給化学物質が、メタノールであり、
    前記供給化学物質要求量（ＦＣＲ）を、下記フィードフォワード制御ループ関係式（１）を用いて求め、
    ＦＣＲ＝Ｑ［（Ｘ×ＤＯ _ｉｎ ）＋（Ｙ×ＮＯ _３ ‐Ｎ _ｉｎ ）＋（Ｚ×ＮＯ _２ ‐Ｎ _ｉｎ ）
    （１）
    （ここで、Ｘ、Ｙ及びＺは、０．７〜３．０の範囲の所定のファクター（単位なし）である。）
    前記調節供給化学物質要求量（ＡＦＣＲ）を、下記フィードバック制御ループ関係式（２）、（３）及び（４）並びに下記関係式（５）を用いて求める
    ことを特徴とする方法。
    ＡＰ＝ＧＡＩＮ×ＥＲＲ （２）
    Ａ＝ＡＰ＋ＡＩ （４）
    ＡＦＣＲ＝ＦＣＲ×（１＋Ａ） （５）
    （ここで、ＧＡＩＮは、所定の作用係数（単位なし）であり、ｄｌは、マイクロプロセッサの処理時間と測定間の時間間隔ＴＩとの合計であり、記号ｎｅｗ及びｏｌｄは、それぞれ今回及び前回の測定を表す。）