JP5259365B2 - 浄水場におけるｐＨ制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、取水された原水に対し着水井でｐＨ調整用薬品を注入し、ｐＨを目標値に調整して塩素や凝集剤を注入する、浄水場におけるｐＨ制御装置に関する。
浄水場では河川や貯水池などの水源から原水を取水し、凝集、フロック形成、沈殿、ろ過および殺菌の５つの単位プロセスによって、懸濁質とコロイド質を除去すると共に、細菌等を無害化し、清澄な水道水として需要家に供給している。一般に浄水処理（凝集、フロック形成、沈殿、ろ過による一連の除濁処理）では凝集剤を用いる（例えば、特許文献１参照）。
この凝集剤の効果は、さまざまな物理的、生物化学的な影響を受け、最適凝集条件は、多くの因子によって定まる複雑な平衡の上に成り立っている。例えば、夏季において浄水場の取水河川の流量が低下し、河川水中や河床に付着している藻類の光合成が活発化することでｐＨが上昇した場合、凝集効果が低下することが知られている。
この場合、ｐＨ調整用薬品の注入率一定注入や原水流量による比例注入が行われているが、原水水質の変動に応じた注入率の最適化が難しく、凝集剤の大量注入が必要となり、コストが増大するとともに、凝集特性も悪化し、さらには排水処理における汚泥の発生量が増大するという問題があった。
特開平８−２４５１５号公報
このように、原水のｐＨの値が凝集効果に影響を与えるので、原水の水質に応じてｐＨ調整用薬品を適切に注入し、処理対象水のｐＨを最適に調整する必要がある。
本発明の目的は、原水水質の変動に応じてｐＨ調整用薬品の注入率を最適化することで浄水プロセス全体のコストを低減し、安定した水質を提供する浄水場におけるｐＨ制御装置を提供することにある。
本発明は、取水された原水に対し着水井でｐＨ調整用薬品を注入し、ｐＨを目標値に調整して、塩素や凝集剤を注入する浄水場におけるｐＨ制御装置であって、現在注入しているｐＨ調整用薬品の注入率と着水井のアルカリ度から時間差を考慮して原水アルカリ度推定値を演算すると共に、着水井の全炭酸濃度を演算し、前記着水井の全炭酸濃度、前記原水アルカリ度推定値、及び原水ｐＨ実測値から原水の緩衝能を演算し、この緩衝能と、原水ｐＨの実測値と目標値との差とから、ｐＨ調整用薬品の最適注入率を算出するフィードフォワード演算手段を備えたことを特徴とする。
さらに、フィードフォワード演算手段は、着水井でのアルカリ度と現在注入されている塩素や凝集剤の注入率とから、被処理水のアルカリ度を推定し、被処理水のｐＨ設定値に基き着水井の全炭酸濃度を用いて算出される目標とすべきアルカリ度を推定し、これら両アルカリ度推定値の差からｐＨ調整用薬品の最適注入率を算出してもよい。
これらの発明では、フィードフォワード演算手段により、原水から測定される原水水質値に基き、予め定められた演算則により前記被処理水のｐＨを最適化するｐＨ調整用薬品の注入率を求め、ｐＨ調整用薬品の今回注入率として出力するので、原水水質の変化に応じた費用対効果の高い最適なｐＨ制御を行うことができる。
本発明によれば、ｐＨ調整用薬品を原水水質変化に応じて自動的に注入すると共に、フィードフォワード制御により、ｐＨ調整用薬品注入の最適化を実現するので、運転監視の労力が低減し、薬品コスト等の維持管理の効果が大きい。
以下、本発明による浄水場におけるｐＨ制御装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は本実施の形態によるｐＨ制御装置の構成例を示すブロック図である。図１において、１１は浄水場の着水井で、河川などの水源１２から、図示しない取水ポンプによって取水された原水が着水する。この着水井１１の吐出側は、急速攪拌池（以下、急攪池と略称する）１３に連結している。
この着水井１１には、硫酸等のｐＨ調整用薬品（以下、硫酸として説明する）の注入設備１６が設けられており、着水した原水に対し、所定の注入率（その求め方については後述する）により硫酸が注入される。また、この着水井１１から急攪池１３までの間には、塩素及び凝集剤の注入設備１４，１５がそれぞれ設けられ、塩素及び凝集剤が所定の注入率で注入される。急攪池１３は、これら注入された塩素及び凝集剤を攪拌し、図示しない後続の処理設備に被処理水として供給する。
１７は原水水質計器で、水源１２から着水井１１に取水される原水の水質（ｐＨ、アルカリ度、水温等）を測定する。１８は着水井の水質計器で、着水井１１でのｐＨ、濁度、水温、アルカリ度等を測定する。１９は急攪池の水質計器で、急攪池１３における被処理水のｐＨを測定する。
２１は演算装置で、各水質計器１７，１８，１９の測定値を入力し、後述する各種設定値とから所定の演算により、硫酸の注入率Ｓｎを求め、硫酸注入設備１６に出力する。この演算装置２１は、フィードフォワード演算手段２２と、フィードバック演算手段２３と、これらの合成制御手段２４とで構成される。
フィードフォワード演算手段２２には、原水水質計器１７で測定された原水水質（ｐＨ、アルカリ度、水温等）が入力される。このほか、目標ｐＨの値、前記注入器１４，１５で注入される塩素や凝集剤などの各薬品の注入率、後述する図２で示す注入率演算用近似曲線に関するデータが入力される。そして、このフィードフォワード演算手段２２は、原水から測定される原水水質値に基き、予め定められた演算則により前記被処理水のｐＨを最適化する硫酸（ｐＨ調整用薬品）の注入率Ｓｆを求める。
フィードバック演算手段２３には、急攪池の水質計１９で測定された被処理水のｐＨ値が入力されるとともに、この被処理水に対する設定値（目標ｐＨ値）が入力されている。このほか、着水井の水質計器１８によって測定されたｐＨ、濁度、水温、アルカリ度等が入力されている。そして、このフィードバック演算手段２３は、塩素及び凝集剤注入後における急攪池１３での被処理水のｐＨ実測値と目標とする設定値との差分から、硫酸（ｐＨ調整用薬品）の注入率Ｓｂを求める。
合成制御手段２４には、フィードフォワード演算手段２２により求めた硫酸注入率Ｓｆ及びフィードバック演算手段２３で求めた硫酸の注入率Ｓｂが入力されており、これらを基に合成制御を行う。すなわち、以下の（１）式で示すように、各注入率Ｓｆ、Ｓｂに対して所定の重み係数をかけて合成し、硫酸（ｐＨ調整用薬品）の今回注入率Ｓｎを求め、これを硫酸注入設備１６に出力する。
Ｓｎ ＝ ｗ１×Ｓｆ ＋ ｗ２×Ｓｂ ・・・ （１）
ここで、
Ｓｎ；今回硫酸注入率演算値 （ｍｇ／Ｌ ａｓ Ｈ２ＳＯ４）
ｗ１；フィードフォワード重み係数
ｗ２；フィードバック 重み係数
次に、上記各演算手段２２，２３の具体的な演算手法について説明する。先ずフィードバック演算手段２３による演算手法について説明する。
ここで、
Ｓｎ；今回硫酸注入率演算値 （ｍｇ／Ｌ ａｓ Ｈ２ＳＯ４）
ｗ１；フィードフォワード重み係数
ｗ２；フィードバック 重み係数
次に、上記各演算手段２２，２３の具体的な演算手法について説明する。先ずフィードバック演算手段２３による演算手法について説明する。
このフィードバック制御による演算手法では、急攪池１３での水質計器１９によるｐＨ実測値ｐＨｐｖとｐＨ設定値ｐＨｓｖとによってフィードバック制御を行う。
注入率演算は、次に示す（２）〜（４）式によって行う。
Ｓｂ＝Ｋｐ・｛（ｅｎ−ｅｎ−１）＋Δｔ／Ｔｉ・ｅｎ｝・Ｋｂ＋Ｓｎ−１＋Ｓｂｆ ・・・（２）
ｅｎ＝β・（ｐＨｐｖ − ｐＨｓｖ） ・・・（３）
Ｓｂｆ＝−（Ｐａｃｎ−Ｐａｃｎ−１）・Ｋｐａｃ −（Ｃｌｎ―Ｃｌｎ−１）・Ｋｃｌ・・・（４）
ここで、
Ｓｂ；今回フィードバック硫酸注入率演算値 ｍｇ／Ｌ
Ｓｎ−１；前回硫酸注入率演算値 ｍｇ／Ｌ
ｐＨｓｖ；急速攪拌池ｐＨ設定値
ｐＨｐｖ；急速攪拌池ｐＨ実測値ｎ分平均値
β ；被処理水のもつ緩衝能 ｍｇ／Ｌ ａｓ ＣａＣＯ３
ｅｎ ；今回制御周期入力偏差
ｅｎ−１；前回制御周期入力偏差
Ｋｐ；比例ゲイン
Ｔｉ ；積分時間
Δｔ；制御周期（分）
Ｋｂ ；硫酸のアルカリ度換算係数 （＝９８／１００）
Ｓｂｆ；ＰＡＣ（凝集剤：硫酸ばんど）と塩素の注入率変動に対する補償分ｍｇ／Ｌ
Ｐａｃｎ；今回のＰＡＣ注入率 ｍｇ／Ｌ
Ｐａｃｎ−１；前回のＰＡＣ注入率 ｍｇ／Ｌ
Ｋｐａｃ；ＰＡＣのアルカリ度換算係数
Ｃｌｎ；今回の前塩素注入率 ｍｇ／Ｌ
Ｃｌｎ−１；前回の前塩素注入率 ｍｇ／Ｌ
Ｋｃｌ；塩素のアルカリ度換算係数
なお，緩衝能βとは，酸・アルカリを注入したときのｐＨの変化のしにくさを示す値で、次のように（５）〜（１５）で表せる。
ｅｎ＝β・（ｐＨｐｖ − ｐＨｓｖ） ・・・（３）
Ｓｂｆ＝−（Ｐａｃｎ−Ｐａｃｎ−１）・Ｋｐａｃ −（Ｃｌｎ―Ｃｌｎ−１）・Ｋｃｌ・・・（４）
ここで、
Ｓｂ；今回フィードバック硫酸注入率演算値 ｍｇ／Ｌ
Ｓｎ−１；前回硫酸注入率演算値 ｍｇ／Ｌ
ｐＨｓｖ；急速攪拌池ｐＨ設定値
ｐＨｐｖ；急速攪拌池ｐＨ実測値ｎ分平均値
β ；被処理水のもつ緩衝能 ｍｇ／Ｌ ａｓ ＣａＣＯ３
ｅｎ ；今回制御周期入力偏差
ｅｎ−１；前回制御周期入力偏差
Ｋｐ；比例ゲイン
Ｔｉ ；積分時間
Δｔ；制御周期（分）
Ｋｂ ；硫酸のアルカリ度換算係数 （＝９８／１００）
Ｓｂｆ；ＰＡＣ（凝集剤：硫酸ばんど）と塩素の注入率変動に対する補償分ｍｇ／Ｌ
Ｐａｃｎ；今回のＰＡＣ注入率 ｍｇ／Ｌ
Ｐａｃｎ−１；前回のＰＡＣ注入率 ｍｇ／Ｌ
Ｋｐａｃ；ＰＡＣのアルカリ度換算係数
Ｃｌｎ；今回の前塩素注入率 ｍｇ／Ｌ
Ｃｌｎ−１；前回の前塩素注入率 ｍｇ／Ｌ
Ｋｃｌ；塩素のアルカリ度換算係数
なお，緩衝能βとは，酸・アルカリを注入したときのｐＨの変化のしにくさを示す値で、次のように（５）〜（１５）で表せる。
すなわち、着水井１１の水質計器１８からの各測定値（アルカリ度、水温等）等に基いて緩衝能βを求め、この緩衝能βを用いて設定値ｐＨｓｖ及びｐＨ実測値ｐＨｐｖから、補償分を加味して注入率Ｓｂを求めている。
次に、フィードフォワード演算手段２２による演算手法を説明する。このフィードフォワード演算手段２２による演算手法は３種類ある。先ず、第１の演算手法を説明する。
この第１の演算手法では、先ず、原水水質計器１７により原水水質を測定し、フィードフォワード演算手段２２に入力する。予め演算則を持つ演算手段２２は、その原水水質に従う最適な注入率Ｓｆを算出する。
ここで、ｐＨ調整用薬品である硫酸の注入率は、図２で示す原水ｐＨおよびアルカリ度の実測値と、予め決められたグラフによって決定する。
グラフは３ケースのアルカリ度（ＡＬＫ６０，ＡＬＫ４０，ＡＬＫ２０）について、硫酸注入率−ｐＨ曲線をそれぞれ入力して作成したもので、演算手段２２設定されている。ここでは、設定されたアルカリ度を２０，４０，６０として説明する。
硫酸注入率Ｓｆは以下の手順により求める。
原水ＡＬＫに近い２本のグラフを選ぶ。原水ｐＨと目標ｐＨに相当する硫酸注入率を各々のグラフから求める（図中Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）。これらＡ，ＢからＰ点を，Ｃ，ＤからのＱ点を求める。
原水ＡＬＫに近い２本のグラフを選ぶ。原水ｐＨと目標ｐＨに相当する硫酸注入率を各々のグラフから求める（図中Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）。これらＡ，ＢからＰ点を，Ｃ，ＤからのＱ点を求める。
例） 原水の実測されたアルカリ度が５０（ＡＬＫ５０）のとき：
原水ｐＨと、原水アルカリ度（５０）に近い２本のグラフＡＬＫ４０，ＡＬＫ６０との交点Ａ，Ｂを結ぶ線分ＡＢを１：１に内分した点をＰ、目標ｐＨとＡＬＫ４０，ＡＬＫ６０の交点Ｃ，Ｄを結ぶ線分ＣＤを１：１に内分した点をＱとする。
（Ｑの注入率‐Ｐの注入率）を原水に対する硫酸注入率Ｘとする。
塩素や凝集剤などの薬品による補正項Ｙを求める。
原水ｐＨと、原水アルカリ度（５０）に近い２本のグラフＡＬＫ４０，ＡＬＫ６０との交点Ａ，Ｂを結ぶ線分ＡＢを１：１に内分した点をＰ、目標ｐＨとＡＬＫ４０，ＡＬＫ６０の交点Ｃ，Ｄを結ぶ線分ＣＤを１：１に内分した点をＱとする。
（Ｑの注入率‐Ｐの注入率）を原水に対する硫酸注入率Ｘとする。
塩素や凝集剤などの薬品による補正項Ｙを求める。
Ｙ＝Ｋａ（Ｋｐａｃ×凝集剤実注入率＋Ｋｃｌ×前塩実注入率）
Ｋｐａｃ；凝集剤のアルカリ度換算係数
Ｋｃｌ；塩素のアルカリ度換算係数
Ｓｆ＝ａＸ‐ｂＹ＋ｃとする。
Ｋｐａｃ；凝集剤のアルカリ度換算係数
Ｋｃｌ；塩素のアルカリ度換算係数
Ｓｆ＝ａＸ‐ｂＹ＋ｃとする。
ａ ；（手動設定値，０．０≦ ａ≦２．０）
ｂ ；（手動設定値，０．０≦ ｂ≦２．０）
ｃ ；（手動設定値，−５．０≦ ｃ≦５．０）
Ｓｆ；今回フィードフォワード硫酸注入率演算値 ｍｇ／Ｌ
ここで、手動設定値ａ，ｂ，ｃは、注入率の偏りを経験的に補正するための係数である。すなわち、フィードフォワード制御では、原水水質やセンサーの応答等、現場の状況によって注入率が高めになったり低めになったりする偏りが生じることがあるので、係数ａ，ｂ，ｃは、この偏りを経験的に補正するために設定される。
ｂ ；（手動設定値，０．０≦ ｂ≦２．０）
ｃ ；（手動設定値，−５．０≦ ｃ≦５．０）
Ｓｆ；今回フィードフォワード硫酸注入率演算値 ｍｇ／Ｌ
ここで、手動設定値ａ，ｂ，ｃは、注入率の偏りを経験的に補正するための係数である。すなわち、フィードフォワード制御では、原水水質やセンサーの応答等、現場の状況によって注入率が高めになったり低めになったりする偏りが生じることがあるので、係数ａ，ｂ，ｃは、この偏りを経験的に補正するために設定される。
このように、第１の演算手法では、原水ｐＨ及び原水アルカリ度の実測値を水質計器１７から入力し、図２で示すように、予め求められた、複数のアルカリ度における硫酸（ｐＨ調整用薬品）注入率と原水ｐＨとの変化の関係を用い、前記原水アルカリ度実測値における原水ｐＨ実測値を目標値に変化させるための硫酸（ｐＨ調整用薬品）注入率Ｓｆを演算により求めている。
次に第２の演算手法を説明する。この演算手法では、原水ｐＨと取水の緩衝能予測値とから注入率Ｓｆを求めている。
前述したフィードバック制御の項で述べた水質の演算を利用し、水温と、アルカリ度、ｐＨ、全炭酸濃度の３種のうちのいずれか２種類が既知である場合、残りの１種類が演算で求められることを利用する。
この場合の手順は，次のようになる；
（１）現在注入している硫酸の注入率と，着水井のアルカリ度から，時間差を考慮して，原水アルカリ度推定値を演算する。
（２）着水井の全炭酸濃度Ｃを演算する。
（３）着水井の全炭酸濃度は原水と同値であると仮定し、（２）で求めた着水井の全炭酸濃度、（１）で求めた原水アルカリ度推定値、計測している原水ｐＨ実測値、の各値より、原水の緩衝能βを演算する。
（１）現在注入している硫酸の注入率と，着水井のアルカリ度から，時間差を考慮して，原水アルカリ度推定値を演算する。
（２）着水井の全炭酸濃度Ｃを演算する。
（３）着水井の全炭酸濃度は原水と同値であると仮定し、（２）で求めた着水井の全炭酸濃度、（１）で求めた原水アルカリ度推定値、計測している原水ｐＨ実測値、の各値より、原水の緩衝能βを演算する。
硫酸注入率Ｓｆは、次の（１６）式で求める。
Ｓｆ＝β×（ｐＨ原水ｐｖ − ｐＨｓｖｆｆ）×Ｋｂ −−−−−−−−−− （１６）
ここで、
ｐＨ原水ｐｖ；原水ｐＨ実測値ｎ分平均
ｐＨｓｖｆｆ；フィードフォワード用ｐＨ目標値 （ＰＡＣ，塩素による後段のｐＨ変化を考慮し、設定される値）
このように第２の演算手法では、着水井での全炭酸濃度と原水のアルカリ度及び原水ｐＨから原水の緩衝能を演算し、この緩衝能と、原水ｐＨの実測値と目標値との差とから、ｐＨ調整用薬品の最適注入率Ｓｆを算出している。
Ｓｆ＝β×（ｐＨ原水ｐｖ − ｐＨｓｖｆｆ）×Ｋｂ −−−−−−−−−− （１６）
ここで、
ｐＨ原水ｐｖ；原水ｐＨ実測値ｎ分平均
ｐＨｓｖｆｆ；フィードフォワード用ｐＨ目標値 （ＰＡＣ，塩素による後段のｐＨ変化を考慮し、設定される値）
このように第２の演算手法では、着水井での全炭酸濃度と原水のアルカリ度及び原水ｐＨから原水の緩衝能を演算し、この緩衝能と、原水ｐＨの実測値と目標値との差とから、ｐＨ調整用薬品の最適注入率Ｓｆを算出している。
次に、第３の演算手法を説明する。この演算手法は、急攪池１３のｐＨ設定値を急攪アルカリ度に置き換えて演算する方法である。
この手法の場合も、前述したフィードバック制御の項で述べた水質の演算を利用し、水温と、アルカリ度、ｐＨ、全炭酸濃度の３種のうちのいずれか２種類が既知である場合、残りの１種類が演算で求められることを利用する。
この場合の手順は，次のようになる；
（１）着水井の全炭酸濃度を演算する。
（２）現在注入している塩素、凝集剤である硫酸ばんどの注入率と、着水井のアルカリ度から、時間差を考慮して急攪池アルカリ度推定値ＡＬＫｘｘを演算する。
（３）一方，急攪池１３のｐＨ設定値、急攪池１３の残留塩素濃度実測値、（１）で求めた着水井の全炭酸濃度から、急攪池の目標とすべきアルカリ度ＡＬＫｓｖｆｆを推定する。
（４）ΔＡＬＫ＝ＡＬＫｘｘ − ＡＬＫｓｖｆｆより、
Ｓｆ ＝ ΔＡＬＫ・Ｋｂ ＋ Ｓｎ−１ ・・・（１７）
このように、第３の演算手法では、着水井１１でのアルカリ度と現在注入されている塩素、凝集剤の注入率とから、急攪池１３における被処理水のアルカリ度ＡＬＫｘｘを推定し、被処理水のｐＨ設定値に基き着水井１１の全炭酸濃度Ｃを用いて算出された目標とすべきアルカリ度ＡＬＫｓｖｆｆを推定し、これら両アルカリ度推定値の差ΔＡＬＫからｐＨ調整用薬品の最適注入率Ｓｆを算出している。
（１）着水井の全炭酸濃度を演算する。
（２）現在注入している塩素、凝集剤である硫酸ばんどの注入率と、着水井のアルカリ度から、時間差を考慮して急攪池アルカリ度推定値ＡＬＫｘｘを演算する。
（３）一方，急攪池１３のｐＨ設定値、急攪池１３の残留塩素濃度実測値、（１）で求めた着水井の全炭酸濃度から、急攪池の目標とすべきアルカリ度ＡＬＫｓｖｆｆを推定する。
（４）ΔＡＬＫ＝ＡＬＫｘｘ − ＡＬＫｓｖｆｆより、
Ｓｆ ＝ ΔＡＬＫ・Ｋｂ ＋ Ｓｎ−１ ・・・（１７）
このように、第３の演算手法では、着水井１１でのアルカリ度と現在注入されている塩素、凝集剤の注入率とから、急攪池１３における被処理水のアルカリ度ＡＬＫｘｘを推定し、被処理水のｐＨ設定値に基き着水井１１の全炭酸濃度Ｃを用いて算出された目標とすべきアルカリ度ＡＬＫｓｖｆｆを推定し、これら両アルカリ度推定値の差ΔＡＬＫからｐＨ調整用薬品の最適注入率Ｓｆを算出している。
１１ 着水井
１２ 水源
１３ 急速攪拌池
１６ ｐＨ調整用薬品注入設備
１７ 原水水質計器
１８ 着水井の水質計器
１９ 急攪池の水質計器
２２ フィードフォワード演算手段
２３ フィードバック演算手段
２４ 合成制御手段
１２ 水源
１３ 急速攪拌池
１６ ｐＨ調整用薬品注入設備
１７ 原水水質計器
１８ 着水井の水質計器
１９ 急攪池の水質計器
２２ フィードフォワード演算手段
２３ フィードバック演算手段
２４ 合成制御手段
Claims (2)
- 取水された原水に対し着水井でｐＨ調整用薬品を注入し、ｐＨを目標値に調整して、塩素や凝集剤を注入する浄水場におけるｐＨ制御装置であって、
現在注入しているｐＨ調整用薬品の注入率と着水井のアルカリ度から時間差を考慮して原水アルカリ度推定値を演算すると共に、着水井の全炭酸濃度を演算し、前記着水井の全炭酸濃度、前記原水アルカリ度推定値、及び原水ｐＨ実測値から原水の緩衝能を演算し、この緩衝能と、原水ｐＨの実測値と目標値との差とから、ｐＨ調整用薬品の最適注入率を算出するフィードフォワード演算手段を備えたことを特徴とする浄水場におけるｐＨ制御装置。 - 取水された原水に対し着水井でｐＨ調整用薬品を注入し、ｐＨを目標値に調整して、塩素や凝集剤を注入する浄水場におけるｐＨ制御装置であって、
着水井でのアルカリ度と現在注入されている塩素や凝集剤の注入率とから、被処理水のアルカリ度を推定し、被処理水のｐＨ設定値に基き着水井の全炭酸濃度を用いて算出される目標とすべきアルカリ度を推定し、これら両アルカリ度推定値の差からｐＨ調整用薬品の最適注入率を算出するフィードフォワード演算手段を備えたことを特徴とする浄水場におけるｐＨ制御装置。
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2008
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