JP5685504B2 - 水処理システムおよびその曝気風量制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、下水処理設備等に設けられる、好気槽を含む生物反応槽を備えた水処理システムに関する。特に、上記水処理システムにおいて、好気槽の曝気風量の制御に関する。
従来、生活排水などの下水の水処理システムの一つとして、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ：Membrane Bio-Reactor）で処理することにより再生水を製造する再生水製造システムが知られている。このような再生水製造システムは、例えば、原水（流入下水）を貯溜する原水槽と、原水と活性汚泥が混合した活性汚泥混合液（以下、単に「混合液」ともいう）中の汚濁物質を生物処理する一連の生物反応槽と、混合液から汚泥を膜分離する膜分離槽と、混合液から分離された処理水が流入する濾過水槽とを備えている。一連の生物反応槽には、嫌気槽、無酸素槽および好気槽などが含まれ、これらの反応槽で、炭素系有機物、窒素含有化合物、リン含有化合物などの原水に含まれる汚濁物質の除去が行われる。
上記再生水製造システムにおいて、好気槽には混合液を曝気するための曝気装置が備えられている。混合液を曝気することにより、活性汚泥微生物の活動に必要となる混合液中の溶存酸素濃度を高めたり、混合液を攪拌したりすることができる。曝気装置により好気槽の混合液へ供給される空気量（以下、「曝気風量」という）が不足すれば、処理水の水質が悪化する。そこで、従来、好気槽に溶存酸素濃度計を設け、この溶存酸素濃度計の測定値が設定された溶存酸素濃度目標値となるように、好気槽の曝気風量が制御されている。しかし、溶存酸素濃度という間接的な指標に基づくため、処理水の水質を規制値内に維持するためには高い溶存酸素濃度目標値を設定せねばならず、好気槽の曝気風量は常時過剰となっている。したがって、稼動にエネルギーを要する曝気装置は、再生水製造システムの運転コストの削減と省エネルギー化の妨げとなっていた。
そこで、特許文献１では、好気槽の曝気風量を好気槽内のアンモニア態窒素濃度に基づいて制御する曝気風量制御装置が提案されている。これは、有機物の除去およびリンの吸収速度に比べて硝化細菌の硝化速度が遅いことから、硝化に必要な酸素を供給すれば有機物の除去、リンの吸収、および窒素の除去に必要な曝気風量が確保できているという考えに基づいている。この特許文献１に係る曝気風量制御装置は、好気槽内のアンモニア態窒素濃度を計測するアンモニア計と、好気槽の放流水のアンモニア態窒素濃度の目標値を設定する目標設定手段と、計測されたアンモニア態窒素濃度を設定された目標値に近づけるような曝気風量の目標値を演算するコントローラとを備えている。
上記のような再生水製造システムにおいて、季節差や地域差等に伴う環境の変化により、好気槽内の混合液のアンモニア態窒素濃度と濾過水槽内の処理液のアンモニア態窒素濃度の関係が変化することがある。これは、好気槽内のアンモニア態窒素濃度の目標値が、一般に水温の変動に応じて定められていることに起因している。具体的には、好気槽内の水温に応じて好気槽内のアンモニア態窒素濃度の目標値が設定され、この目標値に基づいて好気槽の曝気風量を調整するように曝気装置が制御されている。しかし、好気槽内のアンモニア態窒素濃度の目標値の決定因子が好気槽内の水温のみであると、好気槽の曝気風量の調整は不十分となる。なぜなら、季節差や地域差によって原水の組成が異なることがあり、このような因子によっても活性汚泥微生物の活性度が異なるからである。つまり、好気槽内のアンモニア態窒素濃度を同じ目標値としても、濾過水槽内のアンモニア態窒素濃度が低い場合は、好気槽の曝気風量が過剰であることとなり、過剰な曝気の分だけエネルギー損失に繋がる。逆に、濾過水槽のアンモニア態窒素濃度が高い場合は、曝気風量が不足していることとなり、環境規制値を超過するおそれがある。
また、特許文献１に記載の技術では、好気槽内のアンモニア態窒素濃度に基づいて、好気槽の曝気風量を制御しているが、この制御方法では、好気槽の下流側に配置される濾過水槽内のアンモニア態窒素濃度が十分に低い場合であっても好気槽で過剰に曝気が行われることとなる。このような過剰の曝気は、余分なエネルギーを消費することに繋がる。
本発明は上記に鑑み、下水処理設備に設けられる水処理システムにおいて、一連の生物反応槽で処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度に応じて好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度目標値を適切に設定することで、好気槽の曝気風量の適正化を図ることを目的とする。ひいては、好気槽への無駄な曝気風量を低減することにより、水処理システムの省エネルギーおよび運転コストの削減を図る。
本発明に係る水処理システムは、
曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する第１のアンモニア計と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する第２のアンモニア計と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度とその設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する第１の操作量演算要素と、前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して前記設定値を補正する第２の操作量演算要素とを含むフィードバック制御系を有し、前記曝気装置の目標操作量を生成する曝気風量演算装置と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御装置とを備えたものである。
曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する第１のアンモニア計と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する第２のアンモニア計と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度とその設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する第１の操作量演算要素と、前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して前記設定値を補正する第２の操作量演算要素とを含むフィードバック制御系を有し、前記曝気装置の目標操作量を生成する曝気風量演算装置と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御装置とを備えたものである。
上記構成の水処理システムによれば、処理水のアンモニア態窒素濃度に基づいて好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度設定値を補正することによって、設定値環境変化や外乱の影響に対応して好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度設定値が適正化される。よって、一連の生物反応槽において処理された処理水のアンモニア態窒素濃度が環境既定値等の目標となる値と比較して低い場合には、これに応じて好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を修正することにより、曝気風量を低減することができる。このように曝気風量が適正化されることにより、水処理システムの省エネルギー化と運転コストの削減を図ることができる。また、一連の生物反応槽において処理された処理水のアンモニア態窒素濃度が環境既定値等の目標となる値と比較して高い場合には、これに応じて好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を修正することにより、曝気風量を増加することができる。これにより、処理水のアンモニア態窒素濃度が環境既定値等の目標となる値を超過することを防止できる。
前記水処理システムにおいて、
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する第３のアンモニア計を更に備え、
前記曝気風量演算装置は、前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する第３の操作量演算要素を含むフィードフォワード制御系と、前記目標操作量信号と前記目標操作量先行信号を加算する加算演算要素とを更に有することがよい。
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する第３のアンモニア計を更に備え、
前記曝気風量演算装置は、前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する第３の操作量演算要素を含むフィードフォワード制御系と、前記目標操作量信号と前記目標操作量先行信号を加算する加算演算要素とを更に有することがよい。
上記構成によれば、原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて好気槽の曝気風量を事前に変化させることにより、曝気装置はより適正な曝気風量となるように制御される。このように曝気風量が適正化されることにより、水処理システムの省エネルギー化と運転コストの削減を図ることができる。
前記水処理システムにおいて、
前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素濃度計を更に備え、
前記曝気風量演算装置の前記フィードフォワード制御系は、前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度に対応して前記目標操作量先行信号を補正する第４の操作量演算要素を更に含むことがよい。
前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素濃度計を更に備え、
前記曝気風量演算装置の前記フィードフォワード制御系は、前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度に対応して前記目標操作量先行信号を補正する第４の操作量演算要素を更に含むことがよい。
上記構成によれば、好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度に応じて目標操作量先行信号が上方修正又は下方修正されることにより、曝気風量を適正化することができる。このように曝気風量が適正化されることにより、水処理システムの省エネルギー化と運転コストの削減を図ることができる。
本発明は、曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する混合液計測工程と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理水計測工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して補正する補正工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度と補正された前記設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する信号生成工程と、
前記目標操作量信号に基づいて目標操作量を生成する操作量生成工程と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する風量制御工程と、を有するものである。
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する混合液計測工程と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理水計測工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して補正する補正工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度と補正された前記設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する信号生成工程と、
前記目標操作量信号に基づいて目標操作量を生成する操作量生成工程と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する風量制御工程と、を有するものである。
上記水処理システムの曝気風量制御方法によれば、処理水のアンモニア態窒素濃度に基づいて好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度設定値を補正することによって、設定値環境変化や外乱の影響に対応して好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度設定値が適正化される。よって、一連の生物反応槽において処理された処理水のアンモニア態窒素濃度が環境既定値等の目標となる値と比較して低い場合には、これに応じて好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を修正することにより、曝気風量を低減することができる。このように曝気風量が適正化されることにより、水処理システムの省エネルギー化と運転コストの削減を図ることができる。また、一連の生物反応槽において処理された処理水のアンモニア態窒素濃度が環境既定値等の目標となる値と比較して高い場合には、これに応じて好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を修正することにより、曝気風量を増加することができる。これにより、処理水のアンモニア態窒素濃度が環境既定値等の目標となる値を超過することを防止できる。
また、本発明は、曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する原水計測工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する混合液計測工程と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理水計測工程と、
計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する先行信号生成工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して補正する設定値補正工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度と補正された前記設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する信号生成工程と、
前記目標操作量先行信号と前記目標操作量帰還信号を加算して目標操作量を生成する操作量生成工程と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する風量制御工程と、を有するものである。
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する原水計測工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する混合液計測工程と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理水計測工程と、
計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する先行信号生成工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して補正する設定値補正工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度と補正された前記設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する信号生成工程と、
前記目標操作量先行信号と前記目標操作量帰還信号を加算して目標操作量を生成する操作量生成工程と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する風量制御工程と、を有するものである。
上記水処理システムの曝気風量制御方法によれば、前述の水処理システムの曝気風量制御方法の作用および効果に加えて、原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて好気槽の曝気風量を事前に変化させることにより、曝気装置はより適正な曝気風量となるように制御される。このように曝気風量がさらに適正化されることにより、水処理システムの省エネルギー化と運転コストの削減を図ることができる。
前記水処理システムの曝気風量制御方法において、前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素計測工程と、前記目標操作量先行信号を、前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度に対応して補正する先行信号補正工程と、を有することがよい。
上記方法によれば、好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度に応じて目標操作量先行信号が上方修正又は下方修正されることにより、曝気風量を適正化することができる。このように曝気風量がより適正化されることにより、水処理システムの省エネルギー化と運転コストの削減を図ることができる。
本発明によれば、好気槽が備える曝気装置の曝気風量の適正化を図ることにより、水処理システムの省エネルギー化と運転コストの削減を図ることができる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
図１は本発明の実施の形態に係る再生水製造システムの概略構成を示す図である。同図に示す再生水製造システム１は、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ：Membrane Bio-Reactor）を利用して下水を浄化するための水処理システムである。再生水製造システム１は、上流側から順番に、原水槽２と、嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５から成る一連の生物反応槽１０と、膜分離槽６と、濾過水槽７とを備えている。
原水槽２は、流入した下水を一時的に貯えるバッファタンクとして機能する。原水槽２の流出側は、一連の生物反応槽１０の最も上流側に位置する嫌気槽３の流入側と配管５２によって接続されている。配管５２には、原水槽２に貯えられた原水を嫌気槽３へ圧送する供給ポンプ５１が設けられている。原水槽２の流出側には、原水槽２から一連の生物反応槽１０（ここでは、最も上流側の嫌気槽３）へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度（以下、「原水ＮＨ4濃度」という）を計測するための、原水アンモニア計３１（第３のアンモニア計）が設けられている。
生物反応槽１０は、上流側から嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５の順に設けられており、生物反応槽１０へ流入した原水は活性汚泥との活性汚泥混合液（以下、単に「混合液」ともいう）として存在している。本実施の形態において、嫌気槽３と無酸素槽４は一つの反応槽を２つに仕切ることにより形成されており、仕切りを介して嫌気槽３と無酸素槽４は連通している。よって、嫌気槽３の混合液は、無酸素槽４へ移動することができる。無酸素槽４の流出側は、好気槽５の流入側と配管５３により接続されている。さらに、好気槽５の流出側は、膜分離槽６の流入側と配管５４により接続されている。
好気槽５には、混合液をエアレーションするための曝気装置９が設けられている。本実施の形態に係る曝気装置９は散気式のものであって、送風機（図示略）から送られた圧縮空気を微細な気泡状にして好気槽５の底部から混合液中に吹き込むように構成されている。好気槽５の混合液中に吹き込まれた空気が気泡となって水面に上昇するときに、混合液の撹絆および混合が行われるとともに、活性汚泥微生物による窒素、リンおよび有機物除去の際に必要となる酸素が混合液中に供給される。曝気装置９によって好気槽５の混合液に供給される空気量（以下、「曝気風量」という）は、後述する制御装置４０により制御される。
また、好気槽５には、好気槽５の混合液のアンモニア態窒素濃度（以下、「好気槽ＮＨ4濃度」という）を計測する好気槽アンモニア計３２（第１のアンモニア計）が設けられている。さらに、好気槽５には、好気槽５の混合液の溶存酸素濃度（以下、「好気槽ＤＯ濃度」という）を計測する溶存酸素濃度計３４が設けられている。なお、好気槽アンモニア計３２および溶存酸素濃度計３４は、好気槽５から流出しようとする混合液の成分を測定する観点から何れも好気槽５の流出側に設けられることが望ましいが、好気槽５内の混合液は完全混合していると考えられるので、これらの配置は特に限定されない。
膜分離槽６には、好気槽５より流入した混合液から汚泥等を分離する分離膜８が設けられている。分離膜８は、膜分離槽６と濾過水槽７とを接続している配管５６の入口に設けられている。配管５６には、分離膜８にて汚泥等が分離された、すなわち、濾過された処理水を濾過水槽７へ圧送する排出ポンプ５５が設けられている。排出ポンプ５５は、目標値操作によって間欠駆動されている。そして、排出ポンプ５５によって膜分離槽６から流出した処理水量と対応する量の原水が供給ポンプ５１により嫌気槽３へ供給され、嫌気槽３から無酸素槽４、無酸素槽４から好気槽５および好気槽５から膜分離槽６へはそれぞれオーバーフロー量の混合液が供給されることで、生物反応槽１０全体の保有水量が維持されている。
また、膜分離槽６には、分離膜８の表面に付着している汚泥等を除去するためのスクラビング装置３６が設けられている。スクラビング装置３６は、分離膜８の表面に微小気泡を当接させることにより、分離膜８の表面に付着している汚泥を除去したり汚泥の付着を抑制したりするものである。本実施の形態に係るスクラビング装置３６は、膜分離槽６内において分離膜８の下方から空気の微小気泡を吹き出すように構成されている。スクラビング装置３６から膜分離槽６内へ吹き出す空気の量は、再生水製造システム１（特に、分離膜８の表面積や形状等）に応じて定められた一定量に保持されている。スクラビング装置３６により膜分離槽６へ供給された空気に含まれる酸素によっても、膜分離槽６の混合液の窒素、リンおよび有機物除去が進行する。
さらに、膜分離槽６の底部には、循環水取出口６ａ、返送汚泥取出口６ｂおよび余剰汚泥取出口６ｃがそれぞれ開口している。膜分離槽６の循環水取出口６ａと無酸素槽４とは、循環ポンプ６２を備えた配管６１で接続されている。この配管６１を介して、膜分離槽６から無酸素槽４へ循環水（硝化の進んだ混合液）が供給される。また、膜分離槽６の返送汚泥取出口６ｂと嫌気槽３の底部とは、汚泥返送ポンプ６４を備えた配管６３で接続されている。この配管６３を介して、膜分離槽６から嫌気槽３へ汚泥の一部が返送される。さらに、膜分離槽６の余剰汚泥取出口６ｃに、余剰汚泥ポンプ６０を備えた配管５９が接続されている。この配管５９を通じて、膜分離槽６から余剰汚泥が排出される。
濾過水槽７には、濾過水槽７へ流入した処理水のアンモニア態窒素濃度（以下、「処理水ＮＨ4濃度」という）を計測する処理水アンモニア計３３（第２のアンモニア計）が設けられている。この処理水アンモニア計３３は濾過水槽７内の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測すべく濾過水槽７に設けられているが、一連の生物反応槽１０で汚濁物質が生物処理された混合液から汚泥が分離された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測できれば、その配置は限定されない。例えば、処理水アンモニア計３３を膜分離槽６から濾過水槽７へ処理水を送る配管５６に設けることもできる。
次に、再生水製造システム１の制御構成を説明する。図２は再生水製造システムの制御構成を示すブロック図である。同図では、特に曝気装置９の制御に関して詳細に示し、余を省略している。
図２に示すように、制御装置４０は主に、再生水製造システム１全体の制御を司る運転制御部４２、曝気装置９の目標操作量（すなわち、好気槽５の曝気風量の目標値）を生成する曝気風量演算部４１、目標操作量に基づいて曝気装置９を制御する曝気風量制御部９１等の機能部を有している。なお、本実施の形態において、曝気風量制御部９１は制御装置４０に備えているが、曝気装置９に備えられていてもかまわない。制御装置４０は、１又は複数のコンピュータからなり、各コンピュータはＣＰＵ（中央処理装置）、ＣＰＵが実行するプログラムやプログラムで使用されるデータを書き替え可能に記憶する主記憶装置、ＣＰＵがプログラム実行時にデータを一時的に記憶する副記憶装置、ＣＰＵと外部機器を接続するためのインターフェース、並びこれらを接続する内部経路等を備えている（何れも不図示）。そして、ＣＰＵで所定のプログラムが実行されることにより、図２に示す制御装置４０の各機能部が実現される。
制御装置４０と再生水製造システム１が備える各ポンプ、すなわち、供給ポンプ５１、排出ポンプ５５、循環ポンプ６２、汚泥返送ポンプ６４および余剰汚泥ポンプ６０の駆動部とは有線又は無線で接続されており、各ポンプ５１，５５，６２，６４，６０の動作は制御装置４０の運転制御部４２により制御されている。また、制御装置４０と曝気装置９において曝気風量を変化させる送風機（図示略）とは有線又は無線で接続されており、曝気装置９の動作は制御装置４０の曝気風量制御部９１により制御されている。さらに、制御装置４０と各アンモニア計３１，３２，３３および溶存酸素濃度計３４は通信可能に接続されており、これらの計器３１，３２，３３，３４の計測信号が制御装置４０へ送信される。そして、制御装置４０は、各計器３１，３２，３３，３４の計測信号に基づいて、各ポンプ５１，５５，６２，６４，６０および曝気装置９を動作させる。これにより、制御装置４０は、濾過水槽７の処理水の窒素、リンおよび有機物がそれぞれの規制値を超えないように、原水の流入量、処理水の放流量、循環液の流量、返送汚泥の流量、余剰汚泥の引抜量および曝気風量を適正な値に管理および制御している。
上記構成の再生水製造システム１による再生水製造プロセスでは、以下に示すように混合液（原水）に含まれる有機物、窒素およびリン等の除去が行われる。
再生水製造プロセスにおいて、混合液に含まれる炭素系の有機物は、活性汚泥中の好気性および通性嫌気性の従属栄養細菌の作用により分解されるか、或いは活性汚泥として系外へ排出される。具体的には、混合液中の有機物は、活性汚泥と接触して活性汚泥の表面に吸着（凝縮）され、活性汚泥に吸着された有機物は、嫌気槽３および無酸素槽４の嫌気条件下で、活性汚泥中の通性嫌気性の従属栄養細菌に摂取され、分解される。また、活性汚泥に吸着された有機物は、好気槽５の好気条件下で、活性汚泥中の好気性および通性嫌気性の従属栄養細菌によって生体の維持や細胞合成等に必要なエネルギーを得るために分解（酸化）される。さらに、この従属栄養細菌は酸化によって得たエネルギーを利用して、有機物を新しい細胞物質に合成（同化）する。このようにして、混合液に含まれる有機物の大部分は、活性汚泥に吸着されたのち、活性汚泥微生物の酸化および同化に利用され、混合液中より除去される。なお、酸化および同化されない有機物は系内に貯留され、活性汚泥微生物の内生呼吸により酸化されない細胞物質とともに最終的に余剰汚泥として系外へ排出される。
また、再生水製造プロセスにおいて、混合液に含まれるリンは、活性汚泥中のリン蓄積細菌の作用により活性汚泥に蓄積された状態で系外へ排出される。具体的には、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、嫌気槽３の嫌気条件下で、原水槽２から嫌気槽３へ流入した原水に含まれている酢酸などの有機物を体内に取り込み、保持していたリン酸（PO4）を放出する。そして、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、好気槽５の好気条件下でリンを過剰摂取し、嫌気槽３で放出された以上のリン酸態のリンを取り込む。このようにして混合液中のリンが活性汚泥に蓄積され、リンが蓄積された活性汚泥は余剰汚泥として系外へ排出される。
また、再生水製造プロセスにおいて、窒素は無酸素槽４から系外へ放出される。詳細には、原水槽２から嫌気槽３へ流入した原水には、アンモニア態窒素（NH4 +-N）と有機態窒素とが含まれている。混合液に含まれる有機態窒素は、嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５で、アンモニア態窒素に変化する。混合液中のアンモニア態窒素は、好気槽５で硝化細菌の作用により酸化して、亜硝酸態窒素（NO2-N）または硝酸態窒素（NO3-N）となる。したがって、循環ポンプ６２により膜分離槽６から無酸素槽４に送り込まれる循環水には、亜硝酸態窒素および／または硝酸態窒素が含まれている。混合液中の亜硝酸態窒素および硝酸態窒素は、無酸素槽４の無酸素条件下で原水中の有機物を栄養源とする脱窒細菌による硝酸性呼吸あるいは亜硝酸性呼吸により窒素ガス（N2）へと還元されて、無酸素槽４から系外へ放出される。
ここで、図３を参照しながら、制御装置４０の曝気風量演算部４１による曝気装置９の目標操作量、すなわち、好気槽５の曝気風量の目標値の生成方法について説明する。曝気風量演算部４１で生成された目標操作量に基づいて、曝気風量制御部９１は曝気装置９が具備する送風機（図示略）の回転速度の操作量、および、曝気装置９から好気槽５内へ供給される空気の供給経路に設けられた調節用アクチュエータ（図示略）の操作量のうち少なくとも一方を調整する。
図３は曝気風量演算部の信号の流れを示すブロック線図である。同図に示すように、曝気風量演算部４１は、原水ＮＨ4濃度に基づいて目標操作量先行信号であるフィードフォワード操作量（以下、ＦＦ操作量という）を生成するフィードフォワード制御系（以下、ＦＦ制御系４８という）と、好気槽ＮＨ4濃度を制御量として目標操作量帰還信号であるフィードバック操作量（以下、ＦＢ操作量という）を生成するフィードバック制御系（以下、ＦＢ制御系４９という）を備えている。ＦＦ制御系４８とＦＢ制御系４９は協動して機能し、ＦＦ制御系４８で生成されたＦＦ操作量と、ＦＢ制御系４９で生成されたＦＢ操作量とが加算要素７７で加算されて、曝気装置９の目標操作量が生成される。
まず、ＦＦ制御系４８について説明する。ＦＦ制御系４８は、ＦＦ操作量関数Ｆ1(ｘ)要素７１（第３の操作量演算要素）と、無駄時間要素７５と、フィードフォワードゲイン要素７６と、ＦＦ操作量補正関数Ｆ2(ｕ)要素７２（第４の操作量演算要素）と、積算要素７４とを備えている。ＦＦ制御系４８の出力信号（ＦＦ操作量）は、加算要素７７に入力される。
ＦＦ操作量関数Ｆ1(ｘ)は、原水ＮＨ4濃度ｘに基づいて処理水ＮＨ4濃度を制御するために、原水ＮＨ4濃度ｘと曝気風量操作量（特に、ＦＦ操作量）との静特性の関係を関数化したものである。原水ＮＨ4濃度ｘは、本実施の形態では、原水槽２に設けられた原水アンモニア計３１の測定値であるが、嫌気槽３へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度であればよいのでその測定位置は限定されない。
図４はＦＦ操作量関数Ｆ1(ｘ)の特性を示す図表であって、縦軸ｙはＦＦ操作量（Ｌ／ｍｉｎ）を示し、横軸ｘは原水ＮＨ4濃度（ｍｇ／Ｌ）を示している。ＦＦ操作量（Ｌ／ｍｉｎ）は、すなわち、好気槽５の曝気風量を表している。ＦＦ操作量ｙの最低風量Ｙ1は、システム全体を維持するために最低限必要な風量である。システム全体を維持するために最低限必要な風量とは、好気槽５の混合液を攪拌し、且つ、好気槽５の好気的条件下で炭素系有機物を利用して増殖する従属栄養生物、アンモニア態窒素を硝化する硝化細菌などの活性汚泥微生物が生体を維持するために必要な酸素を提供する最低限の曝気風量である。最低風量Ｙ1は、好気槽５の活性汚泥微生物の数や好気槽５の容量に応じて適宜定められる。なお、曝気風量が最低風量Ｙ1であるときに、好気槽５の混合液の溶存酸素濃度は０に近い状態となっている。
また、ＦＦ操作量ｙは、原水ＮＨ4濃度ｘが０から第１濃度Ｘ1までの範囲において、最低風量Ｙ1で一定である。そして、ＦＦ操作量ｙは、原水ＮＨ4濃度ｘが第１濃度Ｘ1以上の範囲において、原水ＮＨ4濃度ｘの増加に伴って増加する。この第１濃度Ｘ1は、曝気風量が最低風量Ｙ1であるときに処理水ＮＨ4濃度が規定値（目標値）以下となる、最大の原水ＮＨ4濃度である。なお、処理水ＮＨ4濃度の規定値は、環境規制値などに基づいて適宜定められる。
上記ＦＦ操作量ｙに動特性を付加するために、ＦＦ操作量関数Ｆ1(ｘ)で得られたＦＦ操作量ｙは無駄時間とフィードフォワードゲインＫfにより調整される。無駄時間（シフト時間とも呼ばれる）は、原則として、原水アンモニア計３１でアンモニア態窒素濃度が計測された原水が、一連の生物反応槽１０に流入して活性汚泥と混合された混合液となって、好気槽５に流入するまでに要する時間である。但し、好気槽５においてアンモニア態窒素を硝化する硝化細菌の増殖速度は、通常の活性汚泥中にいる従属栄養細菌より遅いので、混合液のアンモニア態窒素濃度の不連続面が好気槽５に到達するよりも前に曝気風量を増加させ、その不連続面が好気槽５に到達したときにはアンモニア態窒素濃度の急激な増加に対応しうるように活性汚泥微生物を活性化させておくことが望ましい。つまり、無駄時間は、原水アンモニア計３１でアンモニア態窒素濃度が計測された原水が好気槽５に流入するまでに要する時間よりも短い時間に設定されることが望ましい。このような無駄時間は、原水が嫌気槽３へ流入してから無酸素槽４より流出するまでの滞留時間を含めた時間として、実験的又は計算的に求めることができる。一例として、最大処理量が５５ｔｏｎ／ｄａｙの再生水製造システムにおいて、原水が嫌気槽３へ流入してから無酸素槽４より流出するまでに要する時間は滞留時間を含めて２時間程度である。また、フィードフォワードゲインＫfは、入力値である原水ＮＨ4濃度ｘの変化量と出力値であるＦＦ操作量ｙの変化量の比であり、適宜設定される。
好気槽５の曝気風量は、好気槽ＤＯ濃度が基準となる溶存酸素濃度と比較して大きければ低減することができ、一方、好気槽ＤＯ濃度が基準となる溶存酸素濃度と比較して小さければ増加せねばならない。そこで、上記のように無駄時間とフィードフォワードゲインＫfにより調整されたＦＦ操作量ｙは、好気槽ＤＯ濃度ｕに基づくＦＦ操作量補正係数αにより補正される。詳細には、無駄時間とフィードフォワードゲインＫfにより調整されたＦＦ操作量ｙと、ＦＦ操作量補正関数Ｆ2(ｕ)で得られたＦＦ操作量補正係数αとが、積算要素７４で積算される。
ＦＦ操作量補正関数Ｆ2(ｕ)は、ＦＦ操作量補正係数αを好気槽ＤＯ濃度ｕの関数として表したものである。図５は、ＦＦ操作量補正関数Ｆ2(ｕ)の特性を示す図表であって、縦軸αはＦＦ操作量補正係数αを示し、横軸ｕは好気槽ＤＯ濃度ｕ（ｍｇ／Ｌ）を示している。同図に示すように、好気槽ＤＯ濃度ｕが０のときに補正係数αは１よりも大きいα２である（Ｆ２(０)＝α２，α２＞１）。好気槽ＤＯ濃度ｕが基準濃度Ｕ1のときに、補正係数αは１である（Ｆ2(Ｕ1)＝１）。好気槽ＤＯ濃度ｕが最大濃度Ｕ2のときに、補正係数αは１よりも小さいα1である（Ｆ2(Ｕ2)＝α1，α1＜１）。このように、補正係数αは、好気槽ＤＯ濃度ｕの増加に伴い、好気槽ＤＯ濃度ｕが基準濃度Ｕ1のときを１として、１より大きいα2から１より小さいα1まで減少する。補正係数αの好適な一例として、α1＝０．５とし、α2＝１．５とすることができる。なお、本実施の形態において、ＦＦ操作量補正関数Ｆ2(ｕ)は一次関数であるが、これに限定されるものではなく、ＦＦ操作量補正係数αと好気槽ＤＯ濃度ｕが負の相関であればＦＦ操作量補正関数Ｆ2(ｕ)は二次以上の高次関数であってもよい。
次に、ＦＢ制御系４９について説明する。ＦＢ制御系４９は、好気槽５の混合液のアンモニア態窒素濃度設定値（以下、「好気槽ＮＨ4濃度設定値」ともいう）を補正する設定値補正関数Ｆ3(ｖ)要素７３と、好気槽ＮＨ4濃度設定値を補正するために設定値補正係数βと積算する積算要素８０と、補正された好気槽ＮＨ4濃度設定値と好気槽ＮＨ4濃度との偏差を算出する偏差演算要素７８と、この偏差からＦＢ操作量を生成するＦＢ操作量演算要素７９とを備えている。ＦＢ操作量演算要素７９（第１の操作量演算要素）は、例えば、ＰＩＤ制御方法、Ｐ制御方法又はＰＩ制御方法を用いてＦＢ操作量を算出する演算要素である。ＦＢ制御系４９の出力信号（ＦＢ操作量）は、加算要素７７に入力される。
好気槽ＮＨ4濃度設定値は、処理水ＮＨ4濃度の規制値（目標値）に基づいて適宜定められる値である。但し、好気槽ＮＨ4濃度設定値は、処理水ＮＨ4濃度の規制値に加えて、混合液の水温等の他の因子に基づいて定められてもよい。
好気槽ＮＨ4濃度と処理液ＮＨ4濃度との相関は、混合液の水温や原水の組成等により変動することがある。処理液ＮＨ4濃度が規定値よりも十分に小さいときは、好気槽ＮＨ4濃度設定値が過小である。過小な好気槽ＮＨ4濃度設定値は、過剰な曝気をもたらし、曝気のために余分なエネルギーを消費することとなる。よって、このようなときは好気槽ＮＨ4濃度設定値を上方修正して、好気槽５の曝気風量を低減することが望ましい。一方、処理液ＮＨ4濃度が規定値を越えるときは、好気槽ＮＨ4濃度設定値が過剰である。このようなときは好気槽ＮＨ4濃度設定値を下方修正して、好気槽５の曝気風量を増加せねばならない。このように好気槽５の曝気風量を過不足なく適正化した状態とするために、好気槽ＮＨ4濃度設定値は、処理水ＮＨ4濃度ｖに基づいて上方又は下方修正される。詳細には、設定値補正係数βを処理水ＮＨ4濃度ｖの関数として表した設定値補正関数Ｆ3(ｖ)要素７３（第２の操作量演算要素）を用いて設定値補正係数βを求め、好気槽ＮＨ4濃度設定値に設定値補正係数βを乗じることにより好気槽ＮＨ4濃度設定値が補正される。
図６は、設定値補正関数Ｆ3(ｖ)の特性を示す図表であって、縦軸βは設定値補正係数を示し、横軸ｖは処理水ＮＨ4濃度ｖ（ｍｇ／Ｌ）を示している。同図に示すように、処理水ＮＨ4濃度ｖが０のときに補正係数βは１よりも大きいβ２である（Ｆ3(０)＝β２，β２＞１）。処理水ＮＨ4濃度ｖが基準濃度Ｖ1のときに、補正係数βは１である（Ｆ3(Ｖ1)＝１）。処理水アンモニア態窒素濃度ｖが最大濃度Ｖ2のときに、補正係数βは１よりも小さいβ1である（Ｆ3(Ｖ2)＝β1，β1＜１）。このように、補正係数βは、処理水ＮＨ4濃度ｖの増加に伴って、処理水ＮＨ4濃度ｖが基準濃度Ｖ1のときを１として、１より大きいβ2から１より小さいβ1まで減少する。補正係数βの好適な一例として、β1＝０．５とし、β2＝１．５とすることができる。なお、本実施の形態において、設定値補正関数Ｆ3(ｖ)は一次関数としているが、これに限定されるものではなく、補正係数βと処理水ＮＨ4濃度ｖが負の相関であれば設定値補正関数Ｆ3(ｖ)は二次以上の高次関数であってもよい。
以上の通り、ＦＦ制御系４８で先行信号である原水ＮＨ4濃度に基づいてＦＦ操作量が算出され、ＦＢ制御系４９でＦＦ操作量を補償するかたちでＦＢ操作量が算出され、これらのＦＦ操作量とＦＢ操作量とを加え合わせて曝気装置９の目標操作量が生成される。ここで、処理水ＮＨ4濃度が規定値よりも低い場合や、好気槽ＤＯ濃度が基準となる値よりも高い場合は、好気槽５の曝気風量を小さくするような目標操作量が生成される。一方、処理水ＮＨ4濃度が規定値よりも高い場合や、好気槽ＤＯ濃度が基準となる値よりも低い場合は、好気槽５の曝気風量を大きくするような目標操作量が生成される。このように曝気風量演算部４１で生成された曝気装置９の目標操作量は、曝気風量制御部９１へ出力される。曝気風量制御部９１により制御される曝気装置９では、目標操作量に応じて送風機が駆動されて、この結果、目標操作量に応じた曝気風量の空気が好気槽５の混合液へ供給される。
図７は、制御装置４０により制御された曝気風量、好気槽ＮＨ4濃度設定値、好気槽ＮＨ4濃度、および処理水ＮＨ4濃度の時間推移を示す図表である。同図に矢印（Ａ）で示すように、曝気風量演算部４１で生成された目標操作量に基づいて好気槽５の曝気風量が制御されれば、処理液ＮＨ4濃度が規定値を十分に下回るときには、好気槽ＮＨ4濃度設定値が増加して曝気風量が低減する。この結果、同図に矢印（Ｂ）で示すように、処理液ＮＨ4濃度は規定値に近づく。このようにして、処理液ＮＨ4濃度が規定値の近傍を推移するように好気槽ＮＨ4濃度設定値が増減されるので、好気槽５の曝気風量は余剰分が削減され又は不足分が増加されることにより適正化される。好気槽５の曝気風量の余剰分が削減されることにより、曝気に要する再生水製造システム１の運転コストおよびエネルギーを削減することができる。また、好気槽５の曝気風量の不足分が増加されることにより、処理液ＮＨ4濃度が環境規制値を超えることを防止できる。
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
例えば、再生水製造システム１の具体的な構造は、上記実施の形態に限定されない。本実施の形態に係る再生水製造システム１は、好気槽５と膜分離槽６を各々独立した槽として備えているが、これらを一体的な槽として備えることもできる。また、本実施の形態に係る再生水製造システム１は、嫌気槽３と無酸素槽４を共に備えているが、嫌気槽３と無酸素槽４とのうち少なくとも一方を備えていてもよい。さらに、本実施の形態に係る曝気装置９は、送風機の回転数の操作量または調節アクチュエータの操作量により曝気風量を調整するように構成されているが、送風機の回転数の操作量および調節アクチュエータの操作量の両方で曝気風量を調整するように構成されていてもよい。
また、例えば、本実施の形態においてアンモニア計３１，３２，３３は、それぞれ原水、混合液、処理液のアンモニア態窒素濃度を連続的に計測する濃度計であるが、定期的又は不定期にサンプリングを行って任意の方法でアンモニア態窒素濃度を測定する方法とすることもできる。
本発明は、曝気が行われる好気槽を備えた水処理システムにおいて、好気槽の曝気風量を適正化するために有用である。
１ 再生水製造システム（水処理システム）
２ 原水槽
３ 嫌気槽
４ 無酸素槽
５ 好気槽
６ 膜分離槽
７ 濾過水槽
８ 分離膜
９ 曝気装置
１０ 生物反応槽
３１ 原水アンモニア計（第３のアンモニア計）
３２ 好気槽アンモニア計（第１のアンモニア計）
３３ 処理水アンモニア計（第２のアンモニア計）
３４ 溶存酸素濃度計
３６ スクラビング装置
４０ 制御装置
４１ 曝気風量演算部
４８ フィードフォワード制御系
４９ フィードバック制御系
７１ ＦＦ操作量関数要素（第３の操作量演算要素）
７２ ＦＦ操作量補正関数要素（第４の操作量演算要素）
７３ 設定値補正関数要素（第１の操作量演算要素）
７９ ＦＢ操作量演算要素（第２の操作量演算要素）
９１ 曝気風量制御部
５１ 供給ポンプ
５５ 排出ポンプ
２ 原水槽
３ 嫌気槽
４ 無酸素槽
５ 好気槽
６ 膜分離槽
７ 濾過水槽
８ 分離膜
９ 曝気装置
１０ 生物反応槽
３１ 原水アンモニア計（第３のアンモニア計）
３２ 好気槽アンモニア計（第１のアンモニア計）
３３ 処理水アンモニア計（第２のアンモニア計）
３４ 溶存酸素濃度計
３６ スクラビング装置
４０ 制御装置
４１ 曝気風量演算部
４８ フィードフォワード制御系
４９ フィードバック制御系
７１ ＦＦ操作量関数要素（第３の操作量演算要素）
７２ ＦＦ操作量補正関数要素（第４の操作量演算要素）
７３ 設定値補正関数要素（第１の操作量演算要素）
７９ ＦＢ操作量演算要素（第２の操作量演算要素）
９１ 曝気風量制御部
５１ 供給ポンプ
５５ 排出ポンプ
Claims (6)
- 曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する第１のアンモニア計と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する第２のアンモニア計と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度とその設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する第１の操作量演算要素と、前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して前記設定値を補正する第２の操作量演算要素とを含むフィードバック制御系を有し、前記曝気装置の目標操作量を生成する曝気風量演算装置と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御装置とを備えた、
水処理システム。 - 前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する第３のアンモニア計を更に備え、
前記曝気風量演算装置は、前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する第３の操作量演算要素を含むフィードフォワード制御系と、前記目標操作量信号と前記目標操作量先行信号を加算する加算演算要素とを更に有する、
請求項１に記載の水処理システム。 - 前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素濃度計を更に備え、
前記曝気風量演算装置の前記フィードフォワード制御系は、前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度に対応して前記目標操作量先行信号を補正する第４の操作量演算要素を更に含む、
請求項２に記載の水処理システム。 - 曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する混合液計測工程と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理水計測工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して補正する補正工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度と補正された前記設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する信号生成工程と、
前記目標操作量信号に基づいて目標操作量を生成する操作量生成工程と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する風量制御工程と、を有する水処理システムの曝気風量制御方法。 - 曝気装置を備えた好気槽と、該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽とを有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する原水計測工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度を計測する混合液計測工程と、
前記活性汚泥混合液が前記一連の生物反応槽において処理された後の処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理水計測工程と、
計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する先行信号生成工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度の設定値を前記処理水のアンモニア態窒素濃度に対応して補正する設定値補正工程と、
前記好気槽の活性汚泥混合液のアンモニア態窒素濃度と補正された前記設定値との偏差に基づいて目標操作量信号を生成する信号生成工程と、
前記目標操作量先行信号と前記目標操作量信号を加算して目標操作量を生成する操作量生成工程と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する風量制御工程と、を有する水処理システムの曝気風量制御方法。 - 前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素計測工程と、
前記目標操作量先行信号を、前記好気槽の活性汚泥混合液の溶存酸素濃度に対応して補正する先行信号補正工程と、を有する請求項５に記載の水処理システムの曝気風量制御方法。
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