JP6655847B2 - 最終沈澱池からの返送汚泥量・余剰汚泥量の調節方法 - Google Patents

Description

本発明は下水処理場の最終沈澱池からの返送汚泥量・余剰汚泥量を調節する技術に関する。

下水処理場における運転管理では、日常的に返送汚泥量と余剰汚泥量を操作し、最終沈澱池からの引抜量を決定している。例えば、反応槽における活性汚泥の確保するために、返送汚泥量を調整するとともに、返送汚泥濃度を確認する。最終沈澱池における汚泥のキャリーオーバーの防止するために、余剰汚泥量を調節するとともに、汚泥界面を確認する。汚泥処理設備への負荷を調整するために、余剰汚泥量を調整するとともに、余剰汚泥濃度を確認する。

このような複数の要素を考慮して、返送汚泥量と余剰汚泥量を調整することは、熟練者の経験に頼るところが大きいのが現状である。

一方で、従来から、反応槽のMLSS（活性汚泥浮遊物）濃度を適正な範囲に維持することにより、安定した運転管理を実現することが検討されている。

例えば、特許文献１では、MLSS濃度の実測値が目標値に追従するように、最終沈澱池からの返送汚泥量・余剰汚泥量を調節する。

特許文献２では、将来の挙動を予測し、MLSS濃度の予測値および返送汚泥濃度の予測値が目標値に追従するように、最終沈澱池からの返送汚泥量・余剰汚泥量を調節する。

特開平９−１６８７９１号公報 特公平１−４７２３８号公報

しかしながら、特許文献１記載の調整方法では、MLSS濃度を事後的に確認してから、返送汚泥量・余剰汚泥量を決定して調節することになる為、MLSS濃度が変動した際の対応が遅れ、MLSS濃度を適正な範囲に維持することが困難になる場合も少なくなかった。

一方、特許文献２記載の調整方法では、MLSS濃度の変動へ対応遅れを回避できる可能性が高まる。しかしながら、MLSS濃度及び返送汚泥濃度の両方の瞬間値を同時に適正な範囲に維持することが必要となり、アルゴリズムが複雑化してしまう。また、各種パラメータを設定するための事前実験等に高度な知識を要する。その結果、運転管理現場での活用が難しい。

本発明は、上記課題を解決するものであり、簡便にMLSS濃度を動的に予測し、これに基づき、最終沈澱池からの返送汚泥量・余剰汚泥量を調節する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、反応槽と最終沈澱池を備える水処理システムにおける返送汚泥量・余剰汚泥量調整方法である。該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測し、該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定し、該所定期間において該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように操作する。

上記発明において、好ましくは、該所定期間における該ＭＬＳＳ濃度の予測値の平均が所定範囲を逸脱しない。

予測に基づく運用を行うため、変動へ対応遅れを回避できる。また、長期予測（所定期間）に基づく運用であるため、瞬間値の予測に基づく運用に比べて、アルゴリズムが複雑化して運転管理現場が混乱することを回避できる。

上記発明において、好ましくは、前記所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度の予測は、予測モデルに基づくものであって、該予測モデルは、反応槽末端のMLSS濃度を予測する反応槽モデルと返送汚泥濃度を予測する最終沈殿池モデルとからなり、該反応槽モデルでの反応槽末端のMLSS濃度予測値は、該最終沈殿池モデルに入力され、該最終沈殿池モデルより返送汚泥濃度予測値が出力され、該返最終沈殿池モデルでの送汚泥濃度予測値は該反応槽モデルに入力され、該反応槽モデルよりMLSS濃度予測値が出力され、該所定期間において、入力および出力が繰り返される。

これにより、MLSS濃度の長期予測ができる。

上記発明において、好ましくは、前記反応槽モデルでは、反応槽内の汚泥の滞留時間分布に基づき、反応槽末端のMLSS濃度を予測し、前記最終沈殿池モデルでは、最終沈殿池内の汚泥の滞留時間分布に基づき、返送汚泥濃度を予測する。

これにより、簡便に精度よくMLSS濃度の予測できる。

上記発明において、好ましくは前記反応槽末端のMLSS濃度を実測し、前記MLSS濃度予測値と実測値に基づいて誤差評価を行い、該誤差評価に基づいて前記前記所定期間の時間的長さを変更する。

上記発明において、更に好ましくは、前記誤差評価において、許容範囲を逸脱したと判断する場合は、現時点の所定期間開始時点から該許容範囲逸脱判断時点までの時間的長さを有する期間を次期所定期間と設定し、該該次期所定期間における反応槽末端のMLSS濃度を予測する。

上記発明において、更に好ましくは、前記誤差評価において、所定期間において許容範囲を逸脱しなかったと判断する場合は、現時点の所定期間より長い期間を次期所定期間と設定し、該次期所定期間における反応槽末端のMLSS濃度を予測する。

このような運用により、安定性を確保しつつ、運転管理現場での負担を更に軽減することができる。

上記課題を解決するために、本発明は、反応槽と最終沈澱池と制御装置とを備える水処理システムである。該制御装置は、該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間を設定し、該所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測し、該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定し、該所定期間において該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように最終沈澱池の調整弁を操作する。

上記課題を解決するために、本発明は、反応槽と最終沈澱池と制御装置とを備える水処理システムを運用するプログラムである。該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間を設定する処理と、該所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測する処理と、該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定する処理と、該所定期間における該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように最終沈澱池の調整弁に操作指令を出力する処理とを該制御装置に実行させる。

本発明によれば、簡便にMLSS濃度を動的に予測できる。MLSS濃度の動的予測に基づき最終沈澱池からの返送汚泥量・余剰汚泥量を調節することで、運転管理現場での負担を軽減することができる。

システム概要図 長期予測概念図 制御装置の機能ブロック図 予測モデル概念図 予測モデル検証

〜システム概論〜
図１は水処理システムの基本構成である。水処理システムは、反応槽１０と最終沈殿池２０とを有する。

外部より有機物を含む下水が反応槽１０に流入する。反応槽１０において、槽内の微生物と撹拌させるとともに、曝気を行なう。その後、反応槽１０末端から最終沈殿池２０へ流出する。最終沈殿池２０において沈澱により固液分離される。上澄液は放流管により放流される。

最終沈殿池２０に沈降した汚泥は引き抜かれて、一部がポンプを介して反応槽１０に返送される。残りはポンプを介して余剰汚泥として系外に搬出される。

このとき調整弁２１を操作することで、返送汚泥量・余剰汚泥量を調節する。

〜システム運用〜
本実施形態におけるシステムの運用について説明する。

本実施形態では、まず、所定期間（例えば２週間）における反応槽１０末端のMLSS濃度の動的予測をおこなう。図２は、長期予測の概念図である。

動的予測は、予測モデル（たとえば後述の予測モデル）に基づくことが好ましいが、過去データに基づいて算出してもよい。予測モデルから求めた動的予測を過去データにより補正してもよい。

このとき、予測値が所定範囲（許容範囲）を逸脱しないように設定する。なお、所定期間における全ての予測値が許容範囲に維持されていることが好ましいが、瞬間的に一部の予測値が逸脱しても、予測値の平均が許容範囲に維持されていれば、一部逸脱を許容してもよい。

ついで、動的予測に追従するように、固形物収支に基づき、最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定し、返送汚泥量・余剰汚泥量を調節する。

本実施形態では、予測に基づく運用を行うため、変動へ対応遅れを回避できる。また、長期予測（例えば２週間）に基づく運用であるため、瞬間値の予測に基づく運用に比べて、アルゴリズムが複雑化することを回避できる。

これにより、運転管理現場での負担を軽減することができる。

本実施形態におけるシステムの付随的な運用について更に説明する。

本実施形態は、反応槽１０末端のMLSS濃度の長期予測（例えば２週間）に基づいた運用を行うことを特徴とする。所定期間の運用が終了すれば、新たに長期予測を行ない、所定期間の運用を開始する。これを繰り返す。

このとき、センサ１１を介して反応槽１０末端のMLSS濃度を実測し、予測値と実測値に基づいて誤差評価を行い、予測精度を確認してもよい。

後述の予測モデルは精度が良く、所定期間において反応槽１０末端のMLSS濃度が適正な範囲に維持されるのが前提であるが、不測の要因により、誤差が許容範囲を超えた場合、所定期間（例えば２週間）終了前に運用を中断する。そして、現時点の所定期間開始時点から許容範囲逸脱判断時点までの期間を次期所定期間（例えば１０日間）と設定する。新たに次期所定期間における長期予測を行ない、所定期間（１０日間）の運用を開始する。

このように、誤差評価に基づいて所定期間を変更してもよい。

一方で、所定期間において、誤差が許容範囲にある場合（反応槽１０末端のMLSS濃度が適正な範囲に維持された）、現時点の所定期間（例えば２週間）より長い期間（例えば１８日）を次期所定期間と設定し、新たに次期所定期間における長期予測を行ない、所定期間（１８日間）の運用を開始してもよい。

また、例えば、２週間の運用を数回（例えば５回）繰り返した後、誤差が許容範囲にある場合、１８日間の運用を開始してもよい。

このような運用により、安定性を確保しつつ、運転管理現場での負担を更に軽減することができる。

〜制御装置〜
さらに、制御装置３０を設けて、制御装置３０の判断に基づき上記運用を行なってもよい。図３は、制御装置３０の機能ブロック図である。

制御装置３０は、運用期間設定部３１と、MLSS濃度予測部３２と、返送汚泥量・余剰汚泥量調整部３３と、誤差評価部３４とを有する。

運用期間設定部３１は、運用期間（=予測期間）を設定する。MLSS濃度予測部３２は、当該運用期間における反応槽１０末端のMLSS濃度の動的予測をおこなう。

返送汚泥量・余剰汚泥量調整部３３は、動的予測に追従するように、最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定するとともに、制御信号を調整弁２１に出力する。

誤差評価部３４は、センサ１１より反応槽１０末端のMLSS濃度の実測値を入力し、誤差評価を行なう。さらに、誤差評価結果に基づいて、適宜、運用期間を変更する。運用期間設定部３１は、誤差評価部３４からの指令に基づき運用期間を再設定する。

尚、制御装置３０はCPUや記憶装置等から構成され、その一部又は全部はプログラムにより動作する。

〜予測モデル概要〜
本実施形態において、反応槽１０末端のMLSS濃度の長期予測に基づいた運用を行うためには、予測精度を担保する必要がある。さらに、アルゴリズムが複雑化することを回避して、運転管理現場で運用するためには、予測モデルが簡易である必要がある。

図４は予測モデルの概念図である。本願予測モデルは、反応槽モデルと最終沈殿池モデルとを組み合わせて構築される。反応槽モデルではMLSS濃度予測結果が出力され、反応槽モデルでのMLSS濃度予測結果が最終沈殿池モデルに入力され、最終沈殿池モデルでは返送汚泥濃度予測結果が出力され、最終沈殿池モデルでの返送汚泥濃度予測結果が反応槽モデルに入力され、再度、反応槽モデルよりMLSS濃度予測結果が出力される。

このように所定の予測期間において、固形物収支に基づき入力および出力が繰り返される。これにより、MLSS濃度の長期予測が可能となる。

反応槽モデルでは、反応槽における流入固形物量と流出固形物量の関係を、反応槽での汚泥の滞留時間分布を介して数式化する。

最終沈澱池モデルでは、最終沈澱池における流入固形物量と流出固形物量の関係を、最終沈澱池での汚泥の滞留時間分布を介して数式化する。

反応槽や最終沈澱池における汚泥の滞留時間分布は、トレーサー試験を実施して測定結果に基づいて設定してもよい。また、正規分布と仮定したり、既往の研究結果に基づき設定してもよい。

なお、発明者は、汚泥の滞留時間分布を一様分布（最長と最短を設定）と仮定しても、実測値との誤差が許容範囲であり、十分な予測精度が得られることを確認している。さらに、一様分布と仮定することにより、設定すべきパラメータを制限し、より簡易なモデルとすることができる。パラメータ設定のための水質分析や事前実験が不要である。

さらに、反応槽における固形物増加率を用いて系外からの固形物増加の影響を反映させてもよい。

以上のように、本実施形態では、簡便に精度よくMLSS濃度の長期予測ができる。その結果、MLSS濃度の長期予測に基づき最終沈澱池からの返送汚泥量・余剰汚泥量を調節することができる。

〜予測モデル検証〜
発明者は、上記予測モデル（一様分布）について検証試験をおこなった。予測期間を３０日と設定した。図５は検証試験結果である。

MLSS濃度の予測値と実測値の差の絶対値を実測値で除した数値を誤差率とした。MLSS濃度の予測値と実測値の差は小さく(誤差率平均7.3%)、モデルの予測精度が高いことが確認した。また、経時的に予測精度が低下しないことも確認した。

上記検証結果より、MLSS濃度の長期予測に基づき最終沈澱池からの返送汚泥量・余剰汚泥量を調節する本実施形態の運用について、実用性が高いことを示した。

１０ 反応槽
１１ センサ
２０ 最終沈澱池
２１ 調整弁
３０ 制御装置
３１ 運用期間設定部
３２ MLSS濃度予測部
３３ 返送汚泥量・余剰汚泥量調整部
３４ 誤差評価部

Claims (7)

1. 反応槽と最終沈澱池を備える水処理システムにおいて、
   該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測モデルに基づいて予測し、
   該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定し、
   該所定期間において該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように操作する
   返送汚泥量・余剰汚泥量調整方法であって、
   該予測モデルは、反応槽内の汚泥の滞留時間分布に基づいて反応槽末端のMLSS濃度を予測する反応槽モデルと、最終沈殿池内の汚泥の滞留時間分布に基づいて返送汚泥濃度を予測する最終沈殿池モデルとからなり、
   該反応槽モデルでの反応槽末端のMLSS濃度予測値が該最終沈殿池モデルに入力されることにより、該最終沈殿池モデルより返送汚泥濃度予測値が出力され、
   該最終沈殿池モデルでの返送汚泥濃度予測値が該反応槽モデルに入力されることにより、 該反応槽モデルよりMLSS濃度予測値が出力され、
   該所定期間において、該入力および出力が繰り返される
   ことを特徴とする返送汚泥量・余剰汚泥量調整方法。
2. 反応槽と最終沈澱池を備える水処理システムにおいて、
   該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測し、
   該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定し、
   該所定期間において該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように操作する
   返送汚泥量・余剰汚泥量調整方法であって、
   前記反応槽末端のMLSS濃度を実測し、
   前記MLSS濃度の予測値と該実測値に基づいて誤差評価を行い、
   前記誤差評価において、許容範囲を逸脱したと判断する場合は、
   現時点の所定期間開始時点から該許容範囲逸脱判断時点までの時間的長さを有する期間を次期所定期間と設定するようにして該所定期間の時間的長さを変更し、
   該次期所定期間における反応槽末端のMLSS濃度を予測する
   ことを特徴とする返送汚泥量・余剰汚泥量調整方法。
3. 反応槽と最終沈澱池を備える水処理システムにおいて、
   該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測し、
   該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定し、
   該所定期間において該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように操作する
   返送汚泥量・余剰汚泥量調整方法であって、
   前記反応槽末端のMLSS濃度を実測し、
   前記MLSS濃度の予測値と該実測値に基づいて誤差評価を行い、
   前記誤差評価において、所定期間において許容範囲を逸脱しなかったと判断する場合は、
   現時点の所定期間より長い期間を次期所定期間と設定するようにして該所定期間の時間的長さを変更し、
   該次期所定期間における反応槽末端のMLSS濃度を予測する
   ことを特徴とする返送汚泥量・余剰汚泥量調整方法。
4. 該所定期間における該ＭＬＳＳ濃度の予測値の平均が所定範囲を逸脱しない
   ことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の返送汚泥量・余剰汚泥量調整方法。
5. 反応槽と最終沈澱池と制御装置とを備える水処理システムを運用するプログラムであって、
   該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間を設定する処理と、
   該所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測モデルに基づいて予測する処理と、
   該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定する処理と、
   該所定期間において該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように最終沈澱池の調整弁に操作指令を出力する処理と
   を該制御装置に実行させ、
   該予測モデルは、反応槽内の汚泥の滞留時間分布に基づいて反応槽末端のMLSS濃度を予測する反応槽モデルと、最終沈殿池内の汚泥の滞留時間分布に基づいて返送汚泥濃度を予測する最終沈殿池モデルとからなり、
   該反応槽モデルでの反応槽末端のMLSS濃度予測値が該最終沈殿池モデルに入力されることにより、該最終沈殿池モデルより返送汚泥濃度予測値が出力され、
   該最終沈殿池モデルでの返送汚泥濃度予測値が該反応槽モデルに入力されることにより、該反応槽モデルよりMLSS濃度予測値が出力され、
   該所定期間において、該入力および出力が繰り返される
   ことを特徴とする水処理システム運用プログラム。
6. 反応槽と最終沈澱池と制御装置とを備える水処理システムを運用するプログラムであって、
   該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間を設定する処理と、
   該所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測する処理と、
   該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定する処理と、
   該所定期間において該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように最終沈澱池の調整弁に操作指令を出力する処理と、
   前記反応槽末端のMLSS濃度の実測値を取得する処理と、
   前記MLSS濃度の予測値と該実測値に基づいて誤差評価を行う処理と、
   を該制御装置に実行させ、
   前記誤差評価処理において、許容範囲を逸脱したと判断する場合は、
   現時点の所定期間開始時点から該許容範囲逸脱判断時点までの時間的長さを有する期間を次期所定期間と設定するようにして該所定期間の時間的長さを変更し、
   該次期所定期間における反応槽末端のMLSS濃度を予測する
   ことを特徴とする水処理システム運用プログラム。
7. 反応槽と最終沈澱池と制御装置とを備える水処理システムを運用するプログラムであって、
   該反応槽末端のMLSS濃度が所定範囲を逸脱しない程度の時間的長さを有する所定期間を設定する処理と、
   該所定期間における該反応槽末端のMLSS濃度を予測する処理と、
   該MLSS濃度の予測値に基づいて、該所定期間における最終沈澱池からの返送汚泥量および余剰汚泥量を決定する処理と、
   該所定期間において該返送汚泥量および余剰汚泥量となるように最終沈澱池の調整弁に操作指令を出力する処理と、
   前記反応槽末端のMLSS濃度の実測値を取得する処理と、
   前記MLSS濃度の予測値と該実測値に基づいて誤差評価を行う処理と、
   を該制御装置に実行させ、
   前記誤差評価処理において、所定期間において許容範囲を逸脱しなかったと判断する場合は、
   現時点の所定期間より長い期間を次期所定期間と設定するようにして該所定期間の時間的長さを変更し、
   該次期所定期間における反応槽末端のMLSS濃度を予測する
   ことを特徴とする水処理システム運用プログラム。