JP6856474B2 - 水道の維持管理支援装置及び水道の維持管理支援システム - Google Patents
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Description
水処理施設の多くは河川水などの表流水を水源としており、原水水質は季節や天候により変化する。そのため、水処理施設の維持管理者は原水水質に応じた運転調整が必要である。平常時は監視制御システムにより予め決められたロジックで自動運転が実施できるが、豪雨、停電、地震、設備故障等の非定常的な事象に対しては維持管理者のノウハウに基づいた運転管理がなされることもある。国内で主流な浄水プロセスである凝集沈殿・急速ろ過プロセスでは取水へ凝集剤などの薬品を注入・処理されており、連続処理で所定の性能が出るような設計がされている。この連続プロセスで処理流量を変化させると、浄水性能も変化するため、処理水質が悪化しないように薬注などの運転操作を調整することが望まれる。
しかしながら、上述のような事象が生じた場合への対応については、特許文献1に記載される技術では何ら考慮されていない。
そこで、本発明は、水道施設内の浄水処理施設に設置される各種機器の再起動又は水需要の急激な増加による運転条件の変化が生じた場合であっても、処理水質を維持可能とする水道の維持管理支援装置及び水道の維持管理支援システムを提供する。
また、本発明に係る水道の維持管理支援システムは、少なくとも、取水施設と、浄水処理施設と、送配水施設と、給水施設を備える水道施設と、水道の維持管理支援装置と、前記水道の維持管理支援装置と前記水道施設とを相互に通信可能とする通信ネットワークを備え、前記水道の維持管理支援装置は、凝集沈殿及び急速ろ過プロセスを有し処理流量の変動が生じ得る前記浄水処理施設の少なくとも運転条件を含む運転計画を格納する運転計画データベースと、前記浄水処理施設における少なくとも水質計測結果を格納するプロセス・水質データベースと、少なくとも前記水質計測結果に基づき沈殿池内に蓄積する汚泥量を求める浄水処理施設状態評価部と、被処理水である原水の濁度、前記運転計画に含まれる原水の取水量、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量、及び凝集剤を含む薬品の注入量に基づき、前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め沈殿処理水濁度を算出する浄水水質予測部と、前記沈殿処理水濁度に基づき、薬品の注入量又は運転計画を修正し、前記浄水処理施設へ出力する運転条件設定部と、を備えることを特徴とする。
例えば、沈殿池内の汚泥の巻き上げ及び/又は沈降分離に要する時間の確保が困難となる場合が生じた場合であっても、処理水質を維持することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図1は、本発明の一実施例に係る実施例1の水道の維持管理支援システムの概略全体構成図である。図1に示すように、水道の維持管理支援システム1は、水道施設2、水道の維持管理支援装置7、及びこれらを相互に通信可能とする制御LAN(通信ネットワーク)8から構成される。ここで、制御LAN(通信ネットワーク)8は、有線であるか無線であるかを問わない。水道施設2は、少なくとも、取水施設3、浄水処理施設4、送配水施設5、及び給水施設6を備える。送配水施設5は、ポンプ場や貯水槽など人が容易にアクセスできる施設であり、給水施設6は、地下に埋設されていてアクセスのために掘削を必要とする管路等を含む。
浄水処理施設4は、原水を受ける着水井10、凝集剤を添加し急速攪拌する混和池11、緩速攪拌してフロックを成長させるフロック形成池12、成長したフロックを重力沈降により沈降分離する沈殿池13、ろ過池14、浄水処理した水を蓄える浄水池15を有する。本実施例では、処理流量や水質を計測するため、流量計17及び濁度計16a〜濁度計16cを備える。流量計17及び濁度計16aは、着水井10に設置され、原水の水質と浄水処理する水量(流量)を測定する。濁度計16bは、沈殿池13の出口に設置され、沈殿処理の性能を判定する。また、濁度計16cは、ろ過池14の出口に設置され、ろ過後の水質を測定する。これらの計測情報は、制御LAN(通信ネットワーク)8を介して水道の維持管理支援装置7へ送信される。水道の維持管理支援装置7からの出力は、同様に制御LAN(通信ネットワーク)8を介して水道施設2の各設備機器へ送信され、取水量や薬注量が制御される。
図2は、図1に示す水道の維持管理支援装置7の機能ブロック図である。図2に示すように、水道の維持管理支援装置7は、通信I/F21、浄水処理施設状態評価部22、浄水水質予測部23、運転条件設定部24、プロセス・水質DB25、運転計画DB26、入力I/F27、及び、出力I/F28を備え、これらは内部バス112を介して相互に接続されている。また、入力I/F27は入力部29に接続され、入力部29は、例えば、キーボード及び/又はマウスなどの入力装置であり、ユーザーによる運転計画等を入力するために用いられる。また、出力I/F28は表示部30に接続され、表示部30は、例えば、液晶ディスプレイ(LCD)又は有機ELディスプレイなどの表示装置であり、ガイダンスの表示或いはアラートの提示に用いられる。ここで、浄水処理施設状態評価部22、浄水水質予測部23、及び運転条件設定部24は、例えば、図示しないCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサ、各種プログラムを格納するROM、演算過程のデータを一時的に格納するRAM、外部記憶装置などの記憶装置にて実現されると共に、CPUなどのプロセッサがROMに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をRAM又は外部記憶装置に格納する。
運転計画DB26には、予めユーザーにより入力部29を介して入力される運転計画が内部バス112を介して所定の記憶領域に格納されている。
図3は、図2に示す水道の維持管理支援装置7を構成する浄水処理施設状態評価部22の処理フロー図である。
図3に示すように、まず、ステップS11において、浄水処理施設状態評価部22は、内部バス112を介してプロセス・水質DB25へアクセスし、プロセス・水質DB25に格納されるフロック形成池12と沈殿池13の最新の洗浄実施日を取得する。この日を基準として、沈殿池13内の汚泥の蓄積量を評価する。
次に、ステップS12において、浄水処理施設状態評価部22は、内部バス112を介してプロセス・水質DB25へアクセスし、プロセス・水質DB25に格納される運転データを取得する。ここで、汚泥蓄積に係る運転データとして本実施例では取水流量と凝集剤注入率を対象としている。この2項目から凝集剤由来の汚泥発生量を算出できる。
そして、ステップS14では、浄水処理施設状態評価部22は、上述のステップS11にて取得した最新の洗浄実施日を初期状態(汚泥蓄積量=0)として、その後の浄水処理によって発生する汚泥量(発生汚泥量)を算出する。例えば、濁度由来の汚泥は濁度の計測値(度)をmg/Lに換算し、所定の周期にて取得した原水濁度と沈殿処理水濁度との差に取水流量を乗じた値を積算する。
そして、ステップS16において、浄水処理施設状態評価部22は、上述のステップS14にて求めた発生汚泥量から上述のステップS15にて求めた排出汚泥量を引いた値を、沈殿池13の蓄積汚泥量として算出する。計測誤差により、発生汚泥量の計算値が排出汚泥量の計算値より小さくなる場合は蓄積汚泥量をゼロとする。汚泥が実際に堆積する箇所は沈殿池13の構造のみならず、水流やフロック量の変化によっても異なるため、本実施例では正確な汚泥分布を設定しない。例えば、沈殿池13内において、上流側(例えば、汚泥ピットが設けられる側)で汚泥量が多く、下流側(越流トラフが設置される側)で汚泥量が少なくなる分布が考えられる。より単純な分布としては、傾斜板など汚泥が堆積する部分の面積に対して一定量が分布するとすることも可能である。また、これらの組み合わせとして、沈殿池13をいくつかのエリアに区切り、前段(上流側)のエリアや傾斜板のエリアは汚泥量分布が多く、後段(越流トラフが設置される下流側)や傾斜板がないエリアは少ないとし、それぞれのエリアに対して面積あたりの汚泥量を一定とする設定もできる。ここで、傾斜板とは、沈殿池13内を上流側から下流側へと流れる被処理水に対し、所定の傾斜角にて設置される平板状の部材であり、例えば、複数の傾斜板が沈殿池13の深さ方向に所定の間隔にて離間し配され、且つ、これらが、沈殿池13内において上流側から下流側へ被処理水の流れの方向に沿って、所定の間隔にて離間し複数組配されている。これにより、被処理水中の汚泥は傾斜板へ衝突し、重力沈降による沈降分離の効率が向上する。
図4は、図2に示す水道の維持管理支援装置7を構成する浄水水質予測部23の処理フロー図である。
図4に示すように、ステップS21では、浄水水質予測部23は、内部バス112を介して上述の浄水処理施設状態評価部22により算出された沈殿池13内の汚泥蓄積量を取得する。
ステップS22では、浄水水質予測部23は、内部バス112を介して運転計画DB26へアクセスし、ユーザーにより入力部29を介して設定入力され、運転計画DB26の所定の記憶領域に格納される浄水処理施設4の運転計画、すなわち、所定の期間の取水計画を運転計画DB26より読み出すことで取り込む。取水計画は、例えば、時間毎の取水量≒浄水処理量のことを示し、水需要に対応する取水量を過去の実績データ等に基づき設定される。水の需要量は朝と夕方に増加し、夜間と昼間は比較的少なくなるのが一般的である。取水計画の立案方法は既に様々な提案がなされており、特に限定されるものではないが、24時間後までの1時間毎の取水量を設定することとする。
ステップS24では、浄水水質予測部23は、巻き上げ汚泥濃度(沈殿汚泥由来濁度)を算出する。堆積した汚泥が巻き上げられるモデルは、例えば海や湖の汚泥の流動や巻上げフラックスの研究の中で提案されている。例えば、巻き上げフラックスを以下の式により算出する。
ここで、Fz:巻上げフラックス(g/m2/s)、K0:定数、Ri:径深、C:液相中濃度、g:重力加速度、Δh:基準水平面からの水位、ρb’:汚泥の密度、ρb:液相の密度、τb:掃流力(河床せん断力)である。
Fz=K1×Ds×(ρs−ρw)×(a×Va+b×ΔVa+c) ・・・(3)
ここで、K1:定数、Ds:汚泥厚さ、ρs:汚泥の密度、ρw:水の密度、Va:平均流速、ΔVa:平均流速の時間変化、a,b,c:定数である。
フラックスFzと平均流量から、沈殿池13内の各エリアの蓄積汚泥由来の濁質の濃度(沈殿汚泥由来濁度)を算出することができる。
Tui=p×(Qr,k−Q0)n ・・・(4)
ここで、Tui:i時間後の予想濁度、Qr,k:k時間後の所定の地区での降雨量(予報値)、Q0,n,p:定数である。
Tu0,1=K2×r×Tu0,0×Vam ・・・(5)
Tu1,1=K3×r×Tu1,0×Vam ・・・(6)
r=Tu0,0/Tu1,0/PAC ・・・(7)
Tu2=Tu0,1+Tu1,1 ・・・(8)
ここで、Tu0,0:原水由来初期濁度、Tu0,1:原水由来処理後濁度、Tu1,0:沈殿汚泥由来初期濁度、Tu1,1:沈殿汚泥由来処理後濁度、Va:平均流速、K2,K3:沈降分離に係る係数、m:定数、PAC:凝集剤注入率、Tu2:沈殿処理水濁度である。
図5は、図2に示す水道の維持管理支援装置7を構成する運転条件設定部24の処理フロー図である。
運転条件設定部24は、運転条件として、凝集剤の注入率、運転計画(取水流量)を調整する。これら凝集剤の注入率及び運転計画(取水流量)の操作量では所定の沈殿処理水濁度が得られない場合は、運転条件以外の対応として、浄水処理以外の対処法をユーザーへ表示部30により提示する。
ステップS32では、運転条件設定部24は、沈殿処理水濁度と所定の閾値(例えば、1度)とを比較し、比較の結果、沈殿処理水濁度が所定の閾値未満である場合にはステップS33へ進む。一方、比較の結果、沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合であるものの、凝集剤の設定可能な範囲内であれはステップS31へ戻り、凝集剤注入率の増減を調整し、その凝集剤注入率を浄水水質予測部23へ内部バス112を介して転送する。そして浄水水質予測部23は、転送された凝集剤注入率に基づき沈殿処理水濁度(処理水の水質)を求め、運転条件設定部24は、内部バス112を介して、浄水水質予測部23により予測された沈殿処理水濁度(処理水の水質)を取得し、再びステップS32の処理を実行する。
ステップS32において、比較の結果、沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合であって、凝集剤の設定可能な範囲で対応ができない(沈殿処理水濁度が所定の閾値未満とすることができない)と判断された場合にはステップS34へ進む。
ステップS33では、運転条件設定部24は、修正した凝集剤注入率、すなわち、ステップS32における沈殿処理水濁度の条件である、沈殿処理水濁度が所定の閾値未満となる凝集剤注入率を、通信I/F21及び制御LAN(通信ネットワーク)8を介して水道施設2を構成する浄水処理施設4へ送信する。
ステップ37では、運転条件設定部24は、凝集剤の注入率や取水流量などの運転条件による対処ではなく、沈殿処理水濁度上昇の原因となっていると思われる沈殿池13の清掃(汚泥の排出)、或いは、浄水処理は継続するが濁度の基準を満足しない水は排水(放流)し、安定な運転ができるようになった後に需要家へ配水する等の対策案を、出力I/F28を介して表示部30の表示画面上に表示することによりユーザーに提示する(ガイダンス表示)。
また、本実施例では、凝集剤を混和池11で注入する、所謂、前凝集剤方式を一例とし、凝集処理の段階で所定の濁度を除去する構成としたがこれに限られるものではない。たとえは、ろ過池14にも濁度負荷の分担をさせる構成としても良い。この場合において、所定の閾値は、急速ろ過や、沈殿池13とろ過池14の間に凝集剤注入設備を設ける後凝集剤方式も考慮した、高い値に設定することができる。
更には、本実施例の浄水処理施設状態評価部22及び浄水水質予測部23では、沈殿池13内をエリアに分割してそれぞれの評価を行う構成としたが、更に分割すると共に、流体シミュレーションを用いて沈殿池13内の詳細な流れ解析と粒子(濁質)の挙動を求め、その結果を用いて、蓄積汚泥や処理水の水質を評価する構成としても良い。
また、本実施例では、1台の水道の維持管理支援装置7にて1つの水道施設2を管理する場合を一例として説明したがこれに限られるものではない。例えば、水道施設2が複数系列設置されている場合においては、例えば、上述の図3におけるステップS16では、各系列の沈殿池13の蓄積汚泥量の算出を実行する構成としても良い。
例えば、沈殿池内の汚泥の巻き上げ及び/又は沈降分離に要する時間の確保が困難となる場合が生じた場合であっても、処理水質を維持することが可能となる。
また、本実施例によれば、凝集沈殿・急速ろ過プロセスにおいて、運転が停止した後に再起動する際、汚泥の巻き上がりや巻き上がった汚泥の再凝集を考慮した処理水濁度予測を行い、凝集剤や取水流量を制御する構成であることから、凝集沈殿処理の処理不良を抑制することが可能となる。
図8に示すように、ステップS41では、カメラ画像による運転条件FB部41は、内部バス112を介して、運転条件設定部24を起動し、沈殿処理水の濁度の予測に基づくFF制御(フイードフォワード制御)の値を取得する。なお、運転条件設定部24は、上述の実施例1における図5に示したステップS31〜ステップS36を実行することで、FF制御(フイードフォワード制御)の値を生成する。
次に、ステップS43では、カメラ画像による運転条件FB部41は、取得した上記画像データに基づきフロック濃度の評価(検出)を実行する。このとき、フロック濃度に対して処理水質(沈殿処理水濁度)がどのような状態であったのかの相関を過去の平常時や異常時を含め予め求め、求めた相関関係は運転計画DB26aの所定の記憶領域に格納されている。この相関関係は、フロック濃度、フロックサイズ、及び沈殿処理水濁度との一次関数でも良いが、AI(Artificial Intelligence)などを用いた画像特徴量と沈殿処理水濁度との関係を用いても良い。
ステップS44では、カメラ画像による運転条件FB部41は、運転計画DB26aの所定の記憶領域に格納される相関関係とステップS42にて取得した最新の画像データとを比較し、FB制御としての運転条件補正値(例えば、凝集剤注入率または取水量の補正値)を求める。
ステップS45では、カメラ画像による運転条件FB部41は、ステップS41にて取得されたFF制御(フイードフォワード制御)の値、及びステップS44にて求めたFB制御としての運転条件補正値とを運転条件として、通信I/F21及び制御LAN(通信ネットワーク)8を介して水道施設2を構成する浄水処理施設4へ送信する。
2,2a…水道施設
3…取水施設
4,4a…浄水処理施設
5…送配水施設
6…給水施設
7,7a…水道の維持管理支援装置
8…制御LAN(通信ネットワーク)
10…着水井
11…混和池
12…フロック形成池
13…沈殿池
14…ろ過池
15…浄水池
16a,16b,16c…濁度計
17…流量計
18a,18b,18c,18d,18e…カメラ
21…通信I/F
22…浄水処理施設状態評価部
23…浄水水質予測部
24…運転条件設定部
25…プロセス・水質DB
26,26a…運転計画DB
27…入力I/F
28…出力I/F
29…入力部
30…表示部
41…カメラ画像による運転条件FB部
42…画像DB
112…内部バス
Claims (12)
- 凝集沈殿及び急速ろ過プロセスを有し処理流量の変動が生じ得る浄水処理施設の少なくとも運転条件を含む運転計画を格納する運転計画データベースと、
前記浄水処理施設における少なくとも水質計測結果を格納するプロセス・水質データベースと、
少なくとも前記水質計測結果に基づき沈殿池内に蓄積する汚泥量を求める浄水処理施設状態評価部と、
被処理水である原水の濁度、前記運転計画に含まれる原水の取水量、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量、及び凝集剤を含む薬品の注入量に基づき、前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め沈殿処理水濁度を算出する浄水水質予測部と、
前記沈殿処理水濁度に基づき、薬品の注入量又は運転計画を修正し、前記浄水処理施設へ出力する運転条件設定部と、を備えることを特徴とする水道の維持管理支援装置。 - 請求項1に記載の水道の維持管理支援装置において、
前記運転条件設定部は、前記沈殿処理水濁度が所定の閾値未満となるよう、前記薬品の注入量又は運転計画を修正することを特徴とする水道の維持管理支援装置。 - 請求項2に記載の水道の維持管理支援装置において、
前記浄水水質予測部は、前記運転計画に含まれる原水の取水量及び前記被処理水である原水の濁度に基づき前記凝集剤を含む薬品の注入量を求めると共に、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量に基づき前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め、求めた前記凝集剤を含む薬品の注入量及び前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度並びに前記被処理水である原水の濁度に基づき前記沈殿処理水濁度を算出することを特徴とする水道の維持管理支援装置。 - 請求項2又は請求項3に記載の水道の維持管理支援装置において、
表示部を備え、
前記運転条件設定部は、前記沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合、沈殿池の清掃及び急速ろ過水の排水を含む運転管理業務に関する情報を前記表示部へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援装置。 - 請求項4に記載の水道の維持管理支援装置において、
前記浄水処理施設に設置される複数の撮像装置を備え、
前記複数の撮像装置のうち、沈殿池の上流側、中間部、及び下流側のそれぞれの位置に設置される複数の撮像装置により撮像された画像データに基づき沈殿池内のフロックの濃度を検出し、前記運転計画データベースに予め格納されるフロックの濃度と沈殿処理水濁度との相関関係に基づき、前記薬品の注入量又は前記原水の取水量の補正値を運転条件補正値として求めるカメラ画像による運転条件フィードバック部を有し、
前記運転条件補正値及び前記運転条件設定部による修正後の薬品の注入量又は運転計画を前記浄水処理施設へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援装置。 - 請求項5に記載の水道の維持管理支援装置において、
前記カメラ画像による運転条件フィードバック部は、
前記複数の撮像装置のうち、混和池及びフロック形成池に設置される撮像装置により撮像された画像データに基づき、前記混和池における凝集剤注入状況又は前記フロック形成池における緩速攪拌装置の異常が検出された場合、アラートを前記表示部へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援装置。 - 少なくとも、取水施設と、浄水処理施設と、送配水施設と、給水施設を備える水道施設と、
水道の維持管理支援装置と、
前記水道の維持管理支援装置と前記水道施設とを相互に通信可能とする通信ネットワークを備え、
前記水道の維持管理支援装置は、
凝集沈殿及び急速ろ過プロセスを有し処理流量の変動が生じ得る前記浄水処理施設の少なくとも運転条件を含む運転計画を格納する運転計画データベースと、
前記浄水処理施設における少なくとも水質計測結果を格納するプロセス・水質データベースと、
少なくとも前記水質計測結果に基づき沈殿池内に蓄積する汚泥量を求める浄水処理施設状態評価部と、
被処理水である原水の濁度、前記運転計画に含まれる原水の取水量、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量、及び凝集剤を含む薬品の注入量に基づき、前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め沈殿処理水濁度を算出する浄水水質予測部と、
前記沈殿処理水濁度に基づき、薬品の注入量又は運転計画を修正し、前記浄水処理施設へ出力する運転条件設定部と、を備えることを特徴とする水道の維持管理支援システム。 - 請求項7に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
前記運転条件設定部は、前記沈殿処理水濁度が所定の閾値未満となるよう、前記薬品の注入量又は運転計画を修正することを特徴とする水道の維持管理支援システム。 - 請求項8に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
前記浄水水質予測部は、前記運転計画に含まれる原水の取水量及び前記被処理水である原水の濁度に基づき前記凝集剤を含む薬品の注入量を求めると共に、前記沈殿池内に蓄積する汚泥量に基づき前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度を求め、求めた前記凝集剤を含む薬品の注入量及び前記沈殿池内の沈殿汚泥の巻き上げ濃度並びに前記被処理水である原水の濁度に基づき前記沈殿処理水濁度を算出することを特徴とする水道の維持管理支援システム。 - 請求項8又は請求項9に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
前記水道の維持管理支援装置は、表示部を備え、
前記運転条件設定部は、前記沈殿処理水濁度が所定の閾値以上の場合、沈殿池の清掃及び急速ろ過水の排水を含む運転管理業務に関する情報を前記表示部へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援システム。 - 請求項10に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
前記浄水処理施設に設置される複数の撮像装置を備え、
前記複数の撮像装置のうち、沈殿池の上流側、中間部、及び下流側のそれぞれの位置に設置される複数の撮像装置により撮像された画像データに基づき沈殿池内のフロックの濃度を検出し、前記運転計画データベースに予め格納されるフロックの濃度と沈殿処理水濁度との相関関係に基づき、前記薬品の注入量又は前記原水の取水量の補正値を運転条件補正値として求めるカメラ画像による運転条件フィードバック部を有し、
前記運転条件補正値及び前記運転条件設定部による修正後の薬品の注入量又は運転計画を前記浄水処理施設へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援システム。 - 請求項11に記載の水道の維持管理支援システムにおいて、
前記カメラ画像による運転条件フィードバック部は、
前記複数の撮像装置のうち、混和池及びフロック形成池に設置される撮像装置により撮像された画像データに基づき、前記混和池における凝集剤注入状況又は前記フロック形成池における緩速攪拌装置の異常が検出された場合、アラートを前記表示部へ出力することを特徴とする水道の維持管理支援システム。
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