JP7282149B2 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、都市下水や有機性廃水、窒素含有廃水を生物処理によって浄化処理する生物学的水処理装置および水処理方法に関するものである。

都市下水や有機性廃水、窒素含有廃水を処理する一般的な方法として、活性汚泥法がある。活性汚泥法とは、浄化機能をもつ微生物群（活性汚泥）を生物反応槽にたくわえ、これと廃水とを混合・接触させつつ散気することにより、廃水中の汚濁物を酸化・分解する方法である。この汚濁物を十分に浄化するためには、適切な量の空気を生物反応槽に供給する必要がある。このような生物反応槽への空気供給を散気と呼ぶ。
散気に要するエネルギーは、活性汚泥法を用いた水処理の多くを占める。従来の水処理システムにおいて、水処理に対するエネルギー効率を高めるため、好気槽のアンモニア態窒素濃度の変動に対するアンモニア分解能力の追従性を高めることにより、散気風量を総じて低減する方法が提案されている。具体的には、原水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、目標操作量を生成する曝気風量演算部と、目標操作量に基づいて散気風量を制御する曝気風量制御部とを備え、曝気風量演算部では、原水アンモニア態窒素濃度に基づいたフィードフォワード制御系と、好気槽アンモニア態窒素濃度に基づいてフィードバック制御を行うフィードバック制御系により散気風量を演算する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）

特開２０１２－６６２３１号公報

上述したような従来の水処理装置にあっては、水処理に対するエネルギー効率を高めるため、散気に要するエネルギーの更なる低減が求められていた。例えば従来の水処理装置にあっては、原水中のアンモニア態窒素濃度あるいは好気槽内のアンモニア態窒素濃度に基づいて演算した散気風量を好気槽全体に渡って同一に散気している。一般に水処理装置は構成が複雑であるため、装置設計を単純化するため散気は好気槽全体に渡って同一とする場合が多い。しかし、好気槽に流入した原水は好気槽内の流下方向に向かって経時的に処理されていくことから、好気槽の位置に応じて生物反応槽内で起こる生物反応の反応速度は異なり、それに伴い必要な散気風量も好気槽の位置に応じて異なる。よって、従来の水処理装置では好気槽内の位置に応じて適切な散気風量を供給することができず、散気風量を効率よく調節することによって散気に要するエネルギーの更なる低減が期待されていた。

本発明は、上述のような状況に鑑みてなされたもので、散気に要するエネルギーの更なる低減が可能な生物学的水処理装置および水処理方法を提供することを目的とする。

本発明に係る水処理装置は、流入口から生物反応槽内に流入した被処理水に空気を散気して生物反応処理を行い生物反応槽外へ排出口から排出する水処理装置において、空気を散気する第１散気部および第２散気部と、第１散気部の散気量の設定値である第１設定値および第２散気部の散気量の設定値である第２設定値を算出し、第１散気部の散気量が第１設定値となる制御を行い、第２散気部の散気量が第２設定値となる制御を行う散気量算出部と、被処理水の流出汚濁物濃度を測定する流出汚濁物濃度測定部とを備え、第１散気部は、生物反応槽内で流入口からの距離が第２散気部よりも短い位置に配置され、流出汚濁物濃度測定部によって測定された流出汚濁物濃度と流出汚濁物濃度の目標値との差に基づく比例制御量をＧ_Ｐとし、差に基づく積分制御量をＧ_Ｉとし、差に基づく微分制御量をＧ_Ｄとし、ｋ_１２およびｋ_２２をあらかじめ定められた係数とし、ｋ_１３，ｋ_２３をあらかじめ定められた定数とするとき、第１設定値であるＧ_１は次式Ｇ_１＝ｋ_１２・(Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ)＋ｋ_１３により算出され、第２設定値であるＧ_２は次式Ｇ_２＝ｋ_２２・(Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ)＋ｋ_２３により算出される。

本発明に係る水処理方法は、流入口から生物反応槽内に流入した被処理水に空気を散気して生物反応処理を行い生物反応槽外へ排出口から排出する水処理装置における水処理方法であって、被処理水の流出汚濁物濃度を測定するステップと、空気を散気する第１散気部の散気量の設定値である第１設定値および空気を散気する第２散気部の散気量の設定値である第２設定値を算出し、第１散気部の散気量が第１設定値となる制御を行い、第２散気部の散気量が第２設定値となる制御を行うステップと、を含み、第１散気部は、生物反応槽内で流入口からの距離が第２散気部よりも短い位置に配置され、測定された流出汚濁物濃度と流出汚濁物濃度の目標値との差に基づく比例制御量をＧ_Ｐとし、差に基づく積分制御量をＧ_Ｉとし、前記差に基づく微分制御量をＧ_Ｄとし、ｋ_１２およびｋ_２２をあらかじめ定められた係数とし、ｋ_１３，ｋ_２３をあらかじめ定められた定数とするとき、第１設定値であるＧ_１は次式Ｇ_１＝ｋ_１２・(Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ)＋ｋ_１３により算出され、第２設定値であるＧ_２は次式Ｇ_２＝ｋ_２２・(Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ)＋ｋ_２３により算出される。

本発明によれば、散気に要するエネルギーの更なる低減が可能な生物学的水処理装置および水処理方法を提供することが可能となる。

また、本発明に係る水処理方法によれば、排出される流出水の汚濁物濃度を精緻に制御できる。また、過不足のない散気量で効率よく処理水質を制御でき、各散気部の反応槽内での位置に従って、適切な散気量を設定でき、効率のよい水質制御が行え、流入する被処理水の流入負荷が変動しても反応槽の各散気部から適切な量の空気供給を実現でき、排出される流出水の汚濁物濃度をより目標値に近づけることができる。

本発明の実施の形態１に係る水処理装置の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る水処理装置の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る散気量算出部の構成図である。 本発明の実施の形態３に係る水処理装置の構成図である。 本発明の実施の形態３に係る散気量算出部の構成図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る水処理装置について、図１に基づいて説明する。図１は生物学的水処理装置の構成図である。

図１において、活性汚泥を蓄えた生物反応槽１で、配管１０３を介して流入する被処理水を生物反応によって浄化処理し、浄化処理後の流出水を配管１０６に排出する。配管１０６を介して生物反応槽１から排出された流出水に含まれる活性汚泥を沈殿槽２に沈殿させる。沈殿処理したあとの上澄水は配管１０８を介して排出される。また、沈殿処理によって分離した活性汚泥は、配管ｄを介して生物反応槽１へ返送されるが、余剰分は配管ｅを介して外部に排出される。
生物反応槽１において、生物反応槽１の上流には散気を実施しない嫌気領域１０１が存在する。嫌気領域を通過したのち、散気部が設置され、散気部から散気された空気と活性汚泥が混合される好気領域１０２になる。実施の形態１に係る水処理装置においては、嫌気領域１０１と好気領域１０２間は仕切り板１００が設けられている。仕切り板１００を設けることで、散気部３０からの空気が嫌気領域１０１に混入することを確実に防ぎ、嫌気領域１０１の嫌気度を良好に保つことが期待できる。本発明は当一例に限定されず、仕切り板１００を省略してもよい。また、仕切り板１００に替えて、異なる水槽、或いは回路構造によって分けられるように構成してもよい。
実施の形態１に係る水処理装置では、生物反応槽１内の好気領域１０２において被処理水の流下方向に沿って、複数個の散気部３０（第１散気部３１、第２散気部３２、および第３散気部３３）が設置されている。第１散気部は、生物反応槽１内で流入口からの距離が第２散気部よりも短い位置に配置され、第３散気部は、生物反応槽１内で流入口からの距離が第２散気部よりも長い位置に配置されている。
また、各散気部の散気量をそれぞれ個別に制御する散気量算出部７０（第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３）、および散気量算出部７０で算出された各散気量に対応した空気を散気部３０にそれぞれ供給する空気供給部４０（第１空気供給部４１、第２空気供給部４２、および第３空気供給部４３）が設けられている。

生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷を測定する流入負荷測定部５は、配管１０３に取り付けられ、あるいは配管以外の水路に設置され、生物反応槽１に流入する前の被処理水の流入負荷を測定する。流入負荷測定部５には流量計、汚濁物濃度計（アンモニア態窒素濃度計、全窒素濃度計、ＢＯＤ計、ＣＯＤ計など）の少なくとも１つ以上の計測機器を設ける。流量計と汚濁物濃度計をどちらも設ける場合は、生物反応槽１に流入する被処理水の流量と流入汚濁物濃度の積を流入負荷として算出しても良い。また、流量計が備わっていない処理場では、流量計の代替として流入渠の堰の開度などを使用しても良い。さらに、季節等の影響を考慮するために、流量計や汚濁物濃度計に加えて、水温計を設けていても良い。実施の形態１において、流入負荷は生物反応槽１に流入する被処理水の流量と流入汚濁物濃度の積で算出される。
第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３は、信号線５ａを介して入力する流入負荷に基づいて、各散気部に供給する散気量を算出し、算出した散気量をそれぞれ信号線７１ａ、７２ａ、７３ａを介して第１空気供給部４１、第２空気供給部４２、および第３空気供給部４３に送信する。第１空気供給部４１、第２空気供給部４２、および第３空気供給部４３は、送信された散気量に従って配管４１ａ、４２ａ、４３ａを介して生物反応槽１内の第１散気部３１、第２散気部３２、および第３散気部３３に空気を供給する。生物反応槽１内において、配管１０３を介して流入する被処理水を活性汚泥および第１散気部３１、第２散気部３２、および第３散気部３３から散気された空気と混合・撹拌し、水中の汚濁物質を生物学的に酸化分解することで浄化処理する。

次に、実施の形態１に係る水処理方法を説明する。
生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷は流入負荷測定部５で測定され、信号線５ａを介して第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３に伝えられる。第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３では、流入負荷に基づき、第１散気部３１、第２散気部３２、および第３散気部３３から供給する散気量の設定値をそれぞれ算出する。
各散気量算出部は、それぞれに接続されている散気部に予め定められた係数を記録しており、信号線５ａを介して伝えられた流入負荷を基に下記の（ａ）と（ｂ）の和を算出する。
（ａ）流入負荷測定部５で測定された生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷に、
散気部に予め定められた第１係数を乗じた量
（ｂ）散気部定数
このようにして算出された散気量の設定値をそれぞれの散気量算出部に接続された散気部に伝えることにより、相当する散気量の空気が各散気部から生物反応槽に供給される。

ここで、第１係数は、生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷の変動に対して素早く散気量を追従させるために最適な散気量を得ることができるよう、シミュレーションまたは実プラントデータの解析結果により求めた最適値であり、散気部の位置あるいは個数によってそれぞれ異なった最適値が設定される。
例えば、流入負荷測定部５に流量計とアンモニア態窒素濃度計を設けている場合、散気量算出部７１では、第１散気部３１から供給される散気量の設定値Ｇ_１［Ｎｍ^３／ｈｒ］を式（１）により算出する。

ここで、Ｓ_ＩＮは流入汚濁物濃度であり、生物反応槽へ流入する被処理水のアンモニア態窒素濃度測定値［単位：ｍｇ／Ｌ］である。Ｑ_ＩＮは生物反応槽へ流入する被処理水の流量測定値［単位：ｍ^３／ｈｒ］である。ｋ_１１は第１散気部３１の第１係数であり、ｋ_１３は第１散気部３１の散気部定数である。
同様に、散気量算出部７２、７３では、散気量の設定値Ｇ_２、Ｇ_３［Ｎｍ^３／ｈｒ］を式（２）、式（３）によって算出することで、それぞれ第２散気部３２、および第３散気部３３の散気量を算出する。

ここで、ｋ_２１は第２散気部３２の第１係数であり、ｋ_２３は第２散気部３２の散気部定数である。ｋ_３１は第３散気部３３の第１係数であり、ｋ_３３は第３散気部３３の散気部定数である。
式（１）、式（２）、式（３）においては、各散気部に対応する第１係数は、前述したように、生物反応槽１に流入する流入負荷の変動に対して素早く散気量を追従させるために最適な空気供給量を得ることができるよう、シミュレーションまたは実プラントデータの解析結果により求めた最適値であるが、さらに、第１係数ｋ１１、ｋ２１、ｋ３１は、ｋ１１≧ｋ２１≧ｋ３１の関係が成立するように値を設定する。また、各散気部定数ｋ１３、ｋ２３、ｋ３３は、各散気部の散気量を微調整するために設定する定数であり、例えば各散気部における散気量の最小値が設定される。
これにより、生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷変動に基づいて、生物反応槽１の流入口に近い散気部ほど散気される散気量が大きくなる。
式（１）、式（２）、式（３）によって算出された散気量の設定値Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３はそれぞれ信号線７１ａ、７２ａ、７３ａを介して第１空気供給部４１、第２空気供給部４２、および第３空気供給部４３に伝えられる。
第１空気供給部４１、第２空気供給部４２、および第３空気供給部４３では、それぞれ配管４１ａ、４２ａ、４３ａおよび第１散気部３１、第２散気部３２、および第３散気部３３を介して、それぞれに設定された量の空気を生物反応槽１内に供給する。

なお、上記説明では散気部を３つとしたが、散気部は生物反応槽１内の好気領域１０２において被処理水の流下方向に沿って２つ以上が望ましく、複数個設置されている。複数個の散気部に対して、散気量算出部が式（４）より各散気部から供給する最適な散気量を算出できる。

ここで、Ｇ_ｉは各散気部における散気量の設定値であり、ｉ＝１，・・・，ｎは散気部の数を表し、生物反応槽内における被処理水の流下方向に沿った散気部の順番である。ｎは２以上の自然数である。Ｓ_ＩＮは生物反応槽へ流入する被処理水のアンモニア態窒素濃度測定値［単位：ｍｇ／Ｌ］、Ｑ_ＩＮは流量測定値［単位：ｍ^３／ｈｒ］、ｋ_ｉ１は散気部の第１係数、ｋ_ｉ３は散気部の散気部定数をそれぞれ表す。
なお、式（４）において、被処理水の流入負荷は、生物反応槽１に流入する被処理水の流量と流入汚濁物濃度の積で算出されているが、生物反応槽１に流入する被処理水の流量のみを計測する場合、（ａ）として生物反応槽１に流入する被処理水の流量に、散気部に予め定められた第１係数を乗じた量を設定することで、式（４）を用いて散気量の設定値を算出できる。同様に、生物反応槽１に流入する被処理水のアンモニア態窒素濃度のみを計測する場合、（ａ）として生物反応槽１に流入する被処理水のアンモニア態窒素濃度に、散気部に予め定められた第１係数を乗じた量を設定することで、式（４）を用いて散気量の設定値を算出できる。

また、図１では流入負荷測定部５を生物反応槽１の流入側の配管１０３に接続したが、流入負荷測定部５は、生物反応槽１内の取付位置１０４、取付位置１０５にも取り付けることができる。取付位置１０４は、生物反応槽１内の流入口側であり、嫌気領域に位置する。取付位置１０５は、生物反応槽１内の流入口側に最も近接した第１散気部３１が配置された箇所、好気領域の入り口側に位置する。
流入負荷測定部５の測定位置は制御の目的に応じて取り付け位置を、配管１０３、取付位置１０４、取付位置１０５のいずれかに変更することによって、変更することができる。流入負荷変動が大きい処理場の場合、流入負荷測定部５を配管１０３に接続することで、流入負荷の変動をいち早く検知することができる。これにより流入負荷変動に対する散気量の追従性を向上させ、流出水質を安定させることができる。一方、取付位置１０５は好気領域に流入する真の流入負荷が測定されることになるため、処理に必要な散気量を正確に演算でき、総散気量を最も少なくすることができる。

生物反応槽１には配管１０３を介して流入する被処理水だけでなく、配管ｄを介して沈殿槽２から活性汚泥が返送される。被処理水による流入負荷変動だけでなく返送された活性汚泥の影響も考慮したい場合には生物反応槽１の入り口付近である取付位置１０４に流入負荷測定部５を取りつける。これにより、生物反応槽１に流入する真の流入負荷が測定されることになるため、返送汚泥の影響を考慮しつつ、流入負荷の変動にも素早く対応できる。よって、過不足のない空気供給が可能となり、散気量は配管１０３で測定する場合より削減できる。
なお、取付位置１０４に流入負荷測定部５を設置した場合、嫌気領域を通過する前の被処理水の流入負荷に基づいて各散気部の散気量が算出されることから、散気量制御にタイムラグが生じる。このようなタイムラグを解消し、散気量の更なる削減を目指す場合には、生物反応槽１内において活性汚泥が空気と混合し始める位置である好気領域の入り口の取付位置１０５に流入負荷測定部５を設置すればよい。

また、図１では嫌気領域と活性汚泥が空気と混合する好気領域が一つの生物反応槽に存在する場合について説明しているが、嫌気領域と好気領域が異なる水槽であり、それぞれ嫌気槽、好気槽の槽で区切られている場合でも同様の効果が得られる。この場合、好気槽において、被処理水の流下する方向に沿って複数の散気部を設置し、かつ、それぞれの散気部に対して空気を提供する空気供給部及び散気量算出部により、各散気部の散気量を個別に制御する。具体的には、被処理水の流入負荷に基づき、生物反応槽内において、流入口側に近いほど散気量を大きくし、流出口側に近いほど散気量を小さく供給するように設定する。
図１では好気領域の前に嫌気領域のみが存在する場合について説明したが、りん・窒素の生物学的同時除去法である嫌気・無酸素・好気法（Ａ２Ｏ法ともいう）に代表されるように、好気領域の前段に散気を行わない領域が２つ以上存在する場合も考えられる。その場合には、取付位置１０４は、生物反応槽１内の流入口側、取付位置１０５は好気領域の入り口側とすることで、同様の効果が得られる。

実施の形態１に係る水処理装置および水処理方法によれば、生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷を基にして生物反応槽１内に供給する空気量を設定するので、流入負荷の変動に対して散気量の追従性が向上し、流入負荷の変動に基づいていち早く散気量を制御でき、流出水質の変動を抑制することができる。生物反応槽１の流入口側に近い散気部ほど散気量を大きくすることで、流入負荷変動の影響を大きく受ける生物反応槽上流側での水質変動を抑制できる。また、生物反応槽内の取付位置で流入負荷を測定する場合、真の流入負荷が測定され、処理に必要な散気量を適切に算出でき、総散気量を削減できる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る生物学的水処理装置について、図２に基づいて説明する。 図２は生物学的水処理装置の構成図である。実施の形態２では、被処理水を計測する測定部は、実施の形態１に係る水処理装置における流入口側の流入負荷測定部ではなく、流出口側に流出汚濁物濃度測定部が設けられている。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
生物反応槽１から排出される流出水の汚濁物濃度を測定する流出汚濁物濃度測定部６は、生物反応槽外の流出口側の配管１０６に取り付けられ、あるいは配管以外の水路に設置され、生物反応槽から流出された被処理水の流出汚濁物濃度を測定する。流出汚濁物濃度測定部６には水処理において水質管理対象としている汚濁物の測定器を設けており、例えばアンモニア態窒素濃度計、全窒素濃度計、ＢＯＤ計、ＣＯＤ計などがある。また、季節等の影響を考慮するために、汚濁物濃度計に加えて、水温計を設けていても良い。流出汚濁物濃度は信号線６ａを介して第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３に送られる。
取付位置１０７は、流出汚濁物濃度測定部６の配管１０６以外の取り付け候補位置であり、生物反応槽内の流出口側に位置する。取付位置１０７にも流出汚濁物濃度測定部６を設置することができる。

次に、実施の形態２に係る水処理方法を説明する。
図３は実施の形態２に係る散気量算出部７１の構成図である。散気量算出部７１は、流出汚濁物濃度差分値算出部８、比例項算出部９、積分項算出部１０、微分項算出部１１、目標散気量算出部１２およびこれらの算出部を接続する信号線で構成されている。図３に基づいて、第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３における散気量の算出方法について説明する。なお、図３では散気量算出部７１について説明するが、散気量算出部７２、７３においても同様の構成である。
流出汚濁物濃度差分値算出部８は、信号線６ａを介して送られた流出汚濁物濃度および流出水の汚濁物濃度目標値により流出汚濁物濃度差分を算出する。
流出汚濁物濃度差分値算出部８から、信号線８ａ、８ｂ、８ｃを介して送られた流出汚濁物濃度差分値に基づいて、比例項算出部９では比例制御量Ｇ_Ｐ（Ｐ制御）を算出し、積分項算出部１０では積分制御量Ｇ_Ｉ（Ｉ制御）を算出し、微分項算出部１１では、微分制御量Ｇ_Ｄ（Ｄ制御）を算出する。それぞれ式（５－１）、式（５－２）、式（５－３）式によりＧ_Ｐ、Ｇ_Ｉ、Ｇ_Ｄを算出する。

ここで、Ｓ_ＯＵＴは流出汚濁物濃度であり、生物反応槽から流出する被処理水のアンモニア態窒素濃度測定値［単位：ｍｇ／Ｌ］である。Ｓ_０は流出水の汚濁物濃度目標値であり、生物反応槽から流出する被処理水のアンモニア態窒素濃度の目標値［単位：ｍｇ／Ｌ］である。Ｋ_Ｐは比例ゲインであり、Ｔ_Ｉは積分時間であり、Ｔ_Ｄは微分時間である。
目標散気量算出部１２は信号線９ａを介して送られた比例制御量、信号線１０ａを介して送られた積分制御量、信号線１１ａを介して送られた微分制御量に基づいて第１散気部３１に供給する散気量の設定値を算出する。算出された散気量の設定値は信号線７１ａを介して第１空気供給部４１に送られる。
各散気量算出部は、それぞれに接続されている散気部に予め定められた第２係数および散気部定数ｋ_ｉ３を記録しており、目標散気量算出部１２では信号線９ａ、１０ａ、１１ａを介して伝えられたＧ_Ｐ、Ｇ_Ｉ、Ｇ_Ｄをもとに、下記の（ａ）と（ｂ）の和を算出する。散気量の計算式は式（６）となる。
（ａ）（Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ）に散気部に予め定められた第２係数を乗じた量
（ｂ）散気部定数

ここで、Ｇ_ｉは各散気部に供給する散気量の設定値であり、ｉ＝１，・・・，ｎは散気部の数を表し、生物反応槽内における被処理水の流下方向に沿った散気部の順番である。ｎは２以上の自然数である。Ｇ_Ｐ、Ｇ_Ｉ、およびＧ_Ｄは、それぞれ測定された流出汚濁物濃度と流出水の汚濁物濃度目標値による流出汚濁物濃度差分から算出された比例制御量、積分制御量、および微分制御量である。ｋ_ｉ２は散気部の第２係数であり、ｋ_ｉ３は散気部の散気部定数である。
例えば、散気量算出部７１では、第１散気部３１に供給する散気量の設定値Ｇ_１［Ｎｍ^３／ｈｒ］を式（７）により算出する。

ここで、ｋ_１２は第１散気部３１の第２係数であり、ｋ_１３は第１散気部３１の散気部定数である。
同様に、散気量算出部７２、７３では、第２散気部３２、および第３散気部３３の散気量の設定値Ｇ_２、Ｇ_３［Ｎｍ^３／ｈｒ］を式（８）、式（９）によってそれぞれ算出する。

ここで、ｋ_２２は第２散気部３２の第２係数であり、ｋ_２３は第２散気部３２の散気部定数である。ｋ_３２は第３散気部３３の第２係数であり、ｋ_３３は第３散気部３３の散気部定数である。
式（７）、式（８）、式（９）において、各散気部に対応して予め定める係数は、流出水の汚濁物濃度が予め定められた汚濁物濃度の目標値により近づけるために最適な散気量を得ることができるよう、シミュレーションまたは実プラントデータの解析結果により求めた最適値であるが、さらに、第２係数ｋ_１２、ｋ_２２、ｋ_３２は、ｋ_１２≦ｋ_２２≦ｋ_３２の関係が成立するように値を設定する。各散気部定数ｋ_１３、ｋ_２３、ｋ_３３は、各散気部の散気量を微調整するために設定する定数であり、例えば各散気部における散気量の最小値が設定される。

これにより、生物反応槽内の流出口に近い散気部ほど、散気量に対するフィードバック制御量をより大きくして各散気量を算出する。
上記のようにして算出された各散気部における散気量の設定値Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３はそれぞれ信号線７１ａ、７２ａ、７３ａを介して第１空気供給部４１、第２空気供給部４２、および第３空気供給部４３に送信される。
次に、第１空気供給部４１、第２空気供給部４２、および第３空気供給部４３では、それぞれ配管４１ａ、４２ａ、４３ａ、および、第１散気部３１、第２散気部３２、と第３散気部３３を介して、それぞれに設定された散気量の空気を生物反応槽１内に供給する。
なお、上記説明では散気部を３つとしたが、散気部は生物反応槽１内の好気領域１０２において被処理水の流下方向に沿って２つ以上が望ましく、複数個設置されている。複数個の散気部に対して、散気量算出部が式（６）より各散気部から供給する最適な散気量を算出できる。

図２では流出汚濁物濃度測定部６を生物反応槽外の流出口側の配管１０６に接続したが、流出汚濁物濃度測定部６の測定位置は制御の目的に応じて取り付け位置を配管１０６、または生物反応槽内の流出口側の取付位置１０７のいずれかに変更することによって変更することができる。
配管１０６では生物反応槽から流出した流出水の水質を直接測定し、結果としては流出水質を目標値に制御するために必要な散気量が演算される。要求水質以上の過剰な散気を抑制し、散気量を削減することを重視する場合は、流出汚濁物濃度測定部６を配管１０６に設置すればよい。
一方、流出水の水質が管理値を超えてしまうことを完全に防止したい場合には、生物反応槽１内の下流側末端の流出口より上流側にある取付位置１０７に流出汚濁物濃度測定部６を設置する。取付位置１０７では、流出汚濁物濃度測定部６で水質を測定した後も被処理水が完全に流出するまで水処理が行われるので、流出水質を確実に管理値以下に制御することができる。
この分、反応槽での生物反応処理が完全に終了する手前で、アンモニア態窒素濃度を目標値まで下げることになり、総散気量は流出汚濁物濃度測定部６を配管１０６に設置することと比べて大きくなる可能性が高い。これにより、散気量の制御遅れなどにより流出汚濁物濃度測定部６で測定された汚濁物濃度が目標値を超えた場合でも、取付位置１０７より下流の領域で処理されることで、最終的な流出水の水質を良好に保つことができる。

実施の形態２に係る水処理装置および水処理方法によれば、生物反応槽１から流出する被処理水の汚濁物濃度と汚濁物濃度の目標値との差に基づいて、生物反応槽１内に供給する散気量を設定するので、生物反応処理後に流出される被処理水の汚濁物濃度を目標値に近づけることができる。
また、生物反応槽１の流出口に近い散気部ほど、被処理水の流出汚濁物濃度を目標値に制御するＰＩＤ制御が強くなるように各散気量を算出することにより、流出水の汚濁物濃度を目標値に対してより精緻に制御ができ、流出水質を安定に維持することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る生物学的水処理装置について、図４に基づいて説明する。図４は生物学的水処理装置の構成図である。
実施の形態３では、生物反応槽の流入口側に取り付けられている流入負荷測定部５と、生物反応槽の流出口側に取り付けられている流出汚濁物濃度測定部６の両方が設けられている。流入負荷は信号線５ａを介して第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３に送られ、流出汚濁物濃度も信号線６ａを介して第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３に送られる。
なお、実施の形態３では、実施の形態１および実施の形態２と同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。

図５は実施の形態３に係る散気量算出部の構成図である。散気量算出部７１は、流出汚濁物濃度差分値算出部８、比例項算出部９、積分項算出部１０、微分項算出部１１、目標散気量算出部１２、およびこれらの算出部を接続する信号線で構成されている。さらに、図３と相違するのは、流入負荷測定部５からの測定結果を伝送する信号線５ａも目標散気量算出部１２に接続されている。図５に基づいて、第１散気量算出部７１、第２散気量算出部７２、および第３散気量算出部７３における散気量の算出方法について説明する。なお、図５では散気量算出部７１について説明するが、散気量算出部７２、７３においても同様の構成である。また、流出汚濁物濃度差分値算出部８、比例項算出部９、積分項算出部１０、微分項算出部１１、および、信号線８ａ、８ｂ、８ｃは図３と同じ、又は相当部分を示している。
目標散気量算出部１２は信号線５ａを介して送られた流入負荷、信号線９ａを介して送られた比例項、信号線１０ａを介して送られた積分項、信号線１１ａを介して送られた微分項に基づいて第１散気部３１から供給される散気量の設定値を算出する。

各散気量算出部は、各散気部に予め定められた第１係数ｋ_ｉ１、第２係数ｋ_ｉ２および散気部定数ｋ_ｉ３を記録しており、信号線５ａを介して送られる生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷、および信号線９ａ、１０ａ、１１ａを介して送られる比例制御量Ｇ_Ｐ、積分制御量Ｇ_Ｉ、微分制御量Ｇ_Ｄをもとに下記の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の和を算出する。
（ａ）流入負荷測定部５で測定された生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷に、
散気部に予め定められた第１係数を乗じた量による流入口側制御散気量
（ｂ）（Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ）に散気部に予め定められた第２係数を乗じた量による流出口側制御散気量
（ｃ）散気部定数
このようにして算出された散気量の設定値をそれぞれの散気量算出部に接続された散気部に送信することにより、相当する散気量の空気が各散気部から生物反応槽に供給される。

なお、上記第１係数、第２係数および定数は、生物反応槽１から排出される流出水の汚濁物濃度が予め定められた汚濁物濃度の目標値により近づけるために最適な散気量を得ることができるよう、シミュレーションまたは実プラントデータの解析結果により求めた最適値であり、散気部の位置あるいは個数によってそれぞれ異なった値が設定される。第１係数は生物反応槽の流入口に近いほどより大きく、第２係数は生物反応槽の流出口に近いほどより大きく設定される。
散気量算出部は、被処理水の流入負荷に基づき、生物反応槽内の流入口に近い散気部ほど、散気量をより大きくした算出値と、流出汚濁物濃度に基づき、生物反応槽内の流出口に近い散気部ほど、散気量に対するフィードバック制御量をより大きくした算出値とを加算し、各散気量を算出する。各散気部における散気量の設定値Ｇ_ｉ［Ｎｍ^３／ｈｒ］を式（１０）により算出する。

ここで、Ｇ_ｉは各散気部に供給する散気量の設定値であり、ｉ＝１，・・・，ｎは散気部の数を表し、生物反応槽内における被処理水の流下方向に沿った散気部の順番である。ｎは２以上の自然数である。Ｓ_ＩＮは流入汚濁物濃度であり、生物反応槽へ流入する被処理水のアンモニア態窒素濃度測定値［単位：ｍｇ／Ｌ］である。Ｑ_ＩＮは生物反応槽へ流入する被処理水の流量測定値［単位：ｍ^３／ｈｒ］である。Ｇ_Ｐ、Ｇ_Ｉ、およびＧ_Ｄは、それぞれ測定された流出汚濁物濃度と流出水の汚濁物濃度目標値による流出汚濁物濃度差分から算出された比例制御量、積分制御量、および微分制御量である。ｋ_ｉ１は散気部の第１係数であり、ｋ_ｉ２は散気部の第２係数であり、ｋ_ｉ３は散気部の散気部定数である。
例えば、流入負荷測定部５に流量計とアンモニア態窒素濃度計を設け、流出汚濁物濃度測定部６にアンモニア態窒素濃度計を設けている場合、散気量算出部７１では、第１散気部３１から供給される散気量の設定値Ｇ_１［Ｎｍ^３／ｈｒ］を式（１１）により算出する。

ここで、ｋ_１１は第１散気部３１の第１係数であり、ｋ_１２は第１散気部３１の第２係数であり、ｋ_１３は第１散気部３１の散気部定数である。
同様に、散気量算出部７２、７３では、第２散気部３２、第３散気部３３の散気量の設定値Ｇ_２、Ｇ_３［Ｎｍ^３／ｈｒ］を式（１２）、（１３）によってそれぞれ算出する。

ここで、ｋ_２１は第２散気部３２の第１係数であり、ｋ_２２は第２散気部３２の第２係数であり、ｋ_２３は第２散気部３２の散気部定数である。
また、ｋ_３１は第３散気部３３の第１係数であり、ｋ_３２は第３散気部３３の第２係数であり、ｋ_３３は第３散気部３３の散気部定数である。
式（１１）、式（１２）および式（１３）において各散気部に対応して予め定める第１係数および第２係数は、前述したように、流出水の汚濁物濃度が予め定められた汚濁物濃度の目標値により近づけるために最適な散気量を得ることができるよう、シミュレーションまたは実プラントデータの解析結果により求めた最適値であるが、さらに、第１係数ｋ_１１、ｋ_２１、ｋ_３１は、ｋ_１１≧ｋ_２１≧ｋ_３１の関係が成立するように、かつ、第２係数ｋ_１２、ｋ_２２、ｋ_３２は、ｋ_１２≦ｋ_２２≦ｋ_３２の関係が成立するように値を設定する。また、実施の形態１と実施の形態２と同様に、各散気部定数ｋ_１３、ｋ_２３、ｋ_３３は、各散気部の散気量を微調整するため、各散気部における散気量の最小値が設けられている。
これにより、散気量算出部は、被処理水の流入負荷に基づき、生物反応槽内の流入口に近い散気部ほど、散気量をより大きくした算出値と、流出汚濁物濃度に基づき、生物反応槽内の流出口に近い散気部ほど、散気量に対するフィードバック制御量をより大きくした算出値とを加算し、各散気量を算出する。
なお、上記説明では散気部を３つとしたが、散気部は生物反応槽１内の好気領域１０２において被処理水の流下方向に沿って２つ以上が望ましく、複数個設置されている。複数個の散気部に対して、散気量算出部が式（１０）より各散気部から供給する最適な散気量を算出できる。
また、式（１０）において、被処理水の流入負荷の変動に基づいた流入口側制御散気量は、生物反応槽１に流入する被処理水の流量と流入汚濁物濃度の積で算出されているが、生物反応槽１に流入する被処理水の流量のみ計測する場合、（ａ）として生物反応槽１に流入する被処理水の流量に、散気部に予め定められた第１係数を乗じた量を設定することで、式（１０）を用いて散気量の設定値を算出できる。同様に、生物反応槽１に流入する被処理水のアンモニア態窒素濃度のみを計測する場合、（ａ）として生物反応槽１に流入する被処理水のアンモニア態窒素濃度に、散気部に予め定められた第１係数を乗じた量を設定することで、式（１０）を用いて散気量の設定値を算出できる。

図４では流入負荷測定部５を配管１０３に設置し、あるいは配管以外の水路に設置して生物反応槽１に流入する前の被処理水の流入負荷を計測するが、実施の形態１と同様に、流入負荷測定部５は、生物反応槽１内の取付位置１０４、取付位置１０５にも取り付けることができる。取付位置１０４は、生物反応槽１内の流入口側であり、嫌気領域に位置する。取付位置１０５は、生物反応槽１内の流入口側に最も近接した第１散気部３１が配置された箇所、好気領域の入り口側に位置する。
流入負荷測定部５の測定位置は制御の目的に応じて取り付け位置を配管１０３、取付位置１０４、取付位置１０５のいずれかに変更することによって変更することができる。流入負荷変動が大きい処理場の場合、流入負荷測定部５を配管１０３に接続することで、流入負荷の変動をいち早く検知することができる。これにより流入負荷変動に対する散気量の追従性を向上させ、流出水質を安定させることができる。一方、取付位置１０５は好気領域に流入する真の流入負荷が測定されることになるため、処理に必要な散気量を正確に演算でき、総散気量は最も少なくなることができる。

生物反応槽１には配管１０３を介して流入する被処理水だけでなく、配管ｄを介して沈殿槽２から活性汚泥が返送される。被処理水による流入負荷変動だけでなく返送された活性汚泥の影響も考慮したい場合には生物反応槽１の入り口付近である取付位置１０４に流入負荷測定部５を取りつける。これにより、生物反応槽１に流入する真の流入負荷が測定されることになるため、返送汚泥の影響を考慮しつつ、流入負荷の変動にも素早く対応できる。流入負荷変動への機敏な応答を両立できる位置にあり、過不足のない空気供給が可能となり、散気量は配管１０３で測定する場合より削減できる。
なお、取付位置１０４に流入負荷測定部５を設置した場合、嫌気領域を通過する前の被処理水の流入負荷に基づいて第１散気部３１、第２散気部３２、および第３散気部３３の散気量が算出されることから、散気量制御にタイムラグが生じる。このようなタイムラグを解消し、散気量の更なる削減を目指す場合には、生物反応槽１内において活性汚泥が空気と混合し始める位置である好気領域の入り口の取付位置１０５に流入負荷測定部５を設置すればよい。
図４では好気領域の前に嫌気領域のみが存在する場合について説明したが、りん・窒素の生物学的同時除去法である嫌気・無酸素・好気法（Ａ２Ｏ法ともいう）に代表されるように、好気領域の前段に散気を行わない領域が２つ以上存在する場合も考えられる。その場合には、取付位置１０４は、生物反応槽１内の流入口側、取付位置１０５は好気領域の入り口側とすることで、同様の効果が得られる。

また、図４では流出汚濁物濃度測定部６を生物反応槽外の流出口側の配管１０６に設置し、あるいは配管以外の水路に設置して生物反応槽１から流出された被処理水の流出汚濁物濃度を計測するが、実施の形態２と同様に、流出汚濁物濃度測定部６の測定位置は制御の目的に応じて取り付け位置を配管１０６、取付位置１０７のいずれかに変更することによって変更することができる。
配管１０６では生物反応槽から流出した流出水の水質を直接測定し、結果としては流出水質を目標値に制御するために必要な散気量が演算される。要求水質以上の過剰な散気を抑制し、散気量を削減することを重視する場合は、流出汚濁物濃度測定部６を配管１０６に設置すればよい。

一方、流出水の水質が管理値を超えてしまうことを完全に防止したい場合には、生物反応槽１内の下流側末端の流出口より上流側にある取付位置１０７に流出汚濁物濃度測定部６を設置する。取付位置１０７では、流出汚濁物濃度測定部６で水質を測定した後も被処理水が完全に流出するまで水処理が行われるので、流出水質を確実に管理値以下に制御することができる。
この分、反応槽での生物処理反応が完全に終了する手前で、アンモニア態濃度を目標値まで下げることになり、総散気量は流出汚濁物濃度測定部６を配管１０６に設置することと比べて大きくなる可能性が高い。これにより、散気量の制御遅れなどにより流出汚濁物濃度測定部６で測定された汚濁物濃度が目標値を超えた場合でも、取付位置１０７より下流の領域で処理されることで、最終的な流出水の水質を良好に保つことができる。

実施の形態３に係る水処理装置および水処理方法によれば、生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷と、生物反応槽１から現在排出されている流出水の汚濁物濃度とこの目標値との差の両方を考慮しながら生物反応槽１内に供給する散気量を設定するので、流出水の汚濁物濃度をより目標値に近づけることができ、より精緻に水質制御ができる。

また、散気量を求める演算において、第１空気供給部４１、第２空気供給部４２、および第３空気供給部４３にそれぞれ接続された第１散気部３１、第２散気部３２、および第３散気部３３の生物反応槽１内での位置に従って、それぞれに定める係数に大小関係をつけることにより、生物反応槽１の流入部に近い散気部からは主として生物反応槽１に流入する被処理水の流入負荷に応じて、また生物反応槽１の排出部に近い散気部からは主として流出水の汚濁物濃度とこの目標値との差に応じてそれぞれ空気が供給されるので、流入負荷が変動しても生物反応槽１の各ポイントにおいて適切な空気供給を実現できるうえに、排出される流出水の汚濁物濃度をより目標値に近づけることができる。さらに、過不足のない空気供給量で効率的な水質制御ができる。

１ 生物反応槽、５ 流入負荷測定部、６ 流出汚濁物濃度測定部、８ 流出汚濁物濃度差分値算出部、９ 比例項算出部、１０ 積分項算出部、１１ 微分項算出部、１２ 目標散気量算出部、３０ 散気部、３１ 第１散気部、３２ 第２散気部、３３ 第３散気部、４０ 空気供給部、４１ 第１空気供給部、４２ 第２空気供給部、４３ 第３空気供給部、７０ 散気量算出部、７１ 第１散気量算出部、７２ 第２散気量算出部、７３ 第３散気量算出部、１００ 仕切り板、１０１ 嫌気領域、１０２ 好気領域、１０３、１０６、１０８ 配管、１０４、１０５、１０７ 取付位置。

Claims (5)

1. 流入口から生物反応槽内に流入した被処理水に空気を散気して生物反応処理を行い前記生物反応槽外へ排出口から排出する水処理装置において、
   前記空気を散気する第１散気部および第２散気部と、
   前記第１散気部の散気量の設定値である第１設定値および前記第２散気部の散気量の設定値である第２設定値を算出し、前記第１散気部の散気量が前記第１設定値となる制御を行い、前記第２散気部の散気量が前記第２設定値となる制御を行う散気量算出部と、
   前記被処理水の流出汚濁物濃度を測定する流出汚濁物濃度測定部とを備え、
   前記第１散気部は、前記生物反応槽内で前記流入口からの距離が前記第２散気部よりも短い位置に配置され、
   前記流出汚濁物濃度測定部によって測定された前記流出汚濁物濃度と流出汚濁物濃度の目標値との差に基づく比例制御量をＧ_Ｐとし、前記差に基づく積分制御量をＧ_Ｉとし、前記差に基づく微分制御量をＧ_Ｄとし、ｋ_１２およびｋ_２２をあらかじめ定められた係数とし、ｋ_１３，ｋ_２３をあらかじめ定められた定数とするとき、
   前記第１設定値であるＧ_１は次式
   Ｇ_１＝ｋ_１２・(Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ)＋ｋ_１３
   により算出され、
   前記第２設定値であるＧ_２は次式
   Ｇ_２＝ｋ_２２・(Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ)＋ｋ_２３
   により算出されることを特徴とする水処理装置。
2. 前記流出汚濁物濃度測定部は、前記生物反応槽内における下流側末端の流出口より上流側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記流出汚濁物濃度測定部は、前記生物反応槽外の流出口側の配管と、前記生物反応槽内の流出口側とのうち目的に応じて選択された位置に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の水処理装置。
4. ｋ _１２ ≦ｋ _２２ の関係が成立することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の水処理装置。
5. 流入口から生物反応槽内に流入した被処理水に空気を散気して生物反応処理を行い前記生物反応槽外へ排出口から排出する水処理装置における水処理方法であって、
   前記被処理水の流出汚濁物濃度を測定するステップと、
   前記空気を散気する第１散気部の散気量の設定値である第１設定値および前記空気を散気する第２散気部の散気量の設定値である第２設定値を算出し、前記第１散気部の散気量が前記第１設定値となる制御を行い、前記第２散気部の散気量が前記第２設定値となる制御を行うステップと、
   を含み、
   前記第１散気部は、前記生物反応槽内で前記流入口からの距離が前記第２散気部よりも短い位置に配置され、
   測定された前記流出汚濁物濃度と流出汚濁物濃度の目標値との差に基づく比例制御量をＧ_Ｐとし、前記差に基づく積分制御量をＧ_Ｉとし、前記差に基づく微分制御量をＧ_Ｄとし、ｋ_１２およびｋ_２２をあらかじめ定められた係数とし、ｋ_１３，ｋ_２３をあらかじめ定められた定数とするとき、
   前記第１設定値であるＧ_１は次式
   Ｇ_１＝ｋ_１２・(Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ)＋ｋ_１３
   により算出され、
   前記第２設定値であるＧ_２は次式
   Ｇ_２＝ｋ_２２・(Ｇ_Ｐ＋Ｇ_Ｉ＋Ｇ_Ｄ)＋ｋ_２３
   により算出されることを特徴とする水処理方法。

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