JP7378972B2 - Membrane treatment control system and membrane treatment control method - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、膜処理制御システム及び膜処理制御方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a membrane treatment control system and a membrane treatment control method.
近年、新興国を中心に下水処理へのMBR(Membrane Bio Reactor:膜分離活性汚泥法)プロセスの導入が進んでいる。MBRプロセスとは、微生物の働きを利用して汚水を浄化する活性汚泥法の一種であり、処理された水(以下「処理水」という。)と活性汚泥との分離を、従来の沈殿池に代えてMF膜(Microfiltration Membrane:精密濾過膜)又はUF膜(Ultrafiltration Membrane:限外濾過膜)を用いて行う方法である。このようなMBRプロセスは、下水処理のほか、水資源が不足している地域を中心に導入が進んでいる海水淡水化プラントの前処理にも用いられている。このような膜処理プロセスは、沈殿池を必要としないため、水処理施設の設備規模を小さくするとともに、設備導入に係るイニシャルコストを抑制することができる。 In recent years, the introduction of the MBR (Membrane Bio Reactor: membrane separation activated sludge method) process for sewage treatment is progressing, mainly in emerging countries. The MBR process is a type of activated sludge method that uses the action of microorganisms to purify wastewater, and separates treated water (hereinafter referred to as "treated water") and activated sludge in a conventional settling tank. Instead, this is a method using a MF membrane (Microfiltration Membrane) or a UF membrane (Ultrafiltration Membrane). Such an MBR process is used not only for sewage treatment but also for pre-treatment in seawater desalination plants, which are being introduced mainly in regions lacking water resources. Since such a membrane treatment process does not require a settling tank, it is possible to reduce the equipment scale of a water treatment facility and to suppress the initial cost associated with equipment introduction.
一方で、ランニングコストが高いことが、膜処理プロセスの導入を妨げる最大の要因となっている。これは、膜処理プロセスが、他の水処理プロセスと比べて多くの電力コストを必要とするためである。例えば、MBRプロセスでは、高濃度で微生物を維持するため、通常の下水処理プロセスの数倍以上の曝気(空気供給)が必要になり、それに伴って電力コストも高くなる。また、膜処理プロセスでは、膜の目詰まり(一般にファウリングと呼ばれる)を抑制するために、水処理に必要な空気供給だけでなく、膜面を洗浄するための空気供給が必要になり、この分の電力コストもランニングコストを高める要因となっている。 On the other hand, high running costs are the biggest factor preventing the introduction of membrane treatment processes. This is because membrane treatment processes require more electricity costs than other water treatment processes. For example, in the MBR process, in order to maintain microorganisms at a high concentration, aeration (air supply) several times more than in a normal sewage treatment process is required, and the electricity cost increases accordingly. In addition, in the membrane treatment process, in order to suppress membrane clogging (generally called fouling), not only the air supply necessary for water treatment but also the air supply for cleaning the membrane surface is required. The cost of electricity is also a factor that increases running costs.
なお、空気供給による膜の洗浄は、必ずしもファウリングの発生を完全に抑止できるものではなく、洗浄のための空気供給を行っていてもファウリングは徐々に進行する。このため、従来、空気供給による洗浄方法と、薬品によってファウリングを完全に解消する洗浄方法と、を組み合わせて濾過膜をメンテナンスする方法がいくつか考案されている。しかしながら、従来の方法では、薬品洗浄が必要となるタイミングを必ずしも適切に判断することができず、その結果、十分なコスト削減を実現できない可能性があった。 Note that cleaning the membrane by supplying air cannot necessarily completely suppress the occurrence of fouling, and even if air is supplied for cleaning, fouling progresses gradually. For this reason, several methods have been devised to maintain the filtration membrane by combining a cleaning method using air supply and a cleaning method using chemicals to completely eliminate fouling. However, with conventional methods, it is not always possible to appropriately determine the timing at which chemical cleaning is required, and as a result, there is a possibility that sufficient cost reductions cannot be achieved.
本発明が解決しようとする課題は、膜処理プロセスに要する電力コストを低減することができる膜処理制御システム及び膜処理制御方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a membrane treatment control system and a membrane treatment control method that can reduce the power cost required for the membrane treatment process.
実施形態の膜処理制御システムは、パラメータ設定部及び限界到達時間推定部を持つ。パラメータ設定部は、膜処理プロセスにおいて被処理水の曝気及び濾過膜の洗浄のために供給される空気の量である洗浄風量の計測値と、前記濾過膜の処理量の計測値とに基づいて、膜差圧予測モデルに前記膜処理プロセスの特性に応じたパラメータを設定する。限界到達時間推定部は、前記洗浄風量を最大風量とした場合における膜差圧の変化を前記膜差圧予測モデルに基づいて予測することにより膜差圧がその限界値に到達するのに要する最大到達時間を推定するとともに、前記洗浄風量を最小風量とした場合における膜差圧の変化を前記膜差圧予測モデルに基づいて予測することにより膜差圧がその限界値に到達するのに要する最小到達時間を推定する。 The membrane treatment control system of the embodiment includes a parameter setting section and a limit arrival time estimating section. The parameter setting unit is configured based on the measured value of the cleaning air volume, which is the amount of air supplied for aeration of the water to be treated and the cleaning of the filtration membrane in the membrane treatment process, and the measured value of the throughput of the filtration membrane. , parameters are set in the membrane differential pressure prediction model according to the characteristics of the membrane treatment process. The limit reaching time estimator estimates the maximum time required for the membrane differential pressure to reach its limit value by predicting the change in the membrane differential pressure when the cleaning air volume is set to the maximum air volume based on the membrane differential pressure prediction model. By estimating the arrival time and predicting the change in membrane differential pressure based on the membrane differential pressure prediction model when the cleaning air volume is set to the minimum air volume, the minimum required for the membrane differential pressure to reach its limit value can be calculated. Estimate arrival time.
以下、実施形態の膜処理制御システム及び膜処理制御方法を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a membrane treatment control system and a membrane treatment control method according to embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態における下水処理プラント1の構成の具体例を示す図である。下水処理プラント1は、膜処理によって下水を浄化する膜処理プロセスを実現する各種の設備群2と、膜処理プロセスを制御する制御システム3と、を備える。例えば、設備群2は、無酸素槽21、好気槽22、膜ユニット23、膜濾過ポンプ24及び各種センサ群25を備え、MBR(Membrane Bio Reactor:膜分離活性汚泥法)プロセスを実現する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a specific example of the configuration of a
無酸素槽21は処理対象の下水(以下「被処理水」という。)が流入する水槽であって無酸素状態に保たれる。一方で、無酸素槽21には好気槽22から一部の汚泥(以下「返送汚泥」という。)が戻される。無酸素槽21は、槽内の被処理水を攪拌する撹拌機211を備え、撹拌機211を回転させることにより、返送汚泥と被処理水とを混合する。この返送汚泥により、微生物が無酸素槽21に供給される。無酸素槽21では、この微生物の働きにより、被処理水中の硝酸が窒素に分解される。この分解反応は一般に脱窒と呼ばれ、脱窒によって分解された窒素が大気中に放出されることで被処理水から窒素成分が除去される。無酸素槽21において窒素成分が除去された被処理水は後段の好気槽22に送られる。
The anoxic tank 21 is a water tank into which sewage to be treated (hereinafter referred to as "to-be-treated water") flows, and is maintained in an anoxic state. On the other hand, some sludge (hereinafter referred to as "return sludge") is returned to the anoxic tank 21 from the aerobic tank 22. The anoxic tank 21 includes a
好気槽22は無酸素槽21から送られてきた被処理水に対して曝気を行うための水槽である。この曝気により活性化した微生物が被処理水中のリンを吸収することにより被処理水からリンが除去される。また、好気槽22では被処理水に空気が供給されることによりアンモニアが硝酸に分解される。この分解反応は一般に硝化と呼ばれ、硝化によって被処理水からアンモニアが除去される。リン及びアンモニアが除去された被処理水は、膜濾過ポンプ24によって膜ユニット23に通水されることで処理水と不要物とに分離される。
The aerobic tank 22 is a tank for aerating the water to be treated sent from the anoxic tank 21. Microorganisms activated by this aeration absorb phosphorus in the water to be treated, thereby removing phosphorus from the water to be treated. Furthermore, in the aerobic tank 22, ammonia is decomposed into nitric acid by supplying air to the water to be treated. This decomposition reaction is generally called nitrification, and ammonia is removed from the water to be treated by nitrification. The treated water from which phosphorus and ammonia have been removed is passed through the
膜ユニット23によって被処理水から分離された汚泥は余剰汚泥引き抜きポンプ221によって好気槽22から引き抜かれ、基本的には汚泥処理工程に送られて処理されるが、その一部は返送汚泥として返送汚泥ポンプ222によって無酸素槽21に返送される。なお、図1は2基の膜ユニット23を備えた好気槽22の例を示しているが、好気槽22に備えられる膜ユニット23は1基であってもよいし3基以上であってもよい。
The sludge separated from the water to be treated by the
また、好気槽22は膜ユニット23の洗浄と被処理水の曝気とを兼ねて槽内に空気を送り出す洗浄曝気ブロワ223及び散気板224を備え、その補助設備として補助散気ブロワ225及び補助散気板226を備える。また、好気槽22と膜濾過ポンプ24との間の流路には膜ユニット23の洗浄用薬液を注入する薬液注入弁241が設けられ、薬液タンク242に貯えられている洗浄用薬液が薬液注入弁241を介して膜ユニット23に送られる。
The aerobic tank 22 also includes a
センサ群25は膜処理プロセスの状態を示すデータ(以下「プロセスデータ」という。)を取得する一以上のセンサによって構成される。具体的には、センサ群25には、無酸素槽21に流入する下水の流量を計測する流入流量計251と、無酸素槽21内の被処理水の温度を計測する水温計252と、好気槽22内のMLSS(Mixed Liquor Suspended Solids:活性汚泥浮遊物質)を計測するMLSS計253と、好気槽22内のDO(Dissolved Oxygen:溶存酸素量)を計測するDO計254と、膜濾過ポンプ24によって引き抜かれる処理水の流量(以下「濾過流量」という。)を計測する濾過流量計255と、が含まれる。センサ群25は、取得したプロセスデータを制御システム3に送信する。
The
なお、プロセスデータは膜処理プロセスの状態を示すデータであれば上記のセンサ群25のほか、どのような手段で取得されてもよい。例えば、本実施形態において、洗浄曝気ブロワ223及び補助散気ブロワ225のそれぞれは、送出する風量(散気風量及び補助散気風量)を計測する機能を有し、計測データをプロセスデータの一部として制御システム3に送信する。
Note that the process data may be acquired by any means other than the
制御システム3は、設備群2から送信されるプロセスデータに基づいて設備群2に対する制御指示を示す情報(以下「制御情報」という。)を生成し、生成した制御情報を設備群2に送信する。下水処理プラント1においては設備群2が制御情報の示す指示に基づいて動作することにより、膜処理プロセスが制御システム3によって制御される。
The
図2は、第1の実施形態における制御システム3の機能構成の具体例を示すブロック図である。制御システム3は、記憶部301、プロセスデータ取得部302、パラメータ同定部303、運用条件設定部304、類似パラメータ抽出部305、パラメータ調整部306、膜差圧予測部307、限界膜差圧入力部308、限界風量入力部309及び限界到達時間推定部310を備える。
FIG. 2 is a block diagram showing a specific example of the functional configuration of the
記憶部301は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。記憶部301は制御システム3の動作に必要な各種の情報を記憶する。
The
プロセスデータ取得部302は、通信インタフェースを介して設備群2と通信することにより、設備群2から膜処理プロセスに関するプロセスデータを取得する。例えば、プロセスデータは、膜処理プロセスに関する各種物理量が所定の周期(例えば1分間隔)ごとに計測された値を示すデータとして取得される。プロセスデータ取得部302は取得したプロセスデータを記憶部301に記憶させる。
The process
パラメータ同定部303は、後述する膜差圧予測モデルにおいて膜差圧の変化速度に寄与するパラメータA(以下「速度パラメータ」という。)と、膜差圧曲線の形状に寄与するパラメータkと、をプロセスデータに基づいて同定する機能を有する。なお、膜差圧がファウリング(膜閉塞ともいう)の進行度合いを表すことから、以下ではこのパラメータkを「膜閉塞パラメータ」という場合がある。パラメータ同定部303は、同定した速度パラメータA及び膜閉塞パラメータkの値を記憶部301に記憶させる。
The
運用条件設定部304は、膜処理プロセスの運用条件を設定する機能を有する。ここでいう運用条件とは、膜処理プロセスを運用する条件のことであり、運用上の制約や目標等に関する条件である。例えば、運用条件は、各種センサによって計測される物理量の目標値であってもよいし、各種設備群2の運転条件であってもよい。運用条件設定部304は、あるタイミングで薬品洗浄が行われてから次の薬品洗浄が行われるまでの運用条件を取得し、取得した運用条件を記憶部301に記憶させる。運用条件設定部304が運用条件を記憶部301に記憶させることで、膜処理プロセスの運用条件が制御システム3に設定される。なお、運用条件設定部304が設定した運用条件は、後述する膜差圧予測モデルに対する入力変数の基準値となる。
The operating
類似パラメータ抽出部305は、運用条件設定部304による運用条件の設定に応じて、設定された運用条件と最も類似性の高い運用条件を過去に設定された運用条件の中から抽出する。ここで、過去に設定された運用条件は、その運用条件下で用いられた予測モデルパラメータに対応づけられて予め記憶部301に蓄積されているものとする。図3は、第1の実施形態における過去の運用条件と予測モデルパラメータとの対応づけの具体例を示す図である。図3において、洗浄期間はあるタイミングで薬品洗浄が行われてから次の薬品洗浄が行われるまでの期間を表し、洗浄期間ごとに予測モデルパラメータと運用条件とが対応づけて記憶される。類似パラメータ抽出部305は、このような蓄積データを参照して類似性の高い洗浄期間を特定し、特定した洗浄期間の運用条件に対応づけられた予測モデルパラメータの値を取得する。以下、このように取得された予測モデルパラメータを類似パラメータという。
The similar
パラメータ調整部306は、類似パラメータ抽出部305によって取得された類似パラメータに基づいて、次の洗浄期間における膜処理プロセスの制御に用いる膜差圧予測モデルを調整する。膜差圧予測モデルの調整とは、すなわち膜差圧予測モデルのパラメータを調整することであり、パラメータ調整部306は、過去の類似パラメータと、過去のプロセスデータに基づいて同定された予測モデルパラメータとに基づいて、将来の膜処理プロセスの制御に用いる予測モデルパラメータを調整する。
The
膜差圧予測部307は、パラメータ調整部306によって調整された膜差圧予測モデルを用いて次の洗浄期間における膜差圧を予測する。
The membrane differential
限界膜差圧入力部308は、次の洗浄期間における膜差圧限界値の入力を受け付ける。膜差圧限界値は、薬品洗浄が必要となる膜差圧の限界値である。限界膜差圧入力部308は、入力された膜差圧限界値を限界風量入力部309と限界到達時間推定部310とに出力する。
The limit membrane differential
限界風量入力部309は、次の洗浄期間における洗浄風量(又は、その空気倍率)の最大値及び最小値の入力を受け付ける。洗浄風量は、膜差圧予測モデルの入力変数の1つである。限界風量入力部309は、入力された洗浄風量の最大値(以下「最大風量」という。)及び最小値(以下「最小風量」という。)を限界到達時間推定部310に出力する。
The limit air
限界到達時間推定部310は、膜差圧予測部307によって予測された次の洗浄期間における膜差圧と、限界膜差圧入力部308から出力される膜差圧限界値と、限界風量入力部309から出力される洗浄風量の最大値及び最小値と、に基づき、次の洗浄期間において膜差圧が膜差圧限界値に到達する最大時間(以下「最大到達時間」という。)Lmax及び最小時間(以下「最小到達時間」という。)Lminの値を推定する。最大到達時間は洗浄風量が最大風量である場合の到達時間であり、最小到達時間は洗浄風量が最小風量である場合の到達時間である。この推定では膜差圧の現在値が初期値として用いられる。
The limit arrival
図4は、第1の実施形態において膜差圧TMP(Trans Membrane Pressure)が薬品洗浄によって低下する様子を示す概略図である。一般に、MBRプロセスではTMPを監視することによってファウリングの進行度合いを判断し、TMPが所定の閾値(典型的には10~30kPa程度)を超過した場合に薬品洗浄が行われることが多い。濾過膜の薬品洗浄には次亜塩素酸ソーダが用いられることが多く、次亜塩素酸ソーダによる洗浄で膜閉塞の状況が十分に改善しない場合にはシュウ酸などの強酸が用いられる場合もある。このような薬品洗浄は、膜差圧を0~2kPa程度(図中の初期値)にまで回復することができる。このような薬品洗浄を行うことにより、膜処理プロセスの運用中の膜差圧は、図薬品洗浄の実施時点を境界にノコギリ歯状に変動することになる。洗浄期間は、直近の薬品洗浄が終了したタイミングから、膜差圧TMPが次の薬品洗浄が必要になる閾値に到達するまでの期間である。以下、薬品洗浄を洗浄期間ごとに周期的に実行する場合には洗浄期間を洗浄周期と呼ぶ場合もある。 FIG. 4 is a schematic diagram showing how the trans membrane pressure (TMP) is reduced by chemical cleaning in the first embodiment. Generally, in the MBR process, the degree of fouling progress is determined by monitoring TMP, and chemical cleaning is often performed when TMP exceeds a predetermined threshold (typically about 10 to 30 kPa). Sodium hypochlorite is often used to chemically clean filtration membranes, and if cleaning with sodium hypochlorite does not sufficiently improve the membrane clogging situation, strong acids such as oxalic acid may be used. . Such chemical cleaning can restore the membrane differential pressure to about 0 to 2 kPa (initial value in the figure). By performing such chemical cleaning, the membrane differential pressure during operation of the membrane treatment process fluctuates in a sawtooth pattern with the boundary at the point in time when chemical cleaning is performed. The cleaning period is a period from the timing when the most recent chemical cleaning ends until the membrane differential pressure TMP reaches a threshold value at which the next chemical cleaning is required. Hereinafter, when chemical cleaning is performed periodically for each cleaning period, the cleaning period may be referred to as a cleaning cycle.
図5は、第1の実施形態における制御システム3の動作例を示すフローチャートである。図5に示すフローチャートは、ある洗浄期間が開始した時点で開始され、その洗浄期間において取得されたプロセスデータに基づいて限界到達時間を推定する処理の流れを示す。まず、プロセスデータ取得部302がプロセスデータの取得を開始する(ステップS101)。以後、プロセスデータ取得部302は、所定の計測周期(例えば1分)ごとにプロセスデータを取得し、取得したプロセスデータを時系列データとして蓄積していく。なお、この時系列データを記憶する記憶部301は、SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)と呼ばれる監視制御システムに備えられてもよい。
FIG. 5 is a flowchart showing an example of the operation of the
続いて、パラメータ同定部303が、洗浄期間が終了したタイミングで、それまでに蓄積された時系列データから膜差圧TMPの時系列データを取得し、取得したTMPの時系列データに基づいて膜差圧予測モデルの主要パラメータである速度パラメータA及び膜閉塞パラメータkを同定する(ステップS102)。具体的には、パラメータ同定部303は、濾過流量の時系列データに基づいて膜差圧TMPの時系列データを取得し、取得したTMPの時系列データが次の式(1)によって表される膜差圧予測モデルに当てはまるようにパラメータA及びkを同定する。
Next, at the timing when the cleaning period ends, the
式(1)においてTMPは膜差圧、又は膜差圧の次元で表した膜濾過抵抗を表す。XはTMPの変化に影響する要因変数となるベクトルを表し、θはXと膜差圧の変化速度との関係性を表すパラメータである。式(1)に示すように、速度パラメータAは要因変数X及びパラメータθの関数として表される。 In equation (1), TMP represents the membrane filtration resistance expressed in the dimension of the membrane differential pressure or the membrane differential pressure. X represents a vector that is a factor variable that influences the change in TMP, and θ is a parameter that represents the relationship between X and the rate of change in the transmembrane pressure. As shown in equation (1), speed parameter A is expressed as a function of factor variable X and parameter θ.
パラメータ同定部303は、要因変数XとしてTMPの変化に大きく寄与する変数をプロセスデータから抽出し、抽出したプロセスデータに基づいて速度パラメータAを同定する。一般に、要因変数Xとなる物理量は対象とする膜処理プロセスの性質や特性等によって異なるが、ここでは要因変数Xには少なくとも洗浄風量(又は、その空気倍率)とフラックス(又は、濾過流量)とが含まれるものとする。例えば、要因変数Xに空気倍率及びフラックスを含める場合、次の関係式によってその値を取得することができる。
The
空気倍率=洗浄風量÷濾過流量
フラックス=濾過流量÷膜面積
Air magnification = cleaning air volume ÷ filtration flow rate Flux = filtration flow rate ÷ membrane area
ここでA(X,θ)はXの値に応じて変化するが、MBRプロセスなどの膜処理プロセスにおいては、ある洗浄期間中のXの値はそれほど大きく変化しないことが多い。また、大きく変化する場合であっても、Xの値がTMPの変化速度に与える影響は、洗浄期間におけるXの代表値(例えば平均値や中央値など)と考えて差し支えない。そのため、個々の洗浄期間において速度パラメータAの値は近似的には一定であるとみなすことができる。そこで、個々の洗浄期間おけるパラメータA及びkを一定値とすると、式(1)を次の式(2)のように表すことができる。 Here, A(X, θ) changes depending on the value of X, but in a membrane treatment process such as an MBR process, the value of X during a certain cleaning period often does not change significantly. Furthermore, even if the value of X changes significantly, the influence that the value of X has on the rate of change in TMP can be considered to be the representative value of X (for example, the average value or median value) during the cleaning period. Therefore, the value of the speed parameter A can be considered to be approximately constant during each cleaning period. Therefore, if the parameters A and k in each cleaning period are set to constant values, equation (1) can be expressed as the following equation (2).
このような近似により、膜差圧予測モデルはパラメータA及びkを含む膜差圧TMPに関する微分方程式となるため、TMPの時系列データを取得することができればパラメータA及びkを同定することが可能となる。パラメータA及びkの同定法には様々な方法が考えられるが、例えば、以下のような方法で同定することができる。 Due to this approximation, the transmembrane pressure prediction model becomes a differential equation regarding transmembrane pressure TMP that includes parameters A and k, so if time series data of TMP can be obtained, parameters A and k can be identified. becomes. Various methods can be considered for identifying the parameters A and k, and for example, the following methods can be used to identify them.
式(3)は式(2)の両辺の対数をとることによって得られる式である。さらに式(3)は次の式(4)~(6)による置き換えにより、式(7)のように表される。 Equation (3) is an equation obtained by taking the logarithm of both sides of Equation (2). Furthermore, by replacing equation (3) with the following equations (4) to (6), it can be expressed as equation (7).
式(6)及び(7)におけるTは行列の転置を表す。このように表すと、式(7)は以下のような線形回帰式となるので、u及びyを膜差圧TMPの値から算出しておくことによって、例えば、最小二乗法などの同定法でφを求めることができる。φが求まれば、A=exp(logA)の関係からAを算出することができるので、パラメータA及びkの値を同定することができる。 T in equations (6) and (7) represents the transposition of the matrix. Expressed in this way, equation (7) becomes a linear regression equation as shown below, so by calculating u and y from the value of the transmembrane pressure TMP, for example, using an identification method such as the least squares method, φ can be found. Once φ is determined, A can be calculated from the relationship A=exp(logA), so the values of parameters A and k can be identified.
また、別の同定方法として、以下のような方法が用いられてもよい。一般に、膜閉塞パラメータkは、通常0~2程度の値を取ることが知られている。そのため、例えば、kの値を0.1刻みで変化させてAの値を同定し、Aの同定誤差が最も小さくなる値でkを同定することも可能である。この場合の具体的な手順は例えば以下のようになる。 Further, as another identification method, the following method may be used. Generally, it is known that the membrane occlusion parameter k usually takes a value of about 0 to 2. Therefore, for example, it is also possible to identify the value of A by changing the value of k in steps of 0.1, and to identify k with the value that minimizes the identification error of A. The specific procedure in this case is, for example, as follows.
式(8)は式(2)を変形したものである。式(8)において、右辺のdTMP/dt及びTMPは計測値から求まるのでkの値が定まればAの値が求まる。ここで、kの値を例えば0.1刻みで0から変更していくと、各kの値に応じたAの値が得られる。このようにして得られたAとkの値を用いて式(2)式の微分方程式を解くことで、膜差圧TMPの推定値の時系列データ(以下「推定時系列データ」という。)を得る。そして、推定時系列データと計測によって得られた時系列データとの誤差(例えば平均平方二乗誤差(RMSE:Root Mean Square Error)など)を求め、誤差が最小となるA及びkの値の組み合わせを同定結果とする。 Equation (8) is a modification of Equation (2). In equation (8), dTMP/dt and TMP on the right side are determined from the measured values, so once the value of k is determined, the value of A can be determined. Here, if the value of k is changed from 0 in steps of 0.1, for example, a value of A corresponding to each value of k is obtained. By solving the differential equation of equation (2) using the values of A and k obtained in this way, time series data of the estimated value of the transmembrane pressure TMP (hereinafter referred to as "estimated time series data") is obtained. get. Then, find the error between the estimated time series data and the time series data obtained by measurement (for example, root mean square error (RMSE), etc.), and find the combination of A and k values that minimizes the error. This is the identification result.
なお、各kの値に応じたAの値は、以下のような方法で求められてもよい。まず、式(2)の解析解は次の式(9)のように表される。 Note that the value of A corresponding to each value of k may be determined by the following method. First, the analytical solution of equation (2) is expressed as the following equation (9).
ここで、膜差圧TMPの初期値をTMP(0)、時刻tにおける膜差圧TMPの値をTMP(t)としてkを固定すると、式(9)からAの値を求めることができる。具体的には、ある洗浄期間について取得された時系列データの初期値及び最終値をそれぞれTMP(0)及びTMP(t)に代入し、上述の同定方法と同様に、kの値を0.1刻みで0から変更していくと、各kの値に応じたAの値が得られる。 Here, if k is fixed with the initial value of the transverse pressure TMP as TMP(0) and the value of the transverse transverse pressure TMP at time t as TMP(t), the value of A can be obtained from equation (9). Specifically, the initial value and final value of time-series data acquired for a certain cleaning period are substituted into TMP(0) and TMP(t), respectively, and the value of k is set to 0. By changing from 0 in increments of 1, the value of A corresponding to each value of k is obtained.
以上、パラメータ同定部303が各パラメータを同定する方法の例をいくつか示したが、各パラメータの同定方法はこれらの方法に限定されない。予測モデルパラメータは、膜差圧TMPの計測値(プロセスデータに基づく計算値も含む)を用いて同定する方法であれば上記以外のどのような方法で同定されてもよい。パラメータ同定部303は、このように同定したパラメータA及びkを、各洗浄期間の運用条件と対応づけて記憶部301に記憶させる。具体的には、パラメータ同定部303は、運用条件となる各物理量について対象の洗浄期間における代表値を取得し、取得した各代表値を同定した予測モデルパラメータに対応づけて記憶させる。この代表値は、洗浄期間における代表的な値を示すものであればどのような統計値であってもよい。例えば、代表値には、平均値や中間値、中央値、トリム平均値、最頻値、最大値、最小値などが用いられてもよい。
Although several examples of how the
続いて、運用条件設定部304が、薬品洗浄の終了後に次の洗浄期間の運用条件を設定する(ステップS103)。なお、事前に適切な値を設定することが困難な項目については、適宜外挿や補間等の処理を行った上で運用条件が設定されてもよい。例えば、CODは流入する下水の状況に依存するため、事前に適切な値を設定することが難しい。このような項目については、例えば直前の洗浄期間の値が次の洗浄期間の運用条件として用いられてもよい。また、DO濃度や補助散気量、空気倍率など、各種設備群2の運転条件によって変化する項目については、次の洗浄期間について作成された運転計画に基づいて運用条件が設定されるとよい。
Subsequently, the operating
続いて、類似パラメータ抽出部305が、次の洗浄期間における膜差圧予測に用いる予測モデルパラメータを取得する(ステップS104)。具体的には、類似パラメータ抽出部305は、過去に設定された運用条件から、次の洗浄期間について設定された運用条件に類似する運用条件を抽出する。類似パラメータ抽出部305は、抽出された運用条件に対応づけられた予測モデルパラメータを次の洗浄期間において用いる予測モデルパラメータとして取得する。
Subsequently, the similar
例えば、類似パラメータ抽出部305は、記憶部301に蓄積された過去の運用条件のデータに基づいて運用条件の各項目の平均値及び標準偏差を算出する。類似パラメータ抽出部305は、次の洗浄期間について設定された運用条件及び過去の運用条件の各項目について、標準偏差を単位量とする平均値からのズレ量(一般にZ値という。)を算出する。類似パラメータ抽出部305は、各洗浄期間について運用条件の各項目のZ値の総和をとり、次の洗浄期間についての総和に対する過去の各洗浄期間についての総和の割合を、次の洗浄期間に対する過去の各洗浄期間の類似度として算出する。そして、類似パラメータ抽出部305は、類似度が最も高い洗浄期間を、類似パラメータを取得する対象の洗浄期間(以下「類似期間」という。)として決定する。類似パラメータ抽出部305は、類似期間の運転条件に対応づけられた予測モデルパラメータを類似パラメータとして取得する。
For example, the similar
なお、類似パラメータ抽出部305は、類似度に対して所定の重みづけを行ってもよい。例えば、直近の洗浄期間の運用条件が次の洗浄期間の運用条件に最も近いと想定される場合、類似パラメータ抽出部305は直近の洗浄期間の類似度が高くなるような重み付けを行ってもよい。これとは逆に、次の洗浄期間について設定された運用条件において、直近の運用条件から変更された項目がある場合、類似パラメータ抽出部305は、その変更の大きさに応じて類似度を低くするような重み付けを行ってもよい。
Note that the similar
例えば、膜処理プロセスが直近の洗浄期間においてはフラックスが0.5[m/日]で運用され、さらにその1つ前の洗浄期間においてはフラックスが0.6[m/日]で運用されたのに対して、次の洗浄期間におけるフラックスが0.6[m/日]に設定されたと仮定する。この場合、類似パラメータ抽出部305は、直近の洗浄期間ではなく、さらにその1つ前の洗浄期間が類似期間として選択されるように類似度の重み付けを行う。
For example, during the most recent cleaning period of the membrane treatment process, the flux was operated at 0.5 [m/day], and in the previous cleaning period, the flux was operated at 0.6 [m/day]. On the other hand, assume that the flux in the next cleaning period is set to 0.6 [m/day]. In this case, the similar
このような重み付けは、より類似する運用条件を抽出することができればどのような基準で行われてもよいが、洗浄期間の時間的な近さや、運用条件の類似性、変更の有無等に基づく重み付けを行うことにより、次の洗浄期間の運用条件に最も近い運用条件を持つ過去の洗浄期間を抽出する事ができる。類似パラメータ抽出部305は、このように抽出した類似パラメータを、次の洗浄期間において用いる予測モデルパラメータとして記憶部301に記憶させる。
Such weighting may be done based on any criteria as long as more similar operating conditions can be extracted, but weighting may be done based on the temporal proximity of the cleaning period, similarity of operating conditions, presence or absence of changes, etc. By performing weighting, it is possible to extract a past cleaning period whose operating conditions are closest to the operating conditions of the next cleaning period. The similar
続いて、パラメータ調整部306が、類似パラメータ抽出部305によって抽出された類似パラメータA及びkに基づいて膜差圧予測モデルを調整する(ステップS105)。ここで、膜閉塞パラメータkについては、類似パラメータ抽出部305によって抽出された値が式(1)に適用されるだけでよい。一方、速度パラメータAは要因変数Xとパラメータθの関数として表されるため、類似パラメータ抽出部305によって抽出された値に対応するようにパラメータθの値が再調整される必要がある。
Subsequently, the
例えば、速度パラメータA(X,θ)が次の式(10)に示す単純な回帰式として表せる場合、θはその回帰係数のベクトルとして式(11)のように表される。 For example, when the speed parameter A(X, θ) can be expressed as a simple regression equation shown in the following equation (10), θ is expressed as a vector of its regression coefficients as shown in equation (11).
上述のとおり、式(10)におけるXは膜差圧TMPの変化に影響する要因変数を表し、具体的には要因変数となりうる異なる物理量X1,X2,X3,…,Xm(mは1以上の整数)のベクトルとして表される。例えば、洗浄風量の空気倍率やフラックス、MLSS濃度、DO濃度、補助散気風量、COD(Chemical Oxygen Demand:化学的酸素要求量)やpHなどの物理量が要因変数となる。 As mentioned above, X in Equation (10) represents a factor variable that affects the change in transmembrane pressure TMP, and specifically, different physical quantities X 1 , X 2 , X 3 ,..., X m (m is an integer greater than or equal to 1). For example, physical quantities such as the air magnification of cleaning air volume, flux, MLSS concentration, DO concentration, auxiliary aeration air volume, COD (Chemical Oxygen Demand), and pH are factor variables.
一方、a1,a2,a3,…,amは、各々に対応する要因変数の回帰係数を表す。すなわち、ai(i=1,2,3,…,m)は対応する要因変数Xiが膜差圧TMPの変化に寄与する度合いを表す。これらの回帰係数は、例えば、最小二乗法や、それを拡張した様々な回帰モデルの同定アルゴリズムを用いて求めることができる。本実施形態において、パラメータθの値は、何等かの同定方法によって予め同定されているものとし、パラメータ調整部306は、予め同定されたパラメータθの値をパラメータ同定部303が同定した速度パラメータAの値に適合するように調整するものである。
On the other hand, a 1 , a 2 , a 3 , . . . , a m represent regression coefficients of the corresponding factor variables. That is, a i (i=1, 2, 3, . . . , m) represents the degree to which the corresponding factor variable X i contributes to the change in the transverse pressure TMP. These regression coefficients can be determined using, for example, the least squares method or various regression model identification algorithms expanded therefrom. In this embodiment, it is assumed that the value of the parameter θ has been identified in advance by some identification method, and the
速度パラメータAを式(10)及び(11)のように表した場合、式(10)はX1,X2,…,Xmを入力変数とし、A(X,θ)を出力変数とする回帰式とみなせる。ここで、X1,X2,…,Xmを類似期間の運用条件(の一部又は全部)に対応させて、類似期間における運用条件の値とパラメータAの値とを式(10)に適用すれば、式(11)のように表されるθの値を最小二乗法などで同定することができる。パラメータ調整部306は、このように調整した膜差圧予測モデルを記憶部301に記憶させる。
When speed parameter A is expressed as equations (10) and (11), equation (10) uses X 1 , X 2 , ..., X m as input variables and A(X, θ) as output variable. It can be regarded as a regression equation. Here, by associating X 1 , X 2 , ... , If applied, the value of θ expressed as in equation (11) can be identified by the least squares method or the like. The
続いて、限界膜差圧入力部308が次の洗浄期間における膜差圧限界値TMPlimの入力を受け付ける(ステップS106)。限界膜差圧入力部308は、入力された膜差圧限界値TMPlimを限界風量入力部309及び限界到達時間推定部310に出力する。なお、次亜塩素酸ソーダを用いて薬品洗浄を行う場合には、膜差圧限界値TMPlimは、例えば10~50kPa程度の値に設定されるとよい。
Subsequently, the limit transmembrane
続いて、限界風量入力部309が次の洗浄期間における最大風量Qmax及び最小風量Qminの入力を受け付ける(ステップS107)。限界風量入力部309は、入力された最大風量Qmax及び最小風量Qminを限界到達時間推定部310に出力する。なお、最大風量Qmax及び最小風量Qminは洗浄曝気ブロワ223や補助散気ブロワ225の性能に基づいて操作可能な範囲の風量の値に設定されるとよい。
Subsequently, the limit air
続いて、限界到達時間推定部310が、次の洗浄期間における最大到達時間及び最小到達時間を推定する(ステップS108)。ここで、限界到達時間推定部310は、パラメータ調整部306によって調整された膜差圧予測モデルを用いて、次の洗浄期間について設定した運用条件のうち洗浄風量(又は、その空気倍率)を最大風量Qmaxとした場合の膜差圧TMPを算出する。
Subsequently, the limit reaching
具体的には、限界到達時間推定部310は、式(1)中の速度パラメータA(X,θ)に、運用条件設定部304によって設定された運用条件と、限界風量入力部309によって設定された最大風量Qmaxとを設定し、薬剤洗浄終了時点での膜差圧の計測値を膜差圧TMPの初期値TMPnowとして膜差圧予測モデルを解くことにより、次の洗浄期間における膜差圧TMPの挙動を表すTMPの時系列データを取得することができる。
Specifically, the limit arrival
このとき、限界到達時間推定部310は、初期値TMPnowから限界膜差圧入力部308によって設定された膜差圧限界値TMPlimまでの膜差圧TMPを計算することにより、次の洗浄期間の開始時点から最大風量Qmaxで洗浄を行った場合において膜差圧TMPが膜差圧限界値TMPlimに到達するまでの時間である最大到達時間Lmaxを算出することができる。
At this time, the limit arrival
同様に、限界到達時間推定部310は、式(1)中の速度パラメータA(X,θ)に、運用条件設定部304によって設定された運用条件と、限界風量入力部309によって設定された最小風量Qminとを設定して膜差圧予測モデルを解くことにより、次の洗浄期間の開始時点から最小風量Qminで洗浄を行った場合において膜差圧TMPが膜差圧限界値TMPlimに到達するまでの時間である最小到達時間Lminを算出することができる。限界到達時間推定部310は、このように算出した最大到達時間Lmax及び最小到達時間Lminを次の洗浄期間における限界到達時間の推定結果として出力する。
Similarly, the limit arrival
このように構成された第1の実施形態の制御システム3によれば、直近の薬品洗浄の終了後に、次の洗浄期間における最大到達時間Lmax及び最小到達時間Lminを精度良く推定することができる。このような限界到達時間が膜処理プロセスの管理者に提供されることにより、管理者は薬品洗浄を行うべきタイミングを適切に判断することが可能となり、結果として、膜処理プロセスに要する電力コストを低減することができる。
According to the
以下、第1の実施形態の変形例について説明する。次の膜濾過抵抗式(12)及び膜閉塞式(13)から、膜差圧TMPはフラックスが変動する場合には膜差圧TMPも大きく変動することが分かる。なお、式(12)におけるμは被処理水の粘性係数を表し、Jはフラックスを表し、Rは膜濾過抵抗を表す。 Modifications of the first embodiment will be described below. From the following membrane filtration resistance equation (12) and membrane occlusion equation (13), it can be seen that the transmembrane differential pressure TMP also changes greatly when the flux changes. In addition, μ in Formula (12) represents the viscosity coefficient of the water to be treated, J represents the flux, and R represents the membrane filtration resistance.
また、別の視点では、式(1)で表した膜差圧予測モデルは式(12)の膜濾過抵抗式において粘性係数μとフラックスJを一定値と仮定して式(11)式に代入することによって得られる式であるとみなすことができる。フラックスJが大きく変動する場合には、膜差圧TMPの変動が大きくなるため、本来であれば、TMP/μJ=Rを直接的に予測する方が好ましい。しかしながら、粘性係数μの値を運用中にオンラインで正確に把握することは一般に困難である。そこで、粘性係数μは温度に依存するものの短期的には一定とみなせることから、μを一定とみなして、TMP/J=μRを予測することでフラックスの変動に対するTMPの変動を推定してもよい。 From another perspective, the membrane differential pressure prediction model expressed by equation (1) is substituted into equation (11) by assuming that the viscosity coefficient μ and flux J are constant values in the membrane filtration resistance equation of equation (12). It can be considered that the formula is obtained by If the flux J varies greatly, the transmembrane pressure difference TMP will vary greatly, so it is originally preferable to directly predict TMP/μJ=R. However, it is generally difficult to accurately grasp the value of the viscosity coefficient μ online during operation. Therefore, since the viscosity coefficient μ depends on temperature but can be considered constant in the short term, it is possible to estimate the TMP fluctuation with respect to flux fluctuation by assuming μ as constant and predicting TMP/J = μR. good.
一方、管理者の観点では、kPaなどの次元で表される膜差圧TMPの値で膜処理プロセスを管理するほうが、膜処理プロセスの状態を把握しやすいため都合がよい。そのため、膜処理プロセスの運転管理は可能な限りTMPの次元で行われることが好ましい。そこで、次の式(14)のように、見かけ上TMPの次元の値をとる量TMPrを定義する。 On the other hand, from the administrator's perspective, it is more convenient to manage the membrane treatment process using the value of the membrane differential pressure TMP expressed in a dimension such as kPa because it is easier to grasp the state of the membrane treatment process. Therefore, it is preferable that the operation management of the membrane treatment process be performed at the TMP level as much as possible. Therefore, a quantity TMP r that apparently takes a value of the dimension of TMP is defined as shown in the following equation (14).
式(14)において、Jrateはフラックスの定格値又は代表値(一定値)を表す。ここで、Jは実際のフラックスであり変動する可能性のある量である。以下、ここで定義したTMPrを便宜的に定格換算膜差圧と呼ぶ。このように定義した定格換算膜差圧TMPrは、実質的には、粘性係数が一定の元での膜濾過抵抗を意味する量であり、膜濾過抵抗を膜差圧TMPの次元で表したものとみなすことができる。第1の実施形態において、膜差圧TMPは定格換算膜差圧TMPrに置き換えられてもよい。このような量に置き枯れられることにより、管理者はTMPの次元で表された膜濾過抵抗で膜処理プロセスを管理することが可能になる。 In Equation (14), J rate represents the rated value or representative value (constant value) of the flux. Here, J is the actual flux and is an amount that may vary. Hereinafter, TMP r defined here will be referred to as rated equivalent transmembrane differential pressure for convenience. The rated equivalent membrane differential pressure TMPr defined in this way is essentially the amount that means the membrane filtration resistance under a constant viscosity coefficient, and the membrane filtration resistance is expressed in the dimension of the membrane differential pressure TMP. It can be considered as a thing. In the first embodiment, the transmembrane differential pressure TMP may be replaced with the rated equivalent transmembrane differential pressure TMP r . By being left in such a quantity, the administrator can manage the membrane treatment process using the membrane filtration resistance expressed in the TMP dimension.
また、第1の実施形態では、最大到達時間Lmax及び最小到達時間Lminが薬品洗浄の終了したタイミングで推定されたが、制御システム3は、この推定を洗浄期間において所定の周期(例えば1日)ごとに繰り返し行ってもよい。以下、この周期を推定周期という。図6は、第1の実施形態における制御システム3によって推定された膜差圧TMPの変化の具体例を示す図である。この場合、膜差圧予測モデルに与える初期値TMPnowを直前の推定周期の終了時点(時刻t0’)における膜差圧の計測値TMP0’に設定することにより、制御システム3は当該洗浄期間の残りの期間における最大到達時間Lmax’及び最小到達時間Lmin’を推定することができる。このような推定を行えば、当該洗浄期間において、洗浄風量が限界到達時間に与える影響が時間経過とともに徐々に小さくなっていくため、最大到達時間と最小到達時間との差が小さくなっていく様子(すなわち実際の限界到達時間に収束していく様子)を運転員に提示することが可能となる。
Further, in the first embodiment, the maximum arrival time L max and the minimum arrival time L min are estimated at the timing when chemical cleaning is finished, but the
(第2の実施形態)
図7は、第2の実施形態における制御システム3aの機能構成の具体例を示す図である。制御システム3aは、洗浄周期設定部311、目標値設定部312、風量制御部313及び制御情報送信部314をさらに備える点、限界到達時間推定部310によって推定された限界到達時間Lmax及びLminが洗浄周期設定部311及び目標値設定部312に出力される点で第1の実施形態における制御システム3と異なり、その他の構成は制御システム3と同様である。そのため、図7において、制御システム3と同様の構成には図2と同じ符号を付すことにより説明を省略する。
(Second embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the control system 3a in the second embodiment. The control system 3a further includes a cleaning
洗浄周期設定部311は、薬品洗浄を行う周期(洗浄周期)の計画値の入力を受け付ける。この洗浄周期はすなわち上記の洗浄期間に相当する。洗浄周期は、限界到達時間推定部310によって推定された限界到達時間Lmin及びLmaxの値に基づいて管理者により決定される。
The cleaning
目標値設定部312は、限界到達時間の推定に用いられた膜差圧限界値と、洗浄周期設定部311によって設定された洗浄周期とに基づいて、膜差圧の制御目標曲線を設定する。
The target
風量制御部313は、目標値設定部312によって設定された膜差圧の制御目標曲線と、膜差圧予測部307によって予測された膜差圧の挙動とに基づいて、膜処理プロセスの運用中における洗浄風量(又は、その空気倍率)を算出する。風量制御部313は、洗浄曝気ブロワ223に算出した値の洗浄風量を送出させる制御情報を生成する。
The air
制御情報送信部314は、通信インタフェースを介して洗浄曝気ブロワ223と通信することにより、風量制御部313によって生成された制御情報を洗浄曝気ブロワ223に送信する。制御情報送信部314は、プロセスデータ取得部302と同じ通信インタフェースを介して通信するように構成されてもよい。
The control
図8は、第2の実施形態における制御システム3aの動作例を示すフローチャートである。なお、図8のフローチャートにおいては、第1の実施形態と同様の処理には図5と同じ符号を付すことにより説明を省略する。まず、ステップS101~S108が第1の実施形態と同様に実行される。続いて、洗浄周期設定部311が洗浄周期(すなわち洗浄期間)を設定する(ステップS201)。
FIG. 8 is a flowchart showing an example of the operation of the control system 3a in the second embodiment. Note that in the flowchart of FIG. 8, the same processes as those in the first embodiment are given the same reference numerals as in FIG. 5, and the description thereof will be omitted. First, steps S101 to S108 are executed in the same manner as in the first embodiment. Next, the cleaning
このとき、洗浄周期設定部311は、最大到達時間Lmax及び最小到達時間Lminを用いて、計画値の入力を所定の範囲内の値に制限する。これは、洗浄周期が、最大風量や最小風量、膜差圧限界値TMPlim等に応じて適切に設定される必要があるためである。特に、インバータを備えた洗浄曝気ブロワ223では、インバータの周波数をある一定値以下に低下させることが困難であることから、最大風量だけでなく最小風量も所定の範囲内に制限されることになる。そのため、洗浄周期は、このような制限を持つ最大風量及び最小風量の範囲内で、かつ膜差圧TMPが洗浄周期内に膜差圧限界値TMPlimに到達するように設定される必要がある。洗浄周期設定部311は、管理者によって入力された洗浄周期の計画値がこのような条件を満たしているか否かを判定する。
At this time, the cleaning
例えば、洗浄周期設定部311は、次の式(15)のような按分式に基づいて洗浄期間Lを設定することができる。
For example, the cleaning
ここで、αは最小到達時間Lminと最大到達時間Lmaxとを按分する按分パラメータであり、0<α<1の値を持つ。例えば、洗浄期間Lを単純に最小到達時間Lminと最大到達時間Lmaxとの平均とする場合にはαを0.5に設定すればよい。 Here, α is a proportional division parameter that proportionally divides the minimum arrival time L min and the maximum arrival time L max , and has a value of 0<α<1. For example, if the cleaning period L is simply the average of the minimum arrival time L min and the maximum arrival time L max , α may be set to 0.5.
また、式(15)を用いない方法として、洗浄風量の削減目標に基づいて設定する方法もある。例えば、通常、定格風量に相当する最大風量に対して削減したい風量の割合(以下「削減率」という。)を予め設定しておく。このとき、削減率は、削減後の風量が最小風量以上となるように設定される。洗浄周期設定部311は、削減後の洗浄風量で膜処理プロセスを運用した場合における限界到達時間を算出し、算出した限界到達時間を洗浄周期Lに設定する。
Furthermore, as a method that does not use equation (15), there is also a method of setting based on a cleaning air volume reduction target. For example, usually, a ratio of the air volume to be reduced (hereinafter referred to as "reduction rate") with respect to the maximum air volume corresponding to the rated air volume is set in advance. At this time, the reduction rate is set so that the air volume after reduction is equal to or greater than the minimum air volume. The cleaning
続いて、目標値設定部312が膜処理プロセスの運用中における洗浄風量(又は、その空気倍率)の制御目標曲線を設定する(ステップS202)。具体的には、目標値設定部312は、次の式(16)にしたがって次の洗浄期間における膜差圧の制御目標値の時間変化dTMPref/dtを算出する。
Subsequently, the target
式(16)において、TMPrefは膜差圧、又は膜差圧の次元で表した膜濾過抵抗の目標値を表す。A0はTMPrefの速度パラメータを表し、k0はTMPrefの膜閉塞パラメータを表す。ここで、パラメータk0は、通常、式(1)に示した膜差圧予測モデルの膜閉塞パラメータkと同じ値に設定されればよい。 In equation (16), TMP ref represents the membrane differential pressure or the target value of the membrane filtration resistance expressed in the dimension of the membrane differential pressure. A 0 represents the velocity parameter of TMP ref and k 0 represents the membrane occlusion parameter of TMP ref . Here, the parameter k 0 may normally be set to the same value as the membrane occlusion parameter k of the membrane differential pressure prediction model shown in equation (1).
一方、パラメータA0は、TMPrefの初期値TMP0”、膜差圧限界値TMPlim”及び洗浄周期Lを式(16)に適用することにより、次の式(17)及び(18)のように表わすことができる。 On the other hand, the parameter A 0 can be calculated using the following equations (17) and (18) by applying the initial value TMP 0 '' of TMP ref , the transmembrane pressure limit value TMP lim '', and the cleaning cycle L to equation (16). It can be expressed as
図9は、第2の実施形態において目標値設定部312が膜差圧の制御目標曲線を決定する処理の概念を示す図である。図9に示すように、目標値設定部312は、洗浄期間の開始時点における膜差圧の目標値の初期値TMP0”、洗浄期間の開始時点から薬品洗浄が必要になる時点までの期間L(すなわち洗浄期間)、及び薬品洗浄が必要になるタイミングでの膜差圧(すなわち膜差圧限界値)TMPlim”を設定し、洗浄期間の終了時点において膜差圧が膜差圧限界値に到達するような曲線を求めることで膜差圧の制御目標曲線を算出する。
FIG. 9 is a diagram illustrating the concept of a process in which the target
ここで、洗浄周期Lの値には洗浄周期設定部311によって設定された値が用いられ、初期値TMP0”には直近の薬品洗浄が終了した時点での膜差圧の計測値が用いられる。また、膜差圧限界値TMPlim”には限界膜差圧入力部308によって入力された膜差圧限界値TMPlimが用いられる。このように、設定した洗浄周期L、初期値TMP0”及び膜差圧限界値TMPlim”を式(17)及び(18)に適用することにより制御目標曲線の速度パラメータA0を決定することができる。
Here, the value set by the cleaning
続いて、風量制御部313が、目標値設定部312によって設定された膜差圧の制御目標曲線に基づいて、膜処理プロセスの運用中における洗浄曝気ブロワ223の洗浄風量の操作量を決定する(ステップS203)。具体的には、風量制御部313は、制御時点での要因変数Xの値を膜差圧予測部307に入力し、その出力として、所定の予測期間における膜差圧の予測値を取得する。風量制御部313は、制御目標曲線が示す制御目標値と、予測値との誤差が小さくなるように洗浄風量の操作量を決定する。
Subsequently, the air
図10は、第2の実施形態において風量制御部313が運用時の洗浄風量の操作量を適応的に更新していく処理の概念を示す図である。例えば、風量制御部313は、1週間程度の予測期間を設定し、現在から1週間程度先までの膜差圧の予測値を予め取得しておく。そして、風量制御部313は、予め取得した膜差圧の予測値と、目標値設定部312によって設定された制御目標値との予測誤差を算出し、この予測誤差の積算値、及び予測期間の終了時点での予測誤差に関して、例えば次の式(19)に示すようなフィードバック制御を行う。
FIG. 10 is a diagram illustrating the concept of processing in which the air
式(19)はフィードバック制御の一例としてPI制御(Proportional-Integral Controller)を示す式である。式(19)において、e(t)は膜差圧の予測値と制御目標値との誤差を表す。Tpは予測期間を表し、例えば1週間程度の値をとる。また、KI、Kpは洗浄風量の修正量(すなわち制御量)を決めるPI制御のパラメータであり、それぞれ、積分ゲイン、比例ゲインと呼ばれる。風量制御部313は、このように決定した洗浄風量の操作量を示す制御情報を生成し、生成した制御情報を洗浄曝気ブロワ223に送信する(ステップS204)。
Equation (19) is an equation showing PI control (Proportional-Integral Controller) as an example of feedback control. In Equation (19), e(t) represents the error between the predicted value of the membrane differential pressure and the control target value. T p represents the prediction period, and takes a value of about one week, for example. Further, K I and K p are PI control parameters that determine the amount of correction (ie, control amount) of the cleaning air volume, and are called integral gain and proportional gain, respectively. The air
このように構成された第2の実施形態の制御システム3aは、直近の洗浄期間の終了後に推定した最大到達時間Lmax及び最小到達時間Lminに基づき、次の洗浄期間において洗浄風量の実際の操作量を適応的に更新していくことにより、膜差圧が予め計画された制御目標値に追従するように洗浄風量を制御することができる。このような制御が実現されることにより、膜差圧が予め想定されたタイミングで膜差圧限界値に到達するように膜処理プロセスが性制御されるため、膜処理プロセスに必要な濾過膜の薬品洗浄をより計画的に実施することが可能となる。 The control system 3a of the second embodiment configured as described above determines the actual cleaning air volume in the next cleaning period based on the maximum arrival time L max and minimum arrival time L min estimated after the end of the most recent cleaning period. By adaptively updating the manipulated variable, the cleaning air volume can be controlled so that the membrane differential pressure follows a pre-planned control target value. By realizing this kind of control, the membrane treatment process is controlled so that the membrane differential pressure reaches the membrane differential pressure limit value at a predetermined timing, which reduces the amount of filtration membrane necessary for the membrane treatment process. It becomes possible to perform chemical cleaning more systematically.
以下、第2の実施形態の変形例について説明する。上記の実施形態では、洗浄周期LがLmin<L<Lmaxを満たすように設定されたが、実際には洗浄周期Lは、管理者が膜処理プロセスの運用方針に基づいて設定するものである。そのため、洗浄周期LをLmin<L<Lmaxの範囲内に機械的に制限することは膜処理プロセスの障害を引き起こす可能性がある。このような問題に対して、洗浄周期Lの値に応じて限界到達時間を調整することで、洗浄周期Lを任意の値に設定することを許容することができる。 Hereinafter, a modification of the second embodiment will be described. In the above embodiment, the cleaning cycle L was set to satisfy L min < L < L max , but in reality, the cleaning cycle L is set by the administrator based on the operation policy of the membrane treatment process. be. Therefore, mechanically limiting the cleaning period L within the range of L min <L < L max may cause trouble in the membrane treatment process. To solve this problem, by adjusting the time to reach the limit according to the value of the cleaning cycle L, it is possible to allow the cleaning cycle L to be set to an arbitrary value.
式(1)、(10)及び(11)に示した膜差圧予測モデルは、その要因変数Xの中にフラックスJを含むため、フラックスJの値に応じてLminやLmaxの値も変化する。ここで、フラックスJを低下させると膜差圧の上昇速度が低下することは物理学的に明らかであるため、Lmin>Lである場合にはフラックスJを増加させ、L>Lmaxである場合にはフラックスJを減少させる。このようなフラックスJの調整により、調整後の洗浄期間LがLmin<L<Lmaxを満たすようにすることができる。 Since the membrane differential pressure prediction model shown in equations (1), (10), and (11) includes flux J in its factor variable X, the values of L min and L max also vary depending on the value of flux J. Change. Here, it is physically clear that decreasing the flux J will decrease the rate of increase in the membrane differential pressure, so if L min > L, increase the flux J, and if L > L max If so, reduce the flux J. By adjusting the flux J in this way, the adjusted cleaning period L can be made to satisfy L min <L < L max .
一方、フラックスは単位膜面積あたりの処理量であるから、フラックスJを変化させることは処理量を変化させることに等しい。そのため、フラックスJの制御による限界到達時間の調整には処理量の調整機能が必要になる。例えば、処理量を調整する方法の1つとして調整池などのバッファを用いる方法がある。また、複数の処理系列で水処理を行っている場合には、他の水処理系列との間で処理量のバランスを変更することで処理量が調整されてもよい。 On the other hand, since the flux is the throughput per unit membrane area, changing the flux J is equivalent to changing the throughput. Therefore, adjusting the time to reach the limit by controlling the flux J requires a processing amount adjustment function. For example, one method for adjusting the amount of processing is to use a buffer such as a regulating pond. Furthermore, when water treatment is performed using a plurality of treatment lines, the amount of treatment may be adjusted by changing the balance of the amount of treatment with other water treatment lines.
また、洗浄周期Lを任意の値に設定することを許容する他の方法として、膜差圧の現在値TMPnowを調整する方法もある。式(1)の膜差圧予測モデルを用いて限界到達時間を算出する際、膜差圧の現在値TMPnowに依存してLmax及びLminの算出結果が変化する。通常、膜処理プロセスの運用において洗浄周期Lはできるだけ長くしたいものであるから、Lmin<L<Lmaxを満たさない状況はL>Lmaxであることが多い。このような場合、Lmaxを長くすることができればLmin<L<Lmaxを満たす洗浄周期を設定することができる。 Further, as another method that allows setting the cleaning cycle L to an arbitrary value, there is also a method of adjusting the current value TMP now of the transmembrane pressure difference. When calculating the time to reach the limit using the membrane differential pressure prediction model of equation (1), the calculation results of L max and L min change depending on the current value TMP now of the membrane differential pressure. Normally, in the operation of a membrane treatment process, it is desired to make the cleaning cycle L as long as possible, so the situation where L min <L < L max is not satisfied is often L>L max . In such a case, if L max can be made longer, a cleaning cycle that satisfies L min <L < L max can be set.
そのためには、L>Lmaxである場合に、TMPnowの値を下げることができればL<Lmaxにすることができる。TMPnowの値を取得するタイミングは、上記の実施形態でも説明したとおり、通常は薬品洗浄の終了後である。そのため、TMPnowの値が高ければ、例えばより濃度の高い次亜塩素酸ソーダで再度洗浄を行うか、又はシュウ酸などの強酸で再度洗浄を行うことによってTMPnowの値を下げることができる。このようにしてTMPnowを下げる調整を行うことで、調整後の洗浄周期LがL<Lmaxを満たすようにすることができる。この際、洗浄周期設定部311は、TMPnowを下げるために再洗浄を管理者に促す通知を行ってもよいし、この通知とともに、どの程度TMPnowの値を下げればよいかの情報を提供してもよい。
To this end, when L>L max , if the value of TMP now can be lowered, L<L max can be achieved. As explained in the above embodiment, the timing to acquire the value of TMP now is usually after the chemical cleaning is completed. Therefore, if the value of TMP now is high, the value of TMP now can be lowered by, for example, cleaning again with higher concentration sodium hypochlorite or cleaning again with a strong acid such as oxalic acid. By adjusting TMP now to lower it in this way, it is possible to make the adjusted cleaning cycle L satisfy L<L max . At this time, the cleaning
また、実際の膜処理プロセスの運用では、膜処理プロセスの状態の変化や、膜処理プロセスが持つ本質的な不確かさなどにより、必ずしも制御目標値に追従した制御を行えるとは限らない。このような場合を想定して、制御システム3aは洗浄期間内に洗浄周期Lを適宜修正するように構成されてもよい。例えば、洗浄周期設定部311が式(15)による洗浄周期Lの更新を所定の周期で繰り替えし実行してもよい。このようにすることで、制御システム3aは実際の運用において生じうる膜処理プロセスの想定外の変化に適応して制御目標曲線を修正していくことができる。なお、この場合、洗浄周期設定部311は、洗浄周期Lの更新の状況を管理者に通知するように構成されてもよい。
Furthermore, in actual operation of a membrane treatment process, it is not always possible to perform control that follows the control target value due to changes in the state of the membrane treatment process, inherent uncertainties of the membrane treatment process, and the like. Assuming such a case, the control system 3a may be configured to appropriately modify the cleaning cycle L within the cleaning period. For example, the cleaning
(第3の実施形態)
図11は、第3の実施形態における制御システム3bの機能構成の具体例を示す図である。制御システム3bは、目標値設定部312に代えて目標値設定部312bを備える点、運用モード設定部315をさらに備える点で第2の実施形態における第2の実施形態における制御システム3aと異なり、その他の構成は制御システム3aと同様である。そのため、図11において、制御システム3aと同様の構成には図7と同じ符号を付すことにより説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a diagram showing a specific example of the functional configuration of the
運用モード設定部315は、目標値設定部312bに対して運用モードを設定する機能を有する。運用モードは、目標値設定部312が制御目標曲線の設定に用いる膜閉塞パラメータk0の値を予め定められた複数の値の中から選択するための情報である。例えば、運用モード設定部315は、膜処理プロセスの制御に使用する運用モードを、膜処理プロセスの制御方針や目的等に応じて予め定められた複数の運用モードから選択可能に構成される。例えば、運用モード設定部315は、ユーザによる運用モードの選択操作を受け付け、選択された運用モードを目標値設定部312bに設定する。
The operation
目標値設定部312bは、運用モード設定部315によって設定された運用モードに基づいて、制御目標曲線の設定の際に用いる膜閉塞パラメータk0の値を選択する。目標値設定部312bは、選択した膜閉塞パラメータk0を用いて制御目標曲線を設定する。なお、制御目標曲線を計算する方法は第2の実施形態と同様である。
The target
図12は、第3の実施形態における運用モードの具体例を示す図である。第2の実施形態で説明したとおり、膜閉塞パラメータk0は、通常、式(1)で示した膜差圧予測モデルの膜閉塞パラメータkと同じ値に設定すればよい。これは、膜閉塞パラメータは膜の閉塞現象に応じて固有の値をとるものであり、制御目標はその固有の閉塞現象について決定されるべきものであると考えられるためである。 FIG. 12 is a diagram showing a specific example of the operation mode in the third embodiment. As explained in the second embodiment, the membrane occlusion parameter k 0 may normally be set to the same value as the membrane occlusion parameter k of the membrane differential pressure prediction model shown in equation (1). This is because the membrane occlusion parameter takes a unique value depending on the membrane occlusion phenomenon, and it is considered that the control target should be determined with respect to that unique occlusion phenomenon.
膜閉塞理論によれば、膜閉塞パラメータkの値0,1,1.5,2.0は、図12(A)のケーキ濾過、図12(B)の中間閉塞、図12(C)の標準閉塞、図12(D)の完全閉塞というそれぞれ固有の閉塞現象に対応しており、実際の閉塞現象はこれらの各現象の一部又は全部が混合した現象であると考えられる。 According to the membrane occlusion theory, values of 0, 1, 1.5, and 2.0 of the membrane occlusion parameter k indicate cake filtration in FIG. 12(A), intermediate occlusion in FIG. 12(B), and intermediate occlusion in FIG. 12(C). The standard occlusion and the complete occlusion shown in FIG. 12(D) each correspond to a unique occlusion phenomenon, and the actual occlusion phenomenon is considered to be a mixture of some or all of these phenomena.
したがって、膜閉塞パラメータkが決まれば、制御目標もそれに応じて変化させるのが自然な考え方である。ただし、洗浄風量をある目的をもって意図的に変化させたい場合には、kとk0とを異なる値に設定して制御することも可能である。 Therefore, once the membrane occlusion parameter k is determined, it is a natural idea to change the control target accordingly. However, if it is desired to intentionally change the cleaning air volume for a certain purpose, it is also possible to control by setting k and k0 to different values.
図13は、第3の実施形態における制御目標値TMPrefと膜閉塞パラメータk0との関係性を示す図である。図13は、膜閉塞パラメータk0の値を0~2の範囲で変化させた場合における制御目標曲線の変化を示す。図13によって示されるように、k0の値が0に近づくほど制御目標値は線形的に変化し、k0の値が2に近づくほど制御目標値が洗浄周期の後半で急激に変化することが分かる。なお、図13は制御目標値TMPrefと膜閉塞パラメータk0との関係性を示したものであるが、この関係性は式(1)によって表される膜差圧予測モデルの性質によるものであり、限界到達時間を予測する際の膜差圧TMP及び膜閉塞パラメータkも同様の関係性を持つ。 FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the control target value TMP ref and the membrane occlusion parameter k 0 in the third embodiment. FIG. 13 shows changes in the control target curve when the value of the membrane occlusion parameter k 0 is changed in the range of 0 to 2. As shown in FIG. 13, as the value of k 0 approaches 0, the control target value changes linearly, and as the value of k 0 approaches 2, the control target value changes rapidly in the latter half of the cleaning cycle. I understand. Note that FIG. 13 shows the relationship between the control target value TMP ref and the membrane occlusion parameter k0 , but this relationship is due to the properties of the membrane differential pressure prediction model expressed by equation (1). There is a similar relationship between the transmembrane pressure TMP and the membrane occlusion parameter k when predicting the time to reach the limit.
この性質を利用して、制御目標値を決定する際の膜閉塞パラメータk0と、膜差圧の変化を予測する際の膜閉塞パラメータkとを異なる値に設定することにより、洗浄風量の変化を意図的にコントロールすることができる。 Utilizing this property, by setting the membrane occlusion parameter k 0 when determining the control target value and the membrane occlusion parameter k when predicting the change in membrane differential pressure to different values, the cleaning air volume can be changed. can be intentionally controlled.
図14は、第3の実施形態において膜閉塞パラメータkとk0とを異なる値に設定した場合における洗浄風量の制御例を示す図である。図14(A)に示すように、k0>kとした場合、洗浄期間の前半では予測値の増加率が目標値の増加率より高く、後半では目標値の増加率が予測値の増加率よりも高くなる。そのため、洗浄期間の前半では予測値の方が目標値よりも高い値となりやすくなる。このような制御によれば、洗浄期間の前半では最大風量(≒定格風量)を維持し、洗浄期間の後半になって洗浄風量の供給が過剰であることが判明した場合に洗浄風量を低減させるような制御を行うことができる。このような膜閉塞パラメータの設定は、洗浄風量が過剰であることが判明した時点で洗浄風量を低減させるため、消費電力削減の観点では保守的な設定といえる。 FIG. 14 is a diagram showing an example of controlling the cleaning air volume when the membrane occlusion parameters k and k0 are set to different values in the third embodiment. As shown in FIG. 14(A), when k 0 > k, the rate of increase in the predicted value is higher than the rate of increase in the target value in the first half of the cleaning period, and the rate of increase in the target value is higher than the rate of increase in the predicted value in the second half. be higher than Therefore, in the first half of the cleaning period, the predicted value tends to be higher than the target value. According to this type of control, the maximum air volume (≒ rated air volume) is maintained during the first half of the cleaning period, and the cleaning air volume is reduced in the second half of the cleaning period if it is found that the supply of cleaning air volume is excessive. Such control can be performed. Such setting of the membrane clogging parameter can be said to be a conservative setting from the viewpoint of reducing power consumption because the cleaning air volume is reduced when it is determined that the cleaning air volume is excessive.
一方、図14(A)に示すように、k>k0とした場合、洗浄期間の前半では目標値の増加率が予測値の増加率より高く、後半では予測値の増加率が目標値の増加率よりも高くなる。そのため、洗浄期間の前半では目標値の方が予測値よりも高い値となりやすくなる。このような制御によれば、洗浄期間の前半では最大風量よりも低い風量を維持し、洗浄期間の後半になって洗浄風量の供給が不足していることが判明した場合に洗浄風量を増加させるような制御を行うことができる。このような膜閉塞パラメータの設定は、洗浄風量が不足していることが判明した時点で洗浄風量を増加させるため、消費電力削減の観点では積極的な設定といえる。 On the other hand, as shown in FIG. 14(A), when k>k 0 , the rate of increase in the target value is higher than the rate of increase in the predicted value in the first half of the cleaning period, and the rate of increase in the predicted value is higher than the target value in the second half. higher than the rate of increase. Therefore, in the first half of the cleaning period, the target value tends to be higher than the predicted value. According to this type of control, the air volume is maintained lower than the maximum air volume during the first half of the cleaning period, and the cleaning air volume is increased in the second half of the cleaning period when it is determined that the supply of cleaning air volume is insufficient. Such control can be performed. Setting the membrane clogging parameter in this way increases the cleaning air volume when it is determined that the cleaning air volume is insufficient, so it can be said to be a proactive setting from the viewpoint of reducing power consumption.
このような性質を踏まえ、例えば、通常モード、積極的削減モード、保守的削減モードの3つの運用モードを設ける。この場合、運用モード設定部315は、通常モードが選択された場合にはk0=kと設定し、積極的削減モードが選択された場合にはk0=k-α(α>0)と設定し、保守的削減モードが選択された場合にはk0=k+α(α>0)と設定する。ここで、αの値は管理者によって予め決定されるものであるが、例えば0.5程度に設定することができる。また、上記の3つの運用モードよりも多くの運用モードを設けてαの値をより細かく調整することでよりきめ細かい制御を行うことも可能である。
Based on such characteristics, three operation modes are provided, for example, a normal mode, an active reduction mode, and a conservative reduction mode. In this case, the operation
このように構成された第3の実施形態の制御システム3bは、膜処理プロセスの制御方針に応じた運用モードで洗浄風量を制御することができる。このような制御システム3bによれば、管理者は、制御方針に準じた膜処理プロセスの運用管理を行いつつ、その制御方針の下でより多くの電力コストを削減することが可能になる。
The
なお、上記の各実施形態では、MBRプロセスが制御対象プロセスである場合の例を説明したが、空気の供給による濾過膜の洗浄と、膜差圧を大幅に低下させることができる方法(例えば薬品洗浄)での濾過膜の洗浄とを行う膜処理プロセスを含むものであれば、どのようなプロセスが制御対象プロセスとされてもよい。 In each of the above embodiments, an example has been described in which the MBR process is the controlled process, but cleaning of the filtration membrane by supplying air and methods that can significantly reduce the membrane differential pressure (for example, using chemicals) The control target process may be any process as long as it includes a membrane treatment process that performs cleaning of the filtration membrane (cleaning).
また、上記の各実施形態の制御システムは、1つの装置で構成されてもよいし、複数の装置で構成されてもよい。例えば、制御システム3aは、1つの風量制御装置として構成されてもよいし、符号301~310によって示される機能部を備える制御支援装置と、符号311~314によって示される風量制御装置と、を備えるシステムとして構成されてもよい。 Further, the control system of each of the embodiments described above may be composed of one device or may be composed of a plurality of devices. For example, the control system 3a may be configured as one air volume control device, or may include a control support device having functional units indicated by 301 to 310, and air volume control devices indicated by 311 to 314. It may be configured as a system.
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、洗浄風量の計測値と、濾過膜の処理量の計測値とに基づいて、膜差圧予測モデルに前記膜処理プロセスの特性に応じたパラメータを設定するパラメータ設定部と、洗浄風量を最大風量とした場合に膜差圧がその限界値に到達するのに要する最大到達時間、及び洗浄風量を最小風量とした場合に膜差圧がその限界値に到達するのに要する最小到達時間を推定する限界到達時間推定部と、を持つことにより、膜処理プロセスに要する電力コストを低減することができる。 According to at least one embodiment described above, parameters according to the characteristics of the membrane treatment process are set in the membrane differential pressure prediction model based on the measured value of the cleaning air volume and the measured value of the throughput of the filtration membrane. parameter setting section, the maximum time required for the membrane differential pressure to reach its limit value when the cleaning air volume is set to the maximum air volume, and the membrane differential pressure to reach its limit value when the cleaning air volume is set to the minimum air volume. By having a limit arrival time estimator that estimates the minimum arrival time required to reach the limit, the power cost required for the membrane treatment process can be reduced.
なお、上記の各実施形態におけるパラメータ同定部、パラメータ調整部、類似パラメータ抽出部及び運用条件設定部の一部又は全部はパラメータ設定部の一例である。 Note that some or all of the parameter identification section, parameter adjustment section, similar parameter extraction section, and operation condition setting section in each of the above embodiments are examples of the parameter setting section.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
1…下水処理プラント、2…設備群、3,3a,3b…制御システム、21…無酸素槽、211…撹拌機、22…好気槽、221…余剰汚泥引き抜きポンプ、222…返送汚泥ポンプ、223…洗浄曝気ブロワ、224…散気板、225…補助散気ブロワ、226…補助散気板、23…膜ユニット、24…膜濾過ポンプ、241…薬液注入弁、242…薬液タンク、25…センサ群、251…流入流量計、252…水温計、253…MLSS計、254…DO計、255…濾過流量計、301…記憶部、302…プロセスデータ取得部、303…パラメータ同定部、304…運用条件設定部、305…類似パラメータ抽出部、306…パラメータ調整部、307…膜差圧予測部、308…限界膜差圧入力部、309…限界風量入力部、310…限界到達時間推定部、311…洗浄周期設定部、312,312b…目標値設定部、313…風量制御部、314…制御情報送信部、315…運用モード設定部 1...Sewage treatment plant, 2...Equipment group, 3, 3a, 3b...Control system, 21...Anoxic tank, 211...Agitator, 22...Aerobic tank, 221...Excess sludge extraction pump, 222...Return sludge pump, 223...Cleaning aeration blower, 224...Diffuser plate, 225...Auxiliary air diffuser, 226...Auxiliary air diffuser plate, 23...Membrane unit, 24...Membrane filtration pump, 241...Medical solution injection valve, 242...Medical solution tank, 25... Sensor group, 251... Inflow flow meter, 252... Water temperature meter, 253... MLSS meter, 254... DO meter, 255... Filtration flow meter, 301... Storage section, 302... Process data acquisition section, 303... Parameter identification section, 304... Operation condition setting unit, 305... Similar parameter extraction unit, 306... Parameter adjustment unit, 307... Membrane differential pressure prediction unit, 308... Limit membrane differential pressure input unit, 309... Limit air volume input unit, 310... Limit arrival time estimation unit, 311...Cleaning cycle setting section, 312, 312b...Target value setting section, 313...Air volume control section, 314...Control information transmission section, 315...Operation mode setting section
Claims (13)
前記洗浄風量を最大風量とした場合における膜差圧の変化を前記膜差圧予測モデルに基づいて予測することにより膜差圧がその限界値に到達するのに要する最大到達時間を推定するとともに、前記洗浄風量を最小風量とした場合における膜差圧の変化を前記膜差圧予測モデルに基づいて予測することにより膜差圧がその限界値に到達するのに要する最小到達時間を推定する限界到達時間推定部と、
を備える膜処理制御システム。 Based on the measured value of the cleaning air volume, which is the amount of air supplied for aeration of the water to be treated and the cleaning of the filtration membrane in the membrane treatment process, and the measured value of the throughput of the filtration membrane, Regarding the transmembrane pressure prediction model, which is a transmembrane pressure prediction model for predicting the transmembrane pressure TMP, which is the pressure difference between the primary side and the secondary side, and is expressed by the following equation (1),
estimating the maximum time required for the membrane differential pressure to reach its limit value by predicting the change in the membrane differential pressure when the cleaning air volume is set to the maximum air volume based on the membrane differential pressure prediction model; Limit reaching: estimating the minimum time required for the membrane differential pressure to reach its limit value by predicting the change in the membrane differential pressure based on the membrane differential pressure prediction model when the cleaning air volume is set to the minimum air volume. a time estimator;
A membrane treatment control system equipped with:
請求項1に記載の膜処理制御システム。 The limit reaching time estimation unit predicts a change in the membrane differential pressure from the initial value to the limit value, using the membrane differential pressure after the completion of chemical cleaning of the filtration membrane as an initial value.
The membrane treatment control system according to claim 1.
前記パラメータ設定部は、前記記憶部に蓄積された要因変数の計測値と、次の洗浄周期についての要因変数の計画値とに基づいて、過去の洗浄周期のうち次の洗浄周期に最も類似する洗浄周期の期間である類似期間を特定し、前記類似期間に対応づけられた前記速度パラメータA又は前記膜閉塞パラメータkを膜差圧予測モデルに設定し、
前記限界到達時間推定部は、前記類似期間に対応づけられた前記速度パラメータA又は前記膜閉塞パラメータkが設定された膜差圧予測モデルに基づいて最大到達時間及び最小到達時間を推定する、
請求項1または2に記載の膜処理制御システム。 A storage unit that stores the speed parameter A or the membrane clogging parameter k identified for each cleaning cycle in association with the measured value of the factor variable X in each cleaning cycle of periodic chemical cleaning of the filtration membrane. More prepared,
The parameter setting unit is configured to determine which cleaning cycle is most similar to the next cleaning cycle among the past cleaning cycles, based on the measured values of the factor variables accumulated in the storage unit and the planned values of the factor variables for the next cleaning cycle. Identifying a similar period that is a period of a cleaning cycle, and setting the velocity parameter A or the membrane occlusion parameter k associated with the similar period in a membrane differential pressure prediction model,
The limit arrival time estimating unit estimates the maximum arrival time and the minimum arrival time based on a membrane pressure differential prediction model in which the speed parameter A or the membrane occlusion parameter k associated with the similar period is set.
The membrane treatment control system according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の膜処理制御システム。 The parameter setting unit is configured to set, based on the planned value of the factor variable and the speed parameter A associated with the similar period, so that the A is expressed as a function of the planned value of the factor variable . Adjust θ in the membrane differential pressure prediction model for the next cleaning cycle .
The membrane treatment control system according to claim 3.
請求項3又は4に記載の膜処理制御システム。 The limit arrival time estimating section sets the measured value of the membrane differential pressure at the start of each estimation cycle as an initial value for each estimation cycle shorter than the cleaning cycle, and calculates the maximum arrival time and minimum arrival time from the start time. presume,
The membrane treatment control system according to claim 3 or 4.
請求項1から5のいずれか一項に記載の膜処理制御システム。 Based on the transmembrane pressure prediction model in which the speed parameter A 0 and the membrane occlusion parameter k 0 used to set the control target value of the transmembrane pressure difference are set, the target transmembrane pressure difference at the start of the next cleaning cycle is determined. The initial value of the value, the cleaning period that is the period from the start point until the next chemical cleaning is required, and the membrane differential pressure at the timing when the chemical cleaning becomes necessary are set, and the cleaning period ends. Further comprising a target value setting unit that determines a control target curve in which the membrane differential pressure at a time becomes a membrane differential pressure limit value, and determines a control target value of the membrane differential pressure in the next cleaning cycle based on the control target curve.
The membrane treatment control system according to any one of claims 1 to 5.
前記複数の値は、前記膜閉塞パラメータkと同じ値、前記膜閉塞パラメータkよりも大きい値、及び前記膜閉塞パラメータkよりも小さい値を含む、
請求項6に記載の膜処理制御システム。 The target value setting unit is configured to be able to select the membrane occlusion parameter k0 from a plurality of predetermined values,
The plurality of values include the same value as the membrane occlusion parameter k, a value larger than the membrane occlusion parameter k, and a value smaller than the membrane occlusion parameter k,
The membrane treatment control system according to claim 6.
請求項6又は7に記載の膜処理制御システム。 Accepting input of a planned value of the cleaning period, and setting the planned value to the cleaning cycle if the planned value is included in a range from the minimum arrival time to the maximum arrival time estimated by the limit arrival time estimator. further comprising a cleaning cycle setting section to
The membrane treatment control system according to claim 6 or 7.
請求項8に記載の膜処理制御システム。 If the planned value is not included in the range, the cleaning cycle setting unit adjusts the throughput of the membrane treatment process so that the planned value is included in the range from the minimum arrival time to the maximum arrival time after adjustment. adjust,
The membrane treatment control system according to claim 8.
請求項8に記載の膜処理制御システム。 When the planned value is not included in the range, the cleaning cycle setting unit sets the membrane differential pressure after chemical cleaning is completed so that the planned value is included in the range from the minimum arrival time to the maximum arrival time after adjustment. encourage adjustment of
The membrane treatment control system according to claim 8.
前記限界到達時間推定部は、前記洗浄周期よりも十分に短い周期で最小到達時間及び最大到達時間を推定し、推定した前記最小到達時間及び前記最大到達時間で前記洗浄周期を更新する、
請求項3から6のいずれか一項に記載の膜処理制御システム。 further comprising a cleaning cycle setting unit that sets the cleaning cycle to a time obtained by dividing the minimum arrival time and maximum arrival time estimated by the limit arrival time estimating unit in a predetermined ratio,
The limit arrival time estimation unit estimates a minimum arrival time and a maximum arrival time at a cycle sufficiently shorter than the cleaning cycle, and updates the cleaning cycle with the estimated minimum arrival time and maximum arrival time.
The membrane treatment control system according to any one of claims 3 to 6.
請求項1から11のいずれか一項に記載の膜処理制御システム。 The membrane differential pressure is expressed by the membrane filtration resistance assuming that the viscosity coefficient of the water to be treated is constant.
The membrane treatment control system according to any one of claims 1 to 11.
前記洗浄風量を最大風量とした場合における膜差圧の変化を前記膜差圧予測モデルに基づいて予測することにより膜差圧がその限界値に到達するのに要する最大到達時間を推定するとともに、前記洗浄風量を最小風量とした場合における膜差圧の変化を前記膜差圧予測モデルに基づいて予測することにより膜差圧がその限界値に到達するのに要する最小到達時間を推定する限界到達時間推定ステップと、
を有する膜処理制御方法。 Based on the measured value of the cleaning air volume, which is the amount of air supplied for aeration of the water to be treated and the cleaning of the filtration membrane in the membrane treatment process, and the measured value of the throughput of the filtration membrane, Regarding the transmembrane pressure prediction model, which is a transmembrane pressure prediction model for predicting the transmembrane pressure TMP, which is the pressure difference between the primary side and the secondary side, and is expressed by the following equation (1),
estimating the maximum time required for the membrane differential pressure to reach its limit value by predicting the change in the membrane differential pressure when the cleaning air volume is set to the maximum air volume based on the membrane differential pressure prediction model; Limit reaching: estimating the minimum time required for the membrane differential pressure to reach its limit value by predicting the change in the membrane differential pressure based on the membrane differential pressure prediction model when the cleaning air volume is set to the minimum air volume. a time estimation step;
A membrane treatment control method having the following.
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005144291A (en) | 2003-11-13 | 2005-06-09 | Ngk Insulators Ltd | Method for controlling aeration quantity |
JP2006021066A (en) | 2004-07-06 | 2006-01-26 | Japan Organo Co Ltd | Washing method for immersion type membrane module and washing apparatus |
JP2007014948A (en) | 2005-06-09 | 2007-01-25 | Toray Ind Inc | Membrane filteration estimation method, estimation device, membrane filteration estimation ptogram |
JP2013202471A (en) | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Kubota Corp | Operation method of membrane separator, and membrane separator |
WO2017006988A1 (en) | 2015-07-07 | 2017-01-12 | 株式会社東芝 | Wastewater treatment control unit and wastewater treatment system |
WO2018173354A1 (en) | 2017-03-23 | 2018-09-27 | 三菱電機株式会社 | Membrane separation device and membrane separation method |
JP2019025437A (en) | 2017-07-31 | 2019-02-21 | 東芝インフラシステムズ株式会社 | Cleaning air volume control device and cleaning air volume control method |
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Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005144291A (en) | 2003-11-13 | 2005-06-09 | Ngk Insulators Ltd | Method for controlling aeration quantity |
JP2006021066A (en) | 2004-07-06 | 2006-01-26 | Japan Organo Co Ltd | Washing method for immersion type membrane module and washing apparatus |
JP2007014948A (en) | 2005-06-09 | 2007-01-25 | Toray Ind Inc | Membrane filteration estimation method, estimation device, membrane filteration estimation ptogram |
JP2013202471A (en) | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Kubota Corp | Operation method of membrane separator, and membrane separator |
WO2017006988A1 (en) | 2015-07-07 | 2017-01-12 | 株式会社東芝 | Wastewater treatment control unit and wastewater treatment system |
WO2018173354A1 (en) | 2017-03-23 | 2018-09-27 | 三菱電機株式会社 | Membrane separation device and membrane separation method |
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