JPH0155915B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は活性汚泥法を採用している下水処理装
置の水質指標MLSS（Mixed Liquor Suspended
Solid）の日間変動を最小とする最適運転方法に
関する。

微生物の活動を利用した活性汚泥法はその活動
の良否を示す指標が多数あるため、多年の経験豊
富な技術者が日々の運転に不可欠である。しかし
ながら、急速な施設の拡充の進行に対して、技術
者の育成が遅れ気味であり技術者不足となつてい
る。そこで、蓄積された運転データを電算機によ
つて処理して、装置の運転方法を作成することは
技術者不足解消の一つとして、非常に望ましいこ
とである。

このような装置の運転方法は、通常、流量等、
主要な変量が時間量で表されるため、１日24回の
調整回数として表すことができる。また、流入下
水の時間特性は、家庭からの汚水に依存している
と言われている。すなわち、流量時間曲線は昼と
夕方に極大値があり、これらの間に極小値を含む
もので、極値は４個となることが多い。

この極値に着目すると、１日24回でなく、例え
ば、時間区間に１個の極値を有することとして、
１日５回で調整することが可能と考えられる。調
整回数が少ないことは、運転技術者にとつても望
ましいことである。

この運転方法を得るためには、流入下水特性の
取扱い方法、装置の数学モデル作成方法、運転デ
ータの処理アルゴリズムの構成方法の３部を均等
に包含することが必要である。

実用上では、流入下水特性の予測が最も困難で
予測をいかにすべきか、その簡便法が求められて
いる。

本発明の目的は、活性汚泥法を用いた下水処理
場において返送汚泥流量と余剰汚泥流量とを独立
に調整でき、しかも１日の調整回数を指定して、
装置をより良く運転するための運転指針を作成
し、この運転指針により運転調整を行う活性汚泥
法下水処理場の最適運転方法を提供することにあ
る。

上記目的は、流入下水特性（流量、BOD、
SS）の予測、返送および余剰汚泥流量の決定、
指定調整回数に対応した処理、の３つを主面構成
要素として達成される。すなわち、予測はフーリ
エ解析による調波分析により、主要調波第１位か
ら第数位までを用いて再構成したり、自己回帰モ
デルを用いたりして行う。また、返送汚泥流量は
物質収支式から算出し、余剰汚泥流量はMLSSの
変動幅を最小とするように選定する。さらに、指
定調整回数（１〜５回／日）に対応した処理は、
１日24時間の時間流量について、返送汚泥流量曲
線が上述のように得られているので、その極値の
数と配置に着目した極値削除を採用している。

ここで、活性汚泥法での下水処理装置の運転法
は、１日24時間にわたる調整可能な量である返送
汚泥流量と余剰汚泥流量との時間曲線を、流入下
水特性の予測値に対して作成することによつて得
られる。

なお、時間曲線とは、変量の１時間値の、１日
24時間分として24個から構成される曲線である。

この曲線の作成のために、運転に関する時系列
データの変化の特徴を把握し、これによつて、電
算機の演算時間が短かく、記憶容量の小さな、経
済的なアルゴリズムを構成した。

この結果、明日の流入下水特性を簡便な方法で
予測することが出来、かつ、調整回数の指定可能
な１日の運転方案を経済的に作成することが可能
となつた。

活性汚泥法の下水処理装置では、第１図に示す
ごとく、曝気槽１で曝気により基質と活性汚泥の
混合を促進させ、ついで沈殿池２にて沈降による
固液分離を行ない、上澄水を放流水８としてい
る。

沈殿池２に沈殿した活性汚泥は、返送汚泥ポン
プ３にて再び曝気槽１に戻され、生物化学反応を
続ける。一方、沈殿池２から引抜かれた活性汚泥
で返送する必要のない量は、余剰汚泥ポンプ４に
て系外に排出され、汚泥処理工程に移送される。

したがつて、流量としては返送汚泥と余剰汚泥
の２量が調整可能である。測定器はMLSS計５、
返送汚泥流量計６、余剰汚泥流量計７の３つを付
設する。

上記２流量の時間変化曲線を決定するときの重
要な水質指標としてはMLSSを用いる。

すなわち、この水質指標である曝気槽における
MLSSの日間変動を最小とするように、所与の日
間調整回路において、返送汚泥流量と余剰汚泥流
量を決定する。

第２図は最適運転方法アルゴリズムの全体の流
れ図で、７つの演算部から構成されている。

第２図において、データ入力の内容は対象シ
ステムの定数と、流入下水特性としての流量、
BOD（Biochemical Oxygen Demand）および
SS（Suspended Solid）の３変量と、その時系列
データである。

翌日の運転方案を得るときには、この流入下水
特性を予測をしなければならない。まず、１週間
の時系列データを入手するが、この時系列データ
の振幅ｆの時間特性は、周知のように下式で表さ
れる。

ｆ＝A₀＋A₁ sin（ωt＋ψ₁）＋… ＋A_i sin（ _iωt＋ψ_i）＋… 上式において、A₀は直流項であり平均値に相
当する。また、A₁（ｉ＝１、２、…）は振幅を、
（ _iωt＋ψ_i）は位相をそれぞれ表わす。これらの
各係数はフーリエ解析により決定される。

第３図は流入BODについての１週間の時系列
データをフーリエ解析したもので、第３図におい
て、第１位の成分、すなわち、振幅が一番大きい
周波数は基本波であり、第２位（二番目に大きい
もの）は第７高調波、第３位は第14高調波、…と
なる。

これらのうち、主要周期成分、例えば、第１、
第２位成分に付いてみると、第１位の成分である
基本波は、データが１週間であるから１週間周期
となる。また、第２位の成分である第７高調波
は、１週間に７日ある日周期の成分となる。これ
らの２成分で（再）合成した特性（前述した平均
値、振幅、位相の３つで１つの周期成分は定ま
る。）を流入下水特性の予測値として入力する。

もちろん、第３位、第４位の成分を含んだ合成
特性としてもよく、このようにすれば、より実測
データに近い波形となる。第４図は流入BODの
場合の合成特性で、一つの例である。流入下水特
性としては、このほか、流量、SSの各変量があ
り、これらについても同じ予測法を適用して予測
を行なう。

この予測データの、明日に対応するデータを用
い、１日24時間に相当する各時間区間の演算を行
う。返送汚泥流量計算は物質収支式、すなわ
ち、曝気槽内の汚泥量収支を１日24時間の任意区
分数の分割による部分区間毎（例えば１時間づつ
で24区間）にとることを目的とした式を用いる。

Q_IX_I＋Q_RX_R−X_D（Q_I＋Q_R） ＋（△Ｘ／△ｔ）Ｖ＝０ …(1) 故に、 Q_R＝（X_D−X_I）Q_I／（X_R−X_D） −（△Ｘ／△ｔ）Ｖ／（X_R−X_D） ここで、Ｑは流量、Ｘは汚泥濃度、添字Ｉは流
入でＲは返送を表わす。△Ｘは曝気槽内のMLSS
平均増殖分、Ｖは曝気槽容積、X_Dは曝気槽出口
のMLSS目標値である。

曝気槽と沈殿池モデル計算は、曝気槽モデル
により、槽内の基質（BOD）が汚泥（SS）に増
殖するという変化を量的に表わす。また、沈殿池
モデルでは沈降現象による汚泥濃度（SS）変化
を算出する。沈殿池モデルは単一指標の入力出力
関係を得れば良いので、現象論的な統計モデルを
用いる。前記曝気槽モデルには次式を用いる。

Ｚ＝α（ｔ）・Z_C＋（１−α（ｔ））Z_P …(2) ただし、α（ｔ）＝ α_H（Ｑ（ｔ）≧Q_M α_L（Ｑ（ｔ）＜Q_M） ここにｔは任意時刻、Ｑ（ｔ）は時刻ｔのとき
の流入流量、Q_Mはモデル作成時に使用した流入
流量データの中央値、α_Hとα_Lは重み係数で、それ
ぞれ高水量時と低水量時の値、Z_CとZ_Pは基質
（BOD）濃度または汚泥（SS）濃度で、添字Ｃ
とＰはそれぞれ完全混合モデルと押出流モデルを
用いたときの値である。

MLSS指標Ｉ計算は１日24時間をＮ個（Ｎ：
正整数）の離散時刻tiとすれば、次式を用いて行
なわれる。

ここで、M^a _i、M^c _iはそれぞれ離散時刻tiにおけ
るMLSSの実測値と計算値である。

余剰汚泥流量は計算機による探索で決定す
る。所与の流動変動範囲をＭ個（Ｍ：正整数）に
分割すると、（Ｍ＋１）個の離散値を得るもので、
MLSS変動指標を、曝気槽と沈殿池の数学モデル
を用いて、流入下水特性予測値に対して算出し、
式(3)を指標としてMLSS変動指標が最小値Min・
Ｉとなる離散流量値を求める。

調整回数は指定可能であるので、上記〜ま
での演算で得られた調整回数Ｎ個の流量時間曲線
を波形変形することによつて指定回数の流量時間
曲線を得る。指標MLSSに関係の強い返送汚泥流
量時間曲線に対し波形変形をほどこし調整時刻を
決定して、その調整時刻に対して余剰汚泥流量時
間曲線の波形変形をほどこす。

すなわち、前述のようにして、返送汚泥流量の
時間曲線が得られているので、曲線の極大値、最
小値に着目し、極値の価値を表わす指標を定義
し、最も価値の低い（指標値の小さい）ものから
消去し、所定回数より１つ小さい極値数まで削減
する。その結果、指定回数の調整時刻が決定され
る。次に余剰汚泥流量時間曲線に対し上記決定さ
れた調整時刻毎にこれら調整時刻間の調整量を満
足するべく波形変形を施す。

ここで、第５図ａで示すような調整回数を24回
とした時間曲線があるものとする。この波形の特
徴は極値配置であるとして、隣接極値中点時刻を
調整時刻とする。極値数がＬ個あつたとすれば、
（Ｌ＋１）個の時間区間になるので、（Ｌ＋１）が
指定調整回数よりも大きいときには極値として価
値のないものから、１つずつ削減していく。第５
図は、調整回数を16回、10回、５回と順次決定
し、これら調整回数に対応して、極値の価値の低
いものを削減し、波形変形する過程を示してい
る。上記価値を表わす指標Wiは次式で定義する。

Wi＝（Ti−T_i-1）・｜e_i+1−ei｜ （ｉ＝１、２…Ｌ） W_L+1＝（T_L+1−T_L）・｜e_L+1−e_L｜ 上式において、隣接極値中点時刻はT₀、T₁、
T₂…T_L+1（T₀は始時刻で、T_L+1は終時刻）であ
り、これら時間区間毎の流量平均値をe₁、e₂…
e_L+1とした。

指標の最小値Min、Wiとなる時間区間ｉを選
んでW_i-1とW_i+1の大きい方に時間区間ｉを併呑
する。この操作を繰返して、指定回数となつたら
停止する。

第６図は返送汚泥流量時間曲線を示しており、
ａ，ｂ，ｃはそれぞれ、調整回数を24回、３回、
１回として、上述の手法により波形変形した場合
を示す。余剰汚泥流量時間曲線は、第７図ａ，
ｂ，ｃで示すように、上述のように決定された調
整時刻間の調整量を満足するべく波形変形され、
調整回数に対応した時間曲線が得られる。

運転方案が上記までで得られたので、この運
転方案での水質指標のMLSSとBODの時間曲線
の計算を行なう。第８図と第９図はそれぞれ
MLSSとBODの時間曲線であり、ａ，ｂ，ｃは
それぞれ調整回数24回、３回、１回の場合であ
る。図において、実線は計算により求めた値であ
り、破線は実測値である。図から明らかなように
両者間に大きな差はない。

上記実施例では流入下水特性の予測法はフーリ
エ解析による波形分析により、主要周期成分をと
り上げて合成するもので、平均値、振巾、位相の
３つで１つの周期成分の波形は定まるものであ
る。前述の第４図の合成特性例では、第１位、第
２位の２成分としたが、さらに、第３位、第４位
の周期成分を含んだ合成特性とすることも出来
る。また、予測法として自己回帰モデルを用いて
も良い。

沈殿池モデル（第２図の）は装置が角柱部に
横流部を付設し、主として角柱部で汚泥沈降が行
なわれるが、さらに横流部でも沈降時間のかかる
汚泥を沈降させるように構成されているので、こ
の構造に対応した数学モデルを用いることも出来
る。

本方法は調整回数を指定することが可能な活性
汚泥法の下水処理装置の運転方法を得ることを可
能とするもので、この運転方案によれば、曝気槽
のMLSS日間変動が小さな、安定な運転が、操作
員の経験にたよらないでも、実行されることにな
る。

この運転法を作成する段階において、電算機演
算時間は下水処理装置の運転上の特徴を把握して
最適値の探索を極力少なくしたので、極めて短か
いものとなり、さらに流入下水特性の予測につい
てはその時系列変化の特徴を把握した簡易な方法
となつているので、経済的アルゴリズムと言え
る。

以上のように本発明によれば、活性汚泥法によ
る返送汚泥流量と余剰汚泥流量とを独立に調整で
き、しかも、１日の調整回数を指定して装置をよ
り良く運転するための運転指針を作成し、この運
転指針に従つて前記調整を行うようにしたので、
技術者の経験等にたよることなく、一定した良好
な処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は活性汚泥法の下水処理装置構成図、第
２図は下水処理装置の最適運転方法アルゴリズム
の全体の流れ図、第３図はフーリエ解析による流
入下水特性の波形分析の一例を示す図、第４図は
合成流入下水特性の一例を示す図、第５図は一般
的な回数削減結果例を示す図、第６図は返送汚泥
流量時間曲線、第７図は余剰汚泥流量時間曲線、
第８図はMLSS時間曲線、第９図はBOD時間曲
線である。 １……曝気槽、２……沈殿池、３……返送汚泥
ポンプ、４……余剰汚泥ポンプ、５……MLSS
計、６……返送汚泥流量計、７……余剰汚泥流量
計、８……放流水、９……流入下水。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 活性汚泥法下水処理装置への流入下水の時系
   列データから流入下水特性を予測し、下水処理装
   置のシステムモデルにもとずいてMLSSの日間変
   動を最小にする返送汚泥流量と余剰汚泥流量の時
   間曲線を演算し、これら流量の調整回数を１日24
   回以下の回数に指定することにより、返送汚泥流
   量時間曲線を、その極値の数が上記指定回数に対
   応する数になるまで、極値の価値の低いものから
   消去する手法にて波形変形し、その結果から調整
   時刻を決定し、さらに、余剰汚泥流量時間曲線
   を、前記決定された調整時刻毎に、この調整時刻
   間の調整量を満足するように波形変形し、前記返
   送汚泥流量および余剰汚泥流量を、前記決定され
   た調整時刻毎に、それぞれ前記波形変形によつて
   得られた流量に調整することを特徴とする活性汚
   泥法下水処理場の最適運転方法。