JPH035239B2

JPH035239B2 -

Info

Publication number: JPH035239B2
Application number: JP59108829A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Tanuma; Yasunari Sasaki; Iwao Matsunaga
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1984-05-29
Filing date: 1984-05-29
Publication date: 1991-01-25
Also published as: JPS60251994A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する技術分野〕本発明は廃水を好気性微生物により処理する活
性汚泥法において、溶存酸素（DO）濃度を制御
する方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕下水、産業廃水等、有機性汚濁物質を含む廃水
を処理する方法として、活性汚泥法が広く採用さ
れている。この方法は活性汚泥と呼ばれる微生物
により水を浄化する方法であり、処理効率が微生
物に依存するため、きめ細かな管理が必要であ
る。特に好気性微生物である活性汚泥はDO濃度
の減少により活性が低下するため、DO濃度を一
定レベル以上に保つように空気を供給しなければ
ならない。ところが過剰なエアレーシヨンは活性
汚泥フロツクを細分化し、最終沈澱池における汚
泥の沈降性を悪化させるばかりでなく、無駄な電
力消費につながるため、DO濃度を微生物の活性
が低下して処理が不完全にならない範囲でなるべ
く低い値に制御する必要がある。しかしこの限界
DO濃度は、微生物の状態、有機物の酸化と並行
して起きる硝化反応の有無、流入負荷量等によつ
て異なること、また現在はほとんどの活性汚泥プ
ロセスで採用されている押し出し流れ型エアレー
シヨンタンクでは、DO濃度が流下方向に勾配を
持つことから、１地点のDO濃度測定値からエア
レーシヨンタンク全体のDO濃度が適正なレベル
にあるかどうかを判断するのは困難である。

このような問題を解決する方法として、エアレ
ーシヨンタンク流下方向へのDO濃度変化（以
下、DOプロフイールと呼ぶ）を利用する方法が
提案されている。廃水はエアレーシヨンタンクを
流下するにしたがつて処理され、それに伴つて微
生物の酸素要求量は低下する。DOプロフイール
はこの酸素要求量の変化を反映したものであるこ
とから、その形状からプロセスの状態を推定する
ことが可能である。中でもプロフイールの変曲点
は処理がほぼ完了したことの目安になるとされて
おり、この変曲点を目的の場所に維持するように
DOプロフイールを制御することにより、処理水
質の低下を防ぎなおかつ電力節減を可能にするこ
とが知られている。この変曲点を維持する場所と
しては、例えば雑誌Water Research vol.12、No.
11、p.p.985〜1004（1978）によりエアレーシヨン
タンク出口から全長の1/3の地点がよいとの報告
がある。しかし、実際にはプラント毎に多少異な
る。

このようにDOプロフイールの変曲点からは
DO濃度を制御する上で有用な情報が得られる
が、実際には変曲点を見出すためには以下に示す
ような測定上の困難が伴う。DOプロフイール、
すなわちDO濃度の空間分布を求めるための手段
としては、 DOセンサを多数（少なくとも３つ以上）配
置する。

１つのDOセンサを流下方向にそつて移動さ
せる。

の２つが考えられている。このうちはセンサ相
互間の感度の差が最も問題になる。DOプロフイ
ールを求めるためには、各DOセンサは厳密に校
正されていなければならず、センサ相互間の相対
誤差があつてはならない。しかるにDOセンサは
検出部の汚れ、あるいは内部電解液の組成変化等
により特性が変化し易く、複数のDOセンサの特
性を長期にわたり一定に維持するのは至難の業と
言える。特に流下方向への水の混合度が強い場合
はDOプロフイールの勾配がゆるやかになるた
め、の方式により変曲点を見出すことはさらに
困難になる。

これに対し１つのセンサを用いるの方法は
DOの絶対濃度を問題にする必要がない点で合理
的と言える。ところがDOセンサをエアレーシヨ
ンタンクにそつて移動させるためには、ガイドレ
ール等の設備が必要になる。また実際のエアレー
シヨンタンクは水面上に障害物のない１つの直方
体であることはむしろまれであり、隔壁で複数の
タンクに分割されていたり、設置面積を小さくす
るために複数のタンクを、水が蛇行して流れるよ
うに設置する場合がほとんどである。そしてこの
ような場合には１つのDOセンサを流下方向に
DOプロフイールを測定し得るまで移動するのは
不可能と言つてよい。

〔発明の目的〕

本発明は上記のような従来のDOプロフイール
による制御法の欠点を解決するためになされたも
ので、その目的はエアレーシヨンタンクの目的の
地点に設置した１つのDOセンサを用いて、DO
プロフイールの変曲点をセンサ設置点の近傍に維
持することにある。

〔発明の要点〕

上記の目的を達成するためになされた本発明は
エアレーシヨン空気量Ｆの変化のゲインを求め、
このゲインの絶対値が最大になるようにDO濃度
レベルを調節することを特徴としている。

〔発明の実施例〕

以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。先に述べたように、DO濃度の空間的分布を
考える限り、複数のセンサを用いるにせよ、１つ
センサを移動させるにせよ、異なる地点のDO濃
度を測定しなければならない。そこで、本発明者
らは空間座標におけるDO濃度を考える代りに、
エアレーシヨン空気量とDO濃度の関係を利用す
ることを考えた。以下この原理を説明する。エア
レーシヨンタンク内の流動状態を押し出し流れと
考えると、DO濃度Ｃ、基質（汚濁物質）濃度
Ｓ、及びエアレーシヨン強度（単位体積当りの空
気流量）ｆの関係は次の偏微分方程式で記述する
ことができる。

＜物質収支＞ ∂S／∂t＝−ｖ∂S／∂l＋φ_s (1) ∂C／∂t＝−ｖ∂C／∂l＋φ_c (2) ＜速度項＞ φ_s＝−K₁SC／K₂＋Ｃ (3) φ_c＝K₃f（C_s−Ｃ）−Ｃ（K₄S＋K₅）／K₂＋Ｃ (4) ここでｖは流下速度、ｌはエアレーシヨンタン
ク流入側からの距離、C_sは飽和DO濃度、k₁〜k₅
は定数である。定常状態（∂S／∂t＝０、∂C／∂t
＝０）を考えると式(1)、(2)、(3)、(4)はｖdS／dl＝−K₁SC／K₂＋Ｃ (5) ｖ＝dc／dl＝K₃f（C_s−Ｃ）−Ｃ（K₄S＋K₅）／K₂＋
Ｃ(6) となり、式(5)、(6)の数値解を求めることにより、
Ｃをｆとｌの関数として決定することができる。
すなわちｌ、ｆ、Ｃの関係は３次元空間における
曲面（ｌ−ｆ−Ｃ曲面）となり、これを透視図と
して描くと第１図のようになる。この曲面をｆ−
Ｃ平面と平行な平面で切つた切口がｆとＣの静特
性曲線（ｆ−Ｃ曲線）、Ｃ−ｌ平面と平行な平面
で切つた切口がエアレーシヨンタンク流下方向へ
のDOプロフイールである。ｆの変化に対しDO
プロフイールはその形を保つたまま前後に移動す
ると見做すことができる。したがつて、DOプロ
フイールの変曲点が測定地点を通過するときにｆ
−Ｃ曲線の傾き、即ちゲインが最大となると考え
られる。このことをさらに定量的に検証するため
に以下の検討を行つた。第１図においてｆ−Ｃ曲
線の変曲点を結んだ線（MG曲線）及びDOプロ
フイールの変曲点を結んだ（MS曲線）をそれぞ
れ実線と破線で示してある。この図からわかるよ
うに、MG曲線とNS曲線は特にエアレーシヨン
タンク後半部でよく一致している。即ちDO濃度
制御が行なわれるエアレーシヨンタンク後半部で
は、DOプロフイールの変曲点はｆ−Ｃ曲線の変
曲点とほぼ一致する。このことはエアレーシヨン
タンクの目的の地点においてｆの変化に対するＣ
の変化のゲインを常に最大にすることにより、即
ちＣをMG曲線上に制御することによつてDOプ
ロフイールの変曲点をその場所の近傍に固定でき
ることを意味する。エアレーシヨンが各地点毎に
個別に制御されて、測定点付近のエアレーシヨン
強度を正確に求められることが理想であるが、エ
アレーシヨン全体の空気量が一括して管理されて
いる場合も、一般にエアレーシヨン強度ｆが概略
均一であるからｆはＦに比例し、実用上はｆの代
わりにＦを用いることができる。なかには、ｆを
エアレーシヨンタンク入口は大きく、出口に行く
に従つて小さくなるように設定する場合もある。
そのような場合であつても、ｆの勾配に比べて処
理の進行に伴なう酸素要求量変化が急激であるか
ら、DOプロフイールの変曲点は存在し上記と同
様の考えが成り立つ。

第２図はエアレーシヨンタンクの１地点におけ
るDO濃度CmとＦの関係を実測した結果である。
上記の理論によればCmを変曲点Ｑのレベルに制
御すること、すなわちＦの変化に対するCmの変
化のゲインを最大にすることによりDOプロフイ
ールの変曲点をこの測定点付近に固定することが
できる。

本発明者らはこのゲイン極大化にモデル規範適
応システム（以下MRASと略称）によるパラメ
ータ同定法を応用する方法を考案し、この制御に
適用した。MRASは実プロセスおよびその動特
性を近似するモデル（適応モデル）からなり、パ
ラメータ同定に用いる場合、プロセス出力とモデ
ル出力が一致するように適応モデルのパラメータ
を自動調節するものである。この技術に関しては
I.D.Landau、富塚著：適応制御システムの理論
と実際、オーム社発行（1981）に詳細に記載され
ている。

MRASによるゲイン極大化の原理は以下のと
うりである。ＦとCmの関係は近似的に一次遅れ
の関係で表わすことができる。したがつて適応モ
デルとして一次遅れ要素を用いることにより、ゲ
インｇと一次遅れ時定数Ｔをオンライン同定する
ことができる。そこでCmの移動平均ｍを基準
値とし、Cmがｍより小さいときのゲインｇ、
とCmがｍより大きいときのゲインg₂を別々に
求めることを考える。第２図に示したように、g₁
とg₂を別々に求めるということは、ｆ−Ｃ曲線を
基準点Ｐを折点とする折線で近似することに相当
する。したがつてg₁＝g₂となるようにCmのレベ
ルを調節することによりゲインが極大値に達し、
本制御の目的が達成される。

第３図は本発明の適用される活性汚泥プロセス
の機器構成と機能の概要を示す系統図である。第
３図では水と空気の流れは実線、電気信号系統を
破線で示してあるがいずれも流れの方向を矢印で
表わしてある。

第３図においてエアレーシヨンブロア１から送
られる空気は流量計２を経てエアレーシヨンタン
ク３の底部から散気管４により曝気される。また
図示してない装置により一次処理された原水は流
量計５を通つてエアレーシヨンタンク３に流入し
汚濁物質が分解された後最終沈澱池６に貯留され
上澄水を二次処理水として放流するが沈澱した汚
泥は再びエアレーシヨンタンク３に戻される。

一方電気信号はエアレーシヨンタンク３内に位
置するDOセンサ７の出力を信号変換器８により
伝送信号に変換し、流量計２，５によりそれぞれ
測定されたエアレーシヨン空気量および流入水量
の信号とともに演算装置９に入力する。演算装置
９は本発明による制御演算を行つて設定値として
の目標空気量を調節計１０に入力する。調節計１
０からエアレーシヨン空気量を設定値に制御する
ための操作信号をインバータ１１に入力すること
によりインバータ１１でエアレーシヨンブロア１
の回転数の調節が行われる。

第４図は第３図の構成における制御演算を行う
ためのブロツク線図を示したものである。第４図
において２１は第３図に示したプロセスを表わす
部分であり入力がエアレーシヨン空気流量Ｆ、出
力がDO濃度Cmである。２２はＦをフイルタリ
ングする時定数Tfの１次遅れ要素、２３はCmを
フイルタリングする時定数Tfの１次遅れ要素、
２４はゲインｇが可調節の比例要素、２５は時定
数Ｔが可調節の１次遅れ要素、２６は２５の出力
Xmの微係数を求めるための割算器、２７はＴを
実プロセスに適合するように調節するパラメータ
適応機構、２８はDO濃度が基準値より小さいと
きのゲインg₁を調節するための適応機構、２９は
DO濃度が基準値より大きいときのゲインg₂を調
節するための適応機構、３０はプロセス出力をフ
イルタリングした信号Cfの移動平均を求める
ための移動平均演算部、３１はCfとを比較し
それらの大小関係に応じてスイツチS₁，S₂，S₃を
開閉するための比較器、３２はg₂−g₁を積分し、
DO濃度の設定値Crとして出力する積分器、３３
はCrとCmの差εおよび流入水量信号Ｗが入力さ
れ、CmをCrに制御するための目標空気量演算
部、３４は３３から出力される空気流量信号の基
準値Fbに同定過程をスムーズにするために同定
用ノイズＮを加えた信号を一定時間保持するサン
プルホールド部である。２４と２５からなる破線
で囲つた部分３５は適応モデルを表わしている。

以上の制御演算は大別して主に二つの部分によ
り行われる。すなわち第４図に示した一点鎖線か
ら下のプロセス出力Ｃを設定値Crに制御するた
めのDO制御部と一点鎖線から上のパラメータ同
定およびCr調節部である。これら二つの部分の
うち、前者は出力Cmが設定値Crに一致するよう
にフイードバツク制御を行い、後者はg₂−g₁を演
算し、g₂−g₁が零になるようにCrを調節するもの
である。

次に本実施例における制御動作をパラメータ同
定部分から順を追つて説明する。パラメータを同
定するためにはプロセスの入力Ｆおよび出力Cm
が必要である。ＦとCmをまず１次遅れ要素２２
および２３でフイルタリングしそれぞれの平滑化
信号を得る。次にＦとCmから平滑化信号を差し
引きそれぞれｕおよびｙとする。活性汚泥プロセ
スの場合ｕとｙの関係は１次遅れモデルで表わす
ことができるから、MRASを構成する適応モデ
ル３５も２４と２５からなる１次遅れモデルとす
ることができる。このMRASの役割はプロセス
信号ｙと25からの出力xmが一致するように適応
モデル３５の時定数Ｔおよびゲインｇを自動調整
することである。Ｔとｇの自動調整はパラメータ
適応機構２７，２８および２９が行う。これらの
うち２７はＴの適応機構であり、ｙとxmの差ｅ
およびxmの時間微分x〓mが入力されて積分適応ア
ルゴリズムにしたがつてＴＴ＝To−K_T∫^t _pex〓mdt (7) が自動調節される。(7)式におけるToはＴの初基
値、K_TはＴの適応ゲインである。ゲインｇの同
定動作は本実施例では通常の場合と異なつてい
る。すなわち本発明の方法では出力をフイルタリ
ングした信号Cfがその移動平均より小さいと
きと大きいときに、それぞれのゲインg₁とg₂とを
別々に同定できるようにこれらに対応して同定機
構を２８と２９の二つに分けてある。同定アルゴ
リズムは g₁＝g₁₀＋K_g∫^t _peudt (8) および g₂＝g₂₀＋K_g∫^t _peudt (9) である。(8)および(9)式におけるg₁₀とg₂₀はそれぞ
れg₁とg₂の初期値、K_gは適応ゲインである。さ
らに本発明ではCfとの大小関係によつてこの
二つの適応機構２８と２９の一方だけを作動する
ようにして、適応モデル３５のゲインｇとしては
作動している方の適応機構が演算するゲイン（g₁
もしくはg₂）を用いることにより、Cfがより小
さいときのゲインg₁とCfがより大きいときのゲ
インg₂とを別々に同定することができるのであ
る。

このような一連の動作に対して切換え操作を行
うのが比較器３１によつて開閉する三つの切換え
スイツチS₁，S₂およびS₃である。また本実施例で
は同定動作を確実にするために三つのスイツチが
切り換る時点および空気流量ｆが更新される時点
で適応モデル３５の出力xmをプロセス信号ｙに
一致させるようにしている。比較器３１およびサ
ンプルホールド３４から適応モデル３５に導かれ
る破線の矢印はこの動作を意味するものである。

以上のようにして得られたg₂とg₁の差を積分器
３２で積分しその出力をCrとすると積分定数を
適正に選ぶことにより、g₁とg₂が等しくなる方向
にCrが変化する１種の積分制御動作が行われ、
Crはプロセスの入出力関係を表わす特性曲線上
の変曲点に相当する値に達する。このように計算
されたCrは、DO制御部に設定値として入力さ
れ、DO濃度Cmが設定値Crに等しくなるように
フイードバツク制御が行われる。この制御動作を
行わせるために本実施例では通常のPI制御に加
えて流入水量Ｗを用いた補助動作により、流入負
荷の急変に対する応答を改善している。そして制
御演算により求めた空気量の基準値F_bに同定過
程がスムーズに行われるように同定用ノイズＮを
加算し、この信号を一定時間保持したものが実際
の空気量Ｆとなる。

以上第３図に示した機器構成および第４図に示
した制御方式により実際に活性汚泥プロセスの制
御を行い得られた結果を第５図ａ〜ｄに示す。第
５図ａ〜ｄはいずれも100時間経過に対して得ら
れた諸データの変化の様子を示した線図である
が、これら各線図の縦軸は適当なフルスケール値
（FS）で割つて規格化してあり、FS値は各線図
に記してある。

第５図ａは時定数Ｔの変化、第５図ｂは出力が
基準値よりも小さいときのゲインg₁と出力が基準
値より大きいときのg₂の変化、第５図ｃはDO濃
度Cmとその設定値Crの変化、第５図ｄは空気量
Ｆと流入水量Ｗの変化をそれぞれ表わしている。
これらの中で特に本発明の効果が明らかなのは第
５図ｃであり、第５図ｃによれば活性汚泥プロセ
スの制御をはじめCr＝0.5mg／でスタートし約
100時間実施したのに対して、制御開始直後Crは
若干減少するが５〜６時間後には増加に転じ約40
時間経過するとほぼ一定値に達する。その後Cr
は1.5〜２mg／に維持されDO濃度CmはCrを中
心に約±１mg／の範囲に制御されている。一定
値に達した後のCrの値と第２図に示した曲線の
変曲点Ｑに対応するCmの値とを比較すると両者
はよく一致しており、このことからも本発明の目
的が十分に達成されていることがわかる。

〔発明の効果〕

以上、実施例に基づいて説明したように本発明
によればエアレーシヨンタンクの目的の地点に設
置した１つのDOセンサを用いて処理が完了した
ことの目安となるDOプロフイールの変曲点をそ
の地点に固定することができる。すなわち負荷変
動があつても、処理をエアレーシヨンタンクの目
的の場所で完了させることができる。したがつ
て、本発明は処理水質を常に良好に保つことがで
きると同時に、必要最少限のエアレーシヨン空気
量で運転することができるため、電力節減をも可
能にする。さらに見逃してはならない点は、この
制御は変曲点に追尾するように動作するため、
DOセンサの特性が多少変化しても制御結果に影
響しないことである。この点は実用上極めて大き
な利点であり、長期にわたる信頼性の高い制御を
保証するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はｌ−ｆ−Ｃ曲面の透視図、第２図は活
性汚泥プロセスのエアレーシヨン空気量ＦとDO
濃度Cmの関係を示す線図、第３図は本発明の適
用される活性汚泥プロセスの機器構成と機能を示
す系統図、第４図は本発明の方法による制御演算
を示すブロツク線図、第５図ａ〜ｄは本発明の方
法による活性汚泥プロセスの制御で得られた諸デ
ータの時間経過に対する変化を示し、それぞれａ
は時定数Ｔ、ｂはg₁とg₂、ｃはDO濃度Ｃと設定
値Cr、ｄは空気量ｆと流入水量Ｗの変化を表わ
す線図である。１……エアレーシヨンブロア、２……空気流量
計、３……エアレーシヨンタンク、４……散気
管、５……流入水流量計、６……最終沈澱池、７
……DOセンサ、８……信号変換器、９……演算
装置、１０……調節計、１１……インバータ、２
１……活性汚泥プロセス、２２，２３，２５……
１次遅れ要素、２６……割算器、２７，２８……
パラメータ適応機構、３０……移動平均演算部、
３１……比較器、３２……積分器、３３……目標
空気演算部、３４……サンプルホールド部、３５
……適応モデル、Ｃ……DO濃度、ｆ……エアレ
ーシヨン強度、g₁……出力が基準値より小さいと
きのゲイン、g₂……出力が基準値より大きいとき
のゲイン、xm……適応モデルの出力、ｙ……プ
ロセス、Ｐ……出力の基準点、Ｑ……変曲点、Ｗ
……流入水量、Cm……測定点におけるDO濃度、
Ｆ……エアレーシヨン空気量。

Claims

【特許請求の範囲】１好気性微生物により廃水を処理する活性汚泥
プロセスの溶存酸素濃度を制御する方法におい
て、エアレーシヨン空気量Ｆおよびエアレーシヨ
ンタンク内の流下方向の中央部より出口側の一地
点で溶存酸素濃度Cmを測定し、Cmの移動平均
値を基準値ｍとし、Cmが該基準値ｍより小
さいときのＦに対するゲインg₁とCmが基準値
ｍより大きいときのＦに対するゲインg₂を同定
し、g₁とg₂を等しくするようにCmのレベルを調
節することを特徴とする溶存酸素濃度制御方法。２特許請求の範囲第１項記載の方法において、
g₁同定用適応機構２８とg₂同定用適応機構２９と
を有するパラメータ同定用モデル規範適応システ
ム（MRAS）を用いて、Cmが基準値ｍより小
さいときは適応機構２８のみが作動しかつ
MRASの適応モデル３５のゲインｇにはg₁を入
力し、Cmが基準値ｍより大きいときは適応機
構２９のみが作動しかつMRASの適応モデル３
５のゲインｇにはg₂を入力することによりg₁およ
びg₂を同定することを特徴とする溶存酸素濃度制
御方法。３特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
方法において、Ｆが急変する時点またはCmが基
準値を通過する時点でMRASの適応モデル３５
の出力信号xmと直流成分を除いたプロセス信号
ｙとを一致させることを特徴とする溶存酸素濃度
制御方法。