JPH06304413A - 浄水場における凝集沈澱プロセスの制御法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 界面現象測定器の出力値に影響する変動因子
の除去あるいは関数演算により補正し凝集剤注入率の適
正化を計ること及び／又は凝集剤注入率からアルカリ注
入量、攪拌翼回転数を演算して調節すること及び／又は
定期的あるいは高濁度時に凝集剤調節器の目標値を自動
的に決定することである。 【構成】 網状篩の内側に循環流を流して一部粒径の揃
った濁質粒子を界面現象測定器に供給するクロスフロー
方式を採用し、目標値、温度、電気電導度、凝集剤注入
率、濁度、月数、処理量等を入力して関数補正あるいは
ファジー推算によって補正された目標値を凝集剤調節器
に入力して凝集剤注入率を調節すること及び／又は段階
的に凝集剤を注入して注入率、出力値の曲線における変
曲点を求めて調節器の目標値を決定すること及び／又は
凝集剤調節器からの出力値を入力してアルカリ注入量及
び攪拌翼回転数の目標値を演算し、それら目標値によっ
てポンプ、モータを調節することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は浄水場における凝集剤注
入率、アルカリ注入量、緩速攪拌速度の制御に係わり、
特に界面現象計測器からの出力信号に基づいて凝集剤注
入率、アルカリ注入量、攪拌翼回転数を調節する凝集沈
澱プロセスの制御法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来図５に示すような流動電流計からの
電気信号を入力して凝集剤注入率をフィードバック制御
する凝集剤注入率の制御法が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】凝集剤調節器の目標値
はジャーテスト法によって求めた適正注入率における原
水の界面現象計測器の出力値を測定して決定される。し
かしながらその出力値は濁質の成分、濁度、温度、電気
電導度、粒径等の濁質や水質等によって変動すると云う
問題がある。

【０００４】季節変動等のように周期的に変動すると
き、台風等のように急激に高濁度化するとき、スィーピ
ングフロック等操業条件が変わるとき等は、人海戦術に
頼ることになると云う問題がある。

【０００５】界面現象計測器には、特に高濁度時におい
て濁質粒径の均一化、原水に含まれる夾雑物の分離・除
去、検出部の薬液洗浄等が十分でないため測定精度、信
頼性の劣化、保守・管理の煩雑さを助長すると云う問題
がある。

【０００６】目標値はジャーテスト法に準拠した手順で
自動的に決定されるものがあるが、凝集理論に叶う方法
による決定法がないと云う問題がある。

【０００７】圧密な沈澱性フロックを形成するには凝集
剤注入率のみならずアルカリ度、攪拌翼回転数を調節す
る必要があるが、界面現象計測器の出力値等僅かな測定
データに基づいて全凝集沈澱プロセスを統御する制御法
がないと云う問題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による問題点の解
決手段は、温度、濁度等のように界面現象計測器の出力
値との関係が明確な場合には、それぞれの相対偏差の１
次線形結合を演算して補正する。季節変動、台風、特殊
操業等のように統計調査を要する場合には、それぞれの
知識をルール、メンバーシップ関数を用いて表現・作成
しファジー推算して補正する。

【０００９】網状篩の内側に循環流を作り一部粒径の揃
った濁質粒子を透過するクロスフロー方式を採用して濁
質粒径の均一化を行い、定期的な泥等の排出及びジェッ
ト逆洗を行う。さらに検出部を薬液に浸漬してマンガ
ン、鉄等を溶解洗浄して保守管理の信頼性と測定精度の
向上を計る。

【００１０】目標値は凝集剤注入率Ｐを１，２，４，
６，１０，１６，２５，４０，６３，１００ｐｐｍ・・
・等と段階的に変えて、そのときのＰに対する界面現象
計測器からの出力値を測定するシーケンスを設け、Ｉ−
ｌｏｇＰ曲線、Ｉ−Ｐ曲線あるいはｌｏｇＩ−ｌｏｇＰ
曲線の１次微分≧ｍａｘ及び２次微分≦ｍｉｎを演算し
て求められる変曲点（Ｐ，Ｉ）のＩによって決定され
る。

【００１１】アルカリ注入量及び攪拌翼回転数は、凝集
剤調節器からの出力値、処理量等を入力し、それぞれの
相対偏差の１次線形関数を演算して求められる。界面現
象計測器の出力値等僅かな測定データによって凝集沈澱
プロセスを総合的に統御することができる。

【００１２】

【作用】本発明に係わる凝集沈澱プロセスは、凝集剤の
加水分解によって生成する荷電粒子が濁質粒子に吸着し
て電気的に中和する凝集機構と、電気的に中和した粒子
同士が攪拌によって衝突合一する衝突機構と、衝突した
粒子間に架橋構造が形成されて大きな圧密粒子になるフ
ロック形成機構から説明される

【００１３】界面現象計測器の出力値Ｉは、粒子の荷電
状態を示す測定値であり、凝集剤注入率Ｐが増すと、電
気二重層の圧縮が起こりＰ^1/2に比例して増加し、溶解
度を越すと沈澱生成物である正の荷電粒子の負の濁質粒
子への吸着が起こりＰに比例して増加する。そして電気
的中和点を越すと正の荷電粒子自身の荷電状態を強く反
映して急激に変化する。その関係がＰ−Ｉ曲線、ｌｏｇ
Ｐ−ｌｏｇＩ曲線、ｌｏｇＰ−Ｉ曲線等に現れる。すな
わちそれら曲線の微分法によって求められる変曲点
（Ｐ，Ｉ）のＩを求めることは電気的中和点に対応する
目標値を求めることに帰結する。その変曲点のＰはジャ
ーテスト法による注入率Ｐに合致する。

【００１４】凝集剤調節器の目標値は、濁度Ｃは、１０
ｐｐｍ≦Ｃ≦１５０ｐｐｍ、温度Ｔは、５℃≦Ｔ≦３０
℃の範囲において、温度Ｔ、電気電導度Ｅ、濁度Ｃに対
して目標値を決定した状態（温度Ｔ₀、電気電導度Ｅ₀、
濁度Ｃ₀）からの相対偏差を定義して数１、数２、数３
の１次線形関数で近似補正される。なお数３では凝集剤
注入率Ｐが濁度Ｃの平方根に比例する吸着等温式の関係
を用いた。

【００１５】

【数１】△Ｉ≒−ａ（Ｔ−Ｔ₀）/Ｔ₀・Ｉ₀，ａ：定数，
−：濁質粒子の荷電状態

【００１６】

【数２】△Ｉ≒−ｂ（Ｅ−Ｅ₀）/Ｅ₀・Ｉ₀，ｂ：定数，
−：濁質粒子の荷電状態

【００１７】

【数３】△Ｉ≒−ｃ（Ｃ−Ｃ₀）/Ｃ₀・Ｉ₀≒−２ｃ（Ｐ
−Ｐ₀）/Ｐ₀・Ｉ₀，ｃ：定数

【００１８】季節変動等のように測定が困難な場合、大
雨、台風等で濁度が２００ｐｐｍを越す場合、冬場の低
濁度における操業等の場合には、それぞれの条件に対処
する知識を時間関数、濁度等のファジー変数、ルール、
メンバーシップ関数を用いて表現・作成しファジー推算
して補正される。

【００１９】衝突合一における緩速攪拌の回転数Ｎ（≒
Ｇ^2/3）はフロック形成攪拌速度Ｇ値（ｓｅｃ^-1）、濁
度Ｃ（≒Ｐ²）（ｐｐｍ）、滞留時間Ｓ（＝フロック形
成槽容量Ｖ/処理量Ｆ）（ｓｅｃ）の積で定義されるフ
ロック形成度合（Ｇ・Ｃ・Ｓ≒１）を用いて、凝集剤注
入率Ｐと処理量Ｆで数４に表される。

【００２０】

【数４】Ｎ≒ｄ・Ｐ^-4/3・Ｆ^2/3，ｄ：定数

【００２１】回転数Ｎは、凝集剤調節器の目標値を決定
した状態の回転数Ｎ₀に数４の両対数の微分から求めた
相対偏差の関係を用い数５に表される。

【００２２】

【数５】 Ｎ＝Ｎ₀−ｄ（4/3・△Ｐ/Ｐ₀−2/3・△Ｆ/Ｆ₀）Ｎ₀

【００２３】架橋構造に重要なアルカリ注入量Ａは凝集
剤の沈澱形成に適するＰＨに維持されていることを前提
にするが、凝集剤の加水分解によって費消されるアルカ
リ量に一致する。前述同様に目標値を決定した状態（ア
ルカリ注入量Ａ₀、凝集剤注入率Ｐ₀）からの相対偏差の
関係を用いて数６に表される。

【００２４】

【数６】 Ａ≒Ａ₀＋ｈ（△Ｐ/Ｐ₀）Ａ₀，ｈ：０．３５〜０．５

【００２５】濁質粒径等の均一化及び夾雑物の除去のた
めにクロスフロー方式の篩分器を用い、３％過酸化水素
水で検出部に付着するマンガン、鉄等を溶解洗浄するこ
とにより信頼性及び安定性の向上を計る。

【００２６】斯くの如くして、界面現象計測器等からの
出力値を基本的な制御量として凝集剤注入率、アルカリ
注入量、攪拌翼回転数を統御することができる。

【００２７】

【実施例１】本発明について添付図面を参照しつつ具体
的に説明する。図１は本発明制御法を浄水場の凝集沈澱
プロセスに適用した説明図である。原水は滞留時間１０
分程度の混和池で凝集剤、アルカリ剤が注入され、フラ
ッシュミキサ−による急速攪拌が行われる。攪拌後、緩
速攪拌回転数５０回/分程度のフロック形成池に送ら
れ、フロック形成が行われる。沈澱性フロックは沈澱池
で重力分離され、上澄液が砂濾過池に送られて濾過され
る。サンプル水は混和池出口等に置かれたサンプリング
ポンプ５ａによって界面現象計測装置１ａに供給され流
動電流あるいはゼータ電位等が測定される。

【００２８】１ａは界面現象計測装置であり、原水等に
含まれる濁質粒子の流動電流あるいはゼータ電位を測定
する界面現象測定器５、篩分器２、薬洗浄器３を備えた
界面現象計測器６と、温度計７ａ及び電気電導度計７ｂ
から成る。１ｂは界面現象計測装置１ａからの電気信号
を入力して制御出力装置１ｃの目標値を演算補正する演
算装置である。制御出力装置１ｃは、演算装置１ｂから
の目標値、界面現象計測装置１ａからの電気信号を入力
して電磁弁８ａ等を調節する調節器８を備えている。

【００２９】２は篩分器であり、原水がサンプリングポ
ンプ５ａ等によって中央部から供給されると、網状篩２
ｄの内側に循環流を作り、一部篩い分けられた濁質粒子
が網状篩２ｄを透過して界面現象測定器の検出部に供給
され、大部分が、取水口を底部に持ち越流口をサンプル
水取口（図示せず）より若干高めにしたサイホン式越流
路２ｃを越流されるクロスフロー方式を採用することに
より排泥・洗浄周期を長くし、安定したサンプル水量を
界面現象測定器５に供給できる。蓄積砂泥、浮遊物等を
排出する排泥弁２ｂ、篩分器２ｄをジェット洗浄する逆
洗弁２ａ及びそれらを制御するシーケンサ４が備えられ
ている。電気電導度計７ａ、温度計７ｂ等はこれに付設
される。

【００３０】３は薬洗浄器であり、薬液ポンプ、電磁弁
３ａ等で薬液槽３ｂの過酸化水素水等の薬液を界面現象
測定器５の検出部５ｂに一定量注入して数１０分間浸漬
洗浄して、検出部壁に付着するマンガン、鉄等を除去す
る。定期的洗浄あるいは高濁度を検出して自動的に洗浄
するために供給弁３ｂ、排液弁３ｃ及びそれらを制御す
るシーケンサ４が備えられている。

【００３１】界面現象測定器５の一種である流動電流計
は、一対の電極を出入口に持つ毛管中において圧力を加
えて荷電粒子を移動させると、電気二重層を形成してい
る荷電粒子と対イオンがそれらの質量差によって分離、
分極する。他方その分極を相殺して平衡状態に戻ろうと
する自発的なイオンの流れが生じて電極間に粒子の電荷
量に比例する電流が発生することを応用したものであ
る。

【００３２】界面現象測定器５は、その出力値が電気的
中和点である目標値において、濁質粒子の静電反発力が
失われ凝集が開始されることを応用して凝集剤注入率の
モニタあるいは制御に適用されるものである。ポリ塩化
アルミニウム、硫酸バンド等の凝集剤を注入してジャー
テスト法に準拠して適正注入率を求めると、その注入率
における界面現象測定器５の出力値が目標値に合致する
ことが分かる。

【００３３】粒子の荷電状態の計測器としては、流動電
流計のみならず電場中を移動する粒子の易動度を測定す
るゼータ電位計、電気二重層のインピーダンスを測定す
るインピーダンス計等がある。ゼータ電位と濁質粒子の
安定性に関する研究はよく知られているが、ゼータ電
位、電荷量、流動電流、電気容量等において相互の関係
が分かるものであればいずれでも使用できる。

【００３４】図２において演算装置１ｂは界面現象計測
装置１ａからの電気信号を入力してディジタル（Ａ/
Ｄ）変換するＡ/Ｄ変換器と、関数演算・シーケンス機
能を持つ演算器と、あいまいなファジー演算機能を持つ
ファジー推算器と、ファジー推算に必要な、ファジー規
則、メンバーシップ関数、ファイル管理等のプログラム
を記憶管理するためのルール記憶装置と、演算器、ファ
ジー推定器、加算器へ入力されるシーケンスプログラ
ム、規則、関数、定数、目標値等をテンキー等で外部入
力する状況値入力装置と、演算器、ファジー推算器で演
算された補正値を目標値に加減算する加算器と、加算器
からの目標値をアナログ（Ｄ/Ａ）変換して制御出力装
置１ｃへ出力するＤ/Ａ変換器から成る。

【００３５】界面現象計測器６の出力値Ｉ、温度Ｔ、電
気電導度Ｅ及び調節器８の出力値Ｐ（＝凝集剤注入
率）、時間関数、濁度等は演算装置１ｂに入力され、デ
ィジタル変換されて補正関数を演算する演算器あるいは
ファジー推算するファジー推算器で演算補正される。演
算補正された補正値は状況値入力装置あるいは目標値決
定装置から入力される目標値に加算されアナログ変換後
制御出力装置１ｃへ出力される。

【００３６】目標値の補正関数は数１、数２、数３の１
次結合により数７で表される。

【００３７】

【数７】△Ｉ＝（−ａ（Ｔ−Ｔ₀）/Ｔ₀−ｂ（Ｅ−Ｅ₀）
/Ｅ₀−ｃ（Ｐ−Ｐ₀/Ｐ₀））Ｉ₀

【００３８】数７は濁度範囲１０ｐｐｍ＜濁度＜１５０
ｐｐｍにおいて適用される。ここで、ａ＝０．１〜２，
ｂ＝０．００１，ｃ＝０．０１〜０．２であるが、水
質、濁質、操業方法等の年間の統計調査によって変わ
る。この補正法によって年間累計６割程度までの凝集剤
注入率の制御が可能になる。

【００３９】前記補正関数では対処し難い季節変動等の
周期的変動、台風等の突発的変動、スタートアップ時、
スイーピングフロック等の特殊条件における操業を可能
にするためにファジー推算によって補正が行われる。

【００４０】図３のファジー推算について述べる。目標
値がある事象の影響を受けることが統計的あるいは感覚
的に認められるとき、例えば「もし＜冬で濁度が低い＞
ならば（正側に補正する）」等のルールが作成される。
四季（ＳＥＡ）の春（Ｓｐ）・夏（Ｓｕ）・秋（Ｆ）・
冬（Ｗ）、濁度（ＴＵＲ）等の高（Ｈ）・中（Ｍ）・低
（Ｌ）、出力（ＯＵＴ）の大きく正（ＰＢ）・正（Ｂ）
・負（Ｎ）等のファジー変数を数量化するために縦軸に
適合度、横軸に数値を取るグラフに三角形で表したメン
バーシップ関数が作られる。１つのルールに複数の条件
があるときの演算は適合度の低い方の条件が選択され、
それに対応する出力側の三角形が選択され且つ低い方の
適合度を頂点にする三角形に変形されて行われる。ルー
ル間の演算はルール毎に変換された出力側の三角形を総
和した総面積を演算して行われる。最後に面積重心が演
算され補正値に変換される。いわゆるＭＩＮ−ＭＡＸ法
と面積重心法が適用される。

【００４１】季節変動、台風等におけるルール例を示
す。 もし＜冬で濁度が低い＞ならば（正側に補正する） もし＜濁度がかなりに高い＞ならば（大きく正側に補正
する） もし＜春あるいは冬＞ならば（補正しない） もし＜夏あるいは秋＞ならば（正側に補正する）

【００４２】以上では関数補正とファジー推算を分離し
て演算したが、関数補正に対応するルールとメンバーシ
ップ関数を作成することによって代替可能である。この
際ルール間の干渉効果に注意して事前にシミュレーショ
ンを行う必要がある。

【００４３】制御出力装置１ｃの調節器８は、補正後の
目標値を入力して設定変更し、界面現象計測器６からの
電気信号によって定量ポンプ８ａが調節される。

【００４４】アルカリ注入量Ａと攪拌翼回転数Ｎは、演
算装置１ｂの演算器において調節器８からの出力値Ｐ、
処理流量Ｆ等を入力して数５と数６に基づいて攪拌翼回
転数Ｎ及びアルカリ注入量Ａが演算される。演算された
値を受けて調節器１０と調節器９によって攪拌モータ１
０ａと定量ポンプ９ａが調節される。

【００４５】斯くの如くして、凝集沈澱プロセスの制御
装置１は、無保守に近い形のオンライン計測が可能にな
る。季節変動、台風等の厳しい状況においても凝集剤注
入率の制御が可能になる。

【００４６】目標値決定装置１１は、凝集剤調節器８の
目標値を自動的に決定するものであり、サンプリングポ
ンプ５ａの吐出側に注入口を接続する定量ポンプ１１ａ
を用いて１０分程度の間隔で１，２，４，６，１０，１
６，２５，４０，６３，１００ｐｐｍ等段階的に凝集剤
注入率を変えて凝集剤の適正注入後の原水に追加注入さ
れる。ただし、凝集剤注入前の原水に注入することが好
ましい。

【００４７】目標値は、凝集剤注入率Ｐと界面現象計測
器６の出力値Ｉから求まるＰ−Ｉ曲線、ｌｏｇＰ−ｌｏ
ｇＩ曲線、ｌｏｇＰ−Ｉ曲線の微分法による変曲点を演
算して求められる。好ましくはｌｏｇＰ−Ｉ曲線の１次
微分（ｄＩ/ｄｌｏｇＰ）≧ｍａｘ及び２次微分（ｄ²Ｉ
/ｄｌｏｇＰ²）≦ｍｉｎにおける変曲点（Ｐ，Ｉ）のＩ
を求めて決定される。本発明は比較的簡単な目標値決定
法であるが、ジャーテスト法の結果に合致する。

【００４８】図４のプログラム手順について述べる。電
源をオンにして作動開始する。サンプル水は凝集剤が注
入されて凝集反応が終了する数１０分程度経過後の混和
池出口等に設置されたサンプリングポンプ５ａにより凝
集沈澱プロセスの制御装置１に供給される。そして関数
計算に必要な係数、ファジー推算に必要な入力等は状況
値入力装置等から演算装置１ｂに入力される。

【００４９】スタートするとサンプリングポンプ５ａが
停止、排泥弁２ｂが開弁して泥が排出される。数分後逆
洗弁２ａが開弁して一定時間ジェット逆洗して排泥弁２
ｂが閉弁される。

【００５０】逆洗終了後薬洗浄器３が作動する。排液弁
３ｃが閉弁し、電磁弁３ａが一定時間開弁して過酸化水
素水等の薬液が検出部５ｃに注入される。数１０分程度
浸漬して薬洗浄が行われる。洗浄終了後排液弁３ｃが開
弁し、サンプリングポンプ５ａが作動する。

【００５１】続いて目標値決定装置１１が作動し、前述
同様にして段階的に凝集剤が注入される。Ｐに対するＩ
が測定されｌｏｇＰ−Ｉ曲線の変曲点が演算され目標値
Ｉが決定される。なお逆洗、薬洗浄、目標値決定中、凝
集剤調節器８の目標値は前回値に保持される。

【００５２】目標値決定後通常の測定状態になり、前述
の補正計算、ファジー推算、アルカリ注入量、攪拌翼回
転数の演算が行われ、凝集剤、アルカリ、攪拌翼の調節
器の目標値が設定され、それらが調節される。

【００５３】このような測定・演算操作は数秒あるいは
数時間に１回行われ、また１日に１回程度逆洗、薬洗
浄、目標値決定操作が行われる。なお図示されていない
が高濁度時を光電計７ｃで検知して逆洗、薬洗浄、目標
値決定操作が随時行われる。

【００５４】このようにして、凝集沈澱プロセス全体の
統御が可能になり、省エネ・省力化に多大な貢献をなす
ことができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明は篩分器によって夾雑物の除去、
濁質粒径の篩い分け、サンプル水量の安定化を促進する
ことにより測定精度・信頼性の向上、保守・管理の簡便
化が計られ省力化に多大な貢献をなすものである。本発
明は界面現象測定器の出力値を基本データとして季節変
動、大雨等における凝集剤注入率の制御を可能にし、さ
らにアルカリ注入量と攪拌翼回転数の制御を可能にする
ことができ省エネ・省力化に多大な貢献をなすものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である凝集沈澱プロセスの制
御フローを示す説明図である。

【図２】本発明の一実施例である凝集沈澱プロセスの演
算フローを示す説明図である。

【図３】本発明の一実施例である凝集剤注入率のファジ
ー推算法を示す説明図である。

【図４】本発明の一実施例である凝集沈澱プロセスのプ
ログラム手順を示す説明図である。

【図５】従来の凝集剤注入率の制御法を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 凝集沈澱プロセスの制御装置 １ａ 界面現象計測装置 １ｂ 演算装置 １ｃ 制御出力装置 ２ 篩分器 ３ 薬洗浄器 ５ 界面現象測定器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流動電流計等の界面現象測定器を用いる
   凝集沈澱プロセスの制御法において、網状篩内側に循環
   流を作り、一部粒径の揃った濁質粒子を透過するクロス
   フロー方式で篩い分け、温度、電気電導度、濁度等の変
   動因子はそれらの相対偏差の１次線形関数で演算し、季
   節変動、台風、特殊操業等の変動因子はそれらに関する
   知識に基づいてルール、メンバーシップ関数等を作って
   ファジー推論して凝集剤調節器の目標値を補正すること
   を特徴とする浄水場における凝集沈澱プロセスの制御
   法。
2. 【請求項２】 請求項１の凝集沈澱プロセスの制御法に
   おいて、凝集剤調節器の出力値の相対偏差の１次線形関
   数でアルカリ注入量及び攪拌翼回転数を演算し、それら
   値がアルカリ調節器、攪拌翼調節器の目標値に設定され
   ることを特徴とする浄水場における凝集沈澱プロセスの
   制御法。
3. 【請求項３】 請求項１のオンライン装置における目標
   値は、１，２，４，６，１０，１６，２５，４０，６
   ３，１００ｐｐｍ・・・等段階的に凝集剤注入率Ｐを変
   えて界面現象測定器の出力値Ｉを測定し、Ｐ−Ｉ曲線、
   ｌｏｇＰ−ｌｏｇＩ曲線、ｌｏｇＰ−Ｉ曲線等の１次微
   分値≧ｍａｘ及び２次微分値≦ｍｉｎ等の演算によって
   求められる変曲点（Ｐ，Ｉ）のＩにより決定されること
   を特徴とする凝集沈澱プロセスの制御法。