JPS60106590A - 下水処理制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は都市下水や緘呆玩水の工うに■細物を含む汚水
？浄化する下水処理装置の制御方式に関するものである
。

一般に都市下水の下水処理装置は、第１図に示すように
石゛機物゛誓を含む下水を管路１よシ曝気槽２に導入し
、曝気ＩＩ２には、沈殿池３から引抜いた返送汚泥が管
路４ケ介して返送されるとともに、散気管５よシ曝気槽
内にブロワ−６から圧送された空気が供給され、管路１
からの流入下水と管路４からの返送汚泥は曝気槽内で攪
拌混会され、下水中の■機物質は活性汚泥により沈降性
の良い汚泥に変換して沈殿池３に導かれる。

沈殿池３においては処理水と汚泥に沈降分離され、清沿
水は管路７から放流され、沈殿池に沈般した汚泥の大部
分は返送汚泥ポンプ８により引抜かれて管弊４を介して
曝気槽内に返送され残シの汚泥紘引抜汚泥ポンゾ９によ
り排出される。　、このよ５な下水処理装置において、
装置外へ放流する清澄水の有機物濃度が変化して清澄水
が悪゛化すると、従来は曝気風量、返送汚泥量、あるい
は余剰汚泥ｉｔ　ｋ　ｆａｌｌ軸して処理水の有機物−
反２放流基準値以下に保つようにしてｉたが、曝気風量
、返送汚泥量ある９は余剰汚泥量を調整し７’Ｃ後、装
置外に放流する清澄水の有機物渦度が安定するまで数時
−間ｔ−要するほか、下水の活性汚泥処理は微生物を主
体とするものであ夛、その反応過程はプロセスの構造や
運転条件に依存するところが多いため、運転員が曝気槽
内の混合液の色、沈殿池の汚泥゛め沈降状態など金監祝
し、それまでに蓄えた経験に基づいて運転倉行わなけれ
ばならない欠点があった。

本発明はこのような欠点ｔ−取シ除（ために改良を施し
たもので、下水処理装置の性能ｒ常に最大限に発揮させ
清澄水の水質を良好に保ちうる下水処理装置の制御方式
を提供するものである。

即ち本発明の下水処理装置の制御方式は、流入下水量、
流入水のｐＨ，流入水有機物濃度、溶存酸素濃度、曝気
槽出口の水温、曝気槽内混合液浮遊物質濃度（以下、Ｍ
ＬＳ８という）、放流水の懸濁物質濃度、放流水のｐＨ
，放流水７に＠初濃度、返送汚泥量、返送１プ泥−反、
余利汚元引抜−１−薦一ノ虱鍛を測定する測定装置と、
これら測定装置の検出信号からプロセスの状態倉政わす
統計的自己回帰モデル全推定演算する自己回帰モデル演
鈴装［ｉ＆と、推定した自己回帰モデルから清澄水の有
様匂演度、懸濁物質イ反およびＭＬＳＳに影響を及ぼす
システム変数を選別して修正信号を修正自己回帰モデル
演算装置に与える選択装置と、修正自己回帰モデル演算
装置の出力信号から曝気風量、返送汚泥量及び余剰汚泥
量の各最適化制御信号勿演算する最適化装Ｕとをそなえ
、前記最適化装置の出力にしたかって曝気風量、返送汚
泥量、余剰汚泥ｔ’に制御することｔ特長とするもので
ある◎ 理解分容易にするため、先ず本発明の詳細な説明する。

下水処理装置において、現在のプロセスの状態は過去の
プロセスの状態の線形納会によってその大部分倉炙現で
きる。９ま時刻ｎＫかけるプロセスの状態’ｋｋ次元の
全変数ミクトルｇｎ）で表わすと、その自己回帰係数は
次のようになる。

但しＸ　（ｎ　−ｍ　）は時刻ｎよシｍ時点前の全変数
ベクトル、Ｕ（ｎ）は白色雑音ベクトル、Ａ（ｎｔｊ自
己回帰モデルの回帰係数、Ｍは自己回帰モデルの最適次
数である。

（１）式の回帰係数人（ホ）の要素”ｉｊ（ｍ）は次の
連立−次方程式の解としてめられる。

（ｈ千１，２・・・、に；！工１，２．・・・・・・・
・・Ｍ）ただし、几１ｈ（ＪｌはＸ１７）ｉ、ｈ行の要
素の相互相関関数である。また白色雑色ベクトルＵ（ｎ
）の要素倉εｉ　（ｎ）とすると、その分散ｏ、８．は
つぎのように１ なる。

なおモデルの最適次数Ｍは予測誤差會示す（４）式のＭ
ＦＰＥに）？最小にする厘である。

ただし、Ｎはデータ数、ＩＩ　ｄ　Ｍ　ＩＩはＵ（ｎ）
の分数共分散行列推定値で−ある。

このようにして自己回帰係数、モデル次数および白色雑
音の分散（固有ノイズ）がめられ、自己回帰モデルが作
成される。

つぎに、下水処理装置の被制御変数すなわち放流水有機
物濃度−１放流水懸濁物質績度、ＭＬＳＳを一定に保′
）７ｔめに、この自己回帰モデルを構成する多数のシス
テム変数の中で、被制御変数に寄与するシステム変数を
選別する必要がある。

いまに個のシステム変数が伝達要素によって結ばれた閉
ループにおいて、α１ｊ（ｆ）ｋ変数χ１（ｆ）と変数
χｊ（ｆ）とを結ぶ伝達要素のχＨｆ）からχ１（ｆ）
への周波数応答ｔＢ数とし、１Ｊｊ（ｆ）ｋχ１（ｆ）
の内部雑音の周絵狐域における炭坑とＴると、 但しｊＮ盈 かえられる。

ここで ・・・・・・・・・（６） とおけば ここで”１ｊ（ｆ）は１番目の変数の固有ノイズＵＪ（
ｆ）が、フィード／セックループを通してｉ番目システ
ム変数χ１（ｆ）へ＆は丁ジ臀を示す◎ （７２式のパワースペクトル領域における表現式はただ
しｐ（ｕＪ）ｉｆ）は周波数ｆにおける固有ノイズ（ｊ
ｊの／ぐワースペクト／Ｉ／密度でろる０さらに周波、
Ｂ　ｔにおけるλｊ（ｆ）のノぐワースベクトル密度の
うちＵｊ（ｆ）に寄与する部分？目＜ｆ）とすると、 ’ｉｒｓ　ｊ（ｒ＞−＝＋　ｂｓ　ｊｔｒ）＋２ｐ　ｔ
ｖｊ）ｔｏ　・・・・・・・・・（９）となり、ｐｔＪ
（ｒ）に対するｇｉｊ（ｆ）の比茫とれは、変数χゑに
対し変数λｊからの影響度合すなわちノイズ寄与率Ｙ′
ｌ　Ｈｆ）が得られる。

しかして、被制御変数に影響度の高ｉシステム変数が選
択され、この選択されたシステム変数゛および被制御変
数によってプロセスの状態関係を表わす最も合理的な数
式モデルが決定される。

最適制御系の設計のためには、プロセスの自己回帰モデ
ル倉状態空間表現に変換しておく゛とよい。

すなわち、（１）式に示した自己回帰モデルの全変数ベ
クトルＸ（ｏＪを１個の被制御変数ベクトルＸ（ｎ）と
＼！個の掠作変数ベクトルｙ（ｎ）に分けて考える。

これによって（１）式中の被制御変数ｘ（ｎｇつぃて次
式が得られる。

ｍヰｌｍ＝１ ここでｃｈ）、ｄに）、　ｗ（ｎ）は次の関係によシ得
られる。

ただし、（至）式中の＊は、被制御変数以外の他の変数
に関与する部分であり、プロセスの挙動の予測に―して
は不必賛と／Ａ　′）ＩＣｂ−かでａＤゐ・（２）式を
状態空間良現で災わせば次式のようになる。

Ｚ（ｎ）＝ΦＺ（ｎ−１）＋７’Ｙ（ｎ−１）＋Ｗ（ｎ
）　”””（１４）ｘ　（ｎ）＝　ＨＺ（ｎ） ただし Ｈ＝（１００・−・００：ま ただしｌはｒＸｌの単位行列、ＯはｒＸｒの零行列であ
る。

０４１式のような灸現を用いれば、適当な２次形式の評
価関数を用いて、制御系を設計することができる。

評価関数としては、被制御変数の聞差をできるだけ小さ
くシ、かつその実現のための操作量も小さくなるよう、
考慮すれば良い。

たとえは、適当な正の整数Ｉ（評価区間）をとって、 會考える・ただしｃｘｎ）　、　Ｒ（ｎ）はそれぞれＭ
ｒ　Ｘ　Ｍｒ　。

ＡＸＩＳの非負行列で、Ｒ（ｎ）は正値行列とする。

Ｚｎ’＊Ｙｎ’−１はそれぞれＺｎ　＋　Ｙｎ−１の転
置によって与えられ、ＥはＭ待１μでめる〇 ベルマンの最適性の原理から、ＪＩ’ｆｒ最小にするＹ
ｎは次式で与えられる。

Ｙｎ　＝　Ｇｉ　Ｚｎ　・・・・・・・・・・・・・・
・Ｑりただし、Ｇｉは次式で４４４られる。

Ｇｉ　＝−（Ｒ＋７”Ｐ　ｌ−ｎ７’）　−１１”　Ｉ
’　Ｉ　−、Φ　・・−・−・　−・・（ｘ７１ここで
は、足常なシステムを考えることにして、Ｑ（ｎ〕＝　
Ｑ Ｒ（ｎ）　＝　Ｒ とおく。

Ｑ７）式中のＰＩ−ｎは、Ｐｏ　＝　Ｑ　ｔ−初期値と
して、（ト）、　（１１式にょル順次得られるＯＭｉ　
＝ｐｌ−，−ＰＨ−，７’（Ｒ＋７”Ｒｉ−、ｒ　）−
”ｒ’Ｐｓ−１・”０ａＰ１工Φ１ＭｉΦ＋Ｑ　・・・
・・・・・・・１旧・・・・・四ここで、ＱおよびＲに
クーては、適当に設足すれば良ｉのであ“るが、次のよ
うに与えるのが、現実的である。

まずＲについては、操作変数の実際的な変動幅から決定
する。

またＱについては、完全な制御が実現できた場合におｉ
ても、（１４１式中のＶｉｌ（ｎ）の分散に相当する誤
差は残ることになるから、この川ｎ）の分散茫用いて、
Ｑを決定する。

このようにして得られた操作量Ｙｎは、評価区Ｊｕｌ　
ＩＶｃおいて、プロセスの出方の囲差奮最小に抑える、
最適な操作量となる。

第２図は、上記した原理に基づいて成された本発明の一
実施９ｔｒｔ−示す構成図である。

第２図において１から９までは第１図の同一符号と同じ
もの？意味し、１０は流入下水鍛測定計、１１は流入水
のｐＨｍＪ定計、１２は流入水懸濁物質帳度針、１３は
流入水ＴＩ＠物濃度計、１４は醪存酸紫濃度測定計、１
５はＭＬ８Ｓ濃度計、１６は水温針、１７は曝気槽流出
水有機物濃度計、１８はＭＬＳ８計、１９は故流水懸濁
物質績度針、２０はＸＡ水脣−物＠　ｋｊｓＦ　ｓ　２
１　ｔｉｃ　ＩＪＸ　１）（Ｇ　丞（’−’　ｐＨＩＭ
’Ｊ）Ｅｊｊｈ２２は返送汚泥鎗側定計、２３は返送汚
泥＠置針、２４は余剰汚泥引抜量測足計、２５は余剰汚
泥濃度針、２６紘曝気風址測定装置、２７は・演算装は
、２８は自己回帰モデル演算装置、２９は選択装置、３
０は修正自己ロ帰モデル演算装置、３１は最適化装置、
３２はブｑワー６倉制御する制御装置、３３は返送汚泥
７１？ンゾ８　ｋ　？１ＩＩＪ御する制御装置、３４は
引抜汚泥ポンプ９’ｉ？１ｉｌＪ御する制御装ばである
。

管路１よ夕曝気輸２に流入する下水の水量、ｐＨ１流入
水懸濁物質ＭＵ、お工び流入水有機物娘反は流入下水ｋ
ｔ飼定計１０％ＰＨ測定計１１、懸濁物質濃反計１２、
有機物紐置針１３にニジそれぞれ検出され、その検出信
号は、演算装［２７に与えられる。

また、曝気槽２内に流入した下水と沈殿槽３から返送さ
れた返送汚泥との混会水の溶存酸素峙度、ＭＬ８８およ
び水温は溶存酸素濃度測定計１４、ＭＬ８８計１５、水
温計１６によシそれぞれ検出され、その検出信号は演算
装置２７ＪＣ与えられる。

１７ｃ−気惰２内でｉ曾丞が渭注汚元処理δれン（処理
水の７Ｎ機物溪度およびＭＬ８８は、Ｍ機動濃度計１７
お工びＭＬ８Ｓ計１８によ夕それぞれ検出され。

その検出信号は演算装置２７に与えられる。また処理水
が沈殿槽３で沈降分離され清皺された放流水は管路７よ
り装置外に放流され、その放流水の懸詞物質娘度、■機
動績反およびｐＨが懸陶物質菌反計１９、：ｆｉ機動物
濃度計２０よびｐＨ測定計２１でそれぞれ検出され、演
算装＠２７に与えられる。

さらに、返送汚泥１に１返送汚泥＠度、余剰汚泥社、余
剰汚泥鹸度、および曝気風鎗が返送汚泥量側足れ［２２
、返送汚泥濃度計２３、余剰汚泥引抜社測定計２４、余
剰汚泥し度肝２５および風量計２６はよって検出され、
演算装＠２７に与えられる。

しかして、演算装置２７の自己回帰モデル演算装ｒｔ２
Ｂでは、入力したそれぞれの時系列の検出信号から、前
記（２１、（３）　、　（４）式に基づいたモデルの最
適次数Ｍ１モデルの回帰係数Ａ−及び白色雑音の分散を
演算すると共に、（１）式の自己回帰モデルを誠昇し、
選択値ｍｌｕでＱ工目己回〜てデル諷葬装置ｉ２８から
の出力にニジ（９）式、　０１式に基づいて、被制御変
数すなわち放流水の有機物酸度、懸濁物質重りおよびＵ
気幼内のＭＬ８ｉ９濃度に対するシステム変数の影響照
合？演算し、最適のシステム変数すなわち、流入下水針
、流入水の有機物一度、流入水の懸濁物質餞反、返送汚
泥量側の計測値信号ｔ−選択して修正自己回帰モラ′ル
演算装置３０に自己回帰モデルの修正信ｇを与え、最適
化装置３１では修正自己回帰モデル演算装置３０の出力
信号（修正された自己回帰モデル）に基づき、Ｑす、Ｑ
７１゜與ｚ、（１１式によって得られる最適操作ｔｋ？
ｔ′ｆロワー制御装置３２、返送汚泥ポンプ８の制御装
置３３、および引抜ポンプのｆｔｔ制御装ＵＩｔ３４　
ｖｃ出力し、ブロワ−返送汚泥ポンプ、引抜汚泥ン」？
ンゾを制御するものである。

この実施例では前記自己回帰モデルを作成して、そのモ
デルに従って一定期間最適制御゛會行うようにしたが、
一定周期たとえば１ケ月ごとにデータ倉採覗して自己回
帰モデルｒ修正するようにして％　ニー〇 本発明は上述のように６４成したので、ＭＬＳＳ・放流
水の有様ｑｊｆ！Ｊ眞度、放流水の懸濁物質一度などの
複数の水質因子？同時に安定化でき最小限の操作量で安
定した制御？行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知の下水処理装置のブロック図、第２０は
本発明の実扇例のブロック図である。 １・・・管路、２・・・曝気（費、３・・・沈殿池、４
・・・管路、５・・・散気管、６・・・ブロワ−１７・
・・管路、８・・・返送汚泥ポンプ、９・・・引抜汚泥
ポンプ、１０・・・流入下水址測定計、１１・・・流入
水のｐＨ測定計、１２・・・ワ１コ入水Ｉ−１局物質鏝
置針、１３・・・流入水有機物濃度計、１４・・・溶存
叡素址測足計、１５・・・Ｍｈｓｓｉ、を度肝、１６．
１７・・・水温計、１８・・・ＭＬ８８＠度針、１９・
・・放流水懸濁物質鑓度針、２０・・・放流水７に機動
濃度計、２１・・・放流水のｐｉ（測定計、２２・・・
返送汚泥濃度計、２３・・・返送汚泥濃度計、２４・・
・余剰汚泥引抜賛測定計、２５・・・余剰汚泥餞置針、
２６・・・曝気風址測定ｆｅ］α、２７・・・演算装置
、２８・・・目己回ジ量モデル績ｄ旨匣、ｚｄ・°・退
夕く装−１３０・・・修正自己回帰モデル演算装置、３
１・・・最適化装置、３２・・・ブロワ−６１：を制御
する制御装置、３３・・・返送汚泥ポンプ８倉制御する
制御装置、３４・・・引抜汚泥ポンプ９？制御する制御
装置である。 同　代理人　ＪｊｌＺ　部　修　−゛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 流入下水と、曝気空気が供給される曝気槽と、該曝気槽
   から流用する竺理水内の汚泥を沈殿させて除去する沈殿
   池とｒ備え、前記沈駄池のＩＫ皺水を装置外に放流し、
   沈殿汚泥は引き抜ｉて一部？前記曝気槽に返送し、残ｊ
   ｌＤ汚泥を排出するよりにした活性汚泥による下水処理
   装置において、流入下水、曝気槽、沈殿池、清没水、返
   送汚泥、引抜汚泥の各時系列計測値を検出して、自己回
   帰モデル演算装置と選択装置と修正自己回帰モデル演算
   装置と、最適化装置から成る演算装置に与え、前記自己
   回帰モデル演算装置は入力信号からプロセスの状態′ｆ
   ｃｉわす統計的自己回帰モデルを推足演算し、前記選択
   装置は少なくともプロセス系から排出される清洲水の万
   機物麟度および懸濁物質濃度に寄与するシステム変数を
   選択し、そのシステム変数に応じた修正信号を前記修正
   自己回帰モデル演算装置に与え、前記最適化装置は修正
   自己回帰モデル演算装置の出力信号から最適化制御信号
   ？演算し、その最適化制御信号によって曝気風量、引抜
   汚泥量及び余剰汚泥級【制御することを特徴とする下水
   処理制御方式。