JPS60251993A - 曝気槽の溶存酸素濃度制御方法 - 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】 し発明の技術分野〕 本発明は活性汚泥を用いた汚水処理プロセスにおける曝
気槽内の溶存酸素濃度を電子計算機を用いて目標値に制
御する曝気槽の溶存酸素濃度制御方法に関するものであ
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

活性汚泥処理プロセスでは、沈殿などの処理プロセスを
経て曝気槽内に流入した汚濁水中の汚濁物は曝気槽内で
好気性微生物を含む活性汚泥によって分解され、沈殿し
やすいフロックを形成する。

曝気槽内のプロセスを経た汚濁水はさらに沈殿プロセス
ｆｃ入り、沈殿物の一部は回収されて汚性汚泥として曝
気槽の入口ｌこ返送されると共に、残りの汚泥は余剰汚
泥として排出される。

このような活性汚泥処理プロセスでは、曝気槽内の溶存
酸素濃度の制御が必要不可欠であるが、一般に溶存酸素
濃度が過度に高くなるとフロックの形成が不十分となっ
て、その後の沈殿プロセスの効率低下を招き、逆に溶存
酸素濃度が過度に低下すると処理効率の低下や汚泥自体
への悪影響を招く。

このため各処理場ではそれぞれの経験に基づいて溶存酸
素濃度の許容範囲を定め、これに従って運転がなされて
いる。

すなわちあらかじめ設定された溶存酸素濃度の目標値と
溶存酸素濃度検出器により検出された検出値とを比較し
、その比較結果から曝気槽へ供給する空気量すなわち送
風量を制御して曝気槽内の溶存酸素濃度を制御する方法
が用いられている。

一般に送風量Ｕと溶存酸素濃度Ｘとの間には下記（１）
式の関係がある。

ｘ −□、−一　ｆ（””の、ｘ、Ｒｒ＋ａ＋ｎ）　（１）
ここにＸ：曝気槽内の溶存酸素濃度［ｐｐｍ）Ｕ：送風
量Ｌｍ”／ｈ） 禮）：水温θ〔℃〕における飽和溶存酸素濃度［ｐｐｍ
）Ｒｒ：酸素消費速度［ｐｐｒｒ１／１１〕ａ、ｎニブ
ラント固有の定数 である。

上記溶存酸素濃度Ｘ、送風量Ｕ、水温θは検出可能な値
、飽和溶存酸素濃度Ｘ（θ）は水温θによって決まる値
、Ｒｒ自体は検出不可能なプロセス量である。

すなわち操作量である送風量Ｕと被制御量である溶存酸
素濃度Ｘとの間にある（１）式に示す非線形な関係ｌこ
よって、溶存酸素濃度Ｘの時間変化が決定される。

このような溶存酸素濃度Ｘに対して従来は例えば目標値
と検出値の偏差、積分および微分にある定数を乗じ、そ
の和をもって操作量の出力とする線形の比例積分微分（
ＰＩＤ）制御を用い、制御定数は固定として取扱ってい
る。

しかしながら実際は（１）式で表わされるように対象が
非線形となるので上記従来のＰＩＤ制御では常に望まし
い制御応答を得ることは困難である。

し発明の目的〕 本発明は、曝気槽における送風量と溶存酸素濃度との非
線形な関係を部分的に線形化してＩ−Ｐ制御すると共に
Ｉ−Ｐ制御の制御パラメータを自動調整し、これによっ
て所望の応答特性で溶存酸素濃度を安定に制御する曝気
槽の溶存酸素濃度制御方法を提供することを目的として
いる。

し発明の概要〕 本発明は、活性汚泥処理プロセスｌこおける曝気槽内の
溶存酸素濃度を検出して設定された目標値と比較し、そ
の偏差に応して曝気槽への送風量を調整して溶存酸素濃
度を目標値に制御する曝気槽の溶存酸素濃度制御方法に
おいて、送風量と溶存酸素濃度の時間変化から部分的に
線形化した曝気槽モデルを算出する線形モデル決定演算
千縦と、あらかじめ設定された制御応答特性に応じて上
記線形モデルに対するＩ−Ｐ制御パラメータをサンプリ
ング周期による制限を考慮して決定するＩ−Ｐ制御パラ
メータ決定演算手順を備え、上記パラメータに調整され
たＩ　−Ｐ制御系を用いて曝気槽への送風量を制御し、
これによって溶存酸素濃度を曝気槽の非線形特性にかか
わらず所望の制御応答で安定に制御できるようにしたも
のである。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図に示す。

第１図において、汚濁水は曝気槽１に流入し、ある滞留
時間後に流出する。

この間送風機２Ｉこより送風された空気は散気管３を介
して汚濁水に供給される。

曝気槽１内には溶存酸素濃度検出計４および温度計５が
設けられ、さらに送風機の吐出側の送風管には風量計６
が設けられている。

これらによって検出されたプロセス量Ｘ、θ。

Ｕは入力装置７を介して電子計算機８に入力され、あら
かじめ内蔵されているプログラムに従って演算が行なわ
れ、溶存酸素濃度目標値ｘ１に対応して送風量目標値Ｕ
が算出され、出力装置９を介して送風機の操作指令信号
Ｎ＊、α２．α２として出力される。

すなわち送風機２の台数制御指令Ｎ＊は台数制御装置１
０へ、能風機の吸込弁１３の開度制御指令α２は吸込弁
開度制御装置１１へ、送風管の曝気槽入口に設置されて
いる曝気風量制御弁１４の開度指令αＢは曝気風量制御
弁開度制御装置１２へそれぞれ出力されて送風量Ｕが目
標値Ｕに制御され、これによって溶存酸素濃度Ｘが目標
値Ｘに制卸される。

以下電子計算機８に内蔵されているプログラムについて
述べる。

プログラムは大きく２つに分れており、第１は前記（１
）式で示される非線形モデルの微小変化内での線形化プ
ログラムであり、第２は得られたモデルの特性値から制
御パラメータを決定するプログラムである。

先ず溶存酸素濃度モデルの線形化の手順を説明する。

前記（１）式に示した通り、曝気槽の送風量Ｕと溶存酸
素濃度Ｘとは非線形な関係となっているので、古典制御
理論を適用するためには線形化が必要である。

今、制御の対象範囲が平衡点の近傍にあるとすると、次
の各式が成立する。

ｘ −−ｆ　（ｕｏ、　ｘ　（の＊　Ｘ０１　Ｒｒｏ　ｒ　
ａ　ｓｎ）　＝０　（２）ｉ ｄ　（ｘｏ＋△Ｘ） ｄｔ　−ｆ（ｕｏ＋Δｕ＋Ｘ（＃）＋ｘｏ＋△ｘ、Ｒｒ
ｏ＋△几ｒ、ａ、ｎ）（３） ここにＸ。：プロセスがある平衡点にあった時の溶存酸
素濃度［ｐｐｍ） △Ｘ：プロセスがある平衡点にあった時の溶存酸素濃度
からの偏差［ｐｐｍ） ｕｏ：プロセスがある平衡点にあった時の送風量〔ｒｒ
Ｉ／ｈ〕△Ｕ：プロセスがある平衡点にあった時の送風
量からの偏差〔φ〕 Ｒ，ｏ：プロセスがある平衡点にあった時の酸素消費速
度［ｐ　ｐＩｖ′１１） △Ｒｒ：プロセスがある平衡点にあった時の酸素消費速
度からの偏差［ｐ　ｐｒｒｖ’ｈ　〕 であり、その他の記号は（１）式と同じである。

（３）式において△ｕ、Ｎの二次以上の項を無視し、（
２）式を代入すると、下記（４）式が得られる。

ｄ（△ｘ）−＝　−に、　、ｌｓｘ　＋に、　、ａｕ−
ｘＲｒ　（４）ｄｔ 但し、 Ｌ＝に＋　（ｕｏ　ｒ　ａ　ｒ　ｎ　）　（５）Ｋｚ＝
Ｋｚ（ｕ６＋　ｘ（＋９）−Ｘｏ、　ａ、ｎ）　（６）
従ってモデルは外乱を含む一次遅れ系−「口１と表現さ
れ、−次遅れ系のゲインにおよび時定数Ｔは下記（７）
式および（８）式であたえられる。

Ｋ”＝Ｋｔ／に１＝に＊、（ｕｏ　＋　Ｘ（１９）　Ｘ
。、ａ、ｎ）　（７）Ｔ＝　１７に、　＝　１，４．（
ｕｏ、　ａ、ｎ）　（８）結局、送風量ｕ。［ｒＩｌ／
ｈ　］、溶存酸素濃度ｘｏ［ｐｐｍ）および汚濁水の水
温θ［”Ｃ）　がプロセス量として得られれば、ａとｎ
はプラントに固有で設定可能な定数なので線形な溶存酸
素濃度モデルの特性値Ｋ。

Ｔが得られる。

次にＩ−ＰｆＩｌｌｌａｌパラメータの自動調整方法に
ついて説明する。

第２図において、２１はパラメータ決定機構、２２は曝
気槽モデル、悠はＩ−Ｐ制御系であり、△Ｘｒは溶存酸
素濃度偏差△Ｘの目標値［ｐｐ”］　、ｋ　ｒ　ｆ６は
Ｉ−Ｐ制御パラメータ、Ｓは微分演算子である。

この系は、２個の共役複素極を持ち、零点を持たない系
であり、閉ループ伝達関数ωｂ（ｓ）は下記（９）式で
あたえられる。

ここで、ωｂ（ｓ）　：第２図における閉ループ伝達関
数ω、　：固有周波数 ζ　：減衰係数 本対象系の場合、対象プロセスの特性値Ｔ、Ｋが時間に
より変動するので、従来の交さ周波数を一定とするよう
な方法で制御パラメータに、ｆｏを得ることは困難であ
る。

そこで本発明では、次の指針を設けて望ましい応答を得
ている。

指針１：減衰定数ζを一定にする。

指針２：溶存酸素濃度偏差の目標値１ｄｒのステップ変
化に対する△Ｘの応答の行き過ぎ時間ｔｐ（ｔｉｍｅ　
ｔｏ　ｐｅａｋ　）を一定にする。

指針３：　サンプリング周期によってζ、ｔｐが制限さ
れるときは、制限値内の望ましい値を選択する。

ここで行き過ぎ時間ｔｐ　は、（９）式で示される閉ル
ープ伝達関数ωｂ（Ｓ）に対応するステップ応答関数を
ｇ（ｔ、ζ、ωｎ）としたとき を満足する最小のｉｐ　（ｔｐ＞Ｏ）である。

サンプリング制御においては、ζ、ｔｐ　は次のような
制限を受ける。

ここでζ１．ζ２：減衰係数ζに対する制限値ｔｐ１．
　ｉｐ２　：行き過ぎ時間ｉｐｌこ対する制限値τ　：
サンプリング周期 に、Ｔ：通常運転中のモデル特性に、Ｔの代表値 これらの条件によってζ、　ｔｐが決まると、下式によ
ってＩ−Ｐ制御パラメータｋ　、　ｆｏ　が決定される
。

すなわち＠式から π トナルノで、（ＩＱＩ、　Ｑｏａ）、　（ｔｐ式からと
なる。

第３図は本発明において制御パラメータｋ　、　ｆ。

を決定するため演算動作を示すフローチャートである。

すなわちサンプリング周期τを入力し、所望の減衰定数
ζ。および行き過ぎ時間ｊＩ）ｏを設定すると共に、さ
らに上記（ｌｌａ）　、　（１２ａ）の演算を行なって
ζおよびｔｐ　に対する制限値ζ＋ｊｌ）を算出する。

次にｊｐｏ＋ζ。がそれぞれ制限値内か否かを判別し、
制限値内であればｉｐ、　、ζ。をそれぞれｉｐ、ζに
決定し、ｔｐ。、ζ。が制限値内になければ上記ｔｌｐ
。

ζをｔｐ、ζに決定する。

一方曝気槽の制御モデルに関する（７）式および（８）
式の演算を行ってプロセス特性値に、Ｔを決定する。

このようにしてζ、ｉｐ、に、Ｔが決定すると（１階式
およびａａ式の演算を行ってＩ−Ｐ制御パラメータｋ。

ｆｏを算出する。

このようにしてＩ−Ｐ制御パラメータに、ｆｏ　を算出
して自動調整すると、曝気槽の溶存酸素濃度の制御が望
むべき最適の応答で実現できる。

なお上記Ｉ−Ｐ制御にフィルタを追加し、プロセス信号
の雑音を減少すれば、さらに効果を高めることができる
。

知 また水温の変動が大きくないときは、飽昭溶存酸素濃度
ｘＣｅ）を一定としてもよく、これによって演算を簡略
化することが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、曝気槽における溶
存酸素濃度と送風量との非線形な関係およびその特性変
動にかかわらず、部分的な線形化と制御パラメータの自
動調整によって溶存酸素濃度を所望の応答特性によって
安定に制御する合理的な曝気槽の溶存酸素濃度制御方法
が実現でき、これによって処理水質を向上すると共に送
風機の動力費を節減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す系統図、第２図は第１
図における電子計算機のパラメータ決定機構の構成を示
すブロック図、第３図はパラメータ決定機構の演算手順
を示すフローチャートである。 １　曝気槽 ２　送風機 ３　溶存酸素濃度検出計 ５　温度計 ６　風量計 ７　人力装置 ８　電子計算機 ９　出力装置 １０　台数制御装置 １１．１２　開度制御装置 １３．１４　制御弁 ２１　パラメータ決定機構 ２２　曝気槽モデル お　Ｉ−Ｐ制御系 （８７３３）　代理人　弁理士　猪　股　祥　晃　（ほ
か１名）第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性汚泥処理プロセスにおける曝気槽内の溶存酸素濃度
   を検出して設定された目標値と比較し、その偏差に応じ
   て曝気槽べの送風量を調整して溶存酸素濃度を目標値に
   制御する曝気槽の溶存酸素濃度制御方法において、送風
   量と溶存酸素濃度の時間変化から部分的に線形化した曝
   気槽モデルを算出する線形モデル決定演算手順と、あら
   かじめ設定された制御応答特性ｌこ応じて上記線形モデ
   ルに対するＩ−Ｐ制御パラメータをサンプリング周期に
   よる制限を考慮して決定するＩ　−Ｐ制御パラメータ決
   定演算手順を備え、上記パラメータζこ調整されたＩ　
   −Ｐ制御系を用いて曝気槽への送風量を制御することを
   特徴とする曝気槽の溶存酸素濃度制御方法。