JPS60251994A - 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】 〔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多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シ水を浄化する方
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
う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女い。

ところが過剰なエアレーションは活性汚泥フロックを細
分化し、最終沈澱池における汚泥の沈降性を悪化させる
ばかシでなく、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、流入負荷量等によって異なる
こと、また現在は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ョンタンクでは、ＤＯ
濃度が流下方向に勾配を持つことがら、１地点のＤＯ＠
度測定値からエアレーションタンク全体のＤＯ濃度が適
正なレベルにあるがどうが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、エアレーション
タンク流下方向へのＤＯ＆度変化（以下、ＤＯプロフィ
ールと呼ぶ）を利用する方法が提案されている。廃水は
エアレーションタンクを流下するにしたがって処理され
、それに伴って微生物の酸素要求量は低下する。Ｄｏプ
ロフィールはこの酸素要求量の変化を反映したものであ
ることがら、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。中てもプロフィ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シ、この変曲
点を目的の場所に維持するようにＤＯプロフィールを制
御することにょシ、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。

このようにＤＯプロフィ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プロフィール、すなわちＤＯ濃度の空間分布をめる
ための手段としては、■Ｄｏセンザを多数（少なくとも
３つ以上）配置する。

■１つのＤｏセンザを流下方向にそって移動させる。

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プロフィールをめるた
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ってはならない。し
かるにＤＯセンサは検出部の汚れ、あるいは内部電解液
の組成変化等によシ特性が変化し易く、複数のＤｏセン
サの特性を長期にわたシ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プロフィ
ールの勾配がゆるやかになるため、■の方式によシ変曲
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よる。とこ
ろがＤＯセンサをエアレーションタンクにそって移動さ
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ョ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シ、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セゾサを流下方向にＤｏプロフィールを測定
し得るまで移動するのは不可能と言ってよい。

〔発明の目的〕

本発明は上記のような従来のＤＯプロフィールによる制
御法の欠点を解決するためになされたもので、その目的
はエアレーションタンクの目的の地点に設置した１つの
ＤＯセンサあるいはＤＯＳ度と関数関係にある量を測定
する１つのセンサを用いて、ＤＯプロフィールの変曲点
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
ション空気ｉＦあるいはＦの関数の変化に対するＤＯ濃
度あるいはＤＯ濃度の関数の変化のゲインをめ、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の詳細な説明する。

先に述べたように、ＤＯ濃度の空間的分布を考える限シ
、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
を考える代シに、エアレーション空気量と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。

エアレーショ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Ｃ１基質（汚濁物質）濃度Ｓ１及びエ
アレーション強度（単位体積当シの空気流量）ｆの関係
は次の偏微分方程式で記述することができる。

く物質収支〉 〈速度項〉 ここでｖは流下速度、ｌはエアレーションタンク流入側
からの距離、ＣＢは飽和ＤＯ濃度、ｋ１〜に５は定数テ
；ｈ　ルｏ　定常状Ｄ　（ｃＪｓ／ｃ？ｔ＝０．　ａＣ
／ａｔ＝Ｏ）’を考えると式（１１，＋２＋、　（３１
，＋４＋はトナシ、式（５１，（６１の数値解をめるこ
とにょシ、Ｃをｆとｔの関数として決定することができ
る。

すなわち４．ｆ、Ｃの関係は３次元空間における曲面＜
ｌ−１−Ｃ曲面）となシ、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
で切った切口がｆとＣの静特性面ａｃｆ−Ｃ曲ｍ）、Ｃ
−１平面と平行な平面で切った切口がエアレーションタ
ンク流下方向・＼のＤｏプロフィールである。またｆ−
Ｃ曲線の変曲点を結んだ線（ＭＧ曲線）及びＤＯプロフ
ィールの変曲点を結んだ線（ＭＳ曲線）をそれぞれ実線
と破線で示しである。この図かられかるように、一般に
Ｄｏ濃度制御が行なわれるエアレーションタンク後半部
では、ＤＯプロフィールの変曲点はｆ−Ｃ曲線の変曲点
とはは一致する。このことはエアレーションタンクの目
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、Ｄｏプロフィールの変曲点
をその場所に固定できることを意味する。ｆは実際には
測定できない場合が多いが、ｆは全空気量Ｆに＃丘は比
例すると見なせるため、実用上はｆの代シにＦを用いる
ことができる。

第２図はエアレーションタンクの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プロフィ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Ｏ　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）がらなシ、パラメータ同定に用いる場合、プロ
セス出方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。

ＭＲＡＳによるゲイン極大化の原理は以下のとぅシであ
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。したがっ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Ｃｍを基準値とし、ＣｍがＣｍよシ小さいときのゲ
イン１１とＣｍが０ｍよシ大きいときのゲインｇ２を別
々にめることを考える。第２図に示したように、ｇｌと
９□を別々にめるということは、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。したがっ
てｇｌ＝ｇ２となるようにＣｍのレベルを調節すること
によシ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、電気信号系統全破線で示しであるがい
ずれも流れの方向を矢印で表わしである。

第３図においてエアレーションブロア１かう送られる空
気は流量計２を経てエアレーションタンク３の底部から
散気Ｗ４にょシ曝気される。また図示してない装置によ
シー次処理された原水は流量計５を通ってエアレーショ
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ョンタンク３に戻される。

一方電気信号はエアレーションタンク３内に位置するＤ
Ｏ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にょシそれぞれ測定されたエアレーシ
ョン空気量および流入水蓋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って
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１０からエアレーション空気量を設定値に制御する
だめの操作信号をインバータ１１に入力することによシ
インバータ１１でエアレーションブロア１０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だめのブ
ロック線図を示したものである。第４図において２１は
第３図に示しだプロセスを表わす部分であ勺入力がエア
レーション空気流ｉＦ、　出力がＤＯ濃度Ｃｍである。

２２はＦをフィルタリングする時定数Ｔｆの１次遅れ要
素、２３はＣｍをフィルタリングする時定数Ｔｆの１次
遅れ要素、２４はゲインＩ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Ｘ
ｍの微係数をめるための割算器、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濃度が基準値よシ小さいときのゲイン１１を
調節するだめの適応機構、２９はＤＯ濃度が基準値よシ
大きいときのゲインｇ２を調節するための適応機構、３
０はプロセス出力をフィルタリングした信号Ｃｆの移動
平均ｄをめるだめの移動平均演算部、３１はＣｆとでを
比較しそれらの大小関係に応じてスイッチｓ１．ｓ２．
ｓ３を開閉するだめの比較器。

３２は９２−ｇｌ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（’ｍ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０　２４（！：２５からなる破線で囲
った部分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シイ］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１）Ｏ制御部と
一点鎖線から上のパラメータ同定およびＣｒ　Ｘ　Ｑ「
１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ィードバック制御を行
い、後者はｇ２−ｙ、を演算し、ｇ２−１１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
ら順を追って説明する。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（’ｍが必要である。Ｆと
Ｃｍをまず１次遅れ要素２２および２３でフィルタリン
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３
５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ｘｉｎが一致するように適応モデル３５０時定数
Ｔお上びダインｙを自動調整することであ＄。

ＴとＩ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の適応機構であシ
、ｙ、！ｌ−皿の差ｅおよび証の時間微分ｘｍが入力さ
れ積分適応アルゴリズムにしたがってＴが自動調整され
る。（７）式におけるＴＯはＴの初期値。

ｋＴはＴの適応ゲインである。ゲインＩの同定動作は本
実施例では通常の場合と異なっている。すなわち本発明
の方法では出力をフィルタリングした信号Ｃｆがその移
動平均でよシ小さいときと大きいときに、それぞれのゲ
インｇ、とＩ２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の二つに分けである。同定
アルゴリズムはである。（８）および（９）式における
９１０と９２０はそれぞれｇｌとＩ２の初期値、ｋｆは
適応ゲインである０さらに本発明ではＣｆとυの大小関
係によっ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け１もし
くはＪｉ’ｚ）を用いることによ、９、Ｃｆがｄよシ小
さいときのゲインｇ１とＣｆがｄより大きいときのゲイ
ンＩ２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によって開閉する三つの切換えスイッチＳ１．
Ｉ２およびＩ３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ッチが切シ換る時点および空
気流量ｆが更新される時点で適応モデル３５の出力■を
プロセス信号ｙに一致させるようにしている。比較器３
１およびサンプルホールド部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Ｉ２とｇ□の差を積分器　１
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Ｖ、；ｔ、とＩ２が等しくなる方向にＱｒ
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制制御
部膜設定値して入力され、ＤＯ濃濃度別設定値Ｃｒに等
しくなるようにフィードバック制御が行われる。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シ、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
請求めた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か、これら各線図
の縦軸は適当なフル２．％値（ＦＳ）で割って規格化し
てあり、ＦＳ値は各線図に記しである。

第５図（ａ）は時定数Ｔの変化、第５図（ｂ）は出力が
基準値よシ小さいときのゲイン１１と出力が基準値よシ
大きいときの９２の変化、第５図（Ｃ）はＤＯＯ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）であシ、
第５図（Ｃ）によれば活性汚泥プロセスの制御をはじめ
Ｃｒ　＝０．５　ｗ／７３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１．５〜２ｍｙ／ｌに維
持されＤＯＯ度ＣｍはＣｒを中心に約±１ｍｙ／／の範
囲に制御されている。一定値に達した後のＣｒＯ値と第
２図に示した曲線の変曲点Ｑに対応するＣｍＯ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。

ところで上記実施例ではＦとＣｍを用いたが、目的の変
曲点が生じることが保証されればＦと（’ｍの代シにそ
れらと一定の関数関係にある量を用いることは何らさし
つかえない。例えばＦの代りに１７ＦあるいはＦ２等を
用いることもできる。また大気とエアレーション排ガス
間の酸素濃度差、あるいは二酸化炭素濃度差はＣｍと近
似的に比例関係にあることが知られておシ、これらをＣ
ｍの代りに用いることができる。これらの量の組み合わ
せによってはゲインが負の値になることもあシ得るが、
その場合はゲインを極小にするような動作を行なうこと
によ勺、上記実施例と同様の制御が可能でおる５゜ 〔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
エアレーションタンクの目的の地点に設置した１つのＤ
Ｏセンサを用いて処理が完了したことの目安となるＤＯ
プロフィ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っても、処理をエアレーショ
ンタンクの目的の場所で完了させることができる。した
がって、禾、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ョン空気量テ運
転することができるため、電力節減をも可能にする。さ
らに見逃しては々らない点は、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０

【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ョン空気量Ｆｄη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ック線図、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
で得られた諸テータの時間経過に対する変化を示し、そ
れぞれ（ａ）は時短数’１’、（ｂ）はｇｌとｇ２．（
Ｃ）はＤｏ濃濃度色設定値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０ １・・・・・・エアレーションプロ“ア、２・・・・・
・空気流に計、３・・・・・・エアレーションタンク、
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
、２１・・・・・・活性汚泥プロセス、２２．２３．２
５・・・・・・１次遅れ要素、２６・・・・・・割算器
、２７．２．８・・・・・・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酸濃度ｆ・
・・・・・エアレーション強度、ｇｌ・・・・・・出力
が基準値よυ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、■・・・・・・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酸濃
度Ｆ・・・・・・エアレーション空気量。 才２図 「−一一÷−−ユコ １４図 昨　ｌ′ＩＩ′１（ｈ） （ｂ） （ＣＩ） ２５図

Claims (1)

1. 【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
   ョン空気量ＦもしくはＦと一定の関数関係にある量Ｆ’
   （以下ＦおよびＦ′を総称してＺｉとする）およびエア
   レーションタンク内の溶存酸素濃度Ｃｍもしくはいと一
   定の関数関係にある量Ｃｍ′（以下ＣｍおよびＣｍ′を
   総称してｚＯとする）を測定し、ｚｌの変化に対するＺ
   ｏの変化のゲインが極太または極小となるようにｚＯ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、ｚＯの
   基準値を定め、ｚＯが基準値よ）小さいときのゲイン（
   ｇｌ）とＺＯが基準値より大きいときのゲイン（Ｉ２）
   を同定し、Ｉ、と、ｌｉ’２を等しくすることを特徴と
   する溶存酸素濃度制御方法。 ３）％許請求の範囲第２項記載の方法において、基準値
   は一定期間のＺｏの移動平均値とすることを特徴とする
   溶存酸素濃度制御方法。 ４）特許請求の範囲第２項もしくは第３項記載の範適応
   システムＣＭＲＡＳ）を用いて、ｚＯが基準値よシ小さ
   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ωにはｇｌを入力し、ｚｏ
   が基準値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（３５）ゲインいにはＩ２
   を入力することにより＆、およびＩ２を同定することを
   特徴とする溶存酸素濃度制御方法。 ５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
   載の方法において、ｚｉが急変する時点またはＺｏ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０）
   とを一致させることを特徴とする溶存酸素限度制御方法
   ０