WO2020179903A1 - 凝集剤注入制御装置、凝集剤注入制御方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

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WO2020179903A1
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WO
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water
target value
coagulant
treated
turbidity
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Application number
PCT/JP2020/009622
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French (fr)
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良一 有村
諒 難波
太 黒川
卓 毛受
雄 横山
Original Assignee
株式会社 東芝
東芝インフラシステムズ株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
    • B01D21/01—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation using flocculating agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
    • B01D21/30—Control equipment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/52—Treatment of water, waste water, or sewage by flocculation or precipitation of suspended impurities

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a flocculant injection control device, a flocculant injection control method, and a computer program.
  • coagulant injection control devices that control the amount of coagulant injected into raw water to be treated are used.
  • the conventional control by the coagulant injection control device cannot appropriately control the injection amount of the coagulant according to the water quality of the raw water and the needs of the operator, and the water quality of the treated water is not stable. was there.
  • the frequency of occurrence of local heavy rains and typhoons has increased, and there are many situations in which highly turbid raw water is generated in a relatively short time. Therefore, there is a demand for a technique capable of appropriately controlling the inflow amount of the coagulant even with such a change in raw water in a short time.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a coagulant injection control device, a coagulant injection control method, and a computer program capable of more appropriately controlling the injection amount of the coagulant.
  • the coagulant injection control device has a coagulant injection control unit and a control target value determination unit.
  • the coagulant injection control unit performs feedback control using the agglutinating state of flocs in the mixed water, which is the water to be treated into which the coagulant is injected, as the control amount, and the injection amount of the coagulant into the water to be treated as the operation amount.
  • the control target value determining unit determines the target value of the controlled amount in the feedback control based on the turbidity of the raw water flowing in as the water to be treated.
  • FIG. 1 is a diagram showing a specific example of the system configuration of the water treatment plant according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a specific example of the upstream raw water quality meter according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a setting example of a coagulant injection rate used when raw water having a high turbidity flows in a conventional water treatment plant.
  • FIG. 4 is a diagram showing a specific example of a correspondence table used by the coagulant injection control device of the first embodiment to determine the aggregation state target value as the control target value.
  • FIG. 5 is a figure which shows the example of control of the control target value by the coagulant
  • FIG. 1 is a diagram showing a specific example of the system configuration of the water treatment plant according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a specific example of the upstream raw water quality meter according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 6 is a diagram showing a specific example of the system configuration of the water treatment plant according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a specific example of the second correspondence table generated in the second embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a specific example of the effect of correcting the control target value in the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a specific example of the system configuration of the water treatment plant according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a specific example of a cell provided in the preparative flow path in the third embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a specific example of the system configuration of the water treatment plant 100 according to the first embodiment.
  • the water treatment plant realizes a solid-liquid separation process in which solids such as suspended solids contained in the water to be treated are aggregated by a flocculant and the solids are separated from the water to be treated by gravity sedimentation of the aggregated solids. It is a facility.
  • water to be treated the water to be treated by the water treatment plant or the water being treated by the water treatment plant
  • water to be treated the water that has been treated by the water treatment plant and can be discharged or reused
  • It is called "treated water”.
  • the treated water immediately after the inflow is referred to as “raw water”.
  • the raw water can be said to be the water to be treated in the initial state.
  • the application destination of the coagulant injection control device of the embodiment described below is not limited to a specific water treatment plant or water treatment facility as long as it realizes the above-mentioned solid-liquid separation process.
  • the coagulant injection control device of the embodiment may be applied to a water treatment plant such as a water purification plant, or may be a water treatment facility provided in various factories such as a paper mill or a food factory. ..
  • a water purification plant river water, dam lake water, groundwater, rainwater, sewage, etc. can be raw water.
  • the industrial wastewater can be raw water.
  • FIG. 1 shows a water treatment plant 100 that realizes a solid-liquid separation process in a water purification plant.
  • the water treatment plant 100 includes various facilities for realizing a solid-liquid separation process and a coagulant injection control device 1.
  • the water treatment plant 100 includes a landing well 3, a rapid mixing pond 4 (mixing pond), a floc forming pond 5, a sedimentation pond 6, a filtration pond 7, and a coagulant injection device 8 as equipment for realizing a solid-liquid separation process.
  • Prepare The water to be treated first arrives at the landing well 3, and then is sent to the rapid mixing basin 4, the floc formation basin 5, the sedimentation basin 6, and the filtration basin 7 in this order. That is, the facility located most upstream with respect to the flow of the water to be treated is the landing well 3, and the facility located most downstream is the filtration pond 7.
  • the landing well 3 is a water tank that stores the raw water that flows into the water treatment plant 100.
  • the landing well 3 is equipped with a raw water quality meter 31.
  • the raw water quality meter 31 measures the quality of the raw water that has landed on the landing well 3.
  • the raw water quality meter 31 measures an index value of water quality that may affect the treatment result of the solid-liquid separation process.
  • the raw water quality meter 31 measures various quantities such as turbidity and chromaticity of raw water, water temperature, conductivity, pH (hydrogen ion concentration index), alkalinity (acid consumption), and ultraviolet absorbance.
  • the ultraviolet absorbance of the raw water can be used as an index value of the amount of organic substances contained in the raw water, and ultraviolet rays having a wavelength of 260 nm are used for the measurement.
  • Various index values measured by the raw water quality meter 31 are input to the coagulant injection control device 1 as plant data.
  • upstream raw water quality meter 2 for remote monitoring is installed upstream of landing well 3.
  • the upstream raw water quality meter 2 is installed for early detection of changes in the quality of raw water flowing into the water treatment plant 100.
  • FIG. 2 is a diagram showing a specific example of the upstream raw water quality meter 2 in the first embodiment.
  • the upstream raw water quality meter 2 is preferably installed at a position where the water quality of the raw water flowing into the water treatment plant 100 several hours after the measurement time can be measured.
  • the upstream raw water quality meter 2 measures various quantities such as turbidity, chromaticity, and pH (hydrogen ion concentration index) as index values of the raw water flowing down toward the water treatment plant 100. ..
  • Various index values measured by the upstream raw water quality meter 2 are input to the remote coagulant injection control device 1 as plant data via a communication line.
  • a flow meter 32 is provided in the water distribution pipe between the landing well 3 and the rapid mixing basin 4.
  • the flow meter 32 measures the flow rate of the water to be treated sent from the landing well 3 to the rapid mixing basin 4.
  • the flow rate measured by the flow meter 32 is input to the coagulant injection control device 1 as plant data.
  • the rapid mixing pond 4 is a water storage tank for injecting a coagulant into the water to be treated sent from the landing well 3 and rapidly stirring the water to be treated to which the coagulant has been injected.
  • the flocculant to be injected into the mixed water is, for example, a chemical such as polyaluminum chloride (PAC: PolyAluminum Chloride) or aluminum sulfate (sulfate band), and is performed by the flocculant injection device 8.
  • PAC PolyAluminum Chloride
  • sulfate band aluminum sulfate
  • the rapid mixing pond 4 is equipped with a rapid agitator 41.
  • the rapid stirrer 41 stirs the water to be treated in which the coagulant is injected in the rapid mixing pond 4.
  • the rapid stirrer 41 is a flash mixer.
  • the rapid agitator 41 may operate at a constant agitation speed, or may be one that can adjust the agitation speed by controlling a motor.
  • fine flocs are formed in the water to be treated by injecting the coagulant and stirring by the rapid stirrer 41.
  • the water to be treated containing such minute flocs is sent to the flock forming pond 5 in the subsequent stage, and further agglomeration of the flocs is promoted in the facilities after the flock forming pond 5.
  • the mixed water water quality meter 42 measures the water quality of the water to be treated (hereinafter, also referred to as “mixed water”) into which the coagulant is injected. Specifically, the mixed water quality meter 42 measures the index value of the water quality that may affect the treatment result of the solid-liquid separation process, and also measures the index value regarding the aggregated state of flocs in the mixed water (hereinafter, “aggregated state”). "Index value”) is measured.
  • the mixed water quality meter 42 measures alkalinity, pH, and conductivity as index values of the water quality of the mixed water that may affect the treatment result of the solid-liquid separation process. Further, the mixed water quality meter 42 measures values such as the zeta potential of the mixed water, the flow current value, and the electrophoresis speed of flocs as the agglutination state index value. Various index values measured by the mixed water quality meter 42 are input to the coagulant injection control device 1 as plant data.
  • the surface of suspended solids that are present in water is negatively charged, and they exist stably in water due to the repulsive force between them. This causes the water to become turbid.
  • the flocculant is positively charged in water. Therefore, when the flocculant is injected into the water to be treated containing the suspended solids, the flocculant adheres to the suspended solids. The flocculant adhering to the suspended solid cancels the negative charge of the suspended solid (hereinafter referred to as "neutralizing") and brings the surface charge of the suspended solid close to 0 [mV]. As the surface charge of the suspended solid approaches 0 [mV], the zeta potential also approaches 0 [mV]. Therefore, the coagulant weakens the repulsion between the suspended substances and increases the number of collisions. Due to the action of this flocculant, the colliding flocs gradually agglomerate to form larger flocs.
  • the floc formation pond 5 is a water tank for forming larger flocs in the water to be treated.
  • the floc formation pond 5 is equipped with a slow agitator, and further agglomeration of the flocs is promoted by agitating the water to be treated by the slow agitator.
  • the floc forming pond 5 is divided into three stirring ponds 51, 52 and 53 as shown in FIG. 1, and slow speed stirrers 54, 55 and 56 are installed in each stirring pond, respectively.
  • the slow agitators 54, 55 and 56 are flocculators.
  • the stirring pond 51 is located most upstream with respect to the flow of water to be treated, and the stirring pond 53 is located most downstream.
  • the water to be treated from the rapid mixing pond 4 flows into the stirring pond 51.
  • the flocs having a larger particle size are formed by the repeated collision of the fine flocs by the stirring of the water to be treated by the slow-speed agitator 54.
  • the water to be treated in the stirring pond 51 is sent to the stirring pond 52 in the subsequent stage after stirring for a predetermined time.
  • the water to be treated sent from the stirring basin 51 flows into the stirring basin 52.
  • flocs having a larger particle size are formed by stirring the water to be treated by the slow speed stirrer 55.
  • the stirring strength is too strong, the agglomerated flocs are destroyed, so that the slow sand filter 55 stirs the water to be treated with a weaker strength than the slow sand filter 54. This promotes further agglomeration of flocs.
  • the water to be treated in the stirring pond 52 is sent to the stirring pond 53 in the subsequent stage after stirring for a predetermined time.
  • the water to be treated sent from the agitation basin 52 flows into the agitation basin 53.
  • flocs having a larger particle size are formed by stirring the water to be treated by the slow speed stirring machine 56.
  • the slow agitator 56 agitates the water to be treated with a weaker strength than the slow agitator 55 so that the agglomerated flocs are not destroyed. This promotes further agglomeration of flocs.
  • the water to be treated in the stirring basin 53 is sent to the sedimentation basin 6 in the subsequent stage after stirring for a predetermined time.
  • the sedimentation basin 6 is a water tank that stores the water to be treated that flows in from the floc forming basin 5.
  • the flocs having a large particle size formed in the floc forming pond 5 settle due to gravity.
  • the water to be treated is stored in the sedimentation basin 6 for about 3 hours.
  • the flocs are separated from the water to be treated, and the supernatant water thereof is sent to the filtration pond 7 in the subsequent stage.
  • the most downstream portion of the sedimentation basin 6 may be provided with equipment for performing additional treatment such as ozone treatment and bioactivated carbon treatment on the water to be treated sent to the filtration basin 7.
  • the flocs settled in the settling basin 6 are extracted as sludge and sent to a sludge treatment facility (not shown).
  • a sedimentation pond water quality meter 61 is provided downstream of the sedimentation pond 6.
  • the sedimentation basin water quality meter 61 measures the quality of the water to be treated sent to the filtration basin 7.
  • the sedimentation basin water quality meter 61 measures various index values related to the treatment result of the solid-liquid separation process.
  • the sedimentation pond water quality meter 61 measures the turbidity and chromaticity of the water to be treated as index values relating to the treatment result of the solid-liquid separation process.
  • the filtration basin 7 is a reservoir equipped with a filtration facility for filtering the water to be treated flowing from the sedimentation basin 6.
  • minute solids remaining in the water to be treated are separated by filtration.
  • the filtered water to be treated is discharged or reused as treated water.
  • the coagulant injection control device 1 injects the coagulant injection amount (hereinafter, "coagulant injection”) injected by the coagulant injection device 8 based on the input plant data. "Amount”) is controlled. Generally, the coagulant injection amount is represented by the amount of the coagulant injected per unit time. The coagulant injection amount is converted into a coagulant injection rate (hereinafter referred to as "coagulant injection rate") using the flow rate of the water to be treated per unit time.
  • coagulant injection rate a coagulant injection rate
  • the flocculant injection control device 1 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes a program.
  • the coagulant injection control device 1 functions as a device including a control target value determination unit 11 and a coagulant injection control unit 12 by executing a program. All or part of each function of the coagulant injection control device 1 is realized by using hardware such as ASIC (Application Specific Integrated Circuit), PLD (Programmable Logic Device), and FPGA (Field Programmable Gate Array). Good.
  • the program may be recorded on a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium is, for example, a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system.
  • the program may be transmitted over a telecommunication line.
  • the control target value determination unit 11 determines a control target value when determining the coagulant injection rate of the coagulant injection device 8 by the feedback control method.
  • Feedback control is a control method in which a controlled variable follows a control target value by varying the manipulated variable based on the deviation between the controlled variable and the control target value.
  • the control target value determination unit 11 targets the aggregation state index value for the purpose of maintaining the turbidity of the sedimentation basin 6 below a predetermined control target value even when the raw water having high turbidity flows in.
  • a value (hereinafter referred to as "aggregation state target value”) is determined as a control target value.
  • the control target value determination unit 11 outputs the determined aggregation state target value to the coagulant injection control unit 12.
  • the coagulant injection control unit 12 has the coagulation state target value determined by the control target value determination unit 11 and the plant data to be input (specifically, the upstream raw water quality meter 2, the raw water quality meter 31, the flow meter 32, and the flow meter 32.
  • the coagulant injection rate of the coagulant injection device 8 is determined as the operation amount based on the measurement data of the mixed water quality meter 42).
  • the coagulant injection control unit 12 notifies the coagulant injection device 8 of the determined coagulant injection rate.
  • the control cycle of the flocculant injection rate is, for example, a 10-minute cycle.
  • the coagulant injection control unit 12 performs an operation amount based on the coagulation state target value determined by the control target value determination unit 11 in the feedback control using the coagulation state index value as the control amount. Determine the rate.
  • the flocculant injection control unit 12 executes feedback control such as P control (proportional control: Proportional Controller), PI control (proportional integral control: Proportional-Integral Controller), and PID control (Proportional-Integral-Differential Controller). ..
  • the aggregation state index value may be directly input to the coagulant injection control unit 12 from various measuring instruments, or may be temporarily recorded in a storage unit or the like (not shown) and then input to the coagulant injection control unit 12. Good.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of setting the coagulant injection rate used when highly turbid raw water flows in in a conventional water treatment plant.
  • feedforward control has been generally used to determine the coagulant injection rate according to the turbidity of the raw water based on the correspondence table between the turbidity of the raw water and the coagulant injection rate as shown in FIG.
  • the operator often fine-tunes the flocculant injection rate determined by the correspondence table according to the quality of the raw water and the formation of flocs at that time, which tends to increase the human burden. It was on the other hand, in the water treatment plant 100 of the present embodiment, the coagulant injection rate is adjusted by the feedback control with the coagulation state index value as the control target value, so that the operator does not need to adjust it.
  • FIG. 4 is a diagram showing a specific example of a correspondence table used when the coagulant injection control device 1 of the first embodiment determines the coagulation state target value as the control target value.
  • the correspondence table shown in FIG. 4 is an example of associating the target value of the electrophoresis speed (movement speed) of flocs with the turbidity of the raw water as an example of the target value of the aggregated state. In this way, it was found that the quality of the treated water can be maintained well by determining the agglomeration state target value according to the turbidity of the raw water.
  • the control target value according to the turbidity of the raw water may be determined by the coagulant injection control device 1 based on the information shown in the correspondence table shown in FIG. 4, or the value determined based on the correspondence table may be determined. It may be manually input to the coagulant injection control device 1. By using such a correspondence table, the coagulant injection control device 1 can perform the feedback control with a higher control target value according to the increase in the turbidity of the raw water.
  • FIG. 5 is a diagram showing a control example of a control target value by the coagulant injection control device 1 of the first embodiment.
  • the fact that the control target value becomes a high value on the plus side is when raw water having a high turbidity flows in, and the coagulation state is more charged.
  • the coagulant injection rate is controlled in the direction of summing, that is, in the direction in which more coagulant is injected. Therefore, it is possible to prevent a situation in which the flocculant is insufficient when the raw water having high turbidity flows in.
  • the control target value is controlled as shown in the example of FIG. 5 with respect to the change in the turbidity of the inflowing raw water.
  • the turbidity of the raw water is reduced even during the period when the turbidity passes the peak and decreases when the raw water with high turbidity flows in.
  • the control target value can be lowered accordingly. As a result, it is possible to prevent the coagulant from being excessively injected even when the turbidity is decreasing.
  • the coagulant injection control device 1 in the present embodiment can solve this problem by determining the control target value by using the measured value of the upstream raw water quality meter 2 in addition to the measured value of the raw water quality meter 31. ..
  • the turbidity increase period can be achieved by changing the control target value to a high value in advance. It is possible to more reliably suppress the situation in which the coagulant is insufficient.
  • the volume of the sludge basin for temporarily storing sludge is limited, it is desirable to avoid the situation where a large amount of sludge is generated. Therefore, when the turbidity of the inflowing raw water is expected to decrease after several hours, the coagulant is excessively injected during the period of decrease in turbidity by changing the control target value to a low value in advance. Can be suppressed.
  • the operation of changing the control target value based on the measured value of the upstream raw water quality meter 2 may be performed step by step as shown in FIG.
  • the magnitude and frequency of changing the control target value may be determined according to the expected speed and amount of change in turbidity.
  • the coagulant injection control device 1 of the first embodiment configured in this way, it becomes possible to more appropriately control the injection amount of the coagulant.
  • the coagulant injection control device 1 responds to changes in the water quality of the raw water by performing feedback control for operating the coagulant injection amount with the coagulation state target value according to the water quality of the raw water as the control target value. It becomes possible to determine an appropriate coagulant injection amount.
  • FIG. 6 is a diagram showing a specific example of the system configuration of the water treatment plant 100a according to the second embodiment.
  • the water treatment plant 100a is different from the water treatment plant 100 in the first embodiment in that the coagulant injection control device 1a is provided in place of the coagulant injection control device 1.
  • the coagulant injection control device 1a is different from the coagulant injection control device 1 of the first embodiment in that the control target value determination unit 11a is provided in place of the control target value determination unit 11. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same reference numerals as those of FIG. 1 are assigned to the same configurations as those of the first embodiment in FIG. 6, and the description of these similar configurations will be omitted.
  • the control target value determination unit 11a generates a correspondence table (hereinafter referred to as “second correspondence table”) used for determining the control target value, in addition to the same functions as the control target value determination unit 11 in the first embodiment.
  • second correspondence table a correspondence table used for determining the control target value, in addition to the same functions as the control target value determination unit 11 in the first embodiment.
  • a correspondence table as shown in FIG. 3 is often prepared in advance. Therefore, the control target value determination unit 11a in the second embodiment generates a second correspondence table based on such a conventional correspondence table.
  • Conventional correspondence tables are often reviewed as appropriate during operation, and often better represent the characteristics of the highly turbid raw water that flows into the water treatment facility after many years of operation. Therefore, by generating the second correspondence table based on such a conventional correspondence table, it is possible to further stabilize the water quality of the treated water.
  • the control target value determination unit 11a generates the second correspondence table by the following method.
  • the range of raw water turbidity in the second correspondence table is determined.
  • the range of raw water turbidity in the conventional correspondence table will be adopted as it is for the range of raw water turbidity.
  • the increment of the coagulant injection rate between each continuous range of raw water turbidity in the conventional correspondence table is converted into a control target value.
  • the increment of the coagulant injection rate is converted into the increment of the moving speed target value by the following equations (1) and (2).
  • Equation (1) is an equation obtained by transforming this PI-controlled arithmetic expression, and equation (2) can be obtained by further transforming equation (1).
  • the increment ⁇ SV of the moving speed target value is obtained by applying the increment value of the coagulant injection rate obtained from the conventional correspondence table to the ⁇ PAC of the equation (2).
  • Kp and Ti are parameters of PI control performed in the target water treatment facility. Kp is called a proportional gain, and Ti is called an integration time. Since the second correspondence table generated in this way is the parameter actually adjusted in the water treatment facility, it well reflects the characteristics of the quality of the raw water flowing into the water treatment facility.
  • FIG. 7 is a diagram showing a specific example of the second correspondence table generated in the second embodiment.
  • the table on the left shows the increment of the coagulant injection rate obtained by the conventional correspondence table
  • the table on the right shows the increment of the movement speed target value obtained by converting the increment.
  • the SV initial value it is preferable to use the measured value of the moving speed before the inflow of highly turbid raw water. This measured value may be an instantaneous value as long as it is before the turbidity of the raw water rises, or it is an average value in a predetermined period (for example, 1 hour) immediately before the inflow of the raw water with high turbidity. Good.
  • the SV value becomes a high value on the positive side (for example, about 2 ⁇ m / s) in the range of high turbidity.
  • the SV value of 2 ⁇ m / s is about +10 mV when converted to the zeta potential, and if the zeta potential fluctuates further to the plus side, the injection amount of the coagulant becomes excessive and the coagulation state may become worse.
  • an upper limit may be set for the aggregation state target value (here, the SV value) set in the second correspondence table.
  • the coagulant injection rate can be determined with the control target value as the upper limit of 2 ⁇ m / s.
  • the rate of increase in turbidity may affect the aggregated state in addition to the turbidity of raw water. ..
  • the rate of increase in turbidity is slow, the coagulant injection rate can be adjusted sufficiently in time, so it is unlikely that there will be a shortage of coagulant.
  • the rate of increase in turbidity is fast, coagulant injection A situation in which the rate adjustment cannot catch up and the coagulant is insufficient tends to occur.
  • the control target value determination unit 11a may be configured to correct the control target value according to the rising speed of the turbidity.
  • the correction coefficient when the turbidity rise rate is within the normal range where it is not necessary to correct the control target value is set to 1 (that is, not corrected), and the correction when the turbidity rises at a speed exceeding the normal range is set.
  • the control target value (SV initial value + ⁇ SV) in the normal range is set to (SV initial value + 1.1 ⁇ ⁇ SV). ) Can be corrected.
  • FIG. 8 is a diagram showing a specific example of the effect of such correction of the control target value. As can be seen from FIG.
  • the coagulant injection rate is determined based on the second correspondence table that reflects the characteristics of each water treatment facility. It becomes possible to control the injection amount of the flocculant more appropriately. Further, since the second correspondence table is generated by the coagulant injection control device 1a, the human load related to the operation of the water treatment plant 100 can be reduced.
  • FIG. 9 is a diagram showing a specific example of the system configuration of the water treatment plant 100b according to the third embodiment.
  • the water treatment plant 100b is different from the water treatment plant 100 in the first embodiment in that the water treatment plant 100b includes an analysis unit 9 as an example of a specific means for measuring the aggregation state index value.
  • the coagulant injection control device 1 in the third embodiment is different from the coagulant injection control device 1 in the first embodiment in that the coagulation state index value measured by the analysis unit 9 is used for determining the coagulation state target value.
  • the functional configuration for determining the coagulant injection rate is the same as that of the coagulant injection control device 1 of the first embodiment.
  • the analysis unit 9 is a device that analyzes a part of the separated mixed water and measures the aggregation state index value.
  • FIG. 9 shows a configuration in which a part of the mixed water is fractionated from the water pipe between the rapid mixing basin 4 and the floc formation basin 5.
  • the mixed water does not necessarily have to be separated from the distribution pipe between the rapid mixing pond 4 and the floc forming pond 5.
  • the mixed water may be collected from the rapid mixing pond 4 or may be obtained from the floc forming pond 5.
  • the separation flow path cannot be provided, the mixed water may be separated manually.
  • the separation of the mixed water is realized by flowing a part of the mixed water flowing through the water distribution pipe into a flow path different from the water distribution pipe (hereinafter referred to as "preparation flow path").
  • preparation flow path a flow path different from the water distribution pipe
  • the analysis unit 9 includes a light source unit 91, an imaging unit 92, and a speed measurement unit 93 as a configuration for measuring the aggregation state index value.
  • the light source unit 91 irradiates the mixed water flowing through the sorting channel with light.
  • the light source unit 91 is, for example, a light source that emits laser light or visible light.
  • the light source unit 91 may be configured to be able to change the intensity and wavelength of the irradiation light.
  • the light emitted from the light source unit 91 is partially scattered on the surface of the flocs in the mixed water, and the other passes through the mixed water and is received by the optical system of the imaging unit 92.
  • the imaging unit 92 is configured by using an imaging device such as a camera.
  • the image capturing section 92 is arranged at a position where an image of the mixed water flowing through the sorting channel can be captured.
  • a transparent container called a cell is installed in the middle of the preparative flow path, and the light source unit 91 and the imaging unit 92 are arranged so as to face each other with the cell sandwiched from the direction perpendicular to the flow of mixed water. ..
  • the mixed water flowing through the cell is irradiated with light from a direction perpendicular to the flow, and the imaging unit 92 receives the light transmitted through the cell.
  • the image pickup unit 92 generates image data of the mixed water passing through the cell by converting the intensity of the received light into a digital value.
  • the imaging unit 92 images the mixed water passing through the cell at a predetermined imaging cycle (for example, a 1/3 second cycle), and outputs the generated image data to the speed measuring unit 93 in chronological order.
  • the speed measurement unit 93 measures an index value (aggregation state index value) indicating the aggregation state of flocs in the mixed water based on the image data output from the imaging unit 92. Specifically, the speed measuring unit 93 measures the electrophoresis speed of flocs as an agglutination state index value. The speed measuring unit 93 measures the electrophoresis speed of flocs in the mixed water using the time-series image data output from the imaging unit 92, and outputs the measured data to the coagulant injection control unit 12.
  • index value aggregation state index value
  • FIG. 10 is a diagram showing a specific example of cells provided in the separation flow path in the third embodiment.
  • FIG. 10 shows an example of a cell that allows mixed water flowing in from the negative direction of the y-axis to pass in the positive direction of the y-axis.
  • the cell C is provided with a positive electrode EP and a negative electrode EN that form an electric field in a direction perpendicular to the flow of the mixed water, and a power source PS that applies a voltage to the positive electrode EP and the negative electrode EN.
  • the electrophoresis of the flocs in the mixed water is generated in the cell C.
  • flocs having a negative surface charge move in the positive electrode EP direction (that is, the negative direction of the x-axis) when a voltage is applied. Therefore, the average value of the electrophoretic velocity of the flocs having a negative surface charge is negative.
  • the flocs having a positive surface charge move in the negative electrode EN direction (that is, in the positive direction of the x-axis) by applying a voltage. Therefore, the average value of the electrophoretic velocity of the flocs having a positive surface charge is positive.
  • the flocs whose surface charges are neutralized are not affected by the electric field. Therefore, the moving direction of the flocs whose surface charges are neutralized is not constant even when a voltage is applied. Therefore, the dispersion of the moving speed of each floc becomes large, and the dispersion value of the moving speed becomes large. Therefore, it is considered that the dispersion value of the moving speed of the flocs whose surface charges are neutralized becomes a predetermined value or more. Therefore, by using this predetermined value as a threshold and comparing it with the dispersion value of the movement speed of the flocs, it is possible to grasp whether or not the surface charges of the flocs are neutralized.
  • the speed measuring unit 93 detects flock in the image by performing image analysis processing by software on the image of the mixed water passing through the cell C, and obtains the moving speed of each detected flock.
  • the moving speed is obtained based on the position of the flock between the continuously captured images and the capturing cycle.
  • the speed measuring unit 93 measures the moving speed for each detected floc, and calculates the average value of the moving speed of each floc (hereinafter referred to as “average moving speed”).
  • the speed measuring unit 93 may take the moving average of the moving speeds obtained for each flock and calculate the average moving average value of each flock as the average moving speed.
  • the speed measurement unit 93 outputs the time-series data of the average moving speed calculated in this way to the coagulant injection control unit 12 as an aggregation state index value.
  • the average moving speed is not limited to the average value and may be replaced with another statistical value as long as it shows an average value of the electrophoresis speed of each floc.
  • the water treatment plant 100b of the third embodiment configured in this way is more accurate than the coagulant injection control device 1 by providing an analysis unit 9 for measuring the average moving speed of flocs by image analysis processing.
  • the agglomeration state index value can be supplied.
  • the water treatment plant 100b including the analysis unit 9 is described as a device different from the coagulant injection control device 1, but the analysis unit 9 is not necessarily separate from the coagulant injection control device 1. Need not be configured, and may be configured as a part of the coagulant injection control device 1.
  • the analysis unit 9 for measuring the electrophoresis speed of flocs has been described as an example of the device for measuring the aggregation state index value, but the analysis unit 9 is a device for measuring another aggregation state index value. May be replaced with.
  • the water treatment plant 100b is replaced with another device that measures an index value indicating the charge state of flocs, such as the zeta potential of flocs, the flow current value of mixed water, or the amount of colloidal charge, instead of the analysis unit 9. Good.
  • feedback control is performed using the agglomeration state of flocs in the mixed water, which is the water to be treated with the coagulant injected, as the control amount and the injection amount of the coagulant into the water to be treated as the operation amount.
  • a coagulant injection control unit that performs coagulation
  • a control target value determination unit that determines a target value of the control amount in the feedback control based on the turbidity of the raw water flowing in as the water to be treated.
  • the injection amount of the agent can be controlled more appropriately.
  • the mixed water quality meter 42 does not necessarily have to be provided in the water distribution pipe between the rapid mixing pond 4 and the flock forming pond 5 if the water quality of the mixed water can be measured.
  • the mixed water quality meter 42 may be provided near the outflow portion of the rapid mixing basin 4.
  • control target value does not have to act in the direction of increasing the coagulant injection rate as the value becomes higher, as in the movement speed target value.
  • an index value that acts in the direction of increasing the coagulant injection rate as the value becomes lower may be used as the control target value.
  • the pH of the water to be treated decreases as the coagulant injection amount increases. Therefore, the pH of the water to be treated after coagulant injection may be used as an index value that acts to increase the coagulant injection rate with a lower value.

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Abstract

凝集剤の注入量をより適切に制御することができる凝集剤注入制御装置、凝集剤注入制御方法及びコンピュータプログラムを提供することである。　実施形態の凝集剤注入制御装置は、凝集剤注入制御部と、制御目標値決定部と、を持つ。凝集剤注入制御部は、凝集剤が注入された被処理水である混和水におけるフロックの凝集状態を制御量とし、被処理水に対する凝集剤の注入量を操作量としてフィードバック制御を行う。制御目標値決定部は、前記フィードバック制御における前記制御量の目標値を、前記被処理水として流入する原水の濁度に基づいて決定する。

Description

凝集剤注入制御装置、凝集剤注入制御方法及びコンピュータプログラム
　本発明の実施形態は、凝集剤注入制御装置、凝集剤注入制御方法及びコンピュータプログラムに関する。
　水処理プラントでは、処理すべき原水への凝集剤の注入量を制御する凝集剤注入制御装置が用いられている。しかしながら、従来の凝集剤注入制御装置による制御では、凝集剤の注入量を原水の水質や運用事業者のニーズに応じて適切に制御することができず、処理後の水の水質が安定しない場合があった。特に、近年では、局所豪雨や台風等の発生頻度が上昇しており、高濁度の原水が比較的短時間に発生するという状況が多く発生している。そのため、このような短時間での原水の変化に対しても適切に凝集剤流入量を制御することができる技術が求められている。
日本国特許第３５２２６５０号公報 日本国特許第５９２５００５号公報 日本国特許第５１３１００５号公報 日本国特許第５６３６２６３号公報 日本国特開２０１７－１８８７９号公報 日本国特開２００２－２３９３０７号公報 日本国特開２０１６－３０２２８号公報
　本発明が解決しようとする課題は、凝集剤の注入量をより適切に制御することができる凝集剤注入制御装置、凝集剤注入制御方法及びコンピュータプログラムを提供することである。
　実施形態の凝集剤注入制御装置は、凝集剤注入制御部と、制御目標値決定部と、を持つ。凝集剤注入制御部は、凝集剤が注入された被処理水である混和水におけるフロックの凝集状態を制御量とし、被処理水に対する凝集剤の注入量を操作量としてフィードバック制御を行う。制御目標値決定部は、前記フィードバック制御における前記制御量の目標値を、前記被処理水として流入する原水の濁度に基づいて決定する。
図１は、第１の実施形態における水処理プラントのシステム構成の具体例を示す図である。 図２は、第１の実施形態における上流原水水質計の具体例を示す図である。 図３は、従来の水処理プラントにおいて高濁度の原水が流入した際に用いられる凝集剤注入率の設定例を示す図である。 図４は、第１の実施形態の凝集剤注入制御装置が凝集状態目標値を制御目標値として決定する際に用いる対応表の具体例を示す図である。 図５は、第１の実施形態の凝集剤注入制御装置による制御目標値の制御例を示す図である。 図６は、第２の実施形態における水処理プラントのシステム構成の具体例を示す図である。 図７は、第２の実施形態において生成される第２の対応表の具体例を示す図である。 図８は、第２の実施形態における制御目標値の補正による効果の具体例を示す図である。 図９は、第３の実施形態における水処理プラントのシステム構成の具体例を示す図である。 図１０は、第３の実施形態において分取流路に設けられるセルの具体例を示す図である。
　以下、実施形態の凝集剤注入制御装置、凝集剤注入制御方法及びコンピュータプログラムを、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態における水処理プラント１００のシステム構成の具体例を示す図である。水処理プラントは、処理対象の水に含まれる懸濁物質等の固形物を凝集剤によって凝集させ、凝集した固形物の重力沈降によって固形物を被処理水から分離する固液分離プロセスを実現する設備である。以下では、水処理プラントが処理対象とする水、又は水処理プラントが処理中の水を「被処理水」といい、水処理プラントによる処理を終えて放流可能又は再利用可能となった水を「処理済み水」という。また、以下では、水処理プラントの内外から固液分離プロセスに流入する被処理水のうち、流入直後の被処理水を「原水」という。換言すれば、原水は初期状態の被処理水といえる。
　また、以下に説明する実施形態の凝集剤注入制御装置の適用先は、上述のような固液分離プロセスを実現するものであれば特定の水処理プラントや水処理設備に限定されない。例えば、実施形態の凝集剤注入制御装置の適用先は、浄水場等の水処理プラントであってもよいし、製紙工場や食品工場などの各種工場に設けられた水処理設備であってもよい。例えば、浄水場においては、河川水やダム湖水、地下水、雨水、下水等が原水となりうる。また、製紙工場や食品工場等の産業プラントでは、それらの工業排水が原水となりうる。このような適用先の一例として、図１は浄水場において固液分離プロセスを実現する水処理プラント１００を示す。
　水処理プラント１００は、固液分離プロセスを実現する各種設備と、凝集剤注入制御装置１を備える。例えば、水処理プラント１００は、固液分離プロセスを実現する設備として、着水井３、急速混和池４（混和池）、フロック形成池５、沈澱池６、濾過池７、凝集剤注入装置８を備える。被処理水は、まず着水井３に着水した後、急速混和池４、フロック形成池５、沈澱池６、濾過池７の順に送られる。すなわち、被処理水の流れに関して最も上流に位置する設備が着水井３であり、最も下流に位置する設備が濾過池７である。
　着水井３は、水処理プラント１００に流入する原水を貯える貯水槽である。着水井３では、植物や土砂等の比較的比重の大きい固形物が重力沈降し、その上澄み水が被処理水として後段の急速混和池４に送られる。
　なお、着水井３には原水水質計３１が備えられる。原水水質計３１は着水井３に着水した原水の水質を測定する。具体的には、原水水質計３１は、固液分離プロセスの処理結果に影響する可能性のある水質の指標値を測定する。例えば、原水水質計３１は、原水の濁度や色度、水温、導電率、ｐＨ（水素イオン濃度指数）、アルカリ度（酸消費量）、紫外線吸光度等の諸量を測定する。原水の紫外線吸光度は、原水に含まれる有機物量の指標値として用いることができ、その測定には例えば２６０ｎｍの波長の紫外線が用いられる。原水水質計３１によって測定された各種指標値はプラントデータとして凝集剤注入制御装置１に入力される。
　また、着水井３の上流には遠方監視のための上流原水水質計２が設けられる。上流原水水質計２は、水処理プラント１００に流入する原水の水質の変化を早期に検出するために設置されるものである。図２は、第１の実施形態における上流原水水質計２の具体例を示す図である。図２に示すように、一般に、上流原水水質計２は、測定時点から数時間後に水処理プラント１００に流入する原水について水質の測定が可能な位置に設置されるとよい。具体的には、上流原水水質計２は、水処理プラント１００に向かって流下している原水の水質の指標値として濁度や色度、ｐＨ（水素イオン濃度指数）等の諸量を測定する。上流原水水質計２によって測定された各種指標値はプラントデータとして通信回線を介して遠隔の凝集剤注入制御装置１に入力される。
　また、着水井３と急速混和池４との間の配水管には流量計３２が備えられる。流量計３２は、着水井３から急速混和池４に送られる被処理水の流量を測定する。流量計３２によって測定された流量はプラントデータとして凝集剤注入制御装置１に入力される。
　急速混和池４は、着水井３から送られてきた被処理水に凝集剤を注入し、凝集剤が注入された被処理水を急速攪拌するための貯水槽である。混和水に注入される凝集剤は、例えばポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ：Poly Aluminum Chloride）や硫酸アルミニウム（硫酸ばんど）等の薬剤であり、凝集剤注入装置８によって行われる。
　また、急速混和池４には急速攪拌機４１が備えられる。急速攪拌機４１は急速混和池４において凝集剤が注入された被処理水を攪拌する。例えば、急速攪拌機４１はフラッシュミキサである。急速攪拌機４１は、一定の攪拌速度で動作するものであってもよいし、モータの制御によって攪拌速度を調節できるものであってもよい。急速混和池４では、凝集剤の注入、及び急速攪拌機４１の攪拌によって被処理水中に微小なフロックが形成される。このような微小なフロックを含む被処理水は後段のフロック形成池５に送られ、フロック形成池５以降の設備においてフロックのさらなる集塊化が促進される。
　また、急速混和池４とフロック形成池５との間の配水管には混和水水質計４２が備えられる。混和水水質計４２は、凝集剤が注入された被処理水（以下「混和水」ともいう。）の水質を測定する。具体的には、混和水水質計４２は、固液分離プロセスの処理結果に影響する可能性のある水質の指標値を測定するとともに、混和水中のフロックの凝集状態に関する指標値（以下「凝集状態指標値」という。）を測定する。例えば、混和水水質計４２は、固液分離プロセスの処理結果に影響する可能性のある混和水の水質の指標値として、アルカリ度、ｐＨ、導電率を測定する。また、混和水水質計４２は、混和水のゼータ電位や流動電流値、フロックの電気泳動速度などの値を凝集状態指標値として測定する。混和水水質計４２によって測定された各種指標値はプラントデータとして凝集剤注入制御装置１に入力される。
　通常、水中に存在する懸濁物質は、その表面がマイナスに帯電しており、マイナス同士の反発力によって水中に安定して存在する。これにより水に濁りが生じる。一方、凝集剤は、水中ではプラスに帯電する。したがって、懸濁物質を含む被処理水に凝集剤が注入されると、凝集剤が懸濁物質に付着する。懸濁物質に付着した凝集剤は、懸濁物質のマイナスの荷電を打ち消し（以下「中和する」という。）、懸濁物質の表面電荷を０［ｍＶ］に近づける。懸濁物質の表面電荷が０［ｍＶ］に近づくと、それに伴ってゼータ電位も０［ｍＶ］に近づく。したがって、凝集剤は、懸濁物質同士の反発を弱めて衝突回数を増加させる。この凝集剤の作用により、衝突したフロック同士が徐々に集塊化していき、より大きなフロックが形成される。
　フロック形成池５は、被処理水中により大きなフロックを形成するための貯水槽である。フロック形成池５には、緩速攪拌機が備えられ、緩速攪拌機による被処理水の攪拌によってフロックのさらなる集塊化が促進される。例えば、フロック形成池５は、図１に示すように３つの攪拌池５１、５２及び５３に分けられ、各攪拌池にそれぞれ緩速攪拌機５４、５５及び５６が設置される。例えば、緩速攪拌機５４、５５及び５６はフロキュレータである。各攪拌池のうち攪拌池５１は被処理水の流れに関して最も上流に位置し、攪拌池５３は最も下流に位置する。
　攪拌池５１には急速混和池４から送られた被処理水が流入する。攪拌池５１では、緩速攪拌機５４による被処理水の攪拌により、微細なフロックが衝突を繰り返すことによってより大きな粒径のフロックが形成される。攪拌池５１の被処理水は、所定時間の攪拌の後に後段の攪拌池５２に送られる。
　攪拌池５２には攪拌池５１から送られた被処理水が流入する。攪拌池５２では、緩速攪拌機５５による被処理水の攪拌により、さらに大きな粒径のフロックが形成される。ここで、攪拌強度が強すぎると集塊化したフロックが破壊されてしまうため、緩速攪拌機５５は緩速攪拌機５４よりも弱い強度で被処理水を攪拌する。これにより、フロックのさらなる集塊化が促進される。攪拌池５２の被処理水は、所定時間の攪拌の後に後段の攪拌池５３に送られる。
　攪拌池５３には攪拌池５２から送られた被処理水が流入する。攪拌池５３では、緩速攪拌機５６による被処理水の攪拌により、さらに大きな粒径のフロックが形成される。ここでも、集塊化したフロックが破壊されないように、緩速攪拌機５６は緩速攪拌機５５よりも弱い強度で被処理水を攪拌する。これにより、フロックのさらなる集塊化が促進される。攪拌池５３の被処理水は、所定時間の攪拌の後に後段の沈澱池６に送られる。
　沈澱池６は、フロック形成池５から流入する被処理水を貯える貯水槽である。被処理水が所定時間沈澱池６に貯留されることにより、フロック形成池５において形成された粒径の大きなフロックが重力により沈降する。例えば、被処理水は３時間程度沈澱池６に貯留される。これにより、フロックが被処理水から分離され、その上澄み水が後段の濾過池７に送られる。なお、沈澱池６の最下流部には、濾過池７に送られる被処理水に対してオゾン処理や生物活性炭処理等の付加的な処理を施す設備が備えられてもよい。また、沈澱池６に沈澱したフロックは汚泥として引き抜かれ、図示しない汚泥処理設備に送られる。
　また、沈澱池６の下流部には沈澱池水質計６１が備えられる。沈澱池水質計６１は、濾過池７に送られる被処理水の水質を測定する。具体的には、沈澱池水質計６１は、固液分離プロセスの処理結果に関する各種指標値を測定する。例えば、沈澱池水質計６１は、固液分離プロセスの処理結果に関する指標値として、被処理水の濁度及び色度を測定する。
　濾過池７は、沈澱池６から流入する被処理水を濾過する濾過設備を備えた貯水池である。濾過池７では、被処理水に残留する微小な固形物が濾過によって分離される。濾過された被処理水は処理済み水として放流又は再利用される。
　このような各種の水処理設備を有する水処理プラント１００において、凝集剤注入制御装置１は入力されるプラントデータに基づいて凝集剤注入装置８が注入する凝集剤の注入量（以下「凝集剤注入量」という。）を制御する。一般に、凝集剤注入量は、単位時間当たりに注入される凝集剤の量で表される。また、凝集剤注入量は、単位時間当たりの被処理水の流量を用いて凝集剤の注入率（以下「凝集剤注入率」という。）に換算される。以下、本実施形態の凝集剤注入制御装置１の構成について詳細に説明するが、凝集剤注入量は、適宜、凝集剤注入率に置き換えることができる。
　凝集剤注入制御装置１は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、プログラムを実行する。凝集剤注入制御装置１は、プログラムの実行によって制御目標値決定部１１及び凝集剤注入制御部１２を備える装置として機能する。なお、凝集剤注入制御装置１の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
　制御目標値決定部１１は、凝集剤注入装置８の凝集剤注入率をフィードバック制御方式で決定する際の制御目標値を決定する。フィードバック制御は、制御量と制御目標値との偏差に基づいて操作量を変動させることで制御量を制御目標値に追従させる制御方式である。本実施形態では、制御目標値決定部１１は、高濁度の原水の流入時においても沈澱池６の濁度を所定の管理目標値以下に維持することを目的として、凝集状態指標値の目標値（以下「凝集状態目標値」という。）を制御目標値として決定する。制御目標値決定部１１は、決定した凝集状態目標値を凝集剤注入制御部１２に出力する。
　凝集剤注入制御部１２は、制御目標値決定部１１によって決定された凝集状態目標値と、入力されるプラントデータ（具体的には、上流原水水質計２、原水水質計３１、流量計３２及び混和水水質計４２の計測データ）とに基づいて凝集剤注入装置８の凝集剤注入率を操作量として決定する。凝集剤注入制御部１２は、決定した凝集剤注入率を凝集剤注入装置８に通知する。この凝集剤注入率の制御周期は例えば１０分周期で行われる。
　具体的には、凝集剤注入制御部１２は、凝集状態指標値を制御量とするフィードバック制御において、制御目標値決定部１１によって決定された凝集状態目標値に基づいて操作量となる凝集剤注入率を決定する。例えば、凝集剤注入制御部１２は、Ｐ制御（比例制御：Proportional Controller）やＰＩ制御（比例積分制御：Proportional-Integral Controller）、ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）等のフィードバック制御を実行する。なお、凝集状態指標値は各種計測器から直接的に凝集剤注入制御部１２に入力されてもよいし、図示しない記憶部等に一旦記録されてから凝集剤注入制御部１２に入力されてもよい。
　図３は、従来の水処理プラントにおいて高濁度の原水が流入した際に用いられる凝集剤注入率の設定例を示す図である。従来は、図３に示すような原水の濁度と凝集剤注入率との対応表に基づいて原水の濁度に応じた凝集剤注入率を決定するフィードフォワード制御が一般的であった。
　さらに、実際の運用においては、対応表により決定された凝集剤注入率を、オペレータがその時の原水の水質やフロックの形成状況に応じて微調整することが多く人的負荷が高くなりがちであった。これに対して本実施形態の水処理プラント１００では、凝集剤注入率が凝集状態指標値を制御目標値とするフィードバック制御によって調整されるためオペレータによる調整が不要となる。
　ただし、平常時とは異なる高濁度の原水が流入した場合、平常時の制御目標値をそのまま使用したのでは処理済み水の水質が悪化する可能性がある。これは、高濁度の原水の流入時には原水中の懸濁物質の量が増加するため、平常時と同様の制御目標値では凝集剤が不足するためである。
　図４は、第１の実施形態の凝集剤注入制御装置１が凝集状態目標値を制御目標値として決定する際に用いる対応表の具体例を示す図である。図４に示す対応表は、凝集状態目標値の一例としてフロックの電気泳動速度（移動速度）の目標値と、原水の濁度とを対応づけた例である。このように、原水の濁度に応じて凝集状態目標値を決定することで、処理済み水の水質を良好に維持できるとの知見を得た。
　なお、原水の濁度に応じた制御目標値は、図４に示す対応表を示す情報に基づいて凝集剤注入制御装置１が決定してもよいし、対応表に基づいて決定された値が手動で凝集剤注入制御装置１に入力されてもよい。このような対応表を用いることにより、凝集剤注入制御装置１は原水の濁度の上昇に応じてより高い値の制御目標値でフィードバック制御を行うことができるようになる。
　図５は、第１の実施形態の凝集剤注入制御装置１による制御目標値の制御例を示す図である。第１の実施形態の凝集剤注入制御装置１によれば、制御目標値がプラス側に高い値となるということは高濁度の原水が流入したときであり、凝集状態としてはより荷電が中和される方向に、つまり凝集剤がより多く注入される方向に凝集剤注入率が制御される。このため、高濁度の原水の流入時において凝集剤が不足するような状況が発生することを抑制することができる。具体的には、流入する原水の濁度の変化に対して制御目標値が図５の例のように制御されることになる。
　また、第１の実施形態の凝集剤注入制御装置１によれば、高濁度の原水の流入時において、濁度がピークを過ぎて下降していく期間においても、原水の濁度の低下に応じて制御目標値を低くしていくことができる。これにより、濁度の下降期においても、凝集剤が過剰に注入されるのを抑制することができる。
　ここで、高濁度の原水の流入時において良好な処理済み水の水質を得るためには、濁度の上昇期において凝集剤を不足させないことも重要な課題の１つとなる。本実施形態における凝集剤注入制御装置１は、原水水質計３１の計測値に加え、上流原水水質計２の計測値も利用して制御目標値を決定することによりこの課題を解決することができる。例えば、流入する原水の濁度が数時間後（例えば２～３時間後）に上昇することが予想される場合、予め制御目標値を高い値に変更しておくことにより、濁度の上昇期において凝集剤が不足する状況が発生することをより確実に抑制することができる。
　なお、この手法は濁度の下降期においても有効である。一般に、凝集剤の過剰注入は汚泥の発生量を増加させることにつながるため、凝集剤の注入量を必要最小限に抑えたいという要望がある。特に、高濁度の原水の流入時においては、汚泥の元となる懸濁物質と凝集剤とが多量に存在することになるので汚泥の発生量も多くなる。このような場合、沈澱池６の下部に溜まった汚泥の引き抜きが遅れると処理済み水の水質に影響が出る場合もある。また、汚泥を一旦貯留しておく排泥池などの容積も限られているため、多量に汚泥が発生する状況は回避されることが望ましい。このため、流入する原水の濁度が数時間後に低下することが予想される場合、予め制御目標値を低い値に変更しておくことにより、濁度の下降期において凝集剤が過剰に注入されることを抑制することができる。
　なお、上流原水水質計２の計測値に基づいて制御目標値を変更する操作は、図５に示すように段階的に行われてもよい。この場合、制御目標値を変更する大きさや変更の頻度は予想される濁度の変化の速度や変化量に応じて決定されるとよい。
　このように構成された第１の実施形態の凝集剤注入制御装置１によれば、凝集剤の注入量をより適切に制御することが可能になる。具体的には、凝集剤注入制御装置１が、原水の水質に応じた凝集状態目標値を制御目標値として凝集剤注入量を操作するフィードバック制御を行うことにより、原水の水質の変化に応じた適切な凝集剤注入量を決定することが可能になる。
（第２の実施形態）
　図６は、第２の実施形態における水処理プラント１００ａのシステム構成の具体例を示す図である。水処理プラント１００ａは、凝集剤注入制御装置１に代えて凝集剤注入制御装置１ａを備える点で第１の実施形態における水処理プラント１００と異なる。また、凝集剤注入制御装置１ａは、制御目標値決定部１１に代えて制御目標値決定部１１ａを備える点で第１の実施形態の凝集剤注入制御装置１と異なる。その他の構成については第１の実施形態と同様のため、図６において第１の実施形態と同様の構成については図１と同じ符号を付すことにより、それら同様の構成についての説明を省略する。
　制御目標値決定部１１ａは、第１の実施形態における制御目標値決定部１１と同様の機能に加え、制御目標値の決定に用いる対応表（以下「第２の対応表」という。）を生成する機能を有する。一般に、浄水場などの水処理施設では図３に示したような対応表が予め用意されていることが多い。そこで、第２の実施形態における制御目標値決定部１１ａは、このような従来の対応表に基づいて第２の対応表を生成する。従来の対応表は、運用の中で適宜見直される場合が多く、長年の運用によってその水処理施設に流入する高濁度の原水の特性をよりよく表すものとなっていることが多い。そのため、このような従来の対応表に基づいて第２の対応表を生成することで、処理済み水の水質をより安定させることができる。
　具体的には、制御目標値決定部１１ａは次のような方法で第２の対応表を生成する。まず、第２の対応表における原水濁度の範囲を決定する。ここでは簡単のため、原水濁度の範囲については、従来の対応表における原水濁度の範囲をそのまま採用することとする。次に、従来の対応表における原水濁度の連続する各範囲間の凝集剤注入率の増分を制御目標値に変換する。例えば、ここでは次の式（１）及び（２）により凝集剤注入率の増分を移動速度目標値の増分に変換する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ＰＩ制御は、凝集剤注入率の増分を求め、その増分に基づいて新たな凝集剤注入率を演算する制御方式である。式（１）はこのＰＩ制御の演算式を変形して得られる式であり、式（１）をさらに変形することで式（２）が得られる。
　具体的には、従来の対応表より求めた凝集剤注入率の増分の値を式（２）のΔＰＡＣに当てはめることで移動速度目標値の増分ΔＳＶを得る。ここでの、Ｋｐ及びＴｉは、対象の水処理施設で行われているＰＩ制御のパラメータである。Ｋｐは比例ゲインとよばれ、Ｔｉは積分時間と呼ばれる。このように生成される第２の対応表は、その水処理施設で実際に調整されたパラメータであるため、その水処理施設に流入する原水の水質の特性をよく反映したものとなる。
　図７は、第２の実施形態において生成される第２の対応表の具体例を示す図である。図７において左側の表は従来の対応表により求められた凝集剤注入率の増分を表し、右側の表はその増分を変換して得られた移動速度目標値の増分に基づいて生成された第２の対応表を表す。ここでＳＶ初期値には、高濁度の原水が流入する前の移動速度の実測値が用いられるとよい。この実測値は原水の濁度が上昇する前のものであれば、瞬時値であってもよいし、高濁度の原水が流入する直前の所定期間（例えば１時間）における平均値であってもよい。
　なお、このように生成された第２の対応表において、高濁度の範囲において、ＳＶ値がプラス側に高い値（例えば２μｍ／ｓ程度）となる場合が考えられる。２μｍ／ｓのＳＶ値はゼータ電位に換算すると＋１０ｍＶ程度であり、これ以上プラス側にゼータ電位が振れると、凝集剤の注入量が過剰となり凝集状態がかえって悪くなる可能性がある。このような状況を回避するため、第２の対応表に設定される凝集状態目標値（ここではＳＶ値）には上限が設けられてもよい。このような上限を設けることにより、例えば上限を２μｍ／ｓとしたときにある原水濁度の範囲について２μｍ／ｓを超える移動速度目標値が得られた場合であっても、その範囲内の濁度の原水が流入したときには制御目標値を上限の２μｍ／ｓとして凝集剤注入率を決定することができる。
　以上、原水の濁度の範囲に応じて制御目標値を決定する方法を示したが、実際には、原水の濁度に加えて濁度の上昇速度も凝集状態に影響を及ぼす可能性がある。つまり、濁度の上昇速度が遅い場合には、凝集剤注入率の調整が十分に間に合うので凝集剤が不足する状況が発生しにくいが、濁度の上昇速度が速い場合には、凝集剤注入率の調整が追い付かずに凝集剤が不足する状況が発生しやすくなる。このような状況が発生することを回避するために、制御目標値決定部１１ａは、濁度の上昇速度に応じて制御目標値を補正するように構成されてもよい。
　例えば、濁度の上昇速度が制御目標値を補正する必要がない通常範囲に収まっているときの補正係数を１とし（すなわち補正しない）、通常範囲を超える速度で濁度が上昇した際の補正係数を１よりも大きい値にする。この場合、通常範囲を超える速度で濁度が上昇した際の補正係数を例えば１．１とすれば、通常範囲での制御目標値（ＳＶ初期値＋ΔＳＶ）を（ＳＶ初期値＋１．１×ΔＳＶ）に補正することができる。図８は、このような制御目標値の補正による効果の具体例を示す図である。図８を見ても分かるように、濁度の上昇速度に応じて制御目標値が補正されることにより、原水濁度が急激に上昇する期間においてより多くの凝集剤が注入することが可能になる。そのため、原水濁度の上昇期間において凝集剤が不足する状況をより確実に回避することができる。
　このように構成された第２の実施形態の凝集剤注入制御装置１ａによれば、個々の水処理施設の特性を反映した第２の対応表に基づいて凝集剤注入率が決定することにより、凝集剤の注入量をより適切に制御することが可能になる。また、第２の対応表が凝集剤注入制御装置１ａによって生成されることにより水処理プラント１００の運用に係る人的負荷を低減させることができる。
（第３の実施形態）
　図９は、第３の実施形態における水処理プラント１００ｂのシステム構成の具体例を示す図である。水処理プラント１００ｂは、凝集状態指標値を測定する具体的な手段の一例として解析部９を備える点で第１の実施形態における水処理プラント１００と異なる。第３の実施形態における凝集剤注入制御装置１は、凝集状態目標値の決定に、解析部９によって測定された凝集状態指標値を用いる点で第１の実施形態における凝集剤注入制御装置１と異なるものの、凝集剤注入率を決定する機能構成は第１の実施形態の凝集剤注入制御装置１と同様である。
　解析部９は、分取された混和水の一部を分析して凝集状態指標値を測定する装置である。図９は、一部の混和水が急速混和池４とフロック形成池５との間の配水管から分取される構成を示す。この構成は一例であり、混和水は必ずしも急速混和池４とフロック形成池５との間の配水管から分取される必要はない。例えば、混和水は急速混和池４から採取されてもよいし、フロック形成池５から取得されてもよい。また、分取流路を設けることができない場合には、混和水の分取は人手によって行われてもよい。本実施形態では、混和水の分取は、前記配水管を流れる混和水の一部を配水管とは別の流路（以下「分取流路」という。）に流すことによって実現されるものとする。
　解析部９は、凝集状態指標値を測定する構成として光源部９１、撮像部９２及び速度測定部９３を備える。光源部９１は分取流路を流れる混和水に光を照射する。光源部９１は、例えばレーザー光や可視光を照射する光源である。光源部９１は、照射する光の強度や波長を変更可能なように構成されてもよい。光源部９１から照射された光は、一部が混和水中のフロックの表面で散乱され、その他は混和水を透過して撮像部９２の光学系に受光される。
　撮像部９２は、カメラ等の撮像装置を用いて構成される。撮像部９２は、分取流路を流れる混和水を撮像可能な位置に配置される。例えば、分取流路の途中にはセルと呼ばれる透明な容器が設置され、光源部９１と撮像部９２とがセルを混和水の流れに対して垂直方向から挟んで対向するように配置される。このような配置により、セルを流れる混和水に流れに対して垂直な方向から光が照射され、撮像部９２はセルを透過した光を受光する。撮像部９２は、受光した光の強度をデジタル値に変換することによってセルを通過する混和水の画像データを生成する。撮像部９２は、セルを通過する混和水を所定の撮像周期（例えば１／３秒周期）で撮像し、生成した画像データを時系列に速度測定部９３に出力する。
　速度測定部９３は、撮像部９２から出力される画像データに基づいて混和水中のフロックの凝集状態を示す指標値（凝集状態指標値）を測定する。具体的には、速度測定部９３は、フロックの電気泳動速度を凝集状態指標値として測定する。速度測定部９３は、撮像部９２から出力される時系列の画像データを用いて混和水中のフロックの電気泳動速度を測定し、その測定データを凝集剤注入制御部１２に出力する。
　図１０は、第３の実施形態において分取流路に設けられるセルの具体例を示す図である。図１０はｙ軸負方向から流入する混和水をｙ軸正方向に通過させるセルの例を示す。セルＣには、混和水の流れに対して垂直方向の電場を形成する正極ＥＰ及び負極ＥＮと、正極ＥＰ及び負極ＥＮに電圧を印加する電源ＰＳが備えられる。電源ＰＳが正極ＥＰ及び負極ＥＮに電圧を印加した状態で混和水を通水することにより、セルＣにおいて混和水中のフロックの電気泳動が発生する。
　具体的には、表面電荷がマイナスであるフロックは電圧の印加によって正極ＥＰ方向（すなわちｘ軸の負方向）に移動する。従って、表面電荷がマイナスであるフロックの電気泳動速度の平均値は負となる。一方、表面電荷がプラスであるフロックは電圧の印加によって負極ＥＮ方向（すなわちｘ軸の正方向）に移動する。従って、表面電荷がプラスであるフロックの電気泳動速度の平均値は正となる。
　これに対して表面電荷が中和しているフロックは電場の影響を受けない。そのため、表面電荷が中和しているフロックの移動方向は、電圧が印加されている状況においても一定ではない。従って個々のフロックの移動速度のばらつきが大きくなり、移動速度の分散値が大きくなる。そのため、表面電荷が中和しているフロックの移動速度の分散値は所定値以上になると考えられる。そこで、この所定値を閾値として、フロックの移動速度の分散値と比較することによって、フロックの表面電荷が中和しているか否かを把握することができる。
　速度測定部９３は、セルＣを通過する混和水が撮像された画像に対してソフトウェアによる画像解析処理を施すことにより画像内のフロックを検出し、検出した個々のフロックの移動速度を求める。移動速度は、連続して撮像された画像間におけるフロックの位置と、撮像周期とに基づいて求められる。速度測定部９３は、検出したフロックごとに移動速度を測定し、各フロックの移動速度の平均値（以下「平均移動速度」という。）を算出する。
　なお、速度測定部９３は、各フロックについて求めた移動速度の移動平均をとり、各フロックの移動平均値を平均した値を平均移動速度として算出してもよい。速度測定部９３は、このように算出した平均移動速度の時系列データを凝集状態指標値として凝集剤注入制御部１２に出力する。なお、平均移動速度は、各フロックの電気泳動速度の平均的な値を示すものであれば平均値に限らず他の統計値に置き換えられてもよい。
　このように構成された第３の実施形態の水処理プラント１００ｂは、画像解析処理によってフロックの平均移動速度を測定する解析部９を備えることにより、凝集剤注入制御装置１に対してより正確な凝集状態指標値を供給することができる。
　なお、第３の実施形態では、凝集剤注入制御装置１とは異なる別の装置として解析部９を備える水処理プラント１００ｂについて説明したが、解析部９は必ずしも凝集剤注入制御装置１と別体に構成される必要はなく、凝集剤注入制御装置１の一部として構成されてもよい。
　また、第３の実施形態では、凝集状態指標値を測定する装置の一例としてフロックの電気泳動速度を測定する解析部９について説明したが、解析部９は他の凝集状態指標値を測定する装置に置き換えられてもよい。例えば、水処理プラント１００ｂは、解析部９に代えて、フロックのゼータ電位、混和水の流動電流値又はコロイド荷電量など、フロックの荷電状態を示す指標値を測定する他の装置に置き換えられてもよい。
　以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、凝集剤が注入された被処理水である混和水におけるフロックの凝集状態を制御量とし、被処理水に対する凝集剤の注入量を操作量としてフィードバック制御を行う凝集剤注入制御部と、前記フィードバック制御における前記制御量の目標値を、前記被処理水として流入する原水の濁度に基づいて決定する制御目標値決定部と、を持つことにより、凝集剤の注入量をより適切に制御することができる。
　なお、混和水水質計４２は、混和水の水質を測定可能であれば、必ずしも急速混和池４とフロック形成池５との間の配水管に設けられる必要はない。例えば、混和水水質計４２は、急速混和池４の流出部付近に設けられてもよい。
　また、制御目標値は、移動速度目標値のように、高い値ほど凝集剤注入率を増加させる方向に作用するものである必要はない。例えば、制御目標値として用いる凝集状態指標値の種類や、定義の仕方などによっては、低い値ほど凝集剤注入率を増加させる方向に作用する指標値が制御目標値として用いられてもよい。例えば、被処理水のｐＨは凝集剤の注入量が多いほど低下する。そのため、低い値ほど凝集剤注入率を増加させる方向に作用する指標値として凝集剤注入後の被処理水のｐＨが用いられてもよい。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (10)

  1. 　凝集剤が注入された被処理水である混和水におけるフロックの凝集状態を制御量とし、被処理水に対する凝集剤の注入量を操作量としてフィードバック制御を行う凝集剤注入制御部と、
    　前記フィードバック制御における前記制御量の目標値を、前記被処理水として流入した原水の濁度に基づいて決定する制御目標値決定部と、
    を備える凝集剤注入制御装置。
  2. 　前記制御目標値決定部は、前記被処理水として流入した原水の濁度と、所定時間の後に流入することが予想される原水の濁度と、に基づいて前記制御量の目標値を決定する、
    請求項１に記載の凝集剤注入制御装置。
  3. 　前記制御目標値決定部は、前記原水の濁度と凝集剤注入率との対応関係を示す情報に基づいて、前記原水の濁度と前記目標値との対応関係を示す情報を生成する、
    請求項１に記載の凝集剤注入制御装置。
  4. 　前記制御目標値決定部は、前記凝集剤注入率と前記目標値との関係性に基づいて、前記原水の濁度の増加分に対応する前記凝集剤注入率の増加分を、前記原水の濁度の増加分に対応する前記目標値の増加分に変換する、
    請求項３に記載の凝集剤注入制御装置。
  5. 　前記制御目標値決定部は、前記原水の濁度の増加分に対応する前記目標値の増加分を前記原水の濁度の上昇速度に応じて決定し、決定した前記増加分に基づいて前記制御量の新たな目標値を決定する、
    請求項４に記載の凝集剤注入制御装置。
  6. 　前記制御目標値決定部は、前記原水の濁度に基づいて決定した目標値が閾値以上である場合、前記閾値を前記制御量の目標値とする、
    請求項１に記載の凝集剤注入制御装置。
  7. 　前記混和水中に含まれるフロックの電気泳動速度に基づいて前記混和水におけるフロックの凝集状態の指標値を測定する凝集状態測定部をさらに備える、
    請求項１に記載の凝集剤注入制御装置。
  8. 　前記混和水のゼータ電位、流動電流値又はコロイド電荷量に基づいて前記混和水におけるフロックの凝集状態の指標値を測定する凝集状態測定部をさらに備える、
    請求項１に記載の凝集剤注入制御装置。
  9. 　凝集剤が注入された被処理水である混和水におけるフロックの凝集状態を制御量とし、被処理水に対する凝集剤の注入量を操作量としてフィードバック制御を行う凝集剤注入制御ステップと、
    　前記フィードバック制御における前記制御量の目標値を、前記被処理水として流入した原水の濁度に基づいて決定する制御目標値決定ステップと、
    　を有する凝集剤注入制御方法。
  10. 　凝集剤が注入された被処理水である混和水におけるフロックの凝集状態を制御量とし、被処理水に対する凝集剤の注入量を操作量としてフィードバック制御を行う凝集剤注入制御ステップと、
    　前記フィードバック制御における前記制御量の目標値を、前記被処理水として流入した原水の濁度に基づいて決定する制御目標値決定ステップと、
    　をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
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