WO2024057572A1 - 水処理プラントの運転制御装置並びに水処理プラントの運転制御方法 - Google Patents

水処理プラントの運転制御装置並びに水処理プラントの運転制御方法 Download PDF

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WO2024057572A1
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water treatment
treated
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treatment plant
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佳記 西田
豊 三宮
一郎 山野井
伊智朗 圓佛
晃治 陰山
みさき 隅倉
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株式会社日立製作所
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/12—Activated sludge processes
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring

Definitions

  • the present invention relates to a water treatment plant operation control device and a water treatment plant operation control method.
  • Non-Patent Document 1 is being introduced. Furthermore, in order to achieve carbon neutrality, in addition to reducing CO2 emissions through energy conservation, electrification, and renewable energy, CO2 fixation (blue carbon) through marine ecosystems such as mangroves, seagrass, and algae is also attracting attention. .
  • Patent Document 1 when nutrient salts need to be removed, the nutrient salt recovery equipment recovers the nutrient salts from the sewage water treated by the sewage treatment equipment, thereby achieving the water quality target of the sewage water treated by the sewage treatment equipment. This is to stabilize the process without changing the value significantly.
  • Patent Document 1 it is necessary to newly install nutrient salt recovery equipment, which poses a problem of increased installation cost and space.
  • the present invention based on the target value of the discharge water quality that is set according to the required water quality of the discharge destination water area, the target value of the treated water quality in multiple treatment trains and the flow rate ratio of each train are set, thereby changing the operation.
  • the present invention aims to provide a water treatment plant operation control device and a water treatment plant operation control method that minimize the water quality and enable stable treatment in existing facilities under various water quality requirements.
  • multiple sets of water treatment trains including a reaction tank and a final settling tank are arranged in parallel, and the water to be treated is branched to the multiple sets of water treatment trains, and is then treated in the water treatment trains.
  • the operation control device includes a effluent water quality target value setting unit that sets a target value for the quality of the effluent water, and a effluent water quality target value setting unit that sets a target value for the quality of the effluent water; an operating condition setting unit that sets the target value of treated water quality for each treated water in the treatment line and the flow rate ratio of the water to be treated to each water treatment line; an operation control unit for controlling a water treatment plant; This is what I did.
  • multiple sets of water treatment trains including a reaction tank and a final settling tank are arranged in parallel, the water to be treated is branched to the multiple sets of water treatment trains, and the treated water treated in the water treatment trains is
  • a method for controlling the operation of a water treatment plant in which water is combined into effluent water includes setting a target value for the quality of the effluent water, and setting a target value for the quality of the treated water for each of the treated water of a plurality of water treatment lines;
  • the flow rate ratio of treated water to each water treatment line is set, and the treated water is divided and given to multiple sets of water treatment lines based on the set target value of treated water quality and the flow rate ratio value of treated water.
  • a water treatment plant operation control method characterized by controlling the flow rate ratio of the water treatment plant.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a water treatment plant S according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the flow rate ratio of the water to be treated W1 and the hydraulic retention time in the reaction tank of each water treatment system according to Example 1.
  • the figure which shows the example of the combination of current operating conditions water quality target value of discharged water W3: 15 mg/L.
  • FIG. 7 is a diagram showing examples of setting values of various conditions according to the second embodiment.
  • the figure which shows the example of the combination of operating conditions water quality target value of discharged water W3: 25 mg/L) concerning Example 2.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a water treatment plant S according to Embodiment 1 of the present invention.
  • This water treatment plant S uses microorganisms (activated sludge) to remove organic matter, nitrogen, phosphorus, and the like.
  • the water treatment plant S shown in FIG. A brief description of the functions of these components is as follows.
  • the water to be treated W1 and return sludge (not shown in FIG. 1) flow into the reaction tank 1, and organic matter, nitrogen, phosphorus, etc. are removed by activated sludge.
  • a diffuser 3 is installed in the reaction tank.
  • a blower 4 is connected to the air diffuser 3 to supply air.
  • the final settling tank 2 is a facility that separates the supernatant liquid and activated sludge by sedimentation.
  • the supernatant water after sedimentation and separation is mixed as treated water W2 (W2A, W2B) of each water treatment series, and is discharged as discharged water W3.
  • W2A, W2B treated water
  • a part of the activated sludge that has been sedimented and separated is returned to the reaction tank 1 as return sludge, and is used again for a series of biological treatments.
  • the remaining activated sludge is transferred to sludge treatment as surplus sludge.
  • the water to be treated W1 is branched into the water to be treated W1A and the water to be treated W1B, which flow into the reaction tank 1A and the reaction tank 1B, respectively.
  • a movable weir 5A, a movable weir 5B, and a flow meter 6A and a flow meter 6B are installed in the flow path to the reaction vessels 1A and 1B.
  • the water treatment plant S having the above-mentioned configuration is controlled by a control unit 100 that includes a discharge water quality target value setting unit 7, an operating condition range setting unit 8, an operating condition setting unit 9, and an operation control unit 10, and supplies water by controlling the blower 4.
  • the air amount and the flow rate ratio of the water to be treated are adjusted by controlling the movable weir 5A and the movable weir 5B.
  • the discharge water quality target value setting unit 7 sets the water quality target value of the discharge water W3 according to the required water quality of the water area to which it is discharged, within a range that satisfies the regulatory or operational management upper limit regarding the water quality of the discharge water W3. Set. For example, if the water quality and aquatic biomass monitoring results of the destination water area are lower than the set values, increase the water quality target value of the discharged water W3, and if the results are higher than the set values, increase the water quality target value of the discharged water W3. reduce
  • the operating condition range setting unit 8 sets the upper and lower limits of the flow rate ratio of the treated waters W1A and W1B to each water treatment line A and B, based on the specifications of the equipment related to the water treatment plant S.
  • the operating condition setting unit 9 determines the flow rate ratio of the treated water W1A, W1B to each water treatment line A, B, and the treated water W2A, W2B of each water treatment line, within the range set by the operating condition range setting unit 8. Set the target value of as the operating condition. At this time, it is assumed that the conditions shown in equations (1) and (2) are satisfied. In other words, the conditions are that the total flow rate ratio of the water to be treated in each water treatment system is 1, and that the water quality when the treated waters W2A and W2B are mixed satisfies the water quality target value of the discharged water W3.
  • C tgt_W2i is the water quality target value (mg/L) of treated water W2i
  • C tgt_W3 is the water quality target value (mg/L) of effluent water W3
  • the operation control unit 10 performs two sets of controls: adjustment of the amount of supplied air by controlling the blower 4, and adjustment of the flow rate ratio of the water to be treated by controlling the movable weir 5A and the movable weir 5B.
  • the flow rate ratio of the water to be treated is often controlled to be constant, but in the present invention, the flow rate of the water to be treated is controlled based on the water quality target value of the treated water W2i and the water quality target value of the effluent water W3.
  • the feature is that the ratio is controlled variably.
  • the operation control unit 10 controls the amount of air supplied from the blower 4 to the aeration units 3A and 3B as a manipulated variable related to the target water quality item based on the water quality target value of the treated water W2A and W2B determined by the operation condition setting unit 9. do.
  • instruments for measuring target water quality items for example, ammonia nitrogen
  • dissolved oxygen concentration which is an indicator of the progress of biological treatment
  • the operation control unit 10 sets the set values of ammonia nitrogen and dissolved oxygen according to the water quality target values C tgt_W2i and C tgt_W3 of the treated water W2A and W2B, and performs the necessary steps so that the measured values match the set values.
  • the amount of air to the diffuser 3 is controlled as the manipulated variable related to ammonia nitrogen, but it is not necessarily limited to this.
  • Other manipulated variables such as the amount of circulating sludge and the amount of coagulant injection, which are not described in the example of the water treatment plant S, may be controlled.
  • the measuring device used for control is installed in the reaction tank 1, the setting location may be changed, for example, in the final settling tank 2, depending on the target water quality item.
  • the size of the region of the aerobic state (state where dissolved oxygen exists) in the reaction tank 1 is changed according to the flow rate of the treated water W1 to each train and the water quality target value of the treated water W2 of each train. It's okay. For example, if the flow rate of the water to be treated W1- is large or the water quality target value of the treated water W2A is set low, in order to ensure the amount of treatment in the reaction tank 1, the reaction tank 1 must be in an anaerobic/anoxic state. Supply air to the area to create an aerobic condition.
  • the measured values by the flowmeters 6A and 6B are made to match the flow rates of the water to be treated W1A and W1B based on the flow rate ratio set value by the operation condition setting unit 9. , controls the height of the movable weirs 5A and 5B.
  • the operating condition range setting unit 8 sets the exposure to each water treatment line based on the hydraulic retention time (HRT: Hydrological Retention Time) in the reaction tank 1 shown in equation (3). Set the upper and lower limits of the flow rate ratio of treated water.
  • HRT i is the HRT (h) in the reaction tank 1i
  • Q is the flow rate (m 3 /h) of the water to be treated W1
  • the HRT in the reaction tank 1 is generally set to 6 to 8 hours, for example, in the anaerobic and aerobic activated sludge method, which is a method of sewage treatment.
  • the volumes VA and VB of the reaction tanks 1A and 1B are the same 6,000 m 3 and the flow rate Q of the treated water W1 is 1,600 m 3 /h
  • the flow rate ratio of the treated water W1A to the treated water W1 is The relationship between q i (horizontal axis) and HRT (HRTA, HRTB) (vertical axis) in reaction vessels 1A and 1B is shown in FIG. In FIG.
  • FIG. 3 shows the exposure to treated water W1 according to the water quality target values C tgt_W2A and C tgt_W2B of treated water W2A and W2B as a combination of operating conditions when the current water quality target value of effluent water W3 is 15 mg/L. This is the result of calculating the flow rate ratio q 1 of treated water W1A based on equations (1) and (2).
  • the water quality target value C tgt_W2A of treated water W2A is 5 mg/L and the water quality target value C tgt_W2B of treated water W2B is 30 mg/L as the current operating conditions, the water quality target value C tgt_W2A of treated water W2A is 30 mg/L.
  • the flow rate ratio q 1 is 0.60.
  • the effluent water quality target value setting unit 7 changes the water quality target value of the effluent water W3 to 25 mg/L.
  • the combination of operating conditions in this case is shown in FIG.
  • the areas surrounded by thick frames in FIG. 4 are included in the range of 0.4 to 0.6 of the flow rate ratio q 1 of the water to be treated W1A to the water to be treated W1 set by the operating condition range setting unit 8.
  • the amount of change from the water quality target value of treated water W2A and W2B (C tgt_W2A : 5 mg/L, C tgt_W2B : 30 mg/L) before the change of the water quality target value of effluent water W3 (15 mg/L) is The smallest value is obtained when the water quality target value C tgt_W2A of treated water W2A is 10 mg/L and the water quality target value C tgt_W2B of treated water W2B is 35 mg/L.
  • the flow rate ratio q 1 of W1A is 0.40.
  • the amount of change in the water quality target value of the treated water was reduced to 5 mg/L. This enables stable processing at existing facilities without adding new equipment.
  • the operating condition range setting unit 8 sets the upper and lower limits of the flow rate ratio of the water to be treated to each water treatment line based on the HRT in the reaction tank 1, but this is not limiting. do not have.
  • the design range for example, 25 to 50 m 3 /(m 2 d)
  • the power consumption may be set based on the pump capacity used for transferring the return sludge, the flow rate of the treated water W1, and the water quality target value of the treated water W2.
  • the flow rate of treated water to each system is controlled within the range where the flow rate of returned sludge does not exceed the pump capacity based on the predetermined return ratio (flow rate of returned sludge ⁇ flow rate of treated water).
  • upper and lower limits are set for the ratio of the flow rate of treated water to each system within the range where the power consumption calculated based on the flow rate of treated water W1 and the target water quality value of treated water W2 does not exceed the contract power. do.
  • the operating condition setting unit 9 extracts the operating condition in which the amount of change in the water quality target value of the treated water W2 from the current time is the minimum, but the operating condition in which the rate of change is the minimum is extracted. Good too. Further, in addition to the water quality target value of the treated water W2, an operating condition that minimizes the amount of change or the rate of change of the flow rate ratio of the water to be treated may be searched for.
  • this embodiment In active management of nutrients, only the water quality target value of the treated water in each series is changed under a fixed flow rate ratio of the treated water to accommodate changes in the required water quality (water quality target value of the effluent water). in many cases.
  • this embodiment is characterized in that the amount of change in the water quality target value of the treated water is reduced by making the flow rate ratio of the treated water variable. According to this embodiment, it is possible to respond to various target water qualities without introducing additional equipment.
  • the operating condition range setting unit 8 set the upper and lower limits of the flow rate ratio of the water to be treated based on the HRT of the reaction tank 1.
  • the applicable range of the flow rate ratio of the water to be treated or the water quality target value of the treated water is set based on a model equation that reproduces the treatment with activated sludge in the reaction tank 1.
  • ammonia nitrogen is also treated.
  • the amount of decrease ⁇ NH4 i in the ammonia nitrogen concentration in the reaction tank 1 can be calculated using a model formula (formula (4)) based on the reaction rate.
  • the amount of decrease ⁇ NH4 req_i in the ammonia nitrogen concentration required to satisfy the water quality target value of the treated water W2 can be calculated using equation (5).
  • the flow rate ratio q i of the treated water W1 i and the water quality target value C tgt_W2i of the treated water W2i need to satisfy equation (6).
  • ⁇ NH4 i is the amount of decrease in ammonia nitrogen concentration (mg/L)
  • ⁇ is the average rate of decrease in ammonia nitrogen concentration (reaction rate)
  • MLSS i is the activated sludge concentration in reaction tank 1 (g-SS/L)
  • ⁇ NH4 req_i is the required reduction amount of ammonia nitrogen concentration (mg/L)
  • CW1 i is the water quality of treated water W1i (mg/L).
  • r i is the ratio of the amount of returned sludge to the amount of water to be treated (return ratio).
  • the water quality target value C tgt_W2A is 12 mg/L
  • the water quality target value C tgt_W2B of the treated water W2B is 34 mg/L
  • the flow rate ratio q i of the treated water W1A to the treated water W1 is 0.41.
  • Example 2 the treatment of ammonia nitrogen concentration was targeted, but the treatment of other substances may also be targeted.
  • Example 2 the treatment with activated sludge in the reaction tank 1 was targeted, but the treatment is not limited to this, and the treatment in the final settling tank 2 may be targeted.Based on a model that reproduces the sedimentation separation of activated sludge, An operating condition range may be set that suppresses deterioration of the quality of the treated water W2 due to the flow rate of the treated water W1 within a predetermined range.
  • the target was a water treatment plant S having two water treatment lines, but in this example, the target was a water treatment plant having three or more water treatment lines.
  • the configuration of the water treatment plant is the same as in Example 1, with only the number of water treatment lines changing, and the illustration is omitted. Further, in the third embodiment, a configuration different from the first and second embodiments will be described.
  • the flow rate ratio q i and the treated water target value C tgt_W2i are set at predetermined intervals, and while satisfying equations (1) and (2), the amount of change from the current set value
  • q i is the flow rate ratio of treated water to water treatment series i (q i ′ is the current setting value), C tgt_W2i is the target value of treated water for the series (mg/L) (C tgt_W2i is the current setting value), n is the number of water treatment series, and a and b are coefficients.
  • equation (7) is based on the average value of the difference ⁇ qi and ⁇ C tgt_W2i with respect to the current setting value, but it is not necessarily limited to this. For example, it may be based on the average value of the rate of change. It's okay.
  • Example 1 and Example 2 when changing the operating conditions of only two lines, the methods of Example 1 and Example 2 may be followed.

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Abstract

既存施設において多様な要求水質の中での安定的な処理を可能とする水処理プラントの運転制御装置並びに水処理プラントの運転制御方法を提供する。反応槽と最終沈殿池を含む水処理系列が複数組並列配置され、被処理水が複数組の水処理系列に分岐して与えられ、水処理系列で処理された処理水が合流して放流水とされる水処理プラントの運転制御装置であって、運転制御装置は、放流水の水質の目標値を設定する放流水質目標値設定部と、複数組の水処理系列の夫々の処理水について処理水質の目標値と、各水処理系列への被処理水の流量比とを設定する運転条件設定部と、運転条件設定部による設定値に基づき、水処理プラントを制御する運転制御部とを備え、運転制御部は、複数組の水処理系列に分岐して与えられる被処理水の流量比を制御することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。

Description

水処理プラントの運転制御装置並びに水処理プラントの運転制御方法
　本発明は、水処理プラントの運転制御装置並びに水処理プラントの運転制御方法に関する。
　下水道の重要な役割として水環境の保全があり、富栄養化による赤潮発生などを抑制するため、有機物に加え、窒素やリンなどの栄養塩類を除去する高度処理の普及が促進されてきた。一方、近年では、養殖している海苔の色落ちの問題などから、例えば冬季に窒素やリンの除去を抑制し、栄養塩を供給するといった、放流先水域の要求水質に応じた栄養塩類の能動的管理（非特許文献１）が導入されつつある。また、カーボンニュートラル実現に向け、省エネや電動化、再生可能エネルギーなどによるＣＯ２排出量削減に加え、マングローブや海草・海藻類などの海域の生態系によるＣＯ２固定化（ブルーカーボン）も着目されつつある。
　このように放流先水域の水質保全は担保しつつ、様々な要求水質に応じた下水処理の技術が重要となってくる。栄養塩類の能動的管理では、目標値の切り替え時等において、下水処理に用いられる微生物（活性汚泥）の活性や性状を適切に維持できない場合があり、要求水質の安定的な達成が課題であった。この課題に対し、下水処理設備による下水処理水から栄養塩類を回収する栄養塩類回収設備を設置することで、放流水質の能動的管理を容易とする手法が提案されている。
　例えば、特許文献１では、栄養塩類の除去が必要な際に、栄養塩類回収設備にて、下水処理設備による下水処理水から栄養塩類を回収することで、下水処理設備による下水処理水の水質目標値を大きく変更せず、処理の安定化を図るものである。
特開２０２１－１３７７２７号公報
国土交通省水管理・国土保全局下水道部編、「下水放流水に含まれる栄養塩類の能動的管理のための運転方法に係る手順書（案）」、平成２７年９月
　しかし特許文献１によれば、栄養塩類回収設備を新設する必要があり、設置に係るコストやスペースの増大が課題となる。
　そこで、本発明では、放流先水域の要求水質に応じて設定する放流水質の目標値に基づき、複数の処理系列における処理水質の目標値と、各系列の流量比を設定することで、運用変更を最低限のものとし、既存施設において多様な要求水質の中での安定的な処理を可能とする水処理プラントの運転制御装置並びに水処理プラントの運転制御方法を提供することを目的とする。
　以上のことから本発明においては「反応槽と最終沈殿池を含む水処理系列が複数組並列配置され、被処理水が複数組の水処理系列に分岐して与えられ、水処理系列で処理された処理水が合流して放流水とされる水処理プラントの運転制御装置であって、運転制御装置は、放流水の水質の目標値を設定する放流水質目標値設定部と、複数組の水処理系列の夫々の処理水について処理水質の目標値と、各水処理系列への被処理水の流量比とを設定する運転条件設定部と、運転条件設定部による設定値に基づき、水処理プラントを制御する運転制御部とを備え、運転制御部は、複数組の水処理系列に分岐して与えられる被処理水の流量比を制御することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置」としたものである。
　また本発明においては「反応槽と最終沈殿池を含む水処理系列が複数組並列配置され、被処理水が複数組の水処理系列に分岐して与えられ、水処理系列で処理された処理水が合流して放流水とされる水処理プラントの運転制御方法であって、放流水の水質の目標値を設定し、複数組の水処理系列の夫々の処理水について処理水質の目標値と、各水処理系列への被処理水の流量比とを設定し、設定した処理水質の目標値と被処理水の流量比値に基づき、複数組の水処理系列に分岐して与えられる被処理水の流量比を制御することを特徴とする水処理プラントの運転制御方法」としたものである。
　本発明によれば、多様な要求水質に応じた安定的な処理が既存施設において可能となるため、新規設備の設置に係るコストやスペースを低減できる。
本発明の実施例１に係る水処理プラントＳの構成例を示す図。 実施例１に係る被処理水Ｗ１の流量比と、各水処理系列の反応槽での水理学的滞留時間との関係を示す図。 現在の運転条件の組み合わせ（放流水Ｗ３の水質目標値：１５ｍｇ／Ｌ）例を示す図。 変更後の運転条件の組み合わせ（放流水Ｗ３の水質目標値：２５ｍｇ／Ｌ）例を示す図。 実施例２に係る各種条件の設定値例を示す図。 実施例２に係る運転条件の組み合わせ（放流水Ｗ３の水質目標値：２５ｍｇ／Ｌ）例を示す図。
　以下、本発明の実施例について説明する。
　図１は、本発明の実施例１に係る水処理プラントＳの構成例を示す図である。この水処理プラントＳは、微生物（活性汚泥）を利用して有機物や窒素、リンなどを除去する。図１に示す水処理プラントＳは、水処理系列Ａと水処理系列Ｂが並列配置されており、それぞれ反応槽１（反応槽１Ａ、１Ｂ）と、最終沈殿池２（最終沈殿池２Ａ、２Ｂ）とを有している。これらの構成要素の機能について簡単に説明すると、以下のとおりである。
　反応槽１には、被処理水Ｗ１と、図１には図示していない返送汚泥とが流入し、活性汚泥による有機物や窒素、リンなどの除去が行われる。反応槽には散気部３が設置されている。散気部３には、ブロワ４が接続され、空気が供給される。
　最終沈殿池２は、上澄み液と活性汚泥とを沈降分離する設備である。沈降分離後の上澄み水は、各水処理系列の処理水Ｗ２（Ｗ２Ａ、Ｗ２Ｂ）として混合し、放流水Ｗ３として放流される。また、沈降分離した活性汚泥の一部は返送汚泥として、反応槽１へと返送され、再度一連の生物処理に利用される。残りの活性汚泥は、余剰汚泥として汚泥処理へと移送される。
　なお図１において被処理水Ｗ１は、被処理水Ｗ１Ａと被処理水Ｗ１Ｂとに分岐し、反応槽１Ａと反応槽１Ｂにそれぞれ流入する。反応槽１Ａと反応槽１Ｂへの流路には、可動堰５Ａと可動堰５Ｂ、また流量計６Ａと流量計６Ｂが設置されている。
　概略上記構成の水処理プラントＳに対する制御は、放流水質目標値設定部７，運転条件範囲設定部８，運転条件設定部９，運転制御部１０からなる制御部１００により、ブロワ４の制御による供給空気量と、可動堰５Ａ、可動堰５Ｂの制御による被処理水の流量比が調整される。
　このうち放流水質目標値設定部７は、放流水Ｗ３の水質に係る規制上もしくは運転管理上の上限値を満足する範囲において、放流先水域の要求水質に応じて、放流水Ｗ３の水質目標値を設定する。例えば、放流先水域の水質や水生生物量のモニタリング結果が設定値と比べて低い場合は放流水Ｗ３の水質目標値を増加させ、設定値と比べて高い場合は放流水Ｗ３の水質目標値を低減させる。
　運転条件範囲設定部８は、水処理プラントＳに係る設備の仕様に基づき、各水処理系列Ａ，Ｂへの被処理水Ｗ１Ａ、Ｗ１Ｂの流量比の上下限値を設定する。
　運転条件設定部９は、運転条件範囲設定部８にて設定した範囲において、各水処理系列Ａ，Ｂへの被処理水Ｗ１Ａ、Ｗ１Ｂの流量比と、各水処理系列の処理水Ｗ２Ａ、Ｗ２Ｂの目標値を運転条件として設定する。この際、（１）式，（２）式に示す条件を満たすものとされる。つまり各水処理系列の被処理水の流量比の合計が１となること、処理水Ｗ２Ａ、Ｗ２Ｂが混合した際の水質が放流水Ｗ３の水質目標値を満足することが条件とされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、ｑｉは被処理水Ｗ１ｉの流量比であり、文字ｉは水処理系列を表すこととし、以下の記載では説明を省略する。Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉは処理水Ｗ２ｉの水質目標値（ｍｇ／Ｌ）、Ｃｔｇｔ＿Ｗ３は放流水Ｗ３の水質目標値（ｍｇ／Ｌ）、ｎは水処理プラントＳの水処理系列数（本実施例ではｎ＝２）である。
　運転制御部１０は、ブロワ４の制御による供給空気量の調整と、可動堰５Ａ、可動堰５Ｂの制御による被処理水の流量比の調整の２組の制御を行う。従来は一般的には被処理水の流量比は一定で制御されることが多いが、本発明は処理水Ｗ２ｉの水質目標値、および放流水Ｗ３の水質目標値に基づき、被処理水の流量比を可変に制御を実施する点に特徴を有する。ここではまず、供給空気量制御について説明する。
　運転制御部１０は、運転条件設定部９による処理水Ｗ２Ａ、Ｗ２Ｂの水質目標値に基づき、対象水質項目に係る操作量として、ブロワ４からの散気部３Ａ、３Ｂへの空気供給量を制御する。なお上記制御に用いる計測器として、反応槽１Ａ、１Ｂに対象水質項目（例えばアンモニア態窒素）や、生物処理の進行の指標となる溶存酸素濃を計測する計測器を設置する。
　そのうえで運転制御部１０は、処理水Ｗ２Ａ、Ｗ２Ｂの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉ、Ｃｔｇｔ＿Ｗ３に応じて、アンモニア態窒素や溶存酸素の設定値を設定し、計測値が設定値と一致するように必要な空気量を計算する。ここでは、アンモニア態窒素に係る操作量として散気部３への空気量を制御することとしたが、必ずしもこれに限定するわけではなく、その他の水質項目に係る操作量として、実施例１の水処理プラントＳの例では記載していない循環汚泥量や凝集剤注入量など他の操作量を制御しても良い。また、制御に用いる計測器を反応槽１に設置するとしたが、例えば最終沈殿池２など、対象水質項目に応じて設定場所を変更しても良い。さらに、各系列への被処理水Ｗ１の流量や各系列の処理水Ｗ２の水質目標値に応じて、反応槽１の好気状態（溶存酸素が存在する状態）の領域の大きさを変更しても良い。例えば、被処理水Ｗ１－の流量が大きく、もしくは処理水Ｗ２Ａの水質目標値が低く設定された場合、反応槽１での処理量を確保するため、反応槽１で嫌気／無酸素状態であった領域に空気を供給し、好気状態とする。
　本発明の実施例に係る運転制御部１０では、また流量計６Ａ、６Ｂによる計測値が、運転条件設定部９による流量比の設定値に基づく被処理水Ｗ１Ａ、Ｗ１Ｂの流量と一致するように、可動堰５Ａ、５Ｂの高さを制御する。
　流量比制御のために、まず運転条件範囲設定部８では、（３）式に示した反応槽１での水理学的滞留時間（ＨＲＴ：Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ　Ｔｉｍｅ）に基づき、各水処理系列への被処理水の流量比の上下限値を設定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、ＨＲＴｉは反応槽１iでのＨＲＴ（ｈ）、Ｑは被処理水Ｗ１の流量（ｍ３／ｈ）、Ｖｉは反応槽１iの容積（ｍ３）である（本実施例ではｉ＝１か２）。
　反応槽１でのＨＲＴとして、例えば下水処理の一方式である嫌気好気活性汚泥法では、一般的に６～８時間に設定される。ここで、反応槽１Ａ、１Ｂの容積ＶＡ，ＶＢを同じ６，０００ｍ３、被処理水Ｗ１の流量Ｑを１，６００ｍ３／ｈと仮定すると、被処理水Ｗ１に対する被処理水Ｗ１Ａの流量比ｑｉ（横軸）と、反応槽１Ａ、１ＢでのＨＲＴ（ＨＲＴＡ，ＨＲＴＢ）（縦軸）の関係は図２で表される。図２において、反応槽１Ａ、１ＢにおけるＨＲＴの設定下限値を６時間とすると、被処理水Ｗ１に対する被処理水Ｗ１Ａの流量比ｑＡを０．４～０．６の間に設定する必要があることが分かる。
　次に、運転条件設定部９における各水処理系列Ａ，Ｂへの被処理水Ｗ１Ａ，Ａ１Ｂの流量比ｑｉと、各水処理系列Ａ，Ｂの処理水Ｗ２Ａ，Ａ２Ｂの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ａ、Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ｂの設定方法について述べる。図３は、現在の放流水Ｗ３の水質目標値が１５ｍｇ／Ｌの場合における運転条件の組み合わせとして、処理水Ｗ２Ａ、Ｗ２Ｂの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ａ、Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ｂに応じた、被処理水Ｗ１に対する被処理水Ｗ１Ａの流量比ｑ１を（１），（２）式に基づき算出した結果である。ここで、現在の運転条件として、処理水Ｗ２Ａの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ａは５ｍｇ／Ｌ、処理水Ｗ２Ｂの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ｂは３０ｍｇ／Ｌと仮定すると、被処理水Ｗ１に対する被処理水Ｗ１Ａの流量比ｑ１は０．６０となる。
　次に、放流水質目標値設定部７において、放流水Ｗ３の水質目標値を２５ｍｇ／Ｌに変更した場合を想定する。この場合における運転条件の組み合わせを図４に示す。図４における太枠で囲む箇所は、運転条件範囲設定部８により設定した被処理水Ｗ１に対する被処理水Ｗ１Ａの流量比ｑ１の範囲０．４～０．６に含まれるものである。この中で、放流水Ｗ３の水質目標値の変更前（１５ｍｇ／Ｌ）における処理水Ｗ２Ａ、Ｗ２Ｂの水質目標値（Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ａ：５ｍｇ／Ｌ，Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ｂ：３０ｍｇ／Ｌ）からの変化量が一番小さくなるのは、処理水Ｗ２Ａの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ａを１０ｍｇ／Ｌ、処理水Ｗ２Ｂの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ｂを３５ｍｇ／Ｌとした場合であり、その際の被処理水Ｗ１に対する被処理水Ｗ１Ａの流量比ｑ１は０．４０となる。
　２組の水処理系列とも同じ処理水の水質目標値の場合、放流水Ｗ３の水質目標値の変更に伴う処理水の水質目標値の変化量は２５－１５＝１０ｍｇ／Ｌとなる。一方、本実施例では、各系列の処理水の水質目標値に加え、各系列への被処理水の流量比を変更することで、処理水の水質目標値の変化量を５ｍｇ／Ｌに低減でき、新規設備の追加なしに、既存施設において安定的な処理を実現する。
　本実施例では、運転条件範囲設定部８において、反応槽１でのＨＲＴに基づき、各水処理系列への被処理水の流量比の上下限値を設定したが、これに限定されるものではない。
例えば、最終沈殿池３への水面積負荷（最終沈殿池３への流入水量÷最終沈殿池の水面積（表面積））の設計範囲（例えば、２５～５０ｍ３／（ｍ２・ｄ））や、返送汚泥の移送に用いるポンプ容量、被処理水Ｗ１の流量や処理水Ｗ２の水質目標値によって変動する消費電力に基づき設定しても良い。返送汚泥の移送に用いるポンプについては、所定の返送比（返送汚泥の流量÷被処理水の流量）に基づく返送汚泥の流量がポンプ容量を超過しない範囲で、各系列への被処理水の流量比の上下限値を設定する。消費電力については、被処理水Ｗ１の流量や処理水Ｗ２の水質目標値に基づき算出した消費電力が契約電力を超過しない範囲で、各系列への被処理水の流量比の上下限値を設定する。
　本実施例では、運転条件設定部９において、処理水Ｗ２の水質目標値の、現時刻からの変更量が最小となる運転条件を抽出したが、変化率が最小となる運転条件を抽出してもよい。また、処理水Ｗ２の水質目標値に加えて、被処理水の流量比も併せた変化量、もしくは変化率を最小とする運転条件を探索してもよい。
　栄養塩の能動的管理では、一定の被処理水の流量比の下、それぞれの系列での処理水の水質目標値のみを変更し、要求水質（放流水の水質目標値）の変動に対応している場合が多い。一方、一方、本実施例では、被処理水の流量比も可変とすることで、処理水の水質目標値の変更量を小さくすることに特徴がある。本実施例によれば、追加設備の導入無しに多様な目標水質に対応することが可能となる。
　実施例１では、運転条件範囲設定部８において、反応槽１のＨＲＴに基づき、被処理水の流量比の上下限値を設定した。実施例２では、反応槽１内の活性汚泥による処理を再現したモデル式に基づき、被処理水の流量比もしくは処理水の水質目標値の適用可能範囲を設定する。
　実施例２においても、アンモニア態窒素の処理対象とする。反応槽１でのアンモニア態窒素濃度の減少量ΔＮＨ４ｉは、反応速度に基づくモデル式（（４）式）で算出できる。
また、処理水Ｗ２の水質目標値を満足するのに必要なアンモニア態窒素濃度の減少量ΔＮＨ４ｒｅｑ＿ｉは（５）式で算出できる。ここで、ΔＮＨ４ｉ≧ＮＨ４ｒｅｑ＿ｉとするため、被処理水Ｗ１ｉの流量比ｑｉ、処理水Ｗ２ｉの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉは（６）式を満足する必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、（４）から（６）式において、ΔＮＨ４ｉはアンモニア態窒素濃度の減少量（ｍｇ／Ｌ）、μはアンモニア態窒素濃度の平均減少速度（反応速度）（ｍｇ／ｇ－ＳＳ／ｈ）、ＭＬＳＳｉは反応槽１における活性汚泥濃度（ｇ－ＳＳ／Ｌ）、ΔＮＨ４ｒｅｑ＿ｉはアンモニア態窒素濃度の必要減少量（ｍｇ／Ｌ）、ＣＷ１ｉは被処理水Ｗ１ｉの水質（ｍｇ／Ｌ）、ｒｉは被処理水量に対する返送汚泥量の比（返送比）である。
　ここで、（４）～６式の変数を図５に示す値と仮定する。この際、放流水Ｗ３の水質目標値を２５ｍｇ／Ｌにおける運転条件の組み合わせを図６に示す。太枠で囲む箇所は、運転条件範囲設定部８により設定した被処理水Ｗ１に対する被処理水Ｗ１Ａの流量比ｑｉの範囲０．４～０．６に含まれるものである。処理水Ｗ２Ｂの水質目標値が３５ｍｇ／Ｌの場合、被処理水Ｗ１Ａの流量割合が大きくなり、（６式）を満足できなくなったため、適応不可となった。そのため、実施例１の結果（図４）と比べて適応可能な領域は縮減しており、放流水Ｗ３の水質目標値の変更に伴う運転条件の変化量が最も小さくなるのは、処理水Ｗ２Ａの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ａは１２ｍｇ／Ｌ、処理水Ｗ２Ｂの水質目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２Ｂは３４ｍｇ／Ｌとなり、その際の被処理水Ｗ１に対する被処理水Ｗ１Ａの流量比ｑｉは０．４１となる。
　実施例２では、アンモニア態窒素濃度の処理を対象としたが、他の物質の処理を対象としても良い。
　実施例２では、反応槽１内の活性汚泥による処理を対象としたが、これに限定せず、最終沈殿池２における処理を対象としても良く、活性汚泥の沈降分離を再現したモデルに基づき、被処理水Ｗ１の流量による処理水Ｗ２の水質悪化を所定範囲内に抑制する運転条件範囲を設定しても良い。
　実施例１，実施例２では２つの水処理系列をもつ水処理プラントＳを対象としたが、本実施例では３つ以上の水処理系列をもつ水処理プラントを対象とする。水処理プラントの構成は実施例１と同様で水処理系列数のみ変化するものし、図は省略する。また、実施例３では、実施例１、実施例２と異なる構成について述べる。
　運転条件設定部９における水処理各系列への被処理水Ｗ１の流量比と、各水処理系列の処理水の水質目標値の設定方法について述べる。まず、水処理系列ｉの被処理水Ｗ１の流量比ｑｉ、水処理系列ｉの処理水目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉに関する条件式は（１），（２）式に示した通りである。
　次に、流量比ｑｉ、処理水目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉを所定の間隔ごとに値を設定し、（１），（２）式を満足しつつ、現在の設定値からの変化量｜ｑｉ－ｑｉ´｜、｜Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉ－Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉ｜の平均値に基づく関数ｆ（Δｑｉ、ΔＣｔｇｔ＿Ｗ２ｉ）（（７）式）が最小となる流量比ｑｉ、処理水目標値Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉを探索する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　なおここで、ｑｉは水処理系列ｉに対する被処理水の流量比（ｑｉ´は現在の設定値）、Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉは系列の処理水目標値（ｍｇ／Ｌ）（Ｃｔｇｔ＿Ｗ２ｉは現在の設定値）、ｎは水処理系列数、ａ，ｂは係数である。
　なお、本実施例では、（７）式において、現在の設定値との差分Δｑｉ，ΔＣｔｇｔ＿Ｗ２ｉの平均値に基づいたが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、例えば変化率の平均値に基づいても良い。
　本実施例により、３つ以上の水処理系列をもつ水処理プラントにおいても、放流水Ｗ３の水質目標値が変更した際に、運転条件を大きく変更することなく、既存施設において安定的な処理を実現する。なお、３つ以上の系列をもつ水処理プラントにおいて、２つの系列のみ運転条件を変更する場合は実施例１、実施例２の方式に従っても良い。
Ｓ：運転支援装置、１：反応槽、２：最終沈殿池、３：散気部、４：ブロワ、５：可動堰、６：流量計、７：放流水質目標値設定部、８：運転条件範囲設定部、９：運転条件設定、１０：運転制御部

Claims (11)

  1. 　反応槽と最終沈殿池を含む水処理系列が複数組並列配置され、被処理水が複数組の前記水処理系列に分岐して与えられ、前記水処理系列で処理された処理水が合流して放流水とされる水処理プラントの運転制御装置であって、
    　運転制御装置は、前記放流水の水質の目標値を設定する放流水質目標値設定部と、複数組の前記水処理系列の夫々の前記処理水について処理水質の目標値と、各水処理系列への前記被処理水の流量比とを設定する運転条件設定部と、前記運転条件設定部による設定値に基づき、前記水処理プラントを制御する運転制御部とを備え、
    　前記運転制御部は、複数組の前記水処理系列に分岐して与えられる前記被処理水の流量比を制御することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。
  2. 　請求項１に記載の水処理プラントの運転制御装置であって、
    　複数組の前記水処理系列の夫々の前記処理水の水質の目標値は、混合した際の水質が放流水の水質目標値を満足するように定められることを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。
  3. 　請求項１に記載の水処理プラントの運転制御装置であって、
    　前記運転制御部は、前記反応槽に供給するばっ気用の空気量を制御することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。
  4. 　請求項１に記載の水処理プラントの運転制御装置であって、
    　前記運転制御部は、前記放流水質目標値設定部にて設定値を変更する際に、前記放流水質目標値設定部により変更する設定値と、前記運転条件設定部による現在の処理水質の目標値もしくは現在の流量比の設定値とから、前記運転条件設定部が、処理水質の目標値と、各系列への被処理水の流量比とを変更することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。
  5. 　請求項１に記載の水処理プラントの運転制御装置であって、
    　前記放流水質目標値設定部における設定値変更に伴う、前記運転条件設定部による設定値の変更において、各水処理系列における現在の設定値からの変化量もしくは変化率が最小となるように、前記運転条件設定部が設定値を変更することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。
  6. 　請求項１に記載の水処理プラントの運転制御装置であって、
    　前記運転条件設定部は、前記水処理プラントの運転条件として、各水処理系列による処理水質の目標値と、各水処理系列への被処理水の流量比とのうち、少なくとも１つの範囲を設定する運転条件範囲設定部を備え、前記運転条件範囲設定部による設定範囲を満足するように、各系列による処理水質の目標値と、各水処理系列への被処理水の流量比とを設定することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。
  7. 　請求項６に記載の水処理プラントの運転制御装置であって、
    　前記運転条件範囲設定部は、前記水処理プラントの各水処理系列における処理を再現したモデルに基づき、各水処理系列による処理水質の目標値と、各水処理系列への被処理水の流量比とのうち少なくとも１つの範囲を設定することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。
  8. 　請求項１に記載の水処理プラントの運転制御装置であって、
    　前記放流水質目標値設定部は、前記水処理プラントからの放流先水域における要求水質に応じて、前記水処理プラントからの放流水質の目標値を設定することを特徴とする水処理プラントの運転制御装置。
  9. 　反応槽と最終沈殿池を含む水処理系列が複数組並列配置され、被処理水が複数組の前記水処理系列に分岐して与えられ、前記水処理系列で処理された処理水が合流して放流水とされる水処理プラントの運転制御方法であって、
    　前記放流水の水質の目標値を設定し、複数組の前記水処理系列の夫々の前記処理水について処理水質の目標値と、各水処理系列への前記被処理水の流量比とを設定し、設定した処理水質の目標値と前記被処理水の流量比値に基づき、複数組の前記水処理系列に分岐して与えられる前記被処理水の流量比を制御することを特徴とする水処理プラントの運転制御方法。
  10. 　請求項９に記載の水処理プラントの運転制御方法であって、
    　複数組の前記水処理系列の夫々の前記処理水の水質の目標値は、混合した際の水質が放流水の水質目標値を満足するように定められることを特徴とする水処理プラントの運転制御方法。
  11. 　請求項９に記載の水処理プラントの運転制御方法であって、
    　前記放流水の水質の目標値を変更する際に、処理水の水質の目標値と、被処理水の流量比とを変更することを特徴とする水処理プラントの運転制御方法。
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