【手続補正書】
【提出日】平成17年6月15日(2005.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【請求項１】  最初沈殿池、反応槽、最終沈殿池を有した下水処理場に設置され、処理場の土木構造等の施設の条件を設定する施設条件設定部と、下水プロセスの運転に必要な操作変数を設定する処理条件設定部と、水質予測に必要な流量、風量、気象データ、水質データ等を蓄積するデータ蓄積部と、前記反応槽内の初期水質データを設定する反応槽水質データ設定部と、シミュレーションに使用するモデルのパラメータを自動的に設定する自動モデルパラメータ設定部と、前記施設条件設定部および前記データ蓄積部の出力を基に各部の水質を予測する水質予測処理部と、前記予測処理部の結果がプラント運転の適否を判断する評価処理部と、前記評価処理部で求められた最適な操作変数を実プラントへ出力するための設定を行う操作変数設定部とを有した運転支援システムにおいて、
前記反応槽水質データ設定部、前記自動モデルパラメータ設定部等に出力する水質データの初期値を設定する初期値設定部と、前記初期値設定部と前記施設条件設定部と前記施設条件設定部と前記データ蓄積部からのデータを基に前記反応槽の安定した水質データを得るための各種設定値を設定するウォーミングアップ処理部とを備えたことを特徴とする水質シミュレーション装置。
【請求項２】  前記ウォーミングアップ処理部は、前記反応槽内の水質条件を設定する反応槽水質データ第２設定部と、前記反応槽内の微生物反応をモデル化した活性汚泥モデルで用いられるモデルパラメーターを設定する可変モデルパラメータ設定部と、前記施設条件設定部で設定された値と、前記データ蓄積部で蓄積された分析データの内、下水処理場への流入水質と、前記処理条件設定部で設定された値と、前記反応槽水質データ第２設定部で設定された前記反応槽の水質条件より前記反応槽や処理水の窒素・リンなどの水質予測を行う水質安定化処理部と、前記反応槽の水質条件を保存する反応槽水質データ保存処理部とからなることを特徴とする請求項 1 記載の水質シミュレーション装置。
【請求項３】  前記水質安定化処理部は、水質予測処理の時間単位であるステップ時間を基準として、1 ステップ時間分先の反応槽や処理水の水質を予測する 1 ステップ水質予測処理部と、反応槽や処理水の予測の時間変化率の基準値を蓄積する基準値蓄積部と、反応槽や処理水の予測の時間変化率を基準値と比較する水質判定処理部とからなることを特徴とする請求項２記載の水質シミュレーション装置。
【請求項４】  前記水質判定処理部の結果にしたがってステップ時間を変更し、その結果を前記1 ステップ水質予測処理部に戻すステップ時間変更処理部を設けたことを特徴とする請求項3記載の水質シミュレーション装置。
【請求項５】  前記自動モデルパラメータ設定部は、前記初期値設定部もしくは前記ウォーミングアップ処理部からの出力値を入力として受け取り、前記活性汚泥モデルのモデルパラメータを自動的に設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水質シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、都市下水や産業廃水のような汚水を浄化する活性汚泥法、嫌気・好気汚泥処理法による水質シミュレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】都市下水処理、工場廃水などの処理プロセスは、微生物の動作状態、気候などから運転方法を決定する必要がある。図２は従来の運転支援システムとその周辺との接続状況を示すブロック図である。図において、1は最初沈殿池、2は反応槽、3は最終沈殿池、5は施設条件設定部、6は処理条件設定部、7はデータ蓄積部、8  は反応槽水質データ設定部、9は水質予測処理部、10は評価処理部、11は操作変数設定部、13は自動モデルパラメータ設定部である。まず、下水処理場の処理概要について説明する。下水処理場では、流入した下水は、最初沈殿池 1、反応槽 2、最終沈殿池 3の順に流れて処理される。汚濁物質を含む下水は、最初沈殿池 1 に導入され、汚濁物質の中の沈降しやすいものを沈殿分離して上澄水を反応槽 2 に流出する。反応槽 2 には最終沈殿池 3 の汚泥の一部が返送汚泥ポンプによって返送されており、反応槽 2 はその返送汚泥と最初沈殿池 1 の上澄水を処理する。反応槽2 では、ブロワー (図示せず)から圧送された空気が曝気槽内の散気管 (図示せず) によって放出されており、汚濁物質は活性汚泥により吸着、分解されて最終沈殿池 3 に導かれる。最終沈殿池 3 では活性汚泥を沈殿分離し、沈降汚泥は余剰汚泥ポンプにより汚泥処理系 (図示せず) に排出され、清澄水は処理水として滅菌槽 (図示せず) を経て放流される。つぎに、この水質シミュレーション装置の動作について説明する。
（イ）施設条件設定部５により、水質の予測に必要な反応槽の体積、管路などの処理場土木構造に関する条件を設定し、水質予測処理部９へ出力する。
（ロ）処理条件設定部６により、空気量、返送汚泥量などの下水プロセスの運転に必要な操作変数を設定する。設定はオペレータが手動で設定するか、またはオペレータが設定した値を基準に計算機が順番に設定する。例えば、反応槽２の最終端のDO濃度を、約3mg/Lから約0.5mg/Lまで減少させる。水質が維持できていれば、次に最終端のDO濃度を0.5mg/Lに固定し、１つ手前のタンクのDO濃度を、約3mg/Lから0.5mg/Lまで減少させ、水質の維持が可能なDO濃度まで下げる。このようにDO濃度を反応槽最終端から順番に設定する。返送汚泥量は、最終沈殿池３から反応槽２へ返送する汚泥量をポンプ能力の最大値から最小能力まで汚泥量を順次、変動させる。また、余剰汚泥量は、最終沈殿池３から引き抜く汚泥量をポンプ能力の最大値から最小能力まで汚泥量を順次、変動させる。
循環量は、反応槽２の最終端から無酸素槽へ循環する汚泥量を、ポンプ能力の最大値から最小能力まで汚泥量を順次、変動させる。
（ハ）データ蓄積部７により、図２の下水プロセスの各ポイントから反応槽、処理水の水質予測に必要な情報、たとえば、流量、SS、pH、風量、気象データ、DOなどを収集・蓄積し、水質予測処理部９へデータを出力する。ここで収集されるデータはリン酸態リン濃度、硝酸態窒素濃度、アンモニア態窒素濃度、Total-COD、溶解性CODなどの富栄養化問題の対象となっている水質である。
（ニ）初期値設定部 12 により、水質予測処理に必要な反応槽 2 の水質データの初期値を設定する。初期値として、ランダム関数などを用いてランダムな値または零の値を自動的に設定するか、もしくは経験による妥当な値を手動で設定し、反応槽水質データ設定部 8へ出力する。
（ホ）反応槽水質データ設定部８により、初期値設定部 12で設定した粗い初期値データを詳細な初期水質データに再設定する。
（ヘ）自動モデルパラメータ設定部１３により、シミュレーションする際に使用するモデル、たとえば、International Water Association (以下IWAと略す)の活性汚泥モデルなどのパラメータを自動で設定する。そのモデルには下水処理プロセスの生化学反応を数式によって表現した各種のものが提案されている。その数式は、下水や活性汚泥混合液中の汚濁成分をいくつかに分類し、それらの間の反応プロセスを表現してモデル化されたものである。このモデルは生物学的窒素、リン除去に加えて、リン除去に広く用いられている凝集沈殿も扱っており、広範な対象に適用が可能である。このモデルを使用するためには硝化菌の増殖速度など、約５０個ものパラメータを運転員または計算機が設定する。
（ト）水質予測処理部 9により、反応槽内外の水質予測を行う。水質予測処理部９は、施設条件設定部 5 で設定された値と、運転条件を設定する処理条件設定部６で設定された値と、データ蓄積部７に蓄積された分析データの内、下水処理場への流入水質と、反応槽水質データ設定部 8 で設定された値を入力し、反応槽内や反応槽外での処理水の窒素・リンなどの水質予測を行う。また、上記のような硝酸態窒素だけでなく、リン酸態リン濃度、アルカリ度、アンモニア態窒素濃度なども同時に計算される。その予測結果を評価処理部 10 に出力する。水質予測処理部 9 の結果が水質の基準値を超えたり、コストがかかるなど不満足なものであれば、処理条件設定部６の値を再設定し、再度、水質予測処理部9にて水質予測を行う。
（チ）評価処理部１０により、水質予測処理部９の予測結果を評価する。評価項目としては、SRT、DO などの操作変数変更時の水質、電気量、汚泥量などである。水質については、水質が基準値をクリアしているか否かを評価する。下水プラントで稼動する電気機器により消費される電気量については、水質予測処理部 9 による結果が水質基準値をクリアしているかチェックを行い、基準値をクリアした水質予測を導き出した操作変数設定値の中で最も低い電力量を検出し、操作変数設定部 11 へ出力する。汚泥量については、水質予測処理部 9による結果が水質基準値をクリアしているかチェックを行い、基準値をクリアした水質予測を導き出した操作変数設定値の中で最も低い汚泥発生量を検出し、操作変数設定部 11 へ出力する。
（リ）操作変数設定部 11 により、評価処理部１０で求められた最適な操作変数 (送風量、ポンプ台数など) を実プラントへ入力する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のような従来の水質シミュレーション装置では、水質予測処理部の入力値である反応槽の水質データを手入力していたため、設定に時間が掛かっていた。また、水質予測処理部の入力値である反応槽の水質条件が、実際の下水プラントにおける水質条件と異なっている場合、水質予測が過渡的な水質状態を表すことになり、実測値と予測値が一致せず、予測精度の低下を招いていた。さらに、実際の反応槽では、安定した水質状態にあるが、水質シミュレーション装置内部の反応槽の水質状態が安定していない場合、水質予測処理部の結果が安定した水質状態に達するまでシミュレーションを継続しなければならなかった。このため、シミュレーションに長時間を要していた。これらの課題により、従来の水質シミュレーション装置は、水質予測を目的とした十分な精度と、短い計算時間を満たした使用が困難であるという問題があった。
そこで、本発明は予測精度が高く、シミュレーション時間の短かい水質シミュレーション装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため、請求項 1 記載の水質シミュレーション装置は、最初沈殿池、反応槽、最終沈殿池を有した下水処理場に設置され、処理場の土木構造等の施設の条件を設定する施設条件設定部と、下水プロセスの運転に必要な操作変数を設定する処理条件設定部と、水質予測に必要な流量、風量、気象データ、水質データ等を蓄積するデータ蓄積部と、前記反応槽内の初期水質データを設定する反応槽水質データ設定部と、シミュレーションに使用するモデルのパラメータを自動的に設定する自動モデルパラメータ設定部と、前記施設条件設定部および前記データ蓄積部の出力を基に各部の水質を予測する水質予測処理部と、前記水質予測処理部の結果がプラント運転の適否を判断する評価処理部と、前記評価処理部で求められた最適な操作変数を実プラントへ出力するための設定を行う操作変数設定部とを有した運転支援システムにおいて、前記反応槽水質データ設定部、前記自動モデルパラメータ設定部等に出力する水質データの初期値を設定する初期値設定部と、前記初期値設定部と前記施設条件設定部と前記データ蓄積部からのデータを基に前記反応槽の安定した水質データを得るための各種設定値を設定するウォーミングアップ処理部とを備えたものである。請求項 1 記載の水質シミュレーション装置によれば、従来では手入力していた反応槽の初期水質データを、ランダム関数などによりランダムな値に、もしくは零に、あらかじめ自動設定する事で、手入力の手間を省く事ができる。また、水質予測処理の前に反応槽の水質を安定状態に設定するので、反応槽が水質安定状態にあるシミュレーションが可能となり、予測精度が向上し、水質データを設定する時間が必要なくなる。請求項 2 記載の水質シミュレーション装置は、前記ウォーミングアップ処理部が、前記反応槽内の水質条件を設定する反応槽水質データ第２設定部と、前記反応槽内の微生物反応をモデル化した活性汚泥モデルで用いられるモデルパラメーターを設定する可変モデルパラメータ設定部と、前記施設条件設定部で設定された値と、前記データ蓄積部で蓄積された分析データの内、下水処理場への流入水質と、前記処理条件設定部で設定された値と、前記反応槽水質データ第２設定部で設定された前記反応槽の水質条件より前記反応槽や処理水の窒素・リンなどの水質予測を行う水質安定化処理部と、前記反応槽の水質条件を保存する反応槽水質データ保存処理部とを備えたものである。請求項２記載のウォーミングアップ処理部によれば、施設条件設定部、データ蓄積部、処理条件設定部の設定値と、反応槽水質データ設定部による反応槽の水質設定値とを水質安定化処理部の入力値として、水質予測処理を行い、結果として反応槽や処理水の安定した水質状態を求め、この水質条件をメインの水質予測処理部の入力値として用いるため、水質予測処理開始直後より、安定した水質予測が可能となる。さらに、安定した水質条件を用いるため、水質の過渡状態を省略でき、予測精度の向上が可能となる。請求項 3 記載の水質シミュレーション装置は、前記水質安定化処理部が、水質予測処理の時間単位であるステップ時間を基準として、1 ステップ時間分先の反応槽や処理水の水質を予測する 1 ステップ���質予測処理部と、反応槽や処理水の予測の時間変化率の基準値を蓄積する基準値蓄積部と、反応槽や処理水の予測の時間変化率を基準値と比較する水質判定処理部とからなるものである。請求項３記載の水質安定化処理部によれば、水質予測処理の時間単位である1ステップ時間ごとの反応槽や処理水の水質予測を行い、この水質の時間変化率を基準値と比較する事で、水質の安定度が判定できるため、水質が安定状態に達した時の反応槽の水質条件を決定できる。この安定時水質データを水質予測処理部の入力値とする事で、水質の過渡状態を省略でき、予測精度を向上させる事が可能となる。さらに、水質の過渡状態を省略できるため、水質予測処理の所要時間を短縮する事が可能となる。請求項 4 記載の水質安定化処理部は、前記水質判定処理部の結果にしたがってステップ時間を変更し、その結果を前記1 ステップ水質予測処理部に戻すステップ時間変更処理部を設けたものである。請求項４記載の水質安定化処理部によれば、反応槽や処理水の水質が安定するまでの水質予測処理初期ではステップ時間を長くし、水質が安定した後ではステップ時間を短くする事で、水質予測処理の計算時間を短縮する事が可能となる。請求項 5 記載の水質安定化処理部は、前記自動モデルパラメータ設定部が、前記初期値設定部もしくは前記ウォーミングアップ処理部からの出力値を入力として受け取り、前記活性汚泥モデルのモデルパラメータを自動的に設定するものである。請求項５記載の自動モデルパラメータ設定部によれば、自動モデルパラメータ設定部内部で入力として必要な反応槽の水質データを初期値設定部により自動設定されるため、作業員による水質データの入力作業を省略できる。もしくは、自動モデルパラメータ設定部内部で入力として必要な反応槽の水質データをウォーミングアップ処理部により自動設定されるため、作業員による水質データの入力作業を省略できる上に、反応槽の水質データが安定しているため、反応槽の水質データが安定するまでの過渡的な状態を省略でき、そして予測の初期段階から正確な予測結果を得る事が可能となる。
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図 1 は、本発明の水質シミュレーション装置の構成とその周辺接続状況を示すブロック図である。図において、12は水質データの初期値を設定する初期値設定部、4は水質予測処理の前に事前に水質を予測するウォーミングアップ処理部である。その他の符号は、従来技術で述べたものと同じであるため省略する。つぎに、本発明の水質シミュレーション装置の動作について説明する。
(1)各種の条件設定およびデータ蓄積部７による処理を行う（従来と同じ）。各種の条件設定とは、施設条件設定部５による施設条件の設定処理、下水プロセスの運転に必要な操作変数を設定する処理条件設定部６による設定である。
(2)初期値設定部 12 により、水質予測処理に必要な反応槽 2 の水質データの初期値を設定する。初期値として、ランダム関数などを用いてランダムな値を設定、もしくは零と設定し、反応槽水質データ設定部 8 もしくは反応槽水質データ第２設定部４１もしくは自動モデルパラメータ設定部 13 へ出力する。従来、作業者が手入力で行っていた膨大な水質データは、初期値設定部 12 を用いるにより必要がなくなり、大幅に省力化できる。
(3)ウォーミングアップ処理部 4 により、入力値である反応槽２の水質を安定化させるための条件を演算する。ウォーミングアップ処理部４は、反応槽水質データ第２
設定部４１、可変モデルパラメータ設定部４２、水質安定化処理部４３および反応槽水質データ保存処理部４４からなる。
(i)まず、反応槽水質データ第２設定部４１により、初期値設定部12 からの入力を受けて反応槽２の水質条件の初期値を設定する。水質安定化処理部４３の入力値として反応槽 2 の水質データが必要である。その水質データは、水質分析により求められ、手入力により水質シミュレーション装置に設定される。しかし、その分析項目自体が量的に非常に多く、さらに反応槽 2 は複数のタンクから構成されているため、タンク 1 つ 1 つについて水質分析が必要になる。このため、現実的にこの水質データを求める事は非常に困難となっている。
(ii)可変モデルパラメータ設定部４２により、IWA 活性汚泥モデルで用いられるモデルパラメータを自動設定、もしくは標準設定、もしくは手動設定でモデルパラメータ値を決定する。
(iii)水質安定化処理部４３により、反応槽２の安定した水質データを導き出し反応槽水質データ保存処理部４４へ出力する。水質安定化処理部４３は、１ステップ水質予測処理部４３１、基準値蓄積部４３２、水質判定処理部４３３およびステップ時間変更処理部４３４からなる。１ステップ水質予測処理部４３１は、施設条件設定部５、処理条件設定部６、データ蓄積部７からの入力値と、反応槽水質データ第２設定部４１で設定された反応槽の水質データをもとに安定した反応槽の水質データを導き出す。水質予測処理の時間単位であるステップ時間を基準として、1 ステップ時間分先の反応槽や処理水の水質を予測する。1 ステップ水質予測処理部４３１の内部では、反応槽内部の微生物反応を数式でモデル化した IWA 活性汚泥モデルを基に、反応速度定数を用いて 1 ステップ時間ごとの水質計算を行っている。1 ステップ水質予測処理部４３１における計算の初期段階では、微生物反応が数 10 分単位で進行する反応を考慮して、 1 ステップ時間を数 10 分としている。これにより、計算量が少なくなり、水質計算時間の短縮が可能となる。基準値蓄積部４３２は、反応槽や処理水の予測の時間変化率の基準値を蓄積する。その基準値は 2 つ用意されている。１つは予測ステップ時間変更の基準値A であり、もう1 つは、水質予測終了の判定を行う基準値 B である。水質判定処理部４３３は、基準値蓄積部４３２から送られる基準値 A もしくは基準値 B と、反応槽や処理水の予測の時間変化率とを比較する。水質予測処理の初期段階では、ステップ時間を数 10 分として水質項目の時間変化率を求める。その時間変化率が基準値蓄積部４３２から送られる基準値 Aよりも高い場合は、水質状態が安定していない過渡的水質状態と判定して、1 ステップ水質予測処理部４３１に処理を戻して次のステップの計算を行う。一方、その時間変化率が基準値 A よりも低くなった場合は、水質状態が安定したと判定して、ステップ時間変更処理部４３４ においてステップ時間を数分と変更した後、引き続き、水質予測処理を行う。このように、ステップ時間変更処理部４３４は、水質判定処理部４３３ からステップ時間変更の指示を受けて、ステップ時間を数 10 分から数分に変更する。続いて、ステップ時間数分の水質予測処理が行われ、その時間変化率が基準値蓄積部４３２ から送られる基準値 B よりも高い場合は、水質状態が安定していない過渡的水質状態と判定して、 1 ステップ水質予測処理部４３１に処理を戻して次のステップの計算を行う。最終的に水質の時間変化率が基準値 B を下回った場合、もしくはある一定計算時間経った場合、反応槽の水質が安定したと判断して、反応槽水質データ保存処理部４４に反応槽の水質データを出力する。また、水質判定処理部４３３により反応時間間隔数 10 分の微生物反応に関係する水質項目が安定したと判定されると、反応が数分単位で進行する微生物反応を考慮して、ステップ時間を数分に変更する。これにより、水質予測の精度を確保する事が可能となる。
反応槽水質データ保存処理部４４により、水質判定部４３３から送られる反応槽の水質条件を保存する。この保存された水質条件は、反応槽水質データ設定部 8 への入力値となる。
(4)反応槽水質データ設定部 8により、反応槽の水質データを設定する。反応槽水質データ設定部 8は、初期値設定部１２からのデータを受けて、水質予測の初期段階での暫定的な反応槽２の水質データとして設定する。また、ウォーミングアップ処理部 4 の反応槽水質データ保存処理部４４からのデータを受けて、反応槽２の安定時の水質データを設定する。
(5)自動モデルパラメータ設定部 13により、モデルパラメータを決定する。初期値設定部 12 もしくはウォーミングアップ処理部 4 から反応槽2の水質データを入力として受けて、IWA 活性汚泥モデルで用いられるモデルパラメータを決定し、そのモデルパラメータ値を水質予測処理部 9 へ出力する。
(6)  水質予測処理部 9により水質予測を行い、その予測結果を評価処理部 10に出力する(従来と同じ)。
(7)評価処理部 10 により操作変数変更時の水質、電気量、汚泥量などの評価を行う(従来と同じ)。
(8)  操作変数設定部 11 により、最適な操作変数を実プラントへ出力する(従来と同じ)。
【０００６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の水質シミュレーション装置によれば、つぎの効果がある。
（一）水質シミュレーション装置に初期値設定部を設けたので、反応槽の水質をあらかじめ自動設定できるため入力作業の時間を省略することができる。
（ニ）水質シミュレーション装置にウォーミングアップ処理部を設けたので、水質予測処理の前に反応槽の水質を安定状態に設定でき、予測精度が向上する。
（三）自動モデルパラメータ設定部にウォーミングアップ処理部からの初期水質データを入力するようにしたので、自動設定ができるため作業員による水質データの入力作業を省略でき、水質予測の初期段階から正確な予測結果を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水質シミュレーション装置を示すブロック図である。
【図２】従来の水質シミュレーション装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
1  最初沈殿池
2  反応槽
3  最終沈殿池
4  ウォーミングアップ処理部
41  反応槽水質データ第２設定部
42  可変モデルパラメータ設定部
43  水質安定化処理部
431  １ステップ水質予測処理部
432  基準値蓄積部
433  水質判定処理部
434  ステップ時間変更処理部
44  反応槽水質データ保存処理部
5  施設条件設定部
6  処理条件設定部
7  データ蓄積部
8  反応槽水質データ設定部
9  水質予測処理部
10  評価処理部
11  操作変数設定部
12  初期値設定部
13  自動モデルパラメータ設定部