(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理水とスラッジとを分離させる排水処理系沈殿池における余剰スラッジを自動で抜出するシステムであって、
超音波を前記沈殿池の底方向に所定の周期で発射し、その反射波を受信する超音波送受波器を備え、受信した反射波から前記沈殿池のスラッジレベルを求めるスラッジレベル計と、
前記スラッジレベル計から出力されるスラッジレベルから余剰スラッジの抜出量を算出する抜出量算出手段と、
前記抜出量に基づき、前記沈殿池に設けられている余剰スラッジ抜出用の調節弁を調節する調節弁調節手段とを具備し、
前記スラッジレベル計は、
前記反射波から算出したスラッジレベルのデータを逐次、平均化して出力する平均化処理部と、
前記平均化処理部から入力されるスラッジレベルのデータを処理して前記抜出量算出手段に出力するデータ処理部とを備え、
前記平均化処理部から入力される入力データをＸ(t)（但し、ｔは時刻）とし、前記抜
出量算出手段に出力する出力データをＡ(t)とした時、前記データ処理部は、
直前の出力データＡ(ｔ−１)と入力データＸ(t)との差が所定値以上の時、直前の出力データＡ(ｔ−１)をＡ(t)として出力し、
前記差が所定値未満の時、
Ａ(t)＝｛Ｘ(t)−Ａ(ｔ−１)｝／Ｎ＋Ａ(ｔ−１)  （但し、Ｎは定数）
によりＡ(t)を算出して出力することを特徴とする余剰スラッジ自動抜出システム。
【請求項２】
請求項１記載の余剰スラッジ自動抜出システムにおいて、
前記スラッジレベル計は前記平均化処理部で平均化されたスラッジレベルのデータを表示する表示部を備えることを特徴とする余剰スラッジ自動抜出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は各プラントでの多種多様な製品の製造に伴って発生する様々な種類の排水を処理するシステムに関し、特に排水処理系の沈殿池における余剰スラッジの自動抜出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３は一般的な排水処理系のフローを示したものである。排水処理系は調整槽１１と曝気槽１２と最終沈殿池１３とを備えている。調整槽１１では排水のｐＨや酸素濃度等の調整が行われる。曝気槽１２では排水中に含まれる有機物を微生物と酸素の力によりスラッジ（汚泥）に変化させる活性汚泥法により排水の処理が行われる。最終沈殿池１３では自然沈降により処理水（清澄水）とスラッジの分離が行われ、余剰スラッジは最終沈殿池１３より系外へ排出される。また、処理水は例えば海に放流される。なお、スラッジは曝気槽１２のスラッジ保有量を一定に保つために、その一部が返送スラッジとして最終沈殿池１３より曝気槽１２に返送される。
【０００３】
図１４は上記のような排水処理系における最終沈殿池１３の従来の運転管理方法（余剰スラッジの抜出方法）を示したものであり、スラッジレベルの測定は従来においては光電管式スラッジレベル計２１を用いて行われていた。
【０００４】
光電管式スラッジレベル計２１は光電管がスラッジ界面で反応し、反応した時点でブザーが鳴る構成とされているもので、光電管を手動で最終沈殿池１３内に降ろしていき、ブザーが鳴った時点で降ろした距離を計測することで、スラッジレベル（処理水の水面から処理水とスラッジの界面までの距離）を計測するものとなっている。
【０００５】
運転員は光電管式スラッジレベル計２１を用いて例えば１日３回スラッジレベルを測定し、測定したスラッジレベルを基に余剰スラッジの抜出量を決定する。運転員は決定した抜出量に基づき、中央制御室２２より現場に設置された調節弁調節手段２３をリモートコントロールする。調節弁調節手段２３は入力された抜出量に対して、余剰スラッジの排出路に設けられている調節弁２４の開度を調整するもので、これにより入力された抜出量に基づき、余剰スラッジが排出される。なお、この例では抜出量はシーケンサ２５を通して調節弁調節手段２３に入力されるものとなっており、また余剰スラッジの流量を測定する流量計２６が排出路に設けられている。流量計２６で測定された流量は調節弁調節手段２３に入力されると共に、シーケンサ２５を通して中央制御室２２に送信される。
【０００６】
上記においてはスラッジレベルの測定に光電管式スラッジレベル計を用いるものとなっているが、特許文献１や特許文献２にはこのようなスラッジレベルの測定と同様、液中堆積物の堆積状態の検出に超音波を用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２７１３７６号公報
【特許文献２】特開平９−１９２４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図１４に示したような従来の余剰スラッジ抜出方法では、スラッジレベルの測定に光電管式スラッジレベル計２１を用い、運転員が例えば１日３回測定を行うものとなっているため、スラッジレベルを常時監視することはできず、よって抜出量の調整もスラッジレベルの変化に対応して即座に行われないため、余剰スラッジの適正な抜出が損なわれるといった問題があった。また、スラッジレベルを測定し、余剰スラッジの抜出量を決定して中央制御室２２より調節弁調節手段２４をリモートコントロールする作業は運転員の負担となっていた。
【０００９】
一方、特許文献１や特許文献２に記載されているような超音波を用いる方法をスラッジレベルの測定に採用し、超音波送受波器を沈殿池に設置しておけば、スラッジレベルを常時計測することが可能となる。しかしながら、特許文献１や特許文献２は液中堆積物の検出を行うものであって、検出した堆積物の堆積状態に基づき、例えば堆積物の自動的な排出処理を可能とするシステムにはなっていない。
【００１０】
この発明の目的はこのような状況に鑑み、沈殿池におけるスラッジレベルの常時計測を可能とし、かつスラッジレベルに基づいて余剰スラッジが自動的に抜出されるようにした余剰スラッジ自動抜出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明によれば、処理水とスラッジとを分離させる排水処理系沈殿池における余剰スラッジを自動で抜出するシステムは、超音波を沈殿池の底方向に所定の周期で発射し、その反射波を受信する超音波送受波器を備え、受信した反射波から沈殿池のスラッジレベルを求めるスラッジレベル計と、スラッジレベル計から出力されるスラッジレベルから余剰スラッジの抜出量を算出する抜出量算出手段と、前記抜出量に基づき、沈殿池に設けられている余剰スラッジ抜出用の調節弁を調節する調節弁調節手段とを具備し、
スラッジレベル計は、前記反射波から算出したスラッジレベルのデータを逐次、平均化して出力する平均化処理部と、平均化処理部から入力されるスラッジレベルのデータを処理して抜出量算出手段に出力するデータ処理部とを備え、平均化処理部から入力される入力データをＸ(t)（但し、ｔは時刻）とし、抜出量算出手段に出力する出力データをＡ(t)とした時、データ処理部は、直前の出力データＡ(ｔ−１)と入力データＸ(t)との差が所定値以上の時、直前の出力データＡ(ｔ−１)をＡ(t)として出力し、前記差が所定値未満の時、
Ａ(t)＝｛Ｘ(t)−Ａ(ｔ−１)｝／Ｎ＋Ａ(ｔ−１)  （但し、Ｎは定数）
によりＡ(t)を算出して出力する。
【００１４】
請求項２の発明では請求項１の発明において、スラッジレベル計は平均化処理部で平均化されたスラッジレベルのデータを表示する表示部を備える。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、沈殿池におけるスラッジレベルの常時計測が可能となり、そのスラッジレベルに基づいて余剰スラッジが自動的に抜出されるものとなっており、よって運転員の負担を軽減することができ、沈殿池の安全かつ安定な運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明による余剰スラッジ自動抜出システムの一実施例の構成を説明するための図。
【図２】図１におけるスラッジレベル計の機能構成を示すブロック図。
【図３】スラッジレベル計の平均化処理部の処理を説明するための図。
【図４】Ａはスラッジレベル計のデータ処理部のデータ処理前のスラッジレベルのデータを示すグラフ、Ｂはそのデータ処理後のスラッジレベルのデータを示すグラフ。
【図５】データ処理部の処理フローを示すフローチャート。
【図６】図５におけるステップＳ１の詳細処理フローを示すフローチャート。
【図７】図５に示した処理フローによるデータ処理詳細を示す図。
【図８】図５におけるステップＳ４のデータ処理詳細を比較例と共に例示した図、Ａは比較例を示し、Ｂは実施例を示す。
【図９】原水流入量増加によるスラッジレベルの一時的な増加を示す図。
【図１０】原水流入量増加によるスラッジレベルの一時的な増加を示すグラフ。
【図１１】この発明による余剰スラッジ自動抜出制御の一例を示すグラフ。
【図１２】スラッジレベル計の表示画面の一例を示す図。
【図１３】排水処理系の全体フローを示す図。
【図１４】最終沈殿池における従来の余剰スラッジ抜出方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
【００１８】
図１はこの発明による余剰スラッジ自動抜出システムの構成を示したものであり、図１４と対応する部分には同一符号を付してある。
【００１９】
この例では最終沈殿池１３のスラッジレベルの測定に超音波式のスラッジレベル計３０を用いるものとなっており、スラッジレベル計３０から出力されるスラッジレベルから余剰スラッジの抜出量を算出する抜出量算出手段４１を備えている。
【００２０】
スラッジレベル計３０は超音波を送受する超音波送受波器３１と本体３２とよりなり、本体３２は図２に示したように送信部３３と受信部３４と制御部３５と演算部３６と表示部３７とを具備している。演算部３６はスラッジレベル算出部３６ａと平均化処理部３６ｂとデータ処理部３６ｃとよりなる。表示部３７は液晶表示画面を備えている。
【００２１】
超音波送受波器３１は詳細図示を省略しているが、最終沈殿池１３に取り付けられ、超音波を最終沈殿池１３の底方向に垂直に発射し、その反射波を受信するものとなっている。超音波の発射は制御部３５が送信部３３にトリガパルスを供給し、トリガパルスにより動作を開始した送信部３３から送信パルスが超音波送受波器３１に供給されることにより行われる。
【００２２】
反射波は受信部３４に受信され、受信信号が受信部３４から演算部３６のスラッジレベル算出部３６ａに入力される。
【００２３】
この例では超音波を所定の周期で発射し、スラッジレベルを常時計測するものとなっており、スラッジレベルを精度良く、良好に計測可能とするために、超音波の発射仕様は下記の通りとした。
【００２４】
・周波数  ：２００ｋＨｚ
・パルス幅：0.00001秒
・パルス発射回数：１４．７回／秒
また、超音波送受波器３１の指向角を８度とした。
【００２５】
次に、スラッジレベル算出部３６ａ、平均化処理部３６ｂ及びデータ処理部３６ｃの各処理について説明する。
【００２６】
受信部３４からスラッジレベル算出部３６ａに入力される受信信号には最終沈殿池底、処理水とスラッジの界面、浮遊スラッジなどからの反射信号が含まれており、スラッジレベル算出部３６ａは超音波発射から受信までの時間、反射信号強度による識別などのデータ処理を行う。そして、データ処理により、２番目に反射信号強度が大きい反射信号の受信までの時間からスラッジレベル（処理水の水面から処理水とスラッジの界面までの距離）を求める。なお、反射信号強度が１番大きい反射信号は最終沈殿池底からの反射信号である。スラッジレベル算出部３６ａにおけるデータ処理（スラッジレベルの算出）はこの例では０．０７５秒毎に更新される。
【００２７】
０．０７５秒毎に更新されるデータは誤差を多く含んでいるため、そのままスラッジレベルとして出力すると非常に不安定な値となる。従って、平均化処理部３６ｂでは安定したデータをスラッジレベルとすべく、平均化処理を行う。図３は平均化処理のフローを例示したものであり、この例では平均化に用いるデータ数（データ処理回数）を２５６点としている。
【００２８】
図３に示したように、データ１からデータ２５６までのデータを平均化して１回目のスラッジレベルを出力する。この出力には１９．２秒を要する。続いて２回目のスラッジレベル出力はデータ２からデータ２５７までのデータを平均化する。以降、データ更新毎に２５６点のスラッジレベルが平均化され、出力される。平均化されたスラッジレベルのデータは表示部３７に出力され、その表示画面に表示される。また、１秒毎にデータ処理部３６ｃに平均化されたスラッジレベルのデータが出力される。なお、データ処理部３６ｃへのスラッジレベルのデータの出力周期は、この例では１秒としているが、１秒に限定されるものではなく、スラッジレベルの大きさ、掻寄機１３ａの回転速度等に応じて適宜、設定される。また、平均化に用いるデータ数は上述した例では２５６点としているが、これに限定されるものではない。
【００２９】
図４Ａは平均化処理部３６ｂからデータ処理部３６ｃに出力されるスラッジレベルのデータの一例を示したものである。最終沈殿池１３にはスラッジの平坦化を目的として図１に示したように一定速度で回転する掻寄機１３ａが設置されており、この掻寄機１３ａのアーム部が超音波送受波器３１の下を所定の周期で通過するため、図４Ａのデータにはアーム部を計測したことによるレベル変動が生じていることがわかる。
【００３０】
データ処理部３６ｃではこの掻寄機１３ａに起因するレベル変動を取り除く処理を行う。図５はデータ処理部３６ｃにおける処理フローを示したものであり、以下、処理フローを説明する。
【００３１】
掻寄機１３ａの有無の判定は平均化処理部３６ｂからデータ処理部３６ｃに入力される最新のスラッジレベルの入力データをＸ(t)（但し、ｔは時刻）とし、データ処理部３６ｃにおける処理により直前に、即ちこの例では１秒前に算出されたスラッジレベルの直前のデータ（出力データ）をＡ(ｔ−１)とした時、これらＸ(t)とＡ(ｔ−１)を用いて行われる。
【００３２】
しかしながら、データ処理部３６ｃが最初に処理を行う際にはＡ(ｔ−１)は存在しないため、代わりのものをＡ(ｔ−１)とする必要があり、そこでデータ処理部３６ｃがデータ処理を開始する直前に、平均化処理部３６ｂで１秒前に算出された直前のスラッジレベルの入力データＸ(ｔ−１)を代わりに最初基準値Ａ(ｔ−１)とする（ステップＳ１）。
【００３３】
ここで、仮に掻寄機１３ａが通過中の入力データＸ(ｔ−１)が最初基準値Ａ(ｔ−１)となってしまうと、以降の処理において正常にデータ処理が行われなくなってしまうため、掻寄機１３ａが通過していない時点でのＸ(ｔ−１)をＡ(ｔ−１)とする必要があり、このステップＳ１の最初基準値選定では図６に示したような処理を行う。以下、図６に示した処理フローを説明する。
【００３４】
１秒周期で平均化処理部３６ｂから入力されるスラッジレベルの入力データＸを１０個時系列で格納する（ステップＳ１１）。続いて、平均化処理部３６ｂから１個入力データを取得する。この入力データをＸ(ｔ−１)とする（ステップＳ１２）。入力データＸ(ｔ−１)を１０秒前の入力データＸ(ｔ−１１)と比較し、その差の絶対値が０．１ｍより小さいか否かを判断し（ステップＳ１３）、０．１ｍより小さい時は予め１０に設定されている判断カウンタを−１する（ステップＳ１４）。そして、判断カウンタが０になったか否かを判断し（ステップＳ１５）、０になっていない場合はＸ(ｔ−１)をＸ(ｔ−２)とし（ステップＳ１６）、ステップＳ１２に戻る。
【００３５】
一方、ステップＳ１３でＸ(ｔ−１)とＸ(ｔ−１１)の差の絶対値が０．１ｍ以上と判断した時は判断カウンタが２０になっているか否かを判断し（ステップＳ１７）、２０になっていない場合は判断カウンタを＋１し（ステップＳ１８）、ステップＳ１５に進む。判断カウンタが２０になっている場合は判断カウンタを＋１することなく、そのままステップＳ１５に進む。
【００３６】
そして、判断カウンタの値が０になるまで上記のような処理を順次繰り返し、判断カウンタの値が０になったらその時の入力データＸ(ｔ−１)を最初基準値Ａ(ｔ−１)として選定する。判断カウンタは０になった時点を掻寄機１３ａが通過していないと判定するためのもので、判断カウンタは２０を上限値としており、この図６に示したような処理フローを実行することにより、掻寄機１３ａが通過していない時点でのＸ(ｔ−１)を最初基準値Ａ(ｔ−１)とすることができる。
【００３７】
最初基準値Ａ(ｔ−１)の選定が完了したら、図５のステップＳ２へと進み、掻寄機１３ａの有無を判定し、データ処理を行う。
【００３８】
ステップＳ２での判定は最新の入力データＸ(ｔ)と直前の出力データＡ(ｔ−１)とを比較することにより行われ、差の絶対値が０．１ｍより小さければ掻寄機無と判断し、０．１ｍ以上であれば掻寄機有と判断する。掻寄機有の場合は最新の入力データＸ(t)を無効とし、直前の出力データＡ(ｔ−１)をＡ(t)とし（ステップＳ３）、再度出力する。図７Ａにこの掻寄機有の場合のデータ処理を示す。
【００３９】
一方、掻寄機無の場合は出力データＡ(t)を、
Ａ(t)＝｛Ｘ(t)−Ａ(ｔ−１)｝／Ｎ＋Ａ(ｔ−１)      …（１）
により計算し（ステップＳ４）、出力する。ここで、Ｎは定数（平均の重さ）であり、例えば１２８とする。掻寄機無の場合のデータ処理を図７Ｂに示す。掻寄機無の場合はレベル変動Ｘ(t)−Ａ(ｔ−１)を平均の重さＮで割り、その値を直前の出力データＡ(ｔ−１)に加算して最新の出力データＡ(t)とする。
【００４０】
ここで、Ｎを設定し、（１）式によりＡ(t)を求める理由について図８Ａ，Ｂを参照して説明する。図８ＡはＮを設定しない場合のデータ処理を示し、図８ＢはＮを設定した場合のデータ処理を示す。
【００４１】
入力データＸに偶発的に０．０９ｍのレベル変動が時刻ｔ３，ｔ４で２回続けて起ったとする。Ｎを設定しない場合では図８Ａに示したように、入力データＸと直前の出力データＡとの差は０．１ｍより小さいため、掻寄機無と判定し、出力データＡは偶発的なレベル変動が起っている入力データＸを追う。
【００４２】
次に、時刻ｔ５で偶発的なレベル変動のない入力データＸが入力されると、直前の出力データＡとの差が０．１８ｍとなるため、掻寄機有と判定してしまい、図７Ａに示したデータ処理を行うため、出力データＡは偶発的なレベル変動を追ったデータを続けて出力し、これにより正しい出力データＡが得られないことになる。
【００４３】
これに対し、Ｎを設定した場合では図７Ｂに示したデータ処理を行うため、時刻ｔ３での出力データＡは図８Ｂに示したようになり、偶発的なレベル変動の影響を抑えることができる。また、時刻ｔ４では入力データＸと直前（時刻ｔ３）の出力データＡとの差が０．１ｍ以上になるため、仮想的に掻寄機有と判定し、図７Ａに示したデータ処理により、直前の出力データＡを続けて出力する。そして、時刻ｔ５，ｔ６では図７Ｂに示したデータ処理により、徐々に出力データＡが入力データＸへと収束する。
【００４４】
このように実際のスラッジレベルの変動とは考えにくい偶発的なレベル変動が起った際、Ｎを設定しない場合では正しい出力データＡ(t)が得られなくなるのに対し、Ｎを設定し、（１）式により出力データＡ(t)を求めるようにすれば、偶発的なレベル変動が起った場合のリスクを低減させることができる。なお、Ｎの値は上述した例では１２８としているが、これに限定されるものではない。
【００４５】
出力データＡ(t)は以上のようにして求められ、図５に示したようにＡ(t)をＡ(ｔ−１)として（ステップＳ５）、出力データＡ(t)を求めるステップＳ２からステップＳ５の処理が繰り返し実行される。データ処理部３６ｃではこのような処理が行われることにより、データ処理後のスラッジレベルのデータは図４Ｂに示したようになり、掻寄機１３ａに起因するレベル変動は取り除かれる。
【００４６】
スラッジレベル計３０で求められたスラッジレベル（出力データＡ(t)）は抜出量算出手段４１に常時、出力される。この出力は例えば１分毎に行われ、抜出量算出手段４１は入力されたスラッジレベルから余剰スラッジの抜出量を算出する。算出された抜出量はシーケンサ２５を通して調節弁調節手段２３に入力され、調節弁調節手段２３は入力された抜出量に基づき、調節弁２４を調節し、これにより余剰スラッジが排出される。
【００４７】
余剰スラッジの排出路には図１４に示した従来例と同様、流量計２６が設けられており、流量計２６で測定された流量は調節弁調節手段２３及びシーケンサ２５に入力される。なお、スラッジレベル計３０で求められたスラッジレベル、抜出量算出手段４１で算出された抜出量及び流量計２６で測定された流量はこの例ではシーケンサ２５より中央制御室２２に送信されるものとなっている。
【００４８】
調節弁調節手段２３による抜出量の調整はスラッジの特性上、急激なスラッジレベルの変動は起らないと考えられるため、ＰＩＤ制御のうち、Ｄ動作を省略したＰＩ制御により行うものとする。ここで、図９及び図１０に示したように原水流入量の増加によりスラッジレベルが一時的に増加するという最終沈殿池の現象により、ＰＩ制御をスラッジレベルに対して敏感にしすぎると、スラッジの過剰な抜出を招き、下流設備の不安定化につながる恐れがある。この現象に対応するために、ＰＩ制御を以下の通りとした。
【００４９】
・スラッジの抜出過多を防止するために、Ｐ値・Ｉ値を大きくし、制御感度を鈍くした。
・スラッジレベルの一時的な増加を見越して、スラッジレベルの目標値付近に非制御帯（図９参照）を設けた。
【００５０】
以上説明したような処理、制御を行うことにより、この発明による余剰スラッジ自動抜出システムではスラッジレベルを目標値付近で安定させる余剰スラッジの自動抜出システムを実現することができた。図１１はこの状況を例示したものである。
【００５１】
なお、超音波は密度差の大きい界面ではより強い反射をする特徴を有しているため、スラッジレベルの測定に超音波を用いるこの発明ではスラッジと処理水の界面位置のみならず、その界面の状態や沈殿スラッジの密度、沈殿池底などの最終沈殿池内の状態を知ることができる。図１２はスラッジレベル計３０の表示部３７の表示画面の一例を示したものであり、この表示画面よりスラッジの状態判定も可能であることがわかる。
【００５２】
以上、最終沈殿池を例に説明したが、この発明が適用される沈殿池は最終沈殿池に限定されない。例えば、複数の沈殿池が並列や直列に設置されているような場合には個々の沈殿池毎に独立して適用することができ、あるいは複数の沈殿池を連係させて適用することもできる。
【００５３】
また、上述した例では掻寄機有無を判断する際の判断基準を０．１ｍとし、例えば入力データＸ(t)と直前の出力データＡ(ｔ−１)との差が０．１ｍ以上の時、掻寄機有と判断しているが、判断基準は０．１ｍに限定されず、個々の沈殿池の条件に応じて適切な値に設定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１２】
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