(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性汚泥による硝化反応における複数の窒素態の成分の反応速度を演算する水質情報演算方法において、
前記複数の窒素態の成分が、第一のアンモニア性窒素と、窒素酸化物，第二のアンモニア性窒素と、亜硝酸性窒素と、硝酸性窒素であって、
前記第一のアンモニア性窒素が前記窒素酸化物へと酸化する第一の硝化反応経路と、
前記第二のアンモニア性窒素が前記亜硝酸性窒素を経て前記硝酸性窒素へと酸化する第二の硝化反応経路と、
前記第二の硝化反応経路に前記亜硝酸性窒素から一酸化二窒素ガスへの反応を加えたモデルを用いて前記反応速度を演算し、
亜硝酸性窒素の量を変数として、一酸化二窒素ガスの量を演算すること、
前記第一のアンモニア性窒素の量と、前記第二のアンモニア性窒素の量を等しくし、前記第一のアンモニア性窒素から前記窒素酸化物への反応速度と、前記第二のアンモニア性窒素から前記亜硝酸性窒素への反応速度を等しくしたことを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項２】
請求項１に記載の水質情報演算方法において、  複数の窒素態の成分の量の入力値を元に、前記第一の硝化反応経路における窒素態の成分の反応速度の演算の後に、前記第二の硝化反応経路における窒素態の成分の反応速度を演算することを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の水質情報演算方法において、
前記硝酸性窒素の量を、前記窒素酸化物の量と前記亜硝酸性窒素の量との差分として演算することを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項４】
活性汚泥による脱窒反応における複数の窒素態の成分の反応速度を演算する水質情報演
算処理装置において、
前記複数の窒素態の成分が、窒素酸化物と、第一の窒素ガス，硝酸性窒素と、亜硝酸性窒素と、第二の窒素ガスであって、前記窒素酸化物が前記第一の窒素ガスへと還元する第一の脱窒反応経路と、
前記硝酸性窒素が前記亜硝酸性窒素を経て前記第二の窒素ガスへと還元する第二の脱窒反応経路と、
前記第二の硝化反応経路に前記亜硝酸性窒素から一酸化二窒素ガスへの反応を加えたモデルを用いて前記反応速度を演算し、
亜硝酸性窒素の量を変数として、一酸化二窒素ガスの量を演算すること、
前記第一の窒素ガスの量と、前記第二の窒素ガスの量を等しくし、前記窒素酸化物から前記第一の窒素ガスへの反応速度と、前記亜硝酸性窒素から前記第二の窒素ガスへの反応速度を等しくしたことを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項５】
請求項４に記載の水質情報演算方法において、
複数の窒素態の成分の量の入力値を元に、前記第一の脱窒反応経路における窒素態の成分の反応速度の演算の後に、前記第二の脱窒反応経路における窒素態の成分の反応速度を
演算することを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の水質情報演算方法において、
前記硝酸性窒素の量を、前記窒素酸化物の量と前記亜硝酸性窒素の量との差分として演算することを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項７】
活性汚泥による硝化脱窒反応における複数の窒素態の成分の反応速度を演算する水質情報演算方法において、
前記複数の窒素態の成分が、第一のアンモニア性窒素と、窒素酸化物と、第一の窒素ガス，第二のアンモニア性窒素と、亜硝酸性窒素と、硝酸性窒素と、第二の窒素ガスであって、前記第一のアンモニア性窒素が前記窒素酸化物へと酸化し、前記窒素酸化物が前記第一の窒素ガスへと還元する第一の硝化脱窒反応経路と、
前記第二のアンモニア性窒素が前記亜硝酸性窒素を経て前記硝酸性窒素へと酸化し、前記硝酸性窒素が前記亜硝酸性窒素を経て前記第二の窒素ガスへと還元する第二の硝化脱窒反応経路と、
前記第二の硝化反応経路に前記亜硝酸性窒素から一酸化二窒素ガスへの反応を加えたモデルを用いて前記反応速度を演算し、
亜硝酸性窒素の量を変数として、一酸化二窒素ガスの量を演算すること、
前記第一のアンモニア性窒素の量と、前記第二のアンモニア性窒素の量を等しくし、前記第一のアンモニア性窒素から前記窒素酸化物への反応速度と、前記第二のアンモニア性窒素から前記亜硝酸性窒素への反応速度を等しくし、前記第一の窒素ガスの量と、前記第二の窒素ガスの量を等しくし、前記窒素酸化物から前記第一の窒素ガスへの反応速度と、前記亜硝酸性窒素から前記第二の窒素ガスへの反応速度を等しくしたことを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項８】
請求項７に記載の水質情報演算方法において、
複数の窒素態の成分の量の入力値を元に、前記第一の硝化脱窒反応経路における窒素態の成分の反応速度の演算の後に、前記第二の硝化脱窒反応経路における窒素態の成分の反応速度を演算することを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の水質情報演算方法において、
前記硝酸性窒素の量を、前記窒素酸化物の量と前記亜硝酸性窒素の量との差分として演算することを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の水質情報演算方法において、
前記亜硝酸窒素の量を変数として一酸化二窒素ガスの量を演算することを特徴とする水質情報演算方法。
【請求項１１】
流入水の水量と水質を設定する流入条件設定手段と、処理プロセスの寸法や生物反応槽の分割を設定する土木構造設定手段と、ポンプ流量やブロワ流量を設定する運転操作量設定手段と、生物反応槽，最終沈殿池の処理水の水質を演算する水質演算手段と、表示手段を備え、前記表示手段には、前記ポンプと前記ブロワの消費電力から算出した電力由来の温室効果ガス排出量と、前記一酸化二窒素ガスの量から算出した温室効果ガス排出量と、前記水質演算手段により請求項１０に記載の水質情報演算方法で求めた前記処理水の水質及び一酸化二窒素ガスの量を表示することを特徴とする水質情報演算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物反応槽における窒素態の消長の演算に好適な水質情報演算方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化問題において、下水処理プロセスから発生する一酸化二窒素ガスが問題視されている。一酸化二窒素ガスは、二酸化炭素の３１０倍の温室効果があり、下水処理場全体の温室効果ガス排出量の１０％に相当する。しかし、現在のところ、その生成量は制御されていないのが実情である。
【０００３】
一酸化二窒素ガスは、下水処理プロセスの窒素除去の過程で発生する。その発生量については、〔非特許文献１〕に記載のように、亜硝酸性窒素量との相関が指摘されている。一酸化二窒素ガスの発生量を推定して制御するためには、硝化反応におけるアンモニア性窒素と硝酸性窒素の中間生成物であり、且つ脱窒反応における硝酸性窒素と窒素ガスの微量な中間生成物である亜硝酸性窒素の量を推定する必要がある。
【０００４】
下水処理プロセスにおける各成分量の推定には、〔非特許文献２〕に記載のように、例えば国際水協会が提案する標準的な活性汚泥モデルであるＡＳＭを実装した水質情報演算処理装置が用いられる。水質情報演算処理装置については、例えば、〔特許文献１〕，〔特許文献２〕に記載のものがある。
【０００５】
ＡＳＭは、微生物の増殖や分解などの反応プロセスに関与する複数の成分の反応モデルマトリクスと、個々の反応プロセスの反応速度を記述する反応速度式で構成され、これらのマトリクスと反応速度式には、半飽和定数や反応速度定数などの多くの係数が関与する。標準的なＡＳＭでは、反応速度の係数調整による実計測水質の再現（キャリブレーション）の簡易化のため、例えば硝化・脱窒反応に関わる窒素態の成分を、アンモニア性窒素と窒素酸化物の２成分に近似している。
【０００６】
ＡＳＭにおける硝化反応の経路を数１に、脱窒反応の経路を数２に示す。
【０００７】
【数１】
0005637748.tif 000002
【０００８】
【数２】
0005637748.tif 000003
ここで、ＮＨ4はアンモニア性窒素、ＮＯxは窒素酸化物、Ｎ2は窒素ガスである。
【０００９】
キャリブレーションの困難さは、一つの反応速度の係数調整が複数の成分の量に影響を与えることにある。例えば、キャリブレーションの困難度を、反応速度の係数調整が影響を与える成分数の合計で定義する場合は、数１の反応速度の調整は、ＮＨ4，ＮＯx，Ｎ2の量に影響を与え、数２の反応速度の調整は、ＮＯx，Ｎ2の量に影響を与えるため、困難度は５となる。
【００１０】
困難度５の程度でのキャリブレーションは容易である。その容易さから、ＡＳＭを実装した水処理プロセスシミュレータは、これまで多くの下水処理プロセスを再現できており、運転支援や設計支援のシミュレーションに利用されてきた。
【００１１】
窒素酸化物の大部分は硝酸性窒素であり、ＡＳＭでは窒素態の成分をアンモニア性窒素と窒素酸化物のみの合計としている。しかし、厳密には、亜硝酸性窒素と一酸化二窒素（溶存態）が微量に含まれる。これを推定するため、従来の技術である〔特許文献３〕では、必要とする中間生成物を加えている。ここでは、亜硝酸性窒素を硝化反応の中間生成物に、亜硝酸性窒素と一酸化二窒素（溶存態）を脱窒反応の中間生成物として加えている。硝化反応の経路を数３に、脱窒反応の経路を数４に示す。
【００１２】
【数３】
0005637748.tif 000004
【００１３】
【数４】
0005637748.tif 000005
ここで、ＮＯ2は亜硝酸性窒素を、ＮＯ3は硝酸性窒素を、Ｎ2Ｏは一酸化二窒素を表す。硝化反応と還元反応において亜硝酸性窒素を求め、その亜硝酸性窒素から一酸化二窒素を推定する。一般的に一酸化二窒素の量は微量で、全窒素態の１％未満であるが、この方法では窒素収支に一酸化二窒素が含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−１６７５８５号公報
【特許文献２】特開２００２−１３７０号公報
【特許文献３】特開平１０−４３７８７号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】糸川ほか、“高付加間欠曝気式硝化・脱窒法における有機物制限条件下でのＮ2Ｏ生成機構”，環境工学研究論文集，第３４巻，pp.191-202 (1997)
【非特許文献２】国際水協会・生物学的廃水処理の設計および運転を支援するための数学モデルに関するタスクグループ編集，“活性汚泥モデル  ＡＳＭ１，ＡＳＭ２，ＡＳＭ２ｄ，ＡＳＭ３”，環境新聞社（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述した〔特許文献３〕の場合、成分数が増加して、それぞれの反応が影響を与える成分数も増加する。その結果、キャリブレーションの困難度は１８となるため、キャリブレーションの困難さが実用上の課題であった。
【００１７】
又、多くのキャリブレーションで使用実績のある数１，数２と共通する反応がないため、これまでのキャリブレーションにより求めた係数値を利用できず、改めてキャリブレーションする手間が生じるといった課題があった。また、温暖化抑制では、一酸化二窒素ガスの抑制が必要となるが、〔特許文献１〕では一酸化二窒素ガスと一酸化二窒素（溶存態）の関係についての記述はなく、一酸化二窒素ガスの発生量を予測できないといった課題があった。
【００１８】
本発明の目的は、処理場から生成する水質，温室効果ガスの可視化でき、演算した一酸化二窒素ガスの量の大きさの評価やその抑制手段の検討が可能である水質情報演算方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明の水質情報演算方法は、活性汚泥による硝化反応における複数の窒素態の成分の反応速度を演算する水質情報演算方法において、前記複数の窒素態の成分が、第一のアンモニア性窒素と、窒素酸化物，第二のアンモニア性窒素と、亜硝酸性窒素と、硝酸性窒素であって、前記第一のアンモニア性窒素が前記窒素酸化物へと酸化する第一の硝化反応経路と、前記第二のアンモニア性窒素が前記亜硝酸性窒素を経て前記硝酸性窒素へと酸化する第二の硝化反応経路とで構成されるモデルを用いて前記反応速度を演算するものである。
【００２０】
又、前記複数の窒素態の成分が、窒素酸化物と、第一の窒素ガス，硝酸性窒素と、亜硝酸性窒素と、第二の窒素ガスであって、前記窒素酸化物が前記第一の窒素ガスへと還元する第一の脱窒反応経路と、前記硝酸性窒素が前記亜硝酸性窒素を経て前記第二の窒素ガスへと還元する第二の脱窒反応経路と、で構成されるモデルを用いて前記反応速度を演算するものである。
【００２１】
又、前記複数の窒素態の成分が、第一のアンモニア性窒素と、窒素酸化物と、第一の窒素ガス，第二のアンモニア性窒素と、亜硝酸性窒素と、硝酸性窒素と、第二の窒素ガスであって、前記第一のアンモニア性窒素が前記窒素酸化物へと酸化し、前記窒素酸化物が前記第一の窒素ガスへと還元する第一の硝化脱窒反応経路と、前記第二のアンモニア性窒素が前記亜硝酸性窒素を経て前記硝酸性窒素へと酸化し、前記硝酸性窒素が前記亜硝酸性窒素を経て前記第二の窒素ガスへと還元する第二の硝化脱窒反応経路と、で構成されるモデルを用いて前記反応速度を演算するものである。
【００２２】
又、本発明の水質情報演算装置は、流入水の水量と水質を設定する流入条件設定手段と、処理プロセスの寸法や生物反応槽の分割を設定する土木構造設定手段と、ポンプ流量やブロワ流量を設定する運転操作量設定手段と、生物反応槽，最終沈殿池の処理水の水質を演算する水質演算手段と、表示手段を備え、前記表示手段には、前記ポンプと前記ブロワの消費電力から算出した電力由来の温室効果ガス排出量と、前記一酸化二窒素ガスの量から算出した温室効果ガス排出量と、前記水質演算手段により上記の水質情報演算方法で求めた前記処理水の水質及び一酸化二窒素ガスの量を表示するものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、処理場から生成する水質，温室効果ガスの可視化が可能になり、演算した一酸化二窒素ガスの量の大きさの評価やその抑制手段の検討が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１の反応経路を示す図。
【図２】本発明の実施例２の反応経路を示す図。
【図３】本発明の実施例３の反応経路を示す図。
【図４】本発明の実施例４の反応経路を示す図。
【図５】本発明の実施例５の水質シミュレータの構成図。
【図６】実施例５の水質の変動グラフを示す図。
【図７】実施例５の一酸化二窒素のトレンドグラフを示す図。
【図８】実施例５の温室効果ガスの変動グラフを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の各実施例を図面により説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の実施例１の水質情報演算処理装置に実装するモデル演算手段における複数の窒素態の成分の反応経路を示す。この反応経路で、複数の窒素態の成分は、第一のアンモニア性窒素１，窒素酸化物２，第二のアンモニア性窒素４，亜硝酸性窒素５，硝酸性窒素６である。
【００２７】
実線で示す反応１０，反応１１，反応１２は硝化反応である。反応１０は、第一のアンモニア性窒素１の窒素酸化物２への酸化反応である。反応１１は、第二のアンモニア性窒素４の亜硝酸性窒素５への酸化反応である。反応１２は、亜硝酸性窒素５の硝酸性窒素６への酸化反応である。これらの反応は、ある反応速度で生じ、例えば反応１０の反応速度は、第一のアンモニア性窒素１が窒素酸化物２に変化する速度である。
【００２８】
第一のアンモニア性窒素１，窒素酸化物２，反応１０で構成される第一の硝化反応経路である反応経路８０は、従来利用されてきた標準的な活性汚泥モデルＡＳＭの反応経路である。実施例１では、反応経路８０とは別に、第二のアンモニア性窒素１，亜硝酸窒素５，硝酸性窒素６で構成される第二の硝化反応経路である反応経路８１を考慮している。この反応経路８１を反応経路８０と独立して設けることは、標準的な反応経路に中間生成物を加えることに相当する。
【００２９】
実施例１では、反応経路８０とは別に反応経路８１を、独立ではなく並列して設けることで、標準的な活性汚泥モデルの反応経路８０において調整された反応速度の係数値に影響を与えることなく、亜硝酸性窒素５の量を求める係数値を取得するモデル演算手段を提供できる。
【００３０】
例えば、まず、実測値又は設定値として入力されたアンモニア性窒素と窒素酸化物の量を元に、これらの量を再現するように、反応１０の反応速度式に含まれる係数を調整する。次に、実測値又は設定値として入力されたアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素と硝酸性窒素の量を元に、これらの量を再現するように、反応１１と反応１２の反応速度式に含まれる係数を調整する。以上の手順により、標準的な活性汚泥モデルの反応経路８０において調整された係数値に影響を与えることなく、亜硝酸性窒素５の量を求める係数値を取得するモデル演算手段を提供できる。
【００３１】
上述の手順中に以下に説明する方法を用いることで、キャリブレーションの手間を低減でき、且つ妥当な亜硝酸性窒素５の量を求めることができる。
【００３２】
この方法では、次の仮定を設けている。すなわち、反応１０と反応１１の反応速度を等しくし、第一のアンモニア性窒素と第二のアンモニア性窒素の量を等しくする。
【００３３】
硝化反応の経路は、ＮＨ4→ＮＯ2→ＮＯ3で表されるが、中間生成物のＮＯ2の量はＮＨ4，ＮＯ3と比較して一般的に小さいため、時間ステップを大きくとると、ＮＨ4の減少速度とＮＯ3の増加速度は同程度である。したがって、反応１０の反応速度は、実用的には反応１１の反応速度と同程度とみなせる。そこで、反応１０の反応速度と反応１１の反応速度を同じ値に設定する。これらの反応速度が等しいため、反応経路８０と第一のアンモニア性窒素の量と、反応経路８１の第二のアンモニア性窒素の量は等しくなり、これらは同じ成分とみなせる。
【００３４】
以上の仮定により、キャリブレーション時の困難度を低減できる。標準的な活性汚泥モデルである反応経路８０では、反応１０の反応速度の調整に対して影響を受ける成分数が２成分とるため、困難度は２となる。
【００３５】
これに対して、反応経路８０と独立して反応経路８１を設ける従来技術では、反応速度の調整に対して影響を受ける成分数は、反応１１に対して３成分、反応１２に対して２成分で困難度は５と激増する。
【００３６】
実施例１の仮定により、反応経路８０のキャリブレーションで、第二のアンモニア性窒素４の量と、反応速度１１は決定されているため、反応速度８１のキャリブレーションの困難度は、反応１２に対して２成分で、実施例１の方法による困難度は２＋２＝４となり、従来技術の困難度より小さくできる。
【００３７】
また、窒素酸化物２，亜硝酸性窒素３，硝酸性窒素４は互いに独立な変数ではない。実施例１では標準的な活性汚泥モデルにより求めた窒素酸化物２の量と、一酸化二窒素ガスの生成量を予測するために求めた亜硝酸性窒素３の量が重要となる。このため、硝酸性窒素４の量を従属変数として、数５の関係式で定義する。
【００３８】
【数５】
0005637748.tif 000006
ここで、窒素酸化物２の量は［ＮＯx］、亜硝酸性窒素３の量は［ＮＯ2］、硝酸性窒素４の量は［ＮＯ3］である。これにより、計算誤差の蓄積や他の反応プロセスの干渉により、上式の関係が成立しないという不合理を避けることができる。
【００３９】
標準的な活性汚泥モデルの反応経路８０に対して、新たに加える反応速度の例を以下に示す。
【００４０】
反応１２は酸化反応のため、酸素が多い場合に進行する。反応１２の反応速度を数６に示す。
【００４１】
【数６】
0005637748.tif 000007
ここで、［Ｏ2］は酸素の量、Ｋ1は反応速度定数、Ｋ2，Ｋ3は半飽和定数、ＸAは硝化菌の量である。
【００４２】
以上のように、実施例１によれば、従来技術におけるキャリブレーションの困難さという課題を解決できる。また、反応経路８０は、これまで利用された標準的な活性汚泥モデルの反応経路であり、既にキャリブレーションを実施して反応速度の計数値を決定している場合がある。その場合、反応経路８１における反応１２の反応速度に関する計数値を決定すればよく、キャリブレーションの手間を低減できる。
【００４３】
本実施例では反応１２の反応速度をMonod式で表したが、他のモデル式でもよく、定数や場合分けによる不連続値を用いてもよい。また、これらの線形和でもよい。また、変数とする成分は、ここで示した成分には限らず、他の成分を用いてもよい。
【００４４】
本実施例の亜硝酸性窒素３の量を求めるプロセスは、アンモニア性窒素１と窒素酸化物２を求める演算プロセスから独立しているため、標準的な活性汚泥モデルＡＳＭに限らず、硝化反応と脱窒反応による成分の量の変化を記述するいかなるモデルにおいても、適用が可能である。
【００４５】
本実施例では、亜硝酸性窒素３と硝酸性窒素４の量を求めるプロセスにおいて、それらを合わせた量である窒素酸化物２に関する反応速度を始めに求めることで、キャリブレーションの困難さを緩和できることについて述べたが、同様の方法を、同様の関係を有する他の成分Ａ，成分Ｂ，成分Ａと成分Ｂの合わせた量である成分Ｃについて適用してもよい。
【００４６】
また、本実施例では中間生成物として亜硝酸性窒素を考えたが、一酸化二窒素の溶存態などをさらに加えてもよい。
【００４７】
また、本実施例では、硝化プロセスの中間生成物として亜硝酸性窒素を考えたが、必ずしも亜硝酸性窒素に限らず、一酸化二窒素ガスの前駆物質として定義してもよい。この場合、キャリブレーション時に亜硝酸性窒素の実測または設定値として入力された値を再現する必要はない。
【実施例２】
【００４８】
図２は、本発明の実施例２の水質情報演算処理装置に実装するモデル演算手段における複数の窒素態の成分の反応経路を示す。複数の窒素態の成分は、窒素酸化物２，第一の窒素ガス３，亜硝酸性窒素５，硝酸性窒素６，第二の窒素ガス７である。
【００４９】
点線で示す反応１３，反応１４，反応１５は脱窒反応である。反応１３は、窒素酸化物２の第一の窒素ガス３への還元反応である。反応１４は、硝酸性窒素６の亜硝酸性窒素５への還元反応である。反応１５は、亜硝酸性窒素５の第二の窒素ガス７への還元反応である。これらの反応は、ある反応速度で生じ、例えば反応１３の反応速度は、窒素酸化物２が第一の窒素ガス３に変化する速度である。
【００５０】
窒素酸化物２，第一の窒素ガス３と、反応１３で構成される第一の脱窒反応経路である反応経路９０は、従来利用されてきた標準的な活性汚泥モデルＡＳＭの反応経路である。実施例２では、反応経路９０とは別に、亜硝酸窒素５，硝酸性窒素６，窒素ガス７で構成される第二の脱窒反応経路である反応経路９１を考える。この反応経路を反応経路９０と独立して設けることは、標準的な反応経路に中間生成物を加えることに相当する。
【００５１】
実施例２では、反応経路９０とは別に反応経路９１を、独立ではなく並列して設けることで、標準的な活性汚泥モデルの反応経路９０において調整された反応速度の係数値に影響を与えることなく、亜硝酸性窒素５の量を求める係数値を取得するモデル演算手段を提供できる。
【００５２】
例えば、まず、実測値又は設定値として入力されたアンモニア性窒素と窒素酸化物の量を元に、これらの量を再現するように、反応１３の反応速度式に含まれる係数を調整する。次に、実測値又は設定値として入力された亜硝酸性窒素と硝酸性窒素の量を元に、これらの量を再現するように、反応１４と反応１５の反応速度式に含まれる係数を調整する。以上の手順により、標準的な活性汚泥モデルの反応経路９０において調整された係数値に影響を与えることなく、亜硝酸性窒素５の量を求める係数値を取得するモデル演算手段を提供できる。
【００５３】
上述の手順中に以下に説明する方法を用いることで、キャリブレーションの手間を低減でき、且つ妥当な亜硝酸性窒素５の量を求めることができる。
【００５４】
この方法では、次の仮定を設けている。反応１３と反応１５の反応速度を等しくし、第一の窒素ガスと第二の窒素ガスの量を等しくする。
【００５５】
又、脱窒反応の経路では、中間生成物としてＮＯ2を考慮する。溶存態の一酸化二窒素Ｎ2Ｏは、ＮＯ2と比較して微量で、全窒素態の量に対しては十分小さいため、ここでは無視した。その結果、脱窒反応の経路は、ＮＯ3→ＮＯ2→Ｎ2で表されるが、中間生成物のＮＯ2の量はＮＯ3，Ｎ2と比較して一般的に小さく、時間ステップを大きくとると、ＮＯ3の減少速度とＮ2の増加速度は同程度である。したがって、反応１３の反応速度は、実用的には反応１５の反応速度と同程度とみなせる。そこで、実施例２では反応１３の反応速度と反応１５の反応速度を同じ値とした。これらの反応速度が等しいため、反応経路９０と反応経路９１には同一の窒素ガス５が含まれることとなる。
【００５６】
以上のように仮定することにより、キャリブレーション時の困難度を低減できる。標準的な活性汚泥モデルである反応経路９０では、反応１３の反応速度の調整に対して影響を受ける成分数が２成分とるため、困難度は２となる。反応経路９０と独立して反応経路９１を設ける従来技術では、反応速度の調整に対して影響を受ける成分数は、反応１４に対して３成分、反応１５に対して２成分で困難度は５と激増する。
【００５７】
本実施例の仮定により、反応経路９０のキャリブレーションで、第二の窒素ガス７の量と、反応速度１３は決定されている。したがって、反応速度９１のキャリブレーションの困難度は、反応１４に対して２成分であり、本実施例では、困難度は２＋２＝４となり、従来技術の困難度より小さくできる。
【００５８】
また、窒素酸化物２，亜硝酸性窒素３，硝酸性窒素４は互いに独立な変数ではない。本実施例では標準的な活性汚泥モデルにより求めた窒素酸化物２の量と、一酸化二窒素ガスの生成量を予測するために求めた亜硝酸性窒素３の量が重要となる。したがって、硝酸性窒素４の量を従属変数として、上述した数５の関係式で定義する。
【００５９】
これにより、計算誤差の蓄積や他の反応プロセスの干渉により、上式の関係が成立しないという不合理を避けることができる。
【００６０】
標準的な活性汚泥モデルの反応経路９０に対して、新たに加える反応速度の例を以下に示す。
【００６１】
反応１４は還元反応のため、酸素が少ない場合に進行する。反応１４の反応速度を数７に示す。
【００６２】
【数７】
0005637748.tif 000008
ここで、Ｋ4は反応速度定数、Ｋ5，Ｋ6は半飽和定数、ＸHは従属影響菌の量である。
【００６３】
以上のように、本実施例によれば、従来技術におけるキャリブレーションの困難さという課題を解決できる。また、反応経路９０は、これまで利用された標準的な活性汚泥モデルの反応経路であり、既にキャリブレーションを実施して反応速度の計数値を決定している場合がある。その場合は、反応経路９１における反応１４の反応速度に関する計数値を決定すればよく、キャリブレーションの手間を低減できる。
【００６４】
本実施例では反応１４の反応速度をMonod式で表したが、他のモデル式でもよく、定数や場合分けによる不連続値を用いてもよい。また、これらの線形和でもよい。また、変数とする成分は、ここで示した成分には限らず、他の成分を用いてもよい。
【００６５】
本実施例の亜硝酸性窒素３の量を求めるプロセスは、窒素酸化物２と第一の窒素ガス３の量を求める演算プロセスから独立しているため、標準的な活性汚泥モデルＡＳＭに限らず、硝化反応と脱窒反応による成分の量の変化を記述するいかなるモデルにおいても、適用が可能である。
【００６６】
本実施例では、亜硝酸性窒素３と硝酸性窒素４の量を求めるプロセスにおいて、それらを合わせた量である窒素酸化物２に関する反応速度を始めに求めることで、キャリブレーションの困難さを緩和できることについて述べたが、同様の方法を、同様の関係を持つ他の成分Ａ，成分Ｂ，成分Ａと成分Ｂの合わせた量である成分Ｃについて適用してもよい。
【００６７】
また、本実施例では中間生成物として亜硝酸性窒素を考えたが、一酸化二窒素の溶存態などをさらに加えてもよい。
【００６８】
また、本実施例では、硝化・脱窒プロセスの中間生成物として亜硝酸性窒素を考えたが、必ずしも亜硝酸性窒素に限らず、一酸化二窒素ガスの前駆物質として定義してもよい。この場合、キャリブレーション時に亜硝酸性窒素の実測または設定値として入力された値を再現する必要はない。
【実施例３】
【００６９】
図３は、本発明の実施例３の水質情報演算処理装置に実装するモデル演算手段における複数の窒素態の成分の反応経路を示す。複数の窒素態の成分は、第一のアンモニア性窒素１，窒素酸化物２，第一の窒素ガス３，第二のアンモニア性窒素４，亜硝酸性窒素５，硝酸性窒素６，第二の窒素ガス７である。
【００７０】
実線で示す反応１０，反応１１，反応１２は硝化反応である。反応１０は第一のアンモニア性窒素１の窒素酸化物２への酸化反応である。反応１１は第二のアンモニア性窒素４の亜硝酸性窒素５への酸化反応である。反応１２は亜硝酸性窒素５の硝酸性窒素６への酸化反応である。
【００７１】
点線で示す反応１３，反応１４，反応１５は脱窒反応である。反応１３は窒素酸化物２の第一の窒素ガス３への還元反応である。反応１４は硝酸性窒素６の亜硝酸性窒素５への還元反応である。反応１５は亜硝酸性窒素５の第二の窒素ガス７への還元反応である。これらの反応は反応速度を持ち、例えば反応１０の反応速度は第一のアンモニア性窒素１が窒素酸化物２に変化する速度である。
【００７２】
第一のアンモニア性窒素１，窒素酸化物２，第一の窒素ガス３と、反応１０，反応１３で構成される第一の硝化脱窒反応経路である反応経路１００は、従来利用されてきた標準的な活性汚泥モデルＡＳＭの反応経路である。
【００７３】
本実施例では、反応経路１００とは別に、第二のアンモニア性窒素１，亜硝酸窒素５，硝酸性窒素６，窒素ガス７で構成される第二の硝化脱窒反応経路である反応経路１０１を考える。この反応経路を反応経路１００と独立して設けることは、標準的な反応経路に中間生成物を加える際の、従来技術に相当する。
【００７４】
本実施例では、反応経路１００とは別に反応経路１０１を、独立ではなく並列して設けることで、標準的な活性汚泥モデルの反応経路１００において調整された反応速度の係数値に影響を与えることなく、亜硝酸性窒素５の量を求める係数値を取得するモデル演算手段を提供できる。
【００７５】
例えば、まず、実測値又は設定値として入力されたアンモニア性窒素と窒素酸化物の量を元に、これらの量を再現するように、反応１０と反応１３の反応速度式に含まれる係数を調整する。次に、実測値又は設定値として入力されたアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素と硝酸性窒素の量を元に、これらの量を再現するように、反応１１と反応１２と反応１４と反応１５の反応速度式に含まれる係数を調整する。以上の手順により、標準的な活性汚泥モデルの反応経路１００において調整された係数値に影響を与えることなく、亜硝酸性窒素５の量を求める係数値を取得するモデル演算手段を提供できる。
【００７６】
上述の手順に、以下で説明する方法を用いることで、キャリブレーションの手間を低減でき、且つ妥当な亜硝酸性窒素５の量を求めることができる。
【００７７】
この方法では、次の仮定を設ける。すなわち、反応１０と反応１１の反応速度を等しくし、第一のアンモニア性窒素と第二のアンモニア性窒素の量を等しくする。且つ、反応１３と反応１５の反応速度を等しくし、第一の窒素ガスと第二の窒素ガスの量を等しくする。
【００７８】
硝化反応の経路は、ＮＨ4→ＮＯ2→ＮＯ3で表されるが、中間生成物のＮＯ2の量はＮＨ4，ＮＯ3と比較して一般的に小さいため、時間ステップを大きくとると、ＮＨ4の減少速度とＮＯ3の増加速度は同程度である。したがって、反応１０の反応速度は、実用的には反応１１の反応速度と同程度とみなせる。そこで、反応１０の反応速度と反応１１の反応速度を同じ値とする。これらの反応速度が等しいため、反応経路１００と第一のアンモニア性窒素の量と、反応経路１０１の第二のアンモニア性窒素の量は等しくなり、これらは同じ成分となる。
【００７９】
脱窒反応の経路では、中間生成物としてＮＯ2を考慮する。溶存態の一酸化二窒素Ｎ2Ｏは、ＮＯ2と比較して微量で、全窒素態の量に対しては十分小さいため、ここでは無視した。その結果、脱窒反応の経路は、ＮＯ3→ＮＯ2→Ｎ2で表されるが、中間生成物のＮＯ2の量はＮＯ3，Ｎ2と比較して一般的に小さく、時間ステップを大きくとると、ＮＯ3の減少速度とＮ2の増加速度は同程度である。したがって、反応１３の反応速度は、実用的には反応１５の反応速度と同程度である。そこで実施例３では反応１３の反応速度と反応１５の反応速度を同じ値とした。これらの反応速度が等しいため、反応経路１００と反応経路１０１には同一の窒素ガス５が含まれることとなる。
【００８０】
以上の仮定により、キャリブレーション時の困難度を低減できる。反応経路１００の困難度は５である。従来技術により、これと独立して反応経路１０１を設けると、反応速度の調整に対して影響を受ける成分数は、反応１１に対して４成分、反応１２に対して３成分、反応１３に対して３成分、反応１５に対して２成分となり、困難度は１２と激増する。
【００８１】
本実施例のように仮定することにより、反応経路１００のキャリブレーションにより、第二のアンモニア性窒素４と第二の窒素ガス７の量と、反応速度１１と反応速度１５は決定されている。したがって、反応速度１０１のキャリブレーションの困難度は、反応１２に対して２成分、反応１４に対して２成分の合計４で、本実施例の方法による困難度は５＋４＝９となり、従来技術の困難度より小さくできる。
【００８２】
また、窒素酸化物２，亜硝酸性窒素３，硝酸性窒素４は互いに独立な変数ではない。本実施例では標準的な活性汚泥モデルにより求めた窒素酸化物２の量と、一酸化二窒素ガスの生成量を予測するために求めた亜硝酸性窒素３の量が重要となる。したがって、硝酸性窒素４の量を従属変数として、上述した数５の関係式で定義する。
【００８３】
これにより、計算誤差の蓄積や他の反応プロセスの干渉により、上式の関係が成立しないという不合理を避けることができる。
【００８４】
標準的な活性汚泥モデルの反応経路１００に対して、新たに加える反応速度の例を以下に示す。反応１２は酸化反応のため、酸素が多い場合に進行する。反応１２の反応速度を上述した数６に示す。
【００８５】
反応１４は還元反応のため、酸素が少ない場合に進行する。反応１４の反応速度を上述した数７に示す。
【００８６】
以上のように本実施例により、従来技術におけるキャリブレーションの困難さという課題を解決できる。また、反応経路１００はこれまで利用された標準的な活性汚泥モデルの反応経路であり、既にキャリブレーションを実施して反応速度の計数値を決定している場合がある。その場合では、反応経路１０１における反応１２と反応１４の反応速度に関する計数値のみを決定すればよく、キャリブレーションの手間を低減できる。
【００８７】
本実施例では反応１２と反応１４の反応速度をMonod式で表したが、他のモデル式でもよく、定数や場合分けによる不連続値を用いてもよい。また、これらの線形和でもよい。また、変数とする成分は、ここで示した成分には限らず、他の成分を用いてもよい。
【００８８】
本実施例の亜硝酸性窒素３の量を求めるプロセスは、アンモニア性窒素１と窒素酸化物２を求める演算プロセスから独立しているため、標準的な活性汚泥モデルＡＳＭに限らず、硝化反応と脱窒反応による成分の量の変化を記述するいかなるモデルにおいても、適用が可能である。
【００８９】
本実施例では、亜硝酸性窒素３と硝酸性窒素４の量を求めるプロセスにおいて、それらを合わせた量である窒素酸化物２に関する反応速度をはじめに求めることで、キャリブレーションの困難さを緩和できることについて述べたが、同様の方法を、同様の関係を持つ他の成分Ａ，成分Ｂ，成分Ａと成分Ｂの合わせた量である成分Ｃについて適用してもよい。
【００９０】
また、実施例３では中間生成物として亜硝酸性窒素のみを考えたが、一酸化二窒素の溶存態などをさらに加えてもよい。
【００９１】
また、本実施例では、硝化・脱窒プロセスの中間生成物として亜硝酸性窒素を考えたが、必ずしも亜硝酸性窒素に限らず、一酸化二窒素ガスの前駆物質として定義してもよい。この場合、キャリブレーション時に亜硝酸性窒素の実測または設定値として入力された値を再現する必要はない。
【実施例４】
【００９２】
図４は、本発明の実施例４の水質情報演算処理装置に実装するモデル演算手段における複数の窒素態の成分の反応経路を示す。本実施例は、実施例１の構成の反応経路１０１に、一酸化二窒素ガス８を加え、亜硝酸性窒素５から一酸化二窒素ガス８への反応１６を加えている。
【００９３】
反応１６の反応速度を数８に示す。
【００９４】
【数８】
0005637748.tif 000009
【００９５】
一酸化二窒素ガス８の生成には亜硝酸性窒素５の量が関係することから、亜硝酸性窒素の量［ＮＯ2］を変数とした。ここで、Ｋ7はパージ定数で、好気槽で１、嫌気槽で０である。Ｋ8は反応速度定数、定数Ｋ9は半飽和定数である。ＸAは硝化菌の量である。パージ定数は、Ｎ2Ｏが溶存態として液中に生成し、その後曝気のパージ効果によって大気中に放出されることを表した定数である。
【００９６】
従来技術では、一酸化二窒素ガス８を脱窒反応の中間生成物としたが、一酸化二窒素６の量は極めて微量なため、実施例４では亜硝酸性窒素５から生成する最終生成物と考え、一酸化二窒素ガス８の生成による亜硝酸性窒素５の変化はないものとした。これにより、反応１６によるキャリブレーションの困難度は１となる。反応経路１００の困難度５の後の反応経路１０１の困難度は、反応１２に対して３成分、反応１４に対して３成分、反応１６に対して１成分の、合計７なり、実施例２によるキャリブレーションの困難度は、５＋７＝１２となる。これは、〔背景技術〕で述べた従来の技術の、Ｎ2Ｏの量も求める際の困難度１８と比較して小さく、キャリブレーションを容易に実行できる。また、〔背景技術〕で述べた従来技術では、一酸化二窒素ガスの量の求め方が不明という課題があったが、本実施例の方法により、一酸化二窒素ガスの生成量を求めることができる。
【００９７】
本実施例では反応１６の反応速度をMonod式で表したが、他のモデル式でもよく、定数や場合分けによる不連続値を用いてもよい。また、これらの線形和でもよい。また、変数とする成分は、ここで示した成分には限らず、他の成分を用いてもよい。
【００９８】
また、本実施例では中間生成物として亜硝酸性窒素のみを考えたが、一酸化二窒素の溶存態などをさらに加えてもよい。
【００９９】
また、本実施例では、硝化・脱窒プロセスの中間生成物として亜硝酸性窒素を考えたが、必ずしも亜硝酸性窒素に限らず、一酸化二窒素ガスの前駆物質として定義してもよい。この場合、キャリブレーション時に亜硝酸性窒素の実測または設定値として入力された値を再現する必要はない。
【実施例５】
【０１００】
図５は、本発明の実施例５の水質情報演算方法を用いた水質シミュレータの構成図である。水質シミュレータ２０は、流入水の水量と水質（成分）を設定する流入条件設定手段２１と、処理プロセスの寸法や生物反応槽の分割を設定する土木構造設定手段２２と、ポンプ流量やブロワ送風量を設定する運転操作量設定手段２３と、生物反応槽，最終沈殿池の処理水の水質値を演算する水質演算手段２４とで構成される。実施例１〜４で説明した窒素態の水質値を演算するモデル演算手段２５は、水質演算手段２４に含まれる。水質演算手段２４で演算した結果は表示手段２６で表示される。
【０１０１】
この水質シミュレータ２０により、例えば、活性汚泥による生物処理により汚水を処理する生物反応槽と最終沈殿池とで構成される水処理プラントにおいて、この水処理プラントへの流入条件と運転操作量に対する処理水水質と一酸化二窒素の生成量の演算量を可視化できる。
【０１０２】
流入条件設定手段２１では、実測値又は設定値として入力された値に基づいて、流入汚水量，流入水質の濃度を設定する。ここでの流入水質は、実施例１又は２で述べた窒素態の他、有機物やりんなどである。土木構造設定手段２２は、対象とする水処理プラントの生物反応槽や最終沈殿池の容積，生物反応槽の分割数，循環流路や返送流路，ブロワ流路などの配管を設定する。運転操作量設定手段では、循環流量や返送流量などのポンプ流量や、ブロワ送風量を設定する。
【０１０３】
以上のようにして設定されたデータを基に、水質演算手段２４により、生物反応槽，最終沈殿池での処理水の水質を演算する。水質演算手段２４には、上述した標準的な活性汚泥モデルに各槽（生物反応槽及び最終沈殿池）での流入・流出の関係を加えた数９に示す物質収支式を用いる。
【０１０４】
【数９】
0005637748.tif 000010
ここで、Ｃi：対象とする槽での水質ｉの濃度、Ｃi,in：水質ｉの流入濃度、Ｃi,out：水質ｉの流出濃度、Ｖ：対象とする槽の容積である。ΔＣiは活性汚泥モデルにより演算される生物反応による（単位時間あたりの）濃度変化量である。なお、窒素態のΔＣiに関しては、本実施例のモデル演算手段で演算される。また、最終沈殿池では、固形物質と溶存物質の分離も演算する。
【０１０５】
各生物反応槽から生成する温室効果ガスの量は、設定したポンプとブロワなどの電動機の消費電力量と、実施例４で説明した一酸化二窒素ガスの量から数１０，数１１により演算する。
【０１０６】
【数１０】
0005637748.tif 000011
【０１０７】
【数１１】
0005637748.tif 000012
ここで、Ｇtotal：処理場全体からの全温室効果ガス排出量の二酸化炭素換算値、ＧP：電動機の消費電力に由来する温室効果ガス排出量の二酸化炭素換算値、ＧN2O：一酸化二窒素ガスに由来する温室効果ガス排出量の二酸化炭素換算値、Ｐj：電動機ｊの消費電力、Ｃk,N2O：生物反応槽ｋのＮ2Ｏ排出量、ｍ：電動機数、ｎ：生物反応槽数、ＡP：電力の二酸化炭素換算係数、ＡN2O：一酸化二窒素ガスの二酸化炭素換算係数である。単位にもよるが、一般的には、ＡP＝０.５５５［kg−ＣＯ2／ｋＷｈ］，ＡN2O＝３１０［kg−ＣＯ2／kg−Ｎ2Ｏ］が用いられる。
【０１０８】
水質の輸送と反応を考慮した物質収支式により演算した、生物反応槽と最終沈殿池の処理水の水質を、表示手段２６で可視化する。表示手段２６では、演算結果を、棒グラフ，トレンドグラフ，一覧表などの手段で、例えばＰＣのモニタに出力する。
【０１０９】
図６は、生物反応槽と最終沈殿池における、アンモニア性窒素と、硝酸性窒素と、亜硝酸性窒素の濃度の変化と、一酸化二窒素ガスの生成速度の変化を表す。
【０１１０】
図７は、ある生物反応槽における一酸化二窒素ガスのトレンドグラフを表す。図８は、各時刻におけるＧP，ＧN2Oとその合計であるＧtotalの変動を示す。これらにより、処理場から排出される温室効果ガスや水質の量の可視化が可能となる。
【０１１１】
また、可視化した水質や温室効果ガスの情報をもとに、これらを抑制するための運転操作量の条件などを、水質シミュレータ上で探索する機能を、運転支援機能として水質シミュレータに付加しても良い。その際に、処理水の水質と排出する温室効果ガスをある重み係数で線形結合した量を環境コストと定義し、この環境コストを最小化するように運転操作量の条件を探索してもよい。この重み係数は入力値としてもよい。
【０１１２】
また、温室効果ガスの排出源として、上述の電力と一酸化二窒素ガスの他に、余剰汚泥や凝集剤を加えてもよい。
【０１１３】
以上のように本実施例の方法により、処理場から生成する水質，温室効果ガスの可視化が可能になり、演算した一酸化二窒素ガスの量の大きさの評価やその抑制手段の検討が可能となる。
【符号の説明】
【０１１４】
２０  水質シミュレータ
２１  流入条件設定手段
２２  土木構造設定手段
２３  運転操作量設定手段
２４  水質演算手段
２５  モデル演算手段
２６  表示手段
【図１】
0005637748.tif 000013
【図２】
0005637748.tif 000014
【図３】
0005637748.tif 000015
【図４】
0005637748.tif 000016
【図５】
0005637748.tif 000017
【図６】
0005637748.tif 000018
【図７】
0005637748.tif 000019
【図８】
0005637748.tif 000020