(57)【要約】【課題】膜分離活性法を用いた水処理システムにおいて、処理水アンモニア態窒素濃度及び分離膜メンテナンス間隔が所定の条件を満たし、且つ、ブロワの稼働エネルギーを極力小さくすることができる運転条件を求める。【解決手段】運転条件演算装置８が、設定された状態値に基づくブロワ動力、処理水NH4濃度及び分離膜メンテナンス間隔を算出する。さらに、ブロワ動力を評価する項、処理水NH4濃度を評価する項、及び分離膜メンテナンス間隔を評価する項を含む評価関数を用いて、処理水アンモニア態窒素濃度が処理水アンモニア態窒素濃度閾値より大きいとき、及び、分離膜メンテナンス間隔が分離膜メンテナンス間隔閾値より小さいときの少なくとも一方で過大となるような評価値を算出する。そして、複数の異なる状態値において評価値を算出し、評価値が最小となる状態値を最適運転条件とする。【選択図】図４
2015127027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理水アンモニア態窒素濃度閾値と分離膜メンテナンス間隔閾値の入力を受け付ける入力受付手段と、
好気槽アンモニア態窒素濃度及びスクラビング風量を含む状態値を設定する状態値設定手段と、
前記状態値に基づくブロワ動力を算出するブロワ動力算出手段と、
前記状態値に基づく処理水アンモニア態窒素濃度を算出する処理水アンモニア態窒素濃度算出手段と、
前記状態値に基づく分離膜メンテナンス間隔を算出する分離膜メンテナンス間隔算出手段と、
前記ブロワ動力を評価する第１項、前記処理水アンモニア態窒素濃度を評価する第２項、及び前記分離膜メンテナンス間隔を評価する第３項を含む評価関数を用いて、前記処理水アンモニア態窒素濃度が前記処理水アンモニア態窒素濃度閾値より大きいとき、及び、前記分離膜メンテナンス間隔が前記分離膜メンテナンス間隔閾値より小さいときの少なくとも一方で過大となるような評価値を算出する評価値算出手段と、
異なる複数の前記状態値に基づいて算出された複数の前記評価値の中から、最も小さい前記評価値と対応する前記状態値を最適運転条件とする最適運転条件算出手段とを、
備えている運転条件演算装置。
【請求項２】
前記評価関数が、前記ブロワ動力に第１係数を掛けた前記第１項と、前記処理水アンモニア態窒素濃度に第２係数を掛けた前記第２項と、第３係数を前記分離膜メンテナンス間隔で割った前記第３項との和として表わされ、
前記評価値算出手段は、前記処理水アンモニア態窒素濃度と前記処理水アンモニア態窒素濃度閾値とを比較し、前記処理水アンモニア態窒素濃度が前記処理水アンモニア態窒素濃度閾値より大きいときに、それ以外のときと比較して過大な前記第２係数を用い、
前記分離膜メンテナンス間隔と前記分離膜メンテナンス間隔閾値とを比較し、前記分離膜メンテナンス間隔が前記分離膜メンテナンス間隔閾値より小さいときに、それ以外のときと比較して過大な前記第３係数を用いて、前記評価値を算出する、
請求項１に記載の運転条件演算装置。
【請求項３】
最適解探索アルゴリズムを用いて前記状態値を遷移させることにより、前記異なる複数の前記状態値を算出する状態値算出手段を更に備えている、請求項１又は２に記載の運転条件演算装置。
【請求項４】
前記好気槽アンモニア態窒素濃度、前記スクラビング風量及び前記ブロワ動力の関係を示すブロワ動力算出情報が記憶された第１の記憶手段を備え、
前記ブロワ動力算出手段が、前記ブロワ動力算出情報を利用して、前記状態値に基づく前記ブロワ動力を算出する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の運転条件演算装置。
【請求項５】
前記好気槽アンモニア態窒素濃度、前記スクラビング風量及び前記処理水アンモニア態窒素濃度の関係を示す処理水アンモニア態窒素濃度算出情報が記憶された第２の記憶手段を備え、
前記処理水アンモニア態窒素濃度算出手段が、処理水アンモニア態窒素濃度算出情報を利用して、前記状態値に基づく前記処理水アンモニア態窒素濃度を算出する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の運転条件演算装置。
【請求項６】
前記好気槽アンモニア態窒素濃度、前記スクラビング風量及び前記分離膜メンテナンス間隔の関係を示す分離膜メンテナンス間隔算出情報が記憶された第３の記憶手段を備え、
前記分離膜メンテナンス間隔算出手段が、前記分離膜メンテナンス間隔算出情報を参照して、前記状態値に基づく前記分離膜メンテナンス間隔を算出する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の運転条件演算装置。
【請求項７】
被処理液の好気性処理が行われる好気槽と、
前記好気槽の前記被処理液中へエアを送る曝気ブロワと、
前記好気槽で処理された前記被処理液を濾過して処理水とする分離膜を有する膜分離槽と、
前記膜分離槽の被処理液中へ前記分離膜の下方からエアを送るスクラビングブロワと、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の運転条件演算装置と、
前記運転条件演算装置から前記最適運転条件の出力を受け取る出力装置とを備えている、水処理システム。
【請求項８】
前記出力装置が、前記最適運転条件に基づいて前記曝気ブロワと前記スクラビングブロワの少なくとも一方の動作を制御する制御装置である、請求項７に記載の水処理システム。
【請求項９】
前記出力装置が、前記最適運転条件を表示出力する表示装置と前記最適運転条件を印字出力する印字装置のうち少なくとも一方である、請求項７に記載の水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理設備等に設けられる、好気槽を含む生物反応槽を備えた水処理システムに関する。特に、上記水処理システムの運転条件を算出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生活排水などの下水の水処理システムの一つとして、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ：Membrane Bio-Reactor）で再生水を製造する水処理システムが知られている。例えば、特許文献１に記載の水処理システムは、原水（流入下水）を貯溜する原水槽と、原水中の汚濁物質を活性汚泥で生物処理する一連の生物反応槽と、原水と活性汚泥が混合した被処理液から汚泥を膜分離する膜分離槽と、濾過された処理水が流入する濾過水槽とを備えている。一連の生物反応槽には、嫌気槽、無酸素槽、及び曝気装置を備えた好気槽などが含まれている。これらの生物反応槽で、炭素系有機物、窒素含有化合物、リン含有化合物などの原水に含まれる汚濁物質の除去が行われる。
【０００３】
上記水処理システムの好気槽には、好気槽に微細気泡を供給するための曝気装置が備えられている。曝気装置は、好気槽底部で気泡を放出するノズルと、ノズルへ空気を圧送するブロワなどで構成されている。好気槽の底部へ供給された微細気泡により、好気槽の被処理液の溶存酸素が高められるとともに、被処理液が撹拌される。流入水の水質は時間に応じて変動するため、必要となる曝気装置の送風量についても時間に応じて刻々と変動する。そのため、好気槽内に設置された溶存酸素計により槽内の溶存酸素濃度を計測し、槽内の溶存酸素濃度が一定に保たれるように送風量をコントロールする溶存酸素一定制御が広く利用されている。最近では、より精度が高い好気槽アンモニア態窒素濃度一定制御する技術が提案されている。これは、好気槽に設置されたアンモニア計によりアンモニア態窒素濃度を常時計測し、槽内のアンモニア態窒素濃度が一定に保たれるように送風量を自動制御する技術である。
【０００４】
また、上記水処理システムの膜分離槽には、被処理液から汚泥を膜分離する分離膜が設けられている。このような膜分離槽には、一般に、分離膜を洗浄するためのスクラビング装置が備えられる。このスクラビング装置は、分離膜の下方で気泡を放出するノズルと、ノズルへ空気を圧送するブロワなどで構成されている。分離膜の下方に供給された気泡により、分離膜表面を通過する上昇流が形成され、さらに、分離膜に振動が与えられることにより、分離膜への汚泥の付着が防止されるとともに付着した汚泥が除去される。スクラビング装置のブロワは、通常、分離膜メーカーが推奨する送風量で定速運転される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−６６２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記曝気装置のブロワ及びスクラビング装置のブロワの稼働に必要なエネルギーは、水処理システムの運転エネルギーにおいて大きな割合を占めている。上記特許文献１では、曝気装置の稼働エネルギーの削減について検討されているが、スクラビング装置の稼働エネルギーについては未検討である。
【０００７】
スクラビング装置は分離膜の洗浄を目的とするものであるが、スクラビング装置により膜分離槽の被処理液中へ供給される気泡により好気槽と同様に被処理液が曝気される。この曝気効果により、膜分離槽の被処理液のアンモニア態窒素濃度が幾分か減少するので、曝気装置のブロワの送風量は膜分離槽での曝気効果を考慮した値とすることが望ましい。例えば、曝気装置のブロワの送風量を増やした場合、好気槽から膜分離槽へ流入する被処理液のアンモニア態窒素濃度は低くなる。このような場合には、スクラビング装置のブロワ送風量を減らすことができる。一方で、スクラビング装置のブロワ送風量が減ると、分離膜の洗浄効果が低下するので、分離膜のメンテナンス間隔が短くなるという不都合が生じる。
【０００８】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、膜分離活性法を用いた水処理システムにおいて、分離膜で濾過された処理水のアンモニア態窒素濃度と分離膜のメンテナンス間隔が所定の条件を満たし、且つ、システムに備えられるブロワの稼働エネルギーを極力小さくすることができる水処理システムの運転条件を求める技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る運転条件演算装置は、
処理水アンモニア態窒素濃度閾値と分離膜メンテナンス間隔閾値の入力を受け付ける入力受付手段と、
好気槽アンモニア態窒素濃度及びスクラビング風量を含む状態値を設定する状態値設定手段と、
前記状態値に基づくブロワ動力を算出するブロワ動力算出手段と、
前記状態値に基づく処理水アンモニア態窒素濃度を算出する処理水アンモニア態窒素濃度算出手段と、
前記状態値に基づく分離膜メンテナンス間隔を算出する分離膜メンテナンス間隔算出手段と、
前記ブロワ動力を評価する第１項、前記処理水アンモニア態窒素濃度を評価する第２項、及び前記分離膜メンテナンス間隔を評価する第３項を含む評価関数を用いて、前記処理水アンモニア態窒素濃度が前記処理水アンモニア態窒素濃度閾値より大きいとき、及び、前記分離膜メンテナンス間隔が前記分離膜メンテナンス間隔閾値より小さいときの少なくとも一方で過大となるような評価値を算出する評価値算出手段と、
異なる複数の前記状態値に基づいて算出された複数の前記評価値の中から、最も小さい前記評価値と対応する前記状態値を最適運転条件とする最適運転条件算出手段とを、備えているものである。
【００１０】
上記運転条件演算装置によれば、処理水アンモニア態窒素濃度が処理水アンモニア態窒素濃度閾値以下であり、分離膜メンテナンス間隔が分離膜メンテナンス間隔閾値以上であり、且つ、ブロワ動力がより小さくなるような最適運転条件が算出される。したがって、算出された最適運転条件に基づいてブロワ（曝気ブロワとスクラビングブロワ）が駆動されれば、分離膜で濾過された処理水のアンモニア態窒素濃度と分離膜のメンテナンス間隔が所定の条件を満たし、且つ、システムに備えられるブロワの稼働エネルギーを極力小さくすることができる。
【００１１】
上記運転条件演算装置において、前記評価関数が、前記ブロワ動力に第１係数を掛けた前記第１項と、前記処理水アンモニア態窒素濃度に第２係数を掛けた前記第２項と、第３係数を前記分離膜メンテナンス間隔で割った前記第３項との和として表わされ、
前記評価値算出手段が、前記処理水アンモニア態窒素濃度と前記処理水アンモニア態窒素濃度閾値とを比較し、前記処理水アンモニア態窒素濃度が前記処理水アンモニア態窒素濃度閾値より大きいときに、それ以外のときと比較して過大な前記第２係数を用い、
前記分離膜メンテナンス間隔と前記分離膜メンテナンス間隔閾値とを比較し、前記分離膜メンテナンス間隔が前記分離膜メンテナンス間隔閾値より小さいときに、それ以外のときと比較して過大な前記第３係数を用いて、前記評価値を算出するように構成されていることが望ましい。
【００１２】
上記運転条件演算装置が、最適解探索アルゴリズムを用いて前記状態値を遷移させることにより、前記異なる複数の前記状態値を算出する状態値算出手段を更に備えていることがよい。
【００１３】
上記運転条件演算装置によれば、好適な最適運転条件を算出するために適切な状態値を設定することができる。
【００１４】
上記運転条件演算装置が、前記好気槽アンモニア態窒素濃度、前記スクラビング風量及び前記ブロワ動力の関係を示すブロワ動力算出情報が記憶された第１の記憶手段を備え、
前記ブロワ動力算出手段が、前記ブロワ動力算出情報を利用して、前記状態値に基づく前記ブロワ動力を算出するように構成されていてよい。
【００１５】
上記運転条件演算装置によれば、状態値に基づいてブロワ動力を複雑な演算をすることなく算出することができる。
【００１６】
上記運転条件演算装置が、前記好気槽アンモニア態窒素濃度、前記スクラビング風量及び前記処理水アンモニア態窒素濃度の関係を示す処理水アンモニア態窒素濃度算出情報が記憶された第２の記憶手段を備え、
前記処理水アンモニア態窒素濃度算出手段が、処理水アンモニア態窒素濃度算出情報を利用して、前記状態値に基づく前記処理水アンモニア態窒素濃度を算出するように構成されていてよい。
【００１７】
上記運転条件演算装置によれば、状態値に基づいて処理水アンモニア態窒素濃度を複雑な演算をすることなく算出することができる。
【００１８】
上記運転条件演算装置が、前記好気槽アンモニア態窒素濃度、前記スクラビング風量及び前記分離膜メンテナンス間隔の関係を示す分離膜メンテナンス間隔算出情報が記憶された第３の記憶手段を備え、
前記分離膜メンテナンス間隔算出手段が、前記分離膜メンテナンス間隔算出情報を参照して、前記状態値に基づく前記分離膜メンテナンス間隔を算出するように構成されていてよい。
【００１９】
上記運転条件演算装置によれば、状態値に基づいて分離膜メンテナンス間隔を複雑な演算をすることなく算出することができる。
【００２０】
本発明に係る水処理システムは、
被処理液の好気性処理が行われる好気槽と、
前記好気槽の前記被処理液中へエアを送る曝気ブロワと、
前記好気槽で処理された前記被処理液を濾過して処理水とする分離膜を有する膜分離槽と、
前記膜分離槽の被処理液中へ前記分離膜の下方からエアを送るスクラビングブロワと、
前記運転条件演算装置と、
前記運転条件演算装置から前記最適運転条件の出力を受け取る出力装置とを備えているものである。
【００２１】
上記水処理システムによれば、処理水アンモニア態窒素濃度が処理水アンモニア態窒素濃度閾値以下であり、分離膜メンテナンス間隔が分離膜メンテナンス間隔閾値以上であり、且つ、ブロワ動力がより小さくなるような水処理システムの運転条件が算出される。したがって、算出された運転条件に基づいて水処理システムが運転されれば、分離膜で濾過された処理水のアンモニア態窒素濃度と分離膜のメンテナンス間隔が所定の条件を満たし、且つ、システムに備えられるブロワの稼働エネルギーを極力小さくすることができる。
【００２２】
上記水処理システムにおいて、前記出力装置が、前記最適運転条件に基づいて前記曝気ブロワと前記スクラビングブロワの少なくとも一方の動作を制御する制御装置であってよい。
【００２３】
上記水処理システムによれば、運転条件演算装置で算出された最適運転条件を利用して、曝気ブロワとスクラビングブロワの少なくとも一方の動作が制御される。そして、曝気ブロワとスクラビングブロワの少なくとも一方の稼働エネルギーを、従来の定速運転と比較して、削減できる。
【００２４】
上記水処理システムにおいて、前記出力装置が、前記最適運転条件を表示出力する表示装置と前記最適運転条件を印字出力する印字装置のうち少なくとも一方であってよい。
【００２５】
上記水処理システムによれば、システムの管理者が、表示装置及び印字装置の少なくとも一方に出力された最適運転条件を知得し、この最適運転条件に基づいて水処理システムを運転させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、分離膜で濾過された処理水のアンモニア態窒素濃度と分離膜のメンテナンス間隔が所定の条件を満たし、且つ、システムに備えられるブロワの稼働エネルギーを極力小さくすることができる水処理システムの運転条件を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る水処理システムの概略構成を示す図である。
【図２】水処理システムの制御構成を示すブロック図である。
【図３】運転条件演算装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】運転条件演算装置で行われる処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】曝気風量−好気槽NH4濃度の関係を示す情報の一例である。
【図６】ブロワの性能曲線の一例である。
【図７】処理水NH4濃度−好気槽NH4濃度−スクラビング風量の関係を示す情報の一例である。
【図８】膜メンテナンス間隔−好気槽NH4濃度−スクラビング風量の関係を示す情報の一例である。
【図９】実施例１の演算の過程及び演算結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２９】
本発明の一実施形態に係る水処理システムは、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ：Membrane Bio-Reactor）を利用して下水を浄化するためのシステムである。図１に示されるように、水処理システム１０は、原水槽２と、嫌気槽３１、無酸素槽３２、好気槽３３及び膜分離槽３４から成る一連の生物反応槽３と、濾過水槽５７とを備えている。
【００３０】
原水槽２には、流入した下水が一時的に貯えられている。原水槽２の流出側は、配管５２によって一連の生物反応槽３の最も上流側に位置する嫌気槽３１の流入側と接続されている。配管５２には、原水槽２に貯えられた原水を嫌気槽３１へ圧送する供給ポンプ５１が設けられている。
【００３１】
生物反応槽３は、上流側から嫌気槽３１、無酸素槽３２、好気槽３３及び膜分離槽３４の順に設けられている。本実施の形態において、嫌気槽３１、無酸素槽３２、好気槽３３及び膜分離槽３４は一つの反応槽を隔壁で仕切ることにより形成されているが、これらのうち少なくとも一つが独立した処理槽であってもよい。嫌気槽３１と無酸素槽３２、無酸素槽３２と好気槽３３、好気槽３３と膜分離槽３４は、それぞれ隔壁に形成された開口によって連通している。
【００３２】
好気槽３３では、被処理液の好気的処理を行うために被処理液を曝気するための曝気装置９が設けられている。曝気装置９は、好気槽３３の底部に配置されたノズル９１と、ノズル９１へ空気を圧送する曝気ブロワ９２とを備えている。この曝気装置９により、好気槽３３の底部から被処理液に微細気泡（エア）が吹き込まれる。好気槽３３に吹き込まれた気泡の上昇により被処理液が攪拌されるとともに、被処理液が曝気されて被処理液の溶存酸素量が高められる。曝気ブロワ９２の送風量（以下、「曝気風量」という）は、制御装置４により制御される。
【００３３】
膜分離槽３４には、被処理液から汚泥を分離する分離膜ユニット３５が設けられている。分離膜ユニット３５には多数の分離膜が備えられている。分離膜ユニット３５は、膜分離槽３４と濾過水槽５７とを接続する配管５６の始端部分に設けられている。配管５６には、処理水を圧送する排出ポンプ５５が設けられている。
【００３４】
また、膜分離槽３４には、分離膜ユニット３５を洗浄するためのスクラビング装置７が設けられている。スクラビング装置７は、分離膜ユニット３５の下方に配置されたノズル７１と、ノズル７１へ空気を圧送するスクラビングブロワ７２とを備えている。スクラビングブロワ７２からノズル７１へ圧送された空気は、ノズル７１から膜分離槽３４の液層中へ微細気泡（スクラビングエア）として放出される。この気泡が分離膜ユニット３５の膜表面近傍を上昇することで、分離膜ユニット３５の膜表面近傍に上昇流が発生し、さらに、分離膜ユニット３５に振動が与えられる。これにより、分離膜ユニット３５の膜表面に付着した汚泥が除去されるとともに、膜表面への汚泥の付着が抑制される。スクラビングブロワ７２の送風量（以下、「スクラビング風量」という）は、制御装置４により制御される。
【００３５】
原水槽２の流出側近傍には、原水槽２から一連の生物反応槽３へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度（以下では、アンモニア態窒素濃度を「NH4濃度」と表示する）を計測する原水アンモニア計６１が設けられている。また、好気槽３３の流出側近傍には、好気槽３３から流出する被処理液のNH4濃度を計測する好気槽アンモニア計６２が設けられている。さらに、濾過水槽５７には、濾過水槽５７へ放流された処理水のNH4濃度を計測する処理水アンモニア計６３が設けられている。なお、処理水のアンモニア計６３については、無くても本発明には問題ない。
【００３６】
図２は水処理システム１０の制御構成を示すブロック図である。水処理システム１０の運転は制御装置４により制御されている。制御装置４には、原水アンモニア計６１、好気槽アンモニア計６２、及び処理水アンモニア計６３が接続されている。制御装置４は、これらのアンモニア計６１，６２，６３の計測値に基づいて、供給ポンプ５１、排出ポンプ５５の動作を制御する。また、制御装置４は、後述する運転条件演算装置８の演算結果に基づいて曝気装置９の曝気ブロワ９２と、スクラビング装置７のスクラビングブロワ７２の動作を制御する。
【００３７】
ここで、上記構成の水処理システム１０による再生水製造プロセスについて説明する。再生水製造プロセスでは、原水に含まれる有機物、窒素（アンモニア態窒素（NH4-N）と有機態窒素）、及びリン等の除去が行われる。
【００３８】
原水槽２に貯えられた原水は、供給ポンプ５１の稼働により配管５２を通じて嫌気槽３１へ送られる。嫌気槽３１に流入した原水は、活性汚泥と混ぜ合わされる。嫌気槽３１の活性汚泥中のリン蓄積細菌は、原水中の有機物を体内に取り込んで、体内に保持していたリン酸（PO4）を放出する。嫌気槽３１の被処理液は、隔壁の開口を通じて無酸素槽３２へ流入する。
【００３９】
無酸素槽３２では、嫌気槽３１から流入した被処理液と、好気槽３３から戻された窒素と酸素とが結びついた被処理液とが混ぜ合わされる。無酸素槽３２の脱窒細菌が窒素に付いた酸素を奪って呼吸することにより、窒素はガスとなって放出される。無酸素槽３２の被処理液は、隔壁の開口を通じて好気槽３３へ流入する。
【００４０】
好気槽３３では、活性汚泥に含まれる従属栄養生物が酸素を取り込み、有機物を分解する。また、好気槽３３では、好気条件下でリンを過剰摂取するリン蓄積細菌が、嫌気槽３１で放出された以上のリン酸態のリンを取り込む。リンを蓄積した活性汚泥は余剰汚泥として、膜分離槽３４の底部から系外へ排出される。さらに、好気槽３３では、アンモニア態窒素が酸化されて亜硝酸態窒素（NO2-N）、硝酸態窒素（NO3-N）となる。好気槽３３の被処理液は、膜分離槽３４へ流入する。膜分離槽３４の被処理液は、分離膜ユニット３５で濾過されることにより浄化された処理水となって、配管５６を通じて濾過水槽５７へ圧送される。なお、濾過水槽５７に加えて又は代えて、処理水の使用設備へ処理水が送られてもよい。
【００４１】
ここで、運転条件演算装置８について説明する。運転条件演算装置８は、処理水のNH4濃度が規制値以下であり、且つ、分離膜ユニット３５の分離膜のメンテナンス間隔が適切な範囲であることを計算条件として、運転エネルギーをより低く抑えることのできる水処理システム１０の最適運転条件を算出する装置である。水処理システム１０の最適運転条件には、曝気ブロワ９２とスクラビングブロワ７２のうち少なくとも一方の運転条件が含まれている。
【００４２】
図３は運転条件演算装置８の概略構成を示すブロック図である。運転条件演算装置８は、演算装置８０、入力装置８１（入力受付手段）、記憶装置８２（記憶手段）、印字装置８３、及び表示装置８４などを備えている。
【００４３】
演算装置８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）の他、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ｉ／Ｆ（Interface）、Ｉ／Ｏ（Input/output Port）等を有している（いずれも図示せず）。ＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。ＣＰＵが実行するプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード等の各種記憶媒体に保存されており、これらの記憶媒体からＲＯＭにインストールされる。ＲＡＭには、プログラム実行時に必要なデータが一時的に記憶される。Ｉ／Ｆは、外部装置（例えば、入力装置８１や記憶装置８２）とのデータ送受信を行う。Ｉ／Ｏは、各種センサの検出信号の入力／出力を行う。
【００４４】
演算装置８０には、入力装置８１が情報の入力が可能となるように接続されている。入力装置８１を通じて演算装置８０へ、１巡目好気槽NH4濃度、１巡目スクラビング風量、処理水NH4濃度閾値、及び膜メンテナンス間隔閾値などが入力される。なお、入力装置８１から演算装置８０へ入力される各種情報が、制御装置４から演算装置８０へ入力されてもよい。また、演算装置８０には、制御装置４、印字装置８３、及び表示装置８４などの出力装置が情報の出力が可能となるように接続されている。
【００４５】
さらに、演算装置８０には、記憶装置８２が情報の送受信が可能となるように接続されている。演算装置８０は、各種演算を行う際に、適宜記憶装置８２に記憶されている情報を読み出して使用することができる。記憶装置８２には、曝気ブロワ性能曲線、スクラビングブロワ性能曲線、曝気風量−好気槽NH4濃度関係情報、処理水NH4濃度−スクラビング風量関係情報、及び、膜メンテナンス間隔−好気槽NH4濃度−スクラビング風量関係情報などが記憶されている。なお、本実施形態では１つの記憶装置８２に上記各情報が記憶されるように示されているが、各情報が個別の記憶装置８２に記憶されていてもよい。また、記憶装置８２に記憶された各情報が、演算装置８０の内部メモリに記憶されていてもよい。
【００４６】
上記構成の運転条件演算装置８は、状態値設定手段７３、ブロワ動力算出手段７４、処理水NH4濃度算出手段７５、膜メンテナンス間隔算出手段７６、評価値算出手段７７、最適運転条件算出手段７８、及び、状態値算出手段７９としての機能を有する。運転条件演算装置８は、演算装置８０でＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとＣＰＵ等のハードウェアとが協働することにより、上記機能手段として機能し、後述する各処理を行うように構成されている。なお、運転条件演算装置８は単一のＣＰＵにより各処理を実行してもよいし、複数のＣＰＵの組み合わせにより各処理を実行してもよい。
【００４７】
続いて、上記構成の運転条件演算装置８の演算処理の流れを、具体的な数値例（実施例１）を挙げて説明する。図４は運転条件演算装置で行われる処理の流れを示すフローチャートである。図５は曝気風量−好気槽NH4濃度の関係を示す情報の一例であって、曝気風量を好気槽NH4濃度の関数として示したグラフである。このグラフの横軸は好気槽NH4濃度であり、縦軸は曝気風量である。図６はブロワの性能曲線の一例であって、ブロワへ供給される電力を風量の関数として示したグラフである。このグラフの横軸は風量を表し、縦軸は電力を表している。このグラフには曝気ブロワ９２のブロワ性能曲線とスクラビングブロワ７２の性能曲線とがプロットされている。図７は処理水NH4濃度−好気槽NH4濃度−スクラビング風量の関係を示す情報の一例であって、処理水NH4濃度を好気槽NH4濃度の関数として示したグラフである。このグラフの横軸は好気槽NH4濃度を表し、縦軸は処理水NH4濃度を表している。このグラフには、スクラビング風量がＢa，Ｂb，Ｂc（但し、Ｂa＜Ｂb＜Ｂc）の場合の処理水NH4濃度と好気槽NH4濃度の関係がそれぞれ示されている。図８は膜メンテナンス間隔−好気槽NH4濃度−スクラビング風量の関係を示す情報の一例であって、膜メンテナンス間隔を好気槽NH4濃度の関数として示したグラフである。このグラフの横軸は好気槽NH4濃度を表し、縦軸は膜メンテナンス間隔を表している。このグラフには、スクラビング風量がＢa，Ｂb，Ｂc（但し、Ｂa＜Ｂb＜Ｂc）の場合の膜メンテナンス間隔と好気槽NH4濃度の関係がそれぞれ示されている。図９は実施例１の演算の過程及び演算結果を示す表である。なお、運転条件演算装置８には、評価関数の算出回数Ｎが記憶されている。実施例１では、Ｎ＝３である。
【００４８】
運転条件演算装置８は、初めに、１巡目の評価関数Ｊ1を算出する。図４に示されるように、運転条件演算装置８は、まず、ｎ＝１に初期化し（ステップＳ１）、次に、計算条件を取得し（ステップＳ２）、続いて、１巡目の状態値を取得する（ステップＳ３）。
【００４９】
ステップＳ２において、入力装置８１は処理水NH4濃度閾値と膜メンテナンス間隔閾値との入力を受け付け、運転条件演算装置８はこれらを計算条件として取得する。処理水NH4濃度閾値は、処理水のNH4濃度の上限値である。処理水NH4濃度閾値は、例えば、処理水のNH4濃度規制値とすることができる。膜メンテナンス間隔閾値は、膜メンテナンス間隔の下限値である。
【００５０】
ステップＳ３において、入力装置８１は１巡目の好気槽NH4濃度と１巡目のスクラビング風量との入力を受け付け、運転条件演算装置８はこれらを１巡目の状態値として取得する。１巡目の好気槽NH4濃度は任意に設定できる設定値である。但し、１巡目の好気槽NH4濃度として、好気槽アンモニア計６２の測定値や、初期設定値が用いられてもよい。１巡目の好気槽NH4濃度は、好気槽３３のNH4濃度として妥当な範囲から任意の値が採用される。また、１巡目のスクラビング風量は、任意に設定できる設定値である。１巡目のスクラビング風量は、スクラビング風量として妥当な範囲から任意の値が採用される。但し、１巡目のスクラビング風量として、スクラビングブロワ７２に設定された送風量の初期値や、演算中の暫定的なスクラビングブロワ７２の送風量が用いられてもよい。実施例１においては、１巡目の好気槽NH4濃度は5mg/Lであり、１巡目のスクラビング風量は771NL/minである（図９、参照）。
【００５１】
続いて、運転条件演算装置８は、１巡目の状態値を設定する（ステップＳ４）。ここで、状態値設定手段７３は、取得した１巡目の好気槽NH4濃度と１巡目のスクラビング風量とを１巡目の状態値として運転条件演算装置８に設定する。
【００５２】
運転条件演算装置８は、設定された１巡目の状態値に基づく１巡目のブロワ動力を算出する（ステップＳ５）。ブロワ動力は、曝気ブロワ９２の動力と、スクラビングブロワ７２の動力との和である。ここで、ブロワ動力算出手段７４は、例えば、図５に示されるような、曝気風量−好気槽NH4濃度関係情報と１巡目の好気槽NH4濃度に基づいて、１巡目の曝気風量を算出する演算を行う。なお、本実施形態に係る曝気風量−好気槽NH4濃度関係情報はグラフであるが、この情報は式又はテーブルとして記憶装置８２に記憶されていてもよい。
【００５３】
さらに、ブロワ動力算出手段７４は、図６に示されるような、曝気ブロワ９２の性能曲線と算出された１巡目の曝気風量とに基づいて、曝気ブロワ９２の動力を算出する。同様に、ブロワ動力算出手段７４は、スクラビングブロワ７２の性能曲線と１巡目のスクラビング風量とに基づいて、スクラビングブロワ７２の動力を算出する。そして、ブロワ動力算出手段７４は、算出された曝気ブロワ９２の動力とスクラビングブロワ７２の動力とを足し合わせて、ブロワ動力を算出する。なお、曝気風量−好気槽NH4濃度関係情報、曝気ブロワ９２の性能曲線、及び、スクラビングブロワ７２の性能曲線は、状態値も含んで、ブロワ動力を算出するためのブロワ算出情報に該当する。このようなブロワ動力算出情報を利用してブロワ動力を算出することによれば、複雑な演算を省くことができる。実施例１において、算出された１巡目のブロワ動力は1.950kWhである（図９、参照）。
【００５４】
また、運転条件演算装置８は、設定された１巡目の状態値に基づく１巡目の処理水NH4濃度を算出する（ステップＳ６）。ここで、処理水NH4濃度算出手段７５は、例えば、図７に示されるような、処理水NH4濃度−好気槽NH4濃度−スクラビング風量関係情報、即ち、処理水NH4濃度を算出するための処理水NH4濃度算出情報を記憶装置８２から読み出す。処理水NH4濃度算出手段７５は、処理水NH4濃度算出情報を利用して、１巡目の好気槽NH4濃度と１巡目のスクラビング風量とに基づいて、１巡目の処理水NH4濃度を算出する。なお、本実施形態に係る処理水NH4濃度算出情報はグラフであるが、この情報は式又はテーブルとして記憶装置８２に記憶されていてもよい。このように処理水NH4濃度算出情報を利用して処理水NH4濃度を算出することによれば、複雑な演算を省くことができる。実施例１において、算出された１巡目の処理水NH4濃度は1.0mg/Lである（図９、参照）。
【００５５】
さらに、運転条件演算装置８は、設定された１巡目の状態値に基づく１巡目の膜メンテナンス間隔を算出する（ステップＳ７）。ここで、膜メンテナンス間隔算出手段７６は、例えば、図８に示されるような、膜メンテナンス間隔−好気槽NH4濃度−スクラビング風量関係情報、即ち、膜メンテナンス間隔を算出するための膜メンテナンス間隔算出情報を記憶装置８２から読み出す。そして、膜メンテナンス間隔算出手段７６は、膜メンテナンス間隔算出情報を利用して、１巡目の好気槽NH4濃度と１巡目のスクラビング風量とに基づいて、１巡目の膜メンテナンス間隔を算出する。なお、本実施形態に係る膜メンテナンス間隔算出情報はグラフであるが、この情報は式又はテーブルとして記憶装置８２に記憶されていてもよい。このように膜メンテナンス間隔算出情報を利用して膜メンテナンス間隔を算出することによれば、複雑な演算を省くことができる。実施例１において、算出された１巡目の膜メンテナンス間隔は47日である（図９、参照）。
【００５６】
上記ステップＳ５〜Ｓ７の順序は問わず、どのステップの演算を先に行っても構わない。また、曝気ブロワ性能曲線、スクラビングブロワ性能曲線、曝気風量−好気槽NH4濃度関係情報、処理水NH4濃度算出情報、及び、膜メンテナンス間隔算出情報は、シミュレーション結果に基づいて作成することもできるが、水処理システム１０で試験運転を行って得た実測値に基づいて作成してもよい。
【００５７】
続いて、運転条件演算装置８は、評価関数Ｊ1を算出する際に用いる第２係数ａと第３係数ｂとを決定する（ステップＳ８）。ここで、評価値算出手段７７は、１巡目の処理水NH4濃度と処理水NH4濃度閾値とを比較し、１巡目の処理水NH4濃度が処理水NH4濃度閾値以下であれば、第２係数ａ＝0. 1とする。また、１巡目の処理水NH4濃度が処理水NH4濃度閾値より大きければ、第２係数ａ＝10000とする。なお、第２係数ａは、0.1又は10000であるが、これら２値は上記に限定されるものではない。第２係数ａは、処理水NH4濃度が処理水NH4濃度閾値より大きいときに、それ以外のときと比較して過大（例えば、100〜100000倍）となる値であればよい。
【００５８】
さらに、評価値算出手段７７は、１巡目の膜メンテナンス間隔と膜メンテナンス間隔閾値とを比較し、１巡目の膜メンテナンス間隔が膜メンテナンス間隔閾値以上であれば、第３係数ｂ＝0.1とする。また、１巡目の膜メンテナンス間隔が膜メンテナンス間隔閾値より小さければ、第３係数ｂ＝10000とする。なお、第３係数ｂは、0.1又は10000であるが、これら２値は上記に限定されるものではない。第３係数ｂは、膜メンテナンス間隔が分離膜メンテナンス間隔閾値より小さいときに、それ以外のときと比較して過大（例えば、100〜100000倍）となる値であればよい。
【００５９】
次に、運転条件演算装置８は、１巡目のブロワ動力、１巡目の処理水NH4濃度、１巡目の膜メンテナンス間隔、第２係数ａ、及び第３係数ｂを用いて、１巡目の評価値Ｊ1を算出する（ステップＳ９）。ここで、評価値算出手段７７は次式１に示される評価関数を用いて、ｎ巡目の評価値Ｊnを算出する。係数ａ，ｂは、処理水NH4が処理水アンモニア態窒素濃度閾値より大きいとき、及び、膜メンテナンス間隔が膜メンテナンス間隔閾値より小さいときの少なくとも一方で過大となるような評価値Ｊnが算出されるように、評価関数を特徴づけている。
【００６０】
（式１：評価関数）
Ｊn＝［第１係数ｋ×ｎ巡目ブロワ動力］＋［第２係数ａ×ｎ巡目処理水NH4濃度］＋［第３係数ｂ／ｎ巡目膜メンテナンス間隔］
【００６１】
上記評価関数の第１項はブロワ動力を評価する項であり、第２項は処理水NH4濃度を評価する項であり、第３項は膜メンテナンス間隔を評価する項である。第１係数ｋは、ブロワ動力値を重みづけする定数又は変数である。実施例１では、第１係数ｋ＝１とされ、１巡目の評価値Ｊ1＝1×1.95＋0.1×1.0＋0.1/47＝2.052と算出される（図９、参照）。
【００６２】
運転条件演算装置８は、前回までに算出された評価値の中から１つの評価値Ｊを選択し、評価値Jに対応する状態値を最適運転条件として選択する（ステップＳ１０）。ここで、最適運転条件算出手段７８は、算出された１巡目の評価値Ｊ1と、前回までに算出された評価値とを比較して、値が小さい方を評価値Ｊとして選択する。１巡目の評価値Ｊ1には、前回までに算出された評価値が存在しない。そこで、最適運転条件算出手段７８は、予め運転条件演算装置８に記憶された評価値Ｊの基準値と１巡目の評価値Ｊ1とを比較するか、あるいは、無条件に１巡目の評価値Ｊ1を評価値Ｊとして選択する。
【００６３】
以上説明したステップＳ１〜ステップＳ１０の処理で、１巡目の評価値Ｊ1の演算が終了する。運転条件演算装置８は、ｎ＝１≠Ｎであるので（ステップＳ１１でＮＯ）、ｎを１つ増やしてｎ＝ｎ＋１＝２として（ステップＳ１３）、遷移した状態値を算出する（ステップＳ１４）。
【００６４】
ステップＳ１４において、状態値算出手段７９は、１巡目の状態値と異なる２巡目の状態値（２巡目の好気槽NH4濃度と２巡目のスクラビング風量）を算出する。２巡目の好気槽NH4濃度と２巡目のスクラビング風量は、最適解探索アルゴリズムを用いて、評価値Ｊの値が最小となるように算出される。最適解探索アルゴリズムとして、例えば、粒子群最適化法が用いられる。このように最適解探索アルゴリズムを用いて状態値が算出されることにより、より好適な状態値を得ることができる。実施例１において、算出された２巡目の好気槽NH4濃度は5mg/L、２巡目のスクラビング風量は617NL/minである（図９、参照）。
【００６５】
運転条件演算装置８は、ステップＳ４に戻って、２巡目の演算を行う。ステップＳ４では、算出された２巡目の好気槽NH4濃度と２巡目のスクラビング風量とが２巡目の状態値として設定され、ステップＳ５からステップＳ９までの処理が繰り返される。実施例１において、算出された２巡目のブロワ動力は1.888kWh、２巡目の処理水NH4濃度は1.3mg/L、膜メンテナンス間隔は32日である。そして、算出された２巡目の評価値Ｊ2は＝2.021である（図９、参照）。
【００６６】
２巡目のステップＳ１０において、最適運転条件算出手段７８は、算出された２巡目の評価値Ｊ2と１巡目の評価値Ｊ1とを比較して、値が小さい方を評価値Ｊとして選択し、評価値Jに対応する状態値を最適運転条件として選択する。実施例１においては、１巡目の評価値Ｊ1＝2.052であり、２巡目の評価値Ｊ2は＝2.021であるため、二巡目の評価値Ｊ2が評価値Ｊとして選択される。
【００６７】
２巡目の演算が終了すると、運転条件演算装置８は、ｎ＝２≠Ｎであるため（ステップＳ１１でＮＯ）、ｎを１つ増やしてｎ＝ｎ＋１として（ステップＳ１３）、更に遷移した状態値を算出する（ステップＳ１４）。ここで、状態値算出手段７９は、１巡目及び２巡目の状態値と異なる３巡目の状態値（３巡目の好気槽NH4濃度と３巡目のスクラビング風量）を算出する。これにより、１巡目、２巡目、３巡目の各演算において、異なる状態値と対応する評価値Ｊnが算出されることとなる。実施例１において、算出された３巡目の好気槽NH4濃度は10mg/L、３巡目のスクラビング風量は617NL/minである（図９、参照）。
【００６８】
運転条件演算装置８は、再びステップＳ４に戻って、算出された３巡目の好気槽NH4濃度と３巡目のスクラビング風量とを３巡目の状態値として設定し、ステップＳ５からステップＳ９までの処理を行う。実施例１において、算出された３巡目のブロワ動力は1.854kWh、３巡目の処理水NH4濃度は7.2mg/L、膜メンテナンス間隔は26日である。そして、算出された３巡目の評価値Ｊ3は＝72386である（図９、参照）。
【００６９】
３巡目のステップＳ１０において、最適運転条件算出手段７８は、算出された３巡目の評価値Ｊ3とそれよりも前に算出された評価値Ｊとを比較して、値が小さい方を評価値Ｊとして選択し、評価値Jに対応する状態値を最適運転条件として選択する。実施例１においては、それまでの評価値Ｊ＝Ｊ2は＝2.021であり３巡目の評価値Ｊ3は＝72386であるため、それまでの評価値Ｊ＝Ｊ2が評価値Ｊとして選択される（ステップＳ１０）。
【００７０】
３巡目の評価値の演算が終了すると、運転条件演算装置８は、ｎ＝３＝Ｎであるので（ステップＳ１１でＹＥＳ）、評価値の演算を終了して、最適運転条件を演算結果として制御装置４へ出力する（ステップＳ１２）。ここで、最適運転条件算出手段７８は、選択された評価値Ｊ（＝Ｊ2）と対応する状態値に基づいて、最適運転条件に関する情報を生成し、最適運転条件に関する情報を出力する。この最適運転条件には、好気槽NH4濃度、スクラビングブロワ７２の運転条件を示すスクラビング風量、ブロワ動力予測値、処理水NH4濃度予測値、膜メンテナンス間隔予測値などが含まれている。さらに、最適運転条件に、曝気ブロワ９２の運転条件である曝気風量が含まれていてもよい。曝気風量は、曝気風量−好気槽NH4濃度関係情報と最適運転条件の好気槽NH4濃度とに基づいて算出することができる。
【００７１】
最適運転条件の好気槽NH4濃度とスクラビング風量とは、選択された評価値Ｊを算出するために用いた状態値がそれぞれ採用される。最適運転条件のブロワ動力予測値、処理水NH4濃度予測値、及び膜メンテナンス間隔予測値は、選択された評価値Ｊを算出するときに算出されたブロワ動力、処理水NH4濃度、及び膜メンテナンス間隔がそれぞれ採用される。実施例１においては、選択された評価値Ｊは２巡目の評価値Ｊ2であるので、好気槽NH4濃度が5mg/L、スクラビング風量が617NL/minと、ブロワ動力予測値が1.888kWh、処理水NH4濃度予測値が1.3mg/L、膜メンテナンス間隔予測値が32日である最適運転条件に関する情報が生成され、出力される。
【００７２】
最適運転条件に関する情報の出力を受けた制御装置４では、最適運転条件に基づいて水処理システム１０の制御が行われる。即ち、制御装置４は、最適運転条件のスクラビング風量に基づいて、スクラビングブロワ７２を動作させる。なお、最適運転条件に曝気風量が含まれる場合には、制御装置４は、最適運転条件の曝気風量に基づいて、曝気ブロワ９２を動作させる。但し、制御装置４が、予め記憶された曝気風量−好気槽NH4濃度関係情報と最適運転条件の好気槽NH4濃度とに基づいて曝気風量を算出し、算出された曝気風量に基づいて曝気ブロワ９２を動作させてもよい。
【００７３】
また、運転条件演算装置８は演算結果を印字装置８３と表示装置８４の少なくとも一方に出力してもよい（ステップＳ１２）。水処理システム１０の管理者は、印字装置８３や表示装置８４に出力された水処理システム１０の最適運転条件に基づいて、分離膜ユニット３５のメンテナンスを行う。また、水処理システム１０の管理者は、印字装置８３や表示装置８４に出力された水処理システム１０の最適運転条件に基づいて、スクラビングブロワ７２や曝気ブロワ９２の送風量を調整してもよい。
【００７４】
以上に説明したように、本実施形態の水処理システム１０では、運転条件演算装置８により、処理水NH4濃度が処理水NH4濃度閾値以下であり、且つ、分離膜ユニット３５のメンテナンス間隔が膜メンテナンス間隔閾値以上であることを計算条件として、その算出条件のなかでブロワ動力（曝気ブロワ９２の動力とスクラビングブロワ７２の動力との和）がより小さくなるような水処理システム１０の最適運転条件が算出される。したがって、この最適運転条件に基づいて水処理システム１０が運転されれば、分離膜で濾過された処理水のアンモニア態窒素濃度と分離膜のメンテナンス間隔が所定の条件を満たし、且つ、システムに備えられるブロワの稼働エネルギーを極力小さくすることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０  水処理システム
２  原水槽
３  生物反応槽
３１  嫌気槽
３２  無酸素槽
３３  好気槽
３４  膜分離槽
３５  分離膜ユニット
４  制御装置
７  スクラビング装置
７１  ノズル
７２  スクラビングブロワ
８  運転条件演算装置
８１  入力装置
８２  記憶装置
８３  印字装置
８４  表示装置
９  曝気装置
９１  ノズル
９２  曝気ブロワ
７３  状態値設定手段
７４  ブロワ動力算出手段
７５  処理水NH4濃度算出手段
７６  膜メンテナンス間隔算出手段
７７  評価値算出手段
７８  最適運転条件算出手段
７９  状態値算出手段
【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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