(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を活性汚泥法で浄化する処理槽への曝気風量を求める曝気風量演算装置であって、
前記処理槽の入口の被処理水のアンモニア態窒素濃度である処理槽入口アンモニア態窒素濃度よりも小さい目標値を生成する目標値演算要素と、前記処理槽で処理された処理水のアンモニア態窒素濃度である処理槽出口アンモニア態窒素濃度と前記目標値との偏差に基づいてフィードバック操作量を生成するフィードバック操作量演算要素とを有し、前記フィードバック操作量に基づいて前記曝気風量である操作量を算出する演算手段を備え、
前記目標値は、前記処理槽入口アンモニア態窒素濃度よりも所定値だけ小さい値であって、
前記所定値が、曝気により被処理水のＣＯＤ又はＢＯＤが一定値となったとき及び曝気を継続してもＣＯＤ又はＢＯＤの１時間当たりの減少率が１０％以下となったときの少なくとも一方における当該被処理水のアンモニア態窒素濃度の曝気開始時からの変化量の絶対値、又は、２〜１０［ｍｇ／Ｌ］の範囲から選択された値である、曝気風量演算装置。
【請求項２】
前記演算手段は、所定の基準目標値と前記目標値演算要素で生成された前記目標値とのうち小さい方を選択して前記フィードバック操作量演算要素へ前記目標値として出力するローセレクタを更に有する、請求項１に記載の曝気風量演算装置。
【請求項３】
前記処理槽へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度である原水アンモニア態窒素濃度、前記処理槽へ流入する前記原水の流入量である原水流入量、前記処理槽出口アンモニア態窒素濃度、及び前記処理水から分離されて前記処理槽へ戻される汚泥の流量である循環流量を取得する取得手段を更に備え、
前記演算手段が、前記原水アンモニア態窒素濃度、前記原水流入量、前記処理槽出口アンモニア態窒素濃度、及び前記循環流量に基づいて前記処理槽入口アンモニア態窒素濃度を演算するように構成されている、請求項１又は２に記載の曝気風量演算装置。
【請求項４】
前記演算手段が、前記処理槽へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度である原水アンモニア態窒素濃度に基づいてフィードフォワード操作量を生成するフィードフォワード操作量演算要素と、前記フィードフォワード操作量と前記フィードバック操作量とを足し合わせる加算器とを、更に有し、前記フィードバック操作量に前記フィードフォワード操作量を付加して前記操作量を算出するように構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の曝気風量演算装置。
【請求項５】
前記演算手段は、前記処理槽へ流入する前記原水の流入量である原水流入量が所定の基準流入量より大きいときは前記フィードフォワード操作量を増加させ、前記原水流入量が前記所定の基準流入量より小さいときは前記フィードフォワード操作量を減少させるための補正係数を求める補正係数演算要素と、前記フィードフォワード操作量と前記補正係数とを掛け合わせて前記フィードフォワード操作量を補正する乗算器とを更に有する、請求項４に記載の曝気風量演算装置。
【請求項６】
散気装置を備えた好気槽を含み、被処理水を活性汚泥法で浄化する処理槽と、
前記処理槽へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する原水アンモニア態窒素濃度計又は前記処理槽の入口の前記被処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理槽入口アンモニア態窒素濃度計と、
前記処理槽から流出する処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理槽出口アンモニア態窒素濃度計と、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の曝気風量演算装置と、
前記曝気風量演算装置で求めた前記操作量に基づいて前記散気装置を制御する曝気風量制御装置とを備える、
水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性汚泥法を用いて浄化処理を行う水処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生活排水などの排水処理において、活性汚泥を用いて排水を浄化する水処理システムが用いられている。例えば、特許文献１に記載され水処理システムは、原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処理槽と、原水と活性汚泥が混合した被処理水から汚泥を沈殿分離する沈殿池とを備えている。上記一連の処理槽には、嫌気槽、無酸素槽、及び、散気装置を備えた好気槽が含まれている。これらの処理槽では、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７５８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
下水処理の排水基準項目には、Ｔ−Ｎ（総窒素）、Ｔ−Ｐ（総リン)、ＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）が含まれており、これらの全ての項目で所定の処理基準を満たす必要がある。ところが、ＢＯＤを即時且つ安価に測定できる技術が未だ開発されていない。そこで、処理水のＢＯＤが所定の処理基準を満たすことを確保するために、処理基準を十分な余裕を持って達成できるような曝気風量で好気槽の曝気が行われている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ところで、活性汚泥法による水処理プロセスにおいて、被処理水のＢＯＤは処理開始後比較的早い段階から減少し始め、やがて変化が緩やかとなる特徴を有し、被処理水のアンモニア態窒素（以下、「NH4-N」と記載することがある）濃度は処理開始後直ぐは殆ど変化せず、ＢＯＤの変化が緩やかとなるあたりから減少し始める特徴を有することが知られている。つまり、活性汚泥法による水処理プロセスでは、硝化速度と比較して有機物分解速度が速い（第１の知見）。
【０００６】
発明者らは、上記第１の知見を検証するために次に説明する実験を行った。この実験では、実験容器に充填された被処理水Ａ，Ｂに対し所定の曝気風量で曝気を行って、NH4-N濃度とＣＯＤ（化学的酸素要求量）とを計測した。実験時の曝気風量は、最低風量より大きく、且つ、従来の水処理システムで標準的なNH4-N濃度の被処理水に対して設定される曝気風量のうち、より小さな値であった。なお、ＢＯＤが生物分解性有機物のみの酸素要求量であるのに対し、ＣＯＤが有機物と無機物の両方の要求酸素量であるという点で両者は相違するが、ＢＯＤよりも短時間で計測可能なＣＯＤがＢＯＤの代替指標として用いられることがある。この実験結果が、図１４に示す、好気槽におけるNH4-N濃度の処理挙動とＣＯＤの処理挙動の時系列変化を示すグラフに表されている。このグラフ中、縦軸がNH4-N濃度とＣＯＤとを表し、横軸が処理時間を表し、実線がNH4-N濃度の時系列変化を表し、破線がＣＯＤの時系列変化を表している。
【０００７】
図１４のグラフによれば、被処理水Ａ，Ｂについて、NH4-N濃度の処理挙動とＣＯＤの処理挙動に共通する特徴がみられた。その共通の特徴とは、ＣＯＤが、処理を開始すると比較的早い段階から減少し始め、やがて変化が徐々に緩やかとなり、そのうち曝気を継続しても殆ど変化しない状態となるというものである。また、共通の特徴とは、NH4-N濃度が、或る処理時間を超えるあたりまで殆ど変化せず、或る処理時間を超えたあたりから、急激に減少を始めるというものである。
【０００８】
被処理水Ａでは、処理時間ＴC1以降はＣＯＤが殆ど変化しない。被処理水Ａの、処理開始時から処理時間ＴC1までのNH4-N濃度の変化量はΔＸ1［mg/L］である。一方、被処理水Ｂでは、処理時間ＴC2以降はＣＯＤが殆ど変化しない。被処理水Ｂの、処理開始時から処理時間ＴC2までのNH4-N濃度の変化量はΔＸ2［mg/L］である。被処理水Ａと被処理水Ｂとは、水質が異なり、処理開始時のNH4-N濃度が異なるにも関わらず、変化量ΔＸ1と変化量ΔＸ2とがほぼ同じ値であった。また、この明細書には記載しないが、被処理水Ａ，Ｂと異なる水質の被処理水についても被処理水Ａ，Ｂと同様の傾向が見られた。このことから、処理開始時の被処理水のNH4-N濃度が違っていても、NH4-NがΔＸ［mg/L］だけ硝化されると、ＣＯＤが一定水準（即ち、これ以上曝気を続けてもＣＯＤの値が殆ど変化しなくなる程度）まで処理されることが分かった（第２の知見）。
【０００９】
上記第１の知見に基づけば、硝化に必要な量の酸素を好気槽へ供給することにより、有機物の分解に必要とされる量の酸素を供給することができる。そこで、本発明では、処理水のＢＯＤの代替指標としてNH4-N濃度を用い、処理水のNH4-N濃度が所定の目標値以下となるように好気槽の曝気風量を制御することとした。このような曝気風量を制御においては、原水のNH4-N濃度が所定の目標値以下であればそれ以上の硝化が要求されないので、好気槽の曝気風量を最低風量に抑えれば散気装置の稼働エネルギーを削減することができる。しかしながら、好気槽の曝気風量が少ないと、被処理水中の有機物が十分に分解されず処理水のＢＯＤが所定の処理基準を超えるおそれがある。そこで、本発明では、更に上記第２の知見に基づき、適切に曝気風量の目標値を設定することにより、曝気風量を抑えつつ、被処理水中の有機物の処理を確実に行うこととした。
【００１０】
本発明の一態様に係る曝気風量演算装置は、
被処理水を活性汚泥法で浄化する処理槽への曝気風量を求める曝気風量演算装置であって、
前記処理槽の入口の被処理水のアンモニア態窒素濃度である処理槽入口アンモニア態窒素濃度よりも小さい目標値を生成する目標値演算要素と、前記処理槽で処理された処理水のアンモニア態窒素濃度である処理槽出口アンモニア態窒素濃度と前記目標値との偏差に基づいてフィードバック操作量を生成するフィードバック操作量演算要素とを有し、前記フィードバック操作量に基づいて前記曝気風量である操作量を算出する演算手段を備え、
前記目標値は、前記処理槽入口アンモニア態窒素濃度よりも所定値だけ小さい値であって、
前記所定値が、曝気により被処理水のＣＯＤ又はＢＯＤが一定値となったとき及び曝気を継続してもＣＯＤ又はＢＯＤの１時間当たりの減少率が１０％以下となったときの少なくとも一方における当該被処理水のアンモニア態窒素濃度の曝気開始時からの変化量の絶対値、又は、２〜１０［ｍｇ／Ｌ］の範囲から選択された値であることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る水処理システムは、
散気装置を備えた好気槽を含み、被処理水を活性汚泥法で浄化する処理槽と、
前記処理槽へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する原水アンモニア態窒素濃度計又は前記処理槽の入口の前記被処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理槽入口アンモニア態窒素濃度計と、
前記処理槽から流出する処理水のアンモニア態窒素濃度を計測する処理槽出口アンモニア態窒素濃度計と、
前記曝気風量演算装置と、
前記曝気風量演算装置で求めた前記操作量に基づいて前記散気装置を制御する曝気風量制御装置とを備えることを特徴としている。
【００１２】
上記曝気風量演算装置及び上記水処理システムによれば、処理槽出口NH4-N濃度の目標値は常に処理槽入口のNH4-N濃度より低い値となる。そして、目標値と処理槽出口NH4-N濃度（制御値）との偏差に基づいてフィードバック制御により操作量（曝気風量）が決定されるので、被処理水のNH4-N濃度を低減するために十分な曝気が継続的に行われることとなる。これにより、曝気風量が著しく少なくなって被処理水中の有機物が十分に分解されないという事態を免れ、被処理水中の有機物の処理を確実に行うことができる。更に、処理槽出口NH4-N濃度の目標値は処理槽入口のNH4-N濃度の変化に応じて変化するので、曝気風量が過剰とならず、曝気風量及び散気装置の稼働エネルギーを抑えることができる。
【００１３】
なお、「ＣＯＤ又はＢＯＤが一定値」には、厳密にＣＯＤ又はＢＯＤが一定の値となる状態に加え、ＣＯＤ又はＢＯＤの減少幅が曝気開始時と比較して小さくなり、曝気を継続してもＣＯＤ又はＢＯＤの変動が小さい（例えば、１時間当たりの減少率が５％以下又は１０％以下）状態が含まれていてよい。また、前記目標値が、前記処理槽入口アンモニア態窒素濃度よりも２〜１０［mg/L］の範囲から選択された値だけ小さな値であってよい。
【００１４】
従来は、処理水のＢＯＤが所定の処理基準を満たすことを確保するために、処理基準を余裕を持って達成できるような曝気風量で好気槽の曝気が行われていたが、上記曝気風量演算装置及び上記水処理システムによれば、被処理水中の有機物の処理を確実に行いつつ被処理水を曝気風量の増大を適切に抑制することができるので、散気装置の稼働エネルギーを削減することができる。
【００１５】
上記曝気風量演算装置及び上記水処理システムにおいて、前記演算手段は、所定の基準目標値と前記目標値演算要素で生成された前記目標値とのうち小さい方を選択して前記フィードバック操作量演算要素へ前記目標値として出力するローセレクタを更に有することが望ましい。この構成によれば、処理槽出口NH4-N濃度の目標値は常に所定の基準目標値以下となるので、処理水の水質基準にNH4-N濃度が含まれている場合に有効である。
【００１６】
上記曝気風量演算装置及び上記水処理システムが、前記処理槽へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度である原水アンモニア態窒素濃度、前記処理槽へ流入する前記原水の流入量である原水流入量、前記処理槽出口アンモニア態窒素濃度、及び前記処理水から分離されて前記処理槽へ戻される汚泥の流量である循環流量を取得する取得手段を更に備え、前記演算手段が、前記原水アンモニア態窒素濃度、前記原水流入量、前記処理槽出口アンモニア態窒素濃度、及び前記循環流量に基づいて前記処理槽入口アンモニア態窒素濃度を演算するように構成されていてよい。この構成によれば、原水NH4-N濃度などに基づいて処理槽入口NH4-N濃度を求めることができ、水処理システムの処理系列が多系統である場合にNH4-N濃度計の数の増加を抑えることができる。
【００１７】
上記曝気風量演算装置及び上記水処理システムにおいて、前記演算手段が、前記処理槽へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度である原水アンモニア態窒素濃度に基づいてフィードフォワード操作量を生成するフィードフォワード操作量演算要素と、前記フィードフォワード操作量と前記フィードバック操作量とを足し合わせる加算器とを、更に有し、前記フィードバック操作量及び前記フィードフォワード操作量に基づいて前記操作量を算出するように構成されていることが望ましい。ここで、前記演算手段は、前記処理槽へ流入する前記原水の流入量である原水流入量が所定の基準流入量より大きいときは前記フィードフォワード操作量を増加させ、前記原水流入量が前記所定の基準流入量より小さいときは前記フィードフォワード操作量を減少させるための補正係数を求める補正係数演算要素と、前記フィードフォワード操作量と前記補正係数とを掛け合わせて前記フィードフォワード操作量を補正する乗算器とを更に有していてよい。この構成によれば、原水アンモニア態窒素濃度の変化に基づいて予測される曝気風量の増加量がフィードフォワード操作量として算出され、これを操作量に付加することができる。そして、フィードフォワード操作量を補正係数で補正することにより、処理槽に流入する原水の量に応じて操作量が変化するので、曝気風量を抑えつつ、被処理水中の有機物の処理を確実に行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、処理槽出口NH4-N濃度の目標値は、処理槽入口のNH4-N濃度の変化に応じて変化し、且つ、処理槽入口のNH4-N濃度及び処理槽出口NH4-N濃度より常に低い値となる。よって、曝気風量を抑えつつ、曝気が継続的に行われることにより、被処理水中の有機物の処理を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施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】第１実施形態に係る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】第１実施形態に係る曝気風量演算装置の信号の流れを示すブロック線図である。
【図４】ＦＦ操作量関数の特徴を示すグラフである。
【図５】ＦＦ操作量補正関数の特徴を示すグラフである。
【図６】処理槽入口NH4-N濃度と目標値との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第１実施形態の変形例１に係る曝気風量演算装置の信号の流れを示すブロック線図である。
【図８】処理槽入口NH4-N濃度と目標値との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施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１０】第２実施形態に係る水処理システムの制御構成を示すブロック図である。
【図１１】第２実施形態に係る曝気風量演算装置の信号の流れを示すブロック線図である。
【図１２】循環式嫌気好気法を採用した水処理システムの変形例を示す図である。
【図１３】膜分離活性汚泥法を採用した水処理システムの変形例を示す図である。
【図１４】好気槽におけるNH4-N濃度の処理挙動とＣＯＤの処理挙動の時系列変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る水処理システムは、下水などの被処理水を活性汚泥法を用いて浄化する生物処理槽（以下、単に「処理槽」という）を備えた水処理システムに適用される。そして、本発明に係る曝気風量演算装置は、上記処理槽において被処理水を処理するために好適な曝気風量を演算するためのものであり、水処理システムに付随していてもよいし、水処理システムから独立した演算装置として構成されていてもよい。以下、図面を参照して本発明の第１及び第２実施形態を説明する。
【００２１】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る水処理システム１０の全体的な構成を示す図である。図１に示されるように、本発明の第１実施形態に係る水処理システム１０は、活性汚泥法のうち嫌気好気法（ＡＯ法）により下水を浄化する水処理プロセスを実現するシステムである。水処理システム１０は、原水槽２と、嫌気槽３１及び好気槽３２から成る処理槽３と、沈殿槽４と、好気槽３２の曝気風量を演算する曝気風量演算装置６５と、水処理システム１０の運転を司る制御装置６とを備えている。
【００２２】
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の出口は、配管５２によって嫌気槽３１の入口と接続されている。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。原水槽２から処理槽３への原水の流入量は、供給ポンプ５１の吐出流量である。
【００２３】
処理槽３には、上流側から順に嫌気槽３１、好気槽３２が設けられている。本実施の形態において、嫌気槽３１及び好気槽３２は一つの処理槽３を隔壁で仕切ることにより形成されており、嫌気槽３１と好気槽３２とは隔壁に形成された開口によって連通されている。但し、嫌気槽３１と好気槽３２とが各々独立した処理槽であってもよい。
【００２４】
好気槽３２には、被処理水を曝気するための散気装置９が設けられている。散気装置９は、好気槽３２の底部に配置されたノズル９１と、ノズル９１へ空気を圧送する散気ブロワ９２とを備えている。この散気装置９により、好気槽３２の底部から被処理水に微細気泡が吹き込まれる。好気槽３２に吹き込まれた気泡の上昇により被処理水が攪拌されるとともに、被処理水が曝気されて被処理水の溶存酸素量が高められる。散気ブロワ９２の送風量（以下、「曝気風量」という）は、制御装置６からの操作信号に基づいて制御される。
【００２５】
好気槽３２と沈殿槽４とは配管５３で接続されており、好気槽３２の処理水が配管５３を通じて沈殿槽４へ流入する。沈殿槽４の底部と嫌気槽３１の底部とは汚泥返送配管５５で接続されており、この汚泥返送配管５５を通じて、沈殿槽４で沈殿した汚泥が嫌気槽３１へ返送される。汚泥返送配管５５には返送ポンプ５６が設けられている。嫌気槽３１へ返送される汚泥（返送汚泥）の量は、返送ポンプ５６の吐出流量である。
【００２６】
原水槽２の出口近傍には、原水槽２から一連の処理槽３へ流入する原水のNH4-N濃度を計測する原水NH4-N濃度計６１が設けられている。但し、原水NH4-N濃度計６１は、原水のNH4-N濃度を計測できればよいので、原水槽２に限定されず、処理槽３の前段に最初沈澱池が設定されている場合には最初沈澱池や、最初沈澱池又は原水槽２と処理槽３との共通水路を形成する配管５２などに設けられていてもよい。また、好気槽３２の出口近傍には、好気槽３２から流出する処理液のNH4-N濃度である処理槽出口NH4-N濃度（以下、単に「出口NH4-N濃度」という）を計測する処理槽出口NH4-N濃度計６２が設けられている。これらのNH4-N濃度計６１，６２は制御装置６と接続されており、各NH4-N濃度計６１，６２から制御装置６へ計測値が出力される。
【００２７】
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。制御装置６は、原水NH4-N濃度計６１及び処理槽出口NH4-N濃度計６２の計測値に基づいて、供給ポンプ５１、返送ポンプ５６、及び散気装置９の動作を制御する。また、制御装置６には、散気装置９の曝気風量（操作量）を演算する曝気風量演算装置６５が通信可能に接続されており、制御装置６は曝気風量演算装置６５で算出された曝気風量に基づいて散気装置９へ制御信号を出力する。つまり、制御装置６は曝気風量制御装置としての機能を有している。
【００２８】
制御装置６と曝気風量演算装置６５は、所謂コンピュータで構成されている。制御装置６と曝気風量演算装置６５の各々は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）の他、ＲＯＭ（Read OnlyMemory）、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、図示されない入力装置や記憶装置）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。制御装置６と曝気風量演算装置６５では、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、各々の機能を実現する処理を行うように構成されている。なお、本実施形態に係る水処理システム１０は、制御装置６と曝気風量演算装置６５との複数のコンピュータを備えているが、これらが単一のコンピュータに構成されていてもよい。曝気風量演算装置６５については、後ほど詳述する。
【００２９】
続いて、上記構成の水処理システム１０による水処理プロセスについて説明する。この水処理プロセスでは、原水に含まれる有機物、窒素（NH4-Nと有機態窒素）、及びリン等の除去が行われる。
【００３０】
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（被処理水）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、被処理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の被処理水は、隔壁の開口を通じて好気槽３２へ流入する。
【００３１】
好気槽３２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３２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。好気槽３２では、被処理水中のNH4-N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３２の処理液は、沈殿槽４へ流入する。沈殿槽４へ流入した処理液は、処理液中の汚泥が沈殿して処理液と汚泥とに分離される。汚泥は、汚泥返送配管５５を通じて嫌気槽３１へ返送される。
【００３２】
ここで、曝気風量演算装置６５について詳細に説明する。曝気風量演算装置６５は、演算に必要な情報（変数）を制御装置６より取得する取得部６６と、散気装置９の曝気風量（操作量）を演算する演算部６７と、算出された曝気風量を制御装置６へ出力する出力部６８とを備えている。
【００３３】
取得部６６が取得する情報には、処理槽３へ流入する原水のNH4-N濃度である原水NH4-N濃度ＸRW、処理槽３へ流入する原水の流入量である原水流入量ｕ、処理槽３で処理された処理水のNH4-N濃度である出口NH4-N濃度Ｘout、及び処理水から分離されて処理槽３へ戻される汚泥の流量である循環流量ｆなどが含まれる。原水NH4-N濃度ＸRWは原水NH4-N濃度計６１の測定値であり、原水流入量ｕは供給ポンプ５１の吐出流量であり、出口NH4-N濃度Ｘoutは処理槽出口NH4-N濃度計６２の測定値であり、循環流量ｆは返送ポンプ５６の吐出流量である。なお、曝気風量演算装置６５が制御装置６を介してこれらの情報を取得するように記載されているが、曝気風量演算装置６５が計器類から直接的に情報を取得するように構成されていてもよい。
【００３４】
図３は、演算部６７で行われる演算処理の信号の流れを示すブロック線図である。図３に示すように、演算部６７は、原水NH4-N濃度ＸRWに基づいてフィードフォワード操作量（以下、「ＦＦ操作量ＹF」という）を生成するフィードフォワード制御系（以下、「ＦＦ制御系７」という）と、出口NH4-N濃度Ｘoutを制御量としてフィードバック操作量（以下、「ＦＢ操作量ＹB」という）を生成するフィードバック制御系（以下、「ＦＢ制御系８」という）を備えている。ＦＦ制御系７とＦＢ制御系８は協動して機能し、ＦＦ制御系７により生成されたＦＦ操作量ＹFと、ＦＢ制御系８により生成されたＦＢ操作量ＹBとが加算器８５で加算されて、操作量Ｙが生成される。この操作量Ｙは散気装置９の曝気風量を表している。出力部６８は、演算部６７で算出された操作量Ｙの操作量信号を散気装置９へ出力し、散気装置９ではこの操作量Ｙと対応する曝気風量で散気ブロワ９２が動作する。以下では、ＦＦ制御系７とＦＢ制御系８について詳細に説明する。
【００３５】
まず、ＦＦ制御系７について詳細に説明する。ＦＦ制御系７は、ＦＦ操作量演算要素７１と、無駄時間要素７３と、フィードフォワードゲイン要素７４と、ＦＦ操作量補正係数演算要素７２と、乗算器７５とを含んでいる。ＦＦ制御系７では、原水NH4-N濃度ＸRWの変化に基づいて予測される曝気風量の増加量がＦＦ操作量ＹFとして算出される。
【００３６】
ＦＦ操作量演算要素７１は、原水NH4-N濃度ＸRWからＦＦ操作量ＹFを算出するＦＦ操作量関数Ｆ１である。ＦＦ操作量関数Ｆ１は、入力値である原水NH4-N濃度ＸRWと出力値であるＦＦ操作量ＹFとの静特性の関係を関数化したものである。ＦＦ操作量関数Ｆ１は、水処理システム１０全体の処理能力や使用環境等から影響を受けるため、各々の水処理システム１０毎に設定されることが好ましい。ＦＦ操作量関数Ｆ１は、実験結果に基づいて定められてもよいし、また、シミュレーションに基づいて定められてもよい。
【００３７】
図４はＦＦ操作量関数Ｆ１の特性を示す図表であって、縦軸はＦＦ操作量ＹF（L/min）を示し、横軸は原水NH4-N濃度ＸRW（mg/L）を示している。ＦＦ操作量ＹF（L/min）は、ＦＦ制御系７により算出された曝気風量を表している。曝気風量の最低風量ｙ0は、システム全体を維持するために最低限必要な風量である。システム全体を維持するために最低限必要な風量とは、好気槽３２中の汚泥を攪拌し、好気槽３２の好気的条件のもとで炭素系有機物を利用して増殖する従属栄養生物、NH4-Nを硝化する硝化細菌などの活性汚泥微生物が生体を維持するために必要な酸素を提供する、最低限の曝気風量である。最低風量ｙ0は、好気槽３２の活性汚泥微生物の数や好気槽３２の容量に応じて適宜定められる。なお、曝気風量が最低風量ｙ0で運転されているときには、好気槽３２の被処理水の溶存酸素濃度はほぼ０となる。
【００３８】
図４の図表に示されるように、原水NH4-N濃度ＸRWが０から第１濃度ｘ1までの範囲において、ＦＦ操作量ＹFは最低風量ｙ0で一定である。この第１濃度ｘ1は、曝気風量が最低風量ｙ0であるときに、出口NH4-N濃度Ｘoutが処理水のNH4-N濃度の基準目標値ＸB以下となる最大の原水NH4-N濃度ＸRWである。なお、処理水のNH4-N濃度の基準目標値ＸBは、環境規制値などに基づいて適宜定められ、予め曝気風量演算装置６５に設定されている。そして、原水NH4-N濃度ＸRWが第１濃度ｘ1以上の範囲において、ＦＦ操作量ＹFは原水NH4-N濃度ＸRWの増加に伴って増加する。
【００３９】
上記ＦＦ操作量ＹFに動特性を付加するために、ＦＦ操作量演算要素７１で生成されたＦＦ操作量ＹFは無駄時間要素７３とフィードフォワードゲイン要素７４により調整される。無駄時間（シフト時間とも呼ばれる）は、原則として、原水NH4-N濃度計６１でNH4-N濃度が計測された原水が、嫌気槽３１へ流入してから、好気槽３２へ流入するまでに要する時間である。但し、好気槽３２においてNH4-Nを硝化する硝化細菌の増殖速度は、通常の活性汚泥中にいる従属栄養細菌より遅いので、被処理水のNH4-N濃度の不連続面が好気槽３２に到達するよりも前に曝気風量を増加させ、その不連続面が好気槽３２に到達したときにはNH4-N濃度の急激な増加に対応しうるように活性汚泥微生物を活性化させておくことが望ましい。つまり、無駄時間は、原水NH4-N濃度計６１でNH4-N濃度が計測された原水が好気槽３２に流入するまでに要する時間よりも短い時間に設定されることが望ましい。このような無駄時間は、嫌気槽３１へ流入してから好気槽３２へ流入するまでの滞留時間を含めた時間として、実験的又は計算的に求めることができる。フィードフォワードゲインＫfは、ＦＦ操作量関数Ｆ１の入力値である原水NH4-N濃度ＸRWの変化量と出力値であるＦＦ操作量ＹFの変化量の比であり、適宜設定される。
【００４０】
無駄時間要素７３とフィードフォワードゲイン要素７４により調整されたＦＦ操作量ＹFは、更に補正係数αで補正される。補正係数αは、原水流入量ｕに基づいてＦＦ操作量ＹFを補正するためのものである。
【００４１】
補正係数αは、ＦＦ操作量補正係数演算要素７２において、入力値である原水流入量ｕと出力値である補正係数αの関係を関数化したＦＦ操作量補正関数Ｆ２を用いて算出される。補正係数αは、原水流入量ｕが所定の基準流入量Ｕ1より大きいときにＦＦ操作量ＹFを増加させ、また、処理槽３への原水流入量ｕが所定の基準流入量Ｕ1より小さいときにＦＦ操作量ＹFを減少させるような補正係数である。
【００４２】
図５は、ＦＦ操作量補正関数Ｆ２の特性を示す図表であって、縦軸は補正係数αを示し、横軸は原水流入量ｕ（L/min）を示している。図５の図表に示されるように、原水流入量ｕが０のときに、補正係数αは１よりも小さいα１である（Ｆ２(０)＝α１，α１＜１）。原水流入量ｕが基準流入量Ｕ1のときに、補正係数αは１である（Ｆ２(Ｕ1)＝１）。原水流入量ｕが最大流入量Ｕ2のときに、補正係数αは１よりも大きいα２である（Ｆ２(Ｕ2)＝α２，α２＞１）。このように、補正係数αは、原水流入量ｕの増加に伴って、原水流入量ｕが基準流入量Ｕ1のときを１として、１より小さいα１から１より大きいα２まで増加する。補正係数αの好適な一例として、α１＝０．５とし、α２＝１．５とすることができる。なお、原水流入量ｕの基準流入量Ｕ1は水処理システム１０の処理能力により定まり、最大流入量Ｕ2は水処理システム１０の処理能力に加えて供給ポンプ５１の能力により定まる。
【００４３】
上記のように算出された補正係数αとＦＦ操作量ＹFとが乗算器７５で掛け合わされることにより、ＦＦ操作量ＹFが補正される。補正されたＦＦ操作量ＹFは加算器８５へ出力される。
【００４４】
続いて、ＦＢ制御系８について詳細に説明する。ＦＢ制御系８は、出口NH4-N濃度Ｘout（制御値）と処理水のNH4-N濃度の目標値ＸDVとの偏差を算出する減算器８３と、この偏差からＦＢ操作量ＹBを生成するＦＢ操作量演算要素８４とを含んでいる。ＦＢ操作量ＹBはＦＢ制御系８により算出された曝気風量を表している。本実施形態に係るＦＢ操作量演算要素８４はＰＩＤ制御方法を用いてＦＢ操作量ＹBを算出する。但し、ＦＢ操作量演算要素８４は、例えば、ＰＩＤ制御方法、Ｐ制御方法又はＰＩ制御方法を用いてＦＢ操作量ＹBを算出する演算要素であってよい。算出されたＦＢ操作量ＹBは、加算器８５に入力される。
【００４５】
ＦＢ制御系８は、更に、目標値ＸDVを算出するために、目標値演算要素８１と、ローセレクタ８２とを備えている。目標値演算要素８１は、原水NH4-N濃度ＸRW、原水流入量ｕ、出口NH4-N濃度Ｘout、及び循環流量ｆから目標値ＸDVを算出する目標値関数Ｆ３である。目標値関数Ｆ３は、入力値である原水NH4-N濃度ＸRW、原水流入量ｕ、出口NH4-N濃度Ｘout、及び循環流量ｆと、出力値である目標値ＸDVとの関係を関数化したものである。出口NH4-N濃度Ｘoutは、処理槽出口NH4-N濃度計６２で測定された処理槽３の出口のNH4-N濃度である。また、循環流量ｆは、処理水から分離されて処理槽３へ戻される汚泥の流量である。
【００４６】
目標値関数Ｆ３で算出される目標値ＸDVは、処理槽３の入口のNH4-N濃度（以下、「入口NH4-N濃度Ｘin」という）から所定値（ｋ）だけ小さい値である。但し、目標値ＸDVは、処理槽３の入口のNH4-N濃度から所定割合（１−β）だけ小さい値であってもよい。なお、処理槽３の入口とは、処理槽３のうち原水及び返送汚泥が流入する領域であって、嫌気槽３１の上流側領域を言うこととする。
【００４７】
例えば、目標値関数Ｆ３は次に示す［式１］又は［式２］で表される。また、入口NH4-N濃度Ｘinは次に示す［式３］で算出することができる。
［式１］  Ｆ３(Ｘin）＝Ｘin−ｋ
［式２］  Ｆ３(Ｘin）＝Ｘin×β
［式３］  Ｘin＝（ＸRW×ｕ＋Ｘout×ｆ）／（ｕ＋ｆ）
上記式１においてｋ［mg/L］は０より大きい定数であり、例えば、２〜１０［mg/L］の範囲から選択された値が好適である。また、上記式２においてβは０より大きく１より小さい定数であり、例えば、０．６〜０．９が好適である。上記式１におけるｋ、又は、上記式２におけるβは、実験に基づいて決定されることが望ましい。以下では、ｋ又はβの決定方法の一例について説明する。
【００４８】
前述の通り、図１４に示す実験結果から、被処理水Ａ，ＢのＣＯＤがこれ以上曝気を続けても殆ど変化しなくなる処理時間ＴC1，ＴC2における、処理開始時からの被処理水Ａ，ＢのNH4-N濃度の変化量ΔＸ1，ΔＸ2は、被処理水の水質に関わらずほぼ一定であることが分かっている。そして、被処理水のＣＯＤがこれ以上曝気を続けても殆ど変化しなくなる処理時間における、処理開始時からの被処理水のNH4-N濃度の変化量ΔＸは、複数の水質の異なる被処理水で実験したところ２〜１０［mg/L］でほぼ一定の値であった。なお、変化量ΔＸは、処理開始時の被処理水のNH4-N濃度と、被処理水のＣＯＤがこれ以上曝気を続けても殆ど変化しなくなったときの被処理水のNH4-N濃度との差として表わすことができる。このような変化量ΔＸの値を実験的に求めて、入口NH4-N濃度Ｘinと目標値ＸDVとの差がΔＸ［mg/L］又はΔＸに安全率を加えた値となるように、ｋ又はβが決定される。なお、変化量ΔＸの値は、実験的に求めた複数の変化量ΔＸの平均値であることが望ましい。また、上記においてＣＯＤの代わりにＢＯＤが用いられてもよい。
【００４９】
上記ｋ又はβの決定方法に則って算出された目標値ＸDVは、入口NH4-N濃度Ｘinよりも所定値だけ小さな値となる。ここで、前記所定値は、被処理水のＣＯＤ又はＢＯＤがほぼ一定値となったとき（即ち、これ以上曝気を続けても被処理水のＣＯＤ又はＢＯＤが殆ど変化しなくなったとき）の、当該被処理水のNH4-N濃度の曝気処理開始時からの変化量ΔＸの絶対値となる。実験の結果得られた変化量ΔＸの絶対値は２〜１０［mg/L］であるが、安全率を見込めば、変化量ΔＸの絶対値は２〜４５［mg/L］の範囲から選択された値であってよい。但し、目標値ＸDVが小さくなると曝気風量が増大するので、散気装置の稼働エネルギーを削減する観点からは、前記所定値はより小さい値であることが望ましい。
【００５０】
以上のように目標値演算要素８１で算出された目標値ＸDVは、ローセレクタ８２で基準目標値ＸBと比較され、より小さいほうの値が（新たな）目標値ＸDVとして選択され、減算器８３へ出力される。
【００５１】
図６では、ＦＢ操作量ＹBを算出するために用いられる目標値ＸDV（即ち、減算器８３に入力される目標値ＸDV）と、入口NH4-N濃度Ｘinとの関係を表した図表が示されている。この図表では、縦軸がNH4-N濃度を表し、横軸が時間を表し、実線が目標値ＸDVを表し、鎖線が入口NH4-N濃度Ｘinを表している。この図表によれば、処理開始から時刻Ｔaまでの目標値ＸDVは、基準目標値ＸBで一定である。時刻Ｔaから時刻Ｔbまでの目標値ＸDVは、入口NH4-N濃度Ｘinから所定値又は所定割合だけ小さな値で変化している。時刻Ｔbから処理終了までの目標値ＸDVは、基準目標値ＸBで一定である。見方を変えると、基準目標値ＸBより所定の値だけ大きい値を閾値として、入口NH4-N濃度Ｘinが閾値より大きいときは目標値ＸDVとして基準目標値ＸBが選択され、入口NH4-N濃度Ｘinが閾値以下のときは目標値ＸDVとして入口NH4-N濃度Ｘinよりも所定の値だけ小さな値が選択される。
【００５２】
以上説明した曝気風量の演算方法によれば、出口NH4-N濃度の目標値ＸDVは常に入口NH4-N濃度Ｘinより低い値となる。よって、出口NH4-N濃度Ｘout（制御値）と目標値ＸDVとの偏差は常にゼロより大きくなる。そして、この偏差に基づいてフィードバック制御によりＦＢ操作量ＹBが算出され、算出された操作量Ｙ（曝気風量）に基づいて散気装置９が制御されるので、散気装置９では被処理水のNH4-N濃度を低減するために十分な曝気が継続的に行われる。この結果、被処理水中の有機物が十分に分解されていないのに曝気風量が最低風量ｙ0となって被処理水中の有機物が十分に分解されないという事態を免れ、被処理水中の有機物の処理を確実に行うことができる。
【００５３】
更に、上記曝気風量の演算方法によれば、入口NH4-N濃度Ｘinの変化に応じて出口NH4-N濃度の目標値ＸDVが変化する。言い換えれば、入口NH4-N濃度Ｘinに対して適切な出口NH4-N濃度の目標値ＸDVが設定される。よって、好気槽３２の曝気風量が過剰とならず、曝気風量及び散気装置９の稼働エネルギーを抑えることができる。
【００５４】
上記実施形態では、ＦＢ制御系８で演算に用いられる出口NH4-N濃度の目標値ＸDVは常に所定の基準目標値ＸB以下となることから、処理水の水質基準にNH4-N濃度が含まれている場合に有効である。但し、水質基準にNH4-N濃度が含まれていない場合もあり、このような場合には、以下に説明する変形例１に係る曝気風量演算装置６５で曝気風量が算出される。
【００５５】
図７は、変形例１に係る曝気風量演算装置６５の信号の流れを示すブロック線図である。この変形例１に係る曝気風量演算装置６５では、ＦＢ制御系８の目標値ＸDVを算出する処理を前述の実施形態に係る処理から変更している。即ち、変形例１に係るＦＢ制御系８では、目標値演算要素８１で算出された目標値ＸDVが、基準目標値ＸBと比較されることなしに、そのまま目標値ＸDVとして用いられている。
【００５６】
図８では、変形例１に係るＦＢ制御系８で算出された目標値ＸDVと入口NH4-N濃度Ｘinとの関係を表した図表が示されている。この図表では、縦軸がNH4-N濃度を表し、横軸が時間を表し、実線が目標値ＸDVを表し、鎖線が入口NH4-N濃度Ｘinを表している。この図表では、処理開始から処理終了までを通して、目標値ＸDVは入口NH4-N濃度Ｘinから所定値又は所定割合だけ小さな値で変化している。
【００５７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図９は本発明の第２実施形態に係る水処理システム１０の概略構成を示す図、図１０は第２実施形態に係る水処理システム１０の制御構成を示すブロック図である。なお、第２実施形態の説明においては、前述の第１実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付して説明を省略し、主に第１実施形態からの相違点について説明する。
【００５８】
図９及び図１０に示すように、第２実施形態に係る水処理システム１０は、第１実施形態に係る水処理システム１０において原水槽２に設けられた原水NH4-N濃度計６１に代えて、処理槽３の入口に設けられた処理槽入口NH4-N濃度計６３を備えている。この処理槽入口NH4-N濃度計６３は、処理槽３の入口の被処理水のNH4-N濃度を検出し、制御装置６へ出力するように構成されている。なお、処理槽３の入口とは、処理槽３のうち原水及び返送汚泥が流入する領域であって、嫌気槽３１の上流側領域である。
【００５９】
水処理システム１０の処理系列が多系統の場合は上記第１実施形態のように原水槽２にNH4-N濃度計を設けることがNH4-N濃度計の設置数を削減できる点で優位であるが、処理系列が１〜２系統の場合には処理槽３の入口にNH4-N濃度計を設置する方が入口NH4-N濃度Ｘinを演算する処理を省くことができるので合理的である。そこで、第２実施形態に係る水処理システム１０では、処理槽入口NH4-N濃度計６３を用いて直接に入口NH4-N濃度Ｘinを検出し、この検出された入口NH4-N濃度Ｘinを用いて曝気風量を演算するようにしている。
【００６０】
図１１は第２実施形態に係る曝気風量演算装置６５の信号の流れを示すブロック線図である。図１１に示すように、第１実施形態のＦＦ制御系７では原水NH4-N濃度計６１で検出された原水NH4-N濃度ＸRWに基づいてＦＦ操作量ＹFが生成されるが、第２実施形態のＦＦ制御系７では処理槽入口NH4-N濃度計６３で検出された入口NH4-N濃度Ｘinに基づいてＦＦ操作量ＹFが生成される。つまり、第２実施形態に係るＦＦ操作量演算要素７１は、入口NH4-N濃度ＸinからＦＦ操作量ＹFを算出するＦＦ操作量関数Ｆ１である。
【００６１】
また、第１実施形態のＦＢ制御系８の目標値演算要素８１は原水NH4-N濃度ＸRW、原水流入量ｕ、出口NH4-N濃度Ｘout、及び循環流量ｆから目標値ＸDVを算出するものであるが、第２実施形態の目標値演算要素８１は処理槽入口NH4-N濃度計６３で検出された入口NH4-N濃度Ｘinから目標値ＸDVを算出するものである。つまり、第２実施形態に係る目標値関数Ｆ３は、入力値である入口NH4-N濃度Ｘinと、出力値である目標値ＸDVとの関係を関数化したものである。目標値関数Ｆ３で算出される目標値ＸDVは、入口NH4-N濃度Ｘinから所定値だけ小さい値である。
【００６２】
以上に本発明の好適な実施の形態（第１実施形態及びその変形例、並びに、第２実施形態）を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
【００６３】
上記実施形態に係る水処理システム１０は、嫌気好気法の処理プロセスを実現するものであるが、嫌気好気法に生物学的窒素処理を組み合わせた循環式嫌気好気法（Ａ２Ｏ法）の処理プロセス、又は膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ法）の処理プロセスであってもよい。
【００６４】
例えば、処理プロセスが循環式嫌気好気法の場合は、図１２に示すように、水処理システム１０Ａに原水槽２と、嫌気槽３１、無酸素槽３８、及び好気槽３２から成る処理槽３と、沈殿槽４とが設けられる。沈殿槽４で沈殿した汚泥は、嫌気槽３１へ返送される。また、好気槽３２で沈殿した汚泥を含む循環液は、無酸素槽３８へ返送される。この場合、目標値関数Ｆ３を算出するための循環流量ｆには、嫌気槽３１へ返送される沈殿槽４で沈殿した汚泥の流量に、無酸素槽３８へ送られる好気槽３２からの循環液の流量を加えた値が用いられる。
【００６５】
また、例えば、処理プロセスが膜分離活性汚泥法の場合は、図１３に示すように、水処理システム１０Ｂに原水槽２と、嫌気槽３１、無酸素槽３８、好気槽３２、及び膜分離槽３９から成る処理槽３とが設けられる。膜分離槽３９で処理液と膜分離された汚泥は嫌気槽３１へ返送される。また、好気槽３２で沈殿した汚泥を含む循環液は無酸素槽３８へ返送される。この場合、目標値関数Ｆ３を算出するための循環流量ｆには、嫌気槽３１へ返送される膜分離槽３９で沈殿した汚泥の流量に、無酸素槽３８へ送られる好気槽３２からの循環液の流量を加えた値が用いられる。
【００６６】
また、例えば、上記実施形態に係る水処理システム１０の曝気風量演算装置６５の演算部６７では、ＦＦ制御系７でＦＦ操作量ＹFが算出され、ＦＢ制御系８でＦＢ操作量ＹBが算出され、加算器８５でＦＦ操作量ＹFとＦＢ操作量ＹBを足し合わせることにより操作量Ｙを算出するようにしているが、操作量ＹがＦＢ操作量ＹBのみを考慮したものであってもよい。この場合、演算部６７の処理のうち、ＦＦ制御系７及び加算器８５で行われる処理が省略され、ＦＢ制御系８で導出されたＦＢ操作量ＹBが操作量Ｙとして算出される。
【符号の説明】
【００６７】
１０  水処理システム
２  原水槽
３  処理槽
３１  嫌気槽
３２  好気槽
３８  無酸素槽
３９  膜分離槽
４  沈殿槽
６  制御装置（曝気風量制御装置）
５１  供給ポンプ
５６  返送ポンプ
６１  原水アンモニア態窒素濃度計
６２  処理槽出口アンモニア態窒素濃度計
６３  処理槽入口アンモニア態窒素濃度計
６５  曝気風量演算装置
６６  取得部（取得手段）
６７  演算部（演算手段）
６８  出力部
７  ＦＦ制御系
７１  ＦＦ操作量演算要素（フィードフォワード操作量演算要素）
７２  ＦＦ操作量補正係数演算要素（補正係数演算要素）
７３  無駄時間要素
７４  フィードフォワードゲイン要素
７５  乗算器
８  ＦＢ制御系
８１  目標値演算要素
８２  ローセレクタ
８３  減算器
８４  ＦＢ操作量演算要素（フィードバック操作量演算要素）
８５  加算器
９  散気装置
９１  ノズル
９２  散気ブロワ
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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