(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水である流入水と、
前記流入水の流量を計測する流量計と、
前記流入水を酸化処理する好気槽と、
前記好気槽に空気を送る複数のブロワと、
前記好気槽に送られた空気の風量を計測する風量計と、
前記好気槽に必要な風量を演算する必要風量演算部と、
前記複数のブロワの風量および台数を制御するブロワ制御部と、
を備えたブロワ制御装置において、
前記流入水の通日の流量変動パターンおよび前記好気槽に送られる空気の通日の風量変動パターンを記憶する日間変動パターンデータベースと、
ある時刻で前記流量計により計測された流量とある時刻で前記風量計により計測された風量が通常の範囲内であることを判定し、
前記風量変動パターンから予測風量を演算する予測風量演算部と、
を備え、
前記ブロワ制御部が、前記必要風量演算部が算出した風量と前記予測風量で前記ブロワの台数増減の閾値判定を行うことを特徴とするブロワ制御装置。
【請求項２】
前記予測風量演算部において、ある時刻で前記流量計により計測された流量が前記流量変動パターンによる流量に基づいて導出された許容流量範囲にあるかの判定と、
ある時刻で前記風量計により計測された風量が前記風量変動パターンによる風量に基づいて導出された許容風量範囲にあるかを判定し、
前記風量変動パターンから予測風量を演算する予測風量演算部であることを特徴とする請求項１記載のブロワ制御装置。
【請求項３】
さらに、降雨情報取得部と、降雨時予測風量補正部と、を備え、 
前記予測風量演算部で演算された予測風量を、前記降雨時予測風量補正部に基づき補正することを特徴とする請求項１または２記載のブロワ制御装置。 
【請求項４】
前記降雨時予測風量補正部における前記予測風量演算部で演算された予測風量の補正方法が、降雨時の流量と風量の関係を表す関数として、降雨により下水流量が増加すると、必要となる風量が減少することを表す関数を用いることを特徴とする請求項３記載のブロワ制御装置。
【請求項５】
前記降雨時の流量と風量の関係を表す関数が、降雨により下水流量が増加すると、必要となる風量が遅れて減少することを表す関数を用いることを特徴とする請求項４記載のブロワ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、下水処理場の処理水の水質を制御するブロワの台数制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題やコスト削減への対応が必須となった昨今、下水処理場においても、公共水域へ放流する処理水の水質向上、さらなる省エネ化、ICTを活用した維持管理性の向上が求められている。
【０００３】
下水処理場では、活性汚泥と呼ばれる微生物縣濁液により、下水中の有機物や窒素などを除去する。ブロワにより活性汚泥に空気を吹き込む生物反応槽を好気槽と呼ぶが、好気槽では有機物は微生物による同化・異化反応により摂取・消費され、除去される。また、流入下水中の主たる窒素成分のアンモニア性窒素は、好気槽において酸化され、硝酸態窒素となる。硝酸態窒素はその後の無酸素槽で窒素まで還元され、大気中に放出・除去される。
【０００４】
これらの水処理プロセスにおいて、活性汚泥に空気を吹き込むブロワは消費電力が大きい。したがって、ブロワの消費電力を低減させるため、例えば好気槽末端に設置した溶存酸素(DO)の濃度を一定制御にするDO一定制御により、ブロワを適切に制御し、必要な風量を好気槽に送り込む。
【０００５】
ここでのブロワから生物反応槽に送り込む風量とブロワによる消費電力には、ある程度の相関関係はあるが、比例関係ではない。例えば複数台のブロワをON/OFFしてブロワの風量を制御する場合、演算された必要風量の、ある値を閾値としてブロワ台数を増減し、余った風量は放風弁より大気中に放風する。ブロワの台数と消費電力は比例するため、ブロワから送り込む風量（演算された必要風量）と消費電力はステップ状となる。一般に、頻繁にブロワ台数が増減することを防ぐため、例えばブロワ台数を１台から２台に増やす場合の風量の閾値より、ブロワ台数を２台から１台に減らす場合の風量の閾値が小さくなる。したがって、同じ風量に対してブロワの台数が異なる、すなわち消費電力が異なる場合が発生する。すなわち、風量に対する消費電力のグラフは一部がオーバーラップするステップ状の関係となる。
【０００６】
インバータやインレットベーンにより風量を制御するブロワの場合、風量と消費電力にはある程度の相関関係がある（非特許文献１）が、一般にブロワの最大風量点でもっとも効率が良い。複数台のブロワを制御するに当たり、ブロワの台数を増やすと同じ風量でも一台あたりの風量が低下し、効率が低下する。したがって、風量に対する消費電力のグラフは単調増加のステップの一部がオーバーラップする関係となる。
【０００７】
ブロワの台数制御を適切に実施し、消費電力を削減するためには、このオーバーラップの部分、すなわち少ないブロワの台数で実現できる風量を多くのブロワの台数で実施している状態をできるだけ少なくすれば良い。
【０００８】
特許文献１は、活性汚泥法を用いた下水処理場のエアレーションタンク内に送風すべき曝気風量を制御する送風機器の運転台数制御装置に係わり、特にエアレーションタンクの適切な溶存酸素量（以下、ＤＯ値と指称する）を確保するための曝気風量を送風する送風機器の運転台数制御装置に関する発明である。DO値の設置値変更に際して、DO値が減少傾向にない場合、すなわち流入してくる水質負荷が小さくなる傾向にある場合は、ブロワの台数増加を抑制することで無駄なブロワの台数増加を抑制する。
【０００９】
特許文献２は、晴天時と雨天時とでは流入流量の汚濁負荷が異なるために、手動操作を行なわざるを得ないという問題に対して、雨天モードでは晴天モードで演算する風量に対して補正を設けることで、すべての状態で自動制御を実現しようとするものであり、得られた風量に対して台数を決定する台数制御部を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０６−１４９３０１号公報
【特許文献２】特開平０４−０７１６９１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】榎本博、坂本忠昭、進藤静一：下水処理場の送風機設備におけるエネルギー評価手法、学会誌「ＥＩＣＡ」、第11巻第2/3号、pp.115-118 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１においては、DO制御におけるDO値の設定値変更の際の対処法であるが、一般にDO制御は長期間一定値で運用するもので、PI制御によりDOを目標値に追随させる。その場合、DO値は目標値付近で頻繁に増減する。また、流入してくる水質負荷が増加する場合においても、例えば瞬間的に必要風量がブロワ台数増加の閾値を上回り、ブロワ台数を増加するも、その後はオーバーラップ部分の風量しか必要ない場合がある。
【００１３】
特許文献２においては、雨天モードを設けることで、晴天時だけでなく雨天時も効率よく必要風量を演算しているが、ブロワ台数についても効率化については触れられておらず、演算した必要風量に対してブロワ台数を効率化しにくい。
【００１４】
このような従来の構成が有していた問題を解決するため、本発明の目的は、下水処理の水質を適切に制御し、ブロワによる消費電力を抑制することが可能なブロワ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明のブロワ制御装置は、被処理水である流入水と、前記流入水の流量を計測する流量計と、前記流入水を酸化処理する好気槽と、前記好気槽に空気を送る複数のブロワと、前記好気槽に送られた空気の風量を計測する風量計と、前記好気槽に必要な風量を演算する必要風量演算部と、前記複数のブロワの風量および台数を制御するブロワ制御部と、を備えたブロワ制御装置において、前記流入水の通日の流量変動パターンおよび前記好気槽に送られる空気の通日の風量変動パターンを記憶する日間変動パターンデータベースと、ある時刻で前記流量計により計測された流量とある時刻で前記風量計により計測された風量が通常の範囲内であることを判定し、前記風量変動パターンから予測風量を演算する予測風量演算部と、を備え、前記ブロワ制御部が、前記必要風量演算部が算出した風量と前記予測風量で前記ブロワの台数増減の閾値判定を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ブロワの台数を適切に制御することで、下水処理の水質を適切に制御しつつブロワによる消費電力を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１のブロワ制御装置の構成図。
【図２】ブロワ風量とブロワ消費電力の関係。
【図３】従来のブロワ台数制御の制御フロー（従来モード）。
【図４】ブロワ１台運転の場合のブロワ台数制御の制御フロー（予測モード）。
【図５】風量と流量の日間変動パターン。
【図６】ブロワ２台運転の場合のブロワ台数制御の制御フロー（予測モード）。
【図７】実施例２のブロワ制御装置の構成図。
【図８】モード判別フロー。
【図９】ブロワ１台運転の場合のブロワ台数制御の制御フロー（降雨時予測モード）。
【図１０】降雨時の流量と風量の関係。
【図１１】ブロワ２台運転の場合のブロワ台数制御の制御フロー（降雨時予測モード）。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の各実施例を図面により説明する。
【実施例】
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の構成図である。
【００２０】
本実施例は活性汚泥を用いた下水処理プラントにブロワ台数制御装置を適用した例である。生物反応槽１には、下水１００が流入し、被処理水１０１として流出する。生物反応槽１には、散気管２が浸漬されており、第一ブロワ１１と第二ブロワ１２の２台のブロワが連通する。流入する下水１００の流量は流量計２１で計測される。生物反応槽１において、散気管２を通じて空気を送り込む部分は好気槽で、その末端の溶存酸素濃度は溶存酸素濃度計２２で計測される。送り込まれる風量は風量計２３で計測される。
【００２１】
流量計２１と溶存酸素濃度計２２と風量計２３の情報は必要風量演算部３１に送られ、必要風量を演算する。演算された必要風量は予測風量演算部３２に送られる。予測風量演算部３２では、日間変動パターンデータベース３３からの通日の風量変動パターン、流量変動パターンおよび演算された必要風量に基づき予測風量を演算し、ブロワ制御部３４では、必要風量および演算された予測風量に基づき、ブロワの風量と台数増減の閾値判定をし、第一ブロワ１１と第二ブロワ１２を制御する。
【００２２】
従来のブロワ台数制御方法について述べる。
【００２３】
図２はインレットベーンを備えたブロワ２台を使用して、従来のブロワ台数制御を実施した場合の、ブロワ風量とブロワ消費電力の関係を表す。ブロワ風量が増加に伴い消費電力は増加する。ブロワ２台ではブロワ１台よりも多くの風量を生成できるが、一部オーバーラップしている。
【００２４】
図３は従来のブロワ台数制御の制御フロー（従来モード）である。必要風量演算部３１で、例えば、溶存酸素濃度一定となるようにＰＩＤ制御を用いて時刻tの必要風量QBr(t)[m3/hr]を制御した後、ブロワ１台運転を実施している場合（Ｓ１）、時刻tでの必要風量QBr(t)と閾値Th1 [m3/hr]を比較し（Ｓ２）、必要ブロワ風量QBr(t)[m3/hr]が閾値Th1以下の場合はブロワ１台運転を継続する（Ｓ１）。大きくなると、ブロワを１台起動し、ブロワ２台運転となる（Ｓ３）。この際、時刻tでの必要風量QBr(t)と閾値Th2 [m3/hr]を比較し（Ｓ４）、閾値Th2（<Th1）より小さい必要ブロワ風量QBとなると１台のブロワを停止し、ブロワ１台運転となる（Ｓ１）。図２より、閾値Th1とTh2の間の風量をブロワ２台で運転しているところをブロワ１台で運転できると、ブロワの消費電力を低減できる可能性があることが分かる。
【００２５】
そのための方法として、本実施例１のブロワ台数制御の制御フロー（予測モード）を図４に示す。ブロワ台数１台運転の場合である（Ｓ１）。時刻tでの必要風量QBr(t)と閾値Th1 を比較し（Ｓ２）、時刻tでの必要風量QBr(t)が閾値Th1 より大きい場合、過去n時間にわたる下水流量Q(t)[m3/hr]とブロワ風量QB(t)[m3/hr]とそれらの日間変動パターンを比較する（Ｓ３）。
【００２６】
図５は風量と流量の日間変動パターンの例である。実線がそれぞれの日間変動パターンである。点線はそれぞれの日間変動パターン±10%の値とした。図４での比較（Ｓ３）では、例えば現時刻が12時でn=24時間の場合、昨日の12時までの風量と流量の値がこの点線の範囲外であれば、通常と異なる条件と判断（Ｓ４）、必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th1 を超えたことに基づいてブロワ２台運転とする（Ｓ８）。一方、流量・風量とも範囲内であれば、日間変動パターンデータベースから、時間Δt（例えば15分）後の予測風量QBp(t+Δｔ)を導出する（Ｓ５）。予測風量QBp(t+Δｔ)と閾値Th1 を比較し（Ｓ６）、これも閾値Th1を上回った場合、ブロワの風量は現在も将来も増加させる必要があると判断して、ブロワ２台運転とする（Ｓ８）。閾値Th1以下の場合はブロワ台数増の要請は瞬間的なものであり、Δt後（例えば15分後）には現在のブロワ台数で必要な風量をまかなえると判断してブロワ１台運転を継続する（Ｓ１）。ただし、過去mΔtの間（例えば、m=4で、mΔt=60分）連続して必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th1 を上回った場合（Ｓ７）、日間変動パターンを外れる前兆として、予測風量によらず、ブロワ２台運転とする。
【００２７】
本実施例１における、ブロワ２台の場合（Ｓ１）のブロワ台数制御の制御フロー（予測モード）を図６に示す。消費電力削減するためには、閾値Th1より低い場合、できるだけブロワ台数を１台としたい。そのため、前述したように、時刻tでの必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th1 より小さい場合（Ｓ２）、過去n時間にわたる下水流量Q(t)とブロワ風量QB(t)とそれらの日間変動パターンを比較する（Ｓ３）。風量と流量の値が範囲外（Ｓ４）であれば、通常と異なる条件と判断し、従来モードと同様、必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th2 を下回った場合（Ｓ６）、ブロワ１台運転とする。一方、流量・風量とも範囲内（Ｓ４）であれば、通常日間変動パターンデータベースから、時間Δt（例えば15分）後の予測風量QBp(t+Δｔ)を導出する（Ｓ５）。これも閾値Th1を下回った場合（Ｓ７）、ブロワの風量は現在も将来も低減できると判断して、ブロワ１台運転とする（Ｓ９）。閾値Th1以上の場合はブロワ台数減の要請は瞬間的なものであり、Δt後（例えば15分後）には現在のブロワ台数で必要な風量をまかなう必要があると判断してブロワ２台運転を継続する（Ｓ１）。ただし、過去mΔtの間（例えば、m=4で、mΔt=60分）連続して必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th1 を下回った場合（Ｓ８）、日間変動パターンを外れる前兆として、予測風量によらず、ブロワ１台運転とする（Ｓ９）。
【００２８】
本実施例の方法により、ブロワ台数を過剰にかけて必要風量を算出する期間が短縮され、消費電力を抑制できる。
【００２９】
本実施例ではインレットベーンを備えたブロワを用いたが、インバータを備えたブロワでもよく、ON/OFFのみのブロワを用いても良い。その場合の生物反応槽への風量の制御は例えば、放風弁によって余剰の風量を大気中に放風する、などが考えられる。
【００３０】
本実施例では、必要風量演算部３１における必要風量の演算に溶存酸素濃度一定制御を用いたが、必要風量を与えるものであれば手法によらず、例えば空気倍率制御、アンモニア計を用いた硝化制御、実績値基づいたデータベース由来の制御などでも良い。
【００３１】
本実施例では日間変動パターンを流量と風量でひとつずつとしたが、時期（例えば月、雨季、季節）やイベント（例えば、夏季休暇、年末年始）により変更してよい。また、流量と風量の実測値に基づき現在の日間変動パターンを、例えば通常時の平均値から作成しても良い。さらに、降雨量、降雨時間に応じた降雨時の流量、風量変動パターンを備え、降雨量、降雨時間に応じて日間変動パターンを変更しても良い。また、以下に記述するように風量の代わりに空気倍率を用いても良い。
【００３２】
本実施例では日間変動パターンとして流量と風量を用いて、現時刻の流量および風量が範囲内であるかを判定しているが、風量については、流量で無次元化した空気倍率を用いて、現時刻の流量および空気倍率が範囲内であるかを判定しても良い。
【００３３】
本実施例では下水処理におけるブロワ制御装置として説明したが、ブロワの必要風量を演算し、複数のブロワを制御する装置であれば、下水処理に限らず適用できる。
【００３４】
（実施例２）
図７は本発明の実施例２の構成図である。実施例１の構成に降雨情報取得部４１、降雨時予測風量補正部４２が追加されており、降雨情報取得部４１、降雨時予測風量補正部４２、予測風量演算部３２と信号が送られる。実施例１と同様にブロワ２台用いる場合について述べる。
【００３５】
降雨情報取得部４１では、対象とする地域に関連する地域の降雨情報（例えば地域、降雨量、時刻など）が取得される。ブロワ台数制御には３つのモードがある。一つ目は図２で示した従来モードである。二つ目は実施例１の図４、図６で示した予測モードである。三つ目は以下に示す降雨時に予測風量を補正する、降雨時予測モードである。実施例１でも説明したが、降雨時に降雨時の日間変動パターンデータベースを用いる方法は、予測モードに属する。
【００３６】
図８にモード判別フローを示す。降雨情報取得部４１で降雨が検知されない場合（Ｓ１）は予測モードとなる（Ｓ２）。降雨が検知された場合、実施例１と同様に、降雨前n時間にわたる下水流量Q(t)とブロワ風量QB(t)とそれらの日間変動パターンを比較する（Ｓ３）。例えばn=24の場合、過去24時間にわたり、風量と流量の値が範囲内であれば、降雨予測モードに移行する（Ｓ５）。範囲外であれば通常時と異なる状態での降雨のため、本発明における予測方法は用いず、従来モードで従来通りの方法にしたがってブロワ台数を決定する（Ｓ６）。
【００３７】
ブロワ１台運転時の降雨予測モードの制御フロー例を図９に示す。時刻tでの必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th1 より大きい場合（Ｓ２）、通常日間変動パターンデータベースから、時間Δt（例えば15分）後の予測風量QBp(t+Δｔ)を導出（Ｓ３）した後、降雨時の流量と風量の関係に基づいて降雨時予測風量補正演算（Ｓ４）を実施する。
【００３８】
図１０は降雨時の流量と風量の関係の例である。降雨により下水流量が増加すると、必要となる風量が遅れて減少することを表す関数である。これは降雨により希釈された流入下水が生物反応槽に上流側から流下していく結果生じる現象である。流量増分ΔQ(t) [m3/hr]は通常時の下水流量Q(t)に対する増分で、予測風量増分ΔQBp(t+Δtx)は、Δtx時間後に必要となる風量の、通常日間変動パターンからの予測増分量である。過去の風量および流量と降雨情報から導出することができ、例えばΔtxは5時間となる。
【００３９】
この降雨時風量関係を用いて、時間Δt後の予測風量QBp(t+Δt)を導出する。まず、時間Δtx -Δt前の流量増分であるΔQ(t-(Δtx -Δt ))を導出し（図９（Ｓ５））、降雨時の流量と風量の関係（図１０）から、流量増分ΔQ(t-(Δtx -Δt ))に対する風量増分ΔQ(t+Δt )を導出する（Ｓ６）。次に、日間変動パターンデータベースでの時刻t+Δtの風量Q(t+Δt )に風量増分ΔQ(t+Δt )を加えて時間Δt後の予測風量QBp(t+Δt)を導出する（Ｓ７）。閾値Th1以上の場合はブロワ台数減の要請は瞬間的なものであり、Δt後（例えば15分後）には現在のブロワ台数で必要な風量をまかなう必要があると判断してブロワ２台運転を継続する（Ｓ１０）。閾値Th1を下回った場合、ブロワの風量は現在も将来も低減できると判断して、ブロワ１台運転とする（Ｓ１）。ただし、過去mΔtの間（例えば、m=4で、mΔt=60分）連続して必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th1 を上回った場合、日間変動パターンに留まっていると判定して、ブロワ２台運転とする（Ｓ１０）。
【００４０】
ブロワ２台運転時の降雨予測モードの制御フロー例を図１１に示す。時刻tでの必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th1 より大きい場合（Ｓ２）、通常日間変動パターンデータベースから、時間Δt（例えば15分）後の予測風量QBp(t+Δｔ)を導出（Ｓ３）した後、降雨時の流量と風量の関係に基づいて降雨時予測風量補正演算（Ｓ４）を実施する。実施内容は上述のブロワ１台運転時と同様である。
【００４１】
補正された予測風量予測風量QBp(t+Δt)これも閾値Th1を下回った場合（Ｓ８）、ブロワの風量は現在も将来も低減できると判断して、ブロワ１台運転とする（Ｓ１０）。閾値Th1以上の場合はブロワ台数減の要請は瞬間的なものであり、Δt後（例えば15分後）には現在のブロワ台数で必要な風量をまかなう必要があると判断してブロワ２台運転を継続する（Ｓ１）。ただし、過去mΔtの間（例えば、m=4で、mΔt=60分）連続して必要ブロワ風量QBr(t)が閾値Th1 を下回った場合（Ｓ９）、日間変動パターンを外れる前兆として、予測風量によらず、ブロワ１台運転とする（Ｓ１０）。
【００４２】
本実施例の方法により、ブロワ台数を過剰にかけて必要風量を算出する期間が短縮され、消費電力を抑制できる。
【００４３】
本実施例ではインレットベーンを備えたブロワを用いたが、インバータを備えたブロワでもよく、ON/OFFのみのブロワを用いても良い。その場合の生物反応槽への風量の制御は例えば、放風弁によって余剰の風量を大気中に放風する、などが考えられる。
【００４４】
本実施例では、必要風量演算部３１における必要風量の演算に溶存酸素濃度一定制御を用いたが、必要風量を与えるものであれば手法によらず、例えば空気倍率制御、アンモニア計を用いた硝化制御、実績値基づいたデータベース由来の制御などでも良い。
【００４５】
本実施例では日間変動パターンを流量と風量でひとつずつとしたが、時期（例えば月、雨季、季節）やイベント（例えば、夏季休暇、年末年始）により変更してよい。また、流量と風量の実測値に基づき現在の日間変動パターンを、例えば通常時の平均値から作成しても良い。また、以下に記述するように風量の代わりに空気倍率を用いても良い。
【００４６】
本実施例では日間変動パターンとして流量と風量を用いて、現時刻の流量および風量が範囲内であるかを判定しているが、風量については、流量で無次元化した空気倍率を用いて、現時刻の流量および空気倍率が範囲内であるかを判定しても良い。
【００４７】
本実施例では下水処理におけるブロワ制御装置として説明したが、ブロワの必要風量を演算し、複数のブロワを制御する装置であれば、下水処理に限らず適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１            生物反応槽 
２            散気管 
１１          第一ブロワ 
１２          第二ブロワ 
２１          流量計 
２２          溶存酸素濃度計 
２３          風量計 
３１          必要風量演算部 
３２          予測風量演算部 
３３          日間変動パターンデータベース 
３４          ブロワ制御部 
４１          降雨情報取得部 
４２          降雨時予測風量補正部 
１００        下水 
１０１        被処理水 
【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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