(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を酸化処理する好気槽と、
前記好気槽に空気を送るブロワと、
前記好気槽中の溶存酸素濃度を推定する溶存酸素濃度推定部と、
前記好気槽中の溶存酸素濃度の目標値を設定する溶存酸素濃度目標設定部と、
前記好気槽中の溶存酸素濃度以外の水質値を推定する好気槽中水質値推定部と、
前記好気槽中の溶存酸素濃度以外の水質値の目標値を設定する好気槽中水質値目標設定部と、
前記ブロワの風量を推定するブロワ風量推定部と、
前記ブロワの風量を演算するブロワ風量演算部と、
を備えた下水処理制御装置において、
前記好気槽中水質値推定部で推定する水質値が、前記ブロワから酸素を吹き込むことで変動する水質値であり、
前記ブロワ風量演算部が、前記好気槽中の溶存酸素濃度の目標値と前記溶存酸素濃度推定部による溶存酸素濃度の推定値との差分に基づき演算されたブロワ風量と、前記好気槽中の溶存酸素濃度以外の水質値の目標値と前記好気槽中水質値推定部による好気槽中の水質値の推定値との差分に基づき演算されたブロワ風量のうち、大きいブロワ風量を出力することを特徴とする下水処理制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記好気槽中水質値推定部で推定する水質値が、アンモニア性窒素濃度であることを特徴とする下水処理制御装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記好気槽中の流下流速を推定する流下流量推定部と、
前記好気槽に流入する被処理水の溶存酸素濃度以外の水質値より上流側の水質値を推定する上流側水質値推定部と、
前記好気槽から流出する処理水の溶存酸素濃度以外の水質値より下流側の水質値の目標値を設定する下流側水質値目標設定部と、
を備え、
前記上流側水質値推定部で推定する水質値と、前記下流側水質値目標設定部で設定する水質値が、前記被処理水が前記好気槽に流入して前記ブロワから酸素を吹き込まれると変動する水質の値であり、
前記好気槽中水質値目標設定部が、前記好気槽中水質値推定部で推定された現在の水質値と、前記上流側水質値推定部で推定された過去の水質値と、前記下流側水質値目標設定部で設定された水質値との差分から演算した時間により変動する水質値を、前記好気槽中の溶存酸素濃度以外の水質値の目標値として設定することを特徴とする下水処理制御装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記上流側水質値推定部で推定する水質値と、前記下流側水質値目標設定部で設定する水質値が、アンモニア性窒素濃度であることを特徴とする下水処理制御装置。
【請求項５】
請求項３または４において、
前記ブロワ風量演算部が、少なくとも前記上流側水質値推定部で推定した水質値と必要風量との関係を記述する必要風量演算機能を備え、
前記上流側水質値推定部で推定した水質値の現時刻の値に基づきフィードフォワード演算した必要風量と過去の値に基づきフィードバック演算した必要風量を用いてブロワ風量を演算することを特徴とする下水処理制御装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記ブロワ風量演算部が、演算した前記必要風量に基づき、前記必要風量演算機能における前記水質値と必要風量との関係を更新することを特徴とする下水処理制御装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記水質値と必要風量との関係から抽出した処理特性情報を時系列で表示する処理特性表示部を備えたことを特徴とする下水処理制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理場の処理水の水質を制御する下水処理制御装置に関する。
【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懸濁液により、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。流入下水中の窒素の多くはアンモニア性窒素の形で含まれるが、これは酸素の存在下で硝化菌により硝酸性窒素に酸化される。この硝酸性窒素の一部は返送汚泥中に残留し、上流側に返送される。その際、窒素ガスへと還元する脱窒反応が生じて、窒素成分が除去される。一方、硝化不足により放流水中にアンモニア性窒素が残留すると、放流水域の水生生物への影響や溶存酸素（ＤＯ）の消費が懸念されることから、放流先の環境維持には硝化反応の適切な管理が要求される。そのためには電力を多く消費するブロワによる風量供給を適正に制御する必要がある。風量供給量が十分でない場合は、硝化不足による環境への悪影響を引きおこす。あるいは、風量供給量が過剰な場合、硝化完了後も風量が無駄に供給されるため消費電力が増大する。
【０００４】
下水処理の制御には、好気槽の下流側の末端に設置したＤＯ計のＤＯを制御指標として
用いるＤＯ制御がある。好気槽の下流側の末端ＤＯを一定に保つようにブロワ風量を制御
することで、微生物の活性を維持し、有機物除去や硝化反応を制御する（例えば、非特
許文献１）。
【０００５】
近年、活性汚泥中のアンモニア性窒素濃度を計測するアンモニア計の精度の向上や、個
別の生物反応槽に適した小容量のブロワの制御性が向上したことから、生物反応槽へのブ
ロワ風量の制御に、アンモニア計を用いた制御方式が検討されている（特許文献１、非特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第4509579号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「下水道施設計画・設計指針と解説」２００９年版、発行所日本下水道協会
【非特許文献２】遠藤和広: アンモニア計とDO計を用いた送風量制御システムの開発、 第47回下水道研究発表会講演集、 pp.918-920 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１の方法において、ＤＯは微生物の反応活性に関係するパラメータであるが、硝化反応で考慮すべきアンモニア性窒素そのものではない。そのため、流入流量や流入水質の変動により、風量不足による処理水質の悪化あるいは過剰風量となりやすい。
【０００９】
次にアンモニア計を用いた制御の場合の課題について述べる。なお、一般に、イオン電
極式のアンモニア計はアンモニア濃度が低下すると消耗品である電極の寿命が短くなるた
め、好気槽の最後段ではなく、少し上流側の中段に設置される。
【００１０】
特許文献１および非特許文献２の方法は、好気槽中段に設置に設置したアンモニア計と、好気槽後段に設置したＤＯ計を制御に用いる。
【００１１】
特許文献１の方法では、計測されたアンモニア濃度が、あらかじめ設定されたアンモニア濃度に近づくようにアンモニア計による風量のフィードバック（ＦＢ）制御がなされるが、その際、あらかじめ設定したＤＯの下限値を下回ると、ＤＯによるＦＢ制御に切り替わる。しかし、次の場合に課題があった。それは、ＤＯが下限値よりも大きいときに、アンモニア計によるＦＢ制御により急激に風量を低減する結果となった場合にＤＯが想定よりも小さくなり、水質が急激に悪化する恐れがあった。あるいは、ＤＯが下限値よりも小さい場合はＤＯ計によるＦＢ制御となるが、アンモニア濃度が急激に増加して硝化に必要な風量が増加したにも関わらず、ＤＯ濃度には直接的に反映されず、結果として風量が過小になり、水質が悪化する恐れがあった。
【００１２】
非特許文献２の方法は、好気槽の中段に設置したアンモニア計に基づいて好気槽の
後段のＤＯ値の目標値を設定するカスケード型のフィードバック（ＦＢ）制御である。処
理途中あるいは処理された水質に基づいた制御のため、流入水質が変動した場合、その影
響がセンサ位置に到達するまで変動は考慮されず、風量不足による処理水質の悪化あるい
は過剰風量となる課題があった。詳細について述べると、例えば、日間変動が大きい場合
や急な降雨で一時的にアンモニアが希釈された下水が流入した場合である。中段のアンモ
ニア計で計測した濃度が大きいと、全体風量は増加する。その際、希釈されている上流側
では過剰処理となり、下流側に到達する前に処理水の目標値に達することがある。その結
果、その後、流下した下流側では最小風量下でも過剰処理となり、過剰曝気となる可能性が考えられる。一度中段のアンモニア計位置での目標値から大きく外れると、その後も風量が振動し、処理が安定しない可能性もある。もう一つの課題は維持管理性に関する課題である。制御に用いる中段地点のアンモニア濃度とDOの目標値の関係式は、オペレータ側で処理特性に合わせて試行錯誤的に、且つ、活性汚泥性状の季節変動に合わせて継続的に調整する必要があり、維持管理は必ずしも容易ではない。
【００１３】
非特許文献１、特許文献１、そして、非特許文献２の方法は、制御のためのパラメータが手動で与えられるものである。活性汚泥の特性は時間とともに変化していくため、パラメータは試行錯誤的に調整する必要があり、維持管理の労力が増大する傾向にある。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、維持管理性を向上し、下水処理の水質を適切に制御しつつ消費エネルギーを抑制する下水処理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】
本発明の下水処理制御装置は、被処理水を酸化処理する好気槽と、前記好気槽に空気を送るブロワと、前記好気槽中の溶存酸素濃度を推定する溶存酸素濃度推定部と、前記好気槽中の溶存酸素濃度の目標値を設定する溶存酸素濃度目標設定部と、前記好気槽中の溶存酸素濃度以外の水質値を推定する好気槽中水質値推定部と、前記好気槽中の溶存酸素濃度以外の水質値の目標値を設定する好気槽中水質値目標設定部と、前記ブロワの風量を推定するブロワ風量推定部と、前記ブロワの風量を演算するブロワ風量演算部と、を備えた下水処理制御装置において、前記好気槽中水質値推定部で推定する水質値が、前記ブロワから酸素を吹き込むことで変動する水質値であり、前記ブロワ風量演算部が、前記好気槽中の溶存酸素濃度の目標値と前記溶存酸素濃度推定部による溶存酸素濃度の推定値との差分に基づき演算されたブロワ風量と、前記好気槽中の溶存酸素濃度以外の水質値の目標値と前記好気槽中水質値推定部による好気槽中の水質値の推定値との差分に基づき演算されたブロワ風量のうち、大きいブロワ風量を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、維持管理性を向上し、下水処理の水質を適切に制御しつつ消費エネルギーを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の下水処理制御装置の構成図。
【図２】実施例２の下水処理制御装置の構成図。
【図３】仮想流体塊による上流側風量演算を示す図。
【図４】処理特性関数を示す図。
【図５】処理特性関数の更新の様子を示す図。
【図６】抽出した処理特性の時間変化を示す図。
【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１】
【００１９】
図１は本発明の実施例１の構成図である。
【００２０】
本実施例は嫌気好気活性汚泥法の下水処理場に下水処理制御装置２００を適用した例である。上流側から最初沈殿池１、嫌気槽６、好気槽３、最終沈殿池４が連通し、好気
槽３はブロワ５と連通する。最初沈殿池１では、流入する下水１００を重力沈降により上
澄液である初沈越流水１０１と沈降物である初沈汚泥に分離する。最終沈殿池４では、流
入する活性汚泥１０２を上澄み液である処理水１０３と沈降物である返送汚泥１０４に分離する。返送汚泥１０４は初沈越流水１０１と混合し、活性汚泥１０２として嫌気槽２に
流入する。ブロワ５からは好気槽３に空気１０６が送られる。
【００２１】
好気槽３には溶存酸素濃度推定部であるＤＯ計１６が設置されている。また、好気槽中水質値推定部である好気槽アンモニア計１２が設置され、好気槽３のアンモニア性窒素濃度を計測する。ここでのアンモニア性窒素濃度は溶存酸素と同様にブロワから酸素を吹き込むことで変動する水質である。ブロワ５と好気槽３を連通する配管にはブロワ風量推定部である風量計１３が設置され、好気槽３へ送られる空気の風量を計測する。
【００２２】
ＤＯ計１６、好気槽アンモニア計１２、風量計１３での計測値、溶存酸素濃度目標値設定部２２で設定されたＤＯ値、好気槽中水質目標値設定部２３で設定されたアンモニア性窒素濃度値は、ブロワ風量演算部２０に送信される。ブロワ風量演算部２０の演算結果はブロワ風量制御部２１に送信され、ブロワ５の風量はブロワ風量演算部２０で演算した風量に制御される。
【００２３】
実施例１での風量演算方法について説明する。溶存酸素濃度目標値設定部２２で設定されたＤＯ値を1.0mg/L、好気槽中水質目標値設定部２３で設定されたアンモニア性窒素濃度値を3.5mg-N/Lとすると、ブロワ風量演算部２０ではＤＯ計が1.0mg/LになるようにＰＩ制御によるＦＢ演算（以下、ＤＯ制御）を実施して必要な風量を求める。並列して、アンモニア計が3.5mg-N/LになるようにＰＩＤ制御によるＦＢ演算（以下、硝化制御）を実施して必要な風量を求める。ブロワ風量演算部２０では、この二つの風量の演算結果のうち、大きい風量を採用し、ブロワ風量制御部２１に送信する。
【００２４】
制御方式の切替ではなく並列して計算した結果を選択とすることで、処理水の水質を良好に保つことができる。例えば溶存酸素濃度目標値設定部２２で設定されたＤＯ値よりもＤＯが大きい場合、硝化制御による急な風量低減指示に対しても設定されたＤＯ値を目標とする計算結果を採用し、水質の維持を図ることができる。あるいは、設定されたＤＯ値よりもＤＯが小さい場合でも、硝化制御による早急な風量増加指示に対応し、水質の維持を図ることができる。
【００２５】
本実施例では、適用例として嫌気好気活性汚泥法を取り上げたが、標準法や循環式硝化脱窒法、Ａ２Ｏ法、準高度処理法やこれらにステップフィードを適用した方式など、好気槽で硝化を実施する方式であれば全ての方式に適用できる。
【００２６】
本実施例では、流入水水質で推定する水質としてアンモニア性窒素を例としてあげたが、これらに限定されるものではなく、流入水質推定部で推定する水質はブロワから酸素を吹き込むことで酸化などにより変動する水質であれば良い。本実施例ではブロワから酸素を吹き込むことで変動する水質値としてアンモニア性窒素濃度およびその推定手段としてアンモニア計を用いたが、硝酸性窒素濃度、全窒素濃度、リン酸性リン濃度、全リン濃度や、ＢＯＤ、ＣＯＤMn、ＣＯＤＣｒ、ＴＯＣなどの有機物濃度でもよい。
【００２７】
本実施例では下流側風量の演算としてPI制御を用いたが、PID制御や他のフィードバッ
ク制御手法でも良い。
【００２８】
本実施例では、最初沈殿池１を設置したが、最初沈殿池１を除いた構成でも良い。また
、最終沈殿池４の代替として、活性汚泥と処理水の分離に膜を用いる膜分離活性汚泥法活
性汚泥法でも良い。その場合、例えば好気槽３に膜を浸漬させても良い。
【実施例２】
【００２９】
図２は本発明の実施例２の構成図である。
【００３０】
本実施例は循環式硝化脱窒法の下水処理場に下水処理制御装置２００を適用した例である。上流側から最初沈殿池１、無酸素槽２、好気槽３、最終沈殿池４が連通し、好気
槽３はブロワ５と連通する。最初沈殿池１では、流入する下水１００を重力沈降により上
澄液である初沈越流水１０１と沈降物である初沈汚泥に分離する。最終沈殿池４では、流
入する活性汚泥１０２を上澄み液である処理水１０３と沈降物である返送汚泥１０４に分離する。返送汚泥１０４は初沈越流水１０１と混合し、活性汚泥１０２として無酸素槽２に流入する。好気槽３の末端からは活性汚泥１０２の一部が無酸素槽２へと循環液１０５として循環する。ブロワ５からは好気槽３に空気１０６が送られる。
【００３１】
制御系の構成では、実施例１の構成に加えて、無酸素槽３には流下流量推定部である流下流量計１０と上流側水質値推定部である流入アンモニア計１１が設置され、好気槽３へ流入する流入水の流量とアンモニア濃度を計測する。ここでのアンモニア濃度は溶存酸素と同様にブロワから酸素を吹き込むことで変動する水質である。
【００３２】
ブロワ風量演算部２０へは、実施例１の項目に加えて、下流側水質値目標設定部２４で設定された処理水のアンモニア性窒素濃度の目標値が送信される。ブロワ風量演算部２０の演算結果はブロワ風量制御部２１に送信され、ブロワ５の風量はブロワ風量演算部２０で演算した風量に制御される。
【００３３】
まず、実施例２の方法における効果の特徴について概説する。
【００３４】
一般的なDO制御では好気槽の溶存酸素濃度を一定とすることで好気反応を促進させる。しかし、DOは放流基準となる直接的な水質ではないため、一般的には過剰処理側、すなわち過剰曝気、過剰消費電力で水質を維持する傾向がある。例えば、急な降雨で一時的に希釈された下水が流入した場合、(1)希釈前の好気槽末端でDO一定運転、(2)流量増加・滞留時間減少のため全体風量増加、(3)希釈されている上流側では過剰処理、(4)その後流下した下流側で最小風量下でも過剰処理、となり、過剰曝気となる可能性が考えられる。その後も風量が振動し、処理が安定しない可能性もある。さらに、維持管理性に関する課題がある。制御に用いるDOの目標値の関係式の設定値は、オペレータ側で処理特性に合わせて試行錯誤的に、且つ、活性汚泥性状の季節変動に合わせて継続的に調整する必要がある。
【００３５】
上述の課題に対し、実施例２の方法では（１）上流側・下流側個別風量演算、（２）処理特性見える化、（３）制御モデル(制御パラメータ)自動更新により解決を図る。
【００３６】
（１）上流側・下流側個別風量演算では、処理水アンモニア濃度目標値に加えて中間点アンモニア濃度を考慮した硝化運転制御により、処理を安定化して過剰曝気や曝気不足を抑制する。上流側風量は上流側のアンモニア濃度計測値と中間点アンモニア濃度演算値から演算する。下流側風量については、中間点のアンモニア濃度によるPI制御とする。ここでの上流側風量はフィードフォワード(FF)演算によるもので、下流側風量はフィードバック(FB)演算によるものである。硝化制御による風量としては、それぞれに重み付けをして、FF的な要素とFB的な要素をバランスする。最終的な硝化運転制御における風量としては、硝化制御による風量に、従来から利用されたDO制御による演算を並列させて、選択する。これは、これまでの維持管理上の経験的な要素及び安定した制御実績を取り込み、安定的な制御を実現するためである。
【００３７】
（２）処理特性見える化では、処理特性を表すモデルとして可視化できる関数を用いる。さらに、処理実績による実測点をその上にプロットすることで、維持管理上重要な処理現況を見える化する。この見える化された処理特性モデルの関数を曝気風量演算に用いる。図３に上流側のフィードフォワード風量の演算方法を示す。好気槽入口から中間点アンモニア計が設置された好気槽までを上流側とする。処理特性グラフは、流入と中間点のアンモニア濃度の差分の処理アンモニア濃度と必要累積風量の関数で表される。必要累積風量[m3]は風量[m3/h]の積分に相当する。必要累積風量や上流側風量QBupの演算には、仮想流体塊を追跡するラグランジュ的な手法を用いた。一定制御周期毎に流入する仮想流体塊を考え、t = t0で流入した仮想流体塊(灰色部)は、t = tNで中間点アンモニア計が設置された好気槽の後端に到達する。累積風量は各時刻で仮想流体塊に吹き込まれた風量の加算である。それぞれの仮想流体塊はそれまでに累積した累積風量と、処理特性グラフと流入/目標アンモニア濃度より算出した必要累積風量を持つ。この差分と残滞留時間(予測値)から、流体塊ごとの適切な風量が算出され、この平均値から時刻tNの上流側風量QBup(tN)を導出できる。
【００３８】
（３）制御モデル(制御パラメータ)自動更新は、仮想流体塊の概念を用いることで実現できる。t = tNで中間点アンモニア計が設置された好気槽に到達した仮想流体塊は、流入アンモニア濃度、中間点アンモニア濃度、累積風量の情報を持つ。これより、処理アンモニア濃度と累積風量の関係を制御周期ごとに抽出し、処理特性グラフに現在の点をプロットできる。通年で見ると活性汚泥の性質は徐々に変化していくが、革新的技術では各センサ情報から処理特性グラフを自動更新できる。さらにその時間変化により、異常に対する気づきが早まる。実績値に基づいた制御パラメータの自動更新により制御精度を担保すると同時に維持管理性を向上する。
【００３９】
以下に、計算方法の詳細として、実施例２での風量演算方法について説明する。実施例２では、好気槽３のうち、好気槽アンモニア計１２よりも上流側の好気槽を上流側好気槽、下流側の好気槽を下流側好気槽とする。
【００４０】
実施例２では、上流側風量をフィードフォワード(FF)演算で、下流側風量をフィードバック(FB)演算で導出し、さらにDO制御による演算も実施し、これらを組み合わせて全体風量を演算する。ＦＢ演算では、流入アンモニア計１１による過去のアンモニア性窒素濃度と、下流側水質値目標設定部２４で設定された処理水のアンモニア性窒素濃度から演算した、時間により変動する水質演算値を、アンモニア性窒素濃度の目標値として設定して、好気槽アンモニア計１２の現在のアンモニア性窒素濃度と比較するＰＩ制御等を実施する。ＦＢ制御のみで制御は可能であるが、その過去の値を用いる計算メカニズムは、以下に述べるＦＦ制御と同様のため、以下ではまず、ＦＦ演算について説明する。
【００４１】
以下、アンモニア性窒素濃度という言葉をNH4と記す。FB比率FBrt [-]、上流側処理率UPrt [-]、処理水NH4目標値NH4out_tgt [mg-N/L]とした。ここでの上流側とは、中間点のアンモニア計までの好気槽を指す。時刻tにおける計測値は、流入NH4計測値NH4in(t) [mg-N/L]、中間NH4計測値NH4md(t) [mg-N/L]、好気槽を流下する(循環法の場合は下水流量、返送流量、循環流量の合計)流下流量Qin(t) [m3/h]、送風量計測値QB(t) [m3/h]、好気槽末端のDO計測値DO(t) [mg/L]である。ここでは変数を斜体で表した。
【００４２】
フィードフォワード演算における中間NH4演算値NH4md_FFtgt(t) [mg-N/L]は、流入NH4計測値NH4in(t)が処理水NH4目標値NH4out_tgtになるための通過点の位置付けであり、NH4in(t)が大きくなれば大きくなる。NH4md_FFtgt(t)は上流側処理率UPrt を用いて式(1)で演算される。
【００４３】
【数１】
0006726954.tif 000002
【００４４】
フィードフォワード演算では、このNH4md_tgt(t)が通過点となるフィードフォワード演算風量QB_FF(t+Δt)を求める。
【００４５】
まず、一定の制御周期Δt毎に計算系（ここでは上流側のアンモニア計から中間点のアンモニア計までの生物反応槽）に１次元的に流入する仮想流体塊を考え、これをラグランジュ的に追跡する（図１−２）。灰色で示した仮想流体塊は時刻t0で計算系に流入し、時刻tNで計算系後端に到達している。流下流量Qin(t)によって仮想流体塊の大きさは異なる。時刻tでの上流側からi番目の仮想流体塊iの位置をXvc、i(t) [m]とすると、Xvc、1(t)およびXvc、i(t+Δt)は式(2)(3)で表される。
【００４６】
【数２】
0006726954.tif 000003
【００４７】
【数３】
0006726954.tif 000004
【００４８】
ここでS [m2]は生物反応槽流下方向の断面積である。それぞれの仮想流体塊は流入時に計測・演算される固有の値を保持しつつ流下していく。仮想流体塊iに対応する流入アンモニア濃度NH4in、i(t) [mg-N/L]は、式(4)で表される。
【００４９】
【数４】
0006726954.tif 000005
【００５０】
仮想流体塊iを演算値の水質に制御するために必要となる必要累積風量VB_tgt、i [m3]は処理特性モデルである式(5)の左の関数で表される。
【００５１】
【数５】
0006726954.tif 000006
【００５２】
ここでa、bは係数、ΔNH4tgt(t) [mg-N/L]は処理アンモニア濃度目標値で式(6)となる。
【００５３】
【数６】
0006726954.tif 000007
【００５４】
仮想流体塊iが計算系へ流入した時刻をt0、i、上流側好気槽(中間点のアンモニア計までの好気槽)への曝気風量をQBup(t) [m3/h]、位置Xi(t)での風量配分密度をD(Xi(t)) [-]とすると、時刻tにおける仮想流体塊iへの累積風量VB、i(t) [m3]は式(7)で表される。
【００５５】
【数７】
0006726954.tif 000008
【００５６】
ここで風量配分密度D(Xi(t))は上流側各好気槽へ曝気風量の配分率を表す関数で、上流側好気槽全体での配分比の平均を1とする。Vrt、i(t) [-]は上流側好気槽の全体積Vall [m3]に対する仮想流体塊iの体積比で、式(8)で表される。
【００５７】
【数８】
0006726954.tif 000009
【００５８】
仮想流体塊iは式(5)で示した必要累積風量VB_tgt、iを持つため、累積風量VB、i(t)との差分を残りの滞留時間で除した値が流体塊iに必要な風量となる。したがって、計算系がN個の仮想流体塊で満たされているとすると、時刻t+Δtの上流側風量の演算値QBup(t+Δt) [m3/h]は式(9)で表される。
【００５９】
【数９】
0006726954.tif 000010
【００６０】
Lall [m]は上流側好気槽の全長である。中括弧内が流体塊iに必要な曝気風量であるが、実施設の運用にしたがって上限値、下限値を設けることで、分母が小さくなることによる過大値や負値を避けることができる。
【００６１】
演算風量の評価としては、上流側に必要な風量を好気槽全体の風量とすることで、感覚的に理解しやすくなるため、フィードフォワード演算風量QB_FF(t+Δt)を、上流側の風量配分比Dup [-]、下流側の風量配分比Ddown [-]から、式(10)とする。なお、前出の風量配分密度D(Xi(t))はここでの風量配分比を関数として一般化した形式である。
【００６２】
【数１０】
0006726954.tif 000011
【００６３】
式(5)の処理特性モデルは、投入する風量に対して処理できるアンモニア濃度で、対象としている下水処理場の処理能力を見える化したものである。モデルを表す関数は制御パラメータの一つであるが、その構築には、上流側好気槽末端に到達した仮想流体塊の情報（実測値）を用いる。時刻tの仮想流体塊の数がN(t) [個]とすると、中間点アンモニア計が設置されている好気槽末端の仮想流体塊N(t)は流入時の流入アンモニア濃度NH4in、N(t)(t)、中間点アンモニア濃度NH4md(t)、累積風量VB、N(t)(t)の情報を持つ。流下する間に処理されたアンモニア濃度である処理アンモニア濃度ΔNH4(t) [mg-N/L]は式(11)で表される。
【００６４】
【数１１】
0006726954.tif 000012
【００６５】
累積風量VB、N(t)(t)により処理されたアンモニアが、処理アンモニア濃度ΔNH4(t)であり、これらは処理特性そのものを表す。処理特性モデルの導出にはこれらの実測データに最小二乗法を適用した。関数形としては、一次関数、二次関数、対数関数など任意の関数形（図４）選択できるが、実施例２の式(5)では、一次関数とし、傾きaと切片bとした。処理特性グラフには処理特性関数と同時に、上記の実測値が刻々とプロットされる。これにより、処理特性の変化が見える化できる。
【００６６】
本実施例で、処理特性関数として見える化された処理特性は、活性汚泥性状の季節変動
にともない変動するが、維持管理性の向上にはこの処理特性関数の更新方法が重要となる
。本実施例の実運用により、上流側好気槽の末端に到達した仮想流体塊には、実測値に基
づいた流入アンモニア濃度、好気槽アンモニア濃度、累積風量が蓄積する。この情報に基
づいて処理特性関数の現在値を統計的に更新できる。さらにその時間変化により、異常時
に対する気づきが早まる。開発制御では、実績値に基づいた制御パラメータの自動更新に
より制御精度を担保すると同時に維持管理性を向上することが可能となる。
【００６７】
図５に更新の様子を示す。更新前の関数を用いて制御を実施していく毎に、流入アンモ
ニア濃度、好気槽アンモニア濃度、累積風量から実績値の情報が蓄積していく。任意のタ
イミング（一定間隔でも良いし、オペレータの判断でも良い）で、実績値群に対
して例えば回帰分析による近似曲線を引くことで実績値に基づいた処理特性関数に更新で
きる。ここでの近似曲線は、実測値を確からしく近似する曲線であればy=ax+bやy=ax-1+b
などのxの正負の累乗で表される単項式でも良いし、これらを組み合わせた多項式でもよ
い。また、指数や対数、三角関数などの数学関数との組み合わせでも良い。また必ずしも関数ではなく不連続で段階的な対応表でも良い。その場合は、あらかじめ用意したデータベースあるいはオペレータの判断に基づいた対応関係で処理特性関数を更新すれば良い。
【００６８】
処理特性の時間変化については、例えば図６の処理特性関数から求めた指標の時間変化
を操作画面に表示すればよい。図６は指標として、アンモニア性窒素を25kg処理する際に必要となる風量を選び、時間変化をプロットした。一般的に低温期に硝化反応速度は小さくなるが、ここでは温度の影響は取り除いてある。これより、A処理場では10月に急激に風量が増加していることから、硝化菌量が減るなど何らかの異変があったことが推定される。処理特性を可視化して連続してモニタリングすることにより、この異変を即座に察知でき、図5のように、短期間の上昇とすることができる。またB処理場は通年を通じてA処理場より必要風量が大きい。A処理場はB処理場より効率よく運転されていることを表しており、A処理場の運用を参考に運用改善を検討するべきであることが示唆される。
【００６９】
フィードバック演算では、式(12)に示すフィードバック制御における中間点アンモニア濃度の演算値NH4md_FBtgt(t)に対してPID制御によるフィードバック演算を実施する。
【００７０】
【数１２】
0006726954.tif 000013
【００７１】
NH4in、N(t)(t)は、上流側から下流側に到達した被処理水の流入時のアンモニア濃度の計測値であり、仮想流体塊の概念を用いることによる濃度変動の時間遅れが考慮されている。式(12)より中間点アンモニア濃度の演算値NH4md_FBtgt(t)は変動する流入側アンモニア濃度と固定された処理水アンモニア濃度の中間点として変動幅を持った値として計算される。これに基づいて演算される時刻t+Δtのフィードバック演算風量QB_FB(t+Δt) [m3/h]を式(13)に示す。
【００７２】
【数１３】
0006726954.tif 000014
【００７３】
概念的には下流側の好気槽を適切に制御するための風量であるが、演算風量の評価としては、上流側と同様、好気槽全体の風量とすることで、感覚的に理解しやすくなるため、時刻tの風量QB(t) [m3/h]に基づいて求めた。Cpar(Z)は離散時間の並列PIコントローラの伝達関数で、比例項のパラメータをP、積分項のパラメータをI、サンプリング時間をTs [min](=60Δt)として式(14)となる。
【００７４】
【数１４】
0006726954.tif 000015
【００７５】
以上より、硝化制御風量QB_NF(t+Δt) [m3/h]は、フィードフォワード演算風量QB_FF(t+Δt)、フィードバック演算風量QB_FB(t+Δt)、FB比率FBrtを用いて、式(15)で表される。
【００７６】
【数１５】
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【００７７】
前述した通り、硝化運転制御による最終的な風量は、FF制御とFB制御を組み合わせた硝化制御による風量に、従来から利用されたDO制御による演算を並列させて選択する。DO制御は式(14)のPI制御で、目標値としてDO(下側) [mg/L]とDO(上側) [mg/L]を設定する。また、風量上限値、風量下限値、単位時間当たりの風量増加の上下限値である、風量傾き上限値、風量傾き下限値も設定する。これは、これまでの維持管理上の経験的な要素及び安定した制御実績を取り込み、安定的な制御を実現するためである。
【００７８】
まず、式(15)で求めた硝化制御風量とDO(下側)制御で演算した風量を比較し、大きい風量を選択する。次に選択した風量とDO(上側)制御で演算した風量を比較し、小さい風量を選択する。制御方式の切替ではなく選択とすることで、処理水の水質を良好に保つことができる。例えばDO(下側)よりもDOが大きい場合、硝化制御による急な風量低減指示に対してもDO(下側)を目標とする計算結果を採用し、水質の維持を図ることができる。あるいは、DO(下側)よりもDOが小さい場合でも、硝化制御による早急な風量増加指示に対応し、水質の維持を図ることができる。最後に選択された風量に対して、曝気風量の上下限値や曝気風量の変化量の傾きの上下限値の範囲内に収まるよう補正することで、最低限の風量を保証あるいは過剰曝気の抑制、さらには風量の急変によるブロワ機器へのダメージを防ぐことができる。
【００７９】
演算で求めた時刻t+Δtの上流側風量と下流側風量を合算して求めた全風量QB(t+Δt)を
用いることで、水質の目標値への安定した追随で省エネを図れる風量を求めることができ
る。本実施例では、上流側風量と下流側風量をそのまま合算したが、例えば下流側のフィ
ードバック要素を重視するなど、要求に応じてその重み付けを変化させても良い。また、
複数のブロワや、上流側/下流側好気槽へ連通する弁の制御で、上流側/下流側好気槽へ個
別に送る風量を制御しても良い。その場合、式(1)による全風量を上流側/下流側風量に分
配する必要はなく、上流側風量と下流側風量を本実施例の方法により、それぞれ演算すれ
ばよい。
【００８０】
以上より、本実施例の下水処理制御装置を適用することで、処理水質の安定と省エネおよび維持管理性の向上を図ることが出来る。
【００８１】
本実施例では、好気槽に設置した流下流量計１０を用いたが、制御対象となる領域の生
物反応槽を流下する流速が分かれば良いので、流下流量計の代替として、例えば、流入下
水流量計と返送汚泥流量計と循環流量計で計測した流量の合計値としても良い。
【００８２】
本実施例では、適用例として循環式硝化脱窒法を取り上げたが、標準法やＡＯ法、Ａ２
Ｏ法、準高度処理法やこれらにステップフィードを適用した方式など、好気槽で硝化を実
施する方式であれば全ての方式に適用できる。その場合、例えば標準法やＡＯ法では、流
下流量は流入下水流量と返送汚泥流量の合計となるため、流下流量計１０の代替として、
流入下水流量計と返送汚泥流量計の合計値としても良い。
【００８３】
本実施例では上流側好気槽でのフィードフォワード制御に対して、流入アンモニア計１
１によるアンモニア濃度を用いたが、下水１００や初沈越流水１０１部分に設置したアン
モニア計やあるいはUV計など相関関係などからアンモニア濃度を推定する他の代替手段で
も良い。あるいは、流量変動、日間変動、季節変動からのアンモニア濃度の推定値でも良
い。これらの場合、好気槽に流入するアンモニア濃度を求める場合、下水１００や初沈越
流水１０１のアンモニア濃度に対して、下水流量、返送汚泥流量、循環流量および、好気
槽アンモニア計１２によるアンモニア濃度から推定される返送汚泥、循環液に含まれるア
ンモニア濃度を用いて、流入アンモニア濃度を推定すれば良い。
【００８４】
本実施例では下流側風量の演算としてPI制御を用いたが、PID制御や他のフィードバッ
ク制御手法でも良い。
【００８５】
本実施例では、好気槽アンモニア計によるフィードバック制御を実施したが、実運用で
は施設の経験的な運転方針から、好気槽の下流側のDOに下限値を設け、好気槽下流側に設
置したDO計によるDO値が下限値を下回る場合、下限値を目標とするDO制御としてもよい。
【００８６】
本実施例では、好気槽水質推定部としてアンモニア計を用いたが、DO計でも良い。その
場合、式(2)は目標DO値に基づくPI制御等のフィードバック制御としても良い。ここでの
目標DO値は一定の設定値でも良く、あるいは時間や季節や流量などに応じて変動させても
良い。時間の場合は、負荷の大きい昼間はDO設定値を大きく、小さい夜間はDO設定値を小さくすることが考えられる。季節の場合は、水温が低く反応速度が小さい冬季はDO設定値を大きく、大きい夏季はDO設定値を小さくすることが考えられる。流量の場合は、流量が大きく滞留時間が短い期間はDO設定値を大きく、滞留時間が長い期間はDO設定値を小さくすることが考えられる。
【００８７】
本実施例では、好気槽水質推定部としてアンモニア計を用いたが、その下流側に第二好
気槽水質測定部としてDO計を設置しても良い。その場合、式(2)は目標DO値に基づくPI制御等のフィードバック制御としても良い。ここでの目標DO値は好気槽アンモニア濃度の計測値NH4md(t)と対応させるカスケード制御としても良い。例えば、好気槽アンモニア濃度の計測値NH4md(t)が大きい場合は、処理水アンモニア濃度の目標値NH4out_tgtまでの差分が大きいため、DO設定値を大きく、好気槽アンモニア濃度の計測値NH4md(t)が小さい場合は、DO設定値を小さくすることが考えられる。
【００８８】
本実施例では、最初沈殿池１を設置したが、最初沈殿池１を除いた構成でも良い。また
、最終沈殿池４の代替として、活性汚泥と処理水の分離に膜を用いる膜分離活性汚泥法活
性汚泥法でも良い。その場合、例えば好気槽３に膜を浸漬させても良い。
【００８９】
本実施例では、流入水水質で推定する水質としてアンモニア性窒素を例としてあげたが、これらに限定されるものではなく、流入水質推定部で推定する水質はブロワから酸素を吹き込むことで酸化などにより変動する水質であれば良い。
【符号の説明】
【００９０】
１．最初沈殿池
２．無酸素槽
３．好気槽
４．最終沈殿池
５．ブロワ
６．嫌気槽
１００．下水
１０１．初沈越流水
１０２．活性汚泥
１０３．処理水
１０４．返送汚泥
１０５．循環液
１０６．空気
１０．流入流量計
１１．流入アンモニア計
１２．好気槽アンモニア計
１３．風量計
１６．ＤＯ計
２０．ブロワ風量演算部
２１．ブロワ風量制御部
２２．溶存酸素濃度目標値設定部
２３．好気槽中水質目標値設定部
２４．下流側水質値目標設定部
２００．下水処理制御装置
【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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