(57)【要約】【課題】水質センサの計測値の異常の有無を迅速に診断することができる水質監視制御装置、及び当該水質監視制御装置を備えた下水処理システムを提供すること。【解決手段】下水処理システムは、下水の浄化処理を行う１つ以上の生物反応槽と、処理される下水の所定の対象水質の良否を監視するための水質監視制御装置と、を備えている。水質監視制御装置は、対象水質（アンモニア性窒素濃度）を計測する制御用水質センサ（アンモニア性窒素濃度計））５と、相関水質（ＯＲＰ）を計測する異常診断用水質センサ（ＯＲＰ計）４と、対象水質と相関水質との相関関係を考慮して制御用水質センサ５による対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断する異常診断部５０と、を有している。【選択図】  図１
2004188268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水の浄化を行う生物反応槽を１つ以上有する下水処理システムにおいて処理される下水の所定の対象水質の良否を監視するための水質監視制御装置であって、
下水処理システムにおける下水の水質のうち、前記対象水質を計測する制御用水質センサと、
下水処理システムにおける下水の水質のうち、前記対象水質と相関関係を有する相関水質を計測する異常診断用水質センサと、
前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測値と、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値と、前記対象水質と前記相関水質との相関関係と、を考慮して、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断する異常診断部と、
を備えたことを特徴とする水質監視制御装置。
【請求項２】
前記制御用水質センサによって前記対象水質が計測される下水と、前記異常診断用水質センサによって前記相関水質が計測される下水と、は、同一の生物反応槽における下水であることを特徴とする請求項１に記載の水質監視制御装置。
【請求項３】
前記対象水質と前記相関水質との相関関係に関連する過去の相関データを記憶する水質データ記憶部を更に備え、
前期異常診断部は、水質データ記憶部に記憶されている前記相関データに基づいて、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項４】
前記水質データ記憶部に記憶されている過去の相関データに基づいて、前記対象水質と前記相関水質との相関関係を導き出す相関関係導出部、を更に備え、
前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断する際に前記異常診断部が考慮する前記対象水質と前記相関水質との相関関係は、前記相関関係導出部によって導き出された前記対象水質と前記相関水質との相関関係である
ことを特徴とする請求項３のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項５】
前記水質データ記憶部に記憶されている過去の相関データは、前記対象水質及び前記相関水質のうち少なくともいずれか一方に関する過去のデータを含むことを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項６】
前記制御用水質センサによって下水の前記対象水質が計測される所定の下水処理システムに流入する下水の流入量を計測する流入流量計を更に備え、
前記異常診断部は、前記流入流量計の計測値を更に考慮して、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項７】
前記異常診断用水質センサによって下水の前記相関水質が計測される所定の下水処理システムに流入する下水の流入量を計測する流入流量計を更に備え、
前記異常診断部は、前記流入流量計の計測値を更に考慮して、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項８】
前記異常診断部は、
前記対象水質と前記相関水質との相関関係に基づいて、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測値に対応する、前記相関水質に関する対応水質範囲を求める対応水質範囲算出部と、
前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値に基づくデータと、前記対応水質範囲算出部の求めた対応水質範囲と、を照合することによって、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断する対応水質範囲照合部と、を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項９】
前記対応水質範囲算出部が求める対応水質範囲は、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値に関する範囲であり、
前記対応水質範囲照合部が前記対応水質範囲算出部の求めた対応水質範囲と照合する前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値に基づくデータは、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値であり、
前記対応水質範囲照合部は、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値が、前記対応水質範囲算出部が求めた対応水質範囲から外れているか否かに基づいて、制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断することを特徴とする請求項８に記載の水質監視制御装置。
【請求項１０】
前記対応水質範囲算出部が求める対応水質範囲は、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値の時間変化量に関する範囲であり、
前記対応水質範囲照合部が前記対応水質範囲算出部の求めた対応水質範囲と照合する前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値に基づくデータは、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値の時間変化量であり、前記対応水質範囲照合部は、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値の時間変化量が、前記対応水質範囲算出部が求めた対応水質範囲から外れているか否かに基づいて、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断することを特徴とする請求項８に記載の水質監視制御装置。
【請求項１１】
前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測値、及び、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値、に対してフィルタリング処理を施すフィルタリング処理部を更に備え、
前記異常診断部で考慮される前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測値と前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値とは、前記フィルタリング処理部によってフィルタリング処理が施された前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測値と前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値とであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項１２】
前記下水処理システムは、前記対象水質を調整する水質調整装置を更に有しており、
前記制御用水質センサの計測値の計測値に基づいて前記水質調整装置を制御する水質調整制御装置を更に備えた
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項１３】
前記異常診断部が前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有すると診断した場合に、当該異常に関する警報及びガイダンスのうち少なくともいずれか一方を行う監視装置を更に備えた
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項１４】
前記対象水質と前記相関水質とは同一であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項１５】
前記対象水質と前記相関水質とは異なることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項１６】
前記制御用水質センサは、試薬を利用した有試薬水質センサであり、
前記異常診断用水質センサは、無試薬水質センサであることを特徴とする請求項１５に記載の水質監視制御装置。
【請求項１７】
前記試薬は、前記対象水質に対して比色反応を示し、
前記制御用水質センサは、下水中の前記対象水質と前記試薬との比色反応を検知することにより、下水処理システムにおける下水の前記対象水質を計測することを特徴とする請求項１６に記載の水質監視制御装置。
【請求項１８】
制御用水質センサは、アンモニア性窒素濃度計、硝酸性窒素濃度計、全窒素濃度計、リン酸性リン濃度計、全リン濃度計、ＣＯＤ計、及びＢＯＤ計のうち少なくとも１つ以上の水質センサを含んで構成されており、
異常診断用水質センサは、ＯＲＰ計、ＵＶ計、及びＤＯ計のうち、制御用水質センサが計測する対象水質と相関を有する相関水質を計測する１つ以上の水質センサを含んで構成されている
ことを特徴とする請求項１６又は１７のいずれかに記載の水質監視制御装置。
【請求項１９】
下水の浄化処理を行う１つ以上の生物反応槽と、
請求項１乃至１７のうちいずれか１項に記載の水質監視制御装置と、を備えたことを特徴とする下水処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市下水や産業排水等の下水を処理する下水処理場を制御するための水質監視制御装置、及び当該水質監視制御装置を備えた下水処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、湖沼、湾などの閉鎖性水域で富栄養化が進行しているため、富栄養化の原因物質である有機物や窒素及びリンが、下水処理場から閉鎖性水域へ流出してしまうことを抑制する必要がある。従来の下水処理場では、活性汚泥法と呼ばれるプロセスにより下水から有機物を除去してきたが、上述の背景を鑑みて、有機物だけではなく、窒素やリンをも下水から除去するための高度処理の要求が増大してきている。
【０００３】
下水から窒素やリンの除去を行う高度処理プロセスには様々なプロセスがある。その代表例として、図８に示すような凝集剤注入型嫌気―無酸素―好気法（凝集剤注入Ａ２Ｏ法）と呼ばれるプロセスが知られている。図８は、下水処理場（下水処理システム）の概略構成を示す図である。図８に示されているプロセスにおいて行われる窒素・リン除去のメカニズムについて説明する。
【０００４】
すなわち、好気槽１２において、硝化菌は、以下の式（１）（２）に示すように、曝気装置９により供給される酸素を利用して、アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）を亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）と硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）とに酸化する。
【０００５】
循環ポンプ１４によって好気槽１２から無酸素槽１１に送り込まれた亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）及び硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）は、脱窒細菌が無酸素条件下で有機物を栄養源として硝酸性呼吸あるいは亜硝酸性呼吸をすることにより、窒素ガス（Ｎ２）へと還元され、系外に除去されるようになっている。この時、脱窒反応に必要な有機物が脱窒細菌に十分に供給されない場合には、窒素を下水から効果的に除去することができない。
【０００６】
この有機物を脱窒細菌に補填するための方法として、例えば、初沈バイパス弁２３を開くと共に弁２４を閉じることによって最初沈殿池をバイパスして有機物を確保する方法、炭素源貯留槽２１に蓄えられているメタノール、エタノール、酢酸、廃酢酸、グルコースなどの炭素源を嫌気槽１０に注入する方法、最初沈殿池２で発生した引抜汚泥を曝気槽に投入する方法、等が挙げられる
窒素除去反応を化学式で表現すると、硝化反応は、以下の式（１）及び式（２）のように表される。
【０００７】
ＮＨ４＋＋２Ｏ２→ＮＯ２−＋２Ｈ２Ｏ          式（１）
ＮＯ２−＋１／２Ｏ２→ＮＯ３−                式（２）
また、有機物としてメタノールが使われた場合の脱窒反応は、以下の式（３）のように表される。
【０００８】
６ＮＯ３−＋５ＣＨ３ＯＨ→３Ｎ２＋５ＣＯ２＋７Ｈ２Ｏ＋６ＯＨ−          式（３）
また、曝気槽１２の前段に配置された嫌気槽１０において、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、酢酸などの有機酸を体内に蓄積し、リン酸（ＰＯ４）を放出する。この過剰に放出されたリン酸態のリンは、嫌気槽１０の後段に配置された好気槽１２において、リン蓄積細菌のリン過剰摂取作用が利用されて除去され、嫌気槽１０で放出された以上のリン酸態のリンが活性汚泥に吸収されることとなる。従って、この反応を進行させるためには、水素供与体として酢酸などの有機酸が必要とされる。雨水流入時には有機酸濃度が薄くなり、リン蓄積菌を利用することができる有機物が減少することから、リンの吐き出し反応が十分に行われなり、後に続くリンの過剰摂取反応も不十分となる。これを補填するためには、窒素除去の場合と同様の手段でリン除去に必要な炭素源を確保してリンを除去し、若しくは、凝集剤貯留槽２２に蓄えられているポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、等の凝集剤を下水に注入して、リン酸アルミニウムやリン酸鉄の形でリン成分を沈殿させてリンを除去する必要がある。
【０００９】
Ａｌ３＋＋３ＰＯ４−→Ａｌ（ＰＯ４）３          式（４）
ところで、従来の下水処理場水質監視制御装置には、図９に示すようなものがある。５はアンモニア性窒素濃度、９は曝気装置、１２は好気槽、２３は曝気風量コントローラである。図９は、アンモニア性窒素濃度計５の計測値と曝気風量コントローラ２３に設定された制御目標値との偏差に基づいて、曝気装置９を調節し、好気槽１２内のアンモニア性窒素濃度を一定に保つように構成された装置である。監視装置８にはアンモニア性窒素濃度計５の計測値が表示されるようになっている。
【００１０】
また、下水処理場水質監視制御装置は、上記のものの他に色々なタイプのものが存在しており（例えば、特許文献１参照）、用途に応じて適切なタイプの下水処理場水質監視制御装置を選択することができるようになっている。
【００１１】
また、下水処理場では、有機物成分として、ＴＯＣ（総有機炭素濃度）、ＣＯＤ（化学的酸素要求量）、ＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）、等の水質項目が分析される。また、窒素成分として、アンモニア性窒素濃度、硝酸性窒素濃度、亜硝酸性窒素濃度、全窒素濃度、等の水質項目が分析される。また、リン成分として、リン酸性リン濃度、全リン濃度、等の水質項目が分析される。更に、その他、溶存酸素濃度、ＳＳ（汚泥濃度）等の水質項目が分析される。これらの水質項目は、下水処理場の水質分析係がサンプリングを行って手分析（週１回程度）により行われるか、若しくは水質センサによって連続的に計測されるか、のどちらかにより管理されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−２４４８９４
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
アンモニア性窒素濃度計、硝酸性窒素濃度計、及び全窒素濃度計などを含む窒素成分濃度計や、リン酸濃度計、及び全リン計などを含むリン成分濃度計、に代表される水質センサを利用して各水質項目を測定する場合、各水質は、ｍｇ／Ｌのオーダすなわちｐｐｍのオーダで汚泥をろ過した後に、試薬を用いて比色させてその吸光度を測定し、当該測定値に基づいて対象物質（水質）の濃度が演算等（測定）されることとなる。このようにして、各水質項目をセンサにより測定しようとする場合、試薬劣化や検出部の汚泥付着などにより、計測値異常が生じて適正な計測値を得ることができないことがある。これに対して、上記水質センサと同じ項目の水質成分を手分析によって計測する場合には、分析に手間を要する。一方、下水処理場では、一般的には、水質分析員が週１回〜月１回程度の頻度で各水質項目を測定するのみで、毎日測定するというものではない。このため、計測値の異常に気づくのが遅れてしまい、水質の悪化を未然に防ぐための対策に遅れが生じたり、運転員によって間違った診断がなされたりすることもある。
【００１４】
一方、従来の下水処理場水質監視制御装置の例として、図９に示される構成を有し、好気槽１２で硝化処理が行われた後のアンモニア性窒素濃度計５による計測値に基づいて、曝気風量コントローラ２３内に設定されたアンモニア性窒素濃度が目標値と一致するように、曝気装置９の曝気風量をＦＢ制御によって調節するものがある。しかしながら、このようなＦＢ制御が行われている場合に、アンモニア性窒素濃度計の値が実際の濃度と異なる値を示す時に、例えば、アンモニア性窒素濃度の実濃度は０．８ｍｇ／Ｌであるにも関わらずアンモニア性窒素濃度計計測値が３ｍｇ／Ｌである場合であって、曝気風量コントローラ２３内に設定されたアンモニア性窒素濃度目標値が１ｍｇ／Ｌである場合について考えてみる。この場合、実濃度から考えると、曝気風量を削減する方向に制御が行われなければならないにも関わらず、計測値は目標値よりも大きいため、曝気風量を増大する方向に制御が働いてしまうという問題を生じうる。（図１０参照）
また、図９のアンモニア性窒素濃度計５が溶存酸素濃度計である場合に、曝気風量コントローラ２３内に設定された溶存酸素濃度が目標値と一致するように、好気槽１２に設置された溶存酸素濃度計の計測値に基づいて、曝気装置９の曝気風量をＦＢ制御により調節するような装置が用いられる場合にも、上述の問題と同様の問題が生じて、制御が良好に働かないことがある。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、水質センサの計測値の異常の有無を迅速に診断することができる水質監視制御装置、及び当該水質監視制御装置を備えた下水処理システムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下水の浄化を行う生物反応槽を１つ以上有する下水処理システムにおいて処理される下水の所定の対象水質の良否を監視するための水質監視制御装置であって、下水処理システムにおける下水の水質のうち、前記対象水質を計測する制御用水質センサと、下水処理システムにおける下水の水質のうち、前記対象水質と相関関係を有する相関水質を計測する異常診断用水質センサと、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測値と、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値と、前記対象水質と前記相関水質との相関関係と、を考慮して、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断する異常診断部と、を備えたことを特徴とする水質監視制御装置である。本発明によれば、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測値と、前記異常診断用水質センサによる前記相関水質の計測値と、前記対象水質と前記相関水質との相関関係と、が考慮されて、前記制御用水質センサによる前記対象水質の計測に関して異常を有するか否かが診断される。従って、当該異常を有するか否かの診断を、正確に素早く行うことが可能である。
【００１７】
また、本発明は、下水の浄化処理を行う１つ以上の生物反応槽と、上記の水質監視制御装置と、を備えたことを特徴とする下水処理システムである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１９】
第１の実施の形態
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。図１は、下水処理場（下水処理システム）の概略構成を示す図である。図２は、対応水質範囲の一例を示す図であって、ＮＨ４濃度とＯＲＰとの関係が示されている。
【００２０】
図１に示されている下水処理場（下水処理システム）は、下水の浄化処理を行う複数の生物反応槽と、処理される下水のアンモニア性窒素濃度（所定の対象水質）の良否を監視するための水質監視制御装置と、を備えている。特に、本実施の形態の下水処理場は、脱窒・脱リンを行う高度処理プロセスの一つである「凝集剤注入型嫌気−無酸素−好気法（凝集剤注入Ａ２Ｏ法）」と呼ばれるプロセスが、下水に対して行われるように構成されている。
【００２１】
当該下水処理場は、最初沈殿池２と、最初沈殿池２の後段に水配管を介して設置された脱窒・脱リン処理槽４０と、脱窒・脱リン処理槽４０の後段に水配管を介して設置された最終沈殿池１３と、を備えている。
【００２２】
最初沈殿池２では、貯留されている下水中の不純物が沈殿させられるようになっている。なお、最初沈殿池２に沈殿した不純物を含む下水（最初沈殿水）は、最初沈殿池２から排出され、後述の汚泥貯留槽２０に送られるようになっている。
【００２３】
最初沈殿池２と脱窒・脱リン処理槽４０とを連結する水配管には、流入流量計３０が取り付けられている。流入流量計３０は、最初沈殿池２から脱窒・脱リン処理槽４０に送られる新たな下水の流量を計測するようになっている。この脱窒・脱リン処理槽４０は、後述するように、本発明の制御用水質センサであるアンモニア性窒素濃度計５及び異常診断用水質センサであるＯＲＰ計４によって対象水質（アンモニア性窒素濃度）及び相関水質（ＯＲＰ）が計測される好気槽１２を有しているため、流入流量計３０によって、好気槽１２に流入する新たな下水の流入量も計測されうるようになっている。
【００２４】
脱窒・脱リン処理槽４０は、嫌気槽１０と、嫌気槽１０の後段に設置された無酸素槽１１と、無酸素槽１１の後段に設置された好気槽１２と、を有している。
【００２５】
嫌気槽１０は、リン蓄積細菌を含有する活性汚泥を有している。嫌気槽１０には、水配管を介して炭素源貯留槽２１が接続されており、当該水配管には炭素源注入ポンプ１９が取り付けられている。そして、嫌気槽１０には、炭素源貯留槽２１から水配管を介して炭素源が注入されるようになっており、炭素源注入ポンプ１９によって炭素源貯留槽２１から嫌気槽１０への炭素源の注入量が調整されるようになっている。なお、炭素源貯留槽２１に貯留される炭素源は、特に限定されるものではなく、例えば、メタノール、エタノール、酢酸、廃酢酸、グルコース、等を、炭素源として好適に用いることができる。このような嫌気槽１０では、活性汚泥中のリン蓄積細菌が、炭素源貯留槽２１から注入される炭素源を利用して、下水中の酢酸等の有機酸を体内に蓄積し、リン酸（ＰＯ４）を放出するようになっている。このようなリン蓄積細菌の働きによって、下水中からリン成分が除去されるようになっている。
【００２６】
無酸素槽１１には、循環ポンプ１４が取り付けられた水配管の一端部が接続されており、当該水配管の他端部は好気槽１２の底部に接続されている。そして、循環ポンプ１４によって、好気槽１２に貯留されている下水の一部が当該水配管を介して無酸素槽１１に返送されるようになっている。この時、無酸素槽１１に返送される下水には、亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）と、硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）と、が含まれている。また、無酸素槽１１には、無酸素条件下で有機物を栄養源とする脱窒細菌が存在する。そして、無酸素槽１１では、脱窒細菌が硝酸性呼吸或いは亜硝酸性呼吸することによって、好気槽１２から送り込まれる亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）及び硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）が窒素ガス（Ｎ２）へと還元されるようになっている。還元された窒素ガス（Ｎ２）は、系外に向けて排出され、下水処理場から除去されるようになっている。
【００２７】
好気槽１２には、好気槽１２内の下水を曝気するための曝気装置９と、好気槽１２内の下水の酸化還元電位（ＯＲＰ）（相関水質）を計測するＯＲＰ計４（酸化還元電位計）（異常診断用水質センサ）と、好気槽１２内の下水のアンモニア性窒素（対象水質）の濃度を計測するアンモニア性窒素濃度計５（制御用水質センサ）と、好気槽１２内の下水の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素濃度計６と、が設置されている。アンモニア性窒素濃度計５は、下水のアンモニア性窒素に対して比色反応を示す試薬を利用した有試薬水質センサであって、下水中のアンモニア性窒素と試薬との比色反応を検知することにより、下水のアンモニア性窒素濃度を計測することができるようになっている。一方、ＯＲＰ計４は、試薬を利用しない無試薬水質センサである。なお、アンモニア性窒素濃度とＯＲＰとは、後述される式（１．２）に示されるような相関関係を有している。
【００２８】
曝気装置９（水質調整装置）は、好気槽１２内の下水に対して曝気することができるように構成された装置であって、当該曝気により下水中のアンモニア性窒素濃度を調整することができるようになっている。曝気装置９には曝気風量コントローラ２３が接続されており、曝気装置９は当該曝気風量コントローラ２３によって制御され、好気槽１２内の下水への曝気風量がコントロールされるようになっている。また、曝気風量コントローラ２３には、好気槽１２に設置されたアンモニア性窒素濃度計５及び溶存酸素濃度計６が接続されており、アンモニア性窒素濃度計５の計測値及び溶存酸素濃度計６の計測値は、曝気風量コントローラ２３に送られるようになっている。
【００２９】
曝気風量コントローラ２３は、送られてくるアンモニア性窒素濃度計５の計測値及び溶存酸素濃度計６の計測値に基づいて曝気装置９を制御して、曝気装置９から好気槽１２内に供給される曝気風量を調整することができるようになっている。具体的には、アンモニア性窒素濃度の目標値が曝気風量コントローラ２３において予め設定されており、曝気風量コントローラ２３は、アンモニア性窒素濃度計５から送られてくる計測値が、設定されているアンモニア性窒素濃度の目標値に近づくように、曝気装置９から好気槽１２に供給する曝気風量の目標値を演算するようになっている。曝気風量の目標値を曝気風量演算式を用いて演算する際に、例えば曝気風量コントローラ２３がＰＩコントローラの場合には、以下の式（１．１）のような形で示される曝気風量演算式が用いられうる。
【００３０】
【数１】
2004188268.tif 000003
Ｑａｉｒ（ｔ）：時刻ｔにおける曝気風量目標値（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｑａｉｒ０：曝気風量初期値（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｋｐ：比例ゲイン（ｍ６／ｇ・ｍｉｎ）、ＴＩ：積分定数（ｍｉｎ）、△ｔ：制御周期（ｍｉｎ）、ｅ（ｔ）：偏差（ｍｇ／Ｌ）、ＳＶＮＨ４（ｔ）：アンモニア性窒素濃度目標値（ｍｇ／Ｌ）、ＰＶ  ＮＨ４  （ｔ）：アンモニア性窒素濃度計の計測値（ｍｇ／Ｌ）
このような場合、アンモニア性窒素濃度の計測値（ＰＶＮＨ４）がアンモニア性窒素濃度の目標値（ＳＶＮＨ４）よりも大きい場合には、好気槽１２における曝気風量が増大するように、曝気風量の目標値が演算されるようになっている。逆に、アンモニア性窒素濃度の計測値（ＰＶＮＨ４）がアンモニア性窒素濃度の目標値（ＳＶＮＨ４）よりも小さい場合には、好気槽１２における曝気風量が減少するように、曝気風量目標値が演算されるようになっている。
【００３１】
一方、ＯＲＰ計４、アンモニア性窒素濃度計５、及び溶存酸素濃度計６の各水質センサは、水質センサ異常診断装置７に接続されており、これらの各水質センサの計測値が水質センサ異常診断装置７に送られるようになっている。
【００３２】
好気槽１２には、水配管を介して凝集剤貯留槽２２が接続されており、当該水配管にはＰＡＣ注入ポンプ１６が取り付けられている。そして、好気槽１２には、凝集剤貯留槽２２から水配管を介して凝集剤が注入されるようになっており、ＰＡＣ注入ポンプ１６によって好気槽１２への凝集剤の注入量が調整されるようになっている。凝集剤貯留槽２２から好気槽１２に注入される凝集剤は、主として、下水中のリン成分を、リン酸アルミニウムやリン酸鉄の形で沈殿させるのに用いられる。なお、このような凝集剤は特に限定されるものではなく、例えば、ポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、等を当該凝集剤として好適に用いることができる。そして、好気槽１２では、、硝化菌の働きによって、アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）が亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）と硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）とに酸化される。また、好気槽１２では、リン蓄積細菌のリン過剰摂取作用が利用されて、嫌気槽１０で放出された以上のリン酸態のリンが、活性汚泥に吸収されるようになっている。これにより、嫌気槽１０において過剰放出されたリン酸態のリンが除去されるようになっている。
【００３３】
水質センサ異常診断装置７は異常診断部５０を有しており、当該異常診断部５０は、対応水質範囲算出部５１と対応水質範囲照合部５２とを有している。当該異常診断部５０は、対応水質範囲算出部５１及び対応水質範囲照合部５２を協働させ、アンモニア性窒素濃度計５（制御用水質センサ）によるアンモニア性窒素濃度（対象水質）の計測値と、ＯＲＰ計４（異常診断用水質センサ）によるＯＲＰ（相関水質）の計測値と、アンモニア性窒素濃度とＯＲＰとの相関関係と、を考慮して、アンモニア性窒素濃度計５（制御用水質センサ）によるアンモニア性窒素濃度の計測に関して異常を有するか否かを診断するようになっている。
【００３４】
対応水質範囲算出部５１は、アンモニア性窒素濃度とＯＲＰとの相関関係に基づいて、アンモニア性窒素濃度計５によるアンモニア性窒素濃度の計測値に対応する、ＯＲＰに関する対応水質範囲を求めるようになっている。この対応水質範囲算出部５１が求める対応水質範囲は、ＯＲＰ計４によるＯＲＰの計測値に関する範囲である。
【００３５】
対応水質範囲照合部５２は、ＯＲＰ計４によるＯＲＰの計測値に基づくデータと、対応水質範囲算出部５１の求めた対応水質範囲と、を照合することによって、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するか否かを診断するようになっている。対応水質範囲照合部５２によって対応水質範囲と照合する際に用いられるＯＲＰ計４によるＯＲＰの計測値に基づくデータは、ＯＲＰ計４によるＯＲＰの計測値である。そして、対応水質範囲照合部５２は、ＯＲＰ計４によるＯＲＰの計測値が、対応水質範囲算出部５１が求めた対応水質範囲から外れているか否かに基づいて、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するか否かを診断するようになっている。
【００３６】
例えば、下水のアンモニア性窒素濃度が目標値に近づくように制御されている場合、ＯＲＰ計４の計測値は、必ずしも一意の値には定まらないが、所定の範囲（対応水質範囲）内に収まることとなる。このような特性を利用して、異常診断部５０は、ＯＲＰ計４の計測値がこの対応水質範囲外に出た場合には、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有すると診断するようになっている。このようにしてアンモニア性窒素濃度計５の計測に関する異常の有無を診断する際に、異常診断部５０が用いる診断式の一例を以下の式（１．２）に示す。
【００３７】
【数２】
2004188268.tif 000004
ＰＶＮＨ４：アンモニア性窒素濃度計の計測値（ｍｇＮ／Ｌ）、ＯＲＰ：ＯＲＰ計の計測値（ｍＶ）、ａ  ＮＨ４：変数（ｍｇＮ／Ｌ）、ＵＮＯＲＰ：ＯＲＰ異常診断下限値（ｍＶ）、ＵＰＯＲＰ：ＯＲＰ異常診断上限値（ｍＶ）、Ｆ（ａ  ＮＨ４）、Ｇ（ａ  ＮＨ４）：アンモニア性窒素計異常診断関数式（１．２）の診断式から導かれるＯＲＰ計４の計測に関する異常の有無についての診断の上下限は、アンモニア性窒素濃度を用いた関数（Ｆ（ａＮＨ４）、Ｇ（ａ ＮＨ４））で与えられ、当該上下限によってＯＲＰ計４の計測値の適正な範囲である対応水質範囲が定められるようになっている。そして、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０は、ＯＲＰ計４の計測値が上記の対応水質範囲から逸脱する場合には、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するものと診断するようになっている。
【００３８】
このような水質センサ異常診断装置７には、監視装置８が接続されており、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０におけるアンモニア性窒素濃度計５の計測に関する異常の有無の診断結果が、水質センサ異常診断装置７から監視装置８に送られるようになっている。
【００３９】
監視装置８は、水質センサ異常診断装置７から送られてくる異常診断部５０の診断結果を、下水処理場の管理者等に対してガイダンスするようになっている。また、当該監視装置８は、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０がアンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有すると診断した場合には、当該異常に関する警報を行うようになっている。
【００４０】
最終沈殿池１３は、脱窒・脱リン処理槽４０から送られてくる下水を貯留して、当該下水中の不純物を沈殿させるようになっている。なお、最終沈殿池１３に沈殿した不純物を含む下水（最終沈殿水）は、最終沈殿池１３から後述の汚泥貯留槽２０に送られるようになっている。なお、最終沈殿池１３の底部と嫌気槽１０とは、返送ポンプ１５が取り付けられた水配管によって連結されており、返送ポンプ１５によって、最終沈殿池１３に貯留されている下水の一部が当該水配管を介して嫌気槽１０に返送されるようになっている。
【００４１】
また、下水処理場は汚泥貯留槽２０を有している。汚泥貯留槽２０は、初沈引抜ポンプ１８が取り付けられた水配管を介して最初沈殿池２に接続されると共に、余剰ポンプ１７が取り付けられた水配管を介して最終沈殿池１３に接続されている。そして、初沈引抜ポンプ１８によって、最初沈殿池２の最初沈殿水が水配管を介して汚泥貯留槽２０に送られると共に、余剰ポンプ１７によって最終沈殿池１３の最終沈殿水が水配管を介して汚泥貯留槽２０に送られるようになっている。
【００４２】
なお、本発明の水質監視制御装置は、ＯＲＰ計４と、アンモニア性窒素濃度計５と、水質監視制御装置の異常診断部５０と、を含んで構成されている。
【００４３】
次に、本実施の形態の下水処理場の作用について説明する。
【００４４】
まず、下水が下水処理場において浄化処理される過程について概説する。
【００４５】
下水処理場において浄化処理が必要とされる都市下水や産業排水等の下水１は、水配管を介して最初沈殿池２に流入する。最初沈殿池２に流入した下水は最初沈殿池２に所定の時間だけ貯留される。これにより、下水中の不純物が沈降して、最初沈殿池２の下部に当該不純物が沈殿する。そして、最初沈殿池２で貯留されて不純物が沈殿除去された下水の大部分は、水配管を介して、脱窒・脱リン処理槽４０を構成する嫌気槽１０に送られる。なお、最初沈殿池２の下部の下水であって、沈殿した不純物を含む下水（最初沈殿水）は、最初沈殿池２の下方部に設けられた水配管を介して汚泥貯留槽２０に送られ、初沈引抜ポンプ１８によって送り量が調整される。
【００４６】
最初沈殿池２から嫌気槽１０に送られる下水の流量は、水配管に取り付けられた流入流量計３０によって計測される。この流入流量計３０の計測値に基づいて、管理者等は、嫌気槽１０、無酸素槽１１、及び好気槽１２を含んで構成されている脱窒・脱リン処理槽４０に送られる下水の流量を、把握することが可能である。
【００４７】
嫌気槽１０に送られてきた下水は、嫌気処理が施される。すなわち、下水中の酢酸等の有機酸が、嫌気槽１０内の活性汚泥中のリン蓄積細菌によってリン酸（ＰＯ４）とされる。これにより、下水からリン成分が除去される。なお、この時、下水から効率良くリン成分を除去することができるように、炭素源貯留槽２１から嫌気槽１０への炭素源の注入量が、炭素源注入ポンプ１９によって調整されている。
【００４８】
嫌気槽１０において嫌気処理が施された下水は、嫌気槽１０から無酸素槽１１へ送られる。そして、無酸素槽１１に送られてきた下水は無酸素処理が施される。すなわち、無酸素条件下の無酸素槽１１内の脱窒細菌は、無酸素槽１１に貯留されている下水に含まれる有機物を利用して、循環ポンプ１４によって好気槽１２から水配管を介して無酸素槽１１に返流されてきた下水に含まれる亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）及び硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）を、窒素ガス（Ｎ２）に還元する。そして、還元された窒素ガス（Ｎ２）は、図示しない無酸素槽排出部を介して下水処理場の系外に排出される。
【００４９】
無酸素槽１１において無酸素処理が施された下水は、無酸素槽１１から好気槽１２に送られる。そして、好気槽１２に送られてきた下水は、好気処理が施される。すなわち、好気槽１２内の硝化菌の働きによって、下水中のアンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）が、亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）と硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）とに酸化される。このように酸化された亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）及び硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）の一部乃至全部は、循環ポンプ１４によって、下水と共に好気槽１２から無酸素槽１１に送られるようになっている。このような好気槽１２内の硝化菌の働きによって、下水からアンモニア性窒素が除去され、下水のアンモニア性窒素濃度の減少が図られている。また、好気槽１２内における活性汚泥によって、下水に含まれるリン成分が吸収、除去される。また、下水に含まれるリン成分は、凝集剤貯留槽２２から好気槽１２に注入された凝集剤によって、リン酸アルミニウムやリン酸鉄の形で沈殿させられる。なお、この時、凝集剤貯留槽２２の凝集剤は、ＰＡＣ注入ポンプ１６によって好気槽１２への注入量が調整されており、適量の凝集剤が好気槽１２に注入されるようになっている。
【００５０】
好気槽１２において好気処理が施された下水の大部分は、好気槽１２の排出口及び水配管を介して最終沈殿池１３に送られる。なお、好気槽１２のうち最終沈殿池１３への排出口近傍であって好気槽１２の下方部に設けられた水配管を介して、好気槽１２内の下水の一部が無酸素槽１１に返送される。これにより、好気処理によって生じた亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）及び硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）の一部も、下水と共に無酸素槽１１に送られる。そして、無酸素槽１１に送られた亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）及び硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）は、上述のように無酸素槽１１において無酸素処理が施され、窒素ガス（Ｎ２）に還元され、当該窒素ガス（Ｎ２）は、図示しない無酸素槽１１排出部を介して下水処理場の系外に排出される。なお、好気槽１２から無酸素槽１１への下水の返送量は、循環ポンプ１４によって調整されており、適量の下水が無酸素槽１１に返送される。
【００５１】
最終沈殿池１３に流入した下水は、最終沈殿池１３に所定の時間だけ貯留される。これにより、下水中の不純物が沈降して、最終沈殿池１３の下部に当該不純物が沈殿する。そして、最終沈殿池１３で貯留されて不純物が沈殿除去された下水の大部分は、処理水３として、水配管を介して下水処理場の系外に設置された他の施設等に送られる。なお、最終沈殿池１３の下部の下水であって、沈殿した不純物を含む下水（最終沈殿水）は、水配管を介して汚泥貯留槽２０に送られ、余剰ポンプ１７によって送り量が調整される。
【００５２】
次に、好気槽１２における好気処理について詳しく説明する。
【００５３】
好気槽１２に設置されたアンモニア性窒素濃度計５は、必ずしも正確な値を示すとは限らない。すなわち、試薬の劣化、アンモニア性窒素濃度計５の検出部の汚れや気泡の付着、アンモニア性窒素濃度計５の故障、等の様々な要因によって、アンモニア性窒素濃度計５は、実際の値と異なる値を計測する場合がある。
【００５４】
例えば、アンモニア性窒素濃度計５が測定レンジを超えた値を示したり、アンモニア性窒素濃度計５の計測値がゼロのまま動かなかったりした場合のように、アンモニア性窒素濃度計５の計測値があまりにも異常な値を示した場合には、アンモニア性窒素濃度計５側（センサ側）若しくは曝気風量コントローラ２３側（コントローラ側）において、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関する異常が生じている、ということを診断しうる。
【００５５】
しかしながら、例えば下水中におけるアンモニア性窒素濃度の実際の値が２ｍｇ／Ｌであってアンモニア性窒素濃度計５の計測値が５ｍｇ／Ｌとなっている場合、等のように、アンモニア性窒素濃度計５が、実際にあり得る値を計測値として示している場合には、アンモニア性窒素濃度計５側（センサ側）若しくは曝気風量コントローラ２３側（コントローラ側）において、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常が生じている、ということを診断することは難しい。また、このような場合に、人間系によってアンモニア性窒素濃度計５の計測に関する異常の有無を診断する場合には、手分析によって診断するしかなく、手間及び時間がかかるという問題がある。また、アンモニア性窒素濃度計５等のように試薬を利用してｐｐｍのオーダのものを計測する水質センサよりも、酸化還元電位（ＯＲＰ）や紫外線吸光度（ＵＶ）等のように物理量を測定するセンサの方が、計測誤差が少なく計測精度はよいといえる。このような事情を鑑みて、好気槽１２では、具体的に以下のようなことが行われている。
【００５６】
すなわち、好気槽１２に流入した下水は、ＯＲＰ計４、アンモニア性窒素濃度計５、及び溶存酸素濃度計６の各水質センサによって、当該下水に含まれる各水質が計測される。このようにして計測された各水質のうち、ＯＲＰ計４の計測値、アンモニア性窒素濃度計５の計測値、及び溶存酸素濃度計６の計測値は、各水質センサから水質センサ異常診断装置７に送られる。また、アンモニア性窒素濃度の計測値及び溶存酸素濃度の計測値は、各水質センサから曝気風量コントローラ２３に送られる。
【００５７】
水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０では、送られてきたアンモニア性窒素濃度計５（制御用水質センサ）によるアンモニア性窒素濃度（対象水質）の計測値と、ＯＲＰ計４（異常診断用水質センサ）によるＯＲＰ（相関水質）の計測値と、アンモニア性窒素濃度及びＯＲＰの相関関係と、が考慮されて、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するか否かが診断される。すなわち、異常診断部５０では、上記の式（１．２）の診断式が利用されて、対応水質範囲を定める上下限値が、アンモニア性窒素濃度を用いた関数（Ｆ（ａＮＨ４）、Ｇ（ａ ＮＨ４））として算出される。これにより、例えば、図２に示されるような対応水質範囲が得られる。従って、例えば、下水のアンモニア性窒素濃度の目標値が０．５ｍｇ／Ｌとなるように制御されている場合、ＯＲＰ計の計測値は、例えば、１００ｍｖ〜１５０ｍｖで定められる対応水質範囲内に収まることとなる。そして、異常診断部５０は、ＯＲＰ計４の計測値が上記の対応水質範囲から逸脱する場合には、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有していると診断され、ＯＲＰ計４の計測値が上記の対応水質範囲に含まれている場合には、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有していないと診断される。
【００５８】
水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０における上記の診断結果は、監視装置８に送られ、監視装置８において下水処理場の管理者等に対してガイダンスされる。また、監視装置８は、異常診断部５０がアンモニア性窒素濃度の計測に関して異常を有していると診断した場合には、警報を鳴らして管理者等に当該異常を知らせる。
【００５９】
一方、曝気風量コントローラ２３は、アンモニア性窒素濃度計５の計測値及び溶存酸素濃度計６の計測値に基づいて、曝気装置９から好気槽１２内に供給される曝気風量を制御する。すなわち、アンモニア性窒素濃度計５の計測値が、設定されているアンモニア性窒素濃度の目標値に近づくように、曝気装置９から好気槽１２に供給される曝気風量の目標値が曝気風量コントローラ２３によって演算される。具体的には、曝気風量コントローラ２３では、上記の式（１．２）の曝気風量演算式が利用されて、曝気装置９から好気槽１２に供給される曝気風量の目標値が演算される。そして、曝気装置９は、アンモニア性窒素濃度計５から送られてくるアンモニア性窒素濃度の計測値が、設定されているアンモニア性窒素濃度の目標値よりも大きい場合には、好気槽１２に供給される曝気風量が増加するように、曝気風量コントローラ２３によって制御される。一方、アンモニア性窒素濃度計５から送られてくるアンモニア性窒素濃度の計測値が、設定されているアンモニア性窒素濃度の目標値よりも小さい場合には、好気槽１２に供給される曝気風量が減少するように、曝気装置９は曝気風量コントローラ２３によって制御される。このように曝気装置９を制御することによって、曝気風量コントローラ２３は、好気槽１２に対して常に過不足のなく曝気を供給することができる。これにより、好気槽１２内で酸素不足が生じて硝化反応が進行しなかったり、過曝気によって硝化反応が過度に進行してしまったりすることを防いで、下水のアンモニア性窒素濃度を適正な値に調整することができるようになっている。
【００６０】
以上説明したように本実施の形態によれば、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０は、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常が生じたか否かについて、アンモニア性窒素濃度計５の計測値と、ＯＲＰ計４の計測値と、アンモニア性窒素濃度とＯＲＰとの相関関係と、に基づいて、当該異常の発生の有無を迅速に診断することができる。これにより、正確且つ迅速に、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関する異常の有無を診断することができる。
【００６１】
そして、アンモニア性窒素濃度計５によるアンモニア性窒素濃度の計測に関して異常が生じている場合には、監視装置８を介して、当該異常の発生をいち早く運転員にガイダンスすることができる。これにより、運転員に対して診断の遅れや診断の間違いを生じさせないようにして、水質センサ異常に起因する制御異常をいち早く回避することが可能となる。また、曝気装置９による過曝気や曝気不足のようにアンモニア性窒素濃度の調整が不適切である時間を短縮させることができ、処理下水の水質の悪化を効果的に防止することができる。
【００６２】
また、安定な水質センサであるＯＲＰ計４による計測値が、対応水質範囲算出部５１が求めた対応水質範囲から外れているか否かに基づいて、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するか否かを診断するようになっているので、アンモニア性窒素濃度計５による計測の補償に関するアルゴリズムを比較的シンプルに組み立てることができる。また、このようなアルゴリズムを比較的容易に曝気風量コントローラ２３に組み込むことができる。
【００６３】
また、アンモニア性窒素濃度計５とＯＲＰ計４とは同一の好気槽１２に設置されており、これらの各水質センサ５，４によって各水質が計測される下水は、同一の生物反応槽における下水である。また、制御用水質センサであるアンモニア性窒素濃度計５の計測対象である対象水質（アンモニア性窒素濃度）と、異常診断用水質センサであるＯＲＰ計４の計測対象である相関水質（ＯＲＰ）と、は異なる。このため、水質センサ異常診断装置７は、正確性及び信頼性の高い、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関する異常の有無の診断を行うことが可能である。
【００６４】
なお、監視装置８によるガイダンス及び／又は警報の方式は、特に限定されるものではなく、例えば、文字等を表示する方式、音声を伴う方式、その他、下水処理場の管理者等に水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０における診断結果を知らせることができる方式全般を含みうる。
【００６５】
次に本実施の形態の変形例について説明する。
【００６６】
アンモニア性窒素濃度計５、ＯＲＰ計４、及び溶存酸素濃度計６は、それぞれ、好気槽１２よりも後段に設置されていてもよい。例えば、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４は、それぞれ、最終沈殿池１３、好気槽１２と最終沈殿池１３とを連結する水配管、最終沈殿池１３から下水を排出するための水配管、等に設置され、設置箇所における下水の各水質を計測するようになっていてもよい。
【００６７】
また、ＯＲＰ計４は、アンモニア性窒素濃度計５が設置されている生物反応槽よりも後段に設けられた生物反応槽に設置されてもよい。このような場合に、アンモニア性窒素濃度計５の計測値（アンモニア性窒素濃度）とＯＲＰ計４の計測値（ＯＲＰ）との間に所定の相関関係が存在する場合には、当該相関関係を利用することによって、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するか否かが診断されうる。
【００６８】
また、アンモニア性窒素濃度計５及びＯＲＰ計４と水質センサ異常診断装置７との間、アンモニア性窒素濃度計５及びＯＲＰ計４と曝気風量コントローラ２３との間、のそれぞれにおいて、アンモニア性窒素濃度計５によるアンモニア性窒素濃度の計測値、及び、ＯＲＰ計４によるＯＲＰの計測値、をフィルタリング処理するフィルタリング処理装置（フィルタリング処理部）を設置してもよい。フィルタリング処理装置は、例えば以下の式（１．３）及び式（１．４）のような演算式によって、アンモニア性窒素濃度計５及びＯＲＰ計４の計測値に対してフィルタリング処理を施すことができる。
【００６９】
【数３】
2004188268.tif 000005
ＰＶ（ｔ）：時刻ｔにおけるセンサ計測値、ＦＴ：フィルタ係数（０〜１）、ｎ：整数
フィルタリング処理装置においてフィルタリング処理が施された計測値は、その後、水質センサ異常診断装置７或いは曝気風量コントローラ２３において用いられうる。そして、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０において考慮されるアンモニア性窒素濃度計５の計測値とＯＲＰ計４の計測値とは、フィルタリング処理装置によってフィルタリング処理が施されたアンモニア性窒素濃度計５の計測値及びＯＲＰ計４の計測値を用いることができる。上記各水質センサの計測値に対してフィルタリング処理を施すことによって、計測値に関する計測誤差等の不安定さ（ノイズ）をなまらせることができる。従って、フィルタリング処理が施された計測値を用いることによって、水質センサ異常診断装置７或いは曝気風量コントローラ２３は、比較的安定的に曝気装置９を制御することができる。
【００７０】
また、水質センサ異常診断装置７によるアンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するか否かの診断方法は、ＯＲＰ計４の計測値が上記の対応水質範囲から逸脱するか否かに基づくものに限定されない。例えば、対応水質範囲算出部５１が求める対応水質範囲は、ＯＲＰ計４（異常診断用水質センサ）によるＯＲＰ（相関水質）の計測値の時間変化量に関する範囲であり、対応水質範囲照合部５２が対応水質範囲算出部５１の求めた対応水質範囲と照合するＯＲＰ計４によるＯＲＰの計測値に基づくデータは、ＯＲＰ計４によるＯＲＰの計測値の時間変化量とすることができる。そして、対応水質範囲照合部５２は、ＯＲＰ計４の計測値の時間変化量が、対応水質範囲算出部５１が求めた対応水質範囲から外れているか否かに基づいて、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するか否かを診断することもできる。この場合、例えば図３に示されるような、関数Ｇ（ａｏ２）と関数Ｆ（ａｏ２）とによって規定される対応水質範囲を、対応水質範囲算出部５１が算出することができる。そして、アンモニア性窒素濃度計５の計測値の時間変化が、対応水質範囲から外れている時間が所定時間続いたか否かに基づいて、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を有するか否かを診断することができる。これは、アンモニア性窒素濃度計５の計測値がアンモニア性窒素濃度の目標値に近づくように実際に制御されていれば、ＯＲＰが急激な時間変化を示すことはない、という特性を利用したものである。
【００７１】
また、溶存酸素濃度計６を本発明の制御用水質センサとして、ＯＲＰ計４を本発明の異常診断用水質センサとして、溶存酸素濃度計６の計測に関して異常を有するか否かを、ＯＲＰ計４の計測値に基づいて診断するものであってもよい。例えば、水質センサ異常診断装置７は、以下の式（１．５）で示される診断式に基づいて、溶存酸素濃度計６の計測に関して異常を有するか否かを診断することができる。
【００７２】
【数４】
2004188268.tif 000006
ＰＶ  Ｏ２：溶存酸素濃度計の計測値（ｍｇＮ／Ｌ）、ＯＲＰ：ＯＲＰ計の計測値（ｍＶ）、ａ  Ｏ２：変数（ｍｇＮ／Ｌ）、ＵＮＯＲＰ：ＯＲＰ異常診断下限値（ｍＶ）、ＵＰＯＲＰ：ＯＲＰ異常診断上限値（ｍＶ）
この場合、水質センサ異常診断装置７（異常診断部５０）では、上記の式（１．３）（１．４）に基づいてフィルタリング処理が施されたＯＲＰ計４の計測値を用いることができる。また、この場合に、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０で用いられる診断式は上記の式（１．５）に限定されるものではなく、例えば、ＯＲＰ計４の計測値の時間変化が、所定の閾値を超えた状態が所定時間続いたか否かに基づいて、溶存酸素濃度計６の計測に関して異常を有するか否かを診断してもよい。
【００７３】
また、曝気風量コントローラ２３は、アンモニア性窒素濃度計５の計測値に基づいて曝気装置９を制御するものに限定されない。例えば、曝気風量コントローラ２３は、溶存酸素濃度計６の計測値のみに基づいて曝気装置９を制御することもでき、また、曝気風量が一定となるような制御方法や、好気槽１２への下水の流入流量に対する曝気風量の比率が一定となるような制御方法によって曝気装置９を制御することもできる。また、曝気風量コントローラ３０を異常診断部５０に接続して、異常診断部５０における診断結果に基づいて、曝気風量コントローラ３０における曝気装置９の制御モードを適宜変更させることも可能である。
【００７４】
第２の実施の形態
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す図であって、下水処理場（下水処理システム）の概略構成を示す図である。
【００７５】
本実施の形態の下水処理場における好気槽１２に設置されている水質センサは、図４に示すように、ＯＲＰ計４と、第１アンモニア性窒素濃度計５ａと、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂと、を含んで構成されている。水質センサ異常診断装置７には、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４が接続されており、曝気風量コントローラ２３には、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂが接続されている。なお、本実施の形態では、後述のように、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂのうち、一方が本発明の制御用水質センサとして機能し、他方が本発明の異常診断用水質センサとして機能するようになっている。また、ＯＲＰ計４は、本発明の異常診断用水質センサとして機能するようになっている。
【００７６】
また、下水処理場は水質データベース２４（水質データ記憶部）を更に備えており、当該水質データベース２４は、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４を含んで構成される水質センサと、流入流量計３０と、水質センサ異常診断装置７と、に接続されている。
【００７７】
水質データベース２４には、本発明の対象水質と相関水質との相関関係に関連する過去の相関データが記憶されている。本実施の形態では、以下の表１に示されているように、過去の所定日時における、ＯＲＰ計４の計測値（ＯＲＰ（ｍＶ））と、第１アンモニア性窒素濃度計５ａの計測値（ＮＨ４（１）（ｍｇ／Ｌ））と、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値（ＮＨ４（２）（ｍｇ／Ｌ））と、流入流量計３０の計測値（流量（ｍ３／ｍｉｎ）と、を含む過去の相関データが相互に関連づけられて記憶されている。
【００７８】
【表１】
2004188268.tif 000007
水質データベース２４に記憶されている表１に示されるような相関データは、ＯＲＰ計４、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及び流入流量計３０から送られてくる各計測値に基づいている。また、流入流量計３０は、本発明の流入流量計及び流入流量計として機能している。従って、水質データベース２４に記憶される流入流量計３０の計測値は、制御用水質センサ（アンモニア性窒素濃度計５）によって対象水質（アンモニア性窒素濃度）が計測される生物反応槽（好気槽１２）に流入する新たな下水の流入量、及び異常診断用水質センサ（アンモニア性窒素濃度計５、ＯＲＰ計４）によって下水の相関水質（アンモニア性窒素濃度、ＯＲＰ）が計測される生物反応槽（好気槽１２）に流入する新たな下水の流入量、の両者に関する過去のデータを意味することとなる。
【００７９】
水質センサ異常診断装置７は、相関関係導出部５３を更に有している。相関関係導出部５３は、水質データベース２４に記憶されている過去の相関データに基づいて、対象水質（アンモニア性窒素濃度）と相関水質（アンモニア性窒素濃度、ＯＲＰ）との相関関係を導き出すようになっている。
【００８０】
他の構成は第１の実施の形態と略同一である。図４に示される第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８１】
下水処理場に供給された下水１は、最初沈殿池２、嫌気槽１０、及び無酸素槽１１を経た後に、好気槽１２に流入する。
【００８２】
好気槽１２に流入した下水は、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂによって、アンモニア性窒素濃度が計測されると共に、ＯＲＰ計４によってＯＲＰが計測される。第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４の各水質センサの計測値は、それぞれ水質センサ異常診断装置７に送られる。また、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値は、それぞれ曝気風量コントローラ２３に送られる。
【００８３】
水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０は、送られてきた第１アンモニア性窒素濃度計５ａによるアンモニア性窒素濃度の計測値と、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂによるアンモニア性窒素濃度の計測値と、ＯＲＰ計４による酸化還元電位の計測値と、を考慮して、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び／又は第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測に関して異常を有しているか否かを診断する。すなわち、好気槽１２に設置された第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの両者が正常である場合には、それぞれの計測値は略同等の値を示すこととなるが、いずれか一方乃至両方の計測に関して異常が生じている場合には、それぞれの計測値は異なる値を示すこととなる。ただし、これら二つのアンモニア性窒素濃度計５ａ、５ｂからのみでは、どちらのアンモニア性窒素濃度計或いは両方のアンモニア性窒素濃度計の計測に関して異常を生じているのか、について診断することが難しい。このため、水質センサ異常診断装置７は、ＯＲＰ計４の計測値及び水質データベース２４に記憶されている過去の相関データ（表１参照）を用いて、当該異常の有無についての診断を行う。
【００８４】
すなわち、水質センサ異常診断装置７の相関関係導出部５３は、水質データベース２４に記憶されている過去の相関データから、第１アンモニア性窒素濃度及び第２アンモニア性窒素濃度の平均値と、流入流量計３０の計測値と、ＯＲＰと、の相関関係を導出する。この時、相関関係導出部５３は、例えば以下の式（２．１）のような形で与えられる相関関係に基づいて、最小自乗法により回帰係数Ａ，Ｂ，Ｃを演算する。
【００８５】
ＲＮＨ４ａｖｅｒａｇｅ＝Ａ×ＯＲＰ＋Ｂ×Ｑ＋Ｃ          式（２．１）
ＯＲＰ：ＯＲＰ計計測値、Ｑ：流量、Ａ，Ｂ，Ｃ：回帰係数
この回帰係数Ａ，Ｂ，Ｃは、第１アンモニア性窒素濃度計５ａの計測値と第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値との間に１ｍｇ／Ｌ（所定の閾値）以上の差がない日時におけるデータに基づいて演算され、ある程度の周期（例えば、計測値のサンプリング周期よりも遅い周期の一時間単位若しくは一日単位程度の周期）で更新される。なお、本実施の形態では、上記の所定の閾値に基づいて本発明の対応水質範囲が定められている。
【００８６】
また逆に、上記の回帰係数Ａ，Ｂ，Ｃを演算する際に用いたデータの日時における、ＯＲＰと流入流量計３０の計測値とに基づいて、以下の式（２．２）のような形で与えられるアンモニア性窒素濃度の予測値ＰＮＨ４（ｔ）が演算される。
【００８７】
ＰＮＨ４（ｔ）＝Ａ×ＯＲＰ（ｔ）＋Ｂ×Ｑ（ｔ）＋Ｃ          式（２．２）
ＰＮＨ４（ｔ）：時刻ｔにおけるアンモニア性窒素濃度予測値、ＯＲＰ（ｔ）：時刻ｔにおけるＯＲＰ計計測値、Ｑ（ｔ）：時刻ｔにおける流量、Ａ，Ｂ，Ｃ：回帰係数（式（２．２）と同様の係数）
流入流量計３０及びＯＲＰ計４は、無試薬で物理量を測定するセンサなので、アンモニア性窒素濃度計５よりも計測精度に関する安定性が高いといえる。
【００８８】
よって、この予測値ＰＮＨ４（ｔ）が、対応する日時における第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値の平均値ＰＮＨ４ａｖｅｒａｇｅ（ｔ）と、所定の大きさ以上異なっている場合には、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０は、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの両方或いはいずれか一方の計測に関して異常を有するものと診断する。一方、この予測値ＰＮＨ４（ｔ）が、その時間における第１アンモニア性窒素濃度及び第２アンモニア性窒素濃度の平均値ＰＮＨ４ａｖｅｒａｇｅ（ｔ）と略同一となっている場合、水質センサ異常診断装置７は、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの両者の計測に関して異常を有しないものと診断する。
【００８９】
また、ある日時において第１アンモニア性窒素濃度計５ａの計測値ＰＮＨ４（１）（ｔ）と第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値ＰＮＨ４（２）（ｔ）との間において、所定の閾値以上の偏差が生じた場合には、その日時におけるＯＲＰ計４の計測値ＯＲＰ（ｔ）と流入流量計３０の計測値Ｑ（ｔ）とから、式（２．３）によって、アンモニア性窒素濃度の予測値ＰＮＨ４（ｔ）を演算する。そして、演算したアンモニア性窒素濃度の予測値ＰＮＨ４（ｔ）と、第１アンモニア性窒素濃度計５ａの計測値ＰＮＨ４（１）（ｔ）及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値ＰＮＨ４（２）（ｔ）の各々と、を比較する。そして、少なくとも、アンモニア性窒素濃度の予測値ＰＮＨ４（ｔ）に対する差の絶対値の大きい計測値を示すアンモニア性窒素濃度計５のほうに関しては、アンモニア性窒素濃度の計測に関して異常を生じていると診断することができる。このアルゴリズムを数式表現すると以下の式（２．３）のようになる。
【００９０】
【数５】
2004188268.tif 000008
ＰＮＨ４（ｔ）：アンモニア性窒素濃度予測値、ＰＶＮＨ４ａｖｅｒａｇｅ（ｔ）：第１アンモニア性窒素濃度計の計測値と第２アンモニア性窒素濃度計の計測値との平均値、ＵＬ：アンモニア性窒素濃度計診断（計測値−演算値）上限値、ＰＶＮＨ４（１）（ｔ）：第１アンモニア性窒素濃度計の計測値、ＰＶＮＨ４（２）（ｔ）：第２アンモニア性窒素濃度計の計測値、ＵＬＰＶ：第１アンモニア性窒素濃度計の計測値と第２アンモニア性窒素濃度計の計測値と間の偏差上限値
そして、水質センサ異常診断装置７における上記の診断結果は、監視装置８に送られる。
【００９１】
一方、曝気風量コントローラ２３は、第１アンモニア性窒素濃度計５ａの計測値及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値に基づいて、曝気装置９から好気槽１２内に供給される曝気風量を制御する。すなわち、曝気風量コントローラ２３は、送られてくる第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値の平均値が、予め設定されているアンモニア性窒素濃度の目標値に近づくように、曝気装置９から好気槽１２に供給される曝気風量の目標値を演算する。例えば、曝気風量コントローラ２３は、下記の式（２．４）の曝気風量演算式を利用して、曝気装置９から好気槽１２に供給される曝気風量の目標値を演算する。
【００９２】
【数６】
2004188268.tif 000009
Ｑａｉｒ（ｔ）：時刻ｔにおける曝気風量目標値（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｑａｉｒ０：曝気風量初期値（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｋｐ：比例ゲイン（ｍ６／ｇ・ｍｉｎ）、ＴＩ：積分定数（ｍｉｎ）、△ｔ：制御周期（ｍｉｎ）、ｅ（ｔ）：偏差（ｍｇ／Ｌ）、ＳＶＮＨ４（ｔ）：アンモニア性窒素濃度目標値（ｍｇ／Ｌ）、ＰＶ  ＮＨ４（１）（ｔ）：第１アンモニア性窒素濃度計の計測値（ｍｇ／Ｌ）  、ＰＶ  ＮＨ４（２）  （ｔ）：第２アンモニア性窒素濃度計の計測値（ｍｇ／Ｌ）
そして、好気槽１２に供給される曝気風量が、演算した曝気風量の目標値と等しくなるように、曝気風量コントローラ２３は曝気装置９を制御する。これにより、曝気風量コントローラ２３に制御されている曝気装置９は、常に過不足なく曝気を好気槽１２に供給することができ、好気槽１２において適正な曝気風量が確保されることとなる。
【００９３】
以上説明したように本実施の形態によれば、水質データベース２４に蓄えられている過去のデータ（相関データ）を用いて、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測に関する異常の有無が診断されるので、アンモニア性窒素濃度と酸化還元電位（ＯＲＰ）との関係を把握するための実験等を、前もって行う必要がない。
【００９４】
また、パラメータの設定も、ＵＬ（少なくともどちらかのアンモニア性窒素濃度計の計測に関して異常を有しているか否かを診断するための許容上限値）と、ＵＬＰＶ（第１アンモニア性窒素濃度計５ａと第２アンモニア性窒素濃度計５ｂとの間における偏差の許容上限値）と、の２つのみであって、プラントでの制御パラメータの調整が容易となる。
【００９５】
また、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂによって計測されるアンモニア性窒素濃度を対象水質及び相関水質としており、対象水質と相関水質とは同一である。従って、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ又は第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測に関して異常が生じているか否かは、両者の計測値間のズレに基づいて診断可能であるため、迅速に当該異常の発生を検知することができる。
【００９６】
また、曝気風量コントローラ２３は、同じ好気槽１２に設置した二つのアンモニア性窒素濃度計（第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ）の計測値に基づいて、曝気装置９の制御を行っているので、一方のアンモニア性窒素濃度計５ａ、５ｂの計測に関して異常が生じた場合であっても、他方のアンモニア性窒素濃度計５ａ、５ｂの計測値に基づいて曝気装置９を制御することが可能である。このため、いずれか一方のアンモニア性窒素濃度計５ａ、５ｂの計測に関して異常が生じた場合であっても、最適な曝気風量を確保することができ、浄化処理された下水は安定的に良好な水質を保持することとなる。
【００９７】
水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０において用いられるアンモニア性窒素濃度の予測値は、ＯＲＰ計４の計測値だけではなく、流入流量計３０の計測値にも基づいて予測されている。従って、異常診断部５０は、本発明の流入流量計３０及び流入流量計３０として機能する流入流量計３０の計測値を更に考慮して、制御用水質センサによる対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断することができ、流入流量計３０の計測値の変動に応じた当該異常の有無の診断を正確に行うことが可能である。
【００９８】
次に本実施の形態の変形例について説明する。
【００９９】
第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４は、それぞれ、好気槽１２よりも後段に設置されていてもよい。例えば、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４は、それぞれ、最終沈殿池１３、好気槽１２と最終沈殿池１３とを連結する水配管、最終沈殿池１３から下水を排出するための水配管、等に設置され、設置箇所の下水の各水質を計測するようになっていてもよい。このような場合であっても、各水質センサーが計測する各水質同士は、所定の相関関係を有しうる。
【０１００】
また、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４と水質センサ異常診断装置７との間、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４と曝気風量コントローラ２３との間、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４と水質データベース２４との間、のそれぞれにおいて、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４の各水質センサの計測値をフィルタリング処理するフィルタリング処理装置を設置してもよい。フィルタリング処理装置は、例えば上記の式（１．３）及び式（１．４）のような演算式によって、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ、第２アンモニア性窒素濃度計５ｂ、及びＯＲＰ計４の計測値に対してフィルタリング処理を施すことができる。そして、フィルタリング処理装置によってフィルタリング処理が施された上記各水質センサの計測値は、その後、水質センサ異常診断装置７、曝気風量コントローラ２３、或いは水質データベース２４において用いられうる。
【０１０１】
また、水質センサ異常診断装置７は、アンモニア性窒素濃度（対象水質）を予測する際に、流入流量計３０やＯＲＰ計４の計測値に関するデータのみならず、他の水質に関するデータを考慮してもよい。例えば、図４の嫌気槽１０に流入する前の下水（例えば、最初沈殿池２、或いはその前後の水配管内の下水）のＴ−Ｎ計（全窒素計）による計測値データ、好気槽１２に貯留されている下水のＤＯ（溶存酸素濃度）に関するＤＯ計データ、好気槽１２に貯留されている下水のＭＬＳＳに関するＭＬＳＳ計データ、等の過去のデータが水質データベース２４に記憶されている場合について考えてみる。この場合、水質センサ異常診断装置７は、水質データベース２４に記憶されているこれらの水質データを考慮して、以下の式（２．７）のような演算式に基づく重回帰分析によって、回帰係数（Ａ，Ｂ，Ｃ，・・・，Ｚ）を決定し、決定した回帰係数をアンモニア性窒素濃度（対象水質）の予測演算の際に用いてもよい。
【０１０２】
ＲＮＨ４ａｖｅｒａｇｅ＝Ａ×ＯＲＰ＋Ｂ×Ｑ＋Ｃ×Ｔ−Ｎ＋Ｄ×ＤＯ＋Ｅ×ＭＬＳＳ＋・・＋Ｚ        式（２．７）
ＲＮＨ４ａｖｅｒａｇｅ：相関関係より演算される第１アンモニア性窒素濃度計５ａと第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの平均値、ＯＲＰ：ＯＲＰ計計測値（ｍＶ）、Ｑ：流量（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｔ−Ｎ：流入水Ｔ−Ｎ濃度（ｍｇ／Ｌ）、ＤＯ：好気槽１２溶存酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）、ＭＬＳＳ：好気槽１２ＭＬＳＳ（ｍｇ／Ｌ）、Ａ，Ｂ，Ｃ・・・・・Ｚ：回帰係数
また、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０における、アンモニア性窒素濃度計５（制御用水質センサ）の計測に関して異常を有するか否かの診断方法は、上記の式（２．４）に基づくものには限定されず、他の方法を用いることも可能である。例えば、水質データベース２４に蓄えられたデータを相関解析によって、好気槽１２のアンモニア性窒素濃度の計測値と相関の高いデータのみを抜き出し、相関が高いと診断されたデータのみを利用して、アンモニア性窒素濃度計の計測に関して異常を有しているか否かの診断を行ってもよい。また、異常診断部５０は、ＰＶＮＨ４（１）（第１アンモニア性窒素濃度計の計測値）、ＰＶＮＨ４（２）（第２アンモニア性窒素濃度計の計測値）、ＰＮＨ４（アンモニア性窒素濃度の予測値）の時系列データを用いた主成分分析に基づいて、アンモニア性窒素濃度計５（制御用水質センサ）の計測に関して異常を有するか否かを診断してもよい。すなわち、アンモニア性窒素濃度計５（制御用水質センサ）による計測が正常である場合、ＰＶＮＨ４（１）、ＰＶＮＨ４（２）、ＰＮＨ４は、ほぼ同じ傾向を示す。従って、ＰＶＮＨ４（１）、ＰＶＮＨ４（２）、ＰＮＨ４の時系列データを用いた主成分分析を行うと、第１主成分にほとんど全ての情報が内包されるはずである。例えば、以下の式（２．８）（２．９）（２．１０）で表されるような主成分分析を行った場合の第１〜第３成分（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）に対応する固有値（情報量）をλ１，λ２，λ３とする。
【０１０３】
Ｘ１＝ａ１１ＰＶＮＨ４（１）＋  ａ２１ＰＶＮＨ４（２）＋ａ３１ＲＮＨ４          式（２．８）
Ｘ２＝ａ１２ＰＶＮＨ４（１）＋  ａ２２ＰＶＮＨ４（２）＋ａ３２ＲＮＨ４          式（２．９）
Ｘ３＝ａ１３ＰＶＮＨ４（１）＋  ａ２３ＰＶＮＨ４（２）＋ａ３３ＲＮＨ４          式（２．１０）
Ｘ１：第１主成分、Ｘ２：第２主成分、Ｘ３：第３主成分、ＰＶＮＨ４（１）：第１アンモニア性窒素濃度計５ａの計測値、ＰＶＮＨ４（２）  ：第２アンモニア性窒素濃度計５ｂの計測値、ＲＮＨ４：重回帰式による予測値、ａｉｊ：定数
この時、アンモニア性窒素濃度計５による計測が正常である場合には、以下の式（２．１１）で示される第１主成分の寄与率が高いはずである。
【０１０４】
【数７】
2004188268.tif 000010
そして、第１アンモニア性窒素濃度計５ａ及び第２アンモニア性窒素濃度計５ｂのうちいずれかの計測に関して異常が生じると、第２主成分以降の主成分が情報をもつようになり、第１主成分の寄与率が下がることとなる。従って、設定された第１主成分の寄与率の低下に基づいて、アンモニア性窒素濃度計５の計測に関して異常を生じているか否かを診断することもできる。
【０１０５】
また、上記の式（２．３）、式（２．７）の相関式は、上記のような線形型のものに限定されず、必要に応じて他の適切な相関式を用いることが可能である。例えば、べき乗型、指数関数型、対数型、或いはこれらを組み合わせたもの、等を用いてもよい。
【０１０６】
また、アンモニア性窒素濃度計５は、図４に示されているように好気槽１２に２つ設置されたものでなくてもよく、１つのみが設置されたものであってもよい。また、好気槽１２に設置されるアンモニア性窒素濃度計５は２つに限定されるものではなく、３つ以上のアンモニア性窒素濃度計５を好気槽１２に設置してもよい。
【０１０７】
また、水質センサ異常診断装置７は、いずれのアンモニア性窒素濃度計５が異常を有しているのかについての診断を行う際に、水質データベース２４に記憶されているＯＲＰ計４及び流入流量計３０の計測値に関するデータのうち、両方のデータを用いてもよく、また、いずれか一方のデータのみを用いてもよい。
【０１０８】
また、所定の対象水質は、アンモニア性窒素濃度に限定されるものではない。また、制御用水質センサは、アンモニア性窒素濃度計に限定されるものではない。例えば、リン酸性リン、溶存酸素濃度、ＭＬＳＳ、硝酸性窒素濃度、等を所定の対象水質として、リン酸性リン濃度計、溶存酸素濃度計、ＭＬＳＳ計、硝酸性窒素濃度計、等を制御用水質センサとすることもできる。
【０１０９】
第３の実施の形態
図５は、本発明の第３の実施の形態を示す図であって、下水処理場（下水処理システム）の概略構成を示す図である。
【０１１０】
本実施の形態の下水処理場では、好気槽１２にＯＲＰ計４と第１アンモニア性窒素濃度計５ａと第２アンモニア性窒素濃度計５ｂとを設置する代わりに、水質センサのうちＯＲＰ計４と硝酸性窒素濃度計３１とが無酸素槽１１に設置されている（図５参照）。ＯＲＰ計４と硝酸性窒素濃度計３１とは、それぞれ、水質センサ異常診断装置７と水質データベース２４と後述される炭素源注入コントローラ２５とに接続されている。そして、ＯＲＰ計４の計測値及び硝酸性窒素濃度計３１の計測値が、水質センサ異常診断装置７と水質データベース２４と炭素源注入コントローラ２５とに送られるようになっている。
【０１１１】
また、好気槽１２にはアンモニア性窒素濃度計５が設置されており、当該アンモニア性窒素濃度計５は曝気風量コントローラ２３に接続されている。曝気風量コントローラ２３は、アンモニア性窒素濃度計５の計測値を用いて、以下の式（３．１）で示される演算式に基づいて曝気装置９を制御するようになっている。
【０１１２】
【数８】
2004188268.tif 000011
Ｑａｉｒ（ｔ）：時刻ｔにおける曝気風量目標値（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｑａｉｒ０：曝気風量初期値（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｋｐ：比例ゲイン（ｍ６／ｇ・ｍｉｎ）、ＴＩ：積分定数（ｍｉｎ）、△ｔ：制御周期（ｍｉｎ）、ｅ（ｔ）：偏差（ｍｇ／Ｌ）、ＳＶＮＨ４（ｔ）：アンモニア性窒素濃度目標値（ｍｇ／Ｌ）、ＰＶ  ＮＨ４  （ｔ）：アンモニア性窒素濃度計の計測値（ｍｇ／Ｌ）
なお、本実施の形態では、ＯＲＰ計４を本発明の制御用水質センサとした場合には、硝酸性窒素濃度計３１が本発明の異常診断用水質センサとして機能し、硝酸性窒素濃度計３１を本発明の制御用水質センサとした場合には、ＯＲＰ計４が本発明の異常診断用水質センサとして機能する。従って、本実施の形態では、制御用水質センサが対象水質を計測する下水と異常診断用水質センサが相関水質を計測する下水とは、同一生物反応槽における下水である。
【０１１３】
水質データベース２４には、ＯＲＰと硝酸性窒素濃度との相関関係に関連する過去の相関データが記憶されている。本実施の形態では、過去の所定日時における、ＯＲＰ計４の計測値（ＯＲＰ（ｍＶ））のデータと、硝酸性窒素濃度計３１の計測値（ＮＨ４（１）（ｍｇ／Ｌ））のデータと、が相互に関連づけられて水質データベース２４に記憶されている。なお、水質データベース２４に記憶されるＯＲＰ計４の計測値のデータ及び硝酸性窒素濃度計３１の計測値（ＮＨ４（１）（ｍｇ／Ｌ））のデータは、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１から水質データベース２４に送られてくる計測値に基づくものである。
【０１１４】
水質センサ異常診断装置７は異常診断部５０を有しており、当該異常診断部５０は、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１から送られてくる各計測値に基づいて、ＯＲＰ計４及び／または硝酸性窒素濃度計３１の計測に関して異常を有するか否かを診断するようになっている。
【０１１５】
一方、炭素源注入ポンプ１９には炭素源注入コントローラ２５が接続されている。炭素源注入コントローラ２５は、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１から送られてくる各計測値に基づいて炭素源注入ポンプ１９を制御し、炭素源貯留槽２１から嫌気槽１０に注入される炭素源の注入量を調整することができるようになっている。また、炭素源注入コントローラ２５は水質センサ異常診断装置７に接続されており、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０の診断結果が炭素源注入コントローラ２５に送られるようになっている。なお、本発明の水質調整装置は、炭素源貯留槽２１及び炭素源注入ポンプ１９を含んで構成されており、本発明の水質調整制御装置は、炭素源注入コントローラ２５を含んで構成されている。
【０１１６】
また、最初沈殿池２に下水を供給する水配管の中途ではバイパス水配管６１が分岐しており、当該バイパス水配管６１は嫌気槽１０に接続されている。当該バイパス水配管６１には初沈バイパス弁６２が取り付けられており、この初沈バイパス弁６２の開閉を調節することにより、バイパス水配管６１を流れる下水の流量を調整することができるようになっている。
【０１１７】
他の構成は第２の実施の形態と略同一である。図５に示される第３の実施の形態において、第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１１８】
下水処理場に供給された下水１は、最初沈殿池２を経て嫌気槽１０に流入し、嫌気槽１０において嫌気処理が施された後に、無酸素槽１１に流入する。無酸素槽１１に流入した下水は、無酸素処理が施されると共に、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１によって対応する水質（ＯＲＰ、硝酸性窒素濃度）が計測される。その後、下水は、無酸素槽１１から排出され、好気槽１２と最終沈殿池１３とを経て下水処理場から排出される。
【０１１９】
ところで、無酸素槽１１に貯留されている下水に関して対応する水質を計測したＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１のそれぞれは、水質センサ異常診断装置７と、炭素源注入コントローラ２５と、水質データベース２４と、に計測値を送るようになっている。
【０１２０】
水質データベース２４は、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１から送られてくる計測値を、計測日時と対応付けて、ＯＲＰ計４の計測値に関する相関データ及び硝酸性窒素濃度計３１の計測値に関する相関データとして記憶する。
【０１２１】
一方、水質センサ異常診断装置７では、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１から送られてくる計測値に基づいて、ＯＲＰ計４及び／又は硝酸性窒素濃度計３１の計測に関して異常を有するか否かが診断される。例えば、炭素源貯留槽２１に貯留されている炭素源が例えばメタノールである場合に、嫌気槽１０では、以下の式（３．２）で示される脱窒反応が生じる。
【０１２２】
６ＮＯ３−＋５ＣＨ３ＯＨ→３Ｎ２＋５ＣＯ２＋７Ｈ２Ｏ＋６ＯＨ−        式（３．２）
この場合、硝酸性窒素は酸化剤として働くこととなる。一方、ＯＲＰは、一般的には以下の式（３．３）で示されるような関係があり、ＯＲＰと硝酸性窒素濃度との間には以下の式（３．４）で示されるような相関関係があると考えられる。
【０１２３】
【数９】
2004188268.tif 000012
ＯＲＰ＝  Ａ＋Ｂ・ｌｎ（ＮＯ３）        式（３．４）
Ａ，Ｂ：定数
そして、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０は、例えば以下の式（３．５）で示される演算式を用いて、ＯＲＰの予測値（ＲＯＲＰ）を演算する。
【０１２４】
ＲＯＲＰ＝  Ａ  ＋  Ｂ・ｌｎ（ＰＶＮＯ３）        式（３．５）
ＯＲＰ：ＯＲＰ予測演算値、ＰＶＮＯ３：ＮＯ３計計測値、Ａ，Ｂ：定数（実際のＯＲＰとＮＯ３の関係から最小二乗法等により導出）
そして、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０では、水質データベース２４に記憶されているＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１の計測値に関する時系列データ（相関データ）を用いて、日時の対応するＯＲＰ計４の計測値（ＰＶＯＲＰ）とＯＲＰの予測演算値（ＲＯＲＰ）との間で主成分分析が行われる。この時、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１の計測が正常に行われている場合には、第１主成分にほとんどの情報が含まれるはずである。すなわち、第１主成分の固有値をλ１、第２主成分の固有値をλ２とした場合に、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１による計測が正常に行われている場合には、λ１＞＞λ２という関係になる。一方、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１のうちどちらかの計測に関して異常が生じている場合には、第２主成分にも主要な情報が含まれうることとなり、以下の式（３．６）で示される第１主成分の寄与率が低下する。
【０１２５】
【数１０】
2004188268.tif 000013
そして、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０では、上記の式（３．６）で示される第１主成分の寄与率が所定の閾値以下となった場合には、ＯＲＰ計４或いは硝酸性窒素濃度計３１の計測に関して異常が生じていると診断され、第１主成分の寄与率が所定の閾値よりも大きい場合には、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１の計測は正常に行われていると診断される。当該診断結果は、監視装置８に送られると共に、炭素源注入コントローラ２５に送られる。なお、本実施の形態では、上記の所定の閾値によって、本発明の対応水質範囲が定められる。
【０１２６】
監視装置８では、送られてくる水質センサ異常診断装置７の診断結果に基づいて、下水処理場の管理者等に対するガイダンス及び／または警報が行われる。また、炭素源注入コントローラ２５は、ＯＲＰ計４或いは硝酸性窒素濃度計３１の計測に関して異常が生じているという診断結果が送られてきた場合には、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１の計測値に基づく炭素源注入ポンプ１９の制御をやめて、炭素源注入量一定、等の他の制御モードに切り換える。一方、炭素源注入コントローラ２５は、ＯＲＰ計４或いは硝酸性窒素濃度計３１の計測が正常に行われている旨の診断結果が送られてきている間は、硝酸性窒素濃度計３１の計測値に基づいて、以下の式（３．７）で示される演算式によるＰＩ制御に基づいて炭素源注入ポンプ１９の制御が行われる。なお、硝酸性窒素濃度の目標値ＳＶＮＯ３（ｔ）は、炭素源注入コントローラ２５内に予め設定されている。
【０１２７】
【数１１】
2004188268.tif 000014
Ｑｃａｒｂｏｎ（ｔ）：時刻ｔにおける炭素源投入量目標値（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｑｃａｒｂｏｎ０：炭素源投入量初期値（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｋｐ：比例ゲイン（ｍ６／ｇ・ｍｉｎ）、ＴＩ：積分定数（ｍｉｎ）、△ｔ：制御周期（ｍｉｎ）、ｅ（ｔ）：偏差（ｍｇ／Ｌ）、ＳＶＮＯ３（ｔ）：硝酸性窒素濃度の目標値（ｍｇ／Ｌ）、ＰＶ  ＮＯ３  （ｔ）：硝酸性窒素濃度計の計測値（ｍｇ／Ｌ）
上記の式（３．７）に基づいて得られた硝酸窒素濃度の目標値（ＳＶＮＯ３）と硝酸性窒素濃度計３１の計測値（ＰＶＮＯ３）との偏差（ｅ（ｔ））に基づいて、炭素源注入コントローラ２５は炭素源注入ポンプ１９を制御し、嫌気槽１０内の硝酸性窒素濃度が目標値（ＳＶＮＯ３）となるように調整され、嫌気槽１０では下水に対して適切な嫌気処理が施されることとなる。
【０１２８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＯＲＰの理論に基づいて、ＯＲＰと硝酸性窒素濃度との関係を対数近似したものと、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１による実測値と、の比較に基づいて、ＯＲＰ計４、硝酸性窒素濃度計３１の計測に関して異常を有するか否かが診断されているので、他の線形近似等を利用した場合に比べて、診断の信頼性が高い。
【０１２９】
また、水質データベース２４に記憶されている過去のデータの主成分分析が利用されて、ＯＲＰ計４或いは硝酸性窒素濃度計３１の計測に関して異常を有するか否かが診断されている。このため、パラメータは第１主成分の寄与率に関する所定の閾値のみなので、プラントでの制御パラメータの調整が非常に簡単なものとなる。
【０１３０】
次に本実施の形態の変形例について説明する。
【０１３１】
炭素源貯留槽２１は、無酸素槽１１に接続されていてもよい。
【０１３２】
また、炭素源注入コントローラ２５は、ＯＲＰ計４及び硝酸性窒素濃度計３１の計測値に基づいて、初沈バイパス弁６２の開度を調整して、嫌気槽１０に流入する下水の流量を調整してもよい。なお、この変形例では、本発明の水質調整装置は初沈バイパス弁６２を含んで構成されており、本発明の水質調整制御装置は炭素源注入コントローラ２５を含んで構成されることとなる。
【０１３３】
また、ＯＲＰ計４及び／又は硝酸性窒素濃度計３１と水質センサ異常診断装置７との間、ＯＲＰ計４及び／又は硝酸性窒素濃度計３１と炭素源注入コントローラ２５との間、或いはＯＲＰ計４及び／又は硝酸性窒素濃度計３１と水質データベース２４との間、にフィルタリング処理装置を設置してもよい。この場合、フィルタリング処理装置は、例えば上記の式（１．３）（１．４）で示されるような演算式によって、ＯＲＰ計４及び／又は硝酸性窒素濃度計３１の計測値に対してフィルタリング処理を施すことができる。フィルタリング処理装置においてフィルタリング処理が施された計測値は、その後、水質センサ異常診断装置７、炭素源注入コントローラ２５、或いは水質データベース２４において用いられうる。
【０１３４】
ＯＲＰ計４或いは硝酸性窒素濃度計３１の計測に関して異常を有するか否かを診断する際に、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０で用いられる方法は主成分分析を利用するものには限定されない。例えば、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０は、上記の式（３．５）によって演算されるＯＲＰの予測値（ＲＯＲＰ）とＯＲＰ計４の計測値（ＰＶＯＲＰ）との偏差を演算して、この偏差が、所定の対応水質範囲から外れている状態が所定時間続いたか否かに基づいて、ＯＲＰ計４及び／または硝酸性窒素濃度計３１の計測に関して異常を有するか否かを診断してもよい。
【０１３５】
また、上記の式（３．５）の相関式は、上記のような対数型のものに限定されず、必要に応じて他の適切な相関式を用いることが可能である。例えば、線形型、べき乗型、指数関数型、対数型、或いはこれらを組み合わせたもの、等を用いてもよい。
【０１３６】
また、ＯＲＰの予測値（ＲＯＲＰ）を演算する際に、硝酸性窒素濃度だけでなく、他の信頼性の高い水質センサ及び流量計の計測値を用いてもよい。例えば、無酸素槽１１にＵＶ計３３を設置して、当該ＵＶ計３３の計測値に基づいて、以下の式（３．１０）で示されるような演算式を用いることによりＯＲＰの予測値（ＲＯＲＰ）を演算することができる。
【０１３７】
【数１２】
2004188268.tif 000015
一般的に有機物成分とＵＶとは線形関係があると言われており、脱窒反応において有機物は還元剤として働く。式（３．１０）は、このことを踏まえて、上記の式（３．３）から導出されるものである。
【０１３８】
第４の実施の形態
図６及び図７は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。図６は、下水処理場（下水処理システム）の概略構成を示す図である。図７は、各水質センサーの相関関係を概略的に示した図であり、図７中のＳ１〜Ｓ５は、各水質センサーを示している。
【０１３９】
本実施の形態の下水処理場では、好気槽１２にＯＲＰ計４と第１アンモニア性窒素濃度計５ａと第２アンモニア性窒素濃度計５ｂとを設置する代わりに、最初沈殿池２に下水を供給する水配管にＴ−Ｎ計３２とＵＶ計３３とが設置され、嫌気槽１０にＯＲＰ計４（嫌気槽用ＯＲＰ計４ａ）が設置され、無酸素槽１１にＯＲＰ計４（無酸素槽用ＯＲＰ計４ｂ）と硝酸性窒素濃度計３１とが設置され、好気槽１２にＯＲＰ計４（好気槽用ＯＲＰ計４ｃ）とアンモニア性窒素濃度計５と溶存酸素濃度計６とＭＬＳＳ計３６とリン酸性リン濃度計３７とが設置されている。これらの水質センサ（Ｔ−Ｎ計３２、ＵＶ計３３、ＯＲＰ計４ａ、４ｂ、４ｃ、硝酸性窒素濃度計３１、アンモニア性窒素濃度計５、溶存酸素濃度計６、ＭＬＳＳ計３６、リン酸性リン濃度計３７）のそれぞれは、水質センサ異常診断装置７に接続されると共に水質データベース２４に接続されており、計測値を水質センサ異常診断装置７、水質データベース２４に送るようになっている。
【０１４０】
また、最初沈殿池２と嫌気槽１０との間の水配管には、最初沈殿池２から脱窒・脱リン処理槽４０の嫌気槽１０に流入する下水の流量を計測する第１流入流量計３０ａが設置され、炭素源貯留槽２１と嫌気槽１０との間の水配管には、当該水配管を流れる炭素源の流量を計測する第２流入流量計３０ｂが設置され、凝集剤貯留槽２２と好気槽１２との間の水配管には、当該水配管を流れる凝集剤の流量を計測する第３流入流量計３０ｃが設置され、好気槽１２内の下水を無酸素槽１１内に返送するための水配管には、当該水配管を返送される下水の流量を計測する第４流入流量計３０ｄが設置され、最終沈殿池１３と嫌気槽１０とを連結する水配管には、当該水配管を介して嫌気槽１０に返送される下水の流量を計測する第５流入流量計３０ｅが設置され、最初沈殿池２と汚泥貯留槽２０とを連結する水配管には、当該水配管を流れる下水の流量を計測する第６流入流量計３０ｆが設置され、最終沈殿池１３と汚泥貯留槽２０とを連結する水配管には、当該水配管を流れる下水の流量を計測する第７流入流量計３０ｇが設置されている。第１〜第７流入流量計３０ａ〜３０ｇは、それぞれ、水質データベース２４に接続されており、計測値を水質データベース２４に送るようになっている。また、曝気装置には、曝気装置から好気槽に曝気される曝気風量を計測する曝気風量計４６が取り付けられている。当該曝気風量計４６は、水質データベース２４に接続さており、計測値を水質データベース２４送るようになっている。
【０１４１】
水質データベース２４は、各水質センサから送られてくる各計測値に関するデータと、各流入流量計３０から送られてくる各計測値に関するデータと、曝気風量計４６から送られてくる計測値に関するデータと、を計測日時と関連づけて記憶することができるようになっている。
【０１４２】
また、水質センサ異常診断装置７は異常診断部５０を有しており、当該異常診断部５０は、各水質センサから送られてくる各計測値に関するデータと水質データベース２４に記憶されている相関データと基づいて、各水質センサの計測に関して異常を有するか否かを診断するようになっている。
【０１４３】
なお、曝気風量コントローラ２３は、曝気装置９から好気槽１２に供給される曝気量が所定の一定量に保たれるように、曝気装置９を制御している。
【０１４４】
なお、本実施の形態では、本発明の制御用水質センサは、各水質センサーのうちいずれかによって構成され、対象水質は、当該水質センサによって計測される水質である。また、本発明の異常診断用水質センサは、他の水質センサ及び各流入流量計３０によって構成され、相関水質は、当該他の水質センサによって計測される水質及び各流入流量計３０によって計測される流量である。また、本実施の形態では、式（４．１）、（４．４）、（４．６）によって本発明の対象水質と相関水質との相関関係が表される。この相関式を用いて式（４．２）、（４．５）、（４．７）で対象水質予測値を演算し、この予測値と対象水質の実測値との差を式（４．３）、（４．８）により演算して、異常判定を行うようになっている。
【０１４５】
他の構成は第２の実施の形態と略同一である。図６及び図７に示される第４の実施の形態において、第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１４６】
下水処理場に供給された下水１は、最初沈殿池２、嫌気槽１０、無酸素槽１１、好気槽１２、そして最終沈殿池１３を経て浄化処理が施され、処理水３として下水処理場から排出される。このような浄化処理の各生物反応槽において、各水質センサ、各流入流量計３０ａ〜３０ｇ、及び曝気風量計４６は、それぞれ、対応する水質及び流量を計測し、計測値を水質センサ異常診断装置７及び水質データベース２４に送る。
【０１４７】
水質データベース２４には、各水質センサ、各流入流量計３０ａ〜３０ｇ、及び曝気風量計４６から送られてくる計測値に関するデータが、計測日時に応じて相互に関連づけられて記憶される。また、水質データベース２４内では、水質データベース２４に記憶されている過去のデータ（相関データ）が利用されて、各水質センサ及び流入流量計３０ａ〜３０ｇの計測値に対して相関の高い成分を、相関解析によって抽出することができる。
【０１４８】
水質センサ、流入流量計３０ａ〜３０ｇ、及び曝気風量計４６の計測値に関する合計ｎ個の相関データが水質データベース２４に記憶されている場合には、下水処理場に設置されている水質センサのうちから選ばれる任意の水質センサ（水質センサ１）に関する相関式を、以下の式（４．１）で示されるような形で表すことができる。このため、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０は、式（４．１）で表される相関式において用いられる回帰係数Ａ２１、Ａ３１、・・・Ａｎ１、Ａ０１が重回帰分析により演算される。
【０１４９】
Ｒｓｅｎｓｏｒ１＝Ａ２１・Ｓ２  ＋  Ａ３１・Ｓ３  ＋Ａ４１・Ｓ４  ・・・・＋Ａｎ１・Ｓｎ  ＋Ａ０１ 式（４．１）
Ｒｓｅｎｓｏｒ１：水質センサー１に関する相関式
Ｓ２：センサー２による水質値又は流量値
Ｓ３：センサー３による水質値又は流量値
Ｓ４：センサー４による水質値又は流量値
・
・
Ｓｎ：センサーｎによる計測値（流量又は水質）
Ａ２１、Ａ３１・・・・・・Ａｎ１、Ａ（ｎ＋１）１：回帰係数（相関分析により水質センサー１と相関の低いセンサｉについては、Ａｉ１＝０となる。）
また、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０では、この水質センサ１の時刻ｔにおける予測演算値が、上記の式（４．１）で求められた式を用いて、水質センサ１以外の他の水質センサ若しくは流入流量計３０ａ〜３０ｇの値から以下の式（４．２）により演算される。
【０１５０】
Ｐｓｅｎｓｏｒ１（ｔ）＝Ａ２１・Ｓ２（ｔ）＋  Ａ３１・Ｓ３（ｔ）＋Ａ４１・Ｓ４（ｔ）・・・・＋Ａｎ１・Ｓｎ（ｔ）＋Ａ（ｎ＋１）１・・・・式（４．２）
Ｐｓｅｎｓｏｒ１（ｔ）：水質センサー１の時刻ｔにおける予測演算値
Ｓ２（ｔ）：センサー２の時刻ｔにおける計測値（流量又は水質）
Ｓ３（ｔ）：センサー３の時刻ｔにおける計測値（流量又は水質）
Ｓ４（ｔ）：センサー４の時刻ｔにおける計測値（流量又は水質）
・
・
Ｓｎ（ｔ）：センサーｎの時刻ｔにおける計測値（流量又は水質）
Ａ２１、Ａ３１・・・・・・Ａｎ１、Ａ（ｎ＋１）１：回帰係数（式（４．１）の係数と同じ値）
そして、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０は、式（４．２）により演算された水質センサ１の計測値の予測値と、水質センサ１の計測値と、の偏差が、所定の閾値を超えたか否かに基づいて、水質センサ１の計測に関して異常が生じているか否かを診断する。すなわち、異常診断部５０は、以下の式（４．３）に示すように、当該偏差が所定の閾値を超えた場合には、水質センサ１の計測に関して異常が生じているか、或いは、水質センサ１と相関のある他の水質センサ若しくは流入流量計３０（Ａｉ１≠０に対応する水質センサ若しくは流入流量計３０）の計測に関して異常が生じていると診断することができる。なお、本実施の形態では、上記の所定の閾値によって、本発明の対応水質範囲が定められる。
【０１５１】
｜Ｓ１（ｔ）−Ｐｓｅｎｓｏｒ１（ｔ）｜＞ＵＬｓｅｎｓｏｒ１          式（４．３）
ＵＬｓｅｎｓｏｒ１：水質センサー１の異常判定値
そして、水質センサ１以外の他の水質センサについても、水質センサ１と同様の重回帰分析が行われ、以下の式（４．４）のような形で表される回帰係数Ａ１ｊ〜Ａ（ｎ＋１）ｊが決定される。また、以下の式（４．５）のような形で、水質センサｉの時刻ｔにおける予測演算値Ｐｓｅｎｓｏｒｊが表される。
【０１５２】
Ｒｓｅｎｓｏｒｊ＝  Ａ１ｊ・Ｓ１  ＋  Ａ２ｊ・Ｓ２  ＋  Ａ３ｊ・Ｓ３  ＋  ・・・・＋Ａｎｊ・Ｓｎ  ＋Ａ０ｊ・・・・式（４．４）
Ｒｓｅｎｓｏｒｊ：水質センサーｊに関する相関式
Ｓ１：センサー１による水質値又は流量値
Ｓ２：センサー２による水質値又は流量値
Ｓ３：センサー３による水質値又は流量値
・
・
Ｓｎ：センサーｎによる水質値又は流量値
Ａ１ｊ、Ａ２ｊ・・・・・・Ａｎｊ、Ａ（ｎ＋１）ｊ：  水質センサｊに対する水質センサ１〜ｎの回帰係数（相関解析により水質センサーｊと相関の低いセンサｉについては、Ａｉｊ＝０となる。）
Ｐｓｅｎｓｏｒｊ（ｔ）＝  Ａ１ｊ・Ｓ１（ｔ）＋Ａ２ｊ・Ｓ２（ｔ）＋  Ａ３ｊ・Ｓ３（ｔ）・・・・＋Ａｎｊ・Ｓｎ（ｔ）＋Ａ０ｊ・・・・式（４．５）
Ｐｓｅｎｓｏｒｉ（ｔ）：水質センサーｉの時刻ｔにおける予測演算値
Ｓ１（ｔ）：センサー１の時刻ｔにおける計測値（流量又は水質）
Ｓ２（ｔ）：センサー２の時刻ｔにおける計測値（流量又は水質）
Ｓ３（ｔ）：センサー３の時刻ｔにおける計測値（流量又は水質）
・
・
Ｓｎ（ｔ）：センサーｎの時刻ｔにおける計測値（流量又は水質）
Ａ０ｊ：定数項
Ａ１ｊ、Ａ２ｊ・・・・・・Ａｎｊ、Ａ０ｊ：水質センサｊに対する水質センサ１〜ｎの回帰係数（式（４．１）の係数と同じ値）
すべての水質センサーに関する相関式（Ｒｓｅｎｓｏｒｊ）を行列式の形で表すと、以下の式（４．６）のような形で表される。
【０１５３】
【数１３】
2004188268.tif 000016
Ｒｓｅｎｓｏｒｊ：水質センサｊに関する相関式
Ｓｊ：センサｊの水質値又は流量値
Ａ０ｊ：定数項
Ａｉｊ：水質センサｊに対する水質センサｉの回帰係数（ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｎ）
また、時刻ｔにおけるすべての水質センサーに関する計測値の予測値（Ｐｓｅｎｓｏｒｊ）を行列式の形で表すと、以下の式（４．７）のような形で表される。
【０１５４】
【数１４】
2004188268.tif 000017
Ｐｓｅｎｓｏｒｊ（ｔ）：時刻ｔにおける水質センサｊの予測値
Ｓｊ（ｔ）：時刻ｔにおけるセンサｊの計測値
Ａ０ｊ：定数項
Ａｉｊ：水質センサｊに対する水質センサｉの回帰係数（ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｎ）
そして、水質センサ異常診断装置７は、以下の式（４．８）の異常診断式で示されているように、演算された各水質センサの計測値の予測値と、各水質センサによる計測値と、の偏差が、所定の閾値を超えたか否かに基づいて、各水質センサの計測に関して異常が生じているか否かを診断することができる。
【０１５５】
【数１５】
2004188268.tif 000018
ＵＬｓｅｎｓｏｒｊ：水質センサーｊの異常判定値
上述のようにして、各水質センサの計測に関して異常が生じているか否かが診断される。そして、一つの水質センサーの計測に関して異常が生じると、上記の式（４．８）のうちの１個乃至複数個の異常診断式において、異常が生じている旨が示される。すなわち、式（４．８）において異常であると診断されれば、水質センサーｊ若しくは当該水質センサーｊと相関を有する水質センサ群の水質センサ（すなわち、センサＡｉｊ≠０に対応する水質センサ）のいずれかの計測に関して異常が生じていると診断されうる。一方、式（４．８）において正常であると診断されれば、水質センサーｊ若しくは当該水質センサーｊと相関を有する水質センサ群の各水質センサー（すなわち、センサＡｉｊ≠０に対応する水質センサ）の計測は正常に行われている。
【０１５６】
例えば、水質センサーＳ１〜Ｓ５に関して図７に示すような相関関係がある場合を想定してみる。図７において、重なり合っている各水質センサー間部分は相関を有しており、重なり合っていない各水質センサー間部分は相関を有していない、ということ示す。水質センサーＳ１〜Ｓ５が図７のような相関関係を有する場合に、水質センサーＳ１の計測に関してのみ異常が生じている場合、水質センサーＳ１に関する異常診断式と、水質センサーＳ１と相関を有する水質センサーＳ２、Ｓ５に関する異常診断式と、では異常が生じている旨が示されることとなる。しかしながら、この場合、水質センサーＳ１と相関を有さない水質センサーＳ３の計測が正常に行われているので、水質センサーＳ３に関する異常診断式は正常な状態である旨を示す。従って、水質センサーＳ３と相関を有する水質センサーＳ２、Ｓ５の計測も、正常に行われていると診断することができる。このようにして、水質センサＳ１の計測に関してのみ異常が生じていると診断することができる。
【０１５７】
また同様に、水質センサーＳ２の計測に関してのみ異常が生じている場合、水質センサーＳ２に関する異常診断式と、水質センサーＳ２と相関を有する水質センサーＳ１、Ｓ３に関する異常診断式と、では異常が生じている旨が示されることとなる。しかしながら、この場合、水質センサーＳ２と相関を有さない水質センサーＳ５の計測が正常に行われているので、水質センサーＳ５に関する異常診断式は正常な状態である旨を示す。従って、水質センサーＳ５と相関を有する水質センサーＳ１、Ｓ３の計測も、正常に行われていると診断することができる。このようにして、水質センサＳ２の計測に関してのみ異常が生じていると診断することができる。
【０１５８】
一方、水質センサーＳ３の計測に関してのみ異常が生じている場合、水質センサーＳ３に関する異常診断式と、水質センサーＳ２と相関を有する水質センサーＳ２、Ｓ４、Ｓ５に関する異常診断式と、では異常が生じている旨が示されることとなる。そして、水質センサーＳ１の計測が正常に行われている場合には、水質センサーＳ１に関する異常診断式では正常である旨が示されるので、水質センサーＳ１と相関を有する水質センサーＳ２、Ｓ５の計測は正常に行われていると診断することができる。しかしながら、水質センサーＳ３及び水質センサーＳ４のうちどちらの或いは両者の計測に関して異常が生じているのかについては、厳密に診断することができない。従って、水質センサ異常診断装置７は、水質センサーＳ３及び水質センサーＳ４のうちいずれか一方或いは両者の計測に関して異常が生じていると診断することができる。
【０１５９】
このようにして、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０が、下水処理場に設置されている水質センサーのすべての計測について、上記の式（４．８）を利用して異常の有無を診断することにより、計測に関して異常が生じている可能性がある水質センサーを抽出することができる。
【０１６０】
そして、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０における上記の診断結果は、監視装置８に送られ、監視装置８は、送られてくる水質センサ異常診断装置７の診断結果に基づいて、管理者等に対してガイダンス、警報を行う。例えば、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０で抽出された、計測に関して異常が生じている可能性がある水質センサーのリストがディスプレイ表示されたりする。
【０１６１】
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
【０１６２】
各水質センサー及び各流入流量計３０ａ〜３０ｇの設置位置は、図６に示されるものに限定されない。各水質センサー及び各流入流量計３０ａ〜３０ｇは、必要に応じて、下水処理場の任意箇所に設置されてもよい。
【０１６３】
また、各水質センサー、各流入流量計３０ａ〜３０ｇ、及び曝気風量計４６と水質センサ異常診断装置７との間、或いは、各水質センサー、各流入流量計３０ａ〜３０ｇ、及び曝気風量計４６と水質データベース２４との間、において、計測値をフィルタリング処理するフィルタリング処理装置を設置してもよい。フィルタリング処理装置は、例えば上記の式（１．３）（１．４）のような演算式によって、各計測値に対してフィルタリング処理を施すことができる。フィルタリング処理装置においてフィルタリング処理が施された計測値は、その後、水質センサ異常診断装置７、水質データベース２４において用いられうる。
【０１６４】
また、水質センサ異常診断装置７の異常診断部５０における各水質センサーの計測に関して異常を有するか否かの診断方法は、上記の図７に基づくものには限定されず、他の方法を用いることも可能である。例えば、各種水質センサーの時系列データを用いた主成分分析に基づく方法を用いて、各水質センサーの計測に関して異常を有するか否かについて診断することも可能である。
【０１６５】
また、上記の式（４．１）、（４．４）、（４．６）の相関式は、上記のようなものに限定されず、必要に応じて他の適切な相関式を用いることが可能である。例えば、線形型、べき乗型、指数関数型、対数型、或いはこれらを組み合わせたもの、等を用いることもできる。
【０１６６】
上述の各実施の形態及び各変形例では、脱窒・脱リンを行う高度処理プロセスの一つである、凝集剤注入型嫌気−無酸素−好気法（凝集剤注入Ａ２Ｏ法）と呼ばれるプロセスが行われるように構成された下水処理場について説明したが、他のプロセスに対しても本発明を好適に適用することができる。例えば、以下の表２に示されている各種プロセスのいずれに対しても、本発明を適用しうる。また、表２に示されている各種プロセスの他に、担体投入、凝集剤併用型のプロセス、ＡＯＡＯ法、各種Ａ２Ｏ法、或いはこれらの各種プロセスの変法に対しても本発明を好適に適用することができる。
【０１６７】
【表２】
2004188268.tif 000019
また、上述の各実施の形態及び各変形例では、複数の生物反応槽を備えた下水処理場（下水処理システム）について説明したが、単数（１つのみ）の生物反応槽を備えた下水処理場に対しても、本発明を好適に適用しうる。
【０１６８】
更に、本発明における制御用水質センサ及び異常診断用水質センサは、上述のものに限定されるものではない。例えば、制御用水質センサは、アンモニア性窒素濃度計、硝酸性窒素濃度計、全窒素濃度計、リン酸性リン濃度計、全リン濃度計、ＣＯＤ計、及びＢＯＤ計のうち、少なくとも１つ以上の水質センサ（有試薬センサ）を含んで構成されうる。また、異常診断用水質センサは、ＯＲＰ計、ＵＶ計、及びＤＯ計のうち、制御用水質センサが計測する対象水質と相関を有する相関水質を計測する１つ以上の水質センサ（無試薬センサ）を含んで構成されうる。
【０１６９】
例えば、以下の表３に示すように、制御用水質センサを硝酸性窒素濃度計或いは全窒素濃度計とした場合には、異常診断用水質センサはＵＶ計、ＤＯ計が好ましく、制御用水質センサをリン酸性リン濃度計或いは全リン濃度計とした場合には、異常診断用水質センサはＤＯ計が好ましく、制御用水質センサをＣＯＤ計或いはＢＯＤ計とした場合には、異常診断用水質センサはＯＲＰ計或いはＤＯ計が好ましい。また、制御用水質センサをアンモニア性窒素濃度計とした場合には、異常診断用水質センサはＤＯ計がより好ましく、制御用水質センサをリン酸性リン濃度計或いは全リン濃度計とした場合には、異常診断用水質センサはＯＲＰ計がより好ましい。また、制御用水質センサをアンモニア性窒素濃度計、硝酸性窒素濃度計、或いは全窒素濃度計とした場合には、異常診断用水質センサはＯＲＰ計とすることが特に好ましく、制御用水質センサをＣＯＤ計或いはＢＯＤ計とした場合には、異常診断用水質センサはＵＶ計とすることが特に好ましい。
【０１７０】
【表３】
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なお、上述の各実施の形態を適宜組み合わせたものも本発明の範囲内に含まれうる。
【０１７１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、制御用水質センサによる対象水質の計測に関して異常を有するか否かを診断するために、制御用水質センサによる対象水質の計測値だけでなく、異常診断用水質センサによる相関水質の計測値、及び、対象水質と相関水質との相関関係、が考慮される。このため、制御用水質センサによる対象水質の計測に関して異常の有無に関する診断を迅速に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における下水処理場（下水処理システム）の概略構成を示す図である。
【図２】対応水質範囲の一例を示す図であって、ＮＨ４濃度とＯＲＰとの関係が示されている。
【図３】第１の実施の形態の一変形例における対応水質範囲を概略的に示す図である。
【図４】第２の実施の形態における下水処理場の概略構成を示す図である。
【図５】第３の実施の形態における下水処理場の概略構成を示す図である。
【図６】第４の実施の形態における下水処理場の概略構成を示す図である。
【図７】各水質センサーの相関関係を概略的に示した図である。図７中のＳ１〜Ｓ５は、各水質センサーを示している。
【図８】従来の下水処理場の概略構成の一例を示す図である。
【図９】従来の下水処理場の概略構成の他の例を示す図である。
【図１０】従来の下水処理場における、ＮＨ４濃度と時間との関係、及び、曝気風量と時間との関係、を示す図である。
【符号の説明】
４、４ａ、４ｂ、４ｃ  ＯＲＰ計
５、５ａ、５ｂ  アンモニア性窒素濃度計
６  溶存酸素濃度計
７  水質センサ異常診断装置
８  監視装置
９  曝気装置
１０  嫌気槽
１１  無酸素槽
１２  好気槽
１６  ＰＡＣ注入ポンプ
１７  余剰ポンプ
１８  初沈引抜ポンプ
１９  炭素源注入ポンプ
２１  炭素源貯留槽
２２  凝集剤貯留槽
２３  曝気風量コントローラ
２４  水質データベース（水質データ記憶部）
２５  炭素源注入コントローラ
３０、３０ａ〜３０ｇ  流入流量計
３１  硝酸性窒素濃度計
３２  Ｔ−Ｎ計
３３  ＵＶ計
３６  ＭＬＳＳ計
３７  リン酸性リン濃度計
４０  脱窒・脱リン処理槽
４６  曝気風量計
５０  異常診断部
５１  対応水質範囲算出部
５２  対応水質範囲照合部
５３  相関関係導出部
６１  バイパス水配管
６２  初沈バイパス弁
【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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