(57)【要約】【課題】制御パラメータを短時間で設定でき、かつオペレータの労力を軽減する。【解決手段】本発明の下水処理制御装置は、下水処理場の水質データを蓄積するデータ蓄積装置９と、制御パラメータを設定する制御パラメータ設定装置１４と、制御パラメータの設定の妥当性を評価する水質シミュレーション装置１１と、水質シミュレーション装置１１の演算結果から制御対象の操作変数を蓄積する操作変数蓄積装置１０と、操作変数蓄積装置１０で蓄積された変数に基づいて反応槽２のブロワ４の空気量を設定するブロワ設定値入力装置８とを備えたもので、制御パラメータ設定装置１４は、最適値を演算する条件を設定する条件設定装置１４ａと、制御パラメータ設定装置１４で設定したＤＯ値をヒューリスティック手法を用いて最適なＤＯ値を算出するヒューリスティック演算装置１４ｂとからなるものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥物質を含む下水を沈降分離する最初沈殿池と微生物によって汚濁物質を吸着・分離する反応槽と活性汚泥を沈降分離する最終沈殿池とからなる下水処理場の水質データをサンプリングして蓄積するデータ蓄積装置と、制御パラメータを自動的に設定する制御パラメータ設定装置と、前記データ蓄積装置からのデータと前記制御パラメータ設定装置からの設定値を取り込んで演算し制御パラメータの設定の妥当性を評価する水質シミュレーション装置と、前記水質シミュレーション装置の演算結果から制御対象の操作変数を蓄積する操作変数蓄積装置と、前記操作変数蓄積装置で蓄積された変数に基づいて前記反応槽に空気を圧送するブロワの空気量を設定するブロワ設定値入力装置とを備えた下水処理制御装置において、
前記制御パラメータ設定装置は、最適値の演算に必要な条件を設定する条件設定装置と、前記制御パラメータ設定装置で設定したＤＯ値をヒューリスティック手法を用いて最適なＤＯ値を算出するヒューリスティック演算装置とからなることを特徴とする下水処理制御装置。
【請求項２】
前記条件設定装置は、ＤＯ値の初期値、上限値、下限値、可変幅を設定することを特徴とする請求項１に記載の下水処理制御装置。
【請求項３】
前記ヒューリスティック演算装置は、前記条件設定装置で設定したＤＯ値から設定値の候補を演算し、規定値と比較して最適ＤＯ値を演算し、水質シミュレーション装置へ出力することを特徴とする請求項１または２に記載の下水処理制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市下水や産業廃水のように、汚水を浄化する活性汚泥法、嫌気好気汚泥処理法による下水処理制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、都市下水処理や工場廃水などの下水処理制御装置は図３のようになっている。図３は従来の下水処理制御装置のブロック図である。図において、１は最初沈殿池、２は反応槽、３は最終沈殿池、４はブロワ、５は返送汚泥ポンプ、６は余剰汚泥ポンプ、７は循環ポンプ、８はブロワ設定値入力装置、９はデータ蓄積装置、１０は操作変数蓄積装置、１１は水質シミュレーション装置で１２の水質シミュレーション演算装置と１３の評価値演算装置とからなる。１４は制御パラメータ設定装置である。
下水処理場では、汚濁物質（固形物）を含む下水が最初沈殿池１に導入され、最初沈殿池１で自重沈降可能な汚濁物質を沈殿除去した後、上澄水を反応槽２に流出する。そして、反応槽２では微生物への酸素供給と撹拌のために、ブロワ４から圧送された空気が図示しない曝気槽内の散気管によって放出され、好気性微生物により下水中の基質を分解する。また、この反応槽２には最終沈殿池３の汚泥の一部が返送汚泥ポンプ５によって返送されており、反応槽２はその返送汚泥と最初沈殿池１の上澄水を処理するようになっている。
さらに最終沈殿池３では活性汚泥（浮遊性固形物）を沈殿除去する。沈殿汚泥は余剰汚泥ポンプ６により図示しない汚泥処理系に排出され、清澄水は処理水として図示しない滅菌槽を経て放流される。
次に下水処理のプロセス制御について説明する。まず、図３におけるａ、ｂ、ｃ、ｄの地点で下水処理プロセスにおける制御パラメータを設定するのに必要な情報をサンプリングする。このサンプリングされた情報をもとに、リン酸態リン濃度、硝酸態窒素濃度、アンモニア態窒素濃度、Ｔｏｔａｌ−ＣＯＤまたは溶解性ＣＯＤなどの水質データをデータ蓄積装置９に入力する。
次に制御パラメータを設定するが、手動であれば、制御パラメータ設定装置１４で設定した値が直接、操作変数蓄積装置１０へ入力され、ブロワ設定値入力装置８に取り込まれ、ブロワを制御する。続いて、自動で制御パラメータを設定する方法を説明する。
（１）水質シミュレーション装置１１において下水処理プラント内の各槽の大きさや水温などのデータと下水処理プラントの生化学反応モデルのパラメータを設定する。
（２）一方、制御パラメータ設定装置１４において、初期生命集団作成装置１５により、制御パラメータの上限値および下限値と初期生命集団を設定する。
（３）初期生命集団の設定情報を受けて、デコード演算装置１６により二進符号のビット列を下水制御パラメータに変換する。
（４）水質シミュレーション演算装置１２において、データ蓄積装置９によるデータや制御パラメータ設定装置１４で設定されたパラメータを入力し水質のシミュレーションを行う。
（５）水質シミュレーション演算装置１２で得られた結果を評価値演算装置１３で評価する。
（６）個体数判定装置１７により設定された生命集団の個体数だけシミュレーションしたかを判定する。ここでは、個体数の判定基準値まで水質シミュレーションを行ったかをチェックし、水質シミュレーションの回数が少なければ水質シミュレーション演算装置１２まで戻り再度水質シミュレーションを行う。
（７）継続判定装置１８により、遺伝的アルゴリズムによる制御パラメータ設定を終了するかを判定する。ここで、継続判定装置１８で判定した結果が設定された判定基準値より大きければ、その結果がエリート保存装置１９に入力されるとともに、（８）〜（１１）、（４）〜（７）のループが繰り返される。
（８）エリート保存装置１９により、Ｎ個の個体の中でもっとも結果の良い個体を残すためにエリート保存する。
（９）選択・淘汰演算装置２０により各個体がシミュレーション結果から次世代に残るべきかを確率的に決めるために選択・淘汰する。
（１０）交叉演算装置２１により、次世代生命集団となる候補を数個体ずつ交叉する。
（１１）突然変異演算装置２２により、局所解に陥らないように突然変異を起こさせ、デコード演算装置１６に入力する。
（１２）上記の（８）〜（１１）、（４）〜（７）のループを繰り返してシミュレーションを行い、制御パラメータを求めているときに、継続判定装置１８で判定した結果が設定された判定基準値より小さければ制御パラメータの設定を終了し、その結果が操作変数蓄積装置１０に渡される。
この時、操作変数蓄積装置１０に蓄積されたブロワの制御パラメータ（ＤＯ値）は、ブロワ設定値入力装置８に入力され、ブロワの空気量を制御する。
上記のように入力された変数に基づいて、ブロワ４の運転制御を行うと、活性汚泥プロセスにおけるＤＯ濃度を長期的に安定に管理することができるとともに、負荷変動（２４時間変動など）に対する処理水質変動幅を小さくできる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−４７０８０号公報
【０００４】
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の下水処理制御装置において、手動で制御パラメータを設定する場合、その値は過去の経験と知識をもとに余裕を見過ぎた設定となっている。これは、最適なＤＯ値がわからないうえに、酸素の供給が断たれて、微生物が死滅する危険を防ぐ必要があるためである。このことは、ブロワ４で過剰に送風していることを意味しており、無駄な電力を消費する結果となっている。
また、自動でパラメータを設定する場合では、遺伝的アルゴリズムに基づき、その構成は、初期生命集団作成装置１５、デコード演算装置１６、個体数判定装置１７、継続判定装置１８、エリート保存装置１９、選択・淘汰演算装置２０、交叉演算装置２１および突然変異演算装置２２となっている。このように装置の構成が複雑なことに加え、初期条件設定作業が多く、オペレータの負担を大きくしていた。
そこで本装置は、最適な制御パラメータ（ＤＯ値）を自動的に短期間で設定することができ、オペレータの設定作業を軽減する下水処理制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１に記載の本発明は、汚泥物質を含む下水を沈降分離する最初沈殿池と微生物によって汚濁物質を吸着・分離する反応槽と活性汚泥を沈降分離する最終沈殿池とからなる下水処理場の水質データをサンプリングして蓄積するデータ蓄積装置と、制御パラメータを自動的に設定する制御パラメータ設定装置と、前記データ蓄積装置からのデータと前記制御パラメータ設定装置からの設定値を取り込んで演算し制御パラメータの設定の妥当性を評価する水質シミュレーション装置と、前記水質シミュレーション装置の演算結果から制御対象の操作変数を蓄積する操作変数蓄積装置と、前記操作変数蓄積装置で蓄積された変数に基づいて前記反応槽に空気を圧送するブロワの空気量を設定するブロワ設定値入力装置とを備えた下水処理制御装置において、前記制御パラメータ設定装置は、最適値の演算に必要な条件を設定する条件設定装置と、前記制御パラメータ設定装置で設定したＤＯ値をヒューリスティック手法を用いて最適なＤＯ値を算出するヒューリスティック演算装置とからなるものである。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の下水処理制御装置において、最適値を演算するのに必要な条件を設定する条件設定装置を備えたものである。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または２に記載の下水処理制御装置において、流入水質に対する最適なＤＯ値をヒューリスティック手法を用いて算出するヒューリスティック演算装置を備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す下水処理制御装置のブロック図である。
なお、従来と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
本発明が従来技術と異なる構成は、制御パラメータ設定装置１４として条件設定装置１４ａとヒューリスティック演算装置１４ｂを設けた点である。
次に装置の構成を具体的に説明する。
条件設定装置１４において、ＤＯ値の初期値、上限値、下限値、可変幅を設定する。ＤＯ値の初期値とは、現時点における反応槽２のＤＯ値のことである。上限値としてブロワ４の最大送風能力を加味したＤＯ値を設定する。同様に下限値はブロワ４での最小送風能力を加味したＤＯ値を設定する。可変幅とはＤＯ値の制御幅を意味し、ブロワ４を台数制御するのであれば、１台のブロワ４の切替えに相当するＤＯ値がその制御幅となる。
また、バルブにて送風量を制御する場合は、変更可能なバルブ開度の幅が送風量の制御幅に相当する。なお、ＤＯ値と送風量の関係は、以下の式で与えられることから、ＫＬａは各処理場で変動するため計測が必要となるが、ＤＯ値の代わりに送風量を直接設定することも可能である。
Ｑ＝ＫＬａ・ｆ（ＤＯ）
Ｑ：送風量［ｍ３／ｈ］
ＫＬａ：総括酸素移動容量係数［１／ｈ］
ＤＯ：容存酸素濃度［ｍｇ／ｌ］
ヒューリスティック演算装置１４ｂでは、条件設定装置１４ａの条件から設定可能なＤＯ値を、順番に水質シミュレーション装置へ出力する。今、初期値ＤＯｉｎｉ、上限値ＤＯｍａｘ、下限値ＤＯｍｉｎ、制御幅ΔＤＯとすると、
ＤＯｍｉｎ≦（ＤＯｉｎｉ±ΔＤＯ）≦ＤＯｍａｘ
を満たすＤＯ値が設定値候補となる。
ヒューリスティック演算装置１４ｂにてＤＯ値の設定値候補は、シミュレーション結果が規定値を上回れば、下回るまで初期値ＤＯｉｎｉをΔＤＯずつ減算した値になる。
一方、規定値を下回れば、初期値ＤＯｉｎｉをΔＤＯずつ加算した値になる。規定水質を満たすまでこの加算もしくは減算を繰り返すことで、設定値候補を求め、以降の水質シミュレーション装置１１でこのＤＯ値の設定値候補が規定水質を満たしているかどうかを判定する。なお、ＤＯ値がＤＯｍｉｎ値もしくはＤＯｍａｘ値を超える場合は、超える一つ前のＤＯ値を最適ＤＯ値としてあつかう。
水質シミュレーション演算装置１２は、データ蓄積装置９の現時点の反応槽への流入水質と制御パラメータを基に水質シミュレーションを行う。水質シミュレーション演算装置１２は、下水や活性汚泥混合液中の汚濁成分をいくつか分類し、それらの間の反応プロセスを数式でモデル化しており、流入水質と制御パラメータによって決定される流量やＤＯ値から、反応槽２内の処理水質を計算する。
評価値演算装置１３では、処理水ＮＨ４−Ｎや処理水ＰＯ４などが法に定めている規制値、または運転員が設定した値を超えているのかどうかを判定する。超えている場合、この時の制御パラメータ（ＤＯ値）を使用しない設定とする。
次に、図２に制御パラメータ（ＤＯ値）の選択方法を模式的に説明する。
時刻Ｔ１においてＤＯ値がＤＯ１で、時刻Ｔ２に流入水質が変化したときの最適ＤＯ値を求めるには、まず現時点でのＤＯ値（＝ＤＯ１）で水質シミュレーションを行い、処理水（例えば、最終槽のＮＨ４−Ｎ、ＰＯ４など）のシミュレーション結果が規定水質以上であれば、次にＤＯ２（＝ＤＯ１＋ΔＤＯ）にて水質シミュレーションを行う。シミュレーション結果が規定水質を下回るまでこのループを繰り返す。時刻Ｔ２の場合は、ＤＯ３のときの処理水質ｂが規定水質ａを下回ることから最適なＤＯ値となる。
次に時刻Ｔ３においては、現時点のＤＯ値（ＤＯ３）で水質シミュレーションを実施し、規定水質を満たしているので、次にＤＯ２（＝ＤＯ３−ΔＤＯ）で水質シミュレーションを行う。ここで処理水質ｅは規定水質ａを上回ることから、ＤＯ３を設定値とする。各時刻にて以上のループを繰り返してシミュレーションを行い、判定が良となれば、制御パラメータの設定を終了し、結果が操作変数蓄積装置１０に渡される。このとき操作変数蓄積装置１０に渡されたブロワ４の制御パラメータは、ブロワ設定値入力装置８に入力され、ブロワ４の空気量を運転制御することができる。
【０００８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、下水処理制御装置のＤＯ値の設定に際し、ＤＯ値を設定する条件設定装置と、ヒューリスティック手法を用いることにより、従来は経験と知識で行っていたブロワの設定を自動的に短期間で行うことができ、運転員の負担を大幅に軽減することができる。このことによりブロワを適正な送風量で運転できることで電力量を削減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すブロック図。
【図２】本発明の実施の形態の制御パラメータ選択方法を示す模式図。
【図３】従来の下水処理制御装置を示すブロック図。
【符号の説明】
１        最初沈殿池
２        反応槽
３        最終沈殿池
４        ブロワ
５        返送汚泥ポンプ
６        余剰汚泥ポンプ
７        循環ポンプ
８        ブロワ設定値入力装置
９        データ蓄積装置
１０    操作変数蓄積装置
１１    水質シミュレーション装置
１２    水質シミュレーション演算装置
１３    評価値演算装置
１４    制御パラメータ設定装置
１４ａ    条件設定装置
１４ｂ    ヒューリスティック演算装置
１５    初期生命集団作成装置
１６    デコード演算装置
１７    個体数判定装置
１８    継続判定装置
１９    エリート保存装置
２０    選択・淘汰演算装置
２１    交叉演算装置
２２    突然変異演算装置
【図１】
2004337755.tif 000003
【図２】
2004337755.tif 000004
【図３】
2004337755.tif 000005