(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性汚泥法を利用し、かつ被処理水から窒素を硝化反応と脱窒反応とによって除去するとともに、被処理水からリンをリン吐出反応とリン過剰摂取反応とによって除去する水処理プラントに関するプラント運転支援装置において、前記被処理水の計測データに基づいて第１演算パラメータを設定する第１演算パラメータ設定手段と、前記水処理プラントのプラントデータに基づいて複数の第２演算パラメータを設定する第２演算パラメータ設定手段と、前記第１演算パラメータと前記第２演算パラメータとを用いて処理水の窒素濃度とリン濃度とに関する前記水処理プラントの処理成績を予測するための演算を行う演算手段と、前記演算手段によって予測された複数の処理成績の中からＰａｒｅｔｏ最適解を選び出すためのＰａｒｅｔｏ最適解判定手段と、前記Ｐａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件と現状のプラント運転条件とを比較し、現状に最も近いプラント運転条件におけるＰａｒｅｔｏ最適解を推奨解として選び出す推奨解判定手段と、前記Ｐａｒｅｔｏ最適解判定手段によって選び出されたＰａｒｅｔｏ最適解における処理成績とプラント運転条件及び前記推奨解における処理成績とプラント運転条件とを表示するための表示手段とを備えたことを特徴とするプラント運転支援装置。
【請求項２】
Ｐａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件と現状のプラント運転条件との近さを指標Ｄで表し、指標Ｄが最小となるＰａｒｅｔｏ最適解を推奨解として選び出すことを特徴とする請求項１記載のプラント運転支援装置。
【数１】
0003945274.tif 000003
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水処理プラントなどのプラント運転支援装置に関するものであり、とくに微生物群を利用した下水処理プラントにおいて、プラント運転者に対し適切なプラント運転条件を提示するプラント運転支援装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市下水や有機性排水を処理する一般的な方法として活性汚泥法がある。活性汚泥法とは、活性汚泥と呼ばれる微生物群を生物反応槽にたくわえ、活性汚泥と被処理水とを混合接触させつつ曝気する方法である。これにより、活性汚泥が被処理水中の汚濁物を吸着し分解する。
【０００３】
近年、湖沼や内湾などの閉鎖性水域で赤潮、アオコといった有害藻類が増殖する、いわゆる富栄養化汚染を防止するために、下水などの被処理水から窒素やリンを除去することが求められている。窒素及びリンの一般排水基準は窒素含有量１２０ｍｇ／Ｌ（日間平均値６０ｍｇ／Ｌ）、リン含有量１６ｍｇ／Ｌ（日間平均値８ｍｇ／Ｌ）であるが、通常は処理水の流入する水域に適合した厳しい上乗せ基準が設定されている。
【０００４】
活性汚泥法を利用した下水処理プラントなどの水処理プラントで生物学的に窒素を除去するためには、硝化反応と脱窒反応という２種類の反応を組み合わせて利用する必要がある。図４は、被処理水から窒素を除去する反応を説明するための模式図である。曝気槽の後段で硝化反応を、前段で脱窒反応を進行させる。硝化反応とは、被処理水のアンモニア性窒素を硝酸性窒素に酸化する反応であり、活性汚泥中の硝化菌がこれをつかさどる。硝化菌は好気性菌なので、まわりに酸素が溶存している好気条件下で硝化反応が進行する。一方、脱窒反応とは、生成した硝酸性窒素を窒素ガスに還元する反応であり、活性汚泥中の脱窒菌がこれをつかさどる。脱窒菌は嫌気性菌なので、酸素のない嫌気条件下で脱窒反応が進行する。硝化反応により生成した硝酸性窒素は返送汚泥とともに曝気槽前段にもちこまれ、窒素ガスに還元される。溶存酸素濃度の分布は、曝気風量や水処理時の酸素消費量に由来して勾配が生じている。なお、脱窒反応の進行には被処理水の有機物が必要なため、有機物の低減処理が進行していない前段において脱窒反応を行う。
【０００５】
また、活性汚泥法を利用した水処理プラントで生物学的に被処理水のリンを除去するためには、リンの吐出と過剰摂取という反応を利用する必要がある。図５は、被処理水からリンを除去する反応を説明するための模式図である。曝気槽の前段でリン吐出反応を、後段で過剰摂取反応を進行させる。これらの反応をつかさどるのはリン蓄積菌のみである。リン蓄積菌は、分子状の酸素だけでなく化合物としての酸素も存在しないような絶対嫌気条件下でリンを吐出し、好気条件でリンを過剰摂取する。リン蓄積菌は前段で吐出したよりも多くのリンを後段で摂取し、過剰摂取したリンをもとにエネルギー源となる化合物を合成している。このようにリン蓄積菌がリンを過剰摂取することによって、被処理水からリンが除去される。
【０００６】
このように、窒素除去とリン除去はともに好気条件と嫌気条件を必要とするよく似た反応系で構成されている。しかしながら、例えば返送汚泥量と呼ばれる最終沈殿池から曝気槽へ返送される活性汚泥の量に対しては、処理水の窒素濃度とリン濃度とは相反する関係にある。すなわち、窒素濃度を効率的に低減させるためには、返送汚泥量を増やして曝気槽前段の嫌気ゾーンでの脱窒量を増加させる必要がある。しかし、その一方でリン吐出反応には絶対嫌気条件が必要であることから、曝気槽前段への返送汚泥量の増加に伴い、返送汚泥に含まれる硝酸性窒素の返送量が増えるとリンの吐出が妨害される。逆に、返送汚泥量を減らせば曝気槽前段でのリン吐出反応が促進されるためリン濃度は効率的に低減できるが、脱窒量そのものが減ってしまうため窒素濃度はあまり低減できない。
【０００７】
返送汚泥量の他にも曝気風量と呼ばれる曝気槽への空気供給量、あるいは曝気槽内に保持される微生物濃度などの操作量があり、これらと窒素濃度及びリン濃度という二つの評価関数との関係は極めて複雑である。
【０００８】
活性汚泥法を利用した水処理プラントに関する、従来のプラント運転支援装置として、例えば特開平１１−１９６８２号公報に示されたプラント運転支援装置がある。このプラント運転支援装置においては、沈降汚泥の界面高さおよびその上澄水濁度をプラントの評価関数として、これが目標値となるように薬液量、水温、溶存酸素濃度及び返送汚泥量のガイダンス値を出力する。ここで、沈降汚泥の界面高さが低くなれば上澄水濁度も低減される関係にあるため、この二つは相反しない評価関数である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際のプラント運転においては、プラント運転者は、相反する関係にある複数の評価関数を考慮しながらプラント運転条件を決定しなければならないことがよくある。このような場合、プラント運転者は、例えば窒素とリンとが高効率に除去されるプラント運転条件を試行錯誤的に探索しなければならなかった。そのため、刻々と変化する被処理水の水質に応じたプラント運転条件の変更が困難であるという問題点があった。被処理水の変化に対してプラント運転条件の変更がついていけなくなると、処理水の水質が排水基準を満たさなくなるおそれがある。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、刻々と変化する被処理水の水質に応じて、相反する関係にある窒素濃度とリン濃度の評価関数に対してＰａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件をプラント運転者に提示する、プラント運転支援装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかるプラント運転支援装置は、活性汚泥法を利用し、かつ被処理水から窒素を硝化反応と脱窒反応とによって除去するとともに、被処理水からリンをリン吐出反応とリン過剰摂取反応とによって除去する水処理プラントに関するプラント運転支援装置において、前記被処理水の計測データに基づいて第１演算パラメータを設定する第１演算パラメータ設定手段と、前記水処理プラントのプラントデータに基づいて複数の第２演算パラメータを設定する第２演算パラメータ設定手段と、前記第１演算パラメータと前記第２演算パラメータとを用いて処理水の窒素濃度とリン濃度とに関する前記水処理プラントの処理成績を予測するための演算を行う演算手段と、前記演算手段によって予測された複数の処理成績の中からＰａｒｅｔｏ最適解を選び出すためのＰａｒｅｔｏ最適解判定手段と、前記Ｐａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件と現状のプラント運転条件とを比較し、現状に最も近いプラント運転条件におけるＰａｒｅｔｏ最適解を推奨解として選び出す推奨解判定手段と、前記Ｐａｒｅｔｏ最適解判定手段によって選び出されたＰａｒｅｔｏ最適解における処理成績とプラント運転条件及び前記推奨解における処理成績とプラント運転条件とを表示するための表示手段とを備えたものである。
【００１２】
請求項２にかかるプラント運転支援装置は、Ｐａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件と現状のプラント運転条件との近さを指標Ｄで表し、指標Ｄが最小となるＰａｒｅｔｏ最適解を推奨解として選び出すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用されるプラント運転支援装置の実施の形態を説明するための概略構成図である。１０は水処理プラントとしての下水処理プラントであり、２０は下水処理プラント１０に関するプラント運転支援装置である。２１は下水処理プラント１０の被処理水の計測データに基づいて第１演算パラメータを設定する第１演算パラメータ設定手段、２２は下水処理プラント１０のプラントデータに基づいて複数の第２演算パラメータを設定する第２演算パラメータ設定手段、２３は第１演算パラメータと第２演算パラメータとを用いて下水処理プラント１０の窒素濃度とリン濃度とに関する処理成績を予測するための演算を行う演算手段、２４は演算手段によって予測された複数の処理成績を蓄積するための演算結果蓄積手段である。２５は演算結果蓄積手段２４に蓄積されている下水処理プラント１０の予測された複数の処理成績の中からＰａｒｅｔｏ最適解を選び出すためのＰａｒｅｔｏ最適解判定手段であり、２６はＰａｒｅｔｏ最適解判定手段２５でＰａｒｅｔｏ最適解と判定された処理成績とそのＰａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件とを蓄積しておくためのＰａｒｅｔｏ最適解蓄積手段である。２７はＰａｒｅｔｏ最適解蓄積手段２６に蓄積されている複数のＰａｒｅｔｏ最適解の中から、所定の判定基準に基づいて推奨解を１つ選び出すための推奨解判定手段である。２８はＰａｒｅｔｏ最適解判定手段２５によって選び出されたＰａｒｅｔｏ最適解における処理成績とプラント運転条件とを表示するための表示手段である。推奨解判定手段２７によって選び出された推奨解における処理成績とプラント運転条件とは、表示手段２８に表示される。
【００１４】
次に、動作について説明する。まず第１演算パラメータ設定手段２１において、下水処理プラント１０の被処理水の計測データ、例えば流入水量、流入ＣＯＤ濃度、流入ＳＳ濃度、流入窒素濃度、流入リン濃度などから構成される第１演算パラメータを設定する。同時に第２演算パラメータ設定手段２２において、下水処理プラント１０のプラント仕様やプラント運転条件といったプラントデータ、例えばプラント仕様である曝気槽容量、沈殿槽容量、プラント運転条件であるＭＬＳＳ濃度、曝気風量、返送汚泥量などから構成される第２演算パラメータを設定する。ここで、プラント運転条件のいずれかに対して現状値を中心とした複数の値に設定することにより、複数の第２演算パラメータが設定できる。なおここで、ＭＬＳＳ濃度、曝気風量、返送汚泥量に拘らずプラント運転条件のすべてに対して複数の値を設定してもかまわない。
【００１５】
続いて、第１演算パラメータと第２演算パラメータとは、演算手段２３に伝送される。なお、伝送手段には一般に信号線を用いるが、これに限定するものではない。演算手段２３は、第１演算パラメータと第２演算パラメータとを用いて下水処理プラント１０の処理成績、例えば処理水の窒素濃度及びリン濃度、ならびにプラント運転の必要動力を予測するための演算を行う。プラント運転の必要動力とは、与えられたプラント運転条件に対する曝気装置や返送汚泥ポンプなどプラント構成機器の動力である。ここで、演算手段２３には、例えば図２に示すような槽列モデルにＩＷＡ  Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  Ｓｌｕｄｇｅ  Ｍｏｄｅｌ  Ｎｏ．２ｄ（ＩＷＡ  ｔａｓｋ  ｇｒｏｕｐ  ｏｎ  ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｆｏｒ  ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ：  Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  ｓｌｕｄｇｅ  ｍｏｄｅｌ  ＡＳＭ１，  ＡＳＭ２  ａｎｄ  ＡＳＭ３，  ９，  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  ａｎｄ  ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｒｅｐｏｒｔ  ｏｆ  ＩＷＡ）を組み合わせたプラントシミュレータが格納されており、第１演算パラメータならびに第２演算パラメータはこのプラントシミュレータに供される。
【００１６】
ここで、プラント運転条件として、曝気風量と返送汚泥量については設定範囲の上限と下限の間を全体にわたって所定値きざみに設定し、ＭＬＳＳ濃度については現状値を中心に所定値きざみに設定した例について説明を続ける。具体的には、曝気風量として１４００ｍ3／ｈ〜３５００ｍ3／ｈまで３５０ｍ3／ｈきざみの７通り、返送汚泥量として１０５ｍ3／ｈ〜３５０ｍ3／ｈまで３５ｍ3／ｈきざみの８通り、ＭＬＳＳ濃度として１０００ｍｇ／Ｌ〜２０００ｍｇ／Ｌまで２５０ｍｇ／Ｌきざみの５通りを設定することにより、２８０通りの第２演算パラメータを設定した。なお、それぞれのプラント運転条件は、設定限界をもとに所定値きざみに設定してもよく、現状値をもとに所定値きざみに設定してもよく、これらを適宜組み合わせてもかまわない。
【００１７】
演算によって予測されるｉ番目（ｉ＝１〜２８０）の処理成績における処理水の窒素濃度ＴＮ［ｉ］、処理水のリン濃度ＴＰ［ｉ］、プラント運転の必要動力ＣＥ［ｉ］は、そのときの曝気風量Ｑａｉｒ［ｉ］、返送汚泥量Ｑｒｅｔ［ｉ］、ＭＬＳＳ濃度ＳＳ［ｉ］と関連づけられる。このようにして、２８０通りの第２演算パラメータに対して２８０通りの下水処理プラント１０の処理成績などを予測するための演算結果が得られる。これらの演算結果は、演算結果蓄積手段２４に伝送されて蓄積される。
【００１８】
演算結果蓄積手段２４に蓄積された２８０通りの処理成績の中から、Ｐａｒｅｔｏ最適解判定手段２５はＰａｒｅｔｏ最適解を選び出す。Ｐａｒｅｔｏ最適解とは、複数の評価関数に対する非劣解、すなわちこれ以上優劣のつけられない解の集合をいう。この実施の形態では、次のようにＰａｒｅｔｏ最適解を選び出す。まず、２８０通りの処理成績に対して処理水の窒素濃度、処理水のリン濃度ならびにプラント運転の必要動力を３つの評価関数とする。続いて、３つの評価関数に対して全ての処理成績を互いに比較し、次の３つの条件を満たす処理成績を選び出す。
条件１：処理水の窒素濃度を改善しようと思えば、処理水のリン濃度かプラント運転の必要動力が悪化する。
条件２：処理水のリン濃度を改善しようと思えば、処理水の窒素濃度かプラント運転の必要動力が悪化する。
条件３：プラント運転の必要動力を改善しようと思えば、処理水の窒素濃度か処理水のリン濃度が悪化する。
【００１９】
Ｐａｒｅｔｏ最適解は上記の条件１〜３を満たす解の集合として、一般に複数が選び出される。Ｐａｒｅｔｏ最適解における処理成績とプラント運転条件とは、Ｐａｒｅｔｏ最適解蓄積手段２６に伝送されて蓄積される。ここに蓄積されたＰａｒｅｔｏ最適解における処理成績とプラント運転条件とは、さらに推奨解判定手段２７と表示手段２８とにそれぞれ伝送される。
【００２０】
推奨解判定手段２７は、複数のＰａｒｅｔｏ最適解の中から、プラント運転者に推奨する推奨解を１つ選び出す。具体的には、現状のプラント運転条件が第２演算パラメータ設定手段２２から推奨解判定手段２７に伝送されており、それぞれのＰａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件と現状のプラント運転条件とを比較し、現状に最も近いプラント運転条件におけるＰａｒｅｔｏ最適解を推奨解と判定する。ここでは、現状のプラント運転条件との近さに関する判定基準として下式で定められる指標Ｄに基づき、指標Ｄの値が最も小さいＰａｒｅｔｏ最適解を推奨解とする。推奨解では、現状のプラント運転条件からの変更幅が狭いので、スムーズにプラント運転条件を変更できる。
【００２１】
【数２】
0003945274.tif 000002
【００２２】
推奨解における処理成績とプラント運転条件とは、表示手段２８に伝送される。表示手段２８は、先に伝送されてきたＰａｒｅｔｏ最適解判定手段２５によって選び出されたＰａｒｅｔｏ最適解における処理成績と、ここで伝送されてきた推奨解判定手段２７によって選び出された推奨解における処理成績とプラント運転条件とを表示する。
【００２３】
図３は、表示手段２８の表示画面を説明するための一例を示す図である。図３にのグラフにおいて横軸は処理水の窒素濃度、縦軸は処理水のリン濃度であり、Ｐａｒｅｔｏ最適解における処理水の窒素濃度及びリン濃度に対応したプロット点が表示されている。ここで、それぞれのプロット点はプラント運転の必要動力に対して濃淡表示されており、色の濃いものほど必要動力が大きい。さらに、推奨解の処理成績に対しては、それを与えるプラント運転条件が表示されている。このとき、推奨解のプロット点の色を変えたり、点滅させたりして視覚的に区別しやすいようにして表示してもかまわない。
【００２４】
このようなプラント運転支援装置を用いることにより、刻々と変化する被処理水の水質に応じて、相反する関係にある窒素濃度とリン濃度の評価関数に対してＰａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件を、プラント運転者に提示できる。さらに、現状のプラント運転条件からスムーズに変更できる推奨解を与えるプラント運転条件を、Ｐａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件の中から提示できる。
【００２５】
したがって、下水処理プラント１０のプラント運転者は、処理水の窒素濃度、リン濃度およびプラント運転の必要動力に対する推奨解を与えるプラント運転条件を知ることができる。そのため、適切なプラント運転条件を試行錯誤的に探索することなく、効率的に被処理水から窒素とリンとを同時に除去できるプラント運転条件を設定できる。また、刻々と変化する被処理水の水質に応じたプラント運転条件の変更が容易となる。
【００２６】
なお、図３のグラフには、Ｐａｒｅｔｏ最適解以外の処理成績における窒素濃度とリン濃度に対応したプロット点を、視覚的に区別しやすいようにして表示してもかまわない。また、任意のプロット点をポインティングデバイスなどで指定することにより、そのプロット点におけるプラント運転条件や処理成績などの演算結果を表示してもかまわない。
【００２７】
【発明の効果】
この発明によれば、被処理水の計測データに基づいて第１演算パラメータを設定する第１演算パラメータ設定手段と、水処理プラントのプラントデータに基づいて複数の第２演算パラメータを設定する第２演算パラメータ設定手段と、第１演算パラメータと第２演算パラメータとを用いて処理水の窒素濃度とリン濃度とに関する水処理プラントの処理成績を予測するための演算を行う演算手段と、演算手段によって予測された複数の処理成績の中からＰａｒｅｔｏ最適解を選び出すためのＰａｒｅｔｏ最適解判定手段と、Ｐａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件と現状のプラント運転条件とを比較し、現状に最も近いプラント運転条件におけるＰａｒｅｔｏ最適解を推奨解として選び出す推奨解判定手段と、Ｐａｒｅｔｏ最適解判定手段によって選び出されたＰａｒｅｔｏ最適解における処理成績とプラント運転条件前記Ｐａｒｅｔｏ最適解判定手段によって選び出されたＰａｒｅｔｏ最適解における処理成績とプラント運転条件及び推奨解における処理成績とプラント運転条件とを表示するための表示手段とを備えたため、刻々と変化する被処理水の水質に応じて、相反する関係にある窒素濃度とリン濃度の評価関数に対してＰａｒｅｔｏ最適解における処理成績とプラント運転条件とをプラント運転者に提示するプラント運転支援装置を提供できる。さらに、現状からスムーズに変更できる推奨解を与えるプラント運転条件をプラント運転者に提示できる。
【００２８】
また、Ｐａｒｅｔｏ最適解を与えるプラント運転条件と現状のプラント運転条件との近さを指標Ｄで表し、指標Ｄが最小となるＰａｒｅｔｏ最適解を推奨解として選び出すため、現状からスムーズに変更できる推奨解を与えるプラント運転条件をプラント運転者に提示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態を説明するためのプラント運転支援装置の概略構成図である。
【図２】  実施の形態を説明するための演算手段に用いられた槽列モデル図である。
【図３】  実施の形態を説明するための表示画面の一例を示す図である。
【図４】  被処理水から窒素を除去する反応を説明するための模式図である。
【図５】  被処理水からリンを除去する反応を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１０  下水処理プラント、２０  プラント運転支援装置、２１  第１演算パラメータ設定手段、２２  第２演算パラメータ設定手段、２３  演算手段、２４  演算結果蓄積手段、２５  Ｐａｒｅｔｏ最適解判定手段、２６  Ｐａｒｅｔｏ最適解蓄積手段、２７  推奨解判定手段、２８  表示手段
【図１】
0003945274.tif 000004
【図２】
0003945274.tif 000005
【図３】
0003945274.tif 000006
【図４】
0003945274.tif 000007
【図５】
0003945274.tif 000008