ISSN 1346-7328
国総研資料 第９３８号
平 成 ２８ 年 １２月

国土技術政策総合研究所資料
TECHNICAL NOTE of
National Institute for Land and Infrastructure Managemen t

December 2016

No.938B-DASH プロジェクト

No.14

ICT を活用した効率的な硝化運転制御技術導入ガイドライン（案）

下水道研究部下水処理研究室

B-DASH Project No.14
Guideline for introducing a technology with ICT for efficient nitrification control
Wastewater and Sludge Management Division

Water Quality Control Departmen t

国土交通省 国土技術政策総合研究所
National Institute for Land and Infrastructure Management
Ministry of Land, Infrastructure,Transport and Tourism,Japan

国土技術政策総合研究所資料第 938 号

Technical Note of NILIM

2016 年 12 月

No. 938

December 2016

B-DASHプロジェクト No.14
ICTを活用した効率的な硝化運転制御技術導入ガイドライン（案）

下水道研究部 下水処理研究室

B-DASH Project No.14
Guideline for introducing a technology with ICT for efficient nitrification control

Wastewater and Sludge Management Division
Water Quality Control Department

概要
本ガイドラインは、下水道事業におけるコスト縮減や再生可能エネルギー等の創出を目指し、下水道革新的技術の一つである「ICTを活用した効率的な硝化運転制御技術」について、下水道事業者が導入検討する際に参考にできる資料として策定したものである。
ｷｰﾜｰﾄﾞ ：アンモニア性窒素計、ICT、硝化制御

Synopsis
This Guideline for introducing a technology with ICT for efficient nitrification control , which isone of sewage high technologies, is designed to reduce sewage service costs, create renewableenergy and support Japanese enterprises’ overseas water business expansion.
Key Words ：ammonia sensor, Information and communication technology, nitrification control〒305-0804 茨城県つくば市旭１番地
電話：029-864-3933 Fax：029-864-2817 E-mail：gesuishori@nilim.go.jp

執筆担当者一覧
国土技術政策総合研究所下水道研究部下水処理研究室 室

長 ・・・山下洋正

国土技術政策総合研究所下水道研究部下水処理研究室 主任研究官 ・・・太田太一

国土技術政策総合研究所下水道研究部下水処理研究室 主任研究官 ・・・田隝淳（京都府環境部水環境対策課課長）
国土技術政策総合研究所下水道研究部下水処理研究室 研※研究当時の所属（括弧書きは現所属）

究

官 ・・・道中敦子

はじめに我が国の下水道は、国民生活に不可欠な社会資本として、77.8%（平成 27 年度末下水道処理人
口普及率）まで普及が進んできており、水洗トイレが普及するとともに川や海の水質の改善につながっている。しかし、その一方で、大量に発生する汚水の浄化には大きな電力を要し、それだ
けで我が国の総電力消費量の 0.7％近くを占めている。これは、下水処理場の維持管理費を押し上げる要因ともなっている。
また、下水や汚泥の処理に伴い温室効果ガスが排出されるため、地方公共団体の公共事業の中でも最大級の温室効果ガス排出源となっている。今後、下水道の未普及地域の解消や高度処理化など、排出を増加させる要因が引き続き見込まれることから、地球温暖化防止に一定の役割を果たそうとする我が国において、その削減が急がれる。
そのため下水道で消費するエネルギーや排出する温室効果ガスを削減することが「新下水道ビジョン」（平成 26 年 7 月 国土交通省水管理・国土保全局下水道部、公益社団法人日本下水道協会）でも中期目標として打ち出されており、特に下水道における電力消費量の約 5 割をしめている下水処理工程での削減が求められているが、対策状況は下水道事業者ごとに差が大きく、優れた新技術が開発されても、実績が少ないため導入に慎重な下水道事業者も多い状況である。
このため、国土交通省下水道部では、優れた革新的技術の実証、普及により下水道事業におけるコスト縮減や再生可能エネルギー等の創出を実現し、併せて、本邦企業による水ビジネスの海外展開を支援するため、「下水道革新的技術実証事業（B-DASH プロジェクト※）」を平成 23
年度から開始し、国土技術政策総合研究所下水道研究部が実証研究の実施機関となっている。
本ガイドライン「ICT を活用した効率的な硝化運転制御技術導入ガイドライン（案）」で示す技
術は、アンモニア計を活用したフィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせた送風量制御技術である。実証研究により安定した水質、硝化機能を確保しつつ、従来の送風量制御技術と比較して運転コスト、温室効果ガス排出量、エネルギー消費量の削減に効果があることが実証されている。
本ガイドラインは、国土技術政策総合研究所委託研究（ICT を活用した効率的な硝化運転制御
技術実証研究 受託者：日立製作所・茨城県共同研究体 実施期間：平成 26～27 年度）において実施した成果を踏まえ、下水道事業者が革新的技術の導入を検討する際に参考にできる資料として策定したものであり、これらの優れた技術が全国そして海外にも普及されることを強く願うものである。
技術選定から実証研究施設の設置、実運転による実証を踏まえたガイドラインの策定までを 2年間という短期間でまとめるにあたり、大変なご尽力をいただいた下水道革新的技術実証事業評
価委員会の委員各位、およびガイドラインに対する意見聴取にご協力いただいた下水道事業者の各位をはじめ、実証研究に精力的に取り組まれた研究体各位等全ての関係者に深く感謝申し上げる。
※B-DASH プロジェクト：Breakthrough by Dynamic Approach in Sewage High Technology Project
国土交通省国土技術政策総合研究所 下水道研究部長 榊原 隆

目
第１章
第１節
§1

総

次

則 ....................................................... 1

目 的 ..........................................................................................................................1目

的 ......................................................................................................................1

第２節

ガイドラインの適用範囲 .............................................................................................3§2

ガイドラインの適用範囲 .........................................................................................3第３節

ガイドラインの構成 ....................................................................................................4§3

ガイドラインの構成.................................................................................................4第４節

用語の定義 ...................................................................................................................6§4

用語の定義 ...............................................................................................................6

第２章

技術の概要と評価 ................................................ 10

第１節

技術の概要 .................................................................................................................10§5

技術の目的 .............................................................................................................10§6

技術の概要 .............................................................................................................11§7

技術の特徴 .............................................................................................................13§8

風量演算方法の概要...............................................................................................15§9

複数系列における風量制御方式の概略 .................................................................20§10制御システムの適用範囲 .......................................................................................22§11

技術の適用条件 ......................................................................................................24§12

技術の適用が効果的な条件....................................................................................25§13

導入シナリオ例 ......................................................................................................27

第２節

実証研究に基づく評価の概要....................................................................................29§14

技術の評価項目 ......................................................................................................29§15

技術の評価結果 ......................................................................................................36

第３章

導入検討 ........................................................ 46

第１節

導入検討手法 .............................................................................................................46§16

導入検討手順 .........................................................................................................46§17

試算方法の検討 ......................................................................................................47§18

実態調査 .................................................................................................................49§19

導入効果の検討 ......................................................................................................51§20

導入判断 .................................................................................................................59

第２節

導入効果の検討例 ......................................................................................................60§21

導入効果の試算条件...............................................................................................60§22

導入効果の試算結果...............................................................................................62

第４章

計画・設計 ...................................................... 66

第１節

導入計画 ....................................................................................................................66§23

導入・計画手順 ......................................................................................................66§24

施設計画の検討 ......................................................................................................67§25

機器仕様・配置の検討 ...........................................................................................68§26

計画上の留意点の整理 ...........................................................................................71§27

導入計画のとりまとめ ...........................................................................................72

第５章

維持管理 ........................................................ 73

第１節

運転管理 ....................................................................................................................73§28

本技術を適用した監視制御システムの運転管理 ...................................................73§29

制御システムの立上げ（初期設定） .....................................................................74§30

制御システムの運転管理 .......................................................................................77

第２節

保守点検 ....................................................................................................................79§31

監視制御システムの保守点検 ................................................................................79

第３節

緊急時の対応と対策 ..................................................................................................81§32

緊急時の対応と対策...............................................................................................81

参考文献 ................................................................. 83
資料編 .......................................................... 85

1

実証研究結果 ....................................................... 872

導入効果検討における風量削減率の試算方法 .......................... 114

3

複数系列制御方式の立ち上げ方法 .................................... 119

4

ケーススタディ .................................................... 120

5硝化制御風量の演算方法 ............................................ 131

6

参考文献 .......................................................... 134

7

問い合わせ先 ...................................................... 135

第１節 目

的

第１章 総
第１節
§1

則
目

的

目 的

本ガイドラインは、下水道事業における大幅なコスト縮減や省エネルギー・創エネルギー効果の増大に寄与するため、下水道革新的技術実証事業（B-DASH プロジェクト）の革新的技術の１つである「ICT を活用した効率的な硝化運転制御技術」（以下、本技術とする）について、実証研究の成果を踏まえて、技術の概要、導入検討、計画・設計および維持管理などに関する技術的事項について明らかにし、もって導入の促進に資することを目的とする。

【解 説】
下水道革新的技術実証事業（B-DASH プロジェクト）は、新技術の研究開発および実用化を加速することにより、下水道事業における資源回収、大幅な省エネルギー・創エネルギー効果やコスト縮減を実現し、併せて、本邦企業による水ビジネスの海外展開を支援するため、国土交通省
が実施しているものである。
B-DASH プロジェクト全体の概要は、図 1-1 に示すとおりである。各実証事業においては、国
土技術政策総合研究所からの委託研究として、実証研究を実施している。
平成 23 年度は、①水処理における固液分離技術（高度処理を除く）、バイオガス回収技術、バイオガス精製技術、バイオガス発電技術に係る革新的技術を含むシステムについて公募を行い、２件の実証研究を採択・実施し、平成 25 年 7 月にガイドライン案を策定している。
平成 24 年度は、②下水汚泥固形燃料化技術、③下水熱利用技術（未処理下水の熱利用に限る）、④栄養塩（窒素）除去技術（水処理に係る技術は除く）、⑤栄養塩（りん）除去技術（水処理に係る技術は除く。回収技術を含むことは可）に係る革新的技術について公募を行い、5 件の実証研究を採択・実施し、平成 26 年 8 月にガイドライン案を策定している。
平成 25 年度は、⑥下水汚泥バイオマス発電システム技術（低含水率化技術、エネルギー回収技術、エネルギー変換技術を組み合わせたシステム技術）、⑦管きょマネジメント技術に係る革新的技術について公募を行い、5 件の実証研究を採択・実施し、平成 27 年 9 月にガイドライン案を策定している。
平成 26 年度は、⑧下水汚泥から水素を創出する創エネ技術、⑨既存施設を活用した省エネ型水処理技術（標準活性汚泥法代替技術・高度処理代替技術）、⑩ICT による既存施設を活用した戦略的水処理管理技術および既存施設を活用した ICT による都市浸水対策機能向上技術に係る革新的技術について公募を行い、6 件の実証研究を採択・実施している。
平成 27 年度は、⑪複数の下水処理場からバイオガスを効率的に集約・活用する技術、⑫バイオガスから CO2 を分離・回収・活用する技術、⑬都市域における局所的集中豪雨に対する降雨及び1

第１章 総則

浸水予測技術、⑭設備劣化診断技術、⑮下水管路に起因する道路陥没の兆候を検知可能な技術、⑯下水処理水の再生利用技術について公募を行い、9 件の実証研究を採択・実施している。
本技術は、⑩に係る革新的技術であり、実証研究のとりまとめにあたっては、専門的知識を有する有識者及び実務に精通した地方公共団体の下水道事業者より意見を聴取したうえで、学識経験者で構成される「下水道革新的技術実証事業評価委員会」（以下、評価委員会とする 。
（http://www.nilim.go.jp/lab/ecg/bdash/bdash.htm））の評価を受け、十分な成果が得られたと評価された。本ガイドラインは、下水道事業における大幅な省エネルギーやコスト縮減を実現するため、評価委員会で評価された本技術の実証研究の成果を踏まえ、本技術の導入の促進に資することを目的として、国土技術政策総合研究所において策定するものである。このため、本ガイ
ドラインでは、地方公共団体などの下水道事業者が本技術の導入を検討する際に参考にできるよ
うに、技術の概要と評価、導入検討、計画・設計および維持管理などに関する技術的事項についてとりまとめている。
なお、本ガイドラインについても、実証研究の成果と同様に、専門的知識を有する有識者及び実務に精通した地方公共団体の下水道事業者より意見を聴取のうえ、評価委員会の評価を受け、了承されたものである。

図 1-1 下水道革新的技術実証事業（B-DASH プロジェクト）の概要（全体）2第２節 ガイドラインの適用範囲

第２節§2

ガイドラインの適用範囲

ガイドラインの適用範囲

本ガイドラインは、本技術のシステム全体または一部についての、下水道施設を対象とした導入検討、計画・設計および維持管理に適用する。

【解 説】
本ガイドラインは、下水道施設の新・増設あるいは既存施設・設備の更新に際して、本技術のシステム全体または一部の導入を促進することを目的として、本技術の導入検討、計画・設計、維持管理の参考となるようにとりまとめたものである。
本技術のシステム全体を同時にまたは段階的に導入する場合、または、一部の要素技術のみを導入する場合のどちらにも、本ガイドラインは適用される。
本ガイドラインは、地方公共団体などの下水道事業者および関連する民間企業などに利用されることを想定して策定している。

3

第１章 総第３節

則ガイドラインの構成

ガイドラインの構成§3

本ガイドラインは、総則、革新的技術の概要と評価、導入検討、計画・設計、維持管理および資料編から構成される。

【解 説】
本ガイドラインは、図 1-2 に示す構成から成る。
各章の内容は、以下のとおりとする。
(1) 第 1 章 総則
第 1 章では、目的、ガイドラインの適用範囲、ガイドラインの構成、用語の定義について記述する。
(2) 第 2 章 技術の概要と評価
第 2 章では、革新的技術の目的、概要、特徴、適用条件、導入シナリオ例について整理する。
また、実証研究で得られた成果に基づく革新的技術の評価結果を示す。
(3) 第 3 章 導入検討
第 3 章では、革新的技術の導入を検討する際に必要な手順、手法を整理するとともに、導入効
果の検討例を示す。
(4) 第 4 章 計画・設計
第 4 章では、導入検討の結果として、革新的技術の導入効果が期待できると判断された場合に、導入に向けてより具体的に実施設計を進めるための方法について整理する。
(5) 第 5 章 維持管理
第 5 章では、革新的技術を導入した場合において、下水道管理者などが実施すべき維持管理の具体的方法について整理する。
その他、資料編として、実証研究結果、ケーススタディ、問い合わせ先などに関する資料を示す。

4第３節 ガイドラインの構成

第1章

総則

・目的、ガイドラインの適用範囲、ガイドラインの構成、
用語の定義

第2章

技術の概要と評価・目的、概要、特徴、適用条件、導入シナリオ例
・技術の評価項目、評価結果

第3章

導入検討

・導入検討手順、基礎調査、導入効果の検討、導入判断
・導入効果の検討例

第 4 章 計画・設計
・導入計画
・施設設計

第5章

維持管理

・運転管理
・保守点検
・緊急時の対応

資料編
実証研究結果、ケーススタディ、問い合わせ先など

図 1-2

本ガイドラインの構成

5

第１章 総

第４節
§4

則

用語の定義

用語の定義

本ガイドラインで取り扱う用語は、以下に示すように定義する。なお、下水道施設の基本的な用語に関しては「下水道施設計画・設計指針と解説 2009 年版（以下、設計指針とする）」（公益社団法人日本下水道協会）1)、「下水道用語集 2000 年版」（公益社団法人日本下水道協会）2)に準
拠する。
(1)

ICT

情報通信技術（Information and Communication Technology）の略称。情報処理および情報通
信、情報伝達技術に関連する諸分野における技術・産業・設備・サービスなどの総称。
(2)

アンモニア性窒素 (NH4-N)

水中のアンモニア、又はアンモニア塩をその窒素量で表したもの。本ガイドラインでは簡略化
し NH4-N と表記する。
(3)

NH4-N 濃度アンモニア性窒素濃度のことを、本ガイドラインでは簡略化し NH4-N 濃度と表記する。単位を
mg-N/L と表記する。
(4)

硝化

水中の NH4-N が、硝化細菌の作用により亜硝酸性窒素や硝酸性窒素に酸化される現象。
(5)

硝化制御

水中の NH4-N 濃度を指標として硝化の進行度合いを制御すること。硝化は好気状態で進行するため、風量を増減することにより制御する。
(6)

曝気

好気タンクに送風し、水中に空気を供給して酸素を溶解させること。
(7)

NH4-N センサー

水中の NH4-N 濃度を計測する計測器のこと。
(8)

第 1NH4-N センサー

好気タンクよりも上流（もしくは最上流の好気タンク）に設置する NH4-N センサー。
(9)

第 2NH4-N センサー

好気タンクの中間地点に設置する NH4-N センサー。
(10) 上流側
第 1NH4-N センサーの設置位置から第 2NH4-N センサーの設置位置までの範囲。
(11) 下流側
第 2NH4-N センサーの設置位置から下流側、反応タンク末端までの範囲。

6

第４節 用語の定義(12) 流体塊
単位時間当たりに反応タンクに流入する下水を一つの塊として仮想的に捉えたもの。
(13) NH4-N 濃度減少量（実績値）
上流側での NH4-N 濃度の減少量、つまり上流側で処理した NH4-N の濃度。
(14) 必要累積風量（実績値）
流体塊が上流側を流れる間に、流体塊に対して供給した風量の累積値。
(15) 処理特性グラフ
微生物による NH4-N の処理特性を表すものとして、流体塊ごとの NH4-N 濃度減少量（実績値）、つまり、第 1NH4-N センサーから第 2NH4-N センサーまでに処理した NH4-N 濃度と、そのときの必要累積風量（実績値）の関係をグラフに表示したもの。
(16) 処理特性モデル
微生物による NH4-N の処理特性を表すものとして、処理特性グラフ上の NH4-N 濃度減少量（実績値）と必要累積風量（実績値）から関係式を導き出したもの。(24) FF 制御風量での演算に用いる。
(17) 中間処理率
本技術の設定パラメータの一つ。反応タンク全体で処理する NH4-N 濃度のうち、第 2NH4-N
センサーの設置位置までの処理濃度の割合。
第 2NH4-N センサーの設置位置を考慮して設定する。
(18) 中間 NH4-N 予測値
第 2NH4-N センサー設置位置における流体塊の NH4-N 濃度の予測値。好気タンク末端で処理
水 NH4-N 目標値に到達する際の通過点として、第 1NH4-N センサーの計測値、処理水 NH4-N 目
標値、中間処理率により算出する。
(19) NH4-N 濃度減少量（理論値）
流体塊が上流側を流れる間に処理すべき NH4-N 濃度。第 1NH4-N センサーの計測値および中間 NH4-N 予測値との差分として算出する。
(20) 必要累積風量（理論値）
流体塊が上流側を流れる間に供給すべき風量の累積値。NH4-N 濃度減少量（理論値）を処理特性モデルに入力して算出する。
(21) フィードバック（FB）制御
出力の結果を出力の目標値と比較し、目標に近づけるように操作量（制御因子）を制御する方法。出力の結果を見て制御に反映するため、目標と結果を一致させやすいメリットがある一方、出力の結果が反映されるまでの時間差が原因となり制御が遅れるという課題がある。

7

第１章 総則(22) PID 制御
P: Proportional（比例）、I: Integral（積分）、D: Differential（微分）の３つを組み合わせて制御する技術であり、PID はこれらの頭文字である。制御工学におけるフィードバック（FB）制御の一種であり、設定値と測定値との偏差について、比例値・積分値・微分値の組み合わせで操作量を制御するものを PID 制御という。
(23) フィードフォワード（FF）制御
出力に影響を与えうる要因を検知し、得られた情報を基に操作量を決定する方法。得られた情報が操作量を決定するのに必要十分であれば、結果が安定するメリットを持つ一方で、状況の変化による誤差が生じやすい課題を持つ。
(24) FF 制御風量
上流側に存在する各流体塊の必要累積風量（理論値）に対して実際に供給した風量の差分（必要累積風量（理論値）の残分）に基づき演算した風量。FF 制御風量を用いることで、各流体塊は第 2NH4-N センサーに到達するまでに必要累積風量（理論値）が供給されるように制御される。
(25) FB 制御風量
第 2NH4-N センサーの計測値を出力値として用いた FB 制御により演算された風量。具体的には、中間 NH4-N 予測値と第 2NH4-N センサー計測値との差分を是正する PID 制御により演算された必要風量である。
(26) 硝化制御風量FF 制御風量と FB 制御風量を平均化した風量。
FB 制御の遅れを解消するための手法として FF
制御と組み合わせることで、より短時間で目標値に収束させることができる。
(27) DO
溶存酸素 (Dissolved Oxygen)の略称。
(28) DO 制御
反応タンク内の DO 濃度を設定値に保つように風量を自動的に制御する制御方法。本ガイドラ
インでは、DO 設定値と DO 実測値の差分を訂正する PID 制御による風量制御を示す。一定の DO
濃度を設定値とした制御を DO 一定制御、DO 設定値を時間により自動的に変更する制御を DO
可変制御と呼ぶ。
(29) 上側 DO 設定値
各下水処理場における運用管理上の DO 濃度の上限。
(30) 下側 DO 設定値
各下水処理場における運用管理上の DO 濃度の下限。

8

第４節 用語の定義(31) 上側 DO 制御風量
上側 DO 設定値を制御設定値として、DO 一定制御に基づき演算した風量。
(32) 下側 DO 制御風量
下側 DO 設定値を制御設定値として、DO 一定制御に基づき演算した風量。
(33) 系列処理施設の配列のうち、独立して処理機能を有する最小単位の配列のこと。本ガイドラインでは、返送汚泥系統を共有している一つ以上の処理池と定義する。
(34) 代表池NH4-N センサーを設置し、その計測値に基づき風量を演算・制御する処理池を代表池とする。
(35) 展開池NH4-N センサーを設置せず、代表池の DO 濃度に基づき風量を演算・制御する処理池。展開池では、代表池の DO 濃度の補正値を制御設定値とした DO 可変制御を適用する。
(36) 硝化目標達成位置
好気タンク内において、NH4-N 濃度が処理水 NH4-N 目標値に到達した位置であり、全好気タンクのうち、目標値到達位置以降の好気タンクの長さの割合で表す。導入効果の検討時に、実態調査における各好気タンク内の NH4-N 濃度の履歴より求める。
(37) 修正硝化目標達成位置
好気タンクへの様々な風量配分比の条件下での硝化目標達成位置を同じ尺度で比較するため、均一曝気と仮定した場合の硝化目標達成位置。
(38) 処理特性風量
所定の NH4-N 濃度を処理するのに必要な風量（必要累積風量（理論値））。処理特性風量の経時変化を追跡することで、処理特性の変化や運転異常の傾向を把握する。

9

第２章 技術の概要と評価

第２章 技術の概要と評価
第１節
§5

技術の概要

技術の目的

本ガイドラインの対象技術である「ICT を活用した効率的な硝化運転制御技術」は、ICT を活用して、下水処理における硝化を適切に制御することで、処理水質（NH4-N 濃度）の安定化、風量削減に伴う消費電力の低減、維持管理業務の軽減を実現することを目的とする。

【解 説】
従来、反応タンクの風量は、風量の目標値、流入水量に対する倍率、DO 計の計測値などの制御
設定値に基づき制御されていた。このような制御方式では、硝化に関して１）アンモニア性窒素（以下、NH4-N）の流入負荷変動が大きい場合、変動に追従できず、処理水 NH4-N 濃度が不安定となり、目標値を超過する可能性がある、２）目標とする処理水 NH4-N 濃度を安定的に得るためには、風量を過剰に供給する必要がある、３）硝化を適切に制御できるように制御設定値を調整するには、試行錯誤やノウハウの蓄積が必要であるといった課題があった。
本ガイドラインの対象技術である「ICT を活用した効率的な硝化運転制御技術」は、センサー
情報をモデル演算処理する技術を活用し、１）NH4-N の流入負荷変動に対応した風量制御による処理水 NH4-N 濃度の安定化、２）過剰な風量の削減によるブロワ消費電力の低減、３）制御設定
値の調整に係る維持管理業務の軽減を図るものである。本技術の目的をまとめて図 2-1 に示す。

• 制御設定値（風量、空気倍率、DO濃度）に基づき、風量を制御

従来制御• 流入負荷変動に追従できず、処理水質（NH4-N濃度）が安定しない• 過剰処理（過剰な風量）
従来制御の課題 • 制御設定値の調整に試行錯誤やノウハウの蓄積が必要• 流入負荷変動にいち早く対応し、処理水質（NH4-N濃度）を安定化• 過剰処理の抑制による風量削減、ブロワ消費電力低減
本技術の• 制御設定値の調整に係る維持管理業務を軽減
目的

図 2-1

本技術の目的10

第１節 技術の概要

§6

技術の概要

「ICT を活用した効率的な硝化運転制御技術」は、NH4-N センサーを用いた監視制御技術を下水処理における硝化制御に適用する。
本技術の監視制御技術は、好気タンクよりも上流側と、好気タンクの中間地点の 2 箇所に設置
する NH4-N センサーを用いた風量制御機能、微生物の処理特性の見える化機能、風量の演算モデ
ル（処理特性モデル）の自動更新機能を有する。これらの機能により、処理水質（NH4-N 濃度）の安定化、消費電力低減（風量削減）、維持管理業務の軽減を実現する。

【解 説】
本技術の有する 3 つの機能について、以下に述べる。また、本技術の概要を図 2-2 に示す。
(1) 2 台の NH4-N センサーを用いた風量制御機能
本技術では、好気タンクよりも上流側に設置（標準活性汚泥法の場合は、最上流の好気タンクに設置）した NH4-N センサー（以下、第 1NH4-N センサー）と、好気タンクの中間地点に設置した NH4-N センサー（以下、第 2NH4-N センサー）を風量演算に用いる。なお、風量演算方法の詳細については§8 風量演算方法の概要に示す。
第 1NH4-N センサーの計測値に基づく風量演算では、好気タンクに流入する NH4-N 濃度を用いて必要な風量を予測するフィードフォワード（FF; Feed Forward）制御の考え方を用いる。FF
制御風量では、微生物（活性汚泥）の処理特性を見える化した処理特性モデル（(2) 微生物の処
理特性の見える化機能参照）を用いて必要な風量を演算する。一方、第 2NH4-N センサーの計測値に基づく風量演算では、予測した濃度と実際の計測値とのずれを是正するフィードバック（FB;
Feed Back）制御の考え方を用いる。以降、第 1NH4-N センサーの計測値を用いた演算風量は FF
制御風量、第 2NH4-N センサーの計測値を用いた演算風量は FB 制御風量とする。FF 制御風量、FB 制御風量を平均化することで、流入負荷変動にいち早く対応し、水質の維持・安定化を図ることができる（§7 技術の特徴参照）。なお、本ガイドラインでは第 1NH4-N センサーの設置位置
から第 2NH4-N センサーの設置位置までを「上流側」、第 2NH4-N センサーの設置位置から好気
タンク末端までを「下流側」と定義する。

11

第２章 技術の概要と評価

処理特性モデル
必要累積風量

監視制御システム（ｲﾒｰｼﾞ）

冬季
(低温期)

実測値

②微生物の処理特性見える化③実測値によりモデル自動更新

自動更新

維持管理業務の軽減

夏季(高温期)
NH4-N濃度減少量①流入負荷変動にいち早く対応

水質の維持・安定化

上流側

下流側

フィードフォワード制御

フィードバック制御（予測と結果のずれ分を訂正）（処理特性モデルを利用した予測）
流入流量

風量制御

返
送
流
量

第1NH4-Nセンサー

好気槽
第2NH4-Nセンサー

・風量削減
処理水

DO計

B ブロワ

生物反応タンク空気

図 2-2

省エネの実現

本技術の概要および特徴(2) 微生物の処理特性の見える化機能
図 2-3 に、本技術での微生物の処理特性の見える化機能の概略を示す。本技術では、第 1NH4N センサーの設置点から第 2NH4-N センサーの設置点の間での NH4-N 濃度の減少分、すなわち上流側で処理した NH4-N 濃度（以下、NH4-N 濃度減少量（実績値））と、その処理に要した累積風量（以下、必要累積風量（実績値））をプロットした処理特性グラフを用い、微生物による
NH4-N の処理特性の見える化を図っている。処理特性グラフの過去一定期間の実績値から近似式を算出し、処理特性モデルとして表示する。処理特性グラフ、処理特性モデルにおいて、例えば現在と過去など複数のデータを比較することで、微生物の処理特性の変化を把握する。なお、FF
制御風量の演算には、処理特性モデルを用いる。
第1NH4-Nセンサー

第2NH4-N
センサー
流入時

好気タンク
中間

NH4-N濃度減少量（実績値）
グラフへの実績値追加
モデルの自動更新
必要累積風量
（実績値）

必
要
累
積
風
量

処理特性モデル

実績値

NH4-N濃度減少量

処理特性グラフ

図 2-3

処理特性グラフによる微生物の処理特性の見える化(3) 風量の演算モデルの自動更新機能
水温や流入水質によって活性汚泥の処理特性は徐々に変化していく。風量を適切に制御し、処理水質を安定化するには、処理特性の変化に合わせて風量の演算モデルを更新していく必要がある。本技術では、実績値に基づき一定周期で自動更新する処理特性モデルを FF 制御風量の演算に用いることで、処理特性の変化に対応している。
12

第１節 技術の概要

§7

技術の特徴

本技術の特徴は、以下のとおりである。
(1) 2 台の NH4-N センサーを用いた風量制御機能により、処理水質（NH4-N 濃度）の安定化、消費電力の低減を実現できる。
(2) NH4-N に関する活性汚泥の処理特性の見える化機能により、処理特性の変化、処理の異常を早期に発見できる。
(3) 風量の演算モデル（処理特性モデル）の自動更新機能により、制御設定値の調整に係る維持管理業務を軽減できる。

【解 説】§6 技術の概要に示した本技術の 3 つの機能は、それぞれ以下の特徴を有している。
(1) 風量の適正制御により、処理水質（NH4-N 濃度）の安定化、消費電力の低減を実現できる（図2-4 参照）。
流入水量に対する倍率や DO 濃度を制御設定値とした従来の風量制御技術では、制御対象となる水質（本技術では NH4-N）を計測していないことから、目標とする水質を確保するために過剰気味の風量で運用する傾向があった。この問題を解決すべく、NH4-N センサーに基づく風量制御技術として、目標値を一定とした FB 制御が開発された。しかしながら、1 台の NH4-N センサーで制御する従来の FB 制御では、図 2-4 に示す通り、好気タンクに設置した NH4-N センサーの計測値が目標値を超過した場合、その差を是正しようと、風量を増加させるが、同時刻における流入下水（上流側）の NH4-N 濃度が低ければ、風量が過剰となり、過度に硝化が進行する恐れがある。このように、従来の FB 制御のみでの風量制御では、流入負荷変動に追随して風量を適切に制御できず、風量の過剰供給や処理水 NH4-N 濃度の上昇が起こる可能性があった。そこで、本技術では、2 台の NH4-N センサーを用いて、反応タンク流入時の NH4-N 濃度（第 1NH4-N セン
サー計測値）に応じて、処理水 NH4-N 目標値に到達するまでの通過点（第 2NH4-N センサーの設置位置）での NH4-N 濃度を予測し、その予測値（以下、中間 NH4-N 予測値とする）に基づくFF 制御と FB 制御を組合せる。FF 制御には流入変動にいち早く対応できるという特徴があり、FB 制御には制御精度を高く保つことができるという特徴がある。
本技術では、これらの FF 制御、FB 制御の特徴を取り込むことで、処理水 NH4-N 濃度を目標値以下に制御しつつ、過剰な風量の削減が期待できる。

13

第２章 技術の概要と評価

流入時NH4-N負荷が上流側・下流側で大きく異なると過剰曝気となる可能性あり

中間NH4-N予測値という通過点も考慮し、風量を削減、処理水質を安定化
第1 NH4-N
センサー

NH4-Nセンサー

変
動

濃度小
目標値
超過

NH4-N濃度

NH4-N濃度

濃度大

FB目標値
（固定値）

第2 NH4-N
センサー

変
動

中間
NH4-N
予測値

処理水
目標値

処理水
目標値

過剰送風
上流側

上流側

下流側

水質変動

ブロワ

風量
増加

適正送風

下流側

水質安定

ブロワ

従来のＦＢ制御
本技術におけるＦＦ＋ＦＢ制御（NH4 -Nセンサーが1台）（NH4 -Nセンサーが2台）
図 2-4 NH4-N センサーを用いた風量制御に関する従来技術と本技術の比較(2) NH4-N に関する活性汚泥の処理特性を見える化し、処理特性の変化、処理の異常を早期に発見できる。
従来の風量制御技術では、NH4-N センサーが設置されていない、もしくは好気タンク末端などに 1 台のみ設置されている場合が多く、好気タンク内での NH4-N 濃度減少量など、詳細な処理状況の把握は困難であった。これに対し、本技術では、2 台の NH4-N センサーを設置し、その区間の NH4-N 濃度の減少量と、風量の累積値の実績を処理特性グラフ上に記録していくことで、処理特性を見える化する。処理特性の変動を追跡していくことで、微生物の処理特性の急変や処理の異常の傾向を早期に発見できる。
(3) 風量の演算モデル（処理特性モデル）を自動更新し、制御設定値の調整に係る維持管理業務を軽減できる。
流入水量に対する倍率や DO 濃度を制御設定値とした従来の風量制御技術では、例えば冬期には DO 設定値を高くするなど、季節変化に合わせて手動で制御設定値を調整する場合があり、試
行錯誤やノウハウの蓄積が必要であった。これに対し、本技術では、処理特性モデルを自動的に更新していくため、最新の微生物の処理特性を FF 制御風量の演算に反映でき、必要風量の演算
精度を自動的に維持できる。これにより、制御設定値の調整を効率化し、維持管理業務を軽減できる。

14

第１節 技術の概要§8

風量演算方法の概要

本技術における硝化運転制御は、NH4-N センサーおよび DO 計を用いた風量演算結果から、風量を決定する。
(1) NH4-N センサーを用いた硝化制御風量・第 1NH4-N センサーの計測値に基づくフィードフォワード（FF）制御風量
・第 2NH4-N センサーの計測値に基づくフィードバック（FB）制御風量(2) DO 計を用いた DO 制御風量・運用管理上の DO 濃度の上下限（上側／下側 DO 設定値）に基づく制御風量【解 説】
本技術の硝化運転制御において出力する風量の決定方法の概略を図 2-5 に示す。
第 1NH4-N センサーの計測値に基づきフィードフォワード（FF）制御風量を、第 2NH4-N センサーの計測値に基づきフィードバック（FB）制御風量を演算する。これらの NH4-N センサーを用いた風量を足し合わせて硝化制御風量を演算する。
硝化制御風量のみで風量を制御した場合、流入 NH4-N 負荷の低下に伴い演算風量は小さくなり、嫌気状態となるような著しい DO 濃度の低下につながる恐れがある。一方、流入負荷が高くなるにつれ演算風量は大きくなり、DO 濃度も高くなる。しかし、DO 濃度の上昇に伴い、硝化速度が飽和すると、DO 濃度を高くしても処理量の向上が期待できず、ブロワ消費電力の増大につながる恐れがある。そこで、本技術では、これまでの運転実績等に基づき運用管理上設定する DO
濃度の上限値を上側 DO 設定値、下限値を下側 DO 設定値とし、それぞれを制御設定値とする上側 DO 制御風量、下側 DO 制御風量を硝化制御風量と並列で演算する。次に硝化制御風量と上側DO 制御風量、下側 DO 制御風量を比較し、下側 DO 制御風量から上側 DO 制御風量の範囲の風量を出力することで、DO 濃度を適正範囲内に制御でき、処理水質の維持、過剰な風量の削減が可能となる。また、DO 計を用いた制御風量を併用することで、NH4-N センサーの計測値異常等による甚大な処理トラブルも回避できる。以下、それぞれの演算風量の算出方法の詳細について述べる。

15

第２章 技術の概要と評価

FF制御風量+FB制御風量硝化制御風量下側DO制御風量+

下側DO制御＜硝化制御＜上側DO制御
Yes
送風量として出力

上側DO制御風量No

硝化制御＜下側DO制御

下側DO制御風量

硝化制御風量

図 2-5

硝化制御＞上側DO制御

上側DO制御風量

風量の決定方法(1) NH4-N センサーを用いた硝化制御風量
本技術では、処理水 NH4-N 目標値まで処理する上で、好気タンクの中間地点（第 2NH4-N セ
ンサーの設置位置）にて到達すべき NH4-N 濃度（中間 NH4-N 予測値）に基づき、FF 制御および FB 制御を実施する。第 2NH4-N センサーの設置位置を好気タンク末端ではなく中間地点としたのは、低濃度域での NH4-N センサーの測定精度低下および電極劣化を防ぐためである。さらには、処理途中である好気タンク中間で予測とのずれを是正する FB 制御を実施することで、中間
NH4-N 予測値への追従性を高めるためである。中間 NH4-N 予測値の設定方法の概念図を図 2-6に、算出式を式(2.1)に示す。中間 NH4-N 予測値は、流入 NH4-N 濃度（第 1NH4-N センサーによる計測値）と設定パラメータである中間処理率により算出する。ここで、中間処理率は、好気
タンク全体で処理する NH4-N 濃度のうち、上流側で処理する割合で定義され、第 2NH4-N センサーの設置位置を考慮して設定する（§29 制御システムの立上げ（初期設定）参照）。以下、FF
制御風量および FB 制御風量、さらに硝化制御風量の演算方法の概略について述べる。

16

第１節 技術の概要

第1NH4-N
センサー

ア
ン
モ
ニ
ア
性
窒
素
濃
度

第2NH4-N
センサー

NH4in

②中間処理率(RUP) =

a
b

a
b

①処理水NH 4-N
目標値 (NH4out_tgt)③中間NH4-N
予測値 (NH4md_tgt)

好気タンク
図 2-6

最終沈殿池

中間処理率を用いた中間 NH4-N 予測値の設定方法

𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝑡𝑔𝑡 (𝑡) = 𝑁𝐻4𝑖𝑛 (𝑡) − 𝑅𝑈𝑃 (𝑁𝐻4𝑖𝑛 (𝑡) − 𝑁𝐻4out_tgt )(2.1)

ここで、𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝑡𝑔𝑡 (𝑡) [mg-N/L]：時刻𝑡における中間点 NH4-N 予測値、𝑁𝐻4𝑖𝑛 (𝑡) [mg-N/L]：
時刻𝑡における第 1NH4-N センサー計測値、𝑁𝐻4out_tgt [mg-N/L]：処理水 NH4-N 目標値、𝑅𝑈𝑃 [-]：
中間処理率とした。

ア) 第 1NH4-N センサーの計測値に基づくフィードフォワード（FF）制御風量
FF 制御風量の演算方法の概要を図 2-7 に示す。FF 制御風量の演算では、単位時間当たりに流入する下水を一つの塊（以下、流体塊）として仮想的に捉えている。第 1NH4-N センサーの設置
位置に流体塊が到達すると、第 1NH4-N センサーの計測値と、式(2.1)により演算した中間 NH4N 予測値との差分を上流側で処理すべき NH4-N 濃度（以下、NH4-N 濃度減少量（理論値））として、処理特性モデル（§6(2) 微生物の処理特性の見える化機能 参照）に入力する。その結果、流体塊ごとに上流側で供給すべき風量（以下、必要累積風量（理論値））が算出される。FF 制御
風量では、上流側に存在する各流体塊の必要累積風量（理論値）と供給した風量の差分、つまり必要累積風量（理論値）の残分に基づき、演算する。FF 制御風量を用いることで、各流体塊は第2NH4-N センサーに到達するまでに必要累積風量（理論値）が供給されるように制御される。

イ) 第 2NH4-N センサーを用いたフィードバック（FB）制御風量
FB 制御風量では、中間点 NH4-N 予測値と第 2NH4-N センサーでの実測値とのずれから、PID制御による FB 演算を実施する（図 2-7 参照）。

ウ) 硝化制御風量
硝化制御風量は、式(2.2)に従い、FF 制御風量と FB 制御風量を平均化し、算出する。
17

第２章 技術の概要と評価

𝑄𝐵𝑁𝐹 (𝑡 + ∆𝑡) =𝑄𝐵𝐹𝐹 (𝑡 + ∆𝑡) + 𝑄𝐵𝐹𝐵 (𝑡 + ∆𝑡)
2

(2.2)

ここで、𝑄𝐵𝑁𝐹 (𝑡 + ∆𝑡) [m3/h]：時刻𝑡 + ∆𝑡における硝化制御風量、𝑄𝐵𝐹𝐹 (𝑡 + ∆𝑡) [m3/h]：時刻𝑡 +∆𝑡における FF 制御風量、𝑄𝐵𝐹𝐵 (𝑡 + ∆𝑡) [m3/h]：時刻𝑡 + ∆𝑡における FB 制御風量とした。なお、
FF 制御風量及び FB 制御風量については、資料編 5 硝化制御風量の演算方法 P.131 を参照のこと。

NH4-N濃度

第1上流側
NH4-Nセンサー

第2NH4-Nセンサー

下流側

流入下水

NH4-N濃度減少量（理論値）

中間（予測）

流体塊

中間NH4-N予測値
とのずれ

目標値

中間（実測）（単位時間に流入する下水）位置

フィードフォワード制御風量

フィードバック制御風量（処理特性ﾓﾃﾞﾙ・NH4-N濃度減少量（理論値）から算出）（中間NH4-N予測値とのずれに基づき算出）

重みづけして足し合わせ

硝化制御風量図 2-7FF 制御風量、FB 制御風量、硝化制御風量の算出方法の概要(2) DO 計を用いた DO 制御風量（上側 DO 制御風量／下側 DO 制御風量）
本技術では運用管理上の上限値／下限値として、これまでの運転実績や本技術導入時の試運転
結果（§29 制御システムの立上げ（初期設定）参照）に基づき、上側／下側 DO 設定値を設定する。そして、上側／下側 DO 設定値を制御設定値とした PID 制御（DO 一定制御）に基づき、上側／下側 DO 制御風量を演算する。
(3) 出力風量
本技術において最終的に出力する風量は、図 2-5 に示したように硝化制御風量、上側 DO 制御
風量、下側 DO 制御風量を比較して決定する。主な出力風量としては硝化制御風量となるが、硝化制御風量が下側 DO 制御風量よりも小さい場合は下側 DO 制御風量を選択し、硝化制御風量が上側 DO 制御風量よりも大きい場合は上側 DO 制御風量を選択する（図 2-8 参照）。

18

第１節 技術の概要

風量の演算結果[m3/h]

1200

下側DO
制御風量
選択

下側DO
制御風量
選択

900

600

300
下側DO制御風量
硝化制御風量

選択後風量
0

0

6

12

18

0

6

時刻[-]
図 2-8

出力する風量の選択例

19

12

18

0

第２章 技術の概要と評価§9

複数系列における風量制御方式の概略

一般的な下水処理場では、返送汚泥系統が独立した処理系列（以下、系列）が複数存在し、同一系列内にも返送汚泥系統を共有する処理池（以下、池）が複数存在する場合が多い。本技術の硝化運転制御をこのような複数系列、複数池に適用する場合は、導入コスト低減のため、NH4-N
センサーは系列の処理を代表する一つの池（以下、代表池）のみに設置し、NH4-N センサーの計
測値に基づき風量を制御する。同一系列もしくは他系列の池（以下、展開池）では、代表池の制御結果（DO 濃度）の流入流量、MLSS 濃度による補正値に基づき、風量を制御する。

【解 説】
本技術による硝化運転制御を複数の池、系列に適用する場合、全ての池、系列に NH4-N センサ
ーを設置することも考えられるが、NH4-N センサーの設置および維持管理に掛かるコストが課題となる。本技術では、NH4-N センサーの設置を必要最低限としつつ、複数系列・池に対して本技術による風量制御の展開が可能であることを、数日間と短い期間ではあるが実証実験により確認している（資料編 1.3 実証研究（③複数系列制御方式の実証）の詳細 P.102 参照）。
NH4-N センサーの設置、および計測値に基づく風量制御を実施する代表池、および代表池の制御結果として DO 濃度を展開する展開池の概略を図 2-9 に示す。図 2-9 の例では、系列 1、系列
2 は返送汚泥系統が異なっており、独立した処理系列である。また、系列 1、系列 2 は、返送汚泥系統を共有する処理池を 4 つずつ有している。例えば、系列 1 の処理池（処理池(1-1)）を代表池として選定した場合、代表池には 1 組（2 台）の NH4-N センサーを設置し、NH4-N センサーに基づく風量制御を実施する（§8 風量演算方法の概要参照）。同じ系列 1 内の池（処理池(1-3)）
や、系列 2 の池（処理池(2-1)、処理池(2-3)）については展開池とする。展開池では、代表池の DO
濃度を、代表池・展開池の流入流量、MLSS 濃度で補正した補正値に基づき、DO 可変制御を実施する。DO 計が設置されていない、または風量調節弁等の風量調整設備がない処理池（処理池(1-2)、処理池(1-4)、処理池(2-2)、処理池(2-4)）では、隣接する代表池もしくは展開池とともに風量が制御される構造であるとする。展開池における DO 可変制御の設定値の設定方法については、
資料編 1.3 実証研究（③複数系列制御方式の実証）の詳細 P.102 を参照のこと。

20

第１節 技術の概要

NH 4-Nセンサー

MLSS計 DO計

系列１

流量計

処理池（1-1）

代表池

最終沈殿池

最初沈殿池
処理池（1-2）
MLSS計

流量計

処理池（1-3）

DO計

P

展開池

最終沈殿池

最初沈殿池
処理池（1-4）

P
MLSS計 DO計

系列２

流量計
処理池（2-1）

展開池

最終沈殿池

最初沈殿池
処理池（2-2）

MLSS計

流量計
処理池（2-3）

DO計

P

展開池

最終沈殿池

最初沈殿池
処理池（2-4）

P
B
B
図 2-9

複数系列の制御における代表池、展開池の概略

21

第２章 技術の概要と評価§10 制御システムの適用範囲
本技術では、NH4-N センサーを設置した池（代表池）に対し、下記の条件を満たす池は、代表池と同系列・他系列に関わらず、１つの制御システムとして、代表池の制御結果に基づき風量を制御する。条件を満たさない系列・池がある場合は、制御システムを追加する。


同一の躯体構造仕様である



同一の処理方式である



流入水質が同様である



流入流量、返送汚泥流量、硝化液循環流量、MLSS、好気タンクへの風量配分が同程度に調整
されている



SRT が同程度で運転されている【解 説】
複数の系列・池に対して本技術の硝化運転制御を適用する場合、§9 複数系列における風量制
御方式の概略において述べたように、NH4-N センサーを設置する代表池の制御結果（DO 濃度）を展開池に展開する。この複数系列制御方式を適用する場合、一つの代表池の制御結果に基づき制御する池・系列の範囲を一つの制御システムの適用範囲とする。代表池の選定では、同一の躯体構造仕様、処理方式である池のうち、流量や流入水質、MLSS 濃度、処理水質が平均的で安定していること、また追加センサー等の設置スペースが十分にあることを勘案する。展開池では、流入条件や運転条件が代表池と同様に調整されていることが条件となる。制御システムの適用範
囲における代表池、展開池の条件を表 2-1 に示す。なお、実証研究では短い期間ではあるが複数系列制御方式の成立性を実証した。その際の代表池・展開池の流入条件、運転条件は資料編 1.3
実証研究（③複数系列制御方式の実証）の詳細 P.102 を参照のこと。
制御システムの適用範囲における代表池、展開池の選定方法の例を図 2-10 に示す。図 2-10 の例では、制御システムの適用範囲を A 処理法で処理する第 1 系列および第 2 系列の合計 2 系列 5池とする。A 処理法と異なる B 処理法である第 2 系列第 4 池、さらに同じ処理法でも躯体構造仕様が異なる第 2 系列第 5 池の 2 つの池は適用範囲外であり、これらを本技術で制御する場合は、それぞれの池にシステムを導入する必要がある。導入検討における実態調査（§18 実態調査参照）
では、対象とする下水処理場に対する制御システムの適用範囲を確認し、必要な制御システム数を導出する。

22

第１節 技術の概要

表 2-1

複数系列制御方式における代表池・展開池の条件

項目

代表池

躯体構造

－

処理方式

－

展開池
• 代表池と同一

流入水質
流入・循環・返送流量• 平均的で安定

MLSS濃度• 代表池と同様

SRT
好気タンクへの風量配分－

その他• 追加センサー等を設置可• 処理水水質（NH4-N）が平均的で安定• DO制御が可能

制御システムの適用範囲
第１系列－第１池：Ａ処理法
第１系列－第２池：Ａ処理法

制御用代表池第２系列－第１池：Ａ処理法

下水第２系列－第２池：Ａ処理法
第２系列－第３池：Ａ処理法
第２系列－第４池：Ｂ処理法
第２系列－第５池：Ａ処理法
図 2-10

本技術の制御システムの適用範囲例

23

放流水

第２章 技術の概要と評価§11 技術の適用条件
本技術は、以下の条件を満たす水処理施設に適用可能である。
(1) 活性汚泥を用いた下水処理方式で、好気タンクを有すること(2) NH4-N に対して明確な処理目標があること(3) 風量制御が可能であること【解 説】
本技術は、活性汚泥により下水を処理する下水処理方式において、好気タンクへの風量を適正化することで、好気タンクにおける硝化を制御し、処理水質（NH4-N 濃度）の安定化、消費電力の低減を図る技術である。以下に、本技術の適用条件を示す。
(1) 活性汚泥を用いた下水処理方式で、好気タンクを有すること
本技術は、標準活性汚泥法、嫌気－好気活性汚泥法、循環式硝化脱窒法、嫌気無酸素好気法等、活性汚泥を用いた処理方式で、ブロワにより送風する好気タンクを有することが求められる。
(2) NH4-N に対して明確な処理目標があること
本技術は、NH4-N を除去対象とする技術である。そのため、放流水（処理水）の NH4-N 濃度
に対して目標値を設定している、もしくは今後設定する予定があることが必要である。
(3) 風量制御が可能であること
本技術は好気タンクへの風量を適正化する技術である。そのため、風量調整弁やブロワによる風量制御が可能であることが求められる。

24

第１節 技術の概要§12 技術の適用が効果的な条件
本技術の適用が効果的となり得る条件の例を示す。
(1) NH4-N の流入負荷変動が大きい場合(2) 風量削減によりブロワの運転台数の低減が見込まれる場合(3) DO 制御が安定して運用されている、あるいは安定した運用が見込まれる場合(4) 風量が過剰となっている時間帯がある場合(5) 微生物の処理特性の季節変化が大きい場合(6) 制御システムの適用範囲を広く取れる場合(7) 本技術適用に必要な計測器が設置されている場合【解 説】(1) NH4-N の流入負荷変動が大きい場合
NH4-N の流入負荷変動が大きい場合、フィードバック制御のみでは、流入負荷に対して追従するように風量を制御することは難しく、風量不足による処理水質の悪化や風量の過剰供給が起こりやすい。そのため、フィードバック制御機能に加え、流入負荷変動に早期に対処できるフィー
ドフォワード制御機能を持つ本技術を導入することで、処理の過不足抑制による水質安定化と、過剰な風量の削減に伴う消費電力の低減が期待できる。
(2) 風量削減によりブロワ運転台数の低減が見込まれる場合
例えばブロワが 3 台ある下水処理場で、昼間などに 2 台の運転では風量が不足し、3 台目も運転している場合、状況によっては、本技術導入により風量を削減でき、2 台の運転で充足することも考えられる。そのような場合、必要なブロワ運転台数を低減できるため、消費電力も低減できる。
(3) DO 制御が安定して運用されている、あるいは安定した運用が見込まれる場合
DO 制御が安定している場合や、本技術適用とともに設備を更新することで安定した運用が可能となることが見込まれる場合には、複数系列制御方式における展開池での DO 制御を精度よく実施でき、処理水質の安定化、高い風量削減効果が期待できる。
(4) 風量が過剰となっている時間帯がある場合
NH4-N の流入負荷が低い場合など、好気タンクの途中で NH4-N 濃度が目標値以下となり、処理水 NH4-N 濃度が目標値を大きく下回るような時間帯がある場合、本技術の導入により、風量の削減、消費電力の低減が期待できる。

25

第２章 技術の概要と評価(5) 微生物の処理特性の季節変化が大きい場合
微生物の処理特性の変動に応じて DO 濃度などの制御設定値を調整するなど、従来では処理状
況を見ながらパラメータを経験的に変更することがある。この場合、経験豊富な熟練技師が必要になるなど、維持管理業務上の負担であると考えられる。これに対し、本技術では、風量の演算モデルである処理特性モデルを処理実績に応じて自動で更新する機能を有しており、制御設定値の調整に係る維持管理業務の軽減が期待できる。
(6) 制御システムの適用範囲を広く取れる場合§10 制御システムの適用範囲に示した条件を満たす池や系列が多ければ、1 つの制御システム
により制御できる系列・池数が多くなる。そのため、NH4-N センサーの設置台数を削減でき、導入コスト及び維持管理コストを低減できる。
(7) 本技術適用に必要な計測器が設置されている場合
本技術の硝化運転制御には NH4-N センサーに加え、DO 制御のための DO 計や、各流量計、風量計、MLSS 計が必要である。流量計は反応タンクを流れる水量把握のために必要であり、例えば循環式硝化脱窒法の場合は下水流入流量、返送汚泥流量、硝化液循環流量を有することが求められる。また、複数系列に本技術を適用する場合、展開池には流入流量計、DO 計、MLSS 計が必要となる。そのため、これら計測器が既に設置されている場合、本技術導入に合わせて計測器を新たに設置する必要がなく、導入コストが抑えられる。

26

第１節 技術の概要§13 導入シナリオ例
本技術における制御システムの導入シナリオの例として、以下の場合について概説する。
(1) 既存設備の更新、下水処理施設の変更時に本技術を導入する場合(2) 処理水 NH4-N 目標値の変更時に本技術を導入する場合【解 説】
本技術は、NH4-N センサーを用いた風量の適正化による処理水質（NH4-N）の安定化・消費電力の低減、さらには自動更新機能を備えた処理特性モデルによる維持管理業務の軽減を特徴とする技術である。本技術の特徴が発揮されるケースや、導入コストの低減が可能なケースの例を以下に示す。
(1) 既存設備の更新、下水処理施設の変更時に本技術を導入する場合
代表的なケースとして、ア) 監視制御システムの新設・更新時、イ) ブロワの更新時、ウ) 散
気装置の更新時、エ) 下水処理施設の変更時の 4 つの場合、およびそれぞれを複合的に組み合わせた場合がある。
ア) 監視制御システムの新設・更新時
監視制御システムの新設・更新の計画がある場合、本技術の制御システムのハードウェアに係る一部が監視制御システムの新設・更新工事と共通のため、本技術の導入コストの低減が期待できる（§19(7) 建設費・維持管理費・電力削減費にて詳述）。さらに、本技術に必要な流量計やDO 計が設置予定である場合、監視制御システム同様に設置費を共通化でき、導入コストを低減できる。
イ) ブロワの更新時
本技術は風量の適正化により、ブロワの消費電力を低減することが目的の一つである。そのため、既存ブロワ設備が風量を削減しても消費電力が低減しない仕様の場合、本技術の導入に合わ
せて、インレットベーン、インバータ付帯等、風量の削減に応じて消費電力の低減が見込めるブロワに更新することで、本技術による消費電力低減効果を発揮できる。また、更新時に本技術導入による風量削減を前提としたブロワ仕様の適正化も検討できる。例えば、本技術での運転時の風量に合った仕様のブロワを選定することで、ブロワ機器単体の効率を向上でき、運用コストの低減が期待できる。
ウ) 散気装置の更新時
従来の散気管等の散気装置から微細気泡装置に更新する際、溶解効率の向上により必要な風量が低減するため、新たな運転管理手法が必要となる。本技術は処理特性（処理実績）に応じて処理特性モデルを自動更新する機能を備えており、散気装置更新時の風量に係る制御設定値の調整を効率化できるとともに、処理水質の安定化や過剰な風量の削減にも寄与できる。
27

第２章 技術の概要と評価

エ) 下水処理施設の変更時
例えば下水処理場における処理系列の増設・廃止や下水処理区域の統合により、流入流量や流入水質が大幅に変化すると考えられる。ウ) 散気装置の更新時と同様に、本技術導入により運転管理手法の早期構築、処理水質の安定化、過剰な風量の削減に寄与できる。
(2) 処理水 NH4-N 目標値の変更時に本技術を導入する場合
代表的なケースとして、ア) 処理プロセスの変更時、イ) 能動的水質管理における季節別水質制御の適用の 2 つの場合がある。
ア) 処理プロセスの変更時
段階的高度処理など、硝化制御が重要な処理プロセスへの変更に際して、本技術により硝化処理の適正化が図れる。段階的高度処理とは、水域の早期水質改善に向けて、既存施設の一部改造
や運転管理の工夫により、標準活性汚泥法などから段階的に高度処理化を図る手法 3)である。段階的な高度処理化、特に窒素除去を促進させていくには、NH4-N を制御対象に加え、適切に制御していくことが重要となる。そのため、ICT を活用して効率的な硝化制御を実現する本技術の導入により、処理水質の安定化・風量の適正化が可能な運転が期待できる。
イ) 能動的水質管理における季節別水質制御の適用
下水放流水に含まれる栄養塩の能動的管理のための運転 4)は、水質環境基準の達成・維持が担保できること、放流先の周辺水質等への大きな影響が想定されないことを確認した上で、地域のニーズに応じ季節毎に水質を能動的に管理する季節別運転管理を実施し、豊かな海の実現を目指すものである。例えば、必要に応じて、下水処理水放流先の養殖業等に配慮し、冬季に下水処理
水中の NH4-N 濃度を上げることで養殖ノリの色落ちを抑制するなどの運転が該当する。このよ
うに、季節に応じて NH4-N 濃度の目標値を変更する運転を実現するには、従来の風量制御技術の場合、経験知を用いて制御設定値（DO 濃度等）を調整する必要がある。一方、本技術は、システ
ム上で処理水 NH4-N 目標値を変更可能であり、設定した目標値に応じて適切な風量の演算・制御を実施する。そのため、能動的水質管理においても本技術を導入することで、処理水質の安定化・風量の適正化が可能な硝化制御が期待できる。

28

第２節 実証研究に基づく評価の概要

第２節

実証研究に基づく評価の概要§14 技術の評価項目
実証研究に基づく本技術の評価項目を以下に示す。
(1) 処理水質（NH4-N 濃度）(2) 風量削減効果(3) 消費電力量(4) 温室効果ガス排出量(5) コスト(建設費、維持管理費、電力削減量、経費回収年)【解 説】
新技術の導入促進に際しては、技術の性能指標を定量的に比較し、性能の優れた技術を選定できるように、評価項目、評価方法を設定し、評価結果を提示する必要がある。また、導入に際してはコスト構造を明らかにし、導入費用の回収年を事前に見積もる必要がある。
本技術は、NH4-N の処理の適正化により、処理水 NH4-N 濃度の安定化を図りつつ、過剰な風量を削減する技術であり、ブロワ運転に掛かる消費電力量、温室効果ガス排出量の削減が期待できる。このことから、本ガイドラインでは、本技術の性能を評価する項目として(1)処理水質（NH4N 濃度）、(2)風量削減効果、(3)消費電力量、(4)温室効果ガス排出量、(5)コスト（建設費、維持管理費、電力削減費、経費回収年）を設定した。以下に、各項目の評価方法を示す。
(1) 処理水質（NH4-N 濃度）
本項目は、実証研究における本技術の運転結果に基づき評価した。実証研究では、茨城県流域
下水道事務所霞ケ浦浄化センター（以下、霞ケ浦浄化センター）の循環式硝化脱窒法の処理系列の一部に本技術を適用し、処理水 NH4-N 濃度を NH4-N センサーにより連続測定した。本技術における処理水質は制御システムの設定により変更可能であるが、実証施設の条件から平均処理水
NH4-N 濃度を 1.0 mg-N/L 以下に制御することを目標とした。
(2) 風量削減効果
実証研究では、霞ケ浦浄化センターにおいて、本技術を適用した系列での風量と、従来制御技術として DO 一定制御を適用した系列での風量とを比較し、風量削減率を算出した。実証研究では、DO 一定制御と比べて風量を 10%削減することを目標とした。
また、ケーススタディも実施し、複数の仮想の下水処理場をモデルケースとして設定し、風量削減効果を試算した。モデルケースとしては表 2-2 に示すように、日最大計画汚水量が 10,000
m3/日、50,000 m3/日、100,000 m3/日の下水処理場において、処理方式を標準活性汚泥法と循環式

29

第２章 技術の概要と評価

硝化脱窒法の 2 方式、制御方式を風量一定制御、DO 一定制御、本技術方式の 3 方式を想定し、これらを試算対象とした。
標準活性汚泥法の処理場に本技術を適用した場合を例として、処理規模ごとにモデルケースにおける設備構成を図に示す。DO 計は各系列に 1 台設置されているとした。DO 計の設置状

況は、風量一定制御、DO 一定制御の場合も同一である。NH4-N センサーは、本技術導入時に新たに設置する。本技術の硝化制御システムは、§9 複数系列における風量制御方式の概略で述べたとおり、NH4-N センサーを設置した代表池の DO 濃度の補正値を制御設定値とした DO 可変制
御により、他の池（展開池）では風量を制御する。§10 制御システムの適用範囲に示したように、代表池と同じ躯体構造、同じ処理方式で、流入条件や運転条件が同様に調整された展開池に複数
系列制御方式を適用できる。本試算では、一つの制御システムの適用対象範囲を 2 系列までとした。これは、実証研究での複数系列制御実験（資料編 1.3 実証研究（③複数系列制御方式の実証）の詳細 P.102）の実験範囲が、代表池と、他の 1 系列 1 池であったためである。想定フローにおける制御システム数は、10,000 m3/日（2 系列 4 池）および 50,000 m3/日（2 系列 8 池）では 1 シ
ステム、100,000 m3/日（4 系列 8 池）では 2 システムとなり、1 システムあたり NH4-N センサ
ーを 2 台設置する。
各ケースでの風量一定制御、DO 一定制御、本技術による風量は、資料編 4.1 モデルケースの設定・計算方法 P.120 の方法に従い導出した。なお、本技術による風量の試算に際しては、実証
研究結果に基づき、DO 一定制御に対して 16.9%の削減効果が得られると想定し、試算した。

30

第２節 実証研究に基づく評価の概要

表 2-2

モデルケースの主な試算条件、評価規模

項目

標準活性汚泥法

循環式硝化脱窒法

日最大[m3/日]

10,00050,000100,000

10,00050,000100,000

日平均[m3/日]

8,000

40,00080,0008,000

40,00080,000

系列数

2

2

4

2

2

4

全体池数

4

8

8

4

8

8

計画
汚水
量

池水深
[m]

5.0

風量制御方式

風量一定／DO 一定／本技術

型式

ルーツ
ブロワ

鋳鉄製
多段ターボブロワ

常用運転
台数

2

風量調整
機構

インバータ
制御

定格風量
[m3/分]

50

210

205

60

265

230

風量範囲
[m3/分]

10～50

63～21061～20512～60

80～26569～230

2

ルーツ
ブロワ

4

2

インレットベーン
制御

インバータ
制御

吸込圧力
[mmAq]-200

吐出圧力[mmAq]

5800

形式

散気板

散気泡式

旋回流方式

設置水深
[m]

4.5

酸素移動
効率[%]

12.0

31

鋳鉄製
多段ターボブロワ
2

4

インレットベーン
制御第２章 技術の概要と評価

最初沈殿池

反応タンク

１系
NH4 -N

最終沈殿池
NH4 -N

Ｐ

２系
DO

Ｐ
Ｂ

送風機

返送汚泥ポンプ

Ｂ(a) 10,000 m3/日

最初沈殿池

反応タンク

１系
NH4 -N

最終沈殿池
NH4 -N

DO

Ｐ

２系
DO

送風機

Ｐ

Ｂ

返送汚泥ポンプＢ(b) 50,000 m3/日
図 2-11

標準活性汚泥法における本技術適用時の想定フロー（１／２）

32

第２節 実証研究に基づく評価の概要

反応タンク

１系

最初沈殿池

NH4 -N

最終沈殿池
NH4 -N

DO

Ｐ

２系
DO

Ｐ

３系
NH4 -N

NH4 -N

DO

Ｐ

４系
DO

Ｐ
返送汚泥ポンプ

Ｂ
送風機

Ｂ

Ｂ
Ｂ

(c) 100,000 m3/日
図 2-11

標準活性汚泥法における本技術適用時の想定フロー（２／２）(3) 消費電力量
ケーススタディにおいて、表 2-2 に示した仮想の下水処理場を設定し、本技術の導入による消費電力量の削減効果を試算した。試算方法の詳細は、資料編 4.1 モデルケースの設定・計算方法
P.120 に記載する。
(4) 温室効果ガス排出量
本技術に係る温室効果ガスとして、水処理由来の一酸化二窒素（N2O）と、電力由来の二酸化炭素（CO2）を評価した。
・N2O ガス霞ケ浦浄化センターにおいて、本技術を適用した系列と、従来制御技術として DO 一定制御を適用した系列からの排出される N2O ガスの調査を実施し、本技術導入による N2O ガス排出への影響を検証した。評価方法の詳細は資料編 1.4 実証研究（④採水・採ガス調査）の詳細 P.107 に記載する。
・電力由来の CO2「平成 26 年度の電気事業者ごとの実排出係数・調整後排出係数等の公表について（環境省地球環境局地球温暖化対策課）」に基づく代表値 0.579 kg-CO2/kWh、(3) 消費電力量で評価した仮33

第２章 技術の概要と評価

想の下水処理場における本技術導入による消費電力削減量を用いて、温室効果ガス削減量（電力由来の CO2 削減量）を式(2.3)により算出した。

温室効果ガス削減量 [kg/日] = 0.579 × 消費電力削減量(2.3)(5) コスト（建設費、維持管理費、電力削減費、経費回収年）
本技術の経費回収年算出に係るコスト要因である、イニシャルコストに係る建設費、およびランニングコストに係る維持管理費およびブロワの電力削減費を試算した。
ア) 建設費
本技術の導入タイミングとして、監視制御システムの新設・更新工事に合わせて導入する場合（ケース①）と、既存設備を改造して導入する場合（ケース②）が考えられるため、この 2 ケー
スで検討した。ケース①、②における建設費の算出式をそれぞれ式(2.4)、(2.5)に示す。両ケースとも本技術導入に必要な増額分のみを建設費とした。ケース①は既存制御システムの改造費は監視制御システムの新設・更新工事と共通のため、積算対象外とした。つまり、ケース①では、
NH4-N センサーおよびその設置工事費、本技術に係る硝化制御ソフトウエア実装費を建設費とした。ケース②は既存の監視制御システムを改造して本技術を実装するため、ケース①に加えて既存設備の改造費が追加となる。改造費はエンジニアリング、ハードウェア、設置工事、現地作業、現場代理人費用、既設システム側改造費他などである。なお、建設費の詳細については、資料編
4.2(1) 建設費 P.127 を参照のこと。
ケース①
建設費

＝ 導入システム数 × 1850 万円

(2.4)

建設費

＝ 導入システム数 × 2850 万円 + 2700 万円

(2.5)

ケース②

イ) 維持管理費
維持管理費についても建設費と同様に、本技術導入のために追加される費用のみとした。制御に係るシステムの維持管理費は監視制御システムの維持管理費に含まれているとし、本技術導入に係る維持管理費は NH4-N センサーの消耗品費用および保守点検（校正・洗浄）費用のみとした。維持管理費の算出式を式(2.6)に示す。

維持管理費 ＝ 導入システム数 × 137 万円/年

34

(2.6)

第２節 実証研究に基づく評価の概要

ウ) 電力削減費(3) 消費電力量で算出した本技術導入による消費電力量の削減量に基づき試算した。電力単価
は 15 円/kWh とした。
エ) 経費回収年
上述の建設費、維持管理費、電力削減費に基づき経費回収年を算出した。算出式を式(2.7)に示す。

経費回収年 =

建設費
電力削減費 − 維持管理費(2.7)

モデルケースのうち、標準活性汚泥法、計画最大汚水量 50,000 m3/日、DO 一定制御の処理場に監視制御システムの新設・更新時に本技術を導入するケース①を対象に、経費回収年が 5.1 年を下回ることを目標とした。

35

第２章 技術の概要と評価§15 技術の評価結果
実証研究に基づく本技術の評価結果を以下に示す。
(1) 処理水質（NH4-N 濃度）(2) 風量削減効果(3) 消費電力量(4) 温室効果ガス排出量(5) コスト（建設費・維持管理費・電力削減費・経費回収年）【解 説】(1) 処理水質（NH4-N 濃度）
霞ケ浦浄化センターにおける実証研究の結果、実証研究で設定した平均 1.0 mg-N/L 以下の処
理水 NH4-N 濃度の目標に対して、本技術を適用した系列での処理水 NH4-N 濃度は平均で 0.33
mg-N/L となり、目標を達成した。（資料編 1.2 実証研究の詳細（①長期制御性、②目標可変性）
P.92 参照）(2) 風量削減効果
霞ケ浦浄化センターにおける実証研究の結果、DO 一定制御を適用した系列に対する本技術を適用した系列での風量比は、(1)の処理水質の条件下で 83.1%となった。この結果、風量を DO 一定制御と比較して 10%低減する本実証研究の目標に対して、本技術の適用により、風量を 16.9%
低減でき、目標を達成した。（資料編 1.2 実証研究の詳細（①長期制御性、②目標可変性） P.92
参照）
また、表 2-2 で示したモデルケースについて、風量を試算した結果を表 2-3 に示す。

36

第２節 実証研究に基づく評価の概要

表 2-3

ケーススタディにおける仮想処理場での風量(3) 消費電力量(2)のケーススタディにおいて算出した風量を基に、仮想処理場での消費電力量、温室効果ガス
排出量を試算した結果を表 2-4 に示す。また、図 2-12 に標準活性汚泥法における消費電力量の試算結果に関するグラフを、図 2-13 に循環式硝化脱窒法における消費電力量の試算結果に関するグラフを示す。計画汚水量 50,000 m3/日の場合、本技術導入により DO 一定制御と比べ、標準活性汚泥法では 13.2%、循環式硝化脱窒法では 12.9%の消費電力を削減できる試算結果を得た。

37

第２章 技術の概要と評価

表 2-4

本技術導入時の消費電力量、温室効果ガス排出量の試算結果

38

第２節 実証研究に基づく評価の概要

消費電力量 [kWh/日]

3,000

34.9%減2,500
15.0%減

2,000
1,500
1,000

500
0
風量一定制御本技術

DO一定制御(a) 10,000 m3/日

消費電力量 [kWh/日]

14,00026.9%減12,00013.2%減10,000
8,000
6,000

4,000
2,000

0
風量一定制御本技術

DO一定制御(b) 50,000 m3/日

消費電力量 [kWh/日]

25,00024.4%減16.6%減20,00015,00010,0005,0000
風量一定制御DO一定制御本技術(c) 100,000 m3/日
図 2-12 標準活性汚泥法における消費電力量の試算結果

39

第２章 技術の概要と評価

消費電力量 [kWh/日]

3,500

30.0%減3,000
15.4%減

2,500
2,000

1,500
1,000

500
0

風量一定制御本技術

DO一定制御(a) 10,000 m3/日

消費電力量 [kWh/日]

16,00023.4%減12.9%減14,00012,00010,000

8,000
6,000
4,000

2,000
0
風量一定制御本技術

DO一定制御(b) 50,000 m3/日

消費電力量 [kWh/日]

30,00019.1%減25,00014.2%減20,00015,00010,0005,0000
風量一定制御DO一定制御本技術(c) 100,000 m3/日
図 2-13

循環式硝化脱窒法における消費電力量の試算結果

40

第２節 実証研究に基づく評価の概要(4) 温室効果ガス排出量ア) N2O ガス
霞ケ浦浄化センターにおいて、本技術を適用した系列と、DO 一定制御を適用した系列から排出される N2O ガス濃度を調査した。DO 一定制御系列に比べ、本技術を適用した系列の N2O ガスの排出量は小さくなった。調査回数が計 3 回と限られていたため、実証施設の条件では本技術導入による N2O ガス排出量は従来の DO 一定制御と同程度であると評価し、N2O ガス排出量については温室効果ガス排出量の削減に関する評価対象からは除外した。
（資料編 1.4 実証研究（④
採水・採ガス調査）の詳細 P.107）

イ) 電力由来の CO2
ケーススタディにおける電力由来の CO2 排出量の試算結果のまとめを表 2-4 に示す。また、図2-14 に標準活性汚泥法における温室効果ガス排出量の試算結果に関するグラフを、図 2-15 に循
環式硝化脱窒法における温室効果ガス排出量の試算結果に関するグラフを示す。電力由来の CO2
排出量は本技術が最も低く、計画汚水量 50,000 m3/日の規模の場合、DO 一定制御に比べ、標準活性汚泥法では約 790 kg/日、循環式硝化脱窒法では約 930 kg/日の CO2 を削減できる試算結果を得た。以上の結果から、本技術の導入により温室効果ガス排出量を削減できる見通しが得られた。

41

第２章 技術の概要と評価

温室効果ガス排出量[kg-CO2 /日]

1,600
34.9%減

1,400
1,200

15.0%減

1,000
800
600
400
200
0
風量一定制御本技術

DO一定制御(a) 10,000 m3/日

温室効果ガス排出量[kg-CO2 /日]

8,000

26.9%減7,000

13.2%減

6,000
5,000
4,000
3,000
2,000
1,000
0
風量一定制御本技術

DO一定制御(b) 50,000 m3/日

温室効果ガス排出量[kg-CO2 /日]

14,00024.4%減12,00016.6%減10,000

8,000
6,000
4,000
2,000
0
風量一定制御DO一定制御本技術(c) 100,000 m3/日
図 2-14

標準活性汚泥法における温室効果ガス排出量の試算結果

42

第２節 実証研究に基づく評価の概要

2,000
温室効果ガス排出量[kg-CO2 /日]

30.0%減15.4%減

1,500
1,000
500
0
風量一定制御本技術

DO一定制御(a) 10,000 m3/日
9,000

23.4%減温室効果ガス排出量[kg-CO2 /日]

8,000

12.9%減

7,000
6,000
5,000
4,000
3,000

2,000
1,000
0
風量一定制御本技術

DO一定制御(b) 50,000 m3/日
16,00019.1%減温室効果ガス排出量[kg-CO2 /日]

14,00014.2%減12,00010,000
8,000

6,000
4,000

2,000
0
風量一定制御DO一定制御本技術(c) 100,000 m3/日
図 2-15

循環式硝化脱窒法における温室効果ガス排出量の試算結果(5) コスト（建設費、維持管理費、電力削減費、経費回収年）
本技術導入に際しての経費回収年は、式(2.7)に従い、建設費、維持管理費（資料編 4.2 導入コ
ストの試算 P.127 参照）、電力削減費より求めた。本技術導入時の電力削減費および経費回収年の試算結果を表 2-5 に示す。例えば最大計画汚水量 50,000 m3/日で、標準活性汚泥法、DO 一定
43

第２章 技術の概要と評価

制御方式を適用している下水処理場に本技術を導入した場合、739 万円/年の電力削減費を見込める結果を得た。本技術導入に掛ける経費回収年については、監視制御システムの新設あるいは更新時に導入する場合（ケース①）で 3.07 年、監視制御システムを改造して本技術を導入する場合（ケース②）で 9.22 年という見込みが得られた。上記条件においてケース①が成果目標の対象条件であるが、目標である 5.1 年を下回る経費回収年の試算結果を得た。同様に、最大計画汚水量50,000 m3/日、循環式硝化脱窒法、DO 一定制御方式の下水処理場での本技術の導入では、876 万円/年の電力削減費により、導入費用をケース①では 2.50 年、ケース②では 7.51 年で回収できる見込みが得られた。
表 2-5

処理方式

最大計画
汚水量
[m3/日]

10,000標準
活性汚泥法

50,000100,000

10,000循環式
硝化脱窒法

50,000100,000

本技術導入時の電力削減費および経費回収年の試算結果
電力費[百万円/年]

電力削減費（本技術導入時）[百万円/年]

風量一定

14.3

DO一定
本技術

制御方式

経費回収年（本技術導入時）[年]
ケース①（新設・更新）

ケース②
（改造）

4.98

5.12

15.4

11.0

1.64

67.9

204

9.31

-

-

-

風量一定

66.2

17.8

1.13

3.38

DO一定

55.8

7.39

3.07

9.22

本技術

48.5

-

-

-

風量一定

117

28.5

1.44

3.26

DO一定

106

17.5

2.50

5.68

本技術

88.1

-

-

-

風量一定

16.3

4.87

5.28

15.8

DO一定

13.5

2.08

26.0

78.1

本技術

11.4

-

-

-

風量一定

77.2

18.1

1.11

3.32

DO一定

67.9

8.76

2.50

7.51

本技術

59.1

-

-

-

風量一定

135

25.7

1.61

3.65

DO一定

127

18.1

2.41

5.48

本技術

109

-

-

-

なお、本試算では、NH4-N センサーに掛かる建設費・維持管理費の低減のために複数系列制御
方式（§9 複数系列における風量制御方式の概略参照）を適用した場合を想定した。一方で、系
列・池による流入・運転条件の違いが大きい処理場に適用する際に、本技術による制御効果をより高めるため、NH4-N センサーに基づく風量制御を実施する系列・池数を増やし、複数系列制御
方式を適用する系列を減らす、もしくは適用しないケースも想定される。そこで、表 2-2 に示したモデルケースにおいて、複数系列制御方式を適用しなかった場合の経費回収年について参考として試算した。その結果を表 2-6 に示す。導入する制御システム数は 1 系列あたり 1 システムとし、計画最大汚水量 10,000 m3/日、50,000 m3/日では 2 システム、100,000 m3/日では 4 システム
44

第２節 実証研究に基づく評価の概要とした。例えば最大計画汚水量 50,000 m3/日で、標準活性汚泥法、DO 一定制御方式の下水処理場に本技術を導入した場合、監視制御システムの新設あるいは更新時に導入する場合（ケース①）
で 7.95 年、監視制御システムを改造して本技術を導入する場合（ケース②）で 18.1 年となった。
制御システムの適用範囲を広く設定できる場合（§12 技術の適用が効果的な条件参照）は、表2-5 に示したとおり、複数系列制御方式の適用により、導入コストの低減効果が発揮され、経費回収年を短縮できる。一方、複数系列制御方式を適用しなかった場合においても、経費回収年が電気設備の耐用年数（10 年）より短くなるケースが確認された。
表 2-6

複数系列制御方式を適用しない場合の経費回収年の試算結果

処理方式

最大計画
汚水量
[m3/日]

10,000標準
活性汚泥法

50,000100,000
10,000循環式
硝化脱窒法

50,000100,000

制御方式

経費回収年（本技術導入時）[年]
ケース①（新設・更新）

ケース②
（改造）

風量一定

16.5

37.5

DO一定

-

-

風量一定

2.46

5.58

DO一定

7.95

18.1

風量一定

3.22

6.13

DO一定

6.15

11.7

風量一定

17.3

39.4

DO一定

-

-

風量一定

2.41

5.47

DO一定

6.15

13.95

風量一定

3.65

6.97

DO一定

5.88

11.2

※経費回収年の試算結果で数値なし：維持管理費を上回る電力削減費が得られない場合

45

第３章 導入検討

第３章 導入検討
第１節

導入検討手法§16 導入検討手順
本技術の導入の検討にあたっては、対象とする下水処理場において実態調査を実施した上で、導入効果を検討し、導入の要否を判断する。

【解 説】
本技術は、既存の設備、運転状況に応じて導入効果等が大きく異なることから、実態及び導入形態に応じた試算方法により検討する必要がある。そのため、導入検討にあたっては、図 3-1 に示す検討フローに従って、必要な情報を収集・整理し、導入効果の概略試算を行った上で、導入の是非を判断する。
導入効果の試算に先立ち、以下の 3 点について実態調査により確認する。
(1) 制御システムの適用範囲の確認(2) 複数系列制御方式における代表池の選定(3) 現行の運転における処理状況の把握
実態調査の結果に基づき、導入効果を検討し、導入検討を完了する。
導入検討開始§17 試算方法の検討§18 実態調査(1) 制御システム適用範囲の確認(2) 複数系列制御方式における代表池の選定(3) 現行の運転における処理状況の把握
1), 2) ：§10 制御システムの適用範囲 に従う§19 導入効果の検討§20 導入判断

導入検討完了4章 計画・設計

図 3-1

導入検討手順46

第１節 導入検討手法§17 試算方法の検討
本技術の導入にあたり、処理場の状況に応じた導入効果の試算方法を検討する。

【解 説】
本技術は硝化運転制御に係るものであり、風量を適切に制御し、処理水 NH4-N 濃度の安定化、風量削減による消費電力の低減を図るものである。本技術の導入に際しては、既設の処理場の状況により導入効果が異なることから、まずは処理場に応じた風量削減率の試算方法を検討する。
図 3-2 に風量削減率の試算方法の検討フロー、および各試算方法の概要を示す。処理プロセスの変更の有無、硝化の程度や流入・運転条件によって、試算方法 A, B, C の 3 つから選択する。
試算方法の検討開始

試算方法A• NH4-N処理状況を調査

導入方針確認処理プロセス
変更なし• 好気タンク内のNH4-N濃度が処理水NH4-N目標値に達する位置（硝化目標達成位置）を算出
段階的高度処理化など• 風量削減率試算式（実証研究結果により構築）に基づき、硝化目標達成位置から風量削減率を試算

No

Yes

硝化：現状維持硝化促進化など

試算方法B ： 実証実験時の条件と大きく異なる場合

No

Yes（硝化抑制化も含む）

流入・運転条件
表3-1と同程度？

• 硝化目標達成位置に加えて、導入検討する処理場の風量配分比・必要酸素量も考慮して試算

水質・風量配分が大幅に異なるなど
No

Yes

試算方法A

試算方法B

試算方法C

試算方法C ： 処理プロセス変更時や硝化促進時（風量の増減予測困難時、風量の増加時）• DO一定制御を採用していたと想定し、実証実験値16.9%を暫定的に適用

風量削減率

図 3-2

試算方法の検討フロー

試算方法 A は、本技術導入に際して処理プロセスの変更がなく、硝化を現状維持もしくは抑制
した運転とする場合で、流入・運転条件が表 3-1 の実証施設の条件と同程度である処理場に適用する。試算方法 A では、実証研究において構築した風量削減率試算式を活用し、実態調査における好気タンクの NH4-N 濃度の推移を基に、風量削減率を試算する。
試算方法 B は、試算方法 A とは異なり、流入・運転条件が表 3-1 の実証施設の条件と大幅に異なる処理場に適用する。試算方法 B では、流入水質や運転条件に基づく必要酸素量や風量配分比の影響を考慮して試算する。
試算方法 C は、段階的高度処理（§13 導入シナリオ例参照）など処理プロセスの変更を図る場
合や、硝化抑制運転から硝化促進運転に変更する場合に適用する。処理プロセス変更時には、反応タンクの構成や活性汚泥の性状が変化することから、風量の増減の予測は困難である。また、
47

第３章 導入検討

現状より硝化を促進する場合は、風量が増加する。そのため、これらのケースでは、現行の運転における処理状況から風量削減率を試算することは困難である。そこで、従来制御として DO 一定制御を採用していたと想定し、従来技術に対する風量削減率を実証研究結果（§15 技術の評価結果）から 16.9%と仮定する。
表 3-1

本技術実証時における水質・運転条件（資料編 1.4 実証研究（④採水・採ガス調査）の詳細 P.107）
項目

採水調査時条件

流入全窒素

21～24 mg-N/L

流入NH4-N

15～19 mg-N/L

流入BOD

80～100 mg/L

MLSS

2,000～2,300 mg/L

水温22～27℃

風量配分

均一曝気～後段絞り(70%)

48

第１節 導入検討手法§18 実態調査
本技術の導入検討開始にあたり、対象とする下水処理場の実態調査として、以下の調査を実施する。
(1)

制御システムの適用範囲の確認(2)

複数系列制御方式における代表池の選定(3)

現行の運転における処理状況の把握【解 説】(1) 制御システムの適用範囲の確認
制御システムの適用範囲については§10 制御システムの適用範囲で述べたとおりであり、対象の下水処理場における適用範囲を確認し、必要な制御システム数を導出する。
(2) 複数系列制御方式における代表池の選定
代表池については§10 制御システムの適用範囲で述べたとおりであり、制御システムごとに適切な代表池を選定する。
(3) 現状の運転における処理状況の把握
本技術の導入効果として風量削減率や電力削減量を試算するに当たり、現行の運転における処理状況を把握する。表 3-2 に調査項目を示す。風量削減率の試算に必要な項目は、3 つの試算方
法ごとに異なる。試算方法 A では、好気タンクでの NH4-N の処理状況に基づき試算する方法であるため、各好気タンク容量、各好気タンクおよび処理水の NH4-N 濃度のみ調査すればよい。試算方法 B では、NH4-N の処理状況に加え、風量配分比や必要酸素量を考慮して試算する方法であるため、各好気タンクへの風量配分比（推定可）や、BOD 酸化、硝化、内生呼吸、DO 維持に係る必要酸素量の算出に必要な項目を追加で調査する。試算方法 C では、風量削減率として実証実
験値の 16.9%を用いるため、風量削減率の試算のための調査は不要である。これらの試算のために取得する水質値は試算に適切と考えられる代表値で、例えば代表池における通日平均値である。
時期別に試算を実施したい場合は、複数の時期の通日平均値を取得し、それぞれの試算を実施する。電力削減量の試算に関しては、必要な項目として風量およびブロワ消費電力量の実績値、も
しくはブロワ性能曲線を調査する。

49

第３章 導入検討

表 3-2

単位

試算
方法 A

試算
方法 B

試算
方法 C

m3

○

○

ー

各好気タンク・処理水 NH4-N

mg-N/L○○ー

流入水・処理水 BOD

mg/L

ー

○

ー

流入水量

m3/d

ー

○

ー

MLVSS

mg/L

－

○

－

%

－

○

－

無酸素タンク NOx--N 負荷量・流出量kg-N/d－○－

流入水・処理水ケルダール性窒素

mg-N/Lー○ー

返送・循環・余剰汚泥流量

m3/d

－

○

－

好気タンク末端 DO

mg/L

－

○

－

必要酸素量演算に係る係数群

-

－

○

－

風量及びブロワ電力量の実績値、
またはブロワ特性曲線

-

○

○

○

目的
硝化目標達成位置の把握

実態調査を実施する項目

項目
各好気タンク容量

各好気タンクへの風量配分比
必要酸素量の算出

電力削減量の算出

50

第１節 導入検討手法§19 導入効果の検討
実態調査結果を基に、本技術の導入により期待される風量削減率、電力削減量、温室効果ガス
削減量、建設費・維持管理費、経費回収年に対する効果を検討する。

【解 説】
本技術の導入効果は、図 3-3 に示すフローに従い各項目について試算する。導入効果試算の基本的な考え方は、「好気タンクでの硝化により減少する NH4-N に対し、目標とする NH4-N 濃度を達成した位置（硝化目標達成位置）以降の風量は過剰とみなし、削減の余地がある」とする。
試算方法 A, B では、まず(1) 硝化目標達成位置を導出する。その後、試算方法 A では、実証研
究で構築した硝化目標達成位置と風量削減率の関係式（風量削減率試算式）を利用し、風量削減率を試算する（(4a) 風量削減率）。試算方法 B では、流入水質や好気タンクへの風量配分が実証
条件（表 3-1）と大幅に異なる場合に、(2) 修正硝化目標達成位置、および(3) 必要酸素量を算
出し、風量配分比や必要酸素量を考慮して風量削減率を試算する（(4b) 風量削減率）。試算方法
C では、風量削減率として実証研究結果 16.9%を用いる（(4c) 風量削減率）。風量削減率を試算した後、(5) 電力削減量、(6) 温室効果ガス削減量、(7) 建設費・維持管理費・電力削減費、(8)
経費回収年について試算する。本フローに従った計算方法の例は、第２節 導入効果の検討例を参
照のこと。

図 3-3

導入効果試算の手順

51

第３章 導入検討(1) 硝化目標達成位置
試算方法 A, B を選択した場合に導出する。試算方法 C では本項目は省略し、(4c) 風量削減率へ進む。
§18 実態調査における各好気タンクでの NH4-N 濃度から、処理水 NH4-N 目標値との交点を求める。この交点を硝化目標達成位置と定義し、好気タンクの全長のうち、硝化目標達成位置以降の好気タンクの長さの割合で表す。硝化目標達成位置以降の風量は過剰とし、風量削減の余地があるとする。
実態調査結果における NH4-N 濃度履歴の例を図 3-4 に示し、硝化目標達成位置の算出方法について述べる。グラフでは列ごとのマスを好気タンクに見立てており、各マスの長さの比は各好気タンクの滞留時間比（容積比）に相当する。この例では好気タンクは全て同じ容積としたため、同じマス長である。実態調査における各好気タンクでの NH4-N 濃度平均値を、各タンク末端（マスの右端）にプロットする。好気タンクでの NH4-N 濃度履歴のグラフと、一点鎖線で示した処理
水 NH4-N 目標値との交点が硝化目標達成位置𝛼となる。なお、ここでは処理水 NH4-N 目標値を0.38 mg-N/L としている。硝化目標達成位置𝛼の大きさは、好気タンク全長のうち処理水 NH4-N
目標値との交点以降の長さの割合で定義され、図 3-4 の例では𝛼 = 38%となる。

好気タンク全長（= 100%)
NH 4-N濃度 [mg-N/L]7
α = 38%65

実態調査でのNH 4-N濃度履歴

β = 44%

4
3

硝化目標達成位置β

硝化目標達成位置α2
1

処理水NH4-N目標値

0
好気タンク流入
図 3-4

好気1

好気2

好気3

処理水

実態調査結果に基づく硝化目標達成位置の算出方法の概念図

ところで、図 3-4 では好気タンク 2 で完全硝化となり、NH4-N 濃度は不検出となっていた。
ここで、好気タンク 2 でも好気タンク 1 と同様の傾きで硝化が進行していたと仮定すると、想定される処理水 NH4-N 目標値の到達点は硝化目標達成位置𝛼よりも上流側になる可能性がある。このような場合、上流側の好気タンク（ここでは、好気タンク 1）の NH4-N 濃度履歴の延長線と処
理水 NH4-N 目標値との交点から硝化目標達成位置𝛽（＞𝛼）を求める。図 3-4 の例では、𝛽 = 44%となる。試算方法 A では、硝化目標達成位置は𝛼 = 38%と𝛽 = 44%の間にあるものとし、例えば
𝛼と𝛽の平均値（ここでは、41%）を硝化目標達成位置として、(4a) 風量削減率の試算に用いる。
なお、硝化目標達成位置の具体的な算出式については、資料編 2.1 硝化目標達成位置の算出式
P.114 を参照のこと。
52

第１節 導入検討手法

導入検討する下水処理場での流入・運転条件が実証条件（表 3-1）と同様の場合、ここで求めた硝化目標達成位置を用いて、(4) 風量削減率以降の試算を実施する。一方で、流入・運転条件
が実証条件（表 3-1）と大幅に異なる場合は、試算方法 B として、(2) 修正硝化目標達成位置の導出に進む。

(2) 修正硝化目標達成位置
試算方法 B を選択した場合に導出する。試算方法 A, C では本項目は省略し、(4) 風量削減率へ進む。
本項では風量削減率を推定するにあたり、導入検討する下水処理場における各好気タンクへの風量配分比を考慮し、(1)において導出した硝化目標達成位置𝛼および𝛽の修正を行う。
例えば、図 3-5 に示したような後段の好気タンクへの風量が少ない処理場の場合、均一曝気の場合と比較すると、同じ硝化目標達成位置であっても過剰曝気の程度は小さくなる。そこで、様々な風量配分比の条件下での硝化目標達成位置を同じ尺度で比較するため、(1)において導出した硝化目標達成位置を均一曝気と仮定した場合の硝化目標達成位置に修正する。修正後の硝化目標達成位置をそれぞれ𝛼′, 𝛽′とする。
風量配分比に関しては、各好気タンクへの風量を実測している場合はそれを用いるが、不明確な場合は、各好気タンクへの弁開度や曝気気泡数の目視などにより確からしい風量配分比を推定する。
例として、各好気タンクへの風量配分比が不明確であり、風量配分比がおおよそ好気タンク 1：
好気タンク 2：好気タンク 3 = 100:100:100（均一曝気）から 100:90:70（図 3-5 に示す条件）の範囲内で運転していると推定される施設において、実態調査により図 3-4 に示す結果が得られた
場合の修正硝化目標達成位置を下記手順にて算出する。
下流側の硝化目標達成位置𝛼の修正は、上述の推定される風量配分比の範囲のうち下流側の好気タンクへの風量の配分が最も小さい条件を基とし、硝化目標達成位置𝛼を修正する。実態調査の結果（図 3-4 参照）より、風量配分比が 100:90:70 における硝化目標達成位置𝛼が 38%であるとすると、均一曝気（風量配分比 100:100:100）へ補正することで、𝛼までに供給される風量と同等となる位置は下流側にずれ込み、修正硝化目標達成位置𝛼′= 32%となる。
一方、上流側の修正硝化目標達成位置𝛽′では、上述の推定される風量配分比の範囲のうち下流側の好気タンクへの風量の配分が最も大きい条件を基とし、硝化目標達成位置𝛽を修正する。今回の想定では、下流側の風量配分が最も大きい条件は均一曝気であるため、風量配分による修正を行わず、𝛽′=𝛽=44%となる。
上述のとおり、表 3-3 に示した条件における硝化目標達成位置を修正すると、𝛼′は 32%、𝛽′は44%となった。

53

第３章 導入検討

ブロワ
空気

好気１

空気

空気

好気２

好気３

↑硝化目標達成位置α=38%
100
風量配分比

90

70

修正硝化目標↓達成位置α’=32%
風量配分比が均一な場合

図 3-5 風量配分比による硝化目標達成位置の修正
表 3-3

修正硝化目標達成位置の導出に用いる硝化目標達成位置および風量配分比

修正硝化目標達成位置

硝化目標達成位置

風量配分比

下流側 (α ’)

α

後段側の配分比が少ないケース（例えば、配分比 100:90:70）

上流側 (β ’)

β （α のみの場合はα ）均一曝気のケース（配分比 100:100:100）(3) 必要酸素量
試算方法 B を選択した場合に導出する。試算方法 A は、流入水質や MLSS などの条件が実証
条件（表 3-1）と同様な処理場への適用を前提として、実証研究により構築した風量削減率試算
式を用いるため、実証条件（表 3-1）と大幅に異なる運転を行っている処理場には適用が困難である。そこで、試算方法 B では条件が異なる処理場を対象とし、後述の(4b)に示すように、NH4N の処理状況（修正硝化目標達成位置）、生物処理に必要な酸素量と風量の関係から過剰曝気の程度を把握し、風量削減率の試算に反映する。本項では、生物処理に必要な酸素量として、BOD
酸化、硝化、内生呼吸、DO 濃度の維持に係る必要酸素量を算出する。各項目の導出方法は下水道
施設計画・設計指針と解説 1)を参照のこと。また、後述の(4b)において風量削減率の試算に用いるため、全必要酸素量に対する BOD 酸化および硝化反応に係る必要酸素量の比について算出する。

54

第１節 導入検討手法(4) 風量削減率(4a) 試算方法 A
試算方法 A を選択した場合の風量削減率の試算方法であり、(1)で求めた硝化目標達成位置を式(3.1)に代入して、風量削減率を導出する。

(3.1)

風量削減率＝0.51 × 硝化目標達成位置式(3.1)は実証施設での硝化目標達成位置と風量削減率の関係から導出した風量削減率試算式
である（資料編 2.2 導入前処理状況と風量削減率の関係（試算方法 A の構築）P.115 参照）。
(4b) 試算方法 B
試算方法 B を選択した場合の風量削減率の試算方法である。試算方法 B では、修正硝化目標達
成位置および必要酸素量を用いて、風量配分比や流入水質、運転条件の影響を考慮した風量削減率を試算する。図 3-6 に、試算方法 B における過剰な風量の位置づけを示す。ここでは、以後の計算や理解を助けるため、各好気タンクへの風量が均一である場合を例とした。
ブロワ
空気

好気１

ブロワ

空気

好気２

空気

空気

好気３

好気１

空気

好気２

空気

好気３

位置
必要酸素量(内生呼吸、DO維持)

必要酸素量(BOD、硝化)位置

面積：(1-r)・S

必要酸素量(内生呼吸、DO維持)

面積：r・S

必要酸素量(BOD、硝化)

風量強度大

風量

風量

(1-α’)・L（or (1-β’)・L）

過剰な
風量
（過剰
曝気）

面積：
α'
・ r・S
1-α’

α’・L
(or β’・L)

修正硝化目標達成位置(α’ or β’)(b)風量が過剰な場合(a)風量が適正な場合
図 3-6

詳細試算における過剰曝気の位置付け(好気タンクへの風量配分が均一な場合)

活性汚泥の内生呼吸に必要な酸素量は活性汚泥濃度に依存するため、図 3-6(a) 風量が適正な場合、図 3-6(b) 風量が過剰な場合も好気タンク末端まで必要と図示した。BOD の酸化および硝化反応に関しては、これらが好気タンク末端で目標に達するように適正に制御されている図3-6(a) 風量が適正な場合は、内生呼吸と同様、好気タンク末端まで酸素が必要と考える。一方、
図 3-6(b) 風量が過剰な場合では、供給する風量が大きいため、BOD の酸化および硝化反応に必要な酸素量は好気タンクの中ほどで充足する。この充足する点は、上述した修正硝化目標達成位
置に相当し、この点より下流側では、内生呼吸や DO 維持に必要な酸素を供給する風量以外は、過剰な可能性がある。
以上の仮定から、図 3-6(b) 風量が過剰な場合に示す点線領域が過剰曝気に相当すると考えられることから、各要素の合計面積に対して過剰な風量が占める割合から風量削減率を推定する。
55

第３章 導入検討

図 3-6(b)に示すα′もしくは𝛽′は修正硝化目標達成位置、𝜸は全必要酸素量に対する BOD 酸化お
よび硝化反応に係る必要酸素量の比であり、必要酸素量（内生呼吸、DO 維持）、必要酸素量（BOD
酸化、硝化）、過剰曝気領域の大きさは、図 3-6 に示す各要素の面積として見積もられる。なお、
L, S は便宜的に設定した定数である（L: 好気タンクの全長, S: 全必要酸素量）。よって、推定風量削減率の最小値𝒙𝟏、最大値𝒙𝟐[%]は、それぞれ、(2)において導出した下流側の修正硝化目標達成位置α′、下流側の修正上流側の修正硝化目標達成位置𝛽′を用いて式(3.2)により算出する。
以上により、風量削減率は、風量配分比、修正硝化目標達成位置、低濃度補正項の推定幅を考慮した𝒙𝟏から𝒙𝟐（𝒙𝟏<𝒙𝟐）の範囲に推定される。

𝒙𝟏 =𝑪𝟏 ∙ 𝜶′ ∙ 𝜸
𝟏 − 𝜶′ + 𝜶′ ∙ 𝜸

𝒙𝟐 =

および

𝑪𝟐 ∙ 𝜷′ ∙ 𝜸
𝟏 − 𝜷′ + 𝜷′ ∙ 𝜸(3.2)

ここで 𝑪𝟏 、𝑪𝟐 は補正項[-]とした。過剰曝気となる好気タンクの下流側では、一般的に NH4-N
濃度や BOD 濃度が小さくなり、上流側と比較すると酸素の利用効率が低減すると考えられる。
その影響を考慮するための補正項で、本実証研究から推定された𝑪𝟏 = 0.6、𝑪𝟐 = 0.8を用いる。
(4c) 試算方法 C
試算方法 C を選択した場合、風量削減率は実証研究期間中の平均値である、DO 一定制御に対する風量削減率の 16.9%とする。この風量削減率は実証研究に基づく値であるため、対象施設の流入・運転・処理状況によって、実際の風量削減率と異なる場合があることに注意する。風量削
減率の詳細については資料編 1.2 実証研究の詳細（①長期制御性、②目標可変性） P.92 を参照のこと。
(5) 電力削減量(4)にて導出した風量削減量に基づき、以下ア)やイ)などの方法により、電力削減量を求める。
ア) 電力原単位から算出
処理場のブロワにおいて、実態調査における風量とブロワ消費電力量の結果から式(3.3)により電力原単位を算出する。

電力原単位 [kWh/m3 ] =ブロワ消費電力量 [kWh]風量 [m3 ](3.3)

この電力原単位に(4)での風量削減率を乗じて、式(3.4)により電力削減量を算出する。
電力削減量 [kWh]= 電力原単位 [kWh/m3 ] × 風量 [m3 ] × 風量削減率 [−]

56

(3.4)

第１節 導入検討手法

イ) ブロワ性能曲線より算出
ブロワの性能曲線（風量と軸動力の関係）を基に、現在の各ブロワの風量における軸動力、また風量削減率後の風量を低減した場合の軸動力を求め、電力削減量を算出する。
(6) 温室効果ガス削減量
導出した電力削減量に基づき温室効果ガス削減量を求める。
§15(4) 温室効果ガス排出量 に示したとおり、N2O ガスは評価対象からは除外し、温室効果ガス削減に係る項目を電力由来の CO2 のみとする。式(2.3)に示したとおり、「平成 26 年度の電気事業者ごとの実排出係数・調整後排出係数等の公表について（環境省地球環境局地球温暖化対策課）」に基づく代表値 0.579 kg-CO2/kWh に電力削減量を乗ずることで、温室効果ガス削減量を算出する。
(7) 建設費・維持管理費・電力削減費§18(1) 制御システムの適用範囲の確認において試算した導入ケース、導入制御システム数に基づき試算する。
監視制御システムの新設・更新工事にあわせて本技術を導入する場合（ケース①）、既存設備の改造で本技術のみを導入する場合（ケース②）で建設費の試算内容は異なる。維持管理費はい
ずれのケースによらず同額とした。建設費、維持管理費は式(3.5)から式(3.8)で表される。なお、建設費や維持管理費の詳細は資料編 4.2(1) 建設費 P.127 を参照されたい。
ケース①
建設費 [万円]＝ 導入システム数 × 1850 万円(3.5)

維持管理費 [万円/年] ＝ 導入システム数 × 137 万円/年

(3.6)

建設費 [万円]

(3.7)

ケース②
＝ 導入システム数 × 2850 万円 + 2700 万円

維持管理費 [万円/年] ＝ 導入システム数 × 137 万円/年

(3.8)

また、電力削減費については、(5)において算出した電力削減量、および電力単価 15 円/kWh を用いて算出する。算出式を式(3.9)に示す。

電力削減費 [万円/年] ＝ 電力削減量 [kWh/年] × 15 円/kWh

57

(3.9)

第３章 導入検討(8) 経費回収年(7)において算出した建設費、維持管理費、電力削減費から導出する。算出式を式(3.10)に示す。

経費回収年 [年] =建設費
電力削減費 − 維持管理費

58(3.10)

第１節 導入検討手法§20 導入判断
導入効果の検討結果を踏まえ、費用、エネルギー削減効果、温室効果ガス削減効果を総合的に評価し、本技術を導入するか判断する。

【解 説】§16 導入検討手順における導入効果検討結果から総合的に判断して導入効果が見込まれる場
合には、本技術の導入に係る意思決定を行い、第４章 計画・設計に移る。評価を行った結果、十分な導入効果が見込まれない場合は、導入シナリオ、制御対象範囲等、設定条件を見直した上で、再検討を行うことが望ましいが、効果がない場合には導入検討を中止する。

59

第３章 導入検討

第２節

導入効果の検討例§21 導入効果の試算条件
本節では、具体例として計画最大汚水量 50,000 m3/日、標準活性汚泥法の仮想の下水処理場に本技術を導入する際の試算手順および結果を示し、導入効果の検討方法についてまとめる。本項
では、仮想の下水処理場の施設条件を示す。

【解 説】
本節では具体例に基づき、本技術の導入効果の試算手順および結果を示す。本節で設定した仮
想の下水処理場の施設条件を表 3-4 に示す。処理規模としては計画最大汚水量 50,000 m3/日の標準活性汚泥法の下水処理場で、2 系列、計 8 池から構成される。想定フローを図 3-7 に示す。
現状の処理水 NH4-N 目標値を維持しつつ、過剰な風量を削減することを本技術の導入目的とし、本技術の導入タイミングとして、監視制御システムの更新時に導入する場合（ケース①）と、既存の監視制御システムを改造して導入する場合（ケース②）を検討する。次の§22 導入効果の試
算結果において、この仮想処理場における本技術の導入効果の試算手順および結果についてまと
める。
表 3-4

仮想処理場の施設条件

項目

施設条件

処理方式

標準活性汚泥法

処理規模

50, 000 m3/日（日最大）、40,000 m3/日（日平均）

系列数

2系列、計8池（各池の処理法式・躯体構造は同一。流入・運転条件は同様に調整）

流入・運転条件実証研究（表3-1）と同様の条件

ブロワ仕様

鋳鉄製多段ターボブロワ、2台

風量調節機構インレットベーン制御・台数制御

送風量制御方式

DO一定制御処理プロセス変更

無処理水NH4-N目標値

0.25 mg-N/Lで、変更なし

導入目的

現状の処理水NH4-N目標値を超過することなく、送風量を削減

検討中の導入タイミング

ケース①： 監視制御システムの更新に併せて導入
ケース②： 既存の監視制御システムを改造して導入導入判断の目安

経費回収年 6年以内

60

第２節 導入効果の検討例

最初沈殿池

１系

反応タンク

最終沈殿池
DO

Ｐ

２系
DO

送風機

Ｐ

Ｂ

返送汚泥ポンプＢ

図 3-7

仮想処理場（標準活性汚泥法、50,000 m3/日）の想定フロー

61

第３章 導入検討§22 導入効果の試算結果
本技術の導入効果の試算手順および結果について、その具体例を用いてまとめる。

【解 説】§21 導入効果の試算条件に示した仮想処理場において、§17～§20 までの手順に則り、導入効果を試算した結果を示す。
(1) 試算方法の検討§17 試算方法の検討における図 3-2 試算方法の検討フローに従い、風量削減率の試算方法を決定する。表 3-4 に示した仮想処理場は、処理プロセスおよび処理水 NH4-N 目標値の変更なし、流入・運転条件が実証条件（表 3-1）と同様であることから、試算方法 A を選択する。なお、これ以降、本検討では試算方法 A に基づく風量削減率の試算方法の例を示すが、試算方法 B に基づ
く例についても(1')、(2')に参考として記載する。
(2) 実態調査
ア) 制御システムの適用範囲の確認§18 実態調査における(1) 制御システムの適用範囲の確認に基づく。具体的には、表 2-1 に示した複数系列制御方式の代表池・展開池の条件に従い、制御システムの適用範囲を決定する。
表 3-4 に示した仮想処理場は、全ての系列・池の処理法式、躯体構造が同一であり、また流入・運転条件が同様に調整されていることから、1 つの制御システムで対応できるとする。そのため、
NH4-N センサーの設置台数は１組（2 台）となる。なお、代表池の選定については、表 2-1 に従うものとし、本試算例では任意とする。
イ) 現行の運転における処理状況の把握
風量削減率の試算方法として試算方法 A を選択した場合、実態調査では表 3-2 に示したとおり、硝化目標達成位置の導出に必要な各好気タンク・処理水の NH4-N 濃度、電力削減量の算出に必要な風量及びブロワ消費電力量の実績値、またはブロワ性能曲線を調査する。好気タンク・処
理水の NH4-N 濃度の調査結果の例を図 3-8 に示す。また、風量は 405,000 m3/日、ブロワ消費電
力量は 10,200 kWh/日であり、式(3.3)に基づき電力原単位を算出すると、0.025 kWh/m3 であった。

62

第２節 導入効果の検討例

アンモニア性窒素 [mg-N/L]

7
実態調査でのNH 4-N濃度履歴

6
5
4
3
2

1

処理水NH4-N目標値

0
好気槽流入
図 3-8

好気1

好気2

好気3

処理水

実態調査における NH4-N 処理状況の結果例(3) 導入効果の検討§19 導入効果の検討に従い、導入効果に関する各項目を試算した。なお、電力削減費の試算は
電力原単位に基づく方法を用いた。試算結果を表 3-5 に示す。電力削減量は 1,880 kWh/日とな
り、電力費を年間 1030 万円削減できる結果を得た。
表 3-5

検討例における導入効果の試算結果
試算結果

項目

ケース①
（監視制御：更新）

ケース②（監視制御：改造）

硝化目標達成位置

36%

36%

実態調査結果（図3-8）に基づき算出

風量削減率

18.4%

18.4%

式(3.1)に基づき算出

電力削減量

1,880 kWh/日

1,880 kWh/日-

温室効果ガス削減量

1,090 kgCO2/日

1,090 kgCO2/日-

建設費1850万円/年5550万円/年

導入システム数を1に設定して、算出

維持管理費

137万円/年137万円/年

導入システム数を1に設定して、算出

電力削減費

1030 万円/年

1030 万円/年

-

経費回収年

2.07年

6.22年

-

備考

(4) 導入判断
表 3-4 に示したとおり、経費回収年が 6.0 年以内であることを導入判断の目安と設定した。表3-5 の結果をみると、監視制御システムを改造して導入するケース②では 6.22 年と超過したのに対し、監視制御システムの更新時に導入するケース①では 2.07 年と下回った。ケース①では、監視制御システムに係る建設費の一部を更新費用と共通化でき、ケース②と比べて建設費を低減できるためである。以上の導入効果の試算結果から、ケース①の監視制御システムの更新時に本技術を導入することと判断し、具体的な計画・設計に移行する。

63

第３章 導入検討

以上、(1) 試算方法の検討において試算方法 A を選択した場合の導入効果の検討結果を示した。
一方、(1) 試算方法の検討において、検討対象の処理場における流入・運転条件が実証条件（表3-1）と大幅に異なり、試算方法 B を選択した場合の導入効果の検討手順および試算結果について以下に示す。
(1') 実態調査（試算方法 B を選択した場合）
ア) 制御システムの適用範囲の確認
試算方法 A を選択した場合と同一である。
イ) 現行の運転における処理状況の把握
風量削減率の試算方法として試算方法 B を選択した場合、実態調査では表 3-2 に示したとおり、試算方法 A での調査項目に加え、必要酸素量の算出に必要な項目を調査する。
(2') 導入効果の検討（試算方法 B を選択した場合）§19 導入効果の検討に従い、導入効果に関する各項目を試算した。試算結果を表 3-6 に示す。
試算方法 B では、風量配分比や必要酸素量も試算に反映する。本例では、3 つの好気タンクへの風量配分比として、ケース A、ケース B を設定し、§19(2) 修正硝化目標達成位置での方法に基づき、修正硝化目標達成位置α′、𝛽′を算出した。また、(1') 実態調査（試算方法 B を選択した場合）の結果から必要酸素量の各項目を算出し、全必要酸素量における全必要酸素量に対する BOD
酸化および硝化反応に係る必要酸素量の比𝛾を導出した。これらの結果を踏まえ、風量削減率を推定すると、𝒙𝟏が 12.3%、𝒙𝟐が 20.5%となり、平均値としては 16.4%という試算結果が得られた。
この風量削減率を用いて、試算方法 A と同様に電力削減効果等の導入効果の検討、および導入判断を実施していく。

64

第２節 導入効果の検討例

表 3-6

試算方法 B に基づく風量削減率の試算結果例

項目

試算結果

硝化目標達成位置α36%

硝化目標達成位置β36%

風量配分比（ケースＡ）

100, 90, 70

風量配分比（ケースＢ）

100, 100, 100

硝化目標達成位置α'30%

硝化目標達成位置β'36%

必要酸素量（BOD）

174 kg-O2/日

必要酸素量（硝化）436 kg-O2/日

必要酸素量（内生呼吸）

344 kg-O2/日

必要酸素量（DO）

35 kg-O2/日

必要酸素量(BOD・硝化)比γ62%

推定風量削減率 x 112.3%

推定風量削減率 x 220.5%

推定風量削減率（平均値）

16.4%

65

第４章 計画・設計

第４章 計画・設計
第１節

導入計画

§23 導入・計画手順
本技術の導入に関する設計及び計画は、以下の手順で行う。
(1) 施設計画の検討(2) 機器仕様・機器配置の検討(3) 計画上の留意点の整理(4) 導入計画のとりまとめ【解 説】
本技術の計画、設計手順のフローを図 4-1 に示す。導入計画に当たっては、施設設計の検討から開始し、機器仕様・配置の検討、留意点の整理、導入計画のとりまとめの手順で行う。
§24 施設計画の検討§25 機器仕様・配置の検討①必要設備の設置状況確認②NH4-Nセンサーの設置計画③監視制御システムの設置計画§26 留意点の整理§27 導入計画のとりまとめ

第5章 維持管理

図 4-1

計画・導入手順フロー

66

第１節 導入計画§24 施設計画の検討
本技術の導入に当たっては、処理場の更新計画を勘案して導入計画を立案するのが望ましい。

【解 説】
本技術は既存設備を活用しながら、NH4-N センサーなどの設備を追加し、硝化制御を適正化することでブロワの風量を削減して消費電力を低減するものである。本技術導入に必要な初期費用
は既存設備の仕様や設置状況により異なり、さらに導入タイミングによっても差異が生じる（§
13 導入シナリオ例、§19 導入効果の検討参照）。このため、処理場におけるこれら設備の更新計画を参照し、本技術の導入時期を検討するのが望ましい。

67

第４章 計画・設計§25 機器仕様・配置の検討
既存の計測器･機器の仕様、反応タンクの構成等を調査し、追加が必要な計測器ならびにその設
置位置を決定する。次に、計測器の追加等を考慮し監視制御システムの設置計画を検討する。

【解 説】(1) 必要設備の設置状況確認
本技術による運転に必要な設備の設置状況を確認し、追加が必要な場合には本技術の導入に合わせて設置する。表 4-1 に本技術に必要な機器・計測器を示す。表 4-1 の代表池とは、NH4-N セ
ンサーを設置し、その NH4-N センサーの計測値を基に風量を制御する池である。また、展開池とは代表池と同一もしくは異なる系列の処理池で、NH4-N センサーは設置せず、代表池の制御結果
を基に風量が制御される池である。詳細は§9 複数系列における風量制御方式の概略を参照のこと。
ア) 計測器
必要な計測器は、各流量計（流入水量、返送汚泥流量、硝化液循環流量（循環法の場合））、
NH4-N センサー2 台、DO 計、MLSS 計、風量計である。これらが既存で設置されている場合は、それらを活用してもよい。
イ) 風量調節弁・制御装置
風量を制御するための風量調節弁が、池ごとに必要である。風量調節弁はブロワから好気タン
クに接続されている配管の間に設置され、風量調節弁制御装置からの信号により制御されることを確認する。
ウ) 送風設備
ブロワと、監視制御システムからの信号によりブロワの風量を制御する風量制御装置を確認する。なお、本技術導入によって省エネ効果を得るためには、風量を削減することでブロワ消費電力量が低減する設備であることが必要である。

68

第１節 導入計画

表 4-1 本技術導入に必要な設備・計測器
対象

送風設備

制御対象機器，制御装置

必要な計測器• ブロワ• 送風制御装置－• 風量調節弁• 風量調節弁制御装置• 代表池の各流量計：

代表池• 反応タンク流入流量• 返送汚泥流量• 循環流量（循環がある場合）• NH4-Nセンサー2台
• 風量計
• DO計

複
数
系
列
制
御
な
し

• MLSS計
展開池• 風量調節弁• 風量調節弁制御装置• 展開池の各流量計（代表池と同様）• DO計• MLSS計

複
数
系
列
制
御
あ
り

(2) NH4-N センサーの設置計画
代表池に 2 台の NH4-N センサーを設置する。図 4-2 に、各処理方式における NH4-N センサ
ーの設置位置の例を示す。上流側の第 1NH4-N センサーは、好気タンク流入前、もしくは流入時点の NH4-N 濃度を計測できるように、返送汚泥もしくは硝化液循環直後の反応タンクに設置する。具体的に言うと、標準活性汚泥法や嫌気好気活性汚泥法（AO 法）では、最上流の好気タンク
もしくは嫌気タンクに設置する。循環式硝化脱窒法や嫌気―無酸素―好気法（A2O 法）では、硝化液が循環する無酸素タンクに設置する。下流側の第 2NH4-N センサーは、ある程度硝化が進んだ位置として好気タンク中間地点に設置する。第 2NH4-N センサーに関しては、設置位置でのNH4-N 濃度を予め把握し、NH4-N センサーの計測濃度範囲内になることを確認する。
既存水処理設備へ NH4-N センサーを追加設置する際は、好気タンクが覆蓋されている場合には開口部があり検出器を浸漬可能な位置があること、流入水量に関わらず常に検出器が試料水に浸漬できる水深となる位置があること等、製品の設置条件に適合しているかを確認する。

69

第４章 計画・設計

第２NH4-Nセンサー

第１NH4-Nセンサーア) 標準活性汚泥法

好気

好気

好気

好気

好気

嫌気

嫌気

好気

返送混合直後返送混合直後（好気タンクの最上流側）（嫌気タンクの最上流側）

ウ) 循環式硝化脱窒法

無酸素（好気槽中間に設置)

イ) AO法

無酸素

好気

好気

好気

好気

エ) A2O法

好気

好気

好気

嫌気

無酸素

好気

循環混合直後循環混合直後（無酸素タンクの最上流側）（無酸素タンクの最上流側）

図 4-2

処理方式毎の NH4-N センサーの設置位置例(3) 監視制御システムの設置計画
監視制御システムの機能追加項目を図 4-3 に示す。電気室、監視室が分かれている場合は、電気室に計装盤、プロセスコントローラー、監視室に操作卓や制御サーバーを設置するのがよい。
追加した計測器からの伝送信号を取り込む計装盤、硝化制御ロジックを実装するプロセスコント
ローラー、監視画面の追加（追加したセンサーの計測値や処理特性グラフの表示など）や処理特性グラフの演算を実施する制御サーバーや操作卓が必要となる。計装盤、プロセスコントローラ
ー、制御サーバーのそれぞれについて、既存システムに追加機能を実装できるか確認する。なお、実装が不可能な場合は増設を検討する。

現場
計測器

風量調節
制御装置

電気室
入力

監視室

プロセス
コント
ローラー

計装盤
• 計装信号変換

LCD操作卓制御サーバー• 表示，操作• 演算• データ伝送
• 制御

出力

送風
制御装置

追加センサー
伝送取込み
図 4-3

硝化制御
ロジック

•追加センサー計測値表示•処理特性グラフ計算・表示

監視制御システム機能追加項目

70

第１節 導入計画§26 計画上の留意点の整理
本技術の導入設計にあたり留意すべき点について整理する。

【解 説】
本技術の導入設計にあたり留意すべき点を表 4-2 に示す。確認事項の内容を実現できない場合
は設備の改良を検討する。
表 4-2
確認範囲

確認項目

送風機設備

確認事項

• 風量調節弁•池ごとに風量調整弁が備わっていること•風量調節範囲（本技術導入後の想定風量まで風量を減少できること）• 風量調節弁制御装置•設定風量とする制御が実装されており、かつ制御が安定していること• 風量調節弁•池ごとに風量調整弁が備わっていること•風量調節範囲（本技術導入後の想定風量まで風量を減少できること）• 風量調節弁
制御装置•設定DOとする風量制御が実装されており、かつDO制御が安定していること• 槽毎の風量配分•代表池と同程度の配分で運転可能であること•処理状況•代表池と流入流量・水質が同等となっていること• ブロワ• 風量制御装置•風量制御範囲（本技術導入後の想定風量まで風量を減少させて運転できること）•池への風量削減に伴って消費電力量が低減されること•風量低減時も散気装置に必要な吐出圧を維持できること

代表池

展開池
（複数系列制御実施の場合）

本技術の導入設計時の留意点

71

第４章 計画・設計§27 導入計画のとりまとめ
本技術の導入についての検討結果として、基礎調査に基づく施設計画の検討、計画上の留意点の整理および導入効果の検証結果を導入計画書にとりまとめる。

【解 説】
本技術の導入についての検討結果をとりまとめるとともに、認可設計図書など必要な資料および図書の作成を行う。
導入計画書としては、検討段階において、基礎調査（施設・設備の計画・現状等の把握）に基づ
いて施設計画の検討（計画諸元の設定、配置計画）を行った結果に加え、計画上の留意点や導入効果の検証結果を含めてとりまとめるものとする。

72

第１節 運転管理第５章 維持管理第１節

運転管理§28 本技術を適用した監視制御システムの運転管理
本技術を適切に運用するための導入システムの運転・維持管理方法についてまとめる。

【解 説】
本技術を適用した監視制御システムの、立ち上げから本運転までの流れを図 5-1 に示す。

§29 制御システムの立ち上げ• 制御パラメータの初期設定方法• 制御システムの試運転（パラメータの調整、処理特性モデルの構築）

本運転開始§30 制御システムの運転管理§31 監視制御システ
ムの保守点検•監視項目（水質、処理特性グラフ） • センサー・監視制御設備の保守•水質に応じたパラメータ調整方法•処理特性グラフによる変動検知

図 5-1

運転管理の流れ

73§32 緊急時の対応と対策• 大雨・停電・地震等への対応

第５章 維持管理§29 制御システムの立上げ（初期設定）
本技術の導入時に一定期間監視制御システムの試運転を行い、本技術の制御による動作を確認するとともに、制御パラメータの初期設定を行う。

【解 説】
本技術の導入に伴い、監視制御システムの試運転が必要となる。この試運転期間を通して、本技術における制御パラメータの初期設定を行うとともに、制御による動作、処理結果の確認を実施する。試運転で初期設定する制御パラメータは、処理水 NH4-N 目標値、中間処理率、上側／下側 DO 設定値である。試運転は、複数系列制御を実施する場合は(1)代表池、(2)展開池の順に調整を行う。複数系列制御を適用しない場合は(1)代表池のみを実施する。
(1) 代表池
代表池の試運転調整の流れを図 5-2 に示す。まず、①では処理水 NH4-N 濃度の目標値を設定する。
次に、②では第 2NH4-N センサーの位置（好気タンク全長のうち、第 1NH4-N センサー設置位
置から第 2NH4-N センサー設置位置までの割合）に基づき、中間処理率（初期値）を設定する。
また、処理場でのこれまでの運転実績を基に、DO の上下限の目安となる上側／下側 DO 設定値（初期値）を設定する。
次に、③では DO 設定値を上側 DO 設定値と、下側 DO 設定値と、その間の値に設定して DO
一定制御を実行する。なお、DO 一定制御は設定値を変えて 2 回以上実施し、DO が設定値に追従することを確認する。追従性が悪い場合は、既設の DO 制御パラメータを変更する。
次に、④では③の DO 一定制御運転の間のデータを用いて処理特性グラフを生成させ、その近似式（処理特性モデル）を作成する。
次に、⑤では処理特性モデルの係数が傾き、切片ともに正の値であることを確認する。正の値でない場合は、流入条件や設備の異常が考えられるため、異常を取り除いた後再度③の DO 一定制御運転を実行する。両係数とも正の値となった場合には⑥を実行する。
次に、⑥では処理特性モデルを用いた硝化制御運転を実行する。
次に、⑦では処理水 NH4-N 濃度を手分析にて測定する。
次に、⑧では測定した処理水 NH4-N 濃度と処理水 NH4-N 目標値との差異を評価し、許容範囲内であれば、初期設定を終了する。許容範囲外であれば、⑨を実行する。
⑨では、処理水 NH4-N 濃度が処理水 NH4-N 目標値を超過している、もしくは大きく下回っている場合、設定した中間処理率が NH4-N 処理状況の実態に合っていない可能性があるため（資料編 1.2 実証研究の詳細（①長期制御性、②目標可変性） P.92 参照）、実態に合うように中間処
理率を調整する。例えば、処理水 NH4-N 濃度が目標値を超過している場合は、中間処理率を現状より高く再設定する。これは、中間処理率の実態が設定値よりも高くなっていることが想定されるため（図 5-3 (a)）である。一方、処理水 NH4-N 濃度が目標値を大きく下回っている場合は、
74

第１節 運転管理

中間処理率を現状よりも低く再設定する。これは、中間処理率の実態が設定値よりも低くなっていることが想定されるため（図 5-3 (b)）である。

試運転調整開始（代表池）①処理水NH4-N目標値設定②中間処理率，上側/下側 DO 設定③DO一定制御運転（運転の実行）④処理特性グラフ作成⑤ 処理特性モデル式判定⑨中間処理率再設定⑥硝化制御運転（運転の実行）⑦処理水NH4-N濃度計測（手分析）⑧ 制御効果判断終了
図 5-2

試運転の流れ（代表池）

75

第５章 維持管理

NH4-N濃度

第1NH4-Nセンサー計測値

中間処理率（設定値）の想定

実際の
処理

中間処理率
変更後の想定第2NH4-Nセンサーまでの減少量中間NH4-N予測値

中間
：
処理率

＋

中間
：
処理率

＋

第2NH4-Nセンサー以降の減少量

処理水NH4-N目標値

中間処理率の設定値が実態より小さく、目標値超過

中間処理率調整（増加）により水質改善(a) 処理水 NH4-N 濃度が目標値を超過している場合
NH4-N濃度
中間処理率
第1NH4-N（設定値）の想定
センサー計測値

実際の
処理

中間処理率
変更後の想定第2NH4-Nセンサーまでの減少量中間NH4-N予測値

第2NH4-Nセンサー以降の減少量

処理水NH4-N目標値

中間処理率の設定値が実態より大きく、目標値過達

中間処理率調整（減少）により運転改善（省エネ）(b) 処理水 NH4-N 濃度が目標値を大きく下回っている場合
図 5-3 処理水 NH4-N 濃度に基づく中間処理率の調整方法の概念図(2) 展開池
展開池では、代表池の DO 濃度を、代表池・展開池の流入流量、MLSS 濃度で補正した補正値に基づき、DO 可変制御を実施する。展開池における試運転方法については、資料編 3 複数系列制御方式の立ち上げ方法 P.119 に詳細を記載する。

76

第１節 運転管理§30 制御システムの運転管理
本技術の運転管理では適正な運転が行われているか、分析・計測・解析により処理状況を確認する。また、処理状況に応じて、制御パラメータを調整する。

【解 説】
本技術の運用中は、本技術により処理が適切に行われているか、表 5-1 に示す点を確認する
ことが望ましい。
表 5-1
監視項目

運転中の監視項目と確認頻度
頻度

目的

処理水 NH4-N 濃度

定期(日常～週間)※

処理水質が良好かどうか判断する
ため処理特性グラフ変動検知時

異常を早期に検知するため※ 処理場での定期的な水質検査に合わせて実施。必要に応じて、頻度を増加
本技術の特徴である処理特性グラフを用いた運転管理方法について以下にまとめる。本技術では、2 台の NH4-N センサー間で処理した NH4-N 濃度（NH4-N 濃度減少量（実績値））と、供給した風量（必要累積風量（実績値））の関係を処理特性グラフ上で示すことで、NH4-N の処理特性を見える化し、運転監視にも活用する。例えば、図 5-4 に示すように、運転実績に基づき、風量と NH4-N 濃度減少量の関係（処理特性モデル）を抽出し、所定の NH4-N 濃度を処理するのに必要な風量（以下、処理特性風量）を算出する。この処理特性風量の変動を追跡することで、確からしい処理特性風量の範囲（例えば、NH4-N センサー校正後の処理特性風量の±x%（x：設定値））から逸脱した場合に、処理特性の変動や運転異常（NH4-N センサー等の計測器異常）の発生を疑うことができ、必要に応じて NH4-N センサーの点検、電極交換等を実施し、より安定した運転を継続できる。処理特性風量を利用した変動検知時の対応フローを図 5-5 に示す。処理水
NH4-N 濃度の計測値が目標値と大きく乖離した場合は、後述の表 5-3 に従い、中間処理率や上側／下側 DO 設定値の調整、NH4-N センサーの点検、校正、消耗品（電極）の交換を実施する。

77

第５章 維持管理

同じNH4-N濃度減少量における風量値（処理特性風量）

処理特性グラフ

必要累積風量 [m3]

処理特性モデル

確からしい処理特性風量の範囲

処理特性
風量
自動更新

NH4-Nセンサー電極交換
NH4-N濃度減少量 [mg-N/L]

時間
処理特性風量の変動
・処理特性の変動
・NH4-Nセンサーの測定誤差

処理特性風量• 所定のNH4-N濃度減少量に対する必要風量として抽出。
• 処理特性モデルの更新に伴って変動

図 5-4

処理特性風量の変動に基づく運転管理手法の概略

処理特性風量による変動検知
要因なし

外的要因の有無を確認

NH4-Nセンサー校正

明確な外的要因あり（水温急変など）

処理水NH4-N濃度計測
問題なし

目標値との乖離
問題あり

制御パラメータ調整・
NH4-Nセンサー点検（校正）・電極交換

設定変更なし、処理状況の監視継続（§32 緊急時の対応と対策 表5-3参照）

図 5-5

処理特性風量を用いた変動検知時の対応フロー

78

第２節 保守点検

第２節

保守点検

§31 監視制御システムの保守点検
本技術は下水処理場の監視制御システムに実装するものであり、その機能を適切に維持するため、定期的に構成機器類の保守点検作業を実施する。

【解 説】
本技術は監視制御システムとして NH4-N センサーなどの計測装置とコントローラー、操作卓等からなる監視制御設備を用いるものであり、運転状況の監視やブロワ等の機器の最適運転のた
めに、精度及び信頼性を高く保つことが重要である。
(1) 計測装置
本技術において主要な計測装置として、NH4-N センサー、DO 計、MLSS 計、各流量計がある。
ここでは特に、多くの処理場にとって新規追加になると想定される NH4-N センサーの保守作業について述べる。NH4-N センサーの保守作業としては電極洗浄や試料水・標準液での校正、消耗品等の交換があり、定期的に実施し、測定精度を維持する。保守作業の方法や頻度は、メーカーの推奨に従う。表 5-2 に、保守項目およびメンテナンス周期の例を記載する。
表 5-2

NH4-N センサーの保守項目とメンテナンス周期の例
保守項目

メンテナンス周期

検出器、電極部の洗浄（および標準液による測定値の確認、校正）

毎月

警告やエラー発生状態の確認

毎月

センサー設置位置での活性汚泥混合液による測定値の確認、校正

毎月

電極カートリッジの交換

６ヶ月毎

クリーニングシステムエアフィルタ(マフラ)の交換

半年毎

テストカートリッジによる検出器本体の動作確認

１年毎

エア洗浄ホースセットの交換

１年毎

クリーニングシステムのコンプレッサー固定確認

１年毎

クリーニングシステム洗浄ユニットの交換

３年毎

クリーニングシステムのコンプレッサーの交換

５年毎

保守項目のうち、検出器・電極部の洗浄の実施例を以下に示す。ここでの例は、電極部の洗浄時に標準液での校正を併せて実施する例である。洗浄法や標準液での校正の要否については、メーカー推奨条件に従う。
79

第５章 維持管理

1.

検出器を反応タンクから引き上げる。

2.

検出器の先端の電極部を、洗浄用ブラシと水道水で洗浄する。

3.

検出器本体に汚れが付着している場合はスポンジやブラシなどで洗浄する。

4.

検出器を NH4-N 濃度既知の標準液に浸漬し、計測値が安定した後、NH4-N センサ
ーの計測値の確認・校正作業を実施する。

5.

検出器を反応タンクに戻す。

また、センサー設置位置での活性汚泥混合液による測定値の確認、校正の実施例を以下に示す。
1.

NH4-N センサー設置位置の近傍で、活性汚泥混合液を採取する。

2.

採取した活性汚泥混合液中の NH4-N 濃度を他の方法により分析する。

3.

分析した NH4-N 濃度と、NH4-N センサーによる計測値とのずれによりセンサーの異常の有無を確認する。また、メーカー推奨頻度に従い、定期的に分析値による NH4N センサーの校正を実施する。

(2) 監視制御設備
監視制御設備は、本技術による反応タンク及び送風設備の運転制御及び管理と情報処理を含めた処理場の監視制御を行うものであり、本技術によらない通常の監視制御設備と同様に、定期的に保守点検を行う。例えば、計器の異常及び表示灯の異常、操作及び切り替え器の異常確認、絶縁抵抗試験・保護連動試験・操作試験、動作試験、オーバーホール等を適切に実施する。

80

第 3 節 緊急時の対応と対策

第３節

緊急時の対応と対策§32 緊急時の対応と対策
本技術の運転において発生しうるトラブルに対して、その影響及び対応を事前に想定し、緊急時には適切に対応する。

【解 説】
大雨やセンサー類の点検・故障など本技術の運転が適切に行えないと想定される場合は、従来制御（DO 一定制御や風量一定制御）への切替えを行う。表 5-3 に、各事象発生時の対応方法を
示す。
表 5-3

トラブルや異常時の状況と対応方法

事象

調査項目

処理水 NH4-N 目標
値超過、過達 処理特性グラフにおける傾向の変化、処理特性
風量の傾向変化 DO 計測値と上側 DO・下側 DO 設定値（設定値に偏っていないか） NH4-N センサー指示値
の傾向変化

推定原因

対応方法

 中間処理率の実態との乖離

 中間処理率再設定

 処 理 状況 変更 に伴 う
最適な上側 DO・下側
DO 設定値の変化

 上側 DO・下側 DO 設定
値の再検討、再設定

 NH4-N センサー異常 NH4-N セ ン サ ー の 校
正、消耗品交換

流入水量増大 計画流入水量の超過

 大雨

 処理場の対応マニュア
ルに従う
 必要に応じて従来制御（DO 一定・風量一定制
御等）に切り替える

NH4-N セ ン サ ー 保
守作業

─

─

 保守作業中、従来制御（DO 制御・風量制御等）に切り替え

 機器異常 従来制御（DO 一定・風量制御・開度制御等）に切り替え、原因を取り除く（修理等）

NH4-N センサー、流量計、風量計等の信号異常

 監視制御システムによる警報有無

また、トラブル発生時の影響を最小限に抑えるため、以下のような対策を事前に実施しておく。
・ 破損等危険度の高い箇所をリスト化し、地震発生時等の点検箇所を定めておく。
81

第５章 維持管理

・ 設備の故障や停電等に備え、予備機や自家発電機への切り替えが円滑にできるよう準備する。
・ 関係機関（民間委託業者等）との協力体制を確立し、緊急時の初期対応を定めておく。

82

参考文献
1)

(公社)日本下水道協会：下水道施設計画・設計指針と解説 2009 年版

2)(公社)日本下水道協会：下水道用語集 2000 年版

3)

国土交通省：既存施設を活用した段階的高度処理の普及ガイドライン（案）：p.6 (2015)

4)国土交通省：下水放流水に含まれる栄養塩類の能動的管理のための運転方法に係る手順書（案）：p.2 (2015)

83

84

１. 実証研究結果

資 料 編
1

実証研究結果 ....................................................... 87
1.1 実証研究概要 ....................................................... 87(1) 実証研究 ......................................................... 87(2) 実証目標 ......................................................... 89(3) 実証研究成果の概要 ............................................... 91
1.2 実証研究の詳細（①長期制御性、②目標可変性） ....................... 92(1) 運転条件 ......................................................... 92(2) 評価項目 ......................................................... 93(3) 本技術による実証運転結果 ......................................... 93(4) 制御パラメータに関する検討 ....................................... 95(5) NH4-N センサーに関する検討 ........................................ 96(6) 処理特性見える化機能に関する検討 ................................. 98
1.3 実証研究（③複数系列制御方式の実証）の詳細 ........................ 102(1) 展開池における DO 可変制御の設定値の設定方法 ..................... 102(2) 実証方法 ........................................................ 103(3) 評価項目 ........................................................ 103(4) 実証結果 ........................................................ 104(5) 適用条件に関する検討 ............................................ 106
1.4 実証研究（④採水・採ガス調査）の詳細 .............................. 107(1) 調査方法 ........................................................ 107(2) 評価項目 ........................................................ 110(3) 調査結果 ........................................................ 110

2

導入効果検討における風量削減率の試算方法 .......................... 114
2.1 硝化目標達成位置の算出式 .......................................... 114
2.2 導入前処理状況と風量削減率の関係（試算方法 A の構築） .............. 115
2.3 試算方法 B の検討 .................................................. 117

3

複数系列制御方式の立ち上げ方法 .................................... 119

4

ケーススタディ .................................................... 120

85

4.1 モデルケースの設定・計算方法 ...................................... 120(1) 検討条件 ........................................................ 120(2) 試算方法 ........................................................ 122(3) 試算結果 ........................................................ 125
4.2 導入コストの試算 .................................................. 127(1) 建設費 .......................................................... 127(2) 維持管理費 ...................................................... 129
5硝化制御風量の演算方法 ............................................ 131
5.1 フィードフォワード制御風量 ........................................ 131
5.2 フィードバック制御風量 ............................................ 132

6

参考文献 .......................................................... 134

7

問い合わせ先 ...................................................... 135

86

１. 実証研究結果

1 実証研究結果

1.1

実証研究概要(1) 実証研究
1) 研究名称
ICT を活用した効率的な硝化運転制御の実用化に関する技術実証研究
2) 実施者
日立製作所・茨城県共同研究体
3) 実施期間
平成 26 年 7 月 19 日～平成 27 年 3 月 31 日（平成 26 年度 委託研究期間）
平成 27 年 6 月 4 日～平成 28 年 3 月 31 日（平成 27 年度 委託研究期間）
4) 実証場所
茨城県流域下水道事務所 霞ケ浦浄化センター（所在地： 茨城県土浦市湖北 2-8-1）（以下、霞ケ浦浄化センターとする）
5) 実証対象
霞ケ浦浄化センター No.5 池（実証系列）、No.6 池（対照系列）
6) 処理水量処理能力：各 6,500 m3/日で、No.5 池の水量全量を本技術により制御し、実証を行った。
7) 実証設備フロー
図資 1-1 に実証対象である No.5 池、No.6 池の概略フローを示す。両池とも凝集剤併用型循環式硝化脱窒法である。実証研究では、実証系列として No.5 池に本技術を適用し、対照系列としてNo.6 池は従来の風量制御技術（DO 一定制御）を継続した。両池の最初沈殿池、最終沈殿池、返送汚泥系統は独立しており、No.5 池、No.6 池は異なる系列である。生物反応槽は、上流側から無酸素タンク 1、無酸素タンク 2、好気タンク 1、好気タンク 2、好気タンク 3 の全 5 槽から構成さ
れ、好気タンク 3 から無酸素タンク 1 に被処理水の一部が循環ポンプで循環される。風量制御は
DO 一定制御であり、硝化促進を目的に好気タンク 3 の DO 濃度が 2.0 mg/L で一定となるように

87

制御されている。また、リン除去性能を向上させるため、好気タンク 3 に凝集剤としてポリ硫酸
第二鉄が投入されている。
実証施設においては、既存の計測器として各流量計、風量計、および好気タンク 3 の DO 計、
MLSS が設置されている。実証研究では、新たに No.5 池と No.6 池の最初沈殿池流出部、無酸素タンク 1、好気タンク 2、最終沈殿池、および No.5 池の好気タンク 1、好気タンク 3 に電極式
NH4-N センサー（AISEsc；米 HACH 社、日本代理店東亜 DKK 社）を設置した。また、No.5 池と No.6 池の最初沈殿池流出部に UV 計（OPM-1610；東亜 DKK 社）、SS 濃度計（SSD-1610；
東亜 DKK 社）を、最終沈殿池に全窒素全リン計（NPW-160；東亜 DKK 社）を設置した。新たに設置した水質センサーの仕様を表資 1-1 に示す。

No.5池（実証系列）
NH4-N

初沈
流入流量

循環流量

UV, SS

NH4-N NH4-N
反応タンク NH4-N

DO, MLSS
NH4-N
ポリ鉄

B

P

NH4-N TN,
TP

M

最初
沈殿池

返送汚泥流量

最終
沈殿池

P
曝気風量

No.6池（対照系列）
NH4-N

初沈
流入流量

循環流量

UV, SS
NH4-N

DO, MLSS

NH4-N
ポリ鉄

反応タンク

NH4-N TN,
TP

P

M

最初
沈殿池

返送汚泥流量

最終
沈殿池

P
曝気風量

図資 1-1

表資 1-1
設置場所

最初沈殿池
流出部
反応タンク
最終沈殿池

実証対象水処理系列の概略フロー

実証研究において新たに設置した水質センサーの仕様

計測器名称

型式

NH4-N センサー

AISEsc（HACH）

UV 計

計測項目

設置台数
No.5 池No.6 池

NH4-N

1

1

OPM-1610（東亜 DKK）

UV

1

1

SS 計

SSD-1610（東亜 DKK）

SS

1

1

NH4-N センサー

AISEsc（HACH）

NH4-N

4

2

NH4-N センサー

AISEsc（HACH）

NH4-N

1

1

全窒素全リン計

NPW-160（東亜 DKK）

全窒素、全リン1

188

１. 実証研究結果

8) 実証研究において風量制御に用いたセンサー概要
実証研究において、No.5 池、No.6 池での風量制御に用いたセンサーを表資 1-2 に示す。実証
項目（後述の表資 1-4 参照）のうち、①長期制御性、②目標可変性の実証では、実証系列としてNo.5 池では、各流量計、DO 計に加え、無酸素タンク 1 および好気タンク 2 に設置した NH4-N
センサーを用いて風量制御した。一方、No.6 池は対照系列として、好気タンク 3 の DO 濃度を一定にする従来の DO 一定制御（制御設定値：2.0 mg/L）により、風量を制御した。また、③複数系列制御方式の実証（後述の表資 1-4 参照）では、No.5 池を代表池、No.6 池を展開池とした複数系列制御方式（本編 §9 複数系列における風量制御方式の概略参照）を適用し、流入流量、MLSS 濃度の違いに基づき、No.5 池の DO 濃度を補正した値を No.6 池の DO 制御設定値として、No.6 池への風量を制御した。
表資 1-2 実証研究において風量制御に用いたセンサー
実験内容①長期制御性②目標値可変性③複数系列制御方式

項目

風量制御に用いるセンサー

No.5 池（実証系列）

流量計（流入流量・返送汚泥流量・硝化液循環流量）、
DO 計、NH4-N センサー（無酸素 1、好気 2）

No.6 池（対照系列）

DO 計

No.5 池（代表池）

流量計（流入流量・返送汚泥流量・硝化液循環流量）、
DO 計、NH4-N センサー（無酸素 1、好気 2）、MLSS 計

No.6 池（展開池）

DO 計、流入流量計、MLSS 計(2) 実証目標
1) 成果目標
実証研究の成果目標を表資 1-3 に示す。実証研究では、本技術により硝化運転を適正化することで、処理水の NH4-N 濃度を平均 1.0 mg-N/L 以下に制御しつつ、従来の DO 一定制御と比較して風量を 10%以上削減することを目標とした。また、経費回収年として、処理規模 50,000 m3/日、DO 一定制御システムの仮想処理場への導入費用を 5.1 年以内に回収できることを目標とした。

89

表資 1-3
実証方法

実証実験

ケース
スタディ

項目

実証研究における成果目標
目標

備考

処理水質

平均処理水 NH4-N 濃度
1.0 mg-N/L 以下

-

風量削減
効果

対照系列（DO 一定制御）と比べて 10%減-

5.1 年

処理規模： 50,000m3/日
風量制御方法： DO 一定
導入タイミング： 監視制御システムの新設・更新時

経費回収年

2) 実証研究における実施内容
実証研究での実施内容を、表資 1-4 に示す①長期制御性の実証、②目標可変性の実証、③複数
系列制御方式の実証、④採水・採ガス調査、⑤ケーススタディの 5 つとした。①長期制御性の実
証では、表資 1-3 に示した成果目標に従い、処理水 NH4-N 目標値を 1.0 mg-N/L に設定し、長期の運転においても目標とする処理水質、風量削減効果が得られるか検証した。②目標可変性の実証では、様々な水質ニーズに対応できるか検証するため、複数の処理水 NH4-N 目標値（0.1 mgN/L：完全硝化運転を想定、2.0 mg-N/L：硝化抑制運転を想定）で運転した。③複数系列制御方式の実証では、導入コストの低減手法として複数系列制御方式（本編 §9 複数系列における風量制
御方式の概略参照）の適用可能性を実証した。④採水・採ガス調査では、本技術導入による処理
水質、温室効果ガス（N2O ガス）排出への影響を検証した。また、NH4-N の処理状況から、導入検討時の風量削減率の試算方法（本編 §19 導入効果の検討参照）を構築した。⑤ケーススタデ
ィでは複数の処理方式、処理規模、風量制御方式の仮想処理場を設定し、本技術の導入効果を試算した。
表資 1-4

実証研究における実施内容

実施内容

目的

実施内容の詳細①長期制御性の実証

・長期的な制御効果（処理水質・風量削減効果）の検証

処理水 NH4-N 目標値：1.0 mg-N/L で長期間運転②目標値可変性の実証

・複数の水質目標値での制御性の検証

処理水 NH4-N 目標値：0.1, 2.0 mg-N/L で運転③複数系列制御方式の実証

・導入コストの低減手法の構築

No.5 池の DO 濃度に基づき、No.6 池で DO 可変制御

④採水・採ガス調査

・処理状況（硝化、N2O ガス等）の把握
・風量削減効果の試算方法の構築

No.5 池、No.6 池で通日採水・採ガス調査を実施

・本技術による導入効果の試算・評価

仮想処理場を設定し、消費電力量、温室効果ガス排出量、コストに関する試算を実施⑤ケーススタディ90

１. 実証研究結果

3) 実証工程表資 1-5 に本実証研究の工程表を示す。本技術による硝化運転制御は、平成 27 年 1 月より開始し、平成 27 年度プロジェクト終了まで実施した。
表資 1-5

実証研究の工程表

平成26年度

平成27年度

実施内容
7-9月
準
備
期
間

10-12月

1-3月

6-9月

10-12月

1-3月

実証システム製作

実証システム設置
試運転①長期制御性実
証期
間②目標可変性③複数系列制御④採水・採ガス調査⑤ケーススタディ(3) 実証研究成果の概要
表資 1-6 に、実証研究成果の概要を示す。実証研究では、処理水質・風量削減効果に関して、処理水 NH4-N 濃度を平均 1.0 mg-N/L 以下に制御しつつ、DO 一定制御と比較して風量を 10%削減することを目標とした。これに対し、実証研究の結果、平均処理水 NH4-N 濃度 0.33 mg-N/L、
風量削減率 16.9%が得られ、成果目標を達成した。また、経費回収年においても、処理規模 50,000
m3/日、DO 一定制御システムの処理場への導入時の経費回収年は 3.1 年となり、目標の 5.1 年より短い期間で経費を回収できる見込みが得られた。

91

表資 1-6 実証研究成果
項目

目標

成果

≦1.0mg-N/L○：平均濃度 0.33mg-N/L-

風量削減効果10%減○：風量16.9%減

従来DO一定制御比

経費回収年

5.1年

○：経費回収年3.1年

処理規模：50,000 m3/日
風量制御：DO一定制御
導入タイミング：制御システム新設・更新時

処理水質（平均NH4-N濃度）

1.2

備考

実証研究の詳細（①長期制御性、②目標可変性）(1) 運転条件
表資 1-7 に、平成 27 年度プロジェクトにおける①長期制御性の実証、②目標可変性の実証実
験の運転・流入条件を示す。なお、数値は各 Run の期間平均値である。①長期制御性の実証では、
Run 2-1, 2-2 として平成 27 年 7 月 18 日から平成 27 年 12 月 27 日かけて実施した。平均処理水
NH4-N 濃度が下回るべき値として処理水 NH4-N 目標値を定義し、1.0 mg-N/L に設定した。また、Run 2-1 と Run 2-2 ではそれぞれ下側 DO を 0.5 mg/L と 0.3 mg/L に設定し、下側 DO 設定
値による処理水質、風量削減率への影響を評価した。なお、上側 DO 設定値は全期間で 2.5 mg/Lに設定した。
②目標可変性の実証では、Run 1 では完全硝化運転を想定した処理水 NH4-N 目標値 0.1 mgN/L の条件で運転し、Run 3-1, 3-2 では硝化抑制運転を想定した処理水 NH4-N 目標値 2.0 mgN/L の条件で運転した。
表資 1-7 ①長期制御性の実証、②目標可変性の実証実験の運転・流入条件
Run

検討
内容

期間
(日数※)

水温
[℃]

処理水NH4-N
目標値[mg-N/L]

下側DO[mg/L]

流入
NH 4-N[mg-N/L]

初沈流出水
流量[m 3 /h]

MLSS[mg/L]

1②目標
可変性

Ｈ27/6/4 - H27/7/14
(38日)

24.5

0.1

0.50

18.2

290

2257

H27/7/18 - H27/8/4
(15日)

26.6

1.0

0.50

20.0

271

2335

H27/8/5 - H27/12/27
(83日)

27.4

1.0

0.30

19.9

271

2295

H28/1/7 - H28/1/17
(11日)

20.0

2.0

0.15

25.3

262

2335

H28/1/25 – H28/2/3
(8日)

18.7

2.0

0.30

21.6

289

2460

2-1
2-2
3-1
3-2

①長期
制御性

②目標
可変性

※ 既設運転、工事期間、非定常運転時をのぞく92

１. 実証研究結果(2) 評価項目①長期制御性、②目標可変性の実証実験では、運転期間中の処理水 NH4-N 濃度と風量削減率のそれぞれ平均値を評価項目とした。風量削減率は、実証系列の No.5 池と対照系列の No.6 池の風量を比較して算出する。しかし、同じ DO 一定制御条件下においても、No.5 池に比べて No.6 池
で風量が大きくなる傾向を確認した。風量は、生物処理での必要酸素量 1)、および散気装置の散気効率によって影響を受ける。そこで、必要酸素量および散気効率の違いを考慮して風量を補正し、風量削減率を算出した 2)。

(3) 本技術による実証運転結果
対照系列の No.6 池では、完全硝化運転を想定した DO 2.0 mg /L 一定制御により風量が制御され、実証期間中の平均処理水 NH4-N 濃度は 0.1 mg-N/L 未満となった。一方、No.5 池について、本技術による制御結果の例として、長期間連続で運転した平成 27 年 11 月 16 日～12 月 27 日の運転結果を図資 1-2 に示す。図資 1-2(a)に NH4-N 濃度を示し、図資 1-2(b)に風量および DO
濃度を示す。風量については比較のため対照系列 No.6 池の結果も示す。なお、結果は 1 時間平均値である。図資 1-2(a) に示すとおり、流入 NH4-N 濃度の日間変動、ならびに長期的な変動にも本技術は適切に対応し、制御の結果、処理水 NH4-N 濃度を目標値以下で運転されていることを確認した。図資 1-2(b)において、No.5 池の風量は No.6 池を常に下回った。また、DO 濃度は、下側 DO 設定値の 0.3 mg/L を底としつつ、流入変動に追随して変動した。これは、本技術は硝化制
御風量と下側 DO 制御風量のうち、より大きい風量を選択・出力するためであり（本編 §8 風量
演算方法の概要参照）、DO 濃度が下側 DO 設定値を下回らないように運転ができていたことを示している。なお、12 月 24 日に DO 濃度がゼロ付近となっているが、点検に伴うブロワ停止による影響のためであった。

93

35

NH 4-N濃度 [mg-N/L]

30

25

初沈流出水
無酸素1
好気2
処理水

20
15
10
5
0
11/16

11/21

11/26

12/1

12/6

12/11

12/16

12/21

12/26

(a) NH4-N 濃度

曝気風量 [m3/h]

1,500

3.0

曝気風量(No.5)
曝気風量(No.6)
DO(No.5)

2.5
2.0

1,000

1.5
1.0

DO濃度 [mg/L]

2,000

500
0.5
0
11/16

0.0
11/21

11/26

12/1

12/6

12/11

12/16

12/21

12/26

(b) 風量および DO 濃度
図資 1-2 ①長期制御性の実証実験における処理状況比較（1 時間平均）
表資 1-8 に、①長期制御性の実証、②目標可変性の実証結果のまとめを示す。①長期制御性の実証では、Run 2-1, 2-2 の合計 98 日間運転し、平均処理水 NH4-N 濃度 0.33 mg-N/L、風量削減
率は対照系列の No.6 池（DO 一定制御）と比べて 16.9%減となった。この結果より、処理水 NH4N 濃度を平均 1.0 mg-N/L 以下に制御しつつ、風量を 10%以上削減するという成果目標（表資 1-3参照）を達成した。また、②目標可変性の実証においても、いずれの処理水 NH4-N 目標値（0.1,
2.0 mg-N/L）に対しても平均処理水 NH4-N 濃度は下回り、複数の目標値に対して本技術の適用可能性を実証した。

94

１. 実証研究結果

表資 1-8平成 27 年度プロジェクトの実証運転結果のまとめ（①長期制御性の実証（目標 1.0 mg-N/L）、②目標可変性の実証（目標 0.1, 2.0 mg-N/L））※既設運転、工事期間、非定常運転時をのぞく

期間
(日数※)

Run

処理水NH4-N[mg-N/L]DO [mg/L]
下側DO

実測値

目標値

実測値

0.09

補正
風量削減率

1

H27/6/4 - 7/14
(38日)

0.50

0.85

0.1

2-1

H27/7/18 - 8/4
(15日)

0.50

0.58

1.0

2-2

H27/8/5 - 12/27
(83日)

0.30

0.45

1.0

0.36

17.7%

3-1

H28/1/7 - 1/17
(11日)

0.15

0.44

2.0

1.20

22.0%

3-2

H28/1/25 - 2/3
(8日)

0.30

0.14

12.9%
12.5%

0.33

16.9%

1.19
1.06

2.0

1.18

20.2%
17.8%

(4) 制御パラメータに関する検討
1) 下側 DO 設定値
長期制御性の実証において、Run 2-1 では下側 DO 設定値を適切と考えられる値（0.3 mg/L）
よりも高い 0.50 mg/L に設定し、処理水質、風量削減率に与える影響を検証した。表資 1-8 に示
すように、Run 2-1 では、DO 濃度は下側 DO 設定値に近い値で推移し、平均濃度は 0.58 mg/L となった。これは、下側 DO 設定値を高くしたことで下側 DO 制御風量の演算結果が大きくなり、
硝化制御風量に対して下側 DO 制御風量が長時間選択されたためである。そのため、Run 2-2 と比べて、処理水 NH4-N 濃度は目標値を大きく下回り、風量削減率も少なくなった。Run 2-1 の結果から、好気タンク DO 濃度が下側 DO 設定値付近で長時間一定となっており、処理水 NH4-N 濃
度が管理目標値から大きく下回っている場合は、下側 DO 設定値を低減することとした（本編 §30 制御システムの運転管理参照）。
2) 中間処理率
本編 §8 風量演算方法の概要において述べたように、本技術では、設定パラメータとして中間処理率を設定し、第 2NH4-N センサーの設置位置での NH4-N 濃度（中間 NH4-N 予測値）を予測し、FF 制御風量、FB 制御風量の演算に反映する。中間処理率は、好気タンク全体のうち、第 2NH4N センサーまでに処理される NH4-N 濃度の割合として設定する。中間処理率を高く設定すると処理水 NH4-N 濃度は低くなり、中間処理率を低く設定すると処理水 NH4-N 濃度は高くなると想定される（本編 §29 制御システムの立上げ（初期設定）参照）。そこで、実証実験では、複数の中間処理率のもとで運転し、中間処理率と処理水質との関係を検証した。図資 1-3 に、Run 295

2（管理目標値 1.0 mg-N/L、下側 DO 0.3 mg/L）における中間処理率の設定値と、設定期間における処理水 NH4-N 濃度の平均値を示す。図資 1-3 において、一部データを除き、中間処理率が高くなるにつれて処理水 NH4-N 濃度が低下することを確認した。なお、NH4-N センサーの測定
誤差の影響で処理水 NH4-N 濃度が高くなった場合があったが、中間処理率を 0.74 以上と高く設定していたため、目標の 1.0 mg-N/L を大きく超過することなく運転できた。
以上の結果より、処理水 NH4-N 濃度が目標値と乖離した場合、原因の一つに中間処理率の設定
値が高すぎる、もしくは低すぎることが考えられ、中間処理率の調整により運転を適正化できる
見通しを得た（本編 §32 緊急時の対応と対策参照）。また、活性汚泥の処理特性の急変や NH4N センサーの異常による水質悪化を回避するため、予め高めに中間処理率を設定することが有用であると考えた。

処理水NH4 -N濃度 [mg-N/L]

3.0

2.0

1.0

0.0
0.59

0.64

0.69

0.74

0.79

0.84

0.89

中間処理率 [-]

図資 1-3

中間処理率と処理水 NH4-N 濃度の関係 (Run 2-2)(5) NH4-N センサーに関する検討
表資 1-9 に、本実証で使用した NH4-N センサーの仕様を示す。使用した NH4-N センサーの電極寿命は 6 ヶ月とされており、校正時に定量化した電極性能によって電極交換の要否を判断することとなっている。本実証で使用した NH4-N センサーの電極寿命については後述する。また、測定精度は標準液にて測定値の 5% + 0.2 mg-N/L とされているが、試料水の条件によって変動するため、本実証における NH4-N センサーの測定誤差についても評価した。

96

１. 実証研究結果

表資 1-9 本実証で使用した NH4-N センサーの仕様
項目

仕様

メーカー

HACH 社（日本代理店： 東亜 DKK 社）

測定対象

アンモニウムイオン

測定方式

イオン電極式連続測定

測定範囲

NH4-N: 0.2～1,000 mg-N/L

測定精度

標準液にて測定値の 5% + 0.2mg-N/L

電極交換周期

6 ヶ月

校正頻度

1 回/月（標準液にて 2 点校正）
1 回/月（手分析値への合わせこみ 1 点校正）

電極交換規準

校正時に電極性能値（起電力特性等）を表示、一定規準に基づき交換

図資 1-4 に、霞ケ浦浄化センターで実証運転を開始した平成 26 年 1 月 23 日から平成 28 年 3月 31 日までの NH4-N センサー電極の使用実績を示す。図資 1-4 では平成 28 年 3 月 31 日時点
で使用中の電極のうち、使用実績が 4 ヶ月未満のものは評価から除外した。また、4～6 ヶ月使用実績があるもので、メーカーのもつ交換規準に達していないにも係らずスケジュールの都合で交換したもの、および平成 28 年 3 月 31 日時点で使用中のものは、電極性能の状況から 6 ヶ月以上使用可能であったと仮定した。本実証における NH4-N センサーの測定範囲としては初沈流出水
で平均 19.2 mg-N/L から、No.6 池の処理水で平均 0.1 mg-N/L であったが、電極寿命は測定対象濃度の濃淡に係らず、概ね仕様の 6 ヶ月で運用できた。なお、使用実績が 4 ヶ月未満と短かった
電極 11 台のうち、メーカー不良対策前のロットが 8 台あった。不良対策後のロットからは概ね安定した使用実績が得られた。

NH4-Nセンサ－台数 [台]162016年3月31日時点で使用中
または交換規準未達で交換

14
12

10
8

メーカー対策前ロット

6
4
2
0
0-2ヶ月
図資 1-4

2-4ヶ月

4-6ヶ月

6ヶ月以上

NH4-N センサー電極の使用実績

97NH4-N センサーの測定誤差に関して、設置地点ごとの平均値を図資 1-5 に示す。横軸が校正時に手分析により計測した NH4-N 濃度であり、縦軸が手分析値と NH4-N センサーの指示値の誤差の絶対値である。誤差範囲は標準偏差を表している。手分析値が高くなるにつれ、誤差の絶対値も増加しており、その関係から近似直線を導出すると、誤差は手分析値の 10%+0.2 mg-N/L として表された。なお、手分析値に対する計測値の誤差の歪度は全 10 台のうち 8 台で正となり、手分
析値に対して計測値は正の誤差をもつ傾向が確認された。
手分析値との誤差（絶対値）[mg-N/L]5

好気2(No.5)

4

好気１ 無酸素１(No.5) (No.5, 6)

最初沈殿池流出水（No.5, 6）

好気3(No.5), 好気2(No.6)
処理水(No.5, 6)

3

y = 0.098x + 0.2
R² = 0.96

2
1
0

0

5

10

15

20

25

手分析値 [mg-N/L]

図資 1-5

NH4-N センサーの測定誤差（設置地点ごとの平均）(6) 処理特性見える化機能に関する検討
処理特性モデルは、NH4-N 濃度減少量（実績値）と累積必要風量（実績値）の関係を一次関数で表したものであり、実績値に基づき自動更新される。そこで、処理特性モデルに基づき、所定の NH4-N 濃度減少量に対する必要風量（以下、処理特性風量）を演算し、日々の変動を記録していくことで、活性汚泥の処理特性の変化や NH4-N センサーの異常、または運転異常を見える化できると考えた。以下、処理特性モデルを用いた処理特性の見える化機能について検討した。
1) 処理特性の見える化機能の検証
処理特性モデルによる見える化機能の検証のため、1 日ごとに過去 24 時間分の実績値に基づき処理特性モデルを作成し、処理特性風量として 6 mg-N/L の NH4-N を処理するのに必要な風量を演算した。図資 1-6 に、月ごとの処理特性風量の平均値を水温の平均値と併せてプロットした。
水温は 8 月まで上昇し、8 月に平均 27.5℃と最も高くなった。水温の上昇に伴い、処理特性風量は低下しており、微生物の活性が上昇したと考えられた。8 月以降水温は低下したが、処理特性の大きな変動は長期的には確認されなかった。

98

１. 実証研究結果

30.0
25.0

1,500

20.0
1,000

15.0
処理特性風量

10.0

水温

5.0

水温 [℃ ]

処理特性風量(6mg-N/L) [m3]

2,000

500

0

0.0

6月

7月

8月

図資 1-6

9月

10月

11月

12月

1月

処理特性の季節変化

短期的な処理特性の変動の例として、図資 1-7 に、平成 28 年 1 月における 1 日ごとの処理特性風量の変動を示す。1 月 18 日に 55 mm/日の降雨が発生したため、水温は 1 月 17 日の 19.6℃から 1 月 18 日には 16.6℃と 3℃低下し、その後も約 19℃と降雨前と比べて低い水温で維持した。
また、1 月 21 日、22 日は DO 計の点検工事のため、風量一定制御に切り替わるなど非定常な運転となっていた。処理特性風量をみると、水温低下による変動が確認された。1 月 18 日から 1 月
22 日に掛けて非定常運転による大きな変動があったため、1 月 17 日以前と、変動が小さくなった 1 月 23 日以降で処理特性風量を比較した。その結果、1 月 17 日以前は平均 1230 m3 であったのに対し、1 月 23 日以降では 1370 m3 と約 1 割上昇した。水温低下により活性汚泥の活性が低下し、NH4-N 処理に必要な風量が増加したためであると考えた。
以上の結果より、処理特性風量を用いて、水温による長期的、短期的な微生物の処理特性の変化を見える化できた。

99

25.0

20.0

1,500

15.0

1,000
10.0

水温 [℃ ]

処理特性風量(6 mg-N/L) [m3]2,000

処理特性風量
500

水温

5.0

0

0.0
1/1

1/6

1/11

1/16

1/21

1/26

1/31

図資 1-7 平成 28 年 1 月における短期的な処理特性の変化

2) 処理特性モデルを用いた運転管理方法の高度化の検討
本技術による運転において、活性汚泥の処理特性の急変や、センサー劣化も含めた運転異常を早期に把握できれば、重大な水質悪化が生じる前に、制御パラメータの調整や NH4-N センサーの校正、電極交換など適切な対応（本編 §32 緊急時の対応と対策参照）を図ることができる。そこで、処理特性モデルを用いて処理特性風量の変動を追跡し、確からしい処理特性風量との比較により、活性汚泥の処理特性の大幅な変化や NH4-N センサーの異常の発生を検知する方法（本編§30 制御システムの運転管理参照）を検討した。以下、処理特性モデルを用いた運転管理方法について、実証研究での検討結果について述べる。
本実証で検討した運転管理方法について概説する。本実証では、確からしい処理特性風量の範囲として、NH4-N センサー校正翌日 24 時間分の実績値に基づく処理特性モデルから算出した処
理特性風量の±x %とした（x：設定値）。図資 1-8 に、しきい値の範囲を±5%とした際の処理特性風量との関係を示す。図資 1-8 に示した処理特性風量は、1 日ごとに過去 24 時間分の実績値に基づく処理特性モデルより算出したものである。また、しきい値は、NH4-N センサーの校正に合わせて設定し、次の校正までの間、変動検知の基準として用いた。処理特性風量の変動の原因としては、活性汚泥の処理特性の変化や NH4-N センサーの計測誤差が考えられる。ここで、処理
特性風量の変動の追跡により、NH4-N センサーの計測誤差を検知できるか検証した。NH4-N センサーの誤差については、図資 1-5 の結果から 10%+0.2 mg-N/L を基準とし、本手法による NH4N センサーの測定誤差の検知結果を表資 1-10 に示す。なお、表資 1-10 の結果は平成 27 年度プ
ロジェクトにおける約 8 ヵ月間の運転結果に基づくものである。本手法を用いることで、10%+0.2
mg-N/L 以上の NH4-N センサーの測定誤差を第 1NH4-N センサー（無酸素タンク 1）では 87%、
第 2NH4-N センサー（好気タンク 2）では 79%の割合で検知できた。また、NH4-N センサーの測100

１. 実証研究結果

定誤差が 10%+0.2 mg-N/L 未満であり、微生物の処理特性の変化など NH4-N センサー以外の要因によるものは 8 回となった。
以上の結果より、処理特性風量の変動を監視することで、NH4-N センサーの異常などを検知できる見通しを得た（本編 §30 制御システムの運転管理参照）。なお、しきい値の範囲を小さくすることで、NH4-N センサーの誤差の検知率も高くなるが、センサー誤差以外の要因である処理
特性のわずかな変動まで検知してしまい、維持管理上の効率性が低下するため（図資 1-9 参照）、
運転状況や NH4-N センサーの測定精度を考慮して、しきい値の範囲を設定することが望ましい。

処理特性風量(6 mg-N/L) [m3]3,500
処理特性風量3,000

上側しきい値

下側しきい値

2,500

2,000
1,500
1,000
500
0

6/1

7/1

図資 1-8
表資 1-10

8/1

9/1

10/1

11/1

12/1

1/1

2/1

処理特性風量およびしきい値となる風量の変動

処理特性風量による NH4-N センサーの測定誤差の検知結果（しきい値：±5%）

NH4-Nセンサーの計測誤差≧10%+0.2 mg/L
＜10%+0.2 mg/L

設置位置

回数（校正時）

変動検知

検知率

無酸素1

9

8

89%

好気2

19

15

79%

無酸素１
好気２

28

8

ー

101

100

NH4-Nセンサー（好気2）NH4-Nセンサー以外の要因

80

12

9

60
6

40

3

20

0

NH4 -Nセンサー以外の要因による検知数 [-]NH4 -Nセンサーの誤差（10%以上）の検知率 [%]15
NH4-Nセンサー（無酸素1）

0
0

5

10

15

基準処理特性風量に対するしきい値の割合[%]

図資 1-9

しきい値の設定範囲に対する NH4-N センサー誤差の検知率、
NH4-N センサー以外の要因の検知数

1.3

実証研究（③複数系列制御方式の実証）の詳細(1) 展開池における DO 可変制御の設定値の設定方法
本技術を複数の池、系列に適用する場合、導入コストの低減のため、NH4-N センサーの設置を代表池に限定する複数系列制御方式を導入することも可能である（本編 §9 複数系列における風量制御方式の概略参照）。複数系列制御方式では、代表池には NH4-N センサーを設置し、NH4N センサーの計測値を用いて風量制御を実施する。一方、展開池では、代表池の DO 濃度を補正して展開し、DO 可変制御を実施する。展開池での DO 設定値は、代表池と同程度の処理水 NH4N 濃度となるように、代表池の DO 濃度を補正する必要がある。NH4-N の処理では、反応速度（DO 濃度の関数）、処理時間（流入流量の関数）、MLSS 濃度に影響を受ける。そこで、展開池
では、式(資 1.1)に基づき、代表池の DO 濃度を流入流量、MLSS 濃度により補正した値を DO
設定値とした。
′′
𝑄𝑖𝑛_𝑎𝑣(𝑡) 𝑀𝐿𝑆𝑆𝑎𝑣𝐷𝑂′ (𝑡 + 𝛥𝑡)
𝐷𝑂𝑎𝑣 (𝑡)(𝑡)=∙÷𝐾 ′ + 𝐷𝑂′ (𝑡 + 𝛥𝑡) 𝐾 + 𝐷𝑂𝑎𝑣 (𝑡) 𝑄𝑖𝑛_𝑎𝑣 (𝑡) 𝑀𝐿𝑆𝑆𝑎𝑣 (𝑡)(資 1.1)

ここで、𝐷𝑂′ (𝑡 + 𝛥𝑡) [mg/L]: 時刻𝑡 + 𝛥𝑡における展開池の DO 設定値、𝐷𝑂𝑎𝑣 (𝑡) [mg/L]: 時刻𝑡
における代表池の DO 濃度平均値、𝑄𝑖𝑛_𝑎𝑣 (𝑡) [m3/h]: 時刻𝑡における代表池の流入流量平均値、
𝑄′𝑖𝑛_𝑎𝑣 (𝑡) [m3 /h]: 時刻𝑡における展開池の流入流量平均値、𝑀𝐿𝑆𝑆𝑎𝑣 (𝑡) [mg/L]: 時刻𝑡における代表
池の MLSS 濃度平均値、𝑀𝐿𝑆𝑆′𝑎𝑣 (𝑡)[mg/L]: 時刻𝑡における展開池の MLSS 濃度平均値、𝐾 [mg/L],
𝐾′ [mg/L]: 補正係数である。なお、各項目の平均値は過去所定期間における平均値とする。本技

102

１. 実証研究結果

術導入時の補正係数𝐾, 𝐾 ′ の調整方法については、資料編 3 複数系列制御方式の立ち上げ方法 を参照のこと。

(2) 実証方法③複数系列制御方式の実証実験では、No.5 池を代表池、No.6 池を展開池とし、式(資 1.1)に基づく No.6 池の DO 設定値での DO 可変制御により、No.6 池の NH4-N の処理状況が No.5 池と同等となるか検証した。実証実験は 2 回実施し、1 回目は平成 27 年 8 月 26 日～8 月 28 日、2 回目
は平成 27 年 10 月 19 日～10 月 21 日のそれぞれ 3 日間実施した。なお、1 回目の 8 月 26 日、27
日はそれぞれ DO 可変制御の制御性の検証、式(資 1.1)における補正係数の調整期間とした。
複数系列制御方式の実験条件を表資 1-11 に示す。実証期間中は 2 池で同時に低風量運転となり、制御失敗時には極端に水質が悪化する恐れがあるため、No.5 池の処理水 NH4-N 目標値は 0.5
mg-N/L に設定した。No.6 池の DO 設定値は、式(資 1.1)において、過去 30 分、もしくは 15 分の No.5 池の DO 濃度、No.5 池、No.6 池の流入流量、MLSS 濃度のそれぞれ平均値を代入して算出した。また、展開池の補正係数𝐾′は 0.1 とし、代表池の補正係数𝐾は 1 回目の 8 月 28 日、2 回目の 10 月 19~20 日は 0.2、2 回目の 10 月 21 日は 0.3 とした。No.6 池の制御システムは既存設備であり、自動的に DO 設定値を変更する仕様となっていなかったため、式(資 1.1)により算出した DO 設定値を 15 分ごとに手入力した。また、夜間（21 時～翌日 9 時）においては、硝化制御風量が下側 DO 制御風量を下回る時間が長いため、両池とも DO 一定制御とした。式(資 1.1)
において DO 濃度が小さくなる No.6 池に対して下側 DO 設定値を 0.5 mg/L に設定し、No.5 池の DO 設定値は式(資 1.1)での演算結果に従い、1.0 mg/L に設定した。
表資 1-11
期間

H27/8/28
H27/10/19 –10/20
H27/10/21

複数系列制御方式における実験条件

池

処理水NH4-N
目標値[mg-N/L]

補正係数
K, K’

式(資1.1)における流入流量・MLSS濃度

夜間（21時～翌日9時）の
運転方法

No.5

0.5

0.2

DO 1.0 mg/L一定制御

No.6

-

0.1

過去30分間の
平均値

No.5

0.5

0.2

No.6

-

0.1

No.5

0.5

0.3

No.6

-

0.1

DO 0.5 mg/L一定制御
DO 1.0 mg/L一定制御

過去15分間の平均値

DO 0.5 mg/L一定制御--(3) 評価項目③複数系列制御方式の実証実験では、No.5 池、No.6 池の NH4-N の処理状況の同一性を表す指標として、無酸素タンク 1 から好気タンク 2 までの NH4-N 濃度減少量∆𝑁𝐻4 を評価項目とした。
∆𝑁𝐻4 の算出式を式(資 1.2)に示す。夜間（21 時～翌日 9 時）の DO 一定制御期間においても、式(資 1.1)に基づき DO 濃度を設定しているため、夜間の運転データも評価期間に含めた。
103

(資 1.2)∆𝑁𝐻4 = 𝑁𝐻A1 − 𝑁𝐻O2

ここで、∆𝑁𝐻4 [mg-N/L]：無酸素タンク 1 から好気タンク 2 までの NH4-N 濃度減少量、𝑁𝐻A1[mg-N/L]：無酸素タンク 1 の NH4-N 濃度、𝑁𝐻O2 [mg-N/L]：好気タンク 2 の NH4-N 濃度とした。なお、無酸素タンク 1、好気タンク 2 の NH4-N 濃度は、実験期間の平均値とした。

(4) 実証結果式(資 1.1)における補正係数を調整するため、第 1 回目の実証に先立ち 8 月 27 日に試運転を実施した。図資 1-10 に試運転の結果として、No.5 池、No.6 池での DO 濃度に対する NH4-N 濃度
減少量∆𝑁𝐻4 の関係を示す。同じ DO 濃度での NH4-N 濃度減少量を比較すると、特に 0.5 mg/L 以
下の低 DO 領域で No.6 池の方が多くなった。これは、各好気タンクへの風量配分の違いにより、
好気タンク末端（好気タンク 3）での DO 濃度が同じでも、No.6 池の方で硝化が進行した可能性があると考えた。そこで、No.5 池と No.6 池で NH4-N の処理状況を揃えるため、No.5 池の DO濃度に対して No.6 池の DO 設定値が低くなるように、式(資 1.1)において No.5 池（代表池）の補正係数𝐾を 0.2 もしくは 0.3 としたのに対し、No.6 池（展開池）の補正係数𝐾 ′ を 0.1 と低く設定した。

NH 4-N濃度減少量 [mg-N/L]

10

8
6
4
No.5池
No.6池

2
0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

好気タンク3のDO濃度 [mg/L]
図資 1-10No.5 池、No.6 池の DO 濃度に対する NH4-N 処理濃度の関係

第 2 回目（平成 27 年 10 月 19 日～10 月 21 日）の結果を例として、複数系列制御方式の実証実験における No.5 池、No.6 池の DO 濃度の推移を図資 1-11 に示し、No.5 池、No.6 池の無酸素タンク 1 から好気タンク 2 における NH4-N 濃度減少量を図資 1-12 に示す。第 2 回目の実証実
104１. 実証研究結果

験は 10 月 19 日 14 時から開始し、10 月 21 日 21 時に終了した。図資 1-11 において、日中（9時～21 時）の No.6 池は DO 可変制御であり、No.5 池の DO 濃度に追随して No.6 池の DO 設定
値、および DO 濃度も変動していた。夜間（21 時～翌日 9 時）では、No.5 池、No.6 池はそれぞれ 1.0 mg/L、0.5 mg/L を設定値とする DO 一定制御とした。なお、10 月 20 日 14 時の DO 濃度の変動は、霞ケ浦浄化センターでのブロワ運転の手動介入による曝気風量の急増によるものであった。図資 1-12 において、No.5 池、No.6 池の無酸素タンク 1 から好気タンク 2 までの NH4-N
濃度減少量を比較すると、概ね同程度であり、No.6 池の DO 可変制御により No.5 池と同様のNH4-N 処理状況を再現できた。なお、10 月 20 日は、上記のブロワ運転の手動介入に加え、No.5
池の NH4-N センサー校正時の人為的ミス（計測値ホールド）があったため、10 月 20 日の 9 時～
21 時は本評価の対象から除外した。

DO濃度 [mg/L]

2.0

No.5池（実測）No.6池（実測）No.6池（設定）

1.5

1.0
0.5
0.0
12:00

18:00

10/19

0:00

6:00

12:00

18:00

10/20

0:00

6:00

12:00

18:00

0:00

10/21

図資 1-11 複数系列制御方式の実証実験における DO 濃度の推移（第 2 回目）

NH4-N濃度減少量 [mg-N/L]

10
8
6
4

No.5池
No.6池

2
0
12:00
10/19

18:00

0:00

6:00

12:00

18:00

10/20

0:00

6:00

12:00

18:00

0:00

10/21

図資 1-12 複数系列制御方式の実証実験における NH4-N 処理濃度の推移（第 2 回目）
表資 1-12 に複数系列制御方式の実証結果を示す。第 1 回目、第 2 回目の合計 48 時間の実証実験の結果、No.5 池、No.6 池の NH4-N 濃度減少量の平均差分量は 0.24 mg-N/L となり、十分小さ

105

くなった。このことから、短期間での実証結果ではあるものの、展開池においても複数系列制御
方式を適用することで、代表池と同様の NH4-N 処理が可能であることを確認できた。
表資 1-12 複数系列制御方式の実証結果のまとめ

計測値

無酸素1

好気2

処理水

ΔNH 4
(無酸素1－好気2)[mg-N/L]

5

0.99

7.80

2.32

0.52

5.48

6

0.59
（設定値:0.73）

7.02

1.20

0.10

5.83

H27/10/19 14時H27/10/21 21時(※)（43時間）

5

0.81

6.90

1.72

0.13

5.18

6

0.42
（設定値：0.43）

6.54

1.13

0.10

5.40

実証期間
（計48時間）
の平均

5

0.83

6.99

1.78

0.17

5.21

6

0.44
（設定値：0.46）

6.59

1.14

0.10

5.45

DO [mg/L]
期間

池

H27/8/28
10時-15時（5時間）

NH4-N濃度 [mg-N/L]

差分[mg-N/L]

0.35

0.23

0.24

※10/20 9時-21時データは除く(5) 適用条件に関する検討
本編 §10 制御システムの適用範囲において、複数系列制御方式を適用できる展開池の条件として、代表池と同一の処理方式、躯体構造仕様であること、流入水質が同様であること、流入流量、循環比、返送比、MLSS 濃度が同様に調整されていること、SRT が同程度で運転されていることとした。実証実験において代表池・展開池としてそれぞれ設定した No.5 池、No.6 池の流入・運転条件を表資 1-13 に示す。循環比、返送比はほぼ同等に調整されており、流入水質として流入
NH4-N 濃度も同等であった。一方、流入流量は最大 4%、MLSS 濃度は最大 8%のずれがあったが、複数系列制御によりこれらの違いを補正することで、表資 1-12 に示したように、No.5 池、No.6 池で同等の処理状況となった。詳細なデータは取得していないが、流入量、返送比、MLSS
濃度が同程度に調整されているため、SRT に関しても同程度で運転されていたといえる。実証実験結果より、表資 1-13 で示した範囲の流入・運転条件の差異であれば、展開池として複数系列制
御方式を適用できることを確認した。

106

１. 実証研究結果

表資 1-13

実証実験における代表池（No.5 池）・展開池（No.6 池）の流入・運転条件

実験
期間
H27/8/28（5時間）
H27/10/19– 10/21（43時間）

1.4

系列

平均
流入流量 循環比 返送比[m3/h]

MLSS濃度[mg/L]

流入NH4-N
濃度[mg-N/L]

No.5池

269

1.51

0.51

2259

22.2

No.6池

276

1.51

0.50

2113

22.7

No.5/No.6

0.98

-

-

1.07

-

No.5池

265

1.49

0.47

2535

19.8

No.6池

275

1.48

0.45

2354

19.3

No.5/No.6

0.96

-

-

1.08

-

実証研究（④採水・採ガス調査）の詳細(1) 調査方法
実証系列の No.5 池、対照系列の No.6 池の詳細な処理状況、および温室効果ガス(N2O)排出量を比較するため、平成 27 年 9 月、11 月、12 月の計 3 回通日採水・採ガス調査を実施した。表資
1-14 に採水・採ガス調査の概要を示す。調査は通日で実施し、初沈流出水については流入変動の把握のため 4 時間ごとに、反応槽および処理水、返送汚泥については 8 時間ごとに採水・採ガス
し、処理状況及び N2O 排出状況を評価した。
表資 1-14

採水・採ガス調査の日時、計測地点
計測地点（○：採水、●：採水＋DO・ORP計測＋採ガス）

調査日

・第1回：H27/9/2～H27/9/3

時刻

1日目

・第2回：H27/11/17～H27/11/18
・第3回：H27/12/15～H27/12/16

2日目

初沈
流出水

無酸素タンク

好気タンク

１槽

２槽

１槽

２槽

３槽

処理水

返送
汚泥

12時

○

-

-

-

-

-

-

-

16時

○

○

○

●

●

●

○

○

20時

○

-

-

-

-

-

-

-

0時

○

○

○

●

●

●

○

○

4時

○

-

-

-

-

-

-

-

8時

○

○

○

●

●

●

○

○

表資 1-15 に分析項目とそれぞれの分析方法、分析に使用した機器、計測した地点を示す。有機物成分として、TOC（全有機炭素：Total Organic Carbon）、BOD（生物化学的酸素要求量：
Biochemical Oxygen Demand）、COD（化学的酸素要求量：Chemical Oxygen Demand）を測定した。窒素成分として、全窒素、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素、またガス成分
として温室効果ガスの N2O ガスも測定した。リン成分として、全リン、リン酸態リンを測定した。
その他の項目として、アルカリ度、SS（浮遊物質：Suspended Solids）、MLSS（活性汚泥浮遊107

物質：Mixed Liquor Suspended Solids）、MLVSS（活性汚泥有機性浮遊物質：Mixed Liquor
Volatile Suspended Solids）、総アルカリ度、DO、ORP（酸化還元電位：Oxidation-Reduction
Potential）、水温を計測した。表資 1-15 において○を記した溶解性成分に関しては、採取後直ちに 5C ろ紙（Advantec 社製）でろ過した。◎を記したアンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸
性窒素はさらに 0.2 µm フィルタ（Advantec 社製、DISMIC 13CP020AN）でろ過し、そのろ液を分析に供した。また、N2O ガスは図資 1-13 に示す採取方法に従い、好気タンクの水面に設置したチャンバーを通じて放出ガスをテドラーバッグ（容量 10L）に回収した。

108

-

○
○
○

●
●
●

●

Shimadzu：
TNM1

JIS K0102 21

JIS K0102 17

JIS K0102 20

熱分解／NO検出（化学発光法）

BOD

COD_MnCOD_Cr

全窒素

109
-

-

YSI：550A
東興化学研究所：
TRX-999-

JIS K0102 46.3

JIS K0102 46.1

JIS K0102 15.1

遠心分離法

強熱減量法

隔膜式電極（ポーラログラフ式）

ORP電極

定量リアルタイムPCR
次世代シーケンス解析

全リン

リン酸態リン

アルカリ度

SS・MLSS

MLVSS

DO

ORP・水温

微生物
群集解析

-

-

HORIBA：VA-3001

非分散形赤外線ガス分析法（NDIR法）

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

○

●

-

-

-

-

-

-

-

-

-

●

●

●

-

-

-

●
●
●
●

-

-

●
●

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

●

-

-

-

-

-

-

●

-

-

-

除去率

-

-

-

-

-

●

-

○

●

排出係数
-

△
△

-

△

-

-

◎
◎
◎
◎

◎

◎

◎

◎
-

-

◎
◎
◎
◎

◎

◎

◎

◎

処理水水質
◎
◎
◎

◎

◎

◎

◎

◎

-

-

-

N2Oガス

亜硝酸性窒素

硝酸性窒素

イオンクロマトグラフ法-

Shimadzu：
CDD-10AVP等
陰カラム IC-A3
陽カラム IC-C1

除去率
○
●

-

○

-

-

除去率

-

○

-

-

-

●
-

○

●

処理水

○

-

-

-

○

３槽

○

-

-

-

○

２槽

評価・試算
項目

○

-

-

-

○

１槽

返送
汚泥

○

-

-

-

○

２槽

好気タンク

表資 1-15

アンモニア性窒素○○●

Shimadzu：
TOC-VCSH

１槽

680℃燃焼触媒酸化方式／
非分散形赤外線ガス分析法（NDIR法）

ろ過

無酸素タンク

TOC

未ろ過

初沈流出水

使用機器

分析方法

分析項目

計測地点
（●：未ろ過、○：５Cろ紙でろ過、◎：５Cろ紙⇒0.2µmフィルターでろ過、△：採ガス）

１. 実証研究結果

採水・採ガス調査における分析項目・分析方法

好気槽曝気ガス採取

曝気ガス
（採取）

チューブ

N 2O

チャンバー固定具

チャンバー

好気槽
反応液

【ガス採取方法】
チャンバーを曝気槽に設置し，曝気ガスだけをテドラーバックに採取

図資 1-13

N2O ガス採取方法(2) 評価項目
採水・採ガス調査では、処理水質および除去率（BOD、全窒素、アンモニア性窒素、全リン）、
N2O 排出係数を評価項目とした。除去率は式(資 1.3)に従い、対象項目の流入水濃度と処理水濃度のそれぞれ平均値から算出した。

除去率 [%] = (1 −処理水濃度
) × 100
流入水濃度(資 1.3)

水処理系列からの N2O ガスの排出量を表す指標として、N2O 排出係数を用いた。N2O 排出係数は、1 m3 の下水を処理する際に放出される N2O 量であり、式(資 1.4)に従って算出した。なお、各系列の 3 つの好気タンクには均等に空気が供給されるものとした。
N2O 排出係数 [mg-N2O/m3] =∑3i=1 𝐶𝑁2𝑂_𝑖1
44273.15
𝑄𝐵
= ×∑
×
×
×
6
3
3 × 100.0224 273.15＋𝑇 𝑄𝑖𝑛(資 1.4)

ここで、𝐶𝑁2𝑂_𝑖 [ppm]：採ガス時刻における好気タンク𝑖での N2O ガス濃度（𝑖=1, 2, 3）、𝑇 [℃]：
採ガス時刻における水温、𝑄𝑖𝑛 [m3/h]：採ガス時刻における初沈流出水流量、𝑄𝐵 [m3/h]：採ガス
時刻における風量とした。また、式中の 44 は N2O のモル質量 [g/mol]、0.0224 は 標準状態での気体 1 mol の体積[m3/mol]、273.15 は 0℃のときの絶対温度 [K]である。

(3) 調査結果
採水調査では、No.5 池、No.6 池の初沈流出水から処理水、返送汚泥までの各地点で採水し、詳
細な処理状況を把握した。詳細な処理状況の例として、図資 1-14(a)に第 3 回採水調査（平成 27
年 12 月 15 日、12 月 16 日）の NH4-N 濃度の結果を示し、図資 1-14(b)に全窒素濃度の結果を示す。濃度は通日平均値である。従来制御である DO 一定制御の No.6 池では、好気タンク 2 に110

１. 実証研究結果

おいて既に NH4-N 濃度が不検出となっており、好気タンク 3 への曝気が過剰となっていた。一方、本技術を適用した No.5 池では硝化をより適正化し、過剰曝気となっている領域を削減できた。図資 1-14(b)において、No.5 池、No.6 池の全窒素濃度を比較すると、No.5 池では好気タン
ク内で全窒素濃度が減少しており、No.6 池と比べて処理水濃度は低くなった。これは、No.5 池では本技術導入により、従来の DO 一定制御に比べて低 DO 濃度での運転となり、好気タンク内においても硝化と並行して脱窒が進行したためと考えた。

平均NH4 -N濃度 [mg/L]

20

15
No.5池

No.6池
10

5

0
初沈ろ過

無酸素１

無酸素２

好気１

好気２

好気３

処理水

(a) NH4-N

平均全窒素濃度 [mg-N/L]

25

20
No.5池

15

No.6池

10

5

0
初沈

初沈ろ過

無酸素１

無酸素２

好気１

好気２

好気３

処理水

(b) 全窒素
図資 1-14 第 3 回採水調査結果による処理状況の比較
採ガス調査では、温室効果ガスである N2O 排出状況を比較した。図資 1-15 に第 3 回採ガス調査における N2O 排出状況を示す。図資 1-15(a)が No.5 池の N2O ガス濃度、図資 1-15(b)が No.6
池の N2O ガス濃度である。No.6 池に比べて、No.5 池の N2O ガス濃度は低くなった。好気タン
クの前段部分での硝化を抑え、後段部分でより促進させた場合、N2O の排出量の削減効果がある
111

ことが報告されている 3)。図資 1-15(a)に示したように、本技術を適用した No.5 池では、硝化がより適正に制御され、前段部分での硝化が緩やかになったため、N2O ガス濃度も低くなったと考
えた。
10.0

12/15 16時
12/16 0時

8.0

N 2Oガス濃度 [ppm]N2Oガス濃度 [ppm]

10.0

12/16 8時

6.0
4.0
2.0

0.0

12/15 16時
12/16 0時

8.0

12/16 8時

6.0
4.0
2.0

0.0
好気１

好気２

好気３

好気１

(a) No.5 池
図資 1-15好気２

好気３(b) No.6 池

採ガス調査による N2O ガス濃度（第 3 回採水調査）

採水・採ガス調査結果における No.5 池、No.6 池の処理状況、N2O 排出状況を比較するため、BOD、全窒素、NH4-N、全リンの除去率、N2O 排出係数、および調査期間中の平均風量、風量削減率を表資 1-16 に示す。No.5 池の BOD、全リン、NH4-N の除去率は No.6 池と同程度であり、全窒素については No.6 池に比べて高い除去率が得られた。N2O については、No.5 池での排出係
数は No.6 池に比べて低くなった。また、No.5 池、No.6 池ともに水温の低下に伴って N2O 排出係数は増加したが、No.5 池の排出係数については最も高くなった 12 月の結果においても、窒素除去を行う処理法における N2O 排出係数 11.7 mg-N2O/m3 4)を下回った。採水調査期間の風量削減率についても、本研究の目標である 10%以上の削減率を達成した。以上の結果から、実証実験
では、本技術導入により、風量の削減、水質の維持･向上を両立でき、N2O 排出量の増加にも寄与しないことが示唆された。

112

１. 実証研究結果

表資 1-16

採水・採ガス調査結果における処理状況・N2O 排出状況の比較

項目

系列

第１回
(H27/9)

第２回(H27/11)

第３回(H27/12)水温[℃]

No.5池, No.6池

27.0

22.9

21.8

BOD除去率
[%]

No.5池

98

96

95

No.6池

98

96

95

全窒素除去率
[%]

No.5池

74

77

78

No.6池

68

70

71

NH4-N除去率
[%]

No.5池

99

100

98

No.6池

100

100

100

全リン除去率
[%]

No.5池

100

99

96

No.6池

96

97

94

N2O排出係数[mg-N2O/m3]

No.5池

0.00

0.24

2.52

No.6池

0.00

10.0

17.2

平均風量
[m3/h]

No.5池

755

782

745

No.6池

976

1067

1084

風量削減率（補正） [%]

18.5

16.4

21.1

113

2 導入効果検討における風量削減率の試算方法

2.1

硝化目標達成位置の算出式

本編 §19 導入効果の検討に示したように、本技術の導入効果を検討する際に、処理場の状況に応じて 3 つの風量削減率の試算方法（試算方法 A, B, C）を設定した。そのうち、試算方法 A,
B では、好気タンク内の NH4-N 濃度履歴と処理水 NH4-N 目標値との交点（硝化目標達成位置）に基づき風量削減率を試算する。本編 §19 導入効果の検討(1) 硝化目標達成位置では、NH4-N
濃度履歴のグラフを用いて試算する方法を述べたが、本節では具体的な算出式について示す。
図資 2-1 に NH4-N 濃度履歴の例を示し、式(資 2.1)に硝化目標達成位置𝛼の算出式を示す。図資 2-1 については本編図 3-4 の再掲であり、処理水 NH4-N 目標値は 0.38 mg-N/L である。硝化
目標達成位置𝛼の大きさは、好気タンク全長のうち処理水 NH4-N 目標値との交点以降の長さの割合で定義される。式(資 2.1)において、𝑘𝑛 から始まる項は好気タンク𝑛（交点が存在する好気タンク）内での割合を表し、Σの項は好気タンク𝑛 + 1以降の割合の合計を表す。図資 2-1 の例では、
𝑛 = 2 , 𝑁 = 3 , 𝑘1 = 𝑘2 = 𝑘3 = 33.3 , 𝑁𝐻4𝑛−1(=1) = 2.8 mg-N/L, 𝑁𝐻4n(=2) = 0.0 mg-N/L,
𝑁𝐻4out_tgt = 0.38 mg-N/L であり、𝛼 = 38%となる。

好気タンク全長（= 100%)
NH 4-N濃度 [mg-N/L]7
α = 38%65

実態調査でのNH 4-N濃度履歴

β = 44%

4
3

硝化目標達成位置β

硝化目標達成位置α2
1

処理水NH4-N目標値

0
好気タンク流入
図資 2-1𝛼＝𝑘𝑛 (1 −

好気1

好気2

好気3

処理水

硝化目標達成位置の概念図（図 3-4 再掲）

𝑁
𝑁𝐻4𝑛−1 − 𝑁𝐻4out_tgt)+∑
𝑘𝑖
𝑁𝐻4𝑛−1 − 𝑁𝐻4𝑛𝑖=𝑛+1

(資 2.1)

ここで、𝛼 [%]：硝化目標達成位置、𝑁𝐻4𝑖 [mg-N/L]：好気タンク𝑖での NH4-N 濃度、𝑘𝑖 [%]：
好気タンク全長における好気タンク𝑖の長さの割合、𝑛：処理水 NH4-N 目標値との交点が存在する
好気タンク𝑖、𝑁：好気タンクの総数、𝑁𝐻4out_tgt [mg-N/L]：処理水 NH4-N 目標値である。

114

２. 導入効果検討における風量削減率の試算方法

ところで、図資 2-1 において、好気タンク 2 では硝化が完了しており、NH4-N 濃度履歴の傾きは好気タンク 1 より小さくなっていた。好気タンク 2 の NH4-N 濃度の減少（グラフの傾き）
が好気タンク 1 と同様であったと仮定すると、処理水 NH4-N 目標値との交点は、硝化目標達成
位置𝛼の上流側となる可能性がある（硝化目標達成位置𝛽）。硝化目標達成位置𝛽の算出式を式(資2.2)に示す。式(資 2.2)では、好気タンク𝑛 − 1での NH4-N 濃度変化に基づき、好気タンク𝑛内での処理水 NH4-N 目標値と交点の位置を算出する。なお、𝑘𝑛 ⁄𝑘𝑛−1の項は、好気タンク𝑛 − 1, 𝑛の長さの違いを補正するための項である。図資 2-1 の例では、𝑁𝐻4𝑛−2(=0) (好気タンク流入水のNH4 -N 濃度) = 6.7 mg-N/L であり、𝛽 = 44%と算出できる。

𝛽＝𝑘𝑛 {1 −2.2𝑁𝐻4𝑛−1 − 𝑁𝐻4out_tgt
𝑘𝑛∙ (𝑁𝐻4𝑛−2 − 𝑁𝐻4𝑛−1 )
𝑘𝑛−1

}+∑

𝑁

𝑘𝑖

𝑖=𝑛+1

(資 2.2)

導入前処理状況と風量削減率の関係（試算方法 A の構築）

3 つの風量削減率の試算方法（試算方法 A, B, C）のうち、試算方法 A は、NH4-N の処理状況
として、処理水 NH4-N 目標値に到達した位置（硝化目標達成位置）から風量削減率を試算する方法であり、実証研究結果に基づき構築した風量削減率試算式を用いる。以下に、風量削減率の構築に用いた実証研究結果、ならびに構築方法についてまとめる。
実証研究結果として、資料編 1.4 実証研究（④採水・採ガス調査）の詳細に示した霞ケ浦浄化センターでの採水調査結果を用いて、試算方法 A に用いる風量削減率試算式を構築した。図資 2-2に、3 回の採水調査における NH4-N の処理実態を示す。硝化目標達成位置としては、No.6 池のNH4-N 濃度が No.5 池の処理水 NH4-N 濃度に到達したと想定される位置とし、従来 DO 一定制
御（No.6 池）に対する本技術（No.5 池）の風量削減効果との関係を検証した。硝化目標達成位置
は、本編 §19 導入効果の検討 (1) 硝化目標達成位置に示した方法に基づき算出した。各採水調査における硝化目標達成位置を表資 2-1 にまとめる。表資 2-1 に示した硝化目標達成位置と、表
資 1-16 に示した風量削減率の関係を図資 2-3 に示す。硝化目標達成位置が 0、つまり好気タン
ク末端の場合は適正に風量を制御できており、風量削減率の余地はないとみなせることから、原点を通る回帰直線で近似した。回帰直線式は、式(3.1)に示したとおりである。本回帰直線式の決定係数 R2=0.99 となり、良い近似を示した。これより風量削減率を簡易的に推定する場合、硝化
目標達成位置を求めれば良いことが分かる。

115

アンモニア性窒素 [mg-N/L]

7

6
5

No.6池

4
3
硝化目標達成位置α2

1No.5池（処理水）

0
好気槽流入

好気1

好気2

好気3

処理水

(a) 第 1 回採水調査（平成 27 年 9 月）

アンモニア性窒素 [mg-N/L]

7
6

No.6池

5
4
3

2
1

硝化目標達成位置αNo.5池（ 処理水）

0
好気槽流入

好気1

好気2

好気3

処理水

(b) 第 2 回採水調査（平成 27 年 11 月）

アンモニア性窒素 [mg-N/L]

7
6

5

No.6池

4
3

硝化目標達成位置β

硝化目標達成位置α2
1

処理水(No.5池)

0
好気槽流入

好気1

好気2

好気3

(c) 第 3 回採水調査（平成 27 年 12 月）
図資 2-2

NH4-N の処理状況

116

処理水

２. 導入効果検討における風量削減率の試算方法

表資 2-1

採水調査における硝化目標達成位置30

風量削減率 [%]

25

H27/12
H27/9
H27/11

20

15
10
5
0
0

10

20

30

40

50

60

硝化目標達成位置 [%]図資 2-3

2.3

硝化目標達成位置と風量削減率の関係

試算方法 B の検討

霞ケ浦浄化センターでの採水調査結果を基に、試算方法 B にて風量削減率を試算した結果を表
資 2-2 に示す。試算方法 B では、硝化目標達成位置に加え、風量配分比や必要酸素量の影響を考慮して風量削減率を試算した。各試算方法による風量削減率の試算結果と実際の本技術による風量削減率の比較を表資 2-3 に示す。試算方法 A では、図資 2-3 に示したとおり、精度良く風量削減率を試算できた。また、試算方法 B では、範囲をもって風量削減率を試算しているが、本技術での運転結果（実験値）はその範囲に含まれていた。試算方法 C では、実証研究結果の平均風
量削減率より 16.9%とした。以上の結果より、各試算方法により本技術による風量削減効果を精度良く試算できる見通しを得た。

117

表資 2-2

試算方法 B による風量削減率の検討結果

項目

平均処理水NH4-N濃度（No.5池）（処理水NH4-N目標値相当）

第1回採水調査(H27/9)

第2回採水調査(H27/11)

第3回採水調査(H27/12)0.25 mg-N/L

0.00 mg-N/L

0.38 mg-N/L

硝化目標達成位置α

36%

32%

38%

硝化目標達成位置β

36%

32%

44%

風量配分比（ケースＡ）

100, 90, 70

100, 90, 70

100, 90, 70

風量配分比（ケースＢ）

100, 100, 100

100, 100, 100

100, 100, 100

硝化目標達成位置α'

30%

26%

32%

硝化目標達成位置β'

36%

36%

44%

必要酸素量（BOD）

204 kg-O2/日

318 kg-O2/日

262 kg-O2/日

必要酸素量（硝化）436 kg-O2/日

402 kg-O2/日

509 kg-O2/日

必要酸素量（内生呼吸）

344 kg-O2/日

370 kg-O2/日

383 kg-O2/日

必要酸素量（DO）

35 kg-O2/日

40 kg-O2/日

38 kg-O2/日

必要酸素量(BOD・硝化)比γ

63%

64%

65%

推定風量削減率 x 1

13.0%

11.6%

14.4%

推定風量削減率 x 2

21.5%

22.3%

27.9%

推定風量削減率（平均値）

17.3%

16.9%

21.1%

風量削減率（実験値）

18.5%

16.4%

21.1%

表資 2-3

各試算方法による風量削減率の試算結果のまとめ

項目

第1回採水調査（2015/9）

第2回採水調査（2015/11）

第3回採水調査（2015/12）

試算方法A

18.3%

16.2%

20.9%

試算方法B

12.3% - 20.5%(平均16.4%)

10.7%-18.0%(平均14.3%)

13.6%-26.7%(平均20.1%)

試算方法C

16.9%

16.9%

16.9%

実験値

18.5%

16.4%

21.1%

118

３. 複数系列制御方式の立ち上げ方法

3 複数系列制御方式の立ち上げ方法
本編 §29 制御システムの立上げ（初期設定）において、複数系列制御方式適用時の展開池での試運転方法を概説したが、本章ではその詳細について述べる。
展開池の試運転調整の流れを図資 3-1 に示す。
まず、⑩では代表池と同一もしくは異なる系列の処理池（展開池）の運転制御を実行する。複数系列制御方式は本編 §9 複数系列における風量制御方式の概略、資料編 1.3 実証研究（③複数系列制御方式の実証）の詳細を参照のこと。展開池では式(資 1.1)に従い、代表池の DO 濃度を補正した値を DO 制御設定値として設定し、DO 可変制御を実施する。
次に、⑪では代表池および展開池において、処理水 NH4-N 濃度を測定する。
次に、⑫では代表池・展開池の処理水 NH4-N 濃度の差異を算出し、許容範囲内であれば試運転を終了する。
⑬では、代表池・展開池の処理水 NH4-N 濃度の差異が許容範囲外であれば、式(資 1.1)における展開池の補正係数𝐾 ′ を調整する。処理水 NH4-N 濃度に関して、展開池の方が低い場合は補正係
数𝐾 ′ を小さくし、展開池の方が高い場合は補正係数𝐾 ′ を大きくする。

試運転調整開始（展開池）⑩複数系列制御運転（運転の実行）⑪処理水NH4-N濃度計測（手分析）⑫制御効果判断⑬複数系列制御に係る補正係数の調整終了

図資 3-1試運転の流れ（展開池）

119

4 ケーススタディ

4.1

モデルケースの設定・計算方法

標準活性汚泥法または循環式硝化脱窒法を実施している施設に関して、本技術を導入する場合の各種ケーススタディを行い、風量、消費電力量の試算を行った。
(1) 検討条件
処理場規模は計画日最大汚水量が、10,000 m3、50,000 m3、100,000 m3 の 3 パターンを想定
し、風量制御方法は本技術と、従来技術として風量一定制御、DO 一定制御の計３パターンとした。技術の導入を検討する下水処理場の諸元について下記の表資 4-1 に示すとおり設定した。また流入水質、流出水質の条件表資 4-2 に示した。流入水量、流入水質(BOD 濃度、SS 濃度、全窒
素濃度)に関しては時間帯による変動を考慮するため、それぞれの日平均値に対するする各時間帯の変動比(%)を図資 4-1 に示すとおり設定した。
表資 4-1

導入検討する下水処理場の設定条件

項目

設定条件
10,000 m3/日

50,000 m3/日

100,000 m3/日

8,000 m3/日

40,000 m3/日

80,000 m3/日

水処理系列数２系

２系

４系

反応タンク池数

４池

４池

８池

送風機常用台数

２台

２台

４台

送風機種

ルーツブロワ

多段ターボブロワ

多段ターボブロワ

風量制御機構インバータ制御

インレットベーン制御

インレットベーン制御

流入汚水量(計画日最大値)
流入汚水量(日平均値)

散気装置

散気板

好気タンク HRT

8 時間

反応タンク水深5.0 m

散気装置設置水深

4.5 m

MLSS 濃度1500 mg/L

120

４. ケーススタディ

表資 4-2

導入検討する下水処理場の流入・流出水質条件

流入水質項目

水質条件(日平均値)

BOD 濃度

118 mg/L

S-BOD 濃度

BOD 濃度の 66.7%

SS 濃度

49 mg/L

全窒素濃度

28 mg/L

流出水質項目水質条件

BOD 濃度

標準活性汚泥法：5.0 mg/L
循環式硝化脱窒法：3.0 mg/L

全窒素濃度

2.0 mg/L

DO 濃度(反応タンク末端)

2.0 mg/L

10,000m3/日

180
160

変動比(%)

140
120
100
80
60
40
20

0
1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

BOD濃度

SS濃度

T-N濃度

50,000m3/日

100,000m3/日

160

160

140

140

120

120

変動比(%)

変動比(%)

23

時刻

水量

100
80
60

100
80
60
40

40

20

20

0
1

0
1

3
水量

5

7

9

11

13

15

17

19

21

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

時刻

時刻
BOD濃度

3

23

SS濃度

水量

T-N濃度

図資 4-1

BOD濃度

流入水質の時間変動条件

121

SS濃度

T-N濃度

(2) 試算方法
1) 必要酸素量
必要酸素量は「下水道施設計画・設計指針と解説(2009)1)」に基づいて、①有機物の酸化に必要な酸素量(=DB)、②硝化反応に必要な酸素量(=DN)、③内生呼吸に必要な酸素量(=DE)、④DO の維持に必要な酸素量(=DO)の和から各時間帯で計算した。算出に必要な下記項目は設計指針の値を参考とした。各設定値は表資 4-3 に示す。

①有機物の酸化に必要な酸素量 DB 無酸素槽 NOX-N 負荷量
 無酸素槽 NOX-N 流出量
 脱窒に消費される BOD 量
 除去 BOD あたりに必要な酸素量②硝化反応に必要な酸素量 DN
 硝化反応に伴い消費される酸素量 溶解性 BOD の汚泥転換率
 SS に対する汚泥転換率
 活性汚泥微生物の内生呼吸による減量を表す係数
 余剰汚泥の窒素含有率③内生呼吸に必要な酸素量 DE
 単位 MLVSS あたりの内生呼吸による酸素消費量
 MLVSS/MLSS④溶存酸素濃度の維持に必要な酸素量 DO 返送水量 循環水量比
表資 4-3
名称

AOR 算出のための設定値（１／２）
単位

設定値
標準活性汚泥法

循環式硝化脱窒法

－

-

1.8

脱窒に消費される BOD 量kgBOD/kgN

2.86

2.00

除去 BOD あたりに必要な酸素量kgO2/kgBOD

0.60

kgO2/kgN

4.57

gMLSS/gS-BOD

0.5①有機物の酸化に必要な酸素量 DB
循環水量比②)硝化反応に必要な酸素量 DN
硝化反応に伴い硝化される酸素量
溶解性 BOD の汚泥転換率122

４. ケーススタディ

表資 4-3

AOR 算出のための設定値（２／２）

名称

単位

設定値
標準活性汚泥法

循環式硝化脱窒法

ℓ/d

0.04

％

8.0

kgO2/kgMLVSS･d

0.1

－

0.8

－

0.50

活性汚泥微生物の内生呼吸による減量を表す係数
余剰汚泥の窒素含有率③)内生呼吸に必要な酸素量 DE
単位 MLVSS あたりの内生呼吸による
酸素消費量
MLVSS/MLSS④溶存酸素濃度の維持に必要な酸素量 DO
返送汚泥比2) 必要空気量
風量の算出は 1)で計算した下水での AOR を、一旦清水での酸素供給量(SOR)に換算し、酸素移動効率から必要空気量を求めた。算出に必要な下記項目は上記の「下水道施設計画・設計指針と解説(2009)」1)より設定した。各項目の設定値を表資 4-4 に示す。
 20℃における酸素飽和濃度
 エアレーション装置性能の前提となる清水温度
 反応タンク内水温 清水中 20℃での飽和酸素濃度
 清水中 13℃での飽和酸素濃度
 Kla の補正係数
 酸素飽和濃度の補正係数
 大気圧
 散気水深による CS2 の補正係数
表資 4-4

風量算出のための設定値（１／２）

名称

単位

採用値
標準活性汚泥法

循環式硝化脱窒法

20℃における酸素飽和濃度

mg/ℓ

8.84

エアレーション装置性能の前提となる清水温度(T1℃)

℃

20.0

反応タンク内水温（T2℃）

℃

13.0

清水中 T1℃での飽和酸素濃度

mg/ℓ

8.84

清水中 T2℃での飽和酸素濃度

mg/ℓ

10.20

反応タンク内の DO 濃度

mg/ℓ

2.0

123

表資 4-4

風量算出のための設定値（２／２）

名称

単位

採用値
標準活性汚泥法

循環式硝化脱窒法

Kla の補正係数－0.83

酸素飽和濃度の補正係数

－

0.95

大気圧

kPa

101.3

酸素移動効率

％

12.0

空気密度

kg/m3-AIR

1.293

酸素含有量

kgO2/kg-AIR0.2323) 風量および送風機消費電力
・送風機は 2)で求めた必要空気量の最大値に余裕率 10%を考慮し、表資 4-1 で示した常用台数
で除した風量を定格風量とした。また多段式ターボブロワに関してはメーカーヒアリングにより得られた表資 4-5 の３機種の性能線から、設定した定格風量の機種の性能線を仮想設定した。設定した性能線は次式にて消費電力へ換算した。
(消費電力)＝(入力動力)＝(軸動力)／(効率※)※効率にはターボブロワには電動機効率として 93%、インレットベーンではインバータ効率として 95%を採用した。

表資 4-5
送風機種

ヒアリングにより得られたブロワの性能線

定格風量

吐出圧
5800 mmAq

性能曲線
軸動力(kW) = 1.064×風量(m3/min)＋9.565

ルーツブロワ

50m3/min

多段式ターボブロワ

92m3/min

軸動力(kW) = 0.875×風量(m3/min)＋32.88

110m3/min

軸動力(kW) = 0.936×風量(m3/min)＋32.89

300m3/min

軸動力(kW) = 0.665×風量(m3/min)＋132.1

・風量の制御方式として、風量一定制御、DO 一定制御、本技術による制御の３パターンとし、台数制御も併せて行う条件で試算を行った。台数制御における運転台数変更の方針は以下とした。
台数制御方針：運転台数を減らした場合に，送風機 1 台あたりの風量が定格風量の 90%以下となり、3 時間以上同一台数で運転できる時間帯は運転台数を減らす。
・DO 一定制御は各時間帯の必要空気量を風量とした。
・風量一定制御では必要空気量の最大値を一定の風量とした。
・本技術による風量制御では実証試験により得られた結果を反映し、DO 一定制御の風量に対して 16.9%低減した値を風量とした。

124

４. ケーススタディ(3) 試算結果
1) 標準活性汚泥法
表資 4-6 に標準活性汚泥法を実施している処理場を想定した試算結果を示す。また次頁の図資
4-2～図資 4-4 に時間帯での風量・消費電力量の試算結果の時間推移を示す。
表資 4-6計画日
最大流量10,000 m3

50,000 m3

100,000 m3

図資 4-2

処理方式

標準法

標準法

標準法

標準活性汚泥法の試算結果
風量

消費電力量

[m3/日][kWh/日]風量一定113,000

2,610

DO 一定制御82,3002,000

本技術

68,400

1,700

風量一定

542,000

12,100

DO 一定制御405,000

10,200

本技術

337,000

8,850

風量一定

951,000

21,300

DO 一定制御810,000

19,300

本技術

673,000

16,100

制御方法

標準活性汚泥法・10,000 m3/日の試算結果 (左)風量125(右)消費電力量

図資 4-3

標準活性汚泥法・50,000 m3/日の試算結果 (左)風量 (右)消費電力量

図資 4-4 標準活性汚泥法・100,000 m3/日の試算結果 (左)風量(右)消費電力量

2) 循環式硝化脱窒法
表資 4-7 に循環式硝化脱窒法を実施している処理場を想定した試算結果を示す。また次頁の図
資 4-5～図資 4-7 に時間帯での風量・消費電力量の試算結果の時間推移を示す。
表資 4-7計画日
最大流量10,000m3

50,000m3

100,000m3

処理方式

循環法

循環法

循環法

循環式硝化脱窒法の試算結果
風量

消費電力量

[m3/日][kWh/日]風量一定130,000

2,970

DO 一定制御103,000

2,460

本技術

85,700

2,080

風量一定

643,000

14,100

DO 一定制御

512,000

12,400

本技術

426,000

10,800風量一定1,120,000

24,600

DO 一定制御1,020,000

23,200

本技術

847,000

19,900制御方法

126

４. ケーススタディ

4.2

図資 4-5

循環式硝化脱窒法・10,000 m3/日の試算結果 (左)風量 (右)消費電力量

図資 4-6

循環式硝化脱窒法・50,000 m3/日の試算結果 (左)風量 (右)消費電力量

図資 4-7

循環式硝化脱窒法・100,000 m3/日の試算結果 (左)風量(右)消費電力量

導入コストの試算(1) 建設費
本編 §19 導入効果の検討において設定した建設費の考え方を図資 4-8 に示す。本技術の導入に際しては、導入タイミングとして、監視制御設備の新設・更新工事に合わせて導入する場合（ケース①）と、既存設備を改造して導入する場合（ケース②）が考えられるため、2 つに分けて検討した。両ケースとも本技術導入に必要な増額分のみを建設費とした。ケース①はエンジニアリン
グ、ハードウェア、設置工事、現地作業、現場代理人費用などは新設・更新工事と共通でかかる費用のため、積算対象外と仮定し、本技術を導入する際には、NH4-N センサーおよびその設置工127

事費、硝化制御ソフトウエア実装費が追加となる。このため、ケース①ではこれらの追加分を建設費とした。ケース②は既存の監視制御設備を改造して本技術を実装するため、ケース①に加えて改造費が追加となる。改造費はエンジニアリング、ハードウェア、設置工事、現地作業、現場代理人費用、既設システム側改造費他などである。なお、既設システムの改造費は既設システムの構成、メーカー等によって大きく異なるため参考値である。
建設費は 1 年当り費用とし、耐用年数、設置数、単価より算出した。１制御システムあたりの建設費は、ケース①で 1850 万円、ケース②で 5500 万円となった（表資 4-8 参照）。追加の制御システムに関しては、システム数に比例する部分を追加する。

・監視制御システムの ・全体共通部分
改造工事費（中央側など）2700万円・システム数比例部分（現場側など）1000万円・アンモニア計設置費
・本制御システム実装費

システム数に係らず固定額

2850万円 システム数に比例

1850万円ケース①（新設・更新）ケース②（改造）

図資 4-8

本技術導入に伴う建設費の考え方

128

４. ケーススタディ

表資 4-8 建設費の内訳(a) ケース①：監視制御システムの新設・更新時(b) ケース②：既存の監視制御システムの改造時(2) 維持管理費
維持管理費についても建設費と同様に、本技術導入のために追加される費用のみとした。制御に係るシステムの維持管理費は監視制御システムの維持管理費に含まれていると仮定し、維持管理費は NH4-N センサーに係る電極等の消耗品交換費、校正作業や点検等の保守作業費のみとした。追加になる維持管理費は 137 万円となった（表資 4-9）。NH4-N センサーの消耗品に係る維持管理費は１年当たりの費用とし、年間の実施回数または交換回数、設置数、単価より算出した。
NH4-N センサーの校正作業費については、試算上の設定は下記のとおりとした。
・校正は月に 2 回の頻度で実施する（実証研究での実績）
・作業は二人作業とする
129

・校正作業は NH4-N センサー１台につき 1.5 時間要するとする
・人件費の単価は公共工事設計労務単価における電工費 5)の全国平均より 18,500 円/8h とする
表資 4-9

維持管理費の内訳（制御システム 1 つ当たり）対象

年間実施・交換回数

設置数

単価
[百万円]

1 年当たり費用[百万円]

NH4-N センサー
日常点検・校正

24

2

0.01

0.33

NH4-N センサー
メーカー定期点検

1

2

0.08

0.16

NH4-N センサー
消耗品（電極等）

2

2

0.21

0.85

NH4-N センサー
その他交換部品

1

2

0.01

0.03

合計

1.37

130

５. 硝化制御風量の演算方法

5 硝化制御風量の演算方法
本編§8 風量演算方法の概要において、本技術における NH4-N センサーを用いた風量演算方法の概要を述べた。本章では、そのうち第 1NH4-N センサーの計測値に基づくフィードフォワー
ド(FF)制御風量、第 2NH4-N センサーの計測値に基づくフィードバック(FB)制御風量の演算式について述べる。

5.1

フィードフォワード制御風量

FF 制御風量は、第 1NH4-N センサーから第 2NH4-N センサーまで、つまり上流側で処理すべき NH4-N 濃度（以下、NH4-N 濃度減少量（理論値））に対応した風量である。FF 制御風量や FB
制御風量の演算では、単位時間当たりに流入する下水を一つの塊（以下、流体塊）として仮想的に捉えている。流体塊を用いた FF 制御風量および FB 制御風量の演算の概念図を図資 5.1 に示す。流体塊の大きさは流入流量𝑄𝑖𝑛 (𝑡)によって異なり、その位置情報は下水の流入に伴って更新していく。時刻𝑡での上流側から𝑖番目の流体塊𝑖の位置を𝑋𝑖 (𝑡) [m]とすると、第 1NH4-N センサー設
置位置を起点として、𝑋𝑖 (𝑡)は式(資 5.1)で表される。各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。

𝑋1 (𝑡) =𝑄𝑖𝑛 (𝑡) ∙ ∆𝑡,𝑆

𝑋𝑖 (𝑡 + 𝛥𝑡) = 𝑋𝑖−1 (𝑡) + 𝑋1 (𝑡)(資 5.1)

ここで、𝑆 [m2]は生物反応タンクの流下方向の断面積、∆𝑡は制御周期である。
第 1NH4-N センサー設置位置に流入した際の NH4-N 濃度は式(資 5.2)で表される。第 1NH4N センサーの位置に流入してきた流体塊 1 に対し、式(資 5.3)により中間 NH4-N 予測値
𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) [mg-N/L]を演算し、さらに式(資 5.4)により NH4-N 濃度減少量（理論値）
𝛥𝑁𝐻4𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) [mg-N/L]を演算する。

𝑁𝐻4𝑖𝑛_1 (𝑡) = 𝑁𝐻4𝑖𝑛 (𝑡),𝑁𝐻4𝑖𝑛_𝑖 (𝑡 + 𝛥𝑡) = 𝑁𝐻4𝑖𝑛_𝑖−1 (𝑡)(資 5.2)𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) = 𝑁𝐻4𝑖𝑛_1 (𝑡) − 𝑅𝑈𝑃 (𝑁𝐻4𝑖𝑛_1 (𝑡) − 𝑁𝐻4𝑜𝑢𝑡_𝑡𝑔𝑡 )(資 5.3)

𝛥𝑁𝐻4𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) = 𝑁𝐻4𝑖𝑛_1 (𝑡) − 𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡)(資 5.4)

ここで、𝑁𝐻4𝑖𝑛_𝑖 (𝑡) [mg-N/L]：時刻𝑡における流体塊𝑖における NH4-N 濃度、𝑁𝐻4𝑖𝑛 (𝑡) [mg-N/L]：
時刻𝑡における第 1NH4-N センサー計測値とした。ここで、𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) [mg-N/L]：時刻𝑡における流体塊 1 に対する中間点 NH4-N 予測値、𝑁𝐻4𝑜𝑢𝑡_𝑡𝑔𝑡 [mg-N/L]：処理水 NH4-N 目標値、𝑅𝑈𝑃[-]：中間処理率、𝛥𝑁𝐻4𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) [mg-N/L]：時刻𝑡における流体塊 1 に対する NH4-N 濃度減少量（理論値）とした。
131

次に、NH4-N 濃度減少量（理論値） 𝛥𝑁𝐻4𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) [mg-N/L]を処理特性モデル（式(資 5.5)の
1 つ目の関数）に入力し、第 2NH4-N センサー設置位置までに供給すべき風量（以下、必要累積
風量（理論値））𝑉𝐵_𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) [m3]を演算する。

𝑉𝐵_𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) = 𝑎 ∙ 𝛥𝑁𝐻4𝑡𝑔𝑡_1 (𝑡) + 𝑏,

𝑉𝐵_𝑡𝑔𝑡_𝑖 (𝑡 + 𝛥𝑡) = 𝑉𝐵_𝑡𝑔𝑡_𝑖−1 (𝑡)(資 5.5)

ここで、𝑎, 𝑏：係数である。
流体塊𝑖に対し、第 1NH4-N センサー流入時から時刻𝑡までに供給された風量の累積値を𝑉𝐵_𝑖 (𝑡)[m3]とすると、必要累積風量（理論値）𝑉𝐵_𝑡𝑔𝑡_𝑖 (𝑡) [m3]との差分を第 2NH4-N センサーまでの滞留時間の予測値で除した値が、単位時間当たり流体塊𝑖に供給すべき風量となる。したがって、第1NH4-N センサーから第 2NH4-N センサーまで𝑁個の流体塊が存在していたとすると、時刻𝑡 + 𝛥𝑡
において上流側の好気タンクに供給すべき風量 𝑄𝐵𝑢𝑝 (𝑡 + 𝛥𝑡) [m3/h]は式(資 5.6)で表される。
𝑄𝐵𝑈𝑝 (𝑡 + 𝛥𝑡)から好気タンク全体への風量を算出したものが FF 制御風量 𝑄𝐵𝐹𝐹 (𝑡 + 𝛥𝑡) [m3/h]となり、算出式は式(資 5.7)で表される。

𝑁

𝑄𝐵𝑢𝑝 (𝑡 + 𝛥𝑡) = ∑ {(𝑉𝐵_𝑡𝑔𝑡_𝑖 (𝑡) − 𝑉𝐵_𝑖 (𝑡)) ÷
𝑖=1

𝑄𝐵𝐹𝐹 (𝑡 + 𝛥𝑡) =𝑆(𝐿𝑢𝑝_𝑎𝑙𝑙 − 𝑋𝑖 (𝑡))}𝑄𝑖𝑛 (𝑡)𝐷𝑢𝑝 + 𝐷𝑑𝑜𝑤𝑛∙ 𝑄𝐵𝑢𝑝 (𝑡 + 𝛥𝑡)
𝐷𝑢𝑝(資 5.6)(資 5.7)

ここで、𝐿𝑢𝑝_𝑎𝑙𝑙 [m]は上流側、つまり第 1NH4-N センサーから第 2NH4-N センサーまでの距離、𝐷𝑢𝑝 [-]は上流側の好気タンクへの風量配分比、𝐷𝑑𝑜𝑤𝑛 [-]は下流側の好気タンクへの風量配分比で
ある。

5.2

フィードバック制御風量

FB 制御風量では、中間 NH4-N 予測値と第 2NH4-N センサー計測値とのずれに応じて風量を演算するが、濃度変動の時間遅れは流体塊の概念を用いて考慮している。時刻𝑡において、第 2NH4N センサー設置位置に到達した流体塊の中間 NH4-N 予測値𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝐹𝐵_𝑡𝑔𝑡 (𝑡) [mg-N/L]は、流入時の NH4-N 濃度 𝑁𝐻4𝑖𝑛_𝑁(𝑡) (𝑡) [mg-N/L]を用いて式(資 5.8)より演算する。そして、FB 制御風量
𝑄𝐵𝐹𝐵 (𝑡 + 𝛥𝑡) [m3/h]は、中間 NH4-N 予測値𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝐹𝐵_𝑡𝑔𝑡 (𝑡) [mg-N/L]と、第 2NH4-N センサーによる計測値𝑁𝐻4𝑚𝑑 (𝑡) [mg-N/L]とのずれにより、式(資 5.9)により算出する。

𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝐹𝐵_𝑡𝑔𝑡 (𝑡) = 𝑁𝐻4𝑖𝑛_𝑁(𝑡) (𝑡) − 𝑅𝑈𝑃 (𝑁𝐻4𝑖𝑛_𝑁(𝑡) (𝑡) − 𝑁𝐻4𝑜𝑢𝑡_𝑡𝑔𝑡 )(資 5.8)𝑄𝐵𝐹𝐵 (𝑡 + 𝛥𝑡) = 𝑄𝐵(𝑡) − 𝐶𝑝𝑎𝑟 (𝑍)(𝑁𝐻4𝑚𝑑_𝐹𝐵_𝑡𝑔𝑡 (𝑡) − 𝑁𝐻4𝑚𝑑 (𝑡))(資 5.9)132

５. 硝化制御風量の演算方法

ここで、𝑄𝐵(𝑡) [m3/h]は時刻𝑡における好気タンク全体への曝気風量、𝐶𝑝𝑎𝑟 (𝑍)は離散時間の並列 PI
コントローラーの伝達関数である。

第1NH4-Nセンサー

第2NH4-Nセンサー

流体塊1【時刻t0】…

【時刻t】

流体塊 i 位置Xi (t)…
…

累積風量 VB_1…
必要累積風量 VB_tgt_1
（理論値）

VB_i
VB_tgt_i…

VB_N
VB_tgt_N…

流体塊 N【時刻tN】

FF制御風量QBFF

NH4in,N(t)(tN)
NH4md_FB_tgt(tN) FB制御風量
QBFB
NH4md_ (tN)

図資 5-1 流体塊の概念を用いた FF 制御風量、FB 制御風量の演算概要

133

6 参考文献
1)(公社)日本下水道協会：下水道施設計画・設計指針と解説 2009 年版

2)

西田佳記ほか：アンモニア計を活用した効率的な硝化制御システムの実証研究：EICA, Vol.20,
No.2/3, pp.31-35 (2015)3)

草野吏ほか 6 名：ORP 計を用いた送風量制御による一酸化二窒素の排出量削減効果の検討：
第 50 回下水道研究発表会講演集，pp.583-585 (2013)4)

道中敦子：終末処理場水処理プロセスにおける N2O 排出係数の見直し：下水道協会誌、
Vol.51,
No.622, pp.35-37 (2014)5)国土交通省：公共工事設計労務単価における電工費
http://www.mlit.go.jp/common/001116339.pdf（2016/7/19 アクセス）134７. 問い合わせ先

7 問い合わせ先
本技術ガイドラインに関する問い合わせは、以下にお願いします。

国土交通省 国土技術政策総合研究所
国土交通省
国土技術政策総合研究所

下水道研究部 下水処理研究室〒305-0804 茨城県つくば市旭１番地
TEL 029-864-3933 FAX 029-864-2817
URL www.nilim.go.jp/lab/ecg/index.htm

本書は、下水道革新的技術実証事業（Ｂ－ＤＡＳＨプロジェクト）により国土交通省国土技術
政策総合研究所が以下の企業・団体に研究委託を行い、その成果を取りまとめたものです。
＜実証研究者 連絡先＞
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株式会社日立製作所〒170-8466 東京都豊島区東池袋 4-5-2 ライズ
アリーナビルTEL 03-5928-8092 FAX 03-5928-8778
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TEL 029-301-4682 FAX 029-301-4699
URL http://www.pref.ibaraki.jp/soshiki/
doboku/gesui/index.html

135

国土技術政策総合研究所資料
TECHNICAL NOTE of NILIM
No.938

編集・発行

December 2016

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