JP2002219481A - 曝気槽の溶存酸素濃度の制御装置 - Google Patents

曝気槽の溶存酸素濃度の制御装置

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JP2002219481A
JP2002219481A JP19358196A JP19358196A JP2002219481A JP 2002219481 A JP2002219481 A JP 2002219481A JP 19358196 A JP19358196 A JP 19358196A JP 19358196 A JP19358196 A JP 19358196A JP 2002219481 A JP2002219481 A JP 2002219481A
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oxygen
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oxygen concentration
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Marvin Miller Randy
ランディ・マービン・ミラー
Akihito Uda
明史 宇田
Kazutoshi Itoyama
和年 糸山
Yoshiaki Yamamoto
義章 山本
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  • Activated Sludge Processes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 曝気槽内の溶存酸素濃度を安定化でき、従っ
て流入水質が変化しても安定した処理成績を与えること
ができるような曝気槽の制御装置及びこれを用いた曝気
槽の溶存酸素濃度の制御方法の提供。 【解決手段】 曝気槽に供給される原水の流量計及びそ
の調節弁、返送汚泥流量計、溶存酸素濃度計、曝気槽内
圧の圧力検出器、圧力調節弁及び圧力制御調節計、酸素
供給量調節弁及びその測定器、入力されたプロセスデー
タに基づき溶存酸素濃度の長期予測を行い、その目標値
を計算するニューラル・ネット・オプティマイザー、溶
存酸素濃度の短期予測機能付PID制御装置、及び酸素
供給量調節計を備えてなる排水処理用の曝気槽の溶存酸
素濃度の制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、化学工場等の総合
排水処理場及び下水処理場等で用いられている活性汚泥
法の曝気槽における溶存酸素濃度の制御装置及び制御方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】活性汚泥法による排水処理プロセスにお
いては、曝気槽中で有機物を酸化・分解し、必要に応じ
汚泥を凝集した後、沈殿池にて沈降分離し、処理水を得
る方法が一般的である。特に、化学工場等の高負荷排水
の処理には密閉型の曝気槽を用いる例が多い。
【0003】この処理において、曝気槽への酸素供給
は、通常、原水中和槽や第一沈殿槽等からの前処理設備
から供給される原水の流量を測定し、これに基づいて曝
気槽内の圧力が一定となるように酸素供給量を調節し、
槽内で攪拌することによって水中に酸素を溶解させて行
われている。また、曝気槽内の酸素量の適正範囲内への
調整は、曝気槽内の気相部の酸素濃度に応じて、排気配
管の排出弁を調節して排ガスを系外へ排出することによ
り行われている。
【0004】しかし、このような酸素供給を曝気槽の内
圧と酸素濃度とに基づいて調節すると、「曝気槽気相部
酸素濃度低下→曝気槽圧力調節弁開→槽内圧力低下→酸
素供給量調節弁開→酸素供給→槽内酸素濃度上昇→曝気
槽圧力調節弁閉→槽内圧力上昇→酸素供給量調節弁閉→
酸素濃度低下」のサイクルを繰り返すことになり、制御
が安定せず、従って曝気槽内の溶存酸素濃度は安定しな
い。また、供給される原水の水質を無視しているため、
処理成績も不安定であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】曝気槽内の溶存酸素濃
度を安定化でき、従って流入水質が変化しても安定した
処理成績を与えることができるような曝気槽の制御装置
及びこれを用いた曝気槽の溶存酸素濃度の制御方法の提
供。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、酸素供
給配管、原水供給配管、返送汚泥受入配管、排気配管、
及び処理水・汚泥の沈殿槽への排出配管を備えた排水処
理用の曝気槽(4)の溶存酸素濃度の制御装置であっ
て、以下の計装機器を備えてなる制御装置、に存する。
【0007】a)曝気槽に供給される原水の流量を計測
する原水流量計(1)及び原水流量調節弁(2) b)沈殿槽から返送される汚泥流量を計測する返送汚泥
流量計(3) c)曝気槽内の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃度計
(5) d)曝気槽の内圧を計測する圧力検出器(6) e)曝気槽の内圧を調節するために曝気槽の排気配管に
設けられた圧力調節弁(7)及び圧力制御調節計(1
2) f)曝気槽に供給する酸素量を調節する酸素供給量調節
弁(9) g)酸素供給配管の酸素供給量調節弁(9)の直近に設
置された酸素供給量測定器(8) h)予め定めたプロセスデータを入力することにより、
溶存酸素濃度の長期予測を行い、溶存酸素濃度の目標値
を算出するニューラル・ネット・オプティマイザー(1
3) i)溶存酸素濃度計の計測結果及びニューラル・ネット
・オプティマイザーが算出した溶存酸素濃度の目標値に
基づいて供給すべき酸素量を算出する短期予測機能付P
ID制御装置(11) j)酸素供給量測定器(8)の計測結果と、短期予測機
能付PID制御装置(11)の指示した供給すべき酸素
量とに基づいて酸素供給量調節弁(9)を調節する酸素
供給量調節計(10)
【0008】また、本発明の要旨は、短期予測機能付P
ID制御装置の予測モデルとして、酸素供給量に対する
溶存酸素濃度の動特性とノイズを考慮に入れた離散線形
モデルを用いる上記の曝気槽の溶存酸素濃度の制御装置
にも存し、プロセスデータとして、原水の温度、流量、
水素イオン濃度(pH)、化学的酸素要求量(CO
D)、生物化学的酸素要求量(BOD5)、懸濁物質
(SS)、曝気槽の温度、圧力、溶存酸素濃度、槽内混
合液懸濁物質(MLSS)、槽内混合液揮発性懸濁物質
(MLVSS)からなる群から選ばれる少なくとも1種
以上のデータを使用する前記の曝気槽の溶存酸素濃度の
制御装置にも存している。
【0009】本発明のもう一つの要旨は上に記した溶存
酸素濃度制御装置を用いる曝気槽の溶存酸素濃度の制御
方法、及び供給する酸素として純度50%以上の酸素を
用いる前記の曝気槽の溶存酸素濃度の制御方法、にも存
する。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明について更に詳細に
説明する。本発明の制御装置は、長期的な、多変数・非
線形の予測最適化計算により求めた曝気槽の目標溶存酸
素濃度を、短期的な線形予測制御の目標値として用いて
曝気槽内の必要酸素量を算出し、これに基づいて酸素の
供給量を調節するものであり、これを用いることにより
酸素の過剰な供給を予防しつつ、非定常的な変動要因や
プロセス外乱からくる時間的な変動が生じても安定した
水処理を行うものである。
【0011】本発明の制御装置に用いるニューラル・ネ
ット・オプティマイザーは、過去の運転時のプロセスデ
ータと溶存酸素濃度との関係を予め学習させておき、こ
れに基づいて運転中のプロセスデータから酸素消費量、
排水処理量、排水水質等に関連するコスト関数を最適化
できるような溶存酸素濃度の目標値を算出し、これを短
期予測機能付きPID制御装置(Predictive PID Contro
ller)へ出力するものである。ここで本発明の装置のニ
ューラル・ネット・オプティマイザーにおいて入力すべ
き変数であるプロセスデータとしては、原水の温度、流
量、水素イオン濃度(pH)、化学的酸素要求量(CO
D)、生物化学的酸素要求量(BOD5)、懸濁物質
(SS)、曝気槽の温度、圧力、溶存酸素濃度、槽内混
合液懸濁物質(MLSS)、槽内混合液揮発性懸濁物質
(MLVSS)からなる群から選ばれる少なくとも1種
以上のデータを用いるのが好ましい。これらのデータ
は、それぞれの上限・下限の制約値を併せて予め入力し
ておくのが良い。
【0012】なお、これらのプロセスデータは常法によ
り或いはJIS K 0102等に基づいて測定するこ
とができる。また、例えば化学工場の集中排水処理設備
のように、複数のプラントからの排水を処理する設備に
おいては、それぞれのプラントからの排水を、個別に流
量、pH、COD等を測定するのが好適である。入力す
べきプロセスデータは上記のものに限られるものではな
い。
【0013】本発明の装置に用いるニューラル・ネット
・オプティマイザーは、入力層、中間層、及び出力層を
有する3階層構造のものが好適である。階層が2階層で
は非線形モデルを扱うことができず、一方4階層構造以
上になると、複雑になりすぎてモデルの「トレーニン
グ」に時間がかかりすぎて実用性が低下する傾向とな
る。
【0014】また、本発明の装置においては、ニューラ
ル・ネット・オプティマイザーにより、前記した種々の
プロセスデータから、各変数の上下限の制約及びコスト
関数を考慮して、溶存酸素濃度の、例えば1〜5日先等
の長期的な応答を予測することにより、コストの最適化
が可能な溶存酸素濃度の目標値を短期予測機能付きPI
D制御装置に与えることができる。
【0015】本発明に用いる短期予測機能付きPID制
御装置は、通常のPID制御装置に短期的なモデル予測
機能を持たせたものである。具体的には、過去の溶存酸
素濃度とその目標値との関係を示す運転データ及び酸素
供給量の設定値を用いて、制御対象の線形モデルを使っ
て溶存酸素濃度の将来の推移を計算するというものであ
る。制御対象の線形モデルとしては、酸素供給量に対す
る溶存酸素濃度の動特性とノイズを考慮に入れた離散線
形モデル(ARIMAXモデル)を用いるのが好まし
い。なお、ARIMAXモデルとは「Auto Regressive
Integrated Mov-ing Average eXogenous モデル」(自
己回帰積分移動平均外生変数モデル)のことである。
【0016】本発明の装置においては、このような短期
予測機能付きPID制御装置により、溶存酸素濃度計か
ら取り入れた信号及び上記の線形モデルを用いて予測さ
れた、少なくとも3〜8時間先の溶存酸素濃度の予測値
と前述のニューラル・ネット・オプティマイザーで指示
される溶存酸素濃度の目標値とを比較し、その偏差が小
さくなるように酸素の供給量を調節することにより、溶
存酸素濃度を制御するものである。
【0017】この短期予測機能付きPID制御装置には
制御対象である溶存酸素濃度の動特性を近似することが
できる統計モデルを内蔵させることができるので、むだ
時間が長くかつ変化するプロセスや、制御対象の時定数
が長いプロセスなどに対しても良好な制御性能を示す。
また、ノイズモデルを考慮することにより、プロセス外
乱に対してもモデルのパラメータ値を調整することなく
良好な制御性能を維持することが可能となる。
【0018】なお、この短期予測機能付きPID制御装
置に溶存酸素濃度の信号を発する溶存酸素濃度計は曝気
槽から汚泥及び処理水が流出する出口付近に設置するの
が、実際の処理状況を的確に把握する上で好ましい。本
発明方法は、上述の制御装置を用いて、前述のように、
好ましくは密閉型の曝気槽の溶存酸素濃度を制御すると
いうものである。
【0019】酸素の供給量は、上記の短期予測機能付き
PID制御装置の出力により、酸素供給量調節計の流量
設定値を自動的に変更し、その設定値と酸素供給量検出
器との流量を比較して酸素供給量調節弁を制御すること
により行うことができる。なお、本発明の方法において
用いる酸素は純度が高いものが処理効率及び制御の応答
性の点から好ましい。その純度としては、酸素含量50
%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは90%
以上、更に好ましくは95%以上のものが好適である。
本発明の制御装置及び制御方法を適用する曝気槽として
は、供給する酸素の効率的活用の点から、密閉型の曝気
槽が好適である。
【0020】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明の実施の態様を
より詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限
り、実施例によって限定されるものではない。図1は密
閉型の曝気槽(4)と、これに流入する原水の流量を計
測する原水流量計(1)とその流量調節弁(2)、沈殿
槽から返送される汚泥の流量を計測する返送汚泥流量計
(3)、曝気槽内の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃
度計(5)、曝気槽の内圧を計測する圧力検出器
(6)、曝気槽の排気配管に設けられた圧力調整弁
(7)及び圧力制御調節計(12)、曝気槽に供給する
酸素の流量を調節する酸素供給量調節弁(9)、酸素供
給量調節弁の直近に設けられた酸素供給量測定器
(8)、原水の温度、流量、水素イオン濃度(pH)及
び化学的酸素要求量(COD)、生物化学的酸素要求量
(BOD5)、懸濁物質(SS)、曝気槽の温度、圧
力、溶存酸素濃度、槽内混合液懸濁物質(MLSS)、
槽内混合液揮発性懸濁物質(MLVSS)のデータに基
づいて溶存酸素濃度の目標値を算出するニューラル・ネ
ット・オプティマイザー(13)、溶存酸素濃度計の計
測結果とニューラル・ネット・オプティマイザーにより
算出された溶存酸素濃度も目標値とに基づいて供給すべ
き酸素量を算出する短期予測機能付きPID制御装置
(11)、及び酸素供給量測定器の計測結果と、前記予
測機能付きPID制御装置の指示した酸素量とに基づい
て酸素供給量調節弁を調節する酸素供給量調節計からな
る曝気槽の溶存酸素濃度制御装置とを示している。
【0021】この制御装置を用いる曝気槽の溶存酸素濃
度制御方法は、曝気槽内の溶存酸素濃度計(5)の計測
結果を短期予測機能付きPID制御装置(11)に取り
入れ、これと前述のようにしてニューラル・ネット・オ
プティマイザーにより算出された溶存酸素濃度の目標値
との差を比較して目標溶存酸素濃度により近づけられる
ような酸素供給量を計算し、その結果を酸素供給量調節
計(10)に出力し、酸素供給量測定器(8)の計測結
果と比較して酸素供給量調節弁(9)を操作して、酸素
供給量を制御するとともに、引き続いて曝気槽の圧力調
節計(12)により圧力調節弁(7)を操作し、曝気槽
(4)内のガスを所定圧力まで排出する、というもので
ある。
【0022】
【発明の効果】本発明の制御装置を用いることにより、
曝気槽内の溶存酸素濃度を予測制御することが可能とな
り、溶存酸素濃度を安定させることができるので、処理
水の水質も安定する。また、短期予測と長期予測とを組
み合わせることで、上記の動的な制御だけでなく、ニュ
ーラル・ネット・オプティマイザーによるコスト・ミニ
マムとする制御が同時に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の曝気槽の溶存酸素濃度の制御装置の
構成の一例を示す概要図である。
【符号の説明】
1・・・原水流量計 2・・・原水流量調節弁 3・・・返送汚泥流量計 4・・・曝気槽 5・・・溶存酸素濃度計 6・・・圧力検出器 7・・・圧力調節弁 8・・・酸素供給量測定器 9・・・酸素供給量調節弁 10・・・酸素供給量調節計 11・・・予測機能付きPID制御装置 12・・・圧力制御調節計 13・・・ニューラル・ネット・オプティマイザー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 糸山 和年 岡山県倉敷市潮通三丁目10番地 三菱化学 株式会社水島事業所内 (72)発明者 山本 義章 岡山県倉敷市潮通三丁目10番地 三菱化学 株式会社水島事業所内 Fターム(参考) 4D028 AB00 BD07 CA07 CA10 CB01 CC00 CC01 CC05 CC07 CC12 CD01 CD08 CE03 4D029 AA09 AB05 BB10 CC02

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素供給配管、原水供給配管、返送汚泥
    受入配管、排気配管、及び処理水・汚泥の沈殿槽への排
    出配管を備えた排水処理用の曝気槽(4)の溶存酸素濃
    度の制御装置であって、以下の計装機器を備えてなる制
    御装置。 a)曝気槽に供給される原水の流量を計測する原水流量
    計(1)及び原水流量調節弁(2) b)沈殿槽から返送される汚泥流量を計測する返送汚泥
    流量計(3) c)曝気槽内の溶存酸素濃度を測定する溶存酸素濃度計
    (5) d)曝気槽の内圧を計測する圧力検出器(6) e)曝気槽の内圧を調節するために曝気槽の排気配管に
    設けられた圧力調節弁(7)及び圧力制御調節計(1
    2) f)曝気槽に供給する酸素量を調節する酸素供給量調節
    弁(9) g)酸素供給配管の酸素供給量調節弁(9)の直近に設
    置された酸素供給量測定器(8) h)予め定めたプロセスデータを入力することにより、
    溶存酸素濃度の長期予測を行い、溶存酸素濃度の目標値
    を算出するニューラル・ネット・オプティマイザー(1
    3) i)溶存酸素濃度計の計測結果及びニューラル・ネット
    ・オプティマイザーが算出した溶存酸素濃度の目標値に
    基づいて供給すべき酸素量を算出する短期予測機能付P
    ID制御装置(11) j)酸素供給量測定器(8)の計測結果と、短期予測機
    能付PID制御装置(11)の指示した供給すべき酸素
    量とに基づいて酸素供給量調節弁(9)を調節する酸素
    供給量調節計(10)
  2. 【請求項2】 短期予測機能付PID制御装置の予測モ
    デルとして、酸素供給量に対する溶存酸素濃度の動特性
    とノイズを考慮に入れた離散線形モデルを用いる請求項
    1に記載の曝気槽の溶存酸素濃度の制御装置。
  3. 【請求項3】 プロセスデータとして、原水の温度、流
    量、水素イオン濃度(pH)、化学的酸素要求量(CO
    D)、生物化学的酸素要求量(BOD5)、懸濁物質
    (SS)、曝気槽の温度、圧力、溶存酸素濃度、槽内混
    合液懸濁物質(MLSS)、槽内混合液揮発性懸濁物質
    (MLVSS)からなる群から選ばれる少なくとも1種
    以上のデータを使用する請求項1〜3のいずれか1項に
    記載の曝気槽の溶存酸素濃度の制御装置。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項に記載の溶
    存酸素濃度制御装置を用いる曝気槽の溶存酸素濃度制御
    方法。
  5. 【請求項5】 供給する酸素として、純度50%以上の
    酸素を用いる請求項3に記載の曝気槽の溶存酸素濃度の
    制御方法。
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