JP2002336889A - 水質シミュレーション装置 - Google Patents
水質シミュレーション装置Info
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Abstract
ミュレーション時間の短かい水質シミュレーション装置
を得る。 【解決手段】 本発明の水質シミュレーション装置は、
反応槽の安定した水質データを設定するウォーミングア
ップ処理部4と、このウォーミングアップ処理部4と反応
槽水質データ設定部8と自動モデルパラメータ設定部13
のそれぞれに出力する水質データの初期値を設定する初
期値設定部12とを備えている。このウォーミングアップ
処理部4は、反応槽水質データ第2設定部41と、可変モ
デルパラメータ設定部42と、水質安定化処理部43と、反
応槽水質データ保存処理部44とからなる。また、水質安
定化処理部は、1 ステップ水質予測処理部431と、基準
値蓄積部432と、水質判定処理部433と、ステップ時間変
更処理部434とからなる。
Description
水のような汚水を浄化する活性汚泥法、嫌気・好気汚泥
処理法による水質シミュレーション装置に関する。
セスは、微生物の動作状態、気候などから運転方法を決
定する必要がある。図2は従来の運転支援システムとそ
の周辺との接続状況を示すブロック図である。図におい
て、1は最初沈殿池、2は反応槽、3は最終沈殿池、5は施
設条件設定部、6は処理条件設定部、7はデータ蓄積部、
8 は反応槽水質データ設定部、9は水質予測処理部、10
は評価処理部、11は操作変数設定部、13は自動モデルパ
ラメータ設定部である。まず、下水処理場の処理概要に
ついて説明する。下水処理場では、流入した下水は、最
初沈殿池 1、反応槽 2、最終沈殿池 3の順に流れて処理
される。汚濁物質を含む下水は、最初沈殿池 1 に導入
され、汚濁物質の中の沈降しやすいものを沈殿分離して
上澄水を反応槽 2 に流出する。反応槽 2 には最終沈殿
池 3 の汚泥の一部が返送汚泥ポンプによって返送され
ており、反応槽 2 はその返送汚泥と最初沈殿池 1 の上
澄水を処理する。反応槽2 では、ブロワー (図示せず)
から圧送された空気が曝気槽内の散気管 (図示せず) に
よって放出されており、汚濁物質は活性汚泥により吸
着、分解されて最終沈殿池 3 に導かれる。最終沈殿池
3 では活性汚泥を沈殿分離し、沈降汚泥は余剰汚泥ポン
プにより汚泥処理系 (図示せず) に排出され、清澄水は
処理水として滅菌槽 (図示せず) を経て放流される。つ
ぎに、この水質シミュレーション装置の動作について説
明する。 施設条件設定部5により、水質の予測に必要な反応槽
の体積、管路などの処理場土木構造に関する条件を設定
し、水質予測処理部9へ出力する。 処理条件設定部6により、空気量、返送汚泥量などの
下水プロセスの運転に必要な操作変数を設定する。設定
はオペレータが手動で設定するか、またはオペレータが
設定した値を基準に計算機が順番に設定する。例えば、
反応槽2の最終端のDO濃度を、約3mg/Lから約0.5mg/Lま
で減少させる。水質が維持できていれば、次に最終端の
DO濃度を0.5mg/Lに固定し、1つ手前のタンクのDO濃度
を、約3mg/Lから0.5mg/Lまで減少させ、水質の維持が可
能なDO濃度まで下げる。このようにDO濃度を反応槽最終
端から順番に設定する。返送汚泥量は、最終沈殿池3か
ら反応槽2へ返送する汚泥量をポンプ能力の最大値から
最小能力まで汚泥量を順次、変動させる。また、余剰汚
泥量は、最終沈殿池3から引き抜く汚泥量をポンプ能力
の最大値から最小能力まで汚泥量を順次、変動させる。
循環量は、反応槽2の最終端から無酸素槽へ循環する汚
泥量を、ポンプ能力の最大値から最小能力まで汚泥量を
順次、変動させる。 データ蓄積部7により、図2の下水プロセスの各ポイ
ントから反応槽、処理水の水質予測に必要な情報、たと
えば、流量、SS、pH、風量、気象データ、DOなどを収集
・蓄積し、水質予測処理部9へデータを出力する。ここ
で収集されるデータはリン酸態リン濃度、硝酸態窒素濃
度、アンモニア態窒素濃度、Total-COD、溶解性CODなど
の富栄養化問題の対象となっている水質である。 初期値設定部 12 により、水質予測処理に必要な反応
槽 2 の水質データの初期値を設定する。初期値とし
て、ランダム関数などを用いてランダムな値または零の
値を自動的に設定するか、もしくは経験による妥当な値
を手動で設定し、反応槽水質データ設定部 8へ出力す
る。 反応槽水質データ設定部8により、初期値設定部 12
で設定した粗い初期値データを詳細な初期水質データに
再設定する。 自動モデルパラメータ設定部13により、シミュレー
ションする際に使用するモデル、たとえば、Internatio
nal Water Association (以下IWAと略す)の活性汚泥モ
デルなどのパラメータを自動で設定する。そのモデルに
は下水処理プロセスの生化学反応を数式によって表現し
た各種のものが提案されている。その数式は、下水や活
性汚泥混合液中の汚濁成分をいくつかに分類し、それら
の間の反応プロセスを表現してモデル化されたものであ
る。このモデルは生物学的窒素、リン除去に加えて、リ
ン除去に広く用いられている凝集沈殿も扱っており、広
範な対象に適用が可能である。このモデルを使用するた
めには硝化菌の増殖速度など、約50個ものパラメータ
を運転員または計算機が設定する。 水質予測処理部 9により、反応槽内外の水質予測を行
う。水質予測処理部9は、施設条件設定部 5 で設定さ
れた値と、運転条件を設定する処理条件設定部6で設定
された値と、データ蓄積部7に蓄積された分析データの
内、下水処理場への流入水質と、反応槽水質データ設定
部 8 で設定された値を入力し、反応槽内や反応槽外で
の処理水の窒素・リンなどの水質予測を行う。また、上
記のような硝酸態窒素だけでなく、リン酸態リン濃度、
アルカリ度、アンモニア態窒素濃度なども同時に計算さ
れる。その予測結果を評価処理部 10 に出力する。水質
予測処理部 9 の結果が水質の基準値を超えたり、コス
トがかかるなど不満足なものであれば、処理条件設定部
6の値を再設定し、再度、水質予測処理部9にて水質予
測を行う。 評価処理部10により、水質予測処理部9の予測結果
を評価する。評価項目としては、SRT、DO などの操作変
数変更時の水質、電気量、汚泥量などである。水質につ
いては、水質が基準値をクリアしているか否かを評価す
る。下水プラントで稼動する電気機器により消費される
電気量については、水質予測処理部 9 による結果が水
質基準値をクリアしているかチェックを行い、基準値を
クリアした水質予測を導き出した操作変数設定値の中で
最も低い電力量を検出し、操作変数設定部 11 へ出力す
る。汚泥量については、水質予測処理部 9による結果が
水質基準値をクリアしているかチェックを行い、基準値
をクリアした水質予測を導き出した操作変数設定値の中
で最も低い汚泥発生量を検出し、操作変数設定部 11 へ
出力する。 操作変数設定部 11 により、評価処理部10で求めら
れた最適な操作変数 (送風量、ポンプ台数など) を実プ
ラントへ入力する。
な従来の水質シミュレーション装置では、水質予測処理
部の入力値である反応槽の水質データを手入力していた
ため、設定に時間が掛かっていた。また、水質予測処理
部の入力値である反応槽の水質条件が、実際の下水プラ
ントにおける水質条件と異なっている場合、水質予測が
過渡的な水質状態を表すことになり、実測値と予測値が
一致せず、予測精度の低下を招いていた。さらに、実際
の反応槽では、安定した水質状態にあるが、水質シミュ
レーション装置内部の反応槽の水質状態が安定していな
い場合、水質予測処理部の結果が安定した水質状態に達
するまでシミュレーションを継続しなければならなかっ
た。このため、シミュレーションに長時間を要してい
た。これらの課題により、従来の水質シミュレーション
装置は、水質予測を目的とした十分な精度と、短い計算
時間を満たした使用が困難であるという問題があった。
そこで、本発明は予測精度が高く、シミュレーション時
間の短かい水質シミュレーション装置を提供することを
目的とする。
め、請求項 1 記載の水質シミュレーション装置は、最
初沈殿池、反応槽、最終沈殿池を有した下水処理場に設
置され、処理場の土木構造等の施設の条件を設定する施
設条件設定部と、下水プロセスの運転に必要な操作変数
を設定する処理条件設定部と、水質予測に必要な流量、
風量、気象データ、水質データ等を蓄積するデータ蓄積
部と、前記反応槽内の初期水質データを設定する反応槽
水質データ設定部と、シミュレーションに使用するモデ
ルのパラメータを自動的に設定する自動モデルパラメー
タ設定部と、前記施設条件設定部および前記データ蓄積
部の出力を基に各部の水質を予測する水質予測処理部
と、前記水質予測処理部の結果がプラント運転の適否を
判断する評価処理部と、前記評価処理部で求められた最
適な操作変数を実プラントへ出力するための設定を行う
操作変数設定部とを有した運転支援システムにおいて、
前記反応槽水質データ設定部、前記自動モデルパラメー
タ設定部等に出力する水質データの初期値を設定する初
期値設定部と、前記初期値設定部と前記施設条件設定部
と前記データ蓄積部からのデータを基に前記反応槽の安
定した水質データを得るための各種設定値を設定するウ
ォーミングアップ処理部とを備えたものである。請求項
1 記載の水質シミュレーション装置によれば、従来で
は手入力していた反応槽の初期水質データを、ランダム
関数などによりランダムな値に、もしくは零に、あらか
じめ自動設定する事で、手入力の手間を省く事ができ
る。また、水質予測処理の前に反応槽の水質を安定状態
に設定するので、反応槽が水質安定状態にあるシミュレ
ーションが可能となり、予測精度が向上し、水質データ
を設定する時間が必要なくなる。請求項 2 記載の水質
シミュレーション装置は、前記ウォーミングアップ処理
部が、前記反応槽内の水質条件を設定する反応槽水質デ
ータ第2設定部と、前記反応槽内の微生物反応をモデル
化した活性汚泥モデルで用いられるモデルパラメーター
を設定する可変モデルパラメータ設定部と、前記施設条
件設定部で設定された値と、前記データ蓄積部で蓄積さ
れた分析データの内、下水処理場への流入水質と、前記
処理条件設定部で設定された値と、前記反応槽水質デー
タ第2設定部で設定された前記反応槽の水質条件より前
記反応槽や処理水の窒素・リンなどの水質予測を行う水
質安定化処理部と、前記反応槽の水質条件を保存する反
応槽水質データ保存処理部とを備えたものである。請求
項2記載のウォーミングアップ処理部によれば、施設条
件設定部、データ蓄積部、処理条件設定部の設定値と、
反応槽水質データ設定部による反応槽の水質設定値とを
水質安定化処理部の入力値として、水質予測処理を行
い、結果として反応槽や処理水の安定した水質状態を求
め、この水質条件をメインの水質予測処理部の入力値と
して用いるため、水質予測処理開始直後より、安定した
水質予測が可能となる。さらに、安定した水質条件を用
いるため、水質の過渡状態を省略でき、予測精度の向上
が可能となる。請求項 3 記載の水質シミュレーション
装置は、前記水質安定化処理部が、水質予測処理の時間
単位であるステップ時間を基準として、1 ステップ時間
分先の反応槽や処理水の水質を予測する 1 ステップ水
質予測処理部と、反応槽や処理水の予測の時間変化率の
基準値を蓄積する基準値蓄積部と、反応槽や処理水の予
測の時間変化率を基準値と比較する水質判定処理部とか
らなるものである。請求項3記載の水質安定化処理部に
よれば、水質予測処理の時間単位である1ステップ時間
ごとの反応槽や処理水の水質予測を行い、この水質の時
間変化率を基準値と比較する事で、水質の安定度が判定
できるため、水質が安定状態に達した時の反応槽の水質
条件を決定できる。この安定時水質データを水質予測処
理部の入力値とする事で、水質の過渡状態を省略でき、
予測精度を向上させる事が可能となる。さらに、水質の
過渡状態を省略できるため、水質予測処理の所要時間を
短縮する事が可能となる。請求項 4 記載の水質安定化
処理部は、前記水質判定処理部の結果にしたがってステ
ップ時間を変更し、その結果を前記1 ステップ水質予測
処理部に戻すステップ時間変更処理部を設けたものであ
る。請求項4記載の水質安定化処理部によれば、反応槽
や処理水の水質が安定するまでの水質予測処理初期では
ステップ時間を長くし、水質が安定した後ではステップ
時間を短くする事で、水質予測処理の計算時間を短縮す
る事が可能となる。請求項 5 記載の水質安定化処理部
は、前記自動モデルパラメータ設定部が、前記初期値設
定部もしくは前記ウォーミングアップ処理部からの出力
値を入力として受け取り、前記活性汚泥モデルのモデル
パラメータを自動的に設定するものである。請求項5記
載の自動モデルパラメータ設定部によれば、自動モデル
パラメータ設定部内部で入力として必要な反応槽の水質
データを初期値設定部により自動設定されるため、作業
員による水質データの入力作業を省略できる。もしく
は、自動モデルパラメータ設定部内部で入力として必要
な反応槽の水質データをウォーミングアップ処理部によ
り自動設定されるため、作業員による水質データの入力
作業を省略できる上に、反応槽の水質データが安定して
いるため、反応槽の水質データが安定するまでの過渡的
な状態を省略でき、そして予測の初期段階から正確な予
測結果を得る事が可能となる。
基づいて説明する。図 1 は、本発明の水質シミュレー
ション装置の構成とその周辺接続状況を示すブロック図
である。図において、12は水質データの初期値を設定す
る初期値設定部、4は水質予測処理の前に事前に水質を
予測するウォーミングアップ処理部である。その他の符
号は、従来技術で述べたものと同じであるため省略す
る。つぎに、本発明の水質シミュレーション装置の動作
について説明する。 (1)各種の条件設定およびデータ蓄積部7による処理を
行う(従来と同じ)。各種の条件設定とは、施設条件設
定部5による施設条件の設定処理、下水プロセスの運転
に必要な操作変数を設定する処理条件設定部6による設
定である。 (2)初期値設定部 12 により、水質予測処理に必要な反
応槽 2 の水質データの初期値を設定する。初期値とし
て、ランダム関数などを用いてランダムな値を設定、も
しくは零と設定し、反応槽水質データ設定部 8 もしく
は反応槽水質データ第2設定部41もしくは自動モデル
パラメータ設定部 13 へ出力する。従来、作業者が手入
力で行っていた膨大な水質データは、初期値設定部 12
を用いるにより必要がなくなり、大幅に省力化できる。 (3)ウォーミングアップ処理部 4 により、入力値である
反応槽2の水質を安定化させるための条件を演算する。
ウォーミングアップ処理部4は、反応槽水質データ第2
設定部41、可変モデルパラメータ設定部42、水質安
定化処理部43および反応槽水質データ保存処理部44
からなる。 まず、反応槽水質データ第2設定部41により、初期
値設定部12 からの入力を受けて反応槽2の水質条件の
初期値を設定する。水質安定化処理部43の入力値とし
て反応槽 2 の水質データが必要である。その水質デー
タは、水質分析により求められ、手入力により水質シミ
ュレーション装置に設定される。しかし、その分析項目
自体が量的に非常に多く、さらに反応槽 2 は複数のタ
ンクから構成されているため、タンク 1 つ 1 つについ
て水質分析が必要になる。このため、現実的にこの水質
データを求める事は非常に困難となっている。 可変モデルパラメータ設定部42により、IWA 活性汚
泥モデルで用いられるモデルパラメータを自動設定、も
しくは標準設定、もしくは手動設定でモデルパラメータ
値を決定する。 水質安定化処理部43により、反応槽2の安定した水
質データを導き出し反応槽水質データ保存処理部44へ
出力する。水質安定化処理部43は、1ステップ水質予
測処理部431、基準値蓄積部432、水質判定部43
3およびステップ時間変更処理部434からなる。1ス
テップ水質予測処理部431は、施設条件設定部5、処
理条件設定部6、データ蓄積部7からの入力値と、反応
槽水質データ第2設定部41で設定された反応槽の水質
データをもとに安定した反応槽の水質データを導き出
す。水質予測処理の時間単位であるステップ時間を基準
として、1 ステップ時間分先の反応槽や処理水の水質を
予測する。1 ステップ水質予測処理部431の内部で
は、反応槽内部の微生物反応を数式でモデル化した IWA
活性汚泥モデルを基に、反応速度定数を用いて 1 ステ
ップ時間ごとの水質計算を行っている。1 ステップ水質
予測処理部431における計算の初期段階では、微生物
反応が数 10 分単位で進行する反応を考慮して、 1 ス
テップ時間を数 10 分としている。これにより、計算量
が少なくなり、水質計算時間の短縮が可能となる。基準
値蓄積部432は、反応槽や処理水の予測の時間変化率
の基準値を蓄積する。その基準値は 2 つ用意されてい
る。1つは予測ステップ時間変更の基準値A であり、も
う1 つは、水質予測終了の判定を行う基準値 B であ
る。水質判定処理部433は、基準値蓄積部432から
送られる基準値 A もしくは基準値 B と、反応槽や処理
水の予測の時間変化率とを比較する。水質予測処理の初
期段階では、ステップ時間を数 10 分として水質項目の
時間変化率を求める。その時間変化率が基準値蓄積部4
32から送られる基準値 Aよりも高い場合は、水質状態
が安定していない過渡的水質状態と判定して、1 ステッ
プ水質予測処理部431に処理を戻して次のステップの
計算を行う。一方、その時間変化率が基準値 A よりも
低くなった場合は、水質状態が安定したと判定して、ス
テップ時間変更処理部434 においてステップ時間を
数分と変更した後、引き続き、水質予測処理を行う。こ
のように、ステップ時間変更処理部434は、水質判定
処理部433 からステップ時間変更の指示を受けて、
ステップ時間を数 10 分から数分に変更する。続いて、
ステップ時間数分の水質予測処理が行われ、その時間変
化率が基準値蓄積部432 から送られる基準値 B より
も高い場合は、水質状態が安定していない過渡的水質状
態と判定して、 1 ステップ水質予測処理部431に処
理を戻して次のステップの計算を行う。最終的に水質の
時間変化率が基準値 B を下回った場合、もしくはある
一定計算時間経った場合、反応槽の水質が安定したと判
断して、反応槽水質データ保存処理部44に反応槽の水
質データを出力する。また、水質判定処理部433によ
り反応時間間隔数 10 分の微生物反応に関係する水質項
目が安定したと判定されると、反応が数分単位で進行す
る微生物反応を考慮して、ステップ時間を数分に変更す
る。これにより、水質予測の精度を確保する事が可能と
なる。 反応槽水質データ保存処理部44により、水質判定部
433から送られる反応槽の水質条件を保存する。この
保存された水質条件は、反応槽水質データ設定部 8 へ
の入力値となる。 (4)反応槽水質データ設定部 8により、反応槽の水質デ
ータを設定する。反応槽水質データ設定部 8は、初期値
設定部12からのデータを受けて、水質予測の初期段階
での暫定的な反応槽2の水質データとして設定する。ま
た、ウォーミングアップ処理部 4 の反応槽水質データ
保存処理部44からのデータを受けて、反応槽2の安定
時の水質データを設定する。 (5)自動モデルパラメータ設定部 13により、モデルパラ
メータを決定する。初期値設定部 12 もしくはウォーミ
ングアップ処理部 4 から反応槽2の水質データを入力と
して受けて、IWA 活性汚泥モデルで用いられるモデルパ
ラメータを決定し、そのモデルパラメータ値を水質予測
処理部 9 へ出力する。 (6) 水質予測処理部 9により水質予測を行い、その予
測結果を評価処理部 10に出力する(従来と同じ)。 (7)評価処理部 10 により操作変数変更時の水質、電気
量、汚泥量などの評価を行う(従来と同じ)。 (8) 操作変数設定部 11 により、最適な操作変数を実
プラントへ出力する(従来と同じ)。
レーション装置によれば、つぎの効果がある。 水質シミュレーション装置に初期値設定部を設けたの
で、反応槽の水質をあらかじめ自動設定できるため入力
作業の時間を省略することができる。 水質シミュレーション装置にウォーミングアップ処理
部を設けたので、水質測処理の前に反応槽の水質を安定
状態に設定でき、予測精度が向上する。 自動モデルパラメータ設定部にウォーミングアップ処
理部からの初期水質データを入力するようにしたので、
自動設定ができるため作業員による水質データの入力作
業を省略でき、水質予測の初期段階から正確な予測結果
を得る事ができる。
ック図である。
ク図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 最初沈殿池、反応槽、最終沈殿池を有し
た下水処理場に設置され、処理場の土木構造等の施設の
条件を設定する施設条件設定部と、下水プロセスの運転
に必要な操作変数を設定する処理条件設定部と、水質予
測に必要な流量、風量、気象データ、水質データ等を蓄
積するデータ蓄積部と、前記反応槽内の初期水質データ
を設定する反応槽水質データ設定部と、シミュレーショ
ンに使用するモデルのパラメータを自動的に設定する自
動モデルパラメータ設定部と、前記施設条件設定部およ
び前記データ蓄積部の出力を基に各部の水質を予測する
水質予測処理部と、前記予測処理部の結果がプラント運
転の適否を判断する評価処理部と、前記評価処理部で求
められた最適な操作変数を実プラントへ出力するための
設定を行う操作変数設定部とを有した運転支援システム
において、 前記反応槽水質データ設定部、前記自動モデルパラメー
タ設定部等に出力する水質データの初期値を設定する初
期値設定部と、前記初期値設定部と前記施設条件設定部
と前記施設条件設定部と前記データ蓄積部からのデータ
を基に前記反応槽の安定した水質データを得るための各
種設定値を設定するウォーミングアップ処理部とを備え
たことを特徴とする水質シミュレーション装置。 - 【請求項2】 前記ウォーミングアップ処理部は、前記
反応槽内の水質条件を設定する反応槽水質データ第2設
定部と、前記反応槽内の微生物反応をモデル化した活性
汚泥モデルで用いられるモデルパラメーターを設定する
可変モデルパラメータ設定部と、前記施設条件設定部で
設定された値と、前記データ蓄積部で蓄積された分析デ
ータの内、下水処理場への流入水質と、前記処理条件設
定部で設定された値と、前記反応槽水質データ第2設定
部で設定された前記反応槽の水質条件より前記反応槽や
処理水の窒素・リンなどの水質予測を行う水質安定化処
理部と、前記反応槽の水質条件を保存する反応槽水質デ
ータ保存処理部とからなることを特徴とする請求項 1
記載の水質シミュレーション装置。 - 【請求項3】 前記水質安定化処理部は、水質予測処理
の時間単位であるステップ時間を基準として、1 ステッ
プ時間分先の反応槽や処理水の水質を予測する 1 ステ
ップ水質予測処理部と、反応槽や処理水の予測の時間変
化率の基準値を蓄積する基準値蓄積部と、反応槽や処理
水の予測の時間変化率を基準値と比較する水質判定処理
部とからなることを特徴とする請求項2記載の水質シミ
ュレーション装置。 - 【請求項4】 前記水質判定処理部の結果にしたがって
ステップ時間を変更し、その結果を前記1 ステップ水質
予測処理部に戻すステップ時間変更処理部を設けたこと
を特徴とする請求項3記載の水質シミュレーション装
置。 - 【請求項5】 前記自動モデルパラメータ設定部は、前
記初期値設定部もしくは前記ウォーミングアップ処理部
からの出力値を入力として受け取り、前記活性汚泥モデ
ルのモデルパラメータを自動的に設定することを特徴と
する請求項1から4のいずれか1項に記載の水質シミュ
レーション装置。
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---|---|---|---|
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Cited By (5)
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- 2001-05-18 JP JP2001148679A patent/JP2002336889A/ja active Pending
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