JP4334317B2 - 下水処理システム - Google Patents

Description

本発明は、都市下水や産業排水等の処理を行う下水処理システムに関するものである。

下水処理システムにより処理された水は最終的には河川等に放流されるが、この放流された処理水に起因して、近年、湖沼や湾などの閉鎖性水域で所謂「富栄養化」現象が進行して問題となっている。富栄養化現象とは、排水中に含まれる窒素やリンが栄養分となって植物性プランクトンが大量発生する現象であり、水質汚濁や悪臭、あるいは魚介類への悪影響などを招く環境汚染の１つの形態である。

このような富栄養化現象の発生を阻止するためには、その原因物質である窒素やリンの、下水処理システムから閉鎖性水域への流出量を抑制する必要がある。一方、従来の通常の下水処理システムでは、活性汚泥法と呼ばれるプロセスにより有機物の除去のみを行っていたが、このような活性汚泥法では窒素やリンの除去は有効に行われない。そのため、近時の下水処理システムでは、例えば特許文献１，２に開示されているように、有機物ばかりでなく、窒素やリンについても除去を行うことが可能な高度処理システムを採用している例が多くなってきている。

図７は、上記のような高度処理システムを採用した従来の下水処理システムの構成図である。この図において、図示を省略してある沈砂池からの流入下水は流入弁１を通って最初沈殿地２に送られ、ここで沈砂池では除去できなかった小さな砂やゴミ等が除去されるようになっている。

最初沈殿地２を通った下水は、次に生物反応槽３に送られるようになっている。この生物反応槽３は、所謂「凝集剤注入Ａ2Ｏ法」と呼ばれるプロセス処理を行うタイプのものであり、嫌気槽４、無酸素槽５、及び嫌気槽６により構成されている。そして、この生物反応槽３において、活性汚泥中に含まれる好気性微生物による有機物の除去が行われると共に、窒素及びリンの除去も同時に行われるようになっている。

生物反応槽３で処理が行われた処理水は、次に最終沈殿地７に送られ、ここで活性汚泥と上澄み液に分離され、上澄み液は塩素混和池（図示せず）で消毒された後、河川等に放流されるようになっている。

バイパス弁８は、嫌気槽４に存在するリン蓄積細菌を活性化させるために流入下水中に多く含まれる有機物を直接供給する場合に用いるものである。

炭素源注入ポンプ１０は、炭素源貯溜槽９に貯溜されているメタノール、エタノール、酢酸、廃酢酸、グルコースなどの炭素源を注入し、嫌気槽４に存在するリン蓄積細菌を活性化させるためのものである。

凝集剤注入ポンプ１２は、凝集剤貯溜槽１１に貯溜されているポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硫酸鉄などのリン成分を沈殿させるための凝集剤（ＰＡＣ）を好気槽６に対して供給するためのものである。

好気槽６の下方には曝気装置としてのブロア１３が取り付けられており、このブロア１３からの空気が好気槽６内に配設された散気管１４を介して活性汚泥中の好気性微生物に供給されるようになっている。好気槽６内の水は撹拌機（図示略）により撹拌されて完全混合された状態になっており、この状態で供給された空気により好気性微生物が活性化されて有機物の分解・資化が促進されることになる。

好気槽６内の水の一部は、循環ポンプ１５により無酸素槽５へ循環されるようになっている。また、最終沈殿地７の底部から引き抜かれた活性汚泥は返送ポンプ１６により嫌気槽４の口元部へ返送されるようになっている。

更に、最初沈殿地２の底部に溜まった余剰汚泥は初沈引抜ポンプ１７により引き抜かれて汚泥貯溜槽１９に送られ、最終沈殿地７の底部に溜まり返送ポンプ１６により嫌気槽４側へ返送しきれなかった余剰汚泥も汚泥貯溜槽１９に送られるようになっている。

好気槽６にはアンモニア性窒素濃度計２０が配設されており、アンモニア性窒素（NH4ーN）の濃度が計測されるようになっている。また、監視装置２１は水質制御目標値設定器２２を有しており、好気槽６におけるアンモニア性窒素濃度についての目標値が出力されるようになっている。コントローラ２３は、アンモニア性窒素濃度計２０により計測されたアンモニア性窒素濃度が水質制御目標値設定器２２により設定された目標値に一致するように、ブロア１３の制御を行うようになっている。

次に、図７の構成における窒素除去及びリン除去に関する作用につき説明する。まず、窒素除去につき説明すると、好気槽６では、ブロア１３により供給される酸素を利用して、硝化菌がアンモニア性窒素（NH₄-N）を亜硝酸性窒素（NO₂-N）、硝酸性窒素（NO₃-N）に酸化する。そして、循環ポンプ１５により好気槽６から無酸素槽５に送り込まれた亜硝酸性窒素（NO₂-N）、硝酸性窒素（NO₃-N）は、無酸素条件下で有機物を栄養源とする脱窒細菌による硝酸性呼吸あるいは亜硝酸性呼吸により窒素ガス（N₂）へと還元され、系外に除去される。

この場合、脱窒反応に必要な有機物が充分に供給されなければ良好な窒素除去は行われない。この有機物を補填するための方策として、流入弁１を閉じた状態でバイパス弁８を開き、最初沈殿池をバイパスして流入下水を嫌気槽４に供給することや、炭素源貯留槽９に蓄えられたメタノール、エタノール、酢酸、廃酢酸、グルコースなどの炭素源を嫌気槽４に注入すること、あるいは最初沈殿池７で発生した引抜汚泥を好気槽６に投入することなどが行われる。

ここで、窒素除去反応は化学式で次のように表現される。すなわち、硝化反応は、式（１）及び式（２）のようになる。
NH₄ ⁺+2O₂→NO₂ ^-+2H₂O …… 式（１）
NO₂ ^-+1/2O₂→NO₃ ^- …… 式（２）

また、脱窒反応は、有機物としてメタノールが使われた場合の反応を記すと式（３）のようになる。、
6NO₃ ^-+5CH₃OH→3N₂+5CO₂+7H₂O+6OH^- …… 式（３）

コントローラ２３は、上記のような反応が促進されるように、アンモニア性窒素濃度計２０からの計測データ、及び水質制御目標値設定器２２からの目標値の入力に基づきブロア１３の回転を制御する。

次に、リン除去につき説明すると、嫌気槽４において、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、酢酸などの有機酸を体内に蓄積し、リン酸（PO₄）を過剰放出する。この過剰放出されたリン酸態のリンは好気槽６に送られるが、好気槽６ではリン蓄積細菌のリン過剰摂取作用の利用により、嫌気槽４で放出された以上のリン酸態のリンが活性汚泥に吸収される。これにより、リン除去が行われる。

上記のような反応を進行させるためには、酢酸などの有機酸が水素供与体として必要となる。しかし、雨水流入時には有機酸濃度が薄くなり、リン蓄積菌が利用できる有機物が減少することから、リンの吐き出し反応が充分に行われなくなり、後に続くリンの過剰摂取反応も不十分となる。

これを補填するために、窒素除去の場合と同様な方策でリン除去に必要な炭素源を確保するか、あるいは凝集剤貯留槽１１に蓄えられたポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、硫酸鉄などの凝集剤（PAC）を注入してリン酸アルミニウムやリン酸鉄の形でリン成分を沈殿させることによりリンを除去する。
Al³⁺+3PO₄ ^-→Al(PO₄)₃ …… 式（４）
特開平９−２４８５９６号公報 特開平１１−２４４８９４号公報

流入下水に含まれる窒素の除去、及びリンの除去は、上記のような生物反応を利用して行われ、コントローラ２３は窒素濃度及びリン濃度が目標値（固定値）に達するように各プロセス機器の制御を行っている。

しかし、流入下水の流入量が大きく変動し（例えば降雨時）、そのため下水中に含まれる窒素濃度及びリン濃度も大きく変動することがある。ここで、リン濃度に関しては、降雨時に下水流入量が急激に増大したとしても、凝集剤や炭素源などの注入量を増加させることで目標値レベルを維持することが容易であるため、殆ど問題は生じない。

一方、窒素濃度に関しては、生物反応槽３における処理水の滞留時間や生物反応速度との関係上、一定レベル以上流入量が増加した場合には水質を目標値に到達させることが不可能な場合が生じる。そして、このような場合、コントローラ２３は窒素濃度を目標値に到達させることができないにもかかわらず、ブロア１３の曝気風量を最大値レベルまで増加させていくことになるが、このような制御は電力の浪費をもたらし、徒に電力コストのアップを招く原因となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、生物反応槽における水質を目標値レベルに到達させることができない情況が発生したとしても、情況に応じた適切な水質制御を実行することが可能な下水処理システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、最初沈殿地、生物反応槽、及び最後沈殿地を含む下水処理プロセスを備え、これら下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量を制御することにより、前記生物反応槽における水質を予め設定した水質制御目標値に到達させるように水質制御を行う下水処理システムにおいて、所定の計測データ及び予測データのうちのいずれか又は双方の入力に基づき水質限界予測値を演算し、該水質限界予測値と前記水質制御目標値との比較に基づき該水質制御目標値が到達可能なものであるか否かを判定する水質制御目標値判定手段と、前記水質制御目標値判定部が到達不可能なものである旨を判定した場合、該判定結果のガイダンスを行うと共に、該水質制御目標値を所定レベルに変更するか又は前記所定プロセス機器の操作量を所定レベルにホールドする、判定結果実行手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記生物反応槽における水質は、該生物反応槽の一部を構成する好気槽でのアンモニア性窒素濃度であり、前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量は、前記好気槽に設置されたブロアの曝気風量である、ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記生物反応槽における水質は、該生物反応槽の一部を構成する好気槽前段の無酸素槽、又は該無酸素槽前段の嫌気槽での硝酸性窒素濃度であり、前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量は、炭素源注入ポンプの前記無酸素槽又は嫌気槽に対する炭素源注入量である、ことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記水質制御目標値判定手段は前記所定の計測データのみに基づき前記判定を行うものであり、該計測データは前記下水処理プロセスに流入する下水の流量及び全窒素濃度を含むものである、ことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記水質制御目標値判定手段は前記所定の計測データ及び予測データの双方に基づき前記判定を行うものであり、該計測データは前記下水処理プロセスに流入する下水の流量であり、該予測データは該流入する下水の全窒素濃度についての過去の時系列データである、ことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記所定の予測データに基づき目標値計画を作成し、この作成した目標値計画を前記水質制御目標値として設定する目標値計画手段を備えた、ことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、前記水質制御目標値判定手段は前記所定の計測データのみに基づき前記判定を行うものであり、該計測データは前記下水処理プロセスに流入する下水の流量、並びに前記好気槽から前記無酸素槽へ循環される処理水についての循環流量及び硝酸性窒素濃度を含むものである、ことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量を、前記炭素源注入ポンプの前記無酸素槽又は嫌気槽に対する炭素源注入量に代え、前記生物反応槽を構成する前記嫌気槽、前記無酸素槽、及び前記好気槽に対する各下水のステップ流入量とした、ことを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量を、前記炭素源注入ポンプの前記無酸素槽又は嫌気槽に対する炭素源注入量に代え、前記最初沈殿地をバイパスして前記生物反応槽に流入する最初沈殿地バイパス流量とした、ことを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量を、前記炭素源注入ポンプの前記無酸素槽又は嫌気槽に対する炭素源注入量に代え、前記嫌気槽若しくは前記無酸素槽に対する前記最初沈殿地の底部からの生汚泥投入量としたこと、又は前記最初沈殿地の底部からの生汚泥を発酵させて生成した発酵物の前記嫌気槽に対する生汚泥発酵物投入量とした、ことを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の発明において、前記水質制御目標値判定手段は、前記生物反応槽における水質を決定する物質の収支を演算する物質収支モデル、又は該物質の収支演算結果の過去データを出力する統計モデルにより構成されるものである、ことを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の発明において、前記水質制御目標値判定手段は、前記水質限界予測値を複数段階に分けて演算すると共に、該複数段階の各予測値と前記水質制御目標値との間の差分に応じて、前記判定を複数段階毎に行うものである、ことを特徴とする。

請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の発明において、前記水質制御目標値判定手段による前記複数段階毎の判定結果を表示する表示部を備えた、ことを特徴とする。

上記構成によれば、生物反応槽における水質を目標値レベルに到達させることができない情況が発生したとしても、情況に応じた適切な水質制御を実行することが可能になる。

以下、本発明の各実施形態を図に基づき説明する。但し、図７と同様の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態では、窒素除去のみを問題にしているため、炭素源注入ポンプ１０の注入先を嫌気槽４ではなく無酸素槽５にしているが、本発明は、注入先を嫌気槽４にした構成、並びに注入先を嫌気槽４及び無酸素槽５の双方にした構成のいずれをも含むものである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る下水処理システムの構成図である。図１が図７と異なる点は、上記した炭素源注入ポンプ１０の注入先の他に、監視装置２１が監視装置２１Ａとなっている点、嫌気槽４の入側に全窒素濃度計２８が設けられている点である。そして、監視装置２１Ａは、水質制御目標値設定器２２の他に、水質制御目標値判定手段２４、判定結果実行手段２５、及び表示部２６を有している。

水質制御目標値判定手段２４は、水質制御目標値設定器２２から入力した水質制御目標値すなわちアンモニア性窒素濃度が到達可能なものであるか否かを、流入流量計２７及び全窒素濃度計２８からの計測データと、何らかの方法（例えば、試験又はシミュレーション等）により推定した硝化菌濃度推定値とに基づき判定するものである。なお、水質制御目標値判定手段２４が行う判定動作の周期は任意の時間に設定することが可能であるが、本実施形態では約１時間毎に判定動作を行うことを想定している。

判定結果実行手段２５は、水質制御目標値判定手段２４の判定結果が到達不可能なものである場合に、その到達不可能である旨を表示部２６に表示してオペレータの注意を促すようになっている。また、この場合、判定結果実行手段２５は、水質制御目標値設定器２２に設定されている目標値を到達可能なレベルに変更するか、あるいは到達可能なレベルに変更できない場合には、コントローラ２３がブロア１３に対する操作量をホールドしてブロア１３の曝気風量が一定レベル以上にならないように制御することを指令するようになっている。

次に、上記のように構成される第１の実施形態の作用につき説明する。好気槽６に取り付けられたアンモニア性窒素濃度計２０の計測値は、コントローラ２３へ送られ、コントローラ２３内では水質制御目標値設定器２２に設定されたアンモニア性窒素濃度目標値に近づくようにブロア１３の曝気風量が演算される。

硝化反応は酸素が不足した状態では進まないため、アンモニア性窒素濃度が目標値以上である場合は曝気風量を増加させ、目標値以下である場合は曝気風量を減少させれば、過不足のなく適正な曝気量制御を行うことができる。

曝気風量演算式は例えば、コントローラがPIコントローラの場合、式（1.1）の形で示される。但し、Qair(t)は時刻ｔにおける曝気風量目標値〔m³/min〕、Qair₀ は曝気風量初期値〔m³/min〕、Kpは比例ゲイン〔m⁶/g・min〕、T_Iは積分定数〔min〕、△ｔは制御周期〔min〕、e(t)は偏差〔mg/L〕、SV_NH4(t)はアンモニア性窒素濃度目標値〔mg/L〕、PV _NH4 (t)はアンモニア性窒素濃度計計測値〔mg/L〕である。

曝気風量コントローラが、式（1.1）のような形で示されるPIコントローラである場合、目標値SV_NH4よりもアンモニア性窒素濃度計測値PV_NH4が大きい場合は、曝気風量が増大する方向に、逆に目標値SV_NH4よりもアンモニア性窒素濃度計測値PV_NH4が小さい場合は、曝気風量が減少する方向に曝気風量目標値が演算される。

好気槽６においては、硝化が促進されアンモニア性窒素濃度ができるだけ残存しない方がよいので、通常、好気槽６の末端付近で0.5〜1〔mg/L〕のアンモニア性窒素濃度目標値が設定される。しかしながら、流入流量と流入全窒素濃度の積である流入負荷量が大きい場合には、たとえどれだけ風量を吹いてもアンモニア性窒素を除去できないという状況が生じる場合がある。

このようなばあいに目標値が固定のまま制御が行われると、最大曝気風量まで風量が増大し風量が過大になってしまう。そこで、この制御目標値が達成可能なものであるか否かを水質制御目標値判定手段２４が判定する。

図１において、嫌気槽４、無酸素槽５、及び好気槽６はそれぞれ完全混合槽であると仮定すると、嫌気槽４、及び無酸素槽５では硝化は基本的には発生せず、液体の混合と加水分解に伴う窒素成分の溶出があるのみである。

ここで、嫌気槽４でのアンモニア性窒素の物質収支を計算すると式（1.2）のようになる。但し、Snh4(1）は嫌気槽アンモニア性窒素濃度〔mg/L〕、Qinは流入流量〔m3/day〕、Snh4inは流入水アンモニア性窒素濃度〔mg/L〕、Qretは返送流量〔m3/day〕、Snh4(4)は沈殿池アンモニア性窒素濃度〔mg/L〕、V(1)は嫌気槽容積〔m3〕、△x1は嫌気槽加水分解にともなうアンモニア性窒素の溶出速度〔g/day〕である。

同様にして、無酸素槽５でのアンモニア性窒素の物質収支を計算すると式（１．３）のようになる。但し、Snh4(2）は無酸素槽アンモニア性窒素濃度〔mg/L〕、Qinは流入流量〔m3/day〕、Qcirは循環流量〔m3/day〕、Snh4(3)は好気槽アンモニア性窒素濃度〔mg/L〕、V(2)は無酸素槽容積〔m3〕、△x2は無酸素槽加水分解にともなうアンモニア性窒素の溶出速度〔g/day〕である。

目標値に達成可能かどうかを判断するには定常状態で考えればよいので、式（1.2）、式（1.3）の左辺を0とおいて整理をすると、式（1.4）が得られる。但し、a1,a2は定数である。

そして、好気槽でのアンモニア性窒素濃度の物質収支を考えると式（1.5）のようになる。但し、Snh4(3)は好気槽アンモニア性窒素濃度〔mg/L〕、V(3)は好気槽容積〔m3〕、△x3は好気槽加水分解、有機物除去にともなうアンモニア性窒素の溶出速度〔g/day〕、Rnh4は硝化菌の増殖にともなうアンモニア性窒素の減少速度〔g/day〕である。

硝化菌の増殖に伴うアンモニア性窒素の減少速度は、式（1.6）で示される。但し、μautは硝化菌の最大比増殖速度、Yautは硝化菌の収率、SO2(3)は好気槽溶存酸素濃度〔mg/L〕、Salk(3)は好気槽アルカリ度〔mg/L〕、Xautは硝化菌濃度〔mg/L〕、KO2,Knh4,Kalkは半飽和定数である。

溶存酸素及びアルカリ度による硝化阻害のない条件（最大効率で硝化が起こる条件）では、式（1.6）は式（1.7）のようになる。
Rnh4,max=μaut/Yaut・Snh4(3)/（Snh4(3)+Knh4)・Xaut(3) …… 式（1.7）

式（1.5）の右辺=0とおくと定常状態でのアンモニア濃度を計算できる。式（1.4）、式（1.7）を式（1.5）に代入し、右辺=0とおくと、式（1.8）が得られる。

ここで、流入水の硝酸性窒素、亜硝酸性窒素はほとんど存在しないと考えられるため、加水分解などにより生ずるアンモニア性窒素はほぼ流入水の有機性窒素起因のものであると考えられる。よって、式（1.8）は式（1.9）のように書き換えることができる。ここで、ST-Ninは流入水の全窒素濃度（mg/L）である。また、（1.9）式を解いて、正の解を取り出すと、式（1.10）のようになる。

μautは水温T（℃）に依存するパラメータで、μaut=1.12^(T-20)、Yaut＝0.24,Knh4=1である。式（1.10）は、硝化阻害のない条件（最大効率で硝化が起こる条件）により求められた解であるので、アンモニア性窒素濃度の限界値となる。

ST-Ninは全窒素濃度計２８、Qinは流入流量計２７により計測されているので、Xaut（3)の値がわかれば、目標値に制御可能か否かを式（1.10）の判別式にて判定することが可能である。

Xaut(3)（硝化菌濃度）は、直接測定することは困難なので、その際の硝化速度試験の結果より推定したり、活性汚泥モデルを利用したシミュレーション等何らかの方法により推定する必要がある。

シミュレーションによって求める場合、Xaut(3)は曝気槽内での固形物の滞留時間A-SRTをどのくらいとるかによって変化するため、その前の運転条件（1週間分程度）と流入水質、流入流量（時系列データがなければ平均データでよい）を入力として、シミュレーションを行い、Xaut(3)が定常状態に落ちついた値とすればよい。通常、これは50〜100程度の値に落ち着くと考えられる。この値は、週１回〜月1回程度の頻度で更新される必要がある。

このようにして、Xaut（硝化菌濃度）が推定できれば、水質制御目標値判定手段２４に硝化菌濃度推定値を入力することによって、式（1.10）を用いて目標値が達成可能なものであるか否かを判断することができる。

例えば、第１の条件として、Xaut（3）＝80〔mg/L〕、ST-Nin=30 〔mg/L〕、水温20〔℃〕、Snh4ref=1 〔mg/L〕、V3=1000〔m3〕、Qin=4000〔m3/day〕とした場合、(1.10）式で求められる解（限界値）は、0.54 〔mg/L〕となり等式を満たすので、pH及びDOの低下による硝化阻害がなければ制御可能である。

また、第２の条件として、Xaut（3）＝80〔mg/L〕、ST-Nin=30 〔mg/L〕、水温20〔℃〕、Snh4ref=1 〔mg/L〕、V3=1000〔m3〕、Qin=8000〔m3/day〕とした場合、（1.10）式で求められる解（限界値）は、2.03〔mg/L〕で、本目標値はどれだけ曝気風量を吹いても滞留時間の関係上制御できないことがわかる。

第２の条件のような場合は、オペレータに目標値制御ができないことをガイダンスするか若しくは、ガイダンスすると同時に達成可能な目標値の逆演算を行う（（1.10）式の演算を行う）。本演算は最大で除去できる条件を基に演算しているので、逆演算した値をそのまま制御目標値とするのではなく、それよりもいくらか大きい値を制御目標値として設定するよう演算する。

すなわち、△Snh4をバイアス値（0.5程度）、Snh4ref(auto)を目標値自動演算値とすれば式（1.11）が得られる。この場合、解が2.03〔mg/L〕なのでバイアスをとって3程度を制御目標値とすると制御可能になる。
Snh4ref(auto)= Snh4(3)lim+△Snh4 …… 式（1.11）

以上説明した第１の実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。第１に、達成可能な目標値を自動演算するので、流入負荷量が高い場合に関して、従来のアンモニア性窒素濃度計を利用したPI制御に比べ風量を削減することができる。第２に、流入水質を初沈の越流部分で測定しており、曝気槽に流入する窒素成分を正確に把握できているので、より正確な目標値判定が可能である。

なお、第１の実施形態は上述した形態の他に、次のような形態をも広く包含するものである。

（１）流入流量計２７、及び全窒素濃度計２８の位置は嫌気槽４の上流側地点であればどこでもよく、例えば、最初沈殿地２の上流側、あるいは流入弁１の上流側であってもよい。

（２）流入流量計２７、全窒素濃度計２８、及びアンモニア性窒素濃度計２０の計測値は、式（1.12）、又は式（1.13）のような演算式によってフィルタリング処理されたものでもよい。但し、PV(t)は時刻tにおけるセンサ計測値、FTは0〜1のフィルタ係数、nは整数である。
PV (t)＝（1-FT）・PV (t−△t) + FT・PV(ｔ) …… 式（1.12）

（３）アンモニア性窒素濃度限界予測値は式（1.10）に限定されず、物質収支をより詳細にまたは簡略に扱ったモデル及び統計モデルなど限界濃度を出力するモデルであればどのようなものでも良い。例えば、流入水質データ、及び流量データから、好気槽６のアンモニア性窒素濃度限界値を式（1.14）のような式で予測するものであってもよい。
Snh4(3)lim=a・ST-Nin・Qin+ｂ …… 式（1.14）
但し、 a，bは定数、ST-Ninは流入水全窒素濃度(mg/L)、Qinは流入流量（m3/day)である。

（４）式（1.10）のXaut（3）の測定方法は、シミュレーションにより算出する方法に限らず、実際に硝化速度試験をした結果から、Xaut(3)の存在量を推定するものであってもよいし、その他の方法で求めるものであってもよい。

（５）第１の実施形態における生物反応槽３は所謂「凝集剤Ａ2Ｏ法」と呼ばれるプロセス処理を行うタイプのものであったが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、その他、AOプロセス、循環式硝化脱窒プロセスなどのような下水処理プロセスを行うものであっても良く、あるいは更に、担体投入、凝集剤併用型のプロセスまたは、AOAO法などの各種A₂O法の変法を用いるものであってもよい。

（６）ブロア１３の制御を行うコントローラ２３はPIコントローラに限定されるわけではなく、PIDコントローラなど目標値と計測値との偏差に基づいて演算を行うものであればどのようなものであってもよい。

（７）判定結果実行手段２５は、水質制御目標値判定手段２４が現在設定されている目標値を到達不可能なものであると判定した場合に、その目標値を到達可能な所定レベルに変更するものではなくとも、その旨のガイダンスだけを行い、ブロア１３の操作量を所定レベルにホールドするだけのものであってもよい。

（８）上記の演算では、溶存酸素の制約がないという条件を前提にしているが、実際上は曝気を行うブロア１３の容量は決まっており、最大風量を吹いても溶存酸素濃度（DO）が上がらず、硝化が起こらない場合がある。そこで、最大供給できる曝気風量をQair,maxとし、好気槽６での溶存酸素濃度（DO）の物質収支をとると式（1.15）が得られる。但し、Klaは総括移動容量係数、Qair,maxは最大曝気風量〔m³/day〕、S_O2,satは飽和溶存酸素濃度〔mg/L〕、R_CODは従属栄養細菌による酸素消費速度〔〔ｇ/ｍ³〕/day〕である。この式（1.15）を用いてアンモニア濃度限界値を求めるようにしてもよい。

すなわち、式（1.15）の右辺＝0とおいてSO2(3)について解き、最大風量の時のDO(SO2max,(3))を計算して、式（1.14）によりアンモニア濃度限界値Snh4limを求めるようにしてもよい。なお、最大風量時のDO(SO2max,(3))の演算は式（1.14）に限定されるわけではなく、過去の統計などに基づき、式（1.16）のような演算式で予測するものであってもよい。但し、a,bは定数である。
SO2max,(3)=a・Qair,max+b …… （1.16）

（９）限界濃度予測モデルは誤差をもつと考えられるので、例えば、「絶対に不可能な目標値」、「達成困難な目標値」、及び「ぎりぎり達成可能な目標値」など３つの出力に分け、表示部２６の監視画面上に３本の線で表示するようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態を図２の構成図に基づき説明する。図２が図１と異なる主な点は、コントローラ２３の入出力が異なる点、及び監視装置２１Ｂにおける水質制御目標値判定手段２４の入力が異なる点である。

すなわち、本実施形態では制御対象となる水質が無酸素槽５での硝酸性窒素濃度であり、コントローラ２３は、硝酸性窒素濃度計３１により計測された硝酸性窒素濃度が水質制御目標値設定器２２により設定された目標値に一致するように、炭素源注入ポンプ１０の注入量を制御するようになっている。

また、水質制御目標値判定手段２４は、水質制御目標値設定器２２から入力した水質制御目標値すなわち硝酸性窒素濃度が到達可能なものであるか否かを、流入流量計２７、循環流量計２９、及び硝酸性窒素濃度計３０からの計測データと、何らかの方法（例えば、試験又はシミュレーション等）により推定した脱窒菌濃度推定値とに基づき判定するようになっている。

次いで、上記のような構成を有する第２の実施形態の作用につき説明する。コントローラ２３は、有機物が不足した状態では脱窒反応が進まないため、硝酸性窒素濃度が目標値以上に残存している場合は炭素源注入ポンプ１０の注入量を増加させ、一方、硝酸性窒素濃度が目標値以下である場合は炭素源注入量を減少させるようにすれば、過不足のない適正な炭素源投入量制御を行えることになる。

炭素源投入量演算式は例えば、コントローラがPIコントローラの場合、式（2.1）の形で示される。但し、Qcar(t)は時刻ｔにおける炭素源注入量目標値〔m³/min〕、Qair₀は炭素源注入量初期値〔m³/min〕、Kpは比例ゲイン〔m⁶/g・min〕、T_Iは積分定数〔min〕、△ｔは制御周期〔min〕、e(t)は偏差〔mg/L〕、SV_NO3(t)は硝酸性窒素濃度目標値〔mg/L〕、PV _NO3 (t)は無酸素槽硝酸性窒素濃度計計測値〔mg/L〕である。

コントローラが、式（2.1）のような形で示されるPIコントローラである場合、目標値SV_NO3よりも硝酸性窒素濃度計測値PV_NO3が大きい場合は、炭素源注入量が増大する方向に、逆に目標値SV_NO3よりも硝酸性窒素濃度計測値PV_NO3が小さい場合は、炭素源注入量が減少する方向に炭素源注入量目標値が演算される。

無酸素槽５において、脱窒が促進され硝酸性窒素濃度ができるだけ残存しない方が水質的にはよいので、通常、好気槽６の末端付近で0.1〜0.5〔mg/L〕の硝酸性窒素濃度目標値が設定される。しかしながら、無酸素槽５に流入する硝酸性窒素負荷量が大きい場合には、たとえどれだけ炭素源を注入しても窒素を除去できないという状況が生じる場合がある。

このような場合、目標値が固定のまま制御が行われると、脱窒反応を促進できないにもかかわらず最大炭素源注入量まで注入量が増大し、過大な炭素源注入が行われてしまう。そこで、水質制御目標値判定手段２４がこの目標値に対する判定を行うことになる。

図２において、嫌気槽４、無酸素槽５、及び好気槽６はそれぞれ完全混合槽であると仮定すると、流入水にはほとんど硝酸性窒素は存在せず、嫌気槽４でもほとんど存在しないと考えてよい。したがって、無酸素槽５に流入する硝酸性窒素は循環ポンプ１５によって好気槽６から循環してくるもののみであると考えることができる。

無酸素槽での硝酸性窒素の物質収支を計算すると、式（2.2）のようになる。但し、Sno3(2）は無酸素槽硝酸性窒素濃度〔mg/L〕、Qinは流入流量〔m3/day〕、Sno3(3)は好気槽硝酸性窒素濃度〔mg/L〕、Qretは返送流量〔m3/day〕、Qcirは循環流量〔m3/day〕、V(2)は無酸素槽容積〔m3〕、Rno3は脱窒菌の増殖に伴う硝酸性窒素の減少〔g/day〕である。

脱窒菌の増殖に伴う硝酸性窒素の減少速度は、式（2.3）で示される。但し、μHは従属栄養菌（脱窒菌）の最大比増殖速度、Yｈは従属栄養菌（脱窒菌）の収率、SO2(2)は無酸素槽溶存酸素濃度〔mg/L〕、Sno3(2)は無酸素槽硝酸性窒素濃度〔mg/L〕、Scod(2)は無酸素槽有機物濃度〔mg/L〕、Xh(2)は無酸素槽従属栄養細菌濃度〔mg/L〕である。

炭素源は補充されるので、炭素源が本反応の律速となることはない。好気槽６からの溶存酸素の持込はないと仮定すると、無酸素槽５での硝酸性窒素の最大除去速度Rno3は式（2.4）で表される。
Rno3=ηno3・μH・（1-YH） /2.86YH・Sno3(2)/(Sno3(2)+Kno3)・Xh(2) …… 式（2.4）

ここで、式（2.2）の右辺=0とおくと定常状態での硝酸性窒素濃度を計算できる。式（2.4）を式（2.2）に代入し、右辺＝0とおくと式（2.5）が得られる。少なくとも本条件を満たしていない場合には、目標値に制御することは不可能である。

（2.5）式を解いて求まるSno3(2)が硝酸性窒素濃度の限界目標値（Sno3lim）である。なお、Qcir，Qin，Qret等の流量は流量計（図示を省略しているものもある）により計測されており、Sno3(3)は硝酸性窒素濃度計３０により計測されている。また、V(2)は無酸素槽の容積なので既知である。

μHは水温T（℃）に依存するパラメータであり、国際的標準モデルであるASM2dのパラメータ値を参考にすれば、μH=6.0・1.07^(T-20）で、YH＝0.63、ηno3＝0.8、Kno3＝0.5となる。よって、Xh（2)（従属栄養菌濃度）の値がわかれば、目標値が到達可能なものであるか否かを式（2.5）の判別式に基づき判定することが可能である。

ここで、Xh(2)は直接測定することは困難なので、活性汚泥モデルを利用したシミュレーションにより推定するか、あるいはMLSSからの補正係数による換算やMLVSSで代用するなど何らかの方法により推定する必要がある。MLVSSは微生物量の指標となるもので、汚泥中に含まれている微生物の大半は従属栄養菌であるため、Xh(2)＝0.9×MLVSSとすることにより概略値を求めることができる。本推定値は週１回〜月１回程度の頻度で更新される必要がある。

上記のようないずれかの方法によって、従属栄養菌濃度すなわち脱窒菌濃度Xh(2)が推定できれば、式（2.6）を用いて、目標値が到達可能なものであるか否かを判定することができる。
Sno3ref(auto)= {-b+（ｂ²-4a・c）}/2a+△Sno3 …… 式（2.6）

但し、△Sno3はバイアス値（0.1程度）であり、Snh4ref(auto)は目標値自動演算値である。また、、a,b,cは下記のように定義されるものである。
a=Qcir/V(2)
b=ηno3・μH ・(1-YH)/2.86YH・Xh(2)+(Qin+Qret+Qcir)・Kno3/V(2)−Qcir/V(2)・Sno3(3)
c= Qcir・Kno3/V(2)

水質制御目標値判定手段２４は、式（2.6）により求められた限界目標値から、水質制御目標値設定器２２に設定されている目標値が到達困難なものであると判定すると、その旨を判定結果実行手段２５に知らせる。

判定結果実行手段２５は、オペレータに目標値までの制御ができないことを表示部２６を介してガイダンスすると同時に、達成可能な目標値を逆演算し、これを水質制御目標値設定器２２の新たな設定値に変更する。この演算は最大で除去できる窒素負荷量をもとにしているので、逆演算した値をそのまま制御目標値とするのではなく、それよりもいくらか大きい値を制御目標値に設定している。

以上説明した第２の実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。第１に、無酸素槽への硝酸性窒素流入負荷量が高い場合、達成可能な目標値を自動演算するので、通常の硝酸性窒素濃度計を利用した制御に比べ炭素源注入量を削減することができる。第２に、無酸素槽に流入する硝酸性窒素濃度計を循環配管上に設置しているため、無酸素槽に流入する硝酸性窒素負荷量を直接演算することができ、より正確な目標値判定が可能となる。

なお、第２の実施形態は上述した形態の他に、次のような形態をも広く包含するものである。また、第１の実施形態の終わりに述べた（５），（６），（７）及び（９）の形態は、この第２の実施形態においても同様に包含される。

（１）硝酸性窒素濃度計３０を循環配管上に配設できない場合、最終沈殿地７の出側又は入側のいずれかに配設されている処理水全窒素濃度計３２と、好気槽６内に配設されたアンモニア性窒素濃度計２０との間の各計測値の差分を基にして、循環される硝酸性窒素濃度を演算するようにしてもよい。

（２）流入流量計２７、循環流量計２７、硝酸性窒素濃度計３０，３１の計測値はフィルタリング処理されたものでもよい。この場合に用いる演算式は、第１の実施形態において述べた式（1.12）又は式（1.13）と同じになる。

（３）目標値判定に使う判定式は式（2.5）に限定されず、物質収支をより詳細にまたは簡略に扱ったモデル及び過去のデータを利用した統計モデルなど限界濃度を出力するモデルであればどのようなものであってもよい。

次に、本発明の第３の実施形態を図３の構成図に基づき説明する。図３が図１と異なる主な点は、監視装置２１Ｃに流入水質データベース３３及び流入水質予測手段３４が付設されている点、全窒素濃度計２８が省略されている点である。

すなわち、本実施形態では、流入水質予測手段３４が流入水質データベース３３を検索して運転当日に類似する日における全窒素濃度を予測するようになっている。そして、水質制御目標値判定手段２４は、この予測値と、流入流量計２７からの計測値と、硝化菌濃度推定値とから水質制御目標値についての判定を行うようになっている。

図４は、流入水質データベース３３に保存されているデータについての説明図であり、（ａ）は保存データ例を示す図表、（ｂ）はこの保存データ例に基づき得られる流入全窒素濃度のパターン例を示す特性図である。

図４（ａ）の保存データは、ある１日すなわち２００３年８月１日（火曜）における流入全窒素量、流入流量、降雨量等のデータが１時間のサンプリング周期毎に記載されたものである。流入水質データベース３３には、このようなデータが複数日にわたって登録されている。この登録データは、オペレータが手分析を行った結果を入力したものでもよく、あるいは水質センサを用いて計測したデータを入力したものなど、どのようなものであってもよい。

流入水質予測手段３４は、下水処理制御の運転が行われる当該日に最も類似する日に係る登録データを、流入水質データベース３３に保存されている登録データから抽出し、この抽出したデータを流入水質予測値として水質制御目標値判定手段２４に出力する。

図４（ｂ）の特性図は、この抽出された保存データを時系列的に示したものである。この図に示されるように、通常、降雨がなければ、ピーク地点が昼頃及び夕方頃に存在する山形の波形となる。

本実施形態の水質制御目標値判定手段２４は、流入水質予測手段３４からの予測値を全窒素濃度計２８（図１）からの計測値の代わりに入力し、更に、第１の実施形態と同様に、流入流量計２７からの計測値、及び硝化菌濃度推定値を入力する。そして、これらの入力に基づき、水質制御目標値設定器２２に設定されている目標値が到達可能なものであるか否かにつき判定を行う。

上述した第３の実施形態では、流入全窒素濃度を過去のトレンドデータから予測するようにしているので、高価な全窒素濃度計を省略することができ、また、効率の良い曝気風量制御を行うことができる。したがって、システムのコストダウンに寄与することができる。

なお、図３に示した例では、データベースに保存されたデータに基づき流入全窒素濃度を予測していたが、このような予測を行う方法は必ずしもデータベースを用いる方法に限定されるわけではない。例えば、流入流量計２７の他に、ＵＶ計及びＳＳ計などの水質センサを用い、式（3.1）に基づき流入全窒素濃度P_T-Nを予測するようにしてもよい。但し、Qinは流入流量、SSは流入SS計計測値、UVinは流入UV計計測値、a,b,c,dは定数である。
P_T-N＝a・Qin+b・SSin+ｃ・UVin+d …… 式（3.1）

また、第１の実施形態の終わりに述べた（１）〜（９）の形態は第３の実施形態においても包含されるものである。

次に、本発明の第４の実施形態を図５の構成図に基づき説明する。図５が図１と異なる主な点は、監視装置２１Ｄに流入負荷量データベース３５、流入負荷量予測手段３６、及び目標値計画手段３７が付設されている点、全窒素濃度計２８が省略されている点である。

すなわち、本実施形態では、流入負荷量予測手段３６が流入負荷量データベース３５を検索して運転当日に類似する日における流入水質パターン及び流入流量パターンを抽出し、これらの積を流入負荷量として予測するようになっている。なお、流入負荷量データベース３５に保存されているデータの内容は、図４（ａ）に示したのと同様のものである。

図６（ａ）は、流入負荷量予測手段３６が予測した流入窒素負荷量のパターン例を示す特性図である。通常、降雨がなければ、ピーク地点が昼頃及び夕方頃に存在する山形の波形となるが、流量及び全窒素の双方のピーク地点が昼及び夕方に存在するため、図４（ｂ）に示した水質のみの変動に比べて、この負荷量の変動の方が大きなものとなっている。

目標値計画手段３７は、流入負荷量予測手段３６が予測した流入負荷量に基づき、図６（ｂ）に示すような、好気槽６におけるアンモニア性窒素濃度の目標値計画を作成する。そして、目標値計画手段３７が作成した目標値計画は水質制御目標値設定器２２に出力され、この目標値計画の値が水質制御目標値として水質制御目標値設定器２２に設定される。また、水質制御目標値判定手段２４は、流入負荷量予測手段３６から流入負荷量の予測値を入力している。したがって、目標値計画手段３７で作成した目標値が、一旦、水質制御目標値設定器２２に設定された後は、第１の実施形態と同様の作用となる。

上述した第４の実施形態では、流入流量と流入水質との積で表される流入負荷量をを過去のトレンドデータから予測するようにしているので、第３の実施形態と同様に、高価な全窒素濃度計を省略することができ、また、効率の良い曝気風量制御を行うことができる。したがって、システムのコストダウンに寄与することができる。

また、第１の実施形態の終わりに述べた（１）〜（９）の形態は第４の実施形態においても包含されるものである。

本発明の第１の実施形態に係る下水処理システムの構成図。 本発明の第２の実施形態に係る下水処理システムの構成図。 本発明の第３の実施形態に係る下水処理システムの構成図。 図３における流入水質データベース３３に保存されているデータについての説明図であり、（ａ）は保存データ例を示す図表、（ｂ）はこの保存データ例に基づき得られる流入全窒素濃度のパターン例を示す特性図。 本発明の第４の実施形態に係る下水処理システムの構成図。 図５の要部構成についての説明図であり、（ａ）は流入負荷量予測手段３６が予測した流入窒素負荷量のパターン例を示す特性図、（ｂ）は目標値計画手段３７が作成した目標値計画についての説明図。 従来の下水処理システムの構成図。

符号の説明

１ 流入弁
２ 最初沈殿地
３ 生物反応槽
４ 嫌気槽
５ 無酸素槽
６ 好気槽
７ 最終沈殿地
８ バイパス弁
９ 炭素源貯溜槽
１０ 炭素源注入ポンプ
１１ 凝集剤貯溜槽
１２ 凝集剤注入ポンプ
１３ ブロア
１４ 散気管
１５ 返送ポンプ
１６ 返送ポンプ
１７ 初沈引抜ポンプ
１８ 余剰ポンプ
１９ 汚泥貯溜槽
２０ アンモニア性窒素濃度計
２１ 監視装置
２１Ａ 監視装置
２１Ｂ 監視装置
２１Ｃ 監視装置
２１Ｄ 監視装置
２２ 水質制御目標値設定器
２３ コントローラ
２４ 水質制御目標値判定手段
２５ 判定結果実行手段
２６ 表示部
２７ 流入流量計
２８ 全窒素濃度計
２９ 循環流量計
３０ 硝酸性窒素濃度計
３１ 硝酸性窒素濃度計
３２ 処理水全窒素濃度計
３３ 流入水質データベース
３４ 流入水質予測手段
３５ 流入負荷量データベース
３６ 流入負荷量予測手段
３７ 目標値計画手段

Claims (13)

1. 最初沈殿地、生物反応槽、及び最後沈殿地を含む下水処理プロセスを備え、これら下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量を制御することにより、前記生物反応槽における水質を予め設定した水質制御目標値に到達させるように水質制御を行う下水処理システムにおいて、
   所定の計測データ及び予測データのうちのいずれか又は双方の入力に基づき水質限界予測値を演算し、該水質限界予測値と前記水質制御目標値との比較に基づき該水質制御目標値が到達可能なものであるか否かを判定する水質制御目標値判定手段と、
   前記水質制御目標値判定部が到達不可能なものである旨を判定した場合、該判定結果のガイダンスを行うと共に、該水質制御目標値を所定レベルに変更するか又は前記所定プロセス機器の操作量を所定レベルにホールドする、判定結果実行手段と、
   を備えたことを特徴とする下水処理システム。
2. 前記生物反応槽における水質は、該生物反応槽の一部を構成する好気槽でのアンモニア性窒素濃度であり、
   前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量は、前記好気槽に設置されたブロアの曝気風量である、
   ことを特徴とする請求項１記載の下水処理システム。
3. 前記生物反応槽における水質は、該生物反応槽の一部を構成する好気槽前段の無酸素槽、又は該無酸素槽前段の嫌気槽での硝酸性窒素濃度であり、
   前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量は、炭素源注入ポンプの前記無酸素槽又は嫌気槽に対する炭素源注入量である、
   ことを特徴とする請求項１記載の下水処理システム。
4. 前記水質制御目標値判定手段は前記所定の計測データのみに基づき前記判定を行うものであり、該計測データは前記下水処理プロセスに流入する下水の流量及び全窒素濃度を含むものである、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の下水処理システム。
5. 前記水質制御目標値判定手段は前記所定の計測データ及び予測データの双方に基づき前記判定を行うものであり、該計測データは前記下水処理プロセスに流入する下水の流量であり、該予測データは該流入する下水の全窒素濃度についての過去の時系列データである、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の下水処理システム。
6. 前記所定の予測データに基づき目標値計画を作成し、この作成した目標値計画を前記水質制御目標値として設定する目標値計画手段を備えた、
   ことを特徴とする請求項１記載の下水処理システム。
7. 前記水質制御目標値判定手段は前記所定の計測データのみに基づき前記判定を行うものであり、該計測データは前記下水処理プロセスに流入する下水の流量、並びに前記好気槽から前記無酸素槽へ循環される処理水についての循環流量及び硝酸性窒素濃度を含むものである、
   ことを特徴とする請求項３記載の下水処理システム。
8. 前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量を、前記炭素源注入ポンプの前記無酸素槽又は嫌気槽に対する炭素源注入量に代え、前記生物反応槽を構成する前記嫌気槽、前記無酸素槽、及び前記好気槽に対する各下水のステップ流入量とした、
   ことを特徴とする請求項３記載の下水処理システム。
9. 前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量を、前記炭素源注入ポンプの前記無酸素槽又は嫌気槽に対する炭素源注入量に代え、前記最初沈殿地をバイパスして前記生物反応槽に流入する最初沈殿地バイパス流量とした、
   ことを特徴とする請求項３記載の下水処理システム。
10. 前記下水処理プロセスに設置された所定プロセス機器の操作量を、前記炭素源注入ポンプの前記無酸素槽又は嫌気槽に対する炭素源注入量に代え、前記嫌気槽若しくは前記無酸素槽に対する前記最初沈殿地の底部からの生汚泥投入量としたこと、又は前記最初沈殿地の底部からの生汚泥を発酵させて生成した発酵物の前記嫌気槽に対する生汚泥発酵物投入量とした、
    ことを特徴とする請求項３記載の下水処理システム。
11. 前記水質制御目標値判定手段は、前記生物反応槽における水質を決定する物質の収支を演算する物質収支モデル、又は該物質の収支演算結果の過去データを出力する統計モデルにより構成されるものである、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の下水処理システム。
12. 前記水質制御目標値判定手段は、前記水質限界予測値を複数段階に分けて演算すると共に、該複数段階の各予測値と前記水質制御目標値との間の差分に応じて、前記判定を複数段階毎に行うものである、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の下水処理システム。
13. 前記水質制御目標値判定手段による前記複数段階毎の判定結果を表示する表示部を備えた、
    ことを特徴とする請求項１２記載の下水処理システム。

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