JP5608027B2 - 水処理システム及びその曝気風量制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、下水処理設備等に設けられる、好気槽を含む生物反応槽を備えた水処理システムに関する。特に、上記水処理システムにおいて、好気槽の曝気風量の制御に関する。
従来、生活排水などの下水の水処理システムの一つとして、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ：Membrane Bio-Reactor）で処理することにより再生水を製造する再生水製造システムが知られている。このような再生水製造システムは、例えば、原水（流入下水）を貯溜する原水槽と、原水中の汚濁物質を活性汚泥で生物処理する一連の生物反応槽と、原水と活性汚泥が混合した混合液から汚泥を膜分離する膜分離槽と、濾過された処理水が流入する濾過水槽とを備えている。一連の生物反応槽は、嫌気槽、無酸素槽、及び曝気装置を備えた好気槽などが含まれ、これらの反応槽で、炭素系有機物、窒素含有化合物、リン含有化合物などの原水に含まれる汚濁物質の除去が行われる。
上記再生水製造システムの好気槽には、好気槽を曝気するための曝気装置が備えられている。曝気装置で好気槽の原水と活性汚泥が混合した混合液中に微細気泡を供給することにより、微生物の活動に必要となる混合液中の溶存酸素を高めたり、混合液を攪拌したりすることができる。曝気装置による好気槽の混合液中への空気の供給量（以下、曝気風量という）が不足すれば、処理水の水質が悪化する。そこで、従来、好気槽に溶存酸素濃度計を設け、この溶存酸素濃度計の測定値が設定された溶存酸素濃度の目標値となるように、曝気風量が制御されている。しかし、溶存酸素濃度という間接的な指標に基づくため、処理水の水質を規制値内に維持するためには高い溶存酸素濃度目標値を設定せねばならず、曝気風量が常時過剰となるように運転されている。したがって、稼動にエネルギーを要する曝気装置は、再生水製造システムの運転コストの削減と省エネルギー化の妨げとなっていた。
そこで、特許文献１では、有機物の除去及びリンの吸収速度に比べて硝化細菌の硝化速度が遅いことから、硝化に必要な酸素を供給すれば有機物の除去、リンの吸収、および窒素の除去に必要な曝気風量が確保できるという考えに基づき、好気槽の曝気風量を好気槽内のアンモニア性窒素濃度に基づいて制御する曝気風量制御装置が提案されている。この曝気風量制御装置は、好気槽内のアンモニア性窒素濃度を計測するアンモニア計と、好気槽の放流水のアンモニア性窒素濃度の目標値を設定する目標設定手段と、計測されたアンモニア性窒素濃度を設定された目標値に近づけるような曝気風量の目標値を演算するコントローラとを備えている。
上記のような再生水製造システムにおいて、バッファとして機能する原水槽が大容量であれば、生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度の急激な変動は原水槽で吸収される。しかし、原水槽が小容量であれば、生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度が急激に変動することがある。また、好気槽においてアンモニア態窒素を硝化する硝化細菌の増殖速度は、通常の活性汚泥中にいる従属栄養細菌より遅い。したがって、生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度が急激に増加する場合に、特許文献１に記載のように好気槽のアンモニア態窒素濃度が上昇したことを検知して曝気風量を増加させても、好気槽のアンモニア態窒素濃度の上昇に硝化細菌による硝化反応（アンモニア分解反応）が追従できず、好気槽から放流される処理水のアンモニア態窒素濃度が規制値を超過する事態が生じうる。
本発明は上記に鑑み、下水処理設備に設けられる水処理システムにおいて、原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて好気槽の曝気風量を制御して、好気槽のアンモニア態窒素濃度の変動に対するアンモニア分解能力の追従性を高めることによって、曝気風量を総じて低減し、運転の省エネルギーを図ることを目的とする。
本発明に係る水処理システムは、曝気装置を備えた好気槽、および該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽を有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽と、前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する第１のアンモニア計と、前記曝気装置の目標操作量を生成する曝気風量演算装置と、生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御装置とを備え、
前記曝気風量演算装置は、原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する第１の操作量演算要素と、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは前記目標操作量先行信号を減少させ、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは前記目標操作量先行信号を増加させるための第１補正係数を決定する曝気風量移動平均補正要素と、前記第１補正係数が掛け合わされた前記目標操作量先行信号に対し、前記原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する補正を行う無駄時間要素とを含むフィードフォワード制御系を有し、前記無駄時間要素によって補正された前記目標操作量先行信号に基づいて前記目標操作量を生成するものである。
前記曝気風量演算装置は、原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する第１の操作量演算要素と、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは前記目標操作量先行信号を減少させ、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは前記目標操作量先行信号を増加させるための第１補正係数を決定する曝気風量移動平均補正要素と、前記第１補正係数が掛け合わされた前記目標操作量先行信号に対し、前記原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する補正を行う無駄時間要素とを含むフィードフォワード制御系を有し、前記無駄時間要素によって補正された前記目標操作量先行信号に基づいて前記目標操作量を生成するものである。
同様に、本発明に係る水処理システムの曝気風量制御方法は、曝気装置を備えた好気槽、および該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽を有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測し、計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成し、前記目標操作量先行信号を、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは減少し、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは増加するように補正し、前記曝気風量の移動平均に基づいて補正された前記目標操作量先行信号を、前記一連の生物反応槽に流入する原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する無駄時間により補正し、前記無駄時間により補正された前記目標操作量先行信号に基づいて目標操作量を生成し、生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御するものである。
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測し、計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成し、前記目標操作量先行信号を、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは減少し、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは増加するように補正し、前記曝気風量の移動平均に基づいて補正された前記目標操作量先行信号を、前記一連の生物反応槽に流入する原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する無駄時間により補正し、前記無駄時間により補正された前記目標操作量先行信号に基づいて目標操作量を生成し、生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御するものである。
上記水処理システム又は水処理システムの曝気風量制御方法によれば、原水のアンモニア態窒素濃度で好気槽に流入する混合液（原水と活性汚泥が混合した液体）のアンモニア濃度の変動を予測して、好気槽の曝気量を変化させることができる。特に、好気槽でアンモニア態窒素を硝化する硝化細菌は、他の活性汚泥微生物と比較して活性化するまでに時間がかかるが、上記水処理システム又は水処理システムの曝気風量制御方法によれば、混合液のアンモニア態窒素濃度が急激に変動する不連続面が好気槽に到達するまでに予め曝気風量を増大させて、硝化細菌を活性化させておくことができる。このように、原水のアンモニア態窒素濃度の増減に応じて曝気風量を変化させることにより、好気槽に流入する混合液のアンモニア濃度の変動に対する、好気槽でのアンモニア分解能力の追従性が高くなる。このため、アンモニア濃度の急激な変動に備えて常時過剰な曝気を行って硝化細菌を常に活性化させておく必要がなくなり、通常時は低曝気量を維持するとともに、必要な時のみ曝気量を増加させる運転が可能となる。その結果、好気槽での曝気風量を総じて低減することが可能となり、システムの運転の省エネルギーを図ることができる。好気槽の活性汚泥微生物の活動によるアンモニア態窒素の分解能力は、曝気風量の履歴に依存する。このことから、曝気風量の移動平均が多いときに曝気風量を低減し、曝気風量の移動平均が少ない時に曝気風量を増加するように目標操作量を補正することによって、より効率的な曝気を行うことができる。
また、本発明に係る水処理システムは、前記好気槽のアンモニア態窒素濃度を計測する第２のアンモニア計を更に備え、前記曝気風量演算装置は、前記好気槽のアンモニア態窒素濃度とアンモニア態窒素濃度設定値との偏差に基づいて、目標操作量帰還信号を生成する第２の操作量演算要素を含むフィードバック制御系と、前記フィードフォワード制御系から出力される前記目標操作量先行信号と前記フィードバック制御系から出力される前記目標操作量帰還信号とを加算して前記目標操作量を生成する加算要素とを更に有するものである。
同様に、本発明に係る水処理システムの曝気風量制御方法は、曝気装置を備えた好気槽、および該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽を有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測し、計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成し、前記目標操作量先行信号を、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは減少し、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは増加するように補正し、前記曝気風量の移動平均に基づいて補正された前記目標操作量先行信号を、前記一連の生物反応槽に流入する原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する無駄時間により補正し、前記好気槽のアンモニア態窒素濃度を計測し、前記好気槽のアンモニア態窒素濃度とアンモニア態窒素濃度設定値との偏差に基づいて、目標操作量帰還信号を生成し、前記無駄時間により補正された前記目標操作量先行信号と前記目標操作量帰還信号とを加算して目標操作量を生成し、生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御するものである。
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測し、計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成し、前記目標操作量先行信号を、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは減少し、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは増加するように補正し、前記曝気風量の移動平均に基づいて補正された前記目標操作量先行信号を、前記一連の生物反応槽に流入する原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する無駄時間により補正し、前記好気槽のアンモニア態窒素濃度を計測し、前記好気槽のアンモニア態窒素濃度とアンモニア態窒素濃度設定値との偏差に基づいて、目標操作量帰還信号を生成し、前記無駄時間により補正された前記目標操作量先行信号と前記目標操作量帰還信号とを加算して目標操作量を生成し、生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御するものである。
上記水処理システム又は水処理システムの曝気風量制御方法によれば、フィードフォワード制御による曝気風量の目標操作量を、フィードバック制御により補償することができる。これにより、好気槽に流入する混合液のアンモニア態窒素濃度の変更により良く追従して曝気風量を増減させることができ、一連の生物反応槽より流出する混合液（又は処理水）のアンモニア態窒素濃度をより確実に制御することができる。
また、前記水処理システムにおいて、前記曝気風量演算装置の前記フィードフォワード制御系は、前記好気槽への混合液の流入量が基準値より大きいときは前記目標操作量先行信号を増加させ、前記混合液の流入量が該基準値より小さいときは前記目標操作量先行信号を減少させるための第２補正係数を決定する好気槽流入量補正要素を更に含み、
前記無駄時間要素は、前記第１補正係数および前記第２補正係数が掛け合わされた前記目標操作量先行信号に対して補正を行うことがよい。ここで、「混合液」とは、生物反応槽に流入した原水と生物反応槽中の活性汚泥が混合した液体のことをいう。
前記無駄時間要素は、前記第１補正係数および前記第２補正係数が掛け合わされた前記目標操作量先行信号に対して補正を行うことがよい。ここで、「混合液」とは、生物反応槽に流入した原水と生物反応槽中の活性汚泥が混合した液体のことをいう。
同様に、前記水処理システムの曝気風量制御方法において、前記曝気風量の移動平均に基づいて補正された前記目標操作量先行信号を、前記好気槽への混合液の流入量が基準値よりも大きいときは増加し、前記混合液の流入量が該基準値よりも小さいときは減少するように、前記無駄時間により補正される前に補正することがよい。
上記水処理システム又は水処理システムの曝気風量制御方法によれば、好気槽に流入する混合液の量の増大に伴う、処理すべきアンモニア態窒素の増加に対応して、曝気風量を増加させることができる。
また、前記上記水処理システム又は水処理システムの曝気風量制御方法において、前記第１の操作量演算要素は、原水のアンモニア態窒素濃度と処理水のアンモニア態窒素濃度の目標値との関係から定まる関数に基づいて前記目標操作量先行信号を生成する演算要素であることがよい。ここで、「処理水」とは、一連の生物反応槽から放出された水処理後の液体のことをいう。
上記によれば、処理水アンモニア濃度の目標値に応じて、原水のアンモニア濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成することができるため、処理水アンモニア濃度の目標値に応じてより効率的な曝気を行うことができる。
本発明によれば、再生水製造システムにおいて、好気槽が備える曝気装置の曝気風量の最適化を図ることにより、省エネルギー化を実現できる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
本実施の形態に係る再生水製造システムは、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ：Membrane Bio-Reactor）を利用して下水を浄化するための水処理システムである。図１に示すように、再生水製造システム１は、原水槽２と、嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５から成る一連の生物反応槽１０と、膜分離槽６と、濾過水槽７とを備えている。原水槽２は、流入した下水を一時的に貯えるバッファタンクとして機能する。原水槽２の流出側は、配管５２によって一連の生物反応槽１０の最も上流側に位置する嫌気槽３の流入側と接続されている。配管５２には、原水槽２に貯えられた原水を嫌気槽３へ圧送する供給ポンプ５１が設けられている。
生物反応槽１０は、上流側から嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５の順に設けられている。本実施の形態において、嫌気槽３と無酸素槽４は一つの反応槽を２つに仕切ることにより形成されている。無酸素槽４の流出側は、配管５３を介して好気槽５の流入側と接続されている。さらに、好気槽５の流出側は、配管５４を介して膜分離槽６の流入側と接続されている。膜分離槽６には、汚泥を分離する分離膜８が設けられており、分離膜８は配管５６を介して濾過水槽７の流入側に接続されている。配管５６には、分離膜８にて濾過された処理水を圧送する排出ポンプ５５が設けられている。排出ポンプ５５は、膜分離槽６での目標値操作によって間欠駆動されている。排出ポンプ５５によって排出された処理水量をレベルスイッチ（図示略）で判定し、排出された処理水量に応じて供給ポンプ５１を駆動することで原水を嫌気槽３と無酸素槽４へ供給する。無酸素槽４から好気槽５、好気槽５から膜分離槽６へはそれぞれオーバーフロー量が供給されることで全体の保有水量が維持される。
好気槽５には、曝気装置９が設けられている。曝気装置９は好気槽５の混合液に空気を吹き込んで、混合液を攪拌し、微生物を生存させるとともに、微生物による窒素、リンおよび有機物除去の際に必要となる酸素を供給するものである。曝気装置９は、好気槽５の底部から好気槽５の混合液内に微細気泡を供給するように構成されている。曝気装置９により好気槽５の混合液に供給される微細気泡の量（以下、「曝気風量」という）は、制御装置４０により制御される。
膜分離槽６の底部には、循環水取出口６ａ、返送汚泥取出口６ｂおよび余剰汚泥取出口６ｃが開口している。膜分離槽６の循環水取出口６ａと無酸素槽４とは、循環ポンプ６２を備えた配管６１で接続されている。この配管６１を介して、膜分離槽６から無酸素槽４へ循環水（硝化の進んだ混合液）が供給される。また、膜分離槽６の返送汚泥取出口６ｂと嫌気槽３の底部とは、汚泥返送ポンプ６４を備えた配管６３で接続されている。この配管６３を介して、膜分離槽６から嫌気槽３に汚泥の一部が返送される。さらに、膜分離槽６の余剰汚泥取出口６ｃに、余剰汚泥ポンプ６０を備えた配管５９が接続されている。この配管５９を介して、膜分離槽６から余剰汚泥が排出される。
原水槽２の流出側近傍には、原水槽２から一連の生物反応槽１０（ここでは、最も上流側の嫌気槽３）へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度（以下、「原水アンモニア態窒素濃度ｘ」という）を計測する第１のアンモニア計３１が設けられている。また、好気槽５の流出側近傍には、好気槽５から流出する処理水のアンモニア態窒素濃度（以下、「好気槽アンモニア態窒素濃度」という）を計測する第２のアンモニア計３２が設けられている。さらに、濾過水槽７には、濾過水槽７へ放流された処理水のアンモニア態窒素濃度（以下、「処理水アンモニア態窒素濃度」という）を計測する第３のアンモニア計３３が設けられている。
図２は再生水製造システムの制御構成を示すブロック図である。図２に示すように、供給ポンプ５１、排出ポンプ５５、循環ポンプ６２、汚泥返送ポンプ６４および余剰汚泥ポンプ６０はいずれも制御装置４０と通信可能に接続されている。また、アンモニア計３１，３２，３３はいずれも制御装置４０と通信可能に接続されており、各アンモニア計３１，３２，３３の計測信号が制御装置４０へ送信される。そして、制御装置４０は、各アンモニア計３１，３２，３３の計測信号に基づいて、供給ポンプ５１、排出ポンプ５５、循環ポンプ６２、汚泥返送ポンプ６４、余剰汚泥ポンプ６０および曝気装置９の動作を制御する。これにより、制御装置４０は、処理水の窒素、リンおよび有機物がそれぞれの規制値を超えないように、原水の流入量、処理水の放流量、循環液の流量、返送汚泥の流量、余剰汚泥の引抜量および曝気風量を適正な値に管理する。
上記構成の再生水製造システム１による再生水製造プロセスでは、原水に含まれる有機物、窒素及びリン等の除去が行われる。以下、この再生水製造プロセスにおける窒素・リン除去のメカニズムを簡単に説明する。
（窒素の除去）
原水槽２から嫌気槽３に流入する原水には、アンモニア態窒素（NH4-N）と有機体窒素とが含まれている。嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５において、有機態窒素はアンモニア態窒素に変化する。さらに、好気槽５において、硝化細菌により、アンモニア態窒素が亜硝酸態窒素（NO2-N）、硝酸態窒素（NO3-N）に酸化する。循環ポンプ６２により膜分離槽６から無酸素槽４に送り込まれた循環水に含まれる亜硝酸態窒素および硝酸態窒素（NO3-N）は、無酸素条件下で原水中の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）へと還元されて系外へ放出される。
原水槽２から嫌気槽３に流入する原水には、アンモニア態窒素（NH4-N）と有機体窒素とが含まれている。嫌気槽３、無酸素槽４および好気槽５において、有機態窒素はアンモニア態窒素に変化する。さらに、好気槽５において、硝化細菌により、アンモニア態窒素が亜硝酸態窒素（NO2-N）、硝酸態窒素（NO3-N）に酸化する。循環ポンプ６２により膜分離槽６から無酸素槽４に送り込まれた循環水に含まれる亜硝酸態窒素および硝酸態窒素（NO3-N）は、無酸素条件下で原水中の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）へと還元されて系外へ放出される。
（リンの除去）
嫌気槽３で、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、酢酸などの原水中の有機物を体内に取り込んで、保持していたリン酸（PO4）を放出する。好気槽５では、好気条件下でリンを過剰摂取するリン蓄積細菌が、嫌気槽３で放出された以上のリン酸態のリンを取り込む。リンを蓄積した活性汚泥は余剰汚泥として、膜分離槽６から配管５９を通じて系外へ放出される。
嫌気槽３で、活性汚泥中のリン蓄積細菌は、酢酸などの原水中の有機物を体内に取り込んで、保持していたリン酸（PO4）を放出する。好気槽５では、好気条件下でリンを過剰摂取するリン蓄積細菌が、嫌気槽３で放出された以上のリン酸態のリンを取り込む。リンを蓄積した活性汚泥は余剰汚泥として、膜分離槽６から配管５９を通じて系外へ放出される。
（有機物の除去）
好気槽５では、活性汚泥に含まれる従属栄養生物が酸素を取り込み、原水中の有機物を活性汚泥中に蓄積し、分解する。さらに、上述の通り、原水中の有機物は、嫌気槽３や無酸素槽４で消費される。
好気槽５では、活性汚泥に含まれる従属栄養生物が酸素を取り込み、原水中の有機物を活性汚泥中に蓄積し、分解する。さらに、上述の通り、原水中の有機物は、嫌気槽３や無酸素槽４で消費される。
ここで、図２及び図３を参照しながら、制御装置４０による曝気装置９の制御について説明する。なお、図３は再生水製造システムの制御構成を示すブロック図であるが、曝気装置９の制御について特に詳細に示し、他は省略している。
制御装置４０は、曝気装置９の曝気風量に対応する目標操作量を演算する曝気風量演算部４１を備えている。また、制御装置４０は、曝気装置９が備えるブロワの回転速度（図示略）の操作量、又は曝気装置９から放出される空気の供給経路に設けられた調節用アクチュエータ（図示略）の操作量とを調整する曝気風量制御部９１を備えている。曝気風量制御部９１は、曝気装置９に備えられていてもかまわない。曝気風量制御部９１は、曝気風量演算部４１から指令された目標操作量に基づいて、ブロワの回転速度の操作量又は調節用アクチュエータの操作量とを調整するように構成されている。
図３は、曝気風量演算部４１の信号の流れを示すブロック線図である。図３に示すように、曝気風量演算部４１は、原水アンモニア態窒素濃度ｘに基づいて目標操作量先行信号であるフィードフォワード操作量（以下、ＦＦ操作量という）を生成するフィードフォワード制御系（以下、ＦＦ制御系４８という）と、好気槽アンモニア態窒素濃度を制御量として目標操作量帰還信号であるフィードバック操作量（以下、ＦＢ操作量という）を生成するフィードバック制御系（以下、ＦＢ制御系４９という）を備えている。ＦＦ制御系４８とＦＦ制御系４９は協動して機能し、ＦＦ制御系４８により生成されたＦＦ操作量と、ＦＢ制御系４９により生成されたＦＢ操作量とが加算要素７７で加算されて、曝気装置９の目標操作量が生成される。この目標操作量は、曝気風量演算部４１から曝気風量制御部９１へ出力される。
まず、ＦＢ制御系４９の内容を説明する。ＦＢ制御系４９は、好気槽アンモニア態窒素濃度（制御値）と、好気槽５のアンモニア態窒素濃度設定値との偏差を算出する偏差演算要素７８と、この偏差からＦＢ操作量を生成するＦＢ操作量演算要素７９とを含んでいる。ＦＢ制御系４９の出力信号（ＦＢ操作量）は、加算要素７７に入力される。ＦＢ操作量演算要素７９は、例えば、ＰＩＤ制御方法、Ｐ制御方法又はＰＩ制御方法を用いてＦＢ操作量を算出する演算要素とすることができる。好気槽アンモニア態窒素濃度は、好気槽５に設けられた第２のアンモニア計３２の計測値である。また、好気槽５のアンモニア態窒素濃度設定値は、処理水のアンモニア態窒素濃度の目標値（例えば、環境規制値など）に基づいて適宜定められる値である。
続いて、ＦＦ制御系４８の内容を説明する。ＦＦ制御系４８は、ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)要素７１と、流入量補正関数Ｆ２(u)要素７２と、曝気風量移動平均補正関数Ｆ３(v)要素７３と、これらの演算信号を掛け合わせる積算要素７４と、無駄時間要素７５と、フィードフォワードゲイン要素７６とを含んでいる。ＦＦ制御系４８の出力信号（ＦＦ操作量）は、加算要素７７に入力される。
ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)は、原水アンモニア態窒素濃度ｘに基づいて処理水アンモニア態窒素濃度を制御するために、原水アンモニア態窒素濃度ｘと曝気風量操作量（特に、ＦＦ操作量）との静特性の関係を関数化したものである。したがって、ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)は、原水アンモニア態窒素濃度ｘの関数である。原水アンモニア態窒素濃度ｘは、嫌気槽３へ流入する原水のアンモニア態窒素濃度であって、本実施の形態では、原水槽２に設けられた第１のアンモニア計３１の測定値である。ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)は、水処理システム全体の処理能力や使用環境等から影響を受けるため、各々の水処理システム毎に設定することが好ましい。ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)は、実験的に求めてもよく、シミュレーションによって求めることもできる。
図４はＦＦ操作量関数Ｆ１(x)の特性を示す図表であって、縦軸ｙはＦＦ操作量（Ｌ／ｍｉｎ）を示し、横軸ｘは原水アンモニア態窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）を示している。ＦＦ操作量（Ｌ／ｍｉｎ）は、すなわち、曝気風量を表し、Y1を最低風量としている。最低風量Y1は、システム全体を維持するために最低限必要な風量である。システム全体を維持するために最低限必要な風量とは、好気槽中の汚泥を攪拌し、好気槽５の好気的条件のもとで炭素系有機物を利用して増殖する従属栄養生物、アンモニア態窒素を硝化する硝化細菌などの活性汚泥微生物が生体を維持するために必要な酸素を提供する、最低限の曝気風量である。最低風量Y1は、好気槽５の活性汚泥微生物の数や好気槽５の容量に応じて適宜定められ、基準操作量（原水の流入量、曝気風量の移動平均）の補正、およびフィードフォワードゲインのパラメータによって、修正量が設定される。なお、曝気風量が最低風量Y1で運転されているときに、好気槽５の混合液の溶存酸素濃度は０に近い状態となっている。
図４の図表に示されるように、原水アンモニア態窒素濃度ｘが０から第１濃度X1までの範囲において、ＦＦ操作量ｙは最低風量Y1で一定である。この第１濃度X1は、曝気風量が最低風量Y1であるときに処理水のアンモニア態窒素濃度が目標値以下になる、最大の原水アンモニア態窒素濃度である。なお、処理水のアンモニア態窒素濃度の目標値は、環境規制値などに基づいて適宜定められる。そして、原水アンモニア態窒素濃度ｘが第１濃度X1以上の範囲において、ＦＦ操作量ｙは原水アンモニア態窒素濃度ｘの増加に伴って増加する。
上記ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)に動特性を付加するために、ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)より得られたＦＦ操作量ｙは無駄時間とフィードフォワードゲインKfにより調整される。無駄時間（シフト時間とも呼ばれる）は、原則として、第１のアンモニア計３１でアンモニア態窒素濃度が計測された原水が、一連の生物反応槽１０に流入して活性汚泥と混合された混合液となって、好気槽５に流入するまでに要する時間である。但し、好気槽５においてアンモニア態窒素を硝化する硝化細菌の増殖速度は、通常の活性汚泥中にいる従属栄養細菌より遅いので、混合液のアンモニア態窒素濃度の不連続面が好気槽５に到達するよりも前に曝気風量を増加させ、その不連続面が好気槽５に到達したときにはアンモニア態窒素濃度の急激な増加に対応しうるように活性汚泥微生物を活性化させておくことが望ましい。つまり、無駄時間は、第１のアンモニア計３１でアンモニア態窒素濃度が計測された原水が好気槽５に流入するまでに要する時間よりも短い時間に設定されることが望ましい。このような無駄時間は、嫌気槽３へ流入してから無酸素槽４より流出するまでの滞留時間を含めた時間として、実験的又は計算的に求めることができる。一例として、最大処理量が５５ｔｏｎ／ｄａｙの再生水製造システムにおいて、原水が嫌気槽３へ流入してから無酸素槽４より流出するまでに要する時間は滞留時間を含めて２時間程度である。フィードフォワードゲインKfは、入力値である原水アンモニア態窒素濃度ｘの変化量と出力値であるＦＦ操作量ｙの変化量の比であり、適宜設定される。
流入量補正関数Ｆ２(u)は、好気槽５への混合液の流入量（以下、「好気槽流入量ｕ」という）に基づくＦＦ操作量の補正係数を、関数化したものである。好気槽流入量ｕが多くなれば、そのぶん、処理すべきアンモニア態窒素も増加するので、曝気風量を増加させねばならない。図５は、流入量補正関数Ｆ２(u)の特性を示す図表であって、縦軸αは補正係数を示し、横軸ｕは好気槽流入量ｕ（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。本実施の形態では、排出ポンプ５５の流量を検出して、これを好気槽流入量ｕとしている。但し、好気槽流入量ｕは、供給ポンプ５１の流量、或いは、好気槽５と膜分離槽６の間に設けた水配管の流量とすることもできる。
図５の図表に示されるように、好気槽流入量ｕが０のときに、補正係数αは１よりも小さいα１である（Ｆ２(０)＝α１，α１＜１）。好気槽流入量ｕが基準流量U1のときに、補正係数αは１である（Ｆ２(U1)＝１）。好気槽流入量ｕが最大流量U2のときに、補正係数αは１よりも大きいα２である（Ｆ２(U2)＝α２，α２＞１）。このように、補正係数αは、好気槽流入量ｕの増加に伴って、好気槽流入量ｕが基準流量U1のときを１として、１より小さいα１から１より大きいα２まで増加する。補正係数αの好適な一例として、α１＝０．５とし、α２＝１．５とすることができる。なお、好気槽流入量ｕの基準流量U1は再生水製造システム１の処理能力により定まり、最大流量U2は再生水製造システム１の処理能力に加え排出ポンプ５５の能力により定まる。
曝気風量移動平均補正関数Ｆ３(v)は、曝気装置９の曝気風量の履歴に基づくＦＦ操作量の補正係数を、関数化したものである。好気槽５の硝化細菌等の活性汚泥微生物（好気的条件化で活動する好気性の微生物）のアンモニア態窒素の分解能力は、曝気風量の履歴に依存することが、発明者らにより確認されている。例えば、曝気風量を最低風量Y1として運転を継続したのち、曝気風量を増加しても、それに見合うアンモニア態窒素の分解率が得られなかった。このことから、好気槽５の曝気風量が最低風量Y1に維持され、溶存酸素濃度がほぼ０となって活性汚泥微生物が生体維持するにとどまっている状態から、活性汚泥微生物を活性化してアンモニア態窒素の分解能力を高めるためには、算出された目標操作量よりも曝気風量を多くして活性汚泥微生物の活動を急激に活発化させることが効果的である。逆に、好気槽５の活性汚泥微生物が既に活発に活動している状態においては、算出された目標操作量よりも少ない曝気風量で必要に応じたアンモニア態窒素の分解率を得ることができる。そこで、曝気装置９の曝気風量の履歴に基づき、曝気風量の移動平均が大きいときは曝気風量が小さく、移動平均が小さいときは曝気風量が大きくなるように、ＦＦ操作量を曝気風量移動平均補正関数Ｆ３(v)で補正することによって、効率的な曝気を行うようにしている。
図６は、曝気風量移動平均補正関数Ｆ３(v)の特性を示す図表であって、縦軸βは補正係数を示し、横軸ｖは曝気風量の移動平均（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。ここで、曝気風量の移動平均は、曝気風量の目標操作量の移動平均とする。曝気風量の目標操作量の移動平均は、制御装置４０の移動平均演算部４２が算出し、曝気風量演算部４１へ提供する。移動平均演算部４２は、曝気操作量データベース４３に格納された曝気風量の目標操作量のデータを読み出して、曝気風量の目標操作量の移動平均ｖを算出する。曝気風量の目標操作量の移動平均ｖは、前回を含めてｎ回の目標操作量の平均値である。なお、移動平均化処理回数ｎは、活性汚泥微生物の感度（活性化に要する時間）等に応じて適宜定めることができる。
図６の図表に示されるように、曝気風量の移動平均ｖが基準流量V0より少ない最低風量V1のときに、補正係数βは１よりも大きいβ２である（Ｆ３(V1)＝β２，β２＞１）。移動平均ｖが基準流量V0のときに、補正係数βは１である（Ｆ３(V0)＝１）。移動平均ｖが基準流量V0より多い最大流量V2のときに、補正係数βは１よりも小さいβ１である（Ｆ３(V2)＝β１，β１＜１）。このように、補正係数βは、移動平均ｖが基準流量V0のときを１とし、移動平均ｖの増加に伴って、１より大きいβ２から１より小さいβ１まで減少する。補正係数βの好適な一例として、β１＝０．５とし、β２＝１．５とすることができる。なお、移動平均ｖの最低風量V1は、前述の最低風量Y1とほぼ等しい。
上記のように曝気風量演算部４１で生成された曝気装置９の目標操作量が、曝気風量制御部９１へ出力され、曝気装置９では目標操作量に応じた曝気風量の気泡を好気槽５の混合液中へ供給する。曝気装置９の目標操作量は、ＦＦ操作量とＦＢ操作量を加え合わせたものであるが、ＦＦ制御系４８が先行信号である原水アンモニア態窒素濃度ｘに基づいて目標操作量のベースとなるＦＦ操作量が算出され、このＦＦ操作量をＦＢ制御系４９が補償するかたちでＦＢ操作量が算出される。
以下では、図７を参照しながら、曝気風量演算部４１による曝気風量制御を、具体的な例を挙げて説明する。図７に示す図表において、横軸が時間を表し、一方の縦軸が曝気風量の目標操作量を表し、他方の縦軸がアンモニア態窒素濃度を表している。そして、実線で曝気風量の目標操作量の時系列変化を示し、鎖線で原水アンモニア態窒素濃度の時系列変化を示し、一点鎖線で好気槽アンモニア態窒素濃度の時系列変化を示している。
図７に示されるように、原水アンモニア態窒素濃度が第１濃度X1に達するまでは、曝気風量が最低風量Y1に維持された状態で、再生水製造システム１が運転されている。そして、時刻T1に原水アンモニア態窒素濃度が第１濃度X1を越えると、曝気風量演算部４１のＦＦ制御系４８は、時刻T1からシフト時間（無駄時間）経過後の時刻T2に、曝気風量の目標操作量を原水アンモニア態窒素濃度の増加に対応して増加させる。この結果、混合液のアンモニア態窒素濃度の不連続面（特に、急激に増加する不連続面）が好気槽５に到達したときには、曝気装置９はアンモニア態窒素濃度の急激な変化に遅延無く追従できるように既に曝気風量を変化させている。
そして、フィードフォワード制御による曝気風量の増加では対応しきれずに時刻T3に好気槽アンモニア態窒素濃度が好気槽のアンモニア態窒素濃度設定値を超えると、曝気風量演算部４１のＦＢ制御系４９は、曝気風量の目標操作量を好気槽アンモニア態窒素濃度の増加に対応して直ちに増加させる。このようにして、時刻T4に好気槽アンモニア態窒素濃度が好気槽のアンモニア態窒素濃度設定値より小さくなり、且つ、原水アンモニア態窒素濃度が第１濃度X1より小さくなると、曝気風量演算部４１は曝気風量の目標操作量を最低風量Y1に戻し、曝気風量が最低風量Y1に維持された状態で再生水製造システム１の運転が継続される。
なお、原水アンモニア態窒素濃度が第１濃度X1未満を維持しているが、何らかの原因により前触れ無く好気槽アンモニア態窒素濃度が好気槽のアンモニア態窒素濃度設定値を超えることもある。例えば、時刻T5では、ここからシフト時間を遡っても原水アンモニア態窒素濃度は第１濃度X1未満であるが、好気槽アンモニア態窒素濃度は好気槽のアンモニア態窒素濃度設定値を超えている。このような場合に、曝気風量演算部４１のＦＢ制御系４９は、曝気風量の目標操作量を好気槽アンモニア態窒素濃度の増加に対応して直ちに増加させる。このように、前触れ無く好気槽アンモニア態窒素濃度が増加したときはフィードフォワード制御では対処できないが、これをフィーバック制御で補償することができる。そして、曝気量の増加によって時刻T6に好気槽アンモニア態窒素濃度が好気槽のアンモニア態窒素濃度設定値より小さくなると、曝気風量演算部４１は曝気風量の目標操作量を最低風量Y1に戻し、曝気風量が最低風量Y1に維持された状態で再生水製造システム１の運転が継続される。
上述の通り、本実施の形態に係る曝気風量制御では、原水アンモニア態窒素濃度に基づくフィードフォワード制御と、好気槽アンモニア態窒素濃度に基づくフィードバック制御とを協動して行うことにより、混合液のアンモニア態窒素濃度の急激な変化に遅延無く追従して曝気風量を増加させることができる。
さらに、上述の曝気風量制御では、原水アンモニア態窒素濃度が第１濃度X1より小さいときは曝気風量を最低風量Y1に維持し、原水アンモニア態窒素濃度又は好気槽アンモニア態窒素濃度の変化に応じて曝気風量を増加させている。好気槽５の曝気風量の最低風量Y1は、前述のとおりシステム全体を維持するために最低限必要な風量であり、基準操作量（原水の流入量、曝気風量の移動平均）の補正、およびフィードフォワードゲインのパラメータによって、修正量が設定される。このように曝気風量を制御することにより、アンモニア態窒素濃度の急激な変化に遅延無く追従できるため、必要時には曝気量を増加させるほか、原水アンモニア態窒素濃度が低い時には最低風量で運転することができるので、曝気装置９の余剰送風が削減されて曝気風量を総じて低減することができる。これにより、処理水の水質の維持及び再生水製造システム１（特に、曝気装置９）の運転のエネルギー及びコストの削減を図ることができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されない。例えば、再生水製造システム１の構造は、上記実施の形態に限定されない。例えば、好気槽５と膜分離槽６とが別の槽に形成されているが、これを一体的に構成することもできる。また、例えば、嫌気槽３と無酸素槽４を共に備えているが、嫌気槽３と無酸素槽４とのうち少なくとも一方を備えれば良い。さらに、曝気装置９は、ブロワの回転数の操作量、又は調節アクチュエータの操作量により曝気風量を調整するように構成されているが、曝気装置９の構造によれば、ブロワの回転数の操作量及び調節アクチュエータの操作量の両方で曝気風量を制御することもできる。また、第３のアンモニア計３３は、連続的にアンモニア濃度を計測する濃度計であってもよいが、定期的又は不定期にサンプリングを行って任意の方法でアンモニア濃度を測定する方法とすることもできる。
また、曝気風量演算部４１のＦＦ制御系４８は、ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)と、流入量補正関数Ｆ２(u)と、曝気風量移動平均補正関数Ｆ３(v)とを掛け合わせたものに、無駄時間とフィードフォワードゲインKfとを乗じて、ＦＦ操作量を算出するが、ＦＦ操作量の算出方法はこれに限定されない。例えば、流入量補正関数Ｆ２(u)及び曝気風量移動平均補正関数Ｆ３(v)のうち少なくとも一方を定数（＝１）として、ＦＦ操作量を算出することもできる。
本発明は、曝気が行われる好気槽を備えた水処理システムにおいて、好気槽の曝気風量を制御するために有用である。
１ 再生水製造システム（水処理システム）
２ 原水槽
３ 嫌気槽
４ 無酸素槽
５ 好気槽
６ 膜分離槽
７ 濾過水槽
８ 分離膜
９ 曝気装置
１０ 生物反応槽
３１ 第１のアンモニア計
３２ 第２のアンモニア計
４０ 制御装置
４１ 曝気風量演算部
４２ 移動平均演算部
４３ 曝気操作量データベース
４８ フィードフォワード制御系
４９ フィードバック制御系
９１ 曝気風量制御部
５１ 供給ポンプ
５５ 排出ポンプ
７１ ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)要素（第１の操作量演算要素）
７２ 流入量補正関数Ｆ２(u)要素
７３ 曝気風量移動平均補正関数Ｆ３(v)要素
７５ 無駄時間要素
７９ ＦＢ操作量演算要素（第２の操作量演算要素）
２ 原水槽
３ 嫌気槽
４ 無酸素槽
５ 好気槽
６ 膜分離槽
７ 濾過水槽
８ 分離膜
９ 曝気装置
１０ 生物反応槽
３１ 第１のアンモニア計
３２ 第２のアンモニア計
４０ 制御装置
４１ 曝気風量演算部
４２ 移動平均演算部
４３ 曝気操作量データベース
４８ フィードフォワード制御系
４９ フィードバック制御系
９１ 曝気風量制御部
５１ 供給ポンプ
５５ 排出ポンプ
７１ ＦＦ操作量関数Ｆ１(x)要素（第１の操作量演算要素）
７２ 流入量補正関数Ｆ２(u)要素
７３ 曝気風量移動平均補正関数Ｆ３(v)要素
７５ 無駄時間要素
７９ ＦＢ操作量演算要素（第２の操作量演算要素）
Claims (8)
- 曝気装置を備えた好気槽、および該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽を有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽と、
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測する第１のアンモニア計と、
前記曝気装置の目標操作量を生成する曝気風量演算装置と、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する曝気風量制御装置とを備え、
前記曝気風量演算装置は、原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成する第１の操作量演算要素と、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは前記目標操作量先行信号を減少させ、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは前記目標操作量先行信号を増加させるための第１補正係数を決定する曝気風量移動平均補正要素と、前記第１補正係数が掛け合わされた前記目標操作量先行信号に対し、前記原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する補正を行う無駄時間要素とを含むフィードフォワード制御系を有し、前記無駄時間要素によって補正された前記目標操作量先行信号に基づいて前記目標操作量を生成する、
水処理システム。 - 前記水処理システムは、前記好気槽のアンモニア態窒素濃度を計測する第２のアンモニア計を更に備え、
前記曝気風量演算装置は、前記好気槽のアンモニア態窒素濃度とアンモニア態窒素濃度設定値との偏差に基づいて、目標操作量帰還信号を生成する第２の操作量演算要素を含むフィードバック制御系と、前記フィードフォワード制御系から出力される前記目標操作量先行信号と前記フィードバック制御系から出力される前記目標操作量帰還信号とを加算して前記目標操作量を生成する加算要素とを更に有する、請求項１に記載の水処理システム。 - 前記曝気風量演算装置の前記フィードフォワード制御系は、
前記好気槽への混合液の流入量が基準値より大きいときは前記目標操作量先行信号を増加させ、前記混合液の流入量が該基準値より小さいときは前記目標操作量先行信号を減少させるための第２補正係数を決定する好気槽流入量補正要素を更に含み、
前記無駄時間要素は、前記第１補正係数および前記第２補正係数が掛け合わされた前記目標操作量先行信号に対して補正を行う、請求項１又は請求項２に記載の水処理システム。 - 前記第１の操作量演算要素は、原水のアンモニア態窒素濃度と処理水のアンモニア態窒素濃度の目標値との関係から定まる関数に基づいて前記目標操作量先行信号を生成する演算要素である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理システム。
- 曝気装置を備えた好気槽、および該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽を有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測し、
計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成し、
前記目標操作量先行信号を、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは減少し、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは増加するように補正し、
前記曝気風量の移動平均に基づいて補正された前記目標操作量先行信号を、前記一連の生物反応槽に流入する原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する無駄時間により補正し、
前記無駄時間により補正された前記目標操作量先行信号に基づいて目標操作量を生成し、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する、水処理システムの曝気風量制御方法。 - 曝気装置を備えた好気槽、および該好気槽の上流側に設けられた少なくとも１以上の嫌気槽又は無酸素槽を有し、活性汚泥法に基づいて水処理を行う一連の生物反応槽を備えた水処理システムの曝気風量制御方法であって、
前記一連の生物反応槽に流入する原水のアンモニア態窒素濃度を計測し、
計測された前記原水のアンモニア態窒素濃度に基づいて目標操作量先行信号を生成し、
前記目標操作量先行信号を、前記曝気装置の曝気風量の移動平均が基準値よりも大きいときは減少し、前記曝気風量の移動平均が該基準値よりも小さいときは増加するように補正し、
前記曝気風量の移動平均に基づいて補正された前記目標操作量先行信号を、前記一連の生物反応槽に流入する原水が前記好気槽に流入するまでに要する時間に対応する無駄時間により補正し、
前記好気槽のアンモニア態窒素濃度を計測し、
前記好気槽のアンモニア態窒素濃度とアンモニア態窒素濃度設定値との偏差に基づいて、目標操作量帰還信号を生成し、
前記無駄時間により補正された前記目標操作量先行信号と前記目標操作量帰還信号とを加算して目標操作量を生成し、
生成された前記目標操作量に基づいて前記曝気装置の曝気風量を制御する、水処理システムの曝気風量制御方法。 - 前記曝気風量の移動平均に基づいて補正された前記目標操作量先行信号を、前記好気槽への混合液の流入量が基準値よりも大きいときは増加し、前記混合液の流入量が該基準値よりも小さいときは減少するように、前記無駄時間により補正される前に補正する、請求項５又は請求項６に記載の水処理システムの曝気風量制御方法。
- 前記目標操作量先行信号は、原水のアンモニア態窒素濃度と処理水のアンモニア態窒素濃度の目標値との関係から定まる関数に基づいて生成される、請求項５〜７のいずれか一項に記載の水処理システムの曝気風量制御方法。
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