JP6643086B2

JP6643086B2 - 活性汚泥法を用いた監視制御システム

Info

Publication number: JP6643086B2
Application number: JP2016000331A
Authority: JP
Inventors: 伊智朗圓佛; 一郎山野井; 佳記西田; 田所　秀之; 秀之田所
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2036-01-05
Also published as: JP2017121595A

Description

本発明は、活性汚泥法による下水処理設備の監視制御システムに係り、特に雨天時に流入下水流量が増加する合流式下水道における監視制御システムに関する。

国内外で広く導入されている下水道システムは、雨水への対応の観点で合流式下水道と分流式下水道に大別される。雨水排除ラインが下水集水ラインに繋がっているものを合流式、繋がっておらず別ラインで排除されるものを分流式と呼称している。前者の合流式は、日本国内の場合、下水道インフラ整備が先行して実施された大規模都市部を中心に導入されている。合流式下水道の特徴は、雨水が下水に混入してくるため、雨天時に下水処理場への流入下水量が大きく増加する点である。降雨量が多い場合には、雨水を含んだ流入下水量が下水処理場の施設設計上の計画処理量（Qsh：時間最大汚水量と呼称）を越えてしまい、その全量を適正に処理できなくなる問題が発生している。下水処理プロセスとして最も広く導入されている標準活性汚泥プロセスにおいては、時間最大汚水量Qshを超過した分の流入下水に対しては、最初沈殿池による簡易処理のみを実施し、その後段の生物反応槽には流入させずに、簡易放流を行うのが一般的であった。このため、水質が不十分な簡易放流水が河川や湖沼などの公共用水域に放流されてしまい、水質汚濁の大きな要因となってきた。

これに対して、簡易放流を低減する手段として、例えば、後述の技術文献１に示されている雨天時活性汚泥法の導入が進められてきた。この方法では、時間最大汚水量Qshを超過した分を簡易放流せずに、最大でQshの２倍量までの流入下水を活性汚泥プロセスの生物反応槽後段にステップ流入させる方式をとっている。ステップ流入させた流入下水は、生物反応槽入口より流入させて通常処理した水に比べると水質は劣るが、生物反応槽後段の活性汚泥による生物吸着により、流入下水中の汚濁物質（主に有機物）の一部が除去されて、簡易処理の場合よりも処理水質を向上させることができる。これにより、簡易放流量を低減することができ、放流先への水質汚濁負荷を小さくすることができるとしている。

山本高弘ほか、大阪市における既存施設を利用した合流式下水道の改善、環境システム計測制御学会誌、第１０巻第２号（２００６年）

雨天時活性汚泥法では、時間最大汚水量Qshを超過した分を生物反応槽後段へステップ流入させることで、簡易放流量を低減することができる。前述の非特許文献１などに開示されている運転制御方法においては、生物反応槽入口から流入させる下水量Qfrontは、時間最大汚水量Qshで一定としており、また、生物反応槽後段にステップ流入させる流量Qbackは最大量で2×Qshまでとしている。しかしながら、これらの流量QfrontとQbackは、本来、各処理時点での流入下水中の汚濁物質量や生物反応槽内の活性汚泥の状態を反映して適正化されるべきである。例えば、流入下水中の汚濁物質量が通常よりも多い場合には、活性汚泥による生物吸着量の上限量を越えてしまい、処理水質が著しく悪化するケースが発生する。また、生物反応槽内の活性汚泥量が少ない場合にも同様のケースの発生を避けることができない課題を有している。

本発明は、このような課題を鑑みて為されたものであり、雨天時活性汚泥法の実用上の課題である、流入下水中の汚濁物質量や生物反応槽内の活性汚泥量などに変動が有った際の処理水質の悪化を合理的な指標に基づく適切な制御によって抑制することを目的とする。

本発明の監視制御システムは、活性汚泥法による監視制御システムにおいて、流入下水の流量と水質を計測する計測手段と、生物反応槽後段で生物吸着することが可能な生物吸着量上限値を算出する演算手段と、前記計測手段で計測した流入下水水質と前記演算手段で算出した前記生物吸着量上限値に基づいて、生物反応槽前段と後段にステップ流入させる下水供給量を決定する制御手段と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、生物反応槽の活性汚泥による生物吸着量を推定し、これに基づいて、生物反応槽入口と生物反応槽後段に供給する下水流量を適正に制御することにより、流入下水中の汚濁負荷量や生物反応槽内の活性汚泥の状態に変動があった場合にも、処理水質の悪化を抑制することが可能となる。これにより、下水処理水の放流先である公共用水域への汚濁負荷を低減することも可能となる。

本発明による下水処理プロセスの制御方法を説明する図である。制御モジュールの構成を説明する図である。制御手段の処理フローを説明する図である。生物反応槽の活性汚泥濃度と生物吸着量の最大値との相関関係の一例を示す図である。

雨天時活性汚泥法での処理水質は、生物反応槽後段の生物吸着現象に大きく影響を受ける。このため、処理水質を所定レベルに維持するためには、各処理時点での状態に応じて変化する生物吸着量上限値を越えない範囲内で、生物反応槽後段へのステップ流入量を決定する必要がある。

本発明では、この生物吸着量上限値を活性汚泥モデルに基づいたシミュレーションによって算出する。活性汚泥モデルは、汚濁物質の生物吸着や代謝分解の現象を数値モデルで定式化したものである。下水処理プロセスの運転制御の場面でシミュレーションを行うためには、連続計測、もしくは定期的に分析可能な水質項目をベースとした活性汚泥モデルを適用する。具体的には、活性汚泥量を生物反応槽内の浮遊物質濃度（MLSS；混合液浮遊物質濃度）で評価する。また、活性汚泥の状態（生物活性）を水温などの関数で評価するものとする。このようなモデルに算出した生物吸着量上限値に対して、これを越えない範囲のステップ流入量を流入下水中の汚濁物質量、例えば、有機物濃度（BOD；生物化学的酸素要求量）またはその代替水質項目に基づいて算出する。これによって、生物反応槽後段へのステップ流入で供給される汚濁負荷量が過剰にならないようにステップ流入量を適正に制御することで前述の課題を解決する。本発明では、複数の実現手段を含んでいるが、その一例を以下に挙げる。

（実施例）
以下、図面を用いて実施例を説明する。

本実施例では、活性汚泥プロセスのうち、雨天時に流入下水量が増加する合流式下水道などに対応する雨天時活性汚泥法に対する制御方法およびそのシステムの例を説明する。

図１は、本実施例の対象となる活性汚泥プロセスの構成と監視制御システム２００による下水処理設備１００の制御方法を説明する図である。制御対象となる下水処理設備１００の主要構成要素は、最初沈殿池１５０、生物反応槽１６０、および最終沈殿池１７０である。ここでの被処理下水１０１は、下水の他に雨水が混入したものを想定している。被処理下水１０１は、最初沈殿池１５０に流入し、比重の大きい懸濁物質などが沈殿除去された後に、生物反応槽１６０に流入する。生物反応槽１６０には活性汚泥が馴致されており、被処理水１０１に含まれる溶解性の汚濁物質（主に有機物など）を生物吸着した後に代謝分解することで、下水を浄化する機能を有する。所定の滞留時間で生物反応槽１６０において処理された被処理下水１０１は、最終沈殿池１７０に流入し、ここで活性汚泥が沈殿除去された上澄みが処理水１０７となる。最終沈殿池１７０に沈殿した活性汚泥の一部が余剰汚泥として系外に排除されるが、残りの活性汚泥は返送汚泥１０９として、生物反応槽１０９の前段に還流される。

雨天時活性汚泥法においては、被処理下水１０１が下水処理設備１００の施設設計上の計画処理量（Qsh：時間最大汚水量）を超過した場合には、前段供給水１０３の流量をQshとし、残りを後段供給水１０５として生物反応槽１６０の後段にステップ流入させるような運転が行われるのが一般的であったが、本発明においては、前段供給水１０３と後段供給水１０５の流量を、後述する制御ロジックにより、各処理時点での状況に応じて適正に制御するものである。生物反応槽１６０での処理容量を越える分については、簡易放流水１０６として、公共用水域などの系外へ放流される。これらの流量の制御は、流量制御弁１２０の開度調整によって行われる。なお、流量制御は、ここで述べた流量制御弁１２０の開度調整を行う方法以外にも、ポンプ本体（図示せず）の流量調整によって実現することも可能である。

監視制御システム２００は、下水処理設備１００に設置された水質計１１０と流量計１１５による計測値３０２に基づいて、前述の流量制御に必要な演算を活性汚泥モデルシミュレータ２１０と制御モジュール２５０によって行い、制御信号３０１を出力して、流量調整弁１２０などを動作させる機能を有する。ここでの水質計１１０は、被処理下水１０１に含まれる汚濁物質を計測するもので、具体的には、生物化学的酸素要求量（BOD）、または化学的酸素要求量（COD）、あるいはBODやCODを間接的に推定できる他の水質項目、例えば、紫外線吸光度、濁度、浮遊物質量（SS）などを計測できるものとする。

図２は、本発明の特徴となる制御モジュール２５０を含む監視制御システム２００の構成を説明する図である。この監視制御システム２００は、活性汚泥モデルシミュレータ２１０と制御モジュール２５０が主な構成要素であり、この他にディスプレイなどの表示手段２０１とキーボード２０２を含むものとし、ユーザへの入出力の機能を有している。

活性汚泥モデルシミュレータ２１０は、制御モジュール２５０からの演算指示に従って、生物反応槽１６０における活性汚泥の挙動を演算することができる。モデルデータベース２２０には、活性汚泥モデルが格納されている。このモデルは、本発明による制御で必要となる生物反応槽での生物吸着量を計算できるものとする。ここでの生物吸着量の演算対象は、処理水１０７の水質規制項目となるBODなどの有機物であって、また、必要によっては窒素、リンも対象となるモデルを含むことが望ましい。活性汚泥モデルの形態は、数式または数値テーブル（離散的な数値データセット）とする。モデルエンジン２３０は、計測値３０２を用いて、モデルデータベース２２０に格納されている活性汚泥モデルを実行し、演算結果を制御モジュール２５０に出力する機能を有する。

監視制御システム２００のもう一つの主要な構成要素である制御モジュール２５０は、信号出力手段２５５、信号入力手段２６０、制御手段２７０、および制御データベース２９０から構成される。制御出力手段２５５は、制御手段２７０で算出されて制御データベース２９０に格納された制御指示値に基づいて、流量調整弁１２０などを操作するための信号を出力する機能を有する。また、信号入力手段２６０は、水質計１１０、流量計１１５のほか、下水処理設備１００に設置された計測器からの計測データを受け取り、制御データベース２９０に格納する機能を有している。

制御手段２７０においては、所定の制御周期ごとに、後述する処理フローに従って、前段供給水１０３と後段供給水１０５の流量を決定する。ここでの演算は、活性汚泥モデルシミュレータ２１０に起動をかけて行い、演算結果を制御用データベース２９０に格納する。また、制御周期や制御上の各種パラメータなどは、制御用データベース２９０に格納されているデータを参照する。

図３は、制御手段２７０の処理フロー例を示している。制御データベース２９０とデータのやり取りをしながら、モデルエンジン２３０への起動指示を行い、ここでの制御対象となる前段供給水１０３と後段供給水１０５の流量を算出していく。最初のデータ読み込み工程２７２では、制御データベース２９０から下水処理設備１００の現時点での各種計測データ、例えば、被処理下水１０１の流量や水質のデータを読み込んで、次工程での演算に利用可能な状態とする。

次の生物吸着量算出工程２７４では、モデルエンジン２３０を起動し、現時点で生物反応層１６０の後段で生物吸着することが可能な汚濁負荷量（Lmax：生物吸着量上限値）を算出する。ここでの汚濁負荷量は、一般的には有機物量（例えば、BOD）である。また、BOD以外に留意したい水質項目（例えば、窒素、リンなど）がある場合には、算出する汚濁負荷量を窒素量、リン量としてもよい。Lmaxの算出は、モデルデータベース２２０に格納された活性汚泥モデルを用いて、モデルエンジン２３０によって行われる。

活性汚泥モデルによって算出されるLmaxとその影響因子との相関関係の一例を図４に示している。この例での影響因子は、生物反応槽１６０における活性汚泥濃度（MLSS：混合液浮遊物質量）と水温である。横軸はMLSSの相対値、縦軸がLmaxの相対値を示している。MLSSが高い、すなわち単位容積当たりの活性汚泥菌体量が多いほど、一般的には生物吸着の能力が高く、Lmaxが大きくなるという傾向を示すものである。また、水温が所定値までの範囲では、水温が高いほど、一般的には菌体の活性が高くなり、生物吸着の能力が高く、相対的にLmaxが大きくなる傾向を示している。このような相関関係を算出できる活性汚泥モデルと制御データベース２９０に格納された現時点のMLSS、水温の計測データを用いて、Lmax相対値を算出することができる。標準条件（例えば、MLSS=2000mg/L、水温20度）におけるLmaxの標準絶対値をあらかじめ格納しておくことで、現時点での条件に対応するLmaxの絶対値を求めることができる。ここでの例では、影響因子をMLSSと水温として説明したが、これらに限定されるものではなく、対象となる下水処理設備１００の実情や関連する知見の内容に合わせて、これ以外の影響因子を考慮することも可能である。

下水流量チェック工程２７６では、制御データベース２９０を参照し、被処理下水１０１の流量Qinが時間最大汚水量Qshを超過していないかどうかを判定する。超過していない場合には、非雨天時算出工程２７８に移行する。また、超過している場合には、雨天時算出工程２８０に移行する。非雨天時算出工程２７８では、後段供給水１０５および簡易放流水１０６の流量Qwは０（ゼロ）とし、前段供給水１０３を被処理下水１０１の流量と同一に設定される。

他方、雨天時算出工程２８０では、被処理下水１０１の流量がQshを超過しているため、生物反応槽１６０の後段にステップ流入させる後段供給水１０５の流量Qbackを算出する。Qbackは、Lmaxを水質計１１０で計測した汚濁物質濃度Cinで割った値に設定する。また、前段供給水１０３の流量Qfrontは、QinからQbackを除した値に設定し、Qwは０とする。但し、QfrontがQshを超過している場合には、QfrontはQshと同一に設定し、QwはQinからQfrontとQbackの合計を除した値に設定する。

最後の制御出力工程２８２では、非雨天時算出工程２７８または雨天時算出工程２８０で算出されたQfront、Qback、およびQwの設定値を制御データベース２９０に出力して、1回分の処理フローを終了する。この処理フローは、所定の制御周期で繰り返されて、その都度、制御データベース２９０に格納された設定値に基づいて、各種流量の制御が実行される。

上述した機能に加えて、下水処理設備１００の運転者を支援する機能として、運転状態や制御状態を可視化する手段を有することが望ましい。具体的には、水質計１１０や流量計１１５で計測された水質と流量データや、制御モジュール２５０にて算出する各種の流量設定値などを監視制御システム２００の表示手段２０１に表示するものとする。これにより、現在の運転状態と制御状態を正確に把握し、必要な対策をとることが容易となる効果が期待される。

以上が本発明の特徴である制御手段２７０の機能と動作に関する代表的な実施例の説明である。

１０１被処理下水
１０３生物反応槽前段供給水
１０５生物反応槽後段供給水
１０７処理水
１０８簡易放流水
１００下水処理設備
１１０水質計
１１５流量計
１２０流量調整弁
１５０最初沈殿池
１６０生物反応槽
１７０最初沈殿池
２００監視制御システム
２０１表示手段
２０２キーボード
２１０活性汚泥モデルシミュレータ
２２０モデルデータベース
２３０モデルエンジン
２５０制御モジュール
２５５信号出力手段
２６０信号入力手段
２７０制御手段
２９０制御データベース
３０１制御信号
３０２計測値

Claims

活性汚泥法による監視制御システムにおいて、
流入下水の流量と水質を計測する計測手段と、
生物反応槽後段で生物吸着することが可能な生物吸着量上限値を算出する演算手段と、
前記計測手段で計測した流入下水水質と前記演算手段で算出した前記生物吸着量上限値に基づいて、生物反応槽前段と後段にステップ流入させる下水供給量を決定する制御手段と、
を具備することを特徴とする監視制御システム。
請求項１において、前記計測手段が少なくとも流入下水中の汚濁有機物を計測する水質計測手段を具備することを特徴とする監視制御システム。
請求項１において、前記生物吸着量上限値の推定は、生物吸着量と、少なくとも活性汚泥濃度または水温と、の関係を表す活性汚泥モデルを用いることを特徴とする監視制御システム。
請求項１において、さらに、表示手段を具備し、前記表示手段は、前記計測手段で計測した流入下水の流量、水質及び前記制御手段で決定した生物反応槽前段と後段にステップ流入させる下水供給量を可視化することを特徴とする監視制御システム。