JPH0147237B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、活性汚泥法で下水を処理する下水処
理場における活性汚泥量の制御装置に関する。

活性汚泥法は、好気性または通性の細菌を主体
とする多種多様な微生物の集合体である活性汚泥
と下水を混合接触させ、下水中の汚染有機物やそ
の他の懸濁性物質を除去する生物学的下水処理法
の一種である。活性汚泥法は生きている生物の生
活活動を利用するため、その処理効率は活性汚泥
が健全な状態に維持されている場合にのみ高くか
つ安定に保つことができる。この活性汚泥の状態
は、活性汚泥が上記のように微生物の複雑な集合
体であるため、下水の流入量や汚染有機物や汚染
懸濁物などの外乱の変動にたいして非常に高い適
応能力を持つており、流入下水の通常の変化にた
いしては実質的な変性を起こさないものである。

しかしながら、しばしば下水処理場で発生する
活性汚泥の不全状態はそのほとんどの場合が上記
の外乱に適合しない操作の誤りに起因するもので
あると言つてよい。すなわちその原因の主要なひ
とつは、曝気槽での生物化学反応を経た活性汚泥
を、処理水と固液分離する沈殿池内に大量に蓄積
させてしまい、沈降濃縮した活性汚泥を長時間に
わたつて嫌気的条件下に晒すためによつて生じる
好気的生活力の低下によるものである。この嫌気
的条件がさらに長時間続づくと、好気性菌は死滅
し同時に通気菌は完全に嫌気性菌として作用する
一方、嫌気性菌の増殖を促進させ活性汚泥の性質
を顕るしく低下させる。したがつて活性汚泥を長
時間にわたつて嫌気的条件に晒らさないために、
沈殿池で沈殿堆積した濃縮汚泥をすばやく引抜く
操作をおこない、沈殿池から曝気槽に返送しまた
は余剰汚泥として系外へ排出する必要がある。

従来、沈殿池から濃縮汚泥をすばやく引抜く方
法として、すなはち沈殿池に蓄積している活性汚
泥の量を制御する方法として、汚泥界面計を用い
て沈殿池に蓄積している濃縮汚泥の堆積している
高さまたは目標の高さ範囲に保持するという方法
がある。この方法が有効に動作するためには、沈
殿池に濃縮汚泥の界面が生じていなくてはならな
い。しかしながら、沈殿池内で濃縮汚泥と上澄水
との間に明確な界面が生じるのは、相当多量の汚
泥が蓄積している場合である。したがつて、この
方法による沈殿池汚泥蓄積量の制御装置によつて
は、沈殿池の濃縮汚泥をすばやく引抜くことにな
らないものである。

他の従来方法に、沈殿池の水面下垂直方向また
は水平方向またはそれら双方の方向に、複数の汚
泥濃度計または汚泥濃度を計るための検体を取込
む採取装置を設け、沈殿池各部分に存在している
活性汚泥の濃度を実測し、それらの値から沈殿池
全体に蓄積している活性汚泥の量を求め、その値
が目的の値になるように沈殿池からの汚泥引抜量
を、すなわち返送汚泥の流量もしくは重量または
余剰汚泥引抜の流量もしくは重量を、調節すると
いう制御方法がある。この方法を実施するために
は、高価で人手のかかる汚泥濃度計を多数使用し
たり、沈殿池内に複雑な配管を施こさねばなら
ず、費用がかかると同時にそれら設備の維持管理
が煩雑となるために、この方法による制御装置は
下水処理場にとつて好ましいものではない。

また他の従来方法に、沈殿池に流入する水理的
流量をタイマー等によつて積算し、その積算値が
設定の値になつたときに、沈殿池から濃縮汚泥を
間欠的に所定の時間長引抜く方法がある。この方
法は上記流量の積算値の設定値を低くすることに
よつて連続引抜きと同じような効果を出せるはづ
のものであるが、引抜く時間長を蓄積している濃
縮汚泥の量と関連させて変更できないために、必
然的に引抜量が過剰になつたり過少になつたりす
る。このためにこの方法にもとづいた汚泥制御装
置は、とくに汚泥蓄積量が過剰になつて活性汚泥
が嫌気的変性を生じていてもこれに対応する動作
が行なわれず、また過剰引抜きによつて清澄な処
理水をも引抜いてしまうために、その後の汚泥処
理設備への負荷を増し、ひいては汚泥処理設備で
処理しきれなくなつた汚泥が再び曝気槽に還流さ
れるために、活性汚泥の性質を相乗的に悪化させ
てしまうおそれのあるものである。

また他の従来方法に、沈殿池に流入する活性汚
泥の重量流量と沈殿池から引抜かれる濃縮汚泥の
重量流量の差に応じて、沈殿池からの汚泥引抜流
量を調節してその汚泥蓄積量を制御する方法があ
る。この方法を実際の下水処理場で具体的に摘用
するためには、沈殿池への水理的流量と沈殿池汚
泥引抜流量を測定する手段のほかに、曝気槽から
沈殿池に流入する活性汚泥の濃度（以下MLSS濃
度と記す）と引抜汚泥の濃度をも測定する計測器
が必要となる。とくにMLSS濃度の測定器誤差は
一般に５％あり、かつ活性汚泥の性質によつて、
すなわち活性汚泥粒子の分散状態やその無機性微
粒子の相対組成によつて、その再現性すなわち実
際の活性汚泥濃度との回帰係数がしばしば変動す
る。そのために沈殿池に流入する上記活性汚泥の
重量流量の値には10％程の誤差を含み、さらに濃
縮汚泥の引抜重量流量との差の値にはさらに高い
誤差を含むものであり、この誤差の蓄積によつて
当方法による汚泥の制御装置では、沈殿池汚泥蓄
積量を目的の値に制御することはきわめて困難な
ものである。

本発明は、前記諸従来法の特質に鑑み、より精
度の高いかつ安定な汚泥制御装置を提供すること
を目的としたものである。

すなわち本発明は、前記沈殿池汚泥蓄積量の制
御ループの外に、汚泥滞留日図（Sludqe
Reteution Time、以下SRTと略記する）の制御
ループと、および曝気槽に流入する下水の流量と
返送汚泥流量の比すなわち返送汚泥率の制御ルー
プと、その他の２制御ループ以上の複数の制御ル
ープで制御し、かつこれらの複数の制御ループを
上位の制御器によつて相互の協調を計り、全体的
な観点から活性汚泥の量的制御を行うように構成
したものである。

すなわち、第１図に示したように、曝気槽の活
性汚泥量ａと沈殿池の蓄積汚泥量ｂとの動的関係
は相互に密接に関係しており、そのバランスの仕
方は、上記２変量の現在の値と外乱変数である流
入下水の流量と操作変数である返送汚泥流量と余
剰汚泥引抜流量とによつて、時間的に刻々と変化
する。したがつて、活性汚泥法による下水処理の
管理制御の基本指針である「沈殿池に汚泥を長時
間蓄積させず、かつ曝気槽のMLSS濃度の変動を
小さくすること」のためには、操作量である返送
汚泥流量と余剰汚泥引抜流量とを相互に関係さ
せ、沈殿池汚泥蓄積量と返送汚泥率と全汚泥滞留
時間（SRT）とを同時に目標値になるように、
調節するという制御方法に依らねばならない。す
なわち、返送汚泥流量の調節によつてMLSS濃度
の変動巾と沈殿池汚泥蓄積量の平均的値とを制御
し、かつ余剰汚泥引抜流量の調節によつて曝気槽
のMLSS濃度の平均的値と沈殿池汚泥蓄積量の変
動巾を制御するという、複数の制御を同時に行う
ことを目的とした多目的制御でなければならな
い。

本発明は、上記の汚泥量制御方法を具体的制御
装置としたもので、従来MLSS一定制御または返
送汚泥率一定制御またはＦ／Ｍ比一定制御または
SRT一定制御など、ひとつの目的を持つた単一
制御装置では不完全にしか行なえなかつた制御方
法を、前記複数の制御ループを相互に協調させ調
定することのできる上位制御器を具備し、より完
全で精度の高いかつ安定した汚泥の制御装置を提
供するものである。

つぎに第２図で本発明の一実施例について説明
する。下水処理場に流入した下水は流量計１と懸
濁物濃度計２が設置されている管路Ａを通つて曝
気槽３に流入し、沈殿池４から返送された濃縮活
性汚泥（以下汚泥と略記する）と混合し生物化学
反応と凝集反応を受ける。反応を受け終つた混合
液は沈殿池４に流入し沈降濃縮によつて清澄な処
理水と汚泥とが分離される。汚泥は汚泥引抜率５
を経て汚泥貯槽６に送られ、ついで返送汚泥ポン
プ７によつて返送汚泥流量計８と流量調節弁９と
返送汚泥濃度計１０を設置した管路Ｂを通り曝気
槽３に戻される。返送汚泥ポンプ７から吐出した
汚泥の一部は余剰汚泥引抜流量計１１と余剰汚泥
引抜流量調節弁１２を設けた管路Ｃを通つて汚泥
処理設備（図中に記載なし）などに送られる。

流量計１と懸濁物濃度計２からの信号は、返送
汚泥流量計８と返送汚泥濃度計１０および余剰汚
泥引抜流量計の信号とともに、電算機内の曝気槽
シミユレーシヨンプログラム（例えば特開昭55−
144524号公報に開示された手段）１３に入力し曝
気槽内各部分のMLSS濃度を算出する。上記
MLSS濃度の曝気槽から流出する部分の値は、流
量計１と返送汚泥流量計８と余剰汚泥流量計１１
からの信号とともに電算機内の沈殿池シミユレー
シヨンプログラム（例えば特開昭55−129196号公
報に開示された手段）１４に入力され、ここで沈
殿池内各部分の汚泥滞留量を算出する。上記曝気
槽と沈殿池のシミユレーシヨンは、上記計測器類
の測定周期毎に行しるものである。

上記の曝気槽と沈殿池のシミユレーシヨン結果
を第１演算器１５に送り活性汚泥処理系全体に保
有されている全汚泥量を算出する。また沈殿池シ
ミユレーシヨンの結果は第２演算器１６に送られ
沈殿池に蓄積している汚泥量を算出する。一方返
送汚泥濃度計１０の信号は、その24時間（１日
分）の平均値を計算する第３演算器１７に送られ
る。当第３演算器１７の出力は第１演算器１５の
出力値とともに第４演算器１８に送られる。この
第４演算器はSRTの設定値を手動などで入力す
ることの接点を有し、少なくとも１日に１回前記
全汚泥保有量と返送汚泥濃度の24時間の平均値と
から次式に従つて余剰汚泥の基本引抜流量を計算
する。

Qw₀＝Ztot／SRT・１／Xr・１／24 …(1) ここにQw₀は余剰汚泥引抜流量の基本値（m³／
ｈ）、Ztotは全汚泥保有量（grams）、SRTは汚
泥滞留日数（日）、ｒは返送汚泥濃度の平均値
（gram／m³）である。

ついで、第１演算器１５の出力と第４演算器１
８の出力は第１制御器１９に入力される。第１制
御器１９は全汚泥保有量の設定値を手動などで入
力できる接点を有し、たとえば次式に従つて余剰
汚泥引抜流量の少なくとも１時間毎の増減補正量
および修正値を計算する。

△Qw＝〔K₁｛e_w（ｔ）−e_w（ｔ−１）｝ ＋K₁K₂e_w（ｔ）〕・a_w …(2) Qw＝△Qw＋Qw₀ …(3) ここに、△Qwは余剰汚泥引抜流量の補正量、
e_w（ｔ）とe_w（ｔ−１）はそれぞれ今回および前回
の制御周期における全汚泥保有量とその設定値と
の偏差、K₁とK₂は制御ゲイン、a_wは不感帯要素、
Q_wは修正値すなわち次制御周期の操作出力であ
る。

また第２演算器１６の出力である現在の沈殿池
汚泥蓄積量の値は、目標の沈殿池汚泥蓄積量を手
動などで入力できる接点を有し、かつ目標の値と
現在の値との偏差からたとえば次式に従つて返送
汚泥流量の増減補正量を算出する第２制御器２０
に入力される。

△Q_r1＝〔K₃（e_r（ｔ）−e_r（ｔ−１）｝ ＋K₃K₄e_t（ｔ）〕・a_r …(4) ここに、△Q_r1は返送汚泥流量の補正量、e_r
（ｔ）とe_r（ｔ−１）はそれぞれ今回および前回の
制御周期における沈殿池汚泥蓄積量の設定値から
の偏差、K₃とK₄は制御ゲイン、a_rは不感帯要素
である。

さらに第２演算器１６の出力は、沈殿池汚泥蓄
積量の許容上下限値を手動などで設定できる接点
を有する第６演算器２１にも送られ、上記汚泥蓄
積量が上記上下限値を越えた場合、警報信号が出
され第１表示器２２を作動させる。

さらに、流量計１と返送汚泥流量計８からの信
号（それぞれQs、Qrと記号化する）は第５演算
器２３に入力され、返送汚泥率ｒ（＝Qr／Qs）を
計算し第３制御器２４に送られる。第３制御器２
４は返送汚泥率の目標値を手動などで入力できる
接点を有し、その設定値と現在の返送率との偏差
からたとえば次式に従つて返送汚泥流量の増減補
正量を算出する。

△Qr₂＝〔K₅｛e_p（ｔ）−e_p（ｔ−１）｝ ＋K₅K₆e_p（ｔ）〕・a_p …(5) ここに、△Qr₂は上記第３制御器２４による返
送汚泥流量の補正量、K₅とK₆は制御ゲイン、e_p
（ｔ）とe_p（ｔ−１）はそれぞれ前回および今回の
制御周期における返送汚泥率の偏差、a_pは不感帯
要素である。また第５演算器２３の出力は、返送
汚泥率の許容上下限値と非許容上下限値が手動な
どで入力できる接点を有する第４制御器２５に送
られ、現在の返送汚泥率が許容下限値より低く非
許容下限値より高い増合は、たとえば式(6)に従つ
て余剰汚泥引抜流量の割引率を算出し、また上記
返送汚泥率が許容上限値より高くかつ非許容上限
値より低い場合は、たとえば式(7)に従つて余剰汚
泥引抜流量の加重率を算出し、これらの算出値を
第１制御器１９の出力とともに第１上位制御器２
６に出力する。

b_L＝ｒ−r_L0／r_L−r_L0 …(6) b_H＝ｒ−r_H0／r_H−r_H0 …(7) ここに、b_Lとb_Hはそれぞれ余剰汚泥引抜流量の
割引率と加重率、ｒは現在の返送汚泥率、r_H0と
r_L0はおのおの返送汚泥率の許容上下限値、r_Hとr_L
は返送汚泥率の非許容上下限値である。

また、返送汚泥率が非許容の上下限値を越した
場合は、b_Lまたはb_Hの暫定値が第４制御器２５か
ら上記第１上位制御器に出力されると同時に、警
報信号が出され第２表示器２７が作動するように
なつている。

前記第１上位制御器２６は、余剰汚泥引抜流量
の割引率と加重率またはそれらの暫定値を手動な
どで入力できる接点を有し、前記第１制御器１９
と上記第４制御器２５の出力値から余剰汚泥引抜
流量の操作値を設定器（図中に記載なし）を通し
て余剰汚泥引抜弁１２に伝達する。第１上位制御
器２６が行う前記制御動作の特徴は、返送汚泥率
が低い時は、外乱入力の増大時で返送汚泥の量を
確保しなければならない場合であるから、余剰汚
泥引抜流量を割引き、これとは反対に返送汚泥率
が高い時は、外乱入力の減少時で返送汚泥の量が
過剰になつている場合であるから、余剰汚泥引抜
量を加重する、というようにしたことである。な
おこの第１上位制御器２６は、前記第２表示器２
７が作動状態である場合もまた作動していない場
合でも、随時操作員によつて前記の設定値を変更
したり、またそれらの一定値を特定の時間長分継
続させたり、さらに特定の余剰汚泥引抜流量の値
を特定の時間長継続させる、ということも可能に
するものである。

さらに、前記第２制御器２０と第３制御器２４
からの出力である返送汚泥流量の補正量△Qr₁と
△Qr₂は、ともに第２上位制御器２８に入力され
る。第２上位制御器２８は、△Qr₁と△Qr₂とを
重みづける分配比または荷重率を手動などで入力
できる接点を有し、つぎのような選択可能な制御
モードを有するものである。ひとつのモードは、
入力された上記分配比を使いたとえば次式に従つ
て返送汚泥流量の補正量を算出するものである。

△Qr＝K₇・△Qr₁＋（１−K₇）・△Qr₂ …(8) また他のモードは、上記荷重率を用いたとえば
次式に従つて返送汚泥流量の補正量を算出するも
のである。

△Qr＝K₈・△Qr₁＋K₉・△Qr₂ …(9) またさらに他のモードは、電算機内にある曝気
槽と沈殿池のシミユレーシヨンプログラムを利用
し、返送汚泥流量を△Qr₁および△Qr₁だけ変化
させたときの沈殿池汚泥蓄積量の変化分△Z₁およ
び△Z₂を予測計算し、おのおのからつぎの感度を
求め、 S₁＝△Z₁／△Qr₁ S₂＝△Z₂／△Qr₂ …(10) これらの感度の値から、たとえば次式に従つて
分配比などを決定し、返送汚泥流量の補正量を算
出するものである。

K₇＝S₁／（S₁＋S₂） …(11) また、第２上位制御器２８は上記のような選択
可能な制御モードの外に随意に任意の制御モード
を組込むことのできるものである。

つぎに、本発明の制御装置がいかなる具体的結
果をもたらすかについて、活性汚泥法下水処理プ
ロセスの主要な外乱である流入下水の流量変動に
たいする応答性によつて説明する。

第３図は、第２図の管路Ａの途中に流入した下
水の貯槽を臨時に設け、曝気槽に流入する下水の
流量をステツプ状に増加させた場合、曝気槽の
MLSS濃度と沈殿池に蓄積している汚泥量を、従
来法であるMLSS一定制御で運転した場合と本発
明の制御装置で運転した場合とを比較した実験結
果のグラフである。第３図中のａは下水の流量、
ｂは返送汚泥率、ｃはMLSS濃度、ｄは沈殿池蓄
積汚泥量の変動をそれぞれ示し、実線は従来法に
よる結果であり、破線は本発明の制御装置による
結果である。

従来法による制御では、流入下水流量の増大に
追随するため返送汚泥流量が増加して一時沈殿池
汚泥蓄積量が減少して、外乱によるMLSS濃度の
急激な変動は生じない。しかし、流入下水量の増
大は沈殿池への汚泥重量流入の増加となるので、
その後時間遅れを伴つて沈殿池汚泥蓄積量の増大
をもたらし、そのために曝気槽のMLSS濃度は急
降下する。ところが本発明の制御装置では、上位
の制御器によつて返送汚泥率と沈殿池汚泥蓄積量
とによる制御を協調させているので、返送汚泥率
の変動は従来方法による制御より激しいが、沈殿
池汚泥蓄積量は過剰にも過少にもならず、また曝
気槽のMLSS濃度変動も低く保つという効果がな
ることがわかる。

本発明の汚泥制御装置は、電算機による活性汚
泥処理プロセスのシミユレーシヨンを活用するも
のであり、使用する活性汚泥処理プロセスモデル
の精度を常に高く維持する必要がある。すなわち
電算機シミユレーシヨンに使かわれているプロセ
スパラメーターを適宜最適化しなければならな
い。このため上記実施例においては、過去24時間
の返送汚泥濃度の実測値と上記モデルによるシミ
ユレーシヨン結果とを比較し、返送汚泥濃度計の
信号誤差なども考慮してその差が有意な値になつ
たとき、つぎのようなプロセスパラメーターの最
適化を電算機内の最適化プログラムを用いて行
う。この最適化は、少なくとも過去１週間の流入
下水の流量と返送汚泥流量と余剰汚泥引抜流量の
少なくとも１時間毎の実蹟データを活用し、前記
電算機内のプロセスモデルのシミユレーシヨンに
よつて返送汚泥濃度を算出し、この時系列値とそ
の実績時系列データとの時系列誤差が最小になる
ように、おのおのプロセスパラメーターを探索す
ることによつておこなうことができる。

上述のごとくの本発明の汚泥制御装置によつ
て、沈殿池に蓄積している汚泥は外乱が加えられ
た時にもすばやく引抜かれ、汚泥の過剰な蓄積を
防止し、活性汚泥の性質を悪化させることなく健
康な生活力を維持することができるので、処理水
質と安定し下水処理運転を高い効率で行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は曝気槽と沈殿池の汚泥量の相互変化を
示すグラフ、第２図は本発明の１実施例の構成
図、および第３図は上記実施例における実験の結
果を示すグラフである。 １……下水流量計、３……曝気槽、４……沈殿
池、６……汚泥貯槽、７……汚泥ポンプ、８……
返送汚泥流量計、９……返送汚泥流量調節弁、１
０……返送汚泥濃度計、１１……余剰汚泥引抜流
量計、１２……余剰汚泥引抜流量調節弁、１３，
１４……プロセスシミユレーシヨンモデル、１５
〜１８および２１，２３……演算器、１９，２
０，２４，２５，２６，２８……制御器、２２，
２７……表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 曝気槽に流入する下水の流量およびその懸濁
   物濃度と沈殿池から前記曝気槽に返送される返送
   汚泥流量およびその汚泥濃度とをそれぞれ測定す
   る手段と、 前記曝気槽と沈殿池における活性汚泥の増殖お
   よび混合と沈降濃縮の機構とをシミユレーシヨン
   する手段と、 このシミユレーシヨンの結果を用いて曝気槽お
   よび沈殿池を含む処理プロセス全体が保有する活
   性汚泥の総量を算出する第１演算器および沈殿池
   のみに蓄積している汚泥量を算出する第２演算器
   と、 前記返送汚泥の濃度の計測値から前日の平均値
   を算出する第３演算器と、 この第３演算器で求めた平均値、上記第１演算
   器で求めた活性汚泥総量およびあらかじめ設定し
   た全汚泥滞留日数から当日の余剰汚泥引抜流量の
   基本値を算出する第４演算器と、 この第４演算器で求めた汚泥引抜量の基本値、
   前記第１演算器で求めた活性汚泥総量および処理
   プロセス全体が保有する活性汚泥総量の設定値か
   ら所定時間毎に余剰汚泥引抜流量の修正値を求め
   る第１制御器と、 前記第２演算器で求めた沈殿池蓄積汚泥量およ
   びこの沈殿池汚泥蓄積量の設定値から所定時間毎
   に返送汚泥流量の操作補正量を出力する第２制御
   器と、 前記流入下水の流量と前記返送汚泥の流量とか
   ら返送汚泥率を算出する第５演算器と、 この第５演算器で求めた返送汚泥率およびこの
   返送汚泥率の設定値から返送汚泥流量の操作補正
   量を求める第３制御器と、 この第３制御器で求めた操作補正量と前記第２
   制御器で求めた操作補正量とを入力し、あらかじ
   め設定した重みづけにより返送汚泥流量の操作値
   を決定する第２上位制御器と、 前記第５演算器で求めた返送汚泥率とあらかじ
   め設定された返送汚泥率の許容上又は下限値との
   差と、非許容上又は下限値と許容上又は下限値と
   の差とから余剰汚泥引抜量の割引率または加重率
   を計算する第４制御器と、 この第４制御器で求めた割引率または加重率と
   上記第１制御器で求めた余剰汚泥引抜流量の修正
   値とから余剰汚泥引抜流量の操作値を決定し出力
   する第１上位制御器と、 を備えたことを特徴とする汚泥制御装置。