JPS6233595A - 下水処理制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、都市下水や産業廃水のように、有機物を含む
汚水を浄化する活性汚泥法による下水処理の制御装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

活性汚泥処理システムは、微生物を主役とする複雑なシ
ステムであり、流入水水質、水温等に代表される環境要
因によってその構造が大きく変化する非線形なシステム
である。

この活性汚泥処理システムの制御方法として、曝気層内
のＭＬＳＳ、溶存酸素濃度、あるいは系内に滞留する総
汚泥量等に着目し、これらを一定に保つ制御系が提案さ
れている。

これらの制御系を用いれば、着目した項目については安
定化することが可能であるが、それ以外の項目には全く
関与しないという欠点がある。

即ち、下水処理システムの最重要項目である処理水水質
の動きからは、フィードバックされていない、これは、
処理水水質から、各操作量にフィードバックするアルゴ
リズムを決定するのが困難なためである。

このような事情に鑑み、発明者等は、処理水水質の挙動
を表現する統計的モデルを作成し、活性汚泥処理システ
ムの最適制御を実現する発明を先に開示した。使用した
統計的モデルは、システムの現在・の状態は、過去の状
態の線形結合による部分と、偶発的な部分の和によって
表現できる、とする自己回帰モデル（Ａｕｔｏｒｅｇｒ
ｅｓｓｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ：以下ＡＲモデルと略記する
）であった。

しかし、活性汚泥処理システムのような非線形なシステ
ムを、線形モデルで制御するには、特別な配慮が必要で
あった。この点について、先に開示した発明（特願昭５
８−２１３２０５号）では、ＡＲモデルを定期的に更新
することによって、活性汚泥処理システムの非線形性に
対応しようとした。

また、上記の発明に続いて開示した発明（特願昭５９−
２０４’２８０号）では、ＡＲモデルによる予測値と計
測値を比較し、その予測誤差の増大を検出して、ＡＲモ
デル更新の時期を決定することにした。これによって、
使用しているＡＲモデルの線形域から、システムが離脱
する時期を的確に捕らえることが可能となり、システム
の非線形性に対処できるようにした。

理解を容易にするために、ＡＲモデルについて説明する
。

下水処理装置において、現在のプロセスの状態は過去の
プロセスの状態の線形結合によってその大部分を表現で
きる。いま時刻ｎにおけるプロセスの状態をに次元の全
変数ベクトルＸ　（ｎｌで表わすと、その自己回帰表現
は次のようになる。

Ｘ　（ｎｌ　＝　　ΣＡ　（ｍｌ　・Ｘ　（ｎ　−ｍ）
　十〇　ｆｎｌ　−−−−−−−−−−（１１但しＸ（
ｎ−ｍ）は時刻ｎよりｍ時点前の全変数ベクトル、Ｕ　
Ｆｎｌは白色雑音ベクトル、Ａ（（ロ）は自己回帰モデ
ルの回帰係数、ＭはＡＲモデルの最適次数である。

ｆｆｌ式の回帰係数へに）の要素ａ４４ｈｌは次の連立
−次方程式の解として求められる。

（ｈ−１，２，−−・、に：１＝ｌ、２．・−９Ｍ）但
し、Ｒ１はＸのｉ、ｈ行の要素の相互関数である。また
白色雑音ベクトルＵ　ｆｎｌの要素をεｉ　（ｎ）とす
ると、その分散σユ′は次のようになる。

なおモデルの最適次数Ｍは予測誤差を示す（４）式のＭ
ＦＰＥ（Ｍ）を最小にする値である。

ＭＦＰＥ（Ｍ）＝　（１＋（Ｍ−に＋１）／Ｎ）皺×Ｈ
−（Ｍ−に＋１）／Ｎ）−”・　ｌｌｄ、ｌｌ　　・−
（４）但し、Ｎはデータ数、ｌｌｄ、ＩＩ　　ばＵ　（
ｎ）の分散共分散行列推定値である。またＭＦＰＥは多
次元最終予測誤差Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｆｉｎａｌ　Ｐｒ
ｅｄｉｃｔｉｏｎ　Ｅｒｒｏｒの頭文字である。

このようにして自己回帰係数、モデル次数および白色雑
音の分散（固有ノイズ）が求められ、ＡＲモデルが作成
される。

次に、下水処理装置の被制御変数即ち放流水有機物濃度
、放流水懸濁物質濃度、ＭＬＳＳを一定に保つために、
このＡＲモデルを構成する多数のシステム変数の中で、
被制御変数に寄与するシステム変数を選別する必要があ
る。

いまに個のシステム変数が伝達要素によりて結ばれた閉
ループにおいて、ａ目ｆｆ）を変数ｘｔ（ｆｌと変数ｘ
ｊ（ｆ）とを結ぶ伝達要素のｘＪＴｆｌからｘｉ（ｆ）
への周波数応答関数とし、Ｕｌ（ｆ）をｘｒｆｆｌの内
部雑音の周波数領域における表現とすると、ｘＬ（ｆｌ
＝Σａ　Ｂ（ｆｌ　−ｘ　ｊ（ｆｌ　＋　Ｕ　、　（ｆ
ｌ−−−−＝−＝（５１が得られる。

−・・−・・・・−・−・−・・・・・・・・−・・・
・−・−（６）とおけば、 ｘｒ　（ｆｌ　＝Σ１）　、　、　Ｔｆｌ　−Ｕ　、　
（ｆ）　　　−’−−−−−−’−（７）ｊ＋１ ここでｂ目（ｆｌはｊ番目の変数の固有ノイズＵ、（ｆ
ｌが、フィードバックループを通してｉ番目システム変
数ｘｉ（ｆｌへ及ぼす影響を示す。

（７）式のパワースペクトル領域における表現式はＰ！
ｔ（ｆｌ＝Σｌ　ｂ　＋１（ｆｌ　ｌ　”　’　Ｐ　（
Ｕ　ｊ）　ｆｆｌ　−−−＝−（８１但しＰ（Ｕｊ）（
ｆｌは周波数ｆにおける固有ノイズＵＪのパワースペク
トル密度である。さらに周波数ｒにおけるｘＩ（ｆ）の
パワースペクトル密度のうち、ＩＪ、（ｆｌに寄与する
部分をｑｔ＝ｆｆｌとすると、ｑｉａ（ｆｌ　＝　ｌ　
ｂ目（ｆ）　ｌ　”・Ｐ（Ｕ、）ｆｆｌ・−・−・・・
−（９）となる。

本明細書では、このｑ、、ｆｆｌを寄与率と称する。

つまり、例えばあるシステム変数Ａに対するシステム変
数Ｂ、Ｃ，Ｄの寄与率が、それぞれ３５％、４０％、２
５％と求まると、システム変数Ｃ１Ｂ、Ｄの順で、シス
テム変数Ａに影響を与えていることになる。

以上がＡＲモデルの説明である。

また計測値の変動域は、標準偏差を求めることによって
容易に推定できる。

すなわち、標準偏差Ｓは（１０）式で得られ、但しＸ！
　＝　（１／Ｎ）　　・ΣＸ！韓）ｌ＋覆 計測値の９９．７％は、（１１）式で得られるｘｌの範
囲になると考えて良い。

Ｘｒ　　　３ＳＳｘ１　≦Ｘ！　＋　３３　−・−−−
−−（１１）したがって、刻々得られる計測値が、（１
１）式の変動域に含まれているか否かによって、正常、
異常の判定を下すことが可能となる。

第３図は先の出願に係る下水処理制御装置の構成を示す
ブロック図である。同図において、管路１より曝気槽２
に流入する下水の水量、ｐＨ，流入水懸濁物Ｘ濃度、お
よび流入水有機物濃度は、流入下水量測定計１０．ｐＨ
測定計１１、懸濁物質濃度計１２．有機物濃度計１３に
よりそれぞれ検出され、その検出信号は、演算装置２７
に与えられる。

また曝気槽２内に流入した下水と沈殿槽３から返送され
た返送汚泥との混合水の溶存酸素濃度、ＭＬＳＳおよび
水温は、溶存酸素４度測定計１４、ＭＬＳＳ計１５、水
温計１６によりそれぞれ検出され、その検出信号は演算
装置２７に与えられる。

また曝気槽２内で混合水が活性汚泥処理された処理水の
有機物濃度およびＭＬＳＳは、有機物濃度計１７および
ＭＬＳＳ計１８計上８それぞれ検出され、その検出信号
は演算装置２７に与えられる。

また処理水が沈殿槽３で沈降分離され清澄された放流水
は管路７より装置外に放流され、その放流水の懸濁物質
濃度、有機物濃度およびｐＨが懸濁物質濃度計１９、有
機物濃度計２０およびｐＨ測定計２１でそれぞれ検出さ
れ、演算装置２７に与えられる。

さらに、返送汚泥量、返送汚泥濃度、余剰汚泥量、余剰
汚泥濃度、および曝気風量が、返送汚泥量測定計２２、
返送汚泥濃度計２３、余剰汚泥引抜量測定計２４、余剰
汚泥濃度計２５および風量計２６によって検出され、演
算装置２７に与えられる。

このようにして、各計測値は演算装置２７に入力される
。

演算装置２７内では、ＡＲモデルおよび修正ＡＲモデル
を作成するために各種の計測値を一旦記憶装置３５に記
憶してお（、ＡＲモデルの作成に際して、記憶装置３５
内に記憶されているデータから、前記（２）、　（３１
，（４１式に基づいたモデルの最適次数Ｍ、モデルの回
帰係数Ａ（（ロ）および白色雑音の分散を演算すると共
に、（１１式のＡＲモデルを演算し、選択装置Ｅ２９で
はＡＲモデル演算装置２日からの出力により（９）式、
　（１０）式に基づいて、被制御変数すなわち放流水の
有機物濃度、懸濁物質濃度および曝気槽内のＭＬＳＳｆ
ｉ度に対するシステム変数の影響度合を演算し、修正Ａ
Ｒモデル演算装置１ｎ３０に出力する。修正ＡＲモデル
演算装置３０では、ＡＲモデルに記憶装置３５の計測値
を当てはめ、修正ＡＲモデルを作成する。この修正ＡＲ
モデル演算装置３０は、処理水の水質に重要な影響力を
もつ変数のみによって構成された修正ＡＲモデルを作成
し、最適化装置３１へ、数式モデルとして出力する０次
の最適化装置３１では、その修正ＡＲモデルに時々刻々
の計測値を入力して、最適化制御信号の算出を行ない、
その制御信号を、ブロワ−６の制御装置３２、返送汚泥
ポンプ８の制御装置３３、引抜汚泥ポンプ９の制御装置
３４に与えて制御を行なう。

修正ＡＲモデル演算装置３０からの出力は、予測値演算
装置３６にも入力され、この予測値演算装置３６では、
現時刻に採取した計測値を修正へＲモデルにも適用して
、未来時刻の計測値を算出し、この予測値を予測値記憶
装置３７へ出力する。

比較袋Ｈ３８では、計測値と、予測値記憶装置３７に記
憶されている当該時刻の予測値を比較し、その予測誤差
を検定する。

検定の結果、予測誤差が大きいと判定された場合、即ち
使用している修正ＡＲモデルが適切でないと判断した場
合は、ＡＲモデル演算装置２８に信号を出力し、ＡＲモ
デルの更新を行なう。

このようにして、使用している修正ＡＲモデルが制御用
モデルとして不適切と判断された時点で、モデルは自動
的に更新される。

したがって、活性汚泥処理システムのような非線形性を
有するシステムであっても、常に適切な線形モデルを用
いることで、最適制御を実現することが可能となる。

以上が先の発明に基づく装置の説明である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記の発明においては、次のような問題点があ
った。

（１）活性汚泥処理システムの状態を決定づける環境要
因（流入水水質や水温等）が変化する度に、ＡＲモデル
の更新、制御系の設計を余儀なくされる。これは、季節
の変り目など環境要因の変わり易い時期には、相当の回
数となり、制御系として安定性を欠くことになる。

＋２１ＡＲモデルを用いた制御を行う場合、各種の操作
変数の設定は、計算機での計算結果に基づいて行われる
。しかし、このような操作量の決定方法では、計算機関
連機器の故障、停電等が発生した場合、活性汚泥処理シ
ステムの運転を安定した状態に維持することが困難にな
る。

活性汚泥処理システムでは、このような緊急時に際して
、最適制御よりも、システムの現状維持が強く望まれる
。

本発明は、先に開示した発明（特願昭５９−２０４２８
０号）に改良を加え、活性汚泥処理システムの安定性を
増大し、処理水水質を被制御変数とするＡＲモデルによ
る最適制御系を実現することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明では
、特定項目の安定化を図る制御系を下位の制御系として
設け、次にこの下位制御系をもシステムの一部として包
含するＡＲモデルを作成し、このＡＲモデルに基づく最
適制御系を上位制御系として動作させる。そして、操作
量は、再制御系からの指令値を加算することによって決
定する。　　　　゛ 即ち、下位制御系によって活性汚泥処理システムの非線
形な動きを抑制し、上位制御系によって処理水水質の安
定化を図る階層的な制御系を構成する。この階層的な制
御系によって、システム構造の大きな変化にも適用可能
な柔軟な制御系を実現することができる。

しかも、２系統の制御系を階層的に用いることによって
、制御系関連機器の事故といった不測の事態にも対処し
得る、堅牢な制御装置を提供することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて具体的に説
明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示すものであり、第３
図の従来構成と異なるところは、余剰汚泥量演算装置３
９および余剰汚泥量加算装置４０を追加し、活性汚泥処
理システムの安定性に重大な影響を及ぼす総汚泥量につ
いて、フィードバック制御系を下位の制御系として適用
した例である。

即ち、曝気槽２内のＭＬＳＳ、沈澱槽３から返送される
返送汚泥濃度及び余剰汚泥濃度をＭＬＳＳ計１５、返送
汚泥濃度計２３、余剰汚泥濃度計２５によって検出し、
この計測値を演算装置２７と同時に余剰汚泥量演算装置
３９にも人力する。

余剰汚泥演算装置３９では、予め曝気槽２の内容積、及
び沈澱槽３に貯留している汚泥の容積を入力しておき、
これと前記各濃度計の計測値より、系内に滞留する総汚
泥量を推算し、この総汚泥量が概ね設定値になるように
、余剰汚泥量の指令値を決定し、これを余剰汚泥量加算
装置４０に出力する。

なお、沈澱槽内の汚泥量の推算には、各種の方法がある
。

■沈澱槽の汚泥ホッパ内の濃度分布を計測し、その積分
によって沈澱槽内の汚泥量を推定する。

■沈澱槽内の汚泥界面を計測し、これによって貯留して
いる汚泥容量を推定する。これと汚泥濃度の積によって
汚泥量を推算する。

■総汚泥量においては、曝気総内の汚泥が大部分である
として、沈澱種部分の汚泥については無視することもあ
る。

このようにして、総汚泥量がほぼ一定に維持された状態
で、活性汚泥処理システムの運転が続けられる。そして
その間、計測値は演算装置２７に・入力され、先の発明
（特願昭５９−２０４２８０号）と同様に、修正ＡＲモ
デルが作成される。

この修正ＡＲモデルには、総汚泥量を一定に維持する制
御系を、活性汚泥処理システムの内部構造（例えば、Ｍ
ＬＳＳが高くなれば、沈澱槽３から返送される返送汚泥
濃度も高くなる、といった関係）と同様にみなしてモデ
ルの中に包含している。

このような修正ＡＲモデルが作成された後は、この修正
ＡＲモデルに基づく最適化装置３１から出力される余剰
汚泥量に関する指令値と、前記余剰汚泥量演算装置３９
からの指令値を余剰汚泥量加算装置４０で加算し、余剰
汚泥量の実際の指令値として、引抜汚泥ポンプ９の制御
装置３４に与えて制御を行う。

このようにして、活性汚泥法において中心的な役割を担
う活性汚泥の総量を、概ね一定値に維持することによっ
て、システムの安定化を図り、かつ処理水水質の安定化
を、修正ＡＲモデルによる最適制御系によって実現する
ことが可能となる。

従って、２つの制御系が存在することにより、いずれか
の系で不測の事Ｌｔ（計算機の故障、停電等）が生じた
場合でも、制御系が完全に停止してしまうという状態は
回避される。

即ち、ＡＲモデルによる制御系が停止した場合、「時間
」あるいは「日」オーダーのこまやかな制御はできない
が、総汚泥量を一定に保持しようとする運転がなされる
。一方、総汚泥量一定の制御系が停止した場合、ＡＲモ
デルによる最適化制御が継続されるので（このとき、総
汚泥量一定の制御系からの指令値としては、前回までの
指令値を使用する）、使用しているＡＲモデルの線形域
から、システムが逸脱するまで、安定した運転が可能で
ある。

従って、２つの制御系を併設した本発明の制御系は、堅
牢な制御系ということができる。

第１図に示した第１の実施例においては、系内の総汚泥
量を一定とする制御系について示したが、余剰汚泥引抜
量の決定に他のアルゴリズムを利用することも可能であ
る。その一つとして、汚泥の系内滞留時間を一定に維持
する汚泥日令制御（Ｓｌｕｄｇｅ　ｒｅｔｅｎｓｉｏｎ
　ｔｉｍａ　：　Ｓ　ＲＴＩＪ御）が上げられる。この
場合、第１図に示した余剰汚泥量演算゛装置３９におい
て、汚泥日令が予め設定された値になるよう余剰汚泥量
を算出すればよい。

第１図に示した実施例においては、余剰汚泥引抜量の制
御のみについて示したが、他の操作量返送汚泥量、曝気
風量についても、同様に２つの制御系を併設することが
可能である。その例を第２図に示す。

この第２図に示す第２実施例について説明する。

まず、返送汚泥量制御について説明する。ここでは、Ｍ
ＬＳＳ一定の制御系を設けた実施例を示す。

即ち、曝気槽２内のＭＬＳＳおよび沈澱槽３からの返送
汚泥濃度をＭＬＳＳ計１５、返送汚泥濃度計２３によっ
て検出し、その出力を返送汚泥量演算装置４１に入力し
、返送汚泥量演算装置４１では、曝気槽２内のＭＬＳＳ
を概ね設定値に保つために必要な返送汚泥量を返送汚泥
量加算装置４２に出力する。返送汚泥量加算袋Ｗ４２で
は、修正ＡＲモデルに基づいた最適化装置３１がら出力
される返送汚泥量に関する指令値と前記返送汚泥量演算
装置４１からの指令値を加算し、返送汚泥量の実際の指
令値として返送汚泥ポンプ８の制御装置３３へ出力する
。このように構成すれば、曝気槽２内のＭＬＳＳを一定
に保制御系とＡＲモデルに基づいた最適制御系を階層的
に構成することが可能となり、余剰汚泥引抜量の例で述
べたことと同様な効果が得られる。

もちろん、返送汚泥量演算装置４１には、他の制御アル
ゴリズム、汚泥負荷（活性汚泥微生物の単位量（Ｍ）当
たりの有機物量（Ｆ）’：　Ｆ／Ｍ比）を一定にするア
ルゴリズム等を使用することも可能である。

次に曝気風量制御について説明すると、ここでは曝気槽
２内の溶存酸素濃度を概ね一定に保持する制御系を設け
た実施例を示す、即ち、曝気槽２内の溶存酸素濃度を溶
存酸素濃度測定計１４で検出し、その出力を曝気風量演
算装置４３に入力し、曝気風量演算装置４３では、曝気
槽２内の溶存酸素濃度を設定値に保存するための必要曝
気風量を曝気風量加算装置４４に出力する。曝気風量加
算装置４４では、ＡＲモデルに基づいた最適化装置３１
から出力される曝気風量に関する指令値と、前記曝気風
量演算装置４３からの指令値を加算し、曝気風量の実際
の指令としてブロワ−６の制御装置３２に出力する。こ
のように構成すれば、曝気槽２内の溶存酸素濃度を設定
値に保つ下位の制御計と、ＡＲモデルに基づいた上位の
最適制御系を階層的に構成することが可能となり、余剰
ｌη泥引抜量の実施例で述べたことと同様な効果が得ら
れる。

もちろん、曝気風量演算装置４３に、他の制御アルゴリ
ズム、流入水量比率制御（下水流入量に比例した空気量
を送る制御）等を使用することも可能である。

〔発明の効果〕

上述したように本発明によれば、下記の効果を奏する。

（１）本来非線形な活性汚泥処理システムに、線形モデ
ルであるＡＲモデルを適用するには、特別な配慮が必要
である。本発明では、システムの非線形な動きを、下位
の制御系（即ち総汚泥量制御、汚泥日令制御、ＭＬＳＳ
制御、汚泥負荷制御、溶存酸素濃度制御、流入水量比率
制御等）によって抑制し、システムの安定化を図り、線
形モデルであるＡＲモデルの適用を容易にし、処理水水
質の安定化を実現することができる・ ＋２１　　［１に列挙した下位の制御系とＡＲモデルに
よる上位の最適化制御系とを、階層的に構成することに
より、いずれかの制御系で事故が発生した場合でも、制
御系が完全に停止してしまうという状態を回避すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る下水処理システムの制御装置の第
１実施例の構成図、第２図は第２実施例の構成図、第３
図は先の発明に係る下水処理システムの制御装置の構成
図である。 １：管路 ２：曝気槽 ３：沈殿池 ４：管路 ５：散気管 ６：ブロワ− ７：管路 ８：返送汚泥ポンプ ９：引抜汚泥ポンプ １０：流入下水量測定計 １１：流入水のｐＨ測定計 １２＝流入水懸′／ｒ４物質濃度計 １３＝流入水有機物濃度計 １４：溶存酸素量測定計 １５：ＭＬＳＳＷ１度計 １６：水温計 １７：曝気槽流出水有機物濃度計 １８：ＭＬＳＳ濃度計 １９：放流水懸濁物質濃度計 ２０＝放流水有機物濃度計 ２１＝放流水のｐＨ測定計 ２２：返流汚泥量測定計 ２３：返送汚泥濃度計 ２４：余剰汚泥引抜量測定計 ２５：余剰汚泥濃度計 ２６：曝気風量測定装置 ２７：演算装置 ２８：ＡＲモデル演算装置 ２９：選択装置 ３０：修正ＡＲモデル演算装置 ３１：最適化装置　゛ ３２；ブロワ−の制御装置 ３３：返送汚泥ポンプの制御装置 ３４：引抜汚泥ポンプの制御装置 ３５；計測値記憶装置 ３６：予測値演算装置 ３７；予測値記憶装置 ３８；比較装置 ３９：余剰汚泥量演算装置 ４０；余剰汚泥量加算装置 ４１：返送汚泥量演算装置 ４２：返送汚泥量加算装置 ４３：曝気風量演算装置 ４４：曝気風量加算装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、活性汚泥方式の下水処理装置において、特定項目の
   安定化を図る下位の制御系を設けるとともに、この下位
   の制御系をも処理装置の一部として包含する線形モデル
   を作成し、この線形モデルに基づく最適化制御系を、前
   記制御系の上位制御系として階層的制御を行う構成を特
   徴とする下水処理制御装置。