排水處理系統的製作方法

2023-12-05 03:02:01 2

專利名稱：排水處理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及進行城市排水或工業排水等的處理的排水處理系統。
背景技術：
經排水處理系統處理後的水被最終排放到河川等處，但因為這些排放的處理水，導致近年來湖泊或河海灣等封閉性水域內出現所謂的「富營養化」現象盛行的問題。富營養化是指排水中所含的氮或磷成為營養成分、導致植物性浮遊生物大量生成的現象，是引起水質汙濁或惡臭、或者對魚貝類產生惡劣影響等的環境汙染中的1種形態。
為了阻止上述富營養化現象的出現，必須對作為誘因元素的氮或磷從排水處理系統向封閉性水域排放的流出量進行控制。另一方面，在以往通常的排水處理系統中，利用稱為活性汙泥法的工藝僅能除去有機物，利用該活性汙泥法不能有效地除去氮和磷。為此，在近期的排水處理系統中，如例如日本特許公開公報平9-248596號和日本特許公開公報平11-244894號所公開的那樣，採用不僅除去有機物、還能夠除去氮和磷的高級處理系統的例子增多。
圖7是採用了上述高級處理系統的現有的排水處理系統結構圖。在該圖7中，來自省略了圖示的沉砂池的流入排水經流入閥1送到最初的沉澱池2內，在該沉澱池內除去在沉砂池內不能除去的小砂或垃圾等。
經過最初沉澱池2的排水然後送入生物反應槽3內。該生物反應槽3是進行被稱為「凝集劑注入A20法」的工藝處理類型的反應槽。由厭氧槽4、無氧槽5和厭氧槽6構成。因此，在該生物反應槽3內，利用活性汙泥中所含的好氧性微生物來除去有機物，同時也除去氮和磷。
生物反應槽3中處理後的處理水然後被送入最終沉澱池7內，在這裡，將活性汙泥和上清液分離，上清液經氯混合池(無圖示)消毒後，排放到河川等處。
旁通(bypass)閥8用於直接供給流入排水中大量含有的有機物的情況，以活化存在於厭氧槽4內的儲磷細菌。
碳源注入泵10注入貯存在碳源貯存槽9內的甲醇、乙醇、乙酸、廢乙酸、葡萄糖等的碳源，活化存在於厭氧槽4內的儲磷細菌。
凝集劑注入泵用來將凝集劑(PAC)提供給好氧槽6內，該凝集劑是為了讓貯存在凝集劑貯存槽11內的多氯化鋁、硫酸鋁、硫酸鐵等的磷成分沉澱。
將作為排氣裝置的吹風機13再裝在好氧槽6的下方，來自該吹風機13的空氣通過配置在好氧槽6內的散氣管14提供給活性汙泥中的好氧性微生物。好氧槽6內的水經排氣攪拌，處於和空氣完全混合的狀態，在該狀態下利用供給的空氣使好氧性微生物活化，促進有機物的分解和同化。
好氧槽6內的一部分水，經循環泵15循環到無氧槽5內。從最終沉澱池7的底部抽出的活性汙泥被送還泵16送還到厭氧槽4開口部。
留在最初沉澱池2底部的剩餘汙泥被初澱抽出泵17抽出，送到汙泥貯存槽19內，留在最終沉澱池7的底部的、沒有被送還泵16向厭氧槽4內送還完的剩餘汙泥也被送到汙泥貯存槽19內。
在好氧槽6內配置氨氣性氮濃度計20，測量氨氣性氮(NH4-N)的濃度。另外，監視裝置21具有水質控制目標值設定器22，輸出好氧槽6內的關於氨氣性氮濃度的目標值。控制器23控制吹風機13，以使氨氣性氮濃度計20測得的氨氣性氮濃度和水質控制目標值設定器22所設定的目標值一致。
下面，就圖7結構中的關於氮除去和磷除去的作用進行說明。首先，就氮除去進行說明在好氧槽6內，利用吹風機13提供的氧，硝化菌將氨氣性氮(NH4-N)氧化為亞硝酸性氮(NO2-N)。被循環泵15由好氧槽6送入無氧槽5內的亞硝酸性氮(NO2-N)、硝酸性氮(NO3-N)在無氧條件下，經過將有機物作為營養源的脫氮細菌利用硝酸性呼吸或亞硝酸性呼吸還原為氮氣(N2)，排出除去到系統外。
此時，若不充分提供脫氮反應所需的有機物，就不能進行良好的氮除去。補給該有機物的方法是打開旁通閥8，旁通最初沉澱池，將流入排水提供給厭氧槽4內；或者將貯存在碳源貯存槽9內的甲醇、乙醇、乙酸、廢乙酸、葡萄糖等碳源注入厭氧槽4內；或者將最初沉澱池7內所生成的抽出汙泥投入到好氧槽6內。
這裡，除氮反應由如下化學式表示。即，硝化反應如式(1)和式(2)所述。
……式(1)……式(2)關於脫氮反應，若使用作為有機物的甲醇時的反應則如式(3)所述。
……式(3)
控制器23根據氨氣性氮濃度計20測得的測量數據以及水質控制目標值設定器22得到的目標值的輸入來控制吹風機13的旋轉，以促進上述反應。
接著，對除磷進行說明在厭氧槽4內，活性汙泥中的儲磷細菌將乙酸等有機酸儲積到體內，過剩放出磷酸(PO4)。該過剩放出的磷酸態的磷被送入好氧槽6內，在好氧槽6內，利用儲磷細菌的磷過剩攝取作用，厭氧槽4內所放出的以上的磷酸態的磷被活性汙泥吸收。由此，進行除磷。
為了使上述反應進行，需要乙酸等有機酸來作為氫供給體。但是，在雨水流入時，由於有機酸濃度變稀，儲磷細菌可利用的有機物減少，因此磷的吐出反應不充分，接下來，磷的過剩攝取反應也不充分。
為了進行補充，利用和除氮情況一樣的方法來確保除磷所需的碳源；或者注入貯存在凝集劑貯存槽11內的多氯化鋁、硫酸鋁、硫酸鐵等凝集劑(PAC)，以磷酸鋁或磷酸鐵的形式使磷成分沉澱，這樣來除磷。
……式(4)發明內容含在流入排水中的氮和磷的除去，利用如上所述的生物反應進行，控制器23對各工藝設備進行控制，以使氮濃度和磷濃度達到目標值(固定值)。
但是，往往流入排水的流入量有較大變化(例如，降雨時)，由此，排水中的所含的氮濃度和磷濃度也會有較大變化。這裡，關於磷濃度，即使降雨時排水流入量急劇增大，但由於通過增加凝集劑和碳源等的注入量，也容易維持目標值的水平，所以幾乎不出現問題。
另一方面，關於氮濃度，由於生物反應槽3中的處理水的滯留時間和生物反應速度的關係，增加一定量以上的流入量的話，會出現水質不能達到目標值的情況。此時，控制器23無論怎樣控制使吹風機13的排風量增加到最大值的水平，氮濃度也不能達到目標值，這樣的控制成為引起電力浪費、電力成本的上升的原因。
為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種排水處理系統，該系統即使出現生物反應槽的水質不能達到目標值水平的情況，也可根據情況，適當控制水質。
作為解決上述問題的手段，權利要求1所述的發明是一種排水處理系統，其特徵在於，該系統包括含有最初沉澱池、生物反應槽和最後沉澱池的排水處理工藝(process)，通過控制設置在這些排水處理工藝中的規定工藝設備的操作量，使上述生物反應槽中的水質達到預定的水質控制目標值，以進行水質控制，在所述排水處理系統中，包括水質控制目標值判定手段和判定結果實施手段，水質控制目標值判定手段是根據規定測量數據或預測數據或者兩者的輸入來計算水質限度預測值，將該水質限度預測值和上述水質控制目標值進行比較，來判定是否能夠達到該水質控制目標值的手段；而判定結果實施手段是在上述水質控制目標值判定部，不能達到時，對該判定結果進行指示，同時將該水質控制目標值變為規定水平或者將上述規定工藝設備的操作量保持在規定水平的手段。
2.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，上述生物反應槽的水質是構成該生物反應槽的一部分的好氧槽的氨氣性氮濃度；設置在上述排水處理工藝的規定工藝設備的操作量是設置在上述好氧槽內的吹風機的排氣風量。
3.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，上述生物反應槽的水質是構成該生物反應槽的一部分的好氧槽前段的無氧槽或該無氧槽前段的厭氧槽的硝酸性氮濃度；設置在上述排水處理工藝的規定工藝設備的操作量是碳源注入泵對上述無氧槽或厭氧槽的碳源注入量。
4.根據權利要求1-3任一項所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段是僅根據上述規定的測量數據進行上述判定的手段，其中該測量數據包括流入上述排水處理工藝中的排水的流量和全氮濃度。
5.根據權利要求1-3任一項所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段是根據上述規定的測量數據和預測數據兩者進行上述判定的手段，該測量數據為流入上述排水處理工藝中的排水的流量，該預測數據是針對流入的該排水的全氮濃度的過去的時間序列數據。
6.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，包括根據上述規定預測數據製成目標值計劃、並將該製成的目標值計劃設定作為上述水質控制目標值的目標值計劃手段。
7.根據權利要求3所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段是僅根據上述規定的測量數據進行上述判定的手段，該測量數據包括流入上述排水處理工藝中的排水流量、以及從上述好氧槽循環到上述無氧槽的處理水的循環流量和硝酸性氮濃度的數據。
8.根據權利要求3所述的排水處理系統，其特徵在於，用設置在上述排水處理工藝中的規定工藝設備的操作量來代替上述碳源注入泵向上述無氧槽或厭氧槽的碳源注入量，作為對於構成上述生物反應槽的上述厭氧槽、上述無氧槽和上述好氧槽的各排水的步(step)流入量。
9.根據權利要求3所述的排水處理系統，其特徵在於，用設置在上述排水處理工藝中的規定工藝設備的操作量來代替上述碳源注入泵向上述無氧槽或厭氧槽的碳源注入量，作為旁通上述最初沉澱池而流入上述生物反應槽的最初沉澱池旁通流量。
10.根據權利要求3所述的排水處理系統，其特徵在於，用設置在上述排水處理工藝中的規定工藝設備的操作量來代替上述碳源注入泵向上述無氧槽或厭氧槽的碳源注入量，作為從上述最初沉澱池的底部投入到上述厭氧槽或上述無氧槽的生汙泥投入量，或者作為讓從上述最初沉澱池的底部出來的生汙泥發酵所生成的發酵物投入到上述厭氧槽內的生汙泥發酵物投入量。
11.根據權利要求1-10任一項所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段由計算決定上述生物反應槽的水質的物質收支的物質收支模型(model)、或者輸出該物質收支計算結果的過去數據的統計模型構成。
12.根據權利要求1-11任一項所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段是分多階段計算上述水質限度預測值，同時根據該多階段的各預測值和上述水質控制目標值之間的區別進行每階段的上述判定的手段。
13.根據權利要求12所述的排水處理系統，其特徵在於，包括顯示通過上述水質控制目標值判定手段得到的上述每個階段的判定結果的顯示部。
根據上述結構，即使出現生物反應槽的水質不能達到目標值水平的情況，也能根據情況，適當進行水質控制。


圖1是本發明的第1實施方式的排水處理系統結構圖。
圖2是本發明的第2實施方式的排水處理系統結構圖。
圖3是本發明的第3實施方式的排水處理系統結構圖。
圖4是對保存在圖3的流入水質資料庫33內的數據進行說明的說明圖，圖3(a)是表示保存數據例的圖表；圖3(b)是表示根據該保存數據例所得到的流入全氮濃度的圖形例的特性圖。
圖5是本發明的第4實施方式的排水處理系統結構圖。
圖6是對圖5的重要部分構成進行說明的說明圖，圖6(a)是表示流入負荷量預測手段36預測的流入氮負荷量的圖形例的特性圖；圖6(b)是對目標值計劃手段37生成的目標值計劃進行說明的說明圖。
圖7是以往的排水處理系統結構圖。
具體實施例方式
以下，根據附圖對本發明的各實施方式進行說明。對於和圖7一樣的構成要素，附有相同的符號，並省略重複說明。在以下的各實施方式中，因僅僅將除氮作為問題，所以碳源注入泵10的注入處不是厭氧槽4，而是無氧槽5，本發明包括注入處為厭氧槽4的結構、以及注入處為厭氧槽4和無氧槽5兩者的結構。
圖1是本發明的第1實施方式的排水處理系統的構成圖。圖1和圖7的不同點是除了上述碳源注入泵10的注入處不同以外，還有將監視裝置21變為監視裝置21a這一點，以及在厭氧槽4的入口一側配置全氮濃度計28這一點。監視裝置21A除了有水質控制目標值設定器22，還有水質控制目標值判定手段24、判定結果實施手段25以及顯示部26。
水質控制目標值判定手段24是根據流入流量計27和全氮濃度計28所測得的測量數據、和利用某種方法(例如試驗或模擬等)推測的硝化菌濃度推測值來判定水質是否達到水質控制目標值設定器22輸入的水質控制目標值即氨氣性氮濃度。水質控制目標值判定手段24所進行的判定工作周期可被設定為任意的時間，在本實施方式中，假定約每1小時進行一次判定工作。
判定結果實施手段25是在水質控制目標值判定手段24的判定結果為不能達到時，將該不能達到的情況顯示在顯示部26上，提醒操作者注意。此時，判定結果實施手段25發出指令進行控制，將在水質控制目標值設定器22設定的目標值改變為能夠達到的水平上，或者在不能改變為能夠達到的水平上的情況下，控制器23保持對吹風機13的操作量，使吹風機13的排風量不超過一定水平。
下面，對如上所述構成的第1實施方式的作用進行說明。安裝在好氧槽6上的氨氣性氮濃度計20的測定值傳送給控制器23，在控制器23內計算吹風機13的排氣風量，使得接近水質控制目標值設定器22設定的氨氣性氮濃度目標值。
硝化反應因處於氧不充分的狀態不能進行，所以若氨氣性氮濃度在目標值以上時，增加排氣風量，在目標值以下時，減少排氣風量，就能夠不多不少進行適當的排氣風量的控制。
關於排氣風量計算式，例如在控制器為PI控制器時，以式(1.1)的形式表示。式中，Qair(t)為時刻t時的排氣風量目標值[m3/min]，Qair0為排氣風量初始值[m3/min]，Kp為比例放大係數[m6/g·min]，TI為積分常數[min]，Δt為控制周期[min]，e(t)為偏差[mg/L]，SVNH4(t)為氨氣性氮濃度目標值[mg/L]，PVNH4(t)為氨氣性氮濃度測定值[mg/L]。
排氣風量控制器是如式(1.1)所述的PI控制器時，氨氣性氮濃度測定值PVNH4大於目標值SVNH4時，計算的排氣風量的目標值向排氣風量增大的方向變化；相反在氨氣性氮濃度測定值PVNH4小於目標值SVNH4時，計算的排氣風量的目標值向排氣風量減少的方向變化， ……式(1.1)在好氧槽6中，由於最好促進硝化，儘量不要殘留氨氣性氮濃度，因此通常在好氧槽6的末端附近設定0.5-1[mg/L]的氨氣性氮濃度目標值。但是，流入流量和流入全氮濃度的積、即流入負荷量大時，有時無論增加多大的風量，也會存在不能除去氨氣性氮的狀況。
在這樣的情況下，若固定目標值不變進行控制的話，則增大風量到最大排氣風量，風量會過大。因此，利用水質控制目標值判定手段24來判定是否能達到該控制目標值。
在圖1中，若假設厭氧槽4、無氧槽5以及好氧槽6分別為完全混合槽，則厭氧槽4以及無氧槽5內，硝化基本上不發生，隨著液體的混合和水解，僅氮成分會溶出。
這裡，若計算在厭氧槽4內的氨氣性氮的物質收支的話，則成為式(1.2)的情況。式中，Snh4(1)為厭氧槽氨氣性氮濃度[mg/L]，Qin是流入流量[m3/day]，Snh4in是流入水氨氣性氮濃度[mg/L]，Qret是送還流量[m3/day]、Snh4(4)是沉澱池氨氣性氮濃度[mg/L]，V(1)是厭氧槽容積[m3]，Δxl是伴隨著厭氧槽水解而溶出的氨氣性氮的溶出速度[g/day]，dSnh4(1)dt=QinSnh4in+QretSnh4(4)V(1)-(Qin+Qret)Snh4(1)V(1)+x1]]>……式(1.2)
同樣，若計算在無氧槽5內的氨氣性氮的物質收支的話，成為式(1.3)的情況。式中，Snh4(2)為無氧槽氨氣性氮濃度[mg/L]，Qin是流入流量[m3/day]、Qcir是循環流量[m3/day]，Snh4(3)是好氧槽氨氣性氮濃度[mg/L]，V(2)是無氧槽容積[m3]，Δx2是伴隨著無氧槽水解而溶出的氨氣性氮的溶出速度[g/day]，dSnh4(2)dt=(Qin+Qret)Snh4(1)+QcirSnh4(3)V(2)-(Qin+Qret+Qcir)Snh4(2)V(2)+x2]]>……式(1.3)在判斷是否能夠達到目標值時，由於只要以穩定狀態來考慮即可，所以在式(1.2)、式(1.3)的左邊為0時，經整理後得到式(1.4)。式中a1、a2為常數，Snh4(2)=QinSNh4in+QretSnh4(4)+QcirSnh4(3)(Qin+Qret+Qcir)+a1x1+a2x2]]>……式(1.4)同樣，若考慮在好氧槽內的氨氣性氮濃度的物質收支的話，則成為式(1.5)的情況。式中，Snh4(3)為好氧槽氨氣性氮濃度[mg/L]、V(3)是好氧槽容積[m3]、Δx3是伴隨著好氧槽水解、有機物除去而溶出的氨氣性氮的溶出速度[g/day]、Rnh4為伴隨著硝化菌的增殖而氨氣性氮的減少速度[g/day]，dSnh4(3)dt=(Qin+Qcir+Qret)Snh4(2)V(3)-(Qin+Qcir+Qret)Snh4(3)V(3)+x3-Rnh4]]>……式(1.5)伴隨著硝化菌增殖的氨氣性氮的減少速度如式(1.6)中所示。式中，μaut為硝化菌的最大比增殖速度，Yaut是硝化菌的產率，SO2(3)是好氧槽的溶解氧濃度[mg/L]，Salk(3)是好氧槽鹼度[mg/L]，Xaut是硝化菌濃度[mg/L]，KO2、Knh4、Kalk是不飽和常數，Rnh4=autYautSO2(3)SO2(3)+KO2Snh4(3)Snh4(3)+Knh4Salk(3)Salk(3)+KalkXaut(3)]]>……式(1.6)在溶解氧和鹼度不影響硝化的條件下(以最大效率引起硝化的條件)，式(1.6)成為式(1.7)，Rnh4，max＝μaut/Yaut·Snh4(3)/(Snh4(3)+Knh4)·Xaut(3)……式(1.7)若將式(1.5)的右邊＝0時，可計算穩定狀態下的氨濃度。將式(1.4)、式(1.7)代入式(1.5)，將右邊＝0的話，得到式(1.8)，QinSnh4inV(3)-QinSnh4(3)V(3)-autYautSnh4(3)Snh4(3)+Knh4Xaut(3)+a1x1+a2x2+x3=0]]>……式(1.8)這裡，因考慮流入水中幾乎不存在硝酸性氮、亞硝酸性氮，所以只考慮水解等產生的氨氣性氮是引起流入水的有機性氮的原因。由此，能夠將式(1.8)改寫為式(1.9)。式中ST-Nin是流入水的全氮濃度[mg/L]。計算式(1.9)得到正解時，成為式(1.10)，QinST-NinV(3)-QinSnh4(3)V(3)-autYautSnh4(3)Snh4(3)+Knh4Xaut(3)=0]]>……式(1.9)Snh4(3)lim=-b+b2-4ac2a]]>……式(1.10)式中、a=QinV(3),b=-QinV(3)(ST-Nin-Knh4)+autYautXaut(3),]]>c=-QinV(3)ST-NinKnh4]]>Snh4(3)lim為好氧槽氨氣性氮濃度的下限預測值。
μaut是取決於水溫T[℃]的參數，μaut＝1.12(T-20)、Yaut＝0.24、Knh4＝1。式(1.10)是在不影響硝化的條件下(以最大效率引起硝化的條件)所求出的解，所以成為氨氣性氮濃度的限度值。
ST-Nin是通過全氮濃度計28測得，Qin是通過流入流量計27測得，所以若知道Xaut(3)的值的話，利用式(1.10)的判別式能夠判定能否控制在目標值上。
關於Xaut(3)(硝化菌濃度)，由於很難直接測定，所以必須通過此時的硝化速度試驗的結果進行推測，或者利用活性汙泥模型進行模擬等的某種方法進行推測。
若通過模擬求出的話，Xaut(3)會因固體物滯留在排氣槽內的滯留時間A-SRT的長短而變化，所以輸入此前的運轉條件(一周左右)、流入水質、流入流量(若無時間序列數據，則可用平均數據)，進行模擬，Xaut(3)只要採用穩定在穩定狀態中的值即可。通常考慮該Xaut(3)穩定在50-100左右的值。該值，必須以每周1次-每月1次左右的頻率進行更新。
這樣，若可推測Xaut(硝化菌濃度)的話，則通過將硝化菌濃度推測值輸入到水質控制目標值判定手段24內，利用式(1.10)來判定是否能夠達到目標值。
例如，作為第1條件，設Xaut(3)＝80[mg/L]，ST-Nin＝30[mg/L]，水溫20[℃]、Snh4ref＝1[mg/L]，V3＝1000[m3]，Qin＝4000[m3/day]時，式(1.10)求出的解(限度值)為0.54[mg/L]，由於滿足等式，所以若pH和DO的下降對硝化不產生影響時，則能夠控制。
作為第2條件，設Xaut(3)＝80[mg/L]，ST-Nin＝30[mg/L]，水溫20[℃]，Snh4ref＝1[mg/L]，V3＝1000[m3]，Qin＝8000[m3/day]時，式(1.10)求出的解(限度值)為2.03[mg/L]，可知即使吹出多大的排氣風量，因為滯留時間的關係，也不能控制本目標值。
在第2條件的情況下，指示操作員不能控制目標值，或者在給操作員指示的同時進行能夠達到的目標值的逆計算(進行式(1.10)的計算)。本計算，因以能夠最大除去的條件為準進行計算，因此不是直接將逆計算而得的值作為控制目標值，而是採用較其大某一定的值作為控制目標值進行設定計算。
即，若將ΔSnh4為偏差值(0.5左右)、將Snh4ref(auto)作為目標值自動計算值的話，可得到式(1.11)。此時，因解為2.03[mg/L]，所以取偏差，控制目標值大約取3時，能夠控制，Snh4ref(auto)＝Snh4(3)lim+ΔSnh4 ……式(1.11)通過如上所述的第1實施方式的話，則可得到如下的效果。第1，因自動計算能夠達到的目標值，所以在流入負荷量高時，和以往的利用氨氣性氮濃度計的PI控制相比，能夠將風量減小。第2，由於在初期沉澱的旁通部分進行流入水質的測定，可正確把握流入排氣槽的氮成分，所以可更加準確進行目標值判定。
第1實施方式除了上述的情形外，還廣泛包括如下的情形。
(1)流入流量計27和全氮濃度計28的位置只要在厭氧槽4的上遊側的地點，則任何地方均可，例如可在最初沉澱池2的上遊側或流入泵1的上遊側。
(2)流入流量計27、全氮濃度計28和氨氣性氮濃度計20的測定值還可通過式(1.12)或式(1.13)的計算式進行濾波處理而成。式中PV(t)為時刻t時的傳感器測定值，FT是0-1的濾波係數，n是整數，PV(t)＝(1-FT)·PV(t-Δt)+FT·PV(t) ……式(1.12)
PV(t)=PV(t)+PV(t-t)+PV(t-2t)++PV(t-nt)n]]>……式(1.13)(3)氨氣性氮濃度限度預測值不一定限於式(1.10)，只要是更加詳細或簡潔地處理物質收支的模型及統計模型等的輸出限度濃度的模型，則無論哪一種都可以。例如，可由流入水質數據和流量數據，利用式(1.14)那樣的公式來預測好氧槽6的氨氣性氮濃度限度值，Snh4(3)lim＝a·ST-Nin·Qin+b ……式(1.14)式中，a、b為常數，ST-Nin是流入水的全氮濃度[mg/L]，Qin是流入流量[m3/day]。
(4)式(1.10)的Xaut(3)的測定方法不限於模擬算出的方法，可以根據實際進行硝化速度試驗而得的結果來推測Xaut(3)的存在量，也可以利用其他的方法來求出。
(5)第1實施方式的生物反應槽3是進行稱為「凝集劑A2O法」的工藝處理的類型，但是，也可以不一定限於此，還可以是其他的類型，可以是進行AO工藝、循環式硝化脫氮工藝等的排水處理工藝，或者還可以是載體投入、凝集劑合用型的工藝或者利用AOAO法等的各種A2O法的類型。
(6)進行控制吹風機13的控制器23不限於PI控制器，只要是PID控制器等根據目標值和測定值的偏差進行計算的控制器即可。
(7)判定結果實施手段25在水質控制目標值判定手段24判定為不能達到現有設定的目標值時，不一定要將該目標值變化為能夠達到的規定水平上，也可以僅進行該目標的指示，僅將吹風機13的操作量保持在規定水平上。
(8)在上述計算中，雖然是以無溶解氧限制的條件為前提，但是實際上，溶解氧濃度取決於進行排氣的吹風機13的容量，有時即使吹出最大風量，溶解氧濃度(DO)也不上升，不引起硝化。為此，設定能最大供給的排氣風量為Qair，max，若取好氧槽6中的溶解氧濃度(DO)的物質收支，則得到式(1.15)。式中Kla是總移動容量係數，Qair，max是最大排氣風量[m3/day]，SO2，sat是飽和溶解氧濃度[mg/L]，RCOD是從屬營養細菌消耗氧的消耗速度((g/m3)/day)。利用該式(1.15)，求出氨氣濃度限度值，dSO2(3)dt=KlaQair,max(SO2,sat-SO2(3))-RCOD-Rnh4-QinV(3)SO2(3)]]>……式(1. 15)即，也可以解出式(1.15)的右邊＝0時的SO2(3)，計算最大風量時的DO(SO2max，(3))，利用式(1.14)求出氨氣濃度限度值Snh4lim。最大風量時的DO(SO2max，(3))的計算不限於式(1.14)，也可以根據過去的統計等，利用式(1.16)之類的計算式進行預測。式中a、b是常數，SO2max，(3)＝a·Qair，max+b…… 式(1.16)(9)因限度濃度預測模型參考到帶有誤差，所以，也可以劃分為例如「絕對不能的目標值」、「難以達到的目標值」以及「勉強能達到的目標值」等的3種輸出，在顯示部26的監視畫面上以3條線表示出來。
下面，根據圖2的結構圖對本發明的第2實施方式進行說明。圖2和圖1的不同主要是如下幾點控制器23的輸入和輸出不同這一點、以及監視裝置21B的水質控制目標值判定手段24的輸入不同這一點。
即，在本實施方式中，控制對象的水質為無氧槽5內的硝酸性氮濃度，控制器23控制碳源注入泵10的注入量，以使硝酸性氮濃度計31測得的硝酸性氮濃度和水質控制目標值設定器22所設定的目標值一致。
水質控制目標值判定手段24根據通過流入流量計27、循環流量計29和硝酸性氮濃度計30測得的測定數據、以及利用某種方法(例如，試驗或模擬等)推測得到的脫氮菌濃度推測值，對是否能夠達到由水質控制目標值設定器22輸入的水質控制目標值、即硝酸性氮濃度進行判定。
下面，對具有上述構成的第2實施方式的作用進行說明。由於在有機物不足的狀態下不進行脫氮反應，因此若控制器23在硝酸性氮濃度處於目標值以上時，增加碳源注入泵10的注入量；另一方面，硝酸性氮濃度在目標值以下時，減少碳源注入量，就可以不多不少適當進行碳源投入量的控制。
關於碳源投入量計算式，例如控制器為PI控制器時，以式(2.1)的形式表示。式中Qcar(t)是時刻t的碳源注入量目標值[m3/min]，QairO為碳源注入量初始值[m3/min]，Kp為比例放大係數[m6/g·min]，TI為積分常數[min]，Δt為控制周期[min]，e(t)為偏差[mg/L]，SVNO3(t)為硝酸性氮濃度目標值[mg/L]、PVNO3(t)為無氧槽硝酸性氮濃度計測定值[mg/L]， ……式(2.1)控制器在是以式(2.1)的形式表示的PI控制器的情況下，硝酸性氮濃度測量定值PVNO3大於目標值SVNO3時，計算的碳源注入量目標值進行計算向碳源注入量增大的方向變化；相反，硝酸性氮濃度測量定值PVNO3小於目標值SVNO3時，計算的碳源注入量目標值向碳源注入量減少的方向變化。
在無氧槽5內，由於最好促進脫氮，硝酸性氮濃度儘量不殘留，對水質是好的，所以好氧槽6的末端附近通常被設定為0.1-0.5[mg/L]的硝酸性氮濃度目標值。但是，流入無氧槽5內的硝酸性氮負荷量大時，有時無論注入怎樣的碳源，存在也不能除去氮的狀況。
此時，若固定目標值不變進行控制的話，則儘管不能促進脫氮反應，但卻增大注入量到最大碳源注入量，會進行過大的碳源注入。為此，水質控制目標值判定手段24對該目標值進行判定。
在圖2中，若假設厭氧槽4、無氧槽5和好氧槽6分別為完全混合槽時，可以認為流入水中幾乎不存在硝酸性氮，在厭氧槽4內也幾乎不存在硝酸性氮。因此，流入無氧槽5內的硝酸性氮被認為僅通過循環泵15從厭氧槽6循環而來。
若計算無氧槽內的硝酸性氮的物質收支的話，則形成式(2.2)。式中，Sno3(2)為無氧槽硝酸性氮濃度[mg/L]，Qin是流入流量[m3/day]，Sno3(3)為好氧槽硝酸性氮濃度[mg/L]，Qret是送還流量[m3/day]，Qcir是循環流量[m3/day]，V(2)是無氧槽容積[m3]，Rno3是伴隨著脫氮菌的增殖而使硝酸性氮減少的量[g/day]，dSno3(2)dt=QcirSno3(3)V(2)-(Qin+Qret+Qcir)Sno3(2)V(2)-Rno3]]>……式(2.2)伴隨脫氮菌的增殖而使硝酸性氮減少的速度由式(2.3)表示。式中，μH是從屬營養菌(脫氮菌)的最大比增殖速度，Yh是從屬營養菌(脫氮菌)的產率，SO2(2)是無氧槽溶解氧濃度[mg/L]，Sno3(2)是無氧槽硝酸性氮濃度[mg/L]，Scod(2)是無氧槽有機物濃度[mg/L]，Xh(2)是無氧槽從屬營養細菌濃度[mg/L]，Rno3=no3(1-YH)H2.86YHKO2SO2(2)+KO2Sno3(2)Sno3(2)+Kno3Scod(2)Scod(2)+KcodXh(2)]]>……式(2.3)因碳源被補充，所以碳源不成為本反應的速率。若假設從好氧槽6出來的水不帶有溶解氧，則無氧槽5內的硝酸性氮的最大除去速度Rno3由式(2.4)表示，
Rno3＝ηno3·μH·(1-YH)/2.86YH·Sno3(2)/(Sno3(2)+Kno3)-Xh(2)……式(2.4)由此，讓式(2.2)的右邊＝0時，可計算穩定狀態下的硝酸性氮濃度。若將式(2.4)代入式(2.2)，右邊＝0時，得到式(2.5)。在不滿足至少本條件時，不能控制到目標值，QcirSno3(3)V(2)-(Qin+Qret+Qcir)Sno3(2)V(2)]]>-no3H(1-YH)/2.86YHSno3(2)/(Sno3(2)+Kno3)Xh(2)=0]]>……式(2.5)解式(2.5)而求出的Sno3(2)為硝酸性氮濃度的限度目標值(Sno3lim)。其中，Qcir、Qin、Qret等流量是通過流量計(無圖示)測得的，Sno3(3)是通過硝酸性氮濃度計30測得的。V(2)因是無氧槽的容積，所以是已知的。
μH是取決於水溫T[℃]的參數，若參考國際標準模型、即ASM2d的參數值，則μH＝6.0·1.07(T-20)，YH＝0.63，ηno3＝0.8，Kno3＝0.5。由此，若知道Xh(2)(從屬營養菌濃度)的值，則能夠根據式(2.5)的判別式判定是否能夠達到目標值。
這裡，由於Xh(2)很難直接測定，所以必須通過利用活性汙泥模型的模擬進行推測，或者通過來自MLSS的修正係數進行換算或以MLVSS進行代用等某種方法進行推測。MLVSS是微生物量的指標，因汙泥中所含的微生物的大半為從屬營養菌，所以可通過Xh(2)＝0.9×MLVSS來算出大概值。本推測值必須以每周1次-每月1次左右的頻率進行更新。
無論通過上述哪一種方法都可以推測出從屬營養菌濃度、即脫氮菌濃度Xh(2)的話，則可以利用式(2.6)來判定是否能夠達到目標值，Sno3ref(auto)＝{-b+(b2-4a·c)}/2a+ΔSno3 ……式(2.6)式中，ΔSno3為偏差值(0.1左右)，Snh4ref(auto)是目標值自動計算值。如下所述定義a、b、c，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)當水質控制目標值判定手段24根據式(2.6)求得的限度目標值判定水質控制目標值設定器22所設定的目標值是難以達到時，將該情況通知判定結果實施手段25。
判定結果實施手段25通過顯示部26將不能控制到目標值的情況指示操作員，同時對能夠達到的目標值進行逆計算，將其變為水質控制目標值設定器22的新的設定值。該計算是以最大能夠除去的氮負荷量作為基準的，所以不是以逆計算而得的值直接作為控制目標值，而是將比其大某一定的值設定為控制目標值。
通過如上所述的第2實施方式，可以得到如下所述的效果。第1，流入無氧槽的硝酸性氮流入負荷量高時，因自動計算能夠達到的目標值，所以和通常利用硝酸性氮濃度計進行控制相比，能夠削減碳源注入量。第2，因將流入無氧槽的硝酸性氮濃度計配置在循環管道上，所以能夠直接計算流入無氧槽的硝酸性氮負荷量，能夠進行更加準確的目標值判定。
第2實施方式除了如上所述的方式外，還可以廣泛包括如下的形式。在第1實施方式的結尾處敘述的(5)、(6)、(7)和(9)的方式同樣包括在本第2
(1)在循環管道上不能配置硝酸性氮濃度計30時，也可以根據配置在最終沉澱池7的出口一側或入口一側的處理水全氮濃度計32和配置在好氧槽6內的氨氣性氮濃度計20之間的各測定值的之差，計算循環的硝酸性氮濃度。
(2)流入流量計27、循環流量計27、硝酸性氮濃度計30，31的測定值可以進行濾波處理。在該情況使用的計算式和在第1實施方式中敘述的式(1.12)或式(1.13)相同。
(3)用於目標值判定的判定式不限於式(2.5)，只要是更加詳細或簡潔地處理物質收支的模型和利用過去數據的統計模型等輸出限度濃度的模型，無論採用哪一種模型即可。
下面，根據圖3的結構圖對本發明的第3實施方式進行說明。圖3和圖1的不同點主要是以下幾點在監視裝置21c中配置有流入水質資料庫33和流入水質預測手段34這一點、以及省去全氮濃度計28這一點。
即，在本實施方式中，流入水質預測手段34通過檢索流入水質資料庫33，預測類似於運轉當日的那一天的全氮濃度。然後，水質控制目標值判定手段24根據該預測值、流入流量計27測得的測定值和硝化菌濃度推測值，對水質控制目標值進行判定。
圖4是對保存在流入水質資料庫33內的數據進行說明的說明圖，(a)是表示保存數據例的圖表，(b)是根據該保存數據例而得到的表示流入全氮濃度的圖形例的特性圖。
圖4(a)的保存數據是某天即2003年8月1日(星期二)的流入全氮量、流入流量、降雨量等數據，記載了每1取樣周期的1小時的數據。在流入水質資料庫33內，這樣的數據連續數天進行登錄。該登錄數據可以是輸入操作員進行手工分析而得的結果，或者是輸入利用水質傳感器測得的數據，無論哪一種數據都可。
流入水質預測手段34是將最類似於進行排水處理控制運轉的當天的那一天的登錄數據從保存在流入水質資料庫33內的登錄數據中取出，將該取出的數據輸出給水質控制目標值判定手段24內作為流入水質預測值。
圖4(b)的特性圖是以時間序列表示該取出的保存數據的特性圖。如圖所示，通常若無降雨時，形成峰值存在於中午和傍晚的山形的波形。
本實施方式的水質控制目標值判定手段24，以流入水質預測手段34的預測值來代替全氮濃度計28(圖1)所測得的測定值進行輸入，再和第1實施方式一樣，輸入流入流量計27測得的測定值和硝化菌濃度推測值。然後，根據這些輸入，判定能否達到水質控制目標值設定器22設定的目標值。
在上述的第3實施方式中，由於從過去的趨勢數據來預測流入全氮濃度，所以可省去高價的全氮濃度計，另外還可高效地進行排氣風量的控制。因此，可有助於系統的成本下降。
在圖3所示的例子中，雖可根據保存在資料庫的數據進行流入全氮濃度的預測，但進行這樣預測的方法不一定要限制在利用資料庫的方法。例如，也可以利用流入流量計27以外的UV計和SS計等的水質傳感器，根據式(3.1)預測流入全氮濃度PT-N。式中，Qin是流入流量，SS是流入SS計的測定值，UVin是流入UV計的測定值，a、b、c、d是常數，PT-N＝a·Qin+b·SSin+c·UVin+d……式(3.1)在第1實施方式的末尾敘述的(1)-(9)的方式也包括在第3的實施方式中。
下面，根據圖5對本發明的第4實施方式進行說明。圖5和圖1的主要不同點是在監視裝置21D中配置流入負荷量資料庫35、流入負荷量預測手段36和目標值計劃手段37這一點、以及省去全氮濃度計28這一點。
即，在本實施方式中，流入負荷量預測手段36通過檢索流入負荷量資料庫35，取出類似於運轉當日的那一天的流入水質圖形和流入流量圖形，以它們之積作為流入負荷量進行預測。保存在流入負荷量資料庫35內的數據的內容與圖4(a)所示的相同。
圖6(a)是表示流入負荷量預測手段36預測的流入氮負荷量圖形例的特性圖。通常，無降雨時，形成峰值存在於中午和傍晚時的山形的波形，因流量和全氮的兩者的峰值都存在於中午和傍晚時，所以和圖4(b)所示的僅水質的變動相比，該負荷量的變動較大。
目標值計劃手段37根據流入負荷量預測手段36預測的流入負荷量，生成如圖6(b)所示的、好氧槽6內的氨氣性氮濃度的目標值計劃。目標值計劃手段37生成的目標值計劃輸出給水質控制目標值設定器22，該目標值計劃的值由水質控制目標值設定器22設定作為水質控制目標值。另外，水質控制目標值判定手段24輸入了流入負荷量預測手段36預測的流入負荷量的預測值。由此，目標值計劃手段37生成的目標值一旦被水質控制目標值設定器22設定後，起到和第1實施方式一樣的作用。
在上述第4實施方式中，由於從過去的趨勢數據預測以流入流量和流入水質的積表示的流入負荷量，所以和第3實施方式一樣，可省去高價的全氮濃度計，另外，可高效地進行排氣風量的控制，因此，可有助於系統成本的下降。
在第1實施方式的末尾敘述的(1)-(9)的方式也包括在第4的實施方式中。
權利要求
1.排水處理系統，其特徵在於，具備含有最初沉澱池、生物反應槽和最後沉澱池的排水處理工藝，通過控制這些設置在這些排水處理工藝中的規定工藝設備的操作量，使上述生物反應槽中的水質達到預定的水質控制目標值，以進行水質控制，在上述排水處理系統中，包括水質控制目標值判定手段和判定結果實施手段，其中的水質控制目標值判定手段是根據規定測量數據或預測數據或者兩者的輸入來計算水質限度預測值，將該水質限度預測值和上述水質控制目標值進行比較，來判定是否能夠達到該水質控制目標值的手段；判定結果實施手段是在上述水質控制目標值判定部判定為不能達到時，對該判定結果進行指示，同時將該水質控制目標值變為規定水平或者將上述規定工藝設備的操作量保持在規定水平的手段。
2.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，上述生物反應槽的水質是構成該生物反應槽的一部分的好氧槽的氨氣性氮濃度；設置在上述排水處理工藝的規定工藝設備的操作量是設置在上述好氧槽內的吹風機的排氣風量。
3.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，上述生物反應槽的水質是構成該生物反應槽的一部分的好氧槽前段的無氧槽或該無氧槽前段的厭氧槽的硝酸性氮濃度；設置在上述排水處理工藝的規定工藝設備的操作量是碳源注入泵對上述無氧槽或厭氧槽的碳源注入量。
4.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段是僅根據上述規定的測量數據進行上述判定的手段，其中該測量數據包括流入上述排水處理工藝中的排水的流量和全氮濃度。
5.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段是根據上述規定的測量數據和預測數據兩者進行上述判定的手段，該測量數據為流入上述排水處理工藝中的排水的流量，該預測數據是針對流入的該排水的全氮濃度的過去的時間序列數據。
6.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，包括根據上述規定預測數據製作目標值計劃，並將該製成的目標值計劃設定為上述水質控制目標值的目標值計劃手段。
7.根據權利要求3所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段是僅根據上述規定的測量數據進行上述判定的手段，該測量數據包括流入上述排水處理工藝中的排水流量、以及從上述好氧槽循環到上述無氧槽的處理水的循環流量和硝酸性氮濃度的數據。
8.根據權利要求3所述的排水處理系統，其特徵在於，用設置在上述排水處理工藝中的規定工藝設備的操作量來代替上述碳源注入泵向上述無氧槽或厭氧槽的碳源注入量，作為對於構成上述生物反應槽的上述厭氧槽、上述無氧槽和上述好氧槽的各排水的步流入量。
9.根據權利要求3所述的排水處理系統，其特徵在於，用設置在上述排水處理工藝中的規定工藝設備的操作量來代替上述碳源注入泵向上述無氧槽或厭氧槽的碳源注入量，作為旁通上述最初沉澱池而流入上述生物反應槽的最初沉澱池旁通流量。
10.根據權利要求3所述的排水處理系統，其特徵在於，用設置在上述排水處理工藝中的規定工藝設備的操作量來代替上述碳源注入泵向上述無氧槽或厭氧槽的碳源注入量，作為從上述最初沉澱池的底部投入到上述厭氧槽或上述無氧槽的生汙泥投入量，或者作為讓從上述最初沉澱池的底部出來的生汙泥發酵所生成的發酵物投入到上述厭氧槽內的生汙泥發酵物投入量。
11.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段由計算決定上述生物反應槽的水質的物質收支的物質收支模型、或者輸出該物質收支計算結果的過去數據的統計模型構成。
12.根據權利要求1所述的排水處理系統，其特徵在於，上述水質控制目標值判定手段是分多階段計算上述水質限度預測值，同時根據該多階段的各預測值和上述水質控制目標值之間的區別進行每階段的上述判定的手段。
13.根據權利要求12所述的排水處理系統，其特徵在於，包括顯示通過上述水質控制目標值判定手段得到的上述每個階段的判定結果的顯示部。
全文摘要
本發明是即使出現生物反應槽的水質不能達到目標值水平的情況時、也能根據情況進行適當水質控制的發明。解決的手段是水質控制目標值判定手段24根據流入流量計27和全氮濃度計28的測量數據和硝化菌濃度推定值，來判定水質控制目標值設定器22輸入的水質控制目標值是否能夠達到。判定結果實施手段25在判定結果是不能達到判定結果時，將水質控制目標值設定器22的目標值變為能夠達到的水平；若不能變化時，將控制器23的對於吹風機13的操作量保持在規定水平以下。
文檔編號C02F3/12GK1609014SQ20041008829
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月22日 優先權日2003年10月23日
發明者小原卓巳, 堤正彥, 山中理, 本木唯夫, 初鹿行雄 申請人:株式會社東芝