2 リアルタイム硝化制御 2.1 原理第 1 図 12 明電時報通巻 359 号 218 No.2

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下水道システム概要活性汚泥モデルを活用したリアルタイム硝化制御宮原盛雄 Morio Miyahara 中田昌幸 Masayuki Nakata 豊岡和宏 Kazuhiro Toyooka 高倉正佳 Masayoshi Takakura キーワード活性汚泥モデル, 硝化制御, 送風量削減, 水質改善, アンモニア性窒素の連続計測下水の生物処理過程は水質改善のため, 曝気に伴う多くの電

1 下水道システム概要活性汚泥モデルを活用したリアルタイム硝化制御宮原盛雄 Morio Miyahara 中田昌幸 Masayuki Nakata 豊岡和宏 Kazuhiro Toyooka 高倉正佳 Masayoshi Takakura キーワード活性汚泥モデル, 硝化制御, 送風量削減, 水質改善, アンモニア性窒素の連続計測下水の生物処理過程は水質改善のため, 曝気に伴う多くの電力が消費されているこの背景から, 水質改善と省エネルギーを両立できる新しい送風制御技術の開発が求められている入負荷送風量処理硝化制御流水(NH4-N) 制御導入のイメージ流入負荷変動に応じて曝気風量を制御し, 風量削減と水質向上を両立させる 1 日の流入負荷変動 (NH4-N) DO 一定制御リアルタイム高負荷時は送風不足を解消低負荷時は過剰送風を削減時間風量削減約 1% 処理水目標値処理水質の安定化リアルタイム硝化制御導入イメージ本研究では, 活性汚泥モデルを利用したリアルタイム硝化制御による送風制御について検討し, 目標水質の達成に必要な送風量をフィードフォワード的に制御する技術の確立を目指した冬季における実施設の制御実験では, 晴天時のDO 一定制御に比べて送気倍率が約 1% 低減されたまた, 雨天時の初期降雨による流入水質や水温の変動に対しても目標水質が安定して達成されたこれらの結果は, 水質改善と省エネルギーを両立できる有用な技術であることを示している 1 まえがき明電時報通巻 359 号 218 No.2 11

2 2 リアルタイム硝化制御 2.1 原理第 1 図 12 明電時報通巻 359 号 218 No.2

3 リアルタイム硝化制御コントローラ ASM 演算 DO 設定値自動設定既存水処理コントローラ DO 設定値手動設定開始 (1) 流入 NH 4-N 濃度等取得設定時間になったらアンモニア計の計測値流入水量反応槽水温など流量計アンモニア計水温計最初沈澱池流出水反応槽返送汚泥ポンプ MLSS 計 DO 計風量調整弁弁開度 M DO 値送風機最終沈澱池余剰汚泥引抜ポンプ処理水 DO 一定制御の流れリアルタイム硝化制御の流れ (2)ASM 計算による末端 DO 値一送風量推定 (3) 推定送風量における水質の推定 (4) 目標水質を満たす最適な DO 値を選択 (5)DO 設定値変更反応槽末端の DO 値を設定 ( 複数ケースを推定 ) 設定 DO 値が得られる送風量を ASM で推定設定 DO 値が得られる送風量における ASM 計算結果から, 設定 DO 値ごとの反応槽末端 NH 4-N 濃度を推定目標 NH 4-N 濃度を満たす最小の DO 値を選択第 1 図リアルタイム硝化制御構成図活性汚泥モデルシミュレーション (ASM) を用いた硝化制御フローを示す終了第 2 図リアルタイム硝化制御の制御フロー ( 処理水質推定及び DO 設定値決定の流れ ) DO 制御設定値を演算する際のフローチャートを示す 2.2 制御フロー第 2 図 NH 4-N 濃度流入濃度第 3 図過剰な送風を削減省エネルギーの実現目標値 A B C D E 回路 (a) 低負荷時 NH 4-N 濃度流入濃度リアルタイム硝化制御における処理概念低負荷時には反応槽の途中で処理を終えている場合があるが, この場合は曝気風量が過多の可能性があるため, 終端部までで処理が終わるよう曝気風量を下げる一方, 高負荷時に処理が終わらない場合には, 曝気風量を増やして処理が終わるようにする送風不足を解消水質の安定目標値 A B C D (b) 高負荷時 E 回路第 3 図明電時報通巻 359 号 218 No.2 13

4 第 1 表本研究における調査項目別の実施工程本研究は,213 年 8 月 12 日 ~ 215 年 3 月 2 日にかけて実施した 213 年 214 年 215 年アンモニア計の評価シミュレーションモデルの構成及び水質分画設置当初評価 1 改良 1 追加評価 1 準備シミュレーションモデル構成採水調査 ( 計 5 回 :214 年度は補足調査 ) リアルタイム硝化制御コントローラ作成設置 RNC 2 設計作成設置水処理 C 2 接続設計接続風量制御実験オフライン実験風量制御実験 (DO 一定制御の期間を含む ) 注. 1. 当初評価, 改良及び追加評価は,4.1 項で詳細に説明する 2. RNC はリアルタイム硝化制御コントローラ, 水処理 C は既設の水処理コントローラを指す準備などの期間実施期間 3 リアルタイム硝化制御のためのシミュレーションモデルの構築 3.1 実験施設と実験期間第 1 表 3.2 ASMシミュレーションモデルの調整評価第 2 表 14 明電時報通巻 359 号 218 No.2

5 第 2 表反応槽流入水分画データ (11 月 12 日 ~ 13 日 ) ASMでは, シミュレーションを実施するために流入水の有機物分画 ( 流入水中の有機物などのASM 上で用いられる物質種へのふるい分け ) が必要である名称記号値溶解性非生物分解性有機物 S I 25 溶存酸素 SO 2.1 窒素ガス S N2 発酵生成物 S A 1 発酵可能な易分解性有機物 S F 4 硝酸性窒素 SNO 3 溶解性無機りん SPO 4 3 アンモニア性窒素 SNH アルカリ度 S ALK 2 固形性生物非分解性有機物 X I 1 遅分解性有機物 X S 83.7 第 5 図 NH 4-N D 回路計算シミュレーション - 実測値比較 ( 流入水及び各回路の NH 4-N 濃度 ) シミュレーション結果は各反応回路における NH 4-N 濃度実測値とよく一致し, 時系列の変化にもよく対応している A 回路計算 B 回路計算 C 回路計算 E 回路計算時刻 ( 時 ) 流入実測 A 回路実測 B 回路実測 C 回路実測 D 回路実測 E 回路実測非ポリりん酸性従属栄養生物の総量 X H 独立栄養微生物の総量 X ATU ポリりん酸従属栄養微生物の総量 X PAO ポリりん酸 X PP りん蓄積微生物の細胞内貯蔵物質 X PHA 浮遊物質 X TSS 金属水酸化物 X MeOH 金属りん酸化物 X MeP A 回路 B 回路 C 回路 D 回路 E 回路第 2 表第 5 図単位 :m 3 第 4 図反応槽分割モデル及び容積実施設ではA 回路からE 回路に分割し, 各回路は 1 ~ 3 槽に分割した第 4 図明電時報通巻 359 号 218 No.2 15

6 4 センサ値時間降水量 ( 右軸 ) 1 NH 4-N 実測値 (mm/h) 水量 12 月 12 日 12 月 22 日 1 月 1 日 1 月 11 日 1 月 21 日 1 月 31 日 2 月 1 日第 6 図アンモニアセンサ計測値と手分析値のトレンドグラフ ( 当初評価期間 ) センサ値は手分析値とおおむね一致しており, 降雨による NH 4-N 濃度の増減に対しても良好な追従性を示している第 3 表アンモニアセンサの評価における期間別の誤差相関係数決定係数当初評価期間では誤差が平均 1.9mg/L, 誤差率が平均 9.9% で, おおむね基準を満たしていた精度低下時は誤差の平均が2.7mg/L, 誤差率の平均が 17% となり基準を満たさなかったしかし, 空気噴出しノズルの調整後の追加評価期間は誤差の平均が.8mg/L, 誤差率の平均が 4.% に改善され, 基準を十分満たしたこの時の, 決定係数は.88 と実測値とよく一致するようになった評価基準当初評価期間 (3 か月間 :213 年 12 月 ~ 214 年 2 月 ) 精度低下時 (1 か月間 :214 年 3 月 ) 実測値の範囲 11.2 ~ ~ 2.1 追加評価期間 (5か月間:214 年 1 月 ~ 215 年 2 月 ) 13.6 ~ 22.3 誤差 ( 絶対値 ) の平均 ( 2.5) 誤差率 ( 絶対値 ) の平均 (%) ( 1) 相関係数 R 決定係数 R 実施設での実証試験 4.1 アンモニア計の評価第 6 図第 3 表第 7 図 16 明電時報通巻 359 号 218 No.2

7 第 7 図 3 セン2 サ計測値 1 アンモニアセンサ計測値と手分析値の比較センサ計測値とイオンクロマトによる手分析値の相関を示す白丸は当初評価期間を示し, 黒丸は追加評価期間 ( 空気噴出しノズルの調整後 ) を示す個別の測定値はフルスケール (5mg/L) の ± 5% 値 (± 2.5mg/L) の範囲内に収まっている決定係数 (R 2 ) 当初評価期間 :.68 追加評価期間 :.88 +5%FS 誤差等価線 4.2 リアルタイム硝化制御実験実施設における ASM シミュレーションシステムの事前調整 -5%FS 誤差 1 2 手分析値追加評価期間当初評価期間送風制御実験 1-オフラインでの検証明電時報通巻 359 号 218 No.2 17

8 第 4 表リアルタイム硝化制御による送風制御実験期間リアルタイム硝化制御による送風制御実験の実施期間 214 年 12 月 4 日 214 年 12 月 11 日 215 年 1 月 21 日 215 年 2 月 4 日 215 年 2 月 17 日 215 年 2 月 24 日 215 年 3 月 9 日送風制御実験 2- オンラインでの検証第 4 表実験期間第 4 表 9 時 3 分 ~15 時 3 分 9 時 3 分 ~16 時 3 分 9 時 3 分 ~1 月 22 日 13 時 9 時 3 分 ~2 月 5 日 13 時 3 分 9 時 3 分 ~2 月 19 日 8 時 3 分 9 時 3 分 ~2 月 26 日 13 時 3 分 9 時 3 分 ~3 月 12 日 13 時 3 分時間 (h) 第 8 図第 8 図 (a) 第 8 図 (b) 第 5 表第 6 表第 7 表 18 明電時報通巻 359 号 218 No.2

9 送風量年 2 月 16 日 7 時 ~ 2 月 17 日 7 時反応槽送風量 ( 左軸 ) 6 4 DO 設定値 DO 値(m 3 /h) 2 2 DO 設定値 ( 右軸 ) E 回路 DO 値 ( 右軸 ) 2 月 16 日 7 時 11 時 15 時 19 時 23 時 2 月 17 日 3 時 7 時 4 25 NH流4-N 215 年 2 月 1 日 7 時 ~ 2 月 17 日 7 時平均 MLSS:124mg/L 3 2 入流入負荷量 -1 時間移動平均 ( 左軸 ) NH濃4-N 負15 度荷2 量1 1 E 回路 NH 4-N 濃度 ( 右軸 ) 5 (kg/h) 2 月 16 日 7 時 11 時 15 時 19 時 23 時 2 月 17 日 3 時 7 時 (a)do 一定制御 215 年 2 月 4 日 1 時 ~ 2 月 5 日 1 時 DO 設6 6 定反応槽送風量 ( 左軸 ) 値4 4 (m 3 /h) 2 2 DO 値DO 設定値 ( 右軸 ) E 回路 DO 値 ( 右軸 ) 2 月 4 日 1 時 14 時 18 時 22 時 2 月 5 日 2 時 6 時 1 時 4 25 NH流4-N 215 年 2 月 4 日 1 時 ~ 2 月 5 日 1 時平均 MLSS:134mg/L 3 E 回路微生物分画 : 2 入NH XH:6,XAUT:6,XTSS:132 濃4-N 負15 度荷2 量1 1 E 回路 NH 4-N 濃度 ( 右軸 ) 流入負荷量 -1 時間移動平均 ( 左軸 ) 5 (kg/h) 2 月 4 日 1 時 14 時 18 時 22 時 2 月 5 日 2 時 6 時 1 時 (b) リアルタイム硝化制御送風量第 8 図晴天時の DO 一定制御とリアルタイム硝化制御の運転と処理水質の比較 DO 一定制御ではE 回路のDO 値が一定であるのに対し ((a) の青線 ), リアルタイム硝化制御では,E 回路の DO 値は流入水の負荷変動に合わせ変動している ((b) の青線 ) リアルタイム硝化制御は, 設定値 ((b) の黒線 ) の変更に対して実測 DO 濃度の追従性は高く, およそ1 分以内に設定値とほぼ同値となったまた, 同程度のNH 4-N 流入負荷量 ( 約 2kg/h) に対し, リアルタイム硝化制御は DO 一定制御と同等の安定的な処理水質を維持していた第 5 表反応槽送風量 :DO 一定制御第 6 表反応槽送風量 : リアルタイム制御 DO 一定制御下の反応槽送風量抽出データを示す処理水日付 NH 4 -N 送風量 (m 3 /h) 1 月 7 日 ~ 8 日月 9 日 ~1 日月 13 日 ~14 日 1 月 14 日 ~15 日 1 月 19 日 ~2 日 1 月 26 日 ~27 日 1 月 29 日 ~3 日月 2 日 ~ 3 日月 3 日 ~ 4 日月 6 日 ~ 7 日月 12 日 ~13 日 2 月 13 日 ~14 日 2 月 16 日 ~17 日 2 月 27 日 ~28 日月 6 日 ~ 7 日流入量 (m 3 /h) NH 4-N 負荷量 (kg/h) 平均リアルタイム制御下の反応槽送風量抽出データを示す処理水日付 NH 4 -N 送風量 (m 3 /h) 1 月 21 日 ~ 22 日月 4 日 ~ 5 日月 17 日 ~ 18 日 2 月 25 日 ~ 26 日 3 月 11 日 ~ 12 日流入量 (m 3 /h) NH 4 -N 負荷量 (kg/h) 平均明電時報通巻 359 号 218 No.2 19

10 送風量第 7 表反応槽風量の比較結果期間中の反応槽送風量平均値は, リアルタイム硝化制御がDO 一定制御に対して約 4.5% の削減となったまた, 流入水量又はNH 4 -N 流入負荷量を考慮して送風量を比較した場合, 流入水量に対する送気倍率で約 1%, NH 4-N 流入負荷量に対する送気倍率で約 7.5% の削減となり, リアルタイム制御による風量削減効果を確認した比較項目 DO 一定制御に対する比 (%) 1 送風量 -4.5 流入水量 5.9 流入負荷量 3.4 送気倍率 ( 流入水量 ) -1.4 送気倍率 (NH 4 -N 流入負荷量 ) -7.5 注. 1. マイナスの値は削減を意味する第 9 図年 2 月 22 日 11 時 ~ 2 月 24 日 11 時 DO 設定値 ( 右軸 ) E 回路 DO 値 ( 右軸 ) 6 4 DO 設定値 DO 値(m 3 /h) 2 2 反応槽送風量 ( 左軸 ) 2 月 22 日 11 時 19 時 2 月 23 日 3 時 11 時 19 時 2 月 24 日 3 時 11 時 215 年 2 月 22 日 11 時 ~ 2 月 24 日 11 時 4 流入量負荷 -1 時間移動平均 ( 左軸 ) 反応槽水温 ( 右軸 ) 25 NH NH 平均 MLSS:127mg/L 濃4-N 流4-N 度3 2 入負15 荷2 量E 回路 NH 4-N 濃度 ( 右軸 ) (kg/h) ( ) 2 月 22 日 11 時 19 時 2 月 23 日 3 時 11 時 19 時 2 月 24 日 3 時 11 時 (a)do 一定制御水温215 年 3 月 9 日 3 時 ~ 3 月 11 日 3 時送6 DO 一定リアルタイム風制御制御量4 (m 3 /h) 2 反応槽送風量 ( 左軸 ) 3 月 9 日 3 時 11 時 19 時 E 回路 DO 値 ( 右軸 ) DO 設6 定値4 DO 2 値DO 設定値 ( 右軸 ) 3 月 1 日 3 時 11 時 19 時 3 月 11 日 3 時 NH 4-N 流入負荷量(kg/h) 215 年 3 月 9 日 3 時 ~ 3 月 11 日 3 時平均 MLSS:138mg/L E 回路微生物分画 : DO 一定リアルタイム XH:686,XAUT:72,XTSS:129 4 制御制御 25 反応槽水温 ( 右軸 ) NH濃4-N 度流入負荷量 - E 回路 NH 4-N 濃度 ( 右軸 ) 5 1 時間移動平均 ( 左軸 ) ( ) 3 月 9 日 3 時 11 時 19 時 3 月 1 日 3 時 11 時 19 時 3 月 11 日 3 時 (b) リアルタイム硝化制御水温第 9 図雨天時の DO 一定制御とリアルタイム硝化制御の運転と処理水質の比較 DO 一定制御時の反応槽流出水の NH 4-N 濃度 ((a) の黒点線 ) は,2 月 24 日 2 時頃 5.3mg/L まで上昇したこれは反応槽水温の低下 ((a) の青点線 ) によって硝化速度も低下したことを示している一方, 同様の状況下でリアルタイム硝化制御は,DO 値を上昇させたため反応槽流出水のNH 4-N 濃度 ((b) の黒点線 ) が上昇することなく1.mg/L 未満に維持されたこれは反応槽水温の低下 ((b) の青点線 ) よる硝化速度の低下を見込み,DO 設定値を上昇させて水質悪化に対処したことを示している 2 明電時報通巻 359 号 218 No.2

11 第 9 図 (a) 第 9 図 (b) 5 むすび本研究は, 東京都下水道局からの業務委託を実施して得られた成果である本論文に記載されている会社名製品名などは, それぞれの会社の商標又は登録商標である ( 注記 ) 注 1. 実験施設では反応槽内の区画を回路と呼んでいるため, 施設の呼称に合わせ回路を用いた参考文献 ⑴ 国土交通省 : 下水道分野における地球温暖化対策について, 27(Available at: kankyou/6/images/5.pdf.) ⑵ 渡辺志津男小団扇浩野本睦志坂巻伸一 : 東京都における水質改善と省エネルギーの両立に関する考察, 下水道協会誌論文集 5,pp ,213 ⑶ Meyer, U. & Pöpel, H. J.: Fuzzy-control for improved nitrogen removal and energy saving in WWT-plants with pre-denitrification, Water Sci. Technol. 47, pp.69-76, 23 ⑷ Åmand, L., Olsson, G. & Carlsson, B.: Aeration controla review, Water Sci. Technol. 67, p.2374, 213 明電時報通巻 359 号 218 No.2 21

⑸ 後藤正広山野井一郎大塚真之花本陽介木村裕哉井坂和一 : 下水排水の制御技術高度処理プロセス次世代型システム, 日立総論 97,pp.

66-68,22 ⑻ 糸川浩紀村上孝雄 : 実下水処理場における流入水有機成分の変動実態およびそれが活性汚泥モデルシミュレーションに与える影響, 環境工学研究論文集 41,pp.547-557,24 ⑼ 河合富貴子中沢親志福山良和上野隆史 : IWA 活性汚泥モデルを用いた曝気風量制御における安定性評価,pp.2-3, pp.

12-129,28 ⑿ 阿部真由美工藤和正落修一 : 活性汚泥モデルの利活用に関する研究, 環境システム計測学会誌 15,pp.59-66,21 ⒀ 山中理小原卓已川本直樹山本浩嗣萩原大揮江口義樹 : 風量削減と窒素除去の両立を図る曝気風量制御の実プロセスヘの適用, 環境システム計測制御学会誌 18,pp.14-22,213 ⒁ A. Thornton, N. Sunner, M.

12 ⑸ 後藤正広山野井一郎大塚真之花本陽介木村裕哉井坂和一 : 下水排水の制御技術高度処理プロセス次世代型システム, 日立総論 97,pp ,215 ⑹ 味埜俊監訳 : 活性汚泥モデル, 環境新聞社,25 ⑺ 後藤浩之佐藤茂雄豊岡和宏大石亮沢井賢司出口達也中沢均橋本敏一糸川浩紀,: 活性汚泥モデルを利用した高度処理施設の合理的な設計運転手法の開発, 環境システム計測制御学会誌 7,pp.66-68,22 ⑻ 糸川浩紀村上孝雄 : 実下水処理場における流入水有機成分の変動実態およびそれが活性汚泥モデルシミュレーションに与える影響, 環境工学研究論文集 41,pp ,24 ⑼ 河合富貴子中沢親志福山良和上野隆史 : IWA 活性汚泥モデルを用いた曝気風量制御における安定性評価,pp.2-3, pp.45-48,26 ⑽ 山野井一郎上門卓矢武本剛田所秀之 : 活性汚泥モデルに準拠した N_2O ガス生成モデルの開発, 下水道協会誌論文集 48, pp.65-74,211 ⑾ 片山尚樹伊熊信男浅野卓哉 : 活性汚泥モデルの構築と活用について, 横浜市環境科学研究所所報 32,pp ,28 ⑿ 阿部真由美工藤和正落修一 : 活性汚泥モデルの利活用に関する研究, 環境システム計測学会誌 15,pp.59-66,21 ⒀ 山中理小原卓已川本直樹山本浩嗣萩原大揮江口義樹 : 風量削減と窒素除去の両立を図る曝気風量制御の実プロセスヘの適用, 環境システム計測制御学会誌 18,pp.14-22,213 ⒁ A. Thornton, N. Sunner, M. Haeck.: Real time control for reduced aeration and chemical consumption: a full scale study, Water Sci. Technol. 61, pp , 21 ⒂ N. Sunner, M. Haeck, A. T.: UK Experiences of Full Scale Activated Sludge Real Time Control Systems, Proceedings of the Water Environment Federation(ed. WEFTEC)71-8, pp , 212 ⒃ 財下水道新技術推進機構 : 活性汚泥モデル利活用マニュアル, 21 ⒄ 大石亮後藤浩之豊岡和宏 : 下水処理プロセスシミュレータシムウォーター SIMWATER, 明電時報 31 号,pp.19-23,26 ⒅ Melcer, H.: Modelling,Methods for Wastewater Characterization in Activated Sludge, IWA Publishing, 24 ⒆ 環境省大気環境局 : 窒素りん自動計測器による水質汚濁負荷量測定方法マニュアル,27 執筆者紹介宮原盛雄 Morio Miyahara 水インフラシステム事業部戦略企画部リアルタイム硝化制御の開発に従事中田昌幸 Masayuki Nakata 水インフラシステム事業部戦略企画部リアルタイム硝化制御の開発に従事豊岡和宏 Kazuhiro Toyooka 水インフラシステム事業部戦略企画部水処理関連技術製品の企画開発に従事高倉正佳 Masayoshi Takakura ICT 統括本部企画部リアルタイム硝化制御の開発に従事 22 明電時報通巻 359 号 218 No.2

2 リアルタイム硝化制御 2.1 原理 第 1 図 12 明電時報通巻 359 号 218 No.2

2 リアルタイム硝化制御 2.1 原理第 1 図 12 明電時報通巻 359 号 218 No.2