JP6659404B2 - 排水処理制御装置及び排水処理システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、排水処理制御装置及び排水処理システムに関する。

下水管を流れた汚水は、スクリーン、沈砂池、及び最初沈澱池等を経て、曝気槽へと供給される。汚水中の有機物質は、曝気槽内の活性汚泥に含まれる微生物の一種である従属栄養細菌により、二酸化炭素と水に分解される。また、汚水中のアンモニア成分は、曝気槽内の活性汚泥に含まれる微生物の一種である硝化菌（亜硝酸菌と硝酸菌）により、硝酸と水に分解される。これらの分解反応によって、従属栄養細菌や硝化菌は各々増殖する。

汚水中の有機物質やアンモニアが分解除去された後の処理水は、曝気槽内に配置された分離膜により活性汚泥から分離される。活性汚泥中の固形成分は分離膜を通過することができず、処理水のみが分離膜を通過する。分離膜を通過した処理水は、曝気槽から排出される。

分離膜によって処理水が排出されるにつれ、活性汚泥に含まれる微生物や、微生物の代謝物質であるＥＰＳ（Extracellular Polymeric Substance）等の高分子化合物や、無機物等が分離膜の処理水通過流路に入り込む。これによって、分離膜の目詰まりが徐々に発生する。この目詰まり状態を検出するために、処理水排出時において分離膜の上流側（一次側）の水圧と下流側（二次側）の水圧の差である膜差圧（ＴＭＰ：Trans Membrane Pressure）が測定される。

分離膜の目詰まりが生じると、同じ処理水の排出流量を得るのに必要な膜差圧が徐々に上昇する。分離膜の目詰まりを抑制するため、曝気槽内には、分離膜を空気洗浄するための散気部が分離膜の下方に設けられている。特許文献１の技術においては、散気部から供給される空気の量は、膜差圧の目標値と実測値との差分値に基づくＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御により調整される。なお、膜差圧の目標値は、時間の経過とともに直線的に増加する値に設定されている。

しかしながら、膜差圧は、分離膜の使用初期の段階では変化が小さく、膜差圧が所定値（例えば、１０［ｋＰａ］）を超えると急激に増加する傾向がある。このため、膜差圧の目標値が、時間の経過とともに直線的に増加する値に設定されると、実際の膜差圧が目標値から大きくずれる可能性があった。実際の膜差圧と目標値との差が大きいと、分離膜へ供給する空気の量を適切に算出できない可能性があった。

特開２０１３−２０２４７１号公報

本発明が解決しようとする課題は、分離膜の実際の膜差圧と、膜差圧の目標値との差を小さくすることができる排水処理制御装置及び排水処理システムを提供することである。

実施形態の排水処理制御装置は、目標値取得部と、予測値取得部と、風量制御部とを持つ。目標値取得部は、汚水をろ過する分離膜の膜差圧の初期値に基づき、前記初期値の測定時以降の前記膜差圧の目標値を取得する。予測値取得部は、前記分離膜の目詰まりに関する測定値に基づき、前記測定値の測定時以降の前記膜差圧の予測値を取得する。風量制御部は、前記目標値取得部によって取得された前記目標値と、前記予測値取得部によって取得された前記予測値とに基づき、散気部から前記分離膜に向けて供給される空気の風量を制御する。特に、フラックスの変動が大きい場合、前記膜差圧に代わって、膜差圧をフラックスで除した値（＝膜差圧/フラックス）としてもよい。

第１の実施形態の下水処理システム１０を示す図。 第１の実施形態の曝気槽４００で実施される処理を示す図。 第１の実施形態の下水処理システム１０のブロック図。 第１の実施形態における膜差圧と時間との関係を示す図。 第１の実施形態における目標値取得部４５１の処理を示すフローチャート。 第１の実施形態における予測値取得部４５３の処理を示すフローチャート。 第１の実施形態における風量制御部４５２の処理を示すフローチャート。 第４の実施形態の下水処理システム１０のブロック図。 第５の実施形態の曝気槽４００で実施される処理を示す図。 第６の実施形態の下水処理システム１０のブロック図。 第６の実施形態におけるブロワ制御部４１７の動作を説明するための図。 制御モード決定テーブルの具体例を示す図。 第８の実施形態における風量制御部４５２の処理を示すフローチャート。

以下、実施形態の排水処理制御装置及び排水処理システムを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の排水処理システムとしての下水処理システム１０を示す図である。下水処理システム１０は、スクリーン１００、沈砂池２００、最初沈澱池３００、曝気槽４００、及び処理水槽５００を備える。

スクリーン１００は、下水処理システム１０に流れてきた汚水から、大きなゴミ（髪の毛、トイレットペーパー等）や小石等を除去する。スクリーン１００を通過して排出された汚水は、沈砂池２００へ流れ込む。

スクリーン１００で除去できなかった土砂や、水よりも比重が大きく、粗い浮遊物は、沈砂池２００の底に沈められる。沈砂池２００の底に沈んだ土砂等は、除塵機で除去される。除塵機で除去されずに沈砂池２００から排出された汚水は、最初沈澱池３００へ流れ込む。

沈砂池２００で除去できなかった汚泥等の、水よりも比重が大きく、小さな浮遊物は、最初沈澱池３００の底に沈められる。最初沈澱池３００の底に沈んだ汚泥等は、掻き寄せ機によって集められて除去される。掻き寄せ機によって除去されずに最初沈澱池３００から排出された汚水は、曝気槽４００へ流れ込む。

曝気槽４００内の活性汚泥の中には、空気が吹き込まれる。これによって、汚水中の有機物やアンモニアは分解されて除去される。活性汚泥中の処理水は、分離膜を使って排出される。曝気槽４００内で実施される生物化学的処理の詳細は、図２を用いて後述する。

分離膜を通過して排出された汚水は、処理水槽５００へ流れ込む。

処理水槽５００内には、必要に応じて次亜塩素酸ソーダ等の消毒剤が投入される。これによって、大腸菌等の病原菌が殺菌される。処理水槽５００内で消毒された処理水は、川や海へと放流される。以上が、下水処理システム１０の全体的な処理の流れである。

図２は、第１の実施形態の曝気槽４００で実施される処理を示す図である。最初沈澱池３００から排出された汚水は、流路４０１を通って曝気槽４００へと流れ込む。また、曝気槽４００内には、好気性の微生物（従属栄養細菌や硝化菌等）が活性化された活性汚泥が貯留されている。

ブロワ４０２は、配管４０３内に空気を供給する。曝気部４０４は、配管４０３を通過した空気を曝気槽４００内の活性汚泥に供給する曝気装置である。これにより、曝気槽４００内の活性汚泥中に気泡４０５が放出される。また、流量計４０６は、ブロワ４０２から供給される空気の風量を測定する。

汚水中の有機物質は、曝気槽４００内の従属栄養細菌により分解される。具体的には、有機物質がブドウ糖であれば、下記の化学式（１）に示されるように、有機物質（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６）が曝気部４０４から供給される空気に含まれる酸素（Ｏ_２）と反応し、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に分解される。

また、汚水中のアンモニア成分は、曝気槽４００内の硝化菌（亜硝酸菌と硝酸菌）により分解される。具体的には、下記の化学式（２）に示されるように、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）が曝気部４０４から供給される空気に含まれる酸素（Ｏ_２）と反応し、硝酸イオン（ＮＯ_３ ^ー）と、水素イオン（Ｈ^＋）と、水（Ｈ_２Ｏ）に分解される。

分離膜４０７は、曝気槽４００内の汚水中に浸漬して配置されている。分離膜４０７は、例えば平均孔径０．４［μｍ］の複数の透過流路を備えた多孔性の平膜である。活性汚泥に含まれる微生物のサイズは、約１［μｍ］（細菌）〜数１０［μｍ］（原生動物等）である。このため、活性汚泥に含まれる微生物は、分離膜４０７を通過することができず、清澄な処理水のみが分離膜４０７を通過する。分離膜４０７を通過した処理水は、吸引ポンプ４０８が駆動されることにより配管４０９内を流れる。

配管４０９には、圧力計４１０及び流量計４１１が設けられている。圧力計４１０の測定値に基づき、分離膜４０７の膜差圧を演算することができる。流量計４１１は、配管４０９内を流れる処理水の流量を測定する。

ブロワ４１２は、配管４１３内に空気を供給する。散気部４１４は、配管４１３からの空気を分離膜４０７に向けて供給する散気装置である。これにより、曝気槽内４００内の活性汚泥中に気泡４１５が放出される。散気部４１４が分離膜４０７に向けて気泡４１５を放出することで、分離膜４０７の表面が洗浄される。これによって、分離膜４０７の目詰まりが抑制される。また、流量計４１６は、ブロワ４１２から供給される空気の風量を測定する。

なお、分離膜４０７の膜差圧が予め設定された上限値に達した場合、分離膜４０７は薬液洗浄される。具体的には、曝気槽４００への流入汚水を一時的に停止する。その後、分離膜４０７は、分離膜４０７の下流側（二次側）より次亜塩素酸ナトリウムやシュウ酸等の薬液が注入されて洗浄される。分離膜４０７の洗浄が完了すると、分離膜４０７の膜差圧は初期値近くまで回復する。薬液洗浄された分離膜４０７は、曝気槽４００内で再び使用される。

図３は、第１の実施形態の下水処理システム１０のブロック図である。下水処理システム１０は、制御装置４５０を備える。制御装置４５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサと、プロセッサが実行するプログラムを格納するメモリとを備える。

制御装置４５０は、メモリに格納されたプログラムを実行することで、目標値取得部４５１、風量制御部４５２、及び予測値取得部４５３の各機能を実現する。なお、目標値取得部４５１、風量制御部４５２、及び予測値取得部４５３は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアであってもよい。

まず、目標値取得部４５１の処理について説明する。目標値取得部４５１は、以下の数式（３）の微分方程式を解くことにより、分離膜４０７の膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）をｔの関数として算出する。なお、ｔは時刻を表す。

ここで、閉塞指数ｋは、分離膜４０７の閉塞の進行度合いを表すパラメータである。閉塞指数ｋは正の値である。ｋ＝１の場合には、数式（３）の解は、膜差圧ＴＭＰ（ｔ）が指数関数的に増加する関数となる。一方、ｋ＞１の場合には、ある有限の時間において膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の値が無限大に発散する関数となる。

閉塞指数ｋは、分離膜４０７の閉塞の進行度合いを判断して、ｋ＝１、１．５、及び２のいずれかの値に設定される。例えば、中間閉塞の場合はｋ＝１、標準閉塞の場合はｋ＝１．５、完全閉塞の場合はｋ＝２に設定される。

ｋ＝１で設定された場合、目標値取得部４５１は、以下の数式（４）に基づき、数式（３）におけるパラメータＡを算出する。ここで、ＴＭＰ_０は膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の初期値、Ｌはメンテナンス周期、ＴＭＰｌｉｍは膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の上限値である。初期値ＴＭＰ_０は、圧力計４１０によって測定される。また、操作者は、マウスやキーボード等の入力部４６０を用い、閉塞指数ｋ、メンテナンス周期Ｌ、及び上限値ＴＭＰｌｉｍを入力する。

ｋ＞１で設定された場合、目標値取得部４５１は、以下の数式（５）に基づき、数式（３）におけるパラメータＡを算出する。

図４は、第１の実施形態における膜差圧と時間との関係を示す図である。図４に示されるように、初期値ＴＭＰ_０は、分離膜４０７の薬液洗浄直後のタイミング（Ｔ_０）における膜差圧である。メンテナンス周期Ｌは、分離膜４０７をメンテナンス（薬液洗浄）する周期である。具体的には、メンテナンス周期Ｌは、分離膜４０７の薬液洗浄直後のタイミング（Ｔ_０）から、次の薬液洗浄タイミング（Ｔｌｉｍ）までの時間である。メンテナンス周期Ｌは、例えば３０日に設定される。上限値ＴＭＰｌｉｍは、例えば２０［ｋＰａ］に設定される。

圧力計４１０は、分離膜４０７が薬液洗浄された後のろ過運転が再開されたタイミング（Ｔ_０）において、膜差圧の初期値ＴＭＰ_０を測定する。圧力計４１０は、測定された初期値ＴＭＰ_０を制御装置４５０の目標値取得部４５１へと送信する。一方、操作者は、マウスやキーボード等の入力部４６０を用い、閉塞指数ｋ、メンテナンス周期Ｌ、及び上限値ＴＭＰｌｉｍを入力する。入力部４６０は、入力された閉塞指数ｋ、メンテナンス周期Ｌ、及び上限値ＴＭＰｌｉｍを、制御装置４５０の目標値取得部４５１へと送信する。

目標値取得部４５１は、受信した初期値ＴＭＰ_０、閉塞指数ｋ、メンテナンス周期Ｌ、及び上限値ＴＭＰｌｉｍに基づき、数式（４）又は数式（５）を用いてパラメータＡを算出する。目標値取得部４５１は、算出されたパラメータＡ及び閉塞指数ｋを用いて数式（３）の微分方程式を解くことにより、分離膜４０７の膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）を算出する。

なお、目標値取得部４５１は、メンテナンス周期Ｌと上限値ＴＭＰｌｉｍの代わりに、メンテナンス周期Ｌよりも小さいＬｐと、上限値ＴＭＰｌｉｍよりも小さい膜差圧ＴＭＰｍａｘとに基づいて、パラメータＡと閉塞指数ｋを同時に算出してもよい。

例えば、膜差圧ＴＭＰ（ｔ）が１０［ｋＰａ］に達すると、ブロワ４１２の風量を増加させても膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の上昇を抑制することが困難な場合がある。この場合、目標値取得部４５１は、上限値ＴＭＰｌｉｍ（２０［ｋＰａ］）の代わりにＴＭＰｍａｘ（１０［ｋＰａ］）を算出してもよい。また、目標値取得部４５１は、メンテナンス周期Ｌ（３０日）の代わりに、膜差圧ＴＭＰ（ｔ）が１０［ｋＰａ］に達するまでの時間Ｌｐ（２０日）を設定してもよい。これにより、最適なパラメータＡと閉塞指数ｋを、数式（３）〜（５）により同時に算出することができる。一方、この方法では、数式（４）及び（５）のような解析解を求めることが難しいため、数値探索によりパラメータＡと閉塞指数ｋを算出することになる。

具体的には、例えば、以下の様な手順でｋの値を探索することができる。
（ＳＴＥＰ１）
ｋ＝１として、目標値取得部４５１は、（ＬとＴＭＰｌｉｍ）の組み合わせに対する数式（４）のＡ（＝Ａ１とする）と、（ＬｐとＴＭＰｍａｘ）の組み合わせに対する数式（４）のＡ（＝Ａ２とする）を計算し、Ａ１＝Ａ２か否かをチェックする。Ａ１＝Ａ２の場合はｋ＝１とする。Ａ１≠Ａ２の場合はＳＴＥＰ２に進む。

（ＳＴＥＰ２）
目標値取得部４５１は、（ＬとＴＭＰｌｉｍ）の組み合わせと（ＬｐとＴＭＰｍａｘ）の組み合わせに対する数式（５）の連立方程式を解く。探索法として、ニュートン法などの適当な探索アルゴリズムを用いることができる。他の方法としては、例えば、目標値取得部４５１は、ｋ＝１＋α（α＞０の微小量）からｋを徐々に増加させて数式（５）に対するＡ１とＡ２を各々計算して、｜Ａ１−Ａ２｜＜ε（ε：許容誤差）となるｋを見つけるなどの方法を採用する。

また、別のｋの設定法としては、後述する数式（９）と数式（１０）の予測モデルを構築する際に、過去の実際のデータに最も適合するｋを探索により求め、その値を数式（３）〜数式（５）の目標値取得部４５１の目標曲線のｋとして採用することもできる。

次に、予測値取得部４５３の処理について説明する。予測値取得部４５３は、以下の数式（６）を解くことにより、分離膜４０７の膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）をｔの関数として算出する。

ここで、フラックスＪ（ｔ）は、時刻ｔにおいて単位時間に単位面積あたりに分離膜４０７を通過する処理水の量である。具体的には、予測値取得部４５３は、流量計４１１によって測定された流量Ｑ_１（ｔ）を分離膜４０７の膜面積Ｍａで除算することにより、フラックスＪ（ｔ）を算出する。

上記数式（６）は、以下の数式（７）及び（８）からＲ（ｔ）を消去し、ＴＭＰ（ｔ）^ｋの係数をＡｍ（ｔ）と定義することによって得られる。ここで、μは粘性係数、Ｊ（ｔ）はフラックス、Ｒ（ｔ）は膜ろ過抵抗、ｋは閉塞指数（ｋ＝１、１．５、２）、ｆ（Ｘ）は膜ろ過抵抗を上昇させる要因である。通常、ｆ（Ｘ）はフラックスＪ（ｔ）に比例するか、水質濃度ｃ×フラックスＪ（ｔ）に比例する。

一方、フラックスＪ（ｔ）の値が一定に制御されている場合は、上記数式（６）は、以下の数式（９）で表される。数式（９）は、数式（３）におけるパラメータＡがパラメータＡｍ（ｔ）に置き換えられた式となっている。

数式（６）や数式（９）の予測モデルに含まれるパラメータＡｍ（ｔ）は、数式（１０）に示されるように、係数ａ_１、係数ａ_２、フラックスＸ_１（ｔ）、及び風量Ｘ_２（ｔ）に基づいて算出される。ここで、予測値取得部４５３は、前述のフラックスＪ（ｔ）をフラックスＸ_１（ｔ）として用いる。また、予測値取得部４５３は、流量計４１６から受信した風量Ｑ_２（ｔ）を風量Ｘ_２（ｔ）として用いる。

なお、数式（１０）において、Ｘ_２（ｔ）はブロワ４１２から供給される空気の風量としたが、Ｘ_２（ｔ）はブロワ４１２から供給される空気の空気倍率としてもよい。空気倍率は、曝気槽４００へ流入する汚水量に対する、曝気槽４００へ送る空気量の比を意味する。

予測値取得部４５３は、フラックスＸ_１（ｔ）（＝Ｊ（ｔ））及び風量Ｘ_２（ｔ）（＝Ｑ_２（ｔ））に基づき、数式（１０）を用いてパラメータＡｍ（ｔ）を算出する。予測値取得部４５３は、算出されたパラメータＡｍ（ｔ）、フラックスＪ（ｔ）、及び閉塞指数ｋを用いて数式（６）の微分方程式を解くことにより、分離膜４０７の膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）を算出する。

次に、風量制御部４５２の処理について説明する。風量制御部４５２は、目標値取得部４５１によって算出された目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と、予測値取得部４５３によって算出された予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）とに基づいて、ブロワ４１２の風量を制御する。この点について、以下詳細に述べる。

風量制御部４５２は、数式（１１）に基づいて、目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）との差分Ｅ（ｔ）を算出する。

次に、風量制御部４５２は、算出された差分Ｅ（ｔ）を用いて、ブロワ４１２に対してＰＩ（Proportional-Integral）制御を行う。具体的に、風量制御部４５２は、数式（１２）に基づいて、ブロワ４１２の操作量ｕ（ｔ）を算出する。Ｋｐは、ＰＩ制御における比例ゲインである。Ｋｉは、ＰＩ制御における積分ゲインである。Ｔｎｏｗは、現在時刻である。Ｔｐは、現在時刻Ｔｎｏｗからの経過時間である。例えば、Ｔｐは１日（２４時間）に設定される。

図４に示されるように、膜差圧の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）は太い実線で示される。膜差圧の実測値ＴＭＰａｃｔ（ｔ）は細い実線で示される。現在時刻Ｔｎｏｗ以降の膜差圧の予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）は、破線で示される。

現在時刻Ｔｎｏｗにおいて、膜差圧の目標値と膜差圧の実測値は、ともにＴＭＰｎｏｗで等しい。しかし、現在時刻ＴｎｏｗからＴｐ経過後の時刻Ｔｎｅｘｔにおいて、目標値ＴＭＰ_１と予測値ＴＭＰ_２との間には差分Ｅ（ｔ）が生じている。したがって、風量制御部４５２は、目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）との差分Ｅ（ｔ）に基づき、ブロワ４１２の操作量ｕ（ｔ）を算出する。風量制御部４５２は、２つのパラメータ（比例ゲインＫｐ及び積分ゲインＫｉ）を用いてブロワ４１２を制御するので、パラメータ調整を容易かつシンプルに行うことができる。

なお、風量制御部４５２はＰＩ制御を行うこととしたが、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御を行ってもよい。この場合、風量制御部４５２は差分Ｅ（ｔ）の微分値を考慮してブロワ４１２の操作量ｕ（ｔ）を算出するため、より安定した制御を行うことができる。

図５は、第１の実施形態における目標値取得部４５１の処理を示すフローチャートである。本フローチャートは、分離膜４０７が薬液洗浄された後にろ過運転が再開された際に目標値取得部４５１によって実行される。

まず、目標値取得部４５１は、膜差圧の初期値ＴＭＰ_０を圧力計４１０から受信する（ステップＳ１０）。次に、目標値取得部４５１は、操作者によって閉塞指数ｋ、上限値ＴＭＰｌｉｍ、及びメンテナンス周期Ｌが入力されたかどうかを判断する（ステップＳ１１）。操作者は、入力部４６０を用いてこれらの値を入力する。

操作者によって閉塞指数ｋ、上限値ＴＭＰｌｉｍ、及びメンテナンス周期Ｌが入力された場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、目標値取得部４５１は、前述の数式（４）又は数式（５）に基づいてパラメータＡを算出する（ステップＳ１２）。その後、目標値取得部４５１は、前述の数式（３）の微分方程式を解くことにより、膜差圧の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）を算出する（ステップＳ１３）。目標値取得部４５１は、算出された目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）を制御装置４５０内のメモリに格納し、本フローチャートによる処理を終了する。

図６は、第１の実施形態における予測値取得部４５３の処理を示すフローチャートである。まず、予測値取得部４５３は、流量計４１１から処理水の流量Ｑ_１（ｔ）を受信する（ステップＳ２０）。次に、予測値取得部４５３は、流量計４１６からブロワ４１２の風量Ｑ_２（ｔ）を受信する（ステップＳ２１）。

予測値取得部４５３は、流量Ｑ_１（ｔ）を分離膜４０７の膜面積Ｍａで除算することにより、フラックスＪ（ｔ）を算出する（ステップＳ２２）。その後、予測値取得部４５３は、前述の数式（１０）に基づいてパラメータＡｍ（ｔ）を算出する（ステップＳ２３）。ここで、数式（１０）におけるフラックスＸ_１（ｔ）はフラックスＪ（ｔ）であり、風量Ｘ_２（ｔ）はステップＳ２１で受信された風量Ｑ_２（ｔ）である。

次に、予測値取得部４５３は、前述の数式（６）の微分方程式を解くことにより、膜差圧の予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）を算出する（ステップＳ２４）。予測値取得部４５３は、算出された予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）を制御装置４５０内のメモリに格納し、本フローチャートによる処理を終了する。

図７は、第１の実施形態における風量制御部４５２の処理を示すフローチャートである。まず、風量制御部４５２は、制御装置４５０内のメモリから、図５のステップＳ１３で目標値取得部４５１によって算出された目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）を読み出す（ステップＳ３０）。次に、風量制御部４５２は、制御装置４５０内のメモリから、図６のステップＳ２４で予測値取得部４５３によって算出された予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）を読み出す（ステップＳ３１）。

次に、風量制御部４５２は、前述の数式（１１）に基づいて、目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）との差分Ｅ（ｔ）を算出する（ステップＳ３２）。風量制御部４５２は、算出された差分Ｅ（ｔ）を用いて、前述の数式（１２）に基づいてブロワ４１２の操作量ｕ（ｔ）を算出する（ステップＳ３３）。風量制御部４５２は、算出された操作量ｕ（ｔ）に基づいて、ブロワ４１２の風量を制御する（ステップＳ３４）。風量の調整が完了すると、風量制御部４５２は、本フローチャートによる処理を終了する。

以上説明したように、風量制御部４５２は、目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）との差分Ｅ（ｔ）に基づき、散気部４１４から分離膜４０７に向けて供給される空気の風量を制御する。これによって、分離膜４０７の実際の膜差圧と目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）との差を小さくすることができ、分離膜４０７へ供給される空気の量を適切に算出することができる。

なお、曝気槽４００は、Ａ２Ｏ（Anaerobic Anoxic Oxic）を実施するための生物処理槽構造に分離膜４０７を設置したものであってもよい。具体的に、生物処理槽は、酸素（Ｏ_２）も結合酸素（ＮＯ_３等）も全く存在しない嫌気領域と、酸素は存在しないが結合酸素が存在する無酸素領域と、酸素が存在する好気領域とに分割されてもよい。これによって、生物学的窒素及びリン除去が可能となる。

その他、本実施形態は、ＡＯ（Anaerobic Oxic）法、循環式硝化脱窒法、凝集剤添加法を実施するための生物処理槽構造に分離膜４０７を設置したものであってもよい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、風量制御部４５２は、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御を行うこととした。一方、第２の実施形態においては、風量制御部４５２はルールベース制御を行う。具体的に、風量制御部４５２は、テーブルＴＢを参照してブロワ４１２によって供給される空気の風量を段階的に制御する。テーブルＴＢには、ブロワ４１２の操作量の変化値Δｕ（ｔ）が設定される。

例えば、膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）より予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）の方が小さい場合、風量制御部４５２はブロワ４１２の風量を低下させる必要がある。このため、膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）より予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）の方が小さい場合、テーブルＴＢに設定される変化値Δｕ（ｔ）はマイナスの値となる。

一方、膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）より予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）の方が大きい場合、風量制御部４５２はブロワ４１２の風量を増加させる必要がある。このため、膜差圧ＴＭＰ（ｔ）の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）より予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）の方が大きい場合、テーブルＴＢに設定される変化値Δｕ（ｔ）はプラスの値となる。

また、テーブルＴＢは、目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）との差分Ｅ（ｔ）が大きいほど、ブロワ４１２の操作量の変化値Δｕ（ｔ）が大きな値となるよう設定される。このようなルールベース制御によれば、制御についての経験や知識が少ない操作者であっても、制御パラメータを容易に調整することができる。
また、本実施形態を採用する場合においても、ルールベース制御によって決定された風量を、所定の制御周期の間一定値に保つのではなく、制御周期の間の平均値が決定された風量になるように、より短い周期で振動的にブロワ４１２を制御することができる。

（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、風量制御部４５２は、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御、又はルールベース制御を行うこととした。一方、第３の実施形態においては、風量制御部４５２は極値制御を行う。極値制御は、システムに課せられた効率・収益・損失等を一つの評価関数として表現し、その評価関数の値を最大もしくは最小に維持する制御である。

本実施形態では、風量制御部４５２は、数式（１３）に示される評価関数ＥＶを用いて極値制御を行う。Ｔｎｏｗは、現在時刻である、Ｔｐは、現在時刻Ｔｎｏｗからの経過時間である。例えば、Ｔｐは１日（２４時間）に設定される。

数式（１３）に示されるように、評価関数ＥＶは、現在時刻ＴｎｏｗからＴｐ経過時点までの予測誤差の２乗和である。風量制御部４５２は、この評価関数ＥＶを最小化するように極値制御を実行する。極値制御は、所定の周期で操作量（ブロワ４１２の風量）を増減させながら、評価関数が最小になるように最適な操作量を探索する制御である。したがって、風量制御部４５２は、ブロワ４１２の風量を所定の周期で増減しながら、最適なブロワ４１２の風量を自動的に探索する。

本実施形態によれば、風量制御部４５２は、一つの積分器を用いて評価関数ＥＶを算出することができる。このため、ＰＬＣコントローラ等の簡易的なコントローラを用いて、風量制御部４５２を実現することができる。
また、本実施形態を採用する場合においても、極値制御によって決定された風量を、所定の制御周期の間一定値に保つのではなく、制御周期の間の平均値が決定された風量になるように、より短い周期で振動的にブロワ４１２を制御することができる。

（第４の実施形態）
第１の実施形態では、予測値取得部４５３は、数式（１０）に示されるように、フラックスＸ_１（ｔ）及び風量Ｘ_２（ｔ）に基づいてパラメータＡｍ（ｔ）を算出することとした。一方、第４の実施形態においては、予測値取得部４５３はフラックスＸ_１（ｔ）及び風量Ｘ_２（ｔ）だけでなく、これら以外の測定値を更に用いてパラメータＡｍ（ｔ）をより精度良く算出する。

図８は、第４の実施形態の下水処理システム１０のブロック図である。図８に示されるように、温度計４１７は風量制御部４５２に接続されている。温度計４１７は、曝気槽４００内の水温Ｔｅ（ｔ）を測定するためのセンサである。温度計４１７は、測定された水温Ｔｅ（ｔ）を風量制御部４５２へと送信する。

数式（６）や数式（９）の予測モデルに含まれるパラメータＡｍ（ｔ）は、数式（１４）に示されるように、係数ａ_１〜ａ_３、フラックスＸ_１（ｔ）、風量Ｘ_２（ｔ）、及び水温Ｘ_３（ｔ）に基づいて算出される。水温Ｘ_３（ｔ）は、温度計４１７によって測定された曝気槽４００内の水温Ｔｅ（ｔ）である。

例えば、水温が高い夏場は、分離膜４０７に微生物が付着し易い。また、水温が低い冬場は、分離膜４０７に微生物が付着し難い。したがって、水温により分離膜４０７の目詰まり状態が変化した場合でも、パラメータＡｍ（ｔ）を精度よく算出することができる。このため、膜差圧の目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と膜差圧の予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）との差分をより小さくすることができる。

また、予測値取得部４５３は、より正確にパラメータＡｍ（ｔ）を算出するために、数式（１５）に基づいてパラメータＡｍ（ｔ）を算出してもよい。ここで、ｎは４以上の整数である。また、ａ_１〜ａ_ｎは係数であり、Ｘ_１（ｔ）〜Ｘ_ｎ（ｔ）は分離膜４０７の目詰まりに関する複数の測定値である。

予測値取得部４５３は、分離膜の目詰まりの要因となる変数Ｘ_１（ｔ）〜Ｘ_ｎ（ｔ）と予測される変数ＴＭＰの過去の運用データの中から、所定の期間の時系列データを抽出し、最小二乗法、部分最小二乗法、総最小二乗法、一般化最小二乗法、正則化最小二乗法、サポートベクトル回帰、及び適合ベクトル回帰のいずれかを適用して係数ａ_１〜ａ_ｎを決定する。

複数の測定値Ｘ_１（ｔ）〜Ｘ_ｎ（ｔ）は、フラックスＸ_１（ｔ）、風量Ｘ_２（ｔ）、及び水温Ｘ_３（ｔ）の他、種々の測定値を含む。例えば、複数の測定値Ｘ_１（ｔ）〜Ｘ_ｎ（ｔ）は、ＭＬＳＳ（Mixed Liquor Suspended Solid）濃度、補助散気量、凝集剤注入量、循環ポンプ流量、及び返送ポンプ流量の少なくとも１つを含んでもよい。また、複数の測定値Ｘ_１（ｔ）〜Ｘ_ｎ（ｔ）は、汚水又は処理水の溶存酸素濃度、ＯＲＰ（Oxidation-Reduction Potential）、ｐＨ、ＥＥＭ（Excitation Emission Matrix）、吸光度、ＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand）、ＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）、ＴＯＣ（Total Organic Carbon）、アンモニア濃度、硝酸濃度、リン酸濃度、全窒素濃度、全リン濃度、溶解性ＣＯＤ濃度、及び溶解性ＢＯＤ濃度の少なくとも１つを含んでもよい。更に、複数の測定値Ｘ_１（ｔ）〜Ｘ_ｎ（ｔ）は、これらの測定値を表す変数が四則演算されることによって得られる合成変数を含んでもよい。

以上説明したように、予測値取得部４５３は、配管４０９を流れる処理水のフラックスＸ_１（ｔ）及びブロワ４１２によって供給される空気の風量Ｘ_２（ｔ）のみならず、様々な測定値を用いて膜差圧の予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）を算出する。これによって、分離膜４０７の実際の膜差圧を目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）により近づけることができ、分離膜へ供給される空気の量を適切に算出することができる。

（第５の実施形態）
第１の実施形態では、図２に示されるように、分離膜４０７と散気部４１４が一体化された分離膜ユニットが用いられていた。一方、第５の実施形態では、分離膜４０７が単体で使用される例について説明する。

図９は、第５の実施形態の曝気槽４００で実施される処理を示す図である。図９に示されるように、本実施形態の曝気槽４００には、ブロワ４１２、配管４１３、散気部４１４、及び流量計４１６が存在しない。

分離膜４０７は、曝気部４０４から供給される空気によって洗浄される。このため、予測値取得部４５３は、流量計４１６の代わりに流量計４０６に基づいて予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）を算出する。また、風量制御部４５２は、ブロワ４１２の代わりにブロワ４０２の風量を制御する。

以上説明したように、本実施形態では、ブロワ４１２、配管４１３、散気部４１４、及び流量計４１６を曝気槽４００内に配置せず、曝気部４０４が分離膜４０７を洗浄するための空気を供給することとした。これによって、下水処理システム１０の低コスト化を図ることができる。

（第６の実施形態）
第１の実施形態では、風量制御部４５２は、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御を行うこととした。一方、第６の実施形態においては、下水処理システム１０が、風量制御部４５２が算出した操作量ｕ（ｔ）に基づいて操作量Ｖ（ｔ）を算出するブロワ制御部４１７を新たに備えて、ブロワ制御部４１７（散気制御部）がブロワ４１２を制御する。

ここで、第６の実施形態の概要について説明する。通常、風量制御は、所定の風量の操作量をＰＩもしくはＰＩＤ演算により算出し、算出された風量の操作量による風量を供給するように別のＰＩ制御でブロワ４１２の弁や回転数を操作するカスケード制御がなされている（例えば、図１０参照）。この際、通常のＰＩもしくはＰＩＤ制御では、上位（図１０における風量制御部４５２）のＰＩ（Ｄ）制御による風量制御演算で算出された風量の操作量ｕ（ｔ）は、下位（図１０におけるブロワ制御部４１７）のＰＩ（Ｄ）制御に対する制御目標値として、上位の制御の制御周期（Ｔｃ＿ｕｐ）の間は一定値に維持される。しかし、ファウリング抑制のための洗浄曝気制御では、風量の変化（分散）を大きくした方が膜面に与えるせん断力が大きくなるため、ファウリング抑制のために好ましい場合がある。そこで、第６の実施形態では、上位の制御周期（Ｔｃ＿ｕｐ）よりも短い周期で風量の操作量ｕ（ｔ）を振動的に変化させ、制御周期（Ｔｃ＿ｕｐ）間の平均風量の操作量Ｖ（ｔ）が上位のＰＩ（Ｄ）制御で算出された風量の操作量ｕ（ｔ）に一致するように制御を行う。風量の操作量Ｖ（ｔ）は、下位の制御周期（Ｔｃ＿ｃｎ）以上の周期で振動させ、振動の振幅は、ブロワ４１２への負担に応じて決定される。このような制御を行うことにより、より効率的にファウリングを抑制することができる。以下、詳細に説明する。

図１０は、第６の実施形態の下水処理システム１０のブロック図である。図６に示すように、下水処理システム１０にブロワ制御部４１７が備えられている点で図３に示す構成と異なる。その他の構成については、図３と同様であるためブロワ制御部４１７について説明する。なお、ブロワ制御部４１７は、制御装置４５０内に備えられてもよい。
ブロワ制御部４１７は、風量制御部４５２が算出した操作量ｕ（ｔ）に基づいてブロワ４１２を制御する。図１１を用いて、ブロワ制御部４１７の具体的な動作について説明する。

図１１は、第６の実施形態におけるブロワ制御部４１７の動作を説明するための図である。
図１１において、Ｔ１は風量制御部４５２の制御周期を表し、ａ１は操作量ｕ（ｔ）を表す。ここで、ａ１は、風量制御部４５２によって上記の式（１２）を用いて算出された操作量ｕ（ｔ）である。つまり、操作量ｕ（ｔ）は、制御周期Ｔ１で算出される。そこで、ブロワ制御部４１７は、操作量ｕ（ｔ）に基づいて、制御周期Ｔ１間において平均風量の操作量が操作量ｕ（ｔ）に一致する操作量Ｖ（ｔ）を算出する。この際、ブロワ制御部４１７は、風量制御部４５２の制御周期Ｔ１未満、かつ、ブロワ４１２の操作端（弁、回転数）の制御周期Ｔ２以上の周期で振動させるように操作量Ｖ（ｔ）を算出する。操作量Ｖ（ｔ）は、図１１におけるａ２である。なお、図１１では、一定の制御周期Ｔ２で制御する構成を示しているが、ブロワ制御部４１７は不定期な制御周期で制御してもよい。また、ブロワ制御部４１７は、制御周期Ｔ１間において平均風量の操作量が操作量ｕ（ｔ）に一致すれば、制御周期Ｔ２以上の周期で操作量Ｖ（ｔ）がすべて異なるように算出してもよいし、一部が異なるように算出してもよい。

本実施形態によれば、風量制御部４５２の制御周期内において操作量が一定ではなく、風量制御部４５２の制御周期未満、かつ、風量制御を行うブロワ４１２の操作端（弁、回転数）の制御周期Ｔｃ＿ｃｎ以上の周期で振動させて制御が行われる。そのため、より効率的にファウリングを抑制することができる。

（第７の実施形態）
第１の実施形態では、風量制御部４５２は、上記式（１１）に基づいて算出した差分Ｅ（ｔ）を用いて、ブロワ４１２に対してＰＩ制御を行うこととした。一方、第７の実施形態においては、風量制御部４５２は、絶対値誤差と、風量制御部４５２の現在の制御モードとに応じて決定される制御モードで動作してブロワ４１２の制御を行う。第７の実施形態において風量制御部４５２は、通常制御モードと、風量一定制御モードとを有する。通常制御モードは、第１の実施形態と同様に上記式（１２）で算出された操作量ｕ（ｔ）でブロワ４１２に対して制御を行うモードである。風量一定制御モードは、風量の操作量を固定してブロワ４１２に対して制御を行うモードである。風量一定制御モードで使用される操作量は、予め設定されていてもよい。

第７の実施形態における風量制御部４５２は、図１２に示す制御モード決定テーブルに基づいて制御モードを決定し、決定した制御モードで動作する。図１２は、制御モード決定テーブルの具体例を示す図である。図１２に示すように、制御モード決定テーブルには、絶対値誤差の大きさと、現在の制御モードとの組合せ毎の制御モードに関する情報が登録されている。例えば、図１２に示す制御モード決定テーブルでは、絶対値誤差が閾値ＴＨ１以上（絶対値誤差≧ＴＨ１）であり、かつ、現在の制御モードが通常制御モードである場合に風量一定制御モードに切り替えることが表されている。つまり、この場合、風量制御部４５２は、自身の制御モードを風量一定制御モードに決定し、制御モードを切り替えて制御を行う。また、絶対値誤差が閾値ＴＨ１以上（絶対値誤差≧ＴＨ１）であり、かつ、現在の制御モードが風量一定制御モードである場合に風量一定制御モードを維持することが表されている。つまり、この場合、風量制御部４５２は、自身の制御モードを風量一定制御モードに決定し、制御モードを維持して制御を行う。

ここで、絶定置誤差は、目標値取得部４５１から得られる目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と、予測値取得部４５３から得られる予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）との絶対値誤差である。本実施形態では、目標値周りの誤差の通常変動範囲を、例えば標準偏差σで表し、閾値ＴＨ１をＴＨ１＝ｋ×σ(ｋ＝２〜４程度の設定値)、閾値ＴＨ２をＴＨ２＝ｋ’×σ(ｋ’＜ｋ)とすることが好ましい。また、風量一定制御モード時の固定風量の操作量ｕ（ｔ）は、入力が急変して洗浄風量が多量に必要になった場合の安全側を想定し、ある程度高めの値に設定しておくことが好ましい。

本実施形態によれば、風量制御部４５２は、絶対値誤差と、現在の制御モードに応じて制御モードを決定し、決定した制御モードで制御を行う。そのため、状況に応じて対応することができる。

本実施形態において、上記よりも細かく制御を行いたい場合には、風量一定制御を、設定値より高い値を持つ風量一定制御と、設定値より低い値を持つ風量一定制御とに分割して所定の条件にしたがって風量制御部４５２が制御モードを決定するように構成されもよい。一例について説明する。図１２に示す制御モード決定テーブルにおいて絶対値誤差が閾値ＴＨ１以上（絶対値誤差≧ＴＨ１）であり、かつ、現在の制御モードが通常制御モードであり、絶対値誤差が目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）を下回る方向に過大にずれる場合には、風量制御部４５２は入力変数の個別センサが異常値でないことを別途診断して確認した上で、設定値より低い値を持つ風量一定制御モードに切り替える。また、図１２に示す制御モード決定テーブルにおいて絶対値誤差が閾値ＴＨ１以上（絶対値誤差≧ＴＨ１）であり、かつ、現在の制御モードが通常制御モードであり、絶対値誤差が目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）を超える場合や入力変数の個別センサが異常値である場合には、風量制御部４５２は設定値より高い値を持つ風量一定制御モードに切り替える。

（第８の実施形態）
第１の実施形態ではブロワ４１２を制御対象としているが、ＭＢＲプロセスの多くは、生物処理を行うためのブロワ４０２による風量制御（補助曝気制御）とＭＢＲプロセスの膜を洗浄するための風量制御（洗浄曝気制御）とがあり、上記各実施形態における風量制御部４５２の動作は洗浄曝気制御の動作に対応する。洗浄曝気の主目的は膜の洗浄であるが、洗浄曝気は生物処理を行うための酸素供給も兼用しており、洗浄風量だけでは生物処理に必要な酸素の供給が不足する場合が多い。そのため、補助曝気で酸素供給不足を補償している。上記の各実施形態では、洗浄風量を膜洗浄の観点から必要最小量供給することを目的としているが、膜洗浄に必要な風量が極めて少ない場合、補助曝気のみで生物処理を行うための十分な酸素供給を行なえないこともある。

それに対して、第８の実施形態では、上記のような問題に対応する。第８の実施形態では、風量制御部４５２は、複数の制御方式に基づいて風量の操作量の差分値を算出し、算出した差分値のいずれかを用いて風量を制御する。ここで、複数の制御方式として、通常制御方式と、濃度維持制御方式とがある。通常制御方式は、第１の実施形態と同様に上記式（１２）で操作量ｕ（ｔ）を算出する方式である。濃度維持制御方式は、ＤＯ濃度目標値を維持するために補助曝気と同じ算出方法で操作量を算出する方式である。

生物処理に必要な酸素量は、溶存酸素濃度（ＤＯ濃度）で通常管理される。場合によっては、処理水の水質、例えばアンモニア濃度で管理する場合もある。ただし、その場合であっても、所定のアンモニア濃度を維持するために必要なＤＯ濃度に換算してＤＯ濃度を制御する場合が多いが、本実施形態においては必要酸素量がＤＯ濃度やアンモニア濃度など何らかの指標で管理されているとする。なお、ＤＯ濃度は、不図示のセンサによって測定される。ここでは、説明の簡単化のため、多くの処理施設が採用している方式として、ＤＯ濃度で必要酸量を管理している場合を例に説明する。この時、ＤＯ濃度の目標値が操作者によって与えられ、補助曝気に対応するブロワ４０２がＰＩ（Ｄ）制御などで制御されているものとする。

洗浄風量が極めて小さくなった場合には、ブロワ４０２の最大出力の風量を供給しても、補助曝気を行うブロワ４０２の所与のＤＯ濃度の目標値を維持できなくなる場合があり、その場合、実際のＤＯ濃度がＤＯ濃度目標値を下回ることになる。そこで、ＤＯ濃度目標値−ＤＯ濃度が所定の閾値を超過した場合は、風量制御部４５２は通常動作しているモード（通常制御モード）と別のモードであるＤＯ濃度を維持する制御モード（ＤＯ制御モード）で動作する。この制御は、通常のＰＩ（Ｄ）制御で容易に実現できる。このような洗浄曝気制御のモード切替を持つことにより、生物処理に必要となる酸素供給量を常に確保することが可能になる。

一方、洗浄曝気制御が、通常制御モードからＤＯ制御モードに切り替わった場合、ＤＯ制御モードから通常制御モードに戻すタイミングも重要になる。それは、洗浄曝気制御を生物処理に必要な酸素量供給を目的に制御すると、条件によっては膜差圧の急上昇を許容してしまうことになるためである。そのためには、風量制御部４５２は、ＤＯ制御モードで動作している場合に、通常制御モードによる洗浄曝気制御を並列して計算しておき、これによって計算される風量の操作量がＤＯ制御モードで動作している際に計算される風量の操作量を下回った場合に、通常制御モードに戻すことによって、本来の膜洗浄に必要な風量を供給することができる。

上記の一連の機能を簡潔なロジックで実現するためには、洗浄曝気制御における風量の操作量を通常制御方式と、補助曝気と同じ制御方式（例えば、ＤＯ制御方式など）の２種類の制御方式で算出しておき、図１３のフローチャートに従えばよい。フローチャートを用いて具体的な処理について説明する。図１３は、第８の実施形態における風量制御部４５２の処理を示すフローチャートである。なお、図１３の処理開始時には、ＤＯ目標値及びＤＯ測定値が制御装置４５０に入力されているものとする。

風量制御部４５２は、通常制御方式により洗浄風量の操作量ＱＢ１を計算し、前回決定された風量の操作量との差分値ΔＱＢ１を算出する（ステップＳ６０）。ここで、洗浄風量の操作量ＱＢ１は、上記式（１２）で算出される操作量ｕに相当する。次に、風量制御部４５２は、補助曝気と同じ方式で洗浄風量の操作量ＱＢ２を計算し、前回決定された風量の操作量との差分値ΔＱＢ２を算出する（ステップＳ６１）。その後、風量制御部４５２は、ブロワ４１２が最大出力、かつ、ＤＯ目標値とＤＯ測定値との差分値が閾値以上であるか否か判定する（ステップＳ６２）。ブロワ４１２が最大出力、かつ、ＤＯ目標値とＤＯ測定値との差分値が閾値以上である場合（ステップＳ６２：ＹＥＳ）、風量制御部４５２はΔＱＢ＝ＭＡＸ（ΔＱＢ１、ΔＱＢ２）を計算する（ステップＳ６３）。そして、風量制御部４５２は、算出したΔＱＢを前回決定された風量の操作量に加算して今回の洗浄風量の操作量を決定する（ステップＳ６４）。風量制御部４５２は、この決定された洗浄風量の操作量に基づいて、ブロワ４１２を制御する。
一方、ブロワ４１２が最大出力ではない場合や、ＤＯ目標値とＤＯ測定値との差分値が閾値未満である場合（ステップＳ６２：ＮＯ）、風量制御部４５２はΔＱＢをΔＱＢ１とする（ステップＳ６５）。その後、風量制御部４５２は、ステップＳ６４の処理を実行する。

本実施形態によれば、膜洗浄に必要な風量が極めて少ない場合においても生物処理に必要な酸素量供給を確保することができる。

なお、２種類の制御方式が頻繁に切り替わることを抑制するために、制御モードの切り替わる周期に制約を設けることや、洗浄曝気風量を直接計算する方式では無く前回の洗浄曝気量からの差分を計算する方式（速度型制御）を採用することが好ましいことは言うまでもない。
また、本実施形態では、ブロワ４１２が最大出力、かつ、ＤＯ目標値とＤＯ測定値との差分値が閾値以上である場合にステップＳ６３の処理を実行する構成を示したが、風量制御部４５２はブロワ４１２が最大出力、かつ、ＤＯ目標値とＤＯ測定値との差分値が閾値以上であり、かつ、所定時間（例えば、１０分から数１０分程度）以上継続している場合にステップＳ６３の処理を実行するように構成されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）と予測値ＴＭＰｈａｔ（ｔ）との差分Ｅ（ｔ）に基づき、散気部４１４から分離膜４０７に向けて供給される空気の風量を制御する風量制御部４５２を持つことにより、分離膜４０７の実際の膜差圧と目標値ＴＭＰｒｅｆ（ｔ）との差を小さくすることができる。

なお、本明細書に記載されたＴＭＰの膜差圧は、すべて膜ろ過抵抗に置き換えてもよい。膜ろ過抵抗は一般的には直接計測できないが、一般式として、数式（１６）で示されることが知られている。

数式（１６）において、ＴＭＰは膜差圧［ｋＰａ］、μは粘性係数［ｋＰａ／ｄ］、Ｊはフラックス［ｍ／ｄ］、Ｒは膜ろ過抵抗［１／ｍ］、Ｐはべき乗定数である。数式（１６）を変形することにより、数式（１７）が得られる。制御装置４５０は、数式（１７）に基づき膜ろ過抵抗Ｒを算出する。

べき乗定数Ｐは通常、１〜２の間で設定される調整パラメータである。フラックス算出部として機能する制御装置４５０は、流量計４１１の値（膜ろ過水量）を膜面積で除することによってフラックスＪを算出する。連続測定可能のため、粘性係数μが一定と仮定すると、膜差圧ＴＭＰをフラックスＪのＰ乗で除した値が膜ろ過抵抗Ｒに相当するものとなる。

すなわち、数式（１８）に示されるように、膜ろ過抵抗算出部として機能する制御装置４５０は、膜ろ過抵抗Ｒを膜差圧ＴＭＰ及びフラックスＪの測定値に基づいて算出する。なお、数式（１８）において、Ｂは定数である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…下水処理システム、４００…曝気槽、４０２…ブロワ、４０４…曝気部、４０６…流量計、４０７…分離膜、４１０…圧力計、４１１…流量計、４１２…ブロワ、４１４…散気部、４１６…流量計、４１７…ブロワ制御部、４５０…制御装置、４５１…目標値取得部、４５２…風量制御部、４５３…予測値取得部

Claims (12)

1. 活性汚泥をろ過する分離膜の膜差圧又は膜ろ過抵抗の初期値に基づき、前記初期値の測定時以降の前記膜差圧又は膜ろ過抵抗の目標値を取得する目標値取得部と、
   前記分離膜の目詰まりに関する測定値に基づき、前記測定値の測定時以降の前記膜差圧又は膜ろ過抵抗の予測値を取得する予測値取得部と、
   前記目標値取得部によって取得された前記目標値と、前記予測値取得部によって取得された前記予測値とに基づき、散気部から前記分離膜に向けて供給される空気の風量を制御する風量制御部と、
   を備え、
   前記目標値取得部は、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗の初期値ＴＭＰ０、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗の上限値ＴＭＰｌｉｍ、メンテナンス周期Ｌ、及び閉塞指数ｋに基づいてパラメータＡを算出し、数式（１）に基づいて、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗のＴＭＰ（ｔ）の前記目標値を算出し、ｋ＝１の場合、前記目標値取得部は前記パラメータＡを数式（２）に基づいて算出し、ｋ＞１の場合、前記目標値取得部は前記パラメータＡを数式（３）に基づいて算出し、
   

   

   

   

   前記予測値取得部は、前記分離膜の目詰まりに関する測定値に基づいてパラメータＡｍ（ｔ）を算出するとともに、算出されたパラメータＡｍ（ｔ）、前記分離膜によってろ過された処理水のフラックスＪ（ｔ）、及び閉塞指数ｋを用い、数式（４）に基づいて前記膜差圧又は膜ろ過抵抗ＴＭＰ（ｔ）の前記予測値を算出する、
   

   

   排水処理制御装置。
2. 前記予測値取得部は、前記分離膜の目詰まりに関する測定値の数ｎ、前記分離膜の目詰まりに関する複数の測定値Ｘ１（ｔ）〜Ｘｎ（ｔ）、及び係数ａ１〜ａｎを用い、数式（５）に基づいて前記パラメータＡｍ（ｔ）を算出する、
   

   

   請求項１記載の排水処理制御装置。
3. 前記分離膜の目詰まりに関する複数の測定値は、前記処理水のフラックスと、前記散気部から前記分離膜に向けて供給される空気の風量又は空気倍率とを含む、
   請求項２記載の排水処理制御装置。
4. 前記分離膜の目詰まりに関する複数の測定値は、更に、水温、ＭＬＳＳ濃度、補助散気量、凝集剤注入量、循環ポンプ流量、返送ポンプ流量、前記活性汚泥又は前記処理水の溶存酸素濃度、ＯＲＰ、ｐＨ、ＥＥＭ、吸光度、ＢＯＤ、ＣＯＤ、ＴＯＣ、アンモニア濃度、硝酸濃度、リン酸濃度、全窒素濃度、全リン濃度、溶解性ＣＯＤ濃度、及び溶解性ＢＯＤ濃度を表す変数、及びこれらの変数が四則演算されることによって得られる合成変数の少なくとも１つを含む、
   請求項３記載の排水処理制御装置。
5. 前記予測値取得部は、前記分離膜の目詰まりに関する複数の測定値に基づき、最小二乗法、部分最小二乗法、総最小二乗法、一般化最小二乗法、正則化最小二乗法、サポートベクトル回帰、適合ベクトル回帰のいずれかを用いて前記係数ａ１〜ａｎを算出する、
   請求項２記載の排水処理制御装置。
6. 前記風量制御部は、前記目標値と前記予測値との差分に基づき、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御、ルールベース制御、又は極値制御のいずれかを実行することで、前記散気部から前記分離膜に向けて供給される空気の風量を制御する、
   請求項１記載の排水処理制御装置。
7. 前記風量制御部によって算出された前記散気部から前記分離膜に向けて供給される空気の風量の操作量に基づいて前記散気部から前記分離膜に向けて供給される空気の風量の操作量を新たに算出する散気制御部をさらに備え、
   前記散気制御部は、前記風量制御部から得られる空気の風量の操作量が算出される制御周期間において、前記制御周期より短い周期で操作量を変動させて制御周期間における平均風量の操作量が前記風量制御部から得られる空気の風量の操作量に一致するように操作量を算出する、
   請求項１記載の排水処理制御装置。
8. 前記風量制御部は、前記目標値と、前記予測値とに基づいて得られる前記空気の風量の操作量で前記散気部に対して制御を行う第１のモードと、風量の操作量を固定して前記散気部に対して制御を行う第２のモードとを有し、所定の条件に従って前記第１のモード又は第２のモードのいずれかで制御を行う、
   請求項１記載の排水処理制御装置。
9. 前記風量制御部は、前記目標値と、前記予測値とに基づいて得られる前記空気の風量の操作量及び前回の風量の操作量の差分値と、生物処理に必要な酸素供給のための方式に基づいて得られる前記空気の風量の操作量及び前回の風量の操作量の差分値とに基づいて、前記散気部が最大出力時に前記差分値のうち大きい方の差分値を前回の風量の操作量に加算して前記風量の制御を行う、
   請求項１記載の排水処理制御装置。
10. 汚水をろ過する分離膜と、
    前記分離膜に向けて空気を供給する散気部と、
    前記分離膜の膜差圧を測定する膜差圧測定部と、
    前記膜差圧測定部によって測定された前記膜差圧の初期値に基づき、前記初期値の測定時以降の前記膜差圧の目標値を取得する目標値取得部と、
    前記分離膜の目詰まりに関する測定値に基づき、前記測定値の測定時以降の前記膜差圧の予測値を取得する予測値取得部と、
    前記目標値取得部によって取得された前記目標値と、前記予測値取得部によって取得された前記予測値に基づき、前記散気部によって供給される空気の風量を制御する風量制御部と、
    を備え、
    前記目標値取得部は、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗の初期値ＴＭＰ０、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗の上限値ＴＭＰｌｉｍ、メンテナンス周期Ｌ、及び閉塞指数ｋに基づいてパラメータＡを算出し、数式（６）に基づいて、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗のＴＭＰ（ｔ）の前記目標値を算出し、ｋ＝１の場合、前記目標値取得部は前記パラメータＡを数式（７）に基づいて算出し、ｋ＞１の場合、前記目標値取得部は前記パラメータＡを数式（８）に基づいて算出し、
    

    

    

    

    前記予測値取得部は、前記分離膜の目詰まりに関する測定値に基づいてパラメータＡｍ（ｔ）を算出するとともに、算出されたパラメータＡｍ（ｔ）、前記分離膜によってろ過された処理水のフラックスＪ（ｔ）、及び閉塞指数ｋを用い、数式（９）に基づいて前記膜差圧又は膜ろ過抵抗ＴＭＰ（ｔ）の前記予測値を算出する、
    

    

    排水処理システム。
11. 汚水をろ過する分離膜と、
    前記分離膜に向けて空気を供給する散気部と、
    前記分離膜の膜差圧を測定する膜差圧測定部と、
    膜ろ過水量を測定する流量計と、
    前記膜ろ過水量を膜面積で除することによりフラックスを算出するフラックス算出部と、
    前記膜差圧測定部によって測定された前記膜差圧と、フラックス算出部によって算出されたフラックスとに基づき、膜ろ過抵抗を算出する膜ろ過抵抗算出部と、
    前記膜ろ過抵抗算出部によって算出された前記膜ろ過抵抗の初期値に基づき、前記初期値の測定時以降の前記膜ろ過抵抗の目標値を取得する目標値取得部と、
    前記分離膜の目詰まりに関する測定値に基づき、前記測定値の測定時以降の前記膜ろ過抵抗の予測値を取得する予測値取得部と、
    前記目標値取得部によって取得された前記目標値と、前記予測値取得部によって取得された前記予測値との差分に基づき、前記散気部によって供給される空気の風量を制御する風量制御部と、
    を備え、
    前記目標値取得部は、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗の初期値ＴＭＰ０、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗の上限値ＴＭＰｌｉｍ、メンテナンス周期Ｌ、及び閉塞指数ｋに基づいてパラメータＡを算出し、数式（１０）に基づいて、前記膜差圧又は膜ろ過抵抗のＴＭＰ（ｔ）の前記目標値を算出し、ｋ＝１の場合、前記目標値取得部は前記パラメータＡを数式（１１）に基づいて算出し、ｋ＞１の場合、前記目標値取得部は前記パラメータＡを数式（１２）に基づいて算出し、
    

    

    

    

    前記予測値取得部は、前記分離膜の目詰まりに関する測定値に基づいてパラメータＡｍ（ｔ）を算出するとともに、算出されたパラメータＡｍ（ｔ）、前記分離膜によってろ過された処理水のフラックスＪ（ｔ）、及び閉塞指数ｋを用い、数式（１３）に基づいて前記膜差圧又は膜ろ過抵抗ＴＭＰ（ｔ）の前記予測値を算出する、
    

    

    排水処理システム。
12. 前記膜ろ過抵抗算出部は、前記膜差圧測定部によって測定された前記膜差圧を前記フラックス算出部で算出された前記フラックスのべき乗で除した値に定数を乗じることにより、前記膜ろ過抵抗を算出することを特徴とする
    請求項１１の排水処理システム。

Images