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JP7684655B2 - Method and device for predicting treated water quality at sewage treatment facilities, and method and device for predicting operating conditions - Google Patents
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JP7684655B2 - Method and device for predicting treated water quality at sewage treatment facilities, and method and device for predicting operating conditions - Google Patents

Method and device for predicting treated water quality at sewage treatment facilities, and method and device for predicting operating conditions Download PDF

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Description

本発明は、下水処理施設の処理水水質予測方法及び装置並びに操業状態予測方法及び装置に係り、特に、活性汚泥画像を用いた画像解析により、下水処理施設の処理水水質を高精度に予測し、操業状態を予測することが可能な下水処理施設の処理水水質予測方法及び装置並びに操業状態予測方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and device for predicting treated water quality at a sewage treatment facility, and a method and device for predicting the operating state, and in particular to a method and device for predicting treated water quality at a sewage treatment facility, which is capable of predicting the treated water quality and the operating state at a sewage treatment facility with high accuracy through image analysis using activated sludge images.

有機物を含む排水の処理には、微生物を使用した生物処理が用いられる。この生物処理において、下水や排水中に含まれる有機物を基質として人為的に培養された微生物の集合体を活性汚泥と呼ぶ。この活性汚泥中では、細菌(従属栄養生物)、糸状菌、酵母、原生生物、後生生物など多様な生物種が相互作用し、水中の有機物、窒素、リンなどが処理される。 Biological treatment using microorganisms is used to treat wastewater containing organic matter. In this biological treatment, a collection of microorganisms artificially cultivated using the organic matter contained in sewage or wastewater as a substrate is called activated sludge. In this activated sludge, a variety of organisms, including bacteria (heterotrophs), filamentous fungi, yeast, protozoa, and metazoans, interact with each other to treat the organic matter, nitrogen, phosphorus, and other substances in the water.

このような活性汚泥法による下水処理施設の基本的な下水処理フローを図1に示す。この下水処理施設は、下水ラインから流入する下水からトイレットペーパーなどの固形性汚濁物や砂等を除去するための最初沈殿池10と、微生物群の働きにより有機物や窒素(アンモニア)、リン酸を除去するための生物反応槽20と、活性汚泥と処理水を自然沈降により固液分離するための最終沈殿池30とを主に備えている。 The basic sewage treatment flow of a sewage treatment facility using this type of activated sludge method is shown in Figure 1. This sewage treatment facility mainly comprises a primary settling tank 10 for removing solid contaminants such as toilet paper and sand from the sewage flowing in from the sewer line, a biological reaction tank 20 for removing organic matter, nitrogen (ammonia), and phosphate through the action of microbial groups, and a final settling tank 30 for separating the activated sludge and treated water into solids and liquids by natural settling.

下水処理施設の主要な処理対象物と項目は、有機物は、生物学的酸素要求量BOD、化学的酸素要求量COD、浮遊状固形物SSであり、窒素関係は、全窒素(有機体窒素+無機窒素)T-N、アンモニア性窒素NH4-N、硝酸性窒素NO3-N、亜硝酸性窒素NO2-Nであり、リンは、全リン(有機体リン+無機リン)T-P、リン酸性リンPO4-Pである。 The main objects and items treated at sewage treatment plants are: organic matter, biological oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), and suspended solids (SS); nitrogen, total nitrogen (organic nitrogen + inorganic nitrogen) T-N, ammoniacal nitrogen (NH 4 -N), nitrate nitrogen (NO 3 -N), and nitrite nitrogen (NO 2 -N); and phosphorus, total phosphorus (organic phosphorus + inorganic phosphorus) TP and phosphate phosphorus PO 4 -P.

上記のような活性汚泥を利用した下水処理施設では、安定した操業のために活性汚泥のモニタリングが必要となるため、多くの施設では、顕微鏡によって活性汚泥の観察がなされている。しかしながら、この活性汚泥の観察像から得られる情報は観察者の技量に大きく依存し、各施設において観察結果が有効に活用されているとは言いがたい。又、この顕微鏡による光学的な観察は、施設内における日常的な試験としては、活性汚泥の状態を把握する唯一の方法でありながら、多様な生物種が複雑に関係している生物反応を定量的に判断することは極めて困難である。 In sewage treatment facilities that use activated sludge as described above, activated sludge monitoring is necessary for stable operation, and in many facilities, activated sludge is observed using a microscope. However, the information obtained from the images of activated sludge depends heavily on the skill of the observer, and it cannot be said that the observation results are effectively utilized in each facility. Furthermore, although optical observation using a microscope is the only way to grasp the condition of activated sludge as a routine test within a facility, it is extremely difficult to quantitatively judge biological reactions in which a variety of biological species are intricately related.

従来、汚泥の顕微鏡観察像から処理状態を診断するため、画像解析を利用して生物種を特定する方法が提案されている(特許文献1)。 A method has been proposed in the past that uses image analysis to identify biological species in order to diagnose the treatment status from microscopic observation images of sludge (Patent Document 1).

また、画像解析を用いて汚泥画像から、活性汚泥中の微生物(群)が形成するフロック中の糸状菌を判別・計測する方法も提案されている(特許文献2-4)。 A method has also been proposed that uses image analysis to identify and measure filamentous bacteria in flocs formed by microorganisms (groups) in activated sludge from sludge images (Patent Documents 2-4).

更に、凝集剤の投入量最適化のため、汚泥凝集フロックを観察し、フロック画像から特徴量を抽出して、汚泥凝集率を定量評価する方法も提案されている(特許文献5)。 Furthermore, in order to optimize the amount of flocculant added, a method has been proposed in which sludge flocs are observed, features are extracted from the floc images, and the sludge flocculation rate is quantitatively evaluated (Patent Document 5).

特開平8-197084号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-197084 特開平5-192678号公報Japanese Patent Application Publication No. 5-192678 特開2015-181374号公報JP 2015-181374 A 特開平2-129765号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-129765 特開2019-52985号公報JP 2019-52985 A

特許文献1に記載の方法では、原生動物や後生生物を元に処理状態を推測しているが、これらの生物は、生物処理の状態により敏感に反応する細菌類の増減に追従して、増殖乃至減少するため、実際の処理状況の変化に対して遅れが生じてしまう。 In the method described in Patent Document 1, the treatment state is estimated based on protozoa and metazoa, but these organisms grow or decrease in number following the increase or decrease in bacteria, which react more sensitively to the state of biological treatment, so there is a delay in catching up with the actual changes in the treatment state.

又、特許文献2-4に記載の方法に関して、糸状菌はバルキングといった水処理施設の性能異常を示す一つの指標とされているが、複雑な細菌・生物種の反応が相互作用する生物処理性能を糸状菌の多寡によって説明することは困難である。 In addition, with regard to the methods described in Patent Documents 2-4, filamentous fungi are considered to be one indicator of abnormal performance of water treatment facilities, such as bulking, but it is difficult to explain biological treatment performance, which involves the interaction of complex reactions between bacteria and biological species, by the amount of filamentous fungi.

又、特許文献5に記載の方法は、フロック形状や濃度による凝集剤の投与量最適化が目的であり、生物反応による排水や下水処理性能の評価には寄与しない。 In addition, the method described in Patent Document 5 aims to optimize the dosage of coagulant based on floc shape and concentration, and does not contribute to the evaluation of wastewater or sewage treatment performance based on biological reactions.

更に、下水処理施設中の活性汚泥の観察においては、人の手による観察では、活性汚泥の性能を定量的に評価するのは困難である。多種多様な細菌類が相互作用する生物反応系に対して、すべての画像特徴量を人の手で決定することはできない等の問題点を有していた。 Furthermore, when observing activated sludge in sewage treatment plants, it is difficult to quantitatively evaluate the performance of the activated sludge through manual observation. There are problems, such as the inability to manually determine all image features for a biological reaction system in which a wide variety of bacteria interact.

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、活性汚泥画像を用いた画像解析により下水処理施設の処理水水質を高精度に評価可能とすることを第1の課題とする。 The present invention was made to solve the above-mentioned problems in the past, and its first objective is to enable highly accurate evaluation of treated water quality at sewage treatment facilities through image analysis using activated sludge images.

本発明は、又、前記処理水水質の予測結果を用いて下水処理施設の操業状態を予測可能とすることを第2の課題とする。 The second objective of the present invention is to make it possible to predict the operating status of a sewage treatment facility using the results of the predicted treated water quality.

活性汚泥による下水処理において、有機物、窒素、リンなどの汚濁物質の処理に最も貢献しているのは、ズーグレアZoogloea属、バシラスBacillus属、シュードモナスPseudomonas属、フラボバクテリウムFlavobacterium属などの細菌類である。この細菌類は下水処理施設において日常的に行われる顕微鏡観察などの光学的な観察においては、フロックとして観察される。これらのフロックは細菌が体外に放出する細胞外高分子物質や糸状菌の存在により、大きさ、濃淡、色など様々な特徴を有する複雑形状を持つ。本発明は、この活性汚泥の性能の大半を占める細菌の集合体であるフロックおよび糸状菌を対象として画像解析を実施することで、その性能を定量的に評価することを可能とする。 In sewage treatment using activated sludge, bacteria such as those of the genus Zoogloea, Bacillus, Pseudomonas, and Flavobacterium are the ones that contribute most to the treatment of pollutants such as organic matter, nitrogen, and phosphorus. These bacteria are observed as flocs in optical observations such as microscope observations, which are routinely performed in sewage treatment facilities. These flocs have complex shapes with various characteristics such as size, shade, and color due to the presence of extracellular polymeric substances released by bacteria and filamentous bacteria. The present invention makes it possible to quantitatively evaluate the performance of activated sludge by performing image analysis on flocs and filamentous bacteria, which are aggregates of bacteria that account for the majority of the performance of the activated sludge.

上記の通りフロックや糸状菌が組み合わさった活性汚泥の形状は複雑であり、すべての特徴を人の手で網羅的に取り上げることは困難である。このため画像解析手法として、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を採用した。CNNの例としてはLeNet、AlexNet、VGG、ResNetやInceptionがあげられる。CNNは一般的なニューラルネットワークに対し、畳み込み層とプーリング層を積層していることで空間的な情報を考慮した処理が可能となるのが特徴である。この特徴により活性汚泥画像中の特徴を人の手によらず抽出でき、その特徴については、位置によらず検出可能である。このような積層構造で変換された画像データは全結合層で多次元ベクトルへと変換され、全結合層から出力層を得る際にはさらにニューラルネットワークなどが用いられる。画像をある決まったクラスへ分けるクラス分類においては、出力層では各クラスに対して出力値を得るが、全結合層から分類結果である出力層を得る活性化関数として、例えばソフトマックス関数が採用されうる。これによって、任意の画像を解析した時の各々のクラスの出力値の和が1となり、各出力値は解析した画像がどのクラスへ分類されるかのクラス所属とみなすこともできる。また2分類問題に対してはシグモイド関数も採用することができる。本発明においては、処理水水質を表すSSなどの評価指標上で活性汚泥画像を用意して学習させたところ、このクラス所属確率が活性汚泥の性能を示しており、処理水水質に対して高い相関を持つことを見出した。 As mentioned above, the shape of activated sludge, which is a combination of flocs and filamentous bacteria, is complex, and it is difficult for humans to comprehensively capture all of the features. For this reason, we adopted a convolutional neural network (CNN) as an image analysis method. Examples of CNNs include LeNet, AlexNet, VGG, ResNet, and Inception. Unlike general neural networks, CNNs are characterized by stacking convolutional layers and pooling layers, which allows processing that takes spatial information into account. This feature allows features in activated sludge images to be extracted without human intervention, and the features can be detected regardless of position. The image data converted in this stacked structure is converted into a multidimensional vector in the fully connected layer, and a neural network or the like is further used to obtain the output layer from the fully connected layer. In class classification, which divides images into certain classes, the output layer obtains an output value for each class, and a softmax function, for example, can be used as an activation function to obtain the output layer, which is the classification result, from the fully connected layer. As a result, when an arbitrary image is analyzed, the sum of the output values of each class is 1, and each output value can be considered as the class into which the analyzed image is classified. A sigmoid function can also be used for two-classification problems. In this invention, activated sludge images were prepared and trained on evaluation indices such as SS, which represent the treated water quality, and it was found that this class membership probability indicates the performance of the activated sludge and has a high correlation with the treated water quality.

また、同時に採取された活性汚泥中であっても、良好な性能を有する部分と不良な性能を有する部分が存在する。このため、画像の判定は一枚の画像のみからなされるのではなく、複数の画像、好ましくは20枚以上、さらに好ましくは100枚以上を用いてそれぞれのクラス所属確率を算出し、それらの結果に対して統計的な処理を行うことで、採取された活性汚泥の全体的な性能を算出することが可能となった。 Furthermore, even in activated sludge sampled at the same time, there are parts with good performance and parts with poor performance. For this reason, images are not judged based on only one image, but multiple images, preferably 20 or more, and more preferably 100 or more, are used to calculate the probability of each class belonging, and statistical processing is then performed on these results, making it possible to calculate the overall performance of the sampled activated sludge.

本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、処理水水質をクラス分けする基準を設けるステップと、活性汚泥を採取した時刻から下水処理施設の設定平均滞留時間内に採取された処理水水質に応じて、活性汚泥画像と紐づけられた処理水水質を基に該当画像が処理水水質のどのクラスに分類されるのかを決定し、そのクラスをラベルとして画像に付してラベリングする活性汚泥の画像ラベリングステップと、前記画像ラベリングされた活性汚泥画像を教師画像として畳み込みニューラルネットワークを利用した画像分類アルゴリズムで学習させる学習ステップと、下水処理施設から活性汚泥を採取して、画像を収集し、学習済みアルゴリズムで未知の汚泥画像を画像解析し、画像ごとのクラス所属確率を出力させる画像解析ステップと、同じ活性汚泥試料から収集された画像ごとのクラス所属確率を統計的に処理し、処理水水質との相関を解析する相関解析ステップと、を備えたことを特徴とする下水処理施設の処理水水質予測方法により、前記第1の課題を解決するものである。 The present invention has been made based on the above findings, and solves the first problem by providing a method for predicting treated water quality at a sewage treatment facility, comprising: a step of setting standards for classifying treated water quality; an activated sludge image labeling step of determining which class of treated water quality an image belongs to based on the treated water quality linked to the activated sludge image, depending on the treated water quality collected within a set average residence time of the sewage treatment facility from the time the activated sludge was collected, and attaching the class to the image as a label , thereby labeling the image; a learning step of training an image classification algorithm using a convolutional neural network using the labeled activated sludge images as teacher images; an image analysis step of collecting activated sludge from the sewage treatment facility, collecting images, analyzing unknown sludge images with the learned algorithm, and outputting the class belonging probability for each image ; and a correlation analysis step of statistically processing the class belonging probability for each image collected from the same activated sludge sample, and analyzing the correlation with the treated water quality.

ここで、前記クラスのうち、少なくとも1つを処理水水質基準の80%以下とすることができる。 Here, at least one of the classes can be set to 80% or less of the treated water quality standard.

又、前記クラスのうち、少なくとも1つを処理水水質基準の200%以上とすることができる。 At least one of the classes can be set to 200% or more of the treated water quality standard.

又、前記相関解析ステップにおけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の平均を取ることができる。 In addition, when statistically processing the class membership probabilities in the correlation analysis step, the class membership probabilities can be averaged.

又、前記相関解析ステップにおけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の中央値を取ることができる。 In addition, when statistically processing the class membership probabilities in the correlation analysis step, the median of the class membership probabilities can be taken.

又、前記相関解析ステップにおけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の閾値を定めて、その閾値以上あるいは以下となる画像の割合を求めることができる。 In addition, when statistically processing the class membership probability in the correlation analysis step, a threshold value for the class membership probability can be set and the proportion of images that are above or below that threshold can be determined.

本発明は、又、前記下水処理施設の処理水水質予測方法の相関解析ステップで算出されたクラス所属確率を統計処理した値の変化が処理水質の変化に先立つことを利用して、前記処理水質の値の変化の指標とすることを特徴とする下水処理施設の操業状態予測方法により、前記第2の課題を解決するものである。 The present invention also solves the second problem by providing a method for predicting the operational status of a sewage treatment facility, which is characterized in that changes in the statistically processed value of the class membership probability calculated in the correlation analysis step of the method for predicting the treated water quality of the sewage treatment facility precede changes in the treated water quality, and use this as an indicator of changes in the value of the treated water quality .

本発明は、又、処理水水質をクラス分けする基準を設ける手段と、活性汚泥を採取した時刻から下水処理施設の設定平均滞留時間内に採取された処理水水質に応じて、活性汚泥画像と紐づけられた処理水水質を基に該当画像が処理水水質のどのクラスに分類されるのかを決定し、そのクラスをラベルとして画像に付してラベリングする活性汚泥の画像ラベリング手段と、前記画像ラベリングされた活性汚泥画像を教師画像として畳み込みニューラルネットワークを利用した画像分類アルゴリズムで学習させる学習手段と、下水処理施設から活性汚泥を採取して、画像を収集し、学習済みアルゴリズムで未知の汚泥画像を画像解析し、画像ごとのクラス所属確率を出力させる画像解析手段と、同じ活性汚泥試料から収集された画像ごとのクラス所属確率を統計的に処理し、処理水水質との相関を解析する相関解析手段と、を備えたことを特徴とする下水処理施設の処理水水質予測装置により、同様に前記第1の課題を解決するものである。 The present invention also solves the first problem by providing a treated water quality prediction device for a sewage treatment facility, comprising: a means for setting standards for classifying treated water quality; an activated sludge image labeling means for determining which class of treated water quality an image belongs to based on the treated water quality linked to the activated sludge image, depending on the treated water quality collected within a set average residence time of the sewage treatment facility from the time the activated sludge was collected, and labeling the image by attaching the class as a label ; a learning means for learning the labeled activated sludge images using an image classification algorithm that utilizes a convolutional neural network as teacher images; an image analysis means for collecting activated sludge from the sewage treatment facility, collecting images, analyzing unknown sludge images using the learned algorithm, and outputting the class belonging probability for each image ; and a correlation analysis means for statistically processing the class belonging probability for each image collected from the same activated sludge sample, and analyzing the correlation with the treated water quality.

本発明は、又、前記下水処理施設の処理水水質予測装置の相関解析手段で算出されたクラス所属確率を統計処理した値の変化が処理水質の変化に先立つことを利用して、前記処理水質の値の変化の指標とすることを特徴とする下水処理施設の操業状態予測装置により、同様に前記第2の課題を解決するものである。 The present invention also solves the second problem by providing an operational status prediction device for a sewage treatment facility, which is characterized in that changes in the statistically processed value of the class membership probability calculated by the correlation analysis means of the treated water quality prediction device for the sewage treatment facility precede changes in the treated water quality, and use this as an indicator of changes in the value of the treated water quality .

本発明によれば、(I)画像解析方法として畳み込みニューラルネットワークを使用すること、(II)処理水水質に応じて活性汚泥画像をラベリングし、教師画像として用いること、(III)新規画像の評価には、各画像に対するクラス所属確率を用いて評価することにより、下水処理施設の処理水水質を高精度に予測することが可能となる。 According to the present invention, (I) a convolutional neural network is used as an image analysis method, (II) activated sludge images are labeled according to the treated water quality and used as teacher images, and (III) new images are evaluated using the class membership probability for each image , thereby making it possible to predict the treated water quality of a sewage treatment facility with high accuracy.

又、該処理水水質の予測結果を用いることで、活性汚泥の性状変化の前兆を検知して、下水処理施設の操業状態を予測することが可能となる。 In addition, by using the results of the predicted treated water quality, it is possible to detect signs of changes in the properties of activated sludge and predict the operating status of sewage treatment facilities.

下水処理施設の基本的な下水処理フローを示す図A diagram showing the basic sewage treatment flow at a sewage treatment facility 本発明が適用される下水処理施設の一例の全体構成を示す図FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of an example of a sewage treatment facility to which the present invention is applied. 本発明の概念を示す、一部流れ図を含むブロック図FIG. 1 is a block diagram, including a partial flow diagram, illustrating the concept of the present invention. 本発明で用いる教師画像ラベリング方法の例を示す流れ図A flowchart showing an example of a teacher image labeling method used in the present invention. 同じく画像解析結果の統計的な処理による画像のクラス所属確率分布の例を示す図A diagram showing an example of the probability distribution of image class membership based on statistical processing of image analysis results. 本発明の実施形態の概念を示す、一部流れ図を含むブロック図FIG. 1 is a block diagram, including a partial flow diagram, illustrating the concept of an embodiment of the present invention. 本発明で用いる畳み込みニューラルネットワークの構成の例を示す図FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a convolutional neural network used in the present invention. 同じく教師画像ラベリングの手順を示す流れ図A flowchart showing the procedure for labeling teacher images. 本発明の実施形態の全体構成を示す図FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of an embodiment of the present invention. (A)沈降性の悪い汚泥と(B)沈降性の良い汚泥の例を比較して示す図A diagram comparing examples of (A) sludge with poor settling properties and (B) sludge with good settling properties. クラス所属確率の統計的な処理にクラス所属確率の中央値を用いた場合の前記実施形態の処理結果の例を示す図FIG. 13 is a diagram showing an example of a processing result of the embodiment when the median of class membership probability is used for statistical processing of the class membership probability. 同じく処理水SSとクラス所属確率の中央値の変化量の時間変化の例を示す図FIG. 13 is a diagram showing an example of the change in the median value of the treated water SS and class membership probability over time. クラス所属確率の統計的な処理にクラス所属確率の平均値を用いた場合の処理結果の例を示す図FIG. 13 shows an example of the processing result when the average value of class membership probability is used for statistical processing of class membership probability. クラス所属確率の統計的な処理にクラス所属確率の判別割合を用いた場合の処理結果の例を示す図FIG. 13 shows an example of a processing result when the discrimination ratio of class membership probability is used for statistical processing of class membership probability.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the contents described in the following embodiments. Furthermore, the components in the embodiments described below include those that a person skilled in the art can easily imagine, those that are substantially the same, and those that are within the so-called equivalent range. Furthermore, the components disclosed in the embodiments described below may be appropriately combined or appropriately selected for use.

本発明が適用される下水処理施設の一例の全体構成を図2に示す。 The overall configuration of an example of a sewage treatment facility to which the present invention can be applied is shown in Figure 2.

この下水処理施設は、下水ライン8から下水が流入する最初沈殿池10と、該最初沈殿池10と流入ライン12を介して接続された生物反応槽20と、最終沈殿池30とを主に備えている。 This sewage treatment facility mainly comprises a primary sedimentation tank 10 into which sewage flows in from a sewage line 8, a biological reaction tank 20 connected to the primary sedimentation tank 10 via an inlet line 12, and a final sedimentation tank 30.

なお、最初沈殿池10の入側に、大きな重い夾雑物を除去して、ポンプ等を保護するための沈砂池(図示省略)が設けられる。 In addition, a grit basin (not shown) is provided at the inlet side of the initial sedimentation basin 10 to remove large, heavy impurities and protect pumps, etc.

前記生物反応槽20は、細胞内のリンを放出し、PHAを細胞内に合成するための嫌気槽22と、硝酸内の酸素を用いて有機物を酸化分解し、硝酸を窒素ガスに還元するための無酸素槽24と、溶存酸素を用いて有機物を酸化分解し、アンモニアを硝酸化、PHAを分解して、リン酸を細胞内に過剰蓄積させることによってリンを除去するための好気槽26とを備えている。 The biological reactor 20 is equipped with an anaerobic tank 22 for releasing phosphorus from within the cells and synthesizing PHA within the cells, an anaerobic tank 24 for oxidatively decomposing organic matter using oxygen in nitric acid and reducing the nitric acid to nitrogen gas, and an aerobic tank 26 for oxidatively decomposing organic matter using dissolved oxygen, converting ammonia to nitrate, decomposing PHA, and removing phosphorus by excessively accumulating phosphate within the cells.

前記最終沈殿池30の出側には、処理水を消毒して河川等に放流するための処理水ライン32と、汚泥の一部を生物反応槽20の入側に返送するための汚泥返送ライン34と、余剰汚泥を脱水して排出するための余剰汚泥ライン36とが設けられている。 At the outlet of the final settling tank 30, there is a treated water line 32 for disinfecting the treated water and discharging it into a river or the like, a sludge return line 34 for returning a portion of the sludge to the inlet of the biological reaction tank 20, and an excess sludge line 36 for dehydrating and discharging the excess sludge.

前記汚泥返送ライン34には、返送ポンプ38及び流量計39が設けられており、最終沈殿池30に蓄積した汚泥の一部が生物反応槽20の入側に戻される。この返送ポンプ38による返送汚泥量の調整により、MLSS(汚泥濃度)の維持や調整が図られる。 The sludge return line 34 is equipped with a return pump 38 and a flow meter 39, and a portion of the sludge accumulated in the final settling tank 30 is returned to the inlet side of the biological reaction tank 20. The amount of returned sludge is adjusted by the return pump 38, thereby maintaining and adjusting the MLSS (sludge concentration).

前記余剰汚泥ライン36には、余剰汚泥ポンプ40及び流量計41が設けられており、余剰汚泥は脱水されて排出される。この余剰汚泥ポンプ40による余剰汚泥量の調整により、系内の汚泥量の調整、汚泥の新陳代謝を整えて、汚泥滞留時間を制御する。 The excess sludge line 36 is provided with an excess sludge pump 40 and a flow meter 41, and the excess sludge is dehydrated and discharged. The amount of excess sludge is adjusted by the excess sludge pump 40, which adjusts the amount of sludge in the system, regulates the metabolism of the sludge, and controls the sludge retention time.

前記好気槽26には、空気ブロワ42と空気量計43が設けられ、空気を吹き込むようにされている。この空気ブロワ42の空気量は、DO(溶存酸素濃度)の維持及び制御に用いられる。 The aerobic tank 26 is equipped with an air blower 42 and an air volume meter 43 to blow air into it. The volume of air from the air blower 42 is used to maintain and control the DO (dissolved oxygen concentration).

前記生物反応槽20の好気槽26の出側には、硝化液を無酸素槽24に循環させるための硝化液循環ライン44が設けられており、この硝化液循環ライン44には、硝化液循環ポンプ46が設けられている。この硝化液循環ポンプ46による硝化液循環量は、無酸素槽24への硝酸性窒素の供給量を調整して、窒素を除去するために用いられる。 A nitrification liquid circulation line 44 is provided at the outlet of the aerobic tank 26 of the biological reaction tank 20 to circulate the nitrification liquid to the anoxic tank 24, and a nitrification liquid circulation pump 46 is provided on this nitrification liquid circulation line 44. The amount of nitrification liquid circulated by this nitrification liquid circulation pump 46 is used to adjust the amount of nitrate nitrogen supplied to the anoxic tank 24 and remove nitrogen.

前記流入ライン12には水量センサ14が設けられ、前記嫌気槽22には例えばDO(溶存酸素濃度)センサ、pHセンサ、ORP(酸化還元電位)センサからなるセンサ52が設けられ、前記無酸素槽24には、例えばDOセンサ、pHセンサ、ORPセンサからなるセンサ54が設けられ、前記好気槽26には、例えばDOセンサ、MLSS(汚泥濃度)センサ、pHセンサ、ORPセンサからなるセンサ56が設けられ、処理水ライン32には水質センサ58が設けられている。 The inflow line 12 is provided with a water volume sensor 14, the anaerobic tank 22 is provided with a sensor 52, for example, a DO (dissolved oxygen concentration) sensor, a pH sensor, and an ORP (oxidation-reduction potential) sensor, the anoxic tank 24 is provided with a sensor 54, for example, a DO sensor, a pH sensor, and an ORP sensor, the aerobic tank 26 is provided with a sensor 56, for example, a DO sensor, a MLSS (sludge concentration) sensor, a pH sensor, and an ORP sensor, and the treated water line 32 is provided with a water quality sensor 58.

前記各センサ14、52、54、56、58の出力は、コンピュータ60に入力され、コンピュータ60による演算処理結果に基づいて、各ポンプやブロワなどのアクチュエータが制御される。 The outputs of the sensors 14, 52, 54, 56, and 58 are input to a computer 60, and actuators such as pumps and blowers are controlled based on the results of calculations performed by the computer 60.

ここで、pHは、環境条件の管理に用いられ、嫌気槽22と無酸素槽24では例えばpH7~8、好気槽26では例えばpH6~7に保たれる。 Here, pH is used to manage environmental conditions, and is maintained at, for example, pH 7-8 in the anaerobic tank 22 and anoxic tank 24, and at, for example, pH 6-7 in the aerobic tank 26.

又、前記ORP(酸化還元電位)に関しても、やはり環境条件の管理に用いられ、嫌気槽22では例えば-300~-400mV未満に維持され、無酸素槽24では例えば0~-200mV未満に維持される。 The ORP (oxidation-reduction potential) is also used to manage environmental conditions, and is maintained at, for example, less than -300 to -400 mV in the anaerobic tank 22, and at, for example, less than 0 to -200 mV in the anoxic tank 24.

又、前記DO(溶存酸素濃度)に関しても、やはり環境条件の管理に用いられ、嫌気槽22や無酸素槽24では例えば0.2mg/L未満、好気槽26では例えば1.0~2.0mg/Lに保たれる。 The DO (dissolved oxygen concentration) is also used to manage environmental conditions, and is maintained at, for example, less than 0.2 mg/L in the anaerobic tank 22 and anoxic tank 24, and at, for example, 1.0 to 2.0 mg/L in the aerobic tank 26.

又、前記MLSS(汚泥濃度)は、活性汚泥中の微生物量の管理に用いられ、遠心分離汚泥の乾燥重量で全体的に例えば2,000~3,000mg/Lに保たれる。 The MLSS (sludge concentration) is used to manage the amount of microorganisms in the activated sludge, and is maintained at, for example, 2,000 to 3,000 mg/L overall in terms of dry weight of the centrifuged sludge.

汚泥性状としては、例えば前記MLSS、1Lメスシリンダで30分沈殿させた場合の汚泥界面の目盛である活性汚泥沈殿率SV30、30分沈降後の汚泥1gが占める容積である汚泥沈降目標SVI(=SV30×10,000/MLSS)が分析される。 The sludge properties analyzed include, for example, the MLSS, the activated sludge settling rate SV30, which is the scale of the sludge interface when settling for 30 minutes in a 1 L graduated cylinder, and the sludge settling target SVI (= SV30 x 10,000/MLSS), which is the volume occupied by 1 g of sludge after 30 minutes of settling.

以下、図2のコンピュータ60における、本発明による画像解析を利用した活性汚泥判定方法について説明する。 The following describes the activated sludge determination method using image analysis according to the present invention on the computer 60 in Figure 2.

前記コンピュータ60内には、図3に示すモデル構築部100と、汚泥性状診断部200が構成されている。 The computer 60 includes a model construction unit 100 and a sludge property diagnosis unit 200, as shown in FIG. 3.

前記モデル構築部100では、活性汚泥を採取し(ステップ110)、画像を撮影し(ステップ120)、画像ラベリングし(ステップ130)、教師あり学習を行い(ステップ140)、モデルを構築する(ステップ150)。 The model construction unit 100 collects activated sludge (step 110), takes images (step 120), labels the images (step 130), performs supervised learning (step 140), and constructs a model (step 150).

一方、汚泥性状診断部200では、新たな活性汚泥を採取し(ステップ210)、画像撮影し(ステップ220)、前記モデル構築部100のステップ150で構築された学習済みモデルを用いて処理し(ステップ230)、各画像のクラス所属確率を出力し(ステップ240)、各出力結果に対する統計処理を行い(ステップ250)、採取汚泥に対する診断結果を出力する(ステップ260)。 Meanwhile, the sludge property diagnosis unit 200 collects new activated sludge (step 210), takes images (step 220), processes them using the trained model constructed in step 150 of the model construction unit 100 (step 230), outputs the class membership probability of each image (step 240), performs statistical processing on each output result (step 250), and outputs the diagnosis result for the collected sludge (step 260).

前記モデル構築部100のステップ130における画像ラベリングの方法を図4に示す。 The method of image labeling in step 130 of the model construction unit 100 is shown in Figure 4.

まず、活性汚泥を採取(ステップ110)して、汚泥画像を撮影する(ステップ120)。 First, activated sludge is collected (step 110) and an image of the sludge is taken (step 120).

活性汚泥は設定された汚泥滞留時間(SRT)の間、処理施設内に滞留する。そこで汚泥採取時刻を基準として、このSRT内に処理水水質(Xと置く)を取得し(ステップ124)、取得された処理水水質(X)を汚泥画像に紐付ける。活性汚泥は常に入れ替わるため、紐付ける処理水水質は汚泥滞留時刻の近傍で採取された処理水水質であることが望ましい。より望ましくは、水理学的滞留時間(HRT)の間に採取された処理水水質であることが望ましい。 Activated sludge is retained in the treatment facility for a set sludge retention time (SRT). Therefore, using the sludge collection time as a reference, the treated water quality (denoted as X) is acquired within this SRT (step 124), and the acquired treated water quality (X) is linked to the sludge image. Since activated sludge is constantly replaced, it is desirable that the treated water quality to be linked is the treated water quality collected near the sludge retention time. More desirably, it is the treated water quality collected during the hydraulic retention time (HRT).

次いでステップ130で、画像に紐づけられた処理水水質を元に画像をラベリングする。この時クラス数は例えば4(図ではクラスA、B、C、Dの4つ)とするが、クラス数は2以上であればよい。 Next, in step 130, the image is labeled based on the treated water quality associated with the image. The number of classes is set to, for example, four (classes A, B, C, and D in the figure), but the number of classes may be two or more.

残りのクラス(図ではクラスB、Cの2つ)については、図4中に示したように中間値を埋め合わせる形でも良いし、さらに外側の分類を作成しても良い。 For the remaining classes ( two classes B and C in the figure), intermediate values may be filled in as shown in FIG. 4, or further outer classifications may be created.

教師画像のクラス分類について、処理水SSの基準値をTとし、画像に紐づけられた処理水SSをYとして、
i:0.8T<Y≦T と T≦Y<2T
ii:Y≦0.8T と T≦Y<2T
iii:0.8T<Y≦T と 2T≦Y
iv:Y≦0.8T と 2T≦Y
のようにクラスを分類した場合で、それぞれの教師画像を用いた学習モデルを用いて活性汚泥画像の解析結果を比較して検討した結果を表1に示す。
Regarding the classification of teacher images, the reference value of the treated water SS is T, and the treated water SS associated with the image is Y.
i: 0.8T<Y≦T and T≦Y<2T
ii: Y≦0.8T and T≦Y<2T
iii: 0.8T<Y≦T and 2T≦Y
iv: Y≦0.8T and 2T≦Y
When the classes were classified as above, the results of analyzing the activated sludge images using the learning models with the respective teacher images were compared and examined. The results are shown in Table 1.

Figure 0007684655000001
Figure 0007684655000001

画像解析による汚泥の診断結果と処理水水質の相関を示す決定係数R2で比較すると、教師画像の画像分類に処理水水質が0.8T以下となるクラスを含む場合(ii、iv)と、画像分類に処理水水質が2T以上となるクラスを含む場合(iii、iv)には、それらをともに含まない場合(i)と比較して、より高い相関が得られている。また、両方のクラスを含む場合(iv)にはさらに高い相関が得られた。 When comparing the coefficient of determination R2 , which indicates the correlation between the sludge diagnostic results from image analysis and the treated water quality, a higher correlation was obtained when the image classification of the teacher image included a class where the treated water quality Y is 0.8T or less (ii, iv) and when the image classification included a class where the treated water quality Y is 2T or more (iii , iv) compared to when neither of these classes were included (i) . Furthermore, an even higher correlation was obtained when both classes were included (iv) .

従って、前述のクラスのうち少なくとも1つ(図ではクラスA)は、処理水SSの基準値をTとしたとき、上限の閾値を0.8T以下とすることが望ましい。 Therefore, for at least one of the aforementioned classes (class A in the figure), when the reference value of the treated water SS is T, it is desirable to set the upper threshold value to 0.8T or less.

又、少なくとも1つ(図ではクラスD)は、下限の閾値を2T以上とすることが望ましい。 It is also desirable to set the lower threshold of at least one (Class D in the figure) to 2T or higher.

残りのクラス(図ではクラスB、Cの2つ)については、図4中に示したように中間値を埋め合わせる形でも良いし、さらに外側の分類を作成しても良い。 For the remaining classes (two classes B and C in the figure), intermediate values may be filled in as shown in FIG. 4, or further outer classifications may be created.

汚泥性状診断部200の統計処理ステップ250に際しては、同一の汚泥サンプルから撮影された複数枚の汚泥画像に対して、学習済みCNNモデルを使用して、画像解析を実施し、各画像のクラス所属確率を出力する。 During the statistical processing step 250 of the sludge property diagnosis unit 200, image analysis is performed on multiple sludge images taken from the same sludge sample using a trained CNN model, and the probability of each image belonging to a class is output.

その時のクラス所属確率分布の例を図5に示す。活性汚泥中にはミクロ的には様々な特徴を持つ汚泥が存在するため、各汚泥のクラス所属確率は広がりを持つ。汚泥サンプルのマクロ的な評価のために以下の指標を利用することができる。 An example of the class membership probability distribution is shown in Figure 5. Since activated sludge contains sludge with various microscopic characteristics, the class membership probability of each sludge varies. The following indices can be used for the macroscopic evaluation of sludge samples.

1.各画像のクラス所属確率の平均値を評価値とする。
2.各画像のクラス所属確率の中央値を評価値とする。
3.採取された画像の内、クラス所属確率がある閾値(例えば0.7)を上回るものの割合を評価値とする。
4.採取された画像の内、クラス所属確率がある閾値(例えば0.3)を下回るものの割合を評価値とする。
5.採取された画像の内、クラス所属確率がある閾値を上回るものの枚数をA、下回るものの枚数をBとし、評価軸として、A/(A+B)または B/(A+B)を採用する。なお中間となる画像は、判別不能であったと判断して採用しない。
1. The average probability of each image belonging to a class is used as the evaluation value.
2. The median of the class membership probability for each image is used as the evaluation value.
3. The ratio of images whose class belonging probability exceeds a certain threshold (e.g., 0.7) among the collected images is used as the evaluation value.
4. The ratio of images whose class belonging probability is below a certain threshold (e.g., 0.3) among the collected images is used as an evaluation value.
5. Among the collected images, the number of images whose class belonging probability is above a certain threshold is designated as A, and the number of images whose class belonging probability is below a certain threshold is designated as B. The evaluation axis is A/(A+B) or B/(A+B). Images that fall in between are deemed indistinguishable and are not used.

クラス所属確率で統計的な処理が必要な理由は、次のとおりである。 The reasons why statistical processing of class membership probability is necessary are as follows:

活性汚泥の性能は、微生物群の活性によって決定する。顕微鏡による観察像のようなミクロな視点では、状態の良い汚泥と状態の悪い汚泥が混在している。活性汚泥全体の性質は、どちらの汚泥が占有しているかで決まる。同じサンプルから取った画像のそれぞれに対してクラス所属確率を算出することで、ミクロな視点での良い・悪いが算出される。これに対して統計的な処理を加えることで、全体の汚泥性能として導出することができる。すなわち、表2中の決定係数R2に示すように、各々の画像のクラス所属確率単体からでは決定係数R2が例えば0.360と低いため、汚泥の処理性能は評価することができない。これに対して、後述のように中央値、平均値、あるいは判別割合による統計的な処理を加えることで、決定係数R2を例えば0.735、0.746、0.715に高めることができる。 The performance of activated sludge is determined by the activity of the microbial community. In a microscopic view, such as an image observed under a microscope, sludge in good condition and sludge in bad condition are mixed. The properties of the entire activated sludge are determined by which sludge occupies the area. By calculating the class belonging probability for each image taken from the same sample, the good or bad performance from a microscopic view is calculated. By adding statistical processing to this, the overall sludge performance can be derived. That is, as shown in the coefficient of determination R 2 in Table 2, the coefficient of determination R 2 is low, for example, 0.360, from the class belonging probability of each image alone, so the treatment performance of the sludge cannot be evaluated. In contrast, by adding statistical processing using the median, average, or discrimination ratio as described below, the coefficient of determination R 2 can be increased to, for example, 0.735, 0.746, or 0.715.

Figure 0007684655000002
Figure 0007684655000002

次に処理水SSを評価指標として用いた本発明の実施形態を説明する。 Next, an embodiment of the present invention in which treated water SS is used as an evaluation index will be described.

本実施形態のモデル構築部100及び汚泥性状診断部200は図6に示す如く構成されており、ステップ130における画像ラベリングに際して、処理水SSの基準値を100とした場合に、処理水SS80以下を正常とし、処理水SS200以上を異常としている。 The model construction unit 100 and sludge property diagnosis unit 200 of this embodiment are configured as shown in FIG. 6, and when performing image labeling in step 130, if the reference value for the treated water SS is set to 100, treated water SS of 80 or less is considered normal, and treated water SS of 200 or more is considered abnormal.

ステップ140の教師あり学習では、図7に例示するような、入力画像300、畳み込み層310とプーリング層320の繰り返し、全結合層330、出力層340を有するCNNを用いている。 In the supervised learning of step 140, a CNN having an input image 300, a repetition of a convolutional layer 310 and a pooling layer 320, a fully connected layer 330, and an output layer 340, as shown in FIG. 7, is used.

本実施形態における教師画像ラベリングの手順を図8に示す。図4と同様に、ステップ110で汚泥を採取して、ステップ120で汚泥を撮影する。 The procedure for teacher image labeling in this embodiment is shown in Figure 8. As in Figure 4, sludge is collected in step 110, and the sludge is photographed in step 120.

ステップ124で処理水SSを取得し、汚泥採取時刻を基準として、このSRT内に取得された処理水水質を汚泥画像に紐づける。 In step 124, the treated water SS is obtained, and the treated water quality obtained within this SRT is linked to the sludge image based on the sludge collection time.

本実施形態では、ステップ130における画像ラベリングに際して、処理水SSの基準値を100とし、画像ごとに紐づけられた処理水SSが80以下であるクラスAと、処理水SSが200以上となるクラスBに分類する。この分類に含まれない画像は教師データとして採用しない。このクラスAとクラスBの分類については、CNNを利用した画像解析を利用する。 In this embodiment, when labeling images in step 130, the standard value for treated water SS is set to 100, and images are classified into class A, where the treated water SS associated with each image is 80 or less, and class B, where the treated water SS is 200 or more. Images that are not included in this classification are not used as training data. Image analysis using CNN is used to classify images into class A and class B.

本実施形態におけるCNNを利用した解析手順の全体構成を図9に示す。 The overall configuration of the analysis procedure using CNN in this embodiment is shown in Figure 9.

まず、(1)沈降性の良いクラスAの画像と沈降性の悪いクラスBの画像を得て学習用の教師画像とする。 First, (1) obtain images of class A with good settling properties and images of class B with poor settling properties and use them as training images.

次いで、(2)CNNを使用し、教師画像を学習して判別モデルを作成する。 Next, (2) use CNN to learn the training images and create a discriminant model.

次いで、(3)新規画像を解析して、(4)解析結果を例えばクラスA0.8、クラスB0.2として、汚泥のクラス所属確率を基に処理水SSを予測する。 Next, (3) analyze the new image, and (4) predict the treated water SS based on the analysis results, for example, class A 0.8 and class B 0.2, based on the probability that the sludge belongs to each class.

図10に(A)沈降性の悪い汚泥と(B)沈降性の良い汚泥の例を示す。沈降性の悪い汚泥は、図10(A)に示す如く、フロック2が比較的小さく、フロック2の密度が低く、糸状菌4の量が多く、微小粒子6が多いなどである。 Figure 10 shows examples of (A) sludge with poor settling properties and (B) sludge with good settling properties. As shown in Figure 10 (A), sludge with poor settling properties has relatively small flocs 2, a low density of flocs 2, a large amount of filamentous bacteria 4, and a large amount of fine particles 6.

一方、沈降性の良い汚泥は、図10(B)に示す如く、フロック2が比較的大きく、フロック2が緻密であり、糸状菌4の量が少なく、微小粒子6が少ないなどである。 On the other hand, sludge with good settling properties has relatively large and dense flocs 2, a small amount of filamentous bacteria 4, and a small amount of microparticles 6, as shown in Figure 10 (B).

実施形態における処理水SSと、クラス所属確率の中央値の関係を図11に示す。決定係数R2は0.7353であった。 The relationship between the treated water SS and the median of the class belonging probability in this embodiment is shown in Figure 11. The coefficient of determination R2 was 0.7353.

実施形態における処理水SSとクラス所属確率の中央値の変化量の時間変化の例を図12に示す。処理水SSの上昇に先立ってクラス所属確率の中央値が上昇していることが分かる。この結果からクラス所属確率の中央値の変化量だけではなく、クラス所属確率の中央値も同様に処理水SSの上昇に先立って上昇するため、単にクラス所属確率の中央値を処理水SSの変化悪化に対する指標とすることもできる。 Figure 12 shows an example of time-dependent change in treated water SS and median class membership probability in an embodiment. It can be seen that the median class membership probability increases prior to an increase in treated water SS. This result shows that not only the change in the median class membership probability but also the median class membership probability similarly increases prior to an increase in treated water SS, so the median class membership probability can simply be used as an indicator of the deterioration of treated water SS.

クラス所属確率の統計的な処理の他の例として、平均値の例を図13に、取得画像のうちクラス所属確率が閾値を超える画像の割合(判別割合と称する)とした例を図14に示す。図13の決定係数R2は0.7455、図14の決定係数R2は0.7157であった。 As another example of statistical processing of the class belonging probability, an example of the average value is shown in Fig. 13, and an example of the ratio of images whose class belonging probability exceeds a threshold value among the acquired images (called the discrimination ratio) is shown in Fig. 14. The coefficient of determination R2 in Fig. 13 was 0.7455, and the coefficient of determination R2 in Fig. 14 was 0.7157.

前記実施形態においては、処理水SSについて予測対象としたが、下水処理施設にて管理されるその他の処理水水質についても同様にして予測対象とすることができる。そのほかの処理水水質としては、例えば化学的酸素要求量(COD)、アンモニア性窒素、硝酸性窒素、全窒素、全リン等である。 In the above embodiment, the treated water SS was the subject of prediction, but other treated water qualities managed in the sewage treatment facility can also be predicted in a similar manner. Other treated water qualities include, for example, chemical oxygen demand (COD), ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, total nitrogen, total phosphorus, etc.

なお、前記実施形態においては、本発明が、嫌気-無酸素-好気法により有機物、窒素、リンを除去するための、生物反応槽20が嫌気槽22、無酸素槽24及び好気槽26を備えた下水処理施設に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、例えば無酸素-好気法(循環式硝化脱窒素法)により有機物と窒素を除去するための、生物反応槽が嫌気槽を含まない下水処理施設や、嫌気-好気法により有機物とリンを除去するための、生物反応槽が無酸素槽を含まず、嫌気槽と好気槽を備えた下水処理施設や、標準活性汚泥法により有機物を除去するための、生物反応槽が好気槽のみからなる下水処理施設にも適用できることは明らかである。 In the above embodiment, the present invention is applied to a sewage treatment facility in which the biological reaction tank 20 includes the anaerobic tank 22, the anoxic tank 24, and the aerobic tank 26 for removing organic matter, nitrogen, and phosphorus by the anaerobic-anoxic-aerobic method. However, the present invention is not limited to this application. For example, the present invention can be applied to a sewage treatment facility in which the biological reaction tank does not include an anaerobic tank for removing organic matter and nitrogen by the anoxic-aerobic method (circulating nitrification denitrification method), a sewage treatment facility in which the biological reaction tank does not include an anoxic tank, but includes an anaerobic tank and an aerobic tank for removing organic matter and phosphorus by the anaerobic-aerobic method, and a sewage treatment facility in which the biological reaction tank consists of only an aerobic tank for removing organic matter by the standard activated sludge method.

8…下水ライン
10…最初沈殿池
12…流入ライン
20…生物反応槽
22…嫌気槽
24…無酸素槽
26…好気槽
30…最終沈殿池
32…処理水ライン
34…汚泥返送ライン
36…余剰汚泥ライン
38…返送ポンプ
40…余剰汚泥ポンプ
42…空気ブロワ
60…コンピュータ
100…モデル構築部
200…汚泥性状診断部
Description of the Reference Numerals 8: Sewage line 10: Primary sedimentation tank 12: Inflow line 20: Biological reaction tank 22: Anaerobic tank 24: Anoxic tank 26: Aerobic tank 30: Final sedimentation tank 32: Treated water line 34: Sludge return line 36: Excess sludge line 38: Return pump 40: Excess sludge pump 42: Air blower 60: Computer 100: Model construction section 200: Sludge property diagnosis section

Claims (14)

処理水水質をクラス分けする基準を設けるステップと、
活性汚泥を採取した時刻から下水処理施設の設定平均滞留時間内に採取された処理水水質に応じて、活性汚泥画像と紐づけられた処理水水質を基に該当画像が処理水水質のどのクラスに分類されるのかを決定し、そのクラスをラベルとして画像に付してラベリングする活性汚泥の画像ラベリングステップと、
前記画像ラベリングされた活性汚泥画像を教師画像として畳み込みニューラルネットワークを利用した画像分類アルゴリズムで学習させる学習ステップと、
下水処理施設から活性汚泥を採取して、画像を収集し、学習済みアルゴリズムで未知の汚泥画像を画像解析し、画像ごとのクラス所属確率を出力させる画像解析ステップと、
同じ活性汚泥試料から収集された画像ごとのクラス所属確率を統計的に処理し、処理水水質との相関を解析する相関解析ステップと、
を備えたことを特徴とする下水処理施設の処理水水質予測方法。
establishing standards for classifying treated water quality;
an activated sludge image labeling step for determining which class of treated water quality the corresponding image belongs to based on the treated water quality associated with the activated sludge image according to the treated water quality collected within a set average residence time of the sewage treatment facility from the time the activated sludge was collected, and labeling the image by attaching the class as a label;
a learning step of learning the image-labeled activated sludge image as a teacher image using an image classification algorithm utilizing a convolutional neural network;
an image analysis step of collecting activated sludge from a sewage treatment facility, collecting images, analyzing unknown sludge images using a trained algorithm, and outputting a class membership probability for each image ;
a correlation analysis step of statistically processing the class membership probability for each image collected from the same activated sludge sample and analyzing the correlation with the treated water quality;
A method for predicting treated water quality at a sewage treatment facility, comprising:
前記クラスのうち、少なくとも1つを処理水水質基準の80%以下とすることを特徴とする請求項1に記載の下水処理施設の処理水水質予測方法。 2. The method for predicting treated water quality at a sewage treatment facility according to claim 1, wherein at least one of the classes is set to be 80% or less of the treated water quality standard. 前記クラスのうち、少なくとも1つを処理水水質基準の200%以上とすることを特徴とする請求項1に記載の下水処理施設の処理水水質予測方法。 2. The method for predicting treated water quality at a sewage treatment facility according to claim 1, wherein at least one of the classes is set to be 200% or more of the treated water quality standard. 前記相関解析ステップにおけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の平均を取ることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の下水処理施設の処理水水質予測方法。 A method for predicting the quality of treated water from a sewage treatment facility according to any one of claims 1 to 3, characterized in that, when statistically processing the class membership probabilities in the correlation analysis step, the class membership probabilities are averaged. 前記相関解析ステップにおけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の中央値を取ることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の下水処理施設の処理水水質予測方法。 A method for predicting the quality of treated water at a sewage treatment facility according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the median of the class membership probabilities is taken during the statistical processing of the class membership probabilities in the correlation analysis step. 前記相関解析ステップにおけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の閾値を定めて、その閾値以上あるいは以下となる画像の割合を求めることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の下水処理施設の処理水水質予測方法。 A method for predicting the quality of treated water at a sewage treatment facility according to any one of claims 1 to 3, characterized in that, in the statistical processing of the class membership probability in the correlation analysis step, a threshold value for the class membership probability is set, and the proportion of images that are above or below the threshold value is calculated. 請求項1乃至6のいずれかに記載の下水処理施設の処理水水質予測方法の相関解析ステップで算出されたクラス所属確率を統計処理した値の変化が処理水質の変化に先立つことを利用して、前記処理水質の値の変化の指標とすることを特徴とする下水処理施設の操業状態予測方法。 A method for predicting the operational status of a sewage treatment facility, characterized in that changes in the statistically processed value of the class membership probability calculated in the correlation analysis step of the treated water quality prediction method for a sewage treatment facility described in any one of claims 1 to 6 precede changes in the treated water quality, and are used as an indicator of changes in the value of the treated water quality. 処理水水質をクラス分けする基準を設ける手段と、
活性汚泥を採取した時刻から下水処理施設の設定平均滞留時間内に採取された処理水水質に応じて、活性汚泥画像と紐づけられた処理水水質を基に該当画像が処理水水質のどのクラスに分類されるのかを決定し、そのクラスをラベルとして画像に付してラベリングする活性汚泥の画像ラベリング手段と、
前記画像ラベリングされた活性汚泥画像を教師画像として畳み込みニューラルネットワークを利用した画像分類アルゴリズムで学習させる学習手段と、
下水処理施設から活性汚泥を採取して、画像を収集し、学習済みアルゴリズムで未知の汚泥画像を画像解析し、画像ごとのクラス所属確率を出力させる画像解析手段と、
同じ活性汚泥試料から収集された画像ごとのクラス所属確率を統計的に処理し、処理水水質との相関を解析する相関解析手段と、
を備えたことを特徴とする下水処理施設の処理水水質予測装置。
A means for establishing standards for classifying treated water quality;
an activated sludge image labeling means for determining which class of treated water quality the corresponding image belongs to based on the treated water quality linked to the activated sludge image in accordance with the treated water quality sampled within a set average residence time of the sewage treatment facility from the time the activated sludge was sampled, and labeling the image by attaching the class as a label;
a learning means for learning the image-labeled activated sludge image as a teacher image using an image classification algorithm utilizing a convolutional neural network;
an image analysis means for collecting activated sludge from a sewage treatment facility, collecting images, analyzing unknown sludge images using a trained algorithm, and outputting a class membership probability for each image ;
A correlation analysis means for statistically processing the class belonging probability for each image collected from the same activated sludge sample and analyzing the correlation with the treated water quality;
A treated water quality prediction device for a sewage treatment facility, comprising:
前記クラスのうち、少なくとも1つを処理水水質基準の80%以下とすることを特徴とする請求項8に記載の下水処理施設の処理水水質予測装置。 9. The treated water quality prediction device for a sewage treatment facility according to claim 8, wherein at least one of the classes is set to be 80% or less of the treated water quality standard. 前記クラスのうち、少なくとも1つを処理水水質基準の200%以上とすることを特徴とする請求項8に記載の下水処理施設の処理水水質予測装置。 9. The treated water quality prediction device for a sewage treatment facility according to claim 8, wherein at least one of the classes is set to be 200% or more of the treated water quality standard. 前記相関解析手段におけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の平均を取ることを特徴とする請求項8乃至10のいずれかに記載の下水処理施設の処理水水質予測装置。 A treated water quality prediction device for a sewage treatment facility according to any one of claims 8 to 10, characterized in that, when the class belonging probabilities are statistically processed in the correlation analysis means, the class belonging probabilities are averaged. 前記相関解析手段におけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の中央値を取ることを特徴とする請求項8乃至10のいずれかに記載の下水処理施設の処理水水質予測装置。 A treated water quality prediction device for a sewage treatment facility according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the median of the class belonging probabilities is taken during statistical processing of the class belonging probabilities in the correlation analysis means. 前記相関解析手段におけるクラス所属確率の統計的な処理に際して、前記クラス所属確率の閾値を定めて、その閾値以上あるいは以下となる画像の割合を求めることを特徴とする請求項8乃至10のいずれかに記載の下水処理施設の処理水水質予測装置。 A sewage treatment facility treated water quality prediction device according to any one of claims 8 to 10, characterized in that, when the correlation analysis means statistically processes the class membership probability, a threshold value for the class membership probability is set, and the proportion of images that are above or below the threshold value is calculated. 請求項8乃至13のいずれかに記載の下水処理施設の処理水水質予測装置の相関解析手段で算出されたクラス所属確率を統計処理した値の変化が処理水質の変化に先立つことを利用して、前記処理水質の値の変化の指標とすることを特徴とする下水処理施設の操業状態予測装置。 A device for predicting the operational status of a sewage treatment facility, characterized in that changes in the value of the statistically processed class membership probability calculated by the correlation analysis means of the device for predicting the treated water quality of a sewage treatment facility described in any one of claims 8 to 13 precede changes in the treated water quality, and are used as an indicator of changes in the value of the treated water quality.
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