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JP7733294B2 - Water quality simulation method, water quality simulation device, and method for determining the number of carriers for treating pollutants by a fluidized carrier method - Google Patents
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JP7733294B2 - Water quality simulation method, water quality simulation device, and method for determining the number of carriers for treating pollutants by a fluidized carrier method - Google Patents

Water quality simulation method, water quality simulation device, and method for determining the number of carriers for treating pollutants by a fluidized carrier method

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JP7733294B2 JP2021147120A JP2021147120A JP7733294B2 JP 7733294 B2 JP7733294 B2 JP 7733294B2 JP 2021147120 A JP2021147120 A JP 2021147120A JP 2021147120 A JP2021147120 A JP 2021147120A JP 7733294 B2 JP7733294 B2 JP 7733294B2
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Description

本発明は、水質シミュレーション方法、水質シミュレーション装置、および流動担体法により汚濁物質を処理するための担体数を決定する方法に関する。 The present invention relates to a water quality simulation method, a water quality simulation device, and a method for determining the number of carriers required to treat pollutants using a flowing carrier method.

従来、チアシアン酸イオンを選択的に効率よく除去することができる好気性流動床による被処理水の生物学的処理方法が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, a biological treatment method using an aerobic fluidized bed for water treatment is known, which can selectively and efficiently remove thiacyanate ions (see, for example, Patent Document 1).

また、安水中の汚濁物質(COD)をフェノール、チオシアン、チオ硫酸および難分解性CODに分画し、各成分の分解速度を酸素消費量実験により間接的に測定する水質シミュレーション方法が知られている(例えば、特許文献を参照)。 In addition, a water quality simulation method is known in which pollutants (COD) in ammonia water are fractionated into phenol, thiocyanate, thiosulfate, and persistent COD, and the decomposition rate of each component is indirectly measured by an oxygen consumption experiment (see, for example, Patent Document 2 ).

特開2016-112556号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-112556 特許第5435658号公報Patent No. 5435658

例えばコークス炉排水(安水)は、物理化学的処理の後、生物学的水処理方法である活性汚泥法によって排水基準であるCOD(Chemical Oxygen Demand)成分が処理され、放流される。COD成分である安水中のチオシアン(SCN)の処理不良やアンモニアからの亜硝酸生成により、処理水中のCODが増加してしまうことがある。このため、安定的、効率的な安水処理が生産活動において求められている。 For example, coke oven wastewater (ammonia water) undergoes physicochemical treatment, followed by the activated sludge process, a biological water treatment method, to treat COD (Chemical Oxygen Demand) components that meet wastewater standards before being discharged. Inadequate treatment of the COD component, thiocyanide (SCN), in the ammonia water, or the production of nitrite from ammonia can result in an increase in COD in the treated water. For this reason, stable and efficient ammonia water treatment is required in production activities.

しかし、特許文献1に記載された技術は、好気性流動床を用いた実際の設備により被処理水を生物学的に処理するものであり、水質をシミュレーションすることは想定していない。 However, the technology described in Patent Document 1 biologically treats the water to be treated using actual equipment that uses an aerobic fluidized bed, and does not anticipate simulating water quality.

また、特許文献2に記載された技術は、それぞれの汚濁物質を処理する微生物群の間で種間競争が生じ、この種間競争が処理後の水質に与える影響を考慮していない。このため、特許文献2に記載された手法を用いて処理後の水質を精度よくシミュレーションすることは困難である。 Furthermore, the technology described in Patent Document 2 does not take into account the interspecies competition that occurs between the microbial groups treating each pollutant, and the impact that this interspecies competition has on post-treatment water quality. For this reason, it is difficult to accurately simulate post-treatment water quality using the method described in Patent Document 2.

そこで、本発明は、被処理水中に含まれる複数の異なる汚濁物質のそれぞれを分解する複数の微生物群の種間競争による影響を考慮して、処理後の水質を精度よくシミュレーションするとともに、流動担体法により汚濁物質を処理するための担体数を精度よく決定することを目的とする。 The present invention aims to accurately simulate post-treatment water quality by taking into account the effects of interspecies competition among multiple microbial groups that decompose each of the multiple different pollutants contained in the water to be treated, and to accurately determine the number of carriers required to treat pollutants using the fluidized carrier method.

本開示の要旨は以下のとおりである。 The gist of this disclosure is as follows:

(1) 被処理水を生物学的に処理する処理プロセスにおける、プロセッサにより実行される水質シミュレーション方法であって、
前記被処理水中に含まれる複数の異なる汚濁物質のそれぞれを分解する複数の異なる微生物群の種間競争を表す項であって複数の前記微生物群のうちの任意の微生物群の密度が高いほど他の微生物群がより多く減少することを表す項を有するモデル式に基づいて、複数の前記微生物群による前記被処理水の処理後の水質をシミュレーションする、水質シミュレーション方法。
(1) A water quality simulation method executed by a processor in a treatment process for biologically treating water to be treated, comprising:
A water quality simulation method that simulates the water quality after treatment of the treated water by multiple microbial groups based on a model formula having a term that represents interspecies competition between multiple different microbial groups that decompose each of multiple different pollutants contained in the treated water, and a term that represents that the higher the density of any one of the multiple microbial groups, the more the other microbial groups decrease .

(2) 前記モデル式は、複数の前記微生物群のそれぞれについて、分解する汚濁物質の濃度に応じて前記微生物群が増殖する自己増殖と前記微生物群の過密による消滅を表す項と、複数の前記微生物群のそれぞれについて、密度が高いほどより多くの前記微生物群が減少する自己分解を表す項と、を更に有する、上記(1)に記載の水質シミュレーション方法。 (2) The water quality simulation method described in (1) above, wherein the model formula further includes, for each of the plurality of microbial groups, a term representing self-proliferation, in which the microbial groups grow in response to the concentration of the pollutants to be decomposed , and a term representing extinction of the microbial groups due to overcrowding, and a term representing self-decomposition, in which the higher the density of the microbial groups, the more the microbial groups decrease .

(3) 前記モデル式は、複数の前記汚濁物質のそれぞれについて、分解する汚濁物質の濃度が大きいほど毒性によ前記微生物群の増加が抑制されることを表す項を更に有する、上記(1)又は(2)に記載の水質シミュレーション方法。 (3) The water quality simulation method according to (1) or (2), wherein the model formula further includes a term indicating that , for each of the plurality of pollutants, the greater the concentration of the pollutant to be decomposed, the more the growth of the microbial population is suppressed due to toxicity.

(4) 前記モデル式により複数の前記汚濁物質のそれぞれの分解速度を計算し、複数の前記汚濁物質の前記分解速度の実測値と前記モデル式による前記分解速度の計算結果とに基づいて前記モデル式を表すパラメータをフィッティングする、上記(1)~(3)のいずれかに記載の水質シミュレーション方法。 (4) A water quality simulation method according to any one of (1) to (3) above, which calculates the decomposition rate of each of the plurality of pollutants using the model formula, and fits parameters representing the model formula based on the actual measured values of the decomposition rates of the plurality of pollutants and the calculation results of the decomposition rates using the model formula.

(5) 前記モデル式により前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度を計算し、前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度が定常状態となった時の濃度の実測値と前記モデル式による前記汚濁物質のそれぞれの濃度の計算結果とに基づいて前記モデル式を表すパラメータをフィッティングする、上記(1)~(3)のいずれかに記載の水質シミュレーション方法。 (5) A water quality simulation method according to any one of (1) to (3) above, which calculates the concentration of each of the plurality of pollutants in the treated water using the model formula, and fits parameters representing the model formula based on the actual measured values of the concentrations of each of the plurality of pollutants in the treated water when they reach a steady state and the calculation results of the concentrations of each of the pollutants using the model formula.

(6) 前記モデル式により前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度を計算し、前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度の各測定時点の実測値と前記モデル式による前記汚濁物質のそれぞれの濃度の前記各測定時点に対応する計算結果とに基づいて前記モデル式を表すパラメータをフィッティングする、上記(1)~(3)のいずれかに記載の水質シミュレーション方法。 (6) A water quality simulation method described in any one of (1) to (3) above, which calculates the concentration of each of the multiple pollutants in the treated water using the model formula, and fits parameters representing the model formula based on the actual measured values of the concentrations of each of the multiple pollutants in the treated water at each measurement point and the calculation results of the concentrations of each of the pollutants using the model formula corresponding to each measurement point.

(7) 前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度について、任意時点の値から後の任意時点における値を予測する、上記(6)に記載の水質シミュレーション方法。 (7) A water quality simulation method as described in (6) above, which predicts the concentration of each of the plurality of pollutants in the treated water at a later arbitrary point in time from the value at an arbitrary point in time.

(8) 前記フィッティングにより得られた複数の前記モデル式であって、フィッティングに用いる評価関数の値が所定値以下となるパラメータに対応する複数の前記モデル式に基づいて、前記被処理水の処理後の水質をシミュレーションする、上記(4)~(7)のいずれかに記載の水質シミュレーション方法。 (8) A water quality simulation method according to any one of (4) to (7) above, in which the water quality of the treated water after treatment is simulated based on a plurality of model formulas obtained by the fitting, the model formulas corresponding to parameters for which the value of the evaluation function used in the fitting is equal to or less than a predetermined value.

(9) 前記処理プロセスが流動担体法であることを特徴とする、上記(1)~(8)のいずれかに記載の水質シミュレーション方法。 (9) A water quality simulation method according to any one of (1) to (8) above, characterized in that the treatment process is a fluidized carrier method.

(10) 前記汚濁物質は、チオシアン、フェノール、及びチオ硫酸のうち少なくとも1種を含む、上記(1)~(9)のいずれかに記載の水質シミュレーション方法。 (10) A water quality simulation method according to any one of (1) to (9) above, wherein the pollutants include at least one of thiocyanate, phenol, and thiosulfate.

(11) 被処理水を生物学的に処理する処理プロセスにおける水質シミュレーション装置であって、前記水質シミュレーション装置はプロセッサを備え、
前記プロセッサは、
前記被処理水中に複数の異なる汚濁物質のそれぞれを分解する複数の微生物群を投入して得られる複数の前記汚濁物質の分解速度の実測値と、前記被処理水中における複数の前記微生物群の種間競争を表す項であって複数の前記微生物群のうちの任意の微生物群の密度が高いほど他の微生物群がより多く減少することを表す項を有するモデル式から計算される複数の前記汚濁物質の分解速度の計算値とに基づいて、前記モデル式のパラメータをフィッティングするパラメータフィッティング部と、
前記パラメータがフィッティングされた前記モデル式を用いて前記被処理水の処理後の水質をシミュレーションする水質シミュレーション部と、
を備える、水質シミュレーション装置。
(11) A water quality simulation device for a treatment process that biologically treats water to be treated, the water quality simulation device comprising a processor,
The processor:
a parameter fitting unit that fits parameters of the model formula based on actual measurement values of decomposition rates of a plurality of pollutants obtained by introducing a plurality of microbial groups that decompose each of the plurality of different pollutants into the water to be treated, and calculated values of decomposition rates of a plurality of the pollutants calculated from a model formula having a term that represents interspecific competition between the plurality of microbial groups in the water to be treated, the term representing that the higher the density of any one of the plurality of microbial groups, the greater the decrease in other microbial groups;
a water quality simulation unit that simulates the water quality of the treated water after treatment using the model formula to which the parameters have been fitted;
A water quality simulation device comprising:

(12) 上記(9)に記載の水質シミュレーション方法を用いて、流動担体法により汚濁物質を処理するための担体数を決定する方法。 (12) A method for determining the number of carriers required to treat pollutants using the flowing carrier method, using the water quality simulation method described in (9) above.

本発明によれば、被処理水中に含まれる複数の異なる汚濁物質のそれぞれを分解する複数の微生物群の種間競争による影響を考慮して、処理後の水質を精度よくシミュレーションするとともに、流動担体法により汚濁物質を処理するための担体数を精度よく決定することが可能になるという効果を奏する。 The present invention has the advantage of enabling accurate simulation of post-treatment water quality by taking into account the effects of interspecies competition between multiple microbial groups that decompose each of the multiple different pollutants contained in the water to be treated, and accurately determining the number of carriers required to treat pollutants using the flowing carrier method.

本実施形態に係るモデルを示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a model according to the present embodiment. 本実施形態に係るモデルを示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a model according to the present embodiment. 本実施形態に係る排水の水質シミュレーション方法の処理手順を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a processing procedure of a wastewater quality simulation method according to the present embodiment. 本実施形態に係る排水の水質シミュレーション装置の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an example of the configuration of a wastewater quality simulation device according to an embodiment of the present invention; 生物処理装置を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a biological treatment device. 運転日数一日当たりのチオシアンの除去速度(分解速度)を示す特性図である。FIG. 1 is a characteristic diagram showing the removal rate (decomposition rate) of thiocyanate per day of operation. 運転日数一日当たりのフェノールの除去速度(分解速度)を示す特性図である。FIG. 1 is a characteristic diagram showing the removal rate (decomposition rate) of phenol per day of operation. 運転日数一日当たりのチオ硫酸の除去速度(分解速度)を示す特性図である。FIG. 1 is a characteristic diagram showing the removal rate (decomposition rate) of thiosulfate per day of operation. 運転日数一日当たりのチオシアン除去速度を示す特性図である。FIG. 1 is a characteristic diagram showing the thiocyanate removal rate per day of operation. 運転日数一日当たりのフェノール除去速度を示す特性図である。FIG. 1 is a characteristic diagram showing the phenol removal rate per day of operation. 運転日数一日当たりのチオ硫酸除去速度を示す特性図である。FIG. 1 is a characteristic diagram showing the thiosulfate removal rate per day of operation. 自己分解速度(d)の同定のため、水処理リアクターからスポンジ担体を採取してビーカーに投入し、培養試験を実施する方法を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a method for collecting a sponge carrier from a water treatment reactor, placing it in a beaker, and conducting a culture test to identify the autolysis rate (d i ). 図12に示す培養試験において、各採取日に実施した培養試験でのチオシアン濃度の差を示す特性図である。FIG. 13 is a characteristic diagram showing the difference in thiocyanate concentration in the culture test shown in FIG. 12 carried out on each collection day. 計算値(Calculation)と実測値(Experiment)を比較した結果を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the results of comparing calculated values (Calculation) with measured values (Experiment). 計算値(Calculation)と実測値(Experiment)を比較した結果を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the results of comparing calculated values (Calculation) with measured values (Experiment). 計算値(Calculation)と実測値(Experiment)を比較した結果を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the results of comparing calculated values (Calculation) with measured values (Experiment). 毒性有りモデルと毒性無しモデルを比較した結果を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the results of comparing a toxic model with a non-toxic model. チオシアンを汚濁物質とした水処理リアクターの運転において、実験結果で得られたチオシアン濃度を示す特性図である。FIG. 1 is a characteristic diagram showing the thiocyanate concentration obtained from experimental results in operation of a water treatment reactor using thiocyanate as a pollutant. チオシアン濃度の実測値と、時間変化を考慮した非定常状態のモデルにより得られたチオシアン濃度のシミュレーション結果および微生物濃度のシミュレーション結果を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the actual measured value of thiocyanate concentration, the simulation results of thiocyanate concentration obtained by a non-steady state model taking into account time changes, and the simulation results of microorganism concentration. チオシアン酸イオンのモニタリングの結果から得られた、処理水中のチオシアン酸イオン濃度を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the concentration of thiocyanate ions in treated water obtained from the results of monitoring thiocyanate ions. チオシアン酸イオンのモニタリングの結果から得られた、処理水中のチオシアン酸イオン濃度を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the concentration of thiocyanate ions in treated water obtained from the results of monitoring thiocyanate ions. スポンジ担体21の個数を変化させた場合のシミュレーション結果と実測値をともに示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing both simulation results and actual measurement values when the number of sponge carriers 21 is changed. 図18に示す実験結果に基づくシミュレーション結果を示す図であって、図19とはパラメータを変えた場合のシミュレーション結果を示す特性図である。19 is a characteristic diagram showing the simulation results based on the experimental results shown in FIG. 18, and FIG. 19 is a characteristic diagram showing the simulation results when the parameters are changed. 図18に示す実験結果に基づき、図19と同じパラメータを用いて別の水処理リアクターの結果をシミュレーションした例を示す特性図である。FIG. 20 is a characteristic diagram showing an example of a simulation of the results of another water treatment reactor using the same parameters as in FIG. 19 based on the experimental results shown in FIG. 18 . 図18に示す実験結果に基づき、図23と同じパラメータを用いて別の水処理リアクターの結果をシミュレーションした例を示す特性図である。FIG. 24 is a characteristic diagram showing an example of a simulation of the results of another water treatment reactor using the same parameters as in FIG. 23 based on the experimental results shown in FIG. 18 . 図18の測定データから得られる81個のパラメータのセットで計算された各シミュレーション結果において、最大値と最小値の間の範囲を塗りつぶした結果を示す特性図である。FIG. 19 is a characteristic diagram showing the results of shading the range between the maximum and minimum values in each simulation result calculated using a set of 81 parameters obtained from the measurement data of FIG. 18. 図24及び図25の測定データから得られる81個のパラメータのセットの全てを用いて別の水処理リアクターの結果をシミュレーションした結果を示す特性図である。FIG. 26 is a characteristic diagram showing the results of simulating the results of another water treatment reactor using all of the 81 parameter sets obtained from the measurement data of FIGS. 24 and 25.

以下、本発明に係る幾つかの実施形態について図を参照しながら説明する。しかしながら、これらの説明は、本発明の好ましい実施形態の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施形態に限定することを意図するものではない。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, these descriptions are intended to merely exemplify preferred embodiments of the present invention and are not intended to limit the present invention to such specific embodiments.

本実施形態では、好気性流動床を用いて生物学的に被処理水を処理する際に、被処理水に含まれる複数の汚濁物質の分解をシミュレーションするモデルを構築する。好気性流動床を用いて被処理水に含まれる複数の汚濁物質を分解するため、流動担体には、これら複数の汚濁物質を分解処理する複数の微生物群が付着する。 In this embodiment, a model is constructed to simulate the decomposition of multiple pollutants contained in the water to be treated when the water is biologically treated using an aerobic fluidized bed. Because the multiple pollutants contained in the water to be treated are decomposed using an aerobic fluidized bed, multiple microbial groups that decompose these multiple pollutants are attached to the fluidized carriers.

これら複数の微生物群は、汚濁物質を分解しながら自己増殖する。また、これらの複数の微生物群は、自己分解により死滅する。したがって、モデル構築にあたっては、微生物群の自己増殖と自己分解を加味してモデルが構築される。 These multiple microbial groups multiply by themselves while breaking down pollutants. Furthermore, these multiple microbial groups die due to self-decomposition. Therefore, when building a model, the self-proliferation and self-decomposition of the microbial groups are taken into account.

更に、本発明者らは、これら複数の微生物群が互いに種間競争を行うことに着目し、種間競争が各汚濁物質の分解に与える影響を加味した上でモデルを構築することで、モデルの精度が高まることを見出した。 Furthermore, the inventors focused on the interspecific competition between these multiple microbial groups and discovered that the accuracy of the model could be improved by building it while taking into account the impact of interspecific competition on the decomposition of each pollutant.

また、汚濁物質の濃度が高い場合は、その汚濁物質が毒性成分として微生物群の増殖を阻害し、もしくは微生物群を死滅させることが考えられる。本発明者らは、これら毒性成分が各汚濁物質の分解に与える影響を加味した上でモデルを構築することで、モデルの精度が更に高まることを見出した。 Furthermore, when the concentration of pollutants is high, the pollutants may act as toxic components and inhibit the growth of microbial communities or even kill them. The inventors have found that the accuracy of the model can be further improved by building it after taking into account the impact of these toxic components on the decomposition of each pollutant.

図1は、本実施形態に係る、複数の汚濁物質の分解をシミュレーションするモデルを示す模式図である。図1に示すように、本実施形態では、被処理水としてコークス排水を例示する。コークス排水に含まれるチオシアンはチオシアン分解微生物群Sが分解し、フェノールはフェノール分解微生物群Pが分解し、チオ硫酸はチオ硫酸分解微生物群Sが分解する。汚濁物質が分解された排水は処理水として排出される。なお、チオシアンを分解する微生物は複数種存在するため、これら微生物を総称して微生物群と称することとする。同様に、フェノールを分解する微生物は複数種存在するため、これら微生物を総称して微生物群と称することとし、チオ硫酸を分解する微生物は複数種存在するため、これら微生物を総称して微生物群と称することとする。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a model for simulating the decomposition of multiple pollutants according to this embodiment. As shown in FIG. 1 , this embodiment uses coke wastewater as an example of the water to be treated. Thiocyanate contained in the coke wastewater is decomposed by a thiocyanate-decomposing microbial group S, phenol is decomposed by a phenol-decomposing microbial group P, and thiosulfate is decomposed by a thiosulfate-decomposing microbial group S2 . The wastewater from which the pollutants have been decomposed is discharged as treated water. Note that, since there are multiple types of microorganisms that decompose thiocyanate, these microorganisms will be collectively referred to as a microbial group. Similarly, since there are multiple types of microorganisms that decompose phenol, these microorganisms will be collectively referred to as a microbial group, and since there are multiple types of microorganisms that decompose thiosulfate, these microorganisms will be collectively referred to as a microbial group.

好気性流動床を用いて生物学的に被処理水を処理する場合、各微生物群は流動担体に付着する。本発明者らは、各微生物群がそれぞれの汚濁物質を分解しながら増殖すると、流動担体において微生物群が競争し、この競争により微生物群が減少する現象を突き止めた。流動担体における各微生物群の付着量が比較的少ない場合は、各微生物群の競争による死滅は比較的少ないが、自己増殖により流動担体への各微生物群の付着量が飽和し、それ以上付着できない状態になると、種間競争が激しくなり、微生物群が減少することを突き止めた。 When treating water biologically using an aerobic fluidized bed, each microbial group attaches to the fluidized carrier. The inventors discovered that as each microbial group grows while decomposing their respective pollutants, they compete with each other on the fluidized carrier, and this competition results in a decrease in the microbial groups. When the amount of each microbial group attached to the fluidized carrier is relatively small, the deaths due to competition among the microbial groups are relatively low. However, when the amount of each microbial group attached to the fluidized carrier becomes saturated due to self-renewal and they can no longer attach, interspecies competition intensifies, and the microbial groups decrease.

このため、本発明者らは、図1に示したコークス炉排水中の3種の汚濁成分(フェノール、チオシアン、チオ硫酸)ごとに処理微生物群を分画したモデルに加え、それら微生物群間での競争関係を考慮して図2に示す競争系モデルを構築した。 For this reason, the inventors constructed a model shown in Figure 1 in which microbial groups were separated into groups to treat each of the three pollutant components (phenol, thiocyanate, and thiosulfate) in coke oven wastewater, and also constructed the competitive system model shown in Figure 2, taking into account the competitive relationships between these microbial groups.

構築したモデルは、モデルの特性を決定する複数のパラメータを含む。本発明者らは、モデルから得られる各汚濁物質の分解速度と、実験から得られる各汚濁物質の分解速度が一致するようにパラメータフィッティングを行い、パラメータフィッティングにより得られたパラメータをモデルに適用することで、モデルを完成させた。 The constructed model includes multiple parameters that determine the characteristics of the model. The inventors performed parameter fitting so that the decomposition rates of each pollutant obtained from the model matched the decomposition rates of each pollutant obtained from experiments, and completed the model by applying the parameters obtained through parameter fitting to the model.

このようにして完成したモデルを用いることで、被処理水であるコークス炉排水の処理後の水質が計算により求まる。したがって、処理後の処理水中の各汚濁物質の濃度が予測できる。また、モデルのパラメータは水質と関連するため、パラメータと関連する各種物理量を制御することで、処理後の水質を制御することが可能となる。 By using the model completed in this way, the post-treatment water quality of the coke oven wastewater, which is the water to be treated, can be calculated. Therefore, the concentration of each pollutant in the treated water can be predicted. Furthermore, because the model parameters are related to water quality, it is possible to control the post-treatment water quality by controlling the various physical quantities related to the parameters.

また、例えば、処理に必要な流動担体の投入量は、明確な規定が無く、33%(v/v)を規定値として、処理能力が足りない場合は、50%、66%と増量していく。しかし、過剰な増量は必要以上のコストの増加を生じてしまう問題がある。このような状況を鑑み、処理性能を精緻に予測するモデルが必要であるが、そのようなモデルは存在しなかった。 Furthermore, for example, there are no clear regulations regarding the amount of fluid carrier required for processing; the standard value is 33% (v/v), and if processing capacity is insufficient, the amount is increased to 50%, 66%, etc. However, excessive increases in volume can result in unnecessary increases in costs. In light of this situation, a model that can accurately predict processing performance is needed, but such a model did not exist.

本実施形態のモデルによって、流動担体の総表面積に対する水質の変化を予測することが可能である。従って、処理後の水質を所定の基準に維持するための流動担体の投入量を過不足なく算出することも可能となる。 The model of this embodiment makes it possible to predict changes in water quality relative to the total surface area of the carrier. Therefore, it is also possible to calculate the exact amount of carrier to be added to maintain post-treatment water quality at a specified standard.

図3は、本実施形態に係る排水の水質シミュレーション方法の処理手順を示すフローチャートである。先ず、ステップS10では、被処理水中の複数の汚濁物質の分解速度を計算するモデル式を構築する。次に、ステップS12では、複数の汚濁物質の分解速度の実測値を取得する。次に、ステップS14では、モデル式による分解速度の計算値と実測した分解速度に基づいてモデル式のパラメータをフィッティングする。次に、ステップS16では、パラメータがフィッティングされたモデル式を用いて排水の水質を計算する。ステップS16の後は処理を終了する。 Figure 3 is a flowchart showing the processing steps of the wastewater quality simulation method according to this embodiment. First, in step S10, a model formula is constructed to calculate the decomposition rates of multiple pollutants in the water to be treated. Next, in step S12, actual measured values of the decomposition rates of the multiple pollutants are obtained. Next, in step S14, parameters of the model formula are fitted based on the calculated values of the decomposition rates using the model formula and the actually measured decomposition rates. Next, in step S16, the model formula with the fitted parameters is used to calculate the wastewater quality. Processing ends after step S16.

図4は、本実施形態に係る排水の水質シミュレーション装置の構成例を示すブロック図である。より具体的には、図4は、水質シミュレーション装置が備えるプロセッサ100の機能ブロックを示す模式図である。水質シミュレーション装置のプロセッサ100は、排水中の複数の汚濁物質の分解速度の実測値とモデル式による分解速度の計算値とに基づいてモデル式のパラメータをフィッティングするパラメータフィッティング部110と、パラメータがフィッティングされたモデル式を用いて処理後の水質をシミュレーションする水質シミュレーション部120と、を有する。プロセッサ100が有するこれらの各部は、例えば、プロセッサ100上で動作するコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。つまり、プロセッサ100の機能ブロックは、プロセッサ100とこれを機能させるためのプログラム(ソフトウェア)から構成される。また、そのプログラムは、水質シミュレーション装置が備えるメモリまたは外部から接続される記録媒体に記録されていてもよい。あるいは、プロセッサ100が有するこれらの各部は、プロセッサ100に設けられる専用の演算回路であってもよい。 Figure 4 is a block diagram showing an example configuration of a wastewater quality simulation device according to this embodiment. More specifically, Figure 4 is a schematic diagram showing the functional blocks of a processor 100 included in the water quality simulation device. The processor 100 of the water quality simulation device includes a parameter fitting unit 110 that fits model equation parameters based on actual measurements of the decomposition rates of multiple pollutants in the wastewater and calculated decomposition rates using a model equation, and a water quality simulation unit 120 that simulates post-treatment water quality using the model equation to which the parameters have been fitted. Each of these units included in the processor 100 is a functional module implemented, for example, by a computer program running on the processor 100. In other words, the functional blocks of the processor 100 are composed of the processor 100 and a program (software) for operating the processor 100. The program may be stored in memory included in the water quality simulation device or on an externally connected recording medium. Alternatively, each of these units included in the processor 100 may be a dedicated arithmetic circuit provided in the processor 100.

以下、以下の[1]~[13]の順で本実施形態を実施例に基づいて詳細に説明する。
[1]チオシアンを汚濁物質とした水処理リアクターの運転
[2]フェノールを汚濁物質とした水処理リアクターの運転
[3]チオ硫酸を汚濁物質とした水処理リアクターの運転
[4]チオシアン、フェノール、チオ硫酸を汚濁物質とした水処理リアクターの運転
[5]競争系モデルの構築(毒性無し)
[7]自己分解速度(d)の同定
[8]1種モデルの部分的無次元化による簡略化(毒性あり)
[9]3種モデルの部分的無次元化による簡略化(毒性あり)
[10]モデル式のパラメータフィッティング
[11]3種モデルのシミュレーション結果
[12]毒性有りモデルと毒性無しモデルとの比較(1種)
[13]モデル式の活用
[14]非定常状態を考慮したパラメータフィッティング
[15]流動担体法による担体数の決定方法
[16]複数のパラメータセットを利用したシミュレーション方法
The present embodiment will be described in detail below based on examples in the order of [1] to [13].
[1] Operation of a water treatment reactor using thiocyanate as a pollutant. [2] Operation of a water treatment reactor using phenol as a pollutant. [3] Operation of a water treatment reactor using thiosulfate as a pollutant. [4] Operation of a water treatment reactor using thiocyanate, phenol, and thiosulfate as pollutants. [5] Construction of a competitive system model (non-toxic).
[7] Identification of autolysis rate (d i ) [8] Simplification by partial non-dimensionalization of the one-type model (with toxicity)
[9] Simplification of the three-type model by partial non-dimensionalization (with toxicity)
[10] Parameter fitting of the model formula [11] Simulation results of three types of models [12] Comparison of the toxic model and the non-toxic model (type 1)
[13] Use of model formulas [14] Parameter fitting considering unsteady states [15] Method for determining the number of carriers using the flow carrier method [16] Simulation method using multiple parameter sets

最初に、[1]~[4]では、コークス炉排水(安水)を模擬した被処理水を用いた、モデル解析用の水処理データの抽出について説明する。[1]~[3]では、チオシアンを汚濁物質とした場合、フェノールを汚濁物質とした場合、チオ硫酸を汚濁物質とした場合のそれぞれについて、水処理リアクターを運転し、水処理データの実測値が抽出される。また、[4]では、チオシアン、フェノール、およびチオ硫酸の3種を汚濁物質とした場合について、水処理リアクターを運転し、水処理データの実測値が抽出される。なお、水処理データの実測は、前述した特許文献1に記載された手法と同様に行うことができる。 First, in [1] to [4], we will explain the extraction of water treatment data for model analysis using treated water simulating coke oven wastewater (ammonia water). In [1] to [3], a water treatment reactor is operated and actual measured values of water treatment data are extracted for each of the cases where thiocyanate is the pollutant, where phenol is the pollutant, and where thiosulfate is the pollutant. In [4], a water treatment reactor is operated and actual measured values of water treatment data are extracted for the cases where thiocyanate, phenol, and thiosulfate are the pollutants. Note that the actual measurement of water treatment data can be performed in a manner similar to that described in Patent Document 1 mentioned above.

[1]チオシアンを汚濁物質とした水処理リアクターの運転
工業用水と自然海水とを体積比2:3で混合して得られた溶媒中に、表1に示す溶質を表1に示す濃度で溶解し、人工排水(被処理水)を調製した。
[1] Operation of a water treatment reactor using thiocyanate as a pollutant Industrial water and natural seawater were mixed in a volume ratio of 2:3 to obtain a solvent, and the solutes shown in Table 1 were dissolved in the concentrations shown in Table 1 to prepare artificial wastewater (water to be treated).

図5に示すように、1つの槽内で生物処理領域20aと沈降領域20bとが隔壁23により互いに隔てられていると共に、この隔壁23の下方で互いに連通する構造を有する一体型の生物処理装置20を用意した。また、ポリ瓶に10mm×10mm×10mmの大きさのスポンジ担体21〔流動担体(関東イノアック製AQ-1)〕と微生物植種源として高濃度の活性汚泥を投入し、手でよく揉み、一晩蓋をして浸け置くことで、微生物をスポンジ担体21に付着させた。なお、ここで投入する活性汚泥は、チオシアン分解微生物が多い植種源とすることが好ましい。一方、チオシアン、チオ硫酸、フェノールすべてが含まれるコークス炉排水を処理する活性汚泥を微生物源とするため、活性汚泥は、後述する[2]~[4]で投入する活性汚泥を含め、共通のものであってもよい。 As shown in Figure 5, an integrated biological treatment device 20 was prepared, in which a biological treatment zone 20a and a settling zone 20b are separated from each other by a partition 23 within a single tank, and the zones are interconnected below the partition 23. A 10mm x 10mm x 10mm sponge carrier 21 (fluid carrier (AQ-1 manufactured by Kanto Inoac)) and high-concentration activated sludge as a microbial inoculum were placed in a plastic bottle, kneaded thoroughly by hand, and left to soak overnight with a lid on, allowing the microorganisms to adhere to the sponge carrier 21. The activated sludge added here is preferably an inoculum rich in thiocyanate-decomposing microorganisms. However, since the activated sludge used to treat coke oven wastewater containing all of thiocyanate, thiosulfate, and phenol is used as the microbial inoculum, the activated sludge may be the same as the activated sludge added in steps [2] to [4] described below.

このようにして準備されたスポンジ担体21(500個)と活性汚泥を生物処理装置20の生物処理領域20a内に投入し、生物処理装置20を準備した。なお、投入量はみかけ体積で20%程度になるように決定した。生物処理領域20aの容積は3.4Lであるため、担体の投入率は14.7%(v/v)であるが、みかけ体積は20%程度であった。 The sponge carriers 21 (500 pieces) and activated sludge prepared in this way were placed into the biological treatment area 20a of the biological treatment device 20, and the biological treatment device 20 was prepared. The amount placed was determined to be approximately 20% of the apparent volume. Since the volume of the biological treatment area 20a was 3.4 L, the carrier placement rate was 14.7% (v/v), but the apparent volume was approximately 20%.

このようにして準備された生物処理装置20内に上記の被処理水24を流入させると共に、微生物植種源として活性汚泥を投入し、第1段処理時には、被処理水24の水理学的滞留時間が24時間となるように流入させた。また、各生物処理装置20内の被処理水24に空気曝気22を行って好気性流動床を形成させ、微生物の馴致を行った。また、5wt%-水酸化ナトリウム水溶液を用いてpHを7.5付近に調整しながら処理を行った。そして、生物処理装置20で処理された処理水26を生物処理装置20から排出させた。 The water to be treated 24 was then introduced into the biological treatment device 20 prepared in this manner, and activated sludge was added as a microbial inoculant source. During the first stage of treatment, the water to be treated 24 was introduced so that its hydraulic retention time was 24 hours. The water to be treated 24 in each biological treatment device 20 was aerated 22 to form an aerobic fluidized bed, allowing the microorganisms to acclimate. Treatment was also carried out while adjusting the pH to around 7.5 using a 5 wt% aqueous sodium hydroxide solution. The treated water 26 was then discharged from the biological treatment device 20.

各生物処理装置20の生物処理領域20a内の処理水についてチオシアン酸イオン濃度を測定してチオシアン酸イオンのモニタリングを行なった。モニタリングは週2回程度行った。 The thiocyanate ion concentration was measured in the treated water in the biological treatment area 20a of each biological treatment device 20 to monitor thiocyanate ions. Monitoring was performed approximately twice a week.

この第1段処理が安定した後、表2に示す1日当たりに流入するチオシアン酸イオン量になるように被処理水24を流入させた。各段とも少なくとも2週間程度運転することで、各段での処理水濃度の変動が安定することを確認してから、次の段に移行した。モニタリングは週2回程度行った。 After this first-stage treatment had stabilized, water to be treated 24 was introduced so that the amount of thiocyanate ions introduced per day was as shown in Table 2. Each stage was operated for at least two weeks, and once it was confirmed that the fluctuations in the treated water concentration at each stage had stabilized, the system moved on to the next stage. Monitoring was carried out approximately twice a week.

図6は、チオシアン酸イオンのモニタリングの結果から得られた、運転日数一日当たりのチオシアンの除去速度(分解速度)を示す特性図である。チオシアンの除去速度は、1日当たりに流入するチオシアン酸イオンの量と、モニタリングにより得られる生物処理領域20a内の処理水のチオシアン酸イオン濃度から得られる。つまり、チオシアンの除去速度は、生物処理領域20a内に流入する流入するチオシアン酸イオンの量と、生物処理領域20a内で処理しきれなかったチオシアン酸イオン(処理水中の残存チオシアン酸イオン)の量との差から得られる。 Figure 6 is a characteristic diagram showing the thiocyanate removal rate (decomposition rate) per day of operation, obtained from the results of thiocyanate ion monitoring. The thiocyanate removal rate is obtained from the amount of thiocyanate ions flowing in per day and the thiocyanate ion concentration of the treated water in the biological treatment area 20a, obtained through monitoring. In other words, the thiocyanate removal rate is obtained from the difference between the amount of thiocyanate ions flowing into the biological treatment area 20a and the amount of thiocyanate ions that were not completely treated in the biological treatment area 20a (residual thiocyanate ions in the treated water).

[2]フェノールを汚濁物質とした水処理リアクターの運転
工業用水と自然海水とを体積比2:3で混合して得られた溶媒中に、表3に示す溶質を表3に示す濃度で溶解し、人工排水(被処理水)を調製した。
[2] Operation of water treatment reactor using phenol as a pollutant Industrial water and natural seawater were mixed in a volume ratio of 2:3 to obtain a solvent, and the solutes shown in Table 3 were dissolved in the concentrations shown in Table 3 to prepare artificial wastewater (water to be treated).

また、ポリ瓶に10mm×10mm×10mmの大きさのスポンジ担体21〔流動担体(関東イノアック製AQ-1)〕と微生物植種源として高濃度の活性汚泥を投入し、手でよく揉み、一晩蓋をして浸け置くことで、微生物をスポンジ担体21に付着させた。なお、ここで投入する活性汚泥は、フェノール分解微生物が多い植種源とすることが好ましい。 Furthermore, a 10mm x 10mm x 10mm sponge carrier 21 [fluid carrier (AQ-1 manufactured by Kanto Inoac)] and high-concentration activated sludge as a microbial inoculum were placed in a plastic bottle, kneaded thoroughly by hand, and left to soak overnight with the lid on, allowing the microorganisms to adhere to the sponge carrier 21. It is preferable that the activated sludge placed here be an inoculum rich in phenol-degrading microorganisms.

このようにして準備されたスポンジ担体21(500個)と活性汚泥を生物処理装置20の生物処理領域20a内に投入した。 The sponge carriers 21 (500 pieces) and activated sludge prepared in this manner were placed into the biological treatment area 20a of the biological treatment device 20.

このようにして準備された生物処理装置20内に上記の被処理水24を流入させると共に微生物植種源として活性汚泥を投入し、第1段処理時には、被処理水24の水理学的滞留時間が24時間となるように流入させた。また、各生物処理装置20内の被処理水24に空気曝気22を行って好気性流動床を形成させ、微生物の馴致を行った。また、5wt%-水酸化ナトリウム水溶液を用いてpHを7.5付近に調整しながら処理を行った。そして、生物処理装置20で処理された処理水26を生物処理装置20から排出させた。 The water to be treated 24 was introduced into the biological treatment device 20 prepared in this manner, and activated sludge was added as a microbial inoculant source. During the first stage of treatment, the water to be treated 24 was introduced so that the hydraulic retention time of the water to be treated 24 was 24 hours. Furthermore, the water to be treated 24 in each biological treatment device 20 was aerated 22 to form an aerobic fluidized bed, allowing the microorganisms to acclimate. Furthermore, treatment was carried out while adjusting the pH to around 7.5 using a 5 wt% sodium hydroxide aqueous solution. The treated water 26 treated in the biological treatment device 20 was then discharged from the biological treatment device 20.

各生物処理装置20の生物処理領域20a内の処理水についてフェノール濃度を測定してフェノール濃度のモニタリングを行なった。モニタリングは週2回程度行った。 The phenol concentration was measured in the treated water in the biological treatment area 20a of each biological treatment device 20 to monitor the phenol concentration. Monitoring was performed approximately twice a week.

この第1段処理が安定した後、表4に示す1日当たりに流入するフェノール量になるように被処理水24を流入させた。各段とも少なくとも2週間程度運転することで、各段での処理水濃度の変動が安定することを確認してから、次の段に移行した。モニタリングは週2回程度行った。 After this first stage treatment had stabilized, treated water 24 was introduced so that the amount of phenol introduced per day was as shown in Table 4. Each stage was operated for at least two weeks, and once it was confirmed that the fluctuations in the treated water concentration at each stage had stabilized, the system moved on to the next stage. Monitoring was carried out approximately twice a week.

図7は、フェノールのモニタリングの結果から得られた、運転日数一日当たりのフェノールの除去速度(分解速度)を示す特性図である。フェノールの除去速度は、1日当たりに流入するフェノールの量と、モニタリングにより得られる生物処理領域20a内の処理水のフェノール濃度から得られる。つまり、フェノールの除去速度は、生物処理領域20a内に流入するフェノールの量と、生物処理領域20a内で処理しきれなかったフェノール(処理水中の残存フェノール)の量との差から得られる。 Figure 7 is a characteristic diagram showing the phenol removal rate (decomposition rate) per day of operation obtained from the results of phenol monitoring. The phenol removal rate is obtained from the amount of phenol flowing in per day and the phenol concentration in the treated water in the biological treatment area 20a obtained by monitoring. In other words, the phenol removal rate is obtained from the difference between the amount of phenol flowing into the biological treatment area 20a and the amount of phenol that was not completely treated in the biological treatment area 20a (residual phenol in the treated water).

[3]チオ硫酸を汚濁物質とした水処理リアクターの運転
工業用水と自然海水とを体積比2:3で混合して得られた溶媒中に、表5に示す溶質を表5に示す濃度で溶解し、人工排水(被処理水)を調製した。
[3] Operation of a water treatment reactor using thiosulfate as a pollutant Industrial water and natural seawater were mixed in a volume ratio of 2:3 to obtain a solvent, and the solutes shown in Table 5 were dissolved in the concentrations shown in Table 5 to prepare artificial wastewater (water to be treated).

また、ポリ瓶に10mm×10mm×10mmの大きさのスポンジ担体21〔流動担体(関東イノアック製AQ-1)〕と微生物植種源として高濃度の活性汚泥を投入し、手でよく揉み、一晩蓋をして浸け置くことで、微生物をスポンジ担体21に付着させた。なお、ここで投入する活性汚泥はチオ硫酸分解微生物が多い植種源とすることが好ましい。 Furthermore, a 10mm x 10mm x 10mm sponge carrier 21 [fluid carrier (AQ-1 manufactured by Kanto Inoac)] and high-concentration activated sludge as a microbial inoculum were placed in a plastic bottle, kneaded thoroughly by hand, and left to soak overnight with the lid on, allowing the microorganisms to adhere to the sponge carrier 21. It is preferable that the activated sludge placed here be an inoculum containing a high concentration of thiosulfate-decomposing microorganisms.

このようにして準備されたスポンジ担体21(500個)と活性汚泥を生物処理装置20の生物処理領域20a内に投入した。 The sponge carriers 21 (500 pieces) and activated sludge prepared in this manner were placed into the biological treatment area 20a of the biological treatment device 20.

このようにして準備された生物処理装置20内に上記の被処理水24を流入させると共に微生物植種源として活性汚泥を投入し、第1段処理時には、被処理水24の水理学的滞留時間が24時間となるように流入させた。また、各生物処理装置20内の被処理水24に空気曝気22を行って好気性流動床を形成させ、微生物の馴致を行った。また、5wt%-水酸化ナトリウム水溶液を用いてpHを7.5付近に調整しながら処理を行った。そして、生物処理装置20で処理された処理水26を生物処理装置20から排出させた。 The water to be treated 24 was introduced into the biological treatment device 20 prepared in this manner, and activated sludge was added as a microbial inoculant source. During the first stage of treatment, the water to be treated 24 was introduced so that the hydraulic retention time of the water to be treated 24 was 24 hours. Furthermore, the water to be treated 24 in each biological treatment device 20 was aerated 22 to form an aerobic fluidized bed, allowing the microorganisms to acclimate. Furthermore, treatment was carried out while adjusting the pH to around 7.5 using a 5 wt% sodium hydroxide aqueous solution. The treated water 26 treated in the biological treatment device 20 was then discharged from the biological treatment device 20.

各生物処理装置20の生物処理領域20a内の処理水についてチオ硫酸イオン濃度を測定してチオ硫酸イオン濃度のモニタリングを行なった。モニタリングは週2回程度行った。 The thiosulfate ion concentration was measured for the treated water in the biological treatment area 20a of each biological treatment device 20, and the thiosulfate ion concentration was monitored. Monitoring was performed approximately twice a week.

この第1段処理が安定した後、表6に示す1日当たりに流入するチオ硫酸イオン量になるように被処理水24を流入させた。各段とも少なくとも2週間程度運転することで、各段での処理水濃度の変動が安定することを確認してから、次の段に移行した。モニタリングは週2回程度行った。 After this first-stage treatment had stabilized, water to be treated 24 was introduced so that the amount of thiosulfate ions introduced per day was as shown in Table 6. Each stage was operated for at least two weeks, and once it was confirmed that the fluctuations in the treated water concentration at each stage had stabilized, the system moved on to the next stage. Monitoring was carried out approximately twice a week.

図8は、チオ硫酸のモニタリングの結果から得られた、運転日数一日当たりのチオ硫酸の除去速度(分解速度)を示す特性図である。チオ硫酸の除去速度は、1日当たりに流入するチオ硫酸イオンの量と、モニタリングにより得られる生物処理領域20a内の処理水のチオ硫酸イオン濃度から得られる。つまり、チオ硫酸の除去速度は、生物処理領域20a内に流入するチオ硫酸イオンの量と、生物処理領域20a内で処理しきれなかったチオ硫酸イオン(処理水中のチオ硫酸イオン)の量との差から得られる。 Figure 8 is a characteristic diagram showing the thiosulfate removal rate (decomposition rate) per day of operation obtained from the results of thiosulfate monitoring. The thiosulfate removal rate is obtained from the amount of thiosulfate ions flowing in per day and the thiosulfate ion concentration of the treated water in the biological treatment area 20a obtained by monitoring. In other words, the thiosulfate removal rate is obtained from the difference between the amount of thiosulfate ions flowing into the biological treatment area 20a and the amount of thiosulfate ions (thiosulfate ions in the treated water) that were not completely treated in the biological treatment area 20a.

[4]チオシアン、フェノール、チオ硫酸を汚濁物質とした水処理リアクターの運転
以上の[1]~[3]では、チオシアン、フェノール、チオ硫酸のいずれか1種を汚濁物質とし、それぞれについて個別に水処理リアクターを運転し、水処理データを抽出した。次に、チオシアン、フェノール、およびチオ硫酸の3種を汚濁物質として水処理リアクターを運転し、水処理データを抽出した。
[4] Operation of a water treatment reactor using thiocyanate, phenol, and thiosulfate as pollutants In the above [1] to [3], one of thiocyanate, phenol, and thiosulfate was used as the pollutant, and a water treatment reactor was operated for each pollutant separately to extract water treatment data. Next, a water treatment reactor was operated using the three pollutants thiocyanate, phenol, and thiosulfate to extract water treatment data.

工業用水と自然海水とを体積比2:3で混合して得られた溶媒中に、表7に示す溶質を表7に示す濃度で溶解し、人工排水(被処理水)を調製した。 Artificial wastewater (water to be treated) was prepared by dissolving the solutes shown in Table 7 at the concentrations shown in Table 7 in a solvent obtained by mixing industrial water and natural seawater in a volume ratio of 2:3.

また、ポリ瓶に10mm×10mm×10mmの大きさのスポンジ担体21〔流動担体(関東イノアック製AQ-1)〕と微生物植種源として高濃度の活性汚泥を投入し、手でよく揉み、一晩蓋をして浸け置くことで、微生物をスポンジ担体21に付着させた。なお、ここで投入する活性汚泥は、チオシアン分解微生物、フェノール分解微生物、チオ硫酸分解微生物が多い植種源とすることが好ましい。 Furthermore, a 10mm x 10mm x 10mm sponge carrier 21 [fluid carrier (AQ-1 manufactured by Kanto Inoac)] and high-concentration activated sludge as a microbial inoculum were placed in a plastic bottle, kneaded thoroughly by hand, and left to soak overnight with the lid on, thereby allowing the microorganisms to adhere to the sponge carrier 21. It is preferable that the activated sludge placed here be an inoculum rich in thiocyanide-decomposing microorganisms, phenol-decomposing microorganisms, and thiosulfate-decomposing microorganisms.

このようにして準備されたスポンジ担体21(500個)と活性汚泥を生物処理装置20の生物処理領域20a内に投入し、生物処理装置20を準備した。 The sponge carriers 21 (500 pieces) and activated sludge prepared in this manner were placed into the biological treatment area 20a of the biological treatment device 20, and the biological treatment device 20 was prepared.

このようにして準備された生物処理装置20内に上記の被処理水24を流入させると共に微生物植種源として活性汚泥を投入し、第1段処理時には、被処理水24の水理学的滞留時間が24時間となるように流入させた。また、各生物処理装置20内の被処理水24に空気曝気22を行って好気性流動床を形成させ、微生物の馴致を行った。また、5wt%-水酸化ナトリウム水溶液を用いてpHを7.5付近に調整しながら処理を行った。そして、生物処理装置20で処理された処理水26を生物処理装置20から排出させた。 The water to be treated 24 was introduced into the biological treatment device 20 prepared in this manner, and activated sludge was added as a microbial inoculant source. During the first stage of treatment, the water to be treated 24 was introduced so that the hydraulic retention time of the water to be treated 24 was 24 hours. Furthermore, the water to be treated 24 in each biological treatment device 20 was aerated 22 to form an aerobic fluidized bed, allowing the microorganisms to acclimate. Furthermore, treatment was carried out while adjusting the pH to around 7.5 using a 5 wt% sodium hydroxide aqueous solution. The treated water 26 treated in the biological treatment device 20 was then discharged from the biological treatment device 20.

各生物処理装置20の生物処理領域20a内の処理水についてチオシアン酸イオン、フェノールおよびチオ硫酸イオン濃度を測定してチオシアン酸イオン、フェノールおよびチオ硫酸イオン濃度のモニタリングを行なった。モニタリングは週2回程度行った。 The concentrations of thiocyanate ions, phenol, and thiosulfate ions were measured for the treated water in the biological treatment area 20a of each biological treatment device 20, and the concentrations of thiocyanate ions, phenol, and thiosulfate ions were monitored. Monitoring was performed approximately twice a week.

この第1段処理が安定した後、表8に示す1日当たりに流入するチオシアン酸イオン、フェノールおよびチオ硫酸イオン量になるように被処理水24を流入させた。各段とも少なくとも2週間程度運転することで、各段での処理水濃度の変動が安定することを確認してから、次の段に移行した。モニタリングは週2回程度行った。 After this first-stage treatment had stabilized, water to be treated 24 was introduced so that the amounts of thiocyanate ions, phenol, and thiosulfate ions introduced per day were as shown in Table 8. Each stage was operated for at least two weeks, and once it was confirmed that the fluctuations in the treated water concentrations at each stage had stabilized, the system moved on to the next stage. Monitoring was carried out approximately twice a week.

図9は、生物処理領域20a内の処理水のチオシアン酸イオンのモニタリングの結果から得られた、運転日数一日当たりのチオシアン酸イオン除去速度を示す特性図である。また、図10は、生物処理領域20a内の処理水のフェノールのモニタリングの結果から得られた、運転日数一日当たりのフェノール除去速度を示す特性図である。また、図11は、生物処理領域20a内の処理水のチオ硫酸のモニタリングの結果から得られた、運転日数一日当たりのチオ硫酸除去速度を示す特性図である。 Figure 9 is a characteristic diagram showing the thiocyanate ion removal rate per day of operation, obtained from the results of monitoring thiocyanate ions in the treated water in the biological treatment area 20a. Figure 10 is a characteristic diagram showing the phenol removal rate per day of operation, obtained from the results of monitoring phenol in the treated water in the biological treatment area 20a. Figure 11 is a characteristic diagram showing the thiosulfate removal rate per day of operation, obtained from the results of monitoring thiosulfate in the treated water in the biological treatment area 20a.

[5]競争系モデルの構築(毒性無し)
本発明者らは、図1に示したようにコークス炉排水中の3種の汚濁成分(フェノール=P、チオシアン=S、チオ硫酸=S)を考え、流動担体に付着した微生物を、汚濁成分それぞれを主として処理する3種の微生物群に分画した。それら微生物群の間での競争関係を考慮して図2に示す競争系モデルを構築した。処理プロセスが流動担体法であることから、構築した数理モデルは微生物群の量を担体の単位表面積あたりの量として記述した。
[5] Construction of a competitive model (non-toxic)
The inventors considered three pollutant components (phenol = P, thiocyanate = S, thiosulfate = S2 ) in coke oven wastewater as shown in Figure 1, and separated the microorganisms attached to the fluidized carrier into three microbial groups that mainly treat each of the pollutant components. Taking into account the competitive relationships between these microbial groups, a competitive system model was constructed as shown in Figure 2. Because the treatment process is a fluidized carrier method, the constructed mathematical model describes the amount of microbial groups as the amount per unit surface area of the carrier.

図1に示すように、コークス排水に含まれるチオシアンはチオシアン分解微生物群Sが分解し、コークス排水に含まれるフェノールはフェノール分解微生物群Pが分解し、コークス排水に含まれるチオ硫酸はチオ硫酸分解微生物群Sが分解する。各微生物群はチオシアン、フェノール、チオ硫酸を処理することで増殖する。また、各微生物群は、図2に示すように種間競争によって減少する。また、各微生物群は、自己分解によって減少する。このため、チオシアン分解微生物群、フェノール分解微生物群、チオ硫酸微生物群の変化量は、それぞれ以下の式(1)、式(2)、式(3)で表されることとした。 As shown in Figure 1, thiocyanide contained in the coking wastewater is decomposed by the thiocyanide-decomposing microbial group S, phenol contained in the coking wastewater is decomposed by the phenol-decomposing microbial group P, and thiosulfate contained in the coking wastewater is decomposed by the thiosulfate-decomposing microbial group S2 . Each microbial group grows by treating thiocyanide, phenol, and thiosulfate. Furthermore, each microbial group decreases due to interspecific competition as shown in Figure 2. Furthermore, each microbial group decreases due to autolysis. For this reason, the changes in the thiocyanide-decomposing microbial group, phenol-decomposing microbial group, and thiosulfate microbial group are expressed by the following formulas (1), (2), and (3), respectively.

式(1)、式(2)、式(3)のそれぞれにおいて、右辺の第1項は自己増殖に係る項(自己増殖項)である。また、右辺の第2項は、種間競争に係る項(種間競争項)である。また、右辺の第3項は、自己分解に係る項(自己分解項)である。 In each of equations (1), (2), and (3), the first term on the right-hand side is a term related to self-replication (self-replication term). The second term on the right-hand side is a term related to interspecific competition (interspecific competition term). The third term on the right-hand side is a term related to self-decomposition (self-decomposition term).

自己増殖項は、自己増殖により微生物群の密度b(i=S,P,S)が増えるため、その符号はプラス(+)である。一方、種間競争項は、微生物群の密度bが高いほど種間競争が激しくなり、より多くの微生物群が減少するため、その符号はマイナス(-)である。また、自己分解項は、微生物群の密度bが高いほど、より多くの微生物群が減少するため、その符号はマイナス(-)である。 The self-replication term has a positive (+) sign because the density b i (i = S, P, S 2 ) of the microbial community increases due to self-replication. On the other hand, the interspecific competition term has a negative (-) sign because the higher the density b i of the microbial community, the more intense the interspecific competition becomes and the more microbial communities are reduced. Also, the autolysis term has a negative (-) sign because the higher the density b i of the microbial community, the more microbial communities are reduced.

自己増殖項においてf(c)(i=S,P,S)は以下の式(4)で規定される。α(i=S,P,S)は増殖率を表す。cは汚水中の汚濁成分の濃度を表し、cはチオシアン濃度であり、cはフェノール濃度であり、cS2はチオ硫酸濃度である。kは過密による単位時間あたり死亡率、Kは単位面積当たりの基準微生物個体群密度,βiは最大増殖率の1/2の増殖率を与える汚濁成分濃度である. In the self-growth term, f i (c i ) (i = S, P, S 2 ) is defined by the following equation (4). α i (i = S, P, S 2 ) represents the growth rate. ci represents the concentration of the pollutant in the wastewater, c S is the thiocyanide concentration, c P is the phenol concentration, and c S2 is the thiosulfate concentration. ki is the death rate per unit time due to overcrowding, Ki is the standard microbial population density per unit area, and β i is the pollutant concentration that gives a growth rate that is half the maximum growth rate.

種間競争項において、Aij(i,j=S,P,S)は種間競争係数を表す。種間競争項によれば、競争相手である他の2種の微生物群の密度が高いほど、左辺の密度bの変化量が低下する。 In the interspecific competition term, A ij (i, j = S, P, S 2 ) represents the interspecific competition coefficient. According to the interspecific competition term, the higher the density of the other two competing microbial species, the smaller the change in density b i on the left side.

また、自己分解項において、d(i=S,P,S)は自己分解率を表す。自己分解項によれば、微生物群の密度bが高いほど、左辺の密度bの変化量が減少する。自己分解項は、微生物群の所定割合が自己分解により自然に死滅することを表している。 In the autolysis term, d i (i = S, P, S 2 ) represents the autolysis rate. According to the autolysis term, the higher the density b i of the microbial population, the smaller the change in density b i on the left side. The autolysis term represents the natural death of a certain proportion of the microbial population due to autolysis.

また、本発明者らは、3種の汚濁成分の分解モデルとして、以下の式(5)、式(6)、式(7)で表されるモデルを構築した。式(5)、式(6)、式(7)のそれぞれにおいて、c(i=S,P,S)は各汚濁成分の濃度を表し、cは汚水中のチアシオン酸濃度、cは汚水中のフェノール濃度、cS2は汚水中のチオ硫酸濃度である。 The inventors also constructed models expressed by the following formulas (5), (6), and (7) as decomposition models for three pollutant components. In each of formulas (5), (6), and (7), c i (i = S, P, S 2 ) represents the concentration of each pollutant component, c S is the concentration of thiathioic acid in the wastewater, c S is the concentration of phenol in the wastewater, and c S2 is the concentration of thiosulfate in the wastewater.

式(5)、式(6)、式(7)のそれぞれにおいて、左辺は、各汚濁成分の濃度cの変化量に生物処理装置20の容積Vを乗じた値である。また、式(5)、式(6)、式(7)のそれぞれにおいて、Lはスポンジ担体21の表面積である。 In each of equations (5), (6), and (7), the left side is the value obtained by multiplying the change in concentration ci of each pollutant component by the volume V of the biological treatment device 20. Also, in each of equations (5), (6), and (7), L is the surface area of the sponge carrier 21.

式(5)、式(6)、式(7)のそれぞれにおいて、右辺の第1項は汚濁物質分解反応項であり、h(b) (i=S,P,S)は以下の式(8)で表される。式(8)は、h(b)が微生物群の濃度bに応じて変化することを意味する。 In each of equations (5), (6), and (7), the first term on the right side is the pollutant decomposition reaction term, and h i (b i ) (i = S, P, S 2 ) is expressed by the following equation (8): Equation (8) means that h i (b i ) changes depending on the concentration b i of the microbial group.

また、式(5)、式(6)、式(7)のそれぞれにおいて、右辺の第2項は被処理水の流入項であり、被処理水24の生物処理装置30への流入による汚濁物質の濃度に関わる項である。P(i=S,P,S)は流入率であり、これは水理学的滞留時間の逆数として定義される。従って,流入率と水理学的対流時間との積が、被処理水24の生物処理装置20の生物処理領域20aへ1時間あたりに流入する被処理水の量となる。c in(i=S,P,S)は各汚濁物質(i種汚濁物質)の流入濃度である。具体的に、c in,c in,cS2 inは、流入する被処理水24中の各汚濁物質の割合から求まる値である。 Furthermore, in each of equations (5), (6), and (7), the second term on the right-hand side is the inflow term of the water to be treated, which is a term related to the concentration of pollutants due to the inflow of the water to be treated 24 into the biological treatment device 30. Pi (i = S, P, S2 ) is the inflow rate, which is defined as the reciprocal of the hydraulic retention time. Therefore, the product of the inflow rate and the hydraulic convection time is the amount of water to be treated 24 flowing into the biological treatment area 20a of the biological treatment device 20 per hour. Ciin ( i = S, P , S2 ) is the inflow concentration of each pollutant (type i pollutant). Specifically, cSin , cPin , and cS2in are values calculated from the proportion of each pollutant in the inflowing water to be treated 24.

[6]1種モデルの部分的無次元化(変数変換)による簡略化(毒性無し)
構築化したモデルのうち、種間競争項を除いた汚濁物質1種類を分解するモデルを一部無次元化することで、式(1)~(3)、式(5)~(7)を以下の式(9)、式(10)のように簡略化した。
[6] Simplification of the first-class model by partial non-dimensionalization (variable transformation) (non-toxic)
Of the constructed models, the model for decomposing one type of pollutant, excluding the interspecies competition term, was partially non-dimensionalized, and equations (1) to (3) and (5) to (7) were simplified to the following equations (9) and (10).

式(9)、式(10)では、K,kおよびスポンジ担体の総表面積L、生物処理領域の体積Vを無次元化している。簡略化の詳細は以下の通りである。先ず、式(1)~(3)のS,P,Sをiに置き換え、B=(ki/αi*Ki)*biと置き換える。また、式(1)~(3)において、右辺の種間競争項(第2項)を除く。更に、Rii*ri(L/V),Γi=(ki/αi*Ki)γiとし、方程式を整理すると式(9)、式(10)が得られる。この無次元化は、微生物群の密度bを無次元化するものである。汚濁物質の濃度cは、流入濃度c inが実験パラメータとして式(10)に入るので、無次元化していない。また、時間についても無次元化していない。 In equations (9) and (10), K i , k i , the total surface area L of the sponge carrier, and the volume V of the biological treatment area are non-dimensional. The details of the simplification are as follows: First, replace S, P, and S 2 in equations (1) to (3) with i, and then replace B i with B i = (k ii * K i ) * b i . Furthermore, in equations (1) to (3), the interspecies competition term (second term) on the right-hand side is removed. Furthermore, by setting R i = α i * r i (L/V) and Γ i = (k ii * K i ) γ i and rearranging the equations, equations (9) and (10) are obtained. This non-dimensionalization is intended to non-dimensionalize the density b i of the microbial population. The pollutant concentration c i is not non-dimensional because the inflow concentration c i in is included in equation (10) as an experimental parameter. Time is also not non-dimensionalized.

[7]自己分解速度(d)の同定
[5]又は[6]のモデルのパラメータを、[1]~[4]の実験によって決定するに際し、微生物群の増殖と分解が同時に起こっている通常の処理系においては、両者を区別して評価することは困難である。このため、先ずは自己分解速度d(i=S,P,S)(自己分解率)を、異なる処理系での実験に基づき決定した。
[7] Identification of autolysis rate (d i ) When determining the parameters of the model [5] or [6] through the experiments [1] to [4], it is difficult to distinguish between the growth and decomposition of microorganisms in a normal treatment system where both occur simultaneously. Therefore, the autolysis rate d i (i = S, P, S 2 ) (autolysis rate) was first determined based on experiments in different treatment systems.

[1]のチオシアンを汚濁物質とした水処理リアクター運転において、197日目から表1に示す溶質からチオシアン酸ナトリウムを除いた溶質で人工排水を調製することで、チオシアン分解微生物群にとって飢餓条件となるよう運転した。図12に示す通り、190日目、197日目、203日目、206日目、209日目、210日目および215日目に水処理リアクターからスポンジ担体21の30粒をそれぞれ採取し、表1に示す組成で調製した300mLの人工排水を入れたビーカー30に投入し、3時間の培養試験を実施した。そして、ビーカー30への担体投入前および3時間培養後のチオシアン濃度の差を算出した。図13は、各採取日に実施した培養試験でのチオシアン濃度の差を示す特性図である。 In operation of the water treatment reactor [1] using thiocyanate as a pollutant, artificial wastewater was prepared from the solutes shown in Table 1, excluding sodium thiocyanate, from the 197th day onward to create starvation conditions for the thiocyanate-decomposing microorganisms. As shown in Figure 12, 30 sponge carriers 21 were collected from the water treatment reactor on days 190, 197, 203, 206, 209, 210, and 215. They were then placed in a beaker 30 containing 300 mL of artificial wastewater prepared with the composition shown in Table 1, and a 3-hour incubation test was conducted. The difference in thiocyanate concentration before and after the 3-hour incubation was calculated. Figure 13 is a characteristic diagram showing the difference in thiocyanate concentration in the incubation test conducted on each sampling date.

この結果、図13に示すように、197日目以降、濃度差が減少し、203日目以降は濃度差が一定になった。203日目以降はスポンジ担体21に含まれる溶媒により、人工排水が希釈されて見かけ上は濃度差が認められたと考えられる。すなわち、190日目および197日目では、ビーカー30への担体投入による希釈とチオシアン分解により濃度差が大きくなったと考えられる。一方、203日目以降は、前記の通り、希釈のみによる濃度差と考えられる。ここで、197日目は人工排水からチオシアン酸ナトリウムを除いた日であり、リアクター内にまだチオシアンが残留している可能性があるため、198日目~203日目の5日間でチオシアン分解能が失われた、すなわちチオシアン分解微生物群が全滅したと考えられる。 As a result, as shown in Figure 13, the concentration difference decreased from day 197 onwards and remained constant from day 203 onwards. It is believed that from day 203 onwards, the artificial wastewater was diluted by the solvent contained in the sponge carrier 21, resulting in an apparent concentration difference. In other words, on days 190 and 197, the concentration difference is thought to have increased due to dilution caused by the carrier being added to beaker 30 and the decomposition of thiocyanate. On the other hand, from day 203 onwards, as mentioned above, the concentration difference is thought to be due solely to dilution. Here, day 197 was the day sodium thiocyanate was removed from the artificial wastewater, and there is a possibility that thiocyanate still remained in the reactor. Therefore, it is believed that the ability to decompose thiocyanate was lost over the five days from day 198 to day 203, i.e., the thiocyanate-decomposing microorganisms were completely wiped out.

式(9)において、培養試験においてチオシアン等の汚濁成分(i)の濃度cを0とした場合、式(9)は以下の式(11)となる。 In formula (9), if the concentration c i of the pollutant component (i) such as thiocyanate in the culture test is set to 0, formula (9) becomes the following formula (11).

式(11)のモデルに従うと、初期時刻での微生物量B(0)に対して、時刻tでの微生物量B(t)は以下の式(12)で表される。 According to the model of equation (11), the amount of microorganisms B i (t) at time t is expressed by the following equation (12), where B i (0) is the amount of microorganisms at the initial time.

式(12)をdについて解くと、以下の式(13)が得られる。 When equation (12) is solved for d i , the following equation (13) is obtained.

方程式系の単位時間は1時間であり、上述した実験結果によれば微生物群は初期状態から5日、すなわち120時間で全滅したと考えられる。モデル方程式では微生物群が全滅,即ちある時刻t1でB(t1)=0となることはないため、実験結果を120時間で初期時刻の1%程度まで微生物量が減少し、観測限界を下回ったと考えると、自己分解速度dは以下のように求められる。 The unit time in the equation system is 1 hour, and according to the experimental results described above, it is believed that the microbial community was wiped out 5 days from the initial state, i.e., 120 hours later. In the model equation, the microbial community will never be wiped out, i.e., B i (t1) = 0 at a certain time t1. Therefore, if we consider the experimental results to indicate that the microbial mass decreased to about 1% of the initial amount in 120 hours, below the observation limit, the autolysis rate d i can be calculated as follows:

以上から、チオシアン分解微生物群の自己分解速度dsは、0.0384程度と見積もられた。なお、フェノール、チオ硫酸についても自己分解速dとして上記の値を用いるが、同様の手法によりフェノール、チオ硫酸の自己分解速度を個々に求めてもよい。また、上述した自己分解速度の算出は一例であり、代わりに公知の活性汚泥モデルで提案されている自己分解係数を用いてもよい。 From the above, the autolysis rate ds of the thiocyanate-decomposing microorganisms was estimated to be approximately 0.0384. The above values are also used as the autolysis rates di for phenol and thiosulfate, but the autolysis rates of phenol and thiosulfate may be determined individually using a similar method. The calculation of the autolysis rate described above is only an example, and autolysis coefficients proposed in known activated sludge models may be used instead.

[8]1種モデルの部分的無次元化による簡略化(毒性あり)
汚濁物質濃度が高い場合は、その汚濁物質が毒性成分として対応する微生物群の増殖を阻害もしくは死滅させることが考えられる。特に、微生物群が処理しきれず、残存する汚濁物質は、毒性を示すことが考えられる。このため、以下の式(14)のように、ki、Ki、およびスポンジ担体の総表面積L、生物処理装置20の容積Vを無次元化した式(9)に対し、毒性に関わる項(右辺の第3項)を追加した。新たに追加した毒性に関わる項は、汚濁物質の濃度cが十分小さい時は0に近いが、汚濁物質の濃度cが十分大きくなると毒性が強くなり、微生物群の増加が抑制され,更には微生物群が減少することを意味する。
[8] Simplification of the Type 1 model by partial non-dimensionalization (toxicity)
When the concentration of pollutants is high, the pollutants may act as toxic components and inhibit or kill the growth of the corresponding microorganisms. In particular, the remaining pollutants that cannot be completely treated by the microorganisms may be toxic. For this reason, a term related to toxicity (the third term on the right side) was added to equation (9), which non-dimensionally represents k i , K i , the total surface area L of the sponge carrier, and the volume V of the biological treatment device 20, as shown in equation (14) below. The newly added term related to toxicity is close to zero when the concentration c i of the pollutants is sufficiently small, but becomes more toxic as the concentration c i of the pollutants becomes sufficiently large, suppressing the growth of the microorganisms and even reducing them.

[9]3種モデルの部分的無次元化による簡略化(毒性あり)
3種の汚濁物質(S:チオシアン、P:フェノール、S2:チオ硫酸)すべてが含まれる排水でのモデルを以下の式(15)、式(16)、式(17)の通り無次元化した。式(15)~(17)は、式(9)に種間競争項を追加した上で式(14)と同様に無次元化し、3種の汚濁物質に分画し(i=S,P,S)、毒性に関わる項(右辺の第3項)を追加することで得られる。無次元化でB=(ki/αi*Ki)*biとした際、種間競争項において、((α*KS)/k)*((α*K)/k)*A12=A’12,((α*K)/k)*((αS2*KS2)/kS2)*A13=A’13,((α*K)/k)*((α*K)/k)*A21=A’21,((α*K)/k)*((αS2*KS2)/kS2)*A23=A’23,((αS2*KS2)/kS2)*((α*K)/k)*A31=A’31,((αS2*KS2)/kS2)*((α*K)/k)*A32=A’32,と置き換える。また、式(18)~(20)は、式(15)を3種の汚濁物質に分画することで得られる(i=S,P,S)。
[9] Simplification of the three-type model by partial non-dimensionalization (with toxicity)
A model for wastewater containing all three pollutants (S: thiocyanate, P: phenol, S2: thiosulfate) was made dimensionless as shown in the following equations (15), (16), and (17). Equations (15) to (17) can be obtained by adding an interspecies competition term to equation (9), making it dimensionless in the same way as equation (14), fractionating it into three pollutant types (i = S, P, S2 ), and adding a term related to toxicity (the third term on the right-hand side). When B i =(k ii *K i )*b i in the non-dimensionalization, in the interspecific competition term, ((α S *K S )/k S )*((α P *K P )/k P )*A 12 =A' 12 , ((α S *K S )/k S )*((α S2 *K S2 )/k S2 )*A 13 =A' 13 , ((α P *K P )/k P )*((α S *K S )/k S )*A 21 =A' 21 , ((α P *K P )/k P )*((α S2 *K S2 )/k S2 )*A 23 =A' 23 , ((α S2 *K S2 )/k S2 )*((α S *K S )/k S )*A 31 =A' 31 , ((α S2 *K S2 )/k S2 )*((α P *K P )/k P )*A 32 =A' 32 . Furthermore, equations (18) to (20) can be obtained by dividing equation (15) into three types of pollutants (i=S, P, S 2 ).

[10]モデル式のパラメータフィッティング
式(15)~(20)におけるパラメータは、排水を用いた水処理実験結果と、構築したモデルをフィッティングすることで求まる。すなわち、式(15)~(20)のモデル方程式を[1]~[4]で説明した水処理実験の条件に合わせて数値計算を行い、各時刻における微生物群の量(密度)、および汚濁物質濃度を求め、汚濁物質の分解速度を得ることで、水処理実験の結果と比較する。数値計算に際しては、Runge-Kutta法等の公知の手法を用いる。数値計算と実験結果との比較に際しては、各時刻における分解速度が大きく変動することから、相対誤差を基にした基準を用いることがより好ましい。なお、初期時刻において、微生物群の量については、b(0)=1とし、汚濁物質濃度についてはc(0)=0とした。これは,モデル方程式から得られる状態が汚濁成分の分解が十分に行われている状態に速やかに収束することを期待して与えている。各汚濁物質の分解速度の実測値は、[1]~[4]で説明した実験から求められているため、これらのパラメータをフィッティングする必要はない。
[10] Parameter Fitting of the Model Equations The parameters in equations (15) to (20) are determined by fitting the constructed model to the results of a water treatment experiment using wastewater. That is, the model equations (15) to (20) are numerically calculated according to the conditions of the water treatment experiment described in [1] to [4] to determine the amount (density) of the microbial community and the pollutant concentration at each time point. The decomposition rate of the pollutants is then obtained and compared with the results of the water treatment experiment. For the numerical calculation, a known method such as the Runge-Kutta method is used. When comparing the numerical calculation with the experimental results, it is preferable to use a criterion based on relative error, since the decomposition rate varies greatly at each time point. Note that at the initial time, the amount of the microbial community was set to bi (0) = 1, and the pollutant concentration was set to c (0) = 0. This is done in the hope that the state obtained from the model equations will quickly converge to a state in which the pollutant components are sufficiently decomposed. The actual measured values of the decomposition rate of each pollutant have been obtained from the experiments described in [1] to [4], so there is no need to fit these parameters.

[10.1]パラメータフィッティングの詳細
各実験条件下で定常状態を達成できるとした場合を考える。この場合、各実験条件に添字nを対応させる。即ち、実験条件n(1≦n≦N)に対応して、スポンジ表面積L、流入率P、流入汚濁成分濃度cin が決定され、スポンジ表面積がL、流入率がP、流入汚濁成分濃度がc inであるとして数値計算を行うものとする。また、測定値をcとする。定常状態でパラメータフィッティングを行う場合、測定値cは各実験条件nにおける測定値の平均値とする。なお、測定値cは各実験条件nにおける定常状態に達した時の値であってもよい。この時、数値実験を以下のように行い、パラメータλに対応する数値実験値c^(λ)を計算する。なお、実験条件nは、各実験条件を指定する通し番号であり、Nは実験条件の総数である。ここでの実験条件とは、水理学的滞留時間、流入する物質の濃度,およびスポンジの総表面積で規定されるが、各実験条件の中には同一の条件を与えるものが存在する場合もある。
[10.1] Details of Parameter Fitting Consider the case where a steady state can be achieved under each experimental condition. In this case, a subscript n is assigned to each experimental condition. That is, the sponge surface area Ln , inflow rate Pn , and inflow pollutant concentration cinn are determined for each experimental condition n (1≦n≦N), and numerical calculations are performed assuming the sponge surface area is Ln , the inflow rate is Pn , and the inflow pollutant concentration is cnin . Furthermore, the measured value is cn . When parameter fitting is performed under a steady state, the measured value cn is the average value of the measured values under each experimental condition n. Note that the measured value cn may also be the value obtained when a steady state is reached under each experimental condition n. In this case, a numerical experiment is performed as follows, and the numerical experimental value c^ n (λ) corresponding to the parameter λ is calculated. Note that experimental condition n is a serial number specifying each experimental condition, and N is the total number of experimental conditions. The experimental conditions here are defined by the hydraulic retention time, the concentration of the inflowing material, and the total surface area of the sponge, but there may be some experimental conditions that provide the same conditions.

1)開始条件^b(λ),c^(λ)を適当に定める。典型的には、これは^b(λ)=1,c^(λ)=0として与えられ,汚濁成分の分解が十分に行われていることを期待して与えている。
2)^bn-1(λ),c^n-1(λ)を初期値としたモデル方程式の数値解を(t;λ),c- (t;λ)とする。このとき、^b(λ),c^(λ)を以下の式(21)、式(22)のように定める。
1) Appropriately set the starting conditions ^b 0 (λ) and c^ 0 (λ). Typically, these are set as ^b 0 (λ) = 1 and c^ 0 (λ) = 0, in the hope that the decomposition of pollutant components is sufficiently performed.
2) The numerical solutions of the model equations with ^b n-1 (λ) and c^ n-1 (λ) as initial values are defined as -b n (t; λ) and c - n (t; λ), where ^b n (λ) and c^ n (λ) are defined as in the following equations (21) and (22).

数学上の表現は上記のようになるが、実用的には数値的に十分収束したとみなされる程度まで数値計算を行い、そこで打ち切って極限値の代用とすることになる。
以上の数値実験値c^(λ)を用いて、コスト関数E(λ)を計算する。コスト関数E(λ)は適宜設定されるが、今回の実施例では分解速度の相対誤差を利用して、以下の式(23)の定義を用いた。
The mathematical expression is as above, but in practice, the numerical calculation is performed until it is deemed to have converged sufficiently numerically, and then it is stopped at that point and used as a substitute for the limit value.
The cost function E(λ) is calculated using the above numerical experimental value c^ n (λ). The cost function E(λ) is set appropriately, but in this example, the definition of the following equation (23) is used, utilizing the relative error of the decomposition rate.

実施例ではE(λ)を尤度関数としてメトロポリス・ヘイスティング法によるサンプリングを行い、E(λ)を最小化するパラメータを探索した。 In this example, sampling was performed using the Metropolis-Hastings method with E(λ) as the likelihood function, and parameters that minimize E(λ) were searched for.

パラメータのうち、α,β,ω,δ,R,Γ,n,m,q(i=S,P,S)は、いずれも種間競争項に関係しないパラメータである。このため、これらのパラメータは、上記[1]~[3]で説明した1種の汚濁物質が含まれる排水を用いた水処理実験結果から得られる各汚濁物質の分解速度と、種間競争項を除いた1種の汚濁物質を対象にしたモデル(式(14)、式(10))から求まる各汚濁物質の分解速度とが一致するようにパラメータをフィッティングすることで求まる。または、これらのパラメータは、上記[1]~[3]で説明した1種の汚濁物質が含まれる排水を用いた水処理実験結果から得られる各汚濁物質の濃度と、種間競争項を除いた1種の汚濁物質を対象にしたモデル(式(14)、式(10))から求まる各汚濁物質の濃度とが一致するようにパラメータをフィッティングすることで求まる。各汚濁物質の分解速度によるパラメータのフィッティングと、各汚濁物質の濃度によるパラメータのフィッティングのいずれを行うかは、設計する水処理プロセスに応じて適宜選択することができる。例えば、水処理プロセスの処理能力、特に能力最大値を計算する場合は分解速度によるフィッティングが行われる。また、例えば、各汚濁物質の残留する(処理しきれない)濃度を計算し、排水基準に対して問題ないかを計算する場合は濃度によるフィッティングが行われる。なお、種間競争項に関係しないパラメータを求めるためのフィッティングを第1段階のフィッティングと称する。ここで、Rii*ri(L/V)であるため、Riが求まるとriが求まる。また、Γi=(αi*ki/Ki)γiであるため、Γiが求まるとγiが求まる。 Among the parameters, αi , βi , ωi , δi , Ri , Γi , ni , mi , qi (i = S, P, S2 ) are all parameters that are not related to the interspecies competition term. Therefore, these parameters are determined by fitting the parameters so that the decomposition rate of each pollutant obtained from the results of water treatment experiments using wastewater containing one type of pollutant as described in [1] to [3] above matches the decomposition rate of each pollutant determined from the model for one type of pollutant excluding the interspecies competition term (Equation (14), Equation (10)). Alternatively, these parameters can be determined by fitting parameters so that the concentrations of each pollutant obtained from the results of water treatment experiments using wastewater containing one type of pollutant as described in [1] to [3] above match the concentrations of each pollutant determined from a model (Equation (14), Equation (10)) targeting one type of pollutant excluding the interspecies competition term. Whether fitting parameters based on the decomposition rate of each pollutant or fitting parameters based on the concentration of each pollutant is performed can be selected appropriately depending on the water treatment process being designed. For example, fitting based on the decomposition rate is performed when calculating the treatment capacity of the water treatment process, particularly the maximum capacity. Furthermore, fitting based on the concentration is performed when calculating the remaining (untreated) concentration of each pollutant and determining whether it satisfies the effluent standards. Note that fitting to determine parameters unrelated to the interspecies competition term is referred to as the first-stage fitting. Here, since R i = α i * r i (L/V), once R i is determined, r i is determined. Furthermore, since Γ i =(α i *k i /K ii , once Γ i is found, γ i is found.

例えば、1種の汚濁物質がチアシオンであり、上記[1]の水処理実験結果から得られるチオシアンの分解速度から種間競争項に関係しないパラメータα,β,ω,δ,R,Γ,n,m,qをフィッティングする場合、表2に示した段階1~8において、式(14)、式(10)から計算したチオシアンの分解速度が、図6に示した実験で得られたチオシアンの分解速度と一致するようにパラメータフィッティングを行う。 For example, when one type of pollutant is thiathione and the parameters α S , β S , ω S , δ S , R S , Γ S , n S , m S , and q S that are not related to the interspecies competition term are fitted from the decomposition rate of thiocyanate obtained from the water treatment experiment results in [ 1 ] above, parameter fitting is performed in steps 1 to 8 shown in Table 2 so that the decomposition rate of thiocyanate calculated from equations (14) and (10) matches the decomposition rate of thiocyanate obtained from the experiment shown in Figure 6.

また、A’12,A’13,A’21,A’23,A’31,A’32の各競争係数は、上記[4]の3種の汚濁物質が含まれる排水を用いた水処理実験結果と、上述した式(15)~(20)のモデルの計算値をフィッティングする、第2段階のフィッティングにより求めることができる。この際、第1段階のフィッティングでA’12,A’13,A’21,A’23,A’31,A’32以外のパラメータが既に求められているため、これらのパラメータが式(15)~(20)に組み込まれた状態で第2段階のフィッティングが行われる。 Furthermore, the competitive coefficients A'12 , A'13 , A'21 , A'23 , A'31 , and A'32 can be determined by a second-stage fitting, in which the results of a water treatment experiment using wastewater containing the three pollutants described above in [4] are fitted to the calculated values of the model of the above-mentioned equations (15) to (20). In this case, since parameters other than A'12 , A'13 , A'21 , A'23 , A'31 , and A'32 have already been determined in the first-stage fitting, the second-stage fitting is performed with these parameters incorporated into equations (15) to (20).

この場合、表8に示した段階1~9において、式(15)~(20)から計算した各汚濁物質の分解速度が、図9~図11に示した実験で得られた各汚濁物質の分解速度と一致するようにパラメータフィッティングを行う。または、表8に示した段階1~9において、式(15)~(20)から計算した各汚濁物質の濃度が、図9~図11に示した実験で得られた各汚濁物質の濃度と一致するようにパラメータフィッティングを行う。 In this case, parameter fitting is performed in stages 1 to 9 shown in Table 8 so that the decomposition rate of each pollutant calculated from equations (15) to (20) matches the decomposition rate of each pollutant obtained in the experiments shown in Figures 9 to 11. Alternatively, parameter fitting is performed in stages 1 to 9 shown in Table 8 so that the concentration of each pollutant calculated from equations (15) to (20) matches the concentration of each pollutant obtained in the experiments shown in Figures 9 to 11.

[11]3種モデルのシミュレーション結果
以上の手法でパラメータを求めた結果を示す。先ず、[1]、[2]および[3]で運転したチオシアン、フェノール、チオ硫酸のそれぞれ1種を汚濁物質とした水処理リアクターから得られる実測データに基づき、[8]で構築した1種の汚濁物質を対象にしたモデル(式(14)、式(10))についてパラメータフィッティングを行った。自己分解速度(d)は[7]で求めた値を用いた。この結果、以下の表9の通りパラメータが推定された。なお、パラメータn、m、qは自然数の範囲でフィッティングした。
[11] Simulation results for three types of models The results of determining parameters using the above method are shown below. First, based on the actual measurement data obtained from water treatment reactors operated in [1], [2], and [3] using one type of pollutant, thiocyanate, phenol, or thiosulfate, parameter fitting was performed for the model (Equation (14), Equation (10)) constructed in [8] targeting one type of pollutant. The value determined in [7] was used for the autolysis rate (d i ). As a result, the parameters were estimated as shown in Table 9 below. Note that the parameters n i , m i , and q i were fitted within the range of natural numbers.

続いて、[4]で運転したチオシアン、フェノール、チオ硫酸の3種全てを汚濁物質とした水処理リアクターのデータを基に、第1段階のフィッティングで決定したパラメータを用いて、[9]で構築した3種の汚濁物質を対象にしたモデル(式(15)~(20))の種間競争項の係数について、パラメータフィッティングを行った。この結果、以下の通りパラメータが推定された。 Next, based on the data from the water treatment reactor operated in [4] with all three pollutants - thiocyanate, phenol, and thiosulfate - parameter fitting was performed using the parameters determined in the first stage of fitting to determine the coefficients of the interspecies competition terms in the model (equations (15) to (20)) for the three pollutants constructed in [9]. As a result, the following parameters were estimated.

推定したパラメータを用いた[9]のモデルを用いて、チオシアン(SCN)、フェノール(P)、チオ硫酸(S2)の各汚濁成分の分解速度を計算し、[4]の実験で求めた分解速度の実測値と比較した。図14~図16は、計算値(Calculation)と実測値(Experiment)を比較した結果を示す特性図である。図14はチアシオンについての比較結果を、図15はフェノールについての比較結果を、図16はチオ硫酸についての比較結果を示している。図14~図16において、上側の図の縦軸は分解速度を示しており、下側の図の縦軸は計算値から実測値を差し引いて得られる値を実測値で除算した比率((計算値-実測値)/実測値)を示している。図14~図16の結果によれば、本発明に係る排水の水質シミュレーション方法により、精緻に実測値をシミュレーションできていたことが判る。 Using the model [9] with the estimated parameters, the decomposition rates of each pollutant, thiocyanate (SCN), phenol (P), and thiosulfate (S2), were calculated and compared with the measured decomposition rates obtained in the experiment [4]. Figures 14 to 16 are characteristic diagrams showing the results of comparing the calculated and measured values. Figure 14 shows the comparison results for thiocyanate, Figure 15 shows the comparison results for phenol, and Figure 16 shows the comparison results for thiosulfate. In Figures 14 to 16, the vertical axis of the upper graph represents the decomposition rate, and the vertical axis of the lower graph represents the ratio ((calculated value - measured value)/measured value) obtained by subtracting the measured value from the calculated value and dividing it by the measured value. The results of Figures 14 to 16 demonstrate that the wastewater quality simulation method of the present invention was able to precisely simulate the measured values.

[12]毒性有りモデルと毒性無しモデルとの比較(1種)
次に、[6]および[8]で構築した1種の汚濁物質を対象にしたモデルについて、[1]で運転したチオシアンを汚濁物質とした水処理リアクターの実測値データに基づいてパラメータフィッティングを行い、シミュレーション結果を求め、実測値と比較した。自己分解速度(d)は[7]で求めた値を用いた。
[12] Comparison of toxic and non-toxic models (1 type)
Next, for the model for one pollutant constructed in [6] and [8], parameter fitting was performed based on the measured data of the water treatment reactor operated in [1] using thiocyanate as the pollutant, and the simulation results were compared with the measured values. The autolysis rate (d i ) was the value calculated in [7].

毒性有りモデルでは、上記[1]の表2に示した段階1~9をCondition1~9とし、各Conditionにおいて、式(14)、式(10)から計算した水処理速度が、図6に示した実験で得られた分解速度と一致するようにパラメータフィッティングを行った。 In the toxic model, stages 1 to 9 shown in Table 2 in [1] above were designated as Conditions 1 to 9, and parameter fitting was performed so that the water treatment rate calculated from Equation (14) and Equation (10) for each condition matched the decomposition rate obtained in the experiment shown in Figure 6.

また、毒性無しモデルでは、上記[1]の表2に示した段階1~9をCondition1~9とし、各Conditionにおいて、式(9)、式(10)から計算した水処理速度が、図6に示した実験で得られた分解速度と一致するようにパラメータフィッティングを行った。 In addition, in the non-toxic model, stages 1 to 9 shown in Table 2 in [1] above were set as conditions 1 to 9, and parameter fitting was performed so that the water treatment rate calculated from equations (9) and (10) for each condition matched the decomposition rate obtained in the experiment shown in Figure 6.

図17は、毒性有りモデルと毒性無しモデルを比較した結果を示す特性図である。図17の上段は毒性無しモデルにおいて、計算値と実測値を比較した結果を示している。また、図17の下段は毒性有りモデルにおいて、計算値(Calculation)と実測値(Experiment)を比較した結果を示している。ここでも、左側の図の縦軸は分解速度を示しており、右側の図の縦軸は計算値から実測値を差し引いて得られる値を実測値で除算した比率((計算値-実測値)/実測値)を示している。図17の結果によれば、毒性無しモデルでは実測値(Experiment)とシミュレーション結果(Calculation)が大きく異なったが、毒性を考慮したモデルを用いることで、実測値とほぼ同じシミュレーション結果を得ることができた。 Figure 17 is a characteristic diagram showing the results of comparing the toxic model and the non-toxic model. The top of Figure 17 shows the results of comparing the calculated values and the measured values for the non-toxic model. The bottom of Figure 17 shows the results of comparing the calculated values (Calculation) and the measured values (Experiment) for the toxic model. Again, the vertical axis of the left-hand graph shows the decomposition rate, and the vertical axis of the right-hand graph shows the ratio ((Calculation value - Measured value) / Measured value) obtained by subtracting the measured value from the calculated value and dividing it by the measured value. According to the results of Figure 17, the measured values (Experiment) and simulation results (Calculation) differed significantly for the non-toxic model, but by using a model that takes toxicity into account, simulation results that were nearly identical to the measured values were obtained.

[13]モデル式の活用
パラメータフィッティングの結果、式(15)~式(20)のモデルが完成すると、図14~図15に示したように、各汚濁物質の分解速度のシミュレーションが可能となる。また、各微生物群の濃度のシミュレーションも可能となる。
[13] Utilization of the model formulas Once the models of formulas (15) to (20) are completed as a result of parameter fitting, it becomes possible to simulate the decomposition rate of each pollutant, as shown in Figures 14 and 15. It also becomes possible to simulate the concentration of each microbial group.

更に、式(15)~式(20)によれば、各汚濁物質の流入濃度c in,c in,cS2 inに基づいて、分解処理後の処理水26中の各汚濁物質の濃度c,c,cS2が求まる。したがって、処理水中26の各汚濁物質の濃度を所望の値以下に制限するような制御も可能となる。 Furthermore, according to equations (15) to (20), the concentrations c S , c P , and c S2 of each pollutant in the treated water 26 after decomposition treatment can be determined based on the inflow concentrations c S in , c P in , and c S2 in of each pollutant. Therefore, it is possible to control the concentration of each pollutant in the treated water 26 to be below a desired value.

例えば、式(15)~式(20)において、上述したように、R*r(L/V)である。したがって、フィッティングにより求められたRの値に対し、Lの値を変更することで、これらの値を変更した場合の各汚濁物質の濃度c,c,cS2が求まる。これにより、処理水中26の各汚濁物質の濃度を所望の値に制御する場合に、必要なスポンジ担体21の表面積Lが求まるため、各汚濁物質の濃度の目標値に応じてスポンジ担体21を過不足なく投入することが可能となる。これにより、スポンジ担体21が過剰に投入されてしまうことによるコスト増が抑制される。また、スポンジ担体21を過不足なく投入することで、スポンジ担体21が必要な微生物群によって占められ、不要な微生物群を排除することも可能となる。 For example, in equations (15) to (20), as described above, R ii *r i (L/V). Therefore, by changing the value of L for the value of R i obtained by fitting, the concentrations c S , c P , and c S2 of each pollutant when these values are changed can be determined. This allows the required surface area L of the sponge carrier 21 to be determined when controlling the concentration of each pollutant in the treated water 26 to a desired value, making it possible to add just the right amount of sponge carrier 21 according to the target concentration of each pollutant. This prevents costs from being increased by adding too much sponge carrier 21. Furthermore, by adding just the right amount of sponge carrier 21, the sponge carrier 21 is occupied by the necessary microbial population, making it possible to eliminate unnecessary microbial populations.

[14]非定常状態を考慮したパラメータフィッティング
以上の説明では、各実験条件下で定常状態を達成できるものとし、各段階における測定データの平均値を代表値として、この値を1日あたりの除去速度とした。一方、定常問題を解くモデルの場合、ある操業条件で定常状態に達した後の安定した状態での処理能力を評価することができるが、実際の微生物の増減には時間的な要素が含まれるため、時間変化を考慮した非定常状態での処理能力を評価できるモデルとすることが好ましい。
[14] Parameter fitting taking into account unsteady states In the above explanation, it was assumed that a steady state could be achieved under each experimental condition, and the average value of the measurement data at each stage was used as a representative value, and this value was used as the removal rate per day. On the other hand, in the case of a model that solves a steady state problem, it is possible to evaluate the treatment capacity in a stable state after reaching a steady state under certain operating conditions, but because the actual increase and decrease of microorganisms includes a time element, it is preferable to use a model that can evaluate the treatment capacity in an unsteady state taking time changes into account.

図18は、上述した[1]のチオシアンを汚濁物質とした水処理リアクターの運転において、実験結果から得られた生物処理領域20a内の処理水のチオシアン濃度を示す特性図である。図18に示す1~8の段階は、表2に示した段階1~8にそれぞれ対応する。図18に示すように、同じ実験条件(段階)においても汚濁物質の濃度は時々刻々と変化しており、水質データは時間変化している。このため、ここでは、時間変化を考慮した非定常状態での水質シミュレーションが可能なモデルを構築する。非定常状態での水質シミュレーションが可能なモデルによれば、時々刻々と変化する汚濁物質の濃度を求めることが可能になる。これにより、例えば、処理水中に残存する汚濁物質の濃度があと何日間で規定を満足するレベルに回復するか、あるいは汚濁物質の濃度が何日間で規定を超えるレベルに悪化するといった情報が得られることになる。 Figure 18 is a characteristic diagram showing the thiocyanate concentration of treated water in the biological treatment area 20a obtained from experimental results during operation of the water treatment reactor described above in [1] using thiocyanate as a pollutant. Stages 1 to 8 in Figure 18 correspond to stages 1 to 8 in Table 2, respectively. As shown in Figure 18, even under the same experimental conditions (stages), the pollutant concentration changes from moment to moment, and the water quality data changes over time. For this reason, we will build a model that can simulate water quality in an unsteady state, taking time changes into account. A model that can simulate water quality in an unsteady state makes it possible to determine the pollutant concentration, which changes from moment to moment. This makes it possible to obtain information such as, for example, how many days it will take for the concentration of pollutants remaining in the treated water to recover to a level that meets specifications, or how many days it will take for the concentration of pollutants to deteriorate to a level that exceeds specifications.

定常状態として扱う場合には、各実験条件に添字nを対応させたが、非定常状態として扱う場合には、各測定に添字nを対応させる。すなわち、測定n(1≦n≦N)に対応して、スポンジ総表面積L、流入率P、流入汚濁成分濃度c inが決定されるものとする。また、測定値をcとする。この時、数値実験を以下のように行い、パラメータλに対応する数値実験値c^(λ)を計算する。 When treating it as a steady state, the subscript n is assigned to each experimental condition, but when treating it as an unsteady state, the subscript n is assigned to each measurement. That is, the total sponge surface area Ln , inflow rate Pn , and inflow pollutant component concentration cnin are determined corresponding to measurement n (1≦n≦N). Also, the measured value is cn . At this time, a numerical experiment is performed as follows, and the numerical experimental value c^ n (λ) corresponding to the parameter λ is calculated.

1)開始条件^b(0;λ),c^(0;λ)を適当に定める。典型的には、これは^b(0;λ)=1,c^(0;λ)=0として与えられ、汚濁成分の分解が十分に行われていることを期待して与えている。定常状態として扱う場合と異なり、非定常状態として扱う場合には、開始条件がコスト関数の値に影響を与えることが考えられる。適切な開始条件の推定は推定する必要のあるパラメータを増やしてしまうため、実用上は初期のみ汚濁成分の分解を十分に行える条件で定常状態に達するまで運転することが望ましいと考えられる。 1) Appropriately set the starting conditions ^b(0;λ) and c^(0;λ). Typically, these are given as ^b(0;λ) = 1 and c^(0;λ) = 0, with the expectation that pollutant components are being sufficiently decomposed. Unlike when treating the system as a steady state, when treating the system as a non-steady state, the starting conditions may affect the value of the cost function. Since estimating appropriate starting conditions increases the number of parameters that need to be estimated, in practice it is considered desirable to operate the system under conditions that allow sufficient decomposition of pollutant components only in the early stages until a steady state is reached.

2)時刻tn-1でb(tn-1)=^b(tn-1;λ),c(tn-1)=c^(tn-1;λ)として、モデル方程式を時刻tまで数値積分する。このとき、運転条件はスポンジ表面積がL、流入率がP、流入汚濁成分濃度がc inであるとして数値計算を行う。 2) At time tn -1 , set b(tn -1 ) = ^b(tn -1 ; λ) and c(tn -1 ) = c^(tn -1 ; λ) and numerically integrate the model equation up to time tn . At this time, the numerical calculation is performed under the operating conditions of sponge surface area Ln , inflow rate Pn , and inflow pollutant concentration cn in .

以上の数値実験値c^(λ)を用いてコスト関数E(λ)を計算する。コスト関数E(λ)は適宜設定されるが、ここでは以下の式(24)のコスト関数E(λ)を用いた。 The cost function E(λ) is calculated using the above numerical experimental value c^ n (λ). The cost function E(λ) is set appropriately, but here the cost function E(λ) of the following equation (24) is used.

式(24)において、εは測定誤差に関連付けられるパラメータであり、実施例ではε=1.0としている。また、E(λ)を尤度関数としてメトロポリス法によるサンプリングを行い、E(λ)を最小化するパラメータを模索している。 In equation (24), ε is a parameter associated with the measurement error, and in this example, ε = 1.0. Furthermore, sampling is performed using the Metropolis method with E(λ) as the likelihood function to explore the parameters that minimize E(λ).

ここでは、図18に示した実験結果、すなわち上述した[1]の実験結果に基づき、チオシアンを汚濁物質として非定常状態での水質シミュレーションが可能なモデルを構築した。第1段階のパラメータフィッティングの結果、α≒0.0491、β≒0.0072、ω≒0.0115、R≒1.6453、γ≒0.292、δ≒0.3017、n=1、ms=1、qs=3であった。なお、同様の手法を上述した[2]~[4]の実験結果に適用することで、他の汚濁物資、3種の汚濁物質についても、非定常状態での水質シミュレーションが可能なモデルを構築することが可能である。構築したモデルによれば、スポンジ総表面積L、流入率P、流入汚濁成分濃度c inに応じて、処理水中の複数の汚濁物質のそれぞれの濃度について、任意時点の値から後の任意時点における値を予測することが可能となる。 Here, based on the experimental results shown in Figure 18, i.e., the experimental results of [1] above, a model capable of simulating water quality in an unsteady state using thiocyanate as the pollutant was constructed. The results of the first stage of parameter fitting were α S ≒ 0.0491, β S ≒ 0.0072, ω S ≒ 0.0115, R S ≒ 1.6453, γ S ≒ 0.292, δ S ≒ 0.3017, n S = 1, ms = 1, and qs = 3. Note that by applying a similar method to the experimental results of [2] to [4] above, it is possible to construct models capable of simulating water quality in an unsteady state for other pollutants, including the three types of pollutants. The constructed model makes it possible to predict the concentration of each of multiple pollutants in the treated water from the value at any point in time to the value at any later point in time, depending on the total surface area of the sponge L n , the inflow rate P n , and the inflow pollutant component concentration c n in .

図19は、図18に示した実験結果に基づく、チオシアン濃度の実測値と、時間変化を考慮した非定常状態のモデルにより得られたチオシアン濃度のシミュレーション結果(実線で示す特性)を示す特性図であって、縦軸はチオシアン濃度を、横軸は日数を示している。図19に示すように、非定常状態での水質シミュレーションが可能なモデルによれば、処理段階7において急激に処理水中のチオシアン濃度が上昇することが判る。したがって、処理が悪化する時期の予測が可能となる。また、図19に示すように、非定常状態での水質シミュレーションが可能なモデルによれば、処理段階が変わった直後(段階3から4へ切り替わった直後、段階5から段階6へ切り替わった直後など)は、処理微生物の増殖が追いつかず、一時的に処理水中のチオシアン濃度が上昇し、一時的に処理が悪化することが判る。 Figure 19 is a characteristic diagram showing the actual measured values of thiocyanate concentration based on the experimental results shown in Figure 18, and the simulation results of thiocyanate concentration obtained using a non-steady-state model that takes time changes into account (characteristics shown by the solid line). The vertical axis represents thiocyanate concentration, and the horizontal axis represents the number of days. As shown in Figure 19, the model capable of simulating water quality under non-steady-state conditions shows that the thiocyanate concentration in the treated water rises sharply at treatment stage 7. This makes it possible to predict when treatment will deteriorate. Furthermore, as shown in Figure 19, the model capable of simulating water quality under non-steady-state conditions shows that immediately after a change in treatment stage (such as immediately after switching from stage 3 to 4, or from stage 5 to 6), the growth of treating microorganisms cannot keep up, causing a temporary rise in the thiocyanate concentration in the treated water, resulting in a temporary deterioration in treatment.

[15]流動担体法による担体数の決定方法
次に、担体個数を変えた実験からモデルパラメータを決定し、必要な担体数を決定する手法について説明する。シミュレーションより必要な担体数が求まるので、担体数を適正にすることができ、担体が過剰に増量されることが抑制される。
[15] Method for determining the number of carriers using the flowing carrier method Next, a method for determining the required number of carriers by determining model parameters from experiments in which the number of carriers is changed will be described. Since the required number of carriers is obtained from simulation, the number of carriers can be optimized and excessive increase in the amount of carriers can be prevented.

モデルの構築にあたり、上述した[1]と同様にチオシアンを汚濁物質とする水処理リアクターを運転した後、更に担体数を変えて水処理リアクターを運転し、測定結果からパラメータフィッティングを行った。ここでは、この水処理リアクターの運転に基づいて、チオシアンを汚濁物質とする場合に、非定常状態での水質シミュレーションが可能なモデルの構築について説明する。このモデルの構築方法を上述した[1]~[4]の実験結果に適用することで、3種の汚濁物質について、非定常状態での水質シミュレーションが可能なモデルを構築することが可能である。 To build the model, a water treatment reactor using thiocyanate as the pollutant was operated in the same manner as in [1] above, and then the number of carriers was changed while the water treatment reactor was operated, and parameter fitting was performed from the measurement results. Here, we will explain the construction of a model that can simulate water quality in an unsteady state when thiocyanate is used as the pollutant, based on the operation of this water treatment reactor. By applying this model construction method to the experimental results in [1] to [4] above, it is possible to build a model that can simulate water quality in an unsteady state for three types of pollutants.

先ず、上述した[1]と同様に、工業用水と自然海水とを体積比2:3で混合して得られた溶媒中に、以下の表11に示す溶質を下表に示す濃度で溶解し、人工排水(被処理水)を調製した。 First, as in [1] above, industrial water and natural seawater were mixed in a volume ratio of 2:3 to obtain a solvent, and the solutes shown in Table 11 below were dissolved in the concentrations shown in the table below to prepare artificial wastewater (water to be treated).

図5に示すように、1つの槽内で生物処理領域20aと沈降領域20bとが隔壁23により互いに隔てられていると共に、この隔壁23の下方で互いに連通する構造を有する一体型の生物処理装置20を用意した。また、ポリ瓶に10mm×10mm×10mmの大きさのスポンジ担体21〔流動担体(関東イノアック製AQ-1)〕と微生物植種源として高濃度の活性汚泥を投入し、手でよく揉み、一晩蓋をして浸け置くことで、微生物をスポンジ担体21に付着させた。 As shown in Figure 5, an integrated biological treatment device 20 was prepared, in which a biological treatment area 20a and a sedimentation area 20b are separated from each other by a partition 23 within a single tank, and the areas are interconnected below this partition 23. A 10mm x 10mm x 10mm sponge carrier 21 [fluid carrier (AQ-1 manufactured by Kanto Inoac)] and high-concentration activated sludge as a microbial inoculum source were placed in a plastic bottle, kneaded thoroughly by hand, and left to soak overnight with the lid on, allowing the microorganisms to adhere to the sponge carrier 21.

このようにして準備されたスポンジ担体21(500個)と活性汚泥を生物処理装置20の生物処理領域20a内に投入し、生物処理装置20を準備した。生物処理領域20aの容積は3.4Lであるため、担体の投入率は14.7%(v/v)である。 The sponge carriers 21 (500 pieces) and activated sludge prepared in this manner were placed into the biological treatment area 20a of the biological treatment device 20, and the biological treatment device 20 was prepared. Since the volume of the biological treatment area 20a was 3.4 L, the carrier loading rate was 14.7% (v/v).

このようにして準備された生物処理装置20内に上記の被処理水24を流入させると共に、微生物植種源として活性汚泥を投入し、第1段処理時には、被処理水24の水理学的滞留時間が48時間となるように流入させた。また、各生物処理装置20内の被処理水24に空気曝気22を行って好気性流動床を形成させ、微生物の馴致を行った。また、5wt%-水酸化ナトリウム水溶液を用いてpHを7.5付近に調整しながら処理を行った。そして、生物処理装置20で処理された処理水26を生物処理装置20から排出させた。 The water to be treated 24 was then introduced into the biological treatment device 20 prepared in this manner, and activated sludge was added as a microbial inoculant source. During the first stage of treatment, the water to be treated 24 was introduced so that the hydraulic retention time was 48 hours. The water to be treated 24 in each biological treatment device 20 was aerated 22 to form an aerobic fluidized bed, allowing the microorganisms to acclimate. Treatment was also carried out while adjusting the pH to around 7.5 using a 5 wt% aqueous sodium hydroxide solution. The treated water 26 was then discharged from the biological treatment device 20.

各生物処理装置20の生物処理領域20a内の処理水についてチオシアン酸イオン濃度を測定してチオシアン酸イオンのモニタリングを行なった。モニタリングは週2回程度行った。 The thiocyanate ion concentration was measured in the treated water in the biological treatment area 20a of each biological treatment device 20 to monitor thiocyanate ions. Monitoring was performed approximately twice a week.

この第1段処理が安定した後、以下の表12に示す1日当たりに流入するチオシアン酸イオン量になるように被処理水24を流入させた。各段とも少なくとも2週間程度運転することで、各段での処理水濃度の変動が安定することを確認してから、次の段に移行した。モニタリングは週2回程度行った。 After this first-stage treatment had stabilized, water to be treated 24 was introduced so that the amount of thiocyanate ions introduced per day was as shown in Table 12 below. Each stage was operated for at least two weeks, and once it was confirmed that the fluctuations in the treated water concentration at each stage had stabilized, the system moved on to the next stage. Monitoring was carried out approximately twice a week.

図20は、チオシアン酸イオンのモニタリングの結果から得られた、処理水中のチオシアン酸イオン濃度を示す特性図である。 Figure 20 is a characteristic diagram showing the thiocyanate ion concentration in the treated water obtained from the results of thiocyanate ion monitoring.

表12に従って水処理リアクターを運転した後、スポンジ担体21を300個採取し、新たな生物処理装置20の生物処理領域20a内に投入し、生物処理装置20を準備した。なお、ここでは、スポンジ担体21から剥がれ落ちた微生物が底にたまっていたり、生物処理装置20の壁面に微生物が付着しているような場合を想定して、より精緻な実験を行うために、スポンジ担体21を300個採取して新たな生物処理装置20の生物処理領域20a内に投入したが、簡易的には、生物処理装置20からスポンジ担体21の全量を採取し、300個のスポンジ担体21を同じ生物処理装置20の生物処理領域20a内に戻してもよい。 After operating the water treatment reactor according to Table 12, 300 sponge carriers 21 were collected and placed in the biological treatment area 20a of a new biological treatment device 20 to prepare the biological treatment device 20. Note that in order to conduct a more precise experiment, assuming that microorganisms that have peeled off from the sponge carriers 21 have accumulated at the bottom or that microorganisms are attached to the walls of the biological treatment device 20, 300 sponge carriers 21 were collected and placed in the biological treatment area 20a of the new biological treatment device 20. However, for simplicity, it is also possible to collect all of the sponge carriers 21 from the biological treatment device 20 and return the 300 sponge carriers 21 to the biological treatment area 20a of the same biological treatment device 20.

このようにして準備された生物処理装置20内に上記の被処理水24の水理学的滞留時間が24時間となるように流入させ、1日当たりに流入するチオシアン酸イオンは460mgSCN/Lとした。また、各生物処理装置20内の被処理水24に空気曝気22を行い、また、5wt%-水酸化ナトリウム水溶液を用いてpHを7.5付近に調整しながら処理を行った。そして、生物処理装置20で処理された処理水26を生物処理装置20から排出させた。 The water to be treated 24 was introduced into the biological treatment device 20 prepared in this manner so that the hydraulic residence time was 24 hours, and the amount of thiocyanate ions introduced per day was 460 mg SCN/L. Furthermore, the water to be treated 24 in each biological treatment device 20 was aerated 22, and treatment was carried out while adjusting the pH to around 7.5 using a 5 wt% aqueous sodium hydroxide solution. The treated water 26 was then discharged from the biological treatment device 20.

この第1段処理が安定した後、以下の表13に示すスポンジ担体21の個数になるように、スポンジ担体21を抜き取った。各段とも少なくとも2週間程度運転することで、各段での処理水濃度の変動が安定することを確認してから、次の段に移行した。モニタリングは週2回程度行った。 After this first stage treatment had stabilized, sponge carriers 21 were removed so that the number of sponge carriers 21 was as shown in Table 13 below. Each stage was operated for at least two weeks to confirm that the fluctuations in treated water concentration at each stage had stabilized before moving on to the next stage. Monitoring was carried out approximately twice a week.

図21は、チオシアン酸イオンのモニタリングの結果から得られた、処理水中のチオシアン酸イオン濃度を示す特性図である。ここで、パラメータ値を決定する際にはコスト関数が小さくなるパラメータ値を選定するが、コスト関数の値が同じようなパラメータ値が複数存在する場合、選定が困難になるときがある。 Figure 21 is a characteristic diagram showing the thiocyanate ion concentration in the treated water obtained from the results of thiocyanate ion monitoring. When determining parameter values, parameter values that minimize the cost function are selected, but if there are multiple parameter values with similar cost function values, selection can be difficult.

ここでは、[14]で説明した非定常問題(時間変化あり)として扱い、パラメータ値を決定して必要なスポンジ個数をシミュレーションした。運転したチオシアンを汚濁物質とした水処理リアクターから得られる実測データに基づき、[8]で構築した1種の汚濁物質を対象にしたモデル(式(14)、式(10))についてパラメータフィッティングを行った。自己分解速度(d)は[7]で求めた値を用いた。この結果、以下の表14の通りパラメータが推定された。なお、パラメータn、m、qは自然数の範囲でフィッティングした。 Here, the problem was treated as an unsteady problem (with time changes) as explained in [14], parameter values were determined, and the number of sponges required was simulated. Based on actual measurement data obtained from an operating water treatment reactor using thiocyanate as a pollutant, parameter fitting was performed on the model (Equation (14), Equation (10)) for one type of pollutant constructed in [8]. The value calculated in [7] was used for the autolysis rate (d i ). As a result, the parameters were estimated as shown in Table 14 below. Note that the parameters n i , m i , and q i were fitted within the range of natural numbers.

図22は、スポンジ担体21の個数を変化させた場合のシミュレーション結果と実測値をともに示す特性図である。図22では、表13に示した段階1~3におけるシミュレーション結果と実測値が示されている。構築したモデルによれば、スポンジ総表面積L、流入率P、流入汚濁成分濃度c inに応じて、処理水中の複数の汚濁物質のそれぞれの濃度について、任意時点の値から後の任意時点における値を予測することが可能となる。特に、スポンジ総表面積Lの変化を考慮してパラメータが決定されるので、スポンジ総表面積Lの変化に応じたチオシアンの濃度がより精度よく求まる。なお、スポンジ1個当たりの表面積に基づき、スポンジ総表面積Lからスポンジ担体21の個数が算出される。図22に示すように、シミュレーション結果からは、スポンジ担体21の個数が減るにつれ、処理水中のチオシアン濃度が増加することが良好に示されており、実測値の傾向と一致している。特に、3段階目(スポンジ担体200個)では、シミュレーション結果から比較的高濃度のチオシアン濃度が処理水中に残存することが判明するため、そのような条件で水処理リアクターを運転することはできなくなる。一方、2段階目(スポンジ担体250個)では、シミュレーション結果からチオシアン濃度は抑えられている。したがって、チオシアン濃度を抑制するためには、2段階目のスポンジ担体の個数(=250個)が最低でも必要であることが判る。以上のようにして、シミュレーション結果から必要なスポンジ担体個数を決定することができる。なお、図22に示す微生物濃度は、スポンジ担体21の表面に付着する最大量を1とした相対的な量として示されている。 Figure 22 is a characteristic diagram showing both simulation results and actual measurements when the number of sponge carriers 21 is changed. Figure 22 shows the simulation results and actual measurements for stages 1 to 3 listed in Table 13. The constructed model makes it possible to predict the concentration of each of multiple pollutants in the treated water from a value at any point in time to a value at any subsequent point in time, depending on the total sponge surface area Ln , the inflow rate Pn , and the inflow pollutant concentration cn in . In particular, since the parameters are determined taking into account changes in the total sponge surface area Ln , the thiocyanate concentration corresponding to changes in the total sponge surface area Ln can be determined more accurately. The number of sponge carriers 21 is calculated from the total sponge surface area Ln based on the surface area per sponge. As shown in Figure 22, the simulation results clearly show that the thiocyanate concentration in the treated water increases as the number of sponge carriers 21 decreases, which is consistent with the trend of the actual measurements. In particular, at the third stage (200 sponge carriers), the simulation results show that a relatively high concentration of thiocyanate remains in the treated water, making it impossible to operate the water treatment reactor under such conditions. On the other hand, at the second stage (250 sponge carriers), the simulation results show that the thiocyanate concentration is suppressed. Therefore, it can be seen that the minimum number of sponge carriers in the second stage (=250) is required to suppress the thiocyanate concentration. In this way, the required number of sponge carriers can be determined from the simulation results. Note that the microbial concentration shown in Figure 22 is shown as a relative amount, with the maximum amount adhering to the surface of the sponge carrier 21 set to 1.

[16]複数のパラメータセットを利用したシミュレーション方法
モデルのパラメータ値は一般的に対象プロセスごとに最適なパラメータ値を決定することが好ましい。これはプロセスごとに最適なパラメータ値が異なることが多いためである。図23は、図18に示す実験結果に基づくシミュレーション結果を示す図であって、図19とはパラメータを変えた場合のシミュレーション結果を示す特性図である。上述したように、図19のパラメータの値はα≒0.0491、β≒0.0072、ω≒0.0115、R≒1.6453、γ≒0.292、δ≒0.3017、n=1、ms=1、qs=3である。図23は、図19とは異なるパラメータで図18に示す実験結果をシミュレーションした例を示しており、パラメータの値はα≒0.0472、β≒0.0036、ω≒0.0101、R≒2.4694、γ≒0.0485、δ≒0.3694、n=1、ms=1、qs=3である。図19及び図23は、異なるパラメータ値を用いているが、どちらも実験値に類似し、且つ、良好なシミュレーション結果となっている。
[16] Simulation Method Using Multiple Parameter Sets It is generally preferable to determine optimal parameter values for each target process as the model parameter values. This is because optimal parameter values often differ for each process. Figure 23 shows simulation results based on the experimental results shown in Figure 18, and is a characteristic diagram showing simulation results when parameters are changed, unlike Figure 19. As described above, the parameter values in Figure 19 are α S ≒ 0.0491, β S ≒ 0.0072, ω S ≒ 0.0115, R S ≒ 1.6453, γ S ≒ 0.292, δ S ≒ 0.3017, n S = 1, ms = 1, and qs = 3. Figure 23 shows an example of a simulation of the experimental results shown in Figure 18 using parameters different from those in Figure 19, with parameter values being α S ≈ 0.0472, β S ≈ 0.0036, ω S ≈ 0.0101, R S ≈ 2.4694, γ S ≈ 0.0485, δ S ≈ 0.3694, n S = 1, ms = 1, and qs = 3. Although Figures 19 and 23 use different parameter values, both are similar to the experimental values and produce good simulation results.

一方、図24は、図18に示す実験結果に基づき、図19と同じパラメータを用いて別の水処理リアクターの結果をシミュレーションした例を示す特性図である。同様に、図25は、図18に示す実験結果に基づき、図23と同じパラメータを用いて別の水処理リアクターの結果をシミュレーションした例を示す特性図である。 On the other hand, Figure 24 is a characteristics diagram showing an example of a simulation of the results of another water treatment reactor using the same parameters as Figure 19, based on the experimental results shown in Figure 18. Similarly, Figure 25 is a characteristics diagram showing an example of a simulation of the results of another water treatment reactor using the same parameters as Figure 23, based on the experimental results shown in Figure 18.

図24及び図25に示したように、ある水処理リアクターの結果から求められたパラメータ値を用いて別の水処理リアクターの結果をシミュレーションすると、全く異なったシミュレーション結果となる場合がある。特に図24では、シミュレーション結果によれば4段階目まで処理水中の汚濁物質濃度は殆ど検出されていない、すなわち、段階1~3は良好な処理となるが、実際には2段階目および3段階目で処理水中の汚濁物質濃度が上昇し、処理が悪化している。 As shown in Figures 24 and 25, when parameter values determined from the results of one water treatment reactor are used to simulate the results of another water treatment reactor, completely different simulation results may result. In particular, in Figure 24, the simulation results show that almost no pollutant concentrations are detected in the treated water up to the fourth stage, meaning that stages 1 to 3 are good treatment, but in reality, the pollutant concentrations in the treated water increase in stages 2 and 3, and treatment deteriorates.

以上のように、モデル式のパラメータを1つのパラメータに限定してしまうと、過学習を引き起こし,他の水処理リアクターでの汚濁成分の予測をした際に、実際の測定結果と全く異なる結果を推定してしまうことに繋がる。このため、複数のパラメータに基づくシミュレーション結果を同時に適用することで、対象プロセスが変わっても予測を可能と手法を提案する。 As mentioned above, limiting the model formula parameters to one parameter can lead to over-learning, which can lead to results that are completely different from the actual measurement results when predicting pollutant components in other water treatment reactors. For this reason, we propose a method that simultaneously applies simulation results based on multiple parameters, making predictions possible even when the target process changes.

先ず、探索するパラメータの集合をΛとし、適当な値にεを決めて、以下の式(25)でΛεを定義する。 First, a set of parameters to be searched is defined as Λ, an appropriate value of ε is determined, and Λε is defined by the following equation (25).

次に、式(25)のコスト関数(評価関数)E(λ)がε以下となるようなbとcの下限値と上限値を与えるため、Λεに対して以下のようにbmin(t),bmax(t),cmin(t),cmax(t)を定義する。 Next, in order to give the lower and upper limits of b and c such that the cost function (evaluation function) E(λ) of equation (25) is equal to or smaller than ε, b min (t), b max (t), c min (t), and c max (t) are defined for Λ ε as follows:

次に、b(t),c(t)の推定値mを以下の区間として出力する。 Next, the estimated value m of b(t) and c(t) is output as the following interval:

ここでは、ε=2.0と設定し、図18の測定データに対してメトロポリス法でパラメータをサンプリングした。サンプリングされた約7,0000パラメータの中でE(λ)<ε=2.0を満たすパラメータのセット(組み合わせ)は81個であった。図26は、これらの81個のパラメータのセットで計算された各シミュレーション結果において、最大値と最小値の間の範囲を塗りつぶした結果を示す特性図である。 Here, ε = 2.0 was set, and parameters were sampled using the Metropolis method for the measurement data in Figure 18. Of the approximately 7,000 parameters sampled, there were 81 parameter sets (combinations) that satisfied E(λ) < ε = 2.0. Figure 26 is a characteristic diagram showing the results of simulations calculated using these 81 parameter sets, with the range between the maximum and minimum values filled in.

図27は、図26と同様の方法で、図24及び図25の測定データに対してメトロポリス法でパラメータをサンプリングし、決定した81個のパラメータのセットの全てを用いて別の水処理リアクターの結果をシミュレーションした結果を示す図である。図27においても、81個のパラメータのセットで計算された各シミュレーション結果において、最大値と最小値の間の範囲を塗りつぶした結果が示されている。図27に示すように、2段階目から処理が悪化することが判る結果となった。このように、水処理リアクターで決定したパラメータ値を複数用いることで、別のリアクターの水処理悪化を予測できることが示された。 Figure 27 shows the results of simulating the results of another water treatment reactor using all 81 parameter sets determined by sampling parameters using the Metropolis method on the measurement data of Figures 24 and 25 in a manner similar to that of Figure 26. Figure 27 also shows the results of shading the range between the maximum and minimum values for each simulation result calculated using a set of 81 parameters. As shown in Figure 27, the results show that treatment deteriorates from the second stage onwards. This demonstrates that by using multiple parameter values determined in a water treatment reactor, it is possible to predict deterioration in water treatment in another reactor.

以上のように、フィッティングにより得られた複数のモデル式であって、フィッティングに用いる評価関数の値が所定値以下となるパラメータに対応する複数のモデル式に基づいて、被処理水の処理後の水質をシミュレーションすることで、実測値が得られた水処理リアクターとは異なる別のリアクターの水処理悪化を予測できることが可能となる。 As described above, by simulating the post-treatment water quality of the water to be treated based on multiple model equations obtained by fitting, which correspond to parameters for which the value of the evaluation function used in fitting is below a predetermined value, it is possible to predict deterioration in water treatment in a reactor other than the water treatment reactor from which actual measurements were obtained.

20 生物処理装置
20a 生物処理領域
20b 沈降領域
21 スポンジ担体
22 空気曝気
23 隔壁
24 被処理水
26 生物処理装置で処理された処理水
20 Biological treatment device 20a Biological treatment area 20b Sedimentation area 21 Sponge carrier 22 Aeration 23 Partition wall 24 Water to be treated 26 Treated water treated by the biological treatment device

Claims (11)

被処理水を生物学的に処理する処理プロセスにおける、プロセッサにより実行される水質シミュレーション方法であって、
前記被処理水中に含まれる複数の異なる汚濁物質のそれぞれを分解する複数の異なる微生物群の種間競争を表す項であって複数の前記微生物群のうちの任意の微生物群の密度が高いほど他の微生物群がより多く減少することを表す項を有するモデル式に基づいて、複数の前記微生物群による前記被処理水の処理後の水質をシミュレーションし、
複数の前記微生物群は、第1汚濁物質の分解微生物群、第2汚濁物質の分解微生物群、及び第3汚濁物質の分解微生物群であり、
前記モデル式は、前記第1汚濁物質の分解微生物群の単位時間当たりの変化量を以下の式(1)で表す、水質シミュレーション方法。
但し、式(1)、式(4)において、i=S,P,S であり、Sは第1汚濁物質を、Pは第2汚濁物質を、S は第3汚濁物質を、それぞれ表し、f (c )は以下の式(4)で規定される。また、式(1)、式(4)において、b は各汚濁物質の分解微生物群の密度を表し、α は増殖率を表し、c は汚水中の汚濁物質の濃度を表す。また、k は過密による単位時間あたり死亡率であり、K は単位面積当たりの基準微生物個体群密度であり、β i は最大増殖率の1/2の増殖率を与える汚濁成分濃度であり、n はべき乗の係数である。また、式(1)において、A 12 ,A 13 は種間競争係数であり、d は自己分解率である。
A water quality simulation method executed by a processor in a treatment process for biologically treating water to be treated, comprising:
a model formula including a term representing interspecific competition among a plurality of different microbial groups that decompose each of a plurality of different pollutants contained in the water to be treated, the term representing that the higher the density of any one of the plurality of microbial groups, the greater the reduction of other microbial groups; and a simulation of the water quality after treatment by the plurality of microbial groups .
The plurality of microbial groups are a microbial group capable of decomposing a first pollutant, a microbial group capable of decomposing a second pollutant, and a microbial group capable of decomposing a third pollutant,
The water quality simulation method , wherein the model formula expresses the change per unit time of the decomposition microorganism group of the first pollutant by the following formula (1) :
In equations (1) and (4), i = S, P, S2 , where S represents the first pollutant, P represents the second pollutant, and S2 represents the third pollutant, and fi ( ci ) is defined by the following equation (4): In equations (1) and (4), bi represents the density of the decomposing microorganisms for each pollutant, αi represents the growth rate, and ci represents the concentration of the pollutant in the wastewater. Ki is the death rate per unit time due to overcrowding, Ki is the standard microbial population density per unit area, βi is the pollutant component concentration that gives a growth rate of half the maximum growth rate, and ni is a power coefficient. In equation (1), A12 and A13 are interspecies competition coefficients, and di is the autolysis rate.
前記モデル式は、複数の前記汚濁物質のそれぞれについて、分解する汚濁物質の濃度が高いほど毒性により当該汚濁物質の分解微生物群の密度の単位時間当たりの変化量が減少することを表す項を更に有する、請求項1に記載の水質シミュレーション方法。 2. The water quality simulation method of claim 1, wherein the model formula further includes a term that indicates that, for each of the plurality of pollutants, the higher the concentration of the pollutant being decomposed, the smaller the change per unit time in the density of the microbial population that decomposes the pollutant due to toxicity. 前記モデル式により複数の前記汚濁物質のそれぞれの分解速度を計算し、複数の前記汚濁物質の前記分解速度の実測値と前記モデル式による前記分解速度の計算結果とに基づいて前記モデル式を表すパラメータをフィッティングする、請求項1又は2に記載の水質シミュレーション方法。 3. The water quality simulation method according to claim 1, further comprising: calculating the decomposition rate of each of the plurality of pollutants using the model formula; and fitting parameters representing the model formula based on the actual measured values of the decomposition rates of the plurality of pollutants and the calculation results of the decomposition rates using the model formula. 前記モデル式により前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度を計算し、前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度が定常状態となった時の濃度の実測値と前記モデル式による前記汚濁物質のそれぞれの濃度の計算結果とに基づいて前記モデル式を表すパラメータをフィッティングする、請求項1又は2に記載の水質シミュレーション方法。 3. The water quality simulation method according to claim 1 or 2, wherein the concentration of each of the plurality of pollutants in the treated water is calculated using the model formula, and parameters representing the model formula are fitted based on the actual measured values of the concentrations of each of the plurality of pollutants in the treated water when they reach a steady state and the calculation results of the concentrations of each of the pollutants using the model formula. 前記モデル式により前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度を計算し、前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度の各測定時点の実測値と前記モデル式による前記汚濁物質のそれぞれの濃度の前記各測定時点に対応する計算結果とに基づいて前記モデル式を表すパラメータをフィッティングする、請求項1又は2に記載の水質シミュレーション方法。 3. The water quality simulation method according to claim 1 or 2, wherein the concentration of each of the plurality of pollutants in the treated water is calculated using the model formula, and parameters representing the model formula are fitted based on the actual measured values of the concentrations of each of the plurality of pollutants in the treated water at each measurement point and the calculation results of the concentrations of each of the pollutants using the model formula corresponding to each measurement point. 前記処理水中の複数の前記汚濁物質のそれぞれの濃度について、任意時点の値から後の任意時点における値を予測する、請求項に記載の水質シミュレーション方法。 The water quality simulation method according to claim 5 , wherein the concentration of each of the plurality of pollutants in the treated water is predicted from a value at an arbitrary time point to a value at a later arbitrary time point. 前記フィッティングにより得られた複数の前記モデル式であって、フィッティングに用いる評価関数の値が所定値以下となるパラメータに対応する複数の前記モデル式に基づいて、前記被処理水の処理後の水質をシミュレーションする、請求項のいずれか1項に記載の水質シミュレーション方法。 The water quality simulation method according to any one of claims 3 to 6, wherein the water quality after treatment of the treated water is simulated based on a plurality of model formulas obtained by the fitting, the model formulas corresponding to parameters for which the value of the evaluation function used in the fitting is equal to or less than a predetermined value. 前記処理プロセスが流動担体法であることを特徴とする、請求項1~のいずれか1項に記載の水質シミュレーション方法。 The water quality simulation method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the treatment process is a fluidized carrier method. 前記汚濁物質は、チオシアン、フェノール、及びチオ硫酸のうち少なくとも1種を含む、請求項1~のいずれか1項に記載の水質シミュレーション方法。 The water quality simulation method according to any one of claims 1 to 8 , wherein the pollutants include at least one of thiocyanate, phenol, and thiosulfate. 被処理水を生物学的に処理する処理プロセスにおける水質シミュレーション装置であって、前記水質シミュレーション装置はプロセッサを備え、
前記プロセッサは、
前記被処理水中に複数の異なる汚濁物質のそれぞれを分解する複数の微生物群を投入して得られる複数の前記汚濁物質の分解速度の実測値と、前記被処理水中における複数の前記微生物群の種間競争を表す項であって複数の前記微生物群のうちの任意の微生物群の密度が高いほど他の微生物群がより多く減少することを表す項を有するモデル式から計算される複数の前記汚濁物質の分解速度の計算値とに基づいて、前記モデル式のパラメータをフィッティングするパラメータフィッティング部と、
前記パラメータがフィッティングされた前記モデル式を用いて前記被処理水の処理後の水質をシミュレーションする水質シミュレーション部と、
を備え
複数の前記微生物群は、第1汚濁物質の分解微生物群、第2汚濁物質の分解微生物群、及び第3汚濁物質の分解微生物群であり、
前記モデル式は、前記第1汚濁物質の分解微生物群の単位時間当たりの変化量を以下の式(1)で表す、水質シミュレーション装置。
但し、式(1)、式(4)において、i=S,P,S であり、Sは第1汚濁物質を、Pは第2汚濁物質を、S は第3汚濁物質を、それぞれ表し、f (c )は以下の式(4)で規定される。また、式(1)、式(4)において、b は各汚濁物質の分解微生物群の密度を表し、α は増殖率を表し、c は汚水中の汚濁成分の濃度を表す。また、k は過密による単位時間あたり死亡率であり、K は単位面積当たりの基準微生物個体群密度であり、β i は最大増殖率の1/2の増殖率を与える汚濁成分濃度であり、n はべき乗の係数である。また、式(1)において、A 12 ,A 13 は種間競争係数であり、d は自己分解率である。
A water quality simulation device for a treatment process that biologically treats water to be treated, the water quality simulation device comprising:
The processor:
a parameter fitting unit that fits parameters of the model formula based on actual measurement values of decomposition rates of a plurality of pollutants obtained by introducing a plurality of microbial groups that decompose each of the plurality of different pollutants into the water to be treated, and calculated values of decomposition rates of a plurality of the pollutants calculated from a model formula having a term that represents interspecific competition between the plurality of microbial groups in the water to be treated, the term representing that the higher the density of any one of the plurality of microbial groups, the greater the decrease in other microbial groups;
a water quality simulation unit that simulates the water quality of the treated water after treatment using the model formula to which the parameters have been fitted;
Equipped with
The plurality of microbial groups are a microbial group capable of decomposing a first pollutant, a microbial group capable of decomposing a second pollutant, and a microbial group capable of decomposing a third pollutant,
The model formula expresses the change per unit time of the decomposition microorganism group of the first pollutant by the following formula (1) :
In equations (1) and (4), i = S, P, S2 , where S represents the first pollutant, P represents the second pollutant, and S2 represents the third pollutant, and fi ( ci ) is defined by the following equation (4): In equations (1) and (4), bi represents the density of the decomposing microorganisms for each pollutant, αi represents the growth rate, and ci represents the concentration of the pollutant component in the wastewater. Ki is the death rate per unit time due to overcrowding, Ki is the standard microbial population density per unit area, βi is the pollutant component concentration that gives a growth rate of half the maximum growth rate, and ni is a power coefficient. In equation (1), A12 and A13 are interspecies competition coefficients, and di is the autolysis rate.
請求項に記載の水質シミュレーション方法を用いて、流動担体法により汚濁物質を処理するための担体数を決定する方法。 A method for determining the number of carriers required to treat pollutants by a flowing carrier method, using the water quality simulation method according to claim 8 .
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