JP2006242749A - 水質計測用の前処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微生物の呼吸活性に基づいて水質を検査する水質検査部に対して、長期間安定して溶在酸素濃度が調整されたろ過水を供給する。
【解決手段】 水質計測用の前処理装置は、中空糸膜２１によって原水が流入する原水側１ａと透過水が流出する透過側１ｂとに区画された中空糸膜モジュール１と、中空糸膜モジュール１の透過側１ｂに接続されたろ過用ポンプ２と、ろ過用ポンプ２の後段に設置された空気吹き込み機構９とを備えている。空気吹き込み機構９の後段に、温調機構３および試料水槽５が順次設置されている。中空糸膜モジュール１の原水側１ａおよび透過側１ｂに、加圧空気を導入する洗浄機構４が接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、上水道分野におけるリスク管理の一環として、水中への溶解性の異物混入を検出する水質計測部の前段に配置された、水質計測用の前処理装置に関する。

上水道分野において、水中へ混入した異物の検出に関しては、水槽内で魚を飼育し、魚の行動・生死を監視することで行われてきた。しかし昨今テロ等の不安が高まり、より高感度な検出技術が求められていることから、微生物の呼吸活性を指標としたセンサが開発された（特開平１１−３７９６９）。

このような微生物を用いる方式では、一般に、必要とされる検出対象の水（以下試料水と呼ぶ）は魚の飼育に用いられる場合と比べて少量で済む（魚の飼育の場合、数百ミリリットル〜数リットル毎分、微生物使用の場合数ミリリットル〜数十ミリリットル毎分）。

ところで、少量の試料水は内径数ミリメートルの細い配管を通水されるため、濁質の混入は配管の閉塞を招く恐れがある。そこで、このような水質計測部の前段では、濁質を除去した少量の試料水を連続的に安定して供給する前処理工程が必要である。従来からこのような前処理工程では、微細な粒子を除去しつつ、一定のろ過流量を維持可能な中空糸膜を用いる処理が行われてきた。また、水中の溶解成分を水質計測部において呼吸活性により検出する場合、呼吸基質である酸素が試料水中に溶存する濃度が水温に左右されることから、季節により検出精度が変動する問題がある。そのため、中空糸膜処理後の試料水を水槽に溜め空気を吹き込んだり、水温が低い場合にヒーターにより配管を加熱し水温を上昇させ溶存酸素濃度を調整する必要がある。

微生物の呼吸活性を用いて異物混入を検出する際、前処理による濁質の除去が重要であることは上記の通りであるが、一般に中空糸膜を用いた濁質の除去には、常に流量低下の問題が懸念される。そこで、流路構成や膜の孔径、逆洗手法の工夫により膜の寿命の長期化を図っている。

また微生物の呼吸活性を用いて異物混入を検出する際、試料水の溶存酸素濃度は重要なパラメータとなる。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、長期間、少流量の試料水を提供することができ、かつ試料水のより精密な溶存酸素濃度調整を行うことができる水質計測用の前処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、水中の溶解成分を微生物の呼吸活性に基づいて検査する水質計測部の前段に配置される水質計測用の前処理装置において、内部を原水が流入する原水側とろ過水が流出する透過側とに区画する中空糸膜を有する外圧式中空糸膜モジュールと、中空糸膜モジュールの透過側に接続されたろ過用ポンプと、ろ過用ポンプの後段に設置され、ろ過水に空気を吹き込む空気吹き込み機構と、空気吹き込み機構の後段に設置された温調機構と、中空糸膜モジュールの原水側および透過側に加圧した気体を導入する洗浄機構と、温調機構の後段に設置された試料水槽と、ろ過用ポンプ、空気吹き込み機構、温調機構および洗浄機構を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、原水を外圧式中空糸膜モジュールによりろ過するとともに、ろ過の推進力はろ過用ポンプにより得られる。ろ過されたろ過水は空気吹き込み機構において空気と混合された後に、温調機構により任意の温度に調整され、このことにより所定の溶存酸素濃度へ調整され、試料水槽へ供給される。また、洗浄機構により任意のタイミングで中空糸膜を洗浄することができる。

また、中空糸膜モジュールを外圧式とすることで、内圧式よりも膜の閉塞が起こりにくく、中空糸膜をより長期間使用できるようになる。また、ろ過用ポンプを中空糸膜の透過側に置き、吸引力によるろ過を行うことで、一般に濁質の混入に弱いとされるポンプの寿命を長期化させることができる。ろ過水に空気を吹き込んだ後に温調することで、溶存酸素濃度を原水よりも高くすることができ、低くすることもできる。このように溶存酸素濃度が調整され、試料水槽に提供されたろ過水は、水質計測部において用いられる。中空糸膜は洗浄機構により自動洗浄されることで、長寿命化を図ることができる。

本発明は、外圧式中空糸膜モジュールの中空糸膜の孔径が０．２マイクロメートル以下であることを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、原水中の微生物を除去することが可能となる。原水中の微生物が透過側に連続的に混入した場合、配管内に付着するなどして増殖し、配管の閉塞原因となるばかりでなく、増殖した微生物の酸素消費により溶存酸素濃度が変動してしまう。本発明によれば、このような不具合が生じることはない。

本発明は、外圧式中空糸膜モジュールは縦置きタイプであり、上部より原水を導入し下部より排水するクロスフロー流路をもつことを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、中空糸膜モジュールの流路をクロスフローとすることにより、デッドエンドタイプと比較して、中空糸膜表面への固形物の付着が起こりにくくなり、長期間ろ過能力を維持することが可能となる。さらに、中空糸膜モジュールの上部により原水を導入し下部より連続的に排出することで、中空糸膜モジュール内に滞留する濁質を効果的に除去することができる。

本発明は、洗浄機構は、加圧した気体を外圧式中空糸膜モジュールの透過側から導入させることにより、ろ過水の水圧により中空糸膜に付着した汚損原因物を除去することを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、透過側から原水側へ逆流するろ過水の水圧により中空糸膜表面の汚損物を除去し、中空糸膜の寿命を長期化させることができる。さらに中空糸膜が疎水性膜と親水性膜の混合膜である場合は、疎水性膜より逆流した空気が、中空糸膜の原水側へ漏れ出すことで、ハウジング内の水流をかき乱し、スクライビング効果を得、親水性膜のみの場合よりも良好な洗浄効果を得ることができる。

本発明は、洗浄機構は、加圧した気体を外圧式中空糸膜モジュールの原水側へ導入することにより、原水側の原水を中空糸膜モジュールの外方へ排出することを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、中空糸膜モジュール上部より加圧空気を原水側に導入することで、中空糸膜モジュールの原水側下部に堆積する濁質を効果的に除去することができる。

本発明は、中空糸膜モジュールの原水側に、弁を有する空気抜きを設けるとともに、原水側にセンサを取り付け、中空糸膜モジュールの原水側から原水を排出した後、再度原水を充てんし、原水側からあふれ出た原水をセンサで検出し、制御部はセンサからの信号に基づいて弁を閉じることを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

中空糸膜モジュールの原水側を排水した後、再び原水側に原水を満たす際には、空気抜きが必要となる。しかし、ろ過中常に空気抜きを解放することにより不要な空気の混入を招き、ろ過に悪影響を及ぼす場合がある。そこで中空糸膜モジュールの原水側が全て原水で満たされたことをセンサにより検出し、弁により空気抜きを閉じることで効果的な処理を行うことができる。更に、センサによる満水の検出をきっかけとしてろ過を再開することができる。

本発明は、中空糸膜モジュールの原水側に弁を有する空気抜きを設け、中空糸膜モジュールの原水側から原水を排出した後、再度原水を充てんした時から満水になるまでのタイミングを計測するタイマーを設置し、制御部はタイマーからの信号に基づいて弁を閉じることを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、原水の圧力が、常にそれほど変動しないので在れば、中空糸膜洗浄後、中空糸膜モジュールの原水側に原水が満たされるまでの時間はほぼ一定となる。タイマーを用いることで、弁により空気抜きを閉じることができる。

本発明は、センサは、非接触方式のセンサであることを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、非接触式のセンサを用いることにより、接触式のセンサ、例えば電極式のセンサに比べて、汚損の心配がなくなり、メンテナンスが容易となる。非接触式のセンサとしては、赤色光の反射・透過率を計測するタイプなどがある。

本発明は、洗浄機構は中空糸膜モジュールの透過側に加圧した気体を導入して、ろ過水の水圧により中空糸膜に付着した汚損原因物を除去し、その後原水側に加圧した気体を導入して原水側の原水を外方へ排水することを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、中空糸膜モジュールの透過側の汚損原因物を中空糸膜モジュール内に遊離させた後に、中空糸膜モジュールの原水側の汚損物を外部に効果的に排出することができ、一旦遊離させた汚損原因物による再汚染を防止し、中空糸膜の寿命を長期化することが出来る。

本発明は、温調機構はろ過水が流れる配管と、配管を取り巻くヒーターと、ヒーター外部を覆う断熱材と、ヒーターの電源を作動させるサーモスタットとを備え、制御部はろ過水の温度情報に基づきサーモスタットを制御することを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、ろ過水をヒーターの熱により昇温し、さらに断熱材により効率的な熱の利用をすることで、昇温に必要な配管長を短く保つことが出来る。更には、例えば試料水槽においてろ過水の温度を測定し、その温度情報を基に温調機構を制御することでより正確な温度管理が可能となる。

本発明は、温調機構はろ過水が流れる配管と、配管の外側を覆う覆い管とを有し、覆い管内に所望温度の液体を流してろ過水の温度調整を行うことを特徴とする水質計測用の前処理装置である。

本発明によれば、所望温度の液体を媒体とすることで、効率的な熱交換をはかることができ、ろ過水の温度情報を基にして、媒体とする液体の温度調整を行なうこともできる。

以上のように本発明によれば、微生物の呼吸活性に基づいて水質を検査する水質検査部に対して、長期間の連続した少量のろ過水を供給することが可能となる。さらには温度調整機構を用いてろ過水の溶存酵素濃度を調整することができ、水質検査部に対し高精度の測定が可能なろ過水を供給することが可能となる。

以下、図面を参照に本発明の実施の形態について説明する。図１および図２は本発明による水質計測用の前処理装置の一実施の形態を示す図である。

図１に示すように、本発明による水質計測用の前処理装置は、水中の溶解成分を微生物の呼吸活性に基づいて検査する水質計測部２２の前段に設置されている。

このような前処理装置はハウジング２０と、ハウジング２０内を原水が流入する原水側１ａとろ過水が流出する透過側１ｂとに区画する中空糸膜２１とを有する外圧式中空糸膜モジュール１と、中空糸膜モジュール１の透過側１ｂに接続されたろ過用ポンプ２と、ろ過用ポンプ２の後段に設置され、ろ過水に空気を吹き込む空気吹き込み機構９と、空気吹き込み機構９の後段に設置された温調機構３と、中空糸膜モジュール１の原水側１ａおよび透過側１ｂに加圧した気体（圧縮空気）を導入する洗浄機構４と、温調機構３の後段に設置された試料水槽５とを備えている。

このうち外圧式中空糸膜モジュール１は縦置きタイプとなり、原水側１ａの上部より原水を流入し、原水側１ａの下部に排水するクロスフロー流路を形成している。また中空糸膜モジュール２１は孔径０．２マイクロメートル以下の多数の孔を有している。

また空気吹き込み機構４はエアコンプレッサ４ａを有し、エアコンプレッサ４ａと中空糸膜モジュール１の原水側１ａとの間には開閉弁６ｃが設けられ、エアコンプレッサ４ａと透過側１ｂとの間には開閉弁６ｄが設けられている。

また原水は中空糸膜モジュール１の原水側１ａに開閉弁６ａを介して流入するようになっている。原水側１ａと開閉弁６ｃとの間には、原水側１ａ内に原水を充てんする際、原水側１ａ内の空気を放出する空気抜き２３が接続され、この空気抜き２３には開閉弁６ｂとセンサ７が順次取付けられている。このうちセンサ７は原水側１ａ内に原水を充てんする際、原水が原水側１ａからあふれたことを検出するものである。またセンサ７は赤色光の反射・透過率を計測する非接触式センサからなっている。

さらに中空糸膜モジュール１０の透過側１ｂとろ過用ポンプ２との間には、開閉弁６ｅが設置され、さらに原水側１ｂの下部には開閉弁６ｆを有する排水管２４が接続されている。

なお、図１に示すように空気吹き込み機構９は空気管９ａと、空気管９ａ内に空気を吹き込むエアポンプ８とを有している。

また温調機構３は、図２に示すように、ろ過水が流れる配管３ａと、配管３ａを取り巻くヒーター１０と、ヒーター１０外部を覆う断熱材１１とを有し、ヒーター１０はサーモスタット１２により作動されるようになっている。

さらにろ過用ポンプ２、温調機構３のサーモスタット１２、エアコンプレッサ４ａ、エアポンプ８、開閉弁６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆは制御部２５により駆動制御されるようになっている。

また制御部２５には、センサ７からの信号が入力されるとともに、制御部２５にはタイマー２６が接続されている。このタイマー２６には、中空糸膜モジュール１の原水側１ａから原水を排出した後再度原水側１ａ内に原水を充てんして原水１ａ内が満水になるまでの時間が予め設定されている。

次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

まず、通常のろ過時には、原水が外圧式中空糸膜モジュール１の原水側１ａへ上部から導入され、原水側１ａ内に流入した余剰原水は原水側１ａの下部より排出される。中空糸膜２１によりろ過処理されたろ過水（以下、試料水ともいう）は透過側１ｂより電磁弁６ｅを通過して、ろ過用ポンプ２に吸引される。

ろ過用ポンプ２より排出された試料水は空気吹き込み機構９においてエアポンプ８より供給される空気と混合された後に、温調機構３へ到達する。温調機構３において試料水はその溶存酸素濃度が整えられ、その後試料水は、試料水槽５内へ送り込まれ、微生物の呼吸活性に基づいて水質を検査する水質計測部２２へ供給される。図中６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆはそれぞれ制御部２５により制御される開閉弁（電磁弁）を表すが、ろ過時に開となる開閉弁は、６ａ、６ｅ、６ｆとなる。

次に逆洗時の動作を説明する。逆洗時には、まずろ過時に開であった開閉弁６ａ、６ｅ、６ｆを全て閉じる。さらにろ過用ポンプ２を停止する。次に逆洗機構４を使用し、エアコンプレッサ４ａにより発生させた気流を開閉弁６ｄを経由して中空糸膜モジュール１の透過側１ｂ内へ吹き込む。気流により発生したろ過水の水圧により中空糸膜２１の表面が洗浄される。この間、開閉弁６ｃ、６ｆは閉となっている。

次に開閉弁６ｄを閉じ、開閉弁６ｃおよび６ｆを開く。次にコンプレッサ４ａにより、中空糸膜モジュールの原水側１ａに空気圧をかけ、原水１ａ側から効率よくハウジング２０内面に付着した汚損原因物および原水を開閉弁６ｆを有する排水管２４から排出する。

その後開閉弁６ｆを閉じ、再び中空糸膜モジュール１の原水側１ａに原水を満たすが、その際開閉弁６ｂを開き、原水側１ａから内部空気を空気抜き２３から外方へ放出する。原水１ａ内に原水が満たされたことは、センサ７によりオーバーフロー水を直接検出することで確認する。この場合、あらかじめ所要時間をタイマー２６内に設定することで原水側１ａ内に原水が満たされたことを確認してもよい。その後センサ７からの情報またはタイマー２６からの情報に基づいて制御部２５が開閉弁６ｂを閉とし、ろ過動作がくり返される。上述の作用は、すべて制御部２５からの動作指令により行なわれる。

この間の温調機構３の作用を図２により説明する。図２において、試料水は温調機構３の配管３ａ中を流れ、配管３ａを取り巻くヒーター１０により温度調整される。ヒーター１０はさらにその外を取り巻く断熱材１１により放熱を妨げられ、結果として効率の良い温度上昇効果を得ることができる。さらに、ヒーター１０はサーモスタット１２により電源がオン／オフされて温度制御が行われる。温度制御の根拠となる試料水の温度情報は、後段の試料水槽５に設置された測温抵抗体や熱電対により得られ、サーモスタット１２は制御部２５により制御される。

次に、図３において、温調機構３の変形例について説明する。図３に示す温調機構３の変形例において、試料水が配管３ａ内を流れ、配管３ａをとりまく覆い管１４の内に恒温液体循環装置１５より供給される恒温の液体が循環される。このことにより配管３ａ内の試料水が温度調整される。

本発明による水質計測用の前処理装置の一実施例を示す構成図である。 温調機構を示す構成図である。 温調機構の変形例を示す構成図である。

符号の説明

１ 中空糸膜モジュール
１ａ 原水側
１ｂ 透過側
２ ろ過用ポンプ
３ 温調機構
３ａ 配管
４ 逆洗機構
４ａ エアコンプレッサ
５ 試料水槽
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ 開閉弁
７ センサ
８ エアポンプ
９ 空気吹き込み機構
１０ ヒーター
１１ 断熱材
１２ サーモスタット
１４ 覆い管
１５ 恒温液体循環装置
２０ ハウジング
２１ 中空糸膜
２２ 水質検査部
２３ 空気抜き
２５ 制御部

Claims (11)

1. 水中の溶解成分を微生物の呼吸活性に基づいて検査する水質計測部の前段に配置される水質計測用の前処理装置において、
   内部を原水が流入する原水側とろ過水が流出する透過側とに区画する中空糸膜を有する外圧式中空糸膜モジュールと、
   中空糸膜モジュールの透過側に接続されたろ過用ポンプと、
   ろ過用ポンプの後段に設置され、ろ過水に空気を吹き込む空気吹き込み機構と、
   空気吹き込み機構の後段に設置された温調機構と、
   中空糸膜モジュールの原水側および透過側に加圧した気体を導入する洗浄機構と、
   温調機構の後段に設置された試料水槽と、
   ろ過用ポンプ、空気吹き込み機構、温調機構および洗浄機構を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする水質計測用の前処理装置。
2. 外圧式中空糸膜モジュールの中空糸膜の孔径が０．２マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。
3. 外圧式中空糸膜モジュールは縦置きタイプであり、上部より原水を導入し下部より排水するクロスフロー流路をもつことを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。
4. 洗浄機構は、加圧した気体を外圧式中空糸膜モジュールの透過側から導入させることにより、ろ過水の水圧により中空糸膜に付着した汚損原因物を除去することを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。
5. 洗浄機構は、加圧した気体を外圧式中空糸膜モジュールの原水側へ導入することにより、原水側の原水を中空糸膜モジュールの外方へ排出することを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。
6. 中空糸膜モジュールの原水側に、弁を有する空気抜きを設けるとともに、原水側にセンサを取り付け、中空糸膜モジュールの原水側から原水を排出した後、再度原水を充てんし、原水側からあふれ出た原水をセンサで検出し、制御部はセンサからの信号に基づいて弁を閉じることを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。
7. 中空糸膜モジュールの原水側に弁を有する空気抜きを設け、
   中空糸膜モジュールの原水側から原水を排出した後、再度原水を充てんした時から満水になるまでのタイミングを計測するタイマーを設置し、制御部はタイマーからの信号に基づいて弁を閉じることを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。
8. センサは、非接触方式のセンサであることを特徴とする請求項６記載の水質計測用の前処理装置。
9. 洗浄機構は中空糸膜モジュールの透過側に加圧した気体を導入して、ろ過水の水圧により中空糸膜に付着した汚損原因物を除去し、その後原水側に加圧した気体を導入して原水側の原水を外方へ排水することを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。
10. 温調機構はろ過水が流れる配管と、配管を取り巻くヒーターと、ヒーター外部を覆う断熱材と、ヒーターの電源を作動させるサーモスタットとを備え、
    制御部はろ過水の温度情報に基づきサーモスタットを制御することを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。
11. 温調機構はろ過水が流れる配管と、配管の外側を覆う覆い管とを有し、覆い管内に所望温度の液体を流してろ過水の温度調整を行うことを特徴とする請求項１記載の水質計測用の前処理装置。

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