JP2018004506A - 粒子観測装置及び粒子観測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体中の粒子の状態を精度良く観測することが可能な粒子観測装置を提供する。【解決手段】シート光照射部４がフロックを含む原水に対してシート光を照射する。撮影部５は、シート光照射部４が照射したシート光の進行方向とは交差する方向から、原水内のシート光にて照射される照射領域を撮影して撮影画像を生成する。制御部６は、撮影部５にて生成された撮影画像を解析して、フロックの特徴量を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、液体中の粒子の状態を観測するための粒子観測装置及び粒子観測方法に関し、特には、浄水場や排水場における濁度成分が凝集されたフロックの状態を観測するための粒子観測装置及び粒子観測方法に関する。

液体中の粒子の状態を観測する粒子観測装置は様々な場面で使用されている。例えば、浄水場や下水処理場、工場の排水処理などでは、原水に含まれる微粒子などの濁度成分を除去するために、原水に凝集剤を注入して濁度成分を凝集させているが、その濁度成分が凝集されたフロックと呼ばれる粒子の状態を観測するために粒子観測装置が使用されている。

特許文献１には、上記の粒子観測装置の一種であるフロック画像撮影装置が記載されている。このフロック画像撮影装置は、フロックを形成するためのフロック形成池に光を照射するランプと、ランプからの光の光量を調整するスリットと、フロック形成池における光が照射された照射領域を撮影して撮影画像を生成するカメラと、カメラで生成された撮影画像を表示する表示部とを備えている。

特開平３−９４８０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のフロック画像撮影装置では、フロックのような液体中の粒子の状態を精度良く観測できないことがある。

例えば、浄水場では、凝集剤を原水に添加して乱流域で高速に撹拌する混和池と、混和池で高速に撹拌された原水をゆっくり撹拌させながらフロックを成長させるフロック形成池とが設けられていることが多い。このような浄水場では、凝集剤を添加する添加量や原水を撹拌する撹拌強度などを効率的に制御するためには、できるだけ早い段階でフロックの状態を観測することが重要となる。したがって、フロックは、混和池で形成され始めるため、混和池においてフロックの状態を観測することが望ましい。

混和池では、原水が高速に撹拌されているため、フロックの移動速度が速い。このため、混和地においてフロックを精度良く撮影するためには、カメラのシャッター速度を高くしなければならない。しかしながら、シャッター速度を高くすると、画像が暗くなってしまうという問題がある。

特許文献１に記載のフロック画像撮影装置のようなランプを用いた粒子観測装置では、混和池のフロックを撮影するためにシャッター速度を高くすると、十分な光量を得ることができず、精度の良い観測を行うことが難しい。

本発明の目的は、液体中の粒子の状態を精度良く観測することが可能な粒子観測装置及び粒子観測方法を提供することである。

本発明による粒子観測装置は、粒子を含む液体に対してシート光を照射するシート光照射部と、前記シート光の光軸とは交差する方向から、前記液体内の前記シート光にて照射される照射領域を撮影して撮影画像を生成する撮影部と、前記撮影部にて生成された撮影画像を解析して、前記粒子の特徴量を測定する制御部と、を有する。

本発明による粒子観測方法は、粒子を含む液体に対してシート光を照射し、前記シート光の光軸とは交差する方向から、前記液体内の前記シート光にて照射される照射領域を撮影し、前記生成された撮影画像を解析して、前記粒子の特徴量を測定する。

本発明によれば、液体中の粒子の状態を精度良く観測することが可能になる。

本発明の第１の実施形態のフロック形成状態観測装置の構成を示すブロック図である。 撮影部の配置例を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態のフロック形成状態観測装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施形態のフロック形成状態観測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態のフロック形成状態観測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例の観測結果を示す図である。 本発明の第２の実施例の観測結果を示す図である。 本発明の第３の実施例の観測結果を示す図である。 本発明の第５の実施例の観測結果を示す図である。 本発明の第５の実施例の他の観測結果を示す図である。 撮影画像の一例を示す図である。 撮影画像の比較例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では、各図面において同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。また、以下の各実施形態では、本発明の粒子観測装置として、原水中の濁度成分が凝集されることで形成された粒子であるフロックの状態を観測するフロック形成状態観測装置１００を例にとって説明するが、本発明の粒子観測装置は、液体中の粒子の状態を観測する一般的な装置に適用することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態のフロック形成状態観測装置１００の構成を示す図である。図１に示すフロック形成状態観測装置１００は、液体を収容する容器である撹拌槽１に対して、撹拌槽１の外部からシート光（レーザシート光）を照射し、撹拌槽１内の液体におけるシート光で照射された照射領域を撹拌槽１の外部から撮影する形態である。具体的には、図１に示すフロック形成状態観測装置１００は、撹拌槽１と、凝集剤・ｐＨ調整剤添加部２と、撹拌機３と、シート光照射部４と、撮影部５と、制御部６と、表示部７とを有し、シート光照射部４および撮影部５が撹拌槽１の外部に設けられている。

撹拌槽１は、液体として、濁度成分を含む水（原水）を収容する容器である。本実施形態では、撹拌槽１は、浄水場の混和池のような、収容している液体を乱流域（例えば、レイノルズ数が１４００以上）で高速に撹拌する容器である。撹拌槽１は、少なくとも一部が光を透過する透明部材で形成される。具体的には、撹拌槽１は、全体が透明部材で形成されてもよいし、後述するシート光が入射される入射領域と撮影が行われる視野領域とが透明部材で形成されてもよい。透明部材は、例えば、アクリルやガラスなどで形成される。

凝集剤・ｐＨ調整剤添加部２は、撹拌槽１に収容された液体内の濁度成分を凝集させてフロックを形成させるための薬剤を、撹拌槽１に収容された液体に添加する添加部である。本実施形態では、薬剤は、液体内の濁度成分を凝集させる凝集剤と、液体のｐＨを調整するためのｐＨ調整剤とを含む。なお、薬剤は、凝集剤だけでもよいし、凝集剤による凝集効果を促進する促進剤などをさらに含んでもよい。

撹拌機３は、撹拌槽１に収容された液体を撹拌する撹拌部である。具体的には、撹拌機３は、液体を乱流域で高速に撹拌する。撹拌機３による撹拌処理は、連続的に撹拌を行う連続処理でもよいし、撹拌と撹拌停止を繰り返すバッチ処理でもよい。

シート光照射部４は、撹拌槽１の外部に設けられる。シート光照射部４は、所定の平面に沿って扇状に進行するレーザ光であるシート光を撹拌槽１に向けて照射することで、フロックを含む液体にシート光を照射する。シート光照射部４は、光源４１と、光学系４２とを有する。

光源４１は、レーザ光を光学系４２に向けて出射する。レーザ光の色には、特に限定はなく、単色でもよいし、多色でもよいが、コストや撮影の容易性などの観点から緑色が望ましい。光学系４２は、光源４１から出射されたレーザ光を扇形に拡開してシート光に変換する。光学系４２は、例えば、シリンドリカルレンズやスリットなどを含む。シート光の幅としては、被写体となるフロックの大きさの０．１倍〜１００００倍が望ましく、フロックの１〜１００倍がさらに望ましい。光学系４２は、シート光の幅を変化させることが可能なものでもよい。

撮影部５は、撹拌槽１におけるシート光照射部４からのシート光にて照射された照射領域を撮影して撮影画像を生成し、その撮影画像を示す画像データを出力する。撮影部５は、撮影を行うカメラや、被写体をカメラ上に結像させる結像光学系などを含む。撮影画像は、静止画像でもよいし、動画像でもよい。また、撮影部５は、撮影画像として静止画像を所定の時間間隔で繰り返し生成してもよい。

撮影部５は、撮影部５の光軸がシート光の進行方向とは交差する方向（望ましくは、直交する方向）から照射領域を撮影するように配置される。このとき、図２に示すように、撮影部５は、撮影部５の光軸がシート光を横断する横断長が撮影部５の被写界深度以下になるように配置されることが望ましい。これは、シート光で照射されたフロック（すなわち、シート光が通過する領域内のフロック）の全てにピントを合わせることができるからである。

なお、撹拌槽１における撮影部５が撮影する撮影領域にはシート光以外の外光が少ないほどよい。このため、撹拌槽１には外光を遮蔽する遮蔽手段（図示せず）が設けられることが望ましい。遮蔽手段は、例えば、撹拌槽１の少なくとも一部を覆う暗幕や、撹拌槽１に被せる蓋などである。また、シート光が撹拌槽１などに反射し、その反射光が撮影されると、撮影画像にノイズが生じるため、撹拌槽１やシート光照射部４には、反射光を軽減する反射軽減手段が設けられることが望ましい。反射軽減手段は、例えば、反射防止剤などの塗料や、偏光板フィルムや偏光レンズなどの偏光手段などである。

制御部６は、コンピュータで構成され、フロック形成状態観測装置１００全体を制御する。例えば、制御部６は、凝集剤・ｐＨ調整剤添加部２および撹拌機３を制御して、撹拌槽１内の原水に凝集剤およびｐＨ調整剤を添加するとともに、原水を撹拌して、撹拌槽１内にフロックを形成させる。

また、制御部６は、シート光照射部４および撮影部５を制御して、撮影部５にフロックを映した撮影画像を生成させる。このとき、制御部６は、シート光照射部４から出射されるシート光の輝度や、撮影部５の撮影条件（例えば、撮影部５の感度（ゲイン）やシャッター速度など）を制御してもよい。

具体的には、撹拌機３による撹拌の撹拌強度が高いほど、撹拌槽１に収容された原水内のフロックの移動速度も速くなるため、シャッター速度を高くする必要がある。一方、シャッター速度を高くすると、撮影画像が暗くなるため、撮影部５の感度やシート光の輝度をある程度上げるが必要となる。なお、シート光の輝度を上げるためには、光源４１の出力強度を上げてもよいし、シート光の幅を細くしてシート光の拡散量を減らしてもよい。また、撮影部５の感度が高くなり過ぎると、撮影画像のノイズが生じる恐れがあるため、撮影部５の感度やシャッター速度は、撹拌強度などに応じて適切に制御されることが望ましい。

例えば、光源４１の出力強度を５０ｍＷ、撮影部５のｆ値を１．８、撹拌機３による撹拌の撹拌強度を示すＧ値が９０〜４００ｓ^-1の場合、シャッター速度は１／２０〜１／１０００ｓが望ましく、撮影部５の感度は、シャッター速度が高いほど高く設定し、１０〜３０ｄＢであることが望ましい。また、Ｇ値が９０ｓ^-1以下の場合（撹拌しない場合を含む）、シャッター速度は１／１００ｓ以上が望ましく、感度は２０ｄＢ以下が望ましい。本例は、単なる一例であって、撮影条件は、撹拌槽１の大きさや種類、外光の強度などに応じても適宜変更される。また、シート光の輝度（光源４１の出力強度）が撹拌強度などに応じて適宜変更されてもよい。

また、制御部６は、撮影部５から出力された画像データにて示される撮影画像を解析して、フロックの特徴量を測定する。例えば、制御部６は、撮影画像に対して、撮影画像内のノイズを除去するノイズ処理、および、撮影画像を２階調の画像である２値化画像に変換する２値化処理などの画像処理を行う。これにより、撮影画像は、フロックが存在しない背景領域と、フロックが形成された粒子領域とを表すようになる。そして、制御部６は、粒子領域を解析して、フロックの特徴量を測定する。フロックの特徴量は、例えば、フロックの形状、面積、粒子径（フロックの半径）、粒子長（フロックの直径）、縦横比、周囲長、個数および移動度や、それらの統計量（例えば、粒度分布）などであり、制御部６は、これらの特徴量の少なくとも一つを測定する。

制御部６は、測定した特徴量や撮影画像を表示部７に表示する。表示する撮影画像は、画像処理が施されたものでもよいし、画像処理が施されていない元の画像でもよい。

制御部６は、測定したフロックの特徴量に基づいて、凝集剤・ｐＨ調整剤添加部２および撹拌機３の少なくとも一方を制御してもよい。具体的には、制御部６は、凝集剤・ｐＨ調整剤添加部２が添加する薬剤の添加量や、撹拌機３による撹拌強度などを制御する。例えば、制御部６は、所定の特徴量（例えば、粒子径の平均値）が大きくなるほど、薬剤の添加量を減らしたり、撹拌強度を低くしたりする。

なお、所望の特徴量を測定するために撮影画像以外のデータが必要な場合、フロック形成状態観測装置１００は、上記構成に加えて、そのデータを取得するための装置を備えてもよい。例えば、特徴量を測定するために撹拌槽１内の原水の温度が必要な場合、フロック形成状態観測装置１００は、撹拌槽１内の原水の温度を取得する温度計を備え、制御部６は、画像データおよび温度計で取得されたデータ（原水の温度）に基づいて、フロックの特徴量を測定する。

図３は、フロック形成状態観測装置１００の動作を説明するためのフローチャートである。

先ず、制御部６は、シート光照射部４内の光源４１を駆動して、光源４１からレーザ光を出射させる。光源４１から出射されたレーザ光は、光学系４２でシート光に変換される。シート光は、光学系４２から出射され、撹拌槽１の光透過部材を介して撹拌槽１内の原水を照射する（ステップＳ１）。

続いて、制御部６は、凝集剤・ｐＨ調整剤添加部２を駆動して、凝集剤およびｐＨ調整剤の撹拌槽１内の液体への添加を開始する（ステップＳ２）。さらに制御部６は、撹拌機３を駆動して、撹拌槽１内の液体の撹拌を開始する（ステップＳ３）。そして制御部６は、撮影部５を駆動して、撹拌槽１内の液体内のシート光にて照射される照射領域の撮影を開始させる。撮影部５は、照射領域を撮影すると、照射領域を映した撮影画像を示す画像データを制御部６に出力する（ステップＳ４）。このとき、撮影部５は、撮影画像として動画像を撮影して画像データを連続的に出力してもよいし、静止画像を断続的に撮影して画像データを断続的に出力してもよい。

制御部６は、画像データを受け付け、その画像データが示す撮影画像を解析して、フロックの特徴量を測定し（ステップＳ５）、その測定した特徴量および画像データを表示部７に表示する（ステップＳ６）。そして、制御部６は、特徴量に基づいて、凝集剤・ｐＨ調整剤添加部２による凝集剤およびｐＨ調整剤の添加量および撹拌機３による撹拌強度を制御する（ステップＳ７）。このとき、制御部６は、撹拌強度の調整に応じて、撮影部５の撮影条件を制御してもよい。

その後、制御部６は、撹拌を終了するか否かを判断する（ステップＳ８）。このとき、例えば、制御部６は、フロック形成状態観測装置１００の管理者などから撹拌の終了が指示された場合、撹拌を終了すると判断する。

撹拌を終了する場合、制御部６は、凝集剤・ｐＨ調整剤添加部２、撹拌機３、光源４１および撮影部５を停止して（ステップＳ９）、動作を終了する。一方、撹拌を終了しない場合、制御部６は、ステップＳ５の処理に戻る。

以上説明したように本実施形態によれば、シート光照射部４がフロックを含む原水に対してシート光を照射する。撮影部５は、シート光照射部４が照射したシート光の進行方向とは交差する方向から、原水内のシート光にて照射される照射領域を撮影して撮影画像を生成する。制御部６は、撮影部５にて生成された撮影画像を解析して、フロックの特徴量を測定する。したがって、シート光は通常のランプの光に比べて光量を大きくすることができるため、撮影部５のシャッター速度を大きくしても、撮影画像の品質が高くすることが可能になり、その結果、フロックの特徴量を精度良く測定することが可能になる。したがって、フロックの状態を精度良く観測することが可能になる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態のフロック形成状態観測装置１００の構成を示すブロック図である。図４に示すフロック形成状態観測装置１００は、シート光照射部４および撮影部５が撹拌槽１の内部に設けられている点で図１に示す第１の実施形態のフロック形成状態観測装置１００とは異なる。

具体的には、実施形態では、シート光照射部４および撮影部５は、それぞれ防水機能を有する防水ケース８ａおよび８ｂに収容されている。防水ケース８ａおよび８ｂは、少なくとも一部が透明部材で形成される。具体的には、防水ケース８ａは、少なくともシート光が出射する出射領域が透明部材で形成される。同様に、防水ケース８ｂは、少なくとも撮影が行われる視野領域が透明部材で形成される。

また、フロック形成状態観測装置１００は、防水ケース８ａおよび８ｂのそれぞれを洗浄する洗浄部９ａおよび９ｂを有する。洗浄部９ａおよび９ｂは、防水ケース８ａおよび８ｂのそれぞれにおける撹拌槽１内の液体と接触する接液部を洗浄する。このとき、洗浄部９ａおよび９ｂは、接液部のうち少なくとも出射領域および視野領域を洗浄すればよい。洗浄部９ａおよび９ｂは、例えば、水流を接液部に吹き付ける装置や、ワイパーなどである。

なお、洗浄部９ａおよび９ｂは、設けられることが望ましいが、洗浄部９ａおよび９ｂを設けずに、防水ケース８ａおよび８ｂを撹拌槽１から引き揚げて洗浄する構成でもよい。また、シート光照射部４および撮影部５のそれぞれに防水機能を設けることができれば、防水ケース８ａおよび８ｂはなくてもよい。また、図４の例では、シート光照射部４および撮影部５の両方が撹拌槽１の内部に設けられていたが、シート光照射部４および撮影部５のいずれか一方が撹拌槽１に設けられ、他方が第１の実施形態のように撹拌槽１の外部に設けられてもよい。

本実施形態によれば、シート光照射部４および撮影部５が撹拌槽１の内部に設けられるので、撹拌槽１を形成する透明部材を減らすことが可能になる。したがって、既存の撹拌槽１に対して容易にかつ低コストでフロックの状態を精度良く観測することが可能になる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態のフロック形成状態観測装置１００の構成を示すブロック図である。図５に示すフロック形成状態観測装置１００は、シート光照射部４からのシート光を撹拌槽１の内部に導くとともに、撹拌槽１内の原水におけるシート光で照射された照射領域からの光を撮影部５に導く導光部１０を備える点で図１に示す第１の実施形態のフロック形成状態観測装置１００とは異なる。

導光部１０は、図５の例では、シリンダ１０ａと、ミラー１０ｂ〜１０ｄとを含む。シリンダ１０は、光が内部を伝達する部材であり、例えば、中空構造または内部の少なくとも一部が透明部材で形成された構造を有する。

シリンダ１０ａには、シート光が入射する入射部１１ａと、入射部１１ａに入射されたシート光が出射し、照射領域からの光が入射する入出射部１１ｂと、入出射部１１ｂに入射した光を出射する出射部１１ｃとを有する。シリンダ１０ａは、入出射部１１ｂが撹拌槽１の内部に設けられ、入射部１１ａおよび出射部１１ｃが撹拌槽１の外部に設けられるように、撹拌槽１に挿入される。入射部１１ａ、入出射部１１ｂおよび出射部１１ｃは、例えば、透過部材または開口などで形成される。

ミラー１０ｂ〜１０ｄは、シート光または拡散光を反射して偏向する偏向素子である。具体的には、ミラー１０ｂは、シリンダ１０ａの内部に設けられ、入射部１１ａに入射したシート光を入出射部１１ｂに向けて反射させる。ミラー１０ｃは、シリンダ１０ａの外部に設けられ、入出射部１１ｂから出射したシート光の照射領域からの光を入出射部１１ｂに向けて反射させる。ミラー１０ｃは、シリンダ１０ａの内部に設けられ、入出射部１１ｂに入射した拡散光を出射部１１ｃに向けて反射させる。

図５の例では、シート光照射部４からのシート光を撹拌槽１の内部に導く導光部と、照射領域からの光を撮影部５に導く導光部とが導光部１０として共通化されていたが、これらの導光部が別々に設けられてもよい。また、これらの導光部の一方だけが設けられてもよい。この場合、シート光照射部４または撮影部５は、第１の実施形態のように撹拌槽１の外部に配置されてもよいし、第２の実施形態のように撹拌槽１の内部に設けられてもよい。

また、フロック形成状態観測装置１００は、導光部１０を洗浄する洗浄部１２を有する。洗浄部１２は、導光部１０における入出射部１１ｂを洗浄する。洗浄部１２は、第２の実施形態の洗浄部９ａおよび９ｂと同様に、例えば、水流を入出射部１１ｂに吹き付ける装置や、ワイパーなどである。なお、フロック形成状態観測装置１００には、ミラー１０ｃを洗浄する洗浄部が設けられてもよい。

以上説明したように本実施形態によれば、シート光照射部４からのシート光を撹拌槽１の内部に導くとともに、撹拌槽１内の原水におけるシート光で照射された照射領域からの光を撮影部５に導く導光部１０が設けられているため、撹拌槽１を形成する透明部材を減らすことが可能になる。したがって、既存の撹拌槽１に対して容易にかつ低コストでフロックの状態を精度良く観測することが可能になる。また、シート光照射部４や撮影部５を撹拌槽１の内部に設けなくてもよいため、シート光照射部４や撮影部５のメンテナンスが容易になる。

以下では、第１〜第４の実施例として、フロックの特徴量のより具体的な測定方法について詳細に説明する。

（第１の実施例）フロックの成長挙動の測定
本実施例では、撹拌槽１として、１５ｃｍ×１５ｃｍ×１５ｃｍの角型透明アクリル水槽を用いた。撹拌機３としては、撹拌速度を制御可能なジャーテスターを用いた。シート光照射部４としては、最大出力強度が５０ｍＷの緑色レーザービーム発生装置（カトウ光研株式会社製、PIV Lasar G50）を用いた。撹拌槽１に収容する液体は、フミンの濃度が１０ｍｇ／Ｌの溶解液であり、ろ過水にフミンを溶解させることで作成した。凝集剤としては、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）を用い、ｐＨ調整剤としては塩酸を用いた。なお、ｐＨ調整剤として水酸化ナトリウムを用いた場合でも、以下と同様な結果が得られた。

上記の例において、以下の測定手順でフロックの成長挙動としてフロックの平均粒子径の時間変化の測定を行った。
手順１：撹拌槽１内のシート光の表面にピントが合うように、撮影部５の位置や撮影部５内のレンズを調整した。
手順２：撮影部５のｆ値を１．８に調整し、撹拌機３を撹拌速度１２０ｒｐｍ（Ｇ値＝９３ｓ^-1）で駆動した。
手順３：撮影部５の感度（ゲイン）を２８．９６ｄＢ、シャッター速度を１／７９９．４６ｓに設定した。
手順４：撹拌槽１に凝集剤およびｐＨ調整剤を添加し、その添加したタイミングで撮影を開始した。
手順５：１０ｓごとに、撮影画像として静止画像を生成する撮影を行い、その撮影画像に対してノイズ処理および２値化処理を行った。
手順６：ノイズ処理および２値化処理を行った各画像データを解析して、各画像データに映されたフロックのそれぞれの粒子径を測定し、各画像データにおける各粒子径の平均値である平均粒子径の時間変化をフロックの成長挙動として測定した。このとき、撮影画像内の各粒子領域の外周の長さを求め、その長さを円周とする円の半径を各フロックの粒子径とした。
以上の手順を凝集剤（ＰＡＣ）の添加量を変えて複数回行った。

図６は、本実施例によるフロックの成長挙動を示す図である。図６では、凝集剤（ＰＡＣ）の添加量をそれぞれ４０ｍｇ／Ｌ、８０ｍｇ／Ｌ、１６０ｍｇ／Ｌおよび２００ｍｇ／Ｌとしたときの平均粒子径μｍの時間変化が示されている。本実施例では、図６に示されたように、フロックの成長挙動が精度良く測定することができた。

（第２の実施例）粒度分布の測定
本実施例における、撹拌槽１、撹拌機３およびシート光照射部４、原水、凝集剤およびｐＨ調整剤は、第１の実施例と同様である。また、手順１〜５までは実施例１と同じである。
手順６：ノイズ処理および２値化処理を行った各撮影画像を解析して、各画像データに映されたフロックのそれぞれの粒子径を測定し、さらに、そのフロックの粒子径の体積基準の頻度を粒度分布として測定した。
以上の手順を凝集剤（ＰＡＣ）の添加量を変えて複数回行った。

図７は、本実施例によるフロックの粒度分布を示す図である。図７では、凝集剤（ＰＡＣ）の添加量をそれぞれ、０ｍｇ／Ｌ（原水）、４０ｍｇ／Ｌ、８０ｍｇ／Ｌ、１２０ｍｇ／Ｌおよび１６０ｍｇ／Ｌとしたときの、フロックの粒度分布（粒子径の体積基準の頻度）が示されている。なお、図７は、手順４で凝集剤を添加してから１８０ｓ後の粒度分布を示している。本実施例では、図７に示されたように、フロックの粒度分布を精度良く測定することができ、凝集剤の添加量が増えるほど、フロックが大きくなる挙動が確認することができた。

（第３の実施例）撹拌強度がフロックの粒子径に及ぼす影響（撹拌強度とフロックの粒子径の相関）
本実施例における、撹拌槽１、撹拌機３、シート光照射部４、原水、凝集剤およびｐＨ調整剤は、第１の実施例と同様である。また、手順１〜３までは実施例１と同様である。
手順４：撹拌槽１に凝集剤およびｐＨ調整剤を添加し、撹拌速度を１２０ｒｐｍ（Ｇ値＝９３ｓ^-1）を維持したまま３ｍｉｎ撹拌し（第１の撹拌条件）、その後、撹拌速度を１５０ｒｐｍ（Ｇ値＝１３０ｓ^-1）に上げて３ｍｉｎ撹拌し（第２の撹拌条件）、さらに、撹拌速度を１９０ｒｐｍ（Ｇ値＝１８０ｓ^-1）に上げて３ｍｉｎ撹拌させた（第３の撹拌条件）。
手順５：１０ｓごとに、撮影画像として静止画像を生成する撮影を行い、その撮影画像に対してノイズ処理および２値化処理を行った。
手順６：ノイズ処理および２値化処理を行った各画像データを解析して、各画像データに映されたフロックのそれぞれの粒子径を測定し、各画像データにおける各粒子径の平均値である平均粒子径を測定した。

図８は、第１〜第３の撹拌条件（Ｇ値＝９３ｓ^-1、１３０ｓ^-1、１８０ｓ^-1）のそれぞれにおける平均粒子径を示す。図８では、第１〜第３の撹拌条件のそれぞれにおいて、フロックの挙動が安定するタイミングでの（具体的には、各撹拌条件において、撹拌が開始されてから２〜３ｍｉｎ後の）平均粒子径が示されている。本実施例では、図８に示されたように、撹拌強度とフロックの粒子径の相関が精度良く測定することができた。

（第４の実施例）撹拌後のフロックの沈降速度および有効密度の測定
本実施例における、撹拌槽１、撹拌機３、シート光照射部４、原水、凝集剤およびｐＨ調整剤は、第１の実施例と同様である。
手順１：撹拌槽１内のシート光の表面にピントがあるように、撮影部５の位置や撮影部５内のレンズを調整した。
手順２：撮影部５のｆ値を１．８、撮影部５の感度（ゲイン）を２８．９６ｄＢ、シャッター速度を１／７９９．４６ｓに設定した。
手順３：撹拌槽１に凝集剤およびｐＨ調整剤を添加し、撹拌を所定時間行い、撹拌の終了後に撮影画像として動画像を生成する撮影を行った。
手順４：撮影した撮影画像から、所定の撮影間隔で静止画像を抽出し、各静止画像に対してノイズ処理および２値処理を行った。
手順５：ノイズ処理および２値化処理を行った各静止画像を解析して、フロックごとにフロックの移動距離を測定し、その移動距離と撮影間隔から沈降速度を測定した。
手順６：温度計にて測定された液体のデータ（温度）から、水の粘度と密度を算出した。
手順７：ストークスの式「ρ_e＝ρ_p−ρ_f＝（ｖ×１８μ）／（ｄ²×ｇ）」を用いて、各フロックの有効（水中）密度を測定した。ここで、ρ_e［ｇ／ｃｍ³]はフロックの有効密度、ρ_p［ｇ／ｃｍ³］はフロックの密度、ρ_f［ｇ／ｃｍ³］は水の密度、ｖ[ｃｍ／ｓ]は沈降速度、μ［ｐａ・ｓ］は水の粘度、ｄ［ｃｍ］はフロック径、ｇ［ｃｍ／ｓ²］は重力加速度である。

表１は、フロック＃１〜＃６の移動距離、撮影間隔、沈降速度、粒子径および有効密度を示す。

表１では、凝集剤（ＰＡＣ）の添加量は１２０ｍｇ／Ｌである。また、撹拌として、撹拌速度を１２０ｒｐｍ、撹拌時間を３ｍｉｎとした急速撹拌、撹拌速度を４０ｒｐｍ、撹拌時間を５ｍｉｎとした緩速撹拌の順で行った。本実施例では、表１に示されたように、フロックの沈降速度および有効密度を精度良く測定することができた。

なお、第１〜第３の実施例では、撮影部５は撮影画像として静止画像を断続的に生成し、第４の実施例では、撮影部５は撮影画像として動画像を連続的に生成していたが、第１〜第３の実施例において、撮影部５が動画像を連続的に生成し、第４の実施例において、撮影部５が静止画像を断続的に生成してもよい。

以上、第１〜第４の実施例で示したように、凝集沈澱において非常に重要なエンジニアリングデータである、１．急速撹拌時のフロックの成長挙動、２．撹拌強度がフロックの粒子径に及ぼす影響、３．フロックの沈降速度および密度を精度良く測定することができる。また、これらのエンジニアリングデータは同一の撮影画像から測定することができるため、これらのエンジニアリングデータを一連の手順で測定することができる。

（第５の実施例）
本実施例では、各実施形態で説明したフロック形成状態観測装置１００と、シート光照射部４の代わりにランプ光源（蛍光灯）を用いた比較例のフロック形成状態観測装置とを比較する。

図９および図１０は、同一の撹拌条件および同一の撮影条件における、フロック形成状態観測装置１００と比較例のフロック形成状態観測装置との測定結果を比較した図である。具体的には、図９は、フロック形成状態観測装置１００および比較例のフロック形成状態観測装置のそれぞれを用いて測定した、フロックの粒子径と粒子数の関係を示し、図１０は、図９に示したデータに基づいて生成した粒度分布を示す。

図９および図１０で示されたように、フロック形成状態観測装置１００では粒度分布を精度良く測定することができたが、比較例のフロック形成状態観測装置では、粒度分布をほとんど測定することができなかった。これは、比較例のフロック形成状態観測装置では、ランプの光量が足りないため、検出できるフロックの数が少ないためである。

図１１は、フロック形成状態観測装置１００による撮影画像の一例を示す図であり、図１２は、比較例のフロック形成状態観測装置による撮影画像を示す図である。なお、図１１および図１２で示した撮影画像は、２値化処理を行う前の元の撮影画像を示す。図１１に示すようにフロック形成状態観測装置１００による撮影画像では、フロックを示す粒子領域（白領域）が明確に確認することができるが、比較例のフロック形成状態観測装置による撮影画像では、図１２に示すように、フロックを示す粒子領域をほとんど確認することができない。このため、比較例のフロック形成状態観測装置では、検出できるフロックの数が少なくなる。

以上説明した各実施形態および各実施例において、説明した構成や動作は単なる一例であって、本発明はそれらに限定されるものではない。

例えば、シート光照射部４において、光源４１と光学系４２とが光ファイバのような導光部材を介して光学的に接続されていてもよい。この場合、光源４１を撹拌槽１の外部に設置し、光学系４２を撹拌槽の内部に設置することができる。

また、フロック形成状態観測装置１００は、通信ネットワークを介してサーバや記憶装置などの外部装置に接続され、制御部６は、特徴量や画像データを外部装置に送信してもよい。さらに液体を収容する容器として撹拌槽１を想定していたが、本発明の容器は、液体を収容することができればよい。

さらにフロック形成状態観測装置１００は、撮影部５を複数備えていてもよい。複数の撮影部５は、互いに異なる領域を撮影してもよいし、同一の領域を互いに異なる角度から撮影してもよい。後者の場合、制御部６は、複数の撮影部５のそれぞれからの複数の画像データが示す撮影画像を解析することで、フロックを立体的に観測することが可能になる。

１ 撹拌槽
２ 凝集剤・ｐＨ調整剤添加部
３ 撹拌機
４ シート光照射部
５ 撮影部
６ 制御部
７ 表示部
８ａ、８ｂ 防水ケース
９ａ、９ｂ、１２ 洗浄部
１０ 導光部
１０ａ シリンダ
１０ｂ〜１０ｄ ミラー
１００ フロック形成状態観測装置

Claims (9)

1. 粒子を含む液体に対してシート光を照射するシート光照射部と、
   前記シート光の進行方向とは交差する方向から、前記液体内の前記シート光にて照射される照射領域を撮影して撮影画像を生成する撮影部と、
   前記撮影部にて生成された撮影画像を解析して、前記粒子の特徴量を測定する制御部と、を有する粒子観測装置。
2. 前記液体は、少なくとも一部が透明部材で形成された容器に収容され、
   前記シート光照射部は、前記容器の外部に設けられ、前記透明部材を介して前記シート光を前記液体に照射する、請求項１に記載の粒子観測装置。
3. 前記液体は、少なくとも一部が透明部材で形成された容器に収容され、
   前記撮影部は、前記容器の外部に設けられ、前記透明部材を介して前記領域を撮影する、請求項１または２に記載の粒子観測装置。
4. 前記シート光照射部および前記撮影部の少なくとも一方は、前記液体を収容する容器の内部に設けられる、請求項１に記載の粒子観測装置。
5. 前記シート光照射部は、前記液体を収容する容器の外部に設けられ、
   前記シート光照射部からの前記シート光を前記容器の内部に導く第１の導光部をさらに有する、請求項１に記載の粒子観測装置。
6. 前記撮影部は、前記液体を収容する容器の外部に設けられ、
   前記照射領域からの光を前記撮影部まで導く第２の導光部をさらに有する、請求項１または５に記載の粒子観測装置。
7. 前記液体内の濁度成分を前記粒子として凝集させるための薬剤を前記液体に添加する添加部と、
   前記薬剤が添加された液体を撹拌して前記濁度成分を前記粒子として凝集させる撹拌部と、をさらに含み、
   前記制御部は、前記特徴量に基づいて、前記添加部および撹拌部の少なくとも一方を制御する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の粒子観測装置。
8. 前記液体は、浄水場の混和池に収容されている、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の粒子観測装置。
9. 粒子を含む液体に対してシート光を照射し、
   前記シート光の光軸とは交差する方向から、前記液体内の前記シート光にて照射される照射領域を撮影し、
   前記生成された撮影画像を解析して、前記粒子の特徴量を測定する、粒子観測方法。