JP2021060363A

JP2021060363A - 水質監視システム

Info

Publication number: JP2021060363A
Application number: JP2019186195A
Authority: JP
Inventors: 雅義上面; Masayoshi Kamitsura; 健牛島; Ken Ushijima; 俊一川口; Shunichi Kawaguchi; 竜生伊藤; Ryusei Ito; 尚行船水; Naoyuki Funamizu
Original assignee: Hokkaido University NUC; Showa Denko Materials Co Ltd; Hokkaido Research Organization
Current assignee: Hokkaido University NUC; Hokkaido Research Organization; Resonac Corp
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-04-15

Abstract

【課題】浄水設備と比べて簡易な構成で済む水質監視システムを提供する。【解決手段】水質監視システム１Ａは、互いに離れた複数の上水設備Ａ1〜ＡNにおける上水Ｂの水質を一括して監視する。水質監視システム１Ａは、複数の水質モニタ装置２と、複数の水質モニタ装置２との間で情報通信網５を通じた通信を行うサーバ装置３とを備える。各水質モニタ装置２は、電気化学チップ２１と、電気化学チップ２１の電位制御または電流制御を行い、上水Ｂの水質を示す電気信号ＥＳを電気化学チップ２１から取得する制御部２２と、電気信号ＥＳから生成された水質関連データを、情報通信網５を通じたセキュア通信にてサーバ装置３に送信する通信部２３とを有する。サーバ装置３は、水質関連データの履歴を記憶する記憶部３１と、水質関連データの履歴を解析し、水質異常を判定する水質判定部３２とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、水質監視システムに関する。

特許文献１には、水質モニタシステムに関する技術が開示されている。この水質モニタシステムでは、或る管路に付設された水質自動監視装置から、水質の検出データを中央監視センタに伝送する。中央監視センタは、水質の検出データに基づき、当該管路の水質をモニタする。水質自動監視装置は、当該管路の水質異常を検出したとき、自動採水機能によってその異常水を採取する。

特開平１１−６８２６号公報

近年、我が国においては過疎地域が拡大しており、簡易水道、水道組合といった水道法適用外の小規模な上水設備が増加している。このような小規模な上水設備においても、水道法が適用される大規模な上水道と同様に、水質の安全性が担保されることが望ましい。また、新興国においても、水道の安全性の維持は重要な課題となっている。しかしながら、我が国の大規模な上水道において設けられている浄水設備は規模が大きく、老朽化した配管の取換といった維持管理に多大なコストを要する。我が国の小規模な上水設備、及び新興国の上水道ではそのような多大なコストを負担できない場合が多く、浄水設備と比べて簡易な構成で済む水質監視システムは、それらの上水の安全性確保のために有効な手段となり得る。本発明は、そのような水質監視システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、一実施形態による水質監視システムは、互いに離れた複数の上水設備における上水の水質を一括して監視するシステムであって、複数の上水設備にそれぞれ配置された複数の水質モニタ装置と、複数の水質モニタ装置との間で情報通信網を通じた通信を行うサーバ装置とを備える。各水質モニタ装置は、作用電極、参照電極、及び対照電極を有し、上水に浸される電気化学チップと、電気化学チップと電気的に接続され、電気化学チップの電位制御または電流制御を行い、上水の水質を示す電気信号を電気化学チップから取得する制御部と、制御部と電気的に接続され、電気信号から生成された水質関連データを、情報通信網を通じたセキュア通信にてサーバ装置に送信する第１の通信部とを有する。サーバ装置は、水質関連データの履歴を記憶する記憶部と、水質関連データの履歴を解析し、水質異常を判定する水質判定部とを有する。

本発明の一実施形態によれば、浄水設備と比べて簡易な構成で済む水質監視システムを提供できる。

図１は、一実施形態に係る水質監視システム１Ａの構成を概略的に示す図である。図２（ａ）は、電気化学チップ２１を示す平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のII−II線に沿った断面図である。図３は、第２変形例に係る水質監視システム１Ｂの構成を概略的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら水質監視システムの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る水質監視システム１Ａの構成を概略的に示す図である。この水質監視システム１Ａは、互いに離れたＮ個（Ｎは２以上の整数）の上水設備Ａ₁〜Ａ_Nにおける上水Ｂの水質を一括して監視するシステムである。図１に示すように、この水質監視システム１Ａは、Ｎ個の水質モニタ装置２と、サーバ装置３と、Ｎ個の通信端末４とを備える。

Ｎ個の水質モニタ装置２は、Ｎ個の上水設備Ａ₁〜Ａ_Nにそれぞれ配置され、上水Ｂの水質を示す水質関連データを生成する。各水質モニタ装置２は、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nにおいて、上水Ｂの近傍に設置されている。サーバ装置３は、Ｎ個の水質モニタ装置２との間で情報通信網５を通じた通信を行う。情報通信網５は、例えばインターネット通信網である。各通信端末４は、対応する各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの管理者が所持しており、例えば無線通信が可能なスマートフォン等の情報通信端末である。

各水質モニタ装置２は、電気化学チップ２１と、制御部２２と、通信部２３（第１の通信部）とを有する。電気化学チップ２１は、上水Ｂに浸され、上水Ｂの水質を示す（言い換えると、検出しようとする物質の濃度に応じて変動する）電気信号を出力する。図２（ａ）は、電気化学チップ２１を示す平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のII−II線に沿った断面図である。これらの図に示すように、電気化学チップ２１は、長方形状の誘電体基板２４と、該誘電体基板２４の主面２４ａ上にそれぞれ設けられた作用電極２５ａ、参照電極２５ｂ、及び対照電極（カウンター電極ともいう）２５ｃとを有する。作用電極２５ａは、誘電体基板２４の長手方向における一端寄りの位置に設けられた円形状の金属膜である。参照電極２５ｂは、作用電極２５ａの周囲を囲んで形成された円環状の金属膜である。参照電極２５ｂの中心は、作用電極２５ａの中心と一致する。参照電極２５ｂと作用電極２５ａとの間には、円環状の間隙が設けられている。対照電極２５ｃは、参照電極２５ｂの周囲を囲んで形成された円環状の金属膜である。対照電極２５ｃの中心は、作用電極２５ａ及び参照電極２５ｂの中心と一致する。換言すると、対照電極２５ｃは参照電極２５ｂに対して同心円状に形成されている。対照電極２５ｃと参照電極２５ｂとの間には、円環状の間隙が設けられている。

作用電極２５ａ、参照電極２５ｂ及び対照電極２５ｃを構成する金属は、例えば金（Ａｕ）である。その場合、作用電極２５ａ、参照電極２５ｂ及び対照電極２５ｃは、誘電体基板２４の主面２４ａ上に、例えばメッキ等により形成され得る。更に、作用電極２５ａ及び参照電極２５ｂの表面は、導電性高分子膜（不図示）によって覆われてもよい。導電性高分子膜は、例えばポリアニリン膜またはポリピロール膜である。導電性高分子膜は、例えば電解重合によって形成され得る。

誘電体基板２４の内部には、誘電体基板２４の長手方向に延在する３本の配線パターン２６ａ〜２６ｃが設けられている。配線パターン２６ａの一端は作用電極２５ａに接続され、配線パターン２６ｂの一端は参照電極２５ｂに接続され、配線パターン２６ｃの一端は対照電極２５ｃに接続されている。配線パターン２６ａ〜２６ｃの他端は、作用電極２５ａ、参照電極２５ｂ及び対照電極２５ｃが設けられた誘電体基板２４の一端とは反対側の誘電体基板２４の他端まで直線状に延びている。配線パターン２６ａ〜２６ｃそれぞれの他端は、端子２７ａ〜２７ｃそれぞれに接続されている。端子２７ａ〜２７ｃは、他のコネクタ端子との電気的な接触を可能とするため、主面２４ａ上、または主面２４ａ上とは反対側の裏面上において露出している。

再び図１を参照する。制御部２２は、電気化学チップ２１と電気的に接続され、電気化学チップ２１の電位制御または電流制御を行い、上水Ｂの水質を示す電気信号ＥＳを電気化学チップ２１から取得する。具体的には、制御部２２は、電気化学チップ２１の端子２７ａ〜２７ｃ（図２参照）とそれぞれ接触する３つのコネクタ端子を有する。制御部２２が電気化学チップ２１の電位制御を行う場合、制御部２２はポテンショスタットを含む。ポテンショスタットは、作用電極２５ａと対照電極２５ｃとの間に電圧を印加し、作用電極２５ａと参照電極２５ｂとの間の電位を設定したい値に制御する。また、制御部２２が電気化学チップ２１の電流制御を行う場合、制御部２２はガルバノスタットを含む。ガルバノスタットは、作用電極２５ａと対照電極２５ｃとの間の電流を制御し、作用電極２５ａと参照電極２５ｂとの間の電位を計測する。制御部２２は、交流インピーダンス測定、定電位測定、及びサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）測定のうち少なくとも１つを行うことにより、例えば上水ＢのｐＨ、イオン電導度、化学的酸素要求量（Chemical Oxygen Demand：ＣＯＤ）、重金属量、有機物量、及び総菌数（大腸菌等）といった水質に関する多項目のデータ（水質関連データ）を電気信号ＥＳから生成する。制御部２２と電気化学チップ２１との電気的な接続は、ＵＳＢ（登録商標）インターフェースを介して行われてもよい。制御部２２としては、例えば北斗電工株式会社製のＨＺ３０００を用いることができる。

通信部２３は、制御部２２と電気的に接続され、電気信号ＥＳから生成された水質関連データを、情報通信網５を通じたセキュア通信にてサーバ装置３に送信する。Ｎ個の水質モニタ装置２の通信部２３には、それぞれ固有のＩＰアドレスが割り当てられている。また、水質関連データは、セキュア通信のため暗号化されてサーバ装置３に送られ、サーバ装置３において復号化される。水質関連データは、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nから定期的に（例えば一時間毎に）サーバ装置３に送られる。

サーバ装置３は、記憶部３１と、水質判定部３２と、通信部３３（第２の通信部）とを有する。記憶部３１は、Ｎ個の上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの水質モニタ装置２から送られてくる水質関連データの履歴（トレンドデータ）を上水設備毎に記憶する。記憶部３１は、例えばハードディスク等の記憶装置によって構成され得る。水質判定部３２は、記憶部３１から水質関連データの履歴を読み出し、水質関連データの履歴に基づいて上水設備毎に履歴の解析を行う。そして、水質判定部３２は、解析結果に基づいて各上水設備の水質異常を判定する。水質判定部３２は、例えば中央演算装置（ＣＰＵ）及び揮発性メモリ（ＲＡＭ）を含むコンピュータによって構成され得る。通信部３３は、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nと関連付けられた通信端末４に、情報通信網５または別の情報通信網を通じて、水質関連データの履歴及びその解析結果のうち少なくとも一方を送信する。

サーバ装置３は、Ｎ個の上水設備Ａ₁〜Ａ_Nから離れた場所（遠隔地）に設置される。一例では、上水設備Ａ₁〜Ａ_Nは一つの地方自治体内に点在する簡易水道または水道組合であり、サーバ装置３が設置される場所は、当該地方自治体の役場の建物Ｃ内である。

以上の構成を備える本実施形態の水質監視システム１Ａによって得られる効果について説明する。上述したように、この水質監視システム１Ａでは、水質モニタ装置２が、電気化学チップ２１と、制御部２２と、通信部２３とを有する。電気化学チップ２１は作用電極２５ａ、参照電極２５ｂ、及び対照電極２５ｃを有し、制御部２２は、電気化学チップ２１の電位制御または電流制御を行い、上水Ｂの水質を示す電気信号ＥＳを電気化学チップ２１から取得する。そして、通信部２３は、電気信号ＥＳから生成された水質関連データを、情報通信網５を通じたセキュア通信にてサーバ装置３に送信する。また、サーバ装置３は、記憶部３１及び水質判定部３２を有し、記憶部３１は水質関連データの履歴を記憶し、水質判定部３２は水質関連データの履歴を解析し、水質異常を判定する。

このような水質監視システム１Ａによれば、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nにおいて検出された水質関連データを共通のサーバ装置３に送り、サーバ装置３において履歴の解析等を一括して行うので、一定の水質基準を満たすための浄水設備を各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nに設ける必要がなく、より簡易な構成にて各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの水質を管理することができる。従って、維持管理に要するコストを低減しつつ、簡易水道及び水道組合といった小規模の上水設備の安全性を担保することができる。

また、従来より、総菌数の検出には培養を含む方法が用いられている。その場合、総菌数の検出に時間を要し、異常が発生しても即時に認識できないという問題がある。これに対し、本実施形態の水質監視システム１Ａは、上水ＢのｐＨ、電気伝導度及びＣＯＤに加えて、大腸菌等の総菌数を電気化学チップ２１により検出し、その検出結果を水質関連データとしてサーバ装置３に送信する。従って、総菌数の異常についても即時に認識することができ、上水設備の安全性をより確実に担保することができる。

また、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの水質関連データを第三者が自由に閲覧できる状況は、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの利用者にとって好ましいものではない。本実施形態のように、水質関連データをセキュア通信にてサーバ装置３に送信することにより、第三者の自由な閲覧を抑止することができる。

また、本実施形態のように、サーバ装置３は通信部３３を更に有し、通信部３３は、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nと予め関連付けられたＮ個の通信端末４に、情報通信網５または別の情報通信網を通じて、水質関連データの履歴及びその解析結果のうち少なくとも一方を送信してもよい。この場合、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの管理者が、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの水質の状態を容易に確認することができる。

また、上述したように、制御部２２と電気化学チップ２１との電気的な接続は、ＵＳＢ（登録商標）インターフェースを介して行われてもよい。ＵＳＢインターフェースはノイズに強く、これにより電気化学チップ２１からの電気信号ＥＳのＳ／Ｎを向上し、水質関連データの精度を高めることができる。

（第１変形例）
上記実施形態では、サーバ装置３の通信部３３が第２の通信部として、水質関連データの履歴及びその解析結果のうち少なくとも一方を通信端末４に送信する。これらの情報に代えて、またはこれらの情報に加えて、通信部３３は、水質異常が発生した上水設備と関連付けられた通信端末４に対し、情報通信網５または別の情報通信網を通じて水質異常を知らせてもよい。ここで、水質異常を知らせるとは、例えば、水質異常を生じた際に、水質異常が発生した上水設備に対応する通信端末４の画面に、予め設定されたアラーム（警告）情報を表示することをいう。

本変形例によれば、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの管理者が、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの水質に異常が生じたことを即時に認識することができる。従って、上水設備の安全性をより確実に担保することができる。

（第２変形例）
図３は、第２変形例に係る水質監視システム１Ｂの構成を概略的に示す図である。図３に示すように、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nにおいて、上水Ｂを止水するための遠隔操作可能な電磁バルブ２８が更に設けられてもよい。その場合、サーバ装置３の通信部３３は、水質異常が発生した上水設備の電磁バルブ２８を操作するための信号を、情報通信網５または別の情報通信網を通じて当該電磁バルブ２８に送信してもよい。この場合、水質異常が発生した上水設備の上水Ｂを即時に止水できるので、各上水設備Ａ₁〜Ａ_Nの安全性をより確実に担保することができる。なお、水質監視システム１Ｂの構成は、上述した点を除いて、上記実施形態の水質監視システム１Ａの構成と同様である。

本発明による水質監視システムは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。

１Ａ，１Ｂ…水質監視システム、２…水質モニタ装置、３…サーバ装置、４…通信端末、５…情報通信網、２１…電気化学チップ、２２…制御部、２３…通信部、２４…誘電体基板、２４ａ…主面、２５ａ…作用電極、２５ｂ…参照電極、２５ｃ…対照電極、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…配線パターン、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ…端子、２８…電磁バルブ、３１…記憶部、３２…水質判定部、３３…通信部、Ａ₁〜Ａ_N…上水設備、Ｂ…上水、Ｃ…地方自治体の役場の建物、ＥＳ…電気信号。

Claims

互いに離れた複数の上水設備における上水の水質を一括して監視するシステムであって、
前記複数の上水設備にそれぞれ配置された複数の水質モニタ装置と、
前記複数の水質モニタ装置との間で情報通信網を通じた通信を行うサーバ装置と、
を備え、
各水質モニタ装置は、
作用電極、参照電極、及び対照電極を有し、前記上水に浸される電気化学チップと、
前記電気化学チップと電気的に接続され、前記電気化学チップの電位制御または電流制御を行い、前記上水の水質を示す電気信号を前記電気化学チップから取得する制御部と、
前記制御部と電気的に接続され、前記電気信号から生成された水質関連データを、前記情報通信網を通じたセキュア通信にて前記サーバ装置に送信する第１の通信部と、
を有し、
前記サーバ装置は、
前記水質関連データの履歴を記憶する記憶部と、
前記水質関連データの履歴を解析し、水質異常を判定する水質判定部と、
を有する、水質監視システム。
前記サーバ装置は第２の通信部を更に有し、
前記第２の通信部は、水質異常が発生した上水設備と予め関連付けられた通信端末に、前記情報通信網または別の情報通信網を通じて、前記水質関連データの履歴及びその解析結果のうち少なくとも一方を送信する、請求項１に記載の水質監視システム。
前記サーバ装置は第２の通信部を更に有し、
前記第２の通信部は、水質異常が発生した上水設備と予め関連付けられた通信端末に、前記情報通信網または別の情報通信網を通じて水質異常を知らせる、請求項１又は２に記載の水質監視システム。
前記上水を止水するための遠隔操作可能なバルブを各上水設備に更に備え、
前記サーバ装置は第２の通信部を更に有し、
前記第２の通信部は、水質異常が発生した上水設備の前記バルブを操作するための信号を、前記情報通信網または別の情報通信網を通じて当該バルブに送信する、請求項１に記載の水質監視システム。