JP3114022B2

JP3114022B2 - 微生物監視装置及びその方法

Info

Publication number: JP3114022B2
Application number: JP03122125A
Authority: JP
Inventors: 文智呉; 幹雄依田; 昭二渡辺; 伊智郎圓佛; 智則金子; 直樹原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 2000-12-04
Anticipated expiration: 2015-12-04
Also published as: JPH04326993A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば下水処理プロ
セスを運転管理するため、特に、微生物撮像装置を用
い、微生物の画像から活性汚泥の微生物の状態を監視す
る微生物監視装置及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】下水処理場では、エアレーションタンク
において流入水に空気を吹き込み（曝気）、流入水中の
有機物を微生物に摂取させることで有機物を除去し、続
いて微生物を沈殿池で沈降させて上澄液を放流してい
る。このため、有機物を摂取しかつ沈降性のよい微生物
を維持することが必要である。これら微生物は凝集性微
生物と糸状性微生物に大別され、此の中で糸状性微生物
が繁殖しすぎると沈降性が悪くなる（バルキング現象と
称されている）。沈降性が悪化すると、沈殿池から微生
物が流出することになるので、糸状性微生物を繁殖させ
ないことが重要である。なお、糸状性微生物として、例
えばスファエロテルス(Ｓｐｈａｅｒｏｔｉｌｕｓ)など
がある。すなわち、下水処理プロセスにおいては、糸状
性微生物が繁殖すると、処理が悪化したり、これらが流
出するという問題点を生じる。これらを防止するために
は、微生物の種類やその出現量あるいは濃度を連続的か
つ定量的に計測し、運転管理に反映させる必要がある。
また、糸状性微生物の細い糸は、微生物の種類により、
もともと糸が細いものあるいは太い糸に増大していくも
のがある。凝集性微生物と糸状性微生物の状態を対象と
した倍率により、微生物を観察した場合には、この倍率
が低いため、上記細い糸を観察することができない。上
記倍率で観察できない糸状性微生物は、活性汚泥処理の
沈降性の悪化（バルキング現象）には直接影響を及ばさ
ないが、糸状性微生物の繁殖の前兆として無視できな
い。この場合、微生物の凝集状態やその棲息環境を乱さ
ず、異なる倍率で同時的に撮像し、正確な微生物の状態
を得ることが重要である。従来技術として、エアレーシ
ョンタンク内の状態を直接監視できる微生物撮像装置は
いくつか提案されている。微生物観察装置としては、特
開昭６２−１８４４２８号のように、被検水をパイプで
導き、プランジャによりサンプルを固定し、光を当て、
倍率可変のカメラを用いて撮影観察する方法、及び、特
開昭６４−７８４０号のような倍率可変の浸漬型微生物
監視モニタが考案されている。しかし、これらの従来技
術は、カメラの倍率を可変変更するものの、活性汚泥処
理の沈降性の悪化（バルキング現象）を引き起こす糸状
性微生物の繁殖状態すなわち微生物の種類や出現頻度あ
るいは濃度を連続的にかつ定量的に計測し、運転管理に
反映させること、および、バルキング現象を引き起こす
遠因となる糸状性微生物の繁殖の前兆状態を、微生物の
凝集状態やその棲息環境を乱さずに、得ることができな
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
事情に鑑み、下水処理等プラント中の微生物の状態を正
確に把握する微生物監視装置及びその方法を提供するこ
とにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、観察窓を有
する単体または複数の防水ケースと移動可能な単体また
は複数のプランジャからなり、前記単体または複数の防
水ケースにはそれぞれ液体中の微生物を拡大撮像する複
数または単体の撮像手段と前記プランジャを駆動する手
段を含み、前記プランジャにはそれぞれ液体中の微生物
を照明する手段と微生物固定手段を含み、液体中の微生
物を複数の異なる倍率で同時的にかつ連続して撮像する
ことにより、また、複数の撮像手段から出力される映像
信号に基づいて、微生物の分級を行いかつ微生物の状態
を判定して異常信号を出力する画像処理手段と、前記微
生物の繁殖の要因を制御する制御手段と、水質計測手段
を具備することにより、達成される。

【０００５】

【作用】複数の撮像手段は、微生物固定手段によって固
定された液体中の微生物をそれぞれ異なる倍率で同時的
にかつ連続的に撮像し、画像処理手段は、この撮像デー
タに基づいて微生物の分級を行いかつ微生物の状態を判
定して異常信号を出力し、制御手段は、この画像処理手
段の異常信号と水質計測手段の計測値に基づいて、下水
処理等プラント中の微生物の繁殖となる要因を制御する
信号を出力する。これらの機能により、微生物の種類や
その出現量を同時的にかつ連続的に計測し、正確な微生
物の状態を監視することができ、併せて、微生物の凝集
状態やその棲息環境を乱さず、早期に微生物の増殖を検
出することができ、下水処理等プラントの運転管理に最
適に反映させることが可能となる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は、下水処理プロセスの微生物観察システムを
示す。下水処理プロセスのメカニズムは、エアレ−ショ
ンタンク１１０に沈殿池１００の上澄液(汚水)と汚泥返
送管１６０からの返送汚泥(微生物)が流入する。一方、
プロワ１４０は空気管１３０を介し送気し、散気装置１
２０からエアレ−ションタンク１１０内に供給された返
送汚泥と汚水は撹拌混合される。返送汚泥すなわち活性
汚泥は、微生物の凝集した粒径０．１〜１．０ｍｍ前後
の塊(フロック)であり、数十種の微生物を含むが、大別
すると凝集性微生物と糸状性微生物とからなる。活性汚
泥は、供給された空気中の酸素を吸収して汚水中の有機
物を分解し炭酸ガスと水にする。有機物の一部は活性汚
泥の菌体増殖に当てられる。活性汚泥と汚水の混合液は
沈殿池１５０に導かれ、ここで活性汚泥が重力沈降す
る。上澄液は通常塩素殺菌処理した後に放流される。一
方、沈降汚泥は汚泥返送管１６０から返送汚泥としてエ
アレ−ションタンク１１０に返送される。

【０００７】撮像装置２００Ａ、２００Ｂは、エアレ−
ションタンク１１０の液中に浸漬配置され、それぞれ倍
率を異にし、エアレ−ションタンク内の微生物の拡大画
像を得る機能を有する。現場操作盤３３０は、撮像装置
２００Ａ、２００Ｂ内に電源を供給すると共に、撮像装
置２００Ａ、２００Ｂに設置されているテレビカメラ、
照明、洗浄及びサンプリングの各手段を制御し、中央操
作盤３００からの制御信号もしくは操作盤内のタイマ−
に同期して撮像装置２００Ａ、２００Ｂへ制御信号を送
信する。撮像装置２００Ａ、２００Ｂからの微生物拡大
画像の映像信号は、現場操作盤３３０に接続されている
現場用モニタ３４０に映し出されると同時に、中央操作
盤３００へ送信される。中央操作盤３００は、現場操作
盤３３０から送信されてくる映像信号を受信し、中央用
モニタ３２０及び画像処理装置３１０に送信する装置
と、撮像装置２００Ａ、２００Ｂを遠隔操作する為の制
御信号を現場操作盤３３０に送信する装置を備えてい
る。ここで、制御信号とは例えば撮像装置２００Ａ、２
００Ｂ内藏テレビカメラ、照明装置等の電源の入切指
令、洗浄サンプリングの開始指令、カメラの絞り、焦点
操作指令、モータ制御指令等の信号である。画像処理装
置３１０は、撮像装置２００Ａ、２００Ｂからの微生物
拡大画像の映像信号を画像処理し、微生物の同定、微生
物の大きさ、個数、出現頻度等を計算し、これらの計算
値を基に微生物の分級を行い、微生物の状態を判定し、
その異常信号を制御回路５００に送信し、同時に中央モ
ニタ３２０に表示する。制御回路５００は、画像処理装
置３１０から送信された異常信号と水質計測手段５１０
の計測値に基づき、糸状性微生物の繁殖に影響する要因
を制御する。前記要因は、例えば、有機物負荷、ＤＯ、
ｐＨ、ＮとＰのバランス、返送汚泥量、水温、余剰汚泥
量、流入水量、汚泥滞留時間等がある。制御法は、例え
ば、低ＤＯが原因と考えられるバルキングについては送
風量の調整を行い、また、低有機物負荷が原因となった
バルキングについては返送汚泥と流入水の混合する割合
を調整する。水質計測手段５１０は、ＤＯ、ＭＬＳＳ、
ｐＨ、アルカリ度、流量などの計測機能を有し、それら
の計測値が制御回路５００へ送信される。モニタテレビ
３２０は、撮像装置２００Ａ、２００Ｂから送信されて
くる映像信号、画像処理装置３１０から送信される映像
信号並びに計算値を表示する。

【０００８】図２は、撮像装置２００Ａまたは２００Ｂ
の構造を表した図であり、円筒形の撮像装置の断面図で
ある。撮像装置２００Ａと２００Ｂは拡大光学装置２１
６の倍率を除いて、全く同じものから構成される。以
下、撮像装置２００Ａを詳述する。撮像装置２００Ａ
は、テレビカメラ２１２の撮像面法線方向が、垂直方向
になるよう微生物を含む混合液中に浸漬する。撮像装置
２００Ａは、防水ケース２１０とプランジャ２１１の２
つの部分から成る。プランジャ２１１はアーム２２１を
介し本体ケース２１０と接続されている。本体ケース２
１０内に設置されているプランジャ駆動用モータ２１４
は、動力変換器２１５を経由してアーム２２１を上下に
動かすことにより、プランジャ２１１を本体ケース２１
０から離したり(下げる)、密着させる(上げる)機能を有
する。アーム２２２外輪の圧縮コイルバネ２２３はプラ
ンジャ２１１と本体ケース２１０の密着時には圧縮力を
受けず、離した状態で圧縮力を受けるよう設置されてい
る。アーム２２１が上がるとコイルバネ２２３の弾性力
によってプランジャ２１１が上昇し、本体ケース２１０
と密着する。プランジャ２１１が本体ケース２１０に密
着した場合、１００μｍ程度のサンプリング空間２３０
を形成する。プランジャ駆動用モータ２１４の回転方
向、起動、停止、回転速度の緩急指令の信号は、現場操
作盤３３０から送信される。なお、図２はプランジャ２
１１が本体ケース２１０から離れた状態を示す図であ
る。また、サンプル空間２３０のスリット幅は倍率に対
応した適性な幅に調整される。

【０００９】今、現場操作盤３３０からプランジャ駆動
用モータ２１４の駆動信号が送信されると、本体ケース
２１０にプランジャ２１１が密着し、サンプル空間２３
０内に微生物を含む混合液が満たされ、プランジャ２１
１内に設置された照明装置２１９の光がサンプル固定用
ガラス２１８を介して照射され、その照射光は、観察窓
２１７、光学的拡大装置２１６を経て、テレビカメラ２
１２に導かれる。ここで混合液の輝度信号は、電気信号
に変換され、現場操作盤３３０へ送られる。ワイパ駆動
用モータ２１３は、現場操作盤３３０からの指令により
ワイパ２２０を駆動し、観察窓２１７及びサンプル固定
用窓ガラス２１８の表面の洗浄とサンプル空間２３０の
混合液の入れ替えを実施する。ワイパ駆動時は、プラン
ジャ２１１と本体ケース２１０から離れた状態となるよ
うに現場操作盤３３０内にインターロックがとられてい
る。撮像装置２００Ｂも撮像装置２００Ａと同様な動作
をする。撮像装置２００Ａと撮像装置２００Ｂはそれぞ
れ倍率を異にし、一方、中央操作盤３００からの制御信
号もしくは操作盤内のタイマ−に同期して撮像装置２０
０Ａ、２００Ｂへ制御信号を送信し、撮像装置２００
Ａ、２００Ｂからの微生物拡大画像の映像信号は、現場
操作盤３３０に接続されている現場用モニタ３４０に映
し出されると同時に、中央操作盤３００へ送信される。
このように撮像装置２００Ａと撮像装置２００Ｂは、微
生物の状態をそれぞれの倍率で同時的にかつ連続的に撮
像する。なお、撮像装置を２台とした例について説明し
たが、必要に応じて３台以上の複数台としても同様の機
能を発揮することは云うまでもない。

【００１０】図３は、一個の本体ケース２１０とプラン
ジャ２１１内に撮像装置２００Ａ、２００Ｂを内蔵した
実施例である。２台のテレビカメラ２１２Ａ、２１２Ｂ
に対応して、それぞれ異なる倍率の拡大光学装置２１６
Ａ、２１６Ｂと、照明２１９Ａ、２１９Ｂを配置する。
その他の構造及びそれぞれの動作は図２の実施例と同一
である。また、二個所にサンプル固定用ガラス２１８
Ａ、２１８Ｂを設ける例を示したが、これに替えて一個
のサンプル固定用ガラスを用いて二個所を占有するよう
にしてもよい。また、３台以上の複数台のテレビカメ
ラ、拡大光学装置及び照明を配置しても同様の機能を発
揮することは云うまでもない。

【００１１】なお、図２及び図３の実施例では、内蔵さ
れているテレビカメラ２１２と拡大光学装置２１６のみ
を示したが、図４に、テレビカメラの倍率を拡大光学装
置の倍率変更により可能とする他の実施例を示す。図４
（ａ）は、テレビカメラ２１２に倍率可変な電動ズーム
レンズ２５０を設け、この電動ズームレンズ２５０を制
御コントロールユニット４００により操作し、テレビカ
メラ２１２の倍率を変更する。さらに、制御コントロー
ルユニット４００により、倍率変更に応じたサンプル室
のスリット幅及び照明を自動的に調整するようにもでき
る。また、図４（ｂ）は、プレート２６０上に複数の異
なる倍率の対物レンズ２５１Ａ、２５１Ｂを設け、制御
コントロールユニット４００によりプレート２６０を操
作し、複数の異なる倍率に変更する。

【００１２】図５に、以上の実施例で説明した撮像装置
２００Ａ、２００Ｂにより撮像した微生物原画像と、画
像処理を経て得た画像を示す。例えば、図５（ａ）は、
低倍率の拡大光学装置２１６Ａにより、得られた微生物
の原画像である。図５（ａ）の原画像を画像処理装置で
認識させると、図５（ｂ）の凝集性微生物の画像と、図
５（ｃ）の長く太い糸状性微生物の画像が抽出認識され
る。同様に、図５（ｄ）は、高倍率の拡大光学装置２１
６Ｂより、得られた微生物の原画像である。図５（ｄ）
の原画像を画像処理装置で認識させると、図５（ｅ）の
凝集性微生物と長く太い糸状性微生物の画像と、図５
（ｆ）の細い糸状性微生物の画像が抽出認識される。従
って、低倍率では凝集性微生物と長く太い糸状性微生物
が抽出され、高倍率では細い糸状性微生物が抽出され
る。

【００１３】図６は、糸状性微生物の増殖過程の１例を
示す。糸状性微生物の出現から過剰繁殖までの増殖過程
をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４状態に分けて説明する。状態Ａは
細い糸の出現であり、状態Ｂは細く短い糸であり、状態
Ｃはある程度太く長い糸であり、状態Ｄは糸の過剰増殖
である。糸状性微生物は状態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを経て、糸
の過剰繁殖になる。状態Ａから状態Ｂは糸の初生期であ
る。状態Ｂから状態Ｃはバルキング前兆である。状態Ｃ
から状態Ｄは活性汚泥の沈降性が悪化するバルキング現
象である。糸の成長過程を監視すれば、糸の成長情報を
正確に把握し、糸状性微生物の増殖を発見できる。しか
し、一台の撮像装置を用いて糸の成長過程を監視すると
き、凝集性微生物の全体像(例えば、個数や体積)と糸状
性微生物を対象とした倍率では、太さ０．５〜１．２μ
ｍ、長さ数ｍｍまでの糸状性微生物を撮像することがで
きるが、太さ０．５μｍ以下の糸状性微生物を撮像する
ことができない。そこで、初生期の情報を把握するた
め、さらに高倍率で撮像しなければならない。ところ
が、高倍率で撮像する場合には、太さ０．５μｍ以下の
細い糸状性微生物が撮像できるが、長さ１ｍｍ以上の糸
状性微生物と凝集性微生物の全体像を撮像することがで
きない。そこで、本発明においては、図２または図３に
示した実施例のように、同時にかつ連続的に複数の異な
る倍率で微生物の状態を撮像し、初生期から、糸の成長
過程を正確に監視する。

【００１４】図７は、画像処理装置３１０の構成を示す
図である。撮像装置２００Ａ、２００Ｂからの複数映像
信号を画像処理部３１３の画像処理プロセッサ３１２で
処理し、微生物の同定、微生物の大きさ、個数、出現頻
度等を計算し、これらの計算値を画像処理メモリ３１１
に格納する。画像処理メモリ３１１に格納されているデ
−タをシステムバス５０７を経由し、中央処理装置５２
０で微生物の分級処理と、異常診断を行う。これらの処
理に必要な情報と、プログラムやデ−タなどは主メモリ
５２１、又は補助メモリ５２２やディスク５３３に記憶
される。プロセス入出力装置５３０は、アナログ、ディ
ジタル信号の入出力を制御する機能を有し、中央処理装
置５２０からの異常信号を制御回路５００に送信する。

【００１５】図８に、中央処理装置５２０で行う分級処
理と異常診断の１例を示す。分級回路６００は糸状性微
生物の太さや長さを分級し、その分布を計算する。分級
したデ−タをもとに異常診断を行う。バルキング診断６
０１では、太さ０．５μｍ以上で長さ１ｍｍ以上の糸状
性微生物と全糸状性微生物との割合がある基準値を越え
た場合、バルキングと判断し、異常信号１をプロセス入
出力装置５３０に送信し、正常と判断した場合、バルキ
ング前兆診断６０２を行う。バルキング前兆診断６０２
では、太さ０．５μｍ付近で長さ２００μｍ程度の糸状
性微生物と全糸状性微生物との割合がある基準値を越え
た場合、バルキング前兆として、異常信号２をプロセス
入出力装置５３０に送信し、正常と判断した場合、さら
に初生期の細い糸診断６０３を行う。初生期の細い糸診
断６０３では、太さ０．５μｍ以下０．３μｍ以上、長
さ２００μｍ以下の糸状性微生物と全糸状微生物との割
合がある基準割合を越えた場合、異常信号３をプロセス
入出力装置５３０に送信する。なお、糸状性微生物の太
さ、長さ及び全糸状微生物との割合の基準値は各処理場
により設定される。

【００１６】以上の実施例で説明したように、複数の異
なる倍率で同時的にかつ連続的に活性汚泥中の微生物を
撮像し、画像処理を行い、糸状性微生物の太さや長さに
より分級し、又は一連の異常診断を行うことにより、糸
状性微生物の増殖傾向情報を正確に把握し、早期にバル
キング現象を検出すると共に、その抑制法及び対策も早
期に検討することが可能になる。なお、以上の実施例は
下水処理プロセスに適用した例を説明したが、本発明
は、微生物を培養する他のバイオプロセス、湖沼のアオ
コ等の微生物、海洋のプランクトンといった液体中の微
小物体の監視に適用できること、及び微小物体の画像計
測値を指標とした混合液の異常診断あるいはプロセス制
御に適用できることは当然のことである。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、複数の異なる倍率で活
性汚泥中の微生物を同時的にかつ連続的に撮像すること
により、正確な微生物の状態を把握でき、併せて、糸状
性微生物をその太さや長さにより分級し、一連の異常診
断を行うことにより、微生物の増殖傾向情報を早期に検
出することができ、下水処理等プラントの運転管理の制
御を最適に行うことが可能となる。また、特に、バルキ
ング現象を防止することに顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す下水処理プロセスの微生
物観察システム

【図２】本発明の一実施例を示す撮像装置の断面図

【図３】本発明の他の実施例を示す撮像装置の断面図

【図４】本発明の拡大光学装置の実施例を示す

【図５】画像処理した微生物の画像

【図６】糸状性微生物の増殖過程の例を示す

【図７】画像処理装置の構成を示す

【図８】分級処理と異常診断のフローチャート

【符号の説明】

１１０エアレーションタンク２００Ａ、２００Ｂ撮像装置２１０防水ケース２１１プランジャ２１２テレビカメラ２１３、２１４モータ２１７観察窓２１８サンプル固定用ガラス２１９、２１９Ａ、２１９Ｂ照明装置２１６、２６１Ａ、２６１Ｂ拡大光学装置３００中央制御盤３１０画像処理装置３２０中央モニタ３３０現場操作盤５００制御回路５１０水質計測手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者圓佛伊智郎茨城県日立市久慈町4025番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者金子智則茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者原直樹茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内 (56)参考文献特開平４−287575（ＪＰ，Ａ) 特開平４−71692（ＪＰ，Ａ) 特開平１−312992（ＪＰ，Ａ) 特開平２−129765（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−113304（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 3/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】観察窓を有する複数の防水ケースと移動
可能な複数のプランジャからなり、前記防水ケースには
それぞれ液体中の微生物を拡大撮像する撮像手段と前記
プランジャを駆動する手段を含み、前記プランジャには
それぞれ液体中の微生物を照明する手段と微生物固定手
段を含み、液体中の微生物を複数の異なる倍率で同時的
にかつ連続して撮像すると共に、前記複数の撮像手段か
ら出力される映像信号に基づいて、微生物の分級を行
い、かつ、微生物の状態を判定する画像処理手段を具備
することを特徴とする微生物監視装置。
【請求項２】下水処理等のプラントと、該プラントの
液体中の微生物を複数の異なる倍率で同時的にかつ連続
して拡大撮像する複数の撮像手段と、該撮像手段から出
力される映像信号に基づいて、微生物の分級を行い、か
つ、微生物の状態を判定して異常信号を出力する画像処
理手段と、前記微生物の繁殖の要因を制御する制御手段
と、水質計測手段とからなり、前記画像処理手段の異常
信号と前記水質計測手段の計測値に基づいて、前記制御
手段から前記プラントを制御する信号を出力することを
特徴とする微生物監視装置。
【請求項３】液体中の微生物を複数の異なる倍率で同
時的にかつ連続して撮像するステップと、該微生物のう
ち特定微生物の太さと長さを分級し、その分布を計算す
るステップと、所定太さ及び所定長さ以上の特定微生物
と全微生物の割合が基準値を越えた場合、バルキングと
判断するステップと、太さ及び長さが所定範囲の特定微
生物と全微生物の割合が基準値を越えた場合、バルキン
グ前兆と判断するステップと、太さ及び長さが前記所定
範囲以下の特定範囲の特定微生物と全微生物の割合が基
準値を越えた場合、バルキング初生期と判断するステッ
プとから液体中の微生物の状態を監視することを特徴と
する微生物監視方法。
【請求項４】液体中の微生物を複数の撮像手段により
それぞれ異なる倍率で同時的にかつ連続して撮像するス
テップと、該複数の撮像信号を画像処理プロセッサによ
り処理するステップと、該処理データを画像処理メモリ
に格納するステップと、該格納データに基づいて中央処
理装置により微生物の分級処理と異常診断を行うステッ
プと、該中央処理装置から異常信号を制御手段に送信す
るステップとからなることを特徴とする微生物監視方
法。