JP3175518B2

JP3175518B2 - 微生物監視装置

Info

Publication number: JP3175518B2
Application number: JP01348395A
Authority: JP
Inventors: 文智呉; 直樹原; 幹雄依田; 信義山越; 捷夫矢萩; 昭二渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 2001-06-11
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: JPH08201298A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、下水処理プロ
セスにおける微生物を監視する微生物監視装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】下水処理プロセスでは、エアレーション
タンクで流入下水の有機物を微生物に摂取させ、沈殿池
で微生物を沈降させて上澄液を放流している。下水処理
場から放流する水質を良くするには、微生物の形状（大
きさ）を良好なものにし沈降性を良くすることが必要で
ある。下水の微生物は凝集性微生物と糸状性微生物に大
別されるが、糸状性微生物が繁殖しすぎると沈降性が悪
くなる。沈降性が悪くなることをバルキング現象と称し
ている。沈降性が悪化すると、沈殿池から微生物が流出
し放流水質の悪化を招くことになる。従って、糸状性微
生物を過剰に繁殖させないことが重要である。糸状性微
生物として、例えば、スファエロテルス（Sphaerotilu
s）などがある。糸状性微生物が繁殖しずきるのを防止
するためには、微生物の種類やその出現量あるいは濃度
など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。この場合、微生物の凝集状態やその棲息状
態を乱さず、正確な微生物の状態を得ることが重要であ
る。

【０００３】従来、微生物の状態を監視するには撮像手
段により微生物を撮像し画像処理技術を利用した微生物
画像計測装置が提案されている。具体的には撮像手段で
撮像した映像信号（濃淡画像）をしきい値によって２値
化した後に微生物を抽出認識し、定量的に計測するよう
にしている。微生物の撮像手段としては例えば、特開平
5−249381 号公報に記載されている連続的に微生物をサ
ンプリングして撮像できる水中顕微鏡などがある。この
ような水中顕微鏡はプロセスに配置でき、連続的に微生
物を撮像することができる。また、画像処理技術を利用
した微生物認識計測装置としては例えば、特開昭5−146
791 号公報に記載されている。この先行技術文献では、
濃淡画像のヒストグラム（輝度分布）を基にしきい値を
一義的に決定し、さらに、この一義的に決定したしきい
値の計測結果に基づいて２値化画像信号を得るための最
適なしきい値を決定している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】微生物、特に糸状性微
生物は、糸と背景（下水）の輝度が接近しており、その
上糸が細いという理由により鮮明かつ正確な映像信号を
得られない。一方、画像処理技術を利用した微生物認識
計測装置では、濃淡画像のヒストグラムを基に２値化の
しきい値を一義的に決定している。微生物と下水（背
景）の輝度は２つの領域に分散している。この領域の境
界の輝度をしきい値としている。しかし、その領域の境
界は重なっているため、一義的に決定したしきい値では
良好な２値化画像が得られなくなる。微生物と下水の輝
度分布は重なっている理由としては、細い糸状性微生
物、又は色の薄い微生物の輝度は下水の輝度と接近して
いるからである。細い糸状性微生物、又は色の薄い微生
物は、微生物監視の面において無視できないものがあ
る。

【０００５】本発明の目的は、上記の事情に鑑み、微生
物を正確に撮像し、微生物量を定量的に計測し、それら
の微生物情報を運転管理に反映できる微生物監視装置を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は２枚の観察用透
明板を密接させて形成されるサンプル室に液体中の微生
物を固定し、前記２枚の観察用透明板の一方の観察用透
明板に複数の染色剤注入孔を設け、この複数の染色剤注
入孔より染色剤をサンプル室に注入し微生物を染色して
から撮像して映像信号を得るようにしたものである。

【０００７】

【作用】染色液の注入でサンプル室内に圧力が加えられ
るが、本発明によれば、複数の染色剤注入孔より染色剤
を注入するので、サンプル室内に圧力が平均的に加わ
り、微生物の移動がなく、静止な映像を得ることができ
る。そして、微生物を染色することにより、微生物全体
の輝度は暗くなり、微生物の輝度分布の幅が狭くなる。
従って、染色処理を行った微生物の輝度は背景の輝度と
大きく離れ、かつ、微生物の輝度分布の幅が狭くなるた
め、微生物と下水の輝度の区分けが容易となる。また、
細い糸や、色の薄い微生物を強調する効果もある。染色
強調された微生物画像を容易にかつ正確に２値化のしき
い値を決定し、微生物を正確に抽出認識することができ
る。

【０００８】

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。

【０００９】図１に本発明の一実施例を示す。

【００１０】図１において、流入下水は最初沈殿池１０
０において大きい塵埃などを沈降除去された後に、エア
レーションタンク１１０に流入する。エアレーションタ
ンク１１０には最終沈殿池１５０から汚泥返送管１６０
を介して返送汚泥(微生物)が供給される。エアレーショ
ンタンク１１０には、ブロワ１４０から空気管１３０を
介して送気された空気が散気装置１２０によって散気さ
れる。これにより、エアレーションタンク１１０内に供
給された返送汚泥と汚水は攪拌混合される。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、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
て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最終沈殿
池１５０に導かれ、ここで活性汚泥が重力沈殿により固
液分離する。上澄液は通常塩素殺菌処理した後に放流さ
れる。一方、最終沈殿池１５０の沈降汚泥の一部は汚泥
返送管１６０を介して返送汚泥としてエアレーションタ
ンク１１０に返送され、その他の沈降汚泥は汚泥排出管
１７０から余剰汚泥としてプロセスから排出される。汚
泥の返送，余剰汚泥の排出はそれぞれ汚泥返送ポンプ１
６５と余剰汚泥排出ポンプ１７５により行われる。

【００１１】撮像装置２００は、エアレーションタンク
１１０の液中に浸漬配置され、エアレーションタンク１
１０内の微生物の拡大画像を得る。撮像装置２００で撮
像された映像信号（濃淡画像）は現場操作盤３３０を介
して現場用モニタ３４０に入力されるとともに、現場操
作盤３３０および中央操作盤３００を介して画像処理装
置４００に入力される。現場操作盤３３０は、撮像装置
２００に電源を供給するとともに、撮像装置２００に設
置しているテレビカメラ，照明，微生物染色，洗浄およ
びサンプリングなどの操作信号を与える。遠隔操作を行
うため、中央操作盤３００からも同様な操作信号を現場
操作盤３３０を介して撮像装置２００に与える。

【００１２】現場用モニタ３４０には撮像装置２００か
らの微生物拡大画像が表示される。オペレータは現場操
作盤３３０を操作する場合に現場用モニタ３４０を参照
する。この操作としては、例えば、観察窓の清掃などが
ある。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、画像処理装置４００に送
信する装置と、撮像装置２００を遠隔操作する制御信号
を現場操作盤３３０に送信する装置とを備えている。こ
こで、制御信号とは、例えば、撮像装置２００に内蔵さ
れているテレビカメラ，照明装置などの電源の入切指
令，洗浄，染色，サンプリングの開始指令，カメラの絞
り，焦点操作指令およびモータ制御指令などの信号であ
る。

【００１３】画像処理装置４００は撮像装置２００から
の微生物拡大画像の映像信号を画像処理し、微生物の種
類の同定，微生物の大きさ，個数，出現頻度などを計算
し、これらの計算値を基に微生物状態を判定する。微生
物の状態は、例えば、正常，糸の過剰増殖（バルキン
グ），バルキングの前兆，汚泥解体などがある。

【００１４】図２に画像処理装置４００の一例構成を示
す。

【００１５】画像処理装置４００は、撮像装置２００の
映像信号を画像処理し、微生物を抽出認識する画像処理
部４１０と，外部信号を入力する入力装置４５０と，画
像処理４１０から送信されたデータを演算する中央処理
装置（ＣＰＵ）５２０と，記憶装置主メモリ６００と，
補充メモリ６０１と、ディスク６０２から構成される。
まず、画像処理装置４００における微生物認識計測の動
作を説明する。

【００１６】撮像装置２００からの映像信号を画像処理
部４１０の画像処理プロセッサ420で画像の２値化処理
を行い、特徴量を抽出し、微生物大きさ，個数および出
現頻度などの微生物量を計算し、これらの計算値をシス
テムバス５０７を経由し、中央処理装置（ＣＰＵ）５２
０へ送信する。中央モニタ３２０には撮像装置２００か
らの映像信号と、画像処理部４１０からの処理画像およ
び計算値などを表示する。画像処理メモリ４４０は、撮
像装置２００からの原画像（濃淡画像）を格納し、ま
た、画像処理プロセッサ４２０での各処理過程から得た
処理画像を格納する。

【００１７】中央処理装置５２０は、画像処理プロセッ
サ４２０から出される計算値に基づいて、プロセスの状
態診断を行う。これらの処理に必要な情報と、プログラ
ムやデータなどを主メモリ６００、または補助メモリ６
０１やディスク６０２に記憶される。中央処理装置５２
０の診断結果を制御回路５００に送信するとともに、中
央モニタ３２０に表示する。通常、オペレータはモニタ
に表示される監視画面によってプロセスの状態を監視
し、プロセスの制御を行う。

【００１８】図３に染色装置２５０を設けた本発明の特
徴とする撮像装置２００の詳細構成を示す。

【００１９】図３において、テレビカメラ２１２は液面
と垂直に配置されている。撮像装置２００は、本体ケー
ス２１０とプランジャー２１１の２つの部分からなり、
この２つの筐体は防水構造となっている。プランジャー
２１１はアーム２２１を介して本体ケース２１０と接続
されている。本体ケース２１０に設置されているプラン
ジャー駆動用モータ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
ャー２１１を本体ケース２１０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
に設けた圧縮コイルバネ２２３はプランジャー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ために設置されている。アーム２
２１が上がるとコイルバネ２２３の弾力によってプラン
ジャー２１１が上昇し、本体ケース２１０と密着する。
プランジャー２１１が本体ケース２１０に密着した場
合、活性汚泥の混合液は、２つの観察窓透明板（ガラ
ス）２１７，２１８の間に固定され、スリット幅，約１
００μｍ程度のサンプル室２３０を形成する。サンプル
室２３０のスリット幅はテレビカメラ２１２の倍率や特
性によって設定される。プランジャー駆動用モータ２１
４は現場操作盤３３０または中央操作盤３００からの指
令に基づき操作される。

【００２０】なお、図４にはプランジャー２１１が本体
ケース２１０から離れた状態を示している。この離れて
いる状態でプランジャー駆動用モータ２１４に上がる指
令を送信すると、本体ケース２１０にプランジャー２１
１が密着する。この場合、２つの観察窓ガラス２１７，
２１８の間に微生物が固定できるサンプル室２３０が形
成される。このように、プランジャー２１１の開閉によ
りサンプル室２３０内の混合液が自動的に入れ替え、サ
ンプリングする。

【００２１】プランジャー２１１に設けられている照明
装置２１９の光がサンプル固定用観察窓ガラス２１８を
介して照射され、その光は、観察窓ガラス２１７，拡大
光学装置２１６を経てテレビカメラ２１２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。

【００２２】ワイパー駆動モータ２１３は、現場操作盤
３３０からの指令により、ワイパー２２０を駆動し、観
察窓ガラス２１７，２１８の表面を洗浄する。ワイパー
駆動時、プランジャー２１１は本体ケース２１０から離
れた状態となる。

【００２３】微生物染色装置２５０は、染色液を染色液
輸送パイプ２５１を介してサンプル室２３０に注入す
る。微生物染色装置２５０の詳細を図５を用いて説明す
る。染色液は外部から染色液補充パイプ２５２を介して
染色液保存タンク２５５に注入補充される。染色液とし
ては例えばメチレブルーが用いられる。バルブ２５６の
開閉操作により、染色液保存タンク２５５から一定量の
染色液が染色液輸送パイプ２５１を介してサンプル室２
３０に導かれる。通常、サンプル室２３０には被検水
（微生物を含む下水）が充満しているのでバルブ２５６
を開にし、圧力ポンプ２５７で圧力を加えて、所定量の
染色液はパイプ２５１を経由してサンプル室２３０に注
入する。

【００２４】一方、染色液の注入に圧力を加えたため、
サンプル室２３０内の微生物が端に流される可能性があ
る。観察窓２１７に染色液注入孔を設けた構造の断面図
を図６に示す。観察窓２１７にいくつかの染色液注入孔
２５９を平均的に設け、染色液注入孔から同時に染色液
を注入すると、圧力が平均的に加わるため、微生物の移
動がなく、静止な映像を得ることができる。また、染色
液注入孔２５９はテレビカメラ２１２の撮像視野内２５
８に存在しないように設置する。染色装置250は、現場
操作盤３３０、または中央操作盤３００からの指令に基
づき、染色液の補充，バルブの開閉，ポンプの起動など
を操作する。図３に示した微生物染色装置２５０，染色
液輸送パイプ２５１は、観察窓２１７と垂直配置してい
るため、汚泥混合液が、染色液輸送パイプ２５１に流入
する心配もない。

【００２５】次に、撮像装置２００と画像処理装置４０
０による計測手順を図７を参照して説明する。

【００２６】１サンプルの計測はステップ７０１〜７０
７から構成される。ステップ７０１ではプランジャー２
１１を下げて、ここで、水流によってサンプルの入れ替
えを行う。ステップ７０２では、ワイパー２２０を駆動
し、観察窓ガラス２１７，２１８の清掃を行う。ステッ
プ７０３ではプランジャー２１１を上げて、微生物を固
定する。ステップ７０４では、微生物染色装置２５０を
起動して染色液をサンプル室２３０に注入し、ステップ
７０３で固定した微生物の染色処理を行う。ステップ７
０５ではテレビカメラ２１２より微生物映像を取り込
む。ステップ７０６では取り込んだ映像信号を画像処理
し、微生物を定量的に計測する。ステップ７０７では、
画像処理装置４００からの計算値をモニタ３２０にガイ
ダンス表示する。以上のステップ７０１〜７０７は、外
部信号の入力装置により随時起動、またはそれらの起動
信号を画像処理装置４００のプログラムに組み込み連続
的に起動される。

【００２７】このように微生物を染色して染色強調した
微生物について画像処理を行うようにしている。染色し
た微生物のヒストグラムは図９のようになる。図８に染
色しない場合のヒストグラムを示すが、図８と図９を比
較すると理解できるように下水すなわち、背景の輝度分
布はほとんど変化がないに対し、微生物の輝度分布は大
きく異なっている。その特徴として、（１）染色した微
生物の輝度は、下水の輝度と大きく離れている、（２）
染色した微生物の輝度分布の幅は、染色前と比べると狭
くなっている。これは、染色手段によって、微生物は全
体暗く、かつほぼ同一暗さに染められたからである。図
９のヒストグラムから、微生物と下水の輝度の区別は図
８よりはるか正確にかつ容易に行える。この２つの輝度
分布の間、一番頻度の低いところを２値化のしきい値に
すれば、容易にしきい値を決定できる。

【００２８】図１０に染色装置と撮像装置を別々に設
け、エアレーションタンク１１０の被検水をパイプにて
撮像装置のサンプル室に導入する例を示す。この場合、
撮像装置２００は、エアレーションタンク１１０に直接
に配置しなくてもよい。エアレーションタンク１１０の
被検水はパイプ３５１を経由して撮像装置２００に導入
される。被検水の導入はバルブ３５０の開閉によって操
作される。染色装置250は染色液保存タンク２５５，バ
ルブ２５６，染色液輸送パイプ２５１からなる。染色装
置２５０は被検水輸送パイプ３５１の上に設けられる。
バルブ２５６の開閉により、所定量の染色液が被検水と
混合する。この場合、混合液が撮像装置に到達する時間
を利用して、染色液と被検水は均一に混合される。

【００２９】図１１に計測用水槽を設けた例を示す。こ
の場合、計測用水槽３６２を設け、エアレーションタン
ク１１０の被検水はパイプ３６１を経由して計測用水槽
362に導入される。染色装置はこの計測用水槽３６２に
導入された被検水について染色を行う。バルブ２５６の
開閉により、所定量の染色液が計測用水槽３６２に注入
される。この場合、被検水の量は図５，図９に比べると
多いため、攪拌装置３６３を設け、染色液を均一にす
る。攪拌装置３６３は例えば、攪拌器、またはエアレー
ションタンク１１０の散気装置などがある。撮像装置２
００はこの計測用水槽３６２に配置される。

【００３０】以上の実施例で説明したように、撮像装置
に微生物染色装置を設け、いままで問題となった糸の不
連続性、また細い糸の撮像不可などの問題に対応して、
正確に微生物情報を把握可能な微生物監視装置を実現で
きる。また、この染色された微生物を容易にかつ、正確
にしきい値を決定し、より正しい微生物の情報を得るこ
とができる。この微生物情報を運転に反映し、早期に汚
泥の異常（バルキング，汚泥解体など）を検出するとと
もに、その抑制方法および対策も早期に検討することが
可能になる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、微生物が静止な映像が
得られ、また、染色処理を行った微生物の輝度は背景の
輝度と大きく異なり、かつ染色強調された微生物は、撮
像手段の性能上の特性の影響を受けにくいため、撮像手
段は、正確な微生物映像を撮像することができる。微生
物画像計測装置は、染色強調された微生物画像を正確に
２値化のしきい値を決定し、微生物を正確に抽出認識す
ることができる。また、微生物画像計測装置は、撮像手
段からの映像信号をモニタ表示するとともに微生物の認
識計測を行ない、微生物情報をオペレータにガイダンス
し、微生物情報を運転に反映し、より正確な運転管理の
実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】本発明における画像処理装置の一例を示す詳細
構成図である。

【図３】本発明における撮像装置の一例を示す詳細構成
図である。

【図４】本発明における撮像装置のサンプル室の拡大構
成図である。

【図５】本発明における染色装置の詳細構成図である。

【図６】本発明における観察窓の詳細構成図である。

【図７】本発明の動作を説明するためのフローチャート
である。

【図８】輝度分布の一例を示す特性図である。

【図９】本発明による輝度分布を示す特性図である。

【図１０】本発明の他の実施例の要部を示す構成図であ
る。

【図１１】本発明の他の実施例の要部を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

２００…撮像装置、２１２…テレビカメラ、２１７，２
１８…観察窓ガラス、２１９…照明装置、２５０…染色
装置、３２０…モニタ、４００…画像処理装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山越信義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)発明者矢萩捷夫茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者渡辺昭二茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開平２−31892（ＪＰ，Ａ) 特開平５−249381（ＪＰ，Ａ) 特開平５−146791（ＪＰ，Ａ) 特開平４−326993（ＪＰ，Ａ) 特開平６−89334（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−244279（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/84 - 21/958 C02F 3/00 C02F 3/12 C12M 1/00 - 3/10 G01N 33/00 - 33/98

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の観察用透明板を密接させて形成され
るサンプル室に液体中の微生物を固定する微生物固定手
段と、微生物を固定したサンプル室に染色剤を注入し前
記微生物を染色する微生物染色手段と、前記サンプル室
に固定され染色された微生物を撮像する工業用テレビカ
メラを有する撮像装置と、前記撮像装置から得られる映
像信号を２値化処理して２値化画像信号を求める画像処
理装置と、前記２値化画像信号による微生物画像を表示
するモニタとを具備し、前記２枚の観察用透明板の一方
の観察用透明板に複数の染色剤注入孔を設け、前記微生
物染色手段は前記複数の染色剤注入孔より染色剤を前記
サンプル室に注入するようにしたことを特徴とする微生
物監視装置。
【請求項２】２枚の観察用ガラス板を密接させて形成さ
れるサンプル室に液体中の微生物を固定する微生物固定
手段と、微生物を固定したサンプル室に染色剤を注入し
て前記微生物を染色し前記微生物と背景の輝度差を大き
くする微生物染色手段と、前記サンプル室に光を照射す
る照明手段と、前記サンプル室に固定され染色された微
生物を撮像する工業用テレビカメラを有する撮像装置
と、前記撮像装置から得られる映像信号を２値化処理し
て２値化画像信号を求める画像処理装置と、前記２値化
画像信号による微生物画像を表示するモニタとを具備
し、前記２枚の観察用透明板の一方の観察用透明板に複
数の染色剤注入孔を設け、前記微生物染色手段は前記複
数の染色剤注入孔より染色剤を前記サンプル室に注入す
るようにしたことを特徴とする微生物監視装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の微生物監
視装置において、前記画像処理装置は染色された微生物
の映像信号のヒストグラムから２値化のしきい値を決定
し、このしきい値を基に２値化処理を行うことを特徴と
する微生物監視装置。