JP3875488B2 - 硫化水素アナライザ、硫化水素臭制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の属する分野）
本発明は一般的には湿式化学分析機器に関し、より具体的には、廃水中の硫化水素を監視するのに用いられるアナライザに関するものである。
【０００２】
（関連技術の記載）
硫化水素（H₂S）は廃水の収集処理中での生物活動の副産物として放出されるガスである。H₂Sは装置を極度に腐食する性質を有し人間の体に対し有毒である。さらに、廃棄物処理操作によって招来する臭気苦情の大部分はH₂Sの放出飛散が原因となっていると言える。
【０００３】
硫化水素ガスは水に溶解する。しかし、溶解した硫化水素を含む水を攪拌すると、その硫化水素はその溶液からガスとして流出する傾向がある。このガスが腐食性であり有害なのである。この業界では硫化水素ガスのこの放出を制御するためのいくつかの制御方法が用いられている。よく用いられる方法は攪拌点で廃水の流れのすぐ上に遊離大気中硫化水素検出器を搭載することである。それらには堰、樋、変流器、ポンプステーションなどを含んでいる。これらの遊離ガスセンサは空気中に放出された後はじめて硫化水素を検出する。これらは気流に影響されるため、問題の流れの中の硫化水素の濃度については信頼できるデータを出してはいない。本質的に、これらの装置は大気汚染防止違反のイエス／ノー検出器である。それらは、違反があるかまたは違反がないかを示している。硫化水素を制御する最も効果的な方法は、硫化水素がまだ廃水中に溶解しているうちに、それを不活性な化合物に変えてしまうことである。この点については、硫化水素を不活性化合物に変えるための多くの既知の制御方法がある。
【０００４】
廃水中に溶解している硫化水素を制御するために、硫化水素を無害で無崩壊性のものに変える種々の薬品を廃水中に加える。これらの薬品は処理する水の体積にもとづいて廃水中に加えられる。しかし、硫化水素は廃水中に何時も、あるいは、一定濃度で存在するとは限らないのである。このことは、多くの場合、廃水中に過少または過剰の分解薬品が注入されることになる。過少の分解薬品が加えられる時は、その硫化水素の一部だけが駆除されるであろう。過剰の分解薬品が加えられれば利用者は無駄になる薬品に、お金を使う事になる。殆どの分解薬品は一旦加えられると約１５分間または消費されるまで働くが、このどちらか先にくる方が起こる。
【０００５】
これらの事やその他の問題に絡んで、硫化水素アナライザの改良に対する要望がおこっている。
【０００６】
（発明の概要）
本発明は廃水流または廃水貯蔵池から廃水を連続的に採取し、存在する除去可能の硫化水素（H₂SP）の濃度を測定する硫化水素アナライザを開示するものである。この濃度情報が存在する水量と結びついて、廃水流への分解薬品の供給割合を規制する水質制御信号を提供する。これが利用者にとって薬品の節約になる。第２に、硫化水素放出に伴う臭気苦情と腐食問題の減少となる。このアナライザは液体サンプルに含まれる除去可能な硫化水素のみを測定する。このアナライザは、液体中に溶解した硫化水素を含むサンプルを激しく攪拌して、廃水流中の攪拌点での実際の状態をシミュレートする。また、このアナライザは、硫化水素が遊離ガスとしてその溶液から飛び出すための、ほほ最適な分圧条件をも提供する。このアナライザ中で溶液から飛び出さないどんな硫化水素も使用者にとって重要なものではない。何故なら、処理工程中でも溶液から飛び出す事は起こりそうもないからである。そのアナライザは収集または処理工程中で飛び出しそうな硫化水素についての測定量と測定濃度にもとづいて、分解薬品の供給を制御する。このアナライザは他のアナライザと異なり、存在する硫化物の総量を測定するものではない。問題となりそうもない状態を取り扱うことは無駄なので、このことは重要な特徴である。
【０００７】
本発明の目的は、液体基質中の除去可能な硫化水素を測定するアナライザを提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、分解薬品の投与を制御する水質制御信号を発信する硫化水素アナライザを提供するものである。
【０００９】
本発明のまたの目的は、分解薬品が必要かどうか、または必要に応じて何時、そして適量での分解薬品の注入を規制する硫化水素アナライザを提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、硫化水素の濃度レベルの測定を供給するアナライザを提供するものである。
【００１１】
また本発明のさらに別の目的は、流れの近くに設置することの出来る硫化水素アナライザを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、温度が硫化水素の揮発性に影響を与えるので、試料の温度を周囲の条件に保つか、分析に先立って温度を制御するアナライザを提供することである。
【００１３】
本発明のまたの目的は、現状の周囲の試料状態での除去可能硫化水素を測定するアナライザを提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、自己洗浄性の硫化水素アナライザを提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、分解薬品吐出装置への制御信号をつくるとき、その流れの液流量と関連させ、それを勘案する硫化水素アナライザを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、分析の副産物として遊離する硫化水素ガスを防ぐアナライザを提供することである。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、警鐘状態が検出されたときに、試料を採取する試料採取器を起動させる能力を有する硫化水素アナライザを提供することである。
【００１８】
本発明を象徴するこれらや他の事項は、発明を実施するための最適な実施形態について下記の記述を徹底的に研究する時、特に図面と関連させて再吟味する時に一層明らかになる。
【００１９】
（発明の詳細な記述）
図を参照して判るように、図１は本発明の硫化水素アナライザ１の流れ模式図を示している。このアナライザ操作は硫化水素の揮発性にもとづいている。硫化水素は水に可溶である。硫化水素を含む水が攪拌されると、硫化水素は溶液から遊離する。
【００２０】
アナライザ１は、分析することになっている廃水源から、絶え間なくサンプル流を取り込む。試料はサンプル源からぜん動ポンプ（ペリスタルティックポンプ）１０でアナライザ１に引き入れられる。これが次いで散布コラム２０に注入される。散布コラム２０には、後述する圧縮ガス流も供給される。廃水は、散布コラム２０内を浮力で上昇するガス流の流れで攪拌される。そのガス流は同時に溶液から硫化水素を奪い、それを取り除く分圧状況をつくり出す。ガスの流量は一定になるように制御される。分析される廃水の体積流量も一定になるように規制される。廃水流は、同期定速ＡＣギヤーモータ３０で駆動されている、ぜん動ポンプ１０によって規制されている。
【００２１】
散布コラムの出口にはもともとの廃水、廃水から除去された硫化水素ガスと、攪拌、散布を行なう担体ガスが存在する。ガスや液体の混合流が気液分離器（ＧＬＳ）４０に供給される。
【００２２】
なお試料から硫化水素を除去するための代替方法は、廃水中の攪拌点での状態をシミュレートするのに用いることが出来る。試料中に沈めるか半分沈めた回転機の攪拌により機械的混合が行われ、硫化水素やその他の揮発物を効率よく追い出す事ができる。ピエゾ膜や代表的水中スピーカーのような、周波数と機械的なものを組み合わせた装置を用いた音波攪拌が試料に波動エネルギーを与えるのに使われる事がある。波動エネルギーの周波数と硫化水素の基本振動周波数とが一致すれば硫化水素の効果的な揮発がおこなわれる。硫化水素を含む試料液を振動すれば機械的な攪拌が得られる。上に示したように、振動の周波数と振幅とが分子構造と一致しているときに、最適な結果となる。試料液を熱して散布することもまた、硫化水素を、その溶液から駆逐させる。硫化水素のすべてがその温度で溶液から退出する固有温度がある。この温度を超えて加熱することは、もはやそれ以上の利点はない。このことは、特定重量の揮発物が特定の温度で出てくる蒸留工程と同様である。また、試料基体中の硫化水素の溶解度を低下させることによって溶液から硫化水素を駆逐するための化学的剥離も弱酸や多分その他の薬品を添加することによって行われる。
【００２３】
ＧＬＳ４０から流出する液体は標準Ｐトラップ配列を通って排出される。アナライザ１に入り込む試料基体中の固形分もすべて、Ｐトラップの最下部に集められる。基体の液体部分は、Ｐトラップから溢れて重力利用排水溝を通って試料源に戻る。蓄積した固形分をＰトラップから除去するのに、ピンチバルブ５０やパージバルブ５５がＰトラップのガス排出口で用いられる。ピンチバルブ５０は両方向正規開バルブである。パージバルブ５５は空気供給口とＰトラップの間に位置した、両方向正規閉バルブである。バルブ５０と５５は、使用者によってプログラムに入力された時間間隔で起動される。バルブ５０と５５が起動すると、Ｐトラップからのガス流は塞がれる。このため、ガス流はＰトラップの液体部を強制的に通される。パージバルブ５５もまた開いて30psiの空気をPトラップの上部に注入する。高速でＰトラップを通過して出て行くガス流の作用で、トラップの底に蓄積した固形分があれば、それを洗い流して排水溝に導く。 この洗い流しの間隔は、トラップ内の固形分の蓄積速度にもとづいて選ばれる。この時間間隔は試料条件によって変わる。
【００２４】
ガス流はＧＬＳ４０から出て上述のピンチバルブ５０を通過する。このガス流は、担体ガスと、試料から除外された硫化水素を含んでいる。ここからガス流は硫化水素センサ６０へ導かれ、そこでガス流の硫化水素濃度が測定される。センサからの硫化水素濃度データは機内マイクロプロセッサ７０によって監視される。(図2参照)。
【００２５】
分析に回される試料の量、試料に供給される散布ガスの量、このガス流中の最終硫化水素濃度の情報を入手することによって、プロセッサ７０は分析試料に存在している除去可能硫化水素の量を決定できる。このデータはフローデータで計られて、水質制御4-20ｍＡ信号を提供し、それが廃水中の除去可能硫化水素の処理を制御するのに用いられる。この実施形態において、この信号は除去可能な硫化水素を除去するための分解薬品の供給速度を制御する。
【００２６】
なお廃水中の硫化水素の効果的な処理が、過酸化水素または塩素のような分解薬品の添加以外の方法でも、達成出来る。硫化水素の他の効果的処理法には、液体―ガス洗浄機の起動と停止、生物物質の添加、ｐＨの調節、溶解酸素レベルの調整、および最近知られまたは後日開発されるであろう他の処理を含んでいる。
【００２７】
硫化水素センサ６０を通過後、分解薬品がアナライザ１内のガス流に供給される。ぜん動性の分解薬品ポンプ８０の脈動性、円形導管内のガス流の性質により、結果としての気液流は分解液によって分離されたガスの容積からなっている。分解液と試料ガス流の詳細を示す図３を参照のこと。この混合物を運んでいる導管は多数の分解剤のループとなって、分解薬品がガス流中に存在する硫化水素を、不活性な化合物に変えるのに充分な接触時間を与えるようになっている。典型的な分解剤液は過酸化水素または塩素である。しかし、硫化水素を化学的に不活性な化合物に変えるものとして知られている化合物は多い。分解剤ループの数は、ガス流中の硫化水素の濃度や選定した分解剤液の効能如何で変える事が出来る。図１に示されているアナライザ１はループをひとつ有しているがアナライザ１による硫化水素の放出を防ぐのに必要ならばループの数を増やしてもよい。
【００２８】
分解薬品を分析ガス流へ注入する他の方法としては、分解剤ループの代わりにガラス器具を用いる方法がある。分解薬品は、本質的に拡大したＴ継手であるガラス器具の底に供給される(図４参照)。硫化水素を含むガス流はその器具の頂点に流れ込む。ガスが分解薬品の表面に接触すると、硫化水素の不活性化合物への変換が始まる。ガス/液混合物がガラス器具から離れるように折れた形になっている導管に流れている間この変換は続く。
【００２９】
分解剤ループまたは分解剤ガラス器具を通過したあと、ガスと液の混合物はガス/液分離機４０の排水溝へ導かれる。ここで、その混合物は重力によって集める排水溝でサンプル源に落ち込む時に、もともとの試料の液体部と一緒になる。
【００３０】
使用者によってプログラムされた間隔で、アナライザ１は散布コラム２０を洗浄する。機内マイクロプロセッサの制御のもとで、試料採取ポンプ１０が停止され、同時に洗浄ポンプ９０が始動する。洗浄ポンプ９０は、前述した他のぜん動ポンプ１０や８０と同様な型で同様に駆動する。この始動が起こると、試料の代わりにこの洗浄液がポンプで散布コラム２０に入れられる。この洗浄液の代表的なものは水に１．５モルの過硫酸ナトリウム液を加えたものである。この洗浄液の酸化する力が，蓄積した廃分カスを散布コラム２０の内部から除き，ＧＬＳ４０へ導く。この溶液によってＧＬＳ４０の洗浄も幾分かは行われる。この洗浄サイクルの間隔、持続時間は使用者によってプログラムされる。この持続時間、間隔は試料条件にもとづいて調整される。この洗浄サイクルは使用者によって手動でも始める事が出来る。
【００３１】
図１の流れ模式図の最後のシステムは空気供給である。圧縮大気が３０psiでアナライザ１に入る。圧縮空気は、瓶またはエアコンプレッサを通じて供給される。アナライザ１に入った後、圧縮空気はエアフィルタ１００に導かれる。エアフィルタ１００は、空気流に含まれる１ミクロン以上の如何なる粒子も取り除く。エアフィルタ１００から、圧縮空気は、T継手を通って圧力調整器１１０とパージバルブ５５の入口の両方に導かれる。パージバルブ５５はアナライザ１の洗浄に用いられる。この構成要素の機能は別途記述される。圧力調整器１１０は毛管(後述)への入口側圧力を調整する。圧力調整器１１０と毛管はともに働いて、散布コラム２０への適切な空気流を調整維持する。圧縮空気は圧力調整器１１０から可視流量計１２０を通過する。可視流量計１２０は、アナライザ１を通過する圧縮空気の流速を、作業者に見えるように表示する装置である。次いで、圧縮空気は流水スイッチ１３０を通過する。フロースイッチ１３０は、そこを通過する空気流が、２５cc/min以下に低下した時は何時でも密閉する装置である。もし、フロースイッチ１３０を通過する空気流が２５cc/min以下に低下すると、アナライザ１への圧縮空気の供給が欠乏したと見なされる。マイクロプロセッサ７０はスイッチ１３０を監視し、空気供給に欠乏がないかを作業者に信号で知らせる。圧縮空気は次にフロースイッチ１３０から、毛管１４０を通過する。毛管１４０は、円柱形のヒータの周囲を取り巻く１メートルの長さの管である。マイクロプロセッサ７０と温度検出器の制御のもとに、ヒータは毛管を６０^oCに維持する。毛管は内径０．０２０インチのパイプである。この小さな通路が毛管の入口と出口の間の圧縮空気に大きな圧力差をつくりだす。毛管への圧力を規制し、毛管を一定温度に保つ事によって、毛管を通る流速は入力圧力に比例するようになる。このことは、この空気流が散布する事とセンサ６０を通って除去された硫化水素を運ぶ事に用いられるので、重要である。センサ６０を通過したあとの硫化水素の希釈率を適切な値に保つために、空気流は一定に維持されねばならない。空気供給の最後の構成部分はチェックバルブ１５０である。チェックバルブ１５０はもし圧縮空気のアナライザ１への供給が欠乏した場合、液体が空気系構成部分に入ることを防いでいる。
【００３２】
図５は電子系を下のキャビネットの薬品や水圧系構成部分から物理的に分けて上のキャビネットにという、２キャビネットのデザインを示している。アナライザ１は腐食性雰囲気を防ぐためにNEMA4X(IP65)の密封箱での厳しい条件下で操作出来るように設計されている。
【００３３】
図２のCPUフローチャートを参照すると、すべての入出力流はCPUユニット７０を通っていることが判る。ディスプレイとキーパッドは図６に示される。それらは見れば判るようになっており、情報入力と検索のためのユーザーインターフェイスを形成している。ディスプレイ上に現れるメニューは追加書１に認められる。
【００３４】
硫化水素センサ６０はテキサス７７３８７のWoodlands, Detcon, Inc.によって提供されている固状半導体硫化水素センサ＃３９９９である。硫化水素に比例する電気信号はCPU７０に信号を送る。ＡＣ制御器は、ユニット内のすべての交流電力の分配に携わっている。
【００３５】
流量メータ入力とアナログ電流出力がＣＰＵ７０と通じている。CPU７０は、アナライザ１で検出される硫化水素濃度と、廃水の流速とを用いて、アナログ電流出力をつくり出す。次いでアナログ電流出力は、分解薬品供給装置にもちいられて、薬品の供給速度を設定する、あるいは、アナログ電流出力は上で論じられたような他の方法によって廃水流中の除去可能な硫化水素を制御するのに用いられる。アナログ電流出力は４−２０ｍＡ電流ループである。流量データは検出された硫化水素濃度に対してスカラー量として用いられ、電流の出力レベルを設定する。このことは、４ｍＡが除去可能硫化水素０ユニットであることを意味する。２０ｍＡがフルスケールの流れであり、またフルスケールの除去可能な硫化水素ユニットである。この２つの点の間で、出力は流速や硫化水素濃度とともに直線的に変化する。なお、この系は流量メータ入力がなくても作動するものである。この実施形態では、出力信号は除去可能硫化水素のみにもとづいて変化する。
【００３６】
図７は警鐘で起動する自動試料採取器と１体化したアナライザ１を示す。図８と９はそれぞれ代表的なインストリーム注入システムとエアミストシステムを示している。図７に描かれている廃水試料採取器は、ネブラスカlincolnのISCOまたは他の供給業者から供給される、いくつかのモデルの中のひとつである。図７と８に描かれている流量計は超音波センサである。ただし、水中探針、噴水装置、可変ゲート、領域速度センサや磁気センサを含む他の型の流量計も使用できる。
【００３７】
本発明の模範的な実施形態のみが上記のように詳細に記されたが、同業者は本発明での新らしい教示事項や利点から著しく乖離することなしに多くの変更が可能である事を容易に理解するであろう。したがって、そのような変更のすべては下記のクレームに規定されているようにこの発明の範囲内に包含されるよう意図されているものである。
【００３８】
クレームにおいて、手段プラス機能の節は列挙された機能を果たすものとしてまた単に構造的に同等であるということのみならず、同等な構造であるものとしてここに記述された構造を包含するよう意図されたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の硫化水素アナライザの流れ模式図である。
【図２】 図２はアナライザ組込みマイクロプロセッサ(超小型演算処理装置)への入出力を説明する模式図である。
【図３】 図３はアナライザからの硫化水素の放出を防止する分解剤ループ中のガスまたは液体の流れを示す模式図である。
【図４】 図４は分解剤ループに替わるものとしてのガラス器具中のガスまたは液体の流れを示す模式図である。
【図５】 図５は２キャビネット方式を示すアナライザの斜視図である。
【図６】 図６はキーパッドとディスプレイを示す拡大正面図である。
【図７】 図７は警鐘起動自動試料採取器と一体化した本発明のアナライザの模式図である。
【図８】 図８は代表的なインストリーム注入システムを示す模式図である。
【図９】 図９は代表的なエアミストシステムを示す模式図である。

Claims (24)

1. 廃水を廃水流から試料として採取する手段と、
   試料取入れ口、散布用ガス取入れ口及び出口を含み、前記排水流における攪拌点での実際の状態をシミュレートするように構成された、前記試料から硫化水素を除去する手段と、
   装置全体では現存する硫黄分の全量及び溶液中の無視できる程度の硫化水素量を計測しない状態で、前記試料から除去し得る硫化水素の濃度を計測する手段と、
   前記除去し得る硫化水素の前記測定濃度に基づいて前記排水流を処理する手段と、
   を具えることを特徴とする、硫化水素アナライザ。
2. 前記散布用ガス取入れ口に対して圧縮ガスを導入するように構成したことを特徴とする、請求項１に記載の硫化水素アナライザ。
3. 前記圧縮ガスはエアコンプレッサを通じて導入することを特徴とする、請求項２に記載の硫化水素アナライザ。
4. 前記圧縮ガスは圧縮供給ボトルを介して供給することを特徴とする、請求項２に記載の硫化水素アナライザ。
5. 前記圧縮ガスは前記散布用ガス取入れ口に対して約１０ｃｃ／分以上の流速で導入することを特徴とする、請求項２に記載の硫化水素アナライザ。
6. 前記圧縮ガスは約６０℃に保持された毛細管を通じて供給するように構成したことを特徴とする、請求項５に記載の硫化水素アナライザ。
7. 前記除去手段は前記試料に対して機械的な混合を施すための手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の硫化水素アナライザ。
8. 前記除去手段は前記試料に対して音響的な攪拌を付与するための手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の硫化水素アナライザ。
9. 前記除去手段は前記試料に対して機械的な振動を付与するための手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の硫化水素アナライザ。
10. 前記除去手段は前記試料に対して化学的な除去作用を付与するための手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の硫化水素アナライザ。
11. 前記化学的除去手段は、弱酸の付加によって実施することを特徴とする、請求項１０に記載の硫化水素アナライザ。
12. 前記排水流の前記流速を計測するための手段を具えることを特徴とする、請求項１に記載の硫化水素アナライザ。
13. 前記排水流処理手段は、前記硫化水素の測定濃度に基づいて前記排水流中に化学的な廃物処理操作を付加するための手段を具えることを特徴とする、請求項１に記載の硫化水素アナライザ。
14. 前記排水流の前記流速を計測するための手段を具えることを特徴とする、請求項１３に記載の硫化水素アナライザ。
15. 前記硫化水素の測定濃度及び前記排水流の流速に基づいて、前記化学的廃物処理手段を制御するための手段を具えることを特徴とする、請求項１４に記載の硫化水素アナライザ。
16. 前記排水流処理手段は、前記排水流のｐＨ値を調整するための手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の硫化水素アナライザ。
17. 排水流における硫化水素臭を制御する方法であって、
    廃水流から排水を試料として採取する工程と、
    前記排水流における攪拌点での実際の状態をシミュレートすることによって、散布用コラム内で前記試料から硫化水素を除去する工程と、
    現存する硫黄分の全量及び溶液中の無視できる程度の硫化水素量を計測しない状態で、前記試料から除去し得る硫化水素の濃度を計測する工程と、
    前記除去し得る硫化水素の前記測定濃度に基づいて前記排水流を処理する工程と、
    を具えることを特徴とする、硫化水素臭制御方法。
18. 前記散布用コラムの散布用ガス取入れ口に対して圧縮空気を約１０ｃｃ／分以上の流速で供給することを特徴とする、請求項１７に記載の硫化水素臭制御方法。
19. 前記除去手段は前記試料に対して機械的な混合を施すことを特徴とする、請求項１７に記載の硫化水素臭制御方法。
20. 前記除去手段は前記試料に対して音響的な攪拌を付与することを特徴とする、請求項１７に記載の硫化水素臭制御方法。
21. 前記除去手段は前記試料に対して機械的な振動を付与することを特徴とする、請求項１７に記載の硫化水素臭制御方法。
22. 前記除去手段は前記試料に対して化学的な除去作用を付与することを特徴とする、請求項１７に記載の硫化水素臭制御方法。
23. 前記化学的除去手段は、弱酸の付加によって実施することを特徴とする、請求項２２に記載の硫化水素臭制御方法。
24. 前記排水流の前記流速を計測する工程を具えることを特徴とする、請求項１７に記載の硫化水素臭制御方法。

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