JP4227044B2

JP4227044B2 - 水質検出装置

Info

Publication number: JP4227044B2
Application number: JP2004062289A
Authority: JP
Inventors: 修上野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: JP2005249664A

Description

本発明は、浄水場や下水処理場等において、その取水口から混入する有害物質を検知するバイオセンサ型の水質検出装置に関する。

従来、浄水場では河川水を取水し、この取水を沈殿ろ過槽に通して飲料水を供給している。このような通常の処理では除去できない有害物質、すなわち、各種の重金属や農薬および環境ホルモン等といった物質が河川水中に混入した場合は、取水停止という非常事態に至る。

一方、下水処理場では、突発事故や不注意により、工場あるいは化学プラントの排水に各種の重金属イオンや有機溶媒およびヒ素シアン等が混入することがある。このような有害物質が混入した下水が流入すると、下水処理プロセスにおける活性汚泥微生物が大きな被害を受けてしまう。その結果、活性汚泥の活性が低下して処理能力の回復までに多大の時間を必要とする。

したがって、浄水場や下水処理場等では、上記各種の有害物質が混入した場合、流入水から有害物質を迅速かつ感度良く検出する装置が望まれていた。

この要望に対し、浄水場では魚行動監視型の毒物検出装置や、各種の微生物膜を溶存酸素電極に取付けて、その呼吸活性の測定から毒物を検出する装置が用いられている。また、下水処理場では、特定化学物質の混入した排水を検知する各種のセンサが用いられており、これらはそれぞれの取水口等に設置されている。

これらのうち、浄水場に設置されている魚行動監視型の毒物検出装置は、魚類が毒物に反応するまでに時間がかかるため、その検出に長時間を要する。また、魚類の反応感度も飼育されている魚類の種類や個体差や飼育の環境状態によってかなり異なる。さらに、魚行動監視型の毒物検出装置は、その装置自体が大掛かりで、魚類の飼育や管理面での必要経費が大きい等の問題がある。

そこでバイオセンサ型異常水質検出装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、鉄酸化細菌をプローブとして用いるもので、有害物質や雑菌等が繁殖し難い比較的低いｐＨ値のところで作動させることができる。

すなわち、このバイオセンサ型水質監視装置では、被検水に第１鉄を加えて混合させると共に、この混合された被検水を、酸素電極の先端部と接触するように流通させている。酸素電極の先端部には、酸素を利用して第一鉄を第二鉄に変える鉄バクテリアを保持した微生物膜取付けられている。

この水質検出装置では、鉄酸化細菌をプローブとして取付けた酸素電極に被検水と鉄液の混合液を送液し、このときの酸素電極からの電気出力を監視する。この場合、被検水中に水溶性の有害物質が混入していると、有害物質は鉄酸化細菌の呼吸活性を低下させ、隔膜を透過して酸素電極に到達し、酸素濃度を高める。その結果，これを検知する電流値が増加するので、これによって有害物質の混入を検知する。

このようなバイオセンサ型水質検出装置は、連続運転されると被検水中の汚濁物質が各配管の内壁に付着し堆積してくる。また、鉄液中の第一鉄の一部が第二鉄に酸化されて、これも除々に堆積してくる。これらは、配管系の閉塞や、水質検出測定の感度低下につながり、検出精度を低下させる原因となる。そのため、被検水と第一鉄液含有溶液の混合液が送液される配管に酸性溶液を供給し、被検水通流路に付着堆積している汚濁物質および酸化鉄を除去し、排出する「酸洗浄」を行なうことが提案されている(例えば、特許文献２参照)。

このようなバイオセンサ型の水質検出装置では、取り込んだ被検水を溶存酸素飽和状態にする散気水槽や、この散気水槽からの被検水に酸性溶液や鉄液などの薬液を供給するための薬液供給装置、薬液を混合された被検水を酸素電極により測定する測定槽を必要とする。これら各装置は、被検水の流れ方向に順次、平面的に配置され、これら各装置間を多くの配管で連結しており、それらの取り回しも複雑化する。この配管の複雑性は、設備の実装効率を悪化させて装置を大型化すると共に、メンテナンス時の配管接続間違いを発生させる要因となる。

また、この水質検出装置では、被検水の取り込みから毒物検出までに要する時間をできるだけ短縮する必要があり、河川などの水源から流入した被検水が酸素電極を有する測定槽に到達するまでの距離及び時間を可能な限り短縮することが望まれる。

さらに、被検水に対し鉄液や酸性溶液などの薬液を混入させているが、被検水の送液量に対し薬液の送液量は極微量となることが多く、被検水との合流部分において被検水の動圧が大きいため、両者が円滑に混合しないことがある。このため、合流部分における薬液の静圧を可能な限り大きく維持する必要がある。
特開平１１−３７９６９号公報特開２００２−９０３６０号公報

このように、従来の水質検出装置は、その構成設備が平面状に広範囲に分散しているため、配管が多くなると共に複雑化し、装置全体の大型化やメンテナンスの困難化を招き、被検水の導入から測定槽までの距離時間を短縮することができない。また、薬液の、被検水との混合地点における静圧を大きく取ることが難しく、大出力のポンプを設けるなどの対策が必要であった。

本発明の目的は、被検水の導入から測定槽までの距離・時間を短縮することができ、また、薬液の混合地点における静圧を容易に大きくでき、さらに、装置全体の小形化やメンテナンスの容易化を可能とした水質検出装置を提供することにある。

本発明の水質検出装置は、被検水導入管から導入した被検水を流し、先端に微生物膜を保持した酸素電極を、前記微生物膜が被検水と接触する状態で設置した測定槽と、被検水源から送られてくる被検水を、気体供給により溶存酸素飽和状態にして前記測定槽に通じる前記被検水道入管に送出する散気水槽と、前記被検水導入管に連結される薬液導入管を有し、この薬液導入管に対し薬液を送出可能な薬液供給装置とを備え、前記散気水槽を前記測定槽の設置高さより高い位置に設置し、かつ前記薬液供給装置を前記散気水槽の設置高さより高い位置に設置したことを特徴とする。

また、本発明では、薬液供給装置と散気水槽との高低差を、薬液導入管内の薬液に、この薬液を所定の動圧を有する被検水へ混合させることができる静圧を生じさせるように設定している。

さらに、本発明では、薬液導入管に薬液供給ポンプを設けてもよい。

本発明によれば、散気水槽を測定槽の設置高さより高い位置に設置し、かつ薬液供給装置を散気水槽の設置高さより高い位置に設置したので、被検水の導入から測定槽までの距離・時間を短縮することができ、また、薬液の混合地点における静圧を容易に大きくでき、さらに、装置全体の小形化やメンテナンスの容易化を可能となる。

以下、本発明による水質検出装置の一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１はこの実施の形態の全体構成を示しており、７は散気水槽で、検査すべき水、例えば、河川の流入水、浄水場への流入水、下水処理場への流入水などの被検水が、ポンプ１８により導入管１７を介して送給されてくる。８は気体供給器で、散気水槽７内の被検水に、空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体を供給し、散気水槽7内の被検水を、溶存酸素濃度が飽和の状態とする。この溶存酸素濃度が飽和状態の被検水は、ポンプ６により被検水導入管２に送出される。

１２は酸性溶液パック、１３は鉄液パックで、これらは対応する電磁弁１４，１５を有し、薬液供給装置を構成している。これら電磁弁１４，１５の出側は共通の薬液導入管１９に連結し、さらに、薬液供給ポンプ１６に連結し、この薬液供給ポンプ１６を経て、前記被検水道入管２に連結している。なお、酸性溶液パック１２は配管洗浄用の酸性溶液を貯留し、鉄液パック１３は第一鉄含有溶液を貯留している。

４は測定槽で、被検水導入管2と連結され、鉄液パック１３から供給される第一鉄含有溶液と混合された被検水が導入され、内部の測定通路内を流れる。測定槽４内の測定通路を通った被検水は排出管３により排出される。この被検水は、気体供給器８から供給される気体によって溶存酸素濃度が飽和状態とされた状態で被検水導入管２から測定槽４内に流入される。また、この測定槽４は、温度調整器５を一体に有し、被検水の温度を調整できる。

１０は酸素電極で、測定槽４に対し、その測定通路に測定用の先端部が向く状態で設置されている。この酸素電極１０の上記先端部には、酸素を利用して第一鉄を第二鉄に変えることができる鉄バクテリアを保持した微生物膜９が取付けられており、測定用通路を流れる被検水と接触する。微生物膜９に保持される鉄バクテリアとしては、例えば、チオバチルスフェローオキシダンス（Thiobacillus ferrooxidans）を用いる。

１１は変換演算手段で、酸素電極１０から取り出された電気出力が入力され、その電気出力を増幅・変換し、演算を施して被検水の異常水質を判別する。

ここで、前記散気水槽７は、測定槽４の設置高さより高い位置に設置する。また、薬液供給装置を構成する酸性溶液パック１２及び鉄液パック１３は、散気水槽７の設置高さより高い位置に設置している。このように各装置を立体的に配置することにより、各装置間には高低差による位置エネルギーが生じ、被検水の送水や薬液の混入に大きな力を必要としなくなると共に、従来の平面的な配置に比べ設置面積が小さくなる。

上記構成において、被検水は散気水槽７において、気体供給器８からの空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体により、飽和溶存酸素濃度となる。これは、測定槽４において、酸素電極１０の出力の最大値を安定させるためである。ここで、飽和溶存酸素濃度は液温度により変化するので、温度調整器５によって測定槽４を一定の温度に維持する。

この被検水に対しては、鉄液パック１３内の第一鉄含有溶液が、電磁弁１５、薬液導入管１９、薬液供給ポンプ１６を介して供給され、被検水導入管２内で混合される。

この薬液が混合された被検水は測定槽４内に導入され、測定通路を流れて酸素電極１０の先端部に設けられた微生物膜９と接触する。このときの化学的挙動の化学反応式は次式の通りである。

４ＦｅＳＯ_４＋Ｏ_２＋２Ｈ_２ＳＯ_４ → ２Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３＋２Ｈ_２Ｏ
上式において、２Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３は水中で電離し、Ｆｅ^３＋イオンが生成される。このＦｅ^３＋イオンがさらに水（Ｈ_２Ｏ）と反応して、水酸化鉄Ｆｅ（ＯＨ）_３となり沈殿することになる。

なお、微生物膜９に保持される鉄バクテリアとしては、前述したチオバチルスフェローオキシダンス（Thiobacillus ferrooxidans）以外にも、上記化学反応式の働きを持つすべての微生物が適用可能である。例えば、ガリオネラフェルジニア（Gallionella ferruginea）、レプトスピリリウムフェローオキシダンス（Leptospirillum ferrooxidans）、レプトスリックス（Leptothrix）、スペロチルス（Sphaerotilus）等が適していることが確認されている。

鉄バクテリアの活性、すわなち、鉄の酸化量は、温度の影響によっても変化する可能性があるが、測定槽４は温度調整器５によって鉄バクテリアの活性が安定するような温度に維持できるので問題はない。

図の水質検出装置では、鉄酸化細菌をプローブとして取付けた溶存酸素電極１０に被検水と鉄液の混合液をポンプ６およびポンプ１６によって送液し、この送液時における酸素電極１０からの電気出力を変換演算手段１１で監視する。その場合、被検水中に水溶性の有害物質が混入すると、その有害物質は鉄酸化細菌の呼吸活性の低下により隔膜を透過して酸素電極１０に到達し、酸素濃度が高くなる。その結果、これを検知する電流値が増加するので，これによって有害物質の混入を検知する。

このようなバイオセンサ型水質検出装置は、連続運転されると被検水中の汚濁物質が各配管の内壁に付着し堆積する。また、鉄液中の第一鉄の一部が第二鉄に酸化されて、これも除々に堆積する。これらは配管系の閉塞や水質検出測定の感度低下につながり、検出精度を低下させる原因となり得る。

そこで、図の装置には、被検水と第一鉄液含有溶液の混合液が送液される被検水導入管２に酸性溶液を供給する。すなわち、電磁弁１４を開き、酸性溶液パック１２から薬液導入管１９及びポンプ１６を介して酸性溶液を供給し、被検水導入管２や測定槽４などの被検水通流路に付着堆積している汚濁物質および酸化鉄を除去し、排出する。すなわち、酸洗浄を行なう。

ここで、薬液供給装置を構成する酸性溶液パック１２及び鉄液パック１３と、散気水槽７と、測定槽４との位置関係は、前述したように酸性溶液パック１２及び鉄液パック１３の設置高さが最も高く、この下方に散気水槽７が位置し、さらに下方に測定槽4が位置するように配置されている。

このような位置関係により、例えば、酸性溶液パック１２及び鉄液パック１３と散気水槽７との高低差による位置エネルギーにより、酸性溶液パック１２または鉄液パック１３からの薬液は、薬液導入管１９内で大きな静圧が生じる。このため、被検水導入管２との連結部において、比較的動圧の高い被検水に対し、薬液を容易に混合させることができる。すなわち、高低差による位置エネルギーにより充分な静圧が得られるので、薬液ポンプ１６を小型化しても薬液を被検水に対し容易に混合させることができる。したがって、従来のように、強力な薬液ポンプにより薬液を被検水に押し込む必要がなく、小形の薬液ポンプ１６により、容易に薬液を被検水に混入させることができる。

また、水源から導入された被検水を溶存酸素飽和状態にする散気水槽７を測定槽４より高い位置に設置したので、被検水の測定槽４への送液に位置エネルギーを利用できる。また、測定槽４との間の平面上に薬液供給装置が位置しないため、散気水槽７を測定槽４の近くに設置でき、水平方向の送水距離が短くなる。

これらの結果、河川などの水源から散気水槽７に流入した被検水が、酸素電極１０を有する測定槽４に到達するまでの距離及び時間を従来に比べ大幅に短縮でき、被検水の取り込みから毒物検出までに要する時間を短縮できる。

さらに、各装置を立体的に配置したことにより、従来の各装置を被検水の送水方向に沿って順次平面的に配置したものに比べ、水質検出装置全体としての設置面積を縮小できる。

次に、図２で示す実施の形態を説明する。この実施の形態では、薬液導入管１９に、図１の実施の形態で使用した薬液供給ポンプ１６に代って流量調節弁２０を設けている。その他の構成は図１と同じである。

薬液供給装置を構成する酸性溶液パック１２及び鉄液パック１３は、水質検出装置の最上段に位置しているため、薬液導入管１９内において大きな静圧を確保することができる。したがって、その設置高さ、（他装置との高低差）によっては、この静圧によって薬液を搬送する動力が不要となり、流量調整弁２０さえあれば一定量の薬液を供給することができる。このため、搬送動力の省力化とシンプルなど装置構成を実現できる。

このように、上記各実施の形態では、装置の最上段に薬液供給装置を配置し、液の自然な流下に従ってその他の構成要素を順次立体的に配置した。このため、配管内の薬液の静圧を大きくして、動圧の大きな被検水と円滑に混ざり易くすることができる。また、水平方向の配管を最短にでき、配管の取り回しも簡素となるため、被検水の取り込みからその毒物検出までの時間を短縮することができる。さらに、鉛直方向に構成要素を配置したため、設置面積を縮小でき、流れ方向が単純明快となるためメンテナンス時の配管接続間違いを防止できる。

本発明による水質検出装置の一実施の形態を示すシステム構成図である。本発明による水質検出装置の他の実施の形態を示すシステム構成図である。

符号の説明

２被検水導入管
４測定槽
７散気水槽
９微生物膜
１０酸素電極
１２，１３薬液供給装置を構成する酸性溶液パック及び鉄液パック

Claims

被検水導入管から導入した被検水を流し、先端に微生物膜を保持した酸素電極を、前記微生物膜が被検水と接触する状態で設置した測定槽と、
被検水源から送られてくる被検水を、気体供給により溶存酸素飽和状態にして前記測定槽に通じる前記被検水道入管に送出する散気水槽と、
前記被検水導入管に連結される薬液導入管を有し、この薬液導入管に対し薬液を送出可能な薬液供給装置とを備え、
前記散気水槽を前記測定槽の設置高さより高い位置に設置し、かつ前記薬液供給装置を前記散気水槽の設置高さより高い位置に設置したことを特徴とする水質検出装置。
薬液供給装置と散気水槽との高低差を、薬液導入管内の薬液に、この薬液を所定の動圧を有する被検水へ混合させることができる静圧を生じさせるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の水質検出装置。
薬液導入管に薬液供給ポンプを設けたことを特徴とする請求項１に記載の水質検出装置。