JP4516364B2 - 塩素要求量測定装置、水質管理システム、塩素要求量測定方法、及び水質管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、処理水の塩素要求量が急激に変化する場合にも、適切な塩素処理が可能な塩素要求量測定装置、水質管理システム、塩素要求量測定方法、及び水質管理方法に関する。

塩素処理は、上水、下水、工業用水、排水、食品洗浄水、プール水等、種々の水に対して、これを消毒するために行われている。この塩素処理において使用される塩素剤は、消毒するために十分な量を消毒対象の水中に投入しなければならないが、あまり過剰に投入することは、環境に悪影響を及ぼしたり、人体に害を与えたりするため望ましくない。
そこで、塩素処理後の残留塩素濃度が最適となるように、塩素処理後の処理水の残留塩素濃度測定値を用いて制御するフィードバック制御や、塩素処理前の処理水の塩素要求量測定値を用いて制御するフィードフォワード制御により、塩素剤の注入量を制御することが行われている。

これらの制御方法の内、フィードバック制御は、目標となる塩素処理後の残留塩素濃度で直接塩素注入量を制御するので、信頼性が高いというメリットがある。しかしながら、塩素投入の結果が、処理水の残留塩素濃度に反映されるまでには１時間前後かかり、急激な処理水の水質変化があった場合、変化に追従した制御ができなかった。
一方、フィードフォワード制御はフィードバック制御よりも短時間で測定結果を塩素注入量に反映することができる。そこで、常時はフィードフォワード制御を行い、塩素要求量測定値の信頼性が疑われるときのみ、フィードバック制御に切り替える制御方法が提案されている（特許文献１）。特許文献１では、塩素要求量と相関のある導電率等を測定し、塩素要求量計の測定値と導電率等とが、同じ変化傾向を示すか否かで、塩素要求量測定値の信頼性を判断している。
特開平６−２９６９７３号公報

ところが、塩素要求量の測定は、試料液中の塩素消費性成分と塩素とを実際に反応させて測定を行っている。そのため、紫外線等により酸化反応を促進しても、測定自体に数十分間、急いでも１０分間近くの時間を要する。
したがって、上記特許文献１のようにフィードフォワード制御を主体としても、処理対象水の塩素要求量が急激に変化するような場合には、塩素要求量の測定値が追随できず、導電率等の変化傾向と異なる変化傾向となってしまう。そのため、結局フィードバック制御に切り替えざるを得ず、急激な処理水の水質変化に追従した制御は困難であった。

特に、雨水を生活排水等と合流させて処理する合流式下水道では、降雨での増水時に終末処理場の処理能力を超えてしまうため、処理対象水の一部を、簡易処理水として、終末処理場での簡易処理後に塩素消毒して公共水域に放流することが行われている。このような処理水の場合、数分の間に塩素要求量が大きく変化するため、塩素剤投入量の制御が著しく困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、降雨時のように塩素要求量が急激に経時的変化する場合にも、適切な塩素処理が可能な塩素要求量測定装置、水質管理システム、塩素要求量測定方法、及び水質管理方法を提供することを課題とする。

本発明は、試料液の導電率を測定する導電率測定手段と、試料液中の塩素消費性成分と塩素とを反応させて基準塩素要求量を測定する基準測定手段と、導電率測定手段により測定した導電率と基準測定手段により測定した基準塩素要求量が入力される演算装置とを備え、演算装置が、測定した基準塩素要求量と該基準塩素要求量を測定した時刻における導電率との複数の組み合わせデータに基づき、導電率と基準塩素要求量との相関関係を求め、その後、導電率測定手段により連続的に得られる導電率を、前記求めた相関関係に基づき塩素要求量に換算して連続的に出力する塩素要求量測定装置を提供する。
また、この塩素要求量測定装置と、処理水を試料液とした塩素要求量測定装置の測定結果に応じて処理水に塩素を注入する塩素注入手段とを備える水質管理システムを提供する。

本発明は、試料液中の塩素消費性成分と塩素とを反応させて基準塩素要求量を測定すると共に、該基準塩素要求量を測定した時刻における試料液の導電率を測定することを複数回行い、測定した基準塩素要求量と該基準塩素要求量を測定した時刻における導電率との複数の組み合わせデータを得る工程と、前記複数の組み合わせデータから、導電率と基準塩素要求量との相関関係を求める工程と、その後、導電率測定手段により連続的に導電率を測定し、該測定した導電率を前記求めた相関関係に基づき換算して、連続的に塩素要求量を求める工程を備える塩素要求量測定方法。を提供する。
また、処理水を試料液としてこの塩素要求量測定方法により連続的に塩素要求量を求め、求めた塩素要求量に応じて、処理水に塩素を注入する水質管理方法を提供する。

本発明によれば、リアルタイムでデータを得られる導電率を基に塩素要求量を求めるので、水質の急激な変動に対応した塩素要求量のデータを連続して得ることができる。また、導電率と基準塩素要求量との相関関係に基づき導電率を塩素要求量に換算するので、信頼性が確保された塩素要求量のデータを得ることができる。
したがって、本発明によれば、信頼性の高い塩素注入量の制御ができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る水質管理システムの概略構成図である。図１の水質管理システムは、処理水入口１１から取水した処理水を測定槽１２、処理槽１３を経て処理水出口１４へと送る水質処理システムであり、測定槽１２における処理水を試料液として塩素要求量を測定する塩素要求量測定装置２０と、処理槽１３において、処理水に塩素を注入する塩素注入手段３０とを備えている。塩素要求量測定装置２０は、導電率計２１と基準測定手段２２と演算装置２３とを備えている。また、塩素注入手段３０は、塩素注入器３１と制御装置３２とを備えている。
処理水の種類に限定はないが、特に上水又は下水が好ましい。

導電率計２１は、導電率センサ２１ａと変換器２１ｂとを有し、導電率センサ２１ａで検知した導電率に対応する信号を、変換器２１ｂで変換して導電率を求め、この導電率を演算装置２３に出力するようになっている。なお、導電率計２１は、導電率の温度補償ができるよう、温度センサを有することが好ましい。
基準測定手段２２は、測定槽１２から処理水を試料液としてサンプリングし、処理水中の塩素消費性成分と塩素とを反応させて基準塩素要求量を測定するものである。測定した基準塩素要求量は、演算装置２３に出力されるようになっている。

基準測定手段２２としては、従来公知の種々の塩素要求量測定手段、たとえば、以下のような方法に基づく測定手段を採用することができる。
ａ）既知濃度の塩素含有標準液で処理水を滴定し、酸化還元電極で検出した終点から塩素要求量を求める方法（ＯＲＰ滴定法）。
ｂ）処理水の残留塩素濃度が一定となるように、食塩水の電気分解により得た塩素を処理水と反応させ、このときの電気分解量から塩素要求量を求める方法（電量滴定法）。
ｃ）反応後に一定量以上の塩素が残留するような条件で既知濃度の塩素含有液を処理水に添加し、反応させた後に処理水中に残存する遊離塩素濃度（たとえばポーラログラフ法により求める。）から塩素要求量を求める方法。
ｄ）処理水に段階的な注入率で塩素を注入し、所定時間接触後の残留塩素濃度をその都度測定し（たとえばポーラログラフ法による。）、遊離残留塩素を認め始めるのに必要な塩素注入率から塩素要求量を求める方法。

演算装置２３は、導電率計２１から入力された導電率と、基準測定手段２２から入力された基準塩素要求量との相関関係を求め、この相関関係に基づき導電率を塩素要求量に換算して出力するようになっている。
また、演算装置２３によって導電率から換算された塩素要求量は、制御装置３２に出力され、これにより、制御装置３２が塩素注入器３１を制御するようになっている。

本実施形態の水質処理システムでは、以下のように塩素処理が行われる。まず、導電率計２１が測定槽１２における処理水の導電率を測定し、この導電率を演算装置２３に出力する。また、基準測定手段２２が、測定槽１２における処理水の基準塩素要求量を測定し、この基準塩素要求量を演算装置２３に出力する。
そして、演算装置２３が、導電率と基準塩素要求量との相関関係を求める。この相関関係は、最低限２回の同時刻における処理水のデータの組み合わせがあれば求められるが、安定した相関関係を得るためには、より沢山のデータの組み合わせから相関関係を求めることが好ましい。また、常に、最新の導電率と基準塩素要求量の測定値を考慮して、更新された相関関係を用いることが好ましい。
なお、さらに正確な塩素要求量を求めるため、塩素処理に影響を与える種々のファクター、たとえば、地域、天候、季節、時刻等のファクターにより塩素要求量を補正してもよい。

演算装置２３は、求めた相関関係に基づき、導電率計２１により連続的に得られる導電率を塩素要求量に換算する。そして、この塩素要求量を、塩素注入手段３０の制御装置３２に出力する。
制御装置３２は、入力された塩素要求量に対応して注入すべき塩素量を求め、この注入すべき塩素量が処理水に注入されるように塩素注入器３１を制御する。注入すべき塩素量は、処理水出口１４における残留塩素値等により補正してもよい。
塩素注入器３１は、制御装置３２の制御信号に従って、塩素を処理水に注入する。これにより、処理水の塩素処理が行われる。

なお、本実施形態では、演算装置２３と制御装置３２とを別体のものとして説明したが、両者は一体の物であってもよく、たとえば、同一集積回路上に、演算装置２３と制御装置３２とを構築してもよい。また、変換器２１ｂも、演算装置２３や制御装置３２と同一集積回路上に構築してもよい。
また、測定槽１２および処理槽１３は、各々ある程度の容量をもった槽として説明したが、各々配管等であってもよい。

次に図２を用いて、基準測定手段２２の一例として、ＯＲＰ滴定法に基づく測定装置について、詳細に説明する。図２の測定装置は、反応槽Ｔと、反応槽Ｔに処理水等の試料液を導入する試料液導入ポンプＰ１と、反応槽Ｔにゼロ液又はスパン液を導入する標準液導入ポンプＰ２と、反応槽Ｔにバッファを導入するバッファ導入ポンプＰ３と、反応槽Ｔに滴定液を導入する滴定ポンプＴＰと、反応槽Ｔ内に浸漬された酸化還元電位検出器Ｄと、反応槽Ｔ内の液位を検出するレベルセンサＬＳと、反応槽Ｔ内の液体を攪拌する撹拌装置Ｍと、演算部（図示せず）とから概略構成されている。

試料液は、反応槽Ｔ内挿入された液流路Ｌ１によって、サンプルフィルタＳＦから反応槽Ｔ内に導入されるようになっている。試料液導入ポンプＰ１は、サンプルフィルタＳＦの下流側において液流路Ｌ１に介装されている。サンプルフィルタＳＦは、試料液入口１と試料液出口２との間の液流路Ｌ２に接しており、液流路Ｌ２を流れる試料液をフィルタリング後、液流路Ｌ１に導入できるようになっている。また、試料液導入ポンプＰ１の下流側の液流路Ｌ１には、計量コイルＣが介装されている。

試料液導入ポンプＰ１とサンプルフィルタＳＦとの間の液流路Ｌ１には、開閉バルブＬＶ１が介装されたガス流路Ｇ１によってエアが供給されるようになっている。このガス流路Ｇ１から供給されるエアによって、サンプルフィルタＳＦの逆洗ができるようになっている。また、計量コイルＣの下流側の液流路Ｌ１には、開閉バルブＬＶ２が介装されたガス流路Ｇ２によってエアが供給されるようになっている。このガス流路Ｇ２からから供給されるエアによって、反応槽Ｔ内の液体を排液できるようになっている。

標準液導入ポンプＰ２は液流路Ｌ３に介装されている。この液流路Ｌ３の上流側には、上流端がゼロ液タンク３に挿入された液流路Ｌ４と、上流端がスパン液タンク４に挿入された液流路Ｌ５とが連絡している。液流路Ｌ３の下流側は、試料液導入ポンプＰ１の下流側において液流路Ｌ１に合流している。液流路Ｌ４と液流路Ｌ５とには、各々開閉弁ＬＶ３、ＬＶ４が介装されている。
なお、ゼロ液としては純水が、スパン液としては亜硫酸ナトリウム溶液または亜硝酸ナトリウム溶液等が用いられる。
バッファ導入ポンプＰ３は液流路Ｌ６に介装されている。この液流路Ｌ６の上流端は、バッファタンク５に挿入されている。バッファ液としてはｐＨ７のリン酸バッファが用いられる。液流路Ｌ６の下流端は反応槽Ｔ内に挿入されている。

滴定ポンプＴＰは液流路Ｌ７に介装されている。この液流路Ｌ７の上流端は、滴定液タンク６に挿入されている。滴定液は、既知濃度の塩素を含むもので、例えば次亜塩素酸ナトリウムのアルカリ性溶液が用いられる。液流路Ｌ７の下流端は反応槽Ｔ内に挿入されている。
酸化還元電位検出器Ｄは、作用極が白金、対極が銀／銀塩化銀電極で構成されている。
滴定ポンプＴＰによって導入された滴定液の液量及び酸化還元電位検出器Ｄによって検出された酸化還元電位は、演算部に逐次入力されるようになっている。

反応槽Ｔの側壁に設けられたオーバーフロー口７とドレイン８との間の液流路Ｌ８には、開閉弁ＬＶ５が介装されている。反応槽Ｔの底部に設けられた排液口９とドレイン８との間の液流路Ｌ９には、開閉弁ＬＶ６が介装されている。
なお、液流路Ｌ８と液流路Ｌ９とは、下流側で合流している。

開閉弁ＬＶ１〜ＬＶ６には、ガス流路Ｇ３からエアが供給されるようになっている。開閉弁ＬＶ１〜ＬＶ４、ＬＶ６はエアが供給されたときに開となる常閉弁である。一方、開閉弁ＬＶ５はエアが供給されたときに閉となる常開弁である。
ガス流路Ｇ３には、エアフィルタＡＦが介装されたガス流路Ｇ４を介して、エア入口１０からエアが導入されるようになっている。また、圧力調整のため、ガス流路Ｇ３には減圧弁Ｒ１が介装されている。
同様に、ガス流路Ｇ１、Ｇ２には、ガス流路Ｇ４とその下流側のガス流路Ｇ５を介して、エア入口１０からエアが導入されるようになっている。また、圧力調整のため、ガス流路Ｇ５には減圧弁Ｒ２が介装されている。

この測定装置によれば、以下の手順によって基準塩素要求量を測定できる。
まず、開閉弁ＬＶ５のみを開とした状態で、試料液導入ポンプＰ１を作動させ、液流路Ｌ１内が総て試料液で充填された状態とする。次いで、開閉弁ＬＶ２、ＬＶ６のみを開とし、反応槽Ｔ内の試料液をエアによって排出する。
次に、開閉弁ＬＶ３、ＬＶ５のみを開とし、標準液導入ポンプＰ２を作動させる。これにより、液流路Ｌ１における液流路Ｌ３の合流位置よりも下流側の試料液が、ゼロ液によって反応槽Ｔに押し出される。この標準液導入ポンプＰ２の作動は、レベルセンサＬＳが液面を検知するまで継続する。以上の動作により、試料液が一定量計量された状態で、所定量のゼロ液と共に反応槽Ｔに供給される。
次に、開閉弁ＬＶ５のみを開とし、バッファ導入ポンプＰ３を所定の時間作動させる。これにより、所定量のバッファが反応槽Ｔに添加される。

その後、開閉弁ＬＶ５のみを開とし撹拌装置Ｍを作動させた状態で、滴定ポンプＴＰを駆動し滴定を開始する。滴定の進行は酸化還元電位検出器Ｄにより逐次検出する。
滴定ポンプＴＰにより反応槽Ｔに導入された滴定液の液量（以下「滴定量」という。）及び酸化還元電位検出器Ｄにより検出された酸化還元電位は、演算部に逐次入力される。そして、演算部は、塩素要求量に対応する終点が得られた際の滴定量を検知する。
そして、この終点に基づき基準塩素要求量を演算する。

なお、演算にあたっては検量線を用いることもできる。検量線は、予め試料液に代えてゼロ液又はスパン液を滴定し、これらの場合の終点が得られた際の滴定量から作成する。
ゼロ液を滴定する場合は、上記試料液導入ポンプＰ１を作動させて液流路Ｌ１内に試料液を充填する工程及びその後反応槽Ｔ内の試料液をエアによって排出する工程を省略すればよい。
また、スパン液を滴定する場合には、上記試料液導入ポンプＰ１を作動させて液流路Ｌ１内に試料液を充填する工程に代えて、開閉弁ＬＶ５、ＬＶ４のみを開とした状態で、標準液導入ポンプＰ２を作動させ、液流路Ｌ１内にスパン液を充填し、その後は試料液の場合と同じ手順を経て滴定すればよい。

正確な滴定を行うためには、特に終点近傍において、反応時間を考慮しながら、微少液量を間欠的に滴下することが好ましい。また、制御機構を単純化することが必要であれば、一定速度で連続的に行うことも可能である。
なお、試料液中にアンモニア性窒素等反応に時間を要する成分が含まれる場合、充分な反応時間を考慮して、滴定を進めることが好ましい。

基準測定手段として、ＯＲＰ滴定法に基づく測定装置を用いれば、基準塩素要求量を比較的短時間で求めることができる。そのため、導電率計２１から入力された導電率と、基準測定手段２２から入力された基準塩素要求量との相関関係を頻繁に更新することができるので、より信頼性の高い塩素要求量の測定が可能となる。また、この塩素要求量の測定結果に基づき、より信頼性の高い塩素処理が可能となる。

（実験例）
下水処理場の最初沈殿池における処理水を試料液とし、図２の基準測定手段を用いて、基準塩素要求量を測定した。また、同じ試料液について、東亜ディーケーケー（株）製ポータブル電気伝導率・ｐＨ計を用いて、導電率を測定した。測定は、１日あたり２回、１３日間行い、合計２６回行った。結果を図３に示す。
図３に示すように、導電率は基準塩素要求量と相関関係があることが確認できた。したがって、導電率を塩素要求量に換算することは、充分に可能であった。

本発明の一実施形態に係る水質管理システムの概略構成図である。 基準測定手段の一例として、ＯＲＰ滴定法に基づく測定装置の概略構成図である。 導電率と基準塩素要求量との相関関係を示す実験データである。

符号の説明

２０・・・塩素要求量測定装置、２１・・・導電率計、２２・・・基準測定手段、
３０・・・塩素注入手段、３１・・・塩素注入器、３２・・・制御装置、
Ｔ・・・反応槽、Ｐ１・・・試料液導入ポンプ、Ｐ２・・・標準液導入ポンプ、
Ｐ３・・・バッファ導入ポンプ、ＴＰ・・・滴定ポンプ、
Ｄ・・・酸化還元電位検出器、ＬＳ・・・レベルセンサ、Ｍ・・・撹拌装置

Claims (4)

1. 試料液の導電率を測定する導電率測定手段と、試料液中の塩素消費性成分と塩素とを反応させて基準塩素要求量を測定する基準測定手段と、導電率測定手段により測定した導電率と基準測定手段により測定した基準塩素要求量が入力される演算装置とを備え、
   演算装置が、測定した基準塩素要求量と該基準塩素要求量を測定した時刻における導電率との複数の組み合わせデータに基づき、導電率と基準塩素要求量との相関関係を求め、その後、導電率測定手段により連続的に得られる導電率を、前記求めた相関関係に基づき塩素要求量に換算して連続的に出力する塩素要求量測定装置。
2. 請求項１に記載の塩素要求量測定装置と、処理水を試料液とした塩素要求量測定装置の測定結果に応じて処理水に塩素を注入する塩素注入手段とを備える水質管理システム。
3. 試料液中の塩素消費性成分と塩素とを反応させて基準塩素要求量を測定すると共に、該基準塩素要求量を測定した時刻における試料液の導電率を測定することを複数回行い、測定した基準塩素要求量と該基準塩素要求量を測定した時刻における導電率との複数の組み合わせデータを得る工程と、
   前記複数の組み合わせデータから、導電率と基準塩素要求量との相関関係を求める工程と、
   その後、導電率測定手段により連続的に導電率を測定し、該測定した導電率を前記求めた相関関係に基づき換算して、連続的に塩素要求量を求める工程を備える塩素要求量測定方法。
4. 処理水を試料液として請求項３に記載の塩素要求量測定方法により連続的に塩素要求量を求め、
   求めた塩素要求量に応じて、処理水に塩素を注入する水質管理方法。

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