JP4977087B2 - System for measuring the concentration of volatile components in an aqueous solution of volatile components - Google Patents
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Description
本発明は、揮発性成分水溶液中の該揮発性成分濃度を、ガスセンサーを利用して非常に簡便に測定するものである。化学・食品・発酵・バイオ・エネルギー・電子部品等、アルコール水溶液等の揮発性成分水溶液を取り扱う分野は非常に多岐に渡っているが、全ての分野でその応用範囲が期待される。本発明の好適適用例は、硝酸態又は亜硝酸態窒素を微生物により脱窒処理を行う生物学的脱窒プロセスにおいて、添加する水素供与態(主にメタノール)の制御方法に関するものである。生物学的脱窒プロセスとは、水素供与態が存在する嫌気状態(無酸素状態)において、硝酸態又は亜硝酸態窒素が脱窒菌の作用により窒素ガスに還元されるプロセスである。 In the present invention, the concentration of the volatile component in the volatile component aqueous solution is very simply measured using a gas sensor. There are a wide variety of fields that handle aqueous solutions of volatile components such as aqueous solutions of alcohol, such as chemicals, food, fermentation, biotechnology, energy, and electronic components, but their application range is expected in all fields. A preferred application example of the present invention relates to a method for controlling a hydrogen donating state (mainly methanol) to be added in a biological denitrification process in which nitrate or nitrite nitrogen is denitrified by microorganisms. The biological denitrification process is a process in which nitrate or nitrite nitrogen is reduced to nitrogen gas by the action of denitrifying bacteria in an anaerobic state (anoxic state) where a hydrogen donating state exists.
揮発性成分水溶液中の該揮発性成分濃度測定には、液体クロマトやガスクロマト及びNMR等の分析機器が用いられるが、機器分析では操作性・汎用性・コスト面に大きな課題が生じてしまう。また、屈折率や比重等の物性を利用した分析方法も用いられているが、簡便な分析とは言えずその精度にも間題がある。特に、アルコールガス濃度においては、センサーを利用した簡便な検知器が市販されているのに対し、アルコール水溶液濃度を簡便に測定する方法がないのが現状である。 Analytical instruments such as liquid chromatography, gas chromatography, and NMR are used to measure the concentration of the volatile components in the volatile component aqueous solution. However, instrumental analysis poses significant problems in terms of operability, versatility, and cost. An analysis method using physical properties such as refractive index and specific gravity is also used, but it cannot be said to be a simple analysis and there is a problem in its accuracy. In particular, with respect to alcohol gas concentration, a simple detector using a sensor is commercially available, but there is no method for simply measuring the concentration of an aqueous alcohol solution.
とりわけ本発明は、生物学的脱窒プロセスでの応用が期待できる。この反応では水素供与態の存在が必須であるが、有機物をほとんど含まない排水(処理水)においては、外部より水素供与態を添加して行っており、通常この水素供与態には揮発性のメタノールが使用されている。
6NO3−+5CH3OH→3N2+5CO2+7H2O+6OH−
In particular, the present invention can be expected to be applied in biological denitrification processes. In this reaction, the existence of a hydrogen donor state is essential, but wastewater (treated water) containing almost no organic matter is added by adding a hydrogen donor state from the outside. Usually, this hydrogen donor state is volatile. Methanol is used.
6NO 3- + 5CH 3 OH → 3N 2 +
反応に必要なメタノール量は、上記理論式により硝酸態窒素1モルに対して5/6モル、重量にして1.9倍のメタノールが必要であることが分かる。しかし、実際には添加したメタノールの全てが還元反応に使用される訳ではなく、一部は脱窒菌の細胞合成にも使用される。 It can be seen that the amount of methanol required for the reaction is 5/6 moles per mole of nitrate nitrogen and 1.9 times the weight of methanol by the above theoretical formula. However, in reality, not all of the added methanol is used for the reduction reaction, and a part is also used for cell synthesis of denitrifying bacteria.
メタノールの添加量が不足していると脱窒性能の低下が引き起こされるが、反対に、メタノールの添加量が過剰であるとメタノールコストの無駄ばかりではなく、メタノールのBOD・CODを処理するための再曝気槽の負担増大を引き起こす。そのため、メタノールの最適添加は非常に重要である。 If the amount of methanol added is insufficient, the denitrification performance will be degraded. Conversely, if the amount of methanol added is excessive, not only will it be a waste of methanol cost, but it will also be used to treat BOD / COD of methanol. This will increase the burden on the re-aeration tank. Therefore, the optimal addition of methanol is very important.
ここで、メタノールの最適添加の手法としては、特開平7−256290に示されているような脱窒処理槽(リアクター槽)の酸化還元電位(ORP)を測定することにより制御する方法や、特開2003−71492に示されているような脱窒処理槽(リアクター槽)のメタノールを測定することにより制御する方法などがある。しかしながら、液の所定物性を測定したり液からメタノールを分離して測定する等の、液を直接用いての上記手法には以下の問題がある。 Here, as a method of optimal addition of methanol, a method of controlling by measuring the oxidation-reduction potential (ORP) of a denitrification treatment tank (reactor tank) as disclosed in JP-A-7-256290, There is a method of controlling by measuring methanol in a denitrification tank (reactor tank) as shown in Open 2003-71492. However, the above-mentioned method using the liquid directly, such as measuring predetermined physical properties of the liquid or measuring methanol from the liquid, has the following problems.
まず、脱窒処理槽(リアクター槽)の酸化還元電位(ORP)を測定することによりメタノールの最適量を制御する方法においては、メタノールを直接測定していないため正確なメタノール量の制御が非常に困難である。また、ORP値は温度・排水(処理水)の濃度変動等の影響や微生物の活性状態に左右され易く、ORP値のみのメタノール制御は問題を生じやすい。特開2003−71492に示されているような脱窒処理槽(リアクター槽)のメタノールを測定することにより制御する方法があるが、メタノールの測定方法として曝気による気液分離を行っている。また、採取したメタノールガスを加温しておりリアクター槽とは別に気化槽を設けている。これらの方法では、曝気・加温によるエネルギーコスト及び気化槽を余分に設ける負担等がかかってしまう。また、気液分離によりガスを測定する方法ではリアクター槽内のメタノールの有無は判別出来るが、メタノール濃度は測定できない。よって、的確なメタノール制御は困難である。これらの問題点は、メタノール水溶液のメタノール濃度をセンサーで直接測定する事が出来ないために起こっている。 First, in the method of controlling the optimal amount of methanol by measuring the oxidation-reduction potential (ORP) of the denitrification treatment tank (reactor tank), methanol is not directly measured, so accurate control of the amount of methanol is very Have difficulty. Further, the ORP value is easily influenced by the influence of temperature, wastewater (treated water) concentration fluctuations, etc. and the active state of microorganisms, and methanol control using only the ORP value is likely to cause problems. Although there is a method of controlling by measuring methanol in a denitrification treatment tank (reactor tank) as disclosed in JP-A-2003-71492, gas-liquid separation by aeration is performed as a measurement method of methanol. The collected methanol gas is heated and a vaporization tank is provided separately from the reactor tank. In these methods, the energy cost by aeration and heating, the burden of providing an additional vaporization tank, etc. will be applied. Further, in the method of measuring gas by gas-liquid separation, the presence or absence of methanol in the reactor tank can be determined, but the methanol concentration cannot be measured. Therefore, accurate methanol control is difficult. These problems occur because the methanol concentration of the aqueous methanol solution cannot be directly measured with a sensor.
そこで、ガスセンサーを利用して気液平衡状態における気相の揮発性成分濃度を測定し、ヘンリーの法則の法則に基づき、液体中の揮発性成分濃度を間接的に求める手法が、特開昭64−6854号公報及び特開昭62−200241号公報に開示されている。 Therefore, a method for measuring the volatile component concentration in the gas phase in a gas-liquid equilibrium state using a gas sensor and indirectly determining the volatile component concentration in the liquid based on Henry's law is disclosed in No. 64-6854 and JP-A-62-200241.
しかしながら、これら手法は、いずれも気液平衡状態に達した際の気相中の揮発性成分濃度に基づき液体中の揮発性成分濃度を推定するものである。したがって、特開昭64−6854号公報に記載されているように、十分な時間が経過するまで測定が実施できない(第2頁右上欄の末行〜左下欄の7行)。また、短時間で気液平衡状態を達成しようとすると、特開昭62−200241号公報に記載されているように、液体系の中にガスを泡立てて通過させる手法を採用する必要がある(特許請求の範囲第5項、第3頁右下欄4〜7行)。しかしながら、この場合も、バブル手段を設置しなくてはならず、操作性・汎用性・コスト面に大きな課題が生じてしまう。
However, these methods all estimate the volatile component concentration in the liquid based on the volatile component concentration in the gas phase when the vapor-liquid equilibrium state is reached. Therefore, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-6854, measurement cannot be performed until a sufficient time has passed (the last line in the upper right column on
そこで、本発明は、ガスセンサーを利用して気相の揮発性成分濃度を測定した後に液体中の揮発性成分濃度を推定する手法において、気液平衡状態になるまで測定を待機したりバブル手段等によって気液平衡状態を短時間に強制的に構築する必要が無い、気液平衡状態に達するまで待たなくとも液体中の揮発性成分濃度を測定可能な手段を提供することを目的とする。
そこで、本発明者等は鋭意研究の結果、気相と液相との間の平衡に達するまでの経時変化を観察し、一定の法則があることを見出し、以下の発明(1)〜(4)を完成した。 Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have observed changes over time until the equilibrium between the gas phase and the liquid phase is reached, and found that there is a certain law, and the following inventions (1) to (4) ) Completed.
本発明(1)は、揮発性成分水溶液中の該揮発性成分濃度を測定するシステムにおいて、経時的に測定された揮発性成分濃度関連パラメータ値に関し、当該揮発性成分濃度関連パラメータ値の時間での微分値を経時的に取得し、当該微分値が最大値に達した場合、当該最大値に達した時間の濃度関連パラメータ値に基づき平衡状態時の揮発性成分の濃度関連パラメータ値の推定値を演算することを特徴とするシステムである。
より具体的には、本発明(1)は、揮発性成分水溶液中の該揮発性成分濃度を測定するシステムにおいて、
前記揮発性成分水溶液と接触させた際に気密空間を形成し得る外郭体であって、前記気密空間と前記揮発性成分水溶液との間で気液平衡状態に達することが可能な外郭体(例えば、外郭体11)と、
前記気密空間内の前記揮発性成分の濃度関連パラメータ値を測定する揮発性成分濃度関連パラメータ値測定部(例えば、ガスセンサー12)と、
非平衡状態時に測定した前記揮発性成分濃度関連パラメータ値に基づき、平衡状態時での前記揮発性成分濃度関連パラメータ値の推定値を算出する、平衡状態時揮発性成分推定濃度関連パラメータ値算出部(例えば、揮発性成分濃度算出実行手段174)と、
前記平衡状態時揮発性成分推定濃度関連パラメータ値及び温度に基づき、揮発性成分水溶液中の該揮発性成分濃度を算出する、揮発性成分濃度算出部(例えば、揮発性成分濃度算出実行手段174)と
を有しており、
前記平衡状態時揮発性成分推定濃度関連パラメータ値算出部(例えば、揮発性成分濃度算出実行手段174)は、
経時的に測定された前記揮発性成分濃度関連パラメータ値に関し、当該揮発性成分濃度関連パラメータ値の時間での微分値を経時的に取得する、揮発性成分濃度関連パラメータ値の時間微分値取得部と、
前記微分値が最大値に達したか否かを判定する、最大値到達判定部と、
前記最大値到達判定部が最大値に達したと判定した場合、下記式:
F(x)=F(x:t(start))+{F(x:t(max))−F(x:t(start))}×A
{ここで、F(x)は平衡状態時での前記揮発性成分濃度関連パラメータ値の推定値であり、t(start)は測定開始時の時間であり、t(max)は前記最大値に達するまでの時間であり、F(x:t(start))はt(start)における前記揮発性成分濃度関連パラメータ値の測定値であり、F(x:t(max))はt(max)における前記揮発性成分濃度関連パラメータ値の測定値であり、Aは定数である}
に各パラメータ値を代入して、平衡状態時の揮発性成分の濃度関連パラメータ値の推定値を演算する、平衡状態時揮発性成分推定濃度関連パラメータ値演算部と
を有することを特徴とするシステムである。
The present invention (1) relates to a volatile component concentration-related parameter value measured over time in a system for measuring the volatile component concentration in a volatile component aqueous solution. When the differential value reaches the maximum value, the estimated value of the concentration-related parameter value of the volatile component in the equilibrium state based on the concentration-related parameter value of the time when the maximum value is reached It is a system characterized by computing.
More specifically, the present invention (1) is a system for measuring the concentration of the volatile component in the volatile component aqueous solution.
An outer body capable of forming an airtight space when brought into contact with the volatile component aqueous solution, and capable of reaching a gas-liquid equilibrium state between the airtight space and the volatile component aqueous solution (for example, , Outer body 11),
A volatile component concentration-related parameter value measurement unit (for example, a gas sensor 12) that measures a concentration-related parameter value of the volatile component in the hermetic space;
Based on the volatile component concentration-related parameter value measured in the non-equilibrium state, the estimated value of the volatile component concentration-related parameter value in the equilibrium state is calculated. (For example, volatile component concentration calculation execution means 174);
A volatile component concentration calculation unit (for example, volatile component concentration calculation execution means 174) that calculates the volatile component concentration in the volatile component aqueous solution based on the parameter value and temperature related to the estimated volatile component concentration in the equilibrium state. And
The equilibrium state volatile component estimated concentration-related parameter value calculation unit (for example, the volatile component concentration calculation execution unit 174)
With respect to the volatile component concentration-related parameter value measured over time, a volatile component concentration-related parameter value time differential value acquisition unit that acquires a time-dependent differential value of the volatile component concentration-related parameter value. When,
A maximum value attainment determination unit for determining whether the differential value has reached a maximum value;
When the maximum value determination unit determines that the maximum value has been reached, the following formula:
F (x) = F (x: t (start)) + {F (x: t (max)) − F (x: t (start))} × A
{Where F (x) is the estimated value of the volatile component concentration related parameter value in the equilibrium state, t (start) is the time at the start of measurement, and t (max) is the maximum value. F (x: t (start)) is a measured value of the volatile component concentration related parameter value at t (start), and F (x: t (max)) is t (max) Is a measured value of the parameter value related to the concentration of the volatile component in A, and A is a constant}
A system for calculating an estimated value of a concentration-related parameter value of a volatile component in an equilibrium state by substituting each parameter value in an equilibrium state, It is.
本発明(2)は、温度と関連付けられた前記定数A又は温度と前記揮発性成分との組み合わせで関連付けられた前記定数Aが記憶されている記憶部と
を更に有する、前記発明(1)のシステムである。
The present invention (2) further includes a storage unit in which the constant A associated with temperature or the constant A associated with a combination of temperature and the volatile component is stored. System.
本発明(3)は、
複数パターンの既知濃度である前記揮発性成分水溶液について得られた前記最大値に基づき、前記定数Aを算出する定数A算出部(例えば、定数A決定処理実行手段173)と、
算出された前記定数Aを一時記憶するための一時記憶部(例えば、一時記憶手段15)と
を更に有する、前記発明(1)又は(2)のシステムである。
The present invention (3)
A constant A calculation unit (for example, constant A determination processing execution means 173) that calculates the constant A based on the maximum value obtained for the volatile component aqueous solution having a known concentration of a plurality of patterns;
The system according to the invention (1) or (2) further including a temporary storage unit (for example, temporary storage means 15) for temporarily storing the calculated constant A.
本発明(4)は、前記気密空間内の温度又は前記揮発性成分水溶液の温度を直接又は間接的に測定する温度測定部(例えば、温度センサー13)を更に有する、前記発明(1)〜(3)のいずれか一つのシステムである。 This invention (4) further has the temperature measurement part (for example, temperature sensor 13) which measures the temperature in the said airtight space, or the temperature of the said volatile component aqueous solution directly or indirectly, The said invention (1)-( 3) One of the systems.
以下、本特許請求の範囲及び本明細書における各用語の定義を説明する。まず、「システム」とは、複数の要素が一体的に機能して所望の目的を達成できる限り特に限定されず、すべて又は大部分の要素が一体化した装置に限定されず、各要素が物理的に離隔したプラントも包含する概念である。「気密空間」とは、物理的に完全に気密であることを意味する概念ではなく、センサーのコード孔等、多少の開状態は許容する概念である。「濃度関連パラメータ値」とは、濃度に関連した一切のパラメータ値を指し、例えば、濃度に対応した出力値(電圧)のみならず、濃度値それ自体も含む。 Hereinafter, definitions of each term in the claims and the specification will be described. First, the “system” is not particularly limited as long as a plurality of elements can function integrally to achieve a desired purpose, and is not limited to a device in which all or most of the elements are integrated. It is also a concept that encompasses a remote plant. The “airtight space” is not a concept that is physically completely airtight, but a concept that allows some open state such as a cord hole of a sensor. The “density-related parameter value” refers to any parameter value related to the density, and includes not only the output value (voltage) corresponding to the density but also the density value itself.
本発明(1)によれば、水溶液を直接測定している訳ではなく、簡便なガスセンサーを利用した気相の揮発性成分濃度関連パラメータ値を測定し当該値に基づき水溶液中の揮発性成分濃度を推定する手法を採用しているので、操作性・汎用性・コスト面において優れており、なおかつ、従来のように気液平衡状態になるまで測定できないという問題が無いため、気液平衡状態になるまで何十分も測定を待機する状況を回避でき、更には、バブル手段等のような特殊な設備も不要となるという効果を奏する。 According to the present invention (1), the aqueous solution is not directly measured, but the gas phase volatile component concentration-related parameter value is measured using a simple gas sensor, and the volatile component in the aqueous solution is measured based on the measured value. Since the method of estimating the concentration is adopted, it is excellent in operability, versatility, and cost, and there is no problem that it cannot be measured until it reaches the gas-liquid equilibrium state as before, so the gas-liquid equilibrium state Thus, it is possible to avoid the situation of waiting for the measurement until tens of hours, and there is an effect that special equipment such as bubble means is not required.
本発明(2)によれば、前記効果に加え、温度(又は温度と測定対象となる揮発性成分の種類)に基づき、記憶部から対応する定数Aを読み出すよう構成されているので、分析前に標準液を用いて定数Aを特定する作業をする手間を省くことが可能となるという効果を奏する。 According to the present invention (2), in addition to the above effect, the constant A is read from the storage unit based on the temperature (or the temperature and the type of the volatile component to be measured). In addition, there is an effect that it is possible to save the labor of specifying the constant A using the standard solution.
本発明(3)によれば、前記効果に加え、標準液を用いて現場で定数Aを特定する作業を実施するよう構成されているので、温度(又は当該温度と測定対象となる揮発性成分の種類)毎に定数Aを記憶する必要が無くなるという効果を奏する。 According to the present invention (3), in addition to the above-described effect, since the operation for specifying the constant A using the standard solution is performed in the field, the temperature (or the temperature and the volatile component to be measured) There is an effect that it is not necessary to store the constant A for each type).
本発明(4)によれば、前記効果に加え、温度を自動的に測定するよう構成されているので、温度情報を測定の度に入力する必要が無くなるという効果を奏する。 According to the present invention (4), in addition to the above-described effect, the temperature is automatically measured, so that it is not necessary to input temperature information every measurement.
《システム構成》
図1は、本最良形態に係る揮発性成分濃度測定システム1の概略図である。当該システム1は、外郭体11と、外郭体11内に取り付けられたガスセンサー12と、温度センサー13と、揮発性成分濃度算出のための各種データ(プログラムや各種パラメータ値)が記憶されている記憶手段14と、揮発性成分濃度算出に際しての各種データを一時記憶するための一時記憶手段15と、開始信号や各種情報(例えば揮発性成分の種類情報)を操作者入力可能な入力手段16と、各種表示(揮発性濃度値や各種メッセージ)を表示する表示部18と、前述のセンサー12及び13・入力手段16・表示部18と情報伝達可能に接続されている処理部17と、から構成される。以下、主な要素を詳述する。
"System configuration"
FIG. 1 is a schematic diagram of a volatile component
(外郭体)
まず、外郭体11は、部分的又は全部を水溶液に没した際に、外郭体11内部に気密空間を形成しうるものであれば特に限定されない(例えばビーカーのような、開口部を有する液体非透過性部材から構成され、かつ、形状保持性を有する部材)。例えば、当該図では、外郭体で揮発性成分水溶液を覆い、水溶液中に半没させることにより気密空間を作り出している。ここで、当該気密空間は、揮発性成分が気液平衡に達するための空間であり、完全に密閉でなくても構わない。例えば、センサーに接続されている銅線を通すためのごく小さな穴を外郭体11に開けその穴を粘土質で覆い完全な密閉にした場合と、ごく小さな穴をそのままにした場合とでは測定値にずれは生じない。
(Outer body)
First, the
ここで、図6は、当該外郭体11の変更例を示した図である。この外郭体11(2)は、ガスセンサー12(2)を揮発性成分水溶液に直接投入して測定出来るように工夫されている。具体的には、当該外郭体11(2)は、その周囲がガラス等の液体非透過性部材からなり、開口部(底部)に防水透湿膜11a(2)が被覆された構成を採っている。当該構成により、水の侵入を防止しつつ、防水透湿膜11a(2)を介して揮発性成分の蒸気のみが、当該外郭体11(2)の気密空間内に導入される。尚、防水透湿素材は、水を通さずに揮発性成分ガスを通すような素材であればどのような物を使用してもよく、例えば、ゴアテックス(ジャパンゴアテックス製)を挙げることができる。また、当該図では開口部のみに防水透湿膜を設けた態様のみ示したが、これにも限定されず、すべて又は大部分が防水透湿膜から構成されていてもよい。
Here, FIG. 6 is a diagram illustrating a modification example of the
更には、図1及び図6の形態は、水溶液に直接接触させることにより気密空間を構築するものであるが、これにも限定されず、図7に示すように、水溶液に直接接触させないで気密空間を構築する構成を採ってもよい。
(ガスセンサー)
Furthermore, although the form of FIG.1 and FIG.6 constructs airtight space by making direct contact with aqueous solution, it is not limited to this, As shown in FIG. 7, it is airtight without making direct contact with aqueous solution. You may take the structure which builds space.
(Gas sensor)
次に、ガスセンサー12は、測定対象となる揮発性成分の気相中のガス濃度を測定することが可能なものであれば特に限定されない。例えば、測定対象がメタノールである場合には酸化すずを利用したガスセンサーを使用できる。但し、メタノールガスに反応するセンサーであればその種類は問わない。例えば、酸化すず以外の金属酸化物半導体や水晶振動子を使用したガスセンサーが利用出来る。また、図では2種類の感度の違うセンサーを使用しているが、これは揮発性成分水溶液濃度が低濃度から高濃度まで全ての濃度を測定出来るようにしたためである。当然、外郭体内の気密空間の体積によりガス濃度が変化するため、気室の体積に対応した感度が要求される。よって、必要に応じて2種類以上の感度の異なるセンサーを使用することが好適である。使用している酸化すず型ガスセンサーは、検知するガス種により様々なガスセンサーが市販されており、そのセンサー特性を生かしてノタノールに対しての感度が高感度の物から低感度のものまで段階的に用意することが出来る。例えば、アルコール検知用の市販のセンサーではメタノール感度が高く、アミン系を検知する市販のセンサーではメタノール感度が低い結果が得られることが確認されている。高感度のものと低感度のものを組み合わせれば、高濃度の時も低濃度のときも測定することが可能になる。
Next, the
尚、使用するガスセンサーによっては、湿度により影響されるタイプが存在する。この場合には、当該湿度による影響を補正すべく湿度センサーを設ける構成を採ってもよい。例えば、高分子・金属酸化物・電解質を利用した静電容量式センサーや水晶振動子を利用した湿度センサーが使用可能である。 Some types of gas sensors are affected by humidity. In this case, a configuration may be adopted in which a humidity sensor is provided to correct the influence of the humidity. For example, a capacitive sensor using a polymer, a metal oxide, or an electrolyte, or a humidity sensor using a crystal resonator can be used.
(温度センサー)
次に、温度センサー13は、気密空間の温度を直接的又は間接的に測定可能である限り特に限定されず、いかなる種類でも使用可能である。例えば、熱伝対・サーミスター・側温抵抗体等を利用した温度センサーが使用可能である。ここで、当該図では、気密空間の温度を間接的に測定する方法、即ち、水溶液の温度が気密空間の温度と略同一であると仮定して、温度センサー13を揮発性成分水溶液中に浸漬させている。その理由は、ガスセンサーが発熱を伴うものである場合には、当該発熱の影響を受けて気密空間内の温度を正確に測定できないからである。但し、ガスセンサーの発熱量が少ない場合には気密空間内に温度センサー13を配置してもよく、更には、発熱量が少なくないとしても、気密空間内の、当該センサーから離れた位置に温度センサー13を設置してもよい。また、揮発性成分の濃度算出の際には温度を把握する必要があるが、温度センサー13を設置しなくとも操作者が現在の温度を入力する形態を採る場合には、温度センサーは必ずしも備えていなくともよい。
(Temperature sensor)
Next, the
(記憶手段)
次に、記憶手段14は、後述する測定に係る各種処理や表示制御処理を実行するためのプログラムや当該プログラムを実行する上で必要な各種パラメータデータが記憶可能である限り特に限定されないが、典型的にはROMである。ここで、当該記憶手段14に記憶されている各種パラメータデータは、特に限定されないが、本形態では以下のデータが記憶されている。
(Memory means)
Next, the
(1)非平衡状態時の揮発性成分(ガス)濃度パラメータ値から平衡時の揮発性成分(ガス)濃度パラメータ値を推定する際に用いられる「定数A」
本発明では、下記式(1)を用いて、非平衡状態時の揮発性成分(ガス)濃度パラメータ値から平衡時の揮発性成分(ガス)濃度パラメータ値を推定する。
In the present invention, the following equation (1) is used to estimate the volatile component (gas) concentration parameter value at equilibrium from the volatile component (gas) concentration parameter value at non-equilibrium state.
式(1)中、F(x)は平衡状態時での前記揮発性成分濃度関連パラメータ値の推定値であり、t(start)は測定開始時の時間であり、t(max)はF(x)の微分値が最大値に達するまでの時間であり、F(x:t(start))はt(start)における前記揮発性成分濃度関連パラメータ値の測定値であり、F(x:t(max))はt(max)における前記揮発性成分濃度関連パラメータ値の測定値であり、Aは定数である。ここで、当該定数Aは、本発明者らにより見出された定数であり、揮発性成分の種類、溶媒の種類(本発明では水)及び温度で実質的に特定される定数である。したがって、様々な温度条件下で様々な揮発性成分の濃度測定に対応できるよう、揮発性成分毎に、様々な温度における定数Aが記憶されている。ここで、当該定数Aは、測定対象となる揮発性成分と温度毎に、後述する手法に従い予め実験的に取得された数値である。尚、当該定数Aが記憶されていなくとも、濃度既知の標準液を使用して現場で定数Aを取得する形態であってもよい。 In Formula (1), F (x) is an estimated value of the volatile component concentration-related parameter value in the equilibrium state, t (start) is the time at the start of measurement, and t (max) is F ( x) is a time until the differential value reaches the maximum value, and F (x: t (start)) is a measured value of the parameter value related to the volatile component concentration at t (start), and F (x: t (Max)) is a measured value of the volatile component concentration-related parameter value at t (max), and A is a constant. Here, the constant A is a constant found by the present inventors, and is a constant substantially specified by the type of volatile component, the type of solvent (water in the present invention), and temperature. Therefore, the constant A at various temperatures is stored for each volatile component so that the concentration measurement of various volatile components can be handled under various temperature conditions. Here, the constant A is a numerical value acquired experimentally in advance according to a method described later for each volatile component and temperature to be measured. Even if the constant A is not stored, the constant A may be obtained on-site using a standard solution with a known concentration.
(2)平衡時推定揮発性成分(ガス)濃度パラメータ値を用いての、液中揮発性成分濃度の算出の際に用いられる各種定数
平衡時推定揮発性成分(ガス)濃度パラメータ値を用いての、液中揮発性成分濃度の算出に際しては、公知の各種手法が採用可能である。
(2) By using the estimated volatile component (gas) concentration parameter values at various constants used in calculating the volatile component concentration in the liquid using the estimated volatile component (gas) concentration parameter values at equilibrium In calculating the volatile component concentration in the liquid, various known methods can be employed.
(2−1)ラウールの法則に基づき当該算出を行う場合
まず、下記式(2)に従い、ガスセンサー出力(mV)と揮発性成分(ガス)濃度との関係を算出する。
ここで、式(2)中、B及びCは、揮発性成分の種類及び温度で実質的に特定される定数であり、xは、ガスセンサー出力である。したがって、様々な温度条件下で様々な揮発性成分の濃度測定に対応できるよう、揮発性成分毎に、様々な温度における定数B及びCが記憶されている。 Here, in formula (2), B and C are constants substantially specified by the type and temperature of the volatile component, and x is the gas sensor output. Therefore, constants B and C at various temperatures are stored for each volatile component so that the concentration measurement of various volatile components can be handled under various temperature conditions.
次に、Antoineの式を用い、気相温度での、揮発性成分の飽和蒸気圧と分圧を算出する。この際、Antoineの式の定数値は、揮発性成分の種類で実質的に特定される定数である。したがって、様々な揮発性成分の濃度測定に対応できるよう、揮発性成分毎に、当該定数値が記憶されている。
(2−2)ヘンリーの法則に基づき当該算出を行う場合
まず、上記式(2)に従い、ガスセンサー出力(mV)と揮発性成分(ガス)濃度との関係を算出する。次に、ヘンリー定数を用いて、溶液の揮発性成分濃度を算出する。この際、ヘンリー定数は、揮発性成分の種類及び温度で実質的に特定される定数である。したがって、様々な温度条件下で様々な揮発性成分の濃度測定に対応できるよう、揮発性成分毎に、様々な温度におけるヘンリー定数が記憶されている。
Next, the saturated vapor pressure and partial pressure of the volatile component at the gas phase temperature are calculated using the Antoine equation. At this time, the constant value in the equation of Antoine is a constant substantially specified by the type of the volatile component. Therefore, the constant value is stored for each volatile component so that it can cope with the concentration measurement of various volatile components.
(2-2) When performing the calculation based on Henry's law First, the relationship between the gas sensor output (mV) and the volatile component (gas) concentration is calculated according to the above equation (2). Next, the volatile component concentration of the solution is calculated using the Henry constant. At this time, the Henry constant is a constant substantially specified by the kind and temperature of the volatile component. Therefore, Henry's constants at various temperatures are stored for each volatile component so that the concentration measurement of various volatile components can be handled under various temperature conditions.
(一時記憶手段)
次に、一時記憶手段15は、揮発性成分濃度算出に際しての各種データを一時記憶する機能を有する限り特に限定されず、RAM等が挙げられる。尚、当該データとしては、経時的にガスセンサー12から送信される出力値、当該出力値の時間微分値、測定対象である揮発性成分の種類を特定するID情報、温度センサー13から送信される温度値の他、各種処理フラグのオンオフ情報も含まれる。
(Temporary storage means)
Next, the
(入力手段)
次に、入力手段16は、例えば、操作開始や終了指示の他、演算に必要な各種パラメータ値を入力する手段である。具体的には、測定開始指示部、複数のリストの中から測定対象となる揮発性成分を選択する選択部を挙げることができる。更には、本形態には温度センサー13が存在しているが、存在していない場合には現在の温度を入力する温度入力部を含む。加えて、本形態には各種演算に必要な定数値(A、Antonie定数、ヘンリー定数等)が既にROM内に記憶されているが、もし記憶されていない場合にはこれら定数値を入力する定数入力部を含む。
(Input means)
Next, the input means 16 is a means for inputting various parameter values necessary for calculation in addition to operation start and end instructions, for example. Specifically, a measurement start instruction unit and a selection unit that selects a volatile component to be measured from a plurality of lists can be exemplified. Furthermore, although the
(処理部)
次に、処理部17は、各種パラメータ値を用いて演算処理を実行可能なCPUである。尚、CPUが外部装置と情報伝達可能なよう、入出力回路やA/D変換部が備えられている。
(Processing part)
Next, the
《機能構成》
続いて、図2の機能ブロック図を参照しながら、本形態に係るシステム(処理部17)の機能構成を説明する。尚、本形態では、定数Aが記憶されていても、定数Aが記憶されていなくともよい旨述べた(この場合、定数Aを入力するか、或いは、濃度既知の標準液を使用して現場で定数Aを取得)。以下では、濃度既知の標準液を使用して現場で定数Aを取得するタイプを例に採り、機能構成(これに続く処理も)を詳述することとする。
<Functional configuration>
Next, the functional configuration of the system (processing unit 17) according to the present embodiment will be described with reference to the functional block diagram of FIG. In this embodiment, the constant A may or may not be stored (in this case, the constant A is input, or a standard solution with a known concentration is used in the field). To obtain the constant A). Below, the type which acquires the constant A on-site using a standard solution with a known concentration will be taken as an example, and the functional configuration (and subsequent processing) will be described in detail.
まず、前述のように、処理部17は、周辺機器(ガスセンサー12、温度センサー13、入力手段16及び表示部18)と情報伝達可能に接続している。ここで、処理部17は、周辺機器(ガスセンサー12、温度センサー13、入力手段16)からの出力情報を受信するための受信手段171と、表示部18での表示制御を司る表示制御手段172と、定数A決定処理実行手段173と、各種パラメータ値から水溶液中の揮発性成分濃度を算出するための揮発性成分濃度算出実行手段174と、前述した記憶手段14と、前述した一時記憶手段15と、を有する。尚、本発明と特に関係する要素のみ図示したが、図示しない要素は存在しないのではなく、周知技術で存在する要素は基本的には存在するものと理解すべきである。
First, as described above, the
《処理》
次に、図3〜図5のフローチャートを参照しながら、本形態に係るシステムで実行される揮発性成分濃度測定処理を詳述する。まず、図3は、本形態に係るシステムで実行される揮発性成分濃度測定処理のメインフローである。はじめに、ステップ1000で、処理部17は、既知濃度の標準液を用いての定数A決定処理を実行する。次に、ステップ2000で、処理部17は、測定対象に係るサンプル液中の揮発性成分濃度の決定処理を実行する。以下、これらサブルーチンの処理を詳述する。
"processing"
Next, the volatile component concentration measurement process executed by the system according to the present embodiment will be described in detail with reference to the flowcharts of FIGS. First, FIG. 3 is a main flow of volatile component concentration measurement processing executed in the system according to the present embodiment. First, in
まず、図4は、標準液を用いての定数A決定処理1000のサブルーチンに係るフローチャートである。まず、ステップ1001で、定数A決定処理実行手段173は、受信手段171にアクセスし、定数A決定開始のボタンが押圧されたか否かを判定する。ステップ1001でYesの場合、定数A決定処理実行手段173は、一時記憶手段15のフラグ領域にアクセスし、定数A確定フラグをオフにする。次に、ステップ1005で、表示制御手段172は、表示部18に「定数A決定処理を開始します」と表示されるよう制御する。次に、ステップ1007で、表示制御手段172は、表示部18に「濃度を入力して下さい」と表示されるよう制御する。尚、ここでの濃度とは、濃度既知の、測定対象の揮発性成分水溶液(標準液)の濃度である。次に、ステップ1009で、定数A決定処理実行手段173は、受信手段171にアクセスし、操作者により濃度値が入力されたか否かを判定する。ステップ1009でYesの場合、ステップ1011で、定数A決定処理実行手段173は、当該入力された濃度値データを一時記憶手段15に一時記憶する。次に、ステップ1013で、表示制御手段172は、表示部18に「センサーを液につけて下さい」と表示されるよう制御する。続いて、ステップ1014で、定数A決定処理実行手段173は、受信手段171にアクセスし、スタート信号が認識されたか否かを判定する。ここで、スタート信号とは、例えば、測定者がセンサーを液に浸けた直後に入力装置により入力するものが挙げられる。ステップ1014でYesの場合、測定が開始される。そして、ステップ1015及びステップ1017で、定数A決定処理実行手段173は、受信手段171にアクセスし、ガスセンサー12からの濃度関連パラメータ値の出力値(mV)を取得した上で、当該データを一時記憶手段15に一時記憶する。尚、測定開始直後に取得した当該出力値をV(start)とする。
First, FIG. 4 is a flowchart relating to a subroutine of the constant
次に、ステップ1019で、定数A決定処理実行手段173は、n=1を一時記憶手段15に一時記憶する。次に、ステップ1021で、定数A決定処理実行手段173は、Δt(例えば0.5分)が経過したか否かを判定する。尚、このΔtの時間(後述するΔtも同様)は、本例では0.5分としたが、適宜設定可能であり、更に短い時間としてもより長い時間としてもよい。ステップ1021でYesの場合、ステップ1023及び1025で、定数A決定処理実行手段173は、受信手段171にアクセスし、時間t1における、ガスセンサー12からの濃度関連パラメータ値の出力値V1(mV)を取得した上で、当該データを一時記憶手段15に一時記憶する。次に、ステップ1027及びステップ1029で、定数A決定処理実行手段173は、一時記憶手段15に一時記憶されたV0及びV1値をV1’=(V1−V0)/Δtの式に代入することにより微分値V1’を算出し、当該微分値を一時記憶手段15に一時記憶する。
Next, in
続いて、定数A決定処理実行手段173は、ステップ1031〜1041で上記のステップ1021〜1029と同様の処理を実行して、V(n)’を一時記憶手段15に一時記憶する。続いて、定数A決定処理実行手段173は、ステップ1043で、V(n−1)’−V(n)’>[センサー測定誤差]であるかの判断を行う。ここで、センサーの測定誤差とは、例えば、センサーの測定誤差により発生しうる微分値の誤差を設定することが可能である。ステップ1043でNoの場合、ステップ1045に進み再度ステップ1033〜1041でV(n)’を求める。ステップ1043でYesの場合、定数A決定処理実行手段173は、ステップ1047でV(n−1)をVmaxとして、一時記憶手段15に一時記憶する。
Subsequently, the constant A determination processing execution unit 173 executes the same processing as the above-described steps 1021 to 1029 in
次に、定数A決定処理実行手段173は、ステップ1049〜1059で上記のステップ1021〜1029と同様の処理を実行して、V(n)’を一時記憶手段15に一時記憶する。続いて、定数A決定処理実行手段173は、ステップ1061で、V(n)’≦0であるかの判断を行う。ステップ1061でNoの場合、ステップ1063に進み再度ステップ1049〜1059でV(n+1)’を求める。ステップ1061でYesの場合、定数A決定処理実行手段173は、ステップ1065でV(n)をVfinとして、一時記憶手段15に一時記憶する。
Next, the constant A determination processing execution means 173 executes the same processing as the above steps 1021 to 1029 in steps 1049 to 1059 and temporarily stores V (n) ′ in the temporary storage means 15. Subsequently, the constant A determination processing execution unit 173 determines whether V (n) ′ ≦ 0 at
続いて、定数A決定処理実行手段173は、ステップ1067で、A={Vfin−V(start)}/{Vmax−V(start)}の式に各パラメータを代入し、定数Aを算出して、次のステップ1069で一時記憶手段15に一時記憶する。続いて、定数A決定処理実行手段173はステップ1071で、一時記憶手段15のフラグ領域にアクセスし、定数A確定フラグをオンにする。
Subsequently, the constant A determination processing execution means 173 calculates the constant A by substituting each parameter into the formula of A = {V fin −V (start)} / {V max −V (start)} in
次に、図5は、測定対象に係るサンプル液中の揮発性成分濃度の決定処理を実行するステップ2000のサブルーチンに係るフローチャートである。まず、ステップ2001で、揮発性成分濃度算出実行手段174は、一時記憶手段15のフラグ領域にアクセスし、定数A確定フラグがオンであるか確認する。ステップ2001がNoの場合、表示制御手段172は、表示部18に「標準液を用いての定数A決定処理を実行して下さい」と表示されるよう制御して、揮発性成分濃度算出実行手段174は、サブルーチン定数A決定処理1000へと進む。ステップ2001がYesの場合、表示制御手段172は、ステップ2003で、表示部18に「サンプル液中の揮発性成分決定処理を開始します」と表示されるように制御する。次に、ステップ2005で、表示制御手段172は、表示部18に「センサーを液につけて下さい」と表示されるよう制御する。続いて、ステップ2009で、揮発性成分濃度算出実行手段174は、受信手段171にアクセスし、スタート信号が認識されたか否かを判定する。ここで、スタート信号とは、例えば、測定者がセンサーを液に浸けた直後に入力装置により入力するものが挙げられる。ステップ2009でYesの場合、これにより測定が開始される。そして、ステップ2011及びステップ2013で、揮発性成分濃度算出実行手段174は、受信手段171にアクセスし、ガスセンサー12からの濃度関連パラメータ値の出力値(mV)を取得した上で、当該データを一時記憶手段15に一時記憶する。尚、測定開始直後に取得した当該出力値をV(start)とする。
Next, FIG. 5 is a flowchart relating to a subroutine of
次に、ステップ2015で、揮発性成分濃度算出実行手段174は、n=1を一時記憶手段15に一時記憶する。次に、ステップ2017で、揮発性成分濃度算出実行手段174は、Δt(例えば0.5分)が経過したか否かを判定する。尚、このΔtの時間(後述するΔtも同様)は、本例では0.5分としたが、適宜設定可能であり、更に短い時間としてもより長い時間としてもよい。ステップ2017でYesの場合、ステップ2019及び2021で、揮発性成分濃度算出実行手段174は、受信手段171にアクセスし、時間t1における、ガスセンサー12からの濃度関連パラメータ値の出力値V1(mV)を取得した上で、当該データを一時記憶手段15に一時記憶する。次に、ステップ2023及びステップ2025で、揮発性成分濃度算出実行手段174は、一時記憶手段15に一時記憶されたV0及びV1値をV1’=(V1−V0)/Δtの式に代入することにより微分値V1’を算出し、当該微分値を一時記憶手段15に一時記憶する。
Next, in step 2015, the volatile component concentration calculation execution unit 174 temporarily stores n = 1 in the
続いて、揮発性成分濃度算出実行手段174は、ステップ2027〜2037で上記のステップ2015〜2025と同様の処理を実行して、V(n)’を一時記憶手段15に一時記憶する。続いて、揮発性成分濃度算出実行手段174は、ステップ2039で、V(n−1)’−V(n)’>[センサー測定誤差]であるかの判断を行う。ここで、センサーの測定誤差とは、例えば、センサーの測定誤差により発生しうる微分値の誤差を設定することが可能である。ステップ2039でNoの場合、ステップ2041に進み再度ステップ2029〜2037でV(n)’を求める。ステップ2039でYesの場合、揮発性成分濃度算出実行手段174は、ステップ1047でV(n−1)をVmaxとして、一時記憶手段15に一時記憶する。
Subsequently, the volatile component concentration calculation execution unit 174 performs the same processing as in steps 2015 to 2025 in steps 2027 to 2037 and temporarily stores V (n) ′ in the
次に、揮発性成分濃度算出実行手段174は、ステップ2045で、Vfin(estimate)=V(start)+{Vmax−V(start)}×Aの式に各パラメータ値を代入し、Vfin(estimate)を算出して、次のステップ2047で一時記憶手段15に一時記憶する。続いて、揮発性成分濃度算出実行手段174は、ステップ2049で、受信手段171にアクセスし、温度センサー13からの温度(℃)を取得した上で、次のステップ2051で、Antoineの式から揮発性成分の飽和蒸気圧を算出し、当該データを一時記憶手段15に一時記憶する。
次に、揮発性成分濃度算出実行手段174は、ステップ2051で、一時記憶手段15にアクセスし、推定出力値を取得した上で、あらかじめ求めた式{例えば、揮発性成分(ガス濃度)=B・exp(Cx)、定数B、Cは実験により算出}から揮発性成分ガス濃度を算出し、次のステップ2055で、揮発性成分濃度ガス分圧を算出し、当該データを一時記憶手段15に一時記憶する。続いて、ステップ2057で、揮発性成分濃度算出実行手段174は、一時記憶手段15にアクセスし必要な情報を読み込み、[分圧]/[飽和水蒸気圧]=[モル分率]の式によりモル分率を算出して、次のステップ2059で、モル分率から重量%に変換した値を算出し、当該データを一時記憶手段15に一時記憶する。続いて、表示制御手段172は、表示部18に計算結果を表示されるよう制御する。
Next, in
Next, in step 2051, the volatile component concentration calculation execution means 174 accesses the temporary storage means 15 to acquire the estimated output value, and then obtains an expression obtained in advance {eg, volatile component (gas concentration) = B The volatile component gas concentration is calculated from exp (Cx), constants B and C are calculated by experiment}, and in the
《適用例》
図8は、本発明に係る濃度測定システムの一適用例である、微生物で硝酸態又は亜硝酸態窒素を脱窒処理する生物学的脱窒プロセスにおいての、メタノール濃度管理システムを示したものである。図中、100は脱窒処理槽(リアクター槽)、101はメタノールポンプ、102は攪拌器、103は窒素測定装置を示している。尚、制御部19は、上述した濃度測定システムの制御の他、メタノール供給制御等のメタノール濃度管理システム全般の制御を実行する。
<Application example>
FIG. 8 shows a methanol concentration management system in a biological denitrification process in which nitrate or nitrite nitrogen is denitrified by microorganisms, which is an application example of the concentration measurement system according to the present invention. is there. In the figure, 100 is a denitrification tank (reactor tank), 101 is a methanol pump, 102 is a stirrer, and 103 is a nitrogen measuring device. The
脱窒処理槽100(リアクター槽)にメタノールを水素供与態として添加することにより、微生物(脱窒菌)による、硝酸態又は亜硝酸態窒素から窒素ガスへの還元反応が進行する。尚、処理槽は、当該硝化槽や再曝気槽を組み合わせたものであってもよい。また、処理に際しては、担体の有無・リン除去との併用等の様々なプ口セスが存在する。 By adding methanol to the denitrification treatment tank 100 (reactor tank) as a hydrogen donating state, the reduction reaction from nitrate or nitrite nitrogen to nitrogen gas by the microorganism (denitrification bacteria) proceeds. The treatment tank may be a combination of the nitrification tank and the re-aeration tank. In addition, there are various processes such as the presence / absence of a carrier and combined use with phosphorus removal during the treatment.
制御部19は、前述のような処理を実行することにより脱窒処理槽内の水中残存メタノール量を求める。そして、制御部19は、当該算出された水中残存メタノール量(及び場合により窒素濃度)に基づき、メタノール供給ポンプ101を制御してメタノールの供給や供給停止を実行する。ここで、供給や供給停止の基準は様々であるが、一例として窒素濃度の2.8倍量(重量換算)を脱窒処理槽(リアクター槽)のメタノール量に設定し、残存メタノールがこの量を下回った場合はメタノール供給ポンプを制御する手法を挙げることができる。
The
窒素測定装置103は、既存の装置が使用でき、例えば、オンライン全窒素・全リン計(島津製作所製)が使用可能である。また、窒素濃度の測定法に関しても、硝酸イオン・亜硝酸イオンメーター測定、TOC計による窒素測定、滴定法、吸光光度法等の様々な分析法が利用出来る。窒素濃度測定は、総量規制によりオンライン窒素濃度測定装置の普及率が高いのでそれを利用することが出来る。しかし、必ずしも窒素濃度を測定しなければいけない訳ではない。より厳密に脱窒処理槽(リアクター槽)の残存メタノール量を制御するには、窒素濃度を把握し窒素濃度(T−N)の2.8倍量(重量換算)のメタノール量で管理するのが望ましい。窒素濃度を測定出来ない脱窒処理槽(リアクター槽)においてはメタノール量のみの制御も可能である。
As the
続いて、図9の機能ブロック図を参照しながら、本形態に係るシステム(制御部19)の機能構成を説明する。尚、本形態では、先に詳述した揮発性成分濃度測定処理部が包含されている。 Next, the functional configuration of the system (control unit 19) according to the present embodiment will be described with reference to the functional block diagram of FIG. In this embodiment, the volatile component concentration measurement processing unit described in detail above is included.
まず、前述のように、制御部19は、周辺機器(ガスセンサー12、温度センサー13、入力手段16、表示部18、メタノール供給ポンプ101、窒素濃度測定装置103)と情報伝達可能に接続している。ここで、制御部19は、周辺機器(ガスセンサー12、温度センサー13、入力手段16、窒素濃度測定装置103)からの出力情報を受信するための受信手段171と、表示部18での表示制御を司る表示制御手段172と、定数A決定処理実行手段173と、各種パラメータ値から水溶液中の揮発性成分濃度を算出するための揮発性成分濃度算出実行手段174と、メタノール供給ポンプ制御手段175と、窒素濃度判定手段176と、メタノール添加量決定手段177と、前述した記憶手段14と、前述した一時記憶手段15と、を有する。尚、本発明と特に関係する要素のみ図示したが、図示しない要素は存在しないのではなく、周知技術で存在する要素は基本的には存在するものと理解すべきである。
First, as described above, the
次に、図10のフローチャートを参照しながら、本最良形態に係る湿度制御処理を詳述する。まず、ステップ3001で、窒素濃度判定手段176は、受信手段171にアクセスし、窒素濃度測定装置103にアクセスし窒素濃度を読み込み、一時記憶手段15に記憶する。次に、ステップ3002で、窒素濃度判定手段176は、一時記憶手段15にアクセスし、測定者により入力された終了設定値を読み込み、測定値が設定値を上回っているか否かを判別する。ステップ3002でYesの場合、ステップ1000で、定数A決定処理実行手段173及び揮発性成分濃度算出手段174は、アルコール濃度測定処理を行い、処理結果を一時記憶手段15に記憶する。尚、ステップ1000では、前述の揮発性成分濃度測定と同様の方法により、アルコール濃度を算出する。他方、ステップ3002でNoの場合、即ち、濃度が終了設定値以下である場合には、制御を停止し、動作を終了する。続いて、ステップ3003で、メタノール添加量決定手段177は、一時記憶手段15に記憶されたアルコール濃度と窒素濃度を読み込み比較を行い、アルコール濃度が窒素濃度より設定値(たとえば、窒素濃度の2.8倍)以下であるか否かを判断する。ステップ3003がYesの場合、次のステップ3004で、メタノール添加量決定手段177は、メタノール添加量を決定する。ステップ3003で、Noである場合には、当該処理の頭にリターンする。次のステップ3005で、メタノール添加量決定手段177は、ステップ3004で決定されたアルコールの添加量に従い、アルコール添加を実行し、当該処理の頭にリターンする。
Next, the humidity control process according to the best mode will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. First, in step 3001, the nitrogen concentration determination unit 176 accesses the reception unit 171, accesses the nitrogen
本発明に係るシステムを用いることにより、硝酸態又は亜硝酸態窒素を微生物により脱窒処理を行う生物学的脱窒プロセスにおいて、脱窒処理槽(リアクター槽)の残存水素供与態(主にメタノール)を直接測定することにより、添加する水素供与態(主にメタノール)を正確に制御する方法が可能になる。水素供与態については、メタノール以外のアルコールにおいても測定可能であるが、メタノールが安価で反応速度も速いことから通常はメタノールを使用するのが一般的である。脱窒処理槽(リアクター槽)の残存メタノールを直接測定するので、酸化還元電位(ORP)を測定する方法より正確に添加するメタノールを制御することが可能である。また、脱窒処理槽(リアクター槽)の残存メタノールを曝気等により気液分離させることなく、且つメタノールガスを加温させることなくメタノールを測定することが出来る。この方法により余分なエネルギーコストをかける必要がなくなる。 In the biological denitrification process in which nitrate or nitrite nitrogen is denitrified by microorganisms by using the system according to the present invention, the residual hydrogen donating state (mainly methanol) of the denitrification tank (reactor tank) ) Is directly measured, it becomes possible to accurately control the hydrogen donating state (mainly methanol) to be added. The hydrogen donating state can be measured in alcohols other than methanol, but methanol is generally used because methanol is inexpensive and the reaction rate is high. Since the residual methanol in the denitrification tank (reactor tank) is directly measured, it is possible to control the added methanol more accurately than the method of measuring the oxidation-reduction potential (ORP). Further, methanol can be measured without gas-liquid separation of residual methanol in the denitrification treatment tank (reactor tank) by aeration and the like and without heating methanol gas. This method eliminates the need for extra energy costs.
実施例1(アルコールセンサー出力値推定)
図7(容器:1L)に示す揮発性成分濃度測定システム(センサーの種類:酸化スズ)を用いて、アルコール濃度出力値推定の実験を行った。ここでは、1000ppmのメタノール水溶液を調製して、それぞれの溶液について、25℃の条件の下で気密空間をセットした時を初期の時間とし、アルコールガスセンサーの出力値を記録した。結果、以下の表1に示すデータを得ることが出来た。
Example 1 (Alcohol sensor output value estimation)
Using the volatile component concentration measurement system (sensor type: tin oxide) shown in FIG. 7 (container: 1 L), an experiment for estimating the alcohol concentration output value was performed. Here, 1000 ppm of methanol aqueous solution was prepared, and the time when the airtight space was set under the condition of 25 ° C. was set as the initial time for each solution, and the output value of the alcohol gas sensor was recorded. As a result, the data shown in Table 1 below could be obtained.
以上の結果より、下記の式により、定数Aを求める。
A=([平衡時の値]−[初期値])/([微分値最大時の値]−[初期値])
ここでは、時間4.5minにおいて、最大の微分値348となった。即ち、[微分値最大時の値]=451mVとした。また、平衡時の値は時間27minにおける値を選定し、[平衡時の値]=1156mVとした。また初期値は、116mVである。したがって、A=3.10となる。
From the above results, the constant A is obtained by the following equation.
A = ([value at equilibrium]-[initial value]) / ([value at maximum differential value]-[initial value])
Here, the maximum differential value 348 was obtained at time 4.5 min. That is, [maximum differential value] = 451 mV. Further, the value at the time of 27 min was selected as the value at the time of equilibration, and [value at the time of equilibration] = 1156 mV. The initial value is 116 mV. Therefore, A = 3.10.
実施例2(推定値と実測値の比較実験)
実施例1により得られた定数Aの値と微分値が最大となる時間のガスセンサー出力値とにより、下記の平衡時のガスセンサー出力値推定式を用いて、ガスセンサー出力推定値を求めた。
[ガスセンサー出力推定値]= [ガスセンサー初期値]+A{[微分値が最大となる時間のガスセンサー出力値]−[ガスセンサー初期値]}
ここでは、100、500、5000ppmのメタノール水溶液を調製し、各々の溶液について、初期値、微分値が最大となる時間のガスセンサー出力値を測定して、平衡時のガスセンサー出力値を推定した。更に、気液平衡に達するまで、十分な時間をとり、平衡時のアルコールガスセンサーの出力値(実測値)を測定した。これらの、推定値と実測値を比較して、当該式の妥当性を検討した。結果を表2に示す。当該表から分かるように、平衡時のガスセンサー推定出力値は、最大でも平衡時のガスセンサ出力値の約15%以内との結果となった。また、当該推定出力値に基づき導かれた溶液濃度値も、最大でも、平衡時の出力値に基づき導かれた溶液濃度値の約30%程度の誤差しか生じない(ラウールの法則に基づき算出:活量係数=1、B=11.13、C=0.0028、温度=25℃)という結果となった。
Example 2 (Comparison experiment of estimated value and actual value)
Based on the value of the constant A obtained in Example 1 and the gas sensor output value at the time when the differential value is maximum, the gas sensor output estimated value was obtained using the following gas sensor output value estimation formula at equilibrium. .
[Gas sensor output estimated value] = [Gas sensor initial value] + A {[Gas sensor output value at the time when the differential value is maximum] − [Gas sensor initial value]}
Here, 100, 500, and 5000 ppm methanol aqueous solutions were prepared, and for each solution, the gas sensor output value at the time when the initial value and the differential value were maximum was measured, and the gas sensor output value at equilibrium was estimated. . Furthermore, sufficient time was taken until the gas-liquid equilibrium was reached, and the output value (actually measured value) of the alcohol gas sensor at the time of equilibrium was measured. The validity of the equation was examined by comparing these estimated values and actual measured values. The results are shown in Table 2. As can be seen from the table, the estimated gas sensor output value at equilibrium was within about 15% of the gas sensor output value at equilibrium. In addition, the solution concentration value derived based on the estimated output value also has an error of about 30% of the solution concentration value derived based on the output value at equilibrium at the maximum (calculated based on Raoul's law: Activity coefficient = 1, B = 11.13, C = 0.008, temperature = 25 ° C.).
実施例2(メタノール供給量制御)
図8に示した装置での実験結果を図11に示す。処理水は硝酸態・亜硝酸態窒素をT−Nとして1000mg/Lの排水を使用した。微生物は担体を使用してMLSSで6000mg/Lの汚泥濃度で行った。脱窒処理槽(リアクター槽)の温度は25℃に制御しており、PHは硫酸及び水酸化ナトリウムにより8.0に制御して行った。メタノール添加の制御方法は、測定した窒素濃度の2.8倍量(重量換算)となるように行った。比較例として、従来行っていたようにORPが−50〜−200mVになるようにメタノールの添加量を制御した結果を示した。
横軸に処理時間、縦軸左にT−N値(折れ線グラフ)、縦軸右に残存メタノール量(棒グラフ)を示している。尚、ここでの残存メタノール量は、本発明に係るアルコール濃度測定方法とは別に、TOC及びガスクロマトグラフィー分析により測定した値である。図を見ると、脱窒量には両者の有意差は見られなかった。しかし、残存メタノール(棒グラフ)を見ると、両者に顕著な差が見られた。実施例ではT−N値の減少と共に残存メタノール量が減少していき、7日後で比較例の1/3の残存メタノール量であった。通常、残存メタノールのBOD・CODを再曝気槽で処理する必要があるが、残存メタノール量が1/3になると、その設備的負担及び曝気のエネルギー負担を著しく削減することが出来る。さらに、実施例で使用したメタノール量は、比較例の半分以下でありメタノールコストの大幅な削減が可能となる。
Example 2 (Methanol supply amount control)
FIG. 11 shows the experimental results with the apparatus shown in FIG. The treated water used was 1000 mg / L wastewater with nitrate / nitrite nitrogen as TN. Microorganisms were carried out at a sludge concentration of 6000 mg / L in MLSS using a carrier. The temperature of the denitrification tank (reactor tank) was controlled at 25 ° C., and PH was controlled at 8.0 with sulfuric acid and sodium hydroxide. The method for controlling the addition of methanol was performed so that the amount of the nitrogen concentration measured was 2.8 times (weight conversion). As a comparative example, the result of controlling the addition amount of methanol so that the ORP is −50 to −200 mV as conventionally performed is shown.
The horizontal axis shows the processing time, the vertical axis shows the TN value (line graph), and the vertical axis shows the residual methanol amount (bar graph). In addition, the amount of residual methanol here is a value measured by TOC and gas chromatography analysis separately from the alcohol concentration measurement method according to the present invention. Looking at the figure, there was no significant difference between the two in the amount of denitrification. However, when looking at the residual methanol (bar graph), there was a marked difference between the two. In the examples, the residual methanol amount decreased with a decrease in the TN value, and after 7 days, the residual methanol amount was 1/3 of the comparative example. Usually, it is necessary to treat BOD / COD of residual methanol in a re-aeration tank. However, when the amount of residual methanol becomes 1/3, the equipment burden and the energy burden of aeration can be significantly reduced. Furthermore, the amount of methanol used in the examples is less than half that of the comparative example, and the methanol cost can be greatly reduced.
Claims (4)
前記揮発性成分水溶液と接触させた際に気密空間を形成し得る外郭体であって、前記気密空間と前記揮発性成分水溶液との間で気液平衡状態に達することが可能な外郭体と、
前記気密空間内の前記揮発性成分の濃度関連パラメータ値を測定する揮発性成分濃度関連パラメータ値測定部と、
非平衡状態時に測定した前記揮発性成分濃度関連パラメータ値に基づき、平衡状態時での前記揮発性成分濃度関連パラメータ値の推定値を算出する、平衡状態時揮発性成分推定濃度関連パラメータ値算出部と、
前記平衡状態時揮発性成分推定濃度関連パラメータ値及び温度に基づき、揮発性成分水溶液中の該揮発性成分濃度を算出する、揮発性成分濃度算出部と
を有しており、
前記平衡状態時揮発性成分推定濃度関連パラメータ値算出部は、
経時的に測定された前記揮発性成分濃度関連パラメータ値に関し、当該揮発性成分濃度関連パラメータ値の時間での微分値を経時的に取得する、揮発性成分濃度関連パラメータ値の時間微分値取得部と、
前記微分値が最大値に達したか否かを判定する、最大値到達判定部と、
前記最大値到達判定部が最大値に達したと判定した場合、下記式(1):
に各パラメータ値を代入して、平衡状態時の揮発性成分の濃度関連パラメータ値の推定値を演算する、平衡状態時揮発性成分推定濃度関連パラメータ値演算部と
を有することを特徴とするシステム。 In a system for measuring the concentration of volatile components in an aqueous solution of volatile components,
An outer body capable of forming an airtight space when brought into contact with the volatile component aqueous solution, the outer body capable of reaching a gas-liquid equilibrium state between the airtight space and the volatile component aqueous solution;
A volatile component concentration-related parameter value measuring unit for measuring a concentration-related parameter value of the volatile component in the airtight space;
Based on the volatile component concentration-related parameter value measured in the non-equilibrium state, the estimated value of the volatile component concentration-related parameter value in the equilibrium state is calculated. When,
A volatile component concentration calculator that calculates the concentration of the volatile component in the aqueous solution of the volatile component based on the parameter value related to the estimated concentration of the volatile component in the equilibrium state and the temperature;
The equilibrium state volatile component estimated concentration-related parameter value calculation unit,
With respect to the volatile component concentration-related parameter value measured over time, a volatile component concentration-related parameter value time differential value acquisition unit that acquires a time-dependent differential value of the volatile component concentration-related parameter value. When,
A maximum value attainment determination unit for determining whether the differential value has reached a maximum value;
When the maximum value arrival determination unit determines that the maximum value has been reached, the following formula (1):
A system for calculating an estimated value of a concentration-related parameter value of a volatile component in an equilibrium state by substituting each parameter value in an equilibrium state, .
を更に有する、請求項1記載のシステム。 The system according to claim 1, further comprising a storage unit in which the constant A associated with a temperature or the constant A associated with a combination of a temperature and the volatile component is stored.
算出された前記定数Aを一時記憶するための一時記憶部と
を更に有する、請求項1又は2記載のシステム。 A constant A calculation unit for calculating the constant A based on the maximum value obtained for the volatile component aqueous solution having a known concentration of a plurality of patterns;
The system according to claim 1, further comprising a temporary storage unit for temporarily storing the calculated constant A.
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