JP5920409B2 - 凝集モニタリング装置、凝集モニタリング方法および凝集システム - Google Patents

Description

本発明はたとえば、浄水、工業用水、排水などの被処理水の凝集処理のモニタリング技術およびその利用技術に関する。

浄水、工業用水、排水などの被処理水の凝集処理ではたとえば、無機凝集剤または有機凝集剤などによって被処理水中のＳＳ（Suspended Solid ：懸濁物質）を凝集処理した後に、沈殿分離、加圧浮上分離、遠心分離、砂ろ過、膜分離などの固液分離が行われる。ＳＳの凝集状態はｐＨ、凝集剤薬注量、攪拌条件などで変動し、適切な条件下で凝集処理を行わなければ、被処理水の水質悪化を招き、次工程の固液分離処理に悪影響を及ぼすことがある。

このような凝集処理には室内試験で凝集条件を設定する方法があるが、実際の凝集処理では凝集条件の設定に時間を要すると、被処理水の水質が変動し、ＳＳの凝集状態を正確に把握できない場合がある。そこで、ｐＨ、凝集剤薬注量、攪拌条件などの最適な凝集条件を設定するには凝集処理中の被処理水の処理状態をリアルタイムで監視し、ＳＳの凝集状態をモニタリングすることが重要である。

この凝集モニタリングに関し、被処理水にレーザ光を照射して被処理水中の粒子による散乱光を受光し、その受光信号にＡＭ（Amplitude Modulation：振幅変調）検波を施した後、信号強度の最低値を求め、この最低値から凝集剤薬注量を求めることが知られている（たとえば、特許文献１）。この凝集モニタリングでは、散乱光の信号強度の最低値を求めることで、被処理水中の凝集物による散乱光から未凝集の懸濁物による散乱光を区別して検出している。

また、この凝集モニタリングに用いられるレーザ光について、レーザダイオードを間欠的に駆動することにより、所定の時間間隔で発光するレーザ光を用いることが知られている（たとえば、特許文献２）。この発光時間を短縮する発光形態によって、レーザ発光素子の使用時間を延長している。

特開２００２−１９５９４７号公報 特開２００５−２４１３３８号公報

ところで、被処理水の凝集処理では、発生するフロック（ｆｌｏｃ）に取り込まれていないＳＳの濃度を計測し、この計測値に基づいて凝集剤の薬注量を制御する薬注システムが用いられている。ＳＳの濃度計測には、被処理水の計測領域にレーザ光を照射し、計測領域からの散乱光を受光し、この散乱光を光電変換した信号レベルからＳＳ濃度を表す計測値を得ている。

この薬注システムでは薬注量に上限値を規定し、既述の信号レベルの一定期間における最低値を保持することにより凝集状態を評価している。この方法ではＳＳ量や薬注量に上限値を規定しているので、形成されるフロック量が抑えられる場合には安定した計測が可能である。

しかしながら、被処理水によっては多量の凝集剤を必要とし、形成されるフロック量が多量となる場合がある。この場合、フロックの発生量が増加し、フロックが成長すると、フロックの影響によりフロック間のＳＳ量の計測タイミングが減少することになる。そのため、計測値の最低値を一定時間保持するとともに、一定時間毎に、被処理水の計測値の最低値を更新し、この最低値をフロック間に残るＳＳ量とすることにより薬注量を決定する。

このように計測値の最低値を保持し、この最低値を一定時間毎に更新する場合、発生するフロック量が多くなれば、その計測値の保持時間を長くする必要がある。計測値の保持時間が長くなれば、処理中の被処理水を凝集槽で計測することで補償されている制御系の遅れ時間の短縮効果が低減される。計測値の最低値に基づく薬注制御は、一般的なＰＩＤ（Proposional Integral Derivative）制御を想定すると、薬注制御に用いられる計測値が、フロック間に残るＳＳに相関する計測値でなければならない。つまり、フロック量の増加、フロック間のＳＳによる濁度計測の機会が減少すると、一定の時間間隔で計測値の最低値を更新しなければならないが、計測値を更新する時間間隔が長くなれば、薬注システムにおける制御遅れの補償性能が失われるという課題がある。

計測値の保持時間について、被処理水の処理状況に応じて計測値の保持時間を逐次調整し、保持時間を最適化することは理論的には可能である。しかし、食品製造工場など、短期間で排水種が変更される場合の凝集処理では、処理状態の監視に困難を伴うという課題がある。

レーザ発光素子にレーザダイオードを用いた場合、その発光寿命が数千時間と短く、長時間の使用ができないので、一定の時間間隔で発光するレーザ光を用いることは、レーザ発光素子の延命策としては有効である。しかし、発光時間や発光タイミングを制限すると、フロック量が多い場合にはフロック間のＳＳ量の計測タイミングが損なわれ、正確な計測が困難になるという課題がある。

斯かる要求や課題について、特許文献１、２にはその開示や示唆はなく、それを解決する構成等についての開示や示唆はない。

そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、多量のフロックが形成されてもそのフロックの影響を受けることなく、被処理水の未凝集のＳＳ濁度を安定して計測できる凝集モニタリング装置または凝集モニタリング方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記の凝集モニタリング装置または凝集モニタリング方法を用いることにより、フロックの影響を受けることなく、薬注制御が持つ補償性能を維持し、信頼性のある凝集処理が得られる凝集システムを実現することにある。

上記目的を達成するため、本発明の凝集モニタリング装置では、凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング装置であって、所定の時間間隔で発光しかつ所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を前記被処理水の計測領域に照射するレーザ光照射部と、前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、前記散乱光受光部に得られる受光信号から前記散乱光の強度を表す計測値を取り出す信号処理部と、連続または不連続に前記計測値のｎ個（ｎ＝２以上）を１セットとするｍセット（ｍ＝２以上）からなる複数の計測値を取り込み、セット毎に低い値から順に複数の計測値を抽出し、これら複数の計測値から最も低い計測値を除いた複数の計測値から平均計測値を算出する計測値演算部とが備えられる。

上記凝集モニタリング装置において、さらに、前記レーザ光を発光するレーザ発光部を備え、該レーザ発光部が所定の時間間隔の間欠するタイミング信号に所定周波数で変化する振幅を持つ変調信号で振幅変調を施した発光信号で発光するレーザ発光素子を備えもよい。

上記目的を達成するため、本発明の凝集モニタリング方法では、凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング方法であって、所定の時間間隔で発光しかつ所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を前記被処理水の計測領域に照射するレーザ光照射工程と、前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光工程と、前記散乱光受光工程で得られる受光信号から前記散乱光の強度を表す計測値を取り出す信号処理工程と、連続または不連続に前記計測値のｎ個（ｎ＝２以上）を１セットとするｍセット（ｍ＝２以上）からなる複数の計測値を取り込み、セット毎に低い値から順に複数の計測値を抽出し、これら複数の計測値から最も低い計測値を除いた複数の計測値から平均計測値を算出する計測値演算工程とが含まれる。

上記目的を達成するため、本発明の凝集システムでは、被処理水を凝集処理する凝集システムであって、前記被処理水を凝集処理する凝集槽と、前記凝集槽の前記被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング手段と、前記被処理水に前記処理状態に応じた薬注量の凝集剤を注入する薬注手段とが備えられ、前記モニタリング手段には、所定の時間間隔で発光しかつ所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を前記被処理水の計測領域に照射するレーザ光照射部と、前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、前記散乱光受光部に得られる受光信号から前記散乱光の強度を表す計測値を取り出す信号処理部と、連続または不連続に前記計測値のｎ個（ｎ＝２以上）を１セットとするｍセット（ｍ＝２以上）からなる複数の計測値を取り込み、セット毎に低い値から順に複数の計測値を抽出し、これら複数の計測値から最も低い計測値を除いた複数の計測値を平均し、前記薬注量を求めるための平均計測値を算出する計測値演算部とが含まれる。

本発明によれば、次のいずれかの効果が得られる。

＜凝集モニタリング装置または凝集モニタリング方法＞

(1) 凝集中の被処理水に多量のフロックが発生し、フロック密度が高くなっても、フロックによる影響を回避でき、被処理水のＳＳ濁度の計測を安定して行うことができる。

(2) 微弱な散乱光に対するフロックの影響や、フロックによる遮光の影響を軽減ないし回避でき、凝集中の被処理水の処理状態をリアルタイムでしかも短い計測時間で正確に把握することができる。これにより、その処理状態に応じた凝集剤の薬注量を選択することが可能となる。

＜凝集システム＞

(1) 被処理水のＳＳ濁度の計測を安定して行い、凝集処理中の被処理水の処理状態をリアルタイムで把握でき、これに基づき、被処理水の凝集条件や凝集剤の薬注量を求めることができる。

(2) 被処理水に対する薬注量の適正化とともに、安定した凝集処理が行え、凝集効率を高めることができる。

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

第１の実施の形態に係る凝集モニタリング装置の一例を示すブロック図である。 最低値検出回路の一例を示すブロック図である。 動作波形の一例を示す図である。 計測値テーブルおよび平均計測値算出を示す図である。 凝集モニタリングの処理手順を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る凝集システムの一例を示す図である。 凝集剤算出テーブルの一例を示す図である。 凝集処理の処理手順を示すフローチャートである。

〔第１の実施の形態〕

図１は、第１の実施の形態に係る凝集モニタリング装置を示している。図１に示す構成は一例であり、斯かる構成に本発明の凝集モニタリング装置、凝集モニタリング方法または凝集システムが限定されるものではない。

この凝集モニタリング装置２はセンサ部４を備える。このセンサ部４は一例として、凝集槽６の被処理水８に水没状態に維持する。このセンサ部４にはレーザ光照射部１０および散乱光受光部１２が備えられる。レーザ光照射部１０は、レーザ光を導く第１の光ファイバ１４−１の出光端部で形成される。散乱光受光部１２は、散乱光を導く第２の光ファイバ１４−２の入光端部で形成される。

レーザ光照射部１０と散乱光受光部１２の間には遮蔽部材１６を介在させて計測領域１８が設定されている。この計測領域１８にはレーザ光発光部２０で発光したレーザ光がレーザ光照射部１０から照射される。この計測領域１８はレーザ光の被処理水８における照射領域の一例である。この計測領域１８にレーザ光が照射されると、被処理水８中の粒子によりレーザ光が散乱し、散乱光を生じる。したがって、散乱光受光部１２は、この散乱光を計測領域１８から受光する。この場合、計測領域１８にフロックが存在すれば、そのフロックが散乱光に影響を与える。

遮蔽部材１６は各光ファイバ１４−１、１４−２の固定および支持手段であるとともに、計測領域１８に対する自然光の遮断手段である。この遮蔽部材１６では一例として、光ファイバ１４−１を固定、支持する第１の支持部２２−１と、光ファイバ１４−２を支持する第２の支持部２２−２とが一定角度を持つ頂角部２４を備える。この頂角部２４の角度はたとえば、９０度が好ましいが、それ以外の角度であってもよい。この頂角部２４は、計測領域１８に対向させるとともに、レーザ光照射部１０と散乱光受光部１２との間に介在させている。これにより、レーザ光照射部１０からのレーザ光が散乱光受光部１２に入射するのを回避でき、散乱光受光部１２には計測領域１８にある粒子側の散乱光を受光できる。

レーザ光発光部２０にはレーザ発光素子２６および発光回路２８が備えられる。レーザ発光素子２６はレーザ光を発光するレーザ光源の一例である。このレーザ光源にはレーザダイオードが好ましいが、レーザ光が得られる素子または装置であればよく、たとえば、発光ダイオードを用いてもよい。

発光回路２８はレーザ発光素子２６の駆動手段の一例である。この発光回路２８には一例として、ＡＭ（Amplitude Modulation：振幅変調）変調回路３０、タイミング回路３２およびファンクションジェネレータ３４が備えられる。ＡＭ変調回路３０は、タイミング信号Ｔｓに所定の周波数ｆを持つ変調信号Ｍｓで振幅変調（ＡＭ変調）を行い、所定の周波数ｆの振幅を持ちかつ所定の時間間隔で断続する発光信号Ｄｒを出力する。この発光信号Ｄｒを受け、レーザ発光素子２６は変調信号Ｍｓで変化しかつタイミング信号Ｔｓによる所定の時間間隔で発光、非発光を繰り返す。これにより、凝集モニタリングのためのレーザ発光素子２６の発光時間が短縮される。レーザ発光素子２６にレーザダイオードを用いた場合、このレーザダイオードの連続点灯による劣化を防止できるとともに、数千時間と短い発光寿命に対し使用時間が延長される。

タイミング回路３２はタイミング信号Ｔｓを発生する。このタイミング信号Ｔｓはたとえば、一定周期で断続するパルス信号であればよい。このタイミング信号Ｔｓは、最低平均値の演算処理の同期情報として用いられる。

ファンクションジェネレータ３４は変調信号Ｍｓを発振する発振器の一例である。この変調信号Ｍｓは、レーザ光に対する自然光の影響を回避可能な周波数ｆが好ましくたとえば、ｆ＝７０〜１５０〔ｋＨｚ〕を用いればよい。信号形態は同一振幅の周期信号であればよく、波形形態は正弦波、三角波、矩形波などのいずれでもよい。

このようなレーザ光発光部２０で得られるレーザ光が計測領域１８に照射されると、この計測領域１８に存在する微小コロイド粒子で散乱した散乱光が散乱光受光部１２に入射する。この場合、微小コロイド粒子は未凝集のコロイド粒子である。この微小コロイド粒子により得られる散乱光は、レーザ光照射部１０から照射されるレーザ光と同様の周波数を持ち、一定の周期で間欠する態様となる。

散乱光受光部１２の受光出力は、光ファイバ１４−２により信号処理部３６に導かれる。この信号処理部３６は光電変換、ノイズ成分の除去、散乱光の強度を表すレベル信号、このレベル信号から散乱光の強度を表す計測値を取り出す。この信号処理部３６には一例として、光電変換回路３８および検波回路４０が備えられている。

光電変換回路３８は、フォトディテクタ４２、バンドパスフィルタ４４および増幅器４６が備えられる。フォトディテクタ４２は、光ファイバ１４−２で導かれた散乱光を受け、電気信号Ｅｉに変換する。バンドパスフィルタ４４は電気信号Ｅｉからノイズ成分をカットし、変調信号Ｍｓの信号成分を取り出す。バンドパスフィルタ４４のカットオフ周波数を設定することにより、不要な変動成分を取り除き、変調信号Ｍｓの信号成分を出力する。増幅器４６は、散乱光における変調信号Ｍｓの信号成分を増幅し、散乱光に応じた振幅レベルを持つ受光信号Ｅｏを出力する。この光電変換回路３８において、フォトディテクタ４２に代えてフォトダイオードを用いてもよいし、バンドパスフィルタ４４に代えてローパスフィルタを用いてもよい。

検波回路４０は受光信号ＥｏからＡＭ検波（包絡線検波）により出力信号Ｄｏを検出する。この出力信号Ｄｏは、受光信号Ｅｏの直流成分のレベルを表す。このレベルが微小コロイド粒子を含む被処理水における粒子による散乱光レベルを表している。つまり、微小コロイド粒子以外の散乱光であるノイズ成分やフロックによる反射成分が含まれる。

この検波回路４０の出力は最低値検出回路４８に加えられる。この最低値検出回路４８は計測値演算部の一例である。この最低値検出回路４８では、出力信号Ｄｏのレベル（信号強度）からＳＳ濁度を表す計測値ｄを求め、演算処理により散乱光の最低計測値を算出する。この最低値検出回路４８には出力信号Ｄｏのアナログ・ディジタル変換（Ａ／Ｄ）、計測値の比較、計測値の記録、平均計測値ｄａｖの演算などの処理が行われる。

＜最低値検出回路４８＞

この最低値検出回路４８はたとえば、図２に示すように、マイクロプロセッサなどのコンピュータを含む回路によって実現される。この最低値検出回路４８にはアナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）５０、プロセッサ５２およびメモリ部５４が備えられる。Ａ／Ｄ５０は出力信号Ｄｏをディジタル信号である計測値ｄに変換する。

プロセッサ５２は計測値の平均計測値を演算する演算回路の一例である。このプロセッサ５２ではメモリ部５４にあるＯＳ（Operating System）および凝集プログラムの実行により、計測値の比較、計測値の記録、平均計測値（最低計測値）などの演算を行う。

メモリ部５４は記録部の一例であり、プログラム記憶部５６、データ記録部５８およびＲＡＭ（Random-Access Memory）６０を備える。プログラム記憶部５６にはプログラムとしてＯＳや既述の凝集プログラムなどのプログラムが格納されている。データ記録部５８には平均計測値の演算に用いられる複数の計測値テーブルが格納されている。ＲＡＭ６０は情報処理のワークエリアに用いられる。

プロセッサ５２の演算の結果はプロセッサ５２から表示部６２に出力される。この表示部６２にはたとえば、液晶ディスプレィ（ＬＣＤ）が用いられる。この表示部６２にはプロセッサ５２の演算に用いられる計測値や、演算結果である最低計測値などの各種データが表示される。

＜凝集処理の計測原理＞

凝集槽６内の被処理水８では凝集剤の薬注および攪拌によって凝集処理が促進する。この攪拌に伴い、計測領域１８に微小コロイド粒子が移動すると、微小コロイド粒子からの散乱光が変動する。この変動周期は、計測領域１８を粒子と見做して微小コロイド粒子との間に生じる衝突回数から想定し、概算することができる。ここで、計測領域１８を半径Ｒの球体、微小コロイド粒子を半径ｒの球体で近似すれば、衝突断面積Ｑｏは、
Ｑｏ＝π（Ｒ＋ｒ）² ・・・(1)
で表すことができる。この式から明らかなように、衝突断面積Ｑｏは半径Ｒと半径ｒの加算値の二乗に比例する。

つまり、半径Ｒの計測領域１８に一定方向から平均速度ｖ〔ｍ／ｓ〕でコロイド粒子密度Ｎ〔個／ｍ³〕の平均半径ｒの粒子が通過していく際の流れに垂直な断面積を想定すれば、微小コロイド粒子が単位時間当たり計測領域１８に入る回数νは、
ν＝ＮＱｏｖ ・・・(2)
で表すことができる。微小コロイド粒子が計測領域１８から出る場合にも同様に、変動を生じ、散乱光強度を微分した値の周期は、回数νの２倍の値となる。

そして、散乱光強度が微小コロイド粒子の粒径のｎ乗に比例すると仮定すれば、多重散乱を無視した場合、微小コロイド粒子の１個の移動に伴う散乱光強度の変動Ａは、
Ａ＝Ａｏｒⁿ ・・・(3)
となる。なお、Ａｏは、測定系に依存する定数であり、標準試料を用いて校正される値である。

ここで、凝集前の微小コロイド粒子は、半径ｒが小さく、粒子密度Ｎが大きいので、散乱光の微小な変動が短い周期で生じることとなる。

したがって、検波回路４０で変調周波数成分の検波を行えば、その出力波形はバンドパスフィルタ４４またはローパスフィルタを通過するのと等価な信号処理を行える。つまり、バンドパスフィルタ４４のカットオフ周波数を適当に選べば、この変調周波数成分による変動成分が取り除かれた出力信号Ｄｏを検出できる。

ところで、被処理水８から凝集したコロイド（凝集コロイド）では、計測領域１８に出入りする際の変動が大きく、この変動の平均周期が長くなる。そして、凝集コロイドの密度と計測領域１８の体積との積が１より小さい場合には、検波回路４０の検波後の出力波形の最低値が未凝集コロイドの散乱に対応することになる。

検波回路４０で得られる出力信号Ｄｏには、未凝集コロイドの散乱光とこれ以外の散乱光とによる信号が含まれており、これらは信号振幅レベルによって被処理水８中の凝集コロイドによる散乱光と未凝集コロイドによる散乱光とを区別することができる。したがって、この出力信号Ｄｏから未凝集コロイドによる散乱光に対応する振幅レベルの信号成分を取り出し、被処理水８の処理状態であるコロイドの凝集状態を検出することが可能であり、コロイドの凝集状態を把握することができる。

＜信号処理および計測値の信号処理＞

図３は、散乱光からＳＳ濁度の計測値を取り出す信号処理を示している。この信号処理は、複数の計測値から平均計測値を算出するため、連続または不連続に計測値ｄのｎ個（たとえば、ｎ＝２以上）を１セットとするｍセット（たとえば、ｍ＝２以上）からなる複数の計測値を取り込む処理を含んでいる。

この信号処理ではたとえば、１セット＝８個の計測値ｄを想定し、２セットＳＩ、ＳIIの計測値の取込みを示している。説明の都合上、セットＳＩでは計測値ｄ１１、ｄ１２、ｄ１３・・・、セットＳIIでは計測値ｄ２１、ｄ２２、ｄ２３・・・が取り込まれている。

この信号処理において、タイミング信号Ｔｓは、図３のＡに示すように、一定時間Ｔの間隔（周期）で一定のパルス幅ｔｗを持つパルス信号である。この場合、Ｈレベル区間（＝パルス幅ｔｗ）がレーザ光の発光時間であり、Ｌレベル区間（＝Ｔ−ｔｗ）がレーザ光の非発光時間である。一例として、Ｔ＝２〔秒〕、ｔｗ＝０．２〔秒〕に設定される。この場合、Ｔ−ｔｗ＝２〔秒〕に設定してもよい。

変調信号Ｍｓは、図３のＢに示すように、一定の周波数ｆおよび同一振幅の周期信号である。周波数ｆは、７０〜１５０〔ｋＨｚ〕のいずれかを選択すればよい。

発光信号Ｄｒは、図３のＣに示すように、変調信号Ｍｓでタイミング信号Ｔｓを変調するＡＭ変調回路３０の出力信号である。つまり、この発光信号Ｄｒは、タイミング信号ＴｓのＨレベル区間のパルス幅ｔｗに変調信号Ｍｓを重畳した周期信号である。つまり、発光信号Ｄｒは、パルス幅ｔｗが変調信号Ｍｓの振幅で変化し、タイミング信号Ｔｓで間欠する周期信号である。

このような発光信号Ｄｒを用いれば、レーザ発光素子２６から発光信号Ｄｒによる発光態様を持つレーザ光が得られる。

このレーザ光をレーザ光照射部１０から計測領域１８に照射すると、計測領域１８に滞在する被処理水８中の粒子から散乱光が得られる。この散乱光が散乱光受光部１２に受光される。

そして、光電変換回路３８の光電変換、フィルタ処理および増幅を経て、増幅器４６の出力側には図３のＤに示すように、受光信号Ｅｏが得られる。この受光信号Ｅｏは、タイミング信号Ｔｓで間欠し、変調信号Ｍｓの周波数を持ち、散乱光の強度に応じたレベルの振幅を持っている。

この受光信号Ｅｏを検波回路４０で検波すると、図３のＥに示すように、タイミング信号Ｔｓで間欠し、散乱光の強度に応じた直流レベルを持つ出力信号Ｄｏが得られる。この受光信号Ｅｏの信号処理ではたとえば、バンドパスフィルタ４４の出力を半波整流して検波した後、その検波出力のボトムピークをピークホールドして出力信号Ｄｏが得られる。

したがって、最低値検出回路４８では、出力信号ＤｏからＡ／Ｄ変換を経て、既述の計測値ｄ１１、ｄ１２、ｄ１３・・・、ｄ２１、ｄ２２、ｄ２３・・・が検出される。

＜計測値の演算処理＞

最低値検出回路４８では複数の計測値ｄのセット毎の記録、抽出された複数の計測値ｄのセット毎のソート、計測値ｄの抽出、平均計測値の演算が実行される。

(1) 計測値ｄの保存（記録）

図４のＡは、計測値テーブル６４の一例である。この計測値テーブル６４はデータ記録部５８に設定されている。この実施の形態では、計測値テーブル６４に一例としてセットＳＩに対応するセットテーブル６４−１、セットＳIIに対応するセットテーブル６４−２が設定されている。各セットテーブル６４−１、６４−２には、セット毎に識別番号Ｎｏおよび計測値ｄが計測順に格納される。識別番号Ｎｏは計測値ｄの計測順および計測値ｄの特定情報を示している。各計測値ｄは、図３のＦの計測値ｄを示している。この実施の形態では、１セット８個、２セット分の計測値ｄが取り込まれ、保存される。

(2) 計測値ｄのソート

各計測値ｄは、ソート処理により低い値から順に並び換えが行われる。このソートにはソートテーブル６６が用いられる。

図４のＢは、ソートテーブル６６の一例である。このソートテーブル６６はデータ記録部５８に設定されている。このソートテーブル６６には一例としてセットＳＩに対応するソートテーブル６６−１、セットＳIIに対応するソートテーブル６６−２が設定されている。

ソート処理は、セットＳＩ、ＳII毎にプロセッサ５２により処理される。この実施の形態では、セットＳＩ側の計測値ｄ１１、ｄ１２・・・ｄ１８の値がｄ１６＜ｄ１２・・・ｄ１３、セットＳII側の計測値ｄ２１、ｄ２２・・・ｄ２８の値がｄ２３＜ｄ２８・・・ｄ２２の場合を示している。この場合、ソートテーブル６６−１には図４のＢに示すように、低い順に下側から上側に向かって計測値ｄ１６、ｄ１２、ｄ１７・・・ｄ１３がソートされている。ソートテーブル６６−２には、低い順に下側から上側に向かって計測値ｄ２３、ｄ２８、ｄ２４・・・ｄ２２がソートされている。

(3) 計測値ｄの第１の抽出

この第１の抽出では、セット毎に取り込まれた複数の計測値ｄの低い値から順に複数番たとえば、２番目までの計測値ｄを抽出する。

この計測値ｄの抽出には、第１の計測値抽出テーブル６８が用いられる。この計測値抽出テーブル６８には、図４のＣに示すように、セットＳＩから低い値の計測値ｄ１２、ｄ１６、セットＳIIから低い値の計測値ｄ２３、ｄ２８が抽出されて保存されている。

(4) 計測値ｄの第２の抽出

この第２の抽出では、第１の抽出で第１の計測値抽出テーブル６８から最も低い計測値ｄを除き、平均値を求めるための計測値ｄを計測値抽出テーブル７０に保存する。

この処理には、第２の計測値抽出テーブル７０が用いられる。この計測値抽出テーブル７０には、計測値抽出テーブル６８から最も低い計測値ｄを除いた複数の計測値ｄが格納される。この実施の形態では、計測値の大小関係が一例として、ｄ１６＜ｄ２３＜ｄ１２＜ｄ２８であることから、計測値ｄ１６が削除されている。この場合、計測値抽出テーブル７０は、計測値抽出テーブル６８を兼用してもよい。

(5) 平均計測値ｄａｖの演算

平均計測値ｄａｖの演算では、最も低い計測値ｄが除かれた複数の計測値ｄを用いて平均値を算出する。この実施の形態では、３組の低い値の計測値ｄ２３、ｄ１２、ｄ２８が用いられ、複数の計測値ｄを計測値数Ｎｔで除すたとえば、加算平均｛（ｄ２３＋ｄ１２＋ｄ２８）／３｝により平均計測値ｄａｖが得られる。平均計測値ｄａｖの演算方法は、加算平均以外の算出方法を用いてもよい。

＜凝集モニタリングの処理手順＞

図５は、凝集モニタリングの処理手順の一例を示している。この処理手順は、本発明の凝集モニタリング方法の一例である。この処理手順は、最低値検出回路４８に含まれるプロセッサ５２およびメモリ部５４を含むコンピューティング処理（情報処理）によって実行される。

この処理手順では、条件設定工程において、凝集モニタリングの条件設定を行う（Ｓ１）。この条件設定ではたとえば、計測値ｄを取り込むセット数ＳＮ、各セットの計測値数を設定する。この実施の形態では一例として、１セット８個の計測値ｄとし、２セットの複数の計測値ｄを保存し、平均計測値を求める。

この条件設定の後、凝集モニタリングの開始か否かを判断する（Ｓ２）。モニタリングを開始すると（Ｓ２のＹＥＳ）、レーザ発光工程に移行してレーザ発光素子２６を駆動し（Ｓ３）、レーザ光照射工程に移行する（Ｓ４）。レーザ光照射工程では既述したように、計測領域１８にレーザ光を照射する。

散乱光受光工程（Ｓ５）では既述したように、計測領域１８から散乱光を受光し、散乱光の強度を表すレベルを持つ受光信号に変換する。

信号処理工程（Ｓ６）では既述したように、検波回路４０が出力する出力信号Ｄｏから順次に計測値ｄを最低値検出回路４８に取り込む。

この場合、設定条件に従いたとえば、１セット８個の計測値ｄが取り込まれる（Ｓ７）。この計測値ｄの取込み数が所定数に到達したか否かが判断される（Ｓ８）。この実施の形態では、１セット８個の計測値ｄに到達したか否かを判断する。

この計測値数が所定数に到達していなければ（Ｓ８のＮＯ）、計測値ｄの取得を継続して行う。この計測値数が所定数に到達すれば（Ｓ８のＹＥＳ）、セット数が所定数に達したか否かを判断する（Ｓ９）。セット数が所定数に達していなければ（Ｓ９のＮＯ）、セット数が所定数に到達するまで、計測値ｄの取込みを継続して行う。この実施の形態では、１セット８個の計測値ｄの２セット分が計測値テーブル６４に保存される。

所定のセット数に到達すれば（Ｓ９のＹＥＳ）、各セットの計測値ｄに対し、既述のソートを行う（Ｓ１０）。このソートでは、セット毎に低い値から順に計測値ｄを並び換え、ソートテーブル６６に保存する。

セット毎に計測値ｄから複数の低い値の計測値を抽出して保存する（Ｓ１１）。この実施の形態では、既述したように、セット毎に２個ずつの低い計測値ｄが抽出され、第１の計測値抽出テーブル６８に保存される。

計測値抽出テーブル６８に保存されている複数の計測値ｄから最も低い計測値ｄが除かれた後の計測値ｄが計測値抽出テーブル７０に保存される（Ｓ１２）。

そして、最も低い計測値ｄが除かれた複数の計測値ｄを平均し、平均計測値ｄａｖを算出する（Ｓ１３）。

＜第１の実施の形態の作用および効果＞

この第１の実施の形態によれば、次のような作用および効果が得られる。

(1) 最低値検出回路４８では演算回路の一例であるプロセッサ５２と、演算結果を記録する記録部の一例であるメモリ部５４のデータ記録部５８とを含むことにより、凝集状態を表す最低値である平均計測値ｄａｖをディジタル処理による高速処理で得ることができる。

(2) プロセッサ５２の演算処理では、特定の間隔で一定回数以上の計測値ｄを取込み、複数の計測値ｄの低い値からｎ番目までの計測値ｄをメモリ部５４のデータ記録部５８に保存する。続いて再度同様の方法で計測値ｄをサンプリング処理し、メモリ部５４のデータ記録部５８に保持する。この演算処理を予め指定した回数（２回以上の回数）だけ繰り返し、その後、メモリ部５４に保存されている複数の計測値ｄを用いて低い値からソート（並べ替え）を行い、任意の低い計測値ｄから予め指定したｍ番目までの計測値ｄを抽出し、これら複数の計測値ｄの平均を取り平均計測値ｄａｖを算出する。つまり、この平均計測値ｄａｖは最低値の平均値である。

(3) レーザ発光素子２６では、光時間を短くすることで延命効果を得るため、たとえば、一定時間Ｔ＝２〔秒〕の間隔で、発光時間ｔ＝０．２〔秒〕間の発光によりレーザ光を得ている。既述したように凝集剤薬注量が多く、フロック密度が高い凝集処理では、フロック間のＳＳ濁度を１分間当たり数回またはそれ以下でしか計測できない場合がある。散乱光受光部１２の前面にフロックが存在すると、このフロックが計測すべき微弱な散乱光を遮光し、その散乱光の受光が阻害される場合があり、このような事態が多発すると、実際の散乱光強度よりも低い値を計測することが予想される。上記実施の形態のように、一定時間Ｔ＝２〔秒〕の間隔で、発光時間ｔ＝０．２〔秒〕間の発光であれば、１分間で３０回の計測が行え、斯かる不都合を回避できるとともに、短時間で安定したＳＳ濁度の計測が可能である。

(4) 上記実施の形態では、一定時間Ｔ＝２〔秒〕の間隔で、発光時間ｔ＝０．２〔秒〕間のレーザ光を用いた計測頻度において、たとえば、１セット８回の計測値ｄを用いて２セットの計測値ｄの最低値をサンプリングし、各セットの複数の計測値ｄから低い値の２番目までの計測値ｄをピックアップする。これにより、２セット、４個の計測値ｄから最小値の計測値ｄを削除し、残り３個の計測値ｄの平均値である平均計測値が求められる。これにより、未凝集のコロイド粒子による散乱光に対し、高い発生頻度が予想されるフロックによる影響を軽減でき、フロックによる遮光の影響を排除することができる。微弱な散乱光のフロックによる受光妨害を回避でき、計測タイミングの増加とともにリアルタイムで処理状況を把握でき、計測精度を向上させることができる。この結果、被処理水８の処理状態の安定した計測ができ、計測精度が高められる。

(5) 上記実施の形態では一例として、１セット８回の計測値を２セットを使用することにより、２〔秒〕間隔で０．２〔秒〕間の発光および受光であれば、３６〔秒〕間に１６個の計測値が得られ、この計測値から１セット２個ずつの低い側の４個の計測値を抽出し、そのうちの最低値を除いた３個の計測値で平均を取る。これにより、１〔分〕間の計測タイミングが増加するとともに、フロックの影響を回避でき、最小値である計測値を除いて計測値の平均を取っているので、フロックによる散乱光の遮断や、微弱な散乱光の受光妨害を避けることができ、上記課題を解決することができる。以て、計測タイミングを増加させ、リアルタイムで処理状況を把握でき、計測精度を向上させることができる。

(6) 上記実施の形態では、一例として、８個の計測値の２セットを用いて、各セットの最低値から２個の計測値ｄを抽出し、合計４個の計測値から１個の最低値である計測値ｄを排除しているが、これらの１セット中の計測値数やセット数などのサンプリング数を変更しても凝集モニタリング処理が損なわれることはなく、むしろ排水など被処理水８の性質や種類に応じて調整でき、また、所望のサンプリング条件を設定すればよい。

(7) タイミング信号Ｔｓを変調信号Ｍｓで振幅変調を施して得られる発光信号Ｄｒでレーザ発光素子２６を駆動し、これにより得られるレーザ光を計測領域１８に照射し、この計測領域１８から得られる散乱光を受光し、その受光信号レベルにより得られる複数の計測値の低い値を平均して凝集処理の状態を表す平均計測値としている。

斯かる計測および演算処理について言及すれば、平均的な散乱光強度の測定では、被処理水８における凝集物による散乱光と、未凝集物による散乱光とを区別できず、未凝集物であるＳＳのみの状態の把握は難しい。一般に散乱光の強度は、被処理水８中の粒子数に比例するとともに粒子径の４〜６乗に比例する。ＳＳの凝集が進めば、被処理水８中の粒子数が減少し、散乱光の強度が低下する。凝集物の粒子径が大きくなると、その粒子１つ当たりの散乱光の強度が増加することになる。このため、平均的な散乱光の強度測定では、凝集物および未凝集物の散乱光が含まれるので、凝集状態を適切に把握できない。

上記実施の形態の散乱光の計測、受光信号の処理および計測値の演算処理では、検波回路４０が散乱光の強度変化を検出するが、検波回路４０の前段で電気信号を所定の周波数ｆでＡＭ検波により散乱光の信号成分を抽出しており、検波回路４０の検波後の信号がピーク変動しているとき、この信号を最低値検出回路４８に取り込んでＡ／Ｄ変換し、最低値の信号強度を被処理水８における未凝集の懸濁物により散乱した散乱光強度としており、被処理水８中の凝集物による散乱光と区別して検出している。つまり、散乱光から得られる信号強度の最低値の変化を被処理水８における未凝集のコロイド粒子数の変化として検出する。

この最低値検出回路４８における信号処理をさらに言及すると、出力信号Ｄｏから最低値の信号強度を検出する。この最低値の検出は、図３のＤに示す波形の低振幅部を計測する。つまり、低振幅部以外の部分が凝集されたコロイド粒子および未凝集の微小コロイドが計測領域１８に滞在している場合であり、低振幅部が、計測領域１８から凝集コロイド粒子が他の領域に遷移した場合である。したがって、最低値検出回路４８が信号強度の最低値を検出するので、微小コロイド粒子（未凝集のコロイド粒子）のみが計測領域１８に存在する場合の散乱光の強度、すなわち微小コロイド粒子数の計測が可能となっている。この場合、計測値の最低値の減少は、計測領域１８における微小コロイド粒子の減少を示し、その増大は、微小コロイド粒子の増大を示している。

図３に例示された計測値ｄのうち、図示しない計測値ｄ１１、ｄ１３、ｄ２２、ｄ２３は、凝集されたコロイド粒子を含む値であり、計測値ｄ１２、ｄ１４、ｄ２１は、未凝集のコロイド粒子を含む値である。これにより、明らかに微小コロイド粒子（未凝集のコロイド粒子）のみが計測領域１８に存在する場合の散乱光の強度、すなわち微小コロイド粒子数の計測が可能になっていることが理解されよう。

したがって、最低値検出回路４８では、低い値の計測値ｄ１６を除かれた複数の計測値ｄ１１、ｄ１３、ｄ２２、ｄ２３から平均計測値ｄａｖを算出しているので、凝集されたコロイド粒子の影響を排除でき、未凝集の微小コロイド粒子の濁度を計測することができる。

〔第２の実施の形態〕

図６は、第２の実施の形態に係る凝集システムを示している。この凝集システム７２は、第１の実施の形態に係る凝集モニタリング装置２を用いた凝集処理システムの一例である。図６において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を割愛する。

凝集モニタリング装置２では、凝集槽６で凝集処理が行われている被処理水８のＳＳ濁度を表す平均計測値ｄａｖが算出され、制御部７４に提供される。この平均計測値ｄａｖは、凝集槽６内で凝集処理される被処理水８の処理状態から得られた値を示している。

この制御部７４は凝集剤の薬注量や攪拌制御などの凝集槽６における被処理水８の凝集処理を制御する。凝集槽６の被処理水８には薬注部７６から凝集剤が注入される。凝集槽６に設置された攪拌器７８は駆動部８０によって駆動され、この駆動が制御部７４によって制御される。

制御部７４はたとえば、コンピュータによって構成され、凝集モニタリング装置２から提供される平均計測値ｄａｖを用いて凝集剤の薬注量が算出される。

図７は、薬注量の選定に用いられる凝集剤薬注量テーブル８２を示している。この凝集剤薬注量テーブル８２では、平均計測値ｄａｖに対応する凝集条件のひとつである凝集剤の薬注量Ｙが格納されている。この凝集剤薬注量テーブル８２を用いれば、平均計測値ｄａｖが算出されると、この平均計測値ｄａｖに対応する薬注量Ｙを選択することができる。

＜凝集システムの凝集処理＞

図８は、凝集処理の処理手順の一例を示している。この処理手順では、凝集処理の開始か否かを判断し（Ｓ１１）、その判断結果に応じて凝集処理を開始する。凝集処理を開始すると（Ｓ１１のＹＥＳ）、凝集槽６の被処理水８の処理状態について凝集モニタリングを実施する（Ｓ１２）。この凝集モニタリングは凝集モニタリング装置２によって実施される。この処理内容の詳細は割愛する。この凝集モニタリング装置２では被処理水８の処理状態を表す平均計測値ｄａｖが算出され（Ｓ１３）、凝集システム７２の制御部７４に提供される。

平均計測値ｄａｖの提供を受けると、制御部７４では凝集条件のひとつとして、凝集剤薬注量テーブル８２から凝集剤薬注量が選定される（Ｓ１４）。これにより、薬注部７６から凝集剤の薬注が行われる（Ｓ１５）。

この凝集処理を終了するか否かを監視し（Ｓ１６）、凝集処理を終了しない場合には（Ｓ１６のＮＯ）、Ｓ１２に戻り、Ｓ１２〜Ｓ１６の処理により継続した凝集処理が実施される。

そして、凝集処理を終了する場合には（Ｓ１６のＹＥＳ）、凝集モニタリングを終了し（Ｓ１７）、凝集処理を終了する。

＜第２の実施の形態の作用および効果＞

この第２の実施の形態によれば、次のような機能および効果が得られる。

(1) 凝集処理の状態がリアルタイムで把握され、フロックの影響を回避ないし軽減した散乱光の計測値から平均計測値ｄａｖを薬注制御に採用するので、安定した薬注制御が実現される。

(2) 被処理水の凝集条件や凝集剤の薬注量が求められる。

(3) 被処理水に対する薬注量の適正化とともに、安定した凝集処理が行え、凝集効率を高められる。

(4) 凝集槽６の処理状態の測定に基づく凝集システムの補償機能を維持することができ、過剰な凝集剤の投与を防止して環境負荷への影響を回避でき、信頼性の高い凝集処理を実現できる。これにより、被処理水の凝集処理にたとえば、既述のＰＩＤ制御を適用しても、このＰＩＤ制御に必要な補償機能を維持することができ、処理の信頼性を維持することができる。

(5) 食品製造工場の排水など、排水種が頻繁に変化する被処理水にあっても、その排水種に対応した的確な凝集処理を行うことができ、環境負荷への影響を回避できる。

〔他の実施の形態〕

(1) 上記実施の形態では、所定の時間間隔で発光しかつ所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を用いているが、レーザ発光素子の寿命を考慮することなく、濁度の計測を優先する場合には所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を用いてもよい。この場合、複数の最低レベルの信号を連続した受光信号から所定のタイミングで抽出すればよい。

(2) 上記実施の形態において、バンドパスフィルタ４４および増幅器４６はディジタル処理で実現してもよい。

(3) 上記実施の形態では、凝集モニタリング装置２で処理状態をモニタリングする被処理水８として浄水、工業用水、排水などを例示しているが、この被処理水８には果汁などの飲用液体であってもよい。

以上説明したように、本発明の凝集モニタリング装置、凝集モニタリング方法および凝集システムの最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明によれば、浄水、工業用水、排水などの被処理水の凝集処理の処理状況を安定して的確に把握でき、効率的な凝集処理に寄与することができる。

２ 凝集モニタリング装置
４ センサ部
６ 凝集槽
８ 被処理水
１０ レーザ光照射部
１２ 散乱光受光部
１４−１ 第１の光ファイバ
１４−２ 第２の光ファイバ
１６ 遮蔽部材
１８ 計測領域
２０ レーザ光発光部
２２−１ 第１の支持部
２２−２ 第２の支持部
２４ 頂角部
２６ レーザ発光素子
２８ 発光回路
３０ ＡＭ変調回路
３２ タイミング回路
３４ ファンクションジェネレータ
３６ 信号処理部
３８ 光電変換回路
４０ 検波回路
４２ フォトディテクタ
４４ バンドパスフィルタ
４６ 増幅器
４８ 最低値検出回路
５０ Ａ／Ｄ
５２ プロセッサ
５４ メモリ部
５６ プログラム記憶部
５８ データ記録部
６０ ＲＡＭ
６２ 表示部
６４、６４−１、６４−２ 計測値テーブル
６６、６６−１、６６−２ ソートテーブル
６８ 第１の計測値抽出テーブル
７０ 第２の計測値抽出テーブル
７２ 凝集システム
７４ 制御部
７６ 薬注部
７８ 攪拌器
８０ 駆動部

Claims (4)

1. 凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング装置であって、
   少なくとも所定の時間間隔で発光しかつ所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を前記被処理水の計測領域に照射するレーザ光照射部と、
   前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、
   前記散乱光受光部に得られる受光信号から前記散乱光の強度を表す計測値を取り出す信号処理部と、
   連続または不連続に前記計測値のｎ個（ｎ＝２以上）を１セットとするｍセット（ｍ＝２以上）からなる複数の計測値を取り込み、セット毎に低い値から順に複数の計測値を抽出し、これら複数の計測値から最も低い計測値を除いた複数の計測値から平均計測値を算出する計測値演算部と、
   を備えることを特徴とする凝集モニタリング装置。
2. さらに、前記レーザ光を発光するレーザ発光部を備え、該レーザ発光部が所定の時間間隔の間欠するタイミング信号に所定周波数で変化する振幅を持つ変調信号で振幅変調を施した発光信号で発光するレーザ発光素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の凝集モニタリング装置。
3. 凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング方法であって、
   少なくとも所定の時間間隔で発光しかつ所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を前記被処理水の計測領域に照射するレーザ光照射工程と、
   前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光工程と、
   前記散乱光受光工程で得られる受光信号から前記散乱光の強度を表す計測値を取り出す信号処理工程と、
   連続または不連続に前記計測値のｎ個（ｎ＝２以上）を１セットとするｍセット（ｍ＝２以上）からなる複数の計測値を取り込み、セット毎に低い値から順に複数の計測値を抽出し、これら複数の計測値から最も低い計測値を除いた複数の計測値から平均計測値を算出する計測値演算工程と、
   を含むことを特徴とする凝集モニタリング方法。
4. 被処理水を凝集処理する凝集システムであって、
   前記被処理水を凝集処理する凝集槽と、
   前記凝集槽の前記被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング手段と、
   前記被処理水に前記処理状態に応じた薬注量の凝集剤を注入する薬注手段と、
   を備え、前記モニタリング手段が、
   少なくとも所定の時間間隔で発光しかつ所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を前記被処理水の計測領域に照射するレーザ光照射部と、
   前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、
   前記散乱光受光部に得られる受光信号から前記散乱光の強度を表す計測値を取り出す信号処理部と、
   連続または不連続に前記計測値のｎ個（ｎ＝２以上）を１セットとするｍセット（ｍ＝２以上）からなる複数の計測値を取り込み、セット毎に低い値から順に複数の計測値を抽出し、これら複数の計測値から最も低い計測値を除いた複数の計測値を平均し、前記薬注量を求めるための平均計測値を算出する計測値演算部と、
   を含むことを特徴とする凝集システム。
   
   

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