JP6606961B2

JP6606961B2 - 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処理システム

Info

Publication number: JP6606961B2
Application number: JP2015197789A
Authority: JP
Inventors: 信明長尾
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2035-10-05
Also published as: JP2017072404A

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するため、ＳＳの凝集状態を正確に把握できない場合がある。そのため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、たとえば含有するＳＳの濃度が低い場合、凝集したフロック（ｆｌｏｃ）同士の隙間にある、フロックに取り込まれていない汚泥濃度を計測し、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。この濃度計測では、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て散乱光を光電変換した信号レベルから未凝集のＳＳ濃度を表す計測値を得ている。

また、被処理水のＳＳ濃度が中濃度の場合の凝縮処理では、たとえばフロックが計測領域に常時存在するためにＳＳ濃度の計測が困難となる場合があるが、計測領域に対するフロックの出入りにより生じる検出値を参照して凝集指標を算出する手法などがとられている。

しかしながら薬注による凝集処理システムには適用する汚泥濃度に限界があり、たとえば余剰汚泥が含まれるなど被処理水のＳＳ濃度が非常に高い場合、被処理水中にレーザ光を発しても、散乱光が汚泥によって遮光され受光できない状態となる。すなわち、計測領域に向けて発光したレーザ光は、発光面から計測領域までの空間に存在するフロックや汚泥によって減衰するほか、計測領域から受光面までの領域に存在するフロックや汚泥によっても遮光されてしまう。これにより散乱光が受光部に届く機会が極端に減ってしまうため、ＳＳの濃度を把握できず、凝集状態を判断するための指標を算出できないという課題がある。そしてこの指標が算出できなければ、適切な凝集剤の注入量を決定できないという課題もある。

斯かる課題について、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もない。

そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、ＳＳ濃度が高い被処理水の凝集処理において、凝集状態を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、散乱光が受光し難い被処理水において、薬注制御を行うことができ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の一側面によれば、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、計測光を被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、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、受光した前記散乱光の受光信号の波高値を第１の閾値、前記第１の閾値を満たす波高値の出現数を第２の閾値とし、値を異ならせた前記第１の閾値および前記第２の閾値によって前記散乱光の受光レベルを複数個設定し、前記受光レベルのそれぞれを凝集状態の指標と対応させ、前記散乱光受光部に得られる凝集処理毎の前記散乱光が前記受光レベルのいずれを満たすかによって前記被処理水の凝集状態の指標を求める計測値演算部とを備えればよい。

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の一側面によれば、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、計測光を被処理水の計測領域に照射する計測光照射工程と、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、受光した前記散乱光による受光信号の受光レベルの変化を計測する工程と、受光した前記散乱光の受光信号の波高値を第１の閾値、前記第１の閾値を満たす波高値の出現数を第２の閾値とし、値を異ならせた前記第１の閾値および前記第２の閾値によって前記散乱光の受光レベルを複数個設定し、前記受光レベルのそれぞれを凝集状態の指標と対応させ、凝集処理毎の前記受光信号が前記受光レベルのいずれを満たすかによって前記被処理水の凝集状態の指標を求める計測値演算工程とを含んでよい。

上記目的を達成するため、本発明の凝集システムの一側面によれば、被処理水の凝集処理を行う凝集処理システムであって、前記被処理水を貯める被処理水槽と、前記被処理水に対する凝集状態を監視する凝集モニタリング装置と、前記被処理水に対する前記凝集モニタリング装置の監視結果に基づいて薬剤を注入する薬注手段とを備え、前記凝集モニタリング装置は、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、計測光を被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、前記計測領域にある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、受光した前記散乱光の受光信号の波高値を第１の閾値、前記第１の閾値を満たす波高値の出現数を第２の閾値とし、値を異ならせた前記第１の閾値および前記第２の閾値によって前記散乱光の受光レベルを複数個設定し、前記受光レベルのそれぞれを凝集状態の指標と対応させ、前記散乱光受光部に得られる凝集処理毎の前記散乱光が前記受光レベルのいずれを満たすかによって前記被処理水の凝集状態の指標を求める計測値演算部とを含み、前記凝集状態の指標に基づいて、前記薬注手段が前記被処理水槽に薬剤の注入を制御すればよい。

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)ＳＳ濃度が高い場合であっても、散乱光の受光レベルの変化に基づいて凝集の進行状態を把握することができる。

(2) 凝集中の被処理水の処理状態をリアルタイムで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。

(3) 所定値以上の散乱光の波高値およびその発生回数を散乱光の受光レベルとして判断することで処理槽内の平均的な凝集状態を把握でき、凝集処理の安定的な制御を行うことができる。

＜凝集システム＞

(1) ＳＳ濃度が高い場合であっても、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) 受光レベルの変化に応じて凝集の進行によるフロックの成長状態を想定し、その成長状態に応じて薬注の制御が行えるので、過剰な薬注によるコストの抑制などが図れる。

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。演算回路の一例を示すブロック図である。被処理水中のフロックの状態例を示す図である。フロックの成長に応じた散乱光レベルの検波波形の一例を示す図である。フロックの成長に応じた散乱光レベルの検波波形の一例を示す図である。フロックの成長に応じた散乱光レベルの検波波形の一例を示す図である。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。凝集処理の処理手順を示すフローチャートである。凝集モニタリング装置の他の構成例を示す図である。

〔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、被処理水中のＳＳの凝集状態を判定する装置であって、センサ部４を備える。被処理水の凝集処理には、被処理水の浄化を目的とする凝集沈殿工程のほか、被処理水に含まれる余剰汚泥の脱水を目的とする凝集工程も含まれる。このセンサ部４は、たとえば凝集槽６に溜められている被処理水８に水没状態に維持するほか、凝集槽６の底部に沈殿した汚泥中に投入される。凝集槽６は被処理水８を溜める被処理水槽の一例であり、被処理水８の凝集処理を行う機能を兼ね備えている。この凝集槽６は、たとえば沈殿池（シックナー）などであり、被処理水８が貯められるとともに底部に高濃度の汚泥が沈殿している。

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、凝集のモニタリングに用いる計測光を照射する計測光照射部の一例であり、計測光の一例であるレーザ光を導く第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。また、レーザ光照射部１０のレーザ発光面側から計測領域１８までの間は、発光領域としてもよい。さらに散乱光受光部１２から計測領域１８で発生した散乱光が受光面に到達するまでの領域は受光領域としてもよい。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を計測領域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、たとえばレーザ発光素子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い。なお、凝集のモニタリングに用いる計測光はレーザ光に限定されるものではない。粒子に当たり散乱光を生じさせる光であれば凝集のモニタリングに用いることができ、レーザ光のように指向性に優れた計測光を用いることで、計測領域１８に効率的に光を照射することができる。このような計測光を用いる場合には、計測光を発光する発光素子およびこの発光素子を駆動する発光回路を備える発光部を用いればよい。計測光にはたとえば、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に発光寿命が数千時間と短いレーザダイオードなどの発光素子を用いた場合であっても、連続点灯による劣化を防止できるので、使用時間を延長できる。

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、被処理水８の凝集に関わる凝集指標の演算処理の同期情報として用いられる。つまり、このタイミング信号Ｔｓは、レーザ発光素子２６の発光と凝集指標の演算処理とを同期させている。

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。また、計測領域１８に存在するフロックで反射した反射光が散乱光受光部１２に入射する。

またＳＳ濃度が高い被処理水８では、計測領域１８に加えて発光領域や受光領域側に汚泥や凝集したフロックが存在する。この場合、レーザ光発光部２０から照射されたレーザ光が高濃度のＳＳやフロックによって減衰し、または遮光されることになる。この場合、計測領域１８に存在する未凝集のコロイド粒子により散乱した散乱光やフロックで反射した反射光は、散乱光受光部１２側に届く機会が極端に減少する。

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などの処理を行う。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に代えてハイパスフィルタを用いてもよい。これらのフィルタを用いることで、自然光や照明光などの非計測光の受光により生じる直流ノイズ成分をカットすることができる。

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、受光信号の一例であり、受光信号Ｅｏの直流成分のレベルを表す。この出力信号Ｄｏ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の出力は演算回路４８に加えられる。この演算回路４８は計測値演算部の一例であり、波高検出部５０および比較部５２を備えている。演算回路４８は、演算回路４８に入力される出力信号Ｄｏのレベル（信号強度）をメモリ部６０（図２）のデータ記録部６４に記録するとともに、波高検出部５０により出力信号Ｄｏの計測を行う。演算回路４８は、これらの計測結果を用いて被処理水の凝集レベルを判定し、この凝集レベルを表す凝集指標を出力する。凝集指標により表される凝集レベルはたとえば、「未凝集」、「凝集不足」、「現状十分」または「過剰」により表される。演算回路４８はさらに、発光制御部５４を備え、レーザ発光素子２６の発光と凝集指標の演算処理に同期する制御信号（タイミング信号Ｔｓ）をタイミング回路３２に出力する。

波高検出部５０は、受光した散乱光の波高である振幅検出、振幅計測およびピーク波形の出現数をカウントする機能を含んでいる。波高検出部５０は、たとえばデータ記録部６４に記録されている出力信号Ｄｏのレベルの変曲点を検出して、その変曲点のピーク値を計測する。変曲点の検出により、波高検出部５０は出力信号Ｄｏの振幅の発生を検出する。つまり、波高検出部５０は、出力信号Ｄｏが上昇から下降に変化する第１の変曲点および下降から上昇に変化する第２の変曲点を検出し、隣接する第１の変曲点および第２の変曲点の検出により振幅の発生を検出する。波高検出部５０は、ピーク値の計測により、隣接する第１の変曲点および第２の変曲点のレベル差を求め、出力信号Ｄｏの振幅の大きさを計測する。これらの機能により波高検出部５０は、出力信号Ｄｏのピーク波形の出現数を振幅の大きさ毎に計測することができる。

比較部５２は、たとえばデータ記録部６４に記録されている出力信号Ｄｏのレベルを、予め設定した閾値と比較し、閾値以上となるピーク波形の出現数をカウントする。この受光した散乱光の出力信号Ｄｏのレベル、または出力信号Ｄｏのレベルと閾値以上となる波形の出現数との組み合わせを散乱光の受光レベルとする。この閾値は、たとえば被処理水や汚泥の種類、用途、または凝集条件、添加する薬剤の種類などによって切り換えても良く、さらに、１または複数の閾値を設定すればよい。

演算回路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。この演算回路４８にはアナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）５６、プロセッサ５８およびメモリ部６０が備えられる。Ａ／Ｄ５６は出力信号Ｄｏをディジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ５６の出力信号は出力信号Ｄｏのレベルをディジタル値で表し、振幅検出部５０および最低値検出部５２のディジタル処理に用いられる。

プロセッサ５８はメモリ部６０のプログラム記憶部６２にあるＯＳ（Operating System）および凝集プログラムを実行し、既述の波高検出部５０、比較部５２および発光制御部５４として機能する。

メモリ部６０は記録部の一例であり、プログラム記憶部６２、データ記録部６４およびＲＡＭ（Random-Access Memory）６６を備える。プログラム記憶部６２にはプログラムとしてＯＳや既述の凝集プログラムなどが格納されている。データ記録部６４には、出力信号Ｄｏのレベルのほか、既述のように凝集条件などに応じて設定される波高値やその出現数を規定した閾値データが記録される。ＲＡＭ６６は情報処理のワークエリアに用いられる。

プロセッサ５８の演算結果は表示部６７に出力される。この表示部６７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６７にはプロセッサ５８の演算に用いられる計測値や、演算結果である出力信号Ｄｏの波高値の値、閾値毎の出現数のほか、判定された凝集指標などが表示される。

＜受光レベルの変化と凝集状態との関連について＞

ＳＳ濃度が高い被処理水における凝集状態と、凝集モニタリング装置２で検出した散乱光の受光レベルの変化との関連性について説明する。

図３は、被処理水または沈殿した汚泥に含まれる懸濁物質やフロックの状態例である。

ＳＳ濃度が高い被処理水８や汚泥の内部には、凝集処理が十分に進んでいない場合、未凝集の懸濁物質や一定の大きさ以下のフロック７０が密集状態となっている。このような凝集不足の被処理水８や汚泥では、レーザ光照射部１０から照射されたレーザ光が計測領域１８に達する前にフロック７０に当たってしまうほか、計測領域１８で散乱した光がレーザ光受光部１２に入射する前に他のフロック７０や汚泥に遮光される。このようにフロック７０が密集状態となっている被処理水のフロック７０同士の隙間について解析する。

粒径２ａのフロック７０が密集した高濃度の被処理水について、たとえば近接する特定の４つのフロック７０の中心同士を結んで仮想的な立方体の空間を想定し、この空間内におけるフロック７０が占める割合を計算する。近接する球体によって作られる球で囲まれた空隙の割合については、たとえば次の資料を参照する。
（新潟大学工学部微粒子材料工学研究室、教授：木村勇雄、講義：「円と球の空間」http://www.gs.niigata-u.ac.jp/~kimlab/lecture/math/SpacingCirclesSpheres.html）
この立方体の内部には、立方体の辺によって分断されたフロック７０を組み合わせることで、４個のフロック７０が含まれていると想定できる。ここでフロック７０の粒径が２ａであるから、球全体の体積と立方体の体積とから球が占める割合は、約０．７４となり、空間（空隙）の割合は、０．２６となる。この空間の割合には、球径は影響しない。

また想定した立方体の一辺は、対角線の長さが４ａであるから、一辺の長さが、ａとなる。これにより立方体における隙間の体積をＶｃとすると、
Ｖｃ＝１６×０．２６＝５．８８ａ³ ・・・（１）
となる。

これにより汚泥の粒径がたとえば０．２〔mm〕から凝集剤の注入により粒径２〔mm〕まで成長したとすると、それぞれの粒径における隙間の体積は、以下のようになる。なお、この凝集剤は、被処理水中のＳＳを凝集させてフロック化する機能をもつものであればよく、被処理水中の汚泥の凝集と含水率の低下を図る脱水剤であってもよい。
（粒径０．２mmの場合）Ｖ_0.2＝０．０４７〔mm³〕・・・（２）
（粒径２mmの場合）Ｖ₂＝４７〔mm³〕・・・（３）
計測領域１８とその周囲の発光領域および受光領域の合計体積がたとえば３〔mm³〕程度とすると、フロック７０の成長により隙間が大きくなることで、この隙間を通じて散乱光が通過する可能性が高くなる。

〔フロックの成長に応じた散乱光の受光状態について〕

図４に示す散乱光の検出状態は、たとえば被処理水が未凝集の状態または凝集剤の添加量が少ない場合を示している。このとき、被処理水内の凝集処理が不十分であるため、散乱光受光部１２において計測領域１８で散乱した散乱光の受光ができず、またはその散乱光が減衰してしまい、散乱光レベルは０〔ｍＶ〕またはそれに近い値が維持される。

図５に示す散乱光の検出状態は、たとえば凝集処理が進み、フロック７０が所定の大きさまで成長した場合を示しており、散乱光レベルが大きくなるとともに、受光回数が増加する。このとき成長したフロック７０は、たとえばレーザ光の照射面積が大きくなることで、その表面に当たって発生する散乱光のレベルは高くなり、且つフロック７０が大きくなったことでフロック７０同士の隙間が拡大し、散乱光のレベルが高くなる機会が多くなる。逆に、フロック７０が小さく、高密度になると、散乱光により照射されるフロック７０の表面積が小さくなることで散乱光のレベルが小さくなる、かつフロック７０の隙間が小さくなることにより散乱光受光部１２に到達するまでに散乱光の減衰率が高くなり、受光レベルは低くなる。

図６に示す散乱光の検出状態では、たとえば図５に示す凝集処理からさらに凝集剤を添加して凝集処理が進んだ場合であり、散乱光レベルがさらに大きくなるとともに、その受光回数が増加する。このとき、散乱光レベルのピーク値が大きな値となり、かつその高い散乱光レベルの出現回数が多くなっている。ＳＳ濃度が高い被処理水８において、高い散乱光レベルが多数検出できていることから、被処理水８内のフロックは十分に成長して凝集処理が進んでいるものと判断する。このような高い散乱光レベルの受光が可能になった場合には、薬注を中止させればよい。

＜凝集指標の出力＞

レーザ光発光部２０より照射されたレーザ光は、たとえば光路上に存在するフロック７０に当たり散乱光を発生させる。散乱光の発生地点から散乱光受光部１２までの平均粒子密度がほぼ一定と仮定すれば、フロックの密度が高い場合（フロックが小さい場合）には、散乱光は粒子と発光面の距離の変化が小さく、大きなフロック７０が発生している場合に比べて出力信号Ｄｏのレベルが小さくなる。逆に、フロック７０が大きい場合には、粒子と発光面の距離の変化が大きくなり、小さなフロック７０の場合に比べて出力信号Ｄｏのレベルが大きくなる。

被処理水８中の汚泥濃度が高い場合の凝集レベルの指標は、検出された散乱光のレベルにより、その波高値が所定閾値以上になるか否かおよびその閾値以上のレベルの出現数に基づいて設定される。すなわち、この凝集モニタリングでは、散乱光の受光信号の上昇量およびそのような信号が出現する出現数（発生頻度）と、凝集により成長したフロック同士の隙間の増大とを相関させて凝集指標としている。この表１には、散乱光レベルの波高値およびその出現数に基づく凝集指標を示す。

表１において、Ｌ１〜Ｌ３は、散乱光レベルを示す出力信号Ｄｏの波高値（ピーク値）に対する第１の閾値の一例であり、たとえばＬ１＝５００〔ｍＶ〕、Ｌ２＝１０００〔ｍＶ〕、Ｌ３＝２０００〔ｍＶ〕が設定される。斯かるＬ１〜Ｌ３の閾値は、たとえば被処理水内の凝集汚泥の種類、性質、凝集条件などによって閾値を設定すればよい。通常、波高値の閾値は、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３の値で設定する。また、凝集レベルの判断では、波高値に対する閾値Ｌ１〜Ｌ３毎に、凝集状態の検出時間におけるその閾値を超える波形の出現数を判断する。この出現数に関する第２の閾値としてＮ１〜Ｎ３が設定され、一例としてＮ１＝５〔回〕、Ｎ２＝４〔回〕、Ｎ３＝３〔回〕が設定される。出現数の閾値Ｎ１〜Ｎ３は、たとえば被処理水内において、部分的に凝集状態が進行している状態を排除して、凝集レベルを判断するものである。

表１によれば、たとえば出力信号Ｄｏのレベル（散乱光レベル）の波高値が閾値Ｌ１〜Ｌ３以上か否かを判断し、かつその出現数が閾値Ｎ１〜Ｎ３を満たすか否かにより、現在の凝集状態が凝集レベル１〜レベル３のいずれに属するかを判断する指標となる。そして、この指標に基づいて凝集剤の添加量が不十分か、または過剰かを把握でき、添加制御を行なうことができる。

＜信号処理および計測値の信号処理＞

ここで、モニタリング処理に用いる信号処理について一例を説明する。タイミング回路３２が制御するタイミング信号Ｔｓは、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。

ファンクションジェネレータ３４が処理する変調信号Ｍｓは、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、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中の懸濁物質やフロック７０など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、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。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、その検波出力のトップピークをピークホールドすれば出力信号Ｄｏが得られる。

これにより演算回路４８では、出力信号ＤｏからＡ／Ｄ変換を経て、既述の振幅および信号レベルのピーク値が計測される。

＜凝集モニタリングの処理手順＞

図７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、演算回路４８に含まれるプロセッサ５８およびメモリ部６０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、たとえば被処理水のＳＳ濃度条件、被処理水や被処理汚泥の種類の条件、被処理水や被処理汚泥に応じた散乱光の波高値Ｌ１〜Ｌ３およびその出現数の閾値Ｎ１〜Ｎ３などを設定する。

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。

信号処理の工程として、出力信号Ｄｏの散乱光レベルについて、波形のピーク値を計測処理するとともに、ピーク値が閾値Ｌ１〜Ｌ３を超える波形の出現数を計測する（Ｓ６）。この出力信号Ｄｏのピーク値検出処理は、既述の計測値の信号処理に基づいて、演算回路４８で演算処理される。

凝集状態の判断処理として、計測された出力信号Ｄｏについて、散乱光レベルが既述の表１に示す凝集レベル１の条件未満か否かを判断する（Ｓ７）。散乱光レベルのピーク値が閾値Ｌ１未満の場合（Ｓ７のＹＥＳ）、散乱光受光部１２は全く、または殆ど散乱光を受光出来ていないことから、被処理水内の凝集処理が進んでおらず、フロックの成長が不十分であると判断し、凝集指標「未凝集」を出力する（Ｓ８）。このような判断に基づいて、凝集処理では、凝集剤の添加率を増加させるなどの制御が行われる。

散乱光レベルが凝集レベル１未満でない場合（Ｓ７のＮＯ）、すなわち、出力信号Ｄｏのピーク値が閾値Ｌ１以上であり、かつその波形の出現数が閾値Ｎ１以上の場合には、「凝集レベル１以上」が確定するとともに、凝集レベル２の条件未満か否かの判断が行われる（Ｓ９）。この判断では、出力信号Ｄｏのピーク値が閾値Ｌ２であるか、またそのような波形の出現数が閾値Ｎ２を越えるかが判断される。凝集レベル２の条件を満たさない場合（Ｓ９のＹＥＳ）、凝集指標「凝集レベル１以上、２未満」を出力する（Ｓ１０）。この判断に基づいて、凝集処理では、凝集不足又は成長過程のフロックであると判断され、凝集レベル１未満よりも少量の凝集剤の添加量を増加させる制御が行われる。

散乱光レベルが凝集レベル２未満でない場合（Ｓ９のＮＯ）。凝集レベル３未満か否かの判断が行われる（Ｓ１１）。この判断では、出力信号Ｄｏのピーク値が閾値Ｌ３であるか、またはそのような波形の出現数が閾値Ｎ３を越えるか否かが判断される。凝集レベル３の条件を満たさない場合（Ｓ１１のＹＥＳ）凝集指標「凝集レベル２以上３未満」を出力する（Ｓ１２）。この判断に基づいて、凝集処理では、凝集十分と判断し、凝集剤の投入量を現状維持させる。

また、凝集レベル３の条件を満たす場合（Ｓ１1のＮＯ）、凝集指標「薬注過剰」を出力する（Ｓ１３）。この場合、凝集処理では、凝集剤添加量を減少させる制御が行われる。

なお、この凝集モニタリング処理では、凝集状態の判断において、散乱光レベルが低い閾値が設定された凝集レベル１から判断したがこれに限らず、出力信号Ｄｏについて、凝集レベル３から判断してもよい。

＜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) 凝集モニタリング装置２は、演算回路４８の波高検出部５０、比較部５２において、受光した散乱光の出力信号Ｄｏから信号波形のピーク値を求め、そのピーク値が閾値を超えること、およびその閾値を超える波形の出現数を求めることで、受光レベルの変化を判断する。そして、演算回路４８は、この受光レベルの変化から被処理水の凝集状態の指標を求める。斯かる構成により、ＳＳ濃度が高く、未凝集の状態ではレーザ光によるＳＳ濃度の計測が困難な被処理水であっても、薬注による凝集処理の進行状態を把握でき、適切な薬注処理による凝集制御を行うことが可能となる。

(2) 凝集モニタリングでは、出力信号Ｄｏのピーク値に対する閾値を複数設定し、いずれの閾値を超えるか、かつ、この閾値を超える波形の出現数が幾つあるのかに基づいて、受光レベルの変化を判断する。この閾値の設定は、被処理水に含まれる被処理汚泥の性質や凝集目的、または添加される凝集剤の種類により設定される。これにより、ＳＳ濃度が高い被処理水においても、凝集状態を精緻に把握することができる。

(3) 凝集状態の判断において、出力信号Ｄｏのピーク値に対する閾値の判断のみではなく、この閾値を超える波形の出現数を組み合わせて凝集レベルを判断することで、被処理水中において凝集処理が部分的に偏って生じるなどの状態を排除することができる。

(4) 上記実施の形態では、波形の出現数が第２の閾値を超えることで凝集レベルを判断しているが、これに限られない。出力信号Ｄｏのピーク値の発生数が少ない場合、または部分的に突出したピーク値が発生した場合には、その波形の出現数を判断せず、または第２の閾値を超えていなくても、ピーク値のみで凝集レベルを判断してもよい。これにより、フロックが大きく成長することでフロック間の隙間が大きくなり、散乱光のレベルに偏りが生じる場合でも、適切な薬注制御、凝集状態の把握が可能となる。

〔第２の実施の形態〕

図８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８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の凝集指標が算出され、制御部７４に提供される。この凝集指標は、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凝集の指標を示している。

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。また、凝集槽６には、被処理水８を攪拌する攪拌機が設置されてもよい。この攪拌機は、制御部７４によって制御される駆動部８０によって駆動すればよい。

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から提供される凝集指標を用いて凝集剤の薬注量が算出される。

＜凝集システムの凝集処理＞

図９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（Ｓ２１）、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（Ｓ２１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（Ｓ２２）。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の処理状態を表す凝集指標が算出され（Ｓ２３）、凝集システム７２の制御部７４に提供される。

凝集指標を受けると、制御部７４では凝集指標に基づき凝集剤薬注量が選定される（Ｓ２４）。これにより、薬注部７６から凝集剤の薬注が行われる（Ｓ２５）。

この凝集処理を終了するか否かを監視し（Ｓ２６）、凝集処理を終了しない場合には（Ｓ２６のＮＯ）、Ｓ２２に戻り、Ｓ２２〜Ｓ２６の凝集処理を継続する。

そして、凝集処理を終了する場合には（Ｓ２６のＹＥＳ）、凝集モニタリングを終了し（Ｓ２７）、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、フロックの有無にかかわらずに散乱光の計測値から凝集指標を生成し薬注制御に採用するので、安定した薬注制御を実現することができる。

(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、凝集効率を高めることができる。

(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。

(5) 高濃度の汚泥処理であっても、添加した薬剤による凝集状態の変化を把握することができ、的確な薬注制御を行うことができる。

〔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) 上記実施の形態では、凝集状態の指標として、散乱光レベルである出力信号Ｄｏのピーク値が閾値以上であり、かつその閾値以上の波形の出現数の変化に基づいて凝集レベルを判断する場合を示したがこれに限られない。演算回路４８は、たとえば測定した散乱光レベルの出力信号Ｄｏの合計を算出し、その合計値を所定の閾値と比較して凝集レベルの指標を求めてもよい。演算回路４８は、たとえば積分回路を備え、測定された出力信号Ｄｏの波形からその合計値を求めても良く、またはデータ記録部６４に記録されたピーク値を利用してその合計値を求めても良い。そして演算回路４６には、所定の計測時間における散乱光レベルの合計値に基づく凝集レベルの指標が設定されてもよい。

(3) また、演算回路４８は、たとえば散乱光レベルの出力信号Ｄｏの測定結果に対して所定の判定時間における出力信号Ｄｏの平均値を算出してもよい。そして凝集状態の判断では、斯かる平均値と凝集レベルとを関連付けた閾値を利用してもよい。

(4) 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。

(5) 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は採石場などから廃出される高濃度の無機排水や果汁などの飲用液体であってもよい。

(6) 凝集状態の判断は、たとえば１回のみで凝集状態を判断する場合に限らず、所定時間おきに複数回の散乱光レベルを測定し、計測された出力信号Ｄｏの閾値以上の波形となるピーク値の合計回数、または平均発生回数を利用してもよい。また、薬注処理を行ってから経過時間を計測し、その経過時間の相違による散乱光の受光レベルの変化も合せて凝集状態の指標を求めてもよい。

(7) また、凝集モニタリング装置２は、計測した出力信号Ｄｏのみから凝集状態を判断する場合に限られず、たとえばデータ記録部６４に蓄積された前回またはそれ以前の出力信号Ｄｏのデータを利用して凝集状態を判断してもよい。演算回路４８は、たとえば今回測定した出力信号Ｄｏの値とともに、直前に判断した出力信号Ｄｏの値との差分値を求め、その変化量も考慮して凝集レベルの指標を設定してもよい。

(8) 上記実施の形態では、閾値を超える出力信号Ｄｏのピーク値と、その出現数に基づいて凝集レベルを判断しているが、これに限らない。演算回路４８は、たとえば閾値を超える出力信号Ｄｏの出現回数のみが増減した場合にも凝集レベルの指標を設定し、判断を行ってもよい。

(9) 凝集モニタリング装置２には、たとえば図１０に示すように、レーザ発光素子２６や散乱光の受光部であるフォトディテクタ４２の前面側に、それぞれフィルタ部材８０、８２を備えるとともに、このフィルタ部材８０、８２の一面を洗浄処理する洗浄装置９０を備えてもよい。フィルタ部材８０、８２は、被処理水や汚泥をレーザ発光素子２６やフォトディテクタ４２に接触させない防護手段の一例であって、たとえばアクリルやガラスなどレーザ光やその散乱光の透過を妨げない透明な部材で形成されていればよい。洗浄装置９０は、たとえばフィルタ部材８０、８２に対して、水や空気、その他、被処理水８や汚泥に影響を与えない洗浄剤などを吹き付けるノズル９２、９４を備えている。洗浄装置９０は、被処理水８の計測領域１８から離間させ、被処理水８のモニタリングに影響を与えないように離間して配置されればよい。また洗浄装置９０は、たとえば凝集モニタリング装置２の演算回路４８にある発光制御部５４や凝集システム７２の制御部７４に接続されており、レーザ光の発光タイミングや薬注処理タイミング等に重ならないように、動作制御が行われればよい。このような構成によれば、常に、レーザ光の発光部および散乱光の受光部分を清浄に維持することができ、ＳＳ濃度が高い被処理水８中の汚泥などの影響を受けずに、凝集状態を把握することができる。

(10) 凝集モニタリング装置２は、凝集処理の開始時に、凝集剤が添加される前の被処理水８の凝集状態の測定処理を行い、未凝集の状態で散乱光の受光レベルが検出できない、または極めて微小な値のみが検出されることの判断を行ってもよい。すなわち、上記実施の形態に示す凝集状態の判断手法は、ＳＳ濃度が極めて高い場合を想定したものであることから、凝集処理の開始時に従来の未凝集のＳＳ濃度の凝集監視が行えないことを確認する工程を行ってもよい。

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
３０ＡＭ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演算回路
５０波高検出部
５２比較部
５４発光制御部
５６Ａ／Ｄ
５８プロセッサ
６０メモリ部
６２プログラム記憶部
６４データ記録部
６６ＲＡＭ
７０フロック
７２凝集システム
７４制御部
７６薬注部
８０、８２フィルタ部材
９０洗浄装置
９２、９４ノズル

Claims

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、
計測光を被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、
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、
受光した前記散乱光の受光信号の波高値を第１の閾値、前記第１の閾値を満たす波高値の出現数を第２の閾値とし、値を異ならせた前記第１の閾値および前記第２の閾値によって前記散乱光の受光レベルを複数個設定し、前記受光レベルのそれぞれを凝集状態の指標と対応させ、前記散乱光受光部に得られる凝集処理毎の前記散乱光が前記受光レベルのいずれを満たすかによって前記被処理水の凝集状態の指標を求める計測値演算部と、
を備えることを特徴とする凝集モニタリング装置。
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、
計測光を被処理水の計測領域に照射する計測光照射工程と、
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、
受光した前記散乱光による受光信号の受光レベルの変化を計測する工程と、
受光した前記散乱光の受光信号の波高値を第１の閾値、前記第１の閾値を満たす波高値の出現数を第２の閾値とし、値を異ならせた前記第１の閾値および前記第２の閾値によって前記散乱光の受光レベルを複数個設定し、前記受光レベルのそれぞれを凝集状態の指標と対応させ、凝集処理毎の前記受光信号が前記受光レベルのいずれを満たすかによって前記被処理水の凝集状態の指標を求め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。
被処理水の凝集処理を行う凝集処理システムであって、
前記被処理水を貯める被処理水槽と、
前記被処理水に対する凝集状態を監視する凝集モニタリング装置と、
前記被処理水に対する前記凝集モニタリング装置の監視結果に基づいて薬剤を注入する薬注手段と、
を備え、前記凝集モニタリング装置は、
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、
計測光を被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、
前記計測領域にある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、
受光した前記散乱光の受光信号の波高値を第１の閾値、前記第１の閾値を満たす波高値の出現数を第２の閾値とし、値を異ならせた前記第１の閾値および前記第２の閾値によって前記散乱光の受光レベルを複数個設定し、前記受光レベルのそれぞれを凝集状態の指標と対応させ、前記散乱光受光部に得られる凝集処理毎の前記散乱光が前記受光レベルのいずれを満たすかによって前記被処理水の凝集状態の指標を求める計測値演算部と、
を含み、前記凝集状態の指標に基づいて、前記薬注手段が前記被処理水槽に薬剤の注入を制御することを特徴とする凝集処理システム。