JPH0425041B2

JPH0425041B2 -

Info

Publication number: JPH0425041B2
Application number: JP61082953A
Authority: JP
Inventors: Kenji Baba; Shoji Watanabe; Naoki Hara; Mikio Yoda; Shunji Mori; Shunsuke Nokita; Juji Yamazawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1992-04-28
Also published as: JPS62241512A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、浄水場、下水処理場、産業排水処理
場における懸濁物質（懸濁質）を凝集させて凝集
物を形成するための凝集剤の注入制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕

浄水場おいては取水した原水に凝集剤を添加し
て懸濁物質を凝集させ凝集物（以下フロツクとい
う）を形成し、このフロツクを沈降除去してい
る。具体的には急速混和池において凝集剤を注入
した後にフロツク形成池に導き、緩やかに撹拌し
ながらフロツクを形成する。フロツク形成池から
流出した原水は沈殿池に導かれ、フロツクを沈降
させて懸濁物質を除去する。沈殿池で沈降しなか
つた微粒子は濾過池で除去される。

このようにして水処理を行う際に、フロツク形
成池でフロツクが形成されないと濾過池の目詰ま
りを早めることになる。フロツクを良好に形成す
るために凝集剤の注入量を制御することが知られ
ている。従来は例えば特公昭59−298281号公報に
記載されているように、原水の濁度、濁質の粒径
と表面積に基づいて凝集剤注入量を制御するよう
にしている。

一方、例えば特開昭54−143296号公報に記載さ
れているように、画像処理によつてフロツクの形
状や大きさを監視する方法が提案されている。具
体的には、工業用カメラなどによつて撮影したフ
ロツク画像から、所定の明るさ（閾値）よりも明
るい部分（画素）を“１”レベルとしてこれをフ
ロツクであると認識し、逆に所定値よりも暗い部
分（画素）を“０”レベルとしてフロツク以外と
認識する。このように、フロツク画像を２値化し
て画像処理を行い、フロツク形成状況を監視す
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

原水の濁度、濁質の粒径と表面積に基づいて凝
集剤注入量を制御しただけではフロツク形成が温
度、濁度、粒径、PHおよびアルカリ度などにより
影響されるのでフロツク形成を良好にできるとは
保証できない。換言すると、フロツク形成状態を
直接計測して凝集剤注入を行つていないので、フ
ロツク形成を常に良好に維持できない。一方、フ
ロツクを画像認識するという思想はたとえば特開
昭61−64307号公報によつて公知であるが、認識
した画像から如何にしてフロツク形成の良否を評
価し、フロツク形成のために凝集剤注入制御する
かということは何ら知られていない。このため、
画像認識したフロツク画像に基づいてフロツク形
成を良好に制御することは困難である。

本発明の目的はフロツク形成を良好に行える凝
集剤の注入制御装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

これを実現するためには、フロツク画像の認識
結果から粒径分布を求めた後に対数平均粒径を演
算により求め、対数平均粒径に基づいて凝集剤注
入量を制御する。具体的には対数正規分布を仮定
して算出したフロツク粒径の平均値が小さければ
凝集剤注入量を増加させ、逆に、粒径が大きけれ
ば凝集剤注入量を減少させる。

〔作用〕

フロツク形成池でのフロツク粒径分布は対数正
規分布に適合する。対数正規分布は平均値と標準
偏差の２つの変数として表わされる。実験の結
果、凝剤注入量の変化に対して標準偏差は一定で
あつたが、平均値は凝集剤注入量の増加に伴つ
て、増加した。したがつて、対数正規分布の平均
値を指標にして凝剤注入量を操作することによ
り、フロツク形成を制御できる。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例を示す。

第１図において、急速混和池１０には原水が流
入すると共に、凝集剤タンク１１の中に貯留され
た液体状の高分子凝集剤（ポリ塩化アルミニウ
ム）または硫酸アルミニウムなどの無機凝集剤が
凝集剤注入ポンプ１２によつて注入される。な
お、フロツク形成を促進するために水酸化カルシ
ウムまたは炭酸ナトリウムなどのアルカリ剤も注
入される。急速混和池１０内の原水は撹拌翼１４
によつて撹拌される。撹拌翼１４は撹拌機１３に
より駆動される。凝集剤が注入されて撹拌された
水は凝集槽（以下“フロツク形成池”という）１
５に導かれる。フロツク形成池１５は壁面に複数
の穴を有する整流壁１６Ａ及び１６Ｂで仕切られ
３つの池１５Ａ，１５Ｂ及び１５Ｃを形成してい
る。フロツク形成池１５の各池には各々に撹拌パ
ドル１７Ａ，１７Ｂ及び１７Ｃが設置されてい
る。撹拌パドル１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃは１ない
し10rpm（パドル周辺速度＝0.15〜0.8ｍ／ｓ）前
後で緩やかに回転する。

フロツク形成池１５の最下流側の池１５Ｃには
水中カメラなどの凝集物撮像手段１８が設置され
る。凝集物撮像手段１８で撮影した凝集物の濃淡
画像信号（アナログ信号）は画像認識手段３０に
入力される。画像認識手段３０は画像処理を所定
時間単位で指令するタイマ３５、濃淡画像記憶手
段４０、輝度強調手段６０並びに２値化手段７０
で構成される。凝集物撮像手段１８の詳細につい
ては後述する。２値化手段７０で２値化された画
像信号は粒径分布演算手段８０に入力される。粒
径分布演算手段８０は２値化画像信号に基づきフ
ロツクの粒径分布を計算し、計算結果を体積濃度
分布メモリ９２に格納する。認識終了判定手段９
０はフロツク画像の認識画面数が所定数終了した
か否かを判定する。認識終了判定手段９０は認識
画面数が所定数以下のとき濃淡画像記憶手段４０
に凝集物撮像手段１８で撮影している濃淡画像を
記憶するように指令する。認識終了判定手段９０
が所定画面数（例えば１０画面）の画像認識を終
了したと判定すると体積濃度分布メモリ９２に記
憶されている体積濃渡分布を凝集状態判定回路９
４に入力する。凝集状態判定回路９４は体積濃度
分布からフロツクの対数平均径を求め注入制御装
置１００に加える。注入制御装置１００は対数平
均径に基づき凝集剤注入量を求め注入ポンプ１２
を制御する。

第２図に画像認識手段の一例構成を示す。

第２図において、濃淡画像記憶手段４０はＡ／
Ｄ変換回路４１と濃淡原画像メモリ４２で構成さ
れる。Ａ／Ｄ変換回路４１は凝集物撮像手段１８
で得られたアナログの濃淡画像情報をデジタル値
に変換して濃淡原画像メモリ４２に加える。濃淡
原画像メモリ４２はタイマ３５と認識終了判定手
段９０から記憶指令を与えられたときに原画像信
号を記憶する。濃淡原画像メモリ４２は格納され
た凝集物の濃淡画像情報を空間フイルタリング回
路６１に入力する。輝度強調手段６０は空間フイ
ルタリング回路６１及びフイルタリング濃淡画像
メモリ６２で構成される。空間フイルタリング回
路６１は濃淡原画像メモリ４２の画像信号を受け
て空間フイルタリングの演算を実行して結果をフ
イルタリング濃淡画像メモリ６２に格納する。格
納されたフイルタリング濃淡画像は２値化回路７
１に入力される。２値化手段７０は２値化回路７
１及び２値化メモリ７２で構成される。２値化回
路７１は、フイルタリング濃淡画像メモリ６２か
らフイルタリング濃淡画像を受けてこれを２値化
し、２値化結果を２値化メモリ７２に格納する。

第３図に粒径分布計算手段８０の一例構成を示
す。

ラベリング回路８１は２値化メモリ７２の画像
信号Ｂを受けて、フロツクの各々に番号を付け
る。画像演算回路８２は各々のフロツクについて
ナンバー毎にその面積を計算し、計算結果を面積
メモリ８２Ｍに格納する。直径計算回路８４はフ
ロツクの面積から直径を計算し、計算結果を直径
メモリ８４Ｍに格納する。体積計算回路８６はフ
ロツクの体積を計算し、計算結果を体積メモリ８
６Ｍに格納する。粒径分布計算回路８８は体積メ
モリ８６Ｍからフロツク直径を取込みフロツクの
粒径分布を計算し、粒径分布メモリ８８Ｍに格納
する。体積濃度分布計算回路８９は粒径分布メモ
リ８８Ｍのメモリ値から体積濃度分布を計算し、
計算が終了すると終了信号を認識終了判定手段９
０に与えると共に計算で求めた体積濃度分布を体
積濃度分布メモリ９２に加え入力する。

第４図は注入制御装置１００の一例構成を示す
もので、比較回路１０１、目標値設定器１０２お
よび注入制御回路１０３とで構成される。

次に、動作を説明する。

急速混和池１０には河川や湖沼（図示せず）か
ら導かれた原水が沈砂池（図示せず）で砂や粗大
粒子が沈殿除去された後に流入する。急速混和池
１０に流入する原水には１ないし10μｍ前後の微
粒子が２ないし200mg／の濃度で含まれている。
急速混和池１０には凝集剤タンク１１の中に貯留
された高分子凝集剤（ポリ塩化アルミニウム）や
硫酸アルミニウムなどの無機凝集剤が注入ポンプ
１２で供給される。急速混和池１０内は撹拌翼１
４により撹拌される。この撹拌によつて凝集剤が
原水中に拡散する。懸濁微粒子は粒子表面が負に
帯電している負コロイドであり、正の電荷を持つ
凝集剤が無数の懸濁微粒子を相互に結合（凝集）
させる。急速混和池１０の滞留時間は１ないし５
分であり、この間に懸濁微粒子が凝集して、粒径
10ないし100μｍのマイクロフロツク（フロツク
の核）が形成される。マイクロフロツクを含む混
合液は凝集槽１５に導かれる。フロツク形成池１
５では３つの形成池１５Ａ，１５Ｂ及び１５Ｃを
順次流下する。整流壁１６Ａ及び１６Ｂは混合液
がフロツク形成池１５内で充分混合されずに水面
近くを短絡して出口から流出するのを防止する。
形成池１５Ａ，１５Ｂ及び１５Ｃの滞留時間は
各々が５ないし15分（３池で計15分ないし45分）
である。各々の池内は撹拌パドル１７Ａ，１７Ｂ
及び１７Ｃにより緩やかに撹拌される。凝集剤は
急速混和池１０において充分に供給され、マイク
ロフロツク表面には凝集剤が付着している。この
ため、フロツク形成池１５内のマイクロフロツク
は撹拌により衝突または接触して凝集する。フロ
ツク形成池１５内において15ないし45分滞留して
撹拌されるうちに、フロツクの粒径は100ないし
5000μｍのフロツクに成長する。形成池１５Ｃ内
におけるフロツクの状態を凝集物撮像手段１８で
撮影する。凝集物撮像手段１８から得られる凝集
物の濃淡画像信号は画像認識手段３０のＤ／Ａ変
換器４１に入力される。Ｄ／Ａ変換器４１は常時
濃淡画像信号をデイジタル信号に変換して濃淡原
画像メモリ４２へ入力する。Ｄ／Ａ変換器４１が
７ビツトのデイジタル信号に変換するものであれ
ば、各画素の輝度は128レベルにデイジタル化さ
れる。以後、本実施例では画面が横方向と縦方向
とを８ビツトの256画素の画面を例に挙げ説明す
る。濃淡画像メモリ４２は256×256の画素に対応
した格納エリアを有する。画素の水平方向の配列
をｉ行、垂直方向の配列をｊ列とすると、濃淡画
像メモリ４２におけるｉ行ｊ列の各格納エリアに
は画面の明るさ（輝度）の値go（ｉ、ｊ）：ｉ＝
１〜256、ｊ＝１〜256が記憶される。なお、各画
素の輝度go（ｉ、ｊ）は128段階にデイジタル化
する。濃淡原画像メモリに格納された濃淡原画像
情報は空間フイルタリング回路６１に取込まれ
る。空間フイルタリング回路６１は濃淡原画像メ
モリ４２の画像信号を入力してフロツクと背景の
間の輝度勾配を強調する。空間フイルタリング回
路６１の計算結果は濃淡画像メモリ６２に記憶さ
れる。濃淡画像メモリ６２は256×256の画素に対
応したメモリ格納エリアを有する。空間フイルタ
リング法は公知であり詳細説明を省略するが、要
するに濃淡画像の各画素の輝度go（ｉ、ｊ）と空
間フイルタリングの荷重積和行列Ｆ＝ｆ（ｉ、ｊ）
とを各々乗算し、さらに乗算結果を全て加算して
求めるものである。荷重積和行列Ｆが３行３列の
場合には次式で表わすことができる。

ｇ＊（ｉ、ｊ）＝₁ 〓^k=-1 ｛₁ 〓〓^l=-1 go（２＋ｋ、２＋ｌ）×ｆ（２＋ｋ、２＋ｌ）｝／
Ｓ……(1) ここで、Ｓはスケーリングの係数であり、計算
結果が例えば128以上にならないように選定する。
また、ｋとｌは配列の要素を変化させるための記
号である。

ｉ＝２〜255、ｊ＝２〜255まで計算して225行
225列の画素の輝度ｇ＊（255、255）までの計算
を総て終ると１画面の演算が終了する。なお、空
間フイルタリングの計算は、１行目と256行目の
総ての画素と１列目と256列目の総ての画素につ
いては実行しない。このようにして、空間フイル
タリング回路６１０の計算が実行され、計算結果
の輝度がフイルタリング濃淡画像メモリ６２に格
納される。以上のようにして空間フイルタリング
法によつて輝度勾配を強調された濃淡画像信号は
２値化回路７１に入力される。２値化回路７１は
フイルタリング濃淡画像メモリ６２に格納された
フイルタリング濃淡画像ｇ＊（ｉ、ｊ）を受けて
この画像を２値化する。すなわち、２値化の閾値
をL_tとすると、L_t以上ならこの画素は“１”レベ
ルとし、逆に、L_t以下ならこの画素は“０”レベ
ルとする。この“０”レベル又は“１”レベルの
値をとる２値化された信号をｂ（ｉ、ｊ）とする。
２値化回路７１では、次式の演算を実行する。

ｇ＊（ｉ、ｊ）≧L_tならば、 bij＝１ ……(2) ｇ＊（ｉ、ｊ）＜L_tならば、 bij＝０ ……(3) この結果、空間フイルタリングされた結果の濃
淡画像ｇ＊（ｉ、ｊ）が閾値L_tより高い輝度の画
素がフロツクに相当する画素と認識され“１”レ
ベルとなり、逆に閾値L_tより低い輝度の部分がフ
ロツク以外の画素と認識され“０”レベルとな
る。結局、“１”レベルで表される画素の集合が
フロツクとして認識される。２値化の結果ｂ（ｉ、
ｊ）で構成される画像全体をＢとすると、この画
像Ｂが２値化メモリ７２に格納される。画像Ｂ
は、第１図に示すように粒径分布演算手段８０に
入力されて、ここでフロツク粒径分布が計算され
る。

さて、粒径分布演算手段８０は次のようにして
粒径分布を求める。

まず、ラベリング回路８１は第５図に示すよう
に画像Ｂに存在するフロツクの各々に１、２、
３、…ｍと番号を付ける。ここで、ｍはフロツク
総数である。面積計算回路８２はラベリングした
番号毎にフロツクの面積を次式で計算する。

Ａ＝k₁・A_p ……(4) ここで、Ａはフロツクの投影面積〔mm²〕、A_pは
各々のフロツクの画素数〔pixel〕、k₁は変換定数
〔mm²／pixel〕である。pixelとは画素を表す単位
である。ラベリング回路８１によつて番号付けさ
れた各々のフロツクについて(1)式の計算が実行さ
れ、その結果が面積メモリ８２Ｍに格納される。
直径計算回路８４は各々のフロツクの面積と同じ
面積になる円を仮定してその直径ｄを次式で計算
する。

ｄ＝√ ……(5) 各々の面積についてこの直径を計算して結果を
直径メモリ８４Ｍに格納する。体積計算回路８６
は直径メモリ８４Ｍから各フロツクの直径を入力
して各々のフロツクの体積ｖを次式で計算する。

ｖ＝πd³／６ ……(6) 粒経に対する体積の計算結果は体積メモリ８６
Ｍに格納される。粒径分布計算回路８８は体積メ
モリ８６Ｍから各フロツクの体積ｖを取込み各々
のフロツクの粒径がどの分級に属するかを判定し
ながら、各々のフロツクの体積を粒径分布メモリ
８８Ｍの該当記憶エリアに加算する。粒径の分級
幅を0.1mmとすると、分級は例えば下記の51分割
にする。粒径分布メモリ８８Ｍも５１個の記憶エ
リアを有する。

D₁：０〜0.1mm D₂：0.1〜0.2mm D₃：0.2〜0.3mm ：： D₅₀：4.9〜5.0mm D₅₁：5.0mm〜一例としてあるフロツクの直径が0.25mmである
と、体積は(6)式から0.00818mm³となる。粒径D₁の
体積をV₁とすると、粒径分布メモリ８８Ｍの粒
径D₃に相当する記憶エリアに体積0.00818が格納
される。このようにして、各々のフロツクの粒径
がどの分級に属するかを判定しながら、粒径分布
メモリ８８Ｍの各エリアに次々に加算することに
よりフロツクの粒径分布を求める。

体積濃度分布演算回路８９は粒径分布メモリ８
８Ｍの体積値V_iからフロツクの体積濃度分布V_i′
（単位容積において各粒径D_iのフロツク体積V_iが
どのくらいあるかを示す分布）を次式で計算す
る。

V_i′＝V_i／（Ｎ・V_w） ……(7) ここで、Ｎは認識回数（処理画面数）、V_wは１
画面で撮像した容積である。

得られた体積濃度分布（縦軸：粒径D_i、横軸：
体積濃度V_i′）の例を第６図に示す。第６図の曲
線ａは第６図の体積濃度分布のヒストグラムから
求めた対数正規分布の理論曲線である。認識終了
判定手段９０はこのようにして粒径分布演算手段
８０が一画面毎に体積濃度分布の演算を終了する
毎にＮ画面数についてフロツクの画像認識を終了
したかを判定する。認識回数がＮ回未満であれ
ば、その時点で凝集物撮像手段１８が撮像してい
る画像を濃淡画像記憶手段４に記憶させ上述した
フロツクの画像処理を繰り返す。認識回数がＮ回
になれば、(7)式で計算した体積濃度分布の値を体
積濃度分布メモリ９２に格納する。

なお、上述の説明では体積濃度分布を認識画面
毎に計算する例を説明したが、所定の認識回数を
終了した後に(7)式の計算を実行するようにしても
よい。

凝集状態判定回路９４は、体積濃度分布メモリ
９２の値からフロツク粒径分布の対数平均径D_lを
次式で計算する。

D_l＝₅₁ 〓ⁱ⁼¹ V_i・logD_i／₅₁ 〓ⁱ⁼¹ V_i ……(8) 凝集状態判定回路９４で求めた対数平均径D_lは
注入制御装置１００に入力される。凝集状態判定
回路９４から出力された対数平均径D_lは比較回路
１０１に入力される。比較回路１０１は目標値設
定器１０２から与えられる対数平均径の目標値Ｄ
＊_lと演算値D_lの偏差ΔD_lを次式で求める。

ΔD_l＝＝Ｄ＊_l−D_l ……(9) 注入制御回路１０３は偏差ΔD_lに基づき注入ポ
ンプ１２を操作して凝集剤注入量を制御する。具
体的には偏差ΔD_lが負であれば凝集剤注入量を増
加させ、逆に、偏差ΔD_lが正であれば凝集剤注入
量を減少させる。対数平均径D_lと凝集剤注入量Ｐ
の関係は第７図に示すような特性になるが、凝集
剤注入量には最大注入量P_naxと最小注入量P_nioと
を設定して異常注入を防止する。

以上のようにして凝集剤注入を制御するのであ
るが、フロツクの対数平均粒径によつて凝集剤注
入量を制御してているのでフロツク形成を良好に
行うことができる。以下、その理由を第８図、第
９図を用いて説明する。

第８図は凝集剤注入率を変化させた時にフロツ
ク体積濃度分布がどのように変化するかを実測し
た特性図である。

第８図は凝集剤注入率を５mg／から30mg／
まで変化させた時のフロツク体積濃度分布の実測
値を表す。第８図から明らかなように、凝集剤注
入率が増加すると粒径が大きくなり、分布山も大
きくなる。このことは、凝集剤注入率が増加する
と大きなフロツクが多量に形成されたことを意味
している。次に、凝集剤注入率の変化に対してフ
ロツク体積濃度分布がどのように変化するかを実
測した。具体的には第８図に示す実測値から対数
平均径と標準偏差とを計算し、凝集剤注入率の変
化に対して対数平均径と標準偏差とを求めると第
９図のようになる。ここで、第９図に特性ｂとし
て示す標準偏差は分布の広がりの度合を表す指標
である。第９図から明らかなように、凝集剤注入
率の増加に対して特性ａの対数平均粒径は増加す
るが、特性ｂの標準偏差は一定である。したがつ
て、凝集剤注入率を変化させることによつて対数
平均粒径の大きさのみが変化する。したがつて、
本発明のように対数平均粒径を画像計測してこの
値が目標値になるように凝集剤注入率を変化させ
ることによつてフロツクを常に確実に形成させる
ことができる。

なお、本実施例では、空間フイルタリング回路
６１において荷重積和行列を用いてフロツク画像
の輝度勾配を強調して、その後に２値化するの
で、フロツクと背景とを明確に区別してフロツク
を認識することもできる。

〔発明の効果〕

本発明では、フロツクを画像認識することによ
りフロツクの粒径分布を計測して対数平均粒径を
求め、この対数平均粒径により凝集剤注入量の増
減を制御している。このため実際のフロツク形成
の良否を直接判定しながら凝集剤注入量を制御し
てるので、確実かつ安定なフロツク形成を行え
る。

なお、本発明は浄水場以外の凝集プロセスでの
凝集剤注入制御に適用できる。例えば、下水処理
場では活性汚泥に凝集剤を注入して沈降性を改善
するプロセスや、汚泥処理における凝集剤注入に
よる調質プロセスなどにも用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２
図は画像認識手段の一例を示す詳細構成図、第３
図は粒径分布計算手段の一例を示す詳細構成図、
第４図は制御装置の一例を示す詳細構成図、第５
図はラベリングの説明図、第６図はフロツク体積
濃度と粒径の特性図、第７図は凝集剤注入特性
図、第８図、第９図は本発明の効果を説明するた
めの実測した特性図である。１５……フロツク形成池、１８……凝集物撮像
手段、３０……画像認識手段、４０……濃淡画像
情報記憶手段、６０……輝度強調手段、７０……
２値化手段、８０……粒径分布演算手段、９０…
…認識終了判定手段、１００……注入制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

１凝集剤が注入された液中の懸濁物のフロツク
の状態を撮影し輝度情報を電気信号に変換するフ
ロツク撮像手段と、該フロツク撮像手段により得
られた画像信号を２値化してフロツクの形状を認
識する画像認識手段とを具備し、画像認識結果に
基づいて凝集剤の量を制御するようにした凝集剤
の注入制御装置において、前記画像認識手段で認
識されたフロツクの形状に基づいてフロツクの体
積濃度分布を演算する手段と、得られた体積濃度
分布から対数平均粒径を演算する手段及び得られ
た対数平均粒径に基づいて凝集剤の量を制御する
凝集剤注入量制御手段とを備えたことを特徴とす
る凝集剤の注入制御装置。