JPH079000A - 汚泥の凝集状態評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水処理プロセスにおける汚泥の凝集状態を自
動的にかつオンラインで評価するための評価装置を提供
すること。 【構成】 凝集状態にある汚泥の表面をテレビジョンカ
メラ１９により撮像して、凝集体表面の画像情報を得る
手段と、この手段により得られた画像情報に対して２値
化処理を行ってフラクタル次元を算出する画像処理装置
２０とを備えた。 【効果】 オペレータはフラクタル次元の算出結果を目
安に凝集剤添加量の調整を行えば良く、凝集状態の評価
に長年の経験を必要とせずに凝集状態の最適制御を行う
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水処理プロセスの汚泥凝
集処理に関し、特に汚泥の凝集状態の評価装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】水処理プロセスの汚泥凝集処理は汚泥を
効率良く除去するための前処理であり、汚泥を含む水に
適量の凝集剤を添加して汚泥を凝集させる工程である。
この凝集処理工程による汚泥の凝集状態が良好であると
脱水後の汚泥の含水率の低減を図ることができる。この
ため、汚泥の凝集状態を評価し、極力良好な凝集状態を
実現することが水処理プロセスにおいては重要である。

【０００３】従来、このような汚泥の凝集状態を評価す
る方法としては、凝集汚泥の脱水分離液のコロイド荷電
量を測定する方法、あるいは脱水後の汚泥に対し、電極
を接触させた時の電解電流から直接汚泥の水分を計る方
法が提案されているが、いずれもオンラインで凝集状態
を計測するためには適していない。このため、従来は専
らオペレータによる目視と過去の経験的な知識に依存し
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の凝集汚
泥の脱水分離液のコロイド荷電量を測定する方法、ある
いは脱水後の汚泥に対し、直接汚泥の水分を計る方法は
いずれも、特殊なセンサを必要とし、実ラインではその
保守が問題となるばかりでなく、オンラインで凝集状態
を計測するためには適切な方法とはいえない。また、オ
ペレータの目視に基づく凝集状態の評価は必ずしも正確
ではなく、また経験的な知識を要する欠点があった。

【０００５】従って本発明は、このような水処理プロセ
スにおける汚泥の凝集状態を自動的にかつオンラインで
評価するための評価装置を提供することを目的とするも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、凝集状
態にある汚泥の表面をテレビジョンカメラにより撮像し
て、凝集体表面の画像情報を得る手段と、この手段によ
り得られた画像情報に対して２値化処理を行ってフラク
タル次元を算出する画像処理手段とを備えた汚泥の凝集
状態評価装置が得られる。

【０００７】本発明によればまた、凝集状態にある汚泥
の表面をテレビジョンカメラにより撮像して、凝集体表
面の原画像情報を得る手段と、この手段により得られた
原画像情報を２次元フーリエ変換し、その結果として得
られるグラフを一次式で回帰してその傾きを求める画像
処理手段とを備えた汚泥の凝集状態評価装置が得られ
る。

【０００８】

【作用】本発明は、汚泥の凝集体がフラクタル構造を有
しており、凝集状態が良好であるほど、フラクタル次元
が高くなる傾向にあることに着目し、凝集体表面の画像
情報からフラクタル次元を算出することにより、凝集状
態を評価するようにしている。

【０００９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の凝集状態評価装置を適用した水処理
プロセスを示す概略図である。汚泥タンク１１内の汚泥
を含む水１２は、凝集槽１３に送られ、ここで凝集剤タ
ンク１４内の凝集剤１５が添加されて、汚泥が凝集され
る。凝集剤タンク１４内の凝集剤１５は添加量調整機能
を有するポンプ１６により凝集槽１３に送られる。凝集
槽１３内で凝集した凝集体は凝集槽１３外に抜き取ら
れ、脱水機１７により脱水された後、廃棄される。

【００１０】凝集状態をオンラインで測定するために、
凝集槽１３内の凝集体表面の画像をテレビジョンカメラ
１９により撮像し、その出力画像信号は画像処理装置２
０に供給され、ここで後述するような方法により、凝集
状態の評価が行なわれる。その結果は、必要に応じて表
示装置２１に表示される。オペレータ２２はその結果を
見てリモート操作手段２３により、ポンプ１６の回転数
を操作して凝集剤１５の添加量を調整する。また、画像
処理装置２０による評価結果の情報はモータ制御装置２
４に供給され、凝集剤１５の添加量の調整をオペレータ
の手動操作に代えて、自動制御することも可能である。

【００１１】図２は、図１の画像処理装置２０の構成を
より詳細に示すブロック図である。テレビジョンカメラ
１９から送られた画像信号はフレームメモリ２０１にデ
ィジタル信号として記憶された後、ＣＰＵ２０２により
読み出され、後述するアルゴリズムに従って画像の評価
が行われる。この評価結果は表示用回路２０３を通して
表示装置２１に表示される。複雑な画像処理を行う場
合、もしくは処理時間を短縮したい場合には、画像処理
用の高速処理用プロセッサ２０４を追加する場合もあ
る。なお、画像処理装置２０による上記の画像処理はパ
ーソナルコンピュータを利用しても容易に行うことがで
きる。

【００１２】図３は本発明の原理を説明するための凝集
体の凝集状態を示す概略図である。本発明では、凝集体
がフラクタル構造を有していることに着目して、その性
質を利用した画像処理を行う。まず、図３により簡単に
フラクタルの考え方を説明する。図３では、２種類の理
想的な凝集状態を２次元にて表している。図３（ａ）で
は、１次粒子３１の周辺に４ヶの１次粒子３２が付着し
て２次粒子３３´を形成し、それがまた同じ構造で付着
して３次粒子３４を形成する。以下、これを繰り返し
て、凝集体３５として成長する。一方、図３（ｂ）で
は、１次粒子３１の周辺に８ヶの１次粒子３２が付着し
て２次粒子３３を形成し、それがまた同じ構造で付着し
て３次粒子３４´を形成する。以下これを繰り返して、
凝集体３５´として成長する。図３（ｂ）では図３
（ａ）に比べより密な構造にて凝集が行われている。こ
れらに対してフラクタル次元は寸法の増加比に対する粒
子数（面積）の増加比の対数比で表され、それぞれ次数
１及び数２に示す値となる。

【００１３】

【数１】

【００１４】

【数２】

【００１５】数２、すなわち図３（ｂ）のフラクタル次
元は、通常考える２次元と一致するのに対し、数１、す
なわち図３（ａ）のフラクタル次元ではそれより小さい
１．４６という非整数の次元として表される。

【００１６】以上のことから推測されるように、フラク
タル次元は、あるパターンがどの程度の複雑さにおいて
空間内に拡がっているかを非整数の値によって表してい
ると言える。この考え方は同様に３次元空間においても
定義される。

【００１７】凝集体の場合には、良好な凝集状態である
程、フラクタル次元が高くなる傾向になる。そこで、フ
ラクタル次元を画像処理によって求めることで、凝集状
態のオンライン計測を大ざっぱな評価値として行うこと
が、本発明での基本的考え方である。しかしながら、実
際の凝集体は、図３に示すような理想的凝集状態にはな
らず、また多くの凝集体が重なって複雑なパターンを形
成するのが一般的である。

【００１８】図４はこのような一般的な凝集状態を代表
する画像からフラクタル次元を求めるために前処理とし
て行う２値化を説明する画像パターン図である。図４
中、下の画像は原画像であり、上の画像はこれを２値化
画像にしたものである。原画像から２値化画像に変換す
る方法は通常の画像処理分野でよく知られた技術を用い
ることができるので、詳細な説明は省略する。図４に示
される２値化された画像パターンは次に粗視化される。

【００１９】図５は粗視化を説明するための図である。
粗視化とは、図５に示すようにパターンを構成する粒子
５１の大きさに対してより大きなます目５２を切り、そ
の中に１つでも粒子が存在すればそのます目全体を”
１”（図の斜線部）、粒子が１つも存在しなければその
ます目全体を”０”（白地）として、パターンを量子化
することである。

【００２０】次に、このような粗視化を、図６に示すよ
うに，ます目の大きさを画像の画素と同じにした場合を
最小単位として、その２倍、４倍…というように２ⁿ 倍
（ｎ：自然数）して粗視化し、”１”のます目の個数を
数える。すなわち、図６（ａ）は最小単位によるます目
により粗視化した状態を示し、図６（ｂ）は２倍の面積
のます目により粗視化した状態を示し、図６（ｃ）は４
倍の面積のます目により粗視化した状態を示している。

【００２１】その結果を図７に示すように両対数目盛り
からなるグラフ上にプロットする。ここで横軸は粗視化
のます目の倍率ｒ₀ ＝１、ｒ₁ ＝２、ｒ₂ ＝４、ｒ₃ ＝
８、縦軸は粗視化後の”１”のます目の個数Ｍ（ｒ）で
ある。２値化画像が、フラクタル性を有している場合、
図７は直線上にプロットされ、その傾きがフラクタル次
元に相当する。実際にはやや曲線に近くなるので、適当
な部分での傾きで代表させる。例えば、細かい部分の構
造に重点を置く場合には、図７の粗視化の倍率が１から
２に至る領域でのフラクタル次元であるＤ１または粗視
化の倍率が２から４に至る領域でのフラクタル次元であ
るＤ２で代表させる。ここでＤ１及びＤ２はそれぞれ下
記の数３、数４で表される。

【００２２】

【数３】

【００２３】

【数４】

【００２４】このような本発明の実施例は、２値化と粗
視化によるます目の個数を計数するという非常に簡単な
処理により、画像全体の複雑さの評価を行うことができ
るため、１回の計算時間が通常の画像処理に比べ短く、
オンライン計測に適している。また、評価結果が１つの
数値にて表され、オペレータが目視にて凝集状態を評価
する場合の尺度に置き換え易い。

【００２５】図８は本発明の他の実施例を示す図で、図
８（ａ）は原画像パターン、図８（ｂ）はこの原画像パ
ターンを２次元フーリエ変換して得られる波形図であ
る。図９は図８（ｂ）の一部を取り出して示すグラフで
ある。上記の第１の実施例では、計算時間の点で非常に
優れているが、凝集体の表面状態の複雑さ情報を２値化
の段階においてかなり捨てている。凝集体の種類によっ
ては、このような方法では十分な評価結果を得られない
ことも考えられるため、この実施例では図８（ａ）の原
画像を２値化せずに２次元フーリエ変換することによ
り、凝集体の表面状態の評価を行うものである。

【００２６】すなわち、原画像を２次元フーリエ変換す
ると、図８（ｂ）に示すようになる。同図において、横
軸はｘ、ｙそれぞれの方向の波数ｋｘ、ｋｙ（空間周波
数）を表す。また、縦軸は、各周波数の成分の振幅を表
す。凝集体の画像にはｘ，ｙの方向のパターンの偏りは
少ないので、図８（ｂ）もｘ方向、ｙ方向にほぼ対称な
パターンとなって現れる。したがって、どちらか片方向
（図ではｘ方向）のパターンを調べれば、原画像の性質
がわかる。図８（ｂ）のＬで示す部分の信号をグラフに
したものが図９である。凝集体の表面がフラクタル性を
有する場合、Ｌで示す部分の信号を両対数にてグラフに
したものは直線になるが、実際には図９に示すように波
数の小さい範囲と大きい範囲で直線からずれてくる。ま
た、中間の領域でも、ある程度のばらつきを有する。そ
こで、この中間領域を一次式で回帰して、その傾きβを
求めその値を凝集状態評価の代表値とする。

【００２７】図１０は２種類の処理方法の結果を示すグ
ラフである。図１０（ａ）は第１の実施例の方法、すな
わち、２値化画像からフラクタル次元を求める方法によ
るもので、横軸に凝集剤の添加量を、縦軸にフラクタル
次元をそれぞれ示している。図１０は第２の実施例、す
なわち、原画像を２次元フーリエ変換し、その結果とし
て得られるグラフから傾きを求める方法によるもので、
横軸に凝集剤の添加量を、縦軸に回帰一次式の傾きβを
それぞれ示している。図１０（ａ）、（ｂ）から明らか
なように、凝集体は凝集剤の添加量により、その凝集状
態が変化する。そして、その添加量には最適点が存在
し、図１０（ａ）、（ｂ）のグラフで最大の評価値を示
す点は、オペレータが目視にて判断した傾向を良く表し
ている。

【００２８】図１１は凝集状態を定量的に評価する目安
として、水切りの容易さを決める透過抵抗（図ａ）と、
脱水後の凝集体の含水率（図ｂ）を示すグラフである。
図１１において、横軸は凝集剤の添加量を示している。
これらのグラフにおいて、縦軸の値が小さい程、凝集状
態は良好であるが、図１１（ａ）、（ｂ）から明らかに
最適点が存在し、またその点は、図１０にて示す最適点
とほぼ一致することが解る。したがって、本発明の画像
処理結果は、凝集状態を評価する一つの目安となり、ま
たその評価結果を最大にするように凝集剤添加量を調整
することで、凝集状態の最適制御も可能となる。

【００２９】本発明の説明では、凝集剤添加により凝集
体を生成する例を示したが、特に凝集剤を使わないでも
凝集体が生成されている対象がある。例えば活性汚泥の
フロック（生物相の群体が付着し合って形成）がある
が、そのような凝集体の評価にも適用可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば汚泥凝集処理において凝集状態の評価をオンラインに
て計測することが可能となり、しかも評価結果は１つの
数値で表されるので、オペレータはこの評価結果を目安
に凝集剤添加量の調整を行えば良く、凝集状態の評価に
長年の経験を必要とせずに凝集状態の最適制御を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の凝集状態評価装置を適用した水処理プ
ロセスを示す概略図である。

【図２】図１の画像処理装置２０の構成をより詳細に示
すブロック図である。

【図３】本発明の原理を説明するための凝集体の凝集状
態を示す概略図である。

【図４】本発明の一実施例である、一般的な凝集状態を
代表する画像からフラクタル次元を求める方法を説明す
るための画像パターン図である。

【図５】本発明の一実施例である、粗視化の原理を説明
するための図である。

【図６】本発明の一実施例である、粗視化過程を説明す
るための図である。

【図７】本発明の一実施例である、フラクタル次元を求
める原理を説明するための図である。

【図８】フーリエ変換を利用する本発明の他の実施例を
説明するための図である。

【図９】図８に示されたパターンを２次元フーリエ変換
して得られる波形図である。

【図１０】本発明の実施例による２種類の処理方法の結
果を示すグラフである。

【図１１】凝集状態を定量的に評価する目安としての、
水切りの容易さを決める透過抵抗と、脱水後の凝集体の
含水率を示すグラフである。

【符号の説明】

１１ 汚泥タンク １２ 汚泥を含む水 １３ 凝集槽 １４ 凝集剤タンク １５ 凝集剤 １６ ポンプ １７ 脱水機 １９ テレビジョンカメラ ２０ 画像処理装置 ２１ 表示装置 ２２ オペレータ ２３ リモート操作手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凝集状態にある汚泥の表面をテレビジョ
   ンカメラにより撮像して、凝集体表面の画像情報を得る
   手段と、この手段により得られた画像情報に対して２値
   化処理を行ってフラクタル次元を算出する画像処理手段
   とを備えた汚泥の凝集状態評価装置。
2. 【請求項２】 凝集状態にある汚泥の表面をテレビジョ
   ンカメラにより撮像して、凝集体表面の原画像情報を得
   る手段と、この手段により得られた原画像情報を２次元
   フーリエ変換し、その結果として得られるグラフを一次
   式で回帰してその傾きを求める画像処理手段とを備えた
   汚泥の凝集状態評価装置。