WO2022185636A1

WO2022185636A1 - 電子計算機、含水率計測方法、含水率計測システム

Info

Publication number: WO2022185636A1
Application number: PCT/JP2021/043971
Authority: WO
Inventors: 泰子小林; 順田中; 琢也神林; 祐介加賀; 駿介河野; 光太郎北村; 万規子宇田川; 浩樹宮川
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-09-09
Also published as: US20240102925A1; JP7478692B2; JP2022134680A; CN116745601A

Abstract

複数の赤外線ＬＥＤを有しており、複数の赤外線ＬＥＤがそれぞれ異なる波長の赤外線を発光することができる光源または赤外域のタングステンランプやハロゲンランプを光源とし、計測する対象物から反射する少なくとも赤外線を受光することができる受光部と、を備える赤外線計測装置を用いて脱水汚泥を計測して取得される赤外線の反射率または反射光の吸光度を一次微分処理またはオフセット補正した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する、含水率計測方法。

Description

電子計算機、含水率計測方法、含水率計測システム

　本発明は、下水処理場の汚泥処理設備で発生する脱水汚泥の含水率の計測に関する。

　下水処理場における下水処理においては、スクリーンや重力沈降等の手法により、下水汚泥中における固形分と水分が分離され、固形分として回収された下水汚泥が、圧搾等の手法により脱水処理され、脱水汚泥として回収される。

　そして、回収された脱水汚泥は、下水処理場からの産業廃棄物として、例えば、業者に引き渡され、焼却処分されたり、埋立地を作ることに利用されたりする。

　しかしながら、下水処理場からの脱水汚泥の発生量は莫大であり、自治体や維持管理業者等にとって汚泥処分費が負担となり、汚泥処理の高効率化が望まれている。

　下水処理工程のうちで汚泥処理の高効率化を進めるにあたり課題の多い工程としては、下水処理の最終工程である、汚泥を絞って水分と固形物を分離する汚泥脱水工程と、該汚泥脱水工程の手前である、凝集剤を添加して汚水中の濁質を凝集させて集合粒子となるフロックを形成して脱水汚泥の含水率の低減を図る凝集工程と、が挙げられる。しかしながら、下水処理場では熟練作業者の高齢化、少子化に伴う人手不足から、技術の継承が不十分となり、下水処理工程を適切に実行することができないケースも考えられる。

　そこで、汚泥処理の高効率化を図る一例として、下水処理状況をリアルタイムでモニタリングした結果と、過去における下水処理設備の操作に基づく結果と、に基づいて、最適な操作を作業者に提示するデジタル化が一つの解決手段となり得ると考えられる。

　ここで、上記した下水処理場でのデジタル化をするためには、下水処理状況のリアルタイムでのモニタリングが必要となるが、一般的には、汚泥脱水工程に係る脱水汚泥の含水率は、脱水汚泥をサンプリングしてオフラインで計測している。更にその計測は、加熱乾燥させて乾固重量から算出する方法で行い、一例として、脱水汚泥の含水率を求めるまでに２時間ほど要する。そのため、デジタル情報を用いてリアルタイムでのフィードバックを行い、現場作業を支援することが困難な状況となっている。

　その一方で、特許文献１には、赤外線分光法を用いて、脱水汚泥の含水率をリアルタイムで計測する技術が開示されている。詳細には、特許文献１は、複数のフィルタ（６種類の干渉フィルタ）と、光源と、光学系と、を備える赤外線水分測定装置を開示する。ここで、複数のフィルタは、１９４０ｎｍ、１３００ｎｍ、１７２５ｎｍ、１８００ｎｍ、２０６０ｎｍ、２１００ｎｍをそれぞれ主波長とする各狭帯域の赤外線から、測定対象の脱水汚泥の種類に応じて選択された上記赤外線をそれぞれ選択的に透過する。光源は、赤外線を含む光をフィルタに放射する。光学系は、フィルタを介して得られる赤外線を脱水汚泥に照射するとともに該脱水汚泥からのこれら赤外線の反射光を受光する。そして、特許文献１の技術は、測定対象の脱水汚泥の種類に応じて波長の組み合わせを選択し、選択された波長の赤外線に応じた１つの検量線と該赤外線の脱水汚泥による反射光量とに基づいて水分値を演算する。

特開２００３－１５６４３７号公報

　しかしながら、特許文献１の技術では、複数の干渉フィルタを用いるので計測装置が複雑化して計測装置が大型になり、現場での設置場所が限られる場合がある。

　そこで、本発明は、小型で簡易な計測機器で脱水汚泥の含水率を計測することができる含水率計測方法、この含水率計測方法を実行することができる電子計算機、および、この含水率計測方法を実行することができる含水率計測システムを提供することを目的とする。

　本発明の第１の態様によれば、以下の電子計算機が提供される。電子計算機は、下水処理場の汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率を算出することができる。電子計算機は、プロセッサと、記憶資源と、を備える。記憶資源には、含水率算出プログラムが配置される。プロセッサは、含水率算出プログラムを実行して、複数の赤外線ＬＥＤを有しており、複数の赤外線ＬＥＤがそれぞれ異なる波長の赤外線を発光することができる光源、または、赤外線を連続的に発光することができるランプからなる光源と、計測する対象物から反射する少なくとも赤外線を受光することができる受光部と、を備える赤外線計測装置により計測されて取得される脱水汚泥の赤外線の反射率または反射光の吸光度を、微分処理またはオフセット補正した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する。

　本発明の第２の態様によれば、以下の含水率計測方法が提供される。含水率計測方法は、電子計算機を用いて脱水汚泥の含水率を算出する方法である。含水率計測方法は、複数の赤外線ＬＥＤを有しており、複数の赤外線ＬＥＤがそれぞれ異なる波長の赤外線を発光することができる光源、または、赤外線を連続的に発光することができるランプからなる光源と、計測する対象物から反射する少なくとも赤外線を受光することができる受光部と、を備える赤外線計測装置を用いて脱水汚泥を計測して取得される赤外線の反射率または反射光の吸光度を、微分処理またはオフセット補正処理した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する。

　本発明の第３の態様によれば、以下の含水率計測システムが提供される。含水率計測システムは、プロセッサと、記憶資源と、汚泥脱水機と、赤外線計測装置と、を備える。汚泥脱水機は、下水処理場内に設置され、汚泥を脱水して脱水汚泥を排出する。赤外線計測装置は、複数の赤外線ＬＥＤを有しており、複数の赤外線ＬＥＤがそれぞれ異なる波長の赤外線を発光することができる光源、または、赤外線を連続的に発光することができるランプからなる光源と、計測する対象物から反射する少なくとも赤外線を受光することができる受光部と、を備える。記憶資源には、含水率算出プログラムが配置される。プロセッサは、含水率算出プログラムを実行して、赤外線計測装置を用いて脱水汚泥を計測して取得する赤外線の反射率または反射光の吸光度を、微分処理またはオフセット補正した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する。

　本発明の第４の態様によれば、以下の電子計算機が提供される。電子計算機は、下水処理場の汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率を算出することができる。電子計算機は、プロセッサと、記憶資源と、を備える。記憶資源には、含水率算出プログラムが配置される。プロセッサは、含水率算出プログラムを実行して、赤外線を発光するハロゲンやタングステンの白色光源と、反射光をそれぞれ異なる波長に分光する機構と、計測する対象物から反射する赤外線を受光することができる受光部と、を備える赤外線計測装置により計測されて取得される脱水汚泥の赤外線の反射光の吸収スペクトルをオフセット補正処理などでノイズを軽減した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する。

　本発明の第５の態様によれば、以下の含水率計測方法が提供される。含水率計測方法は、電子計算機を用いて脱水汚泥の含水率を算出する方法である。含水率計測方法は、ハロゲンまたはタングステンランプなど白色光源を有しており、赤外線を発光することができる光源と、計測する対象物から反射する赤外線を波長ごとに分光した後に、各波長の赤外光を受光することができる受光部と、を備える赤外線計測装置を用いて脱水汚泥を計測して取得される赤外線の吸収スペクトルをオフセット補正などしてノイズを低減したのちに、さらに、場合によっては、微分処理した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する。

　本発明の第６の態様によれば、以下の含水率計測システムが提供される。含水率計測システムは、プロセッサと、記憶資源と、汚泥脱水機と、赤外線計測装置と、を備える。汚泥脱水機は、下水処理場内に設置され、汚泥を脱水して脱水汚泥を排出する。赤外線計測装置は、光源（タングステンランプ、ハロゲンランプなどの白色光源）を有しており、ファイバーを通して赤外線を発光することができる発光部と、計測する対象物から反射する赤外線を分光し、各波長ごとの赤外反射光を受光することができる受光部と、を備える。記憶資源には、含水率算出プログラムが配置される。プロセッサは、含水率算出プログラムを実行して、赤外線計測装置を用いて脱水汚泥を計測して取得する赤外線の反射光の吸収スペクトルをオフセット補正などでノイズ低減処理した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する。

　本発明によれば、小型で簡易な計測機器で脱水汚泥の含水率を計測することができる含水率計測方法、この含水率計測方法を実行することができる電子計算機、および、この含水率計測方法を実行することができる含水率計測システムが提供される。

第１実施形態に係り、含水率計測システムの構成の一例を説明するための図である。第１実施形態に係り、含水率計測システムの構成の一例を説明するための図である。第１実施形態に係り、含水率計測システムの構成の一例を説明するための図である。第１実施形態に係り、検量線を求めて脱水汚泥の含水率を算出する方法の一例を説明するためのフローチャートである。第１実施形態に係り、検量線を求めて脱水汚泥の含水率を算出する方法の一例を説明するためのフローチャートである。第２実施形態に係り、下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムの処理の一例について説明するためのフローチャートである。第３実施形態に係り、下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムの処理の一例について説明するためのフローチャートである。

　発明が解決しようとする課題に記載した課題を解決するため、以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。図１から図３は、第１実施形態に係り、含水率計測システムの構成の一例を説明するための図である。

　図１に示す含水率計測システム１は、下水処理場における脱水汚泥を計測して含水率を算出することができるシステムであり、汚泥脱水機と、含水率計測機構２と、を備える。

　汚泥脱水機は、汚泥脱水機脱水部１１と、汚泥脱水機排出部１２と、を備える。汚泥脱水機脱水部１１は、汚泥脱水機の脱水部を構成しており、上流側から流入する汚泥の脱水処理を行う。汚泥脱水機脱水部１１は、一例として、ベルトプレス脱水機、スクリュープレス脱水機、遠心脱水機とすることができる。汚泥脱水機排出部１２は、汚泥脱水機の排出部を構成しており、汚泥脱水機脱水部１１で脱水処理された汚泥は、汚泥脱水機排出部１２を介して汚泥脱水機の外部へ排出されて下流側へ流れる。

　含水率計測機構２は、赤外線計測装置２１と、赤外線信号処理装置２２と、計算機３１（電子計算機）と、を備える。

　赤外線計測装置２１は、対象物から反射して受光する赤外領域の光（赤外線）を電気信号（計測信号と呼ぶことがある）に変換する。赤外線計測装置２１は、汚泥脱水機脱水部１１による脱水処理後の脱水汚泥を計測することができるように適宜に設けられる。赤外線計測装置２１は、例えば、汚泥脱水機排出部１２、汚泥脱水機排出部１２の下流側の流路などに設けられる。下水処理場において、汚泥脱水機排出部１２の下流側に汚泥貯留槽を設ける場合、赤外線計測装置２１は、汚泥移送ポンプの汚泥排出口あるいは汚泥貯留槽に設けられてもよい。脱水汚泥の表面は凹凸がある場合には、受光信号情報がばらつくため、脱水汚泥表面を平坦化する機構として、スクレーパや押圧機構が供えられていてもよい。

　図１に示すように、赤外線計測装置２１は、光源と、受光部と、が一体的に設けられた赤外線センサにより構成されている。光源は、複数の赤外線ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）により構成されており、それぞれの赤外線ＬＥＤは、それぞれ異なる波長の赤外線を照射することができる。そして、受光部は、赤外線フォトダイオードにより構成されている。受光部は、対象物（本実施形態では、脱水汚泥）からの反射光や散乱光を受光することで電流を発生させる。

　赤外線信号処理装置２２は、入力される計測信号に対して信号処理を行い、赤外線反射率情報（赤外線スペクトル）を取得し、取得された赤外線反射率情報は、計算機３１に出力される。そして、この赤外線反射率情報を分析することにより、脱水汚泥の含水率が求められる。

　また、図２に示すように、赤外線計測装置は、光源と、受光部と、を分離して設けた赤外線センサの構成（赤外線計測装置２１ａ）であってもよい。この場合、含水率計測機構３が構成される。この構成では、光源は、タングステンランプやハロゲンランプなどの白色光源により構成されている。この光源は、赤外領域にある波長の赤外線を連続的に発光することができ、それぞれの波長の赤外線を一挙に対象物へ照射することができる。そして、受光部は、分光器を備えており、対象物（本実施形態では、脱水汚泥）からの反射光や散乱光を、それぞれの波長の赤外線に分離後に、受光する。なお、照射光ファイバーと反射光受光ファイバーの角度（つまり、照射光プローブと反射光受光プローブとの向きが成す角度）が、４５度の場合、受光強度が良好であったが、この角度は適宜、受光強度が大きくなるように設定される。

　また、図３に示すように、赤外線計測装置は、照射光ファイバー（照射光プローブ）を中心にして、反射光受光ファイバー（反射光受光プローブ）が照射光ファイバーの周囲をとりまくような構成（赤外線計測装置２１ｂ）とされていてもよい。この場合、含水率計測機構４が構成される。この構成では、照射光ファイバーと反射光受光ファイバーが、側面から視たときに平行になるように設置される。そして、照射光ファイバーと反射光受光ファイバーは、照射光に対して平行または略平行（狭角）で反射光を受光するように、設置されることが好ましい。

　赤外線計測装置（２１ａ、２１ｂ）は、対象物から反射して受光する赤外領域の光（赤外線）を電気信号（計測信号と呼ぶことがある）に変換する。赤外線計測装置（２１ａ、２１ｂ）は、汚泥脱水機脱水部１１による脱水処理後の脱水汚泥を計測することができるように適宜に設けられる。赤外線計測装置（２１ａ、２１ｂ）は、例えば、汚泥脱水機排出部１２、汚泥脱水機排出部１２の下流側の流路などに設けられる。下水処理場において、汚泥脱水機排出部１２の下流側に汚泥貯留槽を設ける場合、汚泥移送ポンプの汚泥排出口あるいは赤外線計測装置（２１ａ、２１ｂ）は、汚泥貯留槽に設けられてもよい。

　赤外線信号処理装置２２は、赤外線計測装置（２１ａ、２１ｂ）から入力される計測信号に対して信号処理を行い、赤外線反射率情報や赤外線吸光度情報（赤外線スペクトル）を取得し、取得された赤外線反射率情報や赤外線吸光度情報は、計算機３１に出力される。そして、赤外線反射率情報や赤外線吸光度情報を分析することにより、脱水汚泥の含水率が求められる。

　計算機３１は、プロセッサと、記憶資源と、を備える。プロセッサは、演算装置として構成されている。記憶資源は、適宜の記録装置（例えば、ハードディスクドライブ）にすることができる。本実施形態では、記憶資源には、下水処理場の汚泥脱水機から排出される脱水汚泥から反射した赤外線の反射率を微分処理（本実施形態では、一次微分処理）した後に多変量回帰分析（本実施形態では、重回帰分析）することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出することに用いるプログラム（含水率算出プログラム）が記憶される。そして、記憶資源に記憶されるプログラムは、プロセッサにより実行される。なお、タングステンランプなどのランプを光源とする計測装置の場合は、吸収スペクトルのオフセット補正処理などを行い赤外線吸収スペクトルのノイズを低減したのちに、場合によっては、微分処理(一次微分処理)をしたのちに、多変量回帰分析(本実施形態では、重回帰分析)することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出することに用いるプログラム（含水率算出プログラム）が記憶される。ここで、オフセット補正処理は、一例として、解析対象とする波長範囲の全吸光度データを、ある特定波長のスペクトルの吸光度を０として揃える処理である。

　次に、含水率計測システム１による脱水汚泥の含水率の算出の一例について説明する。図４は、検量線を求めて脱水汚泥の含水率を算出する方法の一例を説明するためのフローチャートである。

　含水率計測システム１の運転開始後（Ｓ１０１）、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を取得するための処理が行われる（Ｓ１０２～Ｓ１０６）。処理ステップＳ１０２においては、赤外線計測装置を用いて既知の含水率の脱水汚泥に赤外線が照射され、赤外線信号処理装置２２を介して、既知の脱水汚泥の赤外線反射率情報が計算機３１に入力される。なお、赤外線反射率情報を計算機３１が取得することができればよく、赤外線計測装置の動作は、一例として、計算機３１により制御されてもよい。この場合、計算機３１の記憶資源には、赤外線計測装置を適切に動作させるためのプログラムが記憶され、プロセッサがプログラムを実行することにより、赤外線計測装置が適切に動作する。

　処理ステップＳ１０２では、詳細には、含水率がそれぞれ異なる脱水汚泥の計測が行われ、ＬＥＤ光源の場合では、１３００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下の波長範囲で複数の波長の赤外光を脱水汚泥に照射して、反射した赤外線量が経時計測される。タングステンランプなどのランプの光源等の場合では、赤外光を脱水汚泥に照射して、反射した赤外線を１１００ｎｍ以上２６００ｎｍ以下の波長範囲で分光後の赤外線量が経時計測される。この経時計測により、計算機３１は、含水率が異なる脱水汚泥それぞれの赤外線反射率情報を取得する。反射率は、赤外光が水成分により吸収されるため、脱水汚泥の含水率が高いほど小さくなり、脱水汚泥の含水率が低いほど大きくなる。

　計算機３１は、赤外線反射率に一次微分処理を行い、一次微分処理に基づく値を取得する（Ｓ１０３）。すなわち、計算機３１は、それぞれ異なる含水率の脱水汚泥に係る赤外線反射率の一次微分値（無次元）と、波長と、の対応関係を示すデータを取得する。

　計算機３１は、一次微分処理の結果に重回帰分析することにより（Ｓ１０４）、回帰直線（検量線）を求める（Ｓ１０５）。すなわち、処理ステップＳ１０４～Ｓ１０５においては、検量線；Ｙ＝ｂ_１Ｘ_１＋ｂ_２Ｘ_２＋・・・＋ｂ_ｎＸ_ｎ＋ｂ_０（ｂ_０、ｂ_１、・・・ｂ_ｎ＝係数）が求められる。ここで、適切な検量線を求めることができればよく、重回帰分析において、変数の数（すなわち、波長範囲におけるデータポイントの間隔）は、適宜に定めることができ、当該重回帰分析によって係数（ｂ_０、ｂ_１、・・・ｂ_ｎ）が求められる。波長範囲は、特に限定されないが、一例として、それぞれ異なる含水率の脱水汚泥の一次微分値にバラつきが少ない波長範囲におけるデータに基づいて、検量線が求められる。

　そして、計算機３１は、Ｘに対応する波長のデータ（詳細には、赤外線反射率から取得される、Ｘに対応する波長のデータ）を検量線に入力した結果に基づき、脱水汚泥の含水率（予測値）を算出することができる。なお、上記したように、水に対する赤外線の吸収を考慮すると、１１００ｎｍ以上２６００ｎｍ以下の波長範囲で計測を行い、取得される赤外線の反射率を一次微分して検量線を求めることで、検量線を用いて脱水汚泥の含水率を精度良く算出することができる。

　計算機３１は、処理ステップＳ１０５で求めた検量線を学習情報として記憶資源に記憶させる（Ｓ１０６）。そして、その後の処理においては、計算機３１は、学習情報として記憶資源に記憶させた検量線を用いて含水率を算出する（Ｓ１０７～Ｓ１０９）。

　例えば、汚泥脱水機から経時で排出される脱水汚泥が赤外線計測装置により経時計測され（Ｓ１０７）、計算機３１は、経時計測により取得されたデータに基づく赤外線反射率情報を取得する。処理ステップＳ１０７では、一例として、赤外線計測装置２１が１３００ｎｍ以上２４００ｎｍ以下の波長範囲で複数の波長の赤外線を照射して、脱水汚泥が経時計測される。そして、計算機３１は、計測により取得する赤外線反射率（詳細には、赤外線反射率から取得される、検量線のＸに対応する波長のデータ）を、検量線に入力して取得される解析結果に基づき（Ｓ１０８）、脱水汚泥の含水率を算出する（Ｓ１０９）。

　なお、本実施形態では、検量線を求めることに用いた脱水汚泥（すなわち、上記のＳ１０２で計測される、含水率が既知の脱水汚泥）の含水率は、６０ｗｔ％以上９０ｗｔ％未満の範囲であった。この条件に基づいて、精度の良い検量線を求めることができる。また、検量線を用いて算出する脱水汚泥（すなわち、上記のＳ１０７で計測される、汚泥脱水機から排出される脱水汚泥）の含水率は、６０ｗｔ％以上８５ｗｔ％未満の範囲であった。この条件に基づいて、脱水汚泥の含水率を精度良く算定することができる。

　本実施形態で説明された脱水汚泥の含水率の計測方法では、シンプルな計測を行うことができる。また、簡易な計測機構を用いて計測を行うことができる。すなわち、干渉フィルタなどを用いる計測装置ではなく、小型で簡単な赤外線計測装置を用いて計測を行うことができる。従って、計測装置が複雑化して計測装置が大型になり、現場での設置場所が限られるという問題に対応することができる。更に、本実施形態で説明された脱水汚泥の含水率の計測方法によれば、例えば、赤外線反射率を解析前処理として一次微分処理することで、計測精度を上げることが可能である。従って、脱水汚泥の含水率を高精度に算定することができる。

　なお、赤外線計測装置を用いて計測された脱水汚泥の含水率の解析処理において、一次微分処理を行って脱水汚泥の含水率を精度良く求めることができるが、その理由としては、一例として、該一次微分処理により、それぞれの赤外線の照射能力の差異や、受光する赤外線の波長毎の感度の差異による効果が抑制されたことが考えられる。すなわち、例えば、照射する赤外線の強度について長波長よりも短波長の方が強く、受光する赤外線の感度について長波長よりも短波長の方が高い場合、短波長側の計測結果に長波長側の計測結果が埋もれることがあると考えられるが、微分処理により解消されると考えられる。

　本実施形態では、微分処理として一次微分処理について説明されたが、一次微分処理は一例であり、実施する微分処理は、例えば、脱水汚泥の成分に応じて適宜選択されてもよく、微分処理は、一次微分処理に限定されない。また、重回帰分析の前に、反射スペクトルのオフセット処理を行い、赤外線反射スペクトルのノイズを低減してもよい。また、赤外線反射スペクトルのノイズを低減するために、平滑化などを採用してもよく、含水率の予測精度が高くなるように適宜選択される。

　また、タングステンランプやハロゲンランプなどの白色光源を用いる場合、図５に示すように、赤外線反射光の吸光度を計測し（Ｓ１０２’）、赤外線反射光の吸光度のスペクトルをオフセット補正し（Ｓ１０３’）、検量線が求められてもよい。そして、計測により取得する吸光度をこの検量線に入力して解析し（Ｓ１０８’）、含水率の予測値を算出してもよい。

　含水率計測システム１は、図１から図３に示すように、表示装置４１を備えてもよい。ここで、表示装置４１は、適宜のディスプレイとして構成することができ、下水処理場内に配置することができる。そして、算出される脱水汚泥の含水率（つまり、上記のＳ１０９で算出される含水率）を表示装置４１に表示させてもよい。この場合、一例として、計算機３１の記憶資源に脱水汚泥の含水率を表示させるための適宜のプログラムが記憶され、プロセッサによるプログラムの実行に基づいて、脱水汚泥の含水率の表示が行われる。

　ところで、下水処理場では熟練作業者の高齢化、少子化に伴う人手不足から、技術の継承が不十分となり、下水処理工程を適切に実行することができないケースも考えられる。この問題に対しては、下水処理状況をリアルタイムでモニタリングした結果と、過去における下水処理設備の操作に基づく結果と、に基づく最適な操作内容を作業者に提示するというデジタル化が一つの解決手段となり得る。

　具体的に説明すると、汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率と、所望汚泥含水率（つまり、汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の良好な含水率）と、を比較して、脱水汚泥の含水率を所望汚泥含水率に近づけるための設備操作手順を表示装置４１に逐次表示することにより、下水汚泥処理の設備運転を支援することを可能として上記の問題が解決される。

　ここで、脱水汚泥の含水率は、上記で求めた検量線を用いて取得されてもよい。例えば、上記で求めた検量線を用いて、汚泥脱水機から経時で排出される脱水汚泥の含水率を経時で算出してもよい。また、上記した設備操作手順は、脱水汚泥の含水率を所望汚泥含水率に近づけるための汚泥脱水機の操作手順を示すデータとすることができる。設備操作手順は、一例として、熟練作業者の操作手順に基づくデータとすることができ、設備操作手順には、例えば、脱水汚泥の含水率を所望汚泥含水率に近づけるための汚泥脱水機の圧力調整の操作手順（現状の含水率が所望汚泥含水率よりも高い場合において脱水圧力を上げて所望汚泥含水率に近付けるための操作手順、現状の含水率が所望汚泥含水率よりも低い場合において脱水圧力を下げて所望汚泥含水率に近づけるための操作手順）が含まれてもよい。

　所望汚泥含水率に関するデータおよび設備操作手順は、計算機３１の記憶資源に記憶される。また、所望汚泥含水率と、汚泥脱水機の稼働時に取得する脱水汚泥の含水率と、を比較して、脱水汚泥の含水率を良好な含水率にするための、汚泥脱水機の設備操作手順を表示装置４１に逐次表示することに用いる操作手順表示プログラムが計算機３１の記憶資源に記憶される。そして、プロセッサが操作手順表示プログラムを実行することにより、脱水汚泥の含水率を所望汚泥含水率に近づけるための設備操作手順が表示装置４１に逐次表示され、下水汚泥処理の設備運転を支援することが可能となる。

　次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明にあたり、既に説明した内容と重複する説明については省略することがある。

　第２実施形態では、第１実施形態で求められる検量線を用いて（つまり、上記したＳ１０６で記憶される検量線を用いて）、下水汚泥処理における設備運転を支援する下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムについて説明する。

　下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムは、一例として、下水処理工程の流れとして、凝集混和槽と、汚泥脱水機、汚泥貯留槽の下水処理設備が設置されている下水処理場において、汚泥処理の効率化を図るための下水処理設備の運転支援、制御を実現するために設けられる。凝集混和槽は、凝集剤を添加して、汚水中の濁質を凝集させて集合粒子となる凝集フロックを形成するために用いる槽である。一般的に、凝集混和槽には、攪拌装置が設けられ、凝集混和槽の内部は、攪拌装置によって攪拌される。

　下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムは、一例として、撮像装置と、赤外線計測装置と、撮像信号処理装置と、赤外線信号処理装置２２と、計算機３１と、表示装置４１と、を備える。

　撮像装置は、イメージセンサを有している装置であり、対象物の光（物理量）の像を、その光の強度に応じた電気的信号（画像信号と呼ぶことがある）に変換する。撮像装置は、一例として、凝集混和槽の内側の汚泥を撮像することができるように設けられ、撮像装置は、撮像により取得する画像信号を、撮像信号処理装置に出力する。撮像信号処理装置は、撮像装置から入力される画像信号に対して信号処理を行って画像情報を取得する装置であり、取得された画像情報は、計算機３１に出力される。

　本実施形態において、計算機３１の記憶資源には、所望凝集フロック状態と、所望汚泥含水率と、設備操作手順と、がデータとして記憶される。所望凝集フロック状態は、凝集混和槽における良好な凝集フロック状態を示すデータである。そして、設備操作手順には、第１実施形態で説明された所望汚泥含水率に近付けるための汚泥脱水機の操作手順に加えて、凝集混和槽における凝集フロックを所望凝集フロック状態に近づけるための凝集混和槽の操作手順が含まれる。

　ここで、凝集混和槽の操作手順に関する設備操作手順は、一例として、熟練作業者の操作手順に基づくデータとすることができる。設備操作手順には、例えば、凝集フロックを所望凝集フロックに近付けるための凝集混和槽の攪拌装置の操作手順が含まれていてもよい。例えば、現状の凝集フロックが所望凝集フロックよりも大きい場合には、凝集混和槽の攪拌速度を大きくして凝集フロックを小さくするための操作手順が含まれていてもよい。また、設備操作手順には、例えば、凝集フロックを所望凝集フロックに近付けるための凝集剤の添加の操作手順が含まれていてもよい。例えば、現状の凝集フロックが所望凝集フロックよりも小さい場合には、凝集剤の添加量を増加して凝集フロックを大きくするための操作手順が含まれていてもよい。

　本実施形態では、操作手順表示プログラムは、所望汚泥含水率と、汚泥脱水機の稼働時に取得する脱水汚泥の含水率と、を比較して、脱水汚泥の含水率を良好な含水率にするための、汚泥脱水機の設備操作手順を表示装置４１に逐次表示することに加えて、所望凝集フロック状態と、凝集混和槽の稼働時に取得する凝集フロックと、を比較して、凝集フロック状態を良好な状態にするための、凝集混和槽の設備操作手順を表示装置４１に逐次表示することに用いられる。そして、プロセッサが操作手順表示プログラムを実行することにより、凝集混和槽と汚泥脱水機の設備操作手順が表示装置４１に逐次表示され、下水汚泥処理における設備運転を支援することが可能となる。

　次に、下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムの処理フローの一例について説明する。図６は、下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムの処理の一例について説明するためのフローチャートである。なお、図６におけるＳ１０１～Ｓ１０９の説明については、第１実施形態の場合と同様の処理を行うので、説明を省略する。

　下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムの運転開始後（Ｓ９０１）、所望凝集フロック状態を取得するための処理が行われる。なお、処理ステップＳ９０１は、処理ステップＳ１０１と同じタイミングとすることができる。

　運転開始後に、凝集混和槽の内側の汚泥が撮像装置により経時計測され、画像情報が撮像信号処理装置を介して計算機３１に入力され（Ｓ９０２）、計算機３１に画像情報が記憶される（Ｓ９０３）。なお、計算機３１が画像情報を取得することができればよく、撮像装置の動作は、一例として、計算機３１により制御されてもよい。この場合、計算機３１の記憶資源には、撮像装置を適切に動作させるためのプログラムが記憶され、プロセッサがプログラムを実行することにより、撮像装置が適切に動作する。

　計算機３１は、取得した画像情報に、凝集フロックを明確にするための画像処理を行う。画像処理は、記憶資源に記憶される適宜のプログラム（つまり、画像処理を行うための適宜のプログラム）をプロセッサが実行することにより行われる。

　画像処理（Ｓ９０４～Ｓ９１０）について説明する。先ず、計算機３１は、取得した画像情報をモノクロ変換する処理を行う（Ｓ９０４）。次に、モノクロ画像にヒストグラム平均化処理を行って平坦化（つまり、高コントラスト化）する処理を行う（Ｓ９０５）。そして、処理ステップＳ９０６において、ヒストグラム平均化処理された画像には、ガウシアンフィルタ処理が行われる（つまり、画像をぼかして輝度を滑らかに調整する処理が行われる）。

　次に、計算機３１は、ガウシアンフィルタ処理された画像に二値化処理を行う（Ｓ９０７）。これにより、汚水領域を背景部分とする２値画像が取得される。そして、２値画像において、凝集フロックの部分を解析するために、汚水部分を背景領域とした画素領域の輪郭を抽出する処理が行われる（Ｓ９０８）。これにより、凝集フロックの部分が抽出される。そして、画素領域の輪郭との連結性が判定され、画素領域の輪郭の画素と同じ値の部分が背景部分から抽出され、背景部分に対する画素連結領域が抽出される（Ｓ９０９）。

　次に、画素連結領域を凝集フロックの形状として、画素連結領域の画素数を積算した積算画素数を求める処理と、撮像装置により計測（取得）する画像の面積に基づいて積算画素数を換算することにより凝集フロックの面積である凝集フロック面積を算出する処理と、が行われる。すなわち、画素連結領域の画素数（積算画素数）が求められ、撮像装置１０５により取得した画像の面積を考慮して、積算画素数から凝集フロック面積が換算される（Ｓ９１０）。

　ここで、上記した処理（Ｓ９０４～Ｓ９１０）は、例えば、下水汚泥処理設備の運転に関して豊富な経験値を有している熟練経験者により実行される。そして、熟練経験者の設備運転に基づく結果（すなわち、良好な凝集フロックの状態のデータ）が、所望凝集フロック状態として計算機３１の記憶資源に記憶（学習）される（Ｓ９１１）。なお、所望凝集フロック状態は、一例として、凝集フロックの面積のデータとして算出することができる。

　その後の処理（つまり、Ｓ９１１の後であり、学習情報の保存後）においては、撮像装置により取得する汚泥の画像情報に同様の画像処理が行われ、上記した所望凝集フロック状態の場合と同様に、凝集フロックが算出される（Ｓ１１０）。

　そして、プロセッサによる操作手順表示プログラムの実行により、凝集フロック（Ｓ１１０で算出される）と所望凝集フロック状態を比較し、且つ、脱水汚泥の含水率（Ｓ１０９において出力される予測値）と所望汚泥含水率を比較する、解析処理が行われる（Ｓ１１１）。そして、所望凝集フロック状態に近づけるための凝集混和槽の操作手順および所望汚泥含水率に近づけるための汚泥脱水機の操作手順が（すなわち、推奨される設備操作の内容が）、表示装置４１に逐次表示される（Ｓ１１２）。そして、表示装置４１の表示内容により、下水汚泥処理における作業者の設備運転が支援される。

　本実施形態によれば、第１実施形態で説明された検量線を用いて脱水汚泥の含水率を精度良く算出し、下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムを運転させることができる。なお、本実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、含水率が６０ｗｔ％以上９０ｗｔ％未満の範囲にある、既知の含水率の脱水汚泥から検量線が取得されている。また、検量線を用いて、含水率が６０ｗｔ％以上８５ｗｔ％未満の範囲にある脱水汚泥の計測が行われている。

　次に、第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明にあたり、既に説明した内容と重複する説明については省略することがある。

　第３実施形態では、第２実施形態の場合と同様に、第１実施形態で求められる検量線を用いて（つまり、上記したＳ１０６で記憶される検量線を用いて）、下水汚泥処理における設備運転を支援する下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムについて説明する。

　本実施形態では、図７に示すように、赤外線反射光の吸光度を計測し（Ｓ１０２’）、吸光度をオフセット補正し（Ｓ１０３’）、オフセット補正したデータから検量線が求められる。そして、この検量線に反射光の吸光度を入力して解析することにより（Ｓ１０８’）、含水率が算出される。なお、第２実施形態では、含水率計測機構２、含水率計測機構３、または、含水率計測機構４のうちの何れかを用いることができるが、本実施形態では、含水率計測機構３または含水率計測機構４が用いられる。また、Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０７、Ｓ１０８が、Ｓ１０２’、Ｓ１０３’、Ｓ１０７’，Ｓ１０８’に置き換えて、構成される。

　以上、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

　上記の実施形態では、赤外線信号処理装置２２により、取得したデータの信号処理が行われたが、例えば、赤外線信号処理装置２２を計算機３１の一部として構成し、計算機３１が取得したデータの信号処理を行ってもよい。また、赤外線信号処理装置２２を省略して、計算機３１の記憶資源に当該信号処理を行うためのプログラムを記憶させ、プロセッサによる当該プログラムの実施により、当該信号処理が行われてもよい。すなわち、計算機３１は、赤外線計測装置による経時計測により取得されたデータを記憶資源に格納し、当該プログラムの実施により、当該データから赤外線反射率や赤外線吸光度を算出してもよい。

　上記の実施形態では、撮像信号処理装置により、取得したデータの信号処理が行われたが、例えば、撮像信号処理装置を計算機３１の一部として構成し、計算機３１が取得したデータの信号処理を行ってもよい。また、撮像信号処理装置を省略して、計算機３１の記憶資源に当該信号処理を行うためのプログラムを記憶させ、プロセッサによる当該プログラムの実施により、当該信号処理が行われてもよい。すなわち、計算機３１は、撮像装置による経時計測により取得されたデータを記憶資源に格納し、当該プログラムの実施により、当該データから画像情報を取得してもよい。

　上記で説明された、撮像装置の位置は、凝集混和槽における凝集フロックを適宜に計測することができれば特に限定されない。撮像装置は、例えば、凝集混和槽における凝集フロックを計測することができる位置、凝集混和槽の内部、凝集混和槽の外部、凝集混和槽の下流側の汚泥の流路などに、適宜に設けることができる。

　プロセッサの一例としてはＣＰＵが考えられるが、所定の処理を実行する主体であれば他の半導体デバイス（例えば、ＧＰＵ）でもよい。

　記憶資源は、一例として、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ；Ｈａｒｄ　ｄｉｓｋ　ｄｒｉｖｅ）であることが考えられるが、記憶資源は、適宜の記録装置とすることができる。記憶資源は、例えば、半導体素子メモリを使ったドライブであるソリッドステートドライブ（ＳＳＤ；Ｓоｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）であってもよい。

　取得する赤外線の反射率や吸光度の値は、温度や湿度、脱水汚泥表面の平滑性、脱水汚泥と受光部の距離が影響すると考えられる。そこで、汚泥の測定箇所やその周辺における温度や湿度、脱水汚泥表面の平滑性、脱水汚泥と受光部の距離を考慮した分析処理が行われてもよい。また、計測した結果が、温度や湿度、脱水汚泥表面の平滑性、脱水汚泥と受光部の距離によって補正されてもよい。このようにすることで、測定精度の向上が図られる。

　比較例について説明する。第１実施形態と同様に、脱水汚泥の赤外線反射率を計測し、一次微分処理をせずに多変量回帰分析を実行して検量線を求め、この検量線を用いて脱水汚泥の赤外線反射率の計測値から予測される含水率を算定した結果、決定係数（Ｒ２）は０．６８６であり、予測ばらつき（標準偏差）は４．７５６ｗｔ％であり、第１実施形態と比較して計測精度は低く不十分であった。なお、赤外線計測装置２１と同じ構成による計測を行った。

１　　含水率計測システム
２　　含水率計測機構
３　　含水率計測機構
４　　含水率計測機構
１１　　汚泥脱水機脱水部
１２　　汚泥脱水機排出部
２１　　赤外線計測装置
２１ａ　赤外線計測装置
２１ｂ　赤外線計測装置
２２　赤外線信号処理装置
３１　計算機
４１　表示装置

Claims

　下水処理場の汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率を算出することができる電子計算機であって、
　プロセッサと、記憶資源と、を備え、
　前記記憶資源には、
　含水率算出プログラムが配置され、
　前記プロセッサは、
　前記含水率算出プログラムを実行して、
　複数の赤外線ＬＥＤを有しており、複数の前記赤外線ＬＥＤがそれぞれ異なる波長の赤外線を発光することができる光源、または、赤外線を連続的に発光することができるランプからなる光源と、計測する対象物から反射する少なくとも赤外線を受光することができる受光部と、を備える赤外線計測装置により計測されて取得される脱水汚泥の赤外線の反射率または反射光の吸光度を、微分処理またはオフセット補正した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、前記検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する、
ことを特徴とする電子計算機。
　請求項１に記載の電子計算機であって、
　含水率が６０ｗｔ％以上９０ｗｔ％未満の範囲にある脱水汚泥から前記検量線を求め、
　前記検量線を用いて算出する脱水汚泥の含水率が、６０ｗｔ％以上８５ｗｔ％未満の範囲にある、
ことを特徴とする電子計算機。
　請求項１に記載の電子計算機であって、
　１１００ｎｍ～２４００ｎｍの波長範囲にある赤外線を発光させて取得する赤外線の反射率または反射光の吸光度を用いて前記検量線を求める、
ことを特徴とする電子計算機。
　請求項１に記載の電子計算機であって、
　前記記憶資源には、
　下水処理場の凝集混和槽における良好な凝集フロック状態である所望凝集フロック状態と、
　汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の良好な含水率である所望汚泥含水率と、
　前記凝集混和槽における凝集フロック状態を前記所望凝集フロック状態にし、且つ、前記汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率を前記所望汚泥含水率にするための、前記凝集混和槽と前記汚泥脱水機の設備操作手順と、がデータとして記憶され、
　前記所望凝集フロック状態および前記所望汚泥含水率と、下水処理設備の稼働時に取得する前記凝集フロック状態および前記下水処理設備の稼働時に取得する前記脱水汚泥の含水率と、を比較して、前記凝集フロック状態を良好な状態にし、且つ、前記脱水汚泥の含水率を良好な含水率にするための、前記凝集混和槽と前記汚泥脱水機の設備操作手順を表示装置に逐次表示することに用いる操作手順表示プログラムが記憶され、
　前記プロセッサが前記操作手順表示プログラムを実行して、
　前記所望凝集フロック状態および前記所望汚泥含水率と、前記下水処理設備の稼働時に取得する前記凝集フロック状態および前記下水処理設備の稼働時に取得する前記脱水汚泥の含水率と、を比較して、前記凝集フロック状態を良好な状態にし、且つ、前記脱水汚泥の含水率を良好な含水率にするための、前記凝集混和槽と前記汚泥脱水機の設備操作手順を表示装置に逐次表示する、処理を行う際に、
　前記プロセッサが前記含水率算出プログラムを実行して、
　前記汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率を、前記検量線を用いて算出する、
ことを特徴とする電子計算機。
　請求項１の電子計算機であって、
　前記多変量回帰分析の前に、一次微分処理またはオフセット補正処理を行う、
ことを特徴とする電子計算機。
　電子計算機を用いて脱水汚泥の含水率を算出する含水率計測方法であって、
　複数の赤外線ＬＥＤを有しており、複数の前記赤外線ＬＥＤがそれぞれ異なる波長の赤外線を発光することができる光源、または、赤外線を連続的に発光することができるランプからなる光源と、計測する対象物から反射する少なくとも赤外線を受光することができる受光部と、を備える赤外線計測装置を用いて脱水汚泥を計測して取得される赤外線の反射率または反射光の吸光度を、微分処理またはオフセット補正処理した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、前記検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する、
ことを特徴とする含水率計測方法。
　請求項６に記載の含水率計測方法であって、
　含水率が６０ｗｔ％以上９０ｗｔ％未満の範囲にある脱水汚泥から前記検量線を求め、
　前記検量線を用いて算出する脱水汚泥の含水率が、６０ｗｔ％以上８５ｗｔ％未満の範囲にある、
ことを特徴とする含水率計測方法。
　請求項６に記載の含水率計測方法であって、
　１１００ｎｍ～２４００ｎｍの波長範囲にある赤外線を発光させて取得する赤外線の反射率または反射光の吸光度を用いて前記検量線を求める、
ことを特徴とする含水率計測方法。
　請求項６に記載の含水率計測方法であって、
　前記汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率を良好な含水率に近付けるための支援を行う下水汚泥処理設備運転支援ナビゲーションシステムの運転時に、前記汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率を、前記検量線を用いて算出する、
ことを特徴とする含水率計測方法。
　請求項６に記載の含水率計測方法であって、
　前記多変量回帰分析の前に、一次微分処理またはオフセット補正を行う、
ことを特徴とする含水率計測方法。
　請求項６から請求項１０までの何れか一項に記載の含水率計測方法を電子計算機に実行させるプログラム。
　プロセッサと、記憶資源と、汚泥脱水機と、赤外線計測装置と、を備え、
　前記汚泥脱水機は、
　下水処理場内に設置され、汚泥を脱水して脱水汚泥を排出し、
　前記赤外線計測装置は、
　複数の赤外線ＬＥＤを有しており、複数の前記赤外線ＬＥＤがそれぞれ異なる波長の赤外線を発光することができる光源、または、赤外線を連続的に発光することができるランプからなる光源と、計測する対象物から反射する少なくとも赤外線を受光することができる受光部と、を備え、
　前記記憶資源には、
　含水率算出プログラムが配置され、
　前記プロセッサは、
　前記含水率算出プログラムを実行して、
　前記赤外線計測装置を用いて脱水汚泥を計測して取得する赤外線の反射率または反射光の吸光度を、微分処理またはオフセット補正した後に多変量回帰分析することにより、脱水汚泥の含水率を算出するための検量線を求め、前記検量線を用いて脱水汚泥の含水率を算出する、
ことを特徴とする含水率計測システム。
　請求項１２に記載の含水率計測システムであって、
　含水率が６０ｗｔ％以上９０ｗｔ％未満の範囲にある脱水汚泥から前記検量線を求め、
　前記検量線を用いて算出する脱水汚泥の含水率が、６０ｗｔ％以上８５ｗｔ％未満の範囲にある、
ことを特徴とする含水率計測システム。
　請求項１２に記載の含水率計測システムであって、
　１１００ｎｍ～２４００ｎｍの波長範囲にある赤外線を発光させて取得する赤外線の反射率または反射光の吸光度を用いて前記検量線を求める、
ことを特徴とする含水率計測システム。
　請求項１２に記載の含水率計測システムであって、
　前記多変量回帰分析の前に、一次微分処理またはオフセット補正を行う、
ことを特徴とする含水率計測システム。