(57)【要約】【課題】測定槽内での気泡の発生を防ぎ、しかも被検水の温度を所定範囲に保持するので、気泡や低温などに起因する『水質異常』の誤警報を防止できる異常水質検出装置及び異常水質検出方法を提供する。【解決手段】被検水を予め設定した温度範囲に保った状態でその水質の異常の有無を検出する異常水質検出装置で、被検水の導入管路の周囲に、前記温度範囲に近い温度に制御された温度調整水を供給し、前記導入管路を介した伝熱により、被検水の温度を前記温度調整水の温度に近付ける水温調整装置を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検水を予め設定した温度範囲に保った状態でその水質の異常の有無を検出する異常水質検出装置であって、
被検水の導入管路の周囲を、前記温度範囲に近い温度に制御された温度調整水に接触させ、前記導入管路を介した伝熱により、被検水の温度を前記温度調整水の温度に近付ける水温調整装置を備え、
前記水温調整装置は、前記被検水の導入管路の所定の長さ部分を、前記温度調整水が貯留されたタンク内に設置した構造であり、
前記導入管路の、前記水温調整装置より上流側に、この導入管路を流れる被検水を加熱する加熱器を設けた
ことを特徴とする異常水質検出装置。
【請求項２】
被検水を予め設定した温度範囲に保った状態でその水質の異常の有無を検出する異常水質検出方法であって、
導入管路を流れる被検水を、第１段ヒータである加熱器により、ある程度以上の温度に加熱し、
ある程度以上に加熱された被検水を、その被検水の導入管路の所定の長さ部分が、前記温度範囲に近い温度に制御された温度調整水を貯留するタンク内に設置された水温調整装置に流し、
この被検水の導入管路の周囲を、温度調整水に接触させ、前記導入管路を介した伝熱により、被検水の温度を前記温度調整水の温度に近付ける
ことを特徴とする異常水質検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検水を予め設定した温度範囲に保った状態でその水質の異常の有無を検出する異常水質検出装置及び異常水質検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、浄水場では通常の処理として、河川水等を取水し、この取水を沈殿ろ過槽に通して飲料水を供給している。もし、このような通常の処理では除去できない有害物質、例えば、各種の重金属や農薬および環境ホルモン等といった物質が河川水中に混入した場合は、取水停止という非常事態に至る。
【０００３】
一方、下水処理場では、突発事故や不注意により、工場あるいは化学プラントの排水に各種の重金属イオンや有機溶媒およびヒ素シアン等が混入し、これらが流入すると、下水処理プロセスにおける活性汚泥微生物が大きな阻害を受け、その結果、活性汚泥の活性が低下して処理能力の回復までに多大の時間を必要とする。
【０００４】
したがって、浄水場および下水処理場等において、上記各種の有害物質が混入した場合、流入水を迅速かつ感度良く検出する装置が望まれていた。
【０００５】
この要望に応えて、浄水場では魚行動監視型の毒物検出装置、あるいは、各種の微生物膜を溶存酸素電極に取付けて、その呼吸活性の測定から毒物を検出する装置が用いられている。また、下水処理場では、特定化学物質の混入した排水を検知する各種のセンサが、それぞれの取水口等に設置されている。
【０００６】
これらのうち、浄水場に設置されている魚行動監視型の毒物検出装置は、魚類が毒物反応するまでに時間がかかるため、その検出に長時間を要する。また、魚類の反応感度も飼育されている魚類の種類や個体差、および飼育の環境状態によってかなり異なる。さらに、魚行動監視型の毒物検出装置は、その装置自体が大掛かりで、魚類の飼育や管理面において必要経費が大きい等の問題がある。
【０００７】
そこで、バイオセンサ型の異常水質検出装置が開発されている。一例として、有害物質や雑菌等が繁殖し難い比較的低いｐＨ値のところで作動させることができる鉄酸化細菌をプローブとして用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
このバイオセンサ型水質監視装置では、先ず、検査すべき水を散気水槽において空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体により散気し、溶存酸素濃度が飽和の状態とする。このようにした被検水に対し硫酸第一鉄含有溶液を供給して被検水と混合する。この混合液は、溶存酸素濃度が飽和状態とされた状態で測定槽内に流入される。
【０００９】
測定槽には酸素電極が設けられるが、空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体の供給により常に被検水を飽和溶存酸素濃度にしておき、酸素電極の出力の最大値を安定させておく。前記酸素電極は、先端に微生物膜が取り付けられ、その先端が測定槽内の被検水中に浸漬された状態で設けられている。微生物膜は酸素を利用して硫酸第一鉄を硫酸第二鉄に変えることができる鉄酸化細菌（鉄バクテリアとも言う）を保持している。この酸素電極からの電気出力は変換演算手段によって増幅・変換され、所定の演算が施されて被検水の異常水質が判別される。
【００１０】
測定槽において被検水と接触した微生物膜での鉄バクテリアによる化学的挙動の化学反応式は、以下のとおりである。
【００１１】
4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 → 2Fe2(SO4)3 + 2H2O ・・・（１）
上記（１）式において、2Fe2(SO4)3は水中で電離し、Fe3+イオンが生成される。このFe3+イオンがさらに水（H2O）と反応して、水酸化鉄Fe(OH)3となり沈殿することになる。
【００１２】
この異常水質検出装置では、鉄酸化細菌をプローブとして取付けた溶存酸素電極に被検水と鉄液の混合液を送液し、この送液時における酸素電極からの電気出力を監視するものである。すなわち、被検水に有害物質が混入していない場合は、被検水中の溶存酸素は鉄の酸化に消費されるため、酸素電極によって検出される値は極めて低くなる。これに対して、被検水中に水溶性の有害物質が混入した場合、その有害物質が微生物膜上の鉄酸化細菌の呼吸活性を低下させる。その結果、鉄酸化細菌に消費されなかった酸素が微生物膜を透過するため、酸素電極に到達する酸素量が増加し、酸素電極の出力する電流値が増加する。したがって、酸素電極の出力電流値を閾値と比較することで有害物質の混入を判断する。
【００１３】
なお、このようなバイオセンサ型異常水質検出装置は連続運転されると、被検水中の汚濁物質が各配管の内壁に付着し堆積してくる。また、鉄液中の硫酸第一鉄の一部が硫酸第二鉄に酸化されて、これも除々に堆積してくる。これらは、配管系の閉塞や、異常水質検出の感度低下につながり、検出精度を低下させる原因となる。そのため、被検水と硫酸第一鉄含有溶液の混合液が送液される被検水導入管に酸性溶液を供給し、被検水導入管や測定槽などの被検水通流路に付着堆積している汚濁物質および酸化鉄を除去し、排出する「酸洗浄」を行なうようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−２７１４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このようなバイオセンサ型異常水質検出装置では、一度「水質異常」の警報が発報されると、例えば浄水場ではテロ対策処置等の緊急体制が敷かれ、取水停止かそれに相当する臨時処置がとられる。しかし、その「水質異常」警報が誤警報となった場合、装置を設置している施設に多大な迷惑が掛かるだけでなく、取水停止により、施設内設備の稼動が一時的にストップし、少なくない損害が発生する。それゆえ「水質異常」警報に対する信頼性が要求される。
【００１６】
このため、センサ部の鉄バクテリアを保持する微生物膜の温度管理はシビアとなる。すなわち、通常バイオセンサの水質検査対象となる浄水場取水は、河川表流水であり、夏季の水温は２０〜２５℃まで上昇するが、冬季は４℃程度まで低下する。特に、厳寒地の河川では、河川表層が凍結し、その氷の下層から取水するため、その水温は氷点下付近まで冷えることも珍しくない。このような冷えた被検水を何も加温しないまま、センサ部の鉄バクテリアを保持する微生物膜に供給した場合、鉄バクテリアの活性が極度に低下し、有害物質混入時の酸素消費の挙動と差別化できないため、適正な水質監視ができない。
【００１７】
そのため、まず冷えた被検水を、センサ部や測定槽を常時３０℃に保温するため、測定槽を囲むように設けられた熱交換機能を有するフローセル内に十分通過させて、ある程度加温した後にセンサ部に供給することになっている。
【００１８】
しかし、図２で示すように、一般的に水は低温になるほど溶存空気量が多くなる。このため、低温の水を急激に加温すると、飽和溶存空気量の低下により、溶けきれずに出現した空気が気泡となって、センサ部や測定槽付近に付着する。このように気泡が生じると、鉄酸化細菌の栄養源（硫酸第一鉄）の供給を阻害し、応答上は鉄バクテリアが有害物質によりダメージを受けて栄養源が消費できない場合と同等の反応を示す。このため、装置は「水質異常」と誤認して警報を発報する。
【００１９】
気泡の問題だけであれば、後述するように、測定槽の上流側に位置し、バッファタンクの役割をする散気水槽内にヒータを設けて常時加温すれば、気泡は散気水槽内で発生するため、この問題は解決できる。しかし、被検水は流通状態であるため、流量変動などが生じやすく、この流通状態の被検水を目標とする温度まで正確に加温することは極めて難しい。このような場合、散気水槽の容積を増やして熱容量を大きして貯留状態にすれば、被検水を目標温度まで正確に加温することが可能となる。
【００２０】
ここで、本装置の制約条件として、迅速な有害物質の検出が不可欠である。これに対し、散気水槽を大きくすると、原水に有害物質が混入している場合、大容積の散気水槽内で原水が拡散され、一時的に有害物質濃度が減少する。このため、原水と散気水槽内被検水との有害物質濃度が互いに同等になるためにはかなりの時間を要することとなり、有害物質の検出に時間がかかる。よって、バッファタンクである散気水槽の容積は最小限のままであることが望ましく、したがって、散気水槽より上流側の流水中で加温する必要が生じる。
【００２１】
本発明の目的は、気泡発生や低温状態などに起因する『水質異常』の誤警報を防止できる異常水質検出装置及び異常水質検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の異常水質検出装置は、被検水を予め設定した温度範囲に保った状態でその水質の異常の有無を検出する異常水質検出装置であって、被検水の導入管路の周囲を、前記温度範囲に近い温度に制御された温度調整水に接触させ、前記導入管路を介した伝熱により、被検水の温度を前記温度調整水の温度に近付ける水温調整装置を備え、前記水温調整装置は、前記被検水の導入管路の所定の長さ部分を、前記温度調整水が貯留されたタンク内に設置した構造であり、前記導入管路の、前記水温調整装置より上流側に、この導入管路を流れる被検水を加熱する加熱器を設けたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の異常水質検出方法は、被検水を予め設定した温度範囲に保った状態でその水質の異常の有無を検出する異常水質検出方法であって、導入管路を流れる被検水を、第１段ヒータである加熱器により、ある程度以上の温度に加熱し、ある程度以上に加熱された被検水を、その被検水の導入管路の所定の長さ部分が、前記温度範囲に近い温度に制御された温度調整水を貯留するタンク内に設置された水温調整装置に流し、この被検水の導入管路の周囲を、温度調整水に接触させ、前記導入管路を介した伝熱により、被検水の温度を前記温度調整水の温度に近付けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、流入する被検水の温度および流量に関係なく、散気水槽流入前に水温を適温に漸近させるので、測定槽内での気泡の発生を防ぎことができ、しかも被検水の温度を所定範囲に保持できるので、発泡や低温状態に影響されることなく被検水の異常状態を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による異常水質検出装置の一実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】一般的な水温と酸素溶解度との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明による異常水質検出装置の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の一実施の形態の全体構成を示している。この異常検出装置は、被検水を予め設定した温度範囲に保った状態でその水質の異常の有無を検出するもので、その一例として、測定槽４内に、酸素電極１０が設けられた構造のものを使用している。この酸素電極１０の先端（測定槽４内の図示下端部）には微生物膜９を取り付けている。また、この測定槽４は被検水導入管２に連結しており、被検水が導入される。さらに、この測定槽４は、その周囲に設けられた温度調整器５によって所定温度に調整される。この温度調整器５は、循環式温度調節器２４と連結しており、所定温度に加温された温度調節水が循環供給される。
【００２８】
前記微生物膜９は、酸素を利用して硫酸第一鉄を硫酸第二鉄に変えることができる鉄バクテリアを保持している。酸素電極１０は、この微生物膜９を取り付けた先端部が、測定槽４内の被検水中に浸漬する状態で設置されている。また、酸素電極１０には変換演算手段１１が接続されており、この変換演算手段１１は酸素電極１０から取り出された電気出力を増幅・変換し、所定の演算を施して、後述するように被検水の異常水質を判別する。
【００２９】
散気水槽７は、前述のように、測定槽４に被検水を供給する際のバッファを兼ねるものであり、検査すべき水源の原水（例えば、河川の流入や、浄水場への流入水、下水処理場への流入水など）が、中空糸膜等によるフィルタ２１を通して導入され、ろ過水ポンプ１８により、導入管路１７上に構成される配管用の加熱器２２、及び水温調整装置２３を介して被検水として導入される。
【００３０】
この散気水槽７では、導入された被検水に対し、気体供給器８から空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体を供給し、溶存酸素濃度が飽和の状態の被検水とする。このように溶存酸素濃度が飽和の状態となった被検水は、電磁弁２０を介して被検水供給ポンプ６により前記被検水導入管２に送出され、測定槽４に供給される。
【００３１】
この被検水導入管２には、酸性溶液パック１２、鉄液パック１３が、対応する電磁弁１４，１５、共通の薬液導入管１９、及び薬液供給ポンプ１６を介して連通している。
【００３２】
水温調整装置２３は、被検水が流通する管路の周囲を、循環式温度調節器２４によって、測定槽４を所定の温度範囲に保つための温度に制御された温度調整水と接触させ、被検水が流通する管路を介した伝熱により、被検水の温度を前記温度調整水の温度に近付ける。この水温調整装置２３としては、循環式温度調節器２４内の循環温水貯留タンクに、熱効率の良いコイル状配管を設けている。すなわち、このコイル状配管を水温調整装置２３として用いており、循環式温度調節器２４内の循環温水貯留タンク内の循環温水により、コイル状配管内を流れる被検出水を目標温度である３０℃に漸近させている。
【００３３】
循環式温度調節器２４は、図示しないヒータを有し、内部に貯留される温度調整水を所定の温度に維持するべく加熱制御される。内部に貯留される温度調整水は、循環路２４ａによって、測定槽４周囲の温度調整器５に循環供給される。
【００３４】
水温調整装置２３の上流側に設けられた加熱器２２としては、管路の周囲に電気ヒータを設けたいわゆる配管ヒータを用いる。前述のように、流通状態の被検水を目標とする温度まで正確に加温することは極めて難しいので、この加熱器２２では細かな温度制御は行わずに、原水温度がある程度以下であればオン、ある温度以上となればオフというような使い方を行う。例えば、冬季などにおいて原水（河川水など）が１０℃以下になる場合、水温調整装置２３だけで原水温度を目標値（例えば、３０℃程度）まで上昇させることは、循環する温度調節水の低下をもたらし、測定槽４の温度維持を行うことが困難になるなどの問題が生じる。そこで、この加熱器２２は、先ず第１段のヒータとして、原水温度をある程度以上の温度に加熱するために用いる。したがって、原水温度が２０℃を越える夏季などでは、この加熱器２２は用いない。
【００３５】
被検水は、前述のように、散気水槽７において、気体供給器８から供給された空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体により、常に飽和溶存酸素濃度となっている。また、酸性溶液パック１２から酸性溶液が供給されるとともに、鉄液パック１３から硫酸第一鉄含有溶液が供給され、被検水導入管２で被検水と混合される。この混合液は、上述のように溶存酸素濃度が飽和状態とされた状態で被検水導入管２から測定槽４内に流入される。
【００３６】
前記測定槽４に導入される被検水は、常に飽和溶存酸素濃度にして、酸素電極１０の出力の最大値を安定させる必要がある。飽和溶存酸素濃度は液温度により変化するため、前述のように、温度調整器５によって測定槽４を一定の温度に維持することは重要である。
【００３７】
また、測定槽４内では、酸素電極１０の先端に設けられた、酸素を利用して硫酸第一鉄を硫酸第二鉄に変えることができる鉄バクテリアを保持する微生物膜９と被検水との間で、以下の反応か生じる。微生物膜９に保持された鉄バクテリアは、例えば、Thiobacillus ferrooxidansである。この化学的挙動の化学反応式は、前記（１）式のようになり、2Fe2(SO4)3は水中で電離し、Fe3+イオンが生成される。このFe3+イオンがさらに水（H2O）と反応して、水酸化鉄Fe(OH)3となり沈殿することになる。
【００３８】
なお、微生物膜９に保持される鉄バクテリアとしては、Thiobacillus ferrooxidans以外にも、上記化学反応式の働きを持つすべての微生物が適用可能である。例えば、Gallionella ferruginea、Leptospirillum ferrooxidans、Leptothrix、Sphaerotilus等が適していることが確認されている。
【００３９】
鉄バクテリアの活性、すなわち鉄の酸化量は、温度の影響によっても変化する可能性があるため、測定槽４は温度調整器５によって、鉄バクテリアの活性が安定するような温度に維持されるのが望ましい。温度調整器５の設置は、そういう意味でも重要である。
【００４０】
このように、異常水質検出装置は、鉄酸化細菌をプローブとして取付けた溶存酸素電極１０に被検水と鉄液の混合液を被検水供給ポンプ６および薬液供給ポンプ１６よって送液し、この送液時における酸素電極１０からの電気出力を監視するものである。そして、被検水中の水溶性の有害物質が混入した場合、その有害物質が微生物膜９上の鉄酸化細菌の呼吸活性を低下させる。その結果、鉄酸化細菌に消費されなかった酸素が微生物膜９を透過するため、酸素電極１０に到達する酸素量が増加する。その結果、酸素電極１０が出力する電流値が増加するので、これによって有害物質の混入を判断する。
【００４１】
次に、装置全体の動作を説明する。異常水質検出装置は、前述のように被検水源から得た被検水を、鉄液あるいは酸性溶液と混合して測定槽４に導入し、被検水の水質検査後、排出管３を介して排水する。本発明では、原水を中空糸膜フィルタ２１でろ過した被検水を、まず、配管ヒータ２２で＋１０℃程度加温する。次に、水温調整装置２３により、循環式温度調節器２４に貯留された循環温水と外部接触させ、目標とする温度、例えば３０℃付近まで漸近加温する。
【００４２】
通常、被検水となる河川原水の温度が設置地域、季節、天候、時間単位の気温変動に応じて、０〜２５℃の間で変動する。ここで、配管ヒータ２２のみの加温であれば、上記水温変動に柔軟に追随して、流水状態の被検水を常時３０℃付近に維持・制御することが難しい。すなわち、配管ヒータ２２の出力の選定計算において、流入水の温度条件を低温寄りに設定すると、流入条件がある程度高温なると、３０℃を超えやすくなるため、配管ヒータ２２のON／OFFの頻度が多くなり、リレースイッチ等の機器の消耗が激しくなる。一方、流入水の温度条件を高温寄りに設定すると、年間を通して配管ヒータ２２の頻繁なON／OFFは回避できるが、低温の被検水を３０℃付近に維持・制御することが難しい。
【００４３】
さらに、流水状態の被検水は中空糸膜フィルタ２１によるろ過水であるため、原水濁度の状況によりろ過流量が変化し、そのため、配管ヒータ２２への流入流量条件が大きく変動する。流量が小さくなるほど、加温効率が向上するため、配管ヒータ２２単体での３０℃付近の維持・制御が難しい。また、高度な配管ヒータ２２制御は装置のコストを大幅に上昇させるため、採用し難い。
【００４４】
そこで、本実施の形態では、配管ヒータ２２の後段（下流側）に水温調整装置２３を設けている。この水温調整装置２３は、循環式温度調節器２４内の循環温水貯留タンクに、熱効率の良いコイル状配管を設けており、循環式温度調節器２４内の循環温水貯留タンク内の循環温水により、コイル状配管内を流れる被検出水を目標温度である３０℃に漸近させる。水温調整装置２３への循環温水の流入温度が３０℃を越えない条件下では、被検水の温度は３０℃付近に漸近するにしても、３０℃以上にはならない。夏季のように、被検水となる原水温度が２０℃以上に達する場合は、配管ヒータ２２を常時OFFすることにより対応できる。
【００４５】
なお、水温調整装置２３のみの加温の場合、温度上昇幅を広げるためには、循環式温度調節器２４の容量アップが必要となる。そこで、前述のように、前段の配管ヒータ２２である程度加温（４℃→２０℃付近）して、引き続き水温調整装置２３で３０℃付近に漸近させるほうが、装置の機器実装スペースおよびコスト上有利である。
【００４６】
以上により、酸素電極１０の先端に微生物膜９を保持し、この微生物膜９を透過する酸素量を溶存酸素電極１０で測定して、有害物質の混入を検出するバイオセンサ型異常水質検出装置１では、被検水を加温する方式として、前段に配管ヒータ２２、後段に水温調整装置２３を配置したので、流入する被検水の温度および流量に関係なく、散気水槽７への流入前に水温を適温に漸近させ、測定槽４内での気泡の発生を防ぎ、それに起因する「水質異常」の誤警報を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
４    水質の異常有無を検出する測定槽
１７    被検水の導入管路
２２    加熱器
２３    水温調整装置
２４    循環式温度調節器
２４ａ    温水の循環路
【図１】
2010160169.tif 000003
【図２】
2010160169.tif 000004