(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料のメタン活性を測定するための測定装置であって、
試料を収容してメタンガス及び炭酸ガスを発生させる容器と、
前記容器内で発生するメタンガス及び炭酸ガスを含むガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサによって検出される圧力に基づいて該試料のメタン活性に関する特性値を演算する演算器と、
を備え、前記演算が、前記圧力センサによって検出される圧力をメタンガスの分圧に換算する補正演算を含むことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記容器の上部を密閉するための蓋部を含む上部構造体を更に備え、前記容器内に試料を収容して前記容器に前記上部構造体が装着された状態において前記蓋部の内側の面が該試料の上面に対して空間を介して対面するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記測定装置が試料から発生する炭酸ガスを吸収する手段を備えない場合においても所定の精度で該試料のメタン活性に関する特性値を演算することができるように前記補正演算が決定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記容器の上部を密閉するための蓋部を含む上部構造体を備え、前記圧力センサ及び前記演算器が、前記上部構造体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項５】
前記上部構造体に、前記演算器によって演算されたメタン活性値を表示する表示部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
【請求項６】
前記上部構造体が、電池を収容する収容部を有し、電力を必要とする部分が、前記上部構造体にのみ存在することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の測定装置。
【請求項７】
前記容器の少なくとも一部が透明な材質で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記演算器が演算するメタン活性に関する特性値には、メタン活性値が含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚泥等の試料のメタン活性を測定するための測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
汚泥中の有機化合物は、嫌気性の条件下で、メタン細菌によるメタン発酵によってメタンガスと炭酸ガスを発生する。特開平１０−２２７７８１号公報に、汚泥等の試料のメタン活性値（メタン生成活性量）［ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ／ｄ］を測定するための装置が記載されている。同公報に記載された装置では、試料を収容する圧力容器内に、水酸化ナトリウム水容液を満たした炭酸ガス吸収容器が配置されている。汚泥のメタン活性値を測定する際は、汚泥に反応液を混ぜた混合物を圧力容器内に入れる。そして、メタン発酵によって発生する炭酸ガスを水酸化ナトリム水容液に吸収させながら、メタンガスのみの圧力を圧力センサで測定する。そして、所定時間区間におけるメタンガスの圧力変化に基づいて、一日当たりのメタン活性値を所定の演算式に従って算出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、汚泥等の試料からは、メタン発酵により、メタンガスの他、炭酸ガスが発生する。したがって、メタン活性値を求めるべくメタンガスの圧力（圧力変化）を測定するためには、炭酸ガスを吸収することが重要であると考えられていた。
【０００４】
しかしながら、炭酸ガスを吸収するために、圧力容器内に炭酸ガス吸収容器を配置する構成を採用すると、その分だけ装置が大型化することは避けられない。また、炭酸ガスを吸収する手段として典型的に使われる水酸化ナトリウムは、手に付着しないようにするなど、取り扱いを慎重に行う必要がある。更に、圧力容器内に炭酸ガス吸収容器を入れ、更にその中に水酸化ナトリウムを入れる必要がある構成は、メタン活性値の測定を煩雑化する。
【０００５】
本発明は、上記の検討に基づいてなされたものであり、例えば、メタン活性に関する特性値の測定の際に炭酸ガスを吸収する必要性をなくすことを目的とする。或いは、他の観点から見ると、本発明は、メタン活性の測定装置を小型化すること、作業時の危険性を排除すること、又は、作業性を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料のメタン活性を測定するための測定装置に係り、該装置は、試料を収容してメタンガス及び炭酸ガスを発生させる容器と、前記容器内で発生するメタンガス及び炭酸ガスを含むガスの圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサによって検出される圧力に基づいて該試料のメタン活性に関する特性値を演算する演算器とを備え、ここで、前記演算が、前記圧力センサによって検出される圧力をメタンガスの分圧に換算する補正演算を含むことを特徴とする。このような補正演算を実施することにより、発生ガス中に含まれる炭酸ガスによる測定誤差を低減することができ、炭酸ガスを吸収するための手段が不要になる。
【０００７】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記容器の上部を密閉するための蓋部を含む上部構造体を更に備え、前記容器内に試料を収容して前記容器に前記上部構造体が装着された状態において前記蓋部の内側の面が該試料の上面に対して空間を介して対面するように構成されていることが好ましい。このように、蓋部の内側の面が空間を介して試料の上面に対面する構造を採用することにより、装置全体を小型化することができる。
【０００８】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記測定装置が試料から発生する炭酸ガスを吸収する手段を備えない場合においても所定の精度（例えば、１％以下の誤差）で該試料のメタン活性に関する特性値を演算することができるように前記補正演算が決定されていることが好ましい。
【０００９】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記装置は、前記容器の上部を密閉するための蓋部を含む上部構造体を備え、前記圧力センサ及び前記演算器が、前記上部構造体に設けられていることが好ましい。このように圧力センサ及び演算器を上部構造体に配置することにより、例えば、両者を接続する信号線等を上部構造体の内部に配置することができ、電気的な構造を含めて全体的な構造を簡略化することができる。更に、前記上部構造体には、前記演算器によって演算されたメタン活性値を表示する表示部が設けられていることが好ましい。このような表示部の配置もまた、全体的な構造の簡略化に寄与しうる。
【００１０】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記上部構造体が、電池を収容する収容部を有し、電力を必要とする部分が、前記上部構造体にのみ存在することが好ましい。このように、電源として電池を使用することができる構成とすることにより使用時の利便性を向上させることができる。また、電力を必要とする部分を上部構造体にのみ配置することにより、例えば、上部構造体と容器との間に電力供給用の導線又は電気接点等を配置する必要がなくなり構造が簡略化される。
【００１１】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記容器の少なくとも一部が透明な材質で構成されていることが好ましい。これにより、容器中の試料の状態を観察することができる。
【００１２】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記演算器が演算するメタン活性に関する特性値には、メタン活性値が含まれる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の好適な実施の形態に係るメタン活性値（メタン活性に関する特性値の一例）の測定装置（以下、活性測定装置という）の概略構成を示す斜視図である。この活性測定装置１００は、上部に開口部を有する圧力容器１５０と、前記開口部を塞いで密閉空間を形成するための蓋部１１６を含む上部ユニット１１０とを備えている。容器１５０は、好ましくは透明な材料（例えば、アクリル樹脂）で構成された側壁部１３０と、底部１４０とで構成されている。容器１５０の少なくとも一部（例えば、側壁部）を透明な材料で構成することにより、反応時或いは測定時における試料の様子を観察することができる。容器１５０は、図１に示すように円筒形状を有してもよいし、箱形状等の他の形状を有してもよい。また、容器１５０は、単一の素材で一体的に形成されてもよい。
【００１５】
汚泥或いは土壌等の試料のメタン活性値［ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ／ｄ］を測定する際は、容器１５０内に、該試料及び反応液の混合物１６０を入れ、容器１５０の上部に上部ユニット１１０を取り付けることにより、容器１５０を密閉する。このように、この活性測定装置１００では、極めて簡単な操作で測定の準備をすることができる。ここで、密閉性を高めるために、容器１５０の上端面又は上部ユニット１１０の蓋部１１６等に、シール材（例えば、Ｏリング）を設けてもよい。
【００１６】
上部ユニット１１０は、好ましくは電池１１５を収容する収容室を有し、必要な全ての電力を電池１１５から受ける。この実施の形態では、試料の温度を一定温度に保持するための高温槽を別体とすることにより、活性測定装置１００で必要な全電力を電池１１５で供給することを可能にしている。これにより、小型化を図るとともに、商用電源を利用できない場所における使用を可能にしている。
【００１７】
高温槽を利用可能な場所においては、典型的には、活性測定装置１００は、該高温槽とともに使用されうる。しかしながら、活性測定装置１００は、メタン活性値の測定精度として高い精度が要求されない場合においては、高温槽を伴うことなく使用されてもよい。このような使用例を想定すると、活性測定装置１００に温度センサ１１４を設け、温度センサ１１４によって検出される温度に基づいて補正演算をすることにより、理想温度（例えば、３５℃）からの温度ずれ又は温度変動に起因する測定誤差を補正することが好ましい。温度センサ１１４は、例えば、蓋部１１６等に配置されることが好ましい。
【００１８】
上部ユニット１１０の蓋部１１６には、圧力センサ１１３が配置されており、圧力センサ１１３により、試料及び反応液の混合物１６０が収容されて密閉された容器における混合物１６０上の空間（空寸部）１７０の圧力（圧力変化）を測定することができる。
【００１９】
上部ユニット１１０には、更に、操作部として、表示部１１１及び入力部１１２が配置されている。表示部１１１は、ＬＥＤ等の表示素子で構成されうる。入力部１１２は、例えば、電源スイッチ、測定モード等のモードを選択する選択スイッチ、測定の開始を指示するための開始スイッチ、テンキー等を含みうる。上部ユニット１１０には、更に、外部コンピュータ（例えば、パーソナルコンピュータ）や携帯端末と接続するための無線又は有線のインターフェースを備えてもよい。
【００２０】
上記のような電力消費部、すなわち、表示部１１１、入力部１１２、圧力センサ１１３、温度センサ１１４、更に、内部の制御部（ＣＰＵ）等は、容器１５０側ではなく、上部ユニット１１０に設けられることが好ましい。これにより、電気配線（電力供給用の導線、信号電送用の導線等）を上部ユニット１１０内に収めることができ、上部ユニット１１０と容器１５０との間に各種の電気接点を設ける必要がなくなるので、構成を単純化することができ、接触不良等による誤動作を防止することができ、メンテナンスが容易になる。
【００２１】
この実施の形態の活性測定装置１００では、汚泥用の試料からメタンガスとともに発生する炭酸ガス（２酸化炭素）を吸収するための吸収剤（例えば、水酸化ナトリウム）を利用する代わりに、補正演算を行うことにより、メタン活性値を精度よく算出する。したがって、活性測定装置１００には、炭酸ガス吸収剤を収容する容器が存在せず、試料を含む混合物１６０の上面は、空間（空寸部）１７０を介して上部ユニット１１６の蓋部に対面している。一方、従来の測定装置では、混合物１６０の上方に、炭酸ガス吸収剤を配置するための炭酸ガス吸収容器が配置されていた。
【００２２】
このように、炭酸ガスを吸収するための手段を排除することにより、活性測定装置１００を飛躍的に小型化することができ、取り扱い上の危険性をなくし、作業を簡単化することができる。
【００２３】
図２は、上部ユニット１１０の電気的な構成例を示す図である。前述のように、全ての電力消費部（電気的なデバイス）は、上部ユニット１１０に設けることが好ましく、図２の構成例は、そのような思想に従っている。
【００２４】
上部ユニット１１０は、例えば、電池１１５を収容する収容部と、制御部１２０と、圧力センサ１１３と、温度センサ１１４と、操作パネル１１９を備えている。なお、必要に応じて他のデバイス（例えば、通信用のインターフェース、リムーバブルメディアドライブ、プリンタ等）を備えてもよい。
【００２５】
制御部１２０は、典型的にはＣＰＵ１２１及びメモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、マスクＲＯＭ等のＲＯＭ、及び、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のＲＡＭ）１２２で構成されうる。メモリは、不揮発性の領域にソフトウエア（プログラム）を格納しており、該ソフトウエアに従って動作する。なお、ソフトウエアによる制御の代わりに、専用のハードウエア（専用チップ）を用いてもよい。操作パネル１１９は、前述の表示部１１１及び入力部１１２を含む。
【００２６】
次に、本発明に係る補正演算の原理を具体例により説明する。図３は、汚泥等の試料及び反応液の混合物から発生する発生ガスの圧力変化（実験結果）を示している。ここで、図中の「メタン＋ＣＯ２」は、密閉容器に収容された混合物から発生するメタンガス及び炭酸ガスを含むガスの全圧の時間変化を示している。また、図中の「メタンのみ」は、密閉容器に収容された混合物から発生するメタンガス及び炭酸ガスを含むガスから水酸化ナトリウム等の炭酸ガス吸収剤を使って炭酸ガスを取り除いた後のガス（すなわち、メタンガスのみ）の圧力の時間変化を示している。図３に示すように、メタンガス及び炭酸ガスを含む全体ガスの圧力（すなわち、全圧）に対するメタンガスの圧力（すなわち、分圧）の比率は、反応時間に依存せずほぼ一定の値になる。図４には、図３に示す実験結果に基づいて発生ガスの全圧に対する炭酸ガスの分圧（全圧からメタンガスの分圧を引いた圧力）の比率を計算した結果が示されている。図４に示すように、炭酸ガスの比率は、反応時間に殆ど依存せず、２０±１％である。
【００２７】
すなわち、発生ガスの全体量と炭酸ガスの量との間には、強い相関関係がある。本発明は、このような実験結果に基づくものである。
【００２８】
本発明の好適な実施の形態に係る活性測定装置１００は、上記の実験結果に基づいて、以下の式（１）に従ってメタン活性値を演算する。
【００２９】
【数１】
0003608739.tif 000002
【００３０】
0003608739.tif 000003
ここで、式（１）におけるＣ項は、発生ガス中の炭酸ガスによる測定誤差を補正するための補正項（全圧をメタンガス圧に換算する項）であって、以下の式（２）によって定義される。Ｃ項以外の部分は、圧力センサ１１３によって測定或いは検出される圧力がメタンガスのみであると仮定した場合におけるメタン活性値を演算する部分である。
【００３１】
ΔＰ［ｋＰａ］は、圧力センサ１１３によって測定される全圧（メタンガス及び炭酸ガス）Ｐ［ｋＰａ］の変化量である。この実施の形態では、全圧が２回に渡って測定され、ΔＰ［ｋＰａ］は、２回目の測定結果Ｐ１［ｋＰａ］から１回目の測定結果Ｐ０［ｋＰａ］を引いた値（Ｐ１−Ｐ０）として与えられる。Δｔ［ｍｉｎ］は、圧力Ｐ［ｋＰａ］の測定間隔（サンプリング間隔）であり、この実施の形態では、２回目の測定を行う時刻と１回目の測定を行う時刻との時間間隔（後述のｔ２［ｍｉｎ］）である。
【００３２】
Ｖ［ｍｌ］は、容器１５０中に形成される空間（空寸部）１７０の体積（上部ユニット１１０を取り付けた状態における容器１５０の容積から混合物１６０の体積を引いた体積）である。
【００３３】
Ｓ［ｇＶＳＳ］は、汚泥等の試料の量である。０．０１０１［ａｔｍ／ｋＰａ］は、単位系の変換係数である。３５０［ｍｌ−ＣＨ４・ａｔｍ／ｇＣＯＤ−ＣＨ４］は、標準状態（０℃、１ａｔｍ）における１ｇＣＯＤに相当するメタンガス体積である。３５［℃］は、典型的な反応温度である（好ましくは、高温槽を用いて、活性測定装置は３５℃に維持される）。
【００３４】
Ｃ項は、図３及び図４に示す実験結果に基づいて決定された項であって、式（２）で与えられる。
【００３５】
【数２】
0003608739.tif 000004
【００３６】
0003608739.tif 000005
Ｐ［ｋＰａ］は、前述の通り全圧であり、ＰＣＯ２［ｋＰａ］は、炭酸ガスの分圧であって、前述の実験結果に従えば０．２Ｐである。したがって、この場合、Ｃは０．８である。ここで、炭酸ガス比率の１％の誤差が補正項Ｃに与える影響は１％である。すなわち、上記の実験結果における誤差が仮に１％であったとしても、式（１）に従った演算結果に現れる誤差は１％である。
【００３７】
次に、図５を参照しながら、本発明の好適な実施の形態に係る活性測定装置１００の動作を説明する。なお、図５に示す処理は、メモリ１２２内に格納されたソフトウエアに従ってＣＰＵ１２１によって実行される。
【００３８】
ここでは、容器１５０内に汚泥及び反応液を入れて、容器１５０に上部ユニット１１０を装着した後の処理を説明する。なお、反応液は、例えば、Ａ）緩衝液、指示薬、ビタミン及び微量金属を含む液、Ｂ）硫化ナトリウム水溶液（反応液を嫌気状態にするための液）、Ｃ）ステイン塩酸塩水溶液（反応液を嫌気状態にするための液）、Ｄ）酢酸ナトリウム水溶液等を含む液である。反応液の組成や調整手順の詳細な例は、特開平１０−２２７７８１号公報に記載されている。
【００３９】
入力部１１２の操作により、電源が投入され更に測定開始の指示を受けると、まず、ステップＳ２０１において、ＣＰＵ１２１は、初期設定を行う。この初期設定には、例えば、パラメータの設定や自己診断等が含まれうる。パラメータには、例えば、Ｓ：汚泥量（試料量）［ｇＶＳＳ］、Ｖ：空間体積［ｍｌ］、ｔ１：１回目の測定までの待ち時間（オフセット時間）［ｍｉｎ］、ｔ２：１回目の測定時刻と２回目の測定時刻との時間間隔［ｍｉｎ］、Ｃ：炭素分圧補正係数（例えば、０．８）の設定が含まれる。これらのパラメータは、予め活性測定装置１００のメモリ１２２に記憶されている値（デフォルト値）に従ってもよいし、必要に応じてユーザが入力部１１２を操作することにより入力（又は変更）できるように構成されていてもよい。
【００４０】
ステップＳ２０２では、ＣＰＵ１２１は、タイマ（Ｔｍ）をリセットする。タイマは、ソフトウエア（例えば、カウントルーチン或いは計時ルーチン）で構成されてもよいし、ハードウエア（例えば、ハードウエアタイマ）で構成されてもよい。
【００４１】
ステップＳ２０３では、１回目の圧力測定までの待ち時間ｔ１の終了を待つ。この待ち時間ｔ１は、容器１５０内が嫌気状態になるのを待つ時間である。ここで、この実施の形態の活性測定装置１００では、容器１５０に試料及び反応液からなる混合物１６０を入れて容器１５０に上部ユニット１１０を装着した後に空間（空寸部）１７０の残存酸素を窒素で置換する工程を排除することにより全体的な測定時間の短縮を図っている。したがって、容器１５０内が嫌気状態になること、又は、嫌気状態に近づくことを待つことが好ましい。ただし、本発明は、空間（空寸部）１７０の残存酸素を置換することを排除するものではなく、他の実施形式においては、そのような置換工程及び置換機構を設けてもよい。
【００４２】
タイマ（Ｔｍ）による計時時間が待ち時間ｔ１に達したら（ステップＳ２０３において”Ｙｅｓ”）、ステップＳ２０４において、ＣＰＵ１２１は、圧力センサ１１３から圧力値Ｐ（容器１５０内の現在の圧力値）を取り込んで変数Ｐ０に代入する。
【００４３】
ステップＳ２０５では、ＣＰＵ１２１は、再度、タイマ（Ｔｍ）をリセットし、ステップＳ２０６において、２回目の圧力測定までの待ち時間ｔ２の終了を待つ。この待ち時間ｔ２は、１回目の圧力測定（圧力値の取り込み）と２回目の圧力測定（圧力値の取り込み）との時間間隔（Δｔ）に相当する。
【００４４】
タイマ（Ｔｍ）による計時時間が待ち時間ｔ２に達したら（ステップＳ２０６において”Ｙｅｓ”）、ステップＳ２０７において、ＣＰＵ１２１は、圧力センサ１１３から圧力値Ｐ（容器１５０内の現在の圧力値）を取り込んで変数Ｐ１に代入する。
【００４５】
ステップＳ２０８では、ＣＰＵ１２１は、式（１）に従って、メタン活性値［ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ／ｄ］を演算する。ここで、ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ０であり、Δｔ＝ｔ２である。また、ΔＰ／Δｔは、時間間隔ｔ２における空間（空寸部）１７０内の圧力変化を意味する。なお、他の必要なパラメータの値は、前述のように、ステップＳ２０１において初期設定されている。
【００４６】
この実施の形態によれば、前述のように、発生ガス中のおける炭酸ガスによる測定誤差を式（１）のＣ項によって補正するので、炭酸ガスを吸収するための手段を設けることなく、高い精度（例えば、１％以下の誤差）でメタン活性値を測定することができる。
【００４７】
ステップＳ２０９では、ステップＳ２０８で演算したメタン活性値を表示部１１１に表示する。これにより、一連の測定処理が終了する。
【００４８】
ここで、電池１１５の消耗を抑えるために、ＣＰＵ１２１、又は、他の電源管理手段（不図示）は、不要な箇所に電力が供給されないように各部を制御することが好ましい。一例を挙げると、表示部１１１には、メタン活性値の測定中（例えば、ステップＳ２０１〜Ｓ２０８）においては、電力消費を抑えるために、電力を供給しないことが好ましい。
【００４９】
図１に示す活性測定装置１００は、例えば、直径６５ｍｍ、高さ２４０ｍｍの円筒形状（約０．８Ｌ）として作製することができた。この場合の装置重量は、約１ｋｇとなった。また、測定に要する時間は約１時間であった。一方、従来の製品では、例えば、Ｌ３５０ｍｍ×Ｗ５３０ｍｍ×Ｈ５６５ｍｍ（約１０５Ｌ）の大きさで約３０ｋｇの重量を有し、測定には約４時間を要していた。
【００５０】
以上のように、本発明の好適な実施の形態によれば、汚泥等の試料から発生するガス中の炭酸ガスを吸収するための手段を削除し、その代わりに、炭酸ガスによる測定誤差を演算によって補正することにより、活性測定装置を小型化することができる。炭酸ガスを吸収するための手段の不要化は、メタン活性値の測定のための作業の効率化や安全性の向上にも寄与する。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、例えば、メタン活性値の測定の際に炭酸ガスを吸収する必要がなくなる。
【００５２】
これにより、例えば、メタン活性値の測定装置を小型化すること、作業時の危険性を排除すること、又は、作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態に係るメタン活性値の測定装置（活性測定装置）の概略構成を示す斜視図である。
【図２】活性測定装置の上部ユニットの電気的な構成例を示す図である。
【図３】汚泥等の試料及び反応液の混合物から発生する発生ガスの圧力変化（実験結果）を示す図である。
【図４】発生ガスの全圧に対する炭酸ガスの分圧（全圧からメタンガスの分圧を引いた圧力）の比率を計算した結果を示す図である。
【図５】本発明の好適な実施の形態に係る活性測定装置の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１００  活性測定装置
１１０  上部ユニット
１１１  表示部
１１２  入力部
１１３  圧力センサ
１１４  温度センサ
１１５  電池
１１６  蓋部
１１９  操作パネル
１２０  制御部
１２１  ＣＰＵ
１２２  メモリ
１３０  側壁部
１４０  底部
１５０  圧力容器
１６０  混合物（試料＋反応液）
１７０  空間（空寸部）
【図１】
0003608739.tif 000006
【図２】
0003608739.tif 000007
【図３】
0003608739.tif 000008
【図４】
0003608739.tif 000009
【図５】
0003608739.tif 000010