(57)【要約】【課題】新規構造のセンサに対して、水温、導電率、ｐＨなどの水質条件が変わっても、センサ出力に対して補正を加えることにより、いかなる性状の被検水であっても正確に凝集状態を検出することができる凝集状態検知システムを提供する。【解決手段】非導電性の直管パイプ２１内に、非導電性の芯体２２を同心状に配置し、直管パイプ２１内の軸方向両端部分にそれぞれ電極２３を設置したセンサ１７を備え、前記芯体２２の外周面と前記直管パイプ２１の内周面との間隔に、前記軸方向に沿って被検水を脈流で流通させ、電極２３間の流動電流を検出して被検水の凝集状態を検知する凝集状態検知システムで、前記センサ１７への被検水の水質を検出する水質検出手段１２として、温度計、ｐＨ計、導電率計のいずれか一つ以上を設置し、検出された流動電流を、この水質検出手段１２の検出値によって、予め設定した基準水質下の値に補正する補正手段を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非導電性の直管パイプ内に、非導電性の芯体を同心状に配置し、前記直管パイプ内の軸方向両端部分にそれぞれ電極を設置したセンサを備え、前記芯体の外周面と前記直管パイプの内周面との間隔に、前記軸方向に沿って被検水を脈流で流通させ、前記電極間の流動電流を検出して被検水の凝集状態を検知する凝集状態検知システムであって、
前記センサへの被検水の水質を検出する水質検出手段として、温度計、ｐＨ計、導電率計のいずれか一つ以上を設置し、
前記検出された流動電流を、この水質検出手段の検出値によって、予め設定した基準水質下の値に補正する補正手段を設けた
ことを特徴とする凝集状態検知システム。
【請求項２】
水質検出手段が水温計を含む場合、補正手段は、水温に対する補正を以下の直線近似式で行うことを特徴とする請求項１に記載の凝集状態検知システム。
ＳＣｓ，ｔ＝ＳＣｔ１＋Ｋｔ（ｔ１−ｔｓ）
但し、ＳＣｓ，ｔ：基準温度ｔｓの流動電流出力、ＳＣｔ１：水温ｔ１の時の流動電流出力、Ｋｔ：実験により求められているセンサ出力の温度係数。
【請求項３】
水質検出手段がｐＨ計を含む場合、補正手段は、ｐＨに関する補正を以下の補正式で補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の凝集状態検知システム。
ＳＣｓ，ｐＨ＝ＳＣｐＨｋ＋ＫｐＨ（ｐＨｋ−ｐＨｓ）
但し、ＳＣｓ，ｐＨ：基準ｐＨ（ｐＨｓ）での流動電流出力、ＳＣｐＨｋ：ｐＨ＝ｋの時の流動電流出力、ＫｐＨ：実験により求められているセンサ出力のｐＨ依存の係数。
【請求項４】
水質検出手段が導電率計含む場合、補正手段は、導電率に関する補正を以下の補正式で補正することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の凝集状態検知システム。
ＳＣｓ，σ＝Ｋ´＊ＳＣσ１  
但し、ＳＣｓ，σ：基準導電率σｓでの流動電流出力、ＳＣσ１：導電率σ１の時の流動電流出力、Ｋ´：次式（Ｋ´＝σ１／σｓ）により与えられる感度係数。
【請求項５】
水質検出手段として水温計、ｐＨ計、導電率計のいずれか２つ以上を用いた場合、補正手段は、流動電流出力を、水質手段として用いた各計測器の測定値によって求めた補正値を合計して、基準水質での流動電流値に補正することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の凝集状態検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直管パイプの内周面と、その内部に設置された芯体の外周面との間隔に、被検水を脈流で流通させ、その際の流動電流を検出して被検水の凝集状態を検知する凝集状態検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、河川水、湖沼水等の表流水を原水とする浄水処理、或は工業用水や排水の処理には、凝集沈澱処理が広く採用されている。この凝集沈澱処理は、原水にアルミ系や鉄系の無機凝集剤或は高分子凝集剤を添加して急速攪拌し、濁質粒子を核とするマイクロフロック（小塊）を生成させた後、緩速攪拌を行う。この緩速攪拌により、マイクロフロック同士の衝突、結合により小塊を粗大化させ、沈降速度を大きくして沈澱処理を行なうことで、清澄な上澄み水を得る。さらに、この凝集処理水は、ろ過処理して沈澱しきれなかった粒子を除去している。
【０００３】
このような凝集沈澱処理においては、凝集剤添加量、攪拌強度、攪拌時間、水温、ｐＨ等の凝集条件を適切にしなければならない。このためには凝集剤添加後の凝集状態を迅速かつ正確に検知する必要がある。すなわち、添加する凝集剤の量を削減し、かつ清澄な処理水を得るためには凝集状態を正確に検知しなければならない。このため凝集状態検知センサは凝集沈澱処理プロセスにおいて重要な役割を担っている。
【０００４】
浄水場等においては主に河川水を原水として取り込み、連続的に清澄水を得る必要があるため、オンラインで凝集状態を検知できるセンサが望まれている。最近ではGerdes
により考案されたピストン型のセンサが内外において広く使われている（例えば、特許文献１参照）。このセンサは、被検水が流入することにより、ピストンを包むシリンダーの管壁の両端に配置した電極間の流動電流を計測するものである。
【０００５】
このセンサの凝集状態検知原理は、被検水中の濁質粒子の荷電状態をゼータ電位に関連したいわゆる流動電流として測定する方法である。このセンサは、簡単な構造で流動電流を検知できることから海外の浄水場において広く用いられ、国内においても最近数箇所の浄水場で用いられるようになってきた。しかしこの方式では、センサ本体の電位検出部がピストン駆動のため、長期に亘って連続運転した場合、ピストンの中心がシリンダー管壁の汚れ等により初期の位置からズレてしまう。また、これよりピストンとシリンダーの間隙の距離が部分的に変わってしまい安定した流動電位（電流）が測れなくなるという問題があった。
【０００６】
これに対し、絶縁性の直管内に円筒状の芯体を配し、管両端部に電極を置き、芯体の外周面と直管の内周面との間隙に被検水の脈流を流通させることにより流動電流を検出する方式が新たに提案された。
【０００７】
ところで、上記センサにより測定される流動電流値は原水の水質により変動することが知られている。すなわち、被検水の水質が変動した時に測定される流動電流の出力については、水質パラメータについて補正を行わないと、原水の性状により出力値が変わってしまうという問題があった。
【０００８】
前述のピストン型センサの場合は、原水の水素イオン濃度、原水温度を計測し、センサ出力に対する補正を加える方法が提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。また、最近では浄水場への適用を念頭においた温度、導電率、ｐＨについての補正を行うという提案がなされている（例えば、特許文献４、５、６参照）。
【特許文献１】特開平８−１７０９５６号公報
【特許文献２】特公平５−６１９６３号公報
【特許文献３】特公平５−６７３２２号公報
【特許文献４】特開２００１−３２７８０６０号公報
【特許文献５】特開２００２−２３９３０７０号公報
【特許文献６】特開２００４−２２３３５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、ピストン型センサの場合は、センサ出力に対する各種の補正方法が提案されているが、前述した直管内に円筒状の芯体を配し、セルに脈動流を送って流動電位を検出する新規構造のセンサについては、出力値に対して水質補正を行うという考えがこれまで提案されていなかった。
【００１０】
本発明の目的は、新規構造のセンサに対して、水温、導電率、ｐＨなどの水質条件が変わっても、センサ出力に対して補正を加えることにより、いかなる性状の被検水であっても正確に凝集状態を検出することができる凝集状態検知システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による凝集状態検知システムは、非導電性の直管パイプ内に、非導電性の芯体を同心状に配置し、前記直管パイプ内の軸方向両端部分にそれぞれ電極を設置したセンサを備え、前記芯体の外周面と前記直管パイプの内周面との間隔に、前記軸方向に沿って被検水を脈流で流通させ、前記電極間の流動電流を検出して被検水の凝集状態を検知する凝集状態検知システムであって、前記センサへの被検水の水質を検出する水質検出手段として、温度計、ｐＨ計、導電率計のいずれか一つ以上を設置し、前記検出された流動電流を、この水質検出手段の検出値によって、予め設定した基準水質下の値に補正する補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
本発明では、水質検出手段が水温計を含む場合、補正手段は、水温に対する補正を以下の直線近似式で行う。
【００１３】
ＳＣｓ，ｔ＝ＳＣｔ１＋Ｋｔ（ｔ１−ｔｓ）
但し、ＳＣｓ，ｔ：基準温度ｔｓの流動電流出力、ＳＣｔ１：水温ｔ１の時の流動電流出力、Ｋｔ：実験により求められているセンサ出力の温度係数。
【００１４】
また、本発明では、水質検出手段がｐＨ計を含む場合、補正手段は、ｐＨに関する補正を以下の補正式で補正する。
【００１５】
ＳＣｓ，ｐＨ＝ＳＣｐＨｋ＋ＫｐＨ（ｐＨｋ−ｐＨｓ）
但し、ＳＣｓ，ｐＨ：基準ｐＨ（ｐＨｓ）での流動電流出力、ＳＣｐＨｋ：ｐＨ＝ｋの時の流動電流出力、ＫｐＨ：実験により求められているセンサ出力のｐＨ依存の係数。
【００１６】
また、本発明では、水質検出手段が導電率計含む場合、補正手段は、導電率に関する補正を以下の補正式で補正する。
【００１７】
ＳＣｓ，σ＝Ｋ´＊ＳＣσ１  
但し、ＳＣｓ，σ：基準導電率σｓでの流動電流出力、ＳＣσ１：導電率σ１の時の流動電流出力、Ｋ´：次式（Ｋ´＝σ１／σｓ）により与えられる感度係数。
【００１８】
さらに、本発明では、水質検出手段として水温計、ｐＨ計、導電率計のいずれか２つ以上を用いた場合、補正手段は、流動電流出力を、水質手段として用いた各計測器の測定値によって求めた補正値を合計して、基準水質での流動電流値に補正する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、被検水の温度、導電率、ｐＨ等の水質の状態を計測し、センサ出力を基準の水質条件における出力への補正を行うので、いかなる性状の被検水であってもその凝集状態を正確に検知でき、適切な量の凝集剤の注入を行うことが可能となる。すなわち、水質に応じた出力補正が行われ、凝集剤の注入量が削減できることにより、システムのコストを下げると同時に環境に配慮された凝集剤注入制御システムを構築することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明による凝集状態検知システムの一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、この実施の形態による凝集状態検知システムの全体構成を示している。図１において、１１は原水（被検水）が貯留されている原水タンクであり、ポンプ１３により
急速撹拌槽１４に送液され、ここで凝集剤（例えばポリ塩化アルミニウム（略称：PAC））１５がセンサ出力の応答を見ながら注入される。この時、原水の性状については１２に
示した温度計、ｐＨ計、導電率計により把握され、制御回路により水質補正がなされている。凝集剤が注入されつつある急速撹拌槽の被検水は脈動ポンプ１６によりセンサ１７に送液される。ここで原水タンク１１と急速撹拌槽の距離が離れている場合は各種の水質
センサ１２は急速撹拌槽１４に取り付けても良い。センサ１７は、詳細構造は後述するが、絶縁性の直管内に円筒状の芯体を配し、管両端部に電極を置き、芯体の外周面と直管の内周面との間隙に被検水の脈流を流通させることにより流動電流を検出する方式のものである。センサ１７内の前記芯体の外周面と直管の内周面との間隙に被検水の脈流を流通させる。センサ１７内を流通した被検水は、廃水タンク１８へ排水される。
【００２２】
１９は信号処理及び制御回路、２０はパソコンで、これらによりセンサ１７の過渡応答信号を記録し、処理する凝集状態検知制御部が構成される。上記信号処理及び制御回路１９は、脈動ポンプ１６に対する駆動信号を出力し、センサ１７に対して被検水の脈流を流通させる。また、センサ１７の応答波形を受けて積算処理し、波形データをパソコンへ出力する。すなわち、センサ１７からは被検水の脈流に伴い流動電流の振動波形が出力されるので、これらを積分してその値を求める。原水タンク１１内には、被検水の水質を検知するための水質検出手段１２として、温度計や、ｐＨ計、導電率計などが設けられている。これらの値は、後述する補正手段に入力される。
【００２３】
前記センサ１７は、図２で示すように構成されている。図２において、２１は非導電性の直管パイプで、その内部には、同じく非導電性の芯体（無垢の丸棒）２２が同心状に配置されている。２３はリング状の電極で、直管パイプ２１内の軸方向両端部分にそれぞれ設置されている。前記直管パイプ２１の両端には前記芯体２２の保持具２４及びキャップ２５が一体的に取り付けられている。保持具２４の内部には軸方向に沿う液流通孔が複数設けられている。また、キャップ２５は、直管パイプ２１に対してネジ込み式に取り付けられ、その内側にはＯリングを入れ、液漏れを防止している。さらに、キャップ２５にはホースニップル２６を取り付け、被検液を流通させるホースを取り付け可能とした。このホース及びホースニップル２６を経てセンサ１７内に供給された被検水は、芯体２２の外周面と直管パイプ２１の内周面との間隔に、その軸方向に沿って脈流として流通し、電極２３から流動電流が検出され、被検水の凝集状態が検知される。
【００２４】
直管パイプ２１及び芯体２２の材質は非導電性で耐食性のものであれば良く、ここでは塩ビ、フッ素樹脂、デルリン（ポリアセタール樹脂）を用いた。また、電極２３にはステンレス（ＳＵＳ３０４）を用いた。芯体２２と直管パイプ２１との間隙は０．２±０．０５mmとしたが、この間隙は芯体２２又は直管パイプ２１の径を変えることにより自在に調節できる。ここでは、パイプ径は３０ｍｍ程度、長さは４５ｍｍ程度とした。このように構成したセンサ１７に、図１で示したダイヤフラム式ポンプ１３により試料水を脈流で送り、セル内の芯体２２とパイプ２１の管壁との間隙を流通させ、セル両端の電極２３に生じた起電力を増幅し、前述のように流動電流を得た。
【００２５】
このようにシンプルな構造により流動電流が検知できるため、長期に亙り安定した出力を得ることができる。
【００２６】
上記構成のセンサ１７における流動電位（流動電流）の検出原理は以下の理論式により導かれる。すなわち、間隔が狭い２枚の平行平板に流体を流したときに、流路（平行平板）の両端に生じる電圧（流動電位）Ｖ（流動電流に比例）は、以下の理論式（１）で表現される。
【数１】
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【００２７】
なお、ε：誘電率、Ｌ：流路の長さ、σ：導電率、ｕ0：被検水の最大流速、ａ：流路の幅、Φo：ζ電位である。
【００２８】
ここにζ（ゼータ）電位は平板電極上のコロイド表面の溶液沖合いに対する電位で、コロイド粒子が電気的に中和されていればゼロに近い値となる。上記（１）式は、流動電位ＶがΦo（すなわち、ζ電位）に比例していることを示している。従って流動電位Ｖを測定すればζ電位（凝集状態の指標）が推定できることになる。
【００２９】
（１）式中の種々のパラメータの内、Ｌ、ａ、等のセンサ構造に基づくもの、及び流速は一定に設定できる。しかし、誘電率εは温度に逆比例し、導電率σ、及び上式に顕には含まれていないが、ｐＨ等の各種水質パラメータが流動電位の値に影響を及ぼす。このため、発明者らはセンサ出力に対する各種水質パラメータによる影響について検討した。
【００３０】
先ず、温度の効果について調べたところ、この構造のセンサでは、図３で示すように、センサ出力は温度上昇と共に直線的に減少することを実験的に見出している。これは（１）式の流動電位の理論式が成立していることを支持している。すなわち、（１）式においては、パラメータとして温度は含まれていないが、温度に直線的に比例する量として誘電率εがパラメータとして含まれている。
【００３１】
ε＝８８．１５−０．４１４ｔ＋０．１３１×１０−２ｔ−２
−０．０４６×１０−４ｔ３        ・・・（２）
（理科年表p428  Ｈ14年版  参照）。このように、誘電率εは温度の上昇と共に直線的に減少していくので流動電位（電流）も温度の上昇と共に直線的に低下することが理論的にも裏づけられる。
【００３２】
したがって、水温補正は、図１の関係から、水温ｔ１のときの流動電流出力ＳＣｔ１を、以下の直線近似式（３）により、基準温度ｔｓでの流動電流出力ＳＣｔｓに補正する。
【００３３】
ＳＣｓ，ｔ＝ＳＣｔ１＋Ｋｔ（ｔ１−ｔｓ）・・・（３）
ここに、Ｋｔは実験的に求めたセンサ出力の温度係数である。また、基準温度ｔｓは２０℃とした。
【００３４】
上記（３）式を用いて被検水の温度補正を行った場合、温度補正を行わなかった場合に比べ、濁度一定の被検水を、水質基準である１度以下まで落すのに必要な凝集剤の量は約１５％削減できた。
【００３５】
次に、ｐＨに関する補正について説明する。なお、上記理論式（１）にはパラメータとしてｐＨは含まれていない。しかし、発明者らはセンサ出力に対する被検水のｐＨの効果について調べたところ、この構造のセンサでは、図４で示すように、センサ出力はｐＨと共に直線的に減少することを実験的に見出した。したがって、この補正は、図４の関係から、ｐＨ＝ｋの時の流動電流出力ＳＣｐＨｋを、以下の補正式（４）により、基準ｐＨ（ｐＨｓ）での流動電流出力ＳＣｓ、ｐＨに補正する。
【００３６】
ＳＣｓ，ｐＨ＝ＳＣｐＨｋ＋ＫｐＨ（ｐＨｋ−ｐＨｓ）・・・（４）
ここに基準ｐＨの値ｐＨｓは７とした。
【００３７】
上記（４）式を用いて被検水のｐＨ補正を行った場合、ｐＨ補正を行わなかった場合に比べ、濁度一定の被検水を水質基準である１度以下まで落すのに必要な凝集剤の量は約１３％削減できた。
【００３８】
次に、導電率σに関する補正について説明する。センサ出力に対する導電率σの効果は、理論式（１）によれば反比例することが示されている。このことは、発明者らも被検水の導電率を調整した実験により、図５で示すように、センサ出力が導電率にほぼ反比例することを検証した。したがって、図５で示す関係から、実験的に得られた導電率σ１のときの流動電流出力ＳＣσ１を用いて、以下の補正式（５）により、基準導電率σｓでの流動電流出力ＳＣｓ，σを求めて補正した。
【００３９】
ＳＣｓ，σ＝Ｋ´＊ＳＣσ１        ・・・    （５）
ここにＫ´は次式（６）により与えられる感度係数である。
【００４０】
Ｋ´＝σ１／σｓ  ・・・（６）
ここに基準導電率σｓは２０〜４０mS/mの間の一定値とした。
【００４１】
上記（５）式を用いて被検水の導電率補正を行った場合、導電率補正を行わなかった場合に比べ、濁度一定の被検水のそれを水質基準である１度以下まで落すのに必要な凝集剤の量は約８％削減できた。
【００４２】
ここで、図１で示した水質検出手段１２は、温度計、ｐＨ計、導電率計のすべてを設けてもよいが、いずれか一つ以上を設置してもよい。この場合、補正手段は、センサにより検出された流動電流の出力値を、水質検出手段１２で検知された各種水質検出値によって、予め設定した基準水質下の値に補正する。この補正手段としては、例えば、パソコン２０や、或いは、図示しない凝集剤注入制御装置内の制御器などにより構成される
例えば、水質検出手段１２が水温計を含む場合、補正手段は、水温に対する補正を前記（３）式で行う。また、水質検出手段１２がｐＨ計を含む場合、補正手段は、ｐＨに関する補正を前記（４）式で補正する。さらに、水質検出手段１２が導電率計を含む場合、補正手段は、導電率に関する補正を前記（５）式、（６）式で補正する。
【００４３】
また、水質検出手段１２として水温計、ｐＨ計、導電率計のいずれか２つ以上を用いた場合、補正手段は、流動電流出力を、水質検出手段１２として用いた各計測器の測定値によって求めた補正値を合計して、基準水質での流動電流値に補正する。例えば、水質検出手段１２として、温度計、ｐＨ計、導電率計のすべてを設けた場合は、これらにより検出された水温、ｐＨ、導電率の補正値を全て合計したものを、基準の出力として求めこれに基づき凝集剤の注入制御を行うようにした。すなわち、それぞれのパラメータが独立であると仮定すれば前記（３）式、（４）式、（５）式の和より、補正式は次式（７）のようになる。
【００４４】
ＳＣｓ，（ｔ、ｐＨ、σ）＝〔ＳＣ（ｔ１、ｐＨｋ、σ１）＋Ｋｔ（ｔ１−ｔｓ）
＋ＫｐＨ（ｐＨｋ−ｐＨｓ）〕＊（σ１／σｓ）  ・・・（７）
上記（７）式を用いて被検水の総合補正を行った場合、総合補正を行わなかった場合に比べ、濁度一定の被検水を水質基準である１度以下まで落すのに必要な凝集剤の量は約２０％削減できた。
【００４５】
このように、被検水の温度、導電率、ｐＨ等の水質の状態を計測し、センサ出力を基準の水質条件における出力への補正を行うので、いかなる性状の被検水であっても正確に凝集状態を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による凝集状態検知システムの一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】同上一実施の形態に用いる流動電流測定用のセンサヘッドの構成を示す断面図である。
【図３】同上一実施の形態におけるセンサ出力に対する温度補正の概念を説明する図である。
【図４】同上一実施の形態におけるセンサ出力に対するｐＨ補正の概念を説明する図である。
【図５】同上一実施の形態におけるセンサ出力に対する導電率補正の概念を説明する図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１    原水タンク
１２    水質検出手段
１３    ダイヤフラム式ポンプ
１４    急速撹拌槽
１５    凝集剤
１６    脈動ポンプ
１７    センサ
１８    排水
１９    信号処理回路、制御回路
２０    パソコン
２１    直管パイプ
２２    芯体
２３    電極
２４    保持具
２５    キャップ
２６    ホースニップル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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