JAIMA Season 2019
機器分析が支える、豊かな暮らしと産業のフロンティア

環境浄化技術（水処理、水質評価）

No.4

国立研究開発法人産業技術総合研究所

鳥村政基

だけでも、世の中には多種多様な排水が出てくる

1．はじめに工場が存在し、測定すべき水質の項目もそれぞれ私たちの生活やそれを取り巻くさまざまな産業異なる。また、世界規模での昨今の水の状況を見を見回してみると、至るところで水が関与しておると、水不足、人口増加、規制強化等により求めり、水の果たしている役割の大きさをあらためてられる水への要求も変化している。各処理場その感じる。

ものにも、老朽化対策、無収水削減、運用コスト

私たちの環境とその中での水の大きな動きを俯瞰してみると、工場等からの排水を処理する下水削減などの課題が存在し、これらの解決に貢献する水計測技術への期待は大きい。

処理場から家庭での飲料など生活水を造水するた

持続可能な開発目標（SDGs）の目標６における、めの浄水場に至るまで多種多様な水処理の現場が水問題のターゲットである安全で安価な飲料水へあり、それらの水処理プロセスや水輸送には数多のアクセスや水不足対処の視点からも、水の計測くの装置が稼働している。特に処理する前の水質の必要性が高いことは論を待たない。各場所各様を把握し、その情報を処理工程にフィードバックに適切な項目を適切な時間分解能で水に関わるあして、最終的に処理された水の水質を確認するとらゆるデータを取得していくことが肝要である。

いう基本的な水管理パターンの中で、装置の稼働

特に水が不足している地域では、飲料水や農業用状況を監視するためのセンサーや水の品質を見張水等の確保のために海水淡水化や DPR（Directるためのさまざまな水質計測機器が活躍していPortable Reuse：直接的飲用利用）といった新しる。例えば、工場での排水処理を取り上げてみる

い技術開発が進められているが、このような場所公共施設など工場、下水処理場
浄水場
私たちの環境と水の動き

JAIMA Season 2019 Spring3でもその場に適した水質評価技術の導入が必要になる。

上述した水の測定項目の計測技術は大きく２種類に分類できる。一つは実験室での計測手法で、機器分析による水質計測の目的は、水処理の効もう一つはオンラインセンサーを用いたリアルタ率化や処理コスト削減だけでなく、工場排水や飲イム計測である。水処理のオペレータや水のエン料水などの水質規制の遵守にある。効率の向上にドユーザーが即座に問題を把握できる点から、実ついては、処理プロセスからネットワーク管理に

験室での計測手法はオンライン計測への移行が期

至る水処理プロセス全体の中からプロセス管理者待されているが、実際には全ての実験室での計測は最適化する部分を探し、エネルギー使用量、化手法をオンライン計測へチェンジすることは現時

学物質消費量、漏洩量の削減などの効率化を図点で不可能である。水分野における制御および監る。効率を向上させるためには、水質データだけ視ソリューションの 2016 年の世界市場は２兆円でなく、気象データや地質データ、場合によってを超えていると言われており、今後もオンラインは顧客データまでも導引して総合的に効率化を図計測技術への需要が増加するのは間違いない。

るケースもある。また、漏水監視や自動制御などを通して、無収水、エネルギー消費、化学物質の２−１. 実験室での装置使用量、人件費といった多くの項目の削減からコ複合水質汚染の評価のほとんどは、実験室に設スト削減を実現し、結果として多くのエンドユー置した分析機器と適切な前処理により達成されてザーが経済的利益を享受する。さらに、飲料水やいる。無機イオンはイオンクロマトグラフ法、金工場排水の厳格な水質基準の設定など規制強化に

属は誘導結合プラズマ−質量分析法、農薬等の有より、水分野全体での計測技術普及が促進され、機物はガスクロマトグラフ−質量分析法、高速液水のエンドユーザーに提供されるサービスが向上

体クロマトグラフ法、および液体クロマトグラする。

フ−質量分析法により、分離分析が行われてい２．分析法る。近年、PPCPs（Pharmaceuticals and PersonalCare Products）と呼ばれる医薬品および日用品水処理システムの基本となるハードウエアであ等由来化学物質による環境水の汚染が問題となっるポンプやバルブの動作やその稼働状況を把握すている。PPCPs は環境での分解物や水処理プロるために、水の温度や流速、圧力などをモニター

セスでの分解生成物に至るまで広く追跡する必要する。さらに水処理システムの多くは処理のためが出てきているが、これらの計測にも上記クロマの化学物質の供給システムもあり、その動作や状トグラフ−質量分析の基本技術が用いられている。

況を検査し制御するための計測技術も必要であ

測定対象の種類にもよるが、技術的に高度な前処る。

理技術や分析に一定の時間が求められる場合が多ここでは求められる水の測定項目を上水と下水い。の処理場で分けて説明することはあえて避ける

また、細菌などの汚染状態を把握するための試が、一般に水の測定対象として求められる項目を

験は培地を使った培養法による検査を行う場合が列挙すると例えば、懸濁固形物、溶解固形物、残多く、実験室に水を持ち帰って行うことになる。

留農薬、pH、酸化還元電位（ORP：Oxidation-

その場合、細菌種を同定する際には、種々の計測

Reduction Potential）、電気伝導度、総有機炭素機器が活用されていることもある。

（TOC：Total Organic Carbon）、溶存酸素、遊離塩素、微生物、ウイルスなどが挙げられる。こ4２−２．オンライン

れらの計測装置から得られるデータは水処理の自水処理の現場ではポンプやバルブが基本構成さ動化や制御のために用いるため、それ用に加工されている場合が多く、何よりこれらポンプやバルれている必要がある。

ブをスマートに制御することが求められる。そのJAIMA Season 2019 Spring

ために流量、圧力、温度センサーなどが活躍しての設置が強化され、プロセスデータベースの統合いる。これらを利用した先進的な水監視とプロセプラットフォームへの統合を重視するようになっ

ス制御により従来の水処理の消費エネルギーをてきている。発電業界はますます効率的でかつ持50％節約することに成功しているケースもある。

続可能な発電の必要性が謳われており、エネル

これら複数のセンサーを一つのデバイスにパッギーと化学物質の消費量を削減することが求めらケージングするニーズも高まっており、その利活れているため、各種センサーの需要は大きい。鉱用は今後も種々の水分野に拡大すると考えられる。

業業界での水の利用可能性に関して直面している

遊離塩素、pH、ORP などの水質センサーも同様

課題は、水資源が乏しく海水淡水化や水の再利用に一つのデバイスに一体化してほしいという要望が促進されている地域での効率的水処理となる。

がある。

国際的な環境規制が厳しさを増す中、流量計や特現在、懸濁固形物、溶解固形物、pH、ORP、定金属を検出できるセンサーなど、リアルタイム

電気伝導度、TOC、溶存酸素、遊離塩素など、で監視する機器の利用が増え始めている。マイク

多くの項目がオンラインあるいはリアルタイムに

ロエレクトロニクス産業は水管理と監視において近い頻度で現場測定できるようになっており、エ最も先進的な分野の一つで、厳しい水質要件が求ンドユーザーが問題を迅速に認識して対応するこめられるのが特徴である。半導体業界が 10 nmとが可能になっている。細菌汚染を監視するため未満の線幅に向かっている中で、より小さなサイのオンラインセンサーは広く求められているが、ズのナノスケール粒子をモニターするための計測現状でそれに十分応えられる計測装置はない。

機器の開発競争がなされている。食品および飲料製造業者にとっては適切な水管理が製品の品質を２−３．産業界の動向と将来の計測維持するために最も重要となるため、水管理およ工業用水分野の水管理における水質計測へのび監視システムは他の業界に比べてより重要であニーズは多様である。例えばマイクロエレクトロる。現在は実験室での長い時間を要する細菌検査ニクスのような産業分野では先進的な水管理シスについては、インラインモニタリング化が強く期テムを導入しているケースが多く、一方で食品や待されているが、まだ技術的に難しい状況である。

飲料の分野は他の分野に比べて遅れる傾向にあ

特に殺菌が製造プロセスの主体となるこの分野にる。世界で進められている工業用水分野で注目さおいては、細菌の生死判別機能を持ち合わせた細れる水計測とその周辺技術動向を以下にまとめ菌モニタリングシステムの開発が必要である。医る。

薬品業界は水質管理の自動化は進んでいるが、細石油やガス産業における水管理および監視システムは規模が大きく、その中でも流量測定装置が菌検査についての技術的課題については同じ状況にある。

主体となるが、課題として水中の油分を正確に測近年では、経済的な利点だけでなく環境へも配定するためのセンサー技術の開発に期待が高まっ慮した水の管理方法として、工場で使った水を工ている。この業界では、水の使用、処理、廃棄な場内で再利用するだけでなく廃水すらしないゼロどのプロセスで効率を向上させるためにビッグ排水（ZLD：Zero Liquid Discharge）といったデータと高度な分析ソリューションを検討してい動きが活発になっている。こうした水処理現場のる。石油精製・石油化学の分野では、特にアジア変化に対応した新たな仕様の水質計測用センサー

太平洋地域で精製能力が拡大するにつれ、水管も必要になってくる。

理および監視システムへの関心が高まっており、pH などのセンサーの測定精度の向上とコスト削２−４．拡大する水計測ニーズとスマート化減の両方が最優先事項となっている。特にこの業

人間活動の多様化や生産活動の高度化等に伴

界では工場内へのリモートモニタリングシステム

い、水質汚染は国際的に共通の課題になってきた。

JAIMA Season 2019 Spring5例えば PPCPs やマイクロプラスチックなどは新トワークデータを天気予報情報、地質学的データ、たな汚染物質としての懸念が高まりつつある。マ

地形的情報と統合し、CSO が発生する可能性がイクロプラスチック（５mm 以下の粒子）は、海あるとき、発生する可能性がある場所や時間を予洋汚染だけでなく河川や湖沼の汚染も確認されて測可能にする。スマートな水管理システムによるおり、プラスチックが環境中で有害化学物質の運ソリューションの例を示したが、従来の枠を超えび屋になっている点も心配されている。マイクロた情報融合等によるスマート化は、他の水の場面

プラスチックは、家庭排水として下水処理場へ運でも効率、時間、コスト、および労力の面で多くばれそのほとんどが除去されるが、雨水と合流式の恩恵が得られると期待される。の下水処理場では雨水とともに環境中に放流される。現在、環境水中のマイクロプラスチックの的確な計測方法が存在しないため、定量的な実態把近年新たに生じている環境の水質問題の多くは握ができておらず、またマイクロプラスチックの人間の生活域から出される物質による複合汚染で生物への影響については特にわかっていない部分あり、こうした汚染の評価に応えるためには実験も多い。マイクロプラスチックは従来の計測技術室での分離に基礎を置く機器分析に頼る部分が大だけではカバーしきれず今後の大きな課題となっきい。一方で、テロ攻撃や突発的な事故による水ているが、粒子センサーと他の技術の融合で新た質汚染への対応を例に考えてみると、すべての複な計測手法が生まれてくることに期待したい。

合汚染物を個別に分離定量することは、それに要

一方、世界各地で生じている水不足、人口増加、する分析時間や可能な分析頻度から限界があると気候変動などの影響や、水質規制の厳格化が進め言わざるを得ない。
こうした問題への解決として、られる中、現場では水処理プロセスの効率の最適より多くのオンラインモニター技術の開発、さら化が図られている。日本で漏水探知技術開発やアには生物応答能力と分析機器の高度な融合によるジア諸国で無収水削減プログラムが進められていリアルタイム（に近い）水の危険度評価の新技術る中、漏水管理や無収水削減は特に世界中で関心開発にも期待したい。の高いテーマになっている。特に漏水管理は、世いずれの新技術もオンライン計測の適用範囲を界各地で処理施設の老朽化が進んでいるためニー広げて行く方向である。このリアルタイム監視のズも高まっており、計測技術とビッグデータを活時間的・空間的拡大が、ビッグデータ分析やそれ用した AI 技術の連携は今後ますます重要なテーを利用した高度な水制御システムの構築に繋がっマになっている。この分野の課題解決では、よりていくと考えられる。水分野は他の分野に比べてスマートな計測技術とより高度なデータ管理およ

データが豊富で情報が少ないと言われているが、び分析ソフトウェアの導入が他に分野に比べて進時間的にも精度的にもより質の高い水情報を用いんでいる。

ることができるようになれば、AI 等も含めたよこうした流れに関連して、ネットワークや処りよい考察から最適な水管理の意志決定が促進さ理プロセスに関するより多くのデータを取得すれる。また、水の問題の発生を予知して問題発生るためのセンサー情報だけでなく、従来さほどを未然に防ぐ技術に発展することになろう。さら連携の必要がなかった水エンドユーザーの情報には、これらの新技術によって得られるデータのや、天気や地質学的情報などの外部データの統合

蓄積は、より長期的な将来の水処理プロセスの設が促進されている例もある。例えば、前述の合流計にも広がり、水の管理方法や水関連事業のやり式下水道の区域では、合流式下水道越流（CSO：方に革命を生み出す可能性も期待している。

Combined Sewer Overflow）による環境水汚染の事故防止のために CSO 管理が大きな課題となっている。水計測データを含む廃水情報のネッ6

３． おわりにJAIMA Season 2019 Spring