特許 6281534 凝集モニタリング装置、凝集モニタリング方法および凝集システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6281534

(24)【登録日】2018年2月2日

(45)【発行日】2018年2月21日

(54)【発明の名称】凝集モニタリング装置、凝集モニタリング方法および凝集システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/49 20060101AFI20180208BHJP

   G01N 15/06 20060101ALI20180208BHJP

   B01D 21/30 20060101ALI20180208BHJP

   C02F 1/52 20060101ALI20180208BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/49 Z

   G01N15/06 C

   G01N15/06 E

   B01D21/30 A

   C02F1/52 Z

【請求項の数】6

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2015-144609(P2015-144609)

(22)【出願日】2015年7月22日

(65)【公開番号】特開2017-26438(P2017-26438A)

(43)【公開日】2017年2月2日

【審査請求日】2016年7月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001063

【氏名又は名称】栗田工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083725

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 正一

(74)【代理人】

【識別番号】100140349

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 継立

(74)【代理人】

【識別番号】100153305

【弁理士】

【氏名又は名称】畝本 卓弥

(72)【発明者】

【氏名】長尾 信明

(72)【発明者】

【氏名】麦林 裕弘

【審査官】 立澤 正樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２３１４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６３８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１９５９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４９５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４１３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５７５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７１３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１４１０４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１１６６３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／０１２００４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／９５８

Ｇ０１Ｎ １５／００−１５／１４

Ｂ０１Ｄ ２１／３０

Ｃ０２Ｆ １／５２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング装置であって、
計測光を前記被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、
前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、
前記散乱光受光部に得られる受光信号の振幅を計測する振幅計測手段を含み、計測された前記振幅の出現を監視および集計し、特定の振幅の発生率または発生頻度を算出して、前記被処理水中のフロックの粒径を表す前記被処理水の凝集に関わる指標を算出する計測値演算部と、
を備え、
前記振幅計測手段は、前記受光信号が上昇から下降に変化する第１の変曲点および下降から上昇に変化する第２の変曲点を検出し、前記第１の変曲点および第２の変曲点のレベル差から前記振幅を計測することを特徴とする凝集モニタリング装置。

【請求項2】

前記振幅計測手段は、前記振幅の発生数を前記振幅の大きさ毎に計測することを特徴とする請求項１に記載の凝集モニタリング装置。

【請求項3】

前記計測値演算部はさらに、前記受光信号から前記信号の最低値を計測する最低値計測手段を備え、前記振幅計測手段の計測結果、または振幅計測手段および前記最低値計測手段の計測結果を用いて前記凝集に関わる指標を算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の凝集モニタリング装置。

【請求項4】

前記特定の振幅は、凝集が進むにつれて発生頻度が高くなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかの請求項に記載の凝集モニタリング装置。

【請求項5】

凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング方法であって、
計測光を前記被処理水の計測領域に照射する計測光照射工程と、
前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光工程と、
前記散乱光受光工程で得られる受光信号から前記散乱光の強度を表す計測値を取り出す信号処理工程と、
前記散乱光の強度を表す計測値が上昇から下降に変化する第１の変曲点および下降から上昇に変化する第２の変曲点を検出し、前記第１の変曲点および第２の変曲点のレベル差から前記散乱光の振幅を計測し、計測された前記振幅の出現を監視および集計し、特定の振幅の発生率または発生頻度を算出して、前記被処理水中のフロックの粒径を表す前記被処理水の凝集に関わる指標を算出する計測値演算工程と、
を含むことを特徴とする凝集モニタリング方法。

【請求項6】

被処理水を凝集処理する凝集システムであって、
前記被処理水を溜める被処理水槽と、
前記被処理水槽の前記被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング手段と、
前記被処理水に前記処理状態に応じた薬注量の凝集剤を注入する薬注手段と、
を備え、前記モニタリング手段が、
凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング装置であって、
計測光を前記被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、
前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、
前記散乱光受光部に得られる受光信号の振幅を計測する振幅計測手段を含み、計測された前記振幅の出現を監視および集計し、特定の振幅の発生率または発生頻度を算出して、前記被処理水中のフロックの粒径を表す前記被処理水の凝集に関わる指標を算出する計測値演算部と、
を含み、
前記振幅計測手段は、前記受光信号が上昇から下降に変化する第１の変曲点および下降から上昇に変化する第２の変曲点を検出し、前記第１の変曲点および第２の変曲点のレベル差から前記振幅を計測し、
前記薬注手段が前記凝集に関わる指標に基づき前記凝集剤の注入量を調整することを特徴とする凝集システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はたとえば、浄水、工業用水、排水などの被処理水の凝集処理のモニタリング技術およびその利用技術に関する。

【背景技術】

【0002】

浄水、工業用水、排水などの被処理水の凝集処理ではたとえば、無機凝集剤または有機凝集剤などによって被処理水中のＳＳ（Suspended Solid ：懸濁物質）を凝集処理した後に、沈殿分離、加圧浮上分離、遠心分離、砂ろ過、膜分離などの固液分離が行われる。ＳＳの凝集状態はｐＨ、凝集剤薬注量、攪拌条件などで変動し、適切な条件下で凝集処理を行わなければ、被処理水の水質悪化を招き、次工程の固液分離処理に悪影響を及ぼすことがある。

【0003】

このような凝集処理には室内試験で凝集条件を設定する方法があるが、実際の凝集処理では凝集条件の設定に時間を要すると、被処理水の水質が変動し、ＳＳの凝集状態を正確に把握できない場合がある。そこで、ｐＨ、凝集剤薬注量、攪拌条件などの最適な凝集条件を設定するには凝集処理中の被処理水の処理状態をリアルタイムで監視し、ＳＳの凝集状態をモニタリングすることが重要である。

【0004】

この凝集モニタリングに関し、被処理水にレーザ光を照射して被処理水中の粒子による散乱光を受光し、その受光信号にＡＭ（Amplitude Modulation：振幅変調）検波を施した後、信号強度の最低値を求め、この最低値から凝集剤薬注量を求めることが知られている（たとえば、特許文献１）。この凝集モニタリングでは、散乱光の信号強度の最低値を求めることで、被処理水中の凝集物による散乱光から未凝集の懸濁物による散乱光を区別して検出している。

【0005】

また、この凝集モニタリングに用いられるレーザ光について、レーザダイオードを間欠的に駆動することにより、所定の時間間隔で発光するレーザ光を用いることが知られている（たとえば、特許文献２）。この発光時間を短縮する発光形態によって、レーザ発光素子の使用時間を延長している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００２−１９５９４７号公報

【特許文献2】特開２００５−２４１３３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、被処理水の凝集処理では、発生するフロック（ｆｌｏｃ）に取り込まれていないＳＳの濃度を計測し、この計測値に基づいて凝集剤の薬注量を制御する薬注システムが用いられている。ＳＳの濃度計測には、被処理水の計測領域にレーザ光を照射し、計測領域からの散乱光を受光し、この散乱光を光電変換した信号レベルからＳＳ濃度を表す計測値を得ている。

【0008】

この薬注システムでは薬注量に上限値を規定し、既述の信号レベルの一定期間における最低値を保持することにより凝集状態を評価している。この方法ではＳＳ量や薬注量に上限値を規定しているので、形成されるフロック量が抑えられる場合には安定した計測が可能である。

【0009】

しかしながら、被処理水によっては、被処理水中のＳＳ成分濃度が高い場合や、無機凝集剤のみで被処理水を処理する場合がある。これらの場合では、フロック密度が高くなり、かつフロックが小さいため、フロック間の隙間が小さくなる。被処理水に照射した光がフロックに当たり、フロックが散乱光を発生させる頻度が高くなると共に、受光部手前にあるフロックにより光が遮蔽されて、散乱光自体が受光部に届くまでに減衰する。高濃度でかつフロックが小さい被処理水は正確な計測が困難になるという課題がある。

【0010】

既述の信号レベルの一定期間における最低値に基づく薬注制御は、一般的なＰＩＤ（Proposional Integral Derivative）制御を想定すると、薬注制御に用いられる計測値が、フロック間に残るＳＳに相関する計測値でなければならない。つまり、フロック数（密度）の増加、フロック間のＳＳによる濁度計測の機会が減少すると、最低値の計測にかける計測時間を十分にとり、ＳＳに相関する最低値を得て、最低値を更新しなければならないが、最低値を更新する時間間隔が長くなれば、薬注システムにおける制御遅れの補償性能が失われるという課題がある。

【0011】

斯かる要求や課題について、特許文献１、２にはその開示や示唆はなく、それを解決する構成等についての開示や示唆もない。

【0012】

そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、フロック数（密度）が増加した場合にも、被処理水の凝集状態を安定して計測できる凝集モニタリング装置または凝集モニタリング方法を提供することにある。

【0013】

また、本発明の他の目的は、上記の凝集モニタリング装置または凝集モニタリング方法を用いることにより、フロック数（密度）が増加しても、薬注制御に必要な補償性能を損なうことなく、信頼性のある凝集処理が得られる凝集システムを実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記目的を達成するため、本発明の凝集モニタリング装置の一側面によれば、凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング装置であって、計測光を前記被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、前記散乱光受光部に得られる受光信号の振幅を計測する振幅計測手段を含み、計測された前記振幅の出現を監視および集計し、特定の振幅の発生率または発生頻度を算出して、前記被処理水中のフロックの粒径を表す前記被処理水の凝集に関わる指標を算出する計測値演算部とを備え、前記振幅計測手段は、前記受光信号が上昇から下降に変化する第１の変曲点および下降から上昇に変化する第２の変曲点を検出し、前記第１の変曲点および第２の変曲点のレベル差から前記振幅を計測すればよい。

【0015】

上記凝集モニタリング装置において、前記振幅計測手段は、前記振幅の発生数を前記振幅の大きさ毎に計測してもよい。

【0016】

上記凝集モニタリング装置において、前記計測値演算部はさらに、前記受光信号から前記信号の最低値を計測する最低値計測手段を備え、前記振幅計測手段の計測結果、または振幅計測手段および前記最低値計測手段の計測結果を用いて前記凝集に関わる指標を算出してもよい。

【0017】

上記凝集モニタリング装置において、前記特定の振幅は、凝集が進むにつれて発生頻度が高くなるようにしてもよい。

【0018】

上記目的を達成するため、本発明の凝集モニタリング方法の一側面によれば、凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング方法であって、計測光を前記被処理水の計測領域に照射する計測光照射工程と、前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光工程と、前記散乱光受光工程で得られる受光信号から前記散乱光の強度を表す計測値を取り出す信号処理工程と、前記散乱光の強度を表す計測値が上昇から下降に変化する第１の変曲点および下降から上昇に変化する第２の変曲点を検出し、前記第１の変曲点および第２の変曲点のレベル差から前記散乱光の振幅を計測し、計測された前記振幅の出現を監視および集計し、特定の振幅の発生率または発生頻度を算出して、前記被処理水中のフロックの粒径を表す前記被処理水の凝集に関わる指標を算出する計測値演算工程を含んでよい。

【0019】

上記目的を達成するため、本発明の凝集システムの一側面によれば、被処理水を凝集処理する凝集システムであって、前記被処理水を溜める被処理水槽と、前記被処理水槽の前記被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング手段と、前記被処理水に前記処理状態に応じた薬注量の凝集剤を注入する薬注手段とを備え、前記モニタリング手段が、凝集処理される被処理水の処理状態を監視する凝集モニタリング装置であって、計測光を前記被処理水の計測領域に照射する計測光照射部と、前記計測領域にある前記被処理水の粒子による散乱光を受光する散乱光受光部と、前記散乱光受光部に得られる受光信号の振幅を計測する振幅計測手段を含み、計測された前記振幅の出現を監視および集計し、特定の振幅の発生率または発生頻度を算出して、前記被処理水中のフロックの粒径を表す前記被処理水の凝集に関わる指標を算出する計測値演算部とを含み、前記振幅計測手段は、前記受光信号が上昇から下降に変化する第１の変曲点および下降から上昇に変化する第２の変曲点を検出し、前記第１の変曲点および第２の変曲点のレベル差から前記振幅を計測し、前記薬注手段が前記凝集に関わる指標に基づき前記凝集剤の注入量を調整すればよい。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、次のいずれかの効果が得られる。

【0021】

＜凝集モニタリング装置または凝集モニタリング方法＞

【0022】

(1) 凝集中の被処理水に多量のフロックが発生し、フロック密度が高くなっても、被処理水の処理状態の計測を安定して行うことができる。

【0023】

(2) 凝集中の被処理水の処理状態をリアルタイムで正確に把握することができる。これにより、その処理状態に応じた凝集剤の薬注量を選択することが可能となる。

【0024】

＜凝集システム＞

【0025】

(1) 被処理水の処理状態の計測を安定して行い、凝集処理中の被処理水の処理状態をリアルタイムで把握でき、これに基づき、被処理水の凝集条件や凝集剤の薬注量を求めることができる。

【0026】

(2) 被処理水に対する薬注量の適正化とともに、安定した凝集処理が行え、凝集効率を高めることができる。

【0027】

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】第１の実施の形態に係る凝集モニタリング装置の一例を示すブロック図である。

【図2】演算回路の一例を示すブロック図である。

【図3】フロックの発生状態および出力信号の検波波形の一例を示す図である。

【図4】フロックの発生状態および出力信号の検波波形の一例を示す図である。

【図5】出力信号の振幅発生率と凝集状態指標との相関の一例を示す図である。

【図6】フロックの発生状態および出力信号の検波波形の一例を示す図である。

【図7】フロックの発生状態および出力信号の検波波形の一例を示す図である。

【図8】フロックの出現率の一例を示す図である。

【図9】振幅の発生頻度を表す図である。

【図10】振幅の発生頻度を表す図である。

【図11】図９および図１０に示す発生頻度を振幅の大きさ別に分解して示す図である。

【図12】動作波形の一例を示す図である。

【図13】凝集モニタリングの処理手順を示すフローチャートである。

【図14】第２の実施の形態に係る凝集システムの一例を示す図である。

【図15】凝集処理の処理手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0029】

〔第１の実施の形態〕

【0030】

図１は、第１の実施の形態に係る凝集モニタリング装置を示している。図１に示す構成は一例であり、斯かる構成に本発明の凝集モニタリング装置、凝集モニタリング方法または凝集システムが限定されるものではない。

【0031】

この凝集モニタリング装置２はセンサ部４を備える。このセンサ部４は一例として、凝集槽６に溜められている被処理水８に水没状態に維持する。凝集槽６は被処理水８を溜める被処理水槽の一例であり、被処理水８の凝集処理を行う機能を兼ね備えている。

【0032】

センサ部４にはレーザ光照射部１０および散乱光受光部１２が備えられる。レーザ光照射部１０は、凝集のモニタリングに用いる計測光を照射する計測光照射部の一例であり、計測光の一例であるレーザ光を導く第１の光ファイバ１４−１の出光端部で形成される。散乱光受光部１２は、散乱光を導く第２の光ファイバ１４−２の入光端部で形成される。

【0033】

レーザ光照射部１０と散乱光受光部１２の間には遮蔽部材１６を介在させて計測領域１８が設定されている。この計測領域１８にはレーザ光発光部２０で発光したレーザ光がレーザ光照射部１０から照射される。この計測領域１８はレーザ光の被処理水８における照射領域の一例である。この計測領域１８にレーザ光が照射されると、被処理水８中の粒子によりレーザ光が散乱し、散乱光を生じる。したがって、散乱光受光部１２は、この散乱光を計測領域１８から受光する。この場合、計測領域１８にフロックが存在すれば、そのフロックが散乱光に影響を与える。

【0034】

遮蔽部材１６は各光ファイバ１４−１、１４−２の固定および支持手段であるとともに、計測領域１８に対する自然光の遮断手段である。この遮蔽部材１６では一例として、光ファイバ１４−１を固定、支持する第１の支持部２２−１と、光ファイバ１４−２を支持する第２の支持部２２−２とが一定角度を持つ頂角部２４を備える。この頂角部２４の角度はたとえば、９０度が好ましいが、それ以外の角度であってもよい。この頂角部２４は、計測領域１８に対向させるとともに、レーザ光照射部１０と散乱光受光部１２との間に介在させている。これにより、レーザ光照射部１０からのレーザ光が散乱光受光部１２に入射するのを回避でき、散乱光受光部１２には計測領域１８にある粒子側の散乱光を受光できる。

【0035】

レーザ光発光部２０にはレーザ発光素子２６および発光回路２８が備えられる。レーザ発光素子２６はレーザ光を発光するレーザ光源の一例である。このレーザ光源にはレーザダイオードが好ましいが、レーザ光が得られる素子または装置であればよい。なお、凝集のモニタリングに用いる計測光はレーザ光に限定されるものではない。粒子に当たり散乱光を生じさせる光であれば凝集のモニタリングに用いることができ、レーザ光のように指向性に優れる計測光を用いることで、計測領域１８に効率的に光を照射することができる。このような計測光を用いる場合には、計測光を発光する発光素子およびこの発光素子を駆動する発光回路を備える発光部を用いればよい。計測光にはたとえば、発光ダイオードを用いてもよい。

【0036】

発光回路２８はレーザ発光素子２６の駆動手段の一例である。この発光回路２８には一例として、ＡＭ（Amplitude Modulation：振幅変調）変調回路３０、タイミング回路３２およびファンクションジェネレータ３４が備えられる。ＡＭ変調回路３０は、タイミング信号Ｔｓに所定の周波数ｆを持つ変調信号Ｍｓで振幅変調（ＡＭ変調）を行い、所定の周波数ｆの振幅を持ちかつ所定の時間間隔で断続する発光信号Ｄｒを出力する。この発光信号Ｄｒを受け、レーザ発光素子２６は変調信号Ｍｓで変化しかつタイミング信号Ｔｓによる所定の時間間隔で発光、非発光を繰り返す。これにより、凝集モニタリングのためのレーザ発光素子２６の発光時間が短縮される。レーザ発光素子２６に発光寿命が数千時間と短いレーザダイオードなどの発光素子を用いた場合であっても、連続点灯による劣化を防止できるので、使用時間を延長できる。

【0037】

タイミング回路３２はタイミング信号Ｔｓを発生する。このタイミング信号Ｔｓはたとえば、一定周期で断続するパルス信号であればよい。このタイミング信号Ｔｓは、被処理水８の凝集に関わる凝集指標の演算処理の同期情報として用いられる。つまり、このタイミング信号Ｔｓは、レーザ発光素子２６の発光と凝集指標の演算処理とを同期させている。

【0038】

ファンクションジェネレータ３４は変調信号Ｍｓを発振する発振器の一例である。この変調信号Ｍｓは、レーザ光に対する自然光の影響を回避可能な周波数ｆが好ましくたとえば、ｆ＝７０〜１５０〔ｋＨｚ〕を用いればよい。信号形態は同一振幅の周期信号であればよく、波形形態は正弦波、三角波、矩形波などのいずれでもよい。

【0039】

このようなレーザ光発光部２０で得られるレーザ光が計測領域１８に照射されると、この計測領域１８に存在する微小コロイド粒子で散乱した散乱光が散乱光受光部１２に入射する。この場合、微小コロイド粒子は未凝集のコロイド粒子である。この微小コロイド粒子により得られる散乱光は、レーザ光照射部１０から照射されるレーザ光と同様の周波数を持ち、一定の周期で間欠する態様となる。また、計測領域１８に存在するフロックで反射した反射光が散乱光受光部１２に入射する。

【0040】

散乱光受光部１２の受光出力は、光ファイバ１４−２により信号処理部３６に導かれる。この信号処理部３６は光電変換、ノイズ成分の除去、散乱光の強度を表すレベル信号、このレベル信号から散乱光の強度を表す計測値を取り出す。この信号処理部３６には一例として、光電変換回路３８および検波回路４０が備えられている。

【0041】

光電変換回路３８は、フォトディテクタ４２、バンドパスフィルタ４４および増幅器４６が備えられる。フォトディテクタ４２は、光ファイバ１４−２で導かれた散乱光を受け、電気信号Ｅｉに変換する。バンドパスフィルタ４４は電気信号Ｅｉからノイズ成分をカットし、変調信号Ｍｓの信号成分を取り出す。バンドパスフィルタ４４のカットオフ周波数を設定することにより、不要な変動成分を取り除き、変調信号Ｍｓの信号成分を出力する。増幅器４６は、散乱光における変調信号Ｍｓの信号成分を増幅し、散乱光に応じた振幅レベルを持つ受光信号Ｅｏを出力する。この光電変換回路３８において、フォトディテクタ４２に代えてフォトダイオードを用いてもよいし、バンドパスフィルタ４４に代えてハイパスフィルタを用いてもよい。これらのフィルタを用いることで、自然光や照明光などの非計測光の受光により生じる直流ノイズ成分をカットすることができる。

【0042】

検波回路４０は受光信号ＥｏからＡＭ検波（包絡線検波）により出力信号Ｄｏを検出する。この出力信号Ｄｏは、受光信号の一例であり、受光信号Ｅｏの直流成分のレベルを表す。このレベルが微小コロイド粒子を含む被処理水における粒子による散乱光レベルを表している。つまり、微小コロイド粒子以外の散乱光であるノイズ成分やフロックによる反射成分が含まれる。

【0043】

この検波回路４０の出力は演算回路４８に加えられる。この演算回路４８は計測値演算部の一例であり、振幅検出部５０および最低値検出部５２を備えている。演算回路４８は、演算回路４８に入力される出力信号Ｄｏのレベル（信号強度）をメモリ部６０のデータ記録部６４（図２）に記録するとともに、振幅検出部５０および最低値検出部５２により出力信号Ｄｏの計測を行う。演算回路４８は、これらの計測結果を用いて被処理水の凝集レベルを判定し、この凝集レベルを表す凝集指標を出力する。凝集指標により表される凝集レベルはたとえば、「低レベル」、「適量レベル」、「適量または過剰レベル」または「過剰レベル」により表される。演算回路４８はさらに、発光制御部５４を備え、レーザ発光素子２６の発光と凝集指標の演算処理に同期する制御信号（タイミング信号Ｔｓ）をタイミング回路３２に出力する。

【0044】

振幅検出部５０は、振幅検出手段および振幅計測手段の一例であり、振幅検出および振幅計測の両方の機能を含んでいる。振幅検出部５０は、データ記録部６４に記録されている出力信号Ｄｏのレベルの変曲点を検出して、その変曲点のピーク値を計測する。変曲点の検出により、振幅検出部５０は出力信号Ｄｏの振幅の発生を検出する。つまり、振幅検出部５０は、出力信号Ｄｏが上昇から下降に変化する第１の変曲点および下降から上昇に変化する第２の変曲点を検出し、隣接する第１の変曲点および第２の変曲点の検出により振幅の発生を検出する。振幅検出部５０は、ピーク値の計測により、隣接する第１の変曲点および第２の変曲点のレベル差を求め、出力信号Ｄｏの振幅の大きさを計測する。これらの機能により振幅検出部５０は、出力信号Ｄｏの振幅の発生数を振幅の大きさ（つまり振幅レンジ）毎に計測することができる。

【0045】

最低値検出部５２は、データ記録部６４に記録されている出力信号Ｄｏのレベルを比較して、出力信号Ｄｏの最低計測値を算出する最低値計測手段の一例である。

【0046】

演算回路４８はたとえば、図２に示すように、マイクロプロセッサなどのコンピュータを含む回路によって実現される。この演算回路４８にはアナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）５６、プロセッサ５８およびメモリ部６０が備えられる。Ａ／Ｄ５６は出力信号Ｄｏをディジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ５６の出力信号は出力信号Ｄｏのレベルをディジタル値で表し、振幅検出部５０および最低値検出部５２のディジタル処理に用いられる。

【0047】

プロセッサ５８はメモリ部６０のプログラム記憶部６２にあるＯＳ（Operating System）および凝集プログラムを実行し、既述の振幅検出部５０、最低値検出部５２および発光制御部５４として機能する。

【0048】

メモリ部６０は記録部の一例であり、プログラム記憶部６２、データ記録部６４およびＲＡＭ（Random-Access Memory）６６を備える。プログラム記憶部６２にはプログラムとしてＯＳや既述の凝集プログラムなどが格納されている。データ記録部６４には、出力信号Ｄｏのレベルが記録される。ＲＡＭ６６は情報処理のワークエリアに用いられる。

【0049】

プロセッサ５８の演算結果は表示部６７に出力される。この表示部６７にはたとえば、液晶ディスプレィ（ＬＣＤ）が用いられる。この表示部６７にはプロセッサ５８の演算に用いられる計測値や、演算結果である最低計測値や出力信号Ｄｏの振幅の発生頻度などの各種データが表示される。

【0050】

＜振幅検出による凝集状態の計測原理＞

【0051】

被処理水の凝集のモニタリングデータを解析した結果、出力信号Ｄｏの第１および第２の変曲点の発生頻度、つまり出力信号Ｄｏの振幅が、振幅レンジ毎に凝集状態と一定の関係にあることを見出した。振幅検出部５０では、この一定の関係に着目して、変曲点を利用した凝集状態の計測を行う。既述の一定の関係については後述する。

【0052】

（１）第１の計測原理

【0053】

第１の計測原理では、計測領域１８の径よりも小さい粒経を有するフロックが計測領域１８に出入りする被処理水８の計測を想定している。

【0054】

〔発生する散乱光強度〕

【0055】

図３のＡおよび図４のＡはフロックの発生状態の一例を示している。図３のＡに示す発生状態では、被処理水８に高い密度または個数密度でフロック６８が発生している。計測領域１８は直径約１〔ｍｍ〕の円形の領域に設定されている。このような計測領域１８に対して粒径が１〔ｍｍ〕以下のフロック６８が発生している。図４のＡに示す発生状態では、図３のＡに示す発生状態と同様に、被処理水８に高い密度または個数密度でフロック６８が発生している。図４のＡに示すフロックの発生状態では、粒径が１〔ｍｍ〕以下ではあるものの、図３のＡに示すフロック６８よりも大きいフロック６８が発生している。フロック６８が計測領域１８に出入りすれば、光の散乱状態が変化し、出力信号Ｄｏが変化する。つまり、出力信号Ｄｏの変化に基づき、フロック６８の出入りを把握することができる。

【0056】

出力信号Ｄｏの波形は、フロック６８の粒径および計測領域１８内のフロック数によりその形状が異なる。

【0057】

粒径ｒ〔ｍｍ〕のフロック６８を含む第１の被処理水と、ＳＳ濁度が第１の被処理水と同じであり、粒経２ｒ〔ｍｍ〕のフロック６８を含む第２の被処理水を想定する。粒径ｒ〔ｍｍ〕のフロック６８の粒子数をＮ_r、粒径２ｒ〔ｍｍ〕のフロック６８の粒子数をＮ_2rとする。フロック６８のＳＳ濁度が一定であるので、粒子数ＮはＳＳ濁度を単位体積で割った値に比例し、
Ｎ_r：Ｎ_2r＝（πｒ³）^-1：｛π（２ｒ）³｝^-1＝８：１ ・・・(1)
で表すことができる。

【0058】

これに対して、粒径ｒ〔ｍｍ〕のフロック６８の散乱光を発生する表面積をＳ_r、粒径２ｒ〔ｍｍ〕のフロック６８の散乱光を発生する表面積をＳ_2rとすると、
Ｓ_r：Ｓ_2r＝πｒ²：π（２ｒ）²＝１：４ ・・・(2)
で表すことができる。散乱光の強度は、計測領域１８内の粒子表面積の総和で表されるとすれば、粒径２ｒ〔ｍｍ〕、粒子数Ｎ_2rである被処理水で発生する散乱光強度の平均値は、
平均値＝Ｎ_2r×Ｓ_2r＝Ｎ_r／８×４Ｓ_r＝１／２Ｎ_rＳ_r ・・・(3)
で表される。つまり、粒径ｒ〔ｍｍ〕、粒子数Ｎ_rである被処理水で発生する散乱光強度の平均値の半分になる。

【0059】

これに対して、平均散乱光強度のレベルの変化は、計測領域１８に出入りする粒子の、レーザ照射されている粒子表面積の変化に比例する。したがって、粒径２ｒ〔ｍｍ〕の一つの粒子が計測領域１８に出入りした場合の平均散乱光強度のレベルの変化は、粒径ｒ〔ｍｍ〕の一つの粒子が計測領域１８に出入りした場合の平均散乱光強度のレベルの変化の４倍になる。

【0060】

図３のＢは、図３のＡに示す発生状態における出力信号Ｄｏの検波波形の一例を示し、図４のＢは、図４のＡに示す発生状態における出力信号Ｄｏの検波波形の一例を示している。図３のＢおよび図４のＢにおいて、波形の振幅ＡＷは、フロック６８の出入りによる散乱光の変化を表している。

【0061】

図３のＡの発生状態では、フロック６８の粒子が小さいので、図３のＢに示すように波形の振幅ＡＷが小さく、散乱光の変化が小さい。これに対し、図４のＡの発生状態では、フロック６８の粒子が大きいので、図４のＢに示すように波形の振幅ＡＷが大きく、散乱光の変化が大きい。

【0062】

〔散乱光の減衰〕

【0063】

計測領域１８で発生した散乱光は、散乱光受光部１２に散乱光を伝達させる伝達空間において、この伝達空間中に存在する粒子に当たり、２次散乱して減衰する。散乱光受光部１２に到達する散乱光の強度は、伝達空間におけるフロック非占有体積（フロック６８が存在しない空間の体積）に比例すると想定する。この場合、計測領域１８から散乱光受光部１２までの伝達空間の体積Ｖ_dに対する、フロック非占有体積Ｖ_r、Ｖ_2rにより減衰量が左右される。

【0064】

フロック６８が存在しない空間は、空間に存在する粒子体積の補数で求めることができる。フロック６８の粒径がｒ〔ｍｍ〕である場合のフロック非占有体積がＶ_rであり、粒径が２ｒ〔ｍｍ〕である場合のフロック非占有体積がＶ_2rであるとすれば、
Ｖ_r：Ｖ_2r＝（Ｖ_d−ｄｖ_r×Ｎ_r）：（Ｖ_d−ｄｖ_2r×Ｎ_2r） ・・・(4)
で表すことができる。

【0065】

ｄｖ_rおよびｄｖ_2rはフロック６８の一つあたりの体積であり、
ｄｖ_r：ｄｖ_2r＝πｒ³：π（２ｒ）³＝１：８ ・・・(5)
で表すことができる。

【0066】

散乱光受光部１２に到達する散乱光の強度は、計測領域１８で発生する散乱光の強度に減衰率を乗じたものに比例し、発生する散乱光の強度はフロック６８の表面積Ｓ_r、Ｓ_2rに比例することが想定されるので、計測領域１８に出入りする粒子１個により発生する受光レベルの変化量ΔＰ_r、ΔＰ_2rは、
ΔＰ_r：ΔＰ_2r＝Ｓ_r×（Ｖ_d−ｄｖ_r×Ｎ_r）：Ｓ_2r×（Ｖ_d−ｄｖ_2r×Ｎ_2r）
＝Ｓ_r×（Ｖ_d−ｄｖ_r×Ｎ_r）：４Ｓ_r×（Ｖ_d−８ｄｖ_r×８^-1Ｎ_r）
＝Ｓ_r×（Ｖ_d−ｄｖ_r×Ｎ_r）：４Ｓ_r×（Ｖ_d−ｄｖ_r×Ｎ_r）
＝１：４
＝ｒ²：（２ｒ）² ・・・(6)
となる。数式(6)は、計測領域１８に出入りする粒子により発生する受光レベルの変化量ΔＰ_r、ΔＰ_2rは、検出しようとするフロック６８の粒径の２乗に比例して変化することを表している。つまり、凝集が進行しフロックの粒径が大きくなるにつれて、大きな受光レベルの変化の発生頻度が増えることになる。

【0067】

〔出力信号Ｄｏの信号変化〕

【0068】

図５のＡは出力信号Ｄｏに大きな振幅が出現する確率（発生率）を集計したグラフである。この大きな振幅の計測電圧範囲は、フロック６８の出入りによる変化を想定して２００〔ｍＶ〕〜１８００〔ｍＶ〕に設定している。発生率は、１分（３０サンプル）単位で集計した。計測には、凝集状態が既知のサンプルを使用している。各サンプルの凝集状態は、凝集状態を表す凝集状態指標Ｄにより、Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２・・・Ｄｎに分けられる。この凝集状態指標Ｄは、サンプル中のフロックの粒径Ｄｆに関連し、Ｄ１〜Ｄ４ではサンプル中のフロックの粒径Ｄｆはおおよそ以下のようになる。
Ｄ１： Ｄｆ＝０．３〜０．５〔ｍｍ〕
Ｄ２： Ｄｆ＝０．５〜０．７５〔ｍｍ〕
Ｄ３： Ｄｆ＝０．７５〜１．０〔ｍｍ〕
Ｄ４： Ｄｆ＝１．０〜１．２５〔ｍｍ〕

【0069】

図５のＡに示すグラフの横軸は、凝集状態指標Ｄの値を１０倍にして示している。つまり、横軸の「１０」は「Ｄ１」、「２０」は「Ｄ２」、「３０」は「Ｄ３」、「４０」は「Ｄ４」である。

【0070】

図５のＡに示す２次曲線は、集計結果に対し最も相関値（Ｒ²値）が高くなる曲線である。発生率（ｙ）と凝集状態指標Ｄの１０倍値（ｘ）との関係は、ｙ＝０．０００７ｘ²−０．０１５４ｘ＋０．０９８８であり、相関値Ｒ²＝０．９１８６である。

【0071】

振幅ＡＷの発生率と凝集状態指標Ｄの１０倍値との関係は、２次関数になっている。横軸の凝集状態指標Ｄの１０倍値が粒径Ｄｆに対して比例関係であれば、図５のＡに示す集計結果は、既述の数式(6)で示される論理に符合している。

【0072】

フロック６８の粒径が計測領域１８の範囲内に収まる大きさである場合において、出力信号Ｄｏに大きな振幅が出現する確率（発生率）と凝集状態指標Ｄは相関を有しているので、振幅ＡＷの発生率を検出することで、被処理水の凝集状態指標Ｄおよびフロック６８の粒径Ｄｒを推定することができる。

【0073】

なお、図５のＡは、理論に基づき計測データに２次近似を行い、２次曲線処理の結果を示している。これに限定されるものではなく、計測データに３次以上の近似を行い、３次以上の曲線で処理してもよい。図５のＢは、計測データに３次近似を行い、３次曲線処理の結果を示している。この３次近似では、発生率（ｙ）と凝集状態指標Ｄの１０倍値（ｘ）との関係をｙ＝−２×１０^-5ｘ³＋０．００２ｘ²−０．０４７６ｘ＋０．３５３３で表すことができ、相関値Ｒ²は０．９１９２となる。

【0074】

図５のＣは、計測データに４次近似を行い、４次曲線処理の結果を示している。この４次近似では、発生率（ｙ）と凝集状態指標Ｄの１０倍値（ｘ）との関係をｙ＝−３×１０^-6ｘ⁴＋０．０００３ｘ³−０．０１０８ｘ²＋０．１６３９ｘ−０．９０６６で表すことができ、相関値Ｒ²は０．９１９９となる。

【0075】

３次近似では２次近似と比較して、相関値Ｒ²が０．９１８から０．９１９に上昇し、４次近似では、相関値Ｒ²が０．９１８から０．９２０に上昇する。３次近似または４次近似を用いることで、フロック６８がわずかな透過性を有するなどの、送受光感度に関する副要素に対応することができる。

【0076】

図５のＡ〜図５のＣに示されているように、凝集状態指標Ｄが小さい被処理水８では、出力信号Ｄｏの振幅の発生率が少なく、凝集状態指標Ｄが上昇するにつれて出力信号Ｄｏの振幅の発生率も上昇する。つまり、出力信号Ｄｏの振幅の発生率に基づき、凝集状態を判定することができる。

【0077】

（２）第２の計測原理

【0078】

第２の計測原理では、計測領域１８の径よりも大きい粒経を有するフロックが計測領域１８に出入りする被処理水８の計測を想定している。つまり、この第２の計測原理では、計測領域１８の径を超えるフロックが共存する被処理水８を対象としている。

【0079】

〔計測領域１８の径を超えるフロックが共存する場合の計測原理〕

【0080】

計測領域１８の径を超える粒径を有するフロック６８が存在するとき、フロック６８の全体を計測領域１８内に収容することができない場合が発生する。この場合、散乱光は計測領域１８の全体から発生するため、散乱光およびその振幅が飽和する。つまり、散乱光の振幅で粒径を判断することが難しくなる。

【0081】

図６のＡおよび図７のＡは、１〔ｍｍ〕以上のフロックの発生状態の一例を示している。計測領域１８が直径約１〔ｍｍ〕の円形であり、フロック６８が粒径で１〔ｍｍ〕よりも大きく成長した状態であれば、図６のＡに示すように、フロック６８の一部が計測領域１８の全体を占める場合が発生する。このような発生状態では、図６のＢに示すように、散乱光が飽和する。つまり、波形の振幅ＡＷの上限は散乱光の飽和値となる。

【0082】

フロック６８が移動すればたとえば、図７のＡに示す状態に移行する。フロック６８の粒径が大きい場合、粒経が小さな場合に比べて隣り合うフロック６８間に比較的大きな隙間が形成されることになる。したがって、図７のＡに示す状態では、大きなフロック６８の隙間に存在する小さなフロック６８が計測領域１８に出入りし、たとえば図７のＢに示すように出力信号Ｄｏの強度が変化する。したがって、波形の振幅ＡＷを集計することで、大きなフロック６８の隙間にあるフロック６８の粒径情報を取得することができる。

【0083】

図７のＡおよびＢに示すフロック６８の発生状態では、フロック６８の出入りによる振幅の出現率を一定の期間監視し、監視結果を集計するとすれば、図８のＡ〜Ｃに示すように、フロック６８の粒径毎の出現率は、正規分布になることが想定される。図８のＡは凝集レベルが低いときの分布の一例であり、図８のＢは凝集レベルが中程度のときの分布の一例であり、図８のＣは凝集レベルが高いときの分布の一例であり、凝集が進行するにつれて、フロック６８の粒経が大きくなる。一定のフロック６８の粒経が一定の大きさを超えると、波形の振幅ＡＷが飽和することとなる。そこで、フロック６８の粒径毎の出現率が正規分布になるとの想定の下、(1) 出現率が最も高い粒径、(2) 特定の範囲の粒径の出現率、または(3) 出現率が最も高い粒径および特定の範囲の粒径の出現率、などを計測することで凝集状態を評価することができる。図８のＡに示すように低い凝集状態から、図８のＣに示すように高い凝集状態に進むとすれば、フロック数が減少するとともに大きなフロック６８の出入りにより波形の振幅ＡＷが飽和している時間が長くなるが、集計時間を長くすることで、フロック数の減少および波形の振幅ＡＷの飽和による不都合を除去することができる。

【0084】

＜出力信号Ｄｏの変曲点の発生頻度と凝集状態指標Ｄの関係性＞

【0085】

「振幅検出による凝集状態の計測原理」で既述した、出力信号Ｄｏの第１および第２の変曲点の発生頻度と凝集状態との一定の関係に関連して、以下の実験を示す。

【0086】

〔実験条件〕

【0087】

カオリン等を含む無機系の微細な微粒子をＳＳとして３〜４％含有する被処理水８に対してその凝集状態の計測を行い、得られた結果を評価する。計測にあたり、レーザ光照射部１０の発光条件は、発光時間：０．２秒／回、発光間隔：２秒とした。データ集計時間は１０秒とし、データ収集時間は４時間とした。被処理水８は、凝集のレベルが既知である以下に示す７段階の被処理水８とする。

【0088】

レベル０： 凝集状態指標ＤのＤ０に相当するレベル
レベル１： 凝集状態指標ＤのＤ１に相当するレベル
レベル２： 凝集状態指標ＤのＤ２に相当し、Ｄ１よりのレベル（以下「Ｄ２Ａ」という）。
レベル３： 凝集状態指標ＤのＤ２に相当し、Ｄ３よりのレベル（以下「Ｄ２Ｂ」という）。
レベル４： 凝集状態指標ＤのＤ３に相当し、Ｄ２よりのレベル（以下「Ｄ３Ａ」という）。
レベル５： 凝集状態指標ＤのＤ３に相当し、Ｄ４よりのレベル（以下「Ｄ３Ｂ」という）。
レベル６： 凝集状態指標ＤのＤ４に相当するレベル

【0089】

〔実験結果〕

【0090】

図９のＡ〜Ｃおよび図１０のＡ〜Ｃは、凝集のレベルが異なる被処理水の出力信号Ｄｏの振幅の発生頻度を一定の振幅レンジ毎に表している。図９のＡは、０〔ｍＶ〕以上、２００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度を、図９のＢは、２００〔ｍＶ〕以上、４００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度を、図９のＣは、４００〔ｍＶ〕以上、６００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度を表している。図１０のＡは、６００〔ｍＶ〕以上、８００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度を、図１０のＢは、８００〔ｍＶ〕以上、１０００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度を、図１０のＣは、１０００〔ｍＶ〕以上の振幅の発生頻度を表している。

【0091】

図１１は、図９および図１０に示す発生頻度を以下のａ〜ｆに示す振幅レンジ毎に分解して示している。
ａ： ０〔ｍＶ〕以上、２００〔ｍＶ〕未満の振幅
ｂ： ２００〔ｍＶ〕以上、４００〔ｍＶ〕未満の振幅
ｃ： ４００〔ｍＶ〕以上、６００〔ｍＶ〕未満の振幅
ｄ： ６００〔ｍＶ〕以上、８００〔ｍＶ〕未満の振幅
ｅ： ８００〔ｍＶ〕以上、１０００〔ｍＶ〕未満の振幅
ｆ： １０００〔ｍＶ〕以上の振幅

【0092】

０〔ｍＶ〕以上、２００〔ｍＶ〕未満の振幅の信号では、図９のＡに示すように、凝集不良状態（つまりレベル０の状態）に近づくほど振幅の発生頻度が高くなり、かつ振幅の発生頻度が分散している。これに対し、フロックが大きく凝集が良好な状態（つまりレベル６の状態）では、振幅の発生頻度の分散が小さくなる。

【0093】

このような０〔ｍＶ〕以上、２００〔ｍＶ〕未満の振幅の信号に対し、２００〔ｍＶ〕以上、４００〔ｍＶ〕未満の振幅の信号では、図９のＢに示すように、フロックが大きく凝集が良好な状態になるに従い、振幅の発生頻度が高くなる。また図１１に示すように、レベル０〜レベル６の各レベルにおいて、０〔ｍＶ〕以上、２００〔ｍＶ〕未満の振幅の信号に比べて、信号の分散が小さくなる。４００〔ｍＶ〕以上の振幅の信号においても、２００〔ｍＶ〕以上、４００〔ｍＶ〕未満の振幅の信号と同様の傾向がみられる。

【0094】

凝集の各レベル０〜６を２００〔ｍＶ〕以上、４００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度を平均化してグラフにすると、表１のように表すことができる。

【0095】

【表1】

【0096】

また凝集の各レベル０〜６を４００〔ｍＶ〕以上、６００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度を平均化してグラフにすると、表２のように表すことができる。

【0097】

【表2】

【0098】

２００〔ｍＶ〕以上、４００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度および４００〔ｍＶ〕以上、６００〔ｍＶ〕未満の振幅の発生頻度と同様に、凝集の各レベル０〜６を６００〔ｍＶ〕以上の振幅の発生頻度を用いて表すことも可能である。つまり、２００〔ｍＶ〕以上の振幅の発生頻度を用いて、被処理水８の凝集状態指標Ｄを判定することができる。したがって、凝集状態指標Ｄを基に凝集状態を判定し、これらの凝集状態を基に凝集状態を制御することも可能である。

【0099】

この実験では、２００〔ｍＶ〕を閾値として発生頻度の発生傾向が転換している。つまり、２００〔ｍＶ〕未満の振幅では分散が大きいのに対し、２００〔ｍＶ〕以上の振幅では分散が小さくなっている。また、２００〔ｍＶ〕以上の振幅では、凝集が進むにつれて振幅の発生頻度が高くなり、発生頻度と凝集状態間に相関があるのに対し、２００〔ｍＶ〕未満の振幅ではこのような相関がみられない。凝集状態の計測に用いる振幅は、既述のように発生傾向が転換する閾値以上の振幅であればよく、２００〔ｍＶ〕以上の振幅に限定されるものではない。

【0100】

＜最低値検出による凝集状態の計測原理＞

【0101】

凝集槽６内の被処理水８では凝集剤の薬注および攪拌によって凝集処理が促進する。この攪拌に伴い、計測領域１８に微小コロイド粒子が移動すると、微小コロイド粒子からの散乱光が変動する。この変動周期は、計測領域１８を粒子と見做して微小コロイド粒子との間に生じる衝突回数から想定し、概算することができる。ここで、計測領域１８を半径Ｒの球体、微小コロイド粒子を半径ｒの球体で近似すれば、衝突断面積Ｑｏは、
Ｑｏ＝π（Ｒ＋ｒ）² ・・・(7)
で表すことができる。この式から明らかなように、衝突断面積Ｑｏは半径Ｒと半径ｒの加算値の二乗に比例する。

【0102】

つまり、半径Ｒの計測領域１８に一定方向から平均速度ｖ〔ｍ／ｓ〕でコロイド粒子密度Ｎ〔個／ｍ³〕の平均半径ｒの粒子が通過していく際の流れに垂直な断面積を想定すれば、微小コロイド粒子が単位時間当たり計測領域１８に入る回数νは、
ν＝ＮＱｏｖ ・・・(8)
で表すことができる。微小コロイド粒子が計測領域１８から出る場合にも同様に、変動を生じ、散乱光強度を微分した値の周期は、回数νの２倍の値となる。

【0103】

そして、散乱光強度が微小コロイド粒子の粒径のｎ乗に比例すると仮定すれば、多重散乱を無視した場合、微小コロイド粒子の１個の移動に伴う散乱光強度の変動Ａは、
Ａ＝Ａｏｒⁿ ・・・(9)
となる。なお、Ａｏは、測定系に依存する定数であり、標準試料を用いて校正される値である。

【0104】

ここで、凝集前の微小コロイド粒子は、半径ｒが小さく、粒子密度Ｎが大きいので、散乱光の微小な変動が短い周期で生じることとなる。

【0105】

したがって、検波回路４０で変調周波数成分の検波を行えば、その出力波形はバンドパスフィルタ４４またはハイパスフィルタを通過するのと等価な信号処理を行える。つまり、バンドパスフィルタ４４のカットオフ周波数を適当に選べば、この変調周波数成分による変動成分が取り除かれた出力信号Ｄｏを検出できる。

【0106】

ところで、被処理水８から凝集したコロイド（凝集コロイド）では、計測領域１８に出入りする際の変動が大きく、この変動の平均周期が長くなる。そして、凝集コロイドの密度と計測領域１８の体積との積が１より小さい場合には、検波回路４０の検波後の出力波形の最低値が未凝集コロイドの散乱に対応することになる。

【0107】

検波回路４０で得られる出力信号Ｄｏには、未凝集コロイドの散乱光とこれ以外の散乱光とによる信号が含まれており、これらは信号振幅レベルによって被処理水８中の凝集コロイドによる散乱光と未凝集コロイドによる散乱光とに区別することができる。したがって、この出力信号Ｄｏから未凝集コロイドによる散乱光に対応する振幅レベルの信号成分を取り出し、被処理水８の処理状態であるコロイドの凝集状態を検出することが可能であり、コロイドの凝集状態を把握することができる。

【0108】

＜凝集指標の出力＞

【0109】

レーザ光発光部２０より照射されたレーザ光は、その光路上に存在するフロック６８に当たり散乱光を発生させる。散乱光の発生地点から散乱光受光部１２までの平均粒子密度がほぼ一定と仮定すれば、フロックの密度が高い場合（フロックが小さい場合）には、散乱光は粒子と発光面の距離の変化が小さく、大きなフロックが発生している場合に比べて出力信号Ｄｏの振幅が小さくなる。逆に、フロックが大きい場合には、粒子と発光面の距離の変化が大きくなり、小さなフロックの場合に比べて出力信号Ｄｏの振幅が大きくなる。

【0110】

このような関係は、レーザ光照射部１０から照射されたレーザ光が照射されてすぐにフロックに当たるような、フロック密度が高い状態で成立する。このとき、信号強度の最低値は、フロック間の濁度ではなく、フロックの大きさに係わる情報を持つことになる。つまり、フロックが大きいときには照射面積が大きくなるので、レーザ光がフロック表面に当たって発生する散乱光のレベルは高くなり、且つフロックが大きくなったことによってフロックの隙間が拡大し、散乱光のレベルが高くなる機会が多くなる。逆にフロックが小さく、高密度になると、散乱光により照射されるフロックの表面積が小さくなることで散乱光のレベルが小さくなり、且つフロックの隙間が小さくなることによって散乱光受光部１２に到達するまでの散乱光の減衰率が高くなり、受光レベルは低くなる。よって、振幅レベルと最低値のレベルを表すと、表３のようになる。

【0111】

【表3】

【0112】

表３によれば、出力信号Ｄｏの振幅レベルが一定値以上である場合には、凝集剤の薬注量が適量または過剰であると判断することができる。この場合、凝集指標として「適量」、「適量または過剰」または「過剰」を出力し、凝集剤の薬注量を維持し、または減少させることができる。

【0113】

振幅レベルが一定値未満である場合には、凝集剤の薬注量が少ないと判断することができる。この場合、凝集指標として「低」を出力し、凝集剤の薬注量を増加させることができる。なお、この振幅レベルは、既述の出力信号Ｄｏに大きな振幅が出現する確率（発生率）および出力信号Ｄｏの振幅の発生頻度に対応する指標である。

【0114】

振幅レベルにより凝集が、「低」、「適量」、「適量または過剰」または「過剰」であることを判断する場合に限らず、出力信号Ｄｏの最低値レベルによる判断を組み合わせて、凝集指標を判断するようにしてもよい。複数の計測手法を組み合わせることで、凝集状態をより詳細に判断することができる。

【0115】

また、振幅レベルの計測による薬注制御と、最低値レベルの計測による薬注制御とを切り替えて、凝集状態を判断することもできる。この場合、フロック間の隙間を検出することが期待できないほどＳＳ濃度が高く、かつ凝集フロック濃度が高い場合に振幅レベルで薬注を制御し、表３のケース５のように、最低値レベルで薬注を制御可能な場合には、最低値レベルでの制御を行うようにすればよい。

【0116】

＜信号処理および計測値の信号処理＞

【0117】

図１２は、モニタリングに用いる信号の処理を示している。この信号処理において、タイミング信号Ｔｓは、図１２のＡに示すように、一定時間Ｔの間隔（周期）で一定のパルス幅ｔｗを持つパルス信号である。この場合、Ｈレベル区間（＝パルス幅ｔｗ）がレーザ光の発光時間であり、Ｌレベル区間（＝Ｔ−ｔｗ）がレーザ光の非発光時間である。一例として、Ｔ＝２〔秒〕、ｔｗ＝０．２〔秒〕に設定される。この場合、Ｔ−ｔｗ＝２〔秒〕に設定してもよい。

【0118】

変調信号Ｍｓは、図１２のＢに示すように、一定の周波数ｆおよび同一振幅の周期信号である。周波数ｆは、７０〜１５０〔ｋＨｚ〕のいずれかを選択すればよい。

【0119】

発光信号Ｄｒは、図１２のＣに示すように、変調信号Ｍｓでタイミング信号Ｔｓを変調するＡＭ変調回路３０の出力信号である。つまり、この発光信号Ｄｒは、タイミング信号ＴｓのＨレベル区間のパルス幅ｔｗに変調信号Ｍｓを重畳した周期信号である。つまり、発光信号Ｄｒは、パルス幅ｔｗが変調信号Ｍｓの振幅で変化し、タイミング信号Ｔｓで間欠する周期信号である。

【0120】

このような発光信号Ｄｒを用いれば、レーザ発光素子２６から発光信号Ｄｒによる発光態様を持つレーザ光が得られる。

【0121】

このレーザ光をレーザ光照射部１０から計測領域１８に照射すると、計測領域１８に滞在する被処理水８中の粒子から散乱光が得られる。この散乱光が散乱光受光部１２に受光される。

【0122】

そして、光電変換回路３８の光電変換、フィルタ処理および増幅を経て、増幅器４６の出力側には図１２のＤに示すように、受光信号Ｅｏが得られる。この受光信号Ｅｏは、タイミング信号Ｔｓで間欠し、変調信号Ｍｓの周波数を持ち、散乱光の強度に応じたレベルの振幅を持っている。

【0123】

この受光信号Ｅｏを検波回路４０で検波すると、図１２のＥに示すように、タイミング信号Ｔｓで間欠し、散乱光の強度に応じた直流レベルを持つ出力信号Ｄｏが得られる。この受光信号Ｅｏの信号処理ではたとえば、バンドパスフィルタ４４の出力を半波整流して検波した後、その検波出力のボトムピークをピークホールドして出力信号Ｄｏが得られる。

【0124】

したがって、演算回路４８では、出力信号ＤｏからＡ／Ｄ変換を経て、既述の振幅および信号レベルの最低値が計測される。

【0125】

＜凝集モニタリングの処理手順＞

【0126】

図１３は、凝集モニタリングの処理手順の一例を示している。この処理手順は、本発明の凝集モニタリング方法の一例である。この処理手順は、演算回路４８に含まれるプロセッサ５８およびメモリ部６０を含むコンピューティング処理（情報処理）によって実行される。

【0127】

この処理手順では、条件設定工程において、凝集モニタリングの条件設定を行う（Ｓ１）。この条件設定ではたとえば、振幅レベルの大小を判断する閾値ＴＡ、出力信号Ｄｏのレベルが低以下または中以上であることを判断する閾値ＴＬ１、および出力信号Ｄｏのレベルが中以下または高以上であることを判断する閾値ＴＬ２を設定する。閾値ＴＬ１、ＴＬ２は、閾値ＴＬ１＜閾値ＴＬ２に設定され、閾値ＴＡ、ＴＬ１、ＴＬ２は、被処理水のＳＳ濁度および光電変換回路３８での信号の増幅率に応じて適宜に設定される。

【0128】

この条件設定の後、凝集モニタリングの開始か否かを判断する（Ｓ２）。モニタリングを開始すると（Ｓ２のＹＥＳ）、レーザ発光工程に移行してレーザ発光素子２６を駆動し（Ｓ３）、レーザ光照射工程に移行する（Ｓ４）。レーザ光照射工程では既述したように、計測領域１８にレーザ光を照射する。

【0129】

散乱光受光工程（Ｓ５）では既述したように、計測領域１８から散乱光を受光し、散乱光の強度を表すレベルを持つ受光信号に変換する。

【0130】

信号処理工程（Ｓ６）では既述したように、振幅の発生率および受光レベルの最低値を計測する。これらの計測値は計測値毎に判断される。なお振幅の発生率は、振幅の発生頻度として計測してもよい。

【0131】

振幅の発生率が閾値ＴＡ未満であるかが判断される（Ｓ７）。振幅の発生率が閾値ＴＡ未満であれば（Ｓ７のＹＥＳ）、被処理水の凝集が低レベルであるので、「低」レベルを表す凝集指標を出力する（Ｓ８）。このような判断により、表３に示すケース１およびケース４を判断することができる。凝集レベルが低いので、斯かる凝集指標の出力下では、薬注量を増加させる制御が行われることになる。

【0132】

振幅の発生率が閾値ＴＡ以上であれば（Ｓ７のＮＯ）、被処理水の凝集が適量レベルまたは過剰レベルであるので、受光レベルの最低値が閾値ＴＬ１未満であるかが判断される（Ｓ９）。

【0133】

受光レベルの最低値が閾値ＴＬ１未満であれば（Ｓ９のＹＥＳ）、フロック６８間のＳＳ濁度が計測できている状態であるので、「適量または過剰」レベルを表す凝集指標を出力する（Ｓ１０）。このような判断により、表３に示すケース５を判断することができる。フロック６８間のＳＳ濁度が計測できている状態であるので、斯かる凝集指標の出力下では、受光レベルの最低値に基づく薬注制御が行われる。

【0134】

受光レベルの最低値が閾値ＴＬ１以上であれば（Ｓ９のＮＯ）、受光レベルの最低値が閾値ＴＬ２未満であるかが判断される（Ｓ１１）。

【0135】

受光レベルの最低値が閾値ＴＬ２未満であれば（Ｓ１１のＹＥＳ）、「適量」レベルを表す凝集指標を出力する（Ｓ１２）。このような判断により、表３に示すケース２を判断することができる。斯かる凝集指標の出力下では、薬注量を維持させる制御が行われることになる。

【0136】

受光レベルの最低値が閾値ＴＬ２以上であれば（Ｓ１１のＮＯ）、「過剰」レベルを表す凝集指標を出力する（Ｓ１３）。このような判断により、表３に示すケース３を判断することができる。斯かる凝集指標の出力下では、薬注量を減少させる制御が行われることになる。

【0137】

＜第１の実施の形態の作用および効果＞

【0138】

この第１の実施の形態によれば、次のような作用および効果が得られる。

【0139】

(1) 演算回路４８が、最低値を計測する最低値検出部５２とともに、出力信号Ｄｏの信号波形の変化から、波形の振幅を計測する振幅検出部５０を備え、振幅検出部５０の計測値が一定以上の値であるときに、その振幅を基に指標を算出し、該最低値とともに又は該最低値の演算を行うことで凝集に関わる指標を出力する。斯かる構成を備えて、振幅が大きいときには凝集作用によるフロックが大きいと判断する。つまり、薬注量は十分であるか過剰気味であると判断する。振幅が小さいときにはフロックが小さいと判断する。つまり、薬注量は不足気味であると判断する。斯かる判断により、薬注量を任意の状態に制御することができる。

【0140】

(2) 最低値検出部５２による凝集指標の計測では、計測領域１８に大きなフロックの存在しない状態、つまりフロックに取り込まれていないＳＳ成分のみが存在する状態で計測する必要があるが、振幅検出部５０による計測を行うことにより、または最低値検出部５２による計測と振幅検出部５０による計測を組み合わせることにより、計測領域１８に大きなフロックが存在する場合であっても凝集状態を計測することができる。

【0141】

(3) 振幅検出部５０を備えることにより、計測領域１８に大きなフロックが存在する場合でも凝集状態を計測することができるので、レーザ発光素子２６の発光時間を短くすることでレーザ発光素子２６の延命効果を得ることができる。たとえば、一定時間Ｔ＝２〔秒〕の間隔で、発光時間ｔ＝０．２〔秒〕間の発光により被処理水の計測を行うことができる。

【0142】

(4) 上記実施の形態では、２００〔ｍＶ〕以上の振幅を用いて、指標を算出したが、凝集が進むにつれて発生頻度が高くなる傾向を有する閾値以上の特定の振幅であればどのような振幅を用いて計測を行ってもよい。閾値以上の振幅であれば何れの振幅であっても発生率または発生頻度を用いて凝集に関わる指標を得ることができ、凝集中の被処理水に多量のフロックが発生し、フロック密度が高くなっても、被処理水の処理状態の計測を安定して行うことができる。また、閾値以上の全ての振幅を用いて計測を行えば、発生頻度の母数を大きくすることができ、短時間での凝集状態の計測が可能になる。この結果、凝集中の被処理水の処理状態をリアルタイムで正確に把握することができ、その処理状態に応じた凝集剤の薬注量を選択することができる。

【0143】

〔第２の実施の形態〕

【0144】

図１４は、第２の実施の形態に係る凝集システムを示している。この凝集システム７２は、第１の実施の形態に係る凝集モニタリング装置２を用いた凝集処理システムの一例である。図１４において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を割愛する。

【0145】

凝集モニタリング装置２では、凝集槽６で凝集処理が行われている被処理水８の凝集指標が算出され、制御部７４に提供される。この凝集指標は、凝集槽６内で凝集処理される被処理水８の処理状態から得られた凝集の指標を示している。

【0146】

この制御部７４は凝集剤の薬注量や攪拌制御などの凝集槽６における被処理水８の凝集処理を制御する。凝集槽６の被処理水８には薬注部７６から凝集剤が注入される。凝集槽６に設置された攪拌器７８は駆動部８０によって駆動され、この駆動が制御部７４によって制御される。

【0147】

制御部７４はたとえば、コンピュータによって構成され、凝集モニタリング装置２から提供される凝集指標を用いて凝集剤の薬注量が算出される。

【0148】

＜凝集システムの凝集処理＞

【0149】

図１５は、凝集処理の処理手順の一例を示している。この処理手順では、凝集処理の開始か否かを判断し（Ｓ２１）、その判断結果に応じて凝集処理を開始する。凝集処理を開始すると（Ｓ２１のＹＥＳ）、凝集槽６の被処理水８の処理状態について凝集モニタリングを実施する（Ｓ２２）。この凝集モニタリングは凝集モニタリング装置２によって実施される。この処理内容の詳細は割愛する。この凝集モニタリング装置２では被処理水８の処理状態を表す凝集指標が算出され（Ｓ２３）、凝集システム７２の制御部７４に提供される。

【0150】

凝集指標を受けると、制御部７４では凝集指標に基づき凝集剤薬注量が選定される（Ｓ２４）。これにより、薬注部７６から凝集剤の薬注が行われる（Ｓ２５）。

【0151】

この凝集処理を終了するか否かを監視し（Ｓ２６）、凝集処理を終了しない場合には（Ｓ２６のＮＯ）、Ｓ２２に戻り、Ｓ２２〜Ｓ２６の処理により継続した凝集処理が実施される。

【0152】

そして、凝集処理を終了する場合には（Ｓ２６のＹＥＳ）、凝集モニタリングを終了し（Ｓ２７）、凝集処理を終了する。

【0153】

＜第２の実施の形態の作用および効果＞

【0154】

この第２の実施の形態によれば、次のような機能および効果が得られる。

【0155】

(1) 凝集処理の状態がリアルタイムで把握され、フロックの有無にかかわらずに散乱光の計測値から凝集指標を生成し薬注制御に採用するので、安定した薬注制御が実現される。

【0156】

(2) 被処理水の凝集条件や凝集剤の薬注量が求められる。

【0157】

(3) 被処理水に対する薬注量の適正化とともに、安定した凝集処理が行え、凝集効率を高めることができる。

【0158】

(4) 凝集槽６の処理状態の測定に基づく凝集システムの補償機能を維持することができ、過剰な凝集剤の投与を防止して環境負荷への影響を回避でき、信頼性の高い凝集処理を実現できる。

【0159】

(5) 食品製造工場の排水など、排水種が頻繁に変化する被処理水にあっても、その排水種に対応した的確な凝集処理を行うことができ、環境負荷への影響を回避できる。

【0160】

〔他の実施の形態〕

【0161】

(1) 上記実施の形態では、所定の時間間隔で発光しかつ所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を用いているが、レーザ発光素子の寿命を考慮することなく、濁度の計測を優先する場合には所定周波数で振幅変調が施されたレーザ光を用いてもよい。この場合、複数の最低レベルの信号を連続した受光信号から所定のタイミングで抽出すればよい。

【0162】

(2) 上記実施の形態において、バンドパスフィルタ４４および増幅器４６はディジタル処理で実現してもよい。

【0163】

(3) 上記実施の形態では、凝集モニタリング装置２で処理状態をモニタリングする被処理水８として浄水、工業用水、排水などを例示しているが、この被処理水８は採石場から廃出される高濃度の無機排水や果汁などの飲用液体であってもよい。

【0164】

(4) 上記実施の形態では凝集槽６が備えられ、凝集槽６中の被処理水８の凝集指標を算出する例を示したが、被処理水８の液送ラインに備えられるライン混合装置により被処理水８の凝集処理を行うシステムでは、ライン混合装置の下流に被処理水槽を備えて凝集モニタリングを行うようにしてもよい。つまり、凝集処理が行われた被処理水８を被処理水槽に溜めて、被処理水８の凝集指標を算出するようにしてもよい。

【0165】

以上説明したように、本発明の凝集モニタリング装置、凝集モニタリング方法および凝集システムの最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0166】

本発明によれば、浄水、工業用水、排水などの被処理水の凝集処理の処理状況を安定して的確に把握でき、効率的な凝集処理に寄与することができる。

【符号の説明】

【0167】

２ 凝集モニタリング装置
４ センサ部
６ 凝集槽
８ 被処理水
１０ レーザ光照射部
１２ 散乱光受光部
１４−１ 第１の光ファイバ
１４−２ 第２の光ファイバ
１６ 遮蔽部材
１８ 計測領域
２０ レーザ光発光部
２２−１ 第１の支持部
２２−２ 第２の支持部
２４ 頂角部
２６ レーザ発光素子
２８ 発光回路
３０ ＡＭ変調回路
３２ タイミング回路
３４ ファンクションジェネレータ
３６ 信号処理部
３８ 光電変換回路
４０ 検波回路
４２ フォトディテクタ
４４ バンドパスフィルタ
４６ 増幅器
４８ 演算回路
５０ 振幅検出部
５２ 最低値検出部
５４ 発光制御部
５６ Ａ／Ｄ
５８ プロセッサ
６０ メモリ部
６２ プログラム記憶部
６４ データ記録部
６６ ＲＡＭ
７２ 凝集システム
７４ 制御部
７６ 薬注部
７８ 攪拌器
８０ 駆動部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】