JP2010091309A - 非接触水質測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 一旦試料水を測定容器に通水して、水質を測定する方法および装置において、試料水の測定容器内の滞留時間を適切に管理し、その測定精度を向上させる。
【解決手段】 上記課題は、試料水を蛍光測定用容器に連続的に通水するとともに、前記蛍光測定用容器内の試料水に励起光を照射し、試料水が発する蛍光の強度を測定し、得られた測定値を水質指標に換算する非接触水質測定方法において、前記蛍光測定容器における試料水の滞留時間を５〜６０秒に設定することを特徴とする非接触水質測定方法と装置によって解決される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば下水、工場廃水、環境水（河川水、湖沼水、海水など）の水質指標を、非接触にて、連続的に測定する水質測定方法および測定装置に関するものである。

従来、公共水域においては、水質保全のために環境水の水質測定が行われており、下水処理場や工場、事業所などでは、水質汚濁防止法にもとづいた種々の規制値や基準値を遵守するために、処理水や廃水の水質測定が行われている。
これらの水質は、時間や季節、天候によって変動が激しいため、常時監視して分析を行うのが望ましい。下水処理場などにおいて、流入下水の水質変動を捉えることが出来れば、水質に応じた運転条件の設定が可能となり、適正な運転管理、消費電力の削減などが可能になる。

しかしながら、これらの水質分析は、手段が複雑である上に専門的な技術が必要とされることから、常時監視、分析は難しいという問題があった。また投げ込み式のセンサーなどによる測定は簡易であるが、このような接触型のセンサーは、汚濁度の高い流入下水などに適用した場合、センサーに汚濁物質や生物膜が付着していしまい、短時間で測定不能となる欠点があった。
そこで近年、非接触式の水質測定法として、試料水に励起光を照射し、その蛍光スペクトルの強度を測定することにより水中の汚濁物質濃度を求める方法が注目されている。

例えば、特許文献１には、励起波長２７０ｎｍ乃至３７０ｎｍの光を被検査対象となる水に照射し、その分光スペクトル中の３８０乃至４８０ｎｍの蛍光波長を測定することにより、前記水中のトリハロメタン生成能あるいはフミン質濃度および色度を測定する方法が開示されている。測定は、透明容器に試料水を入れて、バッチ式で行っている。

特許文献２には、被測定水を孔径５μｍ以下のフィルターを通して濁質を除去し、これに光を照射して被測定水から発光する蛍光の強度を測定し、蛍光強度に基づいて被測定水中の有機ハロゲン化合物の前駆物質を測定する方法が開示されている。照射する光は、励起波長が２７０〜３７０μｍで、これを常時オーバーフローしている測定槽の水面に光を照射して、水面からの３８０〜４８０μｍの蛍光を測定している。

特許文献３には、浄水等の被検水に、２７０〜３７０ｎｍの励起光を照射して、被検水から発せられる３８０〜４８０ｎｍの蛍光を測定し、水中の有機物濃度を測定する方法が開示されている。被検水は容器に入れて測定される。

特許文献４には、工場・事業排水、環境水（河川水、湖沼水、海域の水）などの試料水に関する少なくとも２つの異なる水質指標を非接触で連続測定する方法が開示されている。これは、試料水に波長の異なる２つの励起光を照射して、生じる波長の異なる２つの蛍光強度を測定するものである。試料水は試料槽に連続的に導入されてそこで測定が行われる。
特開平７−２９４４３４号公報 特開２００１−８３０９５号公報 特開２００３−９０７９７号公報 特開２００５−３０８３９号公報

上記のような光を用いた測定方法において、試料水が地下の水路などを流れていて直接的な測定が困難な場合には、一旦ポンプなどで試料水を測定用容器に通水し、測定を実施するが、このとき、試料水の測定容器内の滞留時間設定が不適切な場合、測定精度が著しく低下するという問題点が明らかになった。

本発明は、一旦試料水を測定容器に通水して、水質を測定する方法および装置において、試料水の測定容器内の滞留時間を適切に管理し、その測定精度を向上させることを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するべくなされたものであり、試料水を蛍光測定用容器に連続的に通水するとともに、前記蛍光測定用容器内に試料水に励起光を照射し、試料水が発する蛍光の強度を測定し、得られた測定値を水質指標に換算する非接触水質測定方法において、前記蛍光測定容器における試料水の滞留時間を５〜６０秒に設定することを特徴とする非接触水質測定方法と、試料水の蛍光測定用容器と、前記蛍光測定用容器へ試料水を通水させる試料水通水手段と、前記蛍光測定用容器内の試料水に励起光を照射する励起光照射手段と、励起光を照射された試料水が発する蛍光の強度を測定する蛍光測定手段とを有する非接触水質測定装置において、前記試料水通水手段における試料水の滞留時間が５〜６０秒に設定されていることを特徴とする非接触水質測定装置によってこの目的を達成したものである。

以上述べた本発明によれば、試料水を連続的に揚水し、その試料水に励起光を照射してその蛍光強度を測定する水質測定方法において、適切な滞留時間によって測定上の誤差を抑え、長期間、連続的に、安定した水質測定が可能となる。

本発明が適用される試料水は、水質の測定が行われる水であり、例えば、下水、工場排水、環境水（河川水、湖沼水、海水等）などの被測定水から採取されるものである。

蛍光測定用容器は、試料水の入口と出口を有し、かつ、励起光を試料水に照射してそれから発する蛍光を測定できるものであればよい。形状は問わないが、例えば箱形、円筒形などであり、容積は１００ｍｌ〜１０００ｍｌ程度、通常３００ｍｌ〜６００ｍｌ程度である。試料水の入口と出口は、容器の円部に試料水が容器内全体を流れるよう、容器の対向面にそれぞれを設けるのがよい。流れは、上昇流、下降流、水平流等いずれでもよい。

試料水に照射する励起光は、測定対象物質を励起して蛍光を発光させるものであり、波長は、測定対象物質の最大励起波長、最大蛍光波長をもとに決定する。
励起光を発する光源は、上記の波長の光を出せるものであれば特に制限されないが、例えば水銀キセノンランプ等を用いることができる。励起光の光源には、上記の波長の光を選択的に透過するフィルター等を付設する。

試料水が発する蛍光は、設定対象物質により波長が定まるので、目的とする測定対象物質の発する波長の蛍光を測定する。この蛍光を測定する機器は、公知のものでよく、例えば光電子増倍管を使用できる。

次いで、測定した蛍光強度を、CODcr、COD_Mn、BODなどの水質指標に換算する。

本説明においては、前記蛍光測定容器における試料水の滞留時間を５〜６０秒になるように設定する。より好ましくは１０〜３０秒である。実際に適用する場合には、適切な滞留時間は蛍光測定用容器の形状などによっても多少上下するため、上記滞留時間を基準に、予備的な実験を実施して滞留時間を決定すべきである。滞留時間は、蛍光測定容器へ試料液を送るポンプの送液量を制御するとか、蛍光測定容器の前あるいは後に流量調節弁を設けるなどによってコントロールできる。

上記の測定に使用される装置は、試料水の蛍光測定用容器と、試料水通水手段と、励起光照射手段と、蛍光測定手段よりなる。
試料水の蛍光測定用容器は前述の通りである。

試料水通水手段は、蛍光測定用容器へ試料水を通水させる手段であり、被測定水から採取して蛍光測定用容器に送る採水管路と、該容器から試料水を抜き出す排水管路と、採水機、例えば汲み上げポンプと、必要により設けられる流量調節弁や流量計などよりなる。排水管路は、もとの被測定水に戻すように設けても、系外に抜き出すように設けてもよい。

励起光照射手段は、蛍光測定用容器内の試料水に励起光を照射する手段であり、励起光を発光する光源と、必要により設けられる、この光源の制御装置と、ミラー、レンズ、フィルター、スリット等よりなる。
蛍光測定手段は、励起光を照射された試料水が発する蛍光の強度を測定する手段であり、レンズ、フィルター、スリット、それによって得られた光強度を電気信号に変換する光電子増倍管等から構成される。
そしてさらに、蛍光測定手段で得られた蛍光強度を水質指標に換算する換算装置を設けることが好ましい。

このような装置の一例の構成を図１に示す。
この装置は、蛍光測定用容器６と、試料水通水手段としての汲み上げポンプ７と、採水管路１２と排水管路１１と、励起光照射手段としての励起光発光装置１と励起光照射部２と、蛍光測定手段としての蛍光受光部４と蛍光検出装置３とデータロガー５よりなっている。

蛍光測定用容器６は、箱形をしており、上面は開放されていて、側面下部には採水管１２が接続されている。この容器６は受水盆の内に置かれており、受水盆には排水管路１１が接続されている。
試料水通水手段としての排水管路１２の先端は試料水１０の内部に挿入され、汲み上げポンプ７は採水管路１２の途中に設置されている。排水管路１２の末端は試料水１０に返送されるよう配置されている。

励起光照射手段としての励起光照射部２は、蛍光測定用容器６の上面である開放面に向けて配置され、そこから励起光発光装置１に接続されている。
蛍光測定手段としての蛍光受光部４も蛍光測定用容器６の開放面に向けて配置され、蛍光受光部４からは蛍光検出装置４、データロガー５に順に接続されている。
蛍光測定用容器６、励起光照射部２および蛍光受光部４は、測定用暗室８内に設置され、この暗室８には換気または除湿装置９が取り付けられている。

上記構成の装置による水質測定は、次のように行われる。試料水１０はポンプ７により汲み上げられ、蛍光測定用容器６に導かれる。試料水は常時、蛍光測定用容器６をオーバーフローして排水管路１１から排出されており、蛍光測定用容器６内の試料水は常に新鮮な状態に保たれる。この試料水に、励起光発生装置１で発生させた励起光を、励起光照射部２を経由して照射する。このとき、試料水中に含まれる有機物が蛍光を発し、蛍光受光部４を経由して蛍光検出装置３に導かれる。このとき、検出される蛍光強度の電気信号を、データロガー５に記録する。測定部は、外部の光が入射して測定に誤差を与えないように、測定用暗室８で覆われている。

このとき、試料水１０の蛍光測定用容器６における滞留時間が長すぎると、試料水中の成分の沈降を生じ、水面近傍で測定される計測結果に誤差を生じる。また逆に滞留時間が短すぎる場合には、水流によって生じる波が測定に影響を与え、測定値に誤差を与える。
従って、長期間に渡って精度の高い水質分析を連続的に行うためには、滞留時間を適切な数値に設定し、試料水中の成分の沈殿を回避し、水面の波立ちを抑え、測定を実施することが必要となる。本発明では、この滞留時間が５〜６０秒が適当であることを見出した。

図１に示す装置を用いて、下水処理場の屋外の初沈越流水水路上に設置して、この初沈越流水の水質を連続測定した。蛍光測定用容器６の容量は６００ｍｌである。励起光発光装置１には水銀キセノンランプを取り付けたランプハウスを、励起光照射部２には光ファイバを用いた。励起光は波長２８０ｎｍで照射した。蛍光検出装置３には光電子増倍管を、蛍光受光部４には光ファイバを、そしてデータロガー５にはデジタルレコーダーを用いた。測定した蛍光の波長は３６０ｎｍであった。

揚水量１．８ｌ／ｍｉｎ、滞留時間２０秒に設定し、タイマーにより２０分オン、４０分オフの測定を行った。計測は２秒ごと、積分時間１００ミリ秒にて計測し、１分ごとに平均値を出力させた。水質指標は、初沈越流水中に存在する有機物から発せられる蛍光強度を、電圧値として計測した。同じ実験装置を用いて揚水量を変化させて滞留時間を変化させた実験を比較例として実施した。
実験のために、あらかじめ初沈越流水約１０ｌを別途容器に揚水し、これを試料水として循環使用することで、実施例、比較例ともに同一の試料水にて実験を実施した。
実験条件を表１に示す。

実施例の実験結果を図２に、比較例１，２の実験結果を図３，４に示す。実施例では、測定期間中、安定して初沈越流水の蛍光強度の測定が実施できた。一方、比較例１では、蛍光強度が実施例に対して低く、時間経過に伴って変動した。これは、滞留時間が長すぎるために試料水中の成分が沈殿し、試料水の蛍光強度を正しく測定できなかったためと考えられる。また比較例２では、蛍光強度は大きくばらつき、平均値も実施例より高い値となった。これは、滞留時間が短すぎるために水面の波立ちが強く、測定値をばらつかせたと考えられる。また平均値が高い値となるのは、水面が波立つことにより、通常であれば測定範囲にない水面から発せられる蛍光が、波立って水面が傾くことにより、測定器に入射することによって、蛍光強度が上昇すると考えられる。

本発明の水質測定方法および装置は、下水、工場排水、環境水などの水質管理に利用できる。

本発明の実施例で使用された非接触水質測定装置の概略構成を示す図である。 実施例で得られた蛍光測定装置の出力値の経時変化を示すグラフである。 比較例１で得られた蛍光測定装置の出力値の経時変化を示すグラフである。 比較例２で得られた蛍光測定装置の出力値の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 励起光発生装置
２ 励起光照射部
３ 蛍光検出装置
４ 蛍光受光部
５ データロガー
６ 蛍光測定用容器
７ 汲み上げポンプ
８ 測定用暗室
９ 換気または除湿装置
１０ 試料水
１１ 排水管路
１２ 採水管路

Claims (2)

1. 試料水を蛍光測定用容器に連続的に通水するとともに、前記蛍光測定用容器内に試料水に励起光を照射し、試料水が発する蛍光の強度を測定し、得られた測定値を水質指標に換算する非接触水質測定方法において、前記蛍光測定容器における試料水の滞留時間を５〜６０秒に設定することを特徴とする非接触水質測定方法。
2. 試料水の蛍光測定用容器と、前記蛍光測定用容器へ試料水を通水させる試料水通水手段と、前記蛍光測定用容器内の試料水に励起光を照射する励起光照射手段と、励起光を照射された試料水が発する蛍光の強度を測定する蛍光測定手段とを有する非接触水質測定装置において、前記試料水通水手段における試料水の滞留時間が５〜６０秒に設定されていることを特徴とする非接触水質測定装置。

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