JP2008286534A - バイオセンサ型異常水質検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】河川などから種類された原水が高濁時でも装置の安定運転を持続可能なバイオセンサ型異常水質検出装置を提供する。
【解決手段】鉄酸化細菌を保持した微生物膜９を先端部分に有する酸素電極１０の、前記先端部分を被検水中に浸漬させ、微生物膜９を透過する酸素量を前記酸素電極１０で測定して、有害物質の混入を検出するバイオセンサ型異常水質検出装置で、被検水を得るための原水に対する前処理装置である中空糸膜フィルタ２１の前段に、原水の流速により容器の内周面に沿って旋回流を生じさせ、この旋回流による遠心力により、原水中の濁質を沈降分離させる遠心分離式フィルタ２２を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、浄水場や下水処理場等において、その取水口から混入する有害物質を、バイオセンサを用いて検知するバイオセンサ型異常水質検出装置に関する。

従来、浄水場では通常の処理として、河川水等を取水し、この取水を沈殿ろ過槽に通して飲料水を供給している。もし、このような通常の処理では除去できない有害物質、例えば、各種の重金属や農薬および環境ホルモン等といった物質が河川水中に混入した場合は、取水停止という非常事態に至る。

一方、下水処理場では、突発事故や不注意により、工場あるいは化学プラントの排水に各種の重金属イオンや有機溶媒およびヒ素シアン等が混入し、これらが流入すると、下水処理プロセスにおける活性汚泥微生物が大きな阻害を受け、その結果、活性汚泥の活性が低下して処理能力の回復までに多大の時間を必要とする。

したがって、浄水場および下水処理場等において、上記各種の有害物質が混入した場合、流入水を迅速かつ感度良く検出する装置が望まれていた。

この要望に応えて、浄水場では魚行動監視型の毒物検出装置、あるいは、各種の微生物膜を溶存酸素電極に取付けて、その呼吸活性の測定から毒物を検出する装置が用いられている。また、下水処理場では、特定化学物質の混入した排水を検知する各種のセンサが、それぞれの取水口等に設置されている。

これらのうち、浄水場に設置されている魚行動監視型の毒物検出装置は、魚類が毒物に反応するまでに時間がかかるため、その検出に長時間を要する。また、魚類の反応感度も飼育されている魚類の種類や個体差、および飼育の環境状態によってかなり異なる。さらに、魚行動監視型の毒物検出装置は、その装置自体が大掛かりで、魚類の飼育や管理面において必要経費が大きい等の問題がある。

そこで、バイオセンサ型の異常水質検出装置が開発されている。一例として、有害物質や雑菌等が繁殖し難い比較的低いｐＨ値のところで作動させることができる鉄酸化細菌をプローブとして用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。

このバイオセンサ型水質監視装置では、先ず、検査すべ水を散気水槽において空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体により散気し、溶存酸素濃度が飽和の状態となって測定槽内に流入される。また、この測定槽内には、別途、硫酸第一鉄含有溶液（鉄液）が供給されており、前記被検水と混合される。すなわち、被検水と鉄液との混合液が、溶存酸素濃度飽和状態で測定槽内に流入される。

測定槽には酸素電極が、前記被検水（前記溶存酸素濃度飽和状態の混合液）中に先端部を浸漬させた状態で設けられる。この酸素電極は、先端に微生物膜が取り付けられており、測定槽内の被検水と直接接触する。微生物膜は酸素を利用して硫酸第一鉄を硫酸第二鉄に変えることができる鉄酸化細菌（鉄バクテリアとも言う）を保持している。この酸素電極からの電気出力は変換演算手段によって増幅・変換され、所定の演算が施されて被検水の異常水質が判別される。

測定槽において被検水と接触した微生物膜での鉄バクテリアによる化学的挙動の化学反応式は、以下のとおりである。

4FeSO₄ + O₂ + 2H₂SO₄ → 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O ・・・（１）
上記（１）式において、2Fe₂(SO₄)₃は水中で電離し、Fe³⁺イオンが生成される。このFe³⁺イオンがさらに水（H₂O）と反応して、水酸化鉄Fe(OH)₃となり沈殿することになる。

この異常水質検出装置では、鉄酸化細菌をプローブとして取付けた溶存酸素電極に被検水と鉄液の混合液を送液し、この送液時における酸素電極からの電気出力を監視するものである。すなわち、被検水に有害物質が混入していない場合は、被検水中の溶存酸素は鉄の酸化に消費されるため、酸素電極によって検出される値は極めて低くなる。これに対して、被検水中に水溶性の有害物質が混入した場合、その有害物質が微生物膜上の鉄酸化細菌の呼吸活性を低下させる。その結果、鉄酸化細菌に消費されなかった酸素が微生物膜を透過するため、酸素電極に到達する酸素量が増加し、酸素電極の出力する電流値が増加する。したがって、酸素電極の出力電流値を閾値と比較することで有害物質の混入を判断する。

なお、このようなバイオセンサ型異常水質検出装置は連続運転されると、被検水中の汚濁物質が各配管の内壁に付着し堆積してくる。また、鉄液中の硫酸第一鉄の一部が硫酸第二鉄に酸化されて、これも除々に堆積してくる。これらは、配管系の閉塞や、異常水質検出の感度低下につながり、検出精度を低下させる原因となる。そのため、硫酸第一鉄含有溶液が送液される薬液導入管に酸性溶液を供給し、この薬液導入管や測定槽などに付着堆積している汚濁物質および酸化鉄を除去し、排出する「酸洗浄」を行なうようにしている。
特開２００４−２７１４４１号公報

このようなバイオセンサ型異常水質検出装置は、２４時間連続監視が基本であるため、微生物の栄養源となる鉄液の消費量を極力抑えなければ、ランニングコストが増大し、鉄液の補充というメンテナンス頻度も増える。そのため、ある一定の比率で混合する被検水の流量も抑えざるを得ない。しかし、流量を抑えると、装置入り口から溶存酸素電極への到達時間が長くなり、毒物監視の目的上、好ましくない。そこで、配管をできるだけ細くして管内流速を早くする必要がある。径の細い配管は毛細管現象によって、送液の障害となるエアを効率よく移送し、配管内のエア溜まりを防ぐ効果がある。

しかし、配管径を細くすると、少しの濁質でも閉塞の恐れがあり、装置の長期安定運転を阻害する。そのため、被検水を得るための前処理装置として中空糸膜フィルタを設置し、この中空紙膜フィルタに原水を流して濁質を除去することが行われている。

このような中空糸膜フィルタにおいて、現在一般に使用されているものは０．１μｍ以上の濁質を除去することができるが、その反面、つまりやすく、一定ろ過時間ごとに逆洗、すなわち、ろ過水を内壁側（ろ過側）から外壁側（原水側）に向かって逆流させることにより、原水側に付着した濁質を洗い流すことを実施している。しかし、高濁度の原水が短時間で流れ込み、過剰な濁質に曝されると、内外の差圧が高くなり、ろ過流量が極端に減少する。そのような状況では逆洗も効果が期待できない。そのため、濁度３００度以下で使用可としている。

しかし、一般の河川、特にバイオセンサ型異常水質検出装置を主に設置する河川取水場近辺では、気象・天候により濁度の変動が激しく、特に台風時は増水により高濁度の水が流入しやすい。そのような高濁度の原水が直接、装置の中空糸膜フィルタに流入する状況であれば、気象予測等によって、高濁水が流入すると予測される時刻の前に、装置への原水供給を遮断し、毒物監視を中断せざるを得ない。

本発明の目的は、河川などから取水された原水が高濁時でも装置の安定運転を持続可能なバイオセンサ型異常水質検出装置を提供することにある。

本発明によるバイオセンサ型異常水質検出装置は、鉄酸化細菌を保持した微生物膜を先端部分に有する酸素電極の、前記先端部分を被検水中に浸漬させ、前記微生物膜を透過する酸素量を前記酸素電極で測定して、有害物質の混入を検出するバイオセンサ型異常水質検出装置であって、前記被検水を得るための原水に対する前処理装置である中空糸膜フィルタの前段に、前記原水の流速により容器の内周面に沿って旋回流を生じさせ、この旋回流による遠心力により、原水中の濁質を分離させる遠心分離式フィルタを配置したことを特徴とする。

また、本発明のバイオセンサ型異常水質検出装置は、被検水を得るための原水に対する前処理装置である中空糸膜フィルタの前段における前記原水の流路途中に設けられ、前記流路より大容積のポット状を成し、前記原水が前記流路より導入されることにより急速な流速低下を生じさせ、原水中の濁質を沈降分離するドレンポットを配置した構成でもよい。

本発明によれば、被検水を得るための原水に対する前処理装置である中空糸膜フィルタの前段に、遠心分離式フィルタやドレンポットなどによるプレフィルタを配置したことにより、高濁度水による中空糸膜フィルタの目詰まりを回避し、バイオセンサ型異常水質検出装置の運転および異常水質の監視を停止することなく、原水の濁度状況に影響されることなく連続した安定運転を持続することができる。

以下、本発明によるバイオセンサ型異常水質検出装置の一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１はこの実施の形態の全体構成を示している。図1において、７は散気水槽で、被検水がポンプ１８により導入管１７を介して供給される。この被検水は検査すべき水源の原水（例えば、河川の流入や、浄水場への流入水、下水処理場への流入水など）を、後述する前処理装置２１などにより濁質除去したものである。この散気水槽７では、供給された被検水に対し、気体供給器８から空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体を供給し、溶存酸素濃度が飽和の状態とする。このように溶存酸素濃度が飽和の状態となった被検水は、電磁弁２０を介して被検水供給ポンプ６により被検水導入管２を通って測定槽４に供給される。

１２は酸性溶液パック、１３は鉄液パックであり、これらは対応する電磁弁１４，１５を介して共通の薬液導入管１９に連結し、薬液供給ポンプ１６を介して前記被検水導入管２に連結している。したがって、これら酸性溶液パック１２または鉄液パック１３からの薬液は、被検水導入管２において被検水と混合される。

測定槽４は上記被検水導入管２に連結しており、薬液と混合された被検水が導入される。この測定槽４は温度調整器５によって所定温度に調整される。また、測定槽４内には、微生物膜９を先端に取り付けた酸素電極１０が設けられている。微生物膜９は、酸素を利用して硫酸第一鉄を硫酸第二鉄に変えることができる鉄酸化細菌（鉄バクテリアとも言う）を保持している。酸素電極１０は、この微生物膜９を取り付けた先端部が、測定槽４内の被検水中に浸漬する状態で設置されている。また、酸素電極１０には変換演算手段１１が接続されており、この変換演算手段１１は酸素電極１０から取り出された電気出力を増幅・変換し、所定の演算を施して被検水の水質異常を判別する。

被検水は、前述のように、散気水槽７において、気体供給器８から供給された空気あるいは酸素濃度を一定に調整した気体により、常に飽和溶存酸素濃度となっている。この被検水に対しては、通常の検出動作時、鉄液パック１３から硫酸第一鉄含有溶液が供給される。また、洗浄時には、酸性溶液パック１２から酸性溶液が供給され、それぞれ被検水導入管２で被検水と混合される。これらの混合液は、上述のように溶存酸素濃度が飽和状態とされた状態で被検水導入管２から測定槽４内に流入される。

前記測定槽４に導入される被検水は、常に飽和溶存酸素濃度にして、酸素電極１０の出力の最大値を安定させる必要がある。飽和溶存酸素濃度は液温度により変化するため、前述のように、温度調整器５によって測定槽４を一定の温度に維持することは重要である。

測定槽４内では、酸素電極１０の先端に設けられた、酸素を利用して硫酸第一鉄を硫酸第二鉄に変えることができる鉄バクテリアを保持する微生物膜９と被検水との間で、以下の反応か生じる。微生物膜９に保持された鉄バクテリアは、例えば、Thiobacillus ferrooxidansである。この化学的挙動の化学反応式は、前記（１）式のようになり、2Fe₂(SO₄)₃は水中で電離し、Fe³⁺イオンが生成される。このFe³⁺イオンがさらに水（H₂O）と反応して、水酸化鉄Fe(OH)₃となり沈殿することになる。

なお、微生物膜９に保持される鉄バクテリアとしては、Thiobacillus ferrooxidans以外にも、上記化学反応式の働きを持つすべての微生物が適用可能である。例えば、Gallionella ferruginea、Leptospirillum ferrooxidans、Leptothrix、Sphaerotilus等が適していることが確認されている。

鉄バクテリアの活性、すなわち鉄の酸化量は、温度の影響によっても変化する可能性があるため、測定槽４は温度調整器５によって、鉄バクテリアの活性が安定するような温度に維持されるのが望ましい。温度調整器５の設置は、そういう意味でも重要である。

このように、異常水質検出装置は、鉄酸化細菌をプローブとして取付けた溶存酸素電極１０に被検水と鉄液の混合液を被検水供給ポンプ６および薬液供給ポンプ１６よって送液し、この送液時における酸素電極１０からの電気出力を監視するものである。そして、被検水中に水溶性の有害物質が混入した場合、その有害物質が微生物膜９上の鉄酸化細菌の呼吸活性を低下させる。その結果、鉄酸化細菌に消費されなかった酸素が微生物膜９を透過するため、酸素電極１０に到達する酸素量が増加する。その結果、酸素電極１０が出力する電流値が増加するので、これによって有害物質の混入を判断する。

このようなバイオセンサ型異常水質検出装置では、通常の検出動作時、微生物の栄養源となる鉄液として鉄液パック１３から硫酸第一鉄含有溶液が供給される。このバイオセンサ型異常水質検出装置は２４時間連続監視を基本とするため、鉄液は、２４時間連続供給され続ける。このため、ランニングコストや、鉄液の補充というメンテナンス頻度を考慮すると、その供給量をできるだけ少量にして消費量を極力抑える必要がある。この場合、ある一定の比率で混合する被検水の流量も抑えざるを得ず、しかも、管内流速をある程度維持するために、配管をできるだけ細くする必要がある。一例として、配管の内径は2ｍｍ、管内の流量は100〜150mL/hとし、管の断面を通過する平均流速は130〜190mm/min程度とする場合がある。

このように配管径を細くすると、少しの濁質でも閉塞の恐れがあるため、被検水を得るための前処理装置２１として中空糸膜フィルタを設置し、この中空紙膜フィルタ２１に原水を流して濁質を除去する。この中空糸膜フィルタは、現在一般に使用されているものでは０．１μｍ以上の濁質を除去することができるが、その反面、つまりやすく、濁度３００度以下で使用可としている。

しかし、バイオセンサ型異常水質検出装置を主に設置する河川取水場近辺では、気象・天候により濁度の変動が激しく、特に台風時は増水により高濁度の水が流入しやすい。そこで、前処理装置である中空糸膜フィルタ２１の前段に、プレフィルタとして遠心分離式フィルタ２２を配置し、突発的な高濁度水から中空糸膜フィルタ２１の目詰まりを回避するようにした。

遠心分離式フィルタ２２は、図２で示すように大径のヘッド部２２ａとその下部に通じる比較的小径の円筒部２２ｂとからなる容器状のもので、ヘッド部２２ａ内に、その内周に沿って原水を流入させる。ヘッド部２２ａに流入した原水は、その流速により容器の内周面に沿って旋回流を生じながら円筒部２２ｂ内を下降し、円筒部２２ｂ内の軸中心部にて上向きに変向され、円筒部２２ｂ及びヘッド部２２ａの軸中心部を上昇して上部出口から流出する。このヘッド部２２ａ及び円筒部２２ｂからなる容器内の流通過程において、前記旋回流による遠心力により、原水中の濁質（砂分等）を沈降分離させる、所謂サイクロン方式のものである。

本実施の形態では、例えば、濁度１０００度の原水を遠心分離式フィルタ２２で濁度２００度程度まで落とし、中空糸膜フィルタ２１の目詰まりを防止している。したがって、降雨時に原水濁度が急激に増大しても、遠心分離式フィルタ２２が、濁度を中空糸膜フィルタ２１の適正使用範囲である濁度２００度程度まで落とすので、中空糸膜フィルタ２１が、逆洗困難な状態まで目詰まりすることを防止できる。これにより、河川水等による原水の濁度の変動に対して中空糸膜フィルタ２１の目詰まりを発生させることなく、長期安定運転が可能となる。

ここで、遠心分離式フィルタ２２は、前述のように遠心分離のための旋回流を生じさせるため、ある程度流速が必要である。このため、原水をポンプで加圧するか、原水圧が大きい場合に対して適用することが望ましい。なお、遠心分離された濁質は遠心分離式フィルタ２２の底面の電磁弁２４を定期的に開いて排水する。

上記実施の形態では、前処理装置である中空糸膜フィルタ２１の前段にプレフィルタとして遠心分離式フィルタ２２を設けたが、これに代って、図３で示すようにポット状のフィルタ（以下、ドレンポットと呼ぶ）２３を用いてもよい。このドレンポット２３は、中空糸膜フィルタ２１の前段における原水の流路途中に設けられ、この流路を形成する配管より大容積のポット状の中空容器により構成される。すなわち、図４で示すように、前記原水が流路を形成する配管から導入されると、その容積が急激に拡大することから急速な流速低下を生じ、原水中の濁質を重力により沈降分離させる構造のものである。

本実施の形態では、例えば濁度５００度の原水をドレンポット２３で濁度２００度程度まで落とし、中空糸膜フィルタ２１の目詰まりを防止している。したがって、降雨時に原水濁度が急激に増大しても、ドレンポット２３が、濁度を中空糸膜フィルタ２１の適正使用範囲である濁度２００度程度まで落とすので、中空糸膜フィルタ２１が、逆洗困難な状態まで目詰まりすることを防止する。これにより、河川水等による原水の濁度の変動に対して中空糸膜フィルタ２１の目詰まりを発生させることなく、長期安定運転が可能となる。

ここで、ドレンポット２３は、その内部における流量が小さいほど沈降時間が稼げるため、原水を圧力調整して流量制限するか、原水圧が小さい場合の適用に好ましい。なお、ドレンポット２３の底面に沈降した濁質は電磁弁２４を定期的に開いて排水する。これにより、河川水等による原水の濁度の変動に対して中空糸膜フィルタ２１の目詰まりを発生させることなく、長期安定運転を可能とする。

本発明によるバイオセンサ型異常水質検出装置の一実施の形態を示す全体構成図である。 同上一実施の形態に用いられる遠心分離式フィルタの機能を説明する動作概念図である。 本発明によるバイオセンサ型異常水質検出装置の他の実施の形態を示す全体構成図である。 同上他の実施の形態に用いられるポット状フィルタ（ドレンポット）の機能を説明する動作概念図である。

符号の説明

４ 被検水が導入される測定槽
９ 微生物膜
１０ 酸素電極
１３ 鉄液パック
２１ 中空糸膜フィルタ
２２ 遠心分離式フィルタ
２３ ドレンポット

Claims (2)

1. 鉄酸化細菌を保持した微生物膜を先端部分に有する酸素電極の、前記先端部分を被検水中に浸漬させ、前記微生物膜を透過する酸素量を前記酸素電極で測定して、有害物質の混入を検出するバイオセンサ型異常水質検出装置であって、
   前記被検水を得るための原水に対する前処理装置である中空糸膜フィルタの前段に、前記原水の流速により容器の内周面に沿って旋回流を生じさせ、この旋回流による遠心力により、原水中の濁質を分離させる遠心分離式フィルタを配置した
   ことを特徴とするバイオセンサ型異常水質検出装置。
2. 鉄酸化細菌を保持した微生物膜を先端部分に有する酸素電極の、前記先端部分を被検水中に浸漬させ、前記微生物膜を透過する酸素量を前記酸素電極で測定して、有害物質の混入を検出するバイオセンサ型異常水質検出装置であって、
   前記被検水を得るための原水に対する前処理装置である中空糸膜フィルタの前段における前記原水の流路途中に設けられ、前記流路より大容積のポット状を成し、前記原水が前記流路より導入されることにより急速な流速低下を生じさせ、原水中の濁質を沈降分離するドレンポットを配置した
   ことを特徴とするバイオセンサ型異常水質検出装置。