説明

塩素消費量及び塩素要求量測定装置

【課題】 短時間で塩素剤投入量の指標となるデータが得られ、塩素要求量が経時的に変化する場合にも対応できる測定装置を提供する。
【解決手段】 反応槽Tと、反応槽Tに試料液を導入する試料液導入ポンプP1と、反応槽Tに既知濃度の塩素を含む滴定液を導入する滴定ポンプTPと、反応槽T内の液体の酸化還元電位を測定する酸化還元電位検出器Dと、滴定ポンプTPによって導入された滴定液の液量及び酸化還元電位検出器Dによって検出された酸化還元電位が逐次入力される演算装置とを備え、演算装置が、酸化還元電位変化から得られる第1終点に基づき塩素消費量を、第2終点に基づき塩素要求量を演算する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は試料液、特に塩素殺菌前の下水等のアンモニア性窒素、有機性窒素などを含む試料液の塩素消費量及び塩素要求量を共に求めることができる測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
塩素処理は、上水、下水、工業用水、排水、食品洗浄水、プール水等、種々の水に対して、これを消毒するために行われている。この塩素処理において使用される塩素剤は、消毒するために十分な量を消毒対象の水中に投入しなければならないが、あまり過剰に投入することは、環境に悪影響を及ぼしたり、人体に害を与えたりするため望ましくない。そこで、塩素剤を最適な量で投入するために、塩素要求量を測定することが行われている。
【0003】
非特許文献1に記載されているように、アンモニア性窒素、有機性窒素などを含む水の場合は特異的な塩素消費の挙動が見られる。試料水に段階的な注入率で塩素を注入し、所定時間静置後残留塩素を測定し、塩素注入率と残留塩素の関係を図示すると図1のようになる。I型は、精製水のような塩素要求量ゼロの水の場合である。アンモニア性窒素等を含まない水ではII型、アンモニア性窒素等を含む水ではIII 型となる。II型では、この図におけるA点が塩素要求量である。一方、III 型では、B点の塩素注入率が塩素消費量、C点の塩素注入率が塩素要求量である。
【0004】
したがって、塩素要求量とは、塩素を注入し所定時間接触後において、遊離残留塩素を認め始めるのに必要な塩素注入率、塩素消費量は残留塩素(主として結合型)を認め始めるのに必要な塩素注入率ということになる。良質な水でII型の場合は塩素要求量と塩素消費量とは同じであるが、アンモニア性窒素等を含むIII 型の水ではこの両者に差がある。
【0005】
すなわち、アンモニア性窒素を含む水の場合は、塩素注入率の増加にしたがって残留塩素も増加していくが、やがて逆に残留塩素が減少しはじめ、極小点(C点)が生じる。この点を不連続点という(ここまでの残留塩素は主として結合型である)。更に塩素注入率を増していくと、それに従って残留塩素(主として遊離型である)が増加していく。この不連続点以上に注入する塩素処理を不連続点塩素処理という。不連続点塩素処理の場合.原水のアンモニア性窒素は完全に除去される。
【0006】
不連続点が生じる原因は、下記の反応のように水中にあるアンモニア性窒素中のアンモニアが塩素によりクロラミンを作り、更に窒素ガスまで酸化されるためとされている。
残留塩素が増加する過程では、次の(1)〜(3)式の反応が進行する。
NH3+Cl2←→NH2Cl(モノクロラミン)+HCl・・・・・(1)
NH2Cl+Cl2 ←→ NHCl2(ジクロラミン)+HCl ・・・・・(2)
NHCl2+Cl2 ←→ NCl3(トリクロラミン)+HCl ・・・・・(3)
更に塩素が加えられると残留塩素が減少し始め、不連続点までには次の反応が続いて起こる。
NH2Cl+NHCl2→N2+3HCl‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(4)
NH2Cl+NHCl2+Cl2+H20→N20+5HCl‥‥‥(5)
(1)(2)(4)の反応をまとめると(6)式、(1)(2)(5)をまとめると(7)式となる。
2NH3+3Cl2→N2+6HCl‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(6)
2NH3+4C12+H2O→N2O+8HCl‥‥‥‥‥‥‥‥(7)
【0007】
アンモニア性窒素等を含む場合、不連続点の前後において、酸化還元電位が大きく変化する(非特許文献2)。
そこで、塩素要求量を自動的に測定する装置としては、食塩溶液を用い塩素生成量を制御できる次亜塩素酸ナトリウム生成装置、紫外線等を設置して塩素による酸化反応を促進した反応槽、反応液の酸化還元電位測定装置等をシステムに組み、不連続点を超えた後の酸化還元電位を得るために実際に消費された次亜塩素酸ナトリウム量から、塩素要求量を求める装置が知られている(非特許文献1)。
【非特許文献1】「上水試験方法」、社団法人日本水道協会、平成6年3月4日、p264
【非特許文献2】「塩素処理に関する基礎的研究(I)」、下水道協会誌、1979年10月、第16巻、第185号、p.21−31
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ところが、上記非特許文献1のように不連続点を超えるまで、実際に反応をさせる場合、紫外線等により酸化反応が促進されているとはいえ、測定に数十分間、急いでも10分間近くの時間を要していた。そのため、処理対象水の塩素要求量が経時的に変化するような場合に追随できず、塩素剤を最適な量で投入することが困難であった。
特に、雨水を生活排水等と合流させて処理する合流式下水道では、降雨での増水時に終末処理場の処理能力を超えてしまうため、処理対象水の一部を、簡易処理水として、終末処理場での簡易処理後に塩素消毒して公共水域に放流することが行われている。このような処理水の場合、数分の間に塩素要求量が大きく変化するため、塩素剤投入量の制御が著しく困難であった。
【0009】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、短時間で塩素剤投入量の指標となるデータが得られ、降雨時のように塩素要求量の経時的変化が大きい場合にも対応できる測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、反応槽と、反応槽に試料液を導入する試料液導入ポンプと、反応槽に既知濃度の塩素を含む滴定液を導入する滴定ポンプと、反応槽内の液体の酸化還元電位を測定する酸化還元電位検出器と、滴定ポンプによって導入された滴定液の液量及び酸化還元電位検出器によって検出された酸化還元電位が逐次入力される演算装置とを備え、演算装置が、酸化還元電位変化から得られる第1終点に基づき塩素消費量を、第2終点に基づき塩素要求量を演算することを特徴とする塩素消費量及び塩素要求量測定装置を提供する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、短時間で塩素消費量のデータを得ることができる。そのため、塩素要求量が短時間の内に変化する場合には、塩素消費量を指標として塩素剤投入量を制御できる。一般的に雨水等により希釈されて塩素要求量が低減した場合には塩素消費量も低減するので、両者の間に相関関係が認められるからである。
また、本発明によれば、塩素消費量のデータを得た後に塩素要求量も得られる。そのため、塩素要求量の測定値を用いて、中長期的な塩素剤投入量の見直しが可能である。
したがって、本発明の測定装置によれば、塩素剤投入の効率的な制御ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
図2は、本発明の一実施形態に係る測定装置の概略構成図である。図2の測定装置は、反応槽Tと、反応槽Tに試料液を導入する試料液導入ポンプP1と、反応槽Tにゼロ液又はスパン液を導入する標準液導入ポンプP2と、反応槽Tにバッファを導入するバッファ導入ポンプP3と、反応槽Tに滴定液を導入する滴定ポンプTPと、反応槽T内に浸漬された酸化還元電位検出器Dと、反応槽T内の液位を検出するレベルセンサLSと、反応槽T内の液体を攪拌する撹拌装置Mと、演算装置(図示せず)とから概略構成されている。
【0013】
試料液導入ポンプP1は、サンプルフィルタSFから反応槽T内に至る液流路L1に介装されている。サンプルフィルタSFは、試料液入口1と試料液出口2との間の液流路L2に接しており、液流路L2を流れる試料液をフィルタリング後、液流路L1に導入できるようになっている。また、試料液導入ポンプP1の下流側の液流路L1には、計量コイルCが介装されている。
【0014】
試料液導入ポンプP1とサンプルフィルタSFとの間の液流路L1には、開閉バルブLV1が介装されたガス流路G1によってエアが供給されるようになっている。このガス流路G1から供給されるエアによって、サンプルフィルタSFの逆洗ができるようになっている。また、計量コイルCの下流側の液流路L1には、開閉バルブLV2が介装されたガス流路G2によってエアが供給されるようになっている。このガス流路G2からから供給されるエアによって、反応槽T内の液体を排液できるようになっている。
【0015】
標準液導入ポンプP2は液流路L3に介装されている。この液流路L3の上流側には、上流端がゼロ液タンク3に挿入された液流路L4と、上流端がスパン液タンク4に挿入された液流路L5とが連絡している。液流路L3の下流側は、試料液導入ポンプP1の下流側において液流路L1に合流している。液流路L4と液流路L5とには、各々開閉弁LV3、LV4が介装されている。
なお、ゼロ液としては純水が、スパン液としては亜硫酸ナトリウム溶液または亜硝酸ナトリウム溶液等が用いられる。
バッファ導入ポンプP3は液流路L6に介装されている。この液流路L6の上流端は、バッファタンク5に挿入されている。バッファ液としてはpH7のリン酸バッファが用いられる。液流路L6の下流端は反応槽T内に挿入されている。
【0016】
滴定ポンプTPは液流路L7に介装されている。この液流路L7の上流端は、滴定液タンク6に挿入されている。滴定液は、既知濃度の塩素を含むもので、例えば次亜塩素酸ナトリウムのアルカリ性溶液が用いられる。液流路L7の下流端は反応槽T内に挿入されている。
酸化還元電位検出器Dは、作用極が白金、対極が銀/銀塩化銀電極で構成されている。
滴定ポンプTPによって導入された滴定液の液量及び酸化還元電位検出器Dによって検出された酸化還元電位は、演算装置に逐次入力されるようになっている。
【0017】
反応槽Tの側壁に設けられたオーバーフロー口7とドレイン8との間の液流路L8には、開閉弁LV5が介装されている。反応槽Tの底部に設けられた排液口9とドレイン8との間の液流路L9には、開閉弁LV6が介装されている。
なお、液流路L8と液流路L9とは、下流側で合流している。
【0018】
開閉弁LV1〜LV6には、ガス流路G3からエアが供給されるようになっている。開閉弁LV1〜LV4、LV6はエアが供給されたときに開となる常閉弁である。一方、開閉弁LV5はエアが供給されたときに閉となる常開弁である。
ガス流路G3には、エアフィルタAFが介装されたガス流路G4を介して、エア入口10からエアが導入されるようになっている。また、圧力調整のため、ガス流路G3には減圧弁R1が介装されている。
同様に、上述のガス流路G1、G2には、ガス流路G4とその下流側のガス流路G5を介して、エア入口10からエアが導入されるようになっている。また、圧力調整のため、ガス流路G5には減圧弁R2が介装されている。
【0019】
本実施形態の測定装置によれば、以下の手順によって塩素消費量及び塩素要求量を測定できる。
まず、開閉弁LV5のみを開とした状態で、試料液導入ポンプP1を作動させ、液流路L1内が総て試料液で充填された状態とする。次いで、開閉弁LV2、LV6のみを開とし、反応槽T内の試料液をエアによって排出する。
次に、開閉弁LV3、LV5のみを開とし、標準液導入ポンプP2を作動させる。これにより、液流路L1における液流路L3の合流位置よりも下流側の試料液が、ゼロ液によって反応槽Tに押し出される。この標準液導入ポンプP2の作動は、レベルセンサLSが液面を検知するまで継続する。以上の動作により、試料液が一定量計量された状態で、所定量のゼロ液と共に反応槽Tに供給される。
次に、開閉弁LV5のみを開とし、バッファ導入ポンプP3を所定の時間作動させる。これにより、所定量のバッファが反応槽Tに添加される。
【0020】
その後、開閉弁LV5のみを開とし撹拌装置Mを作動させた状態で、滴定ポンプTPを駆動し滴定を開始する。滴定の進行は酸化還元電位検出器Dにより逐次検出する。
滴定ポンプTPにより反応槽Tに導入された滴定液の液量(以下「滴定量」という。)及び酸化還元電位検出器Dにより検出された酸化還元電位は、演算装置に逐次入力される。そして、演算装置は、最初に得られた終点を第1終点b、次に得られた終点を第2終点cとし、各々の終点が得られた際の滴定量を検知する。
そして、第1終点bに基づき塩素消費量を、第2終点cに基づき塩素要求量を、各々演算する。
【0021】
なお、演算にあたっては検量線を用いることもできる。検量線は、予め試料液に代えてゼロ液又はスパン液を滴定し、これらの場合の第1終点b及び第2終点cが得られた際の滴定量から作成する。
ゼロ液を滴定する場合は、上記試料液導入ポンプP1を作動させて液流路L1内に試料液を充填する工程及びその後反応槽T内の試料液をエアによって排出する工程を省略すればよい。
また、スパン液を滴定する場合には、上記試料液導入ポンプP1を作動させて液流路L1内に試料液を充填する工程に代えて、開閉弁LV5、LV4のみを開とした状態で、標準液導入ポンプP2を作動させ、液流路L1内にスパン液を充填し、その後は試料液の場合と同じ手順を経て滴定すればよい。
【0022】
正確な滴定を行うためには、特に終点近傍において、反応時間を考慮しながら、微少液量を間欠的に滴下することが好ましい。また、制御機構を単純化することが必要であれば、一定速度で連続的に行うことも可能である。
第1終点が得られるまでは、比較的反応速度が速いため、滴定精度を損なうことなく滴定速度を速くすることが可能である。第1終点から第2終点にいたるまでは、アンモニア性窒素等が反応するため、反応時間を考慮して、滴定を進めることが好ましい。
【0023】
図3は、日本国内にある下水処理場の第一沈殿地出口水を試料液とし、本実施形態の測定装置で滴定した場合の滴定曲線である。滴定に先立ち、反応槽Tには、この試料液4mLとゼロ液(純水)36mLと、バッファとしてKHPO(25g/L)10mLを導入した。
滴定液としては、次亜塩素酸ナトリウムのアルカリ水溶液(280mgCL/L)を用い、0.25mL/分の一定速度による滴定を行った。その結果、図3に示すように、第1終点b、第2終点cを、各々得ることができた。
【0024】
本実施形態によれば、第1終点までの反応が比較的速く進行するため、滴定条件にもよるが、数分以内で塩素消費量を求めることができる。また、その後第2終点から塩素要求量も求めることができる。
そのため、塩素消費量からおよその塩素要求量を推定し、降雨時等の塩素要求量が短時間の内に変化する場合にも、塩素剤の投入量を追随して制御できる。また、塩素要求量の測定値を用いて、中長期的な塩素剤投入量の見直しが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】塩素注入率と残留塩素の関係を示すグラフである。
【図2】本発明の一実施形態に係る測定装置の概略構成図である。
【図3】本実施形態の測定装置で滴定した場合の滴定曲線である。
【符号の説明】
【0026】
T・・・反応槽、P1・・・試料液導入ポンプ、P2・・・標準液導入ポンプ、
P3・・・バッファ導入ポンプ、TP・・・滴定ポンプ、
D・・・酸化還元電位検出器、LS・・・レベルセンサ、M・・・撹拌装置


【特許請求の範囲】
【請求項1】
反応槽と、反応槽に試料液を導入する試料液導入ポンプと、反応槽に既知濃度の塩素を含む滴定液を導入する滴定ポンプと、反応槽内の液体の酸化還元電位を測定する酸化還元電位検出器と、滴定ポンプによって導入された滴定液の液量及び酸化還元電位検出器によって検出された酸化還元電位が逐次入力される演算装置とを備え、
演算装置が、酸化還元電位変化から得られる第1終点に基づき塩素消費量を、第2終点に基づき塩素要求量を演算することを特徴とする塩素消費量及び塩素要求量測定装置。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2006−23147(P2006−23147A)
【公開日】平成18年1月26日(2006.1.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−200314(P2004−200314)
【出願日】平成16年7月7日(2004.7.7)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成16年6月21日 社団法人日本下水道協会発行の「第41回 下水道研究発表会講演集」に発表
【出願人】(000219451)東亜ディーケーケー株式会社 (204)
【出願人】(591043581)東京都 (107)