JPH1048127A

JPH1048127A - 有機物含有率測定装置

Info

Publication number: JPH1048127A
Application number: JP22170496A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Hayashi; 知幸林
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1996-08-05
Publication date: 1998-02-20
Anticipated expiration: 2016-08-05
Also published as: JP3525013B2

Abstract

(57)【要約】【課題】汚泥を固液分離して得られた脱水ケーキの有
機物含有率を測定し、脱水ケーキの焼却処理の際の燃焼
制御を容易にする。【解決手段】脱水ケーキ５０に、水分、蛋白質、脂質
及び繊維質の各含有比率に応じた吸収特性を夫々示す複
数波長の赤外光を順次に照射し、脱水ケーキから反射し
た各波長の赤外光の光量を光電変換素子２４で検出し、
その光量に基づいて、ＣＰＵ３３が脱水ケーキの有機物
含有率を演算する。水分及び有機物含有率に基づいて脱
水ケーキを焼却処理する際の脱水ケーキの発熱量が得ら
れるので、焼却設備における脱水ケーキ焼却の際の燃焼
制御が容易になる。各含有率と有機物含有率との関係式
は、所定数の試料の分析法による実測値と、測定装置に
よる各含有率測定値とから回帰演算により求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機物含有率測定
装置に関し、特に、下水、し尿又は産業排水処理施設な
どから発生する汚泥を固液分離して得られた脱水ケーキ
の有機物含有率を測定するために好適な有機物含有率測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】下水、し尿又は産業排水処理施設などか
ら発生する汚泥は、ベルトプレス型脱水機や遠心脱水
機、或いはフィルタプレス等を利用して脱水処理され、
脱水ケーキとなった後に焼却処分又は埋立処分などの次
工程に移送される。

【０００３】脱水ケーキ中の水分は、脱水ケーキを焼却
処分する場合には焼却の際の燃料の使用量に影響を及ぼ
し、また、脱水ケーキを埋立処分する場合には運搬や処
分地の容積に重大な影響を及ぼすため、脱水ケーキは、
夫々の処分方法に見合った所定の含水率（水分含有率）
とした後に排出することが望まれている。

【０００４】そこで、従来から、汚泥脱水機等の出口或
いは脱水ケーキを搬送するベルトコンベア上に赤外線水
分計を設置し、赤外線の入射光量と反射光量の比率に基
づいて水分量を求めている。この方法は、例えば、特開
平６−２２９９１８号公報、特開平７−１５９３１４号
公報等に記載されており、被測定物の水分含有率を非接
触で測定できる利点を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、下水、し尿又
は産業排水処理施設等から発生する汚泥は、汚泥発生源
等の相違に起因して、その性状や組成が個々に異なる。
特に、脱水ケーキの有機物含有率は、脱水ケーキの焼却
処分等の際にその発熱量に大きな影響を及ぼすことが知
られている。このため、脱水ケーキを焼却処分する場合
には、前述のように脱水ケーキを所定の含水率として排
出しても、有機物含有率の相違のために脱水ケーキの焼
却の際の発熱量が大きく異なり、焼却設備等において脱
水ケーキの焼却の際に使用する燃料の量の制御、つまり
燃焼制御が困難であった。

【０００６】本発明は、下水、し尿又は産業排水処理施
設などから発生する脱水ケーキの焼却処理における燃焼
制御を容易にするため、脱水ケーキ中の有機物含有率を
測定するために好適な有機物含有率測定装置を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の有機物含有率測定装置は、蛋白質、脂質及
び繊維質の各含有比率に応じた吸収特性を夫々示す複数
波長の赤外光を被測定試料に順次に照射する光照射装置
と、被測定試料を透過又は反射した前記各波長の赤外光
を受光する受光装置と、前記受光装置で得られた各波長
の赤外光の光量に基づいて被測定試料の有機物含有率を
演算する演算装置とを備えたことを特徴とする。

【０００８】本発明の有機物含有率測定装置によれば、
被測定試料を透過又は反射した各波長の赤外光の光量を
順次に測定することにより、被測定試料の蛋白質、脂質
及び繊維質の各含有率に応じた有機物含有率を非接触で
求めることが出来る。被測定試料の有機物含有率は、被
測定試料を燃焼させる際の燃焼エネルギーと一定の相関
関係を有するので、測定された有機物含有率に基づい
て、焼却設備等における燃焼制御が容易になる。

【０００９】本発明の有機物含有率測定装置の好ましい
例では、光照射装置が被測定試料の水分含有率に応じた
吸収特性を示す波長の赤外光を更に照射し、演算装置に
よって、有機物含有率の演算値及び被測定試料の水分含
有率に基づいて被測定試料の焼却の際の発熱量を演算す
る。この場合、燃焼エネルギーが直接的に演算で得られ
るので、焼却設備における燃焼制御が更に容易になる。

【００１０】前記演算装置によって、リアルタイムで有
機物含有率や被測定試料の発熱量を演算すれば、燃焼制
御をリアルタイムで行うことが出来る。例えば、蛋白
質、脂質及び繊維質の含有率に応じた有機物含有率の関
係式、及び、有機物含有率及び水分含有率と発熱エネル
ギーとの関係式を予め検量線として演算部に記憶してお
くことにより、発熱量のリアルタイムの測定が可能にな
り、これに基づいて、焼却の際の燃焼制御がリアルタイ
ムで行われる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例に基づ
いて、本発明の有機物含有率測定装置について更に詳細
に説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施形態例の有機物含
有率測定装置を示すブロック図である。本測定装置は、
複数の所定波長の赤外光の内の近赤外光を順次に照射す
る光照射装置１０と、測定対象を成す脱水ケーキ５０か
らの反射光を受光する受光装置２０と、受光装置２０で
検出された各波長毎の近赤外光の光量から脱水ケーキ５
０の有機物含有率及び発熱量をリアルタイムで演算する
信号処理部３０と、その他の付属装置とから構成され
る。

【００１３】光照射装置１０は、可視光及び近赤外光の
各波長を含む白色光を発生する光源を成すランプ１１、
ランプ１１からの白色光を集光する１対のレンズ１２及
び１３、モータ１４で回転駆動されて、ランプ１１から
の白色光を受け複数の所定波長の赤外光及び可視光を順
次に透過させるフィルタホイール１５、及び、照射光学
系から成る。照射光学系は、レンズ１６、反射鏡１７及
びレンズ１８から構成され、フィルタホイール１５を透
過した各所定波長の赤外光又は可視光を、測定対象を成
す脱水ケーキ５０に照射する。

【００１４】図２は、フィルタホイール１５の構成を正
面図として示している。フィルタホイール１５には、６
つの円形フィルタ１９がホイール１５の外周に沿って順
次に配列されており、モータ１４の回転に従って選択さ
れた１枚のフィルタ１９によって対応する特定波長の光
を透過させる。６つのフィルタ１９は、水分で吸収を受
ける特定波長（水分測定用波長）の赤外光のみを透過す
る第１フィルタ、蛋白質測定用波長の赤外光のみを透過
させる第２フィルタ、脂質測定用波長の赤外光のみを透
過させる第３フィルタ、繊維質測定用波長の赤外光のみ
を透過させる第４フィルタ、水分、蛋白質、脂質及び繊
維質の何れにも吸収されない波長の赤外光のみを透過さ
せる第５フィルタ、及び可視光を透過させる第６フィル
タから成る。第６フィルタは、近赤外線が人間の目では
見えないため、ランプが正常に点灯していることを随時
視認する目的で組み込まれている。フィルタホイール１
５は、信号処理部３０からの同期信号に基づいて、これ
らフィルタ１９の内の１枚が光源１１と照射光学系１６
〜１８との間の光路に挿入されるように、モータ１４に
よって駆動される。

【００１５】受光装置２０は、集光用の凹面鏡２１、反
射鏡２２及び可視光カットフィルタ２３から成る受光光
学系と、ＰbＳから成る光電変換素子２４とから構成さ
れる。光電変換素子２４は、水分、蛋白質、脂質及び繊
維質で吸収される各波長の近赤外光及びこれらに吸収さ
れない波長の近赤外光を順次に受光し、これら各近赤外
光の光量に比例した出力を順次に与える。

【００１６】信号処理部３０は、光電変換素子２４から
の信号を増幅する交流増幅器３１、フィルタホイール１
５の回転に同期して交流増幅器３１の出力をサンプリン
グするサンプル・ホールド回路３２、サンプル・ホール
ド回路３２の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器３３、
並びに、その出力を受けて所定の演算を行うＣＰＵ３４
及びこれに付属するメモリ３５を含む演算装置から構成
される。付属装置には、測定対象の周囲環境を測定する
湿度検出器４１、温度検出器４２、及び、受光装置の温
度を制御する温度検出器４３等が含まれる。

【００１７】上記構成により、光源１１からの白色光
は、まず、フィルタホイール１５を透過して複数の所定
波長の近赤外光となって順次に脱水ケーキ５０に照射さ
れる。脱水ケーキ５０から反射した各特定波長の近赤外
光は、脱水ケーキ内の水分、蛋白質、脂質、及び、繊維
質の各含有率に比例する光量が夫々吸収されることによ
り、各成分の含有率に比例して光電変換素子２４で検出
される反射光の光量が増減する。サンプル・ホールド回
路３２は、特定波長のフィルタ１９の挿入に対応して、
受光量をサンプリングしＡ／Ｄ変換器３３を経由してＣ
ＰＵ３４に与える。ＣＰＵ３４は、その受光量に基づい
て、脱水ケーキ内の蛋白質、脂質及び繊維質の各含有率
に応じた有機物含有率を演算で求める。この場合、これ
ら成分の何れにも吸収されない赤外光は、各赤外光の吸
収度の基準値として用いられる。これら有機物含有率及
び同様に求めた水分含有率に基づいて脱水ケーキ５０の
発熱量が求められる。

【００１８】ＣＰＵ３４内での有機物含有率及び水分含
有率の演算は、下記式に基づいて行われる。Ｙ＝ａ₀＋ａ₂ｘ₂＋ａ₃ｘ₃＋ａ₄ｘ₄ −−−−−−−−−(1) Ｚ＝ｂ₀＋ｂ₁ｘ₁＋ｂ₂ｘ₂＋ｂ₃ｘ₃＋ｂ₄ｘ₄ −−−−−(2) ここで、（１）式におけるＹは有機物含有率（％）を、
ａ₀及びａ₂〜ａ₄は定数を、ｘ₂〜ｘ₄は各波長における
吸光度を夫々示し、ｘ₂は蛋白質、ｘ₃は脂質、ｘ4は繊
維質による吸光度を夫々示している。式（１）は、メモ
リ３５内に例えば検量線として記憶されている。また、
（２）式におけるＺは水分含有率を、ｂ₀〜ｂ₄は定数
を、ｘ₁〜ｘ₄は各波長における吸光度を夫々示し、ｘ₁
は水分、ｘ₂は蛋白質、ｘ₃は脂質、ｘ₄は繊維質による
吸光度を示す。なお、ｘ₂〜ｘ₄は（１）式と共通の吸光
度である。式（２）は、同様にメモリ３５内に検量線と
して記憶される。

【００１９】上記演算式（１）を決定するに当たり、予
め次の表に示すような基礎データを所定数のサンプルに
ついて収集する。

【表１】

【００２０】つまり、まず任意の脱水ケーキのサンプル
１を用意し、測定対象の位置にセットし、測定装置を実
際に稼動させて、各成分の含有率に応じたｘ₂₁、ｘ₃₁及
びｘ₄₁を順次に求める。このサンプルの赤外光が照射さ
れた部分を採取し、実際の有機物含有率をＪＩＳ法など
に定められた分析法によって求める。分析結果が出た
ら、その数値を上表の有機物含有率のＹ₁の欄に入力す
る。同様の方法でサンプル２に関する諸数値を測定し且
つ実測値を入力する。同様の作業を所定数のサンプルに
対して行い、所定数のサンプルデータが集まった段階
で、有機物含有率を被説明変数（従属変数）とし、測定
されたｘ₂ 、ｘ₃ 、ｘ₄ を説明変数（独立変数）として
重回帰演算を行い、各定数ａ₀及びａ₂〜ａ₄を決定し、
メモリ３５内に記憶する。

【００２１】一方、発熱量の演算は以下のように行う。
即ち、脱水ケーキの有機物含有率を分析法で求める際
に、例えばサンプルを実際に燃焼させる等によりその単
位重量あたりの発熱量を同時に求める。分析は、同様に
所定数のサンプルについて行い、収集されたデータは下
記に例示するような表形式にまとめる。

【表２】

【００２２】上記データに基づいて、発熱量を被説明変
数（従属変数）Ｚとし、有機物含有率を説明変数（独立
変数）Ｑとして単回帰演算を行い、Ｚ＝ｂ₀＋ｂ₁Ｑ −−−−−−−（３）から成る式の各定数ｂ₀、ｂ₁を求め、メモリ３５内に記
憶する。

【００２３】上記演算式（１）及び（３）を決定した後
には、測定装置を実際に稼動させ、有機物含有率及び発
熱量が未知のサンプルに対して、フィルタホイールを透
過した各波長の近赤外光を順次に照射する。各波長毎に
求められた吸光度に基づいて、（１）式で有機物含有率
を、（３）式で発熱量を夫々求めて、これを例えば表示
装置に表示する。或いは、求められた発熱量に基づい
て、焼却設備の燃焼制御を行う。

【００２４】一般に、動植物界における有機物は、炭水
化物、脂肪（脂質）及び蛋白質から成る。炭水化物は糖
類から成り、そのうち多糖類が例えば化学式（Ｃ₆Ｈ₁₀
Ｏ₅）2₀₀₀で表わされる繊維質と呼ばれる。脂質は化学
式Ｃ_mＨ_n（Ｃ_xＨ_yＣＯＯ)_zで表わされ、蛋白質は、例え
ば化学式ＣＨ₂(ＮＨ₂)ＣＯＯＨ（グリシン）又はＣＯＯ
ＨＣＨ（ＮＨ₂)ＣＨ₂ＳＳＣＨ₂ＣＨ（ＮＨ₂)・ＣＯＯＨ
（シスチン）で表わされる。これらは、全て特定波長の
光に対してその量に応じた吸収特性を示す。本測定装置
は、これを利用するものである。

【００２５】図３は、脱水ケーキによる近赤外光の吸収
スペクトルの一例を示す線図である。横軸に波長（ｎ
ｍ）を縦軸に吸収度をとっている。試料は３種類あり、
図示の通りそれらはほぼ同様な吸収特性を示している。
スペクトル解析により有機物の上記各成分の比率を測定
するためには、例えば図２において、繊維質の測定には
１，７８０ｎｍ（λ１）、脂質の測定には２，２９０ｎ
ｍ（図示せず）、蛋白質の測定には２，１４８ｎｍ（λ
２）の波長の赤外光を使用する。なお、これら波長の他
にも、有機物含有量測定のために用いることが出来る、
繊維質、脂質及び蛋白質で吸収される各波長の光なら
ば、如何なる波長の光を用いてもよい。

【００２６】次に、水分含有率を求める演算式（２）に
ついて説明する。本演算式（２）を決定する場合も、演
算式（１）で説明したと同様の手法にて行い、任意の複
数のサンプル（ＪＩＳ法などで求めた水分含有率が既知
のもの）を測定対象の位置にセットし、測定対象を移動
させて水分含有率（Ｚ）を被説明変数（従属変数）と
し、ｘ₁、ｘ₂、ｘ₃、ｘ₄を説明変数（独立変数）として
重回帰演算を行い、各定数ｂ₀〜ｂ₄を決定し、メモリ３
５内に記憶する。なお、本水分含有率を求める式の決定
に関しては、特開平７−１５９３１４号公報を参照する
とよい。但し、特開平７−１５９３１４号公報では、赤
外光の反射光を用いて水分含有率を測定するにあたり、
汚泥の性質に基づいて補正する因子として蛋白質と脂質
のみを用いているが、本発明の有機物含有率を求める際
には繊維質の吸光度も測定しているので、この繊維質の
吸光度も汚泥の性状を補正する因子として加えてある点
が特開平７−１５９３１４号公報と若干異なる。

【００２７】

【実施例】上記演算式（１）を実際に決定するために、
図１に示した有機物含有率測定装置において、上記特定
波長の近赤外光を透過するフィルタ等を搭載したフィル
タホイールを用い、所定の試料について測定を実施し
た。

【００２８】測定には、試料１〜５迄の脱水ケーキを使
用した。各試料について、測定装置による各成分の含有
率の測定とは別に、分析法により固形物中の有機物含有
率（ＶＴＳ）を測定した。各試料と分析法で求めた有機
物含有率とを表３に示す。

【表３】

【００２９】各試料について、上記測定装置を用いて、
各試料における各成分の吸光度を測定し、有機物含有率
（Ｙ）を表す重回帰演算式を求めた。測定装置による測
定は、各試料について夫々６回行った。これによって得
られた式は、Ｙ＝−４２．５＋１０２９ｘ₂＋５７８４ｘ₃−２５１３ｘ₄ −−−（４）となった。但し、ｘ₂、ｘ₃及びｘ₄は夫々、脱水ケーキ
の固形物中の蛋白質、脂質、繊維質の吸光度である。そ
の時の回帰結果を図４に示す。

【００３０】図４において、横軸は分析法による有機物
含有率の実測値を示し、縦軸は測定装置による有機物含
有率の測定結果を示している。測定は同じ試料について
夫々６回行った。グラフ中に注記したＳは偏差値を、Ｒ
は相関係数を、ｎはデータ数を示し、夫々、Ｓ＝２．６
５５、Ｒ＝０．９８２、ｎ＝３０と示されている。Ｒの
この数値から、双方のデータ間に強い相関関係が存在す
ることが理解できる。

【００３１】上記演算式（４）を記憶した測定装置を使
用して、成分が未知の脱水ケーキの有機物含有率を測定
することが出来る。まず、脱水ケーキに対して前記波長
の近赤外光を順次に照射し、各波長の吸光度を測定す
る。その結果から各成分の含有率を求め、式（４）によ
る演算を行うことで、有機物含有率が求められる。本測
定装置をコンベア上で搬送される脱水ケーキに使用する
ことで、脱水ケーキの固形物中の有機物含有率がリアル
タイムで求められる。

【００３２】次に、脱水ケーキの固形物中の有機物含有
率とその総発熱量との間の相関関係を求めた。従来、こ
の相関関係を定量的に示すデータは知られていなかっ
た。そこで、複数の汚泥処理場から得られた各試料につ
いて、有機物含有率と発熱量との関係を実際に調査し
た。その結果を表４に示す。

【表４】

【００３３】上記表から、有機物含有率（ｘ（％））と
発熱量（ｙ（cal/g)）との関係式がｙ＝４００．０＋５１．０ｘ −−−（５）と得られた。その相関係数（Ｒ）は０．９３であり、強
い相関関係が認められた。式（５）を更にメモリに記憶
しておき、前述の各波長毎の情報から求めた有機物含有
率演算値と式（５）とを用いて脱水ケーキの発熱量が得
られる。

【００３４】得られた発熱量に基づいて、焼却炉又は溶
融炉に供給する燃料の量を制御する燃焼制御を行うこと
が出来る。なお、上記発熱量は総発熱量（高位発熱量）
を表すもので、低位発熱量（Ｈｕｄ）は、次式によって
求められる。Ｈｕｄ＝高位発熱量−６００×９ｈ −−−−（６）ここで、ｈは乾燥汚泥１ｋｇ中の水素量（ｋｇ）を示
す。なお、元素分析値がない場合には、一般的に、ｈ＝
０．０３として計算しても差しつかえない。

【００３５】乾燥前の試料の低位発熱量（Ｈｕ）は次式
によって求められる。Ｈｕ＝Ｈｕｄ（１−ｗ）−６００ｗ −−−−（７）ここで、ｗは元の試料１ｋｇ中の水分（ｋｇ）を示す。
試料の含水率（％）とその搬送量（ｋｇ）とを測定する
ことによって、水分量ｗが求められ、上式（７）に基づ
いてＨｕが算出できる。

【００３６】本発明の有機物含有率測定装置は、汚泥を
固液分離して得られた脱水ケーキの有機物含有率の測定
に好適に利用できる。しかし、脱水ケーキには特に限定
されず、その他の廃棄物等にも利用できる。

【００３７】また、上述した実施例では、被測定試料中
の蛋白質、脂質、繊維質、水分の量に応じた赤外光の反
射光を受光装置によって計測する例を挙げて説明した
が、被測定試料に対応する赤外光を透過させ、各赤外光
の吸収量を計測しても差し支えない。

【００３８】以上、本発明をその好適な実施形態例に基
づいて説明したが、本発明の有機物含有率測定装置は、
上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、
上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した
有機物含有率測定装置も、本発明の範囲に含まれる。

【００３９】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の有機物
含有率測定装置によると、被測定試料の有機物含有率が
容易に求められるので、被測定試料の焼却処理等の際の
燃焼制御が容易になり、焼却設備の効率的な運転が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例の有機物含有率測定装置
のブロック図。

【図２】図１に示したフィルタホイールの正面図。

【図３】脱水ケーキの光吸収特性の一例を示す線図。

【図４】有機物含有率の演算式を求めた際の重回帰線を
示す線図。

【図５】有機物含有率と発熱量との関係を示す実測グラ
フ。

【符号の説明】

１０光照射装置１１ランプ１２、１３、１６、１８レンズ１４モータ１５フィルタホイール１７、２２反射鏡１９フィルタ２０受光装置２１凹面鏡２３可視光カットフィルタ２４光電変換素子３０信号処理部３１交流増幅器３２サンプル・ホールド回路３３Ａ／Ｄ変換器３４ＣＰＵ３５メモリ４１湿度計４２温度計４３温度制御装置５０脱水ケーキ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蛋白質、脂質及び繊維質の各含有比率に
応じた吸収特性を夫々示す複数波長の赤外光を被測定試
料に順次に照射する光照射装置と、被測定試料を透過又は反射した前記各波長の赤外光を受
光する受光装置と、前記受光装置で得られた各波長の赤外光の光量に基づい
て被測定試料の有機物含有率を演算する演算装置とを備
えたことを特徴とする有機物含有率測定装置。
【請求項２】前記光照射装置が被測定試料の水分含有
率に応じた吸収特性を示す波長の赤外光を更に照射し、
前記演算装置は、前記有機物含有率の演算値及び被測定
試料の水分含有率に基づいて、被測定試料の発熱量を演
算する機能を更に有することを特徴とする請求項１に記
載の有機物含有率測定装置。
【請求項３】前記演算装置は、蛋白質、脂質及び繊維
質の各吸光度に応じた有機物含有率を示す検量線、並び
に、水分、蛋白質、脂質及び繊維質の各吸光度に応じた
水分含有率を示す検量線を記憶しており、リアルタイム
で前記発熱量の演算を行うことを特徴とする請求項２に
記載の有機物測定装置。