JP2009000673A - 浄水プロセスの監視装置及び監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、浄水場の浄水プロセスの水質監視・制御システムとして、病原虫による感染を低減し、安全な飲料水の安定供給を可能とする浄水プロセスの監視装置及び方法を提供する。
【解決手段】
原水を浄水処理して飲料水を得る浄水プロセスの監視装置及び方法において、原水中の病原虫の個数濃度を計測する病原虫計測システムと、原水中の病原虫の個数濃度が予め設定された個数濃度の設定値以上の検出を検知する装置とを備えることとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、浄水場の浄水プロセスの水質監視・制御システムにおいて、病原虫による感染を低減し、安全な飲料水の安定供給を可能とするシステムに関する。

浄水処理において、凝集沈殿と砂ろ過処理を組み合わせて行う方法が広く採用されている。
急速ろ過池では原水中の懸濁物質を薬品（凝集剤）により凝集沈殿させた後、この沈殿処理水をろ過砂が充填された砂ろ過池の粒状層に比較的速い流速で通し、主としてろ材への付着とろ層でのふるい分けによって濁質を除去する。原水が低い濁度の条件でも、急速ろ過池でろ過するのみではコロイド状態の懸濁物質の十分な除去は期待できないので凝集剤を用いて前処理を行う。

急速ろ過池は浄水処理工程で除濁の最終段階として用いられ、水質基準および非特許文献１に適合するろ過水が得られる浄化機能、濁質の抑留機能、水質水量の変動に対する緩衝機能、ろ過槽内に抑留した濁質を除去する逆流洗浄等の十分な洗浄機能が要求される。

厚生労働省告示「水道におけるクリプトスポリジウム暫定対策指針」（２００１年）

ろ過水の工程管理は現状では濁度を指標として行われている。
非特許文献１に基づく濁度管理は、凝集、沈殿、ろ過のそれぞれの工程が良好に機能しているか否かを判断する指標にはなるもののクリプトスポリジウムの除去性能を直接的に評価する指標としては十分といえない。

また、クリプトスポリジウムは微生物であるのでその存在を直接検出する方法としては顕微鏡による検査方法以外になくその測定には約４日要する。そのため、問題となる測定結果が得られた時点では既にそれ以前の４日間は、問題となる水質の状態で送水され消費された後となり、この方法を日々の管理に反映させることはきわめて難しい。

このため、クリプトスポリジウムによる汚染の恐れのある浄水施設では、安全性を考慮して凝集剤を過剰に注入し、日常管理していることが多く、薬品消費量や汚泥の発生量が必要以上に多くなるという課題を抱えている。

本発明は、上述の問題点を鑑み、原水中のクリプトスポリジウムなどの水系感染微生物を短時間で測定することができる病原虫計測システムを備えた浄水プロセスの監視装置及び方法を提供するものである。

上述の目的を達成するために、本発明は、原水を浄水処理する浄水プロセスの監視装置において、前記浄水プロセスの監視装置が、原水中の病原虫の個数濃度が予め設定された値以上であることを検知して信号を出力する機能を有する病原虫個数濃度計測システムであることを特徴とし、予め設定された個数濃度の設定値以上が検出されたときに、浄水工程の運転条件を制御することで、浄水水質を維持することができる（請求項１の発明）。

本発明は、その実施の形態で、上述した浄水プロセスの監視装置において、前記病原虫計測システムが、フィルタにより構成される分離濃縮部と、前記フィルタ表面上に捕捉された病原虫を含む微粒子を、洗浄水をフィルタのろ過水側から逆流させて、微粒子とクリプトスポリジウムを含んだ試料液として回収し、この回収試料液中の病原虫に特異的に結合する標識抗体を供給し、病原虫と標識抗体とを反応させ結合させる抗体反応部と、標識抗体と結合した病原虫の検出部とを備える（請求項２の発明）。

さらに、予め設定された個数濃度の設定値以上が検出されたときに、浄水プロセスのろ過工程からのろ過水中の検出対象の病原虫の大きさ以上の微粒子を連続的に計数する微粒子計測装置（例えば微粒子カウンタ）を用いて監視を強化する（請求項３の発明）。
また、本発明は、その実施の形態で、上述した浄水プロセスの監視装置において、前記予め設定された個数濃度の設定値は、その浄水施設の除去能力に応じて任意に設定可能である（請求項４の発明）。

そして、孔径３μｍ以下フィルタで捕捉できるクリプトスポリジウムを監視対象とすることができる（請求項５の発明）。すなわち、原水中の水系感染微生物、例えばクリプトスポリジウムの個数濃度を高頻度に測定可能な病原虫計測システムを有することにより、原水中のクリプトスポリジウムの個数濃度を把握し、個数濃度がその浄水場の原水の定常個数濃度の設定値（通常は定常値の一桁以上多い個数濃度に設定）よりも多い個数濃度となった場合に、微粒子カウンタなどの微粒子計測装置にて、ろ過工程からのろ過水中の３μｍ以上の微粒子を連続的に計数することで、ろ過水中のクリプトスポリジウム相当径の３μｍ以上の微粒子数の連続監視を行い、測定結果に応じて、浄水工程の運転条件を制御し、浄水水質の安全性を確保できる。これにより、原水中の病原虫の個数濃度が上昇し、その浄水施設の除去能力を上回る個数濃度となるような水質状態になったときにも、浄水の安全性を確保することができる。

本発明では、原水を浄水処理する浄水プロセスの監視方法において、浄水処理する前の原水を採水し、原水中の病原虫数を計測し、その計測した原水中の病原虫の個数濃度が予め設定された値以上である時に信号を出力し、その信号に基づき浄水工程の運転条件を制御する（請求項６の発明）。

そして、原水中の病原虫数の前記計測は、原水を分離濃縮部でろ過し、分離濃縮部のろ過で捕捉された病原虫を含む微粒子を回収し、検出対象の病原虫に特異的に結合する蛍光標識抗体により抗原抗体反応させ、蛍光測定により病原虫の存在を判断することができる（請求項７の発明）。

さらに、原水中の病原虫数の計測により、原水中の病原虫の個数濃度がその浄水場の原水の定常個数濃度の設定値よりも多い個数濃度となった場合に、浄水プロセスのろ過工程におけるろ過水中の検出対象の病原虫の大きさ以上の微粒子を計数し、この微粒子測定結果に応じて、浄水工程の運転条件を制御し、浄水水質を維持することができる（請求項８の発明）。

原水を取水して混和池で凝集処理し、フロック形成を経て沈殿池で濁度成分を分離し、ろ過工程でろ過水を得る工程を有する浄水プロセスで、計測した原水中の病原虫の個数濃度の値により制御する浄水工程の運転条件は、取水量の制御や取水の停止操作、凝集剤注入率やフロック形成池の攪拌強度Ｇ値を増加する制御、あるいは、ろ過工程の逆洗時に排出される水を原水に戻さずに下水道への排出する操作、ろ過工程で濃縮された病原虫を不活化する操作、病原虫を膜ろ過除去し原水に返流する操作のいずれかである（請求項９の発明）。

本発明に係る浄水プロセスの監視装置及び方法は、クリプトスポリジウムなどの原虫をはじめとした細菌、ウイルスのような水系感染微生物を短時間で高頻度に計測可能なシステムを備えた浄水システムに用いられることにより、従来、ほとんど対応ができなかった耐塩素性病原虫による原水の汚染に迅速に対応できるので水質の安全性を高めることができる。

以下に、添付図面を参照しながら、本発明に係る浄水プロセスの監視装置とその方法について、その実施の形態について説明する。
まず、図１に、本発明に係る浄水プロセスの監視装置の全体構成図について、その概括的な実施の形態を示す。

本実施の形態では、原水は混和池１に供給されると同時に病原虫計測システム８に送られる。
河川等より取水された水道原水に混和池１で凝集剤タンク２から凝集剤を注入し、フロック形成池３を経て沈殿池４にて濁度成分を分離後、ろ過池５にて砂ろ過処理される。
病原虫計測システム８は混和池１に入る前の原水を採水し、原水中の病原虫数を監視する。もし、原水中の病原虫が凝集沈殿、砂ろ過処理での除去性能を超えるような個数濃度が観測された時には、その個数濃度に応じて、病原虫計測システム８から信号を出力する（図中の破線）ことで、取水量の制御や取水の停止操作、あるいは、凝集剤注入率やフロック形成池の攪拌強度Ｇ値を増加する制御、あるいはろ過池の逆洗時に排出される水を原水に戻さずに下水道に排出する、あるいは、ろ過池で濃縮された病原虫を不活化（オゾン処理）あるいは除去（膜ろ過）する、不活性処理装置７を稼動させて処理した後に原水に返流する。

通常、本発明に係る病原虫計測システム８の測定値は１個／２０Ｌ以下の値で推移していることが好ましい。この範囲であれば、凝集沈殿、急速ろ過の浄水処理が適正に行われた浄水システムでのクリプトスポリジウムの除去率は３ｌｏｇ程度であることから、米国環境保護庁（ＵＳＥＰＡ）で目標とする年間許容感染リスクである１０^-4以下を確保することができる。

なお、浄水施設の立地条件によっては、上流域の下水処理場からの排水や畜産排水の流入があることや、降雨時による河床の堆積物を巻き上げなどがある。通常の原水中に含まれる病原虫の個数濃度は、数個／２０Ｌ以下であるが、このことにより、個数濃度が通常の時よりも一桁以上高い１０個〜１００個／２０Ｌまで増加する危険性がある。このため、通常の浄水方法では許容感染リスクレベル以下に除去しきれない可能性があり、浄水中に許容感染リスク濃度を超えた病原虫が混入する危険性がある。

しかしながら、本発明に係る浄水プロセスの監視装置及び方法においては、病原虫計測システム８の測定結果により浄水能力を超える個数濃度で病原虫が流入してきた場合には、早い段階で、取水量の抑制を行うことができる。さらに、通常用いているアルミ系凝集剤の注入率を上げ、かつ鉄系凝集剤を加えるなどの措置により、除去率を確保し、浄水の目標とする年間許容感染リスクを１０^-4以下に保つことができる。

また、原水中の病原虫の個数濃度が予め設定された個数濃度の設定値以上検出されたときに、さらに微粒子カウンタ６にて、ろ過池からのろ過水中の３μｍ以上の病原虫を含む微粒子を連続的に計数するようにしている。これにより、測定結果に応じて、浄水工程の運転条件（取水量の制御や取水の停止操作、凝集剤注入率やフロック形成池の攪拌強度Ｇ値を増加する制御あるいは、ろ過池の逆洗時の排出水を下水道へ排出する操作、ろ過池で濃縮された病原虫を不活化する操作、病原虫を膜ろ過除去し原水に返流する操作）を制御し、浄水水質の安全性を確保することができる。

次に、本発明に係る浄水プロセスの監視装置及び方法における病原虫計測システム８を採用し、特にクリプトスポリジウムを検出する実施の形態について説明する。
まず、図２に、病原虫計測システム８について、実施例としての処理フローを示す。

本実施の形態では、浄水処理への導入前に分岐して取り出した原水１００を貯留槽１０２に供給し、試料調整剤１０４を添加する。原水１００は、必要に応じて原水中の１００μｍより大きいゴミを除去するため、貯留槽１０２に供給される際に、１００μｍメッシュフィルター等を通すことができる。
試料調整剤１０４は、後述するフィルタに捕捉された病原虫を剥離しやすくする濁質分散剤として機能する界面活性剤や、原水中のフミン酸等の色度成分（溶解性有機物）による膜ろ過性能低下を防ぐための添加物質として塩酸を挙げることができる。なお、界面活性剤としては、ＳＤＳ（ドデシル硫酸ナトリウム）等を用いることができる。

貯留槽１０２において調整された試料は、孔径２μｍのフィルタより構成される分離濃縮部１０６に送られる。分離濃縮部１０６では、孔径２μｍのフィルタを用いて、クリプトスポリジウムを含む微粒子をろ過により濃縮する。
フィルタ表面上に捕捉されたクリプトスポリジウムを含む微粒子は、分離濃縮部１０６内で洗浄水をフィルタのろ過水側から逆流させて、微粒子とクリプトスポリジウムを含んだ試料液として回収する。

分離濃縮部１０６によって分離濃縮された回収試料液は、抗体反応部１０８に送られる。
抗体反応部１０８では、検出対象のクリプトスポリジウムに特異的に結合する蛍光標識抗体１１０と、回収試料液中の検出対象のクリプトスポリジウムとを抗原抗体反応により結合させる。このとき、１種類の蛍光標識抗体を用いる場合、夾雑物に非特異的に結合した蛍光標識抗体を擬陽性として判定してしまうおそれがある。このため、抗原認識部位の異なる複数の抗体を用意し、そのそれぞれに蛍光波長の異なる蛍光物質を結合した蛍光標識抗体でクリプトスポリジウムを多重標識する方法が好ましい。これによって、検出対象のクリプトスポリジウムの検出精度を向上させることができる。
なお、抗体自体は、当業者にとって公知の手法によって得ることができる。抗体は、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体などその種類を問わず、検出対象病原虫に特異性を有するものであれば用いることができる。一般的には、モノクローナル抗体が特異性に優れているので好ましい。

次に、蛍光標識抗体１１０で標識した回収試料液を検出部１１２に送る。
検出部１１２は、蛍光散乱光強度を測定するための蛍光散乱光計測器を備えている。検出部１１２では、蛍光散乱光計測器によって、蛍光標識抗体が結合した検出対象のクリプトスポリジウムの蛍光散乱光強度を測定する。測定データは、判定部１１４に送られる。

検出部１１２では、複数の蛍光標識抗体を用いる多重標識を行う場合、複数の蛍光波長を同時に測定できるように構成することが好適である。

また、通常、検出対象のクリプトスポリジウムは試料中にごく僅かしか存在しないため、１回の計測では検出できないおそれもある。そこで、検出部に循環させ、繰り返し測定することにより、検出対象のクリプトスポリジウムの検出感度を上げることができる（図中１１６）。

また、図２の実施の形態に係る病原虫計測システムは、試料保存部１１８を備える。試料保存部１１８では、検出部１１２によって検出された測定データをもとに、判定部１１４で測定した試料を保存するかどうかの判定を行う。分取した試料の再現性を確認する場合、保存した試料を再度上記検出部１１２に総液し、クリプトスポリジウムの検出を行う（図中１２０）。
一方、検出対象の病原虫が検出された場合、検出部１１２から排出された試料を保存容器に受け、保存する（図中１２２）。保存した試料は、混入しているクリプトスポリジウムが生存しているかの判定を行う試験及び／又は感染性があるかを判定する試験に供与することができる。なお、不要な試料は、排液として廃棄される（図中１２４）。

次に、本発明に係る浄水プロセスの監視装置及び方法における病原虫計測システム８を採用し、特にクリプトスポリジウムを検出する実施の形態として、図１における病原虫計測システム８の構成について、図３で各構成要素の機能を明らかにしながら、以下に説明する。

本実施の形態では、浄水処理への導入前に分岐して取り出した原水９を原水供給ポンプ１０で貯留槽１３に供給する。続いて試料調整剤１１を試料調整剤供給ポンプ１２で貯留槽１３に供給し、混合する。試料調整剤は、後述するフィルタに捕捉されたクリプトスポリジウムを剥離しやすくする濁質分散剤として機能する界面活性剤や原水中のフミン酸等の色度成分（溶解性有機物）による膜ろ過性能低下を防ぐための添加物質として塩酸を挙げることができる。

貯留槽１３内で調整された試料は、次いで、ポンプ１５を経由して分離濃縮部１８に送り込まれる。この時、貯留槽１３内の試料液が分離濃縮部１８に全て送り込まれた事を、レベル計１４による貯留槽１３内の水位で、判別する。分離濃縮部１８では、試料を孔径３μｍのフィルタを用いてろ過し、フィルタ表面上にクリプトスポリジウムを含む３μｍより大きい微粒子を捕捉、濃縮する。

フィルタ表面上に捕捉されたクリプトスポリジウムを含む微粒子は、洗浄水１６を洗浄水供給ポンプ１７により分離濃縮部１８に供給し、洗浄水１６をフィルタのろ過水側から逆流させて、微粒子とクリプトスポリジウムを含んだ試料液として回収する。洗浄水１６は、純水に界面活性剤を混ぜて、さらにｐＨを中性に調整したものを用いることが好ましい。
回収された試料液を、ポンプ１９を経由して抗体反応部２２に供給する。

抗体反応部２２では、クリプトスポリジウムと特異的に認識する蛍光標識抗体２０を、蛍光標識抗体供給ポンプ２１により注入し、試料と混合する。このとき、１種類の蛍光標識抗体を用いる場合、夾雑物に非特異的に結合した蛍光標識抗体を擬陽性を判定してしまう恐れがある。このため、抗原認識部位の異なる複数の抗体を用意し、そのそれぞれに蛍光波長の異なる蛍光物質を結合した蛍光標識抗体でクリプトスポリジウムを多重標識するようにすることが、クリプトスポリジウムの検出精度を向上させるために好ましい。

多くの市販品の抗体による抗原抗体反応は、３７℃では２０〜３０分、室温条件では１時間以上とされており、より高頻度に測定を行うためには試料と標識抗体を混合した後、混合液を別の容器に移し、次の試料を供給できるような構造とすることが好ましい。

さらに、クリプトスポリジウムを高頻度に測定するため、分離濃縮部１８や抗体反応部２２は複数用意し、バルブの切換え等によって試料ごとに別の分離濃縮部及び抗体反応部に供給することが好ましい。

抗原抗体反応を効率よく進めるため、抗体反応部２２には、試料温度を３７℃に保つ恒温器を備え付けていることが好ましい。抗原抗体反応が終了した試料は、ポンプ２４によって、検出部２７に供給されるが、その際、シース液供給ポンプ２６によりシース液２５も検出部２７に供給される。

検出部２７は、蛍光散乱光強度を測定するための蛍光散乱光計測器を備えている。検出部２７により、蛍光標識抗体が結合したクリプトスポリジウムの蛍光強度を測定し、その測定データを判定部２８に送る。複数の蛍光標識抗体を用いる多重標識を行う場合、複数の蛍光波長を同時に測定できる計測部であることが好ましい。
判定部２８では、検出部２７によって検出された測定データをもとに、試料保存の要否を判定する。さらに、測定データをもとに原水中に含まれるクリプトスポリジウムの混入レベルを把握し、浄水プロセスにフィードバック制御を行うことができる。

検出部２７による計測終了後、試料は試料保存部２９に送られる。
試料保存部２９では、クリプトスポリジウムが検出された場合、検出部２７から排出された試料を、流路切換えバルブ３１により試料保存容器３０に受け、保存する。保存した試料は、混入しているクリプトスポリジウムが生存しているかどうかの判定及び／又は感染性があるかの判定を行うために、試験に供与することができる。保存の不要な試料は、排液として排出される。

また、検出精度を向上させるため試料を試料保存部２９より流路切換えバルブ２３への循環流路を介して、検出部２７に循環させ、繰り返し測定することが好ましい。
本実施の形態では、試料をポンプ２４にて検出部２７に送り、測定を行った後、流路切換えバルブ３１によって試料を循環させて繰り返し蛍光測定を行う。これによって、測定データを積分し、個数濃度の低いクリプトスポリジウムの検出確率を向上させる。
なお、測定データをもとに流路切換えバルブ３１を切換えることで、試料の循環と廃棄を設定することが好ましい。

本実施の形態の病原虫計測システムにより、原水からのクリプトスポリジウムの分離濃縮から測定試料の調製までは1時間程度で可能であり、全測定時間も３時間以内とすることができ、従来の検査方法と比較し、短時間で高頻度に計測することが可能となる。

本発明に係る実施例の浄水プロセスの監視装置の概要を示す概念図である。 本発明に係る実施例の病原虫計測システムの概要を示す処理フローの図である。 本発明に係る実施例の病原虫計測システムの実施形態を説明する概念図である。

符号の説明

１ 混和池
２ 凝集剤タンク
３ フロック形成池
４ 沈殿池
５ ろ過池
６ 微粒子カウンタ
７ 不活性処理装置
８ 病原虫計測システム
９ 原水
１０ 原水供給ポンプ
１１ 試料調整剤
１２ 試料調整剤供給ポンプ
１３ 貯留槽
１４ レベル計
１５ ポンプ
１６ 洗浄水
１７ 洗浄水供給ポンプ
１８ 分離濃縮部
１９ ポンプ
２０ 蛍光標識抗体
２１ 蛍光標識抗体供給ポンプ
２２ 抗体反応部
２３ 流路切換えバルブ
２４ ポンプ
２５ シース液
２６ シース液供給ポンプ
２７ 検出部
２８ 判定部
２９ 試料保存部
３０ 試料保存容器
３１ 流路切換えバルブ

Claims (9)

1. 原水を浄水処理する浄水プロセスの監視装置において、前記プロセスの監視装置が、原水中の病原虫の個数濃度が予め設定された値以上であることを検知して信号を出力する機能を有する病原虫個数濃度計測システムを備え、前記予め設定された個数濃度の設定値以上が検出されたときに、浄水工程の運転条件を制御し、浄水水質を維持することを特徴とする浄水プロセスの監視装置。
2. 請求項１に記載の浄水プロセスの監視装置において、
   前記病原虫個数濃度計測システムが、
   フィルタにより構成される分離濃縮部と、
   前記フィルタ表面上に捕捉された病原虫を含む微粒子を回収した試料中の病原虫に特異的に結合する標識抗体を供給し、病原虫と標識抗体とを反応させ結合させる抗体反応部と、
   標識抗体と結合した病原虫の検出部と
   を備えることを特徴とする浄水プロセスの監視装置。
3. 請求項１〜２のいずれかに記載の浄水プロセスの監視装置において、
   微粒子を計測できる微粒子計測装置を更に備え、原水中の病原虫の個数濃度がその浄水場の原水の定常個数濃度の設定値よりも多い個数濃度となった場合に、浄水プロセスのろ過工程におけるろ過水中の検出対象の病原虫の大きさ以上の微粒子を前記微粒子計測装置で連続的に計数し、測定結果に応じて、浄水工程の運転条件を制御し、浄水水質を維持することを特徴とする浄水プロセスの監視装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の浄水プロセスの監視装置において、
   前記予め設定された個数濃度の設定値は、その浄水施設の除去能力に応じて任意に設定可能であることを特徴とする浄水プロセスの監視装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の浄水プロセスの監視装置において、
   前記病原虫がクリプトスポリジウムであることを特徴とする浄水プロセスの監視装置。
6. 原水を浄水処理する浄水プロセスの監視方法において、
   浄水処理する前の原水を採水し、前記原水中の病原虫数を計測し、前記計測した原水中の病原虫の個数濃度が予め設定された値以上である時に信号を出力し、前記信号に基づき浄水工程の運転条件を制御し、浄水水質を維持することを特徴とする浄水プロセスの監視方法。
7. 請求項６に記載の浄水プロセスの監視方法において、
   前記原水中の病原虫数の前記計測は、原水を分離濃縮部でろ過し、分離濃縮部のろ過で捕捉された病原虫を含む微粒子を回収し、検出対象の病原虫に特異的に結合する蛍光標識抗体により抗原抗体反応させ、蛍光測定により病原虫の存在を判断することを特徴とする浄水プロセスの監視方法。
8. 請求項６〜７に記載の浄水プロセスの監視方法において、
   前記原水中の病原虫数の前記計測により、原水中の病原虫の個数濃度がその浄水場の原水の定常個数濃度の設定値よりも多い個数濃度となった場合に、浄水プロセスのろ過工程におけるろ過水中の検出対象の病原虫の大きさ以上の微粒子を計数し、前記微粒子の測定結果に応じて、浄水工程の運転条件を制御し、浄水水質を維持することを特徴とする浄水プロセスの監視方法。
9. 請求項６〜８に記載の浄水プロセスの監視方法において、
   原水を取水して混和池で凝集処理し、フロック形成を経て沈殿池で濁度成分を分離し、ろ過工程でろ過水を得るステップを有し、前記浄水工程の運転条件は、取水量の制御や取水の停止操作、凝集剤注入率やフロック形成池の攪拌強度Ｇ値を増加する制御、あるいは、ろ過工程の逆洗時排出水を下水道に排出する操作、ろ過工程で濃縮された病原虫を不活化する操作、病原虫を膜ろ過除去し原水に返流する操作の少なくともいずれかであることを特徴とする浄水プロセスの監視方法。

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