JP2006102676A - 液体中の生物を殺滅する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の課題は、円筒状中空（バネ状）フィルタと濾過助剤による濾過に液体中の生物を殺滅する機能を付加し、船舶バラスト水の生物を殺滅し、国際環境基準に適合するレベルとなす殺滅方法と装置の提供である。
【解決手段】
本案の殺滅は、円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント表面にプリコートした濾過助剤に熱を与えることで行われる。濾過助剤には濾過中に生物が集中し、かつ、フィルタエレメント表面に比較的薄く延ばされた薄膜状となっているので、殺滅のための熱を与えやすい。濾過のために濾過助剤に捕獲された状態が殺滅のため熱エネルギー付与するのに好適な状態であると認識した。これが本発明の本質である。
【選択図】図１２

Description

本発明は円筒状中空（バネ状）フィルタと濾過助剤による濾過装置に液体中の生物を殺滅する機能が付加された装置とその殺滅方法に関する。船舶バラスト水の生物を国際環境基準に適合するレベルに殺滅する船舶バラスト水処理に利用する技術である。

船舶バラスト水は国際的な生態系破壊や細菌感染という問題の原因となるため、2009年から外海でのバラスト水交換（または無生物化処理）、バラストタンク容量によって2014または2016年より無生物化が義務付けられる。よって、船舶バラスト水の生物を殺滅する技術が求められている。環境基準は図７に示す厳しいものである。本明細書で記載される生物の殺滅とは、図７の表に記載された生物に関して同表に記載されたレベルの生物数削減（無生物化）を意味するものである。

生物の殺滅を意図した従来の船舶バラスト水処理方法については、船舶の熱機関の熱を利用する熱殺滅が処理コスト上もっとも有利で実用的と考えられる。熱殺滅の方法にはタンク底部にエンジン冷却用熱水を注入する（特許文献１）、熱交換器をバラスト配管系の途中に配設する（特許文献２）などがある。しかし、殺滅の確実性に疑問があるし、熱エネルギー効率も改善の余地がある。すなわち、特許文献１のように生物の存在しやすい船底に熱エネルギーを与えるとすると与えるべき部位が広いので膨大な熱量を要する。特許文献２ではバラスト配管系全域にわたって殺滅に十分な熱エネルギーを供給せねばならず熱エネルギー効率は悪い。

熱殺滅以外にも、オゾンまたはオゾンと蒸気の混合による殺滅（特許文献３）、高電圧パルスによる殺滅（特許文献４）、酸度濃度を変化させることによる殺滅（特許文献５）、噴流衝突・爆発・キャビテーションなどで機械エネルギーを水中生物に与え破壊する殺滅、紫外線や光触媒による方法など、多くの新方式が開発されているが、実用レベルに達しているものはない。発明者らは、これら新方式の採用は避け、殺滅コスト上もっとも有利で実用的と考えられる熱殺滅の改善に注目した。

生物の殺滅工程の一方で、濾過・浄化工程も船舶バラスト水処理に必要である。すなわち濾過・浄化も殺滅に組み合わせて船舶上で行われるべきであり、保守性・経済性で有利な濾過・浄化法も必要である。発明者らは、バネ状フィルタエレメントによる濾過装置の保守性・経済性に注目した（特許文献６−９参照）。

円筒状中空フィルタエレメントそのもの、および濾過装置に円筒状中空フィルタを利用することは公知である（特許文献６、７、１０、１１参照）。本案にて円筒状中空フィルタの好適なる選択例は、金属の「バネ状フィルタ」である。以下簡単のためバネ状フィルタの例を主体として説明するが、本案はこれに限定されず、特許文献１０、１１のような焼結フィルタでもよい。さて、「バネ状フィルタ」は「コイル状フィルタ」、「スプリングフィルタ」とも呼ばれ、これらは同一である。バネ状フィルタは構造上細長い空隙をもつので、細長い物体はすり抜けてしまう。そのため、とりわけ不定形である生物を濾過する場合には珪藻土などの濾過助剤を濾過前にフィルタ表面にあらかじめ被覆（プリコート）している。濾過助剤が細長い空隙にブリッジングし、そのブリッジング部位が濾過作用する。すなわち、バネ状フィルタ自体は濾過助剤がブリッジングして濾過助剤が固定され濾過作用を行う場所を形成させるためにある。

濾過排除すべき物体の形状が扁平でなく、必ずバネ状フィルタの細長い空隙に捕獲されるという保証があれば濾過助剤は不要である。しかし、このようなケースはごく稀である。バネ状フィルタ濾過装置は前記の濾過助剤と組み合わせて用いる必要がある。一方、特許文献１０、１１のような焼結フィルタでは助剤は必ずしも必要とせず、焼結体内に形成した微細迷路構造で濾過排除すべき物体を捕獲する。焼結フィルタでは、助剤不要というメリットの一方、フィルタ自体が高価である、微細迷路構造に捕獲された濾過排除すべき物体を逆洗でも排除できず特殊な抽出洗浄を必要とする場合がある、というディメリットがある。焼結フィルタとバネ状フィルタとは、たとえば精密濾過（１０^０ミクロンレベル）と一般濾過（１０^１ミクロン超）といった用途で使い分けられている。本案は焼結フィルタとバネ状フィルタのいずれにも適用可能だが、簡単のためバネ状フィルタを用いた説明を継続する。

図５がバネ状フィルタ濾過装置の模式図である。１はバネ状フィルタエレメント、２は原水（被処理水）流入孔、３はフィルタ１で濾過した水流出孔である。図４がバネ状フィルタ濾過装置を用いた公知の水処理フローである。ここでＣｗは濾過処理された清浄水、Ｄｗは処理前の原水（バラスト水用途であれば港湾などで吸引した港湾水）である。図６がバネ状フィルタエレメントの状態遷移図であって、（ａ）濾過スタンバイ、（ｂ）助剤のプリコート、（ｃ）濾過、（ｄ）逆洗、（ｅ）フィルタ洗浄状態である。ここで、Ｊは珪藻土などの濾過助剤、Ｐｗは逆洗用の高圧液体または高圧気体である。公知のバネ状フィルタエレメントによる濾過装置の構造と機能の詳細は特許文献７−９に記載されているので略す。

特許第2794537号「バラストタンクの熱処理方法およびその装置」日本郵船株式会社 米国特許第5816181号「Balllast Water Treatment System」T.W.Sherman 特開2004-160437号「水浄化方法およびその装置」日本郵船株式会社、郵船商事株式会社ほか 特開2002-192161号「船舶のバラスト水の処理方法及びその処理装置」三菱重工業株式会社 米国特許第5932112号「Method and Apparatus for Killing Microorganisms inShip Ballast Water」Browning Transport Management, Inc. 特許第3124901号「液体濾過フィルタエレメント」加藤耕一、株式会社モノベエンジニアリング 特許第3394490号「濾過装置」株式会社モノベエンジニアリング、イワブチ株式会社 特許第3069955号「濾過装置および濾過方法」東芝プラント建設株式会社 特開2003-71500号「排水処理装置および処理方法」東芝プラント建設株式会社 特許第2791737号「焼結フィルタ及びその製造方法」東京特殊電線株式会社 特許第2763751号「フィルタエレメント及びその製造方法」シーケーディ株式会社

本発明の課題は、円筒状中空（バネ状）フィルタと濾過助剤による濾過に液体中の生物を殺滅する機能を付加し、船舶バラスト水の生物を殺滅し、国際環境基準に適合するレベルとなす殺滅方法と装置の提供である。

本発明の殺滅方法は、（請求項１） 複数の円筒状中空フィルタエレメントを内蔵した濾過槽で原水中の生物を殺滅する方法であって、円筒状中空フィルタエレメントに生物を捕獲しつつ原水を通過させ清浄水を分離する第一工程のあと、該円筒状中空フィルタエレメントの温度を４０℃以上所定の時間保持する第二工程を実行して液体中の生物を殺滅する方法である。特に、バネ状フィルタの場合は、（バネ状限定請求項１） 複数のバネ状フィルタエレメントを内蔵した濾過槽で原水中の生物を殺滅する方法であって、バネ状フィルタエレメントにプリコートした濾過助剤に生物を捕獲しつつ原水を通過させ清浄水を分離する第一工程のあと、該バネ状フィルタエレメントに残留した濾過助剤を残留したまま該バネ状フィルタエレメントの温度を４０℃以上所定の時間保持する第二工程を実行するものである。

（請求項２）第二工程と概ね同時に、円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントを内蔵した濾過槽の内部底面の温度も４０℃以上所定の時間保持する第三工程を実行するのが望ましい。これは、濾過槽の内部底面および内部底面近傍に移動（落下）した生物を殺滅するための昇温である。

（請求項３）好適なる構成は、第二工程にて、円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントの内部に４０℃以上の温度の流体を流入するものであって、（請求項４）第三工程が、濾過槽の内部底面または内部底面近傍に４０℃以上の温度の流体を流入するものである。

ここで生物殺滅の温度を４０℃以上としている。その理由は、４０℃以上で生物を構成する蛋白質が変性、ならびに蛋白質等からなる酵素活性が４０℃以上で失活、これらの複合効果で生物を死滅させうるからである。港湾ごとに生態系が異なり、耐熱生物も存在するので、生物を殺滅するのに必要な温度は実験的に決定する必要がある。場合によっては６０℃以上が必要である。温度保持時間（所定の時間）も同様に実験的に決定する必要がある。

本発明の方法を実現する装置は、（請求項５） 複数の円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントを内蔵した濾過槽で原水中の生物を殺滅する装置であって、濾過槽内の円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントの温度を４０℃以上に加熱する手段を具備するものである。また底部に落下した生物を殺滅するため、（請求項６）濾過槽内の底部を４０℃以上に加熱する手段を兼備すればよい。

加熱手段は電気エネルギーその他のエネルギー源によるものでもよいが、温度の高い流体を用いるのが望ましい。すなわち、（請求項７）円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントの内部へ４０℃以上の温度の流体を流入する手段、（請求項８）濾過槽の内部底面または内部底面近傍に４０℃以上の温度の流体を流入する手段をもつのが好適である。また、装置構成上、（請求項９）複数の円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントが軸芯を概鉛直にして内蔵されていて、４０℃以上の温度の流体が該円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントの上部または下部開口部から該フィルタエレメント内部に流入されるのが好適である。

特にバネ状フィルタ濾過の場合の本案殺滅は、バネ状フィルタエレメント表面にプリコートした濾過助剤に熱を与えることで行われる。濾過助剤には濾過中に生物が集中し、かつ、フィルタエレメント表面に比較的薄く延ばされた薄膜状となっているので、殺滅のための熱を与えやすい。他の方法で、たとえば生物がバルク（塊）状であると、バルク（塊）中心にまで熱を与えるのは比較的難しい。すなわち、濾過のために濾過助剤に捕獲された状態が殺滅のために熱エネルギー付与するのにきわめて好適な状態であると認識した。これが本発明の本質である。同様に焼結フィルタで濾過助剤を用いない場合などでも、焼結フィルタ内部の微細迷路構造に生物が比較的薄く延ばされた薄膜状となっているので、殺滅のための熱を与えやすい。

本案は比較的薄く延ばされた殺滅ターゲットを殺滅するので熱殺滅の効率が極めてよく運転コストは安い。しかも、公知の濾過装置の簡単な改造で実現できるのでイニシャルコストも低い。船舶バラスト水処理に利用可能である。

本案の生物殺滅装置の例図を図１に示す。４は熱水・スチーム流入孔、５は殺滅死骸を清浄水で混合希釈した液の排出孔、６はフィルタ１内部に至る開口を有して７に固定されたフィルタ１下端部、７は容器下部と容器中央部の仕切り板であって、フィルタ１下端部を固定し上下動する板である。原水は２から濾過容器中央部に流入し、１で濾過され上部の３から清浄水として流出する。一方、下部には濾過中はダミー水Ｂｗ（図２（ｈ）参照）が満たされている。殺滅工程でＢｗは排出、４より熱水・スチームが注入され１の内部に流入される。このとき、殺滅の熱効率をあげるため、２または５から容器中央部の液体は排出するほうが望ましい。中央部に液体があると熱が奪われる上に、生物が中央部全域に分散するので殺滅の熱効率は悪化するからである。

図１の構成は、図１４に示す特許文献８の装置構成と類似であるが、特許文献８の装置は、機能的に殺滅機能はなく、構造的にフィルタエレメント下端を閉塞して７０に連結されていることが本案と大きく異なる。ここで、７は容器下部と容器中央部の仕切り板であって、フィルタ１下端部を固定し上下動する板、７０はフィルタ１下端部を連結し容器内面に外周が摺動してピストン上下動する板である。一方本案の７は、７０のようなピストンに限定されず、板の材質をフレキシブルなものにする、板の形態を板バネ状（積層板）にする、などでもよい。公知の工夫で容器下部と容器中央部を仕切りつつ上下動するものとして本案７を実現することは容易である（図示略）。

図２が本案の生物殺滅装置の動作フロー図である。Ｈｗは生物を殺滅するための流動熱源（熱水など）、Ｐｗは逆洗用の高圧液体または高圧気体、Ｑｗは殺滅死骸を清浄水で混合希釈した液、Ｓは流動熱源Ｈｗを加熱・保温するために導入する低圧の蒸気、ＳＳは円筒状中空（バネ状）フィルタの間隙を開口させ逆洗するために導入する高圧の蒸気である。図２にて（ａ）助剤のプリコート、（ｂ）濾過、（ｃ）フィルタエレメントが目詰まり状態の濾過限界、（ｄ）水抜き、（ｅ）熱水を下部から注入、（ｆ）熱水による熱殺滅、（ｇ）逆洗・死骸を希釈して流し出し、（ｈ）下部にダミー水注入の各動作が繰り返される。（図８−図１１に図２の部分図を示す）

図１図２でわかるように、複数の円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント１は軸芯を概ね鉛直にして内蔵されているのが好ましい。殺滅のための流動熱源Ｈｗの注入が比較的やりやすいからである。しかしながら、円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント１を横にして配設したり、斜めにして配設したりした構成も不可能ではない。船舶バラストタンクの形態によっては、円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント横置き、斜め置きで構成してもよい。その場合でも、生物が落下する容器の下部に加熱ゾーンを設けることは同様である。

図３が図６の従来フローに加熱による殺滅工程（ｃ１）（ｃ２）が加わった本案の円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント状態遷移図である（図１２が図３の（ｃ１）（ｃ２）部分図）。図３は、円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント下部を閉塞した例であって、生物を殺滅するための流動熱源（熱水など）Ｈｗも上部から注入する。これを天地逆転した例が、図１３（ｃ）である。一方、図１３（ｂ）は下部に、７よりも薄い肉厚で熱伝導性のよい支持材１２を配設して底面伝熱効率を上げたものである。（図１３（ａ）は図１図２と同じ構成） これらを使い分け最適なものを構成すればよい。一つの濾過槽内で一部が図３、一部が図１３（ｃ）のフィルタエレメントを組み合わせてもよい（図示略）。濾過槽内のフィルタエレメント配置に上下対称性を持たせたほうが、助剤プリコートがより均一化される、といった効果が得られる場合がある。

本案の生物殺滅装置の例図 本案の生物殺滅装置の動作フロー図、（ａ）助剤のプリコート、（ｂ）濾過、（ｃ）フィルタエレメントが目詰まり状態の濾過限界、（ｄ）水抜き、（ｅ）熱水を下部から注入、（ｆ）熱水による熱殺滅、（ｇ）逆洗・死骸を希釈して流し出し、（ｈ）下部にダミー水注入の各動作が繰り返される 図６のフローに加熱による殺滅工程（ｃ１）（ｃ２）が加わった本案の円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント状態遷移図 円筒状中空（バネ状）フィルタ濾過装置を用いた公知の水処理フロー（特許文献９図１） 円筒状中空（バネ状）フィルタ濾過装置（特許文献９図５） 公知の円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントの状態遷移図、（ａ）濾過スタンバイ、（ｂ）助剤のプリコート、（ｃ）濾過、（ｄ）逆洗、（ｅ）フィルタ洗浄が繰り返される円筒状中空（バネ状）フィルタエレメントの状態遷移を示す 船舶バラスト水の環境基準 図２のフロー図の部分図（ａ）プリコート→（ｂ）濾過 図２のフロー図の部分図（ｃ）フィルタ目詰まり濾過限界→（ｄ）水抜き 図２のフロー図の部分図（ｅ）熱水注入→（ｆ）熱殺滅 図２のフロー図の部分図（ｇ）逆洗・死骸希釈→（ｈ）ダミー水注入 図３の状態遷移図の部分図（加熱による殺滅工程（ｃ１）（ｃ２）） 本案の生物の殺滅浄化装置の円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント例図、（ａ）は図１図２と同じもの、（ｂ）は下部に７よりも薄い肉厚で熱伝導性のよい支持材１２を配設して加熱効率を上げたもの、（ｃ）は下部のみで支持する形態で図３とは天地が逆のもの。 公知の殺滅機能無し浄化装置（特許文献８）フィルタエレメント下端を閉塞して７０に連結されている。

符号の説明

１ 円筒状中空（バネ状）フィルタエレメント
２ 原水（被処理水）流入孔
３ フィルタ１で濾過した水流出孔
４ 熱水・スチーム流入孔
５ 殺滅死骸を清浄水で混合希釈した液の排出孔
６ フィルタ１内部に至る開口を有して７に固定されたフィルタ１下端部
７ 容器下部と容器中央部の仕切り板であって、フィルタ１下端部を固定し上下動する板
７０ フィルタ１下端部を連結し容器内面に外周が摺動しピストン上下動する板
８ 下端を閉塞して７０に連結されたフィルタ１下端部
９ 板７０をピストンのように上下駆動する加圧流体の流入孔
１２ ７よりも薄く熱伝導性のよい支持材
Ｂｗ 濾過槽底部を満たすために注入されるダミー水であって熱水でもよい。
Ｃｗ 濾過処理された清浄水 Clear water
Ｄｗ 処理前の原水（バラスト水用途であれば港湾などで吸引した港湾水） Dirty water
Ｅ 液体を排出した空の状態 Empty
Ｈｗ 生物を殺滅するための流動熱源（熱水など）Hot water
Ｊ 珪藻土などの濾過助剤
Ｐｗ 逆洗用の高圧液体または高圧気体
Ｑｗ 殺滅死骸を清浄水で混合希釈した液
Ｓ 流動熱源Ｈｗを加熱・保温するために導入する低圧の蒸気
ＳＳ 円筒状中空（バネ状）フィルタの間隙を開口させ逆洗するために導入する高圧の蒸気

Claims (9)

1. 複数の円筒状中空フィルタエレメントを内蔵した濾過槽で原水中の生物を殺滅する方法であって、円筒状中空フィルタエレメントに生物を捕獲しつつ原水を通過させ清浄水を分離する第一工程のあと、該円筒状中空フィルタエレメントの温度を４０℃以上に所定の時間保持する第二工程を行うことで液体中の生物を殺滅する方法
2. 第二工程と概ね同時に、円筒状中空フィルタエレメントを内蔵した濾過槽の内部底面の温度を４０℃以上に所定の時間保持する第三工程を行う請求項１の生物殺滅方法
3. 第二工程が、円筒状中空フィルタエレメントの中空内部に４０℃以上の温度の流体を流入する操作である請求項１の生物殺滅方法
4. 第三工程が、濾過槽の内部底面または内部底面近傍に４０℃以上の温度の流体を流入する操作である請求項２の生物殺滅方法
5. 複数の円筒状中空フィルタエレメントを内蔵した濾過槽で原水中の生物を殺滅する装置であって、濾過槽内の円筒状中空フィルタエレメントの温度を４０℃以上に加熱し温度保持する手段を具備する液体中の生物を殺滅する装置
6. 濾過槽内の底部を４０℃以上に加熱し温度保持する手段を兼備した請求項５の生物殺滅装置
7. 円筒状中空フィルタエレメントの温度を４０℃以上に加熱し温度保持する手段が、円筒状中空フィルタエレメントの中空内部へ４０℃以上の温度の流体を流入する手段である請求項５の生物殺滅装置
8. 濾過槽内の底部を４０℃以上に加熱し温度保持する手段が、濾過槽の内部底面または内部底面近傍に４０℃以上の温度の流体を流入する手段である請求項６の生物殺滅装置
9. 濾過槽内に複数の円筒状中空フィルタエレメントが軸芯を概ね鉛直にして配設されていて、４０℃以上の温度の流体が該円筒状中空フィルタエレメントの上部または下部開口部から該フィルタエレメント中空内部に流入される請求項７の生物殺滅装置