JP2010506715A - 液体の処理方法および処理装置 - Google Patents

Abstract

電気透析セルおよびキャビテーションユニットの一方または両方を備えている液体または水処理装置。キャビテーションユニットは、液体をキャビテーション気泡が形成される絞りへと流し、次いでキャビテーション気泡が内破する出口へと流すことによって、液体にキャビテーションを生じさせる。絞りは、開口を含んでおり、そのような開口は、流れの方向に対して垂直である平面においてわずかに離間している長い壁によって形成されている。電気透析セルは、処理対象の水の一部分のみを電気透析セルを通って案内するための導入流路、および電気透析セルの生成物を残りの水へと戻すための出口流路を備えるように構成されている。

Description

本発明は、望ましくない物質を取り除くための水などの液体の処理に関する。

例えば、汚水および飲料水の処理、望ましくない長鎖分子を分解するための炭化水素液の処置および処理、排ガス清浄化装置からの排水の処理、など、液体の処理が必要とされる多数の状況が存在する。後述されるような船舶のバラストタンク水の処理や、魚の養殖等に使用される水の処理など、より具体的な水処理も使用される。これら後者の用途は、有機物や微生物などの形態である望ましくない物質を、通常はそれらの死滅または無効化のために分解し、処理後の水を環境へと放出し、あるいは環境において使用しても、望ましくない影響がないようにすることを必要とする。

バラスト水は、船舶がバラスト水タンクにて運搬し、あるいは場合によっては貨物倉または貨物タンクなどの他の適切な空間にて運搬する水である。バラスト水は、貨物および／または燃料の荷下ろし／消費時の重心の変化を補償して、安定性を維持するために、水「ドナー」位置においてタンクへと注ぎ込まれる。正しいバラスト搭載が、構造上の観点から必須であり、推進器および舵が適切に水面下に位置するように保証し、艦橋からの適切な視界を保証し、船舶の所望の運動性および操縦性が維持されるように保証するために、性能上の理由のためにも使用される。バラスト水は、通常は船舶へと貨物が積み込まれる場所にある、水「レシピエント」位置へと運ばれるが、この位置が、バラスト水の出所の生物地理区の外部である可能性がある。次いで、バラスト水が、貨物が積み込まれるときに放出される。バラスト水は、動物性プランクトン、植物性プランクトン、およびバクテリアなどといった或る範囲の種を宿している可能性がある。これらについて、放出の地点に天然の捕食者が存在しておらず、この新しい場所に定着して繁殖し、環境、産業、および人間の健康に大きな問題を引き起こす場合がある。

さらに、バラスト水および酸素がバラスト水タンクの構成材料と反応することで、バラスト水タンクに腐食が生じる。現時点では、高価な塗装およびコーティングの適用が腐食を防止するために使用されており、海運業界にとって大きな保守コストを呈している。

水を清浄化すべく処理するために、超音波励起によって生み出されるキャビテーションを使用することが知られている。例えば、US 5,137,580が、キャビテーション気泡の形成および成長のために低周波および高周波の超音波を使用する清浄化方法を開示している。この処理は、静的なタンクにおいて実行され、すなわち連続的な処理プロセスが不可能であり、処理の間にタンクを空にして再び満たさなければならない。結果として、処理プロセスが複雑化し、非効率的である。

静的なタンクの使用という不都合に加え、超音波キャビテーションは、他のキャビテーション生成法、特に流体力学的キャビテーションに比べて、あまり効果的でない。これは、超音波への曝露によって生成されるキャビテーションにおいては、気泡のサイズおよび気泡群の密度が、流体力学的キャビテーションの気泡のサイズおよび気泡群の密度に比べ、大きくないためである。すなわち、流体力学的キャビテーション処理は、超音波キャビテーションに比べ、より大きな有効反応体積を有している。

流体力学的キャビテーションを生成するためにベンチュリ式の絞りを使用することが、例えばUS 6,505,648から知られている。この文献は、小径部を備える液体の流れのための通路を開示しており、そのような小径部が、汚染生物を破壊すべくキャビテーションを生じさせるために、液体の流れを加速させて、圧力を低下させる絞りを形成している。絞りを横切るワイヤまたはロッドを、乱流を促進して圧力をさらに下げるために使用することができる。絞りの下流において、通路が急激に広げられており、キャビテーション気泡の崩壊をもたらしている。

しかしながら、この構成は、液体中のすべての生物が崩壊するキャビテーション気泡の影響を受けるわけではないため、効果的でないことが明らかになっており、結果として、従来技術の水処理プロセスは、液体のすべての部分を処理してはいない。

第1の態様から見ると、本発明は、液体を処理するための装置を提供する。この装置は、キャビテーションユニットを備えており、該キャビテーションユニットが、液体をキャビテーション気泡が形成される絞りへと流し、次いでキャビテーション気泡が内破する出口へと流すことによって、液体にキャビテーションを生じさせ、前記絞りが、流れの方向に対して垂直である線に沿って細長い開口を含んでいる。

細長いとは、前記開口が、前記線を横切る方向において狭く、前記線に沿う方向において長いことを意味する。特には、後述のとおり、可能な限り長く、5mm以下の幅を有しており、より好ましくは1〜2mmの幅を有している開口が使用される。前記線は、直線または曲線であってよい。好ましい実施形態においては、前記開口が、後述のとおり細長いスロットまたは狭い環である。

細長くて狭い絞りを使用することで、液体の流れの断面の全体にキャビテーションを生じさせることができる。これは、キャビテーションが絞りの縁領域において始まる傾向にあり、長くて狭い開口においては、縁領域から流路内のあらゆる地点までの最大距離が小さいからである。本発明の配置構成と対照的に、従来技術のような管状の絞りでは、キャビテーションが管状の流路の縁の周囲に集中し、効果的に加えられず、流体の流路の全体に作用することができない。これは、流体の流れにおいて望ましくない物質が管状の流路の中央に集中し、すなわちキャビテーションの最も少ない領域に位置するからである。本発明においては、流れの体積に対する縁の長さの比がより大きいことで、開口の断面積に比べてキャビテーションの量が多くなり、望ましくない物質がキャビテーションの少ない領域を流れるという問題が取り除かれる。したがって、この開口を、囲む面積に比べて縁の長さが長い断面を有する開口と定義することも可能である。

開口は、直線に従う細長いスロットであってよいが、ジグザグ線または曲線に従う細長い開口など、他の任意の細長い形状であってよい。細長い開口は、四角形、円形、または楕円形など、閉じた形状を形成する線に従うことが可能である。好ましくは、開口が狭い環であり、すなわち輪状線に従う細長い開口である。環の使用は、円形の断面を有するパイプにおいて容易に実現できるために好ましいが、代案として、長円形または他の形状の狭いスロットも使用可能である。液体の滑らかな流れのために、角を避けることが有益である。

開口は、5mm未満、より好ましくは3mm未満、特には約1〜2mmの幅を有してよい。開口は、好ましくは、流れの方向に垂直である線に沿って可能な限り長く、例えば少なくとも300mmの長さであってよく、2mmの幅が使用される。

開口が環である場合、上述のような幅および50〜100mmの直径を使用してもよい。これは、特には10〜50μmのサイズを有する微生物を破壊すべく水を処理する場合に、1〜2mmのスロットが、このサイズの生物が上述のように崩壊する気泡から1つの気泡の半径の距離の範囲内に概ね位置することを保証するため、そのようなサイズのパイプに効果的なキャビテーションをもたらすことが明らかになっている。バラスト水中のこのサイズの生物の存在は、法によって規制されている。

好ましくは、キャビテーションユニットは、望ましくない物質を破壊すべくキャビテーションを使用することによって液体を処理するように配置される。キャビテーション気泡の形成および内破が、液体中の望ましくない物質に作用する力、温度変化、および衝撃波を生み出す。この望ましくない物質は、例えば汚水または飲用水の製造において処理される水の中の有機性廃棄物または無機廃棄物であってよい。望ましくない無機物質は、長鎖炭化水素分子であってよい。好ましい一実施形態においては、長鎖分子が、船舶の汚水中の油またはスラッジまたは他の炭化水素汚染物質であってよい。

好ましい実施形態においては、望ましくない物質が、水中の生物または微生物で構成される。上述のように、望ましくない微生物が、船舶において使用されるバラスト水に存在し、したがって好ましい実施形態においては、そのような微生物を破壊すべくバラスト水を処理するためにキャビテーションが使用される。

好ましくは、キャビテーションユニットは、気泡の内破が始まる地点において、気泡の縁から望ましくない物質までの最大距離が気泡の半径よりも小さいように構成される。これは、開口の幅を望ましくない物質のサイズに関して選択することによって達成できる。気泡の内破は、近くに近接して生じる場合に特に効果的であり、気泡の半径未満の距離が、望ましくない物質（特には、微生物）をキャビテーション効果によって確実に破壊するために、効果的であることが分かっている。

環状の開口を、パイプ内のキャビテーション体、特にはパイプ内の概ね円筒形の障害物によって生成してもよい。すなわち、環が、キャビテーション体の外壁およびパイプの内壁によって定められる。キャビテーション体は、絞りの入り口に、例えば球の一部など、丸みを帯びた端部を有してもよい。液体を絞りへと導くために丸みを帯びた端部を使用することは、キャビテーションの生成に必要な圧力の低下および流速の上昇をもたらすうえで有効である。出口端において、キャビテーション体は、先細りの外形を有してもよい。これは、エネルギーの損失を最小限にしつつキャビテーション気泡の内破を促進するために、圧力を上昇させ、流速を低下させるうえで好都合である。

開口の壁は、非一様な表面または粗面を有してもよい。この壁は、パイプの壁またはキャビテーション体の壁あるいは両者であってよい。好ましくは、キャビテーション体が、非一様な表面または粗面を有する。この構成は、構築がより容易であり、標準的なパイプをパイプの内表面に変更を加えずに使用することを可能にする。表面にローレット加工を施してもよく、あるいは凹部または窪みのパターンを使用してもよい。凹凸のある表面を使用することで、キャビテーション効果が促進される。

キャビテーションユニットは、気泡の形成および内破が繰り返されるよう、複数の絞りを備えてよい。例えば、波状または鋸歯状の外形など、流れの方向に沿って起伏のある外形を有している環状の開口を、使用することが可能である。これは、起伏のある外表面を有していて、標準的な円筒形のパイプへと挿入することができるキャビテーション体を使用することによって達成可能である。

装置が、バラスト水の処理や、タンクを満たし、あるいは空にする任意の他の用途に使用される場合、変化する背圧がタンクによって装置へと加わる。背圧が最少レベルよりも高く維持される場合、キャビテーションユニットの有効性が改善される。したがって、圧力変更装置が、好ましくはキャビテーションユニットへの圧力を容認可能なレベルに維持するために使用される。例えば、1.5barまたは2.5barという最小背圧を維持することが可能であり、あるいは2〜2.5barの範囲の背圧を維持することが可能である。

処理対象の液体のすべてがキャビテーションの効果に曝されるように保証するため、開口の壁の間の距離は、破壊すべき望ましくない物質のサイズによって制限される。大きすぎる開口は、内破するキャビテーション気泡が望ましくない物質に十分に近くないため、効果的でない。結果として、キャビテーションユニットのサイズ、したがって単位時間当たりに処理することができる水の最大量が、制限される。したがって、好ましい実施形態においては、装置が、液体がいくつかのキャビテーションユニットを通って並列に流れることができるよう、複数のキャビテーションユニットをアレイにて含んでいる。キャビテーションユニットは、異なるサイズであってよい。好ましい一実施形態においては、アレイが、大きな中央の支持体をキャビテーションユニットからなるリングで囲んで備えている。キャビテーションユニットは、中央の支持体よりも小さくてよい。大きな中央の支持体は、キャビテーションユニットと同じ形状であってよい。大きな中央の支持体が、さらなるキャビテーションユニットとして機能してもよい。別の好ましい実施形態においては、同心リングにおいて同じサイズの多数のキャビテーションユニットが使用される。

キャビテーションユニットのアレイを使用することで、大量の流れをキャビテーション処理の有効性を損なうことなく処理することができる。さらに、装置は、各ユニットに同じ流量を達成するために、それぞれのキャビテーションユニットへと等しく液体を導くためのマニホールドを含んでもよい。

装置は、キャビテーションデータを得るべくキャビテーションを監視する水中聴音器を含んでもよく、キャビテーションデータが、キャビテーションユニットのシステム・パラメータを制御するために使用される。水中聴音器は、キャビテーションユニットによって引き起こされる圧力パルスを検出し、キャビテーションデータを、キャビテーションユニットの動作を最適にすべく、流量および圧力などのパラメータを制御するために使用してもよい。

装置は、液体中の望ましくない物質を弱め、あるいは傷つけるために、液体をキャビテーションユニットを通って流す前または流した後に処理するための電気処理ユニットを含んでもよい。電気処理ユニットは、電気化学的作用、イオン化、物理的作用、またはこれら3者の任意の組み合わせを加えることが可能である。それ自体が進歩性を有すると考えられる電気透析セルを含んでいる水処理装置が後述され、上述の水処理装置との組み合わせにおいて使用され、あるいは上述の水処理装置の一部として使用される。

装置は、ガス注入ユニットを含んでもよく、好ましい実施形態においては、注入ユニットが、チッ素または酸素含有ガスを水へと注入するためのものである。酸素含有ガスは、空気であってよい。チッ素の注入は、水中の酸素の量を少なくし、したがって腐食を少なくするように機能でき、コーティングおよび塗装などの腐食防止システムの風化を少なくするようにも機能することができる（酸化がそのような風化の原因であるため）。これは、水がバラストタンクへと取り込まれる場合に、通常であれば蓄えられる水の中の酸素がコーティングを腐食または風化させかねないため、有用である。タンクは、例えば、PUの1層コーティングまたは他の1層コーティングを有することができるが、水処理は、他のコーティングが使用される場合にも有利である。

例えばバラストタンクを空にするときなど、水が環境へと戻されるとき、酸素を含んでいるガス混合物（例えば、空気であってよい）を、環境への有害な影響を回避すべく水へと酸素を戻すために使用してもよい。ガス注入ユニットは、液体の流路内のノズルであってよく、静的なミキサを、ノズルの下流に配置してもよい。あるいは、ガス注入ユニットが、それ自体が進歩性を有すると考えられる注入ユニットを含んでいる水処理装置に関して後述されるとおり、ガスおよび蒸気の組み合わせの注入を採用してもよい。

好ましくは、チッ素ガスが、水の流れの一部分を主たる流れから分離し、水の流れのこの部分を過飽和させ、過飽和させた水を水の流れの主たる部分へと戻すことによって、水へと導入される。主たる流れから分離される水の量は、5体積%〜30体積%の間であってよく、好ましくは15体積%未満であってよい。大量のガスが小さな体積へと注入されるため、ガス注入後の流れは、二相流として特徴付けることが可能である。ガスの水への混合を改善するために、静的なミキサを、分離された水の流れにおいて、ガス注入の地点の下流で使用してもよい。主たる流れへの再注入の地点に、静的なミキサを、主たる流れへと戻る二相流の混合を促進するために適用することが可能である。

第2の態様から見ると、本発明は、液体を処理する方法を提供する。この方法は、液体をキャビテーションユニットに通し、液体をキャビテーション気泡が形成される絞りへと流し、次いでキャビテーション気泡が内破する出口へと流すことによって、キャビテーションを生じさせることを含んでおり、前記絞りが、流れの方向に対して垂直である線に沿って細長い開口によってもたらされている。

好ましい実施形態において、本発明のこの第2の態様の方法は、上述した好ましい装置の特徴に対応する方法の特徴を含んでいる。

電界を加えることによって水を処理することも知られている。電界の使用は、水の導電性が或るレベルにあることに依存し、そのような導電性を、「真水」の場合には不純物によってもたらすことができ、あるいは海水の塩によってもたらすことができる。電気化学的処理の場合には、電流に曝されたときに応答するイオンが水中に存在する必要もあり、これが、やはり水中の不純物または塩によってもたらされる。バラスト水の処理の分野において、CN 1736798が、酸化体およびフリーラジカルを生成し、電界の力を使用して生物を殺傷または不活化するために、電解処理タンクを利用している。バラスト水のすべてが、電解タンクによって処理されている。

電気透析が、様々な目的で水を処理するために適用することが可能である公知の流体処理プロセスである。このプロセスの原理は、イオン選択性であってよい膜によって隔てられた2つの電極の間に一定またはパルスの電位差を印加することによるイオン分離の原理である。一方の電極が、負に帯電したイオンを引き付ける陽極（正の電荷）として機能する一方で、他方の電極が、正に帯電したイオンを引き付ける陰極（負の電荷）として機能する。膜と陽極との間の区画の流体が、余分な電子を有する負に帯電したイオンによって特徴付けられるようになり、これを濃縮物と称することができる一方で、膜と陰極との間の区画の流体は、電子が不足している正のイオンの存在によって特徴付けられ、これを希釈物と称することができる。この構成は、電気透析セルとして知られている。

最も現実的な電気透析プロセスにおいては、複数の電気透析セルが、通常はただ1つの陽極および陰極の間に複数の電気透析セルを形成する交互のアニオンおよびカチオン交換膜を備えている電気透析スタックと呼ばれる構成へと配置される。電気透析の主たる公知の用途は、大規模な汽水および海水の脱塩および製塩、ならびに中小規模の飲料水の製造である。また、このプロセスは、重金属などの特定の汚染物質の分離のためのプロセス産業においても使用される。

電気透析システムを、連続的な製造プロセスまたはバッチ式の製造プロセスとして運転することができる。連続的なプロセスにおいては、希釈物および／または濃縮物が、最終的な所望の製品品質を生み出すために直列に配置された十分な数のスタックを通過する。バッチ式のプロセスにおいては、希釈物および／または濃縮物の流れを、最終的な製品または濃縮物の品質が達成されるまで、電気透析システムを通って再循環さらには／あるいは交差処理することが可能である。いずれの場合も、最終的な製品の全体が、希釈物の流れまたは濃縮物の流れのいずれかの中の電気透析セルを使用して処理される。

US 5540819が、病原微生物によって汚染された淡水から飲用可能な水を生成するための電気透析式のセルを開示している。セルが、陽極および陰極をそれぞれ含んでいる2つの区画へと、透過膜によって分割されている。直流が、陽極および陰極の間の水に通され、水が、最初に陽極の区画を通って流れ、次いで陰極の区画を通って流れる。処理対象の水のすべてが、陽極および陰極を順に通過する。

第3の態様から見ると、本発明は、電気透析セル、処理対象の水の一部分のみを電気透析セルを通って案内するための導入流路、および電気透析セルの生成物を残りの水へと戻すための出口流路を備えている水処理装置を提供する。

電気透析セルによって処理した水を主たる水の流れへと戻すことによって、電気透析セルの下流または出口流路の地点の下流の水のすべてが、水のすべてを電気処理に曝す必要なく、その特性によって影響される。電気透析セルの生成物は、微生物の無力化または殺傷という効果を有しており、水中の有機化合物の処理にも有益な効果を有することができる。本発明の発明者は、水の一部分のみを電気透析処理セルを通って案内し、電気透析セルの生成物を水へと戻すことによって、水の流れの全体を電気透析セルで処理する必要なく、効果的な水処理が達成されることを発見した。したがって、本発明においては、上述した従来技術のシステムのようにすべての水を電気透析セルで処理するのではなく、少量の水を電気透析処理に曝すだけでよい。これは、水処理の実行に必要な電力の量を少なくする。さらに、従来技術の水処理システムと比べ、水の全体積について全体としての処理効果を得るために電気透析セルによって処理される水の量がより少ないため、処理装置がより小さくてよい。主たる水の流れの流量への影響も、最小限に保たれる。

水のうちの電気透析セルによって処理される部分が、好ましくは、流入する水の流れから処理の直前に分離され、電気透析セルに通される一方で、残りの水は、電気透析セルによって処理されることなく通過する。したがって、装置は、主たる流路を備えてもよく、導入流路が、流れの一部を主たる流路から分離させ、電気透析セルを通って案内するように構成される。装置は、出口流路から主たる流路への接続を含んでもよく、出口流路が、電気透析セルの生成物を主たる流路へと導入する。

電気透析セルによって処理されない水に、例えばさらに詳しく後述されるキャビテーション処理またはチッ素注入処理など、電気透析処理と並列であってよい他の処理を加えることができる。

好ましくは、処理装置への水の流れの全体の5体積%未満、より好ましくは1%未満、さらに好ましくは0.5%未満が、電気透析セルに通される。約0.2体積%未満の量が好ましく、条件に応じて、0.5%または0.01%という少量も使用可能である。電気透析セルにおいて使用される電流および水の塩分を変更することによって、必要な流れの体積を操作することが可能である。したがって、これらの要因および処理の特定の用途に応じて、使用される流れの体積は、より大きくても、より小さくてもよい。

好ましい実施形態において、本発明は、バラスト水処理装置である。上述のように、この種の水処理は、バラスト水について特に望まれる。多くの既存の水処理は、大量の水を短い時間で処理する必要があるため、バラスト水の処理に適していない。水の一部分のみを電気透析セルに通せばよく、残りの水はセルを通過しないため、水の全体に対して直接的に電気処理の作用を加えなければならない他の選択肢に比べて、所与の時間内にはるかに大量の水へと処理を加えることができる。

電気透析セルは、希釈物の流れおよび濃縮物の流れを生成するためのものであってよく、水へと戻される電気透析セルの生成物が、これらの流れの一方または両方の一部またはすべてで構成される。電気透析セルの生成物は、単に電気透析セルによって生成される濃縮物の流れであってよい。しかしながら、好ましくは、電気透析セルの生成物は、濃縮物の流れと希釈物の流れの少なくとも一部分との混合物である。濃縮物の流れは、種々の酸化体をより多く含んでおり、酸化体は、電気透析セルの生成物が主たる水の流れへと戻されたときに、水中の微生物の殺傷または無力化に特に有効である。

電気透析処理の後で、濃縮物は、処理前の水よりも低いpHを有する可能性があり、希釈物は、より高いpHを有する可能性がある。したがって、濃縮物を希釈物の一部またはすべてと混ぜ合わせることで、電気透析セルの生成物のpHを調節することができる。

濃縮物の流れおよび希釈物の流れの一方または両方を、交差処理または再循環によって生み出すことが可能である。交差処理は、電気透析セルの膜の間の流れ（一方または両方の区画から）がセルの膜によって隔てられた反対側の区画を通って再循環させられる順次の処理（1回、2回、または3回以上の反復）を意味するが、濃縮物および希釈物の特性を変更するため、ならびに／あるいは希釈物の量を少なくするため、ならびに／あるいは主たる流れへの再注入の前の2つの流れの最終的な混合を簡単にするために、適用が可能である。同様に、同じ区画からの流れを、最終的な混合および主たる流れへの再注入の前に濃縮物および希釈物の特性を変えるために再循環させることが可能である。

好ましい実施形態においては、濃縮物の流れおよび希釈物の流れの少なくとも一部分が、電気透析セルを通った直後に混合される。これは、希釈物の流れの一部分を取り去り、次いで残りの希釈物を濃縮物の流れに混合することによって行うことができる。取り除かれる希釈物の量は、40体積%〜60体積%の間であってよい。

濃縮物あるいは混合後の濃縮物および希釈物のpHを所望の範囲に保つべく混合比を制御するために、濃縮物、希釈物、および／または混合後のpHが、監視される。pHの監視は、pH電極によって行うことが可能である。電気透析の生成物は、好ましくは1〜5のpH、さらに好ましくは約3のpHを有している。この結果、電気透析セルの生成物を加えた後の主たる流れのpHが、海水のpHに類似する7.0〜8.5の範囲に維持される。電気透析セルの生成物のpHを、例えば混合に先立って取り除かれる希釈物の量を変えることによって、濃縮物へと加えられる希釈物の量を変えることによって制御することが可能である。濃縮物のpHは、通常は所望のpHよりも低く、したがって高pHの希釈物の一部との混合を、電気透析セルの生成物のpHを高めるために使用することが可能である。pHの制御を、電気透析セルへと供給される電圧または電流を制御して、得られる電気透析効果の強さを変化させ、濃縮物の酸化強度を変化させることによって行うことも可能である。

装置は、希釈物の流れの一部を取り除くための希釈物除去流路を含んでよい。濃縮物および取り除かなかった希釈物の混合を促進するために、装置は、出口流路よりも前に混合領域を含んでよい。好ましい一実施形態においては、混合領域が、バッファタンクである。あるいは、濃縮物および希釈物を、出口流路を通って流れるときに混合してもよい。混合を、濃縮物の流れおよび希釈物の流れのうちの取り除かれなかった部分が主たる流れに混合されるのと同時に行ってもよく、すなわち、電気透析セルの生成物を、残りの水との混合時に初めて混合される2つの部分で構成してもよい。別の代替の好ましい実施形態においては、混合が、バイパスの流れにおいて例えば静的なミキサまたは他の混合装置によって実行され、次いで流れが、キャビテーションの後（キャビテーションユニットにおける圧力低下ゆえに、システムの圧力がより低くなっている）に再注入される。この構成は、混合タンクまたは用量ポンプの必要性をなくすとともに、さらに詳しく後述されるとおり、電気透析プロセスから到来する気泡の制御および管理の機会を提供する。

混合を、混合領域または出口流路の静的なミキサまたは乱流生成手段によって促進することが可能である。

取り除いた希釈物を、電気透析セルの前の上流の水へと再注入してもよい。後述のように他の処理段が備えられる場合には、希釈物の残りが、好ましくは、すべての処理段に先立って再注入され、さらにはろ過およびバラストポンプ（備えられる場合）の吸い込み側よりも前に再注入される。希釈物を再注入することで、希釈物を廃棄する必要がなくなり、希釈物は、流入する未処理の水の不純物、望ましくない物質、などと無害に反応する。希釈物を、ろ過に先立って注入される場合には、特にはろ過プロセスのための洗浄剤として有利に使用することが可能であり、あるいは保管してフィルタを清掃するために直接的に使用することが可能である。

主たる流れへと再注入される濃縮物および希釈物の特性および量を、酸素還元電位（ORP）および／または遊離塩素（FAC）の消費を監視することによって制御することが可能である。ORPについて、所望の値の範囲は250〜800mVであってよく、さらに好ましくは300〜500mVであってよい。再注入の直後のFACの初期値は、好ましくは2〜4ppmの間であって、1時間の期間の後に0.1〜0.4ppmへと低下する。FACの消費は、処理対象の水の特性に強く依存する。電気透析セルの性能を最適にするために、実際の水処理の開始に先立って電流および混合比をあらかじめ設定できるようにする較正の流れのループを用意することが望ましい。ORPおよび／またはFACの測定値が所望の範囲の外にある場合、電気透析セルの動作が相応に調節される。

水の流れを案内するために、装置は、導管、パイプ、バッフル、などを備えてもよい。電気透析セルを、主たる水の流れのための流路に一体化させてもよく、したがって装置が、主たる流れのための主流パイプまたは導管を、主たる流れの一部をセルを通って案内するためのより小さなパイプまたは導管などとともに備えてもよい。あるいは、電気透析セルを、既存の水導管の水を処理すべく既存の水導管へと接続することができるスタンドアロンのユニットとして設けてもよい。処理の流路を、主たる流路に対して外部にある導管によって形成することが可能である。これにより、既存の水流路を、適切な入り口および出口の分岐合流点を追加することによって、処理装置を備えるように容易に変更することができる。この場合、処理装置は、スタンドアロンのユニットを既存の導管へと接続するための適切なパイプまたは導管を、必要に応じてバルブ、用量ポンプ、などとともに含んでもよい。

塩水の別個独立の供給源を、電気透析セルの入力電解液を補って塩分を増加させるために使用することが可能である。これは、例えば、真水の製造の副生成物として生成される塩水であってよく、あるいは逆浸透プラントなどの専用の塩水製造設備において生成される塩水であってよい。再循環の逆浸透プラントを、入力電解液への添加として使用するための飽和した塩水を生成するために使用することが可能である。塩水等の追加は、システムが真水または薄い汽水（そのままでは、水中のイオンの欠如ゆえに電気処理が効果的でない）の処理に使用される場合に必要である。また、塩水を、電解液の塩分をより好ましいレベルにするために、塩分の少ない海水へと追加してもよい。塩分が少ないと、電気透析セルにおいて同じ処理効果を達成するためにより大量の電流が必要である。したがって、塩分を増すことによって、エネルギーの使用の削減を達成できる。例として、北海においては、1000分の25以上の塩分が典型的である一方で、バルト海の表面水は、おそらくは1000分の7というはるかに低い塩分である。好ましくは、塩水が、少なくとも1000分の25の塩分を維持するように電気透析セルへの入力電解液へと添加される。

好ましくは、水は、処理後にリザーバまたはタンクに或る時間期間にわたって保管される。これにより、電気透析セルの生成物からの酸化体および反応物質が、水中の微生物および他の望ましくない物質に対して完全な効果を有するための時間が許される。特に好ましい実施形態において、本発明は、船舶のバラスト水の処理に使用され、水がバラストタンクへと取り入れられるときに処理され、次いで排出までバラストタンクに保持される。この状況においては、一般に、再度の積み荷およびバラスト水の排出までに船舶が港から港へと移動するため、適度な保持時間が存在する。この時間が、電気透析セルの生成物による処理が効果を発揮できるために有利に利用される。

大量の水を処理することができるよう、電気透析は、好ましくは1つの大きなセルによってもたらされるのではなく、複数の電気透析セルによって並列にもたらされる。これにより、よりモジュール式な構成が可能になり、部品の簡素化およびサイズの縮小によって各セルの構築が簡単になる。

処理は、ガスの注入を含んでもよい。好ましい実施形態においては、ガス注入ユニットが、チッ素および／または酸素含有ガスを水へと注入するために設けられる。酸素含有ガスは、空気であってよい。

酸素の注入を、水をタンクから環境へと排出（例えば、バラストタンクから海へと排出）する前に、水の酸素含有量を適切なレベルへと戻すために使用することができる。

好ましくは、処理が、チッ素ガスを水へと注入するためのガス注入ユニットを含んでいる。水のチッ素化は、酸化体の処理を延長すると考えられ、上述のように有益な腐食低減効果も有している。

チッ素を、水の流れのすべてまたは一部へと注入することが可能である。チッ素は、好ましくは、処理後の水がチッ素で過飽和していることを保証するための十分な量で注入される。好ましい実施形態においては、水の流れの一部分が主たる流れから分離され、この部分へとチッ素が注入される。好ましくは、この水の流れの一部分は、水の流れの全体積の15%未満である。チッ素化させた水の流れが主たる水の流れへと再導入されるとき、2つの水の流れの混合を促進するために、静的なミキサを使用することが可能である。

ガスの注入からもたらされる乱流を、電気透析セルの生成物の主たる流れとの混合を促進するために使用することが可能である。

ガス注入ユニットは、水または分離させた水の一部分の流路内のノズルであってよく、ノズルの下流に、静的なミキサを配置してもよい。ガスおよび水の混合物を静的なミキサに通すことで、水のチッ素化が促進される。

あるいは、ガス注入ユニットが、後述のとおりであってよい。

好ましい実施形態においては、装置が、キャビテーションユニットを含んでいる。キャビテーションユニットの使用は、水中の微生物ならびに他の生物または非生物に対して物理的な効果を生み出し、これらの望ましくない要素を破壊する。好ましくは、キャビテーションユニットは、電気透析セルの生成物が処理の流路へと戻されるよりも前に水を処理するように配置される。したがって、キャビテーション処理を、より大きくて複雑な生物を壊滅させ、さらには他の望ましくない物質を破壊し、特には微生物の集団または塊を破壊するために使用することができ、次いで電気透析セルの生成物が、残りの生物を壊滅させ、大きなサイズの生物および生物の集団が破壊されているがゆえにより効果的に作用することができる最終レベルの処理をもたらす。キャビテーション処理からもたらされる乱流を、電気透析セルの生成物の主たる流れとの混合を促進するために使用することが可能である。

電気透析セルを、有利には、キャビテーションユニットに並列に配置してもよい。この場合、水の流れのうちの少量が、電気透析セルを通過し、水の大部分が、キャビテーションユニットを通過する。好ましくは、処理装置への水の流れの全体の5体積%未満、より好ましくは1%未満、さらに好ましくは0.5%未満が、電気透析セルを通過する。約0.2体積%という量が好ましく、条件に応じて、0.05%または0.01%という少ない量も使用可能である。電気透析セルの生成物は、キャビテーションユニットの後で主たる流れへと戻される。

このことは、水のうちのわずかな部分が、キャビテーションユニットによる処理を受けないことを意味するが、全体としての処理の効能に有意な影響を及ぼすものではなく、電気透析セルの入り口および出口をキャビテーションユニットの各側に有することの利点は、キャビテーションユニットにおける圧力低下によって、電気透析セルを通過する流れを駆動する圧力差がもたらされることで、別途のポンプの必要性がなくなり、システムが閉回路において自家動力的になる点にある。また、結果として加圧された電気透析セルが使用されることにも追加の利益が存在し、電気処理の際の気体水素の発生が最少化または防止される。気体水素の発生は、水の電気透析においてよく知られた危険である。加圧された電気透析セルでは、たとえ水素が形成されても、安全である溶解状態に常に保たれる。

加圧された電気透析セルにおいては、圧力のもとでのプロセスの動作を可能にする適切な膜を選択すべきである。好ましくは、電気透析セルが、セラミック膜を使用して構成される。そのような膜は、他の種類の膜よりも、圧力のもとでより効果的に動作する。

キャビテーションユニットは、ベンチュリ式のキャビテーションユニットであってよい。好ましい実施形態においては、キャビテーションユニットは、上述のようなユニットである。

第4の態様から見ると、本発明は、水を処理する方法を提供し、この方法は、水の一部分のみを電気透析セルに通すこと、および電気透析セルの生成物を残りの水へと戻すことを含んでいる。

好ましい実施形態においては、本発明の第4の態様の方法は、上述の第3の態様の好ましい装置の特徴に対応する方法の特徴を含んでいる。

特に好ましい実施形態においては、この方法が、バラスト水の処理のためのものであって、本発明の第4の態様に従ってバラストタンクを満たすために使用される水を処理すること、水へとチッ素を注入すること、処理後の水をバラストタンクに保持すること、タンクから水を排出して環境へと放つことを含んでいる。

さらに、この方法は、水がタンクへと入るとき、またはタンクから排出されるときに、水中にキャビテーションを生成することを含んでもよい。好ましくは、キャビテーションが、電気透析セルの生成物が水へと戻される前に、水を処理するために使用される。

好ましい実施形態において、この方法は、排出される水を、環境へと放つ前に酸素含有ガスを注入することによって処理することを含む。酸素含有ガスは、空気であってよい。

タンクに出入りするときに水を処理することによって、望ましくない物質、特には微生物および他の有機物の保管および放出の危険が、種々の処理段階によってそのような物質が有害でない状態へと分解されるため、大幅に低くなる。チッ素を水へと注入し、その後に水を保管することで、水中の溶存酸素の量が少なくなることによって、バラストタンクの腐食が少なくなる。さらに、コーティングおよび塗装などといった腐食防止システムの風化が少なくなる。なぜならば、酸化がそのような風化の原因だからである。水の放出時に空気を注入することによって、残余のガスの過飽和に起因する環境への悪影響を回避するために、放出される水に十分な酸素が存在することが保証される。

第5の態様から見ると、本発明は、ガス注入ユニットを備える水処理装置を提供する。この水処理装置では、ガス注入ユニットが、水の流路に配置された注入ノズルを含んでおり、注入ノズルが、水の流路のサイズに比べて小さく、注入ノズルが、蒸気導入口、ガス導入口、ガスおよび蒸気の混合のための混合領域、ならびに水の流路への開口を備えている。

蒸気の使用は、ガス／水の混合を改善し、したがって所望の効果を達成するために必要なガスの量を少なくできる。さらに、注入された蒸気が圧力パルスを生成し、これが水中に存在する生物に影響を及ぼして、望ましくない生物の制圧を助けることができる。注入ノズルのサイズを、例えばパイプ等であってよい水の流路に比べて小さくすることで、注入ノズルが水の流れを妨げることがない。

蒸気の注入を、注入地点の下流により高速のジェットを生成するために使用することが可能である。これは、流体を加速させ、水処理装置においてさらなるポンプ効果を生み出す。

好ましくは、ガスは、ジェットの仕組みで水へと混合され、好ましい実施形態においては、これが、150kg/(m²s)よりも多い注入蒸気量によって達成される。

好ましい実施形態においては、蒸気導入口が、ノズルを備えており、ガス導入口が、蒸気導入ノズルの周囲の通路を備えている。通路は、外壁がパイプによって形成された環状の通路であってよい。混合部は、パイプが蒸気導入ノズルの開放端を超えて続くことによって形成されるチャンバであってよい。

水流路への開口は、単にパイプの端部によって形成される出口ノズルであってよいが、好ましい実施形態においては、出口ノズルが、ガスおよび蒸気の混合物を水流路への進入に先立って膨脹させる発散する外形を備えている。発散領域を使用することで、注入されるガスおよび蒸気の詰まりの危険が回避される。

第6の観点から見ると、本発明は、水の流路内に配置された注入ノズルを使用して水の流路へとガスを注入することによって水を処理する方法を提供する。この方法では、注入ノズルが、水の流路のサイズに比べて小さく、ガスおよび蒸気が、蒸気導入口およびガス導入口から供給され、ガスおよび蒸気が混合され、水の流路へと注入される。

第6の態様の方法の好ましい実施形態は、上述の第5の態様の装置の好ましい特徴に対応する特徴を含んでもよい。

第7の態様から見ると、本発明は、水へと電流を加えるための電気処理ユニットと、キャビテーションユニットとを備えており、水が、電気処理ユニットおよびキャビテーションユニットを通って並列に流れる水処理装置を提供する。

電気処理およびキャビテーションを組み合わせることによって、水中の生物、特には微生物、ならびに他の種類の望ましくない物質を、より効果的に破壊することができる。並列な流れによって、キャビテーションユニットにおける圧力低下で水を電気処理ユニットを通って駆動することができる。

好ましい実施形態においては、装置が、バラスト水の処理のためのものであり、船舶のバラスト水タンクへと移動および／または船舶のバラスト水タンクから移動させられる水を処理するように構成されている。

好ましくは、装置が、電気処理およびキャビテーション処理の後の水へとガスを注入するためのガス注入ユニットを含んでいる。ガス注入ユニットを使用することで、上述のように酸素含有量を増減させるため、およびガスの過飽和の効果によって生物を傷めるために、水をチッ素ガスまたは空気で処理することができる。

チッ素を、水の流れのすべてまたは一部へと注入することが可能である。チッ素は、好ましくは、処理後の水がチッ素で過飽和していることを保証するための十分な量で注入される。好ましい実施形態においては、水の流れの一部分が主たる流れから分離され、この部分へとチッ素が注入される。好ましくは、この水の流れの一部分は、水の流れの全体積の15%未満である。チッ素化させた水の流れが主たる水の流れへと再導入されるとき、2つの水の流れの混合を促進するために、静的なミキサを使用することが可能である。

この態様の装置は、水から大きな物体を取り除くために、電気処理ユニットに先立って第1のフィルタを含んでよい。より小さな物体（特には、破壊した微生物など）を水から取り除くために、キャビテーションユニットの後方にフィルタが存在してもよい。

好ましい実施形態においては、キャビテーションユニットが、第1の態様において述べたユニットおよび第1の態様の好ましい特徴に従う。電気処理ユニットは、好ましくは、第3の態様の装置およびその好ましい実施形態の特徴を取り入れている。さらに、ガス注入ユニットは、第5の態様およびその好ましい特徴に従ってもよい。

第8の態様から見ると、本発明は、水の流れを2つの部分へと分割すること、一方の部分の電気処理ユニットによる処理および他方の部分のキャビテーションユニットによる処理を並列に行うこと、および2つの部分を再び合流させることを含んでいる水処理方法を提供する。

この方法は、ガスを水へと注入することを含んでよい。

電気処理、キャビテーションの生成、およびガスの注入のうちの1つ以上が、好ましくは、それぞれ本発明の第4、第2、および第6の態様に係り、上述のとおりこれらの態様の好ましい特徴を含んでもよい。

すなわち、電気処理は、電気を使用して水中に化学反応を生じさせる電気透析プロセスなどの処理を含んでよく、これらの化学反応が、この電気的に処理された水が水の他の部分に再び合流するとき、再合流後の水にさらなる水処理効果をもたらす。

好ましくは、この方法が、バラスト水を処理するためのものであり、バラストタンクを満たすために使用される水を、チッ素を注入するガス注入ユニットによって上述のとおり処理すること、処理後の水をバラストタンクに保管すること、タンクから水を排出すること、排出される水を、キャビテーションの生成および／または空気を注入するガス注入ユニットによるガスの注入の行程を繰り返すことによって任意により処理すること、および水を環境へと放出することを含んでいる。

タンクに出入りするときに水を処理することによって、望ましくない物質、特には微生物および他の有機物の保管および放出の危険が、種々の処理段階によってそのような物質が有害でない状態へと分解されるため、大幅に低くなる。チッ素を水へと注入し、その後に水を保管することで、水中の溶存酸素の量が少なくなることによって、バラストタンクの腐食が少なくなる。さらに、コーティングおよび塗装などといった腐食防止システムの風化が少なくなる。なぜならば、酸化がそのような風化の原因だからである。水の放出時に空気を注入することによって、残余のガスの過飽和に起因する環境への悪影響を回避するために、放出される水に十分な酸素が存在することが保証される。

上述のすべての実施形態の装置および方法は、既存の水処理装置への後付けのためのものであっても、あるいは水処理装置の追加が望まれるシステムへの後付けのためのものであってもよい。

次に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照してあくまでも例として説明する。

外付けの電気透析セルを備える水処理システムの概略図である。 直列の電気透析セルを備える水処理システムの概略図である。 電気透析セルをキャビテーションユニットと並列に備える水処理システムの概略図である。 キャビテーションユニットの実施形態を示している。 種々のキャビテーション体を示しており、キャビテーション体をパイプに固定する手段を備えている。 種々のキャビテーション体を示しており、キャビテーション体をパイプに固定する手段を備えている。 種々のキャビテーション体を示しており、キャビテーション体をパイプに固定する手段を備えている。 種々のキャビテーション体を示しており、キャビテーション体をパイプに固定する手段を備えている。 キャビテーション体の形状の選択肢を示している。 キャビテーション体の形状の選択肢を示している。 キャビテーション体の形状の選択肢を示している。 キャビテーション体の形状の選択肢を示している。 図8に示した形式のキャビテーションユニットについて、キャビテーションユニットに沿った距離に対する圧力のグラフである。 図8に示した形式のキャビテーションユニットについて、キャビテーションユニットに沿った距離に対する圧力のグラフである。 処理できる水の量を増すためのキャビテーションユニットのアレイの2つの実施形態を示している。 図12のアレイを断面で示している。 注入装置のパイプ内への配置を示している。 ガス／蒸気注入装置の詳細を示す略図である。 注入装置の別の構成を示している。 パイプ内の静的なミキサの概略図である。 静的なミキサについて考えられる一構成を示している。 電気透析セルの部分切断図を示している。 電気透析セルの別の構成を部分切断図にて示している。

図1Aおよび1Bの実施形態は、バラスト水処理システムとして使用されるように意図され、したがって、以下ではそのような文脈において説明されるが、説明されるシステムについて、他の用途が存在し、システムを種々の要件に適するように調整できることに留意されたい。

図1Aは、処理システムの第1の実施形態を示している。水がろ過され、次いでキャビテーションユニット10、ガス注入ユニット14、および電気透析セル8によって処理される。この処理の組み合わせが、水中の生物を傷つけ、死滅させる。水中の生物に影響を及ぼすほかに、注入ユニット14において水へと加えられるチッ素が、水中の溶存酸素のレベルを下げ、生物の再生の可能性を少なくするとともに、コーティングの風化および腐食の速度を遅らせる。さらに、酸素が少なくなることで、電気透析セル8からの電気透析セルの生成物によって水中に導入される酸化剤の効果が、長持ちすると考えられる。チッ素を使用することによってバラストタンクが空であるときの雰囲気の管理を制御することによって、これらの効果をさらに向上させることができる。

バラストタンクを満たす際、バラスト水が、船舶のバラストポンプ・システム2を使用することによって、導入パイプ1を通って海から注ぎ込まれる。ポンプ2の後で、水がパイプを通って流れ、第1のフィルタ4を通ってろ過される。第1のフィルタ4は、水から大きな粒子をろ過する。このようにしてスラッジが形成され、バラストの取り込みの地点において排出される。

第1のフィルタ4の下流に、任意により圧力ブースタを設置してもよい。圧力ブースタを、さらに下流のユニットにおける処理の成功に必要な水圧のレベルを維持するために、使用することができる。

次いで、水は、キャビテーションユニット10へと流れ続ける。キャビテーションユニット10において、流体の静圧を流体の蒸気圧へと急激に低下させることを可能にする流体の流速の急激な加速によって、流体力学的キャビテーションが引き起こされる。次いで、これが、蒸気泡の発達をもたらす。気泡の成長を可能にする制御された時間期間の後に、制御下での急激な減速が後続する。これが、流体の静圧の急激な上昇を引き起こすことで、蒸気泡の激しい崩壊または内破を生じさせ、水中の生物等を高強度の圧力および温度パルスに曝して、水中の生物を破壊する。キャビテーションユニット10については、図2〜13に関してさらに詳しく後述する。

キャビテーションユニット10の後に、水のうちの一部は、電気透析セル8を通って流れる。残りの水は、電気透析セル8によっては処理されず、単純にパイプまたは導管に沿って後の処理段階へと流れ続けることができる。図1Aの実施形態においては、電気透析セルが、主たる流れの導管の外部に取り付けられており、したがって既存の処理システムへの後付けが可能である。

代替実施形態においては、流入するバラスト水の電気透析セル8による処理に代え、あるいはこれに加えて、別の塩水または海水の供給元24を、電気透析セル8へと入力される電解液として使用することができる。これは、淡水の製造の副産物として生まれる塩水であってよく、あるいは専用の塩水製造プラント（例えば、逆浸透プラント）において製造される塩水であってよい。

塩水または海水の供給元を、システムが淡水または薄い汽水を処理するために使用される場合に、水の塩分に対する増強効果をもたらすためにも使用することができる。これは、上述のように、通常では処理不可能な水について電気透析処理を可能にし、電気の消費を少なくするためにも使用することができる。

電気透析セル8は、図19を参照してさらに詳しく後述されるが、希釈物の流れ11および濃縮物の流れ12を生成する。これら2つの流れは、主たる水の流れへと再び案内される電気透析セル生成物17を生み出すpHバランサまたは混合ユニット13へと進み、生成物17の組成に応じて、混合ユニット13が希釈剤の残余物を放出してもよい。混合ユニット13は、電気透析セルの最適な生成物17を形成するために、濃縮物12へと加えられる希釈剤11の量を制御するためのポンプなどを含んでいる。代替の構成においては、上述のように、混合ユニットが、並列なキャビテーションユニットにおける圧力低下によってもたらされる圧力によって加圧された閉回路の中にあってよい。この場合、ポンプは不要である。

電気透析セルの生成物の注入点の下流に、ORPおよび／またはFACを測定して測定値を混合ユニット13へと連絡するサンプリング／測定点15が存在している。これらの測定は、水に対する電気透析セル8の効果を監視し、セルの動作パラメータおよび／または適用される混合比を制御するために使用される。

希釈剤残余物18を、すべての処理工程の手前において、好ましくはさらにフィルタおよび／またはバラスト水ポンプの手前において、流入する水へと再注入することが可能である。あるいは、保持タンク25または船舶のビルジ水タンク26に保管することが可能である。

図示の実施形態においては、ガス注入ユニット14が、電気透析セルの生成物17が主たる流れへと戻された後の水を処理する。しかしながら、代替実施形態においては、生成物17が、ガス注入ユニット14の下流で主たる流れへと戻され、監視ユニット15も、やはりガス注入ユニット14の下流に位置し、生成物17が混ぜられた後の水の状態を監視する。

ガス注入ユニット14においては、水において所望のレベルのチッ素過飽和を達成して、酸素のレベルを下げることによって生物の殺傷および腐食の低減を行うために、蒸気／チッ素注入装置または気体／水ミキサを使用して、流入する水へとチッ素ガス16が注入される。これは、水中の酸化剤の処理効果も長持ちさせる。注入ユニット14の実施形態については、図14〜18を参照してさらに詳しく後述される。

処理ユニットの下流において、処理後の水は、船舶のバラスト水配管系23によってそれぞれのバラスト水タンクへと分配される。ここで、過剰なガスが、安定な状態が達成されるまで排気される。これは、タンクの通気システムに一体化されたバルブによって調節される。これらのバルブが、バラスト水がタンク内に残っている期間中、タンク内に安定な状態を保証し、特には水中のチッ素過飽和のレベルが高く、溶存酸素のレベルが低いことを保証する。過飽和のレベルを維持することは、過飽和そのものおよび電気透析セル8によって導入される酸化剤の両者による水処理の持続につながる。したがって、処理が、生き残っている生物をバラストタンクに保管されている間も殺傷および無効化し続け、再増殖に対する予防的手段として機能する処理後の水をもたらす。

その後、水は、バラスト水タンクにそのまま残される。バラスト水を排出するときには、水は、水の酸素含有量を環境的に許される排出レベルへと戻す排出処理プロセスを通過して流れる。水が、バラストタンクから送出され、ガス注入ユニット14を通過する。ガス注入ユニット14が、空気が注入ガスとしてのチッ素を置き換えるため、酸素を水へと戻すために使用される。任意により、水を、排出時にキャビテーションユニット10によって再処理してもよい。

処理システムの第2の実施形態が、図1Bに示されている。これは、図1Aの実施形態と実質的に同じであるが、電気透析セル8が、主たる流れの外部にではなく、主たる流れに直列に配置されている。水が、図20を参照してさらに詳しく後述されるように、電気透析セル8を通過して流れる。この実施形態において、混合ユニット13を、この直列セルの一部として設置してもよい。図1Aの実施形態と同様に、セル8が、水の一部を処理することによって、希釈物の流れ11および濃縮物の流れ12を生成する。残りの水は、処理されることなく直列セル8を通過することができ、上述のとおり電気透析セルの生成物17と混合される。海水または塩水の外部の供給元24を、やはり任意により使用することが可能である。

図1Aに関して上述したように、図1Bの実施形態の代案においては、ガス注入ユニット14が、生成物17が主たる水の流れに混合される地点よりも上流でガスを注入することができる。これは、電気透析処理への入り口の上流へとガスを注入することによって達成でき、あるいはガス注入ユニット14が、電気透析セル8による処理を受けない水の流れへとガスを注入してもよく、すなわち水の一部分の電気透析処理と残りの水のチッ素化とを、並列に行うことができる。

水処理システムの構成要素のさらなる配置構成が、図1Cに示されている。このシステムにおいては、水が、バラストポンプ2によって導入口1を通って送られ、上述のとおり第1のフィルタ4によってろ過される。次いで、水の流れが分割され、約0.2体積％という小さな部分が電気透析セル8を通って案内され、残りがキャビテーションユニット10を通過する。電気透析セルが図1Aおよび1Bに関して述べたとおりに動作し、保持タンク25または船舶のビルジ水タンク26など、図1Aおよび1Bに示したような電気透析セル8に関係する他の特徴が存在し得ることに、留意されたい。

電気透析セル8およびキャビテーションユニット10の後で、電気透析セル8の生成物17が、キャビテーションユニットによって処理された水と混合され、次いで、この水が、ガス注入ユニット14へと流れる。この実施形態においては、ガス注入装置が、図1Aおよび1Bのように水の流れに完全に直列にあるのではなく、水の流れのうちの一部分のみに作用するものとして示されている。図1A、1B、および1Cの実施形態の間で、ガス注入装置14の配置が入れ換え可能であることに、留意されたい。図1Cに示した配置においては、水の流れの一部分（全体のうちの15体積％未満、おそらくは10体積％）へとチッ素が注入される。チッ素は、水がチッ素過飽和であることを保証するための十分な量で注入される。チッ素化された水の流れが主たる水の流れへと再び導入されるとき、合流に起因する乱流または静的なミキサが利用され、2つの水の流れの混合を促進して、水の流れの全体が所望の水処理効果を有するための十分なレベルまでチッ素化されることを保証する。

チッ素の導入後に、処理済みの水は、バラストタンクへとパイプ23を通過し、バラストタンクに保管される。上述の実施形態と同様、水をバラストタンクから排出する必要がある場合には、システムは、流出する水を、水の再酸素化のための酸素の導入および任意による繰り返しのキャビテーション処理を含む処理プロセスを通って案内するように構成される。

図2〜13は、キャビテーションユニット10の実施形態を示している。キャビテーションは、液体における核生成のプロセスであり、局所的な静圧が一定温度における局所的な蒸気圧を下回って低下することによって引き起こされる。局所的な静圧の低下によって、液体が沸騰し、蒸気の小気泡の発達につながる。静圧の上昇が、これらの蒸気泡の崩壊を引き起こす。

気泡の崩壊の最終段階において高い圧力が生成され、これが、文献によれば、衝撃波の放出をもたらすとされている。衝撃波を、ほぼ4000m/sという衝撃速度および1/rよりも速い衝撃振幅の減衰にて打ち出すことができる。気泡の近傍の圧力パルスが、場合によっては、最大1GPaにもなると報告されている。また、最大7800Kの温度の局所高温スポットも、キャビテーション気泡の崩壊の結果として、文献において報告されている。キャビテーションが剛体面の付近で生じる場合、気泡が非対称に崩壊し、しばしば高速で移動する水ジェットを形成する。このジェットが、生物等が崩壊する気泡の近傍にある場合には、表面の損傷を生じさせる可能性があり、おそらくはジェットに起因する組織の損傷をもたらす可能性がある。崩壊するキャビテーション気泡によって生み出されるジェット、高圧、および高温が、生物の組織に、結果として生物の死滅につながる損傷を生じさせることによって、水中の微生物に対して破壊的影響を有している。

しかしながら、高速で移動するジェットならびに高い圧力および温度のスポットは、崩壊する気泡のきわめて近くに生じ、すなわち崩壊の時点において気泡に十分に近い生物のみに影響を及ぼす。気泡の内破において放出されるエネルギーをより効果的に利用するために、狙いを付けた生物の曝露が必須であろう。これは、水処理の用途全般、特にはバラスト水の処理の用途において、処理対象の水が通過して流れる小さなすき間またはその付近にキャビテーションを生じさせることによって達成できる。

好ましいキャビテーションユニット10においては、流体力学的キャビテーションが、流体の静圧を流体の蒸気圧へと急激に下げることを可能にして、蒸気泡の発達をもたらす流体の急激かつ制御された加速によって引き起こされる。次いで、気泡の成長を可能にする制御された時間期間の後に、急激かつ制御された減速が続く。これにより、流体の静圧が急激に高まり、結果として蒸気泡が激しく崩壊または内破し、生物が高い強度の圧力および温度パルスに曝される。

キャビテーションユニット10の形状は、気泡の生成に関する表面の存在および内破する気泡の対象物への近接の重要性について観察された相乗効果を利用するように設計されている。設計の様々な構成が、すべて同じ好ましい幾何学的設計に基づいて、反復可能なキャビテーションを含む種々の特性で開発されている。

キャビテーションユニット10は、図2に示されているような魚雷状の形状30の形態のキャビテーション体の周囲に円周状のキャビテーションを生成する。魚雷状の形状30は、概ね円柱形であって、バラスト水パイプまたは水を運ぶ任意のパイプなど、パイプ31へと容易に装着できるため有利である。魚雷30の特定の形状を、任意の特定の状況に鑑みて最大のキャビテーションを引き起こすために、適切な圧力低下をもたらすように設計することができる。好ましい形状は、特にはキャビテーションユニット10の最大の破壊効果を達成すべく微生物をキャビテーション気泡の崩壊領域の近くに位置させるために、気泡の成長およびサイズ分布を最適にする。

図2の魚雷30を操作するための基本的なパラメータは、長さA、半径B、すき間の幅C、角度D、魚雷先端の半径E、および魚雷中央部の長さFである。これらのパラメータを、特定のキャビテーション特性を達成するために変更することが可能である。一般に、キャビテーションユニット10は、流路の絞りによってキャビテーションが引き起こされる細長い領域をもたらすように配置されるが、この実施形態においては、そのような細長い領域が、狭い環状の通路によって達成されている。液体は、図2について眺めたとき、左方から右方へと流れる。魚雷の先端Eにおいて、水の速度が増し、圧力が低下し、したがってキャビテーション気泡の成長が開始される。気泡は、魚雷の中央部Fに沿って成長し、その後に水の圧力が再び高まるにつれて内破する。

図3〜5aは、キャビテーション体30の4つの異なる変種であり、どのように魚雷ユニットのバラスト水パイプまたは汚水パイプ31への組み込みを実現できるのかを示している。

図3は、魚雷30をパイプ31に装着するために適用されたフィン32を示している。フィン32の長さ、角度、高さ、奥行き、および数は、様々であってよい。

図4は、魚雷をパイプに装着するために適用されたピン33を示している。ピン33が、ユニットの前部および後部において魚雷30へと取り付けられている。ピン33の長さ、直径、位置、および数は、様々であってよい。

フィン32およびピン33は、魚雷30について水パイプ31への確実な取り付けをもたらすように設計される。さらに、フィン32およびピン33の設計は、可能な限り最大のキャビテーションが魚雷ユニット30によってもたらされるよう、発達したキャビテーションの領域に可能な限り悪影響を及ぼさないような設計である。

図5は、魚雷30をパイプ31に装着するために適用されたピン33およびフィン32の両方を示している。4つのピン33が、魚雷ユニットの前部においてユニットへと取り付けられ、4つのフィン32が、魚雷ユニットの後方においてユニットへと取り付けられている。

図5Aは、代替設計の魚雷30を示しており、魚雷30が、支持部へと入り込むラグ52によって所定の位置に保持される。これらのラグ52は、ピンまたはフィンを不要にし、したがって魚雷そのもの以外の流体の流れに対する妨げを回避し、より一様な流体の流れを促進する。

図6〜9は、魚雷30の様々な代替設計である。魚雷30について、2つの異なる簡素な変種が図6および7に示されており、ユニットの水パイプへの組み付けについて、2つの異なる可能性を提示している。特には、図7が、鈍い後縁34を有する魚雷30を示しており、魚雷30の後端をパイプ31へとより容易に取り付けるために使用することが可能である。魚雷30の簡素な変種は、ユニットにおいて急激な圧力の低下および上昇を1回だけ生じさせることによるキャビテーションと、魚雷30の中央部の終わりに位置するキャビテーション崩壊領域とを含んでいる。

簡素な変種に加え、魚雷ユニットについて2つのさらなる変種が、図8および9に示されるとおり存在する。これら2つの変種は、図6または7に示したとおりに設計されたユニット後部を有することができる。

図8は、複数回の圧力の低下および上昇によって複数のキャビテーション領域を生じさせる起伏する輪郭35を有する魚雷を示している。図8の魚雷30によれば、キャビテーション崩壊領域が、ユニットの波状部のそれぞれの背後にもたらされる。これは、キャビテーションの破壊効果がそれぞれの部位において繰り返されるため、有利である。

図9は、凹凸のある表面36の部位を有する魚雷30を示している。この表面は、例えばローレット加工による表面または窪みのある表面であってよい。凹凸のある表面36を使用することで、魚雷ユニット30の表面の空洞によって、気泡の発生が強化される。

図10および11は、図8に示した魚雷30の起伏する表面の変種の2つの異なる設計について、蒸気圧プロファイルを示している。グラフは、縦軸に圧力を有しており、横軸が、キャビテーションユニットに沿った距離を表している。低い圧力の点は、大気圧Pを下回っている。図10のグラフは、2つの波状部（すなわち、図8に示した魚雷よりも1つ少ない）を有する魚雷30について、圧力プロファイルを示している。図11のグラフは、図8の魚雷30など、3つの波状部を有する魚雷30について、圧力プロファイルを示している。

中央部の波状部の数、魚雷の中央部における波状部の位置、ならびに波状部の最小径および最大径を、所望のキャビテーション効果を達成するために変更することができる。パラメータは、キャビテーション領域の数を最大にし、キャビテーションの面積／体積を最大にするべく選択される。

図6〜9の特徴を、図3〜5aのいずれかに示されている同じ全体形状を有する魚雷30、ならびに他のキャビテーション体の形状へと適用できることに留意されたい。

図12は、複数のキャビテーションユニット10からなるアレイ37について、2つの異なる変種を示している。これらは、種々の範囲の流量容量をもたらすために、標準的なキャビテーションユニット10をいくつかのユニットによってどのように拡大できるのかを示している。これらの変種は、キャビテーションの効果を最大にするための狭い環を維持する必要性によって制限されている魚雷がただ1つである変種に比べ、さらなる制御および柔軟性を可能にするはずである。複数のキャビテーションユニット10を有することで、キャビテーション効果の効能を、より大きな流量の使用を制約することなく維持することができる。

一変種においては、大きな魚雷10’が、水パイプ31の中央に配置され、より小さな魚雷10”が、大きな魚雷の周囲に配置されている。これらのより小さな魚雷10”が、上述のようにキャビテーションを生成する。大きな魚雷10’は、単により小さな魚雷10”を支持するためのものであってよく、この場合には、いかなるキャビテーション機能も持たないと考えられるが、魚雷の前端および後端が、水の流れをより小さな魚雷10”へと導くように外形付けられている。あるいは、大きな魚雷10’が、水を処理するためのキャビテーションを生成するために、上述のようにより小さな魚雷10”および魚雷10と同じ方法で動作してもよい。新たなユニットの直径Xは、水パイプの直径Yと同じでも、水パイプの直径Yよりも小さくても、あるいは水パイプの直径Yよりも大きくてもよい。X/Yの比は、所望の水の流量およびこれら複数ユニットの変種において使用される魚雷ユニットの数に依存して決まる。

代替の変種においては、複数の小さな魚雷10”が、より大きなユニット10’を使用することなく水パイプ31へと組み込まれる。図示の実施形態においては、より小さな魚雷10”が、中央の小さな魚雷10”の周囲に2つの同心リングを形成している。

図13は、より小さなキャビテーションユニット10”の数がより多く、あるいはより少ない図12のアレイの断面図を示している。様々な数の小さな魚雷10”を、流量の要件に応じてユニットへと配置することが可能である。

図14は、注入ノズル43をパイプ31内に配置して有しているガス注入ユニット14を示している。チッ素16または空気29が、水の流路へと注入される。蒸気38を、後述のように水へのガス16、29の混合を改善するために注入することも可能である。ガスを、図15に示されているようなガス／蒸気注入ノズル43、図16に示されているようなパイプ32の絞りノズルへのガス注入、あるいは図17および18に示されているようなガス／水の静的ミキサ44を使用して、水へと注入することができる。図16〜18の特徴は、本発明の水処理装置において利用することができる公知のガス混合システムである。本発明の水処理プロセスにおいては、処理の充てん部分の際に、チッ素16が注入装置ユニット14によって注入され、処理の排出部分の際に、空気29が注入される。

上述のように、ガスの注入、特にはチッ素の注入は、水の流れの全体へとガスを注入するのではなく、水の流れの一部についてのみ実行することができる。本明細書に記載のガス注入器ユニットは、当然ながら、図1Aおよび1Bのように主たる流路に配置することができ、あるいは図1Cのように主たる流れへと戻る前に水の一部のみが流れる別途の流路に配置することができる。

好ましい実施形態においては、蒸気38が、図14のようにガス16、29と同時に注入される。蒸気38の使用は、水へのガス16、29の混合を助け、必要とされるガス16、29の量を少なくする。さらに、蒸気の注入は、生成されるポンピング効果をもたらす。これは、蒸気の注入が、注入点の後方に流体を加速させるより高速なジェットをもたらし、システムにおいて追加のポンピング効果として感じられる追加の吸引を精製するためである。さらに、注入される蒸気が圧力パルスを生成し、これが水中に存在する望ましくない物質に作用し、水の溶存ガス含有量へのガス／蒸気注入装置の効果に加えて、物理的な水処理効果をもたらす。

蒸気およびガス注入の最良の効果を達成するために、注入装置の設計においていくつかの条件に従わなければならない。そのような条件として、蒸気の凝縮の適切な仕組み、高速な二相ジェットの生成、適切な気泡サイズ、および注入装置の閉塞の防止が挙げられる。

蒸気は、注入される蒸気の量、蒸気と水との間の温度差、蒸気注入装置の直径、ならびに蒸気中の不純物／ガスの量に応じた種々の仕組みにて水へと凝縮する。蒸気の水への凝縮について、3つの主たる仕組みが存在する。それらは、チャギング（chugging）、バブリング（bubbling）、およびジェッティング（jetting）である。異なる仕組みは、ガスの水への混合に異なる影響を及ぼす。混合の目的のために最も望ましい仕組みは、ジェッティングの仕組みである。一般に、ジェッティングの仕組みは、注入される蒸気の量が150 kg/(m²s)よりも多い場合に効果的に達成される。

二相ジェットにおいては、水へと注入された蒸気が、注入の下流にジェットを生成する。ジェットが、ガスの水への混合を向上させ、さらなるポンピング効果をもたらす。

注入装置の出口径が小さすぎる場合には、蒸気が注入装置において詰まり始める。蒸気の詰まりは、混合プロセスを低下させるので、回避すべきである。

ガスを、注入に先立って蒸気に混合することができる。蒸気中のガスは、ガスの塊が凝縮する蒸気の表面へと押され、したがって蒸気がガスの層を通って凝縮しなければならないため、凝縮の速度を低下させる。しかしながら、ガスの量が多すぎると、蒸気が注入装置の混合チャンバの内側に凝縮し、混合効果を低下させる。

気泡のサイズの範囲も、混合性能に影響する。範囲は、注入される蒸気の量、注入されるガスの量、水およびガスの温度、圧力、ならびに凝縮の仕組み、などに依存する。

図15は、蒸気／ガス注入ノズル43の好ましい設計を示している。各部が、拡大図にて示されている。図15のノズル構造43は、パイプ31のサイズに比べて小さく、図14に示されるとおりパイプ31の中央に配置することができる。

注入ノズル43は、3つの主たる部位で構成されている。導入領域40において、蒸気38およびガス29、16が、注入ノズル37へと供給される。注入ノズル43は、より大きなパイプ46の内側の小さなパイプ45で形成されている。蒸気38が、注入ノズル43の中央の小さなパイプ45を通って供給され、ガス29、16が、より大きなパイプ46と小さなパイプ45との間の蒸気パイプの周囲に定められる領域に供給される。水の流れは、より大きなパイプ46の外側である。

導入領域に続いて、蒸気38およびガス29、16が混合される混合領域41が位置している。図15において、混合領域は、小さなパイプ45が終了し、大きい方のパイプ46が続いていることによって、形成されている。ガス／蒸気混合物が、注入ノズル43の発散領域42を通過する水の流れへと注入される。注入装置の全長、注入装置の種々の領域の長さ、発散の角度、主たるパイプ46の半径、注入装置の出口、ならびに蒸気パイプ45の半径は、所望の混合効果を達成するために様々であってよい。

蒸気およびガスの供給に先立って、水が注入ノズル43に存在している。蒸気およびガスも、水への注入前は混合チャンバにおいて完全には混合されていない。完全な混合を達成するために、発散領域42の代わりに収束領域を有する別の設計の注入装置を使用することができる。しかしながら、本設計は、注入ノズル43に閉塞がなく、あるいは閉塞がわずかであることを保証し、これが混合性能を向上させる。

図16は、別のガス注入装置ユニット14を示している。この構成においては、ガス29、16が、パイプ31の絞りへと注入される。

図17は、静的なミキサ44の使用を示している。静的なミキサ44が、水の流れの中央に固定される。ガス29、16が、ミキサの上流の水の流れへと供給され、ミキサ44を通って流れる際に乱流によって水と混合される。ガスは、上述のようにノズル装置を使用して供給しても、あるいは代替の従来のシステムによって供給してもよい。

静的なミキサ44の例が、図18に示されている。静的なミキサ44を通過する角度のある乱れた高度に混合した多相の流体流が、個々の板を図示のとおりつなぎ合わせることによって達成される。静的なミキサ44の外周は円形であり、ユニットのパイプ31への装着を可能にしている。

次に、電気透析セル8の動作を説明する。電気透析セル8の構造配置の実施形態を、図19および20を参照して後述する。これらの実施形態のそれぞれについて、化学的なプロセスは基本的に同じである。上述のように、電気透析は、イオンが流体システム内のイオン透過膜またはイオン選択膜を通過して運ばれる電気膜プロセスである。電気透析セルの最も単純な実施例では、ただ1つの膜または膜ペアが2つの電極の間に配置される。2つの電極間に電圧を印加することによって確立される電荷が、流体が導電性であるならば、膜を通ってイオンを駆動することを可能にする。電圧は、図面には示されていない従来からの形式の電力接続点によって印加される。2つの電極が、それぞれ陽極および陰極を呈する。電荷が、個々の電極において個々の反応を生じさせる。陽極においては、電解液が酸の特性を有する一方で、陰極においては、電解液が、アルカリになることを特徴とする。電気透析において使用される膜は、選択的な輸送を生成する能力に関して選択される。すなわち、アルカリ溶液を酸性溶液から隔てた状態に保つことを可能にする。

流入する電解液がバラスト水配管から採取されたバラスト水（すなわち、海水）である場合について、電気透析セルにおいて生じる様々な反応が、下記の表1に示されている。このように、生の電解液が、電気透析プロセスの効果を変化させる導電性などの特性を有することができる。

下記の表2は、陽極において生成される酸性溶液および陰極において生成されるアルカリ溶液について、典型的な特性を示している。酸性溶液が、濃縮物の流れを形成し、アルカリ溶液が、希釈物の流れを形成する。

2つの分離された流れが、表3に示した典型的な特性を有する電気透析セルの生成物および任意による残留物をもたらす比で混合される。

2つの流れの化学的特性を調整するために、交差処理を適用することが可能である。これは、一方または両方の流れのすべてまたは一部を、その流れの出所たる区画の反対側の区画への入り口へと再注入できるようにする設備で構成することが可能である。すなわち、陽極によって生成された濃縮物の流れを、セルの陰極側への再注入によって交差処理することができる。pH、ORP、およびFACによって表現される流れの特性を、この方法によってさらに調整することができ、さらに混合が適用される場合には、混合後の残余の希釈物の量を少なくすることができる。

それぞれの区画からのそれぞれの流れの再循環を、混合後の最終生成物の所望の特性を改善すべく2つの流れの特性を調整するためにも適用することが可能であり、残余の希釈物の量を少なくする目的でも適用することが可能である。

混合比は、生の電解液の「品質」、電極のサイズ、および加えられる電力に依存する。

電気透析セル8の生成物17が、キャビテーション処理の後の主たる流れへと導入される。チッ素の注入を、生成物17を加える前または加えた後に行うことができる。

濃縮物／残留物および配管を通過して流れるバラスト水の比は、監視ステーション15で上流のORPおよびFACを監視することによって制御される。主たる流れへと再注入される濃縮物および希釈物の特性および量が、酸素還元電位（ORP：Oxygen Reduction Potential）および／または遊離塩素（FAC：Free Available Chlorine）の消費を監視することによって制御される。ORPについて、所望の値の範囲は300〜500mVである。再注入の直後のFACの初期値は、好ましくは2〜4ppmの間であって、1時間の期間の後に0.1〜0.4ppmへと低下する。

図19は、図1Aのシステムにおいて水を処理するために使用することができる電気透析セル8の実施形態を示している。中実な円柱形の陽極47と中空円筒形の陰極48との間に形成される環状の通路に水が通される。電気透析セル8を形成するために、イオン交換膜またはイオン選択膜49が、陽極47と陰極48との間に配置される。陰極48および膜49は、切断図にて示されている。流入する電解液を形成する水が環状の通路を通過するとき、酸性の濃縮物溶液12が、膜49の陽極側に形成され、アルカリの希釈物溶液11が、膜49の陰極側に形成される。希釈物の流れ11の一部を分離することが可能であり、希釈物の流れ11のすべてまたは残りの部分が、濃縮物の流れ12に混合され、上述のとおり電気透析セルの生成物17が形成される。

直列使用のための電気透析セル8の代替実施形態が、図20に示されている。電気透析セル8は、膜49を挟む板状の陽極47および陰極48を含んでいる。セル8がパイプ50（部分切断図にて示されている）に収容され、パイプ50が、水の流れのすべてを矢印によって示されている方向に運ぶ。水の大部分は、電気透析セル8の両側を通過し、水の一部のみが、電気透析セル8に進入し、陽極47と膜49との間または陰極48と膜49との間を流れる。陽極側および陰極側において、電流が電極に通されるときに反応が生じ、希釈物の流れ11および濃縮物の流れ12が、上述のとおり陰極側および陽極側のそれぞれにおいて生成される。

主たる水の流れへと戻される電気透析セルの生成物17の組成を制御するために、希釈物を除去する流路51が設けられている。電気透析セル8から取り去られる希釈物の量は、電気透析セル8の下流において測定されるORPおよび／またはFACのレベルに基づいて制御される。上述のように、いくつかの場合には、すべての希釈物が濃縮物の流れ12に混合され、取り去られる希釈物が存在しない。次いで、濃縮物の流れ12ならびに希釈物の流れ11の残りまたすべてが、電気透析セル8の終わりにおいて主たる水の流れへと再導入される。これら2つの部分が、一体となって電気透析セルの生成物17を形成するが、それらは、電気透析セル8を通過する流れがセル8の端部を過ぎて進んで主たる水の流れと混ぜ合わせられるまでは、混ぜ合わせられない。

電気透析設備によってより大きな流量を効率的に処理できるよう、複数の電気透析セル8を、水を並列に処理すべくアレイに配置することができる。同じ効果を達成するために電気透析セル8のサイズを大きくすることも可能であるが、より大きなセルの構築は、より複雑になり、したがって複数のより小さなセルが好ましい。さらに、より小さなセルを使用することで、よりモジュール式な構造が可能になり、すなわち同じ部品を大量に生産して組み合わせることで、処理対象のバラスト水または他の水の流量が様々に異なるシステムを製造することができる。

Claims (54)

1. 液体を処理するための装置であって、キャビテーションユニットを備えており、該キャビテーションユニットが、液体をキャビテーション気泡が形成される絞りへと流し、次いでキャビテーション気泡が内破する出口へと流すことによって、液体にキャビテーションを生じさせ、前記絞りが、流れの方向に対して垂直である線に沿って細長い開口を含んでいる装置。
2. 前記キャビテーションユニットが、生物、微生物、有機性廃棄物、無機廃棄物、または長鎖炭化水素分子を含む望ましくない物質を破壊するために、キャビテーションを使用することによって液体を処理するように構成されている請求項1に記載の装置。
3. 液体が水であり、前記望ましくない物質が、水中の生物または微生物である請求項1または2に記載の装置。
4. 前記キャビテーションユニットが、気泡の内破が始まる地点において、気泡の縁から前記望ましくない物質までの最大距離が気泡の半径よりも小さいように構成されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記開口が、狭い環を定める円形の壁によって形成されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記環が、約1〜2mmの幅および50〜100mmの直径を有している請求項5に記載の装置。
7. 前記開口が、パイプ内のキャビテーション体によって形成されている請求項1〜6のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記開口の壁が、非一様な表面または粗面を有している請求項1〜7のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記キャビテーションユニットが、気泡の形成および内破が繰り返されるよう、複数の絞りを備えている請求項1〜8のいずれか一項に記載の装置。
10. 液体がいくつかのキャビテーションユニットを通って並列に流れることができるよう、複数のキャビテーションユニットをアレイにて含んでいる請求項1〜9のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記アレイが、キャビテーションユニットからなるリングを含んでいる請求項10に記載の装置。
12. 液体を処理する方法であって、液体をキャビテーションユニットに通し、液体をキャビテーション気泡が形成される絞りへと流し、次いでキャビテーション気泡が内破する出口へと流すことによって、キャビテーションを生じさせることを含んでおり、前記絞りが、流れの方向に対して垂直である線に沿って細長い開口によってもたらされている方法。
13. 前記キャビテーションユニットが、生物、微生物、有機性廃棄物、無機廃棄物、または長鎖炭化水素分子を含む望ましくない物質を破壊するために、キャビテーションを使用することによって液体を処理する請求項12に記載の方法。
14. 液体が水であり、前記望ましくない物質が、水中の生物または微生物である請求項13に記載の方法。
15. 気泡の内破が始まる地点において、気泡の縁から前記望ましくない物質までの最大距離が気泡の半径よりも小さいように、キャビテーションを生成することを含んでいる請求項12、13、または14に記載の方法。
16. 前記開口が、請求項5〜8のいずれか一項に記載のとおりに形成されている請求項12〜15のいずれか一項に記載の方法。
17. 気泡の形成および内破が、液体を複数の絞りを通って流すことによって繰り返される請求項12〜16のいずれか一項に記載の方法。
18. 液体がいくつかのキャビテーションユニットを通って並列に流れることができるよう、複数のキャビテーションユニットをアレイにて用意することを含んでいる請求項12〜17のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記アレイが、キャビテーションユニットからなるリングを含んでいる請求項18に記載の方法。
20. バラスト水の処理のための請求項12〜19のいずれか一項に記載の方法。
21. 電気透析セル、処理対象の水の一部分のみを電気透析セルを通って案内するための導入流路、および電気透析セルの生成物を残りの水へと戻すための出口流路を備えている水処理装置。
22. バラスト水処理装置である請求項21に記載の装置。
23. 前記電気透析セルが、希釈物の流れおよび濃縮物の流れを生成するためのものであり、電気透析セルの生成物が、濃縮物の流れと希釈物の流れの少なくとも一部分との混合物である請求項21または22に記載の装置。
24. 濃縮物に対する希釈物の比が、電気透析セルの生成物のpHを所定の範囲に維持するように制御される請求項23に記載の装置。
25. 前記導入流路が水の少なくとも一部分を電気透析セルへと案内する地点と、前記出口流路が電気透析セルの生成物を残りの水へと戻す地点との間の水流路、ならびに該水流路に位置し、前記残りの水に前記電気透析処理と並列にキャビテーション処理を加えるキャビテーションユニットを備えている請求項21〜24のいずれか一項に記載の装置。
26. 前記電気透析セルを通過する水の流れが、前記キャビテーションユニットにおいて生じる圧力低下によって駆動される請求項25に記載の装置。
27. 前記電気透析セルによって生成された希釈物の流れの少なくとも一部を前記電気透析セルから取り除くための希釈物除去流路を備えている請求項21〜26のいずれか一項に記載の装置。
28. 前記取り除かれた希釈物が、前記導入流路の上流の未処理の水へと再注入される請求項27に記載の装置。
29. 塩水の供給源を備えており、該塩水の供給源を、前記電気透析セルへと案内される水の塩分を所定の最小レベルよりも上に維持するために使用するように構成されている請求項21〜28のいずれか一項に記載の装置。
30. 水を処理する方法であって、水の一部分のみを電気透析セルに通すこと、および電気透析セルの生成物を残りの水へと戻すことを含んでいる方法。
31. バラスト水を処理する方法である請求項30に記載の方法。
32. 前記電気透析セルが、希釈物の流れおよび濃縮物の流れを生成し、電気透析セルの生成物が、濃縮物の流れと希釈物の流れの少なくとも一部分との混合物である請求項30または31に記載の方法。
33. 濃縮物に対する希釈物の比を制御して、電気透析セルの生成物のpHを所定の範囲に維持することを含んでいる請求項32に記載の方法。
34. 前記電気透析セルの生成物を水へと導入する前に、前記残りの水へとキャビテーション効果を加えることを含んでいる請求項30〜33のいずれか一項に記載の方法。
35. キャビテーションユニットにおける圧力低下を、前記電気透析セルを通って水の流れを駆動するために使用することを含んでいる請求項34に記載の方法。
36. 前記電気透析セルによって生成された希釈物の流れから希釈物の一部分を取り除く工程、および前記取り除いた希釈物を導入流路の上流の未処理の水へと案内する工程を含んでいる請求項30〜35のいずれか一項に記載の方法。
37. 塩水の供給源を、前記電気透析セルへと案内される水の塩分を所定の最小レベルよりも上に維持するために使用することを含んでいる請求項30〜36のいずれか一項に記載の方法。
38. 水へと電流を加えるための電気処理ユニットと、キャビテーションユニットとを備えており、水が、前記電気処理ユニットおよび前記キャビテーションユニットを通って並列に流れる水処理装置。
39. バラスト水を処理するための装置であって、船舶のバラスト水タンクへと移動および／または船舶のバラスト水タンクから移動させられる水を処理するように構成されている、請求項38に記載の装置。
40. ガスを水へと注入するためのガス注入ユニットを備えている請求項38または39に記載の装置。
41. 前記ガス注入ユニットが、水の流れのすべてへとチッ素を導入するように構成されている請求項38、39、または40に記載の装置。
42. 水の流れの一部分を主たる流れから分離し、該分離した部分へとチッ素を注入し、該チッ素化済みの水を前記主たる流れへと戻すように構成されている請求項41に記載の装置。
43. 前記キャビテーションユニットが、請求項1〜11のいずれか一項に記載の装置を含んでおり、前記電気処理ユニットが、請求項21〜29のいずれか一項に記載の装置を含んでいる請求項38〜42のいずれか一項に記載の装置。
44. 水の流れを2つの部分へと分割すること、一方の部分の電気処理ユニットによる処理および他方の部分のキャビテーションユニットによる処理を並列に行うこと、および2つの部分を再び合流させることを含んでいる水処理方法。
45. バラスト水の処理のための方法である請求項44に記載の方法。
46. ガスを水へと注入することを含んでいる請求項44または45に記載の方法。
47. 前記ガスがチッ素である請求項46に記載の方法。
48. 水の流れの一部分を主たる流れから分離すること、該分離した部分へとチッ素を注入すること、および該チッ素化済みの水を前記主たる流れへと戻すことを含んでいる請求項47に記載の方法。
49. 処理済みの水をバラストタンクに保管すること、前記水を前記タンクから排出すること、前記排出される水を、キャビテーションユニットの使用および／または前記水への酸素含有ガスの注入によって処理すること、および前記水を環境へと放出することを含んでいる請求項44〜48のいずれか一項に記載の方法。
50. キャビテーション処理が、請求項12〜20のいずれか一項に記載の方法を使用して実行され、電気処理が、請求項30〜37のいずれか一項に記載の方法を使用して実行される請求項44〜49のいずれか一項に記載の方法。
51. 請求項1〜11、21〜29、または38〜43のいずれか一項に記載のバラスト水処理装置を備えている船舶。
52. 船舶にバラスト水処理装置を用意する方法であって、請求項1〜11、21〜29、または38〜43のいずれか一項に記載の装置を用意することを含んでいる方法。
53. 前記装置を組み込んでなる船舶を建造することを含んでいる請求項52に記載の方法。
54. 前記装置を既存の船舶へと後付けすることを含んでいる請求項52に記載の方法。
    

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