JP2012228627A - 海洋生物の付着およびバイオフィルムの形成を抑制する方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水流路に、海洋生物が付着またはバイオフィルムが形成するのを抑制する方法として、水流路を流れる水に、CO2マイクロバブルと塩素とを注入する工程を含むようにする。
【選択図】図13
Description
そこで、従来から、例えば、特許文献1〜5に開示されるように、次亜塩素酸ナトリウム溶液や二酸化塩素などの塩素系薬剤を冷却水に注入することにより、冷却水流路への海洋生物の付着を抑制することが行われている。また、特許文献6に開示されるように、二酸化炭素のマイクロバブル(以下、CO2マイクロバブルという)を冷却水に溶解させることにより、冷却水流路への海洋生物の付着を抑制する方法が報告されている。
水流路を流れる水が、熱交換のために使われても良い。
水流路を流れる水は、どのような水であっても良いが、例えば、水の少なくとも一部が、海水であることが好ましい。
注入するCO2マイクロバブルの水に対する濃度は、特に限定されないが、大気圧下での体積比で、1/100以上であることが好ましく、1/50以上であることがより好ましい。
海洋生物の種類は、特に限定されないが、例えば、バイオフィルムを形成する微生物、フジツボ類または多毛類であっても良い。
注入するCO2マイクロバブルの水に対する濃度は、特に限定されないが、大気圧下での体積比で、1/100以上であることが好ましく、1/50以上であることがより好ましい。
また、海洋生物の種類は、特に限定されないが、例えば、バイオフィルムを形成する微生物、フジツボ類または多毛類であっても良い。
本発明に係る、海洋生物の付着またはバイオフィルムの形成を抑制する方法は、水流路を流れる水に、CO2マイクロバブルと塩素とを注入する工程を含む。
また、本明細書でいうバイオフィルムとは、細菌類、糸状菌類、付着珪藻、原生動物およびそれらの分泌物や粘土鉱物等で構成されるフィルム状の構造物をいう。バイオフィルムは、一般的に、熱伝導率が低いため、例えば、バイオフィルムが熱交換器に大量に形成されると熱交換器の性能が低下する原因となる。
CO2マイクロバブルを発生させる方法は限定されないが、例えば、水などの液体が供給された時に気体を自動的に吸引する、自給式マイクロバブル発生装置を用いて、CO2マイクロバブルを発生させることができる。このような自給式マイクロバブル発生装置として、例えば、エジェクタ型、ベンチュリー型、ラインミキサー型、および、二相流旋回型などの旋回流方式があげられる。
塩素は、塩素を発生させることができる物質であれば特に限定されず、例えば、次亜塩素酸ナトリウムや二酸化塩素、海水電解液、または、塩素そのものであっても良い。
CO2マイクロバブルと塩素とを水に注入する順番は、両方同時であっても良く、どちらかを先に注入した後に、残りを注入しても良い。
また、水流路を流れる水は、海洋生物か、バイオフィルムを形成し得る生物・物質を含んでいれば、どのような水であっても良いが、例えば、水の一部または全部が、海水であることが好ましい。
さらに、CO2マイクロバブルと塩素との両方を注入することによって、塩素のみを注入した場合に比べて、水中に残存する残留塩素濃度を減少させることが可能となり、水流路を流れる水を排水する際に環境に与える負担を軽減することができる。
本発明に係る、水流路を備え、水流路への、海洋生物の付着またはバイオフィルムの形成を抑制する機能を備えた熱交換システムは、海水を取水するための取水装置と、取水した水を、熱交換対象設備に供給するための供給装置と、供給された水を用いて、熱交換対象設備と熱交換するための熱交換器と、熱交換対象設備と熱交換後の水を、熱交換対象設備から放出するための放出装置と、取水した水、供給された水、及び、熱交換対象設備と熱交換後の水のいずれか一つ以上に、CO2マイクロバブルを注入するためのCO2マイクロバブル注入装置と、取水した水、供給された水、及び、熱交換対象設備と熱交換後の水のいずれか一つ以上に、塩素を注入するための塩素注入装置とを備える。
CO2マイクロバブル注入装置からCO2マイクロバブルを注入する水と、塩素注入装置から塩素を注入する水とは、取水した水、供給された水、及び、熱交換対象設備と熱交換後の水のうちの、同一の水であっても良く、異なる水であっても良い。CO2マイクロバブルと塩素とを水に注入する順番は、どちらが先であっても良い。また、水流路に多量の海洋生物やバイオフィルムが付着すると、熱伝導率が低下したり、流路が塞がれて十分な流量が得られなくなったりするために、熱交換機能が低下してしまう可能性があることから、CO2マイクロバブルを注入する水と、塩素を注入する水とは、熱交換器より前の、取水した水または供給された水であることが好ましい。
CO2マイクロバブルと塩素とを注入した後の水のpHは、特に限定されないが、排水時に環境に与える負担を考慮すれば、pH6〜8であることが好ましく、pH7.5〜8.5であることがより好ましい。
さらに、CO2マイクロバブルと塩素との両方を注入することによって、塩素のみを注入した場合に比べて、水中に残存する残留塩素濃度を減少させることが可能となり、排水する際に環境に与える負担を軽減することができる。
まず、ポンプ2台を用いて、第1の分配水槽1に海から海水を取り入れた。この際、満潮時でも干潮時でも第1の分配水槽1の水位を一定にすべく、ポンプの流量を適宜調整し、最もポンプの流量が大きい干潮時で、1台あたりの流量を約100L/minとした。さらに、第1の分配水槽1の海水取入れ口には、設置高さの調整が可能な三角堰(図示せず)を設置し、これによっても、第1の分配水槽1に取り入れる海水の流量を調整した。
また、第1の分配水槽1からどこへも供給しない余剰水は、約74L/minの流量で第1の分配水槽1から別途排水した。
CO2マイクロバブル原水におけるCO2供給量/水量の比は、1.25/50=1/16.8である。なお、YJ型マイクロバブル発生装置の海水流量は50L/minであるのに対し、CO2マイクロバブル発生水槽への海水供給流量は21L/minであるため、生じた差は、差分の海水を水槽内で循環させることによって対応した。循環させるにあたっては、循環させる間にCO2マイクロバブルの状態が変化してしまう可能性を最小限にするために、CO2マイクロバブル発生水槽2内に仕切板22を儲け、仕切板22が供える底部の穴(φ30mm、5ヶ所)から、濃度の薄いと考えられる水槽2低部のCO2マイクロバブル原水を循環させた。
第2の分配水槽A31に続く水流路内にて、14L/minのCO2マイクロバブル原水と、第1の分配水槽1から供給された28L/minの海水とを混合した。同様に、第2の分配水槽B32に続く水流路内にて、7L/minのCO2マイクロバブル原水と、第1の分配水槽1から供給された35L/minの海水とを混合した。これらの混合は、CO2マイクロバブルの状態が変化してしまう可能性を最小限にするために、水流路における水流の流速を約0.2m/sとして衝撃を低下させるとともに、混合は水流路の曲がり部分で行った。
即ち、第2の分配水槽A31、第2の分配水槽B32、および、第2の分配水槽C33のいずれにも、CO2マイクロバブル原水と海水との混合比は異なるものの、42L/minの流量の水を供給した。第2の分配水槽A31におけるCO2供給量/水量の比は、(1/16.8)x(14/42)=1/50であり、第2の分配水槽B32におけるCO2供給量/水量の比は、(1/16.8)x(7/42)=1/100であり、そして、第2の分配水槽B32におけるCO2供給量/水量の比は0である。
なお、第2の分配水槽3のいずれにも、海水取入れ口には、設置高さの調整が可能な三角堰(図示せず)を設置し、これによって、第2の分配水槽3に取り入れる水の流量を調整した。
さらに、観察管B42、観察管D44、および、観察管E45へと続く水流路においては、3%次亜塩素酸ナトリウム(購入元をご教示下さい)から調製した1000mg/Lの次亜塩素酸ナトリウム水溶液を、1mL/minの流量で注入した。即ち、これらの水流路における塩素注入濃度は、(1000x0.001)/21=0.05mg/Lである。なお、塩素の注入は、上述したCO2マイクロバブル原水と海水との混合と同様に、水流路の曲がり部分で行った。
このようにして、表1のケース1〜6の条件を備える、6つの観察管、観察管A41〜観察管F46を設けた。
各観察管4の内径は、φ65mmである。一つの観察管4は、全長が約1mであり、最上流部に長さ30cmの灰色塩化ビニール製管を助走部分51として備え、接合部を挟んでその下流側に、長さ30cmの透明アクリル製管を観察部分A52として備え、さらに、接合部を挟んでその下流側に、長さ30cmの灰色塩化ビニール製管を観察部分B53として備える。
観察部分A52は、遮光のために、管の外部を覆う黒い袋(図示せず)を備える。また、観察部分A52と観察部分B53とは、海洋生物の付着を促進するために、それぞれ、その上流部内面に、長さ10cmに渡って目合い5mmのクレモナ網62および63を備える。
まず、試験期間中は、週に1回の頻度(計7回)で、各観察管4から排出された排水における、水温、DO(Dissolved Oxygen、溶存酸素)、pHおよび遊離残留塩素濃度の測定と、各観察管4に付着している海洋生物やバイオフィルムの付着状況の観察および主要な付着生物の計測とを行った。水温およびDOの測定は、溶存酸素計(株式会社東興化学研究所製、TOX−999i)を用いて行い、DOはポーラグラフ法にて測定した。遊離残留塩素は、残留塩素計(Hanna製、HI95711)を用いて、DPD試薬を用いた吸光光度法にて測定した。海洋生物やバイオフィルムの付着状況の観察および主要な付着生物の計測は、観察管4のうち、透明アクリル製管でできている観察部分A52に付着している海洋生物について、目視にて、種類および個体数を確認した。
試験期間終了時には、各観察管4を回収して解体し、観察部分A52および観察部分B53と、クレモナ網62および63とに付着している、付着海洋生物の種類および個体数を調べた。また、付着している海洋生物およびバイオフィルムの湿重量を計量した。海洋生物の種の同定については、必要に応じて、試料をエタノール固定し、室内に持ち帰ったうえで、実体顕微鏡を用いて分析を行った。
なお、本試験においては、天然海水中に含まれる測定妨害物質による影響を避けるために、全残留塩素ではなく、遊離残留塩素により、塩素濃度の測定を実施した。
試験期間中は、設定した、海水の流量や、CO2の流量、および、塩素濃度などが保たれているかを適宜確認し、必要に応じて、流量の調整や試薬の追加などを行った。
DOの経日変化をみると、図3および5が示すように、いずれのケースにおいても、試験開始時は6.2〜6.3mg/Lであったが、日が経つにつれてDOは少しずつ上昇し、試験終了時は7mg/L以上となった。DOの上昇は、水温の低下に伴うDO飽和濃度の上昇によるものであると考えられる。また、塩分濃度を30‰とした場合のDO飽和度の経日変化をみると、図3および6が示すように、試験期間を通して80〜90%程度と安定しており、海洋生物やバイオフィルムへの影響はないと考えられる。
pHの経日変化をみると、図3および7が示すように、CO2マイクロバブルを注入していないケース5および6ではpHが約8であった対して、CO2マイクロバブルを注入したケース1〜4ではpHが約7であった。ケース1〜4においてpHがやや低下した理由は、CO2マイクロバブル発生時にCO2が水中に溶け込むことによるものと考えられる。しかし、ケース1および3におけるpHの最小値は6.6、ケース2では6.9、そして、ケース4〜6では試験期間を通して7以上であり、概ね中性であったことから、海洋生物やバイオフィルムへの影響はほとんどないと考えられる。
これらの図が示すように、試験関始2日後には、全てのケースでバイオフィルムの付着が確認された。付着したバイオフィルムは、日が経つにつれて増加し、特に、ケース6(コントロール)での付着量が多かった。逆に、ケース1(マイクロバブル高濃度、塩素注入なし)、3(マイクロバブル高濃度、塩素注入あり)および4(マイクロバブル低濃度、塩素注入あり)では、付着量は比較的少なかった。
試験開始16日後には、ケース5(マイクロバブルなし、塩素注入あり)でフジツボ類が1個体、そして、ケース6でコケムシ類が8個体確認された。ケース6では、日が経つにつれてコケムシ類の付着個体数は増加した。試験開始30日後には、ケース2(マイクロバブル低濃度、塩素注入なし)でコケムシ類が2個体、ケース6で多毛類棲管が14個体確認され、試験開始37日後には、ケース2および5で、多毛類棲管の付着が確認された。試験開始44日後には、ケース1および3でも、多毛類棲管の付着が確認された。
以上の結果から、ケース6で最も多くの付着した海洋生物やバイオフィルムが確認され、次いでケース2および5の付着量が多かったことが示された。一方で、ケース1および3の付着量は少なく、ケース4では付着物としてバイオフィルムは確認されたが、付着した大型の海洋生物は確認されなかった。
加えて、各ケースの比較を容易にするために、各ケースにおける、付着した海洋生物およびバイオフィルムの湿重量を比較したグラフを図13に、および、付着した海洋生物の個体数を比較したグラフを図14に示す。
そこで、ケース1とケース2とを湿重量で比較すると、ケース1では、コントロールであるケース6に対して約1/40の付着量であったが、ケース2では、ケース6に対して約1/2の付着量であった。この結果が示すように、CO2マイクロバブルの濃度は高いほど、海洋生物およびバイオフィルムの付着を抑制する効果が高い。
CO2マイクロバブルと塩素とを併用したケース3および4を、これらの片方しか用いなかったケース1、2および5と比較すると、付着している海洋生物およびバイオフィルムの湿重量が、著しく減少した。さらに、主要な海洋生物であるフジツボ類については、ケース3および4のいずれにも全く付着しておらず、多毛類棲管についても、ケース3ではほとんど付着していなかった。これらの結果が示すように、CO2マイクロバブルと塩素とを併用することによって、CO2マイクロバブルまたは塩素を単独で用いる場合よりも、海洋生物およびバイオフィルムの付着を、非常に効率的に抑制することが可能となる。
次亜塩素酸ナトリウム水溶液の添加量が1.8mL/min(排水中の遊離残留塩素濃度の計算値に換算して、約0.1mg/L)の場合、CO2マイクロバブルの注入の有無に関わらず、すべてのケースにおいて遊離残留塩素は検出されず、残留塩素減少率は100%であった。次亜塩素酸ナトリウム水溶液の添加量が3.0mL/min(排水中の遊離残留塩素濃度の計算値に換算して、約0.17〜0.21mg/L)の場合、CO2マイクロバブルを注入していないケース5においては、残留塩素減少率が45〜71%であったのに対し、CO2マイクロバブルを注入したケース3および4においては、残留塩素減少率が100%であった。さらに、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の添加量が6.0mL/min(排水中の遊離残留塩素濃度の計算値に換算して、約0.35〜0.42mg/L)の場合、ケース5においては残留塩素減少率が79%であったのに対し、ケース3および4においては残留塩素減少率が90%以上であった。
以上の結果が示すように、CO2マイクロバブルと塩素とを併用して注入することによって、塩素のみを注入した場合に比べて、注入した水に含まれる残留塩素濃度の減少速度を加速すること、即ち、排水に含まれる塩素の量を効果的に減少させることができる。
2 CO2マイクロバブル発生水槽
3 第2の分配水槽
4 観察管
21 YJ型マイクロバブル発生装置
22 仕切板
31 第2の分配水槽A
32 第2の分配水槽B
33 第2の分配水槽C
41 観察管A
42 観察管B
43 観察管C
44 観察管D
45 観察管E
46 観察管F
51 助走部分
52 観察部分A
53 観察部分B
62,63 クレモナ網
Claims (10)
- 水流路に、海洋生物が付着する、または、バイオフィルムが形成するのを抑制する方法であって、
前記水流路を流れる水に、CO2マイクロバブルと塩素とを注入する工程を含む抑制方法。 - 前記水流路を流れる水が、熱交換のために使われることを特徴とする、請求項1に記載の抑制方法。
- 前記水流路を流れる水の少なくとも一部が、海水であることを特徴とする、請求項1または2に記載の抑制方法。
- 前記CO2マイクロバブルの前記水に対する濃度が、大気圧下の体積比で、1/100以上であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の抑制方法。
- 前記CO2マイクロバブルの前記水に対する濃度が、大気圧下の体積比で、1/50以上であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の抑制方法。
- 前記海洋生物が、バイオフィルムを形成する微生物、フジツボ類または多毛類であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の抑制方法。
- 水流路を備え、前記水流路への、海洋生物の付着またはバイオフィルムの形成を抑制する機能を備えた熱交換システムであって、
海水を取水するための取水装置と、
前記取水した水を、熱交換対象設備に供給するための供給装置と、
前記供給された水を用いて、前記熱交換対象設備と熱交換するための熱交換器と、
前記熱交換対象設備と熱交換後の水を、前記熱交換対象設備から放出するための放出装置と、
前記取水した水、前記供給された水、及び、前記熱交換対象設備と熱交換後の水のいずれか一つ以上に、CO2マイクロバブルを注入するためのCO2マイクロバブル注入装置と、
前記取水した水、前記供給された水、及び、前記熱交換対象設備と熱交換後の水のいずれか一つ以上に、塩素を注入するための塩素注入装置とを備えたシステム。 - 前記CO2マイクロバブルが注入された水に対する、前記CO2マイクロバブルの濃度が、大気圧下の体積比で、1/100以上であることを特徴とする、請求項7に記載のシステム。
- 前記CO2マイクロバブルが注入された水に対する、前記CO2マイクロバブルの濃度が、大気圧下の体積比で、1/50以上であることを特徴とする、請求項7または8に記載のシステム。
- 前記海洋生物が、バイオフィルムを形成する微生物、フジツボ類または多毛類であることを特徴とする、請求項7〜9のいずれか1項に記載のシステム。
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