JP4658000B2

JP4658000B2 - キャビテーション殺菌装置

Info

Publication number: JP4658000B2
Application number: JP2006215670A
Authority: JP
Inventors: 孝大河原; 洋一小林; 洋治井上; 優子大西
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: JP2008036555A

Description

本発明は液体の殺菌装置に関し、特に多段式キャビテーション殺菌装置に関する。

海洋分野において船舶のバラスト水排出が問題になっている。船舶のバラスト水は、例えば貨物船が積荷を積んで目的地に航海し、目的地で積荷を下ろした後、帰路の航海において船舶のバランスを保つために、積荷に相当する重量の海水等を積載する。このような目的で積載する液体をバラスト水という。このようなバラスト水としては、一般に目的地の港における海水を用いるため、出発地の港に戻りそこでバラスト水を排出すると、出発地の近海に存在しない多様な微生物が排出されることになる。この結果、従来存在しなかった微生物を近海に繁殖させ、生態系に影響を与え、水産業に多大な被害を及ぼす恐れがある。従って、海洋環境を守るためにもバラスト水による有害水性物及び病原体の移動、拡散を防止しなければならない。

近年、国際海事機関(IMO)によりバラスト水管理条約が締結され、バラスト水排出に規制が設けられた。すなわち、バラスト水を排出する際はバラスト水に含有される動植物プランクトン及び細菌類は基準値に従って、殺菌処理する必要がある。

バラスト水殺菌処理技術には、（１）物理、機械的処理技術ろ過及び、遠心分離による生物除去するもの、（２）化学的処理技術各化学薬品を直接バラストタンクに注入するもの、（３）複合技術物理、機械的処理技術により大型生物を殺菌し化学薬品やUVオゾンで小型生物を殺菌するもの、（４）その他水中の酸素除去による生物殺菌、超伝導を利用した生物の除去するもの、等が知られている。

例えば、（１）に関しては、バラスト水をろ過するフィルタろ過装置を用い、このフィルタろ過装置のフィルタを高温水により加熱しながら逆洗浄し、微生物を殺菌する方法が知られている（特許文献1）。また、（３）に関しては、オゾン処理と特殊パイプを組み合わせた、複合システムを用い、オゾン殺菌装置でバクテリアを処理した後、スリットを設けた平板2枚を装着した特殊パイプで、プランクトン類を処理する。そして特殊パイプでは流体の圧力差から生じるせん断力、キャビテーションの破壊力で処理をする方法が知られている（非特許文献1）。これらの複合技術は現状では大きなスペースを必要とし、燃料消費の増大を招き、高コストになると予想される。（３）に関しては、さらに、キャビテーション作用を利用して、水中に含まれる微生物などを殺菌あるいは不活性化させる水処理方法及び装置も知られている（特許文献２）。この装置においては、処理水の入った円筒状の容器中に円柱が挿入され、この円柱は超音波振動系の出力端に連結されることにより、その軸方向の所定位置において軸に垂直方向の振動の腹と節を有する振動モードで振動する。この振動により、円柱の側面と容器の内壁との間に形成されるリング状の間隙を通過する処理水中にキャビテーションによる気泡を発生させ、この気泡の破壊の際に生ずる機械的破壊作用などによって水中に含まれる微生物などを殺菌あるいは不活性化させるものである。しかしながらこの装置においては、円柱側面が正弦波状に振動しているため、円柱の側面と容器の内壁とが平行に対向する面積が少なく、キャビテーションの発生領域が小さいため、水処理効率が低いという欠点がある。

このように従来から種々のバラスト水殺菌処理技術が知られているが、現時点ではIMOのバラスト水排出規制の基準値に十分に適合する殺菌処理装置は存在せず、処理装置の開発、実用化が望まれる。
特開2005-152799号公報特開2001-9448号公報 H16年船舶バラスト水等処理技術性能向上調査研究報告書（日本海難防止協会）

上記の殺菌処理方法では殺菌効果が低くバラスト水排出基準を満たしていない。キャビテーションを用いた複合処理技術は、キャビテーションのみでは殺菌効果が低いため、オゾン処理を併用している。複合処理は処理費が高額になってしまう問題がある。また殺菌処理法の一つに薬液処理があるが、環境に与える負荷が大きい。

従って、本発明は殺菌処理効果が高く、キャビテーションのみで殺菌処理をし、他の処理装置を併設しない簡単な装置を提供することを目的とする。また従来のキャビテーション殺菌処理装置に比較して単位時間当たりの処理量をより多くすることが可能な処理装置の提供を目的とする。

本発明のキャビテーション殺菌装置は、原水入口および処理水出口を有する筒状の殺菌処理容器と、この殺菌処理容器内に、この殺菌処理容器の中心軸に沿って配置された駆動軸と、この駆動軸に互いに間隔を置いて固定された複数個のリング状振動子と、前記駆動軸に連結され、この駆動軸に超音波振動を付与する高周波アクチュエータとを備え、前記複数個のリング状振動子は、それらの外周面と前記殺菌処理容器内周面との間に前記原水が通過するための間隙が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明のキャビテーション殺菌装置においては、前記駆動軸はその軸方向の所定の位置において振動の腹と節とが繰り返し現れる振動モードで振動するように駆動され、前記複数個のリング状振動子は、前記駆動軸の振動の腹の部分に固定されていることを特徴とするものである。

さらに、本発明のキャビテーション殺菌装置においては、前記複数個のリング状振動子の外周面と前記殺菌処理容器内周面との間隙は0.5〜10mmの範囲であることを特徴とするものである。

さらに、本発明のキャビテーション殺菌装置においては、前記殺菌処理容器はほぼ垂直に配置され、その下部側面に前記原水入口が設けられ、その上部側面に前記処理水出口が設けられていることを特徴とするものである。

さらに、本発明のキャビテーション殺菌装置においては、前記複数個のリング状振動子の外周面は、前記殺菌処理容器の内周面にほぼ平行な平面状に形成されており、前記駆動軸を介して前記リング状振動子の外周面を高周波振動させることにより、前記複数個のリング状振動子の外周面と前記殺菌処理容器内周面との間隙に存在する前記原水にキャビテーションによる気泡を発生させ、この気泡の崩壊時に前記間隙に発生する衝撃波により前記原水中の微生物を破砕殺菌することを特徴とするものである。

本発明によれば、キャビテーションのみで殺菌処理をし、他の処理装置を併設しない簡単な装置により、殺菌処理効果が高く、単位時間当たりの処理量をより多くすることが可能なキャビテーション殺菌処理装置がえられる。

以下本発明の多段式キャビテーション殺菌装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の多段式キャビテーション殺菌装置の一実施形態を示す概略構成図であり、図２は図１の鎖線Ａ−Ａ´に沿った断面図である。

殺菌処理装置本体１１は、ほぼ垂直に配置された円筒状の殺菌処理容器１２と、この殺菌処理容器１２の下部側面に設けられた原水入口１３と、上部側面に設けられた処理水出口１４とを備えている。殺菌処理容器１２内には多段式振動子１５が設けられている。この多段式振動子１５は、円筒状の殺菌処理容器１２のほぼ中心軸と同心的に配置された駆動軸１６と、この駆動軸１６に互いに間隔を置いて固定された複数個のリング状振動子１７により構成されている。リング状振動子１７は、ほぼ円板状の振動子であり、その外周面は、殺菌処理容器１２の内周面にほぼ平行な平面状に形成されている。ここで、殺菌処理容器１２は、例えば、直径が５０〜６０ｃｍ、高さが２ｍである。図２に示されるように、リング状振動子１７の外周面と殺菌処理容器１２の内周面との間には、処理されるべき原水１８が通過する間隙が設けられている。この間隙は、０．５〜１０ｍｍの範囲が望ましい。

図１に示すように、原水入口１３には原水を送り込むポンプ１９の出口パイプ２０がゴミ取フィルタ２１を介して連結されている。ポンプ１９の入口パイプ２２からは原水１８が導入される。

また、殺菌処理容器１２の底部には、ゴミ排出口２３が設けられている。このゴミ排出口２３はバルブ２４により常時は閉じられている。

次に、多段式振動子１５の駆動軸１６の上端には、高周波アクチュエータ２５が設けられ、この高周波アクチュエータ２５には高周波電源装置２６から例えば２０ｋＨｚの高周波が供給されている。高周波アクチュエータ２５は多段式振動子１５の駆動軸１６に対して超音波振動を付与する。高周波アクチュエータ２５により駆動される多段式振動子１５の駆動軸１６は、図３の破線３０で示すように、その軸方向の所定の位置において振動の腹３１と節３２とが繰り返し現れる振動モードで振動するように駆動される。すなわち、振動モードの腹３１の部分では、駆動軸１６の直径が最大となり、節３２の部分では直径が最小となるように振動する。そしてリング状振動子１７は駆動軸１６の腹３１の部分に固定されている。

このように構成された多段式キャビテーション殺菌装置の動作について図３を参照して説明する。図３は、図１に示す多段式キャビテーション殺菌装置の動作を説明するための一部拡大概略図である。

採水した海水を濃縮し、微生物を高濃度に含有した海水を原水１８とし、これをポンプ１９により流速約40ml/minでゴミ取フィルタ２１を通し、原水入口１３から殺菌処理容器１２内に供給する。原水１８は殺菌処理容器１２内に徐々に貯水され、水位が徐々に上昇する。この状態で、高周波電源装置２６から高周波アクチュエータ２５に２０ｋＨｚの高周波が供給され、多段式振動子１５の駆動軸１６が駆動され、前述したような振動モードで振動を開始する。駆動軸１６の振動は、この駆動軸に固定された複数個のリング状振動子１７に伝達される。この結果、各リング状振動子１７はその外周の直径方向に振動する。すなわち、各リング状振動子１７はその外周の直径が振動の最大振幅時には鎖線３３の位置まで拡張し、振動の最小振幅時には点線３４の位置まで縮小するように振動する。複数個のリング状振動子１７は、前述したように、駆動軸１６の振動の腹３１の部分に固定されているため、その外周面は、殺菌処理容器１２との間隙の幅をほぼ２０ｋＨｚの周波数で拡大し縮小するように変化させる。この結果、この間隙には、図３に示すように、原水１８のキャビテーション泡３５が発生する。このキャビテーション泡３５は、発生後崩壊する際に衝撃波が発生し、衝撃波は殺菌処理容器１２の内周面に衝突して反射され、反衝撃波が発生する。各リング状振動子１７の外周面と殺菌処理容器１２の内壁面との間の間隙を通過する原水１８内の微生物はこの衝撃波、反衝撃波により細胞膜が破砕される。この結果、原水１８内の微生物を殺菌することができる。殺菌された、処理水２５は処理水出口１４より取り出される。

なお、殺菌処理容器１２の底部に設けられたゴミ排出口２３はバルブ２４により常時は閉じられているが、バルブ２４を開くことにより、原水１８内に混入し、ゴミ取フィルタ２１により除去し切れずに殺菌処理容器１２の底部に沈殿したゴミを、原水の一部とともにこのゴミ排出口２３から殺菌処理容器１２の外部に取り出すことができる。

上記本発明の実施形態に係るキャビテーション殺菌装置による殺菌効果を確認するため、培養試験を行った。原水１８と処理水２５を好気生菌測定用ペトリフィルムに1m1ずつそれぞれ接種した。ペトリフィルムを４８時間、３０℃で培養した。培養後コロニー数を測定し、コロニー数より殺菌率を算出した。この結果、殺菌効果は原水１８と比較して処理水２５は９９％以上殺菌されていることが確認された。なお、今回の培養試験で得た処理水２５は、円柱（φ＝１９ｍｍ）の振動子のものを使用したが、キャビテーション殺菌については、本発明の多段式のものと同等の効果が得られるものである。

また、上記多段式キャビテーション殺菌装置においては、多段式の振動子を用いるため、リング状振動子の外周振動面と殺菌処理容器内壁面との間隙を通過する原水との接触面積が大きいため、殺菌処理能力が高い。またリング状振動子の全外周面にわたってキャビテーションを一定に発生させるため、原水の処理能力も常に一定に維持することができ、原水の処理量の管理が容易になる。

本発明の多段式キャビテーション殺菌装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１の鎖線Ａ−Ａ´に沿った断面図である。図１に示す多段式キャビテーション殺菌装置の動作を説明するための一部拡大概略図である。

符号の説明

１１殺菌処理装置本体
１２殺菌処理容器
１３原水入口
１４処理水出口
１５多段式振動子
１６駆動軸
１７リング状振動子
１８原水
１９ポンプ
２０出口パイプ
２１ゴミ取フィルタ
２２入口パイプ
２３ゴミ排出口
２４バルブ
２５高周波アクチュエータ
２６高周波電源装置
３０振動モード
３１振動の腹
３２振動の節
３５キャビテーション泡

Claims

原水入口および処理水出口を有する筒状の殺菌処理容器と、この殺菌処理容器内に、この殺菌処理容器の中心軸に沿って配置された駆動軸と、この駆動軸に互いに間隔を置いて固定された複数個のリング状振動子と、前記駆動軸に連結され、この駆動軸に超音波振動を付与する高周波アクチュエータとを備え、前記複数個のリング状振動子は、それらの外周面と前記殺菌処理容器内周面との間に前記原水が通過するための間隙が形成されていることを特徴とするキャビテーション殺菌装置。
前記駆動軸はその軸方向の所定の位置において振動の腹と節とが繰り返し現れる振動モードで振動するように駆動され、前記複数個のリング状振動子は、前記駆動軸の振動の腹の部分に固定されていることを特徴とする請求項１記載のキャビテーション殺菌装置。
前記複数個のリング状振動子の外周面と前記殺菌処理容器内周面との間隙は０．５〜１０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項２記載のキャビテーション殺菌装置。
前記殺菌処理容器はほぼ垂直に配置され、その下部側面に前記原水入口が設けられ、その上部側面に前記処理水出口が設けられていることを特徴とする請求項３記載のキャビテーション殺菌装置。
前記複数個のリング状振動子の外周面は、前記殺菌処理容器の内周面にほぼ平行な平面状に形成されており、前記駆動軸を介して前記リング状振動子の外周面を高周波振動させることにより、前記複数個のリング状振動子の外周面と前記殺菌処理容器内周面との間隙に存在する前記原水にキャビテーションによる気泡を発生させ、この気泡の崩壊時に前記間隙に発生する衝撃波により前記原水中の微生物を破砕殺菌することを特徴とする請求項４記載のキャビテーション殺菌装置。