JP5067695B2 - バラスト水処理装置 - Google Patents

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Description

本発明はバラスト水処理装置に係り、より詳細には、海水から船舶のバラストタンクにバラスト水を汲み上げる際、または、バラストタンクからバラスト水を海上に排出する際に、バラスト水中の微生物を殺滅することのできるバラスト水処理装置に関する。
通常、バラスト水には海水が使用されるため、海水とともに海水中に生息する細菌や微小生物が大量に混入する。このバラスト水を目的地の海水中に排出すると、外来の微小生物が目的地海水中に大量排出されることになり、生態系の破壊が世界各地で起きている。このため、１つには、航海途中の洋上で、比較的細菌や微小生物の少ない海水と交換することが行われている。この場合、バラストタンクを一度カラにしてから海水を汲み上げると、船舶のバランスにからむ安全性や、荒天候時の実施がむずかしいといった問題がある。また、海水をポンプで継ぎ足しながらバラストタンクの排出管からあふれさすやり方は、９５％以上のバラスト水を交換するために必要な量はバラストタンク容量の約３倍と計算され、例えば、バラストタンク容量が６万トンなら１８万トンの海水を汲み上げねばならず、現実には実施が困難である。
ＩＭＯ（国際海事機関）により、バラスト水管理の国際条約が２００４年２月に採択されている。この国際条約は海洋の生態系保護と円滑な国際海運を確保し、船舶のバラスト水および沈殿物の規制、および管理を通じて、有害な水生生物および病原体の移動による環境、人の健康、財産、資源への危険を防ぐことを目的としている。バラスト水の放流基準は、動物プランクトンが１０個体未満／１ｍ３、植物プランクトンが１０細胞未満／１ｍｌ、コレラ菌が１ｃｆｕ（ｃｏｌｏｎｙ ｆｏｒｍｉｎｇ ｕｎｉｔ）未満／１００ｍｌ、大腸菌が２５０ｃｆｕ未満／１００ｍｌ、腸球菌が１００ｃｆｕ未満／１００ｍｌと決められている。
バラスト水を洋上交換する方法以外には、バラスト水をバラストタンクに吸入あるいはバラストタンクから排出する時に、高電圧パルスを印加してアーク放電による殺菌を行なうものがある。（特許文献１参照）
また、ボイラーの蒸気熱を利用するもの、紫外線のＤＮＡ破壊作用を利用するもの、オゾンによる細胞膜の酸化分解を利用するものなどがある。（特許文献２参照）
これまで、出願人は、パイプを通過する流体に旋回流を起こして、キャビテーション（空洞化現象）を発生させ、気体と液体など２つの流体を効率よく混合する流体混合装置（特許文献３参照）や、オゾンを使用して浄化を行なうオゾン反応装置（特許文献４参照）などを提案してきた。この流体混合装置は、インラインミキサーとも呼ばれ、大量のバラスト水を短時間で殺菌できるので、各種の実験も行なわれている。
このような実験によれば、インラインミキサーは、バラスト水の殺菌に有効である。旋回流によってパイプの内周面に流体が押し付けられることによる加圧と、内周部に設けた複数の突起に旋回流をぶつけることによる衝突と、キャビテーションによる衝撃波の、３作用の複合効果によってプランクトンの細胞膜を破壊することができるからである。キャビテーションによる衝撃波は、旋回流の中央部に生じた空洞は低圧のため、気泡が成長し、成長した気泡が周囲の高圧で破裂することで発生する。このような力学的な作用は、数十〜数百ミクロンのプランクトンや幼生の殺滅に効果的ではあるものの、その効果をより確実にするため、インラインミキサーにはより早い旋回流を起こす改善が求められている。
このような実験によれば、コレラ菌や大腸菌のサイズは１〜５ミクロンという極小サイズであるために、インラインミキサーの力学的な作用による殺菌は不可能であることが判明している。そのため、殺菌剤と菌との接触に頼るしかなく、塩素の７倍の殺菌作用があるオゾン殺菌などが有望とされている。そのためには気体（殺菌剤）と液体（バラスト水）の混合、または液体（殺菌剤）と液体（バラスト水）の微細ミキシングを瞬時に行なう必要がある。インラインミキサーはこのようなミキシング能力にも優れるが、バラスト水中の微生物を確実に殺滅するには、さらなるミキシング性能の向上が求められている。
特開２００２−１９２１６１号公報 特開２００４−１６０４３７号公報 特開２０００−３５４７４９号公報 特開平７−１２４５７７号公報
本発明の目的は、インラインミキサーの性能を改善するとともに、数ミクロンから数百ミクロンサイズの微生物を殺滅することができ、短時間で大量のバラスト水を処理できるバラスト水処理装置を提供することにある。
本発明によるバラスト水処理装置は、船舶のバラストタンクへの給水ならびに前記バラストタンクからの排水を行なうパイプ路と、前記パイプ路に設けられ、バラスト水の給排水を行なうバラストポンプと、オゾン発生装置または過酸化水素発生装置と、前記バラストポンプで送り出されたバラスト水が流入する主筒部、前記主筒部より内径が小さく、内周部に複数の突起物を先端が筒の中心を向くように設けた従筒部、前記主筒部の内径を小さくするテーパ部と前記従筒部の内径に等しい通孔とを有し、前記主筒部に取り付けられる円筒状のベーン座、前記ベーン座の通孔に取り付けられ筒内部に旋回流を起こす２枚の翼板、および一端が前記翼板の中央部を貫通して前記従筒部に開口するように取り付けられ、他端が前記主筒部の側壁から外側に出て連結口とされ、前記オゾン発生装置または過酸化水素発生装置で生成されたオゾンまたは過酸化水素を送り込む気液注入管、からなるインラインミキサーと、が備えられることを特徴とする。
本発明のバラスト水処理装置によれば、（１）船舶のバラストタンクにバラスト水を溜める時と、バラストタンクから海上にバラスト水を放出する時の両方で殺菌処理ができる。（２）インラインミキサーを使用したので、バラスト水を通過させるだけでよいから、短時間での大量の殺菌処理ができる。例えば、送水圧が３．８ｋｇｆ／ｃｍ２（ちなみに水道水は２〜３ｋｇｆ／ｃｍ２の吐出圧を有している）あれば、吸入側パイプ径が２５０ｍｍ、排出側パイプ径が２００ｍｍのインラインミキサーは、９００ｍ３／ｈのバラスト水が処理できる。（３）主筒部がテーパ部を介して従筒部と接続され、従筒部の内径を主筒部より細くしたから、より高速の旋回流を得ることができる。これによって、バラスト水の加圧、バラスト水の突起物との衝突、およびキャビテーション衝撃波による力学的な殺菌能力を向上できる。（４）同時に、旋回流の高速化は、バラスト水とオゾンまたは過酸化水素のミキシング性能も改善するから、化学的な殺菌能力をも向上できる。
（５）さらに、ベーン座の通孔は従筒部の延長であるから、通孔内に配置された翼板は、従筒部に配置されたことと同じになる。（６）バラスト水の流速は加速されて早いから、強い旋回流が生成できる。（７）ベーン座にテーパ部を形成したので、主筒部にテーパ部を形成する加工が不要で製造上の利点もある。また、テーパ部の角度はベーン座の加工において任意の角度にできる。
本発明による船舶のバラスト水殺菌システムの構成図である。（実施例１） 本発明によるインラインミキサーの斜視図である。 図２のインラインミキサーの断面図である。 図３の２枚の翼板の配置を示す斜視図である。 図３の翼板の平面図である。 図３のベーン座の斜視図である。 本発明による別のインラインミキサーの断面図である。 図７の２枚の翼板の配置を示す斜視図である。 図７の翼板の平面図である。 図７に示すインラインミキサーのバラスト水の流れを示す模式図である。 図３または図７に示すインラインミキサーの従筒部での旋回流を示す動作図である。 インラインミキサーによって微生物が破壊された写真である。（ａ）はアルテミアの例、（ｂ）はツボワムシの例である。
符号の説明
１ 船舶
２ バラストタンク
３ バラストポンプ
６ インラインミキサー
７ オゾン発生装置または過酸化水素発生装置
１０ 給排水のパイプ路
１０ａ、１０ｂ 給水パイプ
１０ｃ、１０ｄ 排水パイプ
１０ｅ 共通パイプ
２０、２１、２２、２３、２４ バルブ
２５ 気液注入管
３０ 主筒部
３１ 従筒部
３２ フランジ
３３ 連結口
３４ テーパ部
３５ きのこ型突起物
３６ 翼板
３６ａ、３６ｂ 翼板
３７ 翼板の外周曲線（楕円）
４０ 空洞
４１ 重い流体層
４２ 軽い流体層
４５ 凹部
４６ ベーン座
４７ 通孔
５０ テーパ部の傾斜角
５１ 翼板の傾斜角
５２ 交差角
５３ 傾斜角（６５度）
５４ 傾斜角（４５度）
６０、６１、６２、６３、６４ 流れの向き
以下、本発明の実施例を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、船舶のバラスト水殺菌システムの構成図である。船舶１は二重船側、二重船底になっていて、ここにバラストタンク２が形成されている。バラストタンクは上からトップタンク、ビルジタンク、ボトムタンクと呼ばれ、船底の中心で左右に仕切られる構造である。バラストタンク２への給排水のパイプ路１０は２系統を設けている。ここでは、図１の右側を参照する。バラストタンク２にバラスト水を給水する場合、バラストポンプ３は、バルブ２０とバルブ２２を開き、バルブ２１とバルブ２３を閉め、バラストタンク２内の空気またはあふれたバラスト水が外部に逃げるようにバルブ２４を開き、パイプ１０ａの一端から海水を汲み上げ、インラインミキサー６で殺菌し、パイプ１０ｅとパイプ１０ｂを通して、バラスト水をバラストタンク２の上部に供給する。バラストタンク２からバラスト水を排出する場合、バルブ２１とバルブ２３を開き、バルブ２０とバルブ２２を閉め、バラストタンク２の底部のバラスト水をパイプ１０ｃの一端から吸い込み、インラインミキサー６で殺菌し、パイプ１０ｅとパイプ１０ｄを通して、船側から海上に排出する。インラインミキサー６には、オゾン発生装置または過酸化水素発生装置７で生成されたオゾンまたは過酸化水素が気液注入管２５で供給される。
オゾン発生装置は、内部に高電圧の放電管が多数配置され、ここに空気中から取り出した酸素を流すことでオゾンを生成するものである。オゾンはＯ３で表され、ＯＨラジカルによる強力な酸化分解作用を有する。強力な殺菌力、脱臭力、漂白力がある。原料は空気中の酸素でランニングコストが安い。また、残留毒性が一切ない。インラインミキサー６はバラスト水と気体であるオゾンの微細ミキシングに適している。
過酸化水素発生装置は、過酸化水素の液体を生成する装置である。過酸化水素はＨ２Ｏ２で表され、有機物を酸化分解する殺菌作用がある。過酸化水素濃度３％のオキシドールは消毒剤として知られる。過酸化水素の作り方は、例えば、軟水または海水を電解液とし、空気を原料として電気分解により生成する。その反応は、１／２Ｏ２とＨ２ＯからＨ２Ｏ２を得るものである。
図２は、インラインミキサーの斜視図である。インラインミキサー６は、主筒部３０と、これより管径の細い従筒部３１からなる。筒内の主筒部３０と従筒部３１の間にテーパ部を設けている。筒内の流速は、筒の径が同じなら右側に進むほど抵抗を受けて遅くなる。そこで従筒部３１の内径を主筒部３０の内径より細くして流速を早めている。バラスト水は左側から流入し、殺菌処理され、右側の従筒部３１から排出される。左右端にはフランジ３２が設けられて配管接続を容易としている。また、主筒部３０には殺菌剤の発生装置から伸びる気液注入管２５の連結口３３を設けている。
図３は、図２のインラインミキサーの断面図である。図３に示すように、インラインミキサー６の主筒部３０と従筒部３１の間には、ベーン座４６が設けられる。ベーン座４６は、中央に従筒部３１の内径に等しい通孔４７とテーパ部３４を有する。通孔４７には、旋回流を作る翼板３６が取り付けられる。従筒部３１の内周部には、きのこ型突起物３５が取り付けられる。また、気液注入管２５は、一端が翼板３６の中央部を貫通して従筒部３１に開口するように取り付けられる。気液注入管２５の他の一端は、主筒部３０の側壁から外側に出て連結口３３としている。気液注入管の連結口３３をインラインミキサー６に設けたから、バラストポンプの前や後に特別の挿入部を設ける必要がない。また、オゾンまたは過酸化水素が、旋回流の速度の２乗に比例する負圧となっている低圧部に直接送り込まれるので良好に注入できる。インラインミキサー６の形状は、例として、長さが約１ｍ、吸込側の内径が２００ｍｍ、排出側の内径が１００ｍｍなどとすることができる。
図４は、２枚の翼板の配置を示す斜視図である。翼板３６ａ、３６ｂの交差角５２は９０度である。交差角を９０度より小さくすると、周期が長い間延びした旋回流となり、交差角を９０度より大きくすると、流れの抵抗が大きくなって、流れがスムーズでなくなる。図４の左側から入ったバラスト水は、翼板３６ａ、３６ｂで旋回され、従筒部３１に押し出される。例えば、図４の左下手前側から水平に入った流れは、翼板３６ａにぶつかって図４の右上に上昇し、翼板３６ｂの上側奥方向に向きを変えられる。翼板によってバラスト水の通過流量が制限される。バラスト水が通過できる面積は、翼板３６ａ、３６ｂの交差する上下の略三角形の領域であり、これは通孔の断面積の約半分である。
図５は、翼板の平面図である。翼板３６は、楕円を半分に切った形状である。半円形の凹部４５は、殺菌剤の流れる気液注入管２５が貫通する箇所である。翼板３６の外周曲線３７は楕円である。通孔４７を円柱とみなして、この円柱を底面に平行でない平面で切断すると、断面のなす曲線は楕円となるからである。
図６は、ベーン座の斜視図である。ベーン座４６の外径は主筒部３０の内径に等しい。通孔４７の孔径は従筒部３１の内径に等しい。テーパ部３４の角度は、ここでは４５度とした。これにとらわれず、テーパ部３４の角度を３０度などとしてもよい。角度を小さくすると、ベーン座４６の長さが長くなり、その結果、主筒部３０の長さも長くなるが、流れの抵抗を少なくできるから、バラストポンプ３の負担が少ない。
図７は、図３とは別の構成を採用したインラインミキサーの断面図である。内部構成が異なるが、符合は図２と同じ符合を使用する。インラインミキサー６は、主筒部３０と、これより管径の細い従筒部３１からなり、主筒部３０と従筒部３１の間にテーパ部３４を設けている。テーパ部３４は、筒を直接加工したものであるが、図３の構成のようにベーン座を設けて形成してもよい。
図７に示すように、翼板３６は、従筒部３１内ではなく、テーパ部３４に取り付けられる。このような翼板３６の配置は、翼板３６を従筒部３１に配置した場合より、大きな形状の翼板となるから、バラストポンプ３の負担がより小さくて済む。
図８は、図７に示す２枚の翼板の配置を示す斜視図である。２枚の翼板３６の交差角５２は９０度としている。図８に示すように、翼板３６は、気液注入管２５を挟む箇所を中心にして、右側の長さより左側の長さが長い。そのため左右対称ではない。
図９は、図７に示す翼板３６の平面図である。翼板３６の左側はテーパ部３４に掛け渡されるので、図４に示す翼板３６より形状が大きい。
なお、半円形の凹部４５は、殺菌剤の流れる気液注入管２５をはさむ箇所である。この翼板３６の外周曲線３７も楕円である。これは、テーパ部３４は円錐とみなして、これを底面に平行でない平面で切断すると、断面のなす形状は楕円となるからである。
図１０は、図７に示すインラインミキサーのバラスト水の流れを示す模式図である。翼板３６ａと翼板３６ｂの交差角５２が９０度なので、翼板３６ａが軸線方向となす傾斜角５１は４５度となる。これに伴いテーパ部３４の傾斜角５０は、傾斜角５１の半分で２２．５度、つまり９０度の１／４の角度となる。このような配置によれば、水平な流れ６０は、翼板３６ａにぶつかった場合、流れ６１のように上方に向くが、左から右への流れに逆行はしない。翼板３６ａで斜め上方に向かう流れ６２が、テーパ部３４にぶつかった場合、流れ６３となって下方を向くが、左から右への流れに逆行はしない。逆行がなければ、流れをそれだけスムーズにできる。翼板３６ｂの場合も同様である。図１０の右下に示すように、テーパ部３４の傾斜角を傾斜角５３に示すように６５度とした場合や、傾斜角５４に示すように４５度とした場合、ここに流れ６４がぶつかると、その流れが左側方向を向くから、流れに逆行することになる。つまり流れがスムーズでない。
図１０に示すように、翼板によってバラスト水の通過流量が制限されるが、バラスト水が通過できる面積は、図１０の翼板３６の交差する上下の直角三角形で示す領域（気液注入管の領域は省略）となるから、これは図３の翼板３６が交差して形成する上下の領域より大きく、図３の場合に比較して通過流量は大きい。なお、翼板３６をテーパ部３４ではなく、主筒部３０側に配置する場合は、バラストポンプ３の負担がさらに少なくて済む。しかし、従筒部３１に行くまでの間に、旋回流の勢いがより小さくなる。
図１１は、インラインミキサーの従筒部での旋回流を示す動作図である。図１１は、図３または図７のＡ−Ａ切断面を矢印の方向に見たものである。主筒部３０に流入したバラスト水は、翼板３６で旋回流にされ、従筒部３２に入力される。ここでは旋回流による強い遠心力によって、重い流体層４１は外側に押圧され、軽い流体層４２は内側に移動する。そして、従筒部３１の中心軸に沿った中央部は、空洞４０となって、低圧状態が生成される。旋回流は、きのこ型突起物３５に衝突してくだかれ、超微細な粒子群へと変貌する。主筒部３０の気液注入管２５から入力されたオゾンや過酸化水素は、低圧によって空洞４０に引き込まれ、バラスト水と混合され微細分散される。なお、空洞４０は低圧であるから、バラスト水内の気泡、あるいはオゾン空気内の気泡が膨張する。これがきのこ型突起物３５に衝突して破裂し、気泡（キャビティ）によるキャビテーション衝撃波が発生する。この衝撃波によって、プランクトンなどの細胞膜が破壊できる。従筒部３１では、４０キロヘルツ以上の超音波の発生も確認されており、これが気泡の生成をさらに促進させている。
このような反応は、例えば、カニの甲羅の中まで及ぼすことは難しい。そのため、図１において、海水を汲み上げる場合には、パイプ経路上に、大きな固体を排除するフィルタを設けることが好ましい。なお、微細生物の粉砕片や、細胞膜が破壊された状況は、顕微鏡で確認することができる。図１２は、インラインミキサーを１回通過して破壊されたバラスト水中の微生物の写真である。（ａ）はアルテミアの細胞膜が破壊された例である。処理後の写真に示すように、アルテミアの左側の細胞膜が破裂している。（ｂ）はツボワムシが粉々に粉砕された例である。中央の白い部分はバックライトの光である。処理後の写真に示すように、ツボワムシの粉砕片が浮遊していることを確認できる。
本発明は、大量のバラスト水を短時間で殺菌処理することができるので、船舶のバラスト水処理装置として好適である。

Claims (1)

  1. 船舶のバラストタンクへの給水ならびに前記バラストタンクからの排水を行なうパイプ路と、
    前記パイプ路に設けられ、バラスト水の給排水を行なうバラストポンプと、
    オゾン発生装置または過酸化水素発生装置と、
    前記バラストポンプで送り出されたバラスト水が流入する主筒部、前記主筒部より内径が小さく、内周部に複数の突起物を先端が筒の中心を向くように設けた従筒部、前記主筒部の内径を小さくするテーパ部と前記従筒部の内径に等しい通孔とを有し、前記主筒部に取り付けられる円筒状のベーン座、前記ベーン座の通孔に取り付けられ筒内部に旋回流を起こす２枚の翼板、および一端が前記翼板の中央部を貫通して前記従筒部に開口するように取り付けられ、他端が前記主筒部の側壁から外側に出て連結口とされ、前記オゾン発生装置または過酸化水素発生装置で生成されたオゾンまたは過酸化水素を送り込む気液注入管、からなるインラインミキサーと、が備えられることを特徴とするバラスト水処理装置。
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