JP2005246198A - 有害プランクトンの殺滅装置 - Google Patents

Abstract

処理水をキャビテーションジェットにしてターゲットに衝突させて気泡を崩壊させ、そのとき発生する高圧雰囲気を利用して処理水中に含まれる有害プランクトンを殺滅するに、殺滅効果の高いターゲットの形状及び配置を提供する。
【解決手段】
有害プランクトンを含む処理水を用いてキャビテーションジェットを発生させるとともに、キャビテーションジェットを減速させてキャビテーションジェット中のキャビテーション気泡を崩壊させ、崩壊時に発生するキャビテーション気泡の高圧雰囲気によって有害プランクトンを殺滅する有害プランクトンの殺滅装置において、この殺滅装置が、処理水が流れる流路を形成し、この流路内で、加圧された処理水をノズルから噴出させてノズルの下流に設置したターゲットに衝突させるものであり、ノズルを、流路内に張られたノズル形成基板に形成する一方、ターゲットのノズルと対向する表面に、Ｖ字陥没部を形成したことを特徴とする有害プランクトンの殺滅装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、湖沼水や海水に生息したり、船舶のバラスト水に含まれたりする有害プランクトンを殺滅する有害プランクトンの殺滅装置に関するものである。

湖沼水や海水に生息するプランクトンは、赤潮を発生させたり、水質汚濁を引き起こすことはよく知られている。また、最近では、船舶に積むバラスト水に含まれるプランクトン（稚貝や稚魚及びその卵も含む）が違った環境に越境移動して異常繁殖し、その海域又は淡水域の生態系を乱すことが問題となっている。特に、バラスト水は、積荷がないときには出発港で注入され、積荷を積む込むときにその港で排出されるが、このようにして運ばれるバラスト水は毎年１００億トンを超えることから、国際的に大きな問題となっている。

したがって、これらの水に含まれる有害プランクトンを殺滅することが要望されており、従来から、種々の殺滅方法が提唱されている。このうち、有害プランクトンを含んだ処理水で高速水流（キャビテーションジェット）を発生させ、その中に含まれるキャビテーション気泡を崩壊させてその崩壊時に発生する数ＧＰａとも言われる高圧雰囲気で有害プランクトンを物理的に破壊させるキャビテーションジェットを利用する殺滅方法は、水を加圧するだけで化学物質等は使用しないから、もっとも安全で、かつ、低コストの方法として知られている。問題は、その殺滅能力と効率であるが、単に、有害プランクトンを含んだ処理水をキャビテーションジェットとするだけでは殺滅能力は不十分である。

そこで、下記特許文献１及び非特許文献１には、キャビテーションジェット（以下、ジェット）を発生させるノズルの下流にターゲットを配置したものが示されている。すなわち、ノズルを構成するスリットに対向してターゲットを配し、ジェットをこのターゲットに衝突させて、その減速と衝撃でキャビテーション気泡（以下、気泡）の崩壊を促進させる方法である。しかし、これにおけるターゲットは、単に表面が平滑な衝突体であることから、ジェットが受ける減速と衝撃は未だ十分とはいえない。より殺滅能力を高めるためには、このターゲットの形状や配置に更なる配慮が求められる。

一方、下記特許文献２には、ターゲットのノズル側の表面に凹型球面形状を形成したものが示されているが、この先行例の目的は、ジェットをこれに衝突させて反転させ、ノズルとの間に循環流を発生させるものであり、この反転性を高めるために表面を非線形の球面にしているものである。しかし、気泡が崩壊するのは、ジェットが急激な減速を受けてその静圧が蒸気圧より降下するからであり、このように、ジェットの急減速を励起しない循還流の発生は、やはり、気泡の崩壊が不十分で、殺滅効果において劣ると言わざるを得ない。
特開２００１−１７９５６ 特開２００１−１７９８８ 日本海難防止協会「船舶運航に伴うバラスト水による海洋生態系への影響低減に関する調査」平成１４年度報告書

本発明が解決しようとする課題は、より高い殺滅能力を具現するノズルとターゲットとの関係であり、本発明者等は、鋭意研究した結果、気泡の崩壊に最適なターゲットの形状やノズルとの特定の相関関係を見出したのである。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、有害プランクトンを含む処理水を用いてキャビテーションジェットを発生させるとともに、キャビテーションジェットを減速させてキャビテーションジェット中のキャビテーション気泡を崩壊させ、崩壊時に発生するキャビテーション気泡の高圧雰囲気によって有害プランクトンを殺滅する有害プランクトンの殺滅装置において、この殺滅装置が、処理水が流れる流路を形成し、この流路内で、加圧された処理水をノズルから噴出させてノズルの下流に設置したターゲットに衝突させるものであり、ノズルを、流路内に張られたノズル形成基板に形成する一方、ターゲットのノズルと対向する表面に、Ｖ字陥没部を形成したことを特徴とする有害プランクトンの殺滅装置を提供したものである。

これにおいて、本発明は、請求項２に記載した、ノズルがノズル形成基板に一又は複数形成された独立した孔又は流通方向に交差する方向に連続したスリットであり、これに対応してＶ字陥没部がＶ字穴又はＶ字溝である手段、そして、処理水の一例として、請求項３に記載した、船舶のバラスト水である手段を提供する。

請求項１のターゲットのノズル側の対向面にＶ字凹陥部を形成することにより、キャビテーション気泡の崩壊が促進することが判明した。その理由は、ターゲットの表面を平滑や球面にしたものよりＶ字凹陥部を形成する方がジェットが受ける減速と衝撃が一層高まるからであると思われる。なお、ノズルやＶ字陥没部の具体例については、請求項２の構成がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一例を示す殺滅装置の要部の斜視図、図２はその要部の断面図であるが、本発明の殺滅装置は、有害プランクトンを含んでその殺滅処理が必要な処理水を流通させる流路１を形成し、この流路１の中で、上流にノズル形成基板２、下流にターゲット３を配置したものである。この場合、処理水が貯留されたものであれば、その内部又は外部に流路１を形成してこれに循環させることになるし、取水及び排水中の処理水であれば、その導管を流路１とすればよい。例えば、処理水が船舶のバラスト水であれば、取水管又は排水管にこの装置を組み込んでもよいし、バラストタンクの内部又は外部に流路を形成して航海中に殺滅処理をしてもよい。なお、流路１の断面は円形や四角形であるのが通常であるが、その他のものであってもよい。

ノズル形成基板２にはノズル２ａが形成されるし、ターゲット３のノズル２ａ側表面にはＶ字陥没部３ａが形成される。すなわち、平坦面３ｂに形成されたターゲット３の表面にＶ字陥没部３ａを刻設する。なお、ターゲット３を処理水が通過できる必要があるから、ターゲット３の間又はターゲット３と流路１との間には隙間４が確保されている。これらノズル２ａ及びＶ字陥没部３ａは、効率や流路１における流通性を考慮すると、流路１の中に複数形成されるのが適するが、小径の流路１等であれば、一つだけ形成されることもある。Ｖ字陥没体３ａのＶ字の深さ（角度）については特に限定されないが、約９０°の角度で交差するのが適する。

本例におけるノズル２ａは、ノズル形成基板２に縦（流路の方向に交差する方向）に連続する複数のスリットに形成され、これに対応してターゲット３のＶ字陥没部３ａも、スリットに対応して同じく縦に連続したＶ字溝に形成されている。図３はノズル２ａやＶ字陥没部３ａの他の例を示す要部の斜視図であるが、このように、ノズル２ａをノズル形成基板２に独立した孔として形成するものであってもよい。したがって、Ｖ字陥没部３ａも、これに対応して独立したＶ字陥没穴としている。なお、ターゲット３の間を処理水が通過できなければならない点は上記と同様であるから、流路１の管壁と個々のターゲット３及び個々のターゲット３の間をステー等５で支えて間に隙間４を確保している。

以上の流路１に有害プランクトンを含んだ処理水を流通させる。このとき、処理水をポンプ等（図示省略）で加圧してノズル２ａに通すと、処理水は、ノズル２ａの形状に応じた断面を有するジェットとなって噴出される。噴出されたジェットは、次にターゲット３のＶ字陥没部３ａに突入し、このとき、Ｖ字陥没部３ａの中心に向かって急激に減速して中に含まれた気泡が崩壊し、そのときの高圧雰囲気によって有害プランクトンは細胞が物理的に破壊され、殺滅される。なお、処理水の必要とする加圧力は、ノズル２ａの幅・径及び求めるジェットの流速等に関連しており、これを調整することで、１００ＭＰａの高加圧から通常の遠心ポンプ等による１ＭＰａ程度の低加圧でも足りるようにできる。

このような殺滅能力を最大限に発揮させるには、ジェットの流速、Ｖ字陥没部３ａの形状や大きさ、さらには、ノズル２ａとＶ字陥没部３ａとの間隔に関連するジェットの減速度が重要になってくる。ジェットの流速については、速い方が圧力低下が大きくて気泡の発生が多いから好ましいといえる。また、減速度については、急激な減速ほど気泡の崩壊が促進するから好ましいといえ、Ｖ字陥没部３ａについていえば、その最大幅・大きさＲは、ノズル２ａから噴出したジェットの流束を十分にカバーするものでなければならず、また、ノズル２ａから噴出されたジェットは下流に行くに従って拡散するから、Ｖ字陥没部３ａの最大幅・大きさＲは、ノズル２ａの幅・径Ｓよりもかなり大きく設定される必要がある。

ノズル２ａとＶ字陥没部３ａとの間隔Ｄについては、あまり近すぎても、遠すぎても好ましくない。発明者の研究によれば、ノズル２ａから噴出されたジェットは、上下に振動しながら下流に流れることが判明している。したがって、あまり遠いと、振動や拡散によってジェットはＶ字陥没部３ａから外れてしまい、十分な減速効果が出ない。さらに、ジェットはノズル２ａから離れるほど自然減速するから、あまり遠いと、自然減速の度合いが大きく、衝突による急激な減速効果が希釈されてしまう。反対に、あまり近すぎると、ジェット中の気泡が十分な大きさに成長できず、これ又、殺滅効果において劣る。この間隔Ｄは、ジェットの流速と流束（断面形状）とで求まることは想像できるから、これに基づいて最適に設定される。

図４は本発明を検証するための実験装置の一例を示す説明図であるが、幅４０ｍｍ×深さ８ｍｍの長方形断面を有する流路１を形成し、この中に幅１ｍｍのスリット２ａを中央に形成したノズル形成基板２を取り付け、その下流に表面に最大幅８ｍｍのＶ字溝（Ｖノッチ）３ａを形成したターゲット３を配した。流路１にはプランジャーポンプ（図示省略）によって圧力５．６ＭＰａ、吐出量１８．９l／ｍｉｎ（３１５ｃｃ／ｓｅｃ）で加圧した処理水を供給する。これによると、処理水は、流速が約４０ｍ／ｓｅｃ、流束が１×８ｍｍ² のジェットとなってスリット２ａから噴出される。ノズル形成基板２の上流には有害プランクトンとしてブラインシュリンプの卵（以下、卵）を供給する注入器６を設け、ターゲット３の下流にはこれを回収する抽出器７を設けた。

以上の装置により、抽出器で回収された卵が孵化を起こさないものを殺滅されたものと見なして、その殺滅率を調べてみた。この殺滅率Ｅは、Ｅ＝［（入れた個数×抽出率）−生きた個数］／（入れた個数×抽出率）で計算した。なお、参考例として、ターゲットを配さないもの（ノーターゲット）と、表面がフラットなターゲット（フラットターゲット）と、表面に半径４ｍｍの円弧が形成されたターゲット（Ｕノッチ）とを合わせて実験してみた。

図５は、スリットとターゲットとの間隔をそれぞれ２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍに設定した場合の各ターゲットの平均殺滅率の結果であり、図６は各ターゲットの各間隔における平均殺滅率の結果である。これを見ると、もっとも効果が高いのはＶノッチであり、かつ、その間隔は、２〜６ｍｍが適当であり、中でも、４ｍｍが最適であることがわかった。因みに、二番目はフラットターゲット、三番目はＵノッチ、四番目は当然ながらノーターゲットであった。ところで、殺滅率Ｅの平均は、成績のよいものでも０．４弱であるが、これは、殻の硬いブラインシュリンプの卵を使用したからであり、一般の動物性、植物性のプランクトンであれば、この値は更に上がるものと思われる。なお、一回での殺滅率に不満があれば、処理水をこの殺滅装置に何回か循環させたり、ノズルとＶ字陥没部との組合せ（加圧手段も含む）を直列的に複数接続することで、ほぼ完全な殺滅も可能になる。

以上の結果を考察すると、ターゲットを設けることにより、ジェットはこれに衝突して急減速されて気泡の崩壊が促進して殺滅効果が高まるが、フラットターゲットの場合であると、ジェットがターゲットに衝突すると、その表面に沿った方向に流れを変えられ、この流れは未だ十分な速度エネルギーを有しているからであると思われる。したがって、減速度を高めるには、ジェットの流速の自然低下が抑えられる、できるだけノズルに近い位置がよいのではないかと思われる。

これに対してＶノッチの場合は、Ｖノッチがジェットを取り込んで急速に速度を減少させることから、その位置は、ジェットがある程度自然減速した離れた位置にある方が相乗効果を果たして成績がよくなるものと推察される。なお、Ｕノッチの場合は１２ｍｍとかなり離れた位置にあるのがもっとも成績がよいが、ジェットがＵノッチに嵌まり込んだときには、ゆるやかに方向転換させられるのであって、それほどの減速効果が期待できず、減速効果を得るには、ジェットの自然減速がかなり進行した相当程度離れた位置にある方がよいものと思われる。その証左として、６ｍｍのときにはほとんど効果が表われていないが、これは、ノズルとターゲットとの間でジェットがうまい具合に循環流となって気泡の崩壊を促進する速度低下につながらなかったのではないかと思われる。ただし、Ｕノッチの場合は、フラットターゲットより成績が総合的に悪いのは上記したとおりである。

この他、ノズルの幅・大きさを変えたものもテストしてみたが、ジェットの流速が確保される限り、最適間隔は、ノズルの幅・大きさにほぼ対応することが確認できた。具体的には、ノズルの幅を２ｍｍにすると、最適間隔は８ｍｍであった。一方、流速を変えたジェットでもテストしてみたが、これについては、あまり変わらなかった。このことから、ジェットの流速は４０ｍ／ｓｅｃ程度が確保されていれば十分であることもわかった。

以上は、有害プランクトンの殺滅についてのものであるが、本発明によれば、細菌や微生物についても、その細胞を同様に物理的に破壊し得る。したがって、飲料水等を安全で低コストに殺菌する場合にも適用できる。

有害プランクトン殺滅装置の要部の斜視図である。 有害プランクトン殺滅装置の要部の断面図である。 有害プランクトン殺滅装置の要部の斜視図である。 本発明を検証するための実験装置の要部の説明図である。 実験装置における実験結果を示すデータである。 実験装置における実験結果を示すデータである。

符号の説明

１ 流路
２ ノズル形成基板
２ａ ノズル
３ ターゲット
３ａ Ｖ字陥没部
４ 隙間
５ ステー
６ 注入器
７ 抽出器

Claims (3)

1. 有害プランクトンを含む処理水を用いてキャビテーションジェットを発生させるとともに、キャビテーションジェットを減速させてキャビテーションジェット中のキャビテーション気泡を崩壊させ、崩壊時に発生するキャビテーション気泡の高圧雰囲気によって有害プランクトンを殺滅する有害プランクトンの殺滅装置において、この殺滅装置が、処理水が流れる流路を形成し、この流路内で、加圧された処理水をノズルから噴出させてノズルの下流に設置したターゲットに衝突させるものであり、ノズルを、流路内に張られたノズル形成基板に形成する一方、ターゲットのノズルと対向する表面に、Ｖ字陥没部を形成したことを特徴とする有害プランクトンの殺滅装置。
2. ノズルがノズル形成基板に一又は複数形成された独立した孔又は流通方向に交差する方向に連続したスリットであり、これに対応してＶ字陥没部がＶ字穴又はＶ字溝である請求項１の有害プランクトンの殺滅装置。
3. 請求項１又は２の処理水が船舶のバラスト水である有害プランクトンの殺滅装置。