JP3868812B2 - 水システムにおける好ましくない有機体の調整方法および調整装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、好ましくない有機体を潜在的に含む水システムの処理に関し、特に、好ましくない有機体を死滅させるようにそのような水システムを処理するための方法および装置に関する。
【０００２】
本発明の好ましい実施の形態は、船舶のバラスト水の取り扱いに関し、前記水中に潜在的に存在する好ましくない有機体を死滅させて、ある海岸エリアから他にこのような有機体が運搬されないようにする。
【０００３】
上述のように、発明は一般の水システムに関する。しかしながら、船舶のバラスト水は、侵略的な海洋性有機体をその有機体の属さない環境へ転位させる保菌体として国際的に認識されている。従って、以下の記述は、主として、そのようなバススト水システムの処理に関する。
【０００４】
バラスト水を介した海洋性有機体の導入のリスクを減らす方法を見つけることを目的とした多くの研究が行われてきているが、これまでのところ、環境的な観点から許容範囲内である、或いは経済的に実現可能である解決策は得られていない。
【０００５】
外国の港で船舶から積み荷が降ろされた時に、結果として生じた船舶の空の船倉は、たいていは現地のバラストのような水によって満たされ、これにより船舶を安定させる。代わりの積み荷を積み込むために他の港に到着して、その時点では外国になった先の地域に降ろす時、第２の港の中や近くにおける沿岸水にバラストが流入して、その結果として、クラスタシアンや、多毛類の環形生物、tubellarian扁形生物、刺胞生物および軟体生物のような土着の有機体にバラストが持ち込まれる。そして、魚類にも災難が降りかかる（Carlton, T.C, et. al., Science vol. 261:78-82,1993）。藻類群の中では、渦鞭毛虫も認められるが、珪藻が優勢である。バクテリアおよびヴィーラもまたバラスト水中に存在することが予想される。この有機体の転位は、受け入れる沿岸水の生態系に対して有毒な（若しくは少なくとも未知の）影響を及ぼすことになるかもしれない。
【０００６】
今のところは、バラスト水の摂取管理、海水によってバラスト水が取り替えられる場所であるバラスト水の中央海域の交流、そして放出に対する船舶の許容を減少させる能力、のような少数の非化学的なコントロール選択対象のみが、容易に利用可能となっているようである。バラスト水の取り込みを処理する有効性は、船舶のバラストを積み込む際の要件によって制限される。中央海域のバラストの交換には、再度のバラストの積み込み(reballasting)およびバラストの希釈化（フラッシング）という二つの方法がある。再度のバラストの積み込みは、処女船舶(may ship)にとって危険であると、船舶産業では考えられている。バラスト希釈化は、より安全な操作ではあるが、効果がより小さくなる。適切な効果を確保するためには、各タンクがそれ自身の容積の３−４倍に応じた水を有していなければならない。これは、バラスト水ポンプが著しく短命になるということに加えて、操作（燃料および人手）の費用が増加するということを意味する。
【０００７】
港における高い費用と時間に依存した操業の稼働コストとのせいで、バラストを積み込む間に行われうる処理過程、若しくは航海が行われている間或いはバラスト水の放出の間、は有利である。
【０００８】
現在のところ、重要なバラスト水の処理選択対象に加えて、途中の処理のための非化学的な選択対象のみが、船舶のエンジンからの廃熱を使用した熱処理である。これにより、多くのプランクトン有機体に対して効果的であることが示されている。しかしながら、効果は、船舶が移動する環境の海の温度に依存するであろう。そのような方法の実施コストは、最新の技術開発をもってしても非常に高くなると思われる。
【０００９】
この選択対象および更に可能な処理方法は、エコポート(Ecoports)（Oemchke, D(1999), <<The treatment of ships' ballast water>>, Ecoports Monograph Series No. 18(Ports Corporation of Queensland, Brisbane)）からの報告において述べられている。
【００１０】
上記に示された刊行物には、濾過作用やサイクロン分離による浄化がバラスト水処理の可能性を有しているかもしれない、ということが開示されている。これらのシステムは、より小さい有機体に対しては効果的ではないので、二次処理が必要となるだろう。ＵＶ照射や高出力超音波の使用は、実行可能な二次処理方式として提案されている。更に、常套的な水処理技術として知られている二酸化塩素(chlorine dioxide)やオゾンのような化学物質を使用することも提案されている。
【００１１】
本発明の基本的なコンセプト、すなわち水生有機体がガス飽和水の影響を受けることは、バラスト水や他のあらゆる種類の水システムの処理方法として使用されていない或いは提案されていない我々の知識を、必要としている。
【００１２】
いくつかの刊行物ではバラスト水の処理システムについて述べられている。ＵＳ特許5,192,451では、バラスト水にポリマーを添加することにより、船舶のバラスト水中のゼブラ貝類(zebra mussels)の成長を調整する方法が開示されている。ＵＳ特許5,376,282および5,578,116では、ゼブラ貝類の残存呼吸を支援するために十分な量より少ないレベルまで、自然源水の溶存酸素濃度を厳密に減少させるために、真空やかき混ぜを使用することが開示されている。ＵＳ特許3,676,983では、液中からガス類を取り除くための真空槽および攪拌機を有する装置が開示されている。ＵＳ特許4,316,725では、水から溶存酸素を取り除くために、真空の使用を含むいくつかの方法が開示されている。ＵＳ特許3,251,357では、例えば微生物類の成長を抑制するための水処理のために、水中への酸化／排出（combution/ stack）ガス類の注入について開示されている。
【００１３】
本発明の主たる目的は、上述に示された不具合、すなわち船舶のバラスト水を介した生体物質の好ましくない拡散を、解決する方法および装置を提供することである。
【００１４】
本発明の基本的コンセプトは、前記水におけるガスの過飽和な状態を確立することである。十分なレベルのガスの過飽和が、様々な非常に多様化した体系的な有機体群にとって致命的であること、及び、そのような状態が、前記水に存在する有機体の一群を効果的に十分に死滅させるであろうことが、後ほどこの明細書において明らかにされるであろう。
【００１５】
本発明の方法および装置は、熱処理・化学的作用による処理・その他の処理といった他の処理体制とは、別々に、或いは組み合わされて使用されうる。
【００１６】
バラスト水システムの処理に関して公報で指摘されている上述に加えて、いくつかの公報では、生体物質を崩壊させる方式、とりわけ微生物について述べられている。
【００１７】
DE422074では、好気的な環境を付与することによって硫黄細菌の腐食性の活動が抑制される過程について述べられている。
【００１８】
DE2733000では、水溶性縣濁水に圧縮ガスを供給することによって、微生物が死滅させられる過程について述べられている。縣濁水は死滅手段を介して導入されている。そして、死滅手段によって圧縮状態中へ急速に滴下することは、細胞組織の破壊を招く。
【００１９】
WO98/46723では、ガス代謝産物を作り出す微生物を崩壊させる方法について述べられており、US5,816,181では、微生物を死滅させるのに十分な温度まで水が加熱されるバラスト水の処理システムが述べられている。
【００２０】
ガスを含む水システムの過飽和のコンセプトは、過飽和状態がほとんどの水中有機体にとって有毒であるという研究成果に基づいている。
【００２１】
従って、本発明の方法および装置の本質的特徴は、前記水システムにおいて好ましくない有機体を死滅させるのに十分なガス過飽和レベルを確立することである。
【００２２】
より明確には、本発明は、前記水における好ましくない有機体のほぼ全てを死滅させるための差し障りのない期間に、差し障りのない十分な過飽和レベルを確立するために、１atmよりも高い圧力で水システムに過剰ガスを導入する方法に関する。
【００２３】
水に溶解しうるガスの総計、飽和濃度は、ヘンリーの法則によって説明されるように、大気中のガスの分圧に対して一次的に比例する。
【００２４】
本明細書において過飽和状態は、１atmの圧力におけるガス平衡濃度を越えるガス溶解濃度として定義される。そのようなシステムは熱力学的には平衡ではなく、ガス−水の界面上における流れのために、ガス濃度は時間が経てば変化するであろう。
【００２５】
そのような集団的移動は三つの要因により支配的である。この三つの要因は、１）乱流の混和レベル、２）ガス移動に利用できる表面積の総計、３）前記水中における気泡の滞留時間、である。
【００２６】
従って、本発明の好ましい実施の形態は、物質移動率を減少させるように構成された、すなわち可能な限り長く過飽和状態を維持する、船舶のバラスト水タンクのようなシステムに関する。そのようなタンクは、例えば、小規模の気−液の界面を有しているかもしれない。
【００２７】
魚類は、ガス過飽和の水にさらされると、気泡の病気（gus bubble disease)にかかる可能性がある。気泡の病気は、致命的となる可能性があり、通例、皮膚の下に気泡や発疹が出現することが認められている。環境保護局(the Environmental Protection Agency)（EPO）は、これが魚類にとって脅威であることを認めており、溶解ガスレベルの水質レベルを１１０％の飽和に設定している。また、ガス過飽和は、他の有機体にとっても有害であり最終的には命に関わる。例えば、軟体動物Mya arenariaは１１４％の飽和で（Bisker, R. et. al., The effect of variaous levels of air-supersaturated seawater on Mercenaria mercenaria (Linne), Mulinia lateralis (Say), and Mya arenaria Linne, with reference to gas-bubble disease, Journal of Shellfish Research, vol 5, no 2, pp97-102, 1985）、そしてArgopecten irridans concentricusは１１６％の飽和で（Bisker, R. et. al., The effect of air-supersaturated sea-water on Argopecten irradians (Lamarck) and Crassostrea virginica(Gmelin) with reference to gas bubble trauma, Journal of Shellfish Research, vol 7, no 1, p150, 1988)、塩水性テラピアのOreochromis spilurusは１１１．２から１１３．４％で(Saeed, MO., et. al., Gas bubble disease in farmed fish in Saudi Arabia, Veterinary Record, vol 140, no 26, pp 682-684, 1997)、白チョウザメのAcipenser Transmontanusの幼生は１３１％で(Counihan T.D. et. al., The effects of dissolved gas supersaturation on white sturgeon larvae, Transactions of the American Fisheries Society, vol.127, no.2, pp.316-2322,1998)、そして成長した蛙のRana catesbeianaは１３２．９％で(Colt J. et. al., Gas bubble trauma in the bullfrog Rana catesbeiana., Journal of the World Aquaculture Society, vol.18, no.4, pp 229-236, 1987)、有害であり最終的には命に関わる。
【００２８】
従って、本発明の実施の形態は、加圧されたガスが水中に導かれて１２０％よりも大きい溶解ガスレベルが達成されている処理水システムの方式に関し、更に好ましくは１４０％よりも大きい溶解ガスレベルが達成され、更に好ましくは１６０％を超える溶解ガスレベルが達成され、すなわち、前記水における有機体に死をもたらすであろう過飽和レベルが達成されている。
【００２９】
バラスト水の処理に関連して、発明の本質が述べられている。しかしながら、他の水システムでは、各種の有機体の成長も問題である。
【００３０】
冷却水システムには、水中の有機体が入植しやすい（生物付着）。生物付着は重大な問題をもたらしうるので、わずかに形成され定着したバクテリアのような、イガイ類(mussels)やオイスター類(oysters)、フジツボ類(barnacles)、そして他の”有害体”を防ぐ為の処置をとることは重要である。もし付着物を野放し状態にしておくと、冷却水の流れは不適当なレベルに低下し、循環ポンプやコンデンサーに必要以上の負荷がかかり、熱交換が殻類により妨げられる。付着物は、生産性の損失、機器類の損傷、そして維持コストの高騰、を最終的にはもたらす。生物付着は、次亜塩素酸ナトリウム(sodium hypochlorite)の形態で塩素が添加されることによって、或いは冷却水の一次的な加熱によって、通常は調整されている。
【００３１】
冷却水における付着物の問題の大部分は、海洋性のイガイ類のMytilus edulis、かん水のイガイ類のMytilopsis leucophaeata、そして淡水のイガイ類のDreissena polymorphaといった、３種類のイガイ類によってもたらされている。
【００３２】
本発明は、例えば、発電や、他の水に関係する産業、そして局地的な水の使用、における冷却水の処理に対しても有効であるあることが、見込まれている。
【００３３】
本発明の方式は、上述したような多くの実施の形態の全てにおいて発明を使用して行われることが好ましい。上記の新規な特徴および利点に加えて、図面および好ましい実施の形態に関する以下の記述から、本発明の他の目的および利点が容易に明らかになるであろう。
【００３４】
図１は、バラスト水の処理装置を示している。図２は、選択可能なバラスト水の処理装置の実施の形態を示している。図３は、バラストタンクの断面を示している。図４は、冷却水のような産業水の処理装置を示している。
【００３５】
以下、第１乃至第５の実施の形態を説明するが、各実施の形態において、圧縮空気を用いた態様は参考例である。
第１の実施の形態
ガス過飽和の効果の計測
処理の主な生物致死性作用は、水に課せられたガス過飽和の生物学的作用、及びその後に続く前記過飽和の解放、であると考えられている。過飽和の解放は、飽和平衡に戻る受動動作であって、大気圧、温度、表面積、そして例えばタンクの上部における撹拌による水塊の乱流によって左右される。
【００３６】
処理されるべき水は、表面水において周囲空気よりも高い圧力を生み出すポンプを介して搬送される。ポンプの加圧されているサイドでは、圧縮されたガスをガスコンプレッサーによって水の流れの中に運び、好ましくはディフューザーを介して、圧縮されたガスをガスコンプレッサーによって水の流れの中に運ぶ。
【００３７】
ガスディフューザーは、以下のような三つの重要な機能を確保している。
【００３８】
１）大きな表面積を作って水中への急速なガスの集団的移動を助長し、これにより過飽和を確立するために必要とされる接触時間を減少させる。
【００３９】
２）小さな気泡を沢山作り出して、泡が殻の中にとらわれうる様々な殻耐性(shell-bearing)の有機体の漂流を助長する。
【００４０】
３）疎水性のバクテリアが移送される大きな面積を有する親水性／疎水性の表面範囲を作り出して、漂流した有機体の分解をバクテリアが向上させることができる箇所である表面層を充実させる。
【００４１】
この目的の為に様々なガスを活用することが可能であるが、空気はどこにでもあり且つ無料なので、たいていの適用例では空気が自然に選択されるであろう。特別な適用例では、窒素(nitrogen)のような他のガスを使用してもよい。
【００４２】
Mosselmonitor(登録商標)はKEMAによって開発されており、これにより我々は、イガイ類のバルブの働きを正確に記録することができる。イガイ類にセンサを取り付けることにより、水中でのイガイ類の挙動を記録し続けることができる。このモデルシステムは、ゼブラ貝(zebra mussel)のDreissena polymorphaに対する様々な過飽和レベルの効果を決定するために使用されるであろう。
【００４３】
他の適切なテストモデルは、ブラインシュリンプ(brine shrimp)のArtemia sp.の様々なライフステージであろう。
【００４４】
溶解ガスの濃度は、例えばComon感知TBOC-L計測器(Comon sensing TBOC-L meter)のような総溶解ガス計測器を使用して計測されるであろう。
【００４５】
第２の実施の形態
Artemia sp. の物質および方法でのノープリウス (naupilus) の幼生に対する空気過飽和の影響
Artemia naupleii嚢胞は、孵化して、孵化した後に、0.2グラム・パー・リットルのDC DHA Selcoが濃縮する培養液(culture)によって質が高められる(Both cysts and enrichment: Inve Aquaculture, Hogveld 91 Denermunde, Belgium)。培養液は、３４．７pptの海水中で、２６℃の２５０lタンクの中で成長させられた。naupleiiが取り入れられて、このnaupleiiは、１１００naupleii pr ml.の濃度で曝気および酸化されている７０lタンクの中に集められて保管されていた。貯蔵タンク内の温度は１４℃であった。2mlのArtemia naupleii（すなわち略２２００）が、貯蔵タンクから収集され、22リットルの海水（３４．７ppt）で満たされたステンレススチール製の二つのタンクの各々の中に分配される。タンクは２６リットルの総容量を有するとともに、実験の全体に渡って12.5±0.5℃に温度を保った。あるユニットではガスの過飽和が条件とされ、あるユニットでは調整機器としての機能を果たしていた。
【００４６】
実験用ユニットは、セラミックディフューザー(Birger Christensen P.O. box 13, N-1309 Rud, Norway)を介して圧縮空気を運ぶチューブ(Fini type Big pioneer 255, Zola Predosa Bo, Italy)と、圧力ゲージと、バルブを有する排出部と、を有していた。調整ユニットには、空気供給部と、排出部と、を有していた。
【００４７】
naupleiiが分配されると、ユニットは閉じられて、3barに圧縮された空気がディフューザーに搬送された。ユニット内で圧力が確立されると、排出バルブが調節されて、周囲の空気よりも1atm大きい圧力が与えられた。システムを通過する気流の計測を助長し且つ流れの検査を助長する水のビーカーに、チューブを介して排出ガスが導入されていた。調整ユニット内は、圧力が周囲の空気の圧力に保たれ、実験用ユニット内におけるのと同様の流れで空気が供給されていた。
【００４８】
naupleiiは、ユニット内で18h間保たれており、実験が終了すると、排出バルブが調節されて、１時間後に周囲空気の圧力を与えるように圧力が解放される。
【００４９】
ガス過飽和は、サンプリングを始める前に、ワイス飽和計(a Weiss saturometer)によって計測されていた。
【００５０】
圧力が解放された後の各時間の間には、ユニットからの１１群の水が、トラフの三重のこし器（80μｍの編み目サイズ）に集められて、沢山のArtemia naupleiiが、双眼顕微鏡によって観察された。naupleiiは動くことができず、若しくは、個々を動かすこととは対照的なように分解が死滅として明らかに得られていた。
【００５１】
結果が表１に与えられている。
【００５２】
結果：
窒素過飽和は、ブンゼン係数温度（Bunsen coefficient temperature）、塩度、および酸素飽和度を調節した後に、１１９％まで算出された。
【００５３】
【表１】

調整ユニット内において回収されたnaupleiiの数は、実験後では１１０９であり、これは加えられたnaupleiiの最初の数の５６．３％を意味する。過飽和ユニットにおいて、回収されたnaupleiiの数は８３２であって、これは最初に加えられたnaupleiiの数の３８．７％を意味する（表１）。
【００５４】
二つのユニットにおいて生存した状態で回収されたnaupleiiの数は、調整ユニットから１１０９、および過飽和ユニットでは６７３であって、それぞれ最初の数の５１．１％および３１．３％に対応している。
【００５５】
二つのユニットでは、naupleiiの最初の数がわずかに相違しているけれども、各処理間で相違のない帰無仮説（null hypothesis）を試すことが、可能とされるべきである。
【００５６】
過飽和ユニットの相違は、ｐ＝0.001レベルでの調整ユニットとの著しい相違であり、Chi squared test に一致している。
【００５７】
従って、２０時間で１１９％までの空気過飽和にさらすことは、Artemia naupleiiの死滅率を著しく増加させる（p=0.001 Chi squared）、という結論を我々は下す。
【００５８】
第３の実施の形態
バラスト水処理装置
図１は、バラスト水処理システムの概要設定を示している。図１に示された実施の形態は、船舶上に既存のバラスト水システムを追加したものである。バラスト水は、船舶の外側から引かれて、船舶自身のバラストポンプ１０を介して汲み上げられる。空気コンプレッサー２０は、圧縮空気を、ディフューザー３０を介してバラスト水ポンプの加圧されたサイドでバラスト水の流れに運ぶ。バックフラッシングバルブ４０は、圧縮水が空気コンプレッサー２０に流入してしまうことを防いでいる。バラストタンクに向かう途中で、過飽和用計測器５０は、空気コンプレッサー２０を制御する制御／記録装置PLSに報告する。好ましくは、バラストタンク内の過飽和計測器７０が、PLSに報告してもよい。提案された処理システムは、既存の船舶に容易に据え付け可能となっている（装備を改良する）。
【００５９】
選択的に、図２に示されているように、遠心性ヘッドの前方でポンプが十分な吸引を行えば、この吸引のみで、水面の上方から吸気口を介して、空気を水流に入れることが可能である。
【００６０】
このシステムは、船舶の既存のバラスト水システムにも容易に追加されうる。バラスト水は、船舶自身のバラストポンプ１０’を介して汲み上げられる。空気は、海表面の上方から入射するパイプ或いは機械部屋から入射するパイプ、を介して供給される。好ましくは、ポンプの吸引サイドにおいて空気が入射されている。万一、周りの空気よりも高い圧力の空気圧が水流内に生じた場合には、バックフラッシュバルブ２０’は、機械部屋や配管への水のオーバーフローを防止する。バラストポンプに向かう途中で、過飽和用の計測器４０’は、制御／記録装置PLS５０’に報告して、空気調節バルブ３０’が制御される。好ましくは、バラストタンク内の過飽和計測器６０’がPLSに報告してもよい。
【００６１】
第４の実施の形態
バラストタンク
図３は、近代的なタンク容器の断面を示している。支持構成要素は、明瞭性を確保するために省略されている。表面積は、バラスト水の容積に比べて相対的に小さく、これにより気−液面上におけるゆっくりとしたガス交換が確保されている。
【００６２】
第５の実施の形態
冷却水システム用の処理システム
図４は、例えば冷却水のような産業用水を使用する為の処理装置を示している。そのシステムは、専用ポンプ１０’’を用いることができ、或いは、既存の水ポンプに取り付けられうる。空気コンプレッサー２０’’は、圧縮空気を、ディフューザー３０’’を介して水ポンプの加圧されたサイドにおいて水の流れの中に搬送する。バックフラッシングバルブ４０’は、圧縮された水が空気コンプレッサーに流入することを防ぐ。産業用装置７０’’に運ばれる途中で、過飽和用装置５０’’は制御／記録装置PLS６０’’に報告して、空気コンプレッサーが制御される。産業用装置７０’’における過飽和計測器８０’’が、PLSに報告してもよい。水は貯蔵所へ戻されて再循環させられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バラスト水の処理装置を示している。
【図２】 選択可能なバラスト水の処理装置の実施の形態を示している。
【図３】 バラストタンクの断面を示している。
【図４】 冷却水のような産業水の処理装置を示している。

Claims (12)

1. 水中の有機体の生存を防ぐための水システムの処理方法であって、
   圧縮窒素ガスが水システムに導入され、前記供給されるガスの流量は気−液面の界面を横切る前記ガスの流量よりも多く、これによりガス過飽和状態が確立される
   ことを特徴とする水システムの処理方法。
2. 溶解ガスの総量は、1atmの圧力の前記ガスの飽和基準に対して１２０％のレベルより大きくなっている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 溶解ガスの総量は、1atmの圧力の前記ガスの飽和基準に対して１４０％のレベルより大きくなっている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 溶解ガスの総量は、1atmの圧力の前記ガスの飽和基準に対して１６０％のレベルより大きくなっている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記水システムにおけるガスの過飽和状態は、１時間より長く維持されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記水システムにおけるガスの過飽和状態は、１２時間より長く、好ましくは２４時間よりも長く、更に好ましくは７２時間よりも長く維持されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記水へ圧縮ガスを搬送するコンプレッサ２０を用いて、好ましくはディフューザー４０を介して、過飽和状態となるガスが前記水システムに導入される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記水システムは船舶のバラスト水システムであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記水システムは、冷却水システム、若しくは生産加工用給水、若しくは好ましくない有機体が広がることを防止すべきである運河システム或いは川システムである
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 水中の有機体の生存を防ぐための水システムの処理装置であって、
    処理装置は、前記水システム内において過飽和状態を確立するのに十分な量で圧縮窒素ガスを前記水システムに搬送するコンプレッサー１０を備えたことを特徴とする装置。
11. コンプレッサーに対して下流側に設けられたディフューザーを更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 計測手段を更に備え、
    この計測手段は、前記水システムにおける過飽和レベルを計測するように適応され、コンプレッサーを調整するする調整装置に過飽和レベルを伝える
    ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。

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