JP5728737B2 - 高効率電気分解装置を用いたバラスト水処理システム - Google Patents

Description

本発明は、船舶のバラスト水に残留する多くの形態の水中生物及び微生物たちを除去または死滅させるための、高効率電気分解装置を利用したバラスト水処理システムに関する。詳細には、一次的にフィルター状の水処理管によって水中生物及び微生物に物理的衝撃を加えた後、二重陰極を用いた高効率電気分解装置によって、残留塩素を発生させて残留する水中生物及び微生物を完全に除去し、残留塩素を中和処理して自然海水に類似させて復元し排出するものである。

一般的に大部分の船舶は貨物を積載しない状態においては、船舶の均衡と安全な航海のために一定量の海水を取水して保管することから、船舶の均衡を維持するための装置であるバラストタンクが設置されている。しかし、このような船舶の安全な航海を目的として取水されるバラスト水は、海洋微生物の運搬及び疾病発生細菌を移動させる媒体として作用し、他地域の海洋汚染及び生態系破壊の主な原因として作用している。

１９９２年、ＵＮ環境開発会議の要請に基づき国際海事機構では、バラスト水による非土着生物の拡散防止及びバラスト水による生態系破壊と汚染を防止するための方策として、船舶が入港する前に一定の海域においてバラスト水を交換する方策と、積載しているバラスト水を物理、化学的に殺菌または消毒する二つの方策が提示された。

また、淡水または海水を取水して使用する冷却水処理装置または船舶の安全運転に関係するバラスト水処理装置に、貝類や微生物が棲息するようになると熱交換効率が低下し、一定した流量の供給困難及び設備運営の莫大な困難が発生することから、これを解決するために多様な方法でこれら生物を処理するための技術が開発されている。

上記のような目的で用いられる幾つかの処理装置―フィルタリング法、紫外線消毒法、加熱法、化学処理法及び電気的な処理方法―を比べた場合、経済的側面及び安全性側面そして処理効率面から電気分解処理処置が最も効果的と言える。

このような電気分解設備は、淡水では一定量の塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を投与し、海水では海水中に約３％程度含まれている塩化ナトリウムから次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＯＣｌ）を生成して、次亜塩素酸ナトリウムの強い殺菌力による淡水及び海洋生物の付着及び繁殖を防止するのに活用されている。

従来の電気分解による淡水または海水処理処置では、特許文献１〜３等がある。
しかし、大部分の淡水または海水電気分解装置で共通して発生する問題は、特許４〜５で言及したように、電解設備では電極や電気分解槽に電気分解の副産物である水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）や水酸化カリウム（Ｃａ（ＯＨ）２）が多量に附着し、電解電圧上昇、電極損傷及び電解効率低下などの多くの問題を誘発する。そして過多生産されたバラスト処理水は、排出地域の海洋生物に被害を与える原因として作用するようになる。

そのため、船舶のバラスト処理水及び工業用冷却水として使われている淡水または海水の電気分解装置を運転するにあたり、異物の付着を減らして電解効率を向上させることができる方策と過多生成された電解処理水による近隣海洋汚染を最小化できる技術が求められている。

韓国特許出願第１０−２００２−３６０８６号（２００２年６月２６日）「下水処理場の放流水電解消毒設備」 韓国特許出願第１０−２００５−００８５６０５号（２００５年９月１４日）「船舶用バラスト水の電解消毒装置」 韓国特許出願第１０−２００６−０１１３８６５号 （２００６年１０月１４日）「複極式電気分解システムを利用した船舶バラスト水殺菌装置」 韓国特許出願第１０−２００５−００７３４０８号（２００５．０８．１０）「海水電解設備の電極付着物を監視するための装置」 韓国特許出願第１０−２００６−０１２６６９４号「精密スイッチング整流器を利用した海水、淡水及び廃水の電解処理方法及び装置」

本発明は、このような問題点を解決するために案出されたものであり、一次的にフィルター形状に製作された水処理管を設置してバラスト水の流れの形態を変形し、５０マイクロ以上の水中生物に物理的な衝撃を加えて生物体を除去、または損傷させて生命力を微弱化し、二次的に二重陰極を用いた高効率電気分解装置を設置して残留塩素を発生させ、残留する水中生物及び微生物を完全に除去しつつ、海洋生物を完全に除去するために過剰生産された残留塩素成分を処理して自然海水に類似させ復元し、排出を可能にする中和処理装置を含む高効率電気分解装置を利用した船舶のバラスト水処理システムを提供するものである。

本発明は、船舶のバラスト水電気分解消毒処理装置において、一次的にフィルター型水処理管を活用して５０マイクロ以上の微生物に物理的な衝撃を加えることで、２次処理装置である電気分解槽での海洋生物の消毒処理効率を向上させ、また上記電気分解槽内部に電解水の流れる進行方向に沿って多数の陽電極板と陰電極板から成る電極を配置し、整流器を通じてそれぞれ電流を供給できるようにし、上記陽電極板に対応する陰電極板は複数配置され、このうち一つの陰電極板が運転を持続し、他の残りの陰電極板は附着した異物を脱落させる作用を交互に行うようにし、効率を極大化できるように具備された淡水または海水の電気分解装置を特徴とする。
更に、船舶のバラスト水を海洋に排出する前に中和装置を通過させることで、過剰に生産された残留塩素の中和効率を高め、装置の小型化及び中和剤の使用を最少にする要件を具備して近隣海洋汚染を防止するように構成されたシステムである。

本発明によると、船舶のバラスト水を処理するにあたり、電気分解槽及び電極構造を変更し、電気分解槽の前段にバラスト水の１次処理段階を導入して電気分解効率を極大化するとともに、中和剤の効率を向上させるべく最適の中和装置を具備し、海洋汚染を防止して安定的に海洋微生物を処理することができる。

本発明によるバラスト水処理システムの模式図 本発明による水処理管の模式図 本発明による水処理管内部のフィルター型隔膜を示した概略図 本発明による水処理管内部のフィルター型隔膜を示した概略図 本発明による水処理管内部のフィルター型隔膜を示した概略図 本発明による水処理管内部のフィルター型隔膜を示した概略図 電気分解装置の電極配置形態を示した模式図 電気分解装置の電極配置形態を示した模式図 本発明で排出されるバラスト処理水に含まれる残留塩素を中和剤で中和させて排出する中和装置の概略図

本発明は、船舶のバラスト水を処理するものであって、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＯＣｌ）、次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）及びオゾン（Ｏ_３）などの酸化性が強い物質を生成するものであって、電気分解電圧が低く電気分解効率を高めることができるとともにバラスト消毒処理装置の安定した運転が可能で、これによる経済的利益を得られるようにするところにその目的がある。またバラスト水を処理して海洋微生物を死滅させ、過剰生産された残留塩素を中和処理して自然海水と類似の形態で排出するところにその目的がある。

このような目的を達成するため、一次的にフィルター形態で製作された水処理管を設置してバラスト水の流れの形態を変化させ、５０マイクロ以上の水中生物に物理的な衝撃を加えて生物体を除去し、または損傷させて生命力を微弱ならしめ、二次的に二重陰極を使用した高効率電気分解装置を設置して残留塩素を発生させ、残留する水中生物及び微生物を完全に除去し、海洋生物を完全に除去すべく過剰生産された残留塩素成分を処理して自然海水に類似させて復元し、排出を可能にする中和処理装置と、上記電気分解装置前段にフィルター型水処理管を設置し、上記水処理管の内部にフィルター型隔膜を複数設置して電気分解槽の効率を増加させることができるようにしたことを含む船舶のバラスト水処理装置を特徴とする。

また、本発明は、上記電気分解槽の効率向上のために陽電極板は一直線上に配置され、陽電極板と対応して配置される複数の陰電極板は長さ方向の一端が相互に狭くなり、または広くなるように配置された構成により電解水の流れ及び流速を変化させて電気分解槽の電極に異物が附着することを最小化できるようにしたことを特徴とする。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して詳しく説明する。なお、本発明を説明するにあたって関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を不必要にわかりづらくするものと判断される場合は、その詳細な説明を省略する。

本発明は、船舶のバラスト水処理処置において、バラスト水の流入管路上に設置されて流速の流れを変形し、水中生物及び微生物に物理的衝撃を加えて生物体を死滅または微弱化するフィルター型水処理管（４０）と、上記フィルター型水処理管（４０）の出口方向管路に設置されて二重陰極を使ったバラスト水処理用電気分解装置によって残留塩素を発生させて残留する水中生物及び微生物を完全に除去する電気分解槽（１０）と、上記電気分解槽（１０）からバラストタンクを通して排出されるバラスト処理水における残留塩素を中和剤で中和させ排出する中和装置（５０）と、上記電気分解装置前段にフィルター型水処理管（４０）を設置し、上記水処理管（４０）の内部にフィルター型隔膜（４１）を複数設置して電気分解槽（１０）の効率を増加させる。

すなわち、図１で表したように、一次的にフィルター型水処理管（４０）を活用し、５０マイクロ以上の微生物に物理的な衝撃を加えて海洋生物の一部を死滅させ、または弱めて消毒処理装置である電気分解槽（１０）での処理効率を向上させるように具備され、また船舶のバラスト水処理水の微生物を完全にとり除くために過剰に生産された残留塩素の中和効率を高めて装置の小型化及び中和剤の量の最少化のため中和装置（５０）に具備してバラストタンクでバラスト処理水を排出するにあたり近隣海洋汚染を予防するように構成されたシステムから成っていて、上記水処理管（４０）は電気分解装置前段に設置し、水処理管（４０）の内部に複数のフィルター型隔膜（４１）を設置して電気分解槽（１０）の効率を増加させる。

図２は、本発明によるバラスト処理システムに使用したフィルター型水処理管の模式図である。管路の一部、または全部を５０マイクロ以下のフィルター型隔膜（４１）で遮断し、５０マイクロ以上の海洋生物に物理的な衝撃を加えつつ海水の流れによる影響を最小化する形態をもつ。フィルター型隔膜（４１）の前後段の圧力差によりフィルター型隔膜の自動洗浄が可能な構造であり、上記水処理管（４０）に設置されたフィルター型隔膜（４１）はフィルターの大きさが最大１００マイクロから最小２５マイクロにすることが望ましい。

図３及び４は、水処理管内部に複数設置されたフィルター型隔膜（４１）の構造を表わしたものである。大きさが５０マイクロ以上の水中生物への衝撃を極大化するために隔膜支持台（４３）に扇形模様のフィルター型隔膜（４１）を上下または左右に交互に設置するとともに、上記水処理管（４０）のフィルター型隔膜（４１）は管内径と比較して最大９５％から最小３０％の断面積で具備されており、４５度から１８０度間隔で回転させた形で設置して流体の流れ形態を変形させる構造をもたせている。

図５は、水処理管内部に設置されたフィルター型隔膜（４１）の詳細構造を表したもので、水処理管（４０）に設置されたフィルター型隔膜（４１）の両面に打抜加工されたフィルター支持板（４４）を設置した構造となっている。

図６は内部に設置されたフィルター型隔膜表面の詰まりを防ぐためのバッフル（４５）の模様を表わしたもので、フィルター型隔膜（４１）表面に異物が附着した場合、逆流が発生して表面の異物を除去するフィルター（４２）の自動洗浄を可能にする。

図７及び８のバラスト水電気分解装置において、一方に流入部（１２）が具備され、他方に排出部（１４）が具備されて淡水または海水からなる電解水が通過するようにした電気分解槽（１０）と、上記電気分解槽（１０）の内部に電解水の流れる進行方向に多数の陽電極板（２０）と陰電極板（３０）から成る電極を配置して整流器（図示せず）を通じてそれぞれ電流を供給するが、上記陽電極板（２０）に対応する陰電極板（３０）は、複数配置され、ある一つの陰電極板（３０）は運転を持続し、また他の残った陰電極板（３０）は、附着した異物を脱落させる作用を交互に行わせて長期間の電気分解槽の運転を可能にする。

そして、上記電気分解槽（１０）の内部を通過する電解水の流れる進行方向に配置された陽電極板（２０）と複数の陰電極板（３０）は平面上で相互に一直線上に配置されており、両側の間の幅が等間隔（３０ａ）に具備されるよう平行を成す形態で配置される。

図９は排出されるバラスト処理水における残留塩素を中和剤で中和させ排出する中和装置（５０）を表わしたもので、上記中和装置（５０）は、中和剤投入口（５２）から流入する中和剤と排出される処理水の混合効果を高めるために内部に打抜加工された多孔性隔膜（５１）を設置した構造になっていて、隔膜の打抜加工比率が全体隔膜面積の５０％以上のものを使用した。

上記のような船舶のバラスト水の処理を可能にする本発明のバラスト水処理システムによる多くの比較実施例を、次に記した。

バラスト水処理システムは、５０マイクロフィルター型隔膜が設置された水処理管（直径２．５ｃｍ、長さ２５ｃｍ）と内部空間が横１０ｃｍ、縦２０ｃｍ、高さ１０ｃｍである電気分解装置に１組が陽電極板と陰電極板の２枚からなる電極４組を設置してバラスト水消毒処理に使用するとともに、過剰生産された残留塩素中和処理のために直径２０ｃｍ、長さ５０ｃｍの中和装置を製作して使用した。
使用された海水の塩度は２．９％であり、流量は５トン／時間の条件で直流電流を供給しつつ電気分解反応と中和反応を実施した。

前段にフィルター型水処理管を設置し、陽電極板と対応する陰電極板を複数具備して電気分解装置を運転したところ、消毒処理した海水の残留塩素量の時間による変化が少なく、異物の付着による電圧上昇を最小化してバラスト水の消毒処理効果持続時間の増加及び電気分解装置の効率を向上させることができた。したがって、フィルター型水処理管を設置による残留塩素量の変化が少ないことから、一定期間消毒効果を維持するための初期生成された残留塩素量を減少させることができ、これに伴う中和剤の使用を最適化できたことで中和処理装置を最小化することができた。

５０マイクロフィルター型隔膜が設置された水処理管（直径２．５ｃｍ、長さ２５ｃｍ）を設置して ５０マイクロ以上の多様な水中生物（アルテミア（Ａｒｔｅｍｉａ），ロティファ（Ｒｏｔｏｆｅｒ）など）を投与した海水を通過させて生存している水中生物を確認した。水中生物の個体数は約１百万個体程度を初期に投与し、流速を４４、６３、８３Ｌ／分と変化させて、水処理管を通過した微生物のうち生存した個体数を確認した。

上の表に見るように流速が増加するに従い水処理管による５０マイクロ以上の微生物処理効率が増加することを確認した。しかし、１００マイクロ以上のフィルターを応用したフィルター型隔膜を設置したケースでは微生物の除去に大きな効果はなく、小さすぎる大きさ（２５マイクロ以下）のフィルターを使用したケースでは、内部圧力が増加する問題点が発生した。また、フィルター型隔膜の断面積が増加するに伴い装置が大きくなり、断面積が小さくなると効果が落ちる問題が発生した。すなわち、微生物処理の効率性を考慮して水処理管（４０）のフィルター型隔膜（４１）が管内径比最大９５％から最小３０％の断面積で設計されたバラスト水処理装置において期待効用性が見られることを確認した。

以上、本発明について上記実施例を参考に説明したが、本発明は、その趣旨から逸脱しない範囲で、適宜設計変更可能である。

Claims (4)

1. バラスト水処理システムにおいて、
   バラスト水の流入管路上に設置され、流速を変え、水中生物及び微生物に物理的衝撃を加えて生物体を死滅または微弱化するフィルター型水処理管（４０）と、
   フィルター型水処理管（４０）の出口方向管路に設置され、多重陰極を使用したバラスト水処理用電気分解装置によって残留塩素を発生させて、残留する水中生物及び微生物を完全に除去する電気分解槽（１０）と、
   電気分解槽（１０）からバラストタンクを通して排出されるバラスト処理水における残留塩素を、中和剤で中和させて排出する中和装置（５０）とを備え、
   電気分解装置前段にフィルター型水処理管（４０）を設置するにあたり、フィルター型水処理管（４０）の内部にフィルター型隔膜（４１）を複数設置して、電気分解槽（１０）の効率を増加させ、
   多重陰極を使用したバラスト水処理用電気分解装置においては、通電運転をする一つの陰電極板を交互に変え、他の陰電極板では附着した異物を脱落させる作用を交互に行わせ、
   更に、フィルター型水処理管（４０）に設置されたフィルター型隔膜（４１）の両面に、打抜加工されたフィルター支持板（４４）を設け、そのフィルター支持板（４４）の端にバッフル（４５）を設置し、フィルター型隔膜（４１）表面に異物が附着した場合に逆流が発生して表面の異物を除去させる
   ことを特徴とする高効率電気分解装置を用いたバラスト水処理システム。
2. フィルター型水処理管（４０）に設置されたフィルター型隔膜（４１）が、フィルターの孔の大きさが最大１００マイクロメートルから最小２５マイクロメートルである
   請求項１に記載のバラスト水処理システム。
3. フィルター型水処理管（４０）のフィルター型隔膜（４１）が、管内径比最大９５％から最小３０％の断面積として具備される
   請求項１に記載のバラスト水処理システム。
4. フィルター型水処理管（４０）内部に設置されたフィルター型隔膜（４１）が、４５度から１８０度間隔で回転させた形態で設置し、流体の流れ形態を変形させる構造を有する
   請求項１に記載のバラスト水処理システム。

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