KR101677479B1 - 밸러스트수 처리 장치와 상기 장치를 사용한 밸러스트수 무해화 처리 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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니혼소자이가부시키가이샤
고쿠리츠 다이가쿠 호진 도호쿠 다이가쿠
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Abstract

본 발명은 단순히 통수하는 것만으로 밸러스트수에 포함되어 있는 살균 성분을 분해해 갈 수 있고, 살균 성분 흡착제와 같은 것을 대폭 적게 할 수 있는 밸러스트수 처리 장치를 제공하는 것을 해결 과제로 한다. 본 발명의 밸러스트수 처리 장치(3)는 취수구(6)로부터 밸러스트 탱크(1)에 이르는 취수관(7)에 설치되고, 고압 압송 펌프(9)로부터 취수한 해수(2)의 공급을 받는 단부 벤투리관(33)을 1 내지 복수개 병설하여 내장한 전단류 발생부(31)와, 접속 배관(36)을 개재하여 전단류 발생부(31)에 이어서 설치된 본체 원통부(37a)와 밸러스트 탱크(1)를 향하는 취수관(7)에 접속하는 디퓨저 배관(38)을 구비한 선회류 발생부(37)로 구성되고, 살균 성분 혼입 장치(4)를 개재하여 밸러스트 탱크(1)로 밸러스트수(2)를 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

밸러스트수 처리 장치와 상기 장치를 사용한 밸러스트수 무해화 처리 시스템 및 그 방법{BALLAST WATER TREATMENT DEVICE, SYSTEM FOR RENDERING BALLAST WATER HARMLESS USING THE DEVICE, AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 선박의 밸러스트 탱크에 채워지는 밸러스트수의 무해화 처리에 관한 것이다.
최근의 글로벌화에 의한 무역의 급확대와 대형 선박의 지구 규모의 운항에 따라, 방대한 밸러스트수(선박의 기항지에서 급·배수되는 공선(空船)일 때의 밸런스용의 물)가 전세계에 뿌려지고, 이것에 의해 기항지의 만 연안의 생태계를 어지럽힌다고 하는 문제가 클로즈업되고 있다. 이로 인해 선박의 밸러스트수 및 침전물의 규제와 그 관리를 위한 국제 조약이 채택되어, 선박의 밸러스트 용량에 따른 밸러스트수 처리 기준(수질, 고농도의 잔류 약제를 포함하지 않을 것)을 준수하는 것을 의무화하게 되었다.
그 방법의 하나로서, 해수의 밸러스트 탱크로 물을 주입함에 있어서는 해수를 여과하여 해수 중의 동식물성 플랑크톤 등 비교적 대형 수생 생물을 포착·제거하는 취수용 여과 장치, 여과된 해수 중에 살균제(차아염소산나트륨)를 공급하는 살균 성분 혼입 장치(살균제의 직접 투여 또는 해수의 전기 분해), 살균 성분 혼입 장치의 하류측에 설치되고, 살균제가 혼입된 여과 해수를 벤투리(venturi) 효과에 의해 확산시키는 동시에 여과 해수 중의 수생 생물에 대해 손상을 주거나 사멸시키는 벤투리관, 살균제가 혼입된 밸러스트수의 방출시에 살균제를 분해하는 살균 성분 분해제 공급 장치와, 이 살균 성분 분해제 공급 장치의 하류측에 설치되고, 살균 성분 분해제를 확산하는 벤투리관(물 주입시의 것과 겸용)을 구비한 밸러스트수 처리 장치(특허문헌 1, 도 2)가 제안되어 있다. 또한, 벤투리관을 직렬로 접속하고, 최종열(列)의 벤투리관의 하류에 추가로 살균제를 투입하여 살균력을 향상시키는 경우도 개시되어 있다(특허문헌 1, 도 3).
여기에서, 살균제 투여가 상기한 바와 같은 해수의 전기 분해 방식에 의한 경우, 그 방법은 다양한 것이 있다(예를 들면 특허문헌 2). 밸러스트수 처리에서는, 살균제에 농담(濃淡)이 생기지 않도록 또한 신속하게 대량의 밸러스트수를 처리해 갈 필요가 있으며, 단순히 해수의 전기 분해를 행하여, 생성된 살균제를 여과 해수에 혼입한다고 하는 방식이나 살균제의 투여만으로는 살균 성분의 농도가 불균일해져 생존하는 것이 많아져 밸러스트 처리로서는 부적절하였다. 특허문헌 1에서는 이를 위해 벤투리관을 채용하고, 살균제의 균일 확산을 도모하고 있다.
그리고 살균제의 농도를 소정값(세균의 번식을 억제하는 양)으로 유지하면서 다음 기항지까지 항해하고, 거기에서 배수시에 살균 성분 분해제를 투입하여 살균제를 분해하는 것으로 하고 있다. 그 경우, 살균제를 완전하게 분해하고자 하면 과잉의 분해제의 투입이 필요해지고 이것이 배수에 잔류하여, 배수지의 해수를 오염시켜 버린다고 하는 문제가 있다.
또한, 마이크로 버블 발생용의 벤투리관으로서 종래보다 고효율의 것으로서 후부(喉部)에 개구하는 전단류 발생용의 오목부를 갖는 단부(段付) 벤투리관이 개시되어 있다(특허문헌 3).
일본 공개특허공보 제2007-144391호 일본 공개특허공보 제(평)06-254567호 일본 공개특허공보 제2009-136864호
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 단순히 통수(通水)하는 것만으로 대량의 밸러스트수에 포함되어 있는 살균 성분의 상당한 양을 분해해 갈 수 있고, 살균 성분 분해제 또는 살균 성분 흡착제와 같은 것의 사용을 가능한 한 적게 할 수 있는 밸러스트수 처리 장치를 제공하는 것을 그 해결 과제로 하고, 부수적으로는 상기 밸러스트수 처리 장치를 사용함으로써 보다 간편한 밸러스트수 무해화 처리 시스템을 제공하는 것 및 상기 장치에 있어서의 밸러스트수의 처리 방법의 제공을 해결 과제로 한다.
청구항 1에 따르는 발명은,
(1a) 취수구(6)로부터 밸러스트 탱크(1)에 이르는 취수관에 설치되고, 고압 압송 펌프(9)로부터 취수한 해수(2)의 공급을 받는 전단류(剪斷流) 발생부(31)와, 접속 배관(36)을 개재하여 전단류 발생부(31)에 이어서 설치된 선회류 발생부(37)로 구성되며, 살균 성분 혼입 장치(4)를 개재하여 밸러스트 탱크(1)로 밸러스트수(2)를 공급하는 밸러스트수 처리 장치(3)로서,
(1b) 전단류 발생부(31)는 흐름에 따라서 그 횡단면적을 점차 감소시키는 입구측 축경부(33a), 입구측 축경부(33a)의 하류측에 설치되고, 흐름에 따라서 그 횡단면적을 점차 증가시키는 출구측 확경부(33c), 입구측 축경부(33a)와 출구측 확경부(33c)를 연결하는 후부(33b), 및 후부(33b)에 개구하고, 후부(33b)에 통류하는 전체 용적의 해수에 나노 버블을 발생시키는 전단류 발생 오목부(33d)로 구성된 단부 벤투리관을 1 내지 복수개 병설하여 내장한 것이며,
(1c) 선회류 발생부(37)는 원통형상으로 그 외주면에 대해 전단류 발생부(31)의 접속 배관(36)이 경사져서 접속되고, 접속 배관(36)을 통과하여 대량으로 잔류하고 있던 나노 버블을 포함하는 살균 성분 함유 밸러스트 해수(2)가 접속 배관(36)의 경사에 맞추어 고속으로 흘러 들어 오고, 내부에서 그 내벽을 따라 고속 선회류를 형성하는 동시에 출구 방향으로 향하게 하고, 출구에 있어서 상기 해수(2)를 압축하는 본체 원통부(37a), 그 출구에 흐름 방향을 따라 그 횡단면적을 점차로 확대하는 내주면이 형성되고, 다시 급격한 팽창에 의한 수압 감소에 의해, 나노 버블의 마이크로 버블화와 마이크로 버블의 파포(破泡)에 의한 캐비테이션의 발생 촉진과 심한 난류를 발생시키고, 살균 성분 혼입 장치(4)로 향하는 취수관(7)에 접속하는 디퓨저 배관으로 구성된 것을 특징으로 한다.
청구항 2에 따르는 발명은 청구항 1의 디퓨저 배관(38)에 관한 것으로, 디퓨저 배관(38)의 내주면은 흐름 방향을 따라 그 횡단면적을 단상(段狀)으로 확대하는 1 내지 다단 디퓨저(38a 내지 38c)로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 3에 따르는 발명은 청구항 1의 선회류 발생부(37)에 관한 것으로서, 선회류 발생부(37)에는 본체 원통부(37a)의 입구측 상면(37c)의 중앙 부분에 외기 공급부(39)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 4에 따르는 발명은 청구항 1에 기재된 밸러스트수 처리 장치(3)를 사용한 밸러스트수 무해화 처리 시스템 A로,
(4a) 밸러스트수(2)를 축적하는 밸러스트 탱크(1)와,
(4b) 취수구(6)와 밸러스트 탱크(1)를 연결하는 취수관(7)과,
(4c) 취수관(7)에 설치된 고압 압송 펌프(9)와,
(4d) 고압 압송 펌프(9)의 하류측에 설치되고, 청구항 1에 기재된 밸러스트수 처리 장치(3)와,
(4e) 밸러스트수 처리 장치(3)의 하류측에 설치되고, 밸러스트수 처리 장치(3)로부터 보내진 밸러스트수(2)에 살균 성분을 혼입시키는 살균 성분 혼입 장치(4)와,
(4f) 밸러스트 탱크(1)와 고압 압송 펌프(9)의 상류측의 취수관(7)을 접속하는 양수(揚水) 배관(17)과,
(4g) 밸러스트수 처리 장치(3)의 하류의 취수관(7)으로부터 분기된 배수관(11)과,
(4h) 배수관(11)에 설치된 잔류 살균 성분 제거 장치(16)와,
(4i) 취수관(7)과 양수 배관(17)의 분기 부분(P1)에 설치되고, 취수시와 양수시의 전환을 행하는 통수 전환 밸브(R1)와,
(4j) 취수관(7)과 배수관(11)의 분기 부분(P2)에 설치되고, 취수시와 배수시의 전환을 행하는 통수 전환 밸브(R2)로 구성된 것을 특징으로 한다.
청구항 5에 따르는 발명은 청구항 4에 기재한 밸러스트수 무해화 처리 시스템 A에 의한 밸러스트수 무해화 처리 방법으로,
밸러스트 탱크(1)로의 급수시에서는, 취수한 해수(2)를 여과한 후, 여과 해수(2)를 청구항 1에 기재한 밸러스트수 처리 장치(3)로 통과시키고, 이렇게 한 후, 상기 해수(2)에 살균 성분(5)을 가한 후 밸러스트 탱크(1)에 공급하고,
밸러스트 탱크(1)로부터의 배수시에서는, 밸러스트 탱크(1) 내의 해수(2)를 퍼내어 청구항 1에 기재된 밸러스트수 처리 장치(3)로 통과시키고, 계속해서 활성탄으로 상기 해수(2) 내의 잔류 살균 성분을 제거한 후, 배수하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 밸러스트 탱크(1)로의 물 주입시에 있어서, 취수한 해수(2)를 압입하면 밸러스트수 처리 장치(3) 내에서 나노 버블의 대량 발생과 선회류에 의한 상당한 양의 나노 버블의 마이크로 버블화, 잔류 나노 버블이나 마이크로 버블의 연쇄적 파열 등이 혼재하는 캐스케이드장(場)을 생성시킬 수 있고, 이 캐스케이드장에 미소 동식물 수생 생물이나 균류를 포함하는 해수(2)를 통과시킴으로써, 상기 수생 생물 등의 전부 또는 그 대부분을 상처내거나 또는 살멸(殺滅)할 수 있기 때문에, 상처받으면서도 생존한 수생 생물 등의 추가 살멸에는 소량의 살균 성분의 혼입이면 충분하게 된다. 게다가, 상기 캐스케이드장을 통과한 생존 수생 생물 등은 큰 대미지를 받고 있기 때문에, 시간의 경과(최장 5일)와 함께 상기 살균 성분의 효과로 점차 사멸(死滅)되어 간다. 단, 상기한 바와 같은 캐스케이드장에 견딜 수 있는 시스트(일시적으로 작은 세포체나 유생이 두꺼운 막을 뒤집어 쓰고 휴면 상태에 들어간 것 같은 상태의 것)가 잔류하고, 이들이 긴 항해 중에 밸러스트 탱크(1) 내에서의 재활성화와 증식을 일으킬 가능성도 있지만, 상기 혼입 살균 성분이 이것을 억제한다.
해외 하적(荷積)항에서 하적시에 밸러스트 탱크(1) 내의 밸러스트수(2)를 배수하는 경우, 밸러스트 탱크(1)의 밸러스트수(2)는 살균 성분을 포함하기 때문에, 다시 밸러스트수 처리 장치(3)에 의한 어느 정도의 살균 성분의 분해 및 잔류 살균 성분 제거 장치(16)를 통과시켜 탈살균 성분을 제거한 후 배수한다. 이것에 의해 상기의 살균 성분이나 밸러스트수(2) 내에 생존하고 있던 약간의 잔류 수생 생물이나 세균류도 이 때 분해 및 살멸된다.
도 1은 본 발명의 배관 계통도.
도 2는 본 발명에서 사용하는 밸러스트수 처리 장치의 작동시에, 도 4의 X-X 부분 단면도.
도 3은 도 2의 Y-Y 단면도.
도 4는 도 2의 Z-Z 부분 단면도.
도 5는 본 발명에서 사용하는 교류 전기 분해 장치의 개략 단면도.
도 6은 밸러스트수의 나노 버블 발생 장치 통류(通流)에 의한 살균 성분 분해·휘산 상황을 도시하는 표.
이하, 본 발명에 따르는 해수 무해화 처리 시스템 A의 일례에 관해서 구체적으로 설명한다. 동 시스템 A의 일례로서, 선박의 밸러스트수의 급배수 장치나 발전소의 냉각 설비에 사용되는 급배수 시스템이지만, 이하, 선박의 밸러스트수의 급배수용을 대표예로서 설명한다. 또한, 발전소의 냉각 시스템의 경우에는, 선박을 발전소, 밸러스트 탱크를 냉각수 저장 탱크, 밸러스트수를 냉각수로 바꿔 읽는 것으로 한다.
밸러스트 탱크(1)는 선박의 선수 부분으로부터 선미 근방 부분에 걸쳐서 배 밑바닥에 설치된 밸러스트수(2)를 축적하기 위한 탱크로, 내부에 다수의 연통 구멍(112)을 갖는 종횡의 칸막이벽(111)이 설치되고, 도시하지 않은 배수 설비로 밸러스트 탱크(1) 내의 밸러스트수(2)의 양이 조정되어 선박의 밸런스를 유지하도록 되어 있다.
취수구(6)와 배수구(12)는 선측부에 설치되어 있고, 취수관(7)에 취수구(6)와 밸러스트 탱크(1)가 연결되어 있고, 취수관(7)의 취수구(6) 또는 그 근방부에는 취수용 여과 장치(F1)가 설치되고, 또한 취수용 여과 장치(F1)에 이어서 고압 압송 펌프(9), 밸러스트수 처리 장치(3), 살균 성분 혼입 장치(4)가 설치되어 있다. 그리고, 취수용 여과 장치(F1)와 고압 압송 펌프(9) 사이의 분기 부분(P1)에 있어서 양수 배관(17)이 취수관(7)에 접속되어 있고, 밸러스트 탱크(1)의 밸러스트수(2)를 양수하도록 되어 있다. 그리고 상기 분기 부분(P1)에는 통수 전환 밸브(R1)가 설치되어 있다. 고압 압송 펌프(9)의 하류측에는 밸러스트수 처리 장치(3)가 설치되어 있고, 밸러스트수 처리 장치(3)의 하류측에는 살균 성분 혼입 장치(4)가 설치되어 있고, 살균 성분 혼입 장치(4)로부터 인출된 취수관(7)이 밸러스트 탱크(1)에 연결되어 있다. 그리고, 밸러스트수 처리 장치(3)와 살균 성분 혼입 장치(4) 사이의 분기 부분(P2)에 배수관(11)이 설치되어 있고 배수구(12)에 접속되어 있다. 상기 분기 부분(P2)에는 통수 전환 밸브(R2)가 설치되어 있다. 상기 배수구(12) 또는 그 근방부에 배수용 여과 장치(F2)가 설치되고, 배수용 여과 장치(F2)의 상류측에서 배수관(11)에 살균 성분 제거 처리부(16)가 설치되어 있다. 살균 성분 제거 처리부(16)의 충전제로서는 해양 투기 전에 밸러스트수 처리 장치(3)에 의해 전부 분해 처리되지 못하고 잔류한 살균 성분을 흡착하는 활성탄과 같은 것을 생각할 수 있다.
통수 전환 밸브(R1, R2)는 통수 방향을 전환하는 것으로, 통상, 삼방(三方) 전자전환 밸브가 사용된다. 도면의 실시예의 경우, 분기 부분(P1, P2)에 통수 전환 밸브(R1, R2)와 동일한 역할을 하는 한 쌍의 개폐 밸브(R1a, R1b, R2a, R2b)가 각각 설치되도록 표시하고 있다. 여기에서 개폐 밸브(R1a)는 취수구(6)측의 여과 장치(F1)로부터 분기 부분(P1) 사이에 설치되어 있고, 개폐 밸브(R1b)는 양수 배관(17)에 설치되어 있다. 개폐 밸브(R2a)는 분기 부분(P2)과 살균 성분 혼입 장치(4) 사이, 개폐 밸브(R2b)는 배수관(11)에 설치되어 있다.
취수용 여과 장치(F1)는 조(粗) 여과부와 미세 여과부로 나누어져 있고, 조 여과부는 선측부의 취수구(6)로부터 취수된 해수(2) 중의 크기가 다양한 쓰레기 등의 협잡물, 해파리나 해조류 등의 수생 생물 중, 큰 것을 제거하고, 조여과부에 이어서 설치된 미세 여과부에서는 해수(2) 중에 존재하는 동식물 플랑크톤류를 어느 정도 보충한다. 마찬가지로 배수용 여과 장치(F2)는 밸러스트 탱크(1)로부터 양수 된 밸러스트수(2) 내의 협잡물 이외를 여과한다.
고압 압송 펌프(9)의 하류측에 설치된 밸러스트수 처리 장치(3)는, 입구측으로부터 전단류 발생부(31), 이것에 이어서, 그 본체 원통부(37a)의 출구에 접속된 디퓨저 배관(38)을 갖는 선회류 발생부(37)로 구성되고, 그 일례는 도 2 내지 도 4에 도시하는 바와 같은 것이다. 전단류 발생부(31)는 전실(31a), 다수의 단부 벤투리관(33)이 병설 장착되어 있는 후실(31b), 후실(31b)과 선회류 발생부(37)를 연결하는 접속 배관(36)으로 구성되어 있다. 전실(31a)은 고압 압송 펌프(9)로부터의 배관(취수관(7))에 접속되는 부분으로, 전실(31a) 내에 개구하는 복수의 병렬 배치된 단부 벤투리관(33)의 입구(34)를 커버하기 위한 내경이 확장된 유저(有底) 원통상의 것으로, 바닥 부분에 상기 취수관(7)이 접속되고, 개구측이 후실(31b)과 플랜지 접속되어 있다.
후실(31b)은 전실(31a)과 같은 유저 원통상의 것으로, 입구측의 개구 부분을 폐색하는 칸막이판(31c)에 복수의 단부 벤투리관(33)이 병렬하여 삽통 설치되어 있다. 그리고, 후실(31b)의 후면(31d)으로부터 접속 배관(36)이 도출되고, 선회류 발생부(37)의 본체 원통부(37a)의 출구측 외주면에 대해 상기 접속 배관(36)이 경사져서 접속되어 있다. 그 접속 각도는 선회류 발생부(37)의 본체 원통부(37a)의 출구측 외주면에 대해 경사져서 (예를 들면, 접선 방향으로) 접속되어 있다.
단부 벤투리관(33)은 입구(34)는 다각형[상기 다각형은 입구(34) 사이에 흐름에 대해 직각 상태가 되어 유로 저항이 되는 평면부가 발생하지 않도록 칸막이판(31c)의 거의 전면에 조밀하게 병설할 수 있으면 좋으며, 이들에는 3 내지 6각형이 있고, 여기에서는 6각형이 선택되고, 이들을 벌집 모양으로 배열하고 있다. 물론, 입구(34)는 다각형이 아니며, 도시하지 않지만 원형이라도 좋고, 이 경우에는 서로 근접하는 원형 입구 사이에 칸막이판(31c)이 위치하게 되기 때문에, 이 부분이 저항이 되어 전실(31a)측에서의 압손이 약간 커진다.]이고, 입구(34)로부터 후부(33b)를 향하여 점차 그 내경을 축경하면서 그 단면 형상을 원형으로 변화시키고, 입구(34)로부터 후부(33b)를 향하여 유선형을 구성하는 입구측 축경부(33a), 짧고 중공의 가는 원통상의 후부(33b), 후부(33b)로부터 출구 방향을 향하여 그 내경을 확경해 가는 단면 형상 원형의 출구측 확경부(33c) 및 후부(33b)로 개구하고 있는 전단류 발생 오목부(33d)로 구성되어 있고, 전단류 발생 오목부(33d)는 이 경우, 후부(33b) 전체 둘레에 걸쳐 개구하는 원반상의 공극이다. 전단류 발생 오목부(33d)의 개구폭이나 사이즈(깊이)를 조절함으로써 후부(33b)에 통류하는 전체 용적의 해수(2)에 나노 버블을 발생시킬 수 있다.
선회류 발생부(37)는 원통상의 본체 원통부(37a)와 출구에 설치된 디퓨저 배관(38) 및 필요에 따라 설치되는 외기 공급부(39)로 구성된다. 외기 공급부(39)는 본체 원통부(37a)의 상면(37c)의 중앙 부분에 접속된 배관(39c), 여기에 장착된 외기 공급 개폐 밸브(39a)와 외기 공급 펌프(39b)로 구성되어 있다. 물론, 작동 중의 선회류 발생부(37)의 내부가 부압(負壓)인 경우에는 외기 공급 펌프(39b)를 설치하지 않고, 배관(39c)에 의한 자연 흡기로 하는 것도 가능하다. 상기 배관(39c)은 본체 원통부(37a)의 중심축에 맞추어 설치되고, 외기가 본체 원통부(37a) 내로 공급되도록 되어 있다. 또한, 도면의 실시예에서는 배관(39c)에 연결되는 급기 구멍이 1개이지만, 이것으로 한정되지 않고, 상면(37c) 전면에 형성하고, 배관(39c)을 이들에 접속하도록 해도 좋다.
디퓨저 배관(38)은 본체 원통부(37a)의 출구측의 하면(37b)의 중앙에 설치되고, 그 내면에는 내경이 흐름에 따라 점차 그 단면적을, 도시하지 않지만 매끄러운 면의 나팔형 또는 도시하지 않지만 1단 또는 도 3과 같은 복수로 단상으로 증가시키면서 그 단면 형상은 원형을 나타내는 다단 디퓨저(38a 내지 38c)가 설치되고, 취수관(7)에 접속되어 있다.
본 실시예에서는 밸러스트수 처리 장치(3)는 1기(基)로 하고 있지만, 처리 해수량에 따라서는 복수 대를 병렬로 병설해도 좋고, 연속하여 나노 버블 처리를 행하는 경우에는 직렬로 설치해도 좋다. 또한, 병렬로 설치되는 단부 벤투리관(33)의 수는 적절한 수가 선택된다. 단부 벤투리관(33)의 수가 1인 경우, 전실(31a) 및 후실(31b)을 생략하고 취수관(7)이나 접속 배관(36)을 직접 단부 벤투리관(33)의 입구(34)나 출구(35)에 접속할 수 있다.
여기에서, 밸러스트수 처리 장치(3)의 배수시에 있어서의 탈염소 작용 및 취수시의 수생 생물 등에 대미지를 주는 작용을 설명한다. 밸러스트 탱크(1)로부터 양수된 밸러스트 해수(2)는 고압 압송 펌프(9)로 입구측 축경부(33a)로부터 후부(33b)를 향하여 급속하게 가압되면서 밀어 넣어지고, 전단류 발생 오목부(33d)에서 갑자기 팽창하여 격심한 전단류를 발생시키고, 외부로부터의 공기를 흡인하지 않고 전단류 발생 오목부(33d)에 있어서의 유체적 공명 현상을 이용하여 에너지의 집중과 급개방을 실현하여 대량의 나노 버블을 발생시킨다. 나노 버블은 강한 표면 장력을 갖는 기포로 거의 체적 제로의 상태로 물속에 존재하고 있다. 발생한 대량의 나노 버블의 일부는 출구측 확경부(33c) 내에서 압력의 감소와 함께 급팽창(리바운드)하고, 그 일부는 압력의 급회복시에 기포 사이즈가 급축소되어 파열시에 마이크로젯과 충격파를 생성한다. 잔부는 후실(31b), 접속 배관(36)을 통과하고 여기에 이어지는 선회류 발생부(37)로 유입된다.
선회류 발생부(37)에서는 대량으로 잔류하고 있던 나노 버블을 포함하는 살균 성분 함유 밸러스트 해수(2)가 접속 배관(36)의 경사에 맞추어 고속으로 흘러 들어 오고, 선회류 발생부(37)의 내벽을 따라 고속 선회하면서 출구인 디퓨저 배관(38) 방향으로 이동하고, 이 과정에서 격심한 선회류를 형성한다. 그리고 이 고속선회의 원심력에 의해 본체 원통부(37a)의 중심 부분의 압력보다 외주 부분의 압력이 높아진다.
또한, 선회류 발생부(37)에서는 외기 공급부(39)로부터 외기를 흡인하는 경우와 흡인하지 않는 경우가 있고, 흡인하지 않는 경우에는 외기 도입이 없기 때문에 본체 원통부(37a) 내의 압력이 저하된다. 한편, 외기를 흡인하면, 그 만큼, 본체 원통부(37a) 내의 압력은 그다지 저하되지 않는다. 대신에 다량의 MN 버블(마이크로·나노 버블로, 내부가 공기)을 발생시키게 된다. 또한, 본체 원통부(37a) 내의 선회류에 의한 중심 부분의 압력이 충분히 낮으면 자연 흡인이 되고, 불충분하면 외기 공급 펌프(39b)에 의한 강제 흡기가 된다.
강제 급기의 경우, 외기 공급부(39)의 개폐 밸브(39a)를 열고, 작동시킨 외기 공급 펌프(39b)로부터의 공기를 선회류 발생부(37)에 압입하면(또는 자연 흡인에 의해 외기가 흡인되는 경우도 동일), 배관(30c)의 출구 부분에서 공기가 살균 성분 함유 밸러스트 해수(2)와 혼합된 대량의 기포를 포함하는 기액 혼합액이 되고, 상기의 접속 배관(36)으로부터의 선회류를 타고 그 외기 공급부(39)의 중심축을 어느 정도 따라 선회하면서 출구를 향하여 나아간다.
그리고 흡인한 공기의 어느 정도 사이즈가 큰 기포 부분과, 살균 성분 함유 밸러스트 해수(2)인 액체 부분 사이에 비중차가 발생하기 때문에, 액체 부분에 원심력이 작용하고, 기포 부분에는 향심력이 작용하여 기액 분리가 어느 정도 일어나고, 다량의 기포가 중심에서 집합하여 그 굵기를 바꾸면서 또한 끈 형상을 나타내면서 출구 방향으로 이동하고, 그 동안에, 액체 부분의 고속 선회에 의한 선회류에서 기포의 일부가 미세하게 전단 분할되어 나노 버블을 포함하는 미세 버블의 대량 발생과 급속한 확산이 본체 원통부(37a) 중에서 발생한다.
외기 도입을 하지 않은 경우에는, 대량 잔류한 단부 벤투리관(33)으로부터의 대량의 나노 버블은 선회류의 저압 부분에서 성장하여 마이크로 버블화(리바운드)한다.
그리고, 그 출구(37d)에 있어서 압축된 후, 디퓨저 배관(38)에 있어서 다시 급격한 팽창에 의한 수압 감소에 의해, 나노 버블의 마이크로 버블화와 마이크로 버블의 파포(破泡)에 의한 캐비테이션의 발생 촉진과 심한 난류가 발생한다. 디퓨저 배관(38)이 1 또는 다단 디퓨저(38a 내지 38c)인 경우, 이것을 통과할 때의 1 또는 몇단에나 걸친 급격한 계단상의 팽창에 의한 내주면 전체 둘레에 있어서의 수압 감소에 의해, 그 각부(角部)에 있어서 캐비테이션의 발생 촉진과 심한 난류가 발생하고, 그리고 하류측의 취수관(7)으로 흘러 들어온다. 이 동안에, 대량의 마이크로 버블화된 기포가 연속적으로 파포하여 출구측 확경부(33c)나 본체 원통부(37a) 내에서의 파포 작용보다도 심한 충격압(파포할 때에 기포의 일측면이 타측면을 향하여 창(槍)과 같이 돌출되어 고압을 생성하는 현상), 전단력, 고온, 화학적 작용(산화력이 강한 OH 라디칼, 즉, 활성 산소)을 발생시킨다. 그리고, 이들에 의해, 해수(2) 중의 차아염소산나트륨(NaClO)의 (ClO-)을 어느 정도 분해하여 무해화한다. 선회류 발생부(37)에서의 외기 도입에 의한 에어레이션 효과는 분해 생성물의 기화 제거에 공헌한다(도 6). 이 점은 물 주입시의 경우도 마찬가지로, 비교적 단단한 껍질을 갖는 원충류, 동물 플랑크톤의 외각을 파괴하여 손상을 주고, 그 후에 공급된 살균 성분에 의해 수생 생물이나 균류를 보다 용이하게 살멸한다.
이상과 같이, 밸러스트수 처리 장치(3)에서는, 단부 벤투리관(33)으로부터 디퓨저 배관(38)에 이르는 후술하는 캐스케이드장에 있어서, 나노 버블의 마이크로 버블 이상의 크기로의 급성장과 연쇄적으로 일어나는 파포가 발생하고, 마이크로 제트와 충격파의 연쇄의 장(캐스케이드)을 발생시킨다.
상기 캐스케이드장이란, 대량의 나노 버블이 개재하여, 심한 캐비테이션을 전개하는 급격한 압력 변동의 장을 말하고, 여기에서는 전단류 발생 오목부(33d)에서 대량의 나노 버블이 발생하고, 출구측의 후부(33b)에서 압축된 후, 팽창장인 출구측 확경부(33c)로부터 후실(31b)이나 접속 배관(36)에 이어지는 수압이 감소된 음의 압력장으로 이어지고, 본체 원통부(37a)에 있어서의 선회류의 원심력이 가해지는 외주 영역의 양의 압력장과 선회류의 중심 부분으로부터 디퓨저 배관(38)에 이르는 수압 감소의 음의 압력장으로 급격하게 변화되는 장을 말한다.
또한, 상기 캐비테이션(별명: 상온 비등 현상이라고도 불린다)은 금속 표면까지 파괴하는 강렬한 유체 현상(캐비테이션·에로존)으로, 물리적으로는 압력 회복의 장에 있어서의 그 붕괴 과정에서 강한 간섭에 의해 비대상 축소를 개시하고, 최종적으로는 물 100m/초라고 하는 격심한 마이크로 제트와 충격파를 발생시킨다. 상기한 바와 같이 충격파는 주변의 생존 수생 생물이나 균류를 파괴하는 동시에, 다른 기포의 붕괴를 연쇄적으로 촉진시킨다. 또한, 전기 화학적, 또는 물리 화학적으로 (ClO-)를 무해화한다(도 6 참조).
밸러스트수 처리 장치(3)에 이어지는 살균 성분 혼입 장치(4)는, 밸러스트수 처리 장치(3)의 캐스케이드장을 통과하여 간신히 생존한 수생 생물류를 최장 5일 동안에 완전히 살멸하기(IMO 기준)에 충분한 양의 살균 성분을 혼입하기 위한 장치로, 차아염소산나트륨을 적량 혼입하는 장치나 밸러스트 해수(2)를 전기 분해하여 차아염소산나트륨을 생성시키는 장치이다. 본 실시예에서는 살균 성분은 차아염소산나트륨을 그 대표예로 하고, 살균 성분 혼입 장치(4)는 교류 전기 분해 장치를 그 대표예로서 설명한다. 교류 전기 분해 장치(4)에는 그 1개를 접지 전극, 그 외를 양·음 전극으로 한 3전극(3극 교류식)을 1세트(또는, 접지 전극 없이 양·음 전극을 1세트=2극 교류식)로 하고, 이것을 1 내지 복수 세트 설치한 것이 사용된다. 여기에서는 3극 교류식 해수 전기 분해 장치를 그 대표예로서 설명한다.
본 실시예의 교류 전기 분해 장치(4)는 인라인 방식으로, 전극(41a 내지 41c)에 처리 해수(2)의 전량을 통과시키기 위해서 내부에 있어서 전극(41a 내지 41c)을 고정시키는 2중 구조로 되어 있다. 전극(41a 내지 41c)은 티타늄 또는 스테인리스제로 전체가 다공 평판상(예를 들면 라스망, 펀칭 메탈)으로 형성되고, 플라티나 도금이 가해져 있다. 그리고, 내관(42)의 출구측 단부에 전극(41a 내지 41c)이 소정의 간격(등거리)을 두고 장착되어 있고, 또한 이들 전극(41a 내지 41c)의 외주는 외관(43)의 내면에 접하고 있으며, 외관(43)과 내관(42) 사이를 통과하는 해수(2)는 전량이 상기한 바와 같이 전극(41a 내지 41c)의 그물코를 통과하도록 구성되어 있다. 상기 외관(43)은 취수관(7)에 접속되어 있다.
내관(42)의 입구측으로부터 중앙 부분에 걸친 부분에는 통수용의 관통공(44)이 다수 형성되고, 또한 내관(42)과 외관(43) 사이에는 입구측에 있어서 내관(42)을 외관(43)의 중심에 유지하기 위한 지지 기둥(45)이 3방향으로 방사상에 설치되어 있다. 그리고 내관(42)안에는 관통공(44)을 초월한 부분과 종단 부분에 폐색판(46, 47)이 장착되어 있다. 각 전극(41a 내지 41c)에는 제어부(15)에 접속되는 배선이 설치되어, 내관(42)과 외관(43)을 연결하고, 출구 부분에 있어서 내관(42)을 외관(43)의 중심에 유지하는 지지관 기둥(48)을 통과하여 외부로 도출되어 있다.
본 실시예에서는 교류 전기 분해 장치(4)는 1기이지만, 필요에 따라 직렬 또는 병렬로 복수기를 설치할 수도 있다. 또한, 이 경우에는 전극(41a 내지 41c)을 장착하기 위해서 내관(42)을 설치하도록 되어 있지만, 외관(43)의 내주면 또는 기타 방법에 의해 전극(41a 내지 41c)을 외관(43) 내에서 고정할 수 있다면, 내관(42)은 반드시 필요로 하지는 않는다.
이상과 같이 구성된 본 실시예를 설명한다. 짐을 내리는 항구에서는, 짐을 내림에 따라 가벼워진 선박의 끽수(喫水)가 필요 이상으로 상승하지 않도록 밸러스트 탱크(1)에 해수(2)를 주입하는 것이 행해진다. 그 경우, 취수관(7)에만 해수(2)가 통류하도록, 개폐 밸브(R1b, R2b)를 닫고, 개폐 밸브(R1a, R2a)를 연다. 이 상태에서 고압 압송 펌프(9)를 작동시켜 취수구(6)로부터 해수를 선내로 받아 들인다. 그 때, 상기한 바와 같이 여과 장치(F1)에 의해 해수 중에 존재하는 크기가 다양한 협잡물, 조대 수생 생물, 동물 플랑크톤, 식물 플랑크톤 등이 제거된다. 이들 포착 수생 생물 등은 역세(逆洗)에 의해 짐을 내리는 항구의 바다로 되돌려진다.
취수용의 여과 장치(F1)를 통과한 밸러스트 해수(2)는 고압 압송 펌프(9)에 의해 취수관(7)을 통과하여 그 전량이 나노 버블 발생 장치(3)로 공급된다. 밸러스트수 처리 장치(3)의 선회류 발생부(37)에서는 필요에 따라 개폐 밸브(39a)를 개방하고, 외기 공급 펌프(39b)를 작동시켜(또는 자연 흡기로) 외기를 공급하고 있다. 그리고 밸러스트수 처리 장치(3)에 있어서 상기한 메커니즘에 의해 밸러스트 해수(2) 중에 미세한 나노 버블, 이것이 성장한 마이크로 버블이 무수하게 발생하고, 이것이 급격하게 붕괴됨으로써 밸러스트 해수(2) 중의 수생 생물 등의 전부 또는 그 대부분이 대미지, 즉, 살멸 또는 상처를 받는다. 또한, 물 주입시(물론, 배수시도 마찬가지지만)에는 외기 도입용의 개폐 밸브(39a)를 닫고, 상기 캐비테이션 효과만을 이용하는 경우도 있다. 밸러스트수 처리 장치(3)에서는 상기의 캐스케이드장이 만들어지고 해수(2)는 그 안을 통과하게 되는 것으로부터, 해수(2) 중의 수생 생물 등의 전부 또는 그 대부분은 크게 상처를 받거나 또는 사멸된다. 그리고 이것에 이어지는 살균 성분 혼입 장치(4)에서 상처받은 수생 생물 등을 밸러스트 탱크(1) 내에서 최장 5일에 사멸시키는데 필요한 최소 농도의 염소(3mg/L)가 되는 차아염소산나트륨을 첨가하고, 밸러스트 탱크(1)에 염소 함유 해수(2)를 투입한다. 상처받은 수생 생물 등은 밸러스트 탱크(1) 내에 있어서 상기 염소에 의해 급속하게 대미지가 깊어져 사멸된다. 이것에 의해 염소는 소비되어 1mg/L 정도의 농도로 저하된다. 이 잔류 염소는 또한 생존하고 있는 수생 생물 등이나 그 시스트의 재활성화나 번식을 억제하는 작용을 한다.
다음의 기항지에 도착하면 짐을 싣게 된다. 짐을 싣는 것에 맞추어 선체가 가라앉으므로 그 만큼 밸러스트수(2)를 기항지에 방출하지 않으면 안된다. 그래서 개폐 밸브(R1a, R2a)를 닫고, 개폐 밸브(R1b, R2b)를 연 상태에서 고압 압송 펌프(9)를 작동시켜 밸러스트수(2)를 퍼 올리고, 전량을 밸러스트수 처리 장치(3)에 통과시켜 잔류 염소를 분해하고, 계속해서 배수측 여과 장치(F2) 직전에서 방출 밸러스트수(2)를 살균 성분 제거 처리부(16)의 활성탄으로 흡착 처리하여 전부 분해하지 못한 잔류 염소를 제거하고, 배수측 여과 장치(F2)로 여과한 후, 바다에 투기한다.
도 6은 본 발명에 따르는 나노 버블 발생 장치에 의한 잔류 염소의 분해 작용을 도시하는 시험 데이터로, 배수시의 잔류 염소의 분해를 상정하고 있다. 나노 버블 발생 장치(3)를 사용하지 않고, 차아염소산나트륨의 투여만으로 수생 생물 등을 투여후 적어도 5일간 절멸(絶滅)시키기 위해서는, 12mg/L 이상의 염소 농도로 할 필요가 있지만, 나노 버블 발생 장치를 사용한 경우, 투여후 적어도 5일간 절멸시키기 위해서는, 투여시의 염소 농도로서, 최소 3mg/L의 농도이면 충분하였다. 그리고, 5일 경과한 상태에 있어서의 밸러스트 탱크내에 잔류하고 있는 유리 잔류 염소의 농도는 1mg/L로 하였다. 해수 중의 유리 잔류 염소의 측정에는 잔류 염소계(테크노에코 가부시키가이샤 제조)를 사용한다. 여기에서, 유리 잔류 염소란 검수(밸러스트 탱크 내의 해수) 중에 존재하는 염소 가스(Cl2), 차아염소산(HOCl) 및 차아염소산이온(OCl-)을 가리킨다.
실험에 제공한 해수의 염분 농도는 3.64mg/L, 수온이 4.3℃, 시험 환경의 기온이 7℃, 동 습도가 42%, 잔류 염소 농도가 1.0mg/L인 해수를 고압 압송 펌프로 양수하고, 나노 버블 발생 장치를 통과시켰다. 그 때의 유량은 138L/분이다.
나노 버블 발생 장치(3)는 디퓨저관(38)으로서 1단계의 것과 2단계의 것을 준비하고, 외기 공급부(39)로부터 외기를 본체 원통부(37a)에 도입하지 않는 경우 (외기 흡인 없음)와, 도입하는 경우(외기 흡인 있음)로 나누어 시험하였다. 나노 버블 발생 장치(3)에 사용한 단부 벤투리관(33)의 개수는 15이다.
시험 결과는 도 6과 같으며, 어느 경우에도 탈염소 효과는 확인되며, 특히, 1단식(외기 흡인 있음)의 경우의 잔류 염소 농도가 0.6mg/L(0.4mg/L이 분해 제거)로 가장 우수하였다. 따라서, 본 발명의 나노 버블 발생 장치(3)를 사용함으로써, 배수시에서는 잔류 염소 농도의 흡착용 활성탄의 사용량을 대폭 삭감할 수 있고, 급수시에는, 상기와 같이 수생 생물 등에 큰 대미지를 줄 수 있어, 멸수생 생물·살균용의 차아염소산나트륨의 사용량을 감소시킬 수 있다.
A 밸러스트수 무해화 처리 시스템
P1, P2 분기 부분
R1, R2 통수 전환 밸브
1 밸러스트 탱크
2 해수
3 밸러스트수 처리 장치(나노 버블 발생 장치)
33 단부 벤투리관
33b 후부
33d 전단류 발생 오목부
37 선회류 발생부
39 외기 공급부
4 교류 전기 분해 장치
41a 내지 41c 교류 전극
43 외관
6 취수구
7 취수관
9 고압 압송 펌프
11 배수관
12 배수구
15 제어부
16 멸균 성분 제거 처리부
17 양수 배관

Claims (5)

  1. (1a) 취수구로부터 밸러스트 탱크에 이르는 취수관에 설치되고, 고압 압송 펌프로부터 취수한 해수의 공급을 받는 전단류(剪斷流) 발생부와, 접속 배관을 개재하여 전단류 발생부에 이어서 설치된 선회류 발생부로 구성되며, 살균 성분 혼입 장치를 개재하여 밸러스트 탱크로 밸러스트수를 공급하는 밸러스트수 처리 장치로서,
    (1b) 전단류 발생부는, 흐름에 따라서 그 횡단면적을 점차 감소시키는 입구측 축경부, 입구측 축경부의 하류측에 설치되고, 흐름에 따라서 그 횡단면적을 점차 증가시키는 출구측 확경부, 입구측 축경부와 출구측 확경부를 연결하는 후부, 및 후부에 개구하고, 후부에 통류하는 전체 용적의 해수에 나노 버블을 발생시키며, 외부로부터의 공기를 흡인하지 않는 전단류 발생 오목부로 구성된 단부 벤투리관을 1 내지 복수개 병설하여 내장한 것이며,
    (1c) 선회류 발생부는 원통형상으로 그 외주면에 대해 전단류 발생부의 접속 배관이 경사져서 접속되고, 접속 배관을 통과하여 대량으로 잔류하고 있던 나노 버블을 포함하는 살균 성분 함유 밸러스트 해수가 접속 배관의 경사에 맞추어 고속으로 흘러 들어 오고, 내부에서 그 내벽을 따라 고속 선회류를 형성하는 동시에 출구 방향으로 향하게 하고, 출구에 있어서 상기 해수를 압축하는 본체 원통부, 상기 본체 원통부의 출구측의 하면의 중앙에, 상기 출구에 흐름 방향을 따라 그 횡단면적을 점차로 확대하는 내주면이 형성되고, 다시 급격한 팽창에 의한 수압 감소에 의해, 나노 버블의 마이크로 버블화와 마이크로 버블의 파포(破泡)에 의한 캐비테이션의 발생 촉진과 심한 난류를 발생시키고, 살균 성분 혼입 장치로 향하는 취수관에 접속하는 디퓨저 배관으로 구성되고,
    선회류 발생부에는 본체 원통부의 입구측 상면의 중앙 부분에 외기 공급부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 밸러스트수 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 디퓨저 배관의 내주면은 흐름 방향을 따라 그 횡단면적을 단상으로 확대하는 1 내지 다단 디퓨저로 되어 있는 것을 특징으로 하는 밸러스트수 처리 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 기재된 밸러스트수 처리 장치를 사용한 밸러스트수 무해화 처리 시스템으로서,
    (4a) 밸러스트수를 축적하는 밸러스트 탱크와,
    (4b) 취수구와 밸러스트 탱크를 연결하는 취수관과,
    (4c) 취수관에 설치된 고압 압송 펌프와,
    (4d) 고압 압송 펌프의 하류측에 설치되고, 제 1 항에 기재된 밸러스트수 처리 장치와,
    (4e) 밸러스트수 처리 장치의 하류측에 설치되고, 밸러스트수 처리 장치로부터 보내진 밸러스트수에 살균 성분을 혼입시키는 살균 성분 혼입 장치와,
    (4f) 밸러스트 탱크와 고압 압송 펌프의 상류측의 취수관을 접속하는 양수 배관과,
    (4g) 밸러스트수 처리 장치의 하류의 취수관으로부터 분기된 배수관과,
    (4h) 배수관에 설치된 잔류 살균 성분 제거 장치와,
    (4i) 취수관과 양수 배관의 분기 부분에 설치되고, 취수시와 양수시의 전환을 행하는 통수 전환 밸브와,
    (4j) 취수관과 배수관의 분기 부분에 설치되고, 취수시와 양수시의 전환을 행하는 통수 전환 밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 밸러스트수 무해화 처리 시스템.
  5. 제 1 항에 기재된 밸러스트수 처리 장치를 사용하여 밸러스트 탱크로의 급수와 밸러스트 탱크로부터의 배수를 행하는 밸러스트수 무해화 처리 방법으로서,
    밸러스트 탱크로의 급수시에는, 취수한 해수를 여과한 후, 여과 해수를 밸러스트수 처리 장치로 통과시키고, 이렇게 한 후, 상기 해수에 살균 성분을 가한 후 밸러스트 탱크에 공급하고,
    밸러스트 탱크로부터의 배수시에는, 밸러스트 탱크 내의 해수를 퍼내어 밸러스트수 처리 장치로 통과시키고, 계속해서 활성탄으로 상기 해수 내의 잔류 살균 성분을 제거한 후, 배수하는 것을 특징으로 하는 밸러스트수 무해화 처리 방법.
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