特許:バラスト水処理 特許第5058371号

バラスト水処理特許5058371

【書類名】要約書

【要約】
【課題】大きな動力を必要とせず、バラスト水などの水中の微生物を死滅させることが可
能な水処理装置および水処理方法の提供。
、 【解決手段I微生物を含む水を通水する配管3の途中に設けられ、弁の急閉鎖により発生
する水撃圧を配管3内の水に加えて水中の微生物を破壊し、死滅させる水撃装置6により
、大きな動力を必要とせず、また、薬剤などを使用することなく、バラスト水などの水中
の微生物を破壊し、死滅させることができる。これにより、環境に悪影響を及ぼすことの
なく、安価に水処理を行うことが可能となる。

書類名】明細書
発明の名称】水処理装置および水処理方法
技術分野】
【0001】
本発明は、バラスト水、循環浴水、プール水、下水や工場排水などの水中の微生物を死
滅させる水処理装置および水処理方法に関する。
【背景技術】
【0002】
船舶のバラストタンクに注入されたバラスト水を寄港先でそのまま船外に排出すると、
バラスト水に含まれていたプランクトンやバクテリアなどの微生物が船外に流出し、水質
汚染や、移入生物により生態系などへ悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、従来、この
バラスト水中の微生物を死滅させることが試みられており、以下のような装置および方法
が提案されている。
【0003】
(1)衝撃水圧を発生させる方法(例えば、特許文献1, 2, 3, 4, 5参照。)
(2)高速噴流による衝撃力やキャビテーションを発生させる方法(例えば、特許文献6
, 7参照。)
(3)超音波の衝撃波を利用する方法(例えば、特許文献8参照。)
【先行技術文献】
【特許文献】
【00041
【特許文献1】特許公開2005-161292公報
【特許文献2】特許公開2005-238090公報
【特許文献3】特許公開2005-246178公報
【特許文献4】特許公開2005-246179公報
【特許文献5】特許公開2005-254138公報
【特許文献6】特許公開2005-271648公報
【特許文献7】特許公開2006-272147公報
【特許文献8】特許公開2006-007184公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところが、これらの装置および方法を実現するためには、設備が非常に大掛かりなもの
となり、コスト上の問題から実用化は困難である。
【0006】
そこで、本発明においては、大きな動力を必要とせず、バラスト水などの水中の微生物
を死滅させることが可能な水処理装置および水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の水処理装置は、微生物を含む水を通水する配管の途中に設けられ、弁の急閉鎖
により発生する水撃圧を配管内の水に加えて水中の微生物を破壊し、死滅させる水撃装置
を有するものである。また、本発明の水処理方法は、微生物を含む水を通水する配管の途
中に設けられた弁の急閉鎖により水撃圧を発生し、配管内の水に加えることにより、水中
の微生物を破壊し、死滅させることを特徴とする。
【0008】
これらの発明によれば、微生物を含む水に水撃圧を加えることで、水撃作用により水中
の微生物が破壊され、死滅する。なお、水撃(水鎚、水槌、ウォーターハンマー)作用と
は、導管内の水流を急に締め切つたときに、水流の慣性によつて導管内に衝撃水圧が発生
する現象である。
【0009】
また、本発明の水処理装置は、配管の途中に設けられたポンプまたはバルブと水撃装置
との間にはアキュムレ=夕を有することが望ましい。これにより、水撃装置により発生す
る水撃圧をアキュムレータが吸収し、配管の途中に設けられたポンプやバルブが水撃圧の
影響を受けるのを防止することができる。
【0010】
また、配管は、途中で180° 反転させて並列に配設されたものであることが望ましい
。これにより、水の流れ方向を変える前後の配管に発生する水撃力を相殺することができ
る。
【0011】
ここで、水撃装置は、弁室と、弁室に水を導入する導水管とを有し、弁は、弁室の下流
側に回動可能に支持され、導水管から導入される水の運動エネルギーにより閉じ、弁室内
の水に水撃圧を加えるとともに、水撃圧が弁室から導水管内へ伝播すると再び開くことを
繰り返すυF水弁である構成とすることができる。これにより、導水管から導入される水の
運動エネルギーを利用して水撃装置が作動する。
【0012】
また、水撃装置は、弁を強制的に開じるアクチュエータを有する構成とすることができ
る。これにより、上述の水の運動エネルギーを利用して作動させるよりも早く弁を閉じる
ことが可能となり、より大きな水撃圧を発生させることが可能となる。
【0013】
また、弁は、電気制御により開閉を繰り返すものとすることができる。これにより、上
述の水の運動エネルギーを利用して作動させる弁よりも確実に弁を開閉させることが可能
となり、水撃処理を安定して継続することが可能となる。
【発明の効果】
【0014】
(1)微生物を含む水を通水する配管の途中に設けられた弁の急閉鎖により水撃圧を発生
し、配管内の水に加えることにより、水中の微生物を破壊し、死滅させる構成により、大
きな動力を必要とせず、また、薬剤などを使用することなく、バラスト水などの水中の微
生物を破壊し、死滅させることができるので、環境に悪影響を及ぼすことのなく、安価に
水処理を行うことが可能となる。
【0015】
(2)配管の途中に設けられたポンプまたはバルブと水撃装置との間にはアキュムレータ
を有することにより、配管の途中に設けられたポンプやバルブが水撃圧の影響を受けるの
を防止することができ、ポンプやバルブの誤動作や破壊を防止することができる。
【0016】
(3)配管が、途中で180° 反転させて並列に配設されたものであることにより、水の
流れ方向を変える前後の配管に発生する水撃力を相殺して、配管を設置する基礎への負担
を抑えることができ、基礎の強度を大きくする必要がなくなる。
【0017】
(4)水撃装置が、弁室と、弁室に水を導入する導水管とを有し、弁は、弁室の下流側に
回動可能に支持され、導水管から導入される水の運動エネルギーにより閉じ、弁室内の水
に水撃圧を加えるとともに、水撃圧が弁室から導水管内へ伝播すると再び開くことを繰り
返す排水弁である構成により、導水管から導入される水の運動エネルギーを利用して水撃
装置が作動し、無動力により水撃処理を行うことが可能となり、ランニングコストを低く
抑えることができる。
【0018】
(5)水撃装置が、弁を強制的に閉じるアクチュエータを有する構成により、水の運動エ
ネルギーを利用して作動させるよりも早く弁を開じることが可能となり、より大きな水撃
圧を発生させて、効率良く水撃処理を行うことが可能となる。
【0019】
(6)弁が、電気制御により開閉を繰り返すものであることにより、水の運動エネルギー
を利用して作動させる弁よりも確実に弁を開閉させることが可能となり、水撃処理を安定
して継続することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の実施の形態におけるバラスト水処理装置のブロック図である。
【図2】図1の水撃装置の概略構成図である。
【図3】図2の弁室の拡大断面図である。
図4】臨界速度と水撃圧との関係を示す図である。
図5】別の臨界速度と水撃圧との関係を示す図である。
図6】排水弁強制作動装置の構成を示す断面図である。
図7】アキュムレータの構成を示す断面図である。
図8】配管例を示す図である。
図9】別の配管例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
図1は本発明の実施の形態におけるバラスト水処理装置のブロック図、図2は図1の水
撃装置の概略構成図、図3は図2の弁室の拡大断面図である。
10022】
図1において、本発明の実施の形態におけるバラスト水処理装置1は、バラストタンク
2ヘバラスト水としての海水を通水する配管3の途中に設けられるものであり、ポンプ4
、アキュムレータ5、水撃装置6やバルブ7a, 7b, 7c等により構成されている。ポ
ンプ4は、海水を、水撃装置6を通じてバラストタンク2へ送り込むためのものである。
バルブ7aは配管3の途中のポンプ4と水撃装置6との間に設けられている。バルブ7b
は配管3の静圧を抜く配管8aの途中に設けられている。バルブ7cはポンプ4の吐出水
をバイパスする配管8bの途中に設けられている。
【0023】
アキュムレータ5は、配管3の途中のポンプ4およびバルブ7a~ 7cと水撃装置6と
の間に設けられている。アキュムレータ5は、水撃装置6により発生する水撃圧を吸収す
ることにより、ポンプ4やバルブ7a~ 7cに水撃圧の影響を受けないようにするための
ものである。なお、ポンプ4は、より確実に水撃圧の影響を受けないようにするため、「
非定容積型ポンプ」を使用することが望ましい。
【0024】
水撃装置6は、図2に示すように導水管60、弁室61、排水管62、排水弁63、排
水弁調整ねじ64およびストッパ65を有する。排水弁63は、下方に設けられた回転軸
63aによつて、弁室61内の下流4111に回動可能に支持されている。
【0025】
水撃装置6は、初期状態では排水弁63が開いており、ポンプ4により配管3を通じて
導水管60から海水が入つてくると、その運動エネルギーにより排水弁63を開じさせる
。この排水弁63が閉じたときに自重で開きやすいように、排水弁63には、図3に示す
ように複数枚の調整板63bを設けて、その重量が調整されている。また、排水弁調整ね
じ64は、排水弁63が開いたときの傾斜角度θを調整するためのものであり、排水弁6
3が当接する先端部分には緩衝用のクッション64aが設けられている。
【0026】
排水弁63が閉じると、導水管60内の流水の運動量によつて水撃作用が起き、弁室6
1内の海水に水撃圧が加えられ、海水中の微生物が破壊され、死滅する。そして、水撃圧
が弁室61内から導水管60内を経て配管3へ抜けると、排水弁63は再び開き、上記過
程が繰り返される。処理後の海水は、排水管62からバラストタンク2へ供給される。
【0027】
なお、通常、水撃装置6が作動するとき、水撃圧の反動(反作用)のタイミングによつ
ては排水弁63が閉じたままになることがある。その場合、排水弁63に静圧がかかり、
排水弁63は動かなくなるので、図1に示すバルブ7aを閉、バルブ7bを開にして静圧
を解放する。その際、バルブ7a, 7bの開閉に伴い、ポンプ4をオン(駆動)一オフ(
停止)しても良いが、頻繁にオンーオフを繰り返すと、ポンプ4のモータが発熱すること
があるため、本実施形態においては、ポンプ4は停止せずに、バルブ7cを開にして海水
をポンプ4の吸い込み側にバイパスする。このとき、ポンプ4をインバータ制御すること
により、回転数を小さくして省エネルギー運転することも可能である。
【0028】
ここで、水撃装置6の動作について詳細に説明する。排水弁63が開いている状態で、
水の速度がVa(臨界速度)に達したとき、排水弁63は閉じる方向に動き始める。する
と、さらに水流の動圧を受けて排水弁63はカロ速的に閉じる動きをする。そして弁が閉じ
た瞬間、水流は完全に停止する。このとき、大きな水撃圧(Pa)が発生する。
10029】
以下に理論的に説明する。
質量mの物質が加速度aで動いているときの力Fは、
F=m× a(ニュートンの運動方程式)
で表わされる。
ここで、微小時間(△ t)の間に、微小速度変化(△ v)したときの加速度は、
a=△ v■ △t
で表わされるので、
F=m× a=In× △v■ Δt
となる。
【0030】
上式を変形すると
F× △t=m× △v
となる。
すなわち、アキュムレータ5から水撃装置6までの間の配管3内の水の質量をmとする
と、水の速度が短時間(△ t)でゼロとなるときの運動量変化(m× △v)は、水に加え
られた力積(F× △t)に等しいことを意味する。
【0031】
また、質量mは海水密度γ、アキュムレータ5から水撃装置6までの間の配管3の長さ
L、配管断面積Aより、
m=γ ×L× A
と表わされるので、
排水チ)6 3に4動く」力 (F)は、
F=γ ×L× A× △v÷ △t
となり、
速度変化△v(≒ Va)より、
F≒ γ×L× A× ×Va■ △ t
となる。
【0032】
これにより、 △v(≒ Va)が大きく、 △tが月ヽさいほど、リレК弁63に働く力 (F)
は大きくなることが分かる。この水に加えられた力(F)は、水撃圧(Pa)という形で
圧力波となって、水の中を音速で伝わつて行く。このときアキュムレータ5から水撃装置
6までの間の配管3に入つている海水中の微生物が破壊され、死滅する。
【0033】
なお、水撃圧Paは、次式のように、アキュムレータ5から水撃装置6までの間の配管
3の長さに一次比例することが分かる。
Pa=F■ A=(γ ×L× A× Va■ Δt)÷ A=γ ×L× Va÷ △t
【0034】
また、水撃圧発生直後、水に加えられた力(F)の反動(反作用)により、瞬間的に排
水弁63近傍の水は負圧状態となる。このとき、排水弁63は自重により開く動きをする
。すると、再び水が流れ出し、徐々に速度を増して水の速度が臨界速度(Va)に達した
とき、再び排水弁63は閉じて水撃圧(Pa)力`発生する。水撃装置6は、このような状
態を無限に繰り返す(図4参照。)。
【0035】
ここで、ポンプ圧力(Δ P)と流速(V)の関係は、次式で表わされる(配管が直管の
場合).
△P=λ ×γ×V2× L■ (2× g× D)
但し、λ :配管の摩擦抵抗、γ :水の密度、g:重力加速度、L:配管長さ、D:配管
径である。
【0036】
実際の配管では、エルボやバルブなどの抵抗が付加されるが、ポンプ圧力と配管条件が
決まれば、水の流速は一義的に決まる。このときの流速が、この配管条件での最大流速(
Vmax)となる。水撃圧が発生する臨界速度(Va)をできるだけ、この最大流速(V
max)に近づけるように水撃サイクルtaを長くすれば、水撃圧(Pa)が大きくなり
、また水処理能力も大きくなる。
【0037】
このVa、△tは、排水弁63の重量(W)と弁室設置角度(α )、排水弁取付角度(
θ)を調整することによつて変えることができる。排水弁調整ねじ64でθを大きくすれ
ばVaは大きく、すなわち水撃圧Paも大きくなるが、大きくし過ぎると排水弁63が動
かなく(閉じなく)なる。また、αを大きくすれば、排水弁63の戻り(開き)が早くな
る(最大90° )。排水弁63の重量は、調整板63bの枚数を増減することにより調整
することができる。
【0038】
なお、水中微生物を破壊し、死滅させるための水撃圧Paは、実験より5MPa以上、
排水弁作動時間△t=0.025秒以下、昇圧速度Pa/Δ t=200MPa/秒以上と
することが好ましい。
【0039】
上記構成のバラスト水処理装置1によれば、バラストタンク2へ配管3を通じてポンプ
4により供給する海水に水撃装置6により水撃圧を加えることで、水撃作用により水中の
微生物が破壊され、死滅する。したがつて、バラストタンク2には微生物が死滅した海水
が注入されるため、このバラストタンク2に注入された海水を寄港先で船外へ排出しても
、環境に悪影響を及ぼすことがない。すなわち、本実施形態におけるバラスト水処理装置
1では、極めて単純な排水弁63の開閉による水撃圧により、水中の微生物を破壊、死滅
させることが可能であり、安価に水処理を行うことが可能である。
【0040】
また、このバラスト水処理装置1では、水撃装置6が導水管60から導入される水の運
動エネルギーを利用して作動し、無動力により水撃処理を行うことが可能であるため、ラ
ンニングコストを低く抑えることが可能となっている。
【0041】
次に、排水弁63が閉じたままで水撃処理が継続できない場合のバルブ7a, 7b, 7
cの操作について説明する。
(0042】
バルブ7aが閉、バルブ7bが開、バルブ7cが開の時間をtl,排水弁63の作動タ
イミング(水撃装置6に水が流入開始してから排水弁63が動作するまでの時間)をt2
とすると、図5に示すような水撃サイクルta(=△ t+tl+t2)になる。しかし、
水撃時間△tと排水弁63が作動するタイミングt2は、排水弁調整ねじ64で概略決め
られるが、成り行きに任せている面がある。そこで、積極的に水撃時間△tとt2、ひい
ては水撃サイクルtaを制御するため、排水弁63を強制的に開じるアクチュエータを設
けることが好ましい。
【0043】
図6は、この排水弁63を強制的に閉じるアクチュエータとしての排水弁強制作動装置
の構成を示す断面図である。図6に示す排水弁強制作動装置10は、エアーシリンダ11
と、エアーシリンダ11内で櫂動するピストン12と、ピストン12に固定され、ピスト
ン12とともに動作するプッシュロッド13と、プッシュロッド13を元の位置へ復帰さ
せるためのスプリング14とを備えている。なお、この場合の排水弁63の傾斜角度θは
、ほぼ0° としている。
【0044】
この排水弁強制作動装置10では、排水弁63を作動させるタイミングでプッシュロッ
ド13を伸長させるようにエアーシリンダ11の室1laにエアーを供給する。これによ
り、プッシュロッド13が押し出され、排水弁63を強制的に閉じる。その後、エアー供
給が停止されると、スプリング14の復元力によってプッシュロッド13は元の位置へ復
帰するとともに、排水弁63が開く。
10045】
このように、排水弁63の傾斜角度θをほぼ0° とし、 t2時間で排水弁強制作動装置
10を強制的に作動させて,排水弁63を水流に乗るまで起伏させることにより,ほぼ水
撃サイクルtaを制御することが可能となる。これにより、水撃時の流速Vaを設置時の
配管条件での最大流速(Vmax)に近づけることができ、より大きな水撃圧で、確実に
水中微生物を破壊し、死滅させることができる。
【0046】
なお、この例ではエアーシリンダ11を用いた排水弁強制作動装置10により排水弁6
3を強制的に閉じているが、これに限定されるものでなく、電磁コイルによる反発力で排
水弁を作動させる等のアクチュエータを使用することも可能である。
【0047】
次に、アキュムレータ5の例について説明する。図7はアキュムレータ5の構成を示す
断面図である。
【0048】
図7に示すアキュムレータ5は、配管3を分岐してエアーシリンダ50を接続したもの
である。エアーシリンダ50には、このエアーシリンダ50内で櫂動するビストン51と
、ピストン51に固定され、ピストン51とともに動作するロッド52とが設けられてい
る。また、ロッド52側の室50aには、配管3内の水流の最大圧力(0.3MPa)よ
り少し高い圧力(0.4MPa)のエアーが充填された圧カタンク53が接続されている
。この圧カタンク53には、減圧弁54を介してエアーコンプレッサ55からエアーが供
給されている。
【0049】
排水弁63の作動により配管3内に水撃圧が発生すると、ビストン51が急速に作動し
、ロッド52側の室50a内のエアーが圧縮される。これにより、配管3内の水撃圧を緩
和し、ポンプ4やバルブ7a~ 7cが水撃圧の影響を受けるのを防止する。水撃圧が緩和
されると、この圧縮エアーにより、ピストン51がストッパ56の位置(元の位置)に戻
る。すなわち、本実施形態におけるバラスト水処理装置1では、このアキュムレータ5に
より、ポンプ4やバルブ7a~ 7cの誤動作や破壊を防止している。
【0050】
なお、本実施形態では、ピストン型のアキュムレータ5を示したが、これに限ることは
なく、ダイヤフラム式のアキュムレータでも良い。また、エアーの代りに窒素を使用して
も良い。この場合、エアーコンプレッサ55に代えて窒素ボンベを使用する。
【00511
次に、配管3が、途中に水の流れ方向を180° 変えるように配設された例について、
図8および図9を参照して説明する。
【0052】
水撃装置6により発生させる水撃は瞬間ではあるが、水の流れ方向に大きな水撃力を発
生するため、バラスト水処理装置1を設置する基礎の強度を十分に確保する必要がある。
そのため、配管3を途中で180° 反転させてほぼ同じ長さで並列に配設し、それぞれの
水撃力Fを相殺するように構成することが好ましい。
【0053】
図8は配管3を途中で180° 反転させ、上配管3aおよび下配管3bとして上下に並
列に配設した例を示している。水撃装置6により発生した水撃力Fは、上配管3aでは図
の右方向に作用し、下配管3bでは図の左方向に作用するが、これらの上配管3aおよび
下配管3bにより水撃力Fを相殺している。これにより、配管3を設置する基礎への負担
を抑えることができ、基礎の強度を大きくする必要がなくなる。但し、上配管3aと下配
管3bとの距離Lにより、曲げモーメントM(=F× L)が発生するので、この曲げモー
メントMに耐えうるように、上配管3aおよび下配管3bは結合部材9aにより結合し、
支持部材9bにより基礎に支持しておく。
【0054】
図9は配管3を途中で3回180° 反転させ、配管3c-1, 3c-2, 3c-3, 3
c-4として上下左右に並列に配設した例を示している。なお、図示例では、並列された
配管3は、図8の例と同様に上下および左右を結合部材9aにより結合し、支持部材9b
により基礎に支持している。この例では、圧力の大きいポンプ4が必要となるが、水撃力
Fと曲げモーメントMがすべて相殺されるため、基礎の強度を大きくする必要がない。ま
た、基礎と支持部材9bとの間にクッションゴム9cを挟むことで、振動の伝播を防ぐこ
とができる。
【0055】
なお、上記実施の形態においては、回転軸63aを中心に回動する回転式の排水弁63
を有する水撃装置6としたが、この回転式の排水弁63に代えて、電気制御により開閉を
繰り返す開閉弁、例えば、ギロチンタイプのバルブ、回転式のバタフライバルブやボール
バルブなどを用いることが可能である。駆動方式としては、電動、油圧駆動や空気圧駆動
などを採用することが可能である。また、水撃弁は、極力高速で閉じるものが好ましく、
例えば、電気信号が閉のとき遮断されるスプリングリターン式のバルブが好ましい。電動
よりも速く作動するスプリングリターン式のバルブによれば、水撃圧力を大きくすること
が可能である。
【0056】
回転式の排水弁63では、θとα、排水弁63の重量、水量や水の圧力等の因子が複雑
に関与するため、排水弁63の開閉時間の制御が難しくなるが、電気制御により開閉を繰
り返す開閉弁を用いることで、開閉時間を任意に設定することができ、図4および図5に
示す水撃サイクルtaの時間を制御することが可能となる。
【0057】
また、電気制御により強制的に開閉弁を開閉するため、排水弁63のように閉じたまま
開かなくなることがなく、水撃処理を安定して継続することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0058】
本発明の水処理装置および水処理方法は、上記バラストタンク内に供給する海水のみな
らず、循環浴水、プール水、下水や工場排水などの様々な水中の微生物を死滅させる水処
理装置および水処理方法として有用である。
【符号の説明】
【0059】
1 バラスト水処理装置
2 バラストタンク
3 配管
4 ポンプ
5 アキュムレータ
6 水撃装置
60 導水管
61 弁室
62 〃じ衣管
63 排ブく弁
63a 回転軸
63b 調整板
64 排水弁調整ねじ
64a クッション
65 ストッパ
7a, 7b, 7c ノシレブ
8 a, 8b 配管
9a 結合部材
9b 支持部材
9c クッションゴム
10 排水弁強制作動装置
11 エアーシリンダ
12 ピストン
13 プッシュロッド
14 スプリング
50 エアーシリンダ
51 ピストン
52 ロッド
53 圧カタンク
54 減圧弁
55 エアーコンプレッサ
56 ストッパ