(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤潮の原因となるプランクトンの生棲する海洋又は湖沼中に沈めて高速水噴流を吹き出すノズルと、
前記プランクトンを含む当該水域の水と前記水中に吹き出した前記高速水噴流とを吸い込む吸入部と、
前記吸入部を通して前記吸い込まれた水を前記ノズルの周辺に供給する循環ダクトと、を設け、
前記高速水噴流に生じる気泡の成長並びに気泡の収縮・崩壊に伴って前記プランクトンを分解する
ことを特徴とする水質浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水質浄化装置において、
前記高速水噴流を生じさせるための水のタンクと、前記タンクからの水を高圧水として前記ノズルに供給するポンプと、前記循環ダクト内の水を循環させるポンプと、を船舶上に搭載し、
前記ノズルと、前記吸入部と、前記循環ダクトと、を船舶から海洋又は湖沼中に沈めるように構成する
ことを特徴とする水質浄化装置。
【請求項３】
赤潮の原因となるプランクトンの生棲する海洋又は湖沼に沈められたノズルから水噴流を吹き出させ、前記水噴流に生じるキャビテーションの作用で前記プランクトンを分解する水質浄化方法であって、
前記水噴流を生じさせるための水のタンクと、前記タンクからの水を高圧水として前記ノズルに供給するポンプと、前記プランクトンを含む当該水域の水と前記水中に吹き出した前記水噴流とを吸い込んで前記ノズルの周辺に供給して循環させるポンプと、を船舶上に搭載し、
前記ノズルと、前記水域の水と前記水噴流とを吸い込む吸入部と、前記吸い込んだ水を循環させるダクトと、を船舶から海洋又は湖沼中に沈め、
前記船舶を海洋又は湖沼の一定範囲内で移動巡回させる
ことを特徴とする水質浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋又は湖沼の水質浄化技術に係わり、水中の高速水噴流に発生するキャビテーションの音響化学的作用を利用し、水中浮遊有害微生物の除去を効率良く行う方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
海洋や湖沼の汚染は、魚貝類又は海藻等の水産資源に大きなダメージを与える。生活廃水が海洋に流入すると、リンにより水質が富化し、赤潮が異常発生する。赤潮は、植物性プランクトンが異常に増殖することで、沿岸湾内に多発し、特にカキやホタテ又は魚類の養殖に莫大な被害を与えている。
【０００３】
赤潮の原因となるプランクトンの全てが海洋生物に有害というわけではない。しかし、鞭毛藻のギムノディウムやシャットネラなどは毒性があり、魚貝類を殺してしまう。毒性を持たない他のプランクトンも、多量に発生すれば海水中の酸素を消費するし、死骸が海底にたまると、自己分解のためにやはり酸素を大量に消費する。結局、養殖水域は、有害プランクトンで汚染されるか、又はその水域が酸素不足となり、魚貝類の生育には不適切な環境となる。
【０００４】
海洋の汚染は、隣接する他の養殖場からの廃棄物の流入やウィルスへの感染等の原因も疑われているが、圧倒的なウエイトを占めることが間違いないのが、植物性プランクトンの異常発生、いわゆる赤潮によるものである。魚貝類を順調に育成しようとするためには、プランクトンの集中的除去による海水のリフレッシュが不可欠である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
有害プランクトンの対策として、これまでいくつか試されているものの、抜本的な問題解決には至っていない。養殖物をきれいな水域へ移転させても、移転した箇所で再び赤潮が発生することは良く知られる。海底に空気を吹き込んで不足酸素を補ったり、又は水温のコントロールが有効と言われているが、沼や養殖水槽のような小規模なものには適切であっても、海洋のような大規模な水域へは適用しにくい。
【０００６】
磁性鉄粉散布により、プランクトンの磁性を強くし、磁石プランクトンを収集しようという手段があるものの、効率的とはいえない。また、磁性鉄粉は海藻類に吸収され易いという問題もある。従って、現時点において、決定的な手段が無いのが実情といえる。
【０００７】
本発明の目的は、上記した従来技術では立ち打ちできなかった課題を解決する新しい水質浄化法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【０００９】
赤潮の原因となるプランクトンの生棲する海洋又は湖沼に沈められたノズルから水噴流を吹き出させ、前記水噴流に生じるキャビテーションの作用で前記プランクトンを分解する水質浄化方法であって、
前記水噴流を生じさせるための水のタンクと、前記タンクからの水を高圧水として前記ノズルに供給するポンプと、前記プランクトンを含む当該水域の水と前記水中に吹き出した前記水噴流とを吸い込んで前記ノズルの周辺に供給して循環させるポンプと、を船舶上に搭載し、
前記ノズルと、前記水域の水と前記水噴流とを吸い込む吸入部と、前記吸い込んだ水を循環させるダクトと、を船舶から海洋又は湖沼中に沈め、
前記船舶を海洋又は湖沼の一定範囲内で移動巡回させる水質浄化方法。
【００１１】
また、赤潮の原因となるプランクトンの生棲する海洋又は湖沼中に沈めて高速水噴流を吹き出すノズルと、
前記プランクトンを含む当該水域の水と前記水中に吹き出した前記高速水噴流とを吸い込む吸入部と、
前記吸入部を通して前記吸い込まれた水を前記ノズルの周辺に供給する循環ダクトと、を設け、
前記高速水噴流に生じる気泡の成長並びに気泡の収縮・崩壊に伴って前記プランクトンを分解する水質浄化装置。
【００１２】
また、前記水質浄化装置において、
前記高速水噴流を生じさせるための水のタンクと、前記タンクからの水を高圧水として前記ノズルに供給するポンプと、前記循環ダクト内の水を循環させるポンプと、を船舶上に搭載し、
前記ノズルと、前記吸入部と、前記循環ダクトと、を船舶から海洋又は湖沼中に沈めるように構成する水質浄化装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る、水噴流に生じるキャビテーションの作用でプランクトンを分解する水質浄化装置又はその方法について、図１〜図６を用いて以下説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る、ウォータージェットによるプランクトン分解法を模式的に描いたものである。ノズル１に送給された高圧水（真水）２は、噴出孔３から高速で吹き出し、海水８中において、キャビテーションを伴う水中水噴流４となる。この噴流４の下流域には、吸入口１１が設けてあり、プランクトンを含む海水が、海水循環ポンプ１０によって循環ダクト内へ戻るようになっている。このようにして循環する海水には、ノズル１のまわりに設けたドーナツ型ダクトに送給され、ドーナツ型ダクトに開口する海水供給ノズル１４から吹き出し、再びキャビテーションを含む水中水噴流４へ流入する。
【００１６】
この循環・流入は、プランクトン又はプランクトンの死骸の破片を気泡核として水中水噴流中へ繰り返し供給（７）することである。このようにして、プランクトン群は、何度も繰り返して激しいキャビテーションにさらされるため、分解が進んでいく。このプランクトンの分解過程については、図５の説明で詳細に後述する。
【００１７】
図２は、図１に示す手法を、例えば貝類の養殖海域で実施するための装置を模式的に描いたものである。この装置は、移動のための動力源を有するボード１６と、これにより懸引されて一体となり移動する懸引フロート２０から成る。ボート１６の上には、真水タンク１８と、高圧水を供給するためのプランジャポンプ１７、及び海水循環ポンプ１０が搭載されている。
【００１８】
一方、懸引フロート２０の下部には、海水８中に沈められるようにして、ノズル１、ドーナツ型ダクト９及び吸入口１１が、それぞれの治具により固定されている。プランジャポンプ１７により所定の圧力（例えば７００ｋｇｆ／ｃｍ2）まで昇圧された高圧水は、高圧ホース１９を通じて、ノズル１に送られ、海水８中に噴出して、キャビテーションを伴う水中水噴流４となる。この噴流４は、吸入口１１内へ入り、循環ダクト１３と海水循環ポンプ１０を通じて、海水８中にあるドーナツ型ダクト９へ送られ、再び海水８中へ吹き出される。
【００１９】
図３に示す本発明の他の実施形態は、ドーナツ型ダクトを用いず、ノズル１の周囲に海水供給円筒ダクト５を設け、キャビテーションを伴う水中水噴流４と並行に、プランクトンを含む海水６を循環供給するようにしたものである。このような方法によっても、プランクトンを含む海水６は、キャビテーションを伴う水中水噴流４の中へ巻き込まれるように流入し、結果的に、キャビテーションの気泡核が噴流中へ連続的に供給されるようになる（７）。
【００２０】
ここで、本発明を実施する規模について、一例を述べる。対象は、湾内の養殖イカダの浮かぶ水域であり、広い外洋ではない。例えば、１ｋｍ四方の水域で、いわゆる赤潮のある箇所を対象とする場合、約１日の処理作業（昼間のみ）となる。この間、噴射用水の給水と、給油さらに休息のために、５〜６回接岸する。高圧水を供給するプランジャポンプ１７の重量は、駆動用のディーゼルエンジンの部分が重く２〜４×１０3ｋｇ程度である。
【００２１】
給水タンクは、満たんにして３×１０3ｋｇ程度である。ウォータージェットの噴射水量は、２５〜５０ｌ／ｍｉｎなので、１〜２時間ごとに水を補給する。海水を循環するポンプ１０は、上記プランジャポンプ１７に比べると格段に軽量である。なお、赤潮対策水域は、瀬戸内海に面する某県の沿岸で数十箇所であり、ローテーションにより処理する。赤潮の被害が重度である水域は、処理を繰り返す。
【００２２】
また、図３に示す海水供給円筒ダクト５は、ドーナツ型ダクト９に比べて構造的にシンプルであり、海水８中を移動させるときに流動抵抗は少ない。
【００２３】
図５は、キャビテーション気泡の圧壊作用により、プランクトンが分解する状況を模式的に描いたものである。一個体の全長は約３０μｍであり、呼吸のために空気を吸い込んでいるので、キャビテーションの気泡核に適している。
【００２４】
有害な赤潮プランクトンの中には「ギムノディム・イマリ型」のように球形（直径約５μｍ）のものもあるが、ここでは、代表的な鞭毛類の形態である細長く（長さ３０μｍ）長い毛のはえているプランクトンを取り上げて説明することにする。
【００２５】
図５のａ）は、気泡核２１がプランクトン２２の胴体に付着している様子を示している。この気泡核２１に対し、水中の高速水噴流による圧力変動２２が作用すると、図５のｂ）→ｃ）→ｄ）のように、気泡として成長する（α）。ある程度まで大きくなった気泡は、再び周囲からの圧力変動を受けて、変形・収縮を始め、ｅ）→ｆ）と急速に収縮し（β）崩壊する。この際に衝撃力が作用するため、プランクトン２１は図５のｇ）のように、バラバラに分解する（γ）。
【００２６】
図５のａ）→ｇ）までの１サイクルは、わずか１ｍｓｅｃ以内であり、きわめて急速な現象である。このようなキャビテーション気泡の挙動がトリガとなって、海水中のおびただしい数の気泡核が圧力変動を受けて励起され、多くのプランクトンを次々と連鎖的に分解する。
【００２７】
以上は、キャビテーション気泡が圧潰する際の力学的作用によるものであるが、キャビテーション気泡の圧潰時の断熱・圧縮作用によって瞬間的に超高温・超高圧場が作り出されることで、化学反応が促進されるような作用でプランクトンの生体組織が分解する。以上に述べたような作用により、海水中のプランクトンが分解する。
【００２８】
図６は、海水中に高速水噴流を吹き込むこと、また高速水噴流を吹き出すノズルを海域上で移動させることにより海水が攪拌される様子を模式的に描いたものである。海水８中に吹き出すキャビテーションを伴う水中水噴流４の周囲には、循環渦２４が生じる。ノズル１が、ボート１６とともに、プランクトンの除去を目的として海域を移動するので、循環渦２５が連続して生成され、結果的に、本発明になる装備が移動した後の海水中には、大規模循環渦２６が作り出される。
【００２９】
このようにして海水が攪拌されることで、海水中で、例えばプランクトンの密生等によって酸素が局部的に不足している領域が解消するため、養殖貝類等の順調な生育が維持されるようになる。
【００３０】
次に、本発明の更に他の実施形態について以下説明する。水中水噴流に発生するキャビテーションの強さは、主として噴流と周囲流とのせん断により決まる。すなわち、噴流と周囲流との速度差が大きなほど、噴流に発生するキャビテーションは激しくなる。先に示した図３の方法は、キャビテーションを伴う水中水噴流４と周囲流であるプランクトンを含む海水６を、同軸で並行に流すために、強いせん断層の形成という観点からは、キャビテーションの促進には必ずしも十分ではない。
【００３１】
図４は、ドーナツ型ダクト９に設けた海水供給ノズル１４を、上流側へ逆向きに設け、キャビテーションを伴う水中水噴流４に逆らうように、プランクトンを含む海水６を供給するようにしたものである。このようにすると、ノズル１から噴出した直後の噴流４のまわりに強いせん断層が生じて、循環渦１５が形成され、結果的に噴流４のキャビテーションが促進される。
【００３２】
以上説明したように、本発明の実施形態は、次に示すような構成を備え、また、機能並びに作用を奏するものを含むものである。
【００３３】
水中の高速水噴流に発生するキャビテーションを利用する。キャビテーション気泡が急速に成長し、続いて圧縮崩壊する過程で、気泡の断熱圧縮作用により、数百気圧で１０００℃を超える温度の場が局所的に作り出される。この作用によって、プランクトンの細胞が破壊する。また、タンパク質やアミノ酸などの生体組織が分解する。
【００３４】
このキャビテーションは、超音波法により発生させることができるが、海洋や湖沼等の大域の水を対象とするような、大量水の処理には向かない。
【００３５】
本発明では、水中（海洋中）に、５００ｋｇｆ／ｃｍ2を超える高圧でノズルから高速水噴流を吹き出す手法を採用する。水中の高速水噴流には、おびただしい数の気泡から成る激しいキャビテーションが発生する。このキャビテーションには、プランクトン自身をキャビテーションの「核（Ｎｕｃｌｅｉ）」として使用する。
【００３６】
殺菌対象のプランクトンは、その比重が海水とほぼ同じであり、その大きさは数μｍ〜数十μｍ（平均的に３０μｍ程度）であり、その数密度は１０００個／ｃｃであり、呼吸のために空気を吸い込んでいる、など、キャビテーションの核として好適な条件が揃っている。プランクトン自身が核になると、そこで気泡の急成長と急崩壊が生じて、プランクトンが自壊する。従って、キャビテーションを利用すれば殺滅の効率が良い。
【００３７】
本発明に係る方法では、海水中に沈めたノズルから真水を海水中に吹き出す。一方、このノズルの周囲に海水を強制的に供給する。吹き出した水中水噴流の下流に吸い込みダクトを設け、循環ポンプで吸い上げ、再びノズルの周囲から噴流中に供給し、繰り返し作用によりプランクトンを分解する。
【００３８】
高速水はプランジャポンプにより供給するが、プランジャポンプ、循環ポンプ及び真水のタンクをボート（小型船舶）の上に乗せて、このボートで、ノズル、吸い込みダクトを装着したいかだを引っ張りながら汚染された水域を巡回する。海水自体を高速水噴流用に使うことも可能であるが、本発明において真水を吹き出すようにするのは、プランジャポンプの腐食と異物によるノズルの閉塞を防ぐためである。
【００３９】
本発明においては、水中の高速水噴流での気泡から成るキャビテーションを利用し、且つプランクトン自身をキャビテーションの核とすることによって、次のような作用、機能を果たすものである。
【００４０】
（１）キャビテーション気泡の圧壊作用によりプランクトンを破壊する。プラ  ンクトンの数密度はおよそ１０００個／ｃｃであり、キャビテーションの気泡群で破壊するのに好適な条件である。
【００４１】
（２）キャビテーション気泡の急速圧壊時に生じる超高圧・超高温作用によって、プランクトンの組織が生化学的な反応で分解する。
【００４２】
（３）水中高速水噴流は、大規模のキャビテーションを有効に作り出す手法であり、超音波法に比べてキャビテーションの作用が広域に及ぶ。
【００４３】
（４）比重が水と同じで小さく、海水とともに流動させることのできるプランクトン自身が、キャビテーションの「核（Ｎｕｃｌｅｉ）」となる。
【００４４】
（５）当該水域の表層水を噴流により攪拌する。養殖魚・貝類に有害な局所的な無酸素層を拡散させて、最終的に消滅させることができる。
【００４５】
（６）本発明に係る手法によって、プランクトンの分解が速やかに終了するために、プランクトンの死骸の破片が海底にたまっても、酸素を消費しない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
【００４７】
赤潮の原因である鞭毛プランクトンを除去することができる。
【００４８】
ジェットの噴射する攪拌作用により、水域中の局所的な無酸素層を拡散・  消滅させることができる。これは、水中を移動することの無い養殖貝類の保護に好都合である。
【００４９】
少量の水を吹き込むのみであり、２次汚染による問題は生じない。従って、生態系や共生系に悪影響を及ぼさない。
【００５０】
発生した赤潮の程度に合わせて、小型船舶により移動するため、集中的で効率の良い対策が可能である。
【００５１】
プランクトンの単なる死滅ではなく、小さな破片に分断されるし、生化学的な分解も進む。従って、プランクトンの死骸が海底に堆積しても、その分解に大量の酸素を消費してしまうことが無い。また、海底に大規模な無酸素層を作り出すことが無い。海底無酸素層が生じて、これが大規模に動くと、魚貝類の生棲不能域が広がる。
【００５２】
海水中を回遊する魚類には害を及ぼさない。魚類は敏感であり、ボートのエンジン音やキャビテーションの騒音により、すばやく逃避するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係るキャビテーション発生の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態を、海洋又は湖沼へ適用した場合における全体装置を示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態であって、キャビテーション発生の他の構成を示す図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態であって、キャビテーション発生の更に他の構成を示す図である。
【図５】プランクトンを核とした場合の気泡の成長と収縮・崩壊に伴うプランクトン分解の様子を示す図である。
【図６】噴流による攪拌作用を模式的に描いた図である。
【符号の説明】
１  ノズル
２  高圧水（真水）
３  噴出孔
４  キャビテーションを伴う水中水噴流
５  海水供給円筒ダクト
６  プランクトンを含む海水
７  核供給
８  海水
９  ドーナツ型ダクト
１０  海水循環ポンプ
１１  吸入口
１２  海水循環
１３  循環ダクト
１４  海水供給ノズル
１５  循環渦
１６  ボート
１７  プランジャポンプ
１８  真水タンク
１９  高圧ホース
２０  牽引用フロート
２１  気泡核
２２  圧力変動
２３  プランクトン
α  気泡の成長
β  気泡の収縮、崩壊
γ  プランクトンの分解
【図１】
0003667541.tif 000002
【図２】
0003667541.tif 000003
【図３】
0003667541.tif 000004
【図４】
0003667541.tif 000005
【図５】
0003667541.tif 000006
【図６】
0003667541.tif 000007