(57)【要約】【課題】経済性に優れ、かつ環境汚染などのおそれのない被処理水の殺菌方法及びその装置を提供する。【解決手段】この方法は、被処理水の一例としてのバラスト水に衝撃圧を加えることにより、該バラスト水を殺菌する方法であって、バラスト水に微小気泡を混入させる第一工程と、前記微小気泡を混入させたバラスト水に衝撃圧を繰り返し発生させて、該バラスト水の高圧状態を維持する第二工程とを備え、これにより経済性に優れ、かつ環境汚染などのおそれのない方法を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水に衝撃圧を加えることにより、該被処理水を殺菌する方法であって、
被処理水に気泡を混入させる第一工程と、前記気泡を混入させた被処理水に衝撃圧を繰り返し発生させて、該被処理水の高圧状態を維持する第二工程とを備えたことを特徴とする被処理水の殺菌方法。
【請求項２】
前記第二工程は、狭隘な場所に前記気泡を混入させた被処理水を通過させる間に、該気泡を混入させた被処理水に前記衝撃圧を繰り返し発生させることを特徴とする請求項１記載の被処理水の殺菌方法。
【請求項３】
前記第二工程は、前記気泡を混入させた被処理水にガス圧による衝撃力を加えることにより、該気泡を混入させた被処理水に前記衝撃圧を繰り返し発生させることを特徴とする請求項１又は２記載の被処理水の殺菌方法。
【請求項４】
前記ガス圧は、コンプレッサで発生させることを特徴とする請求項３記載の被処理水の殺菌方法。
【請求項５】
前記第一工程は、被処理水に旋回流を生じさせることで、該被処理水に加えた空気を微細化して前記気泡を作ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の被処理水の殺菌方法。
【請求項６】
被処理水に衝撃圧を加えることにより、該被処理水を殺菌する装置であって、
被処理水に気泡を混入させる第一手段と、前記気泡を混入させた被処理水に衝撃圧を繰り返し発生させて、該被処理水の高圧状態を維持する第二手段とを備えたことを特徴とする被処理水の殺菌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理水の殺菌方法及びその装置に関するものであって、例えば船舶のバラスト水の殺菌方法及びその装置に好適である。
【背景技術】
【０００２】
近年、船舶の安定制御に不可欠なバラスト水が、海洋微生物の越境移動を招き、海洋生態系破壊をもたらしているとして、国際的に問題視されている。国際海事機関（ＩＭＯ）は、２００４年に船舶バラスト水の水質に厳しい基準を設定し、船舶排水量に対応した段階的な条約の実施を進め、各国に条約の遵守を求めている。そのため、ＩＭＯ基準を満たす様々なバラスト水処理方法が開示されている。
【０００３】
水中に存在する大腸菌やコレラ菌などを含む特定の水生生物に対して衝撃圧を加えると、その細胞膜が壊れて死滅させることができる。そこで、例えば特許文献１では、複数箇所での水中放電によって誘起された衝撃波同士を干渉させて得られた衝撃圧をバラスト水に加えることにより、水生生物を死滅させる方法が開示されている。また、バラスト水中の殺菌を目的とするものではないが、特許文献２では、液中放電により生じさせた衝撃波で気泡がキャビテーション崩壊し、その崩壊時の衝撃圧が前記衝撃波と相乗効果をもたらすことが開示されている。その他、光触媒殺菌、キャビテーション作用と脱酸素殺菌の併用、電磁力にキャビテーション作用とオゾン殺菌の併用、電磁力による菌体の吸着除去などによるバラスト水処理方法も知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、水中の菌類を死滅させるには、衝撃圧を加えるだけでなく、その水中におけるフリーラジカルの存在がかなり大きく寄与するものと考えられる。しかしながら、前記特許文献１では、衝撃圧を加えるだけであるので、殺菌効果は十分でない。また、前記特許文献２では、気泡雰囲気で液中にはフリーラジカルが存在するものの、そのフリーラジカルの存在による殺菌効果についてはまったくふれていない。したがって、前記特許文献１，２では、いずれも船舶のバラスト水のように大量の水に対する殺菌効果を保障しえない。
【０００５】
また、前記特許文献１，２では、いずれも水中（液中）放電を利用しているため、装置構成が大掛かりなものとなり、同放電を利用しない他の方法に比べてエネルギー消費量が大きいといった問題があった。
【０００６】
さらに、前記特許文献１，２では、いずれも水中（液中）放電を利用しているため、電極の消耗によるメンテナンス性や環境汚染の問題もあった。その他の方法についても、導入費用や維持管理費などの経済性などに、未だ改善すべき課題を多く残している。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、経済性に優れ、かつ環境汚染などのおそれのない被処理水の殺菌方法及びその装置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】
【０００８】
本発明は、被処理水に衝撃圧を加えることにより、該被処理水を殺菌する方法であって、被処理水に気泡を混入させる第一工程と、前記気泡を混入させた被処理水に衝撃圧を繰り返し発生させて、該被処理水の高圧状態を維持する第二工程とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明によれば、被処理水に気泡が混入され、前記気泡が混入された被処理水に衝撃圧が繰り返し発生されて、該被処理水の高圧状態が維持されるので、その衝撃圧に加えて、気泡の収縮・再膨張の繰り返しによりフリーラジカルが長時間にわたって存在し、これらにより大量の被処理水を効率よく殺菌することができる。また、本発明では、水中（液中）放電を利用していないため、装置構成が簡単なものとなり、エネルギー消費量も小さくて済む。また電極の消耗によるメンテナンス性や環境汚染の問題もまったくない。
【００１０】
請求項２記載の発明のように、前記第二工程は、狭隘な場所に前記気泡を混入させた被処理水を通過させる間に、該気泡を混入させた被処理水に前記衝撃圧を繰り返し発生させることが好ましい。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、前記第二工程で、狭隘な場所に前記気泡を混入させた被処理水を通過させる間に、該気泡を混入させた被処理水に前記衝撃圧を繰り返し発生させるので、狭隘な場所での反射波を利用して、殺菌に必要な衝撃圧の確保と、気泡の収縮・再膨張の繰り返しにより発生するフリーラジカルの維持が容易となる。
【００１２】
請求項３記載の発明のように、前記第二工程は、前記気泡を混入させた被処理水にガス圧による衝撃力を加えることにより、該気泡を混入させた被処理水に前記衝撃圧を繰り返し発生させることが好ましい。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、前記第二工程で、前記気泡を混入させた被処理水にガス圧による衝撃力を加えることにより、該気泡を混入させた被処理水に前記衝撃圧を繰り返し発生させるので、簡単な構成で、殺菌に必要な衝撃圧の確保と、気泡の収縮・再膨張の繰り返しにより発生するフリーラジカルの維持が容易となる。なお、ガスとしては、例えば空気、窒素ガスなどを利用することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明のように、前記ガス圧は、コンプレッサで発生させることが好ましい。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、前記ガス圧は、コンプレッサで発生させるので、より簡単な構成で、衝撃圧を得ることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明のように、前記第一工程は、被処理水に旋回流を生じさせることで、該被処理水に加えた空気を微細化することが好ましい。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、前記第一工程で、被処理水に旋回流を生じさせることで、該被処理水に加えた空気を微細化するので、より簡単な構成で、気泡を作ることができる。
【００１８】
請求項６記載の発明は、被処理水に衝撃圧を加えることにより、該被処理水を殺菌する装置であって、被処理水に気泡を混入させる第一手段と、前記気泡を混入させた被処理水に衝撃圧を繰り返し発生させて、該被処理水の高圧状態を維持する第二手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、本発明と同様の作用効果を奏する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、被処理水に気泡が混入され、前記気泡が混入された被処理水に衝撃圧が繰り返し発生されて、該被処理水の高圧状態が維持されるので、その衝撃圧に加えて、気泡の収縮・再膨張の繰り返しによりフリーラジカルが長時間にわたって存在し、これらにより大量の被処理水を効率よく殺菌することができる。また、本発明では、水中（液中）放電を利用していないため、装置構成が簡単なものとなり、エネルギー消費量も小さくて済む。また電極の消耗によるメンテナンス性や環境汚染の問題もまったくない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の基本原理を調べるための実験装置の全体構成図である。
【図２】本実験装置により発生させた気泡のサイズの分布図である。
【図３】初期直径５０μｍの気泡の観察結果を示す説明図である。
【図４】気泡の直径の時間変化を示す説明図である。
【図５】初期直径５０μｍの気泡に、１〜５ＭＰａの圧力を不連続的に負荷した場合の気泡半径の時間変化を示すグラフである。
【図６】初期直径５０μｍの気泡に、１〜５ＭＰａの圧力を不連続的に負荷した場合の圧力の時間変化を示すグラフである。
【図７】初期直径１０，３０，５０μｍの気泡の周囲液体圧と一回目の収縮で得られる極値との関係を示すグラフである。
【図８】撮影結果を示す説明図である。
【図９】拡大視野での撮影結果を示す説明図である。
【図１０】起爆点から２０ｍｍの位置で得られた円筒衝撃波の圧力変動（気泡なしの結果）を示すグラフである。
【図１１】起爆点から２０ｍｍの位置で得られた円筒衝撃波の圧力変動（気泡を注入した場合の結果）を示すグラフである。
【図１２】起爆点から２０ｍｍの位置で得られた円筒衝撃波の圧力変動（周波数解析の結果）を示すグラフである。
【図１３】初期直径１０，３０μｍの単一気泡に、図１０の過剰圧を作用させた場合の気泡運動方程式の解析結果（Ｒ／Ｒ０の時間変化）を示すグラフである。
【図１４】初期直径１０，３０μｍの単一気泡に、図１０の過剰圧を作用させた場合の気泡運動方程式の解析結果（圧力の時間変化）を示すグラフである。
【図１５】本発明の一実施例に係る船舶のバラスト水処理装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の基本原理を調べるための実験装置１００の全体構成図、図２は本実験装置１００により発生させた気泡のサイズの分布図である。本実験装置１００は、図１に示すように、水槽１に外付けのポンプ２により気泡発生器４内に旋回水流を生成し、その旋回水流中心部に生じる圧力低下によりレギュレータ３を介して外部空気を自然吸引する。気泡発生器４の内部に吸引された空気は、空気渦柱を形成し、この気柱が、気泡発生器４の出口部で旋回水流の速度変化に伴うせん断力作用を受けて微細化され、微小空気泡が生成される。本実験装置１００の経験的な最適作動条件は、ポンプ２の吐出量１７Ｌ/ｍｉｎ、レギュレータ３の空気供給量１Ｌ/ｍｉｎである。
【００２３】
図１では、被処理水の一例としてのバラスト水を模擬した濃度約３％の塩水（約２７Ｌ）を入れた水槽１内で発生した気泡の様子を示す。塩水の場合、装置起動後約３０秒に水槽１内全体が白濁する。装置構成は、水槽１内の塩水をポンプ２で吸い込み、気泡発生器４を通して気泡と共に水槽１へ吐出する循環方式であるため、水槽１内のポンプ２の吸入口付近に浮遊する気泡は、再びポンプ２に吸い込まれる。したがって、気泡発生器４に吸入される正確な空気量は明らかでない。
【００２４】
また、装置作動中は気泡発生器４の出口からの水流によって水槽１内に流れが生じるため、水槽１内のボイド率分布は均一ではない。なお、水槽１内の数箇所から試料水を採取して計測した結果、平均ボイド率１．１%を得た。
【００２５】
気泡発生器４で得られた気泡の直径分布は、気泡にレーザー光を照射したときの散乱光のドップラー信号や回折パターン信号を利用した粒径計測装置（不図示）で計測した。計測結果は、図２に示すように、１０μｍ程度の気泡直径が分布の極値であること、全体の約８５％が直径２０μｍ以下の範囲に分布しており、ほぼ均一直径の気泡生成が認められた。
【００２６】
２枚のプレパラートで構成した３００μｍの間隙に気泡を閉じ込め、正立型顕微鏡により気泡直径の変化を観察した。図３は、初期直径５０μｍの気泡の観察結果であり、最小３μｍの気泡直径まで確認できた。初期直径５０μｍの微小気泡が、直径３μｍまで収縮するのに要した時間は約６５０秒であった。また、このとき気泡の再膨張現象は確認されなかった。
【００２７】
図４は、気泡の直径の時間変化を示しており、縦軸は気泡直径（μｍ）、横軸は時間（ｓ）で、縦軸上の値は初期直径である。黒丸は計測値、実線は気泡消滅の実測時間から初期気泡内外圧力差を理論的に見積り、それが常に一定であるとした仮定の下で、圧縮性、粘性および表面張力を無視したＲａｙｌｅｉｇｈ−Ｐｌｅｓｓｅｔの単一球状気泡方程式から得た解析解である。計測限界直径に達する時間は、当然のことながら初期直径が大きいほど長く、初期直径６５μｍの気泡が限界直径に達するまでに約１３００秒を要した。
【００２８】
一方、解析解の曲線の傾きの変化は、気泡半径の減少に伴う単位体積当たりの気泡表面積増加に起因した気泡表面速度の増加を示している。気泡は完全に潰れ、再膨張は生じない。実験計測結果は、解析解とほぼ一致しており、再膨張現象が生じないことから、熱平行を保ちながら気液界面で生じる拡散現象により収縮したと判断される。
【００２９】
高橋らは、このようにゆっくりとした気泡の収縮が微小気泡独特の圧壊現象であり、スピントラップ剤を使用した電子スピン共鳴法（ＥＲＳ）による実験から、外圧作用なしで消失した気泡でもフリーラジカルを発生すると報告している（非特許文献１，２参照）。しかし、気泡の自然圧壊で発生するフリーラジカルの量は不明である。本発明者らが過去に実施した海洋ビブリオ属細菌に対する気泡のみの細菌不活性化効果の確認実験では、１０Ｌの海水に１２時間気泡を供給した場合、菌体不活性効果は高々７０％程度であった（非特許文献３参照）。これは、気泡の自然圧壊のみによる殺菌処理効果が極めて低いことを意味し、気泡で実用可能な不活性化効果を発現させるためには、外圧負荷等による積極的な気泡再膨張の促進が必要であることがわかる。
【００３０】
ここで、外圧作用で積極的に気泡群の再膨張運動を誘起し、細菌不活性化効果を顕著に発現できる高圧発生を確認するためには、高速度撮影と高精度の圧力計測が必須である。気泡群のそれぞれの気泡運動を誘起するため、アジ化銀１０ｍｇを水中爆発させて得られる球状衝撃波を作用させた。アジ化銀ペレットは、直径０．６ｍｍの光ファイバー先端に接着され、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザー光（２０ｍＪ/パルス、パルス幅７ｎｓ）を導光して起爆した。なお、アジ化銀の総エネルギーの約１/３が球状衝撃波の駆動に費やされ、衝撃波発生の再現性と時間制御は良好である。図１において、１０はアジ化銀ペレット、１１はＮｄ：ＹＡＧ、１２はトリガーユニットである。
【００３１】
可視化の光学系配置を前記図１に示す。視野幅を拡大し、気泡群の存在による光透過性の悪化を避け、崩壊過程を十分な精度で解像するために、縦１１０ｍｍ×横１１０ｍｍ×奥行き幅１０ｍｍの薄型の試験水槽５を使用した。観測窓はアクリル樹脂製である。
【００３２】
試験水槽５中心にアジ化銀を配置し、水中衝撃波を発生させた。水中衝撃波の圧力減衰特性については、過去の予備実験で検定されている。起爆直後、球状衝撃波が形成されるが、直ちにアクリル樹脂の窓面で反射し、円筒衝撃波となる。また、気泡は、別の水槽１で発生させ、必要に応じて試験水槽５へ移送した。水循環で水槽１内に誘起された水流の影響を除去するため、気泡の注入後、直ちにポンプを停止させ、１０〜２０秒放置して流れの静止を目視確認した後、アジ化銀を起爆した。画像の記録には、最高２億コマ/秒の撮影が可能なイメージコンバーターカメラ１４を用いた。可視化の視野幅は５６ｍｍ、拡大視野幅は１０ｍｍであった。
【００３３】
圧力計測には、光ファイバー圧力変換機７を使用した。圧力変換機７の受圧部は、直径０．１ｍｍの光ファイバー１３である。レーザー光を測定部に導光し、水の密度変化に伴う屈折率の変化によって変調された光信号を検知し、それを参照光と比較して屈折率変化を求め、密度を推定して圧力を求める原理である。ピエゾ素子の圧力変換機と比較して計測圧力範囲が広く、電磁的雑音に影響されないなどの特徴を有する。また、立ち上がり時間３ｎｓの高速応答が可能であり、気泡群の再膨張過程の圧力変動にも追従できる。機器構成を前記図１に示す。図１において、８はフォトデテクター、９はオシロスコープである。試験水槽５内に起爆用のファイバーブローブを同軸上に配置し、起爆点からの距離を変化させて計測を繰り返した。
【００３４】
本発明者らは過去に、１０ｍｇアジ化銀の水中爆発により生成した水中球状衝撃波と直径１．７ｍｍの気泡との干渉現象を二重露光ホログラフィ干渉計法で可視化観測すると共に、その干渉縞分布の画像解析から衝撃波背後の圧力分布を得ている（非特許文献４参照）。それらの結果は、衝撃波面が気泡を通過した直後、気泡界面で反射膨張波が発生し、気泡周囲に波頭が拡大伝播すると共に、気泡の収縮運動に伴う局所的な圧力上昇を誘起し、その高圧部を中心とした再膨張衝撃波の発生と、マイクロジェットの生成を示した。
【００３５】
基本的に、微小気泡と衝撃波の干渉時においても、同様の現象が生じると考えられるが、気泡群との干渉の場合、個々の気泡運動に伴う圧力波が相互に干渉し、現象はさらに複雑な様相を呈すると推測される。しかしながら、この様な波動現象が関与する複雑な三次元微小気泡運動を解析することは容易でないことから、まず、簡易的に一次元の気泡運動方程式による単一微小気泡の解析を行い、気泡崩壊条件および発生する再膨張撃圧の大まかな見積もりを行った。
【００３６】
熱的効果と拡散効果を無視した圧縮性流体中の球状気泡運動方程式を解いて、無限境界液体中に存在する単一気泡に、不連続的な圧力上昇を負荷する場合の気泡の直径と内圧の時間変動を求めた。初期直径５０μｍの気泡に、１〜５ＭＰａの圧力を不連続的に負荷した場合の解析結果を図５、図６に示す。先に述べたように、実際には単一気泡に平面衝撃波が作用するのに対し、解析モデルは一次元的であり、必ずしも現実と一致しないが、気泡運動を推定するには十分であると考えた。
【００３７】
図５より、１ＭＰａ以上の不連続的圧力負荷に対し、再膨張は、圧力作用後１μｓ以内に生じ、周期は作用圧力の増加に伴って短くなることがわかる。また、図６より、一回目の気泡収縮時の気泡内圧が最も高く、その最大圧は周囲作用圧力が高いほど増加し、２ＭＰａ以上の作用圧力で数百ＭＰａに達することがわかる。
【００３８】
図７は、初期直径１０，３０，５０μｍの気泡の周囲液体圧と一回目の収縮で得られる極値との関係である。初期気泡直径の違いによる極値の顕著な差は認められない。先のアルミニウム容器に封入された海洋細菌の不活性化実験で完全不活性化効果が得られた衝撃圧力２００ＭＰａに相当する再膨張圧を得るためには、約３ＭＰａの不連続的過剰圧を負荷しなければならないことがわかる。
【００３９】
図８に視野幅５６ｍｍ、撮影速度５０万コマ/秒（コマ間隔２μｓ）、露光時間５０ｎｓで撮影した画像を示す。気泡群の光吸収で全体的に画像が暗く、また、直接画像から確認できる気泡直系は６００〜８００μｍであった。起爆により、発生する球状衝撃波は、窓面で反射して円筒衝撃波（ＣＳ）に移行する。図８から、爆発生成気体、円筒衝撃波面およびアクリル樹脂窓材中の弾性応力波（ＥＳ）の影を確認することができる。各波面の到達位置から見積もられる伝播速度は、円筒衝撃波が約１５００ｍ/ｓ、窓材料中応力波が約２１００ｍ/ｓであった。起爆から約１２ｍｍ右の位置に確認される直径約７００μｍの気泡（Ｂ）に注目すると、衝撃波（ＲＳ）を発生する様子が認められた。しかし、図８から直径１００μｍ以下の微小気泡は判別し難いので、微小気泡の再膨張運動は、画像診断できなかった。
【００４０】
図９に拡大視野での撮影結果を示す。撮影速度は１００万コマ／秒（コマ間隔１μｓ）、露光時間は５０ｎｓである。図９（ａ）は初期画像であるが、図９（ｂ）〜（ｉ）には、左から右に伝播する水中衝撃波面が認められ、衝撃波の右側に、粒子状の影として多数の微小気泡が認められる。図９（ｂ）、（ｅ）では、これらの影が衝撃波面通過直後に消滅し、同時にその領域において屈折率変化を示す明るい揺らぎが認められる。図９（ｆ）以降では、気泡再膨張のため、画像は左から暗くなる。
【００４１】
また、図９（ｊ）〜（ｌ）では、気泡の影が拡大して、より明確になる。これらの可視化結果は、気泡群が水中衝撃波通過直後に収縮を開始し、最小体積に達した後、膨張に転じる一連の過程を示している。本可視化結果から、気泡が衝撃波作用を受けた後に再膨張に到る時間は、１μｓ以下の短い時間であると見なせる。また、衝撃波照射で気泡は連鎖反応的に崩壊するため、再膨張衝撃波の発生とそれらの相互干渉により複雑さを増すが、衝撃波の運動に支配されたコヒーレントな反応が生じていると推定できる。これらを定量的に明らかにするためには、さらなる拡大撮影と高速画像記録が必要である。
【００４２】
図１０〜図１２に起爆点から２０ｍｍの位置で得られた円筒衝撃波の圧力変動を示す。図１０は、気泡なしの結果である。水中衝撃波の圧力変動は明確に判断でき、最大過剰圧は約５０ＭＰａである。円筒衝撃波背後の圧力値は、測定部窓面での反射の影響により、自由空間を伝播する場合より高く、圧力減少は緩やかになる。一方、入射衝撃波直前には、約５ＭＰａの圧力変動が２００ｎｓ間程度認められ、アクリル窓中を先行伝播する応力波により水中に生じた斜め衝撃波の影響が現れている。
【００４３】
図１１は、微小気泡を注入した場合の結果で、圧力波形は、気泡なしとは全く異なる。まず、先行斜め衝撃波による２０〜３０ＭＰａの圧力変動が生じ、その約１μｓ後に、入射衝撃波と引続く反射波の到達による約６０ＭＰａと１００ＭＰａの過剰圧が発生したと考えられる。さらに約４μｓ後、圧力は２００ＭＰａに上昇し、約１５０ＭＰａの値を中心とした振動が数十マイクロ秒後間にわたり持続する。図１０と比較して、発生圧力値は著しく高く、微小気泡群の再膨張衝撃波による過剰圧が原因であると判断できる。また、波形には２００ＭＰａを超える極大値が周期的に現れる傾向が認められる。
【００４４】
図１２に、周波数解析の結果を示す。縦軸は頻度、横軸は周波数である。約１６４ｋＨｚにスペクトルの極値が現れている。水中衝撃波の伝播速度を１５００ｍ/ｓと仮定すると、測定部幅１０ｍｍの距離を衝撃波が繰り返し反射する周期は、１５０ｋＨｚとなり、解析結果の値とほぼ一致する。また、微小気泡の再膨張応答時間は、ナノ秒オーダーであることから、衝撃波作用で気泡は直ちに崩壊して再膨張衝撃波を発生し、それが同位相で測定部を繰り返し伝播した結果として、高周波数の極値が多数現れたと考えられる。さらに、気泡群は、一回の崩壊で完全に消滅することなく、繰り返し励起されて完全に消滅するまで応答を持続したと考えられる。
【００４５】
以上の知見は、再膨張衝撃波の効果を利用する殺菌装置の設計指針として、気泡群を広い空間に分布させて外圧負荷する方が、比較的長い時間、高圧を繰り返し発現できることを示唆する。
【００４６】
初期直径１０，３０μｍの単一気泡に、図１０の過剰圧を作用させた場合の気泡運動方程式の解析結果を図１３、図１４に示す。横軸は、円筒衝撃波の圧力上昇の瞬間を原点とした時間である。図１３より、最初の再膨張には、直径１０μｍの気泡で約１００ｎｓ、３０μｍの気泡で約２５０ｎｓを要し、図１４より、再膨張圧は、共に約４００ＭＰａである。以上の解析結果は、微小気泡の最初の再膨張が、外圧負荷後数百ナノ秒の短い時間内に生じ、最大数百ＭＰａの過剰圧が発生することを示し、得られた実験事実とほぼ一致した。
【００４７】
ここでは、光学可視化と高速撮影法および微小空間の圧力変動を高い時間分解能で計測することにより、限局された狭空間の気泡群に衝撃波圧力作用を与えた結果、気泡なしの場合で得られる入射衝撃波過剰圧の数倍に相当する２００ＭＰａを超える再膨張衝撃圧を数十マイクロ秒の比較的長い時間、繰り返して発生できることを示した。これらは、微小気泡を利用する殺菌技術である船舶のバラスト水処理の一方法として応用できる。
【００４８】
図１５に本発明の一実施例に係るバラスト水処理装置２００を含む船舶の水処理系統図を示す。船舶の水処理系は、バラストタンク２１０からのバラスト水を、吸引ライン２１１を介してバラストポンプ２１２で吸引する。そして、バラストポンプ２１２から吐き出されたバラスト水を吐出ライン２１３を介してバラスト水処理装置２００に導入する。
【００４９】
バラスト水処理装置２００は、入口ヘッダ２０１に外付けのポンプ２０２により気泡発生器２０４内に旋回水流を生成し、その旋回水流中心部に生じる圧力低下によりレギュレータ２０３を介して外部空気を自然吸引する。気泡発生器２０４の内部に吸引された空気は、空気渦柱を形成し、この気柱が、気泡発生器２０４の出口部で旋回水流の速度変化に伴うせん断力作用を受けて微細化され、気泡が生成される（第一手段に相当し、これにより第一の工程が実行される）。
【００５０】
入口ヘッダ２０１には、複数本の横向き細管からなる細管群（狭隘な場所に相当する。）２０５が接続されており、細管群２０５内を通過する気泡を混入させたバラスト水に、コンプレッサ２０６で発生させたガス圧による衝撃力を加える。これにより、該気泡を混入させたバラスト水に衝撃圧を繰り返し発生させることができる（第二手段に相当し、これにより第二工程が実行される）。細管群２０５の出口は出口ヘッダ２０７に接続されている。なお、細管群２０５は、縦向きであってもよい。
【００５１】
バラスト水処理装置２００で殺菌処理されたバラスト水は、排出ライン２１４及び切替弁２１５を介して船舷２１６の開口部などから外部に排出される。或いは、切替弁２１５及び戻りライン２１７を介して、元のバラストタンク２１０（又は別のバラストタンク）に戻されて、繰り返し殺菌処理がなされる。
【００５２】
ポンプ２０２、レギュレータ２０３、コンプレッサ２０６、バラストポンプ２１２及び切替弁２１５の各動作は、すべてコントローラ２０８で制御される。具体的には、コントローラ２０８は、バラストタンク２１０から吸引ライン２１１を介してバラストポンプ２１２で吸引されたバラスト水を、バラスト水処理装置２００で殺菌するように、ポンプ２０２、レギュレータ２０３及びコンプレッサ２０６を制御する。最初は殺菌が十分に行われていないと考えられるので、バラスト水処理装置２００で殺菌されたバラスト水を、排出ライン２１４を介して元のバラストタンク２１０（又は別のバラストタンク）に戻すように切替弁２１５を制御する。これを繰り返して殺菌が十分に行われるようになってから、バラスト水処理装置２００で殺菌されたバラスト水を、戻りライン２１７を介して船舷２１６の開口部などから外部に排出するように切替弁２１５を制御する。
【００５３】
このバラスト水処理装置２００によれば、バラスト水に気泡が混入され、前記気泡が混入されたバラスト水に衝撃圧が繰り返し発生されて、該バラスト水の高圧状態が維持されるので、その衝撃圧に加えて、気泡の収縮・再膨張の繰り返しによりフリーラジカルが長時間にわたって存在し、これらにより大量の被処理水を効率よく殺菌することができる。また、ここでは、水中（液中）放電を利用していないため、装置構成が簡単なものとなり、エネルギー消費量も小さくて済む。また電極の消耗によるメンテナンス性や環境汚染の問題もまったくない。
【００５４】
なお、上記実施形態では、被処理水が船舶のバラスト水である場合を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、例えば魚洗浄水などのその他の被処理水の殺菌方法などに幅広く応用できることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５５】
１００  実験装置
１  水槽
２  ポンプ
３  レギュレータ
４  気泡発生器
５  試験水槽
２００  バラスト水処理装置
２０１  入口ヘッダ
２０２  ポンプ
２０３  レギュレータ
２０４  気泡発生器（第一手段に相当し、これにより第一工程が実行される。）
２０５  細管群（狭隘な場所に相当する。）
２０６  コンプレッサ（第二手段に相当し、これにより第二工程が実行される。）
２０７  出口ヘッダ
２０８  コントローラ
２１０  バラストタンク
２１２  バラストポンプ
２１５  切替弁
２１６  船絃
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５６】
【特許文献１】特開２００５−２４６１７８号公報
【特許文献２】特開平１０−５７８３２号公報
【非特許文献】
【００５７】
【非特許文献１】Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｍ．，Ｃｈｉｂａ，Ｋ．，Ｌｉ，Ｐ．，Ｆｒｅｅ−Ｒａｄｉｃａｌ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  Ｃｏｌｌａｐｓｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ａｂｓｅｎｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｔｉｍｕｌｕｓ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ，Ｖｏｌ．１１１，Ｎｏ．６，（２００７），ｐｐ．１３４３−１３４７．
【非特許文献２】Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｍ．，Ｃｈｉｂａ，Ｋ．，Ｌｉ，Ｐ．，Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｘｙｌ  Ｒａｄｉｃａｌｓ  ｂｙ  Ｃｏｌｌａｐｓｉｎｇ  Ｏｚｏｎｅ  Ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ  ｕｎｄｅｒ  Ｓｔｒｏｎｇｌｙ  Ａｃｉｄｉｃ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ，Ｖｏｌ．１１１，Ｎｏ．３９，（２００７），ｐｐ．１１４４３−１１４４６．
【非特許文献３】Ａｂｅ，Ａ．，Ｋａｎａｉ，Ｈ．，Ｍｉｍｕｒａ，Ｈ．，Ｎｉｓｈｉｏ，Ｓ．，Ｉｓｈｉｄａ，Ｈ．，Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｈｏｃｋ  ｗａｖｅｓ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｂｙ  ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｏｆ  ｓｈｉｐｓ’  ｂａｌｌａｓｔ  ｗａｔｅｒ，Ｐｒｏｃ．２６ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｓｈｏｃｋ  Ｗａｖｅｓ，（２００７），ｐｐ．８６９−８７４．
【非特許文献４】Ａｂｅ，Ａ．，Ｓｈｏｃｋ  ｗａｖｅｓ  ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｆｌｏｗ  ｆｒｏｍ  ａｎ  ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ  ｓｈｏｃｋ  ｔｕｂｅ（ｉｎ  Ｊａｐａｎｅｓｅｓ），Ｄｏｃｔｏｒａｌ  ｔｈｅｓｉｓ，Ｇｒａｄｕａｔｅ  Ｓｃｈｏｏｌ  ｏｆ  Ｔｏｈｏｋｕ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，（１９９１），ｐｐ．４２−４４．
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図３】
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【図８】
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【図９】
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