(57)【要約】水中パルスプラズマ処理装置を提供する。本発明に係る水中パルスプラズマ処理装置は、パルスパワーを発生させる電源供給手段と、前記電源供給手段で発生したパルスパワーを、空気層を含む水面または気泡を含む水中に放電させる少なくとも１つの放電手段と、前記少なくとも１つの放電手段によって発生したプラズマを用いて水中の微生物を除去するプラズマ処理手段とを備える。【選択図】図１
2010523326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中パルスプラズマ処理装置であって、
パルスパワーを発生させる電源供給手段と、
前記電源供給手段で発生したパルスパワーを、空気層を含む水面または気泡を含む水中に放電させる少なくとも１つの放電手段と、
前記少なくとも１つの放電手段によって発生したプラズマを用いて水中の微生物を除去するプラズマ処理手段と、
を備えることを特徴とする水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記空気層が、
配管に流入する水の流速または／及び流量の制御により、前記配管の内側と水面との間に形成される空気層であることを特徴とする請求項１に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの放電手段が、
前記配管の内側上部に形成され、流入する水の方向に垂直な垂直シングル放電チップ構造を有することを特徴とする請求項２に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの放電手段が、
前記配管の内側上部に形成され、流入する水の方向に垂直に離隔した垂直マルチ放電チップ構造を有することを特徴とする請求項２に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記気泡が、
前記放電手段毎に形成された空気注入手段によって注入された水中の気泡であることを特徴とする請求項１に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの放電手段の各々が、
中央に形成されたホールを介して空気を吹き込む構造を有することを特徴とする請求項５に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの放電手段が、
配管の内側中央部に形成され、流入する水の方向に水平な水平シングル放電チップ構造を有することを特徴とする請求項６に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの放電手段が、
配管の内側中央部に形成され、流入する水の方向に水平に離隔した水平マルチ放電チップ構造を有することを特徴とする請求項６に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの放電手段が、
流速を制御するために配管を曲げ、多段からなる前記配管の内側中央部にそれぞれ形成され、流入する水の方向に水平な多段の水平放電チップ構造を有することを特徴とする請求項６に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの放電手段が、
配管の内側上部に形成され、流入する水の方向に垂直に離隔した垂直マルチ放電チップ構造を有することを特徴とする請求項６に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの放電手段が、
電源印加端（カソード）であり、対向電極の接地端（アノード）が前記配管に流入する水の接触面に形成されることを特徴とする請求項３に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記電源供給手段が、
スイッチの自動開閉に応じて直流高圧電源を充電および放電させることにより、前記パルスパワーを発生させることを特徴とする請求項１に記載の水中パルスプラズマ処理装置。
【請求項１３】
船舶バラスト水処理システムであって、
流入するバラスト水から浮遊物質及び微生物を濾過する濾過手段と、
パルスパワーを、空気層を含む水面または気泡を含む水中に放電させ、発生したプラズマを用いて、前記濾過手段によって濾過された前記バラスト水から微生物を除去する水中パルスプラズマ処理手段と、
前記水中パルスプラズマ処理手段によって処理された前記バラスト水を検査する検査手段と、
前記濾過手段、前記水中パルスプラズマ処理手段、及び前記検査手段から伝送されるデータを集めて自動制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする船舶バラスト水処理システム。
【請求項１４】
前記検査手段が、
検査結果が適切である場合は、後から流入するバラスト水に対する前記水中パルスプラズマ処理手段によって処理された前記バラスト水の検査を行わないことを特徴とする請求項１３に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項１５】
前記検査手段が、
検査結果が適切でない場合は、検査結果を前記制御手段に通知し、前記制御手段の制御の下、前記水中パルスプラズマ処理手段において、残存する微生物を滅菌処理させることを特徴とする請求項１３に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項１６】
前記検査手段が、
検査結果が適切でない場合は、検査結果を前記制御手段に通知し、前記制御手段の制御の下、前記水中パルスプラズマ処理手段において、少なくとも２つの放電チップを駆動させることを特徴とする請求項１３に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項１７】
前記制御手段の制御の下、前記濾過手段から排出されるバラスト水の流速または／及び流量を制御して、前記水中パルスプラズマ処理手段に流入させる流速制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項１８】
前記濾過手段が、流入する前記バラスト水から最初に前記浮遊物質及び前記微生物を濾過する役割を果たし、微細スクリーンを用いて所定の大きさの前記浮遊物質を濾過し、
前記微細スクリーンの設計によって濾過性能が調整され、
前記微細スクリーンの目詰まりを防止するために洗浄機能が提供されることを特徴とする請求項１３に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項１９】
前記水中パルスプラズマ処理手段が、
前記パルスパワーを発生させる電源供給手段と、
前記電源供給手段で発生した前記パルスパワーを、前記空気層を含む前記水面または前記気泡を含む前記水中に放電させる少なくとも１つの放電手段と、
前記少なくとも１つの放電手段によって発生したプラズマを用いて水中の微生物を除去するプラズマ処理手段と、
を備えることを特徴とする請求項１３に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２０】
前記空気層が、
配管に流入する水の流速または／及び流量の制御により、前記配管の内側と水面との間に形成される空気層であることを特徴とする請求項１９に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの放電手段が、
前記配管の内側上部に形成され、流入するバラスト水の方向に垂直な垂直シングル放電チップ構造を有することを特徴とする請求項２０に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの放電手段が、
前記配管の内側上部に形成され、流入するバラスト水の方向に垂直に離隔した垂直マルチ放電チップ構造を有することを特徴とする請求項２０に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２３】
前記気泡が、
前記放電手段毎に形成された空気注入手段によって注入された水中の気泡であることを特徴とする請求項１９に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの放電手段の各々が、
中央に形成されたホールを介して空気を吹き込む構造を有することを特徴とする請求項２３に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの放電手段が、
配管の内側中央部に形成され、流入するバラスト水の方向に水平な水平シングル放電チップ構造を有することを特徴とする請求項２４に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの放電手段が、
配管の内側中央部に形成され、流入するバラスト水の方向に水平に離隔した水平マルチ放電チップ構造を有することを特徴とする請求項２４に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの放電手段が、
流速を制御するために配管を曲げ、多段からなる前記配管の内側中央部にそれぞれ形成され、流入するバラスト水の方向に水平な多段の水平放電チップ構造を有することを特徴とする請求項２４に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの放電手段が、
配管の内側上部に形成され、流入するバラスト水の方向に垂直に離隔した垂直マルチ放電チップ構造を有することを特徴とする請求項２４に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項２９】
前記検査手段が、
船舶内のモータポンプ動作により、入水配管を経て供給された前記バラスト水を貯留する第１貯留手段と、
前記第１貯留手段内の分析対象物を濾過するフィルタリング手段と、
前記フィルタリング手段を結合するフィルタ結合手段と、
前記フィルタリング手段を前記フィルタ結合手段に移動させて装着する第１移送用シリンダと、
前記フィルタリング手段を通過したバラスト水を貯留する第２貯留手段と、
前記第２貯留手段に貯留されたバラスト水から所定量の試料をサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段で採取された前記試料を受け取る試料採集手段と、
前記試料採集手段を移動させる第２移送用シリンダと、
前記フィルタリング手段で濾過され前記試料採集手段で採集された分析対象物を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段を移動させる移送用スライダと、
前記第１移送用シリンダ、前記第２移送用シリンダ、及び前記移送用スライダの位置を制御するスイッチング手段と、
前記第１移送用シリンダ、前記第２移送用シリンダ、及び前記移送用スライダを取り付ける支持手段と、
を備えることを特徴とする請求項１９に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項３０】
前記撮影手段によって撮影された画像からの画像処理により、動物性プランクトン及び植物性プランクトンの個体数及び大きさを分析する画像処理手段をさらに備えることを特徴とする請求項２９に記載の船舶バラスト水処理システム。
【請求項３１】
船舶バラスト水処理方法であって、
流入するバラスト水から浮遊物質及び微生物を濾過するステップと、
パルスパワーを、空気層を含む水面または気泡を含む水中に放電させ、発生したプラズマを用いて、濾過された前記バラスト水から前記微生物を除去する水中パルスプラズマ処理ステップと、
前記水中パルスプラズマ処理ステップでの滅菌処理結果を検査する検査ステップと、
前記滅菌処理結果が適切である場合は、滅菌処理された前記バラスト水を船舶から排出し、適切でない場合は、前記水中パルスプラズマ処理ステップを繰り返し行うステップと、
を含むことを特徴とする船舶バラスト水処理方法。
【請求項３２】
前記繰り返し行うステップにおいて、
前記水中パルスプラズマ処理ステップを繰り返し行う際に、放電チップの数を増やして前記微生物を滅菌処理することを特徴とする請求項３１に記載の船舶バラスト水処理方法。
【請求項３３】
前記繰り返し行うステップにおいて、
前記水中パルスプラズマ処理ステップを繰り返し行う際に、所定の間隔で離隔したマルチ放電チップを駆動させて前記微生物を滅菌処理することを特徴とする請求項３１に記載の船舶バラスト水処理方法。
【請求項３４】
前記繰り返し行うステップにおいて、
前記滅菌処理結果が適切である場合は、後から流入するバラスト水に対して、滅菌処理された前記バラスト水の検査を行うことなく、船舶から排出することを特徴とする請求項３１に記載の船舶バラスト水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中パルスプラズマ処理装置及びそれを用いた船舶バラスト水処理システム及びその方法に関し、より詳細には、極めて短時間に多くのエネルギーを放出して瞬間的に高パワーに到達可能なパルスパワーを用いることにより、特に船舶バラスト水（ｂａｌｌａｓｔ  ｗａｔｅｒ）中の各種微生物を除去し、特にバクテリアの細胞膜まで破壊して完全に死滅させることのできる、水中パルスプラズマ処理装置及びそれを用いた船舶バラスト水処理システム及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９８８年に、カナダの五大湖への外来生物種の侵入が最初に報告されて以来、様々な国で外来生物種による被害が発生している。外来生物種の移動手段及び流入の要因は、主に船舶によるものとされており、特に船舶のバラスト水による流入が深刻さを増しているのが実情である。
【０００３】
船舶のバラスト水は、船舶の喫水やトリムを調整するために積載する重量であり、船舶のバランスを保ち、安定性を高める機能に加え、貨物が十分に積載されていない場合でも、推進器および方向舵を水中で効果的に作動させるための補助機能を果たす。
【０００４】
１８４０年代半ばに、ロンドン（Ｌｏｎｄｏｎ）−タイン（Ｔｙｎｅ）間を運航していた石炭運搬船は、バラスト水を最初に利用した船舶とされている。当時は、岩、砂、金属のようなドライバラスト（ｄｒｙ  ｂａｌｌａｓｔ）が使用されていたが、その積み下ろしに費やされる労働費用を節減するためにバラスト水を使用するようになった。
【０００５】
最近では、手に入り易く、相対的に費用節減に有利であるとの理由から、海水や淡水をバラスト水として使用することが普遍化している。しかし、特に海水の吸引時に混入した海洋生物種が船積港で排出され、これにより他地域に流入することになる。国際海事機関（ＩＭＯ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍａｒｉｔｉｍｅ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）によれば、船舶によって年間１００億トンの海水が運ばれ、７千種以上の生物がバラスト水に混入して移動していることが分かり、専門家らは、このバラスト水によって、一日だけでも３千種以上の海洋生物種が移動しているものと推定している。
【０００６】
すなわち、外国から来た貨物船やタンカーが輸入鉱物や石油などを下ろせば、水面近傍にあったその船の重心が上昇する。このとき、推進器の一部が水面上に出ると空気中で空回りし、船は前になかなか進まなくなる。軽くなったために転覆の危険性も高まる。このため、出航前にその船底の内側に海水を満たして若干沈めておく。このように、船舶のバランスを保つために満たされる水が「バラスト水」である。一般に、２０万トン級のタンカーには５万トン〜７万トン、１２万トン級の貨物船には３万トン〜４万トン程度のバラスト水を満たす。このとき、タンク内を満たす海水に海洋生物も混入するが、問題は、船が到着地の海にバラスト水を放出するということにある。こうしてバラスト水に混入した自国の海洋生物は他国に移動し、輸出貨物船は、逆に、バラスト水に混入した他国の海洋生物を自国の海へ持ち帰るのである。
【０００７】
これにより、バラスト水に紛れ込んだ外来種によって海が荒廃化しつつある。
【０００８】
例えば、外来種の「フジツボ」は、「カラマツガイ」のような在来種と生息地や餌（プランクトン）が同じである。しかし、外来種の方がさらに繁殖力が強く、汚染された環境でも生き残ることができるので、競争にははるかに有利である。このため、国内に定着した外来種のフジツボが在来種をついには追い出す可能性がある。また、韓国産「イガイ」は、地中海産「ムール貝」に押されて食卓から姿を消して久しい。これは、最近我々が食べているイガイは、韓国産ではなく、ヨーロッパ産ということである。また、韓国内にはかつて生息していなかった「ユウレイボヤ」や「白ボヤ」も、その生息地を次第に拡大している。これは、外来種がバラスト水に紛れ込んだものと推測される。
【０００９】
逆に、数多くの韓国の水生生物もバラスト水に紛れ込んで海外へ移動している。約１０年前にドイツや米国に渡った「チュウゴクモクズガニ」は田畑を荒らし、稲作に大きな被害をもたらした。米国に移動したケファ島の貝は急速に繁殖し、植物プランクトンを食べ尽くして他の既存生物は飢えて死滅する危険にさらされている。
【００１０】
バラスト水に紛れ込んで移動した生物が新しい環境に適応する確率はおよそ３％と極めて低い。しかし、塩分や温度の変化にうまく耐えられたり、海水でも淡水でも共に生きられるなど、環境の変化にあまり敏感でない生物が主に生き残り、こうして生き残った外来種は、その土地の捕食者にとっては見慣れないこともあってあまり捕食されず、収拾がつかないほど繁殖する。
【００１１】
このように、バラスト水を通して流入した外来種の侵入によって徐々に荒廃化していく海を守るための対策作りが切実である。
【００１２】
最近建造されている船舶は大型化かつ高速化する一方であり、さらに多くの生物体がバラスト水を通して短時間に他地域の海洋環境へ排出されている。
【００１３】
これにより、多様な方法を用いた船舶バラスト水処理システムが開発されている。
【００１４】
その例として、バラスト水を満たした船では、外来種の移動による被害を低減するために、航行中においてバラスト水に化学薬品を散布したり紫外線を照射して生物を殺す。しかし、化学薬品の混ざったバラスト水は放出時に到着地の海を汚染し、紫外線は生物の死滅速度が遅いという欠点がある。
【００１５】
具体例として、韓国特許登録番号１０−００９８８４６−００００の「オゾンによる水浄化装置」では、オゾンを用いる方法を提示している。しかし、オゾンを用いる方法は、オゾンの残存効果がないために二次汚染の可能性が大きく、多額の処理費用がかかり、大容量処理が困難なだけでなく、オゾンによってバラストタンクが腐食するという問題もある。
【００１６】
また、韓国特許登録番号１０−０３５０４０９−００００の「船舶のバラスト水内の微生物を死滅させるための方法及び装置」では、酸素化及び脱酸素化を行い、微生物や嫌気性微生物の数を減少させる方法を提示している。しかし、酸素化及び脱酸素化方法は、微生物の完全死滅が難しく、酸素供給及び脱酸素化装置を備えるのに多くの困難がある。
【００１７】
また、韓国特許公開番号１０−２００５−００２０９５７の「水処理システム及び方法」では、酸素ストリッピングガスを用いて溶存酸素を低減させる方法を提示している。しかし、酸素ストリッピングガスを用いる方法は、微生物の完全死滅が難しいという問題がある。
【００１８】
さらに、韓国特許公開番号１０−２００３−０００４１２９の「排気ガス−バラスト水の複合処理構造及びバラスト水処理方法」では、熱処理による方法を提示したが、この熱処理による方法は、温度が上昇するという問題がある。
【００１９】
また、韓国特許登録番号１０−０６５４１０５−００００の「バラスト水の有機物制御方法及び装置」では、抗菌剤の二酸化塩素で処理する方法を提示したが、化学的処理方法は、二次汚染の可能性が大きく、化学物質を船舶に常時積載しなければならないという問題がある。
【００２０】
なお、韓国特許登録番号１０−０７４３９４６−００００の「バラスト水浄化装置及び該装置を搭載した船舶」では、抗菌剤の次亜塩素酸ナトリウム（その他、固形塩素、液体塩素、二酸化塩素など）、または紫外線殺菌、オゾン殺菌、光触媒殺菌などを用いてバラスト水を殺菌する方法を提示している。しかし、化学的処理方法は、微生物の除去に限界があり、紫外線を用いる方法は、一部の生物にのみ効果があり、しかも、紫外線の波長が短いので、バラスト水が混濁している状態では、良い機能を発揮しにくいという問題がある。
【００２１】
また、韓国特許登録番号１０−０８１２４８６−００００の「オゾン注入方法及びシステム」では、バラスト水をオゾン処理する方法を提示したが、このように、オゾンを用いる方法は、前述したように、オゾンの残存効果がないために二次汚染の可能性が大きく、多額の処理費用がかかり、大容量処理が困難なだけでなく、オゾンによってバラストタンクが腐食するという問題がある。
【００２２】
さらに、韓国特許登録番号１０−０６８９１３５−００００の「濾過浄化装置」では、前処理工程において紫外線や薬剤などで効率的に滅菌し、凝集濾過処理により処理水内の残存を低減する方法を提示している。しかし、濾過法は、微生物の除去に限界があり、紫外線を用いる方法は、一部の生物にのみ効果があり、しかも、紫外線の波長が短いので、バラスト水が混濁している状態では、良い機能を発揮しにくいという問題がある。
【００２３】
一方、韓国特許登録番号１０−０３０４４６０−００００の「汚水浄化装置」及び「ハイブリッド水中のプラズマトーチを用いた水処理特性の研究（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＫＩＩＥＥ、Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１，ｐｐ１３８−１４３，Ｊａｎｕａｒｙ  ２００６）」では、プラズマを用いて汚廃水を浄化する方法を提示している。しかし、これらの先行技術は、淡水の浄化（汚廃水の浄化）に限られており、海水の浄化には限界がある上に、特にプラズマを用いて船舶バラスト水（海水）中の各種微生物を除去（海洋微生物の死滅）するのに限界がある。すなわち、これらの先行技術は、淡水の浄化特性に合ったプラズマ処理構造（水槽内において流入管を介して流入した汚水にプラズマを発生させて持続的に循環させる構造）を有しており、この構造では外部（海）へ大量に流出する船舶バラスト水（海水）中の動物性プランクトン、植物性プランクトン、及びバクテリア細菌などの滅菌処理に限界がある。それだけでなく、淡水においても、汚染、重金属の除去などの浄化に焦点を合わせただけであって、淡水中の各種微生物の完全死滅などには限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
そこで、本発明は、極めて短時間に多くのエネルギーを放出して瞬間的に高パワーに到達可能なパルスパワーを用いることにより、特に外部（海）へ大量に流出する船舶バラスト水中の各種微生物を除去し、特にバクテリアの細胞膜まで破壊して完全に死滅させることのできる、水中パルスプラズマ処理装置及びそれを用いた船舶バラスト水処理システム及びその方法を提供することを目的とする。
【００２５】
すなわち、本発明では、極めて短時間に多くのエネルギーを放出して瞬間的に高パワーに到達可能なパルスパワーを用いることにより、紫外線、衝撃波、及び熱などのような物理的因子による処理と、オゾン、過酸化水素、及びＯＨ官能基などによる化学的因子による処理とを同時に行うことにより、船舶バラスト水中の各種微生物を除去し、バクテリアの細胞膜まで破壊して完全に死滅させることを技術的課題とする。
【００２６】
本発明の目的は、以上に言及した目的に制限されるものではなく、言及していない本発明の他の目的及び長所も下記の説明により理解され得、本発明の実施形態によってさらに明確になるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示す手段及びその組合せによって実現可能であることが分かるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記の目的を達成するために、本発明に係る水中パルスプラズマ処理装置は、パルスパワーを発生させる電源供給手段と、前記電源供給手段で発生したパルスパワーを、空気層を含む水面または気泡を含む水中に放電させる少なくとも１つの放電手段と、前記少なくとも１つの放電手段によって発生したプラズマを用いて水中の微生物を除去するプラズマ処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る船舶バラスト水処理システムは、流入するバラスト水から浮遊物質及び微生物を濾過する濾過手段と、パルスパワーを、空気層を含む水面または気泡を含む水中に放電させ、発生したプラズマを用いて、前記濾過手段によって濾過された前記バラスト水から微生物を除去する水中パルスプラズマ処理手段と、前記水中パルスプラズマ処理手段によって処理された前記バラスト水を検査する検査手段と、前記濾過手段、前記水中パルスプラズマ処理手段、及び前記検査手段から伝送されるデータを集めて自動制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明に係る船舶バラスト水処理方法は、流入するバラスト水から浮遊物質及び微生物を濾過するステップと、パルスパワーを、空気層を含む水面または気泡を含む水中に放電させ、発生したプラズマを用いて、濾過された前記バラスト水から前記微生物を除去する水中パルスプラズマ処理ステップと、前記水中パルスプラズマ処理ステップでの滅菌処理結果を検査する検査ステップと、前記滅菌処理結果が適切である場合は、滅菌処理された前記バラスト水を船舶から排出し、適切でない場合は、前記水中パルスプラズマ処理ステップを繰り返し行うステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
上記の本発明は、極めて短時間に多くのエネルギーを放出して瞬間的に高パワーに到達可能なパルスパワーを用いることにより、紫外線、衝撃波、及び熱などのような物理的因子による処理と、オゾン、過酸化水素、及びＯＨ官能基などによる化学的因子による処理とを同時に行うことにより、特に船舶バラスト水中の各種微生物を除去し、バクテリアの細胞膜まで破壊して完全に死滅させることができるという効果がある。
【００３１】
また、本発明は、外部（海）へ大量に流出する船舶バラスト水（海水）中の動物性プランクトン、植物性プランクトン、及びバクテリア細菌などの滅菌処理に好適な構造を有するという利点がある。
【００３２】
さらに、本発明は、バラスト水の排出口端に直に連結されるので装着が容易であり、排出水が流れる間に水中パルスプラズマを発生させることで排出水を処理するので、排出水のリアルタイムな浄化処理が可能であり、新造船舶及び既造船舶への取り付けが非常に容易であるという利点がある。
【００３３】
また、本発明は、瞬間的なパルスを用いるので、電力消費量が非常に低く、運用費用を節減することができるという利点がある。
【００３４】
なお、本発明は、船舶バラスト水処理システムなどに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る船舶バラスト水処理システムの構成図である。
【図２】図１に示す水中パルスプラズマ処理装置の詳細構成図である。
【図３】図２に示す電源供給部の詳細構成図である。
【図４】図２に示す電極部の詳細構成図である。
【図５】図２に示す電極部の詳細構成図である。
【図６】図２に示す電極部の詳細構成図である。
【図７】図２に示す電極部の詳細構成図である。
【図８】図２に示す水中パルスプラズマ処理装置の空気注入部の詳細説明図である。
【図９】図２に示すプラズマ処理部の詳細説明図である。
【図１０】図１に示す検査装置の詳細構成図である。
【図１１】図１０におけるフィルタ及び培地を移動させる移送装置の詳細説明図である。
【図１２】図１に示す検査装置における検査過程に関するフローチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態に係る船舶バラスト水処理方法に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。上述した目的、特徴及び長所は、添付図面を参照して後述する詳細な説明によってさらに明確になり、それにより本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できるであろう。また、以下の説明において、公知の技術に関する具体的な説明については、その詳細な説明を省略する。
【００３７】
図１は、本発明の一実施形態に係る船舶バラスト水処理システムの構成図である。
【００３８】
図１に示すように、本発明に係る水中パルスプラズマを用いた船舶バラスト水処理システムは、流入するバラスト水における浮遊物質及び微生物を濾過する濾過装置１１と、パルスパワーを、空気層を含む水面（図４参照）または気泡を含む水中（図４ないし図７参照）に放電させ、発生したプラズマを用いて、濾過装置１１によって濾過されたバラスト水から微生物を除去する水中パルスプラズマ処理装置１３（図２参照）と、水中パルスプラズマ処理装置１３によって処理されたバラスト水を検査する検査装置１４と、濾過装置１１、水中パルスプラズマ処理装置１３、及び検査装置１４から伝送されるデータを集めて自動制御する自動管理装置１５とを備える。また、自動管理装置１５の制御の下、濾過装置１１から排出されるバラスト水の流速または／及び流量を制御して、水中パルスプラズマ処理装置１３に流入させる流速制御装置１２をさらに備える。
【００３９】
ここで、濾過装置１１は、流入するバラスト水から最初に浮遊物質及び微生物を濾過する役割を果たし、微細スクリーンを用いて所定の大きさの浮遊物質を濾過する。ここで、微細スクリーンの設計により濾過性能を調整することができ、濾過装置１１の微細スクリーンの目詰まりを防止するために洗浄機能が提供される。
【００４０】
また、流速制御装置１２は、濾過装置１１から排出されるバラスト水を、水中パルスプラズマ処理装置１３へ一定に流れ込ませるためのものであって、濾過装置１１から出るパイプと、水中パルスプラズマ処理装置１３に入るパイプとの大きさが異なることによって発生する流速または／及び流量の変化を一定にする。
【００４１】
また、検査装置１４は、水中パルスプラズマ処理装置１３で処理されたバラスト水の処理レベルを確認するためのものであって、処理されたバラスト水のｐＨ、水温、塩分、濁度、溶存酸素量、及び全体の浮遊物質をセンサで測定し、動物性プランクトン及び植物性プランクトンに対し、画像処理によって個体数及び大きさを検査する。検査装置１４の詳細な説明は、図１０ないし図１２を参照して後述する。
【００４２】
ただし、検査装置１４は、最初に流入するバラスト水に関して、水中パルスプラズマ処理装置１３によって処理されたバラスト水（プラズマ滅菌処理されたバラスト水を、「第１バラスト水」という）を検査し、検査結果が適切である場合は、後から流入するバラスト水に関して、水中パルスプラズマ処理装置１３によって処理されたバラスト水（これを前記第１バラスト水と区別して、「第２バラスト水」という）の検査は行わない。すなわち、バラスト水中の微生物に対する滅菌が正常に行われていると判断して、多量に放出される全てのバラスト水に対する検査をいちいち行わないのである。これは、バラスト水の速やかな排出を行うためのものである。
【００４３】
しかし、検査結果が適切でない場合は、検査結果を自動管理装置１５に通知し、自動管理装置１５の制御の下、水中パルスプラズマ処理装置１３において、残存する微生物を滅菌処理させる。これは、同一のバラスト水に対してプラズマ滅菌処理過程を繰り返し行うようにするものである。しかし、水中パルスプラズマ処理装置１３の電極部（図２の２２）がマルチ放電チップ（ｔｉｐ）（例えば、下記の図４、図６、図７に示すような２つ以上の放電チップ構造）で構成されている場合、最初のプラズマ滅菌処理時には１つの放電チップを使用し、以降、検査結果が適切でなければ、放電チップの数を増やして（例えば、１つの放電チップから２つの放電チップに増やしたり、滅菌効果が顕著に低下した場合には、１つの放電チップから３つの放電チップに増やすなど）プラズマ滅菌処理過程を行うことにより、最終的に所望の滅菌効果が得られるようになる。したがって、このように放電チップの数を増やして、第１バラスト水に対して所望の滅菌効果が得られると、以降は、当該放電チップの数を固定してプラズマ滅菌処理過程を行う。このとき、水中パルスプラズマ処理装置１３によって処理された第２バラスト水に対する検査は別途に行わない。
【００４４】
特に、水中パルスプラズマ処理装置１３は、濾過装置１１から流出するバラスト水中に残存する微生物を死滅させる。特に、水中パルスプラズマを用いると、バクテリアの細胞壁まで破壊することができ、毒性のある微生物の完全死滅を実現させることができる。水中パルスプラズマ処理装置１３については、図２ないし図９を参照してより詳細に説明する。
【００４５】
また、自動管理装置１５は、濾過装置１１、流速制御装置１２、水中パルスプラズマ処理装置１３、及び検査装置１４から、電圧、電流、流量、動作特性、警報信号などのデータを受信してモニタし、予め設定された処理結果に基づいて自動制御を行う。そして、処理された全てのデータを格納する役割を果たす。
【００４６】
それでは、図２を参照して、上記した図１に示す水中パルスプラズマ処理装置１３についてより詳細に説明する。
【００４７】
図２に示すように、水中パルスプラズマ処理装置１３は、パルスパワーを発生させる電源供給部２１と、電源供給部２１で発生したパルスパワーを、空気層を含む水面（図４参照）または気泡を含む水中（図４ないし図７参照）に放電させる電極部２２と、電極部２２によって発生したプラズマを用いて水中の微生物を除去するプラズマ処理部２３とを備える。
【００４８】
まず、図３を参照して前記電源供給部２１について具体的に説明すると、次のとおりである。
【００４９】
流入端を介して海水がプラズマ処理部２３に流入すると、電源供給部２１の直流高圧電源で高電圧をコンデンサＣに充電する。このとき、コンデンサの電圧が、例えば７ｋＶになった場合、スイッチＳ（このときのスイッチは、自動開閉スイッチである）を閉じると、抵抗Ｒが小さいときには、抵抗を介して瞬間的に大きい電流が流れて抵抗の端子間にパルス電圧が発生し、瞬間的に大きい電力（パルスパワー）が発生する。このとき、発生した電力は、電極部２２の放電チップを介して水面上の空気層（図４参照）または水中の気泡（図４ないし図７参照）に伝達されて、海水内でパルスプラズマが発生し、衝撃波、バブル、超音波、及び高電圧電場などを生成させることにより、プランクトン及びバクテリアの生存率を画期的に低減することができる。
【００５０】
ここで、パルス電圧は、電流電圧が高く、キャパシタ容量が高い場合に、滅菌効果が増大すると考えられる。しかし、究極的には、単位時間当たりのパルスの発生周波数が高くなり、その衝撃量が大きければ大きいほど、滅菌効果があるといえる。
【００５１】
水中パルスプラズマ処理装置の電源供給部２１は、電気的エネルギーを蓄積して瞬間的に放出するパワーを用いる。静電容量Ｃのコンデンサを直流高電圧電源によって電圧Ｖで充電すると、静電エネルギーは、下記式１のようになる。
【００５２】
【数１】
2010523326.tif 000003
したがって、コンデンサは、静電エネルギーが蓄積され、コンデンサの電圧がＶになった場合、スイッチを閉じると、抵抗Ｒが小さいときには、抵抗Ｒを介して瞬間的に大きい電流が流れて抵抗Ｒの端子間にパルス電圧が発生し、スイッチを閉じることによって瞬間的に大きい電力が発生する。そして、発生電力は、充電電力の時間的圧縮によって得られる。
【００５３】
パルス化された電力、すなわち、電気的エネルギーを蓄積して瞬間的に放出するときに多大な量のパルスエネルギーが得られるものを、「パルスパワー」という。
【００５４】
一方、活性種、紫外線、及び衝撃波などの発生には、パルスの電流及び電圧の強度に応じたパルス電力のみならず、パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間によって決定されるパルス幅による影響も非常に重要である。
【００５５】
パルス波形は、印加電圧の強度及び波形、媒質の電気伝導度などによって決定されるので、海水の塩分濃度に応じた媒質の電気伝導度の変化を考慮し、パルス波形を調整できるようにすることで、最適なパルス波形を具現する。高い電流及び電圧が瞬間的に流れて、瞬間電力が非常に高いアークプラズマを発生するパルス電源の場合は、短いパルスの繰り返し率を高めることが重要である。
【００５６】
種々のプラズマ発生装置の設計により、それぞれ異なるプラズマ負荷に対して最適なパルスパワーの強度及び波形を取得し、大電力パルス電源の繰り返し率を高めることが重要である。
【００５７】
水中パルスプラズマ処理装置１３は、極めて短時間に多くのエネルギーを放出して瞬間的に高パワーに到達可能なパルスパワーを用いるので、廃水中の各種微生物を除去するのに効果的に適用可能である。特に、水中パルスプラズマを用いると、高出力の電気パルスによってバクテリアの細胞壁まで破壊することができ、さらに確実な浄化性能を引き出すことができる。また、水中パルスプラズマ処理装置１３は、水中パルスプラズマを用いることにより、環境的影響が少ない物理的因子（紫外線、衝撃波、及び熱など）による処理と、化学的因子（オゾン、過酸化水素、及びＯＨ官能基など）による処理とを同時に行うことができる。
【００５８】
一方、前記電極部２２は、プラズマを発生させるために、アノードおよびカソードの対向電極が必要になる。ここで、アノードは一般的に接地端を表し、カソードは電源印加端を表す。したがって、本発明では、接地端（アノード）を海水との接触面とする（接地端が配管に流入するバラスト水の接触面に形成される）ことにより、結局、配管を通過する海水全体が接地面と同等の構造を有することになる。これは、一次的に、海水面は常に接地側に近い状態で海水による感電のおそれがなく、二次的に、アノードを装置全体を接地する構造として作製可能である。また、これにより、放電エネルギーが衝撃波として伝達される領域をさらに拡大することにより、プラズマ滅菌効果を強めることができる。
【００５９】
電極部２２の構造としては、平板−平板、探針−平板、円筒−線、及び棒−棒などがあり、各々の電流−電圧特性、活性種の形成、紫外線の発生、及び衝撃波の強度などを測定、比較、及び評価して、最適な設計パラメータを導出する。
【００６０】
上記において、空気層とは、配管に流入するバラスト水の流速または／及び流量の制御により、配管の内側と水面との間に形成される空気層を意味する。すなわち、図４に示すように、例えば、配管が水平構造を有し、バラスト水が左から右方向へ流入すると仮定すると、バラスト水の流速または／及び流量を制御すると、配管の内側上部に空気層が自然に形成される。
【００６１】
したがって、図４に示すように、電極部２２を配管の内側上部に形成し、流入するバラスト水の方向へ垂直に離隔した垂直マルチ放電チップ構造（図４では、３つの放電チップ構造を仮定する）を有することができる。しかし、これに限定されず、垂直シングル放電チップ構造またはそれ以上の垂直マルチ放電チップ構造が可能であることに留意しなければならない。
【００６２】
しかし、配管が水平構造を有しても、バラスト水の流速または／及び流量の制御結果に基づいて配管の内側上部に空気層が全く形成されないことも考えられる（すなわち、配管の内側がバラスト水で満たされた状態である）。この場合は、電極部２２毎に形成された空気注入部（図８の２４）によって、気泡を水中に人為的に吹き込まなければならない。このとき、電極部２２は、図８に示すように、自主的に空気の吹き込み（ａｉｒ  ｂｌｏｗｉｎｇ）構造をなし、周囲に発生したバブルを閉じ込める形態を有する構造からなり、発生したバブルは、直流アーク放電を起こすのに効果的に寄与する。
【００６３】
一方、上記において、気泡は、当該電極部２２毎に形成された空気注入部（図８の２４）によって注入された水中の気泡を意味する。すなわち、図５及び図６に示すように、例えば、配管が垂直構造を有し、バラスト水が下から上方向へ流入すると仮定すると、配管の内側には空気層が全く形成されない（すなわち、配管の内側がバラスト水で満たされた状態である）。したがって、電極部２２毎に形成された空気注入部（図８の２４）によって気泡を水中に人為的に吹き込まなければならない。このとき、電極部２２は、前述したように、自主的に空気の吹き込み構造をなし、周囲に発生したバブルを閉じ込める形態を有する構造からなり、発生したバブルは、直流アーク放電を起こすのに効果的に寄与する。
【００６４】
図５は、電極部２２が配管の内側中央部に形成され、流入するバラスト水の方向に水平な水平シングル放電チップ構造を示し、図６は、電極部２２が配管の内側中央部に形成され、流入するバラスト水の方向へ水平に離隔した水平マルチ放電チップ構造を示す。しかし、これに限定されず、３つ以上の水平マルチ放電チップ構造が可能であることに留意しなければならない。
【００６５】
また、流速を制御するために配管を曲げ、電極部２２が、多段からなる配管の内側中央部にそれぞれ形成され、流入するバラスト水の方向に水平な多段の水平放電チップ構造を有するようにしてもよい。このように配管を曲げる理由は、流速を自然に制御してバラスト水の流速を調整することにより、プラズマ滅菌効果を高めるためである。
【００６６】
しかし、図５ないし図７では、垂直構造の配管を仮定したが、配管が水平構造を有しても、バラスト水の流速または／及び流量の制御結果に基づいて配管の内側に空気層が全く形成されないことも考えられる。この場合も、電極部２２毎に形成された空気注入部（図８の２４）によって気泡を水中に人為的に吹き込まなければならない。
【００６７】
それでは、図９を参照して、プラズマ処理部２３におけるプラズマ発生過程についてより詳細に説明する。
【００６８】
水中で発生し得るプラズマとして、パルスで駆動されるコロナ放電やアーク放電がある。
【００６９】
プラズマ工程に用いられる熱プラズマの生成は、そのほとんどが直流アーク放電または高周波誘導結合（ＲＦ  ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）放電によって行われる。
【００７０】
アークプラズマの発生を誘導するためには、瞬間的に大電力の出力が容易なパルスパワーを用いる。このパルスパワーは、極めて短時間に多くのエネルギーを放出して瞬間的に高パワーに到達することができ、廃水中の各種微生物を除去するのに効果的に適用可能である。
【００７１】
プラズマ処理によって得られる効果は、衝撃波による細胞の破壊、超音波による細胞の破壊、及び高電圧電場による細胞の破壊などである。これをより詳細に説明すると、次のとおりである。
【００７２】
まず、衝撃波による細胞の破壊では、急激な圧力の変動によって発生する衝撃波を用いて細胞の破壊をもたらすことができる。このとき、細胞の破壊は、細胞の大きさ及び細胞の形態、細胞の厚さなどに依存し、アーク放電による衝撃波の強度に依存する。
【００７３】
また、超音波による細胞の破壊では、超音波は、液体中を通過しながら、キャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）現象を起こし得る。キャビテーションとは、超音波振動子により液体媒質を超音波が通過するとき、振動子によって振動する縦波を生成することにより、液体の密度が疎の部分と密の部分とを発生させ、疎の部分が液体の蒸気圧より低いときにバブルを生成して、それが爆発する現象である。この爆発による衝撃波を用いて細胞を破壊する。この方法は、少量の微生物細胞を破壊するときに利用する方法である。
【００７４】
さらに、高電圧電場による細胞の破壊では、細胞膜に高い電位差を誘導して、細胞膜という絶縁体を破壊する。
【００７５】
したがって、プラズマ処理によって生成される紫外線、活性種、衝撃波、及びバブルなどの作用により、プランクトン及びバクテリアの生存率を画期的に低減することができる。
【００７６】
プラズマ滅菌装置の放電器の高さが５０ｍｍ、放電電圧が７ｋＶ、キャパシタが６μＦのとき、処理時間を６０秒として処理した後の死滅率は１００％であった。動物性プランクトンの死滅効率の測定結果は、下記表１に示すとおりである。
【００７７】
【表１】
2010523326.tif 000004
プラズマ滅菌装置による試験前の試料数を測定した結果、一般の細菌はＴＮＴＣ（Ｔｏｏ  Ｎｕｍｅｒｏｕｓ  Ｔｏ  Ｃｏｕｎｔ）を形成した。大腸菌は１００ｃｆｕ／１００ｍｌ、大腸菌群は３１０ｃｆｕ／１００ｍｌとなった。しかし、プラズマ滅菌装置による試験後の試料数を、４８時間培養して観察した結果、一般の細菌は０ｃｆｕ／１００ｍｌ、大腸菌は０ｃｆｕ／１００ｍｌ、大腸菌群は０ｃｆｕ／１００ｍｌとなり、培養した全ての細菌が滅菌されたものと測定された。つまり、滅菌装置の処理効率が高いと考えられる。
【００７８】
以下、図１０ないし図１２を参照して、上記した図１に示す検査装置１４の構成及び動作過程についてより詳細に説明する。
【００７９】
検査装置１４は、排出水の浄化性能をリアルタイムに確認する役割を果たす。
【００８０】
図１０を参照して検査装置１４の構成を説明すると、船舶内のモータポンプ動作により、入水配管１０１を経て供給されたバラスト水を貯留する第１貯留タンク１０２と、中間配管１０３を経て供給された第１貯留タンク１０２内の動植物性プランクトンを濾過するフィルタ１１２と、フィルタ１１２を結合するフィルタケース１０４と、フィルタ１１２をフィルタケース１０４に移動させて装着する第１移送用シリンダ１１１と、フィルタ１１２を通過したバラスト水を貯留する第２貯留タンク１０５と、第２貯留タンク１０５に貯留されたバラスト水から１ｍｌの試料をサンプリングするサンプリング器１１３と、サンプリング器１１３で採取された試料を受け取る培地１１５と、培地１１５を移動させる第２移送用シリンダ１１４と、フィルタ１１２及び培地１１５上の動植物性プランクトンを撮影するカメラ１０９と、カメラ１０９を移動させる移送用スライダ１０８と、第１移送用シリンダ１１１、第２移送用シリンダ１１４、及び移送用スライダ１０８の位置を制御するリミットスイッチ１１０と、第１移送用シリンダ１１１、第２移送用シリンダ１１４、及び移送用スライダ１０８を取り付ける支持台１０７とを備える。また、カメラ１０９によって撮影された画像からの画像処理により、動物性プランクトン及び植物性プランクトンの数及び大きさを分析する画像処理装置１１６をさらに備える。
【００８１】
バラスト水中の動植物性プランクトンをカメラ１０９を用いて自動的に検査するには、第１貯留タンク１０２及び第２貯留タンク１０５の位置エネルギーに従って動植物性プランクトンがフィルタ１１２によって濾過され、第２貯留タンク１０５に取り付けられたサンプリング器１１３から、１ｍｌの試料が培地１１５に滴下される。
【００８２】
バラスト水中の動植物性プランクトンを自動的に検査する装置として、動植物性プランクトンを採集及び検査するために、フィルタ１１２、培地１１５、及びカメラ１０９を、第１移送用シリンダ１１１、第２移送用シリンダ１１４、及び移送用スライダ１０８に取り付ける。第１移送用シリンダ１１１、第２移送用シリンダ１１４、及び移送用スライダ１０８に取り付けられたリミットスイッチ１１０は、カメラ１０９を用いて動植物性プランクトンを撮影するときの適正な位置決めのために用いられる。
【００８３】
第１貯留タンク１０２内のバラスト水を排出する際のフィルタ１１２とフィルタケース１０４との結合は、フィルタ１１２の外形寸法に合わせてフィルタケース１０４の内部に溝を設け、第１移送用シリンダ１１１により、フィルタ１１２をフィルタケース１０４の溝に結合させる。
【００８４】
検査装置１４の動作についてより詳細に説明すると、次のとおりである。
【００８５】
まず、入水配管１０１を介して第１貯留タンク１０２にバラスト水が貯留され、第１貯留タンク１０２と第２貯留タンク１０５との間に取り付けられたフィルタケース１０４に、フィルタ１１２が支持台１０７の第１移送用シリンダ１１１によって結合されると、フィルタ１１２の上方に位置する第１貯留タンク１０２のバラスト水が、フィルタ１１２によって濾過される。支持台１０７の移送用スライダ１０８を動作させ、カメラ１０９をフィルタ１１２に移動することにより、濾過されたバラスト水中の動物性プランクトンの個体数を計数する。
【００８６】
フィルタケース１０４のフィルタ１１２を通過したバラスト水は、第２貯留タンク１０５に貯留され、サンプリング器１１３により、バラスト水が、支持台１０７の第２移送用シリンダ１１４に連結された培地１１５上に１ｍｌずつ滴下される。
【００８７】
支持台１０７の移送用スライダ１０８によってカメラ１０９が培地１１５に移動して、植物性プランクトンの個体数を計数すると、バラスト水は排出配管１０６によって排出される。
【００８８】
図１１に示すように、フィルタ１１２及び培地１１５を移動させる移送装置は、第１移送用シリンダ１１１及び第２移送用シリンダ１１４によってフィルタ１１２と培地１１５とが結合して構成され、フィルタ１１２及び培地１１５の位置制御は、第１移送用シリンダ１１１及び第２移送用シリンダ１１４に取り付けられたリミットスイッチ１１０によって作動する。
【００８９】
以下、図１２を参照して検査装置１４における検査過程を説明する。
【００９０】
図１２に示すように、検査過程は、フィルタによる濾過が行われた後（３０１）、第１移送用シリンダ１１１によってフィルタ１１２が所定の位置に移動し（３０２）、移送用スライダ１０８によってカメラがフィルタ１１２上に移動して（３０３）、動物性プランクトンを撮影する（３０４）。その後、サンプリング器１１３によって試料が培地に排出される（３０５）ように、第２移送用シリンダ１１４によって培地が所定の位置に移動し（３０６）、移送用スライダ１０８によってカメラが培地１１５上に移動して（３０７）、植物性プランクトンを撮影する（３０８）。
【００９１】
理解を容易にするために、画像処理装置１１６における画像処理過程を説明すると、次のとおりである。
【００９２】
特に、画像処理により、バラスト水の処理基準となる動物性プランクトン及び植物性プランクトンの死滅の有無を確認することができる。動物性プランクトン及び植物性プランクトンの大きさ及び個体数は、フィルタ１１２及び培地１１５に置かれた試料をカメラ１０９で撮影し、画像処理装置１１６で画像処理することによって取得する。
【００９３】
画像処理装置１１６は、カメラ１０９によって撮影された画像から処理画像を取得し、動物性プランクトン及び植物性プランクトンの個体数及び大きさ、微生物の死滅の有無を分析する。画像処理過程は、フィルタリング（ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、エッジ検出（ｅｄｇｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）、ブロブ分析（ｂｌｏｂ  ａｎａｌｙｓｉｓ）、ヒストグラム法（ｈｉｓｔｏｇｒａｍ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｍｅｔｈｏｄ）、閾値化法（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）、サイズフィルタリング（ｓｉｚｅ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、画像分割（ｉｍａｇｅ  ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）、オブジェクト抽出（ｏｂｊｅｃｔ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）、オブジェクト測定（ｏｂｊｅｃｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）、パターンマッチング（ｐａｔｔｅｒｎ  ｍａｔｃｈｉｎｇ）、パターン認識（ｐａｔｔｅｒｎ  ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）、及びデータ抽出（ｄａｔａ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）を含む。
【００９４】
まず、測定しようとする試料を採集および取得する。
【００９５】
採集および取得した試料をカメラ１０９で撮影し、画像を取得する。
【００９６】
次に、取得した画像からノイズを除去するためにフィルタリングし、オブジェクトの位置、形状、大きさ、及び表面パターンなどの情報を取得するために、画像エッジ検出を行う。そして、画像エッジ検出の後、ブロブ分析によって微生物の大きさを取得する。
【００９７】
次に、オブジェクト及び背景部分に属する画素の明暗値分布を決定し、パターンとしての機能を満足させるためにヒストグラム法を適用して閾値を決定する。
【００９８】
次に、ノイズによって生じる画素を除去するためにサイズフィルタリングを行い、取得した画像からオブジェクトと背景とを分離するために画像分割を実行する。
【００９９】
次に、画像分割過程で分離したオブジェクトおよび背景からオブジェクトのみを抽出するためにオブジェクト抽出過程を行い、抽出したオブジェクトから、大きさ、位置、及び方向などの特徴を測定する。
【０１００】
そして、抽出したオブジェクトと、データベースに格納された動物性および植物性プランクトンに関する資料とのマッチング作業により、基本的な判断を行うパターンマッチング作業を行う。その後、正確な区別をするためにパターン認識過程を経た後、処理した画像に基づいて必要なデータを抽出するデータ抽出過程を行う。
【０１０１】
まず、試料の採取について説明すると、次のとおりである。
【０１０２】
動物性プランクトンの測定なのか、それとも植物性プランクトンの測定なのかを判断し、動物性プランクトンの場合には、第１貯留タンク１０２から排出された試料をフィルタ１１２を通して採集し、植物性プランクトンの場合には、第２貯留タンク１０５から排出された試料を培地１１５に受けて試料を取得する。
【０１０３】
一方、採集または取得した試料をカメラ１０９で撮影する過程で、カメラ１０９の倍率調整及び自動焦点（ａｕｔｏ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ）機能が行われるが、カメラ１０９の倍率調整機能は、ズームレンズ及びフォーカスレンズの移動による焦点値の変化量が線形的でないので、アルゴリズムの具現には多くの困難がある。ズームトラッキングは、ズーム曲線（ｚｏｏｍ  ｃｕｒｖｅ）に沿ってズームモータとフォーカスモータとを移動させ、カメラ１０９の焦点がずれるのを防止する機能を果たす。ここで、ズーム曲線とは、被写体とカメラ１０９との距離が固定された状態でズームレンズの倍率を増加させながら、各倍率において最も鮮明な画像が映るフォーカスレンズの位置を定義するデータである。
【０１０４】
したがって、ズームトラッキング曲線を線形区間と非線形区間とに分割してズームトラッキング曲線の格納容量を減少させる方法と、ズーム機能の動作中に焦点がずれるのを防止するために、ズームトラッキングの実行途中に、現在の被写体との焦点距離を最もよく反映するズームトラッキング曲線を算出する方法とにより、最も鮮明な画像を取得する。
【０１０５】
画像取得及び画像フィルタリング過程を説明すると、次のとおりである。
【０１０６】
画像取得（ｉｍａｇｅ  ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）過程では、カメラ１０９を用いて画像処理に利用可能な画像データを生成する。このとき、画像データは、ビットマップ形式のようにデジタル形態で格納される。
【０１０７】
物理的装置から得られた画像をそのまま使用することもできるが、一般的な場合、各種フィルタやヒストグラム法などの方法により、ノイズを除去したり、認識により有用な画像として生成するフィルタリング過程が追加される。
【０１０８】
画像エッジ検出過程は、次のとおりである。
【０１０９】
一般的な画像処理におけるエッジとは、画像内における領域の境界を示す特徴であり、ピクセルの明度の不連続点を示す。当該エッジは、画像内のオブジェクトの輪郭に対応し、オブジェクトの位置、形状、大きさ、及び表面パターンなどに関する情報を提供する。
【０１１０】
エッジを検出する方法では、画像の偏微分演算子計算に基づいてエッジを算出する。エッジ検出方法には、微分演算子の役割を果たす種々のマスクがあり、これらのマスクは数学的な条件を満足し、同一の効果を有する。ここで、マスクとは、画像内において一定部分に位置させるための一種の行列状の構造体であり、３×３、５×５、１６×１６などのような正方行列をよく使用する。代表的なエッジ検出方法として、ソベルマスク（Ｓｏｂｅｌ  ｍａｓｋ）、プルウィットマスク（Ｐｒｅｗｉｔｔ  ｍａｓｋ）、ロバートマスク（Ｒｏｂｅｒｔ  ｍａｓｋ）、ラプラシアンマスク（Ｌａｐｌａｃｉａｎ  ｍａｓｋ）、キャニーエッジ検出（Ｃａｎｎｙ  ｅｄｇｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）法などを利用する。
【０１１１】
ブロブ分析は、画像内において所望のオブジェクトを数えて、与えられた領域内のオブジェクトの数を取得し、オブジェクトの長さや領域の大きさ、平均、及び分散のような統計値を自動的に得ることができる分析技術であり、これにより、微生物の大きさを確認することができる。
【０１１２】
閾値化法は、エッジ検出によって取得した画像データの特徴を抽出する手法の一つであって、２進データのグレーの画像を閾値として用いて、黒および白の２つのデータとして取り扱う。閾値の処理とは、入力画像の各画素に対して、画素の明度がある一定値以上の場合には、対応する出力画像の画素値を１とし、それ以外の場合には０とする処理である。
【０１１３】
ヒストグラム法は、画像処理の前処理過程においてオブジェクトを認識するのによく使われる重要な方法である。画像内においてオブジェクトの画素は類似の分布を有するので、ヒストグラムの上側及び下側を分析することにより、オブジェクト部分および背景部分に属する画素の明暗値分布を決定することができる。２進化ブロック手法を用いてマスクを生成する場合は、抽出されるパターンが分散し、その数が少ないので、パターンとして正常に機能することができないという問題が発生するが、これを克服するために、ヒストグラム法を用いる。
【０１１４】
サイズフィルタリングでは、カメラ１０９の解像度や照明の不均一性などにより２進画像にノイズが生じ得るが、このノイズは、通常、不規則的に発生するため、ノイズに該当する連結成分の画素の数は少ない値を有する。したがって、サイズフィルタリングとは、画像上の連結成分に対して一定のピクセル数未満の連結成分を除去するものであって、ノイズによって生じる画素を除去するための単純かつ効率的な方法である。
【０１１５】
画像分割は、画像からオブジェクトと背景とを分離する過程である。
【０１１６】
オブジェクト抽出及び測定過程（ｏｂｊｅｃｔ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ＆  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）は、分離されたオブジェクトおよび背景からオブジェクトのみを抽出する。
【０１１７】
ラベリング（ｌａｂｅｌｉｎｇ）によって、抽出したオブジェクトの大きさ、位置、及び方向などの特徴を計算する。ここで、ラベリングとは、ある連結成分に同じラベル（整数値）を付け、別の連結成分には別のラベルを付ける処理をいう。ラベリングされた画像から得られた連結成分の各々は、あるオブジェクトを示す可能性があり、各々の連結成分に対し、大きさ、位置、及び方向などの特徴を計算する。
【０１１８】
一方、画像内にある全ての連結成分を探し、同じ連結成分に存在する全ての画素に１つの固有ラベルを付けるアルゴリズムを、「成分ラベリングアルゴリズム（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｌａｂｅｌｉｎｇ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）」といい、再帰（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ）及び逐次（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ）アルゴリズムがある。ここで、再帰アルゴリズムは、直列コンピュータではその計算時間が長くなるため、並列コンピュータで多く使用される。逐次アルゴリズムは、再帰アルゴリズムに比べて、計算時間が短く、メモリが少なくて済み、与えられた画像に対して２回の全体走査（ｆｕｌｌ  ｓｃａｎｎｉｎｇ）を行うだけで計算が終わるという特徴がある。
【０１１９】
パターンマッチング過程は、抽出したオブジェクトとデータベースに格納されたデータとを比較する過程であって、データベースに格納されている動物性プランクトン及び植物性プランクトンに関する資料と、抽出したオブジェクトとのマッチング作業により、オブジェクトの基本的な情報を判断する。
【０１２０】
２進化処理やヒストグラム均等化法によって画像処理を行ったとしても、正確な種の区別や個体数の判別、生死判別などの結果を得る確率は落ちるので、これを改善するための一つの方法としてパターン認識を用いる。ニューラルネットワークアルゴリズムを適用することにより、パターン認識の認識率を改善することができる。
【０１２１】
ニューラルネットワークアルゴリズムは、学習の機能を有する人間の頭脳が、多数のニューロンが互いに連結されたニューラルネットワークで構成されていることに着目したものである。ニューラルネットワークは、生物学的ニューロンをモデリングしたユニットと、それらユニット間の重み付け連結（ｗｅｉｇｈｔｅｄ−ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）とからなり、各ニューラルネットワークモデルによって多様な構造とそれぞれに固有の学習規則とを有する。
【０１２２】
各ＮＮ（ニューラルネットワーク）は、階層毎にグループ化したニューロンの集まりで構成されており、入力階層、中間階層（ｈｉｄｄｅｎ  ｌａｙｅｒ）、及び出力階層の３つの階層からなり、入力階層と出力階層との間には複数の階層が存在するようにしてもよい。生物学的ニューロン間の情報の伝達においてシナプスが重要な役割を担うように、処理要素間の連結強度を反映するために、ニューラルネットワークでは連結重み付けを使用する。各処理要素は、伝達された入力値と連結重み付けとを用いて入力値を計算した後、これを用いて出力値を決定する。
【０１２３】
ニューラルネットワークは、次のような利点がある。
【０１２４】
耐障害性（Ｆａｕｌｔ  Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）：処理ノードが多いので、いくつかのノードや連結成分の有する欠陥がシステム全体の欠陥を招くことはない。
【０１２５】
一般化（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ）：不完全または未知の入力が示される場合に、ニューラルネットワークは合理的な反応を生成することが可能である。
【０１２６】
適用性（Ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ）：ニューラルネットワークは新しい環境で学習し、新しいケースを即時に用いて、プログラムを更新かつ維持する。
【０１２７】
上記のような特徴や利点などをパターン認識の認識率の改善に利用する。
【０１２８】
データ抽出過程では、前記処理後の画像に基づいて必要なデータ（大きさ、個数など）を抽出し、データベースに格納する。
【０１２９】
上記の過程により、最適な動物性プランクトン及び植物性プランクトンの画像を取得し、取得した画像に基づいて、動物性プランクトン及び植物性プランクトンの個体数を確認する。
【０１３０】
一方、微生物の死滅の確認において、動物性プランクトンの場合には、所定の時間後に上記の過程を再度行うことにより、微生物の動きの変化に基づいて死滅の確認を行い、植物性プランクトンの場合には、染色溶液を用いて染色の有無によって死滅を確認する。
【０１３１】
最後に、図１３を参照して、本発明に係る水中パルスプラズマを用いた船舶バラスト水処理方法を説明する。
【０１３２】
図１３に示すように、本発明に係る水中パルスプラズマを用いた船舶バラスト水処理方法は、まず、バラスト水を流入させ（６０１）、濾過装置１１を用いて所定の大きさの浮遊物質及び微生物を濾過する（６０２）。
【０１３３】
濾過されたバラスト水は、流速制御装置１２によって一定の流量で流れるように流速制御を行った（６０３）後、水中パルスプラズマ処理装置１３によって、残存する微生物を滅菌処理する（６０４）。
【０１３４】
滅菌処理後、処理されたバラスト水を検査装置１４によって検査し（６０５）、予め設定された基準を満足するか否かを判断する（６０６）。
【０１３５】
判断結果が基準を満足している場合は、バラスト水を船舶から流出させ（６０７）、満足していない場合は、水中パルスプラズマ処理装置１３によって微生物を滅菌処理する過程（６０４）を再度行う。
【０１３６】
すなわち、検査装置１４は、最初に流入するバラスト水を、水中パルスプラズマ処理装置１３によって処理することによって得られた第１バラスト水を検査し、検査結果が基準を満足している場合は、後から流入するバラスト水を、水中パルスプラズマ処理装置１３によって処理することによって得られた第２バラスト水の検査を行わない。
【０１３７】
しかし、検査結果が基準を満足していなければ、水中パルスプラズマ処理装置１３において、第１バラスト水に残存する微生物を再度滅菌処理する。このとき、仮に、水中パルスプラズマ処理装置１３の電極部２２がマルチ放電チップ（例えば、上記図４、図６、図７に示すような２つ以上の放電チップ構造）で構成されている場合には、放電チップの数を増やしてプラズマ滅菌処理過程を行うことにより、最終的に所望のプラズマ滅菌効果を得ることもできる。このように放電チップの数を増やして所望のプラズマ滅菌効果が得られると、以降の第２バラスト水（放電チップの数を増やして所望のプラズマ滅菌効果が得られたものを、「第１バラスト水」と仮定する）に対する検査を別途に行わない。
【０１３８】
一方、上述した本発明の方法は、コンピュータプログラムで作成可能である。そして、前記プログラムを構成するコード及びコードセグメントは、当該分野におけるコンピュータプログラマーによって容易に推論可能である。また、前記作成されたプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体（情報格納媒体）に格納され、コンピュータによって読み取られ実行されることによって本発明の方法を具現する。そして、前記記録媒体は、コンピュータ読み取り可能なあらゆる形態の記録媒体を含む。
【０１３９】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であり、上述した実施形態及び添付図面により限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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８】
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【図９】
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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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【国際調査報告】
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