CN101702901A

CN101702901A - 水下等离子体处理设备和利用其处理船只压舱水的系统和方法

Info

Publication number: CN101702901A
Application number: CN200880019551A
Authority: CN
Inventors: 柳翰成; 河延彻; 徐栋赫; 金东垠
Original assignee: 21C SHIPBUILDING Co Ltd
Current assignee: 21C SHIPBUILDING Co Ltd
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2010-05-05
Also published as: KR20080092292A; KR101052486B1; JP2010523326A; IL201415A0; WO2008123749A1; US20100126940A1; EP2146933A4; EP2146933A1

Abstract

提供一种水下脉冲等离子体处理设备，包括：电源单元，用于产生脉冲功率；至少一个放电单元，用于向包括空气层的水面或者包括气泡的水施放所述电源单元中产生的所述脉冲功率；和等离子体处理单元，用于通过由所述至少一个放电装置产生的等离子体来除去水下微生物。

Description

水下等离子体处理设备和利用其处理船只压舱水的系统和方法

技术领域

本发明涉及水下脉冲等离子体处理设备以及使用该水下脉冲等离子体处理设备来处理船只压舱水的系统和方法；更具体涉及水下等离子体处理设备以及使用该水下等离子体处理设备来处理船只压舱水的系统和方法，该水下等离子体处理设备通过利用在很短时间内发出大的能量来使用能够瞬间达到高功率的脉冲功率可移动船只的压舱水中的各种微生物并且通过破坏细菌的细胞膜来完全杀灭细菌。

背景技术

由于1988年报告了NIS(非本地物种)侵入加拿大的五大湖，在各国都发生由NIS引起的损害。已知NIS主要通过船只转移和引入，更具体地，通过船只压舱水引入NIS变得更严重。

船只压舱水是用来调节船只的吃水和配平的载重。船只压舱水的一个功能是保持船只平衡和改善船只稳定性，并且在未充分装载货物的情况下，其一个辅助作用是允许螺旋桨和舵在水中有效地操作。

已知在1840中期来往伦敦和莱茵的运煤船是首先使用压舱水的船只。在那时，使用干的压载物例如岩石、沙子或者金属，并且开始使用压舱水以节省装卸货物的人工费用。

在今天，一般使用海水或者淡水作为压舱水，这是因为海水或者淡水容易获得且有利于节省费用。然而，特别地，在将海水引入时一起进入的海洋物种在装运港口排出。因此，它们被引入另外的区域中。IMO(国际海事组织)公开称每年有100亿吨的海水通过船只转移，7千种以上的有机体随压舱水而转移。专家认为仅在一天内就有3千种以上的海洋物种通过压舱水而转移。

也就是说，当来自外国的货船或者油船卸载进口的矿物或者油时，船只的重心相对于水表面上升。此时，当一部分螺旋桨暴露在水表面上时，螺旋桨在空气中空转，因此船只无法前进。因为船只变轻，所以船只倾覆的危险变得越来越大，因此，在出发前通过在空船底部内注入海水来使得船只稍微下沉。这样，填充用于调节船只平衡的水是“压舱水”。一般地，在200000吨级的油船中充入50000至70000吨的压舱水，在120000吨级的货船中充入30000至40000吨的压舱水。在这时，海洋有机体随着填充水箱的海水引入。因此，船只将压舱水排放至目的地的海洋。装载在压舱水中的油船或者货船所在国的海洋有机体被转移至其他的国家，而出口货船将通过在压舱水中装载它国的有机体而将它国的海洋有机体带到出口货轮所在国家的海中。

因此，海洋因通过压舱水引入的外来物种而遭到破坏。

例如，外来物种例如藤壶与本地物种例如松螺科(sacculosiphonariajaponica)具有相同的栖息地和食物(浮游生物)。然而，因为外来物种繁殖性更强和更适于生存(甚至在污染的环境下也是如此)，所以外来物种在竞争中更为有利。因此，在此安定的外来藤壶最后可驱逐本地藤壶。并且，很久前，本地蛤贝对地中海贻贝取得了优势。也就是说，我们所吃的贻贝不是产自韩国而是产自欧洲。在韩国不生存的玻璃海鞘和褶瘤海鞘延伸它们自己的栖息地。如上所述，人们认为外来物种装载在压舱水上。

同时，韩国的有机体也通过在压舱水上装载而转移至另外的国家。转移至德国和美国的韩国钜蟹10多年前爆发性地挖掘稻田且对稻作造成严重损害。转移至美国的Gyehwa岛的贝类吃光浮游植物并同时迅速繁殖。因此导致其他的生物体被饿死。

通过装载到压舱水转移的生物体使其适应于新环境的可能性极低，例如大约3％。然而，对环境变化较不敏感的耐受盐或者温度变化或者在海水和淡水两者中都生存的生物大部分存活下来，并且因为存活下来的外来物种是本地天敌的陌生食物，所以存活下来的外来物种不会被本地天敌完全吃掉。因此，外来物种的繁殖无法控制。

如上所述，迫切需要一种保护海洋免受因压舱水引入的外来物种侵入引起的缓慢破坏的措施。

根据最近建造船只有增大和具有高速的趋势，有更多的生物体在很短时间内通过压舱水排放至其他的海洋环境。

因此，已经开发了使用各种方法处理船只压舱水的系统。

例如，具有压舱水的船只通过向压舱水喷洒化学品或者在航行期间将压舱水暴露于紫外线来杀死压舱水中的生物体，以减少由于外来物种转移所导致的损害。然而，其缺点是，当排放混合有化学品的压舱水时目的地的海洋被污染，并且紫外线杀死压舱水中的生物体的速度缓慢。

作为一个具体的例子，在韩国申请No.10-0098846-0000中公开的“DEVICE OF PURYFYING WATER BY OZONE”中提出了一种使用臭氧的方法。然而，在使用臭氧的方法中，臭氧并未保持不变，因此二次污染的可能性高，处理成本高，大规模处理困难，并且压舱水箱可因臭氧而被腐蚀。

韩国申请No.10-0350409-0000中公开的“METHOD ANDAPPARATUS FOR KILLING MICROORGANISM IN SHIP BALLASTWATER”中提出了一种减小微生物数目和厌氧微生物数目的方法。然而，在氧化和脱氧方法中，微生物难以完全杀死并且在提供供氧装置和脱氧装置方面存在许多困难。

韩国公开No.10-2005-0020957中公开的“APPARATUS ANDMETHOD FOR WATER TREATMENT”中提出了通过使用氧解吸气来减少溶解氧的方法。然而，在使用氧解吸气的方法中，难以完全杀死微生物。

韩国公开No.10-2003-0004129中公开的“COMBINED PROCESSINGSTRUCTURE OF WASTE GAS AND BALLAST WATER AND METHODOF PROCESSING BALLAST WATER”中提出了一种使用热处理的方法，但是在热处理方法中，存在温度升高的问题。

韩国申请No.10-0654105-0000中公开的“METHOD ANDAPPARATUS FOR CONTROLLING ORGANISMS IN BALLSTWATER”中提出了一种利用用作抗菌剂的二氧化氯处理压舱水的方法，但是在化学处理方法中，二次污染的可能性高，并且化学品需要在船只上始终装载。

韩国申请No.10-0743946-0000中公开的“APPARATUS FORPURIFYING BALLAST WATER AND SHIP MOUNTED THE SAME”中提出了通过使用作为抗菌剂的次氯酸钠(其他的固态氯、液态氯、二氧化氯等)来杀菌或者紫外线杀菌、臭氧杀菌、光催化剂杀菌等来杀菌压舱水的方法。然而，在化学处理方法中，微生物的除去有限，同时在使用紫外线的方法中，其仅仅对部分微生物有效，并且因为紫外线波长短，所以紫外线难以在浑浊的压舱水中表现出它们自己的功能。

在韩国申请No.10-0812486-0000中公开的“OZONE INJECTIONMETHOD AND SYSTEM”中提出了一种使用臭氧来处理压舱水的方法，但是如上所述，在使用臭氧的方法中，臭氧并未保持不变，因此二次污染的可能性高，处理成本高，大规模处理困难，并且压舱水箱可由于臭氧被腐蚀。

韩国申请No 10-0689135-0000中公开的“FILTRATION ANDPURIFICATION APPARATUS”中提出了一种利用紫外线或者化学品在预处理工艺中实施高效杀菌并且通过凝聚过滤处理来减小在处理水中的微生物存活的方法。然而，在过滤方法中，除去的微生物有限，同时在使用紫外线的方法中，其仅仅对部分微生物有效，并且因为紫外线波长短，所以紫外线在浑浊的压舱水中难以表现出它们自己的功能。

同时，韩国申请No.10-0304460-0000“APPARATUS FOR PURIFYINGCONTAMINATED WATER”和“THE STUDY OF CHARACTERISTICSON WATER TREATMENT USING HYBRID WATER PLASMA TORCH(Journal of KIIEE，Vol.20，No.138-143页，2006年1月)”中提出一种通过使用等离子体净化废水的方法。然而，这些现有技术限于淡水净化(废水净化)并且在净化海水中具有限制。特别地，这些方法显示出通过使用等离子体而在除去船只压舱水(海水)中的各种微生物(杀灭海洋微生物)方面的限制。也就是说，上述现有技术具有适于淡水特征的等离子体处理结构(即等离子体在通过水箱的进口引入的废水中产生并且连续循环的结构)。然而，通过这样的结构，在杀灭大规模地排出至外部(海洋)的船只压舱水中的浮游动物、平面浮游生物、细菌等方面存在限制。另外，即使在淡水中，污染水的净化、重金属的除去等也得到关注，同时存在在完全杀灭淡水中各种微生物方面的限制。

发明内容

技术问题

因此，本发明的一个实施方案涉及提供一种水下等离子体处理设备和使用该水下等离子体处理设备处理船只压舱水的系统和方法，所述水下等离子体处理设备可通过使用能够通过在很短时间内发出大量能量而瞬间达到高功率的脉冲功率除去移动船只压舱水中的各种微生物并且通过破坏细菌的细胞膜来完全杀死细菌。

也就是说，本发明的技术目的为利用能够在极短时间内发出大量能量而瞬间达到高功率的脉冲功率，通过实施使用物理因素(紫外线、冲击波、热等)的处理和使用化学因素(臭氧、过氧化氢、OH-活化自由基)的处理来除去船只压舱水中的各种微生物并且通过破坏细菌的细胞膜来完全杀死细菌。

本发明的目的不限于以上所述的目的。参考本发明的实施方案，本发明的其他的目的和优点可通过以下描述来理解并变得明显。而且，本发明的本领域技术人员显然理解本发明的目的和优点可通过权利要求所述的手段及其组合来实现。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种水下脉冲等离子体处理设备，包括：用于产生脉冲功率的电源单元；用于向包括空气层的水面或者包括气泡的水施放在所述电源单元中产生的所述脉冲功率的至少一个放电单元；和用于通过由所述至少一个放电装置产生的等离子体来除去水下微生物的等离子体处理单元。

根据本发明的另一个方面，提供一种船只压舱水处理系统，该系统包括：用于过滤待引入的压舱水中的漂浮物和微生物的过滤装置；水下脉冲等离子体处理装置，其用于通过向包括空气层的水面或者至包括气泡的水施放电脉冲功率来除去来自经所述过滤装置过滤的所述压舱水中的微生物；检测装置，其用于检测经水下脉冲等离子体处理设备处理的压舱水；和控制装置，用于收集从过滤装置、水下脉冲等离子体处理设备和检测装置传送的数据并自动控制过滤装置、水下脉冲等离子体处理装置和检测装置。

根据本发明的另一个方面，提供一种船只压舱水处理方法，包括：过滤引入的压舱水中的漂浮物和微生物；利用通过向包括空气层的水面或者包括气泡的水施放电脉冲功率所产生的等离子体，而从经过滤装置过滤的压舱水中除去微生物；检测所述从压舱水中除去微生物的杀菌结果；和如果杀菌结果合适，则将来自船只的经杀菌的压舱水排出，而如果杀菌结果不合适，则从所述压舱水重复除去微生物。

有益效果

根据本发明，利用能够在极短的时间内发出大量能量从而瞬间达到高功率的脉冲功率，通过实施利用物理因素(紫外线、冲击波、热等)的处理和利用化学因素(臭氧、过氧化氢、OH-活化自由基)的处理，可以除去船只压舱水中的各种微生物，并且通过破坏细菌的细胞膜来完全杀死细菌。

此外，本发明具有适于杀死大规模排放至外部(海)的船只的压舱水中的浮游动物、浮游植物、细菌等的结构。

因为本发明直接连接至压舱水的排出口，所以本发明易于安装，并且因为在排水流动期间通过产生水下脉冲等离子体来处理排水，所以可实时地对排水进行净化。因此，本发明能够容易地安装在新建造的船只和特别是易于安装在旧船中。

在本发明中，因为使用瞬间脉冲，所以功率消耗极低，由此节省操作费用。

本发明可用于船只压舱水处理系统。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方案的船只压舱水处理系统的框图。

图2是根据本发明实施方案的水下脉冲等离子体处理设备的详细框图。

图3是根据本发明实施方案的图2的电源单元的详细框图。

图4至7是根据本发明实施方案的图2的电极单元的详细框图。

图8是根据本发明实施方案的图2的水下脉冲等离子体处理设备的空气注入器的详细解释图。

图9是根据本发明实施方案的图2的等离子体处理单元的详细解释图。

图10是根据本发明实施方案的图1的检测器的详细框图。

图11是根据本发明实施方案的图10中移动过滤器和介质的进给装置的详细解释图。

图12是根据本发明实施方案的图1检测器中的检测工艺的流程图。

图13是根据本发明实施方案的处理船只压舱水的方法的流程图。

本发明的最佳方式

参考附图，从以下实施方案的描述中，本发明的优点、特征和方面将变得明显，其如以下所述。

如图1所示，根据本发明的使用水下脉冲等离子体的船只压舱水处理系统包括：用于过滤待引入的压舱水的过滤器11；水下脉冲等离子体处理装置13(见图2)，其用于通过向包括空气层的水面(见图4)或者至包括气泡的水内部(见图4至7)施放电脉冲功率产生的等离子体来从通过过滤器11过滤的压舱水中除去漂浮物和微生物；检测器14，其用于检测通过水下脉冲等离子体处理装置13处理的压舱水；和自动控制器15，其用于收集从过滤器11、水下脉冲等离子体处理装置13和检测器14传送的数据并且自动地控制该数据。使用水下脉冲等离子体的船只压舱水处理系统还包括：流速控制器12，其用于在自动控制器15的控制下控制从过滤器11排出的压舱水的流速或/和流量，以使压舱水在水下脉冲等离子体处理设备13中流动。

此处，过滤器11用于首先过滤压舱水中的漂浮物和微生物并使用微孔筛网过滤预定尺寸的漂浮物。此处，可根据微孔筛网的设计来调整过滤性能。提供清洗功能以防止过滤器11的微孔筛网阻塞。

流速控制器12使从过滤器11排出的压舱水在水下脉冲等离子体处理设备13中恒定地流动。流速控制器12调节由于从过滤器11出来的管和进入水下脉冲等离子体处理设备13的管之间的尺寸差异引起的压舱水流速或/和流量的变化。

检测器14用于检查在水下脉冲等离子体处理设备13中处理的压舱水的处理水平。检测器14利用传感器来测量经处理的压舱水的pH值、温度、盐度、混浊度、溶解氧含量和总漂浮物，并且使用图象处理方法检测浮游动物和浮游植物的细胞和尺寸。将参考图10至12更详细地描述检测器14。

然而，检测器14检测用于首先引入的压舱水的经水下脉冲等离子体处理设备13处理的压舱水(等离子体杀菌压舱水称为“第一压舱水”)，并且，如果第一压舱水的检测结果合适，则检测器14跳过对用于其后引入的压舱水的通过水下脉冲等离子体处理设备13处理的压舱水(该压舱水称为“第二压舱水”，以将该水与第一压舱水相区别)的检测。也就是说，确定压舱水中的微生物是否被恰当地杀灭。并不检测大规模排出的全部压舱水。目的是为了迅速排出压舱水。

然而，如果检测结果不合适，则将检测结果报告给自动控制器15。在自动控制器15的控制下，在水下脉冲等离子体处理设备13中杀灭剩余的微生物。对同一压舱水重复进行等离子体杀菌过程。然而，当水下脉冲等离子体处理设备13的电极单元(图2的22)由多放电尖端(例如，如图4、6和7如下所示的两个或更多放电尖端)构成时，一个放电尖端用于第一等离子体杀菌。此后，如果检测结果不令人满意，则通过增加放电尖端的数目(例如，将尖端的数目从一个增加至两个，或者当杀菌效果显著降低时，将尖端的数目从一个增加至三个)来进行等离子体杀菌过程。因此，最后可获得期望的杀菌效果。因此，当通过增加放电尖端的数目来获得对第一压舱水的期望杀菌效果时，其后通过固定相应的放电尖端的数目，来进行等离子体杀菌过程。此时，对通过水下脉冲等离子体处理设备13处理的第二压舱水不进行另外的检测。

特别地，水下脉冲等离子体处理设备13杀灭从过滤器11排出的压舱水中剩余的微生物。特别地，由于使用水下脉冲等离子体的杀菌甚至可破坏细菌的细胞壁，所以能够完全杀死有毒的微生物。以下将参考图2～9更详细地描述水下脉冲等离子体处理设备13。

自动控制器15接收来自过滤器11、流速控制器12、水下脉冲等离子体处理设备13和检测器14的数据并监控所述数据，所述数据包括电压、电流、流量、操作特性、报警信号等。自动控制器15根据预定处理结果进行自动控制。自动控制器15用于存储全部处理数据。

参考图2，将更详细地描述图1的水下脉冲等离子体处理设备13。

如图2所示，水下脉冲等离子体处理设备13包括：用于产生脉冲功率的供电单元21、用于向包括空气层的水面(见图4)或者包括气泡的水的内部施放在供电单元21中产生的脉冲功率(见图4～7)的电极单元22、和使用通过电极单元22产生的等离子体来除去水下微生物的等离子体处理单元23。

首先，参考图3，以下将详细地描述供电单元21。

当通过引入口将海水引入等离子体处理单元23时，利用供电单元21的DC(直流)高压电源中的高压使电容器C充电。此时，当电容器的电压达到例如7kV时，闭合开关S(此时，开关是自动打开和关闭的开关)。然后，在电阻器R的容量小的情况下，大的电流瞬间流过电阻并由此在电阻末端之间产生脉冲电压。因此，瞬间产生大的功率(脉冲功率)。此时，产生的功率通过电极单元22的放电尖端传送至水表面上的空气层(见图4)或者水下气泡(见图4～7)，因此在海水中产生脉冲等离子体。因此，产生冲击波、气泡、超声波、高压电场等，从而显著地减小浮游生物和细菌的存活率。

本文中，当电流电压高并且电容器电容量高时，脉冲电压表现出较高的杀菌效果。然而，最终，当每单位时间的脉冲产生频率增加且脉冲增加时，可实现有效的杀菌。

水下脉冲等离子体处理设备13的供电单元21累积电能并瞬间放电。当通过DC高压电源来对具有静电容量C的电容器充至电压V时，静电能如以下等式1所示。

等式1 W＝(1/2)(CV²)

因此，当静电能在电容器中累积和电容器电压达到V时，在电阻R的容量小的情况下，大的电流瞬间流过电阻R。因此，在电阻器R的末端之间产生脉冲电压。因此，瞬间产生大的功率。产生的功率通过所充的电的时间压缩来获得。

在累积脉冲功率时，可获得大量脉冲能量，即电能，并且瞬间放出电能。大量脉冲能量称为脉冲功率。

同时，取决于脉冲的电流和电压强度的脉冲功率和取决于脉冲的上升时间和下降时间的脉冲宽度对活性物质的产生、紫外线、冲击波等具有非常重要的影响。

因为脉冲的波形是根据施加电压的强度和波形、介质的电导率等来决定的，所以在考虑介质电导率的变化的情况下通过调节脉冲波形来实现最佳脉冲波形。在通过瞬间使大电流和高电压来产生具有极高瞬间功率的电弧等离子体的脉冲功率的情况下，重要的是提高短脉冲的重复率。

重要的是根据各种等离子体发生器的设计来获得用于不同等离子体负载的最佳脉冲功率强度和波形和提高高功率脉冲功率的重复率。

因为水下脉冲等离子体处理设备13使用通过在极短时间内放出大量能量可瞬间达到高功率的脉冲功率，所以水下脉冲等离子体处理设备13可有效除去废水中的各种微生物。特别地，因为在使用水下脉冲等离子体时，利用高功率电脉冲能够破坏细菌的细胞壁，所以可以推断获得更高的净化性能。水下脉冲等离子体处理设备13可实施使用物理因素(紫外线、冲击波、热等)的处理和使用化学因素(臭氧、过氧化氢、OH-活化自由基)的处理，后者稍微受到水下脉冲等离子体的环境影响。

同时，电极单元22需要阳极和阴极的反电极以产生等离子体。本文中，通常阳极表示接地端子，阴极表示功率施加端子。因此，在本发明中，接地端子(阳极)用作海水的接触面(接地端子形成在引入管中的压舱水的接触表面上)，而穿过管的所有海水与接地表面具有相同的结构。因此，首先，因为海水的表面总是接地，所以排除了受海水电冲击的担心。其次，阳极可以制造为使整个设备接地的结构。通过进一步扩展施加作为冲击波的放电能量的面积，能够增强等离子体杀菌效果。

电极单元22具有平板-平板、探针-平板、筒-线、柱-柱等的结构。通过测量、比较和评价电流电压特性、活性物质的形成、紫外线的产生、冲击波的强度等，可获得最佳设计参数。

空气层表示通过控制引入管中的压舱水的流速或/和流量而在管的内部和水面之间形成的空气层。也就是说，如图4所示，例如假定管具有水平结构且压舱水从左侧引至右侧，则通过控制压舱水的流速或/和流量可在管内的上部中自然形成空气层。

因此，如图4所示，电极单元22通过在管内的上部中形成电极单元22，可具有在引入的压舱水方向上垂直地间隔的垂直多放电尖端结构(假定为图4中的三个放电尖端的结构)。然而，电极单元22的结构不限于所述结构。电极单元22可具有垂直单放电尖端结构或者垂直多放电尖端结构。

然而，即使管具有水平结构，也可以根据压舱水的流速或/和流量的控制而在管内上部从不形成空气层。即，管内充满压舱水。在这种情况下，应该通过用于每个电极单元22形成的空气注入部(图8的24)将气泡人工地吹入水中。此时，如图8所示，电极单元22形成空气吹入结构和形成为捕获在电极单元22周围产生的气泡的结构。所产生的气泡有效地帮助产生DC电弧放电。

同时，气泡表现为通过对每个对应电极单元22形成的空气注入部(图8的24)注入的水下气泡。即，如图5和6所示，例如假定管具有垂直结构且将压舱水从下方引至上方，则在管内根本不形成空气层。也就是说，管内充满压舱水。因此，应该通过为每个电极单元22形成的空气注入部(图8的24)将气泡人工吹入水中。此时，如上所述，电极单元22形成空气吹入结构和形成为捕获在电极单元22周围产生的气泡的结构。产生的气泡有效地帮助产生DC电弧放电。

图5显示水平的单放电尖端结构，其中电极单元22在管内的中央部中形成并且与引入的压舱水的方向平行。图6显示水平的多放电尖端结构，其中电极单元22在管内的中央部中形成并且与引入的压舱水的方向平行地间隔开。

然而，电极单元22的结构不限于所述结构。电极单元22可具有三个或更多个水平的多放电尖端的结构。

电极单元22可具有多级水平放电尖端结构，其中电极单元形成在设置为多级结构的管内部的中央部中，并且通过使用于控制流速的管弯曲来与待引入的压舱水的方向平行。管弯曲的理由是通过用自然控制流速来调节压舱水的流速来增强等离子体杀菌效果。

然而，在图5～7中呈现了具有垂直结构的管，但是尽管该管具有水平结构，根据压舱水的流速或/和流量的控制的结果，也可在管内部从不形成空气层。甚至在这种情况下，也应该通过为每个电极单元22形成的空气注入部(图8的24)将气泡人工地吹入水中。

参考图9，将更详细地描述在等离子体处理设备23中的等离子体产生过程。

由脉冲驱动的电晕放电或者电孤放电用作可在水中产生的等离子体。

在等离子体过程中使用的热等离子体主要通过DC电弧放电或高频电感耦合放电而产生。

使用可易于瞬间输出高功率的脉冲功率来诱导电弧等离子体的产生。因为该脉冲功率在很短时间内放出大量能量，所以可瞬间达到高功率，由此有效地杀灭废水中的各种微生物。

通过等离子体处理可实现使用冲击波来破坏细胞、使用超声波来破坏细胞、使用高压电场来破坏细胞等。以下，将对此进行更详细地描述。

首先，在使用冲击波破坏细胞的过程中，可使用通过压力波动产生的冲击波来破坏细胞。此时，细胞的破坏取决于细胞的尺寸、形状、厚度等以及由电孤放电产生的冲击波的强度。

在使用超声波破坏细胞的过程中，超声波穿过液体时可引起空化。空化是：当来自超声波振荡器的超声波通过液体介质时，在通过利用超声波振荡器产生纵波而形成具有低液体密度的部分和具有高液体密度的部分的情况下，当具有低液体密度的部分低于蒸气压时，形成气泡和爆破的现象。使用由该爆破产生的冲击波破坏细胞。使用超声波破坏细胞是用于破坏少量微生物细胞的方法。

在使用高压电场破坏细胞的过程中，通过将高电势诱导至称为细胞膜的隔离体来破坏细胞膜。

因此，通过操作经由等离子体处理产生的紫外线、活性物质、冲击波、气泡等，可以显著降低浮游生物和细菌的存活率。

当等离子体杀菌设备的放电装置的高度为50mm、放电电压为7kV、电容为6uF时，处理时间为60秒之后的杀菌率为100％。浮游动物的杀灭效率测定结果示于表1。

表1

根据试验等离子体杀菌设备以前的样品数目的测量结果，常见细菌形成TNTC(太多以致于无法计数)。大肠杆菌为100cfu/100ml，大肠菌类细菌为310cfu/100ml。然而，根据观察经过试验等离子体杀菌设备之后的培养48小时的样品数目的结果，总细菌为0cfu/100ml，大肠杆菌为0cfu/100ml，大肠菌类细菌为0cfu/100ml。因此，测量到全部的培养的细菌均被杀灭。确定杀菌设备的处理效率高。

以下，参考图10～12，将更详细地描述图1的检测器14的结构与操作过程。

检测器14用于实时检测排出的水的净化性能。

参考图10，检测器14包括：第一储槽102，用于储存利用船上电动泵的操作以通过输入管101供给的压舱水；过滤器112，用于过滤通过中间管103供给第一储槽102中的浮游生物和浮游植物；过滤器盒104，用于连接过滤器112；第一进给筒111，用于通过将过滤器112移至过滤器盒104而将过滤器112安装在过滤器盒104上；第二储槽105，用于储存通过过滤器112的压舱水；取样装置113，用于从第二储槽105中储存的压舱水获取1ml样品；介质115，用于容纳在取样装置113中采集的样品；第二进给筒114，用于移动介质115；相机109，用于对过滤器112和介质115上的漂浮动物和浮游植物照相，进给滑动器108，用于移动相机109；限位开关110，用于控制第一进给筒111、第二进给筒114和进给滑动器108的位置；以及支架107，用于附置第一进给筒111、第二进给筒114和进给滑动器108。检测器104还包括：图像处理设备116，用于通过由照相机109拍摄的图像进行图像处理来分析浮游动物和浮游植物的尺寸和细胞数目。

为了利用相机109自动检查压舱水中的浮游动物和浮游植物，根据第一储槽102和第二储槽105的势能用过滤器112过滤浮游动物和浮游植物，并且将1ml的样品从连接至第二储槽105的取样装置113滴到介质115上。

作为自动检查压舱水中的浮游动物和浮游植物的装置，过滤器112、介质115和相机109连接至第一进给筒111、第二进给筒114和进给滑动器108，以收集和检查浮游动物和浮游植物。在使用相机109来拍摄浮游动物和浮游植物时，连接至第一进给筒111的限位开关110、第二进给筒114和进给滑动器108用于合适地定位。

在排出第一储槽102中的压舱水时，通过在过滤器盒104内形成的适合于过滤器112外部尺寸的凹槽，利用第一进给筒111将过滤器112连接至过滤器盒104的凹槽来实现过滤器112与过滤器盒104的接合。

以下将更详细描述检测器14的操作。

首先，压舱水通过输入管101储存于第一储槽102中，当过滤器112通过支架107的第一进给筒111与连接至第一储槽102和第二储槽105之间的滤器盒套104接合时，位于过滤器112上的第一储槽102中的压舱水被过滤器112过滤。通过操作支架107的进给滑动器108将相机109移至过滤器112来测量经过滤的压舱水中的浮游生物的数量。

穿过过滤器盒104中的过滤器112的压舱水储存在第二储槽105中。通过取样装置113将1ml的压舱水滴在与支架107的第二进给筒114连接的介质115上。

当利用支架107的进给滑动器108使相机109向介质115移动来测量浮游植物的数量时，压舱水通过排出管106排出。

如图11所示，通过第一进给筒111和第二进给筒114将过滤器112和介质115接合来配置用于移动过滤器112和介质115的进给装置。通过连接至第一进给筒111和第二进给筒114的限位开关110来实施过滤器112和介质115的定位。

以下，参考图12，将描述在检测器14中进行的检测过程。

如图12所示，在检测过程中，通过过滤器112进行过滤(301)，过滤器112通过第一进给筒111移动至预定位置(302)，当相机109通过进给滑动器108移动到过滤器112上方(303)时，对浮游生物进行照相(304)。此后，通过第二进给筒114将介质115移动至预定位置(306)，使得样品通过取样装置113取出(305)，并当相机109通过进给滑动器108移动到介质115上方(307)时，对浮游植物进行照相(308)。

为了帮助理解，将描述在图像处理设备116中进行的图像处理过程。

特别地，可通过利用图像处理来确定用作压舱水处理标准的浮游动物和浮游植物是否杀灭。利用相机109对置于过滤器112和介质115上的样品照相，通过图像处理设备116中的图像处理来获得浮游生物和浮游植物的细胞数目和尺寸。

图像处理设备116通过从用相机109拍摄的图像获得经处理的图像来分析浮游动物和浮游植物的微生物的细胞数目、尺寸和寿命或者死亡。图像处理过程包括：滤光、边缘检测、块分析、直方图强度法、阈值法、尺寸过滤、图像分割、对象提取、对象测量、图案匹配、图案识别和数据提取。

首先，收集和获得待测量的样品。

通过相机拍摄收集和获得的样品以获得样品的图像。

随后，进行滤光以从获得的图像除噪并进行图像边缘检测，以获得包括位置、形状、尺寸、表面图案等的信息。边缘检测之后，通过块分析获得微生物的尺寸。

接下来，应用直方图强度法以满足通过确定属于对象和背景部分的像素的对比值分布的图案的函数并且确定阈值。

然后，进行尺寸过滤以除去因噪声产生的像素并且进行图像分割以从获得的图像中将对象和背景分开。

随后，进行对象提取过程以从在图像分割过程中分离的对象和背景中只提取对象，并且测量提取的对象的特征，包括尺寸、位置、方向等。

接下来，进行图案匹配以通过提取的对象与存储于数据库中的浮游动物和浮游植物的数据之间的匹配工作来进行基本判断。然后，在进行图案识别之后，进行基于经处理的图像来提取必要数据的数据提取过程以用于正确的判别。

首先，以下描述样品的收集。

确定是否测量浮游动物或者测量浮游植物之后，在测量浮游动物的情况下，通过过滤器112收集从第一储槽102排出的样品，在测量浮游植物的情况下，通过利用介质115接收来获得从第二储槽105排出的样品。

同时，在利用相机109拍摄收集或者获得的样品的过程中，实施相机109的放大控制和自动聚焦功能。因为与通过变焦透镜和聚焦透镜的移动引起的焦距变化不是线性的，所以相机109的放大控制功能在实现算法方面具有许多困难。变焦追踪利用在变焦曲线上移动变焦马达和聚焦马达来防止相机109的焦距离开焦点。在这里，变焦曲线是用于限定聚焦透镜位置的数据，其利用在对象和相机109之间的距离固定的状态中提高变焦透镜的放大率，可显示在各个放大率下的最清晰的图像。

因此，通过将变焦轨迹曲线分为线性部分和非线性部分，以减小变焦轨迹曲线的存储容量的方法，以及计算变焦轨迹期间最佳反映与当前主题的焦距的变焦轨迹曲线，以防止在激活图像放大功能期间失焦的方法，从而获得最清晰的图像。

以下描述图像获取和图像过滤。

在图像获取中，通过使用相机109，产生可用于图像处理的图像数据。此时，图像数据存储为位图形式和数字形式。

可仅仅使用在物理装置中获得的图像，但是通常增加滤光过程，用于利用使用各种滤光器和直方图强度的方法除去噪声来使得图像更利于识别。

以下描述边缘检测。

在一般的图像处理中，边缘是表示图像区域边界的特性并且表示像素亮度的不连续性。边缘对应于图像中对象的边缘并且提供对象的位置、形状、尺寸、表面图案等。

在边缘检测方法中，基于图像的偏微分算符计算来检测边缘。在边缘检测方法中，存在用作微分算符的各种掩码。这些掩码满足数学条件并且具有相同的效果。在这里，掩码是用于在预定部分定位的具有矩阵形状的结构。主要使用3×3的矩阵、5×5的矩阵、16×16的矩阵等的方阵。使用Sobel掩码、Prewitt掩码、Robert掩码、Laplacian掩码、Canny边缘检测方法作为代表性的边缘检测方法。

块分析是通过计数期望对象的数目和统计值例如对象长度、区域尺寸、平均来获得预定区域中对象数目并且可自动获得分布的分析技术。因此，通过该方法能够确定微生物尺寸。

阈值方法是一种用于提取通过边缘检测获得图像数据特征的技术。阈值方法通过使用二进制数据的灰度图像作为阈值将数据分为黑色数据和白色数据来处理数据。在阈值处理中，对应于具有预定值或更大亮度的输入图像的各个像素的输出图像的像素值固定为1，其它输出图像的像素值固定为0。

直方图强度方法是在图像处理的预处理过程中用于识别对象的一种重要方法。因为图像中对象的像素具有类似的分布，所以通过检测直方图的顶部和底部能够确定属于对象部分和背景部分的像素的亮度值分布。在使用二元块技术(binary block technique)产生掩码的情况下，因为提取的图案被分散且提取的图案数目小，所以图案可能不正确地组成图。为克服该问题，使用直方图强度方法。

在尺寸过滤中，二值图像可由于照相机109的分辨率或者照明的不均匀性而具有噪声，因为该噪声是无规产生的，所以对应于噪声的连接组件的像素数目小。因此，尺寸过滤除去图像上具有小于连接组件中预定数目像素的连接组件，因此是一种简单有效的除去噪音产生的像素的方法。

图像分割是分离对象和背景的方法。

在对象的提取和测量中，从分离的对象和背景中只提取对象。

通过标记来计算提取对象的包括尺寸、位置、方向等的特性。此处，标记是将相同的标记(整数值)附于相同种类的连接组件而将不同的标签附于不同的连接组件的处理。由经标记的图像获得的每个连接组件可显示任意对象，并且确定各连接组件的包括尺寸、位置、方向等的特性。

同时，在图像中发现所有连接组件并且将一个独特标记附于在相同的连接组件中存在的所有像素的算法是组件标记算法。组件标记算法包括递归算法和串行算法。此处，在递归算法中，因为在串行计算机中计算耗时长，所以递归算法通常用于并行计算机。串行算法的计算时间比递归算法的计算时间短。串行算法占用的存储量小于递归算法。此外，串行算法仅仅通过两次完全的扫描操作即可结束计算。

图案匹配是将存储于数据库中的数据与提取的对象的数据进行比较的方法。通过将存储于数据库中的浮游动物和浮游植物的数据与提取的对象的数据之间的匹配工作，可确定对象的基本信息。

即使通过二元处理或者直方图均化技术对图像进行处理，获得结果例如物种的正确辨别、细胞数目的确定以及确定有生命和死亡的结果。图案识别被用作克服该问题的方法。此时，通过应用神经网络算法可提高图案识别中的识别率。

神经算法基于以下一点：具有研究功能的人的大脑由其中多个神经元彼此连接的神经网络组成。神经网络由通过模拟生物神经元获得的单元组成并将单元之间的连接进行加权。神经网络具有各种结构和它们基于各种神经网络模型的研究规则。

各NN(神经网络)由用于各层进行分组的一套神经元形成。神经网络由三层例如输入层、隐层和输出层组成。在输入层和输出层之间可存在各种层。由于突触在生物神经元之间的信息交换中具有重要作用，在神经网络中使用连接加权值以反映处理组件之间的权重。每个处理组件利用传输的输入值和连接加权值来计算输入值，并然后通过使用输入值确定输出值。

神经网络具有以下优点。

容错：因为处理节点数目大，所以数个节点或者数个连接的错误不导致完全的系统错误。

一般性：当显示不完全或者预先未知的输入时，神经网络可产生合理的反应。

适应性：神经网络在新环境下研究和瞬间使用新的情况来更新和保持程序。

上述特性和优势用于提高图案识别中的识别率。

在数据提取中，基于之前处理和储存于数据库值的数据来提取必要的数据(尺寸、数目等)。

通过所述方法获得浮游动物和浮游植物的最佳图像，并且通过获得的图像确定浮游动物和浮游植物的细胞数目。

同时，在验证微生物存活或死亡的情况下，通过预定时间之后重复实施该方法通过微生物的运动变化来验证浮游动物的存活或死亡，通过使用染液根据染色与否来验证浮游植物的存活或死亡。

最后，参考图13，以下将描述根据本发明使用水下脉冲等离子体来处理船只压舱水的方法。

如图13所示，在使用根据本发明的水下脉冲等离子体处理船只的压舱水的方法中，将压舱水引入(601)并且通过使用过滤器11过滤具有预定尺寸的微生物和漂浮材料(602)。

在通过流速控制器12控制经过滤的压舱水的流速以使得经过滤的压舱水以固定的流速流动(603)之后，通过水下脉冲等离子体处理设备13杀灭剩余的微生物(604)。

杀菌之后，通过检测器14来检测经杀菌的压舱水(605)并且判断压舱水是否满足预定标准(606)。

根据判断结果，如果压舱水满足预定标准，则将压舱水从船只排出(607)，而如果压舱水不满足预定标准，则利用水下脉冲等离子体处理设备13重复杀灭微生物(604)。

也就是说，检测器14检测通过利用水下脉冲等离子体处理设备13来处理初次引入的水而获得的第一压舱水，如果检测结果满足标准，则检测器跳过对通过利用水下脉冲等离子体处理设备13处理其后引入的压舱水而获得的第二压舱水的检测。

然而，如果检测结果不满足标准，则在第一压舱水中剩余的微生物在水下脉冲等离子体处理设备13中再次进行杀灭。此时，在水下脉冲等离子体处理设备13的电极单元22由多放电尖端(例如，如图4、6和7所示的两个或更多放电尖端的结构)组成的情况下，通过增加放电尖端的数目利用实施等离子体杀菌方法可获得最后期望的等离子体杀灭效果。如上所述，当通过增加放电尖端数目获得期望的等离子体杀灭效果时，不实施对第二压舱水的额外的检测(假定在第一压舱水中通过增加放电尖端数目获得期望的等离子体杀灭效果)。

同时，根据本发明的上述方法可通过计算机程序来实施。本领域技术人员可易于推断出配置程序的代码和代码段。将准备的程序存储于计算机可读的记录介质(信息存储介质)中，并且通过计算机读出和执行。因此，实现根据本发明的方法。记录介质包括全部形式的计算机可读的记录介质。

虽然本发明已经对于具体的实施方案进行了描述，但是本领域技术人员可以明显做出各种变化和改变而未脱离在以下的权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种水下脉冲等离子体处理设备，包括：

电源单元，用于产生脉冲功率；

至少一个放电单元，用于向包括空气层的水面或者包括空气泡的水施放所述电源单元中产生的所述脉冲功率；和

等离子体处理单元，用于通过所述至少一个放电装置产生的等离子体来除去水下微生物。

2.根据权利要求1所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述空气层是通过对引入管中的水的流速或/和流量的控制而在所述管的内部和所述水面之间形成的空气层。

3.根据权利要求2所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述至少一个放电单元具有垂直单放电尖端结构，其中所述放电单元形成在所述管内的上部中并垂直于引入的水的方向。

4.根据权利要求2所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述至少一个放电单元具有垂直多放电尖端结构，其中所述放电单元形成在所述管内的上部中并与引入的水的方向垂直地间隔开。

5.根据权利要求1所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述气泡是通过为每个对应放电单元形成的空气注入单元注入的水下气泡。

6.根据权利要求5所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述至少一个放电单元具有通过在其中央形成的孔吹入空气的结构。

7.根据权利要求6所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述至少一个放电单元具有水平单放电尖端结构，其中所述放电单元形成在所述管内的中央部分中并与待引入的水的方向平行。

8.根据权利要求6所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述至少一个放电单元具有水平多放电尖端结构，其中所述放电单元形成在管内的中央部分中并与待引入的水的方向平行地间隔开。

9.根据权利要求6所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述至少一个放电单元具有多级水平放电尖端结构，其中所述放电单元形成在配置为多级结构的管内的中央部分中，并通过使用于控制流速的所述管弯曲来与待引入的水的方向平行。

10.根据权利要求6所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述至少一个放电单元具有垂直多放电尖端结构，其中所述放电单元形成在管内的上部中并与待引入的水的方向垂直地间隔开。

11.根据权利要求3所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述至少一个放电单元用作功率施加端子(阴极)，并且用作反电极的接地端子(阳极)形成在引入所述管中的水的接触面上。

12.根据权利要求1所述的水下脉冲等离子体处理设备，其中所述电源单元通过自动打开和关闭开关进行充和放直流高压电来产生所述脉冲功率。

13.一种船只压舱水处理系统，包括：

过滤装置，用于从待引入的压舱水中过滤漂浮物和微生物；

水下脉冲等离子体处理装置，用于通过向包括空气层的水面或者至包括气泡的水施放脉冲功率所产生的等离子体，来从通过所述过滤装置过滤的所述压舱水中除去微生物；

检测装置，用于检测经所述水下脉冲等离子体处理设备处理的所述压舱水；和

控制装置，用于收集从所述过滤装置、所述水下脉冲等离子体处理装置和所述检测装置传送的数据，并且自动控制所述过滤装置、所述水下脉冲等离子体处理装置和所述检测装置。

14.根据权利要求13所述的船只压舱水处理系统，其中如果检测结果合适，则所述检测装置跳过对用于其后引入的压舱水的经所述水下脉冲等离子体处理装置处理的压舱水的检测。

15.根据权利要求13所述的船只压舱水处理系统，其中如果所述检测结果不合适，则所述检测装置通过将检测结果报告给所述控制装置而在所述控制装置的控制下在水下脉冲等离子体处理装置中杀灭剩余的微生物。

16.根据权利要求13所述的船只压舱水处理系统，其中如果所述检测结果不合适，则所述检测装置通过将检测结果报告给所述控制装置而在所述控制装置的控制下在所述水下脉冲等离子体处理装置中驱动至少两个放电尖端。

17.根据权利要求13所述的船只压舱水处理系统，还包括：

流速控制装置，其控制从所述过滤装置排出的所述压舱水的流速或/和流量，以使所述压舱水在所述控制装置的控制下引入所述水下脉冲等离子体处理装置中。

18.根据权利要求13所述的船只压舱水处理系统，其中所述过滤装置用于从所述压舱水中首先过滤漂浮物和微生物，并且使用微孔筛网来过滤具有预定尺寸的漂浮物，过滤性能可根据微孔筛网的设计来调整，并且提供清洗功能以防止所述过滤装置的微孔筛网被阻塞。

19.根据权利要求13所述的船只压舱水处理系统，其中所述水下脉冲等离子体处理装置包括：

电源单元；用于产生脉冲功率；

至少一个放电单元，用于向包括空气层的水面或者包括气泡的水施放所述电源单元中产生的所述脉冲功率；和

等离子体处理单元，用于通过由所述至少一个放电装置产生的等离子体来除去水下微生物。

20.根据权利要求19所述的船只压舱水处理系统，其中所述空气层是通过对引入管中的水的流速或/和流量的控制而在所述管的内部和所述水面之间形成的空气层。

21.根据权利要求20所述的水下脉冲等离子体处理系统，其中所述至少一个放电单元具有垂直单放电尖端结构，其中所述放电单元形成在所述管内的上部并垂直于所引入的水的方向。

22.根据权利要求20所述的水下脉冲等离子体处理系统，其中所述至少一个放电单元具有垂直多放电尖端结构，其中所述放电单元形成在所述管内的上部并与所述引入的水的方向垂直地间隔开。

23.根据权利要求19所述的水下脉冲等离子体处理系统，其中所述气泡是通过为每个对应放电单元形成的空气注入单元注入的水下气泡。

24.根据权利要求23所述的水下脉冲等离子体处理系统，其中所述至少一个放电单元具有通过在其中央形成的孔吹入空气的空气吹入结构。

25.根据权利要求24所述的水下脉冲等离子体处理系统，其中所述至少一个放电单元具有水平单放电尖端结构，其中所述放电单元形成在所述管内的中央部分中并与所述引入的水的方向平行。

26.根据权利要求24所述的水下脉冲等离子体处理系统，其中所述至少一个放电单元具有水平多放电尖端结构，其中所述放电单元形成在所述管内的中央部分中并与所述引入的水的方向平行地间隔开。

27.根据权利要求24所述的水下脉冲等离子体处理系统，其中所述至少一个放电单元具有多级水平放电尖端结构，其中所述放电单元形成在配置为多级结构的管内中央部分中，并通过使用于控制流速的所述管弯曲来与待引入的水的方向平行。

28.根据权利要求24所述的水下脉冲等离子体处理系统，其中所述至少一个放电单元具有垂直多放电尖端结构，其中所述放电单元形成在所述管内的上部中并与所述引入的水的方向垂直地间隔开。

29.根据权利要求19所述的船只压舱水处理系统，其中所述检测装置包括：

第一储存单元，用于储存通过船只中的电动泵的操作而经输入管供给的所述压舱水；

过滤单元，用于过滤所述第一储存单元中的分析物；

过滤器连接单元，用于连接所述过滤单元；

第一进给筒，用于通过将所述过滤单元移至所述过滤器连接单元来将所述过滤单元安装在所述过滤器连接单元上；

第二储存单元，用于储存通过所述过滤单元的压舱水；

取样单元，用于从储存在所述第二储存单元中的所述压舱水中取出预定量的样品；

样品收集单元，用于容纳在所述取样单元中采集的样品；

第二进给筒，用于移动所述样品收集单元；

照相单元，用于对在所述过滤单元中过滤且收集在所述样品收集单元中的所述分析物照相；

进给滑动器，用于移动所述照相单元；

开关单元，用于控制所述第一进给筒、所述第二进给筒以及所述供给滑动器的位置；和

支架单元，用于附置所述第一进给筒、所述第二进给筒和所述供给滑动器。

30.根据权利要求29所述的船只压舱水处理系统，还包括：图像处理装置，用于通过对所述照相单元所拍摄的图像进行图像处理来分析浮游动物和浮游植物的细胞数目和尺寸。

31.一种船只压舱水处理方法，包括：

从引入的压舱水中过滤漂浮物和微生物；

通过由向包括空气层的水面或者包括气泡的水施放脉冲功率所产生的等离子体来除去经所述过滤装置过滤的压舱水中的微生物；

检测所述从压舱水中除去微生物的杀灭结果；和

如果杀灭结果合适，则将经杀菌的压舱水从船中排出，如果杀菌结果不合适，则从所述压舱水中重复除去微生物。

32.根据权利要求31所述的船只压舱水处理方法，其中在从所述压舱水中重复除去微生物的过程中，通过增加所述放电尖端的数目来杀灭微生物。

33.根据权利要求31所述的船只压舱水处理方法，其中在从所述压舱水中重复除去所述微生物的过程中，通过驱动以预定间距间隔开的多个放电尖端来杀灭微生物。

34.根据权利要求31所述的船只压舱水处理方法，其中在从所述压舱水中重复除去微生物的过程中，如果所述杀菌结果合适，则将经杀菌的压舱水从船中排出而不对用于后续引入的压舱水的经杀菌压舱水进行检测。