CN101883738B - 压载水处理的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于处理压载水以达到IMO压载水标准的设备和方法，包括由铜镍装配而成的反应器，用于接收和排出压载水，UV源用于在铜镍存在的情况下辐射水以产生对进入反应器的压载水内有机体和微生物具有杀灭生物以及杀菌效果的自由基。
Description
技术领域
本发明涉及压载水处理，通过过滤方法以去除固体颗粒和微生物，和应用杀灭生物以及杀菌的效果以达到国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约(2004)(International Convention for the Control and Management ofShip′s Ballast Water and Sediments)中所建立的、并且由国际海事组织(International Martime Organization)执行的、为商船所建立的标准(IMO公约)。
背景技术
该公约建立从船只排出压载水和沉积物的标准和规章，以控制对环境、人类健康、财产和资源造成伤害的有害水生有机体和病原体的排出。该公约特别注意到1992年生物多样性公约(convention on biologicaldiversity)中关于保持和持续使用生物多样性和海洋海岸生态系统，和关于外源物种对这些生态系统、以及对栖居地和物种造成的威胁的事实。
关于包括规章D-2压载水性能标准(D-2 Ballast Water PerformanceStandard)在内的压载水处理公约标准为：
1、根据本规章进行压载水管理的船只，需排出每立方米少于10个最小尺寸大于或等于50微米的可存活有机体，和每毫升少于10个最小尺寸小于50微米且最小尺寸大于或等于10微米的可存活有机体；并且排出指示微生物需不得超过第2段所述指定浓度。
2、指示微生物，同人类卫生标准一样，应包括：
.1每100毫升小于1个菌落形成单元(cfu)或者每1克(净重)浮游动物样品中小于1cfu的产毒霍乱弧菌(O1和O139)；
.2每100毫升小于250cfu的大肠杆菌；
.3每100毫升小于100cfu的肠道球菌。
规章D-2(1)中最小尺寸大于或等于50微米的可存活有机体，通过商业上可获得的、安装有40微米过滤筛的过滤装置的方法，从压载水中去除，达到每立方米小于10个可存活微生物的水平。
从商业上可获得的40微米过滤装置中排出的压载水需要进一步处理，以(i)去除最小尺寸小于50微米并且最小尺寸大于或等于10微米的有机体，达到每毫升小于10个可存活有机体的水平，和(ii)去除指示微生物达到上述规章D-2(2)所述的水平。
在净化水的现有技术中，众所周知紫外光具有对有机体和微生物的杀灭生物和杀菌效果，并且常常与臭氧、光催化剂和其他物质一起使用，以达到针对有机体的所需效果。
授予Titus的美国专利第5322569号，通过紫外辐射防止水下物体的生物堵塞。海洋生物堵塞通过采用紫外光辐射水下物体的特定表面，以预防有机体附着在那些表面上，以在去除之前使有机体昏眩，或者以消除特定表面上或者限定体积上的有机体。Titus运用具有波长250.+-.10纳米的紫外光，且提供最小辐射密度为20.mu.watt/cm.sup.2，距离至少2英尺。发现传统紫外光源例如汞，汞/氙，和氙灯均能提供令人满意的紫外线能量输出。
授予Soremark的美国专利第6358478旨在处理液体和产生臭氧，利用其氧化效果。已知以180nm频率的UV辐射产生臭氧，通过暴露于辐射下，臭氧分解得到自由基。臭氧、氧、过氧化氢和UV辐射的组合，提供快速和有效的自由基的产生。微生物在臭氧和自由基的作用下由于氧化反应而不活跃。有机体细胞膜最初被自由基攻击，继而自由基破坏细胞/病毒/孢子内的核物质。
授予Carmignani的美国专利第6092653号旨在在装置内用半导体光催化剂特别是二氧化钛和紫外线辐射纯化和消毒液体，在该装置处将要纯化的液体密切接触半导体表面，同时在同表面一样大的区域进行激活UV光散布操作。
授予Morazzi的美国专利第7081636号公开了在灭菌系统中使用紫外(UV)辐射，以用于纯化水和对多种项目进行卫生处理。UV辐射和利用UV辐射空气中的氧气而至产生任何臭氧用以杀死细菌和微生物。已知使用紫外线(UV)辐射用于多种其他用途，包括涉及光化学反应和分子离解的提高。这种系统的一个问题在于很难给UV源有效提供充足的激发能量且很难有效地转化那种能量到达待处理的物质或实体。因此对于高能量，高生产能力工业目的，很难处理该系统。因此，Morazzi提供一种紫外光源，包括紫外灯泡；脉冲微波能量源用于激活所述紫外灯泡；以及光学上透明的波导用于引导所述脉冲微波能量源产生的脉冲微波能量至紫外灯泡。所述波导完全地环绕所述紫外灯泡。一方面，紫外光源的主波长为240nm到310nm，特别是254nm。发现这样的波长对灭菌、纯化或者卫生处理的应用特别有益。
因此，已知UV辐射用于杀死有机体，但必须在特殊系统中使用UV辐射以达到所需液体的纯化效果。
本发明申请人提供一种方法和设备，采用具有特定依据的紫外辐射以在船只压载水处理中抑制有机体和微生物。
发明内容
本发明旨在一种压载水处理的装置和方法，对过滤较大有机体后压载水中残存的有机体和微生物采用紫外光杀灭生物以及杀菌的效果，以使得这种处理达到规章D-2的标准。
本发明提供了一种密闭反应器，用于接收压载水，且用于对压载水中携带的生物群和细菌提供辐射。中压UV源穿过所述反应器延伸，在所述反应器内辐射压载水流以不足1秒钟的停留时间。穿过单个反应器的压载水流大约165m3/hr且多个反应器按照平行水流排布，可达到总流量足以达到商船或者任何其他远航或近海船舰的全部压载水量。
根据本发明的反应器包括限定反应室的大体上为圆柱形的壳，两端用端帽密闭。石英管内封闭紫外灯且在相对端上支撑于端帽上，沿着反应器壳的中轴延伸，在壳室内发出UV辐射。反应器进一步安装有压载水入口和出口管，优选地在壳的相对端提供压载水的切线进出，并且优选地在壳的相对面。本发明的有意义的一方面，申请人已经发现在装配铜镍合金反应器壳中达到了意想不到的、持续地、且可重复的杀灭生物以及杀菌效果。
申请人相信，铜镍反应器壳配合紫外源在处理的压载水中产生自由基，使得对于有机体和微生物产生显著的杀灭生物及杀菌效果。相应的采用不锈钢壳的重复地反应器测试既不能达到铜镍壳所获得的效果，也不能满足规章D-2的标准。
本发明的目的是提供一种用于压载水处理的方法和设备，达到IMO公约规章D-2所建立的标准。
本发明的目的是提供一种方法和设备，利用在铜镍装配的反应器壳内的紫外光，对压载水提供杀灭生物及杀菌效果。
本发明的目的是提供一种用于船只压载水处理的反应器，具有每反应器每小时165m3的容量，提供若干反应器的安装，用以处理任何海运船舰的全部压载水容量。
本发明其他的目的、优点和优选的特征将会通过本发明以下优选实施方式的详细说明书描述的理解或者通过实践中运用本发明而变得更加明显。
附图说明
详细说明书选择的本发明优选的实施方式使得那些本发明所属领域普通技术人员能够理解如何实施本发明，且结合附图显示，其中：
图1为本发明反应器设备的侧视示意图。
图2为多个图1所示设备的部分示意图，用于使用多个平行的反应器以适应处理的压载水的全部体积。
具体实施方式
参见图，根据本发明的装置10包括反应器12，优选地形成为圆柱体状的壳12a，装有端帽12b-c，以限定反应室12d，用于接收和处理压载水。入口和出口连接管14a-b与反应器体呈90°安装于相对端，优选地位于壳的相对面，用于使得切线的压载水流进出反应器。反应器的工作压力为10到15巴(bar)，穿过反应器的压力下降小于60毫巴。穿过反应器流动的压载水的船只压力大约为2巴。反应器被设计为水平安装且直径为150mm到300mm，长度包括被端帽支持的配件为大约为1700mm(1.7m)。
中压紫外灯16被装入石英管18内，沿着反应器的中心轴从端配件20a向端配件20b延伸，以发出紫外辐射以对反应器处理的压载水中携带的有机体和微生物产生杀灭生物以及杀菌的效果。灯的额定为35kW，发出紫外辐射为254nm、22％效率，即，每100kW输入功率产生22kW的uv辐射。UV灯的通常输入功率为35kW。
石英管18为光学透明，沿着反应器的中心轴从端配件向端配件延伸，具有测试压力为15巴，且抗船舰的摇动和振动。UV灯不能产生臭氧、其它氧化剂和化学品。
IMO规定的用于压载水处理设备证明测试的测试水，通常在T1(即1cm)的UV透射为40％，或者吸光率为0.4Abs/cm。本发明的压载水处理装置服从于IMO证明测试，采用这种非常低质量的测试水，产生了预期的杀灭生物以及杀菌的效果。
每个反应器所需输入功率为400v，3ph，38kW在80A，且从配电盘和控制面板(未示出)供应至uv灯，通过灯电缆19经连接盒21a-b装配在端帽的凸缘上。配电盘将入口电流转化为UV灯所需电流，且保持灯的平衡燃烧以提供最大UVC输出。可以理解的是电流的输入电压是由每个船只的服务电系统所决定的，通常为400v，本发明可应用在具有额定电压为380v到440v的船只服务电系统。
在本发明有意义的一方面，申请人已经确定在装配铜镍合金反应器壳12中达到了意想不到的、持续地、且可重复的杀灭生物以及杀菌效果，特别是铜镍90/10合金。使用特定uv灯在不锈钢装配的200mm直径反应器壳内进行的性能测试，没有达到规章D-2所建立的标准。使用特定uv灯在90/10铜镍装配的300mm直径的反应器壳内进行的性能测试，比那些采用200mm不锈钢壳的提供了较好的杀灭生物以及杀菌效果。用同样的灯，150mm直径90/10铜镍壳做的性能测试产生的测试结果符合规章D-2关于有机体和微生物的标准。
如上所述，uv源不产生臭氧。因此，申请者相信铜镍反应器壳作为催化剂，与紫外源共同作用，在处理的压载水中产生自由基(和/或铜离子)，以产生显著的针对有机体和微生物的杀灭生物以及杀菌效果。已知铜毒性的显著部分来自其变为氧化态时接受和贡献单电子的能力。这种能力催化该反应自由基离子，例如羟自由基的产生。Swiss K WNageli在1893年发现活细胞、海藻、霉菌、孢子、真菌、病毒和微生物上、甚至在低浓度下，金属离子的毒性效果。这种抗微生物效果通过汞、银、铜、铁、铅、锌、铋、金、铝和其他金属的离子而显示出来。申请人相信羟自由基是在铜镍存在的情况下通过uv辐射而产生的，是非常短暂的，且对压载水中出现的有机体和微生物非常敌对。
根据IMO规范进行测试，针对根据本发明装配的具有在254nm发出辐射的uv灯的铜镍壳。测试流体水具有中等盐度，并同＞50μm的一群采集有机体和培养物种，10-50μm的一群有机体和异养细菌一起储藏，所有的数量列于下面表1。
表1
| 有机体群 | 流体水 | 储藏5天后的处理水中 | 储藏5天后对照组中 |
| 最小尺寸50μm | 优选106m-3，105m-3最少5个来自3个不同门(phyla/divisions)的物种 | 每m3＜10可存活有机体 | 每m3＞10×＜10可存活有机体 |
| 最小尺寸10-50μm | 104ml-1，103ml-1最少5个来自3个不同门(phyla/divisions)的物种 | 每m3＜10可存活有机体 | 每m3＞10×＜10可存活有机体 |
| 异养细菌 | 104ml-1 | - | - |
| 弧菌/霍乱弧菌(O1-O159)* | - | ＜1cfu/100ml | 10×＜1cfu/100ml |
| 大肠杆菌 | - | ＜250cfu/100ml | 10×＜250cfu/100ml |
| 肠道球菌 | - | ＜100cfu/100ml | 10×＜100cfu/100ml |
符合IMO规范的流体水，其105到106之间的最小尺寸＞50μm的可存活有机体，在进行包括过滤的压载水处理之后，被下降至每m3＜10可存活有机体，且在储藏5天之后保持在降低的水平。如上所述，这些有机体大部分通过40μm过滤筛装置被去除。虽然如此，如上所示，通过40μm过滤筛的在此组尺寸内的有机体将被降低至每m3＜10可存活有机体。
符合IMO规范的流体水，其每微升103到104之间的最小尺寸10-50μm的可存活有机体，在进行压载水处理之后，被下降至每m3＜10可存活有机体，且在储藏5天之后保持在降低的水平。
IMO规范的异养细菌，104微升被下降至＜1菌落形成单位/100毫升且在储藏5天之后保持在降低的水平。
表2列出了在引入至根据本发明的压载水处理反应器内的流体测试水内，在限定的测试有机体群范围内，有机体的最初含量。
表2
表3说明对于处理的测试水和对照水中，处理后即刻和储藏5天之后，最小尺寸≥50μm的可存活有机体，达到了规章D-2所要求的水平。
表3.
表4显示，在处理的测试水和对照水中，处理后即刻和储藏5天后，最小尺寸≥10-50μm的可存活有机体，达到了规章D-2所要求的水平。
表4
表5显示处理后即刻和储藏5天之后，对于测试循环1和2，在流体水、处理的测试水和对照水中，可培养的异养细菌，大肠型细菌，大肠杆菌，弧菌，球菌和肠道球菌，显示满足了所要求的水平。
表5
如表5中关于测试1和测试2的结果所示：
(i)处理水中的异养细菌在测试1后降低到每毫升1.4±0.7×104菌落形成单元(cfu/ml)，且在测试2后降低到1.1±0.5×103cfu/ml；
(ii)处理水中的霍乱弧菌在测试1后降低到0cfu/100ml而在测试1和2后降低到1.1±0.5×103cfu/ml，由此达到规章D-2要求的小于1cfu/100ml。
(iii)处理水中的大肠杆菌在测试1和2后降低到0cfu/100ml，由此达到规章D-2要求的小于250cfu/100ml；并且
(iv)处理水中的大肠型细菌在测试1后下降到30±4cfu/100ml且在测试2后下降到1±1cfu/100ml，由此达到规章D-2要求的小于100cfu/100ml。
在船只安装中，如图2所示，根据本发明的反应器10可用若干单元10n进行安装，在流体22和排出流24的压载水线之间平行地运转。单一反应器处理大约165m3/小时且可以安装多个反应器以处理船只的全部压载水容量。可以理解反应器可以装配90/10铜镍，70/30铜镍，以及任何其它等级的商业上可以获得的铜镍。
根据本发明一种处理压载水的方法包括：
a.建立密闭室用以接收和排出连续流动的含有有机体和微生物的压载水；
b.使压载水流暴露于铜镍；
使压载水流暴露于254nm的紫外辐射以对压载水中的有机体和微生物产生杀灭生物以及杀菌的效果，以降低：(i)排出水中的最小尺寸大于或等于50微米有机体少于每立方米10个可存活有机体和最小尺寸小于50微米且最小尺寸大于10微米的少于每立方米10个可存活有机体；并且，(ii)以至于指示微生物不超过：
.1每100毫升小于1个菌落形成单元(cfu)或者每1克(净重)浮游动物样品中小于1cfu的产毒霍乱弧菌(O1和O139)；
.2每100毫升小于250cfu的大肠杆菌；
.3每100毫升小于100cfu的肠道球菌。
对装置排列可进行体现本发明原理的各种变化。阐明前述实施方式为示例性的且不是限制性的。本发明的范围是由此处附加的权利要求所限定的。
Claims (15)
1.一种处理压载水的方法包括如下步骤：
a.建立由铜镍装配而成的密闭的室；
b.使连续的含有有机体和微生物的压载水流穿过所述室；
c.使所述压载水流暴露于所述室的铜镍；
d.在铜镍存在的情况下，使所述压载水流暴露于254nm的紫外辐射，以对压载水中的有机体和微生物产生杀灭生物以及杀菌的效果，以降低：
（i）排出水中的最小尺寸大于或等于50微米的有机体到少于每立方米10个可存活有机体；和最小尺寸小于50微米且最小尺寸大于10微米的有机体到少于每立方米10个可存活有机体；
并且降低：
（ii）指示微生物到：
.1每100毫升小于1个菌落形成单元cfu或者每1克净重浮游动物样品中小于1cfu的产毒霍乱弧菌O1和O139；
.2每100毫升小于250cfu的大肠杆菌；
.3每100毫升小于100cfu的肠道球菌。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述水流穿过所述室之前过滤压载水以除去最小尺寸大于或等于50微米的有机体。
3.一种压载水处理装置，包括形成为空心圆柱体状、端部封闭的反应器，以限定不漏水的反应器室，所述反应器由铜镍装配而成，用于使压载水流入和排出所述反应器的机构，沿着所述反应器室延伸的中压紫外灯，以在所述压载水内发出紫外C波段辐射，用于激活所述灯在铜镍存在的条件下发出辐射以产生自由基的电源，所述自由基对进入具有压载水的所述反应器内的有机体和微生物具有杀灭生物以及杀菌效果。
4.如权利要求3所述的装置，其中有机体和微生物被降低至IMO公约规章D-2压载水性能标准所建立的水平。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述反应器具有封闭所述圆柱体的端帽，以限定不漏水的、具有纵向轴线的反应器室，所述反应器具有15巴的测试压，位于所述反应器的相对端的压载水流入和排出机构，每一端帽具有用于支持紫外灯的端部的装置，沿着所述轴线延伸且封闭紫外灯的光学上透明的石英管，与所述端帽装置配合用于激活所述灯的电源，并且对进入具有压载水的所述反应器内的有机体和微生物的杀灭生物以及杀菌效果使有机体和微生物减少，达到IMO公约规章D-2压载水性能标准所建立的水平。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述电源提供380到440伏特、3相、38千瓦且80安培的电流，以及其中所述UV源发出254纳米的辐射。
7.如权利要求5所述的装置，其中所述圆柱体的直径为150mm且长度为1700mm。
8.如权利要求5所述的装置，其中所述圆柱体的直径为200mm且长度为1700mm。
9.如权利要求5所述的装置，其中所述圆柱体的直径为300mm且长度为1700mm。
10.如权利要求5所述的装置，其中所述反应器由90/10铜镍装配而成。
11.如权利要求5所述的装置，其中所述反应器由70/30铜镍装配而成。
12.如权利要求5所述的装置，其中所述压载水在所述反应器内的存留时间为0.4秒。
13.如权利要求5所述的装置，与40微米过滤器配合以在进入所述反应器之前从压载水中去除有机体。
14.如权利要求5所述的装置，多个该装置被设置为在压载水流入和排出的线之间平行地排列，用以每小时处理330立方米的压载水流体积，达到船只的全部压载水容量。
15.如权利要求5所述的装置，多个该装置被设置为在压载水流入和排出的线之间平行地排列，用以每小时处理330到1650立方米的压载水流体积。
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Granted publication date: 20130619 Termination date: 20151204 |
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