CN103747842B - 用于船舶的压载水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于船舶的处理压载水的系统和方法，所述系统包括旋转过滤装置，所述旋转过滤装置包括：过滤器,其围绕轴线圆筒状地形成，能够围绕所述轴线旋转，并且具有沿圆筒径向折叠的褶皱形状；以及电动机，其用于使所述过滤器旋转。所述清洁喷嘴与所述过滤器的凹陷部之间的距离为120mm或更短。所述系统和所述方法构造为执行满足下列条件a至d的稳态操作：a）所述过滤器在过滤操作期间的旋转速度在20至100rpm的范围内，b）从清洁喷嘴喷射的清洁用水的流速为250m/min或更大，c）所述过滤器的单位面积的已过滤水流量为5.1m/h或更小，以及d）从所述排出通道排出的排出水的流量是已过滤水的流量的5%或更大。

Description

用于船舶的压载水处理系统

技术领域

本发明涉及用于处理储存在船舶中以便在船舶航行时使船舶稳定的压载水的系统。具体地说，本发明涉及对装载在船舶上然后被排出到另一海域中的压载水的深度处理。

背景技术

近年来，对储存在船舶中的压载水进行处理成为问题。压载水是当船舶未装载货物时为了保证船舶的安全航行而储存在船舶中的海水。压载水从发货港口附近的海洋中提取，并且被排出到目的地港口附近的海洋中。也就是说，在将从发货港口处提取到船舶上的作为压载水的海水在目的地港口处排出的情况下，例如，在油轮离开日本的港口并且到达诸如科威特等中东国家的港口，并且在中东国家的港口装载油的情况下，日本海域中的海水作为压载水被提取到船舶上，并且被排放到中东的海域中。在该情况下，由于压载水被排放到与提取压载水的海域不同的海域中，因此，海水中的生物被运输到并非其原生地的海域中，并且可能对海洋生态系统产生巨大的影响。

因此，已研究了净化压载水以去除、杀灭或灭活微生物的多种方法。例如，专利文献（PTL）1描述了一种通过加热海水杀灭水生生物的方法。专利文献2披露了利用蒸气的方法，利用紫外线照射的方法，利用电压施加和冲击波的方法，利用诸如次氯酸钠等化学试剂的方法，等等。还研究了作为执行上述杀灭处理之前的预处理或用于去除相对大的微生物的过滤方法。例如，专利文献3披露了利用膜过滤器制备压载水的方法。

发明人研究了这种压载水处理，并且公开了在专利文献4中描述的包括旋转圆筒褶皱过滤器的过滤装置。压载水处理装置包括：过滤器，其围绕轴线圆筒状地形成并且能够围绕轴线旋转；未处理水喷嘴，其朝向过滤器的外周表面喷射未处理水；壳体，其包括设置为围绕过滤器的外圆筒部，未处理水喷嘴的喷嘴开口位于壳体的内部；已过滤水通道，已穿过过滤器的已过滤水通过已过滤水通道从过滤器的圆筒形空间内部流到壳体的外部；以及排出通道，未穿过过滤器的排出水通过排出通道排出到壳体的外部。利用这种结构，从过滤器的外部朝向圆筒状地形成的过滤器的外周表面喷射未处理水，从而在过滤器旋转并且过滤器的表面连续移动的同时，未处理水得到过滤。因此，可以在防止过滤器堵塞的同时连续地过滤未处理水，并且与使用具有相同面积的平面过滤器的情况相比，能够更有效地从未处理水中去除异物。

专利文献

专利文献1：日本专利No.3660984

专利文献2：日本专利No.4261955

专利文献3：日本未审查专利申请公开No.2006-728

专利文献4：日本未审查专利申请公开No.2011-194396

发明内容

技术问题

在专利文献1至3中描述的现有的压载水处理方法各自存在问题。为了解决这些问题，发明人开发了在专利文献4中描述的处理装置。由于压载水由大量的海水构成，因此需要在船舶停泊的有限时间内尽可能快地执行压载水的处理。然而，当长时间地执行使用过滤器的过滤时，过滤器可能变得堵塞（发生网眼堵塞）。如果每当发生堵塞就需要更换过滤器，则会由于空载时间而产生巨大的损失。在专利文献4中描述的旋转过滤装置通过在使褶皱过滤器旋转的同时朝向过滤表面连续地喷射清洁用水来同时执行对褶皱过滤器的清洁以及过滤。然而，如果过滤器的配置和操作条件不合适，则不能充分地获得过清洁过滤器的效果。结果，产生了例如过滤器变堵塞并且在过滤必要量的水之前需要停止操作过滤装置的问题。因此，本发明的目的在于提供一种能够长时间执行不间断的稳态操作的压载水处理系统。

解决技术问题的方案

发明人通过认真研究能够安装在船舶中并且能够有效地净化压载水的装置而作出了本发明。

根据本发明，提供一种用于船舶的处理压载水的系统和方法，所述系统包括旋转过滤装置，所述旋转过滤装置包括：过滤器,其围绕轴线圆筒状地形成，能够围绕所述轴线旋转，并且具有沿圆筒径向折叠的褶皱形状；清洁喷嘴，其朝向所述过滤器的外周部喷射未处理水；壳体，其包括设置为围绕所述过滤器的外圆筒部，所述清洁喷嘴的喷嘴开口设置在所述壳体的内部；已过滤水通道，已穿过所述过滤器的已过滤水通过所述已过滤水通道从所述过滤器的圆筒形空间内部流到所述壳体的外部；排出通道，未穿过所述过滤器的排出水通过所述排出通道排出到所述壳体的外部；以及电动机，其用于使所述过滤器旋转。所述清洁喷嘴与所述过滤器的凹陷部（谷部）之间的距离为120mm或更短。所述系统和所述方法构造为执行满足下列条件a至d的稳态操作：

a）所述过滤器在过滤操作期间的旋转速度在20至100rpm的范围内，

b）从清洁喷嘴喷射的清洁用水的流速为250m/min或更大，

c）所述过滤器的单位面积的已过滤水流量为5.1m/h或更小，以及

d）从所述排出通道排出的排出水的流量是已过滤水的流量的5%或更大。

如上文所述，发明人认真研究了操作旋转过滤装置的合适的条件。结果，发明人发现，作为影响稳态过滤操作的因素，清洁效率与排出水的流量之间具有一定的关系。相应地，发明人发现了实现长时间稳态操作的因素和条件。当具有上述结构的装置满足操作条件a）至d）时，可以执行一般船舶所需的压载水处理操作而无需因发生堵塞而停止操作。

流入过滤装置的未处理水被分成经过过滤并被用作压载水的已过滤水和未经过过滤而被排出的排出水。因此，（未处理水的流量）=（已过滤水的流量）+（排出水的流量）。在保持已过滤水的必要流量的同时操作过滤装置的情况下，如果排出水的流量逐渐地减小，则在未处理水中未经过过滤并积聚在壳体中的悬浮颗粒的密度逐渐地增大。结果，堵塞变得更容易发生。另一方面，就过滤操作的整体效率而言，增加排出水的流量是不利的。因此，在已过滤水的流量与排出水的流量之间存在合适的关系。即使已过滤水的流量是稳定的，如果过滤器（膜过滤器）的清洁效果差，则也会发生堵塞。发明人已证实，清洁用水喷嘴的配置、清洁用水的流量以及过滤器的旋转速度对合适的清洁具有贡献。

在本发明中，对接受处理的海水不作特定限制。一般来说，在船舶停留的港口中，海水包括微生物和悬浮颗粒并且具有大约在1至1000比浊法浊度单位（NTU）范围内的浊度。海水中的有害微生物的实例包括大肠杆菌；霍乱弧菌；肠道球菌；以及诸如水蚤、海盘车和海藻等浮游生物的幼虫。这些微生物的尺寸绝大多数在0.3至几百μm的范围内。过滤器用于从海水中去除悬浮颗粒和微生物。待去除的悬浮颗粒包括诸如二氧化硅等无机成分，并且具有各种尺寸。为了有效地去除这种微生物，使用能够去除海水中尺寸为50μm或更大的浮游生物的过滤器，优选为使用能够去除尺寸为30μm或更大的浮游生物的过滤器，并且更优选为使用能够去除尺寸为10μm或更大的浮游生物的过滤器。为了获得本发明的效果，优选的是，过滤器能够将海水中尺寸为30μm或更大的微生物去除掉99%或更多。具体地说，本申请通过使用具有5m²或更大面积的过滤器，能够有效地处理大量的压载水。优选地，当用于具有30m²或更大的有效过滤面积的大装置时，本申请就长时间操作而言是有效的。

利用根据本发明的装置和方法，当处理浊度在1至1000NTU范围内的海水时，可以持续12小时或更长时间的稳态操作，也就是说，可以连续进行至少12小时的稳态操作，并且本发明的装置和方法能够合适地用于压载水处理。

本发明的有益效果

利用本发明，可以提供能够长时间执行不间断的稳态操作的压载水处理系统。

附图说明

图1是示出了根据本发明的用于船舶的压载水处理系统的典型性总体结构的框图。

图2是示出用在本发明中的旋转过滤装置的示例性结构的示意性纵向剖视图。

图3是沿图2中的线A-A截取的示意性剖视图。

图4是示出在本发明中优选使用的褶皱式过滤器的典型结构的透视图。

图5是示出清洁用水喷嘴和过滤器的位置关系的示意图。

图6是示出根据本发明的用于船舶的压载水处理系统的另一总体结构的框图。

图7是示出用在图6所示的系统中的旋转过滤装置的示例性结构的示意性纵向剖视图。

附图标记列表

10压载水处理系统

11罐

12旋转过滤装置

13紫外线照射装置

21、22泵

31、32、33、34、35、36、37、38管道

101过滤器

102清洁用水喷嘴

103壳体

104中心管道

105取水孔

106未处理水通道

107已过滤水通道

108排出通道

112未处理水喷嘴

121喷嘴开口

131外圆筒部

132盖部

133底部

140电动机

141轴

151取水通道

152泵

153清洁用水通道

具体实施方式

将参考附图描述根据本发明的用于船舶的压载水处理系统的结构和处理压载水的方法。本发明不限于此，而是由权利要求中的描述所限定，并且本发明旨在包括权利要求及其等同内容的范围内的全部修改。

图1示意性地示出了根据本发明的用于船舶的压载水处理系统的总体结构。参考图1，未处理水（从海洋中提取的海水）由泵21经由管道31供给，并且未处理水通过管道32被供应至过滤装置12（过滤设备）。已经过过滤装置12过滤的已过滤水穿过管道33流到诸如紫外线照射装置等灭菌设备13（可选）中。未经过过滤装置12过滤的排出水通过管道35流出到装置的外部。经过灭菌的海水通过管道34和36流到罐11中。

图2和图3是示出作为过滤设备的旋转过滤装置的典型结构的示意图。图2是旋转过滤装置的纵向剖视图。图3是沿图2中的线A-A截取的剖视图。圆筒形过滤器101设置为围绕用作旋转中心的轴141。过滤器101安装为可以围绕设置在中心的中心管道（不旋转）而旋转。优选地使用具有褶皱的褶皱式过滤器作为过滤器，其中褶皱形成为沿圆筒的径向交替地排列有凸起部（峰部）和凹陷部（谷部）。过滤器的上侧和下侧封闭以防水。可旋转的安装结构也需要是防水的，但是安装结构不受特定限制并且可以使用公知的结构。壳体103覆盖整个过滤器101。壳体103包括外圆筒部131、盖部132和底部133。排出通道108与底部133连接。作为未处理水的海水通过未处理水通道106流入壳体103。清洁用水喷嘴102朝向过滤器101的过滤表面喷射作为清洁用水的未处理水。清洁用水喷嘴102从未处理水通道106延伸为使得清洁用水喷嘴102的喷嘴开口121位于壳体103的外圆筒部131的内部。因此，未处理水被朝向过滤器的外周表面喷射。

在本实施例中，从清洁用水喷嘴喷射的未处理水冲击褶皱式过滤器的褶皱的外周表面。未处理水的压力产生清洁过滤器的效果。电动机140的轴141与圆筒形过滤器101的中心轴连接，从而过滤器101由电动机140驱动旋转。随着过滤器101的旋转，过滤器的不同部分被相继清洁，由此使整个圆筒形外表面得到清洁。电动机的旋转速度可以是恒定的或者可以由操作员确定为任何合适的速度。优选的是，根据通过检测已过滤水的浊度、过滤器内部和外部的压力等而得到的过滤状态来控制旋转速度。

未经过过滤的未过滤水和留在壳体中的悬浮颗粒相继地通过壳体底部的排出通道而排出。因此，本装置的特征在于，在连续而恒定地排出悬浮颗粒和未经过过滤的未处理水的同时执行过滤。这对于将处理量增加到处理压载水所需的10至20t/hour的范围内并进一步增加到100t/hour或更高来说是有效的。应该注意到，尽管在图中未示出排出通道中的阀门等，但其中设置有用于维修或调整流量所必需的装置。已经过过滤器101过滤的已过滤水通过形成在中心管道104中的取水孔105被引导到已过滤水通道107中，并且流到壳体的外部。

图4是示出在本发明中优选使用的褶皱式过滤器的典型结构的示意图。该过滤器是通过下述步骤制成的：折叠平的带状基材从而通过交替形成凸起部和凹陷部而形成褶皱形状，并且将该带状基材的端部彼此连接起来以形成圆筒形状。在图4中，从过滤器101（圆筒形褶皱式过滤器）的外部供应待过滤的未处理水，而已经过过滤器101过滤的水从圆筒的内部排出。

多孔树脂片用作过滤器的基材。可以使用由例如聚酯、尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯（PTFE）和聚偏二氟乙烯（PVDF）等制成的诸如延伸多孔体、相分离多孔体或无纺布等多孔结构。由于以高流量执行压载水处理，因此尤其优选地使用由诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯等聚酯制成的无纺布。褶皱式过滤器的尺寸可以为例如如下尺寸：褶皱式过滤器的外径为700mm，过滤器的轴向长度为320mm，有效面积的高度为280mm，褶皱的深度为70mm，并且褶皱的数量为420。根据所需处理的水量，有效面积可以变化，并且可以并行地使用多个过滤器。

图5是示出清洁用水喷嘴102的开口121与褶皱式过滤器之间的位置关系的示意图。从喷嘴开口的端部到过滤器的凹陷部的距离d将被称为清洁喷嘴与过滤器的凹陷部之间的距离。

图6示意性地示出了根据本发明的用于船舶的压载水处理系统的另一总体结构。与图1中的部件相同的部件以相同的附图标记表示，并且将省略对这些部件的描述。图6与图1的差别在于，系统还包括循环通道，循环通道包括管道37、泵22和管道38，并且循环通道用于使尚未经过过滤装置12过滤的未处理水循环，以便使未处理水能够用作清洁用水。在这种情况下，独立地设置未处理水喷嘴和清洁用水喷嘴。

将参考图7描述这种结构。与图2中的部件相同的部件将以相同的附图标记表示，并且将省略对这些部件的描述。具体而言，上文中参考图6所描述的循环通道包括取水通道151、泵152和清洁用水通道153。从清洁用水通道153循环来的未处理水被供应至清洁用水喷嘴102。另外，来自外部的未处理水通过未处理水通道106和未处理水喷嘴112流入壳体。与图1不同，可相对于所供应的未处理水的流量而独立地控制清洁用水的流量（流速），从而增加了控制清洁效果的自由度。

实例

下面，将描述在各种条件下过滤海水的结果。在每个实验里，在预定的条件下执行12小时的连续操作，并且检查过滤器是否堵塞。过滤器是否堵塞是通过测量压力差（即过滤器内部的水压与过滤器外部的水压之差）来判定的。在压力差为50kPa或更大的情况下，判定堵塞“出现”。在实验中所使用的海水是从佐贺县的伊万里市提取的普通海水。海水的含盐量在2至4%的范围内，并且海水的浊度在1至1000NTU的范围内。

使用具有不同结构的三个装置来执行相同的实验。装置A是图2所示褶皱式过滤器，其包括能将海水中尺寸为30μm或更大的微生物去除掉99%或更多的由无纺布制成的褶皱式过滤器。褶皱式过滤器的外径为334mm，轴向长度为200mm，褶皱深度为70mm，并且褶皱数量为210。外圆筒部的外径为φ406mm。装置B是具有与装置A相同的结构并且由与装置A相同的材料制成的装置，但是装置B的尺寸大于装置A的尺寸。装置B使用了具有下述尺寸的三重式（three-ply）过滤器：褶皱式过滤器的外径为700mm，轴向长度为309mm（有效面积的高度为204mm），褶皱深度为70mm，并且褶皱数量为420。装置C是具有图7所示的结构的装置，包括彼此独立的未处理水喷嘴和清洁用水喷嘴。在装置C中使用与装置A所使用的过滤器相同的过滤器。喷嘴开口是具有沿褶皱的纵向延伸的长边和沿褶皱的布置方向延伸的短边的长形开口。喷嘴开口与过滤器的凹陷部表面之间的距离d（见图5）定义为喷嘴距离（mm）。

表I、表II和表III示出了使用这些装置进行实验的结果。清洁流速是从清洁喷嘴向壳体内部流动的作为清洁用水的未处理水的流速。清洁流速越高，清洁效果越好。当未处理水喷嘴也用作清洁喷嘴时，引入大量的未处理水。有效过滤面积（m²）是褶皱式过滤器的能有效地进行过滤的部分的面积。已过滤水的流量（m³/h（小时））是经过过滤器过滤并从已过滤水通道排出的水的流量。单位面积的已过滤水流量（m/h）是用已过滤水的流量除以过滤器的有效过滤面积的商。已过滤水的流量表示装置能够处理的压载水的流量。已过滤水的流量越高，单位时间能够处理的压载水的量越大。排出水的流量（m³/h）是没有经过过滤而通过排出通道排出到壳体的外部的水的流量。排出率（%）是以百分比表示的（排出水的流量）/（已过滤水的流量）。如果排出率为100%，则已过滤水的流量与未经过过滤而排出的水的流量相同。排出水的流量与已过滤水的流量的和是引入装置的未处理水的流量。因此，排出率越低，过滤器的效率越高（能够处理的压载水的流量越大）。然而，当排出率为低时，未被过滤而留在壳体中的未处理水的浊度为高，因此过滤器更容易发生堵塞。旋转速度（rpm）是过滤器的旋转速度，其影响了清洁效果。

表I示出了使用装置A进行实验的结果。从数据编号1至5中可以看出，当清洁流速为200m/min时，发生堵塞，而当清洁流速为250m/min或更大时，不发生堵塞。从数据编号5至9中可以看出，当旋转速度为10rpm或120rpm时，发生堵塞，而当转速在20至100rpm的范围内时，不发生堵塞。从数据编号9至11中可以看出，当喷嘴距离为150mm时，发生堵塞，并且喷嘴距离需要为120mm或更短。从数据编号12至14中可以看出，当单位面积的已过滤水流量为6m/h时，发生堵塞，而当单位面积的已过滤水流量为5.1m/h或更小时，不发生堵塞。从数据编号15和16中可以看出，当排出率为3.7%时，发生堵塞，而当排出率为7.4%时，不发生堵塞。

表II示出了使用装置B进行实验的结果。从数据编号21至23中可以看出，当单位面积的已过滤水流量为6m/h时，发生堵塞，而当单位面积的已过滤水流量为5.1m/h或更小时，不发生堵塞。从数据编号24和25中可以看出，当清洁流速为206m/min时，发生堵塞，而当清洁流速为250m/min或更大时，不发生堵塞。从数据编号26和27中可以看出，当排出率为3.9%时，发生堵塞，而当排出率为5.1%时，不发生堵塞。

表III示出了使用装置C进行实验的结果。从数据编号31至33中可以看出，当清洁流速为200m/min时，发生堵塞，而当清洁流速为250m/min或更大时，不发生堵塞。从数据编号34至35中可以看出，当单位面积的已过滤水流量为6m/h时，发生堵塞，而当单位面积的已过滤水流量为4.3m/h或更小时，不发生堵塞。从数据编号36至38中可以看出，当排出率为4.0%时，发生堵塞，而当排出率为5.0%或40%时，不发生堵塞。

[表I]

[表II]

[表III]

Claims (3)

1.一种用于船舶的压载水处理系统，所述系统包括旋转过滤装置，所述旋转过滤装置包括：过滤器，其围绕轴线圆筒状地形成，能够围绕所述轴线旋转，并且具有沿圆筒径向折叠的褶皱形状；清洁喷嘴，其朝向所述过滤器的外周部喷射未处理水；壳体，其包括设置为围绕所述过滤器的外圆筒部，所述清洁喷嘴的喷嘴开口设置在所述壳体的内部；已过滤水通道，已穿过所述过滤器的已过滤水通过所述已过滤水通道从所述过滤器的圆筒形空间内部流到所述壳体的外部；排出通道，未穿过所述过滤器的排出水通过所述排出通道排出到所述壳体的外部；以及电动机，其用于使所述过滤器旋转，

其中，所述清洁喷嘴与所述过滤器的凹陷部之间的距离为120mm或更短，并且

所述压载水处理系统构造为执行满足下列条件a至d的稳态操作：

a)所述过滤器在过滤操作期间的旋转速度在20至100rpm的范围内，

b)从清洁喷嘴喷射的清洁用水的流速为250m/min或更大，

c)所述过滤器的单位面积的已过滤水流量为5.1m/h或更小，以及

d)从所述排出通道排出的排出水的流量是已过滤水的流量的5％或更大，

所述过滤器具有5m²或更大的有效过滤面积，由无纺布制成并且能够将海水中尺寸为30μm或更大的微生物去除掉99％或更多。

2.根据权利要求1所述的用于船舶的压载水处理系统，其中，在未处理水是浊度在1至1000NTU范围内的海水的情况下，压载水处理系统能够持续12小时或更长时间的稳态操作。

3.一种用于船舶的压载水处理方法，所述方法使用旋转过滤装置，所述旋转过滤装置包括：过滤器,其围绕轴线圆筒状地形成，能够围绕所述轴线旋转，并且具有沿圆筒径向折叠的褶皱形状；清洁喷嘴，其朝向所述过滤器的外周部喷射未处理水；壳体，其包括设置为围绕所述过滤器的外圆筒部，所述清洁喷嘴的喷嘴开口设置在所述壳体的内部；已过滤水通道，已穿过所述过滤器的已过滤水通过所述已过滤水通道从所述过滤器的圆筒形空间内部流到所述壳体的外部；排出通道，未穿过所述过滤器的排出水通过所述排出通道排出到所述壳体的外部；以及电动机，其用于使所述过滤器旋转，

其中，所述清洁喷嘴与所述过滤器的凹陷部之间的距离为120mm或更短，并且

执行满足下列条件a至d的稳态操作：

a)所述过滤器在过滤操作期间的旋转速度在20至100rpm的范围内，

b)从清洁喷嘴喷射的清洁用水的流速为250m/min或更大，

c)所述过滤器的单位面积的已过滤水流量为5.1m/h或更小，以及

d)从所述排出通道排出的排出水的流量是已过滤水的流量的5％或更大，

所述过滤器具有5m²或更大的有效过滤面积，由无纺布制成并且能够将海水中尺寸为30μm或更大的微生物去除掉99％或更多。