CN103922510B - 防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置 - Google Patents

Abstract

一种防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置，属于高级氧化技术与海洋环境保护应用技术领域。该装置基于高浓度活性氧协同水力空化高级氧化技术模式，采用标准集装箱框架式结构，将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统、压舱水海洋外来生物杀灭系统集成一体，可简便放置在船舶甲板或拖船上，用以处理没有安装压舱水处理装置或虽然安装有船舶压舱水处理装置但排放标准仍达不到IMO排放标准要求的入境船舶压舱水的应急处理，进而为防控我国近岸海域免受海洋外来生物的侵袭提供一种新的高级氧化技术应急处理模式，依此填补我国沿海港口入境船舶压舱水应急处理技术与装置的空白。

Description

防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置

技术领域

本发明属于高级氧化技术与海洋环境保护应用技术领域，涉及一种防控海洋外来生物侵入的装置，尤其是一种防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置。

背景技术

近年来，由于远洋航运业、海产养殖业及海洋水族馆的快速发展，海洋外来生物种类日益增多，在丰富国民海洋蛋白、提升经济效益的同时，海洋外来物种的负面效应日益显现，甚至形成海洋外来生物入侵灾害。海洋外来有害生物入侵性传播造成的灾害，已被全球环境基金组织(GEF)认定为海洋面临的四大威胁之一。海洋外来有害生物和病原体在新的适宜生存环境中异常繁殖，会对近岸海域的生态系统带来灾难性的破坏，甚至导致本地土著物种的灭绝，严重威胁海洋生态系统的安全。

远洋船舶压舱水是造成地理性隔离水体间海洋外来有害生物入侵的最主要途径，港口海域是其引入、扩散和传播的最主要源头。随着我国经济的快速增长和国际贸易的不断发展，我国各大港口吞吐量不断上升，压舱水交换量不断增大，我国沿海区域外贸船舶压舱水入境总量已超过2.8亿吨/年，出境总量超过8.4亿吨/年，加剧了海洋入侵生物的传播，使近岸海域的水生生物种群严重失衡，威胁港口海域海洋生物多样性与海洋生态环境，造成巨大的经济损失。船舶压舱水海洋外来有害生物入侵造成的灾难性后果已经引起了全世界的极大关注，为了阻断船舶压舱水海洋外来有害生物的侵入途径，国际海事组织(IMO)于1997年通过了《关于控制和管理船舶压舱水，减少有害生物和病原体传播的指南》，2004年又通过了《国际船舶压舱水和沉积物管理与控制公约》，制定了严格的压舱水排放标准。

目前，国内外许多研究者致力于寻求有效防控船舶压舱水海洋外来生物侵入的新方法。“在航深海更换压舱水的方法”是IMO海上环境保护委员会建议采用的方法，IMO在国际外交大会上认定，在没有找到更有效的压舱水治理方法之前，采用此法作为压舱水治理方法。在航深海更换压舱水方法主要有两种：一种是排空法，需将船舶压舱水全部排空；另一种是直流法，需要更换相当于3倍压载舱容量的压舱水，但实际只能更换掉原有压舱水的95％。这两种方法在更换压舱水过程中均存在自由液面效应，会导致船舶的稳定性降低；产生剪切弯矩使船体强度降低，甚至造成船体结构损坏，引发安全问题；另外，还存在消耗能量过高，操作、运行时间过长(一艘30万吨油轮更换压舱水需36小时)等问题，其运行成本高，且无法完全达到IMO规定的压舱水排放标准。

加热法是一种利用船舶余热杀灭压舱水海洋外来生物的方法，存在的问题有：能源消耗大；升高单个压载舱的压舱水温度，会引起船体结构受热应力作用而引发金属膨胀，影响船体结构稳定，影响船舶航行安全，破坏船舱涂层；加热压舱水的温度很难达到63～66℃加热杀菌法所需温度，更不可能加热到100℃以上，30～40℃水温反而有利于霍乱弧菌等一些细菌的生长，无法致死一些喜温的浮游生物、细菌及芽孢等。

化学法对压舱水海洋外来生物具有很好的杀灭效果。氯是常用的消毒灭菌剂，但处理压舱水时用量大，加重了船舱涂层、泵、管道等设施的腐蚀，且在船上存放数十吨的液氯会引发泄漏、爆炸等安全事故，还容易生成致癌的有机氯化物。二氧化氯的杀菌能力略强于氯，但也存在气体爆炸、产生有毒副产物以及对船体、管道、泵腐蚀等问题。次氯酸钠是有效杀灭微生物的药剂，可由电解食盐或海水产生，需要大型沉淀调节池、接触反应池及附加装置，且压舱水需在池内停留1小时以上，无法实现在船上进行压舱水处理，同时也存在危害海洋生态安全的问题。浓度达到1％的过氧化氢可以有效杀灭浮游藻类等微小生物，剩余的过氧化氢将分解成对环境无害的水和氧气。然而，一艘装有5万吨压舱水的货船需要1000吨的过氧化氢，存在使用费用昂贵和过氧化氢存放安全等问题。浓度为4mg/L的臭氧能杀灭单细胞生物和一些抵抗力强的无脊椎动物，浓度为10mg/L的臭氧可以灭活胞囊，臭氧剂量为5～10mg/L、残余剂量为5mg/L、接触时间6小时可以灭活腰鞭毛虫。但臭氧法存在反应速率低，杀灭微小生物时间长，设备庞大，费用高等问题。

高级氧化技术是指产生羟自由基(οOH)及其一系列链反应过程，其核心是羟自由基的制备。羟自由基的氧化能力极强，反应速率常数高达10⁹M^-1s^-1，反应速度极快，可在数秒内完成整个生化反应过程。羟自由基具有广谱致死特性，能氧化分解几乎所有的生物大分子、有机物和无机物，最终降解为CO₂、H₂O和微量无机盐，剩余的羟自由基会分解成对环境无害的H₂O和O₂。近年来，基于高级氧化技术的压舱水处理技术发展迅速，已开发出“电子激发制备羟基自由基处理压舱水藻类微生物的装置(专利号：200710065424.6)”、“在船上输送压载水过程中杀灭生物的方法及设备(专利号：03133447.4)”、“船舶压载水的处理方法和设备(申请号：200610151134.9)”、“在输运管道中氧活性粒子注入处理船舶压载水方法(专利号：201010602305.1)”等多种压舱水处理技术和方法，促进了防控压舱水海洋外来生物侵入技术的发展。然而，这些方法和装置多是以部件的形式分散安装在船舶系统内，仅能用于该船本身压舱水的处理。对于没有安装压舱水处理装置或虽然安装了压舱水处理装置但处理效果仍未达到IMO压舱水排放标准的入境船舶，如果在港口排放压舱水，目前还没有适宜的专门的压舱水处理技术和方法加以应对，给压舱水外来海洋生物的侵入留下安全隐患。

针对现有压舱水处理装置存在的问题，基于高浓度活性氧协同水力空化高级氧化技术模式，采用标准集装箱框架式结构，将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统、压舱水海洋外来生物杀灭系统集成一体，构成可简便移动的防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置，依此填补我国沿海港口入境船舶压舱水应急处理技术与装置的空白，为预防重大海洋生物入侵灾害的发生提供管理手段和技术支撑，保障我国海洋经济、海洋环境和海洋生态事业健康、可持续发展。

发明内容

本发明克服了现有远洋船舶压舱水处理方法的不足，提供一种防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置。本发明基于高浓度活性氧协同水力空化高级氧化技术模式，采用标准集装箱框架式结构，将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统、压舱水海洋外来生物杀灭系统集成一体，构成可简便移动的防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置，依此填补我国沿海港口入境船舶压舱水应急处理技术与装置的空白。

本发明的技术方案是：

一种防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置，该装置包括分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统、压舱水海洋外来生物杀灭系统三部分。分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统产生的活性氧分两路输出，其出口均采用聚四氟乙烯软管连接至水力空化气液混溶与羟自由基制备系统中的水力空化气液混溶器的活性氧气体入口，水力空化气液混溶与羟自由基制备系统的出水口采用PVC管路连接至压舱水海洋外来生物杀灭系统中的活性氧溶液入口，水力空化气液混溶与羟自由基制备系统的入水口采用PVC管路连接至压舱水海洋外来生物杀灭系统中的过滤器出水口。防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置的压舱水处理能力设定在30～100吨/小时。

分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统包括：大气压平板等离子体反应器、分区激励电源控制器、小型高频高压变压器、氧气瓶、气体电磁阀、气体压力表、气体流量计、手动气阀、分流管路、活性氧检测仪和冷却液循环机。氧气瓶出口经氧气减压阀减压后通过聚四氟乙烯软管连接到气体电磁阀的入气口；气体电磁阀的出气口经不锈钢或铜质三通分流后通过聚四氟乙烯软管分别接到气体压力表和气体流量计的入口；气体流量计的出口通过聚四氟乙烯软管连接到分流管路的气体入口，分流管路设置气体出口5～10个，具体数量与构成大气压平板等离子体反应器阵列的模块组数相同，分流管路的气体出口通过聚四氟乙烯软管分别接到大气压平板等离子体反应器阵列各模块组的原料气体入口；各模块组的气态产物出口通过聚四氟乙烯软管经汇流管路分成两路连接到气体电磁阀的入气口；气体电磁阀的出气口通过聚四氟乙烯软管分别连接到水力空化气液混溶器的两个活性氧气体入口；大气压平板等离子体反应器阵列采用分区激励控制模式，即大气压平板等离子体反应器阵列中的每个大气压平板等离子体反应器配置一个小型高频高压变压器，小型高频高压变压器的高压输出端通过不低于30kV的高压电缆连接到大气压平板等离子体反应器的高压端子上；所有小型高频高压变压器的低压输入端通过不低于1.5m²的塑胶电线连接到分区激励电源控制器的汇流母排上。其中，大气压平板等离子体反应器阵列由大气压平板等离子体反应器通过串联和并联的方式构成，1～2个大气压平板等离子体反应器的气路和水路串联组成一个模块组，即第一个大气压平板等离子体反应器的气态产物出口通过聚四氟乙烯软管连接到第二个大气压平板等离子体反应器的原料气体入口，第二个大气压平板等离子体反应器的冷却液出口通过聚乙烯软管连接到第一个大气压平板等离子体反应器的冷却液入口，5～10组大气压平板等离子体反应器组再通过并联的方式构成大气压平板等离子体反应器阵列，各个模块组中第一个大气压平板等离子体反应器的原料气体入口经手动气阀使用聚四氟乙烯管路连接到分流管路的气体出口，手动气阀用于调节通入各模块组的气体流量，各个模块组中第二个大气压平板等离子体反应器的气态产物出口通过聚四氟乙烯软管经汇流管路汇集成两路经由气体电磁阀连接到水力空化气液混溶器的两个活性氧气体入口。其中，大气压平板等离子体反应器采用双电离腔结构，高压电极采用银浆镀涂在两平行板电介质层之间，高压电极可以为网状或条状，但相邻电极网格或条带间距保持在0.3～0.5mm之间，电极网格或条带线宽控制在0.45～0.55mm，电极厚度0.1～0.15mm，镀层边缘距电介质层边缘留有6～8mm的绝缘距离，电介质材料为纯度96％～99％的α-Al₂O₃，电介质层厚度0.5～0.64mm，相对介电常数9～10，放电间距控制在0.25～0.64mm，工作模式采用微流注与微辉光交替促成放电模式，激励电压控制在5～10kV，激励频率控制在5～10kHz，工作气压控制在90～110kPa。

水力空化气液混溶与羟自由基制备系统包括：水力空化气液混溶器、加压泵、引发剂注入器、手动阀门、液体压力表、液体流量计。由压舱水海洋外来生物杀灭系统引入的部分过滤后的压舱水通过PVC管路接入液体流量计的入口，液体流量计的出口通过PVC管路接到加压泵的入水口，加压泵的出水口通过PVC管路接到水力空化气液混溶器的入水口，液体压力表接到水力空化气液混溶器入水口前的PVC管路上，用以监测水力空化气液混溶器的入水口压力，水力空化气液混溶器的出水口通过PVC管路接到压舱水海洋外来生物杀灭系统中的液液混溶器的活性氧溶液入口。其中，引入到水力空化气液混溶与羟自由基制备系统的压舱水流量与压舱水海洋外来生物杀灭系统进水总流量的比值为1:5；其中，水力空化气液混溶器用于将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统产生的高浓度活性氧高传质效率地注入到水中，并依靠水力空化效应产生的瞬态高温高压促进活性氧转化羟自由基反应的高效进行。在水力空化气液混溶器中，由于局部负压产生的数量庞大的空化气泡不断重复着膨胀、压缩、再膨胀和再压缩，直至溃灭的过程。空化气泡溃灭时将产生频率和幅值极高的冲击波，诱发空化气泡局部形成高压和高温，冲击波的压强可达1.01×10⁶～1.01×10⁷kPa，持续时间2～3μs，最高局部温度可达10⁴K，进而对水溶液的物理和化学特性产生重要影响，促进了高级氧化反应过程产生羟自由基的效果。水力空化气液混溶与羟自由基制备系统工作时，要求水力空化气液混溶器的入口压强控制在2～3.5kg/cm²，出口压强不高于入口压强的50％。

压舱水海洋外来生物杀灭系统包括：手动阀门、液体压力表、液体流量计、液液混溶器、微絮凝器、絮凝控制器、压载泵、过滤器、杀灭海洋外来生物反应器、残余氧化剂中和器、残余氧化物检测仪。由远洋船舶引入的压舱水通过钢丝增强型PVC软管输入到微絮凝器的进水口，在微絮凝器中，絮凝剂的投加量依据压舱水水质状况由絮凝控制器调节，絮凝剂最大投加量不超过10g/m³，微絮凝器的出水口通过PVC管路经由手动阀门连接到压载泵的入水口，压载泵的出水口通过PVC管路连接到过滤器的入水口，过滤器出水口分成两路，一路通过PVC管路经手动阀门连接到水力空化气液混溶与羟自由基制备系统中的液体流量计入口，另一路则通过PVC管路经由手动阀门和液体流量计连接到液液混溶器的入水口，液液混溶器入水口压力由接于PVC管路上的液体压力表检测，液液混溶器的出水口通过PVC管路连接到杀灭海洋外来生物反应器的入水口，杀灭海洋外来生物反应器的出水口通过PVC管路连接到残余氧化剂中和器的入水口，投加的中和剂剂量由残余氧化物检测仪检测和控制，残余氧化剂中和器的出水口连接钢丝增强型PVC软管，用于排放处理后达到IMO排放标准的压舱水。其中，液液混溶器用于将水力空化气液混溶与羟自由基制备系统产生的活性氧溶液与输入的压舱水依靠水力空化效应高效混溶，混溶流量不低于进水总流量的20％，输入的活性氧溶液浓度保持在8～10g/m³，并在其后的杀灭海洋外来生物反应器中依靠羟自由基等的强氧化特性完成对海洋外来生物的杀灭；其中，杀灭海洋外来生物反应器输出的压舱水中如果含有残余氧化剂，残余氧化剂的浓度由残余氧化物检测仪检测并控制残余氧化剂中和器投加中和剂，确保在排放的压舱水中残余氧化剂浓度为零。

本发明的效果和益处是通过将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统、压舱水海洋外来生物杀灭系统集成一体，构建完成了具有标准集装箱框架式结构的防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置。该装置可简便放置在船舶甲板或拖船上，用以处理没有安装压舱水处理装置或虽然安装有船舶压舱水处理装置但排放标准仍达不到IMO排放标准要求的入境船舶压舱水的应急处理，进而为防控我国近岸海域免受海洋外来生物的侵袭提供一种新的高级氧化技术应急处理模式，依此填补我国沿海港口入境船舶压舱水应急处理技术与装置的空白。

附图说明

图1是防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置结构示意图。

图2是防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置工艺流程图。

图中：A分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统；B水力空化气液混溶与羟自由基制备系统；C压舱水海洋外来生物杀灭系统；D大气压平板等离子体反应器阵列；

1大气压平板等离子体反应器；2分区激励电源控制器；3小型高频高压变压器；4氧气瓶；5-1第一气体电磁阀；5-2第二气体电磁阀；6气体压力表；7气体流量计；8第一手动气阀；9分流管路；10活性氧检测仪；11冷却液循环机；12水力空化气液混溶器；13加压泵；14引发剂注入器；15第二手动阀门；16-1第一液体压力表；16-2第二液体压力表；17-1第一液体流量计17-2第二液体流量计；18液液混溶器；19微絮凝器；20絮凝控制器；21压载泵；22过滤器；23杀灭海洋外来生物反应器；24残余氧化剂中和器；25残余氧化物检测仪；26活性氧制备阶段；27气液混溶阶段；28微絮凝阶段；29加压输送阶段；30过滤阶段；31液液混溶阶段；32杀灭海洋外来生物阶段；33中和残余氧化剂阶段。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明所述的一种防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置，其组成原理如附图1所示，该装置包括分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B、压舱水海洋外来生物杀灭系统C三部分。分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A用于产生浓度不低于120g/m³、产量不低于200g/h的高浓度活性氧，产生的活性氧分两路输出，其出口均采用聚四氟乙烯软管连接至水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B中的水力空化气液混溶器12的活性氧气体入口；水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B用于将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A产生的高浓度活性氧依靠水力空化效应高传质效率地注入到水中形成富含羟自由基等活性粒子的活性氧溶液，其出水口采用PVC管路连接至压舱水海洋外来生物杀灭系统C中液液混溶器18的活性氧溶液入口，输入的活性氧溶液浓度保持在8～10g/m³，流量不低于压舱水海洋外来生物杀灭系统C进水总流量的20％；水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B的入水口采用PVC管路连接至压舱水海洋外来生物杀灭系统C中过滤器22的出水口；待处理的压舱水由压舱水海洋外来生物杀灭系统C的进水口引入，经处理达到IMO排放标准后由出水口排放入海。防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置的压舱水处理能力设定在30～100吨/小时。

分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A包括：大气压平板等离子体反应器1、分区激励电源控制器2、小型高频高压变压器3、氧气瓶4、气体电磁阀、气体压力表6、气体流量计7、手动气阀8、分流管路9、活性氧检测仪10和冷却液循环机11。为缩小装置体积，简化操作，提高应急效率，分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A的气源采用瓶装氧气，氧气瓶4的出口经氧气减压阀减压后通过聚四氟乙烯软管连接到第一气体电磁阀5-1的入气口；第一气体电磁阀5-1的出气口经不锈钢或铜质三通分流后通过聚四氟乙烯软管分别接到气体压力表6和气体流量计7的入口；气体流量计7的出口通过聚四氟乙烯软管连接到分流管路9的气体入口，分流管路9设置气体出口5～10个，具体数量与构成大气压平板等离子体反应器阵列D的模块组数相同，分流管路9的气体出口通过聚四氟乙烯软管分别接到大气压平板等离子体反应器阵列D各模块组的原料气体入口；各模块组的气态产物出口通过聚四氟乙烯软管经汇流管路分成两路连接到第二气体电磁阀5-2的入气口；第二气体电磁阀5-2的出气口通过聚四氟乙烯软管分别连接到水力空化气液混溶器12的两个活性氧气体入口；大气压平板等离子体反应器阵列D采用分区激励控制模式，即大气压平板等离子体反应器阵列D中的每个大气压平板等离子体反应器1配置一个小型高频高压变压器3，小型高频高压变压器3的高压输出端通过30kV的高压电缆连接到大气压平板等离子体反应器1的高压端子上；所有小型高频高压变压器3的低压输入端通过不低于1.5m²的塑胶电线连接到分区激励电源控制器2的汇流母排上。其中，大气压平板等离子体反应器阵列D由大气压平板等离子体反应器1通过串联和并联的方式构成，1～2个大气压平板等离子体反应器的气路和水路串联组成一个模块组，即第一个大气压平板等离子体反应器的气态产物出口通过聚四氟乙烯软管连接到第二个大气压平板等离子体反应器的原料气体入口，第二个大气压平板等离子体反应器的冷却液出口通过聚乙烯软管连接到第一个大气压平板等离子体反应器的冷却液入口，5～10组大气压平板等离子体反应器模块组再通过并联的方式构成大气压平板等离子体反应器阵列D，各个模块组中第一个大气压平板等离子体反应器1的原料气体入口经手动气阀使用聚四氟乙烯管路连接到分流管路9的气体出口，手动气阀8用于调节通入各模块组的气体流量，各个模块组中第二个大气压平板等离子体反应器1的气态产物出口通过聚四氟乙烯软管经汇流管路汇集成两路经由气体电磁阀5连接到水力空化气液混溶器12的两个活性氧气体入口；其中，大气压平板等离子体反应器1采用双电离腔结构，高压电极采用银浆镀涂在两平行板电介质层之间，高压电极可以为网状或条状，但相邻电极网格或条带间距保持在0.3～0.5mm之间，电极网格或条带线宽控制在0.45～0.55mm，电极厚度0.1～0.15mm，镀层边缘距电介质层边缘留有6～8mm的绝缘距离，电介质材料为纯度96％～99％的α-Al₂O₃，电介质层厚度0.5～0.64mm，相对介电常数9～10，放电间距控制在0.25～0.64mm，工作模式采用微流注与微辉光交替促成放电模式，激励电压控制在5～10kV，激励频率控制在5～10kHz，工作气压控制在90～110kPa。分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A产生的活性氧浓度不低于120g/m³、产量不低于200g/h。

水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B包括：水力空化气液混溶器12、加压泵13、引发剂注入器14、手动阀门、液体压力表、液体流量计。由压舱水海洋外来生物杀灭系统C引入的部分过滤后的压舱水通过PVC管路接入第一液体流量计17-1的入口，第一液体流量计17-1的出口通过PVC管路接到加压泵13的入水口，加压泵13的出水口通过PVC管路接到水力空化气液混溶器12的入水口，第一液体压力表16-1接到水力空化气液混溶器12入水口前的PVC管路上，用以监测水力空化气液混溶器12的入水口压力，水力空化气液混溶器12的出水口通过PVC管路接到压舱水海洋外来生物杀灭系统C中的液液混溶器18的活性氧溶液入口。其中，引入到水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B的压舱水流量与压舱水海洋外来生物杀灭系统C进水总流量的比值为1:5；其中，水力空化气液混溶器12用于将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A产生的高浓度活性氧高传质效率地注入到水中，并依靠水力空化效应产生的瞬态高温高压促进活性氧转化羟自由基反应的高效进行，注入的活性氧浓度不低于100g/m³，注入剂量依据水质状况在0.6～2g/m³之间调节；在水力空化气液混溶器12中，由于局部负压产生的数量庞大的空化气泡不断重复着膨胀、压缩、再膨胀和再压缩，直至溃灭的过程。空化气泡溃灭时将产生频率和幅值极高的冲击波，诱发空化气泡局部形成高压和高温，冲击波的压强可达1.01×10⁶～1.01×10⁷kPa，持续时间2～3μs，最高局部温度可达10⁴K，进而对水溶液的物理和化学特性产生重要影响，促进了高级氧化过程产生羟自由基的效果；水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B工作时，要求水力空化气液混溶器12的入口压强控制在2～3.5kg/cm²，出口压强不高于入口压强的50％；高PH值有利于羟自由基的产生，当压舱水的PH值小于7时，可启动引发剂注入器14，向水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B的入水口注入H₂O₂或能够产生OH—的促进剂，增强产生羟自由基的高级氧化反应过程。

压舱水海洋外来生物杀灭系统C包括：手动阀门、液体压力表、液体流量计、液液混溶器18、微絮凝器19、絮凝控制器20、压载泵21、过滤器22、杀灭海洋外来生物反应器23、残余氧化剂中和器24、残余氧化物检测仪25。由远洋船舶引入的压舱水通过钢丝增强型PVC软管输入到微絮凝器19的进水口，在微絮凝器19中，絮凝剂的投加量依据压舱水水质状况由絮凝控制器20调节，絮凝剂最大投加量不超过10g/m³，微絮凝器的出水口通过PVC管路经由第二手动阀门15-2连接到压载泵21的入水口，压载泵21的出水口通过PVC管路连接到过滤器22的入水口，过滤器22出水口分成两路，一路通过PVC管路经第二手动阀门15-2连接到水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B中的第二液体流量计17-2入口，另一路则通过PVC管路经由第三手动阀门15-3和第三液体流量计17-3连接到液液混溶器18的入水口，液液混溶器18入水口压力由接于PVC管路上的液体压力表16检测，液液混溶器18的出水口通过PVC管路连接到杀灭海洋外来生物反应器23的入水口，杀灭海洋外来生物反应器23的出水口通过PVC管路连接到残余氧化剂中和器24的入水口，投加的中和剂剂量由残余氧化物检测仪25检测和控制，残余氧化剂中和器24的出水口连接钢丝增强型PVC软管，用于排放处理后达到IMO排放标准的压舱水。其中，液液混溶器18用于将水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B产生的活性氧溶液与输入的压舱水依靠水力空化效应高效混溶，混溶流量不低于进水总流量的20％，输入的活性氧溶液浓度保持在8～10g/m³，并在其后的杀灭海洋外来生物反应器23中依靠羟自由基等的强氧化特性完成对海洋外来生物的杀灭；其中，杀灭海洋外来生物反应器23输出的压舱水中如果含有残余氧化剂，残余氧化剂的浓度由残余氧化物检测仪25检测并控制残余氧化剂中和器24投加中和剂，确保在排放的压舱水中残余氧化剂浓度为零。

本发明所述的防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置工艺流程如图2所示，包括活性氧制备阶段26、气液混溶阶段27、微絮凝阶段28、加压输送阶段29、过滤阶段30、液液混溶阶段31、杀灭海洋外来生物阶段32、中和残余氧化剂阶段33。针对拟排放压舱水不符合IMO排放标准要求的船舶，将防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置放置于该船甲板或装载在拖船上，使用钢丝增强型PVC软管连接船舶压舱水排放口和防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置进水口，启动装置，被引入的未经处理的压舱水首先进行微絮凝处理，将压舱水中的微藻和微小颗粒污染物凝并增大，再由压载泵21加压输送到过滤器22过滤，过滤后的压舱水一部分用于制备活性氧溶液，另一部分输入到液液混溶器18并在液液混溶器18中与活性氧溶液高效混溶，之后在杀灭海洋外来生物反应器23中杀灭海洋外来生物，之后再在残余氧化剂中和器24中将压舱水中的残余氧化剂中和，达到IMO排放标准的处理后的压舱水排放入海。

本发明所述的防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置包括分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B、压舱水海洋外来生物杀灭系统C的所有组件。其中，大气压平板等离子体反应器1、分区激励电源控制器2、小型高频高压变压器3、气体电磁阀5、气体压力表6、气体流量计7、手动气阀8、分流管路9、活性氧检测仪10安装在分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A的箱体内；分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统A的箱体、氧气瓶4和冷却液循环机直接安装在防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置的底台上。其中，水力空化气液混溶与羟自由基制备系统B的组件加压泵13固定在防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置的底台上；水力空化气液混溶器12、引发剂注入器14、手动阀门15、液体压力表16和液体流量计17安装在输送管路中。其中，压舱水海洋外来生物杀灭系统C的组件液液混溶器18、微絮凝器19、压载泵21、过滤器22、杀灭海洋外来生物反应器23直接安装在底台上；絮凝控制器20安装在微絮凝器19上；残余氧化剂中和器24、残余氧化物检测仪25安装在杀灭海洋外来生物反应器23中。其中，防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置的底台采用标准集装箱框架式结构，方便吊装、移动和组合使用，工作时放置于船舶甲板或拖船上，需要时可在第一时间到达现场展开压舱水应急处理工作。

本发明基于高浓度活性氧协同水力空化高级氧化技术模式，通过将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统、压舱水海洋外来生物杀灭系统集成一体，构建完成了具有标准集装箱框架式结构的防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置，该装置可简便放置在船舶甲板或拖船上，用以处理没有安装压舱水处理装置或虽然安装有船舶压舱水处理装置但排放标准仍达不到IMO排放标准要求的入境船舶压舱水的应急处理，进而为防控我国近岸海域免受海洋外来生物的侵袭提供一种新的高级氧化技术应急处理模式，依此填补我国沿海港口入境船舶压舱水应急处理技术与装置的空白，为我国预防重大海洋生物入侵灾害的发生提供管理手段和技术支撑，保障我国海洋经济、海洋环境和海洋生态事业健康、可持续发展。

Claims (5)

1.一种防控入境船舶压舱水海洋外来生物侵入的应急处理装置，其特征在于，该装置采用标准集装箱框架式结构，将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统(A)、水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)和压舱水海洋外来生物杀灭系统(C)集成一体；其中，分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统(A)用于产生浓度不低于120g/m³、产量不低于200g/h的高浓度活性氧，产生的活性氧分两路输出到水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)中的水力空化气液混溶器(12)的活性氧气体入口；水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)用于将分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统(A)产生的高浓度活性氧依靠水力空化效应高传质效率地注入到水中形成富含羟自由基的活性氧溶液输送至压舱水海洋外来生物杀灭系统(C)中液液混溶器(18)的活性氧溶液入口，输入的活性氧溶液浓度保持在8～10g/m³，流量不低于压舱水海洋外来生物杀灭系统(C)进水总流量的20％；水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)的入水口采用PVC管路连接至压舱水海洋外来生物杀灭系统(C)中过滤器(22)的出水口；

其中，分区激励式规模化高浓度活性氧制备系统(A)包括大气压平板等离子体反应器(1)、分区激励电源控制器(2)、小型高频高压变压器(3)、氧气瓶(4)、气体电磁阀、气体压力表(6)、气体流量计(7)、手动气阀(8)、分流管路(9)、活性氧检测仪(10)和冷却液循环机(11)；氧气瓶(4)的出口经氧气减压阀减压后依次连接第一气体电磁阀(5-1)、气体压力表(6)和气体流量计(7)；气体流量计(7)的出口连接分流管路(9)的气体入口，分流管路(9)设置气体出口5～10个，数量与构成大气压平板等离子体反应器阵列(D)的模块组数相同，分流管路(9)的气体出口分别接到大气压平板等离子体反应器阵列(D)各模块组的原料气体入口；各模块组的气态产物出口经汇流管路分成两路再经第二气体电磁阀(5-2)连接到水力空化气液混溶器(12)的两个活性氧气体入口；

其中，水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)包括水力空化气液混溶器(12)、加压泵(13)、引发剂注入器(14)、第一手动阀门(15-1)、第一液体压力表(16-1)、第一液体流量计(17-1)；由压舱水海洋外来生物杀灭系统(C)引入的部分过滤后的压舱水经第一液体流量计(17-1)输送到加压泵(13)，加压泵(13)的出水口连接到水力空化气液混溶器(12)的入水口，水力空化气液混溶器(12)的出水口接到压舱水海洋外来生物杀灭系统(C)中的液液混溶器(18)的活性氧溶液入口；其中，引入到水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)的压舱水流量与压舱水海洋外来生物杀灭系统(C)进水总流量的比值为1:5；其中，注入到水力空化气液混溶器(12)的活性氧浓度不低于100g/m³，注入剂量依据水质状况在0.6～2g/m³之间调节；

其中，压舱水海洋外来生物杀灭系统(C)包括手动阀门、液体压力表(16)、液体流量计(17)、液液混溶器(18)、微絮凝器(19)、絮凝控制器(20)、压载泵(21)、过滤器(22)、杀灭海洋外来生物反应器(23)、残余氧化剂中和器(24)、残余氧化物检测仪(25)；由远洋船舶引入的压舱水输入到微絮凝器(19)，依据压舱水水质状况由絮凝控制器(20)调节絮凝剂投加量，最大不超过10g/m³，微絮凝器(19)出水口经由手动阀门(15)依次连接压载泵(21)和过滤器(22)，过滤器(22)出水口分成两路，一路经第二手动阀门(15-2)连接到水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)中的第二液体流量计(17-2)入口，另一路则经由第三手动阀门(15-3)和第三液体流量计(17-3)连接到液液混溶器(18)的入水口，液液混溶器(18)的出水口依次连接杀灭海洋外来生物反应器(23)和残余氧化剂中和器(24)；其中，液液混溶器(18)的活性氧溶液混溶流量不低于进水总流量的20％，输入的活性氧溶液浓度保持在8～10g/m³；其中，投加中和剂剂量由残余氧化物检测仪(25)检测和控制，处理后达到IMO排放标准的压舱水由残余氧化剂中和器(24)出口排放入海。

2.根据权利要求1所述的应急处理装置，其特征在于，该装置采用分区激励式大气压平板等离子体反应器阵列(D)产生高浓度活性氧；其中，大气压平板等离子体反应器阵列(D)由大气压平板等离子体反应器通过串联和并联的方式构成，1～2个大气压平板等离子体反应器的气路和水路串联组成一个模块组，5～10组大气压平板等离子体反应器模块组再通过并联的方式构成大气压平板等离子体反应器阵列(D)；

其中，大气压平板等离子体反应器(1)采用双电离腔结构，高压电极采用银浆镀涂在两平行板电介质层之间，高压电极为网状或条状，但相邻电极网格或条带间距保持在0.3～0.5mm之间，电极网格或条带线宽控制在0.45～0.55mm，电极厚度0.1～0.15mm，镀层边缘距电介质层边缘留有6～8mm的绝缘距离，电介质材料为纯度96％～99％的α-Al₂O₃，电介质层厚度0.5～0.64mm，相对介电常数9～10，放电间距控制在0.25～0.64mm，工作模式采用微流注与微辉光交替促成放电模式，激励电压控制在5～10kV，激励频率控制在5～10kHz，工作气压控制在90～110kPa；其中，大气压平板等离子体反应器阵列(D)采用分区激励控制模式，即大气压平板等离子体反应器阵列(D)中的每个大气压平板等离子体反应器(1)配置一个小型高频高压变压器(3)，小型高频高压变压器(3)的高压输出端通过高压电缆连接到大气压平板等离子体反应器(1)的高压端子上，所有小型高频高压变压器(3)的低压输入端连接到分区激励电源控制器(2)的汇流母排上。

3.根据权利要求1或2所述的应急处理装置，其特征在于，水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)工作时，水力空化气液混溶器(12)的入口压强控制在2～3.5kg/cm²，出口压强不高于入口压强的50％。

4.根据权利要求1或2所述的应急处理装置，其特征在于，当压舱水的pH值小于7时，启动引发剂注入器(14)，向水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)的入水口注入H₂O₂或能够产生OH^—的促进剂，增强产生羟自由基的高级氧化反应过程。

5.根据权利要求3所述的应急处理装置，其特征在于，当压舱水的pH值小于7时，启动引发剂注入器(14)，向水力空化气液混溶与羟自由基制备系统(B)的入水口注入H₂O₂或能够产生OH^—的促进剂，增强产生羟自由基的高级氧化反应过程。