CN104673665B - 船舶压载水的菌落数警报装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶压载水的菌落数警报装置，涉及远洋船舶运输和海洋石油工程技术领域。该报警装置包括底座、试样储存罐等、压力检测单元、浊度检测单元、荧光自发光检测单元和综合报警单元，压力检测单元、浊度检测单元和荧光自发光检测单元为检测单元，分别利用需氧菌类氧的能量检测、压载水浊度检测和生物自发光检测对压载水中菌落数浓度进行检测，综合报警单元对三个检测单元的信号采集处理，以三选二的方式输出声光方式输出进行报警，整个设备的赘余度高，可靠性强，具有体积紧凑、检测方便、经济实用的特点。
Description
技术领域
本发明涉及远洋船舶运输和海洋石油工程技术领域。
背景技术
为了维持船舶在海洋和湖泊中的稳性和适航性，在船舶上设有压载水舱，压载水舱必须装载一定量的压载水。每年地球上有超过10亿吨的海洋压载水在全球枢纽港口之间进行转载。在压载水中混入有其港湾中存活的水生生物(含有微生物或细菌)，这些水生生物会随着船舶的运输被运到异国。由此，会导致原来在该海域不存在的物种侵入原有生态系统从而对既存的土著生物物种构成竞争威胁等的生态破坏状况。
在2004年国际海事组织所通过的《船舶压载水和沉积物控制和管理国际公约》中，旨在达成国际上的一致，“通过控制和管理船舶压载水和沉积物来防止、减少和最终消除有害水生物和病原体的传播”。为了防止微生物借助压载水移动和扩散而破坏生态系统及危害健康，要求船舶搭载用于杀灭压载水中的浮游生物及微生物等的处理装置。船舶在目的港压载水必须处理达标，并规定指示剂微生物浓度应小于下列值的压载水才可以排放：产生有毒物质的霍乱弧菌（血清型O1和O139）小于1cfu/100ml或1克湿重浮游生物样品中少于1cfu（Colony-FormingUnits，菌落形成单位：指单位体积中的活菌个数）；大肠埃希氏杆菌少于250cfu/100ml；肠道球菌少于100cfu/100ml。国际海事组织颁发的《船舶压载水和沉淀物控制和管理国际公约》中规定，2016年是船舶压载水的生化法处理的最后期限。
经检索，涉及船舶压载水处理装置的专利比较多，均是介绍基于物理或化学方法所开发的水处理结构，在海水处理过程中，并未对海水中的菌落数进行检测，因此需要再原有处理装置的基础上，增加船舶压载水的菌落数警报装置，对于维护海洋生态系统平衡，极为必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种船舶压载水的菌落数警报装置，该装置利用生物自发光检测、压载水浊度检测和需氧菌类利用氧的能量检测法，对压载水的菌落数同时检测，整个设备赘余度高，可靠性强。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种船舶压载水的菌落数警报装置，其特征在于包括底座，所述底座上设有采集压载水的试样储存罐，在试样储存罐周围设有压力检测单元、浊度检测单元和荧光自发光检测单元，三个单元之间相互独立，并且均与试样储存罐通过动力泵进行压载水的交互；还包括综合报警单元，所述的综合报警单元包括两个采集器，所述的压力检测单元输出信号S1，所述的浊度检测单元输出信号S2，所述的荧光自发光检测单元输出信号S3，三个信号同时进入两个采集器，获得其中两个信号，形成三选二电路，并与警报电路相连。
对上述结构作进一步限定，所述的压力检测单元包括两个膜片式压力检测器和两个桥臂电阻，膜片式压力检测器与桥臂电阻穿连形成两组并联支路，这两组并联支路通过总电源供电，每组并联支路电路均与电流计一串联，形成桥式电路，其中每个膜片式压力检测器两端均与试样储存罐连通，其中一个膜片式压力检测器通入氧气，另一个膜片式压力检测器通入氮气，电流计一的波动作为信号S1。
对上述结构作进一步限定，所述的浊度检测单元包括透明壳体的压载水取样水箱和饮用水水箱，所述的压载水取样水箱与试样储存罐相互连通形成水循环回路，其中压载水取样水箱的进水管端串联有双联式精滤器，所述的饮用水水箱与船舶的清水压力罐连通，在压载水取样水箱和饮用水水箱的一侧设有浊度照明灯，在另一侧分别设有两个光敏电阻，浊度照明灯的光线分别经过两个水箱照射至两个光敏电阻上，两个光敏电阻与电流计二串联形成闭合电路，并检测两个光敏电阻两端的电压值，电流计二的波动作为信号S2。
对上述结构作进一步限定，所述的荧光自发光检测单元包括自发光生化反应器，自发光生化反应器与试样储存罐连通形成水循环回路，并且自发光生化反应器与外部的荧光素酶试剂罐连通，在自发光生化反应器的一侧设有光电倍增管，光电倍增管与电流计三串联形成闭合电路，该闭合电路与自发光生化反应器处于荧光暗室柜内，电流计三的波动作为信号S3。
对上述结构作进一步限定，所述的自发光生化反应器包括圆柱形壳体以及壳体内部的旋转体，旋转体与壳体同轴设置，并且旋转体可绕壳体轴线旋转，其中旋转体内部为圆柱形空心结构，其侧面上分布有过滤小孔，其两个端面与壳体之间旋转密封连接，在旋转体的一端面设有压载水进口，旋转体的另一端面为动力输入端；所述的旋转体内部空心称为菌类区，旋转体和壳体之间的环形空腔称为主区；所述的壳体的下端面设有基座，在壳体的上端面边沿处设有透气孔和混合液入口，在壳体的下端面设有混合液出口；在旋转体的外表面径向设有混合棒，所述的混合棒沿旋转体外表面1/4高度的空间各旋转90处呈左螺旋线布置，其长度为主壳体与旋转体之间隙长的0.66倍为最佳，旋转体旋转方向为逆时针转动，与混合棒的左螺旋及主区进流左旋相对应，主区内流体在切向旋流作用下，在靠近旋转体处形成低压区，在旋转体体转动下紧靠其内壁处形成偏高压区，旋转体内部流体向外单向流动，并与切向旋流混合，形成生化发光反应区。
对上述结构作进一步限定，所述的膜片式压力检测器为压力检测罐壳体内壁上贴有压力传感器，其中承载压力检测的压力检测罐壳体的长径比大于等于10:1，压力检测罐壳体的截面为圆或者正方形。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明用于压载水处理系统中，通过对压载水的取样检测，应用生物自发光检测、压载水浊度检测和需氧菌类耗氧的能量检测三种检测法，设计了三种检测电路，实现了压载水中菌落数的测定，该装置整体结构简单、紧凑，检测方便，具有较好的经济实用性；本发明中对三种检测电路的信号输出，利用信号放大报警电路对三种信号判断，实现声光报警，当船舶自带荧光素酶试剂耗尽或者荧光素酶失活时，其他的二电路仍然可检测报警，这样可以保证设备检测结果的可靠性，提高设备的冗余度，避免结果失效。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图，图中：1、压力检测单元，2、浊度检测单元，3、荧光自发光检测单元，4、综合报警单元，5、总电源，6、试样储存罐，7、动力泵，8、压载水加注口，9、底座；
图2是图1中膜式压力检测单元的原理图，图中：1.1、膜片式压力检测器，1.2、桥臂电阻，1.3、电流计一，1.4、氧气加入管口，1.5、氮气入口管口，1.6、压力传感器，1.7、压力检测罐壳体；
图3是图2中B-B剖面图；
图4是图1中浊度检测单元的原理图，图中：2.1、浊度照明灯，2.2、压载水取样水箱，2.3、饮用水水箱，2.4、光敏电阻，2.5、电流计二，2.6、双联式精滤器；
图5是图1中荧光自发光检测单元，图中：3.1、荧光素酶试剂罐，3.2、光电倍增管，3.3、自发光生化反应器，3.4、电流计三，3.5、荧光素酶加注口，3.6、荧光素，3.7、荧光暗室柜；
图6是图1中综合报警单元，图中4.1、采集器，4.2、二极管，4.3、警报灯，4.4、警报喇叭；
图7是图1中自发光生化反应器的结构图，图中：5.1、壳体，5.2、呼吸阀，5.3、透气口，5.4、基座，5.5、混合液出口，5.6、动力输入端，5.7、混合液入口，5.8、压载水进口，5.9、旋转体，5.10、压盖，5.11、过滤小孔，5.12、菌类区，5.13、混合棒，5.14、主区。
具体实施方式
根据附图1可知，本发明具体涉及一种船舶压载水的菌落数警报装置，该装置用于压载水样品中的菌落数检测，具体结构包括底座9，在底座9上设有采集压载水的试样储存罐6，通过压载水加注口8注入试样储存罐6，作为检测样本。本发明的创新之处在于：在试样储存罐6周围同时设有压力检测单元1、浊度检测单元2和荧光自发光检测单元3，三个单元之间相互独立，并且均与试样储存罐6通过动力泵7进行压载水的交互流通，三个单元由底座9中的总电源5供电。三个单元均是对菌落数微生物浓度进行检测，但是采用的原理各不相同。
首先，附图2给出了膜式压力检测单元的原理图，其中包括船舶压载水的细菌氧耗测定电路及结构图，该结构中包括两个膜片式压力检测器1.1和两个桥臂电阻1.2，膜片式压力检测器1.1与桥臂电阻1.2穿连形成两组并联支路，这两组并联支路通过总电源5供电，每组并联支路电路均与电流计一1.3串联，形成桥式电路，其中每个膜片式压力检测器1.1两端均与试样储存罐6连通，其中一个膜片式压力检测器1.1通入氧气，另一个膜片式压力检测器1.1通入氮气。
膜式压力检测单元的工作原理：利用压载水中的需氧菌类在常压有氧环境下新陈代谢的原理进行化学检测，同时兼性厌氧菌类在常压有氧环境下代谢也加快。本发明中的两个膜片式压力检测器1.1，一个膜片式压力检测器1.1通入氧气，另一个膜片式压力检测器1.1通入氮气。在通入氧气的膜片式压力检测器中，其压力为常压下，通常0.007～0.0136Mpa，氧引入压力与压载水的过流水压相同。此时需氧细菌常压纯净氧气环境下，需氧菌类生长加快，发生激剧的生化反应，它引发附近流体的压力、温度,浊度变化,ATP增加等等，其极大变化量之一为压力。在通入氮气的膜片式压力检测器中，其内部压力与氧气压力相同，压载水的水流体压力在0.008～0.0135MPa范围内，该压力检测器中的需氧细菌与氮气完全无反应发生。通过对两个膜片式压力检测器1.1并入桥式电路检测其电流变化，一桥有变化而另一桥无变化，电桥能测到10毫安以上级别电流，即有信号S1输出。
附图3是附图2中的膜片式压力检测器1.1的断面图，其中的膜片式压力检测器1.1为压力检测罐壳体1.7内壁上贴有压力传感器1.6，其中承载压力检测的压力检测罐壳体1.7的长径比大于等于10:1，压力检测罐壳（1.7的截面为圆或者正方形，这是由于压载水为低浓度菌体，这样可以使流体进入膜片式压力检测器1.1中，冲击膜片时停留时间长，电子变化范围广，测定了更加精确。
附图4为浊度检测单元的原理图，其中包括船舶压载水的浊度检测电路及结构图。其中结构具体包括透明壳体的压载水取样水箱2.2和饮用水水箱2.3，压载水取样水箱2.2与试样储存罐6相互连通形成水循环回路，其中压载水取样水箱2.2的进水管端串联有双联式精滤器2.6，饮用水水箱2.3与船舶的清水压力罐连通，在压载水取样水箱2.2和饮用水水箱2.3的一侧设有浊度照明灯2.1，在另一侧分别设有两个光敏电阻2.4，浊度照明灯2.1的光线分别经过两个水箱照射至两个光敏电阻2.4上，两个光敏电阻2.4与电流计二2.5串联形成闭合电路，并检测两个光敏电阻2.4两端的电压值，若有电压差则反映在电流计二2.5上。
浊度检测单元的工作原理：利用压载水中悬浮菌落与纯净水中不同，在光照下形成不同电阻来测定菌落数浓度。船舶饮用水水的菌落总数均小于2000cfu/100ml(欧盟标准，船舶直饮水均有膜过滤装置，总菌落数在100-2000cfu之间)。与IMO公约要求之经过处理的船舶压载水的总细菌菌落数处于相当的数量级别。压载水在经过一个220目陶瓷蜂窝可反冲型的双联精滤器过滤后送入压载水箱，各海域载水样经过双联式精滤器充分滤清，而细菌类刚巧能滤过到达水箱。当经过处理的船舶压载水样总菌落数超标，其浊度明显增加，所以用同一光源照射二个水箱，当待检样品压载水浊度大时，相应的光敏电阻大，其在分压电路输出U2电压也大，因此有信号S2输出，即U2大于U1即输出S2。
附图5为荧光自发光检测单元的原理图，包括船舶压载水的荧光素酶自发光测定电路及结构图。其结构具体包括自发光生化反应器3.3，自发光生化反应器3.3与试样储存罐6连通形成水循环回路，并且自发光生化反应器3.3与外部的荧光素酶试剂罐3.1连通，在自发光生化反应器3.3的一侧设有光电倍增管3.2，光电倍增管3.2与电流计三3.4串联形成闭合电路，该闭合电路与自发光生化反应器3.3处于荧光暗室柜3.7内。
荧光自发光检测单元的原理：在船舶压载水引入相应荧光素酶和荧光素后细菌的ATP发荧光。在菌类的新陈代谢中，需氧菌类每利用一个分子氧气，代谢时将产生28个单位以上的三磷酸腺苷，它与荧光素酶和荧光素相混，就发出冷系光源，所以引入该菌类的荧光素酶和荧光素试剂。当其进入压载水箱，当待检样品压载水样细菌菌落数高时，其自发光强度就大，可以使得光电倍增器管的阳极接收电子大增，电流急剧增大，流表检测到45毫安以上级别电流。从而有信号S3输出。
附图6为综合报警单元的原理图。综合报警单元4包括两个采集器4.1，电流计一1.3变动作为信号S1输出，两个光敏电阻2.4的电压值差由电流计二2.5作为信号S2输出，电流计三3.4变动作为信号S3输出，三个信号同时进入两个采集器4.1，获得其中两个信号，形成三选二电路，并与警报灯4.3和警报喇叭4.4串联。采用三选二综合报警电路，当S1、S2、S3，其中任意二个开关量输出时，采集器有信号，该综合报警电路即输出信号，产生声音和光报警；也可在采集器新设S1、S2和S3输入和逻辑输出值，对报警器单元调整和调试。其中的两个采集器4.1为采集信号并与预定的参数比较，实现新选择功能，为常用的多路选择模块。
图7为自发光生化反应器的结构形式，该结构具体包括圆柱形壳体5.1以及壳体5.1内部的旋转体5.9，壳体5.1为固定结构，通过设于壳体5.1端面的基座5.4固定；另外，旋转体5.9与壳体5.1同轴设置，旋转体5.9为圆柱形空心结构，其侧面上分布有过滤小孔5.11，并且旋转体5.9可绕壳体5.1轴线旋转。旋转体5.9的内部空心部分为菌类区5.12，旋转体5.9与壳体5.1之间的环形腔体为主区5.14。旋转体5.9的端面上设置压载水进口5.8，旋转体5.9与壳体5.1之间为旋转密封连接，通常为旋转体5.9的两个端面中心线处为旋转轴，该旋转轴与壳体5.1之间设有轴承及密封，并且通过压盖5.10固定，壳体5.1和旋转体5.9的直径比约为1.8—2.1，旋转体5.9的长径比约为3-7倍，旋转体5.9上端、下端与主壳体顶、底端之对应间隔为主壳体高度的2%左右。在旋转体5.9下端面为动力输入端5.6，在壳体5.1的上端面边沿处设有透气孔5.3和混合液入口5.7，透气孔5.3的管路上设有呼吸阀5.2，在壳体5.1的下端面设有混合液出口5.5，其中混合液出口5.5位于低压区，混合液入口5.7位于高压区，混合液入口5.7突出于壳体5.1外壁，其中该入口处外径是壳体外径的105%，并且与壳体5.1的内壁切向配合，保证荧光素酶及助剂流体自周向切向进入主区5.14，实现主区5.14内流体形成切向旋流。
为了使两种流体充分混合，在旋转体9的外表面径向设有混合棒5.13，其中混合棒5.13沿旋转体5.9外表面1/4高度的空间各旋转90处呈左螺旋线布置，其长度为壳体5.1与旋转体5.9之间隙长的0.66倍为最佳。附图中共设置了5根混合棒5.13，5根混合棒5.13从上到下成螺旋形分布，在旋转体5.9旋转方向为逆时针转动，与混合棒5.13的左螺旋及主区进流左旋相对应，主区5.14内流体在切向旋流作用下，在靠近旋转体5.9处形成低压区，在远离旋转体5.9处形成偏高压区，旋转体5.9内部流体向外单向流动，并与切向旋流混合，形成生化发光反应区。
图7结构的工作原理是通过动力装置驱动旋转体5.9高速转动代替原有的生物膜结构，在菌类区5.12内通入低浓度含菌类的压载水，在主区5.14内装入荧光酶、荧光素、助剂等流体。在旋转体离心作用下，转动体5.9内中大分子量的细菌经由过滤小孔5.11向孔外运动，过滤小孔5.11的直径为120目，而外部的荧光素酶、助剂等流体，在靠近旋转体处形成低压区，在旋转体5.9体转动下紧靠其内壁处形成偏高压区，这样细菌经过小孔子向外运动，而旋转体5.9外荧光素酶、荧光素、助剂等流体不能进入旋转体内，也就是形成细菌的单项向运动。这样可以保证细菌与旋转体5.9外的液体充分混合的同时，混合反应区位于壳体5.1的外圈，在过量的荧光素酶、荧光素、助剂等流体环境下，细菌ATP发生生化发光反应,反应现象为反应器外侧壁发光，光源致光电倍增管有大电流通过，从而给出船舶压载水菌数的光电流信号输出，用于菌落数的判断与监测，同时使得生化反应器的生物发光使用效率提高，能够准确进行检测判断。
本机由于应用了生物自发光检测、压载水浊度检测和需氧菌类的利用氧的能量检测法，使其应用于船舶和海洋工程中，当船舶自带荧光素酶试剂耗尽或者荧光素酶失活时，其他的二电路仍然可检测报警。所以设备的赘余度高，可靠性强。它具有体积紧凑、检测方便、经济实用的特点。
Claims (4)
1.一种船舶压载水的菌落数警报装置，其特征在于包括底座（9），所述底座（9）上设有采集压载水的试样储存罐（6），在试样储存罐（6）周围设有压力检测单元（1）、浊度检测单元（2）和荧光自发光检测单元（3），三个单元之间相互独立，并且均与试样储存罐（6）通过动力泵（7）进行压载水的交互；还包括综合报警单元（4），所述的综合报警单元（4）包括两个采集器（4.1），所述的压力检测单元（1）输出信号S1，所述的浊度检测单元（2）输出信号S2，所述的荧光自发光检测单元（3）输出信号S3，三个信号同时进入两个采集器（4.1），获得其中两个信号，形成三选二电路，并与警报电路相连；
所述的荧光自发光检测单元（3）包括自发光生化反应器（3.3），自发光生化反应器（3.3）与试样储存罐（6）连通形成水循环回路，并且自发光生化反应器（3.3）与外部的荧光素酶试剂罐（3.1）连通，在自发光生化反应器（3.3）的一侧设有光电倍增管（3.2），光电倍增管（3.2）与电流计三（3.4）串联形成闭合电路，该闭合电路与自发光生化反应器（3.3）处于荧光暗室柜（3.7）内，电流计三（3.4）的波动作为信号S3；
所述的自发光生化反应器（3.3）包括圆柱形壳体（5.1）以及壳体（5.1）内部的旋转体（5.9），旋转体（5.9）与壳体（5.1）同轴设置，并且旋转体（5.9）可绕壳体（5.1）轴线旋转，其中旋转体（5.9）内部为圆柱形空心结构，其侧面上分布有过滤小孔（5.11），其两个端面与壳体（5.1）之间旋转密封连接，在旋转体（5.9）的一端面设有压载水进口（5.8），旋转体（5.9）的另一端面为动力输入端（5.6）；所述的旋转体（5.9）内部空心称为菌类区（5.12），旋转体（5.9）和壳体（5.1）之间的环形空腔称为主区（5.14）；所述的壳体（5.1）的下端面设有基座（5.4），在壳体（5.1）的上端面边沿处设有透气孔（5.3）和混合液入口（5.7），在壳体（5.1）的下端面设有混合液出口（5.5）；在旋转体（5.9）的外表面径向设有混合棒（5.13），所述的混合棒（5.13）沿旋转体（5.9）外表面1/4高度的空间各旋转90处呈左螺旋线布置，其长度为主壳体与旋转体之间隙长的0.66倍为最佳，旋转体（5.9）旋转方向为逆时针转动，与混合棒（5.13）的左螺旋及主区进流左旋相对应，主区（5.14）内流体在切向旋流作用下，在靠近旋转体（5.9）处形成低压区，在旋转体（5.9）体转动下紧靠其内壁处形成偏高压区，旋转体（5.9）内部流体向外单向流动，并与切向旋流混合，形成生化发光反应区。
2.根据权利要求１所述的船舶压载水的菌落数警报装置，其特征在于所述的压力检测单元（1）包括两个膜片式压力检测器（1.1）和两个桥臂电阻（1.2），膜片式压力检测器（1.1）与桥臂电阻（1.2）串连形成两组并联支路，这两组并联支路通过总电源（5）供电，每组并联支路电路均与电流计一（1.3）串联，形成桥式电路，其中每个膜片式压力检测器（1.1）两端均与试样储存罐（6）连通，其中一个膜片式压力检测器（1.1）通入氧气，另一个膜片式压力检测器（1.1）通入氮气，电流计一（1.3）的波动作为信号S1。
3.根据权利要求１所述的船舶压载水的菌落数警报装置，其特征在于所述的浊度检测单元（2）包括透明壳体的压载水取样水箱（2.2）和饮用水水箱（2.3），所述的压载水取样水箱（2.2）与试样储存罐（6）相互连通形成水循环回路，其中压载水取样水箱（2.2）的进水管端串联有双联式精滤器（2.6），所述的饮用水水箱（2.3）与船舶的清水压力罐连通，在压载水取样水箱（2.2）和饮用水水箱（2.3）的一侧设有浊度照明灯（2.1），在另一侧分别设有两个光敏电阻（2.4），浊度照明灯（2.1）的光线分别经过两个水箱照射至两个光敏电阻（2.4）上，两个光敏电阻（2.4）与电流计二（2.5）串联形成闭合电路，并检测两个光敏电阻（2.4）两端的电压值，电流计二（2.5）的波动作为信号S2。
4.根据权利要求2所述的船舶压载水的菌落数警报装置，其特征在于所述的膜片式压力检测器（1.1）为压力检测罐壳体（1.7）内壁上贴有压力传感器（1.6），其中承载压力检测的压力检测罐壳体（1.7）的长径比大于等于10:1，压力检测罐壳体（1.7）的截面为圆或者正方形。
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