CN106006917A - 电磁强氧化船舶压载水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁强氧化船舶压载水处理装置，所述设备包括臭氧发生系统1，高频电磁发生系统2，含有固态触媒的电磁反应系统3，电气控制系统4。本发明能够在常规条件下，在含有固态触媒的电磁反应系统3内，有一定浓度的臭氧、当量功率密度的高频电磁能和当量固态触媒三者有机结合，其效能不是简单地叠加，对反应物的氧化性能远远高于其中任何一种。能高效、快捷、彻底地对船舶压载水进行处理，达到预期良好效果。

Description

电磁强氧化船舶压载水处理装置

技术领域

本发明属于属于水资源保护与利用技术方向的水处理领域、船舶压载水处理行业系统，公开了一种电磁强氧化船舶压载水处理装置。

背景技术

2004年，国际海事组织(IMO)通过了《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》，旨在防止船舶压载水排放引起的外来物种入侵，病原体传播导致的环境、人类健康、财产及资源方面损害。公约规定，从2009年起新造船舶必须安装压载水处理设备，到2017年所有远洋船舶均须安装压载水处理设备。截至目前，国外已有多家研发机构获得IMO最终认可，其中我国仅有个别单位获得IMO批准。

据悉，《船舶压载水及沉积物控制和管理国际公约》已有47国家已经签署，但是缔约国船队总吨位需达到35％，目前已达到34.56％，所剩0.18％吨位在未来可能很快实现，因此，《船舶压载水及沉积物控制和管理国际公约》实施执行期近在咫尺。

我国现拥有占世界总吨位3.4％的庞大船队，又是造修船大国，拥有巨大的船舶关键设备市能，同时，国际市能也蕴含巨大潜力。压载水处理技术的产业化不仅是保护海洋生态环境的迫切需要，而且对提高国产船舶关键设备装船率、提高航运业和造修船业的核心竞争力具有重要意义。更对我国海军自主装备建设的意义十分重大。

船舶压载水处理技术，作为新产品领域，正处于发展中，尽管已有部分船舶压载水处理装置、系统投入使用，但迄今获得的经验还很有限，每一种处理船舶压载水处理装置、系统均有其不同的优点及缺点，还未达到合理的、理想的使用效果。

目前已获得IMO批准、采用的船舶压载水处理装置、系统，如使用电解每水法的处理装置，对淡水压载水没有处理能力。使用紫外线法的装置，对浊度大的压载水处理能力有限。使用化学杀灭剂法和脱氧法，因需在压载水舱中达到一定的浓度、保存较长时间才能生效，其对短航程船舶并不适用。这些处理装置、系统存在体积过于庞大，耗电功率过高，药剂储运复杂，运行效果能动等不足。基于上述各种原因，目前，几乎没有处理装置、系统能对所有船舶都适用。为了更好地发挥各类舶舶压载水技术的优点，避免缺点，很多舶舶压载水处理装置、系统是基于二种或更多技术的组合。现实中船舶压载水处理装置、系统的选用，是根据各种因素综合评估确定的。

到目前为止尚未见到所述包括臭氧发生系统1，高频电磁发生系统2，含有固态触媒的电磁反应系统3，电气控制系统4，并能在常规条件下，在含有固态触媒的电磁反应系统3内，有一定浓度的臭氧、当量功率密度的高频电磁能和当量固态触媒三者有机结合的、效能不简单地叠加的，能高效、快捷、彻底地对船舶压载水进行处理，达到预期良好效果的专利及报道。

本发明的特点：(1)装置系统全部为机电设备，可速开速停，不影响水质处理效果，易于控制；(2)装置系统可依据船舶本身结构特点，设计成一体式或分体式安装(本发明按一体机阐述)；(3)装置系统能耗和噪音低，运行成本低廉，不需要随船携带处理药剂，运行时只以空气为原料，大大减轻了舰载负荷；(4)装置系统运行不会产生二次污染，相反该装置系统反应后产生的尾气为对人体有益的富氧气体，经处理后可作为新鲜空气补充到船舱内供氧；(5)装置系统强氧化广谱性强，能快速消灭水中的浮游生物，菌类，藻类，病原体等。因此，装置系统具有安全、简便、快速灭菌且无残留毒性的特点，同时装置系统对水中的有机物和无机物处理效果好，极适用于对船舶压载水的处理。

本发明的实施，涉及到电磁学、电化学、材料学、流体力学、化工工艺学；采用了高频放电技术、化工催化反应技术、高压密封技术、高级强氧化技术、电气自控技术及防腐技术；应用了气液混合、吸附、分离技术及固液混合、分离及传递技术等。

本发明的实施，可极大满足船舶压载水处理技术上的需要，突破了其他船舶压载水处理工艺上的技术瓶颈，填补了船舶压载水处理技术的部分空白。

另外，本发明作为一种高效水处理装置设备，不仅仅局限于对船舶压载水的处理，也适用于对船舶生活、生产废水达标排放处理，还极适用于产生废水的交通运输工具上，也适用于无公共污水管网的产污水单位、医院、宾馆等；同时，该系统可作为水体污染或污水泄漏应急处理装置，安置在车上，快速、便捷、安全、高效、彻底地对突发的水污染进行处理；也可作为移动式临时水处理应急设施等；鉴于该装置的效能和特点，也可应用于野战部队饮用水水源处理达标装置。

鉴于以上论述，本发明的实施将产生不可估量的市能价值。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种不仅可减少处理、投资成本及占用空间的；且能适合船舶的建造、改造安装的；适用船舶的海水、淡水处理的；适应船舶的高温、低温环境的绿色清洁、环境友好的一种电磁强氧化船舶压载水处理装置。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种电磁强氧化船舶压载水处理装置，包括臭氧发生系统1，高频电磁发生系统2，含有固态触媒的电磁反应系统3，电气控制系

电磁强氧化船舶压载水处理装置工作原理可分为：臭氧对压载水作用机理、高频电磁能对压载水作用机理、固态触媒对压载水作用机理及派生综合功能对压载水作用机理。

一、臭氧对压载水的作用机理

1、臭氧与水中细菌、藻类、浮游生物作用机理

(1)臭氧灭菌机理：臭氧灭菌的过程属于生物化学氧化反应，臭氧灭菌有以下三种形式：①臭氧氧化分解了细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶；②直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞壁和DNA和RNA，分解蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的物质代谢生长和繁殖过程遭到破坏；③渗透细胞膜组织，侵入细胞膜内作用于外膜脂蛋白和内部的脂多糖，使细胞发生通透性畸变，导致细胞的溶解死亡，并且将死亡菌体内的遗传基因，寄生菌种、寄生病毒粒子、噬菌体、支原体及热原(细菌病毒代谢产物、内毒素)等溶解变性灭亡。臭氧灭菌属于溶菌，灭菌方式最彻底的形式。

臭氧(O3)是氧气(O2)的同素异形体，在水中的溶解度是氧气的10倍。臭氧是一种强氧化剂，臭氧的氧化能力极强，其氧化还原电位仅次于氟，它在水中的氧化还原电位为2.07eV，仅次于氟(2.5eV)，其氧化能力高于氯(1.36eV)和二氧化氯(1.5eV)，能破坏分解细菌的细胞壁，很快地扩散透进细胞内，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶等，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸(RNA)，分解脱氧核糖核酸(DNA)、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。细菌被臭氧杀死是由细胞膜的断裂所致，该过程被称为细胞消散，是由于细胞质在水中被粉碎引起的，在消散的条件下细胞不可能再生。

臭氧的杀菌能力不受PH值变化和氨的影响，其杀菌能力比氯大600-3000倍，它的灭菌、消毒作用几乎是瞬时发生的，在水中臭氧浓度0.3-2mg/L时，0.5-1min内就可以致死细菌。达到相同灭菌效果(如使大肠杆菌杀灭率达99％)所需臭氧水量仅是氯的0.0048％。

臭氧对酵母和寄生生物等也有活性，例如可以用它去除以下类型的微生物和病毒。

①病毒已经证明臭氧对病毒具有非常强的杀灭性，例如Poloi病毒在臭氧浓度为0.05-0.45mg/L时，2min就会失去活性。

②孢囊在臭氧浓度为0.3mg/L下作用2.4min就被完全除掉。

③孢子由于孢衣的保护，它比生长态菌的抗臭氧能力高出10-15倍。

④真菌白色念珠菌(candida albicans)和青霉属菌(penicillium)能被杀灭。

⑤寄生生物(如螨虫)在3min后被杀灭。

⑥可以迅速杀灭空气中的大肠杆菌，金葡萄球菌，白色念珠菌等病菌。

⑦可以分解空气中的臭味，烟味，浓香水味。

臭氧还可以氧化、分解水中的污染物，在水处理中对除嗅味、脱色、杀菌、去除酚、氰、铁、锰和降低COD、BOD等都具有显著的效果。

2、臭氧与水中有机物反应机理

臭氧在水溶液中与有机物的反应极其复杂，臭氧、氯和过氧化氢的氧化势(还原电位)分别是2.07.1.36.1.28伏特，可见臭氧在处理水中是氧化力量最强的一种。

(1)臭氧的氧化作用导致不饱和的有机分子的破裂。使臭氧分子结合在有机分子的双键上，生成臭氧化物。臭氧化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基的两性离子，后者是不稳定的，可分解成酸和醛。其反应式为：

2O3→3O2+285kJ(1-2)

由于分解时放出大量热量。

(2)臭氧和芳香族化合物的反应臭氧和芳香族化合物的反应较慢，在系列苯＜萘＜菲＜嵌二萘＜蒽中，其反应速度常数逐渐增大。

(3)对核蛋白(氨基酸)系、有机氨也都发生反应。

臭氧在下列混合物的氧化顺序为

链烯烃＞胺＞酚＞多环芳香烃＞醇＞醛＞链烷烃

3.臭氧在水中的还原反应

臭氧与无机物的还原反应，如臭氧与亚铁、Mn2+、硫化物、硫氰化物、氰化物、氯等均发生反应

O₃+SO₂＝SO₃+O₂

O₃+CO＝CO₂+O₂

O₃+NO＝NO₂+O₂

6NH₃+7O₃＝6NO₂+9H₂O

6NH₃+5O₃＝6NO+9H₂O

4O₃+PbS＝PbSO₄+4O₂

Ag+O₃＝AgO+O₂

3CN^-+O₃＝3OCN^-

(OCN)₂+2O₃＝2CO₂+2O₂+2N₂

二、高频电磁能对压载水作用机理：

1、高频电磁能是指频率在300兆赫到300千兆赫之间的电磁能。气液混合乳液可强烈吸收电磁能，使极性分子转动，促进气液混合乳液中分子间的振荡、摩擦、加热；促进、强化臭氧的氧化还原反应及消散作用。同时，由于电磁能的辐射可穿透生物体，对生物体表里、均匀、强烈的振荡及加热，达到彻底灭活的目的。

2、高频电磁能的存在改善了反应物的表面效应，这些表面效应正是催化剂催化反应的用武之地。固态触媒的组成物质中，有些原不可作为催化剂的物质，但在高频电磁能存在的前提下可以具有催化功能。同时，固态触媒具有极强的吸收高频电磁能的物理性能及电化学性能，气液混合乳液及固态触媒在高频电磁辐射下，经历每秒30亿次的强力辐射、振荡作用，使水分子被激活、生物体被辐照、氧化剂被激化、有机物结构被松动、无机物结构被钝化，固态触媒表面微点瞬间、连续闪热温度达到900--1500℃，派生生羟基自由基的同时，创造了综合催化氧化的最佳环境。

由于气液混合乳液中电磁能的存在：(1)可提高分子碰撞的概率；(2)添加分子的碰撞能量(3)改变分子能量的类型(4)改变分子碰撞的方位(5)可能延长反应分子的碰撞时间。因此，综上所述，固态触媒的反应系统3内的反应速度非常快，使流体的灭菌杀藻能力在很短时间内完成成为可能。

3、高频电磁能具有选择性加热的特点，固态触媒的电介常数大，在其表面微点邻近，呈现着陡峻的温度梯度；所以反应分子在其邻近区域接收“强活化”的条件后，迅速离开高温区，可防止反应的逆转。

电磁能气体放电的理论阐明，在反应体微粒的附近可能出现低温等离子体鞘层或电晕。由于尖端效应或高电介质常数边界切向电能连续效应，可以在固态触媒表面微点邻近构成电晕或辉光放电，在此条件下为获得离子、新生态原子、激发态粒子、自由基等提供了有利条件。这些电晕或辉光放电的鞘层，可以处于星点的分布状态，不构成整体的等离子体现象。这些星点的等离子体鞘层的微区，正是化学反应取得强活化的条件。

三、固态触媒对压载水作用机理

当含有臭氧及新生氧的气液混合乳液进入到固态触媒反应系统3中，气体原子与固态触媒中的原子相碰撞，氧分子O²捕获一个电子以形成超氧离子O²-。

O2+e-(CB)→O2-

而O2-可以同H+作用形成OH·和超氢氧自由基HO2·。(碱性海水可以提供OH·)

2O2-+2H+→2OH·+O2

2O2-+H+→HO2·

若有比O2更强的电子受体(O3)时，其氧化效率可以大大的增加，杀菌功能大大提高。

四、派生综合功能对压载水作用机理

在固态触媒的反应系统3内，定量浓度的臭氧、当量功率密度的高频电磁能和较大比表面积的固态触媒三者有机结合，其效能不是简单地叠加，对反应物的氧化性能远远高于其中任何一种。

1)高频电磁能直接作用到水中，电磁能量能够被尽可能多地利用。

2)高频电磁能中，臭氧传输过程中分解成的氧又转化成臭氧。实验证明，高功率密度的电磁能对臭氧具有高化学活性。

3)在高频电磁能中，固态触媒的反应系统3内内生成了具有更高效氧化性能的羟基自由基。

所以，在含有固态触媒的反应系统3中，可在极短的时间内完成菌类、浮游生物、有机物、无机物等灭活或消解。

附图说明

图1是本发明所述的电磁强氧化船舶压载水处理装置(一体式)的整体结构示意图。图中：1臭氧发生系统、2电磁发生系统、3含有固态触媒的电磁反应系统、4电气控制系统。

具体实施方式

结合附图作为最简单的实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如附图所示的电磁强氧化船舶压载水处理装置，包括1臭氧发生系统、2电磁发生系统、3含有固态触媒的电磁反应系统、4电气控制系统。电磁强氧化船舶压载水处理装置内的臭氧发生系统1产生一定浓度的臭氧，注入含有固态触媒的电磁反应系统3，电磁发生系统2产生一定功率密度的电磁能，作用在含有固态触媒的电磁反应系统3。当压载水进入具有一定臭氧浓度，当量电磁功率密度，匹配的固态触媒量，适当压力环境的固态触媒的电磁反应系统3时，发生剧烈的氧化还原反应。反应后的压载水达到IMO决议通过的《船舶压载水及沉积物控制和管理国际公约》D-2标准要求：

A、每立方米中最小尺寸大于或等于50μm的可生存生10个；

B、每毫升中最小尺寸小于50μm但大于或等于10μm的可生存生物少于10个；

C、排放的指示微生物不应超过如下规定的浓度：

①每100ml小于1cfu的有毒霍乱弧菌(O1和O139)(cfu＝菌落形成单位)或小于

1cfu 1g的浮游动物样品(湿重)

②每100ml 250cfu的大肠杆菌

③每100ml 100cfu的肠道球菌

电磁强氧化船舶压载水处理装置所产尾气经处理排放或回用。所有工作参数的调整、启动步序及监控由电气控制系统4全自动控制。

其中，臭氧发生系统1是由空气制冷、干燥、过滤、高频或低频臭氧发生器、射流器及尾气处理设备组成的(首尾方向是按照气体流动方向确定的，首气体进入生产环节的位置，尾气体进入首气体进口或供应船舱)；电磁发生系统2是依据处理水量所需功率由多个电磁固态源发生器、电磁导管及馈能口组成；含有固态触媒的电磁反应系统3是由电磁反应釜、二相分离器、气体导管、液体导管、电磁能导管、电机组成，电磁反应釜是由承压壳体、气体输入口、液体输入口、电磁能输入口、内旋转加压反应装置组成，内旋转加压反应装置是由固态触媒涂装制备的渐进螺旋体环形器、转子、高压密封圈等组成；固态触媒涂装制备的渐进螺旋体环形器是由不锈钢渐进螺旋体涂装固态触媒组成；固态触媒是由与电磁能及臭氧有较强亲和力的无机物质组成；电气控制系统4是由PLC+触摸屏全自动控制，并且通过系统中远程通讯接口，实时上传在线监控信号到中心控制室组成。

当空气经制冷、干燥、过滤后进入臭氧发生器产生出理想浓度的臭氧，并经射流器输入电磁反应釜；同时，压载水经高压泵输入电磁反应釜、电磁能经电磁导管及馈能口输入电磁反应釜，电磁反应釜内涂装固态触媒的旋转加压反应装置已每分钟300转的挤压旋转，使之压载水、臭氧形成气水乳状液，在电磁能强力振荡辐照下、固态触媒的作用下及0.2--0.4MPa的压力下，极短的时间内完成菌类、浮游生物、有机物、无机物等灭活或消解，再经二相分离器达到流体反应后气体、液体分离的目的。尾气经尾气处理设备处理回用，液体达到压载水使用标准。

Claims (5)

1.电磁强氧化船舶压载水处理装置，其特征在于：装置系统全部为机电设备，可速开速停，易于控制；装置系统可根据船舶结构特点，设计成一体式或分体式安装，(本发明按一体机阐述)，包括臭氧发生系统1，高频电磁发生系统2，含有固态触媒的电磁反应系统3，电气控制系统4等，

2.根据权利要求1所述的电磁强氧化船舶压载水处理装置，其特征在于：该装置能耗和噪音低，运行成本低廉，不需随船携带水处理药剂，运行时只以空气、电力为原料，大大减轻了船载负荷，杜绝了二次污染。

3.根据权利要求1-2所述的电磁强氧化船舶压载水处理装置，其特征在于：该装置运行不会产生二次污染，相反该系统反应后产生的最终尾气可分解为对人体有益的富氧气体，经处理后可作为新鲜空气补充到船舶舱室。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的电磁强氧化船舶压载水处理装置，其特征在于：该装置强氧化广谱性强，能快速消灭(灭活)水体中的浮游生物，菌类，藻类等。因此，该装置具有安全、简便、快速杀菌灭藻、彻杀浮游生物且无残留毒性。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的电磁强氧化船舶压载水处理装置，其特征在于：该装置对水体中的有机物和无机物有较好的处理效果，极适用于对船舶压载水的处理。