CN107848616B - 用于施加叠加的时变频率电磁波以进行海洋压载水生物污垢控制的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于对压载水和压载水处理系统进行处理以便实现诸如控制不期望的和侵入的海洋生物体的运输等处理效果的方法和系统。具体而言，本公开涉及用于以脉动方式向压载水处理系统内的压载水施加包括AC和DC分量两者的叠加的时变频率电磁波方法和系统。

Description

用于施加叠加的时变频率电磁波以进行海洋压载水生物污垢 控制的方法和系统

发明领域

本发明一般涉及对物体或区域的处理以便利用一个或多个处理效果的领域。更具体而言，本发明涉及用于以脉动方式施加包括AC和DC分量两者的叠加的时变频率电磁波以提供对压载水和压载水处理系统的消毒的方法和系统。

发明背景

在许多情形中，对物体或由物体和围绕该物体的介质形成的区域(诸如压载水和压载水处理系统)的处理是必要的以便实现处理效果，诸如控制不期望的和侵入的海洋生物体的运输。

压载水是被泵送进入和离开船舶中的压载箱以调整稳定性、增加吃水或以其它方式为船舶提供压载作用的水。为了控制驶往国外的船舶在这种压载水中运输不希望的侵入海洋生物体，国际海事组织(IMO)和USCG实施了对压载水处理的规定。IMO所指定的一般控制要求如下给出：-

生物体	最大可允许排放
		>50μm	<10/cu.m
10～50μm	<10/ml
		毒性霍乱弧菌	<1cfu/100ml
大肠杆菌	<250cfu/100ml
		肠球菌	<100cfu/100ml

一般而言，目前市场上可用的压载水处理系统都通过使用诸如氯化、UV处理、使用自由基等方法的常规消毒概念来进行处理。然而，这些消毒方法都不能以完整或整体的方式解决问题。市场上可用的所有技术关注如何杀灭水中的生物体，但是它们还不能够根除生活在箱中的沉积物中或者被腐蚀的钢区域下方的生物体。

在大规模应用中使用的最常见压载水处理消毒技术可以宽泛地分类如下：

1.电氯化(使用活性物质)；

2.UV消毒系统(不使用活性物质)；

3.组合精细过滤器/UV/AC超低频雪崩电流(不使用活性物质)

尽管这些系统是海洋工业中最常用的大规模消毒系统，但具有许多缺点。

电氯化系统使用DC电解系统来电解海水以产生氯/次氯酸盐以用于消毒或杀灭水中的生物体。通常通过旋风分离器或机械筛网过滤器来预先去除主要尺寸大于50μm的生物体。随后用诸如氯/次氯酸盐等活性物质来消毒或杀灭小于50μm的生物体。在电解过程中，不可避免地生成有毒的氯气和爆炸性氢气，这是这些系统的主要缺点之一。

电氯化系统的另一问题是所产生的氧化剂和活性物质的量对环境有害。氧化剂的量通常由存在于水中的总残余氧化剂(TRO)来测量。取决于水以及存在的生物体的类型，电氯化系统为了控制水中的生物体而需要的TRO的量一般大于10ppm。然而，具有这种高剂量TRO的水也对环境有害并且在没有进一步处理以减少TRO的情况下不能被直接排放。

进一步的问题是这种高TRO水平造成对管道系统中的金属结构和装置的严重腐蚀，并且它们还可影响一些非金属结构的材料完整性。出于环境原因，法定要求通常要求排放水TRO被进一步处理到0.2ppm或更小。为了满足该要求，将需要在排放之前给予TRO还原剂，这是电氯化系统的进一步缺点。

为了有效控制压载水系统中的生物体，关键是控制或根除生物膜位点，而不是仅仅关注体相水中生物体的杀灭率。在电氯化系统中，氯和次氯酸盐在杀灭体相水中的生物体方面是有效的，但是在穿透生物膜来杀灭生活在系统内部的细菌和生物体方面取得非常有限的成功。显然，由TRO造成的钢表面的腐蚀产生更多的消毒剂不可到达的腐蚀位点，这随后损害消毒功效。

氯化系统的又一问题是控制浮游植物的再生长。如果存在营养物质和正确的生长环境，则浮游植物在氯化处理效果消退之后可以非常迅速地再生长。因此，如果经氯处理的压载水保持在压载箱中达长的时间段，则即使水被认为已经经过处理，浮游植物也可能仍然存活并且因此被引入另一国家。对于仅将压载水作为压载循环的一部分进行处理但不卸除压载的压载水处理系统而言，该问题特别常见。

电氯化系统的又一缺点是用于压载的水的天然氯化物含量。如果氯化物含量低(诸如河口水或河水)，则所生成的氯和次氯酸盐的量可能太低而无法进行有效消毒。一些系统诉诸于使用另一水箱来携带海水以便随后电解海水以用于注入淡水中来进行消毒，但这减小了船舶的载货容量。

电氯化系统的缺点可以概括如下：

1.生成爆炸性氢气；

2.由于高TRO引起的腐蚀问题；

3.在处理之后需要TRO还原处理；

4.生物体可能对氯化免疫；

5.氯不能够穿透生物膜来根除生活在生物膜中的生物体；

6.不能够控制浮游植物在处理之后的再生长；

7.如果水中的氯化物含量低则不能够提供有效消毒

UV消毒处理技术使用UVC范围的UV光来对水进行消毒。一些可使用UVA和UVB与UVC结合来进行消毒，但概念和方法是相同的。当UV用于消毒时，也存在许多缺点。

UV处理仅在处理的时刻有效，并且它不具有残余效果以在整个系统中携带处理效果。当处理系统缺乏残余处理效果时，在处理时刻未杀灭或者留在管道系统(包括水箱)中的那些生物体和细菌将能够再次生长和繁殖，从而导致差的整体消毒结果。

由于UV不具有残余效果，因此经处理的水不能携带该效果以根除生物膜。这引起生物体的生长或无效消毒。

一般概念是UV不感生任何腐蚀问题，但在实际的压载海水处理中，用于消毒功能的非常强的UV剂量会引起水中的TRO上升。在一些极端情形中，由非常强的UV引起的TRO的增加可以达到高至0.5ppm，特别是在存在TiO₂的情况下。这不仅超过了排放水TRO要求，而且残余的氧化剂也加速了浸入的金属结构的腐蚀速率。这进而产生了为生物体创建更多栖息地的连锁效应，其随后需要更高剂量的消毒，这随后产生更多TRO以及因此更多腐蚀。

许多UV压载系统依赖于非常精细的过滤器来过滤掉>50μm的生物体，并且随后使用UV来杀灭<50μm的生物体，包括细菌。虽然UV可以提供具有良好杀灭和控制体相水中的细菌计数的有效消毒，但它在杀灭较大生物体方面不太有效。对于大于细菌的生物体，杀灭它们所需要的UV强度非常高(特别是对于浮游植物)，并且因此这种系统的功耗也会很高。作为结果，用于压载水处理的许多类型的UV系统的功耗非常高。使用LED UV可降低功耗，但是LED UV本身的成本非常高。不管是使用低、中还是高压UV灯，功耗都如此高以使得对于大的压载容量船舶，可能需要在船上安装附加的发生器来提供额外功率，并且在许多情形中这是不实际的。

水状况的影响也影响UV处理的功效。UV光的强度受到水浊度以及与水接触的UV灯石英套管上的污垢状况的很大影响。在高淤泥含量和浑浊水条件下(诸如港口、河水或河口水中)，UV光很难穿透浑浊水，这随后损害消毒功效。目前，市场上不存在能够在压载水处理所需要的大流量条件下有效过滤淤泥的过滤系统。如果不解决水浊度问题，则在浑浊水中施加UV是不实际的。

除了水浊度之外，UV灯石英管套上的污垢也会造成UV处理功效进一步劣化。使用化学物或刷子来清洁污垢增加了操作和装置成本，尽管它们可有助于在某种程度上维持处理功效。

第三种类型的处理将精细过滤器与UV和AC超低频雪崩电流组合。这些需要非常高性能的<50μm筛网的精细过滤器来去除较大生物体，以维持消毒的有效性。这是由于UV+纯AC ULF处理在处理较大生物体方面不太有效，除非使用非常高的功率。假如过滤筛网或密封件在操作期间发生泄露，则大生物体将通过过滤器并直接进入UV和ULF腔室。这随后会影响UV+ULF处理以使得不能够满足较大生物体的消毒要求。

UV+ULF处理的另一缺点是它需要两个分开的过程来产生有效的消毒控制。在没有UV的情况下，即使ULF处理具有消毒效果，ULF处理本身也将不能够满足严格的海洋压载水处理要求。在压载水处理中，消毒要求要求在对细菌、10～50μm生物体和>50μm生物体进行处理之后，在卸除压载的当天发生全面消毒效果。除非显著地增加ULF强度，仅仅ULF处理将花费两天以上才能满足该卸除压载排放要求。替换地，可添加UV系统来补充ULF消毒处理效果(特别是在总细菌计数方面)，以确保其在第二天满足消毒计数要求。然而，一旦将UV系统纳入ULF系统中，上面提到的UV系统的缺点也与组合的UV+ULF系统相关。

纯AC ULF系统的又一问题是仅能够在非金属腔室或管道部分中产生雪崩电流。因此，对于金属压载水系统中的应用，需要将非金属管道部分添加到钢压载水管道中，并且这些非金属部分对于需要高压的应用可能是不充足的和/或不足以满足防爆安全要求。

上面提到的关于压载水处理要求的技术问题是指IMO(国际海事组织)的要求。于2016年初生效的最新美国海岸警卫队USCG压载水处理要求对10～50μm浮游植物生物体消毒施加的要求比IMO要求严格得多。

IMO要求接受由所谓的“最可能数目”MPN计数处理之后的10～50μm浮游植物计数。即，尽管在处理后未立即死亡的浮游植物允许经过14天的“再生长”时段。假如浮游植物在这14天中不能够繁殖并且总数保持在小于10/ml，则被视为通过IMO标准。

对于新的USCG要求，不允许将任何MPN用于对浮游植物进行计数。浮游植物在保持如试验中所指定的时段之后必须完全“死亡”。保持天数一般小于5天。完全“死亡”意味着不仅浮游植物生物体不能够繁殖，而且在浮游植物细胞中也应当不存在可检测的代谢活动。

在这种新的完全“死亡”要求的情况下，常规的UV系统将需要向已经非常高的、不实际的功耗特性添加至少4至5倍更多的功率。这使得常规UV系统对于船上应用完全不实际。

对于UV+纯AC ULF系统，出现与常规UV相同的情况，尽管功耗增加比常规UV的情形更少。

本说明书中明显事先公布的文件的列举或讨论不一定被视为承认文件是现有技术的一部分或是一般的公知常识。

开发用于获得各种有效的处理效果的、不对环境造成危害并且仍然能够满足最近的非常严格的USCG要求的替换技术一直是一项挑战。因此，需要能够实现对压载水的有效消毒、并且满足最具挑战性的USCG 10～50μm浮游植物处理要求而不会对大气或水环境造成危害的新的方法和系统。

发明概述

已开发了本发明以满足上面提到的需求并且因此其主要优点在于它提供了一种用于向目标物体或目标区域施加叠加的时变频率电磁波的系统，该系统是环保的并且不会使化学物产物浸出进入到环境中。本发明利用本申请要求其优先权的专利申请中所描述的方法和系统，并且进一步提供了用于对压载水进行处理和消毒的特定方法和系统。

本发明的另一优点在于，它可以提供用于对压载水进行处理的方法和系统，并且可以提供比现有技术显著更加经济并且便于利用并且仍然能够满足USCG要求的压载水处理系统。

本发明的进一步优点在于，它可以提供具有以下期望特征中的一个或多个特征的压载水消毒系统：

1.能够提供对浮游植物的完全“死亡”消毒，如USCG标准所要求的。

2.不生成爆炸性氢气。

3.本发明的消毒效果产生可忽略的TRO生成量(类似于纯UV系统，如IMO或USCG所要求的)，而不是如常规系统中一样在水中产生持久的残余氧化剂TRO(诸如氯/次氯酸盐/臭氧)来进行消毒。

4.它具有针对广泛范围的大小的生物体的消毒能力，包括在过滤器/旋风器之后杀灭>50μm的生物体并且还杀灭小于50μm的生物体，包括细菌。

5.它对压载管道系统和水箱中的钢或金属结构产生腐蚀保护效果。

6.没有生物体免疫问题。

7.能够穿透生物膜以根除生活在生物膜中的生物体。

8.能够控制浮游植物在处理之后的至少两周内的再生长。

9.能耗低。

10.能够在浑浊水、淡水、河口水和海水条件下执行。

11.长久的残余消毒效果。

12.能够应用于非金属和金属管道系统中。

本发明使用DC偏置的时变脉动波来产生能够满足所有上述要求但不会产生不期望的副作用或问题(诸如在UV、电氯化和纯AC/ULF消毒系统中所产生的副作用或问题)的消毒效果。

本发明提供了一种根据所附权利要求中的权利要求1的用于对压载水进行处理的方法。本发明进一步提供了一种根据所附权利要求中的权利要求18的压载水处理系统。

一种根据本发明的压载水处理方法可包括以下步骤：向超低频(ULF)AC波发生器提供经整流的DC功率，从经整流的DC功率生成交流时变经调制的低频脉动波，以及叠加交流时变经调制的低频脉动波以形成DC偏置的脉动AC电磁波。优选地，压载水在由DC偏置的脉动AC电磁波处理之前通过机械过滤过程。有利地，DC偏置的脉冲AC时变波输出可由脉宽调制器来控制。

优选地，本发明的系统进一步包括机械过滤系统，该机械过滤系统用于：在压载水由DC偏置的脉动AC电磁波处理之前，将具有大于50μm的尺寸的颗粒和生物体从该压载水中分离。

DC偏置的脉动AC电磁波处理可以由许多不同方法来产生；

a)通过以下面描述中所描述的方式来连接DC电源。

b)通过在来自ULF AC波发生器的DC输出处连接电感二极管。

c)通过对波形进行编程以给出DC偏置的输出。

时变AC波还可以被编程为产生间歇波形或其它配置。波形可以是正方形、正弦、三角形、不规则、或随机的，但是只要该波形是AC时变的、具有DC电流偏置的分量并且是脉冲的，则它将产生需要的效果。优选地，脉冲的频率范围、DC振幅和电压被精细调谐以控制不同的生物体并提供期望的水质。

在本发明中，时变脉动波加载在DC偏置的电压和电流上。尽管DC偏置的脉动AC时变频率波携带DC分量和交流波形两者，但它的处理效果完全不同于DC、AC或简单地组合两个分开的AC和DC波。例如，当使用DC电解来处理海水时，将生成高的氯/次氯酸盐、TRO或TRC(总残余氯)。另外，将出现阳极/阴极表面极化的负面问题(诸如水垢形成、电极对场电阻的增加等)。当使用AC脉动波时，立即消毒的“杀灭”效果非常弱。如果组合分开的AC和DC波，则由于所产生的消毒剂，DC效果将主导立即杀灭效果，但是还将生成高的TRO/TRC/氯/次氯酸盐并添加到DC系统的所有缺点。当使用本发明的时变DC偏置的脉动波时，将生成可忽略或实际上不生成类似于UV系统的TRO/TRC，而即时消毒杀灭效果与DC电解系统一样好(如果不是更好的话)。

与电氯化系统中的DC电解相比，DC电解中的阳极和阴极将释放或接收由水中的离子从阳极携带到阴极的固定直流电流。非常重要的是，对于使用DC电解的常规电氯化，水中的电流不是脉冲的。在电极表面交换电子并且因此在电极表面发生化学反应。如果水包含氯化物，则因此在阳极侧产生氯，并且将在阴极表面上产生氢。氯将进一步与水反应并形成次氯酸盐以进行消毒。利用延长的操作，阴极表面上将形成矿物结垢，并且需要酸洗来溶解该结垢。

在净AC ULF处理系统的情况下，不存在阳极或阴极，并且水中不存在DC电流，并且因此如果在非金属隔间内部施加正确的频率，则其消毒效果完全依赖于在水中产生的带电荷离子波能量。这是因为消毒的ULF电荷波是没有固定净DC电流方向的交流波，因此在水中不产生诸如次氯酸盐、臭氧或其它活性物质等消毒剂。然而，纯AC ULF消毒处理缺乏即时杀灭效果，并且因此在没有其它系统的帮助下无法满足对>50μm生物体、10～50μm生物体或细菌的IMO/USCG压载处理生物体控制要求。

在本发明中，在两个发射器之间产生时变DC偏置的脉动波。同时，由于时变脉动效果，在水中还产生雪崩带电荷的离子波电流。利用本发明的布置，由于在水中和在发射器表面两者的DC偏置的脉动AC时变波的交变性质，因此实际上产生类似于纯UV系统的无TRO/TRC。如在电化学领域一般所知的，在电极表面的反应和在该处产生的化学物质经受AC和DC两者的影响。在本发明中，虽然DC偏置的电流可通过在电极表面的电子交换而引起在电极表面产生诸如氯等氧化剂，但并发地作用于相同电极表面上的交流AC波电压抑制或控制电极表面的化学反应，这取决于AC波的施加电压及其频率范围。

在DC电解中，发生在电极表面的化学反应在很大程度上由净DC过电势和可用于发生完全化学反应的历时来确定。通常，为了在电极表面上发生完全的化学反应，可能需要处于秒的数量级。在DC偏置的时变AC脉动波条件下，每个交变脉冲都处于毫秒或微秒的数量级，并且因此，在电极表面上发生DC生成的化学反应之前，它被相反的方向的AC分量波抑制。简而言之，在电极表面上可以发生完全DC派生的化学反应之前，可以调整AC电压和频率来抑制该化学反应，而仍然允许电子以交变的方式跨电极表面移动。

作为结果，可以产生非常有效和瞬时的消毒效果这种极端的、短暂的瞬时消毒效果可以被控制成使得它不产生腐蚀性氧化剂(诸如氯或次氯酸盐)。然而，其AC激励效果能够产生持久的残余消毒效果。另外，在该DC偏置时变处理下，从发射器辐射出的水簇的激励的湿等离子体能量的协同效应进一步放大了消毒效果。所产生的消毒能够控制更广泛范围的生物体，包括>50μm的生物体、10～50μm的生物体和细菌。此外，它也产生了更久的残余能量消毒效果，尽管这比初始的即时消毒强度弱得多。

利用上述DC叠加的时变波，为了使有效压载水处理控制从>50μm至10～50μm至细菌的全部范围的生物体，所测量的水中TRO的增加可忽略并且可以被忽略或者处于远低于UV光处理的水平。

在常规的DC电解中，DC电解为了杀灭生物体以便满足IMO压载水要求而需要的测量的TRO浓度大于10ppm，并且通常在15～25ppm的范围中。允许经处理的水中的TRO在五天的压载水保持期间缓慢降解，并且因此在处理后五天内需要降至低于0.2ppm的低浓度以通过IMO要求。如果不满足TRO排放限制，则必须添加TRO还原化学剂以在排放前减少TRO水平。

为了避免在本发明的DC叠加的时变AC脉冲波方法中产生氢，也可以例如通过使用金属管内表面作为阴极来增加阴极面积，这将显著地降低阴极电流密度。以此方式，只要电流密度低并且阴极电势被控制成与Ag/AgCl参考电极相比不比-1.1V更负，就不会在阴极表面生成氢气。

通过使用本发明的可忽略TRO浓度消毒办法，还降低或去除了水氧化腐蚀效果。另外，本发明的另一优点在于，时变DC偏置的脉动AC激励效果将引起在钢表面上容易地形成磁铁矿层，这进一步保护钢免受腐蚀。除了生成磁铁矿之外，还可以进一步调整DC偏压量和电流流动方向，以将钢管移位到更负的电解质电势，以使得它足够负以满足常规的完全腐蚀阴极保护标准，与Ag/AgCI参考电池相比，它必须比-0.8伏更负。

本发明的DC偏置的时变脉动波及其效果与单独的常规DC电解系统和纯AC ULF激励方法的组合以进行消毒不同。在本发明中，水中生成的波和电流也与组合DC电解和纯ACULF激励的效果完全不同。利用在一个共同的水外壳中的分开的DC电解和AC ULF激励，固定的恒定DC电流(没有本发明的脉动效果)在水中独立地行进而没有任何脉冲，并且所生成的纯AC ULF波也在水中以相同的正和负电压/电流幅值保持交替对称而没有任何DC偏移。这意味着水中没有可以检测到的时变DC脉动波。在本发明中，在水中以及在电极上检测到的波形是定向脉动时变DC脉冲AC波。

本文对外壳的引用包括对一个或多个腔室的引用，并且还可以包括管道。外壳可以是闭环系统或者开环系统的一部分。

本发明与常规DC电解/纯AC ULF之间的另一主要区别在于消毒机制和所产生的效果。

本发明的系统和方法的时变DC脉动波由于其脉动离子电磁AC波性质而能够穿透生物膜并且还可以影响生物体的包囊或卵。这解决了生物膜穿透问题，并且也解决了细胞对化学物/TRO的抗性问题。与化学处理不同，时变DC偏置的脉动AC波消毒处理还未显示出细菌或其它生物体形成任何免疫力的任何迹象。浮游植物的再生长试验也证实，当给予正确剂量的处理时，浮游植物不能再生长，这因此也提供了长期的残余效果。

时变DC脉动AC波的另一主要益处是其消毒功效对水的电导率的变化不如现有技术系统敏感。对于DC电解，阳极输出电流以及因此释放到水中的TRO数目与水的电导率成比例。在许多情形中，当船舶从海洋驶入河口或河流时，DC电解电流输出由于较低的水的电导率而降低，这随后影响处理功效。海水可以存储在船上以生成氯气，但它占用大量的水箱空间。相比之下，由于时变DC脉动AC波处理不依赖于高的TRO量来杀灭生物体并且其主要机制是经由脉动AC波效应和电极表面上的瞬时电子交换反应的协同效应，因此所产生的TRO的量不会影响整体处理功效并且因此水的电导率不会影响结果。时变DC脉动AC波在淡水和海水两者中都起到良好作用，并且它受水的电导率和水中氯化物含量变化的影响远小于DC电解系统。

本申请要求其优先权的申请中描述了用于产生和施加DC偏置的时变脉动AC波的系统和方法的特征。

由此，DC偏置单元可以选自包含以下各项的组：开关模式DC电源、AC至DC转换器、可再充电DC电池以及电感二极管滤波器。用于生成叠加的时变频率电磁波的设备可被提供为预先制造的电子电路。所述DC偏置单元可根据实际需要和要求来提供可变的DC偏置电压或固定的DC偏置电压。

在一些情形中，DC偏置电压被选择成使得叠加的时变频率AC电磁波被产生为具有极性非对称性或变成单向脉动波，或者DC偏置单元被选择成产生具有半波畸变、部分畸变或全波畸变的叠加的时变频率AC电磁波。

第一激励位点和第二激励位点的位置可根据实际需要和要求而变化。这两个激励位点可以间隔开的关系被布置在压载水中或压载水系统的外壳的相同表面上，或者压载水系统的两个不同表面上，或者可被布置在压载水中和压载水系统的一个或多个表面上。

在本发明的一个实施例中，所述AC波发生器包括：被配置成以期望的扫描时间生成具有所述时变频率AC电磁波的信号的控制单元，以及耦合到所述控制单元以用于接收从所述控制单元生成的所述信号的一个或多个桥接型电路，所述桥接型电路由所接收到的信号驱动以生成并放大所述时变频率AC电磁波的所述AC驱动信号，其中，所述桥接型电路被配置成包括一个或多个半桥驱动器集成电路(IC)以及耦合到相应半桥驱动器IC的一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在另一实施例中，所述控制单元包括用于对所述AC驱动信号的频率进行时变的可编程集成电路(IC)，以及可任选地用于稳定所述AC驱动信号的稳定器电路。

有利地，叠加的时变频率电磁波的频率在大约100Hz至大约1MHz之间，并且优选地在大约100Hz至大约200kHz之间。叠加的时变频率电磁波的扫描频率在大约1Hz至大约1KHz之间，并且优选地在大约10Hz至大约100Hz之间。

不同于现有技术中已知的方法和系统，本发明的实质是使用叠加的时变频率电磁波来施加于待处理的物体或区域上。因此，物体或区域同时经受电场和磁场的影响以及AC脉动和DC偏置的分量的影响。作为结果，在导电物体中或介质中产生的电流可携带脉动的带正电荷和负电荷的离子、电子或其它电荷，这增加了分子簇和溶解离子的振动和旋转内能，并引起对物体和介质的直接激励。

为了更好地理解本发明，结合附图参考本发明的以下非限制性描述及其实施例。

附图简述

图1是根据本发明的第一实施例构造的叠加的时变频率电磁波系统的示例性布置的示意图。

图2是根据本发明的第二实施例构造的叠加的时变频率电磁波系统的示例性布置的示意图。

图3A和3B是根据本发明的第三实施例构造的叠加的时变频率电磁波系统的示例性布置的示意图。

图4A和4B是根据本发明的第四实施例构造的叠加的时变频率电磁波系统的示例性布置的示意图。

图5A至5C是叠加的时变频率电磁波的第一示例性波形的示意图。

图6A至6D是叠加的时变频率电磁波的第二示例性波形的示意图。

图7A至7D是叠加的时变频率电磁波的第三示例性波形的示意图。

图8A至8C是叠加的时变频率电磁波的第四示例性波形的示意图。

图9A和9B是叠加的时变频率电磁波的第五示例性波形的示意图。

图10是示例性AC波发生器的示意图。

图11是根据本发明的压载水处理系统的示例性布置的示意图。

图12是根据本发明的压载水处理系统的替换示例性布置的示意图。

在附图中，类似的部分由类似的参考标记来指定。

优选实施例的详细描述

虽然相对于非限制性优选实施例来解说和描述本发明，但可以以许多不同的配置、大小、形式和材料来产生用于向目标物体或目标区域施加叠加的时变频率电磁波的系统。

本文所使用的术语“介质”可以指围绕物体的气体、液体或固体或者其任何组合，并且介质和物体一起形成需要期望的处理效果的区域。有利地，介质是离子化的或导电的，例如电解质，诸如水、油、土壤等等。在本发明的优选实施例中，介质包括压载水。

本文所使用的术语“致动器”或“发射器”可以指能够采用叠加的时变频率电磁波来激励目标物体或目标区域，以使得该目标物体或区域经受叠加的时变频率电磁波的处理的元件。

图1至10以及下面的对应描述涉及用于产生叠加的DC脉动离子波电流的方法和系统。图11和12以及对应的描述涉及关于用于对压载水进行处理的方法和系统的特定发明。

现在参照附图，图1提供了被构造成与本发明的第一实施例一致的系统100。在本发明的该实施例中，系统100包括用于生成叠加的时变频率电磁波的设备110。设备110包括交流(AC)波发生器112以及与AC波发生器112串联电耦合的直流(DC)偏置单元116。

系统100进一步包括两个致动器120，这两个致动器120各自与设备110的相应输出端子电耦合。

如图1中所示，致动器120浸入被容纳在容器140中的导电液体130(即，水，诸如海水、淡水、河口水)中。本发明的致动器用于利用叠加的时变频率电磁波来激励导电液体130。第一激励位点150和第二激励位点160在液体中以间隔开的关系来布置，以使得它们与致动器120的连接不会造成短路的问题。设备110、致动器120和导电液体130一起形成闭环电路。在该实施例中，要对液体(水)130进行处理以用于控制细菌和生物生长的目的，并且可包括控制水垢形成、控制腐蚀、和/或控制水硬度。致动器120的材料可以是任何金属、固体导电材料或涂覆有导电材料的材料，并且可以选自包含以下各项的组：钢、铜、锌、石墨、不锈钢、钛、涂覆有金属氧化物的钛等等。致动器120可以是任何几何形状，包括圆形、正方形、矩形和三角形，并且可以以条、棒、管、盘、板、球、立方体、空心形式、实心形式、穿孔形式、网格等等形式来提供。致动器120可以浸入液体中，或者可以对包括金属和非金属材料或结构的导电材料实现直接激励。

AC波发生器112与电源电耦合并且被配置用于以期望的扫描时间生成具有时变频率的AC电磁波的AC驱动信号。电源可以是DC或AC电源。在本发明的优选实施例中，电源有利地具有DC性质并且向AC波发生器112提供输入DC信号。如图10中所解说的，AC波发生器112在该实施例中包括控制单元114，该控制单元114被配置和编程为以期望的扫描时间生成具有期望的时变频率的信号，由控制单元114生成的该信号处于毫安的数量级。

AC波发生器112进一步包括一个或多个桥接型电路115，这些桥接型电路115电耦合到控制单元114以接收由控制单元114生成的信号。桥接型电路115被配置成由接收到的信号驱动以生成并放大例如在毫安到安的幅值范围中的AC驱动信号。该AC驱动信号对应于具有期望扫描时间的时变频率AC电磁波，并且被传递给DC偏置单元116以便叠加在DC输出上。如所解说的，桥接型电路115包括两组并联的子电路。每个子电路包括与两个或更多个MOSFET连接的半桥驱动器集成电路。如果施加主AC源，则AC至DC转换器可被嵌入到AC波发生器112中以用于将AC电源转换成DC电源，随后将该DC电源施加于控制电路114。电源根据实际应用向AC波发生器112施加电压，例如在大约12V至大约200V之间。

可以在印刷电路板(PCB)上提供AC波发生器112中的各个电子组件。如果需要AC至DC转换器或整流器，则该AC至DC转换器或整流器还可以被安装在PCB上作为紧凑结构。

如上所述，控制单元114以期望的扫描时间生成时变频率信号。扫描时间被选择成确保液体具有正确的时间范围以在正确的暴露时间段内使其暴露于对应的频率。对于不同的应用，可选择宽泛范围的频率。优选地，本发明中使用的叠加的时变频率电磁波的频率可以在100Hz至1MHz的范围中，优选地在100Hz至200kHz的范围中，其中扫描频率在大约1Hz至1kHz之间，优选地在10Hz至100Hz的范围中。叠加的时变频率电磁波的波形可以是正方形、三角形、矩形、正弦或其他形式。在该实施例中，控制单元114包括用于对AC驱动信号的频率进行时变的可编程集成电路(IC)，以及用于稳定AC驱动信号的稳定器电路。

直流(DC)偏置单元116与AC波发生器112串联电耦合并且被配置用于产生具有可以是变化的或固定的预定义DC偏置电压的DC输出。DC偏置单元116被编程为使得DC输出与从AC波发生器112接收的经放大的AC驱动信号混合以产生叠加的时变频率电磁波，其中时变AC波加载在预定义的DC偏置电压上。在该实施例中，DC偏置单元116是开关模式DC电源。可再充电DC电池或AC至DC整流器电源对于DC偏置单元116是可能的替换方案。当可再充电DC电池被用作DC偏置单元116时，可以生成极纯DC输出并且该DC输出特别适合用于需要极纯DC源的一些应用。

DC偏置电压与来自AC波发生器112的AC脉动波的电压和频率匹配是有利的。一般而言，DC偏置电压低于时变脉动波电压。DC偏置电压因此可调节以适应不同的现场处理要求。在一些情形中，DC偏置源被配置成：假如时变脉动AC波涌入DC偏置源，则能够吸收电流/电压的流入。

本发明的一个特征在于：仅当AC波发生器112、DC偏置单元116和致动器120的正确组合彼此串联连接时才能生成唯一的叠加的时变频率电磁波。

本发明的叠加的时变频率电磁波不同于施加DC分量和分开的时变频率AC波的简单组合。如果将DC分量分开地施加于时变频率AC波，则液体中不产生或呈现叠加的DC脉动波。DC分量是静态的并将分开地施加其自己的DC影响，并且分开的时变频率AC波(其在正和负振幅上平衡而没有DC特性)也将施加其自己的影响。

当向AC波发生器112提供输入DC信号时，发生器112以特定的扫描时间生成并放大与时变频率AC电磁波相对应的AC驱动信号，该电磁波是例如正弦波形的波(参见图5A至5C)。时变频率AC交变电磁波的经放大的AC驱动信号被传递给DC偏置单元116，其中具有预定义偏置电压V_DC的DC偏置输出与该AC驱动信号混合。该混合的结果是AC-DC叠加信号，其中时变AC电磁波加载在DC预设电平上，以产生具有混合频率电压的叠加的时变频率电磁波(后文称为“DAC波”)。在DAC波中，DC分量不是静态的，而是随着AC分量以脉动和时变的方式行进。因此，液体130中将产生包含DC分量的脉动离子波电流，即，存在在液体130中流动的物理离子或电荷，这是本发明的重要和区别特征。在经受这种离子波电流之后，包括液体的振动和旋转能的内能将改变，这产生携带电子或正电荷的液体分子簇。这可以改变液体分子的聚簇布置，并且更重要的是，能量在被完全耗散到环境之前能够存储在液体中达一时间段。液体中所存储的能量对于各种处理效果起到重要作用。

在一些情形中，控制DAC波以具有可控制的DC叠加幅值是必要的。例如，当施加DAC波以用于生物污垢控制目的时，DC偏置电压V_DC可被设置成使得DC叠加幅值可以被控制成在连续变化或步进中在-60V至+60V之间变化，当然可以施加更高的电压。一般而言，DC施加幅值的最大极限由安全操作限制确定并被控制成小于脉动波峰值电压。负极性和正极性可以永久地设置，或者通过以预编程的频率或手动切换端子极性来控制。

DAC波的极性主要由DC分量表征，并且取决于DC分量的极性和整个环路电源电流的流向。DAC波的平均电压可以被视为具有两个分量，一个是AC振幅并且另一个是DC偏置电压。这些幅值中的每一者具有其自己的功能，但它们往往也彼此提供协同效应。在一些场景中，大的AC电压振幅是必要的，例如以便推迟生物体附着。在其他场景中，DC幅值(即，DC偏置电压)是重要的，例如，在腐蚀控制中提供覆盖要保护的结构表面的足够的电流密度以满足完全腐蚀保护准则。此外，AC与DC振幅的比率在一些应用(诸如控制所产生的消毒剂效果的类型)中是重要的。高的DC幅值可以生成更长残留时间的消毒剂，而高的AC幅值可以产生更短寿命的消毒剂。因此，可以根据DAC波所要求的实际应用来调节和选择AC振幅电压和DC偏置电压。

在本发明的优选实施例中，DAC波的极性可非对称地改变，如图5A至5C中所示。在图5A中DAC正弦波从未变负，在图5C中DAC正弦波从未变正，并且在图5B中DAC正弦波为正所花费的时间比为负的时间更多。用于改变DAC波的极性的一种方法是将DC偏置单元配置成给出不同的DC偏置电压V_DC以使得如果期望则可以改变DAC正弦波的极性。

非正弦波形对于本发明是可能的，例如正方形波、矩形波、三角形波等等。图6A至6D和图7A至7D解说了波形的一些可能变型。在DAC波的某些应用中，诸如当将DAC波施加于水以便防止生物污垢时，使用畸变波形而不是常规波形对于生物体控制可以产生更好的效果。认为生物体发现难以适应波形的变化，并且因此可以实现更有效的消毒结果。在图8A至8C中，解说了波形畸变的一些示例。可以通过滤波二极管或滤波器电路来获得畸变波；或者AC波发生器可被编程为产生许多其它可能的畸变波形。

现在转到图2，解说了被构造成与本发明的第二实施例一致的系统200。该实施例的系统200在结构上与上面第一实施例中所示的系统相同，不同之处在于电感二极管滤波器216被选择为DC偏置单元。电感二极管滤波器216用于过滤时变频率AC电磁波的正半波或负半波中的全部或部分，以产生仅具有正分量或负分量的非对称波。在该实施例中，DAC波被偏置成具有仅朝向正或负方向的振幅并生成如图9A和9B中所示的波形。

图3A和3B解说了被构造成与本发明的第三实施例一致的系统300。该实施例的系统300在结构上与上面第一实施例中所示的系统相同，不同之处在于管道340和流体(诸如在管道340中流动的水330)一起形成待处理的目标区域。在图3A中，管道340由非金属材料制成，以使得两个致动器320被放置成与位于流体中的第一和第二激励位点连接。如果需要，电感器可被布置成与激励位点中的一者连接，以增强电磁效应。在图3B中，管道340由金属材料制成。在该情形中，一个致动器320被放置在流体中。另一激励位点被置于管道340自身上，并且该激励位点与用于生成DAC波的设备的输出端子直接电耦合。DAC波在液体330中和管道340中可以随机地朝向不同方向行进，这确保DAC波可以到达液体中和管道中的许多盲点或盲区，并且因此这些盲点或盲区经受DAC波处理。在一些非常难以到达的盲点或盲区情形中，可在盲点区域处提供额外的连接点360以强制DAC波的返回。

图4A和4B解说了被构造成与本发明的第四实施例一致的系统400。该实施例的系统400在结构上与上述第一实施例中所示的系统相同，不同之处在于以线圈420的形式提供致动器以激励目标区域。铁氧体可被纳入线圈内或线圈外部以增强磁场效应。同样地，线圈420可以浸入液体中(图4A)或在液体上方(图4B)。

在本发明的方法中，致动器可以被放置在水中。致动器的位置可以离结构长的距离，以使得在电解质中产生的电势梯度最小。当致动器被放置成“远离”结构时(或反之亦然)，DAC波将能够跨整个结构表面均匀分布，从而提供均匀和完整的保护效果。

上面实施例中所讨论的系统可以唯一地产生所需要的DAC波。针对特定的应用可以选择正确的系统以获得期望的处理效果。

本发明提供了上述时变DC脉动波的特定应用以便对压载水和压载水处理系统进行处理。

图11和12解说了本发明的替换实施例。应当注意，每个实施例中所示出的元素与在任何其它实施例中所解说的元素可互换。图11示出了对具有非金属外壳结构或具有非金属内部布线的钢(或其他金属)外壳的系统的效果，并且图12示出了对于不具有非金属布线结构的金属外壳的效果。

在本发明中，如图11和12中所示，对经由机械分离装置500传递到处理系统中的压载水330使用时变DC脉动波消毒系统。使用机械分离装置500来执行对主要长度尺寸>50μm的颗粒和生物体进行预先分离，该机械分离装置500可以是任何适当的装置，诸如滤器、旋风器或过滤器。可预期的是，一些>50μm的生物体可能能够通过分离器500，但是大部分应当在过滤分离过程中被去除。可以纳入被放置在分离器500之后的处理流中的UV单元并且将不会影响系统性能。这种添加可以被视为本发明的可任选特征。

由DAC波发生器110生成DC偏置的时变脉动波。供电电源501向ULF波发生器110提供通常从230V/440V、50/60Hz AC电源整流的功率。波发生器110包括时变DC脉动波发生器，该时变DC脉动波发生器包含将传入的经整流DC电流转换成交流时变经调制的低频波作为输出的电子电路板。DC叠加可以通过各种装置来完成，例如通过使用可变输出的DC开关模式电源或可再充电DC电池(如图12中的附图标记610所指示的)或者电感二极管滤波器(如由图11中的附图标记510所指示的)，这产生了与非对称DC叠加的脉动时变波类似的处理效果，但是不需要任何附加的DC电源。

图11解说了非导电材料外壳540的布置，其中两个发射器520被放置在外壳540内的压载水330中。图12解说了金属或导电材料外壳640的布置，其中一个发射器620被放置在外壳640内的压载水330中，并且另一发射器660被放置在金属外壳640自身上。

被置于压载水中的发射器520、620优选地包括半消耗或不可消耗材料(诸如石墨)，或者可以包括例如硅铬铁、导电碳或涂覆有导电碳的基板、涂覆有金属氧化物的基板、或者涂覆有铂的钛或金刚石掺杂的基板。

接收净DC脉冲时变波的对应发射器520、660可以由任何金属材料或导电非金属材料制成。对于金属外壳640，外壳本身可以用作为接收净DC波的发射器660。

取决于处理功效要求，发射器或发射器对的数目可以串联或分开地倍增。还可以分开地控制发射器对的频率和强度以满足不同生物体的特定频率范围要求。

当使用非金属外壳540时，如图11中所示，可以并发地产生良好的雪崩电流。在非金属外壳640的情形中，如图12中所示，可提供非导电材料布线(未示出)以改善雪崩电流的产生。然而，材料(诸如，钢)的金属外壳640也将接收与通过产生由发射器激励能所生成的磁铁矿保护层的阴极保护类似的腐蚀保护效果。

图11和12示出了电感线圈570以控制输出电流。然而，替换地，脉宽调制技术可以被纳入DAC波发生器电路设计中并且随后可以用于控制输出电流、输出波形设计、脉冲频率、频率范围、扫描频率以及所施加的电压。

由DAC波发生器110生成的DC偏置的时变脉动波具有若干重要特性。脉动波具有可控制的DC叠加幅值，为了所有实践目的，该DC叠加幅值可以被控制以连续变化或步进的形式在-60V至+60V之间变化，但是可以施加更高的电压。一般而言，DC施加幅值的最大极限由安全操作限制确定并且还被控制成小于脉动波峰值电压。负极性和正极性可以永久地设置，或者可以通过以预编程的频率或手动切换端子极性来控制。

如上面讨论的，DC叠加的时变频率波的基本波形可以是正方形、三角形、正弦或其它随机形式，并且DC叠加的时变频率波的最终输出可以是图5至9中所示出的组合中的任何一种。

可以通过非对称ULF波或者通过使用电感二极管滤波器、常规二极管或滤波电路来产生DC偏置的时变脉冲波。当ULF波是非对称或偏移时，时变AC波将变成DC偏置的波。还可以分开地使用或添加相同的滤波或整流器组件来产生波形中的尖峰以增强消毒性能。

可以通过以下方法中的任何一种方法来提供本发明的DC叠加：

1.使用开关模式DC电源或具有可变或固定输出电压的其它AC至DC整流器电源。

2.如果使用电感二极管滤波器，则通过对AC波振幅的正或负半波的全部或一部分进行滤波从而将波振幅仅朝向正方向或负方向偏置来实现DC叠加。

3.可再充电DC电池也可以用于DC叠加目的，以替代电感二极管滤波器或DC。

4.通过使用特定的电路系统设计来产生期望的非对称AC脉冲时变波。

脉动波频率范围可以从100Hz至1MHz，并且优选地在0.1kHz至200kHz之间。

脉动频率范围的扫描频率可以是1至1000Hz之间的任何值。

如上面讨论的，当系统被安装在金属管道或外壳系统640中时，金属外壳可以用作为波返回发射器660。

如上面讨论的，发射波的发射器620的材料也可以从可消耗或不可消耗材料中选择。如果选择了可消耗材料，诸如镁或铝阳极，则这提供了不产生氯气的增加的优点。

本发明的进一步方面包括使用新的复合电极，该新的复合电极使用包覆有MgCO₃+MgO或提供碱性环境的其它碱性材料的钢棒，将能够在钢阳极表面上产生原位生成的磁铁矿层。这种电极已经与DC电流联用以生成磁铁矿，但这具有在磁铁矿产生之前常常产生Fe₂O₃的缺点。作为结果，钢棒将仍然被消耗并且形成永久电极的目标难以实现。在本发明中，利用DC偏置的时变脉动波来激励钢棒，并且由于存在脉动波而不是静态DC电流，因此磁铁矿由于来自该脉动波的较高激励能量效果而能够在钢棒上非常有效地形成。为了进一步增强磁铁矿形成，可以首先通过将钢棒连接到临时发射波的发射器，使用DC偏置的时变波来预先对钢棒施加能量。当钢棒在MgO+MgCO₃碱性环境中接收到来自临时发射波的发射器的DC偏置的时变波电流时，钢棒上将容易地形成磁铁矿层。在形成磁铁矿之后，钢棒从其作为波返回发射器的位置断开，并且它随后可以用作为持久的永久磁铁矿发射器。

可以以许多可能的布置来布置在处理系统中的可消耗、半消耗或永久波发射器和返回发射器以及组合的使用，或者根据需要进行修改以适应各种现场条件。一般而言，波发射器和返回发射器组装件可以是处理系统的常见管道系统的一部分，或者它们可以被布置在分开的波发射器/返回发射器腔室中。

在本发明的系统和方法中，由DC叠加量来控制或缓解水中的TRO。DC叠加控制可手动或经由自动TRO浓度反馈控制器来控制，以适应压载水处理要求或其它应用。

存在船舶在电导率具有未知突然变化的情况下必须在水中航行(诸如从淡水航行到海水，反之亦然)的许多情况。在这种情况下，将存在电导率的突然变化，以使得当在高电导率水中航行时电流输出可急剧增加，或者当船舶在淡水河流或湖泊中时输出电流将太低。通常，可使用恒定电流变换器来控制电流。然而，恒定电流变换器通过改变电压来调整电流输出，并且在高电导率海水的情况下，电压将需要下降至仅几伏(相比于淡水中48V的高电压)以避免过电流。这是因为海水的电导率可以高至50ms/cm并且淡水湖的水可以具有低至0.1ms/cm的电导率。当电压降至仅几伏的低电压时，该电压太低并且不足以产生生物体杀灭效果。类似地，如果最大电流被设置成容适高盐度条件下的最大电流，则在淡水条件下，电压保持在最大值，但是由于恒定的电流变换器整流器控制功能，电流太低而不能产生杀灭效果。

为了克服上述问题，在本发明中，可使用脉宽调制方法。在该实施例中，首先将预定的“有效杀灭电压和电流”设置到针对最低电导率条件的程序中。当电导率增加时，降低脉冲频带宽度以减小电流均方根值但电压保持恒定。以此方式，水中的生物体将经受所需要的电压和电流处理并且因此在所有类型的水条件下可以产生或维持良好的消毒效果。

对于本发明的所有实施例，生成时变DC脉动波如上面所描述并且包括将直流叠加在低频时变脉动电磁波信号上。低频时变电磁波可以是正弦、正方形、矩形或者甚至随机形式。然而，频率范围优选地在从100Hz至1MHz的范围中操作并且随着1至1000Hz的扫描频率而变化。频率范围以及扫描频率的选择将由流体质量、流速以及处理目的来确定。

本发明由此提供了一种用于向压载水和压载水处理系统施加叠加的时变频率电磁波的系统和方法，该系统和方法非常简单、相对不昂贵、并且更加环保。最重要的是，它满足USCG要求而具有相对低的功耗，该功耗可在船上获得而无需安装附加的发生器。

除非上下文另外指示，否则本发明的给定方面、特征或参数的偏好和选项应当被视为已结合本发明的所有其它方面、特征和参数的任何和所有偏好和选项被公开。

尽管本文所描述的各实施例旨在作为示例性系统和方法，但是本领域技术人员将领会，本发明不限于所解说的各实施例。本领域技术人员将借助技术人员的常识预想到许多其他可能的变化和修改而不脱离本发明的范围，然而，这样的变化和修改应当落入本发明的范围内。

Claims (32)

1.一种用于对包含水生生物体的压载水进行处理的方法，所述方法包括以下步骤：

生成净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波，其包括加载在具有预定义DC偏置电压的DC输出上的、具有时变频率的AC驱动信号；

向所述压载水施加所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波，以激励所述压载水和所述压载水中的所述水生生物体而引起具有DC分量的离子电流以脉动和时变AC的方式在所述压载水和驻留的水生生物体中行进的流动，以便感生所述压载水和驻留的水生生物体中的电子和分子的振动，所述振动用于杀灭所述水生生物体以防止生物污垢，

其中，向所述压载水施加所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波的步骤进一步包括：将所述时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波传送给一个或多个发射器，所述发射器被配置成传送所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生成净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波的步骤包括：

向超低频ULF波发生器提供经整流的DC功率，

从所述经整流的DC功率生成交流时变经调制的低频脉动波，以及

叠加所述交流时变经调制的低频脉动波以形成所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下进一步步骤：在所述压载水由所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波处理之前，使所述压载水通过机械过滤过程或UV单元。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括以下进一步步骤：在所述压载水由所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波处理之前，使所述压载水通过机械过滤过程或UV单元。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述发射器被包含在外壳中并且所述压载水通过所述外壳。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述外壳是导电材料，并且一个发射器被提供在所述压载水中并且另一发射器被提供在所述外壳上。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述导电材料包括金属材料。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述外壳包括非导电材料，并且至少一对发射器被提供在所述压载水中。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述外壳包括非金属材料，并且至少一对发射器被提供在所述压载水中。

10.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波的频率在大约100Hz至大约1MHz之间。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波的频率在大约0.1KHz至大约200KHz之间。

12.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波具有在大约1Hz至大约1KHz之间的扫描频率。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波具有在大约10Hz至大约500Hz之间的扫描频率。

14.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所生成的净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波是DC偏置的交流电流。

15.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个发射器包括涂覆有MgO+MgCO₃或其它碱性材料以创建碱性环境的钢棒，并且所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波使得能够在所述钢棒上形成磁铁矿层。

16.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波具有通过使用电感线圈来控制的输出电流。

17.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波具有由脉宽调制器来控制的输出电流。

18.一种压载水处理系统，包括：

用于向交流时变经调制的低频脉动波发生器提供功率的电源；

用于生成净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波的设备，其中，所述设备包括：

至少两个输出端子，

AC波发生器，所述AC波发生器被配置成以期望的扫描时间生成具有时变频率的AC电磁波的AC驱动信号，以及

DC偏置单元，所述DC偏置单元与所述AC波发生器串联电耦合，其中，所述DC偏置单元被配置成产生具有预定义DC偏置电压的DC输出，以用于与所述AC驱动信号混合而产生所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波，在所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波中，所述具有时变频率的AC电磁波加载在所述预定义DC偏置电压上；以及

发射器，所述发射器在所述压载水中或所述压载水和所述压载水处理系统中的第一激励位点和第二激励位点两者中的一者或每一者处被提供并且与所述设备的输出端子串联电耦合，其中，所述发射器被配置成将所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波传送给包含水生生物体的压载水，

其中，所述设备直接地或通过所述发射器与所述压载水中或所述压载水和所述压载水处理系统中的所述第一激励位点和所述第二激励位点串联电耦合，以使得所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波被施加于所述压载水或所述压载水和所述压载水处理系统中，以及

其中，所述设备被配置成叠加所述DC偏置输出和所述AC驱动信号以提供所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波，以便感生具有DC分量的离子电流以脉动和时变的方式在所述压载水和驻留的水生生物体中或所述压载水和驻留的水生生物体以及所述压载水处理系统中行进的流动，并实现所述压载水和驻留的水生生物体中或所述压载水和驻留的水生生物体以及所述压载水处理系统中的电子和分子的感应振动来杀灭所述水生生物体以防止生物污垢。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，进一步包括机械过滤系统，所述机械过滤系统用于：在所述压载水由所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波处理之前，将具有大于50μm的尺寸的颗粒和生物体从所述压载水中分离。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述机械过滤系统进一步包括UV腔室。

21.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，所述DC偏置单元选自包含以下各项的组：开关模式DC电源、AC至DC转换器、可再充电DC电池以及电感二极管滤波器。

22.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，用于生成所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波的设备被提供为预先制造的电子电路。

23.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，所述预定义DC偏置电压被设置为可变的或固定的。

24.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，所述设备被配置成：取决于所述DC偏置电压的选择，将所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波产生为具有极性非对称性或者变成单向脉动波。

25.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波的频率在大约100Hz至大约1MHz之间。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波的频率在大约0.1kHz至大约200kHz之间。

27.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波具有在大约1Hz至大约1kHz之间的扫描频率。

28.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波具有在大约10Hz至大约500Hz之间的扫描频率。

29.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一激励位点和所述第二激励位点两者都以间隔开的关系被置于所述压载水中，或者所述第一激励位点和所述第二激励位点中的一者被置于所述压载水处理系统上，并且所述第一激励位点和所述第二激励位点中的另一者被置于所述压载水中。

30.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，电感线圈被提供以控制所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波输出的输出电流。

31.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，脉宽调制器被提供以控制所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波输出的输出电流。

32.如权利要求18至20中任一项所述的系统，其特征在于，至少一个发射器包括涂覆有MgO+MgCO₃或其它碱性材料以创建碱性环境的钢棒，并且所述净时变叠加DC偏置的脉动AC电磁波使得能够在所述钢棒上形成磁铁矿层。

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