CN211595096U - 一种船舶压载水处理装置和处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种船舶压载水处理装置和处理系统，该装置包括光解氯消毒处理腔室和波长285nm紫外灯，所述光解氯消毒处理腔室具有压载水输入口、压载水输出口以及次氯酸投加口，所述波长285nm紫外灯设置在所述光解氯消毒处理腔室内，所述次氯酸投加口用于向所述光解氯消毒处理腔室内投加次氯酸，船舶压载水经所述压载输入口流入所述光解氯消毒处理腔室，次氯酸经所述次氯酸投加口进入所述光解氯消毒处理腔室，经所述光解氯消毒处理腔室内的所述波长285nm紫外灯辐射，进行光解氯消毒。应用本实用新型能够降低压载水处理系统对高紫外线辐照剂量和高氧化剂浓度的需求，降低现有技术的能耗与环境风险，并提高压载水处理的效率与可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及水处理技术领域，特别是涉及一种船舶压载水处理装置和处理系统。
背景技术
几个世纪以来，非本地生物的引入一直在全球范围内呈指数级增长。物种入侵威胁生物多样性，加速同质化，对海洋产业和人类健康造成负面影响。水生入侵物种传播最重要的途径是船舶压载水，通过压载水排放的入侵性藻类、贝类及细菌成为当今海洋中最严重的问题之一。美国海岸警卫队(USCG)和国际海事组织(IMO)分别在2012年和2016年生效了USCG ETV标准和《国际船舶压载水和沉淀物控制与管理国际条约》(简称压载水公约)，均对排放的压载水中微生物的浓度进行规定：(1)大于50um的微生物少于10/m3；(2)大于10um小于50um的微生物小于10/ml；(3)三个指示微生物，产毒霍乱杆菌(每100毫升小于1cfu)，大肠杆菌(每100毫升小于250cfu)和肠球菌(每100毫升少于100cfu)。2018年10月28日后，新船舶如要进入缔约国港口必须配有通过严格认证的的压载水处理系统，压载水处理系统全面进入高标准严要求时代。因此，有必要开发经济高效的压载水处理技术以保证压载水排放的安全性和高效性。
自压载水系统认可程序通过以来，截止2019年10月，全球有22家压载水处理系统通过USCG型式认证。大部分通过认证的压载水处理装置包括两个过程：(1)过滤/机械分离过程，该过程主要为了分离压载水中的较大颗粒杂质与生物体；(2)消毒灭活过程，该过程以紫外消毒和氧化技术为主要工艺，是压载水系统的主体单元。除了上述工程应用技术，一些文献中也提出了多种技术耦合应用于压载水消毒的方案。学者提出用紫外和纳米二氧化钛催化剂结合进行压载水消毒，此方案产生的羟基自由基氧化性强、灭活迅速，但催化剂流失和处置问题，限制了其工程应用；还有学者提出紫外、超声和臭氧技术结合的消毒方案，然而此方案需要较大占地空间和操作成本，超声波还可能对人体和船体造成威胁，消毒产生的副产物对环境有害，工程应用需要进行评估。
目前的压载水装置以紫外消毒或氧化技术作为主要工艺，两者均存在不同的缺点或技术问题。
紫外消毒工艺均采用传统紫外汞灯，采用该技术消毒存在以下问题：①对细菌这类微生物的效果较好，而杀灭压载水中存在的浮游植物、浮游动物等耐紫外微生物则需要增加紫外强度或辐照剂量，能耗较大；②紫外汞灯寿命短，含有有毒汞，易碎，需要预热，尺寸过大，使得在空间宝贵，维护造价高的船舶上应用具有局限性。
目前的氧化技术采用电解产次氯酸或二氧化氯，该技术的缺点是：①在低盐海水中产生高浓度的氧化剂成本较高；②通常需要高于10mg/L的氧化剂浓度才能完全杀灭微生物，但同时消毒产生的大量消毒副产物对水生环境也具有高风险性。
可见，现有处理系统和技术多存在建造和维护成本高、环境风险高、可靠性低的特性，需要开发出经济、高效、稳定的压载水处理技术和处理系统。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于弥补现有技术的缺陷，提供一种船舶压载水处理装置和处理系统，以降低压载水处理系统对高紫外线辐照剂量和高氧化剂浓度的需求，降低现有技术的能耗与环境风险，并提高压载水处理的效率与可靠性。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种船舶压载水处理装置，包括光解氯消毒处理腔室和波长285nm紫外灯，所述光解氯消毒处理腔室具有压载水输入口、压载水输出口以及次氯酸投加口，所述波长285nm紫外灯设置在所述光解氯消毒处理腔室内，所述次氯酸投加口用于向所述光解氯消毒处理腔室内投加次氯酸，船舶压载水经所述压载输入口流入所述光解氯消毒处理腔室，次氯酸经所述次氯酸投加口进入所述光解氯消毒处理腔室，经所述光解氯消毒处理腔室内的所述波长285nm紫外灯辐射，进行光解氯消毒。
进一步地：
还包括次氯酸发生器，所述次氯酸发生器与所述次氯酸投加口相连。
所述波长285nm紫外灯为紫外LED。
所述波长285nm紫外灯包括多块LED光源面板。
所述多块LED光源面板包括第一排光源面板和第二排光源面板，所述第一排光源面板垂直固定在所述光解氯消毒处理腔室的在所述压载水输入口至所述压载水输出口之间的第一内壁上，所述第二排光源面板垂直固定在所述光解氯消毒处理腔室的在所述压载水输入口至所述压载水输出口之间的第二内壁上，所述第一排光源面板和所述第二排光源面板相间交错排布，在所述光解氯消毒处理腔室内形成具有多重曲折回转的压载水通道。
所述第一内壁和所述第二内壁是相对的两个内侧壁。
一种船舶压载水处理系统，包括所述的船舶压载水处理装置以及与所述船舶压载水处理装置相连的压载水管路。
本实用新型具有如下有益效果：
本实用新型提出一种船舶压载水处理装置，用波长285nm的紫外灯联合投加次氯酸钠的光解氯消毒处理腔室进行船舶压载水光解氯消毒，兼具最佳灭活效果与最低灭活能耗，能够显著地降低压载水处理系统对高紫外线辐照剂量和高氧化剂浓度的需求，降低现有技术的能耗与环境风险，并提高压载水处理的效率与可靠性。
将本实用新型紫外灯辐照-光解氯联合的消毒技术方案应用于海洋环境，能够改善现有压载水消毒技术的维护成本高、能耗高、可靠性低、环境风险高的问题。
与传统技术相比，本实用新型实施例提出的基于波长285nm紫外LED光解低剂量氯的船舶压载水处理装置，其优势具体体现在如下方面：
①大幅降低系统对紫外线辐照剂量需求，并提升了整体消毒效率；
②处理能耗低，与紫外LED消毒比在相同消毒效率下能耗至少降低12倍；
③环境风险低，低浓度氯即可完全杀灭微生物，避免了高浓度消毒副产物的产生；
④紫外LED波长可选择性，使得可匹配285nm波长的紫外光，大幅度提高消毒效果；
⑤与传统汞灯相比LED光源，无汞绿色安全，坚固紧凑占地小，无需预热，寿命长，后期运营维护成本低。
附图说明
图1为本实用新型一种实施例的船舶压载水处理装置的俯视剖面示意图。
图2为本实用新型一种实施例的船舶压载水处理装置的立体透视结构图。
图3为本实用新型一种实施例的船舶压载水处理系统的结构示意图。
图4为不同波长紫外LED-光解氯(0.6mg/L)消毒装置对卡德藻的灭活速率图；
图5为不同波长紫外LED-光解氯灭活卡德藻每降低2log的灭活能耗对比图；
图6为不同氯投加量、不同剂量下，285nm紫外LED-光解氯灭活卡德藻的效果对比图；
图7为五种波长光解氯(0.6mg/L)灭活卡德藻后的水样余氯浓度的对比图。
具体实施方式
以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。
参阅图1和图2，本实用新型的实施例提供一种船舶压载水处理装置1，包括光解氯消毒处理腔室15和波长285nm紫外灯14。所述光解氯消毒处理腔室15具有压载水输入口11、压载水输出口12以及次氯酸投加口13，所述波长285nm紫外灯14设置在所述光解氯消毒处理腔室15内。所述光解氯消毒处理腔室15设置在待处理的船舶压载水的压载或排放路径上，所述压载水输入口11和所述压载水输出口12与对应的压载水管路31相连。所述次氯酸投加口13用于向所述光解氯消毒处理腔室15内投加次氯酸。工作时，船舶压载水经所述压载输入口11流入所述光解氯消毒处理腔室15，次氯酸经所述次氯酸投加口13进入所述光解氯消毒处理腔室15，经所述光解氯消毒处理腔室15内的所述波长285nm紫外灯14辐射，进行光解氯消毒之后，再从所述压载水输出口12输出。
本实用新型实施例的船舶压载水处理装置1，用波长285nm的紫外灯14进行船舶压载水光解氯消毒，兼具最佳灭活效果与最低灭活能耗，能够显著地降低压载水处理系统对高紫外线辐照剂量和高氧化剂浓度的需求，降低现有技术的能耗与环境风险，并提高压载水处理的效率与可靠性。
在优选的实施例中，所述船舶压载水处理装置1还包括次氯酸发生器(未图示)，所述次氯酸发生器与所述次氯酸投加口13相连。
在优选的实施例中，所述波长285nm紫外灯14为紫外LED。
如图1和图2所示，在更优选的实施例中，所述波长285nm紫外灯14包括多块LED光源面板。
如图1和图2所示，在进一步优选的实施例中，所述多块LED光源面板包括第一排光源面板和第二排光源面板，所述第一排光源面板垂直固定在所述光解氯消毒处理腔室15的在所述压载水输入口11至所述压载水输出口12之间的第一内壁上，所述第二排光源面板垂直固定在所述光解氯消毒处理腔室15的在所述压载水输入口11至所述压载水输出口12之间的第二内壁上，所述第一排光源面板和所述第二排光源面板相间交错排布，在所述光解氯消毒处理腔室15内形成具有多重曲折回转的压载水通道。
在图1和图2所示的优选实施例中，固定所述第一排光源面板和所述第二排光源面板的所述第一内壁和所述第二内壁是相对的两个内侧壁。在其他实施例中，所述第一内壁和所述第二内壁可以不是相对的内侧壁，例如也可以是上下壁或者相邻的两个壁，所述第一排光源面板和所述第二排光源面板也可以相间交错排布并形成曲折通道。
本实用新型中所述波长285nm紫外灯14优选为紫外LED，在其他实施例中，紫外灯14也可以采用传统的紫外汞灯，只要波长在285nm即可。
参阅图3，本实用新型实施例还提供一种船舶压载水处理系统3，包括前述任一实施例所述的船舶压载水处理装置1以及与所述船舶压载水处理装置1相连的压载水管路31。
以下结合进一步描述使用本实用新型具体实施例的船舶压载水处理装置实施光解氯消毒的原理和优点。
在光解氯消毒中，紫外波长和氯浓度是影响消毒效率的显著因素。本实用新型选取285nm波长紫外灯14，实现灭活高效、低能耗的船舶压载水消毒处理。
发明人经过大量研究实验发现，对于紫外波长，255-265nm的紫外线与微生物细胞的核酸类物质吸收峰范围接近而最容易杀灭微生物，但其光电转换效率和氯的光解速率较低，无法取得高的灭活速率；280-285nm波长的紫外线与次氯酸根的最大吸收峰重合度较高，使得紫外发射光谱与自由氯的吸收或量子产额最大值易于匹配，能够兼具高光电转换效率和高氯光解速率的优点，灭活速率高；300-310nm紫外线-光解氯虽然同样具有较高的灭活速率，但灭活后的微生物容易复活，再次排放到环境中仍有生物入侵的风险。本实用新型实施例选用285nm这一特定波长的紫外灯作为光解氯消毒装置的光源，实现了兼具经济性与高效性。
本实用新型实施例中采用的氯为次氯酸钠。在海水的碱性环境中，次氯酸钠多以次氯酸根的形式存在，紫外光解次氯酸根产生羟基自由基和氯自由基等强氧化物质对微生物进行灭活。区别于传统电解氯消毒，本实用新型的光解氯消毒法仅需要0.6-0.8mg/L即可达到灭活效果，排放时无需中和，绿色高效。
通过实验，使用压载水公约中规定的指示生物卡德藻(浓度为6*104cells/mL)，验证本实用新型的原理、优势及实施可行性。
1)筛选最佳灭活与最低能耗的紫外LED波长
使用波长265、280、285nm、300nm和310nm的紫外LED对藻负荷为6*104cells/mL的水样进行灭活，水样接受的平均辐射强度为1.5mW/cm2。图4给出了不同波长紫外LED-光解氯(0.6mg/L)消毒装置对卡德藻的灭活速率；图5给出了不同波长紫外LED-光解氯灭活卡德藻每降低2log的灭活能耗对比。
参见图4，从灭活效果上看，紫外LED-光解氯技术无需投加高浓度的氧化剂，0.6mg/L的氯浓度即可满足IMO和USCG中对排放的压载水中微生物浓度的要求。其中，285nm紫外LED-光解氯灭活所需紫外剂量最低，150mJ/cm2可满足压载水排放要求。
参见图5，从灭活能耗上看，紫外LED-光解氯联合技术相比单一紫外LED技术至少降低12倍的灭活能耗。其中，285nm的紫外LED-光解氯取得了最佳灭活能耗。
因此，本实用新型采用285nm波长的紫外LED进行船舶压载水光解氯消毒，兼具最佳灭活效果与最低灭活能耗。
2)筛选紫外LED-氯联合技术中最适氯浓度范围
在实际应用中，氯浓度和紫外剂量是影响船舶压载水消毒效果的主要影响因素。图6给出了不同氯投加量、不同剂量下，285nm紫外LED-光解氯灭活卡德藻的效果。从图6中可见，0.6mg/L的氯浓度配合200mJ/cm2的紫外剂量；0.8mg/L的氯浓度配合100mJ/cm2的紫外剂量可满足IMO和USCG中对排放的压载水中微生物浓度的要求。图7给出了五种波长光解氯(0.6mg/L)灭活卡德藻后的水样余氯浓度。可见，紫外剂量大于100mJ/cm2时，处理后的水样中余氯浓度满足IMO对于处理后压载水余氯浓度必须低于0.2mg/L的要求，处理后的压载水无需考虑中和余氯，可达到直接排放的标准。因此，本实用新型选用大于等于0.8mg/L的浓度范围作为紫外LED-光解氯技术的投加氯浓度范围。
采用285nm波长的紫外LED和低浓度氯联合对船舶压载水进行光解氯消毒，在降低处理成本的同时，更具有低海洋环境风险的优点。
将285nm波长紫外线-光解氯联合的消毒技术方案应用于海洋环境，能够改善现有压载水消毒技术的维护成本高、能耗高、可靠性低、环境风险高的问题。
本实用新型的背景部分可以包含关于本实用新型的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由本专利申请限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (7)
1.一种船舶压载水处理装置，其特征在于，包括光解氯消毒处理腔室和波长285nm紫外灯，所述光解氯消毒处理腔室具有压载水输入口、压载水输出口以及次氯酸投加口，所述波长285nm紫外灯设置在所述光解氯消毒处理腔室内，所述次氯酸投加口用于向所述光解氯消毒处理腔室内投加次氯酸，船舶压载水经所述压载输入口流入所述光解氯消毒处理腔室，次氯酸经所述次氯酸投加口进入所述光解氯消毒处理腔室，经所述光解氯消毒处理腔室内的所述波长285nm紫外灯辐射，进行光解氯消毒。
2.如权利要求1所述的船舶压载水处理装置，其特征在于，还包括次氯酸发生器，所述次氯酸发生器与所述次氯酸投加口相连。
3.如权利要求1或2所述的船舶压载水处理装置，其特征在于，所述波长285nm紫外灯为紫外LED。
4.如权利要求3所述的船舶压载水处理装置，其特征在于，所述波长285nm紫外灯包括多块LED光源面板。
5.如权利要求4所述的船舶压载水处理装置，其特征在于，所述多块LED光源面板包括第一排光源面板和第二排光源面板，所述第一排光源面板垂直固定在所述光解氯消毒处理腔室的在所述压载水输入口至所述压载水输出口之间的第一内壁上，所述第二排光源面板垂直固定在所述光解氯消毒处理腔室的在所述压载水输入口至所述压载水输出口之间的第二内壁上，所述第一排光源面板和所述第二排光源面板相间交错排布，在所述光解氯消毒处理腔室内形成具有多重曲折回转的压载水通道。
6.如权利要求5所述的船舶压载水处理装置，其特征在于，所述第一内壁和所述第二内壁是相对的两个内侧壁。
7.一种船舶压载水处理系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的船舶压载水处理装置以及与所述船舶压载水处理装置相连的压载水管路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201922270789.3U CN211595096U (zh) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | 一种船舶压载水处理装置和处理系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN211595096U true CN211595096U (zh) | 2020-09-29 |
Family
ID=72593062
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|---|---|
| CN (1) | CN211595096U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111018044A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-17 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种船舶压载水处理装置、处理系统和方法 |
-
2019
- 2019-12-17 CN CN201922270789.3U patent/CN211595096U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111018044A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-17 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种船舶压载水处理装置、处理系统和方法 |
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