СИСТЕМА ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СУДОВЫХ БАЛЛАСТНЫХ ВОД

Предлагаемое техническое решение относится к технологии обезвреживания судовых балластных вод.
Согласно требованиям Международной конвенции о контроле судовых балластных вод и осадков (International Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments. International Maritime Organization.http://www.imo.org (Accessed on 1 November 2004)), все морские суда должны быть снабжены оборудованием для обезвреживания балластных вод перед входом в новые акватории с целью исключения попадания чужеродных, в том числе патогенных, микроорганизмов из одних акваторий в другие. Эти организмы могут причинить большой ущерб экологической безопасности и экономике государства.
Известна японская система управления балластными водами, предложенная фирмами Hitachi Plant Technologies (HPT) и Mitsubishi Heavy Industries (МHI). (The Motorship, vol. 90, September 2009). Система содержит магнитный сепаратор, блоки коагуляции и флокуляции, мешалки и средства контроля качества воды. При перемешивании воды удаляются планктон, бактерии, грязь и другие субстанции в форме намагниченных хлопьев диаметром около 1 мм. Проходя через магнитный сепаратор, хлопья задерживаются на магнитных дисках и сбрасываются во флокуляционный танк. На конечной стадии очищенная вода фильтруется в механическом фильтре-сепараторе перед ее подачей насосом в балластные цистерны. Недостатком системы является сложность оборудования и технологии, необходимость использования дорогостоящих расходных реагентов, высокая трудоемкость, экологическая опасность.
Известна (информация из Интернета, апрель 2011 г. http://www.mbsz.ru/03/48.php) система обработки судовых балластных вод SEDNA (Safe Effective Deaction of Non - indigenous Aliens). Система состоит из гидроциклонов для удаления осадка, самоочищающегося фильтра с тонкостью фильтрации 50 мкм и биоразлагающего оксиданта. Все оборудование изготовлено из нержавеющей стали. Недостатком системы является необходимость использования химреагентов (биоразлагающего оксиданта) в качестве основного средства обезвреживания воды. Такое решение не учитывает фактора резистентности микроорганизмов и, в ряде случаев, не обеспечивает требуемого качества обеззараживания балластной воды. Кроме того, использование химреагентов неизбежно сопряжено с определенной опасностью для обслуживающего персонала и окружающей среды. Известны (Заявка на изобретение RU 2008121929 от 27.10.2006 г.) способ и устройство для уничтожения микроорганизмов в балластной воде судов. Способ включает в себя следующие операции: дезоксигенация балластной воды, содержащей аэробные микроорганизмы, за счет перемешивания балластной воды под вакуумом в течение первого периода времени, причем указанная операция дезоксигенации позволяет удалять растворенный кислород из балластной воды; и после операции дезоксигенации, герметизация пространства, в котором содержится обработанная балластная вода, на второй период времени, пока не произойдет снижение исходной популяции. Недостаток устройства - низкое качество очистки воды от взвешенных примесей и сложность оборудования для дезоксигенации.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению объектом является блок фильтров для очистки морской воды от взвешенных веществ и нефти на нефтебуровой платформе (патент на полезную модель RU 48513, приоритет от 20.12.2004 г.).
Сущность известного технического решения по патенту RU 48513 заключается в следующем. Блок фильтров содержит ряд цилиндрических корпусов, соединенных параллельно, в полости которых на трубной доске закреплены фильтрующие элементы, изготовленные в виде проволоки некруглого сечения, намотанной на дырчатый каркас, причем, в проволоке выполнены пазы, образующие фильтровальные щели размером 80 мкм. Блок укомплектован узлом электролитического хлорирования морской воды, состоящим, например, из электрохимического генератора хлора (ЭХГ) и насоса - дозатора, узлом принудительной химпромывки, состоящим из реактора-растворителя, подогревателя и циркуляционного насоса. Кроме того, блок укомплектован системой регенерации фильтрующих элементов, включающей быстрозапорный клапан и обеспечивающей «шоковую промывку» противотоком воды. Блок фильтров работает на принципе непрерывной фильтрации морской воды через фильтрующие элементы и периодической (по мере загрязнения) регенерации элементов с помощью «шоковой промывки» и активного хлора. В случае сильного загрязнения выполняется усиленная химическая промывка системы с помощью предварительно растворенных и подогретых химреагентов, циркулирующих принудительно по замкнутому контуру.
К существенным недостаткам технического решения по патенту RU 48513 относятся:
1 Блок фильтров не обеспечивает гарантированное обезвреживание судовых балластных вод. Данный недостаток обусловлен отсутствием в составе блока фильтров эффективных средств обеззараживания, воздействующих на воду непрерывно в течение всего периода хранения балласта на борту судна. Периодически действующий генератор активного хлора не способен обезвредить широкий спектр биологических объектов и патогенных микроорганизмов. Кроме того, тонкость фильтрации (80 мкм) не обеспечивает задержание потенциально опасных дисперсных примесей размером 50…80 мкм. Мониторинг качества воды в устройстве не предусмотрен.
2 Высокие эксплуатационные затраты. Для эксплуатации блока фильтров требуются дорогостоящие химические реагенты (кислоты, щелочи и др.), сжатый воздух для регенерации фильтрующих элементов, теплоносители (горячая вода, пар и т.п.) для подогрева реагентов, ручной труд для обслуживания блока.
3 Не обеспечена экологическая безопасность при обработке балластных вод, поскольку никаких средств нейтрализации сбросов не предусмотрено и поэтому не исключена возможность сброса в окружающую среду отработанных химреагентов и загрязненных нефтепродуктами промывных вод.
4 Не обеспечена санитарная безопасность обслуживающего персонала. Работа устройства сопряжена со значительным шумом и вибрацией от «шоковой промывки». Кроме того, работа с химическими реагентами вредна и опасна для обслуживающего персонала.
По причине указанных выше недостатков известный блок фильтров по патенту RU 48513 не эффективен при использовании в качестве средства обезвреживания судовых балластных вод.
Заявляемое устройство направлено на решение следующих технических задач:
1 Повышение качества обезвреживания балластных вод.
2 Минимизация эксплуатационных затрат.
3 Обеспечение экологической безопасности.
4 Обеспечение санитарной безопасности обслуживающего персонала.
1
2
1
2
Указанные технические задачи решены благодаря тому, что система обезвреживания судовых балластных вод, включающая блок патронных фильтров, блок электрохимического хлорирования воды, запорную арматуру, насосы, трубопроводы и устройство регенерации фильтрующих элементов, дополнительно укомплектована генератором ионов меди, блоком ультрафиолетового (УФ) облучения, блоком озонирования, а также системой мониторинга и управления (СМУ), выполненной с возможностью многовариантного, например, по закону случайных чисел подключения блока электрохимического хлорирования, блока ультрафиолетового облучения, блока озонирования и с возможностью многовариантного дозирования биоцида в пределах допустимых концентраций. Кроме того, генератор ионов меди размещен по направлению потока воды до блока патронных фильтров и выполнен в виде цилиндрического корпуса, загруженного смешанной медно-титановой шихтой, состоящей из отрезков медной и титановой проволоки с объемным соотношением медной N и титановой N частей шихты: N/N>1. В то же время фильтрующие элементы изготовлены из проволоки треугольного сечения, навитой на перфорированную трубу таким образом, что вершина треугольника прилегает к цилиндрической поверхности перфорированной трубы, основание треугольника выполнено полированным и расположено параллельно оси трубы, и соседние витки образуют между собой фиксированный зазор, соответствующий требуемой тонкости фильтрования. Также устройство регенерации фильтрующих элементов выполнено с возможностью использования в качестве промывной воды фильтрата от генератора ионов меди.
Предлагаемая система обезвреживания судовых балластных вод (далее по тексту - система) поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - схема гидравлическая принципиальная системы;
на фиг.2 - корпус фильтра;
на фиг.3 - фильтрующий элемент;
на фиг.4 - схема процесса фильтрации;
на фиг.5 - схема процесса регенерации;
Система (фиг.1) включает насос 1 подачи забортной морской воды, генератор ионов меди 2 в виде цилиндрического корпуса с медно-титановой шихтой 3, блок фильтров Ф1, Ф2, Ф3 (поз.4, 6, 7), укомплектованных фильтрующими элементами 5, блок ультрафиолетового (УФ) облучения 8 с УФ-лампами 9, блок электрохимического хлорирования воды 10 с дозирующим насосом, блок озонирования 11 с дозерным насосом, блок датчиков 12, размещенный в балластном танке 13, электромагнитные клапаны 14…27, систему мониторинга и управления (СМУ) 28, соединенную электрическими цепями 29 с датчиками 12, клапанами 14…27 и насосом 1, трубопроводы 30 для гидравлической связи всех элементов системы.
1
2
1
2
Генератор ионов меди 2 (фиг.2) размещен по направлению потока воды до блока фильтров и выполнен в виде цилиндрического корпуса, загруженного смешанной медно-титановой шихтой, состоящей из отрезков медной и титановой проволоки с объемным соотношением медной N и титановой N частей шихты: N/N>1. Работа генератора ионов меди основана на самопроизвольном по принципу электрохимической коррозии растворении в морской воде более активного металла (меди) в контакте с менее активным металлом (титаном) с выделением в воду ионов меди. Объем корпуса генератора и, соответственно, объем медно-титановой шихты, выбираются исходя из расхода балластной воды и необходимой продолжительности нахождения воды в генераторе для образования оптимальной дозы меди - не менее 0,1 мг/л.
Блок электрохимического хлорирования воды 10 укомплектован дозерным насосом и размещен по направлению потока воды между генератором ионов меди и блоком фильтров. Соединение с магистралью очищенной воды выполнено через электромагнитный клапан 17.
Каждый фильтр, входящий в блок фильтров, (фиг.2) состоит из корпуса 32 с патрубком 33 для входа воды и патрубком 34 для выхода воды. Внутри корпуса имеется трубная перегородка 35, под которой вертикально размещены фильтрующие элементы 36, изготовленные из коррозионно-стойкого материала, например, из титанового сплава. Каркас фильтрующего элемента выполнен в виде трубы 37 со сквозными отверстиями 38. Фильтрующие элементы изготовлены из проволоки 39 треугольного сечения, навитой на трубу таким образом, что вершина треугольника прилегает к цилиндрической поверхности перфорированной трубы, основание треугольника расположено параллельно оси трубы и выполнено полированным, а соседние витки образуют между собой фиксированный зазор, соответствующий требуемой тонкости фильтрования, например, 50 мкм. Фильтрующий элемент в сборе представляет собой подобие цилиндра с полированной наружной поверхностью, в котором прорезаны фильтровальные щели.
Нижний конец фильтрующего элемента 36 выполнен глухим и состыкован с гайкой 41, верхний конец элемента заканчивается резьбовым хвостовиком 42. Закрепление фильтрующего элемента в трубной перегородке 35 обеспечивается с помощью резьбового хвостовика 42 и гайки 41, и таким образом полость фильтра под перегородкой соединяется с полостью фильтра над перегородкой через фильтровальные щели 40. Количество фильтрующих элементов в одном фильтре и количество фильтров в блоке выбираются исходя из требуемой пропускной способности всей системы.
Блок ультрафиолетового (УФ) облучения 8 размещен по ходу воды за блоком фильтров, снабжен также датчиком дозы УФ-радиации и соединен с магистралью очищенной воды через электромагнитный клапан 23.
Блок озонирования 11 укомплектован дозерным насосом и размещен по направлению потока воды между блоком ультрафиолетового (УФ) облучения и балластным танком 13. Соединение с магистралью очищенной воды выполнено через электромагнитный клапан 24.
3
3
2
Система мониторинга и управления (СМУ) 28 соединена электрическими цепями 29 с: блоком датчиков 12, включающим датчики активного хлора и озона; с датчиком УФ-радиации, размещенном в блоке ультрафиолетового облучения 8; с электромагнитными клапанами 14…27 и с насосом 1. СМУ выполнена с возможностью многовариантного (поочередно, попарно или в любой другой комбинации) подключения блоков электрохимического хлорирования, УФ-облучения, озонирования к системе, а также дозирования в воду любых значений доз биоцида из заданного (не превышающего допускаемые концентрации) диапазона, причем выбор варианта подключения и дозирования обеспечивается автоматически, например, по закону случайных чисел, с помощью программируемых контроллеров. Поддержание в балластной воде оптимальных доз биоцида (активного хлора, озона и УФ-радиации) обеспечено благодаря сигналам датчиков активного хлора, озона и УФ-радиации и обратной связи между СМУ, клапанами 14…27 и насосом 1. В качестве допускаемых концентраций биоцида могут быть, например, такие: активный хлор - от 0,1 до 5,0 г/м, озон - от 0,5 до 3,0 г/м и УФ-радиация - от 50 до 200 мДж/см.
Трубопроводы 30 обеспечивают гидравлические связи между всеми элементами системы. Система обезвреживания судовых балластных вод размещается на борту судна и работает следующим образом (фиг.1).
Этап 1. Прием балласта. Исходная морская вода с помощью насоса 1 принимается в балластный танк 13, предварительно пройдя обработку в генераторе ионов меди 2. Для этого открываются клапаны 26, 15, 18, 22 и 25. Все другие клапаны закрыты. При этом морская вода подается в блок фильтров сверху, фильтруется, очищается от грубых примесей органической и неорганической природы, насыщается ионами меди и сливается в танк. Ионы меди генерируются за счет электрохимического растворения медной шихты, находящейся в контакте с титановой шихтой. Присутствие ионов меди в трубопроводах, арматуре и в фильтрах предотвращает их биологическое обрастание, а присутствие даже невысоких (порядка 0,1 мг/л) концентраций ионов меди в балластном танке обеспечивает биостатическое (без роста биомассы) хранение балласта.
По мере засорения генератора меди, о чем можно судить по показаниям манометров на входе и выходе генератора (на фиг.1 они условно не показаны) начинается промывка генератора противотоком морской воды. Для этого клапаны 15 и 18 закрываются, а клапаны 14 и 16 открываются, и морская вода поступает в генератор снизу вверх, вынося из корпуса генератора осевшие на шихте загрязнения.
Существенным моментом регенерации фильтра является то, что при взрыхлении медно-титановой шихты противотоком воды медные частицы трутся об острые кромками титановых частиц и с их поверхности соскабливается окисная пленка, обнажается чистый металл и процесс генерирования меди интенсифицируется. Сброс промывной воды осуществляется непосредственно за борт, либо в сборную цистерну. При этом сбросная вода не содержит запрещенных к сбросу вредных примесей.
2+
Этап 2. Обезвреживание балласта в процессе хранения в танке. Открываются клапаны 10, 15, 18, 20, 24, 25, 26, 27, остальные клапаны закрыты. Включается насос 1, запускается СМУ 28. Балластная вода циркулирует по контуру: танк 13 - насос 1 - генератор ионов меди 2 - блок фильтров 4…7 - танк 13. При этом в генераторе 2 вода очищается от грубых (порядка 150…500 мкм) и затем в блоке фильтров 4…7 от тонких (порядка 50 мкм) дисперсных примесей. Кроме того, вода обогащается ионами меди, способствующими подавлению жизнедеятельности микроорганизмов. СМУ по сигналам датчиков осуществляет непрерывный мониторинг содержания биоцидов в воде и, соответственно, качества воды. В случае, если концентрация биоцида упала ниже минимального уровня, автоматически включаются дополнительные средства обезвреживания: блок электрохимического хлорирования воды 10, блок озонирования и блок УФ-облучения. При этом открываются клапаны 17, 23 и 24, включаются дозерные насосы, зажигаются УФ-лампы. СМУ предусматривает многовариантное подключение средств обезвреживания и, соответственно, выбор дозы биоцида из допустимого диапазона. Средства обезвреживания могут быть подключены в любой комбинации и обеспечивать дозирование в воду любых значений доз биоцида из заданного диапазона, причем выбор варианта обеспечивается автоматически, например, по закону случайных чисел. Многовариантность подключения запрограммирована системой мониторинга и реализуется с помощью микропроцессоров и обратной связи с электромагнитными клапанами 14…27 и насосом 1. Смысл многовариантного подключения средств обезвреживания заключается в том, что микроорганизмы, обитающие в морской воде, склонны к постепенному привыканию по отношению к конкретному виду бактерицидного воздействия, вследствие чего бактерицидный эффект в процессе хранения воды постепенно снижается и может даже вообще прекратиться (фактор резистентности). Многовариантное подключение средств обезвреживания полностью исключает возможность привыкания микроорганизмов к бактерицидному агенту, поскольку средства обезвреживания и дозы биоцида в процессе хранения балластной воды непостоянны. Особо отметим, что бактерицидные агенты в данном устройстве работают в комбинированном варианте: озон+УФ; активный хлор+озон; УФ+Сu и др., и суммарный эффект их воздействия на воду усиливается по сравнению с действием этих агентов по отдельности (так называемый синергетический эффект). В результате воздействия описанных механизмов, обеспечивается блокирование роста биомассы в процессе всего периода хранения балласта в танке и таким образом достигается полное обезвреживание воды.
Существенная новизна технического решения заключается в обеспечении биостатического хранения балластной воды с учетом фактора резистентности микроорганизмов.
По мере загрязнения блока фильтров 4…7 он подвергается промывке противотоком воды, предварительно обработанной в генераторе ионов меди и, следовательно, обогащенной ионами меди. Промывка реализуется автоматически - путем переключения клапанов 18…22.
Поддержание в балластной воде оптимальных доз биоцида обеспечивает безопасность системы как в режиме обработки балласта, так и в режиме его сброса за борт.
Работа фильтрующих элементов блока фильтров в режиме фильтрации и режиме регенерации поясняется рисунками фиг.2, 3, 4 и 5 (стрелками показано направление потока воды).
В режиме фильтрации частицы примесей размером менее фильтровальной щели попадают в фильтрат вместе с потоком воды, а частицы с размером более фильтровальной щели, задерживаются на полированной цилиндрической поверхности фильтрующих элементов. По мере накопления наиболее массивные агрегаты частиц под своей тяжестью постепенно сползают по полированной поверхности фильтрующего элемента вниз, в днище, как показано на фиг.4, т.е. наблюдается частичная самоочистка элементов. Процессу самоочистки способствуют также судовая вибрация, воздействие активного хлора и ионов меди на морскую органику, вследствие сцепления агрегатов с поверхностью.
В режиме регенерации противотоком (фиг.5) частицы легко отрываются от поверхности фильтрующего элемента и регенерация идет успешно. Этому способствует также клиновидный зазор между соседними витками проволоки внутри элемента, который не позволяет накапливаться частицам примесей.
Таким образом, в процессе хранения воды в балластном танке достигается гарантированное ее обезвреживание в отношении механических примесей в широком диапазоне размеров частиц, морской органики от патогенных микроорганизмов и продуктов их метаболизма.
Этап 3. Дебалластировка. Открываются клапаны 14, 16 и 27, остальные клапаны закрыты. Включается насос 1, запускается СМУ 28. Балластная вода из танка 13 фильтруется через генератор меди 2 и сбрасывается за борт. При этом блок СМУ обеспечивает непрерывный контроль качества сбрасываемого балласта с поддержанием дозы биоцида на минимальном допускаемом уровне. В случае несоответствия дозы минимальному значению СМУ приостанавливает дебалластировку и переключает систему на режим дополнительного обезвреживания балласта - пока не будет достигнуто требуемое качество обезвреживания.
Если качество воды в танке 13 полностью безвредно для окружающей среды, блок СМУ «разрешает» сброс балласта за борт без дополнительной обработки. Для этого открываются клапаны 27, 14, 18 и 21, остальные клапаны закрыты. Балласт сбрасывается за борт через клапан 21.
Таким образом, совместное действие всех существенных признаков заявляемой полезной модели (как известных, так и предлагаемых) обеспечивает достижение требуемого технического результата.
3
ПРИМЕР. Выполнено сравнение системы обезвреживания судовых балластных вод производительностью 13100 м/ч и известного блока фильтров по патенту RU 48513 (таблица 1).
Таблица 1.
Параметры
Блок фильтров по патенту RU 48513
Заявляемое устройство
Производительность, м<sup>3</sup>/ч
13100
13100
Тонкость фильтрации, мкм
80 не менее
50
Патогенные микроорганизмы в очищенной воде
Присутствуют
Отсутствуют
Содержание нефти в фильтрате (по общему органическому углероду), мг/л
0,5…5,0
0,5…1,0
Удельная грязеемкость, кг/м<sup>3</sup> габаритного объема за период одного фильтроцикла
11,5
15,0
Удельная пропускная способность, куб. м/ч/м<sup>3</sup> габаритного объема
99,3
112,0
Эффективность регенерации, %
90…95
95..98
Эффективность химчистки, %
95…98
Не требуется
Расход воды на промывку, % от производительности
0,5…1,0
0,5…1,0
Масса водоочистного оборудования <sup>∗</sup>), кг:
20700
14100
Управление процессом очистки воды
Ручное
Автоматическое
Удельные эксплуатационные затраты, руб./1000 т балласта
18400
13500
Защита от биологического обрастания блока морскими организмами
Обеспечена частично
Обеспечена полностью
Защита окружающей среды от нефти
Обеспечена
Обеспечена
Расход химреагентов (кислота, щелочь и др.)
Требуется
Не требуется
Расход тепла
Требуется
Не требуется
Расход сжатого воздуха
Требуется
Не требуется
Сброс вредных веществ (химреагентов) за борт
Возможен
Не возможен
Экологическая безопасность
Не обеспечена
Обеспечена
Санитарная безопасность
Не обеспечена
Обеспечена
Примечание к таблице: <sup>∗</sup>) - кроме оборудования общесудовых систем (насосы, танки, трубопроводы, КИП).
Из таблицы следует, что заявляемая система обезвреживания судовых балластных вод превосходит прототип по большинству из параметров сравнения, что свидетельствует о достижении полезного технического результата, а именно:
1. Повышение качества обезвреживания балластных вод за счет:
- обработки воды в генераторе ионов меди на всех стадиях приема, хранения и сброса балласта;
- биостатического хранения балласта с учетом фактора резистентности микроорганизмов и синергизма;
- использования активного хлора, озона и УФ - облучения, подключаемых поочередно, попарно или в любой другой комбинации с поддержанием оптимальных доз биоцида;
- использования в блоке фильтров фильтрующих элементов, изготовленных из проволоки треугольного сечения с полированным основанием треугольника;
- многоразовой (по замкнутому контуру) обработки балластной воды;
- системы автоматического мониторинга и управления, обеспечивающей контроль качества воды на всех стадиях приема, хранения и сброса балласта;
2. Минимизация эксплуатационных затрат за счет:
- эффекта самоочистки фильтрующих элементов и увеличения межрегенерационных периодов блока фильтров;
- исключения химической промывки и расхода чистых реагентов;
- исключения расхода сжатого воздуха;
- исключения расхода тепла и пара;
- автоматизации процесса обезвреживания и исключения ручных операций;
- более эффективной защиты трубопроводов и оборудования от биологического обрастания и связанных с этим затрат на чистку от обрастания.
3. Обеспечение экологической безопасности при обработке балластных вод вследствие:
- исключения сброса в морские акватории вредных примесей в концентрациях, превышающих ПДК;
- уменьшения объема сбросных вод и их нейтрализации;
- непрерывного мониторинга процесса очистки воды.
4. Обеспечение санитарной безопасности обслуживающего персонала-достигнуто исключением операции «шоковая промывка», сопровождающейся высоким (подобно взрыву) уровнем шума, а также ядовитых химреагентов.
Таким образом, совместное действие всех существенных признаков заявляемой полезной модели (как известных, так и предлагаемых) обеспечивает достижение требуемого технического результата.