METHOD OF DISINFECTING WATER BY DESTROYING AQUATIC ORGANISMS AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD
СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ПУТЕМ УНИЧТОЖЕНИЯ ВОДНЫХ ОРГАНИЗМОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к способам и устройствам обеззараживания воды путем уничтожения водных организмов, находящихся в воде, или сокращения их количества до тех пор, пока они не станут нежизнеспособны как колонии. Изобретение может быть использовано, в частности, для обеззараживания перевозимой судами балластной воды, которая может вызвать нежелательные экологические последствия при ее сбросе в моря или озера вдали от мест забора воды.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современные суда, как правило, перевозят балластную воду в цистернах в трюме корабля для обеспечения требуемой посадки, остойчивости судна и улучшения его маневренности. При погрузке груза на борт и увеличении осадки судна избыточная балластная вода сбрасывается. Аналогично при разгрузке судна балластная вода закачивается в балластные цистерны для поддержания требуемого равновесия.
Хорошо известна давно существующая проблема сброса в морские и пресные воды чужеродных организмов, зачастую забранных на большом расстоянии от места сброса, вызванная большими объемами закачиваемой и сбрасываемой из судов балластной воды, в которой обитают многочисленные разновидности организмов. Эти организмы варьируются от мелких представителей планктона до крупных морских рыб, и включают в себя патогенные бактерии и микроорганизмы (простейшие) на всех стадиях их жизненного цикла. Некоторые из них имеют мало естественных противников в новой среде обитания, и при нахождении подходящего источника пищи в этих водах быстро колонизируют новую территорию и могут начать там доминировать. Таким образом, они могут стать паразитами и угрожать стабильности экосистемы их новой среды обитания.
Мировое сообщество признает, что данная проблема является серьезной угрозой для морской среды, и в феврале 2004 г. Международной морской организацией (ИМО) была принята Конвенция, которая обязует судовладельцев выполнять строго регламентированные систематические действия по обеззараживанию балластной воды на своих судах. Конвенция находится в процессе ратификации, а конкретные положения о технологиях, которые будут применяться при выполнении требований Конвенции, все еще обсуждаются.
Поиск возможных решений этой проблемы явился предметом многочисленных исследований и изобретений, особенно в последние годы. Большинство решений предусматривают химическую обработку воды для уничтожения обитающих в ней организмов. Однако использование химикатов, в целом, нежелательно, так как они могут загрязнять воды, в которые сбрасывается балластная вода, либо вызывать иные вредные побочные эффекты. В некоторых случаях токсичные химикаты могут навредить больше, чем сама проблема, которую они призваны решить.
Для уменьшения последствий сброса сильнодействующих химикатов в воды на якорных стоянках и в портах было предложено использовать химикаты, недолговечные в воде, например озон. Период полураспада озона в морской воде всего нескольких минут; введение озона в балластную воду в качестве стерилизующего вещества было предложено в патентах США 6125778 Роддена (Rodden), 6516738 Кэннона (Cannon) и в заявке № 20040055966 Нгуена и др. (Nguyen et al).
Другие изобретатели рассматривали возможность удаления кислорода из воды для создания условий, при которых живые организмы обычно погибают, с последующим насыщением воды кислородом до тех пор, пока она не станет пригодна для сброса, в соответствии с требованиями различных стандартов (см., например, патент США 5932112 Браунинга (Browning)). Вышеупомянутый патент также описывает идею первичного перенасыщения воды кислородом. Такой процесс не лишен достоинств, так как лишь кислород при контакте со многими живыми организмами оказывает на них биоцидное действие, благодаря своим окислительным свойствам. Однако оптимальный результат может быть получен только при контролировании давления, температуры и других факторов; кроме того, неясна скорость удаления водных организмов. Таким образом, применение этого способа сопряжено с определенными техническими трудностями и требует значительных усилий по контролю и мониторингу процесса.
Предлагались некоторые другие формы обеззараживания, в том числе фильтрование и применение ультрафиолетового излучения (США, патентная заявка 20040055966 Нгуена и др. (Nguyen et al)), нагревание (патент США 5816181 Шермана (Sherman)), а также комбинации двух и более форм обеззараживания, таких, как фильтрование методом центрифугирования и воздействие ультрафиолетовыми лучами или биоцидными химикатами (патент США 6500345 Константина и др. (Constantine et al))
Недостаток большинства упомянутых процессов состоит в необходимости использования длительного либо сравнительно сложного процесса, часто с обязательным выполнением тщательного и всестороннего мониторинга.
Несколько иной подход был использован в патенте США 6402965 Салливана и др. (Sullivan et al), который, исходя из того, что ультразвук смертельно опасен для водных организмов, предлагает подвергать балластную воду воздействию ультразвукового излучения с помощью оборудования, содержащего трубу, обшитую пьезоэлектрическим материалом, который выполняет роль транспондера для генерации нужных частот, при этом через упомянутую трубу проходит вода. Также описаны некоторые интерференционные эффекты, создаваемые данным оборудованием, которые, как правило, приводят к гибели находящихся в воде организмов. Ультразвуковое излучение также упоминается в качестве средства уничтожения водных организмов в очень важном документе - отчете о «Полномасштабной проработке проектных решений систем обеззараживания балластной воды» (Full-Scale Design Studies of Ballast Water Treatment Systems), подготовленном в 2002 г. компаниями Глостен-Герберт и Гайд Марин (Glosten-Herbert Hyde Marine, 2002) для Проекта демонстрации балластных технологий на Великих Озерах, осуществляемого Институтом Северо-Востока и Среднего-Запада г.Вашингтона (Northeast-Midwest Institute, Washington, DC), а также Ассоциацией перевозчиков на Великих Озерах (Lake Carriers Association); однако методика применения ультразвукового излучения в нем не описана.
Способность ультразвукового излучения уничтожать некоторые живые организмы известна уже много лет, а использование излучения с этой целью было описано в различных публикациях, например, в статье «Ультразвуковая дезинтеграция как метод выделения бактериальных энзимов» П.К Стапфа, Д.Е.Грина и Ф.В.Смита мл., опубликованной в 1946 г. в журнале «Bacteriology», 51(4), стр.487-493 (Ultrasonic Disintegration as a Method of Extracting Bacterial Enzymes, by P.K.Stumpf, D.E.Green, and F.W.Smith Jr) и воспроизведенной в издании «Микробное взаимодействие с физической средой» под ред. Д.В. Тайера издательства Дауден, Хатчинсон и Росс Инк., Струдсбург, Пенсильвания, 1975 г., стр.405-493 (Microbial Interaction with the Physical Environment, ed. D.W.Thayer, Dowden, Hutchinson & Ross, Inc., Stroudsburg, Pennsylvania, 1975). Последняя из упомянутых публикаций также содержит статью, в которой выдвигается гипотеза о причинах губительного воздействия ультразвукового излучения на простейшие и другие организмы, согласно которой разрыв клеточной мембраны происходит из-за химического или физико-химического эффекта, вызываемого кавитацией, связанной с воздействием ультразвукового излучения на воду, с которой клетка непосредственно соприкасается - см. стр.402-404, статья Ф.О.Шмидта и Б. Улемайера, перепечатка из материалов Общества экспериментальной биологии и медицины, 27(7), стр.626-628, 1930 г. (F.O.Schmitt and В. Uhlemeyer, Proc. Soc. Exptl. Biol. Med., 27(7), 626-628 (1930)). В этой статье упоминается описанное С.Х. Джонсоном в журнале Physiol., 1929 г., lxvii, стр.365 (С.Н.Johnson, J. Physiol., 1929, lxvii, 365) открытие того, что губительное воздействие вызвано вытеснением растворенного газа в кавитационные полости. Дополнительные замечания касательно явления кавитации содержатся в примечаниях редактора на стр.370-373 книги «Микробное взаимодействие с физической средой».
Применение ультразвукового излучения для обеззараживания воды по своей природе привлекательно, поскольку оно не требует введения в воду инородных химикатов, а его использование при подходящих амплитудах, исходя из опыта заявителя, по-видимому, очень эффективно уничтожает либо ослабляет организмы, которые обычно обитают в морских и судоходных пресных водах. Однако, недостаток способа заключается в том, что стандартные методы генерации и мониторинга ультразвукового излучения довольно сложны, а необходимое для этого оборудование может не обладать достаточной прочностью для размещения его на судах.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа и устройства для генерации ультразвукового излучения для воздействия на содержащую вредные организмы воду, например балластную воду судов, с целью уничтожения упомянутых организмов, причем способ должен быть достаточно простым, а используемое оборудование - достаточно устойчивым.
Еще одной задачей данного изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих, по меньшей мере, однократное резкое изменение давления в балластной воде, а в предпочтительном варианте осуществления изобретения - несколько резких изменений давления, что также обладает эффектом уничтожения или ослабления упомянутых организмов.
Еще одной задачей данного изобретения является создание способа и устройства, позволяющих с помощью относительно простого электрического оборудования создать в воде, из которой требуется удалить водные организмы, электрохимические силы, в результате действия которых выделится, по меньшей мере, один вид газа, представляющий опасность для упомянутых организмов, который затем будет смешан с водой для увеличения площади соприкосновения газа с водой.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно изобретению способ обеззараживания воды путем уничтожения водных организмов, находящихся в воде, заключается в нагнетании воды под давлением через трубопровод в камеру, поперечное сечение которой больше, чем у трубопровода, в результате чего давление воды резко понижается и происходит явление кавитации. При появлении кавитации генерируется ультразвуковая вибрация, которая вместе с кавитацией воздействует на воду.
В качестве воды может использоваться балластная вода судов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения камера, ее смежные пространства и трубопроводы являются частью реактора, через который закачивается вода. Если в качестве воды используется балластная вода судов, то в предпочтительном варианте осуществления изобретения способ применяется не при сбросе, а при заборе воды для балласта.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения трубопровод, ведущий к камере, в начале имеет зону с более-менее постоянным поперечным сечением, через которую вода нагнетается под давлением; за ней следует зона с постепенно сужающимся поперечным сечением, после которой вода изливается в камеру с увеличенным поперечным сечением, в которой происходит кавитация. Таким образом, давление воды увеличивается при вхождении в зону сужающегося поперечного сечения, а затем резко падает при входе в камеру, в которой происходит кавитация. В этом случае степень кавитации больше, чем если бы ведущий в камеру трубопровод имел постоянное поперечное сечение по всей длине.
При кавитации частоты возникающих вибраций окружающей конструкции, как правило, полностью или частично представлены ультразвуковой составляющей. Кавитация, происходящая в частях конструкции, выполненных из мягкой стали и других распространенных металлов, вызывает точечную коррозию металла. Точечная коррозия сокращается в большей или меньшей степени, если компоненты изготовлены из определенных марок нержавеющей стали. В способе и устройстве изобретения точечная коррозия предотвращается, благодаря использованию нержавеющей стали и обшивки соответствующих компонентов известным керамическим или иным материалом, который исключает либо значительно сокращает степень точечной коррозии. В продаже имеются несколько составов с такими характеристиками. В альтернативном варианте осуществления изобретения может быть использован специальный металл, относительно устойчивый к точечной коррозии. В продаже имеется, по меньшей мере, один такой металл. Ниже представлены подробности.
При резком понижении давления в реакторной камере растворенные в воде газы переходят в газообразное состояние, в результате чего в среде лопающихся пузырьков газа возникает ультразвуковая вибрация. Это приводит к интенсивному механическому возмущению воды. Результатом такого возмущения, в совокупности с химическим воздействием газов на поверхности водных организмов, является уничтожение или ослабление этих организмов.
Согласно изобретению губительное воздействие ультразвуковой вибрации на водные организмы усиливается, благодаря подаче электрической энергии на электроды, опущенные в воду, что приводит к электролизу, при этом растворенные в воде соли, в том числе хлориды натрия и брома (в случае морской воды), выполняют роль электролита. При этом образуются газы, которые также подвергаются вибрации из-за ультразвукового излучения, что способствует разрушению водных организмов. Поскольку некоторые разновидности водных организмов чувствительны к создаваемым в воде электрическим силам даже умеренной величины, то наличие электрического разряда в воде вблизи электродов является еще одним фактором, направленным на разрушение водных организмов.
Среди газов, высвобождаемых в морской воде при воздействии электролитических сил, находятся хлор и бром, а также кислород и водород. Хлор и бром оказывают значительное токсическое воздействием на водные организмы, с которыми они контактируют в реакторе.
Присутствие значительных объемов хлора и других газов-галогенов либо иных коррозионных газов нежелательно в балластной воде, которая закачивается на судно или сбрасывается из балластных цистерн судов, так как эти газы вызывают коррозию балластных цистерн и соединенных с ними металлических трубопроводов. Поэтому согласно изобретению коррозионные газы внутри или непосредственно на выходе из реакторной камеры направляются к металлическим поверхностям, с которыми они быстро вступают в реакцию. Соответственно, необходимо предусмотреть регулярную замену упомянутых расходных металлических компонентов.
Изобретение также предусматривает введение в воду подходящего газа внутри или поблизости реакторной камеры (желательно, на выходе из нее), чтобы дополнительно усилить механические, электрические и химические процессы, которые происходят внутри реактора и оказывают разрушительное воздействие на водные организмы, обитающие в воде. Таким подходящим газом является озон, отчасти благодаря его сильному окислительному действию при контакте с живыми тканями, которое способствует разрушению водных организмов, с которыми газ контактирует, а также благодаря его быстрому превращению в газ, присутствующий в атмосфере при нормальных условиях, а именно кислород, который безопасен для окружающей среды.
Эффективность способа увеличивается при механическом перемешивании воды в реакторной камере и смежных трубопроводах. Желаемый эффект можно получить, разместив во впускном и выпускном трубопроводах, ведущих внутрь и наружу реакторной камеры, и/или в самой реакторной камере, лопасти, которые должны быть расположены и наклонены определенным образом. Эффективной формой смешивания является спиральное закручивание. Лопасти могут быть зафиксированы, поэтому они не требуют обслуживания, за исключением периодической замены по мере их изнашивания.
Способ изобретения может быть усовершенствован посредством мониторинга состояния различных переменных, имеющих отношение к его эффективности, включая температуру в трубопроводах и реакторной камере, степень солености, давление в некоторых точках пути прохождения воды, а также напряжение и ток на электродах. Согласно изобретению предусматривается периодическое изменение упомянутых параметров для оптимизации результатов способа.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения процесс увеличения давления воды с последующим резким снижением давления для образования кавитации, а значит, и ультразвукового излучения, повторяется, по меньшей мере, один раз через малый промежуток времени.
Согласно изобретению устройство включает в себя реактор, бак которого образует камеру, трубопровод, ведущий в камеру и имеющий поперечное сечение меньше, чем у камеры, выпускной трубопровод, выходящий из камеры и имеющий поперечное сечение меньше, чем у камеры, а также средство для нагнетания воды под давлением во впускной трубопровод и дальнейшей прокачки воды через реактор. В предпочтительном варианте осуществления изобретения впускной трубопровод может включать в себя конечную зону, поперечное сечение которой постепенно сужается по мере приближения к камере.
В реакторе могут находиться электроды для создания электролиза в воде, проходящей через устройство, которые в предпочтительном варианте осуществления изобретения располагаются внутри реакторной камеры и крепятся к ее баку.
Расходные электроды могут располагаться внутри или рядом с выпускным трубопроводом для нейтрализации коррозионных газов путем преобразования их в соли металлов, содержащихся в электродах.
Лопасти для перемешивания содержимого реактора могут быть расположены в подходящих точках внутри реактора. В предпочтительном варианте исполнения изобретения лопасти сообщают вихревое движение воде, проходящей через реактор.
Устройство также может содержать средства для введения в реактор из внешней среды одного или нескольких газов, таких как озон. Также могут быть предусмотрены средства, предотвращающие обратный ток этих газов.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения, который подходит для применения на судах для обеззараживания балластных вод, устройство включает в себя многоступенчатый реактор, содержащий, по меньшей мере, две реакторные камеры и два впускных трубопровода, последовательно соединенных между собой.
Могут быть предусмотрены контрольно-измерительные устройства для измерения или индикации и записи состояния различных факторов, таких как давление, температура, рН, соленость и расход воды. Контрольно-измерительное устройство может дополнительно содержать средства для определения и записи времени, даты и глобального местоположения устройства, а также иных параметров, необходимых в контексте целей, для которых производится обеззараживание воды.
Устройство для осуществления изобретения является относительно простым, не содержит движущихся частей и может быть без труда смонтировано на судне. Оно может быть удобно размещено в главном трубопроводе, через который балластная вода закачивается в балластные цистерны или сбрасывается из них.
В стандартной корабельной установке трубы, по которым балластный насос закачивает воду в балластные цистерны, имеют внутренний диаметр 300 мм. Предлагаемый двухфазный реактор с впускными и выпускными трубопроводами может быть установлен в упомянутую систему труб, при этом он занимает всего лишь около 1500 мм в длину и весит около 200 кг. Его система управления может быть встроена в стандартную компьютерную систему корабля.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На прилагаемых чертежах представлены:
ФИГ.1 представляет собой полусхематическое изображение предлагаемого реактора для обеззараживания воды, установленного для использования на борту судна; также изображены его основные элементы управления. Реактор имеет две одинаковые реакторные камеры, расположенные друг за другом.
ФИГ.2 представляет собой боковую проекцию реактора, изображенного на ФИГ.1.
ФИГ.3 представляет собой увеличенное перспективное изображение диска с прикрепленными лопастями, который находится в реакторе, изображенном на ФИГ.1 и 2.
ФИГ.4 представляет собой увеличенное перспективное изображение реактора, альтернативного реактору, изображенному на ФИГ.1-3, и имеющего только одну реакторную камеру.
ФИГ.5 представляет собой боковую проекцию реактора, альтернативного изображенному на ФИГ.1-3.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство, изображенное на ФИГ.1-3, является предпочтительным вариантом осуществления устройства обеззараживания воды, который подходит для обеззараживания балластной воды типичного мореходного судна со стандартными балластными цистернами и стандартным балластным насосом.
Устройство представляет собой реактор 100, устанавливаемый в систему труб 102 круглого сечения со стандартным внутренним диаметром около 300 мм. Труба 102 проходит от балластного насоса 104 до одной или нескольких балластных цистерн 106. Балластный насос 104 забирает воду из кингстонной коробки 105 для подачи в балластные цистерны.
Работа реактора и происходящих в нем процессов управляется и контролируется оборудованием, схематически изображенным на ФИГ.1.
Реактор содержит (начиная с части, ближайшей к балластному насосу 104) впускной трубопровод 108 круглого сечения, как правило, с внутренним диаметром около 300 мм, присоединенный традиционным способом (не показано) к системе труб 102, а также бак первой реакторной камеры 110, к которому трубопровод 108 присоединен при помощи стыкуемых фланцев 112, 114, между которыми помещается уплотняющая прокладка или уплотнительное кольцо (не показаны). Подобные средства уплотнения помещаются между другими стыкуемыми фланцами, которые будут упомянуты ниже. Фланцы 112, 114 закреплены болтами 115.
Диск 116 (ФИГ.2 и 3) установлен и загерметизирован между фланцами 112, 114. Диск 116 содержит кольцо, ограничивающее внутреннее пространство 119, т.е. отверстие, и имеющее несколько лопастей 118, предпочтительно в количестве шести, выступающих во внутреннее пространство. Лопасти 118 установлены на внутренних гранях трубок 120, прикрепленных к внутренней окружности диска, расположены под непрямым углом к плоскости диска 116 и согнуты по спирали в своих собственных плоскостях. При использовании устройства вода, прокачиваемая через реактор, попадает на лопасти 118, которые отводят воду при ее попадании в бак первой реакторной камеры 110. Лопасти спроектированы таким образом, чтобы сообщать воде сходящееся спиралевидное вихревое движение, увеличивая скорость воды перед тем, как она перейдет в турбулентную фазу, в которой происходит смешивание воды с газами в реакторе.
В диске 116 имеются расположенные по окружности отверстия 113 для болтов 115, а также, ближе к центру диска, имеются отстоящие друг от друга пары отверстий 117, в которые вставляются штифты, держащие электроды 126, которые будут упомянуты ниже.
Бак первой камеры 110 имеет первую зону 122 с постоянным внутренним диаметром, предпочтительно составляющим около 400 мм, которая напрямую соединяется с впускным трубопроводом 108, обеспечивая резкое увеличение внутреннего диаметра в устройстве по мере того, как вода подается из трубопровода 108 в бак первой камеры 110 с помощью балластного насоса 104. Бак 110 содержит вторую зону 124 в виде усеченного конуса, в результате чего внутренний диаметр уменьшается до, приблизительно, 175 мм. Конический угол этой зоны составляет около 20 градусов.
В первой зоне 122 на внутренней поверхности бака реакторной камеры 110 имеются три пары электродов 126 (ФИГ.2) из коррозионно-стойкого металла, например титана или рутения, или их смеси. На электроды 126 подается напряжение 12 В постоянного тока или любое другое нужное напряжение от выпрямительного трансформатора 128 (ФИГ.1). Функция электродов - создание электролиза в воде, проходящей через бак 110.
На самой узкой части зоны 124, выполненной в виде усеченного конуса, первого бака 110 имеется фланец 130, который болтами 115 крепится к соответствующему фланцу 132 бака второй реакторной камеры 134, который, аналогично баку первой реакторной камеры 110, имеет первую зону 136 с постоянным внутренним диаметром, а также вторую зону 138 в виде усеченного конуса. Дополнительные электроды 126 установлены на втором баке 134, и на них подается электрический ток. Эти электроды также вызывают электролиз в воде, проходящей через устройство. Кольцеобразный диск 131, который, подобно диску 116, также оборудован лопастями 118, установлен и загерметизирован между фланцами 130 и 132, образуя круглое отверстие 133 между баком первой камеры 110 и баком второй камеры 134.
На самой узкой части зоны в виде усеченного конуса 138 бака второй камеры 134 имеется фланец 142, который впритык соединяет соответствующий фланец 144 выпускного трубопровода 146 схожего диаметра с впускным трубопроводом 108. Фланцы 142 и 144 закреплены болтами 115. Кольцеобразный диск 143, который, подобно диску 116 также оборудован лопастями 118, установлен и загерметизирован между фланцами 142 и 144, образуя круглое отверстие 147 между баком второй камеры 134 и выпускным трубопроводом 146.
Конец выпускного трубопровода 146 соединен (традиционным способом, не показанным на ФИГ.) к трубе 102, которая ведет в балластную цистерну 106 (ФИГ.1).
В другом варианте осуществления изобретения несколько озоновых генераторов 148, предпочтительно в количестве шести, могут быть установлены на внешней поверхности второго бака 134. Используются озоновые генераторы известного типа, например те, что описаны в патентных документах PCT/ZA2000/00031 и PCT/ZA2001/00024 и могут быть приобретены у компании Стеризон, а/я 13935, Витфилд, Южно-Африканская Республика, 1467 (Sterizone, P.O. Box 13935, Witfield, Republic of South Africa, 1467). Эти устройства забирают воздух из атмосферы и с помощью коронного разряда генерируют озон в неком пространстве, где он собирается и подается в трубу 150, в которой установлен обратный клапан 152. Трубы 150 ведут во внутреннюю часть реактора через отверстия 153, расположенные по окружности вокруг трубопровода 146.
В еще одном варианте осуществления изобретения расходные электроды 154 могут быть установлены во внутренней части выпускного трубопровода 146 рядом с его концом и выполняются в виде лопастей, на которые будет попадать вода, проходящая через реактор. Электроды 154 выполнены из металла, подобного 70/30 латуни (т.е. состоящего на 70% из меди и на 30% из цинка), который будет вступать в реакцию со свободным хлором и другими коррозионными газами, присутствующими в воде, преобразуя газы в соли, например в сульфат меди или хлорид меди, которые разрушают многие виды водных организмов. Поскольку количество упомянутых газов относительно мало, так как определяется содержанием растворенных газов в забранной на борт корабля воде, то образующиеся соли металлов сильно разбавлены и не причиняют заметного ущерба конструкции корабля. Однако они оказывают токсическое воздействие на рыб и многие другие организмы, которые уцелели после прохождения через камеры реактора 110 и 134, иными словами, они обеспечивают остаточную стерилизацию воды.
Подача электроэнергии на электроды 154 регулируется таким образом, чтобы уровень свободного хлора в воде на выходе из реактора 100 не превышал допустимых границ.
Корпус реактора выполнен из нержавеющей стали марки 136, изготовленной из листов толщиной 4,5 мм.
Вся внутренняя поверхность реактора, за исключением поверхностей электродов 126 и лопастей 154, может быть покрыта керамическим, смолистым или иным материалом, который защищает металл реактора от точечной коррозии. В благоприятном варианте осуществления изобретения упомянутая обшивка обладает свойствами, которые улучшают, по меньшей мере, некоторые происходящие в реакторе процессы. Возможные механизмы включают в себя ионный обмен и фрикционный контакт, которые способствуют смешиванию газов и воды, а также пьезоэлектрический и пироэлектрический эффекты, которые способствуют электрическому уничтожению некоторых организмов. Материал, подходящий для обшивки, можно приобрести в виде продукта MetaCeram (товарный знак) 28060, который наносится путем распыления и представляет собой кислородно-стабилизированное сложное соединение на основе смеси алюминия и титана, со специфической зернистостью и контролируемой морфологией. Другим известным материалом является Elce (товарный знак), производимый компанией Нихон Джисуи Кампани Лтд, 78 Гион 3 - Чом, Мийацаки Сити, Япония (электронный адрес: elce@orange.ocn.ne.jp) (Ninon Jisui Company Ltd, 78 Gion 3 - Chome, Miyazaki City, Japan). Другие материалы - Belzona (товарный знак) 5811 производства компании Белцона Полимерикс Лтд, Хэрроугейт, HG1 4AY, Англия (Belzona Polymeries Ltd, Harrowgate, HG1 4AY, England) и Lewatit (товарный знак), производимый компанией Байер АГ, D-51368 Леферкуссен, Германия (Bayer AG of D-51368 Leverkusen, Germany).
Элементы управления реактором изображены на ФИГ.1 и включают в себя один или несколько манометров для индикации давления в критических точках реактора и его впускного и выпускного трубопроводов, измеритель окислительно-восстановительного потенциала (потенциала снижения остаточного кислорода), измеритель солености, один или несколько датчиков температуры, один или несколько сенсоров хлора, вакуумметры в местах резкой смены поперечного сечения, в которых давление будет ниже атмосферного, сканер для импорта данных в компьютерную систему корабля, индикаторное устройство Глобальной системы позиционирования (GPS), а также другие приборы, измеряющие информацию с мостика, которая записывается в компьютерную систему. Элементы управления также могут включать в себя средства для воздействия на некоторые процессы, например потенциометры для электропитания электродов, регулирующие клапаны для подачи озона или другого поставляемого извне газа, а также другие известные устройства, применяемые в области обеззараживания воды.
В предпочтительном варианте применения изобретения реактор, изображенный на ФИГ.1-3, предназначен для работы при расходе воды 400-500 килолитров в час (около 150 литров в секунду) при минимальном давлении на выходе насоса в 3 бар.
Во время работы реактора 100 балластный насос 104 включают для закачки воды из открытого водного объекта, например моря, озера, реки, в кингстонную коробку 105 и дальнейшего прогона воды под давлением по трубопроводу 102 в реактор 100. Закачанная вода, скорее всего, будет содержать морские организмы, обитающие в районе нахождения судна, причем некоторые из них способны увеличить урон окружающей среде при сбросе воды в другом месте.
Вода проходит через трубопровод 108, в конце которого она попадает на лопасти 118, после чего ей сообщается спиралевидное вихревое движение. При переходе воды в первую зону 122 бака 110 поперечное сечение реактора резко увеличивается. Вода также соприкасается с электродами 126, которые на данной стадии находятся под напряжением, в результате чего происходят электролитические реакции, приводящие к образованию газов, в основном это кислород, водород, хлор и бром. Вихревое действие, вызванное лопастями, способствует равномерному перемешиванию газов в воде, в результате чего имеющиеся организмы подвергаются разрушающему воздействию. Кроме того, электрический заряд, пропускаемый через воду в реакторной камере 100, сам по себе оказывает разрушающее воздействие на мелкие морские организмы.
Скорость воды постепенно увеличивается по мере того, как она покидает первую зону 122 и входит в коническую зону 124 реакторной камеры 110. Специалистам будет ясно, что по принципу Бернулли увеличение скорости воды увеличивает локальный скоростной напор воды, но уменьшает локальный статический напор. Также ясно, что если скорость воды будет достаточно увеличена, то статический напор воды станет ниже давления испарения воды. В результате в точке максимальной скорости воды начнется бурление воды, т.е. «кавитация». При этом появятся маленькие пузырьки испаряющейся воды (смешанной с растворенными в воде газами, например, кислородом, водородом и хлором), которые будут лопаться при попадании в область с более высоким статическим напором и более низкой скоростью. Схлопывание пузырьков, в свою очередь, может вызвать ударные волны высокой частоты и большой энергии (в том числе, частот ультразвукового диапазона, т.е. в диапазоне 20000 герц), которые при прохождении через воду будут оказывать разрушающее воздействие на присутствующие поблизости организмы.
Однако ясно, что даже если вода не доводится до точки кавитации, она может быть доведена до давления ниже атмосферного, чуть-чуть не доходя до давления испарения. Многие морские организмы способны выживать и даже процветать в воде на значительной глубине, то есть в состоянии выдерживать давления, значительно превышающие атмосферное давление, однако к давлениям ниже атмосферного они органически не приспособлены и испытывают в таких условиях сильнейший дискомфорт, даже в отсутствие кавитации.
Таким образом, размер отверстия 133 между первой реакторной камерой 110 и второй реакторной камерой 134 выбирается таким образом, чтобы при прохождении воды через отверстие 133 ее скорость была достаточно высокой, чтобы вызвать кавитацию в воде после отверстия, или, по меньшей мере, вызвать значительное понижение давление ниже атмосферного давления. В предпочтительном варианте осуществления изобретения лопасти 118, расположенные на отверстии 133, сообщают воде сходящееся спиралевидное вихревое движение, когда она переходит во вторую камеру 134. Это может привести к дополнительному локальному увеличению скорости воды и степени кавитации, а также к общему снижению давления в потоке воды после отверстия 133.
Соответственно в описанной конфигурации предпочтительного варианта осуществления изобретения кавитация намеренно вызывается после отверстия 133 в месте, где диаметр устройства резко увеличивается при переходе из бака первой камеры 110 в бак второй камеры 134. Преимущество такой методики в том, что энергия, высвобождаемая при взрывании пузырьков, не воздействует непосредственно на окружающие металлические поверхности бака второй камеры 134 и не причиняет ей ущерба. Вместо этого энергия проходит через значительную толщу воды до того, как достигнет металлических поверхностей бака. Благодаря такой конструкции звуковая энергия в значительной степени рассеивается в воде, где она уничтожает обитающие там организмы до ее воздействия на отдаленные металлические поверхности второй камеры 134. Если ультразвуковая энергия все же окажет сильное воздействие на отдаленные металлические поверхности камеры 134, то керамическая или иная обшивка реактора может предотвратить точечную коррозию и другие виды урона металлических компонент реактора; кроме того, материал обшивки, благодаря своему индивидуальному составу, обеспечивает дополнительные эффекты, которые описаны выше.
Еще одной особенностью предпочтительного варианта осуществления изобретения является то, что при прохождении первой зоны 136 в результате электролитического действия электродов 126, присутствующих в этой зоне, на организмы действуют дополнительные электрохимические силы. Упомянутые разрушающие эффекты усиливаются, благодаря воздействию окисления или присутствию иных токсичных газов, а также из-за наличия электрических полей в воде. Преимуществом является то, что вихревое движение воды в этой зоне, сообщаемое лопастями 118, облегчает смешивание воды в среде токсичных газов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения после прохождения водой первой зоны 136 ее скорость может быть увеличена еще раз при прохождении по конической зоне 138, а затем через отверстие 147 до скорости, достаточной для вызывания кавитации внутри трубопровода 146, после отверстия 147. Лопасти 118 могут аналогично располагаться на отверстии 147 для образования сходящегося спиралевидного вихревого потока. Таким образом, вода при прохождении через реактор 100 проходит, по крайней мере, два места, в которых ее скорость увеличится до точки начала кавитации с целью генерации ультразвуковых вибраций большой энергии. Организмы, которые выдержат обеззараживание во второй реакторной камере 134, будут подвергнуты аналогичному обеззараживанию в выпускном трубопроводе 146 после отверстия 147.
Ясно, что на пути прохождения воды можно предусмотреть дополнительные сужения и расширения, чтобы увеличить количество мест, в которых может происходить кавитация. Однако, также ясно, что каждое сужение увеличивает объем энергии насоса, необходимый для активации реактора 100, и поэтому при использовании слишком большого числа сужений имеющаяся мощность насоса может оказаться недостаточной.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения при прохождении воды вниз по трубопроводу 146 она может быть забрана и смешана с озоном, поступающим из генераторов озона 148 в реактор через точки входа 153, расположенные по окружности.
Газ озон смешивается с водой и оказывает мощное окислительное воздействие с летальным исходом на все присутствующих в воде организмы, с которыми он контактирует. Вода по-прежнему находится в состоянии возмущения, благодаря произошедшему ранее перемешиванию, и газ озон также смешивается с водой. Из-за короткого периода полураспада озона в морской воде оставшийся озон быстро превращается в кислород, который сам по себе оказывает окислительное, а значит, и разрушительное воздействие на организмы, с которыми он соприкасается.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения вода в итоге соприкасается с расходными лопастями 154, при этом все свободные коррозионные газы реагируют с металлом упомянутых лопастей и преобразуются в растворенные соли очень низкой концентрации, токсичные для некоторых организмов, которые могут все еще оставаться в живых на данном этапе. Лопасти 154 также оказывают перемешивающее воздействие на воду, завершая процессы вибрации и газового воздействия, которые присутствовали на предыдущих стадиях прохождения воды через реактор. Остаточный хлор обеспечивает дальнейшую стерильность балластной воды.
В результате описанных процедур значительная часть организмов, присутствующих в воде, которая была забрана на борт и пропущена через реактор, уничтожаются посредством совокупности реакций, в результате чего вода освобождается от упомянутых организмов и фактически стерилизуется. Нагрузка на окружающую среду, вызванная последующим сбросом воды с корабля, будет значительно уменьшена.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, изображенном на ФИГ.4, компонентам, соответствующим компонентам реактора из ФИГ.1-3, присвоены соответствующие идентификационные номера с суффиксом «а». В данном варианте осуществления имеется бак одной реакторной камеры 136а, 138а, который имеет несколько пар электродов на входе (не видно на ФИГ.), а также набор расходных электродов 154а внутри его выпускного трубопровода 146а. В остальном реактор аналогичен реактору, показанному на предыдущих чертежах и работает аналогичным образом. Ясно, что вероятность того, что водные организмы выживут после прохождения через процедуры, соответствующие данному варианту, неизбежно выше, по сравнению с вариантом, показанным на предыдущих чертежах. Однако также ясно, что в данном случае для прогона воды через реактор требуется меньше энергии, что может оказаться преимуществом в определенных случаях при наличии насосов меньшего размера.
Вариант осуществления изобретения, показанный на ФИГ.5, является самым простым из иллюстрируемых вариантов. Идентификационные номера, соответствующие номерам ФИГ.2, воспроизводятся с суффиксом «б», чтобы обозначить аналогичные компоненты. Впускной трубопровод 108б в варианте осуществления изобретения, изображенном на ФИГ.5, имеет первую зону 109б с постоянным поперечным сечением и конечную зону 111б с коническим поперечным сечением. Последняя часть выходит во внутренний конец выпускного трубопровода 146б, причем в данной точке происходит резкое увеличение поперечного сечения. Лопасти 118б расположены на входе в реакторную камеру. В данном варианте осуществления изобретения в этой точке не добавляется воздействия внешних электролитических сил, то есть электродов в реакторной камере нет. Расходные электроды 154б, однако, имеются и питаются от трансформатора/выпрямителя, который не показан на чертеже; их целью является нейтрализация всех коррозионных газов, производимых кавитацией, которая происходит при входе воды в реакторную камеру через конический трубопровод 111б, и не поглощенных при реагировании с организмами в реакторной камере. Подвод озона или другого подходящего газа, способного оказывать губительное воздействие на организмы, осуществляется по трубам с обратными клапанами 152б в отстоящие друг от друга входные отверстия 153б, расположенные по окружности на трубопроводе 146б.
Преимуществами данного изобретения, по сравнению с известными системами обеззараживания воды, являются его эффективность, простота, отсутствие движущихся частей или добавляемых извне токсичных веществ, небольшой вес, компактность, простота в установке как в качестве оригинального оборудования, так и в качестве надстройки, низкие эксплуатационные расходы, способность работать в течение длительного времени без технического обслуживания, безопасность и экономичность.
Несмотря на то, что в заявке описаны конкретные варианты осуществления данного изобретения, специалистам будет ясно, что возможны другие варианты в пределах сущности и объема изобретения.