СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ МОРСКОЙ БАЛЛАСТНОЙ ВОДЫ
METHOD OF SEA BALLAST WATER DEACTIVATION

Изобретение относится к области обезвреживания балластных вод (БВ) судов путем использования совместного воздействия бактерицидного ультрафиолетового (УФ-С) излучения и озона на одноклеточные организмы в целях защиты местных биоценозов от инвазивных организмов. Важной и трудной задачей является то, что, в соответствии со стандартом G-8 Международной Морской Организацией (International Marine Organisation, IMO), БВ, прошедшая через фильтры с размером пор ≤50 мкм, должна быть обезврежена не только от бактерий, спор и вирусов, но и от фито- и зоопланктона.
В балластных танках судов перевозится между удаленными друг от друга районами мирового океана приблизительно 10-12 миллиардов тонн водяного балласта в год и, по крайней мере, 7000 различных видов морских организмов (данные 2009 года). Большинство из них не выживает в путешествии внутри балластного танка, остальным предстоит конкуренция с местными видами. Однако, если условия принимающей среды благоприятны для выживания и создания репродуктивного потомства вида морских организмов, он может стать агрессивным и размножаться, уничтожая местные виды. Воздействие чужеродных привнесенных видов морских организмов, в отличие от других форм загрязнения морской воды, часто необратимо, поскольку происходит изменение морских экосистем.
Внесение чужеродных организмов в прибрежные воды во всем мире происходит именно при выгрузке БВ в море. Состав морских организмов в БВ, прошедшей фильтры с размером пор ≤50 мкм: вирусы, споры, бактерии, одноклеточные зоопланктон и фитопланктон. Повышение эффективности обезвреживания указанных микроорганизмов в морской БВ, остающихся после ее фильтрации, является целью настоящего изобретения.
Известен способ обеззараживания воды озонированием и ультрафиолетовым (УФ-С) излучением. Озонирование воды проводится эжекцией, после чего вода подается в блок облучения УФ-С излучением. Недостатком этого патента, применительно к обезвреживанию БВ, является отсутствие учета взаимодействия растворенного озона с солями брома в морской воде. Этот процесс является очень быстрым и его учет необходим для получения эффекта синергизма взаимодействия УФ-С излучения и озона (CN 201342108, A61L 101/10; A61L 2/10; A61L 2/20, опубл. 2009-11-11).
Известно устройство для обеззараживания воды озонированием и УФ-С излучением, в котором для озонирования используется озон, образуемый в высокочастотном разряде в промежутке между УФ-С лампой и защитной колбой (заявка РФ 93057611, C02F 1/32, G05D 27/00, опубл. 1997-01-27). Недостатком этого устройства является тот факт, что озон имеет сильное поглощение бактерицидного УФ-С излучения. Поэтому, при применении к БВ, наличие слоя озона на пути УФ-С излучения к воде приведет к уменьшению бактерицидного облучения, тем большему, чем выше производительность по озону. Соответственно, положительный эффект совместного действия не будет реализован.
Известен способ обезвреживания балластных вод тепловой обработкой и применения для «добавочного» обезвреживания УФ-С и озоновые лампы (DE 102006037845, B63J 4/00, опубл. 2008-03-20). Дополнительный характер блока (УФ-С)+озон указывает на его относительно низкую эффективность при самостоятельном использовании.
*)
*)
2
2
2
Известен способ обезвреживания балластных вод, в котором озон вводится в воду в концентрации 5-8 мг/л, затем проводится биологическая обработка воды и после этого облучение УФ-С дозой (Доза, мДж/см, определяется энергией бактерицидного УФ-С излучения, проходящей через выделенную площадь 1 см за время пребывания этой площади в блоке УФ-С облучения, усредненной по всем траекториям движения элементарных объемов обрабатываемой воды) 40-60 мДж/см (CN 101602562, C02F 1/32; C02F 1/78; C02F 3/12; C02F 9/14, опубл. 2009-12-16). Недостатками этого способа, применительно к БВ, является, во-первых, высокая концентрация растворенного в воде озона. В результате образуется большая концентрация вторичных долгоживущих токсичных продуктов, для удаления которых необходимы специальные меры. Во-вторых, предлагаемая доза УФ-С облучения, даже при такой высокой концентрации озона, недостаточна для обезвреживания инвазивных одноклеточных организмов, таких, как фито- и зоопланктон, переносимых БВ.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ, предложенный в патенте WO 2010149638, C02F 1/32; C02F 1/78, опубл. 2010-12-29. В нем описан способ обезвреживания морской БВ, в котором озон вводится в поток БВ таким образом, что обеспечивается время «удерживания озона» в смеси с морской водой в течение времени 2-500 секунд перед вводом смеси морской воды с озоном в блок облучения ее ультрафиолетовым излучением. Недостатком способа является то, что авторы не учитывают быстрых реакций озона с содержащимися в морской воде солями брома, в результате которых, с учетом времени приготовления смеси озона с морской водой, концентрация озона в морской воде значительно уменьшится перед вводом смеси в блок ультрафиолетового облучения, даже при времени удержания озона в смеси 2 секунды, тем более при времени удержания 500 секунд. Кроме того, ни в описании, ни в формуле изобретения нет объяснения, каким методом авторы предполагают удерживать озон в смеси с морской водой в условиях указанного выше механизма его быстрого разложения.
В основу данного изобретения положена задача создания эффективного способа обезвреживания морской балластной воды, обеспечивающего эффективную защиту прибрежных вод мирового океана от инвазивных организмов, переносимых БВ судов, а именно, бактерий, спор, вирусов, одноклеточных фито- и зоопланктона. включая, путем озонирования и облучения ультрафиолетовым (УФ-С) излучением.
2
Технический результат изобретения достигается способом, при котором морская БВ обезвреживается путем введения озона, содержащегося или в озоновоздушной смеси, или в газовой смеси обогащенной кислородом, или в смеси с жидкой пресной водой, и облучения УФ-С излучением. При этом озон вводится в поток БВ непосредственно перед подачей БВ в блок УФ-С облучения и время обезвреживания морской БВ от введения озона до выхода озонированной морской БВ из блока УФ-С облучения, не превышает 10 секунд, при этом концентрация озона на входе в блок УФ-С облучения не более 2 мг озона на 1 литр БВ, а доза УФ-С облучения лежит в диапазоне 100-200 мДж/см.
Организованный таким образом процесс обезвреживания БВ и сочетание концентрации озона и величины дозы УФ-С облучения, по результатам экспериментальной проверки, обеспечивает технический результат изобретения. При этом озоносодержащую смесь подают в блок УФ-С облучения через форсунки так, что величина угла между направлением движения потока БВ и направлением подачи озоносодержащей смеси лежит в диапазоне от 30° до 150°. Газовую озоносодержащую смесь могут также подавать через барбатажную пластину, расположенную по ходу потока морской БВ в торце блока УФ-С облучения. Такими техническими решениями ввода озона в морскую БВ достигается наиболее быстрое перемешивание морской БВ с озоном.
Предлагаемый способ достижения технического результата изобретения обеспечивает повышение эффективности обезвреживания морской БВ и основан на следующих свойствах раствора озона в морской воде.
Рассмотрим процесс озонирования морской воды. Особенностью этого процесса, в сравнении с озонированием пресной воды, является наличие в озонированной морской воде быстрых реакций озона с содержащимися в морской воде соединениями брома. Скорость протекания этих реакций такова, что характеристическое время жизни озона в морской воде (уменьшение концентрации озона в «е» раз) составляет примерно 5 секунд. В ходе этих реакций озон тратится на образование таких соединений, как BrO, HOBr и других (они называются, общий остаточный окислитель - total residual oxidant, TRO), которые обеззараживают морскую воду, но являются менее эффективными дезинфектантами, чем сам озон. Кроме того, в результате соединения TRO с растворенной в морской воде органикой, образуются устойчивые бромсодержащие органические соединения, нежелательные с точки зрения накопления их в окружающей среде.
Совместное воздействие озона и УФ-С излучения имеет эффект синергизма, то есть взаимного усиления эффекта дезинфекции. При совместном воздействии TRO и УФ-С облучения на БВ эффекта синергизма не наблюдается.
Синергизм совместного действия УФ-С облучения и озона обусловлен следующими химическими процессами.
Во-первых, озон поглощает УФ-С излучение и при этом диссоциирует на атом кислорода и, так называемый, синглетный кислород. Атом кислорода, в реакции с водой, образует радикалы ОН, которые являются более сильными окислителями и, соответственно, более эффективными дезинфектантами, чем сам озон.
Во-вторых, образующийся при фотодиссоциации озона метастабильный синглетный кислород, с энергией возбуждения 1 электрон-вольт, при попадании в живую клетку нарушает ее функционирование.
Остаточным окислителем при совместном действии озона и УФ-С облучения является незначительное количество образующейся перекиси водорода, являющейся вторичным дезинфектантом, не наносящим вреда окружающей среде.
2
В целом, способ состоит в быстром перемешивании озона с морской БВ непосредственно на входе ее в блок УФ-С облучения. Введение озона в поток морской БВ производится непосредственно перед входом воды в блок УФ-С облучения, так чтобы время от начала введения озона в БВ до выхода морской БВ из блока УФ-С обеззараживания не превысило 10 сек - времени исчезновения озона в реакциях с растворенными в морской воде бромидами, а озон вводят в количестве, обеспечивающем концентрацию озона не более 2 мг озона на 1 литр обрабатываемой морской воды, при этом величина дозы УФ-С облучения лежит в диапазоне 100-200 мДж/см, что приводит, в итоге, к достижению технического результата изобретения - повышению эффективности защиты прибрежных вод мирового океана от инвазивных организмов, переносимых БВ судов.
Схема одной реализации способа приведена на фиг.1. Озон, наработанный генератором озона озонатором 1, подается в смеситель 2 с пресной водой. В смесителе производится предварительное перемешивание озона с пресной водой, подаваемой из бака запаса пресной воды 5. Время жизни озона в пресной воде составляет десятки минут и не препятствует реализации предлагаемого способа. Озонированная пресная вода подается под давлением насосом 6 и форсункой 4 (или несколькими форсунками), вводится в блок УФ-С обеззараживания 3. Важно, что форсунка (форсунки), через которую (которые) подается озоносодержащая среда, расположена непосредственно перед входом БВ в блок УФ-С облучения 3. Обезвреженную морскую БВ получают на выходе блока УФ-С обеззараживания не более чем через 10 сек от начала ее озонирования.
Схема другой реализации способа представлена на фиг.2. Озоновоздушная, или обогащенная кислородом озоносодержащая газовая смесь нарабатывается генератором озона озонатором 1 и подается компрессором 7 под давлением в блок УФ-С облучения 3 перед входом потока морской БВ. Компрессор 7 повышает давление газовой смеси, подаваемой в узел озонирования БВ, до величины, большей давления в потоке БВ в блоке УФ облучения 3. В качестве узла озонирования БВ могут применять форсунку (форсунки) по схеме фиг.1, либо барбатажную пластину 8 (фиг.2), расположенную в торце блока УФ-С облучения 3, перпендикулярно направлению движения потока БВ. Обезвреженную морскую БВ получают на выходе блока УФ-С обеззараживания не более чем через 10 сек от начала ее озонирования.
2
Необходимое время пребывания озонированной БВ в УФ-С блоке 3, при средней дозе УФ-С облучения 100-200 мДж/см, даже для таких трудноуничтожимых объектов инвазивного вноса, как сине-зеленые водоросли, не более 10 секунд. Время жизни озона в блоке УФ-С, с приведенными выше характеристиками бактерицидного излучения, не более 5 секунд. Поэтому основная часть растворенного в БВ озона дает вклад в синергический эффект обезвреживания БВ совместным действием озонирования и УФ-С излучения.
В таблице 1 представлены экспериментальные данные, полученные при применении предлагаемого способа для инактивации водоросли Dunaliella saline, обладающей повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям среды обитания, в том числе, воздействию УФ-С облучения.
Таблица 1
Эффективность воздействия УФ-С облучением и озоном, отдельно и совместно, на клетки зеленой водоросли Dunaliella saline в процентах
Жизнеспособных, %
Нежизнеспособных, %
УФ-С - 130 мДж/см<sup>2</sup>
20
80
Озон - 1,2 мг/л
29
71
УФ-C (130 мДж/см<sup>2</sup>) + озон (1,2 мг/л)
0
100