УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ СУДОВЫХ БАЛЛАСТНЫХ ВОД
INSTALLATION FOR NEUTRALIZING SHIPBOARD BALLAST WATER

Изобретение относится к области очистки морской воды, а именно к устройствам для обезвреживания судовых балластных вод. Установка может быть использована в качестве штатного судового оборудования для обезвреживания балластной воды, а также как образец-прототип технологии при проведении береговых или морских испытаний с целью последующей сертификации в IMO.
Международной конвенцией Международной морской организации (International Marine Organisation IMO), вступающей в действие с сентября 2017 г., предписано, что в целях защиты окружающей среды от чужеродных биологических объектов, морские суда должны быть оснащены системами для обезвреживания балластных вод как при приеме их в балластные цистерны (балластировка), так и при сбросе воды за борт (дебалластировка). В соответствии со стандартом G8 IMO балластные воды должны быть обезврежены от биологических объектов, в том числе от бактерий, спор, вирусов, фито- и зоопланктона.
Кроме того, Рекомендациями IMO регламентирован порядок береговых и судовых испытаний систем обезвреживания судовых балластных вод с целью их последующей сертификации IMO и получения одобрения на использование на судне. Отсюда возникает задача создания такой системы (устройства), которая была бы пригодна одновременно для использования и в качестве оборудования судовой балластной системы, и в качестве испытательной установки на берегу моря или на судне с целью ее дальнейшей сертификации IMO.
Известны многочисленные устройства для обезвреживания судовых балластных вод (Иванченко Д.С. и Сердинова А.Ф. «Обработка балластных вод». Изд. Молодой ученый, №11, 2016 г., с. 568-573), в которых реализуются механические, биологические и физико-химические технологии обезвреживания морской воды. Их общим недостатком является схематичность и условность технических решений, что не позволяет объективно оценить их достоинства и недостатки, а также степень пригодности для испытаний и сертификации установок. Известна также судовая система очистки балластных вод Ocean Guard BWMS. (см., например, сайт компании «НОРТА МИТ GmbH СПб»). Система включает патронный фильтр с тонкостью фильтрации 50 мкм, укомплектованный электроприводной системой непрерывной регенерации, блок EUT (электронно-каталитическое окисление), ультразвуковой блок, блок управления, блок мониторинга, трубопроводы и арматуру. Система предназначена для использования в качестве стационарного судового оборудования. Недостатком системы является низкая эффективность ее работы при использовании для очистки морских вод с резко изменяющимися (например, на порядок) солесодержанием и температурой. Кроме того, оборудование не пригодно для оперативной технологической трансформации с целью мобильного перемещения из-за конструктивной сложности и громоздкости.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является система обезвреживания судовых балластных вод (патент РФ №117886 U1 от 10.07.2012 г., Бюл. №19). Система включает блок патронных фильтров с фильтрующими элементами (ФЭ), выполненными в виде спирально навитой с требуемым зазором проволоки треугольного сечения, и гидравлически связанные с ним блок электрохимического хлорирования воды, блок озонирования воды, генератор ионов меди, блок ультрафиолетового (УФ) облучения воды и дозатор биоцида в пределах допустимых концентраций. Для изготовления фильтрующих элементов применена треугольная проволока, ориентированная при навивке вершиной треугольника наружу фильтрующего элемента, а поток фильтруемой воды направлен снаружи вовнутрь элемента. ФЭ со щелями 50 мкм в принципе обеспечивает очистку морской воды от объектов размером более 50 мкм. В качестве генератора меди применен автономный фильтр, загруженный смесью медной и титановой проволоки. Для промывки фильтров предусмотрено использование морской воды, обогащенной ионами меди. Система снабжена также трубопроводами, арматурой, системой мониторинга и автоматического управления. Указанный аналог принят в качестве прототипа.
К недостаткам известной системы обезвреживания судовых балластных вод относятся:
1. Недостаточная эффективность системы в отношении качества очистки морской воды и удельных затрат (трудовых, энергетических, материальных), обусловленная тем, что:
- не предусмотрена возможность самоочистки фильтров, что вынуждает прерывать процесс для регенерации ФЭ;
- блок УФ-ламп размещен в самостоятельном корпусе вдали от ФЭ, при этом УФ-лучи не могут стерилизовать поверхность ФЭ, в щелях которой возможно накопление биологических объектов;
- интенсивность генерирования меди в процессе обработки воды снижается за счет окисления поверхности медных частиц и их биологического обрастания;
- для генерирования озона и активного хлора в специальных генераторах требуется сложная техника и значительный расход электроэнергии;
- при работе УФ-ламп в среде воздуха выделяется озон, экранирующий выход УФ-лучей и снижающий КПД УФ-облучения, при этом отвод и утилизация озона в устройстве не предусмотрены;
2. Невозможность гарантированного обеспечения экологической и санитарной безопасности человека и окружающей среды, обусловленная тем, что при работе УФ-ламп, электрохимического (ЭХ) генератора и озоногенератора неизбежно выделение, накопление в окружающем пространстве и попадание в морскую воду ядовитых газов (озона, хлора). В известной системе не предусмотрены средства обезвреживания этих токсичных веществ.
Изобретение направлено на решение задачи по повышению эффективности работы оборудования в отношении качества очистки морской воды и снижения удельных затрат (трудовых, энергетических, материальных), при одновременном обеспечении экологической и санитарной безопасности человека и окружающей среды.
Это достигается за счет того, что установка для обезвреживания судовых балластных вод, включающая по меньшей мере один фильтр, содержащий размещенный в его корпусе фильтрующий элемент в виде спирально навитой на каркас проволоки треугольного сечения, устройство генерации ионов меди, блок озонирования, блок ультрафиолетового облучения, дозатор биоцида, систему мониторинга и управления, насосы, трубопроводы и запорную арматуру, по изобретению выполнена в виде многофункционального модуля, в котором элементы установки в виде устройства генерации ионов меди, блока озонирования и блока ультрафиолетового облучения заключены в корпусе размещенного в нем фильтра. Для чего фильтр выполнен с возможностью подачи обрабатываемой воды вовнутрь фильтрующего элемента, установленного по оси фильтра, через сквозные окна, образованные в нижнем днище корпуса модуля, и последующего вывода обработанной воды на выход из фильтра через окна, образованные в его промежуточном днище. При этом фильтрующий элемент закреплен между упомянутыми днищами и изготовлен из преимущественно титановой проволоки треугольного сечения путем навивки на титановый каркас с отверстиями таким образом, что основание треугольника в сечении проволоки обращено по направлению вовнутрь фильтрующего элемента, а вершина треугольника при этом обращена наружу. Причем внутри фильтрующего элемента коаксиально с его продольной осью размещена с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении турбина, содержащая не менее двух спиральных лопастей геликоидной формы, закрепленных по торцам в опорных дисках и снабженных медными щетками, установленными соприкасающимися с внутренней поверхностью фильтрующего элемента, которые в совокупности представляют собой устройство генерации ионов меди. Блок ультрафиолетового облучения размещен вокруг фильтрующего элемента в кольцевом зазоре между наружной поверхностью фильтрующего элемента и внутренней стенкой корпуса фильтра и состоит из расположенных по кругу ультрафиолетовых ламп, защищенных кварцевыми чехлами, верхний торец которых сообщен с атмосферой. Блок ультрафиолетового облучения также содержит озоногенерирующую камеру, образованную пространством внутри кварцевого чехла вокруг ультрафиолетовой лампы и выполненную с возможностью принудительной утилизации озона. При этом в качестве дозатора биоцида использован бромселективный фильтр, который расположен на верхнем днище, в виде крышки модуля, на выходе воды из фильтра, и выполнен с возможностью протока через него морской воды, предварительно прошедшей очистку на фильтрующем элементе, обработку ультрафиолетовыми лучами и обогащенной ионами меди, а вход воды в него организован через дренажную перегородку в крышке модуля, проницаемую для морской воды и непроницаемую для частиц бромселективной фильтрующей загрузки. В состав установки введен установленный в трубопроводной магистрали на выходе воды из модуля водо-воздушный эжектор, с воздушной полостью которого сообщена нижняя полость озоногенерирующей камеры.
Кроме того, лопасти турбины изготовлены из материала, стойкого к морской воде.
При этом в качестве фильтрующей загрузки в бромселективном фильтре использован бромселективный анионообменный материал с размером частиц 200-300 мкм.
Причем входные окна воды в нижнем днище для подачи ее вовнутрь фильтрующего элемента образованы в упомянутом днище внутри круга, ограниченного нижней кромкой фильтрующего элемента, а окна в промежуточном днище для вывода на выход из фильтра обработанной воды образованы вне круга, ограниченного верхней кромкой фильтрующего элемента.
Выполнение фильтра с возможностью подачи обрабатываемой воды вовнутрь ФЭ позволяет непосредственно в его корпусе, внутри и снаружи фильтрующего элемента, установить необходимые для функционирования установки блоки, упомянутые выше в описании.
Размещенная внутри ФЭ турбина и ее спиральные лопасти геликоидной формы, снабженные медными щетками, соприкасающимися с внутренней поверхностью ФЭ, совместно с титановым каркасом ФЭ выполняют функцию устройства генерации ионов меди, в результате чего отпадает необходимость иметь в составе устройства отдельный блок в виде генератора ионов меди.
Кроме того, благодаря установке турбины с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении вращающимися лопастями турбины обеспечивается очистка поверхности ФЭ от прилипших частиц грязи и тем самым щелевая фильтрующая поверхность ФЭ подвергается непрерывной и эффективной самоочистке без использования механического привода и затрат ручного труда. При этом исключается окисление и биологическое обрастание, в результате чего интенсивность генерирования меди в процессе обработки воды не снижается.
Размещение блока ультрафиолетового облучения внутри корпуса фильтра в кольцевом зазоре между наружной поверхностью фильтрующего элемента и внутренней стенкой корпуса фильтра обеспечивает стерилизацию поверхности ФЭ.
Введение в состав устройства водо-воздушного эжектора, сообщенного с озоногенерирующей камерой, позволяет осуществлять утилизацию озона, вредного для обслуживающего персонала и коррозионно-агрессивного для материала трубопроводов и запорной арматуры, путем его отвода из упомянутой камеры. Откачка озона также способствует устранению газового экрана на пути УФ-лучей и повышению их бактерицидного эффекта.
В результате выполнения установки в виде компактного многофункционального модуля существенно уменьшается конструктивно-технологическая сложность и громоздкость установки.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 схематично показана установка для обезвреживания судовых балластных вод;
- на фиг. 2 - многофункциональный модуль в сборе;
- на фиг. 3 - разрез по А-А многофункционального модуля на фиг. 2;
- на фиг. 4 - спиральная лопасть в разрезе;
- на фиг. 5 - фрагмент фильтрующего элемента (вид Б на фиг. 2);
- на фиг. 6 - озоногенерирующая камера (вид В на фиг. 2);
- на фиг. 7 - фильтровальная щель (вид Г на фиг. 5);
- на фиг. 8 - ход УФ-лучей через фильтровальную щель (вид Г на фиг. 5).
Установка содержит по меньшей мере один многофункциональный модуль 1 (фиг. 1, 2), включающий фильтр 2, в полости корпуса которого коаксиально установлен фильтрующий элемент (ФЭ) 3 и закреплен своими торцами между нижним 4 и промежуточном 5 днищами корпуса модуля 1. ФЭ 3 изготовлен из проволоки треугольного сечения, навитой на титановый каркас с зазором (например, 50 мкм) для обеспечения требуемой тонкости фильтрации морской воды. Проволока треугольного сечения навита таким образом, что основание треугольника обращено вовнутрь ФЭ 3, а вершина треугольника обращена к наружной поверхности ФЭ 3. При этом поверхность основания треугольной проволоки, обращенного вовнутрь ФЭ 3, выполнена гладкой, например, полированной. Соответственно, и внутренняя цилиндрическая поверхность ФЭ 3 выполнена гладкой для предотвращения прилипания частиц ФЭ 3. Фильтр 2 выполнен с возможностью подачи обрабатываемой морской воды вовнутрь ФЭ 3 и выхода воды из ФЭ 3. Такая возможность обеспечивается за счет того, что в нижнем днище 4 предусмотрены сквозные окна 6 для входа воды в фильтр 2, а в промежуточном днище 5 предусмотрены сквозные окна 7 для выхода обработанной воды. Причем окна 6 размещены внутри круга, ограниченного нижней кромкой ФЭ 3, а окна 7 - вне круга, ограниченного верхней кромкой ФЭ 3. Нижнее днище 4 содержит поддон 8, патрубок входа воды 9, кольцевой карман 10 для сбора осадка и патрубок для сброса осадка 11 (фиг. 2).
В полости ФЭ 3 коаксиально с его продольной осью в подшипниках 12 и 13 размещена турбина 14, содержащая не менее двух спиралевидных лопастей 15. Каждая лопасть 15 в сечении имеет геликоидную форму (от греч. «геликс» - спираль и «эйдос» - вид) (фиг. 3 и 4). Лопасти 15 турбины 14 по торцам закреплены в опорных дисках 16 и 17. Турбина 14 выполнена с возможностью вращения и «плавания», т.е. возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении. Плавающий эффект турбины 14 обеспечивается, например, за счет того, что длина турбины 14 меньше расстояния между промежуточным днищем 5 и нижним днищем 4, а также различной глубины Н подшипников 12 и 13 (фиг. 2). По кромке лопастей 15 закреплены сменные щетки 18, соприкасающиеся с внутренней поверхностью ФЭ 3 (фиг. 4 и 5). Для изготовления ФЭ 3 использован стойкий в отношении электрохимической коррозии материал, например, титан. Сменные щетки 18 изготовлены из нестойкого материала, обладающего в ионном виде бактерицидными свойствами, в предлагаемом примере - из меди. Медные щетки 18 в контакте с титановой поверхностью ФЭ 3 выполняют функцию генератора меди за счет электрохимической коррозии меди. Лопасти 15 турбины 14 могут быть изготовлены из материала, стойкого к морской воде, например, из пластика.
В корпусе фильтра 2, в кольцевом зазоре 19 между наружной поверхностью ФЭ 3 и внутренней стенкой его корпуса размещен блок ультрафиолетового облучения, состоящий из УФ-ламп 20, защищенных кварцевыми чехлами 21. Чехлы 21 (фиг. 6) герметично закреплены в нижнем днище 4, проходят через окна 7 и герметично закреплены в съемной крышке 22 (фиг. 2). Блок ультрафиолетового облучения содержит озоногенерирующую камеру 23, выполненную с возможностью принудительной утилизации озона, образующегося под воздействием УФ-лучей. Озоногенерирующая камера 23 образована пространством внутри кварцевого чехла 21 вокруг УФ-лампы 20. В трубопроводной магистрали на выходе воды из модуля 1 установлен водо-воздушный эжектор 24 (фиг. 1, 2). При этом нижняя полость озоногенерирующей камеры 23 (фиг. 2) герметично соединена с воздушной полостью 25 водо-воздушного эжектора 24 (фиг. 2), а верхний торец 26 кварцевого чехла 21 сообщается с атмосферой через отверстия 27 в колпаке 28 (фиг. 2, 6). Электропитание УФ- ламп 20 обеспечивается от источника питания (на рисунке не показан).
На съемной крышке 22 размещен бромселективный фильтр 29 (фиг. 2), заполненный бромселективной фильтрующей загрузкой 30. Бромселективный фильтр 29 выполняет функцию дозатора биоцида. Он выполнен с возможностью протока через него морской воды, предварительно прошедшей очистку на ФЭ 3, обработку УФ-лучами и обогащенной ионами меди. Для этой цели вход воды в бромселективный фильтр 29 организован непосредственно из полости съемной крышки 22 через дренажную перегородку 31 (фиг. 2), проницаемую для морской воды и непроницаемую для частиц бромселективной фильтрующей загрузки 30. Заполнение бромселективного фильтра 29 и смена фильтрующей загрузки 30 осуществляются через люк 32. В качестве фильтрующей загрузки 30 в фильтре 29 используется бромселективный анионообменный материал с размером частиц 200…300 мкм.
В состав установки входит также вспомогательное оборудование: трубопроводы, запорная арматура, система мониторинга и управления (на рисунке не показана). Система мониторинга и управления обеспечивает непрерывный контроль качества воды в процессе приема балластной воды при балластировке и сброса воды за борт при дебалластировке.
Установка для обезвреживания судовых балластных вод работает следующим образом. Морская вода под напором балластного насоса (в комплект установки не входит) через патрубок входа воды 9 (фиг. 2) поступает в полость фильтра 2. Через окна 6 поток воды попадает вовнутрь ФЭ 3, как показано стрелками, где взаимодействует с лопастями 15 турбины 14. Поскольку каждая лопасть в сечении имеет геликоидный профиль, при движении потока воды относительно лопастей турбины возникает подъемная сила, обеспечивающая поворот лопастей и вращение турбины вокруг своей оси. При правильно выбранной геометрии лопастей 15 линейная скорость вращения турбины 14 может значительно превышать линейную скорость потока воды, входящей в турбину 14.
Морская вода фильтруется через щели ФЭ 3, на которых задерживаются дисперсные частицы и биологические объекты размером более 50 мкм (фиг. 7), и поступает в зону УФ-обработки (кольцевой зазор 19). При этом все дисперсные примеси как органического, так и неорганического происхождения скапливаются на внутренней цилиндрической поверхности ФЭ 3. Вращающиеся с увеличенной скоростью (по отношению к скорости потока воды) лопасти 15 турбины 14 и прикрепленные к ним щетки 18 непрерывно соскабливают осадки с гладкой цилиндрической поверхности ФЭ 3, которые беспрепятственно стекают по поверхности ФЭ 3 вниз, в поддон 8 (фиг. 2).
В момент остановки турбины 14, когда потока воды нет, ее лопасти 15 совместно со щетками 18 сползают вниз на расстояние Н - плавающий эффект (фиг. 2), благодаря чему обеспечивается финишная доочистка поверхности ФЭ 3 от остатков прилипших частиц грязи. Лопасти турбины 14 работают не только как скребок во время ее вращения, но и как нож, когда она опускается на расстояние Н из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее. Таким образом, в процессе балластировки щелевая фильтрующая поверхность ФЭ 3 подвергается непрерывной и эффективной самоочистке без использования механического привода и затрат ручного труда.
При контакте в морской воде медных щеток 18 и титановой поверхности ФЭ 3 непрерывно идет процесс электрохимической коррозии, в котором в качестве анода выступает медь, а в качестве катода - титан. За счет анодного растворения меди морская вода обогащается ионами меди, губительно действующими на жизнеспособность живых биологических объектов. За счет механического трения по титановой поверхности с медной щетки удаляются окислы меди, т.е. идет процесс депассивации меди. Таким образом, анодные процессы не затухают во времени и требуемый по расчету массовый выход меди (в мг/л) сохраняется в течение всего цикла обработки воды. По мере износа щетки 18 могут быть заменены на новые. Такая замена выполняется в перерыве между плановыми циклами балластировки и дебалластировки.
Морская вода после очистки на ФЭ 3 поступает в зону УФ- обработки (кольцевой зазор 19), где попадает под суммарный поток УФ- лучей от нескольких УФ-ламп 20 и обеззараживается по мере движения в направлении выхода через верхние окна 7. При этом УФ-лучи действуют не только на биологические клетки, присутствующие в морской воде, но также и на саму фильтрующую поверхность ФЭ 3 и даже проходят через фильтровальные щели внутрь ФЭ 3, обеспечивая при этом дезинфекцию самого ФЭ 3, как показано на фиг. 8. Внутри озоногенерирующей камеры 23 под действием УФ-лучей из кислорода воздуха генерируется озон, плотность которого выше, чем плотность воздуха примерно в 1,3…1,5 раза. Поэтому образующийся озон, как более тяжелый газ, постепенно заполняет нижнюю часть озоногенерирующей камеры 23. Если озон не отводить из полости кварцевого чехла 21, то он неизбежно будет просачиваться через вентиляционные отверстия в помещение, где размещена установка и где находится обслуживающий персонал. Озон является ядовитым газом, и такая ситуация может привести к отравлению людей. В описываемой установке образующийся озон отводится из озоногенерирующей камеры 23 и утилизируется с помощью водо- воздушного эжектора 24 (фиг. 2). Озон, накопившийся в нижней части озоногенерирующей камеры 23, отсасывается эжектором 24 и используется непосредственно для обработки морской воды, вытекающей из фильтра 2. Вследствие откачки озона одновременно устраняется газовый экран на пути УФ-лучей и повышается их бактерицидный эффект. Этот эффект аналогичен озонному слою вокруг земли, защищающему землю от лучей солнца. Разница в том, что разрушение озонного слоя для Земли - вредно, а для работы описываемой установки - полезно, поскольку мощность УФ-лучей используется полностью по назначению, т.е. для дезинфекции воды.
Вода, обработанная в блоке УФ-облучения, затем попадает в пространство под съемной крышкой 22, где она облучается суммарным светом от всех УФ-ламп 20, смонтированных в модуле 1. Именно здесь, в пространстве под крышкой 22, вода получает дополнительную мощную дозу УФ-света, после чего направляется в бромселективный фильтр 29.
3
В морской воде с солесодержанием 30 промилле присутствует бром в виде ионов и солей (бромидов) в концентрации до 66 г/м (Р. Хорн, Морская химия, М., Мир, 1972, с. 190). При фильтровании морской воды через бромселективный фильтр 29 бромселективная загрузка 30 (ионообменный материал типа анионита) накапливает бром в количестве согласно ее ионообменной способности. Далее биологические объекты, содержащиеся в морской воде, контактируют с бромом в массе фильтрующей загрузки и дополнительно обезвреживаются. Фильтр 29 одновременно выполняет и другую важную функцию: финишную фильтрацию воды с тонкостью 200…400 мкм. Процесс обезвреживания продолжается в полости водо- воздушного эжектора 24, куда засасывается озон из озоногенерирующей камеры 23. Синергидный эффект обработки воды проявляется при совместном действии всех бактерицидных факторов: фильтрование на щелях размером 50 мкм, воздействие ионов меди, воздействие УФ-лучей в ближней зоне, воздействие УФ-лучей в дальней зоне, воздействие брома, воздействие озона. Суммарный результат такого воздействия превышает простую сумму эффектов от последовательного воздействия каждого из этих факторов по отдельности.
Таким образом, многофункциональный модуль способен выполнять несколько технологических задач: фильтрование морской воды с тонкостью 50 мкм; генерирование ионов меди; обеззараживание УФ- лучами; непрерывная регенерация фильтрующего элемента путем его самоочистки; дозирование биоцида (брома); тонкое фильтрование на борселективном фильтре; озонирование воды и утилизация озона.
Установка в предлагаемом мобильном исполнении может быть использована в качестве штатного судового оборудования для обезвреживания балластной воды, а также как образец-прототип технологии при проведении береговых или морских испытаний с целью последующей сертификации в IMO.
Предлагаемая установка для обезвреживания судовых балластных вод обеспечивает:
- повышение эффективности процесса обезвреживания судовых балластных вод в отношении качества очистки воды и снижения удельных затрат (трудовых, энергетических, материальных). При этом качество очистки повышается за счет двухступенчатой фильтрации (на щелевом фильтре и в фильтре с борселективной загрузкой), обработки более мощным (без озонового экрана) УФ-светом, интенсификации процесса генерирования меди, синергетического эффекта от суммарного воздействия УФ-лучей, ионов меди, брома и озона. Удельные трудовые затраты снижаются за счет исключения ручных процедур по чистке и замене ФЭ, удельные энергетические затраты снижаются за счет исключения автономных генератора озона и генератора хлора с электропитанием и удельные материальные затраты снижаются за счет упрощения конструкции установки, уменьшения ее массы, уменьшения количества обслуживающего персонала, отказа от ручной чистки ФЭ, использования брома, утилизируемого из морской воды;
- повышение экологической и санитарной безопасности окружающей среды и человека, что достигается за счет утилизации озона, образующегося при горении УФ-ламп, и отказа от использования автономных генераторов хлора и озона.