申请日2006.10.27
公开(公告)日2009.01.07
IPC分类号C02F1/36; B63B13/00; C02F1/78; C02F1/467
摘要
一种用于除去比如船舶中的压载水的水中的水生生物的处理水的方法和设备。所述水在受压条件下被引导流过导管进入到具有比导管的截面大的截面的室内，由此产生压力的突然减小。接着发生空化，导致已溶解气体的释放。生成超声波振动并应用于所述水中，其施加消弱或消灭所存在的生物的冲击效果。其它装置可以用于在水中产生另外的攻击所述生物的机械、电学和化学力。
权利要求书
1.一种用于减少水的容积内所存在的水生有机污染的方法，包括：
将水从被水生生物污染的敞开的水体泵送穿过细长的导管系统， 所述水在该系统内的所有点具有相同的体积流速，并且在该系统的任 意点上具有压力水头和速度水头;和
将水引导进入船舶的压载舱内;
其特征在于：将所述水泵送穿过具有不同直径的导管系统，从而 通过增大该系统内的第一点处的水的速度水头，使得第一点处的水中 的压力水头下降到低于大气压力的水平。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述水具有低于大气压力的 汽化压力，并且其中使得第一点处的水中的压力水头下降到低于汽化 压力的水平，由此启动第一点处的水的空化。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述导管系统具有上游端和 下游端，并且其中第一点被置于所述导管系统内的位置处，在所述位 置，所述第一点的下游直径立即突增。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：在第一点处给予所述水螺 旋旋转运动。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述螺旋旋转运动被使得收 敛。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：通过增大第二点处的A style="TEXT-DECORATION: none" href="http://www.dowater.com/">水的 速度水头，使得所述系统内第二点处的水中的压力水头下降到低于大 气压力的水平。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述水具有低于大气压力的 汽化压力，并且其中使得第二点处的压力水头下降到低于汽化压力的 水平，由此启动第二点处的水的空化。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：促使所述水流过施加电功 率的电极。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述电功率被提升到足以在 对电力敏感的生物中产生削弱电学反应的水平。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述水包括溶解的气体， 还包括将所述电功率提升到足以使得某些溶解气体冒泡的水平。
11.如权利要求1所述的方法，还包括：使得水流过多个与腐蚀 性气体发生反应的金属电极，并将电功率施加到这些电极，所述电功 率足以使得气体通过与这些电极的材料的反应而发生中和。
12.所要求的方法还包括将压力下的气体引入到水中。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述气体是下面组中的一种， 所述组由臭氧、二氧化碳和排出气体构成。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述导管系统包括限定孔的 可移走环形盘，还包括将环形盘从导管系统移走，并将它更换为替代 环形盘。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述环形盘由不锈钢形成。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述环形盘由陶瓷材料形 成。
17.一种用于减少水体内的水生生物的设备，包括细长的导管系 统，具有上游端和下游端并被配置为容许水以恒定的体积流速在其中 流动，其特征在于：所述导管系统限定了这样的部分，包括：第一锥 形部，具有大体为截头圆锥体的形状，并且具有下游端和上游端，所 述下游端限定了具有第一直径的第一开口，所述上游端限定了具有大 于第一直径的第二直径的第二开口;第一反应器部，具有大体为圆柱 形的形状并具有大于第一直径的第三直径，所述第一反应器部通过径 向设置的连接器连接到第一锥形部的下游端，由此导管系统的直径在 锥形部的第一开口下游立即突增;其中第一直径大小设置为在向下游 流过所述导管系统的水中启动空化。
18.如权利要求17所述的设备，还包括：限定了具有小于所述第 一直径的直径的孔的环形盘，该盘适于分别通过螺栓连接和打开螺栓 连接而将所述盘从第一锥部和第一反应器部之间的位置插入和移走。
19.如权利要求18所述的设备，其中，所述盘由不锈钢制造。
20.如权利要求18所述的设备，其中，所述盘由陶瓷材料制造。
21.如权利要求17所述的设备，其中，所述反应器部的内部衬有 减少点蚀造成的损伤的材料。
22.如权利要求18所述的设备，还包括：用于向流过所述第一开 口的水引入螺旋流动的装置。
23.如权利要求17所述的设备，还包括：构造为向流过所述第一 开口的水引入螺旋流动的叶片。
24.如权利要求23所述的设备，其中，所述叶片沿螺旋路线固定 并倾斜。
25.如权利要求17所述的设备，还包括：至少一对设置在所述导 管系统内的电极，构造为在导管系统内流动的水中诱发电流。
26.如权利要求17所述的设备，还包括：适于将外部气体引入到 水中的端口。
27.如权利要求25所述的设备，其中，所述电极由与溶解在水中 的矿物发生反应以便形成腐蚀性气体的材料形成。
28.如权利要求17所述的设备，其中所述导管限定了这样的部分， 还包括：第二锥形部，具有大体为截头圆锥体的形状，并且具有下游 端和上游端，该下游端限定了具有第三直径的第三开口，该上游端限 定了具有大于第三直径的第四直径的第四开口;第二反应器部，具有 大体为圆周形的形状并具有大于第三直径的第五直径，所述第二反应 器部通过径向设置的连接器连接到第二锥形部的下游端，由此导管系 统的直径在第二锥形部的第三开口下游立即突增;其中第二锥形部连 接到第一反应器部，并且第三直径大小设置为在流过所述导管系统的 水中启动空化。
说明书
通过压力突降来去除水生生物的水处理方法和设备
技术领域
本发明涉及水处理，通过消灭水生生物或将它们的数量减少到不 能作为集落发育的程度，从而除去水中存在的水生生物。本发明在船 舶所携带的压载水处理方面有特定应用，但并非排它的，当将上述船 舶压载水排放到远离装载所述压载水的地点的海或者湖内时，将会带 来不良的环境影响。
背景技术
现代船舶上通常在位于其船体内的舱中装载压载水，以平衡和稳 定船舶，从而改善其操纵性能。当货物装载在船上并将船舶停靠在水 中后，将压载水排出。同样，当卸载货物时，要将压载水泵送到压载 舱内，以维持理想的平衡状态。
公知的是由于泵送到船内或船外的水的体积非常大，并且由于栖 息在所装载和所排放的压载水中的大量生物种类，常常将从很远的地 方装载的水排放到具有异地生物的海水和淡水中，这已经有很长的历 史了。所述生物从微小的浮游生物种类到相当大的中上层鱼类，并包 括各种致病菌和微生物(原生动物)，处在它们繁殖周期的各个阶段。 它们当中的一些生物在它们抵达的水中具有很少的天敌，如果它们在 这些水中找到合适的食物源的话，它们迅速扩展它们的地盘，并开始 统治该地盘。它们可以由此变成有害生物，并威胁到它们的新生活环 境的生态稳定性。
这个问题在全球范围内都被看作是对水生环境的严重威胁，国际 海事组织在2004年2月订立条约，条约规定船东要采取严格和系统的 步骤来对他们船舶内的压载水进行消毒。该条约正在签署过程中，并 且关于贯彻上述条约所采用技术的具体规定仍旧处于讨论之中。
特别是近些年，已经有很多创新活动致力于找到这些问题的可能 的解决方案。为了杀死水中的生物体，主要采用对水进行化学处理的 形式。然而由于化学物质可能会污染压载水所排放于其中的水域，或 者导致其它有害的负面效果，因此采用化学物质理论上并非理想的解 决方案。在某些情况下，采用有害的化学物质可以导致比它们意图解 决的问题还要大的问题。
为了缓解将特效化学物质排放到海港和停泊地点的水中所带来的 影响，已经提出应当采用在水中仅有短暂存在的化学物质，例如臭氧。 臭氧在海水中仅具有几分钟的半衰期，将臭氧引入到压载水中作为消 毒剂已经在美国专利6125778(Rodden)、6516738(Cannon)和美国 申请No.20040055966(Nguyen等人)中提出。
其它发明者想到对水进行顺序脱氧处理，以生成活体生物趋于死 亡的条件，接下来进行再氧化，从而将所述水复原成可接受的满足所 排放区域各种标准的质量水平(例如参见美国专利5932112 (Browning))。最后提到的专利中还公开了开始时对水进行高氧处 理的概念。由于氧自身的氧化性能，因此与很多活体生物单独亲近的 氧具有杀生效果。然而仅在受控的压力、温度和其它因素条件下，才 可实现最佳效果，并且除去水生生物的速度存在问题。因此它的应用 存在技术难点，并要求进行相当多的控制和监控。
还提出了一些其它形式的处理方法，包括采用过滤和紫外线 (Nguyen等人的美国专利申请20040055966)、加热(Sherman的美 国专利5816181)、以及两种或多种处理形式的组合，例如利用离心分 离的过滤、与紫外线照射或杀生化学物质的联合(Constantine等人的 美国专利6500345)。
这些处理方法大多数都存在下述缺点：要求采用在很多情况下都 需要大量监控的长时间或者相对复杂的处理步骤。
在美国专利6402965(Sullivan等人)中采用了有些不同的进程， 其中公开了将压载水暴露于超声辐射下，在此基础上采用包含涂敷有 压电材料的管道的设备(用作产生适当频率的发射机)，这对水生生 物而言是致命的。水流经该管道。同时还描述了通过该设备而趋于将 水生生物杀死在水中的干涉效果。作为消灭水生生物的紫外线照射还 在有影响的报告中提及：为Northeast-Midwest Institute，Washington，DC 和Lake Carrier Association(Glosten-Herbert Hyde Marine，2002)的Great Lakes Ballast Technology Demonstration Project所准备的Full-Scale Design Studies of Ballast Water Treatment Systems，但是没有公开采用超 声辐射的步骤。
超声辐射可杀死某些活体生物的事实已经知道很多年了，其用于 该目的的应用已经在一些文献中有所描述，例如在J.Bacteriology 51(4)487-493(1946)中发表的P.K.Stumpf，D.E.Green，和F.W.Smith Jr 所著的Ultrasonic Disintegration as a Method of Extracting Bacterial Enzymes，其再版于D.W.Thayer，Dowden，Hutchinson&Ross，Inc. Stroudburg，Pennsylvania所编辑的Microbial Interaction with the Physical Environment，1975，第405-493页。最后提及的出版物还包括 了一篇文章，其中给出了超声波辐射对原生动物和其它生物的致命效 果的试验解释，即：与对直接围绕细胞的水的超声波辐射联合的空化 现象所引发的化学或物理-化学效果，从而引发的质膜破裂(参见 402-404页F.O.Schmitt和B.Uhlemeyer所写文章，在Proc.Soc.Exptl. Biol.Med.27(7)626-628(1930)中再版)。这篇文章提及了所述致命效 果的发现可追溯到所溶解气体的空化，在J.Physiol.，1929，lxvii，365中 由C.H.Johnson所叙述。对于空化现象的进一步评述包含在Microbial Interaction with the Physical Environment的370-373页的编辑者注释中。
水处理中采用超声波辐射本身非常有吸引力，这是因为它不需要 将外部化学物质引入到水中，凭申请人的经验，当以合适的幅值加以 使用时，将会产生杀死或者削弱海水和通航淡水中的生物种类的强烈 效果。然而，它的缺点在于产生和控制它的标准方法相对复杂，而相 关设备就船舶寿命而言相对容易损坏。
发明内容
因而，本发明的目的是提供一种用于在含有有害生物的水(例如 船舶的压载水)中产生超声波辐射的方法和设备，可对水进行曝光以 便将这些生物从水中除去，所述方法相对简单，并且相关设备相对坚 固。
另一目的是提供一种方法和设备，其可以致使压载水压力的至少 一次突然改变，优选多次这种压力的突然改变，这也会带来杀死或削 弱这种生物的效果。
另一目的是提供一种方法和设备，通过采用相对简单的电子设备， 可以在需要除去水生生物的水中产生电-化学力，这些力产生了释放对 所讨论生物有害的至少一种气体的效果，所述气体与水混合，由此增 强气体和水之间的表面接触。
根据本发明，对包含水生生物的水进行处理从而消灭所述生物的 方法包括：使水在受压条件下流过导管，进入到比所述导管截面大的 室内，由此水压突然减小并发生空化，随着空化产生超声波振动，接 着所述超声波振动和空化作用于水上。
所述水可以是船舶的压载水。
所述室和它的联合空间及管道优选形成反应器的一部分，水泵送 穿过所述反应器。如果水是船舶的压载水的话，所述方法优选应用在 装载压载水时，而不是应用于排放水的时候。
通向所述室的导管优选包括具有大体恒定截面的第一区域，水在 受压条件下穿过所述第一区域，其后设有在流入到具有增大截面的室 (在此发生空化)之前截面逐渐减小的区域。由此随着水进入到截面 减小的区域水压增大，仅当水进入到发生空化的室时，水压才突然减 小。这种效果增强了当通向所述室的导管在其整个长度上具有恒定截 面时所发生的空化的程度。
由于空化，周围结构的振动趋于以包含或包括超声波成分的频率 发生。如果空化发生在由低碳钢或其它普通金属制成的构件内，所述 效果导致金属的点蚀。如果所述构件由特定级别的不锈钢制造的话， 很大程度或较小程度的减小点蚀。在本发明的方法和设备中，通过使 用用不锈钢和用已知的陶瓷或其它消除或大大减小了点蚀程度的材料 来衬砌相关部件来避免点蚀。具有这个特点的很多成分都可以购买。 可替代的是，能够可采用相对不受点蚀影响的特种金属。至少一种这 样的材料可以购买得到。在下文中给以细节描述。
反应室内压力突然减小的效果是将溶解气体抽吸到水之外，变成 气相，超声波振动发生在气泡破裂的环境中。这导致水中剧烈的机械 搅动。这种搅拌效果与当它们作用在水生生物表面时的化学效果联合 作用，消灭或削弱所述生物。
根据本发明，通过向暴露于水中的电极供给电源，由此导致水中 溶解的盐电解，从而增强了超声波振动对水生生物的致命效果，其中 在海水的情况下，当中的钠和溴的氯化物用作电解质。这就生成了同 样承受由于超声波辐射所产生振动的气体，在这些条件下有助于破坏 水生生物。由于某些水生生物遭受到施加在水中的具有甚至中等强度 的电力的破坏，因此水中电极附近电荷的存在是导致破坏水生生物的 另一因素。
氯和溴以及氧气和氢气是通过电解力在海水中释放的气体。氯和 溴对它们在反应器中所接触的水生生物具有特定的消毒效果。
泵送到船上或从船舶压载舱排出的压载水中的氯或其它卤化气体 或其它腐蚀气体的大量存在是不理想的，这是因为它们将腐蚀压载舱 和与它们连接的金属导管。相应的，本发明使得这些腐蚀性气体在反 应器室内或紧接的下游处接触易于与所述气体发生反应的金属表面。 因此应当对这些需要经常更换的牺牲金属构件制定规范。
本发明还预期将合适的气体引入到反应室内或附近，优选在反应 室的下游，从而进一步增强在反应器内发生的机械、电学和化学进程， 并且这对水中水生生物具有毁灭性效果。臭氧是一种合适的气体，部 分是因为它在与有生命组织接触时的强烈的氧化效果，由此有助于毁 灭它所遭遇的水生生物，并且部分因为它迅速分解成通常出现在大气 中的气体，即氧气，这对环境是无害的。
通过使水在反应室及连接的管道内机械地混合或搅拌，增强了本 方法的有效性。这可通过在通向反应室和离开反应室的入口和出口导 管中和/或在反应室自身内适当设置隔开并倾斜的叶片来实现。混合的 有效形式是螺旋旋转。所述叶片可以是固定的，因此除了当它们损坏 时偶尔更换外，它们不需要维修。
通过监控与其效率相关的不同变量可以增强本发明的方法，所述 变量包括导管和反应室中的温度、盐度、水流经线路不同点的压力、 流经电极的电压和电流。根据本发明，规定时不时的改变这些参数， 从而优化该方法的结果。
在本发明的优选形式中，增大水压并接着突然减小压力从而诱发 空化、并因此产生超声波辐射的进程以快速连续的方式至少重复一次。
根据本发明的设备包括由限定室的壳体所形成的反应器、比所述 室的截面小并通入所述室的导管、来自所述室的具有比所述室的截面 小的出口导管、和用于在受压条件下将水泵送到入口导管内并因此流 过所述反应器的装置。所述入口导管优选包括终端部分，所述终端部 分当接近所述室时截面逐渐减小。
导致流经所述设备的水发生电解的电极可以容纳在所述反应器 内，优选设置在反应室内部，并固定在其壳体内。
牺牲电极可以设置在出口导管内或其附近，以便通过将腐蚀性气 体转化为容纳在所述电极内的金属盐来中和所述腐蚀性气体。
用于混合反应器内的物质的叶片可以设置在其内部的适当点处。 所述叶片优选向流经所述反应器的水施加旋转运动。
该设备还可以包括从外部向反应器引入一种或多种气体的装置， 例如臭氧。还可以配置防止所述气体回流的装置。
采用优选形式的适用于船舶处理其压载水的设备包括串联连接的 设有至少两个反应室和入口导管的多级反应器。
可以提供用于测量或指示并记录不同因素的状态(例如压力、温 度、pH、盐度和水流速度)的监控装置。所述监控设备可以进一步包 括用于确定和记录所述数据、时间、使用所述设备的全球定位位置以 及与采取水处理的目标相关的其它参数的装置。
用于实施本发明的设备相对简单，没有活动部件，能够容易地改 选装配到船舶上。通常可将它设置在主导管内，通过该导管将压载水 泵送到压载舱或者从压载舱排出。
在典型的船舶装配中，压载泵穿过管系将水泵送入压载舱，所述 管系具有300mm的内径。根据本发明的带有入口和出口导管的两级反 应器可插入到该管系中，仅占据大约1500mm的长度，重约200kg。对 它的控制能够并入到常规船舶计算机系统中。