СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ МОРСКОЙ БАЛЛАСТНОЙ ВОДЫ Российский патент 2013 года по МПК C02F1/32 C02F1/78 C02F103/08 

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.

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/см², определяется энергией бактерицидного УФ-С излучения, проходящей через выделенную площадь 1 см² за время пребывания этой площади в блоке УФ-С облучения, усредненной по всем траекториям движения элементарных объемов обрабатываемой воды) 40-60 мДж/см² (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.

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/см².

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.

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/см², 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.

Необходимое время пребывания озонированной БВ в УФ-С блоке 3, при средней дозе УФ-С облучения 100-200 мДж/см², 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/см² 20 80 Озон - 1,2 мг/л 29 71 УФ-C (130 мДж/см²) + озон (1,2 мг/л) 0 100

Изобретение может быть использовано в области обезвреживания морской балластной воды судов. Способ включает подачу озона в количестве, обеспечивающем концентрацию не более 2 мг озона на 1 литр обрабатываемой морской воды из озоносодержащей газовой смеси или из смеси озона с пресной водой в обезвреживаемую морскую балластную воду. Озон вводится непосредственно перед подачей обезвреживаемой морской балластной воды в блок УФ-С (3) облучения и время от введения в нее озона до выхода морской балластной воды из блока УФ-С облучения (3) не превышает 10 секунд. Доза УФ-С облучения лежит в диапазоне 100-200 мДж/см². Озоносодержащую газовую смесь подают через барботажную пластину, расположенную перпендикулярно направлению движения потока обезвреживаемой морской балластной воды. Изобретение позволяет эффективно обезвреживать морскую балластную воду за счет синергизма биоцидной обработки совместным воздействием озона и бактерицидного ультрафиолетового (УФ-С) излучения, а также обеспечить защиту прибрежных вод мирового океана от инвазивных организмов, а именно бактерий, спор, вирусов, одноклеточных фито- и зоопланктона. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ обезвреживания морской балластной воды путем введения в воду озона и облучения ее УФ-С излучением, отличающийся тем, что озон вводят из озоносодержащей газовой смеси или из смеси озона с пресной водой в обезвреживаемую морскую балластную воду непосредственно перед подачей морской балластной воды в блок УФ-С облучения, а озоносодержащую газовую смесь подают через барботажную пластину, расположенную перпендикулярно направлению движения потока обезвреживаемой морской балластной воды, при этом время от введения озона в поток морской балластной воды до выхода морской балластной воды из блока УФ-С облучения не превышает 10 с, а озон вводят в количестве, обеспечивающем концентрацию не более 2 мг озона на 1 л обрабатываемой морской воды, при этом доза УФ-С облучения озонированной морской балластной воды в блоке УФ-С облучения лежит в диапазоне 100-200 мДж/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что озоносодержащую газовую смесь или смесь озона с пресной водой подают в поток обезвреживаемой морской балластной воды под углом к направлению его движения через форсунки, расположенные в потоке морской балластной воды на входе в блок УФ-С облучения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина угла между направлением движения потока обезвреживаемой балластной воды и направлением подачи озоносодержащей газовой смеси или смеси озона с пресной водой из помещенных в этот поток форсунок лежит в диапазоне от 30° до 150°.