[发明专利]一种用于海水/船舶压舱水的灭菌设备及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于海水/船舶压舱水的灭菌设备及其方法。本发明尤其涉及一种基于水力气穴现象的用于船舶压舱水（比如海水）的灭菌的设备和方法。本发明用于海水处理的设备和方法在船上具有特殊的效用，用于处理从一个地区运输到另一个地区的船舶压舱水。本发明的设备和方法可能有其他用途，比如将被污染水制成可饮用的饮用水。

背景技术

当一艘船空载或是部分装载离开港口时，将海水放入压舱箱以维持稳定并调节浮力。事实上无论如何，这种压舱水都将含有活体生物。当这艘船到达它的目的地并准备装载它的货物时，它排放出压舱水，从而潜在地将入侵物种引入到了目的地港口的水生环境中。每年全世界大约有70,000货轮运载上亿吨的压舱水。这就将数以百计的海洋入侵物种引入了外地环境。这种形式的环境污染导致生态失衡和不可预测的损失，估计价值达上亿美元。

为了处理这个问题，很多国家已经通过了控制压舱水处理和管理的法规。国际海事组织（IMO）已经批准了一个协议来控制和管理船舶压舱水和沉淀物。该IMO协议已经制定了可以在任何区域排放的压舱水质量的指导方针，未决批准。很多的选择是基于海运船上的压舱水的处理/灭菌的考虑。特殊地，本发明采用了水力气穴现象来处理压舱水。

气穴现象是一种液体中微气泡形成、生长和崩溃的现象。在水力气穴现象中，流动液体中的压力变化导致气穴。动量平衡方程揭示了当一个流体经过一个压缩过程，由于液体速度的增加导致下游的静态压下降。如果压力降到临界值以下，常常低于在运行温度下介质的蒸汽压，则小气泡或蒸汽气穴在流体中形成。这些微小气泡能够产生的条件被称作气穴初期。流体速度的增加将导致压力的进一步降低和气穴强度的增加。一般地，压力恢复进一步在下游发生，在那里这些气穴崩溃产生高压脉冲。如果气穴中的气体浓度足够小，压力推动力将会很高，约为好几百巴，其足以破裂微生物细胞以毁灭微生物。气穴不对称崩溃也导致高速射流。该射流周边的剪切速率足以杀死微生物。本发明利用水力气穴现象，使用一种新设备和方法来处理压舱水。这种处理限制了按目前的做法可能导致的环境危害影响。

水处理设备和方法的使用在现有技术中是已知的。例如，美国专利6,840,983McNulty描述了一种利用文丘里喷射器从水中去除溶解氧的系统和方法。然而，其焦点更多在于去除氧气以抑制腐蚀而对微生物的去除关注较少。其公开的系统对于杀死压舱水中的微生物达到理想的水平并不是有效的。

可以参考美国专利号6,835,307和澳大利亚专利号6,497,400的专利，其描述了压舱水的热处理。该处理没有用气穴或化学物质来处理压舱水。该系统对于杀死压舱水中的微生物达到理想的水平并不是有效的。

另一个参考可以是美国专利号6,773,607的专利，其中描述了消灭在船舶压舱水中的外来海洋物种和病原菌的系统和方法。这些方法是依赖于添加一种需要储存在船上的致死剂。然而，化学灭菌技术具有缺点，比如可能形成致癌副产物。

可以参考一个类似的美国专利号6,773,611的专利，其中公开了压舱水处理系统中的设备和方法，该系统包括控制系统和压舱箱系统。该方法也是基于添加生物杀灭剂来处理压舱水，因此除了会产生不希望的副产物之外还要在船上生产和储存危险化学药剂。

美国专利6,770,248公开了一种基于超声气穴的压舱水处理方法。该处理方法需要浸于加压传输介质中的压电环。除了这些必要条件之外，超声气穴的渗透力微小且它的性能的恶化程度成比例增加。该方法未能更有效地利用水力气穴现象。

也可以参考美国专利6,761,123，其公开了一种通过一种气态混合物渗透平衡来杀死在船舶压舱水中的水生公害物种（ANS）的方法。这种方法耗时而且需要一个长时期（几天）的真空。这严重限制了它在船上处理压舱水的效用。

可以进一步参考美国专利号6,516,738，6125778，20020066399A1和20030015481A1以及PCT专利号WO0210076专利，其描述了利用臭氧处理压舱水的方法。这些系统需要在船上产生并储存臭氧。这些系统没有利用气穴。这些方法不发生化学反应就不能处理压舱水。

在美国专利号：6,500,345，2003029811和20050016933；PCT专利号：WO2004002895A2,WO02072478A2和WO0244089A2中，描述了利用紫外光或化学生物灭杀剂或致死剂来处理压舱水的设备和方法。基于紫外光的系统的效率随运行规模而下降。由于储存和形成副产物的危险使得化学生物灭杀剂的使用并不受欢迎。此方法不发生化学反应就不能处理压舱水。