一种用于海水/船舶压舱水的灭菌设备及其方法

专利名称：一种用于海水/船舶压舱水的灭菌设备及其方法
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。
欧洲专利EP1517860和美国专利2004055966描述了包括通过膜过滤器过滤水及随后进行紫外光辐射的方法，该方法在达到消除微生物以及过滤速率的必需效率上有一定的限制。
美国专利号6,284,793,2004129645，2004099608和2005016933A1和一个PCT专利号WO2005061388，描述了基于化学处理的方法。在这个方法中，通过添加过羧酸，过氧化氢，离子化气体，二氧化氯和氰化物来破坏生物体。该方法依赖于几种有毒危险化学物质。此方法不发生化学反应就不能处理压舱水。
可以参考美国专利6,171,508，描述了基于氧化和还原的船舶压舱水处理设备和方法。氧化和还原步骤都基于传质设备而且值得注意的是更加耗时且更昂贵。
美国专利5,816,181公开了利用加热来处理压舱水的方法。该方法基于利用多级热交换器。这种热交换器需要很大的空间而且利用加热来灭菌是非常昂贵的。热处理的效率没有其他基于化学生物灭杀剂或水力气穴的方法的效率高。
美国专利5,192,451公开了一种通过添加一种水溶性二烃基二烯丙基季铵聚合物来控制船舶压舱室中的斑马贝的方法。但是，该方法不发生化学反应就不能处理压舱水而且没有利用水力气穴现象。
除了上述专利之外，关于超声和水力气穴的几篇论文已经公布在科学期刊上，比如，Moholkar和Pandit，1997；Gogate和Pandit，2001以及其中所引用的参考文献。这些论文的焦点主要是研究气穴现象的基本理解和开发气穴现象的新用途。然而这些论文中都没有提到利用水力气穴对压舱水进行灭菌。
尽管上述的到目前为止已知的背景技术的发明和论文实现他们的特定目的和要求，但是都没有描述一种允许船舶不利用化学物质、紫外光或超声波而对从一个港口区域运输到另一个港口区域的压舱水灭菌的压舱水处理系统和方法。因此，必定需要开发一种新的且更加有效的能够消除或降低灭菌用化学物质的使用并且也不是基于紫外光或超声波的使用的灭菌技术。


发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于海水/船舶压舱水的灭菌的设备及其方法，其消除了到目前为止已知的背景技术的缺点，而且不单单具有迄今已知的背景技术水处理设备和方法的优点，还具有其他的优点。
本发明的另一个目的是提供一种海水/船舶压舱水灭菌的设备及其方法，它基于水力气穴原理并包括在气穴室中的气穴元件，因此提供了更有效且更适合压舱水的灭菌方法。这将得到一种经济上有利且有效的方式，通过它来限制当未处理的压舱水排放入与取水地的生态不一样的环境中时可能带来的环境负面影响。
本发明的另外一个目的是提供一种海水/船舶压舱水的灭菌设备及其方法，其中压舱水最好但非必须地穿过一个具有一个或一系列气穴元件的气穴室，其中连续的气穴元件之间的间隙在4倍至100倍于储存室直径的范围内。
本发明还有另一个目的是通过最好但非必须地循环压舱水，多次通过单个或一系列的气穴元件，来提供一种水处理系统和方法。循环量需要通过随后论述的程序来优化。这使得有效地处理水，最好但非必须是压舱水，成为可能。
除此之外本发明还有另外一个目的是提供一种海水/船舶压舱水灭菌的设备及其方法，其中压舱水最好但非必须是穿过一个具有单个或一系列气穴元件的气穴室循环多次。
本发明的另外一个目的是提供一种海水/船舶压舱水灭菌的设备及其方法，其中压舱水在进入气穴室之前利用船舶引擎的废气预热。
本发明还有另外一个目的是提供一种海水/船舶压舱水灭菌的设备及其方法，目标在于最好但不限于杀灭水生生物。
本发明另外还有一个目的是提供一种海水/船舶压舱水灭菌的设备及其方法，其是新的、改进的且对生态环境友好的并且可以是容易且有效地被制造、销售，而且通过对目前正在使用的船舶进行微小的改动就能改进翻新。
本发明的另一个目的是提供一种海水/船舶压舱水灭菌的设备及其方法，其需要最小的船上安装面积且具有在材料和劳力两方面都相对低的制造成本，从而能够以相对低的价格提供给使用者行业。
本发明提供了一种海水/船舶压舱水灭菌的设备及其方法。为实现这个目的，本发明包括具有气穴室的压舱水处理系统，该气穴室中安置有单个或多个具有多个孔的气穴元件。该室具有适于接收压舱水的进口和适于排出处理过的压舱水的出口。待处理水，最好是预热过的，进入进口并通过包含气穴元件的气穴室，在气穴元件中发生对压舱水有效灭菌的水力气穴现象。然后经灭菌的压舱水从出口排出至容器中，该容器最好但非必须是压舱箱。压舱水处理方法还可以包括将所述水再循环穿过气穴室来进一步灭菌，且也可以包括在将水从容器排入周边水路前再处理，所述容器最好但非必须是压舱箱，或可选择地但不是唯一地是封闭箱或与周边水路相连的水管。
同样地，本发明的基本目的是提供一种海水/船舶压舱水灭菌的设备及其方法，其具有迄今提到的现有技术的所有优点和很多新的特征，这导致了该压舱水处理系统和方法不论是通过单个现有技术或是其中的任何组合都是不可预料的，非显而易见的，非暗示或暗指的，这将在随后作非常具体的介绍。
压舱水穿过包含气穴元件的气穴室。这可以在压舱或减舱的时候实现。包含气穴元件的气穴室最好但非必须地与一根传输管串联，通过该传输管压舱箱接收或排出水。泵装置，最好但非必须是在很多船上都能找到的压舱泵，用来从外部水源接收水并可以将水泵送通过气穴室。
该系统也可以包括一个再循环装置，其取得容器中的水并通过一个再循环管装置将水从容器再循环而且将水通过气穴室再泵送返回到容器中。这个再循环装置最好但非必须被用于监控处理水中存在的微生物的水平。当然，本发明还具有其他特征，将在下文中作介绍。
在结合附图阅读了接下来本发明目前最佳但虽然如此也是例证性质的实施例的基础上，本发明的很多目的和优点对于本领域普通技术人员来说将非常明显。应该明白本发明的应用并不局限于接下来的描述或插图示意中的构造细节和构件布置。本发明能够有其他的实施例并且以其他的方式来实践或实现。应该明白的是，为描述而在这里采用的措词和术语也不应该被认为仅局限于此。
因此，为了其中随后的具体说明可以被更好地理解，也为了本发明对该领域的贡献可以被更好的领会，该发明较重要的特征都已经大致地列出。



上文列出的该发明的目的连同表现该发明特点的多种新颖性特征在从属权利要求中随特性一起指出并形成本公开文本的一部分。为了更好的理解该发明，它的操作优点以及通过对它的使用达到的特定目的，附图和阐述了该发明当前实施例的描述性内容应当被参考。
本发明的海水/船舶压舱水的灭菌设备及其方法已经随该说明书在图1至6中阐明。
本说明书附图的图1是依据本发明的原理构造的压舱水处理系统和方法的现有实施例的工艺流程图，其中 17压舱水吸入源 18吸入泵 3和10 压力计 4和11 热交换器 5和12 气穴室 6和13 质量控制校验 7，14和15 2/3路液流转向阀 8 压舱箱 9 排水泵 16热源 图2是一个气穴室的横截面示图，该气穴室构成了此次所提出发明的主要部件而且是能被安装在船上的压舱水处理方法和设备的实施例之一，其中 1 法兰 2 气穴元件 图3描述的是包含于本发明的海水/船舶压舱水灭菌设备和方法所提出的气穴元件的多个例子。
图4是用于该发明中提出的海水/船舶压舱水灭菌设备和方法的设计和最优化的方法流程图。图4中的第4个框的详细流程图表示在图7中，图7中给出了应用CFD对灭菌器进行优化设计的方法。
图5表示了利用图4所述方法所得到的结果的一个例子。图5表示了局部的开口区域、水力直径和运行压力对本发明一个实施例的灭菌性能的影响。
图6是用于校验本发明中提出的海水/船舶压舱水灭菌方法和设备的实验系统的示意图。
A难处理水水池 B泵 C节流阀 D 压力计 E 气穴室 F 收集池
具体实施例方式 在图1中阐明了本发明的海水/船舶压舱水灭菌设备及其方法的基本流程图，本发明利用水力气穴现象使得在压舱和减舱时船舶能处理从一个港口运送到另一个港口的水。更具体的，利用气穴室(5)的压舱水处理系统具有汲水装置(17)，海水通过它从船只外部进入。然后水通过泵装置，比如，但不局限于压舱泵(18)，非必须地穿过热交换器(4)被泵送入气穴室(5)上的一个进口。船舶引擎的废气被用在这个热交换器中来操控进入气穴室(5)的压舱水的温度。气穴室包括单个或多个气穴元件，所述气穴元件包含单个或多个孔。这些孔的形状可以是圆形的或非圆形的且可以有或没有锐缘。被处理的压舱水从气穴室(5)泵送到船舶压舱箱(8)。质量控制校验可以在容器(8)之前进行，利用适当的方法监控被处理水的质量。如果有必要的话，容器(8)中的水或其中的一部分水可以在减舱泵(9)的帮助下被再循环，穿过气穴室(12)，并通过阀(7和14)使流体换向回流至容器(8)，阀(7和14)最好但非必须由质量监控系统决定和/或控制。应当注意的是图1所示的方法和设备能设置在一艘船或任何航海班轮上。
图2是一幅气穴室(图1中的号码为5和12的物件以及图6中的物件E)的横截面示意图，图中具有气穴元件和成直线的连接法兰的具体布置。圆形、矩形或任何其他横截面形状的气穴室包含单个或多个气穴元件(2)，气穴元件(2)是厚度不同的金属、陶瓷或塑料材料的板的形式，它垂直于液流方向放置并以均匀的或不均匀的、在4倍至100倍于保持室直径的范围内的间距定位。气穴元件被装好并通过一个适合的机械保持装置(比如法兰(1))保持在适当位置。气穴元件(2)设置有单个或多个不同横截面的孔，比如具有或不具有锐缘的圆形、三角形、方形或矩形并具有流道的一小部分横截面开放区域。孔可以如上文所述是圆形的或非圆形的，每个孔的直径在500微米到几毫米的范围内。这些气穴元件的组件被容纳在具有圆形或非圆形横截面的室中，在图2中该室在进口和排放口端都具有适合的法兰(1)将其包覆在一条直线上。
图3描述了气穴元件的例子。如图所示，开放区域所占百分比、孔的数量、孔的位置分布和孔的形状及尺寸是关键的设计和运行参数。气穴室包括单个或多个气穴元件，所述气穴元件包含单个或多个孔。这些孔的形状可以是圆形的或非圆形的，且有或没有锐缘。
在图4中表示了满足任何容量的压舱水处理目标的方法和设备的设计程序的流程图。本发明提出的方法包括以计算流体力学(CFD)为基础的模型和用于气穴崩溃的瑞利-普莱西特(Rayleigh-Plesset)方程的解决方案，优选地但不限于确定(i)气穴室的直径；(ii)气穴元件的数量；(iii)气穴元件的间距；(iv)局部开口面积和数量，在每个气穴元件上的孔的直径和分布；(v)运行温度；(vi)运行流量；(vii)通过气穴室的再循环次数。应该注意到，为了确保理想的全面灭菌效果，有必要设计能够产生正确数量的足够强度的气穴活动的系统。气穴活动的数量取决于气穴元件的周长。气穴活动的强度取决于开口面积的百分比，换句话说取决于穿过气穴元件的压降。应该注意到，不同微生物需要不同数量的密度和强度的气穴活动。不同的气穴元件能够被串联或并联而有效地使用，以使整个系统最优化。
设计理想的海水灭菌器的一整套方法表示在图4中。用于确定最佳的运行参数的方法涉及确定微生物的类型和估计需要的气穴活动的强度/数量。Rayleigh-Plesset方程被用来模拟空穴动力学，以及量化空穴崩溃和因此产生的灭菌效果。气穴现象的数量(Cv)是水力气穴现象的一个重要参数，它决定了在一个特定系统中气穴现象开始的条件。它可以被表述如下 其中p2是恢复压力，pv是流体的蒸气压力，vO是在孔中流体的平均速度，ρl是流体的密度。在理想状态下，气穴现象优选地发生在Cv<1的情况下；然而在某些条件下，例如存在气体/固体颗粒，气穴现象可能发生在Cv>1的情况下。基于计算流体力学(CFD)的模型用于模拟流动和预测在任何下游位置的移动空穴周围的瞬时压力场。
CFD模型涉及用于特定设计/构造的、在数字计算机上实现的、质量、动量和能量守恒方程的求解。图4中所示的第4框的更详细的流程图表示在图7中，其中给出了应用CFD来最优化设计灭菌器的一套方法。CFD建模的第一步是模拟气穴室/元件特定的几何形状，并且产生用于进一步计算的网格。下一步是选择合适的、用于对气穴室/元件中流动进行求解的控制方程。与气穴现象相关的流动总是紊流。几个不同的模型被建立，用来模拟紊流(见例如Ranade，2002及其中引用的参考文献)。对于模拟与本发明相关的通过气穴室/元件的流动，我们使用标准的K-□模型来模拟紊流。基本控制方程如下 这些方程通过采用有限体积法和利用商业CFD解算器FLUENT(美国Fluent公司的)的SIMPLE算法(Patankar，1972)来求解。几何模型采用称为GAMBIT(美国Fluent公司的)的商业软件进行构建。评价计算模型以量化与数值解相关的误差。在确定这些数值误差在可接受的范围内之后，模型被用来模拟在不同结构的气穴室/元件中的流动和压力场。被模拟的气穴的轨迹和沿着这些轨迹的压力/速度历史被储存起来，用于下一步Rayleigh-Plesset方程的计算。由CFD模型预测的脉动压力场被结合到到气泡动力学方程中，以获取气穴半径历史和随着流体移动的(见Pandit和Gogte，2001；Ranade，2002)一定尺寸的气穴的崩溃压力。一旦用于产生想得到的气穴活动的参数被确定，CFD模型就被用来优化气穴室的整个结构。该方法对优化整个系统以符合压舱水处理的IMO指导方针是有用的。
图5表示了利用图4所述的一套方法所得到结果的一个例子。图5(a)表示了在本发明中提出的方法和设备的实施例之一的预测流场。图5(b)表示了在这个实施例中可能产生的气穴的模拟轨迹。图5(c)表示单一气穴的模拟动态和它最终的崩溃。图5(d)表示预测的每单位质量消耗相同动力的不同气穴元件的相对驱动力。
本发明基于水力气穴现象提出一种对船舶压舱水(例如海水)进行灭菌的设备和方法。所述的设备包括气穴室，所述气穴室的横截面例如是圆形的或非圆形的，所述气穴室容纳单个或多个气穴元件，这些气穴元件以厚度不同的金属、陶瓷、塑料材料的板的形式存在，垂直于液体流动方向放置，并以相同或不同间距定位并通过装置(例如法兰)固定在适当的位置。气穴元件设置有单个或多个孔，这些孔具有不同的横截面，例如圆形、三角形、正方形或长宽比不同的矩形，具有或不具有锐缘，并且具有流道的一小部分横截面开口区域。所述孔如上文所述可以是圆形或非圆形，每个孔的直径在500微米到几毫米的范围内。
相应地，本发明提供了一种对海水/船舶压舱水进行灭菌的设备，其包括水引入装置(17和18)，该水引入装置由压舱水吸入源(17)和泵装置(18)构成，其通过压力计(3)和止回阀(一个或多个)串联至气穴室(5)的进口端，可选择地通过热交换器(4)，其特征在于所述气穴室(5)主要设置有垂直于流体的流动方向放置的单个或多个气穴元件(2)，所述气穴元件(2)间隔相同的或不同的间距且每个所述气穴元件(2)都具有单个或多个孔形式的局部开放区域，所述气穴室(5)的输出通过质量检验点(6)和止回阀(一个或多个)(7)到达压舱箱(8)，所述压舱箱(8)与排放泵(9)连接，所述压舱箱的输出通过止回阀(一个或多个)到达排放口。
在本发明的一个实施例中，气穴室(5)具有水引入装置(17和18)，海水通过该装置从船外部进入。
在本发明的另一个实施例中，泵装置(18)是一个或一系列的泵，比如但不局限于压舱泵。
在本发明的另外一个实施例中，热交换器(4)与能量源连接，所述能量源例如为标准源或由本领域已知的方法产生，或蒸汽或船舶引擎的引擎废气。
在本发明的另外一个实施例中，气穴室(5)具有例如圆形或非圆形的横截面。
在本发明的另外的一个实施例中，其中气穴室(5)容纳有单个或多个的气穴元件(2)，这些气穴元件以例如厚度不同的金属、陶瓷、塑料材料的板的形式存在，其串联或并联地垂直于液流方向放置并以相同或不同的间距定位并通过装置(比如法兰)安装并保持在适当位置。
在本发明的一个更进一步的实施例中，连续的气穴元件间的间距在4至100倍于保持室直径的范围内，以相同或不同的间距间隔。
在本发明的另外一个更进一步的实施例中，其中气穴元件具有一个0.01至0.90倍于保持室横截面流域的局部开放区域。
在本发明的另外一个更进一步的实施例中，具有一个单孔或多孔形式的局部开放区域的气穴元件(一个或多个)是圆形的或是非圆形的，具有或不具有锐缘，其中每个孔的直径在500微米至几毫米范围内。
在本发明的另外一个实施例中，其中(i)气穴室直径；(ii)气穴元件的数量；(iii)气穴元件间的间距；(iv)每个气穴元件上的局部开放面积和数量，孔的直径和分布；(v)运行温度；(vi)运行流量/流动速度；(vii)经过气穴室的再循环次数；由基于计算流体力学(CFD)的模型和用于气穴崩溃的Rayleigh-Plesset方程来估计并设定，如在这里所描述的一样。
在本发明的另外一个实施例中，其中质量检验点(6)设置有已知的能够监测被处理水质量的装置。
在本发明的另外一个实施例中，其中如果质量检验点(6)需要的话，为了能将被处理水或其中一部分再循环，所述排放泵(9)的排放口经过压力计(10)和止回阀(一个或多个)，可选择地经过热交换器(11)，连接到具有单个或多个气穴元件的气穴室(12)的进口端，并通过一个质量检验点(13)和止回阀(14，7)返回至所述压舱箱(8)。
相应地，本发明提供一种利用上述的设备的海水/船舶压舱水灭菌的方法，包括通过将吸入的可选择地预热的海水，泵送入具有单个或多个气穴元件的气穴室的进口端来用水力气穴处理压舱水，被处理的压舱水通过一个质量检测点到达一个压舱箱，如果质量检测需要的话，将被处理水或其中一部分再循环以进一步形成水力气穴。
在本发明的一个实施例中，被处理的压舱水非必须地被预热到10至70℃的温度范围内。
在本发明的另外一个实施例中，水通过气穴元件的流量使得液体速度在2至150m/s范围内。
在本发明的另外一个实施例中，水压在0.5至150kg/cm2范围内。
在本发明的另外一个实施例中，利用水力气穴现象的水灭菌方法也适合广大的各种水处理用途，包括但不限于废水处理、农业用途、池塘和空地用途、油和气用途和各种灭菌用途。
这里记述的压舱水消毒处理优选地但不排它的是像这样产生的船通过气穴室泵送海水，气穴室优选地但不限于一个或多个气穴元件。通常，可以是一个或一系列泵的泵装置从船周围的水路吸取海水进入到传送管装置。被泵送的海水优选但不限于通过热交换器。用于加热这些海水的能量源可以是标准源或本领域公知的方法产生，例如蒸汽或引擎废气或其它。可以通过与气穴室相连的海水吸入管线装置串联的调整器对气穴室进行控制。从气穴室中排出的被处理水视情况连接到一个容器或多个容器，容器优选但不限于是一个压舱箱(多个压舱箱)。
处理海水的启动和停止与船的进水相一致。再循环机构可以被用来对水进行进一步的处理，而这是否需要则取决于合适的质量检测系统。尽管在目前，没有能够对细菌进行计数的在线监视传感器。然而，正在进行别的努力来设计用于探测特殊病原体的存在的传感器。如果再循环机构需要被激活，尽管是任选地但是优选可以通过控制面板装置来控制停止操作。使用中，现在可以理解，该水处理设备和方法可以被用于非化学的、有效的水处理。
虽然本发明的水处理装置和方法的一个实施例被详细描述，所以显然能够进行另外的改进和变化，所有这些都在本发明的真正的精神和范围内。那么关于前面的说明，应当了解的是可以采用下面的程序对本发明的部件的空间关系进行优化。
泵送通过气穴室的水由于水力气穴现象被灭菌。无论何时水通过气穴室，由于水流遇到几何形状的改变导致压力波动而产生气穴。在剧烈的崩溃之前，产生的气穴经历气穴现象的不同阶段，导致大量能量和高活性氧化物的释放。氧化物和高温高压的条件被认为是微生物被消灭的原因。氧化物的量和温度/压力的大小，由此导致的灭菌的效率，取决于几何尺寸和操作条件。
应该注意到，对于本发明的各部分之间的最佳空间关系包括尺寸、材料、形状、组成、功能以及操作、组装和使用的方式的变化，这对于本领域技术人员是显而易见的，而且那些在附图中描述的和在说明书中记述的所有等同的关系都被包含在本发明中。
例如，任何合适的由各种金属、塑料或其它坚硬的材料制成的圆柱形管道可以被用作前面描述的传送管道装置和/或再循环管道装置。而且，尽管已经描述了优选但非必须的用在船上的利用水力气穴现象对水进行灭菌处理，但是也应当认识到这里描述的这种水处理方法和设备也可以适用于广泛的各种水处理用途，包括但不限于污水处理，农业用途，池塘和空地应用，油和气用途，和各种灭菌用途。另外，多种具有不同形状和尺寸的容器或箱，也包括开放水体，也可以被用来代替前面所描述的基本容器或压舱箱。更进一步，方法、结构、尺寸、形状、压力和体积要求可以适合多种具有不同形状和尺寸的船只，而且所述的密封的再循环系统和方法可以从一个容器转移到另一个容器。本发明也可以适用于使用不同种类的泵、容器、气穴元件或源，压力阀和其它本发明需要但已经存在于船只或其它处理的场所的部件。
本发明的这种新的设备和方法能够消灭存在于储藏在压舱箱中的压舱水中危险的微生物，从而有效地处理压舱水。前面仅作为对本发明的原理的说明。更进一步，由于本领域技术人员可以很容易的对本发明进行众多的修改和改变，因而不希望将本发明限定在前面表示和描述的确切的结构和操作，因此，可以采用的所有合适的修改和等同物都落入到本发明的范围中。
本发明的新颖性在于基于水力气穴现象提供一种相对低成本和对环境生态友好的设备和方法，在不使用任何化学药品或任何化学反应的情况下，通过简单的将受微生物污染的水传送穿过一个或多个容纳有一个或多个气穴元件的气穴室，从而有效和经济地对海水/船舶的压舱水进行灭菌。
提供一个或多个气穴室，所述气穴室中容纳有一个或多个气穴元件，所述气穴元件以均匀或不均匀的间距被间隔开，并且每个元件包括以单个或多个孔的形式存在的局部开放区域，该孔的形状是圆形或非圆形，具有或不具有锐缘，这些非显而易见的创造性步骤使本发明设备具有新颖性。更进一步，对待处理的水进行水力气蚀的这种非显而易见的创造性步骤使本发明的用于对海水/船舶压舱水进行灭菌的方法具有新颖性。
为了证明本发明的对海水/船舶压舱水进行灭菌的设备和及其方法的工作特性，如图6所示构造了一个实验装置。来自海洋的未经处理的难处理水通过7.5马力的离心泵(B)进入到气穴室(E)。在海水被强制穿过气穴室(E)之前，海水首先被收集到岸上储罐(A)，在实验室培养的浮游植物和浮游动物可以被灌输到该岸上储罐(A)中。在储罐(A)中的水被彻底地混合，测定包括微生物在内的生物的密度。水和混合的生物一起被强制穿过包括气穴元件的气穴室(E)的入口，该气穴元件具有一个或多个直径在1至21.5mm范围内的孔并且气穴元件具有占0.2至0.9范围内的局部开口面积。在气穴室(E)中的流动依靠节流阀(C)装置进行控制。压力计(D)安装在气穴室(E)的前面，用于记录通过不同孔的流体的气穴压力。在将从气穴室(E)的出口排出的经过处理的水收集到收集池(F)中后，评估生物的消灭程度。
按照下面程序的每一步来评估生物的消灭程度 采用平板涂布法确定吸入和排出的水中的关于自生活细菌的生物数量。水样的等份试样(0.1ml)在被连续稀释后被置于佐贝尔(Zobell)海生琼脂上，在室温条件下培育24小时。然后清点菌落的数量，表示成每毫升的数量。将排出的水(气穴之后)中的细菌数量与进水(气穴之前)中细菌的数量进行比较，采用下面的公式计算得到细菌数量减少的百分率
其中，I＝进水中的细胞数(气穴之前) D＝出水中的细胞数(气穴之后) 吸入和排出的水中的关于活细菌的生物数量，与浮游动物有关，采用平板涂布法确定。通过使已知量的吸入(气穴之前)水和排出(气穴之后)水穿过由具有50μ网孔的筛绢组成的、悬浮在已知量的经过过滤的海水中的滤网来收集浮游动物细胞。随后使浮游动物细胞均匀分布，该均匀混合物的等份试样(0.1ml)在被连续稀释后被置于Zobell海生琼脂上，在室温条件下培育24小时。然后清点菌落的数量并表示成每毫升的数量。将排出的水(气穴之后)中的细菌数量与进水(气穴之前)中细菌的数量进行比较，按照上述方法计算得到细菌数量减少的百分率。
确定吸入(气穴之前条件)和排出(气穴之后条件)的水中的关于细胞大小大于10μ的浮游植物的生物数量。为了实现这个目标，将已知体积的进水和出水穿过一个由具有10μ网孔的筛绢组成的滤网来进行过滤。然后，保留在具有10μ网孔的筛绢上的浮游植物细胞就立即被移入了已知体积的被过滤过的海水中。在彻底的混合之后，得到一个已知体积的二次样本，只有在紫外线下具有红色叶绿素荧光的有颜色的细胞可采用逆相落射荧光显微镜(inverted epifluorescencemicroscope)进行计数，并表示成每毫升的数量。将出水中的浮游植物数量与吸入的水中浮游植物的数量进行比较，按照前面所述的方法计算得到数量减少的百分率。
确定吸入(气穴之前的条件)和排出(气穴之后的条件)的水中的关于尺寸大于50μ的浮游动物的生物数量。为了实现这个目标，将已知体积的进水和出水穿过由具有50μ网孔的筛绢组成的滤网来进行过滤。然后，保留在该滤网上的浮游动物细胞就立即被移入了已知体积的被过滤过的海水中。在彻底的混合之后，得到一个已知体积的二次样本，只有活的浮游动物(具有活动性)可采用双筒显微镜进行计数，并表示成每立方米中的数量。将出水中的浮游动物数量与进水中的浮游动物数量进行比较，按照前面所述的方法计算得到数量减少的百分率。
下面的例子是以实施例的形式说明本发明的海水/船舶压舱水灭菌设备及其方法，所以不应解释成把本发明的范围局限于任何形式。
例1 液体穿过21.5mm大小的气穴元件1，该气穴元件具有一个非圆形的孔，具有锐缘孔板(在板上钻孔之后，不把孔缘倒斜角或弄光滑或磨光)；开放区域所占比例＝0.9，流量＝2.8升/秒，相应的穿过气穴元件的液体速度是7.7m/s且压力＝3kg/cm2。生物群随海水一起一次穿过该孔。关于进水的生物去除百分率如下表所示。
例2 液体穿过21.5mm大小的气穴元件2，该气穴元件具有一个非圆形的孔，具有锐缘孔板(在板上钻孔之后，不把孔缘倒斜角或弄光滑或磨光)；开放区域所占比例＝0.5，流量＝1.9升/秒，相应的穿过气穴元件的液体速度是10.5m/s且压力＝3.8kg/cm2。生物群随海水一起一次穿过该孔。关于进水的生物去除百分率如下表所示。
例3 液体穿过21.5mm大小的气穴元件3，该气穴元件具有一个非圆形的孔，具有锐缘孔板(在板上钻孔之后，不把孔缘倒斜角或弄光滑或磨光)；开放区域所占比例＝0.25，流量＝1.0升/秒，相应的穿过气穴元件的液体速度是11m/s且压力＝3.8kg/cm2。生物群随海水一起一次穿过该孔。关于进水的生物去除百分率如下表所示。
例4 液体穿过大小为21.5mm的具有多孔锐缘孔板的气穴元件4(在板上钻孔之后，不把孔缘倒斜角或弄光滑或磨光)，该气穴元件具有直径为2mm的圆形孔；开放区域所占比例＝0.25，流量＝0.8升/秒，相应的穿过气穴元件的液体速度是8.8m/s且压力＝3.8kg/cm2。生物群随海水一起一次穿过该孔。关于进水的生物去除百分率如下表所示。
例5 液体穿过大小为21.5mm的具有多孔锐缘孔板的气穴元件5(在板上钻孔之后，不把孔缘倒斜角或弄光滑或磨光)，该气穴元件具有直径为2mm的圆形孔；开放区域所占比例＝0.5，流量＝1.7升/秒，相应的穿过气穴元件的液体速度是9.4m/s且压力＝3.3kg/cm2。生物群随海水一起一次穿过该孔。关于进水的生物去除百分率如下表所示。
例6 液体穿过大小为21.5mm的具有多孔锐缘孔板的气穴元件6(在板上钻孔之后，不把孔缘倒斜角或弄光滑或磨光)，该气穴元件具有直径为2mm的圆形孔；开放区域所占比例＝0.75，流量＝1.3升/秒，相应的穿过气穴元件的液体速度是4.8m/s且压力＝3.2kg/cm2。生物群随海水一起一次穿过该孔。关于进水的生物去除百分率如下表所示。
例7 液体穿过大小为21.5mm的具有多孔锐缘孔板的气穴元件7(在板上钻孔之后，不把孔缘倒斜角或弄光滑或磨光)，该气穴元件具有直径为1mm的圆形孔；开放区域所占比例＝0.25。生物群随海水一起在变化的流动条件下穿过该孔。结果如下表所示
例8 为了说明附4所描述的方法，在这里给出了一个流体通过气穴室的计算流体力学(CFD)模型的例子。这个例子设有如图4所示方法描述的一些步骤。这个实验中，考虑流体流过大小为32mm且具有8个直径为2mm的孔的气穴元件。考虑具有圆形、三角形、正方形和矩形孔的几种不同的气穴元件(如附图3所示)。预测结果的样本如附图5(a)所示。CFD模型的结果用于模拟气穴发生的轨迹，如图5(b)所示。沿着这些气穴轨迹的压力历史数据被用于计算气穴崩溃温度和气穴崩溃压力，如图5(c)所示。在替代基于其轨迹的移动气穴所经历的压力变化(由CFD模拟预测)及通过替代R.P.方程中P无穷大所产生的压力分布图之后，气穴半径历程和最终崩溃压力脉冲由R.P.方程的求解来估计。该计算模型于是被用来估计不同的气穴元件产生气穴的效力和效率。结果的示例如图5(d)所示。
从这里以上所举例子的不同运行条件下的生物学计算结果中很清楚地看到具有显著的生物杀灭性。产生所述的杀灭作用不需要任何的化学物质或热处理或利用紫外光或超声处理。通过采用上述的并在图4中说明的优化方法能显著地强化灭菌能力。通过采用这样一种方法，该压舱水灭菌设备也能适合杀灭特定的微生物。前述的专利和现有技术已知的其他水处理系统和方法没有像本发明一样提出利用水力气穴来对压舱水进行灭菌/处理，本发明中，该装置主要是一个与单个或多个气穴元件合为一体的气穴室，气穴元件间隔相同或者不同的间距，且每个所述的气穴元件都以单个或多个孔的形式具有一个局部开放区域，所述孔是圆形的或非圆形的，且是有锐缘或没有锐缘。
由于前述的现有技术中已经存在的已知类型的压舱水处理系统和方法固有的缺陷，本发明提供了一种用水力气穴处理压舱水的设备和方法，其中，压舱水穿过具有单个或多个气穴元件的气穴室以促进压舱水灭菌并克服现有技术中显现的缺陷和困难。而且，本发明提供了一种海水/压舱水灭菌的设备及其方法，其具有到目前为止所提到的现有技术的所有优点和很多新特征，这些特征导致了一种通过单个现有技术或是其中的任何组合都是不可预料的、非显而易见的、非暗示或暗指的压舱水处理系统和方法。
本发明的主要优点是 1.通过简单地使受生物污染的水经过与进水管或排放管呈直线布置的单个或多个气穴室来实现海水/压舱水的灭菌。
2.不涉及使用任何化学物质或任何化学反应。
3.是简单的、生态环境友好的且通过较小的改动就能适配于现有的任何船舶的吸入排放系统。
4.它不需要或只需要最小的额外空间，这取决于船的类型和它的压舱和减舱系统。
5.不像化学方法那样，该发明不对全体船员的健康存在损害风险，而且其操作不需要特殊的技能或额外的人力。
6.能够有效且经济的对压舱水灭菌，限制当未处理水被释放入与其最初来源地生态不同的环境中时可能导致的环境负面影响。
7.通过有效杀灭水生生物来对压舱水灭菌。
8.在关于材料和劳力两方面的制造成本相对低，从而相应地能够以相对低的价格卖给消费大众和行业。
9.该设备和方法能被用来与任何其他处理系统(多个系统)结合以取得理想的效率。
同样地，本领域技术人员将意识到基于本文公开内容的设想可以很容易地被利用来作为设计用于实现本发明几个目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求被认为是包括在不偏离本发明精神和范围的范围内的等同构造。
权利要求
1.一种海水/船舶压舱水灭菌的设备，其包括水引入装置(17和18)，该水引入装置包括压舱水吸入源(17)和泵装置(18)，其通过压力计(3)和止回阀串联至气穴室(5)进口端，可选择地通过热交换器(4)，其特征在于，所述气穴室(5)主要设置有垂直于流体流动方向放置的单个或多个气穴元件(2)，所述气穴元件(2)间隔相同的或不同的间距放置，且每个所述气穴元件(2)都具有单个或多个孔形式的局部开放区域，所述气穴室(5)的输出通过质量检验点(6)和止回阀(7)到达压舱箱(8)，所述压舱箱(8)与排放泵(9)连接，所述压舱箱的输出通过止回阀到达排放口。
2.如权利要求1所述的设备，其中气穴室(5)具有水引入装置(17和18)，海水通过该水引入装置从船外部进入。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中泵装置(18)是一个或一系列的泵，比如但不局限于压舱泵。
4.如权利要求1-3中任一项所述的设备，其中热交换器(4)与能量源连接，所述能量源为例如标准源或由本领域已知的方法形成，或为蒸汽或船舶引擎的引擎废气。
5.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其中气穴室(5)具有例如圆形或非圆形的横截面。
6.如权利要求1-5中任一项所述的设备，其中气穴室(5)容纳有单个或多个的气穴元件，这些气穴元件以例如金属、陶瓷、塑料材料的厚度不同的板的形式存在，其串联或并联地垂直于液体流动方向放置并以相同或不同的间距定位，且通过诸如法兰等装置安装并保持在适当位置。
7.如权利要求1-6中任一项所述的设备，其中连续的气穴元件间的间距在4至100倍于保持室直径的范围内，以相同或不同的间距间隔。
8.如权利要求1-7中任一项所述的设备，其中气穴元件具有0.01至0.90倍于保持室横截面流域的局部开放区域。
9.如权利要求1-8中任一项所述的设备，其中具有单孔或多孔形式的局部开放区域的气穴元件是圆形的或是非圆形的，具有或不具有锐缘，其中每个孔的直径在500微米至几毫米范围内。
10.如权利要求1-9中任一项所述的设备，其中(i)气穴室直径；(ii)气穴元件的数量；(iii)气穴元件间的间距；(iv)局部开口面积，和在每个气穴元件上的孔的数量、直径和分布；(v)运行温度；(vi)运行流量/流动速度；(vii)经过气穴室的再循环次数；由基于计算流体动力学的模型和用于气穴崩溃的瑞利-普莱西特方程来估计并设定，如在这里所描述的一样。
11.如权利要求1-10中任一项所述的设备，其中质量检验点(6)设置有已知的能够监测被处理水质量的装置。
12.如权利要求1-11中任一项所述的设备，其中如果质量检验点(6)需要的话，为了能将被处理水或其中一部分再循环，所述排放泵(9)的排放口经过压力计(10)和止回阀，可选择地经过热交换器(11)，连接到具有单个或多个气穴元件的气穴室(12)的进口端，并通过质量检验点(13)和止回阀(14，7)返回至所述压舱箱(8)。
13.一种利用此上述的设备的海水/船舶压舱水灭菌的方法，包括步骤通过将吸入的可选择地预热的海水泵送到具有单个或多个气穴元件的气穴室的进口端，来用水力气穴处理压舱水，被处理的压舱水通过质量检测点到达压舱箱，如果质量检测需要的话，将被处理水或其中一部分再循环以进一步形成水力气穴。
14.如权利要求13所述的方法，其中将要被处理的压舱水视情况被预热到10至70℃的温度范围内。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中水穿过气穴元件的流量使得液体速度在2至150m/s范围内。
16.如权利要求13-15中任一项所述的方法，其中水压在0.5至150kg/cm2范围内。
17.如权利要求13-16中任一项所述的方法，其中利用水力气穴的水的灭菌方法也适合广大的各种水处理用途，包括但不局限于废水处理、农业用途、池塘和空地用途、油和气用途和各种灭菌用途。
18.一种海水/船舶压舱水的灭菌设备，主要与这里关于该说明书的例子和附图所描述的一样。
全文摘要
本发明公开了一种基于水力气穴的船舶压舱水，例如海水，的灭菌设备和方法。该设备包括一个具有例如圆形或非圆形的横截面的气穴室，该气穴室容纳单个或多个金属、陶瓷、塑料材料的厚度不同的板的形式的气穴元件，其垂直于液流方向放置并以相同或不同的间距定位。气穴元件具有单个或多个不同横截面的孔，该孔是圆形或非圆形的，具有或不具有锐缘，并且具有流道的一小部分横截面开放区域。灭菌水可以通过附加灭菌系统再循环或从箱内释放入周边水道。海水/船舶压舱水的灭菌是通过水力气穴实现的，并且该方法不涉及使用任何化学物质或化学反应。所发明的设备和方法简单、生态环境友好且通过较小的改动就能适配于现有的任何船舶的吸入排放系统。它不像化学方法那样，它不对全体船员的健康构成威胁，而且其操作不需要特殊的技能或额外的人力。该设备和方法能够有效地杀灭储存在压舱箱里的压舱水中的危害生物。
文档编号B63B17/00GK101370736SQ200580051980
公开日2009年2月18日 申请日期2005年12月27日 优先权日2005年11月8日
发明者阿尼尔·阿尔加·钱德拉谢卡尔, 苏巴什·希夫拉姆·沙瓦特, 伊兰戈万·丹达尤达帕尼, 马达翰·拉贾钱德瑞, 皮拉雷塞提·文卡特·克里希纳穆尔蒂, 阿尼诺德哈·巴欧山德拉·潘蒂特, 威沃克·威纳约克·阮纳德 申请人:科学与工业研究委员会, 孟买大学化工研究院