一種用于海水/船舶壓艙水的滅菌設備及其方法

專利名稱：一種用于海水/船舶壓艙水的滅菌設備及其方法
技術領域：
本發明涉及一種用于海水/船舶壓艙水的滅菌設備及其方法。本發明尤其涉及一種基于水力氣穴現象的用于船舶壓艙水(比如海水)的滅菌的設備和方法。本發明用于海水處理的設備和方法在船上具有特殊的效用，用于處理從一個地區運輸到另一個地區的船舶壓艙水。本發明的設備和方法可能有其他用途，比如將被污染水制成可飲用的飲用水。

背景技術：
當一艘船空載或是部分裝載離開港口時，將海水放入壓艙箱以維持穩定并調節浮力。事實上無論如何，這種壓艙水都將含有活體生物。當這艘船到達它的目的地并準備裝載它的貨物時，它排放出壓艙水，從而潛在地將入侵物種引入到了目的地港口的水生環境中。每年全世界大約有70,000貨輪運載上億噸的壓艙水。這就將數以百計的海洋入侵物種引入了外地環境。這種形式的環境污染導致生態失衡和不可預測的損失，估計價值達上億美元。
為了處理這個問題，很多國家已經通過了控制壓艙水處理和管理的法規。國際海事組織(IMO)已經批準了一個協議來控制和管理船舶壓艙水和沉淀物。該IMO協議已經制定了可以在任何區域排放的壓艙水質量的指導方針，未決批準。很多的選擇是基于海運船上的壓艙水的處理/滅菌的考慮。特殊地，本發明采用了水力氣穴現象來處理壓艙水。
氣穴現象是一種液體中微氣泡形成、生長和崩潰的現象。在水力氣穴現象中，流動液體中的壓力變化導致氣穴。動量平衡方程揭示了當一個流體經過一個壓縮過程，由于液體速度的增加導致下游的靜態壓下降。如果壓力降到臨界值以下，常常低于在運行溫度下介質的蒸汽壓，則小氣泡或蒸汽氣穴在流體中形成。這些微小氣泡能夠產生的條件被稱作氣穴初期。流體速度的增加將導致壓力的進一步降低和氣穴強度的增加。一般地，壓力恢復進一步在下游發生，在那里這些氣穴崩潰產生高壓脈沖。如果氣穴中的氣體濃度足夠小，壓力推動力將會很高，約為好幾百巴，其足以破裂微生物細胞以毀滅微生物。氣穴不對稱崩潰也導致高速射流。該射流周邊的剪切速率足以殺死微生物。本發明利用水力氣穴現象，使用一種新設備和方法來處理壓艙水。這種處理限制了按目前的做法可能導致的環境危害影響。
水處理設備和方法的使用在現有技術中是已知的。例如，美國專利6,840,983McNulty描述了一種利用文丘里噴射器從水中去除溶解氧的系統和方法。然而，其焦點更多在于去除氧氣以抑制腐蝕而對微生物的去除關注較少。其公開的系統對于殺死壓艙水中的微生物達到理想的水平并不是有效的。
可以參考美國專利號6,835,307和澳大利亞專利號6,497,400的專利，其描述了壓艙水的熱處理。該處理沒有用氣穴或化學物質來處理壓艙水。該系統對于殺死壓艙水中的微生物達到理想的水平并不是有效的。
另一個參考可以是美國專利號6,773,607的專利，其中描述了消滅在船舶壓艙水中的外來海洋物種和病原菌的系統和方法。這些方法是依賴于添加一種需要儲存在船上的致死劑。然而，化學滅菌技術具有缺點，比如可能形成致癌副產物。
可以參考一個類似的美國專利號6,773,611的專利，其中公開了壓艙水處理系統中的設備和方法，該系統包括控制系統和壓艙箱系統。該方法也是基于添加生物殺滅劑來處理壓艙水，因此除了會產生不希望的副產物之外還要在船上生產和儲存危險化學藥劑。
美國專利6,770,248公開了一種基于超聲氣穴的壓艙水處理方法。該處理方法需要浸于加壓傳輸介質中的壓電環。除了這些必要條件之外，超聲氣穴的滲透力微小且它的性能的惡化程度成比例增加。該方法未能更有效地利用水力氣穴現象。
也可以參考美國專利6,761,123，其公開了一種通過一種氣態混合物滲透平衡來殺死在船舶壓艙水中的水生公害物種(ANS)的方法。這種方法耗時而且需要一個長時期(幾天)的真空。這嚴重限制了它在船上處理壓艙水的效用。
可以進一步參考美國專利號6,516,738，6125778，20020066399A1和20030015481A1以及PCT專利號WO0210076專利，其描述了利用臭氧處理壓艙水的方法。這些系統需要在船上產生并儲存臭氧。這些系統沒有利用氣穴。這些方法不發生化學反應就不能處理壓艙水。
在美國專利號6,500,345,2003029811和20050016933；PCT專利號WO2004002895A2，WO02072478A2和WO0244089A2中，描述了利用紫外光或化學生物滅殺劑或致死劑來處理壓艙水的設備和方法。基于紫外光的系統的效率隨運行規模而下降。由于儲存和形成副產物的危險使得化學生物滅殺劑的使用并不受歡迎。此方法不發生化學反應就不能處理壓艙水。
歐洲專利EP1517860和美國專利2004055966描述了包括通過膜過濾器過濾水及隨后進行紫外光輻射的方法，該方法在達到消除微生物以及過濾速率的必需效率上有一定的限制。
美國專利號6,284,793,2004129645，2004099608和2005016933A1和一個PCT專利號WO2005061388，描述了基于化學處理的方法。在這個方法中，通過添加過羧酸，過氧化氫，離子化氣體，二氧化氯和氰化物來破壞生物體。該方法依賴于幾種有毒危險化學物質。此方法不發生化學反應就不能處理壓艙水。
可以參考美國專利6,171,508，描述了基于氧化和還原的船舶壓艙水處理設備和方法。氧化和還原步驟都基于傳質設備而且值得注意的是更加耗時且更昂貴。
美國專利5,816,181公開了利用加熱來處理壓艙水的方法。該方法基于利用多級熱交換器。這種熱交換器需要很大的空間而且利用加熱來滅菌是非常昂貴的。熱處理的效率沒有其他基于化學生物滅殺劑或水力氣穴的方法的效率高。
美國專利5,192,451公開了一種通過添加一種水溶性二烴基二烯丙基季銨聚合物來控制船舶壓艙室中的斑馬貝的方法。但是，該方法不發生化學反應就不能處理壓艙水而且沒有利用水力氣穴現象。
除了上述專利之外，關于超聲和水力氣穴的幾篇論文已經公布在科學期刊上，比如，Moholkar和Pandit，1997；Gogate和Pandit，2001以及其中所引用的參考文獻。這些論文的焦點主要是研究氣穴現象的基本理解和開發氣穴現象的新用途。然而這些論文中都沒有提到利用水力氣穴對壓艙水進行滅菌。
盡管上述的到目前為止已知的背景技術的發明和論文實現他們的特定目的和要求，但是都沒有描述一種允許船舶不利用化學物質、紫外光或超聲波而對從一個港口區域運輸到另一個港口區域的壓艙水滅菌的壓艙水處理系統和方法。因此，必定需要開發一種新的且更加有效的能夠消除或降低滅菌用化學物質的使用并且也不是基于紫外光或超聲波的使用的滅菌技術。


發明內容
本發明的主要目的是提供一種用于海水/船舶壓艙水的滅菌的設備及其方法，其消除了到目前為止已知的背景技術的缺點，而且不單單具有迄今已知的背景技術水處理設備和方法的優點，還具有其他的優點。
本發明的另一個目的是提供一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備及其方法，它基于水力氣穴原理并包括在氣穴室中的氣穴元件，因此提供了更有效且更適合壓艙水的滅菌方法。這將得到一種經濟上有利且有效的方式，通過它來限制當未處理的壓艙水排放入與取水地的生態不一樣的環境中時可能帶來的環境負面影響。
本發明的另外一個目的是提供一種海水/船舶壓艙水的滅菌設備及其方法，其中壓艙水最好但非必須地穿過一個具有一個或一系列氣穴元件的氣穴室，其中連續的氣穴元件之間的間隙在4倍至100倍于儲存室直徑的范圍內。
本發明還有另一個目的是通過最好但非必須地循環壓艙水，多次通過單個或一系列的氣穴元件，來提供一種水處理系統和方法。循環量需要通過隨后論述的程序來優化。這使得有效地處理水，最好但非必須是壓艙水，成為可能。
除此之外本發明還有另外一個目的是提供一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備及其方法，其中壓艙水最好但非必須是穿過一個具有單個或一系列氣穴元件的氣穴室循環多次。
本發明的另外一個目的是提供一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備及其方法，其中壓艙水在進入氣穴室之前利用船舶引擎的廢氣預熱。
本發明還有另外一個目的是提供一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備及其方法，目標在于最好但不限于殺滅水生生物。
本發明另外還有一個目的是提供一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備及其方法，其是新的、改進的且對生態環境友好的并且可以是容易且有效地被制造、銷售，而且通過對目前正在使用的船舶進行微小的改動就能改進翻新。
本發明的另一個目的是提供一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備及其方法，其需要最小的船上安裝面積且具有在材料和勞力兩方面都相對低的制造成本，從而能夠以相對低的價格提供給使用者行業。
本發明提供了一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備及其方法。為實現這個目的，本發明包括具有氣穴室的壓艙水處理系統，該氣穴室中安置有單個或多個具有多個孔的氣穴元件。該室具有適于接收壓艙水的進口和適于排出處理過的壓艙水的出口。待處理水，最好是預熱過的，進入進口并通過包含氣穴元件的氣穴室，在氣穴元件中發生對壓艙水有效滅菌的水力氣穴現象。然后經滅菌的壓艙水從出口排出至容器中，該容器最好但非必須是壓艙箱。壓艙水處理方法還可以包括將所述水再循環穿過氣穴室來進一步滅菌，且也可以包括在將水從容器排入周邊水路前再處理，所述容器最好但非必須是壓艙箱，或可選擇地但不是唯一地是封閉箱或與周邊水路相連的水管。
同樣地，本發明的基本目的是提供一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備及其方法，其具有迄今提到的現有技術的所有優點和很多新的特征，這導致了該壓艙水處理系統和方法不論是通過單個現有技術或是其中的任何組合都是不可預料的，非顯而易見的，非暗示或暗指的，這將在隨后作非常具體的介紹。
壓艙水穿過包含氣穴元件的氣穴室。這可以在壓艙或減艙的時候實現。包含氣穴元件的氣穴室最好但非必須地與一根傳輸管串聯，通過該傳輸管壓艙箱接收或排出水。泵裝置，最好但非必須是在很多船上都能找到的壓艙泵，用來從外部水源接收水并可以將水泵送通過氣穴室。
該系統也可以包括一個再循環裝置，其取得容器中的水并通過一個再循環管裝置將水從容器再循環而且將水通過氣穴室再泵送返回到容器中。這個再循環裝置最好但非必須被用于監控處理水中存在的微生物的水平。當然，本發明還具有其他特征，將在下文中作介紹。
在結合附圖閱讀了接下來本發明目前最佳但雖然如此也是例證性質的實施例的基礎上，本發明的很多目的和優點對于本領域普通技術人員來說將非常明顯。應該明白本發明的應用并不局限于接下來的描述或插圖示意中的構造細節和構件布置。本發明能夠有其他的實施例并且以其他的方式來實踐或實現。應該明白的是，為描述而在這里采用的措詞和術語也不應該被認為僅局限于此。
因此，為了其中隨后的具體說明可以被更好地理解，也為了本發明對該領域的貢獻可以被更好的領會，該發明較重要的特征都已經大致地列出。



上文列出的該發明的目的連同表現該發明特點的多種新穎性特征在從屬權利要求中隨特性一起指出并形成本公開文本的一部分。為了更好的理解該發明，它的操作優點以及通過對它的使用達到的特定目的，附圖和闡述了該發明當前實施例的描述性內容應當被參考。
本發明的海水/船舶壓艙水的滅菌設備及其方法已經隨該說明書在圖1至6中闡明。
本說明書附圖的圖1是依據本發明的原理構造的壓艙水處理系統和方法的現有實施例的工藝流程圖，其中 17壓艙水吸入源 18吸入泵 3和10 壓力計 4和11 熱交換器 5和12 氣穴室 6和13 質量控制校驗 7，14和15 2/3路液流轉向閥 8 壓艙箱 9 排水泵 16熱源 圖2是一個氣穴室的橫截面示圖，該氣穴室構成了此次所提出發明的主要部件而且是能被安裝在船上的壓艙水處理方法和設備的實施例之一，其中 1 法蘭 2 氣穴元件 圖3描述的是包含于本發明的海水/船舶壓艙水滅菌設備和方法所提出的氣穴元件的多個例子。
圖4是用于該發明中提出的海水/船舶壓艙水滅菌設備和方法的設計和最優化的方法流程圖。圖4中的第4個框的詳細流程圖表示在圖7中，圖7中給出了應用CFD對滅菌器進行優化設計的方法。
圖5表示了利用圖4所述方法所得到的結果的一個例子。圖5表示了局部的開口區域、水力直徑和運行壓力對本發明一個實施例的滅菌性能的影響。
圖6是用于校驗本發明中提出的海水/船舶壓艙水滅菌方法和設備的實驗系統的示意圖。
A難處理水水池 B泵 C節流閥 D 壓力計 E 氣穴室 F 收集池
具體實施例方式 在圖1中闡明了本發明的海水/船舶壓艙水滅菌設備及其方法的基本流程圖，本發明利用水力氣穴現象使得在壓艙和減艙時船舶能處理從一個港口運送到另一個港口的水。更具體的，利用氣穴室(5)的壓艙水處理系統具有汲水裝置(17)，海水通過它從船只外部進入。然后水通過泵裝置，比如，但不局限于壓艙泵(18)，非必須地穿過熱交換器(4)被泵送入氣穴室(5)上的一個進口。船舶引擎的廢氣被用在這個熱交換器中來操控進入氣穴室(5)的壓艙水的溫度。氣穴室包括單個或多個氣穴元件，所述氣穴元件包含單個或多個孔。這些孔的形狀可以是圓形的或非圓形的且可以有或沒有銳緣。被處理的壓艙水從氣穴室(5)泵送到船舶壓艙箱(8)。質量控制校驗可以在容器(8)之前進行，利用適當的方法監控被處理水的質量。如果有必要的話，容器(8)中的水或其中的一部分水可以在減艙泵(9)的幫助下被再循環，穿過氣穴室(12)，并通過閥(7和14)使流體換向回流至容器(8)，閥(7和14)最好但非必須由質量監控系統決定和/或控制。應當注意的是圖1所示的方法和設備能設置在一艘船或任何航海班輪上。
圖2是一幅氣穴室(圖1中的號碼為5和12的物件以及圖6中的物件E)的橫截面示意圖，圖中具有氣穴元件和成直線的連接法蘭的具體布置。圓形、矩形或任何其他橫截面形狀的氣穴室包含單個或多個氣穴元件(2)，氣穴元件(2)是厚度不同的金屬、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勻的或不均勻的、在4倍至100倍于保持室直徑的范圍內的間距定位。氣穴元件被裝好并通過一個適合的機械保持裝置(比如法蘭(1))保持在適當位置。氣穴元件(2)設置有單個或多個不同橫截面的孔，比如具有或不具有銳緣的圓形、三角形、方形或矩形并具有流道的一小部分橫截面開放區域。孔可以如上文所述是圓形的或非圓形的，每個孔的直徑在500微米到幾毫米的范圍內。這些氣穴元件的組件被容納在具有圓形或非圓形橫截面的室中，在圖2中該室在進口和排放口端都具有適合的法蘭(1)將其包覆在一條直線上。
圖3描述了氣穴元件的例子。如圖所示，開放區域所占百分比、孔的數量、孔的位置分布和孔的形狀及尺寸是關鍵的設計和運行參數。氣穴室包括單個或多個氣穴元件，所述氣穴元件包含單個或多個孔。這些孔的形狀可以是圓形的或非圓形的，且有或沒有銳緣。
在圖4中表示了滿足任何容量的壓艙水處理目標的方法和設備的設計程序的流程圖。本發明提出的方法包括以計算流體力學(CFD)為基礎的模型和用于氣穴崩潰的瑞利-普萊西特(Rayleigh-Plesset)方程的解決方案，優選地但不限于確定(i)氣穴室的直徑；(ii)氣穴元件的數量；(iii)氣穴元件的間距；(iv)局部開口面積和數量，在每個氣穴元件上的孔的直徑和分布；(v)運行溫度；(vi)運行流量；(vii)通過氣穴室的再循環次數。應該注意到，為了確保理想的全面滅菌效果，有必要設計能夠產生正確數量的足夠強度的氣穴活動的系統。氣穴活動的數量取決于氣穴元件的周長。氣穴活動的強度取決于開口面積的百分比，換句話說取決于穿過氣穴元件的壓降。應該注意到，不同微生物需要不同數量的密度和強度的氣穴活動。不同的氣穴元件能夠被串聯或并聯而有效地使用，以使整個系統最優化。
設計理想的海水滅菌器的一整套方法表示在圖4中。用于確定最佳的運行參數的方法涉及確定微生物的類型和估計需要的氣穴活動的強度/數量。Rayleigh-Plesset方程被用來模擬空穴動力學，以及量化空穴崩潰和因此產生的滅菌效果。氣穴現象的數量(Cv)是水力氣穴現象的一個重要參數，它決定了在一個特定系統中氣穴現象開始的條件。它可以被表述如下 其中p2是恢復壓力，pv是流體的蒸氣壓力，vO是在孔中流體的平均速度，ρl是流體的密度。在理想狀態下，氣穴現象優選地發生在Cv<1的情況下；然而在某些條件下，例如存在氣體/固體顆粒，氣穴現象可能發生在Cv>1的情況下。基于計算流體力學(CFD)的模型用于模擬流動和預測在任何下游位置的移動空穴周圍的瞬時壓力場。
CFD模型涉及用于特定設計/構造的、在數字計算機上實現的、質量、動量和能量守恒方程的求解。圖4中所示的第4框的更詳細的流程圖表示在圖7中，其中給出了應用CFD來最優化設計滅菌器的一套方法。CFD建模的第一步是模擬氣穴室/元件特定的幾何形狀，并且產生用于進一步計算的網格。下一步是選擇合適的、用于對氣穴室/元件中流動進行求解的控制方程。與氣穴現象相關的流動總是紊流。幾個不同的模型被建立，用來模擬紊流(見例如Ranade，2002及其中引用的參考文獻)。對于模擬與本發明相關的通過氣穴室/元件的流動，我們使用標準的K-□模型來模擬紊流。基本控制方程如下 這些方程通過采用有限體積法和利用商業CFD解算器FLUENT(美國Fluent公司的)的SIMPLE算法(Patankar，1972)來求解。幾何模型采用稱為GAMBIT(美國Fluent公司的)的商業軟件進行構建。評價計算模型以量化與數值解相關的誤差。在確定這些數值誤差在可接受的范圍內之后，模型被用來模擬在不同結構的氣穴室/元件中的流動和壓力場。被模擬的氣穴的軌跡和沿著這些軌跡的壓力/速度歷史被儲存起來，用于下一步Rayleigh-Plesset方程的計算。由CFD模型預測的脈動壓力場被結合到到氣泡動力學方程中，以獲取氣穴半徑歷史和隨著流體移動的(見Pandit和Gogte，2001；Ranade，2002)一定尺寸的氣穴的崩潰壓力。一旦用于產生想得到的氣穴活動的參數被確定，CFD模型就被用來優化氣穴室的整個結構。該方法對優化整個系統以符合壓艙水處理的IMO指導方針是有用的。
圖5表示了利用圖4所述的一套方法所得到結果的一個例子。圖5(a)表示了在本發明中提出的方法和設備的實施例之一的預測流場。圖5(b)表示了在這個實施例中可能產生的氣穴的模擬軌跡。圖5(c)表示單一氣穴的模擬動態和它最終的崩潰。圖5(d)表示預測的每單位質量消耗相同動力的不同氣穴元件的相對驅動力。
本發明基于水力氣穴現象提出一種對船舶壓艙水(例如海水)進行滅菌的設備和方法。所述的設備包括氣穴室，所述氣穴室的橫截面例如是圓形的或非圓形的，所述氣穴室容納單個或多個氣穴元件，這些氣穴元件以厚度不同的金屬、陶瓷、塑料材料的板的形式存在，垂直于液體流動方向放置，并以相同或不同間距定位并通過裝置(例如法蘭)固定在適當的位置。氣穴元件設置有單個或多個孔，這些孔具有不同的橫截面，例如圓形、三角形、正方形或長寬比不同的矩形，具有或不具有銳緣，并且具有流道的一小部分橫截面開口區域。所述孔如上文所述可以是圓形或非圓形，每個孔的直徑在500微米到幾毫米的范圍內。
相應地，本發明提供了一種對海水/船舶壓艙水進行滅菌的設備，其包括水引入裝置(17和18)，該水引入裝置由壓艙水吸入源(17)和泵裝置(18)構成，其通過壓力計(3)和止回閥(一個或多個)串聯至氣穴室(5)的進口端，可選擇地通過熱交換器(4)，其特征在于所述氣穴室(5)主要設置有垂直于流體的流動方向放置的單個或多個氣穴元件(2)，所述氣穴元件(2)間隔相同的或不同的間距且每個所述氣穴元件(2)都具有單個或多個孔形式的局部開放區域，所述氣穴室(5)的輸出通過質量檢驗點(6)和止回閥(一個或多個)(7)到達壓艙箱(8)，所述壓艙箱(8)與排放泵(9)連接，所述壓艙箱的輸出通過止回閥(一個或多個)到達排放口。
在本發明的一個實施例中，氣穴室(5)具有水引入裝置(17和18)，海水通過該裝置從船外部進入。
在本發明的另一個實施例中，泵裝置(18)是一個或一系列的泵，比如但不局限于壓艙泵。
在本發明的另外一個實施例中，熱交換器(4)與能量源連接，所述能量源例如為標準源或由本領域已知的方法產生，或蒸汽或船舶引擎的引擎廢氣。
在本發明的另外一個實施例中，氣穴室(5)具有例如圓形或非圓形的橫截面。
在本發明的另外的一個實施例中，其中氣穴室(5)容納有單個或多個的氣穴元件(2)，這些氣穴元件以例如厚度不同的金屬、陶瓷、塑料材料的板的形式存在，其串聯或并聯地垂直于液流方向放置并以相同或不同的間距定位并通過裝置(比如法蘭)安裝并保持在適當位置。
在本發明的一個更進一步的實施例中，連續的氣穴元件間的間距在4至100倍于保持室直徑的范圍內，以相同或不同的間距間隔。
在本發明的另外一個更進一步的實施例中，其中氣穴元件具有一個0.01至0.90倍于保持室橫截面流域的局部開放區域。
在本發明的另外一個更進一步的實施例中，具有一個單孔或多孔形式的局部開放區域的氣穴元件(一個或多個)是圓形的或是非圓形的，具有或不具有銳緣，其中每個孔的直徑在500微米至幾毫米范圍內。
在本發明的另外一個實施例中，其中(i)氣穴室直徑；(ii)氣穴元件的數量；(iii)氣穴元件間的間距；(iv)每個氣穴元件上的局部開放面積和數量，孔的直徑和分布；(v)運行溫度；(vi)運行流量/流動速度；(vii)經過氣穴室的再循環次數；由基于計算流體力學(CFD)的模型和用于氣穴崩潰的Rayleigh-Plesset方程來估計并設定，如在這里所描述的一樣。
在本發明的另外一個實施例中，其中質量檢驗點(6)設置有已知的能夠監測被處理水質量的裝置。
在本發明的另外一個實施例中，其中如果質量檢驗點(6)需要的話，為了能將被處理水或其中一部分再循環，所述排放泵(9)的排放口經過壓力計(10)和止回閥(一個或多個)，可選擇地經過熱交換器(11)，連接到具有單個或多個氣穴元件的氣穴室(12)的進口端，并通過一個質量檢驗點(13)和止回閥(14，7)返回至所述壓艙箱(8)。
相應地，本發明提供一種利用上述的設備的海水/船舶壓艙水滅菌的方法，包括通過將吸入的可選擇地預熱的海水，泵送入具有單個或多個氣穴元件的氣穴室的進口端來用水力氣穴處理壓艙水，被處理的壓艙水通過一個質量檢測點到達一個壓艙箱，如果質量檢測需要的話，將被處理水或其中一部分再循環以進一步形成水力氣穴。
在本發明的一個實施例中，被處理的壓艙水非必須地被預熱到10至70℃的溫度范圍內。
在本發明的另外一個實施例中，水通過氣穴元件的流量使得液體速度在2至150m/s范圍內。
在本發明的另外一個實施例中，水壓在0.5至150kg/cm2范圍內。
在本發明的另外一個實施例中，利用水力氣穴現象的水滅菌方法也適合廣大的各種水處理用途，包括但不限于廢水處理、農業用途、池塘和空地用途、油和氣用途和各種滅菌用途。
這里記述的壓艙水消毒處理優選地但不排它的是像這樣產生的船通過氣穴室泵送海水，氣穴室優選地但不限于一個或多個氣穴元件。通常，可以是一個或一系列泵的泵裝置從船周圍的水路吸取海水進入到傳送管裝置。被泵送的海水優選但不限于通過熱交換器。用于加熱這些海水的能量源可以是標準源或本領域公知的方法產生，例如蒸汽或引擎廢氣或其它。可以通過與氣穴室相連的海水吸入管線裝置串聯的調整器對氣穴室進行控制。從氣穴室中排出的被處理水視情況連接到一個容器或多個容器，容器優選但不限于是一個壓艙箱(多個壓艙箱)。
處理海水的啟動和停止與船的進水相一致。再循環機構可以被用來對水進行進一步的處理，而這是否需要則取決于合適的質量檢測系統。盡管在目前，沒有能夠對細菌進行計數的在線監視傳感器。然而，正在進行別的努力來設計用于探測特殊病原體的存在的傳感器。如果再循環機構需要被激活，盡管是任選地但是優選可以通過控制面板裝置來控制停止操作。使用中，現在可以理解，該水處理設備和方法可以被用于非化學的、有效的水處理。
雖然本發明的水處理裝置和方法的一個實施例被詳細描述，所以顯然能夠進行另外的改進和變化，所有這些都在本發明的真正的精神和范圍內。那么關于前面的說明，應當了解的是可以采用下面的程序對本發明的部件的空間關系進行優化。
泵送通過氣穴室的水由于水力氣穴現象被滅菌。無論何時水通過氣穴室，由于水流遇到幾何形狀的改變導致壓力波動而產生氣穴。在劇烈的崩潰之前，產生的氣穴經歷氣穴現象的不同階段，導致大量能量和高活性氧化物的釋放。氧化物和高溫高壓的條件被認為是微生物被消滅的原因。氧化物的量和溫度/壓力的大小，由此導致的滅菌的效率，取決于幾何尺寸和操作條件。
應該注意到，對于本發明的各部分之間的最佳空間關系包括尺寸、材料、形狀、組成、功能以及操作、組裝和使用的方式的變化，這對于本領域技術人員是顯而易見的，而且那些在附圖中描述的和在說明書中記述的所有等同的關系都被包含在本發明中。
例如，任何合適的由各種金屬、塑料或其它堅硬的材料制成的圓柱形管道可以被用作前面描述的傳送管道裝置和/或再循環管道裝置。而且，盡管已經描述了優選但非必須的用在船上的利用水力氣穴現象對水進行滅菌處理，但是也應當認識到這里描述的這種水處理方法和設備也可以適用于廣泛的各種水處理用途，包括但不限于污水處理，農業用途，池塘和空地應用，油和氣用途，和各種滅菌用途。另外，多種具有不同形狀和尺寸的容器或箱，也包括開放水體，也可以被用來代替前面所描述的基本容器或壓艙箱。更進一步，方法、結構、尺寸、形狀、壓力和體積要求可以適合多種具有不同形狀和尺寸的船只，而且所述的密封的再循環系統和方法可以從一個容器轉移到另一個容器。本發明也可以適用于使用不同種類的泵、容器、氣穴元件或源，壓力閥和其它本發明需要但已經存在于船只或其它處理的場所的部件。
本發明的這種新的設備和方法能夠消滅存在于儲藏在壓艙箱中的壓艙水中危險的微生物，從而有效地處理壓艙水。前面僅作為對本發明的原理的說明。更進一步，由于本領域技術人員可以很容易的對本發明進行眾多的修改和改變，因而不希望將本發明限定在前面表示和描述的確切的結構和操作，因此，可以采用的所有合適的修改和等同物都落入到本發明的范圍中。
本發明的新穎性在于基于水力氣穴現象提供一種相對低成本和對環境生態友好的設備和方法，在不使用任何化學藥品或任何化學反應的情況下，通過簡單的將受微生物污染的水傳送穿過一個或多個容納有一個或多個氣穴元件的氣穴室，從而有效和經濟地對海水/船舶的壓艙水進行滅菌。
提供一個或多個氣穴室，所述氣穴室中容納有一個或多個氣穴元件，所述氣穴元件以均勻或不均勻的間距被間隔開，并且每個元件包括以單個或多個孔的形式存在的局部開放區域，該孔的形狀是圓形或非圓形，具有或不具有銳緣，這些非顯而易見的創造性步驟使本發明設備具有新穎性。更進一步，對待處理的水進行水力氣蝕的這種非顯而易見的創造性步驟使本發明的用于對海水/船舶壓艙水進行滅菌的方法具有新穎性。
為了證明本發明的對海水/船舶壓艙水進行滅菌的設備和及其方法的工作特性，如圖6所示構造了一個實驗裝置。來自海洋的未經處理的難處理水通過7.5馬力的離心泵(B)進入到氣穴室(E)。在海水被強制穿過氣穴室(E)之前，海水首先被收集到岸上儲罐(A)，在實驗室培養的浮游植物和浮游動物可以被灌輸到該岸上儲罐(A)中。在儲罐(A)中的水被徹底地混合，測定包括微生物在內的生物的密度。水和混合的生物一起被強制穿過包括氣穴元件的氣穴室(E)的入口，該氣穴元件具有一個或多個直徑在1至21.5mm范圍內的孔并且氣穴元件具有占0.2至0.9范圍內的局部開口面積。在氣穴室(E)中的流動依靠節流閥(C)裝置進行控制。壓力計(D)安裝在氣穴室(E)的前面，用于記錄通過不同孔的流體的氣穴壓力。在將從氣穴室(E)的出口排出的經過處理的水收集到收集池(F)中后，評估生物的消滅程度。
按照下面程序的每一步來評估生物的消滅程度 采用平板涂布法確定吸入和排出的水中的關于自生活細菌的生物數量。水樣的等份試樣(0.1ml)在被連續稀釋后被置于佐貝爾(Zobell)海生瓊脂上，在室溫條件下培育24小時。然后清點菌落的數量，表示成每毫升的數量。將排出的水(氣穴之后)中的細菌數量與進水(氣穴之前)中細菌的數量進行比較，采用下面的公式計算得到細菌數量減少的百分率
其中，I＝進水中的細胞數(氣穴之前) D＝出水中的細胞數(氣穴之后) 吸入和排出的水中的關于活細菌的生物數量，與浮游動物有關，采用平板涂布法確定。通過使已知量的吸入(氣穴之前)水和排出(氣穴之后)水穿過由具有50μ網孔的篩絹組成的、懸浮在已知量的經過過濾的海水中的濾網來收集浮游動物細胞。隨后使浮游動物細胞均勻分布，該均勻混合物的等份試樣(0.1ml)在被連續稀釋后被置于Zobell海生瓊脂上，在室溫條件下培育24小時。然后清點菌落的數量并表示成每毫升的數量。將排出的水(氣穴之后)中的細菌數量與進水(氣穴之前)中細菌的數量進行比較，按照上述方法計算得到細菌數量減少的百分率。
確定吸入(氣穴之前條件)和排出(氣穴之后條件)的水中的關于細胞大小大于10μ的浮游植物的生物數量。為了實現這個目標，將已知體積的進水和出水穿過一個由具有10μ網孔的篩絹組成的濾網來進行過濾。然后，保留在具有10μ網孔的篩絹上的浮游植物細胞就立即被移入了已知體積的被過濾過的海水中。在徹底的混合之后，得到一個已知體積的二次樣本，只有在紫外線下具有紅色葉綠素熒光的有顏色的細胞可采用逆相落射熒光顯微鏡(inverted epifluorescencemicroscope)進行計數，并表示成每毫升的數量。將出水中的浮游植物數量與吸入的水中浮游植物的數量進行比較，按照前面所述的方法計算得到數量減少的百分率。
確定吸入(氣穴之前的條件)和排出(氣穴之后的條件)的水中的關于尺寸大于50μ的浮游動物的生物數量。為了實現這個目標，將已知體積的進水和出水穿過由具有50μ網孔的篩絹組成的濾網來進行過濾。然后，保留在該濾網上的浮游動物細胞就立即被移入了已知體積的被過濾過的海水中。在徹底的混合之后，得到一個已知體積的二次樣本，只有活的浮游動物(具有活動性)可采用雙筒顯微鏡進行計數，并表示成每立方米中的數量。將出水中的浮游動物數量與進水中的浮游動物數量進行比較，按照前面所述的方法計算得到數量減少的百分率。
下面的例子是以實施例的形式說明本發明的海水/船舶壓艙水滅菌設備及其方法，所以不應解釋成把本發明的范圍局限于任何形式。
例1 液體穿過21.5mm大小的氣穴元件1，該氣穴元件具有一個非圓形的孔，具有銳緣孔板(在板上鉆孔之后，不把孔緣倒斜角或弄光滑或磨光)；開放區域所占比例＝0.9，流量＝2.8升/秒，相應的穿過氣穴元件的液體速度是7.7m/s且壓力＝3kg/cm2。生物群隨海水一起一次穿過該孔。關于進水的生物去除百分率如下表所示。
例2 液體穿過21.5mm大小的氣穴元件2，該氣穴元件具有一個非圓形的孔，具有銳緣孔板(在板上鉆孔之后，不把孔緣倒斜角或弄光滑或磨光)；開放區域所占比例＝0.5，流量＝1.9升/秒，相應的穿過氣穴元件的液體速度是10.5m/s且壓力＝3.8kg/cm2。生物群隨海水一起一次穿過該孔。關于進水的生物去除百分率如下表所示。
例3 液體穿過21.5mm大小的氣穴元件3，該氣穴元件具有一個非圓形的孔，具有銳緣孔板(在板上鉆孔之后，不把孔緣倒斜角或弄光滑或磨光)；開放區域所占比例＝0.25，流量＝1.0升/秒，相應的穿過氣穴元件的液體速度是11m/s且壓力＝3.8kg/cm2。生物群隨海水一起一次穿過該孔。關于進水的生物去除百分率如下表所示。
例4 液體穿過大小為21.5mm的具有多孔銳緣孔板的氣穴元件4(在板上鉆孔之后，不把孔緣倒斜角或弄光滑或磨光)，該氣穴元件具有直徑為2mm的圓形孔；開放區域所占比例＝0.25，流量＝0.8升/秒，相應的穿過氣穴元件的液體速度是8.8m/s且壓力＝3.8kg/cm2。生物群隨海水一起一次穿過該孔。關于進水的生物去除百分率如下表所示。
例5 液體穿過大小為21.5mm的具有多孔銳緣孔板的氣穴元件5(在板上鉆孔之后，不把孔緣倒斜角或弄光滑或磨光)，該氣穴元件具有直徑為2mm的圓形孔；開放區域所占比例＝0.5，流量＝1.7升/秒，相應的穿過氣穴元件的液體速度是9.4m/s且壓力＝3.3kg/cm2。生物群隨海水一起一次穿過該孔。關于進水的生物去除百分率如下表所示。
例6 液體穿過大小為21.5mm的具有多孔銳緣孔板的氣穴元件6(在板上鉆孔之后，不把孔緣倒斜角或弄光滑或磨光)，該氣穴元件具有直徑為2mm的圓形孔；開放區域所占比例＝0.75，流量＝1.3升/秒，相應的穿過氣穴元件的液體速度是4.8m/s且壓力＝3.2kg/cm2。生物群隨海水一起一次穿過該孔。關于進水的生物去除百分率如下表所示。
例7 液體穿過大小為21.5mm的具有多孔銳緣孔板的氣穴元件7(在板上鉆孔之后，不把孔緣倒斜角或弄光滑或磨光)，該氣穴元件具有直徑為1mm的圓形孔；開放區域所占比例＝0.25。生物群隨海水一起在變化的流動條件下穿過該孔。結果如下表所示
例8 為了說明附4所描述的方法，在這里給出了一個流體通過氣穴室的計算流體力學(CFD)模型的例子。這個例子設有如圖4所示方法描述的一些步驟。這個實驗中，考慮流體流過大小為32mm且具有8個直徑為2mm的孔的氣穴元件。考慮具有圓形、三角形、正方形和矩形孔的幾種不同的氣穴元件(如附圖3所示)。預測結果的樣本如附圖5(a)所示。CFD模型的結果用于模擬氣穴發生的軌跡，如圖5(b)所示。沿著這些氣穴軌跡的壓力歷史數據被用于計算氣穴崩潰溫度和氣穴崩潰壓力，如圖5(c)所示。在替代基于其軌跡的移動氣穴所經歷的壓力變化(由CFD模擬預測)及通過替代R.P.方程中P無窮大所產生的壓力分布圖之后，氣穴半徑歷程和最終崩潰壓力脈沖由R.P.方程的求解來估計。該計算模型于是被用來估計不同的氣穴元件產生氣穴的效力和效率。結果的示例如圖5(d)所示。
從這里以上所舉例子的不同運行條件下的生物學計算結果中很清楚地看到具有顯著的生物殺滅性。產生所述的殺滅作用不需要任何的化學物質或熱處理或利用紫外光或超聲處理。通過采用上述的并在圖4中說明的優化方法能顯著地強化滅菌能力。通過采用這樣一種方法，該壓艙水滅菌設備也能適合殺滅特定的微生物。前述的專利和現有技術已知的其他水處理系統和方法沒有像本發明一樣提出利用水力氣穴來對壓艙水進行滅菌/處理，本發明中，該裝置主要是一個與單個或多個氣穴元件合為一體的氣穴室，氣穴元件間隔相同或者不同的間距，且每個所述的氣穴元件都以單個或多個孔的形式具有一個局部開放區域，所述孔是圓形的或非圓形的，且是有銳緣或沒有銳緣。
由于前述的現有技術中已經存在的已知類型的壓艙水處理系統和方法固有的缺陷，本發明提供了一種用水力氣穴處理壓艙水的設備和方法，其中，壓艙水穿過具有單個或多個氣穴元件的氣穴室以促進壓艙水滅菌并克服現有技術中顯現的缺陷和困難。而且，本發明提供了一種海水/壓艙水滅菌的設備及其方法，其具有到目前為止所提到的現有技術的所有優點和很多新特征，這些特征導致了一種通過單個現有技術或是其中的任何組合都是不可預料的、非顯而易見的、非暗示或暗指的壓艙水處理系統和方法。
本發明的主要優點是 1.通過簡單地使受生物污染的水經過與進水管或排放管呈直線布置的單個或多個氣穴室來實現海水/壓艙水的滅菌。
2.不涉及使用任何化學物質或任何化學反應。
3.是簡單的、生態環境友好的且通過較小的改動就能適配于現有的任何船舶的吸入排放系統。
4.它不需要或只需要最小的額外空間，這取決于船的類型和它的壓艙和減艙系統。
5.不像化學方法那樣，該發明不對全體船員的健康存在損害風險，而且其操作不需要特殊的技能或額外的人力。
6.能夠有效且經濟的對壓艙水滅菌，限制當未處理水被釋放入與其最初來源地生態不同的環境中時可能導致的環境負面影響。
7.通過有效殺滅水生生物來對壓艙水滅菌。
8.在關于材料和勞力兩方面的制造成本相對低，從而相應地能夠以相對低的價格賣給消費大眾和行業。
9.該設備和方法能被用來與任何其他處理系統(多個系統)結合以取得理想的效率。
同樣地，本領域技術人員將意識到基于本文公開內容的設想可以很容易地被利用來作為設計用于實現本發明幾個目的的其他結構、方法和系統的基礎。因此，重要的是，權利要求被認為是包括在不偏離本發明精神和范圍的范圍內的等同構造。
權利要求
1.一種海水/船舶壓艙水滅菌的設備，其包括水引入裝置(17和18)，該水引入裝置包括壓艙水吸入源(17)和泵裝置(18)，其通過壓力計(3)和止回閥串聯至氣穴室(5)進口端，可選擇地通過熱交換器(4)，其特征在于，所述氣穴室(5)主要設置有垂直于流體流動方向放置的單個或多個氣穴元件(2)，所述氣穴元件(2)間隔相同的或不同的間距放置，且每個所述氣穴元件(2)都具有單個或多個孔形式的局部開放區域，所述氣穴室(5)的輸出通過質量檢驗點(6)和止回閥(7)到達壓艙箱(8)，所述壓艙箱(8)與排放泵(9)連接，所述壓艙箱的輸出通過止回閥到達排放口。
2.如權利要求1所述的設備，其中氣穴室(5)具有水引入裝置(17和18)，海水通過該水引入裝置從船外部進入。
3.如權利要求1或2所述的設備，其中泵裝置(18)是一個或一系列的泵，比如但不局限于壓艙泵。
4.如權利要求1-3中任一項所述的設備，其中熱交換器(4)與能量源連接，所述能量源為例如標準源或由本領域已知的方法形成，或為蒸汽或船舶引擎的引擎廢氣。
5.如權利要求1-4中任一項所述的設備，其中氣穴室(5)具有例如圓形或非圓形的橫截面。
6.如權利要求1-5中任一項所述的設備，其中氣穴室(5)容納有單個或多個的氣穴元件，這些氣穴元件以例如金屬、陶瓷、塑料材料的厚度不同的板的形式存在，其串聯或并聯地垂直于液體流動方向放置并以相同或不同的間距定位，且通過諸如法蘭等裝置安裝并保持在適當位置。
7.如權利要求1-6中任一項所述的設備，其中連續的氣穴元件間的間距在4至100倍于保持室直徑的范圍內，以相同或不同的間距間隔。
8.如權利要求1-7中任一項所述的設備，其中氣穴元件具有0.01至0.90倍于保持室橫截面流域的局部開放區域。
9.如權利要求1-8中任一項所述的設備，其中具有單孔或多孔形式的局部開放區域的氣穴元件是圓形的或是非圓形的，具有或不具有銳緣，其中每個孔的直徑在500微米至幾毫米范圍內。
10.如權利要求1-9中任一項所述的設備，其中(i)氣穴室直徑；(ii)氣穴元件的數量；(iii)氣穴元件間的間距；(iv)局部開口面積，和在每個氣穴元件上的孔的數量、直徑和分布；(v)運行溫度；(vi)運行流量/流動速度；(vii)經過氣穴室的再循環次數；由基于計算流體動力學的模型和用于氣穴崩潰的瑞利-普萊西特方程來估計并設定，如在這里所描述的一樣。
11.如權利要求1-10中任一項所述的設備，其中質量檢驗點(6)設置有已知的能夠監測被處理水質量的裝置。
12.如權利要求1-11中任一項所述的設備，其中如果質量檢驗點(6)需要的話，為了能將被處理水或其中一部分再循環，所述排放泵(9)的排放口經過壓力計(10)和止回閥，可選擇地經過熱交換器(11)，連接到具有單個或多個氣穴元件的氣穴室(12)的進口端，并通過質量檢驗點(13)和止回閥(14，7)返回至所述壓艙箱(8)。
13.一種利用此上述的設備的海水/船舶壓艙水滅菌的方法，包括步驟通過將吸入的可選擇地預熱的海水泵送到具有單個或多個氣穴元件的氣穴室的進口端，來用水力氣穴處理壓艙水，被處理的壓艙水通過質量檢測點到達壓艙箱，如果質量檢測需要的話，將被處理水或其中一部分再循環以進一步形成水力氣穴。
14.如權利要求13所述的方法，其中將要被處理的壓艙水視情況被預熱到10至70℃的溫度范圍內。
15.如權利要求13或14所述的方法，其中水穿過氣穴元件的流量使得液體速度在2至150m/s范圍內。
16.如權利要求13-15中任一項所述的方法，其中水壓在0.5至150kg/cm2范圍內。
17.如權利要求13-16中任一項所述的方法，其中利用水力氣穴的水的滅菌方法也適合廣大的各種水處理用途，包括但不局限于廢水處理、農業用途、池塘和空地用途、油和氣用途和各種滅菌用途。
18.一種海水/船舶壓艙水的滅菌設備，主要與這里關于該說明書的例子和附圖所描述的一樣。
全文摘要
本發明公開了一種基于水力氣穴的船舶壓艙水，例如海水，的滅菌設備和方法。該設備包括一個具有例如圓形或非圓形的橫截面的氣穴室，該氣穴室容納單個或多個金屬、陶瓷、塑料材料的厚度不同的板的形式的氣穴元件，其垂直于液流方向放置并以相同或不同的間距定位。氣穴元件具有單個或多個不同橫截面的孔，該孔是圓形或非圓形的，具有或不具有銳緣，并且具有流道的一小部分橫截面開放區域。滅菌水可以通過附加滅菌系統再循環或從箱內釋放入周邊水道。海水/船舶壓艙水的滅菌是通過水力氣穴實現的，并且該方法不涉及使用任何化學物質或化學反應。所發明的設備和方法簡單、生態環境友好且通過較小的改動就能適配于現有的任何船舶的吸入排放系統。它不像化學方法那樣，它不對全體船員的健康構成威脅，而且其操作不需要特殊的技能或額外的人力。該設備和方法能夠有效地殺滅儲存在壓艙箱里的壓艙水中的危害生物。
文檔編號B63B17/00GK101370736SQ200580051980
公開日2009年2月18日 申請日期2005年12月27日 優先權日2005年11月8日
發明者阿尼爾·阿爾加·錢德拉謝卡爾, 蘇巴什·希夫拉姆·沙瓦特, 伊蘭戈萬·丹達尤達帕尼, 馬達翰·拉賈錢德瑞, 皮拉雷塞提·文卡特·克里希納穆爾蒂, 阿尼諾德哈·巴歐山德拉·潘蒂特, 威沃克·威納約克·阮納德 申請人:科學與工業研究委員會, 孟買大學化工研究院