專利名稱：通過壓力突降來(lái)去除水生生物的水處理方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水處理，通過消滅水生生物或?qū)⑺鼈兊臄?shù)量減少到不 能作為集落發(fā)育的程度，從而除去水中存在的水生生物。本發(fā)明在船 舶所攜帶的壓載水處理方面有特定應(yīng)用，但并非排它的，當(dāng)將上述船 舶壓載水排放到遠(yuǎn)離裝載所述壓載水的地點(diǎn)的海或者湖內(nèi)時(shí)，將會(huì)帶 來(lái)不良的環(huán)境影響。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代船舶上通常在位于其船體內(nèi)的艙中裝載壓載水，以平衡和穩(wěn) 定船舶，從而改善其操縱性能。當(dāng)貨物裝載在船上并將船舶?？吭谒?中后，將壓載水排出。同樣，當(dāng)卸載貨物時(shí)，要將壓載水泵送到壓載 艙內(nèi)，以維持理想的平衡狀態(tài)。
公知的是由于泵送到船內(nèi)或船外的水的體積非常大，并且由于棲 息在所裝載和所排放的壓載水中的大量生物種類，常常將從很遠(yuǎn)的地 方裝載的水排放到具有異地生物的海水和淡水中，這已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷 史了。所述生物從微小的浮游生物種類到相當(dāng)大的中上層魚類，并包 括各種致病菌和微生物(原生動(dòng)物)，處在它們繁殖周期的各個(gè)階段。 它們當(dāng)中的一些生物在它們抵達(dá)的水中具有很少的天敵，如果它們?cè)?這些水中找到合適的食物源的話，它們迅速擴(kuò)展它們的地盤，并開始 統(tǒng)治該地盤。它們可以由此變成有害生物，并威脅到它們的新生活環(huán) 境的生態(tài)穩(wěn)定性。
這個(gè)問題在全球范圍內(nèi)都被看作是對(duì)水生環(huán)境的嚴(yán)重威脅，國(guó)際
海事組織在2004年2月訂立條約，條約規(guī)定船東要采取嚴(yán)格和系統(tǒng)的 步驟來(lái)對(duì)他們船舶內(nèi)的壓載水進(jìn)行消毒。該條約正在簽署過程中，并
且關(guān)于貫徹上述條約所采用技術(shù)的具體規(guī)定仍舊處于討論之中。
特別是近些年，已經(jīng)有很多創(chuàng)新活動(dòng)致力于找到這些問題的可能 的解決方案。為了殺死水中的生物體，主要采用對(duì)水進(jìn)行化學(xué)處理的 形式。然而由于化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)污染壓載水所排放于其中的水域，或 者導(dǎo)致其它有害的負(fù)面效果，因此采用化學(xué)物質(zhì)理論上并非理想的解 決方案。在某些情況下，采用有害的化學(xué)物質(zhì)可以導(dǎo)致比它們意圖解 決的問題還要大的問題。
為了緩解將特效化學(xué)物質(zhì)排放到海港和停泊地點(diǎn)的水中所帶來(lái)的 影響，已經(jīng)提出應(yīng)當(dāng)采用在水中僅有短暫存在的化學(xué)物質(zhì)，例如臭氧。 臭氧在海水中僅具有幾分鐘的半衰期，將臭氧引入到壓載水中作為消
毒劑已經(jīng)在美國(guó)專利6125778 (Rodden) 、 6516738 (Cannon)和美國(guó) 申請(qǐng)No.20040055966 (Nguyen等人)中提出。
其它發(fā)明者想到對(duì)水進(jìn)行順序脫氧處理，以生成活體生物趨于死 亡的條件，接下來(lái)進(jìn)行再氧化，從而將所述水復(fù)原成可接受的滿足所 排放區(qū)域各種標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量水平(例如參見美國(guó)專利5932112 (Browning))。最后提到的專利中還公開了開始時(shí)對(duì)水進(jìn)行高氧處 理的概念。由于氧自身的氧化性能，因此與很多活體生物單獨(dú)親近的 氧具有殺生效果。然而僅在受控的壓力、溫度和其它因素條件下，才 可實(shí)現(xiàn)最佳效果，并且除去水生生物的速度存在問題。因此它的應(yīng)用 存在技術(shù)難點(diǎn)，并要求進(jìn)行相當(dāng)多的控制和監(jiān)控。
還提出了一些其它形式的處理方法，包括采用過濾和紫外線 (Nguyen等人的美國(guó)專利申請(qǐng)20040055966)、加熱(Sherman的美 國(guó)專利5816181)、以及兩種或多種處理形式的組合，例如利用離心分 離的過濾、與紫外線照射或殺生化學(xué)物質(zhì)的聯(lián)合(Constantine等人的 美國(guó)專利6500345)。 這些處理方法大多數(shù)都存在下述缺點(diǎn)要求采用在很多情況下都 需要大量監(jiān)控的長(zhǎng)時(shí)間或者相對(duì)復(fù)雜的處理步驟。
在美國(guó)專利6402965 (Sullivan等人)中采用了有些不同的進(jìn)程， 其中公開了將壓載水暴露于超聲輻射下，在此基礎(chǔ)上采用包含涂敷有 壓電材料的管道的設(shè)備(用作產(chǎn)生適當(dāng)頻率的發(fā)射機(jī))，這對(duì)水生生 物而言是致命的。水流經(jīng)該管道。同時(shí)還描述了通過該設(shè)備而趨于將 水生生物殺死在水中的干涉效果。作為消滅水生生物的紫外線照射還 在有影響的報(bào)告中提及為Northeast-Midwest Institute, Washington,DC 禾口 Lake Carrier Association( Glosten-Herbert Hyde Marine, 2002 )的Great Lakes Ballast Technology Demonstration Project所準(zhǔn)備的Full-Scale Design Studies of Ballast Water Treatment Systems,但是沒有公開采用超 聲輻射的步驟。
超聲輻射可殺死某些活體生物的事實(shí)已經(jīng)知道很多年了，其用于
該目的的應(yīng)用已經(jīng)在一些文獻(xiàn)中有所描述，例如在J. Bacteriology 51(4)487_493(1946)中發(fā)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 所編輯的 Microbial Interaction with the Physical Environment, 1975,第405-493頁(yè)。最后提及的出版物還包括 了一篇文章，其中給出了超聲波輻射對(duì)原生動(dòng)物和其它生物的致命效
果的試驗(yàn)解釋，即與對(duì)直接圍繞細(xì)胞的水的超聲波輻射聯(lián)合的空化 現(xiàn)象所引發(fā)的化學(xué)或物理-化學(xué)效果，從而引發(fā)的質(zhì)膜破裂(參見 402-404頁(yè)F.O. Schmitt禾B B. Uhlemeyer所寫文章，在Proc. Soc. Exptl. Biol. Med. 27(7)626-628(1930)中再版)。這篇文章提及了所述致命效 果的發(fā)現(xiàn)可追溯到所溶解氣體的空化，在J. Physiol.，1929， lxvii，365中 由C.H. Johnson所敘述。對(duì)于空化現(xiàn)象的進(jìn)一步評(píng)述包含在Microbial Interaction with the Physical Environment的370-373頁(yè)的編輯者注釋中。
水處理中采用超聲波輻射本身非常有吸引力，這是因?yàn)樗恍枰?將外部化學(xué)物質(zhì)引入到水中，憑申請(qǐng)人的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)以合適的幅值加以 使用時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生殺死或者削弱海水和通航淡水中的生物種類的強(qiáng)烈 效果。然而，它的缺點(diǎn)在于產(chǎn)生和控制它的標(biāo)準(zhǔn)方法相對(duì)復(fù)雜，而相 關(guān)設(shè)備就船舶壽命而言相對(duì)容易損壞。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的目的是提供一種用于在含有有害生物的水(例如 船舶的壓載水)中產(chǎn)生超聲波輻射的方法和設(shè)備，可對(duì)水進(jìn)行曝光以 便將這些生物從水中除去，所述方法相對(duì)簡(jiǎn)單，并且相關(guān)設(shè)備相對(duì)堅(jiān) 固。
另一目的是提供一種方法和設(shè)備，其可以致使壓載水壓力的至少 一次突然改變，優(yōu)選多次這種壓力的突然改變，這也會(huì)帶來(lái)殺死或削 弱這種生物的效果。
另一目的是提供一種方法和設(shè)備，通過采用相對(duì)簡(jiǎn)單的電子設(shè)備， 可以在需要除去水生生物的水中產(chǎn)生電-化學(xué)力，這些力產(chǎn)生了釋放對(duì) 所討論生物有害的至少一種氣體的效果，所述氣體與水混合，由此增 強(qiáng)氣體和水之間的表面接觸。
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)包含水生生物的水進(jìn)行處理從而消滅所述生物的 方法包括使水在受壓條件下流過導(dǎo)管，進(jìn)入到比所述導(dǎo)管截面大的 室內(nèi)，由此水壓突然減小并發(fā)生空化，隨著空化產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，接 著所述超聲波振動(dòng)和空化作用于水上。
所述水可以是船舶的壓載水。
所述室和它的聯(lián)合空間及管道優(yōu)選形成反應(yīng)器的一部分，水泵送 穿過所述反應(yīng)器。如果水是船舶的壓載水的話，所述方法優(yōu)選應(yīng)用在裝載壓載水時(shí)，而不是應(yīng)用于排放水的時(shí)候。
通向所述室的導(dǎo)管優(yōu)選包括具有大體恒定截面的第一區(qū)域，水在 受壓條件下穿過所述第一區(qū)域，其后設(shè)有在流入到具有增大截面的室 (在此發(fā)生空化)之前截面逐漸減小的區(qū)域。由此隨著水進(jìn)入到截面 減小的區(qū)域水壓增大，僅當(dāng)水進(jìn)入到發(fā)生空化的室時(shí)，水壓才突然減 小。這種效果增強(qiáng)了當(dāng)通向所述室的導(dǎo)管在其整個(gè)長(zhǎng)度上具有恒定截 面時(shí)所發(fā)生的空化的程度。
由于空化，周圍結(jié)構(gòu)的振動(dòng)趨于以包含或包括超聲波成分的頻率 發(fā)生。如果空化發(fā)生在由低碳鋼或其它普通金屬制成的構(gòu)件內(nèi)，所述 效果導(dǎo)致金屬的點(diǎn)蝕。如果所述構(gòu)件由特定級(jí)別的不銹鋼制造的話， 很大程度或較小程度的減小點(diǎn)蝕。在本發(fā)明的方法和設(shè)備中，通過使 用用不銹鋼和用已知的陶瓷或其它消除或大大減小了點(diǎn)蝕程度的材料 來(lái)襯砌相關(guān)部件來(lái)避免點(diǎn)蝕。具有這個(gè)特點(diǎn)的很多成分都可以購(gòu)買。 可替代的是，能夠可采用相對(duì)不受點(diǎn)蝕影響的特種金屬。至少一種這 樣的材料可以購(gòu)買得到。在下文中給以細(xì)節(jié)描述。
反應(yīng)室內(nèi)壓力突然減小的效果是將溶解氣體抽吸到水之外，變成 氣相，超聲波振動(dòng)發(fā)生在氣泡破裂的環(huán)境中。這導(dǎo)致水中劇烈的機(jī)械 攪動(dòng)。這種攪拌效果與當(dāng)它們作用在水生生物表面時(shí)的化學(xué)效果聯(lián)合 作用，消滅或削弱所述生物。
根據(jù)本發(fā)明，通過向暴露于水中的電極供給電源，由此導(dǎo)致水中 溶解的鹽電解，從而增強(qiáng)了超聲波振動(dòng)對(duì)水生生物的致命效果，其中 在海水的情況下，當(dāng)中的鈉和溴的氯化物用作電解質(zhì)。這就生成了同 樣承受由于超聲波輻射所產(chǎn)生振動(dòng)的氣體，在這些條件下有助于破壞 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強(qiáng)度 的電力的破壞，因此水中電極附近電荷的存在是導(dǎo)致破壞水生生物的 另一因素。 氯和溴以及氧氣和氫氣是通過電解力在海水中釋放的氣體。氯和 溴對(duì)它們?cè)诜磻?yīng)器中所接觸的水生生物具有特定的消毒效果。
泵送到船上或從船舶壓載艙排出的壓載水中的氯或其它齒化氣體 或其它腐蝕氣體的大量存在是不理想的，這是因?yàn)樗鼈儗⒏g壓載艙 和與它們連接的金屬導(dǎo)管。相應(yīng)的，本發(fā)明使得這些腐蝕性氣體在反 應(yīng)器室內(nèi)或緊接的下游處接觸易于與所述氣體發(fā)生反應(yīng)的金屬表面。 因此應(yīng)當(dāng)對(duì)這些需要經(jīng)常更換的犧牲金屬構(gòu)件制定規(guī)范。
本發(fā)明還預(yù)期將合適的氣體引入到反應(yīng)室內(nèi)或附近，優(yōu)選在反應(yīng) 室的下游，從而進(jìn)一步增強(qiáng)在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的機(jī)械、電學(xué)和化學(xué)進(jìn)程， 并且這對(duì)水中水生生物具有毀滅性效果。臭氧是一種合適的氣體，部 分是因?yàn)樗谂c有生命組織接觸時(shí)的強(qiáng)烈的氧化效果，由此有助于毀 滅它所遭遇的水生生物，并且部分因?yàn)樗杆俜纸獬赏ǔ３霈F(xiàn)在大氣 中的氣體，即氧氣，這對(duì)環(huán)境是無(wú)害的。
通過使水在反應(yīng)室及連接的管道內(nèi)機(jī)械地混合或攪拌，增強(qiáng)了本 方法的有效性。這可通過在通向反應(yīng)室和離開反應(yīng)室的入口和出口導(dǎo) 管中和/或在反應(yīng)室自身內(nèi)適當(dāng)設(shè)置隔開并傾斜的葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)?；旌系?有效形式是螺旋旋轉(zhuǎn)。所述葉片可以是固定的，因此除了當(dāng)它們損壞 時(shí)偶爾更換外，它們不需要維修。
通過監(jiān)控與其效率相關(guān)的不同變量可以增強(qiáng)本發(fā)明的方法，所述 變量包括導(dǎo)管和反應(yīng)室中的溫度、鹽度、水流經(jīng)線路不同點(diǎn)的壓力、 流經(jīng)電極的電壓和電流。根據(jù)本發(fā)明，規(guī)定時(shí)不時(shí)的改變這些參數(shù)， 從而優(yōu)化該方法的結(jié)果。
在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，增大水壓并接著突然減小壓力從而誘發(fā) 空化、并因此產(chǎn)生超聲波輻射的進(jìn)程以快速連續(xù)的方式至少重復(fù)一次。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括由限定室的殼體所形成的反應(yīng)器、比所述 室的截面小并通入所述室的導(dǎo)管、來(lái)自所述室的具有比所述室的截面 小的出口導(dǎo)管、和用于在受壓條件下將水泵送到入口導(dǎo)管內(nèi)并因此流 過所述反應(yīng)器的裝置。所述入口導(dǎo)管優(yōu)選包括終端部分，所述終端部 分當(dāng)接近所述室時(shí)截面逐漸減小。
導(dǎo)致流經(jīng)所述設(shè)備的水發(fā)生電解的電極可以容納在所述反應(yīng)器 內(nèi)，優(yōu)選設(shè)置在反應(yīng)室內(nèi)部，并固定在其殼體內(nèi)。
犧牲電極可以設(shè)置在出口導(dǎo)管內(nèi)或其附近，以便通過將腐蝕性氣 體轉(zhuǎn)化為容納在所述電極內(nèi)的金屬鹽來(lái)中和所述腐蝕性氣體。
用于混合反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)的葉片可以設(shè)置在其內(nèi)部的適當(dāng)點(diǎn)處。 所述葉片優(yōu)選向流經(jīng)所述反應(yīng)器的水施加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
該設(shè)備還可以包括從外部向反應(yīng)器引入一種或多種氣體的裝置， 例如臭氧。還可以配置防止所述氣體回流的裝置。
采用優(yōu)選形式的適用于船舶處理其壓載水的設(shè)備包括串聯(lián)連接的 設(shè)有至少兩個(gè)反應(yīng)室和入口導(dǎo)管的多級(jí)反應(yīng)器。
可以提供用于測(cè)量或指示并記錄不同因素的狀態(tài)(例如壓力、溫 度、pH、鹽度和水流速度)的監(jiān)控裝置。所述監(jiān)控設(shè)備可以進(jìn)一步包 括用于確定和記錄所述數(shù)據(jù)、時(shí)間、使用所述設(shè)備的全球定位位置以 及與采取水處理的目標(biāo)相關(guān)的其它參數(shù)的裝置。
用于實(shí)施本發(fā)明的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，沒有活動(dòng)部件，能夠容易地改 選裝配到船舶上。通?？蓪⑺O(shè)置在主導(dǎo)管內(nèi)，通過該導(dǎo)管將壓載水 泵送到壓載艙或者從壓載艙排出。
在典型的船舶裝配中，壓載泵穿過管系將水泵送入壓載艙，所述 管系具有300mm的內(nèi)徑。根據(jù)本發(fā)明的帶有入口和出口導(dǎo)管的兩級(jí)反 應(yīng)器可插入到該管系中，僅占據(jù)大約1500mm的長(zhǎng)度，重約200kg。對(duì) 它的控制能夠并入到常規(guī)船舶計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。


在附圖中
圖1是本發(fā)明水處理反應(yīng)器的半概略性的表示，該反應(yīng)器安裝用 于船舶使用，并顯示了其主要控制元件。該反應(yīng)器設(shè)有一前一后設(shè)置 的雙反應(yīng)室。
圖2是圖1中反應(yīng)器的側(cè)視圖。
圖3是圖1和圖2中反應(yīng)器的顯示為沿縱向剖開的側(cè)視圖。 圖4是容納在圖1-3中的反應(yīng)器內(nèi)的帶有附加葉片的盤的放大透 視圖。
圖5是圖1-4中反應(yīng)器的替換反應(yīng)器的放大透視圖，其具有單個(gè) 反應(yīng)室。
具體實(shí)施例方式
圖1-3中所示的設(shè)備是水處理設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例，所述設(shè)備適用 于處理帶有常規(guī)壓載艙和常規(guī)壓載泵的典型海船內(nèi)的壓載水。
所述設(shè)備包括連接到具有圓形截面并通常具有大約300mm內(nèi)徑 的管道102上的反應(yīng)器100。所述管道102在壓載泵104和一個(gè)或多個(gè) 壓載艙106之間延伸。所述壓載泵104從海水閥箱105抽取水輸送到 壓載艙。
反應(yīng)器的操作以及在其內(nèi)部所發(fā)生的進(jìn)程的操作通過圖1中示意 性顯示的設(shè)備控制和監(jiān)控。
所述反應(yīng)器包括(從最靠近壓載泵104的端部開始)具有圓形 截面并通常具有大約300mm內(nèi)徑的入口導(dǎo)管108，所述導(dǎo)管通過常規(guī) 裝置(未示出)連接到管道102;和第一反應(yīng)室殼體IIO，導(dǎo)管108通 過相鄰法蘭112、 U4連接到所述殼體上，上述法蘭之間設(shè)置有墊圈或 0型密封裝置(未示出)。相似的密封裝置設(shè)置在將在下文描述的其 它相鄰法蘭之間。所述法蘭112、 114通過螺栓115固定。
盤116 (圖2和3)安裝在法蘭112、 114之間，并密封在它們之 間。所述盤116包括限定了帶有多個(gè)葉片118的內(nèi)部空間119或者孔 的環(huán)，所述葉片優(yōu)選6個(gè)，延伸到所述內(nèi)部空間。所述葉片安裝在固 定到盤的內(nèi)周邊上的柄120的內(nèi)端上，并與盤116的平面成傾斜角彎 曲，并且在它們各個(gè)平面內(nèi)螺旋彎曲。在使用該設(shè)備時(shí)，穿過所述反 應(yīng)器泵送的水撞擊在葉片118上，并且隨著它進(jìn)入第一反應(yīng)室殼體110 而通過所述葉片發(fā)生偏轉(zhuǎn)。所述葉片設(shè)計(jì)為它們向水施加會(huì)聚的螺旋 旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，在水進(jìn)入湍流狀態(tài)(其中水與反應(yīng)器內(nèi)的氣體發(fā)生混合) 之前促使水的速度增大。
盤116上設(shè)有容納螺栓115的周向隔開的孔113，并且另外，在進(jìn) 一步朝向其中心的地方設(shè)有間隔開的成對(duì)孔117，其內(nèi)部設(shè)置有下文中 提到的固定電極126的立柱。
所述第一室殼體110設(shè)有具有固定內(nèi)徑、優(yōu)選地為大約400mm的 第一區(qū)域122，所述區(qū)域直接連接到入口導(dǎo)管108上，由此當(dāng)通過壓載 泵104將水從導(dǎo)管108泵送到第一室殼體110時(shí)，所述設(shè)備的內(nèi)徑具 有突然的增大。所述殼體IIO包括具有截頭圓錐體形狀的第二區(qū)域124， 由此內(nèi)徑減小為大約175mm。該區(qū)域的圓錐角近似約為20度。
在第一區(qū)域122內(nèi)，反應(yīng)器室殼體110的內(nèi)部裝配有由防腐金屬 (比如鈦或者釕或者它們的合成物)制成的三對(duì)電極126 (圖2)。通 過變壓整流器128 (圖1)向所述電極提供12V的直流電或者任意其它合適的電壓。它們的功能是導(dǎo)致流過殼體110的水發(fā)生電解。
第一殼體110的截頭圓錐體區(qū)域124的最窄部分設(shè)有法蘭130，所 述法蘭通過螺栓115固定到與第一反應(yīng)室殼體110相似的第二反應(yīng)室 殼體134的對(duì)應(yīng)法蘭132上，所述第二反應(yīng)室殼體設(shè)有具有恒定內(nèi)徑 的第一區(qū)域136和截頭圓錐體形狀的第二區(qū)域138。另一電極126安裝 在第二殼體134內(nèi)，所述電極供有電源。相似地，這些電極導(dǎo)致流過 所述設(shè)備的水電解。與盤116相似、同樣裝配有葉片118的環(huán)形盤131 設(shè)置并密封在法蘭130、132之間，在第一室殼體IIO和第二室殼體134 之間設(shè)有環(huán)形孔133。
第二室殼體134的截頭圓錐體區(qū)域138的最窄部分設(shè)有法蘭142， 所述法蘭鄰接具有與入口導(dǎo)管108相類似的直徑的出口導(dǎo)管146的對(duì) 應(yīng)法蘭144。法蘭142、 144通過螺栓115固定。與盤116相似，同樣 裝配有葉片118的環(huán)形盤143設(shè)置并密封在法蘭142、 144之間，在第 二室殼體134和出口導(dǎo)管146之間設(shè)有環(huán)形孔147。
出口導(dǎo)管146的端部連接到(通過圖中未示出的常規(guī)裝置)通向 壓載艙106 (圖1)的管道102上。
本發(fā)明的另一方面，多個(gè)臭氧發(fā)生器148 (優(yōu)選6個(gè))可以固定到 第二殼體134的外表面上。所述臭氧發(fā)生器是已知類型，例如在專利 文獻(xiàn)PCT/ZA2000/00031禾卩PCT/ZA2001/00024中所描述的，可從 Sterizone, P.O. Boxl3935， Witfield， Republic of South Africa,1467購(gòu)買
到。這些裝置從大氣中抽吸空氣，通過電暈放電在獲取臭氧的空間內(nèi) 生成臭氧，并供給到安裝有單向閥152的管子150內(nèi)。所述管子150 在繞導(dǎo)管146周向隔開的端口 153處通向反應(yīng)器的內(nèi)部。
又一方面，犧牲電極154可以固定在出口導(dǎo)管146靠近其端部的 內(nèi)部，并構(gòu)造成葉片形狀，當(dāng)水流過反應(yīng)器時(shí)會(huì)碰撞到該葉片。這些 電極154由金屬制造，比如70/30黃銅(即70%的銅和30%的鋅)， 它們將與游離氯和其它水中的腐蝕性氣體發(fā)生反應(yīng)，將所述氣體轉(zhuǎn)換 為損害許多水生生物種類的鹽，比如硫酸銅或氯化銅。由于有關(guān)氣體 的量相對(duì)非常少，僅源自泵送到船上的水內(nèi)所溶解的氣體含量，所產(chǎn) 生的金屬鹽非常稀，不會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成可感覺到的損壞。然而，它 們對(duì)穿過反應(yīng)器室110、 134生存下來(lái)的任何魚類和許多其它生物施加 毒性作用，并因此對(duì)水具有殘留的消毒效果。
調(diào)節(jié)供給電極154的電源，以確保離開反應(yīng)室100的水中的游離 氯的水平不超過可接受的極限值。
反應(yīng)器的主體由316級(jí)不銹鋼制造，由4.5mm厚的板材制成。
除了電極126和葉片154的表面外，反應(yīng)器的整個(gè)內(nèi)部表面可以 涂敷有陶瓷或樹脂或其它材料層，它們保護(hù)反應(yīng)器的金屬不受到點(diǎn)蝕。 在優(yōu)選實(shí)施例中，這個(gè)襯里還具有促進(jìn)發(fā)生在反應(yīng)器內(nèi)部的至少一些 進(jìn)程的特性。所討論的機(jī)構(gòu)包括離子交換、摩擦接觸(對(duì)氣體和水的 混合起作用)和壓電及熱電效果(有助于對(duì)某些生物的電性毀滅作用)。 用于所述襯里的合適材料可以購(gòu)買MetaCeram (商標(biāo))28060，它是具
有特定顆粒尺寸和受控形態(tài)的噴射、鋁-鈦基、氧穩(wěn)定性復(fù)合化合物。 另一個(gè)已知材料是由日本Miyazaki市的Nihon Jisui Company Ltd, 78 Gion3-Chome (電子郵箱elce@orange.ocn.ne.jp)生產(chǎn)的Elce (商標(biāo))。 其它材料有可從Belzona Polymeries Ltd, Harrowgate, HGI 4AY， England 購(gòu)買的Belzona (商標(biāo))5811、和可從Bayer AG of D-51368 Leverkusen, Germany購(gòu)買的Lewatit (商標(biāo))。
用于反應(yīng)器的控制裝置在圖1中示出，包括一個(gè)或多個(gè)壓力計(jì)(用 于指示反應(yīng)器內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)和它的入口和出口導(dǎo)管處的壓力)、氧化還原 (殘余氧化還原電位)計(jì)、鹽度計(jì)、 一個(gè)或多個(gè)溫度計(jì)、 一個(gè)或多個(gè) 氯傳感器、位于橫截面突變處點(diǎn)(在該處將出現(xiàn)減壓)的真空計(jì)、用
于向船舶計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸送數(shù)據(jù)的掃描儀、GPS指示裝置、和其它測(cè)量 駕駛臺(tái)(bridge)信息(記錄在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中)的裝置。所述控制裝置 可以還包括影響某些進(jìn)程的裝置，例如用于電極的電源供給的電位計(jì)、 用于臭氧供給或其它外部供給氣體的調(diào)節(jié)閥、和其它水處理裝置領(lǐng)域 已知的裝置。
在優(yōu)選應(yīng)用中，圖1-3所示的反應(yīng)器設(shè)計(jì)為以 400-500kilolitres/hour(公升/小時(shí))或大約1501itres/second(升/秒)的速度、
并在3巴的最小泵頭壓力下運(yùn)行。
在反應(yīng)器100的操作中，打開壓載泵104以從敞開水體(例如大 海、湖或河流)中將水抽吸到海水閥箱105內(nèi)，并且在受壓情況下將 水穿過導(dǎo)管102推送反應(yīng)器100內(nèi)。所述水很有可能容納有此時(shí)船舶 所停靠區(qū)域內(nèi)的當(dāng)?shù)睾Ｑ笊铮绻谄渌胤脚欧?，這些生物中 的一些會(huì)造成環(huán)境破壞。
水流過導(dǎo)管108，在導(dǎo)管端部遭遇葉片118，并被給予螺旋旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)。隨著水進(jìn)入到殼體110的第一區(qū)域122，反應(yīng)器的橫截面突增。水 還沖刷電極126，在此階段所述電極通電，接著發(fā)生電解反應(yīng)，導(dǎo)致生 成氣體，主要是氧氣、氫氣、氯氣和溴。葉片所導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)致使這 些氣體在水中均勻混合，使任何生物都承受破壞性影響。而且，當(dāng)通 過反應(yīng)室100內(nèi)的水傳輸時(shí)，充電本身對(duì)小型海洋生物也有毀滅效果。
當(dāng)水離開第一區(qū)域122，并進(jìn)入反應(yīng)室110的錐形區(qū)域124時(shí)，水 速逐漸增大。本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識(shí)到根據(jù)柏努利原理，水速增大會(huì) 增大水的局部速度壓頭，但減小局部靜態(tài)壓頭。還會(huì)意識(shí)到，如果水 速增大到足夠大的程度時(shí)，靜態(tài)水壓頭將下降到低于水的汽化壓力。 這會(huì)有效的導(dǎo)致水在最大水速點(diǎn)上發(fā)生沸騰、或者"空化"。當(dāng)這個(gè) 發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)汽化水的小氣泡(與溶解在水中的其它氣體混合，例如 氧氣、氫氣和氯氣)，當(dāng)氣泡移動(dòng)進(jìn)入較高靜態(tài)壓力和較低速度的區(qū) 域時(shí)，再次破裂。接著這些氣泡的破裂將產(chǎn)生高頻和高能沖擊波(包 括超聲波頻率，即20000赫茲范圍)，流過所述水體，具有消滅局部 存在的生物的效果。
然而，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到即使不將水帶動(dòng)到空化點(diǎn)，可以將它帶動(dòng)到恰 恰達(dá)不到汽化壓力的負(fù)大氣壓力點(diǎn)。很多海洋生物能夠生存，并且甚 至在很深的水中繁殖，由此可以抵抗比大氣壓力大很多的壓力，但是 即使沒有發(fā)生空化，它們?cè)谪?fù)大氣壓下有機(jī)體受損并且僅因?yàn)檫@個(gè)原 因遭受極限壓力。
由此，第一反應(yīng)室110和第二反應(yīng)室134之間的孔133的尺寸選
定為隨著水流過孔133，它的速度足夠大，導(dǎo)致在孔的下游的水發(fā)生
空化，或者至少導(dǎo)致壓力大幅度降低到空氣壓力之下。在優(yōu)選實(shí)施例
中，設(shè)置在孔133處的葉片118在水流過第二室134時(shí)向水引入會(huì)聚 螺旋扭轉(zhuǎn)動(dòng)作。這會(huì)具有進(jìn)一步加速局部水速、并進(jìn)一步增大空化程 度、以及通常在孔133下游處水壓減小的效果。
相應(yīng)的，在所描述的優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，從第一室殼體110向 第二室殼體134移動(dòng)中，在孔133的下游所述設(shè)備直徑突增的位置上 特意誘發(fā)空化。這具有下述優(yōu)點(diǎn)通過爆聚的氣泡所釋放的能量將不 會(huì)直接進(jìn)入到第二室殼體134的環(huán)繞金屬表面而導(dǎo)致?lián)p壞。相反，所 述能量在抵達(dá)殼體的金屬表面之前首先必須穿過水的主體。這種結(jié)構(gòu) 使得在作用于第二室134的遠(yuǎn)距離金屬表面之前，聲能基本消散水中， 所述聲能在水中殺死所存生物。如果超聲波能量沖擊室134的遠(yuǎn)距離 金屬表面的話，所述反應(yīng)器的陶瓷或其它內(nèi)層將用作抑制對(duì)反應(yīng)器的 金屬構(gòu)件的點(diǎn)蝕損壞，并且內(nèi)層材料提供了上述與其特定成分相關(guān)的 附加效果。
優(yōu)選實(shí)施例的又一特征在于當(dāng)穿過第一區(qū)域136時(shí)，附加的電化 學(xué)力通過該區(qū)域內(nèi)的電極126的電解作用釋放在生物體上。這種破壞
性效果通過暴露于氧化或其它有害氣體、以及通過水中電場(chǎng)的存在而 得以加強(qiáng)。通過葉片118所施加的所述區(qū)域內(nèi)水的螺旋運(yùn)動(dòng)有利地方 便了水在有害氣體環(huán)境中的混合。
在優(yōu)選實(shí)施例中，已經(jīng)流過第一區(qū)域136的水流經(jīng)錐形區(qū)域138 時(shí)再次承受增大的速度，接著以足以使導(dǎo)管146內(nèi)的孔147的下游產(chǎn) 生空化的速度流過孔147。葉片118可以類似地設(shè)置在孔147處，以誘 發(fā)會(huì)聚的螺旋流。由此，流過反應(yīng)器100的水將會(huì)遭遇到至少兩個(gè)位 置，在此它的速度增大到產(chǎn)生空化的點(diǎn)從而誘發(fā)高能超聲波振動(dòng)。任 意從第二反應(yīng)室134內(nèi)的處理中存活的生物將在出口導(dǎo)管146的孔147 的下游暴露于相似的處理。
應(yīng)當(dāng)理解的是，附加的壓縮和擴(kuò)張可設(shè)置在水的路線內(nèi)，從而提 供多個(gè)發(fā)生空化的位置。然而，還應(yīng)當(dāng)理解的是每個(gè)壓縮都要求額外 的泵能量來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器100，如果引入太多的壓縮的話，可用的泵送空 間將不充足。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的另一方面，隨著水進(jìn)一步向下流過導(dǎo)管146，它 與來(lái)自臭氧發(fā)生器148的臭氧接觸混合，進(jìn)入到位于圓周進(jìn)入端口 153 處的反應(yīng)器內(nèi)。
臭氧氣體與水混合并施加強(qiáng)烈的氧化效果，對(duì)它所接觸的水內(nèi)的 任何生物造成致命后果。所述水在混合上游的攪動(dòng)階段是靜止的，并 且臭氧氣體同樣混合到水中。由于它在海水中短的半衰期，剩余的臭 氧快速分解成氧氣，氧氣自身對(duì)它所撞擊的生物施加氧化以及由此所 產(chǎn)生的破壞性效果。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的另一方面，水最后遭遇犧牲葉片154，其中任意 游離腐蝕氣體與這些葉片的金屬起反應(yīng)，并轉(zhuǎn)換為溶解鹽，所述鹽濃 度很低，但是對(duì)在此處存活的特定生物有害。這些葉片154同樣對(duì)水
具有混合效果，完成了沖擊和氣體曝射進(jìn)程，它們表現(xiàn)了水流過反應(yīng) 器的早期行進(jìn)階段的特征。殘余的氯是有利的，確保壓載水保持消毒 狀態(tài)。
這些事項(xiàng)的結(jié)果是通過組合反應(yīng)，裝載在船上并流經(jīng)反應(yīng)器的 水中的生物基本上被消滅，因此將它們從水中除去并對(duì)它進(jìn)行有效消 毒。由船舶的后期排放所導(dǎo)致的環(huán)境壓力將得到大大緩解。
在另一在圖4中示例的優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)與圖1-3中的這些反應(yīng) 器相對(duì)應(yīng)的部件標(biāo)以加上后綴a的對(duì)應(yīng)附圖標(biāo)記。在該實(shí)施例中，提供 單個(gè)反應(yīng)室殼體136a、 138a，在其入口處裝配有成對(duì)電極(不可見)， 在其出口導(dǎo)管146a處裝配一套犧牲電極154a。另一方面，該反應(yīng)器與 前面附圖中的反應(yīng)器基本相似，并以與前面附圖的反應(yīng)器相似的方式 操作。應(yīng)當(dāng)理解的是，與前面附圖中的裝置相比較，穿過這種形式的 裝置而存活的水生生物的可能性必然增大。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是它需 要較少的能量來(lái)促使水流過反應(yīng)器，在使用小型泵的特定情況下是有 利的。
在圖5中示例的實(shí)施例是最為簡(jiǎn)化的說(shuō)明。其中，與圖2中的附 圖標(biāo)記相對(duì)應(yīng)的附圖標(biāo)記被加以后綴b來(lái)指示對(duì)應(yīng)的部件。圖5中的 實(shí)施例中的入口導(dǎo)管108b具有恒定截面的第一部分109和具有錐形截 面的最后部分lll。后述部分開口進(jìn)入出口導(dǎo)管146b的內(nèi)端，在此處 截面突增。葉片118b設(shè)置在進(jìn)入到反應(yīng)室的點(diǎn)上。在該實(shí)施例中，在 該點(diǎn)處未施加外部電解力，因此在該反應(yīng)室內(nèi)沒有出現(xiàn)電極。然而為 了與通過空化(發(fā)生在水穿過錐形導(dǎo)管111進(jìn)入反應(yīng)室時(shí))所生成且 沒有被與反應(yīng)室內(nèi)的生物的反應(yīng)所消耗的任意腐蝕氣體反應(yīng)并中和， 提供了犧牲電極154b，并提供有圖中未示的變壓器/整流器。能夠以致 命效果作用于水生生物上的臭氧或另一種適合氣體源通過帶有單向閥 152b的管子供應(yīng)到繞導(dǎo)管146b的圓周間隔開的進(jìn)入端口 153b。與現(xiàn)有技術(shù)的水處理系統(tǒng)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是它的有效性、 簡(jiǎn)單化、不需要活動(dòng)部件或從外部添加毒性物質(zhì)、輕質(zhì)和緊湊、作為 初始裝備或通過改造都易于安裝、低的維護(hù)成本、能夠長(zhǎng)時(shí)間不維修 運(yùn)行、安全性、和成本-效果。
雖然說(shuō)明書描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言顯而易見的是可做出不偏離本發(fā)明的精神和范圍的多種變化。
權(quán)利要求
1.一種用于減少水的容積內(nèi)所存在的水生有機(jī)污染的方法，包括將水從被水生生物污染的敞開的水體泵送穿過細(xì)長(zhǎng)的導(dǎo)管系統(tǒng)，所述水在該系統(tǒng)內(nèi)的所有點(diǎn)具有相同的體積流速，并且在該系統(tǒng)的任意點(diǎn)上具有壓力水頭和速度水頭；和將水引導(dǎo)進(jìn)入船舶的壓載艙內(nèi)；其特征在于將所述水泵送穿過具有不同直徑的導(dǎo)管系統(tǒng)，從而通過增大該系統(tǒng)內(nèi)的第一點(diǎn)處的水的速度水頭，使得第一點(diǎn)處的水中的壓力水頭下降到低于大氣壓力的水平。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述水具有低于大氣壓力的 汽化壓力，并且其中使得第一點(diǎn)處的水中的壓力水頭下降到低于汽化 壓力的水平，由此啟動(dòng)第一點(diǎn)處的水的空化。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述導(dǎo)管系統(tǒng)具有上游端和 下游端，并且其中第一點(diǎn)被置于所述導(dǎo)管系統(tǒng)內(nèi)的位置處，在所述位 置，所述第一點(diǎn)的下游直徑立即突增。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括在第一點(diǎn)處給予所述水螺 旋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述螺旋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被使得收斂。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括通過增大第二點(diǎn)處的水的速度水頭，使得所述系統(tǒng)內(nèi)第二點(diǎn)處的水中的壓力水頭下降到低于大 氣壓力的水平。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述水具有低于大氣壓力的汽化壓力，并且其中使得第二點(diǎn)處的壓力水頭下降到低于汽化壓力的 水平，由此啟動(dòng)第二點(diǎn)處的水的空化。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括促使所述水流過施加電功 率的電極。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述電功率被提升到足以在 對(duì)電力敏感的生物中產(chǎn)生削弱電學(xué)反應(yīng)的水平。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述水包括溶解的氣體，還包括將所述電功率提升到足以使得某些溶解氣體冒泡的水平。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使得水流過多個(gè)與腐蝕 性氣體發(fā)生反應(yīng)的金屬電極，并將電功率施加到這些電極，所述電功 率足以使得氣體通過與這些電極的材料的反應(yīng)而發(fā)生中和。
12. 所要求的方法還包括將壓力下的氣體引入到水中。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述氣體是下面組中的一種，所述組由臭氧、二氧化碳和排出氣體構(gòu)成。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述導(dǎo)管系統(tǒng)包括限定孔的 可移走環(huán)形盤，還包括將環(huán)形盤從導(dǎo)管系統(tǒng)移走，并將它更換為替代 環(huán)形盤。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述環(huán)形盤由不銹鋼形成。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述環(huán)形盤由陶瓷材料形成。
17. —種用于減少水體內(nèi)的水生生物的設(shè)備，包括細(xì)長(zhǎng)的導(dǎo)管系 統(tǒng)，具有上游端和下游端并被配置為容許水以恒定的體積流速在其中 流動(dòng)，其特征在于所述導(dǎo)管系統(tǒng)限定了這樣的部分，包括第一錐 形部，具有大體為截頭圓錐體的形狀，并且具有下游端和上游端，所 述下游端限定了具有第一直徑的第一開口，所述上游端限定了具有大 于第一直徑的第二直徑的第二開口；第一反應(yīng)器部，具有大體為圓柱 形的形狀并具有大于第一直徑的第三直徑，所述第一反應(yīng)器部通過徑 向設(shè)置的連接器連接到第一錐形部的下游端，由此導(dǎo)管系統(tǒng)的直徑在 錐形部的第一開口下游立即突增；其中第一直徑大小設(shè)置為在向下游 流過所述導(dǎo)管系統(tǒng)的水中啟動(dòng)空化。
18. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，還包括限定了具有小于所述第 一直徑的直徑的孔的環(huán)形盤，該盤適于分別通過螺栓連接和打開螺栓 連接而將所述盤從第一錐部和第一反應(yīng)器部之間的位置插入和移走。
19. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，
20. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，
21. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備， 減少點(diǎn)蝕造成的損傷的材料。
22. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備， 口的水引入螺旋流動(dòng)的裝置。
23. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備， 開口的水引入螺旋流動(dòng)的葉片。
24. 如權(quán)利要求23所述的設(shè)備， 并傾斜。其中，所述盤由不銹鋼制造。 其中，所述盤由陶瓷材料制造。 其中，所述反應(yīng)器部的內(nèi)部襯有還包括用于向流過所述第一開 還包括構(gòu)造為向流過所述第一 其中，所述葉片沿螺旋路線固定
25. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，還包括至少一對(duì)設(shè)置在所述導(dǎo)管系統(tǒng)內(nèi)的電極，構(gòu)造為在導(dǎo)管系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的水中誘發(fā)電流。
26. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，還包括適于將外部氣體引入到水中的端口。
27. 如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中，所述電極由與溶解在水中 的礦物發(fā)生反應(yīng)以便形成腐蝕性氣體的材料形成。
28. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述導(dǎo)管限定了這樣的部分， 還包括第二錐形部，具有大體為截頭圓錐體的形狀，并且具有下游 端和上游端，該下游端限定了具有第三直徑的第三開口，該上游端限 定了具有大于第三直徑的第四直徑的第四開口；第二反應(yīng)器部，具有大體為圓周形的形狀并具有大于第三直徑的第五直徑，所述第二反應(yīng) 器部通過徑向設(shè)置的連接器連接到第二錐形部的下游端，由此導(dǎo)管系 統(tǒng)的直徑在第二錐形部的第三開口下游立即突增；其中第二錐形部連 接到第一反應(yīng)器部，并且第三直徑大小設(shè)置為在流過所述導(dǎo)管系統(tǒng)的 水中啟動(dòng)空化。
全文摘要
一種用于除去比如船舶中的壓載水的水中的水生生物的處理水的方法和設(shè)備。所述水在受壓條件下被引導(dǎo)流過導(dǎo)管進(jìn)入到具有比導(dǎo)管的截面大的截面的室內(nèi)，由此產(chǎn)生壓力的突然減小。接著發(fā)生空化，導(dǎo)致已溶解氣體的釋放。生成超聲波振動(dòng)并應(yīng)用于所述水中，其施加消弱或消滅所存在的生物的沖擊效果。其它裝置可以用于在水中產(chǎn)生另外的攻擊所述生物的機(jī)械、電學(xué)和化學(xué)力。
文檔編號(hào)C02F1/467GK101341096SQ200680048178
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
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