基本信息
- 項目名稱：
- 基于“高梯磁過濾-文丘里聯(lián)合紫外催化TiO2”復合技術的壓載水處理裝置
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該設備利用了壓載水處理方法中的高梯度磁過濾技術、紫外線處理技術和羥基溶液滅活技術，對壓載水進行“三位一體”的處理?；舅悸罚翰捎脧秃蠅狠d水處理方法：海水---高梯度磁過濾器---文丘里管+紫外線催化殺菌裝置---壓載水。壓載水首先進入高梯度磁過濾器，經(jīng)文丘里管后進入高效紫外線催化殺菌裝置，并最終達到國際海事組織（IMO）D-2標準。
- 詳細介紹：
- 基于“高梯磁過濾-文丘里聯(lián)合紫外催化TiO2”復合技術的壓載水處理裝置 1 研究背景及意義 1.1 研究背景 一直以來海洋環(huán)境的保護都是關系世界各國對于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略把握的重點，隨著現(xiàn)代航運事業(yè)日益發(fā)達，各類船舶的數(shù)量迅速增加，船舶運輸?shù)呢涍\量已經(jīng)達到全球貨運總量的80%。隨之而來的船舶壓載水攜帶外來物種問題也成為了一個世界性的難題。全球環(huán)?；?GEF)組織把船舶通過壓載水將有害生物引入新環(huán)境并對其產(chǎn)生影響列為海洋環(huán)境的四大危害之一。根據(jù)國際海事組織的統(tǒng)計，全球每年共有超過110億噸壓艙水排入海洋，每天至少有7000余種物種隨船舶壓載水遠航至他鄉(xiāng)。這些物種主要包括細菌等其他微生物、小型無脊椎動物和其他物種的卵及幼蟲，甚至是一些大的魚類。通過船舶壓載水帶來的外來赤潮生物主要有：洞刺角刺藻，新月圓柱藻，方格直鏈藻等l6種藻類。排放這些帶有外來生物的壓載水，對該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟和公眾健康造成了嚴重的危害。物種入侵，加劇了海洋生態(tài)鏈和環(huán)境的惡化。我國每年由于生物入侵所造成的直接經(jīng)濟損失高達574億元，美國每年的直接經(jīng)濟損失也高達1500億美元，更為可怕的是，一些生態(tài)災難是不可逆轉(zhuǎn)的。 為了有效地控制和防止船舶壓載水傳播有害水生物和病原體，國際海事組織（IMO）于2004年通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》。這意味著沒有壓載水處理設施的遠洋船舶將處于不能靠岸停泊的尷尬境地。 根據(jù)公約要求，2009年建造的部分新船應滿足公約的D-2標準（見表格1.1），到2017年所有的船舶都應滿足公約的D-2標準。因此，船舶需安裝經(jīng)檢驗發(fā)證的壓載水處理系統(tǒng)，并持有國際壓載水管理證書和配備壓載水管理手冊。 目前，防止船舶壓載水中外來病原體和有害生物侵害的研究正在開展，新的處理手段被逐漸提出。整個國際海事界只有15個壓載水處理系統(tǒng)通過了IMO的最終審批。 船舶壓載水處理系統(tǒng)研發(fā)難度大：一是IMO的技術指標要求高；二是系統(tǒng)的集成化、智能化程度要求高；三是IMO認可、批準程序非常嚴格，認證時間長，實施時間特別緊迫。對于使用活性物質(zhì)滅活的處理方法，必須經(jīng)過IMO的初步批準和最終批準。該壓載水處理設備是針對目前國內(nèi)外對船舶壓載水排放的要求并參考了目前國內(nèi)外許多船舶壓載水處理的技術設計而成。其工藝流程是： 首先，海水經(jīng)過高梯度磁過濾器過濾，然后經(jīng)文丘里管的空化作用，進入紫外線--二氧化鈦光催化氧化殺菌裝置，出水最終符合公約性能指標。從而提高了設備的殺菌能力，降低了污水處理成本，提高了污水處理效率。實現(xiàn)了系統(tǒng)化、集成化、智能化的三重目標。本裝置以節(jié)能減排作為設計理念，采用復合型的設計方案，遵循了IMO的處理標準，相信此系統(tǒng)可以在遠洋船舶上得到很好的應用。 2 方案設計 通過比較各種處理壓載水的方法，我們得出結(jié)論：用單一的方法處理船舶壓載水的方案是行不通的，最新技術則是將幾種方法結(jié)合起來使用即綜合法處理船舶壓載水。綜合法是一種必然的發(fā)展趨勢，能夠發(fā)揮不同處理方法的優(yōu)點，相互彌補缺陷。因此，我們結(jié)合上述研究的方法，同時參考目前國內(nèi)外在處理船舶壓載水方面的領先技術，選擇最佳方案后，設計出此系統(tǒng)。其主要工藝路線包括： （1）高效過濾。采用高梯度磁過濾器對船舶壓載水進行過濾，去掉大于50微米的雜物。 高梯度磁過濾技術是借助于過濾器系統(tǒng)中的勵磁線圈電流產(chǎn)生定向磁場，高度磁化過濾器內(nèi)部的導磁鋼毛復合基體濾芯，被高度磁化后的復合基體濾芯，利用強大的磁場將凝結(jié)水中的機械雜質(zhì)過濾并吸附在基體濾芯表面，實現(xiàn)凝結(jié)水的凈化；對非磁性顆粒，通過投加磁種，進行化學絮凝，生成磁性絮凝體，從而得以分離。該過濾裝置過濾效果好，處理速率高，耗能低。 (2)紫外催化滅菌處理。采用紫外照射TiO2產(chǎn)生羥基自由基處理壓載水，去除壓載水中的細菌、原生動物等。 將文丘里管系統(tǒng)與紫外線催化系統(tǒng)相結(jié)合，使壓載水處理效果更好，速率更高。流體流經(jīng)文丘里管時，在出口處會產(chǎn)生空化效果，空化效果使水流呈紊流狀態(tài)，使壓載水更充分與催化劑接觸，減少停留時間，同時可以產(chǎn)生瞬時高壓，有利于殺滅生物。紫外線照射TiO2產(chǎn)生羥基自由基，可以瞬間殺死生物，存在時間短且無需添加其他藥劑。紫外線催化技術是壓載水處理的首選方法。該裝置的流程圖如 圖2.1： 2.1 高梯度磁過濾器的確定 通過研究在高梯度磁過濾器中鎳絲擺放形式、分離時間、磁感強度、鎳絲填充率、鎳絲使用次數(shù)等方面對細菌和懸浮物分離效果的影響情況，確定過濾器結(jié)構(gòu)如下： （1）鎳絲與水流方向平行和鎳絲亂堆纏繞時處理效果相差不大，比鎳絲與水流方向垂直時效果好。 （2）磁感強度越強、鎳絲填充率越大、流速越小、鎳絲使用次數(shù)越少時，細菌和濁度分離效果越好，溫度對分離效果基本沒有影響。 （3）綜合考慮成本、處理量和處理效果的關系，建議應用時采用的處理條件為:鎳絲亂堆纏繞，磁感強度：6000Gs，鎳絲填充率：12.0%，鎳絲使用三次后需要進行清洗。 （4）通過對細菌或懸浮物在高梯度磁場中的受力計算和分析，確定了其被分離出來所需要的最小磁感強度為188Gs。 2.1.1 高梯磁處理水的流程 在進水投加磁種（一般是四氧化三鐵）和混凝劑，廢水經(jīng)混合反應后，按規(guī)定流速流經(jīng)分離器。為延長基質(zhì)的工作時間，防止堵塞，要進行大顆粒污染物的預分離?；|(zhì)吸附飽和后通過出水進行反沖洗。反沖洗出來的混合物直接回用或經(jīng)機械、水力或磁性分離，磁種可重復使用，污泥則另行處理。磁種使用多次后，表面結(jié)垢，活性降低，應用機械或化學方法再生。高梯度磁過濾器工作流程如圖2.2 2.1.2 磁種回收裝置和回收方法 經(jīng)過濾器篩出的雜質(zhì)（含磁種）進入船舶煙道，通過利用船體本身的余熱將雜質(zhì)蒸干。被蒸干的雜質(zhì)進入搗碎槽，通過利用彈簧將發(fā)動機的震動傳遞給搗碎槽里的小球，將雜質(zhì)搗碎，在煙道中流體的作用下使雜質(zhì)隨煙流動，從而帶動磁種漂移。當遇到永磁體時，磁種被吸附回收。（見圖2.3） 2.2 文丘里管的確定 “空化”是發(fā)生在液體介質(zhì)中的一種物理現(xiàn)象，是指當液體內(nèi)部局部壓力降低時，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸汽或氣體空穴的形成、發(fā)展和潰滅的過程。空化發(fā)生時，在空化泡潰滅瞬間形成局部的極端高溫和高壓，并伴有強烈的沖擊波和微射流。空化形成的特殊的能量效應能夠?qū)瘜W及物理過程起到強化作用。當空化過程高度集中的能量釋放，以及產(chǎn)生的機械效應作用在微生物上時，會對細胞產(chǎn)生強烈沖擊作用，造成細胞破壞。因此，利用水力空化的能量效應可以對含病原菌的水體進行滅菌消毒處理。 在以文丘里管為空化發(fā)生器的水力空化裝置中，對含有大腸桿菌的水體進行滅菌處理。通過檢測大腸桿菌的滅菌率，考察水力空化對水中微生物的滅活效果，分析水流空化數(shù)、文丘里管入口壓力、空化作用時間、文丘里管結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)對滅菌效果的影響。結(jié)果表明，水力空化的能量效應對水中微生物能夠產(chǎn)生滅活作用，實現(xiàn)對含菌污水的滅菌消毒處理，具有高效節(jié)能和環(huán)保的特點。提高文丘里管入口壓力、增加空化處理時間、優(yōu)化空化器結(jié)構(gòu)設計均有利于增強空化滅菌效果。而且，進口壓力越大，空化效果越明顯；下游恢復壓力越小。空化效果越明顯；喉部收縮率越大，空化效果越明顯。 本系統(tǒng)將文丘里管系統(tǒng)與紫外線催化系統(tǒng)相結(jié)合，使壓載水處理效果更好，速率更高。流體流經(jīng)文丘里管時，在出口處會產(chǎn)生空化效果，空化效果使水流呈紊流狀態(tài)，使壓載水更充分與催化劑接觸，減少停留時間，同時可以產(chǎn)生瞬時高壓，有利于殺滅生物。 2.3 紫外線殺菌裝置的確定及詳細設計計算 2.3.1 紫外線殺菌原理 紫外線處理壓載水可以用波長為253.7mm的紫外線對壓載水照射進行。水中微生物一旦受到紫外線照射。將吸收紫外線照射的能量，其實質(zhì)是核酸對紫外線能量的吸收。核酸是一切生命體的基本物質(zhì)和生命基礎，分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩大類。核酸吸收紫外線達到一定劑量時，DNA 分子發(fā)生變異，從而引起了微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)和酶的合成障礙；另一方面，產(chǎn)生的自由基可引起光電離，從而導致細胞死亡。研究顯示，大多數(shù)細菌、病毒僅接收相對較低強度的紫外線照射，當照射強度達10000μw/cm2 的劑量時，細胞便會被不同程度破壞而死亡。 2.3.2 紫外線燈的輻射劑量與殺菌率的計算及裝置結(jié)構(gòu)的確定 殺滅不同的微生物需要不同的輻照劑量，而存在于水中的微生物是多種多樣的。選定的輻照劑量過高會浪費不必要的能量，過低又達不到殺滅微生物的目的。一般認為用紫外線殺滅微生物所需提供的輻照劑量最低不小于9000μws/cm2，新投入使用時應大于12000μws/cm2。此時，紫外線殺滅微生物的效率可高達99.99%。殺滅普通微生物所需的紫外線強度為6000-10000μws/cm2。不同國家間的標準也不相同，但16000-38000μws/cm2之間。但這仍然不能殺死一些致病原生動物、原生動物包囊和線蟲蟲卵等，殺死它們的紫外劑量甚至達100000μws/cm2。 在紫外線殺菌燈的照射下，細菌的生存除了與紫外線的波長有關，還隨生存環(huán)境條件的變化而變化。紫外線的穿透能力在空氣中可受塵粒與溫度的影響，當空氣中每1cm3含有塵粒800~900個，殺菌能力可降低20~30%，相對濕度由33%增至56%，殺菌效能可減少到原來的1/3。也就是說，當濕度增大時，細菌的抵抗力就增加，一般情況下，當相對濕度接近100%時，必須有相對于平常情況下二倍的照射量才能得到滿意的殺菌效果。同理，紫外線在液體中的穿透能力，隨深度的增加而降低。見圖2.4。 根據(jù)以上理論基礎，該紫外線殺菌裝置設置如下：管道直徑d1=100mm，石英管套直徑d2=24mm，燈管長度L=670mm，功率P=32W，紫外線穿透率90%，經(jīng)計算得： 管道截面積： A1=π(d12-d22)/4=74.02cm2 管道最大表面積： A2=πd1×L=2104.87cm2 管道體積： V=A1×L=4959.34cm3 輻射時間： 水流量設為v=1m3/h，故殺菌時間為： T=V/ν×10-6 ×3600=17.85s 裝置設計成分管式，共分四管，故每管的殺菌時間為71.4s。 由此可得紫外燈管提供的紫外線強度為： I=(p×106×4×t×0.9)/A2＝9.8×105μW.S/cm2 通過計算我們得到，紫外線裝置的紫外線強度遠大于殺菌所需的強度，再加上殺菌時間較長，可使殺菌率達到99.99%以上，滿足了壓載水的處理標準。在以后的實驗過程中，可通過調(diào)節(jié)流量和燈管的工作個數(shù)，來得到最佳的匹配方案，實現(xiàn)能源利用的最優(yōu)化。 我們將紫外線殺菌裝置設計如圖2.5： 2.4 二氧化鈦催化劑的應用 納米二氧化鈦在光催化作用下使細菌分解而達到抗菌效果的。由于納米二氧化鈦的電子結(jié)構(gòu)特點為一個滿 TiO2的價帶和一個空的導帶，在水和空氣的體系中，納米二氧化鈦在陽光尤其是在紫外線的照射下，當電子能量達到或超過其帶隙能時，電子就可從價帶激發(fā)到導帶，同時在價帶產(chǎn)生相應的空穴，即生成電子、空穴對，在電場的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，遷移到粒子表面的不同位置，發(fā)生一系列反應。吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘獲電子形成O2；生成的超氧化物陰離子自由基與多數(shù)有機物反應(氧化)，同時能與細菌內(nèi)的有機物反應，生成 CO2和 H2O；而空穴則將吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成?OH，?OH 有很強的氧化能力，攻擊有機物的不飽和鍵或抽取 H原子產(chǎn)生新自由基，激發(fā)鏈式反應，最終致使細菌分解。 本裝置設計時將二氧化鈦均勻的涂在管道內(nèi)壁，通過紫外線的照射使其產(chǎn)生催化反應，產(chǎn)生羥基自由基等強氧化物質(zhì)，大大加強了殺菌效果。將磁場作用于水中，能夠?qū)λ奈锢砘瘜W性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。由于磁場能使水對400 nm以下和大于600 nm以上的范圍光能的吸光系數(shù)顯著增加，因此增加其可見光的利用率，提高了納米Ti02光催化氧化效率。高梯度磁過濾器為磁處理器，在其周圍存在較大的磁場。通過高梯度磁過濾器與紫外線燈以及二氧化鈦的結(jié)合，充分利用了過濾器產(chǎn)生的余磁，大大加強了殺菌效果。 2.5反應器運行參量的控制的實現(xiàn) 2.5.1溫度的控制 過濾器最佳雜質(zhì)脫除率的溫度區(qū)間較小，所以過濾過程的溫度需要控制在某一定值或區(qū)間內(nèi)。 在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情況下，過濾器的溫度常采用單回路的PID控制。這樣的溫度控制系統(tǒng)由四個環(huán)節(jié)組成，即(1)溫度測量元件，采用鉑熱電阻溫度計PT100；(2) 控制器，采用單片機自動控制系統(tǒng)，與此部分控制處理有關的單片機模塊有A/D模塊及輸出信號放大模塊；（3）調(diào)節(jié)閥和被控過程的生化反應器，調(diào)節(jié)閥主要是換熱器循環(huán)水控制閥，以及備用加熱單元的繼電器開關。這部分反應在軟件上就是溫度自動控制子程序模塊。 2.5.2 水流量控制 在高梯磁過濾器的入口處有調(diào)節(jié)閥對流量進行控制，水流過大或過小都會被反映出來以進行調(diào)節(jié)；而四組紫外線燈前后皆裝有調(diào)節(jié)閥控制流速度及流量，可完成與通氣量的最佳匹配，每個紫外線燈前后的兩個調(diào)節(jié)閥由一個輸出端控制，同時開關。整個控制系統(tǒng)由流量測量環(huán)節(jié)、單片機中央處理環(huán)節(jié)和調(diào)節(jié)閥組成。其中流量測量環(huán)節(jié)用電磁流量計擔任。 2.5.3 過濾器的反沖洗控制 過濾器的控制系統(tǒng)由單片機的定時單元，出水流量測量單元，真空泵執(zhí)行器，A/D模塊，中央處理器組成。采用多事件中斷控制方法，控制過濾器出水的抽吸和停歇時間，使過濾器工作在抽吸和停歇兩個不同的工作階段。多事件中斷控制利用單片機的中斷控制機制，出水流量，真空泵抽水壓力，時間定時三個中斷源，任何一個中斷源發(fā)出中斷即可以引起反沖洗動作。 3 壓載水處理實驗及結(jié)果分析 3.1 試驗水源 試驗所用進水為人工配制的模擬船舶壓載水。人工配制的船舶壓載水成分見表3.1 3.2 壓載水啟動實驗結(jié)果記錄及分析 1. 大于50微米生物 浮游植物主要是滸苔。將滸苔攪碎成碎片之后加入壓載水中，用于模擬測試用水中尺寸大于50μm的生物。 由表3.2可知，無論流量多大，過濾后的浮游植物數(shù)目均未檢出。由此可知，過濾器的過濾精度滿足過濾壓載水排放標準中規(guī)定的生物尺寸。 2．小球藻 測試用水中的小球藻由人工培養(yǎng)，培養(yǎng)基為f/2培養(yǎng)基，培養(yǎng)周期為10天。小球藻的尺寸為3~8μm，用于模擬測試用水中尺寸低于50μm的生物。 由表3.3分析可得當實驗裝置的流量達到最大時，即640L/h，仍能達到了IMO關于壓載水的排放標準，即每毫升出水中尺寸低于50μm的生物數(shù)目少于10個/mL； 3.細菌數(shù)量 細菌主要來自于污水廠提供的菌泥，菌泥中含有大腸桿菌等細菌及鐘蟲等原生生物，用于模擬測試用水中要求的大腸桿菌、有毒霍亂弧菌和腸道球菌等。 由表3.4,3.5可知，滅活后的大腸桿菌和總菌數(shù)目隨著流量的增加而增多，但涂有二氧化鈦時菌數(shù)總小于未涂二氧化鈦的菌數(shù)，可見二氧化鈦的催化作用可大大加強紫外的殺菌作用。 有毒霍亂弧菌是一種危險的細菌，只有在特定的區(qū)域能夠檢出，本試驗中未檢出。 4 經(jīng)濟分析 4.1 實驗運行成本分析 按目前裝置的設計（流量約4m3/h，總功率450W） 計算，年耗電量在4000千瓦時，可處理壓載水近四萬噸，處理成本為0.063元/噸，再加上裝置的總體維護費用0.04元/噸，整體處理費用為0.1元/噸 4.2 產(chǎn)品化經(jīng)濟分析 根據(jù)船舶大小和用途的不同，每條船可以攜帶幾百噸到超過幾十萬噸的壓載水。現(xiàn)以一艘壓載水量為M=10000噸的貨船為例，其壓載艙水泵流量為1200-5000m3／h，吸入口徑在350-700mm為了計算方便取流量q=2000 m3／h，口徑d=0.5m，可知裝載壓載水的時間t為5h。根據(jù)計算，放大后的裝置工作功率p應在80kw左右，船上燃油發(fā)電成本j為0.9元/千瓦時，則每次處理壓載水的運行費用A=0.045元/噸。與深海更換壓載水（0.9元/噸）相比，本套壓載水的處理成本已大大降低，和同類的旋流—紫外線處理方法（0.2元/噸）相比也有相當?shù)膬?yōu)勢。同時，與國內(nèi)已獲得國際認證的壓載水處理系統(tǒng)（0.03元/噸）相比，也處于同一量級，有很好的市場前景。 4.3推廣后的市場分析 每年有85000艘船排放100億噸船舶壓載水，平均每噸壓載水就有浮游生物1億1千多萬個，已經(jīng)證實平均每天由船舶而傳播的物種有7000多種 ,這些浮游生物進入陌生海域，威脅當?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境。相關數(shù)據(jù)顯示，我國每年由于生物入侵造成的經(jīng)濟損失高達574億人民幣。而根據(jù)新加坡南洋理工大學環(huán)境科學工程研究院的統(tǒng)計，條約生效帶來的在航船舶壓載水處理設備市場總需求大約在130億美元。由以上數(shù)據(jù)，我們假設能獲得百分之一的市場份額，即是一個產(chǎn)值8億的市場，且每年可為我國挽回超過6億元由于生物入侵帶來的經(jīng)濟損失。 5 創(chuàng)新點及應用 5.1 創(chuàng)新點 1.采用文丘里管與分管式紫外線催化TiO2殺菌裝置相結(jié)合。文丘里管的“空化”作用可以制造紊流流態(tài)，提高壓載水與TiO2的接觸機率。該裝置紫外線利用率高（360o），羥基殺菌出水無任何化學殘留； 2.高梯度磁過濾器的磁場可以提高紫外線催化裝置的羥基產(chǎn)生效率，最多可以提高11個百分點。 3.磁種回收裝置基本不耗能。自主設計的磁種回收裝置利用船舶煙氣和振動回收磁種，不需額外消耗能量。 5.2應用前景 隨著全球行運事業(yè)的發(fā)展，加上世界上90%物資靠海路運輸，船舶壓載水中外來物種的入侵對全球性的海洋健康造成巨大危害，對海域原有生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成極大威脅。為保護本國水域環(huán)境，許多國家都采取了船舶壓載水管理措施，國際海事組織制定了嚴格的壓載水排放標準。 根據(jù)勞氏船級的統(tǒng)計，截至目前，國際上近50家研發(fā)商中僅有15家研發(fā)商通過了IMO的最終批準，而我國只有1臺裝置得到了IMO最終批準。為此我們開發(fā)出了基于“高梯磁過濾-文丘里聯(lián)合紫外催化Tio2”復合技術的壓載水處理裝置。該裝置從高梯度磁過濾技術到紫外線催化殺菌系統(tǒng)的應用，每一個環(huán)節(jié)我們都考慮到了壓載水處理過程可能出現(xiàn)的問題，最終完成了整個裝置的流程設計。壓載水經(jīng)我們裝置處理后能夠很好的滿足IMO提出的標準，并且達到了高效節(jié)能的效果，完全可以適用于遠洋航運的過程中。 本項目采用高梯度磁過濾技術取代了已有的微孔過濾技術，提高了處理的效率；用紫外線催化催化技術取代電解水產(chǎn)生羥基自由基技術可以進一步降低成本。整個裝置運行過程中不需要添加任何化學物品也不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，能夠很好的體現(xiàn)當今社會的環(huán)保理念；裝置的處理過程不需要更換壓載水，保證了船舶運行中的穩(wěn)定性及安全性；裝置占地面積小可以節(jié)省空間，增加貨運量。按目前裝置的設計（流量4m3/h，總功率450W）計算，處理成本0.1元/噸，低于現(xiàn)在市場上的壓載水處理裝置的平均處理費用。而紫外線燈管的壽命可以達到10000小時以上，意味著裝置一年才需要更換一次燈管，且高梯度磁過濾器的維護費用低，約為0.03元/噸，因此裝置的整體維護費用較低可廣泛應用在國內(nèi)大中型船舶上。 附圖1：壓載水處理裝置實物圖
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 一、設計目的： 國際海事組織于2004年2月通過了《控制和管理船舶壓載水和沉積物國際公約》，該公約提出了更加嚴格的壓載水處理標準，并要求所有船只在2017年以前都要安裝新的壓載水處理裝置。然而，截至目前，我國只有1臺裝置得到了IMO最終批準。為了滿足國內(nèi)船舶制造商對壓載水處理裝置的需求，我們開發(fā)了這套壓載水處理裝置。 二、基本思路： 采用過濾與殺菌組合的復合壓載水處理方法：海水→高梯度磁過濾器→文丘里管→紫外線催化殺菌裝置→壓載水。壓載水首先進入高梯度磁過濾器過濾，過濾后的海水經(jīng)文丘里管后進入紫外線催化殺菌裝置，使出水最終能夠達到《公約》規(guī)定的標準。 三、創(chuàng)新點： 1.采用文丘里管與分管式紫外線催化TiO2殺菌裝置相結(jié)合。文丘里管的“空化”作用可以制造紊流流態(tài)，提高壓載水與TiO2的接觸機率。該裝置紫外線利用率高（360度），羥基殺菌出水無任何化學殘留； 2.高梯度磁過濾器的磁場可以提高紫外線催化裝置的羥基產(chǎn)生效率，最多可以提高11個百分點。 3.磁種回收裝置基本不耗能。自主設計的磁種回收裝置利用船舶煙氣和振動回收磁種，不需額外消耗能量。 四、技術關鍵和技術指標： 1.設定文丘里管入口壓力為0.4Mp，殺菌管直徑100cm； 2.選擇高梯度磁過濾器的磁通密度為0.6T； 3.將磁種回收裝置安裝在發(fā)動機機房附近，利用發(fā)動機的振動和煙氣余熱回收磁種。 4.出水達到IMO規(guī)定《壓載水公約D-2標準》：
科學性、先進性
- 本裝置采用高梯度磁過濾器與紫外線催化殺菌裝置結(jié)合的處理辦法，出水能夠滿足壓載水處理標準，而傳統(tǒng)的壓載水處理方法已經(jīng)不能滿足新的壓載水處理標準。現(xiàn)在市場上研發(fā)的壓載水處理裝置的過濾部分主要采用微孔過濾技術，殺菌部分以電解海水殺菌和氯殺菌為代表。本裝置與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)勢[1]：一、高梯度磁過濾與微孔過濾相比，處理速度高，占地面積為一般過濾裝置的1/3，維護費用僅為0.03元/噸，比微孔過濾裝置節(jié)省一半的維護費用；同時，高梯度磁過濾器的磁場可以提高紫外線催化效率，使殺菌效果更好[2]； 二、由于羥基自由基殺菌時間為0.001s,僅次于氟的氧化速度，并且羥基能在1s內(nèi)消失。所以，紫外線催化殺菌與電解法和氯處理法相比，處理速度高，沒有二次污染，且不會腐蝕船體及其設備[3]； 三、本裝置采用文丘里管作為射流混合裝置，文丘里管是能夠形成空化作用的裝置中壓降最低的裝置，即能耗低；[4] 參考文獻：見附件1
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獲得校第十七屆“五四杯”一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 模型，現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 一、使用說明詳見裝置《說明書》 二、本裝置的特點和優(yōu)勢： 1.經(jīng)濟性：實驗室階段本裝置處理費用僅為0.1元/噸。高梯度磁過濾器的維護費用低僅為0.03元/噸，且處理速度高； 2.材料廣泛性：高梯度磁過濾器可采用粉煤灰或煙氣中的磁性粉塵等廢棄物作為磁種，其價格僅為商業(yè)磁種的1/20； 3.實用性：本裝置中紫外線燈管裝在石英管套內(nèi)，催化效果不受水溫的影響。高梯度磁過濾器的過濾效果受溫度、酸堿度等的影響也很小，并且整臺裝置抗震能力強，所以適合在遠洋航行的船舶上裝備； 4.集成性：裝置整體安裝緊湊，整體占地面積約為一般處理裝置的占地面積的3/5，可以為船舶節(jié)省大量空間用于裝載貨物，提高船舶的經(jīng)濟性； 目前得到IMO最終批準的廠家僅有15家。我國每年因壓載水排放污染造成的損失高到574億元，《公約》實施后，預計我國每年需安裝壓載水處理裝置的遠洋船舶約1500艘，經(jīng)過調(diào)查，約有40%的廠家愿意與我們合作。按每套裝置400萬元計算，我們的設備投產(chǎn)后每年獲得的經(jīng)濟效益可達12億元。
同類課題研究水平概述
- 目前世界上船舶壓載水主要處理方法有機械法、物理法、化學法三大類：機械法很難用于處理大量的壓載水,通常將其作為其他處理方法的預處理；物理法：加熱法會引起鹽分的大量分析出,并在冷卻空間形成積垢,金屬艙壁腐蝕現(xiàn)象也會加重?；瘜W法：臭氧法發(fā)生設備現(xiàn)場制備,費用較高,投加量不易調(diào)節(jié),需要具有較高的技術水平進行管理和維護,且臭氧會加快壓載艙的腐蝕。目前國外被最終批準的壓載水處理方法有： 1.基于絮凝及磁力分選技術的壓載水處理系統(tǒng)——“ClearBallast”該壓載水處理系統(tǒng)結(jié)合絮凝與磁力分選技術，能夠有效去除水體中的細菌、浮游生物以及藻類； 2.挪威OptiMarin壓載水系統(tǒng)該處理系統(tǒng)采用濾膜過濾作為預處理，采用大劑量的紫外輻射來殺滅水體中的海洋微生物、病毒和細菌。 3.挪威OceanSaver壓載水系統(tǒng)采用“氣穴+氮氣+過濾+電滲析”的方法； 4德國Hamann Evonik Degussa公司的SEDNA系統(tǒng)； 5.芬蘭Greenship公司的Sedinox系統(tǒng)； 6.韓國Techcross公司的Electro-Clean系統(tǒng)等。他們的平均處理費用約為0.2元/噸。目前國內(nèi)壓載水處理具有代表性的方法有： 1.大連海事大學利用強電離放電法進行壓載水的研究,實現(xiàn)了在輸送管道中治理壓載水的目的,有望成為船舶治理壓載水有效可行的綠色新方法。 2.由青島雙瑞防腐防污有限公司2006年開始研發(fā)的BAL-CLORTM壓載水處理系統(tǒng)，目前已經(jīng)通過IMO最終批準。該系統(tǒng)通過有效過濾、海水電解及中和優(yōu)化等設計，達到處理壓載水的目的，其海水處理能力為每小時200-700立方米。但電解海水的能耗高。 經(jīng)過調(diào)研可知：傳統(tǒng)的單一的水處理殺菌方法已經(jīng)不能滿足新的壓載水處理標準，各種新的復合處理方法正在被提出。我們的壓載水處理裝置采用了高梯度磁過濾器,文丘里管和紫外線催化技術相結(jié)合的方法，在達到裝置本身作用的同時，高梯磁過濾器的余磁，文丘里的紊流作用又對紫外線催化殺菌起到了加強和促進的作用?，F(xiàn)行的壓載水設備的處理費用為0.2元/噸，而我們的壓載水處理裝置經(jīng)試驗證實，出水能夠滿足IMO壓載水公約的標準，運行費用僅為0.1元/噸。
