CN105130074A - 一种电催化/紫外复合船舶压载水处理方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用联合处理方式的船舶压载水处理方法及设备，它解决了现有船舶压载水的处理方法和设备效率较低和功耗较高的问题。本发明的方法依次通过下述步骤实现：a、对船舶压载水进行过滤，去掉大于50微米的杂物；b、通过电催化过程产生强氧化性自由基；c、通过光辐射反应器处理船舶压载水。本发明利用电催化/光催化协同作用，在紫外辐射和强氧化性自由基的共同作用下，杀灭微生物，达到净化水质的要求。本发明的船舶压载水处理设备包括粗格栅、水泵、高效过滤器、一号控制阀、电催化反应器和光辐射反应器。

Description

一种电催化/紫外复合船舶压载水处理方法和设备

技术领域

本发明涉及船舶压载水的处理方法，本发明还涉及船舶压载水的处理设备。

背景技术

船舶压载水异地排放问题被国际海事组织（IMO）和国际环境监督部门列为全球海洋生态环境安全的四大危害因素之一。根据国际海事组织的统计，全球每年共有超过100亿吨压舱水排入海洋，每天至少有7000个有机体等随船舶压载水远航至他乡。物种互相入侵，加剧了海洋生态链和环境的恶化。船舶运输的货运量占全球货运总量的80%，远洋船舶越来越多，因此船舶压载水已经被视为破坏全球海洋生态链的日益严重的祸害之一。

船舶压载水处理系统是在货船装载压载水的同时进行处理，如何在满足国际海事组织关于压载水排放要求的前提下，提高处理系统的效率是研发工作者的目标。近些年来，关于船舶压载水的处理方法层出不穷，主要是利用置换法、机械法、物理法、化学法来对船舶压载水进行处理。然而研究发现压载水可信置换率大约只有70%~90%，压载舱底部的剩余外来生物及沉淀物在置换后会重新悬浮，并不能达到完全置换的目的；机械过滤法在处理压载水时无法去除体型较小的细菌与病毒；加热法不适用于不能提供足够热量的船体，同时维持均匀的压载水温度难以实现，还会对船体的管道、水泵和船舱涂层带来不利影响；臭氧制备方式复杂，同时会加剧船体船舱的腐蚀，过高的臭氧浓度还会对船员身体健康产生影响。

紫外辐射技术与电催化技术已经被应用于船舶压载水处理当中。石健发明了一种船舶压载水处理装置（发明专利，专利公开号CN103708582A），主要通过高频高压电源供电，介质阻挡放电反应装置对船舶压载水进行处理，该处理系统采用高压高频电源，具有较高的使用风险，同时过高的电压会加剧电极副反应的发生，增加电能消耗，并不能使船舶压载水达到满意的处理程度。白振光发明了一种高效的船舶压载水处理系统（发明专利，专利公开号CN101948204A），主要采用紫外消毒技术对船舶压载水中的细菌与病毒进行杀灭，据科学研究紫外辐射波长为254nm波长时对细菌和病毒的DNA有较强的破坏作用，但是并不能有效杀灭压载水中的藻类物种。由此可见单独高频电压、紫外辐射处理系统并不能将船舶压载水处理到国际排放标准。

紫外/电催化是将紫外辐射与电催化技术相联合的一种复合处理技术。有机物在经过电催化处理后立即进行紫外辐射处理，由电催化产生的一些氧化性物质，如·OH等经过紫外辐射后可以加快与有机物质的反应。目前，紫外/电催化联合处理压载水的报到较少，主要是应用于工业废水和生活污水的研究。张祖云研究了Bi_xTiO_y-TiO₂复合膜电极光电协同对细菌浓度为10⁶CFU/mL的模拟压载水进行灭菌实验，结果表明外加电压为9V，电极与溶液接触面积为140cm²时，20W紫外杀菌灯照射下反应2min可完全去除压载水中的细菌。

研究表明，紫外/电催化联合技术在船舶压载水处理方面具有协同作用的优越性，具有比单独处理系统更高的微生物灭活效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶压载水的处理方法，以解决现有船舶压载水的处理方法效率较低和成本较高的问题。本发明的方法依次通过下述步骤实现：a、采用高效过滤器对船舶压载水进行过滤，去掉大于50微米的杂物；b、通过电催化反应器，电极产生强氧化性自由基将微生物杀灭；c、用光催化反应器处理船舶压载水，从而进去一步去除压载水中的细菌、单胞藻、原生动物。

本发明还涉及一种采用上述处理方法的船舶压载水处理设备。它包括：粗格栅1、水泵2、高效过滤器3、一号控制阀4、电催化反应器5、光辐射反应器6组成，船舶压载水管道通过粗格栅1后连通水泵2的入口，水泵2的出口连通高效过滤器3的入口，高效过滤器3的液体出口连通一号控制阀4的一端，一号控制阀4的另一端连通电催化反应器5的入口，电催化反应器5内交错排列一对或者多对电催化电极，包括阳极5-1和阴极5-2，电催化反应器5的出口与光辐射反应器6的入口通过法兰连接，光辐射反应器6的出口设置在反应器6的上端，在光辐射反应器6内包括一个或多个石英管6-2，每个石英管6-2可以在横向或在高度方向贯穿于反应器6，多个石英管6-2均匀分布在反应器6内，每个石英管6-2内都设置一个紫外线灯6-1。

压载水首先通过粗格栅1和高效过滤器3，将压载水中长度大于50μm的杂质和微生物去除，过滤后的压载水进入电催化反应器5，高效电催化电极产生强氧化性自由基对压载水中微生物进行杀灭同时会氧化Cl^-生成次级氧化性物质，最后压载水进入光辐射反应器6，在紫外辐射和强氧化物质的同时作用下去除压载水中的细菌、单胞藻、原生动物。

在电催化系统中，形稳阳极（DSA）表面能较高，和海水接触时亲和力强，会产生“表面羟基”过程。钛基电极表面涂层的金属氧化物质MO_x由于其较高的电负性对羟基基团中的电子更具有吸引力，使得M-O键缩短，而伸长O-H键并弱化其键能，反应过程如下：

(MO_x)-OH→(MO_x)-O·+H⁺+e^-

(MO_x)-O·+OH^-→(MO_x)-O^-+HO·

(MO_x)-O^-+H₂O→(MO_x)-OH+OH^-

综合以上三式，可以认为是水在Ti/MO_x表面生成了·OH。·OH的标准氧化还原电位高达2.80V，仅次于F₂的2.87V，比其它常见的氧化剂具有更高的氧化能力，可以破坏微生物细胞膜通透性进而破坏其完整性，甚至可以直接破坏微生物的DNA导致微生物死亡。在光辐射反应器内通过波长254nm的紫外光对微生物的DNA遗传系统进行破坏，又利用氧化性物质在光辐射反应器内的持续氧化作用，从而达到杀灭压载水中微生物的目的。

本发明的方法和设备的优点在于，先利用电催化系统的氧化作用再结合电催化/光辐射协同作用杀灭生命力顽强的微生物，高速高效地杀死微生物，实现在管道输送压载水过程中直接去除压载水中的细菌、单胞藻、原生动物。

附图说明

图1为本发明的船舶压载水处理方法流程图；

图2为本发明的电催化反应器结构图；

图3为本发明的光辐射反应器结构图。

具体实施方式

下面通过实验考察本实施方式设备灭菌能力并以大肠杆菌灭活率来表征该方法和设备的有效性。

具体实施方式一：本压载水处理设备包括：粗格栅1、水泵2、高效过滤器3、一号控制阀4、电催化反应器5组成。船舶压载水管道通过粗格栅1后连通水泵2的入口，水泵2的出口连通高效过滤器3的入口，高效过滤器3的液体出口连通一号控制阀4的一端，一号控制阀4的另一端连通电催化反应器5的入口，电催化反应器5内交错排列多对电催化电极。

本实施方式船舶压载水的处理方法依次通过下述步骤实现：a、对船舶压载水进行过滤，将大于50μm的微生物去除；过滤时先采用粗格栅去除较大杂物，然后采用高效过滤器来过滤掉杂物。b、用电催化反应器处理船舶压载水，从而去除船舶压载水中的细菌、单胞藻、原生动物。电催化反应器有效反应体积为0.2L，采用2个Ti/SnO₂阳极，3个不锈钢阴极，电流密度设置为60mA/cm²。选取天然海水作为模拟船用压载水作实验样本，细菌总数为10⁶CFU/100mL，大肠菌群数为40CFU/100mL，添加培养的大肠杆菌使其浓度达到10⁸CFU/mL。调整水泵流量使船舶压载水在电催化反应器中的水力停留时间分别为1.5s、2.5s、3.5s。系统运转稳定后取样，采用MPN法测定大肠杆菌灭活率如表1所示。

具体实施方式二：本压载水处理设备包括：粗格栅1、水泵2、高效过滤器3、一号控制阀4、电催化反应器5、光辐射反应器6组成。船舶压载水管道通过粗格栅1后连通水泵2的入口，水泵2的出口连通高效过滤器3的入口，高效过滤器3的液体出口连通一号控制阀4的一端，一号控制阀4的另一端连通电催化反应器5的入口，电催化反应器5内交错排列多对电催化电极，电催化反应器5的出口与光辐射反应器6的入口通过法兰连接，在光辐射反应器6内包括一个石英管6-2，石英管6-2在高度方向贯穿于反应器6，石英管6-2内设置一个紫外线灯6-1。

本实施方式与实施方式一的不同点是：本实施方式在步骤a和步骤b之后还包括步骤c、用紫外光照射处理船舶压载水，光辐射反应器采用低压汞灯，紫外灯外套加石英套管。其它步骤与实施方式一相同，系统运转稳定后取样，采用MPN法测定大肠杆菌灭活率如表2所示。

具体实施方式三：本实施方式所采用压载水处理设备以及实施步骤与实施方式二相同，所不同的是：选取天然海水作为模拟船用压载水作实验样本，添加培养的杜氏盐藻，使藻细胞浓度为1×10⁴个/mL，电流密度设置为100mA/cm²。系统运转稳定后，分别在出口处取样，以及在暗处放置2h后取样。采用CFDA-AM荧光染色法对杜氏盐藻进行定量检测，获得藻类灭活率如表3所示。

以上具体实施方式仅是本发明的原理性基本实施方式，应当指出：本发明不受上述实施例的限制，本发明实施方式可以有其他改进，这些改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种船舶压载水的处理方法，其特征在于它依次通过下述步骤实现：a、对船舶压载水进行过滤，去掉大于50微米的杂物；b，通过催化电极产生强氧化性自由基，混合到船舶压载水中；c、用紫外光照射处理船舶压载水。

2.根据权利要求1所述的船舶压载水的处理方法，其特征在于在步骤c中用反应器内紫外光照射船舶压载水的同时，可以在反应器中添加或者不添加TiO₂光催化剂。

3.船舶压载水的处理设备，其特征在于它包括粗格栅1，水泵2，高效过滤器3、一号控制阀4、电催化反应器5、光辐射反应器6；高效过滤器3的入口前端安装粗格栅1与水泵2，出口通一号控制阀4的一端，一号控制阀4的另一端连通反应器5的入口，反应器6的出口与反应器5的入口通过法兰直接连接，反应器6的出口设置在反应器6的上端，紫外线灯6-1由上到下贯穿于反应器6内腔中。

4.根据权利要求4所述的船舶压载水的处理设备，其特征在于电催化反应器5内包括一对或多对交错排列的电极，阳极5-1为含有特殊涂层的催化电极，阴极5-2为惰性电极，压载水在阴阳极交错排列的缝隙中通过。

5.根据权利要求4所述的船舶压载水的处理设备，其特征在于光辐射反应器6内包括一个或多个石英管6-2，每个石英管6-2可以在横向或在高度方向贯穿于反应器6，多个石英管6-2均匀分布在反应器6内，每个石英管6-2内都设置一个紫外线灯6-1。