利用脉冲强光和光催化技术处理压载水中活体生物的装置

摘要

本发明公开了一种利用脉冲强光和光催化技术处理压载水中活体生物的装置，该装置包含：处理室本体，该处理室本体内设置涂有二氧化钛涂层的不锈钢片，该处理室本体包含进水口和出水口，该进水口与盛有待处理海水的储液槽通过管道连通，该出水口与用于盛放处理完毕的海水的集液槽通过管道连通；脉冲氙灯，其两端穿透处理室本体设置；与脉冲氙灯电连接的脉冲强光电源，用于为脉冲氙灯提供脉冲能量，使其发出脉冲强光。本发明提供的处理压载水中活体生物的装置，用于处理船舶压载水中的活体生物，具有处理时间短，工作效率高，操作简单，操作费用低，不产生二次污染等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶压载水处理设备，尤其涉及一种利用脉冲强光及光催化技术协同处理压载水中活体生物的装置。 

背景技术

远洋船舶航行过程中，压载是一种必然状态。船舶在加装压载水的同时。当地的水生物也随之被装入到压载舱中，直至航程结束后随压载水排放到目的地海域。船舶压载水和沉积物的随意排放会造成有害水生物滋生和病原体传播，破坏不同海域生物的生态平衡，严重威胁着海洋环境。为此，国际海事组织(international maritime organization，IMO)对由船舶压载水引发的海洋环境问题给予了高度重视，早在1973年IMO大会上，压载水问题，特别是与有害病原体迁移有关的问题就被提了出来；自1990年开始将解决船舶压载水问题纳入其海上环境保护委员会的议程，进行全面的研究，着手相关指南、规则、公约的研究与制定，开始相关技术研究与设备开发。 

目前研究开发或者得到应用的压载水处理方法较多，总的来说，依据处理原理的差异可以划分为物理处理与化学处理两种类型。 

物理处理方法通过不同手段分离、排除或灭杀海水中的危害性生物与物质，主要手段包括过滤、离心分离、加热等。 

过滤法。过滤法是一种通过过滤装置滤除海水中的一定体积微生物或其他污染物的处理方法。过滤法可直接滤除部分外来生物，通过选择合适的网目，可以去除不同的生物种群。这种方法的有效性无庸质疑，但缺陷也非常明显，如病毒和细菌，其最小直径的只有0.02μm和0.1μm，原生动物最小的是2μm，双鞭毛藻最小的是3μm，滤网网目越多，过滤需要的压力就越大，而且很快就需要反冲洗，否则过滤就无法进行下去。实际上海水，尤其是沿海的压载水本身含有许多悬浮物，会使过滤更加困难，如果网目太少就失去作用了。因此，该方法的可行性存在一定的问题。 

离心法。离心法是一种利用旋转部件对海水进行重力分离，以除去与重与海水存在差异的微粒和生物体的方法。这种方法可以除去大多数多细胞动物和植物、卵、幼虫、孢子(包括进入到淤泥中有害藻类的休眠期孢子)和有害的病原体细菌。但是在处理与海水比重相近的生物(水母，毛鄂类动物)时，处理效果受到限制；此外，设备尺寸较大，对安装空间要求较高，尤其当处理量较大时，设备在船上的安装就显得极为困难。因此在一些处理流量大的实船上基本没能得发展与应用。 

加热法。从最新的研究来看，40℃～45℃通常足以杀死或抑活压载水中有害水生物。低温长时间比高温短时间更有效。温度在38℃～50℃，加热持续时间为2～4小时，可杀灭大部分生物，但是如果生物是以休眠胞子的形式存在，可能需要更高的温度，而且很难达到杀灭的效果。加热处理在船上实现存在的主要问题是，必须改装管系，产生热应力，热源不足，冬季处理效果差等。 

化学处理法就是通过药物的作用来杀死有害生物达到消除或减轻压载水对环境的危害，其主要方法有以下几种： 

氯或氯化物处理法。氯或氯化物是一种很好的杀菌药物在陆地被广泛用作水处理剂。实验结果表明有效氯为5mg/l处理海水能杀灭其中99.85%的异养细菌，100%的弧菌和85.2%的粪大肠菌群，有效氯为20mg/l处理海水能杀灭海水中几乎所有的细菌。氯化方法处理船舶压载水是比较可行的方法，但它的不足之处是它会造成加快舱壁腐蚀的作用并放出氯臭味。

臭氧法。臭氧对细菌病毒的杀灭效果较高，且用量少接触时间短不产生卤化反应。但由于臭氧处于高度不稳定状态，只能现场制备不能像液氯那样工业化生产，因此在费用上常高于加氯处理。臭氧消毒的设备投资及运行费用较一般消毒方法高，用在船上处理压载水时成本高，不易为船主所接受。臭氧发生设备及投配装置比较复杂，投加量不易调节需要具有较高的技术水平进行管理和维护，不适应舱舶的环境空间和技术力量。 

二氧化氯处理法。二氧化氯作为消毒剂具有良好的消毒效果。研究证实，二氧化氯对大肠杆菌，细菌，芽孢病毒及藻类均有很好的杀灭作用。但二氧化氯具有爆炸性遇光易分解成氧化氯和氧，故需在使用时就地制备，因此用二氧化氯消毒成本较高，这是制约船用处理压载水的主要因素。 

因此，亟需开发一种成本低，易于操作，处理效果彻底，环境友好，并能适于海上作业的压载水中活体生物的处理工艺或装置。 

发明内容

本发明的目的是提供一种利用脉冲强光及光催化技术处理船舶压载水的装置，使其处理船舶压载水中的活体生物具有处理时间短，工作效率高，操作简单，操作费用低，不产生二次污染等特点。 

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用脉冲强光和光催化技术处理压载水中活体生物的装置，该装置包含： 

处理室本体，该处理室本体内设置涂有二氧化钛涂层的不锈钢片，该处理室本体包含进水口和出水口，该进水口与盛有待处理海水的储液槽通过管道连通，该出水口与用于盛放处理完毕的海水的集液槽通过管道连通；

脉冲氙灯，其两端穿透处理室本体设置；

与脉冲氙灯电连接的脉冲强光电源，用于为脉冲氙灯提供脉冲能量，使其发出脉冲强光。

上述的处理压载水中活体生物的装置，其中，所述的不锈钢片紧贴在处理室本体内壁设置。 

上述的处理压载水中活体生物的装置，其中，所述的连通处理室本体进水口与储液槽的管道上还设置有计量泵，用于向处理室泵吸待处理海水。 

上述的处理压载水中活体生物的装置，其中，所述的计量泵上设置有调节海水流量的旋钮，用于按量提供待处理海水。 

上述的处理压载水中活体生物的装置，其中，所述的连通处理室本体出水口与集液槽的管道上还设置有取样口，用于取样处理完毕的海水，用于检测。 

上述的处理压载水中活体生物的装置，其中，所述脉冲强光电源上设置有调节电源输出电压、电源输出功率、脉冲频率和脉冲宽度的控制器。 

脉冲强光电源与脉冲氙灯连接，为脉冲氙灯提供脉冲能量，使其发出脉冲强光，在脉冲强光的激发下，负载在不锈钢片上的二氧化钛可以发生光催化反应。 

本发明的有益效果是，当压载水流经处理室时，由脉冲氙灯所产生的脉冲强光既可以直接处理压载水中的活体微生物，又可以作为激发光源，使二氧化钛发生光催化反应，具体来说，二氧化钛在脉冲强光的照射下发生光催化反应，反应生成的具有强氧化性的羟基自由基可以破坏细胞结构，从而达到灭活微生物的目的，从而可以处理压载水中的活体微生物。本发明具有处理时间短，工作效率高，操作简单，操作费用低，不产生二次污染等特点。 

附图说明

图1是本发明的利用脉冲强光和光催化技术处理压载水中活体生物的装置的结构示意图。 

图2是本发明装置光催化处理压载水中活体微生物效果的示意图。 

图3是本发明装置电源输出电压与微生物灭活率的关系示意图。 

图4是本发明装置电源输出功率与微生物灭活率的关系示意图。 

图5是本发明装置脉冲频率与微生物灭活率的关系示意图。 

图6是本发明装置脉冲宽度与微生物灭活率的关系示意图。 

图7是本发明装置单脉冲能量与微生物灭活率的关系示意图。 

图8是本发明装置压载水样流量与微生物灭活率的关系示意图。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。 

如图1所示，本发明提出利用脉冲强光及光催化技术协同处理船舶压载水中活体生物的装置，包括有处理室10和脉冲强光电源30，该处理室的进水口11与内装待处理海水的储液槽40通过管道连通，其出水口12与内装已处理海水的集液槽50通过管道相连通，脉冲强光电源30为装置提供脉冲能量；处理室10由脉冲氙灯20、负载二氧化钛的不锈钢片（图中未示，二氧化钛涂覆在不锈钢片上，不锈钢片贴在处理室的内壁）和处理室外壳组成，脉冲强光电源30与脉冲氙灯20连接，为脉冲氙灯20提供脉冲能量，使其发出脉冲强光；处理室10与储液槽40之间设有计量泵13，计量泵13将储液槽40中的海水输送至处理室10中，该计量泵13上具有调节海水流量的旋钮（图中未示）；脉冲强光电源30上设置有调节电源输出电压、电源输出功率、脉冲频率和脉冲宽度的控制器（图中未示）。 

本发明以压载水中常见的异湾藻为研究对象，通过实验来说明本发明装置不同的设计参数对微生物灭活效果的影响。本发明以异弯藻作为代表，由本发明对微生物的灭菌机理可知，本发明对其他微生物均具有较好的灭活效果。 

实验工作流程如下：压载水样品在计量泵作用下按以下箭头所示方向流动，未处理样品→计量泵→处理室→样品收集槽。处理室中的氙灯在脉冲强光电源的作用下发出脉冲强光，所产生的脉冲强光即可以直接灭活压载水样品中的微藻，又可以激发TiO₂涂层，使其发生光催化反应，从而进一步灭活压载水样中的微藻。 

通过以上实验，得出实验结果如下： 

由图2可知，光催化对压载水样中的异弯藻具有较好的灭活效果。当脉冲强光电源输出电压为260V时，只使用脉冲强光处理，异弯藻的灭活率为70.74%，而使用脉冲强光和光催化协同处理时，异弯藻的灭活率高达98.26%。

由图3可知，增大电源输出电压可以有效的提高脉冲强光和光催化对压载水样中异弯藻的灭活效果。在其他实验参数不变时，当电压为220V时，异弯藻的灭活率为25.11%；电压为240V时，异弯藻的灭活率为79.45%；当电压增加至300V时，异弯藻的灭活率高达99.9%。 

由图4可知，脉冲强光和光催化对压载水样中异弯藻的灭活效果随着功率的增加而增加。在其他实验参数不变时，当电源功率为0.3kw时，异弯藻的灭活率为49.7%；电源功率为0.5kw时，异弯藻的灭活率升至88.1%；当电源功率增加至0.7kw时，异弯藻的灭活率高达98.1%。 

由图5可知，脉冲频率的增大可有效的提高脉冲强光和光催化对压载水样中异弯藻的灭活效果。在其他实验参数不变时，当脉冲频率为10Hz时，异弯藻的灭活率为3.1%；脉冲频率为30Hz时，异弯藻的灭活率为64.1%；当脉冲频率增加至50Hz时，异弯藻的灭活率高达98.5%。 

由图6可知，增加脉冲宽度可有效的提高脉冲强光和光催化对压载水样中异弯藻的灭活效果。在其他实验参数不变时，当脉冲宽度为3ms时，异弯藻的灭活率为65.4%；脉冲宽度为4ms时，异弯藻的灭活率为89.4%；当脉冲宽度增加至5ms时，异弯藻的灭活率高达96.9%。 

由图7可知，增加单脉冲能量可有效的提高脉冲强光和光催化对压载水样中异弯藻的灭活效果。在其他实验参数不变时，当单脉冲能量为5J时，异弯藻的灭活率为50.53%；单脉冲能量为9J时，异弯藻的灭活率升至89.98%；当单脉冲能量增加至13J时，异弯藻的灭活率高达98.64%。 

由图8可知，减小压载水样流量可以提高脉冲强光和光催化对压载水样中异弯藻的灭活效果。在其他实验参数不变时，当压载水样流量为0.54L/min时，异弯藻的灭活率高达89.24%；压载水样流量为1.78L/min时，异弯藻的灭活率为45.45%；压载水样流量升至2.5L/min时，异弯藻的灭活率仅为34.85%。 

由上述试验可知，处理压载水中活体生物的最佳工艺条件为：使用脉冲强光和光催化协同处理，电压增加至300V，电源功率增加至0.7kw，脉冲频率增加至50Hz，脉冲宽度增加至5ms，单脉冲能量增加至13J。 

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。