高梯度磁场与脉冲磁场联合的船舶压载水处理方法

摘要

本发明提供的是一种高梯度磁场与脉冲磁场联合的船舶压载水处理方法。经预处理的压载水进入串联在压载泵向船舶压载舱加压载水的输出端口处的管道中的能产生高梯度磁场与脉冲磁场联合场的填充钢毛基质的管道内进行处理。本发明可综合脉冲磁场和高梯度磁场的优点，大大提高了设备中微生物和悬浮物所受的磁场力，在去除50微米以上的微生物、浮游生物、植物和悬浮颗粒的同时，还对50微米以下的病毒、细菌和原生动物有很强的杀灭作用，提高微生物的灭活率，且安全可靠，不会影响船舶的正常运行维护。

说明书

技术领域

本发明设计的是一种水处理方法，具体的地说是一种船舶压载水的处理方法。

背景技术

船舶压载水指为控制船舶纵倾、横倾、吃水、稳性或应力而在船上摄入的水及其悬浮物， 是现代远洋船舶稳定航行的保证，目前出于方便操作和降低成本的考虑，主要使用海水作为 压载媒质。远洋船舶在注入和排放压载水的同时，引起有害水生物和病原体的跨海域传播。 随着海运业的日益繁荣，压载水无控制排放对海洋生态、公众健康造成的危害也越来越严重， 引起的海洋生态破坏事故不胜枚举。全球环保基金组织已将其列为危害海洋的四大威胁之一。

根据国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约的规定，压载水的处理是指为杀灭去除压 载水和其沉积物中的有害水生物和病原体，使之失去繁衍能力。

高梯度磁分离作用通过填充大量不锈钢毛作为过滤基质，电流的磁场效应使不锈钢钢毛 磁化在附近产生高梯度的磁场，导磁的钢毛对液体中悬浮杂质的磁力作用大于水流拉力和颗 粒本身重力作用，悬浮杂质被截留在钢毛基质上，使其被去除，从而达到了净化目的。高梯 度磁分离技术广泛应用于分离水中悬浮杂质和沉积物中，已有技术利用高梯度磁分离去除压 载水中50微米以上的微生物、浮游生物和悬浮颗粒。事实上，由于磁场中钢毛附近有很高的 磁通密度(可高达1000高斯/微米)，会对附近微生物产生如洛伦兹力效应、感应电流效应等 对细胞或细胞内含物有破坏作用的效果，对50微米以下的微生物也有杀灭作用。赵烨将高梯 度磁分离应用于船舶压载水的处理中，发现当场强不小于12.7mT，流量不大于10L/h，磁种 投加量在400mg/L左右，此时出水浊度可达到5NTU以下，出水大肠杆菌、金黄葡萄球菌、 小球藻及总微生物数量都降到了原水的50％以下。

但是，随着进水水质的微生物及沉积物杂质含量的提高，为达到压载水排放标准，需要 压载水处理装置对微生物有更高的灭活率，一般低压供电的高梯度磁场分离装置难以达到要 求。

脉冲磁场杀菌是利用高强度脉冲电流发生器向螺旋线圈发出的强脉冲电流，而产生脉冲 强磁场，将待处理样品置于螺旋线圈内部的磁场中，样品中的微生物受到强脉冲磁场的作用 而导致死亡。近年来脉冲强磁场的杀菌作用越来越受到人们的关注，是一种有效的非热杀菌 技术。李梅等将脉冲磁场应用于处理生活污水，结果表明停留时间30min，磁场强度500mT， 脉冲频率40kHz的实验条件下，水中细菌总数的存活率为0.01％，藻类基本死亡。马海乐等 人研究了磁激发脉冲电磁场对生啤酒的杀菌作用。结果表明：随着场强和脉冲数的增加，杀 菌效果增强；脉冲磁场强度大于2.35T，且脉冲数大于10，或场强大于2.11T，且脉冲数大于 30时，生啤酒中残存的细菌总数小于50个/mL，可达到商业无菌要求。

与本发明申请相关的公开报道有：1、申请号为200910073103.X，名为“船舶压载水联合 处理方法”的专利文件；2、“脉冲磁场杀菌机理分析”，《食品科技》，2004:4：11-13；“高梯度 磁分离-紫外复合压载水处理技术的研究”，2010，哈尔滨工程大学。“脉冲磁场水处理技术在 杀菌、灭藻方面的研究”《环境科学学报》，2004:24(2)：20-264；“生啤酒的磁激发脉冲电 磁场杀菌的试验研究”，《食品科学》，2003：24(4)：52-55；“紫外杀菌技术的研究现状”，《石 化技术》，2011：18(4):60-63等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种处理水量大，能耗低，除微生物效能高，操作简单的高梯度 磁场与脉冲磁场联合的船舶压载水处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

经预处理的压载水进入串联在压载泵向船舶压载舱加压载水的输出端口处的管道中的能 产生高梯度磁场与脉冲磁场联合场的填充钢毛基质的管道内进行处理。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、在进入能产生高梯度磁场与脉冲磁场联合场的填充钢毛基质的管道之前投加混凝剂。

2、在进入能产生高梯度磁场与脉冲磁场联合场的填充钢毛基质的管道之前投加磁种，所 述磁种选择炼铁炉的粉尘。

本发明提供了一种能有效处理船舶压载水，处理水量大，能耗低，除微生物效能高，操 作简单的船舶压载水联合处理方法。

本发明的的主要特点是：经预处理的船舶压载水通过既产生脉冲磁场又产生高梯度磁场 的联合装置得到处理。本发明可综合脉冲磁场和高梯度磁场的优点，大大提高了设备中微生 物和悬浮物所受的磁场力，在去除50微米以上的微生物、浮游生物、植物和悬浮颗粒的同时， 还对50微米以下的病毒、细菌和原生动物有很强的杀灭作用，提高微生物的灭活率，且安全 可靠，不会影响船舶的正常运行维护。

本发明的优点在于利用高梯度磁过滤器与脉冲磁场联用技术可以高速高效的杀灭压载 水中的微生物，实现在管道输送压载水的过程中直接去除压载水中的细菌、病毒和原生动物。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)杀菌水体的温升一般不超过5℃，不产生腐蚀船舱、管道的化学物质。

(2)不加入任何化学药剂，无消毒副产物生成，不会对水体和周围环境产生二次染。

(3)处理水量大，不受自然因素，如温度等的影响。

(4)运行安全可靠。距离线圈2m左右处磁场强度衰减为相当于地磁强度，因此无漏磁 问题，安全性好。而传统的消毒如采用氯化物或臭氧，对现场操作人员及周围环境产生潜在 威胁。

(5)易于控制、维护管理、占地面积小。磁场的产生和中止迅速，便于用电脑控制。

(6)高效快速，与连续波和恒定磁场比较，脉冲强磁场杀灭力强，效率高。由于脉冲强 磁场对固液体均具有较强的穿透能力，能深入压载水中致使灭菌无死角，杀菌彻底，高梯度 磁过滤和脉冲磁场的双重作用，具有更快更强的杀菌能力，实现实现在管道输送压载水的过 程中直接去除压载水中的细菌、病毒和原生动物。

(7)在设备前投加一定量磁种——炼铁炉的粉尘可有效改善高梯度磁过滤器的过滤效 能，目前，常用的磁种是四氧化三铁，价格贵需要回收，而将炼铁炉产生的固体废物——粉 尘回收加以利用，可代替四氧化三铁做磁种处理压载水，用后与滤渣一并排出去，省去了磁 种回收工艺，可在改善高梯度磁过滤效能的同时大大节省工艺的运行的费用。

附图说明

图1是本发明工艺流程图。

图2是高梯度磁场—脉冲磁场联合技术原理图。

图3为高梯度磁场产生原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，处理压载水时，启动压载舱出水泵P₁，打开阀门F₁、F₂和F₃，关闭阀门F₄、 F₅、F₆和F₇，水泵将压载舱内压载水输送至静态混合器H中，由投药装置向压载水中投加混凝 剂和磁种，经混合预处理后的压载水进入高梯度磁场与脉冲磁场联合装置中，经联合装置处 理后的压载水进入反冲洗水池中储存，水池中水位达到要求后，压载水将通过水池的溢流管 直接排放出船体。当出水水量显著下降时，需要进行反冲洗流程，此时关闭阀门F₁、F₂和F₃， 打开F₆，F₇，先打开空压机K对装置进行气冲，气冲完成后，打开F₄、F₅同时启动反冲洗水泵 P₂对装置进行气、水冲。反冲洗后污水、气经阀门F₇流回压载舱中储存。完成反冲洗过程后， 可进行下一个工作周期。

结合图2，脉冲电路开始工作时，首先开关K接通A端，高压直流电源通过限流电阻R_S对电容器C充电，当电容上的电压达到V时，通过放电开关控制，开关K接通B端，电容 器C对线圈L和电阻R放电，放电回路中的大电流I在线圈中产生磁场。接着，线圈中 的电流对电容进行反向充电，当电容器电压反向后，续流二极管开通，电流流过续流回路， R_d为可调电阻，调节R_d的大小，可以改变了续流回路特性，调整脉冲波形，即选取合适电阻 R_d，续流回路就可消除线圈电流的负脉冲部分，将振荡回路调整为非振荡回路。

导流筒(或管道)内不填充钢毛时，螺线管通脉冲电流，则在有效导磁空隙内将产生非 振荡脉冲磁场。当导流筒(或管道)内填充钢毛后，由于钢毛的相对导磁率远大于水的相对 导磁率，因此磁力线集中在钢毛附近，钢毛附近相对于不被钢毛占据的空间有很高的磁通密 度，导流筒(或管道)内不仅产生了非振荡脉冲磁场还产生了高梯度磁场。

本实施方式压载水的处理方法是通过下述步骤实现的：

1、压载水预处理

当压载舱出水泵将压载舱的压载水输送至静态混合气时，由投药装置向压载水投加一定 量的混凝剂和炼铁炉的粉尘对船舶压载水进行预处理。选取混凝剂为聚合氯化铝，根据压载 水水质，其投量为5～200mg/L，炼铁炉粉尘的投量为100～1000mg/L，混合后压载水通入高 梯度磁场与脉冲磁场联合装置中。

2、压载水处理

经预处理后的船舶压载水通入高梯度磁场与脉冲磁场联合装置中进行处理。利用装置中 产生的高梯度磁场对船舶压载水进行过滤，去除大于50微米的微生物、藻类等；同时由于高 梯度磁场对微生物的作用，也能够杀灭一部分病毒、细菌、原生动物。通过联合装置内脉冲 磁场的作用，使磁场大小的剧烈改变，引起细胞内离子产生的感应电流及离子定向运动，对 为生物细胞膜、胞内酶、蛋白质等照成破坏，强力杀灭细菌，其杀菌时间短，杀菌效率高， 高强度磁场作用下，只需几次脉冲就可以实现高效杀菌。

高梯度磁过滤与脉冲磁场联合装置由蓄能电容、控制电路、输出接口、备用放电电路、 励磁线圈、导磁轭铁、填装刚毛的圆筒(或管道)和接线装置组成。仪器采用先蓄能，后瞬 间释放能量的工作方式。该设备磁感应强度应限制在1～3T，磁感应强度过低处理效果不佳， 磁感应强度过高则电流热效应过大，需要增加冷却设备，使成本上升，频率控制在20～200Hz。

圆筒(或管道)内填充钢毛基质，钢毛(316不锈钢材质)直径为10～50μm，杂乱填充 于柱形反应器内，采用钢毛基质的联合装置可以分离一般磁分离器不能分离的磁化率低、体 积小的弱磁性颗粒物，具有刚毛填装率低(4％～6％)，磁场梯度高的特点。其滤速可达到100～ 300m/h。

3、压载水储存与排放

经高梯度磁场与脉冲磁场联合装置处理后的船舶压载水进入反冲洗水池，待反冲洗水池 中水位到达要求后，压载水将经旁通管直接排出船体。反冲洗水池的作用是贮存足量的处理 后的压载水以供反冲洗之用。水池容量根据压载水量确定。

4、联合装置的反冲洗

当联合装置出水水量显著降低时，需对其进行反冲洗，采用气水联合方式进行反冲洗。 反冲洗水由反冲洗水泵从反冲洗水池泵出，压缩空气由空压机供给。先进行气反冲洗，打开 空压机，先气冲2～4分钟(0.5～1.0兆帕，冲洗强度100～300L/平方米·秒)，然后同时打 开空压机和连接反冲洗进水管的阀门进行气、水冲5分钟(0.5～1.0兆帕，气冲洗强度100～ 300L/平方米·秒，水冲洗强度100～300L/平方米·秒)。反冲洗后污水流回压载舱中储存。完 成反冲洗过程后，可进行下一个工作周期。

采用高梯度磁过滤器与脉冲磁场联合技术，具有更快、更高效、更节能的优点。高梯度 磁过滤可去除50微米以上的微生物、浮游生物、植物和悬浮颗粒的同时，杀灭一部分50微 米以下的病毒、细菌和原生动物；而脉冲磁场能进一步杀灭水中大部分的病毒、细菌和原生 动植物，使出水达到相关标准要求。两种磁场共同作用，其截留和杀菌效能均高于单独一种 磁场。

为考察复合磁场杀菌效果，在连续进水条件下，将人工模拟压载水分别通过高梯度磁分 离装置、脉冲磁场装置和高梯度磁场-脉冲磁场联合装置，进行实验。高梯度磁场磁场强度为 16mT，脉冲磁场和联合磁场电压为1000V，由于线圈相同，磁场强度均为2.11T，取实验流量 为27L/h，控制初始浊度70～80NTU，磁种投量为1000mg/L，混凝剂投量为100mg/L。实验采 用人工海水，根据《国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约》D-2标准规定的指标性生物， 采用Mocledon配方模拟人工海水，pH值7.5～8.0，水温16～26℃，盐度35psu，浊度70mg/L； 实验用水的生物指标模拟中国近海海水的平均水质：大肠杆菌、金黄葡萄球菌、小球藻的原 水浓度均控制在10⁴cfu/100mL左右。本实验中大肠杆菌的测定使用膜滤法计数；藻类采用光 密度法计数；金黄葡萄球菌测定采用平板法计数。对各系统出水检测大肠杆菌、金黄葡萄球 菌、小球藻三个微生物指标，每个实验平行3次取平均值。其灭活效果如下表。

由上表可看到，高梯度磁过滤器与脉冲磁场联合技术可以较有效的去除压载水中的微生 物，处理后剩余微生物指标均可达到《控制和管理船舶压载水及沉积物国际公约》的D-2标 准要求，且高梯度磁过滤器与脉冲磁场联合技术效能高于单独的高梯度磁场或脉冲磁场。

高梯度磁过滤器与脉冲磁场联合技术中，两种磁场可相互促进，使效能高于单独的一种 磁场，其原理为：

(1)高梯度磁过滤器与脉冲磁场联合技术分离效能高于单独的高梯度磁场。

磁分离的效率取决于磁力与重力、摩擦力或惯性力、颗粒之间的亲和力和排斥力等各种 力之间的合力大小。在不改变温度、压力、流速、水质等外部条件的情况下，磁力越大，颗 粒越容易被分离。

将水中悬浮物或微生物简化为球状颗粒，颗粒半径为b，磁场中磁介质(钢毛)简化为 一圆柱体，其半径为a，如图3，分析颗粒在经过颗粒球心的一平面中所受的磁力F_m大小。

F_m＝V(χ_p-χ_m)H_(r)dB_(r)/dr  (5-1)

式中，χ_p为颗粒的磁化系数；χ_m为流体介质的磁化系数；r为颗粒与钢毛的中心距离； H_(r)为颗粒周围的磁场强度，随r变化；B_(r)为颗粒周围的磁感应强度，随r变化；V为颗粒 体积。

由于：H_(r)＝H₀(1+a²/r²)  (5-2)

且B＝μ₀μ_rH  (5-3)

由(5-2)式和(5-3)式得：B_(r)＝B₀(1+a²/r²)  (5-4)

由(5-4)求导得：dB₁/dr＝-2B₀a²/r³  (5-5)

则将(5-2)、(5-3)、(5-5)带入(5-1)得：

$\left(\begin{array}{c}{F}_m=V({\chi }_p-{\chi }_m)H_0(1+a^2/r^2)(-2B_0{a}^2/r^3)\\ =\frac{-2V({\chi }_p-{\chi }_m)}{{\mu }_0{\mu }_r}\times \frac{{B_0}^2{a}^2(r^2+a^2)}{r^5}\end{array}\right)---(5-6)$

所以，磁感应强度B₀越大，颗粒所受磁力越大，越容易被分离。高梯度磁分离装置采用 低压电源，磁感应强度较小，一般为0～1T，脉冲磁场一般则采用高压电源，磁感应强度可 达1～8T，并且，经过调整，非振荡电路中线圈的电流方向不变，脉冲磁场方向也不变，所 以将脉冲磁场与高梯度磁场结合，钢毛与颗粒上的磁感应强度大大增加，装置的分离效率也 会大大增强。

(2)高梯度磁过滤器与脉冲磁场联合技术杀菌效能高于单独的脉冲磁场。

对于脉冲磁场，杀菌效果的关键一是细胞内产生的瞬变的磁通量，即dΦ/dt，dΦ/dt越 大，磁场效应越强，灭活率越高；二是微生物在磁场中的停留时间，停留时间越长，微生物 接受的能量越大，灭活效果越好。下面从这两个角度说明联用装置的优势：

A、钢毛造成了梯度磁场，磁种提供磁性的附着物，可以将微生物吸附于钢毛上，截留部 分细菌，截留的细菌在脉冲磁场中停留时间大大增加，使杀菌效果得到提高。同时，没有被 截留的细菌随水流在密集、杂乱的钢毛中运动，增加了流动阻力、延长了流动路程，这也能 提高细菌在脉冲磁场的停留时间。

B、设电感螺线管长为l，半径为r，螺线管的总匝数为n，通有电流I，螺线管中介质 的相对磁导率为μ，磁感应强度为B₂。若l远大于r，则：B₂＝μnI。为取得较大电流，电 阻较小，假设R＝0，选取合适电阻R_d，将振荡回路调整为非振荡回路，则一周期内，非振荡 电路中(以图1中电容正方向为正方向)：

$\left(\begin{array}{cc}I={\omega }_0{U}_s\sin \left({\omega }_{0}t\right)\ge 0& (U_c\ge 0)\\ I=c_1{e}^{r1t}+c_2{e}^{r2t}\ge 0& (U_c<0)\end{array}\right)---(5-7)$

式中，ω₀为电路频率；U_s为电容电压/V；t为时间；c₁、c₂、r₁、r₂为与电容电感有关 的常数。

则电感螺线管中磁场强度为：B₂＝μnI  (5-8)

由(5-8)求导得单独高梯度磁场的磁感应强度梯度：

dB₂/dt＝μn(dI/dt)  (5-9)

因为高梯度磁场中：B₁＝B₀(1+a²/r²)  (5-10)

将高梯度磁场与脉冲磁场联用，原高梯度磁场的B₀由脉冲磁场产生，则 B₀＝B₂＝μnω₀U_ssin(ω₀t)。将式(5-10)和(5-8)联立得高梯度磁场与脉冲磁场联用磁场变 化公式：B＝(1+a²/r²)nI  (5-11)

则高梯度磁场与脉冲磁场联用的磁感应强度梯度：

dB/dt＝(1+a²/r²)nI≥dB₂/dt  (5-12)

说明高梯度磁场与脉冲磁场联用与单纯的脉冲磁场相比，dB/dt更大，dΦ/dt就更大， 杀菌效果更好。