CC BY
57УДК 628.166.094.3:546.13
В.Н. Плотникова, доцент, к.х.н.
Е.Ю.Плетнева, А.С. Кошелева, студенты ЭК-412, ВГАВТ 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СУДОВЫХ БАЛЛАСТНЫХ ВОД И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ НА РОССИЙСКИХ СУДАХ
Рассмотрены преимущества и недостатки наиболее известных методов обработки водяного балласта на
борту судна. Обоснован выбор и проведены экспериментальные исследования процесса хлорирования судовых
балластных вод.
Сброс балластных вод за борт приводит к изменению или уничтожению сформировавшихся десятилетиями экологических водных систем, что влечет за собой огромные экологические и экономические проблемы. С целью решения этой проблемы в 2004 году была принята международная Конвенция «О контроле и обработке водяного балласта и осадков» (далее - Конвенция), которая в апреле 2007 года была одобрена и принята Российской Федерацией.
В Конвенции предлагается несколько способов управления балластными водами:
• ограничение мест приема и сброса вод;
• сдача на береговые приемные сооружения с целью дальнейшей обработки;
• обработка на борту судна.
Первое направление для Российского судоходства неприемлемо, так как невозможно ограничение мест приема и сброса вод в речных и прибрежных морских системах, где осуществляется постоянный перенос веществ и организмов.
Второе направление требует наличия специализированных причалов, станций, сооружений по приему и обработке балластных вод. В настоящее время они отсутствуют, а проектирование и организация их связаны со значительными затратами.
Для судов внутреннего и смешанного плавания Р.Ф.наиболее приемлемым способом является обработка водяного балласта непосредственно на судне перед сбросом их в водоем.
Принципиально возможно применение достаточно большого количества методов обработки водяного балласта на борту судна (рис. 1) [1]. На основе этих методов уже сейчас на мировом рынке предлагают оборудование: США, Япония, Корея, Германия, Норвегия и др. Немецким Ллойдом выпущен третий сборник-справочник, где дается информация о компаниях, производящих оборудование по очистке судовых балластных вод. Из 47 представленных компаний, фильтрование используют 27, озонирование - 7, хлорирование - 3, электролиз - 12, УФ-облучение - 14, удаление кислорода - 5.
Рис. 1. Методы обработки водяного балласта на судне.
Наиболее перспективными методами обработки балластных вод на судах внутреннего и смешанного плавания являются озонирование или хлорирование.
Во-первых, наиболее надежные методы. Эффективность обеззараживания может быть достигнута 95% и выше.
Во-вторых, это наиболее исследованные методы, они доступны и относительно дешевы и могут быть реализованы на судне.
В-третьих, окислители обеззараживают не только воду, но и осадки и поверхности цистерн.
При этом есть существенные недостатки, которые ограничивают применение окислителей:
• окислители опасны и ядовиты для организмов и здоровья человека;
• усиливают коррозию балластных систем (трубопроводов, цистерн и др.);
Однако при правильной организации процесса эти недостатки могут быть минимальными.
Теперь следует провести сравнительный анализ между хлорированием и озонированием.
Озон, являясь наиболее сильным окислителем по сравнению с хлорпрепаратами, в данном случае уступает хлорированию:
• для получения озона необходимы затраты на электроэнергию, а хлорпрепараты, в большинстве своем соли, которые находятся в упаковочной таре;
• озон не обеспечивает хранение воды, за счет высоких скоростей его распада в воде, хлор поддерживает обеззараживающий эффект в течение длительного времени;
• агрессивная среда водных растворов озона приводит к коррозийным процессам трубопроводов и цистерн;
Несмотря на то, что хлорирование, как метод обеззараживания вод, применяется во всем мире более 100 лет, процесс обработки балластных вод препаратами хлора требует дополнительных исследований, что связано, прежде всего, с переменных составом этих вод, а также с судовыми условиями применения этого метода.
В связи с выше сказанным целью данной работы было исследование особенностей процесса хлорирования балластных вод судов внутреннего плавания. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
• выбор хлор препарата с учетом применения его в судовых условиях;
• определение дозы хлорпрепарата для обеззараживания балластной воды с учетом требований Конвенции;
• установление влияния на хлоропоглощаемость воды факторов, связанных с ее составом;
• предложения по организации процесса обеззараживания балластной воды на борту судна.
Из литературных источников [2,4] известно, что в практике обработки воды в качестве обеззараживающих реагентов применяют несколько видов хлорпрепаратов: газообразный или сжиженный хлор (С12), гипохлориты кальция и натрия Са(ОС1)2 и №С1, хлорная известь СаОС12, двуокись хлораСЮ2 и хлорамины КНС12 и КН2С1. Исследования по обеззараживанию балластных вод с помощью гипохлорита натрия изложены в работе [1].
После изучения свойств этих веществ для выполнения экспериментальных исследований был сделан выбор в пользу хлораминов. Для хлораминов характерна низкая скорость разложения, по сравнению с другими реагентами, поэтому их растворы могут храниться долгое время без потери активности хлора, что необходимо для поддержания обеззараживающего эффекта балластных вод. Кроме этого, низкое содержание активного хлора обуславливает слабый запах хлора, что является преимуществом перед другими препаратами. И последнее важное свойство хлораминов - они оказывают минимальное из всех препаратов влияние на процессы коррозии балластных цистерн [2].
Международная Конвенция устанавливает к балластной воде перед сбросом ее за борт следующие требования:
• концентрация коли-бактерий не должна превышать 2500 шт КОЕ/100 мл;
• концентрация остаточного хлора не более 0,5 мг/л.
Для судов водного транспорта существует еще одно условие - это время нахождения балласта на судне, которое составляет минимум 3 суток, максимум - 14 суток.
Эффективность обеззараживания воды при прочих равных условиях зависит от правильно выбранной дозы хлорпрепарата и обеспечения времени контакта.
Было проведено экспериментальное исследование по определению дозы хлорамина с учетом требований Конвенции. Вводимая доза - это общая хлоропотребность воды. Она складывается из хлорпоглощаемости воды и заданной величины остаточного хлора в воде, в нашем случае - не более 0,5 мг/л. Хлорпоглощаемость зависит от состава и свойств воды.
Эксперименты проводились на пресной воде. В качестве исходной (имитация балластной) использовалась вода из реки Волги. Значения показателей качества воды представлены в таблице 1.
Таблица 1
№ п.п. Показатель, единицы измерения Значение показателя Применяемое оборудование
1 Известность, град. 27+1 КФК - 2МП колориметр фотоэлектрический
2 Прозрачность, см 2З+1 Лабораторный цилиндр h=30 см
З Мутность, мг/л 4,З+0,2 КФК-2МП
4 Взвешенные вещества, мг/л 1З2+5 Весы AND GX=600 Муфельная печь (t0=1050Q
5 рН 6,91+0,1 рН - метр-иономер «Эксперт-001»
6 Температура 2Зо Термометр ГОСТ 215-7ЗТА-2
7 Солесодержание, мг/л 175,5+0,5 Кондуктометр «Анион-4100»
8 Концентрация общего железа, мг/л 0,5+0,05 Методика по ГОСТ 4011-72(2000)
9 Концентрация нефтепродуктов, мг/л 0,1+0,01 Концентратомер ИКН-025
10 Содержание КОЕ, шт/100мл 48500 Индикаторные тест-полоски
Учитывая тот факт, что реальные балластные воды могут содержать повышенную концентрацию ионов железа, как результат коррозии стальных цистерн, в исходной воде увеличили содержание ионов железа до 1,5г/л.
Эксперимент поставлен в лабораторных условиях, выбранные дозы хлорамина (КН2С1) (по активному хлору): 3 мг/л, 5 мг/л и 7 мг/л. Число параллельных опытов при каждой дозе равно 3. ^воды=23°С; рН=6,9. Результаты эксперимента содержатся в таблице 2.
Таблица 2
Время контакта 0,5 часа (25.06.10) З суток (1.07.10) 7 суток (5.07.10) 10 суток (8.07.10) 14 суток (12.07.10)
Доза З мг/л
Концентрация остаточного хлора, мг/л 1,05 0 0 0 0
Содержание КОЕ, шт/100мл 18500 0 0 0 0
Доза 5 мг/л
Концентрация остаточного хлора, мг/л 1,З8 0,55 0 0 0
Содержание КОЕ, 14000 0 0 0 0
шт/100мл
Доза 7 мг/л
Концентрация остаточного хлора, мг/л 2,03 0,82 0 0 0
Содержание КОЕ, шт/100мл 12500 0 0 0 0
Анализируя полученные результаты эксперимента можно сделать следующие выводы:
• обеззараживание воды через 3 суток при всех трех концентрациях - 100%;
• остаточная концентрация активного хлора наблюдалась через трое суток при дозах 5 мг/л и 7 мг/л;
• эффект обеззараживания 100% сохранялся до 14 суток при отсутствии остаточного хлора в воде;
• требованиям Конвенции при контакте в течение трех суток удовлетворяет вводимая доза хлорамина - 5 мг/л.
Следующим этапом работы явилось изучение влияния на хлоропоглощаемость воды факторов, связанных с составом балластных вод.
Как уже отмечалось, балластные воды имеют очень переменный состав, который определяется, с одной стороны качеством забортной воды, с другой - состоянием поверхности балластных цистерн.
Проанализировав показатели состава речных вод, были выбраны 3 показателя, значения которых могут меняться в широком диапазоне:
• цветность воды, которая зависит от содержания гуминовых (окрашенных) веществ в воде рек;
• концентрация общего железа ^е2+,3+), определяется суммой содержания в воде рек и результатом коррозии стальных балластных систем;
• концентрация нефтепродуктов, как результат загрязнения природных вод и попадания в результате технических неисправностей в балластные емкости масел, смазок, топлива и др.
С целью выяснения зависимости влияния выбранных факторов на хлоропоглощаемость воды был поставлен многофакторный эксперимент.
Условия проведения эксперимента:
• исходная вода из реки Волги (состав в таблице 1);
• диапазон изменения выбранных факторов в таблице 3
Таблица 3
Факторы Обозначение факторов Значения факторов
тіп тах
1. Концентрация железа, мг/л Х1 0,5 1,5
2. Цветность, град. Х2 27° 100°
3. Концентрация нефтепродуктов, мг/л Хз 0,1 10
• доза вводимого хлорамина - 5 мг/л;
• параметр оптимизации - остаточная концентрация хлора в воде (у ), которая определялась через 0,5 часа после введения хлорамина;
• количество опытов 23=8;
• моделирование воды производили соответственно: солями железа, торфяной вытяжкой и дизельным топливом.
Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в таблице 4.
Таблица 4
№ опыта Х1 Х2 Хз У1 У2 у
1 + + + 3,52 3,68 3,6
2 - + + 1,76 1,76 1,76
3 - - + +2,56 2,56 2,56
4 - - - 1,039 1,599 1,493
5 + + - 2,88 3,04 2,96
6 + - - 1,92 1,599 1,76
7 - + - 1,28 1,44 1,36
8 + - + 2,56 2,399 2,48
Результаты эксперимента были обработаны с помощью программы «Статистика». Получено следующее уравнение регрессии
у=0,93+1,2 ^-0,02 х2-0,07 х3 (1)
В уравнении (1) знак (+) означает увеличение остаточного хлора в воде - так влияет концентрация железа (х^; знак (-) указывает на снижение остаточного реагента - так влияют цветность воды и концентрация нефтепродуктов. Значения параметра оптимизации при минимальных и максимальных значениях факторов:
У щщ =0,93+1,2-0,5-0,02-27-0,07-0,1=1,013(мг/л) (2)
У тах =0,9+1,2-1,5-0,02-100-0,07-10=0,66 (мг/л) (3)
Таким образом, необходимая доза хлорамина (по активному хлору), обеспечивающая обеззараживание воды и сохранение остаточного хлора при широком диапазоне изменения показателей качества воды (цветности, концентрации железа и нефтепродуктов), составляет 5 мг/л (С0=5 мг/л).
В качестве примера рассмотрена балластная система сухогруза - проекта N006RSD02-LMPP-121. Общий объем балластных вод (V) составляет 3925 м3. Для организации процесса обеззараживания воды необходимо иметь рабочий раствор хлорамина (Сраб)=10 г/л. Объем этого раствора (^аб) для подачи в балластные цистерны составит:
= = 5мг/л ■ 3925М = ! 3м5 ^ 2,М,
раб Сраб 10мг / л ■ 103
где Ураб - объем рабочего раствора хлорамина с концентрацией
Сраб, м3;
Сраб - концентрация исходного рабочего раствора хлорамина, мг/л;
Со - доза-концентрация активного хлора, обеспечивающая обеззараживание воды, м3;
Уц - Объем балластных вод в цистернах, м3.
Объем емкости для хранения рабочего раствора (Уемк) может быть определен:
Ураб=
Уемк-1,2- УрЯб=1,2-м3,
где 1,2 - коэффициент запаса.
Таким образом, в ходе проведенного исследования процесса обеззараживания балластных вод были выполнены следующие задачи:
• обоснован и выбран в качестве обеззараживающего реагента - хлорамина (КН2С1);
• экспериментально установлена доза хлорамина (по активному хлору), обеспечивающая обеззараживание балластной воды с учетом требований Конвенции и времени хранения ее на судне;
• с помощью проведенного многофакторного эксперимента и обработки результатов его по программе «Статистика» получено уравнение регрессии, учитывающее влияние факторов состава воды (цветность, концентрации общего железа и нефтепродуктов) на выбранную дозу хлорамина;
• показан пример расчета объема рабочего раствора хлорамина, необходимого для подачи в балластную систему, чтобы провести обеззараживание воды.
Исследования по разработке технологической схемы обеззараживания балласта на судне продолжаются.
Список литературы
[1] Сустретова Н.В. Актуальность управления качеством и выбор способа обеззараживания балластных вод судов смешанного (река-море) плавания.- Н. Новгород: Вестник ФГОУ ВПО «ВГАВТ», вып. 29 - 2010, С. 123-126.
[2] Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды/Под ред. Л.А. Кульского и др. т.1 и т.2 - Киев: «Наукова думка», 1980.-С.1260.
[3] Плотникова В.Н. Теоретические основы защиты окружающей среды: учебное пособие. - Н. Новгород: изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2011.- 184с.
[4] Этин В.Л. Экология судоходства: конспект лекций. - Н. Новгород: изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2006.- 289 с.
RESEARCH OF METHODS OF PROCESSING OF SHIP BALLAST WATERS AND POSSIBILITY OF THEIR APPLICATION ON THE RUSSIAN COURTS
Plotnikova V.N., Pletneva E.Y., Kosheleva A.S.
Advantages and lacks of the most known methods ofprocessing of a water ballast onboard a vessel are considered. The choice is proved and experimental researches ofprocess of chlorination of ship ballast waters are spent.
