КОМПЛЕКСТАНАЯ ОБРАБОТКА БАЛАСТНЫХ ВОД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 574.5

Курбатов А.Ю., Ветрова М.А., Захарова Д.С., Ситников И.А. КОМПЛЕКСТАНАЯ ОБРАБОТКА БАЛАСТНЫХ ВОД

Курбатов Андрей Юрьевич- кандидат технических наук, доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; kurbatov@muctr.ru

ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

Ветрова Маргарита Александровна - аспирант 1 -го года обучения кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии;

ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

Захарова Дарья Сергеевна - студент 4 курса бакалавриата, кафедры промышленной экологии. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

Ситников Илья Алексеевич -ассистент кафедры процессов и аппаратов химической технологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

В статье приведет обзор экологических и экономических проблем переноса балластных вод, используемые в судоходстве. Рассмотрены возможные методы очистки и предотвращения заражения чужеродными микроорганизмами разрушающими морскую экосистему.

Ключевые слова: кавитационная обработка, очистка балластных вод, обеззараживание

CAVITATION WATER DISINFECTION

Kurbatov A.Yu., Vetrova M.A, Zakharova D.S Sitnikov I.A.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation

The article will provide an overview of the environmental and economic problems of the transfer of ballast waters used in shipping. Possible methods ofpurification and prevention of infestation by alien microorganisms that destroy the marine ecosystem are considered.

Key words: cavitation treatment, ballast water treatment, disinfection

Введение

Балластные воды играют важную роль в сохранении экологического баланса на планете, зависящего от состояния водных экосистем, основной угрозой для которых является неконтролируемое перемещение различных колоний микроорганизмов по поверхности мирового океана. Попадая в новую среду, организмы из водного балласта оказываются в незнакомой окружающей среде. Перевезенная балластными водами колония микроорганизмов может нанести значительный ущерб экологическому балансу региона (инвазия), за счет бесконтрольного размножения, влияя на экосистему в целом.

С целью получения возможности регламентирования процессов перемещения балластных вод по просторам вод мирового океана в 2004 году была одобрена Международная конвенция по контролю и управлению судовыми балластными водами и осадками - ИМО. Для соответствия требованиям конвенции, судовладельцам необходимо выполнить ряд условий, одним из которых является установка на судах систем управления балластными водами (СУБВ). Эти системы должны обеспечивать в сбрасываемых балластных водах минимальную концентрацию жизнеспособных нежелательных организмов и микробов, требуемую стандартом качества балластных вод с использованием механических, физических, химических или биологических методов очистки и обеззараживания.

При выборе метода обработки балластных вод необходимо учитывать следующим основные критерии:

- соответствие нормам безопасности;

- соответствие нормам экологичности;

- соответствие экономичным возможностям;

- обеспечение высокого уровня эффективности [1].

На мировом рынке СУБВ достаточно широко представлены как улучшенные версии более ранних систем, так и новые, учитывающие опыт эксплуатации продукции других марок (в том числе Российского производства). При этом отметим, что с учетом максимально жестких требований Береговой охраны США, одобрено менее 10 систем. К примеру, Российский морской регистр (РС) проводит типовое одобрение систем управления судовыми балластными водами, рассмотрение и одобрение судовых Планов по управлению балластными водами. Большинство СУБВ разработаны и устанавливаются на морские суда, но установка требуется и на суда смешанного (рекаморе) плавания (Российский речной регистр). К иностранным системам СУБВ, устанавливаемым на отечественные суда относятся системы Optimarin (Норвегия), Alfa Laval (Швеция), Sunrui (Китай), Ecochlor, Inc (США), HYDE GUARDIAN (США) и др. К отечественным разработкам СУБВ можно отнести разработки ЗАО «ЦНИИ судового машиностроения», ЗАО «НПО ЛИТ», ООО «НПО ЭНТ», ООО «Винета» и др[2,3].

При этом полную ответственность за работоспособность системы несет судовладелец, т.к. наличие сертификата одобрения не гарантирует бесперебойную работу системы на всех судах или во всех ситуациях.

При установке СУБВ необходимо учитывать:

- конструктивные особенности судна с возможностью физического размещения

- энергопотребление системы;

- эксплуатационные характеристики с удобством пользования;

- стоимость самой системы;

- объем и стоимость модернизации системы

судна;

- сроки изготовления;

- сроки одобрения регистром.

Основная часть

Перспективными направлениями в обработке балластных вод являются безреагентные методы, способные в ближайшие годы постараться решить актуальную проблему создания и серийного производства отечественных судовых систем обезвреживания балластных вод для оснащения судов отечественной постройки, большая часть которых была спроектирована и введена в эксплуатацию еще в

СССР.

Основными распространенными

направлениями безреагентной обработки балластных вод является:

- ультрафиолетовое облучение

- кавитационная обработка (акустическая или гидродинамическая)

- электроимпульсное воздействие

- плазмохимическое воздействие

Каждый из представленных методов в отдельности имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее распространённый метод безреагентного

обеззараживания воды - ультрафиолетовое воздействие (длины волн - 254 и 185 нм), также имеет свои недостатки, существенно снижающие эффективность обеззараживания, а именно:

- биообрастание (формирование колоний непатогенных светолюбивых микроорганизмов на поверхности кварцевых трубок, в которых находятся ультрафиолетовые лампы)

- соляризация (образование микрокристаллической и аморфной фаз нерегулярного состава на тех же поверхностях).

Так же выяснилось, что ультрафиолет не способен обеспечить полного обеззараживания. Традиционно применяющиеся для обработки воды ультрафиолетовые лампы низкого давления малоэффективны при уничтожении

спорообразующих бактерий, вирусов, грибков и водорослей.

В случае применения кавитационных процессов бактерицидное действие прямо

пропорционально ее интенсивности, кратности или времени обработки. На эффективность кавитации не влияет ни мутность, ни солевой состав

обрабатываемой воды, ни цветность. Интенсивное воздействие ударных волн при схлопывания кавитационных микропузырьков вызывает гибель бактерий типа Сальмонеллы и Е-соН, вегетативных форм дрожжей и плесеней, а также патогенных микроорганизмов группы кишечной палочки, уменьшая их численность в сотни раз. При сравнении экономических затрат различных методов кавитационного обеззараживания большого объема воды гидродинамическая кавитация оказывается более рентабельным методом, в сравнении с акустической. Но и здесь есть определённые недостатки. Размер кавитационного факела всегда оказывается небольшим, а

потому обеззараживаемую воду необходимо пропускать через него несколько раз.

Наиболее перспективными безреагентными методами обработки балластных вод видится процесс, основанный на совместном применении гидродинамических кавитационных устройств с другими безреагентными методами обработки[4-6].

Метод гидродинамической кавитации с УФ обработкой

Балластная вода изначально подвергается кавитационной обработке, с дроблением бактериальных кластеров на более мелкие элементы, приводя к разрушению микроорганизмов и преобразованию органических фаз. После обработанная вода подвергается ультрафиолетовому излучению, способствующему полной утрате микроорганизмами способности к воспроизводству. Кавитационные процессы препятствуют

биообрастанию и соляризации поверхности защитных трубок ультрафиолетовых ламп. Таким образом, одновременно происходит ряд процессов, поддерживающих непрерывное обеззараживание балластных вод до момента их сброса или замены.

Метод гидродинамической кавитации с электроимпульсной обработкой

Электроимпульсная обработка воды обеспечивает дополнительное воздействие ударных волн, вызванных импульсными электрическими разрядами. Формируемый электрический разряд с помощью подвижных электродов осуществляется за счет импульсного источника электроэнергии. Кратковременность электрического импульса позволяет реализовать такую ударную волну, толщина фронта которой меньше размера микроорганизмов, приводящей к механическому уничтожению микроорганизма. Благодаря гидродинамической кавитации процесс обработки может быть осуществлен проточно.

Отдельный интерес представляет применение гидродинамического метода в сочетании с воздействием электромагнитных полей. При этом в процессе такой обработки реализуется гидродинамический волновой процесс,

способствующий интенсивному парообразованию с последующей конденсацией, а оставшаяся часть воды

(рассол) под воздействием комбинации высокочастотных электромагнитных и

гидродинамических волн способна активно выделять кристаллическую соль из раствора.

Метод гидродинамической кавитации с плазмохимической обработкой

Технология плазмохимической обработки воды основана на деструктивном методе (внесение химических изменений в структуру и состав молекул примесей). Физический принцип метода основан на обработке разрядом V=400-800 вольт микропористой жидкости. Во время работы разряда создаются акустические и ударные волны в микропористой среде, схожие по сути с процессами, происходящим в атмосфере во время дождя и грозы. При этом происходит не только уничтожение микрофлоры, но и разрушение химических загрязнений органического и неорганического характера различного происхождения и концентраций (от миллиграммов до граммов на литр) [7].

Балластная вода обрабатывается холодной плазмой газового разряда (20-300 тор) на тонкой пленке (толщиной 0.3-1.5 мм), стекающей по вертикальной стенке электрода (катода или анода). В качестве газовых разрядов применяются несамостоятельный тлеющий или комбинированный разряды с предварительной ионизацией. Разряд зажигается в парах воды и остаточного воздуха. Далее вода проходит кавитационную обработку, насыщаясь кислородом до концентрации, выше равновесной при данной температуре. При этом органические соединения окисляются до углекислого газа и воды, а соли тяжелых металлов переходят в карбонаты и выпадают в осадок[8].

Применение и использование кавитационных процессов в комплексе с другими известными безреагентными методами дисбактеризации и сепарации балластных вод может позволить разработать высокоэффективную технологию и оборудование, отвечающие новым ужесточенным требованиям Конвенции и Соглашению по Управлению Водяным балластом Международной морской организации (1МО).

Такая технология будет имеет ряд неоспоримых преимуществ:

■ Обработка без применения химикатов.

■ Возможность использования в зонах, где приливы и отливы обеспечивают высокую нагрузку взвешенного осадка в воде.

■ Быстрая обработка балластных вод при высоком расходе.

■ Возможность автоматической очистки без остановки работы.

■ Независимость процесса обработки балластных вод от высокого содержания наносов (> 600 мг/л).

■ Простота монтажа и эксплуатации на судах разных типов.

Работа выполнена в рамках программы поддержки молодых ученых-преподавателей РХТУ им. Д.И. Менделеева (Заявка К-2020-015)

Список литературы

1. Международная конвенция о контроле судовых балластных вод и осадков и управлении ими. -СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2005. - 120 с.

2. Балластные проблемы — [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://seamensway.com/ru/articles/ballastnye-ргаЫету Богданов И. И. Геоэкология с основами биогеографии: учеб.пособие. 2-е изд., стер. М.: Флинта, 2011.- 210 с.

3. Бродский А. К. Общая экология: Учебник для студентов высших учебных заведений / А. К. Бродский. — М.: ИЦ Академия, 2010. — 256 а

4. Гальперин, М. В. Общая экология: Учебник / М. В. Гальперин. — М.: Форум, 2012. — 336 а

5. Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Джессу Л.И.С., Ветрова М.А. Гидродинамическая обработка природной воды//Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. № 1 (197). С. 43-45.

6. Аверина Ю.М., Курбатов А.Ю., Ветрова М.А., Калякина Г.Е. Безопасный и эффективный метод обработки природной воды// Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. № 1 (197). С. 54-56.

7. Короновский Н. В., Брянцева Г. В., Ясаманов Н. А. Геоэкология: учеб.пособие. 2-е изд., стер. М.: Изд. центр «Академия», 2013. — 376 с.

8. Маврищев В. В. Общая экология. Курс лекций: Учебное пособие / В. В. Маврищев. — М.: НИЦ ИНФРА-М, Нов.знание, 2013. — 299 а