CN1997599A - 压载水系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供被有机体污染的水，特别是船舶中的压载水的处理系统和处理方法，所述系统包括泵(5)，泵(5)从海中抽水并使水通过空化装置(7)并且进入一个或多个压载舱。空化装置(7)在水中引起强烈的空化作用，所述空化作用破坏存在于水中的任何有机体的有机组织和细胞膜。在空化装置(7)中，向水中加入氢气和蒸汽，同时除去氧气。氧耗尽的水表现出对压载舱的降低的腐蚀作用。

Description

压载水系统

技术领域

本发明涉及处理船舶压载水以降低生物污染的方法以及用于该方法的设备。

背景技术

当船舶在一个港口卸载货物时，为了防止出发的卸荷的或者部分负荷的船舶在海上是不稳定的，通常在该港口向船舶的压载舱中抽入海水。该操作可能并且通常导致当地的海洋物种(例如细菌和多细胞物种)进入压载舱。当船舶到达其到装货的下一个依靠港时，必须抽出压载水。如果这种水包含活的生物材料，可能会导致如下面所解释的该港口的海洋环境的生物污染。

所有现代的船舶已经集成了压载水布置，包括泵、过滤器、管道、通风设备和储舱。压载水舱可以位于夹壁船体中的船皮之间，但是也可以是任何其它的空隙空间或者适于该目的的空间。当船舶已经全部或者部分卸载其货物时，它将行驶至另一个港口以在船上装载另一份货物。在货舱或储舱是部分空的或者空的状况下返程时，可以用水填充压载舱，从而在海上稳定船舶，以保证推进器和舵适当的浸没，实现合理的船舶平衡(trim)和/或保证不超过关于船舶结构完整性的任何结构上的限制。压载舱通常用卸货港口、补给港口(donor port)附近的海水填充。当到达它将接收新货物的受货港口时，将压载水排入周围的海中。

这种压载水的全世界运输引起对其环境影响的关注。当用港口的水填充压载舱时，这种水将包含大量补给港口的代表性的有机体。可以是海草、藻类、鱼的幼虫、鱼、软体动物或其他的活生物、不同种类的寄生虫、细菌和病毒等。当在世界上的另一个港口排放出时，这些有机体可能在生态系统中找到未被占据的小生境并且开始繁殖而不存在天敌。已知在其天然产地以外的环境中已引入了植物和动物物种并且在新的区域导致严重的问题。

为了降低引入外来水生物种的危险，政府间的管理机制已经制订了国际惯例—船舶压载水和沉积物的控制和管理的国际惯例。认为这是保护生物多样性的重要步骤。根据这些条例，新建造的船舶必须具备船上处理压载水的装置，从而白2009年开始在排放点(受货港口)保证限定的压载水性能标准。所有船舶从2016年开始符合相同的要求。目前还没有有效、可行的用于船用设施的技术来按照前述条例处理压载水。一些工业水处理技术可以满足惯例中设置的处理质量，但是可能具有与船上使用不兼容的特性或者甚至不能结合入船舶中。

除了在本领域中在公海中的压载水交换外，过滤是最常用且简单的降低压载水中不想要的有机体浓度的方法。大多数商船在通海阀箱(sea chest)和/或船体装置处通过15毫米的筛网或类似物筛滤压载水。这种简单的筛滤板可以与气旋分离器结合。但是，这种过滤/分离结构只能除去较大的有机体，例如鱼、无脊椎动物和大型植物，而其它对于压载水典型的有机体，例如细菌、病毒、真菌、原生动物、浮游生物和更高生命形式的卵和幼虫将会通过。

气旋分离器基于流体(在本情况中是压载水)和颗粒(存在的物种/有机体)密度差异的原理工作。对于压载水应用，这种差异并不总是存在。因此，气旋分离器对于压载水分离应用不是可行的。

细网眼的过滤器可以完全除去卵和幼虫以及大的浮游生物和原生动物。但是，这些过滤器将产生增加的背压，在工作期间不久会堵塞并且已经证明不足以在所述流速下过滤压载水。

在公海上的压载水交换是目前唯一用于处理压载水转移操作风险的积极主动的船上措施。根据公海的水比用于压载的海岸或者港口水包含更低的有机体浓度，因此对受货港口具有更低危险的假设，这种实践的原理是简单的稀释原理。

从授予Browning的美国专利第5,932,112号中，已知一种除去压载水的氧气从而杀死有机体的系统。在真空过程中除去氧气，随后注入来自船舶机器的废气。研究已经表明去氧对于杀死动物侵入物(幼虫、幼体和成体型)是非常有效的，但是对于其它物种，特别是那些适应低氧环境或者具有抵抗阶段的生物，例如孢囊可能是不太有效的。注入包含高含量CO/CO₂的热废气因为会促进腐蚀而表现为不太可取的。

授予McNulty的WO 03/093176公开了压载水处理的系统和方法。通过其中加入以微细气泡的氧气汽提气的文丘里注射器抽水。由于气泡大的表面，水中存在的氧气与汽提气交换。然后，将水抽到压载舱中，在那里将氧气排出。该系统既具有杀灭有机体的作用，又具有抑制腐蚀的作用。但是，同上述的系统一样，一些有机体会从处理中存活下来。

挪威专利314625(Forinnova AS)描述了通过在水中建立过饱和的气体条件来处理压载水的方法。当鱼暴露于气体过饱和的水中时，它们会产生“气泡疾病”(gas bubble disease)，也称作“潜水员病”(divers’disease)。过饱和的气体将替换血液中的氧气，并且在血液和身体组织中产生气泡。优选的气体是空气，但是一般认为在一些应用中可以使用氮气。过饱和将有效地杀死更大的有机体，例如鱼(具有循环系统的有机体)，但是对于小的有机体，例如浮游生物是不太有效的或无效的。

因此，日益需要可以降低或者消除由排放的压载水导致生物污染的技术。

发明内容

从一个方面来看，本发明提供了一种压载水处理方法，其包括：从水源(例如周围的海、湖泊或河流)通过过滤器抽水至水运(water-going)船舶的压载舱；提高至少一部分所述水的溶解氮含量至其氮饱和含量之上的水平，从而当结束抽水时所述压载舱中的水处于其氮饱和含量之上及其氧饱和含量之下；在所述压载舱的顶部空间中维持大于大气氮含量(摩尔％)的气氛；从所述压载舱中将水抽入至所述船舶周围的水中；以及使从所述压载舱中抽出的水在其进入所述船舶周围的所述水中之前经受微生物杀灭作用。

从另一个方面来看，本发明提供了一种水运船舶压载水的处理设备，所述设备包括：第一泵，其用于通过过滤器抽水至压载舱中；过滤器，通过所述过滤器由所述第一泵抽水；导管，其用于通过所述过滤器从所述第一泵运载水至所述压载舱；氮气引入器，其用于向由所述第一泵抽到所述压载舱的水中引入氮气；任选地与所述氮气引入器连接的或可连接的氮气源；第二泵，其从所述压载舱抽水使水通过导管并排出所述船舶(可以任选地并且优选地是所述第一泵)；以及微生物杀灭装置，布置其以杀死从所述压载舱中抽出并排出所述船舶的水中的微生物。

从再另一个方面来看，本发明提供一种具有压载水舱的水运船舶，其特征在于所述船舶进一步包括根据本发明的用于处理压载水的设备。

当要装入压载舱中的压载水的氮化具有杀死压载水中夹带的或者压载舱中存在的单细胞或多细胞有机体的主要作用时，根据本发明的方法和设备的进一步优点是氮气过饱和的压载水也用于降低压载舱的腐蚀。因为修理或更换腐蚀的压载水舱在船舶的整修中是最昂贵的项目之一，所以这是特别有利的。

压载水舱的腐蚀极大地限制了船舶的使用寿命。目前，船队的操作员试图通过油漆压载舱的内表面来延长船舶的使用寿命。这是昂贵且困难的任务，特别是在油漆它们之前必须从压载舱中除去大量的泥和残渣。

至少出于上述原因，压载水舱中的保护性涂层(例如油漆)的腐蚀和/或氧化是全世界船舶公司主要关心的事情。压载舱是任何船舶重要的结构元件，并且这些区域中的腐蚀将危害船舶的结构完整性并且有效地限制了船舶的寿命。压载舱初始涂有防腐蚀涂层系统。通过在水和空气之间暴露的不断变化，涂层随时间逐渐风化并退化，直至通常在大约5-10年后必须更换。从那时起，就不断地存在压载舱的修理、油漆脱落和重漆。这可以在修船厂的修理工作期间发生或者由港口之间由船上的雇用船员进行。在一些船舶中，特别是具有年头的船舶，不能给压载舱涂漆。

主要的腐蚀机理是当金属物体暴露于氧化性的环境中时，通常在湿润或潮湿的条件下发生电化学反应。压载舱中的腐蚀是由于船舶舱结构的钢与用作电解质的含盐海水，以及空气中的或者溶解于水中的氧气接触所引起的。有几个因素影响由氧化以及腐蚀造成的涂层降解速率。通常在镀层向外的面上，在顶部压载舱的上部中发现最高的腐蚀速率。这可以通过由日晒平均温度增加、丰富的氧气(空气)供应、海水的飞溅以及导致水的周期冷凝和干燥的周期温度变化的综合效应来解释。

防腐蚀措施的发展已经产生了受环境法规中改变(限制使用某些有毒化合物)影响的改进的防腐蚀涂层，以及更好地实施多部分环氧和其它涂层的配制物。研究已经表明当压载舱是满的时，通过使压载水去氧可以实现压载舱中腐蚀全面降低大约90％。如果当压载舱是空的时也降低氧气水平时可以进一步增强这种作用。通过直接向压载舱施用“汽提”气，例如氮气可以实现去氧。对于高效地替换溶解的氧气的气体，它必须比氧气更容易地在水中溶解。

很清楚本发明的各个方面提供了压载舱腐蚀问题的解决方案。

根据本发明的用来将压载水装入压载舱并且通常还从压载舱排放压载水的泵可以是常规的压载水泵。尽管可以在服务船舶(servicevessel)、船坞或者除船舶外的别处布置这种泵，但它优选是在船上安装。这些泵通常具有100-12000m³/小时，例如400-1000m³/小时的容量。

进入的压载水通过的过滤器优选具有对于留下多细胞有机体足够小的孔径。如果需要，可以使用足够小至留下细菌的孔径。过滤器具有10-100μm，尤其是20-50μm的孔径。优选过滤器是自动背部冲洗的机械过滤器。在通过过滤器之前或之后，可以向压载水中引入氮气。但是，在通过过滤器之后引入是优选的。

可以将氮气引入部分或者所有流入的压载水中。在本发明的一些实施方案中，已经发现只氮化部分压载水流是更加经济的。因此，已经发现如果分离流向压载舱的水并且向分离的水流之一，例如包括总水流的5-80％，优选8-30％的水流中引入氮气，可以获得非常满意的结果。但是，引入氮气的量优选使得在停止抽水时压载舱中的压载水饱和至少110％的氮气，更优选饱和至少120％的氮气，再更优选饱和至少130％的氮气，例如饱和高达135％或者甚至145％的氮气。优选使用溶解气体传感器连续或者间断地监测压载舱中压载水的含氮量。特别优选地在运输期间，即直至压载水排放时监测含氮量。使用高达145％氮气过饱和的压载水，在密闭的压载舱中容易维持氮气的过饱和至10-15天，即对于大多数航行足够长的时间。

本发明的方法和设备中使用的氮气注射器可以是将氮气引入水中以实现氮气过饱和的任何适当装置，例如供给氮气超压的多孔管。但是，特别优选注射器是文丘里注射器，即水管的收缩段，在该段的壁上具有氮气注射口。例如，在US-B-6505648中描述了一种这种文丘里注射器。优选在管路中在水的压力以上的压力下将氮气送入入口。但是，使用文丘里注射器时仅氮化一部分总水流并且布置另一个泵迫使水通过所述结构是特别优选的。典型地，根据泵容量，在这种文丘里注射器处的氮气流速可以是10-220m³/小时，优选25-100m³/小时，尤其是35-80m³/小时。

尽管优选使用大体上纯的氮气(例如至少90％的N₂，尤其是至少95％的N₂，更特别地是至少99％的N₂)作为向氮气注射器的进料，只要酸性或氧化性气体(例如氧气或氧化物)的含量是低的，更低纯度的氮气是可接受的。通常，优选进料气的含氮量是85％或更大。因此，可以使用氮气/希有气体的混合物，但是这也不是经济上合理的。尤其优选含氧量小于15％，特别是小于10％，更特别是小于2％，尤其是小于1％。向氮气注射器的氮气供应可以再次是船上或者船下进行的。船上供应通常是优选的，因为它可以在运输中将进一步的氮气理想地供应给压载舱。供应可以采取任何方便的形式，例如氮气发生器、压缩气体储罐、液化气储罐等等。

如果不使用压缩或者液化气体储罐，优选在氮气供应线路中结合泵和/或热交换器。

在装载压载水之前、期间或者之后，如果需要可以用氮气(或者其它贫氧气体)冲洗压载舱。压载舱的顶部空间也优选配备气体传感器，特别是氮气和/或氧气传感器，从而保证在运输期间顶部空间相对于空气是氧不足的。可选地，气体传感器可以位于压载舱的外部并且布置成从压载舱内部接收样品。如果氧气含量升高，通过添加氮气可以增加顶部空间的氮气含量。如此，可以降低压载舱腐蚀。也特别优选的是使空的或者部分空的压载舱维持在富氮、缺氧的气氛下，从而即使在没有压载水的情况中也能抑制腐蚀。

为了提高正被装入压载舱中的压载水处理的杀生物效应，优选在从压载水吸入口到压载舱的水管中加入进一步的微生物杀灭装置。它可以是如下面关于压载水排放所述的微生物杀灭装置(并且实际上甚至可以是同一装置)；但是在该水管内部使用空化发生器，例如推进器(或者它们的前沿类似物)是尤其优选的。热以及更尤其是化学处理是不优选的。

压载舱优选配备有阀，使得可以排出顶部空间的过压并且例如通过允许空气或者更优选地是氮气进入而可以校正顶部空间中的负压。典型地，由至少40-120mmH₂O，更优选至少50mmH₂O，例如大约60mmH₂O的与大气的压力差来起动该阀。当压力差小于预设界限时，阀应该关闭。一个阀可以对过压和负压起反应，或者可以使用对过压起反应的阀与对负压起反应的阀的组合。

还优选在泵后面布置孔径或筛目大小不大于2mm，优选不大于1mm的较粗的过滤器。还优选在压载水的进入口处，即压载水从周围水源(例如海水、湖泊或河流)中进入的地方布置粗过滤器或者网格或者筛网，从而防止吸入鱼、野草，或者其它较大的残渣。

当要进行压载水的排放时，使用压载水泵将压载水抽出压载舱，穿过微生物杀灭装置和氮气引发器并且进入周围的水中。微生物杀灭装置用来杀灭在压载水装载时存活的以及在运输期间已经在压载舱中生长的微生物。可以使用任何适当的微生物杀灭器，但是优选不使用通过添加杀微生物的化学试剂来实现其杀生物作用的装置。合适装置的典型实例包括将排放的水暴露于电击、照射、臭氧、加热，或者压力变化的装置，例如紫外线或者超声照射、电击(例如使用AC或DC 100-500V，典型地200-300V，并且高达150Amp，例如20-50Amp)、文丘里臭氧注射器、空化装置等等。使用电处理是一个特别优选的实施方案。

在本发明特别优选的实施方案中，设备包括布置来向从压载舱排放的压载水中引入氧气的氧气引入器。如此，可以排放含氧量与压载水要排放入的周围水的含氧量接近的水。这将防止对于当地水生有机体的不理想的影响。氧气引入器可以采取任何方便的形式，例如如对上面的氮气引入器所述，但是文丘里引入器是优选的。氧气引入器典型地可以使用来自氧气源，例如加压的储罐、或者空气或者富氧空气中的氧气。例如，可以使用含氧量高达40％的富氧空气。可选地，氧气引入器可以从氮气发生器中接收氧气进气。在设备中的微生物杀灭装置涉及氮气引入或者其它缺氧气体引入的情况中，所述氧气引入器将优选位于杀灭装置的下游。

在气体引入器(例如N₂或者O₂引入器)的下游，水管优选可以包含静态混合器，例如在与流向成+和-45°交替布置的具有皱折的波纹挡板，如WO 03/016460中所述。

根据本发明的处理压载水的船舶可以包含一个压载舱或者多个，通常是两个或多个压载舱。这些舱可以是划分出隔间的并且所述船舶可以提供有在运输期间在压载舱或隔舱之间转移压载水的泵。如果是这种情况，优选该设备提供有在这种转移之前、期间或之后将氮气引入压载舱或隔舱顶部空间中的装置。另外，这种转移抽运电路如果需要可以结合氮气注射器以维持压载水的氮气过饱和。

尽管如上所述，非常优选地氮化要装入压载舱中的压载水，过滤，尤其是细孔径过滤(例如使用滤袋)，和在从压载水吸入口到压载舱和/或从压载舱到压载水排放口的水管中布置的微生物杀灭装置，尤其是电(例如电击)杀灭装置的组合本身是新颖的并且形成了本发明的另一个方面。因此，从该方面来看，本发明提供了压载水处理的方法，其包括：从水源(例如周围的海、湖泊或河流)通过过滤器抽水至水运船舶的压载舱；将水从所述压载舱抽入至所述船舶周围的水中；以及使抽往所述压载舱的和来自所述压载舱的水在释放入所述船舶周围的所述水中之前经受微生物杀灭作用。

从再另一个方面来看，本发明还提供了用于水运船舶处理压载水的设备，所述设备包括：第一泵，其用于通过过滤器抽水至压载舱中；过滤器，通过所述过滤器由所述第一泵抽水；导管，其用于通过所述过滤器从所述第一泵运载水至所述压载舱；以及微生物杀灭装置，布置其以杀死抽往所述压载舱的和来自所述压载舱的水中的微生物。

在这种方法和设备中，再次优选包括在排放前向压载水中引入氧气，从而避免缺氧压载水的排放对当场水生有机体的不理想的影响。

在此公开的本发明的另一个方面涉及与如上所述的现有技术方法相比在杀死压载水中不理想的有机体方面更有效的处理压载水的方法和布置，并且提供了对压载舱中的腐蚀改善的保护。

因此，从一个方面来看，本发明提供了处理压载水的方法，所述方法包括从第一储水器中抽水；向水中添加蒸汽；向水中添加另外的气态材料；在水中引入空化作用；和将水输送到第二储水器中。

从另一个方面来看，本发明提供了处理压载水的布置，其包括从第一储水器中抽水的泵，其特征在于所述布置包括向水中添加蒸汽的装置；向水中添加另外的气态材料的装置；在水中引入空化作用的装置；将水输送到第二储水器的装置。

从再另一个方面来看，本发明提供了用于如上所定义的布置中的处理压载水的装置，其特征在于所述装置包括向液体处理装置中供应压载水的液体入口管、与所述入口管连接的进水室、与所述进水室连接的圆锥形段、与所述圆锥形段连接的管道、与所述管道连接的空化室、与所述空化室连接的并从所述空化室传输液体的液体出口管、以及至少一个向所述进水室供应蒸汽和另外的气态材料的供气管。

从另一个方面来看，本发明提供了用于如上所定义的布置中的处理压载水的装置，其特征在于所述装置包括向液体处理装置中供应液体的液体入口管、与所述入口管连接的锥形段、与所述锥形段连接的空化室、与所述空化室连接的并且从所述空化室传输液体的液体出口管、向进水室供应蒸汽和另外的气态材料的装置。

基于空化的系统使压载水中存在的有机体暴露于与有效地破坏生物体组织和细胞膜的脉冲冲击波(pulsed shock waves)一致的极端物理条件下。整体工艺将除去水中溶解的大多数氧气并且能够在压载舱中建立控制的近乎无氧的氛围。近乎无氧的氛围将进一步消除可能从脉冲冲击波中存活但是需要剩余的氧气来存活的任何有机体，并且起着防止任何其它的有机体潜在的再生长的作用。它还将降低舱中任何防腐涂层或油漆系统的表面氧化，并且有效地使腐蚀速率降低基本上大约90％或者甚至更大。压载舱中的无氧氛围将消除在所述舱中爆炸的危险；这对于运载油或化学药品或者在航行期间可能产生爆炸性气氛的任何其它货物的任何船舶是特别适合的。作为用来从水中除去溶解氧的装置的结果，水将变得过饱和并因此使有机体，特别是具有复杂循环系统的有机体暴露于气泡病中。通过不同的研究已经证明死亡率是高的。已经证明其它具有不太复杂的循环系统的有机体当暴露于过饱和下时也是易受伤害的。特别是在过饱和程度增加的情况中。

总之，在进入、排放或者进入与排放时，在注入点或者接近注入点处向压载水线路施用包含氧气汽提气的蒸汽。这将产生抽吸或者推进作用，用来将压载水输送到设备并增加水速及由此降低水的内压。所述蒸汽和气体混合物将改变水的气态组成并因此改变包括其蒸发点的特性。在过程的某个点处，压力将达到发生空化的水平或者接近该水平，产生与脉冲冲击波一致的极端物理条件。这些条件将破坏水中大部分有机体。

注入水中的蒸汽/气体的组合将替换水中大部分的溶解氧。空化作用自身将增强去氧过程，导致残留在水中的氧气含量的进一步降低。在空化后，流体将是两相的：液相和气相。

因为液相将是饱和的或者过饱和的，所以主要由释放的氧气组成的气相将保持稳定并且将不会溶解回液相中。

处理水中氧气的替换将促进杀灭已经在空化步骤中存活的有机体，并且保护压载舱不受腐蚀和涂层不被氧化。添加蒸汽将推进水流过，因此实现以能量高效的方式获得稳定的空化作用所需的流速。这将不需要过大的泵。因为将促进在水中形成大量的小气泡，而这代表了大的表面积，所以对氧气交换这也是有益的。使用蒸汽作为介质在液体中溶解气体被认为是比现有技术方法更加高效的。

气体将是气态材料，即除水之外的在标准大气压(STP)下是气体的某种物质。为了在吸入时处理水，气体应该含有小于15摩尔％，优选小于10摩尔％，或者如果可行的话，小于5％或者小于1％的氧气，其余是氮气或者希有气体。在排放时，气体应该优选包含大于15摩尔％的氧气。

因此，在从海水中抽入并且直至将其输送到压载舱中或者排出船外所能获得的短的时间跨度中可以高效地处理水。为了实现更高程度的物种消除或者某些其它所需的特性，该过程可以与其它处理原理、设备或者方法结合。这可能涉及到压载水排放口处的接收设施。

如上所述，对于船舶通常的做法是在船舶装载其目的货物之前将压载舱中运载的水排放入大海中。有关国家的国家法律定义了船舶必须排放压载水处距海岸的距离。例如，加拿大法律定义了船舶抽空压载舱水距海岸的距离为200海里。

由试图确定是否在距海岸适当的距离处已经抽空压载舱的有关国家的海岸当局评定对这些要求的遵守。目前不可能在遵守相关法律下证实已经抽空船舶的压载舱的主张，至少是由于要求船舶抽空压载舱处的距离。

因此需要一种系统，其有助于海岸当局确定是否已经遵守了相关国家法律。

因此，在此公开的本发明的另一个方面提供了压载水控制系统，其包括控制单元和数据存储装置，设置所述控制单元以接收已经抽空压载水舱的指示和船舶坐标的指示并且在所述数据存储装置中存储所述两种指示。

通过询问数据存储装置，给海岸当局提供了确定排放压载舱水精确位置的方法。

控制单元和数据存储单元可以是任何适当的布置。例如，可以提供常规的具有数据存储装置，例如硬盘驱动器等的微型计算机。可选地，可以将该系统结合并集成入船舶控制系统中。

如果需要，数据存储装置可以远离船舶并且可以存储与一个以上的船舶的压载水进入和/或排放相关的数据。这种系统的一个实例是互联网可接入的数据库。

可以使用任何适当的装置确定船舶的位置。优选地，为了保证精度，使用全球定位系统(GPS)给控制单元提供船舶的坐标。可以通过与船舶导航系统通讯来提供船舶的坐标。可选地，可以使用例如用无线电发射机三角测量的其它技术来提供或确定位置。

控制单元可以通过来自压载水排放泵的或者控制系统的控制信号，例如表示压载舱是空的或者已经抽空了的信号来确定压载舱已经抽空。可选地，控制单元可以从位于压载水舱中或者附近的液位传感器或者其它合适的传感器接收例如通过液位的实质变化表示压载舱已经抽空的信号。

优选地，表示抽空了压载舱的信号是或者包括完全抽空舱的指示。例如，这可以是通过水位传感器或者表示排放泵运转时间的计时器进行的。

优选在数据存储装置，例如在数据库中存储已经抽空压载舱的指示和当压载舱被排空时船舶位置的指示。

还可以布置控制单元和数据存储装置来记录卸载的时间、装载的时间、水温等。使用适当的传感器，还可以布置控制单元和数据存储装置来记录压载舱中的压载水条件或者关于压载水的其它信息，例如盐度、N₂含量等。可以在船舶的整个航程中记录并且存储这些信息。

还可以给数据库和/或控制单元提供关于特定国家法律的信息并且可以设置来通过比较船舶的位置与法律来显示是否已经遵守了法律。因此，海岸当局可以容易地确定船舶是否已经遵守了法律。

优选地，海岸当局借助合适的通讯链路(communication link)还可以远程获取船舶数据，使得海岸当局不必在船舶在港口停靠前调查船舶。

可以将船舶数据直接传送给海岸当局或者可选地传送给可以代表海岸当局验证数据的第三方，然后据此通知海岸当局。举例来说，这种第三方可以是例如DNV的组织。在这种布置下，例如通过卫星跟踪等，可以与船舶数据独立地确定船舶的位置。

如上所述，在一种布置下，可以使用位于压载舱中或者附近的适当传感器在船舶的航程中监测压载水的条件。如此，可以维持压载舱内的条件处于最优的水平。

但是，特别是当位于压载舱内时，传感器在延长的操作时期后容易劣化。

因此，为了克服这个问题，传感器优选位于压载舱外部并且使用合适的导管或多个导管与舱实现流体连接。优选布置传感器，将压载水返回压载舱中，从而维持压载舱的体积同时连续监测压载水条件。

因此，从再另一个方面来看，提供了压载水舱监测设备，其包括至少一个具有位于压载水舱内的第一端和与至少一个传感器流体连通的第二端的导管，其中所述至少一个传感器位于所述压载水舱的外部。

可以布置传感器监测许多参数，例如含氧量、含氮量、盐度、pH和温度。因而，可以在延长时期内密切地监测压载水以及压载舱中的变化。

传感器可以从末端位于压载舱中不同位置上的多个导管中接收压载水。优选布置传感器从每个压载舱并且特别是从通常最难到达的船舶底部的压载舱空腔中接收压载水。

压载水可以借助许多从传感器向压载舱各部分延伸的固定导管与传感器连通。可选地，传感器可以与一个或者多个布置成延伸入压载舱中的可延伸的导管连接，从而能够从压载舱内的特定位置接收压载水。在这种布置下，可以布置导管在固定到压载舱上的导向装置或轨道上移动，从而准确地在舱周围引导导管。

这种布置还可以与上述的压载水控制单元连接，从而允许监测压载舱内的条件并与GPS和时间数据匹配。

在压载舱的装载和卸载期间，当水位改变时使气体进入或排出舱中是重要的。传统的船舶具备可以打开使空气运动的压载舱阀。另外，需要提供在船舶航程中允许舱中热变化的阀。例如，进入热带将增加压载舱中的温度，从而增加顶部空间的压力。船舶分类协会要求充分的通风来避免压力增大(或压力不足)。

如本文所公开，在向压载舱内引入氮气的情况中，还需要在引入氮气时使空气离开压载舱。

因此，需要能够调节压载舱内压力并且根据船舶分类协会的要求给压载舱提供充分通风的阀。

因此，从再另一个方面来看，提供了船用压载水舱卸压阀(pressure relief valve)，其包括具有第一和第二部分以及位于其间的中间部分的导管，使用时布置该中间部分包含液体从而在所述第一和第二部分之间提供密封。

导管例如可以由弯成U-段的管道形成，其中在U-段中定义了所述中间部分并且第一和第二部分在通常与其垂直的方向延伸。这种布置对于用于上甲板基本上高于压载舱顶部的船舶是特别方便的。此外，可以方便地将其安装到从压载舱向上甲板水平线延伸的现有导管中。

可选地，所述第一和第二部分可以由通常同心的导管形成。在这种布置下，第一部分的末端伸入通常是具有密封端的管状形式并且布置来接收大量流体的第二部分中。因而，在第一部分的末端和第二部分的密封端之间形成中间部分。这种布置对于上甲板水平线通常与压载舱顶部同高的情况是特别方便的。

优选选择液体的量以与舱中最大可允许压力相应。

在操作中，第二部分优选与压载舱连接并且第一部分布置成与大气连通。当例如通过引起氮气而舱中压力增加时，空气被替换并且通过中间部分的流体鼓泡。

很清楚中间部分主要起着使气体根据第一和第二部分之间压力差以及中间部分中所含流体的高度在任一方向中流动的气锁(air-lock)作用。

在任一种布置中，可以提供打开使气体快速进入或者离开压载舱或多个舱的单独的阀。这在装载和卸载压载舱时是优选的，而在引入氮气期间可以使用上述的阀在顶部空间保留惰性气体。

很清楚这种阀可以是压载水舱的集成部分或者可选地是可以方便地后安装到现有压载水舱上的阀。

很清楚可以方便地单独利用、或者彼此组合利用在下面的实施方案、说明书和权利要求中说明的特征以提供完整的压载水处理系统。

现在进一步通过实施例并且结合附图来说明本发明的实施方案。

附图说明

图1是根据本发明的设备的示意图；

图2显示了安装在船舶中并且与船舶结构集成的设备(用于这种示例性目的具体船舶是双层壳船体)；

图3是闭路水处理装置(C3)剖面的示意图；

图4是水处理装置另一个实施方案的剖面的示意图；

图5显示了当用周围海中的水填充船舶压载舱时的布置；

图6显示了当随后将水再次排放入海洋中时的布置；

图7显示了船舶与海岸当局通讯数据的布置；

图8显示了在第一种布置中的压载舱压力阀；和

图9显示了在第二种布置中的压载舱压力阀。

参考图1，显示了具有压载舱102和压载水泵103的船舶101(由虚线表示)。

泵103在将压载水借助1mm的过滤器106和25μm的过滤器107穿过前通过导管104和粗过滤器105，并且通过导管108、109、1010和1011而抽入压载舱102中。大约10％的水流通过水管109导入，并且由附加的泵1012抽取，通过其中从空气压缩机1014和氮气产生器1015注入加压的氮气于该液流中的文丘里氮气注射器1013。氮化的液流和未氮化的液流在导管1011中再联合并且在大约130％的氮气饱和下进入压载舱102中。氮气形成的气泡通常使氮气填充舱的顶部空间1016。压载舱102具备与监控器1019连接的氮气传感器1017和1018。顶部空间还具备阀1027，其在响应于顶部空间的压力超过或者不足60mmH₂O时打开(图8和9中显示了阀的两种不同布置)。可选地，阀1027可以用来排出顶部空间中的过压力并且额外的任选线路1020可以用来在顶部空间和/或空舱中的氮气含量落入特定所需水平时引入氮气。

图2显示了传统的双层壳船舶，其可以是已经配备有本发明压载水处理系统的油轮或者任何其它种类的船舶。船舶包括在船壳间安装了压载舱3的双层壳船体。船舶由推进机械4驱动。泵5从周围的海中抽水通过压载水处理装置7。使用膜技术等从空气中分离氧气和氧气，从呼吸或者受控大气通风装置9向压载水处理装置供应氮气。还给压载水处理装置供应从任何废热(例如从废气)或者从锅炉8产生的蒸汽。在大多数船舶中已经通常安装蒸汽产生器；蒸汽用来加热重质燃料。同时从压载水系统中除去从压载水中释放的氧气，并且或者通过与单个舱或者一组舱连接的通风设备29或者通过借助气体控制装置9经管道11或12集成的舱通风系统排入大气中。借助管道10将水抽入压载舱中。管道11、12连接压载舱的顶部与用于控制舱中气体含量的气体控制装置9。对于这种布置不可行的船舶，传统上保证直接向甲板上方通风，但是由过压阀控制来保证不将空气吸入各个舱中。图2中所示的系统还可以在压载水处理装置7之前包括任选的过滤装置。

图3中描述了压载水处理装置7。它由与进口压载水管6集成的圆柱形进水室21组成。圆柱形进水室21后面是形成狭窄的圆柱形管23的圆锥形段22。圆柱形管23与用作空化室24的更宽的段或室连接。圆锥形段22和/或狭窄的圆柱形管23可以包括螺旋形状的边缘或者叶片32。叶片32诱导旋转运动，给流体流过赋予动量。

在进水室21中插入或者结合一个或多个注射管25。这种/这些注射管25从外部装置8和9接收蒸汽和氮气，并且向进水室21中输送气体。可以就在进入注射管25(未显示)前在混合室中混合气体，或者在围绕进水管6的环状歧管26中混合。气体混合物在进水室21中与水混合。优选在进水室21周围使用多根气体注射管25。

可以将一个或多个小的气体出口管27的相似布置插入或者结合入空化室24中，在室周围的开口起用于除去释放的氧气的通风设备的作用。管道形成环形排气歧管28。歧管28通过通风管29与气体控制装置9连接。尽管可以只使用一根排气管27，但是优选在空化室24周围使用多根排气管27。

当操作时，由压载水泵5向圆柱形进水室21中加入海水并且进一步通过圆锥形段22到圆柱形管23，然后进入空化室24中。通过操作压载水的稠度并因此操作其蒸发点，并且通过降低内部液压来实现要发生的用于空化的物理条件，或者接近空化的条件。在圆柱形管和空化室之间的边缘20处，开始空化。在圆柱形管中，流体的速度已经增加并且流体静压降低至，或者接近改性的压载水(流体)的蒸发点，导致形成气泡。螺旋形状的边或者叶片32结合圆柱形管23和空化室24之间边缘20上剧烈的压力变化引起这些气泡的破裂。这些行为将引起液体动力，使气泡向内破裂并因此以压力脉冲和最高温度的形式释放能量。

通过从供气管25进入水中的蒸汽和氮气的混合物的喷射行为增加了水速。当只需要非常有限的量来产生促进作用时，蒸汽将对水中的温度具有可忽略的影响。当由于氮气密度的立即变化引起氮气体积增加时，进一步促进了这种促进作用。气泡将改变水的流变学性质，例如总体密度和粘度。当由周围的水冷却氮气时，它将部分形成气泡并且部分逐渐由水溶解。这种过程将引起氧气的释放。

在穿过圆柱形管23并且暴露于插入边缘20的作用下，所形成的气泡随后将在进入空化室24时破裂。气泡的向内破裂将破坏水中存在的有机体细胞膜和组织。由于产生剧烈压力变化的空化室的特殊设计，在压载水中发生稳定且受控的空化行为。

空化行为的作用是释放出水中存在的显著部分的氧气。可以通过空化室周围的排气管27或者通过船舱通风系统12除去这种氧气。归因于空化作用，未饱和入流体中的剩余的氮气将替换释放的氧气并且防止它在该过程中的任意时刻，以及在水已经进入压载舱3之后被水再次吸收和溶解。

已经描述压载水处理装置，其包括圆柱形进水室21、圆锥形段22和圆柱形管23。这是目前本发明优选的实施方案。但是，最优地可以用如图4所示的单个锥形段33代替这些元件。也可以从几个沿着外围并且在锥形段33的纵向中布置的管状开口34注入气体，即多级注射。在这种实施方案中，可以在锥形段33外侧上以及沿着所述锥形段的全部长度设计环形气体歧管作为室或箱35。

从空化室中，将含氧量低，典型地2mg/ml并且活的有机体低的压载水供给压载舱。低的氧气含量将进一步促进消除或杀灭行为并且起着防止潜在的再生长的作用。将显著地降低由氧气压力引起的或与之相关的腐蚀和涂层劣化的发生。

当卸载压载舱时，也当舱中没有水时，气体控制装置9将向舱中供应氮气，防止氧气或空气进入并且通过这样控制维持气氛是低氧含量的。借助管道11供应这种气体。在现有技术系统中，当舱不含水时通风管将向舱中供应外面的空气。但是，本发明包括在压载舱中保证非腐蚀性气氛的密闭气体控制系统。在有人即将进入舱检查时的情况中，气体控制装置9将通过管道12用正常可呼吸的空气替换氮气气氛。

在不包括通风管道11和12的情况中，通过使空气借助通风设备(未显示)进入来保证通风。

图5是本发明压载水处理布置的示意图。箭头表示当船舶装载压载水时的流向。水通过管道36从周围的海洋中进入船舶。通过第一个三通控制阀40将水导向泵5。泵5借助管道6向水处理装置7供水。通过管道30和31向水处理装置7供应蒸汽和氮气，而借助管道29和气体控制装置9除去释放的氧气。最后，通过管道39将氧气排入大气中。在处理后，借助管道10和第二个三通阀41将水抽入压载舱3中。水替换在压载舱3中的气体，并且借助管道12除去所述气体。

可以以如下方式设置排放通过如上所述的系统抽水并且再次处理。此时，可以借助注射管31使水暴露于氧气或空气下而不是氮气下。这种操作的目的是保证在排放口或排放区域氧气水平已经不足的情况下不排出氧气低的水。这如图6中所示。通过管道37、第一个三通阀40、泵5、水处理装置7、第二个三通阀41从压载舱3中卸载压载水，并且通过管道38排入周围的海洋中。在此情况中由管道30供应蒸汽并且由管道31供应空气或氧气。因此，排入海洋中的水将具有恢复的氧含量。为了在舱中维持氧耗尽的气氛，用借助管道11从气体控制装置9供应的氮气替换从舱3中排出的水。

尽管本发明已经描述了用于处理船舶中压载水的处理系统和方法，还可以发现其它的应用。一种应用是处理废水，例如污水。在夏季期间，可以从工业工厂，例如废物焚烧炉中获得多余的能量。焚烧炉可以供应能量以驱动空化装置，以及氧气汽提气。二氧化碳可以用作氧气汽提气因为它在这些条件下的腐蚀作用不大。其它应用是在大的空调工厂中，或者在饮食加工工业中用于控制细菌水平。这些其它应用形成本发明的一部分，并且可以按照如相比于压载水仅改变为应用于污水的权利要求所定义。

图7显示了船舶向海岸当局提供表示已经抽空的压载舱的地点和时间数据的布置。

船舶701具备压载舱702和排放泵703。由船舶控制系统(未显示)控制排放泵并且布置成给压载水控制装置705提供在控制线路704上的信号。压载水控制装置705从GPS接收器706接收表示船舶坐标的GPS信号。控制装置705还与卫星发射器/接收器707连接，与海岸当局708往返通讯数据。

在操作中，控制装置从海岸当局接收表示排放压载水要求的数据，即距海岸的距离。在控制装置中存储该数据。控制装置从GPS接收器接收船舶的坐标并且存储该数据。当操作排放泵时，由对泵操作的时间和位置记录的控制装置705接收控制信号。然后，将该数据自动传送给海岸当局708，表明船舶是否已经遵守了相关法律。

在另一个实施方案中，可以布置控制装置向船舶全体船员表明他们正接近排放压载舱的法定限制。

图8显示了在第一种布置中的压载舱压力阀。

阀801由与U-段中间部分803连接的第一部分802形成。U-段803与段部分804连接。第一和第二部分802和804与在底部与压载舱(未显示)并且在顶部与大气连接的竖直导管805连接。阀806位于导管805中，在装载和卸载期间允许空气进入或排出舱中。

在操作中，在阀806打开下装载压载舱。一旦压载舱满了，关闭阀806。然后，向顶部空间中引入替换顶部空间中空气并增加压力的氮气。当压力增加时，空气通过U-段803中的液体807鼓泡。液体的液位定义了空气将鼓泡通过的压力。

一旦已经替换了空气，随着第一和第二部分间的压力差改变，阀使气体移入并且移出舱中。

图9显示了在第二种布置中的压载舱压力阀。

阀901由作为密封管或‘鼓’形成的伸入第二部分903中的第一部分902形成。由在第二部分903内形成空腔905的连接904密封第一和第二部分。空腔905借助导管906与压载舱(未显示)连通。

在这种布置中，随着压载舱中的压力升高，空腔905中的压力增加。用在第一和第二部分之间用作气锁的液体907部分地填充第二部分903。按照与上述相同的方法，参考第一个阀布置，当压力增加时，气体可以冒泡通过液体并且穿过第一部分902进入大气。相似地，通过所述阀可以自动降低舱中的过量压力。

很清楚可以使用导管和液位的一系列不同配置来实现在此所述类型的压载水压力阀。

Claims (32)

1.压载水的处理方法，其包括：从水源(例如周围的海、湖泊或河流)通过过滤器抽水至水运船舶的压载舱；提高至少一部分所述水的溶解氮含量至高于其氮饱和含量的水平，从而当结束抽水时所述压载舱中的水处于其氮饱和含量之上及其氧饱和含量之下；在所述压载舱的顶部空间中维持大于大气氮含量(摩尔％)的气氛；从所述压载舱中将水抽入至所述船舶周围的水中；以及使从所述压载舱中抽出的水在其进入所述船舶周围的所述水中之前经受微生物杀灭作用。

2.水运船舶压载水的处理设备，所述设备包括：第一泵，其用于通过过滤器抽水至压载舱中；过滤器，通过所述过滤器由所述第一泵抽水；导管，其用于通过所述过滤器从所述第一泵运载水至所述压载舱；氮气引入器，其用于向由所述第一泵抽到所述压载舱的水中引入氮气；任选地与所述氮气引入器连接的或可连接的氮气源；第二泵，其从所述压载舱抽水使水通过导管并排出所述船舶(可以任选地并且优选地是所述第一泵)；以及微生物杀灭装置，布置其以杀死从所述压载舱中抽出并排出所述船舶的水中的微生物。

3.压载水的处理方法，其包括：从水源(例如周围的海、湖泊或河流)通过过滤器抽水至水运船舶的压载舱；将水从所述压载舱抽入至所述船舶周围的水中；以及使抽往所述压载舱的和来自所述压载舱的水在释放入所述船舶周围的所述水中之前经受微生物杀灭作用。

4.水运船舶压载水的处理设备，所述设备包括：第一泵，其用于通过过滤器抽水至压载舱中；过滤器，通过所述过滤器由所述第一泵抽水；导管，其用于通过所述过滤器从所述第一泵运载水至所述压载舱；以及微生物杀灭装置，布置其以杀死抽往所述压载舱的和来自所述压载舱的水中的微生物。

5.根据权利要求1和3任一项所述的方法，其中，所述压载水在从所述船舶排出之前被氧化。

6.根据权利要求2和4任一项所述的设备，其还包括氧气引入器，其用来在将压载水排出所述船舶之前氧化所述压载水。

7.具有压载水舱的水运船舶，其特征在于所述船舶还包括根据权利要求2、4和6任一项所述的设备。

8.压载水的处理方法，所述方法包括：

从第一储水器中抽水；

向水中添加蒸汽；

向水中添加另外的气态材料；

在水中引入空化作用；和

将水输送到第二储水器中。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述蒸汽在加入水中之前与所述另外的气态材料混合。

10.根据权利要求8所述的方法，其还包括在空化步骤之前向水中引入旋转运动。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一储水器是海洋，所述另外的气态材料是氧气汽提气，所述方法包括在将水输送到第二储水器之前或之后从水中除去氧气的附加步骤，所述第二储水器是压载舱。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在将水输送到第二储水器之前和之后从水中除去氧气。

13.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一储水器是压载舱，所述另外的气态材料是包含氧气的气体，并且所述第二储水器是周围的海洋。

14.处理压载水的布置，其包括从第一储水器中抽水的泵，其特征在于所述布置包括：

向水中添加蒸汽的装置；

向水中添加另外的气态材料的装置；

在水中引入空化作用的装置；

将水输送到第二储水器的装置。

15.根据权利要求14所述的布置，其还包括在将混合物加入水中之前混合蒸汽和所述另外的气态材料的装置。

16.根据权利要求14所述的布置，其还包括在进入所述空化装置之前向水中引入旋转运动的装置。

17.根据权利要求14所述的布置，其中所述第一储水器是海洋，所述第二储水器是压载舱，所述另外的气态材料是氧气汽提气，所述布置包括从水中除去氧气的装置。

18.根据权利要求17所述的布置，其中所述氧气汽提气是氮气。

19.根据权利要求14所述的布置，其中所述第一储水器是压载舱，并且所述第二储水器是海洋，所述另外的气态材料是包含氧气的气体。

20.根据权利要求17、18或19所述的布置，其还包括为了提供低氧气氛控制所述压载舱中的气氛的装置。

21.根据权利要求20所述的布置，其还包括将所述压载舱与外部空气连接的通风装置，设置所述控制压载舱中气氛的装置来供应气体以替换舱中存在的空气或氧气。

22.根据权利要求20所述的布置，其中设置所述控制压载舱中气氛的装置，当向舱中填充压载水时从舱排出过压气体，并且当从舱中排放压载水时向舱中供应氧耗尽的气体。

23.用于根据权利要求4所述的设备中的处理压载水的装置，所述装置包括向液体处理装置(7)中供应压载水的液体入口管(6)；

与入口管(6)连接的进水室(21)；

与进水室(21)连接的圆锥形段(22)；

与圆锥形段(22)连接的管道(23)；

与管道(23)连接的空化室(24)；

与空化室(24)连接并且从空化室(24)输送液体的液体出口管；和

至少一个向进水室(21)供应蒸汽和另外的气态材料的供气管(25)。

24.根据权利要求23所述的装置，其包括至少一个与所述空化室(24)连接的氧气出口管(27)，布置所述至少一个氧气出口管(27)以从空化室(24)中除去氧气。

25.根据权利要求23所述的装置，其包括多根围绕进水室(21)的供气管(25)，每根供气管(25)在一端与进水室(21)连接，另一端与共同的环形歧管(26)连接。

26.根据权利要求23所述的装置，其包括多根围绕空化室(24)的氧气出口管(27)，每根氧气出口管(27)在一端与空化室(24)连接，另一端与共同的气体出口歧管(28)连接。

27.根据权利要求23所述的装置，其在所述圆锥形段(22)和/或所述管(23)中包括至少一个叶片(32)，设置所述叶片(32)向通过圆锥形段(22)传导的压载水中引入旋转运动。

28.用于根据权利要求4所述的设备中的处理压载水的装置(7)，所述装置包括向液体处理装置(7)中供应液体的液体入口管(6)；

与入口管(6)连接的锥形段(33)；

与锥形段连接的空化室(24)；与空化室(24)连接并且从空化室(24)中输送液体的液体出口管(10)；

向进水室(21)添加蒸汽和另外的气态材料的装置(34)。

29.根据权利要求28所述的装置，其包括至少一个与所述空化室(24)连接的氧气出口管(27)，设置所述氧气出口管(27)以从空化室(24)中除去氧气。

30.根据权利要求28所述的装置，其包括在所述锥形段(33)外面的歧管(35)，在锥形段(33)中的大量开口(34)，其用于将蒸汽和另外的气态材料注入锥形段(33)内的压载水中。

31.根据权利要求28所述的装置，其在所述锥形段(33)中包括至少一个叶片(32)，设置所述叶片(32)以向通过锥形段(33)传导的压载水中引入旋转运动。

32.压载水控制系统，其包括控制单元和数据存储装置，设置所述控制单元以接收已经抽空压载水舱的指示和船舶坐标的指示并且在所述数据存储装置中存储所述两种指示。

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