В статье приведены требования, предъявляемые Международной конвенции по предупреждению загрязнения с судов (МАРПОЛ) к балластным водам (кратко), показаны существующие установки обработки балластных вод и их недостатки. Также представлена установка УОБВ, разрабатываемая в данный момент предприятием ООО "Винета".
В настоящее время воды Мирового Океана стали одной из самых загруженных транспортных артерий современной цивилизации. Десятки тысяч судов ежедневно находятся в открытом море для выполнения различных задач: промысел, перевозка грузов, патрулирование и т.п.
В связи с все увеличивающимся мировым флотом, международным сообществом все более жестко контролируется степень его влияния на флору и фауну Мирового Океана.
В настоящее время основополагающим документом для соблюдения экологичности является Международная конвенция по предупреждению загрязнения с судов (МАРПОЛ 73/78). Она была принята в 1983 году и постоянно дополняется. Основным положением конвенции является минимизация заражения океана чужеродными субстанциями с судов. К таким субстанциям, в частности, относятся неочищенные балластные воды судна.
Торговые, пассажирские и военные суда, перемещаясь по различным регионам планеты, при сбросе балластных вод у порта прибытия могут занести в окружающую среду чужеродные организмы, тем самым провоцируя экологическую катастрофу. Например, в 1991 году вибрион холеры в балластном танке судна пришел к берегам Перу и спровоцировал эпидемию, где до этого события болезнь отсутствовала больше ста лет [1].
Икра полосатой мидии распространилась уже практические по всему миру через балластные воды. Спонтанное распространение полосатых мидий в регионах не свойственного ей обитания уничтожает привычные для местной флоры и фауны условия жизни. Мелкий рачок из Черного моря, перемещенный в балласте в Балтийское и Северное моря, стал неконтролируемо размножаться и забивать рыболовные сети, приемные патрубки забортной воды судов, поглощать зоопланктон, тем самым сокращая популяцию рыбы и затрудняя судоходство.
Ориентируясь на растущее число подобных случаев, Международная Морская Организация (IMO), составила и ратифицировала новую конвенцию по правилам обработки судовых балластных вод. Был введен стандарт D2, в котором строго ограничивается количество жизнеспособных организмов в сбрасываемой балластной воде. Если ранее наличие системы обработки балластных вод и качество очистки отдавались полностью на усмотрение судовладельца, с сентября 2017 года соблюдение стандарта D2 стало обязательным для всех.
Это дало толчок к развитию различных систем обработки балластных вод, отличающихся как производительностью (в зависимости от тоннажа судна), так и предлагаемыми способами очистки.
Существует несколько основных типов установок обработки балластных вод.
Рисунок 1. Принципиальная схема работы УФ установки обработки балластных вод (Дебалластировка происходит в обратном порядке)
Установки ультрафиолетовой очистки
В этом типе установок обработка поступающей в танк балластной воды производится с помощью света ультрафиолетовых (УФ) ламп. Бактерицидное УФ излучение преимущественно в спектральном диапазоне 205-315 нанометров (нм) вызывает димеризацию тимина (одного из составляющих ДНК, обеспечивающего ее защиту от ультрафиолета) в молекулах ДНК. Такие изменения в ДНК организмов замедляют темпы их развития и размножения, и ведут к вымиранию. В то же время, добиться полного обеззараживания с помощью УФ излучения невозможно – многие микроорганизмы, – некоторые бактерии, грибы и прионы – устойчивы к данному типу обработки.
Для обеспечения эффективного воздействия УФ лучей на обрабатываемую воду, последняя должна быть максимально осветлена от коллоидных и взвешенных частиц. Для этого требуется установка предварительной фильтрации с чистотой 50 мкм. В практических условиях такая система часто забивается мелкими частицами водорослей и планктоном и требует частой очистки. В совокупности с тем, что УФ лампы быстро теряют эффективность с течением времени и загрязнения рабочей поверхности, обслуживание такой системы обработки является затратным как по времени, так и по стоимости.
Применительно к эксплуатации в российских условиях возникает еще одна трудность: ультрафиолетовые лампы достаточной для использования в таких установках мощности в нашей стране не выпускаются, а в связи с нестабильным курсом рубля, покупка сменных ламп станет для судовладельца одной из серьезных расходных статей.
Установки обработки балластных вод хлорсодержащими агентами
Активный хлор давно известен как один из самых агрессивных дезинфицирующих веществ. Хлорирование (обработка хлором) воды обладает выраженным бактерицидным последействием в связи с тем, что активный хлор не распадается в обработанной воде и продолжает свое воздействие с течением времени. Установки обработки балластных вод, применяющие метод хлорирования, делятся также по принципу применения активного вещества на установки с привносимым активным веществом и установки, вырабатывающие активное вещество из используемых сред.
Установки с привносимым активным веществом требуют периодического добавления в расходную емкость активного вещества из запасов, хранимых в базе или перевозимых непосредственно на судне. Пополнение расходной емкости осуществляется в соответствии с инструкциями производителя экипажем с соблюдением правил работы с опасными химическими веществами.
Очевидным недостатком такого типа установок является их неспособность работать при отсутствии химических реагентов, т.е. в случае затянувшегося рейса или логистической ошибки при загрузке судна в порту, система обработки балластных вод становится полностью неработоспособной. Также, учитывая высокую токсичность хлора и его опасность при попадании в дыхательные пути, слизистые оболочки и кожные покровы человека при хранении и пополнении активного вещества, необходимо соблюдать высокие меры безопасности.
Хлор сохраняет бактерицидную активность в воде, так как мало в ней растворим. Чтобы не допустить попадания высоких концентраций активного хлора в воды Мирового Океана на установках обработки балластных вод, работающих на хлоре, необходимо также предусмотреть возимый запас дехлорирующего вещества. Обычно для этих целей используют сульфит натрия Na2SO3. Таким образом, для обеспечения работы установки необходимо хранить на судне два типа реагентов, причем отсутствие любого из них исключает возможность работы установки.
Рисунок 2. Принципиальная схема установки обработки балластных вод, работающей на привносимом активном веществе (хлоре)
Также существуют системы, в которых активный хлор извлекается непосредственно из рабочей среды – принимаемой на борт балластной воды. Хлор выделяется из солей NaCl, растворенных в морской воде в виде гипохлорита NaOCl. Основным действующим веществом в гипохлорите натрия (хлорной воде, анолите) является хлорноватистая кислота (НСlO) – окислитель, обладающий сильнейшими бактерицидными свойствами. Основным способом получения гипохлорита из морской воды является метод электролиза.
Чтобы обеспечить эффективность работы электролизера, входящего в состав установки обработки балластных вод, в данную систему, также как и в систему с УФ облучением, необходимо вводить фильтр с чистотой фильтрации 50 мкм. Сложности, возникающие в обслуживании подобного оборудования, уже описывались выше. Также остается и проблема удаления активного хлора из воды после обработки. Получение дехлоратора из морской воды невозможно, поэтому для данного типа установок он остается возимым химическим реагентом, без которого функционирование данной системы балластных вод недопустимо.
Рисунок 3 – Принципиальная схема установки балластных вод, работающей на гипохлорите натрия, выделяемом из морской воды
Дополнительным минусом установки, работающей на выделяемом гипохлорите, является невозможность работы при солености воды менее 10‰. Этот фактор мало влияет на эксплуатацию морских судов, но является существенным для речных и судов класса "река-море".
Описанные установки обработки балластных вод получили широкое распространение во всем мире. Они предлагаются множеством компаний в различных вариантах, компоновках и комплектациях. Однако все они серийно производятся за рубежом – в России, по состоянию на сегодняшний день, отсутствует установка по обработке балластных вод, запущенная в широкое серийное производство. Учитывая этот фактор, а также предстоящее ужесточение требований к обработке балластных вод в ближайшем будущем, ООО "Винета" в 2016 году было принято решение о создании собственной установки по обработке балластных вод (УОБВ).
После анализа представленных на мировом рынке и описанных выше технологий обработки балласта, было сделано заключение, что все они имеют существенные недостатки, устранение которых позволит значительно упростить эксплуатацию системы и сделать ее более безопасной для обслуживающего персонала и окружающей среды.
Использование УФ ламп было отвергнуто в связи с необходимостью их закупки у импортеров, что ставило бы отпускную цену на установку обработки балластных вод в зависимость от ценовых колебаний на рынке, т.к. лампы составляют существенный процент от конечной цены на изделие. Также на решение повлияла прямая зависимость эффективности очистки от прозрачности воды и качества предварительной фильтрации. С учетом [2], вода в северных морях, омывающих Российскую Федерацию, имеет показатели мутности до 46 единиц, что затрудняет ее обработку УФ излучением и требует увеличения количества и мощности ламп относительно расчетных.
Технология обработки балластных вод гипохлоритом с точки зрения эффективности является более предпочтительной. Здесь существует возможность извлечения обеззараживающего вещества непосредственно из забортной воды, и не столь значительна зависимость эффективности электролиза от прозрачности воды. С другой стороны, хранение запаса реагентов и их постоянная дозакупка для обеспечения работы системы не является оптимальным условием эксплуатации изделия. Также в системах, использующих хлор как дезинфектор, необходим постоянный контроль количества остаточного хлора, сбрасываемого обратно в океан.
ООО "Винета" было принято решение о разработке УОБВ, дезинфицирующий агент в которой вырабатывался непосредственно в установке без применения возимых химических реагентов и после использования разлагался в морской воде без дополнительного вмешательства. Веществом, удовлетворяющим данным требованиям, является озон. Озон (химическая формула O3) – это сильнейший окислитель, который уничтожает все известные микроорганизмы, вирусы, бактерии, грибы, водоросли, их споры и цисты простейших. К озону не может развиться устойчивость. Озон действует в 300-3000 раз быстрее, чем любые другие дезинфекторы [2]. После воздействия озон разлагается, выделяя дикислород O2, не оказывая негативного влияния на окружающую среду.
Окислительные свойства озона в настоящее время широко используются в медицине. Он улучшает метаболизм белков, жиров и углеводов, транспорт кислорода в крови, периферическое кровообращение, стимулирует иммунитет, способствует выработке биологически активных веществ. Озон широко используется с целью дезинфекции помещений, одежды, материалов. В озонотерапии практикуется внутривенное введение озона при лечении раковых заболеваний.
В высоких концентрациях озон токсичен для человека, но, поскольку он химически неустойчив, получить отравление озоном получить почти невозможно – в естественных условиях газ разлагается в очень короткое время.
С учетом самостоятельного разложения озона в естественных условиях, принцип обработки балластных вод озоном был взят за основу при проектировании новой установки.
Обработка озоном работает по следующему принципу: в озонаторе при прохождении электрического тока через разрядное пространство с воздухом происходит разряд коронного типа, в результате чего из кислорода, содержащегося в воздухе, образуется озон.
Требуемая концентрация озона рассчитывается определением химической потребности по формуле:
где V – требуемая доза озона;
– начальная концентрация озона;
– коэффициент, учитывающий эффективность переноса озона в раствор.
Производительность озонатора рассчитывается по формуле
где S – расход воды в час.
Активность озона описывается периодом инактивации – временем, за которое озон уничтожает микроорганизмы. Продолжительность периода инактивации для распространенных организмов приведена в таблице 2.
Таблица 2 – Продолжительность периода инактивации некоторых организмов:
Вид микроорганизма
Порядок времени
E-coli
секунды - минуты
Вирусы
минуты
Цисты одноклеточных паразитов
минуты
Степень инактивации обозначает порядок, на который сокращается количество микроорганизмов в результате обработки озоном.
Таблица 3 – Стойкость микроорганизмов к воздействию озона по СТ-критерию (по данным EPA, США):
С учетом вышеприведенных данных и требуемой чистоты обработки СТ критерий для УОБВ должен составлять до 18 мг/л х мин.
Для определения точной требуемой концентрации озона обычно проводятся лабораторные исследования на образцах используемой воды. Для проведения лабораторного исследования по эффективности применения озонирования для очистки балластных вод в соответствии с правилом D2 МАРПОЛ, в пластиковую емкость объемом 20 л был отобран образец воды из реки Тосна, Тосненский р-н Ленинградской обл., в районе пересечения Никольского шоссе и Советского проспекта, недалеко от места сброса очистных сооружений г. Никольское Тосненского района. Вода была отдана на анализ.
Результаты приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Результаты анализа речной воды из р. Тосна.
Определяемые показатели и единицы измерения
Результаты испытаний
Нормативное значение показателей
Для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения
Для рекреационного водопользования
ОМЧ КОЕ/ мл
300
-
-
ОКБ КОЕ/ 100 мл
5,0·104
не более 1000
не более 500
ТКБ КОЕ/ 100 мл
5,0·104
не более 100
не более 100
Измерения проводились ФБУЗ "Центр гигиены и эпидемиологии по железно-дорожному транспорту" Октябрьский филиал Протокол испытаний №3661б от 24 апреля 2017 года.
Вода из емкости с образцами была разделена на три пробы, равные по объему. После чего образцы были подвергнуты воздействию озона, дозировкой 7,5 мг/л в течение 5, 10 и 15 минут для проверки эффективности и скорости обработки имитанта балластной воды. Результаты приведены в таблицах 5, 6 и 7.
Таблица 5 – Результаты анализа имитанта после воздействия 7,5 мг/л O3 в течение 5 мин
Определяемые показатели и единицы измерения
Результаты
испытаний
Нормативное значение показателей
Для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения
Для рекреационного водопользования
ОМЧ КОЕ/ мл
250
ОКБ КОЕ/ 100 мл
8,6·103
не более 1000
не более 500
ТКБ КОЕ/ 100 мл
5,5·103
не более 100
не более 100
Таблица 6 – Результаты анализа имитанта после воздействия 7,5 мг/л O3 в течение 10 мин
Определяемые показатели и единицы измерения
Результаты испытаний
Нормативное значение показателей
Для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения
Для рекреационного водопользования
ОМЧ КОЕ/ мл
50
ОКБ КОЕ/ 100 мл
946
не более 1000
не более 500
ТКБ КОЕ/ 100 мл
811
не более 100
не более 100
Таблица 4 – Результаты анализа имитанта после воздействия 7,5 мг/л O3 в течение 15 мин
Определяемые показатели и единицы измерения
Результаты испытаний
Нормативное значение показателей
Для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения
Для рекреационного водопользования
ОМЧ КОЕ/ мл
50
ОКБ КОЕ/ 100 мл
568
не более 1000
не более 500
ТКБ КОЕ/ 100 мл
Менее 9
не более 100
не более 100
Примечания к таблицам:
ОМЧ – Общее микробное число, – показатель для оценки общей обсемененности.
ОКБ – Общие колиформные бактерии,
ТКБ – Термотолерантные колиформные бактерии (в т.ч. кишечная палочка)
Результаты испытаний сведены в график, отображающий зависимость количества микроорганизмов в воде, в зависимости от времени воздействия.
Рисунок 5 – Зависимость содержания микроорганизмов (ОКБ и ТКБ) в воде от времени воздействия озона
Из результатов исследования видно, что наиболее интенсивно воздействие озона в первые пять минут времени. В дальнейшем, с течением времени, озон начинает разлагаться, и дезинфицирующий эффект снижается. Тем не менее, времени воздействия 15 минут с концентрацией озона 7,5 мг/л достаточно, чтобы довести речную воду, осемененную микроорганизмами до требований стандарта воды для использования в пищевой промышленности.
Требования правила D2, подразумевающие до 1000 КОЕ/ 100 мл терморезистентных бактерий также исполняются.
Результаты лабораторных испытаний показали, что при обработке балластных вод наряду с концентрацией озона важным является и время контакта. При этом, увеличивая концентрацию озона, можно сократить время контакта (по СТ-критерию), но не менее чем на минимальное время воздействия для каждого из микроорганизмов. С учетом этого, было принято решение об увеличении концентрации озона на 5 мг/л с временем воздействия 5 минут. С учетом этого, производительность озонатора по формулам выше составит 500 г/ч.
На основании расчетных характеристик был спроектирован внешний облик УОБВ.
Установка предусматривает получение озона в судовых условиях из воздуха, подаваемого по воздуховодам системы вентиляции судна. Полученный таким образом озон инжектируется в контактную буферную емкость для равномерного распределения, а затем – в основной поток балластных вод. В балластном танке судна происходит процесс обработки и дезинфекции воды, а также постепенное самопроизвольное разложение озона.
Общий вид УОБВ
Управление установкой осуществляется в автоматическом режиме и не требует постоянного контроля оператора, а также внесения дополнительных реагентов. Ввиду мощного окисляющего действия озона, на входе не требуется микрофильтрация – достаточно фильтра с ячейкой 300 мкм (0,3 мм). Цена такого фильтра с производительностью порядка 500 куб.м/ч в 1,5-2 раза ниже цены фильтра 50 мкм. Фильтр с большим размером ячейки реже забивается привнесенным мусором и требует меньше обслуживания.
Для создания опытного образца к работе были подключены специалисты ЗАО "МЭЛП", имеющие опыт в создании озонаторов для обработки воды в общепромышленном исполнении. Новое изделие создается с учетом соответствия всем требованиям МАРПОЛ, Международной конвенции о контроле судовых балластных вод и осадков, и управления ими, правил постройки судов Российского Речного и Морского регистров.
дезинфицирующий агент вырабатывается непосредственно в установке без применения возимых на судне химических реагентов и, после использования, разлагается в морской воде также без дополнительного внешнего воздействия;
используется предварительный фильтр с большим размером ячейки, который реже забивается привнесенным мусором и требует меньшего обслуживания при эксплуатации;
более безопасна для обслуживающего персонала и окружающей среды;
выполнение государственной программы по импортозамещению оборудования
2. Направлением последующей работы является проведение комплексных испытаний опытного образца УОБВ. По завершении испытаний ООО "Винета" сможет предложить, как отечественному, так и мировому рынкам конкурентоспособное изделие, отвечающее всем нормам МАРПОЛ.
Литература
Глобальные эпидемии и последствия холеры – ВОЗ. http://www.who.int/topics/cholera/impact/ru/.
Демина Л.Л, Немировская И.А. Пространственное распределение микроэлементов в сестоне Белого моря. Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва.
Мосин О.В. Использование озона в водоподготовке. — Сантехника, отопление, кондиционирование. 2011. № 9 (117). С. 40-43.
Павел Петров
начальник сектора перспективного оборудования ООО "Винета".
