docPobierz
download 
Reklamacja Transkrypt
Pobierz
Scientific Journals Zeszyty Naukowe Maritime University of Szczecin Akademia Morska w Szczecinie 2009, 16(88) pp. 48-58 2009, 16(88) s. 48-58 Neutralizacja wód balastowych Ballast water neutralization Andrzej Kozłowski Akademia Morska w Szczecinie, Szczecinie Instytut Matematyki, Fizyki i Chemii, 70-500 500 Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1–2, e-mail: [email protected] Słowa kluczowe: wody balastowe, systemy neutralizacji, dezynfekcja wód balastowych Abstrakt W artykule przedstawiono wiono podstawowe problemy związane zwi z wodami balastowymi oraz zasady postępowania z nimi na statkach. Omówiono kwestię kwesti zagrożenia środowiska rodowiska morskiego gatunkami inwazyjnymi oraz mięmi dzynarodowe regulacje prawa dotyczące dotycz wód balastowych. Scharakteryzowano ogólnie najważniejsze najwa tradycyjne techniki neutralizacji wód balastowych stosowane w świecie i szczegółowo innowacyjne, efektywne systemy, takie jak: system neutralizacji z użyciem u preparatu PERACLEAN® Ocean, system PureBallast, elektrochemiczny system EctoSys™, EctoSys system CleanBallast i system PEROXEGEN™. Key words: ballast water, neutralization systems, ballast water disinfection Abstract In the article are presented basic asic problems concerning ballast waters as well as the rules of handling them on ships aree presented. Also the issue of the risk to the sea environment by invasive species and international law regulations concerning ballast waters water are described. The article characterizes generally the most important traditional techniques of ballast waters water neutralization ralization applied worldwide and, in a more detailed way, innovative and effective systems, such as: neutralization system with the use of PERACLEAN® Ocean, PureBallast system, electrochemical EctoSys™ system, CleanBallast system and PEROXEGEN™. Wstęp Wodę zaczęto wykorzystywaćć do balastowania statków w XIX wieku, z chwiląą pojawienia się si stalowych kadłubów. Wody balastowe są s absolutnie niezbędne dne dla zapewnienia bezpieczeństwa bezpiecze i właściwego ciwego funkcjonowania nowoczesnej floty. S Są one pobierane do zbiorników balastowych (rys. 1) cec lem poprawy wyważenia enia i stabilności statku, stat szczególnie rozładowanego, lub zmiany jego przegłębieprzegł nia. Wody balastowe zwykle pobierane są s podczas rozładunku statku, a wypompowywane podczas załadunku. Mogą być takżee pobierane podczas rejsu celem zrekompensowania ciężaru aru zu zużytego paliwa i wody użytkowej. W niniejszej pracy przedstawiono ono podstawowe oraz innowacyjne techniki neutralizacji wód balabal stowych stosowane na statkach w celu ochrony wód morskich przed organizmami inwazyjnymi. Zbiornik wysoki Ładownia Skrajnik rufowy Zbiornik dna podwójnego Skrajnik dziobowy Zbiornik boczny Zbiornik dna podwójnego Zbiornik wysoki Rys. 1. Rozmieszczenie zbiorników balastowych [1] Fig. 1. A layout of ballast tanks [1] 48 Scientific Journals 16(88) Neutralizacja wód balastowych Zagrożenie środowiska rodowiska morskiego wodami balastowymi modernizowanych, a najpóźniej najpó od 2016 roku wszystkich statków. Statki podczas realizacji swoich zadań zada pobierają wody balastowe do pustych zbiorników w pobliżu pobli portu, gdzie zostały rozładowane i wypompowują je przy docelowym porcie, celem przygotowania przygoto zbiorników do przyjęcia cia nowego ładunku (rys. 2). Zagrożenie inwazyjnymi gatunkami atunkami morskimi jest jednym z czterech największych kszych zagrożeń zagro oceanów świata. Chociaż to zagrożenie żenie nie jest tak widoczne, jak w przypadku oleju, to wpływ inwainw zyjnych gatunków morskich często ęsto bywa znacznie groźniejszy dla środowiskaa morskiego, gdyż gdy ma nieodwracalne skutki.. W wielu pracach na przykłaprzykł dzie setek przypadków udokumentowano, że wody balastowe mogą być przyczynąą wprowadzenia do środowiska rodowiska nowych organizmów. Jeż Jeżeli organizmy te mają warunki, aby stać się inwazyjnymi, inwazyj może to poważnie zakłócić rodzimą równowagę równowag ekologiczną. W Morzu Bałtyckim, według prof. Leppäkoski [2], stwierdzono już obecność co najmniej 110 gatunków inwazyjnych, z których 60–70 60 utworzyło reprodukcyjne populacje. Pierwsze uregulowania dotyczące zasad postępost powania z wodami balastowymi zostały podjęte przez Międzynarodową Organizację Morską (IMO) w 1991 roku i od roku 1994 trwały prace nad wprowadzeniem ich w życie. ycie. Proces regulacji zoz stał przerwany w późnych nych latach dziewi dziewięćdziesiątych, kiedy uznano, że konieczna czna jest aktualizacja przyjętych rozwiązań. W 2002 roku na konferencji w Ontario, poświęconej conej temu zagadnieniu, rozpatrywano 14 możliwych liwych technologii neutralizacji wód balastowych [3]. Mimo dużego żego post postępu, jaki się dokonał, pojawiało się jednak nadal wiele problemów i wątpliwości ci ze strony armatorów, stoczni oraz sprawujących kontrolę władz portowych, które wymagają uregulowania. W celu ich rozwi rozwiązania Międzynarodowa dzynarodowa Organizacja Morska połączyła poł siły z Global Environment Facility (GEF) i United Nations Development elopment Programme (UNDP), aby pomóc państwom rozwijającym cym się w ochronie przed gatunkami inwazyjnymi. Przyjęta Przyję przez IMO w 2004 roku w Londynie konwencja Ballast Water Convention wytyczyła kierunki działań działa na statku dotyczące ce wód balastowych, aby zminimal zminimalizować zagrożenie dla środowiska rodowiska morskiego. Zobowiązuje Zobowi ona m.in. wszystkie statki do wprowadzenia planu BWSMP (Balast Balast Water and Sediments Plan) Plan i posiadania książki BWRB (Ballast Ballast Water Record Book). Zgodnie z ustaleniami IMO, małe i średnie statki o pojemności zbiorników biorników balastowych poniżej poni 5000 m3, których stępka będzie dzie poło położona od 1.01.2009 r., będą musiały być wyposa wyposażone w system neutralizacji wód balastowych zaaprobowany przez IMO. Obowiązek zek posiadanie takiego systemu od 2014 roku będzie takżee dotyczył statków Zeszyty Naukowe 16(88) Rys. 2. Pobieranie i wypompowywanie wód balastowych [14] Fig. 2. Taking and pumping out of ballast water [14] W trakcie wykonywania tych operacji, operacji wraz z wodami balastowymi, statki transportują transportuj szereg obcych organizmów. Wody portowe mogą mog zawierać ich pełną różnorodność, ść, począwszy pocz od bakterii i wirusów, poprzez jaja, cysty, larwy, a kończąc ko na całych stadach organizmów wyższych. wy Problem powstaje wówczas, kiedy wody pobrane do zbiorników balastowych zawierają zawieraj zbyt wiele organizmów zamieszkujących cych w wodach portowych. WyW starczą małe ilości ci „egzotycznych” organizmów, które przeżyją podróż,, aby mogły one wyrz wyrządzić szkodę w następnym pnym porcie, dokąd zostaną przeniesione wraz z wypompowywan waną wodą. Często trasa statku powoduje, żee organizmy przetransportowane zostają do rejonów, gdzie natural naturalnie nie egzystują, i znajdują tam dobre warunki do przetrwania. prze W przypadku braku naturalnych wrogów nowe organizmy stają się szkodliwe dla całego ekosystemu, ekonomii danego regionu, a także tak stwarzają zagrożenie enie dla zdrowia człowieka. Organizmy ini wazyjne mogą mieć poważny poważ wpływ nie tylko na rybołówstwo, połowy skorupiaków i turystykę, turystyk ale także przyczyniać się do poważnych powa chorób, a czasami powodować nawet śmier śmierć ludzi. Wymownym przykładem szkodliwego wpływu obcych organiorgan zmów na miejscowe środowisko jest przypadek miasta Milwaukee (USA). Pobór i użycie u wody bezpośrednio z jeziora Michigan, dokąd dok zostały wraz z wodami zęzowymi zowymi przetransportowane 49 Andrzej Kozłowski pasożyty Crypto Sporidium Parviu, stały się powodem epidemii, która dotknęła 400 000 ludzi, z czego 4000 było hospitalizowanych, a 110 osób zmarło. Według szacunków IMO, 3–10 mld ton wód balastowych rocznie transportowanych jest między krajami, a mniej więcej drugie tyle transportowane jest w ruchu lokalnym oraz regionalnym. Transport tak dużych ilości wód balastowych stanowi „biologiczną ruletkę”, gdyż oznacza, że co najmniej 7000 różnych gatunków, w tym również ludzkie patogeny, przemieszczanych jest w ten sposób [4, 5]. Według szacunków przeżywa ok. 3000. Jeżeli organizmy te mają warunki, aby stać się inwazyjnymi, to nowy gatunek może poważnie zakłócić rodzimą równowagę między gatunkami. otwartym morzu i na odwrót. Jednakże w przypadku tankowców zawierających setki tysięcy ton wód balastowych taka operacja wymiany wód trwa wiele dni i nie zapewnia 100% wymiany. Bywa i tak, że ze względu na ciężkie warunki hydrometeorologiczne wymiana wód jest niemożliwa, gdyż mogłoby to stworzyć zagrożenie dla statku. W celu zminimalizowania zagrożenia środowiska morskiego IMO opracowała standardy wód zrzutowych ze statku. Wymagane jest m.in., aby: • w jednym m3 wód balastowych znajdowało się mniej niż 10 żyjących mikroorganizmów o wymiarze 50 µm, • w jednym cm3 wód balastowych znajdowało się mniej niż 10 organizmów mniejszych od 50 µm, • w 100 cm3 znajdowało się mniej niż: − 1 kolonia toksykogenicznych bakterii Vibrio cholerae (serotypu O1 i O139), − 250 kolonii bakterii Escherichia coli, − 100 kolonii bakterii jelitowych Enterococci. Neutralizacja wód balastowych Jednym ze sposobów minimalizacji zagrożenia ze strony wód balastowych jest wypompowywanie bogatszych w organizmy portowych wód balastowych na otwartym morzu i pobieranie w ich miejsce wód oceanicznych, które zawierają mniej tych organizmów. Nie wszystkie kraje jednak popierają i stosują tę ideę. Innym rozwiązaniem jest dezynfekcja wód balastowych. Na posiedzeniu Konwencji OSPAR (Oslo and Paris Conventions for Prevention of Marine Pollution), celem zminimalizowania zagrożenia środowiska morskiego, przyjęto zalecenia, że wymiana wód balastowych powinna być prowadzona na wodach o głębokości powyżej 200 metrów i oddalonych 200 mil morskich (a jeżeli nie jest to możliwe do spełnienia, co najmniej 50 mil morskich) od najbliższego lądu. Wymiana wód balastowych realizowana może być następującymi metodami: − sekwencyjną (zbiorniki wód balastowych są kolejno opróżniane i napełniane wodą oceaniczną), − przelewania (zbiorniki balastowe w sposób ciągły napełniane są wodą oceaniczną z jednoczesnym wypływem wody górą, aż do chwili dokonania ok. 3-krotnej wymiany ich objętości), − brazylijską metodą rozcieńczania – jest to udoskonalona odmiana metody przelewania (po zamontowaniu dodatkowych rurociągów woda balastowa jest wypompowywana z górnej części zbiornika, a jednocześnie w dolnej jego części doprowadza się wodę oceaniczną takim samym strumieniem, aby utrzymać stały poziom wody w zbiornikach). W tych metodach wymiany wód balastowych przyjmuje się, że organizmy żyjące w wodach portowych zwykle mają małe szanse przetrwania na Uzyskanie takich parametrów na statku wymaga przeprowadzenia skutecznej neutralizacji wód balastowych. W tym celu mogą być stosowane następujące metody mechaniczne, fizyczne i chemiczne: 1. Separacja mechaniczna (wykorzystująca różnicę wielkości cząstek lub gęstości): − filtracja klasyczna, − mikrofiltracja, − hydrocyklony. 2. Metody fizyczne wykorzystujące: − ciepło, − prąd elektryczny, − promieniowanie UV, − ultradźwięki. 3. Metody chemiczne wykorzystujące: − ozon, − chlor, − ditlenek chloru, − usuwanie tlenu (deoksygenacja), − SeaKleenR (menadione), − biocydy (nieorganiczne i organiczne), − inne. 4. Inne metody (stanowiące najczęściej odmianę lub kombinację ww. metod). Jedną z pięciu rezolucji uzgodnionych na 53. posiedzeniu Międzynarodowego Komitetu Ochrony Środowiska Morskiego, które odbyło się 11–15.07.2005 r. była Rezolucja MEPC 126 (53) – Procedure of Approval of Ballast Water Management Systems, odnosząca się do aktywnej substancji neutralizującej zaakceptowanej przez IMO do użycia na statkach. 50 Scientific Journals 16(88) Neutralizacja wód balastowych W tabeli 1 podano przykładowe rozwiązania neutralizacji wód balastowych wykorzystywane w różnych krajach [5]. Na rysunku 3 zobrazowano porównanie skuteczności poszczególnych metod neutralizacji dla organizmów różnej wielkości. Tabela 1. Przykładowe technologie neutralizacji wód balastowych spełniające wymogi Rezolucji MEPC 53 Table 1. Model technologies of ballast water neutralization fulfilling the requirements of the MEPC 53 resolution Twórca technologii Alfa Laval & BenRad, Szwecja Alan Taylor & Associates, Australia Browning Transport Menagement “Aguahabistat” (AHS), USA Ecochlor, Inc., USA Environmental Technologies Inc., USA Hamann New Modular BWM Systems, Niemcy Hyde Marine Inc., USA Marenco Group, USA Marine Institute Technology Co., Japonia MEPI, USA NEI Treatment Systems, LLC, USA Nutech O3 Inc., USA OptiMarin AS., Norwegia Rozmiar organizmu Duże ryby 100 Zastosowane procesy Filtracja + AOT (Advanced Oxidation Technology) Średnie dorosłe skorupiaki, małe ryby Ogrzewanie Mikroskopijne plankton, ryby, larwy, bakterie, wirusy 0,01 0,001 Metody nautralizacji PromieOgrzewanieniowanie Wymiana Filtracja wód Biocydy balastowych chemiczne Dezynfekcja chemiczna Filtracja + ultradźwięki Rys. 3. Porównanie skuteczności metod neutralizacji dla organizmów różnej wielkości [9] Fig. 3. Comparison of the efficiency of neutralization methods for various sized organisms [9] Hydrocyklony + dezynfekcja chemiczna Filtracja + promieniowanie UV Filtracja + promieniowanie UV Zabicie / zakłócenie rozwoju mikroorganizmu metodami fizycznymi Filtracja + bromowanie i utlenianie Badania przeprowadzone w latach 1995–2002 wykazały, że nie ma pełnej zgodności co do przydatności konkretnej metody i w poszczególnych krajach preferowane są różne metody neutralizacji wód balastowych. Wyniki tych badań zebrano w tabeli 3. Usuwanie tlenu Tabela 3. Rozpowszechnienie metod neutralizacji [10] Table 3. Spreading of neutralization methods [10] Ozonowanie Hydrocyklony + promieniowanie UV Metoda Koszt [€/m3] [7] dla samochodowca 56 893 DWT 0,53 Koszt [€/m3] [8] dla tankowca 106 000 DWT 0,10 0,10 0,28 0,22 0,61 0,0045–0,11 0,39–0,43 0,20–0,24 Kraj, uczestnik rozwoju 1. Wymiana wód balastowych Australia, Wielka Brytania, Nowa Zelandia 2. Separacja Niemcy, Kanada, Norwegia, USA 3. Filtracja Australia, Wielka Brytania, Niemcy, USA, Singapur 4. Ogrzewanie Australia, Wielka Brytania, Nowa Zelandia, Polska, Japonia 5. Ozonowanie Australia, Norwegia, USA, Singapur 6. Promieniowanie UV Australia, Wielka Brytania, Niemcy, Kanada, Norwegia, USA, Singapur 7. Stosowanie biocydów Australia, Niemcy, USA Poza wcześniej opisaną wymianą wód balastowych powszechnie stosowanymi procesami w technologii neutralizacji są metody mechanicznego rozdziału, które umożliwiają usunięcie z wód balastowych nie tylko dużej części organizmów, ale i większych zanieczyszczeń pojawiających się podczas przyjmowania wód balastowych. Metody mechaniczne najczęściej wykorzystywane są do wstępnego oczyszczania, zwykle w połączeniu z inną metodą fizyczną albo chemiczną (tabela 1). Do usuwania większych zanie- 0,23 Mimo opracowania wielu metod neutralizacji nie znaleziono jeszcze takiej, która przy niskich kosztach pozwalałaby na skuteczne zabezpieczenie wód balastowych przed przenoszeniem żywych organizmów, w całym zakresie ich wielkości. Zeszyty Naukowe 16(88) 1 Usuwanie tlenu Tabela 2. Porównanie kosztów neutralizacji wód balastowych Table 2. Comparison of ballast water neutralization costs Ogrzewanie Usuwanie tlenu (deoksygenacja) Promieniowanie UV Ultradźwięki Ozonowanie Utlenianie Zaawansowane utlenianie (AOT) 10 0,1 W tabeli 2 przedstawiono dla porównania koszt neutralizacji z zastosowaniem poszczególnych metod dla tankowca i samochodowca. Rodzaj metody 1000 51 Andrzej Kozłowski czyszczeń stosowane są filtry tarczowe (rys. 4) albo hydrocyklony (rys. 5). wowych kryteriów decydujących o wyborze odpowiedniej metody. Do najważniejszych należą: bezpieczeństwo, wydajność, wpływ na inne operacje dokonywane na statku, strukturalna integralność ze statkiem, wielkość instalacji, podatność na uszkodzenia, możliwość kontrolowania przez władze portu zgodności metody z obowiązującymi regulacjami. Do metod, które spełniają większość wymienionych kryteriów należą: dezynfekcja z użyciem ditlenku chloru, ozonu i biocydów oraz metody nie wymagające dodawania do wody chemikaliów, np. z zastosowaniem promieniowania UV oraz kilka innych specjalnie opracowanych systemów neutralizacji. Ilość mikroorganizmów w przewożonej wodzie może wzrastać podczas rejsu. W związku z tym wody balastowe przed zrzuceniem ich do morza powinny być poddane ponownej dezynfekcji. Na rysunku 6 zobrazowano system neutralizacji wód balastowych firmy Hyde Marine [6]. Rys. 4. Zespół filtrów tarczowych firmy Hyde Marine, Inc. [15] Fig. 4. A set of disk filters by Hyde Marine, Inc. [15] Popłuczyny Woda morska Filtr tarczowy By-pass Za burtę Dezynfekcja UV Zbiorniki balastowe Rys. 5. Zespół hydrocyklonów SEDNA przeznaczony do systemu neutralizacji wód balastowych o wydajności 500 m3/h, zaprojektowanego przez firmę Hamann AG (Niemcy) [5] Fig. 5. A set of SEDNA® hydrocyclone destined for system of ballast water neutralization with the efficiency of 500 m³/h, designed by Hamann AG (Germany) [5] Balastowanie Rozbalastowanie Rys. 6. System neutralizacji wód balastowych firmy Hyde Marine, Inc. (USA) [15] Fig. 6. Ballast water neutralization system by Hyde Marine, Inc. (USA) [15] Filtry tarczowe były stosowane od dawna na statkach w systemach odwróconej osmozy, które były wykorzystywane do odsalania wody morskiej. Po przystosowaniu ich do większych przepływów z powodzeniem są używane do filtrowania wód balastowych. W procesie neutralizacji wód balastowych konieczne jest usuwanie osadów zbierających się w zbiornikach balastowych, które nie tylko zmniejszają efektywną pojemność zbiorników, ale także umożliwiają ukrycie się w nich mikroorganizmów. Gromadzenie się osadów na dnie zbiorników wpływa na zmniejszenie skuteczności dezynfekcji oraz wymaga zastosowania większej dawki środków dezynfekujących. W niektórych przypadkach w celu niedopuszczenia do powstawania zalegających na dnie osadów stosuje się dodatek specjalnych preparatów, np. Hyde H-136 [6]. Dezynfekcja wód balastowych Z przedstawionych w tabeli 1 technologii wynika, że zastosowanie pojedynczego procesu do neutralizacji wód balastowych często nie jest wystarczająco skuteczne, by spełnić wymogi IMO, i konieczne jest zastosowanie dodatkowo dezynfekcji, z wykorzystaniem biocydów, ozonu albo innych środków silnie utleniających. Podczas dezynfekcji następuje dalsza redukcja mikroorganizmów znajdujących się w wodzie, przed wprowadzeniem wody do zbiorników balastowych. Dezynfekcja wód może być przeprowadzona różnymi metodami. Istnieje jednak kilka podsta- Ogrzewanie Ogrzewanie wód balastowych do temperatury 35–45°C i utrzymywanie jej przez dłuższy czas jest skuteczne dla zabicia większych organizmów (np. ryb), ale nie w odniesieniu do mikroorganizmów. Ilość ciepła dostarczona organizmom 52 Scientific Journals 16(88) Neutralizacja wód balastowych − mała zależność efektywności działania od pH (w zakresie pH od 4–10); − większa skuteczność w stosunku do chloru w destrukcji zarodników, bakterii, wirusów i innych patogennych organizmów; − krótszy czas kontaktu potrzebny do neutralizacji; − lepsza rozpuszczalność w wodzie; − mniejsza korozyjność niż w przypadku chloru (zmniejszenie kosztów obsługi). powinna przekroczyć ich progową dawkę cieplną, co poprzez przyspieszenie metabolizmu powyżej dopuszczalnego poziomu powoduje wyniszczenie tych organizmów. W metodzie tej do ogrzania wód balastowych wykorzystywane jest ciepło odbierane z wody chłodzącej silnika głównego. Wadą tej metody jest konieczność budowania systemu rurociągów doprowadzających wody balastowe do źródła ciepła. Na rysunku 7 przedstawiono schemat takiego systemu. Promieniowanie ultrafioletowe (UV) W ostatnich latach zwiększyło się zapotrzebowanie na metody dezynfekcji alternatywne do metod chemicznych. Tendencja ta widoczna jest szczególnie w tych instalacjach, w których nie ma problemu zarastania i odkładania osadów. Jednym ze sposobów jest dezynfekcja z użyciem promieniowania UV. Promieniowanie ultrafioletowe jest efektywną i przyjazną dla środowiska metodą dezynfekcji wody i ścieków. Jej zalety powodują wzrost zastosowań na całym świecie. Promieniowanie UV uszkadza genetyczną strukturę mikroorganizmów przez zmianę ich genetycznej informacji (DNA), uniemożliwiając ich reprodukcję. Promieniowanie UV niszczy w ten sposób bakterie, wirusy i cysty obecne w powietrzu oraz w wodzie, nie wytwarzając przy tym produktów ubocznych ani niebezpiecznych skutków. Dlatego nie wpływa na zmianę zapachu czy barwy dezynfekowanej wody. Ważną zaletą tej metody jest niszczenie niektórych typów wirusów odpornych na dezynfekcję chlorem. Efekt bakteriobójczy promieniami UV zawiera się w zakresie fal od 205–315 nm. Maksimum oddziaływania przypada w pobliżu 260 nm. Uważa się, że optymalne efekty bakteriobójcze uzyskuje się, stosując promieniowanie o długości 254 nm. Lampy potrzebują ok. 3–5 sekund kontaktu z wodą, aby promieniowanie UV zabiło większość bakterii i wirusów. W tabeli 4 przedstawiono minimalne dawki energii niezbędnej do skutecznego zniszczenia mikroorganizmów. Sercem dezynfekującego systemu UV są wysokosprawne niskociśnieniowe lampy, które w szerokim zakresie temperatur dostarczają stabilne promieniowanie UV. Lampy nowego typu posiadają wysoką emisję promieniowania UV w obszarze efektywnych długości fali (254 nm), co umożliwia zniszczenie ponad 99,99% czynników chorobotwórczych obecnych w wodzie. Zastosowanie sterowników, w zależności od jakości wody i wielkości jej przepływu powoduje, że do lamp dostarczana jest odpowiednia ilość energii, Wody balastowe Woda morska Silnik główny Wody chłodząca (słodka) Rys. 7. Zastosowanie ogrzewania do neutralizacji wód balastowych [9]; 1 – pobieranie wody morskiej i kierowanie do zbiorników balastowych, 2 – ogrzewanie wody morskiej słodką wodą chłodzącą silnik główny, 3 – wpompowanie ogrzanej wody do zbiorników balastowych celem zabicia mikroorganizmów, 4 – wypompowanie zneutralizowanych wód balastowych Fig. 7. Application of heating to the ballast water neutralization [9]; 1 – taking sea water and directing it to ballast tanks, 2 – heating of sea water with sweet water, which cools the main engine, 3 – pumping of the heated water into ballast tanks with the aim of killing microorganisms, 4 – pumping out of the neutralized ballast water Ditlenek chloru W związku z wadami i uciążliwościami chloru, pojawiającymi się podczas jego stosowania do celów dezynfekcyjnych rozważano zastąpienie tego chemicznego biocydu innym środkiem. Okazało się jednak, że żaden z testowanych środków dezynfekujących nie jest doskonały i że jego najlepszą alternatywą jest ditlenek chloru. Jest, podobnie jak ozon i chlor, utleniającym biocydem i nie tworzy metabolicznych toksyn. Zabija mikroorganizmy przez przerwanie transportu składników odżywczych przez błonę komórkową, a nie przez przerwanie procesu metabolicznego. Ditlenek chloru jest stosowany w postaci buforowanych roztworów wodnych, których dezynfekujące działanie jest aktywowane dodaniem kwasu. Ozon i chlor są bardziej aktywnymi środkami utleniającymi. Zaletą ditlenku chloru jest przede wszystkim jego selektywność, co pozwala na stosowanie niższych skutecznych dawek niż w przypadku ozonu i chloru, a także dzięki swojej selektywności może być stosowany do wód znacznie bardziej obciążonych materią organiczną. Innymi zaletami ditlenku chloru są m.in: Zeszyty Naukowe 16(88) 53 Andrzej Kozłowski Tabela 4. Dawka energii wymagana dla zniszczenia 99,9% mikroorganizmów (przy 253,7 nm) Table 4. A dose of energy required for destroying 99.9% of microorganisms (at 253.7 nm) Rodzaj Dawka mikroorganizmu [µW·s/cm2] Bacillus 8 700 anthracis Shigella 4 200 dysentariae (dezynteria) Corynebacterium 6 500 diphtheriae Shigella flexneri 3 400 (dezynteria) Dysentary bacilli (biegunka) 4 200 Staphylococcus epidermidis 5 800 Escherichia coli (biegunka) 7 000 Streptococcus faecalis 10 000 Legionella pneumophilia 3 800 Vibrio commo (cholera) 6 500 Rodzaj Dawka mikroorganizmu [µW·s/cm2] Mycobacterium 10 000 tuberculosis Bacteriophage (E. Coli) 6 500 Pseudomonas aeruginosa 3 900 Hepatitis 8 000 Salmonella (zatrucie pokarmowe) Influenza (grypa) Salmonella paratyphi (zapalenie jelit) Poliovirus (poliomyelitis) Salmonella typhosa (dur brzuszny) Drożdże piekarskie Rys. 8. Moduł dezynfekcji promieniowaniem UV firmy AquaTech [11] Fig. 8. Module of disinfection with UV radiation by AquaTech [11] UV są chronione i odizolowane od wody specjalnymi kwarcowymi rurami osłonowymi przepuszczającymi promieniowanie UV. System może być wyposażony w układ chemicznego czyszczenia rur osłonowych lamp UV. Zapewnia to skuteczne usuwanie osadów ograniczających skuteczność dezynfekcji promieniami UV w całym okresie eksploatacji lamp. Na skuteczność dezynfekcji duży wpływ ma mętność wód balastowych, która obniża głębokość penetracji światła. Ponieważ większość cząstek w wodach portowych w północnej Europie jest mniejsza od 5 µm, aby uniknąć przesłaniania promieniowania UV przez te cząstki i osłabienia jego efektywności, powinny być one najpierw oddzielone. Z rozmiaru tych cząstek wynika, że do oddzielenia ich należy zastosować proces mikrofiltracji. Taki proces filtracji membranowej jest już powszechnie stosowany w przemyśle do filtracji wstępnej, ale problemem są jeszcze duże strumienie neutralizowanych wód balastowych i odpowiednio duże gabaryty tych urządzeń, dla których trudno znaleźć miejsce na statku. Główną zaletą dezynfekcji z użyciem promieniowania UV jest wyeliminowanie konieczności transportowania i używania chloru. Jeżeli nawet chlor, po dokonanej dezynfekcji, zostaje usunięty z wód z użyciem innych związków, jak np. SO2, to i tak w wodzie pozostają resztki szkodliwych związków, które dla ekologów są powodem do niepokoju. Innymi zaletami dezynfekcji z wykorzystaniem promieniowania UV są: − nie ma potrzeby wprowadzania chemikaliów (przyjazna dla środowiska); − nie ma konieczności używania zbiorników reakcyjnych ani powtórnego pompowania; − nie zmienia właściwości fizykochemicznych wody; − niezawodność i szybkość (dezynfekcja trwa kilku sekund); 10 000 6 600 6 100 7 000 7 000 8 800 uzyskuje się więc wysoki udział najbardziej skutecznego zakresu promieniowania UV (>99% promieniowania o długości 254 nm). Po upływie ustalonego czasu pracy systemy UV automatycznie sygnalizują potrzebę czyszczenia. Systemy te mają budowę modułową i umożliwiają dostosowanie wielkości systemu do potrzeb (do kilku m3/h). Na pulpicie sterowniczym mogą być wyświetlane wszystkie parametry pracy oraz np. gęstość mocy UV w wodzie (mW/cm2). Systemy UV przeszły surowe testy (np. ÖVGW, Austria) i są produkowane zgodnie z wysokimi wymogami europejskich standardów dla wyrobów przemysłowych [11]. Na rysunku 8 przedstawiono moduł do dezynfekcji UV. Skuteczność dezynfekcji wód za pomocą promieniowania UV zależy od dawki promieniowania oraz od specyficznej odporności organizmów na jego działanie. W praktyce ustalono, że skuteczna dawka promieniowania, np. przy dezynfekcji wody pitnej wynosi ok. 400 J/m2. Dezynfekcja prowadzona jest w przepływowej komorze naświetlania, w której zamontowane są lampy UV. W systemach stosuje się wyłącznie gazowe lampy wyładowcze. Są one wykonane ze szkła kwarcowego i zawierają pary rtęci, które w stanie wzbudzonym emitują promieniowanie o określonym spektrum. Lampy 54 Scientific Journals 16(88) Neutralizacja wód balastowych − duża efektywność promieniowania UV w stosunku do pasożytów cryptosporidia i legionellae, − nie stwierdzono dotąd organizmów odpornych na odpowiednią dawkę tego promieniowania. W tradycyjnej technologii dezynfekcji wody chlor, w postaci gazowej lub w formie wodnego roztworu, wprowadzany był bezpośrednio do wody. Stosowanie nadchloranów, w miejsce chloru, jest dwa razy droższe. Ozonowanie jest metodą jeszcze bardziej kosztowną. W warunkach amerykańskich koszt dezynfekcji z użyciem promieniowania UV jest porównywalny z kosztami tradycyjnego chlorowania, łącznie z usuwaniem pozostającego chloru. W wyniku badań prowadzonych w ostatnim czasie w różnych krajach opracowane zostały specjalne systemy neutralizacji wód balastowych, które znalazły uznanie IMO m.in. dlatego, że funkcjonują bez potrzeby dodawania chemikaliów albo z zastosowaniem substancji biodegradowalnych. Należą do nich: system neutralizacji z zastosowaniem środka PERACLEAN® Ocean, system PureBallast, elektrochemiczny system EctoSys™, system CleanBallast, system PEROXEGEN™. Ozon • tej metody może być zwiększona przez zastosowanie filtracji wstępnej. Inne metody specjalne Dezynfekcja z użyciem ozonu spełnia większość wymogów związanych ze stosowaniem tej metody na statkach. Ozon pod ciśnieniem atmosferycznym jest niestabilny i dlatego wytwarzany jest bezpośrednio w miejscu dezynfekcji. Okres półtrwania ozonu w wodzie morskiej wynosi ok. 3,5 sekundy. Powstaje on z tlenu pod wpływem promieniowania UV lub podczas wyładowań koronowych. Wprowadzony do zanieczyszczonej wody ozon ulega trzem podstawowym procesom: reakcji z zanieczyszczeniami wody, rozkładowi i ulatnianiu się do atmosfery. Ozon jest bardzo efektywny w niszczeniu mikroorganizmów, ale za mało skuteczny do niszczenia organizmów większych. Efektywność dezynfekcji ozonem zależy zarówno od stężenia ozonu, jak i od czasu jego kontaktu z wodą. Czas kontaktu uzależniony jest od rodzaju mikroorganizmów, pH i temperatury. Skuteczność ozonowania wzrasta, jeżeli dezynfekcja jest poprzedzona operacją oddzielenia zanieczyszczeń z zastosowaniem filtracji lub użyciem hydrocyklonów. Istotnym mankamentem tej metody jest szybsza korozja zbiorników balastowych. Zostało to potwierdzone badaniami nadzorowanymi przez towarzystwo klasyfikacyjne Det Norske Veritas (DNV). Metoda ta jednak stosowana jest głównie w instalacjach lądowych. Jest to dwustopniowy system neutralizacji wód balastowych. System ten wykorzystuje PERACLEAN® Ocean, który jest bardzo skutecznym środkiem utleniającym, zarekomendowanym przez grupę ekspertów GESAMP w 2006 roku w siedzibie IMO w Londynie. Środek ten uzyskał aprobatę Komitetu Ochrony Środowiska Morskiego MEPC do neutralizacji wód zęzowych. Na rysunku 9 przedstawiono schemat ideowy systemu neutralizacji wykorzystującego technologie firm: Hamann AG i Degussa. Woda morska Separacja zgrubna hydrocyklony Mikrofiltracja (50 mikrometrów) PERACLEAN® OCEAN Zbiorniki balastowe Za burtę Rys. 9. System ideowy neutralizacji wód balastowych, wykorzystujący rozwiązania Hamann AG (Niemcy) i Degussa (Kanada) [18] Fig. 9. Ideological system of ballast water neutralization using the solutions of Hamann AG (Germany) and Degussa (Canada) [18] Ultradźwięki Ultradźwięki są stosunkowo nową metodą dezynfekcji i mają ograniczone zastosowanie w neutralizacji wód balastowych. Ultradźwięki są wytwarzane w urządzeniach zwanych transduktorami, które przetwarzają dostarczoną energię elektryczną na drgania o wysokiej częstotliwości. Ultradźwięki w wyniku kawitacji powodują destrukcję mikroorganizmów i pęknięcia błon komórek. Efektywność Zeszyty Naukowe 16(88) ® System PERACLEAN Ocean (firmy Degussa, Kanada) Preparat PERACLEAN® Ocean jest specjalnie przygotowaną stabilizowaną mieszaniną kwasu nadoctowego, nadtlenku wodoru, kwasu octowego i wody, przeznaczoną do neutralizacji wód balastowych. 55 Andrzej Kozłowski CH3COOOH + H2O kwas + woda nadoctowy ⇔ CH3COOH + H2O2 ⇔ oparta na trzech głównych synergicznych procesach zachodzących pod wpływem promieniowania UV: 1. Fotokatalitycznym: UV + TiO2 + O2 + H2O => •OH, 2. Fotolitycznym: UV + O2 => O3, 3. Fotolitycznym: UV + O3 + H2O => •OH, gdzie: TiO2 – dwutlenek tytanu (katalizator), O2 – tlen, H2O – woda, O3 – ozon, •OH – rodnik wodorotlenowy. Wolne rodniki charakteryzują się bardzo wysoką energią i są wyjątkowo reaktywne jako utleniacze. Czas ich życia wynosi tylko kilka nanosekund, dlatego muszą być wytwarzane bezpośrednio w dezynfekowanych wodach. Wyposażenie sterujące i dodatkowe systemu PureBallast zawiera niezależny zasilacz i steruje przepływem oraz pozwala mierzyć różne poziomy alarmowe. System wyposażony jest w moduł CIP (Cleaning in Place), który umożliwia automatyczne czyszczenie kwarcowych okładzin lamp UV po każdym procesie neutralizacji pobieranych i wypompowywanych wód. Rozwiązanie to zabezpiecza przed osadzaniem się na lampach zanieczyszczeń, które mogłyby osłabić skuteczność modułu Benrad AOT. Wydajność systemu PureBallast wynosi 250 m3/h. kwas + nadtlenek octowy wodoru Na podobnej zasadzie działa polski Steridial opracowany przez Przedsiębiorstwo Innowacyjno-Wdrożeniowe. Steridial jest jednym z silniej działających środków odkażających, a przy tym jest bezpieczny i całkowicie biodegradowalny (rozkłada się na wodę i kwas octowy). Posiada szerokie spektrum działania i skutecznie, a zarazem szybko niszczy bakterie, grzyby i wirusy. W efekcie zdezynfekowana woda, która pozostaje na dnie zbiornika balastowego, nie zaraża wody nowo pobieranej. • System PureBallast (Alfa Laval, Szwecja) System działa w oparciu o nietoksyczny katalizator z dwutlenku tytanu (tytan i TiO2 są powszechnie wykorzystywane w chirurgii w postaci implantów i jako składnik wyrobów kosmetycznych). System PureBallast wykorzystuje energię promieniowania UV i katalizator w celu wytworzenia wolnych rodników zdolnych do zniszczenia mikroorganizmów. W rozwiązaniu tym wody balastowe pierwszy raz neutralizowane są podczas ich pobierania, a drugi raz podczas wypompowywania. Składnikami tego systemu są: 1. Samooczyszczający filtr 50-mikronowy; 2. Moduł Benrad AOT (Advanced Oxidation Technology); 3. Wyposażenie sterujące i dodatkowe. Podczas balastowania wody przepływają przez 50-mikronowy filtr wstępny, który ogranicza pobieranie większych organizmów i cząstek oraz tworzenie osadów w zbiornikach balastowych. Woda płucząca filtr jest bezpośrednio zrzucana do morza. Moduł Benrad AOT wykorzystuje zjawisko fotodegradacji substancji w powierzchniowej warstwie wody w obecności fotokatalizatorów. Ta zaawansowana technologia utleniania wykorzystuje dwa procesy: − powstawania in situ wolnych rodników; − bezpośredniej fotodegradacji, zachodzącej po wcześniejszym zaadsorbowaniu się wolnych rodników na powierzchni fotokatalizatora, jakim jest TiO2. Oba te procesy, działając synergicznie, skutecznie niszczą mikroorganizmy. Do współdziałania z katalizatorem opartym na dwutlenku tytanu wykorzystywane jest specjalne spektrum promieniowania UV. W trakcie procesu nie zachodzi potrzeba dodawania żadnych dodatkowych substancji, ponieważ dwutlenek tytanu zachowuje się jak typowy katalizator i się nie zużywa. Technologia AOT jest • Elektrochemiczna neutralizacja Istotą systemu elektrochemicznej neutralizacji jest wprowadzenie strumienia zanieczyszczonych wód do elektrolitycznej komory, w której znajduje się para elektrod, zasilanych prądem stałym, umieszczona prostopadle do kierunku przepływu wody. W rozwiązaniu tym wykorzystywane są elektrody charakteryzujące się wysokim potencjałem redoks, czego rezultatem jest wzmożone wytwarzanie czynników dezynfekujących o krótkim czasie życia, takich jak rodniki wodorotlenowe, bezpośrednio w przepływającej wodzie. • System EctoSys™ (Permascand AG, Szwecja) Przedstawiono na rysunku 10 elektrochemiczny system neutralizacji in situ. System ten wykorzystuje elektrody o dużym nadpotencjale umożliwiającym wytwarzanie bezpośrednio w wodzie bardzo reaktywnych rodników hydroksylowych (•OH), co pozwala na bezpośrednie niszczenie mikroorganizmów na powierzchni elektrody poprzez ich utlenianie. Wolne rodniki hydroksylowe są bardzo skuteczne w niszczeniu planktonu, alg, bakterii 56 Scientific Journals 16(88) Neutralizacja wód balastowych elektrochemicznego systemu neutralizacji wód balastowych EctoSys® do swoich rozwiązań na statkach [17]. Technologia ta stała się kluczowym składnikiem nowoczesnego systemu neutralizacji wód balastowych CleanBallast (rys. 11), którego ważnym elementem są elektrody, wytwarzane w Szwecji według specjalnej technologii (Akzo Nobel N.V.) Użycie jednego tylko modułu EctoSys® umożliwia oczyszczenie z bakterii i mikroorganizmów strumienia wód wielkości 500 m3/h. W przypadku potrzeby neutralizacji większej ilości wód można zastosować większą liczbę modułów. W październiku 2006 roku RWO, jako jedna z czterech firm na świecie, została zatwierdzona przez IMO do wdrożenia na statkach szwedzkiego systemu dezynfekcji wód balastowych EctoSys®. Rys. 10. Elektrochemiczny system neutralizacji wód balastowych EctoSys™ [16] Fig. 10. Electrochemical system of ballast water neutralization EctoSys™ [16] • i wirusów. Okres połowicznego rozpadu wolnych rodników wodorotlenowych w normalnych warunkach jest rzędu nanosekund i z tego powodu nigdy nie opuszczają one komory dezynfekcyjnej (reaktora). Podczas procesu jako produkt dodatkowy powstaje pewna ilość aktywnego wolnego chloru, który zabezpiecza zbiorniki przed ponownym rozwojem mikroorganizmów i biofoulingiem. Pojedynczy moduł EctoSys umożliwia neutralizację do 500 m3/h. Wymagane jednak jest, aby stopień dezynfekcji poprzedzony był filtracją mechaniczną (filtry, hydrocyklony) w celu usunięcia zanieczyszczeń o rozmiarach większych od 40–45 µm. Firma RWO Marine Water Technology w Bremie (Niemcy), która jest jednym z wiodących dostawców systemów do neutralizacji wód, w maju 2007 r. nabyła prawa do stosowania szwedzkiego Systemem ten wykorzystuje nadtlenek wodoru (H2O2), który jest bezpośrednio wytwarzany w neutralizowanych wodach balastowych [12]. Powietrze Woda morska System neutralizacji PEROXEGENTM Wody balastowe czyste Prąd elektryczny Rys. 12. Schemat ideowy systemu neutralizacji wód balastowych PEROXEGEN™ [12] Fig. 12. Ideological scheme of ballast water neutralization system PEROXEGEN™ [12] Stosowanie nadtlenku wodoru uprzednio wytworzonego i dostarczanie go do neutralizowanych wód jest kłopotliwe ze względu na duże koszty oraz niebezpieczeństwo związane z transportem, składowaniem i stosowaniem stężonych roztworów wody utlenionej (35–70%). Użycie ozonu w jego miejsce stwarza zagrożenie dla obsługi. Zastosowanie natomiast nadtlenku wodoru otrzymanego w procesie zaawansowanego utleniania, z wykorzystaniem kombinacji promieniowania UV, w połączeniu z ozonem lub uaktywnieniem H2O2 do postaci bardziej radykalnego utleniacza, jakim są wolne rodniki hydroksylowe, pozwala na uniknięcie tych niedogodności. System PEROXEGEN™ jest kluczową, elektrolityczną technologią, która w łatwy sposób wytwarza nadtlenek wodoru do różnych zastosowań zaawan- Rys. 11. System neutralizacji wód balastowych CleanBallast (firmy RWO Marine Water Technology, Niemcy) [16] Fig. 11. Ballast water neutralization system CleanBallast (by RWO Marine Water Technology, Germany) [16] Zeszyty Naukowe 16(88) System PEROXEGEN™ (Eltron Research & Development, Colorado USA) 57 Andrzej Kozłowski 5. http://www.ballastwater.net/. 6. GRANITTO M.: Two Ballast Water Treatment Technologies, Hyde Marine Inc., Cleveland 2006. http://www.greatlakesseaway.com/en/pdf/Two_BWT_Technologies.pdf. 7. RYTKÖNEN J.: Ballast Water Management Technology Research, Seminar on Ballast Water Management, Satakunta University of Applied Sciences – School of Maritime Management, Rauma (Finlandia) 2006. 8. SASSI J., VIITASALO S., RYTKÖNEN J., LEPPÄKOSKI E.: Experiments with ultraviolet light, ultrasound and ozone technologies for onboard ballast water treatmet, VTT Tiedotteita, Research Notes 2313, ESPOO 2005. 9. CHASE C., REILLY CH., PEDERSON J.: Marine Bioinvasions facts sheet: Ballast water treatment options, MIT Sea Grant. http://massbay.mit.edu/resources/pdf/ballast-treat. pdf. 10. Global Ballast Water Menagement Programme (GloBallast) Special meeting of Country Protect Task Force (CPTF) of Ukraine Panel of Experts for losses ballast water treatment technological proposals, Odessa 2002. 11. http://members.magnet.at/aquaculture/AquaTech.htm. 12. http://www.eltronresearch.com/docs/PeroxEgen_Hydrogen _Peroxide_System.pdf. 13. www.globallast.od.ua/library/docs/26.doc. 14. http://globallast.imo.org/index.asp?page=problem.htm&me nu=true. 15. http://www.hydemarine.com/whats_new/index.htm. 16. http://www.rwo.de/lib/rwo/1/5B32m4n81j3ngjRq90q8OJC H.pdf. 17. http://www.hakuyohin.or.jp/MEPC55_2_4.pdf. 18. http://www.greatlakesseaway.com/en/pdf/PERACLEAN_Ocean_BWT.pdf. sowanej dezynfekcji wód. W metodzie tej wymagane jest jedynie powietrze (lub tylko O2) i prąd elektryczny. W układach przepływowych metoda ta pozwala na stosowanie H2O2 o stężeniu do 10 mg/l, a w układach z cyrkulacją – stężenia dochodzącego do 4000 mg/l. Na rysunku 12 przedstawiono schemat ideowy systemu neutralizacji wód balastowych PEROXEGEN™. System ten umożliwia pracę w temperaturze 5–50°C, bez znacznego wpływu temperatury na szybkość procesu. Za pomocą tej metody dezynfekcji można wyeliminować 99,99÷99,99999% szerokiego spektrum bakterii, jak np.: Bacillus subtilus, Bacillus stearothermophilus, Citrobacter freundi, Enterobacter cloacae, Staphylococcus epidermis, Escherichia coli, odporne na jodynę Pseudomonas cepacia, a także E.coli, S. epidermis, B. subtilus, B. Cereus. Bibliografia 1. D’ARCY P., BIBEAULT J.F.: Sustainable Navigation Strategy for the St. Lawrence, Navigation Consensus Building Committee, Quebec (Kanada) 2004. http://www.slv2000. qc.ca/plan_action/phase3/navigation/snd/images/snd_longu e_e.pdf. 2. LEPPÄKOSKI E.: Transport of alien marine organisms in ballast water tanks – an ecological roulette? Publ. Center for Maritime Studies, Univ. Turku 1997, pp. 89–93. 3. MORRIS T.: The Development of the International Convention for the Control and Management of Ships’,12 th International Conference on Aquatic Invasive Speices, Ontario (Kanada) 2003. 4. MCCARTHY H.P., CROWDER L.B.: An overlooked scale of global transport: phytoplankton species richness in ships’ ballast water. Biological Invasions, Vol. 2, Springer (2000), pp. 321–322. Recenzent: prof. dr hab. inż. Daniela Szaniawska Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie 58 Scientific Journals 16(88)
