Integrated ship system for preparation and conditioning of drinking water

Cover Page

Cite item

Abstract

The article considers the ways of preserving the quality of drinking water during prolonged storage in closed ship containers. The analysis of water treatment methods in marine conditions allowed to select the most promising and safe methods. The classification of activated oxidation technologies is given in the paper. The functional scheme of integrated ship systems of preparation and conditioning of drinking water is presented.

Full Text

Введение Вода - важный элемент окружающей среды, который оказывает существенное влияние на деятельность и здоровье человека. Нашу планету можно назвать гидропланетой, так как вода на 3/4 покрывает поверхность земного шара. Но, к сожалению, в природе не существует химически чистой воды, потому что она всегда содержит определенное количество растворенных газов, минералов и различные механические примеси. В связи с этим для использования воды в качестве технической, мытьевой и питьевой ее необходимо подвергнуть определенной обработке в зависимости от назначения. К источникам водоснабжения следует отнести поверхностные, подземные и атмосферные воды. Для судов же источником являются поверхностные береговые гидранты и суда-водолеи. В любом случае на судне готовая к потреблению вода хранится в специальных цистернах запаса. Известно, что со временем качество воды при хранении постепенно ухудшается, и в конце концов она становится непригодной к употреблению. Поэтому необходимо воду при хранении обязательно обеззараживать, либо консервировать, или кондиционировать [1-3]. 1. Способы обработки воды при длительном хранении в цистернах запаса Сохранить воду питьевого качества в цистерне запаса возможно тремя способами. 1. Самый простой способ (на первый взгляд) - свести к минимуму время хранения воды в закрытых цистернах (не более суток). Это достигается дезинфекцией воды собственной (судовой) установкой производительностью, близкой к объему потребления с учетом пиковых расходов. Но такая установка требует постоянного обслуживания, что технически и экономически невыгодно. Тем более надо постоянно пополнять цистерну свежей порцией воды. 2. Консервация - действия, направленные на долгосрочное сохранение объектов (например, воды). Наибольшее распространение из химических методов консервирования воды получило использование ионов серебра. Научно установлено, что при хранении воды в емкостях из серебра качество воды может сохраняться до 6 месяцев. Однако данный реагент дорогой и дефицитный. В практике рекомендуется применение серебра для консервации небольших объемов воды. Другим химическим методом является применение ионов меди. В настоящее время широкое применение в водоподготовке получила комбинация хлорирования с введением серебра и меди. Такой процесс позволяет уменьшить вводимые в воду концентрации реагентов, но при этом надо учесть и присущие хлору недостатки. Все перечисленные методы применимы только для малых объемов, поэтому для судов они нецелесообразны. 3. Кондиционирование - обработка объекта (например, воды) с целью привести его в соответствии определенным требованиям. Для этого необходимо применять специальные установки и аппараты, обеспечивающие полное восстановление свойств объекта (например, питьевых свойств воды). Учитывая сказанное, кондиционированная обработка воды, хранящейся длительное время в судовых цистернах, наиболее приемлемая для морских судов и судов смешанного (река - море) плавания. 1. Технологические процессы кондиционирования воды Кондиционирование воды на судах заключается в улучшении органолептических показателей качества воды (запаха, привкуса, цветности, мутности) и микробиологических показателей (колифаги, общие колиформные бактерии, термотелерантные колиформные бактерии, патогенные микроорганизмы). В судовых условиях ограниченного объема помещений и неизбежной качки судна реализовать полностью береговые технологии не представляется возможным. Поэтому на судах, как правило, используются скорые фильтры и по возможности безреагентные методы обеззараживания (ультрафиолетовое излучение (УФИ), озонирование, ионизирующее излучение, ультразвуковые колебания). В последнее время получили признание в водоподготовке кавитация и химический реагент - пергидроль. Проанализируем эффективность вышерассмотренных методов очистки воды в табличной форме (см. таблицу), воспользовавшись рядом литературных источников [2-21]. Эффективность уровня водоподготовки определяется по степени влияния каждого из методов очистки на показатели, представленные в таблице (5 баллов - наилучший). Итоговые значения баллов дают представление о действительном уровне эффективности того или иного метода очистки. Анализ существующих методов показывает, что наиболее перспективными и безопасными с одновременным повышением механической и санитарной надежности для установок на судах являются обработка УФИ, кавитация, обработка пергидролем, озонирование, фильтрация (или сорбция), а их комбинированное использование (в определенной последовательности) обеспечивает возникновение активированных окислительных технологий (AOT’s) [1-21]. Микробные токсины Хлорорганические вещества Простые органические вещества Ионы тяжелых металлов Избыток минеральных солей Безопасность метода Сравнительная эффективность методов очистки воды Бактерии Вирусы Фенолы Озонирование 5 5 3 4 4 4 2 2 5 34 Фильтрация и сорбция 3 3 2 4 4 3 3 2 5 30 Обработка УФИ 5 5 3 3 2 2 2 2 5 29 Хлорирование 5 5 3 3 2 3 2 2 1 26 Бромирование 5 5 3 2 2 2 2 2 1 24 Методы очистки воды Сумма баллов Таблица Коагулирование, флокулирование, фильтрация 3 2 3 3 3 3 4 2 2 25 Обработка перманганатом калия 3 2 3 2 2 3 2 2 3 22 Обработка пергидролем 5 5 3 4 3 4 2 3 2 31 Обработка ионами тяжелых металлов 2 2 2 2 2 2 5 5 3 25 Обработка высоковольтным зарядом 3 2 2 2 2 2 2 5 3 23 Электрический разряд малой мощности 3 2 2 3 2 1 1 3 3 20 Обработка переменным электрическим током 5 5 4 3 3 2 2 2 2 28 Обработка ультразвуком 4 4 3 3 2 2 2 2 5 27 Микрофильтрация 3 2 2 2 2 2 2 2 4 21 Иодирование 5 5 3 3 2 2 2 2 1 25 Ультрафильтрация 5 4 2 2 2 2 2 2 4 25 Кавитация 5 4 4 4 3 4 3 3 5 35 Microbic toxins Chlorinated organic compounds Simple organic substances Heavy metal ions Excess of minerals Comparative efficiency of methods of water purification Bacteria Viruses Phenols Ozonation 5 5 3 4 4 4 2 2 5 34 Filtration and sorption 3 3 2 4 4 3 3 2 5 30 UV treatment 5 5 3 3 2 2 2 2 5 29 Chlorination 5 5 3 3 2 3 2 2 1 26 Bromination 5 5 3 2 2 2 2 2 1 24 Methods of water treatment Method safety Total Table Coagulation, flocculation, filtration 3 2 3 3 3 3 4 2 2 25 Treatment with potassiumpermanganate 3 2 3 2 2 3 2 2 3 22 Perhydrol treatment 5 5 3 4 3 4 2 3 2 31 Treatment with heavy metal ions 2 2 2 2 2 2 5 5 3 25 Processing with high voltage 3 2 2 2 2 2 2 5 3 23 Electric discharge of low power 3 2 2 3 2 1 1 3 3 20 Processing with alternative current 5 5 4 3 3 2 2 2 2 28 Sonication 4 4 3 3 2 2 2 2 5 27 Microfiltration 3 2 2 2 2 2 2 2 4 21 Iodination 5 5 3 3 2 2 2 2 1 25 Ultrafiltration 5 4 2 2 2 2 2 2 4 25 Cavitation 5 4 4 4 3 4 3 3 5 35 2. Активированные окислительные технологии в процессах очистки воды На данный момент AOT’s разделяют на виды, представленные на рис. 1 [22; 23]. Относительное количество каждого из окислителей зависит от многих факторов, в частности, от интенсивности и спектра ультрафиолетового излучения, концентрации загрязнений и др. Рис. 1. Классификация активированных окислительных технологий (АОТ’s) non-photochemical perhydrol + UV (H2O2 + UV) Figure 1. Classification of activated oxidation technologies (AOTs) Гидроксильные радикалы ОН-, полученные тем или иным способом, способны разложить любое органическое вещество до полной минерализации. В случае трудно окисляемых неорганических примесей окисление происходит до высших форм окислов, которые затем удаляются из воды постфильтрацией. Фактор усиления (в ряде случаев) достигает величин порядка 102 для органических примесей и 103 для микроорганизмов. Исследования ученых свидетельствует о снижении эффективных концентраций применяемых дезинфектантов и экспозиционной дозы УФИ [21]. В источниках [14; 24; 25; 28] даны рекомендации по выбору различных комбинаций процессов. Так, при мутности воды более 4,6 мг/л и скорости потока воды более 1,5 м/с наиболее оптимально использование процессов Н2О2-О3, а при меньших значениях мутности и скорости потока воды - использование химических дезинфектантов и УФИ. 3. Функциональная схема объединенной судовой системы приготовления и кондиционирования питьевой воды Приведенная выше информация позволила авторам разработать новую функциональную схему судовой системы, изображенную на рис. 2. Части схемы сгруппированы в два отдельных и последовательно соединенных блока: предварительной (А) и основной (Б) очистки воды. Рис. 2. Функциональная схема объединенной судовой системы приготовления и кондиционирования питьевой воды: А - блок предварительной очистки воды; Б - блок основной очистки воды (блок кондиционирования); УФИО - лампа УФ>излучения озонообразующая; БПВ - блок подготовки воздуха Figure 2. Functional scheme of the integrated ship system for preparation and conditioning of potable water: A - pre>treatment unit; B - basic water treatment unit; UV/O3 - UV lamp with ozone formation; APU - air preparation unit А - блок предварительной очистки воды. Представляет собой цистерну запаса пресной забортной воды и узла обеззараживания пергидролем, который состоит из емкости для пергидроля и насоса-дозатора. Данный блок используется только для судов смешанного (река - море) плавания при прохождении пресных водоемов, то есть когда судно находится в районах внутренних водных путей (ВВП). Б - блок основной очистки воды (блок кондиционирования). Применяется как для морских, так и для судов смешанного (река - море) плавания при эксплуатации в морских районах для кондиционирования воды. Во время нахождения судна в районах ВВП используется в качестве основной очистки воды. Блок состоит из цистерны питьевой воды, насоса, эжектора-кавитатора, в который поступает озоно-воздушная смесь из УФИО, и фильтра с песчаной загрузкой. Финишная обработка воды осуществляется в лампе УФИО, воздух в которую подается из БПВ. Система работает следующим образом. 1. При нахождении судна в районе ВВП (используются блоки А и Б). Из цистерны блока А насосом блока Б вода подается в эжектор-кавитатор. При транзите из блока А в блок Б в воду подается пергидроль насосомдозатором, в результате чего происходит первый этап обеззараживания воды. Второй этап обеззараживания осуществляется в эжекторе-кавитаторе за счет кавитации и озона, который поступает из лампы УФИО. Далее из эжекторакавитатора вода очищается в фильтре и окончательно (третий этап) обеззараживается в лампе УФИО и только после этого подается потребителю. Итак, в системе используются AOT’s, включающие обеззараживающие процессы пергидролью, озонированием, кавитацией и УФИ, что значительно увеличивает санитарную надежность очистки воды. 2. При нахождении судна в морских районах (используется блок Б). Насосом вода из цистерны питьевой воды подается в эжектор-кавитатор, где происходит смешивание озона с водой и кавитация. После вода поступает в фильтр и лампу УФИО и далее потребителю. Здесь также используются AOT’s, но в сокращенном виде: озонирование, кавитация и УФИ. Во время незначительного потребления воды или его полного отсутствия вода начинает возвращаться в цистерну через циркуляционный трубопровод, чем обеспечивается сохранение качества питьевой воды в цистерне. В результате такой организации работы системы постоянно обеспечивается высокое качество питьевой воды. Заключение Предлагаемая объединенная судовая система позволяет всегда получать потребителям питьевую воду высокого качества независимо от места нахождения судна. На все приведенные технологические решения авторы статьи имеют соответствующие патенты РФ: № 2162060, № 2162061, № 2591965, № 113266, № 150765, № 152746, № 166601.

×

About the authors

Dmitry S. Mizgirev

Volga State University of Water Transport

Author for correspondence.
Email: pmptmvgavt@yandex.ru
SPIN-code: 4787-0332

PhD, Professor, Department of Hoisting-and-Transport Machines and Machine Repair

5 Nesterova St, Nizhny Novgorod, 603951, Russian Federation

Ekaterina A. Cherepkova

Volga State University of Water Transport

Email: pmptmvgavt@yandex.ru
SPIN-code: 8856-3693

PhD, Associate Professor, Department of Hoisting-and-Transport Machines and Machine Repair

5 Nesterova St, Nizhny Novgorod, 603951, Russian Federation

Anatoly S. Slyusarev

Volga State University of Water Transport

Email: pmptmvgavt@yandex.ru

PhD, Professor, Department of Hoisting-and-Transport Machines and Machine Repair

5 Nesterova St, Nizhny Novgorod, 603951, Russian Federation

Nikolai S. Otdelkin

Volga State University of Water Transport

Email: pmptmvgavt@yandex.ru
SPIN-code: 5456-1055

PhD, Professor Department of Hoisting-and-Transport Machines and Machine Repair

5 Nesterova St, Nizhny Novgorod, 603951, Russian Federation

References

  1. The Hygiene of drinking water on ships. Guidelines 1975–1979 dated April 9, 1979. Moscow, Publishing House of the Ministry of Health; 1979.
  2. Tikhomirov GI. Technology of water treatment on ships: a course of lectures: manual for students of marine specialties. Vladivostok, Maritime State University Publ.; 2013.
  3. Vorobyeva LV. Hygiene, sanology, ecology: textbook. Saint Petersburg, SpetsLit Publ.; 2011.
  4. Medrish GL, Semenova MA, Koryagin OG. Device for disinfection of water with ultraviolet light and ozone. Patent of Russia No. 2042637 from 21.06.1993. Publ. 27.08.1995.
  5. Moiseev II. Oxidative methods of water purification technology and air. Izv. Ac. Sc. Chem. 1995;(3):578–588.
  6. Kulsky LA, Goronovsky IT, Koganovsky AM, Shevchenko MA. Directory on properties, methods of analysis and purification: in 2 parts. Part 1. Kiev, Naukova dumka Publ.; 1980.
  7. Kurnikov AS, Vaskin SV. Automation of ship stations, preparation of drinking water. Shipboard ozonation station and automation. 2000;294:3–52.
  8. Lunin VV, Popovich MP, Tkachenko SN. Physical chemistry of ozone. Moscow, MGU Publ.; 1998.
  9. Filippov YV, Voblikova VA, Panteleev VI. Electrosynthesis of ozone. Moscow, MGU Publ.; 1987.
  10. Lamps of UV-disinfection. Co. Ltd. “TPO ‘Arista’ ” – Advanced technology. Available from: http://donetsk.prom.ua/ p305166-lampa-obezzarazhivaniya-s5q.html (accessed: 17.12.2016).
  11. The Lamp of UV radiation. Tertius. Available from: http://tertia.ru/spesiallampi.html (accessed: 17.12.2016).
  12. Veselinsky IM, Rokhlin GN. High pressure mercury lamps. Moscow, Energiya Publ.; 1971.
  13. Rozhdestvensky VV. Cavitation. Leningrad, Sudostroenie Publ.; 1977.
  14. Birkgoff B, Sarantonello E. Jets, trails and caverns. Moscow, Mir Publ.; 1964.
  15. Ivanov AN. Hydrodynamics of developed cavitation flows. Leningrad, Sudostroenie Publ.; 1980.
  16. Ivanov LA. On the application of cavitators (Review). Energy saving: energy-saving technologies for industrial enterprises. Miass; 2008. p. 28–38.
  17. Sokolov EY, Singer IM. Jet devices. 3rd ed., revised. Moscow, Energoatomizdat Publ.; 1989.
  18. Pikayev AK, Kabakchi SA. The reactivity of primary products of radiolysis of water. Moscow, Energoizdat Publ.; 1982.
  19. Cherepkova EA, Kurnikov AS, Mizgirev DS. Calculation of hydrodynamic cavitator with toroidal mixing chamber. Vestnik of State University of Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarova. 2015;4(32):p. 60–65.
  20. Cherepkova EA, Kshtaltny NI. The use of renewable energy sources in shipbuilding. Bulletin of the Volga State Academy of Water Transport. 2018;54:55–62.
  21. Filters for water. Videomix. Available from: http://voda.videomix.ru/show_mix/show. php?id=43958/sterilight_sp950-ho2 (accessed: 12.16.2016).
  22. Avchinnikov AV, Rahmanin YA, Zhuk EG. The study of the combined action of ultraviolet radiation and chemical disinfectants for disinfection of drinking water. Water: Ecology and Technology. Proc. Rep. The Third International Congress. Moscow, SIBICO International; 1998. p. 223.
  23. Murakov AP, Grebenikov EN. Purification of highly contaminated waste waters of chemical production. Ecology and Industry of Russia. Moscow; 2000. p. 9–12.
  24. Crasso D, Weber WJ, De Kam JA. Effects of preoxidation with ozone on water quality: a case study. American Water Works Association Journal. 1989;81(6):85–92.
  25. Goncharuk VV. Photocatalytic destructive oxidation of organic compounds in aqueous media. Chemistry for sustainable development. 1997;(5):345–355.
  26. Dowideir P, Fang X. The fate of peroxilradicals in agueous solution. Wat. Sci. Tech. 1997;35(4):9–15.
  27. Munter R. Advanced oxidation processes-current status and prospects. Proc. Estonia Acad. Sci. Chem. 2001:59–80.
  28. Mizgirev DS, Kournikov AS. Designing a digester as an element of the ship system SKPO. Bulletin of the Volga State Academy of Water Transport. 2017;52:107–120.

Copyright (c) 2019 Mizgirev D.S., Cherepkova E.A., Slyusarev A.S., Otdelkin N.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies