На правах рукописи Сустретова Наталья Владимировна ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

На правах рукописи
Сустретова Наталья Владимировна
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ БАЛЛАСТНЫХ ВОД НА СУДАХ
СМЕШАННОГО «РЕКА-МОРЕ» ПЛАВАНИЯ
Специальность 03.02.08 Экология (транспорт)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород - 2011
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волжская государственная
академия водного транспорта».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор, заслуженный работник Высшей
школы РФ
Этин Владимир Львович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
профессор
Наумов Виктор Степанович
кандидат технических наук
Роннов Роман Евгеньевич
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (г. Новосибирск).
Защита состоится «21» июня 2011 г. в 14:00 часов в аудитории
231 на заседании диссертационного совета Д223.001.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего
профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО
ВГАВТ.
Автореферат разослан «20» мая 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
2
А.Н. Ситнов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время в результате антропогенной деятельности по нашей планете ежедневно перемещаются
десятки тысяч видов животных и растительных организмов. При
этом развитие их в новом регионе приводит к весьма серьезным
экологическим, социальным и экономическим последствиям. Ввезенные чужеродные виды по праву считаются второй по значению
угрозой биоразнообразию природных экосистем (после разрушения
мест обитания).
Вселение чужеродных видов животных, растений и микроорганизмов в природные сообщества в результате деятельности человека (интродукции) представляет собой биологическое загрязнение.
Последствия биологического загрязнения, в отличие от других
видов антропогенного воздействия (например, нефтяного загрязнения), имеют, как правило, необратимый характер. Это обусловливает особую опасность такого антропогенного воздействия и определяет специфику мер борьбы с биологическим загрязнением: они
должны носить преимущественно превентивный характер.
Проведенный обзор международного и Российского законодательства в области сотрудничества по предотвращению биологического загрязнения показывает, что этот вид загрязнения является
экологической проблемой глобального характера и представляет
собой серьезную угрозу экологической безопасности России.
В значительной степени эта проблема обусловлена переносом
организмов в судовых балластных водах и осадках. Значение этого
пути вселения чужеродных и опасных для региона организмов будет
увеличиваться по мере интенсификации судоходства, поэтому каждое судно, перевозящее и сливающее балластные воды, можно рассматривать как источник потенциальной экологической опасности.
В связи с этим, Россией в 2007 году была одобрена "Международная Конвенция по контролю и обработке судового водяного
балласта и осадков" (International Convention for the Control and
Management of Ships’ Ballast Water and Sediments, 2004) (далее Конвенция).
Рекомендуемый этой Конвенцией основной способ предотвращения биологического загрязнения представляет собой замену
балласта в местах с глубиной не менее 200 метров и на удалении от
3
берега не менее 200 морских миль. Однако он не применим для судов смешанного «река-море» плавания в силу их конструктивных
особенностей и эксплуатационных характеристик. К тому же этот
способ малоэффективен, потому что даже при трехкратной смене
балласта в танках образуются застойные зоны и полной смены воды не происходит.
В связи с этим в России и за рубежом активно ведутся исследования в направлении поиска новых способов обезвреживания балластной воды на судах. Известны работы И.А. Сагайдака (Украина), фирмы Mitsui OSK Lines – MOL (Япония), система обновления
судовой балластной воды (Россия), система обработки балласта
компаний Kure National Coll. Technol. и Babcock-Hitachi K.K. (Япония), система SEDNA фирмы HAMANN AG (Германия), системы
фирм Ecochlor, Inc. и Matson Navigation Company, Inc. (США), система и метод для обработки водяного балласта (США) и др.
Однако в этих работах отсутствуют исследования, посвященные обеспечению экологической безопасности балластной воды, с
учетом особенности конструкции и эксплуатации судов смешанного (река-море) плавания, поэтому исследования в этом направлении
являются актуальными.
Целью работы является научное обоснование создания судовой
системы для обеспечения экологической безопасности балластных
вод путем их обезвреживания на борту судов смешанного плавания
и методики определения основных характеристик этой системы.
Для достижения поставленной цели были решены следующие
задачи:
– исследовано видовое разнообразие и пути распространения
организмов, ввозимых с балластными водами на судах смешанного
(река-море) плавания, в том числе во внутренние водоемы и водотоки;
– исследованы особенности состава загрязнений балластной
воды на судах смешанного плавания;
– выполнены исследования и выбран способ управления качеством балластной воды;
– выполнено математическое описание процесса обезвреживания хлором балластной воды на судах;
– разработана принципиальная схема и математическая модель
работы системы обеспечения экологической безопасности балластных вод хлором;
4
– разработана методика определения основных характеристик
судовой системы для обеспечения экологической безопасности
балластных вод на судах смешанного плавания.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– впервые выполнено математическое описание процесса и
технологии обезвреживания хлором судовых балластных вод случайного состава путем внесения необходимой для обезвреживания
балласта дозы хлора и последующего управления качеством воды
за счет непрерывного контроля и поддержания содержания хлора в
воде на необходимом допустимом уровне;
– разработана принципиальная схема судовой системы обеспечения экологической безопасности балластных вод на судах смешанного плавания;
– создана математическая модель работы судовой системы
обеспечения экологической безопасности балластных вод на судах
смешанного плавания;
– выполнены исследования распада хлора в балластной воде в
зависимости от его концентрации в ней после принятия балласта,
длительности рейса судна и температуры балластной воды; получено выражение для расчета дозы хлора, обеспечивающей экологически безопасное состояние балластной воды;
– получен патент на полезную модель №85143 «Система обновления судовой балластной воды».
Практическая ценность и внедрение:
– создана методика определения основных характеристик судовой системы для обеспечения экологической безопасности балластных вод на судах смешанного плавания;
– результаты исследований использованы при выполнении
ВГАВТ-ом научно-исследовательских работ: «Разработка дополнений к Правилам экологической безопасности судов» (письмо ГУ
РРР №15-21-1107 от 02.05.2006г.); «Предотвращение загрязнения
внутренних водных путей балластными водами судов смешанного
(река-море) плавания» по заданию Российского Речного Регистра
(письмо № 15-21-3195 от 12.11.2007г.);
– результаты исследований используются в учебном процессе
по дисциплине «Промышленная экология» специальности «Инженерная защита окружающей среды».
5
Объект, предмет и методы исследований. Объектом исследований является судовая система для обеспечения экологической безопасности балластных вод на судах смешанного (река-море) плавания.
Предметом исследований является процесс обезвреживания
балластной воды со случайным переменным составом загрязнений
с помощью хлора.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением фундаментальных научных методов теории кинетики химических реакций, аппарата математического планирования эксперимента, методов экспертной оценки и статистического анализа.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и
обсуждались на научно-практической конференции «Проблемы
повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья» (Н.Новгород, 2003); международном форуме
«Великие реки» (Н.Новгород, 2005, 2006, 2007, 2008).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы
опубликованы в девяти статьях, одна из которых в рецензируемом
журнале из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа
содержит 104 страницы машинописного текста, в том числе 17 таблиц
и 13 рисунков. Список литературы состоит из 130 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко сформулирована актуальность темы, изложены основные направления исследований, а также описана структура диссертационной работы, ее научная новизна и практическая
значимость.
Первая глава посвящена анализу состояния рассматриваемой
проблемы, постановке цели и задач исследований.
В Европейских морях России в настоящее время насчитывается
около 150 видов организмов, ввезенных из различных районов Мирового океана. Многие виды, обладая широкой экологической толерантностью и высокой скоростью воспроизводства, формируют в
новых водоемах многочисленные популяции и существенно изменяют видовую и пищевую структуру экосистем.
6
Поэтому, транспортировка чужеродных организмов на судах с
балластной водой является не только экологической проблемой, но
и проблемой безопасности мореплавания, рыболовства и рыбоводства, сельского хозяйства, а в конечном счете – большой экономической проблемой.
Осознание мировым научным сообществом глобального характера этой проблемы стало причиной создания в 2004г. "Международной Конвенции по контролю и обработке судового водяного
балласта и осадков, которая в апреле 2007 года была одобрена и
принята Россией. Конвенция вводится в действие после подписания ее не менее чем 30-тью государствами с общим объемом перевозок, составляющих не менее 35% от мирового объема.
По данным ИМО на апрель 2009 года Конвенцию приняли 18
государств, с общим объемом перевозок более 15%. Иными словами, документ уже принят более чем половиной государств, участвующих в судоходстве. Кроме того, выполненный в диссертационной работе анализ более сотни проектов судов смешанного плавания показал, что около 70% эксплуатирующихся в настоящее время
судов смешанного плавания вынуждены иметь на борту во время
балластного перехода более 1500 м³ балластной воды. В соответствии с Конвенцией это вызывает необходимость начать управление балластными водами уже с 2014 года. Поэтому, для подготовки
к выполнению стандартов по управлению качеством балластных
вод осталось не так много времени.
Под термином управление качеством балластных вод согласно
Конвенции понимаются различные способы удаления, обезвреживания или избежания приема на борт судна вредных и патогенных
организмов.
Широко применяемым в настоящее время способом, соответствующим Конвенции, является замена балласта на удалении 200
морских миль от ближайшего берега в местах с глубиной воды более 200 метров. Замена должна производиться с эффективностью
не менее 95% по объему балластной воды на судне. Вместо единовременной замены балласта может применяться метод прокачки
трехкратного объема балласта каждого танка.
Оба метода замены балласта не применимы для судов смешанного «река-море» плавания, построенных по Правилам Речного Регистра вследствие их конструктивных особенностей, недостаточной прочности и остойчивости.
7
Конвенцией предусматривается ряд других способов для обезвреживания водяного балласта, например, сдача на береговые портовые или городские очистные сооружения, способ хранения балласта на судне более 100 суток, слив балластной воды в специально
назначенных зонах замены балласта, сертификация чистого балласта, приём на борт пресных субмаринных (субаквальных) вод и др.
Однако вышеперечисленные способы управления качеством
балластной воды нужно рассматривать только как теоретические, так как их эффективность не доказана, а внедрение потребует значительной по объему и длительной подготовительной
работы. В связи с этим, можно сделать вывод о том, что единственно перспективными для обезвреживания балластных вод
судов смешанного плавания могут быть только способы обработки балласта на борту судна, несмотря на возможные дополнительные затраты.
Поэтому, предлагаемая диссертационная работа посвящена выбору способа обезвреживания балласта на борту судна и исследованию возможности его применения для судов смешанного плавания.
Далее в главе сформулированы цель работы и основные задачи
исследований.
Во второй главе рассмотрены особенности состава и загрязнений судовой балластной воды, а также способы обеспечения ее
экологической безопасности.
Физико-химические свойства и состав загрязнений балластной
воды зависит от района плавания судна, поэтому в первую очередь
были определены морские бассейны, в которых наиболее часто
эксплуатируются отечественные суда смешанного плавания.
В процессе исследований были рассмотрены балластные рейсы
сорока судов, которые порядка 230 раз за навигацию привозили в
порты России сотни тысяч кубометров балласта более чем из 35-ти
стран мира. Средняя продолжительность балластных рейсов этих
судов составила от 3-х до 14 суток.
Принимались во внимание не только страны с акваторий портов, которых чаще всего вывозилась балластная вода (Иран, Греция, Турция, Италия, Украина), но и Российские порты, в которые
в течение навигации преимущественно эта вода сбрасывалась (Таганрог, Астрахань, Ростов, С.Пб.).
8
Оказалось, что основными "регионами-донорами" балластных
вод судов смешанного плавания являются Средиземное, Чёрное,
Азовское, Каспийское, а так же Балтийское моря.
Для оценки состава и загрязнения балластной воды, принятой в
"регионах-донорах" на борт судов смешанного плавания и сбрасываемой в акватории Российских портов был выполнен анализ литературы, а также собрана и обработана информация многолетних
наблюдений эколабораторий портов Одесса, Ильичевск, Керчь,
Астрахань, Владивосток, Приморск и др.
Дополнительные сведения о физико-химических свойствах и
составе загрязнений балластной воды были заимствованы из работ
Н.Ф. Возной, Н.И. Хотько, А.Ф. Алимова, Ю.Ю. Дгебуадзе,
Т.Г. Гилмора, С.И. Рубцовой, Ж.П. Селифоновой и А.Ю. Звягинцева. Результаты этой работы приведены в табл.1.
Таблица 1. Физико-химические свойства, состав примесей и биологическое
загрязнение балластной воды
№
Параметр
Значения и единицы измерения
1
2
3
4
5
6
7
Соленость
Температура
Взвешенные вещества
Водородный показатель (рН)
Биологическое загрязнение (E. coli)
Нефтепродукты
Железо общее
(1…35) ‰
(6…30) °C
(3,0…11,0) мг/л
7,5…8,5
(5…1380) КОЕ/100 мл
(0,3…5,0) мг/л
(0,28…3,0) мг/л
К способам обеспечения экологической безопасности воды на
борту судна можно отнести физические (безреагентные), химические (реагентные), биологические и комбинированные способы.
Каждый способ очистки воды имеет свои преимущества и недостатки, включает множество вариантов технологий. Поэтому были
отобраны только технологии, прошедшие длительную проверку на
действующих судовых системах и устройствах очистки пресной
воды. К ним относятся: хлорирование, озонирование; электрохимическая обработка и комбинация физического и химического способов; применение аппаратов вихревого слоя (АВС) и ультрафиолетовое (УФ) облучение.
При большом многообразии вариантов для выбора сложно
определить такой, который бы однозначно подходил для обработки
судовых балластных вод.
9
В условиях неопределенности и недостатка информации, широкое распространение получили экспертные методы (ЭМ), которые
используются при решении широкого круга задач идентификации
для оценки будущих состояний системы, вероятности тех или иных
исходов, при прогнозировании.
Рассматривалось четыре ЭМ: метод простой ранжировки, метод
задания весовых коэффициентов, метод последовательных сравнений и метод парных сравнений. Анализ показал, что субъективизм
оценок присутствует в каждом из них. Однако, наиболее простым,
а следовательно и более надежным является метод весовых коэффициентов.
Поэтому для решения поставленной задачи был применен метод весовых коэффициентов с привлечением методики, включающей следующие этапы:
 определение критериев оценки способов обезвреживания;
 нахождение значения критериев по каждому способу обезвреживания;
 перевод значения критериев в баллы;
 привлечение экспертов в пересекающихся областях для определения значимости каждого критерия оценки путем присвоения ему соответствующего весового коэффициента;
 обобщение результатов экспертных оценок значимости каждого критерия.
Критерии обосновывались с учетом следующих положений: работы будущей системы экологической безопасности балластных
вод в условиях вибрации и качки; необходимости контроля качества обезвреживания балластной воды; требований минимальных
массо-габаритных характеристик; минимума энергетических затрат; невысокой стоимости и простоты технического обслуживания.
Критерии выбирались из условия, что они не составные, имеют
количественную или качественную оценку и понятны экспертам.
Для определения весовых коэффициентов привлекалось семь
экспертов в области экологической безопасности судов, проектирования судовых систем и технологии очистки воды.
Анализ полученных результатов показал, что наибольшее количество баллов для обезвреживания балластной воды на судах
смешанного плавания получил способ хлорирования воды.
10
Третья глава посвящена исследованию процесса хлорирования
балластных вод судов смешанного плавания.
Анализ применяемой в настоящее время технологии обработки
поверхностной воды хлором показывает, что во всех случаях она
основана на предварительной очистке воды до заданного стандарта
и последующем обеззараживании хлором. Однако, если использовать такую технологию для обезвреживания балластной воды при
приеме ее на борт судна, пришлось бы перед обезвреживанием воды проводить сначала лабораторное исследование состава воды,
анализировать полученные данные, выбирать и осуществлять
предварительную обработку, а только затем обезвреживать, что
практически выполнить невозможно.
Исходя из этих соображений, решение проблемы видится автору в определении некоторой минимально необходимой и непрерывно контролируемой концентрации активного хлора, вводимого
тем или иным способом в балластную воду, которая имеет случайный состав, с целью достижения и поддержания стандарта качества
по обеззараживанию балластной воды, заданных Конвенцией (менее 250 КОЕ в 100 мл воды).
Величина необходимой вводимой концентрации активного
хлора главным образом будет зависеть от двух групп факторов, характеризующих следующее:
– физико-химические свойства и состав забортной морской воды (температура (t°C), водородный показатель среды (рН), соленость (s), взвешенные вещества (g), биологическое загрязнение
(E));
– техническое состояние балластных систем судна (взвешенные
вещества (g2), концентрация железа (f) и нефтепродуктов (v)).
Одновременно величина остаточного активного хлора при
сбросе балласта в водоем не должна превышать установленных
нормативов (0,3…0,5 мг/л).
Поэтому были разработаны и проведены два многофакторных
эксперимента, в которых параметром оптимизации была концентрация активного хлора, после введения которой через 30 минут
должно наблюдаться безопасное для сброса в водоем качество балластной воды.
В экспериментах использовалась модельная вода, приготовленная из природной, взятой в пресноводном водохранилище, с добав11
лением рассчитанной дозы морской соли и последующей проверкой результатов на ограниченном количестве опытов с реальной
морской водой.
При исследовании процесса хлорирования морской воды значение выбранного параметра оптимизации (концентрация вводимого хлора) определялось путем отбора из проведенных экспериментов только тех опытов, в которых при значениях заданных факторов результатом хлорирования являлось выполнение установленных нормативов качества балластной воды.
Анализ результатов первого эксперимента показал, что статистически незначимые факторы отсутствуют, а наибольшее влияние
на параметр оптимизации оказывает биологическое загрязнение.
Остальные факторы по степени влияния на параметр оптимизации
расположились в следующей последовательности: взвешенные вещества, соленость, водородный показатель среды рН и температура. Величины концентраций хлора для обработки природной воды
Черного моря оказались близкими к значениям, полученным в экспериментах с модельной водой.
Условия проведения второго эксперимента подобны описанному, но в качестве факторов варьирования были приняты примеси
воды, связанные с техническим состоянием балластной системы
судна.
По результатам этого эксперимента был сделан вывод о том,
что наибольшее влияние на концентрацию вводимого в балластную
морскую воду хлора оказывает содержание нефтепродуктов, в
меньшей степени содержание железа и взвешенных веществ.
По результатам экспериментальных исследований была получена зависимость (1) влияния физико-химических свойств забортной воды и загрязнений, связанных с техническим состоянием балластной системы судна, на дозу вводимого хлора, необходимую
для обезвреживания воды (Свх):
Cвх  C1  C 2  (6,9  0,012t  0,46 pH  0,02s  0,18 g  0,002 E ) 
 (1,24  0,07 g 2  0,26 f  0,43v), мг / л
(1)
Однако процесс обработки балластной воды на судне не ограничивается только обезвреживанием путем введения рассчитанной
по выражению (1) концентрации активного хлора во время приема
балласта. Далее наступает процесс хранения обработанной воды.
12
Этот процесс характеризуется скоростью распада хлора в воде, которую можно рассчитать с помощью известных уравнений кинетики химических реакций.
С целью определения входящих в эти уравнения неизвестных
для балластной воды величин порядка реакции и константы скорости реакции, были проведены специальные экспериментальные исследования.
Для оценки константы скорости и порядка реакции распада
хлора в балластной воде, которая зависит от температуры, были
экспериментально получены кривые процесса распада хлора при
разных температурах, но одинаковых прочих условиях.
С помощью этих кривых по известной зависимости (2) были рассчитаны константы скорости реакции (ki) при температурах: +6°C,
+13°C, +20°C и +30°C, а также определен порядок реакции (n = 1).
ki 
2,303 Cвх
,
lg
t
Ct
(2)
где
Сt – концентрация хлора к моменту времени t, мг/л.
Полученные частные значения констант скорости реакции были
использованы для определения энергии активации процесса распада хлора в балластной воде ( Еaбв ), которая оказалась равной 44,66
кДж/моль. Она позволяет рассчитать с помощью выражения (3)
константы скорости распада хлора в балластной воде при любой
температуре воды:
lg kT 
Eaбв  1 1 
    lg kи , мг/л,
2,303R  Tи T 
(3)
где kТ – константа скорости реакции при заданной температуре
воды (Т, К);
kи – константа скорости реакции при известной температуре
(Ти, К);
R – молярная газовая постоянная, равная
8,314 кДж/(К·моль).
Окончательно, с учетом выражений (2) и (3), доза активного
хлора, обеспечивающая экологическую безопасность хранения
балластной воды будет иметь вид:
13
C хр    С  10
Eaбв  1 1   2 , 303 Cвх
  lg
lg
2 , 303R  Tи T   t
Ct



, мг/л,
(4)
где C хр – концентрация хлора, обеспечивающая экологическую
безопасность хранения балластной воды, мг/л;
τ – время балластного рейса, с;
С – остаточная концентрация хлора в момент времени
 =0, мг/л.
С учетом полученных выше зависимостей, математическое
описание процесса обезвреживания и хранения балластной воды с
переменным случайным составом на судах смешанного плавания
будет описываться следующей системой уравнений:
Cвх  C1  C 2  (6,9  0,012t  0,46 pH  0,02s  0,18 g  0,002 E ) 
 (1,24  0,07 g 2  0,26 f  0,43v), мг / л
(5)
Cхр    С 10
Eaбв  1 1   2,303 Cвх 
    lg
lg 
2,303R  Tи T   t
Ct 
, мг/л
Четвертая глава посвящена разработке методики определения
основных характеристик судовой системы обеспечения экологической безопасности балластных вод.
Выполненные исследования процесса хлорирования и хранения
балластной воды с учетом особенностей конструкции балластных
систем судов смешанного плавания, позволили разработать принципиальную схему судовой системы для обеспечения экологической безопасности балластной воды (рис. 1).
Показанная на рис. 1 система состоит из емкости с жидким
хлором 1, соединенной трубопроводом с насосом-дозатором 2, который подает хлорпрепарат в балластный трубопровод, где он
смешивается с водой и поступает по трубопроводам в балластные
цистерны 5. Цистерны 1 и 5 снабжены воздушными клапанами,
которые оснащены фильтрами 3, предотвращающими попадание
паров хлорпрепарата из цистерн в атмосферу.
14
Рис. 1. Схема системы обеспечения экологической безопасности балластной
воды на судне:
1 – цистерна запаса хлора; 2 – насос-дозатор; 3 – фильтры газообразного хлора; 4 – связь анализатора остаточного хлора с насосом-дозатором; 5 – балластная
цистерна; 6 – автоматический анализатор остаточного активного хлора;
7 – фильтр угольный
В каждой балластной цистерне устанавливается анализатор
хлора 6 для измерения остаточной концентрации хлора в воде и
управления насосом-дозатором. На выходе из системы установлен
угольный фильтр 7 для удаления остаточного хлора из балластной
воды.
Система позволяет обеспечить обезвреживание балластной воды при ее приеме на борт судна, хранение ее в балластной цистерне
и поддержание остаточной концентрации хлора во время балластного рейса судна на необходимом уровне.
Для получения математической модели работы системы по
обеспечению экологической безопасности математическое описание процессов обезвреживания и хранения балластной воды было
дополнено уравнениями энергетического и материального балансов рабочей среды (жидкого хлорпрепарата) в этой системе с учетом совместной ее работы с балластной системой судна. В результате, математическая модель системы по обеспечению экологической безопасности балластных вод на судне будет иметь вид:
15
Cвх  11,8  0,012t  0,46 pH  0,02s  0,18g  0,002 E ,
мг/л
C хр    С 10
2, 33 

 3, 91

T 

, мг/л
Cэк  Cвх  С хр  0,3 , г/м³
С
(9)
2
H НД  RХС  QХС
 Н БС  hхл , м
QXC 
d
4
 XC , м³/сек
(10)
(11)
QXC  Cконц. хл  QБН  Сэк
где
(7)
(8)
n  71
100 ,%
M хп
2
(6)
(12)
Сэк – суммарная концентрация активного хлора, мг/л;
С – процентное содержание активного хлора в хлорпрепарате;
n – степень окисления хлора в хлорпрепарате;
71 – молярная масса хлора (Cl2), г/моль;
М хп – молярная масса хлорпрепарата, г/моль;
Н НД
RХС
QХС
H БС
hгх
 ХС
С конц
– напор насоса-дозатора, м;
– обобщенное сопротивление на участке от насосадозатора до узла смешения с балластной водой,
с/м²;
– расход обеззараживающей жидкости в системе,
м³/с;
– напор в узле смешения (принимается по результатам гидравлического расчета балластной системы),
м;
– уровень обеззараживающей жидкости над точкой
ввода в систему, м;
– скорость рабочей среды в системе экологической
безопасности балластных вод, м/ч;
– концентрация исходного концентрированного раствора хлора, г/л.
16
Разработанная математическая модель позволила разработать
методику определения основных характеристик судовой системы
обеспечения экологической безопасности балластной воды. К которым относятся:
– необходимый запас хлорпрепарата;
– максимальный объем расходной цистерны с хлорпрепаратом,
VЦЗхл , м³;
– диаметр трубопровода системы, d , м;
– производительность насоса-дозатора QНД , м³/ч;
– напор насоса-дозатора Н НД , м.
Блок-схема методики приведена на рис. 2. Для использования
методики необходимо иметь следующие исходные данные:
– район плавания;
– принципиальная схема балластной системы судна;
– общий объем балластных цистерн, VБВобщ , м³;
– характеристики балластного насоса – производительность
QБН , м³/ч и напор Н БН , м;
– максимальное загрязнение балластной воды в цистерне;
– длительность балластного рейса, τ, сек.;
– концентрация исходного концентрированного раствора хлорпрепарата, С конц , г/л.
В качестве примера в диссертационной работе с помощью описанной методики были определены основные характеристики системы обеспечения экологической безопасности балластных вод
для судна смешанного плавания проекта 006RSD02, эксплуатирующегося в бассейне Средиземного моря. Полученные основные
характеристики системы приведены в табл. 2.
Таблица 2 .Результаты расчета характеристик системы обеспечения экологической безопасности балластной воды для судна проекта 006RSD02
№
Характеристика системы
Результаты расчета
1
Vхл ,м³
2,7
2
VЦЗхл , м³
4,1
3
Q НД , м³/ч
0,174
4
H НД , м
29,2
17
Рис. 2. Блок-схема методики определения основных характеристик
судовой системы обеспечения экологической безопасности балластных вод.
18
С учетом характеристик системы была рассчитана стоимость
оборудования, материалов и монтажа системы обеспечения экологической безопасности балластных вод на судне. Она составила
1,5 млн. рублей.
Исходя из полученных значений на судне может быть применен
насос-дозатор марки DMX 160-5 B-SS/V/SS-X-E1A1A1X с механической регулировкой подачи (от 0 до 100%), оснащенный системой
микропроцессорного управления, сервоприводом, датчиком контроля мембраны насоса-дозатора.
Таким образом, в результате выполнения диссертационных исследований создана судовая система обеспечения экологической
безопасности балластной воды на судне смешанного плавания и
обоснована методика определения основных ее характеристик.
Эта система исключает риск аварий по сравнению с другими
способами обезвреживания балластных вод, требующих выхода
судна в открытое море на опасное удаление от берега.
Кроме того, создается существенный экологический эффект
благодаря более полной (99%) дезинфекции балластной воды и
экономический эффект за счет отсутствия простоя судов для обезвреживания (смены) балласта во время балластного перехода.
В заключении приводятся выводы по работе:
1. Исследовано количество, видовое разнообразие и пути распространения организмов, ввозимых с балластными водами судов
смешанного (река-море) плавания во внутренние водоемы и водотоки.
2. Проанализированы международные и национальные требования к качеству балластных вод и практика обращения с ними.
3. Выполнены исследования особенностей эксплуатации судов
смешанного плавания в балластных рейсах
4. Исследованы особенности состава загрязнений балластной
воды на судах смешанного плавания.
5. Описаны способы и средства обезвреживания балластной воды судов смешанного плавания.
6. Определен способ управления качеством балластной воды на
судах смешанного (река-море) плавания.
7. Проведены экспериментальные исследования влияния качества забортной морской воды и состояния балластных цистерн на
процесс хлорирования балластной воды.
19
8. Выполнено математическое описание процесса обезвреживания хлором балластной воды на судах.
9. Разработана принципиальная схема и математическая модель
работы судовой системы обезвреживания балластной воды с помощью хлора.
10. Разработана методика определения основных характеристик
судовой системы для обеспечения экологической безопасности
балластных вод на судах смешанного (река-море) плавания.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Всего автором диссертации опубликовано 9 печатных работ,
все по теме диссертации. Общий объем 2,2 п.л., из них 1,8 п.л.
написано лично автором.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Сустретова, Н.В. Проблема управления балластными водами
и пути ее решения / Н.В. Сустретова, В.Л. Этин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, 2009, №2. – С. 141–144.
Прочие публикации:
2. Сустретова, Н.В. Экологическая опасность балластных вод /
Н.В. Сустретова, В.Л. Этин // Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья: материалы научно-практической конференции. Ч.1. – Н. Новгород: изд.
ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2003. – С. 163–165.
3. Сустретова, Н.В. Источники и виды загрязнений балластных
вод / Н.В. Сустретова, В.Л. Этин // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Вып.12, 2005. – С. 237–
240.
4. Сустретова, Н.В. Анализ способов предотвращения биологического загрязнения / Н.В. Сустретова, В.Л. Этин // Международный научно-промышленный форум «Великие реки – 2005».
Труды конгресса. – Н. Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит.
ун-т, 2005. – С. 247–249.
5. Сустретова, Н.В. Оценка экологической опасности балластных вод / Н.В. Сустретова, В.Л. Этин // Международный научнопромышленный форум «Великие реки – 2006». Труды конгресса. –
20
Н. Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2006. – С. 245–
247.
6. Сустретова, Н.В. Анализ методов очистки балластных вод /
Н.В. Сустретова, В.Л. Этин, В.Н. Плотникова // Международный
научно-промышленный форум «Великие реки – 2007». Труды конгресса. – Н. Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2007. –
С. 268–270.
7. Сустретова, Н.В. Анализ национальных требований и инструкций по балластировке судов с учетом предотвращения загрязнения водоемов вселенцами / Н.В. Сустретова, В.Л. Этин // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта.
Вып.23, 2007. – С. 19–22.
8. Сустретова, Н.В. Оценка влияния коррозионного состояния
балластных цистерн на качество судовых балластных вод / Н.В.
Сустретова, В.Л. Этин // Международный научно-промышленный
форум «Великие реки – 2008». Труды конгресса. – Н. Новгород:
Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2008. – С. 277–279.
9. Сустретова Н.В. Решение проблемы управления качеством
балластных вод на судах смешанного «река-море» плавания / Н.В.
Сустретова // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Вып.29, 2010. – С. 3–9.
21
Формат 60×84 1/16. Гарнитура «Таймс».
Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0.
Тираж 100 экз. Заказ 081.
Издательско-полиграфический комплекс ФГОУ ВПО «ВГАВТ»
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а
22
23
24