Gradbeni vestnik • letnik 65 • junij 2016128 Martina Cvetković, Franci Steinman•RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO DEVELOPMENT OF A HYDRODYNAMIC CAVITATION SYSTEM FOR THE TREATMENT OF BALLAST WATER ON SHIPS Martina Cvetković, mag. ing. pp. tp. prof. dr. Franci Steinman, univ. dipl. inž. grad. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo Hajdrihova 28, 1000 Ljubljana Znanstveni članek UDK 532.5:574.583(26.04)(497.4) Povzetek l Eden glavnih načinov prenosa invazivnih tujerodnih vrst med vod- nimi ekosistemi po svetu so balastne vode, zato želimo z različnimi sistemi za obdelavo balastnih voda zmanjšati njihov negativni vpliv oziroma preprečiti širjenje invazivnih orga nizmov, ki so v njih. Merila za določanje učinkovitosti sistemov so pripravljena v okviru Med narodne konvencije za nadzor in ravnanje z ladijskimi balastnimi vodami in sedi menti, ki pa še ni začela veljati. Ena od možnosti čiščenja balastnih voda so naprave s hidrodinamsko kavitacijo, v katerih se v glavnem elementu naprave ustvari nenadno zmanjšanje lokalnega tlaka, ki poškoduje ali uniči organizme v pretakajoči se balastni vodi. Predstavili bomo razvoj nove naprave, ki je pri ustvarjanju hidrodinamske kavitacije učinkovitejša kot obstoječe naprave, ki uporabljajo isti proces obdelave vode. S hidravličnimi poskusi smo najprej razvili novo zasnovo z intenzivnim tvorjenjem kavi- tacije, nato so sledili biološki poskusi z morsko vodo iz Piranskega zaliva, s katerimi smo preverili še učinek kavitacijske obdelave na morske organizme. Ta je bil ovrednoten z doseženo stopnjo poškodovanosti treh ciljnih morskih organizmov. Preverili smo tudi, ali bi lahko s separacijo, kot predobdelavo morske vode, učinek naprave še izboljšali. Rezultati primerjave kažejo večjo učinkovitost nove naprave na vseh testiranih organiz- mih in boljše obratovalne lastnosti od obstoječih kavitacijskih sistemov. Ključne besede: invazivne vrste, balastne vode, Mednarodna konvencija za nadzor in ravnanje z ladijskimi balastnimi vodami in sedimentom, hidrodinamska kavitacija, zoo- plankton, morske bakterije Summary l Ballast water is one of the most important ways of the transfer of invasive foreign species between the worldwide aquatic ecosystems. With the aim of preventing and decreasing the extent of the spread of invasive organisms, and in accordance with the International Convention for the Control and Management of Ships’ Ballast Water and Sediments, different systems for ballast water treatment have so far been developed. Based on a review of existing technologies and their limitations three new designs of hydrodynamic cavitation pilot systems have been developed and con- sequently optimised. The aim of this investigation was to use hydrodynamic cavitation as the main step in the treatment process and to apply the process of separation as a pre-treatment of ballast water treatment, but only if necessary. In the first phase of the experiments a pilot system, which showed the highest hydraulic efficiency for genera- ting hydrodynamic cavitation, was developed. The aforementioned pilot system was Gradbeni vestnik • letnik 65 • junij 2016 129 RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO•Martina Cvetković, Franci Steinman Pri tovorni plovbi je zajem balastne vode pogost spremljajoči pojav. Če je plovilo dovolj obremenjeno s tovorom, balast ni potreben, saj tovor zagotavlja stabilnost. Pri plovbi delno polnega ali celo praznega plovila, še posebno v težkih vremenskih razmerah, pa mora plovilo zajeti balastno vodo, da zagotovi stabilnost, zmanjša velikost nagibanja in izboljša ohra- njanje smeri plovbe. Ko balastne vode niso več potrebne, se iz plovila izpustijo v po gosto drugačno okolje, z njimi pa tudi različni orga- nizmi z drugih lokacij. Zato so balastne vode, poleg obrasti na ladijskih trupih in ribogojstva, poglavitni vir oz. način prenašanja tudi inva- zivnih tujerodnih vrst med različnimi vodnimi ekosistemi po svetu (slika 1) [David, 2013]. Invazivna tujerodna vrsta (ITV, angl. non- indigenous species (NIS) oz. invasive alien species (IAS)) je opredeljena za tisto vrsto, ki se pojavi zunaj svojega naravnega okolja, v novem okolju pa njena naselitev in širjenje ogrožata obstoječo biotsko raznovrstnost (ekosisteme, habitate ali vrste) in/ali zdravje ljudi, lahko pa tudi gospodarske dejavnosti. Za Sredozemsko morje in ob tem za Jadransko morje je bilo na seznam ITV uvrščenih že več kot 980 neavtohtonih vrst, vendar je med njimi le 12 vrst, ki so neposredno povezane z ladij- skim prevozom. Domnevamo pa, da bi bilo lahko pomorstvo zaradi balastnih voda oz. zarasti na ladijskih trupih izvor še nadaljnjih 300 tujerodnih vrst, uvrščenih na ta seznam [Zenetos, 2012]. Skupna količina letnih izpustov balastnih voda je bila za leto 2013 ocenjena na približno 3,1 milijarde ton [David, 2014]. V njih so doslej zaznali vsaj 10.000 različnih organiz- mov [Faimali, 2006], med katerimi so tudi različni tujerodni organizmi, kot so vretenčarji, nevretenčarji, rastline, mikroskopske alge in bakterije ([Ruiz, 2000], [Khandeparkar, 2013]). Z večanjem obsega plovbe postaja širjenje organizmov z balastnimi vodami vse bolj nepovraten proces, ki pogosto negativno vpliva na avtohtone vodne ekosisteme ([Gol- lasch, 2007], [Kang, 2010]), hkrati pa so balastne vode vir nevarnosti tudi zaradi pri- sotnih človeških patogenov, kot je npr. Vibrio cholerae [Seiden, 2014]. Da bi zmanjšali vir nevarnosti zaradi ITV, je Mednarodna pomorska organizacija (IMO – angl.: International Maritime Organisation) pripravila Konvencijo za nadzor in ravnanje z ladijskimi balastnimi vodami in sedimenti (t. i. konvencija BWM, angl.: Ballast Water Man- agement, v nadaljevanju besedila: konven- cija). Z njo želi urediti tako dovoljene načine izpuščanja balastnih voda kot tudi predpisati potrebne oz. dovoljene načine ravnanja oz. obdelave balastnih voda in z njimi povezanih sedimentov ([IMO, 2004], [Lloyd register, 2014]). Konvencija bo začela veljati eno leto po izpolnitvi pogoja, da jo ratificira najmanj 30 držav oziroma toliko držav, ki imajo skupaj vsaj 35 % tonaže svetovnega trgovskega ladij- skega prometa. Doslej je konvencijo ratifici- ralo 49 držav, ki pa imajo skupaj le 34,82 % trgovske ladijske tonaže [IMO, 2016], zato konvencija še vedno ni začela veljati. Tako še vedno ostaja najpogostejši način zgolj običajna zamenjava balastnih voda z ladij- skim tovorom, pri čemer pa je izpust v morje nekoliko omejen z varnostnimi zahtevami in geografskimi pogoji (lokacija izpuščanja), kar pa seveda ni učinkovit način zaščite vodnih ekosistemov pred ITV. Čeprav konvencija še ne velja, potekajo in- tenzivne raziskave različnih tehnologij obde- lave balastnih voda, ki bi izpolnile zahteve iz standarda D-2, ki je bil pripravljen v okviru te konvencije. Cilj je, da bi čim bolj zmanjšali vnos ITV v lokalno okolje ali vsaj njihovo možnost širjenja in tako zmanjšali s tem povezana tveganja za okolje. Pregled obstoječih tehnologij oziroma raznolikost uporabljenih procesov v njih podajamo v preglednici 1, kjer je razvidno, da se v želji po večji učinkovitosti obdelave uporabljajo tudi kombinacije tehnologij. Pri slednjih je problematično dodajanje kemikalij, ki so lahko nevarne za posadko ladij ali okolje [Lloyd register, 2014]. 1•UVOD then chosen in the second, i.e. biological phase of the experiments, the aim of which was to determine the performance of ballast water treatment. The specific criterion for this step was the extent of the destruction of the aimed marine organisms. The results of the biological experiments confirmed that the newly developed system shows a high efficiency on all tested organisms. Keywords: invasive species, ballast water, International Convention for the Control and Management of Ships’ Ballast Water and Sediments, hydrodynamic cavitation, zoo- plankton, marine bacteria RIBOGOJSTVO BALASTNE VODE    LADIJSKIH TRUPOV 0 5 10 15 20 25 30 35 OBSEG RAZNAŠANJA INVAZIVNIH TUJERODNIH VRST [%] EVROPSKA UNIJA SVET Slika 1•Primerjava virov invazivnih tujerodnih vrst (ITV): obrast na trupih plovil, balastne vode, Slika 1•vzreja morskih organizmov, vse izraženo v odstotkih za EU in za cel svet Slika 1•(prirejeno po [Gollasch, 2007]) Gradbeni vestnik • letnik 65 • junij 2016130 Martina Cvetković, Franci Steinman•RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO Pri pregledu obstoječih tehnologij smo ana lizirali njihovo učinkovitost ter njihove prednosti in slabosti. Ocenili smo, da bi PREGLED TEHNOLOGIJ ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA MEHANSKI PROCES FIZIKALNA DEZINFEKCIJA KEMIČNA OBDELAVA KOMBINACIJE Filtracija Ciklonsko ločevanje (hidrocikloni) Elektromehanična ločitev Ultravijolično obsevanje Akustična kavitacija (ultrazvok) Odzračenje (odstranitev raztopljenega kisika) Hidrodinamska kavitacija Toplotna obdelava Elektro kloriranje/Elektroliza Biocidi Kloriranje Klorid dioksid SeaKleen Peraclean Ocean Ozoniranje Koagulacija/Flokulacija Kemična redukcija (Sulfit/Bisulfit) Mehanski proces + fizikalna dezinfekcija Mehanski proces + kemična obdelava Preglednica 1•Glavne skupine tehnologij za obdelavo balastnih voda in reprezentativni procesi posamezne skupine (prirejeno po [ABS, 2011], Preglednica 1•[Lloyd register, 2014]) lahko z razvojem nove naprave s hidro- dinamsko kavitacijo dosegli višjo stop- njo odstra njevanja ITV iz morske vode in ugodnejše pogoje delovanja naprave. Rezul- tati inten zivnih raziskav so pokazali, da so cilji doseženi. Hidrodinamska kavitacija je fizikalni pojav, ki poteka na območjih hitrega zmanjšanja tlaka v tekoči vodi, lahko pa tudi v drugi kapljevini ([Jyoti, 2001], [Al-Jubouri, 2010]). Takšne spre- membe običajno nastajajo pri naglih geometrij- skih spremembah v napravi, kjer tokovne raz- mere v tekočini povzročijo, da lokalno tekočina preide iz tekočega v plinasto (mehurčkasto) stanje in nato nazaj v tekoče stanje [Arrajo, 2008]. Pri teh pretvorbah nastanejo tlačni va- lovi kot posledica znatnih količin ujete energije, ki se sprošča iz razpadlega mehurčka plinaste faze. Proces je zelo intenziven in ga pogosto obravnavamo kot nezaželen pojav [Knapp, 1970], ki lahko poškoduje različne površine, kot so ladijski propelerji, črpalke, ventili in oste- nje cevi ([Brennen, 1995], [Brujan, 2011]), na katerih nastaja erozija, ki jo spremljajo vibracije in hrup [Kuiper, 2012]. Tipični primeri, kjer se pojavlja hidrodinamska kavitacija, so različne šobe, odprtine, Venturijeva zožitev ipd. (slika 2). Za obdelavo balastnih voda pa smo v našem primeru hidrodinamsko kavitacijo uporabili za koristni proces, s katerim želimo doseči, da bi bili pri pretakanju balastne vode preko območja kavitacije organizmi (še predvsem ITV) poškodovani oz. uničeni v takšni meri, da se ne bi mogli obnavljati ali množiti in ne bi bili več nevarni za okolje. Iz številnih študij lahko povzamemo, da so naprave s hidrodinamsko kavitacijo učinkovitejše pri uničevanju ITV in običajno še precej energetsko učinkovitejše v primer- 2•HIDRODINAMSKA KAVITACIJA PRETOK ODPRTINA V STENI     NASTAJA KAVITACIJA Slika 2•Pri hitrem toku tekočine skozi odprtino se v območju zožitve pretočnega prereza Slika 2•za odprtino, ki jo tvori iztekajoči curek, lahko pojavi hidrodinamska kavitacija Slika 2•(prirejeno po [Gogate, 2011]) javi z napravami z akustično kavitacijo, ki jo povzroča prehod ultrazvočnih valov skozi medij ([Chivate, 1993], [Pandit, 1993]). Ener- getska učinkovitost pri hidrodinamski kavitaciji znaša od 54 % do 60 %, pri različnih akustičnih napravah pa le od 3 % do 43 %. Izračun učinkovitosti je opisan v literaturi ([Arrajo, 2008], [Chivate, 1993], [Jyoti, 2001], [Pandit, 1993]). Poleg energetske učinkovitosti študije prikazujejo druge prednosti hidrodinamske kavitacije pred akustično [Jyoti, 2001], kot so veliko preprostejša oprema, preprostejše vzdrževanje, enostavna nadgradnja naprave za povečanje zmogljivosti oziroma kom- biniranje z dodatno obdelavo. Hidrodinamska kavitacija, ki uničuje celice enoceličnih ali večceličnih organizmov, je sicer že znana in razširjena metoda (npr. dezinfek cije) v različnih industrijskih procesih ([Sawant, 2008], [Brujan, 2011]). Ven- dar pa je doslej le nekaj avtorjev ([Kato, 2003], [Sawant, 2008], [Renade, 2009]), in še to le v laboratorijskih pogojih, razisko- valo učinkovitost hidrodinamske kavitacije pri uničevanju različnih morskih organizmov. Tudi mednarodna Uprava za vgradnjo naprav na plovila je doslej za obdelavo balastnih voda odobrila le štiri sisteme, ki uporabljajo hidro dinamsko kavitacijo ([IMO, 2014], [Lloyd register, 2014], [Cvetković, 2015]), pa še Gradbeni vestnik • letnik 65 • junij 2016 131 RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO•Martina Cvetković, Franci Steinman ti jo uporabljajo le kot enega od procesov obdelave balastnih voda, ki se nadgradi z dodajanjem različnih kemikalij, da se poveča učinkovitost obdelave. S tem naprave sicer izpolnjujejo pogoje IMO, vendar pa zaradi do- dajanja kemikalij negativno vplivajo na okolje (na morske organizme), so negospodarne (visoki stroški vzdrževanja, visoka poraba energije) in lahko vplivajo na varnost pri obra- tovanju, saj je za ravnanje z napravami in kemikalijami potrebno posebno izobraževanje posadke [Lloyd Register, 2014]. Zaradi zgornjih ugotovitev smo se odločili razviti učinkovitejšo napravo s hidrodinamsko kavitacijo. Cilj raziskav je bil v hidravličnem laboratoriju UL FGG razviti novo napravo in s poskusi s sladko vodo doseči nastajanje čim boljše hidrodinam- ske kavitacije, nato pa učinek nove naprave preveriti na treh značilnih organizmih v mor- ski vodi severnega Jadrana. Najprimernejšo zasnovo elementov, ki v cevovodu ustvarjajo razmere za razvoj kavitacije, smo določili s preizkušanjem različnih geometrij šob in z različnimi porazdelitvami po prerezu (slika 3), kombinirano z usmerniki curkov. Tako je bilo zasnovano jedro naprave. Po razvoju učinkovitega jedra naprave, s ka- terim se kavitacija kar najbolje ustvarja, smo postopoma zasnovali tri nove konstrukcije pilotnih naprav (oznake: I, II in III), kjer je bilo treba doseči čim večji učinek gradnikov v skupini (šobe, usmerjevalniki ipd.). Preučili smo različne možnosti napeljave cevovodov ter poiskali najprimernejšo konfiguracijo in di- menzije gradnikov v osrednji komori naprave. V vsakem naboru poskusov smo za vse zasnovane naprave merili številne parametre, npr. dejanski pretok (Q0), zračni tlak (p0), temperaturo zraka (Tzraka) in vode (Tvode), tlak na vtoku vode v sistem (p_1) in dejanski tlak na ključnih točkah, pomembnih za spreml- janje delovanja naprave (p_2... p_10) (slika 4). Z njimi smo izračunali značilne vrednosti delovanja pilotnih naprav, kot so hitrost vode na značilnih prerezih sistema (v), kavitacijsko število (σ), razlike tlakov (Δp) in poraba ener- gije (P ), s katerimi je bilo mogoče dokazati primerljivo oz. boljše delovanje novo razvite naprave od doslej znanih naprav. Prikazana naprava III je pri poskusih izkazala najboljši hidravlični učinek. Kot kaže shema, ima ta v komori vgrajeni dve nasprotno usmer- jeni dotočni cevi, ki imata na ustju nameščeni prečni plošči z odprtinami. Iztoki iz odprtin za ploščama ustvarjajo območji kavitacije, ki se zaradi nasprotno usmerjenih dotokov medse- bojno še intenzivno prepletata. Ko so se v napravi III opravljali poskusi z morsko vodo, v kateri so prisotni organizmi in druge snovi, je v komori potekalo tudi 3•RAZVOJ NOVE NAPRAVE IN EKSPERIMENTALNO PREVERJANJE 3•UČINKOVITOSTI KAVITACIJSKE OBDELAVE MORSKE VODE Slika 3•Ena od obravnavanih plošč s petimi odprtinami (srednja odprtina je izvrtana pravokotno, Slika 3•preostale štiri pa pod kotom 45°), za katerimi iztekajoči curki ustvarjajo hidrodinamsko Slika 3•kavitacijo, s ploščo pa so kombinirani še različni usmerjevalniki Slika 4•Shema instalacije naprave III z merilno opremo in opremo za uravnavanje pretoka. Slika 4•Zgornji osrednji del je komora, tj. jedro, v katerem se ustvarja kavitacija, ko črpalka poganja Slika 4•izbrani pretok po krogotoku M MT[°C] Q Q Q Q Q   p_1p_2 p_3 p_4 p_5 Q[m3/h]   RAZCEP NOTRANJI TLAKI p_6...p_9 JEDRO KAVITACIJSKE OBDELAVE p_10 IZPUST VODE ZRAK    M ... merilnik: temperatura rel. tlak dif. tlak pretok [m 3/h] [°C] [bar] [bar] M Gradbeni vestnik • letnik 65 • junij 2016132 Martina Cvetković, Franci Steinman•RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO delno centrifugiranje. Voda namreč v komoro doteka tangencialno, zato so v nastalem vrtinčnem toku delci z gostoto, večjo od gostote vode, s centrifugalno silo porin- jeni k ostenju komore, ob katerem drsijo na vzdol, do izpusta na dnu komore. Pre- ostali delci in organizmi v vodi pa potu- jejo prek območja intenzivne hidrodinamske kavitacije, kjer zaradi znižanega lokalnega tlaka v komori in višjega notranjega tlaka v organizmih na njih nastanejo poškodbe oz. raztrganje njihovega ovoja (membrane). Ker ni mogoče pričakovati, da bi bili pri enem prehodu območja kavitacije poškodovani vsi organizmi v vodi, smo v drugi fazi poskusov raziskali, koliko prehodov kavitacijske obde- lave bi bilo potrebnih, da se doseže zadostni obseg uničenja morskih organizmov. Raziskave v hidravličnem laboratoriju so bile končane, ko smo z izračunom teoretičnih vrednosti hidravličnega delovanja na pilotni napravi III dokazali večjo učinkovitost, kot jo imajo obstoječe naprave. Sledila je druga (biološka) faza poskusov, tj., da bi z ugo- tavljanjem poškodovanosti izbranih vrst pri poskusih z morsko vodo določili dejanski učinek na morske organizme oz. na ITV. Za naslednjo fazo poskusov smo izbrali le najučinkovitejšo napravo III. Postavili smo jo v Morski biološki postaji Piran, saj je bilo tam mogoče zajeti morsko vodo in v njej prisotne organizme. Pri teh poskusih smo ugotavljali morfološke spremembe in stopnjo preživetja zooplanktona (kopepodov) in cist Artemia salina, z odvzemanjem vzorcev v izbranih časovnih presledkih pa smo določali tudi časovno zmanjševanje preostalega rastnega potenciala morskih bakterij. Slika 6 prikazuje zasnovo kroženja vode in spremljajoče instalacije za dovod sveže vode, odvzem za zbiranje cist oz. odvzem vzorcev za ugotavljanje deleža poškodovanih oz. uničenih organizmov. Skupna prostornina morske vode je v enem poskusu v pilotni napravi znašala 150 l (tj. 100 l v zalogovniku in 50 l v komori in v ceveh). Za kroženje 15 m3/h morske vode skozi na pravo je bilo treba doseči tlake na vtoku v komoro le v območju od 1,8 do 2,8 bara. Trajanje enega poskusa je bilo izbrano tako, da je celotna prostornina morske vode stokrat zakrožila skozi napravo in je bilo torej (teoretično) doseženih sto prehodov kavitacijskega območja. Vmes so se izvajali odvzemi vzorcev glede na izbrano število kroženj in s tem števila ob delave s kavitacijo. Poskusi so pokazali, da je dosežena intenzivnost hidrodinamske kavitacije tako učinkovita, da bi lahko bila edini proces za ob- delavo balastnih voda. Kljub temu smo raziskali še, za koliko bi se povečal biološki učinek naprave, če bi morsko vodo predhodno obdelali še s separacijo. Učinkovitost naprave smo preizkušali na iz- brani naravni populaciji planktonskih organ- izmov (zooplankton in heterotrofne morske bakterije) v morski vodi ob Morski biološki postaji Piran. Analizo poškodovanosti zoo- planktona in cist smo opravili na vzorcih, ki so bili za vsak opravljen poskus odvzeti iz zalogovnika pred začetkom obdelave (to) ter 4•POSKUSI ZA OVREDNOTENJE BIOLOŠKE UČINKOVITOSTI NAPRAVE KOMORA V = 50 l ZALOGOVNIK V = 100 l FILTRIRANA VODA – samo za poskuse s cistami ODVZEM VZORCEV (CISTE)       ODVZEM VZORCEV Slika 6•Shema naprave za obdelavo morske vode in spremljajoče ureditve Slika 5•Pilotna naprava III pri poskusih z morsko vodo, postavljena v Morski biološki postaji Pira Gradbeni vestnik • letnik 65 • junij 2016 133 RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO•Martina Cvetković, Franci Steinman po 15 minutah (t15), po 30 minutah (t30) in po 60 minutah (t60) kavitacijske obdelave. Za bakteriološke analize smo odvzeli vzorce za iste časovne intervale, izpuščen pa je bil odvzem po 15 minutah. Učinkovitost – če se opravi še predobdelava s separacijo (slika 6, črtkana črta) – smo ugotavljali le pri poskusih s cistami, kate rih lastna gostota je večja od gostote morske vode [Van Stanpen, 1996]. Za preostale testne organizme smo privzeli, da separacija ne bi bila posebej učinkovita – ali ker je lastna gostota organizmov manjša od gostote morske vode ali zaradi njihove plov- nosti. Učinkovitost pilotne naprave narašča s časom obdelave, kar bomo prikazali po posameznih organizmih (slika 7). Za zooplankton je bil kot merilo učinkovitosti upoštevan delež poškodovanega oz. uni če nega zooplanktona (kopepodov) po do ločenem času obdelave. Poskusi so pokazali, da je bilo po zgolj 15 minutah kavitacijske obdelave poškodovanih že do 99,4 % organizmov (slika 8). Pri poskusih s cistami je bil po 15 minutah ob- delave dosežen obseg do 66,7 % poškodovanih cist, s časom pa se je delež poškodovanosti večal in je po 60 minutah obdelave dosegel 90,2 % poškodovanih cist (slika 9). Ko se je pi- lotni napravi III dodala še predobdelava vode s separacijo, je bilo po 15 minutah poškodovanih do 69,9 % cist, po 60 minutah obdelave pa kar 98,2 % cist. Ugotovili smo torej, da je naprava III z dodano separacijo še nekoliko učinkovitejša. Po 60 minutah obdelave se je za do 80 % zmanjšalo število morskih bakterijskih celic v preiskanih vzorcih. Zaradi tega preostanka bak- terij se je istočasno merila še njihova preostala sposobnost rasti (t. i. BCP). To se je ugotavljalo z dodajanjem 3H-levcina v novosintetizirane proteine v bakterijskih celicah pri odvzetih vzor- cih, po postopku, opisanem v literaturi [Kirch- man, 1985]. Glede na začetno stopnjo sposob- nosti rasti nepoškodovanih bakterij smo po 60 minutah obdelave z novo napravo v povprečju izmerili zmanjšanje BCP za 86 %. Rezultati poskusov kažejo, da je le še 1,7 % do največ 30 % preostalih bakterij ohranilo sposobnost rasti, pri čemer je ta razpon v glavnem odvisen od časa trajanja obdelave. Slika 7•Učinek obdelave s kavitacijo se je izmeril s stopnjo poškodovanosti organizmov po časovnih Slika 7•intervalih Slika 8•Fotografiji vzorca zooplanktona pred obdelavo (levo) in po 60 minutah obdelave s pilotno Slika 8•napravo (desno). Razcefranost organizmov je posledica kavitacijskega procesa Slika 9•Fotografija levo kaže ciste Artemia salina pred začetkom obdelave (t0), desno pa stanje Slika 9•po 60 minutah obdelave (t60) s pilotno napravo. Poškodbe ovoja so posledica kavitacijske Slika 9•obdelave 5•RAZPRAVA Rezultati hidravličnih poskusov, ki so bili potrjeni z biološkimi poskusi o doseženem učinku na testne morske organizme, dokazu- jejo, da je inovativna zasnova nove naprave zelo uspešna že zgolj z uporabo enega procesa, tj. hidrodinamske kavitacije morske vode. Izkušnje s postopno optimizacijo raz- vitih naprav kažejo, da sta imela pomemben vpliv na hidravlično učinkovitost tehnologije tako zasnova naprave kot oblikovanje njenih notranjih gradnikov. To pomeni, da bi lahko z nadaljnjimi raziskavami še nekoliko izboljšali tehnologijo ne glede na že dosežene visoke učinke, ki jih kažejo dosedanje raziskave. Primerjava naših dosežkov z lastnostmi obstoječih laboratorijskih pilotnih naprav za Gradbeni vestnik • letnik 65 • junij 2016134 Martina Cvetković, Franci Steinman•RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO obdelavo balastne vode ([Kato, 2003], [IMO, 2006], [Sawant, 2008], [Ranade, 2009]) je bila težavna, saj nekateri ključni podatki obstoječih sistemov niso dosegljivi. Tako v objavah niso podani podrobnejši obratovalni pogoji niti ni mogoča natančna prepoznava njihovih opazovanih organizmov (ker je podan le splošni opis, npr. plankton). Za parametre, ki so dovolj podrobno objavljeni, pa primer- java rezultatov raziskav nedvoumno pokaže pomembne prednosti naše naprave pred dru- gimi (preglednica 2). Primerjava s sistemom Sawant pokaže, da je z našo napravo III dosežena približno 17 % večja poškodovanost zooplanktona pri približno enakem trajanju obeh obdelav (po 15 minutah), pri čemer naša naprava omogoča trikrat večje pretoke ob enakih ali celo manjših delovnih tlakih. Primerjava z rezultati sistema Ranade pokaže, da naša naprava za približno 23 % bolj zmanjša številčnost morskih bak- terij in obenem enako učinkovito poškoduje zooplankton (več kot 99 % pri obeh sistemih). Najboljši rezultati sistema Ranade kažejo le 46 % zmanjšanje števila bakterijskih celic, za kar je bil potreben tlak 6,9 bara in dosežen pretok 2,95 m3/h. Naša naprava pa je skoraj dvakrat uspešnejša pri zmanjšanju števila bak- terijskih celic in boljša pri zmanjšanju sposob- nosti ponovne bakterijske rasti, vse to pri SISTEM Pretok Tlak na vhodu v sistem Učinkovitost pri testiranih organizmih Sistem Sawant (2008) 4,68 m3/h 2,9 bara 82 % poškodovanega zooplanktona Sistem Ranade (2009) 2,95 m3/h 6,9 bara 99 % poškodovanega zooplanktona 46 % zmanjšanja bakterijskih celic Sistem Kato (2003) 1,13 m3/h 10 bar delna učinkovitost pri poškodovanju cist (odstotek učinkovitosti ni bil podan) Naša naprava 15 m3/h 1,8 do 2,8 bara 99,4 % poškodovanega zooplanktona do 80 % zmanjšanja bakterijskih celic 98,2 % poškodovanih cist Preglednica 2•Primerjava učinkovitosti naše naprave III z obstoječimi eksperimentalnimi Preglednica 2•napravami, ki tudi uporabljajo hidrodinamsko kavitacijo bistveno nižjih delovnih tlakih (do 2,8 bara) in z doseženim petkrat višjim pretokom (15 m3/h). Primerjava s sistemom Kato pokaže, da je naša pilotna naprava poškodovala večino cist Artemia salina že pri izpostavljenosti trikrat nižjemu vhodnemu tlaku v napravo in ob tem omogočila več kot desetkrat večji pretok. Kato in sodelavci so poročali, da so dosegli le delno poškodovanje cist, žal pa odstotek poškodovanosti ni podan. Treba je preveriti še, ali nova pilotna naprava že izpolnjuje zahteve standarda D-2 iz kon- vencije o ravnanju z balastnimi vodami. Prvi cilj je dosežen, saj stopnja poškodovanosti testiranih organizmov, zlasti kopepodov, že po 30 minutah obdelave doseže to zahtevo iz standarda D-2, vendar pa je treba preveriti še izpolnjevanje drugih zahtev tega standarda. Ena od teh zahtev je, da je treba učinkovitost naprave preveriti pri koncentraciji organizmov v balastnih vodah, ki pa je višja od koncentracije testiranih organizmov v zajeti morski vodi v Piranu. Zato se bo pri nadaljnjih podrobnejših poskusih ugotavljala učinkovitost naprave III še pri višjih koncentracijah različnih mikroorga- nizmov s posebnim poudarkom na poskusih s fitoplanktonom, zooplanktonom (kopepodi in ciste) ter dodatno s patogenimi bakterijami. Nova naprava III, v kateri smo koristno upo- rabili hidrodinamsko kavitacijo, izkazuje ugodne obratovalne pogoje in dokazano visoke učinke na testirane organizme. Njena pomembna prednost je, da zato ni več potrebno dodajanje okolju in ljudem nevarnih kemikalij, saj je visok učinek dosežen zgolj s hidrodinamsko kavitacijo, učinek pa sicer v 6•SKLEP manjši meri lahko še izboljšamo z dodano separacijo. Poskusi z morsko vodo dokazu- jejo visoko učinkovitost naprave na značilne vrste zooplanktona, cist in morskih bak- terij, zato je naprava primerna za obdelavo balastnih voda. Hkrati ne vidimo tehničnih ovir, da ne bi bila ta zasnova uporabna še na drugih področjih, kjer je za sterilizacijo vode potrebno uničenje različnih mikroorgan- izmov. Pri nadaljnjem razvoju nove naprave bodo opravljene še raziskave pri drugačnih obratovalnih razmerah in poskusi na prototip- ni velikosti, da bi preverili njeno delovanje še v dejanskih pogojih obratovanja na plovilu, tj. med plovbo, v času natovarjanja oz. prazn- jenja balastnih voda iz rezervoarjev. Prav tako bo treba s prototipnimi poskusi raziskati še najprimernejši čas za kavitacijsko obdela- vo balastnih voda in druge pogoje, ki jih bodo prinesla nova pravila ravnanja z njimi. ABS, American Bureau of Shipping, Ballast Water Treatment Advisory. 2011. http://www.eagle.org/eagleExternalPortalWEB/ShowProperty/ BEA%20Repository/References/ABS%20Advisories/BWTreatmentAdv, pridobljeno 7. 2. 2016. Al-Juboori, R., Aravinthan, V., Yusaf, T., A review of Common and Alternative Methods for Disinfection of Microorganisms in Water, Southern Region Engineering Conference, Toowoomba, Australia, 2010. Arrajo, S., Benito, Y., Tarifa, A. M., A theoretical study of hydrodynamic cavitation. Ultrasonic Sonochemistry 15, 203–211, 2008. Brennen, C. E., Cavitation and Bubble Dynamics, New York, Oxford University Press, 1995. 7•LITERATURA Gradbeni vestnik • letnik 65 • junij 2016 135 RAZVOJ NAPRAVE ZA OBDELAVO BALASTNIH VODA NA PLOVILIH S HIDRODINAMSKO KAVITACIJO•Martina Cvetković, Franci Steinman Brujan, E-A., Cavitation in Non-Newtonian Fluids, Berlin, Springer-Verlag, 2011. Chivate, M. M., Pandit, A. B., Effect of sonic and hydrodynamic cavitation on aqueous polymeric solutions, Ind. Chem. Engr. 35, 52–57, 1993. Cvetković, M., Kompare, B., Krivograd Klemenčič, A., Application of Hydrodynamic Cavitation in Ballast Water Treatment, Environmental Science and Pollution Research 22, 7422–7438, 2015. David, M., Vessels and Ballast Water, In: David, M., Gollasch, S. (Eds.), Global Maritime Transport and Ballast Water Management – Issues and Solutions, Springer Science and Business Media, Vol. 8, 2014. David, M., Gollasch, S., Pavliha, M., Global Ballast Water Management and the ‘‘Same Location’’ Concept – A Clear Term or a Clear Issue? Ecological Application 23, 331–338, 2013. Faimali, M., Garaventa, F., Chelossi, E., Piazza, V., Saracino, O. D., Rubino, F., Mariottini, G.L., Pane, L., A New Photodegradable Molecule as a Low Impact Ballast Water Biocide: Efficacy Screening on Marine Organisms from Different Tropic Levels. Marine Biology 149, 7–16, 2006. Gogate, P. R., Pandit, A. B., Cavitation Generation and Usage without Ultrasound: Hydrodynamic Cavitation, V: Pankaj, Ashokkumar, M. (ur.), Theoretical and Experimental Sonochemistry Involving Inorganic Systems, New York: Springer Science Business Media B.V., 69–107, 2011. Gollasch, S., Is Ballast Water a Major Dispersal Mechanism for Marine Organisms? In: Nentwig, W. (Ed.), Ecological Studies - Biological Invasions, Springer-Verlag, Berlin, 49–57, 2007. IMO, International Maritime Organization, International Convention for the Control and Management of Ships’ Ballast Water and Sediments, International Maritime Organization, London, 2004. International Maritime Organization (IMO), Status of Conventions,. 2016, http://www.imo.org/en/About/Conventions/StatusOfConventions/Pages/ Default.aspx, pridobljeno 4. 4. 2016. Jyoti, K. K., Pandit, A. B., Water disinfection by acoustic and hydrodynamic cavitation, Biochemical Engineering Journal 7, 201–212, 2001. Kang, J-H., Hyun, B-G., Shin, K., Phytoplankton Viability in Ballast Water from International Commercial Ships Berthed at Ports in Korea, Marine Pollution Bulletin 60, 230–237, 2010. Kato, H., Cavitation as a Tool of Environmental Protection, 2016, http://flow.me.es.osaka-u.ac.jp/cav2003, pridobljeno 7. 2. 2016. Khandeparker, L., Chandrashekar, A., Association of Bacteria with Marine Invertebrates: Implications for Ballast Water Management, EcoHealth 10, 268–276, 2013. Kirchman, D., K’Nees, E., Hodson, R., Leucine Incorporation and Its Potential as a Measure of Protein Synthesis by Bacteria in Natural Aquatic Systems, Applied Environmental Microbiology 49, 599–607, 1985. Knapp, R., Daily, J., Hammitt, F., Cavitation, McGraw Book Company, NY, 1970. Kuiper, G., Physics of Cavitation: Gas Content and Nuclei, 2015. http://ocw.tudelft.nl/courses/marine-technology/cavitation-on-ship-propellers/3- physics-of-cavitation-gas-content-and-nuclei/, pridobljeno 27. 6. 2015. Lloyd’s Register Group Limited, Understanding Ballast Water Management Guidance for Ship Owners and Operators, 2014. http://www.lr.org/Images/Understanding%20Ballast%20Water%20Management_0214_tcm155-248816.pdf, pridobljeno 29. 9. 2014. Pandit, A. B., Joshi, J. B., Hydrolysis of fatty oils: effect of cavitation, Chem. Eng. Sci., 48, 3440, 1993. Ranade, V.V., Bhalchandra, A., Anil, A.C., Sawant, S.S., Ilangovan, D., Madhan, R., Venkat, K.P., Apparatus for Filtration and Disinfection of Sea Water/Ship’s Ballast Water and a Method of Same. Patent: 7, 585, 416 B2, USA, 2009. Ruiz, G. M., Rawlings, T. K., Dobbs, F. C., Drake, L. A., Mullady, T., Huq, A., Colwell, R. R., Global Spread of Microorganisms by Ships – Ballast Water Discharged from Vessels Harbours: A Cocktail of Potential Pathogens, Nature 408, 49, 2000. Sawant, S. S., Anil, A. C., Krishnamurthy, V., Gaonkar, C., Kolwalkar, J., Khandeparker, L., Desai, D., Mahulkar, A. V., Ranade, V. V., Pandit, A. B., Effect of Hydrodynamic Cavitation on Zooplankton: A Tool for Disinfection, Biochemical Engineering Journal 42, 320–328, 2008. Seiden, J. M., Rivkin, R. B., Biological Controls on Bacterial Populations in Ballast Water during Ocean Transit, Marine Pollution Bulletin 78, 7–14, 2014. Van Stanpen, G., Artemia, In: Lavens, P., Sorgeloos, P. (Eds.), Manual on the Production and Use of Live Food for Aquaculture, Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center University of Ghent, Belgium, Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), Roma, 79–250, 1996. Zenetos, A., Gofas, S., Morri, A., Rosso, D., Violanti, J. E., Garcia Raso, M. E., Çinar, A., Almongi-Labin, A. S., Ates, E., Azzurro, E., Ballestros. C. N., Bianchi, M., Bilecenglu, M. C., Gambi, A., Giangrande, C., Gravili, O., Hyms-Kaphzan, P. K., Karachle, S., Katsanevekis, L., Lipej, F., Mastrototaro, F., Mineur, M. A., Pancucci-Papadopoulou, A., Ramos Espla, C., Salas, G., San Martin, A., Sfriso, N., Streftaris, N., Verlaque, M. Alien Species in the Mediterranean Sea by 2012., A Contribution to the Application of the European Union’s Marine Strategy Framework Directive (MSFD), Part 2, Introduction Trends and Pathways, Mediterranean Marine Science 13/2, 328–352, 2012.