Ultraschalldesinfektion von Ballastwasser

Das Ultraschallbehandlungssystem hat sich bei der Abtötung von Bakterien, Plankton und größeren Organismen als wirksam erwiesen.
Die Ultraschalldesinfektion von Ballastwasser ist eine mechanische/physikalische Behandlung, bei der die Zugabe aggressiver und teurer chemischer Wirkstoffe zum Ballastwasser vermieden wird. Dies gewährleistet eine ideale Umweltverträglichkeit in Verbindung mit einer hohen biologischen Wirksamkeit bei der Zerstörung und Inaktivierung pflanzlicher und tierischer Organismen sowie von Mikroorganismen im Ballastwasser.

Hintergrund

„Wenn ein Schiff ohne Ladung oder nur teilweise beladen fährt, benötigt es Ballast, um seine Stabilität und Sicherheit zu gewährleisten. Als Ballast wird häufig Wasser verwendet. Bei dessen Aufnahme am Ausgangsort können jedoch verschiedene Organismen in das Wasser gelangen, normalerweise Angehörige der Planktongemeinschaft, die am Zielort gebietsfremd (allochthon) sein können und dort möglicherweise eine unerwünschte biologische Verunreinigung verursachen. Um diese mögliche Verunreinigung zu vermeiden, müssen wir ein wirksames System zur Sterilisation des Ballastwassers einsetzen.“ [Mingorance Rodríguez: 2012, 163]
Invasive aquatische Arten zählen zu den vier größten Bedrohungen für die Weltmeere und können äußerst schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt, die Wirtschaft und die öffentliche Gesundheit haben. Um die Einschleppung schädlicher Weichtiere (Zebramuscheln, Asiatische Körbchenmuscheln und andere) zu vermeiden, können verschiedene Verfahren zur Sterilisation von Ballastwasser (auch als Desinfektion oder Neutralisierung bezeichnet) eingesetzt werden. Ein gängiges Verfahren ist die chemische Reinigung von Ballastwasser. Die verwendeten Chemikalien sind umweltschädlich und teuer. Angesichts zunehmender gesetzlicher Vorschriften für das Ballastwassermanagement werden alternative Ballastwasserbehandlungen – z.B. durch Ultraschalldesinfektion – an Bord von Seeschiffen integriert.

Ultraschallsterilisation von Ballastwasser

Die Ultraschallbehandlung von Ballastwasser ist ein mechanisches/physikalisches Verfahren, bei dem der Einsatz schädlicher und teurer Chemikalien vermieden wird. Die Kavitationskräfte töten kleine aquatische Organismen und Mikroorganismen ab. Mehrere Studien haben bereits nachgewiesen, dass Ultraschall eine hohe biologische Wirksamkeit gegen Veligerlarven der Zebramuschel, Nematoden, Bakterien und Viren erzielt.

Ultraschallcluster mit 120kW Prozessleistung

Ultraschalldesinfektion durch Kavitation

Ultraschallwellen hoher Leistung erzeugen Kavitationsblasen in Flüssigkeiten, die zu intensiven Scherkräften und hohen Belastungen führen. Wenn intensive Ultraschallwellen in Flüssigkeiten eingekoppelt werden, erzeugen die sich im flüssigen Medium ausbreitenden Schallwellen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen, deren Wiederholungsrate von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus (Verdünnungsphase) erzeugen Ultraschallwellen hoher Intensität kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie während eines Hochdruckzyklus (Kompressionsphase) heftig. Dieses Phänomen wird als Kavitationbezeichnet. Während der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000K) und Drücke (ca. 2.000atm) erreicht. Die Implosion der Kavitationsblase erzeugt außerdem Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s.
Diese hochenergetische Blasenbildung und der anschließende Kollaps erzeugen hydrodynamische Scherkräfte und Ultraschallschwingungen, die die Zellwände von Organismen aufbrechen und zerstören – wodurch diese wirksam abgetötet werden.
Hinsichtlich der Umweltverträglichkeit sind keine Umweltbedenken im Zusammenhang mit der ultraschallgestützten Technologie bekannt oder zu erwarten.

Biologische Wirksamkeit von Ultraschall

Mehrere Studien haben nachgewiesen, dass Ultraschall wirksam auf Viren und Bakterien einwirken kann. Desinfektionsstudien mit Ultraschallgeräten zur Sterilisation von Volumenströmen von 100 gpm (Gallonen pro Minute), entsprechend 23 m3/h, haben eine Reduktion um etwa 7 Log-Stufen bei Polioviren (unter 5μm) und eine Reduktion um 6–7 Log-Stufen bei den Bakterien Cryptosporidium parvumgezeigt. Bei den Nematoden Heliminth ova, Ascaris (8–10μm) und den Weichtieren Veligerlarven der Zebramuschel (70μm) wurde eine Mortalität von 100% erreicht. Die gleiche Mortalitätsrate bei der Zebramuschel wurde in Durchflusssystemen mit 600 gpm nachgewiesen (Buchholz et al., 1998).
Bei größeren Organismen wurden Inaktivierungsraten von 100% und bei Bakterien und Viren eine Reduktion um 6–7 Log-Stufen erreicht. Bei einer Einwirkdauer von 20 sec in einem experimentellen kontinuierlichen Durchflusssystem wurde eine Inaktivierung von 93–98,6% bei Cryptosporidium-Oozysten und bei einer Einwirkdauer von 10 sec. in einem Labor-Batchreaktor eine Reduktion um 4 Log-Stufen erreicht. Inaktivierungsraten wurden auch berichtet für Cryptosporidium parvum (7 Log-Stufen), lebensfähige Helmintheneier (4,2 Log-Stufen), Polioviren (8 Log-Stufen), Salmonella sp. (9 Log-Stufen) und Echerichia coli (9 Log-Stufen) (Oemcke, 1999; Buchholz et al., 1998).
Die Anzahl der Log-Stufen entspricht der Anzahl der Ziffern 9 in der prozentualen Reduktion. Beispielsweise bedeutet eine Reduktion um 2 Log-Stufen, dass 99% der ursprünglich im Wasser vorhandenen Organismen inaktiviert wurden. Eine Reduktion um 3 Log-Stufen bedeutet, dass 99,9% inaktiviert wurden usw.
Die Behandlungskapazität der Ultraschallsysteme hängt auch von der abgegebenen Leistung ab. Ultraschallgeräte mit hoher Leistung/hoher Intensität benötigen eine kürzere Einwirkdauer zur Abtötung, sodass höhere Volumenströme behandelt werden können. Solche Ultraschallsysteme können bei der Aufnahme und Abgabe von Ballastwasser eingesetzt werden.
(vgl. Sassi et al. 2005, S. 49)

Vorteile der Ultraschallneutralisierung von Ballastwasser

• nichtchemisch
• umweltfreundlich
• wirksam und effizient
• Synergieeffekte
• wartungsarm
• sicherer und einfacher Betrieb
• robust und zuverlässig
• auf jede Größe skalierbar

Ultraschallgeräte

Hielscher ist auf die Entwicklung und Herstellung industrieller Ultraschallgeräte hoher Leistung für die Installation in anspruchsvollen Umgebungen spezialisiert. Staub und Schmutz, hohe Luftfeuchtigkeit und raue Umgebungsbedingungen schaden den industriellen Ultraschallgeräten (UIP-Serie) nicht. Diese Geräte für anspruchsvolle Anwendungen sind für den Dauerbetrieb (24h/ 7d) ausgelegt. Die Schaltschränke werden vorkonfiguriert geliefert und lassen sich einfach installieren und in Betrieb nehmen. Das Ultraschallsystem muss lediglich an die Zulaufleitung vom Ballastwassertank (Medienversorgung) und die Stromversorgung angeschlossen werden.
Ultraschallgeräte unterschiedlicher Größe mit einer Ultraschallleistung von 500W, 1kW, 1,5kW, 2kW, 4kW, 10kW und 16kW, die als Einzelgerät oder als Cluster installiert werden können, ermöglichen eine ideale Konfiguration und Verarbeitungskapazität.
Sprechen Sie mit uns über Ihr Verarbeitungsvolumen! Wir empfehlen Ihnen gerne ein geeignetes Ultraschallsystem für Ihre Prozessanforderungen.

Synergien mit anderen Ballastwasserbehandlungen

Studien zu kombinierten Behandlungstechnologien haben gezeigt, dass Ultraschall in Kombination mit anderen Verfahren zur Ballastwasserdesinfektion, beispielsweise Ozon, Chlorierung, UV-Licht, Temperatur oder erhöhten Drücken, ausgeprägte Synergieeffekte entfaltet. Aufgrund der einfachen Installation und des geringen Platzbedarfs eignen sich die Ultraschallgeräte ideal zur Nachrüstung und Verbesserung bereits bestehender Systeme zur Neutralisierung von Ballastwasser.
Sprechen Sie mit uns über Ihre Prozessumgebung! Wir empfehlen Ihnen gerne ein geeignetes Ultraschallsystem zur Nachrüstung Ihres Bordsystems.