Entkeimung von Ballastwasser durch Ultraschall

Bei Hochleistungsultraschall handelt es sich um eine bewährte Methode, Bakterien, Plankton und größere Organismen wirksam abzutöten.
Die Ultraschall-Desinfektion von Ballastwasser basiert auf einem mechanischem / physikalischem Verfahren, durch welches der Einsatz von schädlichen und teuren Chemikalien vermieden wird. Die Ultraschallentkeimung ist umweltfreundlich und befreit das Ballastwasser von pflanzlichen und tierischen Organismen sowie Mikroorganismen.

Hintergrund

„Wenn ein Schiff ohne Ladung oder nur teilweise beladen ist, wird Ballast benötigt, um Stabilität und Sicherheit zu gewährleisten. Häufig wird Wasser als Ballast genutzt. Das am Ursprungsort aufgenommene Ballastwasser enthält zahlreiche Organismen (meist Planktonarten), die im Zielort nicht heimisch sind (allochthone Art). Diese unbeabsichtigt eingeschleppten Organismen können das Ökosystem schädigen. Um eine solche Schädigung des Ökosystems zu vermeiden, muss ein effektives Verfahren angewandt, um Ballastwasser zu sterilisieren.“ [Mingorance Rodríguez: 2012, 163]
Invasive aquatische Neozone gehören zu den vier größten Bedrohungen für die Weltmeere und können schwerwiegende Auswirkungen auf das ökologische Gleichgewicht, Wirtschaft und öffentliche Gesundheit haben. Um das Einschleppen von Schädlingen (z.B. Zebra-Muscheln, Körbchenmuscheln u.a.) zu vermeiden, kommen verschiedene Methoden der Ballastwasser-Entkeimung (auch Desinfektion oder Neutralisierung genannt) in Betracht. Die Ballastwasser-Reinigung mittels Chemikalien ist weit verbreitet. Allerdings sind die eingesetzten Chemikalien sind ökologisch schädlich und teuer. Da das Ballastwassermanagement gesetzlichen geregelt wird, werden nun vermehrt alternative Entkeimungsverfahren – z.B. Ultraschall-Desinfektion – an Bord von Hochseeschiffen integriert.

Sterilisation von Ballastwasser mittels Ultraschall

Die ultraschall-gestützte Ballastwasseraufbereitung ist basiert auf der Erzeugung von intensiver Kavitation, so dass der Einsatz von schädlichen und teuren Chemikalien überflüssig wird. Durch die hochintensiven Kavitationskräfte werden kleine Wasserorganismen und Mikroorganismen abgetötet. Mehrere Studien haben bereits bewiesen, dass das Ultraschall äußerst wirksam gegen Veliger, Zebramuschellarven, Nematoden, Bakterien und Viren ist.

Hochleistungs-Ultraschall ist eine nicht-chemische Methode der Neutralisierung von Ballastwasser. (Zum Vergrößern anklicken!)

Ultraschall-Cluster mit 120kW Prozessleistung

Desinfektion durch Ultraschallkavitation

Durch den Eintrag hochenergetischer Ultraschallwellen in Flüssigkeiten wird Kavitation Blasen in Flüssigkeiten, die zu starken Scherkräften und hoher Belastung führen. Wenn intensive Ultraschallwellen in Flüssigkeiten eingekoppelt werden, führen die sich in die flüssigen Medien ausbreitenden Schallwellen zu abwechselnden Hoch- und Niederdruckzyklen, deren Rate von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus (Phase der Verdünnung) erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr aufnehmen können, brechen sie während eines Hochdruckzyklus (Kompressionsphase) heftig zusammen. Dieses Phänomen wird als Kavitation. Während der Implosion der Kavitationsblasen werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5000K) und Drücke (ca. 2000atm) erreicht. Die Implosion der Kavitationsblasen erzeugt zudem Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten bis zu 280 m/s.
Diese hochenergetischen Blasenerzeugung und Kollaps führt zu hydrodynamischen Scherkräften und die Ultraschallschwingungen, die brechen und stören die Zellwände von Organismen – wodurch die Mikroorganismen effektiv abgetötet werden.
Die Ultraschalltechnologie ist ökologisch verträglich. Unerwünschte Nebeneffekte sind nicht bekannt.

Biologische Wirksamkeit von Ultraschall

Verschiedene Studien haben bewiesen, dass Ultraschall Viren und Bakterien effektiv inaktivieren und abtöten kann. Untersuchungen zur Ultraschall-Desinfektion wurden für Volumenströme von 100 gpm (100 gal/min entspricht 23 m3/h) haben gezeigt, das eine Reduzierung um 7 log-Stufen für Polioviren (< 5μm) und eine 6-7 Protokollreduktion für die Bakterien. Cryptosporidium parvum Bakterien erreicht wird. Für Nematoden Heliminth Eizellen, Ascaris (8-10μm) und Weichtiere wie Zebramuschel-Veliger (70μm) wurde eine Abtötungsrate von 100% erreicht. Die gleichen Abtötungsrate bei Zebramuscheln wurde auch bei einem Durchfluss von 600 gal pro Min. gezeigt werden (Buchholz et al., 1998).
Inaktivierungsraten von 100% konnten auch für größere Organismen erreicht werden. Bei Bakterien und Viren konnte eine 6-7 Log-Reduzierung nachgewiesen werden. Bei einer Beschallungszeit von 20 Sek. mit Ultraschall im kontinuierlichen Durchflusssystem wurde eine Inaktivierung von 93-98,6 % für Cryptosporidium ocyst und eine 4 Log-Reduzierung bei 10 Sek. Ultraschall in einem Labor-Batchreaktor erreicht. Inaktivierungsraten wurden auch für Cryptosporidium parvum (7 log), lebensfähige Helminth-Eier (4,2 log), Polioviren (8 log), Salmonella sp. (9 log) und Echerichia coli (9 log) untersucht (Oemcke, 1999; Buchholz et al., 1998).
Der log-Wert gibt die Anzahl von 9er-Stellen in der prozentuale Reduzierung an. So bedeutet eine Keimreduzierung um den log-Wert 2, dass 99 % der ursprünglich im Wasser vorhandenen Organismen inaktiviert wurden. Eine Reduzierung um den log-Wert 3 bedeutet, dass 99,9 % der Mikroorganismen (Bakterien, Viren, etc.) inaktiviert wurden, usw.
Der Erfolg einer Ultraschallbehandlung ist von der Ultraschallleistung abhängig. Mit Hochleistungs-Ultraschallgeräten ist eine kürzere Beschallungszeit ausreichend, um Mikroorganismen abzutöten. Mit einem Hochleistungsultraschallsystem sind höhere Durchflussraten möglich. Solche Ultraschallsysteme können problemlos bei der Ballastwasseraufnahme und -abgabe problemlos eingesetzt werden.
(vgl. Sassi et al. 2005, S.49)

Vorteile der Ultraschall-Neutralisierung von Ballastwasser

  • nicht-chemisch
  • umweltfreundlich
  • effektiv und effizient
  • Synergieeffekte
  • Geringer Wartungsaufwand
  • sichere und einfache Bedienung
  • Robust und zuverlässig
  • skalierbare Anlagen

Ultraschallgeräte

Hielscher Ultrasonics ist Spezialist für die Konstruktion und Herstellung von Hochleistungs-Ultraschallgeräten nach Industriestandard für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen. Staub & Schmutz, hohe Luftfeuchtigkeit und raue Umgebungsbedingungen schaden Hielscher's Industrie-Ultraschallsystemen (UIP-Serie) in keinster Weise. Die Heavy-Duty-Geräte sind für den Dauerbetrieb (24h/7d) konzipiert. Die Anlagenschränke kommen vorkonfiguriert und sind einfach zu installieren und inbetriebzunehmen. Das Ultraschallsystem muss nur an das Zulaufrohr des Ballastwassertanks und die Stromversorgung angeschlossen werden.
Ultraschallgeräte mit verschiedenen Leistungskapazitäten von 500W, 1kW, 1,5kW, 2kW, 4kW, 10kW und 16kWkönnen entweder als einzelne Einheiten oder als Cluster installiert werden. Dadurch lässt sich die Ultraschallanlage optimal auf die Anforderungen abstimmen.
Sprechen Sie mit uns über Ihre Ballastwasserbehandlung! Gerne empfehlen Ihnen ein passendes Ultraschallsystem für Ihre Anforderungen.

Synergien mit anderen Ballastwasser-Verfahren

Untersuchen zur kombinierten Ballastwassrbehandlung haben gezeigt, dass Ultraschall hohe Synergieeffekte mit anderen Ballastwasserdesinfektionsmethoden, wie z.B. Ozon, Chlorierung, UV-Licht, Temperatur oder erhöhten Drücken hat. Durch die einfache Installation und den geringe Platzbedarf sind Ultraschallgeräte auch hervorragend geeignet, um ein bereits bestehendes Ballstwasser-Neutralisierungssysteme zu ergänzen.
Sprechen Sie mit uns über Ihre Prozessumgebung! Gerne empfehlen Ihnen ein passendes Ultraschallsystem für das Nachrüsten onboard.

Ultrasound is a non-chemical method for ballast water sterilization. (pic.: "Ballast water en" von Thorsten Hartmann - Wasserverschmutzung durch Ballast Wasser

Ballastwasser muss desinfiziert werden, um die Einführung invasiver Arten zu vermeiden.

Kontakt/ Weitere Informationen

Sprechen Sie mit uns über Ihren Prozess! Gerne empfehlen wir Ihnen das geeignete Equipment und die richtigen Prozessparameter für Ihr Projekt.





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Hochintensive Ultraschallkräfte sind eine bekannte und zuverlässige Methode für die Lyse und Extraktion (Zum Vergrößern anklicken!)

Das ultraschall-gestützte Kavitation in Flüssigkeit

Dieses Video zeigt Ultraschall / akustische Kavitation in Wasser - erzeugt durch das Hielscher UIP1000. Die Ultraschallkavitation wird für viele Flüssigkeitsanwendungen eingesetzt.

Ultraschall-Kavitation in Flüssigkeiten mit dem UIP1000

Vorteile von Ultraschall

  • nicht-chemisch
  • umweltfreundlich
  • effektiv und effizient
  • Synergieeffekte
  • Geringer Wartungsaufwand
  • sichere und einfache Bedienung
  • Robust und zuverlässig
  • skalierbare Anlagen
Hochleistungs-Ultraschall ist eine bewährte Technologie für die Desinfektion und Sterilisation von Ballastwasser (zum Vergrößern anklicken!)

3 x 4kW Ultraschall für Heavy-Duty-Anwendungen

Literatur

  • Mingorance Rodríguez, María del Carmen (2012): Ballast Water and Sterilization of the Sea Water. In: Dr. Xiao-Ying Yu (ed.): Municipal and Industrial Waste Disposal. InTechOpen 2012. 163-176.
  • Sassi, Jukka; Viitasalo, Satu; Rytkönen, Jorma; Leppäkoski, Erkki (2005): Experiments with ultraviolet light, ultrasound and ozone technologies for onboard ballast water treatment. VTT Research Notes 2313. ESPOO 2005.
  • Viitasalo, Satu; Sassi, Jukka; Rytkönen, Jorma; Leppäkoski, Erkki (2005): Ozone, Ultraviolet Light, Ultrasound and Hydrogen Peroxide As Ballast Water Treatments – Experiments with Mesozooplankton In Low-Saline Brackish Water. Journal of Marine Environmental Engineering 8/ 2005. 35-55.

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Wissenswertes

Ultraschall-Homogenisatoren werden oft als Sonicator, Ultraschall-Lysegerät, Ultraschall-Disruptor, Ultraschall-Labormühle, Sono-Ruptor, Sonifier, Dismembrator, Zell-Disruptor, Ultraschall-Dispergierer oder Ultraschalldispergiergerät bezeichnet. Die unterschiedlichen Bezeichnungen ergeben sich aus den zahlreichen verschiedenen Anwendungen, für die Ultraschallgeräte eingesetzt werden können.