DE60128725T2

DE60128725T2 - Ballastwasserbehandlung zur regulierung exotischer spezies

Info

Publication number: DE60128725T2
Application number: DE60128725T
Authority: DE
Inventors: Larry Berckeley Russell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: ATE363457T1; US20030029811A1; US6773607B2; HK1061381A1; WO2002072478A2; DE60128725D1; WO2002072478A3; EP1349812A2; EP1349812B1; EP1349812A4; AU2002258377A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Wasserbehandlungssysteme und -verfahren und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Behandlung von Schiffsballastwasser zum Eliminieren nicht-indigener Meerestiere in dem Ballastwasser.
Hintergrund der Erfindung
Der globale Versand bewegt 80 Prozent der Weltgüter. Wenn Schiffe be- und/oder entladen werden, muß dem Ungleichgewicht mit Ballastwasser entgegengewirkt werden, damit das Schiff sicher beladen und bewegt werden kann. Außer zum Halten des Gleichgewichtes und der Stabilität, tragen Schiffe Ballastwasser, um den Schiffstrimm für eine optimale Steuerung, Vortriebskraft und Sicherheit einzustellen. Das Fluten erfüllt zudem viele andere Funktionen, einschließlich: die Reduktion von Spannung an der Schiffshülle, Bereitstellung von Querstabilität, Unterstützung der Vortriebskraft durch die Kontrolle der Eintauchtiefe der Schiffsschraube, Unterstützung der Manövrierbarkeit durch Eintauchen des Schiffssteuers und Reduktion der Menge an freiliegender Hüllenoberfläche (Freibord oder Windabdrift) und Kompensierung des Gewichtsverlustes durch Treibstoff- und Wasserverbrauch. (Stemming the Tide: Controlling Introductions of non-indegenous Species by Schiffs Ballast Water, 1996). Die Verwendung von Ballastwasser variiert zwischen den Schiffstypen, unter den Hafensystemen und nach den Lade- und Seebedingungen. Ballastwasser entstammt oftmals Häfen und anderen Küstenregionen, die über viel Plankton und andere Organismen verfügen. Es wird unterschiedlich auf See, entlang der Küstenlinien und in Hafensystemen abgelassen. Im Ergebnis wird ein diverser Mix aus ad ventiven oder exotischen Organismen mit dem Ballastwasser von Schiffen transportiert und auf der ganzen Welt freigesetzt.
Im allgemeinen sind viele der in Ballastwasser enthaltenen Spezies von Organismen entweder adventiv oder potentiell pathogen, wenn sie in den Vorfluter des Hafens freigesetzt werden. Der Transfer von Organismen im Ballastwasser führte zur versehentlichen Einführung von einigen bis Hunderten nicht-indigenen Frischwasser- und Meeresspezies in die Häfen auf der ganzen Welt. Das Eindringen dieser nicht-indigenen Wasserorganismen hatte fürchterlich schädigende Auswirkungen auf heimische Ökosysteme und kostet weiterhin Milliarden Dollar Abhilfe. Beispielsweise wird angenommen, daß die durch Ballast verursachte Einführung der Dreikantmuschel in die Great Lakes in den USA während der 1980er diese Region über $5 Milliarden kostete. Andere Beispiele umfassen die Einführung toxischer Dinoflagellata in Australien und die der asiatischen Muschel (Potamocorbula Amurensis) in die San Francisco Bay-Delta-Region. Gemäß der US Coast Guard, „...ist Ballastwasser von Schiffen einer der weitreichendsten Wege für die interkontinentale Einführung und Verbreitung wasserschädigender Spezies." (http://www.uscg.mil/hq/gm/mso/mso4/bwm.html, Juli 2000).

Die Ballastwassermengen sind insbesondere bei nicht beladenen Schiffen extrem groß. Beispielsweise können große Tanker über 200.000 m³ Ballastwasser tragen und die Pumpgeschwindigkeiten können bis zu 15.000 bis 20.000 m³/h betragen. Schätzungsweise werden mehr als 3.000 Pflanzen- und Tierspezies täglich in Ballastwasser transportiert. (Office of Technology Assessment, 1993). Die üblichsten Pflanzen, die in Ballastwasser verbreitet werden, sind Phytoplankton, insbesondere Kieselalgen und Dinoflagellata, und schwimmende, Iosgelöste Pflanzen, einschließlich Tang (Algen) und Seegräser (Aalgras oder Schildkrötengras). In Ballast zu findendes Zooplankton ist vielfältig und dicht. Tabelle 1 – Durchschnittlicher Wasserballast, getragen von Schiffen Durchschnittsmenge an Ballastwasser in Liter (Gallonen) pro Schiff, die in Flußmündungshäfen der Vereinigten Staaten und San Francisco aus fremden Häfen ankommen

Schiffstyp	durchschnittliche Liter in den USA (Gallonen)	durchschnittliche Liter in der SFBD-Mündung (Gallonen)
Schiffe mit Ballast
Schüttgutträger	17.275.000 (3.800.000)	7.592.000 (1.670.000)
Containerschiffe	-*	-*
Tanker	14.411.000 (3.170.000)	10.774.000 (2.370.000)
alle 3 Schiffstypen	12.365.000 (2.720.000)	8.365.000 (1.840.000)
Schiffe mit Ladung
Schüttgutträger	-	7.592.000 (1.670.000)
Containerschiffe	6.273.000 (1.380.000)	6.273.000 (1.380.000)
Tanker	-	2.909.000 (640.000)
alle 3 Schiffstypen	-	6.273.000 (1.380.000)
alle Schiffe
Schüttgutträger	alle Schiffe 13.368.000 (3.000.000)	7.592.000 (1.670.000**)
Containerschiffe	6.273.000 (1.380.000)	6.273.000 (1.380.000**)
Tanker	4.091.000 (900.000)	4.546.000 (1.000.000**)
alle 3 Schiffstypen	7.183.000 (1.580.000)	6.410.000 (1.410.000**)
	nicht pumpfähiger Ballast
Schüttgutträger	81.828 (18.000)	-
Containerschiffe	172.748 (38.000)	-
Tanker	103.194 (22.700)
alle 3 Schiffstypen	111.377 (24.500)	-
Quelle: Carlton et al., 1995, Seite 77

* Containerschiffe laufen nur selten ohne Ladung aus und kommen daher nicht mit Ballast an
** Die Mengen an Ballastwasser, ausgetragen von den Schiffsarten, die in die Mündung einlaufen, berechnet aus den Daten in US Coast Guard 1996, lauten wie folgt: Schüttgutträger 7.865.000 Liter (1.730.000 Gallonen) Containerträger 5.773.420 Liter (1.270.000 Gallonen) Tanker 12.547.000 Liter (2.760.000 Gallonen)

Alle 3 Schiffstypen 6.910.000 Liter (1.520.00 Gallonen)
Differenzen im Volumen sind den bei den Berechnungen verwendeten zugänglichen Daten zuzuschreiben.
Derzeit ist der Ballastwasseraustausch (BWE) auf dem offenen Ozean das einzige genutzte Verfahren, um die Einführung exotischer Spezies über Ballastwasser zu reduzieren. Der Ballastwasseraustausch umfaßt das Ersetzen von Küstenwasser mit Wasser aus dem offenen Ozean, was mindestens 200 Meilen von der Küste entfernt während einer Reise stattfindet. Dieses Verfahren kann die Dichte der Küstenorganismen in Ballasttanks, die sich in einem Vorfluterhafen verbreiten können, reduzieren, indem diese durch ozeanische Organismen, die in küstennahen Gewässern weniger wahrscheinlich überleben, ersetzt werden.
Der Ballastwasseraustausch wird als ein willkürliches Maß von der International Maritime Organization (IViO) vorgeschlagen. Überdies forderte der Nonindigenous Aquatic Nuisance Prevention and Control Act von 1990 (P.L. 101-646), daß sich alle Schiffe, die in die Great Lakes-Häfen von jenseits der ausschließliche Wirtschaftszone (AWZ – 200 Meilen vor der Küste) einlaufen, einem Ballastaustausch oder einer vergleichbaren effektiven Ballastbehandlung, die den Austragungsvoraussetzungen der Federal Water Pollution Control Act (33 U.S.C. 1251) entspricht, unterziehen. Diese Voraussetzungen wurden am 4. November 1992 auf Schiffe, die in Häfen des oberen Hudson River, nördlich der George Washington-Brücke, einlaufen, erstreckt und gilt heute für alle Schiffe, die in die Gewässer der Vereinigten Staaten kommen.
Der National Invasive Species Act (NISA) von 1996 (P.L. 104-332) autorisierte den Nonindigenous Aquatic Nuisance Prevention and Control Act von 1990 neu und ergänzte diesen. NISA erließ eine zwingende Ballastmanagement-Berichterstattung und freiwillige Ballastaustausch-Richtlinien für alle Schiffe, die von außerhalb der AWZ in die Gewässer der USA einlaufen, mit Ausnahme von Militärschiffen, Rohöltankern, die Küstenhandel betreiben, und einiger Passagierschiffe, die mit Ballastwasserbehandlungssystemen ausgestattet sind.
Es gibt zwei anerkannte Verfahren für den Austausch auf offenem Ozean: Entleeren/Nachfüllen und Durchfluß. Das Verfahren des Entleerens/Nachfüllens besteht darin, daß die Ballasttanks entleert und anschließend wieder aufgefüllt werden. Dieses Verfahren beeinträchtigt die Stabilität des Schiffes; daher können Schiffe, die bei rauher See unterwegs sind, dieses Verfahren nicht anwenden. Die Stabilität kann bei Schiffen, die eher über mehrere kleinvolumige Ballasttanks als über weniger großvolumige Ballasttanks verfügen, leichter gehandhabt werden, obgleich die Fähigkeit zur sicheren Durchführung des Ballastwasseraustausches trotzdem noch von den Wet ter- und Meeresoberflächenbedingungen abhängig ist. Das Durchflußverfahren besteht aus dem Pumpen von Ballastwasser (dreifache Kapazität der Ballasttanks) durch die Tanks, wodurch es durch die Lüftungsöffnungen der Deckklappen überlaufen kann. Während dieses Verfahrens ist weniger die Stabilität ein Problem, sondern eher, das die Integrität des Schiffes Schaden nimmt. Weitere Sicherheitsrisiken, die mit diesem Verfahren verbunden sind, umfassen einen potentiellen Überdruckaufbau im Tank und überlaufendes Wasser an Deck. So kann nicht immer ein Austausch vorgenommen werden. Überdies verringern beide Ballastwasseraustauschverfahren lediglich die Dichte der Küstenorganismen in Ballasttanks nach einem Austausch. Es gibt noch immer einige restliche Küstenorganismen in den Tanks, somit sind diese Verfahren nur teilweise effektiv.
In einer Vielzahl von Studien an speziellen biologischen Spezies ist bestimmt worden, daß die Austauscheffizienz für beide Verfahren in einem Bereich von 75-95 Prozent liegt, wobei diese für gewöhnlich von der Struktur der Ballasttanks (z. B. Plazierung der Einlaß- und Auslaßrohre, Form der Tanks, Größe der Prallflächen in den Tanks usw.) abhängig ist. Obgleich ein Austausch auf dem offenen Ozean das Risiko einer Invasion signifikant verringert, stellen die verbleibenden 5-25 Prozent noch immer eine signifikante Bedrohung dar. Ein anderer Nachteil ist, daß ein Austausch auf dem offenen Ozean bei Reisen entlang der Küste, bei denen das Schiff die AWZ nie verläßt, nicht durchgeführt werden kann.
Eine Alternative zum Austausch auf dem offenen Ozean ist die Ballastwasserbehandlung, bei der die Organismen im Wasser abgetötet oder aus dem Ballastwasser entfernt werden. Ein effektives Ballastwasserbehandlungssystem muß die folgenden Kriterien erfüllen: es muß für Seemänner praktisch durchzuführen, sicher für die Seemänner und das Schiff, leicht zu überwachen, kosteneffektiv und biologisch wirksam und nur minimal umweltschädlich sein (d. h. keine toxischen chemischen Nebenprodukte austragen). Bisher war es für die Forscher eine Herausforderung, ein System zu schaffen, daß alle diese Kriterien erfüllt.
Die Behandlung von Ballastwasser kann während der Aufnahme, beim Transport (in den Ballasttank), während der Austragung oder auf einem/einer mobilen oder küs tennahen Behandlungssystem/-anlage stattfinden. Heutzutage gibt es viele unterschiedliche Optionen, die untersucht werden, einschließlich Filtration, UV-Bestrahlung, Trennung durch einen Hydrozyklon, Wärmebehandlung, Biozide und mehr. Viele Projekte vereinen zwei verschiedene Arten von Behandlungstechnologien (d. h. Filtration und UV), um bei allen taxonomischen Gruppen von Organismen eine höhere Effizienz zu erlangen.
Der Artikel mit dem Titel „The Treatment of Ships' Ballast Water" von Darren Oemcke, veröffentlich in Ecoports Monograph, Serien-Nr. 18, beschreibt den Hintergrund zur Handhabung von Ballastwasserverfahren.
Die derzeitigen Behandlungsansätze, die untersucht worden sind, leiden an einer Vielzahl von Mängeln. Die meisten verfügen nicht über Techniken zur Routineanalyse für die Bestimmung der Effektivität. Des weiteren sind Ansätze wie Filtration durch Öl und Feststoffteilchen und durch die Notwendigkeit der Entsorgung des Spülwasserstroms (vermutlich zurück in den Hafen, wo das Fluten stattfindet, jedoch ist nicht sicher, wie diese Angelegenheit geregelt wird) beeinträchtigt. Öl würde sehr schnell jede Art von Filtrationseinrichtung verstopfen. Auch die technisch ausgereifteren Ansätze unter Verwendung von Uitraviolettbestrahlung (UV-Bestrahlung) sind unmittelbar beeinträchtigt und werden wahrscheinlich durch das Öl eingestellt und durch Feststoffteilchen ineffektiv gemacht. Nicht abbaubare Biozide geben aufgrund der potentiellen Toxizität der Austragung eine sehr kleine Hoffnung.
Daher besteht nach wie vor der Bedarf nach einem effektiveren System zur Handhabung von Ballastwasser. Dieses System muß für Seemänner praktisch durchführbar, für Seemänner und das Schiff sicher, leicht zu überwachen und zu analysieren, kosteneffektiv, biologisch wirksam und darf nur minimal umweltschädlich sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren zur Behandlung von Ballastwasser zur effektiven und ökonomischen Vernichtung nicht-indigener Meerestiere im Ballastwasser bereit. In der bevorzugten Ausführungsform werden ausreichende Mengen eines Abtötungsmittels und eines Reduktionsmittels nacheinander und separat in einen Ballastwasserbehälter gegeben. Ein Abtötungsmittel, wie Chloramin, vernichtet schnell die meisten oder alle der nicht-indigenen Makro- und Mikroorganismen in dem Ballastwasser. Die nachfolgende Zugabe des Reduktionsmittels wandelt das toxische Chloramin in nicht-toxische Nebenprodukte um und erzeugt eine sauerstofffreie Umgebung, in der alle verbleibenden Organismen, die das Chloramin überlebt haben könnten, was eher unwahrscheinlich ist, Bedingungen ausgesetzt werden, die kein Leben unterstützen. Geeignete Reduktionsmittel umfassen Festkörper, wie Aktivkohle und flüssige chemische Reduktionsmittel wie Natriumthiosulfat, Natriumsulfit, Natriumdithionit, Natriumbisulfit oder Schwefeldioxid. Bevorzugt wird nachfolgend dem Zugeben des Reduktionsmittels Sauerstoff zugegeben, um überschüssiges Reduktionsmittel zu entfernen und um gelösten Sauerstoff für Wasserspezies im Vorfluter bereitzustellen. In allen Ausführungsformen kann die Behandlung des Ballastwassers während der Aufnahme, des Transports in den Ballastbehälter, unmittelbar vor oder während der Austragung oder auf einem/einer mobilen oder küstennahen Behandlungssystem oder -anlage stattfinden und kann entweder automatisch oder manuell vonstatten gehen.
Das Behandlungssystem kann entweder an der Schiffswand oder auf einer Barkasse bzw. einem Lastkahn, die/der zur Behandlung neben das Schiff gebracht wird, montiert sein, was vom Grad der erforderlichen Behandlung und dem Volumen des Ballastwassers, das behandelt werden muß, abhängt. Die Konzentration oder der Rest des Abtötungsmittels, des Reduktionsmittels und des Sauerstoffs können mit kostengünstigen Vorrichtungen wie tragbaren Hach-Kits oder einfachen Swimmingpoolanalysegeräten leicht überwacht werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Eliminieren von nicht-indigenen Meeresorganismen in Schiffsballastwasser bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte einschließt: des Zugebens einer ausreichenden Menge eines Abtötungsmittels zu dem Ballastwasser; des Zugebens einer ausreichenden Menge eines Reduktionsmittels zu dem Ballastwasser nachfolgend dem Zugeben des Abtötungsmittels und des Re-Oxidierens des Ballastwassers nachfolgend dem Zugeben des Reduktionsmittels.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen ersichtlich, worin:
1A ein Chemikalienschema gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
1B ein Chemikalienschema gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und
3 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 die Ergebnisse einer empirischen Studie der vorliegenden Erfindung zusammenfaßt.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung stellt Systeme und Verfahren zur effektiven Behandlung von Ballastwasser zum Eliminieren der Einführung nicht-indigener Wasserspezies in Küstengewässer bereit. Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt die Vernichtung der meisten oder aller exotischer oder fremder Biota in Ballastwasser in zwei Schritten. Wie in 1A und 1B gezeigt, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden, sind die Schlüsselelemente der vorliegenden Erfindung, dafür zu sorgen, daß die Organismen durch Verwendung einer ausreichenden Menge eines Abtötungsmittels abgetötet werden, und ferner mit einem Reduktionsmittel, das sauerstofffreie Bedingungen mit ausreichenden Reduktionsniveaus erzeugt (z. B. Redoxpotential bei –400 bis –600 mv) für einen schnellen Abbau des Abtötungsmittels zu sorgen, um so sicherzustellen, daß kein Sauerstoff vorliegt. Dieser Ansatz stellt sicher, daß selbst in dem sehr unwahrscheinlichen Fall, daß Biota die Dosis der Abtötungsmittel überlebt hat, die in Frage stehende Biota unter den sauerstofffreien Bedingungen ohne weiteres abgetötet wird.
Es gibt fünf unterschiedliche Arten von Biota, die in Frage kommen:

1) Bakterien und Viren;
2) Phytoplankton;
3) Zooplankton;
4) Nekton und
5) Benthosorganismen.

Alle diese Spezies können durch die Verwendung eines Chloramins oder Bromamins abgetötet werden. Chloramine resultieren aus der Umsetzung von Chlor und Ammoniak unter Bildung von Verbindungen (z. B. Mono-chloramin NH₂Cl oder Dichloramin NHCl₂), die nicht oxidierend, sehr stabil und extrem toxisch für Meeresorganismen sind. Die bevorzugten Ausgangsmaterialien sind Hochtest-Hypochlorit (HTH) und Ammoniumchlorid. Alle Abtötungsmechanismen befolgen das Chick's-Gesetz, das in der Technik bekannt ist und das (in differentieller Form) folgendes aussagt: dN/dt = –kNt wobei

N: _t = Anzahl an Organismen zur Zeit t;
t: = Zeit, normalerweise in Sekunden und
k: = Reaktionskonstante (d. h. Abtötungsrate), s^–1

_t

₀

^–kt

_t

₀

Zooplankton sind überwiegend Larvenstadien viel größerer Meerestiere, die die Spezies primärer Wichtigkeit in bezug auf die Einführung exotischer Spezies und das resultierende Ökosystemungleichgewicht sind. Alle Arten von Zooplankton verfügen über Kiemen oder Kiemenäquivalente (z. B. Sauerstoff-permeable Häute). Chloramine sind extrem toxisch für Meeresspezies mit Kiemen. Chloramine sind auch ziemlich effektiv gegen Phytoplankton, andere exotische Spezies, Bakterien, Viren und Sporen oder Zysten.
Bezogen auf 1A wird die Zugabe eines Chloramins oder von Chloraminen zu dem Ballastwasser bevorzugt unmittelbar vor oder mit Beginn des Transports vorgenommen, um so die längstmögliche Kontaktzeit zu erreichen. Beim Transport kann die Konzentration an Chloramin leicht gemessen, überwacht und nach Bedarf eingestellt werden. Chloramine führen nicht zum Rosten der Stahltanks, Pumpen oder Rohrleitungen, die an Board von Schiffen verwendet werden. Im allgemeinen ist es jedoch unpraktisch, eine vorgeformte Chloraminlösung zu verwenden, da das Molverhältnis konzentrierterer Lösungen während des Mischens schwer zu kontrollieren ist. Daher werden bevorzugt anstelle einer vorgeformten Chloraminlösung wässeriges Ammoniak und Natriumhypochlorit (d. h. Bleiche) dem Ballastwasser in dem richtigen stöchiometrischen Ammoniak-Chlor-Gewichtsverhältnis zugegeben, um eine verdünnte Chloraminlösung in dem Ballastwasserbehälter zu bilden. Neben wässerigem Ammoniak und Natriumhypochlorit kann Chloramin durch das Umsetzen von gasförmigem Ammoniak, Ammoniumchlorid, Harnstoff oder Ammoniumnitrat mit Calciumhypochlorit (oder festem HTH – Hochtest-Hypochlorit), In-situ-Elektrolytzersetzung von Wasser zur Bildung von Chlor und gasförmigem Chlor, usw. hergestellt werden. Anstelle von Chloramin kann auch Bromamin verwendet werden und kann aus den gleichen Ammoniakquellen, wie oben beschrieben und einer Bromlösung oder festen bromierten Tabletten hergestellt werden.
Noch immer bezogen auf 1A, werden Ammoniak und Natriumhypochlorit bevorzugt automatisch zugegeben und fließen während der Ballastwasserauffüllung proportional durch eine Chemikalieneinspritzpumpe oder ein Chemikalienseitenstromzugabesystem. Ammoniak und Chlor können auch mittels eines befestigten Chemikalien-Dosierapparats für schwimmende Tabletten, der sich in den Ballastwasser tanks befindet und von einem Bordoperator nachgefüllt wird, oder mit einem Seitenstromtablettendosierer zugegeben werden. Alternativ kann die Lösung automatisch entweder vor oder nach dem Auffüllen zugegeben werden. Neben einer Chemikaleinspritzpumpe können für die Zugabe des Abtötungsmittels alle in der Technik bekannten Mittel verwendet werden. Beispielsweise können Chlor und Ammoniak dem Ballasttank vor oder nach dem Auffüllen manuell zugegeben werden, wie in 1A gezeigt. Der Antrieb des Motors und der Transport des Schiffes stellen sicher, daß die Chloraminlösung in dem Ballasttank gut gemischt wird. Die restliche Dosis an Chloramin beträgt typischerweise 1-20 Mikromol/Mol (ppm). Das Auffangen eines Restes in einer geeigneten Konzentration wird automatisch Abweichungen der Konzentration nicht-indigener Meeresspezies im Ballastwassertank, die verfügbare Kontaktzeit und den Chlorbedarf abgleichen. Am wichtigsten ist jedoch, daß für eine erfolgreiche Eliminierung der nicht-indigenen Planktonorganismen ein minimaler CT von 25-75 aufrechterhalten werden sollte. Ein CT von 45-55 ist stärker bevorzugt und ein CT von 50 ist am stärksten bevorzugt. Die Verwendung eines CT von 50 als Standard erfordert daher 50 Minuten Kontaktzeit, wenn eine 1 Mikromol/Mol (ppm) Chloraminlösung verwendet wird, und nur 2,5 Minuten Kontaktzeit, wenn 20 Mikromol/Mol (ppm) Chloramin verwendet werden.
Zur Inaktivierung von Zysten von Organismen, wie den überaus resistenten und pathogenen cryptospirdium parvum, ist sowohl für Chlor als auch Chlorarmin ein CT von 7.200 erforderlich. Wenn daher die Konzentration C = 10 Mikromol/Mol (ppm) Chloramin, dann ist eine Verweilzeit von 720 Minuten oder 6 Stunden erforderlich. Das heißt, eine vollständige Desinfektion des Ballastwassers kann in ungefähr 6 Stunden bei 10 Mikromol/Mol (ppm) (oder z. B. ungefähr einer Stunde bei 120 Mikromol/Mol (ppm) an Chloramin) erreicht werden. Bei diesem CT-Niveau wäre jegliche in Frage stehende Biota vollständig desinfiziert oder abgetötet. Mit anderen Worten, das Abtöten resistenterer Organismen, wie Viren oder Zysten wird einfach dadurch erreicht, daß das behandelte Ballastwasser für einen längeren Zeitraum an Ort und Stelle gehalten wird.
Im allgemeinen haben Chlor und Chloramine die gleiche Abtötungskraft, Chloramine sorgen jedoch besser für eine verläßliche Desinfektion für längere Zeiträume. In be zug auf die Bakterien- und Zystenzerstörung brauchen Chloramine länger, um das gleiche Abtötungsniveau wie Chlor zu erreichen. In bezug auf die Planktonabtötung sind Chloramine aufgrund ihrer starken und direkten Toxizität für Spezies mit Kiemen oder Membranatmungseinrichtungen weitaus besser als Chlor. Chloramine agieren als eine „Silberkugel" für einen direkten und spezifischen Angriff auf Biota, ohne daß sie die vielen anderen chemischen Spezies, die auch in dem als Ballast verwendeten Wasser existieren angreifen. Chloramine sind daher weitaus effektiver als Chlor, da Chloramine nicht versuchen, jede Chemikalie in Sichtweite zu oxidieren, wie es ein nicht-unterscheidendes Oxidationsmittel wie Chlor tut. Es ist klar, daß, während Biota in Zahlen von ungefähr 1.000 bis 100.000 pro Liter oder so existiert, chemische Spezies in Konzentrationen von 10²¹ Molekülen pro Liter existieren. Werden dem Ballastwasser nicht-unterscheidende Oxidationsmittel wie Chlor zugegeben, ist die Anzahl der Organismen im Vergleich zu der Anzahl der Moleküle der Bestandteile im Ballastwasser, die sich in derselben Größenordnung wie die des zugegebenen Desinfektionsmittels befinden, sehr klein (weniger als 1 Organismus/100.000.000.000.000.000 Moleküle Chlor). Wenn daher das Desinfektionsmittel bei seiner Reaktion nicht unterscheidet, wird ein Großteil seiner chemischen Kraft bei der Oxidation der Chemikalien im Ballastwasser vergeudet. Andererseits greifen Chloramine die Biota direkt an (bei einem Verhältnis von ungefähr 100.000.000.000.000.000 Molekülen Chloramin pro Organismus). Die abtötende Wirkung von Chloraminen ist daher millionenmal effektiver als die eines Oxidationsmittels wie Chlor. Der andere signifikante Vorteil von Chloraminen ist, daß es im wesentlichen keine Desinfektionsnebenprodukte in der Lösung und daher keine restlichen toxischen oder gesundheitsbezogenen Wirkungen, die mit dem behandelten Wasser an die Umgebung freigegeben werden, gibt.
Vor dem Austragen in den Hafen wird das Ballastwasser zur Eliminierung des Abtötungsmittels weiter behandelt. Blicken wir nunmehr auf 18, wird ein induziertes chemisches Reduktionsmittel wie Natriumthiosulfat, Natriumsulfit, Natriumbisulfit, Schwefeldioxid oder Natriumdithionit, in ausreichenden Mengen zugegeben, um die Chloramine und jeglichen Sauerstoff zu entfernen. Diese Reduktionsmittel können in Strömungsdosierverfahren zugegeben werden, in dem die Reduktionschemikalie entweder während des Austragens eingepumpt oder den Ballasttanks innerhalb ei ner Stunde oder so des Austragens manuell zugegeben wird. Die Zugabe des Reduktionsmittels zersetzt Chloramin in unschädliche Nebenprodukte, und das Reduktionsmittel wird gelösten Sauerstoff reduzieren.
Unter Verwendung von Natriumthiosulfat als Reduktionsmittel lauten die Reduktionsreaktionen wie folgt: 4NH₂Cl + 5H₂O + Na₂S₂O₃ → 4NH₄ ⁺ + 4Cl^– + 2Na⁺ + 2SO₄ ^– + 2H⁺ wobei das Abtötungsmittel ein Chloramin ist und das Gewichtsverhältnis von Monochloramin zu Natriumthiosulfat 1 zu 1,18 oder ungefähr 1 zu 1,2 beträgt; 4NH₂Br + 5H₂O + Na₂S₂O₃ → 4NH₄ ⁺ + 4Br + 2Na⁺ + 2SO₄ ^– + 2H⁺ wobei das Abtötungsmittel ein Bromamin ist und das Gewichtsverhältnis von Monobromamin zu Natriumthiosulfat 1 zu 2,2 beträgt; H₂O + Na₂S₂O₃ + 2O₂ → 2Na⁺ + 2SO₄ ^– + 2H⁺ wobei Sauerstoff eliminiert wird (das Gewichtsverhältnis von Natriumthiosulfat zu Sauerstoff beträgt ungefähr 1 zu 0,4).
Wenn daher die Dosis an Chloraminen 10 Mikromol/Mol (ppm) betrüge, dann betrüge die Dosis an Natriumthiosulfat ungefähr 12 Mikromol/Mol (ppm) (bei 0 Mikromol/Mol (ppm) gelöstem Sauerstoff) bis 15 Mikromol/Mol (ppm) (bei 8 Mikromol/Mol (ppm) gelöstem Sauerstoff) und 17,5 Mikromol/Mol (ppm) (bei 15 Mikromol/Mol (ppm) gelöstem Sauerstoff). Der Bereich für gelösten Sauerstoff in natürlichem Wasser beträgt 0 bis 10 Mikromol/Mol (ppm), mit einem Maximum unter besonderen Umständen von bis zu 15 Mikromol/Mol (ppm). Beispielsweise würde für eine Dosis von 10 Mikromol/Mol (ppm) Chloraminen und 8 Mikromol/Mol (ppm) gelöster Sauerstoff (d. h. normales Sättigungsniveau an Sauerstoff in natürlichem Wasser) die Menge an erforderlichem Natriumthiosulfat: 1,2 (10 Mikromol/Mol (ppm)) + 0,4 (8 Mikromol/Mol (ppm)) = 15,2 Mikromol/mol (ppm)betragen.
Ähnliche Berechnungen können ohne weiteres auch für andere Reduktionsmittel durchgeführt werden, aber alle Reduktionsmittel werden dieselben Dosierbereiche von ungefähr dem 1,5fachen der Dosis des Abtötungsmittels aufweisen. Diese Re duktionsreaktionen geschehen augenblicklich, was für Bedingungen sorgt, unter denen die Biota in Ballastwasser nicht überlebt.
Stärker bevorzugt wird das Reduktionsmittel jedoch dem Ballasttank oder dem ausgetragenen Wasser zugegeben, das dann in eine Baggerschute, die während des Entflutens neben das Schiff gebracht wurde, gepumpt wird, wie in 2 gezeigt. Dieses Verfahren liefert einen Zweischrittansatz, in dem das Chloramin die Biota abtöten wird, und in dem sehr unwahrscheinlichen Fall, daß Biota überlebt, der Zeitraum einer völligen Anoxie, die aus der Zugabe des Reduktionsmittels resultiert, sicherstellt, daß die Meerestiere mit Kiemen durch den Mangel an Sauerstoff ohne weiteres abgetötet werden. Bevorzugt beträgt die Verweilzeit auf dem Lastkahn 5-15 Minuten, wonach ein Großteil oder alle Spezies abgetötet sind, obgleich unter extremen Umständen auch eine längere Verweilzeit genutzt werden kann. Die Reduktion des Sauerstoffs wird im wesentlichen auch eine Korrosion ausräumen, indem das Oxidationsmittel (Sauerstoff) aus dem Ballastwasser entfernt wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird Aktivkohle als Reduktionsmittel verwendet. Aktivkohle wird in einem Druckgefäß bei Vollstandard-Austragungs-Flußraten verwendet. Die Aktivkohlegefäße können sich an Bord befinden oder auf einem benachbarten Lastkahn montiert sein, wie in 3 gezeigt. Aktivkohle verfügt über eine im wesentlichen unendliche Kapazität zur Reduktion von Chloraminen.
Gelöster Sauerstoff kann schnell und ökonomisch durch Venturi-Einspritzung oder durch Druckentlüftung des Lastkahns oder der Ballasttanks zugegeben werden, um so jegliches überschüssiges chemische Reduktionsmittel zu entfernen, wodurch das Ballastwasser in den Vorfluter ausgetragen werden kann.
Die restlichen Chloramine zum Zeitpunkt der Einführung, während des Transports, bei der Ankunft und nach der Einführung des Reduktionsmittels können ohne weiteres mit kostengünstigen tragbaren Hach-Kits oder Swimmingpoolkits (kolorimetrisch) überwacht werden. Überdies kann der gelöste Sauerstoff nach der Ankunft beim Austragen mit ähnlich einfachen tragbaren Instrumenten überwacht werden.
Neben den oben beschriebenen an Bord montierten Behandlungssystemen und den zum Teil an Bord und zum Teil auf einem Lastkahn montierten Behandlungssystemen kann das gesamte Behandlungssystem auf einer Baggerschute montiert werden. Ein Behandlungslastkahn ermöglicht die Behandlung von Ballastwasser komplett außerhalb des Schiffes, ohne jegliche Beeinträchtigung der Arbeitsvorgänge auf dem Schiff. Auf einem Lastkahn ist sowohl die chemische Behandlung als auch eine ausreichende Lagerung möglich, wodurch eine adäquate Verweilzeit bei der Austragungsflußrate bereitgestellt werden kann, um so die vollständige Vernichtung exotischer Spezies zu erreichen.
Bei Betrieb wird das Schiff mit Ballast an Bord an dem Lastkahn festmachen, der vor Anker gehen oder an einem Pier festmachen wird. Das Schiff wird dann mit dem Austragen seines Ballastwassers in die Auffangbehälter des Lastkahns beginnen. Ammoniak und dann Chlor werden dem Ballastwasser bei einer Konzentration, die den erforderlichen CT für eine gewünschte Kontaktzeit erreicht, kontinuierlich und innerhalb weniger Fuß voneinander entlang der Rohrleitung zugegeben.
Das Ballastwasser wird, nachdem die CT-Ausgangsbedingungen geschaffen sind, kontinuierlich aus dem Schiff in die Lastkahntanks ausgetragen. Das Ballastwasser wird in dem Lastkahn gehalten, mit dem Abtötungsmittel behandelt, mit dem Reduktionsmittel behandelt, re-oxidiert und dann über die Seite des Vorfluters ausgetragen.
BEISPIEL
Meeresplankton wurde ExoStop^TM, einer Monochloraminlösung, ausgesetzt, um dessen Wirksamkeit als ein Mittel zur Sterilisierung von Schiffsballastwasser zur Zerstörung exotischer Spezies in Schiffsballastwasser zu bestimmen.
Verfahren
Meeresplankton wurde aus der San Francisco Bay nahe dem Ende des Berkeley Piers mit einem 0,165-mm-Maschen-Nylonplanktonnetz gesammelt. Das Plankton in dieser Region sollte für jenes in der San Francisco Bay, das als der Wasserkörper mit dem höchsten Kontaminationsgrad durch exotische Spezies anerkannt ist, repräsentativ sein. Mit einem konischen Fangnetz mit einem Durchmesser vom 30 cm wurden kurze 15-m-(ca. 50 Fuß) schräge Schleppen durchgeführt, und die Inhalte wurden in Kunststoffballons mit Buchtwasser überführt. Wenn die Dichte an Zooplankton an der Sammelstelle weniger als 10 Individuen pro Liter betrug, mußte das Plankton konzentriert werden, um sicher zustellen, daß adäquate Zahlen in den Experimentgefäßen enthalten waren. Für den Transport in ein Labor wurden zehn Schleppen in je zwei 23-Liter-(5 Gallonen)-Ballons plaziert. Dies ergab einen Konzentrationsfaktor von ungefähr dem 500-fachen.
Die Ballons wurden in einem unbeheizten Labor über Nacht stehengelassen und vorsichtig in ein großes Mischgefäß dekantiert. Dieser Schritt stellte sicher, daß nur aktive schwimmende überlebende Organismen für den Test verwendet wurden. Die Inhalte des Mischgefäßes wurden vorsichtig gerührt, damit das Plankton einheitlich verteilt blieb, und das Wasser wurde in neun Kunststoffbecher dosiert. Jeder Becher enthielt 2.000 ml. Eine Konzentration, 10 Mikromol/Mol (ppm) ExoStop^TM, wurde getestet.
Drei Expositionszeiten (5, 30 und 60 Minuten) wurden getestet. Für jede Expositionszeit gab es einen Becher, der kein ExoStop^TM enthielt (Kontrolle) und zwei, die ExoStop^TM enthielten (Replikate A und B). Die Salzhaltigkeit, die Temperatur und gelöster Sauerstoff wurden zu Beginn der Exposition mit einem Hydrolab gemessen.
Am Ende der Expositionszeit wurde Zooplankton aus jedem Becher mittels Filtration durch 0,050-mm-Maschen-Nylonnetze entfernt und die konzentrierten Proben wurden in eine Petrischale gewaschen, in die einige Tropfen eines Vitalfarbstoffes, Neutral Red, gegeben wurden. Ein Vitalfarbstoff ist ein Farbstoff, der sich in lebendes Gewebe einlagert, jedoch nicht in totes Gewebe. Die Proben wurden dem Farbstoff für eine Stunde ausgesetzt, wobei während dieser Zeit Beobachtungen mit einem Präpariermikroskop, das die Bewegung der Tiere und die Einlagerung von Farbstoff erfaßt, vorgenommen. Am Ende der Färbeperiode wurden die Proben mit Formalin konserviert.
Ergebnisse

Das Testwasser hatte eine Salzhaltigkeit von 28,4 Millimol/Mol (ppt) (ungefähr 85 Prozent salziger als das offene Meer), gelöster Sauerstoff lag nahe der Sättigung und die Temperatur der Experimentbecher betrug 11 °C (Tabelle 1). Tabelle 1. Verfahrensdetails der Versuchs-Expositon von San Francisco Bay-Zooplankton zu ExoStop^TM

Salzhaltigkeit, Millimol/Mol (Teile pro Tausend)	28,4
gelöster Sauerstoff, Mikromol/Mol (ppm)	9,0
Temperatur, °C	11,1
Volumen der Experimentbecher	2.000 ml
Maschengröße des Fangnetzes, mm	0,135
ungefährer Konzentrationsfaktor in den Bechern	500X

Das Zooplankton in den Experimentbechern war numerisch dominiert von kleinem (1,2 mm und kleiner) Copepodit, vorwiegend dem Calanoid Acartia, zusammen mit unreifen Copepoditen und Nauplius-Stadien; und kleinen cyclopsähnlichen Copepoditen. Und ein paar größere Calanoida (Calanus, ca. 3 mm lang) wurden gefunden sowie kleinere Anzahlen von einem Dutzend oder so anderer Taxa, einschließlich Pfeilwürmern, Rippenquallen, Jungmysidacea, Nauplius- und Cypris-Stadien des Rankenfußkrebses, Cumacea, Krabben- und Garnelenzoaelarven, adulte Garnelen, Flohkrebslarven, Fischlarven, Polychaetenlarven und Hyrdroidpolypen (siehe Tabelle 2 in 4). Die meisten dieser anderen Taxa wurden von einem bis wenigen Individuen pro Becher repräsentiert.
Das Zooplankton in den Kontrollproben zeigte eine gute Überlebenszahl bei allen drei Expositionszeiten (5, 30 und 60 Minuten Exposition). Alle Tiere färbten sich gut und schwammen aktiv.
Bei der 5minütigen Behandlung waren alle Tiere regungslos. Die kleinen Copepoden schienen tot, hatten jedoch ein bißchen von dem Vitalfarbstoff in den Darm aufgenommen. Dies ist möglicherweise ein Anzeichen dafür, daß der Giftstoff keine Zeit hatte, vollständig in die aufgenommene Nahrung einzudringen. Größeres Zooplankton, wie Calanus und Garnelenlarven, war regungslos, bis auf ein Zucken der Mundteile und anderer kleiner Anhängsel. Diese färbten sich leicht. Sie lagen zweifellos im Sterben, obgleich sie noch nicht ganz tot waren. Bei den 30- und 60minütigen Expositionen waren alle Tiere regungslos und nahmen im wesentlichen keinen Farbstoff auf.
Dieser Test zeigt, daß 10 Mikromol/Mol (ppm) ExoStop^TM eine Vielzahl von Meereszooplanktonspezies, einschließlich sowohl Holo- als auch Meroplankton, bei einer Exposition von mindestens 5 Minuten (bei einem CT von 50) abtöten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 (4) zusammengefaßt, die die Zooplanktontaxa auflistet, die in einem Becher gefunden wurden.
Alle Reste von ExoStop^TM wurden erfolgreich durch die Zugabe von Natriumthiosulfat entfernt und es war keine restliche Toxizität zu erwarten.

Claims

Verfahren zum Eliminieren von nicht-indigenen Meeresorganismen in Schiffsballastwasser, wobei das Verfahren die Schritte einschließt: des Zugebens einer ausreichenden Menge eines Abtötungsmittels zu dem Ballastwasser; des Zugebens einer ausreichenden Menge eines Reduktionsmittels zu dem Ballastwasser nachfolgend dem Zugeben des Abtötungsmittels und des Re-Oxidierens des Ballastwassers nachfolgend dem Zugeben des Reduktionsmittels.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Abtötungsmittel Chloramin ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Chloramin in dem Ballastwasser gebildet wird, indem wäßriges Ammoniak und Natriumhypochlorit zu dem Ballastwasser gegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Chloramin in dem Ballastwasser gebildet wird, indem ein festes Ammoniaksalz und Hochtest-Hypochlorit zu dem Ballastwasser gegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Chloramin aus der Umsetzung von gasförmigem Ammoniak, Ammoniumchlorid, Harnstoff oder Ammoniumnitrat mit Calciumhypochlorit oder festem Hochtest-Hypochlorit hergestellt werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die ausreichende Menge des Abtötungsmittels derart ist, daß: ein CT von mehr als 25 erreicht wird; ein CT zwischen etwa 45 und 55 erreicht wird; und/oder ein CT von etwa 50 erreicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die ausreichende Menge des Abtötungsmittels derart ist, daß ein CT zwischen etwa 7.000 und 8.000 erreicht wird, vorzugsweise derart, daß ein CT von zwischen etwa 7.100 und 7.300 erreicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, 6 oder 7, wobei das Reduktionsmittel aus der Gruppe, bestehend aus Natriumthiosulfat, Natriumsulfit, Schwefeldioxid, Natriumdithionit, Natriumbisulfit und Aktivkohle, ausgewählt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die ausreichende Menge des Reduktionsmittels etwa das 1,5- bis 2-fache der Konzentration des Abtötungsmittels ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei eine ausreichende Menge des Reduktionsmittels zu dem Ballastwasser gegeben wird und für etwa 5 bis 15 Minuten gehalten wird, um den erwünschten CT zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Abtötungsmittel ein Bromamin ist.
Verfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, einschließend den Schritt des Austragens des Ballastwassers in einen Auffangbehälter in einer Barkasse bzw. einem Lastkahn.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Schritt des Austragens des Ballastwassers in einen Auffangbehälter in einem Lastkahn vor dem Zugeben des Abtötungsmittels und des Reduktionsmittels oder nach dem Zugeben des Abtötungsmittels aber vor dem Zugeben des Reduktionsmittels durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Abtötungsmittel ein Chloramin ist, und wobei wäßriges Ammoniak und/oder ein Ammoniumsalz und Natrium- oder Calciumhypochlorit verwendet werden, um das Chloramin in dem Ballastwasser zu bilden, und getrennt zu dem Ballastwasser zugegeben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, einschließend den Schritt: des Austragens des Ballastwassers in einen Auffangbehälter in einem Lastkahn; wobei das Abtötungsmittel wäßriges Ammoniak und Natriumhypochlorit ist; das Reduktionsmittel Natriumbisulfit ist; und wobei das wäßrige Ammoniak und Natriumhypochlorit in stoichiometrischem Verhältnis sind, um ein Chloramin in dem Ballastwasser zu erzeugen.