Neue Alternativen zu Online-DPD-Geräten für die TRO-Messung in BWMS
Der amperometrische DPI-Sensor (Direct Pipe Insertion) von Halogen Systems bietet eine reagenzfreie, membranfreie Alternative zu Online-DPD-Geräten zur Messung des gesamten Restoxidationsmittels in Ballastwassermanagementsystemen. Von der Alliance for Coastal Technologies (ACT) validiert und durch eine DNV-Typzulassung gestützt; seit 2014 wurden über 2.000 Sensoren auf Schiffen eingesetzt.
Dieses Whitepaper präsentiert Bewertungsdaten Dritter, Prüfungen zur Durchflussunabhängigkeit, Ergebnisse zur Robustheit gegenüber Trübung, Kostenvergleiche und Feldtestdaten, die 1,2 Jahre wartungsfreien Betrieb an Bord belegen.
Wichtige Leistungsmerkmale
1. Hintergrund
Halogen Systems, Inc. nahm 2012 seine Tätigkeit auf, um seine Multiparameter-Sensortechnologie zu kommerzialisieren. Von Anfang an verfolgte das Unternehmen das Ziel, die Probleme bestehender amperometrischer Sensoren zu beseitigen und eine robuste alternative Sensorplattform für Anwendungen in vielen Branchen zu entwickeln. Sein Sensor unterscheidet sich grundlegend von anderen Sensoren, daher die Bezeichnung DPI (Direct Pipe Insertion) Amperometric.
Dieser neue amperometrische Sensor wurde zum Teil durch Small Business Investment Research (SBIR)-Aufträge des US Office of Naval Research (ONR) finanziert[DoD, 2020]. Seit 2014 wurde dieser Sensor kontinuierlich verbessert und weiterentwickelt.
2. Zusammenfassung
Der amperometrische DPI-Sensor ist eine neue Alternative zu Online-DPD-Geräten. Beim Einsatz in Ballastwasser-Managementsystemen (BWMS) beseitigt diese Alternative potenzielle Konformitätsprobleme durch einzigartige Merkmale:
Schnelle Reaktion
Direkte TRO-Messung in der Ballastwasserleitung mit Messwerten in unter 45 Sekunden.
Betrieb in schlammigen Häfen
Robuster und genauer Betrieb ohne Filter bei dem 20-Fachen der von ETV geforderten TSS-Gehalte (1.000 ppm).
Hohe DOC-Toleranz
Präziser Betrieb bei Konzentrationen an gelöstem organischem Kohlenstoff, die dem 6-Fachen der Prüfbelastung für BWMS entsprechen.
Durchflussunabhängig
Präziser Betrieb von 0 bis 3.73 m/s Strömungsgeschwindigkeit – keine Auswirkung auf die Messung.
Integrierte Salzgehalts- und pH-Messung
Der integrierte Salzgehaltsensor macht ein separates Messgerät überflüssig. Der pH-Sensor hält 10 bar stand.
Modelle für explosionsgefährdete und nicht explosionsgefährdete Bereiche
Verfügbar für explosionsgefährdete Bereiche der Zone 1, Gruppe IIC, für offenes Deck, Nebenstrom und Ballastwasserleitung.
Vorteile bei Installation und Service
Umfassende Validierung durch Dritte
3. Bewertung durch Dritte (ACT)
Die Alliance for Coastal Technologies (ACT) führte eine Bewertung von Ballastwasser-TRO-Messgeräten mit derzeit verfügbarer Technologie durch[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. Obwohl ACT die Sensoren nicht direkt verglich, gehen mehrere wichtige Punkte aus diesen Berichten hervor:
Präzisionstestergebnisse
Die beiden fabrikneuen DPD-Geräte, die von Werkspersonal installiert wurden, lagen außerhalb ihrer jeweiligen Spezifikationen von 5% (unter 6 ppm). Die Genauigkeit von DPD1 während des Präzisionstests betrug ±15%, die von DPD2 ±32%. Der Halogen-Sensor lag mit ±4% deutlich innerhalb seiner Spezifikation. Sein Variationskoeffizient (2,5%) war besser als der der DPD-Referenzmethode (2,6%).
Genauigkeitstestergebnisse
Ein DPD-Instrument funktionierte während zweier Genauigkeitsprüfungen nicht ordnungsgemäß, weshalb keine Daten erhoben werden konnten. Bei den Genauigkeitsprüfungen, für die Daten vorlagen, schnitt der Halogen-Sensor (HSI) ähnlich gut oder besser ab als die DPD-Instrumente. Werte näher an 1,00 zeigen eine bessere Genauigkeit an.
Tabelle 1: Präzisionsvergleich — Drei von ACT bewertete Instrumente
| Probe | Referenzmethode | DPD2 | DPD1 | HSI (Halogen) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3.55 | 2.3 | 3.02 | 3.45 |
| 2 | 3.56 | 2.41 | 3.1 | 3.45 |
| 3 | 3.48 | 2.39 | 3.01 | 3.4 |
| 4 | 3.53 | 2.39 | 3.01 | 3.34 |
| 5 | 3.49 | 2.29 | 3.05 | 3.34 |
| 6 | 3.5 | 2.3 | 2.93 | 3.35 |
| 7 | 3.47 | 2.31 | 2.92 | 3.33 |
| 8 | 3.41 | 2.33 | 2.91 | 3.28 |
| 9 | 3.38 | 2.32 | 2.85 | 3.27 |
| 10 | 3.45 | 2.3 | 2.83 | 3.24 |
| 11 | 3.33 | 2.32 | 2.79 | 3.22 |
| 12 | 3.27 | 2.27 | 2.68 | 3.2 |
| Durchschnittlich | 3.45 | 2.33 | 2.93 | 3.32 |
| Standardabweichung | 0.09 | 0.04 | 0.12 | 0.08 |
| Variationskoeffizient (%) | 2.60% | 1.90% | 4.20% | 2.50% |
| Relative Genauigkeit in % | — | -32% | 15% | 4% |
Quelle: Bewertungsberichte der Alliance for Coastal Technologies (ACT). Vollständige Berichte unter act-us.info verfügbar
Tabelle 2: Von ACT berichtete Steigungen der linearen Regression
Ergebnisse der Genauigkeitsprüfung bei unterschiedlichen Salzgehalten. Werte näher an 1.00 bedeuten eine höhere Genauigkeit.
| Salinität in PSU | HSI (Halogen) | DPD1 | DPD2 |
|---|---|---|---|
| 0.2 | 0.809 | 0.829 | 1.072 |
| 0.2 | 0.962 | 0.879 | 0.728 |
| 0.2 | 0.814 | 0.924 | 0.777 |
| 15 | 0.779 | — | 0.762 |
| 15 | 0.825 | 0.783 | 0.458 |
| 15 | 0.793 | 0.859 | 0.635 |
| 30 | 0.756 | — | 0.746 |
| 30 | 0.818 | 0.747 | 0.456 |
| 30 | 0.717 | 0.787 | 0.603 |
| 15 | Nicht getestet | 0.814 | 0.585 |
| 16 | 0.778 | 0.794 | 0.665 |
Quelle: Bewertungsberichte der Alliance for Coastal Technologies (ACT). Vollständige Berichte unter act-us.info verfügbar
4. Schnelle Reaktion durch direkte Rohrinstallation
Dieser Sensor wird direkt in der Ballastwasserleitung installiert und liefert schnelle TRO-Messwerte (in weniger als 1 Minute). Online-DPD-Geräte, die über lange Wasserprobenleitungen versorgt werden, können Probenverunreinigungen verursachen und führen zu einer Verzögerung – auf manchen Schiffen oft 3 bis 8 Minuten –, bevor das BWMS einen aktualisierten Messwert erhält. Ein verzögerter Prozessregelkreis verursacht häufig Probleme bei der genauen Regelung und führt zu Schwankungen zwischen Über- und Unterchlorierung. Lange Probenleitungen sind zudem häufig für Probenverunreinigungen verantwortlich.
5. Robuster Betrieb in schlammigen Häfen
BWMS-Systeme werden bei einer Prüfbelastung von 50 ppm Gesamtschwebstoffen (TSS) bewertet[EPA, 2010]. Einige Häfen weisen jedoch wesentlich höhere Schwebstoffgehalte auf, und das Wasser kann sogar „schlammig“ erscheinen. Um die Robustheit dieses Sensors zu demonstrieren, wurde er mit dem 40-Fachen des geforderten TSS-Werts (2.000 ppm) geprüft[HSI ISO15839, 2020].
DPD-Methode durch Trübung beeinflusst — amperometrischer Sensor unbeeinflusst
Hohe TSS-Gehalte beeinträchtigten die DPD-Methode (Spektrophotometer) und führten zu niedrigeren Messwerten. Um genaue DPD-Messwerte zu erhalten, musste die Probe (1) mit dem Reagenz reagieren, (2) zur Entfernung der TSS filtriert werden (5 Mikrometer) und (3) anschließend gemessen werden. Gefilterte und ungefilterte DPD-Messungen begannen bei 200 ppm TSS voneinander abzuweichen. Dies zeigt, dass verschmutztes Wasser die Spektren bei der DPD-Messmethode beeinträchtigt.
Bei niedrigeren TRO-Einleitwerten — etwa der kritischen maximal zulässigen Einleitkonzentration (MADC) von 0,1 ppm — ist die Abnahme der DPD-Genauigkeit noch ausgeprägter. Der amperometrische Sensor wird von diesen Trübungsgraden nicht beeinflusst.
6. Änderungen der Durchflussrate haben keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit
Andere amperometrische Sensoren reagieren äußerst empfindlich auf Durchflussänderungen. Halogens Sensor hat Durchflussunabhängigkeit bewiesen. Während dieses Tests variierte die Strömungsgeschwindigkeit von 0 über 1.93 m/s bis 3.73 m/s. Die Sensorgenauigkeit wurde mit einem Laborspektrophotometer (Hach DPD) zur Gesamtchlormessung überprüft[HSI 06, 2020].
Tabelle 3: Durchflusstest — Hach DPD im Vergleich zum Halogen-Sensor
| Durchflussrate | Hach DPD (ppm) | Halogen Sensor (ppm) | Genauigkeit |
|---|---|---|---|
| 0 GPM | 8.98 | 8.96 | 0% |
| 0 GPM | 8.83 | 9.05 | 2% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.49 | 9.06 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.48 | 9.04 | -5% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.02 | 8.94 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.64 | 8.99 | 4% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.06 | 8.89 | -2% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.87 | 8.92 | 1% |
| 0 GPM | 9.26 | 8.92 | -4% |
| 0 GPM | 9.23 | 8.82 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.9 | 8.77 | -1% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.29 | 8.91 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.04 | 8.77 | -3% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.9 | 8.8 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.02 | 8.91 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.78 | 8.84 | 1% |
| 0 GPM | 8.61 | 8.78 | 2% |
| 0 GPM | 9.05 | 8.75 | -3% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.77 | 8.7 | -1% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.82 | 8.63 | -2% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.14 | 8.61 | -6% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.96 | 8.67 | -3% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.71 | 8.71 | 0% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.07 | 8.55 | -6% |
| 0 GPM | 8.8 | 8.63 | -2% |
| 0 GPM | 8.77 | 8.48 | -3% |
Aus diesen Daten geht klar hervor, dass die Strömungsbedingungen bei Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 0 und 3,73 m/s einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Sensorgenauigkeit haben.
7. Niedrige Betriebskosten
Es werden keine chemischen Reagenzien oder Membranen benötigt, wodurch Betrieb und Wartungsarbeit der Schiffsbesatzung kostengünstiger werden. Es ist lediglich ein Austausch des Verschleißteilesatzes alle zwei Jahre erforderlich. Laut KRS erfordern DPD-Geräte außerdem zusätzliche Wartungsarbeiten[KRS].
Tabelle 4: Kostenvergleich — DPI-Amperometrie im Vergleich zu DPD
| Service | DPI-amperometrisch | DPD |
|---|---|---|
| Reagenzien | Keine | Alle 30–60 Betriebstage |
| Verschleißteile | 24 Monate | N/A |
| Jährliche Kosten | $120 USD | ~600 USD |
| Jährlich | N/A | Pumpenüberholung (Chemikalien-/Meerwasserkorrosion) |
| Monatlich | N/A | T-Sieb prüfen und reinigen |
| Vierteljährlich | N/A | Ventil und Pumpenschlauch prüfen und reinigen |
| Halbjährlich | N/A | Reinigung des Zweiwege-Magnetventils |
8. Langes Intervall zwischen den Wartungszyklen
Nach der Methodik der ISO 15839 für einen „Feldtest“ liefen Halogen-Sensoren 24 Stunden täglich über insgesamt 33 Zyklen in 80 Tagen, benötigten jedoch keine Wartung oder Kalibrierung. Dies entspricht 66 Wochen oder 1.2 Jahren Betrieb an Bord und über 792 Stunden tatsächlichem Sensorbetrieb[HSI 04, 2020].
Tabelle 5: Feldtestannahmen — Typischer BWMS-Wartungszeitraum
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Typische Schiffsreise | 14 Tage |
| Ballastzeit pro Reise | 10 Stunden |
| Ballastierungszeit pro Monat | 21.4 Stunden |
| Kalibrierungsprüfintervall | 60 Tage |
| Sensorbetrieb in 60 Tagen | 42.9 Stunden |
Während einer typischen zweiwöchigen Reise findet ein Ballastierungs-/Entballastierungszyklus statt, bei dem die Sensoren etwa 8 Stunden laufen und für den Rest der Reise ausgeschaltet bleiben. Der Sensor wäre neu kalibriert worden, wenn er zu irgendeinem Zeitpunkt um mindestens 15 % vom DPD-Messwert abgewichen wäre. Während des gesamten Testzeitraums war keine Neukalibrierung erforderlich.
9. Installationskosten
Die Installationskosten des Halogen-Sensors sind deutlich niedriger als die von DPD-Geräten, da keine Probenleitungen, Abwasserleitungen, fernbetätigten Ventile, Probenaufbereitung oder Pumpen erforderlich sind. Die geschätzten Einsparungen betragen über 2.200 US-Dollar pro Gerät.
Tabelle 6: Vergleich der Installationskosten
| Artikel | DPD-Gerät | Amperometrischer Sensor |
|---|---|---|
| Pumpe | $909 | $0 |
| Ventile | $1,763 | $0 |
| Verlegte Wasserleitungen (an Bord) | (inkl.) | $0 |
| Montage auf einem Gestell | (inkl.) | $0 |
| Probenaufbereitung und Filtration | (inkl.) | $0 |
| Hot-Tap-Ventil und Ausbauvorrichtung | N/A | $450 |
| Zusätzliche Installationskosten insgesamt | $2,672 geschätzt. | $450 geschätzt. |
* Daten von Kunden
10. Wartungsfreundlichkeit
Das Halogen Hot Tap Valve ermöglicht die einfache Sensormontage in einer Ballastwasserleitung und kann mit einem Ausbauwerkzeug für den dauerhaften Anbau oder gelegentliche Wartung ausgestattet werden. Der Vorgang umfasst vier Schritte: (1) Ventil schließen, (2) Sensor über den Ausbaupunkt zurückziehen, (3) Sensor aus der Ausbauplatte schieben und (4) Sattelklemmen von der Anschlussdose lösen, um einen schnellen Austausch zu ermöglichen.
11. Modelle für explosionsgefährdete und nicht explosionsgefährdete Bereiche
Es sind vier Sensormodelle erhältlich. Sowohl Modelle für explosionsgefährdete Bereiche (Zone 1, Gruppe IIC) als auch Modelle für nicht explosionsgefährdete Bereiche sind mit drei Montageoptionen verfügbar: im Rohr (Einbau unter Druck), im Nebenstrom und auf offenem Deck.
In der Rohrleitung (Hot Tap)
Direkter Einbau in die Ballastwasserleitung über ein Ventil zum Anbohren unter Druck. Geringster Platzbedarf, schnellstes Ansprechen.
Nebenstrom
Keine Druck- oder Durchflussregelung erforderlich. Eine Druckdifferenz kann genutzt werden, um Wasser durch die Kammer zu leiten.
Offenes Deck
Alle Modelle können auf offenem Deck für Schiffe installiert werden, bei denen eine Installation unter Deck unpraktisch ist.
Durch seine geringere Größe und den schnellen Ausbau eignet sich der Sensor als Ersatzgerät an Bord und verringert so mögliche Ausfallzeiten. Er lässt sich für einen schnellen Austausch oder eine Wartung leicht von der Anschlussdose trennen.
12. Selbstreinigend
Der Sensor ist durch sieben US-Patente und fünf ausländische Patente geschützt. Die integrierte Pumpe erhöht die Strömungsgeschwindigkeit über die Sensorelektrodenflächen und verstärkt das Signal, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis (S:N) steigt. Diese Funktion ermöglicht außerdem die kontinuierliche Reinigung der Elektroden.
Reinigungsperlen werden in einem Hohlraum im Sensor aufgefangen; Die Strömung bewegt sie, um die Elektroden abzureiben. Diese Pumpe wird von einem Motor mit einer Lebensdauer von 20,000 Stunden angetrieben. Zusätzlich zum TRO misst der Sensor Salzgehalt, Temperatur, ORP und pH. Drei dieser Parameter dienen der Kompensation von Signaländerungen in Süß- und Brackwasser.
13. Integrierter Salzgehaltsensor
Alle Sensoren verfügen über einen integrierten Salzgehaltsensor. Dies kann den Bedarf an einem anderen Instrument verringern (Einsparungen von über $3,000). Diese Funktion ermöglicht die Sensorkompensation in Süßwasserhäfen.
14. Fazit
„Amperometrische Sensoren werden in BWMS nicht häufig eingesetzt, bieten jedoch einige potenzielle Vorteile gegenüber anderen Geräten. Amperometrische Sensoren sind reagenzienfrei und würden beim Einsatz in BWMS das direkte Eintauchen des Sensors in einen Probenahmeeinlass ermöglichen. Damit entfiele der Bedarf an Probenahmepumpen und Reagenzien, die bei Online-DPD-Analysatoren erforderlich sind.“
— Tamburri et al., Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]
Halogens speziell für BWMS-Anwendungen entwickelter amperometrischer Sensor vereint Technologien auf einzigartige Weise, um Ballastwasseranwendungen kosteneffizient zu bedienen und einige mögliche Compliance-Probleme zu beseitigen.
Referenzen
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