壓載水處理系統(tǒng)研究進(jìn)展

張 楷，方振東，楊 琴，馮云霄

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院營(yíng)房管理與環(huán)境工程系，重慶 401311)

為減輕壓載水排放對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，IMO(International Maritime Organization，國(guó)際海事組織)于2004年2月頒布了《國(guó)際壓載水沉積物控制與管理公約》［1］，要求2009年起新造船舶必須安裝壓載水處理設(shè)備，并對(duì)現(xiàn)有船舶實(shí)施追溯，到2016年所有遠(yuǎn)洋船舶必須安裝壓載水處理設(shè)備［2］。鑒于此，世界各國(guó)尤其是航運(yùn)發(fā)達(dá)國(guó)家，廣泛開(kāi)展了壓載水處理系統(tǒng)研發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2010年8月，已有16個(gè)國(guó)家研發(fā)出46套壓載水處理系統(tǒng)［3］，其中24套壓載水處理系統(tǒng)已獲IMO初步批準(zhǔn)和最終批準(zhǔn)。

1 國(guó)外壓載水處理系統(tǒng)介紹

1.1 德國(guó)

1.1.1 Clean Ballast處理系統(tǒng)

Clean Ballast處理系統(tǒng)不使用任何活性物質(zhì)，采用圓盤(pán)式過(guò)濾［4］和電解消毒［5］工藝，處理流程如圖1所示。壓載水經(jīng)圓盤(pán)式過(guò)濾后，懸浮固體顆粒在高沉淀狀態(tài)下被清除，電解消毒裝置利用高壓電極產(chǎn)生羥基自由基 (·OH)深度處理，·OH標(biāo)準(zhǔn)氧化電位達(dá)2.8eV，攻擊能力強(qiáng)，能有效滅殺細(xì)菌、病毒、藻類(lèi)和原生動(dòng)物［6］。電解消毒后的水作為圓盤(pán)式過(guò)濾裝置的反沖洗用水，經(jīng)排泄管排入污水艙或舷外。

1.1.2 SENDA處理系統(tǒng)

SENDA處理系統(tǒng)［7］是世界上第一個(gè)獲得IMO最終批準(zhǔn)并得到德國(guó)船級(jí)社頒發(fā)型式認(rèn)可證書(shū)的系統(tǒng)。系統(tǒng)使用的活性物質(zhì)是Peraclean Ocean［8］，其主要成分為:PAA(15%)，H2O2(14.3%)，CH3COOH(26.5%)，H2O(40%)和少量的穩(wěn)定劑。PAA(CH3COOOH)這種生物滅殺劑，溶解后迅速分解為CH3COOH和O2，能殺死細(xì)菌、藻類(lèi)、病毒甚至孢子，降解快，產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)害［9］。SENDA系統(tǒng)處理壓載水時(shí)分為三個(gè)步驟:①旋流分離器去除水中沉積物;②自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器去除＞50μm的固體顆粒;③濃度為150ppm的 Peraclean Ocean滅殺殘留微生物。

1.2 美國(guó)

1.2.1 VOS處理系統(tǒng)

VOS(Venturi Oxygen Stripping) 處理系統(tǒng)［10］采用文丘里管脫氧技術(shù)在線處理壓載水，如圖2所示。船舶低硫燃料燃燒產(chǎn)生的廢氣，主要是N2和CO2，凈化后通入文丘里管形成微泡環(huán)境，使管內(nèi)溶解氧濃度10s內(nèi)降低95%［11］，CO2使海水pH值降至5.5～6。實(shí)驗(yàn)表明，99%的浮游動(dòng)物48h內(nèi)被殺死，100h后，厭氧菌、病毒、病原體等所有生物存活率為0。VOS處理系統(tǒng)使壓載艙腐蝕速率降低10%，每年節(jié)約80000美元的維護(hù)費(fèi)用。

1.2.2 Hyde Guardian 處理系統(tǒng)

Hyde Guardian 處理系統(tǒng)［13－14］采用 “過(guò)濾 + 紫外輻射”的處理工藝。過(guò)濾分離盤(pán)去除壓載水中50μm以上微生物，紫外消毒滅殺細(xì)菌、浮游植物和病原體，減壓載時(shí)，再次經(jīng)紫外輻射滅殺壓載艙中生長(zhǎng)繁殖的微生物［15］。

1.3 韓國(guó)

1.3.1 Electro－CleenTM處理系統(tǒng)

Electro－CleenTM處理系統(tǒng)由多個(gè)電解模塊組成，如圖3所示。海水中的Clˉ電解生成ClOˉ和少量的·OH，這些強(qiáng)氧化性的陰離子和自由基能有效去除有機(jī)物和滅殺微生物，抽樣檢測(cè)，滿足G8－D2標(biāo)準(zhǔn)［16］。為控制壓載管道Clˉ濃度，用CLC快速測(cè)定儀在線監(jiān)測(cè)［17］;為控制排放時(shí)總殘留氯量 (TRC)，用紫外分光光度計(jì)監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)結(jié)果中的TRC如果超過(guò)IMO限值，用硫代硫酸鈉中和。船上測(cè)試表明，5d后壓載艙中TRC＜2mg/L［18］，但電解海水對(duì)壓載水管道的腐蝕速率是天然海水的1.3～1.7倍［19］。

1.3.2 NK－O3Blue Ballast處理系統(tǒng)

NK－O3Blue Ballast處理系統(tǒng)基于臭氧處理技術(shù)。臭氧具有不穩(wěn)定性和強(qiáng)氧化性，能將海水中有機(jī)物不飽和鍵斷裂，有效滅殺海水中的細(xì)菌、病毒和藻類(lèi)。NK－O3Blue Ballast處理系統(tǒng)［20］由空氣側(cè)流注入裝置和臭氧發(fā)生器組成，生成的臭氧通入壓載艙后，減少了沉積物生成和微生物數(shù)量，抑制海水對(duì)壓載艙的腐蝕速率。

1.4 挪威

1.4.1 Optimarin Ballast處理系統(tǒng)

Optimarin Ballast處理系統(tǒng)采用“膜技術(shù)+紫外輻射”處理工藝。壓載水經(jīng)BSF平面氣態(tài)膜［21］分離50μm以上的微生物后，用可連續(xù)調(diào)節(jié)的高壓紫外線反應(yīng)器Mikrokill UV［22］深度處理殘留浮游動(dòng)物、藻類(lèi)和細(xì)菌，壓載水排放時(shí)，再次經(jīng)Mikrokill UV處理。

1.4.2 Ocean Saver處理系統(tǒng)

Ocean Saver處理系統(tǒng)采用“過(guò)濾+電滲析+氣穴”處理工藝。海水經(jīng)過(guò)濾器去除50μm以上微生物，其中的小部分壓載水 (約占處理系統(tǒng)流量的5%)電滲析分離后通入船上提煉的N2，進(jìn)入氣穴發(fā)生裝置，形成低氧環(huán)境滅殺微生物。

1.5 瑞典

瑞典的PurBallast處理系統(tǒng)采用“過(guò)濾+高級(jí)氧化 (advancedoxidationtreatment)”處理 工藝［24～25］，如圖 4。系統(tǒng)有三大處理單元: 濾器、AOT單元、CIP單元。處理過(guò)程:①壓載水通過(guò)50μm濾器去除水中較大微生物，反沖洗水舷外排放，減少了壓載艙沉積物的生成;②過(guò)濾海水進(jìn)入AOT單元深度處理，AOT單元是TiO2在紫外線照射下產(chǎn)生·OH單元，減壓載時(shí)再次通過(guò)AOT單元滅殺最初AOT單元未處理的微生物以及航行過(guò)程中生長(zhǎng)繁殖的微生物，此時(shí)濾器被隔離，防止微生物污水回流堵塞;③CIP單元定期對(duì)AOT單元清洗，防止結(jié)垢。

1.6 日本

Clear Ballast處理系統(tǒng)［23］采用“絮凝+磁分離+過(guò)濾”處理工藝。絮凝池投加磁粉形成絮體后由磁分離盤(pán)分離，去除大量的病原體、浮游動(dòng)物、藻類(lèi)和細(xì)菌，殘留絮體在簡(jiǎn)單濾池中截留，最后經(jīng)緩沖池進(jìn)入壓載艙。

1.7 荷蘭

Greenship Sedinox處理系統(tǒng)采用“旋流分離+電解”處理工藝［26］。處理過(guò)程:①水力旋流器去除大顆粒泥沙和懸浮物，對(duì)20μm顆粒去除率為100%，10μm顆粒去除率為80%，有效減少了沉積物生成。②Termanox［27］單元通過(guò)電解海水產(chǎn)生氯，破壞壓載水生物群落。

表1 國(guó)內(nèi)外壓載水處理系統(tǒng)介紹

2 我國(guó)壓載水處理系統(tǒng)介紹

2.1 BalclorTM處理系統(tǒng)

BalclorTM處理系統(tǒng)［28］采用“過(guò)濾+電解海水”處理工藝，如圖5。壓載水經(jīng)自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器去除50μm以上的固體顆粒和微生物后，從壓載水主管中引出一條支流 (占?jí)狠d水量的1%～2%)進(jìn)入電解槽電解，除氫后形成高濃度的NaClO溶液，回注入壓載水管路中滅殺50μm以下的微生物。當(dāng)排放的壓載水中TRO低于IMO規(guī)定值時(shí)，系統(tǒng)不啟動(dòng)中和單元，壓載水直接舷外排放;當(dāng)壓載水中TRO高于IMO規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)中和單元。

2.2 Ocean Guard處理系統(tǒng)

Ocean Guard處理系統(tǒng)采用“過(guò)濾+超聲波”處理工藝。過(guò)濾去除50μm以上大個(gè)體生物，超聲波產(chǎn)生·OH，滅殺細(xì)菌、病毒、藻類(lèi)和孢子等。

3 結(jié)論與建議

在46套壓載水處理系統(tǒng)中，28套系統(tǒng)使用活性物質(zhì)，30套系統(tǒng)采用過(guò)濾處理，16套系統(tǒng)沒(méi)有預(yù)處理，15套系統(tǒng)采用紫外輻射，15套系統(tǒng)采用氯處理，12套系統(tǒng)采用電解海水產(chǎn)生氯處理，7套系統(tǒng)采用臭氧處理，5套系統(tǒng)采用旋流分離處理，4套系統(tǒng)采用脫氧處理。

壓載水處理系統(tǒng)的一般工藝流程可大致歸納為如圖6所示的工藝流程。壓載時(shí)，物理處理分離壓載水中懸浮固體顆粒，化學(xué)處理滅殺水中微生物;減壓載時(shí)，再次經(jīng)化學(xué)處理，滅殺殘留微生物和航行過(guò)程中生長(zhǎng)繁殖的微生物。一般由壓載和減壓載處理后，可滿足G8－D2標(biāo)準(zhǔn)。

物理處理主要是去除特定尺寸以上的生物體，G8－D2標(biāo)準(zhǔn)是按照水中一定尺寸微生物數(shù)量來(lái)規(guī)定的，物理處理就是分離特定尺寸的生物體。處理方法以過(guò)濾和旋流分離最為常用。過(guò)濾有自動(dòng)反沖洗過(guò)濾和固定篩過(guò)濾。自動(dòng)反沖洗過(guò)濾的反沖洗水直接排海，不會(huì)引起生物入侵;固定篩有10μm和50μm孔徑，對(duì)大型藻類(lèi)、細(xì)菌、病毒分離效果都很明顯。旋流分離依靠?jī)?nèi)部切向加壓產(chǎn)生強(qiáng)旋轉(zhuǎn)剪切湍流運(yùn)動(dòng)分離固體顆粒，分離效率決定于顆粒密度、入口方向等。

化學(xué)處理包括兩類(lèi):一類(lèi)是利用各類(lèi)輻射產(chǎn)生自由基破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu);二是利用化學(xué)消毒劑滅殺微生物。輻射處理以紫外線最為常用，普通紫外燈管功率低，能耗小，被廣泛采用，但紫外線處理受海水濁度影響較大，一般需經(jīng)預(yù)處理降低濁度。化學(xué)消毒劑中氯處理是適用、安全、廉價(jià)的處理方法。氯的產(chǎn)生包括電解海水和人工加氯，電解海水可產(chǎn)生大量氯化物，當(dāng)電解受海水鹽度限制時(shí)，采用人工加氯，成本為0.3～0.5元/t。此外，化學(xué) 消 毒 劑 如 Seakleen、Mexel432/336、Vibrex［29～30］等已被用于壓載水處理。

IMO要求在2010～2015年間，對(duì)現(xiàn)有船舶安裝壓載水處理系統(tǒng)，我國(guó)壓載水處理起步較晚，僅有3套壓載水處理系統(tǒng)獲得IMO批準(zhǔn)。因此，筆者認(rèn)為:①我國(guó)應(yīng)加快壓載水處理系統(tǒng)自主產(chǎn)業(yè)化研發(fā)力度，利用知識(shí)產(chǎn)權(quán)法規(guī)，規(guī)范國(guó)內(nèi)壓載水處理系統(tǒng)市場(chǎng)。②按照國(guó)際普遍認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量管理體系進(jìn)行岸基試驗(yàn)、海上試驗(yàn)和毒性試驗(yàn)，對(duì)使用活性物質(zhì)的壓載水處理系統(tǒng)有效劑量和安全排放劑量深入研究，選擇合適評(píng)價(jià)模式衡量對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康的影響。③借鑒國(guó)外已經(jīng)獲得IMO批準(zhǔn)的壓載水處理系統(tǒng)的申報(bào)材料，確保材料完整性和有效性，使我國(guó)壓載水處理系統(tǒng)獲得廣泛的市場(chǎng)。

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