船舶壓載水處理方法研究進(jìn)展

劉銘輝 王 妮 劉 濤 紀(jì)志永

（1中海油能源發(fā)展股份有限公司北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院 天津 300457 2中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司 天津 300457 3中海油環(huán)保服務(wù)（天津）有限公司 天津 300457 4河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院海水資源高效利用化工技術(shù)教育部工程研究中心天津 300130 5河北省現(xiàn)代海洋化工技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 天津 300130）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，作為溝通世界各國重要橋梁的船舶航運(yùn)業(yè)也迅速發(fā)展，大量貨物通過船舶銷往世界各地。壓載水多被應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶以控制船舶的吃水和重心平衡，最終確保船舶的安全航行。向船舶加裝壓載水時(shí)，海水中一些生物和病原體也會被加到壓載艙中，待航行至目的地，排放壓載水的同時(shí)有害水生物和病原體會在當(dāng)?shù)睾Ｓ騻鞑ィ纱藥淼纳锶肭謫栴}已嚴(yán)重威脅到海洋生態(tài)環(huán)境[1]。2004年2月13號國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）通過的《2004年國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》（簡稱《壓載水公約》）從2017年9月8日開始正式生效，該公約旨在通過對船舶壓載水和沉積物的控制與管理來抑制有害微生物和病原體的傳播，減少對環(huán)境資源的消耗、人體健康的傷害、財(cái)產(chǎn)資源的損失，是世界上第一部針對壓載水?dāng)y帶外來物種入侵海洋破壞海洋生態(tài)環(huán)境的國際公約[2]。

中國向國際海事組織申請加入《壓載水公約》并將于2019年1月22日起對我國正式生效。中國申請加入《壓載水公約》有助于保護(hù)我國海域生態(tài)環(huán)境，確保我國航運(yùn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。參照《壓載水公約》管理標(biāo)準(zhǔn)，本文論述了壓載水的置換方法、處理方法的原理及特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)行的壓載水處理現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外通過美國海岸警衛(wèi)隊(duì)USCG型式認(rèn)證的壓載水處理系統(tǒng)，對我國壓載水處理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，并對壓載水處理系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 壓載水的置換方法

根據(jù)《壓載水公約》D-1壓載水置換標(biāo)準(zhǔn)，置換壓載水應(yīng)考慮天氣因素、船舶設(shè)計(jì)、設(shè)備失靈或其他異常狀況。溢流法、逐艙排空法和稀釋法[3-4]常用來實(shí)現(xiàn)壓載水置換率不低于95%的要求。

1.1 溢流法（Flow-through method）

溢流法是應(yīng)用最早、最廣泛的壓載水置換方法，工作原理是先從壓載艙下部注入新鮮壓載水，再從壓載艙頂部溢水口溢出舊的壓載水。使用該方法需要至少3倍于壓載艙容量的海水才能滿足95%的壓載水置換率要求，溢流法在置換過程中會產(chǎn)生較大的壓力，須考慮船舶的壓載水泵和管路影響。

1.2 逐艙排空法（Sequential method）

逐艙排空法又稱順序法、排空法，耗時(shí)短、效果佳，且滿足95%的壓載水置換率要求。逐艙排空法通過先全部排出壓載艙中的壓載水，再全部注入新鮮壓載水的方法實(shí)現(xiàn)壓載水置換。但是排空壓載艙的做法對船舶穩(wěn)定性影響較大，因此排空法對天氣、海況和船舶結(jié)構(gòu)等要求較高。

1.3 稀釋法（Dilution method）

稀釋法是指將新鮮的壓載水從壓載水艙上部注入，原壓載水依靠重力作用從壓載水艙下部排出的方法。相比溢流法，該方法在置換過程中壓載水水位不發(fā)生變化，壓載艙不會因自由液面變化而產(chǎn)生壓力，但是對船舶的管路系統(tǒng)要求更高，需要進(jìn)行改進(jìn)，更適合應(yīng)用在新船。

2 壓載水處理方法

置換壓載水僅能滿足《壓載水公約》的D-1交換標(biāo)準(zhǔn)，尚不能直接向海洋環(huán)境排放；經(jīng)物理處理法和化學(xué)處理法處理壓載水或兩種方法聯(lián)用后可滿足《壓載水公約》的D-2排放標(biāo)準(zhǔn)，可以直接排放且不會對海洋環(huán)境造成傷害。

2.1 物理處理法

（1）過濾法

過濾法是對海洋環(huán)境傷害最小、現(xiàn)場操作最簡便的壓載水處理方法[3]，選用合適目數(shù)（50μm-500μm）的篩網(wǎng)可以直接濾去較大的微生物和顆粒物雜質(zhì)。

（2）旋流分離法

旋流分離法是利用離心力作用分離在管路中與壓載水比重不同的顆粒物、雜質(zhì)，分離效果與壓載水水質(zhì)、顆粒物比重和離心力大小有關(guān)[6]。

（3）加熱法

壓載水中的浮游生物、細(xì)菌、病原體在38℃維持4.5 h以上或80℃保持8 min便會集體死亡。改造船舶管路利用柴油機(jī)冷卻水余熱和加裝專用鍋爐是兩種常用的壓載水加熱方法[7]。

（4）紫外線法

紫外線處理壓載水主要是利用紫外光在水中照射滅菌達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，可處理大小不同的微生物，包括病菌和孢子[8]。

（5）脫氧法

脫氧法通過向船舶壓載水中注入惰性氣體（主要是N2）并趕出溶解氧，使壓載水變成高氮低氧的環(huán)境，最終微生物、病原體因窒息而被滅殺[9]。

（6）水利空化法

當(dāng)壓載水流經(jīng)水利空化器，壓載水的壓力降低流速增大，當(dāng)壓力降至相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)會產(chǎn)生大量的空化泡，隨著壓載水的噴濺壓力持續(xù)升高，空化泡破裂并在局部形成高溫高壓促使細(xì)胞分子振動，當(dāng)細(xì)胞壁的強(qiáng)度低于分子振動能量時(shí)，細(xì)胞壁破裂菌類被滅殺[10]。

2.2 化學(xué)處理法

（1）氯化法

氯化法滅殺海洋生物有兩種方式：①直接加入Cl2、漂白劑或其衍生物；②電解設(shè)備電解海水獲得次氯酸鹽。氯化法處理壓載水主要是利用次氯酸的強(qiáng)氧化性[11]。

（2）電解法

電解法是目前應(yīng)用最廣泛的船舶壓載水處理的主要方法之一，電解海水產(chǎn)生的高氧化性的次氯酸溶液可以有效的殺滅細(xì)菌和大多數(shù)海藻[12]。

（3）高壓脈沖電場法

高壓脈沖電場法[13-14]通過對微生物細(xì)胞施加高強(qiáng)度脈沖電場破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（表現(xiàn)為細(xì)胞膜內(nèi)外電位差增大、細(xì)胞膜的強(qiáng)度降低、細(xì)胞膜的通透性增加）滅殺壓載水中的微生物和病原體。

（4）羥基自由基法

羥基自由基法[15-16]又稱高級氧化法，是借助羥基自由基（·OH）的高氧化電位（2.80 eV）、強(qiáng)氧化能力對船舶壓載水進(jìn)行殺菌、滅菌。臭氧法、光催化法、氧化絮凝法、Fenton法或超聲降解法等方式可以得到羥基自由基（·OH）。

（5）磁化法

特定通量的磁場可以改變船舶壓載水的酸堿度、鹽度和濁度，通過變換磁場抑制水中微生物的生長、改變微生物的自身組分，磁化法可以實(shí)現(xiàn)對微生物的滅殺[12]。

物理法和化學(xué)法壓載水處理方法各有優(yōu)勢，表1列舉了每種處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。為了克服單一技術(shù)的缺點(diǎn)、突破單獨(dú)處理的局限性，推廣到實(shí)際應(yīng)用時(shí)多采用組合的方式來獲得更好的處理效果。

3 國內(nèi)外壓載水處理系統(tǒng)

船舶壓載水處理系統(tǒng)在2004年IMO通過的《壓載水公約》大背景下應(yīng)運(yùn)而生，主要目的是維護(hù)海洋環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)有的成熟的壓載水處理系統(tǒng)主要分兩步完成：過濾+微波/電解，如下所示。《壓載水公約》D-2排放標(biāo)準(zhǔn)用于檢驗(yàn)壓載水處理系統(tǒng)是否合格，此外，USCG型式認(rèn)證（包括Type Approval和Case by Case Approval兩種認(rèn)證模式）和DNV(DET NORSKE VERITAS)認(rèn)證也被用來評判壓載水處理系統(tǒng)，其中，USCG的Type Approval認(rèn)證模式中施行的壓載水排放生物體認(rèn)定“死亡”標(biāo)準(zhǔn)比國際海事組織（IMO）的壓載水排放生物體“非活性”標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。

3.1 Optimarin壓載水處理系統(tǒng)

挪威Optimarin公司于2016年開發(fā)的紫外線壓載水處理系統(tǒng)是全球第一個(gè)通過USCG型式認(rèn)證的壓載水處理系統(tǒng)。采用“膜技術(shù)—紫外輻射”處理工藝，壓載水先經(jīng)BSF平面氣態(tài)膜[17]濾掉50 μm以上的微生物，再通過可連續(xù)調(diào)節(jié)的高壓紫外線反應(yīng)器Mikrokill UV[18]深度處理壓載水中的菌類和病原體。處理能力可達(dá)7000 m3/h，處理過程不造成二次污染，設(shè)計(jì)簡單占地少，系統(tǒng)運(yùn)行不產(chǎn)生噪音。Optimarin處理系統(tǒng)獲得USCG的Type Approval模式認(rèn)可在航運(yùn)業(yè)壓載水處理方面的具有里程碑地位。

3.2 OceanSaver壓載水處理系統(tǒng)

挪威OceanSaver公司推出“過濾—電滲析—氮?dú)狻獨(dú)庋ā惫に囂幚泶皦狠d水。海水經(jīng)過濾器除去＞50 μm的微生物、顆粒物雜質(zhì)后通入電滲析體系進(jìn)行電解，隨后與通入船上的惰性氣體N2一并進(jìn)入氣穴裝置，氣穴單元形成低氧空穴環(huán)境對壓載水中的細(xì)菌、病原體和微生物進(jìn)行滅殺[19]，該系統(tǒng)可處理200-7200m3/h的壓載水。作為首個(gè)使用電解氯化反應(yīng)的壓載水處理系統(tǒng)，OceanSaver適用于中型和大型船舶，如巨型油船（VLCC）、LR1型船和大型氣體運(yùn)輸船。

3.3 Pure Ballast壓載水處理系統(tǒng)

瑞典Alfa Laval公司的Pure Ballast壓載水處理系統(tǒng)采用“過濾—高級氧化”處理技術(shù)，分為過濾器、高級氧化和自動清潔三個(gè)單元。輸入壓載水時(shí)，先經(jīng)過50 μm過濾器消除壓載水中積聚的沉淀物，然后通入高級氧化技術(shù)（advanced oxidation treatment，AOT）單元，利用紫外光照射TiO2產(chǎn)生的羥基自由基（·OH）對壓載水中的微生物進(jìn)行滅殺后，再進(jìn)入壓載艙。壓載水艙向海洋排放壓載水時(shí)，為了滅殺航行期間壓載艙中滋生的有害微生物和細(xì)菌需要再次通過高級氧化單元。自動清潔單元定期對AOT單元清洗避免結(jié)垢[20]。Pure Ballast系統(tǒng)全程自動化，操作員可遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警或遙控操作，無需添加化學(xué)試劑或準(zhǔn)備工作，不會產(chǎn)生任何廢液。

3.4 Balclor壓載水處理系統(tǒng)

由青島雙瑞海洋環(huán)境有限公司開發(fā)的Balclor壓載水處理系統(tǒng)，是中國第一套自主研制并通過USCG型式認(rèn)證的船舶壓載水管理系統(tǒng)。Balclor通過“過濾—電解—中和”三步處理壓載水，處理能力可達(dá)170-8500m3/h。船舶壓載水先經(jīng)自動反沖洗過濾器濾去50μm以上的固體顆粒和微生物；然后通過電解單元，利用電解產(chǎn)生的高濃度NaClO溶液滅殺＜50μm的浮游生物、海洋菌類及病原體；最后經(jīng)過“中和”單元使壓載水的余氯濃度低于IMO排放限值并排出。Balclor系統(tǒng)于2016年4月12日完成USCG型式認(rèn)證實(shí)船試驗(yàn)，是亞洲首家、全球第四家獲此證書的船舶壓載水管理系統(tǒng)。

3.5 Ecochlor壓載水處理系統(tǒng)

美國Ecochlor系統(tǒng)采用“過濾—氯化法”工藝1h可處理12000m3的船舶壓載水，是世界上第一個(gè)獲得DNV型式認(rèn)可、第五個(gè)獲得USCG的Type Approval型式認(rèn)證的壓載水處理系統(tǒng)。過濾器先除去海水中大的生物體和積聚的沉積物，二氧化氯（ClO2）單元再消除更小的菌類、病原體。過濾單元需安置在靠近壓載水泵的位置，ClO2單元可隨意安裝在船舶的任意位置，具有更好操作靈活性。該系統(tǒng)滅殺海水中微生物不受水質(zhì)濁度、鹽度及溫度的影響，典型功率要求12 kWh，最高要求35 kWh。

3.6 中國壓載水處理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

我國已有多家科研機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位積極投入到壓載水處理設(shè)備的研發(fā)，目前我國通過USCG-AMS型式認(rèn)證且被航運(yùn)業(yè)廣泛采用的壓載水處理系統(tǒng)列于表2。從各處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)來看，每個(gè)系統(tǒng)各有所長，未來的發(fā)展規(guī)模多取決于系統(tǒng)本身能否滿足高于公約要求以及產(chǎn)品自身的創(chuàng)新升級。

表2 中國壓載水處理系統(tǒng)主要廠家

結(jié)語

船舶壓載水處理技術(shù)在維護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境方面起著重要作用，在《壓載水公約》正式實(shí)施的背景下，壓載水處理技術(shù)迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶航運(yùn)業(yè)。中國壓載水處理系統(tǒng)研發(fā)集各國所長，堅(jiān)持綠色環(huán)保、堅(jiān)持自主創(chuàng)新已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，但是仍受船舶類型、船舶航線長短、壓載艙及管系腐蝕等因素影響，而且，壓載水處理技術(shù)還存在二次污染、處理設(shè)備使用壽命有限和處理系統(tǒng)購置、維護(hù)成本高等弊端。準(zhǔn)確掌握壓載水處理技術(shù)，綜合考慮處理系統(tǒng)的單位效能、實(shí)際運(yùn)營的可行性是突破壓載水處理系統(tǒng)研發(fā)瓶頸的關(guān)鍵，加強(qiáng)對海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，促進(jìn)海洋生態(tài)環(huán)境的綠色可持續(xù)發(fā)展是中國壓載水處理系統(tǒng)的發(fā)展方向。