電解法壓載水處理裝置在阿芙拉油船上的應用

孫興利，朱 晨

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

0 引言

據國際海事組織統計，全世界的船只每年攜帶約100億t壓載水在世界各地往來，每天有超過3 000種海洋微生物和動植物隨著船舶壓載水在全球流動。船舶壓載水的排放帶來了大量的外來細菌和浮游生物，為外來物種的入侵提供了渠道，對接收環境造成了嚴重的生態和經濟影響，因此人類對海洋生態保護的意識越來越強烈。2004年國際海事組織通過了《國際船舶壓載水和沉淀物控制與管理公約》，并于2017年9月8日正式生效。為達到公約規定的壓載水排放要求，壓載水處理系統已成為國際航行船舶上非常重要的設備。

在此背景下，本文分析對比了幾種不同型式的壓載水處理裝置，并結合“FLAVIN”號阿芙拉型原油船，重點研究了支路電解法壓載水處理裝置在大中型原油船上的布置及系統設計情況。

1 常見的壓載水處理裝置型式

根據理化特性的不同，壓載水處理技術可以簡單劃分為以下3類：機械處理法、物理處理法和化學處理法[1]。

(1)機械處理法：通過過濾、旋轉分離等技術，將壓載水通過濾器和旋轉離心分離器，濾出大顆粒的浮游生物和有害微生物，實現固液分離。這種方法對于處理細菌、微生物等效果不明顯，所以不適合壓載水量較大的船舶。目前機械處理法需要結合其他處理方法一起使用。

(2)物理處理法：通常包括紫外線殺菌、超聲波殺菌、加熱壓載水、脫氧法等來直接殺滅或者破壞、抑制微生物和細菌的生存條件，以達到滅活的目的。物理處理法最大的優點是對環境的污染比較小，缺點是可能對某些微生物無效。紫外線處理法對水質的清潔度要求很高，設備維護成本較高，電能消耗也比較高。超聲波法的有效性還未被有效證明，還需要配合其他措施一起使用。

(3)化學處理法：利用化學試劑或者化學反應將壓載水中的水生物消滅，其中常用的是電解法和臭氧法。電解法主要是利用海水分解次氯酸鹽達到水處理的目的，具有良好的殺菌效果，是值得推廣的一項技術。臭氧法主要是利用臭氧的強氧化性，通過電解分解為氧氣，在分解過程中的氧化能力能夠有效消滅壓載水中的有害生物。但化學處理法的缺點是電解過程中會產生有害化學物質，對船舶管路造成一定的腐蝕，并對船員的健康產生一定的影響；電解過程中產生的氫氣等易燃易爆氣體也對設備的安全性提出了更高的要求，并且在壓載水排放時需要中和殘余的電解液，需要增加中和單元等設備，使系統更復雜，對船員操作要求更高。

2 阿芙拉油船壓載水處理裝置選型

油船屬于大壓載水量的船舶。常規阿芙拉油船專用壓載水量約為40 000 m3，按照打入和排除壓載水的時間計算，配備2臺1 500 m3/h的壓載泵比較合適。但“FLAVIN”號阿芙拉型原油船配備的2臺專用壓載泵排量為每臺2 000 m3/h：1臺為蒸汽透平驅動，另1臺為電機驅動。驅動裝置布置在機艙四平臺，泵體布置在貨泵艙。因此，服務于專用壓載艙的壓載水處理裝置的總處理能力為4 000 m3/h。此外，由于本船的艉尖艙為壓載水艙，該艙的壓載水由機艙內的艙底總用泵兼做壓載泵進行駁運，其排量為250 m3/h。故而也需要增設1臺專門處理艉尖艙壓載水的處理裝置，處理能力為250 m3/h。

不同型式的壓載水處理裝置各有優缺點，如何選擇合適的壓載水處理裝置，需要結合不同船型對壓載水需要的大小、船東的運營區域、使用經驗并且配合船上電站的能力來綜合考慮。

本文研究的阿芙拉油船的壓載水量很大，需要壓載水處理裝置的能力比較大，而且專用壓載艙和貨泵艙屬于危險區域，布置在其中的設備需要防爆，會對設備的成本帶來很大影響。綜合設備布置、電能消耗及后期運營維護成本等各個因素，本船最終選擇了采用支路電解法處理的壓載水處理裝置。

3 設備組成及系統設計

3.1 設備基本組成

支路電解法處理的壓載水處理裝置主要有以下幾大組件：

(1)濾器單元：具備過濾功能同時兼有自動反沖洗能力。在打壓載時，利用自動反沖洗濾器過濾掉尺寸大于50 μm的海生物及固體顆粒。自動反沖洗濾器自帶排污泵，可以將反沖洗后的污水排至舷外或特定的儲存艙[2]。

(2)電解單元：用于殺菌消毒，主要處理尺寸小于50 μm的海生物。該單元從船上取少量過濾后的海水進行電解，產生以次氯酸鈉為主要成分的高濃度殺菌滅活溶液并注入到壓載總管中，和進艙的壓載水混合，在壓載艙內悶艙24 h后達到殺菌滅活的功能[2]。

(3)中和單元：用于中和過量的殺菌物質，滿足排放要求。在排壓載時檢測壓載水中殺菌物質的濃度。一旦超標就注入中和劑，中和殘余氧化物(TRO)，使其濃度降低至符合排放標準。

(4)TRO檢測單元：排載時檢測壓載水中殘余的TRO含量。若滿足排放標準則允許壓載水排舷外，否則需要啟動中和單元進行中和后再排放。

3.2 系統設計

3.2.1 壓載系統設計

油船的貨泵艙及專用壓載艙屬于危險區。壓載水處理裝置中的電解單元和中和單元由于防爆等級原因只能布置在安全區域，自動反沖洗濾器單元可以做成防爆型式布置在危險區域。本船將電解單元和中和單元布置在機艙內，濾器單元布置在貨泵艙內每臺專用壓載泵的出口，同時本船艉尖艙和專用壓載艙共用電解單元和中和單元。專用壓載艙的壓載系統圖見圖1，艉尖艙壓載系統圖見圖2。

從圖1中可以看出，壓載時海水由壓載泵從泵艙海水箱中吸入，先經過自動反沖洗濾器，過濾掉較大的海生物及顆粒物，然后經過流量計后注入壓載艙。在此過程中，來自機艙電解單元的高濃度次氯酸鈉溶液注入壓載總管，經過管路充分混合后達到殺菌滅活的目的。次氯酸鈉溶液可以在壓載艙內保持一段時間的活性，并快速有效地殺滅壓載水中的浮游生物、孢子、幼蟲及其他病原體。排載時壓載泵從壓載艙內吸入壓載水，流經自動反沖洗濾器的旁通管路、流量計后直接排至舷外。此時排舷外口管路上的TRO自動取樣裝置開始工作，檢測壓載水中殘留的TRO含量。若殘留的TRO含量超標，則來自機艙的中和單元需要向壓載管路中注入中和劑，降低TRO含量至排放標準。靠近排舷外口的位置安裝手動取樣閥，方便壓載水的取樣檢驗。此外，專用壓載系統的主要閥門全部為液壓遙控操作，船員不需要頻繁進入泵艙，只需要在貨控室就可以完成壓載系統的操作。

從圖2中可以看出，艉尖艙的壓排載原理和專用壓載艙相似，機艙內的艙底總用泵兼作艉尖艙壓載泵，單獨配1個反沖洗濾器。由于管路都在機艙內，管路上的主要閥門采用手動操作。

3.2.2 電解裝置系統設計

電解單元系統流程圖見圖3。電解單元的增壓泵從機艙海水總管取水，或者在進入淡水區域時，從艉尖艙中預先存入的海水中抽取部分海水，經過自動反沖洗濾器過濾掉顆粒比較大的微生物后，進入電解單元進行電解，從而產生次氯酸鈉溶液。

電解過程中產生的氫氣由除氫單元的風機排出至機艙外的安全區域。電解單元外部配備氫氣檢測傳感器，監測是否有氫氣泄漏至電解單元外部空間。另外，設置報警和停機裝置。一旦氫氣泄漏，電解單元立即停止工作。

本系統在電解單元前還配備了預加熱器。電解海水的最佳工作溫度為5～35 ℃。在海水溫度低于5 ℃的海域，電解單元的效率會下降，導致整個系統運行的成本增加，此時利用船上的蒸汽將需要電解的海水預先加熱。這樣可以提高電解水的溫度，保證電解的效果。

電解產生的高濃度次氯酸鈉溶液由加藥泵輸送至艉尖艙和專用壓載艙的主壓載管路進行混合。

圖1 專用壓載艙壓載系統圖

圖2 艉尖艙壓載系統圖

由于泵艙屬于危險區域，按照規范要求，為避免危險區域的危險氣體進入機艙，通向專用壓載主管的電解液管路需要先從機艙穿出至主甲板，在主甲板上使用雙止回閥中間加可拆短管，再向下進入泵艙接入主壓載管路。次氯酸鈉溶液屬于有一定腐蝕性的化學溶液，電解單元后的管路需要采用防腐蝕的材料。本船電解液管路通徑為DN100 mm，采用純環氧特涂的碳鋼管路來減小管路的腐蝕。

中和單元系統流程圖見圖4。排載時如果TRO取樣檢測的結果顯示殘余量過多，達不到排放標準，中和單元將中和劑注入排載管路，經過壓載泵的攪拌作用，中和劑和殘余的TRO進行充分反應，最終達到排放標準。同樣，進入專用壓載系統的中和劑管路也需要經過主甲板，使用雙止回閥和可拆短管隔離后再進入泵艙的專用壓載管路。由于中和劑有一定腐蝕性，其管路也需要選擇防腐蝕效果好的管路，本船中和劑管路通徑為DN15 mm，故選用奧氏體不銹鋼管來減小管路的腐蝕。

4 結論

壓載水處理裝置的選擇和安裝是一個比較復雜的工程，受到船舶特點、處理技術、系統處理能力、船東偏好等諸多因素的限制。目前，幾乎所有的處理裝置型式都存在著各自的缺陷，還沒有一種處理裝置能適用于所有的船舶類型。但對于大中型油船來說，支路電解型式的壓載水處理裝置更有優勢，具體如下：

(1)只需從壓載水主管路引一支路海水(主管路海水的1%～2%)進入電解槽電解，減少了管路直徑，降低了施工難度，對于大型油船特別有利。

(2)整套裝置設備尺寸小，耗電量低，減少了船舶發電機的配置，降低了使用成本。

圖3 電解單元系統流程圖

圖4 中和單元管路圖

(3)電解單元以及中和單元無需防爆，減少了設備成本；同時布置也較為靈活，可以布置在機艙甚至舵機艙等安全區域。

(4)電解單元沒有壓力損失。整個系統的壓力損失僅需要考慮自動反沖洗濾器的壓力損失，對船上專用壓載泵的壓頭影響較小。

(5)通過預存電解海水，支路電解法能解決在淡水區域壓載時壓載水難以處理的問題。

(6)排載時壓載水不需要處理，可節省電能且無壓力損失。