電化學法在船舶/海上平臺生活污水處理中的應用

初文，韓美玲

開發與應用

電化學法在船舶/海上平臺生活污水處理中的應用

初文1，韓美玲2

（1. 中冶焦耐(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116085； 2. 大連海事大學航海學院，遼寧 大連 116026）

隨著國際公約及相關法規對船舶及海上平臺生活污水排放標準的不斷提高，對其治理也引起國際社會的廣泛關注，相關處理技術面臨巨大挑戰。介紹了船舶及海上平臺生活污水特點、處理標準及管理現狀，分析了電化學法在船舶及海上平臺生活污水處理中的應用進展，并對其發展前景進行了展望，指出電化學法同多種處理技術聯合使用是未來發展趨勢。

船舶生活污水；海上平臺；電化學法；聯合技術

隨著海上運輸業和石油工業的不斷發展，船舶及海上平臺生活污水帶來的海洋環境問題日益嚴重。國際海事組織（IMO）頒布的《MARPOL73/78》附則IV（防止船舶生活污水污染規則）中規定了船舶生活污水的排放處理標準，于2003年9月27日實施生效。此后，IMO不斷發布或修訂相關規則，將船舶生活污水的排放標準不斷提高[1]。為應對不斷嚴苛的排放標準，近年來，國內外科技工作者在研發和改善船舶及海上平臺生活污水處理技術方面取得了一定進展，本文在梳理船舶及海上平臺生活污水特點、處理標準和管理現狀的基礎上，分析了電化學法在船舶及海上平臺生活污水處理中的應用進展，并對其前景進行了展望。

1 船舶及海上平臺生活污水特點、處理標準及管理現狀

船舶及海上平臺生活污水由黑水和灰水組成，包括廁所沖洗水、淋浴水、洗衣水、廚房排水、醫務廢水等形式排放的污水，含有大量有機物、氨氮和油脂等，污染物種類繁多[2]。同時，受海上作業人員人數和生活規律影響，污水具有水質濃度高、水質水量波動性大等特點，處理難度較大。其中，船舶生活污水受船舶搖擺、傾斜、振動等條件影響，固液分離效果差；海上平臺生活污水排放不規律、常含有大量鹽分，微生物活性較差[3]。因此，要求船舶及海上平臺生活污水處理系統應具有較強的抗沖擊負荷能力和高效的處理能力，對船舶及海上平臺實際操作環境具有較好的適應性。

為有效降低船舶及海上平臺生活污水帶來的污染，海洋環境保護委員會（MEPC）相繼發布MEPC.2、MEPC.159(55)和MEPC.227(64)等決議，對船舶及海上平臺生活污水排放標準和性能試驗做出了嚴格要求，具體的排放指標見表1。從中可以看出，隨著決議的不斷修訂，對船舶及海上平臺生活污水排放的BOD、TSS、大腸菌群、pH指標要求愈加嚴格，并逐步增加了COD、余氯、總氮、總磷等指標要求。

表1 船舶及海上平臺生活污水排放標準表[4-6]

針對我國國情，我國最新發布的GB 3552—2018《船舶水污染物排放控制標準》也提出了不同水域船舶生活污水的排放控制要求：在內河和距最近陸地3海里以內海域，船舶生活污水應排入港口接收設施或經船載生活污水處理裝置處理后排放，根據船舶安裝生活污水處理裝置的時間，相應的污染物排放限值見表2；在內河和距最近陸地3海里以外海域，船舶生活污水應打碎、消毒后，在一定船速及排放速率下排放。

雖然有相關公約法律制約，但船舶生活污水仍存在著監管難度大、重視程度低、偷排現象嚴重等問題。一方面，許多港口缺乏配套的接收設施，生活污水轉到岸上處理難于實現；另一方面，許多船舶現行生活污水處理設備達不到相關公約要求，而處理裝置改造安裝費用高，并且部分船舶由于艙容限制，難以實現生活污水處理設備的安裝更新。因此，體積小、安裝處理費用低、處理效果顯著的船舶及海上平臺生活污水處理裝置將被迫切需求。

表2 我國船舶生活污水排放標準表[7]

2 電化學法在船舶及海上平臺生活污水處理中的應用

電化學法具有靈活度高、功能多、污染小、易于控制、經濟高效等特點，因此，在污水處理領域具有較高的應用價值。目前，電催化氧化法和電絮凝法作為電化學法的兩種主流方法，在船舶及海上平臺生活污水處理中的應用較為普遍[8]。下面主要針對近十年來以上兩種電化學法在國內外船舶及海上平臺生活污水處理中的應用以及電化學法同其他處理技術的聯合使用進展進行分析和綜述。

2.1 電催化氧化法及其聯用技術

電催化氧化（ECO）是指在外加電場作用下，利用電極的催化性能來產生具有強氧化能力的羥基自由基（·OH），將有機污染物氧化為小分子有機物或直接礦化為二氧化碳和水[9]。

張重德[10]等采用ECO一體化反應器對高含鹽海上平臺生活污水進行處理，在停留時間為60 min，電流密度為10 mA·cm-2的條件下，出水COD≤125 mg·L-1，達到排放要求。該團隊指出ECO的處理效果并不受pH、溫度的影響，該反應器性能優異，運行穩定。殷珠輝[11]等采用ECO裝置處理海上平臺生活污水時，發現電解反應時間和電流密度均對出水COD有較大影響，電解質含量及種類對出水水質影響較小，但電解質含量有助于降低系統運行能耗。當電流密度為400 A·m-2，反應時間為40 min時，出水COD≤123 mg·L-1，BOD≤25 mg·L-1，SS≤33 mg·L-1，達到IMO.MEPC227（64）排放要求。結果表明，ECO系統處理海上平臺生活污水具有較好的抗沖擊能力及長時間運行穩定性。任春燕[12]等采用光-電耦合催化氧化技術（PECO）降解南海某平臺生活污水，海水添加比例為50%，當電流密度為600 A·m-2，電解時間為1.5 h，紫外光輻照強度為50 μW·cm-2時，出水COD可達87 mg·L-1，達到排放指標要求。

黃彥鋒[13]等采用MBR耦合ECO技術處理海上平臺生活污水，利用MBR裝置處理黑水，當MLSS為7 000 mg·L-1、DO為2～4 mg·L-1、溫度為20～25 ℃、HRT為12 h、淡水加入比例為60%、混合液的平均電導率為16 000 μS·cm-1時，生物處理出水和系統最終出水的COD分別為306、208 mg·L-1，相應去除率分別為79%、87%。利用ECO裝置處理灰水，當極板間距為2 cm、電流為52 A、海水添加比例為50%、電解時間為2 h、噸水電耗為3.6 kW·h時，MBR處理出水和ECO處理出水混合后添加除氯劑，混合出水的COD為110 mg·L-1，SS為0.5 mg·L-1，余氯未檢出，大腸桿菌為40個·L-1，BOD為6 mg·L-1，出水能達到排放要求。王東鶴[14]等開發了電解-膜分離成套處理裝置，對南海某平臺生活污水進行常溫、低溫、高溫、傾斜和故障條件下的處理效果研究，電解反應器以DSA極板為陰陽電極，電流密度為10 mA·cm-2，膜分離器采用聚偏氟乙烯中空纖維膜組件，膜孔徑為0.1～0.4 μm，膜通量設置為28～56 L/(m2·h)，定時反沖洗。結果表明，裝置出水COD為60～105 mg·L-1，BOD為4～9 mg·L-1，TSS為3～13 mg·L-1，大腸桿菌數為0～15個·L-1，TN為8～19 mg·L-1，TP為0.4～1.0 mg·L-1，pH為6～8.5，完全滿足MEPC.227(64)排放要求。

相較于其他船舶生活污水處理技術，ECO不僅具有反應效率高、耐負荷沖擊能力強、出水水質好等特點，而且其受pH、溫度、鹽度等環境因素影響較小，從而在船舶及海上平臺生活污水處理領域中被廣泛關注。PECO不僅具有電催化氧化作用，還可減少光生電子和空穴的復合，從而提高有機物的降解效率。PECO反應器體積占地面積小、電極板的使用壽命長、維護費用低、連續運行出水穩定，具有較高應用前景。

2.2 電絮凝法及其聯用技術

電絮凝法是指以鐵或鋁板為陽極、惰性材料為陰極，輔以外加電源作用，通過電解使陽極溶蝕產生可吸附固體雜質的絡合物，與有機污染物接觸、聚集，形成較大的絮凝體；陰極表面所產生的大量氫氣以微小氣泡形式聚集在一起，通過吸附在絮凝體上將其浮上液體表面，達到凈化水質目的。

牛慶林[15]等以鋁板為陽極進行電絮凝處理模擬船舶生活污水試驗，研究電流密度、電解時間、pH等因素對電絮凝的影響。在電流密度為6 mA·cm-2、電解時間為9 min時，船舶生活污水濁度去除率達到98.35%，出水濁度最低為6.52 NTU。電絮凝出水鋁殘留量為1.995 mg·L-1，總余氯含量為0.07 mg·L-1，pH變化量為0.5，電導率變化量為20 μS·cm-1，各水質指標均不對后續好氧生化處理產生明顯抑制作用。龍奎[16]等采用電絮凝-電解耦合技術處理船舶生活污水，研究了電絮凝過程中電流密度、電絮凝時間、污水鹽度、極板間距、污水初始pH等因素對船舶生活污水COD去除率的影響。在電絮凝預處理過程中，電流密度為0.010 A·cm-2、電絮凝時間為40 min、鹽度為1%、極板間距為18 mm、pH接近中性時，COD去除率可達64%。進一步采用自制Ti/SnO2-Sb2O3/β-PbO2-La電極深度電解處理電絮凝后的污水，當電流密度為0.06 A·cm-2、電解時間為180 min時，COD總去除率為93%。

鑒于電化學法和生物膜法的各自優勢，部分研究人員對二者的聯合應用展開了嘗試。丁學姣[17]研究了電絮凝法對船舶生活污水的除污效果，在電流密度7.5 A·m-2、電解時間30 min、氯離子濃度0.05 mol·L-1，常溫下TP去除率達90%以上，COD去除率為40%～60%，氨氮去除率為20%～30%。此外，電絮凝強化MBR處理船舶生活污水試驗表明除磷效能顯著，TP濃度由5.66 mg·L-1降至1 mg·L-1以下。

同傳統化學絮凝-自然沉降法相比，電絮凝法不需要投加化學藥劑、所需設備體積小、自動化程度高且絮凝效果好，已被逐步應用于船舶及海上平臺生活污水的預處理工藝中。

3 結語與展望

電化學法具有處理流程快、耐水力負荷沖擊性好等優點，在船舶及海上平臺生活污水處理中具有顯著優勢。但電化學法也存在著諸如電極消耗快、電量消耗大、電極易鈍化等問題。因此，尋求高效、體積小、成本低的電化學法在船舶及海上平臺生活污水處理中的應用技術，仍有較大的發展空間，未來可從以下幾個方面努力：1）應加大對電極研發的投入，使其朝著導電性好、催化活性高、穩定性強、防鈍化方向發展，進一步提高電化學法處理效率。2）針對船舶及海洋平臺嚴酷的環境條件和操作方式，將電化學法和其他方法合理有效結合，如可引入生物膜法、臭氧[18]、紫外[19]、超聲[20]等化學物理技術，開發耐沖擊負荷強、管理操作要求低、占地面積小、快速高效的聯合處理工藝與裝置。

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Application of Electrochemical Method in Sewage Treatment for Ships and Offshore Platforms

1,2

(1. ACRE Coking & Engineering Consulting Corporation, MCC, Dalian Liaoning 116085, China;2. College of Navigation, Dalian Maritime University, Liaoning Dalian 116026, China）

With the continuous improvement of international conventions and relevant laws on the discharge standards of domestic sewage from ships and offshore platforms, their treatment attracted extensive attention from the international community, and the relevant treatment technologies face great challenges. In this paper, characteristics, treatment standards and management status of domestic sewage from ships and offshore platforms were introduced. The application progress of electrochemical method in domestic sewage treatment of ships and offshore platforms was analyzed. In addition, the development prospect of electrochemical method in domestic sewage treatment technologies from ships and offshore platforms was put forward. Finally, it was pointed out that the combined use of electrochemical method with various treatment technologies would be the future development trend.

Ship domestic sewage; Offshore platform; Electrochemical method; Combined technologies

遼寧省教育廳科研項目(項目編號：LJKZ0047)；遼寧省自然科學基金(項目編號：20170520209)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(項目編號：3132021142)。

2021-08-12

初文（1984-），男，遼寧省大連市人，工程師，碩士，研究方向：污染物控制技術及工藝。

韓美玲（1983-），女，講師，博士，研究方向：船舶防污染管理及技術。

X736.3

A

1004-0935（2021）11-1697-04