船舶壓載水沉積物滅活技術綜述

劉彩霞，田玉軍，段君雅，李濤，王紅艷

（交通運輸部水運科學研究院，北京 100088）

1 壓載水沉積物來源及組成

當船舶空載時，在起航時要將一定量的海水抽進艙底以控制船舶縱傾、吃水、橫傾、穩定和抗風浪能力，到載貨時再將海水放出，這部分水稱為船舶壓載水[1]。壓載水中的有機物生物碎片、生物及孢囊、及部分海沙成分如粘土等懸浮物，隨著壓載水的排入排出，部分懸浮物會沉降到艙底，形成船舶壓載水沉積物，簡稱沉積物。

沉積物其組成在很大程度上取決所用的壓載水組分和船艙狀況[2]。大部分的沉積物是顆粒直徑小于20um 的細泥。主要包含八種主要成分[2][3][4]：小于等于2μm 的粘土顆粒、2-63μm 淤泥顆粒、63-2mm 砂顆粒、大于2mm 較大沉積物、壓載艙和管道腐蝕物、部分保護涂層、非生物有機物、生物。

生活在沉積物中的物種多樣性很高，大多為海洋生物，具有耐鹽和耐一定壓強的特性，部分生物在沉積物中可存活數月。沉積物中最豐富的類群包括細菌和病毒、微藻和無脊椎動物[5]。有害物種主要包括浮游植物、浮游動物，魚類及微生物病原體及其卵、囊和幼蟲[6]，其中，多棘海盤車、斑馬紋貽貝、裙帶菜、岸蟹、黑口蝦虎魚、鏈狀裸甲藻、鏈狀亞歷山大藻、中華絨螯蟹、Cercopagis pengoi 和櫛水母是最主要的入侵物種[7]，病原微生物主要為霍亂弧菌、大腸桿菌、腸球菌和病毒等致病菌種[8]。

2 壓載水沉積物的危害及滅活技術研究的必要性

據估計，每年在世界范圍內轉移的壓載水約有120億噸[9]，每天約有7000 種生物在船舶壓載水及沉積物中隨船轉移[3][10]。截止2005年，已有500 多種海洋生物已經確認由船舶壓載水及沉積物傳播。沉積物的外來生物可引起生態環境污染，破壞了當地水域的生態平衡，對漁業、沿海工業和旅游業等造成經濟損害，影響公眾健康。

我國對沉積物的研究基礎非常薄弱，目前，沉積物處置技術主要停留在試驗摸索階段。本文選取生物指標藻類、孢囊、病原菌作為沉積物管理重點，通過了對國內外已報道滅活方法進行比較，借鑒壓載水、土壤及污泥的生物防控、滅活和處置方法，討論了各滅活技術應用于船舶壓載水沉積物的可行性。

3 壓載水沉積物滅活技術

滅活處理是沉積物處置中的重要過程，以下對幾種滅活技術進行了比較，討論技術的優缺點，著重評價不同滅活技術對沉積物IAS 和HAOP 及其休眠體的消殺效果，為沉積物滅活技術研發提供理論支撐。

3.1 物理方法

3..1.1 加熱焚燒

一般80℃以上熱處理方法均可消滅污泥中的各類病原體。加熱滅活是通過熱條件下的蛋白變性失活所致。利用船舶廢熱來對壓載水及沉積物進行加熱處理可對船舶熱能綜合利用，但該加熱滅活法在使用過程可能會對金屬壁起破壞作用，而且廢熱溫度較低，對休眠孢子的殺滅效果差[11]。上海船舶工藝研究所于2020年發布一種實用新型專利：一種船舶壓載水沉積物的滅活系統，利用燃燒和氣化熱解相結合的方式，對沉積物生物進行滅活[12]。加熱焚燒法可以快速徹底的滅活沉積物中的生物，但是，沉積物本身有機物含量低，焚燒需要的外源熱量較多，因而，該方法能耗較高，而且燃燒易產生大量有害氣體會造成二次污染[13]。

3.1.2 好氧發酵法

好氧發酵法是無害化處理有機固廢的有效方法。該方法能在實現最大限度地殺滅病原菌，幼蟲，孢囊和卵的同時去除部分有機污染物。劉瑀等[13]用好氧發酵的方法進行船舶沉積物處理的可行性。相對于普通堆肥物料，沉積物鹽度較高；碳，氮及有機質含量低；粒度小，滲透性差，發酵過程易厭氧狀態。以上因素均不利于好氧發酵過程，因而推測好氧發酵不適合沉積物的處理。

針對沉積物有機質含量不穩定的問題，可考慮在發酵過程適當增加碳源，例如有機固廢秸稈進行協同發酵，不僅增加沉積物的有機質含量，還可以增加基質透氣性。針對沉積物鹽分含量高的問題，可嘗試使用耐鹽堿堆肥菌種。因而，好氧發酵在外源添加有機質的前提下處理沉積物才具可行性。

3.1.3 微波

微波技術的作用機制是通過300mhz-300ghz 高頻電磁波瞬間穿透物體將能量傳遞到物體內部，物體內部分子間產生劇烈振動和碰撞而起到加熱作用。微波通過熱效應和非熱效應（亦稱生物效應）來滅活生物體。劉洪波[14]使用微波處理沉積物，楊洋[15]使用微波-硫酸自由基高級氧化聯合技術處理沉積物，降低孢囊的萌發率，破壞藻類及孢囊的形態結構，從而滅活沉積物中的藻類和孢囊。

微波技術優點在于不造成二次污染、占地面積小，與傳統加熱法相比，微波加熱的熱效率高，對環境友好。微波用于壓載水處理已有專利及小部分應用研究，微波加熱用于污泥前處理也已有嘗試，但是對污泥或沉積物最終處理的研究上總體較少，在技術上具有可行性，但微波穿透力相對較弱，能耗較大，不易操作，操作成本相對較高。

3.1.4 超聲波

超聲波（20kHz～10MHz）的作用機制可分為熱機制、機械機制和空化機制。超聲波的殺菌機制主要是空化作用產生。當高強度的超聲波在液體介質內傳播時，介質中形成微小氣泡核，微小氣泡核在絕熱收縮及崩潰的瞬間，其內部呈現50000kPa 的壓力和5000℃以上的高溫，從而殺死液體中細菌。但基本所有的致病菌對超聲波都有一定的抗性，因而超聲波單獨殺菌，作用范圍和效果有限，但超聲波是一種有效的輔助滅菌方法。為解決超聲波單獨作用時的滅菌局限性，一般會將其與其它滅菌技術聯合使用。協同滅菌：超聲波與熱，壓力，激光：Ordonez 等[16][17][18]協同滅菌，發現協同滅菌處理時間短，耗能少，滅菌效果優于單獨滅菌。

3.1.5 輻射

輻射消毒是主要是利用波長極短的電離射線對食品進行殺菌的方法，其作用機制主要是對細胞內DNA分子的損害達到滅菌效果。輻射類型主要包括電離輻射（60Co，銫137）和電子輻射（電子加速器）。其特點是波長短、頻率高、能量高。電離輻射特別適用于不均勻、高密度物品。

電子輻射（電子加速器）與電離輻射相比優點在于操作使用方便，不需要定期加放射性物料，較安全。電子加速器對污泥滅菌寄生蟲卵殺滅效果顯著[19]。陸上安裝電子加速器對沉積物進行輻射處理，可以處理沉積物中的IAS 和HAOP 及其休眠期孢囊[20]。輻射消毒滅菌不產生消毒副產物，方法簡便，易操作，但控制不好劑量時，容易對人體產生傷害，設備成本和使用費用較昂貴。

3.1.6 高壓脈沖放電技術

高壓脈沖放電技術是通過在兩個電極之間施加脈沖高壓，形成強電場，電極之間會產生高能電子。一般殺菌用的高壓脈沖電場強度為15 ～100kV/cm，脈沖頻率為1 ～100kHz，放電頻率為1 ～20kHz。其作用機制在于高能電子與放電介質發生高速碰撞，通過電離、激發、和離解等反應形成非平衡低溫等離子體。該過程還產生高溫熱解、紫外光解以及液電空化效應和超臨界水氧化等一系列反應，破壞微生物的細胞膜，達到生物滅活效果。該技術對細菌、真菌、線蟲及蛆蟲等生物的滅活效果顯著。建議滅活過程中沉積物含水量保持在35%～70%，消毒時間至少維持5 min。朱麗楠等[21]發明一種在船舶壓載水沉積物排放過程中對于沉積物進行處理的裝置。利用高壓電極和地電極施加10-100 千伏特的脈沖高壓處理排放過程中船舶壓載艙中的沉積物的有害外來水生生物、休眠抱子、病原體、細菌和有機物等。高壓脈沖放電技術簡單，清潔，殺菌時間短，效率高，且殺菌效果明顯，但高頻功率源昂貴，應用該技術時不銹鋼焊條中的鎳等重金屬通常會進入沉積物。

3.2 化學方法

化學藥劑消毒技術相對成熟，操作簡單，易于操作，效果好，不需要大型設備。因而，利用壓載水處理過程中被證明對壓載水滅活效果表現優異的氯氣，二氧化氯、臭氧等都可以在沉積物處理中進行嘗試。

3.2.1 高級氧化技術

高級氧化作用原理是通過光、電、催化劑或者氧化劑等的作用下，在反應體系中產生活性極強的羥基自由基（·OH），自由基可以與有機物之間發生加合、取代、電子轉移等反應，或使污染物化學鍵斷裂，使難降解污染物分解成低毒或無毒的小分子物質。高級氧化技術氧化能力強、選擇性小、反應速率快，反應條件溫和，既可作為單獨處理技術，又可與其它處理過程協同，處理成本低，操作簡單，操作條件易于控制，易于設備化管理。

基于硫酸自由基的高級氧化技術可以產生以SO4-為主的活性物質。硫酸自由基高級氧化技術可破壞藻類的生物膜、色素、蛋白質及胞內物質，而達到殺滅藻類的目的。王海霞和楊洋用超聲波-硫酸自由基高級氧化和微波-硫酸自由基技術協同技術對船舶沉積物進行處理，可通過破壞藻類及孢囊結構達到滅活目的[15][22]。鑒于以上特點，基于硫酸自由基的高級氧化技術處理沉積物中的IAS 和HAPO 或具較好的可行性。

3.2.2 氯化法

氯化法對于經水體傳播的細菌、病原體消殺效果顯著，對一切病原微生物均有很好的效果?？杀焕玫穆然镉卸趸?、次氯酸鈉、次氯酸鈣等。氯的滅菌通過氧化作用抑制和破壞細菌酶活性，引起菌體蛋白變性而導致細菌死亡。二氧化氯具有強氧化性，濃度為 0.5～1 mg/l，作用時間1min 即可殺滅水中 99%的細菌。二氧化氯殺菌的優點在于可以不受水硬度和鹽份的影響，殺菌作用維持時間和效果較好。氯化方法缺點在于腐蝕性較強，若在壓載艙進行消毒會造成艙壁加快腐蝕。另外，氯化消毒過程中還會生成有毒有害的二次污染物，需進行進一步達標處理。

3.3 聯合技術

為了提高微生物的滅活效率，一般采取2-3 種技術進行協同聯合處理沉積物。聯合系統可以降低操作成本，并對環境和人類健康構成更小的危險。

微波和超聲波協同處理技術，超聲波和硫酸自由基高級氧化協同技術均可提高單一技術的滅活效果。兩種聯合技術均可通過破壞細胞的細胞結構，如細胞壁，細胞器，達到滅活藻類和孢囊的目的。微波和電子輻射協同使用對污泥的消毒效果大于兩種技術單獨使用，降低能量消耗[23]。

4 小結

通常電處理法和化學藥法具有更高的消毒效率，但化學加藥有消毒副產物，藥劑本身有毒或者腐蝕性。物理技術的優點是無毒，無腐蝕危險，但是多數物理處理方法效率偏低。加熱焚燒是傳統滅菌方法，簡單，快速，徹底，無毒，無腐蝕危險，可行性較高。好氧發酵成本低，但需要外源添加耐鹽發酵菌種和有機質，可行性稍低。微波和超聲波設備簡單，便于控制，但穿透力相對較弱，易作輔助滅菌與其他滅菌方法聯合。電離輻射特別適用于不均勻、高密度物品，但成本昂貴，不易控制，容易對人體產生傷害。電子加速器簡便，易操作，但設施昂貴，可行性稍低。高壓脈沖放電簡單，清潔，殺菌時間短，且殺菌效果明顯，高頻功率源昂貴，可行性稍低。高級氧化選擇性小、反應速率快，成本低，操作簡單，可行性較高，可與其他技術如微波，超聲波等技術聯合。綜上所述，以上滅活技術各有優缺點，可積極探索各種滅活技術的疊加、復合、聯合方式，趨利避害，在最大程度滅活的前提下，節能環保，不造成二次污染。表1 為不同沉積物滅活方法的優缺點比較。

表1 不同滅活技術比較