船舶污水處理技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

張青青，鄭祥，程振敏，郁達(dá)偉,3，魏源送,3,4

(1. 中國人民大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100872；2. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，水污染控制實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；4. 江西省科學(xué)院 能源研究所，江西 南昌 330029)

0 引 言

近年來，我國船舶運(yùn)輸量和總噸位增長較快，其中我國約34%的外貿(mào)出口貨物由海運(yùn)完成[1]。截至2015年末，全國擁有水上運(yùn)輸船舶16.6萬艘，其中內(nèi)河船舶15.2萬艘，沿海運(yùn)輸船舶1.07萬艘，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶2689艘[2]。隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，海運(yùn)船舶污水成為重要的海洋移動(dòng)污染源。研究表明，航線污染和港口污染是導(dǎo)致海洋污染的重要因素[3]。我國船舶運(yùn)輸主要發(fā)生在近海岸和東海，近海岸富營養(yǎng)化情況日益嚴(yán)重。

現(xiàn)代船舶按照國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）標(biāo)準(zhǔn)，在船級(jí)社初次入級(jí)檢驗(yàn)后，在船級(jí)符號(hào)后面附加一個(gè)或數(shù)個(gè)標(biāo)志，如船舶類型、貨物裝載、特種任務(wù)、航區(qū)限制、冰區(qū)加強(qiáng)等。船舶分類方式包括船舶用途、航行區(qū)域等。根據(jù)船舶用途，分為客船、普通貨船、集裝箱船等；根據(jù)航行區(qū)域，分為遠(yuǎn)洋船、近洋船、沿海船和內(nèi)河船等?？洼喭ǔ？拷睾：叫?，對(duì)生活污水排放有嚴(yán)格限制；遠(yuǎn)洋貨輪盡管有時(shí)會(huì)航行在非限制區(qū)域（遠(yuǎn)洋航區(qū)），但各國港口接收設(shè)施的完善程度不一，領(lǐng)海及近陸水域保護(hù)要求不同[4]，因此，船舶污水排放標(biāo)準(zhǔn)主要按照海域、船舶類型管理，并且日益嚴(yán)格。

因此，本文以海運(yùn)船舶為主要對(duì)象，通過文獻(xiàn)綜述，分析海運(yùn)船舶污水的水質(zhì)特征和新排放標(biāo)準(zhǔn)、海運(yùn)船舶污水處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為研制船級(jí)社認(rèn)證船舶生活污水處理裝置提供借鑒，改善海域環(huán)境。

1 船舶污水來源及其水質(zhì)特征與排放標(biāo)準(zhǔn)

船舶產(chǎn)生的水污染物主要包括生活污水、含油污水、含有毒液體物質(zhì)的污水和船舶垃圾。據(jù)估算，我國船舶生活污水總量約為1 800萬噸/年，含油污水約為1 200萬噸/年[5]，其中沿海船舶生活污水產(chǎn)生量約為1125萬噸/年，船舶含油污水產(chǎn)生量約為350萬噸/年。

1.1 船舶生活污水

船舶生活污水（黑水）具有水質(zhì)水量變化大、污染負(fù)荷高的特征。船舶污水以廁所污水為主。由于船舶生活污水較難獲得，現(xiàn)有研究通常采用城市生活污水[6-9]、初沉池出水[10-11]、公廁糞便污水[12]等代替船舶生活污水進(jìn)行試驗(yàn)研究（見表1），但人工模擬船舶生活污水的COD濃度普遍較低。相較于傳統(tǒng)城市黑水，船舶生活污水的污染物濃度更高[13]，例如，BOD5991～5 840 mg/L，SS 1 180～4 980 mg/L，這主要是由于船舶衛(wèi)生系統(tǒng)排泄周期比較短和用水量的限制，導(dǎo)致較高的污染物濃度和污染負(fù)荷[4,11]。通常郵輪載客人數(shù)遠(yuǎn)多于貨輪，但由于郵輪乘員人數(shù)的明顯變化，導(dǎo)致船上污水處理設(shè)施的水力負(fù)荷變化較大[11]，例如，郵輪上的游客人均日產(chǎn)生約31.8 L黑水，253 L灰水[14]，灰水占比85%～95%[15]。另外，遠(yuǎn)洋船舶近海岸航行時(shí)對(duì)污水排放要求嚴(yán)格，而遠(yuǎn)海岸航行時(shí)允許生活污水直排，導(dǎo)致生活污水處理系統(tǒng)的污染負(fù)荷變化較大，這對(duì)處理設(shè)備調(diào)控要求較高。

表 1 船舶生活污水（含模擬船舶生活污水）的水質(zhì)特征及其處理工藝Tab. 1 Characteristics of ship sewage water quality and treatment process

表2比較了國內(nèi)外船舶生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)。最早的防止船舶污染國際公約-MARPOL73/78，僅對(duì)大腸桿菌、懸浮物、生化需氧量等衛(wèi)生指標(biāo)做出了要求。2006年4月國際海事組織 （IMO）對(duì)IMO73/78附則Ⅳ進(jìn)行了修改，生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，同時(shí)新增COD、pH、余氯等指標(biāo)。2006年10月13日頒布的MEPC.159（55）決議規(guī)定自2010年1月1日開始，凡是吊裝到不論新老船舶上的船用生活污水處理裝置都應(yīng)滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求。2012年，該標(biāo)準(zhǔn)又增加了總氮和總磷的排放標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)后續(xù)修訂，該標(biāo)準(zhǔn)的排放限值于2016年1月1日起開始全面實(shí)施。我國于2018年1月16日發(fā)布的《船舶水污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》[16]，針對(duì)不同類別船舶航線和不同的噸級(jí)，分別給出了排放控制與實(shí)施要求。

表 2 IMO和我國有關(guān)船舶生活污水污染物排放限值Tab. 2The limits of ships domestic sewage pollutant discharge standards of IMO and China

針對(duì)海運(yùn)船舶生活污水的水質(zhì)、水量特征及處理需求，船舶生活污水處理的難點(diǎn)主要如下：1）船舶空間緊張，要求污水處理系統(tǒng)緊湊，因此容積負(fù)荷率（Volume loading rate, VLR）高；2）受船舶航行海域、載客運(yùn)營狀況影響，船舶生活污水進(jìn)水的水量、水質(zhì)波動(dòng)較大，出水排放標(biāo)準(zhǔn)也因離岸距離而不同，這對(duì)污水處理系統(tǒng)快速啟停、功能切換等的自動(dòng)化要求高；3）船舶行駛過程中的震動(dòng)和顛簸給污水處理系統(tǒng)的液位調(diào)控帶來了較大挑戰(zhàn)。

1.2 船舶含油污水

船舶含油污水主要包括含油壓載水、含油洗艙水和機(jī)艙水（見表3）。根據(jù)國際海事組織（IMO）的統(tǒng)計(jì)，全世界由運(yùn)輸造成的進(jìn)入海洋環(huán)境的石油類污染物總量每年約為147萬噸，其中大約70萬噸來自船舶壓艙水、洗艙水和艙底水[23]。這些含油污水主要包括原油、潤滑油、重柴油等，乳化程度高，較難處理。壓艙水占含油廢水的10%，艙底水約占船舶總重的0.02%～0.05%[24]。由表1可知，船舶艙底含油廢水的油濃度6.5～2 000 mg/L，SS133～660 mg/L，表面活性劑 500 mg/L[21,25]，三丁基錫（tributyltin, TBT）25.4～50 μgSn/L[26]，還含有 Pb，Zn，Cu，Cd 等金屬元素[26]。

表 3 含油污水來源及特征Tab. 3The sources and characteristics of oily wastewater

1954年國際海洋防止油污公約主要針對(duì)原油、燃油、重柴油和潤滑油制定了排放標(biāo)準(zhǔn)，1981年炭黑原油排放事故，在排放標(biāo)準(zhǔn)（MARPOL73/78）中將炭黑原油列入，涉及所有油類，隨后根據(jù)海洋生態(tài)條件及交通條件，將波羅的海區(qū)域、西北歐區(qū)域、海灣區(qū)域等規(guī)定為特殊區(qū)域。當(dāng)在特殊區(qū)域內(nèi)時(shí)，任何油船和400總噸及以上的非油船，禁止將任何油類或油性混合物排放入海；小于400總噸的非油船，未經(jīng)稀釋的排出物含油量不超過15 mg/L。參照IMO制定的MARPOL73/78有關(guān)規(guī)定，我國制定并頒布了1983年《船舶污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，船舶離海岸距離不同，最高允許排放濃度不同。最新修訂的標(biāo)準(zhǔn)GB3552-2018將含油污水分為兩類含，分別是貨油殘余物的油污水和機(jī)器處所油污水，其中船舶排放含油污水的控制要求及含油量的最高允許排放濃度如表4所示。

2 船舶污水處理技術(shù)研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀和進(jìn)展

從應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)來看，遠(yuǎn)洋船舶污水就地處理達(dá)標(biāo)排放，即將污染在船上消除是未來的主導(dǎo)方向，存儲(chǔ)排放形式將被逐漸淘汰[14]。為了處理船舶污水，首先必須收集各種污水，然后輸送到船用衛(wèi)生設(shè)備（Marine Sanitation Device, MSD）。以往船舶上的糞便污水與其他污水分開收集，也有些船舶為了敷設(shè)管路方便起見，采用了混合收集系統(tǒng)。目前大多數(shù)國家采取不同方式處理不同類型的船舶污水，通常黑水采用生活污水處理設(shè)施處理后排放，灰水直接排放，但也有部分船舶將黑水、灰水、艙底廢水混合后處理排放。

2.1 船舶生活污水處理技術(shù)現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代末期，國內(nèi)外相繼開展船舶生活污水處理工藝與技術(shù)研究[4]。從船舶生活污水處理工藝的發(fā)展過程來看，成功借鑒了岸上的水處理技術(shù)。隨著船舶生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，常規(guī)生化/物化技術(shù)已經(jīng)無法滿足處理要求[26,29-30]，膜處理技術(shù)已成為極具前景的船舶污水處理技術(shù)[7,9]。

表 4 IMO和我國船舶有關(guān)含油污水排放控制要求與排放限值Tab. 4IMO and China's ship oily wastewater discharge control requirements and emission limits

傳統(tǒng)生化技術(shù)，COD去除效率85%以上時(shí)，每日噸水所需高達(dá)150 L[12]，而Sun[31-32]等利用MBR技術(shù)，采用2～8 kgCOD/m3·d較高容積負(fù)荷處理船舶綜合污水，形成了緊湊型船上綜合污水處理系統(tǒng)。為適應(yīng)船舶船體搖擺和水力沖擊負(fù)荷的影響，研究者探索了不同類型的膜生物反應(yīng)器（見表5），如復(fù)合式膜生物反應(yīng)器（Hybrid MBR, HMBR）[9]、移動(dòng)床膜生物反應(yīng)器（moving bed membrane bioreactor, MB-MBR）[33-35]、一體化A/O MBR[11]。HMBR是在一體式MBR中投加填料或粉末活性炭，使反應(yīng)器中同時(shí)存在懸浮型和附著型微生物，HMBR在較高容積負(fù)荷下處理船舶生活污水時(shí)，COD平均去除率可達(dá)91.63%[9]。一體化A/O-MBR在處理實(shí)際綜合船舶污水時(shí)，COD、TSS的去除率分別達(dá)到94.5%，99.9%[11]。由于船舶在海上航行，污水的含鹽量變化較大[36]。Kargi F等[37]指出常規(guī)生物處理技術(shù)不能用于處理氯化鈉濃度大于約3%的含鹽污水。而通過膜的截留作用，MBR在活性污泥適應(yīng)5～30 g/L含鹽污水的條件下處理效果良好[36,38-40]，但鹽度相對(duì)較高時(shí)，膜污染率更大[17]。

表 5 MBR處理船舶生活污水部分工藝參數(shù)Tab. 5The process parameters of MBR treatment of ships domestic sewage

2.2 船舶含油污水處理技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)有含油污水處理技術(shù)研究主要是去除艙底水中的石油、表面活性劑、有機(jī)錫化物[26,41]、重金屬[19,20]等污染物。與常規(guī)含油廢水處理方法類似，有重力分離、浮選分離、吸附[30,42,43]、過濾及基于過濾技術(shù)的膜分離工藝[44,45]等。重力分離是利用油水密度差對(duì)油水進(jìn)行重力分離，代表裝置為YSCZ 型油污水分離裝置[46]，目前只作為含油污水初級(jí)處理。由于艙底含油污水多為乳化油，通常采用混凝/絮凝法破乳，除油率可達(dá)90%以上[47,48]，紫外照射和高級(jí)氧化可有效降解含油廢水中的多環(huán)芳烴[49]。這類方法的缺點(diǎn)在于會(huì)產(chǎn)生待處理的新固體廢物。隨著電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電解法、電絮凝、光催化[41,50]等技術(shù)用于處理含油污水，其中電解法的油去除率可達(dá)84.8%～99.9%[21]，膜分離產(chǎn)生的濃縮物的油濃度范圍為25%～65%，再次濃縮后，最終濃縮物僅占5%～10%[28,51]。

2.3 船舶污水處理裝置

以“船舶and污水a(chǎn)nd處理”為關(guān)鍵詞在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局上檢索，一共可檢索到444項(xiàng)專利，分析整理發(fā)現(xiàn)，2010年前，專利大多數(shù)采用傳統(tǒng)生化處理技術(shù)處理內(nèi)河船舶污水，而在2010年后，專利研究設(shè)備開始以膜技術(shù)為工藝主體，且不再僅針對(duì)內(nèi)河船舶，已擴(kuò)展為海洋船舶污水處理。

MBR的容積負(fù)荷高、占地面積小，對(duì)解決海洋船舶上空間有限的實(shí)際問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[52]。2014年ACOMarine公司陸續(xù)推出了Maripur NF和 Clarimar MF系列處理設(shè)備，可滿足IMO MEPC 227（64）認(rèn)證要求。W?rtsil?開發(fā)了以生化技術(shù)為原理的超三叉戟污水處理設(shè)備，以及適合小型郵輪和海軍艦艇的MBR污水處理系統(tǒng)（Hamworthy miniMBR）。2015年威立雅旗下的RWO公司推出了以MBBR為主要技術(shù)的新型CleanSewage Bio污水處理系統(tǒng)。芬蘭的EVAC公司污水處理產(chǎn)品包括適用于大型郵輪的MBBR，適用于其他各類船舶的MBR和適用于海軍應(yīng)用的電解污水處理設(shè)備（見表6）。然而調(diào)查表明，40%的郵輪仍在使用20世紀(jì)80年代開發(fā)的污水處理技術(shù)[53]。

表 6 部分船舶污水處理裝置參數(shù)Tab. 6The parameters of some ship sewage treatment equipment

3 結(jié) 語

1）海洋船舶的生活污水水質(zhì)水量變化較大，污染負(fù)荷高；含油污水乳化程度高。

2）海洋船舶污水排放標(biāo)準(zhǔn)主要按照海域、船舶類型管理，并且日益嚴(yán)格。針對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)和難點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)大力研發(fā)操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)的集約型智能化污水處理裝置。

3）膜生物反應(yīng)器技術(shù)可在較高容積負(fù)荷條件下高效處理船舶生活污水，可大大減小處理裝置所占容積，是極具前景的海洋船舶生活污水處理技術(shù)。

4）我國現(xiàn)有海洋船舶采用的污水處理裝置多采用國外技術(shù)，仍需要加大力度研制符合船級(jí)社認(rèn)證的處理技術(shù)與裝備。