船舶壓載水滅活處理技術(shù)對比分析

操焱銀，辜康立

（中國船級社實業(yè)公司 廣州分公司，廣東 廣州 510235）

0 引言

船舶可以通過裝載/卸載壓載水來調(diào)整船舶的吃水高度，保障船舶的穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度，從而減小船體變形，改善其空艙試航性能；但是，由于船舶壓載水傳輸所導(dǎo)致的有害水生物和病原體造成的污染已經(jīng)嚴重威脅到了全球海洋環(huán)境和人類的健康和財產(chǎn)安全。

據(jù)此，《國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》和相關(guān)國家立法應(yīng)運而生，這些公約和法規(guī)均對船舶的壓載水排放作出了明確的要求。為達到公約規(guī)定的壓載水排放要求，壓載水處理系統(tǒng)已成為國際航行船舶上非常重要的設(shè)備[1]。

1 壓載水處理方法

壓載水公約將壓載水管理分為D-1置換標準和D-2處理標準。壓載水的置換僅僅是過渡時期的一種過渡性管理措施，唯有對壓載水進行處理，使其達到D-2排放標準才是壓載水管理的最終目標。

D-2處理標準的實現(xiàn)途徑是在船上安裝經(jīng)認可的壓載水處理系統(tǒng)，使用滅活處理技術(shù)來減少或消滅壓載水中的有害微生物，從而達到公約和法規(guī)要求的排放標準。

2 滅活處理技術(shù)分析

滅活處理過程主要有物理處理方式和化學(xué)處理方式，各種滅活處理層次圖如圖1所示。

圖1 滅活處理層次圖

2.1 物理處理方式

1）紫外線UV照射

紫外線殺菌是通過照射破壞微生物的脫氧核糖核酸（NDA）和核糖核酸（RNA）實現(xiàn)的[2]。該技術(shù)是一種成熟的水處理消毒殺菌技術(shù)，在陸地和船舶上都得到了廣泛的應(yīng)用，如飲用水的處理和餐具的消毒。

紫外線照射技術(shù)具有如下優(yōu)點：

①紫外線殺菌是目前所有消毒技術(shù)中廣譜性最高的，幾乎所有的細菌病毒都能被高效殺滅；

②紫外線技術(shù)是純物理性殺菌，不加入或不產(chǎn)生任何化學(xué)藥劑，處理后的壓載水在排放時無須加化學(xué)劑中和，不會對水體、周圍環(huán)境和人類產(chǎn)生二次污染；

③紫外線設(shè)備都有金屬密閉的空間，紫外線不會外泄，不會對操作和維護人員產(chǎn)生意外傷害；

④紫外線設(shè)備運行時本身不發(fā)出任何噪聲，可以長時間連續(xù)運行；

⑤適用于海水和淡水，水中含鹽量和水溫的高低，對其工作無影響；

⑥裝置簡單，易維護，對船員技術(shù)要求不高；

⑦紫外線燈管裝置串聯(lián)于管系，裝置占地面積不大；

⑧其處理的壓載水在艙中規(guī)定的留存時間為0，適用于短途航行。

紫外線照射技術(shù)具有如下缺點：

①紫外線照射技術(shù)處理壓載水，不能徹底殺死微生物，為了提高殺菌效果，攝入和排出時都需經(jīng)由紫外線照射，即雙向處理；

②紫外線燈管由石英玻璃制作，易破碎，備件費用高；

③紫外線殺菌效果受制于光照強度和其在水中的透射率，水的渾濁度直接影響到殺菌效果和裝置耗電量；使用中紫外線燈管容易積垢，必須裝有刮刷清潔燈管的裝置，同時需定期測量光強度，定期拆出燈管，清除頑垢；

④裝置耗電量大，間接導(dǎo)致船舶耗油量增大，運營成本的增大，對船舶的動力設(shè)備、船舶電站容量和航運經(jīng)濟性產(chǎn)生明顯的影響；

⑤其裝置為全處理式，加裝的額外管路與壓載水總管同尺寸，管路布置困難，占據(jù)空間較大；

⑥燈管工作溫度高,需配套裝有燈管的冷卻系統(tǒng)。

2）脫氧技術(shù)

脫氧技術(shù)是指在封閉的壓載艙內(nèi)，在壓載水攝入的同時，在壓載管路上通過文丘里管注入氮氣惰性氣體，減少壓載水中的溶解氧的含量或減少壓載艙內(nèi)壓載水上方的氧分壓，致使好氧生物缺氧窒息滅活。

脫氧技術(shù)的優(yōu)點：

①利用碳分子篩的吸附特性，利用物理方法將空氣中的氧和氮氣分離而獲得氮氣，容易制取，不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，無污染；

②制氮裝置簡單，功率相對較小，只需加裝1套空壓機（也可使用原船的空壓機，加1套減壓閥組將壓力減壓至制氮裝置的工作壓力即可）、制氮設(shè)備、空氣瓶、檢測和控制裝置就可制得純凈的氮氣；尤其適用于原本已安裝制氮裝置的油船、化學(xué)品船、液化氣船，只需通過一細小管路引入機艙即可；

③壓載水管路改動量小，對水質(zhì)無要求；

④氮氣充入壓載艙，有益于壓載艙的涂層保護。

脫氧技術(shù)的缺點：

①壓載艙內(nèi)留置時間長，不適用于短途航行；

②制氮過程分離出的富氧氣體為危險氣體，遇可燃物極易發(fā)生爆炸；

③純氮氣引入機艙，如產(chǎn)生漏，則威脅船員安全；

④壓載艙需密封，原透氣帽全部得更換為壓力/真空閥，必須保證壓力/真空閥的正確維護和動作，否則對船體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅；

⑤對船員的素質(zhì)和責(zé)任心、壓力真空的監(jiān)控儀器的可靠性要求高；

⑥脫氧處理技術(shù)僅對壓載水中的好氧生物和好氧菌起滅活作用，不能殺死胞囊、孢子、厭氧細菌等厭氧生物，處理后的壓載水難以達到D-2排放標準，限制了其發(fā)展，截止到目前，還沒有一家采用此技術(shù)的壓載水處理裝置獲得美國USCG的認可。

3）空化和超聲技術(shù)

水力空化技術(shù)是由流動的液體經(jīng)某一水力空化器（如孔板），隨著流速和壓力的變化產(chǎn)生空化泡，在空化泡潰滅瞬間產(chǎn)生高壓高溫，從而殺死或除去水中的微生物和雜質(zhì)。超聲波空化是指通過超聲波產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

水力空化和超聲波空化都因其產(chǎn)生“空泡腐蝕”會對船體結(jié)構(gòu)構(gòu)成威脅。目前僅在部分壓載水處理系統(tǒng)中使用超聲波凈化器對海水進行初滅活，為后續(xù)的處理提供良好條件，作為輔助處理環(huán)節(jié)。

2.2 化學(xué)處理方式

化學(xué)處理是指通過直接添加或者船上制備化學(xué)劑來殺死壓載水中的微生物。主要包含電解法、臭氧技術(shù)和化學(xué)品注射法。

1）電解法

電解海水產(chǎn)生次氯酸、次氯酸鈉等，將微生物體內(nèi)的生物酶氧化分解致其失效，或作用于微生物的細胞壁，使其通透性增大，導(dǎo)致細胞因細胞質(zhì)流出而死亡[3]。

2）普通電解法和電催化氧化技術(shù)

電解法按電解的方式及其電解產(chǎn)物的不同可分為普通電解法和高級電解法（電催化氧化技術(shù)）。

普通電解法是指在殼體狀的電解槽主體內(nèi)配置有作為電極的陽極、陰極，海水流過其中，因海水中存在氯化物離子和氫氧根離子，一旦向陽極、陰極間通過直流電流，就會在陽極生成氯，在陰極生成氫氧化鈉，氯與氫氧化鈉反應(yīng)，生成次氯酸。

電催化氧化技術(shù)是指采用不同的電子浮發(fā)特殊半導(dǎo)體材料分別作為陰、陽極，兩極輸入直流電壓，使電解槽中的海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生-OH羥基自由基來殺菌。

普通電解法具有如下優(yōu)點：

①只需壓載水攝入過程進行處理，即單向處理；

②主要原理為次氯酸殺菌，技術(shù)成熟；

③裝置能耗相對較低；

④對水的渾濁度無要求。

普通電解法具有如下缺點：

①只適用于海水和鹽水，對水質(zhì)的含鹽量有規(guī)定，不適用于淡水；對于船舶將掛靠淡水港口，抵港前需在船上艙室內(nèi)預(yù)留一定量的海水或在船上儲備大量的高鹽分鹽，供壓載時對壓載水進行電解處理之用；

②產(chǎn)生化學(xué)劑次氯酸鈉，如處理不當，將對水域造成二次污染，排放時必須對TRO（總殘余氧化劑）進行檢測和中和，以滿足相應(yīng)排放要求；

③電解過程產(chǎn)生的氫氣為易燃易爆氣體，須特殊的排除裝置和運行中監(jiān)測；

④電解過程中產(chǎn)生的次氯酸呈弱酸性，對壓載管路、艙室和設(shè)備產(chǎn)生一定程度的腐蝕；

⑤功率消耗介于紫外線照射與電催化氧化技術(shù)之間，且與水的鹽度和溫度關(guān)系緊密，水溫偏低或偏高、鹽度下降都將導(dǎo)致裝置能耗迅猛增加；

⑥電極在規(guī)定工作條件以外的范圍工作時，本身材料的消耗將增大，結(jié)垢的可能性和速率將增大；電極為消耗品，有規(guī)定的工作壽命；

⑦壓載艙內(nèi)留存時間有要求，不適用于太短的航線；

⑧電解槽工作時，隨著電解電流的大小，會產(chǎn)生一定的噪聲；

⑨日常的運行維護管理和故障排除等工作對船員的素質(zhì)有一定的要求。

電催化氧化技術(shù)的優(yōu)點：

①壓載水在艙中留存時間為0；

②僅需進行單向處理，裝置能耗低；

③主產(chǎn)物羥基自由基殺菌效果好，滅殺徹底，不產(chǎn)生氫氣，系統(tǒng)較安全。

電催化氧化技術(shù)的缺點：

①是一種全新技術(shù)，技術(shù)不夠成熟，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性較差；

②產(chǎn)生的羥基自由基，存在時間極短（通常為幾納秒），其濃度或者數(shù)量無法檢測和監(jiān)控；

③附屬產(chǎn)物為次氯酸，對壓載艙及管路存在一定程度的腐蝕，在排出壓載水需中和處理。

2）全電解和部分電解

電解法按電解海水與壓載水的比例分為全電解和部分電解。

全電解是指船舶壓載過程中攝入的全部壓載水均通過電解槽進行電解，整個壓載水管理系統(tǒng)的管路與壓載水主管同尺寸。

部分電解（支路電解）是指僅從壓載泵出口或系統(tǒng)的濾器出口接一支管，引入部分壓載水進入電解槽進行電解，電解后的壓載水（含高濃度化學(xué)劑）再排向壓載水總管，這一路支管尺寸較小。

全電解和部分電解的詳細技術(shù)對比如表1所示。

表1 部分電解和全電解的詳細技術(shù)對比

3）臭氧技術(shù)

臭氧具有強氧化性，溶于水后，直接或利用反應(yīng)生成大量的羥基自由基和新生氧，氧化水中的無機物、有機物，破壞分解微生物的細胞壁、細胞內(nèi)的酶、DNA或RNA等，從而破壞微生物的代謝和繁殖過程。臭氧消毒滅菌過程屬于生物化學(xué)反應(yīng)，技術(shù)成熟，滅菌徹底，無殘留，殺菌廣譜。

臭氧有很高的能量，很不穩(wěn)定，在常溫、常壓下分子結(jié)構(gòu)易變，很快自行分解為氧和單個氧原子[4],因此無法瓶裝貯存，只能利用臭氧發(fā)生器現(xiàn)場生產(chǎn)，并立即使用。臭氧發(fā)生器主要有高壓放電式、紫外線照射式、電解水式。目前正在研究并使用于船舶壓載水處理系統(tǒng)的臭氧發(fā)生器多采用電解水法制取臭氧，通過氣液混合泵使之與水混合。

臭氧技術(shù)的優(yōu)點：

①臭氧穩(wěn)定性差，很快會自行分解為氧氣或單個氧原子，不存在任何有毒殘留；

②臭氧為氣體，在水中的溶解度是氧氣的10倍，能迅速彌漫整個空間，滅菌無死角；

③臭氧的殺菌能力不受PH值變化的影響，其殺菌能力比氯大300～6000倍。

臭氧技術(shù)的缺點：

①長期暴露于臭氧濃度較高的環(huán)境中，致癌的幾率大增；

②臭氧發(fā)生裝置產(chǎn)生氫氣，易燃易爆，對船舶、船員的安全構(gòu)成威脅。

4）化學(xué)品注射法

化學(xué)品注射法是指向壓載水中注入化學(xué)產(chǎn)品來殺菌消毒?；瘜W(xué)品注射的方式：成品直接注射，如次氯酸鈉粉末溶解攪拌后直接注射（只適用于小型船舶）；或分別由幾種儲存的化學(xué)品在需要時混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成。

化學(xué)注射劑以注射二氧化氯、次氯酸鈉、次氯酸鈣為典型，也有注射高鐵酸鹽和廠家研制獨特的化學(xué)劑等。

化學(xué)品注射法技術(shù)成熟，操作簡單，相比于普通電解法而言對水質(zhì)的鹽度、溫度的適用性不受限制；但化學(xué)劑的采購、供船、儲存、破包和攪拌（固體化學(xué)劑）處理，對船員的安全產(chǎn)生一定程度的威脅；船舶營運中一直需采購化學(xué)劑，成本較高；化學(xué)劑儲存空間大，對儲存環(huán)境的要求高；處理后的壓載水需中和劑中和殘余的物質(zhì)，中和劑的供給、儲存、處理等同樣要求嚴格。

2.3 各滅火技術(shù)主要特性對比

各項滅活技術(shù)主要特性對比如表2所示。

表2 各種滅活技術(shù)主要特性

3 結(jié)語

目前市場上的壓載水管理系統(tǒng)所選用的滅活技術(shù)各有其優(yōu)缺點，船東在選擇適合自己船舶的壓載水處理系統(tǒng)時應(yīng)充分分析論證各個系統(tǒng)所采用的滅活技術(shù)，在船舶類型、空間布置、設(shè)備兼容、水質(zhì)要求、運行維護、裝置成本和系統(tǒng)安全性等方面，結(jié)合船舶特點，采取必要的優(yōu)化措施克服或者弱化這些缺陷，篩選出最適合自己船舶的壓載水處理系統(tǒng)。