船舶壓載水濃縮收集裝置研究現(xiàn)狀分析

錢冬昊，林添金，陳景昱

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0 緒論

壓載水是人為裝載到船舶壓載水艙的海水，用以控制船舶吃水，保證船舶的安全運(yùn)營。船舶在吸入和排出壓載水時可能將海水中含有的各種微生物和水生生物一并吸入和排出，隨之帶來的是外來水生物入侵的風(fēng)險。事實(shí)上，壓載水被認(rèn)為是海洋非本地物種遷移的最重要載體之一[1]。壓載水轉(zhuǎn)移的微生物和其他小型動物的幼體會成為外來入侵物種，造成了包括生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、人身安全等一系列嚴(yán)重問題[2～4]。為了應(yīng)對這一情況，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)在20世紀(jì)90年代開始著手解決這一問題，并在2004年通過了《船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》(Ballast Water Management Convention，BWMC)，該公約的目標(biāo)是“防止、最小化并最終消除有害水生生物和病原體的轉(zhuǎn)移”，生物按尺寸可分為≥50 μm、10 μm～50 μm和≤10 μm三類。2017年7月，海上環(huán)境保護(hù)委員會(Marine Environment Protection Committee，MEPC)第71次會議上確定了 D-2 標(biāo)準(zhǔn)，如表1。

表1 D-2標(biāo)準(zhǔn)

該國際公約將于2023年在我國完全生效[5]，根據(jù)該公約，港口國可以對船舶壓載水進(jìn)行抽檢，并禁止船舶排放不符合規(guī)定的壓載水。這意味著全世界大量的船舶需要安裝或者改造自身的壓載水處理與排放系統(tǒng)。而對于港口國檢查，則需要一套完整的船舶壓載水檢測流程與相對應(yīng)的設(shè)備。

1 船舶壓載水取樣概述

2016年MEPC在279(70)號決議中通過了《壓載水系統(tǒng)認(rèn)可導(dǎo)則》(G8)建議，該導(dǎo)則對船舶壓載水檢測取樣方式和所需樣品量提出了建議[6]，取樣時檢查人員應(yīng)在壓載水排水管附近使用取樣探針進(jìn)行取樣，情況不允許時也可以通過測深管和人孔等進(jìn)行取樣。

目前國內(nèi)國際上主流的壓載水取樣方式為管內(nèi)取樣，其檢測工作包括取樣、濃縮、收集、檢測四個主要部分，其中：①取樣。在靠近壓載水排放口的取樣位點(diǎn)，通過取樣裝置將壓載水從排放管導(dǎo)出；②濃縮。通過濃縮裝置，將導(dǎo)出的壓載水進(jìn)行濃縮富集；③收集。將濃縮裝置中的生物樣品進(jìn)行收集；④檢測。通過微生物檢測技術(shù)，對收集樣品的生物密度進(jìn)行檢測。G8中建議在取樣檢測時對于最小尺寸≥50 μm以上的微生物，總樣品容量應(yīng)至少為3 m3。對于最小尺寸10 μm～50 μm的微生物樣品至少收集10 L。

2 船舶壓載水濃縮裝置研究現(xiàn)狀

在實(shí)際的港口國實(shí)驗(yàn)室檢測中每次所需樣品量僅為5 mL～100 mL，難以完全對G8規(guī)則中建議的取樣量進(jìn)行檢測，所以需要使用微生物濃縮的手段來濃縮富集生物樣品，提高樣品代表性，降低檢測難度。目前在食品和化工領(lǐng)域主流的濃縮方法主要有蒸發(fā)濃縮、冷凍壓縮、常壓濃縮、離心分離和反滲透膜濃縮等[7]。但以上方法在濃縮過程中可能會造成大量待檢測的微生物死亡，并不適合船舶壓載水的生物樣品濃縮收集。

現(xiàn)今船舶壓載水微生物濃縮的主流方法是濾網(wǎng)過濾，先用濃縮裝置對船舶壓載水進(jìn)行過濾，再對濃縮裝置中的濾網(wǎng)濾芯進(jìn)行反沖洗，收集濾網(wǎng)濾芯上捕集的微生物的濃縮樣品。濃縮過程中生物的損耗程度是壓載水檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的前提之一，而濃縮收集生物樣品的濃縮比決定了壓載水檢測的代表性。船舶壓載水濃縮裝置的研究方向按研究對象分為過濾介質(zhì)和濃縮裝置。

2.1 過濾介質(zhì)研究現(xiàn)狀

濃縮裝置的過濾介質(zhì)按制作過程可分為編織型過濾網(wǎng)和金屬刻蝕過濾網(wǎng)。在濃縮過程中攔截機(jī)理起主要作用，攔截機(jī)理與微生物的最小尺寸相關(guān)，當(dāng)微生物的最小尺寸等于或大于濾網(wǎng)的孔道直徑時，濾網(wǎng)將微生物攔截下來。

編織型過濾網(wǎng)是使用極細(xì)的材料通過特定的方式編織而成，結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，在國內(nèi)外壓載水取樣過程中占據(jù)著主流地位。除傳統(tǒng)的編織型過濾網(wǎng)外，近年來也有對新型金屬刻蝕過濾網(wǎng)進(jìn)行研究，金屬刻蝕過濾網(wǎng)是通過高能激光束在金屬薄板上刻蝕出相應(yīng)尺寸微孔制成[8]。

國內(nèi)外研究中常用保留效率RE(%)來評估不同過濾介質(zhì)的濃縮偏差[9]，保留效率RE的計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：PFiltrand為從過濾介質(zhì)中收集的微生物密度，Ind./mL；PWhole為從過濾前原始水樣中微生物密度，Ind./mL。

微生物密度的計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中：P為微生物密度，Ind./mL；I為子樣品體積(A)中微生物計(jì)數(shù)；C為總檢測水體中收集的生物樣品體積；D為樣品的稀釋度；A為子樣品體積；S為總檢測水體體積。

2.2 船舶壓載水濃縮裝置研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的濃縮裝置由單一的浮游生物網(wǎng)組成，如圖1(a)。壓載水從出水管進(jìn)入浮游生物網(wǎng)，濃縮收集結(jié)束后，用純凈海水反沖洗浮游生物網(wǎng)，反沖洗后的樣品存于樣品收集管中，通過放樣閥⑥收集。浮游生物網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單裝置成本低，但濃縮收集過程需要人員全程參與，操作過程煩瑣。在浮游生物網(wǎng)的基礎(chǔ)上，濃縮裝置向集成化、自動化的閉式系統(tǒng)發(fā)展。目前主流的系統(tǒng)有p1SFS、Triton NP 6007 TG 18和SGS。

p1SFS系統(tǒng)是從浮游生物網(wǎng)發(fā)展而來，如圖1(b)。p1SFS系統(tǒng)的核心由模塊化不銹鋼濾殼組成，內(nèi)設(shè)有單層尼龍網(wǎng)濾袋，濾殼的進(jìn)水管道中設(shè)有獨(dú)立閥門。濃縮收集結(jié)束后，關(guān)閉系統(tǒng)管路，將濾袋從濾殼中取出，倒置濾袋沖洗收集樣品進(jìn)行分析[10-11]。

Triton NP 6007 TG 18系統(tǒng)由三個基礎(chǔ)部分組成：控制單元、濃縮單元、測量單元，如圖1(c)。壓載水通過濾殼進(jìn)行濃縮收集，濾殼內(nèi)設(shè)有金屬編織濾芯。濃縮收集結(jié)束后，關(guān)閉系統(tǒng)前后的管路閥門，擰下濾殼取出濾芯，用純凈海水反沖洗濾芯。反沖洗后的樣品存于樣品收集管中，通過放樣閥收集[12]。

SGS系統(tǒng)平衡了p1SFS系統(tǒng)的耐用性和Triton系統(tǒng)的便捷性，如圖1(d)。SGS系統(tǒng)濾殼整體由不銹鋼沖壓制成，濾殼內(nèi)設(shè)有金屬刻蝕網(wǎng)。濃縮收集結(jié)束后，關(guān)閉系統(tǒng)管路，將濾芯從濾殼中取出，用純凈海水反沖洗浮游生物網(wǎng)，反沖洗后的樣品存于樣品收集管中，通過放樣閥收集[13-16]。

(a)浮游生物網(wǎng) (b)p1SFS系統(tǒng)

2.3 船舶壓載水濃縮裝置研究現(xiàn)狀分析

使用網(wǎng)狀過濾介質(zhì)濃縮收集生物體在水生生物學(xué)中有著悠久的歷史，特別是在微生物方面[17]，準(zhǔn)確濃縮收集壓艙水中的微生物對港口國檢查有重要意義。

2.3.1 濃縮裝置保留效率

在過濾介質(zhì)的保留效率研究中，Molina等[8]在實(shí)驗(yàn)室中評估了不同的材料和網(wǎng)孔大小的保留效率，實(shí)驗(yàn)將培養(yǎng)的特定藻類經(jīng)過預(yù)處理后用濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，用二乙酸熒光素(FDA)和二乙酸氯甲基熒光素(CMFDA)染色計(jì)數(shù)的方法，計(jì)算原始水樣、過濾后的水樣和濾網(wǎng)收集的藻類密度，判斷濾網(wǎng)的保留效率，該研究主要存在以下問題：

①研究方法問題。該研究采用實(shí)驗(yàn)對比的方法，特定培養(yǎng)的藻類原始水樣在重力的作用下透過濾網(wǎng)。而實(shí)船中壓載水的取樣操作中，微生物可能在水流壓力作用下透過濾網(wǎng)，因此對不同過濾介質(zhì)的保留效率的研究，要在模擬船舶取樣的實(shí)驗(yàn)平臺或者在實(shí)船中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性。

②檢測方法問題。該研究采用熒光染色計(jì)數(shù)的方法計(jì)算藻類密度，實(shí)驗(yàn)過程中的物理方法可能引起生物的應(yīng)激或死亡，且只有活藻才能被熒光染色，容易造成檢測結(jié)果偏差。

③實(shí)驗(yàn)對象問題。該研究實(shí)驗(yàn)對象為五種單細(xì)胞和鏈狀微藻，實(shí)驗(yàn)對象單一。在實(shí)際的壓載水中除了常見的浮游植物甲藻和硅藻外，還有大量的節(jié)肢動物，它們的附肢在濃縮收集過程中容易被濾網(wǎng)纏繞，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3.2 濃縮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前閉式的船舶濃縮系統(tǒng)按尺寸大小分為便攜式和固定式兩種，便攜式設(shè)備集成化程度高，耐用性稍差，可由人員攜帶進(jìn)入船艙；固定式處理水量大，耐用性強(qiáng)，系統(tǒng)體積大移動不便，需要提前在船上安裝或通過手推車移動。濃縮收集裝置的研究存在以下問題：

①流量控制問題。不同類型的船舶壓載水系統(tǒng)參數(shù)區(qū)別較大，同類型的船舶在不同工況下的壓載水系統(tǒng)參數(shù)也不盡相同。在實(shí)船壓載水取樣中，取樣的流量需要操作人員手動控制。相關(guān)研究表明，即使是選用隔膜閥調(diào)節(jié)流量，也可能會在濃縮收集過程產(chǎn)生壓差，造成微生物死亡[18-19]。

②系統(tǒng)設(shè)配問題。便攜式的濃縮收集裝置額定處理流量較小，在實(shí)船使用中濾網(wǎng)容易被微生物或其他雜質(zhì)堵塞而造成處理流量進(jìn)一步下降，達(dá)不到MPEC G8上推薦的取樣量，樣品的代表性較弱。而固定的濃縮收集裝置安裝和使用上不便，可能需要改裝船舶原有的壓載水管路。

③收集樣品困難?，F(xiàn)有的濃縮收集裝置在取樣結(jié)束后需要手動打開濾殼，取出濾芯反沖洗收集微生物樣品。反沖洗不充分可能使微生物殘留在濾網(wǎng)中，反沖洗水量的選擇和沖洗結(jié)果的評估存在困難。在反沖洗操作過程時壓載水中的有毒微生物或化合物可能對操作人員的人身安全造成威脅。

3 船舶壓載水濃縮裝置未來發(fā)展

特定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測量的濾網(wǎng)保留效率與實(shí)船使用的保留效率差別較大，濾網(wǎng)保留效率的評估不應(yīng)在簡單的重力作用下進(jìn)行。未來的濾網(wǎng)保留效率研究應(yīng)與濃縮裝置的研究相結(jié)合，在模擬船舶環(huán)境下進(jìn)行研究，具體可圍繞以下方向進(jìn)行研究：

(1)實(shí)驗(yàn)平臺

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行濾網(wǎng)濃縮效率的實(shí)驗(yàn)時，需要準(zhǔn)確地知道原始水樣的微生物密度。目前國內(nèi)外壓載水取樣實(shí)驗(yàn)中，均采用人工配置含有微生物的海水來模擬壓載水。首先進(jìn)行藻類的人工培育，然后將培養(yǎng)液倒入水箱中，通過離心泵向外排水模擬壓載水排放的過程[20]。這種方式存在排放過程微生物混合不均勻和離心泵攪動導(dǎo)致微生物死亡的問題，因此本文提出一種新的實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)思路，如圖2。

①空氣壓縮機(jī)；②儲氣瓶；③過濾器；④冷干機(jī)；⑤電動控制閥；⑥彈簧安全閥；⑦活動蓋板；⑧球閥；⑨壓力傳感器；⑩控制柜；水箱；變頻離心泵；三通閥；電磁流量計(jì)；單向閥；微量注射泵；水力混合器；垂直取樣位點(diǎn)；同軸取樣位點(diǎn)；

實(shí)驗(yàn)平臺采用變頻離心泵和氣動恒壓供水的形式，模擬船舶壓載水的排放過程。實(shí)驗(yàn)平臺采用管內(nèi)注入和水源添加兩種微生物樣品添加形式。管內(nèi)注入通過微量注射泵精確控制實(shí)驗(yàn)過程中微生物總量，配合靜力混合裝置保證取樣過程中生物樣品混合均勻；水源添加通過水箱上方的觀察窗添加生物樣品，模擬取樣過程船舶壓載水艙的生物群落情況。

實(shí)驗(yàn)平臺模擬船舶壓載水排放管道過程中水流的情況，研究不同形式壓載水取樣濃縮裝置間的差異。實(shí)驗(yàn)平臺的生物注入單元解決了原始水樣微生物量不確定問題，氣動恒壓供水單元減少實(shí)驗(yàn)過程中生物死亡的風(fēng)險，保證過濾介質(zhì)保留效率計(jì)算的可靠性。

(2)濃縮收集裝置結(jié)構(gòu)

船舶壓載水取樣濃縮裝置的濃縮效果與過濾介質(zhì)的保留效率、濾芯的型式和濃縮收集裝置結(jié)構(gòu)等參數(shù)相關(guān)，管路的大小、走向、出水方向和結(jié)構(gòu)形狀等參數(shù)對裝置濃縮效果的影響程度不同，進(jìn)行多參數(shù)影響下的最佳濃縮效果裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分困難。因此可以采用控制變量的正交試驗(yàn)法，如圖3。首先構(gòu)建一種常見多孔介質(zhì)模型(編織型濾網(wǎng))，利用該模型對其他結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算不同參數(shù)組合下的濃縮裝置進(jìn)出口壓降和多孔介質(zhì)的壓力分布系數(shù)，尋找局部最優(yōu)的裝置結(jié)構(gòu)。在此裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行模擬壓載水取樣濃縮實(shí)驗(yàn)，測定不同過濾介質(zhì)在模擬實(shí)船條件下的保留效率和不同多孔介質(zhì)模型的參數(shù)，得到最佳過濾介質(zhì)的材料和網(wǎng)孔大小。最終在該過濾介質(zhì)上設(shè)計(jì)濾網(wǎng)支撐和整體裝置結(jié)構(gòu)，完成最佳濃縮效果的船舶壓載水濃縮收集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 濃縮收集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

(3)反沖洗功能

針對現(xiàn)有濃縮收集裝置收集生物樣品困難的問題，提出反沖洗的思路，反沖洗裝置如圖4。過濾時，管道①②打開，管道③④關(guān)閉，壓載水從管道①進(jìn)入濾芯，過濾后的壓載水從管道②排出；反沖時，管道②③打開，管道①④關(guān)閉，壓載水從管道②進(jìn)入濾殼，經(jīng)過濾殼內(nèi)置的凈化裝置處理，處理后的潔凈海水通過反沖噴頭對濾網(wǎng)進(jìn)行反沖洗，沖洗后多余的潔凈海水從管道②排出，含有微生物的樣品在濾芯底部保留；收集時，管道④打開，管道①②③關(guān)閉，含有微生物的樣品從管道③排出，進(jìn)行檢測。

①壓載水入口；②壓載水出口；③反沖水入口；④樣品出口；⑤濾殼；⑥反沖噴頭；⑦濾芯；⑧排水出口；

反沖洗裝置的實(shí)現(xiàn)需要解決三個技術(shù)難點(diǎn)：一是反沖洗的時機(jī)，濃縮過程會經(jīng)過兩個階段，首先經(jīng)歷攔截過濾階段，壓載水中的微生物因?yàn)V網(wǎng)等過濾介質(zhì)的攔截而被捕集。然后經(jīng)歷濾餅過濾階段，隨著微生物在介質(zhì)上捕集形成濾餅，濾餅形成新的過濾介質(zhì)繼續(xù)攔截微生物。濃縮過程中，微生物在濾餅過濾階段中存在濾餅擠壓死亡和透過過濾介質(zhì)的風(fēng)險，所以反沖洗的時機(jī)十分重要。二是反沖洗的壓力控制，濃縮過程中微生物在濾芯上的分布并不是線性均勻的。在水流的帶動下，濾芯下端捕集的微生物量最多，逆水流方向微生物量逐漸減小。因此反沖噴頭水流的壓力值不是相同的，而是各有不同。三是反沖洗的時間，反沖洗過短，濾芯上殘留有微生物，影響濃縮收集的效率；反沖洗過長，持續(xù)的水流沖擊會造成微生物的死亡，影響最終取樣代表性。

引入反沖效率CR評估濃縮收集裝置反沖洗的效果，反沖效率計(jì)算公式為：

(3)

C0=C1+CN

(4)

式(3)中：C0為原始水樣中微生物密度，Ind./mL；C1為透過濾網(wǎng)水樣中微生物密度，Ind./mL；CN為濾網(wǎng)中捕集的微生物，Ind.；C為反沖洗后收集的樣品中微生物密度，Ind./mL；CR為反沖效率。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)有研究，船舶壓載水濃縮收集裝置還存在實(shí)驗(yàn)研究方法設(shè)計(jì)不充分不全面、檢測和統(tǒng)計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確、集成化濃縮裝置結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理不完整等問題，并不適用船舶壓載水濃縮收集。濃縮收集裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括濃縮效率高、生物死亡率小、結(jié)構(gòu)合理、方便操作、結(jié)果準(zhǔn)確等。

未來壓載水濃縮收集裝置的研究可以圍繞以下方面：

(1)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)。尋找可以更好模擬實(shí)際船舶壓載水排放系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)，奠定船舶壓載水濃縮收集實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

(2)集成化濃縮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對濃縮裝置不同的管徑長度、倍徑、濾網(wǎng)大小、出入水口方向等，使用單一或多種多孔介質(zhì)，對多種可能存在的情況進(jìn)行模擬，尋找濃縮效率最高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)計(jì)算。使用濃縮效率最高的集成化濃縮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對不同材料、網(wǎng)孔大小和疊加情況進(jìn)行濃縮效率的研究，通過數(shù)學(xué)算法得到最適合微生物濃縮的濾網(wǎng)材料、網(wǎng)孔大小和疊加情況。

(4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將選定的濾網(wǎng)材料與初步設(shè)計(jì)的裝置外殼結(jié)合起來，根據(jù)實(shí)際情況，使用模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對外殼進(jìn)行優(yōu)化。