淺析壓載水UV處理裝置紫外線輻射殺菌

王西帥 中石化海洋石油工程有限公司

1.壓載水處理要求發(fā)展進程

船舶壓載水的隨意排放會致使水體內(nèi)有害微生物超量繁殖，加劇有害病原體的肆意傳播，進而破壞地球不同大洋及海域的生態(tài)平衡，會對海洋環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的惡劣影響。1973年，國際海事組織正式提出壓載水問題尤其對有害病原體的遷徙給予了高度重視[1]。1990年，船舶壓載水問題被海上環(huán)境保護委員提上會議議程，受到船舶行業(yè)的廣泛關(guān)注，繼而相關(guān)規(guī)則、指南、公約陸續(xù)出臺。為了進一步有效減少并最終消除壓載水有害微生物和病原體對自然環(huán)境、生命安全、財產(chǎn)資源產(chǎn)生危害的風險，國際海事組織于2004年制定了《國際船舶壓載水及其沉淀物控制和管理》國際公約，要求現(xiàn)有船舶及新造船舶必須嚴格執(zhí)行壓載水性能D2標準（見表1）于2016年之前全部安裝壓載水處理系統(tǒng)，并且壓載水公約已于2017年9月8日強制生效。在不久的將來可能會有更加嚴格的新標準及新公約出臺，這也意味著對壓載水處理系統(tǒng)有了更高的要求。

表1 國際海事組織D-2標準

2.壓載水處理方式

早期的壓載水處理以物理方法居多[2]，應(yīng)用較多的是海水稀釋及置換方法，但海水用量大，更換時間長，消耗能源較多，處理不徹底，只能作為壓載水處理初期的暫時措施，無法真正有效的處理壓載水。過濾法，離心分離法，也都存在著各種各樣的弊端。壓載水加熱法同樣存在著設(shè)備處理時間長，耗能大等影響船舶航行的問題?；瘜W催化法中也涉及到了電催化生物滅火技術(shù)，臭氧滅火技術(shù)及羥基自由基氧化處理技術(shù)。從實際應(yīng)用以及設(shè)備裝船可行性，運營成本及效能等諸多因素。目前面世的壓載水處理裝置普遍運用過濾法進行預(yù)處理，這樣可以去掉較大體積的雜質(zhì)顆粒和微生物等，從而降低了后一步壓載水處理的難度，提高壓載水處理設(shè)備的殺菌效果。目前常見壓載水處理設(shè)備見表2。

表2 目前市場一些主要壓載水處理設(shè)備對照表

紫外線輻射殺菌法作為目前船舶領(lǐng)域使用率相對較高的一套壓載水處理方法，同樣存在著對滅菌效果產(chǎn)生不利影響的諸多因素。本文在認識紫外線輻射殺菌的基礎(chǔ)上，對相關(guān)因素進行深入的認識與總結(jié)。

3.紫外線輻射殺菌的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用

德國物理學家里特最早發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的紫外線。紫外線中用于殺菌消毒的是C波段的中波長為253.7nm的紫外線，一粒波長為253.7nm的紫外線光子載有4.9eV的能量。當微生物遺傳物質(zhì)核酸吸收了一定量的受到紫外線中的能量后，在體內(nèi)會形成一部分二氮雜苯和間二氮雜苯的異構(gòu)體物質(zhì)。這將阻止細菌及微生物的正常新陳代謝，進而破壞了原有的遺傳特性，當紫外線輻射時間到達一定程度，便對細菌群體產(chǎn)生滅活效果（圖2）。

隨著科技的進步、研究的深入，科學家們漸漸發(fā)現(xiàn)兩個重要現(xiàn)象：第一，微生物在一定的紫外線照射下并沒有立即死亡，而是經(jīng)過一段時間（一般幾個小時后）逐漸衰亡。這主要是因為紫外線破壞了微生物的遺傳物質(zhì)DΝA，不能使其進行持續(xù)分裂增殖，慢慢地微生物會在數(shù)量上呈現(xiàn)遞減趨勢。第二，細胞在經(jīng)過紫外線輻射后便立即死亡，但是微生物細胞內(nèi)部的修復(fù)機制使細胞免于徹底破壞。實驗證實壓載水在經(jīng)過紫外線滅菌后菌落數(shù)可檢出的數(shù)量為零，但是三天后菌落數(shù)量又慢慢恢復(fù)到處理以前的水平，說明細菌的光復(fù)合能力對處理效果影響較大。大部分的細胞生物在經(jīng)過UVC輻射過后，并不能夠進行基質(zhì)修復(fù)，但是如果進入營養(yǎng)物質(zhì)豐富，適合生存繁殖的新環(huán)境后，已經(jīng)衰亡的微生物會復(fù)活，并對新環(huán)境進行新的破壞[4]。所以，要想避免光復(fù)合現(xiàn)象，UV裝置應(yīng)保持一定的紫外線輻射劑量及足夠的輻射時間。

4.紫外線輻射殺菌影響因素

紫外線輻射劑量是輻射強度輻射時間的乘積，這決定了UV裝置的殺菌能力。輻射劑量的大小取決于紫外線殺菌燈的輸出功率、輻射時間及燈與微生物之間的輻射距離。而這又牽扯到了影響紫外線輻射強度的幾個重要因素：

（1）水質(zhì)。包含水的色度、濁度及其含鐵量在內(nèi)的因素對紫外線強度影響明顯。

1）水的色度。研究人員為了更加直觀的證實水的色度會對紫外線強度產(chǎn)生影響，把泥炭的浸出液按不同比例與蒸餾水混合，這些溶液會呈現(xiàn)不同色度[5]。見表3。

表3 色度對紫外線吸收系數(shù)的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，色度不斷增大的同時，溶液中水對紫外線吸收系數(shù)隨之增大。這說明作用于細菌的紫外線強度減小，紫外線殺菌效果降低。

2）水的濁度。水中的濁度物質(zhì)會減弱紫外線的穿透能力，微生物通過與水中大部分的顆粒物質(zhì)進行不同程度的結(jié)合，減小了紫外線的直接照射，實現(xiàn)了自我保護，這樣紫外線輻射殺菌效果就大大降低了。現(xiàn)行船舶安裝較多的壓載水處理裝置都是有兩大部分組成的，先由高壓反沖自清洗過濾器預(yù)處理，再由紫外線UV殺菌裝置進行殺菌消毒。過濾器首先預(yù)處理攔截壓載水中＞50微米的生物和懸浮顆粒，改善提高水質(zhì)的透光度，從而提高殺菌效果（圖2）。

3）鐵離子。海水中游離的鐵離子不僅會吸收紫外線而且經(jīng)反應(yīng)生成的含鐵化合物在石英套管外壁形成結(jié)垢，這都會降低紫外線的有效輻射強度。雖然我們已經(jīng)意識到這點，但現(xiàn)有的技術(shù)手段還未從根源上解決這一問題，所以壓載水處理裝置新的設(shè)計中要充分考慮減少海水中鐵離子的含量。

（2）電壓。紫外線輻射強度的大小直接取決于燈管上工作電壓的高低。因此，要想實現(xiàn)紫外線高效殺菌，就需要燈管保持穩(wěn)定的工作電壓。在UV處理裝置中，屬低壓汞蒸氣燈、低壓高輸出汞蒸氣燈以及中壓汞蒸氣燈的運用最為廣泛。相關(guān)特征參數(shù)見表4。

表4 典型汞蒸氣紫外燈特征參數(shù)

從表中可以看出：三種常見燈中，功率輸出比最高的是低壓燈，UV燈管使用壽命最長的屬低壓高輸出燈，在特定輻射劑量下使用燈管最少的為中壓燈。在實際船舶運用中中壓燈的使用更為普遍，這就給船舶日常工作中減少了不必要的維修保養(yǎng)支出，同時也降低了能耗損失。

（3）溫度。周邊環(huán)境溫度的高低對紫外線燈的輻射強度也有一定影響的，溫度過高或溫度過低都會降低紫外線輸出功率。故而，一般紫外線處理裝置會在燈管外會加裝石英套管，隔絕壓載水與燈管的直接接觸，就是為了保證燈管的恒溫工作。記錄實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 燈管表面溫度與輸出功率之間的關(guān)系

觀察發(fā)現(xiàn)，當燈管表面溫度為40℃時，額定輸出功率實現(xiàn)最大化。

而船用中壓UV燈管上電工作時，燈管表面會產(chǎn)生600℃到900℃的高溫，產(chǎn)生大量的熱量，需要流動的海水介質(zhì)將熱量帶走，控制燈管表面的溫度在45℃以下，方可保持燈管的正常運行，保證正常的高效的輸出功率，同時避免燈管過熱燒壞。為了延長UV燈管的使用壽命，UV燈管在斷電停機后需要一段時間的冷卻操作，該冷卻操作同樣通過流動的壓載水把燈管表面的熱量帶走，現(xiàn)在的壓載水處理裝置一般通過PLC控制此過程。即系統(tǒng)執(zhí)行停機程序后至冷卻完成指示，應(yīng)保持壓載泵與外圍相關(guān)閥門的有效操作，待冷卻結(jié)束后方可停止壓載泵的運行。

除此之外，若紫外線輻射維持在某一強度下，（圖3）UV處理裝置流量逐漸增大時，海水流速也會相應(yīng)增大，相應(yīng)的海水流經(jīng)處理裝置的時間將會減少，進而導(dǎo)致紫外線輻射劑量降低，達不到預(yù)期的殺菌作用。此種情況下可以控制壓載水流量，使其達到最佳輻射流量，或者對海水進行循環(huán)處理增加相應(yīng)輻射時間。

5.結(jié)論及展望

國際相關(guān)環(huán)保公約的不斷出臺，對于壓載水處理不斷提出更高要求，刺激了壓載水處理裝置在技術(shù)與應(yīng)用上的革新。而圍繞在UV處理裝置的后續(xù)發(fā)展改進工作將會進一步的提速，今天遇到的一些影響因素也會隨著新技術(shù)的出現(xiàn)而迎刃而解。我們可以設(shè)想：在保證輻射劑量達標的同時，UV裝置腔體內(nèi)導(dǎo)流將會愈發(fā)合理分配均勻，從而減少紫外線燈管的數(shù)量，減少設(shè)備能耗和降低設(shè)備成本;預(yù)處理中添加超聲波干擾，進而對微生物細胞壁進行有效破壞，使細胞核遺傳物質(zhì)充分暴露，從而對紫外線殺菌滅活效果得到質(zhì)的提高。相信不久的將來，壓載水處理又會有一場新的技術(shù)革命。