壓載水管理系統中的去氧化法機理研究

黃國衛，張定海，張百祁

(江蘇南極機械有限責任公司，江蘇泰州 225400)

壓載水管理系統中的去氧化法機理研究

黃國衛，張定海，張百祁

(江蘇南極機械有限責任公司，江蘇泰州 225400)

為了滿足《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國際公約》對船舶壓載水必須處理和排放水標準，以及G8導則對陸基試驗的規定，即壓載艙中的水應儲存超過5 d，且沒有微生物再生，提出采用去氧化法，能在很長時間內防止微生物再生。通過數學模型計算、實驗室試驗臺架以及實船試驗論證了去氧化法機理是可靠的和可操作的，氮氣系統能防止壓載艙艙壁的腐蝕。膜+充氮去氧是最佳組合，沒有二次污染而且節能，能滿足國際公約的要求。

壓載水系統;去氧化法;膜法分離;數學模型

0 引言

2004年國際海事組織(IMO)通過了《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國際公約》，其目的是防止船舶壓載水及其沉積物攜帶的外來微生物轉移到其他港口破壞當地生態平衡。隨后，IMO海上環境保護委員會(MEPC)補充的G8導則規定了陸基試驗中的性能試驗，壓載艙中的水儲存應超過5 d，且沒有微生物再生。通常，壓載艙中的壓載水儲存時間為5～30 d。如果使用紫外線UV工藝，水在卸載時應再次處理;使用化學工藝，需要加入更多劑量的藥品。如當估計航程是5 d時，應添加5 mg/l氯;如果估計航程是25 d時，應多添加20 mg/l氯。由于氯為化學物質，會對船體結構造成腐蝕，添加過多的氯會影響船舶安全，因此，為符合IMO對船舶壓載水管理的要求，本文提出在壓載水管理中使用去氧化法，能在很長時間內防止微生物再生，同時能減少壓載水艙艙壁腐蝕。

1 去氧化法機理和方法

氧能溶解于水，其溶解度取決于溫度，20℃時氧的溶解度為9.17 mg/l。氮也能溶解于水，但由于其活性低，類似于惰性氣體，使得傳感器難以探測到，所以很難被測量。事實上，在最低200 mm水柱的正壓下，氮的溶解度為21.6 mg/l，當充氮到過飽和，溶解氧會被替換出。這就是去氧化法機理。

使用惰性氣體保護油艙已有30 a歷史。壓載艙采用去氧化法可類似于油艙惰性氣體保護法，但是對于油艙來說，不可能充氮到油中。壓載水艙中充氮主要有2種方式:一是充氮到水面以上的空間，二是充氮到流水管道中，隨壓載水一同進入壓載艙。

2 純氮氣去氧化法

通常惰性氣體來自于煙氣冷卻，然后用鼓風機注入到艙內液面上方的空間。經試驗發現，液面上方空間內充入惰性氣體很難溶解于壓載水，或者需要較長的時間才能溶入壓載水中。同時，由于煙氣中的二氧化碳也溶解于水，使得水的PH值降低，所以采用純氮氣去氧化法效果更理想。

純氮氣去氧化法是通過變壓吸附(PSA)工藝，由分子篩將壓縮空氣中的氮氧分離，產生具有一定壓力的純氮氣充入到壓載水中，置換水中的氧氣，降低水中的含氧量，破壞生物的生存環境，抑制生物的生長和繁殖。但是它必須在正壓條件下才能使氮比氧更易溶解于水，從而達到處理效果。試驗表明，如果沒有正壓，氮氣在水中形成氣泡逸出;當有正壓時，氮氣溶解于水，不會產生氣泡。正壓氮氣溶解示意圖如圖1所示。通過計算機數學流體模型(CFD)可以算出氮氣被溶解的距離和數量，氮氣摩爾濃渡線形圖如圖2所示。如果用P/V閥控制艙內的正壓，如同儲存在食品罐頭內一樣，氮氣不會泄露，使壓載水長期處于一種低氧狀態，能抑制微生物的再生，同時還能減少艙壁的腐蝕。

美國ABS船級社頒發了《壓載艙使用惰氣的導則》，說明對壓載艙使用惰氣保護是必須的，特別是對油輪，防止萬一相鄰油艙的油氣漏入壓載艙。

圖1 正壓氮氣溶解示意圖

圖2 氮氣摩爾濃度線形圖

3 試驗材料和方法

利用有機玻璃管建立了一個氮水溶解于水的試驗臺架。在保持出口一定正壓的情況下，試驗結果幾乎與數學模型計算一樣。

實船也做了同樣的試驗。壓載艙透氣口安裝P/V閥，當艙中壓力超過200 mm水柱時，P/V閥自動打開，氮氣過飽后會迫使氧氣從水中脫離，達到低氧環境。

根據處理水量按照一定的比例充入濃度為99%的氮氣后，水中的DO(溶解氧)可接近1 mg/l。通常也可測量水面以上空間內的氮氣濃度，當濃度大于95%，水中的DO將達到1～2 mg/l。整個壓載水管理系統已完成符合G8導則的性能試驗要求，并且已獲得主管機關和船級社的證書。

4 沉積物

《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國際公約》簡稱“壓載水公約”，絕大多數供應商往往重視壓載水的控制而忽視對沉積物的控制，但是如果不能清理艙中的沉積物，不管你把水處理得多干凈，一旦水進入艙中就會被沉積物再次污染。在MEPC66次年會上注意到了沉積物中有機物的測量。

采用濾芯孔徑為50 mm的自清潔過濾器和膜孔徑為10 mm的膜分離器分離壓載水中的固體顆粒及生物，運行一段時間后，取出膜樣本通過放大倍數為500的電子顯微鏡進行觀察，其電子顯微鏡膜樣本500倍放大圖如圖3所示。經發現，一是沒有超過50 mm的微粒，這表示前面的機械濾器有效;另一個是由于孔過濾的橋架理論，甚至小于2～3 mm的微粒都不能通過，故幾乎沒有沉積物進入壓載艙，這既能節省清艙費用，還能運輸更多貨物。有些船舶運營2 a后，壓載艙內的沉積物可達200～300 t。

來自膜分離的濃縮有機物和沉積物允許排放到出發港水域，因為它們不是外來微生物，這就是“壓載水公約”的實際目標。

圖3 電子顯微鏡膜樣本500倍放大圖

船舶運營一段時間后，壓載艙艙壁不可避免會腐蝕。由于船舶內部結構非常復雜，若重新油漆，工作量大，成本高，使用氮氣將會減少艙壁腐蝕，有利于船舶運營者降低成本，增加經濟效益。

全世界各個港口的水質不一樣，溫度和鹽度變化很大，用電解化學法控制產氯量很困難，余氯產生的二次污染又要經過G9導則的毒性評估，不太受港口國的歡迎。氮氣“去氧化”屬于純物理方法，保質期長，特別適用于長航程的船舶。各港口的生物物種也千變萬化，單純用UV照射法，對一些帶有硬殼的有毒藻類殺菌就很難說能達標。同時，在艙內微生物復活和再繁殖也是不可預見的。所以只有充氮去氧才能保持較長的時間，加上前段處理有分離去除微生物的工藝，進入壓載艙的微生物量原本就很少。總之，用膜法預先分離微生物加氮氣去氧抑制微生物的生長是最好的搭配。

5 結論

(1)使用氮氣驅使氧氣脫離水體的處理方法稱為去氧化壓載水處理工藝。通過數學模型計算、實驗室及實船試驗，論證了去氧化法機理是可靠的和可操作的，其適用于長航程的船舶運輸并能較長時間防止有機物再生。

(2)氮氣能防止壓載艙艙壁的腐蝕，節省重新油漆的費用。

(3)膜+充氮去氧是最佳組合，沒有二次污染而且節能，并且能滿足國際公約的實際目標。

［1］ 李玉章，金星，張百祁.PLC在船用膜法生活污水處理裝置中的應用［J］.江蘇船舶，2007，24(6):24-25，33.

For satisfying the criterion of"ship ballast water and sediment control and management international convention"that ship ballast water must been treated with and let and the regulations of G8 standard for the land based experiment，that is to say the ballast water should store exceeding 5 d，and no microorganism regeneration，the paper puts forward adopting deoxidation method，the method can prevent microorganism regeneration for ages.Through mathematic model calculation，laboratory test-bed and real ship trial it has demonstrated the deoxidation method mechanism is reliable and operable，nitrogen system can prevent the bulkhead corrosion of ballast tank.Membrane＆ nitrogen is the best combination，it hasn't secondary pollution and conservation of energy，can satisfy the requirement of international convention.

Research on deoxidation mechanism of ballast water management system

Huang Guowei，Zhang Dinghai，Zhang Baiqi(18)

U664.83+3

A

2014-11-05

黃國衛(1966—)，男，助理工程師，從事船舶防污染設備工作。