船舶壓載水處理方法研究進展

劉銘輝 王 妮 劉 濤 紀志永

（1中海油能源發展股份有限公司北京安全環保工程技術研究院 天津 300457 2中海油節能環保服務有限公司 天津 300457 3中海油環保服務（天津）有限公司 天津 300457 4河北工業大學化工學院海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心天津 300130 5河北省現代海洋化工技術協同創新中心 天津 300130）

引言

隨著經濟全球化的發展，作為溝通世界各國重要橋梁的船舶航運業也迅速發展，大量貨物通過船舶銷往世界各地。壓載水多被應用于遠洋船舶以控制船舶的吃水和重心平衡，最終確保船舶的安全航行。向船舶加裝壓載水時，海水中一些生物和病原體也會被加到壓載艙中，待航行至目的地，排放壓載水的同時有害水生物和病原體會在當地海域傳播，由此帶來的生物入侵問題已嚴重威脅到海洋生態環境[1]。2004年2月13號國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）通過的《2004年國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》（簡稱《壓載水公約》）從2017年9月8日開始正式生效，該公約旨在通過對船舶壓載水和沉積物的控制與管理來抑制有害微生物和病原體的傳播，減少對環境資源的消耗、人體健康的傷害、財產資源的損失，是世界上第一部針對壓載水攜帶外來物種入侵海洋破壞海洋生態環境的國際公約[2]。

中國向國際海事組織申請加入《壓載水公約》并將于2019年1月22日起對我國正式生效。中國申請加入《壓載水公約》有助于保護我國海域生態環境，確保我國航運業健康可持續發展。參照《壓載水公約》管理標準，本文論述了壓載水的置換方法、處理方法的原理及特點，結合現行的壓載水處理現狀，介紹了國內外通過美國海岸警衛隊USCG型式認證的壓載水處理系統，對我國壓載水處理系統發展現狀進行了描述，并對壓載水處理系統的發展方向進行了展望。

1 壓載水的置換方法

根據《壓載水公約》D-1壓載水置換標準，置換壓載水應考慮天氣因素、船舶設計、設備失靈或其他異常狀況。溢流法、逐艙排空法和稀釋法[3-4]常用來實現壓載水置換率不低于95%的要求。

1.1 溢流法（Flow-through method）

溢流法是應用最早、最廣泛的壓載水置換方法，工作原理是先從壓載艙下部注入新鮮壓載水，再從壓載艙頂部溢水口溢出舊的壓載水。使用該方法需要至少3倍于壓載艙容量的海水才能滿足95%的壓載水置換率要求，溢流法在置換過程中會產生較大的壓力，須考慮船舶的壓載水泵和管路影響。

1.2 逐艙排空法（Sequential method）

逐艙排空法又稱順序法、排空法，耗時短、效果佳，且滿足95%的壓載水置換率要求。逐艙排空法通過先全部排出壓載艙中的壓載水，再全部注入新鮮壓載水的方法實現壓載水置換。但是排空壓載艙的做法對船舶穩定性影響較大，因此排空法對天氣、海況和船舶結構等要求較高。

1.3 稀釋法（Dilution method）

稀釋法是指將新鮮的壓載水從壓載水艙上部注入，原壓載水依靠重力作用從壓載水艙下部排出的方法。相比溢流法，該方法在置換過程中壓載水水位不發生變化，壓載艙不會因自由液面變化而產生壓力，但是對船舶的管路系統要求更高，需要進行改進，更適合應用在新船。

2 壓載水處理方法

置換壓載水僅能滿足《壓載水公約》的D-1交換標準，尚不能直接向海洋環境排放；經物理處理法和化學處理法處理壓載水或兩種方法聯用后可滿足《壓載水公約》的D-2排放標準，可以直接排放且不會對海洋環境造成傷害。

2.1 物理處理法

（1）過濾法

過濾法是對海洋環境傷害最小、現場操作最簡便的壓載水處理方法[3]，選用合適目數（50μm-500μm）的篩網可以直接濾去較大的微生物和顆粒物雜質。

（2）旋流分離法

旋流分離法是利用離心力作用分離在管路中與壓載水比重不同的顆粒物、雜質，分離效果與壓載水水質、顆粒物比重和離心力大小有關[6]。

（3）加熱法

壓載水中的浮游生物、細菌、病原體在38℃維持4.5 h以上或80℃保持8 min便會集體死亡。改造船舶管路利用柴油機冷卻水余熱和加裝專用鍋爐是兩種常用的壓載水加熱方法[7]。

（4）紫外線法

紫外線處理壓載水主要是利用紫外光在水中照射滅菌達到凈化水質的目的，可處理大小不同的微生物，包括病菌和孢子[8]。

（5）脫氧法

脫氧法通過向船舶壓載水中注入惰性氣體（主要是N2）并趕出溶解氧，使壓載水變成高氮低氧的環境，最終微生物、病原體因窒息而被滅殺[9]。

（6）水利空化法

當壓載水流經水利空化器，壓載水的壓力降低流速增大，當壓力降至相應溫度下的飽和蒸汽壓時會產生大量的空化泡，隨著壓載水的噴濺壓力持續升高，空化泡破裂并在局部形成高溫高壓促使細胞分子振動，當細胞壁的強度低于分子振動能量時，細胞壁破裂菌類被滅殺[10]。

2.2 化學處理法

（1）氯化法

氯化法滅殺海洋生物有兩種方式：①直接加入Cl2、漂白劑或其衍生物；②電解設備電解海水獲得次氯酸鹽。氯化法處理壓載水主要是利用次氯酸的強氧化性[11]。

（2）電解法

電解法是目前應用最廣泛的船舶壓載水處理的主要方法之一，電解海水產生的高氧化性的次氯酸溶液可以有效的殺滅細菌和大多數海藻[12]。

（3）高壓脈沖電場法

高壓脈沖電場法[13-14]通過對微生物細胞施加高強度脈沖電場破壞其內部結構（表現為細胞膜內外電位差增大、細胞膜的強度降低、細胞膜的通透性增加）滅殺壓載水中的微生物和病原體。

（4）羥基自由基法

羥基自由基法[15-16]又稱高級氧化法，是借助羥基自由基（·OH）的高氧化電位（2.80 eV）、強氧化能力對船舶壓載水進行殺菌、滅菌。臭氧法、光催化法、氧化絮凝法、Fenton法或超聲降解法等方式可以得到羥基自由基（·OH）。

（5）磁化法

特定通量的磁場可以改變船舶壓載水的酸堿度、鹽度和濁度，通過變換磁場抑制水中微生物的生長、改變微生物的自身組分，磁化法可以實現對微生物的滅殺[12]。

物理法和化學法壓載水處理方法各有優勢，表1列舉了每種處理技術的優缺點。為了克服單一技術的缺點、突破單獨處理的局限性，推廣到實際應用時多采用組合的方式來獲得更好的處理效果。

3 國內外壓載水處理系統

船舶壓載水處理系統在2004年IMO通過的《壓載水公約》大背景下應運而生，主要目的是維護海洋環境可持續發展。現有的成熟的壓載水處理系統主要分兩步完成：過濾+微波/電解，如下所示。《壓載水公約》D-2排放標準用于檢驗壓載水處理系統是否合格，此外，USCG型式認證（包括Type Approval和Case by Case Approval兩種認證模式）和DNV(DET NORSKE VERITAS)認證也被用來評判壓載水處理系統，其中，USCG的Type Approval認證模式中施行的壓載水排放生物體認定“死亡”標準比國際海事組織（IMO）的壓載水排放生物體“非活性”標準嚴格。

3.1 Optimarin壓載水處理系統

挪威Optimarin公司于2016年開發的紫外線壓載水處理系統是全球第一個通過USCG型式認證的壓載水處理系統。采用“膜技術—紫外輻射”處理工藝，壓載水先經BSF平面氣態膜[17]濾掉50 μm以上的微生物，再通過可連續調節的高壓紫外線反應器Mikrokill UV[18]深度處理壓載水中的菌類和病原體。處理能力可達7000 m3/h，處理過程不造成二次污染，設計簡單占地少，系統運行不產生噪音。Optimarin處理系統獲得USCG的Type Approval模式認可在航運業壓載水處理方面的具有里程碑地位。

3.2 OceanSaver壓載水處理系統

挪威OceanSaver公司推出“過濾—電滲析—氮氣—氣穴”工藝處理船舶壓載水。海水經過濾器除去＞50 μm的微生物、顆粒物雜質后通入電滲析體系進行電解，隨后與通入船上的惰性氣體N2一并進入氣穴裝置，氣穴單元形成低氧空穴環境對壓載水中的細菌、病原體和微生物進行滅殺[19]，該系統可處理200-7200m3/h的壓載水。作為首個使用電解氯化反應的壓載水處理系統，OceanSaver適用于中型和大型船舶，如巨型油船（VLCC）、LR1型船和大型氣體運輸船。

3.3 Pure Ballast壓載水處理系統

瑞典Alfa Laval公司的Pure Ballast壓載水處理系統采用“過濾—高級氧化”處理技術，分為過濾器、高級氧化和自動清潔三個單元。輸入壓載水時，先經過50 μm過濾器消除壓載水中積聚的沉淀物，然后通入高級氧化技術（advanced oxidation treatment，AOT）單元，利用紫外光照射TiO2產生的羥基自由基（·OH）對壓載水中的微生物進行滅殺后，再進入壓載艙。壓載水艙向海洋排放壓載水時，為了滅殺航行期間壓載艙中滋生的有害微生物和細菌需要再次通過高級氧化單元。自動清潔單元定期對AOT單元清洗避免結垢[20]。Pure Ballast系統全程自動化，操作員可遠程監控報警或遙控操作，無需添加化學試劑或準備工作，不會產生任何廢液。

3.4 Balclor壓載水處理系統

由青島雙瑞海洋環境有限公司開發的Balclor壓載水處理系統，是中國第一套自主研制并通過USCG型式認證的船舶壓載水管理系統。Balclor通過“過濾—電解—中和”三步處理壓載水，處理能力可達170-8500m3/h。船舶壓載水先經自動反沖洗過濾器濾去50μm以上的固體顆粒和微生物；然后通過電解單元，利用電解產生的高濃度NaClO溶液滅殺＜50μm的浮游生物、海洋菌類及病原體；最后經過“中和”單元使壓載水的余氯濃度低于IMO排放限值并排出。Balclor系統于2016年4月12日完成USCG型式認證實船試驗，是亞洲首家、全球第四家獲此證書的船舶壓載水管理系統。

3.5 Ecochlor壓載水處理系統

美國Ecochlor系統采用“過濾—氯化法”工藝1h可處理12000m3的船舶壓載水，是世界上第一個獲得DNV型式認可、第五個獲得USCG的Type Approval型式認證的壓載水處理系統。過濾器先除去海水中大的生物體和積聚的沉積物，二氧化氯（ClO2）單元再消除更小的菌類、病原體。過濾單元需安置在靠近壓載水泵的位置，ClO2單元可隨意安裝在船舶的任意位置，具有更好操作靈活性。該系統滅殺海水中微生物不受水質濁度、鹽度及溫度的影響，典型功率要求12 kWh，最高要求35 kWh。

3.6 中國壓載水處理系統發展現狀

我國已有多家科研機構、企事業單位積極投入到壓載水處理設備的研發，目前我國通過USCG-AMS型式認證且被航運業廣泛采用的壓載水處理系統列于表2。從各處理系統的優點來看，每個系統各有所長，未來的發展規模多取決于系統本身能否滿足高于公約要求以及產品自身的創新升級。

表2 中國壓載水處理系統主要廠家

結語

船舶壓載水處理技術在維護海洋生態環境方面起著重要作用，在《壓載水公約》正式實施的背景下，壓載水處理技術迅速發展，被廣泛應用于遠洋船舶航運業。中國壓載水處理系統研發集各國所長，堅持綠色環保、堅持自主創新已經實現了飛速發展，但是仍受船舶類型、船舶航線長短、壓載艙及管系腐蝕等因素影響，而且，壓載水處理技術還存在二次污染、處理設備使用壽命有限和處理系統購置、維護成本高等弊端。準確掌握壓載水處理技術，綜合考慮處理系統的單位效能、實際運營的可行性是突破壓載水處理系統研發瓶頸的關鍵，加強對海洋生態環境的保護，促進海洋生態環境的綠色可持續發展是中國壓載水處理系統的發展方向。