船舶壓載水管理系統濾網結構與性能對比分析

張曉雯 譚文慧 李 杰

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，青島 266101）

壓載水隨意排放造成的污染已被全球環保基金組織列為海洋四大危害之一。早在2004年，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）就關于壓載水處理問題達成并通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》（簡稱公約）[1]，制定了D1（置換標準）和D2（排放標準）壓載水管理標準[2]，要求不同壓載艙容積的船舶按時間表滿足壓載水置換標準（D1）或壓載水排放標準（D2），但最終都需滿足D2標準。所有遠洋航行船舶在公約生效后，需要在規定時間內安裝符合IMO和船級社要求的船舶壓載水處理系統。

大部分壓載水裝置要先進行過濾，由濾網將海水中的泥沙雜物和大的有機物過濾掉，以減輕滅活裝置的工作量，同時避免污泥沉積在壓載艙內[3]。過濾器的主要作用是達到固液分離，其中能夠實現固液分離技術的核心部件是濾芯。濾芯是通過一系列的加工由濾網組合而成的多層多空介質[4]，是船舶壓載水管理系統中決定過濾器性能的關鍵部件之一。目前，判定過濾器性能的主要方法是與其他方法組合進行生物有效性測試，但試驗成本高、周期長，不適用于濾網性能測試。因此，找尋一種適用于濾網性能測試的方法具有重要意義。

1 濾網過濾效率試驗

濾網過濾效率試驗是指通過記錄顆粒污染物未通過濾網的數量計算過濾效率[5]。國內的濾網過濾效率試驗分為單次通過試驗和多次通過試驗[6]。兩種試驗方法對比，如表1所示。

表1 單次通過與多次通過試驗法對比表

1.1 單次通過試驗

單次通過試驗是指試驗粉塵一次性通過測試濾網，且系統中油液不循環的試驗。該方式利用真空源的負壓將污染液吸入測試濾芯，過濾后油液直接排出試驗系統。實驗過程中，通過自動顆粒計數器分別記錄過濾前和過濾后油液單位體積內所含大于通過污染物粒徑（μm）的顆粒數[4]。測試裝置示意圖如圖1所示。

圖1 單次通過測試裝置示意圖

過濾比是指用過濾元件過濾前油液單位體積內所含的大于某被測尺寸的顆粒數與過濾后油液單位體積內所含的大于同一尺寸的顆粒數之比，計算方式為：

式中：Nu為過濾前油液單位體積內所含大于某尺寸（μm）的顆粒數；Nd為過濾后油液單位體積內所含大于某尺寸（μm）的顆粒數；β為過濾比。

過濾效率η與過濾比β的關系為：

1.2 多次通過試驗

多次通過試驗是指在模擬濾網正常的工作條件下，使試驗油液以額定的流量循環通過濾網，同時連續不斷地向試驗系統注入試驗污染物，直到試驗濾網的壓差達到規定極限值[4]的實驗方式。試驗完成后，從過濾器過濾前和過濾后的取樣點取樣進行顆粒計數分析，統計顆粒數量，得出濾網的過濾比、過濾效率和納污容量。試驗原理如圖2所示。它的計算公式同單次通過試驗一致。

圖2 多次通過試驗原理圖

2 試驗結構分析

2.1 不同濾網結構分析

濾網結構分析采用三維顯微鏡HIROX KH-8700結合SolidWorks三維建模分析濾網編織方式。通過三維顯微鏡對比分析3種代表性的濾網，形貌如圖3所示。由圖3可見，濾網A、濾網C均為經絲、緯絲纏繞編織而成，濾網B為單根緯絲纏繞而成。濾網結構的差異會對濾網性能產生影響。

圖3中濾網A和濾網C的結構比較類似，均由多根經絲、緯絲互相纏繞而成。為了進一步分析濾網A和濾網C的結構，通過三維軟件模擬濾網形態，如圖4所示。濾網A是多根緯絲與一根經絲交互編織而成，濾網C是一根經絲與一根緯絲互相編織。這種差異會影響濾網的性能，可以通過濾網過濾效率試驗判斷濾網過濾性能。

圖3 濾網的顯微形貌

圖4 濾網的三維模擬圖

2.2 單次通過試驗結果分析

為了測試單次通過試驗濾網過濾效率，對3種品牌4種精度的濾網分別進行了單次通過試驗，試驗結果見圖5。為了確保數據的準確性，每種品牌每個精度共測試3個濾網樣片并取平均值。為了便于區分樣片，將濾網A品牌的樣片分別命名為濾網A1、濾網A2、濾網A3、濾網A4，濾網B品牌的樣片分別命名為濾網B1、濾網B2、濾網B3、濾網B4，濾網C品牌的樣片分別命名為濾網C1、濾網C2、濾網C3、濾網C4。其中，濾網A1精度值最大，濾網A2、A3、A4精度值逐漸降低。圖5中橫坐標代表通過試驗粉塵粒徑的尺寸，分別為20μm、30μm、40μm、50μm、60μm五種試驗粉塵粒徑。縱坐標為在不同試驗粉塵粒徑下濾網過濾效率。

圖5 單次通過試驗濾網過濾效率曲線圖

由圖5可知：濾網過濾效率有明顯上升趨勢的濾網為濾網B4、濾網C4、濾網B3、濾網C3和濾網B2；濾網A的4種型號濾網過濾效率均沒有明顯上升的趨勢。雖然濾網B2的精度明顯低于濾網A4的精度，但是濾網B2的過濾效率明顯高于濾網A4，因此過濾精度并不是決定過濾效率的唯一因素。造成這種差異的主要原因是濾網的結構。濾網A為多絲編織型，它的孔隙率比濾網B和濾網C要大，所以對污染物顆粒＞40 μm的泥沙和有機物阻擋效果較差。

當試驗粉塵粒徑≥40 μm時，由于此時幾乎所有污染物都無法通過濾網，濾網攔截率過高會使曲線有明顯的峰值。因為壓載水管理系統中的過濾器可以阻擋大部分≥40 μm的污染物，所以大大降低了微生物處理量。但是，過濾網精度過高會導致濾網堵塞速度加快，從而使其過濾精度降低。

2.3 多次通過試驗結果分析

多次通過試驗有統一的國際試驗標準，需要保證污染物一直循環往復地通過濾網，且試驗的流量、壓差均有明確要求。此試驗方法可以真實體現過濾元件在實際工況下的過濾性能。從試驗原理來看，多次通過試驗更適合船舶壓載水管理系統的濾網效率評定。船舶壓載水管理系統常用的濾網精度為40～50 μm，多次通過試驗的試驗粉塵粒徑是4～30 μm，單次通過試驗的試驗粉塵粒徑是2～60 μm。從試驗粉塵粒徑來看，單次通過試驗的試驗粉塵粒徑更接近船舶壓載水管理系統的濾網精度。為確定更適合船舶壓載水管理系統的試驗方法，選擇同一品牌、同一精度的濾網進行多次通過試驗和單次通過試驗，然后對比過濾效率，試驗結果見圖6。

圖6 單次通過和多次通過試驗過濾效率對比圖

由圖6可見，多次通過試驗的過濾效率明顯低于單次通過試驗的過濾效率。船舶壓載水管理系統的濾網精度基本在40～50 μm，當通過的試驗粉塵粒徑大于40 μm時，最能反應濾網的真實效率。這是因為多次通過試驗中粉塵粒徑小于30 μm的通過率為98%，40～60 μm的通過率為2%。由于多次通過試驗中約98%的試驗粉塵通過了試驗濾網，導致濾網過濾效率很低。當試驗粉塵粒徑為50 μm時，單次通過試驗的濾網過濾效率為20%，是相同情況下多次通過試驗的2倍。因此，單次通過試驗方法更適合船舶壓載水管理系統濾網效率評定。

3 結語

濾網通過試驗能夠模擬其在實際工況下的性能。通過對比分析單次通過試驗和多次通過試驗的結果得出，單次通過試驗方法更適用于船舶壓載水管理系統濾網性能的評定。判定試驗方法的同時，采用三維顯微鏡和三維建模的方式分析濾網結構，對比濾網結構對濾網性能的影響，發現濾網精度并不能準確反映濾網過濾效率，即濾網精度高并不意味著過濾效率一定高。在過濾器選型中，可以先采用單次通過試驗的方法確定不同精度濾網的過濾效率，同時結合濾網結構分析準確評價濾網性能，從而為過濾器設計提供參考依據。