船舶压载水处理技术及应用

Posted 2023-01-12 系统

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介绍国际海事组织(IMO)颁布的《国际船舶压载水及沉淀物控制与管理公约》的生效日期、性能标准及批准流程，论述现有的主要船舶压载水处理方法、目前符合国际海事组织压载水排放标准的压载水处理系统及其影响，为2016年底前全部现有船舶配备IMO认可的压载水处理系统提供理论依据。
一、前言
船舶压载水中含有大量的细菌、病毒及各种海洋类动植物，伴随船舶的航行及压载水的排放，少部分有害水生物会存活下来并对当地生态环境造成破坏性的影响。为有效地控制和防止船舶压载水有害水生物和病原体的传播，国际海事组织(IMO)于2004年2月13日通过了《国际船舶压载水及沉积物控制与管理公约》(以下简称《压载水管理公约》)，要求全部现有的船舶不得晚于2016年底配备IMO认可的压载水处理系统。为了应对这一要求，不同国家的生产商争相研究压载水处理方法及相关设备的制造并进行商业推广。
二、IMO《压载水管理公约》概述
1.公约的生效日期
该公约规定，从2009年起新造船舶必须安装压载水处理设备，并对现有船舶实施追溯。到2016年，所有远洋船舶均须安装压载水处理设备。根据惯例规定，本公约应在其合计商船队不少于世界商船总吨位的35%的至少30个国家签署公约并对其批准、接受或核准无保留或按第17条(公约)交存了必要的批准、接受、核准或加入文件之日起12个月后生效。截至2010年8月，共有26个国家(占24.44%总吨位)批准了该公约。为促使公约的实施，欧美国家已开始单边采取相应措施，而美国对压载水的处理要求是IMO公约规定标准的100倍。
2.船舶压载水性能标准
该公约将压载水标准分为两个层次，即D-1压载水置换标准和D-2压载水性能标准。D-1标准要求使用物理(如注入)方法，该方法已被广泛应用，但它是船舶压载水处理技术发展过程中的一种过渡性的压载水排放标准；而D-2标准要求使用生化法，需通过压载水处理设备对压载水中的有害水生物及病原体进行杀灭，则是船舶压载水排放控制的最终标准。按照IMO公约的要求，2009年建造的部分新船应满足D-2要求，到2016年所有的船舶都应满足D-2要求。
3.公约批准过程
根据公约的要求，压载水管理系统必须得到船旗国主管机关签发的型式认可证书，如图1所示，以确认其符合公约D-2规则中压载水排放标准。在处理过程中产生和使用活性物质的压载水管理系统还必须得到IMO的批准。IMO对使用活性物质的压载水管理系统的审议过程遵照压载水公约导则——《使用活性物质的压载水管理系统批准程序导则》(G9)，批准过程包括初步批准和最终批准。

三、压载水处理技术的应用及影响
1.压载水处理技术
船舶压载水处理技术多源于市政和工业污水处理，但其应用受到诸多关键技术的制约，如场地、二次腐蚀、费用和处理效能等。现行船舶采用的基本是IMO推荐的深海压载水置换法，但是它很难完全排除压载水和沉淀物，而且在恶劣天气下操作也不安全。目前国际上主要是利用生物的活性处理船舶压载水：一类是非活性物质处理方法，主要采用液项-固项分离法去除压载水中存在的水生物和其他颗粒物质；另一类技术是活性物质处理方法，采用灭活压载水水生物和微生物技术[2-4]，如图2所示。

非活性物理处理方法主要是固液分离，其原理是将固体悬浮颗粒物包括大型悬浮微生物从压载水中分离出来，可以使用沉降法(利用颗粒物的自重)或表面过滤(使滤器的孔径小于颗粒物或微生物的尺寸)，但沉降法要求时间较长，因此不适用于船上应用。灭活压载水水生物和微生物技术是通过物理清除或化学消毒两方面，达到杀死压载水中病菌和微小生物体的目的。但物理消除和化学消毒过程都需要先通过固-液分离过程来降低物理化学处理的难度，同时需要对压载水进行消毒并去除残余物。物理清除主要有紫外线法、加热法、超声波、磁力法及电子脉冲等。化学消毒主要有氯化法、臭氧法、二氧化氯法、双氧水法等。上述压载水处理方法都不能完全满足船舶压载水处理的要求，而通过联合的技术至少部分有效、经济且适用于船舶，基本上是基于机械清除某些有机物后加以物理或化学的处理。目前国内外开发商纷纷以这点为突破口进行压载水处理系统的开发。
2.压载水处理技术的应用
目前，国外研发压载水处理系统的开发商主要有：瑞典Alfa-Laval公司的PureBallast系统，采用过滤和紫外线照射技术；挪威OceanSaver公司的OceanSaver系统，采用过滤、空穴、惰气及电解混合技术；韩国TECHCROSS压载水处理系统，采用通过海水直接电解产生NaCLO的杀菌方式来处理压载水，NEI公司采用文士管脱氧方式压载水处理系统；日本“ClearBallast"结合絮凝与磁力分选技术压载净化系统。另外还有德国的SEDNA系统、RWO系统等等。国内有青岛双瑞压载水处理系统(BalClorTM)，该系统已通过IMO最终认证，它是通过过滤、海水电解及中和优化等设计，达到高效、经济、大容量处理水的目的，且对海洋环境无任何副作用，另外还有青岛海德威德海洋卫士采用超声强化电子协同产生高级氧化物质技术等等。以PureBallast压载水处理系统(过滤加AOT技术)为例[3，5]，它采用了无化学药剂技术，对环境影响较小，可自动处理，操作简单，内置自净系统，维护费用低，使用范围广(设计处理能力为250～5000m3/h)等特点，2007年获得IMO基本认可和最终认可，并于2008年6月得到DNV的型式认可，目前已在全球销售80多套产品，但其设备还不具备防爆要求。目前正在研发基于降低能耗、简化操作、改进电力系统和提供防爆装置的PureBallast2.0系统。
PureBallast系统的主要设备有滤器、WalleniusAOT单元、CIP单元和流量计。其工作原理是基于优先氧化还原技术，利用灯发出的光源照射到催化板上，产生活性极强的HO-，HO-去寻找有机物中的H+，两者结合成水分子，以此来破坏细胞膜达到杀死细菌的目的。工作过程为：压载水首先经过一个过滤器，去掉水中大于50μm的有机体，这样有助于减少压载水舱中沉淀物的数量。然后水再进入一个消毒器，通过消毒器产生的活性物质来分解通过滤器的有机体，得到符合标准的水，最后水进入压载舱。排压载水时，水不需再通过滤器，只要通过消毒器后即可直接排舷外。系统还配备一套自动清洗装置，该装置在消毒器每次处理完压载水后对之进行反冲洗，以免长期使用形成的水垢影响设备的性能。整个过程无须任何准备工作或化学试剂的投放，完全自动化，操控员可以监控警报并执行本地或遥控操作，一个按钮即可控制系统的启动和停止，过滤器和光触媒装置(AOT)均备有自动清洗设备，光触媒装置的洗涤剂也不会对环境产生破坏。PureBallast系统工作流程如图3所示。

3.压载水处理技术的影响
随着压载水处理公约生效日期的临近，船舶压载水处理系统在实船上的逐渐应用，其对船舶防腐材料及压载舱金属的影响日渐引人担心。一些压载水处理技术尤其是电解技术、氯生成技术和臭氧技术的系统等，可能会对压载舱的防渗材料的防腐性起到相反作用，特别是IMOPSPC规则对压载舱的要求在船舶压载水处理系统的使用下是否还能够满足规则要求，处理系统中应用的化学物质是否对船体金属壁产生二次腐蚀等。
在这种情况下，国内外的研究机构纷纷对目前压载水处理系统采用的方法进行相关研究。BMT船队的科研成果表明，增加生物等效剂量的次氯酸盐对标准船型涂料系统(油漆渗透性)没有影响。大连海事大学宋永欣通过对电解法处理船舶压载水对压载舱腐蚀研究发现，电解海水处理压载水时会一定程度地影响压载舱金属的腐蚀，但这种情况是在涂层保护无效或损坏基础上引起的，无论使用什么技术，这些问题都可能继续下去，只不过一些压载水处理系统加速了它的腐蚀。应用臭氧技术的系统一般都加一个活性炭过滤器，使产生的O3通过活性炭过滤器的定时加热然后通过透气管排出船外，避免对船体金属舱壁的腐蚀。根据技术领先的商用压载水处理系统供应商所作的独立研究显示，使用这些类型的压载水处理系统不会对国际油漆涂层及金属的正常性造成影响。
四、结语随着人们环境保护意识的增强及国际公约生效日期的日益临近，压载水处理系统装船应用已成定局。截至目前，全球已有15家研发商的压载水处理系统通过IMO的最终批准，国外部分研发商的产品已在上百艘船舶上进行了应用，而我国仅有青岛双瑞公司刚通过IMO最终认证，这就对我国压载水处理系统的快速产业化和打破垄断提出迫切要求。对于船厂及船公司来说，如何从安全、有效、空间、费用、操作、认证、船体破坏性、二次危害等方面进行分析，为特定船舶选择最适合的压载水处理系统方案，也已成为一个迫在眉睫的问题。