船舶電解海水法的壓載水處理系統(tǒng)

孫 嶸 張志文 廖劍升 尚亞杰

（1.中海發(fā)展股份有限公司油輪公司 上海 200120；2.廣州廣船國際股份有限公司 廣州 510382；3.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

2004年，國際海事組織（IMO）通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》，旨在達(dá)成國際上的一致，“通過控制和管理船舶壓載水和沉積物來防止、減少并最終消除有害水生物和病原體的傳播”。壓載水交換應(yīng)該在深水、公海和盡可能遠(yuǎn)離海岸處進(jìn)行，為防止外來有機(jī)體和海洋生物入侵，船舶在排放壓載水之前必須殺死或者清除這些有機(jī)體和海洋生物。隨著壓載水公約生效的日益臨近，2011年起新建造的船舶必須按照IMO A.868（20）號決議裝設(shè)壓載水處理系統(tǒng)。

該壓載水管理公約有兩個實(shí)施標(biāo)準(zhǔn):D1壓載水置換標(biāo)準(zhǔn)和D2壓載水處理標(biāo)準(zhǔn)。壓載水管理公約實(shí)施的時間表如表1。

表1 壓載水管理公約實(shí)施時間表

按照IMO A.868（20）號決議，壓載水交換應(yīng)該在深水、公海且盡可能遠(yuǎn)離海岸處進(jìn)行。該方法被認(rèn)為是目前防止有害水生物和病原體轉(zhuǎn)移的最有效的方法之一。被批準(zhǔn)的方法有3種:

（1）連續(xù)法:將一個壓載艙或打算裝載壓載水的船艙先空出95%的容積，然后再重新裝滿置換的壓載水。

（2）溢流法:將壓載水泵入壓載艙或船艙中，使壓載水能從壓載艙或船艙的開敞甲板開口處溢流出來。至少應(yīng)泵入3倍于壓載艙或船艙容積的壓載水。

（3）稀釋法:將壓載水從壓載艙或船艙頂部泵入，同時底部以相同的流速排出，并保持恒定。至少應(yīng)泵入3倍于壓載艙或船艙容積的壓載水。但深海置換不利于船舶的安全，尤其是在比較惡劣的天氣和海況條件下。

隨著壓載水公約生效的日益臨近，世界范圍內(nèi)約有70多個不同的機(jī)構(gòu)正致力于壓載水處理系統(tǒng)的開發(fā)工作。船舶排放壓載水時，防止外來有機(jī)體和海洋生物入侵的方法就是在排放壓載水之前殺死或者清除這些有機(jī)體和海洋生物。

壓載水處理系統(tǒng)按是否使用或產(chǎn)生活性物質(zhì)分為兩類:一類是不使用或不產(chǎn)生活性物質(zhì)的壓載水處理系統(tǒng)，由各成員國主管機(jī)關(guān)按G8進(jìn)行型式認(rèn)可；另一類是使用或產(chǎn)生活性物質(zhì)的壓載水處理系統(tǒng)。由于對環(huán)境存在著潛在有害影響，該類系統(tǒng)在主管機(jī)關(guān)進(jìn)行型式認(rèn)可之前先由IMO初步批準(zhǔn)，在頒發(fā)型式認(rèn)可證書之前還要獲得IMO的最終批準(zhǔn)。

根據(jù)勞氏（LR）船級社統(tǒng)計(jì)（見圖1），壓載水研發(fā)制造商采用的殺菌滅活方法涵蓋了物理法、化學(xué)法、加藥法、過濾法和臭氧法等，而主流的技術(shù)是電解法和紫外線的方法［1］。

圖1 2011年世界壓載水管理系統(tǒng)市場分析

1 電解海水法的壓載水處理系統(tǒng)

電解海水處理船舶壓載水技術(shù)是電解海水防污技術(shù)在船舶應(yīng)用上的一次新的嘗試。

首先，電解海水防污技術(shù)在核電廠海水冷卻系統(tǒng)的殺死海生物這一問題上行之有效。在國外，電解海水防污技術(shù)的研究和應(yīng)用已有幾十年的歷史。日本從1962年開始研究應(yīng)用電解海水防污技術(shù)，1971年在多艘大型船舶上安裝使用。國內(nèi)外目前已有大量的船舶、核電廠和火電廠安裝使用電解海水防污系統(tǒng)。由于電解法是以海水為原料，故取之不盡、用之不竭，是一種經(jīng)濟(jì)、安全且有效的方法，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

電解海水法工作原理就是通過直流電電解海水，使海水中富含的氯離子氧化成氯氣，氯氣溶于海水生成具有高氧化性的次氯酸鈉。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究結(jié)果表明，天然海水中的某些藻類能忍受5～10 mg/L有效氯處理。原生動物對氯化處理的耐受性很差，5 mg/L有效氯處理即可滅除。經(jīng)20 mg/L以上有效氯處理后，便不再有藻類生長繁殖。有效氯為5 mg/L處理海水能殺滅其中99.85%的厭氧細(xì)菌、100%的弧菌和85.2%的大腸菌群；有效氯為20 mg/L處理海水能殺滅海水中幾乎所有的細(xì)菌［2］。

1.1 電解海水法壓載水處理系統(tǒng)的組成部分

電解海水法壓載水處理系統(tǒng)主要由過濾單元、電解單元、中和單元三部分組成，配合船上的安裝管道和其他儀表，對船舶的壓載水進(jìn)行處理/殺滅壓載水中的有害水生物和病原體，使處理后的壓載水在排放時符合國際海事組織（壓載水公約）中規(guī)定的壓載水標(biāo)準(zhǔn)（D-2），處理/殺滅壓載水中的有害水生物和病原體的流程主要分為以下三個步驟:

（1）過濾:從船舶海水門流入的壓載水先經(jīng)過高效的自動反沖洗濾器過濾，濾網(wǎng)精度為50 μm，以有效濾除直徑大于50 μm的海生物。

（2）滅活:從另一船舶海水門中取少量水流進(jìn)入電解槽，以電解產(chǎn)生高濃度的殺菌溶液（主要成份為次氯酸鈉溶液）；隨后，該水流注入壓載水主管路中，同主管道壓載水均勻混合，以達(dá)到滅活目的。次氯酸鈉溶液作為一種非常有效的殺菌劑可以在壓載水中保持一定時間，并迅速有效地殺滅壓載水中的浮游生物、飽子、幼蟲及病原體。

（3）中和:經(jīng)處理后的壓載水在壓載艙內(nèi)保存一段時間排放時，仍有少量TRO（Total Residual Oxidant總殘余氧化物），此時，可通過中和裝置向壓載水排放管路加入中和劑，使排出口壓載水中TRO的濃度降至0.1 mg/L以下。

1.2 電解海水法壓載水處理系統(tǒng)的使用條件

濕度范圍:0～90%（安裝在機(jī)艙和泵艙內(nèi)的過濾單元）；

空 氣:含鹽空氣；

環(huán)境溫度:按ISO標(biāo)準(zhǔn)為0～55℃（電解單元，中和單元和電氣設(shè)備）；

海水溫度:按ISO標(biāo)準(zhǔn)為0～35℃；

船舶傾斜、搖擺:靜態(tài)所有方向≤15°，動態(tài)所有方向≤22.5°；

電壓變化:±10%，頻率變化:±5%；

瞬時電壓變化:±20%，瞬時頻率變化:±10%，瞬變恢復(fù)時間:3 s。

2 船舶電解海水法的壓載水處理系統(tǒng)使用情況

船舶使用電解海水法的壓載水處理系統(tǒng)，現(xiàn)行主要有兩種狀態(tài):一種為從設(shè)計(jì)到建造就要留有安裝壓載水處理系統(tǒng)的空間；另一種為已設(shè)計(jì)完在建的船舶產(chǎn)品必須按照IMO A.868（20）號決議加裝壓載水處理系統(tǒng)。下文將闡述加裝電解海水法壓載水處理系統(tǒng)的船舶使用情況，以中海發(fā)展股份有限公司的48000載重噸成品油/原油船舉例。

2.1 加裝的電解海水法壓載水處理系統(tǒng)

加裝的電解海水法壓載水處理系統(tǒng)的基本原理圖，如圖2所示。

圖2 電解海水法壓載水處理系統(tǒng)的基本原理圖

2.2 加裝電解海水法壓載水處理系統(tǒng)的使用情況

中海48000載重噸成品油/原油船在設(shè)計(jì)階段還未執(zhí)行IMO A.868（20）號決議，且技術(shù)規(guī)格書中提到 “IMO BWM D-2所要求的壓載水處理裝置在設(shè)計(jì)中不采用，但設(shè)計(jì)需考慮保留將來安裝該裝置的空間”。此外，船東方面要求加裝壓載水處理裝置，并且采用電解海水法的方式。

國內(nèi)某壓載水處理裝置生產(chǎn)廠，長期開發(fā)研究陸地上的電解海水法壓載水處理系統(tǒng)，也取得了CCS船級社的認(rèn)證，但其在船舶上配套使用的經(jīng)驗(yàn)較少，故其生產(chǎn)壓載水處理裝置中的一些組成設(shè)備，如:過濾單元、電解單元、中和單元和TRO檢測裝置，對船舶（尤其是油船）仍難以滿足使用要求。因此，可以根據(jù)油船自身的特性，將船上分為安全區(qū)域和危險區(qū)域，泵艙和貨油艙區(qū)劃分為危險區(qū)域，對原電解法的壓載水處理系統(tǒng)作了很大調(diào)整，把不滿足防爆要求的“電解單元”和“中和單元”分別放置在舵機(jī)艙和上層建筑內(nèi)的液壓泵間，如圖2所示。

2.2.1 關(guān)于過濾單元的問題

（1）由于過濾單元反沖洗的頻率為每2～3 min一次，若按原電解海水法的壓載水處理系統(tǒng)設(shè)置，則必須將所產(chǎn)生的廢水直接排出舷外。但是船東對此并不贊同，因此在實(shí)際使用中，船上增加廢水艙及排污泵等設(shè)施，解決了不斷有廢水排舷外的問題。

（2）過濾單元的廢水排出口較小，若根據(jù)其工作圖中的尺寸要求設(shè)計(jì)布置，管徑小且管路長，會導(dǎo)致管路背壓高，過濾單元反沖洗的次數(shù)較頻繁，容易造成過濾單元壓力過高，使其濾網(wǎng)產(chǎn)生塑性變形。壓載水處理裝置廠發(fā)覺了該設(shè)計(jì)錯誤后，就將管徑加大、管路改短，但船廠則難以按此要求施工。因?yàn)樾略齑刑囟ǖ臉?biāo)準(zhǔn)，比如船舶內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、鐵舾件和管路等因素，因此必須要從綜合布置的角度出發(fā)，才能合理布局并滿足船級社的規(guī)范要求。最終，經(jīng)船廠的建議和過濾單元設(shè)備廠的計(jì)算確認(rèn)，在過濾單元的廢水排出口處增加一個緩沖罐，從而解決了因過濾單元廢水排出口小而形成高背壓、濾網(wǎng)容易產(chǎn)生塑性變形、報(bào)廢的問題［3-4］。

（3）設(shè)備廠商提供的排污泵沒有自吸性能，船廠建議在泵出口加一注入口，經(jīng)確認(rèn)后解決了排污泵沒有自吸性能的問題。由于設(shè)備廠商船舶設(shè)備配套經(jīng)驗(yàn)少，排污泵出口的管徑設(shè)計(jì)過小，影響了排污泵的性能，因此必須將出口管徑放大。經(jīng)船廠的努力，滿足了排污泵的正常使用，同時也確保了新造船的進(jìn)度要求。

2.2.2 關(guān)于電解單元和中和單元的問題

（1）電解單元離壓載主管路過遠(yuǎn)，電解水的動力不足，無法快速有效地注入到壓載水主管中均勻混合，要求增設(shè)加藥泵，經(jīng)船廠對管路的修改和確認(rèn)，解決了電解水動力不足的問題。

（2）船東要求增加船舶航行淡水區(qū)域的工況，電解單元如何取少量的海水進(jìn)入電解槽，以電解產(chǎn)生高濃度殺菌溶液進(jìn)行壓載水處理的功能。在技術(shù)談判時，一致確定把艉尖艙（APT）作為存放海水的艙柜并從中取水，解決了該問題。

（3）電解單元的排氫氣管路，原本要求采用對焊連接，船廠建議采用中間焊接套管的方式并得到確認(rèn)，解決了船廠對外報(bào)驗(yàn)的進(jìn)度。舵機(jī)艙被劃分為安全區(qū)域，從安全角度出發(fā)，建議電解單元內(nèi)所有采用法蘭連接的管路，均在連接法蘭處增加防護(hù)套并予以采納，消除了安全區(qū)域有可能轉(zhuǎn)變?yōu)槲ｋU區(qū)域這一隱患。

（4）中和單元，根據(jù)船東要求增加了對中和管路反沖洗的功能。

2.2.3 關(guān)于TRO檢測裝置的問題

為檢測進(jìn)入壓載艙的水而提供的TRO檢測裝置，實(shí)屬試驗(yàn)室研究物，初期設(shè)計(jì)為按物理性進(jìn)行水的取樣。由于壓載管路的流速按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為2～3 m/s，流速太高而無法實(shí)現(xiàn)此功能。繼而增加了氣動泵和連接管路等設(shè)施，解決了壓載水取樣的問題，并在靠近TRO檢測裝置處加設(shè)一只壓力表，以便隨時觀察壓力的波動值。

3 結(jié) 論

總的來說，電解海水法處理船舶壓載水具有操作簡便、靈活，無需對船舶進(jìn)行過多改造，經(jīng)濟(jì)實(shí)用等諸多優(yōu)點(diǎn)。

首次實(shí)踐過程非常艱辛，眾多技術(shù)人員也付出了巨大努力。而“榮池”號自2012年4月交船至今，其壓載水處理系統(tǒng)運(yùn)行正常，充分驗(yàn)證了電解海水法處理船舶壓載水具有正確的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

中海48000載重噸成品油/原油船“榮池”號作為國內(nèi)首艘應(yīng)用經(jīng)CCS認(rèn)證的電解海水法壓載水處理系統(tǒng)的船舶，不僅是國內(nèi)船舶電解海水法壓載水處理系統(tǒng)的一種重要嘗試，而且對其他船舶加裝電解海水法壓載水處理系統(tǒng)頗具參考價值。

［1］王雪峰.船舶壓載水對海洋的污染及處理方法［J］.中國水運(yùn)，2009，9（1）:4.

［2］Dr.Stephan Gollasch.Removal of Barriers to the Effective Implementation of Ballast Water Control and Management MeasuresinDevolopingCountries［M］.JointGEF/IMO/UNDP Project GloBallast Programme，November 1997:11.

［3］李艇.船舶壓載水處理系統(tǒng)［J］.船舶，2008（6）:27-30.

［3］劉富斌.關(guān)于船舶壓載水系統(tǒng)防污染的探討［J］.船舶，2006（4）:20-23.