過濾-紫外線法處理船舶壓載水的影響因素

潘思宇，顧鑫超，郭曉亮

（1. 上海船舶設備研究所，上海 200031；2. 大連船舶重工集團有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

壓載水是船舶安全、平穩(wěn)、高效航行的重要保障，但也是引發(fā)外來生物入侵的主要因素之一。據國際海事組織（IMO）估計，每年世界船隊約攜帶壓載水100 億噸，大約7 000～10 000 種不同的有潛在危害的海洋微生物、植物及動物隨船舶壓載水搬運至全球各地[1]，物種相互入侵會打破原有生態(tài)系統(tǒng)的平衡，造成排放水域污染，進而對社會經濟、人類健康產生不良影響，全球環(huán)境基金組織已將“水生物通過壓載水入侵到新的環(huán) 境”確認為危害海洋的四大威脅之一，控制壓載水污染成為航運業(yè)面臨的重要問題。依照《國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》要求，壓載水排放需滿足公約D-2 標準要求。

紫外線法在船舶壓載水處理中的應用已有大量的研究[2]，然而受壓載水水質等因素影響，單純依靠紫外線法處理船舶壓載水，處理能力有限，為達到更好的處理效果，目前各國企業(yè)多采用“過濾-紫外線法”的組合工藝，包括美國Hyde、英國海諾威、韓國PANASIA Co. Ltd 以及國內多 家企業(yè)[3]。

1 過濾-紫外線法的原理及優(yōu)勢

過濾法是指在壓載操作過程中利用過濾系統(tǒng)截留一定尺寸的微生物，降低有害生物的吸入量。過濾法去除大于篩孔物質的有效率為95%～98%，目前較為有效的過濾系統(tǒng)是濾孔為50 μm～150 μm的楔形過濾器。過濾精度、過流速度和反沖洗頻率等因素直接影響過濾系統(tǒng)的復雜程度和運行成本。

紫外線對水中微生物有殺滅作用，其有效作用波長范圍為240 nm～260 nm，在253.7 nm 處滅活效果最佳，其滅菌的機制主要包括以下2 個方面：1）微生物受紫外線照射，細胞內核酸吸收紫外線的能量，使自身代謝出現障礙，阻礙遺傳因子的復制和轉錄，封鎖細胞蛋白質的合成，造成生長性、再生性細胞死亡；2）紫外線穿透微生物的細胞壁破壞細胞質，損害細胞，抑制細胞活性。

紫外線法自1901 年發(fā)展至今，技術發(fā)展成熟，設備簡單，運行穩(wěn)定，不產生二次污染，是一種有效且環(huán)境友好的方法。而過濾-紫外線法則是將機械分離和生物滅活技術組合起來的兩級處理工藝，即先進行前置過濾，將壓載水中大尺寸的物質過濾去除，再利用紫外線對剩余微生物進行滅活處理，這種組合工藝不涉及化學反應，無需投入化學藥劑，不會對船艙和管路帶來腐蝕問題，不會造成出水的二次污染，對人體健康及船體結構更加安全可靠；該工藝系統(tǒng)部件少，結構緊湊，尺寸小、重量輕，安裝方式靈活，系統(tǒng)操作簡便，運行維護成本低；紫外線殺菌效率高，具有廣譜性，適用于各種流量各類海域條件。因此采用該工藝的壓載水處理裝置應用最廣，最具發(fā)展前景。

2 過濾-紫外線法的影響因素

過濾-紫外線法壓載水處理技術的處理效果受水質、過濾設備精度、燈管類型、燈管電壓、溫度、紫外線輻照劑量等因素影響。

2.1 水質

水質對紫外線殺菌的效果影響較大，具體因素包括水的色度和濁度。

丁南瑚等[4]利用泥炭浸出液模擬不同色度對紫外線強度的影響，經試驗發(fā)現水對紫外線的吸收系數隨色度的增大而增大，則證明水的色度越大，紫外線的有效強度越小，其殺菌效果越差。

濁度對紫外線殺菌效果的影響體現在水中的濁度物質會影響紫外線在水中的行進，紫外線被濁度物質吸收、散射或反射導致紫外線照射在微生物表面的劑量降低，或者微生物與水中顆粒物結合，利用顆粒物對紫外線產生屏蔽，導致滅菌效果降低。柯強等[5]在對紫外線殺菌效能研究中發(fā)現，紫外線殺菌效能隨水的濁度增加而降低：水的濁度為0.5 NTU 時，細菌去除率達到98%，濁度小于5 NTU 時紫外線殺菌率在90%以上。當濁度小于20 NTU 時，紫外線殺菌后的出水細菌總數保持在100 個/毫升以內。但隨著水中懸浮物數量逐漸增加，當濁度為40 NTU 時殺菌效率降至12.7%；濁度繼續(xù)增加殺菌率基本不變。由此確定40 NTU 是紫外線殺菌的極限濁度，同時，為保證系統(tǒng)具有較高的殺菌效率，應確保進入紫外線殺菌階段的壓載水濁度小于5 NTU。

2.2 過濾設備精度

紫外殺菌效果受濁度影響較大，將過濾工藝設置在紫外線裝置前端，利用過濾設備截留掉部分水生物及顆粒雜質，對后端紫外殺菌的效果有顯著提升，而過濾的精度、處理效率直接影響后端的紫外線殺菌的處理效果。過濾設備的過濾精度越高，處理效率越高，經過過濾的壓載水水質越好，紫外殺菌的效果就越好。但是對過濾設備的精度要求過高，會加速過濾設備的堵塞，影響整體工藝的處理效率，同時運行維護成本也會隨之增加。

參照《國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》中的D-2 性能規(guī)定的極限值[6]：每立方米壓載水中最小尺寸≥50 μm 活的有機體不超過10個；每毫升壓載水中最小尺寸10 μm～50 μm 之間活的有機體不大于10 個，通常選擇50 μm 作為初級過濾設備的精度。

實際應用中為保持設備的過濾能力，保證過濾效率，常在過濾設備設置自清洗或反沖洗模塊，例如美國Hyde 公司研發(fā)的Hyde Guardian，該設備將壓載水先通過自清洗過濾處理，再利用紫外線處理殺滅水中的微生物和細菌，設備運行穩(wěn)定高效。

2.3 燈管類型

紫外燈管分低壓燈、低壓高強燈和中壓燈。低壓燈殺菌紫外能在253. 7 nm 波長單頻譜輸出，燈管運行溫度40℃，單根紫外燈的紫外能輸出為30 W～40 W，常用于低流量水處理系統(tǒng)。低壓高強燈殺菌紫外能在253. 7 nm 波長單頻譜輸出，單根紫外燈的輸出功率約100 W，運行溫度在100℃左右。由于低壓高強燈輸出功率可以根據水流變化和水質情況調節(jié)，因此低壓高強燈的耗電量相對較低，燈管的壽命更長，在中型水量的水處理中應用較為廣泛。中壓燈的殺菌紫外能在200 nm～280 nm 殺菌波段多頻譜輸出，單根紫外燈的輸出功率大于420 W，燈管運行溫度高在700℃左右。中壓燈因其輻射強度高，對水體的穿透力強，適用于大水量或懸浮物多、濁度高的水處理系統(tǒng)[7]。低壓燈使用壽命通常不低于12 000 h，中壓燈壽命一般不低于3 000 h，水處理系統(tǒng)中采用中壓燈系統(tǒng)維護成本相對較高。

2.4 燈管電壓

紫外線輻照強度受燈管工作電壓高低的影響較大，表1 列舉了同一紫外燈管在不同電壓下的紫外線輻照強度變化。從表可知，電壓每下降10 V，紫外線的輻照強度隨之減弱 15 μW/cm2～20 μW/cm2[8]，所以保持燈管工作電壓的穩(wěn)定性的保證紫外線的殺菌效果的基本條件。

表1 同一紫外燈管在不同電壓下的 紫外線輻照強度

2.5 溫度

溫度對紫外殺菌效果的影響主要體現在對紫外線輻射強度的影響。通常紫外殺菌所用的汞燈的理想放射溫度在40℃左右，此時燈管的紫外線輸出功率最高，紫外線輻照強度最大。若燈管四周過流介質的溫度高于或低于40℃時，燈管的輸出功率均會出現不同程度的下降，當環(huán)境溫度過低，低于5℃，此時汞燈很難啟動。目前通常采用在紫外線燈管外部套上石英套管的方式，利用燈管與石英套管之間的空氣層減少低溫水體對紫外線殺菌效果的影響，同時也利于工作狀態(tài)下燈管的散熱。實船應用中在條件許可的情況下，可以考慮利用船舶主機廢熱把壓載水溫度提升到35℃～45℃，以保證燈管的紫外線輸出功率。

2.6 紫外線輻照劑量

紫外線裝置的殺菌能力由紫外線輻照劑量決定，輻照劑量與輻照強度和輻照時間成正比。系統(tǒng)內平均紫外線輻照強度越強，輻照時間越長，輻照劑量越大。輻照強度受燈管的輸出功率、水的吸光系數和水層深度等因素影響，輻照時間與紫外線裝置的有效容積和流量有關，如式（1）。

式中：W為輻照劑量，μJ/cm2；I為距離紫外燈中心不同距離處的輻照強度，μW/cm2；t為輻照時間，s；I0為紫外燈中心的輻照強度，μW/cm2；k為距離紫外燈管的距離，cm；d為水的吸收系數，cm-1；V為裝置的有效容積，L；Q為水的流速，L/min。

孟夢等[9]用仿真軟件對殺菌器內流場分布和紫外輻射強度進行模擬，發(fā)現在裝置進、出水口設置三角形導流板可以降低水的流速，延長紫外輻照時間，進而增強了紫外線輻照劑量。王軍等[10]通過優(yōu)化紫外線裝置內部燈管的布置形式，采用燈管沿裝置筒體截面呈X 型布置形式，使紫外輻照強度分布更均勻，進而提高了裝置的殺菌能力。

水體中的微生物種類豐富多樣，紫外線對細菌、真菌、病毒、芽孢等微生物均具有滅活作用，但是不同類型微生物對紫外線的敏感性不同，因此不同微生物被滅活所需的輻照劑量不同。實際應用中要綜合考慮各種影響因素，選定合適的輻照劑量，既實現有效滅活，又不造成能耗浪費。通常新投入使用的紫外線殺菌裝置的輻照劑量應大于 12 000 μJ/cm2，保證輻照劑量不低于9 000 μJ/cm2，可實現99.99%的滅活效率。

3 結論

過濾-紫外線法在船舶壓載水處理方面具有明顯的應用優(yōu)勢和廣闊的應用前景，對其工藝的影響因素進行分析發(fā)現，通過提高過濾精度提升水質、優(yōu)化紫外線裝置內部結構和燈管布置形式等措施改進設備自身工藝參數，可以有效提高壓載水處理能力。

隨著國內外對壓載水處理系統(tǒng)工藝的深入研究，提升工藝的處理效率不再局限于單一技術，除了通過優(yōu)化自身工藝參數提高處理效率外，在過濾-紫外線法工藝中引入超聲波法或者氧化滅菌技術，協(xié)同作用，也是未來船舶壓載水處理技術的發(fā)展方向。