船舶壓載水分離處理技術對比分析

操焱銀

摘要：分離處理是進行船舶壓載水處理的基本過程，分離處理效果的好壞直接影響到船舶壓載水處理系統(tǒng)的工作能力，也是后續(xù)處理方法和原理的保障，本文通過對各種分離處理技術的優(yōu)缺點和適用范圍進行分析和對比，為船舶壓載水處理系統(tǒng)分離方式的選擇和后續(xù)維護保養(yǎng)提供參考。

Abstract： The separation treatment is the basic procedure to treat the ship ballast water，the separation efficiency has a direct impact on the working capacity of ship ballast water treatment system， as well as the guarantee of subsequent treatment methods and principles. This article analyzes and compares the advantages and disadvantages of various separation treatment technologies and the scope of application， in order to provide reference for the selection of separation mode and subsequent maintenance of ship ballast water treatment system.

關鍵詞：船舶壓載水處理系統(tǒng);處理技術;過濾;分離;過濾器

Key words： ship ballast water treatment system;treatment technology;filtration;separation;filter

中圖分類號：F407.474 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0118-03

0 ?引言

有害的水生物和病原體對海洋生態(tài)系統(tǒng)構成重大威脅，海上航運已被確認為將外來物種引入新環(huán)境的重要途徑。隨著航運發(fā)展，船舶可以使用水來替代固體材料作為壓載物，特別是在過去的幾十年中，海上貿易量和交通量的大幅增加使這一問題變得更加嚴重，船舶每年轉輸超過百億噸壓載水，其內含的有害水生物和病原體被引入不同的棲息地，如今船舶壓載水的隨意排放造成的污染已被全球環(huán)?；鸾M織列為海洋四大危害之一[1]。

為了防止、減少并最終消除船舶壓載水內有害水生物和病原體的轉移對環(huán)境、人類健康、財產(chǎn)和資源引起的風險，國際海事組織（IMO）于2004年2月通過了《2004國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》，該公約已經(jīng)于2017年9月8號生效，對所有國際航行船舶強制生效。

1 ?壓載水公約規(guī)定

壓載水公約將壓載水管理標準分為兩個層次，即D-1標準和D-2標準。D-1標準要求采用物理方法，對壓載水進行置換;D-2標準要求采用一定的技術手段，通過壓載水處理設備對壓載水中的有害水生物按照一定的標準進行滅殺處理。

壓載水置換 D-1標準：要求船舶在深海（離最近陸地不少于200海里，特殊情況下，如航程不足200海里時，離最近陸地不少于50海里，且水深不小于200米）中將在港口裝載的壓載水置換成深海中的水。通常采用的置換方法有順序法、壓冒法、稀釋法。

總標準：大于等于95%倉容的容積置換率（順序法）。

等效標準：對壓冒法和稀釋法，以每艙三倍的容積流水置換，采用計時法確認，置換時間（h）≧該倉倉容（m3）÷壓載泵流量（m3/h）×3

壓載水處理D-2標準：即壓載水排放性能標準，是指對加裝到船上的壓載水在被排放到另一水域內前，必須對其中的水生物進行殺滅處理，使得其在壓載水中的存活率達到一定的限定標準而不再會對接收港水域造成不利影響。

壓載水公約第D-2條對船舶壓載水排放性能標準作出了明確的規(guī)定，如表1所示。

2 ?船舶壓載水處理技術基本原理

就壓載水公約而言，壓載水置換D-1標準僅僅是一種過渡性管理措施（過渡時期），而最終的壓載水管理目標是必須對加裝到船上的壓載水進行處理，達到D-2排放標準后才允許排放。

壓載水公約僅規(guī)定了處理后排放標準，沒有規(guī)定任何關于處理方式或原理。為達到D-2標準，關鍵指標有兩類，一是微生物的尺寸和數(shù)量，二是微生物是否仍有活性。通過分離過濾掉壓載水中50um及以上直徑的微生物后，再采用滅活技術處理壓載水以達到D-2標準，是當前世界上各壓載水處理系統(tǒng)的一般通用技術。實施這一目標的主要手段是在船上安裝獲得型式認可的壓載水處理系統(tǒng)，對壓載水進行處理來滿足。

目前市場上有不同的壓載水管理系統(tǒng)可供選用和處于研發(fā)狀態(tài)，通常這些技術可以根據(jù)其主要工作原理分為三類：機械型、物理型、化學型，以及這三類的不同組合。

機械型處理法是指：采用過濾、旋流分離、電分離等機械處理方式對壓載水進行處理，以分離過濾掉壓載水中的有害微生物。該方法不受航行距離的影響，一般只在壓載水攝入時進行，但處理流量較大的壓載水時，需要較大尺寸的分離設備，同時還存在濾器拆檢清洗困難等問題。因此實船中沒有單獨使用機械處理方法的壓載水處理裝置，機械型處理法通常作為壓載水處理裝置的預處理單元，與物理和/或化學處理方法結合使用。

物理型處理法是指：通過紫外線（UV）照射、脫氧技術、空化技術、超聲波或其他技術對壓載水進行物理性處理，旨在消滅或破壞生物（浮游生物、浮游動物、人類病原體、細菌），使其滅活或無法繁殖。物理處理法的處理效果很大程度上都會取決于水的渾濁度和透射率，尤其是通過紫外線照射技術，需采用機械處理法過濾掉水中的直徑較大的顆粒和水生物，才可以為后續(xù)的紫外線照射滅殺提供較好的工作條件。

化學型處理法是指：使用化學劑對壓載水進行處理，以消滅壓載水中的有害微生物。使用的化學劑可以是外部提供的，也可船上制備。常用的化學劑有次氯酸鈉、臭氧、過氧化氫，可以通過由外部或通過串接于壓載水管理系統(tǒng)的制備設備直接提供;另一種方式則是通過電解技術產(chǎn)生次氯酸鈉、次氯酸、氯氣、羥基自由基等物質破壞細胞膜，從而消滅有害物質。但該方法所產(chǎn)生的附產(chǎn)物通常會對壓載艙及管路存在一定程度的腐蝕。

上述處理技術如單獨使用，均難以達到D-2排放標準，不同處理技術在適用性、艙內留存時間、電力消耗、對其他船舶設備或結構的影響等方面存在著差異，而不同處理方法的組合則可以減少單一技術的局限性，因此，許多壓載水管理系統(tǒng)結合使用兩種或更多種技術，但是總體來看，一般都會先采用機械法分離過濾掉壓載水中較大的生物和雜質，再通過物理或者化學法對殘余的小尺寸的微生物進行滅活處理，而機械分離的效果通常直接影響到后續(xù)的滅活過程。

3 ?船舶壓載水分離技術詳述

目前船舶壓載水的機械分離主要采用過濾器、水力旋流分離器、絮凝分離等方式來實現(xiàn)。各分離方式分解層次圖如圖1所示。

3.1 生物膜法和石英砂過濾

生物膜和石英砂過濾器是指以生物膜和石英砂作為為濾器濾網(wǎng)的材質，這種濾網(wǎng)能夠截留直徑大于10um的微生物和雜質，這兩種方式目前均廣泛應用于處理純凈水和可飲用水，其過濾之后的水質較好，設備操作較簡單，具備自動反沖洗功能，節(jié)約能源（僅帶動反沖洗機構的電馬達需電力），不產(chǎn)生二次污染，符合IMO公約規(guī)定和船舶實際使用要求。石英砂一般以燒結的形式生成多孔性固態(tài)層狀物作為濾器的濾網(wǎng)，能有效截留除去水中的懸浮物、有機物、微生物等，最終達到降低水濁度、凈化水質的效果，根據(jù)燒結加工工藝的不同，可做粗濾器和精濾器使用;生物膜法是利用生物膜對壓載水中含有的有機物進行攝取和生物氧化等方式來實現(xiàn)凈化水質的目的，一般只用作精細濾器，例如，江蘇南極機械有限公司生產(chǎn)的NiBallast 壓載水處理裝置就采用生物膜單元作為精濾。

3.2 篩網(wǎng)、布袋過濾

篩網(wǎng)過濾器的濾網(wǎng)是用金屬絲或纖維絲編織成的，有嚴格的系列網(wǎng)孔尺寸，不同于一般網(wǎng)狀產(chǎn)品，能去除、回收、截留不同類型和大小的懸浮物，具有簡單、高效、運行費用低廉等特點。用于壓載水處理系統(tǒng)的都為水力篩網(wǎng)，具有一定的強度，能夠在承受水壓和水流的沖擊的同時截留水中的懸浮物，僅水分子和比網(wǎng)孔尺寸小的物質通過，考慮到海水的腐蝕性，一般采用不銹鋼材質制造。

布袋的工作原理同篩網(wǎng)，具有過濾精度高、處理量大、成本低廉等特點，只是其網(wǎng)孔尺寸由布孔而形成，極少使用于壓載水處理系統(tǒng)。這兩種過濾器一般作為過濾系統(tǒng)的粗濾器使用。

3.3 籃式過濾器和燭式過濾器

籃式過濾器和燭式過濾器是按濾芯的不同形式和數(shù)量分類的，兩者均為常見的濾器形式?；@式過濾器為單一濾芯，形狀如籃子，圓形，圓周由濾網(wǎng)圍成，濾網(wǎng)材料如上所述，正常過濾水流由濾芯內部經(jīng)濾網(wǎng)流向濾芯外部，大尺寸的顆粒和微生物被截留在濾網(wǎng)內壁;其反沖洗機構由一根插在濾芯軸中心的總管和幾個垂直于濾網(wǎng)的噴嘴（實為吸嘴，在反壓差的作用下吸去濾網(wǎng)內表面濾出的臟污）組成，該總管由外部電機驅動旋轉，且能沿濾芯軸線進行往復運動，實現(xiàn)對圓周濾網(wǎng)的全部反沖洗。反沖洗功能可設置成根據(jù)壓差（濾網(wǎng)的實際臟污程度）或定時（預設的時間周期）進行自動控制。燭式過濾器為一個濾器中有數(shù)個圓柱形濾芯組成，形如一族蠟燭，這數(shù)個濾芯通常有一個或兩個處于反沖洗狀態(tài)，其余濾芯處于過濾工作狀態(tài)，其反沖洗由特殊設計的反沖洗旋轉裝置在壓差控制或定時控制作用下實現(xiàn)自動反沖洗。

3.4 盤式過濾器（疊片過濾器）

盤式過濾器的原理是通過多層、兩面刻有大量的有一定孔徑溝槽的片狀濾芯在通過外力（如彈簧）壓緊時，片狀濾芯之間疊片之間溝槽交叉，形成具有一系列獨特過濾通道的深層過濾單元。當海水有一定壓力通過它時，微生物即會被這些疊片的交叉點截留。

盤式過濾器可截留直徑大于等于20um的微生物，屬于常規(guī)濾器。其過濾（微孔）通道深長，導則反沖洗效果差;因其費用較高，清洗維護工作量大、技術要求高、耗時長等很少用于壓載水處理系統(tǒng)。

3.5 水力旋流分離器

水力旋流分離器的主體由圓柱體（上部）和圓錐體（下部陀螺）兩部分構成，利用離心分離的原理將兩種比重不同的物質相分離，海水經(jīng)進入管沿切向進入上部的圓柱體，向下做螺旋形運動，比重比海水大的顆粒和有機物在離心力的作用下被甩向外側陀螺壁，隨下旋流向陀螺底移動，由陀螺體底端的排污口排出，清潔海水則變成上升的內圈旋流，從頂部的中心管排出，從而實現(xiàn)固液分離。

水力旋流分離器以無運動部件、無須清洗濾網(wǎng)、無使用時間限制的優(yōu)點在工業(yè)領域廣泛使用，但因其只能分離出比重比海水大的物質而限制了其在壓載水處理系統(tǒng)上的使用，因海水中水生物和病原體的比重與直徑并無必然聯(lián)系，使其過濾精度無法得到保障;即使安裝了，也只能作為海水攝入的最上流端的粗濾器使用，其后一般再安裝有細濾器。

3.6 絮凝分離

絮凝分離技術是在攝入海水過程中首先通過專用裝置注入絮凝劑，絮凝劑是依據(jù)“聚合”理論，主要是用帶有正電（負）性的基團與水中一些帶有負電（正）性難于分離的一些粒子（顆粒）相互作用，降低其電勢，使其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并利用其聚合性質使得這些顆粒集中，然后通過物理或化學方法分離出來。

絮凝劑主要應用于污水處理領域，是一種成熟的較流行的處理方法，最終目的是把水與雜質通過絮凝技術快速分離開。因其需添加外來物質，經(jīng)濟性差，并因此帶來一系列的絮凝劑采購、搬運、儲存、添加，及分離出的固體收集、處理等額外事宜，較少使用于船舶壓載水處理系統(tǒng)。

4 ?船舶壓載水分離方式發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 分離方式的選擇

大部分壓載水裝置要先進行過濾分離，由濾網(wǎng)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[2]。濾網(wǎng)過濾器因為采用機械物理過濾的原理具有較高的截留能力，并且抗腐蝕、耐熱、耐壓性能和再生率高，已被成功應用到了水處理等多個領域[3]?；@式過濾器具有效率和精度高、反沖洗效果好、勞動強度相對較低等優(yōu)點，使得其成為目前船舶壓載水處理系統(tǒng)中最常用的分離方式，一般采用濾孔孔徑在20-50um之間的不銹鋼過濾網(wǎng)，配備壓差控制或定時控制的自動反沖洗功能;但同時也存在以下不足：

①過濾流量需達到船舶設計的壓載泵流量，往往體積龐大，而且一只濾器通常不能滿足流量要求，需采用數(shù)只同類型同尺寸的濾器并聯(lián)才能達到流量要求，濾器需定期拆檢清洗，使得裝置所需的維護保養(yǎng)空間進一步加大。這與船舶上有限的空間產(chǎn)生很大的矛盾，與船舶設備的緊湊性相違背，特別是對現(xiàn)有船舶在原有的緊湊空間內加裝龐大的壓載水處理系統(tǒng)顯得尤為困難，而分散布置又會影響系統(tǒng)的協(xié)調性和功能。

②海水中的絮狀或絲頭狀的水生物很容易掛在濾網(wǎng)上或鑲嵌在濾孔中，而且粘附性很強，給反沖洗帶來困難或很難達到預期的反沖洗效果。甚至在拆檢清洗時，仍難以人為清除。反沖洗大都只能沖洗去截留在內表面的和濾孔中堵塞的松動的雜質或顆粒。

③壓載水攝入的港口如水深小、很渾濁、水面漂浮的水生植物和垃圾多、熱帶水域的有機微生物繁殖量大，以至于海底門濾器都很容易被堵塞，攝入的壓載水含大量泥沙和其他雜質，細小的泥沙陷入濾孔中又因其外形的不規(guī)則性，僅依靠反沖洗的壓力很難將它們全部沖洗出去。

④如此細密的濾網(wǎng)給水流帶來很大的流阻，即使是新的或剛清洗完的，也造成壓載水系統(tǒng)較大的壓力損失。

⑤充滿水的濾器重量很大，其支撐的底座結構（舾裝件）必須具有相應的強度和剛度，將其運行中的變形量和振動控制在廠家允許的范圍內。

因此，濾器的體積、維護保養(yǎng)的空間、清洗的難易程度、自動清洗效果、產(chǎn)生的壓力損失等因素是濾器選擇的關鍵。

4.2 維護保養(yǎng)要求

壓載水處理系統(tǒng)70-80%的維護保養(yǎng)工作量來自濾器的拆檢清洗，尤其是在水質較臟的港口，濾器拆洗的頻率就會更高，為了不因為拆洗濾芯而影響整套系統(tǒng)的工作和流量，就濾器濾芯的清洗工作，從專業(yè)的角度分析應具備以下條件：

①對只裝有一套壓載水處理系統(tǒng)的船舶，應按濾器數(shù)量的50%配備備用濾芯;裝有兩套系統(tǒng)的船舶，備用濾芯的比例可適當降低，但不得低于濾器總數(shù)的三分之一，留給拆下的濾芯清洗工作足夠的時間，且不影響壓載水的操作。

②在濾芯清洗區(qū)域，裝備蒸汽日用閥、耐高溫防爆蒸汽軟管、蒸汽噴槍，利用蒸汽的高壓和金屬的熱脹冷縮的特性對濾器進行第一步清洗;同時利用蒸汽的高溫對附著的高粘性微生物進行滅殺，清洗如此高目數(shù)的濾芯，禁止刮鏟敲擊，以防人為機械損壞濾芯。

③配備一只與濾芯尺寸相適應的超聲波清洗槽，確保清洗效果的同時，節(jié)省了淡水，避免頻繁拆洗，大大地降低了船員的勞動強度，延長了濾器的使用時間和使用壽命。

④壓載水管理系統(tǒng)的濾器存水量大，沖洗時也會消耗大量的淡水，如何避免這部分水流入機艙艙底而變成污油水（污染物），減少油水分離器的工作負荷和時間，特別是含泥沙的污水對油水分離器的工作極為不利。這個問題在加裝壓載水管理系統(tǒng)前應予以充分考慮，對清洗濾器和清洗槽污水的泄放，應設計一個簡單的系統(tǒng)，例如：可排往生活污水收集柜。

5 ?結論

良好的分離過濾功能，是壓載水處理系統(tǒng)工作的第一步，同時也是滿足法規(guī)D-2排放標準中對直徑和數(shù)量的要求，確保系統(tǒng)后續(xù)處理效果的關鍵一步，而不同的分離方式所需的成本、適用范圍以及維護保養(yǎng)要求也各不相同，因此船東需結合實船特點選擇合適分離方式的壓載水處理系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]張曉雯，譚文慧，李杰.船舶壓載水管理系統(tǒng)濾網(wǎng)結構與性能對比分析.青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，2021.

[2]楊俊.船舶壓載水立法及壓載水設備在實船中的應用[J].航海技術，2017（4）：71-75.

[3]劉雨.濾器濾網(wǎng)對船舶壓載水固液分離效能的試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2019.

[4]《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》，IMO，2004.