压载水管理系统中的去氧化法机理研究

黄国卫，张定海，张百祁

(江苏南极机械有限责任公司，江苏泰州 225400)

压载水管理系统中的去氧化法机理研究

黄国卫，张定海，张百祁

(江苏南极机械有限责任公司，江苏泰州 225400)

为了满足《船舶压载水及其沉积物控制和管理国际公约》对船舶压载水必须处理和排放水标准，以及G8导则对陆基试验的规定，即压载舱中的水应储存超过5 d，且没有微生物再生，提出采用去氧化法，能在很长时间内防止微生物再生。通过数学模型计算、实验室试验台架以及实船试验论证了去氧化法机理是可靠的和可操作的，氮气系统能防止压载舱舱壁的腐蚀。膜+充氮去氧是最佳组合，没有二次污染而且节能，能满足国际公约的要求。

压载水系统;去氧化法;膜法分离;数学模型

0 引言

2004年国际海事组织(IMO)通过了《船舶压载水及其沉积物控制和管理国际公约》，其目的是防止船舶压载水及其沉积物携带的外来微生物转移到其他港口破坏当地生态平衡。随后，IMO海上环境保护委员会(MEPC)补充的G8导则规定了陆基试验中的性能试验，压载舱中的水储存应超过5 d，且没有微生物再生。通常，压载舱中的压载水储存时间为5～30 d。如果使用紫外线UV工艺，水在卸载时应再次处理;使用化学工艺，需要加入更多剂量的药品。如当估计航程是5 d时，应添加5 mg/l氯;如果估计航程是25 d时，应多添加20 mg/l氯。由于氯为化学物质，会对船体结构造成腐蚀，添加过多的氯会影响船舶安全，因此，为符合IMO对船舶压载水管理的要求，本文提出在压载水管理中使用去氧化法，能在很长时间内防止微生物再生，同时能减少压载水舱舱壁腐蚀。

1 去氧化法机理和方法

氧能溶解于水，其溶解度取决于温度，20℃时氧的溶解度为9.17 mg/l。氮也能溶解于水，但由于其活性低，类似于惰性气体，使得传感器难以探测到，所以很难被测量。事实上，在最低200 mm水柱的正压下，氮的溶解度为21.6 mg/l，当充氮到过饱和，溶解氧会被替换出。这就是去氧化法机理。

使用惰性气体保护油舱已有30 a历史。压载舱采用去氧化法可类似于油舱惰性气体保护法，但是对于油舱来说，不可能充氮到油中。压载水舱中充氮主要有2种方式:一是充氮到水面以上的空间，二是充氮到流水管道中，随压载水一同进入压载舱。

2 纯氮气去氧化法

通常惰性气体来自于烟气冷却，然后用鼓风机注入到舱内液面上方的空间。经试验发现，液面上方空间内充入惰性气体很难溶解于压载水，或者需要较长的时间才能溶入压载水中。同时，由于烟气中的二氧化碳也溶解于水，使得水的PH值降低，所以采用纯氮气去氧化法效果更理想。

纯氮气去氧化法是通过变压吸附(PSA)工艺，由分子筛将压缩空气中的氮氧分离，产生具有一定压力的纯氮气充入到压载水中，置换水中的氧气，降低水中的含氧量，破坏生物的生存环境，抑制生物的生长和繁殖。但是它必须在正压条件下才能使氮比氧更易溶解于水，从而达到处理效果。试验表明，如果没有正压，氮气在水中形成气泡逸出;当有正压时，氮气溶解于水，不会产生气泡。正压氮气溶解示意图如图1所示。通过计算机数学流体模型(CFD)可以算出氮气被溶解的距离和数量，氮气摩尔浓渡线形图如图2所示。如果用P/V阀控制舱内的正压，如同储存在食品罐头内一样，氮气不会泄露，使压载水长期处于一种低氧状态，能抑制微生物的再生，同时还能减少舱壁的腐蚀。

美国ABS船级社颁发了《压载舱使用惰气的导则》，说明对压载舱使用惰气保护是必须的，特别是对油轮，防止万一相邻油舱的油气漏入压载舱。

图1 正压氮气溶解示意图

图2 氮气摩尔浓度线形图

3 试验材料和方法

利用有机玻璃管建立了一个氮水溶解于水的试验台架。在保持出口一定正压的情况下，试验结果几乎与数学模型计算一样。

实船也做了同样的试验。压载舱透气口安装P/V阀，当舱中压力超过200 mm水柱时，P/V阀自动打开，氮气过饱后会迫使氧气从水中脱离，达到低氧环境。

根据处理水量按照一定的比例充入浓度为99%的氮气后，水中的DO(溶解氧)可接近1 mg/l。通常也可测量水面以上空间内的氮气浓度，当浓度大于95%，水中的DO将达到1～2 mg/l。整个压载水管理系统已完成符合G8导则的性能试验要求，并且已获得主管机关和船级社的证书。

4 沉积物

《船舶压载水及其沉积物控制和管理国际公约》简称“压载水公约”，绝大多数供应商往往重视压载水的控制而忽视对沉积物的控制，但是如果不能清理舱中的沉积物，不管你把水处理得多干净，一旦水进入舱中就会被沉积物再次污染。在MEPC66次年会上注意到了沉积物中有机物的测量。

采用滤芯孔径为50 mm的自清洁过滤器和膜孔径为10 mm的膜分离器分离压载水中的固体颗粒及生物，运行一段时间后，取出膜样本通过放大倍数为500的电子显微镜进行观察，其电子显微镜膜样本500倍放大图如图3所示。经发现，一是没有超过50 mm的微粒，这表示前面的机械滤器有效;另一个是由于孔过滤的桥架理论，甚至小于2～3 mm的微粒都不能通过，故几乎没有沉积物进入压载舱，这既能节省清舱费用，还能运输更多货物。有些船舶运营2 a后，压载舱内的沉积物可达200～300 t。

来自膜分离的浓缩有机物和沉积物允许排放到出发港水域，因为它们不是外来微生物，这就是“压载水公约”的实际目标。

图3 电子显微镜膜样本500倍放大图

船舶运营一段时间后，压载舱舱壁不可避免会腐蚀。由于船舶内部结构非常复杂，若重新油漆，工作量大，成本高，使用氮气将会减少舱壁腐蚀，有利于船舶运营者降低成本，增加经济效益。

全世界各个港口的水质不一样，温度和盐度变化很大，用电解化学法控制产氯量很困难，余氯产生的二次污染又要经过G9导则的毒性评估，不太受港口国的欢迎。氮气“去氧化”属于纯物理方法，保质期长，特别适用于长航程的船舶。各港口的生物物种也千变万化，单纯用UV照射法，对一些带有硬壳的有毒藻类杀菌就很难说能达标。同时，在舱内微生物复活和再繁殖也是不可预见的。所以只有充氮去氧才能保持较长的时间，加上前段处理有分离去除微生物的工艺，进入压载舱的微生物量原本就很少。总之，用膜法预先分离微生物加氮气去氧抑制微生物的生长是最好的搭配。

5 结论

(1)使用氮气驱使氧气脱离水体的处理方法称为去氧化压载水处理工艺。通过数学模型计算、实验室及实船试验，论证了去氧化法机理是可靠的和可操作的，其适用于长航程的船舶运输并能较长时间防止有机物再生。

(2)氮气能防止压载舱舱壁的腐蚀，节省重新油漆的费用。

(3)膜+充氮去氧是最佳组合，没有二次污染而且节能，并且能满足国际公约的实际目标。

［1］ 李玉章，金星，张百祁.PLC在船用膜法生活污水处理装置中的应用［J］.江苏船舶，2007，24(6):24-25，33.

For satisfying the criterion of"ship ballast water and sediment control and management international convention"that ship ballast water must been treated with and let and the regulations of G8 standard for the land based experiment，that is to say the ballast water should store exceeding 5 d，and no microorganism regeneration，the paper puts forward adopting deoxidation method，the method can prevent microorganism regeneration for ages.Through mathematic model calculation，laboratory test-bed and real ship trial it has demonstrated the deoxidation method mechanism is reliable and operable，nitrogen system can prevent the bulkhead corrosion of ballast tank.Membrane＆ nitrogen is the best combination，it hasn't secondary pollution and conservation of energy，can satisfy the requirement of international convention.

Research on deoxidation mechanism of ballast water management system

Huang Guowei，Zhang Dinghai，Zhang Baiqi(18)

U664.83+3

A

2014-11-05

黄国卫(1966—)，男，助理工程师，从事船舶防污染设备工作。