船舶压载水处理方法研究进展

刘铭辉 王 妮 刘 涛 纪志永

（1中海油能源发展股份有限公司北京安全环保工程技术研究院 天津 300457 2中海油节能环保服务有限公司 天津 300457 3中海油环保服务（天津）有限公司 天津 300457 4河北工业大学化工学院海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心天津 300130 5河北省现代海洋化工技术协同创新中心 天津 300130）

引言

随着经济全球化的发展，作为沟通世界各国重要桥梁的船舶航运业也迅速发展，大量货物通过船舶销往世界各地。压载水多被应用于远洋船舶以控制船舶的吃水和重心平衡，最终确保船舶的安全航行。向船舶加装压载水时，海水中一些生物和病原体也会被加到压载舱中，待航行至目的地，排放压载水的同时有害水生物和病原体会在当地海域传播，由此带来的生物入侵问题已严重威胁到海洋生态环境[1]。2004年2月13号国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）通过的《2004年国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》（简称《压载水公约》）从2017年9月8日开始正式生效，该公约旨在通过对船舶压载水和沉积物的控制与管理来抑制有害微生物和病原体的传播，减少对环境资源的消耗、人体健康的伤害、财产资源的损失，是世界上第一部针对压载水携带外来物种入侵海洋破坏海洋生态环境的国际公约[2]。

中国向国际海事组织申请加入《压载水公约》并将于2019年1月22日起对我国正式生效。中国申请加入《压载水公约》有助于保护我国海域生态环境，确保我国航运业健康可持续发展。参照《压载水公约》管理标准，本文论述了压载水的置换方法、处理方法的原理及特点，结合现行的压载水处理现状，介绍了国内外通过美国海岸警卫队USCG型式认证的压载水处理系统，对我国压载水处理系统发展现状进行了描述，并对压载水处理系统的发展方向进行了展望。

1 压载水的置换方法

根据《压载水公约》D-1压载水置换标准，置换压载水应考虑天气因素、船舶设计、设备失灵或其他异常状况。溢流法、逐舱排空法和稀释法[3-4]常用来实现压载水置换率不低于95%的要求。

1.1 溢流法（Flow-through method）

溢流法是应用最早、最广泛的压载水置换方法，工作原理是先从压载舱下部注入新鲜压载水，再从压载舱顶部溢水口溢出旧的压载水。使用该方法需要至少3倍于压载舱容量的海水才能满足95%的压载水置换率要求，溢流法在置换过程中会产生较大的压力，须考虑船舶的压载水泵和管路影响。

1.2 逐舱排空法（Sequential method）

逐舱排空法又称顺序法、排空法，耗时短、效果佳，且满足95%的压载水置换率要求。逐舱排空法通过先全部排出压载舱中的压载水，再全部注入新鲜压载水的方法实现压载水置换。但是排空压载舱的做法对船舶稳定性影响较大，因此排空法对天气、海况和船舶结构等要求较高。

1.3 稀释法（Dilution method）

稀释法是指将新鲜的压载水从压载水舱上部注入，原压载水依靠重力作用从压载水舱下部排出的方法。相比溢流法，该方法在置换过程中压载水水位不发生变化，压载舱不会因自由液面变化而产生压力，但是对船舶的管路系统要求更高，需要进行改进，更适合应用在新船。

2 压载水处理方法

置换压载水仅能满足《压载水公约》的D-1交换标准，尚不能直接向海洋环境排放；经物理处理法和化学处理法处理压载水或两种方法联用后可满足《压载水公约》的D-2排放标准，可以直接排放且不会对海洋环境造成伤害。

2.1 物理处理法

（1）过滤法

过滤法是对海洋环境伤害最小、现场操作最简便的压载水处理方法[3]，选用合适目数（50μm-500μm）的筛网可以直接滤去较大的微生物和颗粒物杂质。

（2）旋流分离法

旋流分离法是利用离心力作用分离在管路中与压载水比重不同的颗粒物、杂质，分离效果与压载水水质、颗粒物比重和离心力大小有关[6]。

（3）加热法

压载水中的浮游生物、细菌、病原体在38℃维持4.5 h以上或80℃保持8 min便会集体死亡。改造船舶管路利用柴油机冷却水余热和加装专用锅炉是两种常用的压载水加热方法[7]。

（4）紫外线法

紫外线处理压载水主要是利用紫外光在水中照射灭菌达到净化水质的目的，可处理大小不同的微生物，包括病菌和孢子[8]。

（5）脱氧法

脱氧法通过向船舶压载水中注入惰性气体（主要是N2）并赶出溶解氧，使压载水变成高氮低氧的环境，最终微生物、病原体因窒息而被灭杀[9]。

（6）水利空化法

当压载水流经水利空化器，压载水的压力降低流速增大，当压力降至相应温度下的饱和蒸汽压时会产生大量的空化泡，随着压载水的喷溅压力持续升高，空化泡破裂并在局部形成高温高压促使细胞分子振动，当细胞壁的强度低于分子振动能量时，细胞壁破裂菌类被灭杀[10]。

2.2 化学处理法

（1）氯化法

氯化法灭杀海洋生物有两种方式：①直接加入Cl2、漂白剂或其衍生物；②电解设备电解海水获得次氯酸盐。氯化法处理压载水主要是利用次氯酸的强氧化性[11]。

（2）电解法

电解法是目前应用最广泛的船舶压载水处理的主要方法之一，电解海水产生的高氧化性的次氯酸溶液可以有效的杀灭细菌和大多数海藻[12]。

（3）高压脉冲电场法

高压脉冲电场法[13-14]通过对微生物细胞施加高强度脉冲电场破坏其内部结构（表现为细胞膜内外电位差增大、细胞膜的强度降低、细胞膜的通透性增加）灭杀压载水中的微生物和病原体。

（4）羟基自由基法

羟基自由基法[15-16]又称高级氧化法，是借助羟基自由基（·OH）的高氧化电位（2.80 eV）、强氧化能力对船舶压载水进行杀菌、灭菌。臭氧法、光催化法、氧化絮凝法、Fenton法或超声降解法等方式可以得到羟基自由基（·OH）。

（5）磁化法

特定通量的磁场可以改变船舶压载水的酸碱度、盐度和浊度，通过变换磁场抑制水中微生物的生长、改变微生物的自身组分，磁化法可以实现对微生物的灭杀[12]。

物理法和化学法压载水处理方法各有优势，表1列举了每种处理技术的优缺点。为了克服单一技术的缺点、突破单独处理的局限性，推广到实际应用时多采用组合的方式来获得更好的处理效果。

3 国内外压载水处理系统

船舶压载水处理系统在2004年IMO通过的《压载水公约》大背景下应运而生，主要目的是维护海洋环境可持续发展。现有的成熟的压载水处理系统主要分两步完成：过滤+微波/电解，如下所示。《压载水公约》D-2排放标准用于检验压载水处理系统是否合格，此外，USCG型式认证（包括Type Approval和Case by Case Approval两种认证模式）和DNV(DET NORSKE VERITAS)认证也被用来评判压载水处理系统，其中，USCG的Type Approval认证模式中施行的压载水排放生物体认定“死亡”标准比国际海事组织（IMO）的压载水排放生物体“非活性”标准严格。

3.1 Optimarin压载水处理系统

挪威Optimarin公司于2016年开发的紫外线压载水处理系统是全球第一个通过USCG型式认证的压载水处理系统。采用“膜技术—紫外辐射”处理工艺，压载水先经BSF平面气态膜[17]滤掉50 μm以上的微生物，再通过可连续调节的高压紫外线反应器Mikrokill UV[18]深度处理压载水中的菌类和病原体。处理能力可达7000 m3/h，处理过程不造成二次污染，设计简单占地少，系统运行不产生噪音。Optimarin处理系统获得USCG的Type Approval模式认可在航运业压载水处理方面的具有里程碑地位。

3.2 OceanSaver压载水处理系统

挪威OceanSaver公司推出“过滤—电渗析—氮气—气穴”工艺处理船舶压载水。海水经过滤器除去＞50 μm的微生物、颗粒物杂质后通入电渗析体系进行电解，随后与通入船上的惰性气体N2一并进入气穴装置，气穴单元形成低氧空穴环境对压载水中的细菌、病原体和微生物进行灭杀[19]，该系统可处理200-7200m3/h的压载水。作为首个使用电解氯化反应的压载水处理系统，OceanSaver适用于中型和大型船舶，如巨型油船（VLCC）、LR1型船和大型气体运输船。

3.3 Pure Ballast压载水处理系统

瑞典Alfa Laval公司的Pure Ballast压载水处理系统采用“过滤—高级氧化”处理技术，分为过滤器、高级氧化和自动清洁三个单元。输入压载水时，先经过50 μm过滤器消除压载水中积聚的沉淀物，然后通入高级氧化技术（advanced oxidation treatment，AOT）单元，利用紫外光照射TiO2产生的羟基自由基（·OH）对压载水中的微生物进行灭杀后，再进入压载舱。压载水舱向海洋排放压载水时，为了灭杀航行期间压载舱中滋生的有害微生物和细菌需要再次通过高级氧化单元。自动清洁单元定期对AOT单元清洗避免结垢[20]。Pure Ballast系统全程自动化，操作员可远程监控报警或遥控操作，无需添加化学试剂或准备工作，不会产生任何废液。

3.4 Balclor压载水处理系统

由青岛双瑞海洋环境有限公司开发的Balclor压载水处理系统，是中国第一套自主研制并通过USCG型式认证的船舶压载水管理系统。Balclor通过“过滤—电解—中和”三步处理压载水，处理能力可达170-8500m3/h。船舶压载水先经自动反冲洗过滤器滤去50μm以上的固体颗粒和微生物；然后通过电解单元，利用电解产生的高浓度NaClO溶液灭杀＜50μm的浮游生物、海洋菌类及病原体；最后经过“中和”单元使压载水的余氯浓度低于IMO排放限值并排出。Balclor系统于2016年4月12日完成USCG型式认证实船试验，是亚洲首家、全球第四家获此证书的船舶压载水管理系统。

3.5 Ecochlor压载水处理系统

美国Ecochlor系统采用“过滤—氯化法”工艺1h可处理12000m3的船舶压载水，是世界上第一个获得DNV型式认可、第五个获得USCG的Type Approval型式认证的压载水处理系统。过滤器先除去海水中大的生物体和积聚的沉积物，二氧化氯（ClO2）单元再消除更小的菌类、病原体。过滤单元需安置在靠近压载水泵的位置，ClO2单元可随意安装在船舶的任意位置，具有更好操作灵活性。该系统灭杀海水中微生物不受水质浊度、盐度及温度的影响，典型功率要求12 kWh，最高要求35 kWh。

3.6 中国压载水处理系统发展现状

我国已有多家科研机构、企事业单位积极投入到压载水处理设备的研发，目前我国通过USCG-AMS型式认证且被航运业广泛采用的压载水处理系统列于表2。从各处理系统的优点来看，每个系统各有所长，未来的发展规模多取决于系统本身能否满足高于公约要求以及产品自身的创新升级。

表2 中国压载水处理系统主要厂家

结语

船舶压载水处理技术在维护海洋生态环境方面起着重要作用，在《压载水公约》正式实施的背景下，压载水处理技术迅速发展，被广泛应用于远洋船舶航运业。中国压载水处理系统研发集各国所长，坚持绿色环保、坚持自主创新已经实现了飞速发展，但是仍受船舶类型、船舶航线长短、压载舱及管系腐蚀等因素影响，而且，压载水处理技术还存在二次污染、处理设备使用寿命有限和处理系统购置、维护成本高等弊端。准确掌握压载水处理技术，综合考虑处理系统的单位效能、实际运营的可行性是突破压载水处理系统研发瓶颈的关键，加强对海洋生态环境的保护，促进海洋生态环境的绿色可持续发展是中国压载水处理系统的发展方向。