电解法压载水处理装置在阿芙拉油船上的应用

孙兴利，朱 晨

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

0 引言

据国际海事组织统计，全世界的船只每年携带约100亿t压载水在世界各地往来，每天有超过3 000种海洋微生物和动植物随着船舶压载水在全球流动。船舶压载水的排放带来了大量的外来细菌和浮游生物，为外来物种的入侵提供了渠道，对接收环境造成了严重的生态和经济影响，因此人类对海洋生态保护的意识越来越强烈。2004年国际海事组织通过了《国际船舶压载水和沉淀物控制与管理公约》，并于2017年9月8日正式生效。为达到公约规定的压载水排放要求，压载水处理系统已成为国际航行船舶上非常重要的设备。

在此背景下，本文分析对比了几种不同型式的压载水处理装置，并结合“FLAVIN”号阿芙拉型原油船，重点研究了支路电解法压载水处理装置在大中型原油船上的布置及系统设计情况。

1 常见的压载水处理装置型式

根据理化特性的不同，压载水处理技术可以简单划分为以下3类：机械处理法、物理处理法和化学处理法[1]。

(1)机械处理法：通过过滤、旋转分离等技术，将压载水通过滤器和旋转离心分离器，滤出大颗粒的浮游生物和有害微生物，实现固液分离。这种方法对于处理细菌、微生物等效果不明显，所以不适合压载水量较大的船舶。目前机械处理法需要结合其他处理方法一起使用。

(2)物理处理法：通常包括紫外线杀菌、超声波杀菌、加热压载水、脱氧法等来直接杀灭或者破坏、抑制微生物和细菌的生存条件，以达到灭活的目的。物理处理法最大的优点是对环境的污染比较小，缺点是可能对某些微生物无效。紫外线处理法对水质的清洁度要求很高，设备维护成本较高，电能消耗也比较高。超声波法的有效性还未被有效证明，还需要配合其他措施一起使用。

(3)化学处理法：利用化学试剂或者化学反应将压载水中的水生物消灭，其中常用的是电解法和臭氧法。电解法主要是利用海水分解次氯酸盐达到水处理的目的，具有良好的杀菌效果，是值得推广的一项技术。臭氧法主要是利用臭氧的强氧化性，通过电解分解为氧气，在分解过程中的氧化能力能够有效消灭压载水中的有害生物。但化学处理法的缺点是电解过程中会产生有害化学物质，对船舶管路造成一定的腐蚀，并对船员的健康产生一定的影响；电解过程中产生的氢气等易燃易爆气体也对设备的安全性提出了更高的要求，并且在压载水排放时需要中和残余的电解液，需要增加中和单元等设备，使系统更复杂，对船员操作要求更高。

2 阿芙拉油船压载水处理装置选型

油船属于大压载水量的船舶。常规阿芙拉油船专用压载水量约为40 000 m3，按照打入和排除压载水的时间计算，配备2台1 500 m3/h的压载泵比较合适。但“FLAVIN”号阿芙拉型原油船配备的2台专用压载泵排量为每台2 000 m3/h：1台为蒸汽透平驱动，另1台为电机驱动。驱动装置布置在机舱四平台，泵体布置在货泵舱。因此，服务于专用压载舱的压载水处理装置的总处理能力为4 000 m3/h。此外，由于本船的艉尖舱为压载水舱，该舱的压载水由机舱内的舱底总用泵兼做压载泵进行驳运，其排量为250 m3/h。故而也需要增设1台专门处理艉尖舱压载水的处理装置，处理能力为250 m3/h。

不同型式的压载水处理装置各有优缺点，如何选择合适的压载水处理装置，需要结合不同船型对压载水需要的大小、船东的运营区域、使用经验并且配合船上电站的能力来综合考虑。

本文研究的阿芙拉油船的压载水量很大，需要压载水处理装置的能力比较大，而且专用压载舱和货泵舱属于危险区域，布置在其中的设备需要防爆，会对设备的成本带来很大影响。综合设备布置、电能消耗及后期运营维护成本等各个因素，本船最终选择了采用支路电解法处理的压载水处理装置。

3 设备组成及系统设计

3.1 设备基本组成

支路电解法处理的压载水处理装置主要有以下几大组件：

(1)滤器单元：具备过滤功能同时兼有自动反冲洗能力。在打压载时，利用自动反冲洗滤器过滤掉尺寸大于50 μm的海生物及固体颗粒。自动反冲洗滤器自带排污泵，可以将反冲洗后的污水排至舷外或特定的储存舱[2]。

(2)电解单元：用于杀菌消毒，主要处理尺寸小于50 μm的海生物。该单元从船上取少量过滤后的海水进行电解，产生以次氯酸钠为主要成分的高浓度杀菌灭活溶液并注入到压载总管中，和进舱的压载水混合，在压载舱内闷舱24 h后达到杀菌灭活的功能[2]。

(3)中和单元：用于中和过量的杀菌物质，满足排放要求。在排压载时检测压载水中杀菌物质的浓度。一旦超标就注入中和剂，中和残余氧化物(TRO)，使其浓度降低至符合排放标准。

(4)TRO检测单元：排载时检测压载水中残余的TRO含量。若满足排放标准则允许压载水排舷外，否则需要启动中和单元进行中和后再排放。

3.2 系统设计

3.2.1 压载系统设计

油船的货泵舱及专用压载舱属于危险区。压载水处理装置中的电解单元和中和单元由于防爆等级原因只能布置在安全区域，自动反冲洗滤器单元可以做成防爆型式布置在危险区域。本船将电解单元和中和单元布置在机舱内，滤器单元布置在货泵舱内每台专用压载泵的出口，同时本船艉尖舱和专用压载舱共用电解单元和中和单元。专用压载舱的压载系统图见图1，艉尖舱压载系统图见图2。

从图1中可以看出，压载时海水由压载泵从泵舱海水箱中吸入，先经过自动反冲洗滤器，过滤掉较大的海生物及颗粒物，然后经过流量计后注入压载舱。在此过程中，来自机舱电解单元的高浓度次氯酸钠溶液注入压载总管，经过管路充分混合后达到杀菌灭活的目的。次氯酸钠溶液可以在压载舱内保持一段时间的活性，并快速有效地杀灭压载水中的浮游生物、孢子、幼虫及其他病原体。排载时压载泵从压载舱内吸入压载水，流经自动反冲洗滤器的旁通管路、流量计后直接排至舷外。此时排舷外口管路上的TRO自动取样装置开始工作，检测压载水中残留的TRO含量。若残留的TRO含量超标，则来自机舱的中和单元需要向压载管路中注入中和剂，降低TRO含量至排放标准。靠近排舷外口的位置安装手动取样阀，方便压载水的取样检验。此外，专用压载系统的主要阀门全部为液压遥控操作，船员不需要频繁进入泵舱，只需要在货控室就可以完成压载系统的操作。

从图2中可以看出，艉尖舱的压排载原理和专用压载舱相似，机舱内的舱底总用泵兼作艉尖舱压载泵，单独配1个反冲洗滤器。由于管路都在机舱内，管路上的主要阀门采用手动操作。

3.2.2 电解装置系统设计

电解单元系统流程图见图3。电解单元的增压泵从机舱海水总管取水，或者在进入淡水区域时，从艉尖舱中预先存入的海水中抽取部分海水，经过自动反冲洗滤器过滤掉颗粒比较大的微生物后，进入电解单元进行电解，从而产生次氯酸钠溶液。

电解过程中产生的氢气由除氢单元的风机排出至机舱外的安全区域。电解单元外部配备氢气检测传感器，监测是否有氢气泄漏至电解单元外部空间。另外，设置报警和停机装置。一旦氢气泄漏，电解单元立即停止工作。

本系统在电解单元前还配备了预加热器。电解海水的最佳工作温度为5～35 ℃。在海水温度低于5 ℃的海域，电解单元的效率会下降，导致整个系统运行的成本增加，此时利用船上的蒸汽将需要电解的海水预先加热。这样可以提高电解水的温度，保证电解的效果。

电解产生的高浓度次氯酸钠溶液由加药泵输送至艉尖舱和专用压载舱的主压载管路进行混合。

图1 专用压载舱压载系统图

图2 艉尖舱压载系统图

由于泵舱属于危险区域，按照规范要求，为避免危险区域的危险气体进入机舱，通向专用压载主管的电解液管路需要先从机舱穿出至主甲板，在主甲板上使用双止回阀中间加可拆短管，再向下进入泵舱接入主压载管路。次氯酸钠溶液属于有一定腐蚀性的化学溶液，电解单元后的管路需要采用防腐蚀的材料。本船电解液管路通径为DN100 mm，采用纯环氧特涂的碳钢管路来减小管路的腐蚀。

中和单元系统流程图见图4。排载时如果TRO取样检测的结果显示残余量过多，达不到排放标准，中和单元将中和剂注入排载管路，经过压载泵的搅拌作用，中和剂和残余的TRO进行充分反应，最终达到排放标准。同样，进入专用压载系统的中和剂管路也需要经过主甲板，使用双止回阀和可拆短管隔离后再进入泵舱的专用压载管路。由于中和剂有一定腐蚀性，其管路也需要选择防腐蚀效果好的管路，本船中和剂管路通径为DN15 mm，故选用奥氏体不锈钢管来减小管路的腐蚀。

4 结论

压载水处理装置的选择和安装是一个比较复杂的工程，受到船舶特点、处理技术、系统处理能力、船东偏好等诸多因素的限制。目前，几乎所有的处理装置型式都存在着各自的缺陷，还没有一种处理装置能适用于所有的船舶类型。但对于大中型油船来说，支路电解型式的压载水处理装置更有优势，具体如下：

(1)只需从压载水主管路引一支路海水(主管路海水的1%～2%)进入电解槽电解，减少了管路直径，降低了施工难度，对于大型油船特别有利。

(2)整套装置设备尺寸小，耗电量低，减少了船舶发电机的配置，降低了使用成本。

图3 电解单元系统流程图

图4 中和单元管路图

(3)电解单元以及中和单元无需防爆，减少了设备成本；同时布置也较为灵活，可以布置在机舱甚至舵机舱等安全区域。

(4)电解单元没有压力损失。整个系统的压力损失仅需要考虑自动反冲洗滤器的压力损失，对船上专用压载泵的压头影响较小。

(5)通过预存电解海水，支路电解法能解决在淡水区域压载时压载水难以处理的问题。

(6)排载时压载水不需要处理，可节省电能且无压力损失。