船舶压载水管理系统滤网结构与性能对比分析

张晓雯 谭文慧 李 杰

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，青岛 266101）

压载水随意排放造成的污染已被全球环保基金组织列为海洋四大危害之一。早在2004年，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）就关于压载水处理问题达成并通过了《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》（简称公约）[1]，制定了D1（置换标准）和D2（排放标准）压载水管理标准[2]，要求不同压载舱容积的船舶按时间表满足压载水置换标准（D1）或压载水排放标准（D2），但最终都需满足D2标准。所有远洋航行船舶在公约生效后，需要在规定时间内安装符合IMO和船级社要求的船舶压载水处理系统。

大部分压载水装置要先进行过滤，由滤网将海水中的泥沙杂物和大的有机物过滤掉，以减轻灭活装置的工作量，同时避免污泥沉积在压载舱内[3]。过滤器的主要作用是达到固液分离，其中能够实现固液分离技术的核心部件是滤芯。滤芯是通过一系列的加工由滤网组合而成的多层多空介质[4]，是船舶压载水管理系统中决定过滤器性能的关键部件之一。目前，判定过滤器性能的主要方法是与其他方法组合进行生物有效性测试，但试验成本高、周期长，不适用于滤网性能测试。因此，找寻一种适用于滤网性能测试的方法具有重要意义。

1 滤网过滤效率试验

滤网过滤效率试验是指通过记录颗粒污染物未通过滤网的数量计算过滤效率[5]。国内的滤网过滤效率试验分为单次通过试验和多次通过试验[6]。两种试验方法对比，如表1所示。

表1 单次通过与多次通过试验法对比表

1.1 单次通过试验

单次通过试验是指试验粉尘一次性通过测试滤网，且系统中油液不循环的试验。该方式利用真空源的负压将污染液吸入测试滤芯，过滤后油液直接排出试验系统。实验过程中，通过自动颗粒计数器分别记录过滤前和过滤后油液单位体积内所含大于通过污染物粒径（μm）的颗粒数[4]。测试装置示意图如图1所示。

图1 单次通过测试装置示意图

过滤比是指用过滤元件过滤前油液单位体积内所含的大于某被测尺寸的颗粒数与过滤后油液单位体积内所含的大于同一尺寸的颗粒数之比，计算方式为：

式中：Nu为过滤前油液单位体积内所含大于某尺寸（μm）的颗粒数；Nd为过滤后油液单位体积内所含大于某尺寸（μm）的颗粒数；β为过滤比。

过滤效率η与过滤比β的关系为：

1.2 多次通过试验

多次通过试验是指在模拟滤网正常的工作条件下，使试验油液以额定的流量循环通过滤网，同时连续不断地向试验系统注入试验污染物，直到试验滤网的压差达到规定极限值[4]的实验方式。试验完成后，从过滤器过滤前和过滤后的取样点取样进行颗粒计数分析，统计颗粒数量，得出滤网的过滤比、过滤效率和纳污容量。试验原理如图2所示。它的计算公式同单次通过试验一致。

图2 多次通过试验原理图

2 试验结构分析

2.1 不同滤网结构分析

滤网结构分析采用三维显微镜HIROX KH-8700结合SolidWorks三维建模分析滤网编织方式。通过三维显微镜对比分析3种代表性的滤网，形貌如图3所示。由图3可见，滤网A、滤网C均为经丝、纬丝缠绕编织而成，滤网B为单根纬丝缠绕而成。滤网结构的差异会对滤网性能产生影响。

图3中滤网A和滤网C的结构比较类似，均由多根经丝、纬丝互相缠绕而成。为了进一步分析滤网A和滤网C的结构，通过三维软件模拟滤网形态，如图4所示。滤网A是多根纬丝与一根经丝交互编织而成，滤网C是一根经丝与一根纬丝互相编织。这种差异会影响滤网的性能，可以通过滤网过滤效率试验判断滤网过滤性能。

图3 滤网的显微形貌

图4 滤网的三维模拟图

2.2 单次通过试验结果分析

为了测试单次通过试验滤网过滤效率，对3种品牌4种精度的滤网分别进行了单次通过试验，试验结果见图5。为了确保数据的准确性，每种品牌每个精度共测试3个滤网样片并取平均值。为了便于区分样片，将滤网A品牌的样片分别命名为滤网A1、滤网A2、滤网A3、滤网A4，滤网B品牌的样片分别命名为滤网B1、滤网B2、滤网B3、滤网B4，滤网C品牌的样片分别命名为滤网C1、滤网C2、滤网C3、滤网C4。其中，滤网A1精度值最大，滤网A2、A3、A4精度值逐渐降低。图5中横坐标代表通过试验粉尘粒径的尺寸，分别为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm五种试验粉尘粒径。纵坐标为在不同试验粉尘粒径下滤网过滤效率。

图5 单次通过试验滤网过滤效率曲线图

由图5可知：滤网过滤效率有明显上升趋势的滤网为滤网B4、滤网C4、滤网B3、滤网C3和滤网B2；滤网A的4种型号滤网过滤效率均没有明显上升的趋势。虽然滤网B2的精度明显低于滤网A4的精度，但是滤网B2的过滤效率明显高于滤网A4，因此过滤精度并不是决定过滤效率的唯一因素。造成这种差异的主要原因是滤网的结构。滤网A为多丝编织型，它的孔隙率比滤网B和滤网C要大，所以对污染物颗粒＞40 μm的泥沙和有机物阻挡效果较差。

当试验粉尘粒径≥40 μm时，由于此时几乎所有污染物都无法通过滤网，滤网拦截率过高会使曲线有明显的峰值。因为压载水管理系统中的过滤器可以阻挡大部分≥40 μm的污染物，所以大大降低了微生物处理量。但是，过滤网精度过高会导致滤网堵塞速度加快，从而使其过滤精度降低。

2.3 多次通过试验结果分析

多次通过试验有统一的国际试验标准，需要保证污染物一直循环往复地通过滤网，且试验的流量、压差均有明确要求。此试验方法可以真实体现过滤元件在实际工况下的过滤性能。从试验原理来看，多次通过试验更适合船舶压载水管理系统的滤网效率评定。船舶压载水管理系统常用的滤网精度为40～50 μm，多次通过试验的试验粉尘粒径是4～30 μm，单次通过试验的试验粉尘粒径是2～60 μm。从试验粉尘粒径来看，单次通过试验的试验粉尘粒径更接近船舶压载水管理系统的滤网精度。为确定更适合船舶压载水管理系统的试验方法，选择同一品牌、同一精度的滤网进行多次通过试验和单次通过试验，然后对比过滤效率，试验结果见图6。

图6 单次通过和多次通过试验过滤效率对比图

由图6可见，多次通过试验的过滤效率明显低于单次通过试验的过滤效率。船舶压载水管理系统的滤网精度基本在40～50 μm，当通过的试验粉尘粒径大于40 μm时，最能反应滤网的真实效率。这是因为多次通过试验中粉尘粒径小于30 μm的通过率为98%，40～60 μm的通过率为2%。由于多次通过试验中约98%的试验粉尘通过了试验滤网，导致滤网过滤效率很低。当试验粉尘粒径为50 μm时，单次通过试验的滤网过滤效率为20%，是相同情况下多次通过试验的2倍。因此，单次通过试验方法更适合船舶压载水管理系统滤网效率评定。

3 结语

滤网通过试验能够模拟其在实际工况下的性能。通过对比分析单次通过试验和多次通过试验的结果得出，单次通过试验方法更适用于船舶压载水管理系统滤网性能的评定。判定试验方法的同时，采用三维显微镜和三维建模的方式分析滤网结构，对比滤网结构对滤网性能的影响，发现滤网精度并不能准确反映滤网过滤效率，即滤网精度高并不意味着过滤效率一定高。在过滤器选型中，可以先采用单次通过试验的方法确定不同精度滤网的过滤效率，同时结合滤网结构分析准确评价滤网性能，从而为过滤器设计提供参考依据。