船舶压载水分离处理技术对比分析

操焱银

摘要：分离处理是进行船舶压载水处理的基本过程，分离处理效果的好坏直接影响到船舶压载水处理系统的工作能力，也是后续处理方法和原理的保障，本文通过对各种分离处理技术的优缺点和适用范围进行分析和对比，为船舶压载水处理系统分离方式的选择和后续维护保养提供参考。

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.

关键词：船舶压载水处理系统;处理技术;过滤;分离;过滤器

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

中图分类号：F407.474                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0118-03

0  引言

有害的水生物和病原体对海洋生态系统构成重大威脅，海上航运已被确认为将外来物种引入新环境的重要途径。随着航运发展，船舶可以使用水来替代固体材料作为压载物，特别是在过去的几十年中，海上贸易量和交通量的大幅增加使这一问题变得更加严重，船舶每年转输超过百亿吨压载水，其内含的有害水生物和病原体被引入不同的栖息地，如今船舶压载水的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[1]。

为了防止、减少并最终消除船舶压载水内有害水生物和病原体的转移对环境、人类健康、财产和资源引起的风险，国际海事组织（IMO）于2004年2月通过了《2004国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》，该公约已经于2017年9月8号生效，对所有国际航行船舶强制生效。

1  压载水公约规定

压载水公约将压载水管理标准分为两个层次，即D-1标准和D-2标准。D-1标准要求采用物理方法，对压载水进行置换;D-2标准要求采用一定的技术手段，通过压载水处理设备对压载水中的有害水生物按照一定的标准进行灭杀处理。

压载水置换 D-1标准：要求船舶在深海（离最近陆地不少于200海里，特殊情况下，如航程不足200海里时，离最近陆地不少于50海里，且水深不小于200米）中将在港口装载的压载水置换成深海中的水。通常采用的置换方法有顺序法、压冒法、稀释法。

总标准：大于等于95%仓容的容积置换率（顺序法）。

等效标准：对压冒法和稀释法，以每舱三倍的容积流水置换，采用计时法确认，置换时间（h）≧该仓仓容（m3）÷压载泵流量（m3/h）×3

压载水处理D-2标准：即压载水排放性能标准，是指对加装到船上的压载水在被排放到另一水域内前，必须对其中的水生物进行杀灭处理，使得其在压载水中的存活率达到一定的限定标准而不再会对接收港水域造成不利影响。

压载水公约第D-2条对船舶压载水排放性能标准作出了明确的规定，如表1所示。

2  船舶压载水处理技术基本原理

就压载水公约而言，压载水置换D-1标准仅仅是一种过渡性管理措施（过渡时期），而最终的压载水管理目标是必须对加装到船上的压载水进行处理，达到D-2排放标准后才允许排放。

压载水公约仅规定了处理后排放标准，没有规定任何关于处理方式或原理。为达到D-2标准，关键指标有两类，一是微生物的尺寸和数量，二是微生物是否仍有活性。通过分离过滤掉压载水中50um及以上直径的微生物后，再采用灭活技术处理压载水以达到D-2标准，是当前世界上各压载水处理系统的一般通用技术。实施这一目标的主要手段是在船上安装获得型式认可的压载水处理系统，对压载水进行处理来满足。

目前市场上有不同的压载水管理系统可供选用和处于研发状态，通常这些技术可以根据其主要工作原理分为三类：机械型、物理型、化学型，以及这三类的不同组合。

机械型处理法是指：采用过滤、旋流分离、电分离等机械处理方式对压载水进行处理，以分离过滤掉压载水中的有害微生物。该方法不受航行距离的影响，一般只在压载水摄入时进行，但处理流量较大的压载水时，需要较大尺寸的分离设备，同时还存在滤器拆检清洗困难等问题。因此实船中没有单独使用机械处理方法的压载水处理装置，机械型处理法通常作为压载水处理装置的预处理单元，与物理和/或化学处理方法结合使用。

物理型处理法是指：通过紫外线（UV）照射、脱氧技术、空化技术、超声波或其他技术对压载水进行物理性处理，旨在消灭或破坏生物（浮游生物、浮游动物、人类病原体、细菌），使其灭活或无法繁殖。物理处理法的处理效果很大程度上都会取决于水的浑浊度和透射率，尤其是通过紫外线照射技术，需采用机械处理法过滤掉水中的直径较大的颗粒和水生物，才可以为后续的紫外线照射灭杀提供较好的工作条件。

化学型处理法是指：使用化学剂对压载水进行处理，以消灭压载水中的有害微生物。使用的化学剂可以是外部提供的，也可船上制备。常用的化学剂有次氯酸钠、臭氧、过氧化氢，可以通过由外部或通过串接于压载水管理系统的制备设备直接提供;另一种方式则是通过电解技术产生次氯酸钠、次氯酸、氯气、羟基自由基等物质破坏细胞膜，从而消灭有害物质。但该方法所产生的附产物通常会对压载舱及管路存在一定程度的腐蚀。

上述处理技术如单独使用，均难以达到D-2排放标准，不同处理技术在适用性、舱内留存时间、电力消耗、对其他船舶设备或结构的影响等方面存在着差异，而不同处理方法的组合则可以减少单一技术的局限性，因此，许多压载水管理系统结合使用两种或更多种技术，但是总体来看，一般都会先采用机械法分离过滤掉压载水中较大的生物和杂质，再通过物理或者化学法对残余的小尺寸的微生物进行灭活处理，而机械分离的效果通常直接影响到后续的灭活过程。

3  船舶压载水分离技术详述

目前船舶压载水的机械分离主要采用过滤器、水力旋流分离器、絮凝分离等方式来实现。各分离方式分解层次图如图1所示。

3.1 生物膜法和石英砂过滤

生物膜和石英砂过滤器是指以生物膜和石英砂作为为滤器滤网的材质，这种滤网能够截留直径大于10um的微生物和杂质，这两种方式目前均广泛应用于处理纯净水和可饮用水，其过滤之后的水质较好，设备操作较简单，具备自动反冲洗功能，节约能源（仅带动反冲洗机构的电马达需电力），不产生二次污染，符合IMO公约规定和船舶实际使用要求。石英砂一般以烧结的形式生成多孔性固态层状物作为滤器的滤网，能有效截留除去水中的悬浮物、有机物、微生物等，最终达到降低水浊度、净化水质的效果，根据烧结加工工艺的不同，可做粗滤器和精滤器使用;生物膜法是利用生物膜对压载水中含有的有机物进行摄取和生物氧化等方式来实现净化水质的目的，一般只用作精细滤器，例如，江苏南极机械有限公司生产的NiBallast 压载水处理装置就采用生物膜单元作为精滤。

3.2 筛网、布袋过滤

筛网过滤器的滤网是用金属丝或纤维丝编织成的，有严格的系列网孔尺寸，不同于一般网状产品，能去除、回收、截留不同类型和大小的悬浮物，具有简单、高效、运行费用低廉等特点。用于压载水处理系统的都为水力筛网，具有一定的强度，能够在承受水压和水流的冲击的同时截留水中的悬浮物，仅水分子和比网孔尺寸小的物质通过，考虑到海水的腐蚀性，一般采用不锈钢材质制造。

布袋的工作原理同筛网，具有过滤精度高、处理量大、成本低廉等特点，只是其网孔尺寸由布孔而形成，极少使用于压载水处理系统。这两种过滤器一般作为过滤系统的粗滤器使用。

3.3 篮式过滤器和烛式过滤器

篮式过滤器和烛式过滤器是按滤芯的不同形式和数量分类的，两者均为常见的滤器形式。篮式过滤器为单一滤芯，形状如篮子，圆形，圆周由滤网围成，滤网材料如上所述，正常过滤水流由滤芯内部经滤网流向滤芯外部，大尺寸的颗粒和微生物被截留在滤网内壁;其反冲洗机构由一根插在滤芯轴中心的总管和几个垂直于滤网的喷嘴（实为吸嘴，在反压差的作用下吸去滤网内表面滤出的脏污）组成，该总管由外部电机驱动旋转，且能沿滤芯轴线进行往复运动，实现对圆周滤网的全部反冲洗。反冲洗功能可设置成根据压差（滤网的实际脏污程度）或定时（预设的时间周期）进行自动控制。烛式过滤器为一个滤器中有数个圆柱形滤芯组成，形如一族蜡烛，这数个滤芯通常有一个或两个处于反冲洗状态，其余滤芯处于过滤工作状态，其反冲洗由特殊设计的反冲洗旋转装置在压差控制或定时控制作用下实现自动反冲洗。

3.4 盘式过滤器（叠片过滤器）

盘式过滤器的原理是通过多层、两面刻有大量的有一定孔径沟槽的片状滤芯在通过外力（如弹簧）压紧时，片状滤芯之间叠片之间沟槽交叉，形成具有一系列独特过滤通道的深层过滤单元。当海水有一定压力通过它时，微生物即会被这些叠片的交叉点截留。

盘式过滤器可截留直径大于等于20um的微生物，属于常规滤器。其过滤（微孔）通道深长，导则反冲洗效果差;因其费用较高，清洗维护工作量大、技术要求高、耗时长等很少用于压载水处理系统。

3.5 水力旋流分离器

水力旋流分离器的主体由圆柱体（上部）和圓锥体（下部陀螺）两部分构成，利用离心分离的原理将两种比重不同的物质相分离，海水经进入管沿切向进入上部的圆柱体，向下做螺旋形运动，比重比海水大的颗粒和有机物在离心力的作用下被甩向外侧陀螺壁，随下旋流向陀螺底移动，由陀螺体底端的排污口排出，清洁海水则变成上升的内圈旋流，从顶部的中心管排出，从而实现固液分离。

水力旋流分离器以无运动部件、无须清洗滤网、无使用时间限制的优点在工业领域广泛使用，但因其只能分离出比重比海水大的物质而限制了其在压载水处理系统上的使用，因海水中水生物和病原体的比重与直径并无必然联系，使其过滤精度无法得到保障;即使安装了，也只能作为海水摄入的最上流端的粗滤器使用，其后一般再安装有细滤器。

3.6 絮凝分离

絮凝分离技术是在摄入海水过程中首先通过专用装置注入絮凝剂，絮凝剂是依据“聚合”理论，主要是用带有正电（负）性的基团与水中一些带有负电（正）性难于分离的一些粒子（颗粒）相互作用，降低其电势，使其处于不稳定状态，并利用其聚合性质使得这些颗粒集中，然后通过物理或化学方法分离出来。

絮凝剂主要应用于污水处理领域，是一种成熟的较流行的处理方法，最终目的是把水与杂质通过絮凝技术快速分离开。因其需添加外来物质，经济性差，并因此带来一系列的絮凝剂采购、搬运、储存、添加，及分离出的固体收集、处理等额外事宜，较少使用于船舶压载水处理系统。

4  船舶压载水分离方式发展现状

4.1 分离方式的选择

大部分压载水装置要先进行过滤分离，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[2]。滤网过滤器因为采用机械物理过滤的原理具有较高的截留能力，并且抗腐蚀、耐热、耐压性能和再生率高，已被成功应用到了水处理等多个领域[3]。篮式过滤器具有效率和精度高、反冲洗效果好、劳动强度相对较低等优点，使得其成为目前船舶压载水处理系统中最常用的分离方式，一般采用滤孔孔径在20-50um之间的不锈钢过滤网，配备压差控制或定时控制的自动反冲洗功能;但同时也存在以下不足：

①过滤流量需达到船舶设计的压载泵流量，往往体积庞大，而且一只滤器通常不能满足流量要求，需采用数只同类型同尺寸的滤器并联才能达到流量要求，滤器需定期拆检清洗，使得装置所需的维护保养空间进一步加大。这与船舶上有限的空间产生很大的矛盾，与船舶设备的紧凑性相违背，特别是对现有船舶在原有的紧凑空间内加装庞大的压载水处理系统显得尤为困难，而分散布置又会影响系统的协调性和功能。

②海水中的絮状或丝头状的水生物很容易挂在滤网上或镶嵌在滤孔中，而且粘附性很强，给反冲洗带来困难或很难达到预期的反冲洗效果。甚至在拆检清洗时，仍难以人为清除。反冲洗大都只能冲洗去截留在内表面的和滤孔中堵塞的松动的杂质或颗粒。

③压载水摄入的港口如水深小、很浑浊、水面漂浮的水生植物和垃圾多、热带水域的有机微生物繁殖量大，以至于海底门滤器都很容易被堵塞，摄入的压载水含大量泥沙和其他杂质，细小的泥沙陷入滤孔中又因其外形的不规则性，仅依靠反冲洗的压力很难将它们全部冲洗出去。

④如此细密的滤网给水流带来很大的流阻，即使是新的或刚清洗完的，也造成压载水系统较大的压力损失。

⑤充满水的滤器重量很大，其支撑的底座结构（舾装件）必须具有相应的强度和刚度，将其运行中的变形量和振动控制在厂家允许的范围内。

因此，滤器的体积、维护保养的空间、清洗的难易程度、自动清洗效果、产生的压力损失等因素是滤器选择的关键。

4.2 维护保养要求

压载水处理系统70-80%的维护保养工作量来自滤器的拆检清洗，尤其是在水质较脏的港口，滤器拆洗的频率就会更高，为了不因为拆洗滤芯而影响整套系统的工作和流量，就滤器滤芯的清洗工作，从专业的角度分析应具备以下条件：

①对只装有一套压载水处理系统的船舶，应按滤器数量的50%配备备用滤芯;装有两套系统的船舶，备用滤芯的比例可适当降低，但不得低于滤器总数的三分之一，留给拆下的滤芯清洗工作足够的时间，且不影响压载水的操作。

②在滤芯清洗区域，装备蒸汽日用阀、耐高温防爆蒸汽软管、蒸汽喷枪，利用蒸汽的高压和金属的热胀冷缩的特性对滤器进行第一步清洗;同时利用蒸汽的高温对附着的高粘性微生物进行灭杀，清洗如此高目数的滤芯，禁止刮铲敲击，以防人为机械损坏滤芯。

③配备一只与滤芯尺寸相适应的超声波清洗槽，确保清洗效果的同时，节省了淡水，避免频繁拆洗，大大地降低了船员的劳动强度，延长了滤器的使用时间和使用寿命。

④压载水管理系统的滤器存水量大，冲洗时也会消耗大量的淡水，如何避免这部分水流入机舱舱底而变成污油水（污染物），减少油水分离器的工作负荷和时间，特别是含泥沙的污水对油水分离器的工作极为不利。这个问题在加装压载水管理系统前应予以充分考虑，对清洗滤器和清洗槽污水的泄放，应设计一个简单的系统，例如：可排往生活污水收集柜。

5  結论

良好的分离过滤功能，是压载水处理系统工作的第一步，同时也是满足法规D-2排放标准中对直径和数量的要求，确保系统后续处理效果的关键一步，而不同的分离方式所需的成本、适用范围以及维护保养要求也各不相同，因此船东需结合实船特点选择合适分离方式的压载水处理系统。

参考文献：

[1]张晓雯，谭文慧，李杰.船舶压载水管理系统滤网结构与性能对比分析.青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，2021.

[2]杨俊.船舶压载水立法及压载水设备在实船中的应用[J].航海技术，2017（4）：71-75.

[3]刘雨.滤器滤网对船舶压载水固液分离效能的试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019.

[4]《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》，IMO，2004.