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'第39卷第6期2010年12月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGV01．39No．6Dec．2010DOI：10．3963／1．issrL1671—7953．2010．06．025船舶压载水处理技术应用综述谢承利1，翁平2，李小军1。刘喜元1(1．中国舰船研究设计中心，武汉430064；2．驻上海江南造船(集团)有限公司军事代表室，上海201913)摘要：介绍目前国际船舶压载水处理的相关规范要求及其发展趋势，综合分析国内外开发与应用的主要压载水处理技术的原理、特点与应用潜力，对比目前已在市场上推广应用的相关设备技术特点，展望压载处理技术与装备的发展前景。结合船舶总体设计，探讨压载水处理设备选用与系统设计的相关问题。关键词：压载水；处理设备；污染；船舶中图分类号：U664．9文献标志码：A文章编号：1671—7953(2010)06—0086—06船舶压载水和沉积物的随意排放会造成有害水生物滋生和病原体传播，破坏不同海域生物的生态平衡，严重威胁着海洋环境。为此，国际海事组织(internationalmaritimeorganization，IMO)对由船舶压载水引发的海洋环境问题给予了高度重视，早在1973年IMO大会上，压载水问题，特别是与有害病原体迁移有关的问题就被提了出来[13；并自1990年开始将解决船舶压载水问题纳入其海上环境保护委员会的议程，进行全面的研究，着手相关指南、规则、公约的研究与制定，一些研究机构与公司也开始相关技术研究与设备开发。自2009年起开始逐步实施的2004年通过的关于《国际船舶压载水及其沉淀物控制和管理》的国际公约，使船舶，尤其是远洋船舶的压载水处理问题成为迫在眉睫的现实技术问题，相关技术、产品的开发与推广呈现出迸发之势，全球众多有实力的船用设备制造商纷纷加入到市场“淘金”行列，其中部分产品已经获得IMO批准和船旗国主管机关的认可。相对国外火热的开发与应用热潮，中国的压载水处理技术开发与应用起步较晚，近几年才开始相关研究，已有一些技术开发取得进展，但目前尚无设备取得IMO与船级社认可。文中针对压载水处理的相关指标要求，综合论述目前常用的一些压载水处理技术与设备的原理、86收稿日期：2010-06—04修回日期：2010-07—04作者简介：谢承利(1980-)，男，博士，工程师。研究方向：舰船污染控制技术E-mail：chenryxie@sire．corn特点与适用性，并结合实用经验探讨压载水处理设备应用过程中需要关注的问题。1压载水处理要求概述在压载水排放控制的初期，一些国家主要通过要求进港船舶在距离本国海域一定距离的远洋海域进行压载水置换，来减少长期储存的压载水中细菌与外海域物种的影响。例如，在澳大利亚、新西兰和以色列联合发表的MarineNotices1532、1662中，规定了在其国家港口停靠的船舶必须进行压载水的排放控制L2|。以色列则要求更换从外水域带来的压载水，到达伊拉特港口的船只必须在红海以外更换压载水；访问地中海的船舶必须在大西洋更换压载水。但置换法并非一种彻底的压载水污染控制方法，一方面在保障船体强度安全的情况下很难实现压载水的彻底置换，某种程度而言仅是一种稀释；此外，公海或者近海置换也只是将污染转移而非真正的治理。因此，在国际海事组织2004年2月13日在伦敦通过了《国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约》(简称《公约》)，根据船舶建造年份和压载水量的不同制定了不同管理标准，见表1，并将压载水的处理达标排放作为最终要求。一些国家与地区还依据自身的管理要求，制定了要求高于公约的实施计划表。同时《公约》对于处理后的压载水排放指标也给出了具体的约束指标，但同时一些国家与地区为保护当地海域的海洋环境。制定了排放指标要求远高于国际公约要求区域性指标。表2为国际公约与美国的船舶压载水处理杀菌标准要求。 船舶压载水处理技术应用综述——谢承利，翁平，李小军，刘喜元表1压载水管理公约要求实施计划表表2船舶压载水处理排放标准2压载水处理技术分析目前研究开发或者得到应用的压载水处理方法较多L33。总的来说，依据处理原理的差异可以划分为物理处理与化学处理两种类型。2．1物理处理方法物理处理方法通过不同手段分离、排除或灭杀海水中的危害性生物与物质，主要手段包括过滤、离心分离、稀释与置换、加热、光辐射，等。过滤是一种通过过滤装置滤除海水中的一定体积微生物或其他污染物的处理方法。过滤法可直接滤除部分外来生物，通过选择合适的网目，可以有效地去除不同的生物种群。目前开发使用的过滤方法包括超滤、纳滤等过滤膜件。该方法原理简单、安装方便、初装成本相对也不高；但是该方法也存在较多缺点。首先，压载水中含有大量的絮状物，容易阻塞滤网，需要经常对滤网进行反冲洗，既耗能又花费太多的时间；其次，过滤法可有效降低一定体积微生物污染，但对体积小的微生物处理效果不大明显，对细菌病毒不能够完全彻底处理；此外，这种方法造成的管道阻力损失较大，对压载水注排系统设备要求较高，在重力浸水式压载水系统中无法应用。过滤法被认为是一种对环境危害最小的压载水处理法，但在大型船舶中很难用于处理大量的压载水，处理效果有限，无法单独处理压载水。．离心分离是一种利用旋转部件对海水进行重力分离，以除去比重与海水存在差异的微粒和生物体的方法。这种方法可以除去大多数多细胞动物和植物、卵、幼虫、孢子(包括进入到淤泥中有害藻类的休眠期孢子)和有害的病原体细菌。这种方法具有操作简单、成本合理等优点。但是在处理与海水比重相近的生物(水母，毛鄂类动物)时，处理效果受到限制；此外，设备尺寸较大，对安装空间要求较高，尤其当处理量较大时，设备在船上的安装就显得极为困难。因此在一些处理流量大的实船上基本没能得发展与应用。稀释与置换法尽管操作方式不同，但原理都是在可排海域中用大量新鲜海水稀释或替换舱内的贮存压载水，再排至海中，以长时间循环实现压载水的稀释置换。为降低置换过程中压载量的变化对于船体结构强度以及船舶航行重量重心的影87 第6期船海工程第39卷响，应用较多的方式是在注入新鲜海水的同时，以相同的速率从舱底排出的压载水更换法。压载水在大洋更换曾经是国际上公认的处理压载水最简单有效的措施。从原理上讲，稀释与置换法比较安全，不必等压载舱装满水，就可以使海水连续流过压载舱，且无须特别增添额外的设备。但也存在着以下缺点：①无法全面彻底地更换压载水，尤其对压载舱底的沉积物(其中存在大量的微生物)的处理不够彻底。②稀释更换压载水的海水用量很大，更换时间长，消耗能源较多，对管路、压载泵等设备有一定要求，至少要更换3倍于压载舱体积的海水才能达到预期的效果。公海交换压载水只是一个关注压载水危害问题之初，各国适应公约规范要求的一个暂时措施，从长远角度看，最好的方法是在船上直接杀死压载水中的大量生物。加热法与光辐射法是压载水处理技术研究初期探讨较多的压载水处理方法，相关技术的原理主要是借鉴陆用类似技术的设计原理[4]。从实验室研究结果看[5]，温度在38～50℃，加热持续2～4h，可杀灭海水中的大部分生物。但如果生物以休眠孢子形式存在的话，可能忍受这样的处理并在合适的条件下萌发生长，这样就需要更高的温度才能杀灭。研究用于加热压载水的途径有3种：将水蒸气通入压载水、用船引擎余热或采用微波法。GeoffRighy、张硕慧等进行了加热处理压载水的研究，得出了以下结论：压载水中的新月菱形藻在水温38℃时，2h后致死；中肋骨藻在水温45℃时，4h后致死；原生动物需在水温50℃时，2h后才致死，说明不同的生物对温度的反应不同。此压载水加热处理方法虽然被认为是一种廉价、具有潜在吸引力的方法，但存在处理时间长、能耗过高、热应力影响船舶航行安全等难以解决的问题，并没有相关产品在实船中得到应用。光辐射方法应用较多的光频段是加热与烧蚀能力强的紫外线，紫外线用于杀菌消毒在其他行业已经有了较多的应用实例。紫外线处理装置对杀灭海洋细菌、病毒与细小微生物非常有效，但对海水中一些抗紫外线的有害细菌与外来有害水生物的作用效果不佳，而且在短时间内对于大体积的微生物或者其他海洋生物的灭杀效果有限。因此，在使用紫外线处理装置的同时，还应考虑如何杀灭外来有害水生物。此外处理装置的运行与维护费用也较高，为技术独立使用的普遍推广带来88了一定的阻碍。2．2化学处理方法化学法主要是通过改变压载水中某些化学物质或元素的含量，以创造压载水内有害细菌与微生物抑制环境来进行压载水处理。化学处理法的实现手段一种是通过添加特定的化学物质来改变压载水成分；另外一种是通过一些催化手段快速改变压载水自身的成分组成，前者可使用的添加物质包括氯或氯化物、臭氧(Q)、过氧化氢(H。Q)以及羟基物质，等；后者主要也是通过海水催化反应产生类似于前者的一些强氧化具有杀菌效能的物质。添加氯化物对处理压载水以去除浮游植物和原生动物以及细菌是可行的，但对不同的目标生物所需氯含量不同。一般的少量氯对杀死压载水中的细菌有明显效果；而对于浮游藻类，因为耐受性强，需要较高的有效氯含量进行处理，如扁藻在有效氯含量高达40mg／L时，仍不能达到去除的目的。此外，压载水中氯含量过高本身也会造成二次污染。臭氧是一种强氧化剂，氧化还原电位高达2．07V，足以致死压载水中的入侵微生物，而且不存在二次污染问题。但臭氧会加快压载舱的腐蚀，而且难于保持恒定的残留杀菌浓度，因此投加量不易调节，管理和维护需要较高的技术水平，不适应船舶的环境空间和技术力量，因此在船上压载水处理中鲜有应用。羟基具有极强的氧化能力，与氟的氧化能力相当，参与反应属于游离基反应，反应速度快，能很容易地氧化分解各种有机物和无机物，最终生成物是COz和H。0，无剩余污染。过氧化氢与其他化学品相比，反应产生残余物容易分解成水及氧，因此从环境上讲比较合理。其主要缺点是当压载水中有机物质过多时，将会因有机物质的氧化而降低效果，因此在压载水中有机物含量过高时，应用效果不佳。总的来说，添加化学物质的方法单从处理效果上来看，是压载水有效处理的可行选择，而且涉及设备简单，对船舶的系统设计影响较小；但是添加物质量的控制受多种因素影响，往往很难控制，而且高氧化能力物质的加入对于管道与压载舱的影响也不容忽视。此外，一些添加剂贮存在船上原本就存在一定危害性，在压载水处理量较大时；添加剂量的需求多，贮存与管理的难度也加大。o针对添加化学物料的方法在目前压载水处理需求最为广泛的大型远洋船舶中用量大、成本与 船舶压载水处理技术应用综述——谢承利，翁平，李小军，刘喜元代价高等现状，利用一些催化方法对海水进行处理产生灭杀压载水中有害生物与细菌的技术方法应运而生。例如电解、电离、光辐射裂变，等。电解法处理船舶压载水中的有害水生物和病原体是一种非常有前途的处理技术，研发获得了国际海事组织的资助，在一定的条件下能杀灭压载水中绝大多数的有害水生物和病原体。但是，介质中的C10及HCIO必然会与金属发生电化学反应，压载水的电解程度处理不当会影响压载舱金属的腐蚀，腐蚀速度随有效余氯浓度以及腐蚀时间等参数的变化而不同。此外，首型获得国际海事组织认证、AlfaLaval公司利用先进氧化技术(ad—vancedoxidationtechnology，AOT)开发的压载水处理系统，也是利用类似思路L6j。在压载水注入作业时，根据需要处理的压载水容量，配置1个或多个先进氧化技术(AOT)单元。这些单元含有的二氧化钛催化剂，受到光线激励会产生寿命只有几毫秒的原子团；这些原子团破灭时会击碎压载水中微生物的细胞膜，从而杀灭微生物，净化压载水。既不需任何化学药剂，又无任何有害残留物。国内也有采用电催化产生羟基自由基的方法进行压载水处理的研究，已有公司与高校研究机构联合应用该原理开发出处理设备相关样机，开始进行实船试验。2．3压载水处理设备的发展趋势从原理上分析，能够实现压载水处理的方法与途径较多，但涉及实际的应用必须考虑效能、装船可行性、运行成本、对船总体的影响等一系列问题。从目前已经开发投入市场的产品分析，基于物理处理法与化学催化法压载水处理设备逐渐成为压载水管理与处理技术的发展主流，已有不少装船应用的经验。表2是世界上目前已经取得或正在申请IMO组织认证的一些典型压载水处理设备的原理与技术特点分析对比。从目前开发的产品来看，单独使用处理效果不佳的过滤方法普遍被作为一种压载水的预处理手段，通过过滤去除部分难以处理的较大体积微生物与其它杂质物质，从而缓解后续进一步处理的技术难度，提高设备的处理效果。依据后部分深度处理技术的有效作用对象范围，不同设备选取的过滤装置的精细程度(微滤、超滤、纳滤)也各不相同。尽管过滤可以有效提高装置的处理效果，但同时也增加了过滤装置清洗维护的需求以及对压载水系统注入压头的要求。因此，也有韩国泰科罗斯(TECHCROSS)的设备取消了过滤模块，直接采用电解形式处理，相应设备也已取得IMO认证与一些国家官方机构认证，但实船应用效果还有待进一步检验，见表3。表3目前市场一些主要压载水处理设备对比表产品型号。处理原理开发者。．．．，，。．利用电解模块的电佗差直接杀菌与电化学反应产生的离子瞬间杀菌相E1ecl俞ueensyS‘em结合，残余氯离子在舱内持续杀菌．，．，、．．先利用物理过滤方法滤除大体积微生物，再利用紫外线杀毒结合处理杀Hya。buardlan灭微生物与细菌sED№择t锄子掣墨摹蓄慧鸷蠢翥髓窃部分微生物与细菌’再利用装置产生的氯离EN-Ballas‘置原理与Elect川leensys’锄相同"但在进入电解模块前设置了过滤装AOTPureBallast杀裂星荔嚣藁籀除大颗粒与有机物之后，再利用烈玎氧化催化产生灭TechCross韩国Hyae美国HamanmAGKWangSan韩国AlfaLaval瑞典海滢1】+让压载水先通过前置滤器·滤除部分大体积微生物与有机物后，利用电青岛佴什J二上催化产生的羟基自由基氧化处理雎载水海德威从目前已有压载水处理设备的结构与使用情况分析，作为一种辅助性环保设备，其总体资源需求还是稍显过大，设备的操作、维护较为复杂。因此，在保障设备处理能力的情况下，简化设备结构，提高设备的自动化程度，减小人工维护需求，对于提高压载水处理技术与设备的应用水平将起到推动作用。此外，尽管在功能上与指标有统一的规范约束与要求，但目前压载水处理设备的装船要素形式各异，缺乏较为统一的通用标准，为压载水处理系统的设计带来了一定的难度。因此设备以及主要部件的标准化推进，也是未来压载水处理设备发展的一个重要努力方向。89 第6期船海工程第39卷3压载水处理设备应用的几点探讨作为近几年顺应规范要求发展起来的新型船舶环保设备，压载水处理设备的应用经验与相关技术装备的效果分析还鲜有报道。目前行业中可供选用的相关处理技术与设备也较多，且呈蓬勃发展的态势。除了压载水处理技术与设备的不断推陈出新，船舶设计过程中如何选取合适的压载水处理设备，使其与船舶总体系统设计很好地结合也应是压载水处理中的一个重要课题。3．1船舶总体对压载水处理的影响目前压载水处理技术与设备多型多样，而不同船型的压载水处理量需求、压载舱的分布特点以及设备使朋频率都存在一定的差异，因此压载水处理方法与设备的选用必须注重与船舶的总体功能与特点相结合。在初装成本、运行经济性、系统维护性、设备对总体资源占用等多方面进行权衡。如军用舰船与民用船舶相比，压载水处理量相对较少，压载舱分布较为分散，总体空间资源紧张，在设备与技术选用时应注重考虑设备的结构简化、安装空间需求较少、处理量调节灵活的技术与设备；对于设备占用空间需求大、最小处理量有限制的技术应谨慎使用。对于远洋货船、邮轮等压载水处理量大、压载水注排使用频繁的船型，则应该更多考虑设备的运行经济性、运行维护简单、自动化程度较高的技术与设备。而对于有跨海域航行要求，但频率较低的中小型船舶，则可以考虑初装成本低、日常维护要求低的技术设备，如果压载水注排量较小，甚至可以考虑采用直接添加化学物料的方法进行处理。3．2压载水处理对压载水系统设计的影响压载水处理设备的应用对于压载水系统的管系设计也提出了新的要求L7J。首先，目前大多数压载水处理设备的设计处理量较高(一般为每小时几百至几千m3)，为了减少压载水处理设备的配置，压载水系统的管路形式应尽量采用总管式，实现设备的公用，尤其对于压载舱较多而总压载水处理量要求不大的情况；同时管路设计必须考虑在无压载水处理要求情况下的压载水正常注排功能，设置处理设备的旁通管路。对于采用化学原理处理压载水的压载水系统设计中，管系材料的选取与压载舱内壁表面的处理，必须考虑处理后压载水中可能存在强氧化腐蚀性物质的影响，采取相90应的防护措施。此外，压载水通过压载水处理设备时所损耗的水利压头参数也是需要注重的问题。尤其对于一些采用多重精细过滤预处理的处理技术与设备，处理过程中的压力损失可能高达0．1～1．0MPa，必须在管路设计与泵选取时加以考虑。3．3配套检测技术的应用压载水处理系统的设计，除了处理设备本身之外，相关检测分析技术的应用也是必不可少的。相关检测设备的配套应用，一方面是为了监管压载水处理的效果，保障压载水无害化处理的基本要求；另外也是防止压载水处理过程中形成二次污染或其他不良影响的重要依据。以直接电解法处理为例，压载水在电解过程中应用四种消毒原理进行综合杀菌消毒：阳极与阴极间产生巨大电位差破坏微生物细胞膜；电极表面产生的大量激进原子通过离子交换和不稳定原子之间反应瞬间杀菌；电解产生强氧化性次氯酸钠继续杀菌；残余氯气在压载舱中保持持续抑制功能。在电解过程中需要了解电解程度以控制处理效果。如果电解程度不足则难以保证有效的杀菌处理；而若电解率过高，产生的大量残余强氧化性物质又可能产生二次污染与腐蚀影响。因此，在系统设计时，在电解模块的出口设置汽水分离管段，通过抽取检测电解产生氢气的浓度判断电解处理的效果，及时调整投入工作的电解模块数量与电解功率。同时，依据国际防污染公约，对于排放人海的各类废水中的残余氯气质量浓度也有约束要求(质量浓度不超过0．5rag／L)，因此在压载水卸排管道上还需设置余氯检测点，并依据余氯浓度控制是否启动余氯中和措施。4结束语作为一种新发展与应用的环境保护技术装备，压载水处理技术与设备在国际相关环保公约逐步实施的大背景下取得了快速的发展，各种原理、功能与型式的压载水处理设备不断推向市场应用。这些处理技术与设备各具特点与技术优势，同时也适用于不同的应用环境。在船舶系统的总体设计过程，必须紧密结合船总体自身的特点与功能需求，合理选用技术设备，充分考虑压载水处理设备的应用对总体系统设计的影响，并采取相应对策，在实现舰船环保目标的同时，减少对船舶系统正常运行的影响。(下转第98页) 第6期船海工程第39卷注：本文译自欧盟资助的TRESHIP主题网站的研究成果：astate-of-the-artreportconcerningtheenvironmentalimpactofship。作者及单位：BrianHaymanDetNorskeVeritasMafioDoglianiRegistrohalianoNavaleIvarKvaleHydroMarineAluminiuma．sAnnikMagerholmFetMoreResearchandNorwegianUniversityofScienceandTechnologyTechnologiesforReducedEnvironmentImpactfromShips-ShipBuilding，MaintenanceandDismantlingAspectsWUGuo-fan。LIUXi_Yuan(ChinaShipDesignandResearchCenter，Wuhan430064，China)Abstract：AReviewenvironmentalimpactofshipsispresented．focusingonaspectsconcemedwithshipbuilding，maintenanceanddismantling．Themainenvironmentalissuesarediscussed．togetherwithpreviousandon-goingR&Dintheseareasandrecommendationsforfuturework．Keywords：ship；environmentimpact；building；maintenance；dismantling(上接第90页)参考文献[11中国船级社．经1978年议定书修订的1973年国际防止船舶造成污染公约[s]．北京：人民交通出版社，2003．[23刘富斌．关于船舶压载水系统防污染的探讨[J]．船舶，2006，8(4)：20-23．[3]党坤，殷佩海，孙培廷．国内外船舶压载水处理技术现状EJ]．航海技术，2004(2)：64—66．[43杨建．利用油轮蒸汽余热处理压载水方法的研究[D]．大连：大连海事大学，2008．[53张硕慧，王倩．加热法处理船舶压载水对外来生物存活的影响[J]．交通环保，1999，20(3)：4-5．[6]范明康．采用先进氧化技术(A()T)的纯净压载水系统[J]．航海技术，2009(1)：48—49．[7]宋永欣．电解法处理船舶压载水对压载舱腐蚀影响的研究[D]．大连：大连海事大学，2004．ReviewoftheApplicationandDevelopmentofBallastWaterTreatmentTechnologyinShipXIEChengrLil，WENGPingz，LIXiao-Junl，LIUXi-Yuanl(1．ChinaShipDesignandResearchCenter。Wuhan430064，China；2．NavalMilitaryRepresentativeDepartmentofJiangnanShipyard，Shanghai201913，China)Abstract：Ageneralreviewoftheballastwatertreatmenttechniquesandequipmentswaspresented．First，thestat—utesoftreatingballastwaterwereintroducedbriefly。aswellasthetrendoftherulesdevelopment．Then，thetheories，advantageandpotentialofapplicationwereanalyzedindetail；alsothecomparisonofthedifferentavailableequipmentswascarriedouttOdiscusstheirteehno-characteristicsandtheirdevelopmentformeetingtherequirementofshipdesign．Intheend，themainpointsoftheapplicationofballastwatertreatmentequipmentswerefiguredOUtanddiscussedonthesolvingapproach．Keywords：ballastwater；treatmentequipment；pollution；ship98'