船舶压载水管理系统现状及进展研究

邱广临

（江苏新扬子造船有限公司，江苏 靖江 214532）

0 引言

船舶压载水造成的海洋物种侵害，己被全球环境基金组织 （Glboal Eonxneni Factliiy简称GEF）确认为危害海洋的四大威胁之一［1］。2004年，国际海事组织（IMO）通过了《船舶压载水和沉积物控制和管理国际公约》，旨在达成国际上的一致，“通过控制和管理船舶压载水和沉积物来防止、减少和最终消除有害水生物和病原体的传播”［2］。

中国是国际海事组织（IMO）的A类理事国，是大多数IMO公约的缔约国。航运、渔业以及海洋养殖业为中国的经济，特别是东部地区的经济高速发展作出了突出的贡献。在经济繁荣的同时，沿海地区的海域也遭受了污染和过度开发之苦，环境保护也成为了关系国家命运的头等大事。目前，有好几个由GEF、UNDP（联合国开发计划署）和IMO支持的海洋环境保护方面的项目正在中国实施，压载水管理项目就是其中之一。

1 国内外研发现状

根据劳氏船级社统计，截止到2011年4月份，全世界共有58家设备厂家在研发压载水处理设备。其中，有17家获得了IMO最终认可，12家获得了国家主管机关的型式认可，如表1所示。

2 压载水处理主要技术

虽然船舶压载水对海洋环境的生态平衡造成了很大的影响和危害，但压载水本身的功能却不能否认。由于压载水中携带的生物被带到一个新的海域，会对新的海域带来一定的危害，所以需要通过一定的灭活措施，以消除新的物种对海洋的侵害和破坏［3］。

根据英国劳氏船级社的统计结果，58家压载水处理设备厂家采用的杀菌灭活方法，包括电解法、紫外线法、二氧化氯法、臭氧法、除氧法等，具体分类见图1。

2.1 紫外线法（UV法）

紫外线法就是压载水经过滤器过滤后，用紫外线照射压载水，水中的微生物被紫外线照射后可引起DNA分子的变异，从而导致细胞死亡。紫外线在波长为 240～260 mn，尤其在 253.7 mn处对压载水中的生物和病原体的杀灭作用效率最高。另一方面，紫外线照射产生的光电离所产生的自由基，也可以杀死水中的有机体［4］。使用紫外线法杀菌灭活的压载水管理设备比较多，具有代表性的有美国的Hyde Marine、韩国的GloEn－Patrol等。紫外线处理系统有以下优点：

1）紫外线法处理设备质量轻、体积小，系统配件少，结构紧凑；

图1 压载水处理设备灭活方法数据图

2）处理过程中不添加任何化学药剂，不会对水质和周围环境造成二次污染。

然而在实际应用中，紫外线处理系统也有以下一些缺点：

1）紫外线处理效率在很大程度上依赖于微生物的大小和形态。因此，紫外线法的过滤精度要求达到20 μm，超过20 μm的微生物，紫外线无法穿透。高精度的过滤器会导致较大的压损和庞大的体积。

2）紫外线杀菌效果受辐照剂量（辐照强度和作用时间的乘积）的限制，其中辐照强度在水中随距离的增加指数衰减。考虑到反应器的设计，其最大处理水量一般为1200 m3/h，当处理水量增加时，其辐照剂量就不足以有效杀灭有机体。

3）灯管周围介质温度会影响紫外线灯的辐射强度。如常用的低压紫外线灯的最佳辐射温度为40℃。周围介质温度高于或低于这个温度时，辐射力都会出现不同程度的下降，低于5℃时，会造成灯管启动困难［5］。

4）压载水中含有的金属离子，在紫外线的照射下，会在灯管表面结垢，影响处理效果。

5）有些生物如蓝绿海藻对紫外线抵抗性特强。另外有些微生物具有光修复能力。

6）一些较小的微生物可能会在较大生物及颗粒的影子下，躲过紫外线的照射而逃出紫外线处理单元，同时含有絮状物或者浑浊的海水会降低紫外线的照射作用。

2.2 臭氧法

臭氧（O3）是氧的同素异形体，是一种氧化性非常强但是不稳定的气体。臭氧氧化法的去除有机物的主要原因是O3、O、OH自由基粒子，它们能力高且不稳定，能和有机物发生反应，破坏其化学键，使有机物分子发生变化，达到无害化处理的目的。韩国的NK公司生产的压载水管理设备就是采用臭氧法来杀菌灭活。

臭氧法的的优点如下：

1）O3作用非常快，以1～2 mg/L的量接触5～10 min即可。

2）O3无污染残留，在常温下就可以很快分解为氧气。当水温为20℃时，其在水中存在的时间小于30 min。

与此同时，臭氧法的缺点也无法解决：

1）当海水的pH值大时，杀灭率降低。

2）O3的毒性非常强，且易燃易爆炸，因此必须采用极强的安全措施，包括对净化释放的气体。

3）由于臭氧处于高度不稳定状态，必须现场制备，其制作设备体积庞大，运行费用较其他方法高。

4）臭氧的投加量不易调节，需要具有较高的技术水平进行管理和维护，不适应船舶环境。

2.3 羟基自由基法

羟基自由基是最活泼的一种氧化剂，几乎能和所有的生物大分子、有机物或无机物发生各种不同类型的化学反应，并有非常高的反应速率常数和亲电性。

羟基的氧化力与单质氟的相当，最终产物是CO2和H2O，无二次污染。

羟基自由基法也被称为高级氧化法，通常采用氧化剂、紫外线照射和催化剂等技术的组合来产生羟基自由基［6－7］，如挪威的 Alfa laval Tumba 公司生产的Pure Ballast压载水处理系统就是采用紫外线照射二氧化钛催化剂产生羟基自由基来杀菌灭活。青岛海德威科技公司则利用超声波辐射液体时产生超声空化现象，使空化泡绝热崩溃时产生的高温高压把热点周围的水分子裂解成羟基自由基。

2.3.1 羟基自由基法的优点

1）羟基自由基氧化能力强，反应速度快，无二次污染。

2）剩余羟基又还原成水和氧，无残留物，不会对海洋环境造成压力。

2.3.2 羟基自由基法的缺点

1）羟基自由基的寿命非常短，只有10～4 s，存在浓度低，其定性和定量测量手段都有待进一步的提高［8］。

2）由于自由基自身寿命的原因，其一次性处理水量受到限制。处理水量增加时，需要多个处理单元并联，体积较大。

3）压载和排载时都需要对压载水进行处理，功耗较大。

2.4 电解法

电解法工作原理就是通过直流电电解海水，使海水中富含的氯离子氧化成氯气，氯气溶于海水生成具有高氧化性的次氯酸钠溶液。日本从1962年开始研究应用电解海水防污技术，1971年在多艘大型船舶上安装使用。由于电解法是以海水做原料，取之不尽，用之不竭，所以是一种经济、安全且有效的方法，得到了广泛的发展和应用。现在国内外，有大量的船舶安装使用电解海水防污系统。

青岛双瑞海洋环境工程有限公司在对电解海水制氯研发应用30多年的基础上，成功将其嫁接到船舶压载水处理技术上。实验室试验研究结果表明，绝大多数藻类在5 mg/L有效氯浓度下处理即可灭除；经20 mg/L以上有效氯处理后，便不再有藻类生长繁殖。有效氯为5 mg/L时，能杀灭海水中99.85%的异养细菌、100%的弧菌和85.2%的大肠菌群，有效氯为20 mg/L时能杀灭海水中几乎所有的细菌［9］。

电解海水法处理船舶压载水具有以下优点：

1）采用次氯酸钠溶液杀菌灭活，灭活方法安全可靠。

2）可以采用支路电解方式，设备安装方式灵活，无需对船舶进行过多的改造。

3）以海水做原料，运行成本较低。

2.5 超声波法

超生处理技术是20世纪80年代末期才发展起来的一项新颖、清洁的高级氧化技术。超声波对有机物的降解，主要是通过空化作用实现的。超声波辐射水体产生空化效应，将溶解于水中的大分子化合物氧化分解成环境可接受的小分子化合物。Resoure Ballast Technologies System就是超声波技术应用于压载水处理方面的典型代表。

但是在实际使用过程中，超声波法在一些转换环节会产生噪声，对人体的健康和安全产生较大的影响。另外还有一些目前未知的，牵扯到船体结构完整性和人员频繁接触超声波法引发的身体健康问题等都意味着超声波法处理压载水并不是十分可行的方案。

2.6 二氧化氯法

德国的Ecochlor BWMS采用二氧化氯来杀菌灭活使压载水达到IMO规定的D-2标准。二氧化氯作为消毒剂，具有良好的消毒效果。研究证明，二氧化氯对大肠杆菌、细菌、病毒及藻类具有很好的杀灭作用。但二氧化氯具有爆炸性，其遇光容易分解，生产ClO和O，在船上制备和保存都有较大的危险性。另外，用二氧化氯杀毒成本较高，也制约了其在压载水处理方面的应用。

2.7 除氧法

在第二届国际船舶压载水技术研讨会上，美国研究者采用吸入机械脱氧技术，模拟船舶压载水舱进行研究试验证实：AHS系统能够将压载水中的溶解氧在-14.2 Pa的情况下降到1 ppm以下，经过三天的处理后，所有生物的幼虫变成了无用（无生存能力）物种［10］。

圣地亚哥和加利福尼亚的研究者用MH公司Trimix处理机做冲氮脱氧试验，结果经过24 h处理，可杀死99%的卤虫等目标微生物。冲氮24 h后，可将空气中氧含量降至5%以下，取样证实，对藻类生长有抑制作用，能部分杀死藻类。

Oceansaver采用了过滤、冲氮脱氧、电解羟基自由基等方法的联合来杀菌灭活，取得了良好的实船应用效果。

实际应用中，封闭压载舱，加入亚硫酸钠、二氧化硫偏亚硫酸钠等好氧物质，造成缺氧环境，可杀死压载舱内的好氧微生物，但是对厌氧菌、孢子等难以去除。

3 前景及展望

综上所述，压载水处理采用的灭活方法很多，主流方法还是电解法和紫外线法两种。各种处理方法都有其利弊，到目前为止还没有任何一个处理系统或技术能完全满足IMO提出的五项标准，即安全、有效、实用、环境允许且成本经济。

MEPC第61次会议重申了各国批准2004年《船舶压载水和沉积物管理控制和管理国际公约》的必要性，以促进其尽早强制实施。据了解，随着马来西亚签署该公约的批准书，目前全球已有27个国家批准了这一国际公约，其商船总吨位占世界商船总吨位的25.32%。根据公约要求，当全球有30个及以上的国家且其商船总吨位占世界商船总吨位的35%及以上批准了该公约之后的12个月，公约将进入强制实施阶段。

然而随着IMO压载水管理公约生效的日益临近，船舶压载水处理技术的研究也越来越深入，越来越广泛。单一处理技术的局限性也越来越明显，多种处理技术的联合应用，是压载水处理技术的一个发展趋势。

据MEPC有关人士介绍，对于压载水容量在5000 m3以上的船舶，现在有足够的技术来满足船舶压载水处理公约的要求，并且处理技术以及能满足公约要求的船舶数量都将越来越多。

［1］GloBallast Porgranllne，Ballast Water News，Issuel，April-June 2000：2.

［2］国际船舶压载水及其沉淀物控制与管理公约（2004）.IMO，2004.

［3］陈立桥，李云凯，侯俊利等.船舶压载水导致的生物入侵及其防治对策［J］.华东师范大学学报，2005，12（5）：40-48.

［4］王雪峰.船舶压载水对海洋的污染及处理方法［J］.中国水运，2009，9（1）：4-6.

［5］孙永明.紫外线技术处理船舶压载水的可行性研究［J］.上海海运学院学报，2002，23（2）：23-25.

［6］张杰.高级氧化技术处理受污染源水的试验研究［D］.长沙：湖南大学，2006.

［7］张文兵.均相和非均相高级氧化技术处理水中有机污染物的研究［D］.广州：中国科学院广州地球化学研究所，2003.

［8］刘凤喜，李志东等.Fenton法中的羟基自由基的测定技术介绍［J］.环境研究与检测，2007，20（4）：1-2.

［9］PnagXinxinag，DnagKun，YinPeihai.Researeh on Ballast Water Treatment with Eleetrolyzing Method. First International Conference on Ballast Water Management［R］.April 2001，SinPgore.

［10］党坤.电解法处理船舶压载水的应用研究［D］.大连：大连海事大学，2005.