船舶污水处理技术研究与应用进展

2020-04-22张青青郑祥程振敏郁达伟魏源送

舰船科学技术 2020年3期

张青青，郑祥，程振敏，郁达伟,3，魏源送,3,4

(1. 中国人民大学环境学院，北京 100872；2. 中国科学院生态环境研究中心，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100085；3. 中国科学院生态环境研究中心，水污染控制实验室，北京 100085；4. 江西省科学院能源研究所，江西南昌 330029)

0 引言

近年来，我国船舶运输量和总吨位增长较快，其中我国约34%的外贸出口货物由海运完成[1]。截至2015年末，全国拥有水上运输船舶16.6万艘，其中内河船舶15.2万艘，沿海运输船舶1.07万艘，远洋运输船舶2689艘[2]。随着航运业的快速发展，海运船舶污水成为重要的海洋移动污染源。研究表明，航线污染和港口污染是导致海洋污染的重要因素[3]。我国船舶运输主要发生在近海岸和东海，近海岸富营养化情况日益严重。

现代船舶按照国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）标准，在船级社初次入级检验后，在船级符号后面附加一个或数个标志，如船舶类型、货物装载、特种任务、航区限制、冰区加强等。船舶分类方式包括船舶用途、航行区域等。根据船舶用途，分为客船、普通货船、集装箱船等；根据航行区域，分为远洋船、近洋船、沿海船和内河船等。客轮通常靠近沿海航行，对生活污水排放有严格限制；远洋货轮尽管有时会航行在非限制区域（远洋航区），但各国港口接收设施的完善程度不一，领海及近陆水域保护要求不同[4]，因此，船舶污水排放标准主要按照海域、船舶类型管理，并且日益严格。

因此，本文以海运船舶为主要对象，通过文献综述，分析海运船舶污水的水质特征和新排放标准、海运船舶污水处理技术研究与应用现状，以期为研制船级社认证船舶生活污水处理装置提供借鉴，改善海域环境。

1 船舶污水来源及其水质特征与排放标准

船舶产生的水污染物主要包括生活污水、含油污水、含有毒液体物质的污水和船舶垃圾。据估算，我国船舶生活污水总量约为1 800万吨/年，含油污水约为1 200万吨/年[5]，其中沿海船舶生活污水产生量约为1125万吨/年，船舶含油污水产生量约为350万吨/年。

1.1 船舶生活污水

船舶生活污水（黑水）具有水质水量变化大、污染负荷高的特征。船舶污水以厕所污水为主。由于船舶生活污水较难获得，现有研究通常采用城市生活污水[6-9]、初沉池出水[10-11]、公厕粪便污水[12]等代替船舶生活污水进行试验研究（见表1），但人工模拟船舶生活污水的COD浓度普遍较低。相较于传统城市黑水，船舶生活污水的污染物浓度更高[13]，例如，BOD5991～5 840 mg/L，SS 1 180～4 980 mg/L，这主要是由于船舶卫生系统排泄周期比较短和用水量的限制，导致较高的污染物浓度和污染负荷[4,11]。通常邮轮载客人数远多于货轮，但由于邮轮乘员人数的明显变化，导致船上污水处理设施的水力负荷变化较大[11]，例如，邮轮上的游客人均日产生约31.8 L黑水，253 L灰水[14]，灰水占比85%～95%[15]。另外，远洋船舶近海岸航行时对污水排放要求严格，而远海岸航行时允许生活污水直排，导致生活污水处理系统的污染负荷变化较大，这对处理设备调控要求较高。

表 1 船舶生活污水（含模拟船舶生活污水）的水质特征及其处理工艺Tab. 1 Characteristics of ship sewage water quality and treatment process

表2比较了国内外船舶生活污水排放标准。最早的防止船舶污染国际公约-MARPOL73/78，仅对大肠杆菌、悬浮物、生化需氧量等卫生指标做出了要求。2006年4月国际海事组织（IMO）对IMO73/78附则Ⅳ进行了修改，生活污水排放标准更严格，同时新增COD、pH、余氯等指标。2006年10月13日颁布的MEPC.159（55）决议规定自2010年1月1日开始，凡是吊装到不论新老船舶上的船用生活污水处理装置都应满足新标准的要求。2012年，该标准又增加了总氮和总磷的排放标准，并经后续修订，该标准的排放限值于2016年1月1日起开始全面实施。我国于2018年1月16日发布的《船舶水污染物排放控制标准》[16]，针对不同类别船舶航线和不同的吨级，分别给出了排放控制与实施要求。

表 2 IMO和我国有关船舶生活污水污染物排放限值Tab. 2The limits of ships domestic sewage pollutant discharge standards of IMO and China

针对海运船舶生活污水的水质、水量特征及处理需求，船舶生活污水处理的难点主要如下：1）船舶空间紧张，要求污水处理系统紧凑，因此容积负荷率（Volume loading rate, VLR）高；2）受船舶航行海域、载客运营状况影响，船舶生活污水进水的水量、水质波动较大，出水排放标准也因离岸距离而不同，这对污水处理系统快速启停、功能切换等的自动化要求高；3）船舶行驶过程中的震动和颠簸给污水处理系统的液位调控带来了较大挑战。

1.2 船舶含油污水

船舶含油污水主要包括含油压载水、含油洗舱水和机舱水（见表3）。根据国际海事组织（IMO）的统计，全世界由运输造成的进入海洋环境的石油类污染物总量每年约为147万吨，其中大约70万吨来自船舶压舱水、洗舱水和舱底水[23]。这些含油污水主要包括原油、润滑油、重柴油等，乳化程度高，较难处理。压舱水占含油废水的10%，舱底水约占船舶总重的0.02%～0.05%[24]。由表1可知，船舶舱底含油废水的油浓度6.5～2 000 mg/L，SS133～660 mg/L，表面活性剂 500 mg/L[21,25]，三丁基锡（tributyltin, TBT）25.4～50 μgSn/L[26]，还含有 Pb，Zn，Cu，Cd 等金属元素[26]。

表 3 含油污水来源及特征Tab. 3The sources and characteristics of oily wastewater

1954年国际海洋防止油污公约主要针对原油、燃油、重柴油和润滑油制定了排放标准，1981年炭黑原油排放事故，在排放标准（MARPOL73/78）中将炭黑原油列入，涉及所有油类，随后根据海洋生态条件及交通条件，将波罗的海区域、西北欧区域、海湾区域等规定为特殊区域。当在特殊区域内时，任何油船和400总吨及以上的非油船，禁止将任何油类或油性混合物排放入海；小于400总吨的非油船，未经稀释的排出物含油量不超过15 mg/L。参照IMO制定的MARPOL73/78有关规定，我国制定并颁布了1983年《船舶污染物排放标准》，船舶离海岸距离不同，最高允许排放浓度不同。最新修订的标准GB3552-2018将含油污水分为两类含，分别是货油残余物的油污水和机器处所油污水，其中船舶排放含油污水的控制要求及含油量的最高允许排放浓度如表4所示。

2 船舶污水处理技术研究与应用的现状和进展

从应用现状和发展趋势来看，远洋船舶污水就地处理达标排放，即将污染在船上消除是未来的主导方向，存储排放形式将被逐渐淘汰[14]。为了处理船舶污水，首先必须收集各种污水，然后输送到船用卫生设备（Marine Sanitation Device, MSD）。以往船舶上的粪便污水与其他污水分开收集，也有些船舶为了敷设管路方便起见，采用了混合收集系统。目前大多数国家采取不同方式处理不同类型的船舶污水，通常黑水采用生活污水处理设施处理后排放，灰水直接排放，但也有部分船舶将黑水、灰水、舱底废水混合后处理排放。

2.1 船舶生活污水处理技术现状

20世纪60年代末期，国内外相继开展船舶生活污水处理工艺与技术研究[4]。从船舶生活污水处理工艺的发展过程来看，成功借鉴了岸上的水处理技术。随着船舶生活污水排放标准的日益严格，常规生化/物化技术已经无法满足处理要求[26,29-30]，膜处理技术已成为极具前景的船舶污水处理技术[7,9]。

表 4 IMO和我国船舶有关含油污水排放控制要求与排放限值Tab. 4IMO and China's ship oily wastewater discharge control requirements and emission limits

传统生化技术，COD去除效率85%以上时，每日吨水所需高达150 L[12]，而Sun[31-32]等利用MBR技术，采用2～8 kgCOD/m3·d较高容积负荷处理船舶综合污水，形成了紧凑型船上综合污水处理系统。为适应船舶船体摇摆和水力冲击负荷的影响，研究者探索了不同类型的膜生物反应器（见表5），如复合式膜生物反应器（Hybrid MBR, HMBR）[9]、移动床膜生物反应器（moving bed membrane bioreactor, MB-MBR）[33-35]、一体化A/O MBR[11]。HMBR是在一体式MBR中投加填料或粉末活性炭，使反应器中同时存在悬浮型和附着型微生物，HMBR在较高容积负荷下处理船舶生活污水时，COD平均去除率可达91.63%[9]。一体化A/O-MBR在处理实际综合船舶污水时，COD、TSS的去除率分别达到94.5%，99.9%[11]。由于船舶在海上航行，污水的含盐量变化较大[36]。Kargi F等[37]指出常规生物处理技术不能用于处理氯化钠浓度大于约3%的含盐污水。而通过膜的截留作用，MBR在活性污泥适应5～30 g/L含盐污水的条件下处理效果良好[36,38-40]，但盐度相对较高时，膜污染率更大[17]。

表 5 MBR处理船舶生活污水部分工艺参数Tab. 5The process parameters of MBR treatment of ships domestic sewage

2.2 船舶含油污水处理技术现状

现有含油污水处理技术研究主要是去除舱底水中的石油、表面活性剂、有机锡化物[26,41]、重金属[19,20]等污染物。与常规含油废水处理方法类似，有重力分离、浮选分离、吸附[30,42,43]、过滤及基于过滤技术的膜分离工艺[44,45]等。重力分离是利用油水密度差对油水进行重力分离，代表装置为YSCZ 型油污水分离装置[46]，目前只作为含油污水初级处理。由于舱底含油污水多为乳化油，通常采用混凝/絮凝法破乳，除油率可达90%以上[47,48]，紫外照射和高级氧化可有效降解含油废水中的多环芳烃[49]。这类方法的缺点在于会产生待处理的新固体废物。随着电化学技术的发展，电解法、电絮凝、光催化[41,50]等技术用于处理含油污水，其中电解法的油去除率可达84.8%～99.9%[21]，膜分离产生的浓缩物的油浓度范围为25%～65%，再次浓缩后，最终浓缩物仅占5%～10%[28,51]。

2.3 船舶污水处理装置

以“船舶and污水and处理”为关键词在国家知识产权局上检索，一共可检索到444项专利，分析整理发现，2010年前，专利大多数采用传统生化处理技术处理内河船舶污水，而在2010年后，专利研究设备开始以膜技术为工艺主体，且不再仅针对内河船舶，已扩展为海洋船舶污水处理。

MBR的容积负荷高、占地面积小，对解决海洋船舶上空间有限的实际问题具有重要的现实意义[52]。2014年ACOMarine公司陆续推出了Maripur NF和 Clarimar MF系列处理设备，可满足IMO MEPC 227（64）认证要求。Wärtsilä开发了以生化技术为原理的超三叉戟污水处理设备，以及适合小型邮轮和海军舰艇的MBR污水处理系统（Hamworthy miniMBR）。2015年威立雅旗下的RWO公司推出了以MBBR为主要技术的新型CleanSewage Bio污水处理系统。芬兰的EVAC公司污水处理产品包括适用于大型邮轮的MBBR，适用于其他各类船舶的MBR和适用于海军应用的电解污水处理设备（见表6）。然而调查表明，40%的邮轮仍在使用20世纪80年代开发的污水处理技术[53]。