过滤-紫外线法处理船舶压载水的影响因素

潘思宇，顾鑫超，郭晓亮

（1. 上海船舶设备研究所，上海 200031；2. 大连船舶重工集团有限公司，辽宁大连 116000）

0 引言

压载水是船舶安全、平稳、高效航行的重要保障，但也是引发外来生物入侵的主要因素之一。据国际海事组织（IMO）估计，每年世界船队约携带压载水100 亿吨，大约7 000～10 000 种不同的有潜在危害的海洋微生物、植物及动物随船舶压载水搬运至全球各地[1]，物种相互入侵会打破原有生态系统的平衡，造成排放水域污染，进而对社会经济、人类健康产生不良影响，全球环境基金组织已将“水生物通过压载水入侵到新的环 境”确认为危害海洋的四大威胁之一，控制压载水污染成为航运业面临的重要问题。依照《国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》要求，压载水排放需满足公约D-2 标准要求。

紫外线法在船舶压载水处理中的应用已有大量的研究[2]，然而受压载水水质等因素影响，单纯依靠紫外线法处理船舶压载水，处理能力有限，为达到更好的处理效果，目前各国企业多采用“过滤-紫外线法”的组合工艺，包括美国Hyde、英国海诺威、韩国PANASIA Co. Ltd 以及国内多 家企业[3]。

1 过滤-紫外线法的原理及优势

过滤法是指在压载操作过程中利用过滤系统截留一定尺寸的微生物，降低有害生物的吸入量。过滤法去除大于筛孔物质的有效率为95%～98%，目前较为有效的过滤系统是滤孔为50 μm～150 μm的楔形过滤器。过滤精度、过流速度和反冲洗频率等因素直接影响过滤系统的复杂程度和运行成本。

紫外线对水中微生物有杀灭作用，其有效作用波长范围为240 nm～260 nm，在253.7 nm 处灭活效果最佳，其灭菌的机制主要包括以下2 个方面：1）微生物受紫外线照射，细胞内核酸吸收紫外线的能量，使自身代谢出现障碍，阻碍遗传因子的复制和转录，封锁细胞蛋白质的合成，造成生长性、再生性细胞死亡；2）紫外线穿透微生物的细胞壁破坏细胞质，损害细胞，抑制细胞活性。

紫外线法自1901 年发展至今，技术发展成熟，设备简单，运行稳定，不产生二次污染，是一种有效且环境友好的方法。而过滤-紫外线法则是将机械分离和生物灭活技术组合起来的两级处理工艺，即先进行前置过滤，将压载水中大尺寸的物质过滤去除，再利用紫外线对剩余微生物进行灭活处理，这种组合工艺不涉及化学反应，无需投入化学药剂，不会对船舱和管路带来腐蚀问题，不会造成出水的二次污染，对人体健康及船体结构更加安全可靠；该工艺系统部件少，结构紧凑，尺寸小、重量轻，安装方式灵活，系统操作简便，运行维护成本低；紫外线杀菌效率高，具有广谱性，适用于各种流量各类海域条件。因此采用该工艺的压载水处理装置应用最广，最具发展前景。

2 过滤-紫外线法的影响因素

过滤-紫外线法压载水处理技术的处理效果受水质、过滤设备精度、灯管类型、灯管电压、温度、紫外线辐照剂量等因素影响。

2.1 水质

水质对紫外线杀菌的效果影响较大，具体因素包括水的色度和浊度。

丁南瑚等[4]利用泥炭浸出液模拟不同色度对紫外线强度的影响，经试验发现水对紫外线的吸收系数随色度的增大而增大，则证明水的色度越大，紫外线的有效强度越小，其杀菌效果越差。

浊度对紫外线杀菌效果的影响体现在水中的浊度物质会影响紫外线在水中的行进，紫外线被浊度物质吸收、散射或反射导致紫外线照射在微生物表面的剂量降低，或者微生物与水中颗粒物结合，利用颗粒物对紫外线产生屏蔽，导致灭菌效果降低。柯强等[5]在对紫外线杀菌效能研究中发现，紫外线杀菌效能随水的浊度增加而降低：水的浊度为0.5 NTU 时，细菌去除率达到98%，浊度小于5 NTU 时紫外线杀菌率在90%以上。当浊度小于20 NTU 时，紫外线杀菌后的出水细菌总数保持在100 个/毫升以内。但随着水中悬浮物数量逐渐增加，当浊度为40 NTU 时杀菌效率降至12.7%；浊度继续增加杀菌率基本不变。由此确定40 NTU 是紫外线杀菌的极限浊度，同时，为保证系统具有较高的杀菌效率，应确保进入紫外线杀菌阶段的压载水浊度小于5 NTU。

2.2 过滤设备精度

紫外杀菌效果受浊度影响较大，将过滤工艺设置在紫外线装置前端，利用过滤设备截留掉部分水生物及颗粒杂质，对后端紫外杀菌的效果有显著提升，而过滤的精度、处理效率直接影响后端的紫外线杀菌的处理效果。过滤设备的过滤精度越高，处理效率越高，经过过滤的压载水水质越好，紫外杀菌的效果就越好。但是对过滤设备的精度要求过高，会加速过滤设备的堵塞，影响整体工艺的处理效率，同时运行维护成本也会随之增加。

参照《国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》中的D-2 性能规定的极限值[6]：每立方米压载水中最小尺寸≥50 μm 活的有机体不超过10个；每毫升压载水中最小尺寸10 μm～50 μm 之间活的有机体不大于10 个，通常选择50 μm 作为初级过滤设备的精度。

实际应用中为保持设备的过滤能力，保证过滤效率，常在过滤设备设置自清洗或反冲洗模块，例如美国Hyde 公司研发的Hyde Guardian，该设备将压载水先通过自清洗过滤处理，再利用紫外线处理杀灭水中的微生物和细菌，设备运行稳定高效。

2.3 灯管类型

紫外灯管分低压灯、低压高强灯和中压灯。低压灯杀菌紫外能在253. 7 nm 波长单频谱输出，灯管运行温度40℃，单根紫外灯的紫外能输出为30 W～40 W，常用于低流量水处理系统。低压高强灯杀菌紫外能在253. 7 nm 波长单频谱输出，单根紫外灯的输出功率约100 W，运行温度在100℃左右。由于低压高强灯输出功率可以根据水流变化和水质情况调节，因此低压高强灯的耗电量相对较低，灯管的寿命更长，在中型水量的水处理中应用较为广泛。中压灯的杀菌紫外能在200 nm～280 nm 杀菌波段多频谱输出，单根紫外灯的输出功率大于420 W，灯管运行温度高在700℃左右。中压灯因其辐射强度高，对水体的穿透力强，适用于大水量或悬浮物多、浊度高的水处理系统[7]。低压灯使用寿命通常不低于12 000 h，中压灯寿命一般不低于3 000 h，水处理系统中采用中压灯系统维护成本相对较高。

2.4 灯管电压

紫外线辐照强度受灯管工作电压高低的影响较大，表1 列举了同一紫外灯管在不同电压下的紫外线辐照强度变化。从表可知，电压每下降10 V，紫外线的辐照强度随之减弱 15 μW/cm2～20 μW/cm2[8]，所以保持灯管工作电压的稳定性的保证紫外线的杀菌效果的基本条件。

表1 同一紫外灯管在不同电压下的 紫外线辐照强度

2.5 温度

温度对紫外杀菌效果的影响主要体现在对紫外线辐射强度的影响。通常紫外杀菌所用的汞灯的理想放射温度在40℃左右，此时灯管的紫外线输出功率最高，紫外线辐照强度最大。若灯管四周过流介质的温度高于或低于40℃时，灯管的输出功率均会出现不同程度的下降，当环境温度过低，低于5℃，此时汞灯很难启动。目前通常采用在紫外线灯管外部套上石英套管的方式，利用灯管与石英套管之间的空气层减少低温水体对紫外线杀菌效果的影响，同时也利于工作状态下灯管的散热。实船应用中在条件许可的情况下，可以考虑利用船舶主机废热把压载水温度提升到35℃～45℃，以保证灯管的紫外线输出功率。

2.6 紫外线辐照剂量

紫外线装置的杀菌能力由紫外线辐照剂量决定，辐照剂量与辐照强度和辐照时间成正比。系统内平均紫外线辐照强度越强，辐照时间越长，辐照剂量越大。辐照强度受灯管的输出功率、水的吸光系数和水层深度等因素影响，辐照时间与紫外线装置的有效容积和流量有关，如式（1）。

式中：W为辐照剂量，μJ/cm2；I为距离紫外灯中心不同距离处的辐照强度，μW/cm2；t为辐照时间，s；I0为紫外灯中心的辐照强度，μW/cm2；k为距离紫外灯管的距离，cm；d为水的吸收系数，cm-1；V为装置的有效容积，L；Q为水的流速，L/min。

孟梦等[9]用仿真软件对杀菌器内流场分布和紫外辐射强度进行模拟，发现在装置进、出水口设置三角形导流板可以降低水的流速，延长紫外辐照时间，进而增强了紫外线辐照剂量。王军等[10]通过优化紫外线装置内部灯管的布置形式，采用灯管沿装置筒体截面呈X 型布置形式，使紫外辐照强度分布更均匀，进而提高了装置的杀菌能力。

水体中的微生物种类丰富多样，紫外线对细菌、真菌、病毒、芽孢等微生物均具有灭活作用，但是不同类型微生物对紫外线的敏感性不同，因此不同微生物被灭活所需的辐照剂量不同。实际应用中要综合考虑各种影响因素，选定合适的辐照剂量，既实现有效灭活，又不造成能耗浪费。通常新投入使用的紫外线杀菌装置的辐照剂量应大于 12 000 μJ/cm2，保证辐照剂量不低于9 000 μJ/cm2，可实现99.99%的灭活效率。

3 结论

过滤-紫外线法在船舶压载水处理方面具有明显的应用优势和广阔的应用前景，对其工艺的影响因素进行分析发现，通过提高过滤精度提升水质、优化紫外线装置内部结构和灯管布置形式等措施改进设备自身工艺参数，可以有效提高压载水处理能力。

随着国内外对压载水处理系统工艺的深入研究，提升工艺的处理效率不再局限于单一技术，除了通过优化自身工艺参数提高处理效率外，在过滤-紫外线法工艺中引入超声波法或者氧化灭菌技术，协同作用，也是未来船舶压载水处理技术的发展方向。