船舶压载水灭活处理技术对比分析

操焱银，辜康立

（中国船级社实业公司 广州分公司，广东 广州 510235）

0 引言

船舶可以通过装载/卸载压载水来调整船舶的吃水高度，保障船舶的稳性和结构强度，从而减小船体变形，改善其空舱试航性能；但是，由于船舶压载水传输所导致的有害水生物和病原体造成的污染已经严重威胁到了全球海洋环境和人类的健康和财产安全。

据此，《国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》和相关国家立法应运而生，这些公约和法规均对船舶的压载水排放作出了明确的要求。为达到公约规定的压载水排放要求，压载水处理系统已成为国际航行船舶上非常重要的设备[1]。

1 压载水处理方法

压载水公约将压载水管理分为D-1置换标准和D-2处理标准。压载水的置换仅仅是过渡时期的一种过渡性管理措施，唯有对压载水进行处理，使其达到D-2排放标准才是压载水管理的最终目标。

D-2处理标准的实现途径是在船上安装经认可的压载水处理系统，使用灭活处理技术来减少或消灭压载水中的有害微生物，从而达到公约和法规要求的排放标准。

2 灭活处理技术分析

灭活处理过程主要有物理处理方式和化学处理方式，各种灭活处理层次图如图1所示。

图1 灭活处理层次图

2.1 物理处理方式

1）紫外线UV照射

紫外线杀菌是通过照射破坏微生物的脱氧核糖核酸（NDA）和核糖核酸（RNA）实现的[2]。该技术是一种成熟的水处理消毒杀菌技术，在陆地和船舶上都得到了广泛的应用，如饮用水的处理和餐具的消毒。

紫外线照射技术具有如下优点：

①紫外线杀菌是目前所有消毒技术中广谱性最高的，几乎所有的细菌病毒都能被高效杀灭；

②紫外线技术是纯物理性杀菌，不加入或不产生任何化学药剂，处理后的压载水在排放时无须加化学剂中和，不会对水体、周围环境和人类产生二次污染；

③紫外线设备都有金属密闭的空间，紫外线不会外泄，不会对操作和维护人员产生意外伤害；

④紫外线设备运行时本身不发出任何噪声，可以长时间连续运行；

⑤适用于海水和淡水，水中含盐量和水温的高低，对其工作无影响；

⑥装置简单，易维护，对船员技术要求不高；

⑦紫外线灯管装置串联于管系，装置占地面积不大；

⑧其处理的压载水在舱中规定的留存时间为0，适用于短途航行。

紫外线照射技术具有如下缺点：

①紫外线照射技术处理压载水，不能彻底杀死微生物，为了提高杀菌效果，摄入和排出时都需经由紫外线照射，即双向处理；

②紫外线灯管由石英玻璃制作，易破碎，备件费用高；

③紫外线杀菌效果受制于光照强度和其在水中的透射率，水的浑浊度直接影响到杀菌效果和装置耗电量；使用中紫外线灯管容易积垢，必须装有刮刷清洁灯管的装置，同时需定期测量光强度，定期拆出灯管，清除顽垢；

④装置耗电量大，间接导致船舶耗油量增大，运营成本的增大，对船舶的动力设备、船舶电站容量和航运经济性产生明显的影响；

⑤其装置为全处理式，加装的额外管路与压载水总管同尺寸，管路布置困难，占据空间较大；

⑥灯管工作温度高,需配套装有灯管的冷却系统。

2）脱氧技术

脱氧技术是指在封闭的压载舱内，在压载水摄入的同时，在压载管路上通过文丘里管注入氮气惰性气体，减少压载水中的溶解氧的含量或减少压载舱内压载水上方的氧分压，致使好氧生物缺氧窒息灭活。

脱氧技术的优点：

①利用碳分子筛的吸附特性，利用物理方法将空气中的氧和氮气分离而获得氮气，容易制取，不发生任何化学反应，无污染；

②制氮装置简单，功率相对较小，只需加装1套空压机（也可使用原船的空压机，加1套减压阀组将压力减压至制氮装置的工作压力即可）、制氮设备、空气瓶、检测和控制装置就可制得纯净的氮气；尤其适用于原本已安装制氮装置的油船、化学品船、液化气船，只需通过一细小管路引入机舱即可；

③压载水管路改动量小，对水质无要求；

④氮气充入压载舱，有益于压载舱的涂层保护。

脱氧技术的缺点：

①压载舱内留置时间长，不适用于短途航行；

②制氮过程分离出的富氧气体为危险气体，遇可燃物极易发生爆炸；

③纯氮气引入机舱，如产生漏，则威胁船员安全；

④压载舱需密封，原透气帽全部得更换为压力/真空阀，必须保证压力/真空阀的正确维护和动作，否则对船体结构安全产生威胁；

⑤对船员的素质和责任心、压力真空的监控仪器的可靠性要求高；

⑥脱氧处理技术仅对压载水中的好氧生物和好氧菌起灭活作用，不能杀死胞囊、孢子、厌氧细菌等厌氧生物，处理后的压载水难以达到D-2排放标准，限制了其发展，截止到目前，还没有一家采用此技术的压载水处理装置获得美国USCG的认可。

3）空化和超声技术

水力空化技术是由流动的液体经某一水力空化器（如孔板），随着流速和压力的变化产生空化泡，在空化泡溃灭瞬间产生高压高温，从而杀死或除去水中的微生物和杂质。超声波空化是指通过超声波产生空化现象。

水力空化和超声波空化都因其产生“空泡腐蚀”会对船体结构构成威胁。目前仅在部分压载水处理系统中使用超声波净化器对海水进行初灭活，为后续的处理提供良好条件，作为辅助处理环节。

2.2 化学处理方式

化学处理是指通过直接添加或者船上制备化学剂来杀死压载水中的微生物。主要包含电解法、臭氧技术和化学品注射法。

1）电解法

电解海水产生次氯酸、次氯酸钠等，将微生物体内的生物酶氧化分解致其失效，或作用于微生物的细胞壁，使其通透性增大，导致细胞因细胞质流出而死亡[3]。

2）普通电解法和电催化氧化技术

电解法按电解的方式及其电解产物的不同可分为普通电解法和高级电解法（电催化氧化技术）。

普通电解法是指在壳体状的电解槽主体内配置有作为电极的阳极、阴极，海水流过其中，因海水中存在氯化物离子和氢氧根离子，一旦向阳极、阴极间通过直流电流，就会在阳极生成氯，在阴极生成氢氧化钠，氯与氢氧化钠反应，生成次氯酸。

电催化氧化技术是指采用不同的电子浮发特殊半导体材料分别作为阴、阳极，两极输入直流电压，使电解槽中的海水发生化学反应，产生-OH羟基自由基来杀菌。

普通电解法具有如下优点：

①只需压载水摄入过程进行处理，即单向处理；

②主要原理为次氯酸杀菌，技术成熟；

③装置能耗相对较低；

④对水的浑浊度无要求。

普通电解法具有如下缺点：

①只适用于海水和盐水，对水质的含盐量有规定，不适用于淡水；对于船舶将挂靠淡水港口，抵港前需在船上舱室内预留一定量的海水或在船上储备大量的高盐分盐，供压载时对压载水进行电解处理之用；

②产生化学剂次氯酸钠，如处理不当，将对水域造成二次污染，排放时必须对TRO（总残余氧化剂）进行检测和中和，以满足相应排放要求；

③电解过程产生的氢气为易燃易爆气体，须特殊的排除装置和运行中监测；

④电解过程中产生的次氯酸呈弱酸性，对压载管路、舱室和设备产生一定程度的腐蚀；

⑤功率消耗介于紫外线照射与电催化氧化技术之间，且与水的盐度和温度关系紧密，水温偏低或偏高、盐度下降都将导致装置能耗迅猛增加；

⑥电极在规定工作条件以外的范围工作时，本身材料的消耗将增大，结垢的可能性和速率将增大；电极为消耗品，有规定的工作寿命；

⑦压载舱内留存时间有要求，不适用于太短的航线；

⑧电解槽工作时，随着电解电流的大小，会产生一定的噪声；

⑨日常的运行维护管理和故障排除等工作对船员的素质有一定的要求。

电催化氧化技术的优点：

①压载水在舱中留存时间为0；

②仅需进行单向处理，装置能耗低；

③主产物羟基自由基杀菌效果好，灭杀彻底，不产生氢气，系统较安全。

电催化氧化技术的缺点：

①是一种全新技术，技术不够成熟，系统运行的稳定性和可靠性较差；

②产生的羟基自由基，存在时间极短（通常为几纳秒），其浓度或者数量无法检测和监控；

③附属产物为次氯酸，对压载舱及管路存在一定程度的腐蚀，在排出压载水需中和处理。

2）全电解和部分电解

电解法按电解海水与压载水的比例分为全电解和部分电解。

全电解是指船舶压载过程中摄入的全部压载水均通过电解槽进行电解，整个压载水管理系统的管路与压载水主管同尺寸。

部分电解（支路电解）是指仅从压载泵出口或系统的滤器出口接一支管，引入部分压载水进入电解槽进行电解，电解后的压载水（含高浓度化学剂）再排向压载水总管，这一路支管尺寸较小。

全电解和部分电解的详细技术对比如表1所示。

表1 部分电解和全电解的详细技术对比

3）臭氧技术

臭氧具有强氧化性，溶于水后，直接或利用反应生成大量的羟基自由基和新生氧，氧化水中的无机物、有机物，破坏分解微生物的细胞壁、细胞内的酶、DNA或RNA等，从而破坏微生物的代谢和繁殖过程。臭氧消毒灭菌过程属于生物化学反应，技术成熟，灭菌彻底，无残留，杀菌广谱。

臭氧有很高的能量，很不稳定，在常温、常压下分子结构易变，很快自行分解为氧和单个氧原子[4],因此无法瓶装贮存，只能利用臭氧发生器现场生产，并立即使用。臭氧发生器主要有高压放电式、紫外线照射式、电解水式。目前正在研究并使用于船舶压载水处理系统的臭氧发生器多采用电解水法制取臭氧，通过气液混合泵使之与水混合。

臭氧技术的优点：

①臭氧稳定性差，很快会自行分解为氧气或单个氧原子，不存在任何有毒残留；

②臭氧为气体，在水中的溶解度是氧气的10倍，能迅速弥漫整个空间，灭菌无死角；

③臭氧的杀菌能力不受PH值变化的影响，其杀菌能力比氯大300～6000倍。

臭氧技术的缺点：

①长期暴露于臭氧浓度较高的环境中，致癌的几率大增；

②臭氧发生装置产生氢气，易燃易爆，对船舶、船员的安全构成威胁。

4）化学品注射法

化学品注射法是指向压载水中注入化学产品来杀菌消毒。化学品注射的方式：成品直接注射，如次氯酸钠粉末溶解搅拌后直接注射（只适用于小型船舶）；或分别由几种储存的化学品在需要时混合发生化学反应生成。

化学注射剂以注射二氧化氯、次氯酸钠、次氯酸钙为典型，也有注射高铁酸盐和厂家研制独特的化学剂等。

化学品注射法技术成熟，操作简单，相比于普通电解法而言对水质的盐度、温度的适用性不受限制；但化学剂的采购、供船、储存、破包和搅拌（固体化学剂）处理，对船员的安全产生一定程度的威胁；船舶营运中一直需采购化学剂，成本较高；化学剂储存空间大，对储存环境的要求高；处理后的压载水需中和剂中和残余的物质，中和剂的供给、储存、处理等同样要求严格。

2.3 各灭火技术主要特性对比

各项灭活技术主要特性对比如表2所示。

表2 各种灭活技术主要特性

3 结语

目前市场上的压载水管理系统所选用的灭活技术各有其优缺点，船东在选择适合自己船舶的压载水处理系统时应充分分析论证各个系统所采用的灭活技术，在船舶类型、空间布置、设备兼容、水质要求、运行维护、装置成本和系统安全性等方面，结合船舶特点，采取必要的优化措施克服或者弱化这些缺陷，筛选出最适合自己船舶的压载水处理系统。