浅析压载水UV处理装置紫外线辐射杀菌

王西帅 中石化海洋石油工程有限公司

1.压载水处理要求发展进程

船舶压载水的随意排放会致使水体内有害微生物超量繁殖，加剧有害病原体的肆意传播，进而破坏地球不同大洋及海域的生态平衡，会对海洋环境造成不可逆转的恶劣影响。1973年，国际海事组织正式提出压载水问题尤其对有害病原体的迁徙给予了高度重视[1]。1990年，船舶压载水问题被海上环境保护委员提上会议议程，受到船舶行业的广泛关注，继而相关规则、指南、公约陆续出台。为了进一步有效减少并最终消除压载水有害微生物和病原体对自然环境、生命安全、财产资源产生危害的风险，国际海事组织于2004年制定了《国际船舶压载水及其沉淀物控制和管理》国际公约，要求现有船舶及新造船舶必须严格执行压载水性能D2标准（见表1）于2016年之前全部安装压载水处理系统，并且压载水公约已于2017年9月8日强制生效。在不久的将来可能会有更加严格的新标准及新公约出台，这也意味着对压载水处理系统有了更高的要求。

表1 国际海事组织D-2标准

2.压载水处理方式

早期的压载水处理以物理方法居多[2]，应用较多的是海水稀释及置换方法，但海水用量大，更换时间长，消耗能源较多，处理不彻底，只能作为压载水处理初期的暂时措施，无法真正有效的处理压载水。过滤法，离心分离法，也都存在着各种各样的弊端。压载水加热法同样存在着设备处理时间长，耗能大等影响船舶航行的问题。化学催化法中也涉及到了电催化生物灭火技术，臭氧灭火技术及羟基自由基氧化处理技术。从实际应用以及设备装船可行性，运营成本及效能等诸多因素。目前面世的压载水处理装置普遍运用过滤法进行预处理，这样可以去掉较大体积的杂质颗粒和微生物等，从而降低了后一步压载水处理的难度，提高压载水处理设备的杀菌效果。目前常见压载水处理设备见表2。

表2 目前市场一些主要压载水处理设备对照表

紫外线辐射杀菌法作为目前船舶领域使用率相对较高的一套压载水处理方法，同样存在着对灭菌效果产生不利影响的诸多因素。本文在认识紫外线辐射杀菌的基础上，对相关因素进行深入的认识与总结。

3.紫外线辐射杀菌的发现与应用

德国物理学家里特最早发现了太阳光谱中的紫外线。紫外线中用于杀菌消毒的是C波段的中波长为253.7nm的紫外线，一粒波长为253.7nm的紫外线光子载有4.9eV的能量。当微生物遗传物质核酸吸收了一定量的受到紫外线中的能量后，在体内会形成一部分二氮杂苯和间二氮杂苯的异构体物质。这将阻止细菌及微生物的正常新陈代谢，进而破坏了原有的遗传特性，当紫外线辐射时间到达一定程度，便对细菌群体产生灭活效果（图2）。

随着科技的进步、研究的深入，科学家们渐渐发现两个重要现象：第一，微生物在一定的紫外线照射下并没有立即死亡，而是经过一段时间（一般几个小时后）逐渐衰亡。这主要是因为紫外线破坏了微生物的遗传物质DΝA，不能使其进行持续分裂增殖，慢慢地微生物会在数量上呈现递减趋势。第二，细胞在经过紫外线辐射后便立即死亡，但是微生物细胞内部的修复机制使细胞免于彻底破坏。实验证实压载水在经过紫外线灭菌后菌落数可检出的数量为零，但是三天后菌落数量又慢慢恢复到处理以前的水平，说明细菌的光复合能力对处理效果影响较大。大部分的细胞生物在经过UVC辐射过后，并不能够进行基质修复，但是如果进入营养物质丰富，适合生存繁殖的新环境后，已经衰亡的微生物会复活，并对新环境进行新的破坏[4]。所以，要想避免光复合现象，UV装置应保持一定的紫外线辐射剂量及足够的辐射时间。

4.紫外线辐射杀菌影响因素

紫外线辐射剂量是辐射强度辐射时间的乘积，这决定了UV装置的杀菌能力。辐射剂量的大小取决于紫外线杀菌灯的输出功率、辐射时间及灯与微生物之间的辐射距离。而这又牵扯到了影响紫外线辐射强度的几个重要因素：

（1）水质。包含水的色度、浊度及其含铁量在内的因素对紫外线强度影响明显。

1）水的色度。研究人员为了更加直观的证实水的色度会对紫外线强度产生影响，把泥炭的浸出液按不同比例与蒸馏水混合，这些溶液会呈现不同色度[5]。见表3。

表3 色度对紫外线吸收系数的影响

实验发现，色度不断增大的同时，溶液中水对紫外线吸收系数随之增大。这说明作用于细菌的紫外线强度减小，紫外线杀菌效果降低。

2）水的浊度。水中的浊度物质会减弱紫外线的穿透能力，微生物通过与水中大部分的颗粒物质进行不同程度的结合，减小了紫外线的直接照射，实现了自我保护，这样紫外线辐射杀菌效果就大大降低了。现行船舶安装较多的压载水处理装置都是有两大部分组成的，先由高压反冲自清洗过滤器预处理，再由紫外线UV杀菌装置进行杀菌消毒。过滤器首先预处理拦截压载水中＞50微米的生物和悬浮颗粒，改善提高水质的透光度，从而提高杀菌效果（图2）。

3）铁离子。海水中游离的铁离子不仅会吸收紫外线而且经反应生成的含铁化合物在石英套管外壁形成结垢，这都会降低紫外线的有效辐射强度。虽然我们已经意识到这点，但现有的技术手段还未从根源上解决这一问题，所以压载水处理装置新的设计中要充分考虑减少海水中铁离子的含量。

（2）电压。紫外线辐射强度的大小直接取决于灯管上工作电压的高低。因此，要想实现紫外线高效杀菌，就需要灯管保持稳定的工作电压。在UV处理装置中，属低压汞蒸气灯、低压高输出汞蒸气灯以及中压汞蒸气灯的运用最为广泛。相关特征参数见表4。

表4 典型汞蒸气紫外灯特征参数

从表中可以看出：三种常见灯中，功率输出比最高的是低压灯，UV灯管使用寿命最长的属低压高输出灯，在特定辐射剂量下使用灯管最少的为中压灯。在实际船舶运用中中压灯的使用更为普遍，这就给船舶日常工作中减少了不必要的维修保养支出，同时也降低了能耗损失。

（3）温度。周边环境温度的高低对紫外线灯的辐射强度也有一定影响的，温度过高或温度过低都会降低紫外线输出功率。故而，一般紫外线处理装置会在灯管外会加装石英套管，隔绝压载水与灯管的直接接触，就是为了保证灯管的恒温工作。记录实验数据如表5所示。

表5 灯管表面温度与输出功率之间的关系

观察发现，当灯管表面温度为40℃时，额定输出功率实现最大化。

而船用中压UV灯管上电工作时，灯管表面会产生600℃到900℃的高温，产生大量的热量，需要流动的海水介质将热量带走，控制灯管表面的温度在45℃以下，方可保持灯管的正常运行，保证正常的高效的输出功率，同时避免灯管过热烧坏。为了延长UV灯管的使用寿命，UV灯管在断电停机后需要一段时间的冷却操作，该冷却操作同样通过流动的压载水把灯管表面的热量带走，现在的压载水处理装置一般通过PLC控制此过程。即系统执行停机程序后至冷却完成指示，应保持压载泵与外围相关阀门的有效操作，待冷却结束后方可停止压载泵的运行。

除此之外，若紫外线辐射维持在某一强度下，（图3）UV处理装置流量逐渐增大时，海水流速也会相应增大，相应的海水流经处理装置的时间将会减少，进而导致紫外线辐射剂量降低，达不到预期的杀菌作用。此种情况下可以控制压载水流量，使其达到最佳辐射流量，或者对海水进行循环处理增加相应辐射时间。

5.结论及展望

国际相关环保公约的不断出台，对于压载水处理不断提出更高要求，刺激了压载水处理装置在技术与应用上的革新。而围绕在UV处理装置的后续发展改进工作将会进一步的提速，今天遇到的一些影响因素也会随着新技术的出现而迎刃而解。我们可以设想：在保证辐射剂量达标的同时，UV装置腔体内导流将会愈发合理分配均匀，从而减少紫外线灯管的数量，减少设备能耗和降低设备成本;预处理中添加超声波干扰，进而对微生物细胞壁进行有效破坏，使细胞核遗传物质充分暴露，从而对紫外线杀菌灭活效果得到质的提高。相信不久的将来，压载水处理又会有一场新的技术革命。