绿色船舶压载水处理系统的设计理念.docx
《绿色船舶压载水处理系统的设计理念.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《绿色船舶压载水处理系统的设计理念.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
绿色船舶压载水处理系统的设计理念
绿色船舶压载水处理系统的设计理念
船舶压载水是船舶离岸时携带用于船舶稳定平衡的压载物，许多种细菌、植物、动物存活于压载水及其沉淀物中，据估计，全球所有海上运输船舶所携带的压载水数量，每年大约有120亿吨，每天存在于船舶压载水中随船周游世界的生物达7000种。
如此，从一个国家港口加装的的压载水所含的水生物，就会在船舶到达另一个国家港口装货时随压载水被排放到改过的水域中，其中某些生物可能会造成经济和环境方面的灾难性后果。
最近国家环保总局公布，我国由于生物入侵造成的直接经济损失高达５７４亿元，其中海洋入侵生物是主要成因之一。
国际自然资源保护联合会公布世界上１００种最危险的外来生物物种约有一半入侵到我国！
近些年来，我国沿海赤潮越来越严重，其重要原因之一是外来生存能力较强的赤潮生物的危害。
有关方面在对大连港口船舶压载水入侵生物现状的调查时发现，４种甲藻等有毒藻类是通过船舶压载水传播到我国的，并造成大面积的赤潮灾害。
随着经济全球化和世界贸易的发展，船舶越来越大，船速也越快。
不幸的是，船速的加快导致船舶两港航行时间的缩短，也增加了外来有害水生物存活和转移的可能性。
1993年，IMOA.774（18）号决议，将解决有害水生物和病原体船舶置于重要地位。
并在2004年2月9至13日，在英国伦敦召开的外交大会通过了《关于船舶压载水及其沉积物管理和控制的国际公约》，为压载水及其沉积物管理和控制提供了具有法律约束力的规定。
全球工业联盟（GIA）于2009年3月2日在IMO总部伦敦启动，以消除船舶压载水带来海洋外来生物入侵所造成的威胁。
因此，为达到IMO排放标准，研究快速高效去除微生物的船舶压载水处理系统势在必行。
一、传统处理技术及其弊端
传统的大多数压载水处理系统是使用沉降法（利用颗粒物的自重）或表面过滤（使滤器的孔径小于颗粒物或微生物的尺寸）将固体悬浮颗粒物包括大型悬浮微生物，从压载水中分离出来后再进行化学或物理方法消毒，已达到杀死压载水中病菌和微小生物体的目的。
1分离：
压载水处理系统中的过滤装置通常是自动反洗式圆盘或固定筛，去除
较大生物如浮游生物使用的过滤装置需要孔径为10μm和50μm的过滤筛。
这样的过滤器可以广泛用于压载水处理系统的固－液分离，其效率主要于额定操作压力下的流量有关。
保持流速即要求过滤器经常定期清洁，流量、操作压力和清洁频率之间的平衡决定了过滤的效率。
理论上讲，表面过滤可以去除亚微米（即尺寸小于1μm）级的微生物。
但是，压载水处理不能达到这一标准，主要原因是滤膜材料的渗透性较低。
旋流分离技术是过滤方法以外的又一种选择，该方法将水流高速注入设备，水流的旋转产生离心力，从而提高沉降的效率。
分离效果取决于颗粒与周围环境水之间的密度差、颗粒大小、旋转速率和沉降时间。
旋转分离器和过滤都能够去除较大的颗粒，用凝聚－絮凝的方法进行前处理会提高处理效率。
但是，絮凝过程的效果与时间有关，同时也需要较大的舱室。
2灭菌：
压载水处理系统中常用的化学物质和化学处理方法如下：
电解法、臭氧法、氯化法、二氧化氯、过氧乙酸、过氧化氢、维生素K等。
这些处理方法的效率与水的物理化学性质，如pH值和温度有关，但最重要的因素是生物种类。
氯气处理是相对便宜的方法，但是只有在浓度达到至少2mg/L时，才能有效杀死胞囊。
氯气消毒也会产生很多有害副产物，特别是含氯烃类和三卤甲烷。
O3处理产生的有害副产物较少，最主要的是溴酸盐，也需要相应的设备发生O3并将其溶解在水中。
二氧化氯在自然界中普遍存在着，但当其单独作为化学试剂投放在水中时就会产生危害。
过氧乙酸和过氧化氢（德国的Peraclean产品使用的是这两种物质的混合物）在水中的溶解度很大，产生的有害副产物很少，且Preclean试剂的性质相对较稳定。
但是这种试剂比较昂贵、每次需要加入的剂量较大，需要使用大体积的存储设施。
这些化学处理过程都需要逆流固－液分离过程降低化学处理过程的难度，因为这些化学物质液可以与压载水中的有机物和其它颗粒物质发生反应。
后处理过程是为了去除消毒过程的残余物，特别是氯处理，如果残余物的浓度较高，在排放前需要加入去除剂（硫酸钠或硫酸氢钠）。
在压载水处理中，需要加入2mg/L的氯气才能有效杀灭压载舱中的生物。
但是在排放前，氯的浓度必须降至0。
甲萘醌，或维生素K作为一种自然物质并不常见（虽然已经有大量商用的人工合成维生素K），但其使用过程相对安全，2008年美国FDA和EPA出台对其使用的批准。
HydeMarine的Seakleen最先在压载水处理系统中使用了该物质。
可见化学品处理要求很高的剂量才能满足IMO标准。
活动物质需要一定的时间才能其作用，额外的添加物在船上需要存储空间且增加了船舶的负载量，同时化学品存在安全隐患。
物理消毒：
在所有的物理消毒方法中，紫外法最常见，该过程使用包裹在石英罩的汞灯，产生不同波长和强度的紫外线。
这是一种常见的广谱消毒方法，可以有效杀灭多种微生物，包括病毒和胞囊，但是该方法要求处理水的紫外光透射性强、透明度高，且需要有有效的方法去除石英罩上的结垢。
因此，去除水中的混浊物质是该系统必要的前处理过程。
紫外线的处理效果可以通过与其它物质结合来提高，如O3，H2O2或TiO2，加入这些物质比单纯使用紫外光的氧化能力更强。
其它物理消毒方法也不是都需要前处理。
但是，其处理效率有一定的局限性。
脱氧处理过程需要花费几天时间，因为将生物窒息需要较长的时间。
空穴和超声法都是作用于生物表面，通过微泡的破碎来破坏细胞壁。
目前，对这两种处理方法的认知程度不如其它处理方法，使用这两种方法的处理系统也会加入化学消毒剂适当的提高消毒效率。
二、国内外技术发展现状及趋势
目前，许多公司正积极尝试各种化学、物理和机械处理方法，希望能符合IMO计划的标准。
而国际市场上也仅有瑞典阿法拉伐公司等极少数企业产品通过了ＩＭＯ的认可，并在实船上运用。
如图1所示。
图1阿法拉伐公司的PureBallast处理系统的紧凑式设计
在压舱水装载和排放期间进行水处理。
该系统配置了二氧化钛催化剂，能在光激发时产生自由基。
生命周期仅为几毫秒的自由基可分解微生物的细胞薄膜——无需使用化学剂，也不会产生有害的残留物。
就目前的运用成果看，阿法拉伐公司的PureBallast处理系统的紧凑式设计最符合现有的船舶设计习惯，对压载水系统的设计影响最小。
最近，日立工业设备技术与三菱重工业宣布，两公司共同开发的船舶压载水处理系统通过了国际海事机构（IMO）有关《使用活性物质的压载水管理系统的认证程序指南（G9）》的基本认证。
今后将力争在09年7月之前取得IMO的最终认证，并获取日本国土交通省的机型认证。
在获得认证后，将为投放市场做准备。
为此，两公司计划在08年4月～09年3月的一年时间内实施船上试验。
如图2所
图2日立工业设备技术与三菱重工业开发的压载水处理系统
由于该设备需要装在船舶的尾部甲板上，因此该技术需要改变现有的船舶压载系统的配管设计。
不适合旧船的达标改造，也不适应船舶设计师的设计习惯。
2008年12月31日，由韩国Techcross有限公司研发的Electro-CleenTM压载水管理系统是通过电解产生氯的方法进行生物灭活，属于使用活性物质的压载水管理系统。
该系统分别于2006年2月和2008年10月通过了IMO的初步批准和最终批准。
成为全球第四个通过型式认可的压载水管理系统。
远洋船压载水净化处理关键技术研究的发展趋势包括：
“远洋船舶压载水物理净化处理技术”、“远洋船舶压载水快速检测技术”和“远洋船舶压载水羟基自由基处理技术”等多个方面，就目前的使排放达到IMO标准发展而言，正在想着综合、简便、集成、利用机械和物理的方法对海洋生物进行处理的方向发展。
我国一些企业也在做这方面的研究，并且取得了很大的成绩。
系统采用的方法也很多，
本文所论述的船舶压载水净化处理系统基于UV技术，以IMO公约对压载水中微生物的排放标准为标准，设计出适合船舶机舱结构，设备小巧，便于操作，不对海洋近岸水域形成新污染的绿色治理船舶压载水处理系统。
传统的船舶压载水系统是通过海底门，经过主海水泵再经过通海滤器对海水中的杂质进行必要的过虑后即进入压载水管和相关的生活、消防水管，而没有考虑大量的携带海洋生物压载水和舱底水的防生物处理问题。
压载水处理系统必须考虑船舶机舱狭小，设备多的特点，又要做到不需要经常维护、结构简洁、还能通过扩展模块过虑较大流量，同时兼顾到进水和排水。
本压载水处理系统装置设计目标是处理后的压载水能够符合IMO公约微生物排放标准。
且要兼顾现有船舶的机舱特点以及要在短时间内处理数量庞大的压载水的特性。
2004年2月13日在国际海事组织（IMO）总部召开的外交大会上通过了《船舶压载水及沉淀物管理与控制国际公约》，其对船舶压载水中微生物的排放量制定了严格的标准：
进行压载水管理的船舶排放的压载水，应每立方米少于10个尺寸大于或等于50微米的可检出存活生物，或每毫升少于10个尺寸小于50微米，大于或等于或等于10微米的可检出存活生物，而且指标微生物的排放不应超过特定的浓度。
对于人类的健康标准，指标微生物应包括但不限于：
1）每00毫升小于1cfu的有毒霍乱弧菌（01和0139）《cfu=菌群单位》或克的浮游动物样品（湿重）小于1cfu。
2）每100毫升250cfu的大肠杆菌。
3）每100毫升100cfu的肠道球菌。
船舶压载水对海洋的污染包括有毒液体物质、有害物质和来自疫区的含病毒、病菌压载水等非油性污染。
有毒液体物质主要来源于货舱内排出的压载水和洗舱水，而且大多是化学品船舶所造成。
排入海中的有毒物质其物理化学性质的差别很大，所以对海洋环境的影响和表现形式也各不相同，或沉入海中或漂浮于海面，有的容易与海水中物质起化学反应，有的在水中迅速消散，其危害也大不相同。
压载水完整的处理分为两个阶段：
机械预处理阶段与后期微生物去除阶段。
机械预处理采用在海底门旁直接设置絮凝箱设计，再接水旋分离器和自动反流冲洗预过滤滤器的结构。
而本压载水处理系统装置研究设计，基于UV技术的压载水处理装置的关键技术在于后期微生物的去除。
在压舱水装载过程中，海水通过机械预处理阶段的预过滤器除去较大颗粒与生物体。
消除压载舱中沉淀物积聚的隐患。
然后再进入压载水处理单元，该单元产生的自由基可有效分解通过过滤器的较小生物。
压载水装载完毕后，预过滤器会自动反冲清
洗处理设备，任何反冲水都会在压舱水装载地点直接返回海洋。
在压舱水排放时，压舱水再次通过压载水单元，目的是为了消灭航行期间船舱中生长的任何微生物。
但是此阶段不再通过过滤器，这是为了避免过滤器反冲。
该处理过程消除了排放区域经由过滤器产生二次污染的风险。
压载水处理单元的自由基主要为羟基。
UV灯管极短的时间内将输入的高能量转变成高密度而连续不断的、具有一定波长的的紫外线,以外置石英玻璃管中的锶作为催化剂，电离水生成游离态臭氧和一部分游离自由基，游离态臭氧一部分溶于水，其余的一部分通过活性炭过虑器，将水中的O3吸附脱除，定时加热活性炭，使吸附在活性炭内的O3通过透气管排出船外，避免O3对压载舱金属舱壁的腐蚀。
室温下，排除船外的臭氧会在4~12h衰减，分解为氧气，不会造成二次污染。
溶于水的臭氧生成自由基—羟基，完成本装置的化学反应。
羟基具有极强的氧化性能，与氟的氧化能力相当。
羟基致死有害微生物原理：
入侵生物氨基酸氧化分解：
入侵生物体中蛋白质的氨基酸带有活性基团（—OH、
—NH等），在维持蛋白质的构型和酶的催化活性中起着重要作用，一旦它与羟基发生反应，导致蛋白质化学损伤以及入侵生物死亡。
压载水中微生物体的基本结构和功能单位是细胞，细胞的薄膜（包括细胞膜和生物膜）主要由脂类和蛋白质组成，其通透性和选择性是维持生命的重要基础。
它可攻击磷脂分子发生脂质过氧化，导致膜的破碎，从而破坏，分解，杀死藻细胞。
磷脂中主要是磷酸甘油酯，甘油磷脂分子中一半含有饱和与不饱和脂肪酸各一分子，不饱和脂肪酸通常与甘油的第二个碳原子羟基结合。
这种结构在强氧化剂—羟基的作用下容易发生脂键断裂、不饱和的脂肪酸碳链断裂等一系列反应，如下式所示：
—R2链中含有不饱和键，羟基把其中的不饱和键氧化，如下式所示：
由于活性羟基是强氧化剂，所以反应最终将甘油磷脂分解出来的羟酸脱羧生成CO2和H2O。
羟基与脱氧核糖核酸（DNA）作用有形成DNA加合物并造成不可修复的化学损伤。
以大连港港池海水中的浮游生物和细菌种类为实验载体，实验证明，当羟基浓度达到0.63mg/L，羟基与微生物的生化反应时间为2.8s时，在10mL、100mL水样中均没有检测出细菌、原生物动物存活，为了更加精确检测羟基灭绝微生物效率，取样量增加到150ml，也同样没有检测出存活的细菌、原生动物；当羟基浓度比值达到0.65mg/L阀值时，只需2s就足以杀死压在水中浮游微生物。
实验结果如下表所示：
表2-2羟基杀灭海水中细菌、浮游动植物试验数据
种类
羟基比值浓（mg/L）
微生物浓度（/mg）
致死率
（%）
细菌
0
0.63
1.9×105
未检出
100
单胞藻
0
0.63
6.0×104
未检出
100
原生动物
0
0.63
4.4×104
未检出
100
可见，羟基具有极强的杀灭微生物的特性，且化学反应速度极快，半衰期仅几毫秒，反应结果无二次污染，处理船舶压载水是有效，可行的。
三、压载水单元处理装置的整体设计
压载水处理装置由独立的单元体组成。
这种方法的优点是：
不需要经常维护保养、紧凑简洁、还能通过扩展模块过滤较大流量和根据船舶具体情况分离装配在机舱不同位置，提高灵活性。
单元装置一共由两大部分组成：
压载水处理装置体和辅助箱
压载水处理装置分为UV产生装置（如图3）和外围腔体（如图4）两大部分。
图3
图4
如图3，UV产生装置主要由内置直管型脉冲闪光UV灯管和外置含锶的玻璃管组成。
压载水处理单元体上共排布3×9，27套UV产生装置，其中18套为常用装置，9套为备用装置。
其特殊的工作环境要求该装置必须具备以下几点：
灯管产生的能量要足够大，足够稳定；连续产生紫外线的间隔时间要短。
外置的玻璃管能必须具备紫外线吸收率低且其机械性能保证它足以承受抗击水流的冲击而不影响内置灯管的工作。
因为该装置为易损部件，故后续维修保养替换工作要简单。
（1）UV灯管本装置的闪光灯管是由一根透明玻璃管在两端用高温封装经特殊工艺处理的金属电极，内部充有高纯度的氙气，玻璃管外绕上导电环形线，或涂上其他导电薄膜，由导电银浆固定触发引线等构成。
其特征构成如图5。
图5灯管的结构特征
（2）石英玻璃管外置石英玻璃管其硬度可达莫氏七级，具有耐高温、膨胀系数低、耐热震性、化学稳定性和电绝缘性能良好等性能。
由于石英玻璃的热膨胀系数和比重同析晶产物β-方石英相近，所以在高温下连续使用时，体积变化并不明显，仍可满意地继续使用。
化学性能：
透明石英玻璃属酸性材料，除氢氟酸和热磷酸外，对其它任何酸均表现为惰性，是最好的耐酸材料。
在常温下碱和盐对石英玻璃的腐蚀程度也是极微的。
电学性能：
石英玻璃具有很高的介电强度和极低的导电率，即是在高温、高压和高频下，仍能保持很高的介电强度和电阻，在所应用的频带内几乎没有介电损耗，因此石英玻璃是优良的高温介电绝缘材料。
热学性能：
石英玻璃的热膨胀系数小，为5.5×10-7/℃，只有普通玻璃的1/12～1/20.石英玻璃加入适量钛元素后还可做成零膨胀系数的材料。
机械性能:
石英玻璃的机械性能比硬质玻璃和陶瓷都好，唯脆性较差。
石英玻璃的理论计算强度很高，约为24×103MPa，但实际测得的强度要比这个数值低数十倍。
影响强度的主要因素首先是玻璃的表面缺陷，特别是表面微裂纹的大小及深度影响最为明显，细磨的石英玻璃试样比粗磨的试样，其抗折强度约增加0.6倍；其次是内在缺陷，例如，气泡、杂质、熔化不均以及残余应力等。
石英玻璃的强度随着温度的升高而增加，接近退火温度时达到最大值。
石英玻璃的剪切模量、杨氏模量、阻尼、泊松比、破坏模量一般均随着温度的升高而增加，硬度则随着温度的升高而降低。
如图4，外围箱体材料：
基于羟基具有强氧化性，处理箱体选用牌号为1Cr17Ni2的不锈钢。
压载水处理单元的密封采用机械静密封。
密封装置从下而上，主要由连接螺钉，连接螺母，密封橡胶片，排气支管，灯管电缆接头等五个部件组成。
如图5、图6、图7、图8所示。
图5（A型）
图6（B型）
图7
图8
（1）连接螺钉（如下图所示）
连接螺钉圆形端面与处理水箱内壁焊接在一起，从水箱伸出部分为M18×2的细牙普通螺纹，连接长度16mm。
中心直接为6.6mm的小孔供UV产生装置通过。
（2）连接螺母（如下图所示）
连接螺母分为A，B两种。
A类连接螺母下端口与连接螺钉配合，上端口连接下端螺纹为M18×1.5的灯管电缆接头，侧面支孔为M16×1.5的螺纹孔连接排气支管。
B类连接螺母比A类少了一个排气支管接口。
A类密封螺母的三视图
B类连接螺母的三视图
（3）密封橡胶片
玻璃管端面与连接螺纹端面齐平，再配合硅膛橡胶密封圈与PSJL-868双组分聚硫防水密封胶，以达到整个装置的防泄漏工作。
硅膛橡胶具有无毒、环保、生理惰性、耐紫外线、耐臭氧、耐高低温（-80至300度）、回弹力强，耐压缩永久不变形、耐冲压，耐酸碱、耐电压、不导电等性能。
PSJL-868双组分聚硫防水密封胶具有耐水、耐紫外线、耐冲击、耐腐蚀、耐高、低温，环保无毒等性能。
两者都非常适合在紫外线，臭氧与高电压的环境下工作。
（4）排气支管（如下图所示）
当灯管在几个μs～几百ms时间内放出高电压脉冲连续光谱时，管内的空气会电离出一定量的臭氧。
这一部分臭氧如果不排除，其强氧化性会对整个UV产生装置产生很大的腐蚀作用。
故将其从装置中以软管导出，使其排回压载水处理箱体。
排气支管材料选用黄铜，结构简单，安装拆装便利。
其一端以螺纹孔与密封螺母连接，另一端三层阶梯可使软管更加牢固的固定在支管上。
（5）灯管电缆接头
电缆接头部件下端与密封螺母相配合，上端连接电缆，中心两根金属导体，连同电路。
此部件为市场标件。
（6）臭氧回流孔
臭氧通过软管，从处理装置的进水口管道导进处理水箱。
臭氧导管为公称外径为18的黄铜薄壁合金无缝圆管。
四、辅助箱体设计
辅助箱体内主要纵向列置九个整流器及装置电缆，每排三个灯管共用一个变压器，每个变压器长360mm，宽220mm，高90mm，据此得出辅助箱体的设计尺寸如图2-9
五、管路及其附件（图9、图10所示）
管路：
选用A类船用无缝钢管系列；DN：
150；内径：
158；外径：
168。
排气支管：
PVC软管。
法兰：
带颈平焊法兰；DN:
150；PN:
1.6Mpa。
异径三通：
公称通径：
300×300×150。
图9
图10
基于UV技术设计出的压载水处理系统有下优点：
（1）单元体尺寸小巧，适合现已运行船舶的机舱结构。
（2）以灵活的单元体构成。
可根据不同的船舶压载水水量调整单元体的并联数量。
（3）易耗损部件可简单拆卸，易于后期保养检修。
外围腔体上下与带颈平焊法兰的突面焊接在一起，突面与凹凸面采用螺纹连接。
（4）人性化设计，27套UV发生装置，18套正常使用，9套备用。
不仅免除了处理装置特殊状况的发生，也减少了系统维修替换的工作量。
（5）装置处理能力强，反应迅速，不用在船上携带额外的化学药剂，大大的节约了船舶空间。
羟基的半衰期仅若干毫秒，反应后无二次残留污染。
（6）当处理箱内的羟基比值浓度达到0.75mg/L时，装置处理质量高，几乎能100%致死水中微生物。
不足：
（1）强氧化性的臭氧不能完全溶于水，使得系统必须依靠辅助物品—活性炭尽快去除多余的臭氧，以保护船舶压载水系统。
（2）本装置中所用灯管的电压与发出光谱波长均可调，受条件限制，如何在最佳电压与波长匹配下，使UV发生装置生成最大量的臭氧以满足设备处理要求，未能通过实验求证。
（3）多套单元体并联时，管流损失及流量分配问题可能对总装置的处理能力产生一些影响。
以上是我对船舶压载水处理系统装置的研究的一些心得，与同仁商榷。
升级会员 