方晨
(长江航运科学研究所，湖北武汉430011)
摘要：2004年2月，IMO(国际海事组织)通过了《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》。本文介绍了该公约的目的、技术要求及研制满足公约要求的压载水管理系统的技术路线。
关键词：IMO；公约；导则；压载水管理系统
中图分类号：U698.7文献标识码：A文章编号：1671-6035(2013)09-0000-02
一、背景
为对付全球环保基金组织判定的当前世界海洋所面临的四大威胁之一“水生物通过压载水入侵到新的环境”，IMO(InternationalMaritimeOrganization)国际海事组织于2004年2月9至13日在英国伦敦召开的国际船舶压载水管理外交大会通过了《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》(以下简称压载水公约)。公约包括正文和《船舶压载水和沉积物控制与管理规则》两部分。为一致、有效地实施该公约，IMO还制定了14个相关的导则G1—G14。该公约为压载水的控制与管理提供了国际上的具有法律约束力的规定。
压载水公约的生效条件是，占世界商船总吨位35％的30个国家加入后的12个月后生效。截止2013年9月底，国家数量已经达标，但商船吨位数量尚未达到生效条件。根据IMO及有关方面信息，预计公约在2014年内生效。
《压载水公约》将压载水标准分为两个层次，即D-1标准和D-2标准。D-1标准要求使用物理方法，如注入法，该方法已经被较为广泛地采用；而D-2标准则要求采取一定的技术手段，通过压载水处理设备对压载水中的有害水生物按照一定标准进行杀灭。公约规则规定了不同建造年份和压载舱容积的船舶对上述标准的适用日期。按照该公约的要求，2009年建造的部分新船应满足D-2标准的要求，到2016年所有的船舶都应满足D-2标准的要求。明确了强制实施的时间表并对现有船舶安装压载水管理系统有追溯要求。
压载水管理系统作为IMO组织强制要求安装的船舶关键配套设备，一方面说明IMO对海洋环境保护的要求日益严格，另一方面也可以说是发达国家对发展中国家设置的一项技术壁垒。一旦公约生效，没有自主知识产权的相关技术和产品必然要受制约。研制满足D-2标准、紧凑型、高智能化并取得IMO认可的“船舶压载水管理系统”，是各国造船业必争的技术高地。
二、技术要求
(一)标准分析。
IMO颁布的压载水管理公约D-2标准要求，如表1
表1
根据以上的理化指标，我国并无与此对应的国家标准，特别是对海水水质的要求。参照[GB3838-2002地表水环境质量标准]中表1的限值(附件2)，D-2标准的指标大致相当于国标中III类水质的要求。但海水的特殊性应另作考虑。
目前对于城市污水的处理已比较成熟，相关设备有明确的技术工艺指标，可以确保达到国标要求。若将城市污水的处理技术改进后应用在压载水处理领域，理论上可行。
(二)技术现状分析。
其中，关键指标两个：一是微生物的尺寸和数量，二是微生物是否仍有活性。过滤掉50μm以上的微生物后，再采用灭活技术处理压载水，达到D-2标准的要求，是在用和在研的压载水管理系统的技术基础。此类技术在陆基的污水处理厂已广泛采用，是成熟技术。应用在船舶上要追求小空间和高效率并符合上船设备的基本技术条件，必须进行技术改进。
(二)研究方案。
基于以上分析，船舶压载水管理系统的研制方案确定为以下3个步骤。
一是尽可能采用国产陆基水处理的成熟技术和设备，优化组合，建立具有拟真性、工艺可调性的试验台架，按船舶应用的要求进行改进和试验，建立相似性数学模型。
二是依此模型为依据，研制完成2003m/h处理量的原型机，建设配套的陆基试验基地，按G8的要求进行试验，并获得CCS关于原型机船上试验的授权。
三是按压载水公约导则G8的要求，完成原型机船上试验，取得CCS的型式认可。
(四)技术创新性。
通过台架试验，建立船舶压载水管理系统的相似性数学模型，形成核心竞争力。以模型为依据，以200m3/h原型机处理量为基准，为更高处理量下设备配备和工艺参数的确定提供科学保证，实现集成创新。
(五)关键技术。
本课题的关键技术一是构建船舶压载水管理系统的相似性数学模型。二是探索研制适应船舶应用需要的，处理量大、体积紧凑、具备在线自动连锁检测、维护方便、高效节能、可模块化灵活组装并满足D-2标准要求的压载水管理系统的技术路线。
三、现有设备特点与工艺研究
船舶压载水满足D-2标准的要求，一是通过过滤的手段截留微生物，另一是通过杀菌的手段杀灭微生物活性。
(二)过滤方式研究。
1.生物膜法和石英砂过滤。
通过前期预研发现，能够截留≥10μm微生物，代表性的过滤方式有两种：生物膜法和石英砂过滤。这两种方式均是目前广泛采用的处理纯净水和可饮用水的手段，其产生的水质好(可直接饮用，高于D8导则对压载水的生物指标)，设备操作简单(自动反冲洗)，节约能源(设备本身不耗费任何能量)，不产生二次污染(纯物理手段)，均符合IMO公约规定及船舶的使用实际。
但在合理体积下，设备处理量太小是这两种方式无法短时间克服的问题。
2.筛网、布袋过滤和旋液分离。
相对于以上两种过滤方式，筛网、布袋过滤和旋液分离则是广泛应用于工业生产的最传统过滤方式。虽然这三种方式处理量大，但分离因素较低，分离效果不佳是其缺陷，无法单独在系统中使用。
以截留性能较好的筛网为例，目前国内的筛网能够截留≥50μm的微生物，但截留≥10μm且＜50μm的微生物则效费比较差。
3.叠片过滤。
叠片过滤的原理是通过多层、两面刻有大量的有一定孔径沟槽的片状滤芯在通过外力(如弹簧)压紧时，片状滤芯之间叠片之间沟槽交叉，形成具有一系列独特过滤通道的深层过滤单元(如图1)。当海水经一定压力通过这个过滤单元时，微生物即会被这些叠片的交叉点截留。
叠片式过滤可截留≥20μm的微生物，本身并不耗电，在常规过滤方式中效费比较高。若一台过滤器处理量不足，可并联多台过滤器，模块化设计可使过滤器拥有较大的组合方式自由和安装方式自由，在面对多种处理量要求时具备优势。但仍无法截留≥10μm且＜20μm的微生物。
4.超声波。
超声波的原理是利用频率高于20KHz的超声波进行纯物理的净化。主要运用的是超声空化。
所谓超声空化，就是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡膨胀到极
图1叠片原理
限突然闭合，产生冲击波。这一系列动力学过程称为超声空化。超声空化使气泡内产生高温(5000K)、高压(上千大气压)，并且由于气泡周围的液体高速冲入气泡，而在气泡附近的液体中产生了强烈的局部激波，会进一步提高温度和压力。因此会发生清洗、粉碎、乳化、分散、促进化学反应等一系列的作用，同时还伴有强烈的空化噪声和发光。
这种较新型的净化手段集高级氧化、焚烧、超临界氧化等多种水处理技术的特点于一身，且操作简单方便，无二次污染。
由于超声波可将大直径物质裂解为小直径的物质，因此，经其处理的海水中固形物直径一般≤10μm。因此，比较传统过滤，在一定处理量的前提下，超声波很好的解决了精滤与压头之间的矛盾。
缺点是超声波设备的处理量偏小，若要满足实船高达1,000m3/h或以上的处理量，需要串联多台该类型设备，设备的体积问题需要解决。
5.综合分析。
筛网、旋分、叠片和超声波方式有继续研究和试验的价值，在对过滤精度放宽到50μm时，可大大提高过滤装置的能效比。本系统并不追求单纯用过滤的方式截留微生物。因此可以配合其他微生物灭活设备一起使用。
(二)微生物灭活的研究。
相比于截留微生物，运用理化手段杀菌更加适合于大处理量的工业生产。例如城市自来水处理工艺中广泛运用到杀生剂。而现代大规模饮料加工厂则主要使用强辐射的方式获取商业无菌级的可饮用水。
1.添加杀生剂或臭氧。
添加一定浓度杀生剂——比如氯化、臭氧等——至海水中，并保持一段时间，能有效杀死微生物。而且添加了杀生剂后的流体，其工艺性质改变微乎其微，不会增加船舶压载水原有系统的功耗，这对已运营船舶有很重要的意义。
根据IMO压载水管理公约D3.2要求，对于添加化学物质的进行杀菌的方式(以下简称杀生剂消毒)，在船旗国主管机关颁发型式认可证书之前，还需要IMO设立的GESAMP-BWWG技术组根据G9程序对系统所使用的活性物质和使用活性物质的方法审查，给予初步批准和最终批准的建议，呈报MEPC委员会予以批准(不使用活性物质的压载水管理系统，如：紫外、脱氧、过滤等，无须经过IMO批准)。尽管氯离子、臭氧的方式已应用广泛，但程序相对繁琐，提高了认证通过的风险。
如果杀生剂是纯粹外界添加，需要随船携带，定期补充，处理后的海水需要严密监控，判定处理后的海水是否存在二次污染，若存在还需要投入其他药剂或手段进行抵消处理，程序比较繁琐，对自动化的控制精确度要求高，否则两次投放添加剂，二次污染的可能性进一步增加。
杀生剂本身往往存在毒性、易燃易爆性等安全隐患，在远洋船舶这一特殊的操作环境下，如何设计与使用需要慎重考虑。
综上，杀生剂已经是成熟的工业技术。也同时成功应用于压载水管理系统。此方法可操作性强，所需设备材料便于采购收集，但存在的问题和风险也难以回避，在没有更优的方案时，可采用此方法。
2.超声波。
——相关内容请见“三(二)4”
3.紫外线。
图2紫外光谱
紫外线是波长在100-400nm的电磁波，其中波长在240-270nm的紫外线(UV-C)具有破坏DNA生产及复制的能力，其中又以253.7nm的紫外线破坏效果最好(如图2)。因细菌病毒生产周期短，无法繁殖的细菌、病毒会迅速死亡，达到净化的目的。同杀生剂消毒一样，紫外线杀菌亦广泛应用于大规模工业生产，技术成熟。
与杀生剂相比，紫外线更具备以下优势——
紫外线在目前所有的消毒技术中，杀菌的广谱性最高，几乎所有的细菌、病毒都能高效杀灭。并且对一些对人类危害极大的，而氯气以至臭氧无法或不能有效杀灭的寄生虫类(例如隐性包囊虫cryptosporidium，贾第鞭毛虫giardia等)都能有效杀灭。如表2(辐射强度30,000μW/cm2)
紫外线技术仅仅是杀菌，并且不加入任何化学药剂，因此不会对水体和周围环境产生二次污染。对氯消毒来说，其与水中有机物产生的有机氯已被公认为对人体有致癌作用，并且水中含有的氯化合物在某些场合下会起到反作用，对水中生物以及水环境产生毒害。臭氧方法也有类似的问题——如臭氧溶解效果不佳，未溶解的臭氧挥发到空气中，有害于附近人员的身心健康。
紫外线设备都有金属密闭的空间，用于消毒处理，紫外光不外泄，不对人体造成危害，而且通电才产生光源，操作风险小。这些特性避免了传统的消毒技术中的大多数安全隐患。
表2
就效费比，据称紫外线亦比杀生剂有优势。有待证实的数据如下：在1,000m3水处理量水平，紫外线的成本只是氯消毒的1/2，是氯加脱氧消毒的2/5，是臭氧消毒成本的1/9。
紫外设备占地面积小，且本身不发出任何噪音，可以长时间连续运行。
缺点是紫外线杀菌效果受制于光照强度(假设处理时间一定)，处理量的增加必然造成紫外光源数量的增加，提高了电耗。而且若长时间使用的紫外灯管受到积垢、生物黏泥的污染后透光率下降，将直接影响杀菌效果。在与紫外线设备生产厂家的沟通中了解到：成熟的紫外线杀菌设备一般预留30%的余量，即3/10的灯管工作不正常(仍有正常的电耗)的情况下，仍确保设备内的辐射强度满足要求。由于紫外线灯管本身耗电量较大，又在设计中考虑了较宽裕的安全余量，对船舶的动力配备和航运经济型产生影响将更为明显。
综上，相对于杀生剂消毒，属于纯物理方式的紫外线杀菌，理论上是一种略优的消毒方式。但紫外线杀菌设
备最好组合其他辅助净化设备,避免单独使用。
四、结论
鉴于杀生剂存在造成二次污染的风险，同时考虑研发的周期等前提，故可确定陆基应用的过滤、临界技术中的超声波、以及紫外线设备的组合为本压载水系统的工艺研究方向。
参考文献：
[1]IMO《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》和《船舶压载水和沉积物控制与管理规则》。
[2]国际海事公约研究与动态.2010年第1期.《压载水管理系统/方法及批准程序综述》。
[3]船海工程.2010年12月第39卷第6期.《船舶压载水处理技术应用综述》。
[4]船舶设计通讯增刊.2011年11月.《船舶压载水管理系统现状及进展研究》。
[5]环境科学导刊.2012年2月第1期第31卷.《压载水处理系统研究进展》。
[6]中国船级社.《船舶压载水处理系统应用对策》。
作者简介：方晨，男，1982，湖北省武汉市，汉族，任职于长江航运科学研究所，职称：工程师，研究方向：航运技术与经济。