黃國(guó)衛(wèi)，張定海，張百祁

(江蘇南極機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇泰州 225400)

壓載水管理系統(tǒng)中的去氧化法機(jī)理研究

黃國(guó)衛(wèi)，張定海，張百祁

(江蘇南極機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇泰州 225400)

為了滿足《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國(guó)際公約》對(duì)船舶壓載水必須處理和排放水標(biāo)準(zhǔn)，以及G8導(dǎo)則對(duì)陸基試驗(yàn)的規(guī)定，即壓載艙中的水應(yīng)儲(chǔ)存超過5 d，且沒有微生物再生，提出采用去氧化法，能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)防止微生物再生。通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)架以及實(shí)船試驗(yàn)論證了去氧化法機(jī)理是可靠的和可操作的，氮?dú)庀到y(tǒng)能防止壓載艙艙壁的腐蝕。膜+充氮去氧是最佳組合，沒有二次污染而且節(jié)能，能滿足國(guó)際公約的要求。

壓載水系統(tǒng);去氧化法;膜法分離;數(shù)學(xué)模型

0 引言

2004年國(guó)際海事組織(IMO)通過了《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國(guó)際公約》，其目的是防止船舶壓載水及其沉積物攜帶的外來微生物轉(zhuǎn)移到其他港口破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡。隨后，IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)補(bǔ)充的G8導(dǎo)則規(guī)定了陸基試驗(yàn)中的性能試驗(yàn)，壓載艙中的水儲(chǔ)存應(yīng)超過5 d，且沒有微生物再生。通常，壓載艙中的壓載水儲(chǔ)存時(shí)間為5～30 d。如果使用紫外線UV工藝，水在卸載時(shí)應(yīng)再次處理;使用化學(xué)工藝，需要加入更多劑量的藥品。如當(dāng)估計(jì)航程是5 d時(shí)，應(yīng)添加5 mg/l氯;如果估計(jì)航程是25 d時(shí)，應(yīng)多添加20 mg/l氯。由于氯為化學(xué)物質(zhì)，會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成腐蝕，添加過多的氯會(huì)影響船舶安全，因此，為符合IMO對(duì)船舶壓載水管理的要求，本文提出在壓載水管理中使用去氧化法，能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)防止微生物再生，同時(shí)能減少壓載水艙艙壁腐蝕。

1 去氧化法機(jī)理和方法

氧能溶解于水，其溶解度取決于溫度，20℃時(shí)氧的溶解度為9.17 mg/l。氮也能溶解于水，但由于其活性低，類似于惰性氣體，使得傳感器難以探測(cè)到，所以很難被測(cè)量。事實(shí)上，在最低200 mm水柱的正壓下，氮的溶解度為21.6 mg/l，當(dāng)充氮到過飽和，溶解氧會(huì)被替換出。這就是去氧化法機(jī)理。

使用惰性氣體保護(hù)油艙已有30 a歷史。壓載艙采用去氧化法可類似于油艙惰性氣體保護(hù)法，但是對(duì)于油艙來說，不可能充氮到油中。壓載水艙中充氮主要有2種方式:一是充氮到水面以上的空間，二是充氮到流水管道中，隨壓載水一同進(jìn)入壓載艙。

2 純氮?dú)馊パ趸?/h2>

通常惰性氣體來自于煙氣冷卻，然后用鼓風(fēng)機(jī)注入到艙內(nèi)液面上方的空間。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液面上方空間內(nèi)充入惰性氣體很難溶解于壓載水，或者需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能溶入壓載水中。同時(shí)，由于煙氣中的二氧化碳也溶解于水，使得水的PH值降低，所以采用純氮?dú)馊パ趸ㄐЧ硐搿?/p>

純氮?dú)馊パ趸ㄊ峭ㄟ^變壓吸附(PSA)工藝，由分子篩將壓縮空氣中的氮氧分離，產(chǎn)生具有一定壓力的純氮?dú)獬淙氲綁狠d水中，置換水中的氧氣，降低水中的含氧量，破壞生物的生存環(huán)境，抑制生物的生長(zhǎng)和繁殖。但是它必須在正壓條件下才能使氮比氧更易溶解于水，從而達(dá)到處理效果。試驗(yàn)表明，如果沒有正壓，氮?dú)庠谒行纬蓺馀菀莩?當(dāng)有正壓時(shí)，氮?dú)馊芙庥谒?，不?huì)產(chǎn)生氣泡。正壓氮?dú)馊芙馐疽鈭D如圖1所示。通過計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)流體模型(CFD)可以算出氮?dú)獗蝗芙獾木嚯x和數(shù)量，氮?dú)饽枬舛删€形圖如圖2所示。如果用P/V閥控制艙內(nèi)的正壓，如同儲(chǔ)存在食品罐頭內(nèi)一樣，氮?dú)獠粫?huì)泄露，使壓載水長(zhǎng)期處于一種低氧狀態(tài)，能抑制微生物的再生，同時(shí)還能減少艙壁的腐蝕。

美國(guó)ABS船級(jí)社頒發(fā)了《壓載艙使用惰氣的導(dǎo)則》，說明對(duì)壓載艙使用惰氣保護(hù)是必須的，特別是對(duì)油輪，防止萬(wàn)一相鄰油艙的油氣漏入壓載艙。

圖1 正壓氮?dú)馊芙馐疽鈭D

圖2 氮?dú)饽枬舛染€形圖

3 試驗(yàn)材料和方法

利用有機(jī)玻璃管建立了一個(gè)氮水溶解于水的試驗(yàn)臺(tái)架。在保持出口一定正壓的情況下，試驗(yàn)結(jié)果幾乎與數(shù)學(xué)模型計(jì)算一樣。

實(shí)船也做了同樣的試驗(yàn)。壓載艙透氣口安裝P/V閥，當(dāng)艙中壓力超過200 mm水柱時(shí)，P/V閥自動(dòng)打開，氮?dú)膺^飽后會(huì)迫使氧氣從水中脫離，達(dá)到低氧環(huán)境。

根據(jù)處理水量按照一定的比例充入濃度為99%的氮?dú)夂?，水中的DO(溶解氧)可接近1 mg/l。通常也可測(cè)量水面以上空間內(nèi)的氮?dú)鉂舛龋?dāng)濃度大于95%，水中的DO將達(dá)到1～2 mg/l。整個(gè)壓載水管理系統(tǒng)已完成符合G8導(dǎo)則的性能試驗(yàn)要求，并且已獲得主管機(jī)關(guān)和船級(jí)社的證書。

4 沉積物

《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國(guó)際公約》簡(jiǎn)稱“壓載水公約”，絕大多數(shù)供應(yīng)商往往重視壓載水的控制而忽視對(duì)沉積物的控制，但是如果不能清理艙中的沉積物，不管你把水處理得多干凈，一旦水進(jìn)入艙中就會(huì)被沉積物再次污染。在MEPC66次年會(huì)上注意到了沉積物中有機(jī)物的測(cè)量。

采用濾芯孔徑為50 mm的自清潔過濾器和膜孔徑為10 mm的膜分離器分離壓載水中的固體顆粒及生物，運(yùn)行一段時(shí)間后，取出膜樣本通過放大倍數(shù)為500的電子顯微鏡進(jìn)行觀察，其電子顯微鏡膜樣本500倍放大圖如圖3所示。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一是沒有超過50 mm的微粒，這表示前面的機(jī)械濾器有效;另一個(gè)是由于孔過濾的橋架理論，甚至小于2～3 mm的微粒都不能通過，故幾乎沒有沉積物進(jìn)入壓載艙，這既能節(jié)省清艙費(fèi)用，還能運(yùn)輸更多貨物。有些船舶運(yùn)營(yíng)2 a后，壓載艙內(nèi)的沉積物可達(dá)200～300 t。

來自膜分離的濃縮有機(jī)物和沉積物允許排放到出發(fā)港水域，因?yàn)樗鼈儾皇峭鈦砦⑸?，這就是“壓載水公約”的實(shí)際目標(biāo)。

圖3 電子顯微鏡膜樣本500倍放大圖

船舶運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，壓載艙艙壁不可避免會(huì)腐蝕。由于船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，若重新油漆，工作量大，成本高，使用氮?dú)鈱?huì)減少艙壁腐蝕，有利于船舶運(yùn)營(yíng)者降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

全世界各個(gè)港口的水質(zhì)不一樣，溫度和鹽度變化很大，用電解化學(xué)法控制產(chǎn)氯量很困難，余氯產(chǎn)生的二次污染又要經(jīng)過G9導(dǎo)則的毒性評(píng)估，不太受港口國(guó)的歡迎。氮?dú)狻叭パ趸睂儆诩兾锢矸椒?，保質(zhì)期長(zhǎng)，特別適用于長(zhǎng)航程的船舶。各港口的生物物種也千變?nèi)f化，單純用UV照射法，對(duì)一些帶有硬殼的有毒藻類殺菌就很難說能達(dá)標(biāo)。同時(shí)，在艙內(nèi)微生物復(fù)活和再繁殖也是不可預(yù)見的。所以只有充氮去氧才能保持較長(zhǎng)的時(shí)間，加上前段處理有分離去除微生物的工藝，進(jìn)入壓載艙的微生物量原本就很少?？傊媚しA(yù)先分離微生物加氮?dú)馊パ跻种莆⑸锏纳L(zhǎng)是最好的搭配。

5 結(jié)論

(1)使用氮?dú)怛?qū)使氧氣脫離水體的處理方法稱為去氧化壓載水處理工藝。通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室及實(shí)船試驗(yàn)，論證了去氧化法機(jī)理是可靠的和可操作的，其適用于長(zhǎng)航程的船舶運(yùn)輸并能較長(zhǎng)時(shí)間防止有機(jī)物再生。

(2)氮?dú)饽芊乐箟狠d艙艙壁的腐蝕，節(jié)省重新油漆的費(fèi)用。

(3)膜+充氮去氧是最佳組合，沒有二次污染而且節(jié)能，并且能滿足國(guó)際公約的實(shí)際目標(biāo)。

［1］ 李玉章，金星，張百祁.PLC在船用膜法生活污水處理裝置中的應(yīng)用［J］.江蘇船舶，2007，24(6):24-25，33.

For satisfying the criterion of"ship ballast water and sediment control and management international convention"that ship ballast water must been treated with and let and the regulations of G8 standard for the land based experiment，that is to say the ballast water should store exceeding 5 d，and no microorganism regeneration，the paper puts forward adopting deoxidation method，the method can prevent microorganism regeneration for ages.Through mathematic model calculation，laboratory test-bed and real ship trial it has demonstrated the deoxidation method mechanism is reliable and operable，nitrogen system can prevent the bulkhead corrosion of ballast tank.Membrane＆ nitrogen is the best combination，it hasn't secondary pollution and conservation of energy，can satisfy the requirement of international convention.

Research on deoxidation mechanism of ballast water management system

Huang Guowei，Zhang Dinghai，Zhang Baiqi(18)

U664.83+3

A

2014-11-05

黃國(guó)衛(wèi)(1966—)，男，助理工程師，從事船舶防污染設(shè)備工作。