潘思宇，顧鑫超，郭曉亮

（1. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

壓載水是船舶安全、平穩(wěn)、高效航行的重要保障，但也是引發(fā)外來(lái)生物入侵的主要因素之一。據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）估計(jì)，每年世界船隊(duì)約攜帶壓載水100 億噸，大約7 000～10 000 種不同的有潛在危害的海洋微生物、植物及動(dòng)物隨船舶壓載水搬運(yùn)至全球各地[1]，物種相互入侵會(huì)打破原有生態(tài)系統(tǒng)的平衡，造成排放水域污染，進(jìn)而對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類健康產(chǎn)生不良影響，全球環(huán)境基金組織已將“水生物通過(guò)壓載水入侵到新的環(huán) 境”確認(rèn)為危害海洋的四大威脅之一，控制壓載水污染成為航運(yùn)業(yè)面臨的重要問(wèn)題。依照《國(guó)際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》要求，壓載水排放需滿足公約D-2 標(biāo)準(zhǔn)要求。

紫外線法在船舶壓載水處理中的應(yīng)用已有大量的研究[2]，然而受壓載水水質(zhì)等因素影響，單純依靠紫外線法處理船舶壓載水，處理能力有限，為達(dá)到更好的處理效果，目前各國(guó)企業(yè)多采用“過(guò)濾-紫外線法”的組合工藝，包括美國(guó)Hyde、英國(guó)海諾威、韓國(guó)PANASIA Co. Ltd 以及國(guó)內(nèi)多 家企業(yè)[3]。

1 過(guò)濾-紫外線法的原理及優(yōu)勢(shì)

過(guò)濾法是指在壓載操作過(guò)程中利用過(guò)濾系統(tǒng)截留一定尺寸的微生物，降低有害生物的吸入量。過(guò)濾法去除大于篩孔物質(zhì)的有效率為95%～98%，目前較為有效的過(guò)濾系統(tǒng)是濾孔為50 μm～150 μm的楔形過(guò)濾器。過(guò)濾精度、過(guò)流速度和反沖洗頻率等因素直接影響過(guò)濾系統(tǒng)的復(fù)雜程度和運(yùn)行成本。

紫外線對(duì)水中微生物有殺滅作用，其有效作用波長(zhǎng)范圍為240 nm～260 nm，在253.7 nm 處滅活效果最佳，其滅菌的機(jī)制主要包括以下2 個(gè)方面：1）微生物受紫外線照射，細(xì)胞內(nèi)核酸吸收紫外線的能量，使自身代謝出現(xiàn)障礙，阻礙遺傳因子的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，封鎖細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成，造成生長(zhǎng)性、再生性細(xì)胞死亡；2）紫外線穿透微生物的細(xì)胞壁破壞細(xì)胞質(zhì)，損害細(xì)胞，抑制細(xì)胞活性。

紫外線法自1901 年發(fā)展至今，技術(shù)發(fā)展成熟，設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，不產(chǎn)生二次污染，是一種有效且環(huán)境友好的方法。而過(guò)濾-紫外線法則是將機(jī)械分離和生物滅活技術(shù)組合起來(lái)的兩級(jí)處理工藝，即先進(jìn)行前置過(guò)濾，將壓載水中大尺寸的物質(zhì)過(guò)濾去除，再利用紫外線對(duì)剩余微生物進(jìn)行滅活處理，這種組合工藝不涉及化學(xué)反應(yīng)，無(wú)需投入化學(xué)藥劑，不會(huì)對(duì)船艙和管路帶來(lái)腐蝕問(wèn)題，不會(huì)造成出水的二次污染，對(duì)人體健康及船體結(jié)構(gòu)更加安全可靠；該工藝系統(tǒng)部件少，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小、重量輕，安裝方式靈活，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行維護(hù)成本低；紫外線殺菌效率高，具有廣譜性，適用于各種流量各類海域條件。因此采用該工藝的壓載水處理裝置應(yīng)用最廣，最具發(fā)展前景。

2 過(guò)濾-紫外線法的影響因素

過(guò)濾-紫外線法壓載水處理技術(shù)的處理效果受水質(zhì)、過(guò)濾設(shè)備精度、燈管類型、燈管電壓、溫度、紫外線輻照劑量等因素影響。

2.1 水質(zhì)

水質(zhì)對(duì)紫外線殺菌的效果影響較大，具體因素包括水的色度和濁度。

丁南瑚等[4]利用泥炭浸出液模擬不同色度對(duì)紫外線強(qiáng)度的影響，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水對(duì)紫外線的吸收系數(shù)隨色度的增大而增大，則證明水的色度越大，紫外線的有效強(qiáng)度越小，其殺菌效果越差。

濁度對(duì)紫外線殺菌效果的影響體現(xiàn)在水中的濁度物質(zhì)會(huì)影響紫外線在水中的行進(jìn)，紫外線被濁度物質(zhì)吸收、散射或反射導(dǎo)致紫外線照射在微生物表面的劑量降低，或者微生物與水中顆粒物結(jié)合，利用顆粒物對(duì)紫外線產(chǎn)生屏蔽，導(dǎo)致滅菌效果降低?？聫?qiáng)等[5]在對(duì)紫外線殺菌效能研究中發(fā)現(xiàn)，紫外線殺菌效能隨水的濁度增加而降低：水的濁度為0.5 NTU 時(shí)，細(xì)菌去除率達(dá)到98%，濁度小于5 NTU 時(shí)紫外線殺菌率在90%以上。當(dāng)濁度小于20 NTU 時(shí)，紫外線殺菌后的出水細(xì)菌總數(shù)保持在100 個(gè)/毫升以內(nèi)。但隨著水中懸浮物數(shù)量逐漸增加，當(dāng)濁度為40 NTU 時(shí)殺菌效率降至12.7%；濁度繼續(xù)增加殺菌率基本不變。由此確定40 NTU 是紫外線殺菌的極限濁度，同時(shí)，為保證系統(tǒng)具有較高的殺菌效率，應(yīng)確保進(jìn)入紫外線殺菌階段的壓載水濁度小于5 NTU。

2.2 過(guò)濾設(shè)備精度

紫外殺菌效果受濁度影響較大，將過(guò)濾工藝設(shè)置在紫外線裝置前端，利用過(guò)濾設(shè)備截留掉部分水生物及顆粒雜質(zhì)，對(duì)后端紫外殺菌的效果有顯著提升，而過(guò)濾的精度、處理效率直接影響后端的紫外線殺菌的處理效果。過(guò)濾設(shè)備的過(guò)濾精度越高，處理效率越高，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的壓載水水質(zhì)越好，紫外殺菌的效果就越好。但是對(duì)過(guò)濾設(shè)備的精度要求過(guò)高，會(huì)加速過(guò)濾設(shè)備的堵塞，影響整體工藝的處理效率，同時(shí)運(yùn)行維護(hù)成本也會(huì)隨之增加。

參照《國(guó)際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》中的D-2 性能規(guī)定的極限值[6]：每立方米壓載水中最小尺寸≥50 μm 活的有機(jī)體不超過(guò)10個(gè)；每毫升壓載水中最小尺寸10 μm～50 μm 之間活的有機(jī)體不大于10 個(gè)，通常選擇50 μm 作為初級(jí)過(guò)濾設(shè)備的精度。

實(shí)際應(yīng)用中為保持設(shè)備的過(guò)濾能力，保證過(guò)濾效率，常在過(guò)濾設(shè)備設(shè)置自清洗或反沖洗模塊，例如美國(guó)Hyde 公司研發(fā)的Hyde Guardian，該設(shè)備將壓載水先通過(guò)自清洗過(guò)濾處理，再利用紫外線處理殺滅水中的微生物和細(xì)菌，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定高效。

2.3 燈管類型

紫外燈管分低壓燈、低壓高強(qiáng)燈和中壓燈。低壓燈殺菌紫外能在253. 7 nm 波長(zhǎng)單頻譜輸出，燈管運(yùn)行溫度40℃，單根紫外燈的紫外能輸出為30 W～40 W，常用于低流量水處理系統(tǒng)。低壓高強(qiáng)燈殺菌紫外能在253. 7 nm 波長(zhǎng)單頻譜輸出，單根紫外燈的輸出功率約100 W，運(yùn)行溫度在100℃左右。由于低壓高強(qiáng)燈輸出功率可以根據(jù)水流變化和水質(zhì)情況調(diào)節(jié)，因此低壓高強(qiáng)燈的耗電量相對(duì)較低，燈管的壽命更長(zhǎng)，在中型水量的水處理中應(yīng)用較為廣泛。中壓燈的殺菌紫外能在200 nm～280 nm 殺菌波段多頻譜輸出，單根紫外燈的輸出功率大于420 W，燈管運(yùn)行溫度高在700℃左右。中壓燈因其輻射強(qiáng)度高，對(duì)水體的穿透力強(qiáng)，適用于大水量或懸浮物多、濁度高的水處理系統(tǒng)[7]。低壓燈使用壽命通常不低于12 000 h，中壓燈壽命一般不低于3 000 h，水處理系統(tǒng)中采用中壓燈系統(tǒng)維護(hù)成本相對(duì)較高。

2.4 燈管電壓

紫外線輻照強(qiáng)度受燈管工作電壓高低的影響較大，表1 列舉了同一紫外燈管在不同電壓下的紫外線輻照強(qiáng)度變化。從表可知，電壓每下降10 V，紫外線的輻照強(qiáng)度隨之減弱 15 μW/cm2～20 μW/cm2[8]，所以保持燈管工作電壓的穩(wěn)定性的保證紫外線的殺菌效果的基本條件。

表1 同一紫外燈管在不同電壓下的 紫外線輻照強(qiáng)度

2.5 溫度

溫度對(duì)紫外殺菌效果的影響主要體現(xiàn)在對(duì)紫外線輻射強(qiáng)度的影響。通常紫外殺菌所用的汞燈的理想放射溫度在40℃左右，此時(shí)燈管的紫外線輸出功率最高，紫外線輻照強(qiáng)度最大。若燈管四周過(guò)流介質(zhì)的溫度高于或低于40℃時(shí)，燈管的輸出功率均會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低，低于5℃，此時(shí)汞燈很難啟動(dòng)。目前通常采用在紫外線燈管外部套上石英套管的方式，利用燈管與石英套管之間的空氣層減少低溫水體對(duì)紫外線殺菌效果的影響，同時(shí)也利于工作狀態(tài)下燈管的散熱。實(shí)船應(yīng)用中在條件許可的情況下，可以考慮利用船舶主機(jī)廢熱把壓載水溫度提升到35℃～45℃，以保證燈管的紫外線輸出功率。

2.6 紫外線輻照劑量

紫外線裝置的殺菌能力由紫外線輻照劑量決定，輻照劑量與輻照強(qiáng)度和輻照時(shí)間成正比。系統(tǒng)內(nèi)平均紫外線輻照強(qiáng)度越強(qiáng)，輻照時(shí)間越長(zhǎng)，輻照劑量越大。輻照強(qiáng)度受燈管的輸出功率、水的吸光系數(shù)和水層深度等因素影響，輻照時(shí)間與紫外線裝置的有效容積和流量有關(guān)，如式（1）。

式中：W為輻照劑量，μJ/cm2；I為距離紫外燈中心不同距離處的輻照強(qiáng)度，μW/cm2；t為輻照時(shí)間，s；I0為紫外燈中心的輻照強(qiáng)度，μW/cm2；k為距離紫外燈管的距離，cm；d為水的吸收系數(shù)，cm-1；V為裝置的有效容積，L；Q為水的流速，L/min。

孟夢(mèng)等[9]用仿真軟件對(duì)殺菌器內(nèi)流場(chǎng)分布和紫外輻射強(qiáng)度進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)在裝置進(jìn)、出水口設(shè)置三角形導(dǎo)流板可以降低水的流速，延長(zhǎng)紫外輻照時(shí)間，進(jìn)而增強(qiáng)了紫外線輻照劑量。王軍等[10]通過(guò)優(yōu)化紫外線裝置內(nèi)部燈管的布置形式，采用燈管沿裝置筒體截面呈X 型布置形式，使紫外輻照強(qiáng)度分布更均勻，進(jìn)而提高了裝置的殺菌能力。

水體中的微生物種類豐富多樣，紫外線對(duì)細(xì)菌、真菌、病毒、芽孢等微生物均具有滅活作用，但是不同類型微生物對(duì)紫外線的敏感性不同，因此不同微生物被滅活所需的輻照劑量不同。實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮各種影響因素，選定合適的輻照劑量，既實(shí)現(xiàn)有效滅活，又不造成能耗浪費(fèi)。通常新投入使用的紫外線殺菌裝置的輻照劑量應(yīng)大于 12 000 μJ/cm2，保證輻照劑量不低于9 000 μJ/cm2，可實(shí)現(xiàn)99.99%的滅活效率。

3 結(jié)論

過(guò)濾-紫外線法在船舶壓載水處理方面具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)其工藝的影響因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提高過(guò)濾精度提升水質(zhì)、優(yōu)化紫外線裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)和燈管布置形式等措施改進(jìn)設(shè)備自身工藝參數(shù)，可以有效提高壓載水處理能力。

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)壓載水處理系統(tǒng)工藝的深入研究，提升工藝的處理效率不再局限于單一技術(shù)，除了通過(guò)優(yōu)化自身工藝參數(shù)提高處理效率外，在過(guò)濾-紫外線法工藝中引入超聲波法或者氧化滅菌技術(shù)，協(xié)同作用，也是未來(lái)船舶壓載水處理技術(shù)的發(fā)展方向。