張曉雯 譚文慧 李 杰

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，青島 266101）

壓載水隨意排放造成的污染已被全球環(huán)?；鸾M織列為海洋四大危害之一。早在2004年，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）就關(guān)于壓載水處理問題達成并通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》（簡稱公約）[1]，制定了D1（置換標準）和D2（排放標準）壓載水管理標準[2]，要求不同壓載艙容積的船舶按時間表滿足壓載水置換標準（D1）或壓載水排放標準（D2），但最終都需滿足D2標準。所有遠洋航行船舶在公約生效后，需要在規(guī)定時間內(nèi)安裝符合IMO和船級社要求的船舶壓載水處理系統(tǒng)。

大部分壓載水裝置要先進行過濾，由濾網(wǎng)將海水中的泥沙雜物和大的有機物過濾掉，以減輕滅活裝置的工作量，同時避免污泥沉積在壓載艙內(nèi)[3]。過濾器的主要作用是達到固液分離，其中能夠?qū)崿F(xiàn)固液分離技術(shù)的核心部件是濾芯。濾芯是通過一系列的加工由濾網(wǎng)組合而成的多層多空介質(zhì)[4]，是船舶壓載水管理系統(tǒng)中決定過濾器性能的關(guān)鍵部件之一。目前，判定過濾器性能的主要方法是與其他方法組合進行生物有效性測試，但試驗成本高、周期長，不適用于濾網(wǎng)性能測試。因此，找尋一種適用于濾網(wǎng)性能測試的方法具有重要意義。

1 濾網(wǎng)過濾效率試驗

濾網(wǎng)過濾效率試驗是指通過記錄顆粒污染物未通過濾網(wǎng)的數(shù)量計算過濾效率[5]。國內(nèi)的濾網(wǎng)過濾效率試驗分為單次通過試驗和多次通過試驗[6]。兩種試驗方法對比，如表1所示。

表1 單次通過與多次通過試驗法對比表

1.1 單次通過試驗

單次通過試驗是指試驗粉塵一次性通過測試濾網(wǎng)，且系統(tǒng)中油液不循環(huán)的試驗。該方式利用真空源的負壓將污染液吸入測試濾芯，過濾后油液直接排出試驗系統(tǒng)。實驗過程中，通過自動顆粒計數(shù)器分別記錄過濾前和過濾后油液單位體積內(nèi)所含大于通過污染物粒徑（μm）的顆粒數(shù)[4]。測試裝置示意圖如圖1所示。

圖1 單次通過測試裝置示意圖

過濾比是指用過濾元件過濾前油液單位體積內(nèi)所含的大于某被測尺寸的顆粒數(shù)與過濾后油液單位體積內(nèi)所含的大于同一尺寸的顆粒數(shù)之比，計算方式為：

式中：Nu為過濾前油液單位體積內(nèi)所含大于某尺寸（μm）的顆粒數(shù)；Nd為過濾后油液單位體積內(nèi)所含大于某尺寸（μm）的顆粒數(shù)；β為過濾比。

過濾效率η與過濾比β的關(guān)系為：

1.2 多次通過試驗

多次通過試驗是指在模擬濾網(wǎng)正常的工作條件下，使試驗油液以額定的流量循環(huán)通過濾網(wǎng)，同時連續(xù)不斷地向試驗系統(tǒng)注入試驗污染物，直到試驗濾網(wǎng)的壓差達到規(guī)定極限值[4]的實驗方式。試驗完成后，從過濾器過濾前和過濾后的取樣點取樣進行顆粒計數(shù)分析，統(tǒng)計顆粒數(shù)量，得出濾網(wǎng)的過濾比、過濾效率和納污容量。試驗原理如圖2所示。它的計算公式同單次通過試驗一致。

圖2 多次通過試驗原理圖

2 試驗結(jié)構(gòu)分析

2.1 不同濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析采用三維顯微鏡HIROX KH-8700結(jié)合SolidWorks三維建模分析濾網(wǎng)編織方式。通過三維顯微鏡對比分析3種代表性的濾網(wǎng)，形貌如圖3所示。由圖3可見，濾網(wǎng)A、濾網(wǎng)C均為經(jīng)絲、緯絲纏繞編織而成，濾網(wǎng)B為單根緯絲纏繞而成。濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的差異會對濾網(wǎng)性能產(chǎn)生影響。

圖3中濾網(wǎng)A和濾網(wǎng)C的結(jié)構(gòu)比較類似，均由多根經(jīng)絲、緯絲互相纏繞而成。為了進一步分析濾網(wǎng)A和濾網(wǎng)C的結(jié)構(gòu)，通過三維軟件模擬濾網(wǎng)形態(tài)，如圖4所示。濾網(wǎng)A是多根緯絲與一根經(jīng)絲交互編織而成，濾網(wǎng)C是一根經(jīng)絲與一根緯絲互相編織。這種差異會影響濾網(wǎng)的性能，可以通過濾網(wǎng)過濾效率試驗判斷濾網(wǎng)過濾性能。

圖3 濾網(wǎng)的顯微形貌

圖4 濾網(wǎng)的三維模擬圖

2.2 單次通過試驗結(jié)果分析

為了測試單次通過試驗濾網(wǎng)過濾效率，對3種品牌4種精度的濾網(wǎng)分別進行了單次通過試驗，試驗結(jié)果見圖5。為了確保數(shù)據(jù)的準確性，每種品牌每個精度共測試3個濾網(wǎng)樣片并取平均值。為了便于區(qū)分樣片，將濾網(wǎng)A品牌的樣片分別命名為濾網(wǎng)A1、濾網(wǎng)A2、濾網(wǎng)A3、濾網(wǎng)A4，濾網(wǎng)B品牌的樣片分別命名為濾網(wǎng)B1、濾網(wǎng)B2、濾網(wǎng)B3、濾網(wǎng)B4，濾網(wǎng)C品牌的樣片分別命名為濾網(wǎng)C1、濾網(wǎng)C2、濾網(wǎng)C3、濾網(wǎng)C4。其中，濾網(wǎng)A1精度值最大，濾網(wǎng)A2、A3、A4精度值逐漸降低。圖5中橫坐標代表通過試驗粉塵粒徑的尺寸，分別為20μm、30μm、40μm、50μm、60μm五種試驗粉塵粒徑?？v坐標為在不同試驗粉塵粒徑下濾網(wǎng)過濾效率。

圖5 單次通過試驗濾網(wǎng)過濾效率曲線圖

由圖5可知：濾網(wǎng)過濾效率有明顯上升趨勢的濾網(wǎng)為濾網(wǎng)B4、濾網(wǎng)C4、濾網(wǎng)B3、濾網(wǎng)C3和濾網(wǎng)B2；濾網(wǎng)A的4種型號濾網(wǎng)過濾效率均沒有明顯上升的趨勢。雖然濾網(wǎng)B2的精度明顯低于濾網(wǎng)A4的精度，但是濾網(wǎng)B2的過濾效率明顯高于濾網(wǎng)A4，因此過濾精度并不是決定過濾效率的唯一因素。造成這種差異的主要原因是濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。濾網(wǎng)A為多絲編織型，它的孔隙率比濾網(wǎng)B和濾網(wǎng)C要大，所以對污染物顆粒＞40 μm的泥沙和有機物阻擋效果較差。

當試驗粉塵粒徑≥40 μm時，由于此時幾乎所有污染物都無法通過濾網(wǎng)，濾網(wǎng)攔截率過高會使曲線有明顯的峰值。因為壓載水管理系統(tǒng)中的過濾器可以阻擋大部分≥40 μm的污染物，所以大大降低了微生物處理量。但是，過濾網(wǎng)精度過高會導(dǎo)致濾網(wǎng)堵塞速度加快，從而使其過濾精度降低。

2.3 多次通過試驗結(jié)果分析

多次通過試驗有統(tǒng)一的國際試驗標準，需要保證污染物一直循環(huán)往復(fù)地通過濾網(wǎng)，且試驗的流量、壓差均有明確要求。此試驗方法可以真實體現(xiàn)過濾元件在實際工況下的過濾性能。從試驗原理來看，多次通過試驗更適合船舶壓載水管理系統(tǒng)的濾網(wǎng)效率評定。船舶壓載水管理系統(tǒng)常用的濾網(wǎng)精度為40～50 μm，多次通過試驗的試驗粉塵粒徑是4～30 μm，單次通過試驗的試驗粉塵粒徑是2～60 μm。從試驗粉塵粒徑來看，單次通過試驗的試驗粉塵粒徑更接近船舶壓載水管理系統(tǒng)的濾網(wǎng)精度。為確定更適合船舶壓載水管理系統(tǒng)的試驗方法，選擇同一品牌、同一精度的濾網(wǎng)進行多次通過試驗和單次通過試驗，然后對比過濾效率，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 單次通過和多次通過試驗過濾效率對比圖

由圖6可見，多次通過試驗的過濾效率明顯低于單次通過試驗的過濾效率。船舶壓載水管理系統(tǒng)的濾網(wǎng)精度基本在40～50 μm，當通過的試驗粉塵粒徑大于40 μm時，最能反應(yīng)濾網(wǎng)的真實效率。這是因為多次通過試驗中粉塵粒徑小于30 μm的通過率為98%，40～60 μm的通過率為2%。由于多次通過試驗中約98%的試驗粉塵通過了試驗濾網(wǎng)，導(dǎo)致濾網(wǎng)過濾效率很低。當試驗粉塵粒徑為50 μm時，單次通過試驗的濾網(wǎng)過濾效率為20%，是相同情況下多次通過試驗的2倍。因此，單次通過試驗方法更適合船舶壓載水管理系統(tǒng)濾網(wǎng)效率評定。

3 結(jié)語

濾網(wǎng)通過試驗?zāi)軌蚰M其在實際工況下的性能。通過對比分析單次通過試驗和多次通過試驗的結(jié)果得出，單次通過試驗方法更適用于船舶壓載水管理系統(tǒng)濾網(wǎng)性能的評定。判定試驗方法的同時，采用三維顯微鏡和三維建模的方式分析濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對比濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)對濾網(wǎng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)精度并不能準確反映濾網(wǎng)過濾效率，即濾網(wǎng)精度高并不意味著過濾效率一定高。在過濾器選型中，可以先采用單次通過試驗的方法確定不同精度濾網(wǎng)的過濾效率，同時結(jié)合濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析準確評價濾網(wǎng)性能，從而為過濾器設(shè)計提供參考依據(jù)。