隋秀蔚，尹海山，李 超

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東青島 266101）

0 引言

近年來(lái)，海洋環(huán)境保護(hù)、綠色航運(yùn)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注焦點(diǎn)，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）日益重視由船舶壓載水排放引起的生物多樣性破壞問(wèn)題。

為解決船舶壓載水引起的微生物入侵和污染問(wèn)題，IMO制定了International Convention for theControl and Management of Ships' Ballast Water and Sediments[1]，并于2017年9月8日正式生效。該公約附則部分對(duì)壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)做出了嚴(yán)格規(guī)定，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有船舶安裝壓載水管理系統(tǒng)（需要滿(mǎn)足D-2標(biāo)準(zhǔn)）提出了追溯要求。因此，近年來(lái)大量船舶加裝各式各樣的壓載水管理系統(tǒng)，但由于缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、不熟悉系統(tǒng)原理，往往在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)不少問(wèn)題，這嚴(yán)重影響了船舶建造或改造周期，浪費(fèi)了較多的人力、物力成本，也給后期船舶營(yíng)運(yùn)造成了隱患。

本文結(jié)合多年壓載水管理系統(tǒng)實(shí)船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)船舶壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)及主流壓載水管理系統(tǒng)處理方法進(jìn)行介紹，并以某加裝青島雙瑞 BalClor?BWMS壓載水管理系統(tǒng)的30萬(wàn)噸原油船為例，深入分析系統(tǒng)原理、設(shè)備選型及管路設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，保障其穩(wěn)定運(yùn)行。

1 船舶壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)和處理方法

1.1 壓載水定義及排放標(biāo)準(zhǔn)

船舶壓載水指為控制船舶橫傾、縱傾、吃水、穩(wěn)性或應(yīng)力而加裝到船上的水及懸浮物質(zhì)。

IMO發(fā)布的壓載水公約和美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)（United States Coast Guard，USCG）發(fā)布的壓載水管理法規(guī)分別對(duì)壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，具體見(jiàn)表1。

表1 IMO和USCG壓載水處理排放標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)IMO的最新要求，2022年6月1日之后新交付或改裝的船舶，均需按照相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制進(jìn)行生物有效性檢測(cè)。USCG法規(guī)不受IMO相關(guān)公約生效的限制，其管轄范圍適用于所有航運(yùn)在美國(guó)海域的商用船舶，并須單獨(dú)進(jìn)行船舶通用許可證（Vessel General Permit，VGP）相關(guān)測(cè)試。VGP除對(duì)活性生物排放按照USCG標(biāo)準(zhǔn)外，還對(duì)殺菌劑或殘留物的瞬時(shí)最大質(zhì)量濃度有嚴(yán)格要求，見(jiàn)表2。

表2 VGP對(duì)殺菌劑或殘留物的排放標(biāo)準(zhǔn)

若壓載水系統(tǒng)所使用或產(chǎn)生的殺菌劑及其衍生物未列在表2或美國(guó)環(huán)保署的國(guó)家推薦水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，則至少在使用前120天通知美國(guó)環(huán)保署，并提供相關(guān)的水生毒性數(shù)據(jù)。

1.2 船舶壓載水處理方法

根據(jù)處理原理和方式的不同，船舶壓載水處理方法主要可分為機(jī)械處理、物理處理和化學(xué)處理等[2]。

機(jī)械處理主要包括過(guò)濾法和旋流分離法等。過(guò)濾法利用固定式篩網(wǎng)或帶有反沖洗功能的濾芯對(duì)海水中較大微生物和雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，其對(duì)較小的微生物處理效果不佳，若提高濾器精度來(lái)進(jìn)行完全過(guò)濾，則成本較高且濾器極易堵塞，可行性較差[3]。旋流分離法利用高速水流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的離心力和各物質(zhì)間存在的相對(duì)密度差來(lái)去除海水中大多數(shù)的微生物和顆粒物質(zhì)，但對(duì)與海水密度相近的微生物的處理效果較差。

物理處理主要包括紫外線法和超聲波法等。紫外線法利用紫外線的輻射改變或破壞微生物的脫氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到殺菌的目的。紫外線法技術(shù)成熟，簡(jiǎn)捷方便，且無(wú)二次污染，應(yīng)用較為廣泛，可殺死大部分微生物，但殺菌效果受水渾濁度的制約較大，耗電量大[4]。超聲波法利用空化作用殺菌，同樣存在能耗大、處理水量有限的問(wèn)題。

化學(xué)處理法主要包括氯或氯化物法、羥基滅菌法和臭氧處理法等。氯或氯化物法是通過(guò)電解海水或直接加入次氯酸鹽來(lái)產(chǎn)生次氯酸，利用其超強(qiáng)的氧化性殺滅海水中的微生物。電解海水技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但會(huì)造成二次污染。在排放壓載水時(shí)，需要加入中和藥劑來(lái)減少其對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。羥基滅菌法，又稱(chēng)高級(jí)催化氧化法，該方法借助羥基自由基的高氧化電位和強(qiáng)氧化能力對(duì)船舶壓載水進(jìn)行殺菌和滅菌[5]。殺菌后羥基與氫離子結(jié)合成為水，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，但該方法耗電量較大。臭氧處理法利用臭氧超強(qiáng)的氧化性進(jìn)行殺菌，其氧化還原電位可達(dá)到2.07 V，足以殺滅海水中所有微生物。該方法不會(huì)產(chǎn)生二次污染，但配置成本較高，長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)壓載艙產(chǎn)生腐蝕。

壓載水處理方法還有脫氧處理法、絮凝處理法和有機(jī)殺生劑法等其他方法[6]，此處不贅述。在選擇壓載水處理方法時(shí)，要考慮壓載水鹽度、濁度和溫度等海水特性對(duì)處理效果和可靠性的影響。

1.3 國(guó)內(nèi)外主流船舶壓載水管理系統(tǒng)類(lèi)型

1.2小節(jié)介紹的各種壓載水處理方法均存在一定的局限性，不能滿(mǎn)足IMO和USCG對(duì)船舶壓載水處理的要求。目前，國(guó)內(nèi)外主流壓載水管理系統(tǒng)大都將2種或2種以上處理方法結(jié)合使用。國(guó)內(nèi)外常用壓載水管理系統(tǒng)類(lèi)型見(jiàn)表3。

表3 國(guó)內(nèi)外常用壓載水管理系統(tǒng)類(lèi)型匯總

2 壓載水管理系統(tǒng)實(shí)船設(shè)計(jì)安裝案例

本船為新造30萬(wàn)噸原油船，掛旗國(guó)為馬紹爾群島共和國(guó)，入籍挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV），無(wú)限航區(qū)。該船選用青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司的BalClor?BWMS系統(tǒng)。

2.1 BalClor?壓載水管理系統(tǒng)原理及設(shè)備選型

2.1.1 設(shè)備原理

BalClor?壓載水管理系統(tǒng)由濾器、電解單元和加藥單元等處理模塊，監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)和取樣設(shè)施組成，采用“高效過(guò)濾＋電解制氯＋余氯中和”處理技術(shù)，原理如下：

1）高效過(guò)濾。當(dāng)海水壓載時(shí)，使用過(guò)濾精度為50 μm的自動(dòng)反沖洗濾器對(duì)海水進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾掉尺寸大于50 μm的大部分浮游生物及固體顆粒。

2）電解制氯。取適量過(guò)濾后的海水加入電解單元，電解海水產(chǎn)生高質(zhì)量濃度次氯酸鈉溶液，通過(guò)加藥單元將次氯酸鈉溶液注入壓載水主管路。經(jīng)總殘余氧化性物質(zhì)（Total Residual Oxidants，TRO）分析儀檢測(cè)氯離子質(zhì)量濃度值在6.5～9.0 mg/L后，放壓載水進(jìn)艙，在艙內(nèi)進(jìn)行浮游生物、病原體和細(xì)菌的滅活工作，使壓載水排放滿(mǎn)足IMO和USCG的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3）余氯中和。在壓載水排載過(guò)程中，若余氯質(zhì)量濃度小于0.1 mg/L，無(wú)須啟動(dòng)中和單元，可直接進(jìn)行排載；若余氯質(zhì)量濃度大于0.1 mg/L，則啟動(dòng)中和單元，向排載管路中注入中和藥劑，中和殘余的氯離子。中和藥劑流量大小由控制系統(tǒng)根據(jù)TRO分析儀反饋的質(zhì)量濃度信息自動(dòng)控制，使排出的壓載水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 設(shè)備選型

本船海水壓排載管系由主壓排載管系和艉尖艙壓排載管系構(gòu)成。其中，主壓排載管系在泵艙區(qū)域設(shè)置2臺(tái)壓載泵（額定流量為3 000 m3/h，揚(yáng)程為40 m）。管系采用總管式，每艙均有總管引出的支管用于海水壓排，各艙還配有2臺(tái)壓載艙掃艙噴射器，用于提高排載效率。在進(jìn)行壓載操作時(shí)，壓載艙通過(guò)海底門(mén)吸入海水，在安裝BalClor?壓載水管理系統(tǒng)后，由于濾器工作原理的限制，重力壓載功能被禁止使用。在進(jìn)行排載操作時(shí)，可利用重力、壓載泵或掃艙噴射器將壓載水通過(guò)海底門(mén)或排舷外口排出艙外，可根據(jù)不同工況選擇相應(yīng)的模式。

艉尖艙壓排載管系在機(jī)艙區(qū)域設(shè)置消防總用泵（額定流量為360 m3/h，揚(yáng)程為30 m）和艙底-消防總用泵（額定流量為310 m3/h，揚(yáng)程為110 m），2臺(tái)泵一用一備。其中，受 TRO分析儀取樣和生物取樣位置的影響，艉尖艙壓載操作可通過(guò)機(jī)艙海底門(mén)實(shí)現(xiàn)，但排載操作只可通過(guò)排舷外口。

最終，本船選用2套BC 3000系統(tǒng)，單套系統(tǒng)的額定處理量為3 200 m3/h，主要用于處理主壓載艙的壓載水。另配有一套濾器選型為SIZE 250的艉尖艙處理系統(tǒng)，額定處理量為425 m3/h，主要用于處理艉尖艙的壓載水。由于選用的電解式處理系統(tǒng)存在海水溫度≥5℃和鹽度≥32.43‰的操作限制，本船通過(guò)增加換熱器和在艉尖艙預(yù)存海水的方案分別解決海水溫度過(guò)低和進(jìn)入淡水航區(qū)的壓載問(wèn)題。由于本船未布置獨(dú)立的掃艙管系，不存在壓載泵排載和掃艙同時(shí)進(jìn)行的工況，故選用1 m3中和單元即可滿(mǎn)足船舶排載需求，其余設(shè)備按系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置。

對(duì)于原油船，泵艙區(qū)域?qū)儆谖ｋU(xiǎn)區(qū)域，安裝于此區(qū)域的主濾器、濾器反沖洗泵及 TRO分析儀等設(shè)備均應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)防爆等級(jí)[7]。機(jī)艙區(qū)域?qū)儆诎踩珔^(qū)域，安裝于此區(qū)域的艉尖艙濾器、反沖洗泵、預(yù)過(guò)濾器、電解單元、加藥單元、中和單元和 TRO分析儀等選用非防爆設(shè)備即可。需要特別注意的是，電解單元內(nèi)部的防爆風(fēng)機(jī)應(yīng)具有船級(jí)社產(chǎn)品證書(shū)。

泵艙及機(jī)艙加裝壓載水管理系統(tǒng)后的流程簡(jiǎn)圖分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 30萬(wàn)噸原油船實(shí)船壓載水管理系統(tǒng)流程圖（泵艙）

圖2 30萬(wàn)噸原油船實(shí)船壓載水管理系統(tǒng)流程圖（機(jī)艙）

2.2 船舶壓載水管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 設(shè)備布置要求

壓載水管理系統(tǒng)及壓載水管系尺寸相對(duì)較大，而船上空間有限，一定程度上限制了設(shè)備的布置，但仍需滿(mǎn)足以下基本要求：

1）濾器應(yīng)布置在壓載泵后、電解單元前。濾器具有自動(dòng)反沖洗功能，反沖洗最小壓差為0.2 MPa。在實(shí)際布置時(shí)，應(yīng)注意壓載泵的壓頭和壓載泵到濾器前的壓力損失，以免出現(xiàn)反沖洗效果不佳、濾器經(jīng)常堵塞的情況。

2）電解單元應(yīng)布置在遠(yuǎn)離鍋爐、發(fā)電機(jī)和主機(jī)等產(chǎn)熱或振動(dòng)較劇烈的設(shè)備周?chē)?。電解單元所在區(qū)域應(yīng)配備機(jī)艙風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)要滿(mǎn)足船級(jí)社每小時(shí)至少6次的換氣要求。

3）加藥單元用于將電解單元產(chǎn)生的次氯酸鈉溶液注入到主壓載管中，其入口應(yīng)不高于電解單元出口，且與電解單元的距離以不大于2 m為宜。

4）中和單元由中和罐、計(jì)量泵及其連接管路組成，當(dāng)船上空間不足，計(jì)量泵單獨(dú)安裝時(shí)，應(yīng)注意其與中和罐的距離一般不應(yīng)大于1 m。

5）海水升壓泵用于電解單元的取水，由于沒(méi)有自吸能力，應(yīng)盡量布置在主海水管路取水點(diǎn)周?chē)?，并避免與其他大功率海水泵取水點(diǎn)位置過(guò)近。

6）流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流量，應(yīng)注意滿(mǎn)足直管段的距離要求，且不可布置在壓載水管系最高處和自上而下的垂直管路上。

7）整流器周?chē)詈貌贾脤?zhuān)門(mén)的通風(fēng)口，以便輔助其散熱。

8）TRO分析儀的取樣設(shè)施對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制至關(guān)重要。當(dāng)壓載時(shí)，TRO分析儀的取樣點(diǎn)應(yīng)距離次氯酸鈉溶液注入口6～10 m，且取樣點(diǎn)與取樣泵的高度差最好在2 m以?xún)?nèi)，管路長(zhǎng)度在8 m以?xún)?nèi)，以回水點(diǎn)在泵前為宜。

2.2.2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

除設(shè)備布置要求外，壓載水管理系統(tǒng)的管路走向和材質(zhì)選擇等亦對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行十分重要，應(yīng)著重關(guān)注以下5點(diǎn)：

1）電解過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生氫氣等危險(xiǎn)氣體，其透氣管路布置應(yīng)滿(mǎn)足船級(jí)社的相關(guān)要求。管路走向只可水平或向上，不可向下，且氫氣管路的連接也應(yīng)選用套管焊接等方式，不可使用法蘭等連接件，以防泄漏，對(duì)船舶和人員安全造成隱患。

2）對(duì)于油船等有防爆要求的船舶，當(dāng)電解液注入管路或加藥管路從安全區(qū)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，管路應(yīng)由機(jī)艙先經(jīng)過(guò)上甲板，再向下進(jìn)入泵艙。此外，按規(guī)范要求設(shè)置專(zhuān)門(mén)的隔斷止回閥門(mén)和可拆短管以防逆流。

3）為方便后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)，設(shè)備周?chē)鷳?yīng)布置合適的維修通道，尤其對(duì)電機(jī)等需要經(jīng)常維護(hù)的設(shè)備，應(yīng)在其上方合適位置設(shè)置吊耳以便吊裝。

4）對(duì)于系統(tǒng)管路，需特別注意電解液注入管和中和單元加藥管的材質(zhì)。前者可選用碳鋼涂塑、玻璃鋼或其他耐腐蝕性材料，后者應(yīng)選用SUS316不銹鋼。

5）要特別注意壓載水管理系統(tǒng)與船上其他系統(tǒng)間的接口問(wèn)題。壓載水管理系統(tǒng)與原船其他系統(tǒng)存在較多接口，如與空氣設(shè)備的接口、與船舶電站的接口、與機(jī)艙風(fēng)機(jī)的接口、與全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的接口、與船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的接口等，各個(gè)接口均不可遺漏。

3 結(jié)論

船舶壓載水處理和排放對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)和綠色航運(yùn)非常重要。在結(jié)合多年壓載水管理系統(tǒng)實(shí)船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，本文對(duì)船舶壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)及主流壓載水管理系統(tǒng)處理方法進(jìn)行介紹，并以某加裝青島雙瑞B(yǎng)alClor? BWMS壓載水管理系統(tǒng)的30萬(wàn)噸原油船為例，對(duì)系統(tǒng)原理、設(shè)備選型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行深入分析和討論。研究結(jié)果表明：本文提出的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)可有效降低系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)問(wèn)題出現(xiàn)故障的概率，有益于系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命。