关键词：船舶；压载水；水处理
引言
船舶航行中，压载是一种必然状态。船舶在加装压载水的同时，海水中的生物也随之被加装入到压载舱中，直至航程结束后排放到目的地海域。压载水跟随船舶从一地到它地，从而引起了有害水生物和病原体的传播。压载水的无控制排放可能会对海洋生态系统、社会经济和公众健康造成危害。为了更有效的控制船舶压载水传播有害水生物和病原体，国际海事组织（IMO）于2004年通过了《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》。“公约”对压载水的处理标准，即处理水中可存活生物的种类及数量作了明确规定（D-2标准）。
1压载水置换方法
压载水公约颁布之前，压载水的处理主要通过压载水的置换实现。现有船舶压载水置换方法主要分为三种:排空法、溢流法和稀释法。
1.1排空法
排空法又称顺序法或逐一更换法，是指将压载舱内压载水用泵抽空，并注入新的压载水的方法。这种方法可以置换95%以上的压载水，是置换最彻底、用时最短的方法。但是由于排空压载水对于船舶稳定性的影响较大，也会改变船舶的弯矩以及剪应力，因此这种方法对船舶结构和天气情况有严格的要求。
1.2 溢流法
溢流法，是指将新的压载水由压载舱底部注入，使原来的压载水从顶部溢水口溢出的方法，是目前船舶压载水置换最普遍的方法。使用该方法，至少要有压载舱容量3倍的海水流过才能保证较高的压载水置换率，并且这种方法在置换过程中会产生较大的压力，因此对于船舶的管路和泵要求较高。
1.3 稀释法
稀释法，是指将新的压载水由压载舱顶部注入，并从底部同流速排出的置换方法。与溢流法相比，该方法在注入排出过程中压载水水位不变，避免了置换过程中压载舱因自由液面产生压力，但是其所选用的管路系统更为复杂，需要对船舶进行改进，因此只在新船上使用。
2压载水处理
为了能够有效提高压载水处理的效果，笔者所在团队对船舶污染防治系统的研发与产业化进行了深入研究创新，并在满足IMO提出的关于压载水处理的五项标准：安全、经济、实用、有效且环境允许的同时，也可有效解决目前电解海水产氯消毒存在的问题和难点：1）能耗高，大大增加处理成本；2）产生的H2存在安全隐患；3）电极在海水易损耗，表面易形成沉积，更换次数频繁；4）处理过的压载水腐蚀性强，会破坏船舱涂层；5）处理后的压载水直接排放可能会对排放的环境造成二次污染。具体内容如下：
电极材料会直接影响电流效率，所使用的电极阳极析氯过电位和阴极析氢过电位越低，可以降低槽电压节省能耗。针对压载水的特点和处理要求，通过对传统钛板电极表面进行贵金属（钌、铱、铂等）修饰改性，提高其抑氯析氧性能，在保证处理效果的同时降低处理过程可能出现的安全隐患。改性后的电极使用效果好且运行寿命长，相比于常规电极，寿命可提高2到4倍。
本项目中用于生成杀灭微生物的含氯溶液的反应是在电解槽中完成的，因此电解槽是整个系统的关键设备。一方面，电解槽必须使有效氯产率达到杀灭船舶压载水中有害水生物和病原体所需的要求；另一方面，还要求其能降低能耗，达到节能环保的目的。在电解槽的设计和研制过程中，结构形式的确定和材料的选择是两个重要方面，共同决定着电化学反应器的工作特性。本项目中将采用离子膜电解槽。离子膜是一种特殊的阳离子选择性透过膜，它只允许Na+等阳离子和水分子通过，阴离子和气体分子则难以透过。由Donnon膜理论，具有固定离子和对离子的膜有排斥外界溶液中某一离子的能力。在离子膜的膜体中，有由带负电荷的固定离子如SO3-、COO-和一个带正电荷的对离子如Na+组成的活性基团，他们以静电键的方式结合。如磺酸型阳离子交换膜，磺酸基团的亲水性使膜在溶液里溶胀，膜体变松并产生许多微细弯曲的通道，使活性剂团中的对离子Na+能够进行交换，同时活性基团的固定离子对Cl-和OH-具有排斥能力。电解过程中，阳极生成高浓度氯水进入主管系与海水混合，对其中微生物进行杀灭。阴极产生的OH-由于受到活性基团中固定离子的排斥，在阴极室富集形成高浓度碱液，导入吸收塔用以对废气进行洗涤。
电解效率还与电解液的温度有关。本项目将创造性地对电解槽中的压载水进行加热，以提高其温度降低海水的欧姆降，同时降低阴阳极的理论分解电压和析氯过电位，提高电解效率，节省能耗。加热压载水的主要热源可以为船舶柴油机余热、锅炉系统蒸汽回气余热以及引擎排放废气余热。目前虽然最先进的柴油机效率可达50%，但排期和冷却水仍然带走大量的废热；锅炉系统蒸汽回气温度较高，尤其是加热负荷不高时，回气为气液混合，具有较高的能量；船舶引擎废气温度可达300-600oC，这几部分废热足以将压载水加热到40oC以上。一方面在这个温度下可以杀死部分藻类和原生动物，之后对其电解，利用电解过程产生的有效氯将仍然存活的生物和微生物杀灭；另一方面，回收了船舶柴油机、锅炉系统蒸汽回热及废气余热的利用，提高了能量利用率。
IMO对压载水处理设备的控制系统有如下技术规范：1）控制系统需能自动监视和调整必要的处理剂量、强度或压载水管理系统的其他方面。它不直接影响处理过程，但能够对必要的处理过程进行适当的控制。2）控制系统能够在压载水处理操作过程中对其运行进行持续监视。根据上述技术规范，本项目的自动控制系统设计时主要将其分为压载模块、排放模块、报警模块以及停止模块，其中压载与排载又分别设置了自动手动模式。对于压载水处理的自动控制系统的设计，首先设计系统的管路结构图，然后将采用PLC以及HMI来实现整个系统的自动控制以及监控，触摸屏与PLC之间采用MPI通信，其上机位为西门子触摸屏，通过组态软件WinCCflexible来设计系统操作与监控界面；下机位为西门子的S7-300系列PLC，通过STEP7梯形图编程来实现系统自动控制。
整个处理工艺流程如下图所示：
3总结
目前市场上尚无能够同时解决船舶压载水污染和废气污染的综合处理设备，本项目的实施将开创一个船舶污染控制的全新途径，填补技术空白，达到国际领先水平，力争将研发成果打造成具有国际竞争力的新一代产品。
参考文献
[1]刘铭辉,王妮,刘涛,etal.船舶压载水处理方法研究进展[J].资源节约与环保,2019,207(02):83-86.
[2]黄宏,余华峰,刘光明,etal.船舶压载水处理设备及应用技术研究进展[J].水处理技术,2012(03):20-23.
论文作者:周孔
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：船舶论文; 离子论文; 电解槽论文; 方法论文; 水处理论文; 电极论文; 系统论文; 《科学与技术》2019年第15期论文;