船舶壓載水管理系統(tǒng)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)與性能對(duì)比分析

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)保基金組織列為海洋四大危害之一。早在2004年，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）就關(guān)于壓載水處理問(wèn)題達(dá)成并通過(guò)了《國(guó)際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》（簡(jiǎn)稱(chēng)公約）[1]，制定了D1（置換標(biāo)準(zhǔn)）和D2（排放標(biāo)準(zhǔn)）壓載水管理標(biāo)準(zhǔn)[2]，要求不同壓載艙容積的船舶按時(shí)間表滿足壓載水置換標(biāo)準(zhǔn)（D1）或壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)（D2），但最終都需滿足D2標(biāo)準(zhǔn)。所有遠(yuǎn)洋航行船舶在公約生效后，需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安裝符合IMO和船級(jí)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(jìn)行過(guò)濾，由濾網(wǎng)將海水中的泥沙雜物和大的有機(jī)物過(guò)濾掉，以減輕滅活裝置的工作量，同時(shí)避免污泥沉積在壓載艙內(nèi)[3]。過(guò)濾器的主要作用是達(dá)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(guò)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(guò)濾器性能的關(guān)鍵部件之一。目前，判定過(guò)濾器性能的主要方法是與其他方法組合進(jìn)行生物有效性測(cè)試，但試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，不適用于濾網(wǎng)性能測(cè)試。因此，找尋一種適用于濾網(wǎng)性能測(cè)試的方法具有重要意義。

1 濾網(wǎng)過(guò)濾效率試驗(yàn)

濾網(wǎng)過(guò)濾效率試驗(yàn)是指通過(guò)記錄顆粒污染物未通過(guò)濾網(wǎng)的數(shù)量計(jì)算過(guò)濾效率[5]。國(guó)內(nèi)的濾網(wǎng)過(guò)濾效率試驗(yàn)分為單次通過(guò)試驗(yàn)和多次通過(guò)試驗(yàn)[6]。兩種試驗(yàn)方法對(duì)比，如表1所示。

表1 單次通過(guò)與多次通過(guò)試驗(yàn)法對(duì)比表

1.1 單次通過(guò)試驗(yàn)

單次通過(guò)試驗(yàn)是指試驗(yàn)粉塵一次性通過(guò)測(cè)試濾網(wǎng)，且系統(tǒng)中油液不循環(huán)的試驗(yàn)。該方式利用真空源的負(fù)壓將污染液吸入測(cè)試濾芯，過(guò)濾后油液直接排出試驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器分別記錄過(guò)濾前和過(guò)濾后油液?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所含大于通過(guò)污染物粒徑（μm）的顆粒數(shù)[4]。測(cè)試裝置示意圖如圖1所示。

圖1 單次通過(guò)測(cè)試裝置示意圖

過(guò)濾比是指用過(guò)濾元件過(guò)濾前油液?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所含的大于某被測(cè)尺寸的顆粒數(shù)與過(guò)濾后油液?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所含的大于同一尺寸的顆粒數(shù)之比，計(jì)算方式為：

式中：Nu為過(guò)濾前油液?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所含大于某尺寸（μm）的顆粒數(shù)；Nd為過(guò)濾后油液?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所含大于某尺寸（μm）的顆粒數(shù)；β為過(guò)濾比。

過(guò)濾效率η與過(guò)濾比β的關(guān)系為：

1.2 多次通過(guò)試驗(yàn)

多次通過(guò)試驗(yàn)是指在模擬濾網(wǎng)正常的工作條件下，使試驗(yàn)油液以額定的流量循環(huán)通過(guò)濾網(wǎng)，同時(shí)連續(xù)不斷地向試驗(yàn)系統(tǒng)注入試驗(yàn)污染物，直到試驗(yàn)濾網(wǎng)的壓差達(dá)到規(guī)定極限值[4]的實(shí)驗(yàn)方式。試驗(yàn)完成后，從過(guò)濾器過(guò)濾前和過(guò)濾后的取樣點(diǎn)取樣進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù)分析，統(tǒng)計(jì)顆粒數(shù)量，得出濾網(wǎng)的過(guò)濾比、過(guò)濾效率和納污容量。試驗(yàn)原理如圖2所示。它的計(jì)算公式同單次通過(guò)試驗(yàn)一致。

圖2 多次通過(guò)試驗(yàn)原理圖

2 試驗(yàn)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(guò)三維顯微鏡對(duì)比分析3種代表性的濾網(wǎng)，形貌如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，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(huì)對(duì)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(lèi)似，均由多根經(jīng)絲、緯絲互相纏繞而成。為了進(jìn)一步分析濾網(wǎng)A和濾網(wǎng)C的結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(huì)影響濾網(wǎng)的性能，可以通過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾效率試驗(yàn)判斷濾網(wǎng)過(guò)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(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析

為了測(cè)試單次通過(guò)試驗(yàn)濾網(wǎng)過(guò)濾效率，對(duì)3種品牌4種精度的濾網(wǎng)分別進(jìn)行了單次通過(guò)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種品牌每個(gè)精度共測(cè)試3個(gè)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(biāo)代表通過(guò)試驗(yàn)粉塵粒徑的尺寸，分別為20μm、30μm、40μm、50μm、60μm五種試驗(yàn)粉塵粒徑?？v坐標(biāo)為在不同試驗(yàn)粉塵粒徑下濾網(wǎng)過(guò)濾效率。

圖5 單次通過(guò)試驗(yàn)濾網(wǎng)過(guò)濾效率曲線圖

由圖5可知：濾網(wǎng)過(guò)濾效率有明顯上升趨勢(shì)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(hào)濾網(wǎng)過(guò)濾效率均沒(méi)有明顯上升的趨勢(shì)。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(guò)濾效率明顯高于濾網(wǎng)A4，因此過(guò)濾精度并不是決定過(guò)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(duì)污染物顆粒＞40 μm的泥沙和有機(jī)物阻擋效果較差。

當(dāng)試驗(yàn)粉塵粒徑≥40 μm時(shí)，由于此時(shí)幾乎所有污染物都無(wú)法通過(guò)濾網(wǎng)，濾網(wǎng)攔截率過(guò)高會(huì)使曲線有明顯的峰值。因?yàn)閴狠d水管理系統(tǒng)中的過(guò)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(guò)濾網(wǎng)精度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致濾網(wǎng)堵塞速度加快，從而使其過(guò)濾精度降低。

2.3 多次通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析

多次通過(guò)試驗(yàn)有統(tǒng)一的國(guó)際試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，需要保證污染物一直循環(huán)往復(fù)地通過(guò)濾網(wǎng)，且試驗(yàn)的流量、壓差均有明確要求。此試驗(yàn)方法可以真實(shí)體現(xiàn)過(guò)濾元件在實(shí)際工況下的過(guò)濾性能。從試驗(yàn)原理來(lái)看，多次通過(guò)試驗(yàn)更適合船舶壓載水管理系統(tǒng)的濾網(wǎng)效率評(píng)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(guò)試驗(yàn)的試驗(yàn)粉塵粒徑是4～30 μm，單次通過(guò)試驗(yàn)的試驗(yàn)粉塵粒徑是2～60 μm。從試驗(yàn)粉塵粒徑來(lái)看，單次通過(guò)試驗(yàn)的試驗(yàn)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(yàn)方法，選擇同一品牌、同一精度的濾網(wǎng)進(jìn)行多次通過(guò)試驗(yàn)和單次通過(guò)試驗(yàn)，然后對(duì)比過(guò)濾效率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 單次通過(guò)和多次通過(guò)試驗(yàn)過(guò)濾效率對(duì)比圖

由圖6可見(jiàn)，多次通過(guò)試驗(yàn)的過(guò)濾效率明顯低于單次通過(guò)試驗(yàn)的過(guò)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(dāng)通過(guò)的試驗(yàn)粉塵粒徑大于40 μm時(shí)，最能反應(yīng)濾網(wǎng)的真實(shí)效率。這是因?yàn)槎啻瓮ㄟ^(guò)試驗(yàn)中粉塵粒徑小于30 μm的通過(guò)率為98%，40～60 μm的通過(guò)率為2%。由于多次通過(guò)試驗(yàn)中約98%的試驗(yàn)粉塵通過(guò)了試驗(yàn)濾網(wǎng)，導(dǎo)致濾網(wǎng)過(guò)濾效率很低。當(dāng)試驗(yàn)粉塵粒徑為50 μm時(shí)，單次通過(guò)試驗(yàn)的濾網(wǎng)過(guò)濾效率為20%，是相同情況下多次通過(guò)試驗(yàn)的2倍。因此，單次通過(guò)試驗(yàn)方法更適合船舶壓載水管理系統(tǒng)濾網(wǎng)效率評(píng)定。

3 結(jié)語(yǔ)

濾網(wǎng)通過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌蚰M其在實(shí)際工況下的性能。通過(guò)對(duì)比分析單次通過(guò)試驗(yàn)和多次通過(guò)試驗(yàn)的結(jié)果得出，單次通過(guò)試驗(yàn)方法更適用于船舶壓載水管理系統(tǒng)濾網(wǎng)性能的評(píng)定。判定試驗(yàn)方法的同時(shí)，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(duì)比濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)濾網(wǎng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)精度并不能準(zhǔn)確反映濾網(wǎng)過(guò)濾效率，即濾網(wǎng)精度高并不意味著過(guò)濾效率一定高。在過(guò)濾器選型中，可以先采用單次通過(guò)試驗(yàn)的方法確定不同精度濾網(wǎng)的過(guò)濾效率，同時(shí)結(jié)合濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析準(zhǔn)確評(píng)價(jià)濾網(wǎng)性能，從而為過(guò)濾器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。