船舶壓載水處理技術(shù)研究背景、進(jìn)展與面臨的挑戰(zhàn)

張衛(wèi)東,杜 彬,曲慧芳,李 濤

(1. 上海交通大學(xué)自動化系,上海 200240 2. 交通運輸環(huán)境保護中心,北京,100013)

0 引 言

船舶壓載水是指為控制船舶橫傾、縱傾或吃水而注入到船內(nèi)的水,其主要作用包括兩個方面。一個是改善貨物分布不平衡或者惡劣天氣時船舶的穩(wěn)定性;一個是補償貨物和燃料增加減少導(dǎo)致的浮力變化。壓載水會帶來兩個方面的危害。首先,壓載水中含有大量水生物,包括微生物、浮游生物、藻類、小型魚類,以及水生物的卵或孢子。這些生物會隨船舶航行,從一個水域到達(dá)地理隔絕的另一個水域,排入新的環(huán)境中。有些外來生物因為缺乏天敵而在新的環(huán)境中大量生長繁殖,導(dǎo)致外來生物入侵問題,威脅新環(huán)境的物種多樣性,甚至可能導(dǎo)致當(dāng)?shù)卦锓N的滅絕。其次,壓載水中可能含有一些病原體,如霍亂弧菌和傷寒病菌等。這些致病微生物可能會寄生于可食用貝殼或魚類中,通過食物鏈危害人體健康。還有一些藻類如引發(fā)赤潮的有毒甲藻,不但會對海水養(yǎng)殖業(yè)造成毀滅性破壞,而且會通過食物鏈導(dǎo)致人類的發(fā)病甚至死亡。

壓載水導(dǎo)致的外來生物入侵問題尤為嚴(yán)重。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展,海洋運輸業(yè)發(fā)展迅猛,遠(yuǎn)洋船舶的數(shù)量及噸位急劇增加,加劇了壓載水在全球范圍內(nèi)的排放。據(jù)統(tǒng)計,全球每年壓載水排放量就有100億噸左右[1]。在未加限制之前,全球每天有超過10000種生物隨著壓載水傳送到世界各地[2]。據(jù)調(diào)查,已經(jīng)有450多種外來物種被帶到地中海。德國水域和英國海域分別有100種和53種已存在的外來物種。在瑞典海岸線發(fā)現(xiàn)了70多種外來物種,在愛爾蘭科克港發(fā)現(xiàn)了24種,在北美發(fā)現(xiàn)了250多個物種。年入侵美國和加拿大邊界的五大湖生物有130多種[3]。近年來,我國沿海地區(qū)赤潮暴發(fā)逐漸增多,外來生物入侵是重要原因之一[4]。壓載水中外來有害生物的入侵加劇了海洋生態(tài)系統(tǒng)和自然環(huán)境的破壞,已經(jīng)被全球環(huán)境基金組織(Global Environment Facilitv,GEF)和國際海事組織(International Maritime Organization,IMO,是聯(lián)合國負(fù)責(zé)船舶安全保障和防止船舶污染海洋的專門機構(gòu))認(rèn)定為當(dāng)前海洋環(huán)境所面臨的四大威脅之一[5]。為此,國際社會經(jīng)過二十多年努力,終于在IMO大會上通過了《國際船舶壓載水和沉積物管理與控制管理國際公約》(簡稱壓載水公約),該公約于2019年9月8日正式生效。本文將圍繞上述背景介紹船舶壓載水處理研究進(jìn)展,并分析該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

1 對船舶壓載水危害的認(rèn)識過程

人類直到最近三四十年才認(rèn)識到壓載水的危害,關(guān)于壓載水處理的研究開始更晚。20世紀(jì)80年代陸續(xù)出現(xiàn)了越來越多的壓載水排放傳播有害水生物和病原體,導(dǎo)致港口海洋生態(tài)破壞和公眾健康損害的報道,才引發(fā)國際社會對壓載水危害的廣泛關(guān)注。澳大利亞和新西蘭海域由于外來有毒甲藻大量繁殖,通過貝殼類導(dǎo)致許多人患上麻痹性貝類中毒癥;北美五大湖由于外來的斑紋貽貝大量繁殖生長給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的生態(tài)和經(jīng)濟損失;秘魯沿岸由亞洲型的霍亂菌引發(fā)了霍亂流行;黑海由于外來的一種浮游動物大量繁殖,造成絨魚產(chǎn)量銳減[6]。

文獻(xiàn)[7、 8]是較早關(guān)注壓載水危害的論文。通過主題詞ballast water和treatment在Web of Science中檢索可以發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)80年代壓載水處理方面的論文是空白,最早的文獻(xiàn)是1996年的一份報告[9]。通過主題詞在知網(wǎng)中檢索中外文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),最早的壓載水處理文獻(xiàn)是1995年的一篇論文[10]。按知網(wǎng)收錄的文獻(xiàn),近年發(fā)表論文情況如圖1所示。文獻(xiàn)[11]給出了一個更加詳盡的分析。總體上,近年來的論文發(fā)表量呈快速增加之勢。

圖1 知網(wǎng)論文數(shù)量統(tǒng)計Fig.1 CNKI Papers Statistics

隨著國際社會對壓載水危害的認(rèn)識,壓載水的處理和安全排放問題被提上了國際組織的議程。1997年,IMO通過了《關(guān)于控制和管理壓載水,減少有害生物和病原體傳播的指南》。但是指南并不具有強制性。由于控制和管理壓載水需要在船舶上加裝壓載水處理設(shè)備,增加了船舶操作難度,提升了運營和維護成本,會遭到船舶經(jīng)營者反對。因此,無法從根本上解決壓載水處理與安全排放這一國際性問題。為此,2004年IMO通過了具有法律約束性的《國際船舶壓載水和沉積物管理與控制管理國際公約》,規(guī)定將在獲得代表全球商船總噸位35%的30個國家批準(zhǔn)12個月后,該公約生效[12]。

壓載水公約是壓載水管理方面的第一項國際立法,核心內(nèi)容是兩個關(guān)鍵性的標(biāo)準(zhǔn):D-1和D-2。簡單地講,D-1標(biāo)準(zhǔn)就是用海水置換的辦法,在船舶抵港前用公海上的海水把壓載艙內(nèi)的海水替換成當(dāng)?shù)厮虻暮Ｋ?然后才允許進(jìn)港。通常要達(dá)到95%的體積置換率。若用泵流法進(jìn)行壓載水置換,泵入壓載艙三倍容積的水量被視為符合上述標(biāo)準(zhǔn)。但是,這種方法仍有外來物種入侵和污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境的可能性。更為嚴(yán)格的是D-2標(biāo)準(zhǔn)。D-2標(biāo)準(zhǔn)要求把壓載艙內(nèi)的生物過濾掉或殺滅。這通常需要在船舶上安裝壓載水處理設(shè)備才能實現(xiàn)。處理后的壓載水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到[13、 14]:(1)每立方米壓載水中個體尺寸大于或等于50μm的存活生物體少于10個;(2)每毫升壓載水中個體尺寸小于50μm,但大于或等于10μm的存活生物體少于10個;(3)指標(biāo)微生物的濃度不應(yīng)超過:a)有毒霍亂弧菌:每100ml壓載水或者每克浮游動物樣品中1菌落形成單位(CFU,Colony-Forming Units);b)大腸桿菌:每100ml 250CFU; c)腸道球菌:每100ml 100CFU。

在壓載水公約的推進(jìn)過程中,不同利益群體有著不同的訴求。發(fā)達(dá)國家環(huán)保意識強,推進(jìn)公約的態(tài)度積極;發(fā)展中國家更多考量公約對經(jīng)濟發(fā)展的影響,態(tài)度各不相同。設(shè)備生產(chǎn)商發(fā)現(xiàn)了新機會,積極推進(jìn)公約落實;船舶所有者大都認(rèn)為增加了成本和復(fù)雜性,消極對待。在經(jīng)歷了十幾年的協(xié)商博弈之后,2016年9月8日,公約終于達(dá)到了所要求的至少30個國家簽署和代表全球商船噸位的35%的生效條件,12個月后壓載水公約正式生效[15]。

然而,公約的生效過程并非一帆風(fēng)順。2016年之前幾年的國際航運市場運力過剩,2016年干散貨和集裝箱航運貿(mào)易陷入低谷,新船訂單創(chuàng)歷史最低,同時,已有訂單與運力之比也為20年來最低。許多船東維持現(xiàn)狀都困難,更不可能讓他們?yōu)椴划a(chǎn)生任何運營收益的壓載水處理設(shè)備買單。所以,2016年10月和2017年7月的IMO海洋環(huán)境保護委員會(MEPC)會議又討論了壓載水公約最終實施時間,委員會同意了挪威協(xié)調(diào)巴西、印度、利比里亞和英國提出的折中方案,即對2017年9月8日前建造的現(xiàn)有船,壓載水排放允許推遲兩年至2019年9月8日或以后首次國際防止油污(IOPP)證書換證時達(dá)到D-2標(biāo)準(zhǔn)。與此同時,委員會也同意了日本提出的對于現(xiàn)有船舶小于400總噸,不符合IOPP換證要求的船舶,將其履約日期從挪威聯(lián)合提案的2022年延期到2024年。至此,壓載水公約正式生效日期被確定為2019年9月8日[16]。

正如IMO秘書長林基澤所說,壓載水管理公約的生效是保護地球健康的重要里程碑。入侵物種的傳播一直被認(rèn)為是地球生態(tài)和生活水平的最大威脅之一,這些入侵物種對生物多樣性和豐富的自然資源造成了極大損害,還給健康帶來了直接和間接的影響。該公約的生效,標(biāo)志著由于外來生物的入侵所造成的生態(tài)系統(tǒng)的破壞、對生物多樣性的影響,以及可能產(chǎn)生的經(jīng)濟損失將得到有效的遏制。壓載水管理公約的生效也有助于實現(xiàn)若干聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),特別是關(guān)于水下生命的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),以及生物多樣性和限制入侵物種擴散有關(guān)的目標(biāo)。

2 學(xué)術(shù)界的研究

在壓載水排放之前消滅或去除有害水生物和病原體是控制外來生物入侵行之有效的方法,學(xué)術(shù)界為此已開展了廣泛的研究,提出了不同的壓載水處理方法。壓載水的處理方法主要有機械法、物理法、化學(xué)法和生物法等幾種[14、 17]。文獻(xiàn)[18]介紹了壓載水處理系統(tǒng)的概念、原理滅活機制的使用,以及處理技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[19]探討了不同生物體之間的關(guān)系以及微生物被滅活的機制,包括外部因素(如pH值、鹽度、濁度)對失活效率的影響。由于在已有綜述中有很多介紹,本文只對關(guān)注較多的方法的原理和局限作簡單概括。

2.1 機械法

包括旋風(fēng)過濾法和機械分離法。過濾是目前最清潔的壓載水處理方法。在外力作用下,通過多孔介質(zhì)將懸浮液中的水和有機物分離。然而,有些微藻、細(xì)菌和病毒很難通過過濾去除。旋風(fēng)分離法的原理是當(dāng)水流高速進(jìn)入設(shè)計的圓形管道時,由于旋流運動產(chǎn)生離心力,通過物料之間的密度差將壓載水中的水和生物體分離。但是,對比重與海水相似的生物體的處理將受到限制。

2.2 物理法

包括紫外線法、超聲波法和加熱法。紫外線法利用紫外輻射使生物體的遺傳物質(zhì)DNA或RNA發(fā)生變異的特性,破壞生物正常的新陳代謝活動,從而殺滅微生物和病原體。但其滲透性差,受壓載水濁度影響較大。超聲波處理壓載水時,利用壓載水產(chǎn)生的壓力波偏差和產(chǎn)生的熱量來殺滅生物體。雖然這種方法有一定的效果,但在應(yīng)用中還存在一系列的負(fù)面問題。在船舶上使用高強度超聲波可能會影響船體結(jié)構(gòu),危及船上人員的健康。加熱法是提高壓載水的溫度,從而破壞內(nèi)部生物體原有的生存環(huán)境,從而殺死壓載水中現(xiàn)有的生物體。但是,利用加熱法來處理船舶壓載水時引起的熱脹冷縮現(xiàn)象會對船體安全構(gòu)成威脅。

2.3 化學(xué)法

包括氯化法、臭氧法、過氧化氫法和電解法。氯化法主要是利用氯的強氧化特性來殺滅壓載水中的生物。在海水微生物氯化滅活實驗中,殺菌效果好,但需要高劑量殺滅藻類,可能超出環(huán)境容量;加氯過程中還會產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物,構(gòu)成二次環(huán)境污染;氯氣的輸送和儲存困難,限制了其在壓載水處理中的應(yīng)用。臭氧法利用臭氧的氧化能力殺滅微生物,處理后殘留的臭氧能在短時間內(nèi)分解成無害的氧氣,不會對環(huán)境造成二次污染。但由于臭氧濃度較高,單獨使用臭氧并不適合實際的壓載水處理,殘留的臭氧也會腐蝕船體。過氧化氫處理壓載水也是利用其強氧化作用殺死水中的生物。與臭氧一樣,處理后水中殘留的過氧化氫會在短時間內(nèi)分解成無害的氧氣和水,不會對環(huán)境造成二次污染。但過氧化氫法受水質(zhì)影響較大,成本很高。電解法利用電解海水產(chǎn)生的次氯酸和次氯酸鈉等將微生物體內(nèi)的生物酶氧化分解來殺滅微生物。但是,如何控制電解程度和海水中有效氯的濃度,在保證處理效果的同時不留下過多的氧化物,仍然是一個有待進(jìn)一步研究和解決的問題;當(dāng)用電解海水處理壓載水時,海水電解后產(chǎn)生的氧化性物質(zhì)會加速壓載艙金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕;該方法對入海口鹽度較低海水處理效果不理想。

壓載水生物處理主要是通過引進(jìn)與壓載水生物有競爭關(guān)系的新生物,或通過現(xiàn)代科技手段改變生物基因,控制外來生物入侵。目前,對該方法的研究還處于理論研究階段。

學(xué)術(shù)界近年還有許多新的研究成果。文獻(xiàn)[20]比較了不同生物量處理下的浮游生物死亡率和微生物滅活率,以確定可能的衰變模式。采用的處理方法包括太陽輻射、紫外線、過氧化氫和高級氧化過程。論文測量了從哥倫比亞圣瑪爾塔港口抽取的天然海水中野生種群的消毒能力,發(fā)現(xiàn)大于50μm的浮游生物是最具抵抗力的,必須先用過濾器清除。文獻(xiàn)[21]采用亞基因組學(xué)方法對中國-東南亞航線船舶壓載水中潛在病原菌群落的多樣性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)壓載保持時間對壓載水中潛在病原體的分布有重要影響。壓載水保持時間越長,假互變單胞菌的數(shù)量就越少。壓載水保持時間長樣品的Shannon指數(shù)高于壓載水保持時間短樣品的Shannon指數(shù)。在長壓載時間船舶上的潛在致病菌(弧菌、氣單胞菌或腸桿菌等)具有較大的多樣性。文獻(xiàn)[22]探討了采用過氧化單硫酸鉀消毒壓載水的方法,通過對失活反應(yīng)產(chǎn)物、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的滲漏和失活后細(xì)胞形態(tài)變化的分析,揭示了海水中鹵化物離子對提高滅活效果的作用。結(jié)果表明,過氧化單硫酸鉀是一種很有吸引力的壓載水消毒替代品。文獻(xiàn)[23]介紹了壓載水處理的超聲強化技術(shù),選取小球藻作為受試藻種配置模擬壓載水,研究了超聲參數(shù)以及其他因素對壓載水中小球藻的去除效果。文獻(xiàn)[24]采用紫外/銀-二氧化鈦/臭氧對水體進(jìn)行快速滅菌和殺藻,對其滅活機理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,紫外/銀-二氧化鈦、臭氧具有較強的殺菌性能,但紫外/銀-二氧化鈦對微藻滅活效果較差。臭氧投加量和紫外輻射強度對復(fù)合滅菌、殺藻有重要影響。隨著臭氧投加量的增加,復(fù)合滅菌和殺藻效果顯著提高。紫外輻射強度的增加以及在較高的pH值和較低的水溫中更有利于復(fù)合滅菌。文獻(xiàn)[25]研究了離子膜電解處理系統(tǒng)和微流控芯片檢測系統(tǒng)。在壓載水處理方面設(shè)計了一種新型的離子膜電解系統(tǒng),研究了電解系統(tǒng)處理壓載水的效果,提出了優(yōu)化處理的方法。在壓載水檢測方面,提出了基于微流控芯片和葉綠素?zé)晒獾膲狠d水藻類活性檢測方法,建立了相關(guān)系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[26]制備了紫外催化改性負(fù)載型納米銀-二氧化鈦,基于獲得的最優(yōu)催化劑,研究了連續(xù)流條件下紫外催化改性負(fù)載型納米銀-二氧化鈦對大腸桿菌、腸道球菌和二形柵藻的滅活效果與機理,發(fā)現(xiàn)與單純紫外滅活相比,紫外催化改性負(fù)載型納米銀-二氧化鈦能夠減少滅活時間。考察了溫度、鹽度與紫外光波長對滅活效果的影響,結(jié)果表明,在12℃水溫、淡水與長波紫外線條件下,系統(tǒng)對壓載水微生物的滅活效果最好。文獻(xiàn)[27]研究了電催化和紫外復(fù)合壓載水處理技術(shù),建立了電催化/紫外復(fù)合船舶壓載水處理系統(tǒng)和微藻規(guī)?；B(yǎng)殖模式。比較了不同陽極材料電催化體系的滅活性能,研究了電催化/紫外復(fù)合技術(shù)對微藻的滅活性能,證明了電催化/紫外復(fù)合滅活壓載水中微藻的可行性和有效性。文獻(xiàn)[28]采用溶膠凝膠法,將銥摻入單純的釕鈦涂層鈦電極中,發(fā)現(xiàn)銥的摻入可以有效地提高電極的使用壽命,提高了電極的析氧電位和氯氧電位差。進(jìn)一步研究了涂覆層數(shù)對釕-銥-鈦/鈦電極的電催化性能的影響,確定了最佳涂覆層數(shù)。在此基礎(chǔ)上,通過摻雜錫來提高電極的電催化性能和使用壽命。文獻(xiàn)[29]通過試驗研究了脈沖電弧液電放電壓載水處理的影響因素,研究了放電電極材料、電極直徑、電極間距、水樣變化、水量和流量對殺菌效果的影響。以牟勒氏角毛藻、赤潮異灣藻和錐狀斯克里普藻為可存活生物指標(biāo),研究脈沖電弧放電對壓載水處理的影響。通過實驗,確定在一定的脈沖電源條件下,有一個合適的參數(shù)可以達(dá)到脈沖電弧液體放電電壓的最佳處理效果。脈沖電弧液體放電對大腸桿菌和不同種類、大小的藻類有良好的殺滅效果,不會使藻類再生。文獻(xiàn)[30]采用計算流體力學(xué)(CFD)方法建立了水力旋流器流場計算與分析的數(shù)值模型。研究結(jié)果表明:(1)在水力旋流器分離過程中,靜壓逐漸轉(zhuǎn)化為動能,在旋流器的中心軸線處存在一個負(fù)壓區(qū),水流形成漩渦,漩渦中間有空氣柱。(2)隨著溢流管直徑的增大,水力旋流器的主分離區(qū)變窄,靜壓轉(zhuǎn)換降低,直接導(dǎo)致液流切向速度和離心慣性力的降低。溢流口的插入不增加溢流口的流量,需直接增加溢流口的流量。(3)粒徑較小(小于20μm)的顆粒容易脫離自身的運動軌道,通過零速度包絡(luò)線進(jìn)入內(nèi)旋流;粒徑較大(大于70μm)或密度較高的固體顆粒的運動軌跡靠近壁面,且始終位于外表面旋轉(zhuǎn)。(4)溢流直徑、底流直徑和進(jìn)料當(dāng)量直徑對水力旋流器的流動和分離特性有顯著影響。文獻(xiàn)[31]設(shè)計并建立了一套采用微孔陶瓷過濾和紫外線復(fù)合的壓載水處理設(shè)備,從指示生物和海洋細(xì)菌的去除率、陶瓷過濾器的耐久性和在天然海水中的應(yīng)用三個方面評價了該系統(tǒng)的技術(shù)可行性。文獻(xiàn)[32]測試了浮游生物和綠藻對紫外線處理的魯棒性。研究結(jié)果還表明,浮游生物和綠藻在紫外線處理下至少和天然藻類一樣魯棒,可以作為標(biāo)準(zhǔn)測試生物,以驗證基于紫外線的壓載水處理系統(tǒng)的效能。文獻(xiàn)[33]以電場放電產(chǎn)生高濃度活性氧為基礎(chǔ),協(xié)同水力空化高級氧化技術(shù)凈化壓載水,使之達(dá)到IMO對壓載水中微生物的滅活要求。文獻(xiàn)[34]建立了可以實現(xiàn)單獨控制的以鈦基氧化錫釕為陽極材料的電催化系統(tǒng)和紫外輻射復(fù)合壓載水處理系統(tǒng),以杜氏鹽藻、青島大扁藻、錐狀克里斯普藻為目標(biāo)處理微生物,用該系統(tǒng)進(jìn)行微藻滅活。

3 產(chǎn)業(yè)界的努力

IMO提出安全、經(jīng)濟、有效、實用且環(huán)境容許等五項標(biāo)準(zhǔn),用來指導(dǎo)船舶壓載水處理設(shè)備的研發(fā)。產(chǎn)業(yè)界以此為目標(biāo)開展了許多卓有成效的工作。文獻(xiàn)[35]對國際上相關(guān)專利進(jìn)行了全面統(tǒng)計。

船舶所用的壓載水水量大,要求處理時間盡可能短,還要考慮對船舶安全性和海洋環(huán)境的影響。因此,雖然一些單一的方法在實驗室研究中是有效的,但可能不能滿足壓載水處理的實際要求。工業(yè)實踐也表明,機械法、物理法和化學(xué)法三種方法各有優(yōu)缺點。目前,沒有一種方法能夠獨立滿足IMO對壓載水處理的要求。其中,機械處理法對個體較大的微生物非常有效,對于小的病原體無效。物理處理法對能處理的微生物非常有效,且對環(huán)境無害,但可能需要附加工作管系。化學(xué)處理法的特點是對于能處理的微生物非常有效,但是,必須考慮化學(xué)品對船員健康、壓載艙安全和泵/管道系統(tǒng)的不利影響,并嚴(yán)格控制對環(huán)境的不利影響。每種化學(xué)物質(zhì)的處理能力和目標(biāo)微生物不同,因此有必要減少和消除處理后壓載水中的殘留化學(xué)物質(zhì)。由于單一加工方法的局限性,可行的工藝是將幾種方法結(jié)合起來,即通過復(fù)合法,既能綜合各種方法的優(yōu)點,又能彌補彼此的缺點。

大多數(shù)壓載水處理系統(tǒng)由兩個過程組成:(1)液固分離去除壓載水中較大的有機物;(2)對壓載水中剩余的生物和微生物消毒滅活。前一過程以過濾技術(shù)為主,而后一過程以物理或者化學(xué)方法為主。以下是國外在壓載水處理過程中產(chǎn)業(yè)界探索開發(fā)的幾種代表性壓載水處理系統(tǒng)[36～39]。

3.1 PureBallast系統(tǒng)

瑞典制造商Alfa Laval開發(fā)了PureBallast壓載水處理系統(tǒng),是第一個得到IMO最終批準(zhǔn)的壓載水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的處理過程可分為預(yù)處理和最終處理兩個階段。壓載水由壓載泵通過海底閘門吸入。壓載水首先通過孔徑為50μm的過濾器去除大于50μm的有機物,然后送至AOT(高級氧化技術(shù))裝置。在AOT裝置中,用紫外線照射二氧化鈦會產(chǎn)生羥基自由基,該基團會奪取微生物等細(xì)胞膜內(nèi)的氫元素,從而殺死微生物。在壓載水艙的航行過程中,AOT會再次在壓載水艙內(nèi)啟動,以使壓載水在艙內(nèi)再次滅活微生物。

3.2 Opti Mar系統(tǒng)

Opti Mar壓載水處理系統(tǒng)由挪威Optimarine公司制造。該系統(tǒng)于2016年12月通過國際上要求最為嚴(yán)格的美國海岸警衛(wèi)隊(USCG)認(rèn)證,是國際上首個獲得USCG型式認(rèn)可證書的產(chǎn)品。Opti Mar壓載水處理系統(tǒng)采用過濾和紫外輻射相結(jié)合的兩級處理。前一階段對浮游動物進(jìn)行分離和去除,以提高后續(xù)紫外線處理的效果。該過濾器可反沖洗,安裝方便,操作方便。

3.3 Balpure系統(tǒng)

Balpure壓載水處理系統(tǒng)由意大利De Nora公司開發(fā)。該公司是一家老牌電解化學(xué)技術(shù)公司。Balpure壓載水處理系統(tǒng)采用了獨有的分流處理方式,約1%的總壓載水流會被用于產(chǎn)生次氯酸鹽消毒液。通過僅在壓載周期吸水期間進(jìn)行處理的設(shè)計,減少了壓載水處理能耗。Balpure壓載水處理系統(tǒng)采用專利自清洗電極,節(jié)省了船員在化學(xué)及機械清潔維護上的大量時間。

3.4 BWTS-FIT系統(tǒng)

BWTS-FIT壓載水處理系統(tǒng)由希臘ERMA-FIRST公司開發(fā)。該系統(tǒng)的主要部件是一個反沖洗過濾器和一個電解槽。過濾器孔徑為40μm,具有自清潔能力。系統(tǒng)利用電解法產(chǎn)生的活性物質(zhì),消除了過濾后剩余壓載水中的微生物。

3.5 ECS系統(tǒng)

ECS是韓國重要壓載水處理系統(tǒng)生產(chǎn)商Techcross針對安裝空間狹小的船舶推出的壓載水處理系統(tǒng),該系統(tǒng)不涉及壓載泵及壓載管路,也無需安裝過濾器,能在很大程度上節(jié)省船舶機艙空間。系統(tǒng)采用的是電解原理,電極之間產(chǎn)生的電勢差會破壞微生物細(xì)胞壁,同時,電解產(chǎn)生的羥基自由基也會殺菌。

3.6 其他常見壓載水處理系統(tǒng)

包括德國Hamann AG的SENDA,德國RWO的CleanBallast,英國海諾威的UV System,美國Hyde的Hyde Guardian,芬蘭瓦錫蘭公司的Aquarius(見圖2),日本三菱重工的HBWS等[40]。

圖2 Aquarius壓載水處理系統(tǒng)Fig.2 Aquarius ballast water treatment system

在壓載水處理設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)方面,國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批公司和集團致力于開發(fā)先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新的解決方案,做出了積極貢獻(xiàn)并取得了不錯的成績。

① BSKY系統(tǒng)。BSKY壓載水處理系統(tǒng)是無錫藍(lán)天電子有限公司的產(chǎn)品。該系統(tǒng)采用純機械+物理方法,通過水力旋流器粗過濾,接著由超聲波預(yù)過濾,最后是紫外線消毒,不采用活性物質(zhì)。

② Seascape-BWMS系統(tǒng)。Seascape-BWMS壓載水處理系統(tǒng)是易俐特自動化技術(shù)股份有限公司(前身是南通海景船舶壓載水處理系統(tǒng)股份有限公司)和上海交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的產(chǎn)品。該系統(tǒng)采用了機械法+物理法(紫外協(xié)同超聲)的技術(shù)方案。與同類產(chǎn)品相比具有獨特的高效反沖洗技術(shù)、自適應(yīng)紫外滅活技術(shù)和自動紫外燈清洗技術(shù),可用于水質(zhì)較差水體,過濾和反沖洗同時進(jìn)行,提供了幾乎零維護的壓載水處理系統(tǒng),如圖3所示。經(jīng)試驗,系統(tǒng)在高低不同鹽度海水和淡水區(qū)域、長江口岸等低潔凈度水域均可獲得符合壓載水公約標(biāo)準(zhǔn)的處理效果。

圖3 易俐特Seascape壓載水處理系統(tǒng)Fig.3 Elite Seascape ballast water treatment system

③ BalClor系統(tǒng)。BalClor壓載水處理系統(tǒng)是青島雙瑞海洋環(huán)境有限公司的產(chǎn)品。該產(chǎn)品是亞洲首家獲USCG型式認(rèn)可證書的船舶壓載水管理系統(tǒng)。BalClor壓載水處理系統(tǒng)的工作過程分為過濾、次氯酸鈉殺菌和中和三個步驟。過濾是用過濾精度為50μm的自動反沖洗過濾器過濾所有壓載水,電解海水制備次氯酸鈉。次氯酸鈉滅菌是指從壓載水主管路中取一小流量的海水流經(jīng)電解裝置,通過電解產(chǎn)生高濃度次氯酸鈉溶液。脫氣后的溶液重新注入主壓載水管道。稀釋至一定濃度,過濾后殺滅殘留的浮游生物、病原體、幼蟲或孢子。

④ 海洋衛(wèi)士系統(tǒng)。海洋衛(wèi)士壓載水處理系統(tǒng)是青島海德威船舶科技有限公司與哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合研發(fā)。系統(tǒng)殺菌滅藻通過兩步完成:第一步是過濾;第二步是電催化高級氧化。海洋衛(wèi)士壓載水處理系統(tǒng)采用全自動反沖洗過濾器,可實現(xiàn)過濾和反沖洗同時進(jìn)行。過濾后的壓載水由電催化單元(EUT)進(jìn)行進(jìn)一步處理。該單元利用高級氧化電催化技術(shù),通過電子激發(fā)特殊的半導(dǎo)體材料,將水分子分解為高活性的羥基自由基來殺菌滅藻。

⑤ 海盾系統(tǒng)。海盾壓載水處理系統(tǒng)由中遠(yuǎn)船舶工業(yè)公司和清華大學(xué)聯(lián)合研制。系統(tǒng)采用過濾和紫外線的工作原理。過濾系統(tǒng)位于紫外線系統(tǒng)前面。其作用是去除顆粒物等雜質(zhì),去除50μm以上的浮游生物。過濾系統(tǒng)的運行和反洗不影響紫外線處理過程。反沖洗液排入采水區(qū)。該紫外線系統(tǒng)能產(chǎn)生適當(dāng)劑量的紫外線,有效地滅活處理后水體中的藻類、細(xì)菌等生物,安全可靠,成本低廉。

盡管壓載水處理系統(tǒng)經(jīng)過多年的研發(fā),形成了多種不同處理技術(shù),但是通過對全球主要壓載水處理系統(tǒng)的分析可以發(fā)現(xiàn),主流的壓載水處理系統(tǒng)趨向于兩大類型[41]。一種是物理分離+紫外滅活的技術(shù),包括過濾/旋分+UV/脫氧,優(yōu)點是處理裝置容易實現(xiàn)小型化和集約化,后期維護管理比較方便。但是,紫外消毒的能耗較大,燈管容易沉積結(jié)垢。另一種是物理分離+氯化滅活的技術(shù),包括過濾/旋分+電解法/臭氧法/高級氧化/氯離子,適合超大型船舶。但其殺生劑的儲存裝置和發(fā)生裝置占地面積較大,使用過程中經(jīng)常需要更換藥劑,操作復(fù)雜;會產(chǎn)生氫氣,存在安全隱患;對入海口附近低鹽度海水電解效率低;電極易損耗或形成沉積,維護管理比較麻煩;殺生劑還會加快對船艙鋼板的腐蝕。截至2018年12月,65個壓載水處理系統(tǒng)已獲得IMO型式認(rèn)證,13個已獲得USCG型式認(rèn)證。大多數(shù)壓載水處理設(shè)備使用上述兩種技術(shù)[42]。

從技術(shù)層面來看,各公司的技術(shù)難分優(yōu)劣,既各有所長,又各有所短,可以滿足各類新建和改造船舶的安裝要求。未來的競爭可能更多體現(xiàn)在產(chǎn)品的價格,以及公司服務(wù)能力等方面。但是從環(huán)保角度來看,第一種類型正在取得更多認(rèn)同,而第二種類型正在遭受越來越多的質(zhì)疑。文獻(xiàn)[43]為了評估氯處理技術(shù)在減少入侵生物風(fēng)險中的效率及其對壓艙水中浮游動物群落結(jié)構(gòu)及多樣性變化的影響,運用DNA元編碼方法估算了控制艙和氯處理艙中浮游動物群落的移植壓力(引入的物種/操作分類單位的數(shù)量)和相對繁殖壓力(每個物種/操作分類單位的相對豐度)。研究表明,氯處理可能不會像以前所認(rèn)為的那樣可以有效減少入侵風(fēng)險。文獻(xiàn)[44]則研究了全球壓載水消毒有害副產(chǎn)物排放問題及對人類健康影響風(fēng)險的評估問題。論文分析了過去十多年到壓載水公約最終批準(zhǔn)的所有壓載水管理系統(tǒng),介紹了壓載水管理系統(tǒng)產(chǎn)生和排放的化學(xué)品,揭示了使用活性物質(zhì)來滅活生物體帶來的潛在環(huán)境污染風(fēng)險。

4 面臨的挑戰(zhàn)

壓載水處理面臨著標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟、技術(shù)、檢測和法律等不同層面的挑戰(zhàn)。有許多文獻(xiàn)曾給出過深入的討論。

雖然壓載水公約對生物排放量有詳細(xì)規(guī)定,但對生物排放物的種類沒有明確要求。事實上,無論是更換壓載水還是用設(shè)備對船舶壓載水進(jìn)行預(yù)處理,都不能保證100%消滅或更換所有外來生物。無論是孢子囊等殘留生物是否會導(dǎo)致近海生物或病原體的入侵,現(xiàn)有的研究成果都存在一定的局限性和不確定性。此外,壓載水公約的規(guī)定仍需進(jìn)一步完善。例如,文獻(xiàn)[45]研究了微塑料對微藻種群的影響。文獻(xiàn)[46]指出,微塑料作為金屬、抗生素、有毒化學(xué)品、致病菌和有害藻類的載體,通過壓載水傳播可能會對環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)有的壓載水管理公約缺少關(guān)于處理微塑料污染的規(guī)定,認(rèn)為迫切需要將微塑料作為一種危險材料納入壓載水管理公約,規(guī)定壓載水中微塑料的有效限值。

壓載水公約生效后,要求各類船舶必須加裝壓載水處理系統(tǒng)。據(jù)專家預(yù)測,未來5年,每年將有1萬余艘船需要加裝壓載水處理裝置;約有68000艘船舶需要安裝壓載水裝置。英國Global Water Intelligence(GWI)在最新報告中表示,未來5年內(nèi),有關(guān)壓載水管理裝置投資支出將達(dá)到約456億美元,其中船舶改裝支出占絕大部分。但是,自2008年發(fā)生金融危機以來,全球海運市場出現(xiàn)嚴(yán)重的需求低迷和供求失衡問題,國內(nèi)外海運企業(yè)大多數(shù)存在虧損嚴(yán)重等現(xiàn)象[47],很多船東維持現(xiàn)有狀態(tài)尚難,讓他們再為壓載水處理設(shè)備買單會面臨很大壓力。

壓載水處理系統(tǒng)需要占用船舶上寶貴的空間,這對船舶,特別是小型船舶的有效載荷有很大的影響;壓載水處理系統(tǒng)具有較大的重量,還可能對壓載艙及管系造成一定的腐蝕,會給船舶航行安全帶來隱患;壓載水處理系統(tǒng)通常需要消耗較多能源,對船舶電力系統(tǒng)是個很大的負(fù)擔(dān)。特別是對已有船舶改加壓載水管理系統(tǒng),需要綜合考慮安裝空間、位置、電力功率消耗等因素[48]。這些因素給壓載水處理系統(tǒng)的安裝帶來了一定的難度。

壓載水處理系統(tǒng)的使用也是航運界面臨的挑戰(zhàn)之一。壓載水處理設(shè)備包括處理單元、自動控制單元、遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、自動監(jiān)測系統(tǒng)、自動關(guān)閉、自動記錄系統(tǒng)等,有很高的技術(shù)含量,在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、日常維護和應(yīng)付惡劣條件方面對船員的操作水平提出了更高要求。如果因壓載水管理系統(tǒng)的失效而造成船期延誤或港口國檢查不合格而采取其他措施,將給船東帶來巨大的經(jīng)濟損失。這一方面,給船員的培訓(xùn)提出了很高要求;另一方面,也對壓載水處理系統(tǒng)性能提出了迫切需求,包括系統(tǒng)控制和監(jiān)測的便利性、系統(tǒng)維護保養(yǎng)的可靠性和系統(tǒng)使用和管理的復(fù)雜性等。

目前,IMO尚未制定通用壓載水試驗標(biāo)準(zhǔn)和取樣標(biāo)準(zhǔn)。由于港口國壓載水管理系統(tǒng)型式核準(zhǔn)試驗和壓載水抽樣檢驗所采用的方法不同,很可能會得出不同的結(jié)論。一些國家和地區(qū)提出,在制定統(tǒng)一、透明的檢測制度和檢測標(biāo)準(zhǔn)之前,不應(yīng)進(jìn)行壓載水檢測,以防止在現(xiàn)行科學(xué)檢驗標(biāo)準(zhǔn)體系下,優(yōu)質(zhì)壓載水船舶受到不公平對待。另外,壓載水檢測通常分為生物(包括微生物和浮游生物)檢測和水質(zhì)檢測。水質(zhì)檢測方法主要有物理法和化學(xué)法。生物檢測方法可分為詳細(xì)分析法和指示性分析法[49]。雖然針對壓載水中生物的檢測方法有很多種,但現(xiàn)有技術(shù)還很難做到實時處理。由于船舶在港時間存在不確定性,往往時間較短,這勢必影響船舶在港的正常操作,迫切需要發(fā)展快速、準(zhǔn)確和高效的壓載水水質(zhì)檢測技術(shù),以實現(xiàn)壓載水公約規(guī)定的“在執(zhí)行本公約條款時應(yīng)盡力避免使船舶受到不當(dāng)?shù)臏艋蜓诱`”的目的。

已有文獻(xiàn)對實施壓載水公約方式的解讀,更多地集中在船載壓載水處理系統(tǒng)方面,即由船東購買處理設(shè)備,安裝在船舶上。這種方式在船舶靠港作業(yè)時間有限、操作失誤或者裝備出現(xiàn)故障時,或者應(yīng)急狀態(tài)下缺乏足夠處理能力,無法保證壓載水排放符合壓載水公約標(biāo)準(zhǔn)。另外一方面,可能有些特種船只,譬如液貨船,由于船型特點,機艙和泵艙之間沒有足夠的空間安裝管路和設(shè)備。一種解決方法是在港口配備具有壓載水應(yīng)急接收和處理能力的港區(qū)集卡拖車、駁船和港口壓載水處理廠等,在近海、錨地或碼頭為已安裝或者未安裝壓載水處理系統(tǒng)的船舶提供共享式壓載水應(yīng)急處理服務(wù),確保排放或抽入的壓載水滿足公約的要求[50]。在上述幾種方式中,港區(qū)集卡拖車和港口壓載水處理廠由于需要占據(jù)碼頭寶貴的作業(yè)空間,只能為?？看a頭的船舶提供服務(wù),具有一定的局限。利用駁船提供壓載水應(yīng)急處理服務(wù)具有一定的靈活性,通過在近?；蛘咤^地提供壓載水處理服務(wù),可以縮短船舶靠港作業(yè)時間。事實上,從2017年起,國家環(huán)保部就已經(jīng)開始要求,未來港口建設(shè)要配套港口壓載水接收處理運營服務(wù)。2018年6月,由交通運輸部海事局組織發(fā)起,深圳海事局組織上海海洋大學(xué)、上海中遠(yuǎn)海運油品運輸有限公司、深圳寶裕海洋生態(tài)凈化工程公司、易俐特自動化技術(shù)股份有限公司等單位,在深圳東部大鵬灣海域進(jìn)行了共享式壓載水應(yīng)急處理演練。這是壓載水公約生效以來國際上首次開展的共享式壓載水處理演練,為壓載水處理這一世界性難題提供了中國方案[51]。該方案已由國家海事局作為中國提案提交給IMO向全球推廣。

隨著經(jīng)濟全球化與一體化的不斷推進(jìn),國際航運業(yè)也在持續(xù)蓬勃發(fā)展,中國港口的船舶進(jìn)出數(shù)量不斷攀升,進(jìn)而給港口壓載水的接收處理工作帶來了巨大挑戰(zhàn)[52、 53]。壓載水公約生效為我國系統(tǒng)防控外來生物入侵提供了一次難得的機遇。目前,有關(guān)船舶排放壓載水的相關(guān)規(guī)定分散在《海洋環(huán)境保護法》《水污染防治法》《國境衛(wèi)生檢疫法》等個別立法條文中。由于相關(guān)壓載水內(nèi)容較少,缺乏相互協(xié)調(diào),加之壓載水管道控制缺乏專門立法,不可能形成壓載水排放損害海洋生態(tài)的法律調(diào)整和執(zhí)法機制。從我國立法現(xiàn)狀看,尚未對船舶壓載水排放造成的外來物種入侵和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)作出相應(yīng)規(guī)定[54]。迄今為止,我國尚未建立專門的防治外來物種入侵和壓載水危害控制的法律制度。與之相對應(yīng)的是,中央和地方政府還沒有建立統(tǒng)一的權(quán)力機構(gòu)來行使對壓載水外來物種入侵的監(jiān)督管理權(quán),壓載水排放管理仍沒有有效的立法監(jiān)管。因此,我們應(yīng)該從預(yù)警、風(fēng)險評估、實驗室檢測和陸上接收和處置開始,為我國建立一套完整的壓載水?dāng)y帶有害水生生物和病原體的防治體系,具體包含以下幾個方面:(1)調(diào)查我國海域固有生物種,確定需要預(yù)防的外來生物種,建立壓載水物種多樣性生物數(shù)據(jù)庫;(2)根據(jù)國外報告的有害物種和航線特點,制定相應(yīng)的預(yù)防措施;(3)探討壓載水采樣分析的標(biāo)準(zhǔn)方法,對有條件的港口進(jìn)港船舶壓載水和沉積物進(jìn)行采樣分析;(4)探討國際上幾種壓載水處理和控制方法的可行性和有效性;(5)發(fā)展和建設(shè)船基壓載水處理設(shè)備和港口壓載水應(yīng)急接收處理設(shè)施,提高壓載水處理水平。從而減少并最終消除壓載水?dāng)y帶有害水生物和病原體入侵給我國造成的生態(tài)災(zāi)害,維護我國生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

船舶壓載水處理技術(shù)在現(xiàn)代海洋運輸和海洋工程中具有重要的意義。雖然這項技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成就,但仍然面臨著一些挑戰(zhàn),如標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)成本、設(shè)備維護等方面的問題。未來的發(fā)展將著重于提高船舶壓載水處理系統(tǒng)的能源效率和資源利用率。新的技術(shù)和工藝將被引入,以降低處理過程中的能耗和化學(xué)劑使用量,同時提高壓載水水質(zhì)的處理效果。船舶壓載水處理技術(shù)將越來越注重環(huán)境友好和可持續(xù)性。發(fā)展趨勢將包括采用更環(huán)保的處理方法,例如利用生物降解技術(shù)、植物凈化系統(tǒng)和可再生能源等,以減少對環(huán)境的影響。船舶壓載水處理技術(shù)將與其他船舶污水處理、廢水處理和海洋保護系統(tǒng)相結(jié)合,形成綜合的水資源管理方案,從而實現(xiàn)更高效、可持續(xù)和一體化的處理過程。未來,隨著環(huán)保意識的不斷提高和技術(shù)的進(jìn)步,壓載水處理技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。因此,需要繼續(xù)加強對這項技術(shù)的研究和推廣,提高技術(shù)的可持續(xù)性和經(jīng)濟性,為船舶壓載水處理技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。