船舶污水處理技術

發表時間：2021-11-15 12:31:43 閱讀次

　　近年來，我國船舶運輸量和總噸位增長較快，其中我國約34%的外貿出口貨物由海運完成。截至2015年末，全國擁有水上運輸船舶16.6萬艘，其中內河船舶15.2萬艘，沿海運輸船舶1.07萬艘，遠洋運輸船舶2689艘。隨著航運業的快速發展，海運船舶污水成為重要的海洋移動污染源。研究表明，航線污染和港口污染是導致海洋污染的重要因素。我國船舶運輸主要發生在近海岸和東海，近海岸富營養化情況日益嚴重。

　　現代船舶按照國際海事組織(InternationalMaritimeOrganization,IMO)標準，在船級社初次入級檢驗后，在船級符號后面附加一個或數個標志，如船舶類型、貨物裝載、特種任務、航區限制、冰區加強等。船舶分類方式包括船舶用途、航行區域等。根據船舶用途，分為客船、普通貨船、集裝箱船等;根據航行區域，分為遠洋船、近洋船、沿海船和內河船等。客輪通常靠近沿海航行，對生活污水排放有嚴格限制;遠洋貨輪盡管有時會航行在非限制區域(遠洋航區)，但各國港口接收設施的完善程度不一，領海及近陸水域保護要求不同，因此，船舶污水排放標準主要按照海域、船舶類型管理，并且日益嚴格。

　　因此，本文以海運船舶為主要對象，通過文獻綜述，分析海運船舶污水的水質特征和新排放標準、海運船舶污水處理技術研究與應用現狀，以期為研制船級社認證船舶生活污水處理裝置提供借鑒，改善海域環境。

　　一、船舶污水 >

　　船舶產生的水污染物主要包括生活污水、含油污水、含有毒液體物質的污水和船舶垃圾。據估算，我國船舶生活污水總量約為1800萬噸/年，含油污水約為1200萬噸/年，其中沿海船舶生活污水產生量約為1125萬噸/年，船舶含油污水產生量約為350萬噸/年。

　　1.1 船舶生活污水

　　船舶生活污水(黑水)具有水質水量變化大、污染負荷高的特征。船舶污水以廁所污水為主。由于船舶生活污水較難獲得，現有研究通常采用城市生活污水、初沉池出水、公廁糞便污水等代替船舶生活污水進行試驗研究(見表1)，但人工模擬船舶生活污水的COD濃度普遍較低。相較于傳統城市黑水，船舶生活污水的污染物濃度更高，例如，BOD5991～5840mg/L，SS1180～4980mg/L，這主要是由于船舶衛生系統排泄周期比較短和用水量的限制，導致較高的污染物濃度和污染負荷。通常郵輪載客人數遠多于貨輪，但由于郵輪乘員人數的明顯變化，導致船上污水處理設施的水力負荷變化較大，例如，郵輪上的游客人均日產生約31.8L黑水，253L灰水，灰水占比85%～95%。另外，遠洋船舶近海岸航行時對污水排放要求嚴格，而遠海岸航行時允許生活污水直排，導致生活污水處理系統的污染負荷變化較大，這對處理設備調控要求較高。

　　表2比較了國內外船舶生活污水排放標準。最早的防止船舶污染國際公約-MARPOL73/78，僅對大腸桿菌、懸浮物、生化需氧量等衛生指標做出了要求。2006年4月國際海事組織(IMO)對IMO73/78附則Ⅳ進行了修改，生活污水排放標準更嚴格，同時新增COD、pH、余氯等指標。2006年10月13日頒布的MEPC.159(55)決議規定自2010年1月1日開始，凡是吊裝到不論新老船舶上的船用生活污水處理裝置都應滿足新標準的要求。2012年，該標準又增加了總氮和總磷的排放標準，并經后續修訂，該標準的排放限值于2016年1月1日起開始全面實施。我國于2018年1月16日發布的《船舶水污染物排放控制標準》，針對不同類別船舶航線和不同的噸級，分別給出了排放控制與實施要求。

　　針對海運船舶生活污水的水質、水量特征及處理需求，船舶生活污水處理的難點主要如下：1)船舶空間緊張，要求污水處理系統緊湊，因此容積負荷率(Volumeloadingrate,VLR)高；2)受船舶航行海域、載客運營狀況影響，船舶生活污水進水的水量、水質波動較大，出水排放標準也因離岸距離而不同，這對污水處理系統快速啟停、功能切換等的自動化要求高；3)船舶行駛過程中的震動和顛簸給污水處理系統的液位調控帶來了較大挑戰。

　　1.2 船舶含油污水

　　船舶含油污水主要包括含油壓載水、含油洗艙水和機艙水(見表3)。根據國際海事組織(IMO)的統計，全世界由運輸造成的進入海洋環境的石油類污染物總量每年約為147萬噸，其中大約70萬噸來自船舶壓艙水、洗艙水和艙底水。這些含油污水主要包括原油、潤滑油、重柴油等，乳化程度高，較難處理。壓艙水占含油廢水的10%，艙底水約占船舶總重的0.02%～0.05%[24]。由表1可知，船舶艙底含油廢水的油濃度6.5～2000mg/L，SS133～660mg/L，表面活性劑500mg/L，三丁基錫(tributyltin,TBT)25.4～50μgSn/L，還含有Pb，Zn，Cu，Cd等金屬元素。

　　1954年國際海洋防止油污公約主要針對原油、燃油、重柴油和潤滑油制定了排放標準，1981年炭黑原油排放事故，在排放標準(MARPOL73/78)中將炭黑原油列入，涉及所有油類，隨后根據海洋生態條件及交通條件，將波羅的海區域、西北歐區域、海灣區域等規定為特殊區域。當在特殊區域內時，任何油船和400總噸及以上的非油船，禁止將任何油類或油性混合物排放入海;小于400總噸的非油船，未經稀釋的排出物含油量不超過15mg/L。參照IMO制定的MARPOL73/78有關規定，我國制定并頒布了1983年《船舶污染物排放標準》，船舶離海岸距離不同，最高允許排放濃度不同。最新修訂的標準GB3552-2018將含油污水分為兩類含，分別是貨油殘余物的油污水和機器處所油污水，其中船舶排放含油污水的控制要求及含油量的最高允許排放濃度如表4所示。

　　二、船舶污水處理技術研究與應用的現狀和進展

　　從應用現狀和發展趨勢來看，遠洋船舶污水就地處理達標排放，即將污染在船上消除是未來的主導方向，存儲排放形式將被逐漸淘汰。為了處理船舶污水，首先必須收集各種污水，然后輸送到船用衛生設備(MarineSanitationDevice,MSD)。以往船舶上的糞便污水與其他污水分開收集，也有些船舶為了敷設管路方便起見，采用了混合收集系統。目前大多數國家采取不同方式處理不同類型的船舶污水，通常黑水采用生活污水處理設施處理后排放，灰水直接排放，但也有部分船舶將黑水、灰水、艙底廢水混合后處理排放。

　　2.1 船舶生活污水處理技術現狀

　　20世紀60年代末期，國內外相繼開展船舶生活污水處理工藝與技術研究。從船舶生活污水處理工藝的發展過程來看，成功借鑒了岸上的水處理技術。隨著船舶生活污水排放標準的日益嚴格，常規生化/物化技術已經無法滿足處理要求，膜處理技術已成為極具前景的船舶污水處理技術。

　　傳統生化技術，COD去除效率85%以上時，每日噸水所需高達150L，而Sun等利用MBR技術，采用2～8kgCOD/m3•d較高容積負荷處理船舶綜合污水，形成了緊湊型船上綜合污水處理系統。為適應船舶船體搖擺和水力沖擊負荷的影響，研究者探索了不同類型的膜生物反應器(見表5)，如復合式膜生物反應器(HybridMBR,HMBR)、移動床膜生物反應器(movingbedmembranebioreactor,MB-MBR)、一體化A/OMBR。HMBR是在一體式MBR中投加填料或粉末活性炭，使反應器中同時存在懸浮型和附著型微生物，HMBR在較高容積負荷下處理船舶生活污水時，COD平均去除率可達91.63%。一體化A/O-MBR在處理實際綜合船舶污水時，COD、TSS的去除率分別達到94.5%，99.9%。由于船舶在海上航行，污水的含鹽量變化較大。KargiF等指出常規生物處理技術不能用于處理氯化鈉濃度大于約3%的含鹽污水。而通過膜的截留作用，MBR在活性污泥適應5～30g/L含鹽污水的條件下處理效果良好，但鹽度相對較高時，膜污染率更大。

　　2.2 船舶含油污水處理技術現狀

　　現有含油污水處理技術研究主要是去除艙底水中的石油、表面活性劑、有機錫化物、重金屬等污染物。與常規含油廢水處理方法類似，有重力分離、浮選分離、吸附、過濾及基于過濾技術的膜分離工藝等。重力分離是利用油水密度差對油水進行重力分離，代表裝置為YSCZ型油污水分離裝置，目前只作為含油污水初級處理。由于艙底含油污水多為乳化油，通常采用混凝/絮凝法破乳，除油率可達90%以上，紫外照射和高級氧化可有效降解含油廢水中的多環芳烴。這類方法的缺點在于會產生待處理的新固體廢物。隨著電化學技術的發展，電解法、電絮凝、光催化等技術用于處理含油污水，其中電解法的油去除率可達84.8%～99.9%，膜分離產生的濃縮物的油濃度范圍為25%～65%，再次濃縮后，最終濃縮物僅占5%～10%。

　　2.3 船舶污水處理裝置

　　以“船舶and污水and處理”為關鍵詞在國家知識產權局上檢索，一共可檢索到444項專利，分析整理發現，2010年前，專利大多數采用傳統生化處理技術處理內河船舶污水，而在2010年后，專利研究設備開始以膜技術為工藝主體，且不再僅針對內河船舶，已擴展為海洋船舶污水處理。

　　MBR的容積負荷高、占地面積小，對解決海洋船舶上空間有限的實際問題具有重要的現實意義。2014年ACOMarine公司陸續推出了MaripurNF和ClarimarMF系列處理設備，可滿足IMOMEPC227(64)認證要求。Wärtsilä開發了以生化技術為原理的超三叉戟污水處理設備，以及適合小型郵輪和海軍艦艇的MBR污水處理系統(HamworthyminiMBR)。2015年威立雅旗下的RWO公司推出了以MBBR為主要技術的新型CleanSewageBio污水處理系統。芬蘭的EVAC公司污水處理產品包括適用于大型郵輪的MBBR，適用于其他各類船舶的MBR和適用于海軍應用的電解污水處理設備(見表6)。然而調查表明，40%的郵輪仍在使用20世紀80年代開發的污水處理技術。