船舶壓載水處理系統(tǒng)型式認(rèn)可試驗(yàn)水的調(diào)配方法

　　摘 要 船舶壓載水的管理對(duì)于阻止引入非本地物種至關(guān)重要。為了符合《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》提出的 D-2 排放標(biāo)準(zhǔn)，船上安裝的壓載水處理系統(tǒng)必須經(jīng)過相關(guān)主管機(jī)關(guān)的型式認(rèn)可。在型式認(rèn)可過程中，試驗(yàn)用水作為重要試驗(yàn)介質(zhì)，是驗(yàn)證壓載水處理系統(tǒng)處理能力的重要保證。為了達(dá)到公約中試驗(yàn)用水的要求，經(jīng)常利用添加劑調(diào)配試驗(yàn)用水。盡管已有試驗(yàn)用水的特定指標(biāo)限值要求，但并未指定調(diào)配方法。不同的調(diào)配方法對(duì)壓載水處理系統(tǒng)的處理結(jié)果有直接影響。為了建立一種穩(wěn)定的、可復(fù)制的試驗(yàn)水調(diào)配方法，文中分別在實(shí)驗(yàn)室小試與岸基試驗(yàn)中，開展了試驗(yàn)水調(diào)配，對(duì)比研究了調(diào)配前后目標(biāo)調(diào)配指標(biāo)的提升效果，同時(shí)，評(píng)估了可反映水質(zhì)性質(zhì)變化的總殘余氧化劑 TRO 和透光度 UVT 的改變情況。結(jié)果表明，在淡水和半咸水試驗(yàn)中，調(diào)配后試驗(yàn)水中溶解性有機(jī)碳 DOC、顆粒性有機(jī)碳 POC 和總懸浮物 TSS 的含量分別超過了 6、5 mg/L 和 50 mg/L，可見添加木質(zhì)素磺酸鈣、玉米淀粉和高嶺土組合的配水方案不受試驗(yàn)水體類型的影響，且調(diào)配后 TRO 和 UVT 變化不顯著。調(diào)配過程中，添加物的損耗較小，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值(目標(biāo)量為 120%)差異不顯著。但岸基條件下大體量配水也有挑戰(zhàn)性，配水后 TSS 的實(shí)測(cè)值往往低于 120%的目標(biāo)添加量。究其原因?yàn)榇篌w積試驗(yàn)水混合不均勻，因此，需在配水后采取曝氣等混勻措施，以保證配水效率。

　　關(guān)鍵詞 船舶 壓載水 壓載水處理系統(tǒng) 型式認(rèn)可 試驗(yàn)用水的調(diào)配

　　王瓊; 劉然; 上官欣欣; 姚偉; 吳惠仙 凈水技術(shù) 2021-12-13

　　船舶壓載水是海洋外來生物入侵的重要途徑之一[1-3]。眾所周知，壓載水的排放已在世界范圍內(nèi)造成了諸多生態(tài)污染問題[4-6]。2017 年 9 月，國際海事組織(IMO)發(fā)布的《國際船舶壓載水和沉積物沉積物控制與管理公約》(以下簡稱公約)正式生效[7-9]。公約規(guī)定利用壓載水保持安全航行條件的船舶應(yīng)配備壓載水處理系統(tǒng)(BWMS)，且該 BWMS 應(yīng)按照《壓載水處理系統(tǒng)型式認(rèn)可導(dǎo)則》(以下簡稱 G8 導(dǎo)則)要求，通過主管機(jī)關(guān)的型式認(rèn)可[10]。現(xiàn)有營運(yùn)船舶中處理壓載水達(dá)到 D-2 排放標(biāo)準(zhǔn)的符合率不高。為了確保 BWMS 的運(yùn)行可靠性， IMO 對(duì) G8 導(dǎo)則進(jìn)行了全面修訂，并將其升級(jí)為壓載水處理系統(tǒng)認(rèn)可規(guī)則(BWMS 規(guī)則)[11]，形成嚴(yán)格的、一致的試驗(yàn)方案，確保試驗(yàn)的可重復(fù)性和與其他處理設(shè)備的可比性。美國海岸警衛(wèi)隊(duì)(USCG) 設(shè)定了獨(dú)立的 BWMS 型式認(rèn)可試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ETV 標(biāo)準(zhǔn))[12]。試驗(yàn)原水作為岸基試驗(yàn)中評(píng)估 BWMS 有效性的試驗(yàn)介質(zhì)，是驗(yàn)證 BWMS 處理能力的重要保障，ETV 標(biāo)準(zhǔn)與 BWMS 規(guī)則均對(duì)岸基試驗(yàn)的原水水質(zhì)指標(biāo)的特定含量作出了要求[11-12]。

　　雖然世界上的海洋是相通的，但不同水域自然條件下的生物與水質(zhì)條件仍然存在差異。大多數(shù)情況下，自然水體的水質(zhì)條件不能同時(shí)達(dá)到 IMO 和 USCG 的流入水標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)水的生物與水質(zhì)特性是正確、公正地評(píng)估 BWMS 有效性的重要基礎(chǔ)，但是，國內(nèi)外尚無 BWMS 型式認(rèn)可試驗(yàn)水調(diào)配標(biāo)準(zhǔn)，缺少一種穩(wěn)定的、可復(fù)制的、適用范圍廣的試驗(yàn)水調(diào)配方法，使其滿足 IMO 和 USCG 要求[4]。目前，已有報(bào)道研究了過濾法、電解法、紫外照射、超聲波法、加熱和脫氧等工藝處理壓載水的有效性[1,4,13- 19]，但這些研究的試驗(yàn)流入水標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無法對(duì)各種工藝的處理效果進(jìn)行橫向比較。現(xiàn)有研究大多為實(shí)驗(yàn)室小試，研究葡萄糖、蔗糖、可溶性木質(zhì)素、檸檬酸鈉、甲基纖維素和淀粉等調(diào)配物的選擇，及其對(duì)消毒副產(chǎn)物的影響[20-21]。許多研究報(bào)道了岸基試驗(yàn)中 BWMS 的處理效率[21-22]，但關(guān)于岸基試驗(yàn)流入水調(diào)配的研究十分匱乏。本文在實(shí)驗(yàn)室小試和岸基試驗(yàn)中，對(duì)試驗(yàn)流入水水質(zhì)調(diào)配物進(jìn)行可行性與穩(wěn)定性驗(yàn)證研究，分析試驗(yàn)水調(diào)配方法對(duì)水質(zhì)的影響，以期為國內(nèi)開展 BWMS 對(duì)船舶壓載水處理效果的評(píng)估研究提供技術(shù)支撐，為 BWMS 產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)換代提供技術(shù)方向，為今后建立壓載水 BWMS 型式認(rèn)可試驗(yàn)水調(diào)配的標(biāo)準(zhǔn)提供編制依據(jù)，同時(shí)，為海洋外來入侵生物防控技術(shù)的發(fā)展提供參考數(shù)據(jù)。

　　1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)原水的選擇

　　國際海事組織[11]與美國海岸警衛(wèi)隊(duì)[12]發(fā)布的試驗(yàn)指南均要求在淡水、半咸水和海水這 3 種水體條件下開展 BWMS 型式認(rèn)可生物有效性評(píng)估試驗(yàn)。在試驗(yàn)水的配置中，鹽度不會(huì)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)造成影響，因此，本研究以淡水和半咸水兩個(gè)鹽度范圍的試驗(yàn)流入水為研究對(duì)象，選擇上海滴水湖支流的自然水作為淡水(<1 PSU)水源，上海洋山港的港口近岸海水作為半咸水(10~20 PSU)水源。淡水和半咸水條件下的試驗(yàn)均設(shè)置了 4 個(gè)試驗(yàn)組，其中，淡水試驗(yàn) 4 分別標(biāo)記為 F-1、F-2、F-3 和 F-4，半咸水試驗(yàn)分別標(biāo)記為 B-1、B-2、B-3 和 B-4。

　　1.2 水質(zhì)調(diào)配方法

　　ETV 標(biāo)準(zhǔn)推薦使用腐植酸、不含咖啡因的冰紅茶粉、海藻或浮游生物碎屑、符合 ISO 12103-1 標(biāo)準(zhǔn)的 A4 粗試驗(yàn)塵等作為水體提升物。其中，高嶺土是一種黏土礦物，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用于補(bǔ)充顆粒無機(jī)物，與自然水域中的顆粒大小相近，是最能代表自然系統(tǒng)中懸浮在水柱中的物質(zhì)。玉米淀粉是一種在市場(chǎng)上廣泛出售、原料來源廣泛且成本較低的添加劑，粒徑小，有較高的粗蛋白含量，不易糊化，不易溶于水，會(huì)形成顆粒性有機(jī)物。高嶺土和玉米淀粉可作為提高 BWMS 型式認(rèn)可岸基試驗(yàn)水體 POC 和 TSS 含量的優(yōu)選添加劑。木質(zhì)素是植物中各種結(jié)構(gòu)的生物分子，是唯一可大批量生產(chǎn)的含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的天然高分子，其分子量高且是芳香族化合物的異質(zhì)混合物，不會(huì)過度刺激細(xì)菌生長、呼吸和氧氣消耗，因此，對(duì)配置水中生物的存活無影響，是大規(guī)模提升配置水 DOC 含量的優(yōu)先添加劑。綜上，從材料適用性、易得性與經(jīng)濟(jì)性三方面綜合比較后，本研究選用木質(zhì)素磺酸鈣、玉米淀粉和高嶺土作為調(diào)配試驗(yàn)添加劑。

　　實(shí)驗(yàn)室小試為在 2 L 試驗(yàn)原水中進(jìn)行不達(dá)標(biāo)參數(shù)的調(diào)配，每個(gè)水體類型設(shè)置 2 個(gè)平行試驗(yàn)組，分別為 F-1、F-2 組和 B-1、B-2 組。岸基試驗(yàn)在模擬壓載水艙內(nèi)，進(jìn)行 500 m3 水量的不達(dá)標(biāo)參數(shù)調(diào)配，分別為 F-3、F-4 和 B-3、B-4 組。

　　首先測(cè)定試驗(yàn)原水 DOC、POC 和 TSS 的含量，對(duì)不滿足 IMO 和 USCG 要求的指標(biāo)進(jìn)行調(diào)配，選擇木質(zhì)素磺酸鈣、玉米淀粉和高嶺土分別用于提升試驗(yàn)原水中不達(dá)標(biāo)的 DOC、POC 和 TSS 含量。以 BWMS 規(guī)則(IMO)和 ETV 標(biāo)準(zhǔn)(USCG)的最高要求作為各指標(biāo)的調(diào)配目標(biāo)，各物質(zhì)的調(diào)配量按照 120%進(jìn)行計(jì)算添加。DOC、POC 和 TSS 的達(dá)標(biāo)含量分別是 6、5 mg/L 和 50 mg/L，因此，對(duì)應(yīng)的調(diào)配目標(biāo)分別為 7.2、6.0 mg/L 和 60 mg/L。調(diào)配后再次測(cè)定 DOC、POC 和 TSS 的含量，以驗(yàn)證水質(zhì)調(diào)配的效果。為了評(píng)估調(diào)配物的添加對(duì)水質(zhì)的影響，還需測(cè)定調(diào)配前、后水體的紫外透光率 UV-T 和總殘留氧化劑(TRO)消耗。

　　1.3 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定方法

　　利用總有機(jī)碳分析儀法測(cè)定 DOC 和 POC 的含量(TOC-VCPH;日本島津公司;日本東京)，采用重量法測(cè)定 TSS 的含量。試驗(yàn)水的紫外透射率會(huì)對(duì)處理系統(tǒng)的紫外線輻射效果產(chǎn)生影響[23]，本試驗(yàn)用分光光度計(jì)法測(cè)定 UV-T，為 254 nm 條件下水樣的紫外透光率[22]。利用 TSS 與 POC 的差值計(jì)算出礦物質(zhì)(MM)的含量[24]。

　　TRO 消耗的測(cè)定方法：在 1 L 水樣中加入 330 µL 次氯酸鈉，分別在加入次氯酸鈉后第 0、5、30 min 和 60 min 測(cè)定 TRO 含量。采用 DPD 方法[25]分別測(cè)定調(diào)配前后每個(gè)時(shí)段 TRO 的含量。以超純水中加入等量次氯酸鈉為初始 TRO，減去每個(gè)時(shí)段的 TRO，即可計(jì)算出 TRO 的消耗量。以 TRO 消耗值除以水樣中的 DOC 含量值，即為每毫克碳的 TRO 消耗[26]。

　　2 結(jié)果與分析 2.1 淡水水質(zhì)的調(diào)配結(jié)果與分析

　　淡水水源地上海滴水湖支流 DOC 的含量較高，自然水體 DOC 的含量有時(shí)可超過 6 mg/L，達(dá)到 IMO 的 BWMS 規(guī)則和 USCG 的 ETV 標(biāo)準(zhǔn)要求。自然原水中 TSS 的含量和 POC 的含量較低，均不滿足 IMO 和 USCG 要求的數(shù)值(圖 1)。因此，在淡水條件下的小試配水提升了原水 TSS 和 POC 的含量，岸基配水提升了原水 DOC、TSS 和 POC 的含量。

　　通過在試驗(yàn)原水中添加木質(zhì)素磺酸鈣、玉米粉和高嶺土調(diào)配后，試驗(yàn)水中 DOC、POC、TSS 和 MM 的含量均達(dá)到了 IMO 和 USCG 試驗(yàn)流入水標(biāo)準(zhǔn)(圖 1)。試驗(yàn)組 F-3 與 F-4 中，調(diào)配后試驗(yàn)水中 DOC 的含量均超過 120%目標(biāo)值。Lee 等[21]在含有玉米粉的試驗(yàn)組中，發(fā)現(xiàn) DOC 的含量與理論含量相似或偏高。這也說明玉米粉具有雙重提升作用，其與木質(zhì)素磺酸鈣混合調(diào)配水質(zhì)的方案可行，這種方案可以減少木質(zhì)素磺酸鈣的添加量，是一種性價(jià)比較高的調(diào)配方法。岸基試驗(yàn)配水的目標(biāo)水量是小試試驗(yàn)的 25 萬倍，各添加量在等比例擴(kuò)大并添加后，岸基配水結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性不及實(shí)驗(yàn)室小試。但實(shí)驗(yàn)室小試(F-1 和 F-2)與岸基試驗(yàn)(F-3 和 F-4)配水后，各配水指標(biāo)均能達(dá)到 IMO 和 USCG 雙標(biāo)要求。對(duì)比理論計(jì)算目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值可以發(fā)現(xiàn)，DOC 和 POC 的調(diào)配較穩(wěn)定，調(diào)配后水體中除 TSS 外，各指標(biāo)的含量均達(dá)到 120%的添加目標(biāo)。究其原因，可能是 TSS 的調(diào)配物高嶺土易沉降，會(huì)引入取樣誤差。可見，調(diào)配過程中各添加物均勻混合非常重要。向淡水試驗(yàn)原水中添加調(diào)配物會(huì)造成試驗(yàn)水 UV-T 降低(圖 2)，但該降低與原水比較并不明顯(P=0.053>0.05)，調(diào)配后 UV-T 的降幅在 1%~11%。研究報(bào)道，有機(jī)碳添加劑會(huì)影響 TRO 的濃度 [26]，本研究也得到了一致的結(jié)果(圖 3)。實(shí)驗(yàn)室小試中，調(diào)配后 DOC 的含量升高，水體中 TRO 的消耗隨之增加，但調(diào)配后每毫克碳對(duì)應(yīng)的 TRO 消耗與試驗(yàn)原水間不存在顯著差異(P=0.749>0.05)，這一結(jié)果證明了 DOC 的調(diào)配過程僅增加了水體消耗 TRO 的總量，調(diào)配后流入水與自然水體性質(zhì)相似。

　　2.2 半咸水水質(zhì)的調(diào)配結(jié)果與分析

　　實(shí)驗(yàn)室小試試驗(yàn)與岸基試驗(yàn)中，自然條件下半咸水水源地上海洋山港 DOC 和 POC 的含量均低于 IMO 和 USCG 要求，分別是 1.0~3.3 mg/L 和 0.33~0.89 mg/L(圖 4)。半咸水原水 TSS 的含量在 28.0~51.0 mg/L，可以達(dá)到 USCG 的標(biāo)準(zhǔn)限值，但不滿足 IMO 要求。經(jīng)過調(diào)配，實(shí)驗(yàn)室小試與岸基試驗(yàn)半咸水中 POC、TSS、DOC 和 MM 的含量可滿足 IMO 和 USCG 對(duì)流入水的水質(zhì)要求(圖 4)。與淡水調(diào)配試驗(yàn)結(jié)果相同的是僅 TSS 的實(shí)測(cè)含量出現(xiàn)了低于理論計(jì)算值的情況，再次證明調(diào)配 TSS 的過程易出現(xiàn)混合不均勻的問題。

　　調(diào)配后半咸水 UV-T 降低，但仍高于 50%(圖 5)。TRO 消耗與 DOC 濃度呈正相關(guān)[13, 27]，調(diào)配后 DOC 的含量升高，對(duì)應(yīng)的 TRO 消耗也有所升高(圖 6)。由于木質(zhì)素磺酸鈣的分子結(jié)構(gòu)大而復(fù)雜，有機(jī)成分腐植酸和黃腐酸的占比較大，這在 TRO 消耗中起到主要作用[20]。調(diào)配后流入水中每毫克碳對(duì)應(yīng)的 TRO 消耗與試驗(yàn)原水相比未出現(xiàn)顯著差異(P=0.715>0.05)，這可能是由于木質(zhì)素磺酸鈣中有機(jī)成分的占比與自然海水較為接近。

　　3 結(jié)論

　　由于世界各地港口和港口的水質(zhì)條件差異很大，壓載水處理系統(tǒng)(BWMS)在實(shí)船運(yùn)行時(shí)可能會(huì)遇到各種各樣的水況。因此，在水質(zhì)條件下評(píng)估處理系統(tǒng)的有效性至關(guān)重要。為了真實(shí)、準(zhǔn)確、公正地評(píng)價(jià) BWMS 的實(shí)際處理能力，型式認(rèn)可試驗(yàn)的流入水應(yīng)盡可能的接近天然水質(zhì)特征。本研究驗(yàn)證了一種穩(wěn)定性較好、適用各種水體、可標(biāo)準(zhǔn)化推廣的試驗(yàn)水調(diào)配方法，該調(diào)配方法可有效提升試驗(yàn)流入水特定指標(biāo)的含量，以滿足國際海事組織和海岸警衛(wèi)隊(duì)的要求，且調(diào)配后流入水與自然水體的特性較為相似。