船舶污水處理技術探討
摘 要: 展望生活污水、艙底水處理技術, 對壓載水處理、艦船中水回用、艦船污水綜合處理技術進行探討。介紹國際規范對設備的具體要求及專業廠家在實驗和研發過程中的實踐經驗、主要技術的發展方向。
關鍵詞: 污染物,艙底水,生活污水,中水回用,壓載水
1 生活污水處理處理方法技術
國外對船舶生活污水處理工藝及技術的研究始于20 世紀60 年代末期, 以美國和日本為代表, 目前開展此項研究工作的仍是最早加入附則的一些國家, 如美國、日本、英國、法國、德國、希臘、荷蘭和丹麥等。國內針對船舶生活污水處理裝置的研制開始于20 世紀70 年代末期, 開始研制再循環式生活污水處理裝置以來, 已先后開發了物理化學法處理生活污水的裝置, 具有粉碎、消毒、貯存功能的貯存柜, 以及生化法處理生活污水的生活污水處理裝置, 還有引進國外設備并吸收轉化開發的相關船舶生活污水處理裝置。
近年來國際國內對于生活污水處理技術的主要研究方向以強化生物處理工藝流程及處理效率為主, 比較典型的就是結合膜分離技術與生物處理技術而形成的膜生物法工藝( membrane bio reactor, MBR) 。MBR 主要由污水預處理柜、好氧厭氧處理柜、膜生物反應器、氣泵等組成, 膜生物反應器中放置有膜組件。與傳統的污水處理方法相比, 膜的高效截留作用使微生物完全截留在膜生物反應器內, 實現反應器水力停留時間和污泥齡完全分離, 運行控制靈活穩定, 通過運行方式改變實現脫氨和除磷功能。所以, 膜生物反應技術具有出水水質好、運行穩定、操作簡單、維護方便等特點。與黑水相比, 灰水的組分中含有大量的油滴和有機磷、有機氮, 特別是油分子的存在, 對微生物的繁衍有著很大的抑制作用, 大大降低生物反應的處理效率, 所以在MBR 工藝中, 對于污水的預處理有著極其重要的作用, 預處理的一個重要的流程就是去除污水中的油份, 以保證后續的處理工藝得以順利高效地進行。
在灰水的處理方法上, 目前比較通用的方法是采用消毒的方法消除灰水中菌類, 如采用紫外線、臭氧等消毒的方法, 去除灰水中的大腸桿菌, 采用此類物理方法可以避免化學法強氧化劑消毒帶來的余氯二次污染和酸堿度超標等缺點, 是目前最具有前景, 應用最廣泛的污水處理技術。隨著人類環境保護意識的提高, 對污水中其他污染物的排放控制要求勢必日益加強, 如余氯、磷、氮、大腸桿菌等的控制將會越來越嚴, 因此采用膜法處理生活污水將成為一種必然的趨勢。
對比表1 關于MEPC. 2(Ⅵ) 規范和2010 年 1 月1 日正式實施的MEPC. 159( 55) 新規范。由表1, 國際海事組織對生活污水處理裝置規范的對比可以看出, 規范中原來規定的排放指標均有大幅度的提高, 而且增加了相應的控制項目。
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南京中船綠洲機器有限公司從20 世紀80 年代開始從英國Harmw o rthy 公司引進ST 系列生活污水處理裝置并在此基礎上利用膜法和生物接觸氧化法自主開發了滿足MEPC. 159( 55) 規范的STC 系列生活污水處理裝置。對于膜的應用的嘗試, 取得了比較成功的典范, 在IMO 型式試驗過程中, 嚴格按照IMO 規范的要求, 配置符合要求的原污水, 經過該工藝流程后對處理水進行分析, 試驗結果見表2。
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由表2 可見, 進入裝置的原污水的水質情況非常差, 經過裝置的處理后, 排放水的水質完全滿足規范的要求。
2 艙底水處理技術
國際海事組織( IMO) 海上環境保護委員會第 49 屆會議( MEPC 49) 以MEPC. 107( 49) 決議的方式通過了《修訂的船舶機艙艙底水防污染設備指南和技術條件》, 在2005 年1 月1 日后代替 MEPC. 60( 33) 決議。決議的主要要求體現在以下幾個方面。
1) 艙底水分離器能夠處理按IMO MEPC. 107( 49) 決議制備的相對密度不小于0. 83 的輕柴油油水混合物( 混合物的體積比分別為0. 5% ~ 1%、25% ) 和相對密度不小于0. 98 的重油的油水混合物( 混合物的體積比為0~ 100%) , 使排放水含油指標能小于排放標準( 15 mg/ L) 。
2) 艙底水分離器能夠處理按IMO MEPC. 107( 49) 的嚴格程序制備的油水乳化液( 設備進水含油量為3 000 mg/ L) , 使排放水含油指標能小于排放標準( 15 mg/ L) 。
對電氣控制的要求, 即艙底水分離器從送至 15 mg/ L 艙底水報警裝置的樣品發生變化至濃度顯示器顯示正確的響應所化時間不超過5 s。
3) 基于新規范對油水分離器提出的更高的要求, 雖然艙底水分離技術的方法很多, 但是僅依靠單一的方法來處理如此復雜的油污水, 效果并不明顯。目前最主要的技術瓶頸就是如何更有效地處理乳化油水, 從多年的發展過程來看, 浮油分離技術已經很成熟。由于船上的工況和空間限制, 比較合適的油水乳化液分離的方法是吸附分離法和過濾分離法。MEPC 107( 49) 對油水分離器的過濾材料提出了更高的要求, 從用戶使用角度出發, 要求吸附飽和的材料可以再生循環使用。從處理效果分析, 設備需要采用多級分離流程, 而且要盡量采用物理分離方式, 避免二次污染的產生。
南京綠洲是最早自主開發船用艙底水分離器的廠家之一, 公司開發了滿足MEPC 60( 33) 的 CYSC 系列油水分離器, 并且在此基礎上自主開發了滿足新規范MEPC 107( 49) 的ZYF 系列艙底水分離器。該設備采用多級分離流程, 對于不同的含油狀態采用不同的分離方法, 將浮油分離方法與乳化油分離方法相結合, 有效地去除油污水中的油份, 由于設計采用物理的方法處理油污水, 從而從根本上避免二次污染的產生; 另外, 在結構設計上, 過濾材料采用模塊方式, 便于維修操作, 滿足無人機艙控制要求。
3 壓載水處理技術
IMO 組織2004 年頒布了《國際船舶壓載水及沉淀物控制和管理公約》并計劃將于2016 年實施, 世界各國已采用和正在研究的壓載水處理方法有許多種, 主要有置換法、機械法、物理法、化學法, 等。多數方法在理論上及試驗室中是可行的, 但因產品需要經過IMO 規定的試驗流程檢測才能進行認證, 故壓載水處理系統技術難度大, 研發人員及資金投入費用較高。其研發及認證費用高, 同時研發及試驗周期比較長。由于不同海域海水微生物的含量和種類差異很大, 所以僅依靠單一的針對某海域的壓載水處理技術顯然不能適應船舶的流動性, 也不能滿足規范的要求。從目前公布的成果可知, 全球只有美國、德國、日本、挪威等少數國家的少數企業真正掌握了壓載水處理的技術, 滿足現有規范的要求。
壓載水處理系統的容積及系統本身的體積將對船舶尤其是小型船舶造成較大影響。因此, 壓載水處理系統的大小對船舶設計的影響也是要重點考慮的因素, 研發滿足規范要求的壓載水處理系統應該與船舶設計結合起來, 使得壓載水處理系統既滿足規范, 還要體積小, 易于安裝。
4 艦船中水回用技術
針對一些特種船, 由于淡水艙容積較小, 淡水水資源缺乏, 故有污水經再處理后回用的考慮和需求。另外, 某些海域對污水排放要求極高, 也有必要對污水處理到中水回用要求。
生活污水處理裝置設計時, 按照船用污水( 黑水) 是按70 L/ ( 人·d) 設計, 灰水量的產生量大概為140 L/ ( 人·d) , 如果能回用該水, 確實可以減輕船上的淡水資源需求的壓力。從現有的 IMO 規范分析, 對中水回用無任何規定, IMO 只針對民用船舶, 而民用船舶一般有足夠的淡水艙, 可能在相當長時間內IMO 不會考慮制定中水回用標準。
如果國內船舶設計要考慮中水回用, 只能采用現有執行的國家標準, 與中水回用及船舶有關聯的規范有: 《城市污水再生利用城市雜用水水質《GB/ T 18920-2002[ 1] , 《城市污水再生利用景觀環境用水水質》GB/ T18921-2002[ 2] 的規定, 其各項指標的對比見表3。
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但如果依據《城市污水再生利用景觀環境用水水質》GB/ T18921-2002 的規定對中水回用界定, 可以看出第6. 3 條規定: “不應將含有再生水的景觀環境水用于飲用和生活洗滌”, 而且明確規定達到中水回用的水只能沖廁, 城市綠化等非飲用水場合, 并且不得用于與人接觸場合。
從標準可以看出, 現有國家中水回用的標準, 對船用污水中水回用, 無論用何技術, 出水達到何種標準, 只能用于沖廁, 而洗滌、淋浴、飲用都是不允許的。
船上實際用淡水處有: 飲用水、廚房用水、淋浴水、洗滌水、衛生間沖廁用水, 等。甲板沖洗可以采用海水, 如按現行國家標準, 船用污水中水回用只能用于衛生間沖廁用水。從綠洲船用生活污水處理設備出水實際檢測情況來看, 指標基本達到沖廁中水回用。當然國家標準中還有些指標是IMO 規范中所沒有的, 應該來說, 通過進一步探索, 增加膜過濾和消毒處理過程, 污水中水回用沖廁, 技術上是可行的。若僅從沖廁角度利用而言, 對灰水應該進一步細分, 選擇部分“優質排水” 進入生活污水處理裝置, 處理后循環利用。在上述指標中, 對大腸桿菌群要嚴格控制, 避免產生二次污染。如果要考慮到某些海域排放要求高的情況, 則剩下的灰水, 直接進入中水回用設備。
5 艦艇污水綜合處理
由于生活污水和艙底水屬于不同類型的污水, 而且生活污水的處理大都采用生物-膜法, 用于生物處理的細菌大都屬于厭油型, 如果將油水與生活污水混合, 將會導致細菌的繁殖率下降, 從而導致生活污水處理裝置的效率下降。所以艦艇污水綜合處理方案應該首先將不同類型的污水分開處理, 即含油廢水、黑水、灰水應采取不同的技術處理方法, 這樣才經濟合理。
6 結論
隨著經濟和科技的發展, 人類正在逐漸加強對海洋環境污染重視和治理。船舶運營過程對海洋環境的影響是導致海洋污染的一個重要的方面。世界經濟一體化加速了世界各國物資的流通, 從而加快了海洋物流的節奏, 也導致了海洋環境污染的加重。如何防治和減少船舶運行對海洋環境的污染, 綜合利用水資源將是人類面臨的一項重要的課題。船舶污水處理技術的開發利用將面臨前所未有的機遇和挑戰。
參考文獻
[ 1] GB/ T 18920-2002. 城市污水再生利用城市雜用水水質[ S] . 北京: 國家質量監督檢驗檢疫總局, 2002.
[ 2] GB/ T18921-2002. 城市污水再生利用景觀環境用水水質[ S] . 北京: 國家質量監督檢驗檢疫總局, 2002.
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