隋秀蔚，尹海山，李 超

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101）

0 引言

近年来，海洋环境保护、绿色航运成为业内关注焦点，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）日益重视由船舶压载水排放引起的生物多样性破坏问题。

为解决船舶压载水引起的微生物入侵和污染问题，IMO制定了International Convention for theControl and Management of Ships' Ballast Water and Sediments[1]，并于2017年9月8日正式生效。该公约附则部分对压载水排放标准做出了严格规定，同时对现有船舶安装压载水管理系统（需要满足D-2标准）提出了追溯要求。因此，近年来大量船舶加装各式各样的压载水管理系统，但由于缺乏实际经验、不熟悉系统原理，往往在系统设计、安装和调试过程中出现不少问题，这严重影响了船舶建造或改造周期，浪费了较多的人力、物力成本，也给后期船舶营运造成了隐患。

本文结合多年压载水管理系统实船设计经验，对船舶压载水排放标准及主流压载水管理系统处理方法进行介绍，并以某加装青岛双瑞 BalClor®BWMS压载水管理系统的30万吨原油船为例，深入分析系统原理、设备选型及管路设计要点，以期降低系统风险，保障其稳定运行。

1 船舶压载水排放标准和处理方法

1.1 压载水定义及排放标准

船舶压载水指为控制船舶横倾、纵倾、吃水、稳性或应力而加装到船上的水及悬浮物质。

IMO发布的压载水公约和美国海岸警卫队（United States Coast Guard，USCG）发布的压载水管理法规分别对压载水排放标准进行了规定，具体见表1。

表1 IMO和USCG压载水处理排放标准

根据IMO的最新要求，2022年6月1日之后新交付或改装的船舶，均需按照相应排放标准强制进行生物有效性检测。USCG法规不受IMO相关公约生效的限制，其管辖范围适用于所有航运在美国海域的商用船舶，并须单独进行船舶通用许可证（Vessel General Permit，VGP）相关测试。VGP除对活性生物排放按照USCG标准外，还对杀菌剂或残留物的瞬时最大质量浓度有严格要求，见表2。

表2 VGP对杀菌剂或残留物的排放标准

若压载水系统所使用或产生的杀菌剂及其衍生物未列在表2或美国环保署的国家推荐水质标准中，则至少在使用前120天通知美国环保署，并提供相关的水生毒性数据。

1.2 船舶压载水处理方法

根据处理原理和方式的不同，船舶压载水处理方法主要可分为机械处理、物理处理和化学处理等[2]。

机械处理主要包括过滤法和旋流分离法等。过滤法利用固定式筛网或带有反冲洗功能的滤芯对海水中较大微生物和杂质进行过滤，其对较小的微生物处理效果不佳，若提高滤器精度来进行完全过滤，则成本较高且滤器极易堵塞，可行性较差[3]。旋流分离法利用高速水流旋转运动的离心力和各物质间存在的相对密度差来去除海水中大多数的微生物和颗粒物质，但对与海水密度相近的微生物的处理效果较差。

物理处理主要包括紫外线法和超声波法等。紫外线法利用紫外线的辐射改变或破坏微生物的脱氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）结构，从而达到杀菌的目的。紫外线法技术成熟，简捷方便，且无二次污染，应用较为广泛，可杀死大部分微生物，但杀菌效果受水浑浊度的制约较大，耗电量大[4]。超声波法利用空化作用杀菌，同样存在能耗大、处理水量有限的问题。

化学处理法主要包括氯或氯化物法、羟基灭菌法和臭氧处理法等。氯或氯化物法是通过电解海水或直接加入次氯酸盐来产生次氯酸，利用其超强的氧化性杀灭海水中的微生物。电解海水技术成熟，应用广泛，但会造成二次污染。在排放压载水时，需要加入中和药剂来减少其对海洋环境产生的不良影响。羟基灭菌法，又称高级催化氧化法，该方法借助羟基自由基的高氧化电位和强氧化能力对船舶压载水进行杀菌和灭菌[5]。杀菌后羟基与氢离子结合成为水，不会产生二次污染，但该方法耗电量较大。臭氧处理法利用臭氧超强的氧化性进行杀菌，其氧化还原电位可达到2.07 V，足以杀灭海水中所有微生物。该方法不会产生二次污染，但配置成本较高，长期使用会对压载舱产生腐蚀。

压载水处理方法还有脱氧处理法、絮凝处理法和有机杀生剂法等其他方法[6]，此处不赘述。在选择压载水处理方法时，要考虑压载水盐度、浊度和温度等海水特性对处理效果和可靠性的影响。

1.3 国内外主流船舶压载水管理系统类型

1.2小节介绍的各种压载水处理方法均存在一定的局限性，不能满足IMO和USCG对船舶压载水处理的要求。目前，国内外主流压载水管理系统大都将2种或2种以上处理方法结合使用。国内外常用压载水管理系统类型见表3。

表3 国内外常用压载水管理系统类型汇总

2 压载水管理系统实船设计安装案例

本船为新造30万吨原油船，挂旗国为马绍尔群岛共和国，入籍挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV），无限航区。该船选用青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司的BalClor®BWMS系统。

2.1 BalClor®压载水管理系统原理及设备选型

2.1.1 设备原理

BalClor®压载水管理系统由滤器、电解单元和加药单元等处理模块，监测控制系统和取样设施组成，采用“高效过滤＋电解制氯＋余氯中和”处理技术，原理如下：

1）高效过滤。当海水压载时，使用过滤精度为50 μm的自动反冲洗滤器对海水进行过滤，过滤掉尺寸大于50 μm的大部分浮游生物及固体颗粒。

2）电解制氯。取适量过滤后的海水加入电解单元，电解海水产生高质量浓度次氯酸钠溶液，通过加药单元将次氯酸钠溶液注入压载水主管路。经总残余氧化性物质（Total Residual Oxidants，TRO）分析仪检测氯离子质量浓度值在6.5～9.0 mg/L后，放压载水进舱，在舱内进行浮游生物、病原体和细菌的灭活工作，使压载水排放满足IMO和USCG的相关标准。

3）余氯中和。在压载水排载过程中，若余氯质量浓度小于0.1 mg/L，无须启动中和单元，可直接进行排载；若余氯质量浓度大于0.1 mg/L，则启动中和单元，向排载管路中注入中和药剂，中和残余的氯离子。中和药剂流量大小由控制系统根据TRO分析仪反馈的质量浓度信息自动控制，使排出的压载水达到排放标准。

2.1.2 设备选型

本船海水压排载管系由主压排载管系和艉尖舱压排载管系构成。其中，主压排载管系在泵舱区域设置2台压载泵（额定流量为3 000 m³/h，扬程为40 m）。管系采用总管式，每舱均有总管引出的支管用于海水压排，各舱还配有2台压载舱扫舱喷射器，用于提高排载效率。在进行压载操作时，压载舱通过海底门吸入海水，在安装BalClor®压载水管理系统后，由于滤器工作原理的限制，重力压载功能被禁止使用。在进行排载操作时，可利用重力、压载泵或扫舱喷射器将压载水通过海底门或排舷外口排出舱外，可根据不同工况选择相应的模式。

艉尖舱压排载管系在机舱区域设置消防总用泵（额定流量为360 m³/h，扬程为30 m）和舱底-消防总用泵（额定流量为310 m³/h，扬程为110 m），2台泵一用一备。其中，受 TRO分析仪取样和生物取样位置的影响，艉尖舱压载操作可通过机舱海底门实现，但排载操作只可通过排舷外口。

最终，本船选用2套BC 3000系统，单套系统的额定处理量为3 200 m³/h，主要用于处理主压载舱的压载水。另配有一套滤器选型为SIZE 250的艉尖舱处理系统，额定处理量为425 m³/h，主要用于处理艉尖舱的压载水。由于选用的电解式处理系统存在海水温度≥5℃和盐度≥32.43‰的操作限制，本船通过增加换热器和在艉尖舱预存海水的方案分别解决海水温度过低和进入淡水航区的压载问题。由于本船未布置独立的扫舱管系，不存在压载泵排载和扫舱同时进行的工况，故选用1 m³中和单元即可满足船舶排载需求，其余设备按系统标准进行配置。

对于原油船，泵舱区域属于危险区域，安装于此区域的主滤器、滤器反冲洗泵及 TRO分析仪等设备均应满足相应防爆等级[7]。机舱区域属于安全区域，安装于此区域的艉尖舱滤器、反冲洗泵、预过滤器、电解单元、加药单元、中和单元和 TRO分析仪等选用非防爆设备即可。需要特别注意的是，电解单元内部的防爆风机应具有船级社产品证书。

泵舱及机舱加装压载水管理系统后的流程简图分别见图1和图2。

图1 30万吨原油船实船压载水管理系统流程图（泵舱）

图2 30万吨原油船实船压载水管理系统流程图（机舱）

2.2 船舶压载水管理系统设计要点

2.2.1 设备布置要求

压载水管理系统及压载水管系尺寸相对较大，而船上空间有限，一定程度上限制了设备的布置，但仍需满足以下基本要求：

1）滤器应布置在压载泵后、电解单元前。滤器具有自动反冲洗功能，反冲洗最小压差为0.2 MPa。在实际布置时，应注意压载泵的压头和压载泵到滤器前的压力损失，以免出现反冲洗效果不佳、滤器经常堵塞的情况。

2）电解单元应布置在远离锅炉、发电机和主机等产热或振动较剧烈的设备周围。电解单元所在区域应配备机舱风机，风机要满足船级社每小时至少6次的换气要求。

3）加药单元用于将电解单元产生的次氯酸钠溶液注入到主压载管中，其入口应不高于电解单元出口，且与电解单元的距离以不大于2 m为宜。

4）中和单元由中和罐、计量泵及其连接管路组成，当船上空间不足，计量泵单独安装时，应注意其与中和罐的距离一般不应大于1 m。

5）海水升压泵用于电解单元的取水，由于没有自吸能力，应尽量布置在主海水管路取水点周围，并避免与其他大功率海水泵取水点位置过近。

6）流量计用于监测系统流量，应注意满足直管段的距离要求，且不可布置在压载水管系最高处和自上而下的垂直管路上。

7）整流器周围最好布置专门的通风口，以便辅助其散热。

8）TRO分析仪的取样设施对整个系统的监测控制至关重要。当压载时，TRO分析仪的取样点应距离次氯酸钠溶液注入口6～10 m，且取样点与取样泵的高度差最好在2 m以内，管路长度在8 m以内，以回水点在泵前为宜。

2.2.2 设计注意事项

除设备布置要求外，压载水管理系统的管路走向和材质选择等亦对系统的正常运行十分重要，应着重关注以下5点：

1）电解过程中不可避免会产生氢气等危险气体，其透气管路布置应满足船级社的相关要求。管路走向只可水平或向上，不可向下，且氢气管路的连接也应选用套管焊接等方式，不可使用法兰等连接件，以防泄漏，对船舶和人员安全造成隐患。

2）对于油船等有防爆要求的船舶，当电解液注入管路或加药管路从安全区进入危险区时，管路应由机舱先经过上甲板，再向下进入泵舱。此外，按规范要求设置专门的隔断止回阀门和可拆短管以防逆流。

3）为方便后续的维护保养，设备周围应布置合适的维修通道，尤其对电机等需要经常维护的设备，应在其上方合适位置设置吊耳以便吊装。

4）对于系统管路，需特别注意电解液注入管和中和单元加药管的材质。前者可选用碳钢涂塑、玻璃钢或其他耐腐蚀性材料，后者应选用SUS316不锈钢。

5）要特别注意压载水管理系统与船上其他系统间的接口问题。压载水管理系统与原船其他系统存在较多接口，如与空气设备的接口、与船舶电站的接口、与机舱风机的接口、与全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的接口、与船舶监测报警系统的接口等，各个接口均不可遗漏。

3 结论

船舶压载水处理和排放对海洋环境保护和绿色航运非常重要。在结合多年压载水管理系统实船设计经验的基础之上，本文对船舶压载水排放标准及主流压载水管理系统处理方法进行介绍，并以某加装青岛双瑞BalClor® BWMS压载水管理系统的30万吨原油船为例，对系统原理、设备选型及设计要点进行深入分析和讨论。研究结果表明：本文提出的设计要点和注意事项可有效降低系统由于设计问题出现故障的概率，有益于系统可靠稳定运行和延长使用寿命。