船舶压载水处理系统型式认可试验水的调配方法

　　摘 要 船舶压载水的管理对于阻止引入非本地物种至关重要。为了符合《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》提出的 D-2 排放标准，船上安装的压载水处理系统必须经过相关主管机关的型式认可。在型式认可过程中，试验用水作为重要试验介质，是验证压载水处理系统处理能力的重要保证。为了达到公约中试验用水的要求，经常利用添加剂调配试验用水。尽管已有试验用水的特定指标限值要求，但并未指定调配方法。不同的调配方法对压载水处理系统的处理结果有直接影响。为了建立一种稳定的、可复制的试验水调配方法，文中分别在实验室小试与岸基试验中，开展了试验水调配，对比研究了调配前后目标调配指标的提升效果，同时，评估了可反映水质性质变化的总残余氧化剂 TRO 和透光度 UVT 的改变情况。结果表明，在淡水和半咸水试验中，调配后试验水中溶解性有机碳 DOC、颗粒性有机碳 POC 和总悬浮物 TSS 的含量分别超过了 6、5 mg/L 和 50 mg/L，可见添加木质素磺酸钙、玉米淀粉和高岭土组合的配水方案不受试验水体类型的影响，且调配后 TRO 和 UVT 变化不显著。调配过程中，添加物的损耗较小，实测值与理论计算值(目标量为 120%)差异不显著。但岸基条件下大体量配水也有挑战性，配水后 TSS 的实测值往往低于 120%的目标添加量。究其原因为大体积试验水混合不均匀，因此，需在配水后采取曝气等混匀措施，以保证配水效率。

　　关键词 船舶 压载水 压载水处理系统 型式认可 试验用水的调配

　　王琼; 刘然; 上官欣欣; 姚伟; 吴惠仙 净水技术 2021-12-13

　　船舶压载水是海洋外来生物入侵的重要途径之一[1-3]。众所周知，压载水的排放已在世界范围内造成了诸多生态污染问题[4-6]。2017 年 9 月，国际海事组织(IMO)发布的《国际船舶压载水和沉积物沉积物控制与管理公约》(以下简称公约)正式生效[7-9]。公约规定利用压载水保持安全航行条件的船舶应配备压载水处理系统(BWMS)，且该 BWMS 应按照《压载水处理系统型式认可导则》(以下简称 G8 导则)要求，通过主管机关的型式认可[10]。现有营运船舶中处理压载水达到 D-2 排放标准的符合率不高。为了确保 BWMS 的运行可靠性， IMO 对 G8 导则进行了全面修订，并将其升级为压载水处理系统认可规则(BWMS 规则)[11]，形成严格的、一致的试验方案，确保试验的可重复性和与其他处理设备的可比性。美国海岸警卫队(USCG) 设定了独立的 BWMS 型式认可试验标准(ETV 标准)[12]。试验原水作为岸基试验中评估 BWMS 有效性的试验介质，是验证 BWMS 处理能力的重要保障，ETV 标准与 BWMS 规则均对岸基试验的原水水质指标的特定含量作出了要求[11-12]。

　　虽然世界上的海洋是相通的，但不同水域自然条件下的生物与水质条件仍然存在差异。大多数情况下，自然水体的水质条件不能同时达到 IMO 和 USCG 的流入水标准。试验水的生物与水质特性是正确、公正地评估 BWMS 有效性的重要基础，但是，国内外尚无 BWMS 型式认可试验水调配标准，缺少一种稳定的、可复制的、适用范围广的试验水调配方法，使其满足 IMO 和 USCG 要求[4]。目前，已有报道研究了过滤法、电解法、紫外照射、超声波法、加热和脱氧等工艺处理压载水的有效性[1,4,13- 19]，但这些研究的试验流入水标准不统一，无法对各种工艺的处理效果进行横向比较。现有研究大多为实验室小试，研究葡萄糖、蔗糖、可溶性木质素、柠檬酸钠、甲基纤维素和淀粉等调配物的选择，及其对消毒副产物的影响[20-21]。许多研究报道了岸基试验中 BWMS 的处理效率[21-22]，但关于岸基试验流入水调配的研究十分匮乏。本文在实验室小试和岸基试验中，对试验流入水水质调配物进行可行性与稳定性验证研究，分析试验水调配方法对水质的影响，以期为国内开展 BWMS 对船舶压载水处理效果的评估研究提供技术支撑，为 BWMS 产品技术升级换代提供技术方向，为今后建立压载水 BWMS 型式认可试验水调配的标准提供编制依据，同时，为海洋外来入侵生物防控技术的发展提供参考数据。

　　1 材料与方法 1.1 试验原水的选择

　　国际海事组织[11]与美国海岸警卫队[12]发布的试验指南均要求在淡水、半咸水和海水这 3 种水体条件下开展 BWMS 型式认可生物有效性评估试验。在试验水的配置中，盐度不会对目标物质造成影响，因此，本研究以淡水和半咸水两个盐度范围的试验流入水为研究对象，选择上海滴水湖支流的自然水作为淡水(<1 PSU)水源，上海洋山港的港口近岸海水作为半咸水(10~20 PSU)水源。淡水和半咸水条件下的试验均设置了 4 个试验组，其中，淡水试验 4 分别标记为 F-1、F-2、F-3 和 F-4，半咸水试验分别标记为 B-1、B-2、B-3 和 B-4。

　　1.2 水质调配方法

　　ETV 标准推荐使用腐植酸、不含咖啡因的冰红茶粉、海藻或浮游生物碎屑、符合 ISO 12103-1 标准的 A4 粗试验尘等作为水体提升物。其中，高岭土是一种黏土矿物，在工业上被广泛应用于补充颗粒无机物，与自然水域中的颗粒大小相近，是最能代表自然系统中悬浮在水柱中的物质。玉米淀粉是一种在市场上广泛出售、原料来源广泛且成本较低的添加剂，粒径小，有较高的粗蛋白含量，不易糊化，不易溶于水，会形成颗粒性有机物。高岭土和玉米淀粉可作为提高 BWMS 型式认可岸基试验水体 POC 和 TSS 含量的优选添加剂。木质素是植物中各种结构的生物分子，是唯一可大批量生产的含有苯环结构的天然高分子，其分子量高且是芳香族化合物的异质混合物，不会过度刺激细菌生长、呼吸和氧气消耗，因此，对配置水中生物的存活无影响，是大规模提升配置水 DOC 含量的优先添加剂。综上，从材料适用性、易得性与经济性三方面综合比较后，本研究选用木质素磺酸钙、玉米淀粉和高岭土作为调配试验添加剂。

　　实验室小试为在 2 L 试验原水中进行不达标参数的调配，每个水体类型设置 2 个平行试验组，分别为 F-1、F-2 组和 B-1、B-2 组。岸基试验在模拟压载水舱内，进行 500 m3 水量的不达标参数调配，分别为 F-3、F-4 和 B-3、B-4 组。

　　首先测定试验原水 DOC、POC 和 TSS 的含量，对不满足 IMO 和 USCG 要求的指标进行调配，选择木质素磺酸钙、玉米淀粉和高岭土分别用于提升试验原水中不达标的 DOC、POC 和 TSS 含量。以 BWMS 规则(IMO)和 ETV 标准(USCG)的最高要求作为各指标的调配目标，各物质的调配量按照 120%进行计算添加。DOC、POC 和 TSS 的达标含量分别是 6、5 mg/L 和 50 mg/L，因此，对应的调配目标分别为 7.2、6.0 mg/L 和 60 mg/L。调配后再次测定 DOC、POC 和 TSS 的含量，以验证水质调配的效果。为了评估调配物的添加对水质的影响，还需测定调配前、后水体的紫外透光率 UV-T 和总残留氧化剂(TRO)消耗。

　　1.3 水质指标的测定方法

　　利用总有机碳分析仪法测定 DOC 和 POC 的含量(TOC-VCPH;日本岛津公司;日本东京)，采用重量法测定 TSS 的含量。试验水的紫外透射率会对处理系统的紫外线辐射效果产生影响[23]，本试验用分光光度计法测定 UV-T，为 254 nm 条件下水样的紫外透光率[22]。利用 TSS 与 POC 的差值计算出矿物质(MM)的含量[24]。

　　TRO 消耗的测定方法：在 1 L 水样中加入 330 µL 次氯酸钠，分别在加入次氯酸钠后第 0、5、30 min 和 60 min 测定 TRO 含量。采用 DPD 方法[25]分别测定调配前后每个时段 TRO 的含量。以超纯水中加入等量次氯酸钠为初始 TRO，减去每个时段的 TRO，即可计算出 TRO 的消耗量。以 TRO 消耗值除以水样中的 DOC 含量值，即为每毫克碳的 TRO 消耗[26]。

　　2 结果与分析 2.1 淡水水质的调配结果与分析

　　淡水水源地上海滴水湖支流 DOC 的含量较高，自然水体 DOC 的含量有时可超过 6 mg/L，达到 IMO 的 BWMS 规则和 USCG 的 ETV 标准要求。自然原水中 TSS 的含量和 POC 的含量较低，均不满足 IMO 和 USCG 要求的数值(图 1)。因此，在淡水条件下的小试配水提升了原水 TSS 和 POC 的含量，岸基配水提升了原水 DOC、TSS 和 POC 的含量。

　　通过在试验原水中添加木质素磺酸钙、玉米粉和高岭土调配后，试验水中 DOC、POC、TSS 和 MM 的含量均达到了 IMO 和 USCG 试验流入水标准(图 1)。试验组 F-3 与 F-4 中，调配后试验水中 DOC 的含量均超过 120%目标值。Lee 等[21]在含有玉米粉的试验组中，发现 DOC 的含量与理论含量相似或偏高。这也说明玉米粉具有双重提升作用，其与木质素磺酸钙混合调配水质的方案可行，这种方案可以减少木质素磺酸钙的添加量，是一种性价比较高的调配方法。岸基试验配水的目标水量是小试试验的 25 万倍，各添加量在等比例扩大并添加后，岸基配水结果的稳定性和重复性不及实验室小试。但实验室小试(F-1 和 F-2)与岸基试验(F-3 和 F-4)配水后，各配水指标均能达到 IMO 和 USCG 双标要求。对比理论计算目标值与实测值可以发现，DOC 和 POC 的调配较稳定，调配后水体中除 TSS 外，各指标的含量均达到 120%的添加目标。究其原因，可能是 TSS 的调配物高岭土易沉降，会引入取样误差。可见，调配过程中各添加物均匀混合非常重要。向淡水试验原水中添加调配物会造成试验水 UV-T 降低(图 2)，但该降低与原水比较并不明显(P=0.053>0.05)，调配后 UV-T 的降幅在 1%~11%。研究报道，有机碳添加剂会影响 TRO 的浓度 [26]，本研究也得到了一致的结果(图 3)。实验室小试中，调配后 DOC 的含量升高，水体中 TRO 的消耗随之增加，但调配后每毫克碳对应的 TRO 消耗与试验原水间不存在显著差异(P=0.749>0.05)，这一结果证明了 DOC 的调配过程仅增加了水体消耗 TRO 的总量，调配后流入水与自然水体性质相似。

　　2.2 半咸水水质的调配结果与分析

　　实验室小试试验与岸基试验中，自然条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，分别是 1.0~3.3 mg/L 和 0.33~0.89 mg/L(图 4)。半咸水原水 TSS 的含量在 28.0~51.0 mg/L，可以达到 USCG 的标准限值，但不满足 IMO 要求。经过调配，实验室小试与岸基试验半咸水中 POC、TSS、DOC 和 MM 的含量可满足 IMO 和 USCG 对流入水的水质要求(图 4)。与淡水调配试验结果相同的是仅 TSS 的实测含量出现了低于理论计算值的情况，再次证明调配 TSS 的过程易出现混合不均匀的问题。

　　调配后半咸水 UV-T 降低，但仍高于 50%(图 5)。TRO 消耗与 DOC 浓度呈正相关[13, 27]，调配后 DOC 的含量升高，对应的 TRO 消耗也有所升高(图 6)。由于木质素磺酸钙的分子结构大而复杂，有机成分腐植酸和黄腐酸的占比较大，这在 TRO 消耗中起到主要作用[20]。调配后流入水中每毫克碳对应的 TRO 消耗与试验原水相比未出现显著差异(P=0.715>0.05)，这可能是由于木质素磺酸钙中有机成分的占比与自然海水较为接近。

　　3 结论

　　由于世界各地港口和港口的水质条件差异很大，压载水处理系统(BWMS)在实船运行时可能会遇到各种各样的水况。因此，在水质条件下评估处理系统的有效性至关重要。为了真实、准确、公正地评价 BWMS 的实际处理能力，型式认可试验的流入水应尽可能的接近天然水质特征。本研究验证了一种稳定性较好、适用各种水体、可标准化推广的试验水调配方法，该调配方法可有效提升试验流入水特定指标的含量，以满足国际海事组织和海岸警卫队的要求，且调配后流入水与自然水体的特性较为相似。