船舶污水处理技术探讨
摘 要: 展望生活污水、舱底水处理技术, 对压载水处理、舰船中水回用、舰船污水综合处理技术进行探讨。介绍国际规范对设备的具体要求及专业厂家在实验和研发过程中的实践经验、主要技术的发展方向。
关键词: 污染物,舱底水,生活污水,中水回用,压载水
1 生活污水处理处理方法技术
国外对船舶生活污水处理工艺及技术的研究始于20 世纪60 年代末期, 以美国和日本为代表, 目前开展此项研究工作的仍是最早加入附则的一些国家, 如美国、日本、英国、法国、德国、希腊、荷兰和丹麦等。国内针对船舶生活污水处理装置的研制开始于20 世纪70 年代末期, 开始研制再循环式生活污水处理装置以来, 已先后开发了物理化学法处理生活污水的装置, 具有粉碎、消毒、贮存功能的贮存柜, 以及生化法处理生活污水的生活污水处理装置, 还有引进国外设备并吸收转化开发的相关船舶生活污水处理装置。
近年来国际国内对于生活污水处理技术的主要研究方向以强化生物处理工艺流程及处理效率为主, 比较典型的就是结合膜分离技术与生物处理技术而形成的膜生物法工艺( membrane bio reactor, MBR) 。MBR 主要由污水预处理柜、好氧厌氧处理柜、膜生物反应器、气泵等组成, 膜生物反应器中放置有膜组件。与传统的污水处理方法相比, 膜的高效截留作用使微生物完全截留在膜生物反应器内, 实现反应器水力停留时间和污泥龄完全分离, 运行控制灵活稳定, 通过运行方式改变实现脱氨和除磷功能。所以, 膜生物反应技术具有出水水质好、运行稳定、操作简单、维护方便等特点。与黑水相比, 灰水的组分中含有大量的油滴和有机磷、有机氮, 特别是油分子的存在, 对微生物的繁衍有着很大的抑制作用, 大大降低生物反应的处理效率, 所以在MBR 工艺中, 对于污水的预处理有着极其重要的作用, 预处理的一个重要的流程就是去除污水中的油份, 以保证后续的处理工艺得以顺利高效地进行。
在灰水的处理方法上, 目前比较通用的方法是采用消毒的方法消除灰水中菌类, 如采用紫外线、臭氧等消毒的方法, 去除灰水中的大肠杆菌, 采用此类物理方法可以避免化学法强氧化剂消毒带来的余氯二次污染和酸碱度超标等缺点, 是目前最具有前景, 应用最广泛的污水处理技术。随着人类环境保护意识的提高, 对污水中其他污染物的排放控制要求势必日益加强, 如余氯、磷、氮、大肠杆菌等的控制将会越来越严, 因此采用膜法处理生活污水将成为一种必然的趋势。
对比表1 关于MEPC. 2(Ⅵ) 规范和2010 年 1 月1 日正式实施的MEPC. 159( 55) 新规范。由表1, 国际海事组织对生活污水处理装置规范的对比可以看出, 规范中原来规定的排放指标均有大幅度的提高, 而且增加了相应的控制项目。
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南京中船绿洲机器有限公司从20 世纪80 年代开始从英国Harmw o rthy 公司引进ST 系列生活污水处理装置并在此基础上利用膜法和生物接触氧化法自主开发了满足MEPC. 159( 55) 规范的STC 系列生活污水处理装置。对于膜的应用的尝试, 取得了比较成功的典范, 在IMO 型式试验过程中, 严格按照IMO 规范的要求, 配置符合要求的原污水, 经过该工艺流程后对处理水进行分析, 试验结果见表2。
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由表2 可见, 进入装置的原污水的水质情况非常差, 经过装置的处理后, 排放水的水质完全满足规范的要求。
2 舱底水处理技术
国际海事组织( IMO) 海上环境保护委员会第 49 届会议( MEPC 49) 以MEPC. 107( 49) 决议的方式通过了《修订的船舶机舱舱底水防污染设备指南和技术条件》, 在2005 年1 月1 日后代替 MEPC. 60( 33) 决议。决议的主要要求体现在以下几个方面。
1) 舱底水分离器能够处理按IMO MEPC. 107( 49) 决议制备的相对密度不小于0. 83 的轻柴油油水混合物( 混合物的体积比分别为0. 5% ~ 1%、25% ) 和相对密度不小于0. 98 的重油的油水混合物( 混合物的体积比为0~ 100%) , 使排放水含油指标能小于排放标准( 15 mg/ L) 。
2) 舱底水分离器能够处理按IMO MEPC. 107( 49) 的严格程序制备的油水乳化液( 设备进水含油量为3 000 mg/ L) , 使排放水含油指标能小于排放标准( 15 mg/ L) 。
对电气控制的要求, 即舱底水分离器从送至 15 mg/ L 舱底水报警装置的样品发生变化至浓度显示器显示正确的响应所化时间不超过5 s。
3) 基于新规范对油水分离器提出的更高的要求, 虽然舱底水分离技术的方法很多, 但是仅依靠单一的方法来处理如此复杂的油污水, 效果并不明显。目前最主要的技术瓶颈就是如何更有效地处理乳化油水, 从多年的发展过程来看, 浮油分离技术已经很成熟。由于船上的工况和空间限制, 比较合适的油水乳化液分离的方法是吸附分离法和过滤分离法。MEPC 107( 49) 对油水分离器的过滤材料提出了更高的要求, 从用户使用角度出发, 要求吸附饱和的材料可以再生循环使用。从处理效果分析, 设备需要采用多级分离流程, 而且要尽量采用物理分离方式, 避免二次污染的产生。
南京绿洲是最早自主开发船用舱底水分离器的厂家之一, 公司开发了满足MEPC 60( 33) 的 CYSC 系列油水分离器, 并且在此基础上自主开发了满足新规范MEPC 107( 49) 的ZYF 系列舱底水分离器。该设备采用多级分离流程, 对于不同的含油状态采用不同的分离方法, 将浮油分离方法与乳化油分离方法相结合, 有效地去除油污水中的油份, 由于设计采用物理的方法处理油污水, 从而从根本上避免二次污染的产生; 另外, 在结构设计上, 过滤材料采用模块方式, 便于维修操作, 满足无人机舱控制要求。
3 压载水处理技术
IMO 组织2004 年颁布了《国际船舶压载水及沉淀物控制和管理公约》并计划将于2016 年实施, 世界各国已采用和正在研究的压载水处理方法有许多种, 主要有置换法、机械法、物理法、化学法, 等。多数方法在理论上及试验室中是可行的, 但因产品需要经过IMO 规定的试验流程检测才能进行认证, 故压载水处理系统技术难度大, 研发人员及资金投入费用较高。其研发及认证费用高, 同时研发及试验周期比较长。由于不同海域海水微生物的含量和种类差异很大, 所以仅依靠单一的针对某海域的压载水处理技术显然不能适应船舶的流动性, 也不能满足规范的要求。从目前公布的成果可知, 全球只有美国、德国、日本、挪威等少数国家的少数企业真正掌握了压载水处理的技术, 满足现有规范的要求。
压载水处理系统的容积及系统本身的体积将对船舶尤其是小型船舶造成较大影响。因此, 压载水处理系统的大小对船舶设计的影响也是要重点考虑的因素, 研发满足规范要求的压载水处理系统应该与船舶设计结合起来, 使得压载水处理系统既满足规范, 还要体积小, 易于安装。
4 舰船中水回用技术
针对一些特种船, 由于淡水舱容积较小, 淡水水资源缺乏, 故有污水经再处理后回用的考虑和需求。另外, 某些海域对污水排放要求极高, 也有必要对污水处理到中水回用要求。
生活污水处理装置设计时, 按照船用污水( 黑水) 是按70 L/ ( 人·d) 设计, 灰水量的产生量大概为140 L/ ( 人·d) , 如果能回用该水, 确实可以减轻船上的淡水资源需求的压力。从现有的 IMO 规范分析, 对中水回用无任何规定, IMO 只针对民用船舶, 而民用船舶一般有足够的淡水舱, 可能在相当长时间内IMO 不会考虑制定中水回用标准。
如果国内船舶设计要考虑中水回用, 只能采用现有执行的国家标准, 与中水回用及船舶有关联的规范有: 《城市污水再生利用城市杂用水水质《GB/ T 18920-2002[ 1] , 《城市污水再生利用景观环境用水水质》GB/ T18921-2002[ 2] 的规定, 其各项指标的对比见表3。
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但如果依据《城市污水再生利用景观环境用水水质》GB/ T18921-2002 的规定对中水回用界定, 可以看出第6. 3 条规定: “不应将含有再生水的景观环境水用于饮用和生活洗涤”, 而且明确规定达到中水回用的水只能冲厕, 城市绿化等非饮用水场合, 并且不得用于与人接触场合。
从标准可以看出, 现有国家中水回用的标准, 对船用污水中水回用, 无论用何技术, 出水达到何种标准, 只能用于冲厕, 而洗涤、淋浴、饮用都是不允许的。
船上实际用淡水处有: 饮用水、厨房用水、淋浴水、洗涤水、卫生间冲厕用水, 等。甲板冲洗可以采用海水, 如按现行国家标准, 船用污水中水回用只能用于卫生间冲厕用水。从绿洲船用生活污水处理设备出水实际检测情况来看, 指标基本达到冲厕中水回用。当然国家标准中还有些指标是IMO 规范中所没有的, 应该来说, 通过进一步探索, 增加膜过滤和消毒处理过程, 污水中水回用冲厕, 技术上是可行的。若仅从冲厕角度利用而言, 对灰水应该进一步细分, 选择部分“优质排水” 进入生活污水处理装置, 处理后循环利用。在上述指标中, 对大肠杆菌群要严格控制, 避免产生二次污染。如果要考虑到某些海域排放要求高的情况, 则剩下的灰水, 直接进入中水回用设备。
5 舰艇污水综合处理
由于生活污水和舱底水属于不同类型的污水, 而且生活污水的处理大都采用生物-膜法, 用于生物处理的细菌大都属于厌油型, 如果将油水与生活污水混合, 将会导致细菌的繁殖率下降, 从而导致生活污水处理装置的效率下降。所以舰艇污水综合处理方案应该首先将不同类型的污水分开处理, 即含油废水、黑水、灰水应采取不同的技术处理方法, 这样才经济合理。
6 结论
随着经济和科技的发展, 人类正在逐渐加强对海洋环境污染重视和治理。船舶运营过程对海洋环境的影响是导致海洋污染的一个重要的方面。世界经济一体化加速了世界各国物资的流通, 从而加快了海洋物流的节奏, 也导致了海洋环境污染的加重。如何防治和减少船舶运行对海洋环境的污染, 综合利用水资源将是人类面临的一项重要的课题。船舶污水处理技术的开发利用将面临前所未有的机遇和挑战。
参考文献
[ 1] GB/ T 18920-2002. 城市污水再生利用城市杂用水水质[ S] . 北京: 国家质量监督检验检疫总局, 2002.
[ 2] GB/ T18921-2002. 城市污水再生利用景观环境用水水质[ S] . 北京: 国家质量监督检验检疫总局, 2002.
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