船舶污水处理技术研究进展及舱底污水微生物处理

船舶污水处理技术研究进展及舱底污水微生物处理*蒋艳敏，朱鸣鹤，郑道昌宁波大学海运学院，浙江宁波（315211）E-mail:[e-mail]摘要：船舶带来的诸如“海域污染趋势加重、赤潮等灾害事件频繁发生、海洋生态破坏加剧、生物多样性受到严重威胁”等一系列环境问题引起人们的广泛关注。本文介绍了船舶污水的种类及危害,综述了近年来国内外船舶生活污水处理技术、含油污水（包括舱底污水、压载水）处理技术的现状及发展趋势,并详细介绍了舱底污水微生物降解处理的基础研究，指出上述船舶污水处理技术存在的问题及今后的研究方向,最终实现船舶污水达到处理后达标排放的目标,以更好的保护海洋生态环境。关键词：海洋污染；船舶污水；处理技术中图分类号：X55中国是一个航运大国,随着沿海经济的迅猛发展,我国海域的海运量逐年大幅度提升,特别是石油、天然气、化学危险品等货物运输越来越多,近海海域遭到越来越严重的污染,使海域环境质量明显下降,生态环境日趋恶化,并对生物资源和人体健康产生有害影响。船舶产生的污水主要包括生活污水和含油污水两大类,具体分类见表1。根据环保部门监测数据[1],船舶生活污水大肠杆菌群浓度高达1100亿个/ml,大大超过排放标准,生物需氧量和悬浮物的昀高浓度可达2100mg/L和1700mg/L,分别超标41倍和11倍。2006年4月IMO在BLG10会议上已就2003年9月27日生效的IMO73/78附则IV进行修改,预计将于2009年10月至2010年1月正式实施,修改后生活污水排放指标将大大提高,见表2。油船的机舱油污水、压载水、洗舱水中均含有大量石油,浓度可达1500mg/L,污水中典型的污染物包括燃料、油类、液压机流体、清洁剂和含水膜、发泡剂（AFFF）油漆和溶剂等。这些没有经过净化处理的船舶污水,大量直接排放入海,势必构成海洋环境的重大威胁。对船舶的这些废水的处理要求达到国际、国内和地方法规、规则、条例和条约规定的水质排放标准。1船舶生活污水的处理船舶生活污水不同于城市污水,特别是受到运动效应的影响,其产生和排放有其独自的特点。现有国内生活污水处理技术主要包括[2]:①以WCH、WCX型装置为代表的污水贮存、粉碎消毒等物化法工艺技术；②以WCB、WCV型装置为代表的污水生物好氧氧化——重力沉淀工艺技术。国外进行船舶生活污水处理工艺及技术的研究,开始于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昀早加入附则Ⅳ的一些国家,如美国、日本、英国、法国、德国、希腊、荷兰和丹麦等。比较流行的处理装置所采用的工艺主要有生物法(活性污泥法、生物膜法和膜生物法)、物化法(混凝沉淀及吸附过滤等)、电化学法等。美国SevernTrentDeNora公司自1980年以来就从事Omnipure系列电解法船舶生活污水处理装置的生产和销售,该装置利用海水混合污水电解产生次氯酸钠、二氧化氯等氧化剂杀菌,并对有机物进行氧化分解。这种方法优点是工艺简单,装置体积较小,缺点是没有进行生化反应,对有机物去除不够彻底,而且需要大量消毒剂。1基金项目：宁波市海洋渔业局项目,9-19号,2006.9—2009.9；宁波大学科研基金项目（XY0600062）；宁波市4321人才工程项目,2007.3—2011.3；王宽诚基金资助,2005—2008。中国科技论文在线-2-表1污水的种类Tab.1Typesofsewage污水种类危害黑水厨房灰水消耗水中溶解的氧气,产生赤潮,危及鱼类和大多数水生物的生存,产生难闻气味,造成环境不美观、影响底栖生物生活污水灰水洗涤灰水产生赤潮、难闻气味,造成环境不美观,影响底栖生物舱底油污水油舱压载水含油污水洗舱水使水生生物抵抗力下降,产量降低,水体食物链和人类水生食物中混入致癌物质表2污水排放标准[3]Tab.2TheEmissionStandardsofsewage排放水质指标IMO标准即将更新的IMO标准欧美法规香港维多利亚港排放标准美国阿拉斯加海域法规BOD550mg/L25mg/L30mg/L20mg/L20mg/LSS50mg/L35mg/L30mg/L30mg/L25mg/L大肠杆菌250个/100mL100个/100mL100个/100mL100个/100mL100个/100mLCOD－125mg/L－－－pH－6~8.5－－－余氯－2.5mg/L－1.0mg/L－注：BOD:生物需氧量；COD：化学需氧量；SS：悬浮物1.1真空蒸馏处理技术（VDT)葛志祥等[4]针对目前船用生活污水处理装置大多存在体积较大,耐水力冲击负荷能力差,处理效果不稳定,操作、维修不方便等缺点进行开发和研究,设计出一套完善可靠的船舶生活污水处理新技术——真空蒸馏处理技术(vacuumcollectdistillationshipsdomesticsewagetechnology,VDT),此项技术利用船舶真空蒸馏海水淡化原理,结合船舶生活污水真空收集原理进一步优化了船舶生活污水的处理过程,在保护海洋环境的同时减轻了轮机值班人员的工作强度、提高了船舶生活污水处理效率并提高了船舶能源利用效率,对船舶建造和营运有着非常重要的战略意义。1.2膜生物法工艺(MBR)我国在有关膜生物反应器(MembraneBio-reactor,MBR)的研究起步较晚,自1993年始,清华大学环境工程系、同济大学、中科院生态中心等单位先后开展了许多这方面的研究,研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、港口污水、印染废水等,但应用工程数量还很少,且至今还未见有膜反应器用于船舶的报道。近年来国际上的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而形成的膜生物法工艺。船舶生活污水处理装置并进行了实船试验；同年联邦德国教育与研究部资助进行一项叫做“MEMROD(MEMbraneReactorOperationDevice)”的研究项目,目的是将船舶所产生的灰水、黑水以及舱底含油废水集中到一个MBR处理后达标排放；2001年英国多年从事船舶生活污水处理装置生产的Hamworthy公司[5],也对其产品进行了工艺升级,研制开发出MBR系列装置I9；荷兰Triquabv公司开发的“MEMTriq(r)Marine”船用装置,采用了外置的管状膜口。MBR技术用于船舶主要具有以下特点[6]:①膜分离代替泥水的自然沉降分离,出水水质可不受船舶摇晃、振动的影响；②反应器内污泥浓度高,污染物降解效率高,占地少,耐冲击负荷；③泥龄长,可进行硝化反应,污泥产量低；④能够滤除细菌和病毒,出水可不再消毒；⑤出水水质好并可回用,船舶可不受航行区域的限制；⑥易于实现自动控制,操作管理方便。膜生物处理技术以其独特的优势在污水处理及中水回用中的应用范围和规模不断扩大和增加,是一种非常有发展前途的新型污水处理工艺技术。图1膜生物反应器工艺流程Fig1TheprocessflowsofMembranebio-reactorMBR有待解决的主要技术问题：MBR①的能耗高。MBR的能耗主要来自供水泵、循环泵、渗透水抽吸泵和曝气系统。能耗值与膜通量、膜污染状况、污泥浓度、曝气量、系统规模、泵的选型及设计均有关系。因此要降低能耗,主要是设备选型合理,工艺流程设计优化。②容易出现膜污染,给操作管理带来不便,使运行费用提高。影响膜污染的主要因素是:膜的性质、料液性质和膜分离操作条件。因此,对MBR进行以下改进:一是在设计过程中,根据水质和水处理要求选择膜材料；二是对料液进行预处理,以达到膜组件进水的水质指标；三是通过实验选择合适的操作运行条件；四是在设计中,注意减少设备结构中的死角和死空间间隙,以防止滞留物在此变质,扩大膜污染；五是防止微生物、细菌及有机物的污染。此外,还需要通过反冲洗等清洗方法,及时对膜污染进行处理[7]。1.3船舶生活污水处理的实船试验研究董良飞[8]采用厌氧复合床反应器与接触氧化、接触沉淀相结合的工艺,设计加工样机处理某货轮生活污水。实船试验积累了相关实验参数。在船舶生活污水处理装置的开发中应注意以下问题：①应对船舶生活污水的水量和水质情况进行实船调查,以便合理设计或选择除渣达标水排放污泥定期外排渣定期外排/压实后焚烧预处理柜罗茨鼓风机/浓缩液回膜生物反应器好氧／厌氧处理柜装置和调节池；②受水深及倾斜的影响,船舶生活污水处理装置的曝气宜选用微气泡大阻力型的空气扩散装置；③船舶的运动效应会对污水处理装置的自控、固液分离及管路连接等产生不利影响,设计中应加以考虑；④很多细节问题可能直接影响船舶生活污水处理装置的正常运行及出水水质,也应予以重视。图2实船试验工艺流程图Fig2Theprocessflowdiagramoftrial根据船舶生活污水处理的实船试验和调研[9],结合船舶操作管理人员的意见和要求[10],针对船舶生活污水的特性及船上环境影响因素,理想的船舶生活污水处理装置应具有以下特点:①能实现黑水和灰水的一体化处理,耐水质及水量负荷变化能力强；②受船舶运动效应影响小,处理过程稳定且效率较高；③体积小、占地少、造价低,易于安装；④起动及停止后恢复快,无需特殊维护；⑤安全美观,人机界面友好,自控程度高,操作管理简便；⑥结构合理,可靠耐用,使用寿命长。2船舶含油污水的处理污水中不同形态的油有着不同的理化性质,在很大程度上决定了相应处理方法的选择。通常,油类在水中主要以5种形态存在[11]:上浮油、分散油、乳化油、溶解油、固体附着油。含油污水的处理方法大致有以下几种[12,13]:①油水分离法。②凝聚沉淀法。③加压气浮法。④过滤法。⑤吸附法。⑥微生物处理法。2.1压载水的处理IMO历来对船舶压载水问题高度重视,并一直致力于制定全球压载水管理方面的公约。于2004年通过了《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》。我国作为世界航运大国、IMOA类理事国,也在全力推进这项工作。目前国际上正在研究的船舶压载水处理方法很多,主要有:机械处理法、物理处理法、化学处理法。2.1.1机械处理法机械处理法:用过滤法和改善船舶设计。过滤可去除压载水中的生物和病原体,但问题是:像病毒和细菌昀小的只有0.02µm和0.1µm,原生动物昀小的是2µm,双鞭毛藻昀小的是3µm。滤网网目越多,过滤需要的压力就越大,而且很快就需要反冲洗,实际上沿海的压载水本身含有许多悬浮物,会使过滤更加困难。目前日本的研究技术为25µm以上可清除74%～94%,50µm以上可清除82%～95%,其作用原理不纯粹是过滤,还包括在管路内部产生剪应力和空穴[14]。以色列和美国昀近采用盘分离、紫外照射和高级氧化处理结合的技术,做了两级实验,处理流量均为10m3/h,用地中海的原生海水作为压载水实验,结果93%的微米级浮游生物(Microplankton)、100%皮米级浮游生物(Picoplankton)和62%的纳米级浮游生物(Nanoplankton)被抑活[15]。旋流分离法:利用水流在管路中高速流动产生的分离作用,将液体的水和固体的生物和病原体分离开。OPtiMar漩流分离器安装在“豪华公主”上以每小时200m3/h流量运行可滤除40µm以上微生物,实验室实验可滤1µm以上微生物[16]。2.1.2物理处理法物理处理法:即采用热、紫外线、超声波、银离子、磁化等。昀新研究表明,40℃～45℃通常足以杀死或抑活压载水中有害水生物。低温长时间比高温短时间更有效[17]。温度在38℃～50,℃加热持续时间为2～4小时,可杀灭大部分生物,但是如果生物是以休眠胞子的形式存在,可能需要更高的温度,而且很难达到杀灭的效果。在船上实现加热处理存在的主要问题是,必须改装管系,产生热应力,热源不足,冬季处理效果