船舶压载水处理技术研究背景、进展与面临的挑战

张卫东,杜 彬,曲慧芳,李 涛

(1. 上海交通大学自动化系,上海 200240 2. 交通运输环境保护中心,北京,100013)

0 引 言

船舶压载水是指为控制船舶横倾、纵倾或吃水而注入到船内的水,其主要作用包括两个方面。一个是改善货物分布不平衡或者恶劣天气时船舶的稳定性;一个是补偿货物和燃料增加减少导致的浮力变化。压载水会带来两个方面的危害。首先,压载水中含有大量水生物,包括微生物、浮游生物、藻类、小型鱼类,以及水生物的卵或孢子。这些生物会随船舶航行,从一个水域到达地理隔绝的另一个水域,排入新的环境中。有些外来生物因为缺乏天敌而在新的环境中大量生长繁殖,导致外来生物入侵问题,威胁新环境的物种多样性,甚至可能导致当地原生物种的灭绝。其次,压载水中可能含有一些病原体,如霍乱弧菌和伤寒病菌等。这些致病微生物可能会寄生于可食用贝壳或鱼类中,通过食物链危害人体健康。还有一些藻类如引发赤潮的有毒甲藻,不但会对海水养殖业造成毁灭性破坏,而且会通过食物链导致人类的发病甚至死亡。

压载水导致的外来生物入侵问题尤为严重。随着经济全球化的发展,海洋运输业发展迅猛,远洋船舶的数量及吨位急剧增加,加剧了压载水在全球范围内的排放。据统计,全球每年压载水排放量就有100亿吨左右[1]。在未加限制之前,全球每天有超过10000种生物随着压载水传送到世界各地[2]。据调查,已经有450多种外来物种被带到地中海。德国水域和英国海域分别有100种和53种已存在的外来物种。在瑞典海岸线发现了70多种外来物种,在爱尔兰科克港发现了24种,在北美发现了250多个物种。年入侵美国和加拿大边界的五大湖生物有130多种[3]。近年来,我国沿海地区赤潮暴发逐渐增多,外来生物入侵是重要原因之一[4]。压载水中外来有害生物的入侵加剧了海洋生态系统和自然环境的破坏,已经被全球环境基金组织(Global Environment Facilitv,GEF)和国际海事组织(International Maritime Organization,IMO,是联合国负责船舶安全保障和防止船舶污染海洋的专门机构)认定为当前海洋环境所面临的四大威胁之一[5]。为此,国际社会经过二十多年努力,终于在IMO大会上通过了《国际船舶压载水和沉积物管理与控制管理国际公约》(简称压载水公约),该公约于2019年9月8日正式生效。本文将围绕上述背景介绍船舶压载水处理研究进展,并分析该领域面临的挑战。

1 对船舶压载水危害的认识过程

人类直到最近三四十年才认识到压载水的危害,关于压载水处理的研究开始更晚。20世纪80年代陆续出现了越来越多的压载水排放传播有害水生物和病原体,导致港口海洋生态破坏和公众健康损害的报道,才引发国际社会对压载水危害的广泛关注。澳大利亚和新西兰海域由于外来有毒甲藻大量繁殖,通过贝壳类导致许多人患上麻痹性贝类中毒症;北美五大湖由于外来的斑纹贻贝大量繁殖生长给当地造成严重的生态和经济损失;秘鲁沿岸由亚洲型的霍乱菌引发了霍乱流行;黑海由于外来的一种浮游动物大量繁殖,造成绒鱼产量锐减[6]。

文献[7、 8]是较早关注压载水危害的论文。通过主题词ballast water和treatment在Web of Science中检索可以发现,20世纪80年代压载水处理方面的论文是空白,最早的文献是1996年的一份报告[9]。通过主题词在知网中检索中外文献可以发现,最早的压载水处理文献是1995年的一篇论文[10]。按知网收录的文献,近年发表论文情况如图1所示。文献[11]给出了一个更加详尽的分析。总体上,近年来的论文发表量呈快速增加之势。

图1 知网论文数量统计Fig.1 CNKI Papers Statistics

随着国际社会对压载水危害的认识,压载水的处理和安全排放问题被提上了国际组织的议程。1997年,IMO通过了《关于控制和管理压载水,减少有害生物和病原体传播的指南》。但是指南并不具有强制性。由于控制和管理压载水需要在船舶上加装压载水处理设备,增加了船舶操作难度,提升了运营和维护成本,会遭到船舶经营者反对。因此,无法从根本上解决压载水处理与安全排放这一国际性问题。为此,2004年IMO通过了具有法律约束性的《国际船舶压载水和沉积物管理与控制管理国际公约》,规定将在获得代表全球商船总吨位35%的30个国家批准12个月后,该公约生效[12]。

压载水公约是压载水管理方面的第一项国际立法,核心内容是两个关键性的标准:D-1和D-2。简单地讲,D-1标准就是用海水置换的办法,在船舶抵港前用公海上的海水把压载舱内的海水替换成当地水域的海水,然后才允许进港。通常要达到95%的体积置换率。若用泵流法进行压载水置换,泵入压载舱三倍容积的水量被视为符合上述标准。但是,这种方法仍有外来物种入侵和污染当地环境的可能性。更为严格的是D-2标准。D-2标准要求把压载舱内的生物过滤掉或杀灭。这通常需要在船舶上安装压载水处理设备才能实现。处理后的压载水水质应达到[13、 14]:(1)每立方米压载水中个体尺寸大于或等于50μm的存活生物体少于10个;(2)每毫升压载水中个体尺寸小于50μm,但大于或等于10μm的存活生物体少于10个;(3)指标微生物的浓度不应超过:a)有毒霍乱弧菌:每100ml压载水或者每克浮游动物样品中1菌落形成单位(CFU,Colony-Forming Units);b)大肠杆菌:每100ml 250CFU; c)肠道球菌:每100ml 100CFU。

在压载水公约的推进过程中,不同利益群体有着不同的诉求。发达国家环保意识强,推进公约的态度积极;发展中国家更多考量公约对经济发展的影响,态度各不相同。设备生产商发现了新机会,积极推进公约落实;船舶所有者大都认为增加了成本和复杂性,消极对待。在经历了十几年的协商博弈之后,2016年9月8日,公约终于达到了所要求的至少30个国家签署和代表全球商船吨位的35%的生效条件,12个月后压载水公约正式生效[15]。

然而,公约的生效过程并非一帆风顺。2016年之前几年的国际航运市场运力过剩,2016年干散货和集装箱航运贸易陷入低谷,新船订单创历史最低,同时,已有订单与运力之比也为20年来最低。许多船东维持现状都困难,更不可能让他们为不产生任何运营收益的压载水处理设备买单。所以,2016年10月和2017年7月的IMO海洋环境保护委员会(MEPC)会议又讨论了压载水公约最终实施时间,委员会同意了挪威协调巴西、印度、利比里亚和英国提出的折中方案,即对2017年9月8日前建造的现有船,压载水排放允许推迟两年至2019年9月8日或以后首次国际防止油污(IOPP)证书换证时达到D-2标准。与此同时,委员会也同意了日本提出的对于现有船舶小于400总吨,不符合IOPP换证要求的船舶,将其履约日期从挪威联合提案的2022年延期到2024年。至此,压载水公约正式生效日期被确定为2019年9月8日[16]。

正如IMO秘书长林基泽所说,压载水管理公约的生效是保护地球健康的重要里程碑。入侵物种的传播一直被认为是地球生态和生活水平的最大威胁之一,这些入侵物种对生物多样性和丰富的自然资源造成了极大损害,还给健康带来了直接和间接的影响。该公约的生效,标志着由于外来生物的入侵所造成的生态系统的破坏、对生物多样性的影响,以及可能产生的经济损失将得到有效的遏制。压载水管理公约的生效也有助于实现若干联合国可持续发展目标,特别是关于水下生命的可持续发展目标,以及生物多样性和限制入侵物种扩散有关的目标。

2 学术界的研究

在压载水排放之前消灭或去除有害水生物和病原体是控制外来生物入侵行之有效的方法,学术界为此已开展了广泛的研究,提出了不同的压载水处理方法。压载水的处理方法主要有机械法、物理法、化学法和生物法等几种[14、 17]。文献[18]介绍了压载水处理系统的概念、原理灭活机制的使用,以及处理技术的优势和挑战。文献[19]探讨了不同生物体之间的关系以及微生物被灭活的机制,包括外部因素(如pH值、盐度、浊度)对失活效率的影响。由于在已有综述中有很多介绍,本文只对关注较多的方法的原理和局限作简单概括。

2.1 机械法

包括旋风过滤法和机械分离法。过滤是目前最清洁的压载水处理方法。在外力作用下,通过多孔介质将悬浮液中的水和有机物分离。然而,有些微藻、细菌和病毒很难通过过滤去除。旋风分离法的原理是当水流高速进入设计的圆形管道时,由于旋流运动产生离心力,通过物料之间的密度差将压载水中的水和生物体分离。但是,对比重与海水相似的生物体的处理将受到限制。

2.2 物理法

包括紫外线法、超声波法和加热法。紫外线法利用紫外辐射使生物体的遗传物质DNA或RNA发生变异的特性,破坏生物正常的新陈代谢活动,从而杀灭微生物和病原体。但其渗透性差,受压载水浊度影响较大。超声波处理压载水时,利用压载水产生的压力波偏差和产生的热量来杀灭生物体。虽然这种方法有一定的效果,但在应用中还存在一系列的负面问题。在船舶上使用高强度超声波可能会影响船体结构,危及船上人员的健康。加热法是提高压载水的温度,从而破坏内部生物体原有的生存环境,从而杀死压载水中现有的生物体。但是,利用加热法来处理船舶压载水时引起的热胀冷缩现象会对船体安全构成威胁。

2.3 化学法

包括氯化法、臭氧法、过氧化氢法和电解法。氯化法主要是利用氯的强氧化特性来杀灭压载水中的生物。在海水微生物氯化灭活实验中,杀菌效果好,但需要高剂量杀灭藻类,可能超出环境容量;加氯过程中还会产生有毒副产物,构成二次环境污染;氯气的输送和储存困难,限制了其在压载水处理中的应用。臭氧法利用臭氧的氧化能力杀灭微生物,处理后残留的臭氧能在短时间内分解成无害的氧气,不会对环境造成二次污染。但由于臭氧浓度较高,单独使用臭氧并不适合实际的压载水处理,残留的臭氧也会腐蚀船体。过氧化氢处理压载水也是利用其强氧化作用杀死水中的生物。与臭氧一样,处理后水中残留的过氧化氢会在短时间内分解成无害的氧气和水,不会对环境造成二次污染。但过氧化氢法受水质影响较大,成本很高。电解法利用电解海水产生的次氯酸和次氯酸钠等将微生物体内的生物酶氧化分解来杀灭微生物。但是,如何控制电解程度和海水中有效氯的浓度,在保证处理效果的同时不留下过多的氧化物,仍然是一个有待进一步研究和解决的问题;当用电解海水处理压载水时,海水电解后产生的氧化性物质会加速压载舱金属结构的腐蚀;该方法对入海口盐度较低海水处理效果不理想。

压载水生物处理主要是通过引进与压载水生物有竞争关系的新生物,或通过现代科技手段改变生物基因,控制外来生物入侵。目前,对该方法的研究还处于理论研究阶段。

学术界近年还有许多新的研究成果。文献[20]比较了不同生物量处理下的浮游生物死亡率和微生物灭活率,以确定可能的衰变模式。采用的处理方法包括太阳辐射、紫外线、过氧化氢和高级氧化过程。论文测量了从哥伦比亚圣玛尔塔港口抽取的天然海水中野生种群的消毒能力,发现大于50μm的浮游生物是最具抵抗力的,必须先用过滤器清除。文献[21]采用亚基因组学方法对中国-东南亚航线船舶压载水中潜在病原菌群落的多样性进行了研究,发现压载保持时间对压载水中潜在病原体的分布有重要影响。压载水保持时间越长,假互变单胞菌的数量就越少。压载水保持时间长样品的Shannon指数高于压载水保持时间短样品的Shannon指数。在长压载时间船舶上的潜在致病菌(弧菌、气单胞菌或肠杆菌等)具有较大的多样性。文献[22]探讨了采用过氧化单硫酸钾消毒压载水的方法,通过对失活反应产物、细胞内物质的渗漏和失活后细胞形态变化的分析,揭示了海水中卤化物离子对提高灭活效果的作用。结果表明,过氧化单硫酸钾是一种很有吸引力的压载水消毒替代品。文献[23]介绍了压载水处理的超声强化技术,选取小球藻作为受试藻种配置模拟压载水,研究了超声参数以及其他因素对压载水中小球藻的去除效果。文献[24]采用紫外/银-二氧化钛/臭氧对水体进行快速灭菌和杀藻,对其灭活机理进行了研究。结果表明,紫外/银-二氧化钛、臭氧具有较强的杀菌性能,但紫外/银-二氧化钛对微藻灭活效果较差。臭氧投加量和紫外辐射强度对复合灭菌、杀藻有重要影响。随着臭氧投加量的增加,复合灭菌和杀藻效果显著提高。紫外辐射强度的增加以及在较高的pH值和较低的水温中更有利于复合灭菌。文献[25]研究了离子膜电解处理系统和微流控芯片检测系统。在压载水处理方面设计了一种新型的离子膜电解系统,研究了电解系统处理压载水的效果,提出了优化处理的方法。在压载水检测方面,提出了基于微流控芯片和叶绿素荧光的压载水藻类活性检测方法,建立了相关系统。

文献[26]制备了紫外催化改性负载型纳米银-二氧化钛,基于获得的最优催化剂,研究了连续流条件下紫外催化改性负载型纳米银-二氧化钛对大肠杆菌、肠道球菌和二形栅藻的灭活效果与机理,发现与单纯紫外灭活相比,紫外催化改性负载型纳米银-二氧化钛能够减少灭活时间。考察了温度、盐度与紫外光波长对灭活效果的影响,结果表明,在12℃水温、淡水与长波紫外线条件下,系统对压载水微生物的灭活效果最好。文献[27]研究了电催化和紫外复合压载水处理技术,建立了电催化/紫外复合船舶压载水处理系统和微藻规模化养殖模式。比较了不同阳极材料电催化体系的灭活性能,研究了电催化/紫外复合技术对微藻的灭活性能,证明了电催化/紫外复合灭活压载水中微藻的可行性和有效性。文献[28]采用溶胶凝胶法,将铱掺入单纯的钌钛涂层钛电极中,发现铱的掺入可以有效地提高电极的使用寿命,提高了电极的析氧电位和氯氧电位差。进一步研究了涂覆层数对钌-铱-钛/钛电极的电催化性能的影响,确定了最佳涂覆层数。在此基础上,通过掺杂锡来提高电极的电催化性能和使用寿命。文献[29]通过试验研究了脉冲电弧液电放电压载水处理的影响因素,研究了放电电极材料、电极直径、电极间距、水样变化、水量和流量对杀菌效果的影响。以牟勒氏角毛藻、赤潮异湾藻和锥状斯克里普藻为可存活生物指标,研究脉冲电弧放电对压载水处理的影响。通过实验,确定在一定的脉冲电源条件下,有一个合适的参数可以达到脉冲电弧液体放电电压的最佳处理效果。脉冲电弧液体放电对大肠杆菌和不同种类、大小的藻类有良好的杀灭效果,不会使藻类再生。文献[30]采用计算流体力学(CFD)方法建立了水力旋流器流场计算与分析的数值模型。研究结果表明:(1)在水力旋流器分离过程中,静压逐渐转化为动能,在旋流器的中心轴线处存在一个负压区,水流形成漩涡,漩涡中间有空气柱。(2)随着溢流管直径的增大,水力旋流器的主分离区变窄,静压转换降低,直接导致液流切向速度和离心惯性力的降低。溢流口的插入不增加溢流口的流量,需直接增加溢流口的流量。(3)粒径较小(小于20μm)的颗粒容易脱离自身的运动轨道,通过零速度包络线进入内旋流;粒径较大(大于70μm)或密度较高的固体颗粒的运动轨迹靠近壁面,且始终位于外表面旋转。(4)溢流直径、底流直径和进料当量直径对水力旋流器的流动和分离特性有显著影响。文献[31]设计并建立了一套采用微孔陶瓷过滤和紫外线复合的压载水处理设备,从指示生物和海洋细菌的去除率、陶瓷过滤器的耐久性和在天然海水中的应用三个方面评价了该系统的技术可行性。文献[32]测试了浮游生物和绿藻对紫外线处理的鲁棒性。研究结果还表明,浮游生物和绿藻在紫外线处理下至少和天然藻类一样鲁棒,可以作为标准测试生物,以验证基于紫外线的压载水处理系统的效能。文献[33]以电场放电产生高浓度活性氧为基础,协同水力空化高级氧化技术净化压载水,使之达到IMO对压载水中微生物的灭活要求。文献[34]建立了可以实现单独控制的以钛基氧化锡钌为阳极材料的电催化系统和紫外辐射复合压载水处理系统,以杜氏盐藻、青岛大扁藻、锥状克里斯普藻为目标处理微生物,用该系统进行微藻灭活。

3 产业界的努力

IMO提出安全、经济、有效、实用且环境容许等五项标准,用来指导船舶压载水处理设备的研发。产业界以此为目标开展了许多卓有成效的工作。文献[35]对国际上相关专利进行了全面统计。

船舶所用的压载水水量大,要求处理时间尽可能短,还要考虑对船舶安全性和海洋环境的影响。因此,虽然一些单一的方法在实验室研究中是有效的,但可能不能满足压载水处理的实际要求。工业实践也表明,机械法、物理法和化学法三种方法各有优缺点。目前,没有一种方法能够独立满足IMO对压载水处理的要求。其中,机械处理法对个体较大的微生物非常有效,对于小的病原体无效。物理处理法对能处理的微生物非常有效,且对环境无害,但可能需要附加工作管系。化学处理法的特点是对于能处理的微生物非常有效,但是,必须考虑化学品对船员健康、压载舱安全和泵/管道系统的不利影响,并严格控制对环境的不利影响。每种化学物质的处理能力和目标微生物不同,因此有必要减少和消除处理后压载水中的残留化学物质。由于单一加工方法的局限性,可行的工艺是将几种方法结合起来,即通过复合法,既能综合各种方法的优点,又能弥补彼此的缺点。

大多数压载水处理系统由两个过程组成:(1)液固分离去除压载水中较大的有机物;(2)对压载水中剩余的生物和微生物消毒灭活。前一过程以过滤技术为主,而后一过程以物理或者化学方法为主。以下是国外在压载水处理过程中产业界探索开发的几种代表性压载水处理系统[36～39]。

3.1 PureBallast系统

瑞典制造商Alfa Laval开发了PureBallast压载水处理系统,是第一个得到IMO最终批准的压载水处理系统。该系统的处理过程可分为预处理和最终处理两个阶段。压载水由压载泵通过海底闸门吸入。压载水首先通过孔径为50μm的过滤器去除大于50μm的有机物,然后送至AOT(高级氧化技术)装置。在AOT装置中,用紫外线照射二氧化钛会产生羟基自由基,该基团会夺取微生物等细胞膜内的氢元素,从而杀死微生物。在压载水舱的航行过程中,AOT会再次在压载水舱内启动,以使压载水在舱内再次灭活微生物。

3.2 Opti Mar系统

Opti Mar压载水处理系统由挪威Optimarine公司制造。该系统于2016年12月通过国际上要求最为严格的美国海岸警卫队(USCG)认证,是国际上首个获得USCG型式认可证书的产品。Opti Mar压载水处理系统采用过滤和紫外辐射相结合的两级处理。前一阶段对浮游动物进行分离和去除,以提高后续紫外线处理的效果。该过滤器可反冲洗,安装方便,操作方便。

3.3 Balpure系统

Balpure压载水处理系统由意大利De Nora公司开发。该公司是一家老牌电解化学技术公司。Balpure压载水处理系统采用了独有的分流处理方式,约1%的总压载水流会被用于产生次氯酸盐消毒液。通过仅在压载周期吸水期间进行处理的设计,减少了压载水处理能耗。Balpure压载水处理系统采用专利自清洗电极,节省了船员在化学及机械清洁维护上的大量时间。

3.4 BWTS-FIT系统

BWTS-FIT压载水处理系统由希腊ERMA-FIRST公司开发。该系统的主要部件是一个反冲洗过滤器和一个电解槽。过滤器孔径为40μm,具有自清洁能力。系统利用电解法产生的活性物质,消除了过滤后剩余压载水中的微生物。

3.5 ECS系统

ECS是韩国重要压载水处理系统生产商Techcross针对安装空间狭小的船舶推出的压载水处理系统,该系统不涉及压载泵及压载管路,也无需安装过滤器,能在很大程度上节省船舶机舱空间。系统采用的是电解原理,电极之间产生的电势差会破坏微生物细胞壁,同时,电解产生的羟基自由基也会杀菌。

3.6 其他常见压载水处理系统

包括德国Hamann AG的SENDA,德国RWO的CleanBallast,英国海诺威的UV System,美国Hyde的Hyde Guardian,芬兰瓦锡兰公司的Aquarius(见图2),日本三菱重工的HBWS等[40]。

图2 Aquarius压载水处理系统Fig.2 Aquarius ballast water treatment system

在压载水处理设备的研发和生产方面,国内也涌现出一批公司和集团致力于开发先进的技术和创新的解决方案,做出了积极贡献并取得了不错的成绩。

① BSKY系统。BSKY压载水处理系统是无锡蓝天电子有限公司的产品。该系统采用纯机械+物理方法,通过水力旋流器粗过滤,接着由超声波预过滤,最后是紫外线消毒,不采用活性物质。

② Seascape-BWMS系统。Seascape-BWMS压载水处理系统是易俐特自动化技术股份有限公司(前身是南通海景船舶压载水处理系统股份有限公司)和上海交通大学联合研发的产品。该系统采用了机械法+物理法(紫外协同超声)的技术方案。与同类产品相比具有独特的高效反冲洗技术、自适应紫外灭活技术和自动紫外灯清洗技术,可用于水质较差水体,过滤和反冲洗同时进行,提供了几乎零维护的压载水处理系统,如图3所示。经试验,系统在高低不同盐度海水和淡水区域、长江口岸等低洁净度水域均可获得符合压载水公约标准的处理效果。

图3 易俐特Seascape压载水处理系统Fig.3 Elite Seascape ballast water treatment system

③ BalClor系统。BalClor压载水处理系统是青岛双瑞海洋环境有限公司的产品。该产品是亚洲首家获USCG型式认可证书的船舶压载水管理系统。BalClor压载水处理系统的工作过程分为过滤、次氯酸钠杀菌和中和三个步骤。过滤是用过滤精度为50μm的自动反冲洗过滤器过滤所有压载水,电解海水制备次氯酸钠。次氯酸钠灭菌是指从压载水主管路中取一小流量的海水流经电解装置,通过电解产生高浓度次氯酸钠溶液。脱气后的溶液重新注入主压载水管道。稀释至一定浓度,过滤后杀灭残留的浮游生物、病原体、幼虫或孢子。

④ 海洋卫士系统。海洋卫士压载水处理系统是青岛海德威船舶科技有限公司与哈尔滨工程大学联合研发。系统杀菌灭藻通过两步完成:第一步是过滤;第二步是电催化高级氧化。海洋卫士压载水处理系统采用全自动反冲洗过滤器,可实现过滤和反冲洗同时进行。过滤后的压载水由电催化单元(EUT)进行进一步处理。该单元利用高级氧化电催化技术,通过电子激发特殊的半导体材料,将水分子分解为高活性的羟基自由基来杀菌灭藻。

⑤ 海盾系统。海盾压载水处理系统由中远船舶工业公司和清华大学联合研制。系统采用过滤和紫外线的工作原理。过滤系统位于紫外线系统前面。其作用是去除颗粒物等杂质,去除50μm以上的浮游生物。过滤系统的运行和反洗不影响紫外线处理过程。反冲洗液排入采水区。该紫外线系统能产生适当剂量的紫外线,有效地灭活处理后水体中的藻类、细菌等生物,安全可靠,成本低廉。

尽管压载水处理系统经过多年的研发,形成了多种不同处理技术,但是通过对全球主要压载水处理系统的分析可以发现,主流的压载水处理系统趋向于两大类型[41]。一种是物理分离+紫外灭活的技术,包括过滤/旋分+UV/脱氧,优点是处理装置容易实现小型化和集约化,后期维护管理比较方便。但是,紫外消毒的能耗较大,灯管容易沉积结垢。另一种是物理分离+氯化灭活的技术,包括过滤/旋分+电解法/臭氧法/高级氧化/氯离子,适合超大型船舶。但其杀生剂的储存装置和发生装置占地面积较大,使用过程中经常需要更换药剂,操作复杂;会产生氢气,存在安全隐患;对入海口附近低盐度海水电解效率低;电极易损耗或形成沉积,维护管理比较麻烦;杀生剂还会加快对船舱钢板的腐蚀。截至2018年12月,65个压载水处理系统已获得IMO型式认证,13个已获得USCG型式认证。大多数压载水处理设备使用上述两种技术[42]。

从技术层面来看,各公司的技术难分优劣,既各有所长,又各有所短,可以满足各类新建和改造船舶的安装要求。未来的竞争可能更多体现在产品的价格,以及公司服务能力等方面。但是从环保角度来看,第一种类型正在取得更多认同,而第二种类型正在遭受越来越多的质疑。文献[43]为了评估氯处理技术在减少入侵生物风险中的效率及其对压舱水中浮游动物群落结构及多样性变化的影响,运用DNA元编码方法估算了控制舱和氯处理舱中浮游动物群落的移植压力(引入的物种/操作分类单位的数量)和相对繁殖压力(每个物种/操作分类单位的相对丰度)。研究表明,氯处理可能不会像以前所认为的那样可以有效减少入侵风险。文献[44]则研究了全球压载水消毒有害副产物排放问题及对人类健康影响风险的评估问题。论文分析了过去十多年到压载水公约最终批准的所有压载水管理系统,介绍了压载水管理系统产生和排放的化学品,揭示了使用活性物质来灭活生物体带来的潜在环境污染风险。

4 面临的挑战

压载水处理面临着标准、经济、技术、检测和法律等不同层面的挑战。有许多文献曾给出过深入的讨论。

虽然压载水公约对生物排放量有详细规定,但对生物排放物的种类没有明确要求。事实上,无论是更换压载水还是用设备对船舶压载水进行预处理,都不能保证100%消灭或更换所有外来生物。无论是孢子囊等残留生物是否会导致近海生物或病原体的入侵,现有的研究成果都存在一定的局限性和不确定性。此外,压载水公约的规定仍需进一步完善。例如,文献[45]研究了微塑料对微藻种群的影响。文献[46]指出,微塑料作为金属、抗生素、有毒化学品、致病菌和有害藻类的载体,通过压载水传播可能会对环境和人体健康造成严重威胁。现有的压载水管理公约缺少关于处理微塑料污染的规定,认为迫切需要将微塑料作为一种危险材料纳入压载水管理公约,规定压载水中微塑料的有效限值。

压载水公约生效后,要求各类船舶必须加装压载水处理系统。据专家预测,未来5年,每年将有1万余艘船需要加装压载水处理装置;约有68000艘船舶需要安装压载水装置。英国Global Water Intelligence(GWI)在最新报告中表示,未来5年内,有关压载水管理装置投资支出将达到约456亿美元,其中船舶改装支出占绝大部分。但是,自2008年发生金融危机以来,全球海运市场出现严重的需求低迷和供求失衡问题,国内外海运企业大多数存在亏损严重等现象[47],很多船东维持现有状态尚难,让他们再为压载水处理设备买单会面临很大压力。

压载水处理系统需要占用船舶上宝贵的空间,这对船舶,特别是小型船舶的有效载荷有很大的影响;压载水处理系统具有较大的重量,还可能对压载舱及管系造成一定的腐蚀,会给船舶航行安全带来隐患;压载水处理系统通常需要消耗较多能源,对船舶电力系统是个很大的负担。特别是对已有船舶改加压载水管理系统,需要综合考虑安装空间、位置、电力功率消耗等因素[48]。这些因素给压载水处理系统的安装带来了一定的难度。

压载水处理系统的使用也是航运界面临的挑战之一。压载水处理设备包括处理单元、自动控制单元、远程遥控系统、自动监测系统、自动关闭、自动记录系统等,有很高的技术含量,在稳定运转、日常维护和应付恶劣条件方面对船员的操作水平提出了更高要求。如果因压载水管理系统的失效而造成船期延误或港口国检查不合格而采取其他措施,将给船东带来巨大的经济损失。这一方面,给船员的培训提出了很高要求;另一方面,也对压载水处理系统性能提出了迫切需求,包括系统控制和监测的便利性、系统维护保养的可靠性和系统使用和管理的复杂性等。

目前,IMO尚未制定通用压载水试验标准和取样标准。由于港口国压载水管理系统型式核准试验和压载水抽样检验所采用的方法不同,很可能会得出不同的结论。一些国家和地区提出,在制定统一、透明的检测制度和检测标准之前,不应进行压载水检测,以防止在现行科学检验标准体系下,优质压载水船舶受到不公平对待。另外,压载水检测通常分为生物(包括微生物和浮游生物)检测和水质检测。水质检测方法主要有物理法和化学法。生物检测方法可分为详细分析法和指示性分析法[49]。虽然针对压载水中生物的检测方法有很多种,但现有技术还很难做到实时处理。由于船舶在港时间存在不确定性,往往时间较短,这势必影响船舶在港的正常操作,迫切需要发展快速、准确和高效的压载水水质检测技术,以实现压载水公约规定的“在执行本公约条款时应尽力避免使船舶受到不当的滞留或延误”的目的。

已有文献对实施压载水公约方式的解读,更多地集中在船载压载水处理系统方面,即由船东购买处理设备,安装在船舶上。这种方式在船舶靠港作业时间有限、操作失误或者装备出现故障时,或者应急状态下缺乏足够处理能力,无法保证压载水排放符合压载水公约标准。另外一方面,可能有些特种船只,譬如液货船,由于船型特点,机舱和泵舱之间没有足够的空间安装管路和设备。一种解决方法是在港口配备具有压载水应急接收和处理能力的港区集卡拖车、驳船和港口压载水处理厂等,在近海、锚地或码头为已安装或者未安装压载水处理系统的船舶提供共享式压载水应急处理服务,确保排放或抽入的压载水满足公约的要求[50]。在上述几种方式中,港区集卡拖车和港口压载水处理厂由于需要占据码头宝贵的作业空间,只能为停靠码头的船舶提供服务,具有一定的局限。利用驳船提供压载水应急处理服务具有一定的灵活性,通过在近海或者锚地提供压载水处理服务,可以缩短船舶靠港作业时间。事实上,从2017年起,国家环保部就已经开始要求,未来港口建设要配套港口压载水接收处理运营服务。2018年6月,由交通运输部海事局组织发起,深圳海事局组织上海海洋大学、上海中远海运油品运输有限公司、深圳宝裕海洋生态净化工程公司、易俐特自动化技术股份有限公司等单位,在深圳东部大鹏湾海域进行了共享式压载水应急处理演练。这是压载水公约生效以来国际上首次开展的共享式压载水处理演练,为压载水处理这一世界性难题提供了中国方案[51]。该方案已由国家海事局作为中国提案提交给IMO向全球推广。

随着经济全球化与一体化的不断推进,国际航运业也在持续蓬勃发展,中国港口的船舶进出数量不断攀升,进而给港口压载水的接收处理工作带来了巨大挑战[52、 53]。压载水公约生效为我国系统防控外来生物入侵提供了一次难得的机遇。目前,有关船舶排放压载水的相关规定分散在《海洋环境保护法》《水污染防治法》《国境卫生检疫法》等个别立法条文中。由于相关压载水内容较少,缺乏相互协调,加之压载水管道控制缺乏专门立法,不可能形成压载水排放损害海洋生态的法律调整和执法机制。从我国立法现状看,尚未对船舶压载水排放造成的外来物种入侵和生态环境恢复作出相应规定[54]。迄今为止,我国尚未建立专门的防治外来物种入侵和压载水危害控制的法律制度。与之相对应的是,中央和地方政府还没有建立统一的权力机构来行使对压载水外来物种入侵的监督管理权,压载水排放管理仍没有有效的立法监管。因此,我们应该从预警、风险评估、实验室检测和陆上接收和处置开始,为我国建立一套完整的压载水携带有害水生生物和病原体的防治体系,具体包含以下几个方面:(1)调查我国海域固有生物种,确定需要预防的外来生物种,建立压载水物种多样性生物数据库;(2)根据国外报告的有害物种和航线特点,制定相应的预防措施;(3)探讨压载水采样分析的标准方法,对有条件的港口进港船舶压载水和沉积物进行采样分析;(4)探讨国际上几种压载水处理和控制方法的可行性和有效性;(5)发展和建设船基压载水处理设备和港口压载水应急接收处理设施,提高压载水处理水平。从而减少并最终消除压载水携带有害水生物和病原体入侵给我国造成的生态灾害,维护我国生态环境可持续发展。

船舶压载水处理技术在现代海洋运输和海洋工程中具有重要的意义。虽然这项技术已经取得了一定的成就,但仍然面临着一些挑战,如标准制定、技术成本、设备维护等方面的问题。未来的发展将着重于提高船舶压载水处理系统的能源效率和资源利用率。新的技术和工艺将被引入,以降低处理过程中的能耗和化学剂使用量,同时提高压载水水质的处理效果。船舶压载水处理技术将越来越注重环境友好和可持续性。发展趋势将包括采用更环保的处理方法,例如利用生物降解技术、植物净化系统和可再生能源等,以减少对环境的影响。船舶压载水处理技术将与其他船舶污水处理、废水处理和海洋保护系统相结合,形成综合的水资源管理方案,从而实现更高效、可持续和一体化的处理过程。未来,随着环保意识的不断提高和技术的进步,压载水处理技术将会得到更加广泛的应用和发展。因此,需要继续加强对这项技术的研究和推广,提高技术的可持续性和经济性,为船舶压载水处理技术的发展做出更大的贡献。