李曉曉，竇鳳祥

（九江精密測(cè)試技術(shù)研究所，江西九江 332000）

0 引言

遠(yuǎn)洋船舶在注入和排放壓載水的同時(shí)，易引起有害水生物和病原體的跨海域傳播。壓載水的無(wú)控制排放對(duì)海洋生態(tài)、公眾健康造成嚴(yán)重危害，由此引起的海洋生態(tài)破壞事故不勝枚舉，全球環(huán)保基金組織（GEF）將其列為海洋四大危害之一[1]。

為了有效控制船舶壓載水排放導(dǎo)致的海洋生物入侵對(duì)本地海洋生態(tài)環(huán)境造成影響或破壞，2004年2月13日，國(guó)際海事組織（IMO）在倫敦組織召開(kāi)的國(guó)際船舶壓載水管理外交大會(huì)上通過(guò)了具有法律效力的《國(guó)際船舶壓載水與沉積物控制與管理公約》（簡(jiǎn)稱(chēng)：《壓載水公約》）。

隨著《壓載水公約》生效日期的臨近，世界各國(guó)紛紛展開(kāi)船舶壓載水處理技術(shù)研究。從原理上分析，能夠?qū)崿F(xiàn)壓載水處理的方法和途徑較多，但涉及實(shí)際的應(yīng)用必須考慮效能、裝船可行性、運(yùn)行成本和對(duì)船總體的影響等一系列問(wèn)題[2]。本文介紹了一種采用過(guò)濾作為預(yù)處理方式，結(jié)合紫外照射和光催化氧化的壓載水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便，所有操作一鍵完成，運(yùn)行過(guò)程自動(dòng)控制、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)提示。

1 系統(tǒng)組成

光催化法壓載水處理系統(tǒng)主要由過(guò)濾單元、光催化反應(yīng)單元和控制單元組成（見(jiàn)圖1）。過(guò)濾單元采用過(guò)濾精度為50 μm的自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器，濾除壓載水中直徑大于50 μm的水生物；光催化反應(yīng)單元一方面通過(guò)低壓汞燈發(fā)射紫外光，進(jìn)行紫外線殺菌，另一方面通過(guò)紫外光照射光催化反應(yīng)膜，產(chǎn)生羥基自由基，利用羥基自由基的強(qiáng)氧化能力，殺滅壓載水中的浮游生物和微生物；控制單元主要包括控制柜和電源柜，用于提供系統(tǒng)正常工作所需的電源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓載、排放和應(yīng)急旁通壓載的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)記錄及故障報(bào)警等功能。

圖1 系統(tǒng)組成

2 基本原理

壓載水經(jīng)管路進(jìn)入過(guò)濾單元，濾去最小尺寸大于或等于50 μm的生物和顆粒后，進(jìn)入光催化反應(yīng)單元。在光催化反應(yīng)單元內(nèi)，以能發(fā)射紫外光的低壓汞燈為光源，通過(guò)紫外照射抑制或殺滅壓載水中的浮游生物和微生物。同時(shí)，紫外光照射光催化反應(yīng)膜（TiO2納米薄膜）表面，產(chǎn)生具有極強(qiáng)氧化性的羥基自由基（OH），迅速奪取生物細(xì)胞膜內(nèi)的氫元素（H），分解細(xì)胞膜，破壞生物的蛋白質(zhì)、碳水化合物以及DNA等物質(zhì)，徹底殺滅壓載水中的浮游生物和微生物，使處理后的壓載水滿足《壓載水公約》第D-2條標(biāo)準(zhǔn)要求，生物不會(huì)復(fù)活。圖2描述了系統(tǒng)的基本原理。

圖2 基本原理

2.1 過(guò)濾技術(shù)

采用過(guò)濾精度為 50 μm、具有自動(dòng)反沖洗功能的過(guò)濾器，濾除流入壓載水中尺寸大于或等于50 μm的有機(jī)和無(wú)機(jī)粒子。過(guò)濾單元有效地阻止最小尺寸大于或等于50 μm的顆粒物和有機(jī)物伴隨壓載水進(jìn)入壓載艙。當(dāng)進(jìn)出口的壓差大于設(shè)定值，過(guò)濾器自動(dòng)反沖洗，保持系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

2.2 紫外照射滅菌

光催化法壓載水處理系統(tǒng)采用低壓紫外殺菌技術(shù)，紫外波長(zhǎng)范圍為UVC 240 nm～280 nm。UV照射是一種有效的殺菌方法，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的時(shí)間內(nèi)被廣泛用于減少和殺滅微生物。相關(guān)研究表明，當(dāng)生物接收到波長(zhǎng)為200 nm～300 nm的紫外光照射后，生物體內(nèi)的DNA（DNA中的腺嘌呤，鳥(niǎo)嘌呤）、RNA（RNA中的胞嘧啶，胸腺嘧啶）和蛋白質(zhì)等物質(zhì)吸收紫外線，產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，誘導(dǎo)胸腺嘧啶二聚體的形成和DNA鏈的交聯(lián)，抑制DNA的復(fù)制，使微生物失去復(fù)制和再生的能力，從而達(dá)到滅菌的目的[3]。

2.3 光催化氧化滅菌

半導(dǎo)體 TiO2是由不連續(xù)的充滿電子的低能價(jià)帶和空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶，當(dāng)能量等于或大于禁帶寬度（Eg= 3.2 eV）的光照射在半導(dǎo)體表面時(shí)（即照射光的光子能量(E)滿足：E= hν≥Eg時(shí)），價(jià)帶上的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，從而在催化劑表面生成電子—空穴對(duì)（e?— h+）。光生電子—空穴對(duì)如果不被及時(shí)分離，就會(huì)產(chǎn)生復(fù)合，放出熱量、降低TiO2的催化性能，如果存在合適俘獲劑，電子和空穴的復(fù)合就會(huì)受到抑制。

通常情況下，催化劑表面吸附的H2O和O2是光生電子—空穴對(duì)的俘獲劑，催化劑表面吸附的H2O或OH?會(huì)與光生空穴反應(yīng)形成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（OH）。見(jiàn)反應(yīng)式(1)～式(3)。

羥基自由基能迅速奪取微生物細(xì)胞膜內(nèi)的氫元素（H），使微生物的細(xì)胞膜分解，并進(jìn)一步破壞生物的蛋白質(zhì)、碳水化合物以及DNA等物質(zhì)。同時(shí)能分解微生物生長(zhǎng)與繁殖所必需的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制其生長(zhǎng)和發(fā)育。因此，強(qiáng)化光催化氧化技術(shù)能有效抑制微生物的暗修復(fù)復(fù)活功能，不會(huì)產(chǎn)生耐紫外性或生物變異，從而徹底殺滅藻類(lèi)、細(xì)菌和病毒等微生物[4-5]。

圖3是傳統(tǒng)紫外線殺菌和光催化氧化殺菌原理的示意圖。

圖3 光催化殺死有機(jī)微生物與傳統(tǒng)紫外線殺菌的示意圖

3 光溜耦合仿真分析

為評(píng)估光催化反應(yīng)單元內(nèi)滅菌劑量是否滿足常見(jiàn)10 μm～50 μm微生物滅活所需劑量，采用Fluent軟件對(duì)裝置內(nèi)部的流場(chǎng)分布、光場(chǎng)分布及劑量分布進(jìn)行仿真，作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的依據(jù)。常見(jiàn)微生物滅活劑量見(jiàn)表1[6]。

表1 常見(jiàn)微生物滅活所需劑量

Fluent仿真計(jì)算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)建模、網(wǎng)格劃分、模型設(shè)置、迭代和后處理等。

首先使用Pro/E建立光催化反應(yīng)單元的三維模型，然后采用TGrid類(lèi)型劃分成Tet/Hybrid網(wǎng)格。采用RNGk-ε湍流模型計(jì)算光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的水動(dòng)力特性。進(jìn)口邊界條件設(shè)置成流量入口類(lèi)型，出口設(shè)置成自由出流類(lèi)型。由此得到光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的流場(chǎng)分布，如圖4所示。

圖4 流場(chǎng)分布圖

采用DO模型作為輻射模型計(jì)算光催化反應(yīng)單元內(nèi)的光強(qiáng)分布?？紤]紫外燈使用過(guò)程中的輸出效率、燈管與石英管間空氣中的衰減系數(shù)、燈管起垢的衰減系數(shù)、石英管的衰減系數(shù)，再由每個(gè)燈管在254 nm波段的輸出功率和燈管的有效面積，計(jì)算出每個(gè)燈管表面的初始光強(qiáng)，以此作為輸入?yún)?shù)。由此得到光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的光場(chǎng)分布，如圖5所示。

圖5 光場(chǎng)分布圖

以光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的流場(chǎng)狀態(tài)作為初始條件，采用discrete phase model將與水的密度相同的球形顆粒（直徑1 μm）在入口處注入光催化反應(yīng)單元，采用UDF（user-defined function）程序進(jìn)行流場(chǎng)與光場(chǎng)的耦合仿真，通過(guò)計(jì)算每個(gè)顆粒從入口到出口的紫外輻射劑量，得到紫外輻射劑量分布和劑量流線分布[7]，如圖6和圖7所示。

圖6 紫外輻射劑量分布圖

圖7 劑量流線分布圖

仿真結(jié)果表明，紫外與光催化氧化協(xié)同作用的反應(yīng)單元內(nèi)劑量多分布在60 mJ/cm2～70 mJ/cm2區(qū)間內(nèi)，最小劑量也大于30 mJ/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常見(jiàn)微生物滅活所需劑量。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)結(jié)合過(guò)濾、紫外和光催化氧化協(xié)同技術(shù)，具有如下特點(diǎn)。

4.1 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1）殺滅徹底有效。紫外照射和光催化氧化協(xié)同作用，滅菌劑量滿足微生物滅活所需劑量，處理后的壓載水完全滿足D-2標(biāo)準(zhǔn)要求，確保獲得高品質(zhì)的處理水；

2）經(jīng)濟(jì)節(jié)約，運(yùn)行和維護(hù)成本低。運(yùn)行過(guò)程中不需要添加任何化學(xué)物質(zhì)；排放時(shí)不需要中和，可以直接排放；關(guān)鍵部件壽命周期長(zhǎng)，紫外燈和催化膜使用壽命長(zhǎng)達(dá)8 000 h；

3）一次處理，無(wú)保存時(shí)間限制。處理后的壓載水隨時(shí)可以排放，適用于半潛船復(fù)雜、頻繁地更換壓載水情況；排放時(shí)不需要進(jìn)行中和等過(guò)程，適用于突發(fā)需要排放壓載水情況；

4）環(huán)境友好。不添加任何化學(xué)物質(zhì)，所排放的壓載水對(duì)船員無(wú)害，對(duì)船舶和生態(tài)環(huán)境無(wú)污染，不增加海水的腐蝕特性；

5）自動(dòng)化程度高。系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)清洗功能；所有操作一鍵完成，運(yùn)行過(guò)程自動(dòng)控制、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)提示。

4.2 系統(tǒng)不足

在單一的光催化反應(yīng)單元內(nèi)結(jié)合紫外與光催化兩種技術(shù)，加工工藝復(fù)雜。

5 結(jié)論

紫外/光催化法壓載水處理系統(tǒng)已在實(shí)際中得到很好地運(yùn)用，試驗(yàn)效果很理想，最終結(jié)果滿足壓載水性能標(biāo)準(zhǔn)（D-2標(biāo)準(zhǔn)）要求。

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