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原文传递 MPCF&UV法处理船舶压载水技术可行性研究

论文题名：	MPCF&UV法处理船舶压载水技术可行性研究
关键词：	船舶压载水;航行安全;生物多样性;陶瓷过滤器;紫外辐射;压载水处理
摘要：	船舶压载水是为保证船舶操纵和航行的安全而装载的海水、江水或湖水等，因携带有大量外来生物物种，会破坏排放港的生物多样性，危害近岸和沿海生态系统，威胁人类健康，甚至阻碍当地经济发展。自从国际海事组织(IMO)于2004年正式提出了《控制和管理船舶压载水及沉积物国际公约》以来，世界各港口国加紧了对船舶压载水处理技术的研究。船舶压载水中需要处理的对象主要有水中的浮游植物、浮游动物和微生物等，由于处理对象个体之间存在明显差异，目前没有任何一种单一的处理方法能够在兼顾IMO五项技术要求的前提下同等有效地处理水中全部的处理对象。针对压载水处理中存在的难题，本论文首次提出一种微孔陶瓷过滤器(MPCF)与紫外辐射结合的方法(MPCF&UV法)用于压载水处理，并在实验室内建立一套MPCF&UV小试实验装置，对MPCF和UV辐射协同作用原理进行了深入探讨，通过大量实验验证了该方法在处理船舶压载水方面的优越性，并揭示出不同实验条件对其处理效果的影响规律。　　本文提出的MPCF&UV法，采用一种新型的具有壁流式结构的堇青石微孔陶瓷滤芯。滤芯开有多个单口过滤孔道，水流进入孔道后，需穿过孔道的壁孔从相邻的反向单口孔道流出，壁孔尺寸约为100μm，该过滤器具有很高的比表面积。与应用于压载水处理中的其他过滤方法相比，该方法具有效率高、清洗周期长、阻力小、体积小、易于反冲洗、和耐高温、耐压、耐海水腐蚀等优点。MPCF&UV法将MPCF作为一级处理手段，设计去除海水中10μm及以上尺寸的悬浮颗粒物和水生生物等，同时提高海水的透光率；将紫外灯辐射装置作为二级处理手段，以灭活海水中残留的小型浮游生物、细菌和病毒等；处理过程中，二种处理手段将相互配合协同作用。在此基础上，设计并组建了一套MPCF&UV法压载水处理的小试新装置：以装有2 L(或6 L)滤芯的微孔陶瓷过滤器作为一级处理手段，以装有1盏或2盏36W紫外灯的紫外辐射装置作为二级处理手段。　　以混有海洋细菌及5～8μm尺寸的小球藻或10～12μm尺寸的新月菱形藻的海水作为模拟压载水，分别采用MPCF法、UV法和MPCF&UV法对模拟压载水进行处理，并对其处理效率进行比较，研究MPCF&UV法在压载水处理方面的技术优势。实验结果显示：在1.0～9.0m3/h流量下，104～105/mL藻密度下，6 L微孔陶瓷滤芯(MPCF法)对小球藻和新月菱形藻的去除效率分别为72.4％～88.5％和76.7％～100％，而对于海洋细菌无明显致死作用；在1.0～5.0m3/h流量下，104～105/mL藻密度下，两盏并联的36W紫外灯(UV法)对小球藻和新月菱形藻的去除效率分别低于18％和13％，且由于海水中悬浮有大量的藻类，其对混有小球藻和新月菱形藻的模拟压载水中的海洋细菌的灭活效率大大降低，分别低于44％和42％；MPCF&UV法对小球藻和新月菱形藻的模拟压载水的除藻效率分别为75.0～96.2％和78.3～100％，灭菌效率分别为95.3～100％和92.0～100％，均显著高于MPCF法和UV法。初步研究结果表明，MPCF&UV法协同作用优势明显，能够高效去除5～12μm尺寸的代表性浮游生物和海洋细菌。　　本文系统研究了模拟压载水的处理流量、水中初始藻密度和藻尺寸对MPCF&UV法除藻效率和灭菌效率的影响规律。当系统的处理流量达到微孔陶瓷滤芯的全充满流量后，即滤芯能够被充分利用，MPCF的除藻效率将随着流量的增加而减少，并且除藻效率的降低会影响紫外光透射率，从而降低UV灭菌效率。模拟压载水的初始藻密度对于MPCF&UV系统的除藻效率和灭菌效率具有影响，除藻和灭菌效率均会随着藻密度的增加而降低。MPCF&UV系统对大尺寸藻的去除效率更高；对混有10μm以下尺寸或者是20μm及以上尺寸浮游生物的海水的灭菌能力要优于混有其他尺寸浮游生物的海水。　　通过对水样的吸光度值和扫描电镜分析，深入地研究并揭示了MPCF&UV法的除藻和灭菌机理。吸光度值结果分析显示，微孔陶瓷过滤器作为一级处理手段，能够大量拦截压载水中的藻，从而降低海水的吸光度值。扫描电镜照片分析结果表明，MPCF处理过程中不仅对指示藻种具有拦截、沉积、吸附、截留作用，并且对藻细胞具有挤压作用，会破坏藻细胞的细胞壁，降低其存活率；二级紫外处理通过直接光辐射和光化学反应作用会对藻细胞和细菌的细胞壁和细胞核产生伤害，且其对个体较小的藻细胞和细菌的致死效果明显。　　本文通过比较在不同实验条件下MPCF&UV系统中过滤器前压力的变化，研究微孔陶瓷过滤器的清洗周期。结果表明滤芯的阻力会随着累积处理量的增加而增大，且高处理流量和高藻密度会缩短滤芯的清洗周期。以6 L的微孔陶瓷滤芯为研究对象，从过滤器承受压力、清洗周期、反冲洗的压力恢复和除藻效率等角度，优化滤芯的处理流量，计算滤芯的理论清洗周期及处理能力。在此基础上，以大连市星海湾的原生海水为对象，在优化流量下进行MPCF&UV法处理研究，初步探讨了MPCF&UV法在实际处理船舶压载水方面的应用可行性，处理结果显示可以达到《控制和管理船舶压载水及沉积物国际公约》对压载水中浮游生物的处理要求，初步证明了MPCF&UV法在船舶压载水处理方面具有良好的应用前景。
作者：	张曼霞
专业：	环境科学
导师：	朱益民
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文