该设备利用了压载水处理方法中的高梯度磁过滤技术、紫外线处理技术和羟基溶液灭活技术，对压载水进行“三位一体”的处理。基本思路：采用复合压载水处理方法：海水---高梯度磁过滤器---文丘里管+紫外线催化杀菌装置---压载水。压载水首先进入高梯度磁过滤器，经文丘里管后进入高效紫外线催化杀菌装置，并最终达到国际海事组织（IMO）D-2标准。

基于“高梯磁过滤-文丘里联合紫外催化TiO2”复合技术的压载水处理装置
1 研究背景及意义
1.1 研究背景
一直以来海洋环境的保护都是关系世界各国对于可持续发展战略把握的重点，随着现代航运事业日益发达，各类船舶的数量迅速增加，船舶运输的货运量已经达到全球货运总量的80%。随之而来的船舶压载水携带外来物种问题也成为了一个世界性的难题。全球环保基金(GEF)组织把船舶通过压载水将有害生物引入新环境并对其产生影响列为海洋环境的四大危害之一。根据国际海事组织的统计，全球每年共有超过110亿吨压舱水排入海洋，每天至少有7000余种物种随船舶压载水远航至他乡。这些物种主要包括细菌等其他微生物、小型无脊椎动物和其他物种的卵及幼虫，甚至是一些大的鱼类。通过船舶压载水带来的外来赤潮生物主要有：洞刺角刺藻，新月圆柱藻，方格直链藻等l6种藻类。排放这些带有外来生物的压载水，对该地区的生态系统、社会经济和公众健康造成了严重的危害。物种入侵，加剧了海洋生态链和环境的恶化。我国每年由于生物入侵所造成的直接经济损失高达574亿元，美国每年的直接经济损失也高达1500亿美元，更为可怕的是，一些生态灾难是不可逆转的。
为了有效地控制和防止船舶压载水传播有害水生物和病原体，国际海事组织（IMO）于2004年通过了《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》。这意味着没有压载水处理设施的远洋船舶将处于不能靠岸停泊的尴尬境地。
根据公约要求，2009年建造的部分新船应满足公约的D-2标准（见表格1.1），到2017年所有的船舶都应满足公约的D-2标准。因此，船舶需安装经检验发证的压载水处理系统，并持有国际压载水管理证书和配备压载水管理手册。
目前，防止船舶压载水中外来病原体和有害生物侵害的研究正在开展，新的处理手段被逐渐提出。整个国际海事界只有15个压载水处理系统通过了IMO的最终审批。
船舶压载水处理系统研发难度大：一是IMO的技术指标要求高；二是系统的集成化、智能化程度要求高；三是IMO认可、批准程序非常严格，认证时间长，实施时间特别紧迫。对于使用活性物质灭活的处理方法，必须经过IMO的初步批准和最终批准。该压载水处理设备是针对目前国内外对船舶压载水排放的要求并参考了目前国内外许多船舶压载水处理的技术设计而成。其工艺流程是：
首先，海水经过高梯度磁过滤器过滤，然后经文丘里管的空化作用，进入紫外线--二氧化钛光催化氧化杀菌装置，出水最终符合公约性能指标。从而提高了设备的杀菌能力，降低了污水处理成本，提高了污水处理效率。实现了系统化、集成化、智能化的三重目标。本装置以节能减排作为设计理念，采用复合型的设计方案，遵循了IMO的处理标准，相信此系统可以在远洋船舶上得到很好的应用。
2 方案设计
通过比较各种处理压载水的方法，我们得出结论：用单一的方法处理船舶压载水的方案是行不通的，最新技术则是将几种方法结合起来使用即综合法处理船舶压载水。综合法是一种必然的发展趋势，能够发挥不同处理方法的优点，相互弥补缺陷。因此，我们结合上述研究的方法，同时参考目前国内外在处理船舶压载水方面的领先技术，选择最佳方案后，设计出此系统。其主要工艺路线包括：
（1）高效过滤。采用高梯度磁过滤器对船舶压载水进行过滤，去掉大于50微米的杂物。
高梯度磁过滤技术是借助于过滤器系统中的励磁线圈电流产生定向磁场，高度磁化过滤器内部的导磁钢毛复合基体滤芯，被高度磁化后的复合基体滤芯，利用强大的磁场将凝结水中的机械杂质过滤并吸附在基体滤芯表面，实现凝结水的净化；对非磁性颗粒，通过投加磁种，进行化学絮凝，生成磁性絮凝体，从而得以分离。该过滤装置过滤效果好，处理速率高，耗能低。
(2)紫外催化灭菌处理。采用紫外照射TiO2产生羟基自由基处理压载水，去除压载水中的细菌、原生动物等。
将文丘里管系统与紫外线催化系统相结合，使压载水处理效果更好，速率更高。流体流经文丘里管时，在出口处会产生空化效果，空化效果使水流呈紊流状态，使压载水更充分与催化剂接触，减少停留时间，同时可以产生瞬时高压，有利于杀灭生物。紫外线照射TiO2产生羟基自由基，可以瞬间杀死生物，存在时间短且无需添加其他药剂。紫外线催化技术是压载水处理的首选方法。该装置的流程图如
图2.1：
2.1 高梯度磁过滤器的确定
通过研究在高梯度磁过滤器中镍丝摆放形式、分离时间、磁感强度、镍丝填充率、镍丝使用次数等方面对细菌和悬浮物分离效果的影响情况，确定过滤器结构如下：
（1）镍丝与水流方向平行和镍丝乱堆缠绕时处理效果相差不大，比镍丝与水流方向垂直时效果好。
（2）磁感强度越强、镍丝填充率越大、流速越小、镍丝使用次数越少时，细菌和浊度分离效果越好，温度对分离效果基本没有影响。
（3）综合考虑成本、处理量和处理效果的关系，建议应用时采用的处理条件为:镍丝乱堆缠绕，磁感强度：6000Gs，镍丝填充率：12.0%，镍丝使用三次后需要进行清洗。
（4）通过对细菌或悬浮物在高梯度磁场中的受力计算和分析，确定了其被分离出来所需要的最小磁感强度为188Gs。
2.1.1 高梯磁处理水的流程
在进水投加磁种（一般是四氧化三铁）和混凝剂，废水经混合反应后，按规定流速流经分离器。为延长基质的工作时间，防止堵塞，要进行大颗粒污染物的预分离。基质吸附饱和后通过出水进行反冲洗。反冲洗出来的混合物直接回用或经机械、水力或磁性分离，磁种可重复使用，污泥则另行处理。磁种使用多次后，表面结垢，活性降低，应用机械或化学方法再生。高梯度磁过滤器工作流程如图2.2
2.1.2 磁种回收装置和回收方法
经过滤器筛出的杂质（含磁种）进入船舶烟道，通过利用船体本身的余热将杂质蒸干。被蒸干的杂质进入捣碎槽，通过利用弹簧将发动机的震动传递给捣碎槽里的小球，将杂质捣碎，在烟道中流体的作用下使杂质随烟流动，从而带动磁种漂移。当遇到永磁体时，磁种被吸附回收。（见图2.3）
2.2 文丘里管的确定
“空化”是发生在液体介质中的一种物理现象，是指当液体内部局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体空穴的形成、发展和溃灭的过程。空化发生时，在空化泡溃灭瞬间形成局部的极端高温和高压，并伴有强烈的冲击波和微射流。空化形成的特殊的能量效应能够对化学及物理过程起到强化作用。当空化过程高度集中的能量释放，以及产生的机械效应作用在微生物上时，会对细胞产生强烈冲击作用，造成细胞破坏。因此，利用水力空化的能量效应可以对含病原菌的水体进行灭菌消毒处理。
在以文丘里管为空化发生器的水力空化装置中，对含有大肠杆菌的水体进行灭菌处理。通过检测大肠杆菌的灭菌率，考察水力空化对水中微生物的灭活效果，分析水流空化数、文丘里管入口压力、空化作用时间、文丘里管结构特性等参数对灭菌效果的影响。结果表明，水力空化的能量效应对水中微生物能够产生灭活作用，实现对含菌污水的灭菌消毒处理，具有高效节能和环保的特点。提高文丘里管入口压力、增加空化处理时间、优化空化器结构设计均有利于增强空化灭菌效果。而且，进口压力越大，空化效果越明显；下游恢复压力越小。空化效果越明显；喉部收缩率越大，空化效果越明显。
本系统将文丘里管系统与紫外线催化系统相结合，使压载水处理效果更好，速率更高。流体流经文丘里管时，在出口处会产生空化效果，空化效果使水流呈紊流状态，使压载水更充分与催化剂接触，减少停留时间，同时可以产生瞬时高压，有利于杀灭生物。
2.3 紫外线杀菌装置的确定及详细设计计算
2.3.1 紫外线杀菌原理
紫外线处理压载水可以用波长为253.7mm的紫外线对压载水照射进行。水中微生物一旦受到紫外线照射。将吸收紫外线照射的能量，其实质是核酸对紫外线能量的吸收。核酸是一切生命体的基本物质和生命基础，分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类。核酸吸收紫外线达到一定剂量时，DNA 分子发生变异，从而引起了微生物体内蛋白质和酶的合成障碍；另一方面，产生的自由基可引起光电离，从而导致细胞死亡。研究显示，大多数细菌、病毒仅接收相对较低强度的紫外线照射，当照射强度达10000µw/cm2 的剂量时，细胞便会被不同程度破坏而死亡。
2.3.2 紫外线灯的辐射剂量与杀菌率的计算及装置结构的确定
杀灭不同的微生物需要不同的辐照剂量，而存在于水中的微生物是多种多样的。选定的辐照剂量过高会浪费不必要的能量，过低又达不到杀灭微生物的目的。一般认为用紫外线杀灭微生物所需提供的辐照剂量最低不小于9000µws/cm2，新投入使用时应大于12000µws/cm2。此时，紫外线杀灭微生物的效率可高达99.99%。杀灭普通微生物所需的紫外线强度为6000-10000µws/cm2。不同国家间的标准也不相同，但16000-38000µws/cm2之间。但这仍然不能杀死一些致病原生动物、原生动物包囊和线虫虫卵等，杀死它们的紫外剂量甚至达100000µws/cm2。
在紫外线杀菌灯的照射下，细菌的生存除了与紫外线的波长有关，还随生存环境条件的变化而变化。紫外线的穿透能力在空气中可受尘粒与温度的影响，当空气中每1cm3含有尘粒800~900个，杀菌能力可降低20~30%，相对湿度由33%增至56%，杀菌效能可减少到原来的1/3。也就是说，当湿度增大时，细菌的抵抗力就增加，一般情况下，当相对湿度接近100%时，必须有相对于平常情况下二倍的照射量才能得到满意的杀菌效果。同理，紫外线在液体中的穿透能力，随深度的增加而降低。见图2.4。
根据以上理论基础，该紫外线杀菌装置设置如下：管道直径d1=100mm，石英管套直径d2=24mm，灯管长度L=670mm，功率P=32W，紫外线穿透率90%，经计算得：
管道截面积：
A1=π(d1²-d2²)/4=74.02cm²
管道最大表面积：
A2=πd1×L=2104.87cm²
管道体积：
V=A1×L=4959.34cm³
辐射时间：
水流量设为v=1m3/h，故杀菌时间为：
T=V/ν×10-6 ×3600=17.85s
装置设计成分管式，共分四管，故每管的杀菌时间为71.4s。
由此可得紫外灯管提供的紫外线强度为：
I=(p×106×4×t×0.9)/A2＝9.8×105µW.S/cm2
通过计算我们得到，紫外线装置的紫外线强度远大于杀菌所需的强度，再加上杀菌时间较长，可使杀菌率达到99.99%以上，满足了压载水的处理标准。在以后的实验过程中，可通过调节流量和灯管的工作个数，来得到最佳的匹配方案，实现能源利用的最优化。
我们将紫外线杀菌装置设计如图2.5：
2.4 二氧化钛催化剂的应用
纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果的。由于纳米二氧化钛的电子结构特点为一个满 TiO2的价带和一个空的导带，在水和空气的体系中，纳米二氧化钛在阳光尤其是在紫外线的照射下，当电子能量达到或超过其带隙能时，电子就可从价带激发到导带，同时在价带产生相应的空穴，即生成电子、空穴对，在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置，发生一系列反应。吸附溶解在 TiO2 表面的氧俘获电子形成O2；生成的超氧化物阴离子自由基与多数有机物反应(氧化)，同时能与细菌内的有机物反应，生成 CO2和 H2O；而空穴则将吸附在 TiO2 表面的 OH 和H2O氧化成•OH，•OH 有很强的氧化能力，攻击有机物的不饱和键或抽取 H原子产生新自由基，激发链式反应，最终致使细菌分解。
本装置设计时将二氧化钛均匀的涂在管道内壁，通过紫外线的照射使其产生催化反应，产生羟基自由基等强氧化物质，大大加强了杀菌效果。将磁场作用于水中，能够对水的物理化学性质产生一定的影响。由于磁场能使水对400 nm以下和大于600 nm以上的范围光能的吸光系数显著增加，因此增加其可见光的利用率，提高了纳米Ti02光催化氧化效率。高梯度磁过滤器为磁处理器，在其周围存在较大的磁场。通过高梯度磁过滤器与紫外线灯以及二氧化钛的结合，充分利用了过滤器产生的余磁，大大加强了杀菌效果。
2.5反应器运行参量的控制的实现
2.5.1温度的控制
过滤器最佳杂质脱除率的温度区间较小，所以过滤过程的温度需要控制在某一定值或区间内。
在冷却水温度比较稳定的情况下，过滤器的温度常采用单回路的PID控制。这样的温度控制系统由四个环节组成，即(1)温度测量元件，采用铂热电阻温度计PT100；(2) 控制器，采用单片机自动控制系统，与此部分控制处理有关的单片机模块有A/D模块及输出信号放大模块；（3）调节阀和被控过程的生化反应器，调节阀主要是换热器循环水控制阀，以及备用加热单元的继电器开关。这部分反应在软件上就是温度自动控制子程序模块。
2.5.2 水流量控制
在高梯磁过滤器的入口处有调节阀对流量进行控制，水流过大或过小都会被反映出来以进行调节；而四组紫外线灯前后皆装有调节阀控制流速度及流量，可完成与通气量的最佳匹配，每个紫外线灯前后的两个调节阀由一个输出端控制，同时开关。整个控制系统由流量测量环节、单片机中央处理环节和调节阀组成。其中流量测量环节用电磁流量计担任。
2.5.3 过滤器的反冲洗控制
过滤器的控制系统由单片机的定时单元，出水流量测量单元，真空泵执行器，A/D模块，中央处理器组成。采用多事件中断控制方法，控制过滤器出水的抽吸和停歇时间，使过滤器工作在抽吸和停歇两个不同的工作阶段。多事件中断控制利用单片机的中断控制机制，出水流量，真空泵抽水压力，时间定时三个中断源，任何一个中断源发出中断即可以引起反冲洗动作。
3 压载水处理实验及结果分析
3.1 试验水源
试验所用进水为人工配制的模拟船舶压载水。人工配制的船舶压载水成分见表3.1
3.2 压载水启动实验结果记录及分析
1. 大于50微米生物
浮游植物主要是浒苔。将浒苔搅碎成碎片之后加入压载水中，用于模拟测试用水中尺寸大于50μm的生物。
由表3.2可知，无论流量多大，过滤后的浮游植物数目均未检出。由此可知，过滤器的过滤精度满足过滤压载水排放标准中规定的生物尺寸。
2．小球藻
测试用水中的小球藻由人工培养，培养基为f/2培养基，培养周期为10天。小球藻的尺寸为3~8μm，用于模拟测试用水中尺寸低于50μm的生物。
由表3.3分析可得当实验装置的流量达到最大时，即640L/h，仍能达到了IMO关于压载水的排放标准，即每毫升出水中尺寸低于50μm的生物数目少于10个/mL；
3.细菌数量
细菌主要来自于污水厂提供的菌泥，菌泥中含有大肠杆菌等细菌及钟虫等原生生物，用于模拟测试用水中要求的大肠杆菌、有毒霍乱弧菌和肠道球菌等。
由表3.4,3.5可知，灭活后的大肠杆菌和总菌数目随着流量的增加而增多，但涂有二氧化钛时菌数总小于未涂二氧化钛的菌数，可见二氧化钛的催化作用可大大加强紫外的杀菌作用。
有毒霍乱弧菌是一种危险的细菌，只有在特定的区域能够检出，本试验中未检出。
4 经济分析
4.1 实验运行成本分析
按目前装置的设计（流量约4m³/h，总功率450W） 计算，年耗电量在4000千瓦时，可处理压载水近四万吨，处理成本为0.063元/吨，再加上装置的总体维护费用0.04元/吨，整体处理费用为0.1元/吨
4.2 产品化经济分析
根据船舶大小和用途的不同，每条船可以携带几百吨到超过几十万吨的压载水。现以一艘压载水量为M=10000吨的货船为例，其压载舱水泵流量为1200-5000m³／h，吸入口径在350-700mm为了计算方便取流量q=2000 m³／h，口径d=0.5m，可知装载压载水的时间t为5h。根据计算，放大后的装置工作功率p应在80kw左右，船上燃油发电成本j为0.9元/千瓦时，则每次处理压载水的运行费用A=0.045元/吨。与深海更换压载水（0.9元/吨）相比，本套压载水的处理成本已大大降低，和同类的旋流—紫外线处理方法（0.2元/吨）相比也有相当的优势。同时，与国内已获得国际认证的压载水处理系统（0.03元/吨）相比，也处于同一量级，有很好的市场前景。
4.3推广后的市场分析
每年有85000艘船排放100亿吨船舶压载水，平均每吨压载水就有浮游生物1亿1千多万个，已经证实平均每天由船舶而传播的物种有7000多种 ,这些浮游生物进入陌生海域，威胁当地海洋环境。相关数据显示，我国每年由于生物入侵造成的经济损失高达574亿人民币。而根据新加坡南洋理工大学环境科学工程研究院的统计，条约生效带来的在航船舶压载水处理设备市场总需求大约在130亿美元。由以上数据，我们假设能获得百分之一的市场份额，即是一个产值8亿的市场，且每年可为我国挽回超过6亿元由于生物入侵带来的经济损失。
5 创新点及应用
5.1 创新点
1.采用文丘里管与分管式紫外线催化TiO2杀菌装置相结合。文丘里管的“空化”作用可以制造紊流流态，提高压载水与TiO2的接触机率。该装置紫外线利用率高（360o），羟基杀菌出水无任何化学残留；
2.高梯度磁过滤器的磁场可以提高紫外线催化装置的羟基产生效率，最多可以提高11个百分点。
3.磁种回收装置基本不耗能。自主设计的磁种回收装置利用船舶烟气和振动回收磁种，不需额外消耗能量。
5.2应用前景
随着全球行运事业的发展，加上世界上90%物资靠海路运输，船舶压载水中外来物种的入侵对全球性的海洋健康造成巨大危害，对海域原有生物群落和生态系统的稳定性构成极大威胁。为保护本国水域环境，许多国家都采取了船舶压载水管理措施，国际海事组织制定了严格的压载水排放标准。
根据劳氏船级的统计，截至目前，国际上近50家研发商中仅有15家研发商通过了IMO的最终批准，而我国只有1台装置得到了IMO最终批准。为此我们开发出了基于“高梯磁过滤-文丘里联合紫外催化Tio2”复合技术的压载水处理装置。该装置从高梯度磁过滤技术到紫外线催化杀菌系统的应用，每一个环节我们都考虑到了压载水处理过程可能出现的问题，最终完成了整个装置的流程设计。压载水经我们装置处理后能够很好的满足IMO提出的标准，并且达到了高效节能的效果，完全可以适用于远洋航运的过程中。
本项目采用高梯度磁过滤技术取代了已有的微孔过滤技术，提高了处理的效率；用紫外线催化催化技术取代电解水产生羟基自由基技术可以进一步降低成本。整个装置运行过程中不需要添加任何化学物品也不会产生有害物质，能够很好的体现当今社会的环保理念；装置的处理过程不需要更换压载水，保证了船舶运行中的稳定性及安全性；装置占地面积小可以节省空间，增加货运量。按目前装置的设计（流量4m³/h，总功率450W）计算，处理成本0.1元/吨，低于现在市场上的压载水处理装置的平均处理费用。而紫外线灯管的寿命可以达到10000小时以上，意味着装置一年才需要更换一次灯管，且高梯度磁过滤器的维护费用低，约为0.03元/吨，因此装置的整体维护费用较低可广泛应用在国内大中型船舶上。
附图1：压载水处理装置实物图

第十二届“挑战杯”作品 二等奖
获得校第十七届“五四杯”一等奖