钱冬昊，林添金，陈景昱
(1.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021；
2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)
压载水是人为装载到船舶压载水舱的海水，用以控制船舶吃水，保证船舶的安全运营。船舶在吸入和排出压载水时可能将海水中含有的各种微生物和水生生物一并吸入和排出，随之带来的是外来水生物入侵的风险。事实上，压载水被认为是海洋非本地物种迁移的最重要载体之一[1]。压载水转移的微生物和其他小型动物的幼体会成为外来入侵物种，造成了包括生态、经济、人身安全等一系列严重问题[2～4]。为了应对这一情况，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)在20世纪90年代开始着手解决这一问题，并在2004年通过了《船舶压载水和沉积物控制与管理公约》(Ballast Water Management Convention，BWMC)，该公约的目标是“防止、最小化并最终消除有害水生生物和病原体的转移”，生物按尺寸可分为≥50 μm、10 μm～50 μm和≤10 μm三类。2017年7月，海上环境保护委员会(Marine Environment Protection Committee，MEPC)第71次会议上确定了 D-2 标准，如表1。
表1 D-2标准
该国际公约将于2023年在我国完全生效[5]，根据该公约，港口国可以对船舶压载水进行抽检，并禁止船舶排放不符合规定的压载水。这意味着全世界大量的船舶需要安装或者改造自身的压载水处理与排放系统。而对于港口国检查，则需要一套完整的船舶压载水检测流程与相对应的设备。
2016年MEPC在279(70)号决议中通过了《压载水系统认可导则》(G8)建议，该导则对船舶压载水检测取样方式和所需样品量提出了建议[6]，取样时检查人员应在压载水排水管附近使用取样探针进行取样，情况不允许时也可以通过测深管和人孔等进行取样。
目前国内国际上主流的压载水取样方式为管内取样，其检测工作包括取样、浓缩、收集、检测四个主要部分，其中：①取样。在靠近压载水排放口的取样位点，通过取样装置将压载水从排放管导出；
②浓缩。通过浓缩装置，将导出的压载水进行浓缩富集；
③收集。将浓缩装置中的生物样品进行收集；
④检测。通过微生物检测技术，对收集样品的生物密度进行检测。G8中建议在取样检测时对于最小尺寸≥50 μm以上的微生物，总样品容量应至少为3 m3。对于最小尺寸10 μm～50 μm的微生物样品至少收集10 L。
在实际的港口国实验室检测中每次所需样品量仅为5 mL～100 mL，难以完全对G8规则中建议的取样量进行检测，所以需要使用微生物浓缩的手段来浓缩富集生物样品，提高样品代表性，降低检测难度。目前在食品和化工领域主流的浓缩方法主要有蒸发浓缩、冷冻压缩、常压浓缩、离心分离和反渗透膜浓缩等[7]。但以上方法在浓缩过程中可能会造成大量待检测的微生物死亡，并不适合船舶压载水的生物样品浓缩收集。
现今船舶压载水微生物浓缩的主流方法是滤网过滤，先用浓缩装置对船舶压载水进行过滤，再对浓缩装置中的滤网滤芯进行反冲洗，收集滤网滤芯上捕集的微生物的浓缩样品。浓缩过程中生物的损耗程度是压载水检测结果准确性的前提之一，而浓缩收集生物样品的浓缩比决定了压载水检测的代表性。船舶压载水浓缩装置的研究方向按研究对象分为过滤介质和浓缩装置。
2.1 过滤介质研究现状
浓缩装置的过滤介质按制作过程可分为编织型过滤网和金属刻蚀过滤网。在浓缩过程中拦截机理起主要作用，拦截机理与微生物的最小尺寸相关，当微生物的最小尺寸等于或大于滤网的孔道直径时，滤网将微生物拦截下来。
编织型过滤网是使用极细的材料通过特定的方式编织而成，结构简单，操作便捷，在国内外压载水取样过程中占据着主流地位。除传统的编织型过滤网外，近年来也有对新型金属刻蚀过滤网进行研究，金属刻蚀过滤网是通过高能激光束在金属薄板上刻蚀出相应尺寸微孔制成[8]。
国内外研究中常用保留效率RE(%)来评估不同过滤介质的浓缩偏差[9]，保留效率RE的计算公式为：
(1)
式(1)中：PFiltrand为从过滤介质中收集的微生物密度，Ind./mL；
PWhole为从过滤前原始水样中微生物密度，Ind./mL。
微生物密度的计算公式为：
(2)
式(2)中：P为微生物密度，Ind./mL；
I为子样品体积(A)中微生物计数；
C为总检测水体中收集的生物样品体积；
D为样品的稀释度；
A为子样品体积；
S为总检测水体体积。
2.2 船舶压载水浓缩装置研究现状
传统的浓缩装置由单一的浮游生物网组成，如图1(a)。压载水从出水管进入浮游生物网，浓缩收集结束后，用纯净海水反冲洗浮游生物网，反冲洗后的样品存于样品收集管中，通过放样阀⑥收集。浮游生物网结构简单装置成本低，但浓缩收集过程需要人员全程参与，操作过程烦琐。在浮游生物网的基础上，浓缩装置向集成化、自动化的闭式系统发展。目前主流的系统有p1SFS、Triton NP 6007 TG 18和SGS。
p1SFS系统是从浮游生物网发展而来，如图1(b)。p1SFS系统的核心由模块化不锈钢滤壳组成，内设有单层尼龙网滤袋，滤壳的进水管道中设有独立阀门。浓缩收集结束后，关闭系统管路，将滤袋从滤壳中取出，倒置滤袋冲洗收集样品进行分析[10-11]。
Triton NP 6007 TG 18系统由三个基础部分组成：控制单元、浓缩单元、测量单元，如图1(c)。压载水通过滤壳进行浓缩收集，滤壳内设有金属编织滤芯。浓缩收集结束后，关闭系统前后的管路阀门，拧下滤壳取出滤芯，用纯净海水反冲洗滤芯。反冲洗后的样品存于样品收集管中，通过放样阀收集[12]。
SGS系统平衡了p1SFS系统的耐用性和Triton系统的便捷性，如图1(d)。SGS系统滤壳整体由不锈钢冲压制成，滤壳内设有金属刻蚀网。浓缩收集结束后，关闭系统管路，将滤芯从滤壳中取出，用纯净海水反冲洗浮游生物网，反冲洗后的样品存于样品收集管中，通过放样阀收集[13-16]。
(a)浮游生物网 (b)p1SFS系统
2.3 船舶压载水浓缩装置研究现状分析
使用网状过滤介质浓缩收集生物体在水生生物学中有着悠久的历史，特别是在微生物方面[17]，准确浓缩收集压舱水中的微生物对港口国检查有重要意义。
2.3.1 浓缩装置保留效率
在过滤介质的保留效率研究中，Molina等[8]在实验室中评估了不同的材料和网孔大小的保留效率，实验将培养的特定藻类经过预处理后用滤网进行过滤，用二乙酸荧光素(FDA)和二乙酸氯甲基荧光素(CMFDA)染色计数的方法，计算原始水样、过滤后的水样和滤网收集的藻类密度，判断滤网的保留效率，该研究主要存在以下问题：
①研究方法问题。该研究采用实验对比的方法，特定培养的藻类原始水样在重力的作用下透过滤网。而实船中压载水的取样操作中，微生物可能在水流压力作用下透过滤网，因此对不同过滤介质的保留效率的研究，要在模拟船舶取样的实验平台或者在实船中进行实验，以提高实验结果可靠性。
②检测方法问题。该研究采用荧光染色计数的方法计算藻类密度，实验过程中的物理方法可能引起生物的应激或死亡，且只有活藻才能被荧光染色，容易造成检测结果偏差。
③实验对象问题。该研究实验对象为五种单细胞和链状微藻，实验对象单一。在实际的压载水中除了常见的浮游植物甲藻和硅藻外，还有大量的节肢动物，它们的附肢在浓缩收集过程中容易被滤网缠绕，影响实验结果。
2.3.2 浓缩装置结构设计
目前闭式的船舶浓缩系统按尺寸大小分为便携式和固定式两种，便携式设备集成化程度高，耐用性稍差，可由人员携带进入船舱；
固定式处理水量大，耐用性强，系统体积大移动不便，需要提前在船上安装或通过手推车移动。浓缩收集装置的研究存在以下问题：
①流量控制问题。不同类型的船舶压载水系统参数区别较大，同类型的船舶在不同工况下的压载水系统参数也不尽相同。在实船压载水取样中，取样的流量需要操作人员手动控制。相关研究表明，即使是选用隔膜阀调节流量，也可能会在浓缩收集过程产生压差，造成微生物死亡[18-19]。
②系统设配问题。便携式的浓缩收集装置额定处理流量较小，在实船使用中滤网容易被微生物或其他杂质堵塞而造成处理流量进一步下降，达不到MPEC G8上推荐的取样量，样品的代表性较弱。而固定的浓缩收集装置安装和使用上不便，可能需要改装船舶原有的压载水管路。
③收集样品困难。现有的浓缩收集装置在取样结束后需要手动打开滤壳，取出滤芯反冲洗收集微生物样品。反冲洗不充分可能使微生物残留在滤网中，反冲洗水量的选择和冲洗结果的评估存在困难。在反冲洗操作过程时压载水中的有毒微生物或化合物可能对操作人员的人身安全造成威胁。
特定实验室环境测量的滤网保留效率与实船使用的保留效率差别较大，滤网保留效率的评估不应在简单的重力作用下进行。未来的滤网保留效率研究应与浓缩装置的研究相结合，在模拟船舶环境下进行研究，具体可围绕以下方向进行研究：
(1)实验平台
在实验室进行滤网浓缩效率的实验时，需要准确地知道原始水样的微生物密度。目前国内外压载水取样实验中，均采用人工配置含有微生物的海水来模拟压载水。首先进行藻类的人工培育，然后将培养液倒入水箱中，通过离心泵向外排水模拟压载水排放的过程[20]。这种方式存在排放过程微生物混合不均匀和离心泵搅动导致微生物死亡的问题，因此本文提出一种新的实验平台设计思路，如图2。
①空气压缩机；
②储气瓶；
③过滤器；
④冷干机；
⑤电动控制阀；
⑥弹簧安全阀；
⑦活动盖板；
⑧球阀；
⑨压力传感器；
⑩控制柜；
水箱；
变频离心泵；
三通阀；
电磁流量计；
单向阀；
微量注射泵；
水力混合器；
垂直取样位点；
同轴取样位点；
实验平台采用变频离心泵和气动恒压供水的形式，模拟船舶压载水的排放过程。实验平台采用管内注入和水源添加两种微生物样品添加形式。管内注入通过微量注射泵精确控制实验过程中微生物总量，配合静力混合装置保证取样过程中生物样品混合均匀；
水源添加通过水箱上方的观察窗添加生物样品，模拟取样过程船舶压载水舱的生物群落情况。
实验平台模拟船舶压载水排放管道过程中水流的情况，研究不同形式压载水取样浓缩装置间的差异。实验平台的生物注入单元解决了原始水样微生物量不确定问题，气动恒压供水单元减少实验过程中生物死亡的风险，保证过滤介质保留效率计算的可靠性。
(2)浓缩收集装置结构
船舶压载水取样浓缩装置的浓缩效果与过滤介质的保留效率、滤芯的型式和浓缩收集装置结构等参数相关，管路的大小、走向、出水方向和结构形状等参数对装置浓缩效果的影响程度不同，进行多参数影响下的最佳浓缩效果装置结构设计十分困难。因此可以采用控制变量的正交试验法，如图3。首先构建一种常见多孔介质模型(编织型滤网)，利用该模型对其他结构参数进行正交试验，通过计算流体力学计算不同参数组合下的浓缩装置进出口压降和多孔介质的压力分布系数，寻找局部最优的装置结构。在此装置结构的基础上，用实验平台进行模拟压载水取样浓缩实验，测定不同过滤介质在模拟实船条件下的保留效率和不同多孔介质模型的参数，得到最佳过滤介质的材料和网孔大小。最终在该过滤介质上设计滤网支撑和整体装置结构，完成最佳浓缩效果的船舶压载水浓缩收集装置结构设计。
图3 浓缩收集装置结构设计流程
(3)反冲洗功能
针对现有浓缩收集装置收集生物样品困难的问题，提出反冲洗的思路，反冲洗装置如图4。过滤时，管道①②打开，管道③④关闭，压载水从管道①进入滤芯，过滤后的压载水从管道②排出；
反冲时，管道②③打开，管道①④关闭，压载水从管道②进入滤壳，经过滤壳内置的净化装置处理，处理后的洁净海水通过反冲喷头对滤网进行反冲洗，冲洗后多余的洁净海水从管道②排出，含有微生物的样品在滤芯底部保留；
收集时，管道④打开，管道①②③关闭，含有微生物的样品从管道③排出，进行检测。
①压载水入口；
②压载水出口；
③反冲水入口；
④样品出口；
⑤滤壳；
⑥反冲喷头；
⑦滤芯；
⑧排水出口；
反冲洗装置的实现需要解决三个技术难点：一是反冲洗的时机，浓缩过程会经过两个阶段，首先经历拦截过滤阶段，压载水中的微生物因滤网等过滤介质的拦截而被捕集。然后经历滤饼过滤阶段，随着微生物在介质上捕集形成滤饼，滤饼形成新的过滤介质继续拦截微生物。浓缩过程中，微生物在滤饼过滤阶段中存在滤饼挤压死亡和透过过滤介质的风险，所以反冲洗的时机十分重要。二是反冲洗的压力控制，浓缩过程中微生物在滤芯上的分布并不是线性均匀的。在水流的带动下，滤芯下端捕集的微生物量最多，逆水流方向微生物量逐渐减小。因此反冲喷头水流的压力值不是相同的，而是各有不同。三是反冲洗的时间，反冲洗过短，滤芯上残留有微生物，影响浓缩收集的效率；
反冲洗过长，持续的水流冲击会造成微生物的死亡，影响最终取样代表性。
引入反冲效率CR评估浓缩收集装置反冲洗的效果，反冲效率计算公式为：
(3)
C0=C1+CN
(4)
式(3)中：C0为原始水样中微生物密度，Ind./mL；
C1为透过滤网水样中微生物密度，Ind./mL；
CN为滤网中捕集的微生物，Ind.；
C为反冲洗后收集的样品中微生物密度，Ind./mL；
CR为反冲效率。
通过现有研究，船舶压载水浓缩收集装置还存在实验研究方法设计不充分不全面、检测和统计结果不准确、集成化浓缩装置结构系统设计不合理不完整等问题，并不适用船舶压载水浓缩收集。浓缩收集装置的设计目标包括浓缩效率高、生物死亡率小、结构合理、方便操作、结果准确等。
未来压载水浓缩收集装置的研究可以围绕以下方面：
(1)实验平台设计。寻找可以更好模拟实际船舶压载水排放系统的实验平台结构，奠定船舶压载水浓缩收集实验的基础。
(2)集成化浓缩装置结构设计。针对浓缩装置不同的管径长度、倍径、滤网大小、出入水口方向等，使用单一或多种多孔介质，对多种可能存在的情况进行模拟，寻找浓缩效率最高的结构设计。
(3)实验设计和数学计算。使用浓缩效率最高的集成化浓缩装置结构设计，对不同材料、网孔大小和叠加情况进行浓缩效率的研究，通过数学算法得到最适合微生物浓缩的滤网材料、网孔大小和叠加情况。
(4)结构优化。将选定的滤网材料与初步设计的装置外壳结合起来，根据实际情况，使用模拟与实验相结合的方法，对外壳进行优化。
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