（环境工程专业论文）微波技术处理船舶压载水沉积物的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着世界航运业的迅猛发展，由船舶压载水携带的外来有害生物的传播已经 在世界范围内对生态环境和世界经济造成了巨大的影响。2 0 0 4 年国际海事组织对 缔约国就船舶压载水及其沉积物管理和控制方面通过了新的国际公约，并将于 2 0 0 9 年开始强制执行。如何有效处理船舶压载水沉积物是目前海事管理主管机关 以及海洋环境保护部门的当务之急。 本文针对压载水沉积物处理这一难题，在国家科技支撑计划项目 ( n o 2 0 0 6 b a c l1 8 0 4 ) 的支持下，进行了压载水沉积物的取样及一些基本性质的 研究，对压载水沉积物中藻类和孢囊进行了形态学鉴定。并在对提出的无害化处 理方法的可行性进行分析的基础上，针对微波法处理压载水沉积物的效果进行了 初步探索，为今后的深化研究提供参考。其主要成果有： 1 样品中的生物组成以浮游硅藻类和甲藻孢囊居多，藻类中也有少量的世界 广布性赤潮藻种，甲藻孢囊中占优势的是有毒亚历山大藻( a l e x a n d e r i u ms p p ) 孢 囊。经过迸一步分析，发现压载水沉积物中藻类及孢囊的种类和数量不仅与各航 线的海域环境密切相关，而且还与装载压载水的时间地点有关。 2 微波可造成藻类细胞膜破损，某些细胞器缺失，对其产生致命破坏；对于 孢囊能够造成细胞结构破坏，致使孢囊不能萌发。 3 孢囊萌发培养的实验结果进一步说明了微波对孢囊的处理效果，经过微波 处理后的样品中的孢囊，微波功率越大，作用时间越长，则孢囊萌发量越少或越 不萌发，处理效果也就越好。说明处理效果的好坏与微波功率及作用时间有关， 相比之下，微波功率比微波作用时间对处理效果的影响更大。 关键词：压载水沉积物；微波；藻类孢囊 英文摘要 a b s t r a c t i n v a s i v es p e c i e sv i as h i pb a l l a s tw a t e rt r a n s p o r th a sd r a w ne x t e n s i v ea t t e n t i o n w o r l d w i d eb e c a u s et 1 1 e yh a v e d a m a g e d t h em a r i n e e c o s y s t e m s a n de c o n o m i c d e v e l o p m e n tw i 也t h er a p i dg r o w t ho fs h i p p i n gi n d u s t r y i m o ( i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m e o r g a n i z a t i o n ) p a s s e d i n t e r n a t i o n a lc o n v e n t i o nf o rt h ec o n t r o lo fs h i p sb a l l a s tw a t e ra n d s e d i m e n t s i n2 0 0 4a n dt h i sc o n v e n t i o nw i l lb ee n f o r c e df r o m2 0 0 9 i ti sa l lu r g e n t a f f a i rt h a th o wt od e a lw i t l lt h eb a l l a s ts e d i m e n t sf o rm a r i t i m e m a n a g e m e n t a d m i n i s t r a t i o n sa n dm a r i n ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nd e p a r t m e n t s t om e e tt h i sr e q u i r e m e n t ，t h i ss t u d y ，s u p p o r t e db yn a t i o n a lk e y t e c h n o l o g i e sr & d p r o g r a m ( p r o j e c tn o 2 0 0 6 b a c 11b 0 4 ) ，h a sb e e nc a r r i e do u to ns a m p l i n go fb a l l a s t s e d i m e n t s ，a n a l y z i n gt h eb a s i cp r o p e r t i e so fb a l l a s ts e d i m e n t s ，a n dm a k i n gp r e l i m i n a r y m o r p h o l o g i c a li d e n t i f i c a t i o nf o rt h em i c r o a l g a ea n dc y s t si ni t m o r e o v e r ，t h i ss t u d y u t i l i z e sam i c r o w a v em e t h o dt ot r e a tt h eb a l l a s ts e d i m e n t sb a s e do nt h ef e a s i b i l i t ys t u d y o f p r o p o s e da l t e r n a t i v et e c h n o l o g i e s t h er e s u l t sc a n b es u m m a r z i e da sb e l o w ： 1 o r g a n i s m si nt h es a m p l e sm a k eu po fd i a t o ma n dd i n o f l a g e l l a t ec y s tw h i c hg a i n t h ea s c e n d a n c yo v e r , a n da l s oh a v es o m eh a r m f u la l g a ew h i c hd i s t r i b u t e dw o r l d w i d e ， s o m ec y s t so fh a r m f u la l g a es u c ha sa l e x a n d r i u ms p p t h e na n a l y z i n ga n df m dt h e s p e c i e sa n dd e n s i t i e so ft h em i c r o a l g a ea n dc y s t si nb a l l a s ts e d i m e n t sm a yb ee f f e c t e d a c c o r d i n gt os e ae n v i r o n m e n to fv o y a g er o u t e sa n dv o y a g et i m e 2 n o to n l yh a sm i c r o w a v em e t h o df a t a ld a m a g et ot h ec e l lw a l la n do r g a n e l l e sb u t a l s ot h es t r u c t u r eo fc y s t ，w h i c hr e s u l t si nn o n - g e r m i n a t i n go ft h ec y s t sp e r m a n e n t l y 3 t h er e s u l to fc y s tb o u r g e o ne x p e r i m e n th a se x p l a i n e dt h ee f f e c to nc y s t sa f t e r m i c r o w a v et r e a t m e n t ，w h e nt h ep o w e ri sv e r yl a r g ea n dt h ea c t i o nt i m ei sv e r yl o n g ，t h e c y s t sd on o tg e r m i n a t ep e r m a n e n t l y t h i ss h o w st h a tm i c r o w a v et r e a t m e n ti m p a c th a s a nr e l a t i o n s h i p 讯t hm i c r o w a v ep o w e ra n da c t i o nt i m e ，c o m p a r e d 谢ma c t i o nt i m e ， m i c r o w a v ep o w e rh a sm o r ec o n t r i b u t i o nt ot r e a t m e n ti m p a c t k e yw o r d s ：b a l l a s ts e d i m e n t s ；m i c r o w a v er a d i a t i o n ；a l g a ea n d 呵s t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = 丝遮遂苤处理墅照压夔盔沉麴塑数硒窥：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：未1 醐 年多月多多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 论文储躲獬波聊签聋：锄7 渤 日期： 斫年占月一2 石日 微波技术处理船舶压载水沉积物的研究 第1 章绪论 海洋是生命的摇篮，自古以来，海洋为人类的发展提供着丰富的资源，它既 是一个天然宝库，也是人类最经济的运输途径。海洋运输是世界各国人民经济、 文化交流彼此联系的主要手段。海洋运输成本低，仅为铁路的4 0 5 0 ，其运输 容量之大，成本之低是其他运输方式无可比拟的。由于海上航运有许多优点，近 几年来，海上运输货物以8 的增长率逐年递增，担负着全球近9 0 的货运量。每 年约有1 2 0 亿吨压载水通过约9 万艘远洋船舶在世界范围内转移，每天存在于船 舶压载水中随船周游世界的生物达4 5 0 0 种。即使经过数月的航程，许多种细菌、 植物和动物仍能存活于压载水及其沉积物中。这些异地海洋生物随压载水排放入 侵当地水域后大量繁殖扩散，造成生态环境污染，破坏了当地水域的生态平衡， 危害了渔业资源，影响公众健康。因此全球环保基金组织已判定水生生物通过压 载水及沉积物入侵到新的环境中为当前世界海洋所面临的四大威胁之一【l 】。为对付 此种威胁，国际海事组织( i m 0 ) 开始采取了一系列行动，包括： 1 1 9 9 1 年通过了关于防止船舶压载水和沉积物的排放而带进有害生物和病 原体的指南的决议。 2 制定了关于控制和管理船舶压载水，减少有害水生物和病原体传播的指 南。该指南于1 9 9 7 年经i r i oa 8 6 8 ( 2 0 ) 大会决议通过，该决议要求各国政府采 取紧急行动以应用该指南【2 1 。 3 制定关于船舶压载水及其沉积物管理和控制的国际公约。该公约已于 2 0 0 4 年2 月9 至1 3 日在英国伦敦召开的关于船舶压载水管理的外交大会通过，并 将于2 0 0 9 年开始强制执行一 为此各国都开始积极研究压载水及其沉积物的处理方法。在这种情况下，我 国也提出了关于这方面的国家科技支撑计划项目( n o 2 0 0 6 b a c l l b 0 4 ) ，本课题 就是在该项目的支持下产生的。 1 1 压载水及沉积物引发生物入侵 1 1 1 引发问题的原因 第1 章绪论 通过船舶压载水及其沉积物作为媒介转移外来物种虽然是由来已久，但其后 果的严重性却是最近2 0 多年来人们才认识到的1 3 4 】。船舶压载水是为船舶提供稳性 及用于调整船舶的吃水、吃水差以满足良好的操纵性能所需要的。当船舶空载或 部分空载以及在恶劣的海况条件下，装载部分压载水是航行安全的保证。压载水 一般来自船舶的始发港或途经的沿岸水域，装载的压载水量依船型、载货情况、 航线、港口条件和海况有较大的变化范围，最多时能达到船舶载重量的1 3 。世界 上每年由船舶转移的压载水有1 0 0 亿吨之多。 船舶压载水，尤其是在港口、沿海水域装入的压载水中含有大量的水生生物， 有时能达n 3 0 0 0 种以上。货舱内无光、缺氧、有的还有有害物质，对生物的生存 是极为不利的。所以，大部分的生物无法忍受货舱中的恶劣环境而死亡，但有少 数的生物能够在长时间的旅行后依然存活【5 】。到达目的港后，随压载水排放进入新 的水域环境，遇合适的条件便会生长繁殖f 6 】。如果港i s 国水域有该物种，不会产生 转移物种的问题。但如果没有该物种，外来物种的生长繁殖就潜在着危险。已有 许多事例显示，外来物种的转移会造成港口国水域生态平衡的破坏，并给地区经 济带来损失，有的还会影响公众的健康【7 】。 有许多媒介能在不同地理位置的水体间转移物种，但通过船舶压载水转移外 来物种是最主要的途径。有关的国际权威机构( g e f ) 认定，通过船舶压载水或附着 在船壳上转移外来物种是海洋的四大威胁之一；其他的威胁分别是陆源物质对海 洋的污染；过度捕捞海洋生物资源和海洋栖息地的物理改变。 1 1 2 生物物种依靠船舶压载水及沉积物转移的机制 船舶压载水作为媒介转移外来物种并造成污染危害的起因是不同水域间物种 的差异。地球上的海洋虽然是相通的，但无论是像盐度、温度一类的简单环境因 子，还是像物种、种群分布、群落构成这样的复杂生物因子都有相当大的不同。 任何水域生态系统中的生存物种都是自然界长期演替进化形成的，所以许多物种 分布带有严格的地域特征。外来物种的入侵，经常会使原来处于稳定状态的生态 系统发生变化。 当然物种转移也有自然发生的。自然因素导致的物种转移是需要相当长的时 间，而且还会受一些因素的有效阻碍被限制在一定的范围内。但以船舶压载水作 微波技术处理船舶压载水沉积物的研究 为媒介的转移是人为因素，与自然因素造成的转移有很大的不同。一般来说时间 较短，而且转移范围大，因为生物是在货舱的“保护”下去跨越靠自身、靠自然 因素不可能逾越的屏障，如：欧洲的斑纹贻贝最早生活在亚速海和里海，在1 9 世 纪靠自然因素在北欧蔓延生长，因为它的生长环境是低盐水域，所以不可能靠自 然因素越过大西洋扩散到美国的内陆水系，是船舶实现了它的这一转移。另外， 随着船舶越来越大、越来越快，转移外来物种的可能性比以往的任何时候都大。 美国的学者对旧金山湾水域的物种分析认为，以船舶压载水作为媒介，在上 个世纪1 9 6 1 年- 1 9 9 5 年间共有2 4 3 个物种转移进入，平均每1 4 周转移1 个物种。澳大 利亚水域已经认定的外来物种有7 0 多种【8 】。能够通过船舶压载水转移的外来物种有 以下特点： ( 1 ) 浮游生活方式 通过船舶压载水转移的外来物种首先应能进入船舶的货舱中。所以，一般都 是个体比较小，悬浮在水体中。包括终生营浮游生活的水生动植物，如：浮游动 物、浮游植物；生活史中某一个阶段营浮游生活，如：贝类的幼体、鱼卵、定生 藻类的孢子体；以及偶尔被扰动进入水体营暂时浮游生活的底栖生物。 ( 2 ) 在原栖息地属优势种 属优势种的物种，一方面个体数量多，进入货舱中的数量也多；另一方面在 原栖息地就已经在和其它物种的竞争中表现出很强的优势，当其转移到新水体时 同样有取得优势地位的能力。 ( 3 ) 对环境有很强的适应性 如前所述，货舱条件对生物的生存是极为不利的。能被转移的外来物种首先 要在这样的条件下存活，就要忍受长达几个星期甚至几个月的时间。随压载水进 入某一港口国水域后，要适应新的环境条件，并且还要与处于同一生态位的土著 物种竞争，结果适应性强的外来物种能生存并繁殖起来，甚至成为优势种。如： 欧洲的斑纹贻贝在2 0 世纪8 0 年代进入北美五大湖后，迅速繁殖，通过争夺食物和 栖息地，1 0 年的时间使土著贝类减少了5 0 ，而它很快扩散到北美4 0 的内陆水系。 ( 4 ) 物种的生物学特性 第1 章绪论 有的物种繁殖所需的个体数目较少而且繁殖速度快，具有这样特性的物种转 移的可能性大。因为大部分物种不能长时间忍受货舱的恶劣环境，即使能存活也 不是该物种所有的个体都能存活。再加上排放到新环境中，即使是适应性强的物 种，它剩下的个体数目也不会很多，加之压载水又很快和新环境的水体混合，使 它们更显得“形影孤单”。所以，如果物种具有繁殖快而且建立种群所需的个体 数目少的话，容易通过船舶压载水转移。 许多物种可以通过降低代谢速率、形成休眠孢子等方式抵御逆境，度过不良 时期。澳大利亚有关机构在对到港船舶压载水的取样调查中发现，货舱底部的沉 积物中聚集了许多物种的休眠孢子【9 1 ，光是有毒的双鞭毛藻类就有十几种之多。休 眠孢子是动植物抵御暂时不良环境条件的一种非常有效的生理机制，当环境条件 超出了生物的适宜范围，生物便以休眠状态适应这种环境，等待合适的条件再萌 发。动植物进入休眠期后，它们对环境的耐受范围就会比正常生活时宽很多，而 且能存活很长时间，有的达3 0 年之久【1 0 】。货舱舱底的沉积物又为这些休眠孢子提 供了栖息的场所。 一些国家的调查表明，能够通过船舶压载水转移的物种有许多种类，包括： 环节动物、节肢动物、棘皮动物、软体动物、栉水母、脊索动物、刺胞动物、苔 藓和藻类等【1 1 1 。 1 1 3 外来生物入侵所产生的危害 船舶压载水及其沉积物作为转移外来物种最重要的媒介，从已经发生的危害 来看，有以下几个方面： ( 1 ) 对当地水域的生态系统产生危害 外来物种入侵后，要与处于同生态位的本土物种争夺食物和栖息地，与处于 不同生态位的本土物种可能是捕食或被捕食的关系。竞争的结果，如果本土物种 占优势，外来物种便不能立足；但若外来物种占优势，本土物种会变得很困难， 甚至无法生存下去。像前面所述的北美五大湖的本土贝类面临欧洲斑纹贻贝的挑 战，明显处于劣势。入侵的斑纹贻贝最早是在1 9 8 8 年在五大湖中休伦湖的加拿大 沿岸发现的，到了1 9 9 4 年它已经遍布于包括圣劳伦斯河的五大湖的每一个角落， 而且通过内河水系扩散到像新奥尔良这样远的南方。它们大量附着在水下岩石、 微波技术处理船舶压载水沉积物的研究 港口建筑上，堵塞了沿岸工厂的进、排水管路，使本土贝类物种濒临绝迹。生物 多样性的减少会使生态系统更加脆弱。斑纹贻贝一生大都营固着生活，据分析它 是在1 9 8 6 年处于浮游幼期时，通过船舶压载水从欧洲转移到大湖区的；来自北太 平洋的褐藻已经占据了澳大利亚塔斯曼海域的潮间带海底，取代了本土物种，改 变了群落的结构；亚洲蛤侵入旧金山湾，很快繁殖到数量惊人的程度，每天取食 过滤的水体达到整个湾内水体的量，该生态系统内其他的滤食性的生物就很难再 觅到食物了o - ( 2 ) 对当地的经济造成破坏 经济损失包括两个方面：其一是外来物种的侵入直接造成海产鱼类和贝类减 产；其二是为避免其危害的发生而投入的费用。北美五大湖在最近十几年来，由 于斑纹贻贝到处蔓延，覆盖了鱼类作为产卵基床的岩石，使本土贝类濒于绝迹， 附着在水下设施和航标上，并滤食大量的浮游生物，使经济鱼类大幅减产，光是 清除污损的费用就达到了5 0 多亿美元；进入澳大利亚水域的有毒甲藻，因其产生 的毒素积累在经济贝类体内，导致食用的人生病，甚至死亡，为此澳大利亚关闭 了贝类市场；黑海的鱼资源曾是当地重要的经济来源。但由于北美栉水母的侵入， 它们大肆掠夺鱼的食物，生长繁殖迅速，几年时间成为优势种，达到1 k 卧n 2 的生物 量，总生物量达1 0 亿t 之多。致使鱼无法维持原有的种群数量，每年减产7 0 以上； 有毒甲藻的另一个危害是能引起赤潮【1 2 】无论对渔业还是养殖业都会造成损失。 ( 3 ) 对公众健康构成威胁 早在1 9 7 3 年国际防止船舶污染公约制定的时候，世界卫生组织( w h o ) 就指出 船舶以压载水作为媒介传播病原体导致流行病蔓延的作用。病原体是人类生理活 动的产物，具有严格的地域流行的特点。能导致流行病发生的病原体如果随船舶 压载水转移到新水域，就有可能发生流行病的传播。此外，一些生物通过某些途 径也会对人造成危害。据澳大利亚检验当局提供的报告，2 0 世纪8 0 年代末，在其东 南的塔斯曼海( t a s m a n i a n ) 水域出现了三种外来的有毒甲藻，产生的甲藻毒素积累 在牡蛎、贻贝和扇贝体内，食用这些贝类会导致人患麻痹性神经中毒症( 简称p s p ) ， 严重会致人死亡。澳大利亚已有多起p s p 中毒事件的发生，这在以前是从未有过的。 从当地浮游生物的记录、海底沉积物分析、这些藻类的遗传特性分析以及对进入 第1 章绪论 澳大利亚港口的船舶压载水取样检验，确认这些甲藻是通过船舶压载水转移的外 来物种。由于水域相连，新西兰很快也出现了p s p 中毒的事件。为此，澳新两国从 1 9 8 6 年起关闭了贝类市场，以保护国民的健康；1 9 9 1 年在秘鲁爆发的流行性霍乱， 据分析是通过船舶压载水由亚洲带来的。虽然南美也是霍乱多发区，但这次的霍 乱菌属生物型e lt o r ，血清型为i n a b a 的亚洲霍乱弧菌所致。 ( 4 ) 不可预见的远期影响 前面所述的通过船舶压载水作为媒介转移外来物种的危害，是外来物种入侵 后短时间就表现出来的，主要是由于入侵的物种本身有毒或有害所造成的。像进 入澳大利亚的日本甲藻能产生危害人类的毒素；进入秘鲁沿岸水域的亚洲型霍乱 造成流行性疾病的蔓延；进入五大湖的欧洲斑纹贻贝到处附着造成污损危害等等。 有另一种情形是，外来物种本身没表现出有害性，其有害性是进入环境或进入生 态系统后才表现出米，像进入黑海的北美栉水母，只是因为它争食了经济鱼类一 鱼的食物，才表现出有害性，像这样的危害不容易预料得到。还有的远期影 响可能无法准确地预见，从生态意义上讲，可能会改变群落结构，直至本土自然 物种灭绝。 比如8 0 年代末，美国、加拿大和澳大利亚成为面临外来有害水生物入侵问题 最严重的国家。这一问题引起世界各国和国际组织的高度关注 ( 1 ) 在澳大利亚水域的危害 8 0 年代末一种侵入到澳大利亚水域的叫做毒性腰鞭毛虫的藻类生物引起了人们的 关注。这种生物对澳大利亚沿岸的贝类养殖业造成了严重的危害。据悉，毒性腰 鞭毛虫并不是入侵澳大利亚的唯一有害水生物。澳大利亚在1 9 9 0 年提交国际海事 组织的一份文件中就列举了在澳大利亚发现的十几种外来水生物。例如来自日本 和东北亚的黄鳍虾虎鱼和条纹虾虎鱼，来自日本、韩国和中国的真鲈，来自阿拉 伯海的海蝙，来自智利的无脊椎水栖甲虫及来自日本、阿拉斯加的北太平洋海星 等。1 9 9 7 年据澳大利亚检疫局( a o t s ) 估计，被传播到澳大利亚水域的外来生物己 达1 7 0 种以上。造成了重大的l 麴损失，留下巨大的隐患。 ( 2 ) 在美国五大湖区的危害 在美国、加拿大的五大湖区，外来水生物被传播到大湖区可追溯到1 9 5 9 年圣劳伦 微波技术处理船舶压载水沉积物的研究 斯水路开通之时。至u 1 9 9 6 年己有1 3 0 种水生物被证明是通过航运活动传入的。在大 湖区造成危害最大的当数斑马贝( z e b r am u s s e l ) 。斑马贝与当地的原有鱼类争夺 食物，影响当地鱼类的种群数量，同时大量的斑马贝聚集造成了发电厂和其他工 厂的水下进水管堵塞，使进水变慢甚至完全堵死，对工些生产构成了威胁。1 9 9 0 年美国政府拨款l0 0 0 万美元来清理这些构成危害的斑马贝。 1 2 压载水及其沉积物的处理方法及其研究现状 1 2 1 压载水处理技术现状 1 2 1 1 国外处理技术进展 在当今世界虽然对船舶压载水的处理方法有很多，但是没有一种单一的处理 技术能满足i m 0 提出的五项标准，即安全、实用、经济、有效且环境容许1 1 3 。也就 是说目前尚未有商品化的成型技术或产品可直接使用且完全满足上述要求。现如 今船舶压载水处理方法大致可分为以下几类： 1 一般清除法 ( 1 ) 深海更换。该法被认为是目前处理压载水理想方法。包括排空更换法、注入 顶出法。排空更换法是指将压载舱的水全部排出并重新注入清洁海水的方法。缺 点主要体现在以下三个方面：船舶稳性的丧失。过高的船体总纵弯矩与剪力 给船体强度造成不利影响。由于恶劣天气、海况不好等原因给船上操作人员的 安全带来威胁。 注入项出法是指通过泵入清洁海水( 3 0 0 舱容) 使压载舱同时注入并排出的方法。 该法存在着更换水量大，有效性差的缺点。并且因为要进行三次满舱换水，换水 的时间较长，消耗的能源多。同时压载舱可能承受较大的内部压力；有些船舶由 于空气管的设计不适用于压载水的连续溢出而不能使用此法。 ( 2 ) 清洁压载法。该法是指在压载时采取一些预防性措施，如避免在浅水处取水， 避免在取水时搅动底泥，避免在疾病流行和水藻爆发的地区取水。但可供取水的 区域受到限制。 ( 3 ) 岸上处理。把压载水排放到岸上的污水处理厂进行处理，由于存在处理量大、 时间长、占地面积大、设备利用低等问题，导致运行成本大幅度提高。 第1 章绪论 2 物理清除法 ( 1 ) 紫外线辐射。紫外线处理在很大程度上依赖微生物的大小和形态。那些面积 容积之比较小的不易受辐射影响。用紫外线处理不会引起健康、安全或环境方面 的争议。 ( 2 ) 加热处理。利用船舶柴油机冷却系统余热对压载水进行加温处理。这种方法 对以休眠胞子形式存在的生物效果不好，杀灭这些休眠胞子可能需要更高的温度。 ( 3 ) 超声波法。超声波通过各种间接反应对海洋生物有致命作用，它可以产生热 量、压力波的偏向，形成半真空或半真空状态从而脱氧导致浮游生物的死亡。在 健康和安全方面，一些转换环节可能会产生噪音，可能还有一此目前未知的牵涉 到船舶结构完整性和人员频繁接触在超声波中引发的健康方面的问题。 3 生物清除法 生物清除，目前对使用生物技术来去除或减少压载水和沉积物中水生物的研究还 只是停留在理论上。加入新的物种对压载水中可能存在的多种多样的微生物和植 物也许不会有太大效果。而且新加入物种的转移和释放也是一个问题。基因工程 也同样如此。 1 2 1 2 国内开展的研究工作 外来水生物和病原体随船舶压载水的传播造成对海洋环境的侵害，已被世界 环保基金组织( g e f ) 确认为危害海洋的四大威胁之一。为此世界环保基金组织、 联合国计划开发署及世界海事组织( g e f 舢n d p i m o ) 联合实施了全球压载水管 理项目( g l o b a l l a s tp r o g r a m m e ) ，并在全球范围内选择发展中国家的6 个港1 ：3 作为 演示地，大连代表东亚地区为6 个演示地之一。 目前国内所作的研究有【1 4 】：( 1 ) 加热电解法船舶压载水处理技术的研究( 2 ) 氯化处理对船舶压载水及其沉积物的影响的研究( 3 ) 羟基氧化处理( 4 ) 充氮脱 氧处理等。 1 ，2 2 沉积物处理技术现状 目前，全世界对船舶压载水沉积物处理的研究很少，一般都以处理压载水为 主，国外有一小部分的研究，而国内基本没有。船舶压载舱中的沉积物一般都在 清理压载舱的时候直接排入海中，不做处理。所以沉积物的处理技术目前还都只 微波技术处理船舶压载水沉积物的研究 是初级阶段，并没有成形的好的处理方法。因此，需要我们进行研究的地方还很 多，需要研究的内容也很广泛。 1 3 压载水沉积物的处理与资源化利用 本文结合国家科技支撑计划项目，来实现对船舶压载水沉积物无害化处理的 研究。为了提高压载水沉积物对环境的正面效应，尽量减少其负面影响，应根据 具体情况来选择合适的处理处置方法。 1 3 1 船舶压载水沉积物的处理 尽管针对船舶压载水沉积物的处理还没有成型的方法，但对它的处理与其他 污泥的处理处置一样，也遵循减量化、稳定化、无害化和资源化的原则。 减量化：由于压载水沉积物中含水率高，体积很大且呈流动性，需要将水从 沉积物中分离去除，进而减少沉积物最终处置前的体积，以降低沉积物处理处置 的成本。 稳定化：压载水沉积物中含有有机物，极易腐败而产生恶臭，需要经过处理 将易腐败的部分有机物转化分解，使之不易腐败，大大降低恶臭，从而方便运输 与处理。 无害化：压载水沉积物含有大量水生生物及生物孢子等，处理不当会对当地 造成外来生物入侵的威胁，其中含有的一些致病的细菌和病毒还可能造成传染病 的传播。 资源化：压载水沉积物从另一角度来看也是一种资源，沉积物的合理资源化 可以达到保护环境、变害为利的效果。 热灭活的有关理论指出，当温度超过一定范围时，以活性型存在的酶将明显 降低，大部分将呈变性( 灭活) 型。一旦无酶的正常活动，细胞会失去功能而死 亡，而只有很少酶能长时间耐热。可以说微生物对热灭活作用是非常有效的。热 灭活作用是温度与时间两者的函数，即经历短时间、高温和长时间、低温是同样 有效的。( 病原体) 细胞的热杀灭主要是由于酶的热灭活所致。在低温下，灭活 是可逆的；而在高温下，则是不可逆的。一般认为杀灭蛔虫卵的条件也可杀灭原 生动物，如孢子等。目前，控制、消灭生活垃圾、污泥等中的各类病原体的主要 第1 章绪论 方法有：堆肥、厌氧或好氧消化、热干化( 一般加热到8 0 以上，风化干燥) 、 巴氏灭菌消毒( 7 0 ，经3 0 m i n 处理) 、电离辐射处理( 用射线或射线) 、掺加 石灰化学处理等。因为受各种条件的限制，目前好氧发酵堆肥化和厌氧消化方法 加热灭菌是实现无害化的行之有效的方法。 传统污泥处理处置方法主要有：投海、土地填埋、污泥焚烧。 目前对于压载水沉积物的处理主要是通过填埋来完成的，对环境容易造成潜 在危害。填埋并未最终避免环境污染，而只是延缓了污染的产生时间。欧共体在 1 9 9 1 年签定了协议，从1 9 9 8 年1 2 月3 1 日起不得在水体中处置污泥。中国政府于 1 9 9 4 年初接受3 项国际协议，承诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不再进行海上处置工业 废物和污水污泥。压载水沉积物中可能沉积了压载水中的致病细菌和病毒，例如 霍乱和伤寒等，如不在填埋前进行有效杀灭，会直接危及人们的健康，极易造成 疾病的广泛传播。 投海操作简单、对于沿海城市来说其处理费用较低，但对于压载水沉积物来 讲，其中含有大量活的生物体及休眠孢子，休眠孢子对于恶劣环境具有很强的抵 抗能力更易存活，在合适的水域中会孵化、生长，因此投海更易造成外来生物对 当地的威胁，极易造成对海洋生态的破坏。 压载水沉积物的焚烧需要其中含有的有机成分高，具有一定热值。焚烧的优 点在于其产物为无菌、无臭的无机残渣，迅速地实现了无菌化和减量的目的；缺 点是处理设施投资大，处理费用高，且燃烧时会产生大量的有害气体容易造成环 境二次污染。 1 3 2 船舶压载水沉积物的资源化利用 近年来，污泥处理处置已从原来的单纯处理处置逐渐向污泥有效利用，实现 资源化方向发展。压载水沉积物从另一角度来看也是一种资源，因此应考虑到将 处理后沉积物进行有效利用。沉积物的处理应根据其性质，有针对性的加以资源 化利用。 目前，污泥主要的资源化利用方式有三类，一类是在农副业上的利用，一类 是在工业上的应用，还有就是在能源方面的应用。 微波技术处理船舶压载水沉积物的研究 ( 1 ) 农副业利用在众多污泥处理方法中，污泥的农用资源化是一种最具经 济和环境效益的沉积物资源化利用方式。不过压载水沉积物中平均含盐量高达 3 2 ，严重超出了农作物正常生长范围，因此并不适合该法。 ( 2 ) 建材方面的利用污泥的材料利用，目前主要是制造建筑材料，污泥的 建材利用主要有污泥制砖、污泥制轻质陶粒、污泥制生化纤维板、污泥制水泥、 污泥制混凝土等。然而压载水沉积物来源特殊，来源不同其粒度分布有很大差别， 组分中粘土矿物的组成及性质也不确定，所以很难保证沉积物用于某种建筑材料 的持久相符性。 ( 3 ) 化工方面的利用污泥在化工方面的应用主要是利用厌氧消化产生的甲 烷气体，具有较高的燃烧热值，利用沼气还可制四氯化碳、有机玻璃树脂等化工 产品。 此外，各国根据本国优势还开发了一些适合于本国的污泥资源化利用技术， 例如日本有机物炭化技术，波兰用蚯蚓来处理污泥等；还有一些污泥处理工艺， 包括低温热解、气化、湿式氧化、等离子热解等。由于压载水沉积物来源特殊， 装载的压载水依船型、载货情况、航线、港口条件等方面有较大的变化范围，压 载水沉积物性质不确定，且处理目的也较普通污泥不同，因此制约了压载水沉积 物的应用。 压载水沉积物的特殊来源所具有的特殊理化性质在很多方面制约了它的资源 化利用，由于其中盐分偏高，因此对环境有一定敏感性，其特性会随水、热环境 而异，在水分和温度的影响下，其中的盐类( 尤其是易溶性结晶盐) 会发生相态 和数量的变化，使其具有不稳定的结构工程特性。考虑到填料对物质成分要求低， 对环境产生的潜在影响较小，因此可考虑将处理后压载水沉积物用于回填土或海 岸防护工程的填料，产生一定的经济效益的同时实现有效资源化利用。 一种有效的处置方式，应兼顾到环境生态与处置成本的均衡。当前最经济可 行的办法是先将沉积物稳定化和卫生无害化，然后用于回填土或海岸防护工程的 填料等，使沉积物的资源化利用既科学又安全，实现沉积物的减量化、无害化、 稳定化和资源化。 第1 章绪论 压载水沉积物中含有的大量水生生物及其孢子等是外来有害生物入侵的主要 威胁，因此，如何对水生生物及其孢子进行有效无害的杀灭是我们处理压载水沉 积物的关键所在。本文综合了国内外处理生活垃圾与有机污泥的各种处理方法， 针对压载水沉积物特殊的理化性质及处理要求，提出了一种处理压载水沉积物的 可行性方法，即微波处理。 1 4 微波技术的应用 1 4 1 微波的特性 微波是一种电磁波，通常指频率从3 0 0 m h z 到3 0 0 g h z ，波长从l m m 到l m 左右的电磁波。凡频率低于3 0 0 m h z 的，即指通常所说的无线电波，包括长波、 中波和超短波。凡频率高于3 0 0 g h z 的，则属于红外线或可见光等。从而微波是位 于红外光谱和无线电波之间的一段非常特殊具有穿透性的电磁波【l5 1 。在微波波段 中，又可划分为4 个分波段，见表1 1 。 表1 1 微波的分波段划分 t a b 1 11 1 h es u b s e c t i o no fm i c r o w a v e 微波技术首先应用于通信、广播、电视领域中，由于在使用中发现微波会起 热效应，进而在世界范围内开始了对微波加热技术的应用和研究【1 6 1 。1 2 于2 0 世纪 4 0 年代，到6 0 年代末微波能已应用于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等工业项目 上。近代，把微波作为一种能源，拓展了一个分支技术，即在化学工业中进行催 化、萃取等化学反应和激发等离子体等；而微波炉的使用更标志微波技术的日趋 成熟。 微波技术处理船舶压载水沉积物的研究 表1 2 常用的微波频率范围 t a b 1 2t h ec o r p j l l 0 1 1f r e q u e n c yr a n g eo f m i c r o w a v e 由于电磁波的应用极为广泛和普及，特别是通信领域，为了避免相互间的干 扰，供工业、科学及医学使用的微波频段是不同的，国际无线电管理委员会对频 率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有以下四种频率，见表 1 2 ，与通信频率分开使用。目前微波加热所采取的常用频率为9 1 5m h z 和2 4 5 0 m h z ，而其中的2 4 5 0 m h z 则已成功和合法地应用在家用微波炉上。 1 4 2 微波作用机理 微波加热具有自身独特的优点。传统的加热方式主要是导热、对流和辐射， 采用这些方式加热物料时，都需要物料处于一个加热环境中或有较高温度的热源， 先加热物体表层，在表层能量积累到一定程度以后，依靠热传导方式逐次地向物 体内层传递，最终才能加热整个物体，即所谓的“外加热”；而微波加热技术是利用 高频电磁波瞬间穿透被加热物料把能量传播到被加热物体内部，因此造就了物料 体热源的存在，使加热物内部分子间产生剧烈振动和碰撞。由于微波频率相当高， 这种碰撞每秒钟发生几十亿次，从而导致加热物体内部的温度激烈升高，即所谓 “内加热”【1 7 】。微波加热改变了常规加热方式过程中某些迁移势和迁移势梯度方向， 形成了微波加热的独特机理。 采用无线电波加热在工业应用上早于微波加热，也称为射频加热。微波加热 和射频加热统称为介电加热。微波加热和射频加热相比，场能转变为热能的比例 高，并且容易将电磁波屏蔽起来，不逸散。微波和射频本身是一种能量形式，而 不是热量形式，但在电介质中可以转化为热量。能量转换的机理有多种，如离子 第1 章绪论 传导、偶极子转动、界面极化、磁、压电现像、核磁共振等，其中离子传导和偶 极子转动是介质加热的主要机理。 ( 1 ) 离子传导【1 8 】带电粒子在外电场作用下被加速，并沿着与它们极性相反 的方向运动，即定向迁移，在宏观上表现为传导电流。这些离子在运动过程中将 与其周围的其它粒子发生碰撞，同时将动能传给被碰撞的粒子，使其热运动加剧。 如果物料处于高频交变电场中，物料中的粒子就会发生反复的变向运动，致使碰 撞加剧，产生耗散热( 或焦耳热) ，即发生了能量转化。 ( 2 ) 偶极子转动根据电介质的极性可将电介质分为两类：非极性分子电介 质和极性分子电介质。在外电场的作用下，由非极性分子组成的电介质分子的正 负电荷将发生相对位移，形成沿着外电场的作用方向取向的偶极子，因此在电介 质的表面上将出现正负相反的束缚电荷，在宏观上称该现像为电介质的极化，这 种极化称为位移极化。而极性分子在外电场的作用下，每个分子均受到力矩的作 用，使偶极子转动并取向外电场的方向，这种极化为转向极化。外电场强度越大， 偶极子的排列越整齐。 当电介质置于交变的外电场中，则含有非极性分子和有极性分子的电介质都 被反复极化，偶极子随电场的变化在不断地发生“取向”和“弛豫”排列。这样，由于 分子原有的热运动和相邻分子之间的相互作用，使分子随外电场转动的规则运动 受到干扰和阻碍，产生“擦效应”，使一部分能量转化为分子热运动的动能，即以热 的形式表现出来，使物料的温度升高，即电场能被转化为热能。 可见，微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热的。不同的物质对微波 的吸收是不同的。物料的介电特性( 指介电常数等) 决定了它们对微波吸收强弱 的程度。一般由极性分子组成的物质都具有较好地吸收微波能。 水分子呈极强的极性，一般物质的相对介电常数介于l 1 0 之间，稍大一些 的也不会超过5 0 ，而水的相对介电常数比干物质大得多，为7 8 5 4 ，所以说水是吸 收微波最好介质，凡含水分子的物质必定吸收微波，电磁场释放能量中的绝大部 分被物料中水分子吸收并转化为汽化潜热【1 9 】，因此物料的升温和蒸发是在整个物 体中同时进行的。 微波技术处理船舶压载水沉积物的研究 微波是通过两种效应对生物体作用产生效果【2 0 】：热效应和非热效应( 也称生 物效应) 。任何生物细胞都是由水、蛋白质、核酸、碳水化合物、脂肪等复杂化 合物构成的一种凝聚态介质。一方面，在一定强度微波场的作用下，物料中的生 物和菌体吸收微波能升温，从而使体内蛋白质同时受到无极性热运动和极性转动 两方面的作用而使蛋白质变性，出现细胞核浓缩、溶解，细胞缩小、解体，达到 生物失去活性的目的。另一方面，在微波交变电磁场中，细菌出现强烈反应，电 容性结构的细胞膜被击穿破裂；同时，细菌赖以生存的离子通道，出现调节功能 严重障碍，也是造成生物体死亡的原因之一。在上述热效应和非热效应中，非热 效应起着主导作用。 1 4 3 微波加热的特点 微波加热与传统加热不同，传统加热是由外部热源通过热辐射由表及里的传 导式加热，与之相比，微波加热有这样一些特点： ( 1 ) 选择性加热 在微波电场中，介质对微波的吸收可表示为： p = 2 兀f e 2 r t g6 ， 其中p 表示介质对微波功率的吸收，仁频率，e 电场强度，介 电场数，t g 江电介质的介电损耗系数。 可以看出，物质在微波场中所吸收的能量大小与物质的种类及其介电特性有 很大的关系，即微波对物质具有选择加热的特性。极性分子介电常数较大，同微 波有较大的耦合作用。由极性分子所组成的物质，能较好的吸收微波能量。非极 性分子基本上不吸收或很少吸收微波。 ( 2 ) 加热速度快 常规的加热是利用热传导、加热、热辐射将热量首先传递给被加热物的表面， 再通过热传导逐步使中心温度升高，需要一定的热传导时间才能使中心部位达到 所需的温度。相比而言，微波加热并非从物质材料的表面开始加热，而是微波直 接穿透物质内部，与物料的极性分子间相互作用转化为热能，使物料内各部分都 在同一瞬间获得热量而升温。因此大幅度降低了加热时间。 ( 3 ) 热效率高 第1 章绪论 微波加热时，物料一般都是放在用金属制成的腔体内，腔壁吸收微波的损耗 仅占总耗散功率的极小部分。因此进入腔体的绝大部分微波能量只能被加热物体 吸收，腔体内的空气与容器都不会被加热，可极大限度的利用加热能源，降低产 品成本。同时工作场所得环境温度也不会因此而升高。 ( 4 ) 便于控制 微波设备的控制是由开关、旋钮调节，即开即用，无热惯性，功率连续可调， 易于自动化控制，设备体积小，占地面积小。 1 4 4 微波的非热效应 微波的非热效应，就是指微波作用的选择性，不均一性所产生的能量效应。一 般认为，微波对不同物质有不同的加热效果，即不同物质吸收微波能量的能力不 同。通常，由