一种新型的船岸应急响应系统用于压载水中微生物的即时灭活

《Journal of Marine Science and Engineering》：A Novel Ship-to-Shore Emergency Response System for Instantaneous Microbial Inactivation in Ballast Water

　　

为了解决船载压载水处理系统故障或不达标所带来的病原微生物跨境传播风险，港口迫切需要高效灵活的应急响应解决方案。研究人员提出了一种新颖的、集装箱化的、集成的船岸应急响应系统，专门用于快速灭活压载水中的病原微生物。核心创新在于集成了三自由度（3-DOF）液压机械臂、视觉定位系统和动态充气密封结构，旨在与船舶的压载水排放口（DN250）实现快速、自动对接，从而提高操作安全性和效率。该系统采用纯物理处理工艺“超声（US）预处理+双级紫外线（UV）消毒”，可在不产生二次化学污染的情况下进行接收和处理。集成的处理流程包括US（30 kHz，7.6–12 kW，最小声能密度≥0.45 J/cm²）和双级UV消毒（最小UV剂量：147 mJ/cm²），在浊度为15、125、250和500 NTU下保持有效的微生物灭活。单独US几乎没有直接杀菌效果，而第一级UV实现了3.31–4.13的对数去除值（LRV），完整的US+UV+UV过程对大肠杆菌的总LRV达到5.07–7.34。结果表明，双级UV消毒是实现高灭活效果的关键（p < 0.001），而超声尽管直接杀菌效果有限，但可能在顺序处理流程中促进了后续的UV消毒。该系统不仅填补了港口生物安全应急基础设施的关键空白，而且提供了一种经过实验验证、高效、环保且可灵活部署的岸基解决方案。

压载水（Ballast Water）被广泛认为是全球水生入侵物种（AIS）和有害水生生物及病原体（HAOP）传播的主要载体，每年约120亿吨压载水被跨洋运输，携带多达7000种物种，导致生态退化、经济损失和公共卫生威胁。国际海事组织（IMO）制定了《压载水管理公约》（BWMC），设定了D-2排放标准以调控排放水中的活体生物和指示微生物浓度。然而，现有研究多集中于大型生物（如浮游动物和浮游植物），对病原微生物的关注相对不足，而船舶压载水已被证实是霍乱弧菌、大肠杆菌（*E. coli*）等人类病原微生物的载体，直接威胁港口及国家生物安全。尽管船载压载水管理系统（BWMSs）已广泛部署，但存在老旧船舶不愿加装、设备故障或水质变化导致不达标等问题，因此岸基设施作为生物安全应急备用方案不可或缺。现有岸基移动处理系统（如InvaSave 300和Bawat方案）面临关键工程瓶颈：船舶与岸基的对接方式依赖传统甲板级接口，需将水从底舱提升数十米，转移效率低且难以满足紧急需求。为解决这一难题，研究人员提出了一种直接对接船舶舷外排放口的新方案，通过三自由度（3-DOF）液压机械臂、视觉定位系统和动态充气密封结构实现水下自动对接，并采用“超声（US）预处理+双级紫外线（UV）消毒”的纯物理处理工艺，以应对高浊度下的病原微生物灭活挑战。这一系统旨在为港口生物安全应急响应提供一种高效、无二次污染、可快速部署的岸基解决方案。该研究发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）船岸转移单元：集成3-DOF液压机械臂（水平伸展8 m，作业深度15 m），末端配备液压夹爪和双摄像头视觉系统（MC-XZ-3），实现水下自动定位与对接；动态充气密封结构通过船载压缩机加压橡胶密封环，确保与船舶排放口（DN250）的水密连接。（2）水处理单元：采用BSKY600系列（无锡Brightsky电子有限公司），包含US预处理模块（30 kHz，7.6–12 kW，最小声能密度≥0.45 J/cm²）和两个串联UV反应器（最小UV剂量147 mJ/cm²），集成在线流量、压力、温度和UV监测系统。（3）实验水样制备与测试平台：使用取自中国如泰河（32°11′43″ N, 120°05′45″ E）的河水，以高岭土（平均粒径2.65 μm）调节至四种浊度（15、125、250、500 NTU），并接种大肠杆菌（*E. coli*，购自中国典型培养物保藏中心）至初始浓度>10⁷ CFU/100 mL；在陆基实验平台上，在US处理前（S1）、US后（S2）、第一级UV后（S3）和第二级UV后（S4）四个采样点采集样品，按EPA Method 1103.1定量分析，每组进行三次独立重复，采用单因素方差分析（ANOVA）和Dunnett事后检验（p < 0.05）。

在结果部分，研究人员首先展示了不同浊度下各处理阶段的大肠杆菌浓度变化（对应图8）：从S1到S4，所有浊度组的细菌浓度均呈下降趋势。低浊度（15和125 NTU）条件下，S4的大肠杆菌浓度低于检测限（0 log₁₀ CFU/100 mL）；高浊度（250和500 NTU）条件下，S4浓度降至平均2.20和2.26 log₁₀ CFU/100 mL，表明高浊度颗粒遮蔽部分细菌降低了UV效果。随后，对超声处理效果的分析（对应图9）显示：单独US在S2阶段的杀菌效果有限，仅在125 NTU下浓度从7.34降至7.03 log₁₀ CFU/100 mL，其余浊度组均无统计学显著性（p > 0.05），说明US主要作用于颗粒分散而非直接杀菌。接着，对UV处理效果的分析表明：第一级UV（S3）使大肠杆菌浓度显著降低至3.0–4.1 log₁₀ CFU/100 mL（p < 0.001）；第二级UV（S4）进一步将浓度降至接近或低于检测限，尤其在15和125 NTU下效果显著，证明双级UV提供了累积消毒能力。最后，对数去除值（LRV）分析（对应图10）显示：单独US的LRV接近0；US+单级UV（S3）在15、125、250、500 NTU下的平均LRV分别为4.13、3.47、3.39、3.31，随浊度升高而下降；US+双级UV（S4）则维持在5.07–7.34之间，即使在500 NTU下仍达到5.07，表明双级UV配置可部分补偿浊度引起的效率损失。

在讨论部分，研究人员将所开发系统与现有代表性移动压载水处理系统（如InvaSave 300和Bawat方案）进行了定性比较，指出现有系统依赖甲板级手动软管连接，需要船舶安装国际标准法兰或临时吊装设备，操作复杂且占用泊位时间，而本系统通过机械臂辅助水下对接直接连接舷外排放口，避免了甲板管道改造和垂直扬程损失，更适合紧急响应。实验结果表明，对于指示微生物大肠杆菌，最终出水浓度（S4）在250和500 NTU下分别为158和182 CFU/100 mL，均低于IMO D-2标准（250 CFU/100 mL），但该结果不能证明对所有规定生物组均完全满足D-2标准。研究还分析了浊度对UV效果的负面影响机制：悬浮颗粒散射UV光并屏蔽附着细菌，导致LRV下降。单独US未产生显著直接灭活，但可能通过超声空化（acoustic cavitation）的机械剪切力破碎细菌聚集体和颗粒包覆，增加细菌暴露面积，并可能造成亚致死损伤，提高细菌对UV的敏感性。讨论指出，该组合系统采用纯物理工艺，避免了化学消毒副产物（DBPs）的二次污染，且连续在线处理无需批式反应的接触时间，优于“过滤+UV”的物理方案（易受水质波动影响）和电解氯化等化学方案（存在腐蚀和DBPs风险）。最后，研究人员指出本研究作为概念验证，未统计分离浊度与处理阶段的交互效应，未来需通过分子生物学技术（如DNA损伤和修复基因表达）深入解析US+UV的协同机制。

研究结论部分翻译如下：本研究提出了一种新颖的船岸应急响应系统用于压载水。在开发过程中，特别关注了直接从船舶的舷外排放口进行接收，而非依赖传统的甲板级转移路径。为此，系统中集成了三自由度液压机械臂、视觉定位系统和动态充气密封结构。尽管所提系统的长期运行和维护仍需在实践中进一步验证，但其初步工程可行性已在陆基平台上得到证明。从实践角度看，这缩短了转移路径，使接收过程更适用于港口环境中的应急应用。该系统在四种浊度条件（15、125、250和500 NTU）下进行了评估，实验结果表明在该范围内具有有效的处理性能。单独超声仅具有有限的直接杀菌效果，而第一级UV阶段实现了3.31–4.13的对数去除值，第二级UV阶段的加入使整个过程的LRV提高到5.07–7.34。这些结果表明，主要的灭活效果来自双级UV消毒，而US+UV+UV工艺在高浊度条件下仍然有效。未来的工作将重点关注以下方面：（1）在真实港口环境中对停泊船舶进行现场试验，验证系统在波浪和船舶运动等动态条件下的对接稳定性和整体操作性能；（2）利用机器学习进一步优化视觉识别算法以实现全自主对接，并集成实时水质反馈回路以动态优化处理单元的能耗；（3）进行成本效益分析并探索可行的商业模式（例如作为港口的增值服务），以评估其市场潜力和可扩展性。展望未来，该系统有望支持港口生物安全应急响应。其自动水下对接核心技术也为海洋工程领域的其他自动化流体传输应用提供了有价值的范式。此外，推动对接接口的国际标准化将是一个关键的长期目标。标准化接口将显著提高系统的互操作性，使其能够无缝适应不同船舶类型的各种排放口，最终促进其应用。