艦船生活水處理系統(tǒng)現(xiàn)狀與展望

秦子明，汪正清，王曉東，白亞鶴

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064）

艦船生活水處理系統(tǒng)現(xiàn)狀與展望

秦子明，汪正清，王曉東，白亞鶴

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064）

我國(guó)艦船生活水系統(tǒng)面臨著艙底污水積聚嚴(yán)重、污水排放頻繁且噪聲大、油跡易暴露等影響隱蔽性和居住性的問(wèn)題，本文首先介紹了國(guó)內(nèi)艦船污水、淡水處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀和問(wèn)題，其次闡述了國(guó)外艦船污水分類(lèi)處理和淡水凈化的狀況，最后在分析比較后，闡述了采用污水分類(lèi)處理模式、降低污水排放噪聲、為飲用水終端補(bǔ)充膜凈化手段等發(fā)展趨勢(shì)，提出了增設(shè)油污水處理功能、使排污泵在額定點(diǎn)附近工作、采用納濾等膜技術(shù)進(jìn)行飲用水深度凈化等建議。

艦船;污水;飲用水;油水分離;膜

0 引言

1 我國(guó)艦船生活水處理系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)艦船污水處理現(xiàn)狀

艦船污水主要包括艙底油污水和生活污水等。前者是機(jī)械設(shè)備泄放、管路泄漏、沖洗用水等最終匯集在艙底后形成的，一旦積存過(guò)多，會(huì)影響機(jī)械裝置的正常運(yùn)行、艦船穩(wěn)性甚至消防安全等。后者包括廁所、醫(yī)務(wù)室、廚房、淋浴室、洗衣間等日常生活中產(chǎn)生的污水，若處理不當(dāng)，將直接影響艦船的居住性。因此，艦船污水必須進(jìn)行妥善正確的處理。

我國(guó)艦船污水處理現(xiàn)階段采用如下設(shè)計(jì)理念:通過(guò)污水坑收集油污水后用小揚(yáng)程泵將其駁運(yùn)至污水艙，小便器、淋浴間等生活污水則直接送至污水艙。所收集到的污水，若短期航行，則在返回基地后排放;若長(zhǎng)期航行則通過(guò)大揚(yáng)程泵直接排出舷外;作戰(zhàn)時(shí)為避免油斑等暴露目標(biāo)，將其排入特定壓載水艙中臨時(shí)儲(chǔ)存。

根據(jù)部隊(duì)反饋，目前艦船實(shí)際使用中存在如下問(wèn)題:①艙底污水積聚嚴(yán)重，尤其是輔機(jī)艙和主機(jī)艙，由此帶來(lái)了艙底設(shè)備管系腐蝕、艙室空氣環(huán)境污染等問(wèn)題;②污水量大，污水排放頻繁，污水艙疏水次數(shù)多，泵工作時(shí)間長(zhǎng)，噪聲較大;③小便器管路堵塞嚴(yán)重，直接降低了居住性質(zhì)量。此外，隨著我國(guó)和世界上海洋環(huán)境保護(hù)理念的加強(qiáng)，對(duì)污水排放的限制越來(lái)越嚴(yán)。如圖1所示，除了污水通道設(shè)計(jì)不合理、存在積水死區(qū)外，目前存在問(wèn)題的污水環(huán)節(jié)為“艙底”、“小便器”和“排至海域”。

圖1 我國(guó)艦船污水流向圖Fig.1 Flow chart of sewage on our ships

“艙底”環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題主要是由于如下因素:①隨著我國(guó)艦船居住性的改善，供水條件逐漸寬松，污水量也逐漸增大，但隨著返岸排放間隔越來(lái)越久，“基地接收”環(huán)節(jié)的作用越來(lái)越小，這就使得其他環(huán)節(jié)的任務(wù)變重;②作為正常的存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，污水艙的容積有限 (設(shè)計(jì)上主要考慮了人的排放需求，對(duì)工藝性的廢水廢液等考慮不足），必然導(dǎo)致污水艙疏水次數(shù)多;③“排至海域”環(huán)節(jié)受到限制，其制約因素為噪聲和油污對(duì)隱蔽性的破壞。這3個(gè)因素中，“排至海域”是瓶頸所在，因?yàn)槿绻欧挪皇芟拗?，無(wú)論多少污水都不會(huì)積存，只要限制排放，污水終究會(huì)留在污水艙或艙底。

“小便器”管路堵塞是由于海水和污水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在管壁結(jié)晶生成碳酸鈣結(jié)垢，該結(jié)垢極硬，目前建議用酸性液體沖洗或在返航后直接更換管路。

1.2 我國(guó)艦船淡水系統(tǒng)現(xiàn)狀

艦船淡水系統(tǒng)是維持官兵生存、生活質(zhì)量的重要系統(tǒng)，主要包括飲用水、洗澡水、洗衣水等。其中飲用水系統(tǒng)將來(lái)自岸上水源或脫鹽設(shè)備制造的淡水儲(chǔ)存在淡水艙中，淡水艙中的水采用加氯等方法消毒，用壓縮空氣將其運(yùn)送到各用水處，廚房處還采用紫外線(xiàn)等方式對(duì)水進(jìn)一步消毒。洗衣水來(lái)自空調(diào)凝水，設(shè)有空調(diào)凝水收集水艙。

目前淡水系統(tǒng)主要存在如下問(wèn)題:船上壓縮空氣含有較多雜質(zhì)，廚房之外的淡水用戶(hù)缺乏水質(zhì)保證手段，2006年新飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的提高使其更加迫切;空調(diào)凝水含有油分、灰塵等，使這一可觀的洗衣水來(lái)源未能得到充分利用。

2 國(guó)外艦船生活水處理系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外艦船污水處理現(xiàn)狀

國(guó)外艦船對(duì)污水采用分類(lèi)處理，即對(duì)含油廢水、黑水 (廁所、醫(yī)務(wù)室等產(chǎn)生的生活污水）、灰水(廚房、洗澡、洗衣等產(chǎn)生的生活污水）等采用不同的系統(tǒng)進(jìn)行收集、處理、排放。

有些旺火急成的菜，須得事先把所需的調(diào)味品放在碗中調(diào)好，這叫作“預(yù)備調(diào)味”，也稱(chēng)為“兌汁”，以便烹調(diào)時(shí)及時(shí)加入，不誤火候。

2.1.1 含油廢水

美國(guó)艦船含油廢水通過(guò)“油類(lèi)污染控制系統(tǒng)”(oil pollution control system，OPCS）處理［1］，保證不在沿岸50 n mile以?xún)?nèi)排放含油廢物。該系統(tǒng)設(shè)有油水分離器、含油廢物傳送泵、油含量監(jiān)測(cè)器、含油廢物儲(chǔ)存柜、廢油柜等。

圖2 美國(guó)艦船油類(lèi)污染控制系統(tǒng)Fig.2 OPCS on USNavy vessels

如圖2所示，含油廢物傳送泵和含油廢物排水系統(tǒng)分別將艙底和其他來(lái)源的油污水送至含油廢物儲(chǔ)存柜，油水分離器將含油廢物儲(chǔ)存柜中的油污水采用重力/離心分離和聚結(jié)的原理進(jìn)行油水分離，分離出的廢油進(jìn)入廢油艙，其余進(jìn)入油含量監(jiān)測(cè)器，滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可以排放，否則返回含油廢物儲(chǔ)存柜。含油廢物傳送泵還用來(lái)將廢油及含油廢物排向岸上設(shè)施。

在艦船管道布置允許的場(chǎng)合，將非含油源排水和含油源排水分開(kāi)，來(lái)自空調(diào)、冷凝器及蛇形冷卻管的冷凝水是非含油排水的典型例子。在可能的場(chǎng)合，將非含油排水引至廢水排水柜或廢水污水艙，然后直接泵送至艦外。含油廢水排泄至含油廢物儲(chǔ)存柜。已收集的含油廢液宜在一天中的某一方便時(shí)間或在含油廢物儲(chǔ)存柜充滿(mǎn)50%之前由油水分離器進(jìn)行處理。排放時(shí)應(yīng)至少派駐一名艦員，若出現(xiàn)浮油或廢油膜應(yīng)立即報(bào)告并使油水分離器停止工作，直至問(wèn)題排除。油水分離器要求定期清理。

具體到潛艇，油污水處理系統(tǒng)［2］設(shè)置油艙底水收集艙、非油艙底水收集艙和廢油收集艙，也可能采用復(fù)合式水艙。部分潛艇油艙底水收集艙分為油側(cè)和凈側(cè);還有些潛艇的油艙底水收集艙則沒(méi)有這種分隔，采用的是重力分離。非油廢水通過(guò)單獨(dú)的系統(tǒng)送至非油艙底水收集艙然后排至舷外。油廢水或可能的油廢水通過(guò)單獨(dú)的系統(tǒng)送至油艙底水收集艙。采用分隔式油艙底水收集艙的潛艇采用水艙折流板增強(qiáng)的重力分離實(shí)現(xiàn)油水分離;沒(méi)有分隔式油艙底水收集艙的潛艇，水艙底部的水可在駛出海岸線(xiàn)一定距離后排出舷外，水艙上部的水則轉(zhuǎn)移到廢油收集艙。實(shí)艇12 n mile內(nèi)的采樣結(jié)果顯示，對(duì)于上述2種潛艇，艙底油含量約為20 ppm，水艙油含量約為76 ppm。

2.1.2 黑水、灰水

黑水、灰水處理可選用多種系統(tǒng)，如“收集、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)” (collection，holding and transfer system，CHT）、 “真空收集、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)”(Vacuum CHT，VCHT）、真空 －焚燒系統(tǒng) (Vacu-Burn）、控制水量沖洗蒸發(fā)處理系統(tǒng)。CHT與VCHT要求凡是可行的場(chǎng)合均將黑水管路和灰水管路分隔開(kāi)，其采用的零排放Ⅲ型船用衛(wèi)生設(shè)備［3］可滿(mǎn)足12 h內(nèi)的黑水收集、貯存需求，以通過(guò)限制水域 (如美國(guó)沿岸3 n mile內(nèi)），但后者利用真空收集廢水，用水少，管路和水艙小，收集管路還可以垂直布置。根據(jù)真空收集方法的不同，VCHT分為2種:一種采用消防總管驅(qū)動(dòng)噴射器，噴射器連到污水貯存艙頂部，在水艙和收集管路中產(chǎn)生真空;另一種采用污水驅(qū)動(dòng)噴射器，噴射器將污水從污水貯存艙的底部抽至頂部從而在管路中產(chǎn)生真空，污水收集管路連接到噴射器入口。真空－焚燒系統(tǒng)作為VCHT的補(bǔ)充安裝在部分艦船上?？刂扑繘_洗蒸發(fā)處理系統(tǒng)提供延長(zhǎng)的貯存時(shí)間，安裝在遠(yuǎn)洋掃雷艇和遠(yuǎn)洋布雷艦上。

為了對(duì)黑水、灰水進(jìn)行處理，在海軍海上系統(tǒng)司令部和海軍水面作戰(zhàn)中心主持下，對(duì)基于膜的系統(tǒng)進(jìn)行了研究［4］。試驗(yàn)結(jié)果表明，污水停留6 h即可滿(mǎn)足所有指標(biāo)要求，這對(duì)于CHT艦船尚可，但能否用于VCHT艦船有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

2.1.3 小便器管路

國(guó)外艦船對(duì)小便池泄水管安裝有嚴(yán)格要求，如斜度＞0.125英寸/英尺以避免小便與海水之間發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，盡量遠(yuǎn)離熱源以避免蒸汽管路等將泄水管中的沉淀物烘干成硬物。出海時(shí)布置以氨基磺酸為基礎(chǔ)的酸盒預(yù)防污垢形成，在進(jìn)行系泊修理等前，要用環(huán)境溫度下的淡水徹底清洗小便器管路，以防止污垢硬化。堵塞后，或者采用旋轉(zhuǎn)式蛇行清潔器或壓縮空氣清潔設(shè)備、高壓噴水機(jī)等進(jìn)行機(jī)械清除，或者拆下管路并酸洗。

2.2 國(guó)外艦船淡水處理系統(tǒng)現(xiàn)狀

水面艦船上設(shè)有加溴殺菌器或加氯殺菌器，殺菌器帶有DPD(二乙基鄰位苯二胺）鹵素殘余檢測(cè)設(shè)備。加溴殺菌器可選用配比加溴殺菌器或再循環(huán)(環(huán)流式）加溴殺菌器，前者在淡水進(jìn)到飲水柜之前對(duì)其進(jìn)行初步處理，后者使水流向淡水艙并再?gòu)牡摿鞒龆纬森h(huán)流式再循環(huán)，當(dāng)溴殘余量等低于合格水平時(shí)對(duì)飲用水進(jìn)行補(bǔ)充處理。潛艇和供應(yīng)艇上由于不具備添加鹵素的機(jī)械設(shè)備，要求從認(rèn)可的水源取水并且保證含有至少0.2 ppm FAC(痕量游離有效氯）殘余物。

3 生活水處理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及建議

3.1 采用污水分類(lèi)處理模式

與我國(guó)艦船最大的不同在于，國(guó)外艦船污水廣泛采用了分類(lèi)處理模式，根據(jù)污水種類(lèi)不同，采用不同的水艙、管系和處理方法。一般根據(jù)污染物含量將污水細(xì)分為油污水、黑水和灰水。以油污水為例，由于大部分油污水在進(jìn)入艙底前水質(zhì)較好，只有油和部分懸浮固體超標(biāo)，采用油水分離等處理達(dá)標(biāo)后即可排放，避免了和黑水、灰水混合后增加處理難度。與國(guó)外艦船的另一個(gè)主要差距在于，我國(guó)艦船對(duì)污水大多只是轉(zhuǎn)存、排放，尚未廣泛進(jìn)行去污處理。

其中，增設(shè)油水分離功能，既是進(jìn)行油污水處理、提高艦船隱蔽性的要求，也是增加空調(diào)凝水可用性、改善居住性的必要前提。國(guó)外艦船早已設(shè)有該系統(tǒng)，針對(duì)乳化問(wèn)題，曾限制使用含乳化特性的溶劑。實(shí)際上，隨著技術(shù)的發(fā)展，油水分離器已可解決乳化問(wèn)題，這樣我國(guó)艦船可繼續(xù)使用普通洗滌劑。如，Mycelx公司在重力分離后增加超濾膜和化學(xué)親合分離，可將乳化后油含量有效降至1～5 ppm［5］，再如文獻(xiàn) ［6］通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了采用超濾膜處理乳化艙底水的有效性。

關(guān)于黑水、灰水處理，國(guó)外也處在探索階段，基于膜的系統(tǒng)有待改善驗(yàn)證，應(yīng)繼續(xù)關(guān)注。

總之，對(duì)污水進(jìn)行分類(lèi)處理尤其是油水分離裝置的增設(shè)已是必然選擇，而無(wú)論是對(duì)傳統(tǒng)重力式油水分離的加強(qiáng)，還是對(duì)黑水、灰水的處理，均應(yīng)加強(qiáng)對(duì)膜技術(shù)的研究。

3.2 降低污水排放噪聲

降低污水排放噪聲，一方面要繼續(xù)完善隔振器、浮筏、管路附件等各種減振裝置，另一方面應(yīng)從系統(tǒng)角度進(jìn)行改善，這一點(diǎn)目前關(guān)注較少，污水排放就是一例。如前所述，我國(guó)污水排放采用大揚(yáng)程大流量泵，小揚(yáng)程泵僅用于污水的轉(zhuǎn)運(yùn)。為降低噪聲，泵工作在設(shè)計(jì)工況附近，而揚(yáng)程大的泵其設(shè)計(jì)工況噪聲也高。如果適當(dāng)增大小揚(yáng)程泵揚(yáng)程，讓其也具備污水排放能力，則可顯著降低系統(tǒng)噪聲。

3.3 進(jìn)行飲用水凈化

艦船上飲用水可能需要儲(chǔ)存較長(zhǎng)時(shí)間，這會(huì)引起飲用水水質(zhì)的下降。雖然可以通過(guò)加氯等手段保證淡水艙中水質(zhì)，但由于駁運(yùn)過(guò)程，終端用戶(hù)處的水質(zhì)仍難以保證，需進(jìn)一步凈化。目前，艦船上亟需在廚房外的終端處配備成本低于紫外線(xiàn)消毒的凈化手段。膜技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)的水處理技術(shù)，在歐美等國(guó)受到了高度重視。在幾種飲用水凈化常用膜中，納濾操作壓力低，能耗和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用少，相對(duì)于反滲透，無(wú)機(jī)離子截留率低，但在有效去除水中有害物質(zhì)的同時(shí)，還能保持水中對(duì)人體健康有益的微量元素和礦物質(zhì)，是一種非常有潛力的飲用水終端凈化手段。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)艦船生活水系統(tǒng)面臨的艙底污水積聚嚴(yán)重、污水排放頻繁且噪聲大、油斑暴露、終端處飲用水水質(zhì)難以保證、洗衣水含油等問(wèn)題，提出了采用污水分類(lèi)處理模式尤其是增設(shè)油水分離功能、降低污水排放噪聲包括增強(qiáng)系統(tǒng)較小揚(yáng)程時(shí)排水能力、為飲用水終端補(bǔ)充膜凈化手段等發(fā)展趨勢(shì)。

［1］吳始棟.環(huán)境友好艦船及其廢物處理技術(shù)的進(jìn)展［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2005，27(6）:99 －104.

WU Shi-dong.The environmentally friendly ship and progress of its waste treatment techn iques［J］.Ship Science and Technology，2005，27(6）:99 －104.

［2］United States Environmental Protection Agency，Uniform national discharge standards for vessels of the armed forces［EB/OL］.http://unds.bah.com，2011 －11 －06.

［3］Naval Sea Systems command，Chapter 593.Pollution Control［EB/OL］.http://www.fas.org，2011 －11 －06.

［4］BENSON J，CAPLAN I，JACOBSR.Blackwater and graywater on U.S.navy ships:technical challenges and solutions［J］.Naval Engineers Journal，1999(5）:293 －306.

［5］ALPER H.New technologies for controlling oily bilge water discharges［C］. Marine Environmental Engineers Technology Symposium，2001.

［6］韓小波，徐筱欣，董玉海，等.船舶艙底含油污水分離試驗(yàn)研究［J］.造船技術(shù)，2008，3(283）:30 －32.

HAN Xiao-bo，XU You-xin，DONG Yu-hai，et al.Ship bilge oil waste water seperation test［J］.Marine Technology，2008，3(283）:30 －32.

Status and outlook of living water processing system on naval vessels

QIN Zi-ming，WANG Zheng-qing，WANG Xiao-dong，BAIYa-he
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

After introducing the status and problems of living water processing system on domestic naval vessels，this paper proposed the sewage classifying and processing system and fresh water purifying system on foreign ships.Finally，the future trends including sewage classification and treating，reducing sewage discharging noise，membrane purifying of drinking water at the terminals and suggestions as the addition of oil water separation，stabilization of the sewage pump working point and drinking water purifying by nanofiltration are given after comparison.

naval vessel;sewage;drinking water;OWS;membrane

U664.9+2

A

1672－7649(2013）03－0005－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.002

2011－08－29;

2012－03－28

秦子明(1985－），男，碩士，工程師，主要從事船舶系統(tǒng)技術(shù)研究。