基于國標主要規(guī)定的內(nèi)河船舶生活污水排放監(jiān)管系統(tǒng)設計

鄧義斌， 楊小鋼， 涂 航， 胡飛孔， 陳佳元

(1. 武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063； 2. 武漢市地方海事局， 武漢 430030； 3. 交通運輸部 安全與質(zhì)量監(jiān)督管理司， 北京 100736)

船舶生活污水是一種重要的船舶污染源[1]，我國頒布了一系列的政策措施防治船舶生活污水的污染，包括將內(nèi)河水運綠色發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，為船舶生活污水防污染的改造提供資金支持，頒布船舶水污染物排放控制標準(GB 3552—2018)等。受益于船舶生活污水處理技術的發(fā)展[2-5]和政府的資金支持，部分內(nèi)河運輸船舶加裝生活污水處理裝置，但該類裝置不能產(chǎn)生經(jīng)濟效益，反而帶來額外的能源消耗以及維護成本，再加上現(xiàn)有監(jiān)管體系不夠完善、監(jiān)管手段相對落后[6-7]，船舶生活污水的偷排漏排行為難以禁止，使內(nèi)河水質(zhì)受到嚴重危害。

為實現(xiàn)船舶生活污水處理裝置的工作狀況監(jiān)測，曹曉莉等[8]發(fā)明一種實時監(jiān)測和記錄船舶生活污水處理裝置工作參數(shù)的記錄儀，但該發(fā)明并不關注污水處理效果和排放情況。鄧健等[9-10]開發(fā)的內(nèi)河船舶污染物排放在線監(jiān)控系統(tǒng)和周春輝等[11]開發(fā)的船舶含油污水排放在線監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)船舶污水排放的監(jiān)控，但不能得出違排量，并且這些系統(tǒng)設計于現(xiàn)行國標發(fā)布之前，不能完全滿足現(xiàn)行國標相關要求。

為幫助船舶工作人員按國標規(guī)定正確地進行生活污水的處理和排放，幫助監(jiān)管部門掌握船舶生活污水處理和排放情況，本文首先分析國標GB 3552—2018的相關規(guī)定，并在此基礎上分析船舶生活污水排放管路結構和監(jiān)管需求，然后利用網(wǎng)絡互聯(lián)和多傳感器協(xié)同技術，開展內(nèi)河船舶生活污水排放監(jiān)管系統(tǒng)設計，實現(xiàn)監(jiān)管手段的創(chuàng)新。

1 船舶生活污水排放國標主要規(guī)定

1.1 排放指標及限值規(guī)定

根據(jù)生活污水處理裝置的安裝時間和船舶類型，國際船舶生活污水排放指標和限值規(guī)定見表1，排放限值指標個數(shù)較GB 3552—1983有所增加，排放限值也有所收緊。

表1 國標船舶生活污水排放指標和限值規(guī)定

1.2 明確規(guī)定處理后污水須在航行中排放

國標第5.1.1條規(guī)定，船舶在內(nèi)河航行時，船舶生活污水不得直接排入環(huán)境水體，利用船載生活污水處理裝置進行處理，在達到指標限值規(guī)定后在航行中排放。

1.3 明確規(guī)定飲用水源地禁止排放

國標第5.3條規(guī)定，在飲用水源保護區(qū)內(nèi)不得排放生活污水，并按規(guī)定對控制措施進行記錄。

綜上所述，新國標不僅在船舶生活污水處理工藝技術水平上有更高的要求，還需要結合船舶位置即動態(tài)進行船舶生活污水的排放。

2 基于國標的監(jiān)管系統(tǒng)總體方案

2.1 總體框架

船舶生活污水排放監(jiān)管系統(tǒng)的服務對象是監(jiān)管部門和船舶工作人員，總體架構采用網(wǎng)絡互聯(lián)方式，見圖1，由船載終端系統(tǒng)和岸基監(jiān)管系統(tǒng)兩部分構成。船載終端監(jiān)測船舶生活污水的排放情況，根據(jù)相應的邏輯判斷發(fā)出聲光報警，同時通過網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至岸基監(jiān)管系統(tǒng)，岸基監(jiān)管系統(tǒng)接收、分析并存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要通過手機短信提醒警示被監(jiān)管船舶。

圖1 監(jiān)管系統(tǒng)總體架構

2.2 船載終端系統(tǒng)功能

1) 實現(xiàn)船舶生活污水的排放監(jiān)測，包括未處理生活污水和處理后生活污水的排放情況。

2) 實現(xiàn)船舶生活污水處理裝置的使用情況監(jiān)測。

3) 實現(xiàn)處理后水質(zhì)關鍵指標的監(jiān)測，從而掌握船舶生活污水處理裝置的處理效果。

4) 船舶位置、航速監(jiān)測。

5) 船載終端的聲光報警，如有違規(guī)行為或故障，提醒其盡快解決存在的問題。

6) 與岸基系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。

2.3 岸基系統(tǒng)功能

1) 數(shù)據(jù)通信、存儲和分析。實現(xiàn)與船載終端系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信、存儲、查詢、分析。

2) 船舶短信警示提醒。根據(jù)需要通過手機短信告知船舶，如發(fā)現(xiàn)船舶有違規(guī)排放行為，及時提醒其盡快停止違規(guī)行為，以減少進一步的水體污染。

3) 船載終端系統(tǒng)的工作狀態(tài)檢測。船載終端系統(tǒng)工作狀態(tài)可分為在線與離線兩種，一旦發(fā)現(xiàn)船載終端系統(tǒng)處于離線狀態(tài)，則通過短信通知船舶盡快解除船端系統(tǒng)故障，使其恢復為在線狀態(tài)。

4) 船舶生活污水的違排行為分析。實現(xiàn)違規(guī)排放量計算，分析其排放軌跡等。

2.4 通信協(xié)議設計

通信協(xié)議基于美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association, NMEA)為海用電子設備制定的標準格式，由起始符、會話ID、消息域、校驗碼和結束符等5部分組成。其中：會話ID 分為主動上報服務器、服務器寫數(shù)據(jù)和服務器讀數(shù)據(jù)等3種類型，主動上報服務器是指船舶終端將監(jiān)測數(shù)據(jù)上發(fā)給服務器；服務器寫數(shù)據(jù)是指服務器將配置參數(shù)下發(fā)給船舶終端；服務器讀數(shù)據(jù)是指服務器從船舶終端讀取當前的配置參數(shù)。

3 船載終端系統(tǒng)設計

3.1 船舶生活污水排放管路結構分析

對于配備船舶生活污水處理裝置的船舶而言，其生活污水排放管路結構見圖2，共有兩條生活污水排放通路：正常排放通路，閥1關閉、閥2開啟，生活污水流經(jīng)處理裝置凈化處理，然后通過泵抽出沿排水管排放至舷外；直通排放通路，也稱應急排放通路，閥2關閉、閥1開啟，生活污水經(jīng)直通管直接排放至舷外，此通路僅在船舶生活污水處理裝置發(fā)生故障時才能使用。要想掌握船舶生活污水的排放情況，只需要對這兩條通路進行監(jiān)測即可。

圖2 船舶生活污水排放管路結構圖

3.2 船載終端系統(tǒng)需求分析

3.2.1正常排放通路

實現(xiàn)按國標排放規(guī)定檢測排水水質(zhì)達標與否，同時還需掌握排水流量和排放時間等相關信息。目前，想要實現(xiàn)所有國標排放指標的在線檢測在工程上是不可行的，本系統(tǒng)選用化學需氧量(Chemical Oxygen Demcond, COD)和懸浮物濃度這兩個指標進行監(jiān)測。另外還需注意船舶生活污水處理裝置的工作特殊性，即裝置在剛啟動之后的一段時間內(nèi)屬于熱機狀態(tài)，還不能有效地凈化污水，因此該段時間內(nèi)排水水質(zhì)不達標是一種正常狀態(tài)。一旦生活污水處理裝置熱機完成，開始進入正常的工作狀態(tài)，處理后水質(zhì)應能滿足國家排放標準。因此，生活污水處理裝置的工作狀態(tài)也是一個關鍵監(jiān)測參數(shù)，一方面用來判斷是否完成熱機，作為水質(zhì)是否達標判定的先決條件，另一方面給監(jiān)管部門提供船舶生活污水處理裝置的使用情況數(shù)據(jù)。

3.2.2直接排放通路

需要監(jiān)測是否有污水流過、流量大小以及流通時間。由于直通管路流過的污水具有雜質(zhì)多、腐蝕性強和流動間歇性等特點，以及管內(nèi)污水不能滿足滿管狀態(tài)流動這個常規(guī)流量計使用的前提條件，在當前的技術條件下直接檢測污水流量是很困難的，因此直通排放通路流量采用與正常排放通路傳感器數(shù)據(jù)協(xié)同分析的方法，即直通排放通路選用流量開關只檢測是否有污水流過，而流量大小將通過正常排放通路每日的排放總量與當日流量之差估算得到。在假定船舶人員數(shù)量較為穩(wěn)定的條件下，正常排放通路每日應排放總量應該是一個穩(wěn)定的數(shù)值，由正常排放通路流量的歷史數(shù)據(jù)計算求得。

3.2.3其他監(jiān)測需求

獲取船舶航速結合生活污水排放狀態(tài)判定是否滿足航行中排放的規(guī)定，獲取船舶位置結合岸基系統(tǒng)的飲用水源地區(qū)域設置判定是否滿足飲用水源地禁排的規(guī)定。

3.3 船載終端系統(tǒng)硬件設計

船載終端系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)結構見圖3，由直通管流量開關檢測、處理后污水流量檢測以及懸浮物濃度和COD濃度檢測、生活污水處理裝置電流通斷檢測、船舶位置及航速檢測、聲光報警、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等部分組成。其中監(jiān)測傳感器和功能模塊選型見表2，主要傳感器的測點布置如圖2所示。

圖3 船載終端監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

表2 船載終端設備選型表

序號項目設備選型1流量計FHS-1S-1T100L-8SS霍爾傳感器2流量開關LN-AB熱式流量開關3懸浮物濃度BQWN-300H濁度在線分析儀4化學需氧量AMT-COD300傳感器5污水處理裝置的工作狀態(tài)XJ-S21型電流通斷檢測儀6船舶位置GNSS定位模塊7數(shù)據(jù)通信USR-GM3模塊

微機選用Cortex-M3系列的STM32F103ZET6，共有5個UART口、3個SPI口、112個GPIO口，滿足系統(tǒng)的接口需求，接口分配見圖4。其中FLASH能使船舶終端系統(tǒng)可在無網(wǎng)絡連接時臨時存儲8 h監(jiān)測數(shù)據(jù)，等待網(wǎng)絡連接良好后再將臨時存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送到岸基服務器端。

圖4 船載終端微機接口示意

3.4 船載終端系統(tǒng)軟件設計

船載終端開始工作后不斷采集各傳感器信號，微機根據(jù)各輸入信號聲光報警邏輯發(fā)出聲光報警,見表3。同時按一定的頻率發(fā)送連接指令給岸基系統(tǒng)表示該船載終端系統(tǒng)處于在線工作狀態(tài)，當表3的各輸入信號狀態(tài)發(fā)生改變時，將當前微機采集到的信號值發(fā)送給岸基系統(tǒng)。

表3 船載終端系統(tǒng)聲光報警真值表

4 岸基系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

4.1 岸基系統(tǒng)需求功能設計

4.1.1系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置包括船舶管理、飲用水源地管理和系統(tǒng)工作參數(shù)管理等模塊。

(1) 船舶管理。船舶終端在接入岸基系統(tǒng)時，需要設置船舶的相關信息，包括船名、國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)船舶編號、船舶通信卡號(用以標識船載終端)、船舶負責人姓名和手機號碼(短信通知提醒)。

(2) 飲用水源地區(qū)管理及進出船舶警示提醒。實現(xiàn)飲用水源地區(qū)的坐標設定及修改調(diào)整，并能根據(jù)船舶位置，結合飲用水源地區(qū)坐標，判斷船舶是否處于飲用水源地區(qū)，在船舶駛入(出)飲用水源地區(qū)后，船舶注冊手機會收到短信提醒船舶已駛入(出)生活污水禁止排放區(qū)域。

(3) 系統(tǒng)工作參數(shù)管理。包括排水水質(zhì)閾值設定、生活污水處理裝置熱機時間確定等。

4.1.2數(shù)據(jù)通信和存儲

實現(xiàn)與船舶終端的數(shù)據(jù)通信，并將收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)能否收到船舶終端設備的數(shù)據(jù)將船舶終端設備狀態(tài)分為設備在線和設備離線(斷電或故障)，一旦出現(xiàn)設備離線現(xiàn)象，岸基系統(tǒng)自動發(fā)送短信提醒對應船舶。

4.1.3船舶生活污水排放實時狀態(tài)顯示

根據(jù)船載終端發(fā)來的數(shù)據(jù)將船舶生活污水排放狀態(tài)分為設備離線、未排放、規(guī)范排放、違規(guī)排放等4類，其中違規(guī)排放又分為不達標排放、非航行排放和水源地排放等3小類，并實現(xiàn)各類排放的排放量分析。

4.1.4船舶生活污水排放歷史數(shù)據(jù)查詢分析

實現(xiàn)系統(tǒng)所管轄船舶生活污水正常排放、處理后不達標排放、靜止排放和水源地排放的排放量趨勢與規(guī)律分析以及未處理生活污水直接排放量估算，實現(xiàn)船舶的生活污水排放軌跡分析等功能。

4.2 監(jiān)管系統(tǒng)實船試驗

選取湖北武漢“晴川閣”號游船開展實船試驗，該船航線從紅巷碼頭出發(fā)途經(jīng)武漢長江大橋至武漢鸚鵡洲長江大橋，之后掉頭航行至武漢長江二橋，然后返回紅巷碼頭，全程約2 h，每日一至兩班，其余時間?？吭诩t巷碼頭。試驗對象選取2017年11月安裝于舵機房的一套生活污水處理裝置，船端設備安裝情況見圖5。岸基監(jiān)管系統(tǒng)主要工作界面見圖6。系統(tǒng)能動態(tài)顯示并記錄該輪生活污水的排放行為以及排放水質(zhì)的監(jiān)測參數(shù)值；在岸基監(jiān)管系統(tǒng)模擬設置武漢鸚鵡洲長江大橋和武漢長江大橋之間的水域為飲用水源地時，當船舶駛入(出)該區(qū)域時，船舶注冊手機能收到警示短信。在該船分別進行以下4種情形測試：

1) ?？吭诖a頭排放生活污水。

2) 飲用水源地排放生活污水。

3) 旁通生活污水處置裝置的膜生物反應器，即生活污水進入生活污水處理裝置但不經(jīng)過膜生物反應器處理排放(排水水質(zhì)不達標模擬)。

4) 生活污水經(jīng)直通管直排舷外，監(jiān)管系統(tǒng)均能監(jiān)測到這些違排行為，得到違排量，并在船端和岸基系統(tǒng)給出報警提示，避免繼續(xù)發(fā)生污染行為。

實船試驗顯示系統(tǒng)各模塊工作正常，監(jiān)管效果良好。

圖5 船端系統(tǒng)安裝

圖6 岸基系統(tǒng)主要界面

5 結束語

1) 本文針對GB 3552—2018的相關規(guī)定開展內(nèi)河船舶生活污水監(jiān)管系統(tǒng)設計，系統(tǒng)能實現(xiàn)船舶生活污水排放水質(zhì)關鍵指標監(jiān)測與記錄、排放行為分析、違排量計算以及違規(guī)排放行為警示提醒等功能，實船試驗結果表明系統(tǒng)功能完備、監(jiān)管效果良好。

2) 船舶生活污水污染的防治是一項復雜艱巨的系統(tǒng)工程，涉及政府部門、船舶管理企業(yè)、船員、科研院所、相關船舶配套設備生產(chǎn)企業(yè)等多方因素。該項工作任重而道遠，可將基于國標的內(nèi)河船舶生活污水排放監(jiān)管系統(tǒng)的推廣應用作為契機，行業(yè)相關部門理清職責、通力合作、齊抓共管，從而有效地控制船舶生活污水對航行水域環(huán)境的污染。