37 000總噸郵船生活污水系統(tǒng)設(shè)計

劉志杰, 張凌云， 劉 峰

(1.上海世天郵輪發(fā)展有限公司，上海 200443； 2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125;3.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

當(dāng)前海洋環(huán)境污染已是全球性問題，許多國家和國際組織都已制定防止海洋環(huán)境污染方面的法律法規(guī)。除了《國際防止船舶造成污染公約》(MARPOL 73/78)以外，許多沿海國家都結(jié)合自身需求制定了符合其國情的法規(guī)。對于污水排放量較大的大型豪華郵船而言，其通常能在無限航區(qū)航行，?？康母劭谕ǔ２还潭ǎ@就要求船舶設(shè)計人員在船舶設(shè)計階段準(zhǔn)確把握國際污染防治的發(fā)展方向，從而在對船用設(shè)備進(jìn)行選型時兼顧成本和實用需求。此外，針對新建郵船的安全返港法規(guī)已于2010年7月1日生效[1]，該法規(guī)要求船舶發(fā)生事故時，安全區(qū)域內(nèi)的污水系統(tǒng)能在船舶安全返港時正常運(yùn)行，應(yīng)至少每50人有1間廁所可用，在設(shè)計船舶時需對此作特殊考慮。

郵船上人員密集，衛(wèi)生條件要求較高，生活污水流量較大，管路復(fù)雜，且易相互影響，同時可供污水利用和貯存的空間通常不大，需在設(shè)計郵船時充分考慮這些問題，優(yōu)化管路設(shè)計。

1 船舶概況

本文以國內(nèi)首艘自主設(shè)計的37 000 t郵船為例進(jìn)行分析。該船是一艘六星級豪華郵船，無限航區(qū)，入級中國船級社和法國船級社，船級社符號為CLEANSHIP-AWT-B和NDO-2DAYS[2]，額定乘員共1 060人(其中660人為乘客，另外400人為船員)，客房共有267間。該船服務(wù)的海域為中國南海、日本和韓國附近海域，同時具有長期在美國航行的能力，需滿足美國公共衛(wèi)生署(United States Public Health,USPH)和美國海岸警衛(wèi)隊(United States Coast Guard,USCG)的要求，污水處理裝置需滿足國際海事組織(International Maritime Organization, IMO) MEPC.227(64)除磷和除氮的要求。該船是2010年以后建造的，應(yīng)滿足最新的安全返港要求。該船共有6個主豎區(qū)，其中:艉部一主豎區(qū)和二主豎區(qū)上層建筑為生活娛樂區(qū)；三主豎區(qū)至五主豎區(qū)為客房。該船定義三主豎區(qū)和四主豎區(qū)為安全返港安全區(qū)域。

2 污水系統(tǒng)分析

根據(jù)BV CLEANSHIP推薦的生活污水排放限值, 灰水產(chǎn)量每人每天約330 L，真空式馬桶黑水產(chǎn)量每人每天約12 L[2]?？紤]到一些海域有污水零排放的限制，要求船上的污水艙能儲藏2 d的生活污水。根據(jù)船上人數(shù)可求得2 d共需灰水艙容積684 m3，黑水艙容積26 m3，如此大的艙容很難用1個污水艙實現(xiàn)。同時，為減少管路布置，使污水排放更順暢，該船共設(shè)計9個灰水艙和1個黑水艙(見圖1),其中灰水艙的容積共計690 m3，分別布置在三主豎區(qū)和四主豎區(qū)。為使各灰水艙收集的灰水盡可能地均勻，將二主豎區(qū)的灰水排放至前機(jī)艙的灰水艙內(nèi)，三主豎區(qū)的灰水排放至冷水機(jī)組艙的灰水艙內(nèi)，四主豎區(qū)的灰水排放至污水處理艙的灰水艙內(nèi)，五主豎區(qū)的灰水排放至泵艙的灰水艙內(nèi)，同時各灰水管留有直接排至舷外的接口。黑水混合艙的容積為30 m3。黑水艙盡量不要設(shè)在雙底處，內(nèi)部的加強(qiáng)構(gòu)件要布置在艙外，以便日后對其進(jìn)行維護(hù)和清理，該船的黑水艙設(shè)計在冷水機(jī)組間的雙底上方。由于該船設(shè)定三主豎區(qū)和四主豎區(qū)為安全返港安全區(qū)域，根據(jù)MSC.1/CIRC.1369對安全返港的第42條解釋[3]，安全區(qū)域內(nèi)應(yīng)至少每50人或不足50人有1間廁所。 三主豎區(qū)有98個馬桶，四主豎區(qū)有220個馬桶，可滿足該要求。須注意，在布置三主豎區(qū)和四主豎

圖1 機(jī)器處所污水系統(tǒng)布置

區(qū)的灰水管路和黑水管路時，應(yīng)保證這2個主豎區(qū)內(nèi)的管路相互獨(dú)立，避免三主豎區(qū)與四主豎區(qū)之間的管路相互連接，防止安全返港時相互影響。該船四主豎區(qū)內(nèi)的灰水總管連接到三主豎區(qū)內(nèi)污水處理艙的灰水艙內(nèi)，當(dāng)三主豎區(qū)發(fā)生事故安全返港時，需關(guān)閉隔離閥，打開舷側(cè)閥，直接將污水排至舷外，可滿足安全返港要求。黑水總管的操作與此相似。

由于9個灰水艙分布在三主豎區(qū)和四主豎區(qū)，在收集灰水時很難保證各灰水艙收集的污水均勻，在每個灰水艙所在房間設(shè)置2臺污水駁運(yùn)泵(互為各用)，各泵之間通過總管連接，實現(xiàn)各灰水艙間的調(diào)駁，每個污水艙都設(shè)置液位遙測和高位報警，駁運(yùn)泵可在集中控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

灰水排放可采用以下方式：

1) 在水質(zhì)排放不受限制的水域，灰水直接排至舷外；

2) 在水質(zhì)排放受限制的水域，灰水先排放到各灰水艙，再經(jīng)污水駁運(yùn)泵排放到黑水混合艙，最終經(jīng)污水處理裝置處理之后排到舷外；

3) 在水質(zhì)排放要求特別嚴(yán)格的零排放限制水域，灰水排放至灰水艙貯存，到港口之后可通過通岸接頭排放至碼頭接收設(shè)備或接收船；

4) 安全返港時，灰水可直接排放至舷外。

黑水排放可采用以下方式：

1) 在水質(zhì)排放不受限制且距離陸地超過12 n mile的水域，黑水可直接排放至舷外；

2) 在水質(zhì)排放受限制或距離陸地不超過12 n mile的水域，黑水可通過真空收集裝置排放至黑水混合艙，最終經(jīng)污水處理裝置處理之后排放至舷外；

3) 在水質(zhì)排放要求特別嚴(yán)格的零排放限制水域，黑水可通過真空收集裝置排放至黑水混合艙，到港口之后可通過通岸接頭排放至碼頭接收設(shè)備或接收船中；

4) 安全返港時，黑水可直接排放至舷外。

3 設(shè)備選型分析

該船人數(shù)眾多，房間密集，為減小管徑，以便更好地控制船舶的質(zhì)量，方便安裝管網(wǎng)，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)約用水[4]，黑水系統(tǒng)采用真空馬桶的形式。廚房排水系統(tǒng)設(shè)置2臺撇油器，分別為乘客廚房和船員廚房服務(wù)，2臺撇油器分別布置在主廚房和船員廚房的下部機(jī)器處所內(nèi)，方便進(jìn)行管路連接。

3.1 真空收集裝置

3.1.1 真空收集裝置容量的選擇

真空收集裝置容量的計算式可表示為

(1)

式(1)中：Vn為需要的真空裝置的容量，m3/h；A為每沖1次馬桶消耗的空氣量，60 L/次；P為全船人數(shù)；B為沖洗次數(shù)，1次/人/h；C為安全系數(shù)，取1.1。

將全船總?cè)藬?shù)(1 060人)代入式(1)，可求得需要的真空收集裝置容量為69 m3/h。該船設(shè)計3臺真空收集裝置，每臺容量70 m3/h。

3.1.2 真空收集裝置容量的布置

該船設(shè)計3臺真空收集裝置，其中：1臺布置在三主豎區(qū)的前機(jī)艙內(nèi)；2臺布置在四主豎區(qū)的泵艙內(nèi)(見圖1)。前機(jī)艙內(nèi)的真空收集裝置用于收集來自于二主豎區(qū)和三主豎區(qū)的黑水，泵艙內(nèi)的真空收集裝置分別用于收集四主豎區(qū)和五主豎區(qū)的黑水。3臺真空收集裝置通過1根總管連接，并用隔離閥門隔離，平時隔離閥關(guān)閉，各自獨(dú)立工作，當(dāng)任意一臺損壞時，可打開隔離閥互為備用。由于三主豎區(qū)和四主豎區(qū)真空收集裝置分別布置在三主豎區(qū)和四主豎區(qū)內(nèi)，管路通過隔離閥隔離，實現(xiàn)相互獨(dú)立，可滿足安全返港安全區(qū)域的要求。需注意，真空收集裝置所在房間的電力供用來自于不同的機(jī)艙，以防止1個機(jī)艙內(nèi)的供電出現(xiàn)故障時影響到真空收集系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.1.3 真空收集裝置型式的選擇

真空收集裝置選用EVAC的DSV型號，該型真空收集裝置有以下優(yōu)點：

1) 設(shè)置分離管束，實現(xiàn)空氣與污水分流式排水系統(tǒng)(見圖2)。當(dāng)污水經(jīng)過分離管束時，依靠重力流到下方，通過無堵塞的強(qiáng)力污水泵排出，污水排出效率高，而頂部的空氣由真空泵抽出，制造壓力范圍在0.03～0.06 MPa的相對真空環(huán)境。與傳統(tǒng)的既排空氣又排污水的合流式真空系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可更好地應(yīng)對人數(shù)較多、運(yùn)行壓力較大的狀況，2臺泵功能獨(dú)立，從而可選擇更適于運(yùn)輸介質(zhì)型式的泵，工作效率大大提高。

圖2 真空收集裝置分離管

2) 污水泵為凸輪式容積泵，使用過程中2個同步轉(zhuǎn)子并列朝向?qū)Ψ?見圖3)，將轉(zhuǎn)子室分成幾個小空間，并按一定的次序，分別朝順時針和逆時針方向旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成排水腔。轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)會在吸入端形成部分真空，使液體吸入泵內(nèi)，通過轉(zhuǎn)子順著容積流動的方向輸送至出料口；當(dāng)轉(zhuǎn)子在排放端口重新嚙合時形成壓力，液體被排出，泵的流量與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，在停止時轉(zhuǎn)子之間幾乎處于完美密封狀態(tài)[5]。

圖3 凸輪泵的工作原理

與普通的鋼質(zhì)離心葉片泵相比，該泵的自吸能力較強(qiáng)，允許短時間干摩擦，轉(zhuǎn)速低，噪聲和振動小，遇到比較堅硬的物質(zhì)時不易被卡住或損壞，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速無關(guān)，維修拆卸簡單，同時凸輪泵轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間保持有一定的間隙，可運(yùn)載較大的雜質(zhì)和高黏度的濃縮污泥。由于凸輪采用的是復(fù)合橡膠材質(zhì)，更耐腐蝕。

3.2 污水處理裝置的選擇

3.2.1 污水處理裝置的容量

根據(jù)CLEANSHIP推薦的計算方法，可得到污水處理裝置的容量為365 m3/d。為防止污水處理裝置損壞，導(dǎo)致全船的廁所不能使用，該船選用2臺污水處理裝置，每臺的容量為200 m3/d。

3.2.2 污水處理裝置的布置

根據(jù)MSC.1/CIRC.1369對安全返港的第36條解釋[3]，在安全返港的情況下，允許黑水和灰水排放至海中。因此，可將2臺污水處理裝置布置在同一個房間內(nèi)，以方便管路的相互連接和控制管理。

3.2.3 污水處理裝置型式的選擇

目前已知的既能做到滿足200 m3/d的容量要求，又能做到滿足除磷、除氮要求，且其產(chǎn)品在國際郵船領(lǐng)域應(yīng)用較多的污水處理裝置廠商主要有SCANSHIP和EVAC，其中：SCANSHIP的污水處理裝置采用生化式處理方式；EVAC的污水處理裝置采用生活膜式處理方式。這2種污水處理裝置的主要特點如下：

1) SCANSHIP的污水處理裝置(見圖4)用于好氧生物氧化[6]、溶氣浮選和紫外線消毒。所有灰水和污水都在1個收集槽內(nèi)混合，用泵抽出混合廢水，通過1臺粗鼓形過濾器之后，通過2臺分開的充氣生物反應(yīng)器。每臺生物反應(yīng)器通過自由漂浮的塑料珠子來支持生物生長，不再需要回收的生物質(zhì)量。在充氣之后，將廢水抽到2個溶氣浮選裝置進(jìn)行固體分離。從溶氣浮選裝置出來的廢水抽到拋光篩選過濾網(wǎng)，在最終處理階段，對廢水進(jìn)行紫外線消毒，以減少病原菌。

圖4 SCANSHIP的污水處理裝置示意

2) EVAC 的膜式生物反應(yīng)器(Membrance Bio-Reactor,MBR)是單一水流的污水處理裝置(見圖5)[6]，將所有的廢水流用1個過程處理，污水以有效均勻比例混合排入污水艙，以預(yù)處理篩網(wǎng)、充氣生物槽和膜生物反應(yīng)器為基礎(chǔ)。過程完全自動化，通過真空/壓力開關(guān)、水位開關(guān)、溶解氧、總固體懸浮含量和pH傳感器，流量計和泡沫檢測器等將所有信息集中在計算機(jī)上進(jìn)行監(jiān)控。過濾膜是浸水型膜。

圖5 EVAC MBR污水處理裝置示意

比較上述2種污水處理裝置可知:SCANSHIP生化法后期的維護(hù)成本較低，但系統(tǒng)復(fù)雜，需外接很多管路，且需很大的污水儲存艙柜用于生化反應(yīng)，適用于空間充裕的大型船舶；EVAC后期需對膜進(jìn)行更換，維護(hù)成本較高，但設(shè)備管路主要集中在污水處理裝置內(nèi)部，管路連接簡單，不需要很大的污水儲存艙。由于該船有空間限制，最終選用EVAC生化膜式的污水處理裝置。

4 管路系統(tǒng)設(shè)計和分析

4.1 管路材質(zhì)選擇

考慮到郵船質(zhì)量控制，該船上層建筑的污水管采用PPR塑料管，機(jī)器處所因有防火要求，采用鍍鋅鋼管。

4.2 管徑選擇

污水管路的大小要滿足排放負(fù)荷的要求，灰水管因采用重力排放的方式，其管徑可參考《船舶設(shè)計手冊(輪機(jī)分冊)》第五篇第5.3.2.3節(jié)的要求設(shè)計，這里不再詳細(xì)討論。黑水管管徑的選擇見表1。

為方便維修，通常每根主管最多連接50～60個真空馬桶。公共衛(wèi)生間內(nèi)頻繁使用的真空馬桶應(yīng)直接與支管連接。該船將每個主豎區(qū)內(nèi)的黑水管分為2根總管，分別處理該主豎區(qū)內(nèi)左舷和右舷的污水，以保證馬桶數(shù)量不超過50個。

表1 黑水管管徑的選擇

4.3 管路系統(tǒng)設(shè)計

客船艙室的污水管主豎區(qū)要獨(dú)立設(shè)計，每個主豎區(qū)內(nèi)的管路布置原則見圖6，不同主豎區(qū)間之間的污水管不可有連接。管路的負(fù)荷應(yīng)平均分配，布置時要考慮到船舶縱搖、橫搖和縱傾的情況，以防止污水倒流。水平管路最好有一定的傾斜角度，橫向水平的距離不能太長，每隔25～30 m設(shè)一個U型彎，U型彎的總抬升高度不能超過3 m(見圖7)，醫(yī)務(wù)室的污水排放要單獨(dú)加一個真空界面閥，以防止病菌傳播到其他房間。在布置真空收集裝置的透氣管路時，要注意滿足安全返港的要求，透氣管路不可布置在同一個房間內(nèi)。

圖6 污水管布置圖

注意：總高度H1+H2+…+Hn≤3 m

4.4 檢修孔布置

檢修孔必須布置在可能發(fā)生堵塞的地方，檢修孔之間的最長距離為25～30 m。檢修孔具體位置為：水平管的末端；垂直主管的上末端；U型彎處；90°轉(zhuǎn)彎處。

4.5 管路穿過防火艙壁處理

當(dāng)塑料管穿過防火艙壁時，要保證其防火穿艙等級，塑料管防火穿艙示意見圖8。

圖8 塑料管防火穿艙示意

4.6 管系試驗

在組裝、安裝完畢真空管路之后，必須對其進(jìn)行真空壓力試驗，確保管路的氣密性滿足要求，管路的最小耐壓等級為1 MPa。

5 結(jié) 語

該船通過設(shè)計多個污水儲存艙和駁運(yùn)泵，解決了要求污水零排放區(qū)域內(nèi)的污水儲存問題;選用真空式馬桶和塑料管，提高了空間利用率，節(jié)約了水源，減輕了船舶的質(zhì)量。合理布局真空收集裝置和污水管路，滿足了船舶安全返港的要求。此外，計算并優(yōu)化了管路設(shè)計，降低了管路堵塞的可能性；對比了污水處理裝置的優(yōu)缺點，選擇了最適合該船的真空收集裝置和污水處理裝置。