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)股份有限公司,上海 200125;3.上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室,上海 200135)
當前海洋環(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?,這就要求船舶設(shè)計人員在船舶設(shè)計階段準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。
本文以國內(nèi)首艘自主設(shè)計的37 000 t郵船為例進行分析。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。
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)的灰水排放至前機艙的灰水艙內(nèi),三主豎區(qū)的灰水排放至冷水機組艙的灰水艙內(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)部的加強構(gòu)件要布置在艙外,以便日后對其進行維護和清理,該船的黑水艙設(shè)計在冷水機組間的雙底上方。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,駁運泵可在集中控制室進行遠程控制。
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。
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器處所內(nèi),方便進行管路連接。
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)的前機艙內(nèi);2臺布置在四主豎區(qū)的泵艙內(nèi)(見圖1)。前機艙內(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,各自獨立工作,當任意一臺損壞時,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艙,以防止1個機艙內(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、運行壓力較大的狀況,2臺泵功能獨立,從而可選擇更適于運輸介質(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,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。
3.2.1 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上進行監(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后期需對膜進行更換,維護成本較高,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。
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,機器處所因有防火要求,采用鍍鋅鋼管。
污水管路的大小要滿足排放負荷的要求,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(輪機分冊)》第五篇第5.3.2.3節(jié)的要求設(shè)計,這里不再詳細討論。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
客船艙室的污水管主豎區(qū)要獨立設(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
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。
當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
在組裝、安裝完畢真空管路之后,必須對其進行真空壓力試驗,確保管路的氣密性滿足要求,管路的最小耐壓等級為1 MPa。
該船通過設(shè)計多個污水儲存艙和駁運泵,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。