37 000总吨邮船生活污水系统设计

刘志杰, 张凌云， 刘 峰

(1.上海世天邮轮发展有限公司，上海 200443； 2.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125;3.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

0 引 言

当前海洋环境污染已是全球性问题，许多国家和国际组织都已制定防止海洋环境污染方面的法律法规。除了《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL 73/78)以外，许多沿海国家都结合自身需求制定了符合其国情的法规。对于污水排放量较大的大型豪华邮船而言，其通常能在无限航区航行，停靠的港口通常不固定，这就要求船舶设计人员在船舶设计阶段准确把握国际污染防治的发展方向，从而在对船用设备进行选型时兼顾成本和实用需求。此外，针对新建邮船的安全返港法规已于2010年7月1日生效[1]，该法规要求船舶发生事故时，安全区域内的污水系统能在船舶安全返港时正常运行，应至少每50人有1间厕所可用，在设计船舶时需对此作特殊考虑。

邮船上人员密集，卫生条件要求较高，生活污水流量较大，管路复杂，且易相互影响，同时可供污水利用和贮存的空间通常不大，需在设计邮船时充分考虑这些问题，优化管路设计。

1 船舶概况

本文以国内首艘自主设计的37 000 t邮船为例进行分析。该船是一艘六星级豪华邮船，无限航区，入级中国船级社和法国船级社，船级社符号为CLEANSHIP-AWT-B和NDO-2DAYS[2]，额定乘员共1 060人(其中660人为乘客，另外400人为船员)，客房共有267间。该船服务的海域为中国南海、日本和韩国附近海域，同时具有长期在美国航行的能力，需满足美国公共卫生署(United States Public Health,USPH)和美国海岸警卫队(United States Coast Guard,USCG)的要求，污水处理装置需满足国际海事组织(International Maritime Organization, IMO) MEPC.227(64)除磷和除氮的要求。该船是2010年以后建造的，应满足最新的安全返港要求。该船共有6个主竖区，其中:艉部一主竖区和二主竖区上层建筑为生活娱乐区；三主竖区至五主竖区为客房。该船定义三主竖区和四主竖区为安全返港安全区域。

2 污水系统分析

根据BV CLEANSHIP推荐的生活污水排放限值, 灰水产量每人每天约330 L，真空式马桶黑水产量每人每天约12 L[2]。考虑到一些海域有污水零排放的限制，要求船上的污水舱能储藏2 d的生活污水。根据船上人数可求得2 d共需灰水舱容积684 m3，黑水舱容积26 m3，如此大的舱容很难用1个污水舱实现。同时，为减少管路布置，使污水排放更顺畅，该船共设计9个灰水舱和1个黑水舱(见图1),其中灰水舱的容积共计690 m3，分别布置在三主竖区和四主竖区。为使各灰水舱收集的灰水尽可能地均匀，将二主竖区的灰水排放至前机舱的灰水舱内，三主竖区的灰水排放至冷水机组舱的灰水舱内，四主竖区的灰水排放至污水处理舱的灰水舱内，五主竖区的灰水排放至泵舱的灰水舱内，同时各灰水管留有直接排至舷外的接口。黑水混合舱的容积为30 m3。黑水舱尽量不要设在双底处，内部的加强构件要布置在舱外，以便日后对其进行维护和清理，该船的黑水舱设计在冷水机组间的双底上方。由于该船设定三主竖区和四主竖区为安全返港安全区域，根据MSC.1/CIRC.1369对安全返港的第42条解释[3]，安全区域内应至少每50人或不足50人有1间厕所。 三主竖区有98个马桶，四主竖区有220个马桶，可满足该要求。须注意，在布置三主竖区和四主竖

图1 机器处所污水系统布置

区的灰水管路和黑水管路时，应保证这2个主竖区内的管路相互独立，避免三主竖区与四主竖区之间的管路相互连接，防止安全返港时相互影响。该船四主竖区内的灰水总管连接到三主竖区内污水处理舱的灰水舱内，当三主竖区发生事故安全返港时，需关闭隔离阀，打开舷侧阀，直接将污水排至舷外，可满足安全返港要求。黑水总管的操作与此相似。

由于9个灰水舱分布在三主竖区和四主竖区，在收集灰水时很难保证各灰水舱收集的污水均匀，在每个灰水舱所在房间设置2台污水驳运泵(互为各用)，各泵之间通过总管连接，实现各灰水舱间的调驳，每个污水舱都设置液位遥测和高位报警，驳运泵可在集中控制室进行远程控制。

灰水排放可采用以下方式：

1) 在水质排放不受限制的水域，灰水直接排至舷外；

2) 在水质排放受限制的水域，灰水先排放到各灰水舱，再经污水驳运泵排放到黑水混合舱，最终经污水处理装置处理之后排到舷外；

3) 在水质排放要求特别严格的零排放限制水域，灰水排放至灰水舱贮存，到港口之后可通过通岸接头排放至码头接收设备或接收船；

4) 安全返港时，灰水可直接排放至舷外。

黑水排放可采用以下方式：

1) 在水质排放不受限制且距离陆地超过12 n mile的水域，黑水可直接排放至舷外；

2) 在水质排放受限制或距离陆地不超过12 n mile的水域，黑水可通过真空收集装置排放至黑水混合舱，最终经污水处理装置处理之后排放至舷外；

3) 在水质排放要求特别严格的零排放限制水域，黑水可通过真空收集装置排放至黑水混合舱，到港口之后可通过通岸接头排放至码头接收设备或接收船中；

4) 安全返港时，黑水可直接排放至舷外。

3 设备选型分析

该船人数众多，房间密集，为减小管径，以便更好地控制船舶的质量，方便安装管网，提高船舶的经济性和节约用水[4]，黑水系统采用真空马桶的形式。厨房排水系统设置2台撇油器，分别为乘客厨房和船员厨房服务，2台撇油器分别布置在主厨房和船员厨房的下部机器处所内，方便进行管路连接。

3.1 真空收集装置

3.1.1 真空收集装置容量的选择

真空收集装置容量的计算式可表示为

(1)

式(1)中：Vn为需要的真空装置的容量，m3/h；A为每冲1次马桶消耗的空气量，60 L/次；P为全船人数；B为冲洗次数，1次/人/h；C为安全系数，取1.1。

将全船总人数(1 060人)代入式(1)，可求得需要的真空收集装置容量为69 m3/h。该船设计3台真空收集装置，每台容量70 m3/h。

3.1.2 真空收集装置容量的布置

该船设计3台真空收集装置，其中：1台布置在三主竖区的前机舱内；2台布置在四主竖区的泵舱内(见图1)。前机舱内的真空收集装置用于收集来自于二主竖区和三主竖区的黑水，泵舱内的真空收集装置分别用于收集四主竖区和五主竖区的黑水。3台真空收集装置通过1根总管连接，并用隔离阀门隔离，平时隔离阀关闭，各自独立工作，当任意一台损坏时，可打开隔离阀互为备用。由于三主竖区和四主竖区真空收集装置分别布置在三主竖区和四主竖区内，管路通过隔离阀隔离，实现相互独立，可满足安全返港安全区域的要求。需注意，真空收集装置所在房间的电力供用来自于不同的机舱，以防止1个机舱内的供电出现故障时影响到真空收集系统的正常运行。

3.1.3 真空收集装置型式的选择

真空收集装置选用EVAC的DSV型号，该型真空收集装置有以下优点：

1) 设置分离管束，实现空气与污水分流式排水系统(见图2)。当污水经过分离管束时，依靠重力流到下方，通过无堵塞的强力污水泵排出，污水排出效率高，而顶部的空气由真空泵抽出，制造压力范围在0.03～0.06 MPa的相对真空环境。与传统的既排空气又排污水的合流式真空系统相比，该系统可更好地应对人数较多、运行压力较大的状况，2台泵功能独立，从而可选择更适于运输介质型式的泵，工作效率大大提高。

图2 真空收集装置分离管

2) 污水泵为凸轮式容积泵，使用过程中2个同步转子并列朝向对方(见图3)，将转子室分成几个小空间，并按一定的次序，分别朝顺时针和逆时针方向旋转，构成排水腔。转子持续旋转会在吸入端形成部分真空，使液体吸入泵内，通过转子顺着容积流动的方向输送至出料口；当转子在排放端口重新啮合时形成压力，液体被排出，泵的流量与转子的转速成正比，在停止时转子之间几乎处于完美密封状态[5]。

图3 凸轮泵的工作原理

与普通的钢质离心叶片泵相比，该泵的自吸能力较强，允许短时间干摩擦，转速低，噪声和振动小，遇到比较坚硬的物质时不易被卡住或损坏，扬程与转速无关，维修拆卸简单，同时凸轮泵转子与转子之间保持有一定的间隙，可运载较大的杂质和高黏度的浓缩污泥。由于凸轮采用的是复合橡胶材质，更耐腐蚀。

3.2 污水处理装置的选择

3.2.1 污水处理装置的容量

根据CLEANSHIP推荐的计算方法，可得到污水处理装置的容量为365 m3/d。为防止污水处理装置损坏，导致全船的厕所不能使用，该船选用2台污水处理装置，每台的容量为200 m3/d。

3.2.2 污水处理装置的布置

根据MSC.1/CIRC.1369对安全返港的第36条解释[3]，在安全返港的情况下，允许黑水和灰水排放至海中。因此，可将2台污水处理装置布置在同一个房间内，以方便管路的相互连接和控制管理。

3.2.3 污水处理装置型式的选择

目前已知的既能做到满足200 m3/d的容量要求，又能做到满足除磷、除氮要求，且其产品在国际邮船领域应用较多的污水处理装置厂商主要有SCANSHIP和EVAC，其中：SCANSHIP的污水处理装置采用生化式处理方式；EVAC的污水处理装置采用生活膜式处理方式。这2种污水处理装置的主要特点如下：

1) SCANSHIP的污水处理装置(见图4)用于好氧生物氧化[6]、溶气浮选和紫外线消毒。所有灰水和污水都在1个收集槽内混合，用泵抽出混合废水，通过1台粗鼓形过滤器之后，通过2台分开的充气生物反应器。每台生物反应器通过自由漂浮的塑料珠子来支持生物生长，不再需要回收的生物质量。在充气之后，将废水抽到2个溶气浮选装置进行固体分离。从溶气浮选装置出来的废水抽到抛光筛选过滤网，在最终处理阶段，对废水进行紫外线消毒，以减少病原菌。

图4 SCANSHIP的污水处理装置示意

2) EVAC 的膜式生物反应器(Membrance Bio-Reactor,MBR)是单一水流的污水处理装置(见图5)[6]，将所有的废水流用1个过程处理，污水以有效均匀比例混合排入污水舱，以预处理筛网、充气生物槽和膜生物反应器为基础。过程完全自动化，通过真空/压力开关、水位开关、溶解氧、总固体悬浮含量和pH传感器，流量计和泡沫检测器等将所有信息集中在计算机上进行监控。过滤膜是浸水型膜。

图5 EVAC MBR污水处理装置示意

比较上述2种污水处理装置可知:SCANSHIP生化法后期的维护成本较低，但系统复杂，需外接很多管路，且需很大的污水储存舱柜用于生化反应，适用于空间充裕的大型船舶；EVAC后期需对膜进行更换，维护成本较高，但设备管路主要集中在污水处理装置内部，管路连接简单，不需要很大的污水储存舱。由于该船有空间限制，最终选用EVAC生化膜式的污水处理装置。

4 管路系统设计和分析

4.1 管路材质选择

考虑到邮船质量控制，该船上层建筑的污水管采用PPR塑料管，机器处所因有防火要求，采用镀锌钢管。

4.2 管径选择

污水管路的大小要满足排放负荷的要求，灰水管因采用重力排放的方式，其管径可参考《船舶设计手册(轮机分册)》第五篇第5.3.2.3节的要求设计，这里不再详细讨论。黑水管管径的选择见表1。

为方便维修，通常每根主管最多连接50～60个真空马桶。公共卫生间内频繁使用的真空马桶应直接与支管连接。该船将每个主竖区内的黑水管分为2根总管，分别处理该主竖区内左舷和右舷的污水，以保证马桶数量不超过50个。

表1 黑水管管径的选择

4.3 管路系统设计

客船舱室的污水管主竖区要独立设计，每个主竖区内的管路布置原则见图6，不同主竖区间之间的污水管不可有连接。管路的负荷应平均分配，布置时要考虑到船舶纵摇、横摇和纵倾的情况，以防止污水倒流。水平管路最好有一定的倾斜角度，横向水平的距离不能太长，每隔25～30 m设一个U型弯，U型弯的总抬升高度不能超过3 m(见图7)，医务室的污水排放要单独加一个真空界面阀，以防止病菌传播到其他房间。在布置真空收集装置的透气管路时，要注意满足安全返港的要求，透气管路不可布置在同一个房间内。

图6 污水管布置图

注意：总高度H1+H2+…+Hn≤3 m

4.4 检修孔布置

检修孔必须布置在可能发生堵塞的地方，检修孔之间的最长距离为25～30 m。检修孔具体位置为：水平管的末端；垂直主管的上末端；U型弯处；90°转弯处。

4.5 管路穿过防火舱壁处理

当塑料管穿过防火舱壁时，要保证其防火穿舱等级，塑料管防火穿舱示意见图8。

图8 塑料管防火穿舱示意

4.6 管系试验

在组装、安装完毕真空管路之后，必须对其进行真空压力试验，确保管路的气密性满足要求，管路的最小耐压等级为1 MPa。

5 结 语

该船通过设计多个污水储存舱和驳运泵，解决了要求污水零排放区域内的污水储存问题;选用真空式马桶和塑料管，提高了空间利用率，节约了水源，减轻了船舶的质量。合理布局真空收集装置和污水管路，满足了船舶安全返港的要求。此外，计算并优化了管路设计，降低了管路堵塞的可能性；对比了污水处理装置的优缺点，选择了最适合该船的真空收集装置和污水处理装置。