大型起重鋪管船防污染設計

（上海佳豪船海工程研究設計有限公司 上海201612）

引 言

隨著經濟的發展和海洋資源的不斷開發利用，各類海洋工程作業船舶（諸如鋪管船、鉆井作業平臺等等）需求日益增多，而海洋工程作業的復雜性及高風險性也讓該類船舶的污染事故頻發。為有效控制降低船舶營運帶來的環境污染，近年來各類防污染法規頻頻發布生效，諸如壓載水公約、國際海事組織及某些國家當局設立氮氧化物排放控制區（TIER Ⅲ標準）、國際海事組織及某些國家當局設立硫氧化物排放控制區等。各類排放控制法規的生效不僅對船舶設計、營運帶來影響，同時也倒逼防污染技術的持續更新，并催生出一系列的防污染設備，如壓載水處理裝置、柴油機廢氣脫硝、脫硫裝置等。

船舶造成的環境污染主要包括：

（1）油類污染；

（2）生活污水及灰水污染；

（3）垃圾污染；

（4）空氣污染；

（5）壓載水有害水生物及病原體污染。

針對上述各類污染，本文將從基礎防污染規范方面著手，簡述各類防污染設計所需滿足的基本要求；同時，基于大型起重鋪管船的船型特點，并著眼于越來越嚴苛的環保要求，闡述該類船型各類前沿創新的防污染設計方案及技術。

1 防污染規范

船舶防污染基本規范要求主要包括法定規范及船級社入級規范兩方面要求。法定規范主要指由國際海事組織頒發的“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”［1］及各國海事局當局規范；船級社入級規范主要指各船級社的環保入級規范，比如中國船級社的“CLEAN”入級標志［2］、美國船級社的“ENVIRO”入級標志［3］以及挪威船級社的“CLEAN”入級標志［4］等。需說明是：法定規范屬于對應掛旗船舶強制需滿足的要求，船級社環保入級規范屬于船東根據需要可選，其環保要求一般均高于法定規范要求。各國海事局當局規范一般與“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”大同小異，當然也有部分國家對其所屬某些海域提出更高的環保要求，比如美國環保署 （EPA）頒發的船舶通用許可證（VGP）要求、中國/歐盟/美國等國家設定船舶排放控制區（ECA）等。

不論是國際海事組織、船舶主管當局還是船舶檢驗單位（如船級社），相應的環保規范都在持續更新，而且越來越多的業主出于營運市場等因素考慮，會主動要求添加船舶環保入級符號，甚至有些船舶會提前滿足暫未生效的環保規范，以期降低后期規范生效而引起的船舶改造費用。因此，船舶防污染設計不僅應著眼于滿足當前基礎規范要求，同時應盡量具有預見性地考慮未來船舶防污染的趨勢，在現有技術可行前提下，最大限度降低船舶營運所帶來的污染。

2 油類污染

油類污染是海洋污染中最普遍、最嚴重的污染。石油是一種很復雜的自然的有機混合物，具有一定毒性，大量石油會在海面形成油膜，影響水中氧的補充和植物光合作用。船舶產生的油類污染主要來源于船舶事故導致的大量石油泄漏、船舶排放含油污水以及船舶油水界面設備密封油泄漏等。“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”及各國海事局當局規范均對防止上述污染有明確規范要求，諸如：對載運燃油超過600 m3以上船舶，需設置燃油艙保護以降低事故漏油風險；機械處所的含油污水需設置專用收集艙及油污水分離裝置，油污水排放需經該處理裝置處理且當含油濃度低于15 ppm（0.0015%）才允許排放，以降低船舶排放含油污水的污染等。各船級社環保入級規范也均在法定規范基礎上，額外補充了部分防止油類污染的要求。

大型起重鋪管船防止油類污染設計在滿足上述法定規范的基礎上（如設置油污水艙及油水分離器、燃油艙設置滿足規范要求的保護措施等），同時基于該船型的部分特點，采用如下前沿設計以更大限度地降低油類污染：

（1）鑒于該類船型油水界面設備多，所有油水界面設備（如推進器、舵承等）均采用環保潤滑油（EAL），環保潤滑油指可生物降解、最低限度毒性、非生物累積的潤滑油，可有效降低油水界面設備漏油對環境產生的危害，替代措施也可以采用空氣型艉軸密封［5］。

（2）鑒于該類船型柴油機裝機功率一般較大，輔助配套機械設備較多，機械處所產生的油污水較多，故在機械處所設置最新型的油污水分離裝置處理油污水，并規定其分離排放油污水的含油濃度應低于5 ppm（0.0005%）。該標準較法定規范要求的15 ppm（0.0015%）嚴格得多；

（3）鑒于該類船型甲板面特種作業設備多，甲板漏油風險較大。設置甲板雨水收集系統，露天工作區域甲板及露天含油設備（如錨機、吊機等）周邊設置圍油欄，圍油欄內設置地漏排放雨水，排放管路上設置油份濃度監測裝置，當雨水含油濃度超過5 ppm（0.0005%）將自動將上述雨水排至艙底水艙至油污水分離裝置分離再排放，相反可直接排舷外。該設置可有效降低甲板工作區域及露天含油設備含油污水的排放污染。系統簡圖如圖1所示。

圖1 甲板雨水收集系統

3 生活污水及灰水污染

生活污水（小便、糞便及醫務室排放污水等）未經處理任意排放入海，會發生一系列生化作用，大量生活污水排放入海，會造成水中溶解氧的含量降低，造成水中的魚類等動物死亡或者遷移，同時也會污染水源、傳播疾病、危害人類健康。生活灰水（廚房污水及洗滌灰水等）成分以淡水為主，含雜質較少，對水體的污染較小，在大部分區域生活灰水可直接排放。近年來，鑒于船舶生活灰水排放量大，且帶含磷排放物，其污染危險性也逐漸倍受關注。“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”及各國海事局當局規范均對防止船舶生活污水污染均有明確規定，諸如：設置生活污水艙及排岸管路、設置滿足規范要求的生活污水處理裝置等。生活灰水法定規范并沒有排放控制要求，但各船級社的環保入級規范有相關排放要求。

大型起重鋪管船防止生活污水及灰水污染設計除滿足上述法定規范的基礎（如設置了生活污水艙及排岸管路、設置滿足規范要求的生活污水處理裝置等），同時基于該船型的部分特點，采用了如下前沿設計以更大限度地降低生活污水及灰水污染：

（1）鑒于該類船型作業人員較多，且多為“三班倒”連續作業，生活污水及灰水產量大，污水處理裝置負荷大且要求持續運行。因此，設置兩套生活污水處理裝置，一用一備，避免因單一設備故障導致生活污水未經處理排放。所有生活污水排舷外都必須經過處理裝置處理達標排放，即使生活污水儲存到生活污水艙也需要經過處理后進倉，最大限度避免排放未經處理的生活污水。

（2）鑒于該類船型工作人員分散，相應衛生設施也遍布全船。因此，為避免衛生輸排管路布置困難，通常在船的首尾處分設生活污水、灰水儲存艙及生活污水處理裝置。

（3）生活污水處理裝置同時處理灰水，灰水排放也需經過生活污水處理裝置處理達標排放。

（4）設置足夠容量的生活污水及灰水儲存艙（滿足10天全船人員污水排放），用于某些“零排放”區儲存生活污水及灰水。

4 垃圾污染

船舶垃圾主要包括：塑料制品、墊艙物料、襯料、包裝材料、金屬、玻璃、陶器制品以及食品垃圾等。船舶垃圾的任意排放入海會帶來如下影響，如：垃圾中的有毒物質進入水體后將直接毒害水生生物；垃圾中的有機物需要消耗水中的溶解氧，影響水體的自凈能力；沉積海底的垃圾積聚，會改變動植物天然營養條件，甚至造成海底嚴重污染，致使某些生物滅絕。“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”及各國海事局當局規范均對防止船舶垃圾污染均有明確規定，諸如：明確各類垃圾的排放要求（規定某些垃圾不能直接排放入海，某些垃圾必須距離陸地一定距離才允許直接排放入海等）。需設置滿足規范要求的“垃圾管理計劃”，就收集、儲藏、加工和處理垃圾以及船上設備使用等提供書面程序，還應指定負責執行該計劃的人員。船舶垃圾管理更多的是依靠嚴格執行“垃圾管理計劃”，來有序地控制船舶垃圾的排放［6］。

為滿足上述基本的法定規范要求，常規該類船型設置滿足規范要求的焚燒爐裝置用于焚燒規范允許的船舶垃圾，同時設置專門的垃圾打包機及垃圾儲藏間用于垃圾存放，以便到港排至岸上的接收設備，船上張貼“垃圾管理計劃”，船員嚴格按照“垃圾管理計劃”執行垃圾處理。

上述設置已經滿足現有法規基本要求，也是大多數船舶的常規設計，該設計用于常規固體垃圾處理（打包至岸上接受設備或者焚燒）已經足夠。然而船舶垃圾除固體垃圾外還有食物垃圾，尤其對于大型起重鋪管船而言，其作業人員多，且多為“三班倒”連續作業，食物消耗相對常規船舶大很多，相應的食物垃圾的排放污染顯得尤為突出。法規允許食物垃圾經粉碎后距離陸地一定距離以上直接排放入海，然而在港口區域及某些“零排放”區域，食物垃圾不允許直接排放入海，食物垃圾特性導致其無法像固體垃圾一樣打包或者焚燒，而常規儲存容易滋生細菌并產生異味，影響船員健康。因此，該類船型特別設置食物垃圾真空收集系統，系統簡圖如圖2所示。

圖2 食物垃圾真空收集系統

系統包括食物垃圾收集站、真空泵站、食物垃圾儲存罐及食物垃圾排放泵等。位于廚房的食物垃圾收集站將食物垃圾粉碎并混合部分淡水，將食物垃圾處理成較為均勻的流體，再通過真空泵站將上述食物垃圾輸送至食物垃圾儲存罐。當船舶位于食物垃圾允許排放區域內，可直接將儲存罐垃圾直接排舷外，當位于港口區域及某些“零排放”區域時候，可選擇排至岸上接收設備，或儲存在食物垃圾儲存罐內。

5 空氣污染

造成空氣污染的船舶排放物主要包括：消耗臭氧物質、氮氧化物、硫氧化物以及船上垃圾焚燒廢氣物等。消耗臭氧物質的排放會加劇臭氧層的破壞，氮氧化物及硫氧化物是酸雨形成的重要成分，人體吸入會對身體健康帶來危害。

上述各類大氣污染物排放主要來自船上如下設施：

（1）冷藏設備（包括食品冷藏設備及空調系統）的制冷劑以及消防介質可能含有消耗臭氧物質；

（2）船上柴油發動機燃燒廢氣含有氮氧化物及硫氧化物；

（3）船上焚燒爐焚燒垃圾所產生的廢氣。

《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）及各國海事局當局規范均對防止船舶空氣污染均有明確規定，諸如：明確規定船上不能采用消耗臭氧物質的制冷劑及消防介質；船上輸出功率大于130 kW柴油發動機（除應急發動機外）的氮氧化物排放標準需滿足TIER Ⅱ排放標準，對在氮氧化物排放控制區內，氮氧化物排放標準需滿足TIER Ⅲ排放標準；船舶所用燃油含硫量需低于3.5%，對在硫氧化物排放控制區內，所用燃油含硫量需滿足對應控制區的排放要求。為降低焚燒爐焚燒產生廢氣污染，禁止焚燒部分種類垃圾，且焚燒爐需為經型式認可的產品。

大型起重鋪管船防止空氣污染設計滿足上述法定規范的基礎上，比如冷藏設備制冷劑及消防介質均采用不消耗臭氧物質的介質，船上發動機氮氧化物排放標準滿足TIER Ⅱ排放標準，所用燃油含硫量低于3.5%，焚燒爐采用經船級社型式認可的產品。除以上常規設置外，基于該船型的部分特點進一步采用了如下環保設計措施，以進一步降低船舶造成的空氣污染：

（1）鑒于該類船型冷藏系統較大，全船冷藏系統（包括食品冷藏系統及空調系統）均設置了制冷劑回收裝置，最大限度降低制冷劑更換過程的泄漏量；此外，在全船冷藏系統設備附近設置有制冷劑泄漏探測裝置，以防制冷劑意外泄漏。

（2）鑒于該類船型柴油機裝機功率大，廢氣排放多，船上發動機（除應急發動機外）設置廢氣脫硝系統，使發動機氮氧化物排放標準滿足TIER Ⅲ排放標準，系統簡圖如圖3所示。系統主要包括了尿素混合單元、反應器及尿素泵等設備，通過向柴油機廢氣中混合一定濃度的尿素溶液，經反應器內的催化劑作用，使尿素溶液與廢氣中的氮氧化物發生催化還原反應成氮氣及水，從而降低廢氣中氮氧化物的濃度。

圖3 柴油機廢氣脫硝系統

（3）針對硫氧化物排放控制區要求的船上使用的燃油的含硫量不應超過0.1%（即低硫輕柴油），為滿足該類輕柴油的安全可靠使用，發動機燃油系統設置了低硫油制冷單元，能夠滿足含硫量不大于0.1%的輕柴油使用，完全滿足任何硫氧化物排放控制區要求。系統主要在常規發動機供油管上增設了一套低硫油冷卻系統，用于當使用低硫油工況下，降低供油溫度，以保證柴油機對燃油進機粘度的要求。

6 壓載水有害水生物及病原體污染

船舶壓載水和沉積物的無節制排放導致有害水生物和病原體的轉移，對環境、人體健康、財產和資源造成損傷或損害。國際海事組織（IMO）在2004年2月通過了《2004年國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》（以下簡稱“壓載水公約”）［7］，旨在通過船舶壓載水和沉積物的控制和管理來防止、減少并最終消除有害水生物和病原體的轉移對環境、人體健康、財產和資源引起的風險。

該公約在歷經十多年的漫長等待后，最終確定于2017年9月8日生效，這也就意味著之后的新造船舶將強制要求安裝壓載水處理裝置，以保證壓載水排放達到《2004年國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》中要求的D-2排放標準。

大型起重鋪管船由于起重作業需要，會配置大排量的壓載水系統以滿足起重作業過程調整船舶浮態要求，為滿足上述防污染規范要求，常規需配置與該船壓載水系統的排量相一致的壓載水處理裝置，相應的壓載水處理裝置的處理量要求會非常大，這不僅給船舶設計布置、設備維護等帶來困難，同時增加了船舶的建造及運營成本。

為解決上述壓載水處理裝置配置過大的問題，考慮到該船型在起重作業過程中主要需要在作業地點短時間內進、排大量壓載水或者調撥大量壓載水，而在船舶調遣或者航行過程一般無需進、排大量壓載水。結合上述特點，該類船型可設置“作業壓載水系統”以及“航行壓載水系統”分別用于該船作業工況及航行工況，“作業壓載水系統”由于需滿足起重作業，其排量較大，“航行壓載水系統”相對排量要小很多。由于“作業壓載水系統”僅用于在該船作業區域定點進、排壓載水，不涉及異地壓載水的進、排情況，因此，該系統可無需設置壓載水處理裝置；而“航行壓載水系統”主要用于船舶航行異地進、排壓載水，以調整船舶航行或進出港工況吃水，該系統排量較小，相應配置的壓載水處理裝置處理能力也較小，大大方便了船舶的布置，同時降低了船舶壓載水處理裝置的投資及營運成本。

7 結 語

隨著日益嚴苛的各類環保規范的生效，船舶防污染設計既是船舶設計的重點也是難點。一個優秀的防污染設計方案，不應僅局限于當前基礎規范要求，還應大力推廣采用行業新型有效的防污染技術，促進行業防污染技術的不斷創新，同時結合各類船型的實際營運特點，“量身定做”相應的防污染系統，從而“物盡其用”。