船舶疏排水系統(tǒng)的防疫功能設(shè)計(jì)

楊帆,方斌,王起

(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011;2.廣船國際有限公司,廣州 511445)

新冠疫情對全球運(yùn)輸業(yè)造成巨大沖擊,船舶相對封閉的環(huán)境有利于新冠肺炎病毒的傳播,在出現(xiàn)確診病例后船上乘員的感染速度明顯超過陸上平均水平。已有研究表明,新型冠狀病毒可以通過消化道、接觸和呼吸道3三種傳播途徑感染人群[1],通過建立區(qū)域隔離和組織艙室氣流[2],將接觸區(qū)與密切接觸區(qū)的黑灰水分區(qū)收集[3-4],能有效提升疫情應(yīng)對能力。我國傳染病醫(yī)院建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要參照發(fā)布于2014年的GB50849《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[5];新冠疫情后,中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會出臺了《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應(yīng)急醫(yī)療設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6];中國船級社(CCS)發(fā)布的《船舶防疫安全指南》[7]通過劃分安全區(qū)域及改造艙室通風(fēng)提升運(yùn)營船舶的防疫能力。船上存在病毒通過污水進(jìn)行消化道和接觸傳播的風(fēng)險(xiǎn),但還沒有船舶行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范指導(dǎo)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工。由于船舶同陸地環(huán)境不同,陸用傳染病建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不能完全適用于指導(dǎo)船舶設(shè)計(jì)建造。

為提升船舶防疫能力,考慮針對船舶疏排水及污水處理系統(tǒng),參考陸上設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,結(jié)合船舶環(huán)境,通過論證分析和實(shí)船試驗(yàn),明確真空黑水系統(tǒng)、重力灰水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,分析污水處理系統(tǒng)的原理、功能以及性能,并針對關(guān)鍵工藝提出解決方案。

1 真空黑水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

1)區(qū)域獨(dú)立。使?jié)撛诟腥緟^(qū)與潔凈區(qū)域疏排水總管分別獨(dú)立接入真空收集裝置。

2)管路“豎直分區(qū),水平分層”。豎直總管的設(shè)置應(yīng)當(dāng)滿足30 m范圍內(nèi)真空器具的匯入,總管分別設(shè)置隔離閥,便于緊急隔離;同一收集總管上接入的收集裝置數(shù)量不宜過多。

3)適當(dāng)提升系統(tǒng)真空度。通過提升系統(tǒng)真空度下限至35%左右,提升最小抽吸能力,由于高真空度在沖洗時(shí)會產(chǎn)生較大的動(dòng)力,對真空界面閥造成沖擊,同時(shí)也會產(chǎn)生較大的噪音[8],因此在終端配置時(shí)可以考慮低噪聲器具,盡量將噪聲控制在65 dB(A)以下,同時(shí)將真空度上限控制在65%附近。

4)適當(dāng)加大真空罐的有效容積,根據(jù)用戶數(shù)量按照100L/100人配備。

5)設(shè)備選型時(shí)提高真空泵的抽吸量,提升瞬時(shí)真空建立能力,減少重新建立真空的時(shí)間。

6)引入變頻調(diào)速真空泵及真空調(diào)節(jié)系統(tǒng),通過在設(shè)備和系統(tǒng)中安裝液位及壓力傳感器,自動(dòng)監(jiān)測并處理異常狀態(tài)下系統(tǒng)中可能存在的“擁堵”,正常工況下降低功耗運(yùn)行。

7)終端采用沖洗效果好、污物不易黏附且回流少的器具,如帶虹吸原理噴沖式座便器等,提高污物通過速率。

2 重力灰水系統(tǒng)防疫功能優(yōu)化

1)設(shè)置灰水收集泄放裝置避免艙室返氣。部分工作艙室可使用可關(guān)閉式地漏,根據(jù)防疫需要開關(guān)。陸上醫(yī)院采用帶存水彎的水封,但是在船上可能存在補(bǔ)水不及時(shí)、橫縱傾時(shí)水封被破壞等情況;部分水封需設(shè)置在污染區(qū)以外的艙室頂部裝修夾層內(nèi),存在清污困難和臟堵清污不利于污染控制的情況。3種地漏設(shè)置方案見圖1,可采用帶止回能力的污物收集器,并設(shè)置清污口位于甲板面以上的收集裝置;或采用緩干耗及蒸汽擴(kuò)散設(shè)計(jì)的地漏,同時(shí)考慮維修性,根據(jù)施工和放樣針對性地選用。

2)采用環(huán)形透氣管路,見圖2。灰水總管旁增設(shè)透氣總管,及時(shí)將回水總管中的氣體導(dǎo)流至透氣總管中,降低壓力波動(dòng),同時(shí)將各層灰水支管末端接至透氣總管上,防止系統(tǒng)末端憋氣。透氣總管上可安裝透氣凈化裝置,末端伸至露天區(qū)域。透氣頭宜與防疫功能區(qū)其他系統(tǒng)同類污染風(fēng)險(xiǎn)排出口集中布置,遠(yuǎn)離空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)口。

3)凝水增加泄放。空調(diào)風(fēng)機(jī)凝水和艙壁凝水收集的方法見圖3。凝水經(jīng)過存水彎或浮球式止回閥后就近接入灰水系統(tǒng),同時(shí)可保證設(shè)備與污水系統(tǒng)和艙室間的氣密隔離。

圖3 空調(diào)風(fēng)機(jī)凝水及艙壁凝水收集方法示意

4)透氣凈化裝置。運(yùn)營中的豪華游輪一般采用紫外線燈對空氣進(jìn)行消殺,而船級社為保證防疫效果傾向于使用高效過濾器,空調(diào)廠家選擇同時(shí)使用中效濾器和空氣消殺技術(shù)[9]。從實(shí)際使用來看,凈化裝置應(yīng)當(dāng)考慮過濾效果、防腐防污、接電便捷性。紫外線消毒方式需在相對封閉的空間內(nèi),根據(jù)空氣量維持一段時(shí)間的氣體靜置才能達(dá)到消殺效果;高效過濾器可以實(shí)時(shí)捕捉病毒,更適合船舶防疫消殺使用。

3 污水處理裝置

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評估

當(dāng)前船舶為滿足IMO法規(guī)要求,配備了以處理BOG、DOG等有機(jī)負(fù)荷為主的生活污水處理裝置,但無法對污水進(jìn)行快速消毒,存在病毒通過氣溶膠在一定空間內(nèi)傳播的可能。未經(jīng)消毒處理的污水直接排放還會造成海洋環(huán)境污染。

3.2 處理工藝

船舶現(xiàn)階段應(yīng)用的主要污水處理工藝見表1。分析認(rèn)為,膜分離生化法及電解處理技術(shù)存在技術(shù)優(yōu)勢,自動(dòng)化程度高,但也存在投資和運(yùn)行費(fèi)用高,維護(hù)難度大的問題。然而,考慮到疫情防控的危險(xiǎn)性和特殊性,處理工藝應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮處理效果、出水穩(wěn)定、維護(hù)方便,建議船舶采用膜分離生化法及電解處理技術(shù)。

3.3 消毒工藝

參考陸上污水處理系統(tǒng)的消毒技術(shù),比較主流技術(shù)的消毒工藝見表1,其中含氯消毒劑主要問題是對病毒和芽孢殺滅效果差,并且需要人工參與度高,增加了人員進(jìn)入高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的頻率,不利于疾病防控;紫外線消毒的主要問題是對懸浮物濃度要求高,如前端生化深度處理的中膜過濾環(huán)節(jié)發(fā)生膜的破損造成出水懸浮物增高,無法保證最終消毒殺菌效果。見表2。

表2 主要消毒工藝的比較

合適濃度下的臭氧消毒迅速,可自行分解,無有毒殘留,相比氯及紫外線更適合作為污水處理的消毒工藝。但臭氧難儲存易分解,因此需要配置專用臭氧發(fā)生器及氧化反應(yīng)水箱。

3.4 處理流程

根據(jù)《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》,污水應(yīng)在收集后,經(jīng)“預(yù)消毒+過濾+沉淀/脫氯(如有)”的預(yù)消毒流程,采用“二級處理+消毒工藝”使水質(zhì)達(dá)到GB18466《醫(yī)療機(jī)構(gòu)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的排放標(biāo)準(zhǔn)。適用于船用環(huán)境的防疫污水處理流程見圖5。收集的污水進(jìn)入污水收集柜或儲存艙進(jìn)行初步沉淀。當(dāng)水量累積到一定程度后,駁運(yùn)至污水處理裝置進(jìn)行二次處理。船舶污水周轉(zhuǎn)速度快,消毒劑在有限時(shí)間內(nèi)無法做到快速分解,殘氯會殺滅生化菌群,因此將消毒流程后置,通過帶臭氧發(fā)生器的氧化反應(yīng)水箱投放消毒劑,通過在線監(jiān)測消毒劑濃度的方式判斷殺菌效果。經(jīng)處理的污水可在適當(dāng)區(qū)域直接排舷,或儲存在污水艙中等待排岸。

圖5 帶防疫功能的船舶污水處理流程

4 建造工藝

4.1 管材選用

防疫時(shí)船員往往會向衛(wèi)生器具投放含氯消毒劑來殺滅病原體。但由于消毒劑對管路有腐蝕作用,船舶管路材質(zhì)也應(yīng)當(dāng)考慮防疫要求。民用運(yùn)輸船常采用鍍鋅鋼管或PE100、PPR、PVC-U等非金屬管材制作疏排水管路,豪華郵輪、公務(wù)船、科考船及軍用船舶等多采用不銹鋼304L管。

不同管材對含氯消毒劑的耐受程度見表3。鍍鋅鋼管重量大、易腐蝕、難維護(hù),特別是在有消毒劑的環(huán)境下容易加速腐蝕,增大了防控風(fēng)險(xiǎn)。非金屬管對含氯消毒劑的抗腐蝕效果較好,但同時(shí)存在低溫下易收縮、受光照易老化等破壞艙室氣密性的缺點(diǎn)。304L不銹鋼在含有氯氟離子的介質(zhì)中,其鈍化層易遭受破壞,造成腐蝕和管壁破壞。316L不銹鋼在氯離子含量高的時(shí)候可有效地控制腐蝕能力[10],同時(shí)具備“不收縮,不燃燒,不起塵”的特點(diǎn),因此,采用316L不銹鋼作為疏排水管路可保證疫情時(shí)船員對給疏排水管路進(jìn)行消毒,更好提升船舶防疫能力。

4.2 管路布置及施工

考慮到后期故障及維修,結(jié)合船舶建造的實(shí)際情況,總結(jié)出生活污水管系綜合布置要求。

1)生活污水管路布置應(yīng)優(yōu)先布置在污染風(fēng)險(xiǎn)大的艙室,嚴(yán)格控制半污染區(qū)、清潔區(qū)、周圍區(qū)域管路設(shè)施布置數(shù)量,降低管路破損及拆檢污染清潔處所的,布置區(qū)域選擇優(yōu)先級為污染區(qū)→半污染區(qū)/設(shè)備功能艙→清潔區(qū)/衛(wèi)生通過→周圍區(qū)域

2)污染區(qū)供水管路布置應(yīng)減少一級氣密周界貫穿。一級氣密周界貫穿應(yīng)為焊接式,次級氣密周界貫穿應(yīng)封堵嚴(yán)實(shí)。

3)系統(tǒng)管路應(yīng)減少污染區(qū)域內(nèi)可拆接頭的選用,降低污染風(fēng)險(xiǎn),連接件可用法蘭、套管或擠壓接頭。

4)危險(xiǎn)區(qū)、清潔區(qū)界面分隔設(shè)施及系統(tǒng)控制閥件不宜布置在清潔區(qū)、周圍區(qū)域內(nèi),宜集中布置于污染區(qū)、病患及污物轉(zhuǎn)運(yùn)通道;污水處理系統(tǒng)相關(guān)閥件宜集中布置在污水處理間內(nèi)。

5)透氣高效過濾器安裝位置可以同透氣設(shè)備布置在同一空間,也可安裝在室外遠(yuǎn)離空調(diào)新風(fēng)口位置。

綜合布置示意見圖6。

結(jié)合艙室通風(fēng)樣艙的放樣和模擬建造,氣密性試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)獨(dú)立灰水管系并配合水封、環(huán)形透氣等設(shè)置,能有效減少灰水跨區(qū),有利于防疫功能區(qū)氣密性控制。

2)透氣裝置機(jī)械排氣可為系統(tǒng)建立微負(fù)壓,滿足氣流分區(qū)控制要求;高效過濾器用于吸附病毒,有效防止病毒逃逸。

3)嚴(yán)格控制污染區(qū)、半污染區(qū)和清潔區(qū)的管路設(shè)施布置特點(diǎn),保證不同區(qū)域和管路的密封性能,可有效降低感控風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

1)真空黑水系統(tǒng)的獨(dú)立分區(qū)分層設(shè)計(jì),配合相應(yīng)管理措施,能有效降低病毒通過污水傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

2)采用“二級處理+消毒工藝”的專用生活污水處理裝置,其排放水的水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)和病毒病菌指標(biāo)能分別滿足IMO MEPC.227(64)規(guī)范和GB/T18466的相關(guān)要求。