船舶疏排水系统的防疫功能设计

杨帆,方斌,王起

(1.中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011;2.广船国际有限公司,广州 511445)

新冠疫情对全球运输业造成巨大冲击,船舶相对封闭的环境有利于新冠肺炎病毒的传播,在出现确诊病例后船上乘员的感染速度明显超过陆上平均水平。已有研究表明,新型冠状病毒可以通过消化道、接触和呼吸道3三种传播途径感染人群[1],通过建立区域隔离和组织舱室气流[2],将接触区与密切接触区的黑灰水分区收集[3-4],能有效提升疫情应对能力。我国传染病医院建设标准主要参照发布于2014年的GB50849《传染病医院建筑设计规范》[5];新冠疫情后,中国工程建设标准化协会出台了《新型冠状病毒感染的肺炎传染病应急医疗设施设计标准》[6];中国船级社(CCS)发布的《船舶防疫安全指南》[7]通过划分安全区域及改造舱室通风提升运营船舶的防疫能力。船上存在病毒通过污水进行消化道和接触传播的风险,但还没有船舶行业相关的标准和规范指导排水系统设计和施工。由于船舶同陆地环境不同,陆用传染病建设标准不能完全适用于指导船舶设计建造。

为提升船舶防疫能力,考虑针对船舶疏排水及污水处理系统,参考陆上设计标准和规范,结合船舶环境,通过论证分析和实船试验,明确真空黑水系统、重力灰水系统的设计要求,分析污水处理系统的原理、功能以及性能,并针对关键工艺提出解决方案。

1)区域独立。使潜在感染区与洁净区域疏排水总管分别独立接入真空收集装置。

2)管路“竖直分区,水平分层”。竖直总管的设置应当满足30 m范围内真空器具的汇入,总管分别设置隔离阀,便于紧急隔离;同一收集总管上接入的收集装置数量不宜过多。

3)适当提升系统真空度。通过提升系统真空度下限至35%左右,提升最小抽吸能力,由于高真空度在冲洗时会产生较大的动力,对真空界面阀造成冲击,同时也会产生较大的噪音[8],因此在终端配置时可以考虑低噪声器具,尽量将噪声控制在65 dB(A)以下,同时将真空度上限控制在65%附近。

4)适当加大真空罐的有效容积,根据用户数量按照100L/100人配备。

5)设备选型时提高真空泵的抽吸量,提升瞬时真空建立能力,减少重新建立真空的时间。

6)引入变频调速真空泵及真空调节系统,通过在设备和系统中安装液位及压力传感器,自动监测并处理异常状态下系统中可能存在的“拥堵”,正常工况下降低功耗运行。

7)终端采用冲洗效果好、污物不易黏附且回流少的器具,如带虹吸原理喷冲式座便器等,提高污物通过速率。

1)设置灰水收集泄放装置避免舱室返气。部分工作舱室可使用可关闭式地漏,根据防疫需要开关。陆上医院采用带存水弯的水封,但是在船上可能存在补水不及时、横纵倾时水封被破坏等情况;部分水封需设置在污染区以外的舱室顶部装修夹层内,存在清污困难和脏堵清污不利于污染控制的情况。3种地漏设置方案见图1,可采用带止回能力的污物收集器,并设置清污口位于甲板面以上的收集装置;或采用缓干耗及蒸汽扩散设计的地漏,同时考虑维修性,根据施工和放样针对性地选用。

2)采用环形透气管路,见图2。灰水总管旁增设透气总管,及时将回水总管中的气体导流至透气总管中,降低压力波动,同时将各层灰水支管末端接至透气总管上,防止系统末端憋气。透气总管上可安装透气净化装置,末端伸至露天区域。透气头宜与防疫功能区其他系统同类污染风险排出口集中布置,远离空调系统新风口。

3)凝水增加泄放。空调风机凝水和舱壁凝水收集的方法见图3。凝水经过存水弯或浮球式止回阀后就近接入灰水系统,同时可保证设备与污水系统和舱室间的气密隔离。

图3 空调风机凝水及舱壁凝水收集方法示意

4)透气净化装置。运营中的豪华游轮一般采用紫外线灯对空气进行消杀,而船级社为保证防疫效果倾向于使用高效过滤器,空调厂家选择同时使用中效滤器和空气消杀技术[9]。从实际使用来看,净化装置应当考虑过滤效果、防腐防污、接电便捷性。紫外线消毒方式需在相对封闭的空间内,根据空气量维持一段时间的气体静置才能达到消杀效果;高效过滤器可以实时捕捉病毒,更适合船舶防疫消杀使用。

3.1 风险评估

当前船舶为满足IMO法规要求,配备了以处理BOG、DOG等有机负荷为主的生活污水处理装置,但无法对污水进行快速消毒,存在病毒通过气溶胶在一定空间内传播的可能。未经消毒处理的污水直接排放还会造成海洋环境污染。

3.2 处理工艺

船舶现阶段应用的主要污水处理工艺见表1。分析认为,膜分离生化法及电解处理技术存在技术优势,自动化程度高,但也存在投资和运行费用高,维护难度大的问题。然而,考虑到疫情防控的危险性和特殊性,处理工艺应当重点考虑处理效果、出水稳定、维护方便,建议船舶采用膜分离生化法及电解处理技术。

3.3 消毒工艺

参考陆上污水处理系统的消毒技术,比较主流技术的消毒工艺见表1,其中含氯消毒剂主要问题是对病毒和芽孢杀灭效果差,并且需要人工参与度高,增加了人员进入高风险区的频率,不利于疾病防控;紫外线消毒的主要问题是对悬浮物浓度要求高,如前端生化深度处理的中膜过滤环节发生膜的破损造成出水悬浮物增高,无法保证最终消毒杀菌效果。见表2。

表2 主要消毒工艺的比较

合适浓度下的臭氧消毒迅速,可自行分解,无有毒残留,相比氯及紫外线更适合作为污水处理的消毒工艺。但臭氧难储存易分解,因此需要配置专用臭氧发生器及氧化反应水箱。

3.4 处理流程

根据《传染病医院建筑设计规范》,污水应在收集后,经“预消毒+过滤+沉淀/脱氯(如有)”的预消毒流程,采用“二级处理+消毒工艺”使水质达到GB18466《医疗机构水污染物排放标准》的排放标准。适用于船用环境的防疫污水处理流程见图5。收集的污水进入污水收集柜或储存舱进行初步沉淀。当水量累积到一定程度后,驳运至污水处理装置进行二次处理。船舶污水周转速度快,消毒剂在有限时间内无法做到快速分解,残氯会杀灭生化菌群,因此将消毒流程后置,通过带臭氧发生器的氧化反应水箱投放消毒剂,通过在线监测消毒剂浓度的方式判断杀菌效果。经处理的污水可在适当区域直接排舷,或储存在污水舱中等待排岸。

图5 带防疫功能的船舶污水处理流程

4.1 管材选用

防疫时船员往往会向卫生器具投放含氯消毒剂来杀灭病原体。但由于消毒剂对管路有腐蚀作用,船舶管路材质也应当考虑防疫要求。民用运输船常采用镀锌钢管或PE100、PPR、PVC-U等非金属管材制作疏排水管路,豪华邮轮、公务船、科考船及军用船舶等多采用不锈钢304L管。

不同管材对含氯消毒剂的耐受程度见表3。镀锌钢管重量大、易腐蚀、难维护,特别是在有消毒剂的环境下容易加速腐蚀,增大了防控风险。非金属管对含氯消毒剂的抗腐蚀效果较好,但同时存在低温下易收缩、受光照易老化等破坏舱室气密性的缺点。304L不锈钢在含有氯氟离子的介质中,其钝化层易遭受破坏,造成腐蚀和管壁破坏。316L不锈钢在氯离子含量高的时候可有效地控制腐蚀能力[10],同时具备“不收缩,不燃烧,不起尘”的特点,因此,采用316L不锈钢作为疏排水管路可保证疫情时船员对给疏排水管路进行消毒,更好提升船舶防疫能力。

4.2 管路布置及施工

考虑到后期故障及维修,结合船舶建造的实际情况,总结出生活污水管系综合布置要求。

1)生活污水管路布置应优先布置在污染风险大的舱室,严格控制半污染区、清洁区、周围区域管路设施布置数量,降低管路破损及拆检污染清洁处所的,布置区域选择优先级为污染区→半污染区/设备功能舱→清洁区/卫生通过→周围区域

2)污染区供水管路布置应减少一级气密周界贯穿。一级气密周界贯穿应为焊接式,次级气密周界贯穿应封堵严实。

3)系统管路应减少污染区域内可拆接头的选用,降低污染风险,连接件可用法兰、套管或挤压接头。

4)危险区、清洁区界面分隔设施及系统控制阀件不宜布置在清洁区、周围区域内,宜集中布置于污染区、病患及污物转运通道;污水处理系统相关阀件宜集中布置在污水处理间内。

5)透气高效过滤器安装位置可以同透气设备布置在同一空间,也可安装在室外远离空调新风口位置。

综合布置示意见图6。

结合舱室通风样舱的放样和模拟建造,气密性试验结果表明：

1)独立灰水管系并配合水封、环形透气等设置,能有效减少灰水跨区,有利于防疫功能区气密性控制。

2)透气装置机械排气可为系统建立微负压,满足气流分区控制要求;高效过滤器用于吸附病毒,有效防止病毒逃逸。

3)严格控制污染区、半污染区和清洁区的管路设施布置特点,保证不同区域和管路的密封性能,可有效降低感控风险。

1)真空黑水系统的独立分区分层设计,配合相应管理措施,能有效降低病毒通过污水传播的风险。

2)采用“二级处理+消毒工艺”的专用生活污水处理装置,其排放水的水质常规指标和病毒病菌指标能分别满足IMO MEPC.227(64)规范和GB/T18466的相关要求。

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