大型起重铺管船防污染设计

（上海佳豪船海工程研究设计有限公司 上海201612）

引 言

随着经济的发展和海洋资源的不断开发利用，各类海洋工程作业船舶（诸如铺管船、钻井作业平台等等）需求日益增多，而海洋工程作业的复杂性及高风险性也让该类船舶的污染事故频发。为有效控制降低船舶营运带来的环境污染，近年来各类防污染法规频频发布生效，诸如压载水公约、国际海事组织及某些国家当局设立氮氧化物排放控制区（TIER Ⅲ标准）、国际海事组织及某些国家当局设立硫氧化物排放控制区等。各类排放控制法规的生效不仅对船舶设计、营运带来影响，同时也倒逼防污染技术的持续更新，并催生出一系列的防污染设备，如压载水处理装置、柴油机废气脱硝、脱硫装置等。

船舶造成的环境污染主要包括：

（1）油类污染；

（2）生活污水及灰水污染；

（3）垃圾污染；

（4）空气污染；

（5）压载水有害水生物及病原体污染。

针对上述各类污染，本文将从基础防污染规范方面着手，简述各类防污染设计所需满足的基本要求；同时，基于大型起重铺管船的船型特点，并着眼于越来越严苛的环保要求，阐述该类船型各类前沿创新的防污染设计方案及技术。

1 防污染规范

船舶防污染基本规范要求主要包括法定规范及船级社入级规范两方面要求。法定规范主要指由国际海事组织颁发的“国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）”［1］及各国海事局当局规范；船级社入级规范主要指各船级社的环保入级规范，比如中国船级社的“CLEAN”入级标志［2］、美国船级社的“ENVIRO”入级标志［3］以及挪威船级社的“CLEAN”入级标志［4］等。需说明是：法定规范属于对应挂旗船舶强制需满足的要求，船级社环保入级规范属于船东根据需要可选，其环保要求一般均高于法定规范要求。各国海事局当局规范一般与“国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）”大同小异，当然也有部分国家对其所属某些海域提出更高的环保要求，比如美国环保署 （EPA）颁发的船舶通用许可证（VGP）要求、中国/欧盟/美国等国家设定船舶排放控制区（ECA）等。

不论是国际海事组织、船舶主管当局还是船舶检验单位（如船级社），相应的环保规范都在持续更新，而且越来越多的业主出于营运市场等因素考虑，会主动要求添加船舶环保入级符号，甚至有些船舶会提前满足暂未生效的环保规范，以期降低后期规范生效而引起的船舶改造费用。因此，船舶防污染设计不仅应着眼于满足当前基础规范要求，同时应尽量具有预见性地考虑未来船舶防污染的趋势，在现有技术可行前提下，最大限度降低船舶营运所带来的污染。

2 油类污染

油类污染是海洋污染中最普遍、最严重的污染。石油是一种很复杂的自然的有机混合物，具有一定毒性，大量石油会在海面形成油膜，影响水中氧的补充和植物光合作用。船舶产生的油类污染主要来源于船舶事故导致的大量石油泄漏、船舶排放含油污水以及船舶油水界面设备密封油泄漏等。“国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）”及各国海事局当局规范均对防止上述污染有明确规范要求，诸如：对载运燃油超过600 m3以上船舶，需设置燃油舱保护以降低事故漏油风险；机械处所的含油污水需设置专用收集舱及油污水分离装置，油污水排放需经该处理装置处理且当含油浓度低于15 ppm（0.0015%）才允许排放，以降低船舶排放含油污水的污染等。各船级社环保入级规范也均在法定规范基础上，额外补充了部分防止油类污染的要求。

大型起重铺管船防止油类污染设计在满足上述法定规范的基础上（如设置油污水舱及油水分离器、燃油舱设置满足规范要求的保护措施等），同时基于该船型的部分特点，采用如下前沿设计以更大限度地降低油类污染：

（1）鉴于该类船型油水界面设备多，所有油水界面设备（如推进器、舵承等）均采用环保润滑油（EAL），环保润滑油指可生物降解、最低限度毒性、非生物累积的润滑油，可有效降低油水界面设备漏油对环境产生的危害，替代措施也可以采用空气型艉轴密封［5］。

（2）鉴于该类船型柴油机装机功率一般较大，辅助配套机械设备较多，机械处所产生的油污水较多，故在机械处所设置最新型的油污水分离装置处理油污水，并规定其分离排放油污水的含油浓度应低于5 ppm（0.0005%）。该标准较法定规范要求的15 ppm（0.0015%）严格得多；

（3）鉴于该类船型甲板面特种作业设备多，甲板漏油风险较大。设置甲板雨水收集系统，露天工作区域甲板及露天含油设备（如锚机、吊机等）周边设置围油栏，围油栏内设置地漏排放雨水，排放管路上设置油份浓度监测装置，当雨水含油浓度超过5 ppm（0.0005%）将自动将上述雨水排至舱底水舱至油污水分离装置分离再排放，相反可直接排舷外。该设置可有效降低甲板工作区域及露天含油设备含油污水的排放污染。系统简图如图1所示。

图1 甲板雨水收集系统

3 生活污水及灰水污染

生活污水（小便、粪便及医务室排放污水等）未经处理任意排放入海，会发生一系列生化作用，大量生活污水排放入海，会造成水中溶解氧的含量降低，造成水中的鱼类等动物死亡或者迁移，同时也会污染水源、传播疾病、危害人类健康。生活灰水（厨房污水及洗涤灰水等）成分以淡水为主，含杂质较少，对水体的污染较小，在大部分区域生活灰水可直接排放。近年来，鉴于船舶生活灰水排放量大，且带含磷排放物，其污染危险性也逐渐倍受关注。“国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）”及各国海事局当局规范均对防止船舶生活污水污染均有明确规定，诸如：设置生活污水舱及排岸管路、设置满足规范要求的生活污水处理装置等。生活灰水法定规范并没有排放控制要求，但各船级社的环保入级规范有相关排放要求。

大型起重铺管船防止生活污水及灰水污染设计除满足上述法定规范的基础（如设置了生活污水舱及排岸管路、设置满足规范要求的生活污水处理装置等），同时基于该船型的部分特点，采用了如下前沿设计以更大限度地降低生活污水及灰水污染：

（1）鉴于该类船型作业人员较多，且多为“三班倒”连续作业，生活污水及灰水产量大，污水处理装置负荷大且要求持续运行。因此，设置两套生活污水处理装置，一用一备，避免因单一设备故障导致生活污水未经处理排放。所有生活污水排舷外都必须经过处理装置处理达标排放，即使生活污水储存到生活污水舱也需要经过处理后进仓，最大限度避免排放未经处理的生活污水。

（2）鉴于该类船型工作人员分散，相应卫生设施也遍布全船。因此，为避免卫生输排管路布置困难，通常在船的首尾处分设生活污水、灰水储存舱及生活污水处理装置。

（3）生活污水处理装置同时处理灰水，灰水排放也需经过生活污水处理装置处理达标排放。

（4）设置足够容量的生活污水及灰水储存舱（满足10天全船人员污水排放），用于某些“零排放”区储存生活污水及灰水。

4 垃圾污染

船舶垃圾主要包括：塑料制品、垫舱物料、衬料、包装材料、金属、玻璃、陶器制品以及食品垃圾等。船舶垃圾的任意排放入海会带来如下影响，如：垃圾中的有毒物质进入水体后将直接毒害水生生物；垃圾中的有机物需要消耗水中的溶解氧，影响水体的自净能力；沉积海底的垃圾积聚，会改变动植物天然营养条件，甚至造成海底严重污染，致使某些生物灭绝。“国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）”及各国海事局当局规范均对防止船舶垃圾污染均有明确规定，诸如：明确各类垃圾的排放要求（规定某些垃圾不能直接排放入海，某些垃圾必须距离陆地一定距离才允许直接排放入海等）。需设置满足规范要求的“垃圾管理计划”，就收集、储藏、加工和处理垃圾以及船上设备使用等提供书面程序，还应指定负责执行该计划的人员。船舶垃圾管理更多的是依靠严格执行“垃圾管理计划”，来有序地控制船舶垃圾的排放［6］。

为满足上述基本的法定规范要求，常规该类船型设置满足规范要求的焚烧炉装置用于焚烧规范允许的船舶垃圾，同时设置专门的垃圾打包机及垃圾储藏间用于垃圾存放，以便到港排至岸上的接收设备，船上张贴“垃圾管理计划”，船员严格按照“垃圾管理计划”执行垃圾处理。

上述设置已经满足现有法规基本要求，也是大多数船舶的常规设计，该设计用于常规固体垃圾处理（打包至岸上接受设备或者焚烧）已经足够。然而船舶垃圾除固体垃圾外还有食物垃圾，尤其对于大型起重铺管船而言，其作业人员多，且多为“三班倒”连续作业，食物消耗相对常规船舶大很多，相应的食物垃圾的排放污染显得尤为突出。法规允许食物垃圾经粉碎后距离陆地一定距离以上直接排放入海，然而在港口区域及某些“零排放”区域，食物垃圾不允许直接排放入海，食物垃圾特性导致其无法像固体垃圾一样打包或者焚烧，而常规储存容易滋生细菌并产生异味，影响船员健康。因此，该类船型特别设置食物垃圾真空收集系统，系统简图如图2所示。

图2 食物垃圾真空收集系统

系统包括食物垃圾收集站、真空泵站、食物垃圾储存罐及食物垃圾排放泵等。位于厨房的食物垃圾收集站将食物垃圾粉碎并混合部分淡水，将食物垃圾处理成较为均匀的流体，再通过真空泵站将上述食物垃圾输送至食物垃圾储存罐。当船舶位于食物垃圾允许排放区域内，可直接将储存罐垃圾直接排舷外，当位于港口区域及某些“零排放”区域时候，可选择排至岸上接收设备，或储存在食物垃圾储存罐内。

5 空气污染

造成空气污染的船舶排放物主要包括：消耗臭氧物质、氮氧化物、硫氧化物以及船上垃圾焚烧废气物等。消耗臭氧物质的排放会加剧臭氧层的破坏，氮氧化物及硫氧化物是酸雨形成的重要成分，人体吸入会对身体健康带来危害。

上述各类大气污染物排放主要来自船上如下设施：

（1）冷藏设备（包括食品冷藏设备及空调系统）的制冷剂以及消防介质可能含有消耗臭氧物质；

（2）船上柴油发动机燃烧废气含有氮氧化物及硫氧化物；

（3）船上焚烧炉焚烧垃圾所产生的废气。

《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）及各国海事局当局规范均对防止船舶空气污染均有明确规定，诸如：明确规定船上不能采用消耗臭氧物质的制冷剂及消防介质；船上输出功率大于130 kW柴油发动机（除应急发动机外）的氮氧化物排放标准需满足TIER Ⅱ排放标准，对在氮氧化物排放控制区内，氮氧化物排放标准需满足TIER Ⅲ排放标准；船舶所用燃油含硫量需低于3.5%，对在硫氧化物排放控制区内，所用燃油含硫量需满足对应控制区的排放要求。为降低焚烧炉焚烧产生废气污染，禁止焚烧部分种类垃圾，且焚烧炉需为经型式认可的产品。

大型起重铺管船防止空气污染设计满足上述法定规范的基础上，比如冷藏设备制冷剂及消防介质均采用不消耗臭氧物质的介质，船上发动机氮氧化物排放标准满足TIER Ⅱ排放标准，所用燃油含硫量低于3.5%，焚烧炉采用经船级社型式认可的产品。除以上常规设置外，基于该船型的部分特点进一步采用了如下环保设计措施，以进一步降低船舶造成的空气污染：

（1）鉴于该类船型冷藏系统较大，全船冷藏系统（包括食品冷藏系统及空调系统）均设置了制冷剂回收装置，最大限度降低制冷剂更换过程的泄漏量；此外，在全船冷藏系统设备附近设置有制冷剂泄漏探测装置，以防制冷剂意外泄漏。

（2）鉴于该类船型柴油机装机功率大，废气排放多，船上发动机（除应急发动机外）设置废气脱硝系统，使发动机氮氧化物排放标准满足TIER Ⅲ排放标准，系统简图如图3所示。系统主要包括了尿素混合单元、反应器及尿素泵等设备，通过向柴油机废气中混合一定浓度的尿素溶液，经反应器内的催化剂作用，使尿素溶液与废气中的氮氧化物发生催化还原反应成氮气及水，从而降低废气中氮氧化物的浓度。

图3 柴油机废气脱硝系统

（3）针对硫氧化物排放控制区要求的船上使用的燃油的含硫量不应超过0.1%（即低硫轻柴油），为满足该类轻柴油的安全可靠使用，发动机燃油系统设置了低硫油制冷单元，能够满足含硫量不大于0.1%的轻柴油使用，完全满足任何硫氧化物排放控制区要求。系统主要在常规发动机供油管上增设了一套低硫油冷却系统，用于当使用低硫油工况下，降低供油温度，以保证柴油机对燃油进机粘度的要求。

6 压载水有害水生物及病原体污染

船舶压载水和沉积物的无节制排放导致有害水生物和病原体的转移，对环境、人体健康、财产和资源造成损伤或损害。国际海事组织（IMO）在2004年2月通过了《2004年国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》（以下简称“压载水公约”）［7］，旨在通过船舶压载水和沉积物的控制和管理来防止、减少并最终消除有害水生物和病原体的转移对环境、人体健康、财产和资源引起的风险。

该公约在历经十多年的漫长等待后，最终确定于2017年9月8日生效，这也就意味着之后的新造船舶将强制要求安装压载水处理装置，以保证压载水排放达到《2004年国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》中要求的D-2排放标准。

大型起重铺管船由于起重作业需要，会配置大排量的压载水系统以满足起重作业过程调整船舶浮态要求，为满足上述防污染规范要求，常规需配置与该船压载水系统的排量相一致的压载水处理装置，相应的压载水处理装置的处理量要求会非常大，这不仅给船舶设计布置、设备维护等带来困难，同时增加了船舶的建造及运营成本。

为解决上述压载水处理装置配置过大的问题，考虑到该船型在起重作业过程中主要需要在作业地点短时间内进、排大量压载水或者调拨大量压载水，而在船舶调遣或者航行过程一般无需进、排大量压载水。结合上述特点，该类船型可设置“作业压载水系统”以及“航行压载水系统”分别用于该船作业工况及航行工况，“作业压载水系统”由于需满足起重作业，其排量较大，“航行压载水系统”相对排量要小很多。由于“作业压载水系统”仅用于在该船作业区域定点进、排压载水，不涉及异地压载水的进、排情况，因此，该系统可无需设置压载水处理装置；而“航行压载水系统”主要用于船舶航行异地进、排压载水，以调整船舶航行或进出港工况吃水，该系统排量较小，相应配置的压载水处理装置处理能力也较小，大大方便了船舶的布置，同时降低了船舶压载水处理装置的投资及营运成本。

7 结 语

随着日益严苛的各类环保规范的生效，船舶防污染设计既是船舶设计的重点也是难点。一个优秀的防污染设计方案，不应仅局限于当前基础规范要求，还应大力推广采用行业新型有效的防污染技术，促进行业防污染技术的不断创新，同时结合各类船型的实际营运特点，“量身定做”相应的防污染系统，从而“物尽其用”。