鄧義斌， 楊小鋼， 涂 航， 胡飛孔， 陳佳元

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063； 2. 武漢市地方海事局， 武漢 430030； 3. 交通運(yùn)輸部 安全與質(zhì)量監(jiān)督管理司， 北京 100736)

船舶生活污水是一種重要的船舶污染源[1]，我國頒布了一系列的政策措施防治船舶生活污水的污染，包括將內(nèi)河水運(yùn)綠色發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，為船舶生活污水防污染的改造提供資金支持，頒布船舶水污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)(GB 3552—2018)等。受益于船舶生活污水處理技術(shù)的發(fā)展[2-5]和政府的資金支持，部分內(nèi)河運(yùn)輸船舶加裝生活污水處理裝置，但該類裝置不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，反而帶來額外的能源消耗以及維護(hù)成本，再加上現(xiàn)有監(jiān)管體系不夠完善、監(jiān)管手段相對(duì)落后[6-7]，船舶生活污水的偷排漏排行為難以禁止，使內(nèi)河水質(zhì)受到嚴(yán)重危害。

為實(shí)現(xiàn)船舶生活污水處理裝置的工作狀況監(jiān)測(cè)，曹曉莉等[8]發(fā)明一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄船舶生活污水處理裝置工作參數(shù)的記錄儀，但該發(fā)明并不關(guān)注污水處理效果和排放情況。鄧健等[9-10]開發(fā)的內(nèi)河船舶污染物排放在線監(jiān)控系統(tǒng)和周春輝等[11]開發(fā)的船舶含油污水排放在線監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)船舶污水排放的監(jiān)控，但不能得出違排量，并且這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)于現(xiàn)行國標(biāo)發(fā)布之前，不能完全滿足現(xiàn)行國標(biāo)相關(guān)要求。

為幫助船舶工作人員按國標(biāo)規(guī)定正確地進(jìn)行生活污水的處理和排放，幫助監(jiān)管部門掌握船舶生活污水處理和排放情況，本文首先分析國標(biāo)GB 3552—2018的相關(guān)規(guī)定，并在此基礎(chǔ)上分析船舶生活污水排放管路結(jié)構(gòu)和監(jiān)管需求，然后利用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和多傳感器協(xié)同技術(shù)，開展內(nèi)河船舶生活污水排放監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管手段的創(chuàng)新。

1 船舶生活污水排放國標(biāo)主要規(guī)定

1.1 排放指標(biāo)及限值規(guī)定

根據(jù)生活污水處理裝置的安裝時(shí)間和船舶類型，國際船舶生活污水排放指標(biāo)和限值規(guī)定見表1，排放限值指標(biāo)個(gè)數(shù)較GB 3552—1983有所增加，排放限值也有所收緊。

表1 國標(biāo)船舶生活污水排放指標(biāo)和限值規(guī)定

1.2 明確規(guī)定處理后污水須在航行中排放

國標(biāo)第5.1.1條規(guī)定，船舶在內(nèi)河航行時(shí)，船舶生活污水不得直接排入環(huán)境水體，利用船載生活污水處理裝置進(jìn)行處理，在達(dá)到指標(biāo)限值規(guī)定后在航行中排放。

1.3 明確規(guī)定飲用水源地禁止排放

國標(biāo)第5.3條規(guī)定，在飲用水源保護(hù)區(qū)內(nèi)不得排放生活污水，并按規(guī)定對(duì)控制措施進(jìn)行記錄。

綜上所述，新國標(biāo)不僅在船舶生活污水處理工藝技術(shù)水平上有更高的要求，還需要結(jié)合船舶位置即動(dòng)態(tài)進(jìn)行船舶生活污水的排放。

2 基于國標(biāo)的監(jiān)管系統(tǒng)總體方案

2.1 總體框架

船舶生活污水排放監(jiān)管系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象是監(jiān)管部門和船舶工作人員，總體架構(gòu)采用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方式，見圖1，由船載終端系統(tǒng)和岸基監(jiān)管系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。船載終端監(jiān)測(cè)船舶生活污水的排放情況，根據(jù)相應(yīng)的邏輯判斷發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至岸基監(jiān)管系統(tǒng)，岸基監(jiān)管系統(tǒng)接收、分析并存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要通過手機(jī)短信提醒警示被監(jiān)管船舶。

圖1 監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 船載終端系統(tǒng)功能

1) 實(shí)現(xiàn)船舶生活污水的排放監(jiān)測(cè)，包括未處理生活污水和處理后生活污水的排放情況。

2) 實(shí)現(xiàn)船舶生活污水處理裝置的使用情況監(jiān)測(cè)。

3) 實(shí)現(xiàn)處理后水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，從而掌握船舶生活污水處理裝置的處理效果。

4) 船舶位置、航速監(jiān)測(cè)。

5) 船載終端的聲光報(bào)警，如有違規(guī)行為或故障，提醒其盡快解決存在的問題。

6) 與岸基系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.3 岸基系統(tǒng)功能

1) 數(shù)據(jù)通信、存儲(chǔ)和分析。實(shí)現(xiàn)與船載終端系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、存儲(chǔ)、查詢、分析。

2) 船舶短信警示提醒。根據(jù)需要通過手機(jī)短信告知船舶，如發(fā)現(xiàn)船舶有違規(guī)排放行為，及時(shí)提醒其盡快停止違規(guī)行為，以減少進(jìn)一步的水體污染。

3) 船載終端系統(tǒng)的工作狀態(tài)檢測(cè)。船載終端系統(tǒng)工作狀態(tài)可分為在線與離線兩種，一旦發(fā)現(xiàn)船載終端系統(tǒng)處于離線狀態(tài)，則通過短信通知船舶盡快解除船端系統(tǒng)故障，使其恢復(fù)為在線狀態(tài)。

4) 船舶生活污水的違排行為分析。實(shí)現(xiàn)違規(guī)排放量計(jì)算，分析其排放軌跡等。

2.4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議基于美國國家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association, NMEA)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，由起始符、會(huì)話ID、消息域、校驗(yàn)碼和結(jié)束符等5部分組成。其中：會(huì)話ID 分為主動(dòng)上報(bào)服務(wù)器、服務(wù)器寫數(shù)據(jù)和服務(wù)器讀數(shù)據(jù)等3種類型，主動(dòng)上報(bào)服務(wù)器是指船舶終端將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上發(fā)給服務(wù)器；服務(wù)器寫數(shù)據(jù)是指服務(wù)器將配置參數(shù)下發(fā)給船舶終端；服務(wù)器讀數(shù)據(jù)是指服務(wù)器從船舶終端讀取當(dāng)前的配置參數(shù)。

3 船載終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 船舶生活污水排放管路結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于配備船舶生活污水處理裝置的船舶而言，其生活污水排放管路結(jié)構(gòu)見圖2，共有兩條生活污水排放通路：正常排放通路，閥1關(guān)閉、閥2開啟，生活污水流經(jīng)處理裝置凈化處理，然后通過泵抽出沿排水管排放至舷外；直通排放通路，也稱應(yīng)急排放通路，閥2關(guān)閉、閥1開啟，生活污水經(jīng)直通管直接排放至舷外，此通路僅在船舶生活污水處理裝置發(fā)生故障時(shí)才能使用。要想掌握船舶生活污水的排放情況，只需要對(duì)這兩條通路進(jìn)行監(jiān)測(cè)即可。

圖2 船舶生活污水排放管路結(jié)構(gòu)圖

3.2 船載終端系統(tǒng)需求分析

3.2.1正常排放通路

實(shí)現(xiàn)按國標(biāo)排放規(guī)定檢測(cè)排水水質(zhì)達(dá)標(biāo)與否，同時(shí)還需掌握排水流量和排放時(shí)間等相關(guān)信息。目前，想要實(shí)現(xiàn)所有國標(biāo)排放指標(biāo)的在線檢測(cè)在工程上是不可行的，本系統(tǒng)選用化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demcond, COD)和懸浮物濃度這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外還需注意船舶生活污水處理裝置的工作特殊性，即裝置在剛啟動(dòng)之后的一段時(shí)間內(nèi)屬于熱機(jī)狀態(tài)，還不能有效地凈化污水，因此該段時(shí)間內(nèi)排水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)是一種正常狀態(tài)。一旦生活污水處理裝置熱機(jī)完成，開始進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，處理后水質(zhì)應(yīng)能滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，生活污水處理裝置的工作狀態(tài)也是一個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)參數(shù)，一方面用來判斷是否完成熱機(jī)，作為水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)判定的先決條件，另一方面給監(jiān)管部門提供船舶生活污水處理裝置的使用情況數(shù)據(jù)。

3.2.2直接排放通路

需要監(jiān)測(cè)是否有污水流過、流量大小以及流通時(shí)間。由于直通管路流過的污水具有雜質(zhì)多、腐蝕性強(qiáng)和流動(dòng)間歇性等特點(diǎn)，以及管內(nèi)污水不能滿足滿管狀態(tài)流動(dòng)這個(gè)常規(guī)流量計(jì)使用的前提條件，在當(dāng)前的技術(shù)條件下直接檢測(cè)污水流量是很困難的，因此直通排放通路流量采用與正常排放通路傳感器數(shù)據(jù)協(xié)同分析的方法，即直通排放通路選用流量開關(guān)只檢測(cè)是否有污水流過，而流量大小將通過正常排放通路每日的排放總量與當(dāng)日流量之差估算得到。在假定船舶人員數(shù)量較為穩(wěn)定的條件下，正常排放通路每日應(yīng)排放總量應(yīng)該是一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，由正常排放通路流量的歷史數(shù)據(jù)計(jì)算求得。

3.2.3其他監(jiān)測(cè)需求

獲取船舶航速結(jié)合生活污水排放狀態(tài)判定是否滿足航行中排放的規(guī)定，獲取船舶位置結(jié)合岸基系統(tǒng)的飲用水源地區(qū)域設(shè)置判定是否滿足飲用水源地禁排的規(guī)定。

3.3 船載終端系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

船載終端系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3，由直通管流量開關(guān)檢測(cè)、處理后污水流量檢測(cè)以及懸浮物濃度和COD濃度檢測(cè)、生活污水處理裝置電流通斷檢測(cè)、船舶位置及航速檢測(cè)、聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等部分組成。其中監(jiān)測(cè)傳感器和功能模塊選型見表2，主要傳感器的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖3 船載終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 船載終端設(shè)備選型表

序號(hào)項(xiàng)目設(shè)備選型1流量計(jì)FHS-1S-1T100L-8SS霍爾傳感器2流量開關(guān)LN-AB熱式流量開關(guān)3懸浮物濃度BQWN-300H濁度在線分析儀4化學(xué)需氧量AMT-COD300傳感器5污水處理裝置的工作狀態(tài)XJ-S21型電流通斷檢測(cè)儀6船舶位置GNSS定位模塊7數(shù)據(jù)通信USR-GM3模塊

微機(jī)選用Cortex-M3系列的STM32F103ZET6，共有5個(gè)UART口、3個(gè)SPI口、112個(gè)GPIO口，滿足系統(tǒng)的接口需求，接口分配見圖4。其中FLASH能使船舶終端系統(tǒng)可在無網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)臨時(shí)存儲(chǔ)8 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，等待網(wǎng)絡(luò)連接良好后再將臨時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送到岸基服務(wù)器端。

圖4 船載終端微機(jī)接口示意

3.4 船載終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

船載終端開始工作后不斷采集各傳感器信號(hào)，微機(jī)根據(jù)各輸入信號(hào)聲光報(bào)警邏輯發(fā)出聲光報(bào)警,見表3。同時(shí)按一定的頻率發(fā)送連接指令給岸基系統(tǒng)表示該船載終端系統(tǒng)處于在線工作狀態(tài)，當(dāng)表3的各輸入信號(hào)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，將當(dāng)前微機(jī)采集到的信號(hào)值發(fā)送給岸基系統(tǒng)。

表3 船載終端系統(tǒng)聲光報(bào)警真值表

4 岸基系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 岸基系統(tǒng)需求功能設(shè)計(jì)

4.1.1系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置包括船舶管理、飲用水源地管理和系統(tǒng)工作參數(shù)管理等模塊。

(1) 船舶管理。船舶終端在接入岸基系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)置船舶的相關(guān)信息，包括船名、國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)船舶編號(hào)、船舶通信卡號(hào)(用以標(biāo)識(shí)船載終端)、船舶負(fù)責(zé)人姓名和手機(jī)號(hào)碼(短信通知提醒)。

(2) 飲用水源地區(qū)管理及進(jìn)出船舶警示提醒。實(shí)現(xiàn)飲用水源地區(qū)的坐標(biāo)設(shè)定及修改調(diào)整，并能根據(jù)船舶位置，結(jié)合飲用水源地區(qū)坐標(biāo)，判斷船舶是否處于飲用水源地區(qū)，在船舶駛?cè)?出)飲用水源地區(qū)后，船舶注冊(cè)手機(jī)會(huì)收到短信提醒船舶已駛?cè)?出)生活污水禁止排放區(qū)域。

(3) 系統(tǒng)工作參數(shù)管理。包括排水水質(zhì)閾值設(shè)定、生活污水處理裝置熱機(jī)時(shí)間確定等。

4.1.2數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)

實(shí)現(xiàn)與船舶終端的數(shù)據(jù)通信，并將收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)能否收到船舶終端設(shè)備的數(shù)據(jù)將船舶終端設(shè)備狀態(tài)分為設(shè)備在線和設(shè)備離線(斷電或故障)，一旦出現(xiàn)設(shè)備離線現(xiàn)象，岸基系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送短信提醒對(duì)應(yīng)船舶。

4.1.3船舶生活污水排放實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示

根據(jù)船載終端發(fā)來的數(shù)據(jù)將船舶生活污水排放狀態(tài)分為設(shè)備離線、未排放、規(guī)范排放、違規(guī)排放等4類，其中違規(guī)排放又分為不達(dá)標(biāo)排放、非航行排放和水源地排放等3小類，并實(shí)現(xiàn)各類排放的排放量分析。

4.1.4船舶生活污水排放歷史數(shù)據(jù)查詢分析

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所管轄船舶生活污水正常排放、處理后不達(dá)標(biāo)排放、靜止排放和水源地排放的排放量趨勢(shì)與規(guī)律分析以及未處理生活污水直接排放量估算，實(shí)現(xiàn)船舶的生活污水排放軌跡分析等功能。

4.2 監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)船試驗(yàn)

選取湖北武漢“晴川閣”號(hào)游船開展實(shí)船試驗(yàn)，該船航線從紅巷碼頭出發(fā)途經(jīng)武漢長(zhǎng)江大橋至武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋，之后掉頭航行至武漢長(zhǎng)江二橋，然后返回紅巷碼頭，全程約2 h，每日一至兩班，其余時(shí)間停靠在紅巷碼頭。試驗(yàn)對(duì)象選取2017年11月安裝于舵機(jī)房的一套生活污水處理裝置，船端設(shè)備安裝情況見圖5。岸基監(jiān)管系統(tǒng)主要工作界面見圖6。系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)顯示并記錄該輪生活污水的排放行為以及排放水質(zhì)的監(jiān)測(cè)參數(shù)值；在岸基監(jiān)管系統(tǒng)模擬設(shè)置武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋和武漢長(zhǎng)江大橋之間的水域?yàn)轱嬘盟吹貢r(shí)，當(dāng)船舶駛?cè)?出)該區(qū)域時(shí)，船舶注冊(cè)手機(jī)能收到警示短信。在該船分別進(jìn)行以下4種情形測(cè)試：

1) ?？吭诖a頭排放生活污水。

2) 飲用水源地排放生活污水。

3) 旁通生活污水處置裝置的膜生物反應(yīng)器，即生活污水進(jìn)入生活污水處理裝置但不經(jīng)過膜生物反應(yīng)器處理排放(排水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)模擬)。

4) 生活污水經(jīng)直通管直排舷外，監(jiān)管系統(tǒng)均能監(jiān)測(cè)到這些違排行為，得到違排量，并在船端和岸基系統(tǒng)給出報(bào)警提示，避免繼續(xù)發(fā)生污染行為。

實(shí)船試驗(yàn)顯示系統(tǒng)各模塊工作正常，監(jiān)管效果良好。

圖5 船端系統(tǒng)安裝

圖6 岸基系統(tǒng)主要界面

5 結(jié)束語

1) 本文針對(duì)GB 3552—2018的相關(guān)規(guī)定開展內(nèi)河船舶生活污水監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)船舶生活污水排放水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測(cè)與記錄、排放行為分析、違排量計(jì)算以及違規(guī)排放行為警示提醒等功能，實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)功能完備、監(jiān)管效果良好。

2) 船舶生活污水污染的防治是一項(xiàng)復(fù)雜艱巨的系統(tǒng)工程，涉及政府部門、船舶管理企業(yè)、船員、科研院所、相關(guān)船舶配套設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)等多方因素。該項(xiàng)工作任重而道遠(yuǎn)，可將基于國標(biāo)的內(nèi)河船舶生活污水排放監(jiān)管系統(tǒng)的推廣應(yīng)用作為契機(jī)，行業(yè)相關(guān)部門理清職責(zé)、通力合作、齊抓共管，從而有效地控制船舶生活污水對(duì)航行水域環(huán)境的污染。