邓义斌， 杨小钢， 涂 航， 胡飞孔， 陈佳元

(1. 武汉理工大学 能源与动力工程学院， 武汉 430063； 2. 武汉市地方海事局， 武汉 430030； 3. 交通运输部 安全与质量监督管理司， 北京 100736)

船舶生活污水是一种重要的船舶污染源[1]，我国颁布了一系列的政策措施防治船舶生活污水的污染，包括将内河水运绿色发展上升为国家战略，为船舶生活污水防污染的改造提供资金支持，颁布船舶水污染物排放控制标准(GB 3552—2018)等。受益于船舶生活污水处理技术的发展[2-5]和政府的资金支持，部分内河运输船舶加装生活污水处理装置，但该类装置不能产生经济效益，反而带来额外的能源消耗以及维护成本，再加上现有监管体系不够完善、监管手段相对落后[6-7]，船舶生活污水的偷排漏排行为难以禁止，使内河水质受到严重危害。

为实现船舶生活污水处理装置的工作状况监测，曹晓莉等[8]发明一种实时监测和记录船舶生活污水处理装置工作参数的记录仪，但该发明并不关注污水处理效果和排放情况。邓健等[9-10]开发的内河船舶污染物排放在线监控系统和周春辉等[11]开发的船舶含油污水排放在线监控系统能实现船舶污水排放的监控，但不能得出违排量，并且这些系统设计于现行国标发布之前，不能完全满足现行国标相关要求。

为帮助船舶工作人员按国标规定正确地进行生活污水的处理和排放，帮助监管部门掌握船舶生活污水处理和排放情况，本文首先分析国标GB 3552—2018的相关规定，并在此基础上分析船舶生活污水排放管路结构和监管需求，然后利用网络互联和多传感器协同技术，开展内河船舶生活污水排放监管系统设计，实现监管手段的创新。

1 船舶生活污水排放国标主要规定

1.1 排放指标及限值规定

根据生活污水处理装置的安装时间和船舶类型，国际船舶生活污水排放指标和限值规定见表1，排放限值指标个数较GB 3552—1983有所增加，排放限值也有所收紧。

表1 国标船舶生活污水排放指标和限值规定

1.2 明确规定处理后污水须在航行中排放

国标第5.1.1条规定，船舶在内河航行时，船舶生活污水不得直接排入环境水体，利用船载生活污水处理装置进行处理，在达到指标限值规定后在航行中排放。

1.3 明确规定饮用水源地禁止排放

国标第5.3条规定，在饮用水源保护区内不得排放生活污水，并按规定对控制措施进行记录。

综上所述，新国标不仅在船舶生活污水处理工艺技术水平上有更高的要求，还需要结合船舶位置即动态进行船舶生活污水的排放。

2 基于国标的监管系统总体方案

2.1 总体框架

船舶生活污水排放监管系统的服务对象是监管部门和船舶工作人员，总体架构采用网络互联方式，见图1，由船载终端系统和岸基监管系统两部分构成。船载终端监测船舶生活污水的排放情况，根据相应的逻辑判断发出声光报警，同时通过网络将监测数据发送至岸基监管系统，岸基监管系统接收、分析并存储监测数据，并根据需要通过手机短信提醒警示被监管船舶。

图1 监管系统总体架构

2.2 船载终端系统功能

1) 实现船舶生活污水的排放监测，包括未处理生活污水和处理后生活污水的排放情况。

2) 实现船舶生活污水处理装置的使用情况监测。

3) 实现处理后水质关键指标的监测，从而掌握船舶生活污水处理装置的处理效果。

4) 船舶位置、航速监测。

5) 船载终端的声光报警，如有违规行为或故障，提醒其尽快解决存在的问题。

6) 与岸基系统进行数据通信。

2.3 岸基系统功能

1) 数据通信、存储和分析。实现与船载终端系统进行数据通信、存储、查询、分析。

2) 船舶短信警示提醒。根据需要通过手机短信告知船舶，如发现船舶有违规排放行为，及时提醒其尽快停止违规行为，以减少进一步的水体污染。

3) 船载终端系统的工作状态检测。船载终端系统工作状态可分为在线与离线两种，一旦发现船载终端系统处于离线状态，则通过短信通知船舶尽快解除船端系统故障，使其恢复为在线状态。

4) 船舶生活污水的违排行为分析。实现违规排放量计算，分析其排放轨迹等。

2.4 通信协议设计

通信协议基于美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association, NMEA)为海用电子设备制定的标准格式，由起始符、会话ID、消息域、校验码和结束符等5部分组成。其中：会话ID 分为主动上报服务器、服务器写数据和服务器读数据等3种类型，主动上报服务器是指船舶终端将监测数据上发给服务器；服务器写数据是指服务器将配置参数下发给船舶终端；服务器读数据是指服务器从船舶终端读取当前的配置参数。

3 船载终端系统设计

3.1 船舶生活污水排放管路结构分析

对于配备船舶生活污水处理装置的船舶而言，其生活污水排放管路结构见图2，共有两条生活污水排放通路：正常排放通路，阀1关闭、阀2开启，生活污水流经处理装置净化处理，然后通过泵抽出沿排水管排放至舷外；直通排放通路，也称应急排放通路，阀2关闭、阀1开启，生活污水经直通管直接排放至舷外，此通路仅在船舶生活污水处理装置发生故障时才能使用。要想掌握船舶生活污水的排放情况，只需要对这两条通路进行监测即可。

图2 船舶生活污水排放管路结构图

3.2 船载终端系统需求分析

3.2.1正常排放通路

实现按国标排放规定检测排水水质达标与否，同时还需掌握排水流量和排放时间等相关信息。目前，想要实现所有国标排放指标的在线检测在工程上是不可行的，本系统选用化学需氧量(Chemical Oxygen Demcond, COD)和悬浮物浓度这两个指标进行监测。另外还需注意船舶生活污水处理装置的工作特殊性，即装置在刚启动之后的一段时间内属于热机状态，还不能有效地净化污水，因此该段时间内排水水质不达标是一种正常状态。一旦生活污水处理装置热机完成，开始进入正常的工作状态，处理后水质应能满足国家排放标准。因此，生活污水处理装置的工作状态也是一个关键监测参数，一方面用来判断是否完成热机，作为水质是否达标判定的先决条件，另一方面给监管部门提供船舶生活污水处理装置的使用情况数据。

3.2.2直接排放通路

需要监测是否有污水流过、流量大小以及流通时间。由于直通管路流过的污水具有杂质多、腐蚀性强和流动间歇性等特点，以及管内污水不能满足满管状态流动这个常规流量计使用的前提条件，在当前的技术条件下直接检测污水流量是很困难的，因此直通排放通路流量采用与正常排放通路传感器数据协同分析的方法，即直通排放通路选用流量开关只检测是否有污水流过，而流量大小将通过正常排放通路每日的排放总量与当日流量之差估算得到。在假定船舶人员数量较为稳定的条件下，正常排放通路每日应排放总量应该是一个稳定的数值，由正常排放通路流量的历史数据计算求得。

3.2.3其他监测需求

获取船舶航速结合生活污水排放状态判定是否满足航行中排放的规定，获取船舶位置结合岸基系统的饮用水源地区域设置判定是否满足饮用水源地禁排的规定。

3.3 船载终端系统硬件设计

船载终端系统的监测系统结构见图3，由直通管流量开关检测、处理后污水流量检测以及悬浮物浓度和COD浓度检测、生活污水处理装置电流通断检测、船舶位置及航速检测、声光报警、数据存储、数据通信等部分组成。其中监测传感器和功能模块选型见表2，主要传感器的测点布置如图2所示。

图3 船载终端监测系统结构图

表2 船载终端设备选型表

序号项目设备选型1流量计FHS-1S-1T100L-8SS霍尔传感器2流量开关LN-AB热式流量开关3悬浮物浓度BQWN-300H浊度在线分析仪4化学需氧量AMT-COD300传感器5污水处理装置的工作状态XJ-S21型电流通断检测仪6船舶位置GNSS定位模块7数据通信USR-GM3模块

微机选用Cortex-M3系列的STM32F103ZET6，共有5个UART口、3个SPI口、112个GPIO口，满足系统的接口需求，接口分配见图4。其中FLASH能使船舶终端系统可在无网络连接时临时存储8 h监测数据，等待网络连接良好后再将临时存储的数据发送到岸基服务器端。

图4 船载终端微机接口示意

3.4 船载终端系统软件设计

船载终端开始工作后不断采集各传感器信号，微机根据各输入信号声光报警逻辑发出声光报警,见表3。同时按一定的频率发送连接指令给岸基系统表示该船载终端系统处于在线工作状态，当表3的各输入信号状态发生改变时，将当前微机采集到的信号值发送给岸基系统。

表3 船载终端系统声光报警真值表

4 岸基系统设计与实现

4.1 岸基系统需求功能设计

4.1.1系统配置

系统配置包括船舶管理、饮用水源地管理和系统工作参数管理等模块。

(1) 船舶管理。船舶终端在接入岸基系统时，需要设置船舶的相关信息，包括船名、国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)船舶编号、船舶通信卡号(用以标识船载终端)、船舶负责人姓名和手机号码(短信通知提醒)。

(2) 饮用水源地区管理及进出船舶警示提醒。实现饮用水源地区的坐标设定及修改调整，并能根据船舶位置，结合饮用水源地区坐标，判断船舶是否处于饮用水源地区，在船舶驶入(出)饮用水源地区后，船舶注册手机会收到短信提醒船舶已驶入(出)生活污水禁止排放区域。

(3) 系统工作参数管理。包括排水水质阈值设定、生活污水处理装置热机时间确定等。

4.1.2数据通信和存储

实现与船舶终端的数据通信，并将收到的数据存入数据库。根据能否收到船舶终端设备的数据将船舶终端设备状态分为设备在线和设备离线(断电或故障)，一旦出现设备离线现象，岸基系统自动发送短信提醒对应船舶。

4.1.3船舶生活污水排放实时状态显示

根据船载终端发来的数据将船舶生活污水排放状态分为设备离线、未排放、规范排放、违规排放等4类，其中违规排放又分为不达标排放、非航行排放和水源地排放等3小类，并实现各类排放的排放量分析。

4.1.4船舶生活污水排放历史数据查询分析

实现系统所管辖船舶生活污水正常排放、处理后不达标排放、静止排放和水源地排放的排放量趋势与规律分析以及未处理生活污水直接排放量估算，实现船舶的生活污水排放轨迹分析等功能。

4.2 监管系统实船试验

选取湖北武汉“晴川阁”号游船开展实船试验，该船航线从红巷码头出发途经武汉长江大桥至武汉鹦鹉洲长江大桥，之后掉头航行至武汉长江二桥，然后返回红巷码头，全程约2 h，每日一至两班，其余时间停靠在红巷码头。试验对象选取2017年11月安装于舵机房的一套生活污水处理装置，船端设备安装情况见图5。岸基监管系统主要工作界面见图6。系统能动态显示并记录该轮生活污水的排放行为以及排放水质的监测参数值；在岸基监管系统模拟设置武汉鹦鹉洲长江大桥和武汉长江大桥之间的水域为饮用水源地时，当船舶驶入(出)该区域时，船舶注册手机能收到警示短信。在该船分别进行以下4种情形测试：

1) 停靠在码头排放生活污水。

2) 饮用水源地排放生活污水。

3) 旁通生活污水处置装置的膜生物反应器，即生活污水进入生活污水处理装置但不经过膜生物反应器处理排放(排水水质不达标模拟)。

4) 生活污水经直通管直排舷外，监管系统均能监测到这些违排行为，得到违排量，并在船端和岸基系统给出报警提示，避免继续发生污染行为。

实船试验显示系统各模块工作正常，监管效果良好。

图5 船端系统安装

图6 岸基系统主要界面

5 结束语

1) 本文针对GB 3552—2018的相关规定开展内河船舶生活污水监管系统设计，系统能实现船舶生活污水排放水质关键指标监测与记录、排放行为分析、违排量计算以及违规排放行为警示提醒等功能，实船试验结果表明系统功能完备、监管效果良好。

2) 船舶生活污水污染的防治是一项复杂艰巨的系统工程，涉及政府部门、船舶管理企业、船员、科研院所、相关船舶配套设备生产企业等多方因素。该项工作任重而道远，可将基于国标的内河船舶生活污水排放监管系统的推广应用作为契机，行业相关部门理清职责、通力合作、齐抓共管，从而有效地控制船舶生活污水对航行水域环境的污染。