Optimization of wastewater treatment systems in passenger ship design

Abstract

Shipboard pollution has been regulated by international and regional instruments since the end of World War II. Wastewater and sewage from ships have, however, been one of the less researched aspects of pollution. Typically, rules and regulations are enforced during the initial installation of purification systems, but their performance is not monitored in practice. Development of treatment systems has been largely in the hands of ship system suppliers, main driver being compliance with regulations.

As wastewater systems have become increasingly advanced, new need has emerged for evaluation of the purification process in the context of ship design. Starting from the main key parameters required for system selection, wastewater system suppliers and other stakeholders of the ship design process need to work in the early stage ship concept design to decide on a fitting solution. Proper knowledge of wastewater sources and volumes onboard, as well as the ship operational profile act as cornerstones for the design improvements.

This study utilizes the resources provided by a wastewater system supplier and a ship design company to evaluate the current state of system design onboard passenger ships and what is expected from early ship concept phase. Based on this, two case vessels with initial parameters are studied in terms of suitable system selection.

Optimization and multi-criteria decision making tools have been widely used for ship machinery evaluations and land-based municipal wastewater plant applications. This study utilizes a linear optimization model using a standard product database for initial evaluation of the main parameters and variables for wastewater systems from the perspective of a case study vessel. Main objectives and constraints are fulfilling the hydraulic and organic loading requirements, as well as fitting of the systems in the designated space initially reserved by a ship design company.

Main conclusion of the study is that in the concept stage key variables of wastewater systems need to be established between the stakeholders of the ship design process.

Laivaperäisiä saasteita koskevat säännöt ja määräykset ovat olleet olemassa toisesta maailmansodasta lähtien. Jätevesi on kuitenkin jäänyt vähemmälle tutkimukselle verrattuna muihin laivaperäisiin saasteisiin. Usein jäteveden puhdistussysteemien on määrä täyttää asennusvaiheessa säännöt ja määräykset, mutta käytössä niiden suorituskykyä ei enää seurata. Laitteiston kehitys on ollut pitkälti laitetoimittajien vastuulla, pääajurina juuri sääntöjen ja määräysten tavoitteiden täyttyminen.

Samalla kuin puhdistussysteemeistä on tullut edistyksellisempiä, on muodostunut tarve arvioida puhdistusprosessia laivasuunnittelun kontekstin näkökulmasta. Alkaen ensimmäisistä pääparametreistä, joita tarvitaan laitteiden suunnitteluun, jätevesisysteemien toimittajien ja muiden laivasuunnitteluprosessin sidosryhmien on toimittava yhdessä suunnitellakseen ja valitakseen sopivan ratkaisun. Tieto laivan jätevesilähteistä ja volyymeistä, sekä laivan operointiprofiilista toimii suunnitteluprosessin kulmakivenä myöhemmissäkin vaiheissa.

Tämä tutkimus hyödyntää jäteveden puhdistussysteemien toimittajan ja laivasuunnittelutoimiston resursseja arvioitakseen systeemisuunnittelun nykytilan matkustaja-aluksissa, sekä mitä odotuksia sille on aikaisessa laivan konseptisuunnitteluvaiheessa. Tämän tiedon pohjalta kaksi esimerkkilaivaa parametreineen ovat tarkemmassa tarkastelussa sopivan systeemin valinnan näkökulmasta.

Optimointi ja monikriteerisen päätöksenteon työkalut ovat olleet laajasti käytössä laivojen koneistoratkaisujen ja maissa olevien jätevedenpuhdistamoiden arvioinnissa. Tämä tutkimus hyödyntää lineaarista optimointimallia ja standardituotteiden tietokantaa alkuvaiheen muuttujien ja parametrien arviointiin esimerkkialusten näkökulmasta. Päätavoite on täyttää hydraulisen ja orgaanisen kuorman vaatimukset, sekä sijoittaa systeemit niille suunnittelutoimiston toimesta varattuun tilaan laivassa.

Työn pääjohtopäätös on, että konseptivaiheessa on vakiinnutettava jätevesisysteemien tärkeimmät muuttujat laivasuunnitteluprosessin sidosryhmien yhteisymmärryksessä.