綠色艦船污染物排放控制與循環(huán)利用技術(shù)

敖慶章，王良武，劉喜元，謝承利，李慧子

(1.海軍駐武漢701所軍事代表室，武漢 430064； 2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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綠色艦船污染物排放控制與循環(huán)利用技術(shù)

敖慶章1，王良武2，劉喜元2，謝承利2，李慧子2

(1.海軍駐武漢701所軍事代表室，武漢 430064； 2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：結(jié)合海洋環(huán)境保護(hù)相關(guān)規(guī)范日趨嚴(yán)格的要求，從生活污水綜合處理與循環(huán)利用、固體垃圾分類收集與綜合處理、余熱回收利用及綜合供暖等多方面對(duì)綠色船舶污染物排放控制與循環(huán)利用技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)綠色船舶污染物控制技術(shù)在系統(tǒng)頂層規(guī)劃與資源整合、資源回收與循環(huán)利用、污染物處理綜合信息管理等方面的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，供綠色艦船污染物排放控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：艦船；生活污水；油污水；固體垃圾；循環(huán)利用

綠色產(chǎn)品的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代的美國(guó)環(huán)境法規(guī)中，在其幾十年的發(fā)展過(guò)程中，人們根據(jù)各自的理解對(duì)綠色產(chǎn)品下過(guò)多種定義，并且已經(jīng)達(dá)成了某種程度的共識(shí)，即綠色產(chǎn)品不僅要有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還要有利于節(jié)省資源和能源，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的安全性、宜人性以及產(chǎn)品自身的經(jīng)濟(jì)性[1]。艦船綠色環(huán)保技術(shù)，一方面要控制艦船污染物的產(chǎn)生、處理與排放；另一方面也應(yīng)在設(shè)備節(jié)能、資源回收利用等方面實(shí)現(xiàn)突破。船。

1艦船污染物排放控制規(guī)范要求

1.1生活污水排放控制要求

對(duì)于大多數(shù)艦船而言，目前生活污水執(zhí)行的基本標(biāo)準(zhǔn)是《73/78防污公約》附則IV和MEPC159(55)決議《經(jīng)修訂補(bǔ)充生活污水處理裝置的排放標(biāo)準(zhǔn)和性能試驗(yàn)準(zhǔn)則》的要求。從1973年頒布的《73/78防污公約》中關(guān)于污染排放控制到1976的MEPC 2(IV)細(xì)化了黑水排放指標(biāo)，再到2010年MEPC159(55)，生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)得到最嚴(yán)格的提升，首次對(duì)“灰水”進(jìn)行了定義，即指洗碗水、淋浴水、洗衣服的水及洗澡盆和洗臉盆的排水，其排放標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1　生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表

2011年7月15日IMO又通過(guò)了第MEPC.200(62)號(hào)決議，對(duì)特殊區(qū)域的規(guī)定和指定波羅的海為特殊區(qū)域進(jìn)行了定義，新增了關(guān)于客船在特殊區(qū)域內(nèi)的生活污水排放，要求其排出物須不會(huì)在水中產(chǎn)生可見(jiàn)的漂浮固體或使周圍海水變色，而這在以前僅是針對(duì)特殊區(qū)域以外的規(guī)定，并將于2016年開(kāi)始執(zhí)行[2-4]。

1.2油污水排放控制要求

油污水的排放目前按照《73/78防污公約》附則Ⅰ的排放標(biāo)準(zhǔn)，并滿足2005年開(kāi)始執(zhí)行的MEPC107(49)決議《修訂的船舶機(jī)器處所艙底水防污染設(shè)備指南和技術(shù)條件》的要求，經(jīng)油污水處理裝置處理后的排放水指標(biāo)為15 mg/L。在此前通過(guò)MEPC.60(33)決議的基礎(chǔ)上，增加了關(guān)于艙底油污水乳化油的處理能力的要求，即能夠令人滿意地處理相對(duì)密度極高的油或以乳狀液形式出現(xiàn)的混合物。其所述乳狀液形式出現(xiàn)的混合物指清潔工作所用的清潔劑、乳化劑、溶劑或表面活性劑可能會(huì)使艙底水乳化。MEPC107(49)決議要求15 mg/L艙底水分離器須能分離乳狀液中的油，使其流出物的含油量不超過(guò)15 mg/L[5]。

1.3壓載水排放控制要求

根據(jù)2004年2月IMO在總部倫敦通過(guò)的《船舶壓載水和沉積物控制和管理國(guó)際公約》要求，2012年或以后，設(shè)置有壓載艙的船舶應(yīng)設(shè)置壓載水處理系統(tǒng)，并滿足排放要求D2，見(jiàn)表2[6]。

表2　船舶壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)D2

1.4固體污染物排放控制要求

早期《73/78防污公約》對(duì)船舶固體垃圾的排放控制要求中，除塑料垃圾一律不得排放外，其他垃圾可在規(guī)定海域經(jīng)過(guò)粉碎至25 mm后進(jìn)行排放。而在2011年7月15日通過(guò)MEPC.201(62)決議則對(duì)這一規(guī)定進(jìn)行了大幅更改，并對(duì)動(dòng)物尸體、貨物殘留物、生活廢棄物、食品廢棄物、垃圾、塑料等進(jìn)行了較為詳細(xì)的定義。根據(jù)該決議要求，在特殊區(qū)域之外，除食品垃圾可以在3 n mile以外經(jīng)粉碎至25 mm排放、12 n mile以外直接排放外，其他所有垃圾均不得直接或經(jīng)處理后排放[7]。

2污染物綜合處理與回用技術(shù)

2.1污水綜合處理與循環(huán)利用技術(shù)

艦船生活污水一般包括黑水、廚房灰水和洗滌灰水，隨著IMO關(guān)于生活污水排放要求MEPC.227(64)決議的即將推廣，基于生化處理與膜分離的MBR生活處理處理技術(shù)在廣泛應(yīng)用的同時(shí)得到進(jìn)一步提升，其排放指標(biāo)中的大腸桿菌群數(shù)MPN、5 d生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量COD、總懸浮性固體TSS等已經(jīng)與陸上城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)(GB/T 18920-2002)十分接近，常稱之為“中水”，已經(jīng)具備進(jìn)一步消毒處理回收利用的條件。見(jiàn)表3。

表3　回用水與處理裝置出水水質(zhì)對(duì)比

目前在國(guó)內(nèi)研制的軍民品中已經(jīng)開(kāi)始對(duì)廁所排放的黑水、廚房排放的廚房灰水以及淋浴間盥洗室排放的洗滌灰水進(jìn)行收集與處理，處理后的水達(dá)到“中水”標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行回收，用于廁所、甲板的沖洗，某船用于MBR型生活污水綜合處理裝置組成及功能見(jiàn)圖1。黑水、廚房灰水、洗滌灰水從不同部位進(jìn)入生活污水綜合處理裝置(洗滌灰水相對(duì)干凈，需處理的難度較黑水、廚房灰水低)，并經(jīng)過(guò)生化處理、莫過(guò)濾(MBR工藝)以及氯消毒處理后達(dá)到MEPC.159(55)決議要求可實(shí)現(xiàn)直接排放，同時(shí)也可進(jìn)入“中水處理模塊”進(jìn)一步處理達(dá)到GB/T 18920-2002要求后回用[8-10]。

圖1　某船的MBR型生活污水綜合處理裝置組成及功能

此外，中餐特別是早餐中的稀飯、面條等含有大量水分，可將食品廢棄物中的廢液分離出來(lái)送入作為廚房灰水送入生活污水處理裝置進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理排放，而相對(duì)干燥的食品廢棄物如淀粉等可通過(guò)焚燒爐進(jìn)行處理。而艙底油污水一般經(jīng)過(guò)油污水處理裝置進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理排放，其分離出的污油含油量較高，也可利用焚燒爐進(jìn)行處理，減少污油艙的設(shè)置，同時(shí)還未輔鍋爐提供燃料。

2.2固體垃圾分類收集與綜合處理技術(shù)

受IMO及各國(guó)關(guān)于污染物排放控制要求，特別是新近執(zhí)行的MEPC.201(62)規(guī)定，除餐廚垃圾在限定條件下可經(jīng)粉碎至25 mm以下排放或直接排放外，其他固體垃圾一律不得排放。然而由于艦船總體資源有限，艦船固體垃圾的處理、特別是減容處理在艦船防污染控制中占有很重要的位置，目前常用處理方式有焚燒、打包儲(chǔ)存、粉碎排放(僅餐廚垃圾)。為有效減少固體垃圾占用的艙容并延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間，在打包儲(chǔ)存前，一般對(duì)其進(jìn)行粉碎、脫水、烘干及消毒，再壓縮打包[11]。

雖然除餐廚垃圾外其他垃圾一律不得排放，但為了有效控制垃圾所占用艙容，同時(shí)也考慮到后續(xù)的再回收利用，固體垃圾依然可以進(jìn)行分類收集、處理和存放。例如，可根據(jù)固體垃圾的可燃特性(如紙板、棉紗等的焚燒處理)、減容特性(玻璃瓶、易拉罐等減容處理)、含水特性(如餐廚垃圾粉碎、脫水處理)等進(jìn)行分類收集，利用不同的垃圾處理裝置或多功能處理裝置進(jìn)行分類處理。對(duì)可燃垃圾，可在艦船上設(shè)置焚燒爐，將垃圾進(jìn)行焚燒處理；對(duì)于玻璃、易拉罐等可進(jìn)行減容處理的垃圾，均可利用垃圾粉碎壓實(shí)類裝置進(jìn)行粉碎減容，還可進(jìn)一步細(xì)化分類，按金屬、玻璃制品及塑料制品等分批進(jìn)行處理，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)送陸地處理時(shí)依然可以回收利用；對(duì)于含水特性的垃圾，艦船上主要為餐廚垃圾，其他部分為未飲用完的水瓶、牛奶包裝袋等，而后者可進(jìn)行事先排干后按可燃、可減容處理垃圾進(jìn)行處理，而餐廚垃圾則可進(jìn)行粉碎、脫水處理，其脫離出的水分可通過(guò)生活污水處理裝置進(jìn)行處理，而分離出的干式垃圾則進(jìn)行烘干、消毒與打包儲(chǔ)存。某船固體垃圾分類收集與處理方案見(jiàn)圖2。除按上述可燃垃圾、減容垃圾和餐廚垃圾外，還增設(shè)了醫(yī)療垃圾的單獨(dú)收集與封存措施。這樣，一方面可以盡可能根據(jù)垃圾特性發(fā)揮設(shè)備的功效；另一方面也可有效實(shí)現(xiàn)垃圾的再循環(huán)利用，同時(shí)在一定層度上延長(zhǎng)了垃圾儲(chǔ)存時(shí)間、減少垃圾儲(chǔ)存所需空間資源。

圖2　某船固體垃圾分類收集與處理方案

2.3余熱回收利用及綜合供暖技術(shù)

艦船能源消耗量大，如何提高對(duì)能源的利用率一直是業(yè)界研究的課題。艦船動(dòng)力裝置的排氣、冷卻水以及部分輔助機(jī)械的冷卻水中含油大量的熱能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，排氣余熱約占動(dòng)力裝置發(fā)熱量的18%、實(shí)際可回收量約12%，冷卻水余熱約占17%，溫度約80 ℃。通過(guò)高溫?zé)岜眉夹g(shù)，其蒸發(fā)器可從約80 ℃的船舶柴油機(jī)冷卻水中吸收熱量，經(jīng)過(guò)熱力循環(huán)后，將所吸收的熱量轉(zhuǎn)移到冷凝器；在冷凝器內(nèi)，冷凝溫度約為130 ℃的高溫制冷劑對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生約0.2 MPa、120 ℃的高溫水蒸汽，以供艦船日常運(yùn)營(yíng)需要[12]。

目前電力推進(jìn)在許多國(guó)外艦船上得到推廣，其靈活的設(shè)備布置方案是優(yōu)點(diǎn)之一，另一方面則是在不同巡航工況下電力系統(tǒng)的負(fù)載調(diào)節(jié)能力更為靈活多變，同時(shí)還為許多大功率用電設(shè)備在艦船上的應(yīng)用提供了條件。以艦船供暖系統(tǒng)中最大的供暖設(shè)備燃油輔鍋爐為例，產(chǎn)生蒸汽或熱水時(shí)將消耗大量輕柴油并造成多空氣污染?；谂灤苄е笖?shù)設(shè)計(jì)，利用電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，為輔鍋爐轉(zhuǎn)換為電加熱提供了可能。目前國(guó)內(nèi)某海洋鉆井平臺(tái)上已安裝800 kW級(jí)的電加熱熱水鍋爐。

國(guó)內(nèi)大量的民用船舶采用了主機(jī)廢氣加熱熱水、主機(jī)缸套冷卻水加熱熱水、電加熱熱水等熱水供暖系統(tǒng)，通過(guò)主機(jī)熱氣鍋爐、主機(jī)冷卻水廢熱回收單元(即多功能板式換熱器)、熱源水循環(huán)泵等，將這些余熱用于加熱供暖系統(tǒng)所需的“熱媒水”，極大地減少了供暖用戶對(duì)燃油輔鍋爐的依賴。通過(guò)與船舶動(dòng)力裝置余熱的分析，合理設(shè)置廢氣鍋爐、冷卻水廢熱回收單元等熱媒水設(shè)施，可有效改善船舶能效指數(shù)。某船多熱源供暖系統(tǒng)的原理見(jiàn)圖3。主機(jī)的缸套冷卻水、主機(jī)廢氣所含余熱通過(guò)換熱系統(tǒng)用來(lái)加熱取暖所需的熱媒水；雙熱源熱水柜除利用余熱加熱外，還可利用電進(jìn)行加熱，為熱媒水的產(chǎn)生提供了新的能源供應(yīng)模式。此外，在該船某些部位，由于供熱系統(tǒng)所產(chǎn)生凝水難以回收利用等原因，還設(shè)置有電暖風(fēng)機(jī)、電取暖器等其他供暖形式，形成了多熱源供熱系統(tǒng)。

圖3　某船多熱源供暖系統(tǒng)的原理

3綠色艦船污染物控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1系統(tǒng)頂層規(guī)劃與資源整合技術(shù)

正如上面所述，目前生活污水(含黑水和廚房、洗滌灰水)、油污水處理裝置，固體垃圾粉碎壓實(shí)處理裝置、焚燒爐等設(shè)備技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，雖然部分設(shè)備體積大、噪聲大等仍有待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，但更多地需要在系統(tǒng)層面考慮各類污染物及處理設(shè)備的頂層規(guī)劃與資源整合。例如，國(guó)外已開(kāi)展艦船污染物綜合處理技術(shù)的研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全艦污染物的收集與處理，如食品垃圾/濕垃圾真空收集系統(tǒng)，可對(duì)其進(jìn)行真空收集、脫水及消毒，分離出的廢液進(jìn)入MBR污水處理裝置，廢渣焚燒；設(shè)置焚燒爐，用于焚燒可燃垃圾和污油、污泥等。其發(fā)展趨勢(shì)在于污染物處理的綜合化、系統(tǒng)化，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的整體規(guī)劃與設(shè)備資源的共享，通過(guò)各種設(shè)備資源的相互利用，減量減少排放以及垃圾儲(chǔ)存量。

3.2資源回收與循環(huán)利用技術(shù)

正如綠色產(chǎn)品的定義，不僅要有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還要有利于節(jié)省資源和能源。一方面在艦船垃圾排放管理過(guò)程中，需根據(jù)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格控制污水、固體廢棄物的分類收集、處理和儲(chǔ)存，為船上回收利用與上岸回收利用均奠定良好基礎(chǔ)；另一方面，污染物的綜合處理可將部分廢棄物變廢為寶。如上述的油污水經(jīng)處理所得污油可作為燃油輔鍋爐的燃料進(jìn)行補(bǔ)給，提供熱源備份；生活污水經(jīng)深度處理達(dá)到“中水”標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行沖廁、沖洗甲板等，可節(jié)省海水淡化的成本、減少污水艙艙容消耗；經(jīng)粉碎、壓實(shí)、消毒及打包后的固體垃圾，如金屬、玻璃及塑料等，可轉(zhuǎn)送岸上進(jìn)一步處理和回用。

3.3污染物處理綜合信息管理技術(shù)

隨著艦船自動(dòng)化水平的提高，特別是無(wú)人機(jī)艙的出現(xiàn)，對(duì)艦船及艦船設(shè)備信息化推動(dòng)極大，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)程遙控等技術(shù)進(jìn)一步得到推廣。艦船之所以能稱之為“綠色產(chǎn)品”，還在于系統(tǒng)及設(shè)備的安全性、宜人性。未來(lái)污染物排放控制系統(tǒng)及配套設(shè)備的信息管理系統(tǒng)，應(yīng)能對(duì)系統(tǒng)及機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和綜合故障、主要功能切換閥門的開(kāi)閉狀態(tài)、處理前后水質(zhì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警，同時(shí)能依據(jù)全系統(tǒng)的監(jiān)控信息，自動(dòng)遠(yuǎn)程遙控對(duì)系統(tǒng)功能動(dòng)作進(jìn)行切換，例如收集液艙達(dá)到高位報(bào)警液位時(shí)，能自動(dòng)啟動(dòng)污水轉(zhuǎn)駁處理或者排放泵組自動(dòng)啟動(dòng)。此外，信息系統(tǒng)還應(yīng)融入系統(tǒng)和設(shè)備的工作原理、基本組成、常見(jiàn)故障等信息，能在系統(tǒng)或者設(shè)備發(fā)生故障時(shí)提供輔助的自動(dòng)檢測(cè)診斷，為系統(tǒng)應(yīng)急操控與維護(hù)提供指導(dǎo)，為減輕船員勞動(dòng)強(qiáng)度，創(chuàng)造良好的“宜人性”。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)黑水、廚房灰水及洗滌灰水等生活污水與油污水，食品垃圾與可燃垃圾、可壓縮垃圾等的不同特性，提出污染物綜合處理與循環(huán)利用設(shè)想，通過(guò)各類污染物處理設(shè)備間的相互備份使用，可較大程度減少污染物所占用的總體資源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)艦船上的廢物利用或轉(zhuǎn)陸地回用。隨著海洋環(huán)境保護(hù)規(guī)范、要求日趨嚴(yán)格的要求，以及各類污染物處理設(shè)備技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)艦船總體設(shè)計(jì)特別是系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)提供了更高要求，也提供了更多可能。基于系統(tǒng)頂層規(guī)劃與資源整理利用的污染物綜合處理與循環(huán)利用將為“零排放”綠色艦船提供技術(shù)基礎(chǔ)，基于信息化技術(shù)的污染物處理綜合信息管理技術(shù)也將為系統(tǒng)可靠性、亦操性等綠色產(chǎn)品“宜人性”提供技術(shù)保障。

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Research on Technologies of Green Ship Pollution Control and Recycle

AO Qing-zhang1, WANG Liang-wu2, LIU Xi-yuan2, XIE Cheng-li2, LI Hui-zi2

(1 Military Representative Office at No.701 Research Institute, Wuhan 430064, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The increasingly requirement of environment protection statute and criterion is introduced. The technologies of green ship pollution control and recycle are analyzed, such as the synthetic treatment and recycle of waste water, classify collection and synthetic treatment of solid wastes, recycle of residual heat energy as well as synthetic heating. The authors also discussed about the whole programming and resource conformity, resource recycle, information management of waste's synthetic treatment of green ship pollution control, which can be referenced for the design of green ship pollution control system.

Key words:ship; waste water; oil water; solid wastes; recycle

中圖分類號(hào)：U664.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0040-05

第一作者簡(jiǎn)介：敖慶章(1978-)，男，學(xué)士，工程師E-mail:aoqingzhang98211@sohu.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.012

修回日期：2016-01-21

研究方向:艦船總體研究與設(shè)計(jì)