美國海軍艦船廚余垃圾處理技術(shù)與系統(tǒng)研究

王 玨，徐 佳，孫 哲

(1. 中國船舶信息中心，北京 100101；2. 廈門船舶重工股份有限公司，福建 廈門 361000；3. 中國船舶集團(tuán)有限公司，上海 200011)

0 引 言

隨著人類海洋活動(dòng)不斷增多，船舶對海洋造成的污染日趨嚴(yán)重。各國海軍在海洋環(huán)境保護(hù)、艦船廚余垃圾處理方面的基本意識是一致的，海軍艦船公海航行時(shí)遵守國際公約，進(jìn)入他國海域時(shí)（如出訪、入港補(bǔ)給等）遵守相關(guān)法律法規(guī)。

艦船廚余垃圾是一個(gè)寬泛的概念，包括餐前和餐后2 個(gè)階段產(chǎn)生的垃圾。餐前階段產(chǎn)生的廚余垃圾包括食材包裝物、食材洗滌污水，餐后階段產(chǎn)生的廚余垃圾包括食物殘?jiān)?、餐具洗滌污水。食材包裝物材料一般分為紙張、塑料、玻璃、金屬，洗滌污水中可能含有油類、化學(xué)制劑等污染物，食物殘?jiān)饕獮楦鞣N有機(jī)物。艦船廚余垃圾構(gòu)成復(fù)雜，排放標(biāo)準(zhǔn)各異，涉及相關(guān)處理系統(tǒng)、設(shè)備較為多樣。

國際海事組織（IMO）在《1973 年國際防止船舶造成海洋污染公約的1978 年議定書》（“73/78 防污公約”即MARPOL73/78）對廚余垃圾的排放做了詳細(xì)規(guī)定[1,2]。但是，在MARPOL 73/78 中僅對固體垃圾和食物殘?jiān)呐欧艠?biāo)準(zhǔn)作出了規(guī)定，廚房洗滌污水則未被提及。美國海軍艦船污染控制相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要參考“73/78 防污公約”的內(nèi)容，并依據(jù)自身具體需求，作出了相應(yīng)調(diào)整。

1 美國海軍艦船廚余垃圾處理技術(shù)方向

通過對國外典型艦船廚余垃圾處理流程進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)各國對廚余垃圾中紙張、玻璃、金屬、塑料等處理技術(shù)大致相同[3,4]，為粉碎后壓縮打包。但對食物殘?jiān)奶幚砑夹g(shù)差異較大，主要包括4 個(gè)主流技術(shù)方向，分別為粉碎后壓縮脫水儲存、烘干脫水儲存、重力儲罐儲存/排放、真空儲罐儲存/處理，見圖1[5,6]。

圖1 國外艦船廚余垃圾處理技術(shù)Fig. 1 Foreign vessels food waste disposal technology

美國海軍艦船廚余垃圾處理思路為將廚余垃圾分為固體垃圾（紙張、塑料、玻璃、金屬）和廚余污水（食物殘?jiān)?、洗滌污水）兩大類，固體垃圾一般進(jìn)行粉碎壓縮，包裝儲存在特定艙室，除塑料外的固體垃圾也可在許可海域沉入海底，廚余污水則合并進(jìn)全艦生活污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。食物殘?jiān)鬯楹笸ㄟ^重力收集系統(tǒng)（部分艦船升級后，也采用了真空收集系統(tǒng)）泵送至儲存罐儲存，等待航行至允許排放的海域排放或在港口連接標(biāo)準(zhǔn)接頭泵送至岸基處理設(shè)施（“福特”號航母采用等離子焚燒爐處理固體垃圾）。此種方法的缺點(diǎn)是若艦船在港內(nèi)長期駐泊，或港口未配備標(biāo)準(zhǔn)接頭（停泊他國港口或岸基設(shè)施故障等情況），艦船儲罐裝滿則只能出港排空儲罐。

2 美國海軍艦船廚余垃圾處理系統(tǒng)設(shè)備

2.1 全艦生活污水處理系統(tǒng)

美國海軍艦船使用全艦生活污水處理系統(tǒng)集中處理灰水、黑水，食材洗滌水，食物殘?jiān)鬯闈{化后統(tǒng)一接入該系統(tǒng)，與灰水共同處理。目前美國海軍艦船均采用第三型海上衛(wèi)生設(shè)備（MSD Ⅲ）。第三型海上衛(wèi)生設(shè)備包括2 種型號，分別為重力收集、儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（CHT 系統(tǒng)）和真空收集、儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（VCHT 系統(tǒng)）?？傮w上，美國海軍較為老式的艦船采用CHT 系統(tǒng)，新型艦船均采用了VCHT 系統(tǒng)。CHT 系統(tǒng)有3 種工況。艦船港內(nèi)停泊時(shí)黑水、灰水均進(jìn)入污水儲罐，然后通過甲板接頭轉(zhuǎn)運(yùn)至港口設(shè)施處理；距海岸3 n mile 以內(nèi)時(shí)，黑水進(jìn)入污水儲罐，灰水直接排放；3 n mile 以外無特殊規(guī)定海域，黑水、灰水直接排放至舷外，如圖2 所示。

2.1.1 重力收集系統(tǒng)（CHT 系統(tǒng)）

目前，美國海軍較為老式的艦船采用CHT 系統(tǒng)，包括“尼米茲”級航空母艦（不包括“喬治·布什”號）、“提康德羅加”級巡洋艦、“藍(lán)嶺”級兩棲指揮艦、船塢登陸艦（LSD）以及隸屬軍事海運(yùn)司令部的眾多軍輔船等。

CHT 系統(tǒng)根據(jù)對固型物的處理方式可分為過濾型和粉碎型2 種，如圖3 和圖4 所示。在實(shí)際應(yīng)用場景中，CHT 系統(tǒng)通常需要儲存全艦12 h 內(nèi)產(chǎn)生的污水，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇污水儲存罐的容積，儲罐容積為0.75 ～19 m3。應(yīng)用過濾型CHT 系統(tǒng)的艦船主要為小型艦艇和“提康德羅加”級巡洋艦的早期型號，污水儲罐容積大于7.6 m3時(shí)需使用粉碎型CHT 系統(tǒng)。

圖3 過濾型CHT 系統(tǒng)Fig. 3 Filtration type CHT system

圖4 粉碎型CHT 系統(tǒng)Fig. 4 Smash type CHT system

2.1.2 真空收集系統(tǒng)（VCHT 系統(tǒng)）

目前VCHT 系統(tǒng)廣泛裝備于美國海軍新型艦艇，包括“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦、“圣安東尼奧”級兩棲船塢運(yùn)輸艦、“喬治·布什”號航空母艦、“朱姆沃爾特”號驅(qū)逐艦、近海戰(zhàn)斗艦等。

VCHT 系統(tǒng)可以看作是CHT 系統(tǒng)的升級版，該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是通過真空沖洗減少了污水量，從而延長了污水可儲存的時(shí)間[7]。20 世紀(jì)90 年代初期，美國海軍在“鶚”級獵雷艦上搭載的該套系統(tǒng)僅靠3m3 的污水儲罐就可以儲存5 天的污水量?！笆グ矕|尼奧”級兩棲船塢運(yùn)輸艦采用比傳統(tǒng)CHT 系統(tǒng)更小的污水儲罐就可以容納1 000 人36 小時(shí)產(chǎn)生的污水。除早期在“斯普魯恩斯”級驅(qū)逐艦上的試驗(yàn)型號只能處理黑水外，目前現(xiàn)役艦艇裝備的VCHT 系統(tǒng)可同時(shí)處理各種生活污水。

2.2 塑料垃圾處理系統(tǒng)

塑料的自然降解過程非常緩慢，會給環(huán)境帶來極大的污染，在任何海域都不能將塑料垃圾直接排放。目前各國海軍艦船對塑料垃圾的處理方法主要是粉碎后熱熔成垃圾塊，置于密閉容器或防臭袋中儲存，統(tǒng)一轉(zhuǎn)運(yùn)至岸上進(jìn)一步處理。美國海軍塑料垃圾處理系統(tǒng)（PWP）由固體廢物或塑料粉碎機(jī)、壓力熔化機(jī)、閉環(huán)冷卻單元或輔助單元、熱封機(jī)組成[8]。工作溫度150℃～200℃，處理時(shí)間15～20 min，可至少儲存60 d 塑料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖5 所示。

圖5 塑料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 5 Plastic crusher structure schematic

塑料垃圾處理設(shè)備于護(hù)衛(wèi)艦以上艦級。粉碎設(shè)備規(guī)格為132×196×64 cm，818 kg；熱熔壓縮設(shè)備規(guī)格為65×2 000×137 cm，567 kg。該型熱熔設(shè)備可以將塑料垃圾壓縮為直徑0.58 m，厚度3.8 ～12.7 cm 的圓盤，每個(gè)圓盤重量4.53～11.34 kg。塑料垃圾熱熔壓縮設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如圖6 所示。

圖6 塑料垃圾熱熔壓縮設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 6 Plastic waste hot melt compression equipment schematic

由于塑料垃圾塊的厚度、加熱時(shí)間等因素的影響，壓力熔化機(jī)無法對垃圾塊進(jìn)行完全殺菌。久置后，塑料垃圾中混雜的食物殘?jiān)诩?xì)菌作用下腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生異味，因此需要將處理后的塑料垃圾封存于防臭袋中，熱封設(shè)備規(guī)格為36×18×18 cm，7 kg。

2.3 紙張、食品垃圾處理設(shè)備

食物殘?jiān)谶M(jìn)入CHT 系統(tǒng)前首先要進(jìn)行漿化處理，美國海軍有大小2 種碎漿機(jī)，專門用于處理廚余垃圾，如圖7。大型碎漿機(jī)處理能力為454 kg/h，小型碎漿機(jī)處理能力為45.4 kg/h。除專用碎漿機(jī)外，美國海軍艦船還在特定艙室布置廚余垃圾處理設(shè)備，類似于目前市場上常見的家用型廚余垃圾處理機(jī)。

圖7 大型碎漿機(jī)（左）和小型碎漿機(jī)（右）Fig. 7 Large pulper（left）and small pulper（right）

2.4 金屬/玻璃垃圾處理設(shè)備

金屬和玻璃垃圾經(jīng)處理后體積可減小2/3，需要密封儲存。通常情況下在碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)至岸上處理設(shè)施，特殊情況下也可做負(fù)浮力處理后在允許傾卸的海域沉至海底。美國海軍“華盛頓”號航母裝備金屬玻璃粉碎機(jī)（Metal Glass Shredder，MGS），處理能力為72 kg/h，結(jié)構(gòu)、外形與塑料粉碎機(jī)很相似，操作時(shí)需要注意區(qū)分，不可將兩者混用。此外，還裝備了固體廢物廢物粉碎機(jī)（Solid Waste Shredder，SWS）既可以可處理金屬、玻璃類垃圾又可以處理塑料類垃圾，處理能力為36 kg/h，處理后垃圾打包封存，靠岸后轉(zhuǎn)運(yùn)至港口設(shè)施回收并進(jìn)一步處理。

2.5 焚燒爐

美國海軍航母、兩棲艦、大型軍輔船上均配備有焚燒爐，有2 種型號。軍輔船上使用Vent-O-Matic 3AC/5R 型焚燒爐，航母上使用Golar GS500 型焚燒爐。美國海軍艦船使用焚燒爐的歷史非常悠久，通常用于處理大多數(shù)可燃性廢料，如紙張、硬紙板、木材、碎布等，若焚燒爐結(jié)構(gòu)允許，也可以用于處理食物垃圾。大型焚燒爐如圖8 所示。

圖8 大型焚燒爐Fig. 8 Large incinerator

3 先進(jìn)污染控制系統(tǒng)

3.1 等離子弧廢物銷毀系統(tǒng)

傳統(tǒng)焚燒爐存在爐溫偏低、體積過大等問題，往往無法焚燒塑料、金屬、玻璃、食物、醫(yī)療廢物等垃圾。[9]目前美國海軍在“福特”號航母上使用等離子弧廢物銷毀系統(tǒng)（PAWDS），代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焚燒爐，用于集中銷毀艦上的食物殘?jiān)⒓埌?、塑料、油泥、墊料、艙室垃圾等可燃性廢物。

3.2 船舶污染物綜合處理系統(tǒng)

隨著各國海軍對海洋環(huán)境污染問題認(rèn)識程度逐漸提高，越來越多的國家在海軍艦船設(shè)計(jì)過程中選擇向Deerberg 公司、Evac 公司等艦船污染控制方案集成商授予合同，根據(jù)具體需求定制全艦污染控制系統(tǒng)、設(shè)備。

Evac 公司為美國海軍艦艇提供了污染物處理方案，包括“弗吉尼亞”級核潛艇、“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦、“福特”級航母、“朱姆沃爾特”號驅(qū)逐艦等。較為常見的方案是將食物殘?jiān)鬯椋ㄟ^真空輸送系統(tǒng)泵送至食物垃圾儲罐，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以減少污水量，增加最大儲存時(shí)間。Evac 公司的食物垃圾儲罐采用耐腐蝕材料制成，內(nèi)部設(shè)置攪拌系統(tǒng)，防止沉降。儲罐有多種尺寸，最大容積5 m3。

3.3 膜反應(yīng)裝置

隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，美國海軍艦船采用的污水處理方案逐漸無法滿足國際公約對污水大腸桿菌含量、有機(jī)物含量等方面做出的具體要求。目前，美國海軍已開始試驗(yàn)在現(xiàn)有全艦生活污水處理系統(tǒng)上加裝膜反應(yīng)裝置（見圖9），減少污水微生物含量[10]。

圖9 美國海軍艦船膜反應(yīng)裝置Fig. 9 US navy vessel membrane reactor

4 美國海軍艦船廚余垃圾處理系統(tǒng)發(fā)展趨勢

海軍艦船廚余垃圾處理技術(shù)和系統(tǒng)發(fā)展趨勢可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1）污染物零排放化

各國各地的排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，很多老舊設(shè)備已無法適應(yīng)，新型污染控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)正向污染物零排放的目標(biāo)邁進(jìn)。在節(jié)能減排的同時(shí)，兼顧廢棄物的綜合利用，如實(shí)現(xiàn)污水循環(huán)利用、垃圾回收等，減少對海洋環(huán)境的污染。

2）處理過程信息化

由于全艦的廚余垃圾污染源比較分散，導(dǎo)致污染物處理裝置相對分散，不便于管理和維護(hù)。提高環(huán)境污染控制系統(tǒng)的信息化水平，可利用平臺網(wǎng)系統(tǒng)，對主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障、維護(hù)等進(jìn)行監(jiān)測與控制，使艦員能及時(shí)掌握該系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，提高效率。

3）處理設(shè)備模塊化

目前較為先進(jìn)的艦船廚余垃圾處理系統(tǒng)在設(shè)備層面上大量采用模塊化設(shè)計(jì)，以便根據(jù)需要配置適當(dāng)?shù)墓δ?。另一方面，功能模塊的設(shè)計(jì)也便于維修保養(yǎng)和后期的技術(shù)升級。

4）處理系統(tǒng)集成化

綜合廢物處理系統(tǒng)是未來發(fā)展的一大趨勢，包括廚余垃圾在內(nèi)的各種污染物的處理系統(tǒng)互相集成。對生活污水的處理目前已基本取消黑水、灰水的分類處理模式，而采用一體化的處理設(shè)備。未來趨勢是，所有的船舶污水（包括油污水、生活污水、壓載水）進(jìn)行集成化處理，簡化設(shè)計(jì)、提高可靠性。