国外核潜艇废物管理系统发展评述

田 琬，张辉意，吴 鸣

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064)

1 概 述

核潜艇是核威慑力量中最富生命力的武器平台。过去处理艇内垃圾的通常做法是将废物稍作处理或根本不处理就排出艇外［1］。这样做既不利于艇内生活环境，也严重影响了自身隐身性，甚至会暴露行踪。由于环境的特殊要求，以现有民用技术为基础的水面舰艇废物处理系统并不适合在核潜艇上使用。由许多国家共同签署的《防止舰船污染的国际法规》(简称MARPOL73/78)对海上废物排放进行了详细规定，要求在船上储存垃圾以保护海洋环境。目前，虽然这些规则仅适用于各类远洋船舶，尚未对海军加以限制，但美、英、法等国已经明确指出其海军将来也需遵守MARPOL73/78 协议。在核潜艇上采取适当的废物处理系统，不仅是满足国际法规减少环境污染的迫切需求，还是完善自身综合系统的必要措施。

1.1 国际法规

国际海事组织于1973年通过《1973年国际防止船舶造成污染公约》，在1978年通过《关于1973年国际防止船舶造成污染公约的1978年议定书》，国际上通常将这二者合称为《73/78 防污公约》［1-2］。其中，附则Ⅰ《防止油污规则》规定禁止在海上排放所有油废物;附则Ⅳ《防止船舶生活污水污染》规定在距特定区域海岸一定范围的海域内禁止排放未经处理的污水或黑水［2］;附则Ⅴ《防止船舶垃圾污染规则》对船舶垃圾的分类、排放区域和方法、收集和储存程序以及管理方法都予以说明。

1.2 废物来源与分类

核潜艇废物的产生量受多种因素的影响，包括艇员人数、生活习惯、生活水平、文化传统、设备老化程度等。它大致在以下过程中产生［3-5］:运输和处理有效载荷产生的残物，如纸、硬纸板、塑料衬料等包装材料;维修和保养产生的油漆废料，更换零件的包装材料，修理机械和设备的废料;日常生活和卫生保健工作带来的一些垃圾，包括生活污水、食品和医疗废弃物、玻璃、金属饮料罐、塑料等;艇上动力或生活用燃油产生的污油泥;从艇上汽轮机及焚化炉排放出的气体。通过对上述船舶垃圾组成的分析可得出其主要来源为:淋浴室和厕所，厨房和面包房，餐厅和碗碟洗涤间，供应部门，仓库，维修部门和机舱。

核潜艇上的废物可分为液体废物和固体废物2类［2］。液体废物包括油水、灰水和黑水，主要是指生活污水、灰水、油污水、清洗舱底污水、除锈液、防污涂料和废油等油类废弃物［6-8］。其中油污水是由分散或乳化状态的油和水形成的混合液，灰水是指洗澡、洗衣及洗餐具倾倒水等，生活污水是使水体受到日常生活污物污染而形成;固体废物包括塑料废物和非塑料废物，主要指无机中性材料(玻璃、铁制品和瓷器等)、有机物 (食品等生活垃圾)、垫舱物料、载荷装卸废弃物、塑料及一些废弃的医疗器械等［3-4］。如按形状可分为块状、粒状、粉状和半固体(泥状、浆状、糊状废物)等［9-10］。

2 美国

美国海军利用先进的革新技术，采用创新的废物处理方法，如废弃物最少化处理、污染预防、废物回收、废物利用及重复使用等，对艇内垃圾进行有效管理［11-15］。

2.1 液体废物处理

美国《清洁水法案》禁止舰艇在离陆地3 n mile之内将未经处理的污水和废水排到海里。当前，美国海军污水管理战略沿用此规定，要求将污水储存在潜艇上，超过这一距离才能直接排出艇体，停港后还需用泵将污水抽到岸上回收站里处理。未来，美国会将这一限制距离延长到12 n mile。潜艇上的卫生系统设备采用与陆基处理装置相似的技术，依靠物理、化学，或者生物处理方法将污水降级分解，再形成淤泥便于岸上处理。但是污水处理费用的提高促使美国寻求研制新的综合液体处理系统。新系统通过使用膜和紫外线辐射光技术对灰水进行过滤和消毒再排出艇外，剩余的材料会与污水、油水一起在热损坏装置中燃烧。

MARPOL 附则I、美国《防止舰艇污染法案》和《清洁水法案》都对油污水排放进行了规定，要求其中的油含量不得超过百万分之十五［16-17］。核潜艇上的油水分离机采用离心分离机技术，通过接合板将水油分离后，直接把浓缩油装入水油箱内运回岸上再进行处理。为了实现将排放标准降至百万分之五的未来目标，美国海军还在测试一种超滤陶瓷膜打磨系统。此外，商船上使用的清洁压载系统很可能会应用到未来的美国核潜艇上。

2.2 固体废物处理

2.2.1 法律法规

美国国会于1987年批准将MARPOL73/78 附则V 作为船舶塑料污染研究和控制法案来执行［18-19］，禁止在世界范围内抛除塑料垃圾。1994年，美国《国防授权法案》修正案《防止舰艇污染法案》［16］中要求，自2008年12月31日起禁止从核潜艇上排放塑料垃圾，而需将其储存在艇上［20］。但直到20世纪90年代中期，由于运行或任务的特殊需求，对向海里排放固体塑料垃圾的行为只能依靠自我约束。当前潜艇固体垃圾管理方法遵照的是由OPNAV 发布的指令5090.1B［21］和由大西洋潜艇司令部/太平洋潜艇司令部发布的指令5090.5 《3/20 天规则》。

2.2.2 处理措施

美国的固体垃圾管理措施主要包括4 个方面:最小化、收集、处理和储存［22-24］。这需要尽量减少海上环境中固体垃圾的来源。受艇上空间限制，还需压缩所储存艇内垃圾的体积，加以清洁包装，并确定专门的存放区域。通过焚烧处理干燥固体材料，对废弃食品及纸张进行切碎和浆化。美国海军研制出用于处理完全受损有机材料和无机材料的先进热损坏技术，还研发了异味隔离袋和垃圾污染袋。这些技术已经在实验室里取得了良好效果，并在“洛杉矶”级、“俄亥俄”级和“海狼”级潜艇上通过验证，最终会应用于所有美国核潜艇上［25-27］。还有一些方法正处于研究阶段，如超临界水氧化法、高压热液处理法、电化学氧化法、半导体光催化法、臭氧化法、电动液压空化法、等离子弧热转换法、脉冲功率冷却等离子体反应堆法和先进的焚烧炉设计等［22］。美国海军已在所有1950年后建造的潜艇上安装了1 套独特的垃圾处理系统，包括垃圾压缩机和垃圾处理机。垃圾压缩机由卡迪洛克分部的实验室研制，通过潜艇上的水动力驱动其压碎装置运转［28］。垃圾处理机能使潜艇下沉时排放固体垃圾，主要包括依靠水力运转的喷嘴球阀、作用轴或垃圾处理机管，以及炮尾门。当关闭炮尾门时，会将喷嘴球阀打开通海口，利用来自配平机构和排水主管的海水将固体垃圾排出艇外。

2.3 小结

美国海军正在研制综合液体处理系统来处理污水和废水，并不断开发更有效的油水分离机。在处理固体垃圾方面通过减少垃圾体积、排除异味和扩充储存空间，并且配备潜艇垃圾压缩机和垃圾处理机，取得了很好的效果。

3 英国

1994年出版的《潜艇设计基本原则》［29］中将英国潜艇在水下处理艇内垃圾的特殊系统称作废物抛出装置。在收集好艇内垃圾后，将其装入塑料袋并加以配重，然后再放入废物抛出筒内，通过抛出系统将废物抛出舷外并沉入海底。英国最新一代“机敏”级核潜艇也将遵循MARPOL 协议对艇上的生活废物采取相应的管理措施。

3.1 管理原则

英国皇家海军通过政策法规严格执行MARPOL73/78 协议对“机敏”级核潜艇进行生活废物管理，最终达成的决议是在艇上保留全部废物［30］。这意味着该级潜艇在90 d 的巡航期间内保留并且存储所有的固体废物，不再配备以前的废物排放设备，以避免海水倒灌的危险。英国的核潜艇垃圾处理系统基于分级思想，基本原则是减少废物源、废物分类管理，废物处理和废物存储［30］。

1)避免产生垃圾。设计多样的废物流，对日用供给品进行特殊包装，按菜单定制、贮存日用供给品。

2)垃圾最少化。当潜艇离港时确认艇内没有垃圾，并减少巡航期间产生的垃圾数量。

3)垃圾分类。按不同类别对垃圾分成，以便有效管理特殊垃圾。在源头通过颜色编码的容器对废物流进行分类。

4)垃圾处理和储存。设有专门的废物管理区域处理包装好的罐子、瓶子和塑料容器。将其碾碎压缩成样板后，放置于结实的塑料袋中进行真空加热密封处理，这样能大大减少垃圾体积，并且最大程度上避免细菌生长。对于无法处理的废物流，粉碎压实后装入异味隔离袋，然后真空密封并储存在指定的废物贮存区域。密封包裹存放于垃圾管理舱的专用支架上以便监控。该舱温度约为13℃～15℃，可最大程度避免细菌生长。一旦空间装满，存放时间最长的包裹会被移至因食物消耗而腾出新位置的食物存放区(该区温度更低)。出航任务结束后，废物才会从艇上排出。

3.2 系统特点

“机敏”级核潜艇废物处理系统是由“前卫”级核潜艇上的垃圾处理系统改装的。该系统主要包含以下功能:提供废物冲洗服务;收集并排出废水;处理并排放废水;处理并存储固体废物。该系统位于反应堆隔壁舱#64 和#26 肋骨之间，其设计起始点是产生废物的地方(如污水池、淋浴间和厕所)，以存储和排出的地方(污水舱、灰水舱、食品废物舱、泵和排出阀)为终点，包含了通过清洁舱和废物管理系统进行冲洗用海水的存储和分配。该系统有以下特点:

1)取消了废物抛出装置和污水浸软器;

2)将灰水和食品废物流隔离;

3)采用离心式污水泵;

4)改进了定制浸软水厕所等。

3.3 小结

“机敏”级核潜艇废物处理系统基于分级原则，对已有功能加以改进，并且在艇上保留全部垃圾。通过研究已经证明它能够满足MARPOL 的要求，特别是人性化地满足潜艇艇员的生活需要。

4 法国

法国海军计划从2017年开始由“梭子鱼”级核潜艇逐步替代“红宝石”级攻击型核潜艇。为使其充分应对未来的技术挑战和威胁，并且满足MARPOL73/78 的要求，法国舰艇建造局在设计阶段就考虑了未来升级改造的问题。针对液体废物、食物废物和固体废物，分别采取了相应的处理和存储措施，将所有废物处理设备集中于艇上同一区域，并在收集废物后根据种类进行处理、存储和排放。整个废物处理系统的体积为40 m3、重量为6 000 kg［31］。

4.1 液体废物处理

法国舰艇建造局对几艘现役法国核潜艇的舱底水进行取样，以预测“梭子鱼”级潜艇舱底水的特点。通过舱底水分离器对油水进行物理分离，该装置通常包括油水存储罐、渗透膜分离器、生物泥罐和检测水质的测量系统。处理后产生的淤泥在任务期间一直存储在艇上，返航后卸载到岸上。

“梭子鱼”级潜艇上还配备专用的水罐来储存灰水。通过泵进行排空处理，并且利用重力收集灰水。含有油脂的灰水经过脱脂罐过滤后，油脂留在脱脂罐内，脱脂后的灰水被送回舰船灰水系统，剩下的油脂在岸上卸载或通过垃圾排放器排到海里。

基于水面舰船的经验，法国舰艇建造局采用真空黑水收集系统。管路中为负压，可直接将黑水吸入存储罐。与重力采集系统相比，真空收集系统可使被存储的黑水体积减小75%，从而减少污水舱的使用频率。未来可能设计出尺寸更小的舱室以替代或完全取消污水舱。出于安全考虑会保留一个水舱，以便在黑水处理装置出现故障的紧急情况下利用该舱的压差排出黑水。

4.2 食物废物处理

法国遵守MARPOL 排放规定，在离岸12 n mile以外的海域才能排放食物废物。不能排放时会将食物废物放入袋中存在冷冻室内，以免限制潜艇的作战使用。存储温度为0℃以下，以防止细菌滋生和产生气味。采用可生物分解并且带有负浮力的包装袋包装食物废物，便于垃圾排放器将其排入海中。

4.3 固体废物处理

“梭子鱼”级潜艇计划不会向海中排放任何固体废物。所有废物经粉碎和压缩后，在整个任务期间均放在纸板箱内保存，体积可减少5 ～15 倍，经粉碎和压缩后的废物也要存储在℃以下的冷室中。

4.4 小结

法国在“梭子鱼”级潜艇上采用严格的污水废物排放系统，通过改进污水处理装置，采用先进的油水分离设备、真空黑水收集系统以及其他先进的废物处理技术，基本上形成了一套比较完善有效的废物处理系统。

5 发展趋势

未来，核潜艇不会直接向艇外排放任何未经处理的废物，而是要在对潜艇没有任何影响的情况下，将所有的废物存储在艇上，直至方便时才卸载到岸上。为此，美、英、法各国相继探索或研制出更先进有效的废物管理方法。为新型潜艇设计综合废物处理系统，比对现有潜艇废物处理系统进行升级更容易，但需要考虑解决以下问题:如何适当处理不同的废物源;如何使处理过程中能量需求最小化;如何使处理设备安静、高效和小型化。从美、英、法三国核潜艇废物处理系统可看出，其处理方法有以下共通性［14，22，30-32］:

1)针对废物来源和分类采取相应的处理和存储措施;

2)减少废物源，使废物体积最小化，以易于收集、存储和后期处理;

3)提升已有处理系统的性能，在设计阶段充分考虑升级改造的需求。

未来，会进一步控制艇上的废物源，研制更先进的渗透膜生物反应器和油水分离器，安装体积更小但功能更强的固体废物处理设备。还有必要深入研究新的包装和密封技术。

在废物处理工艺方面，各国也致力于未来在以下几个方面寻求突破:

1)压缩与存储。需要重新设计一些设备以满足废物体积和重量要求，并且解决噪声和振动问题。

2)生化处理。生物处理和能源利用技术已使用了近1 个世纪，但高昂的成本限制了其推广使用，目前还没有最佳处理方法。未来会严格控制艇上的材料使用，开发专门的封装技术。

3)热处理。未来可能采用高温分解或在其基础上派生的其他方法，例如与气化技术结合使用的技术。此外，还需研发不向外部辐射热量或产生异味的设备。

6 结 语

国外核潜艇业界在处理艇上生活废物方面都致力于遵守MARPOL 协议，从潜艇补给到废物回收的整个供应链中按模块处理分类垃圾，提高了垃圾处理的设备性能和工艺水平。美国通过国内立法加强约束，在所有在役潜艇上已经普及简单有效的艇上废物处理方法。英国在“前卫”级潜艇的基础上对“机敏”级潜艇废物管理方法进行改进，使其能在世界范围内最先满足MARPOL 协议。法国也对新一代“梭子鱼”级潜艇实施了严格的污水废物排放措施，基本形成了一套比较完善有效的先进废物处理系统。

随着我国经济蓬勃发展、军事实力迅猛增强，我核潜艇部队正走出近海，跨向深蓝。防止艇内生活垃圾造成海洋污染这一迫切课题已摆在面前，如果处理不好，会影响我国核潜艇发展的速度，也会影响我国作为负责任大国的形象，甚至于影响我们走向世界的步伐。我国海军和潜艇界应该充分意识艇内生活垃圾污染对海洋的危害性，合理借鉴西方各国先进的废物处理技术和管理经验，从而彻底改变“随到随扔”的陈旧观念并且制定出符合我国核潜艇实际的废物处理方法。

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