美国海军舰船厨余垃圾处理技术与系统研究

王 珏，徐 佳，孙 哲

(1. 中国船舶信息中心，北京 100101；2. 厦门船舶重工股份有限公司，福建 厦门 361000；3. 中国船舶集团有限公司，上海 200011)

0 引 言

随着人类海洋活动不断增多，船舶对海洋造成的污染日趋严重。各国海军在海洋环境保护、舰船厨余垃圾处理方面的基本意识是一致的，海军舰船公海航行时遵守国际公约，进入他国海域时（如出访、入港补给等）遵守相关法律法规。

舰船厨余垃圾是一个宽泛的概念，包括餐前和餐后2 个阶段产生的垃圾。餐前阶段产生的厨余垃圾包括食材包装物、食材洗涤污水，餐后阶段产生的厨余垃圾包括食物残渣、餐具洗涤污水。食材包装物材料一般分为纸张、塑料、玻璃、金属，洗涤污水中可能含有油类、化学制剂等污染物，食物残渣主要为各种有机物。舰船厨余垃圾构成复杂，排放标准各异，涉及相关处理系统、设备较为多样。

国际海事组织（IMO）在《1973 年国际防止船舶造成海洋污染公约的1978 年议定书》（“73/78 防污公约”即MARPOL73/78）对厨余垃圾的排放做了详细规定[1,2]。但是，在MARPOL 73/78 中仅对固体垃圾和食物残渣的排放标准作出了规定，厨房洗涤污水则未被提及。美国海军舰船污染控制相关法规标准主要参考“73/78 防污公约”的内容，并依据自身具体需求，作出了相应调整。

1 美国海军舰船厨余垃圾处理技术方向

通过对国外典型舰船厨余垃圾处理流程进行研究，可以发现各国对厨余垃圾中纸张、玻璃、金属、塑料等处理技术大致相同[3,4]，为粉碎后压缩打包。但对食物残渣的处理技术差异较大，主要包括4 个主流技术方向，分别为粉碎后压缩脱水储存、烘干脱水储存、重力储罐储存/排放、真空储罐储存/处理，见图1[5,6]。

图1 国外舰船厨余垃圾处理技术Fig. 1 Foreign vessels food waste disposal technology

美国海军舰船厨余垃圾处理思路为将厨余垃圾分为固体垃圾（纸张、塑料、玻璃、金属）和厨余污水（食物残渣、洗涤污水）两大类，固体垃圾一般进行粉碎压缩，包装储存在特定舱室，除塑料外的固体垃圾也可在许可海域沉入海底，厨余污水则合并进全舰生活污水处理系统进行处理。食物残渣粉碎后通过重力收集系统（部分舰船升级后，也采用了真空收集系统）泵送至储存罐储存，等待航行至允许排放的海域排放或在港口连接标准接头泵送至岸基处理设施（“福特”号航母采用等离子焚烧炉处理固体垃圾）。此种方法的缺点是若舰船在港内长期驻泊，或港口未配备标准接头（停泊他国港口或岸基设施故障等情况），舰船储罐装满则只能出港排空储罐。

2 美国海军舰船厨余垃圾处理系统设备

2.1 全舰生活污水处理系统

美国海军舰船使用全舰生活污水处理系统集中处理灰水、黑水，食材洗涤水，食物残渣粉碎浆化后统一接入该系统，与灰水共同处理。目前美国海军舰船均采用第三型海上卫生设备（MSD Ⅲ）。第三型海上卫生设备包括2 种型号，分别为重力收集、储存、转运系统（CHT 系统）和真空收集、储存、转运系统（VCHT 系统）。总体上，美国海军较为老式的舰船采用CHT 系统，新型舰船均采用了VCHT 系统。CHT 系统有3 种工况。舰船港内停泊时黑水、灰水均进入污水储罐，然后通过甲板接头转运至港口设施处理；距海岸3 n mile 以内时，黑水进入污水储罐，灰水直接排放；3 n mile 以外无特殊规定海域，黑水、灰水直接排放至舷外，如图2 所示。

2.1.1 重力收集系统（CHT 系统）

目前，美国海军较为老式的舰船采用CHT 系统，包括“尼米兹”级航空母舰（不包括“乔治·布什”号）、“提康德罗加”级巡洋舰、“蓝岭”级两栖指挥舰、船坞登陆舰（LSD）以及隶属军事海运司令部的众多军辅船等。

CHT 系统根据对固型物的处理方式可分为过滤型和粉碎型2 种，如图3 和图4 所示。在实际应用场景中，CHT 系统通常需要储存全舰12 h 内产生的污水，可以根据实际情况选择污水储存罐的容积，储罐容积为0.75 ～19 m3。应用过滤型CHT 系统的舰船主要为小型舰艇和“提康德罗加”级巡洋舰的早期型号，污水储罐容积大于7.6 m3时需使用粉碎型CHT 系统。

图3 过滤型CHT 系统Fig. 3 Filtration type CHT system

图4 粉碎型CHT 系统Fig. 4 Smash type CHT system

2.1.2 真空收集系统（VCHT 系统）

目前VCHT 系统广泛装备于美国海军新型舰艇，包括“阿利·伯克”级驱逐舰、“圣安东尼奥”级两栖船坞运输舰、“乔治·布什”号航空母舰、“朱姆沃尔特”号驱逐舰、近海战斗舰等。

VCHT 系统可以看作是CHT 系统的升级版，该系统最大的特点是通过真空冲洗减少了污水量，从而延长了污水可储存的时间[7]。20 世纪90 年代初期，美国海军在“鹗”级猎雷舰上搭载的该套系统仅靠3m3 的污水储罐就可以储存5 天的污水量。“圣安东尼奥”级两栖船坞运输舰采用比传统CHT 系统更小的污水储罐就可以容纳1 000 人36 小时产生的污水。除早期在“斯普鲁恩斯”级驱逐舰上的试验型号只能处理黑水外，目前现役舰艇装备的VCHT 系统可同时处理各种生活污水。

2.2 塑料垃圾处理系统

塑料的自然降解过程非常缓慢，会给环境带来极大的污染，在任何海域都不能将塑料垃圾直接排放。目前各国海军舰船对塑料垃圾的处理方法主要是粉碎后热熔成垃圾块，置于密闭容器或防臭袋中储存，统一转运至岸上进一步处理。美国海军塑料垃圾处理系统（PWP）由固体废物或塑料粉碎机、压力熔化机、闭环冷却单元或辅助单元、热封机组成[8]。工作温度150℃～200℃，处理时间15～20 min，可至少储存60 d 塑料粉碎机结构简图如图5 所示。

图5 塑料粉碎机结构简图Fig. 5 Plastic crusher structure schematic

塑料垃圾处理设备于护卫舰以上舰级。粉碎设备规格为132×196×64 cm，818 kg；热熔压缩设备规格为65×2 000×137 cm，567 kg。该型热熔设备可以将塑料垃圾压缩为直径0.58 m，厚度3.8 ～12.7 cm 的圆盘，每个圆盘重量4.53～11.34 kg。塑料垃圾热熔压缩设备结构简图如图6 所示。

图6 塑料垃圾热熔压缩设备结构简图Fig. 6 Plastic waste hot melt compression equipment schematic

由于塑料垃圾块的厚度、加热时间等因素的影响，压力熔化机无法对垃圾块进行完全杀菌。久置后，塑料垃圾中混杂的食物残渣在细菌作用下腐败变质，产生异味，因此需要将处理后的塑料垃圾封存于防臭袋中，热封设备规格为36×18×18 cm，7 kg。

2.3 纸张、食品垃圾处理设备

食物残渣在进入CHT 系统前首先要进行浆化处理，美国海军有大小2 种碎浆机，专门用于处理厨余垃圾，如图7。大型碎浆机处理能力为454 kg/h，小型碎浆机处理能力为45.4 kg/h。除专用碎浆机外，美国海军舰船还在特定舱室布置厨余垃圾处理设备，类似于目前市场上常见的家用型厨余垃圾处理机。

图7 大型碎浆机（左）和小型碎浆机（右）Fig. 7 Large pulper（left）and small pulper（right）

2.4 金属/玻璃垃圾处理设备

金属和玻璃垃圾经处理后体积可减小2/3，需要密封储存。通常情况下在码头转运至岸上处理设施，特殊情况下也可做负浮力处理后在允许倾卸的海域沉至海底。美国海军“华盛顿”号航母装备金属玻璃粉碎机（Metal Glass Shredder，MGS），处理能力为72 kg/h，结构、外形与塑料粉碎机很相似，操作时需要注意区分，不可将两者混用。此外，还装备了固体废物废物粉碎机（Solid Waste Shredder，SWS）既可以可处理金属、玻璃类垃圾又可以处理塑料类垃圾，处理能力为36 kg/h，处理后垃圾打包封存，靠岸后转运至港口设施回收并进一步处理。

2.5 焚烧炉

美国海军航母、两栖舰、大型军辅船上均配备有焚烧炉，有2 种型号。军辅船上使用Vent-O-Matic 3AC/5R 型焚烧炉，航母上使用Golar GS500 型焚烧炉。美国海军舰船使用焚烧炉的历史非常悠久，通常用于处理大多数可燃性废料，如纸张、硬纸板、木材、碎布等，若焚烧炉结构允许，也可以用于处理食物垃圾。大型焚烧炉如图8 所示。

图8 大型焚烧炉Fig. 8 Large incinerator

3 先进污染控制系统

3.1 等离子弧废物销毁系统

传统焚烧炉存在炉温偏低、体积过大等问题，往往无法焚烧塑料、金属、玻璃、食物、医疗废物等垃圾。[9]目前美国海军在“福特”号航母上使用等离子弧废物销毁系统（PAWDS），代替传统的焚烧炉，用于集中销毁舰上的食物残渣、纸板、塑料、油泥、垫料、舱室垃圾等可燃性废物。

3.2 船舶污染物综合处理系统

随着各国海军对海洋环境污染问题认识程度逐渐提高，越来越多的国家在海军舰船设计过程中选择向Deerberg 公司、Evac 公司等舰船污染控制方案集成商授予合同，根据具体需求定制全舰污染控制系统、设备。

Evac 公司为美国海军舰艇提供了污染物处理方案，包括“弗吉尼亚”级核潜艇、“阿利·伯克”级驱逐舰、“福特”级航母、“朱姆沃尔特”号驱逐舰等。较为常见的方案是将食物残渣粉碎，通过真空输送系统泵送至食物垃圾储罐，该系统的优点是可以减少污水量，增加最大储存时间。Evac 公司的食物垃圾储罐采用耐腐蚀材料制成，内部设置搅拌系统，防止沉降。储罐有多种尺寸，最大容积5 m3。

3.3 膜反应装置

随着环保法规的日益严格，美国海军舰船采用的污水处理方案逐渐无法满足国际公约对污水大肠杆菌含量、有机物含量等方面做出的具体要求。目前，美国海军已开始试验在现有全舰生活污水处理系统上加装膜反应装置（见图9），减少污水微生物含量[10]。

图9 美国海军舰船膜反应装置Fig. 9 US navy vessel membrane reactor

4 美国海军舰船厨余垃圾处理系统发展趋势

海军舰船厨余垃圾处理技术和系统发展趋势可以总结为以下几点：

1）污染物零排放化

各国各地的排放标准日益严格，很多老旧设备已无法适应，新型污染控制系统设计正向污染物零排放的目标迈进。在节能减排的同时，兼顾废弃物的综合利用，如实现污水循环利用、垃圾回收等，减少对海洋环境的污染。

2）处理过程信息化

由于全舰的厨余垃圾污染源比较分散，导致污染物处理装置相对分散，不便于管理和维护。提高环境污染控制系统的信息化水平，可利用平台网系统，对主要设备的运行状态、故障、维护等进行监测与控制，使舰员能及时掌握该系统的运行情况，并对设备进行远程操作，提高效率。

3）处理设备模块化

目前较为先进的舰船厨余垃圾处理系统在设备层面上大量采用模块化设计，以便根据需要配置适当的功能。另一方面，功能模块的设计也便于维修保养和后期的技术升级。

4）处理系统集成化

综合废物处理系统是未来发展的一大趋势，包括厨余垃圾在内的各种污染物的处理系统互相集成。对生活污水的处理目前已基本取消黑水、灰水的分类处理模式，而采用一体化的处理设备。未来趋势是，所有的船舶污水（包括油污水、生活污水、压载水）进行集成化处理，简化设计、提高可靠性。