美國海軍艦船廚余垃圾處理技術與系統研究

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. 中國船舶集團有限公司，上海 200011)

0 引 言

隨著人類海洋活動不斷增多，船舶對海洋造成的污染日趨嚴重。各國海軍在海洋環境保護、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遵守國際公約，進入他國海域時（如出訪、入港補給等）遵守相關法律法規。

艦船廚余垃圾是一個寬泛的概念，包括餐前和餐后2 個階段產生的垃圾。餐前階段產生的廚余垃圾包括食材包裝物、食材洗滌污水，餐后階段產生的廚余垃圾包括食物殘渣、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、化學制劑等污染物，食物殘渣主要為各種有機物。艦船廚余垃圾構成復雜，排放標準各異，涉及相關處理系統、設備較為多樣。

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規定[1,2]。但是，在MARPOL 73/78 中僅對固體垃圾和食物殘渣的排放標準作出了規定，廚房洗滌污水則未被提及。美國海軍艦船污染控制相關法規標準主要參考“73/78 防污公約”的內容，并依據自身具體需求，作出了相應調整。

1 美國海軍艦船廚余垃圾處理技術方向

通過對國外典型艦船廚余垃圾處理流程進行研究，可以發現各國對廚余垃圾中紙張、玻璃、金屬、塑料等處理技術大致相同[3,4]，為粉碎后壓縮打包。但對食物殘渣的處理技術差異較大，主要包括4 個主流技術方向，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（食物殘渣、洗滌污水）兩大類，固體垃圾一般進行粉碎壓縮，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，廚余污水則合并進全艦生活污水處理系統進行處理。食物殘渣粉碎后通過重力收集系統（部分艦船升級后，也采用了真空收集系統）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準接頭泵送至岸基處理設施（“福特”號航母采用等離子焚燒爐處理固體垃圾）。此種方法的缺點是若艦船在港內長期駐泊，或港口未配備標準接頭（停泊他國港口或岸基設施故障等情況），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設備

2.1 全艦生活污水處理系統

美國海軍艦船使用全艦生活污水處理系統集中處理灰水、黑水，食材洗滌水，食物殘渣粉碎漿化后統一接入該系統，與灰水共同處理。目前美國海軍艦船均采用第三型海上衛生設備（MSD Ⅲ）。第三型海上衛生設備包括2 種型號，分別為重力收集、儲存、轉運系統（CHT 系統）和真空收集、儲存、轉運系統（VCHT 系統）。總體上，美國海軍較為老式的艦船采用CHT 系統，新型艦船均采用了VCHT 系統。CHT 系統有3 種工況。艦船港內停泊時黑水、灰水均進入污水儲罐，然后通過甲板接頭轉運至港口設施處理；距海岸3 n mile 以內時，黑水進入污水儲罐，灰水直接排放；3 n mile 以外無特殊規定海域，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（CHT 系統）

目前，美國海軍較為老式的艦船采用CHT 系統，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、“藍嶺”級兩棲指揮艦、船塢登陸艦（LSD）以及隸屬軍事海運司令部的眾多軍輔船等。

CHT 系統根據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。在實際應用場景中，CHT 系統通常需要儲存全艦12 h 內產生的污水，可以根據實際情況選擇污水儲存罐的容積，儲罐容積為0.75 ～19 m3。應用過濾型CHT 系統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時需使用粉碎型CHT 系統。

圖3 過濾型CHT 系統Fig. 3 Filtration type CHT system

圖4 粉碎型CHT 系統Fig. 4 Smash type CHT system

2.1.2 真空收集系統（VCHT 系統）

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

VCHT 系統可以看作是CHT 系統的升級版，該系統最大的特點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間[7]。20 世紀90 年代初期，美國海軍在“鶚”級獵雷艦上搭載的該套系統僅靠3m3 的污水儲罐就可以儲存5 天的污水量。“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦采用比傳統CHT 系統更小的污水儲罐就可以容納1 000 人36 小時產生的污水。除早期在“斯普魯恩斯”級驅逐艦上的試驗型號只能處理黑水外，目前現役艦艇裝備的VCHT 系統可同時處理各種生活污水。

2.2 塑料垃圾處理系統

塑料的自然降解過程非常緩慢，會給環境帶來極大的污染，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，統一轉運至岸上進一步處理。美國海軍塑料垃圾處理系統（PWP）由固體廢物或塑料粉碎機、壓力熔化機、閉環冷卻單元或輔助單元、熱封機組成[8]。工作溫度150℃～200℃，處理時間15～20 min，可至少儲存60 d 塑料粉碎機結構簡圖如圖5 所示。

圖5 塑料粉碎機結構簡圖Fig. 5 Plastic crusher structure schematic

塑料垃圾處理設備于護衛艦以上艦級。粉碎設備規格為132×196×64 cm，818 kg；熱熔壓縮設備規格為65×2 000×137 cm，567 kg。該型熱熔設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，每個圓盤重量4.53～11.34 kg。塑料垃圾熱熔壓縮設備結構簡圖如圖6 所示。

圖6 塑料垃圾熱熔壓縮設備結構簡圖Fig. 6 Plastic waste hot melt compression equipment schematic

由于塑料垃圾塊的厚度、加熱時間等因素的影響，壓力熔化機無法對垃圾塊進行完全殺菌。久置后，塑料垃圾中混雜的食物殘渣在細菌作用下腐敗變質，產生異味，因此需要將處理后的塑料垃圾封存于防臭袋中，熱封設備規格為36×18×18 cm，7 kg。

2.3 紙張、食品垃圾處理設備

食物殘渣在進入CHT 系統前首先要進行漿化處理，美國海軍有大小2 種碎漿機，專門用于處理廚余垃圾，如圖7。大型碎漿機處理能力為454 kg/h，小型碎漿機處理能力為45.4 kg/h。除專用碎漿機外，美國海軍艦船還在特定艙室布置廚余垃圾處理設備，類似于目前市場上常見的家用型廚余垃圾處理機。

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

2.4 金屬/玻璃垃圾處理設備

金屬和玻璃垃圾經處理后體積可減小2/3，需要密封儲存。通常情況下在碼頭轉運至岸上處理設施，特殊情況下也可做負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（Metal Glass Shredder，MGS），處理能力為72 kg/h，結構、外形與塑料粉碎機很相似，操作時需要注意區分，不可將兩者混用。此外，還裝備了固體廢物廢物粉碎機（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，靠岸后轉運至港口設施回收并進一步處理。

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可燃性廢料，如紙張、硬紙板、木材、碎布等，若焚燒爐結構允許，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 先進污染控制系統

3.1 等離子弧廢物銷毀系統

傳統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（PAWDS），代替傳統的焚燒爐，用于集中銷毀艦上的食物殘渣、紙板、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

隨著各國海軍對海洋環境污染問題認識程度逐漸提高，越來越多的國家在海軍艦船設計過程中選擇向Deerberg 公司、Evac 公司等艦船污染控制方案集成商授予合同，根據具體需求定制全艦污染控制系統、設備。

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”級驅逐艦、“福特”級航母、“朱姆沃爾特”號驅逐艦等。較為常見的方案是將食物殘渣粉碎，通過真空輸送系統泵送至食物垃圾儲罐，該系統的優點是可以減少污水量，增加最大儲存時間。Evac 公司的食物垃圾儲罐采用耐腐蝕材料制成，內部設置攪拌系統，防止沉降。儲罐有多種尺寸，最大容積5 m3。

3.3 膜反應裝置

隨著環保法規的日益嚴格，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、有機物含量等方面做出的具體要求。目前，美國海軍已開始試驗在現有全艦生活污水處理系統上加裝膜反應裝置（見圖9），減少污水微生物含量[10]。

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

4 美國海軍艦船廚余垃圾處理系統發展趨勢

海軍艦船廚余垃圾處理技術和系統發展趨勢可以總結為以下幾點：

1）污染物零排放化

各國各地的排放標準日益嚴格，很多老舊設備已無法適應，新型污染控制系統設計正向污染物零排放的目標邁進。在節能減排的同時，兼顧廢棄物的綜合利用，如實現污水循環利用、垃圾回收等，減少對海洋環境的污染。

2）處理過程信息化

由于全艦的廚余垃圾污染源比較分散，導致污染物處理裝置相對分散，不便于管理和維護。提高環境污染控制系統的信息化水平，可利用平臺網系統，對主要設備的運行狀態、故障、維護等進行監測與控制，使艦員能及時掌握該系統的運行情況，并對設備進行遠程操作，提高效率。

3）處理設備模塊化

目前較為先進的艦船廚余垃圾處理系統在設備層面上大量采用模塊化設計，以便根據需要配置適當的功能。另一方面，功能模塊的設計也便于維修保養和后期的技術升級。

4）處理系統集成化

綜合廢物處理系統是未來發展的一大趨勢，包括廚余垃圾在內的各種污染物的處理系統互相集成。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）進行集成化處理，簡化設計、提高可靠性。