绿色舰船污染物排放控制与循环利用技术

敖庆章，王良武，刘喜元，谢承利，李慧子

(1.海军驻武汉701所军事代表室，武汉 430064； 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



绿色舰船污染物排放控制与循环利用技术

敖庆章1，王良武2，刘喜元2，谢承利2，李慧子2

(1.海军驻武汉701所军事代表室，武汉 430064； 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：结合海洋环境保护相关规范日趋严格的要求，从生活污水综合处理与循环利用、固体垃圾分类收集与综合处理、余热回收利用及综合供暖等多方面对绿色船舶污染物排放控制与循环利用技术进行分析，并对绿色船舶污染物控制技术在系统顶层规划与资源整合、资源回收与循环利用、污染物处理综合信息管理等方面的发展趋势进行探讨，供绿色舰船污染物排放控制系统的设计参考。

关键词：舰船；生活污水；油污水；固体垃圾；循环利用

绿色产品的概念最早出现在20世纪70年代的美国环境法规中，在其几十年的发展过程中，人们根据各自的理解对绿色产品下过多种定义，并且已经达成了某种程度的共识，即绿色产品不仅要有利于保护生态环境，还要有利于节省资源和能源，同时也强调产品的安全性、宜人性以及产品自身的经济性[1]。舰船绿色环保技术，一方面要控制舰船污染物的产生、处理与排放；另一方面也应在设备节能、资源回收利用等方面实现突破。船。

1舰船污染物排放控制规范要求

1.1生活污水排放控制要求

对于大多数舰船而言，目前生活污水执行的基本标准是《73/78防污公约》附则IV和MEPC159(55)决议《经修订补充生活污水处理装置的排放标准和性能试验准则》的要求。从1973年颁布的《73/78防污公约》中关于污染排放控制到1976的MEPC 2(IV)细化了黑水排放指标，再到2010年MEPC159(55)，生活污水排放标准得到最严格的提升，首次对“灰水”进行了定义，即指洗碗水、淋浴水、洗衣服的水及洗澡盆和洗脸盆的排水，其排放标准见表1。

表1　生活污水排放标准对比表

2011年7月15日IMO又通过了第MEPC.200(62)号决议，对特殊区域的规定和指定波罗的海为特殊区域进行了定义，新增了关于客船在特殊区域内的生活污水排放，要求其排出物须不会在水中产生可见的漂浮固体或使周围海水变色，而这在以前仅是针对特殊区域以外的规定，并将于2016年开始执行[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防污公约》附则Ⅰ的排放标准，并满足2005年开始执行的MEPC107(49)决议《修订的船舶机器处所舱底水防污染设备指南和技术条件》的要求，经油污水处理装置处理后的排放水指标为15 mg/L。在此前通过MEPC.60(33)决议的基础上，增加了关于舱底油污水乳化油的处理能力的要求，即能够令人满意地处理相对密度极高的油或以乳状液形式出现的混合物。其所述乳状液形式出现的混合物指清洁工作所用的清洁剂、乳化剂、溶剂或表面活性剂可能会使舱底水乳化。MEPC107(49)决议要求15 mg/L舱底水分离器须能分离乳状液中的油，使其流出物的含油量不超过15 mg/L[5]。

1.3压载水排放控制要求

根据2004年2月IMO在总部伦敦通过的《船舶压载水和沉积物控制和管理国际公约》要求，2012年或以后，设置有压载舱的船舶应设置压载水处理系统，并满足排放要求D2，见表2[6]。

表2　船舶压载水排放标准D2

1.4固体污染物排放控制要求

早期《73/78防污公约》对船舶固体垃圾的排放控制要求中，除塑料垃圾一律不得排放外，其他垃圾可在规定海域经过粉碎至25 mm后进行排放。而在2011年7月15日通过MEPC.201(62)决议则对这一规定进行了大幅更改，并对动物尸体、货物残留物、生活废弃物、食品废弃物、垃圾、塑料等进行了较为详细的定义。根据该决议要求，在特殊区域之外，除食品垃圾可以在3 n mile以外经粉碎至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经处理后排放[7]。

2污染物综合处理与回用技术

2.1污水综合处理与循环利用技术

舰船生活污水一般包括黑水、厨房灰水和洗涤灰水，随着IMO关于生活污水排放要求MEPC.227(64)决议的即将推广，基于生化处理与膜分离的MBR生活处理处理技术在广泛应用的同时得到进一步提升，其排放指标中的大肠杆菌群数MPN、5 d生化需氧量(BOD5)、化学需氧量COD、总悬浮性固体TSS等已经与陆上城市污水再生利用城市杂用水水质(GB/T 18920-2002)十分接近，常称之为“中水”，已经具备进一步消毒处理回收利用的条件。见表3。

表3　回用水与处理装置出水水质对比

目前在国内研制的军民品中已经开始对厕所排放的黑水、厨房排放的厨房灰水以及淋浴间盥洗室排放的洗涤灰水进行收集与处理，处理后的水达到“中水”标准后进行回收，用于厕所、甲板的冲洗，某船用于MBR型生活污水综合处理装置组成及功能见图1。黑水、厨房灰水、洗涤灰水从不同部位进入生活污水综合处理装置(洗涤灰水相对干净，需处理的难度较黑水、厨房灰水低)，并经过生化处理、莫过滤(MBR工艺)以及氯消毒处理后达到MEPC.159(55)决议要求可实现直接排放，同时也可进入“中水处理模块”进一步处理达到GB/T 18920-2002要求后回用[8-10]。

图1　某船的MBR型生活污水综合处理装置组成及功能

此外，中餐特别是早餐中的稀饭、面条等含有大量水分，可将食品废弃物中的废液分离出来送入作为厨房灰水送入生活污水处理装置进行达标处理排放，而相对干燥的食品废弃物如淀粉等可通过焚烧炉进行处理。而舱底油污水一般经过油污水处理装置进行达标处理排放，其分离出的污油含油量较高，也可利用焚烧炉进行处理，减少污油舱的设置，同时还未辅锅炉提供燃料。

2.2固体垃圾分类收集与综合处理技术

受IMO及各国关于污染物排放控制要求，特别是新近执行的MEPC.201(62)规定，除餐厨垃圾在限定条件下可经粉碎至25 mm以下排放或直接排放外，其他固体垃圾一律不得排放。然而由于舰船总体资源有限，舰船固体垃圾的处理、特别是减容处理在舰船防污染控制中占有很重要的位置，目前常用处理方式有焚烧、打包储存、粉碎排放(仅餐厨垃圾)。为有效减少固体垃圾占用的舱容并延长储存时间，在打包储存前，一般对其进行粉碎、脱水、烘干及消毒，再压缩打包[11]。

虽然除餐厨垃圾外其他垃圾一律不得排放，但为了有效控制垃圾所占用舱容，同时也考虑到后续的再回收利用，固体垃圾依然可以进行分类收集、处理和存放。例如，可根据固体垃圾的可燃特性(如纸板、棉纱等的焚烧处理)、减容特性(玻璃瓶、易拉罐等减容处理)、含水特性(如餐厨垃圾粉碎、脱水处理)等进行分类收集，利用不同的垃圾处理装置或多功能处理装置进行分类处理。对可燃垃圾，可在舰船上设置焚烧炉，将垃圾进行焚烧处理；对于玻璃、易拉罐等可进行减容处理的垃圾，均可利用垃圾粉碎压实类装置进行粉碎减容，还可进一步细化分类，按金属、玻璃制品及塑料制品等分批进行处理，以便进行转送陆地处理时依然可以回收利用；对于含水特性的垃圾，舰船上主要为餐厨垃圾，其他部分为未饮用完的水瓶、牛奶包装袋等，而后者可进行事先排干后按可燃、可减容处理垃圾进行处理，而餐厨垃圾则可进行粉碎、脱水处理，其脱离出的水分可通过生活污水处理装置进行处理，而分离出的干式垃圾则进行烘干、消毒与打包储存。某船固体垃圾分类收集与处理方案见图2。除按上述可燃垃圾、减容垃圾和餐厨垃圾外，还增设了医疗垃圾的单独收集与封存措施。这样，一方面可以尽可能根据垃圾特性发挥设备的功效；另一方面也可有效实现垃圾的再循环利用，同时在一定层度上延长了垃圾储存时间、减少垃圾储存所需空间资源。

图2　某船固体垃圾分类收集与处理方案

2.3余热回收利用及综合供暖技术

舰船能源消耗量大，如何提高对能源的利用率一直是业界研究的课题。舰船动力装置的排气、冷却水以及部分辅助机械的冷却水中含油大量的热能。据统计，排气余热约占动力装置发热量的18%、实际可回收量约12%，冷却水余热约占17%，温度约80 ℃。通过高温热泵技术，其蒸发器可从约80 ℃的船舶柴油机冷却水中吸收热量，经过热力循环后，将所吸收的热量转移到冷凝器；在冷凝器内，冷凝温度约为130 ℃的高温制冷剂对循环水进行加热，产生约0.2 MPa、120 ℃的高温水蒸汽，以供舰船日常运营需要[12]。

目前电力推进在许多国外舰船上得到推广，其灵活的设备布置方案是优点之一，另一方面则是在不同巡航工况下电力系统的负载调节能力更为灵活多变，同时还为许多大功率用电设备在舰船上的应用提供了条件。以舰船供暖系统中最大的供暖设备燃油辅锅炉为例，产生蒸汽或热水时将消耗大量轻柴油并造成多空气污染。基于舰船能效指数设计，利用电力系统的调节，为辅锅炉转换为电加热提供了可能。目前国内某海洋钻井平台上已安装800 kW级的电加热热水锅炉。

国内大量的民用船舶采用了主机废气加热热水、主机缸套冷却水加热热水、电加热热水等热水供暖系统，通过主机热气锅炉、主机冷却水废热回收单元(即多功能板式换热器)、热源水循环泵等，将这些余热用于加热供暖系统所需的“热媒水”，极大地减少了供暖用户对燃油辅锅炉的依赖。通过与船舶动力装置余热的分析，合理设置废气锅炉、冷却水废热回收单元等热媒水设施，可有效改善船舶能效指数。某船多热源供暖系统的原理见图3。主机的缸套冷却水、主机废气所含余热通过换热系统用来加热取暖所需的热媒水；双热源热水柜除利用余热加热外，还可利用电进行加热，为热媒水的产生提供了新的能源供应模式。此外，在该船某些部位，由于供热系统所产生凝水难以回收利用等原因，还设置有电暖风机、电取暖器等其他供暖形式，形成了多热源供热系统。

图3　某船多热源供暖系统的原理

3绿色舰船污染物控制技术发展趋势

3.1系统顶层规划与资源整合技术

正如上面所述，目前生活污水(含黑水和厨房、洗涤灰水)、油污水处理装置，固体垃圾粉碎压实处理装置、焚烧炉等设备技术已经相对成熟，虽然部分设备体积大、噪声大等仍有待进一步优化改进，但更多地需要在系统层面考虑各类污染物及处理设备的顶层规划与资源整合。例如，国外已开展舰船污染物综合处理技术的研究，以实现对全舰污染物的收集与处理，如食品垃圾/湿垃圾真空收集系统，可对其进行真空收集、脱水及消毒，分离出的废液进入MBR污水处理装置，废渣焚烧；设置焚烧炉，用于焚烧可燃垃圾和污油、污泥等。其发展趋势在于污染物处理的综合化、系统化，强调系统的整体规划与设备资源的共享，通过各种设备资源的相互利用，减量减少排放以及垃圾储存量。

3.2资源回收与循环利用技术

正如绿色产品的定义，不仅要有利于保护生态环境，还要有利于节省资源和能源。一方面在舰船垃圾排放管理过程中，需根据系统顶层设计要求，严格控制污水、固体废弃物的分类收集、处理和储存，为船上回收利用与上岸回收利用均奠定良好基础；另一方面，污染物的综合处理可将部分废弃物变废为宝。如上述的油污水经处理所得污油可作为燃油辅锅炉的燃料进行补给，提供热源备份；生活污水经深度处理达到“中水”标准后进行冲厕、冲洗甲板等，可节省海水淡化的成本、减少污水舱舱容消耗；经粉碎、压实、消毒及打包后的固体垃圾，如金属、玻璃及塑料等，可转送岸上进一步处理和回用。

3.3污染物处理综合信息管理技术

随着舰船自动化水平的提高，特别是无人机舱的出现，对舰船及舰船设备信息化推动极大，设备运行状态、远程遥控等技术进一步得到推广。舰船之所以能称之为“绿色产品”，还在于系统及设备的安全性、宜人性。未来污染物排放控制系统及配套设备的信息管理系统，应能对系统及机电设备运行状态和综合故障、主要功能切换阀门的开闭状态、处理前后水质等进行监测与报警，同时能依据全系统的监控信息，自动远程遥控对系统功能动作进行切换，例如收集液舱达到高位报警液位时，能自动启动污水转驳处理或者排放泵组自动启动。此外，信息系统还应融入系统和设备的工作原理、基本组成、常见故障等信息，能在系统或者设备发生故障时提供辅助的自动检测诊断，为系统应急操控与维护提供指导，为减轻船员劳动强度，创造良好的“宜人性”。

4结束语

针对黑水、厨房灰水及洗涤灰水等生活污水与油污水，食品垃圾与可燃垃圾、可压缩垃圾等的不同特性，提出污染物综合处理与循环利用设想，通过各类污染物处理设备间的相互备份使用，可较大程度减少污染物所占用的总体资源，同时实现舰船上的废物利用或转陆地回用。随着海洋环境保护规范、要求日趋严格的要求，以及各类污染物处理设备技术水平的不断提高，对舰船总体设计特别是系统顶层设计提供了更高要求，也提供了更多可能。基于系统顶层规划与资源整理利用的污染物综合处理与循环利用将为“零排放”绿色舰船提供技术基础，基于信息化技术的污染物处理综合信息管理技术也将为系统可靠性、亦操性等绿色产品“宜人性”提供技术保障。

参考文献

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[2] 中国船级社.IMO.73/78防污公约[S].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 中国船级社.MEPC159(55)决议[S].北京：人民交通出版社，2006.

[4] 中国船级社.MEPC.200(62)决议[S].北京：人民交通出版社，2011

[5] 中国船级社.MEPC107(49)决议[S].北京：人民交通出版社，2003

[6] 中国船级社.船舶压载水和沉积物控制和管理国际公约[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7] 中国船级社.MEPC.201(62)决议[S].北京：人民交通出版社，2012.

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[11] 王建强，陈纪赛.船舶污染物处理技术及发展方向探讨[J].船海工程，2012(6)：71-77.

[12] 黄天河，陈武.回收船舶柴油机冷却水余热的高温热泵的研究[C]∥第五届全国制冷空调新技术研讨会论文集，2013：133-137.

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

中图分类号：U664.9

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0040-05

第一作者简介：敖庆章(1978-)，男，学士，工程师E-mail:aoqingzhang98211@sohu.com

基金项目：国家部委基金资助项目

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:舰船总体研究与设计