船舶灰水管理关键技术及排放控制

上海海事局崇明海事局 陈 海 胡 乐 杨 强

中国船舶集团第七〇四研究所 王国栋

2006年10月，IMO海上环境保护委员会通过的MEPC.159(55)决议第一次将船舶灰水定义为“排出的洗碟水、淋浴水、洗衣水、洗澡水以及洗脸水等”。2018年，环境保护部第8号公告《船舶水污染防治技术政策》中将船舶灰水纳入船舶生活污水的范畴，并严格定义为“来自洗碗水、厨房水槽、淋浴、洗衣、洗澡池和洗手池下水道的排水，不包括来自货物处所的排水”。虽然国际海事组织和国内主管机关明确了船舶灰水的定义，但一直以来缺少对船舶灰水排放控制的明确规定。

近年来船舶灰水中微型塑料、合成洗涤剂、纤维等对海洋水体和生物的危害日益凸显，营运船舶的灰水管理和排放控制，在国际会议上被广泛讨论。北欧多国多次将灰水的相关研究成果编写成提案提交国际海事组织，可以预想船舶灰水排放和监管接下来必将成为国际公约和国内相关法律法规的一个关注点。目前，海事管理机构、航运企业、科研院校在提案、法律法规制定、技术标准研究等方面尚未形成统一的意见。因此开展营运船舶灰水管理关键技术、灰水中各成分处理方式和排放标准、相关海事管理机构监管对策研究迫在眉睫。

船舶灰水处理现状

1、灰水分类和危害

船舶灰水虽然纳入了船舶生活污水的范畴，但目前还不像“黑水”一样受到严格的监管，但是其依然会给水环境和人体健康带来危害。根据排出处所和主要成分的不同，灰水大致可以分为厨房灰水和洗涤灰水两大类。

1.1 厨房灰水

厨房灰水的成分根据船员饮食习惯会有较大差异，但是主要还是包含了大量有机物（淀粉、糖类等）、动植物油脂、悬浮固体、氮磷等无机盐类、各种微生物和洗涤剂等污染物质。厨房灰水的主要危害可以分为物理和化学两个方面，其中物理方面主要包括：

1)厨房灰水中存在着大量的悬浮固体，排入水体后，这些悬浮固体不仅会极大地影响水的纯净度，还会成为吸附有害物质和细菌的“温床”；

2)油脂也是一大污染源，油脂一方面容易吸附在管道等物体表面，堵塞管道，另一方面，若油脂排入自然水体，更会形成油膜，阻止空气中的氧气向水体渗透，阻碍水生植物的光合作用，最终导致水体溶解氧量降低，自净能力下降。

其化学方面主要包括：

1)洗涤剂的污染。洗涤剂中的直链烷基苯磺酸钠（LAS）与油脂等疏水性有机物接触发生乳化作用，分散污染物面积，还会产生大量泡沫，阻碍氧气的溶解和水生植物的光合作用，使水体的自净能力下降、水质变坏。另外，少量洗涤剂中还会含有易使水体富营养化的磷化物以及对水体动植物均有危害的含氯漂白剂；

2)灰水中存在较多的有机物，为了分解这些有机物，溶解氧大量消耗，当消耗的量大于补充的溶解氧时，水体将逐渐缺氧，厌氧菌滋生，最终使水体发黑发臭。

1.2 洗涤灰水

洗涤灰水主要包含有衣物纤维、皮脂类及其他固体污垢、细胞微生物以及各种洗涤剂等污染物质，其中洗涤剂是洗涤灰水的主要污染成分。相比厨房灰水，洗涤灰水由于水量较大，污染程度相对较低。值得一提的是，洗涤废水的各种细胞微生物中还会存在一定数目的大肠杆菌群和病毒等，对动物和人体有着一定的危害，容易造成疾病的传播。

2、灰水处理工艺

虽然船舶灰水污染程度相对较低，但是其数量远大于“黑水”。一些国家和地区在IMO排放标准上制定了更加严格的船舶生活污水排放标准，并且要求船舶应对灰水处理达标后方可排放，我国制定的《船舶水污染防治技术政策》中也提到，应逐步实施灰水管控。目前适用于船舶灰水的处理工艺对比见表1。

表1 船舶灰水处理工艺优缺点

生化处理法是目前船舶灰水处理的主要方法和研究方向，其在操作、维护、成本和处理水质等方面都具有良好的效果。目前使用较多的膜-生物法（Membrane Bio-Reactor，简称MBR），集微生物的降解作用和膜的高效截留作用于一体，具有出水水质好、适应性广、悬浮固体去除效果显著等优点。

船舶灰水管理研究

1、灰水处理装置设计

1.1 装置设计原理

从船舶灰水的组成分析，其中主要有蛋白质、淀粉、油脂等，且浓度不小于150mg/L，具有较好的生化性，因此国内已有中船重工704所、江苏南极等国内防污染设备厂家采用MBR工艺处理黑水、灰水且出水指标已满足GB/T 18920-2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》要求。

船舶灰水处理工艺主要包括预处理、生化处理、超滤膜等流程，如图1所示。其中各流程主要功能是：

图1 灰水处理MBR法工艺流程图

1)灰水预处理通过撇油器和毛发过滤器两个装置完成，主要用于去除厨房灰水中的油脂和洗涤灰水中的毛发；

2)生化反应段主要利用混合液中的活性污泥来降解灰水中的大部分BOD及SS；

3)超滤膜过滤段主要用于混合液固液分离及清污分离，出水除大肠杆菌指标外其他均可满足当前IMO国际公约的排放要求；

4)深度处理段主要用于去除色度、嗅味、浊度及表面活性剂等；

5)消毒段主要用于去除水中的细菌、病毒等治病微生物，确保出水不会造成二次污染。

1.2 装置组成和功能

MBR型灰水处理装置（以外置式膜组件为例）一般由装置本体、供气组件、排放组件、循环组件、电控组件、膜组件组成。单台装置设计处理能力满足50-500人。典型MBR型生活污水处理装置（见图2）。

图2 典型MBR型生活污水处理装置（外置式）

1)装置本体，主要为灰水提供收集和处理的场所；

2)供气组件，为装置本体内的灰水提供生化反应所需的氧气；

3)排放组件，用于处理后灰水的排放或转驳；

4)循环组件，该组件将混合液增压后泵入膜组件中，满足超滤的条件；

5)膜组件，用于混合的清污分离，清水满足排放要求；

6)电控组件，用于控制装置上的运动部件。

1.3 装置组成参数计算

1)装置单位时间处理量

船舶灰水处理装置单位时间内处理量与船员或乘客每日产生量、人数和设备间歇运行时间有关

2)反应器的容积

反应器容积与每小时处理量和处理时间有关。

2、船舶灰水管理计划

船舶灰水在整个船舶污水中的占比达70%～75%，如统一在船上处理势必增加船上投资及运行成本。因此，船舶需结合船舶航行区域、船上人员数量及船舶用途等特点，从提高处理效率、节约淡水资源以及降低海洋污染的角度，可以按照以下原则对营运产生的灰水实施有效的管理：

1)分类收集。船舶可以分别铺设收集系统管路将厨房灰水和洗涤灰水分别收集至对应得装置进行预处理，提高后续工艺处置效率；

2)精准处理。经过预处理的灰水汇总后分别通过生化反应、超滤膜过滤、消毒、深度处理等对灰水中各危害成分实施精准处理；

3)循环再用。船舶灰水相比生活污水是更好的优质回用水源，可以考虑对船舶灰水进行处理后回用，不仅能减轻污水排放对海洋环境的污染，还能实现水资源的循环利用，尤其是对远洋航线且载客较多的客船、行驶在特殊海域的船舶，具有重要的意义；

4)达标排放。需要排放的船舶灰水应严格遵守国际公约或地方法律中灰水排放控制的要求。

船舶灰水排放控制研究

1、灰水排放方式分析

目前国际公约及国内法律、法规对船舶灰水无明确排放要求，因此可参考生活污水的排放要求，具体见表2。

表2 生活污水排放控制要求

2、灰水控制排放标准

2.1 船舶生活污水的排放标准

船舶生活污水作为IMO主要控制的排放污染物，除国际公约要求外，世界主要国家对生活污水的排放均有更加详细的指标要求，具体详见表3。

表3 各国污水排放标准

可以看出，近年来船舶生活污水的排放指标不断升级，国内外的主流控制指标项目基本一致，后续可以预见氮、磷指标也将作为常规指标项进行控制要求。

2.2 船舶灰水的排放指标

从原水水质看，厨房灰水中含有蛋白质、淀粉、油脂等有机物，这类物质的控制指标与生活污水一致，仍为：CODcr、BOD5、TSS、PH、大肠菌群数、氨氮、总氮、总磷。

洗涤灰水则有区别，主要由人体皮肤分泌物、毛发、污垢、合成洗涤剂和香料以及细菌、真菌等，含磷较高，浊度高，有浓烈的芳香气味。

考虑到陆上对于回用水根据其功能已有相应的标准，因此建议借鉴GB/T 18920-2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》中的城市杂用水指标，具体增加内容分析如下：

1)色/度。该指标主要表征处理后水的颜色。对于直接排放的处理后污水则无需此项指标，但对于回用的处理后污水该项指标影响人的感官认识；

2)浊度/NTU。该指标指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，与水中的悬浮物浓度相关。对于直接排放的处理后污水则无需此项指标，因为SS已表征；但对于回用的处理后污水该指标则是水质悬浮物的更高要求，原则上浊度指标可以包含SS；

3)嗅。该项指标指物质所散发的气味。对于直接排放的处理后污水则无需此项指标，但对于回用的处理后污水该项指标影响人的感官认识；

4)溶解性总固体。该指标指水中溶解的总固体量。对于直接排放的处理后污水则无需此项指标；当处理后的污水用于回用时，势必引入回用水管道进行输送，溶解性总固体含量过高则容易在管道内部沉积、结垢，因此有必要控制此项指标；

5)阴离子表面活性剂。该指标用于衡量水中阴离子表面活性剂的含量。目前常用的阴离子表面活性剂有LAS（烷基苯磺酸盐，主要应用在洗衣粉中）、AES（脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，主要应用在香波、洗涤剂中）、MES（脂肪酸甲酯磺酸盐，主要应用在洗涤剂中），有资料显示上述三种活性剂的28天生物自然去除率最大为84%，因此即使处理后排放也应该增加该项指标。

综上，船舶灰水由于在原水水质上与生活污水有差别，即使处理后直接排放仍不可完全套用原有标准，后续应进一步开展标准方面的研究。

本文分析了船舶的灰水危害成分和可适用船舶的灰水处理工艺，提出了一种可适用于船舶灰水处理的整体可行方案，主要包括预处理、生化处理、膜过滤、中水回用以及达标排放等。同时，分析国内外船舶生活污水排放的标准，针对船舶灰水的水质，提出了船舶灰水排放控制指标，为今后制定船舶灰水排放控制的相关公约提供研究基础。综上所述，得出以下结论：

1)基于MBR原理的灰水处理工艺虽然受限于膜污染不可逆等运行成本，但仍然优于现有其他灰水在船处理工艺，应用前景广阔；

2)为降低膜污染，提高生物膜的使用寿命，需对船舶灰水进行撇油、除残渣、去毛发和纤维的预处理，提高后续处置工艺的效能；

3)船舶灰水管理应结合船舶实际，可按照分类收集、精准处理、循环再用、达标排放等原则实施；

4)经过处理的灰水达到杂用水水质标准可回用，可以提高此类船舶的淡水自持力，实现船舶淡水资源的循环利用，不但具有环保效益，也具有一定的经济效益；

5)根据船舶灰水成分的危害性，其今后排放控制不仅局限于对CODcr、BOD5、TSS等常规指标，也应对色、浊度、溶解性总固体等指标进行有效控制。

商船三井未来将投近千亿元人民币引入200艘LNG动力船和零排放船

日本商船三井就脱碳化制定了目标，将在未来15年投资近千亿元人民币引入200艘LNG动力船和零排放船，并确定了从LNG燃料过渡到氨燃料的下一代零碳燃料的选择路线。

2021年6月18日，商船三井发表“环境愿景2.1”，提出到2050年实现温室气体零排放的目标，并正在加速燃料转型。商船三井社长桥本刚表示，在2020年代该公司将以LNG动力船为中心，2030年之后则将使用氨气、氢气和合成甲烷等新燃料，向零排放航运迈进。

按照计划，商船三井将在2030年之前投入90艘LNG动力船，投资总额预计约为7000亿日元(约合人民币409.93亿元)。从2020年代中期，商船三井将开始运营氨燃料、氢燃料的远洋船舶，到2035年将净零排放船舶的数量扩大到110艘，从而使温室气体排放量相比2019年削减45%。此前一直是主流的重油燃料船舶数量也将在2035年减少到大约一半。