田 琬，張輝意，吳 鳴

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢430064)

1 概 述

核潛艇是核威懾力量中最富生命力的武器平臺。過去處理艇內(nèi)垃圾的通常做法是將廢物稍作處理或根本不處理就排出艇外［1］。這樣做既不利于艇內(nèi)生活環(huán)境，也嚴(yán)重影響了自身隱身性，甚至?xí)┞缎雄櫋Ｓ捎诃h(huán)境的特殊要求，以現(xiàn)有民用技術(shù)為基礎(chǔ)的水面艦艇廢物處理系統(tǒng)并不適合在核潛艇上使用。由許多國家共同簽署的《防止艦船污染的國際法規(guī)》(簡稱MARPOL73/78)對海上廢物排放進行了詳細(xì)規(guī)定，要求在船上儲存垃圾以保護海洋環(huán)境。目前，雖然這些規(guī)則僅適用于各類遠(yuǎn)洋船舶，尚未對海軍加以限制，但美、英、法等國已經(jīng)明確指出其海軍將來也需遵守MARPOL73/78 協(xié)議。在核潛艇上采取適當(dāng)?shù)膹U物處理系統(tǒng)，不僅是滿足國際法規(guī)減少環(huán)境污染的迫切需求，還是完善自身綜合系統(tǒng)的必要措施。

1.1 國際法規(guī)

國際海事組織于1973年通過《1973年國際防止船舶造成污染公約》，在1978年通過《關(guān)于1973年國際防止船舶造成污染公約的1978年議定書》，國際上通常將這二者合稱為《73/78 防污公約》［1-2］。其中，附則Ⅰ《防止油污規(guī)則》規(guī)定禁止在海上排放所有油廢物;附則Ⅳ《防止船舶生活污水污染》規(guī)定在距特定區(qū)域海岸一定范圍的海域內(nèi)禁止排放未經(jīng)處理的污水或黑水［2］;附則Ⅴ《防止船舶垃圾污染規(guī)則》對船舶垃圾的分類、排放區(qū)域和方法、收集和儲存程序以及管理方法都予以說明。

1.2 廢物來源與分類

核潛艇廢物的產(chǎn)生量受多種因素的影響，包括艇員人數(shù)、生活習(xí)慣、生活水平、文化傳統(tǒng)、設(shè)備老化程度等。它大致在以下過程中產(chǎn)生［3-5］:運輸和處理有效載荷產(chǎn)生的殘物，如紙、硬紙板、塑料襯料等包裝材料;維修和保養(yǎng)產(chǎn)生的油漆廢料，更換零件的包裝材料，修理機械和設(shè)備的廢料;日常生活和衛(wèi)生保健工作帶來的一些垃圾，包括生活污水、食品和醫(yī)療廢棄物、玻璃、金屬飲料罐、塑料等;艇上動力或生活用燃油產(chǎn)生的污油泥;從艇上汽輪機及焚化爐排放出的氣體。通過對上述船舶垃圾組成的分析可得出其主要來源為:淋浴室和廁所，廚房和面包房，餐廳和碗碟洗滌間，供應(yīng)部門，倉庫，維修部門和機艙。

核潛艇上的廢物可分為液體廢物和固體廢物2類［2］。液體廢物包括油水、灰水和黑水，主要是指生活污水、灰水、油污水、清洗艙底污水、除銹液、防污涂料和廢油等油類廢棄物［6-8］。其中油污水是由分散或乳化狀態(tài)的油和水形成的混合液，灰水是指洗澡、洗衣及洗餐具傾倒水等，生活污水是使水體受到日常生活污物污染而形成;固體廢物包括塑料廢物和非塑料廢物，主要指無機中性材料(玻璃、鐵制品和瓷器等)、有機物 (食品等生活垃圾)、墊艙物料、載荷裝卸廢棄物、塑料及一些廢棄的醫(yī)療器械等［3-4］。如按形狀可分為塊狀、粒狀、粉狀和半固體(泥狀、漿狀、糊狀廢物)等［9-10］。

2 美國

美國海軍利用先進的革新技術(shù)，采用創(chuàng)新的廢物處理方法，如廢棄物最少化處理、污染預(yù)防、廢物回收、廢物利用及重復(fù)使用等，對艇內(nèi)垃圾進行有效管理［11-15］。

2.1 液體廢物處理

美國《清潔水法案》禁止艦艇在離陸地3 n mile之內(nèi)將未經(jīng)處理的污水和廢水排到海里。當(dāng)前，美國海軍污水管理戰(zhàn)略沿用此規(guī)定，要求將污水儲存在潛艇上，超過這一距離才能直接排出艇體，停港后還需用泵將污水抽到岸上回收站里處理。未來，美國會將這一限制距離延長到12 n mile。潛艇上的衛(wèi)生系統(tǒng)設(shè)備采用與陸基處理裝置相似的技術(shù)，依靠物理、化學(xué)，或者生物處理方法將污水降級分解，再形成淤泥便于岸上處理。但是污水處理費用的提高促使美國尋求研制新的綜合液體處理系統(tǒng)。新系統(tǒng)通過使用膜和紫外線輻射光技術(shù)對灰水進行過濾和消毒再排出艇外，剩余的材料會與污水、油水一起在熱損壞裝置中燃燒。

MARPOL 附則I、美國《防止艦艇污染法案》和《清潔水法案》都對油污水排放進行了規(guī)定，要求其中的油含量不得超過百萬分之十五［16-17］。核潛艇上的油水分離機采用離心分離機技術(shù)，通過接合板將水油分離后，直接把濃縮油裝入水油箱內(nèi)運回岸上再進行處理。為了實現(xiàn)將排放標(biāo)準(zhǔn)降至百萬分之五的未來目標(biāo)，美國海軍還在測試一種超濾陶瓷膜打磨系統(tǒng)。此外，商船上使用的清潔壓載系統(tǒng)很可能會應(yīng)用到未來的美國核潛艇上。

2.2 固體廢物處理

2.2.1 法律法規(guī)

美國國會于1987年批準(zhǔn)將MARPOL73/78 附則V 作為船舶塑料污染研究和控制法案來執(zhí)行［18-19］，禁止在世界范圍內(nèi)拋除塑料垃圾。1994年，美國《國防授權(quán)法案》修正案《防止艦艇污染法案》［16］中要求，自2008年12月31日起禁止從核潛艇上排放塑料垃圾，而需將其儲存在艇上［20］。但直到20世紀(jì)90年代中期，由于運行或任務(wù)的特殊需求，對向海里排放固體塑料垃圾的行為只能依靠自我約束。當(dāng)前潛艇固體垃圾管理方法遵照的是由OPNAV 發(fā)布的指令5090.1B［21］和由大西洋潛艇司令部/太平洋潛艇司令部發(fā)布的指令5090.5 《3/20 天規(guī)則》。

2.2.2 處理措施

美國的固體垃圾管理措施主要包括4 個方面:最小化、收集、處理和儲存［22-24］。這需要盡量減少海上環(huán)境中固體垃圾的來源。受艇上空間限制，還需壓縮所儲存艇內(nèi)垃圾的體積，加以清潔包裝，并確定專門的存放區(qū)域。通過焚燒處理干燥固體材料，對廢棄食品及紙張進行切碎和漿化。美國海軍研制出用于處理完全受損有機材料和無機材料的先進熱損壞技術(shù)，還研發(fā)了異味隔離袋和垃圾污染袋。這些技術(shù)已經(jīng)在實驗室里取得了良好效果，并在“洛杉磯”級、“俄亥俄”級和“海狼”級潛艇上通過驗證，最終會應(yīng)用于所有美國核潛艇上［25-27］。還有一些方法正處于研究階段，如超臨界水氧化法、高壓熱液處理法、電化學(xué)氧化法、半導(dǎo)體光催化法、臭氧化法、電動液壓空化法、等離子弧熱轉(zhuǎn)換法、脈沖功率冷卻等離子體反應(yīng)堆法和先進的焚燒爐設(shè)計等［22］。美國海軍已在所有1950年后建造的潛艇上安裝了1 套獨特的垃圾處理系統(tǒng)，包括垃圾壓縮機和垃圾處理機。垃圾壓縮機由卡迪洛克分部的實驗室研制，通過潛艇上的水動力驅(qū)動其壓碎裝置運轉(zhuǎn)［28］。垃圾處理機能使?jié)撏鲁習(xí)r排放固體垃圾，主要包括依靠水力運轉(zhuǎn)的噴嘴球閥、作用軸或垃圾處理機管，以及炮尾門。當(dāng)關(guān)閉炮尾門時，會將噴嘴球閥打開通海口，利用來自配平機構(gòu)和排水主管的海水將固體垃圾排出艇外。

2.3 小結(jié)

美國海軍正在研制綜合液體處理系統(tǒng)來處理污水和廢水，并不斷開發(fā)更有效的油水分離機。在處理固體垃圾方面通過減少垃圾體積、排除異味和擴充儲存空間，并且配備潛艇垃圾壓縮機和垃圾處理機，取得了很好的效果。

3 英國

1994年出版的《潛艇設(shè)計基本原則》［29］中將英國潛艇在水下處理艇內(nèi)垃圾的特殊系統(tǒng)稱作廢物拋出裝置。在收集好艇內(nèi)垃圾后，將其裝入塑料袋并加以配重，然后再放入廢物拋出筒內(nèi)，通過拋出系統(tǒng)將廢物拋出舷外并沉入海底。英國最新一代“機敏”級核潛艇也將遵循MARPOL 協(xié)議對艇上的生活廢物采取相應(yīng)的管理措施。

3.1 管理原則

英國皇家海軍通過政策法規(guī)嚴(yán)格執(zhí)行MARPOL73/78 協(xié)議對“機敏”級核潛艇進行生活廢物管理，最終達(dá)成的決議是在艇上保留全部廢物［30］。這意味著該級潛艇在90 d 的巡航期間內(nèi)保留并且存儲所有的固體廢物，不再配備以前的廢物排放設(shè)備，以避免海水倒灌的危險。英國的核潛艇垃圾處理系統(tǒng)基于分級思想，基本原則是減少廢物源、廢物分類管理，廢物處理和廢物存儲［30］。

1)避免產(chǎn)生垃圾。設(shè)計多樣的廢物流，對日用供給品進行特殊包裝，按菜單定制、貯存日用供給品。

2)垃圾最少化。當(dāng)潛艇離港時確認(rèn)艇內(nèi)沒有垃圾，并減少巡航期間產(chǎn)生的垃圾數(shù)量。

3)垃圾分類。按不同類別對垃圾分成，以便有效管理特殊垃圾。在源頭通過顏色編碼的容器對廢物流進行分類。

4)垃圾處理和儲存。設(shè)有專門的廢物管理區(qū)域處理包裝好的罐子、瓶子和塑料容器。將其碾碎壓縮成樣板后，放置于結(jié)實的塑料袋中進行真空加熱密封處理，這樣能大大減少垃圾體積，并且最大程度上避免細(xì)菌生長。對于無法處理的廢物流，粉碎壓實后裝入異味隔離袋，然后真空密封并儲存在指定的廢物貯存區(qū)域。密封包裹存放于垃圾管理艙的專用支架上以便監(jiān)控。該艙溫度約為13℃～15℃，可最大程度避免細(xì)菌生長。一旦空間裝滿，存放時間最長的包裹會被移至因食物消耗而騰出新位置的食物存放區(qū)(該區(qū)溫度更低)。出航任務(wù)結(jié)束后，廢物才會從艇上排出。

3.2 系統(tǒng)特點

“機敏”級核潛艇廢物處理系統(tǒng)是由“前衛(wèi)”級核潛艇上的垃圾處理系統(tǒng)改裝的。該系統(tǒng)主要包含以下功能:提供廢物沖洗服務(wù);收集并排出廢水;處理并排放廢水;處理并存儲固體廢物。該系統(tǒng)位于反應(yīng)堆隔壁艙#64 和#26 肋骨之間，其設(shè)計起始點是產(chǎn)生廢物的地方(如污水池、淋浴間和廁所)，以存儲和排出的地方(污水艙、灰水艙、食品廢物艙、泵和排出閥)為終點，包含了通過清潔艙和廢物管理系統(tǒng)進行沖洗用海水的存儲和分配。該系統(tǒng)有以下特點:

1)取消了廢物拋出裝置和污水浸軟器;

2)將灰水和食品廢物流隔離;

3)采用離心式污水泵;

4)改進了定制浸軟水廁所等。

3.3 小結(jié)

“機敏”級核潛艇廢物處理系統(tǒng)基于分級原則，對已有功能加以改進，并且在艇上保留全部垃圾。通過研究已經(jīng)證明它能夠滿足MARPOL 的要求，特別是人性化地滿足潛艇艇員的生活需要。

4 法國

法國海軍計劃從2017年開始由“梭子魚”級核潛艇逐步替代“紅寶石”級攻擊型核潛艇。為使其充分應(yīng)對未來的技術(shù)挑戰(zhàn)和威脅，并且滿足MARPOL73/78 的要求，法國艦艇建造局在設(shè)計階段就考慮了未來升級改造的問題。針對液體廢物、食物廢物和固體廢物，分別采取了相應(yīng)的處理和存儲措施，將所有廢物處理設(shè)備集中于艇上同一區(qū)域，并在收集廢物后根據(jù)種類進行處理、存儲和排放。整個廢物處理系統(tǒng)的體積為40 m3、重量為6 000 kg［31］。

4.1 液體廢物處理

法國艦艇建造局對幾艘現(xiàn)役法國核潛艇的艙底水進行取樣，以預(yù)測“梭子魚”級潛艇艙底水的特點。通過艙底水分離器對油水進行物理分離，該裝置通常包括油水存儲罐、滲透膜分離器、生物泥罐和檢測水質(zhì)的測量系統(tǒng)。處理后產(chǎn)生的淤泥在任務(wù)期間一直存儲在艇上，返航后卸載到岸上。

“梭子魚”級潛艇上還配備專用的水罐來儲存灰水。通過泵進行排空處理，并且利用重力收集灰水。含有油脂的灰水經(jīng)過脫脂罐過濾后，油脂留在脫脂罐內(nèi)，脫脂后的灰水被送回艦船灰水系統(tǒng)，剩下的油脂在岸上卸載或通過垃圾排放器排到海里。

基于水面艦船的經(jīng)驗，法國艦艇建造局采用真空黑水收集系統(tǒng)。管路中為負(fù)壓，可直接將黑水吸入存儲罐。與重力采集系統(tǒng)相比，真空收集系統(tǒng)可使被存儲的黑水體積減小75%，從而減少污水艙的使用頻率。未來可能設(shè)計出尺寸更小的艙室以替代或完全取消污水艙。出于安全考慮會保留一個水艙，以便在黑水處理裝置出現(xiàn)故障的緊急情況下利用該艙的壓差排出黑水。

4.2 食物廢物處理

法國遵守MARPOL 排放規(guī)定，在離岸12 n mile以外的海域才能排放食物廢物。不能排放時會將食物廢物放入袋中存在冷凍室內(nèi)，以免限制潛艇的作戰(zhàn)使用。存儲溫度為0℃以下，以防止細(xì)菌滋生和產(chǎn)生氣味。采用可生物分解并且?guī)в胸?fù)浮力的包裝袋包裝食物廢物，便于垃圾排放器將其排入海中。

4.3 固體廢物處理

“梭子魚”級潛艇計劃不會向海中排放任何固體廢物。所有廢物經(jīng)粉碎和壓縮后，在整個任務(wù)期間均放在紙板箱內(nèi)保存，體積可減少5 ～15 倍，經(jīng)粉碎和壓縮后的廢物也要存儲在℃以下的冷室中。

4.4 小結(jié)

法國在“梭子魚”級潛艇上采用嚴(yán)格的污水廢物排放系統(tǒng)，通過改進污水處理裝置，采用先進的油水分離設(shè)備、真空黑水收集系統(tǒng)以及其他先進的廢物處理技術(shù)，基本上形成了一套比較完善有效的廢物處理系統(tǒng)。

5 發(fā)展趨勢

未來，核潛艇不會直接向艇外排放任何未經(jīng)處理的廢物，而是要在對潛艇沒有任何影響的情況下，將所有的廢物存儲在艇上，直至方便時才卸載到岸上。為此，美、英、法各國相繼探索或研制出更先進有效的廢物管理方法。為新型潛艇設(shè)計綜合廢物處理系統(tǒng)，比對現(xiàn)有潛艇廢物處理系統(tǒng)進行升級更容易，但需要考慮解決以下問題:如何適當(dāng)處理不同的廢物源;如何使處理過程中能量需求最小化;如何使處理設(shè)備安靜、高效和小型化。從美、英、法三國核潛艇廢物處理系統(tǒng)可看出，其處理方法有以下共通性［14，22，30-32］:

1)針對廢物來源和分類采取相應(yīng)的處理和存儲措施;

2)減少廢物源，使廢物體積最小化，以易于收集、存儲和后期處理;

3)提升已有處理系統(tǒng)的性能，在設(shè)計階段充分考慮升級改造的需求。

未來，會進一步控制艇上的廢物源，研制更先進的滲透膜生物反應(yīng)器和油水分離器，安裝體積更小但功能更強的固體廢物處理設(shè)備。還有必要深入研究新的包裝和密封技術(shù)。

在廢物處理工藝方面，各國也致力于未來在以下幾個方面尋求突破:

1)壓縮與存儲。需要重新設(shè)計一些設(shè)備以滿足廢物體積和重量要求，并且解決噪聲和振動問題。

2)生化處理。生物處理和能源利用技術(shù)已使用了近1 個世紀(jì)，但高昂的成本限制了其推廣使用，目前還沒有最佳處理方法。未來會嚴(yán)格控制艇上的材料使用，開發(fā)專門的封裝技術(shù)。

3)熱處理。未來可能采用高溫分解或在其基礎(chǔ)上派生的其他方法，例如與氣化技術(shù)結(jié)合使用的技術(shù)。此外，還需研發(fā)不向外部輻射熱量或產(chǎn)生異味的設(shè)備。

6 結(jié) 語

國外核潛艇業(yè)界在處理艇上生活廢物方面都致力于遵守MARPOL 協(xié)議，從潛艇補給到廢物回收的整個供應(yīng)鏈中按模塊處理分類垃圾，提高了垃圾處理的設(shè)備性能和工藝水平。美國通過國內(nèi)立法加強約束，在所有在役潛艇上已經(jīng)普及簡單有效的艇上廢物處理方法。英國在“前衛(wèi)”級潛艇的基礎(chǔ)上對“機敏”級潛艇廢物管理方法進行改進，使其能在世界范圍內(nèi)最先滿足MARPOL 協(xié)議。法國也對新一代“梭子魚”級潛艇實施了嚴(yán)格的污水廢物排放措施，基本形成了一套比較完善有效的先進廢物處理系統(tǒng)。

隨著我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展、軍事實力迅猛增強，我核潛艇部隊正走出近海，跨向深藍(lán)。防止艇內(nèi)生活垃圾造成海洋污染這一迫切課題已擺在面前，如果處理不好，會影響我國核潛艇發(fā)展的速度，也會影響我國作為負(fù)責(zé)任大國的形象，甚至于影響我們走向世界的步伐。我國海軍和潛艇界應(yīng)該充分意識艇內(nèi)生活垃圾污染對海洋的危害性，合理借鑒西方各國先進的廢物處理技術(shù)和管理經(jīng)驗，從而徹底改變“隨到隨扔”的陳舊觀念并且制定出符合我國核潛艇實際的廢物處理方法。

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