韓宇亮，朱發(fā)新，萬(wàn)松嶺，劉奕澤，呂柏程，郭 棟

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

隨著世界貿(mào)易的不斷發(fā)展,海上運(yùn)輸發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，船舶成為最主要的海上運(yùn)輸工具，全球范圍內(nèi)大約有90%的貨物和商品都是通過(guò)船舶運(yùn)送到各個(gè)區(qū)域[1]。船舶在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)住艙和工作室進(jìn)行日常衛(wèi)生保養(yǎng)工作產(chǎn)生了大量的生活垃圾[2]。生活垃圾主要是塑料制品、包裝材料、食品廢物、金屬等[3]。這些垃圾如果直接投入海洋，會(huì)對(duì)海洋野生動(dòng)物、海洋生態(tài)系統(tǒng)、航行安全、漁業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等方面產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至造成污染，影響水體中生物多樣性[4]。保護(hù)海洋環(huán)境更有利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何能夠簡(jiǎn)單有效地處理船用生活垃圾成為海洋環(huán)境保護(hù)中急需解決的問(wèn)題。

目前，船用生活垃圾的處理方式主要分為以下3類(lèi)：儲(chǔ)存處理、粉碎處理、焚燒處理。這些處理方式，雖然表面上解決了船用生活垃圾的問(wèn)題，但是會(huì)產(chǎn)生其它問(wèn)題。比如，散發(fā)臭氣，傳播病菌，甚至影響船員和乘客的健康。而且，焚燒過(guò)后未經(jīng)特殊處理的廢氣還會(huì)對(duì)大氣造成一定程度的污染。

1 船用生活垃圾處理技術(shù)存在的問(wèn)題

1.1 儲(chǔ)存處理

儲(chǔ)存處理是目前最簡(jiǎn)單的垃圾處理方式，可用專門(mén)的集裝箱、船艙或者可化解的垃圾袋收集垃圾[5]，等到船舶靠岸之后再移交給有關(guān)單位進(jìn)行下一步的處理，這種方式比較簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好。但是，這種方式會(huì)占用船上的一部分空間，垃圾堆放過(guò)多甚至?xí)勾暗某运黾?，影響船舶航行的安全。特別是炎熱的夏天,對(duì)衛(wèi)生要求很?chē)?yán)格，生活垃圾的堆放會(huì)污染船上的空氣，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅船員和乘客的健康。

1.2 粉碎處理

粉碎處理存在著2種方式，一是粉碎船用垃圾，減小體積，便于運(yùn)輸，大大的降低運(yùn)輸成本。二是利用粉碎機(jī)粉碎食品廢物或者小木屑，將其處理成細(xì)顆粒(直徑≤25 mm)后按照MARPOL公約的要求排入海中[6]，這種方式投資少,大多數(shù)船主都能接受。但是這種粉碎處理并未做過(guò)嚴(yán)格的殺菌消毒，過(guò)量排放會(huì)使附近的水域細(xì)菌滋生，造成污染。

1.3 焚燒處理

焚燒處理是將生活垃圾放到船上專用的焚燒爐進(jìn)行焚燒，這種方式處理垃圾量大、速度快、占地面積小，可以有效的減少垃圾所占的空間。但為了防止垃圾在混合燃燒時(shí)發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)，焚燒過(guò)程中要求垃圾嚴(yán)格分類(lèi)，而且未經(jīng)處理排放的廢氣可能會(huì)含有對(duì)大氣造成二次污染的二口惡英、CO、NOx、SO2等有害物質(zhì)[7]。所以，這類(lèi)處理方式存在著一定的局限性。

2 新型船用生活垃圾處理裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求分析

根據(jù)MARPOL公約和《中華人民共和國(guó)防治船舶污染海洋環(huán)境管理?xiàng)l例》的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合目前的垃圾處理技術(shù)，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)、技術(shù)、操作、成本以及維護(hù)保養(yǎng)等方面，其設(shè)計(jì)要求主要包括以下5方面。

1)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用機(jī)械連接且組成合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；電器線路布置和走向應(yīng)合理整齊，盡量不與運(yùn)動(dòng)零件發(fā)生碰撞、干涉和摩擦[8]。

2)生活垃圾處理技術(shù)較為先進(jìn)，實(shí)用性較高，且處理后垃圾盡量不對(duì)船上人員造成危害，也不對(duì)環(huán)境造成二次污染。

3)操作過(guò)程中能確保操作人員安全，簡(jiǎn)單省力，效率較高。

4)造價(jià)低，零部件之間的聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)相對(duì)合理，能有效減少分體檢修和安裝的費(fèi)用。

5)適用范圍較廣，可以適用于船上各種生活垃圾的處理。

2.2 工作原理

本裝置的工作原理主要由3個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即干燥殺菌處理、刀片粉碎處理和壓縮打包處理。為使各環(huán)節(jié)獨(dú)立進(jìn)行，采用模塊化的方式，將生活垃圾依次放到干燥室、粉碎室、壓縮室進(jìn)行操作。同時(shí)，3個(gè)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，共同完成生活垃圾處理的工作。圖1為新型船用生活垃圾處理裝置工作原理圖。

1-投料口；2-排氣風(fēng)扇;3-加熱裝置;4-干燥柵欄;5-傳送帶一;6-傳送帶二;7-金屬腳;8-推料臂帶;9-接料框;10-輔助刀片基座;11-破碎刀片;12-壓縮塊;13-動(dòng)力液壓柱;14-壓縮室;15-轉(zhuǎn)軸;16-排氣孔二;17-粉碎室;18-排氣孔一;19-干燥室;20-紫外線燈圖1 一種新型船用生活垃圾處理裝置的工作原理圖

1)干燥室。垃圾通過(guò)進(jìn)料口被投入到干燥室內(nèi)的干燥柵欄上，加熱裝置通電產(chǎn)生高溫對(duì)干燥室內(nèi)進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的熱量和水汽通過(guò)排氣孔一和排氣風(fēng)扇排出。與此同時(shí)，紫外線燈開(kāi)始消毒，通過(guò)紫外線的照射，使細(xì)菌的DNA分子結(jié)構(gòu)被破壞，達(dá)到殺菌消毒的作用。當(dāng)垃圾積累到一定程度，干燥柵欄在重力的作用下會(huì)被打開(kāi)，使加熱烘干后的垃圾落入傳送帶一。傳送帶一通電運(yùn)作，將干燥后的垃圾平穩(wěn)的送入下一環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。

2)粉碎室。經(jīng)干燥殺菌處理的垃圾，被送至安裝在輔助刀片基座上的破碎刀片。2個(gè)轉(zhuǎn)軸通電后帶動(dòng)破碎刀片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。落入粉碎室的生活垃圾在破碎刀片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下受到切、割、撕、拉的作用，從而被粉碎。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量和水汽，通過(guò)排氣孔二排出。粉碎后的生活垃圾粉末落到傳送帶二上，被送入第三環(huán)節(jié)。

3)壓縮室。壓縮室積累著來(lái)自上一環(huán)節(jié)的生活垃圾碎末。動(dòng)力液壓柱帶動(dòng)壓縮塊下降將生活垃圾碎末壓縮成塊，并進(jìn)行打包處理。之后，推料臂從側(cè)邊推動(dòng)，把垃圾從出料口排出，使打包過(guò)后的垃圾進(jìn)入接料框內(nèi)等待后續(xù)處理。

2.3 新型船用生活垃圾處理裝置主要組成部件

1)液壓缸。圖2為液壓缸和干燥柵欄結(jié)構(gòu)圖。液壓缸采用單作用活塞式的低壓液壓缸，并通過(guò)鉸鏈連接在干燥室內(nèi)部。液壓缸的活塞桿內(nèi)側(cè)充滿液壓油，外側(cè)連接在干燥柵欄下方。當(dāng)生活垃圾對(duì)干燥柵欄的壓力高于液壓缸內(nèi)的油壓時(shí)，液壓缸收縮使得干燥柵欄打開(kāi)，使垃圾落入干燥室的傳送帶上。

1-傳送帶；2-液壓缸；3-干燥柵欄；4-干燥室圖2 液壓缸和干燥柵欄結(jié)構(gòu)圖

液壓缸處機(jī)械連接結(jié)構(gòu)可能需要定期緊固零件。同時(shí)，為避免缸內(nèi)液壓油泄漏，還應(yīng)定期檢驗(yàn)或更換密封件。

2)刀組結(jié)構(gòu)。圖3為嚙合雙刀結(jié)構(gòu)示意圖。粉碎室的刀組結(jié)構(gòu)由2對(duì)破碎刀片嚙合而成。破碎刀片的2個(gè)轉(zhuǎn)軸(第一轉(zhuǎn)軸、第二轉(zhuǎn)軸)由2個(gè)電機(jī)(第一電機(jī)、第二電機(jī))帶動(dòng)。同時(shí)，為了防止破碎刀片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的離心力而飛出，便將其安裝在輔助刀片基座上，保障操作人員的安全。

1-第一電機(jī)；2-破碎刀片；3-第一轉(zhuǎn)軸；4-輔助刀片基座；5-第二轉(zhuǎn)軸；6-第二電機(jī)圖3 嚙合雙刀結(jié)構(gòu)示意圖

船上的生活垃圾大多為餐廚垃圾，可能存在腐蝕性的殘羹剩飯和易拉罐等金屬制品，故破碎刀片應(yīng)采用硬度和耐腐蝕性相對(duì)較高的硬質(zhì)合金，如磨損嚴(yán)重，則需要更換。

3)加熱裝置和紫外線燈。圖4為加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。加熱裝置主要由電熱絲、隔熱陶瓷底座、加熱開(kāi)關(guān)及指示燈組成，隔熱底座通過(guò)螺栓和干燥室內(nèi)壁連接，保證了其良好的可拆卸性和可維修性。電熱絲固定在隔熱底座上，加熱過(guò)程由加熱開(kāi)關(guān)通過(guò)旋鈕來(lái)控制。工作時(shí)如果需要調(diào)節(jié)加熱溫度,可以通過(guò)開(kāi)啟發(fā)熱裝置組數(shù)來(lái)控制,開(kāi)啟的組數(shù)越多,溫度越高，升溫越快，加熱效果就越好。在加熱的過(guò)程中，指示燈會(huì)發(fā)亮。

1-指示燈；2-隔熱底座；3-電熱絲；4-加熱開(kāi)關(guān)圖4 加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖

紫外線燈與日光燈的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，不同的是，紫外線燈的燈管是由石英玻璃制作，對(duì)紫外線有良好的透過(guò)性。紫外線燈中的紫外光是利用較低壓汞蒸氣被激化后產(chǎn)生的，當(dāng)紫外線的波長(zhǎng)達(dá)到指定范圍時(shí)，就可以更好的除掉細(xì)菌。

當(dāng)電熱絲因工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而被熔斷時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換，避免在操作過(guò)程中失火，燒毀內(nèi)部電路，造成人員受傷等。紫外線燈工作一定時(shí)間后，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉，不宜長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)。

4)排氣風(fēng)扇。排氣風(fēng)扇由電動(dòng)機(jī)、扇葉、底座、框架體、百葉窗柵片等組成。扇葉安裝在底座上，底座與框架體相連被螺栓緊固在干燥室內(nèi)壁。扇葉通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)壓控制窗柵的啟閉，當(dāng)排氣風(fēng)扇不工作時(shí)，柵片會(huì)由于自身重力而下垂遮蓋風(fēng)口;接通電源，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)，扇葉產(chǎn)生的風(fēng)壓推動(dòng)?xùn)牌?使柵片張開(kāi)，將水汽和臭氣通過(guò)排氣孔排往室外，從而實(shí)現(xiàn)排氣功能。

排氣風(fēng)扇電路的通斷是由濕度傳感器間接控制的，濕度傳感器隨時(shí)監(jiān)控干燥室內(nèi)的濕度，當(dāng)濕度上升到預(yù)定的數(shù)值時(shí)，濕度傳感器會(huì)通過(guò)結(jié)果數(shù)據(jù)線向排氣風(fēng)扇發(fā)送信號(hào)，排氣風(fēng)扇就會(huì)啟動(dòng)。

由于干燥室的生活垃圾中帶有水汽或者污垢等會(huì)使排氣風(fēng)扇造成故障，可拆卸百葉窗柵，清洗和清除扇葉轉(zhuǎn)軸和扇葉上的污垢，然后重新裝好。如果扇葉表面被腐蝕，可能需要及時(shí)更換，以免影響正常排氣。

3 新型船用生活垃圾處理裝置的可行性分析

3.1 結(jié)構(gòu)可行性分析

新型船用生活垃圾處理裝置的部件大多采用機(jī)械結(jié)構(gòu)連接。為了連接可靠，裝拆方便，排氣風(fēng)扇、加熱裝置采用螺栓連接固定在干燥室內(nèi)壁；為了保證部件的穩(wěn)固，輔助刀片基座和鉸鏈支座采用焊接結(jié)構(gòu)來(lái)固定；液壓缸通過(guò)鉸鏈連接的方式鉸接在干燥室內(nèi)壁，使液壓缸繞著鉸鏈支座擺動(dòng)，控制了干燥柵欄的打開(kāi)與關(guān)閉。裝置組成部件均屬于標(biāo)準(zhǔn)件，通用性較好，且這些部件的強(qiáng)度、剛度等參數(shù)也符合要求。

3.2 技術(shù)可行性分析

本裝置的垃圾處理技術(shù)主要是結(jié)合目前垃圾儲(chǔ)存處理和粉碎處理的原理，采取物理方法，利用加熱裝置和紫外線燈對(duì)垃圾進(jìn)行干燥殺菌，然后經(jīng)破碎刀片粉碎，動(dòng)力液壓柱壓縮打包后進(jìn)一步處理。

該裝置適用于多種類(lèi)型的生活垃圾處理。在經(jīng)過(guò)粉碎處理、殺菌消毒等多個(gè)環(huán)節(jié)處理后的垃圾，不但所占空間小，而且危害大大降低，同時(shí)，在處理過(guò)程中也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。目前的紫外線殺菌技術(shù)和粉碎技術(shù)也在不斷成熟，為本裝置提供了一定的技術(shù)可行性和較強(qiáng)的實(shí)用性。

3.3 操作可行性分析

新型船用生活垃圾處理裝置操作簡(jiǎn)單，只需要操作人員在機(jī)旁操作或手持遙控器操作，同時(shí)該裝置還有濕度傳感器這一自動(dòng)化元件，對(duì)排氣風(fēng)扇的啟閉有著控制作用，減少了一定的操作量。但是，若操作不當(dāng)也會(huì)造成一定的危險(xiǎn)，故該裝置需要經(jīng)培訓(xùn)過(guò)的人員專門(mén)操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)總結(jié)了現(xiàn)有船用垃圾處理方式存在的不足，主要是生活垃圾會(huì)污染環(huán)境、散發(fā)臭氣、傳播病菌、影響船員和乘客的健康和污染環(huán)境等問(wèn)題。

2)首先從技術(shù)、操作、維護(hù)保養(yǎng)、經(jīng)濟(jì)性等方面總結(jié)出了新型船用垃圾處理裝置的設(shè)計(jì)要求，主要是實(shí)用性較高，操作過(guò)程中能確保人員安全，可適用于船上各種生活垃圾的處理。然后，利用AutoCAD2017軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)出了一種新型的船用垃圾處理裝置，主要由干燥室、粉碎室、壓縮室等3個(gè)部分組成，介紹了其工作原理和主要組成部件。最后從結(jié)構(gòu)、技術(shù)、操作性等方面論證了該新型船用垃圾處理裝置具有良好的可行性。

3)對(duì)該裝置的研究?jī)H僅是理論研究，能否運(yùn)用到實(shí)船上還需深入研究。后續(xù)可以在臺(tái)架試驗(yàn)、數(shù)值模擬、樣機(jī)生產(chǎn)等方面作進(jìn)一步的研究。