基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾過濾研究

張承華 孫一航 蔡林 周慶 李志堅

摘 要：沿江沿海地帶沉底垃圾情況持續惡化，使得水質惡化，其覆蓋、擾動等因素影響底棲生物的正常生長， 甚至導致其死亡，直接或間接對人類身體健康造成損害。同時夾雜著大量塑料垃圾和大塊碎石的泥沙用于吹填，導致泥沙沉降較慢、排水固結速度慢、短期固結強度低等，為吹填造陸帶來了較大難度。疏浚時垃圾進入泥泵造成堵塞，使得工作效率低下，而且影響了疏浚質量。由于我國疏浚工程發展迅速，國內沿海疏浚需求總量巨大，因此，通過耙吸式挖泥船進行沉底垃圾過濾，可有效提高疏浚效率，并減少了沉底垃圾，從而改善了生態環境。

關鍵詞：沉底垃圾 過濾裝置 鉸碎裝置 耙吸式挖泥船 生態環境

據相關統計，沉底垃圾情況持續惡化，在一些地方已經嚴重威脅到人類生存的環境。資料顯示，2009年曾有七頭抹香鯨在意大利南部海岸擱淺死亡，解剖發現它們的胃、腸道中塞滿了塑料、繩索、漁網等海洋垃圾，部分內臟器官已經穿孔并壞死。部分海洋垃圾長期浸泡后會釋放藥物殘留及化學物質，直接或間接對人類身體健康造成損害。

耙吸式挖泥船在施工的過程中，沉底垃圾伴隨泥沙在泥泵葉輪流道內、泥泵葉輪同泵殼之間常常會有卡阻的情況，導致泥管無法進行正常工作，嚴重時會造成設備損壞。傳統的解決方式就是停止工作后由輪機和甲板工作人員配合進行清理，使得工作效率低下，但是海底塑料垃圾混在泥沙之中，很難進行處理。同時疏浚的泥沙中夾雜著大量塑料垃圾和大塊碎石，以致吹填造陸過程泥沙沉降較慢、排水固結速度慢、短期固結強度低等，為吹填造陸帶來了較大難度，從而影響了疏浚質量。本文通過耙吸式挖泥船進行沉底垃圾過濾，通過一款鉸刀將漁網等大塊垃圾絞碎，可有效避免泥泵被碎石堵塞，防止輸泥管被漁網等雜物堵塞，提高疏浚質量和工作效率的同時清理多種沉底垃圾。

1.現有的沉底垃圾清理現狀以及存在的問題

如今全世界對海洋垃圾污染的嚴重性有了更深刻的認識，采取了大量的防治措施。傳統的收集海洋垃圾的方式莫過于打撈。大海廣闊無垠，且有洋流作用，海上垃圾位置隨著洋流不斷變化，海洋上的垃圾散布在各處，而并非聚集在一起，傳統的打撈方法勢會耗費大量的人力物力，且效率低下。

除了傳統的打撈方法，來自荷蘭的Boyan Slat在他19歲時提出“巨型漏斗”裝置來攔截海洋垃圾。這個裝置利用洋流的運動，使得在海洋表面的垃圾隨著洋流漂流到清理平臺中，并且可以使浮游生物通過。因為這項發明，他于2014年獲得UNEP頒發的“地球衛士獎”，但是這種清理方式對于海洋沉底垃圾清理存在局限。

2.基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾過濾

考慮充分利用塑料等垃圾的性質和特點，耙合絞吸式挖泥船輸泥管內泥漿的流動性和沖擊特性，本文通過研究一種適用于過濾塑料垃圾的耙吸式挖泥船，以普通的耙吸式船體為主，其中包含了耙頭、吸管、泥泵、泥倉和溢流堰等各部分組件，也是實現塑料垃圾過濾的基本組成部分，結合其獨特鉸碎裝置和過濾裝置，實現塑料垃圾等的有效過濾。

3.沉底垃圾的鉸碎過程

由于夾雜在泥沙中的沉底垃圾進入耙頭后隨泥沙在輸泥管流動，為防止造成泥泵的堵塞，在泥泵之前加裝垃圾的鉸碎裝置，鉸碎裝置處設計的掛鉤可以將漁網等大片塑料垃圾鉤住，并將石塊等大塊硬質物質擊碎，螺旋鉸刀可以有效將鉤在掛鉤上的漁網等塑料垃圾鉸碎，防止其直接進入泥泵，降低泥管中大塊網狀垃圾和大塊碎石的含量，有效防止泥泵被堵塞，提升泥管的輸送效率，此裝置位于耙吸管內的泥泵之前，主要由鉤刀和絞刀兩部分組成。

（1）鉤刀部分。本作品設計的鉤刀部分由八個均勻陣列的硬質合金鉤刀組成，鉤刀主要用于直接切碎大部分硬質塑料垃圾和大塊石塊，其長期處于水中，要求其具有足夠的硬度、韌性和抗腐蝕性能。

（2）鉸刀部分。刀軸：用于固定鉸刀，為鉸刀提供軸力，故要求其具有較強的韌性和耐腐蝕性。鉸刀：由兩片刀葉組成，為螺旋槳狀。用于絞碎漁網等大塊塑料垃圾，防止進入泥泵產生堵塞，為保證鉸刀的切割性能高，保證其鋒利程度，采用硬質合金材料，要求其具有良好的耐磨性能和韌性。螺旋槳狀的設計使其可以提供泥泵以外的吸力，可以抵消鉤刀造成的對泥水的阻力。

4.鉸碎后的沉底垃圾過濾過程

本文研究的通過耙吸式挖泥船實現垃圾過濾在于過濾裝置部分，此裝置位于耙吸管尾部末端，是進入泥倉之前的對于各種垃圾的一次全面過濾。在進入泥倉處設有過濾裝置，可以將經過鉸刀切碎后同泥漿進入泥管的漁網等大塊塑料垃圾較為全面過濾，最后達到分離的效果，過濾裝置部分主要分為邊框濾網部分、錐形濾網部分、濾框加強體和倒置叩門部分。

（1）邊框濾網部分。邊框濾網用于過濾和儲存塑料等垃圾，要求其具有良好的耐磨性和通透性。鎳帶具有鐵磁性的金屬元素，它能夠高度磨光和抗腐蝕，是制造過濾網首選的原材料。鎳經輾壓成波浪網形，以正確的角度彼此交叉疊合而成；多層折疊擴張是以不同的密度、孔徑由粗到細的排列，使物體通過時多次改變流動方向，增大其效率。

（2）錐形濾網部分。錐形濾網主要用于分離泥管流入的塑料垃圾和泥漿，要求其具有良好的通透性能，為了便于分離，將濾網設有合適的傾斜度；為滿足濾網的輕度要求，同樣濾網也是采用多層擴張鋁箔網或不銹鋼網為過濾器的專用濾材，經輾壓成波浪網形，以正確的角度彼此交叉疊合而成；多層折疊擴張是以不同的密度、孔徑由粗到細的排列，使物體通過時多次改變流動方向，增大其效率。

（3）濾框加強體部分。由于泥漿及垃圾對濾網的沖擊力較強，濾網難以滿足泥漿的承重和沖擊力。故沿著濾網加上一個加強體框，保證濾網不產生變形從而順利地過濾，加強體濾框可采用不銹鋼作為材料。

（4）倒置叩門部分

濾框儲存垃圾具有一定的容量，當垃圾儲存滿載之后，需及時進行清理，為方便儲存框內垃圾的傾卸，在儲存框的底部設置門，當垃圾滿載時，即可到指定位置進行傾斜處理，保證工作的有序進行。

5.沉底垃圾的分離原理

由于濾網受到泥和垃圾的垂直沖擊力，且泥管的流速相當的高，對濾框容易由于沖擊力發生變形，隨著垃圾的增多，造成垃圾堆積和形成泥漿排泄的困難，為解決這個問題，在濾框內增設一個錐形濾網，增加垃圾和泥與濾網的接觸面積，并將垃圾順利滑到邊框，讓泥漿順利排泄到泥倉。

（式中：i單位時間內流體的沖量，F流體對濾網的沖力，M垃圾的質量，m泥漿的質量，t單位時間，a濾網與水平面的傾斜角度，f濾網對垃圾的摩擦力，T垃圾側向滑動力）

6.結束語

本文研究的基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾過濾，是在傳統的耙吸式挖泥船的基礎上增添鉸刀、過濾裝置等特點，可以有效解決傳統耙吸式挖泥船泥泵容易堵塞、塑料垃圾帶來的二次污染。通過解決這兩項問題，利于提高挖泥船的裝載速率，提高吹填泥漿的沉淀速度、純度，在吹填造島的同時，將海底的一些長期無法分解的塑料垃圾除去，進行有效處理。但是，在設想的基礎上，我們依舊有很多方面需要進一步的研究和改進：

（1）水下鉸刀、鉤刀的安裝難度，以及裝置在海中的可操作程度。

（2）鉸刀理論形狀的進一步探討，使其達到在水中的切割最大化。

（3）不同的土質，是否需要不同的過濾孔徑。

（4）垃圾的過濾程度不夠高，可以進一步改進。

參考文獻：

[1]紀凱.16888m3耙吸式挖泥船設計簡介[J].上海造船廠，2007，72（04）：24-26.

[2]聶敏.耙吸挖泥船航道疏浚工程分析[J].建材與裝飾，2018， （32），266-267

[3]溫源遠.借鑒國際經驗技術加強我國海洋環境治理[J].世界環境，2016， （01），72-73

[4]林琪.微塑料：“看不見”的海洋垃圾[J].環境，2018， （01），66-68

[5]壽文榮.張偉“中水電01”絞吸船鉸刀改造及施工工藝的改進.中國修船2017-12-01