海洋垃圾處理裝置設(shè)計(jì)與研究

王琦 翁炅洲

一、海洋生態(tài)環(huán)境對人類的重要性

海洋幾乎覆蓋了地球表面的3/4，孕育了世界上超過半數(shù)的生命，為地球制造著60%的氧氣，對于地球來說，海洋是生命的搖籃。海洋以她博大的胸懷，為人類帶來了寶藏和財(cái)富。海洋是地球生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要來源。

然而，隨著人類海洋活動(dòng)的增加，海洋生態(tài)安全卻每況愈下。目前，全球40%的海洋受到人類活動(dòng)的影響。海洋里出現(xiàn)了許多人們隨手扔掉的廢棄物，從海洋表面到海底乃至深海沉積物中都發(fā)現(xiàn)微塑料的存在，嚴(yán)重影響著海洋生態(tài)環(huán)境和海洋生物安全。隨著全球人口的增長和陸地資源的日益短缺，人類比以往任何時(shí)候都更加依賴海洋生態(tài)系統(tǒng)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全球共識。

二、國內(nèi)外處理海洋垃圾現(xiàn)狀

國內(nèi)現(xiàn)狀：我國是塑料生產(chǎn)與消費(fèi)大國，2014年塑料產(chǎn)量和消費(fèi)量已占全球塑料產(chǎn)量和消費(fèi)的近1/4，2016年我國塑料制品年產(chǎn)高達(dá)7.72×10⁷，約占全球產(chǎn)量的28%，在海洋塑料垃圾應(yīng)對方面?zhèn)涫車H關(guān)注，2015年美國學(xué)者在Science期刊上發(fā)表的文章聲稱，全球192個(gè)沿海國家每年向海洋輸出4.80×10⁶-1.27×10⁷噸的塑料垃圾，并且列出我國是向海洋輸出塑料垃圾最多的國家，而我國在該問題上沒有特別重視，只僅僅在沿海地區(qū)設(shè)立的相關(guān)的軟法。對于海洋垃圾的打撈工作，也僅僅是處于人工打撈的程度，而且缺乏相對專業(yè)的打撈工具。

國外現(xiàn)狀：針對海洋垃圾問題，自2009年以來，歐盟部分成員國：美國、英國、韓國、加拿大和印度尼西亞等地對海洋垃圾制定了相關(guān)的法律和行動(dòng)計(jì)劃，使用較為專業(yè)的打撈船等。澳大利亞的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的海上垃圾桶。該垃圾桶是由大型纖維網(wǎng)制造而成，漂浮在碼頭附近的海面上收集垃圾。架設(shè)在船塢或者碼頭上附近的海上垃圾桶通過岸邊水泵來提供動(dòng)能。在水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)下，垃圾桶邊緣與周圍海水平面形成一個(gè)高度差，使周圍水體涌向“垃圾桶”內(nèi)，帶動(dòng)海面漂浮垃圾進(jìn)入垃圾桶，完成對附近海面垃圾的收集工作。同時(shí)，水泵的出口接入海水中，將海水重新排入大海，形成循環(huán)。“海上垃圾桶”的垃圾袋的拆裝方便快捷，但必須固定在岸邊，并且需要穩(wěn)定的電源來維持工作。

隨著海洋漂浮垃圾的持續(xù)增多，造成的影響也日益嚴(yán)重，各國政府對海洋漂浮垃圾越來越重視，在指定法律法規(guī)全力控制排放海洋漂浮垃圾的同時(shí)，紛紛采取各種方式清理、回收海洋漂浮垃圾，但在回收時(shí)存在部分問題：國內(nèi)外大多數(shù)采用人工打撈，投入了大量的人力物力，不適于淺海水域。一些工程機(jī)械，只能清理沙灘上的廢棄物，無法打撈海中垃圾。而專業(yè)船一般適用于深水作業(yè)，在海上漂浮物比較集中的淺海水域工作時(shí)易導(dǎo)致船只擱淺。漂浮物由于漂浮在海水表面，大多隨著海水的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，其不穩(wěn)定性和不確定性增加了打撈時(shí)的難度。

三、科學(xué)高效的海洋垃圾處理方式

通過了解國內(nèi)外海洋垃圾處理的現(xiàn)狀，再對海洋漂浮垃圾的特點(diǎn)提出針對性的設(shè)計(jì)方法，其中的設(shè)計(jì)過程包括：著重研究海洋漂浮垃圾的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及海洋潮汐的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，重點(diǎn)分析海洋漂浮垃圾漂浮的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及潮汐的漲落規(guī)律，逐步完成造型外觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最終通過模擬實(shí)驗(yàn)法，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的有效性，提高海洋漂浮垃圾收集的效率。

基于對市面上較為普遍的海洋漂浮垃圾收集方式進(jìn)行調(diào)研分析，得出一些現(xiàn)存痛點(diǎn)：

A.受地形限制。機(jī)械打撈裝置受地形限制，在漂浮垃圾較多的近海，不易于開展打撈工作。

B.不固定，隨海水流動(dòng)。總所周知，海水是流動(dòng)的，海洋漂浮垃圾漂浮于海水表面，隨著海水的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，有著不確定性和不穩(wěn)定性。

C.打撈時(shí)人工成本，能源成本投入大。人工船打撈，要投入大量的人力成本，海洋垃圾桶要維持水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，要投入大量的電力成本。

D.難降解。海洋漂浮垃圾一般是由聚乙烯等高分子有機(jī)物材料，其具有分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不容易降解的特點(diǎn)。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，海上漂浮垃圾大多數(shù)是由塑料、泡沫等漂浮物組成。由于其具有漂浮的特性，會隨海水的流動(dòng)而移動(dòng)，因此會加大打撈的難度，而本項(xiàng)目也是利用漂浮垃圾的漂浮特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)海洋漂浮垃圾的收集。

針對以上的問題，結(jié)合海洋垃圾的各種特點(diǎn)，我們對做出海洋漂浮垃圾收集器做出了如下改造措施（如圖1）。

本項(xiàng)目裝置結(jié)構(gòu)包括：①浮漂、②阻攔浮漂、③阻攔網(wǎng)、④牽引繩、⑤加重物、⑥卡扣、⑦滾輪、⑧主外殼、⑨加重底座

該漂浮收集裝置，在白天海水未淹沒陸地時(shí)，先將加重底座⑨和主外殼⑧預(yù)埋在海灘上，在晚上開始漲潮時(shí)卡扣⑥將浮漂①鎖在海底防止其浮起，在漂浮垃圾隨漲潮的海流，越過該裝置。等到開始退潮時(shí)，卡扣⑥解鎖使浮漂①升起并將阻攔網(wǎng)②拉至與海洋漂浮垃圾統(tǒng)一海平面，網(wǎng)上加重物⑤將網(wǎng)拉平，待海水逐步退去，而海洋漂浮垃圾被阻攔浮漂②與阻攔網(wǎng)③攔截于網(wǎng)的集中區(qū)域。退潮時(shí)，滾輪⑦利用牽引繩④慢慢將浮漂①和漂浮垃圾拉回裝置。（如圖2）。

該項(xiàng)目的社會效益在于有效降低了處理海洋漂浮垃圾的難度，同時(shí)利用潮汐的原理，綠色環(huán)保無污染，且能減少收集時(shí)的人工成本。該項(xiàng)目的實(shí)施對于改善人們生活環(huán)境和優(yōu)化海洋生態(tài)有了積極意義。

四、結(jié)語

海洋在人類生活中扮演著極其重要的角色。隨著海洋垃圾漂浮物的增多，人工打撈需要大量人力。如果我們用現(xiàn)有的機(jī)器清理海洋垃圾，可能會排放污染物污染環(huán)境，對海洋造成二次污染。該智能化海洋垃圾收集器利用了漂浮垃圾的漂浮特點(diǎn)，收集海洋漂浮物，實(shí)現(xiàn)零排放、零破壞環(huán)境，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。該產(chǎn)品在我國具有廣闊的市場，適合我國的現(xiàn)狀，填補(bǔ)了產(chǎn)品空白。

參考文獻(xiàn)

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