一種新型的垃圾綜合處理船

陸 安，劉慶森，李浩文

（江蘇科技大學蘇州理工學院，江蘇 蘇州215600）

1 研究背景

1.1 發展背景

目前許多國家的河流、海域漂浮物污染十分嚴重，給人們的生存環境、投資環境等帶來負面影響。海洋垃圾在北美、亞洲、大洋洲和非洲的海面上“肆虐”，使得許多水域原有生物大量滅絕，嚴重地破壞了生物多樣性和生態平衡。這些垃圾導致水體發黑、發臭，河流、湖泊淤塞，相關海域赤潮頻發。秋冬季節里，成片的垃圾隨風漂蕩，嚴重影響到船舶的航運安全、水利設施和水電站機組的安全，對農業灌溉、水產養殖、旅游等造成的經濟損失更大，這些都要求治理外水面垃圾的呼聲越來越高。許多地方采用人工打撈的方法予以清除，但效率低下，人身安全沒有保障，亟需安全、高效的打撈設備。

1.2 傳統打撈方式

1.2.1 依靠人工打撈

依靠人工打撈的缺點：（1）效率低下；（2）人身安全沒有保障。

1.2.2 傳統清理船打撈

傳統清理船打撈的缺點：（1）安全性得不到保障；（2）人力物力投入較大；（3）經濟效益不高。

2 垃圾清理船工作流程

垃圾清理船工作流程與步驟如圖1所示。

圖1 工作流程與步驟

2.1 垃圾聚合

垃圾聚合模塊包括兩根相對設置的橡膠軟管，兩根所述橡膠軟管分別位于所述船體前端的兩側設置，兩根所述橡膠軟管的一端與主船體內設置的纜軸相接，另一端均連接有用于帶動所述橡膠軟管在水面移動的推進器。

其中一個所述推進器的前端為水平外凸的半圓形凸起，另一個所述推進器的前端為內凹的半圓形槽，所述半圓形凸起與所述半圓形槽相匹配，所述半圓形凸起和半圓形槽的側壁上均設置有電磁鐵；其中一個所述推進器的頂部設置有紅外線發射器，另一個所述推進器的頂部設置有紅外線接收器。

垃圾聚合模塊工作時推進器由船艙中的駕駛員控制驅動，駕駛員通過控制兩個推進器，帶動橡膠軟管的移動，從而控制兩根橡膠軟管形成一個包圍圈，將偏離航道的垃圾控制在指定的范圍內。為了方便橡膠軟管的回收，在船體內部設計有可旋轉的纜軸，通過纜軸的旋轉，帶動橡膠軟管回收。在工作中，兩根橡膠軟管回收的同時，也帶動了垃圾收集圈的縮小，從而將垃圾帶到指定位置，這也大大減小了清理船的航行距離，節約了能源。

并且，位于船體左側的推進器的頂部設置有紅外線發射器，位于船體右側的推進器的頂部設置有紅外線接收器，當右側的推進器上的紅外線接收器在散射范圍內接收到信號時，兩個推進器自動對接，使駕駛員控制左右推進器貼合的難度大大降低，給駕駛員帶來了很大的便利。同時，左右兩個推進器的外觀采用不同的設計。左側的推進器的前端為水平外凸的半圓形凸起，右側的推進器的前端為內凹的半圓形槽，半圓形凸起與半圓形槽相匹配，這樣的設計使得兩個推進器的貼合度大大提高，更加有利于形成一個封閉的垃圾收集圈。

2.2 垃圾分類、沖洗

垃圾分類模塊包括配合設置的垃圾收集器和垃圾刮理器，垃圾收集器位于垃圾刮理器的下方，垃圾收集器包括轉動安裝在主船體上的第一滾筒和沿第一滾筒徑向外延伸的扒動板，扒動板采用規則的梯形設計。工作時布置于主船體兩側的電機驅動轉軸轉動，從而帶動垃圾收集器順時針轉動，其主要任務是將前面打撈上來的垃圾收集到船上并且稍微上移，從而方便垃圾刮理器進行第二步的處理。

垃圾刮理器包括轉動安裝在船體上的第二滾筒，第二滾筒上設置有用于將水面垃圾中的袋裝垃圾與其他垃圾進行分離的第一刀頭和用于對分離后剩余的水面垃圾進行碎化處理的第二刀頭。

第一刀頭的頭部較鈍，刀背沒有開刃且較為光滑，外形設計為圓弧狀，在整個裝置中分布較疏，刀頭的布置方向呈順時針方向。第一刀頭的主要任務是對在垃圾收集器中收集好的垃圾進行一個初步的分類，即第一刀頭與扒動板之間通過嚙合的方式，利用第一刀頭將含水量較大的塑料袋等袋裝垃圾和含水量較少的其他垃圾進行分離。當分離的塑料袋等袋裝垃圾隨著垃圾刮理器順時針轉動90°后，由于塑料袋等袋裝垃圾含水量較大，受到重力等因素的影響，袋裝垃圾自動滑落，并順著光滑的刀背滑入布置于垃圾刮理器右下方的袋裝垃圾收集艙中，袋裝垃圾收集艙入口處斜側板上設有間隙，可供第一刀頭從斜側板上劃過。在清理船工作完畢后，收集的袋裝垃圾統一處理加工，大大節約了人力物力。除此之外，由于袋裝垃圾含水量較大，在后續的甩干中將會耗費大量的能源。所以，提前將其分離出來，既節約了人力物力，又減少了能源的損耗，一舉兩得。

垃圾刮理器的第二刀頭在第二滾筒上呈逆時針分布，刀面開刃且較為鋒利，分布較密，外形為不規則的圓弧狀，略長于第一刀頭。其主要任務是將分離后的垃圾在一定程度上進行碎化處理，即通過與垃圾收集器上的扒動板嚙合的方式對較大的垃圾進行碎化。

由于垃圾刮理器上的兩種刀頭分布的疏密不同，小型的垃圾和繩狀垃圾會在兩種刀頭的間隙中滑落或被切碎，并不會影響塑料袋等垃圾的分離。碎化后的垃圾隨著垃圾收集器繼續轉動45°后，進入垃圾沖洗模塊中。

垃圾沖洗模塊將水面垃圾上的泥沙沖掉，提高水面垃圾的裝載率。垃圾沖洗模塊包括水平設置的第二傳送帶和設置在第二傳送帶出料端上的濕垃圾收集艙，第二傳送帶上均勻分布有漏水孔，第二傳送帶的兩側均設置有垃圾沖洗單元，垃圾沖洗單元包括沖洗管道和與沖洗管道連接的抽水泵，抽水泵的進水口上設置有用于過濾海水的泥沙過濾網，泥沙過濾網避免海水中的泥沙進入沖洗管道中，從而影響沖洗效率。海水被抽水泵抽入沖洗管道以后，對碎化后的垃圾進行沖洗，這種自給自足的沖洗方式，既節約了水源，又為后期的壓縮掃除了泥沙這一障礙。垃圾上沖洗出來的泥沙和污水直接通過第二傳送帶上的漏水孔重新進入水中。并且，在第二傳送帶的下方，布置有微小垃圾過濾網，從而避免微小的垃圾重新進入海水中，而沖洗完畢的垃圾則會繼續跟隨第二傳送帶進入濕垃圾收集艙。

濕垃圾收集艙包括沿第二傳送帶傳送方向并排設置的前艙和后艙，前艙和后艙頂部敞口設置，前艙和后艙之間通過兩塊可以繞其自身軸線轉動的擋板分隔，擋板繞兩端的轉軸可以進行360°轉動。前艙為漏洞狀，固定于主船體上，后艙為長方體腔體，可以通過后艙左右兩側外壁上的轉軸跟隨主船體上的鉸鏈進行上下移動，并繞轉軸轉動，后艙底部設置有壓力傳感器。

當沖洗完畢的垃圾跟隨第二傳送帶進入前艙時，垃圾從前艙左邊的斜坡上順勢滑入前艙底部；與此同時，前艙和后艙之間的兩塊擋板同時逆時針旋轉。后進入的垃圾推動先進入的垃圾向前移動，從而進入后艙。當位于后艙底部的壓力傳感器檢測到的壓力值大于預設的閾值時，兩塊擋板反向旋轉至豎直狀態，將前艙和后艙分割開。前艙繼續收集由第二傳送帶傳送過來的垃圾，后艙跟隨鉸鏈向上移動；當后艙向上移動到指定位置時，收集艙繞軸順時針轉動一定角度，后艙內的垃圾從后艙內滑入垃圾甩干模塊中。當垃圾全部進入垃圾甩干模塊后，后艙移動回指定位置繼續收集。

2.3 垃圾甩干、壓縮

垃圾甩干模塊包括甩干機，甩干機包括外層筒和轉動穿設在外層筒內的內層筒，內層筒上均勻分布有漏水孔，便于甩出的水分進入外層筒，外層筒固定設置，頂部開設有第一進料口，第一進料口上設置有用于閉合第一進料口的擋料板。第一進料口外設置有集料斗，集料斗便于垃圾進入甩干機。外層筒底部設置有與第一進料口相對的出料口；內層筒上開設有第二進料口，第二進料口上設置有用于將第二進料口閉合的弧形擋板，弧形擋板的曲率與內層筒的曲率相同。

當垃圾從集料斗進入甩干機后，弧形擋板和擋料板閉合，甩干機開始工作，船艙內工作人員根據垃圾的數量控制甩干機的工作時間。垃圾甩干后，弧形擋板打開，垃圾從甩干機下方的出料口滑出。

由于含水量大的袋裝垃圾在垃圾分類模塊中被分離，體積較大的垃圾被垃圾刮理器碎化，因此沒有含水量較大和體積較大的垃圾進入甩干機。這樣一來，大大減小了甩干機的工作功率，既節約了能源，又提高了甩干機的工作效率，從而加大了垃圾的甩干量。

垃圾壓縮裝置包括垃圾壓縮機和設置在垃圾壓縮機出料口底部的垃圾存儲艙，垃圾壓縮機的進料口與甩干機的出料口之間通過第三傳送帶連接。從甩干機的出料口滑落的垃圾落入第三傳送帶上，第三傳送帶將甩干后的垃圾運輸到垃圾壓縮機中進行粉碎壓縮，當垃圾進入垃圾壓縮機后，垃圾壓縮機對各種大小的垃圾進行粉碎壓縮處理，處理完畢的垃圾從垃圾壓縮機下方落入垃圾存儲艙中進行存放。

由于垃圾在前兩個部分已經進行了碎化、沖洗、甩干等一系列處理，所以在垃圾壓縮部分，不會有水分和泥沙的存在，既方便壓縮，又不會因為水分的問題影響壓縮機的使用壽命。與此同時，因為已經對大型垃圾進行了碎化，所以在一定程度減少了壓縮機工作時所消耗的能源。

由于粉碎壓縮后的垃圾的體積大大減小，所以垃圾存儲艙內可以存放的垃圾的量大大增加。這在一定程度上增加了垃圾清理船出航一次的垃圾收集量。

3 創新點

（1）通過在船首布置由推進器、可收縮橡膠管及具有紅外導引功能的電磁鐵構成的可自主實現封閉式垃圾收集圈，導引偏離航道的垃圾快速準確地進入垃圾回收指定區域，是本設計的創新點之一。

（2）垃圾刮理器采用模塊化設計，通過更換不同方向和類型的刀頭，即可實現對袋裝垃圾的自動分類和大型垃圾的碎化處理，提高對垃圾甩干和壓縮處理效率，進而實現垃圾綜合處理船的作業效率，是本設計的又一大創新。

（3）相較于常規垃圾清理船，本設計針對垃圾回收實現了沖洗、甩干、碎化、壓縮等一體化作業流程，提高了垃圾回收的綜合處理能力，大大簡化了垃圾上岸的處理工序，體現了垃圾回收綜合處理船的智能化、自動化水平，是該垃圾綜合處理船的優勢特色。

4 經濟及社會效益

（1）本作品針對海上環境污染問題，致力于海上固體漂浮垃圾的收集，實現了海上作業的效率化，整個環境護理的過程無需大量人工參與，安全性得到大幅提高，效率也是人工打撈的幾十倍至上百倍。

（2）本作品致力于海上固體漂浮垃圾的收集、分類、甩干、壓縮等一系列流程。減少了垃圾后期處理的人力物力的投入，減少了工作成本。此外，單獨回收的袋裝垃圾可以作為石油衍生物之一的原料進行二次加工，節約成本的同時也減少了污染。

（3）本作品對水面垃圾進行清撈與治理，可為航運及旅游事業的發展提供良好的環境基礎，保持水路交通暢通，提高水上交通的安全系數可改善水域的環境衛生面貌，美化流域的景觀確保水體生物物種的生態平衡同時可以保證良好的供水條件，提高有限水資源的利用率，減少水體的淤泥，促進生態環境良性發展。

5 結束語

本作品的水面垃圾綜合清理船不僅能夠完成對水面垃圾的打撈作業，還能對打撈起來的水面垃圾進行后續的清理操作，極大地提高了水面垃圾的清理效率，有效地減少了人工工作強度。

本作品的水面垃圾綜合清理船對海上漂浮垃圾提供了一種一體化的處理方式，減少了水面垃圾處理回收的流程，節約了后期人力物力的投入，減小了工作成本。此外，單獨回收的袋裝垃圾可以作為石油衍生物之一的原料進行二次加工，節約成本的同時也減少了污染。