水面高效轉(zhuǎn)筒式清漂系統(tǒng)研究

董珮瑤

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢　430072)

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水面高效轉(zhuǎn)筒式清漂系統(tǒng)研究

董珮瑤

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢430072)

河流和水利工程區(qū)域漂浮物垃圾聚集嚴(yán)重，將影響水電站正常發(fā)電，且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響。從目前現(xiàn)有的水面清污方式及裝置來看，難以達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又高效的目的。為解決打撈水面垃圾存在的高成本、低效率問題，本文提出一種集水面漂浮物攔截、打撈、傳送、收集于一體的高效轉(zhuǎn)筒式清漂系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用水流沖射防止污物黏附，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少人力投入。

漂浮物；垃圾打撈；清污；高效率；水治理

我國目前大量使用的一次性包裝品，其中部分被排入江河等水體中，導(dǎo)致各地河道、湖泊、水庫等水面漂浮物日益劇增，污染嚴(yán)重。寶雞峽水利樞紐自蓄水運(yùn)行以來，水庫的漂浮物較多，最多年份達(dá)2萬m3，年平均約6000m3左右；長江干流一般年份漂浮物來量為10萬～20萬m3左右；葛洲壩電站運(yùn)行20多年來，一直深受上游水面漂浮物的危害。三峽水庫自蓄水以后，大量漂浮物漂移至三峽大壩壩前，每年洶涌而下約20萬m3漂浮物，一次洪水涌向壩前漂浮物多達(dá)4萬m3，因此清理庫區(qū)水面垃圾任務(wù)尤為艱巨。

1　水面漂浮物的分類及影響

水面漂浮物可分為三類：一類是生活垃圾和工業(yè)垃圾，如塑料、泡沫等，此類漂浮物所占比例有增長的趨勢；第二類為樹枝、秸稈等；第三類是災(zāi)害類漂浮物，如動(dòng)物尸體、木料等。這些漂浮物中充斥著有機(jī)物，并大量堆積在庫區(qū)上游附近，有機(jī)漂浮物腐敗變質(zhì)，釋放有毒有害物質(zhì)，污染水體，破壞庫區(qū)水生生物的生存環(huán)境，威脅飲水及取水用水安全。

1.1影響自然景觀

漂浮物由各種自然和人工廢棄物組成，大量白色漂浮物堆積，破壞水面景觀，在城市和景觀水域影響市容和旅游環(huán)境，進(jìn)而影響旅游業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，漂浮物堆積在進(jìn)水口前，由于有機(jī)物分解者大多屬于厭氧生物，有機(jī)物分解后釋放氣體，氣溫偏高時(shí)異味難聞，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量。

1.2影響發(fā)電水頭，威脅電站安全

水電站前的漂浮物在電站引流作用下易聚集于電站進(jìn)水口攔污柵前，從而堵塞攔污柵、減小過流斷面，影響發(fā)電水頭，造成事故停機(jī),不僅降低工程直接效益,而且對(duì)工程安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。如：葛洲壩二江電廠受漂浮物影響，攔污柵前后壓差一般為1～2m，有時(shí)可達(dá)3～5m,最大達(dá)6m，多次造成事故停機(jī)；沙溪口水電站因污物造成年電能損耗達(dá)0.24億kW·h；天橋水電站攔污柵水頭差達(dá)6.0m，柵條被壓斷進(jìn)入蝸殼造成停機(jī)3個(gè)月；樂灘水電站攔污柵壓差最大達(dá)5m，損失1/4額定水頭，機(jī)組出力最大下降60MW，電站平均每天損失電量約1.4×106kW·h；漫灣電站攔污柵前后水位差最高5.4m,為確保安全須限負(fù)荷運(yùn)行。

1.3影響泵站輸水，增加水泵負(fù)荷

泵站排澇期來流污物較多, 如果清污設(shè)備不完善, 水位差最大可達(dá)2m 以上。例如我國安裝最大水泵的江蘇皂河泵站，其攔污柵前后最大水位差高達(dá)2.85m。以江都抽水站四站為例, 如果因?yàn)閿r污柵阻水而造成0.7m的水頭損失, 則單機(jī)增加功率約為200kW。按每年運(yùn)行5000h計(jì)算, 則一年增加耗電量100萬kW·h,電價(jià)以0.50元/(kW·h)計(jì), 一年增加費(fèi)用50萬元, 并且攔污柵水力損失增加后, 單機(jī)流量減小約1/10, 為了抽提同樣體積的水, 需要機(jī)組增加運(yùn)行時(shí)間1/10, 即500 h,則需另增加運(yùn)行費(fèi)用為2200×500×0.5=55萬元，若江都第四抽水站7臺(tái)3000 kW機(jī)組抽水，一年將增加電費(fèi)105×7=735萬元, 裝機(jī)容量為53000kW的江都抽水站全部4座泵站一年因?yàn)閿r污柵阻水增加的電費(fèi)約1800萬元。

1.4影響航運(yùn)

航道上的漂浮物將阻礙船舶航行，漂浮物纏繞螺旋槳影響船舶安全，增加船舶修理維護(hù)費(fèi)用，加大了運(yùn)輸成本。汛期大量漂浮物還會(huì)損壞、損毀航標(biāo)，危及航道安全。

2　國內(nèi)外治漂現(xiàn)狀

現(xiàn)階段電站治理漂浮物的主要方式有攔漂、排漂和清漂。

設(shè)置在電站引水渠的攔(導(dǎo))漂浮排是第一道攔截漂浮物防線，但攔漂排攔漂易造成漂浮物聚集，導(dǎo)漂作用不明顯。漂浮物積聚后有些自然下沉或潛浮，在引流作用下同樣會(huì)堵塞電站攔污柵；聚集的漂浮物在引流、風(fēng)力等作用下擠壓攔漂排可能損壞攔漂排，給電站運(yùn)行帶來災(zāi)難性的影響；在水流、風(fēng)、波浪等因素的作用下，聚集的漂浮物容易越過攔漂排；在攔漂排前清理漂浮物會(huì)導(dǎo)致漂浮物泄漏，清漂工作存在安全隱患，難以確保工程安全運(yùn)行。

排漂是將漂浮物經(jīng)過固定建筑物宣泄至下游，但電站前漂浮物聚集部位經(jīng)常變化，利用固定建筑物泄流排漂對(duì)漂浮物直接吸引范圍有限。排漂孔運(yùn)行受壩前水位影響，孔口被淹沒后排漂效率更低。水力排漂水能利用率低、消耗水量大，直接減少工程發(fā)電效益，在梯級(jí)開發(fā)河流中棄水排漂將更加受到限制。將上游漂浮物直接排泄到下游，不能改善水環(huán)境，對(duì)下游工程不利。

攔污柵可解決水面垃圾收集的問題，其作用是阻止水草、樹根、生活垃圾等異物進(jìn)入進(jìn)水流道，防止異物進(jìn)入工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部而對(duì)水工建筑物和水力機(jī)械造成破壞。攔污柵可分為兩種：一種是平面式攔污柵，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可將攔污柵提出槽。但清污困難，需配備專門的清理設(shè)備才能清除雜物，在工程中一般布設(shè)兩道平面式攔污柵，輪流進(jìn)行清污。另一種是回轉(zhuǎn)式攔污柵，在平面攔污柵上布置清污齒，利用清污齒的輪轉(zhuǎn)進(jìn)行清污。由于河流中的污物形式多樣，清污齒的尺寸較難確定，回轉(zhuǎn)式機(jī)械裝置容易被污物卡死導(dǎo)致停機(jī)。

目前采用的人工打撈方式雖工程投資少，在漂浮物較少的靜止水面或景觀水域可以發(fā)揮一定的作用，但河道漂浮物多暴發(fā)在雨洪期,受水流、氣候、夜晚等多種因素限制，簡單的人力清漂難以保持長期穩(wěn)定的治漂效果，也存在安全隱患。在壩頂攔污柵前清污受到場地、清理能力等多種條件限制，人工清漂能力不足。

3　高效轉(zhuǎn)筒式清漂系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本文對(duì)高效率打撈水面漂浮物垃圾作了一些研究，提出一種集垃圾攔截、打撈、傳送、收集于一體的高效轉(zhuǎn)筒式清漂系統(tǒng)，能夠解決現(xiàn)有水面垃圾打撈中存在的高成本、低效率問題，有一定的市場應(yīng)用前景。

高效轉(zhuǎn)筒式清漂系統(tǒng)由轉(zhuǎn)筒式打撈機(jī)、傳送帶、噴射裝置及檢測裝置四部分組成。轉(zhuǎn)筒的動(dòng)力裝置設(shè)置在閘墩上，不受水位漲落影響，同時(shí)可根據(jù)水位調(diào)節(jié)裝置高度。傳送帶位于轉(zhuǎn)筒內(nèi)部，位置比轉(zhuǎn)筒中心高度稍低，垃圾由傳送帶傳送至收集箱。轉(zhuǎn)筒式打撈機(jī)后方設(shè)置有攔污柵，避免垃圾遺漏打撈不徹底。噴射裝置設(shè)在閘墩上，通過射流式噴水口間歇地將水泵抽水噴射到打撈臂上，防止黏附性垃圾對(duì)打撈臂的影響。下圖為高效轉(zhuǎn)筒式清漂系統(tǒng)模型。

高效轉(zhuǎn)筒式清漂系統(tǒng)模型圖

3.1轉(zhuǎn)筒式打撈機(jī)的結(jié)構(gòu)型式

轉(zhuǎn)筒式打撈機(jī)的三只打撈臂均勻分布在轉(zhuǎn)筒上，轉(zhuǎn)筒與打撈臂末端設(shè)置開口，垃圾通過轉(zhuǎn)筒開口進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，滑落至傳送帶上。傳送帶位置比轉(zhuǎn)筒中心高度稍低。傳送帶邊緣與轉(zhuǎn)筒之間設(shè)有固定傾斜擋板，便于污物從打撈臂滑落至傳送帶，并防止污物泄漏干擾轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2傳送帶的結(jié)構(gòu)型式

傳送裝置采用松緊可調(diào)的傳送帶型式，傳送帶位置比轉(zhuǎn)筒直徑高度稍低，傳送帶由兩并行鏈條傳動(dòng)，鏈條對(duì)應(yīng)鏈節(jié)間用鋼絲固定，固定鋼絲之間圍繞有鋼絲網(wǎng)，可以避免收集物的泄露，并可透水。傳送帶機(jī)架內(nèi)部安裝有螺桿螺母部分，通過調(diào)節(jié)一對(duì)螺母實(shí)現(xiàn)傳送帶松緊調(diào)節(jié)和固定，還可以根據(jù)實(shí)際情況更換長短不同的傳送帶，而不必更換支撐架。

3.3打撈臂的結(jié)構(gòu)型式

打撈臂前端采用彎曲擋板設(shè)計(jì)，彎曲檔板與打撈臂平滑連接。打撈臂體采用柵狀鏤空設(shè)計(jì)，可使垃圾攜帶的水分流出。防黏附設(shè)計(jì)結(jié)合仿生材料和噴射裝置兩種技術(shù)方案。打撈臂表面涂有類似海豚表皮的仿生疏水涂層材料，具有防污自清潔能力及良好的防黏附性；噴射裝置設(shè)在閘墩上，當(dāng)打撈臂轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí)射流式噴水口將水泵抽水噴射到打撈臂上，防止不易滑落的黏附性垃圾對(duì)打撈臂產(chǎn)生影響。

4　創(chuàng)新特色

4.1打撈、傳送同時(shí)進(jìn)行

該裝置打撈臂轉(zhuǎn)動(dòng)將漂浮物打撈至臂面上，當(dāng)打撈臂旋轉(zhuǎn)至陡傾時(shí)，垃圾由于自重從臂面滑落，通過圓筒上的開口收集，落到圓筒內(nèi)的傳送帶上，經(jīng)由傳送帶運(yùn)輸?shù)桨渡?，再進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)垃圾打撈和傳送同時(shí)進(jìn)行。

4.2自動(dòng)化

該裝置基本上可以實(shí)現(xiàn)無人工操作，且不受環(huán)境與負(fù)載變化的影響，保持動(dòng)作平穩(wěn)、安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)作業(yè)；打撈臂交替出現(xiàn)在水下，一臂打撈的同時(shí)另一臂攔污，保證隨時(shí)都有一個(gè)打撈臂處于水下，實(shí)現(xiàn)徹底、高效打撈。

4.3雙重?cái)r污設(shè)計(jì)

該裝置后設(shè)有攔污柵，與設(shè)備配合使用，清污更徹底。打撈臂伸入水下可以攔截水面漂浮物，既可以減輕漂浮物對(duì)攔污柵的沖擊作用，防止損壞攔污柵；也可以減輕甚至避免攔污柵堵塞，有效防止因攔污柵的堵塞而導(dǎo)致的過流能力下降，進(jìn)而影響水電站出力。

5　結(jié)　語

目前我國采用的普通清漂裝置效果較差，且固定清漂裝置很難保證高效連續(xù)工作，而清漂船一次作業(yè)打撈量有限，且耗費(fèi)大量的人力物力。基于目前國內(nèi)清漂現(xiàn)狀，可連續(xù)作業(yè)的打撈傳送一體化裝置將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

該裝置可以實(shí)現(xiàn)漂浮物攔截、打撈、傳送、收集一體化，結(jié)構(gòu)簡單。可用于河流漂浮物易聚集部位，如：河流彎道處，河道泵站進(jìn)水口前，在建或已經(jīng)建成但清漂能力差的水利工程。

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Research on water surface efficient rotary drum floating debris cleaning system

DONG Peiyao

(WuhanUniversitySchoolofWaterResourcesandHyeropowerEngineering,Wuhan430072,China)

Floating debris are seriously accumulated in river and water conservancy project areas, the normal power generation of hydropower station is affected as well as the environment is seriously impacted. It is difficult to reach economical and efficient goals from the perspective of existing water surface sewage disposal methods and devices. In the paper, an efficient rotary drum floating debris clearing system integrating water surface floater interception, salvage, transmission and collection is proposed in order to solve high cost and low efficiency problems in capturing water surface garbage. The system utilizes water flow shooting for preventing the adhesion of pollutants, thereby realizing automation and reducing human labor.

floater; garbage capturing; sewage disposal; high efficiency; water treatment

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.010

TV732.2

A

1673-8241(2016)04- 0038- 03