淺談水面垃圾清理裝置

牛永華

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

中國(guó)共產(chǎn)黨的十九大報(bào)告把生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提升到前所未有的戰(zhàn)略高度，人民美好生活需要日益廣泛，對(duì)優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的要求日益增長(zhǎng)。環(huán)保問題是世界問題，也是現(xiàn)階段尚待解決的關(guān)鍵問題。建設(shè)生態(tài)文明既是我國(guó)作為最大發(fā)展中國(guó)家在可持續(xù)發(fā)展方面的有效實(shí)踐，也是為全球環(huán)境治理提供的中國(guó)理念、中國(guó)方案和中國(guó)貢獻(xiàn)。我國(guó)是一個(gè)處于嚴(yán)重干旱缺水的狀態(tài)的國(guó)家，淡水資源人均占有量?jī)H為有0.24 m3，而在這種情況之下，解決水污染問題，提升水資源的利用效率，不僅僅可以保護(hù)環(huán)境，也可以避免環(huán)境惡化，緩解水資源問題。

1 水面垃圾清理裝置研究的必要性

我國(guó)現(xiàn)階段可利用的淡水資源相對(duì)較少，分布也不均衡。水資源保護(hù)就顯得尤為重要。通過對(duì)現(xiàn)階段環(huán)境問題的分析來說，水資源受到的威脅越來越嚴(yán)重，而國(guó)內(nèi)大小湖泊、江河湖海、鄰近海水域均受到不同程度的水面垃圾污染問題。根據(jù)監(jiān)測(cè)顯示，現(xiàn)階段我國(guó)全國(guó)大多數(shù)城市中的地下水也受到了不同程度的點(diǎn)狀以及面狀污染，并且呈現(xiàn)逐年加重的趨勢(shì)。日益嚴(yán)重的水污染問題不僅僅降低了水體自身的凈化功能，也使人們的生活現(xiàn)實(shí)中可利用的淡水資源量更少，并且還存在分布極不平衡的問題，因此對(duì)水資源的保護(hù)就尤為重要了。從當(dāng)前環(huán)境問題來看，人類賴以生存的可利用水資源受到的威脅越來越大，國(guó)內(nèi)大小湖泊江河以及近海水域等水面垃圾污染愈發(fā)嚴(yán)重。據(jù)監(jiān)測(cè)，目前全國(guó)多數(shù)城市地下水受到一定程度的點(diǎn)狀和面狀污染，且有逐年加重的趨勢(shì)。

隨著水面上漂浮物的逐年增加，在我國(guó)相繼出現(xiàn)了各種水污染問題。太湖藍(lán)藻全面爆發(fā)，無(wú)錫城中家家水臭，太湖水美的歌謠一去不復(fù)返。松花江大片的水資源受到污染，導(dǎo)致下游的哈爾濱停水四天。而在江蘇省沐陽(yáng)縣因?yàn)樯嫌未嬖诓幻魑廴緢F(tuán)導(dǎo)致自來水停水44 h；在三峽蓄水以來，在僅僅四天的時(shí)間中打撈出來的漂浮物就已經(jīng)裝滿了3 000多條編織袋，平均每袋垃圾越30～40 kg，而在庫(kù)區(qū)的各區(qū)縣打撈點(diǎn)中，在江面上撈出垃圾數(shù)量則更多；在長(zhǎng)江上的漂浮物則是屢撈不絕，這種日益嚴(yán)重的水污染問題，不僅僅降低了水體的應(yīng)用功能，也給人們的正常生活帶來嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致水資源短缺，形成惡性循環(huán)，給居民用水帶來健康隱患，降低了飲水質(zhì)量，威脅了人民群眾的人身安全以及健康。

相關(guān)部門為了解決水面垃圾漂浮的問題，都是通過不定期的方式進(jìn)行人工打撈，此種方式不僅僅耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力，且勞動(dòng)強(qiáng)度也相對(duì)較大，周期相對(duì)較長(zhǎng)，但是實(shí)際效果不佳。水上垃圾清理機(jī)的出現(xiàn)，為水資源保護(hù)領(lǐng)域提供了全新的契機(jī)，提升了水面漂浮垃圾清理力度。

2 水面垃圾清理裝置研究現(xiàn)狀

為了清理漂浮的水面垃圾，出現(xiàn)了各種水面垃圾清理裝置，按動(dòng)力來源大致可分為依靠燃油驅(qū)動(dòng)和人工駕駛兩種方式[1]。湖泊和城市河道大多采用人工駕駛的方式清除水面垃圾，人工駕駛主要是采用半艙式或甲板機(jī)動(dòng)駁船，由相關(guān)人員用網(wǎng)兜將水面垃圾撈出水面，這種作業(yè)方式勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作效率非常低，清除效果并不理想，并且作業(yè)環(huán)境也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)[2]。依靠燃油驅(qū)動(dòng)的方式雖然能明顯降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高清除效率并具有一定的安全性，但也存在體積較大，運(yùn)行成本較高，能耗大，易產(chǎn)生大氣、噪聲污染等問題，并且其不適用于面積較小、地形復(fù)雜多變的河道和湖泊的水面垃圾清理。

目前研究較多的還是水面垃圾自動(dòng)打撈船，其能將漂浮的水面垃圾引導(dǎo)至船體收集裝置附近，收集后提升在存儲(chǔ)箱內(nèi)，靠岸后直接裝運(yùn)或經(jīng)壓縮后運(yùn)到垃圾處理場(chǎng)進(jìn)行處理。水面垃圾自動(dòng)打撈船一般由船體、收集裝置、存儲(chǔ)裝置、動(dòng)力裝置組成。其中收集裝置主要有噴水造流式、葉輪造流式、傳送帶式、翻斗收集鏟式等方式，其主要目的是將附近的水面垃圾引導(dǎo)過來進(jìn)行收集[3]。

傳送帶式收集裝置置于自動(dòng)打撈船的首端，并在浸入水面時(shí)與水面存在適當(dāng)角度，傳送帶具有網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，并設(shè)置防滑板，可以有效防止傳送上去的水面垃圾再度滑落進(jìn)水面。在作業(yè)狀態(tài)下，將傳送帶首端浸沒入水中，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整至適當(dāng)?shù)慕嵌群蜕疃?，轉(zhuǎn)動(dòng)傳送帶后，水面垃圾就會(huì)隨傳送帶傳送至打撈船的儲(chǔ)存裝置；在非作業(yè)狀態(tài)下，可收起傳送帶，提升至水面上，以減少自動(dòng)打撈船的運(yùn)行阻力。這種方式成本較低，體積較小，打撈速度快，可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)作業(yè)，并具有較大的儲(chǔ)存裝置[4]，但在運(yùn)行過程中能量消耗較大，并且沒有造流引導(dǎo)效果，只能在打撈船航行狀態(tài)下作業(yè)。

翻斗式收集鏟式收集裝置置于自動(dòng)打撈船的首端，其中收集鏟采用喇叭口和網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，可以有效地增加清除范圍，減少船只運(yùn)行阻力。在作業(yè)情況下，將收集鏟根據(jù)不同河流以不同浸深浸入水中，隨著船只運(yùn)行，水面垃圾漂浮進(jìn)收集鏟，待收集鏟集滿垃圾后，將收集鏟提升并向后翻轉(zhuǎn)，使垃圾傾倒入儲(chǔ)存裝置；在非作業(yè)情況下，可將收集鏟收起，以減少船只的航行阻力。這種方式成本較低，打撈速度較快，能耗也較低，只需在倒船或集滿的情況下動(dòng)作，相較于傳送帶式收集裝置其對(duì)玻璃瓶、易拉罐等光滑廢棄物和原木等大體積廢棄物收集效果較好，更為實(shí)用，但其跟傳送帶式收集裝置一樣沒有造流引導(dǎo)效果，需要在打撈船航行狀態(tài)下作業(yè)。2011年張玉新等設(shè)計(jì)了針對(duì)湖泊、池塘以及城市河道等場(chǎng)所使用的水面垃圾清理船執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中收集裝置就采用了翻斗式收集鏟[5]。

由于大多數(shù)漂浮的水面垃圾并不都分布在水域中心，再使用航行作業(yè)的方式已不能滿足需要，此時(shí)，需采用造流裝置或人工輔助來引導(dǎo)垃圾。其中噴水造流式收集裝置適用于雙船體船只，并設(shè)置在雙船體中間，由造流裝置和收集翻斗共同組成，其中造流裝置又由導(dǎo)流板、噴水管和噴水嘴組成。在作業(yè)情況下，以適當(dāng)?shù)慕顚⒃炝餮b置與收集翻斗放入水中后，啟動(dòng)水泵噴水造流，使前方漂浮的水面垃圾在水流的作用下，通過導(dǎo)流板進(jìn)入收集翻斗內(nèi)，并在收集翻斗集滿垃圾后提升翻轉(zhuǎn)翻斗，將垃圾傾倒入儲(chǔ)存裝置內(nèi)[6]。這種收集裝置所適用的雙船體設(shè)計(jì)，不僅能減小打撈船在作業(yè)中的航行阻力，還能增加船只航行的穩(wěn)定性，但雙船體體型較大，不適于狹窄水域作業(yè)，并且造價(jià)也較高。

造流裝置還有葉輪造流式裝置，該裝置也設(shè)置在雙船體的中間，由導(dǎo)流板和導(dǎo)水葉輪組成，其浸水深度需要通過壓載水來進(jìn)行間接調(diào)整。在作業(yè)情況下，開啟動(dòng)力裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)水葉輪造流，產(chǎn)生正向強(qiáng)烈水流，將前方漂浮的垃圾引導(dǎo)進(jìn)入垃圾收集翻斗，當(dāng)集滿垃圾時(shí)，關(guān)閉閘門，提升收集翻斗并翻轉(zhuǎn)，將垃圾傾倒入儲(chǔ)存裝置后繼續(xù)收集[7]。該裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，導(dǎo)流板也會(huì)一定程度上對(duì)船只航行產(chǎn)生阻力，但其導(dǎo)流效果較好，可以直接將船只前方的水和水面垃圾引導(dǎo)過來，其中，造流的效果還很大程度上取決于葉輪方向、轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)量、葉型以及導(dǎo)流板的型號(hào)，例如臥式葉輪較立式葉輪的造流效果更好。

為了實(shí)現(xiàn)人與自然和諧為目標(biāo)，加強(qiáng)對(duì)河流、湖泊水污染的重點(diǎn)控制、構(gòu)建生態(tài)文明城市，亟待研究一種工作效率高、節(jié)能環(huán)保、節(jié)省人力物力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作的節(jié)能環(huán)保的水面污染物清理設(shè)施。

3 水面垃圾清理裝置設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

3.1 遵循的原則

在河流等水面上常見的均為生活垃圾，主要有泡沫飯盒、塑料袋、水生植物、衛(wèi)生筷等其他不同類型的垃圾。在進(jìn)行水面垃圾清理裝置設(shè)計(jì)過程中，要綜合作業(yè)水面特征，合理設(shè)置尺寸，可以對(duì)不同水面區(qū)域中的漂浮物進(jìn)行清理，綜合表面垃圾狀況選擇不同的經(jīng)營(yíng)模式，通過對(duì)不同垃圾的收集研究，確定垃圾收集方式，要通過智能化的、機(jī)械的操作，利用遠(yuǎn)程控制等方式提升水面垃圾清理裝置的工作效率，降低勞動(dòng)成本，進(jìn)而提升水面垃圾清理的安全性，在進(jìn)行水面垃圾清理裝置設(shè)計(jì)過程中要保障其經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，維修簡(jiǎn)單便捷，且成本適宜。對(duì)此，在實(shí)踐中，進(jìn)行水面垃圾清理裝置的設(shè)計(jì)過程中，要遵循繼承性的基礎(chǔ)原則、創(chuàng)新性的基礎(chǔ)原則。

3.2 水面垃圾清理裝置的設(shè)計(jì)要素

水面垃圾清理裝置的基本功能就是產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的目的以及根本，在水面垃圾清理裝置中最為關(guān)鍵的就是其功能作用，也是設(shè)計(jì)的本質(zhì)目的。水面垃圾清理裝置的創(chuàng)新性主要就是節(jié)能環(huán)保、垃圾回收的方式，應(yīng)用合理的能源和材料，在減少水面垃圾的同時(shí)，降低污染。在回收的過程中，要盡可能的做到分類收集以及垃圾的循環(huán)應(yīng)用，提升資源的利用效率與質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)在水面垃圾清理裝置這方面的研究也較多，隨著對(duì)水面垃圾清理裝置的設(shè)計(jì)與研究，其技術(shù)也逐漸成熟。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)方面的日益重視，水面垃圾清理裝置將會(huì)得到更環(huán)保、節(jié)能、便捷的發(fā)展。