單點系泊式海漂垃圾回收船的研制

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211170)

1 緒 論

海洋垃圾指的是在海洋和海岸環(huán)境中，具有持久性、人造的或經(jīng)過工業(yè)加工的固體丟棄品。2015年，從美國佐治亞大學(xué)研究組在權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上發(fā)表的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，全球每年丟到海洋中的塑料垃圾達到了480萬t～1270萬t。比較之下，中國是全球垃圾流出量最多的國家，總量達到了132萬t～353萬t。根據(jù)國家海洋局下發(fā)的文件，即《2015 年中國海洋環(huán)境狀況公報》當(dāng)中，說明了我國海域海面漂浮垃圾的類型主要為聚苯乙烯泡沫塑料碎片、塑料袋和塑料瓶等，有些垃圾飄蕩在海洋當(dāng)中長達50年之久，而且大量集中在水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，在某些城市海域，塑料垃圾的數(shù)量竟然比浮游生物還多。這些駭人的海漂垃圾不僅造成嚴(yán)重的海洋污染問題，還會造成海岸、沙灘景觀的破壞并且會妨礙船只的正常航行；其次，大量的海漂垃圾還會危害食品安全，給海洋生物造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。據(jù)各類媒體報道,海洋生物經(jīng)常被塊頭較大的海漂垃圾纏繞或是撞傷， 而一些較小的垃圾碎片則常被海洋生物誤食從而引起其體內(nèi)的各種疾病,嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致其死亡。據(jù)科學(xué)研究,海漂垃圾夾雜著各種藻類、細菌、水螅蟲和藤壺等,這些生物作為入侵物種跟隨著大洋上來往的船只被帶到世界各地。怎樣解決海漂垃圾已經(jīng)成了全世界關(guān)注的焦點問題，如何高效率地回收海洋垃圾成為一個全新的課題和挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外對于海漂垃圾的收集廣泛采用人工小船清理(圖1)、水上垃圾攔截浮體清理等方法(圖2)。各地通用的海漂垃圾清理方式仍然是傳統(tǒng)的人工小船打撈模式，而環(huán)保部門一般會采用成立海洋垃圾打撈船隊,或用給打撈船政策補貼的方式,是鼓勵當(dāng)?shù)匕傩帐褂米约掖粊韺ＦM行清理回收，來應(yīng)對各沿海城市面臨著的海漂垃圾問題。人工小船在靈活機動上略顯優(yōu)勢,可以快速地打撈起部分海漂垃圾，但單靠傳統(tǒng)的人工清理海洋垃圾顯得極為耗時、耗力、且安全性較差，其應(yīng)用范圍也只是在內(nèi)河和近海附近；水上垃圾攔截浮體主要應(yīng)用在一些重點保護的灘涂、海漂垃圾問題突出的的海港沿岸，人口密集的地區(qū)及風(fēng)景區(qū)等，其主要優(yōu)點是布置相對簡單，而主要缺點是只能死板地將垃圾擋在浮體的某一側(cè)，這樣會造成垃圾在浮體一側(cè)來回漂蕩，所以還得依托專業(yè)垃圾船進行配套清理。另外其缺點是打撈過程中消耗能量較多，對于一些零碎的海漂垃圾進行打撈的話，成本會隨之加大。

圖1 人工小船清理

圖2 海漂垃圾攔截

針對以上問題，本文在改善傳統(tǒng)人工小船清理海漂垃圾投入成本高、效率低、安全性差、耗時耗力等問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)一種新型海漂垃圾智能回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)回收效率高、應(yīng)用區(qū)域廣、利用智能化系統(tǒng)代替人工清理模式，不僅節(jié)省人工成本，安全性還大大提高。

2 海漂垃圾回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

海漂垃圾智能化打撈船如圖3所示，主要包含1-主船體、2-垃圾回收系統(tǒng)、3-單點系泊系統(tǒng)、4-垃圾攔截裝置、 5-瀝水機、6-垃圾輸送裝置。船舶1由單點系泊系統(tǒng)3固定，船體的首部與海漂攔截裝置4相連，可吸收大面積的海漂垃圾，垃圾集中處設(shè)有垃圾打撈瀝水裝置5，定期打撈至垃圾壓縮系統(tǒng)7中進行壓縮，壓縮后的垃圾由傳輸系統(tǒng)6運至貨艙， 貨艙艏艉安裝可利用的風(fēng)能，貨艙口由太陽能板鋪設(shè)，太陽能電池板經(jīng)線路連接有蓄電池，吸收的能源用于回收系統(tǒng)的能源。具體效果圖見圖4、圖5。

圖3 單點系泊式海漂垃圾回收船示意圖1.主船體;2.垃圾回收系統(tǒng);3.單點系泊系統(tǒng);4.垃圾攔截裝置;5.垃圾打撈瀝水裝置;6.垃圾輸送裝置；7.垃圾壓縮系統(tǒng)

圖4 單點系泊式海漂垃圾回收船三維效果圖

圖5 單點系泊式海漂垃圾回收船船首細節(jié)圖

2.1 海漂垃圾攔截裝置

海漂垃圾攔截裝置(圖3中4)由具有抗風(fēng)浪性能的 HDPE 聚乙烯注塑組件模塊和金屬攔截網(wǎng)片組裝(圖6)的拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計，呈U型。隨著海上風(fēng)浪流的作用，海上廢舊泡沫浮球、塑料瓶、木材、漁網(wǎng)碎片及陸源入海生活廢棄物等海漂垃圾將最終被集中攔截至船首垃圾打撈瀝水裝置處，進行脫水壓縮后運至貨艙。

設(shè)置U型海漂攔截裝置的技術(shù)優(yōu)勢：可吸收更大范圍的海漂垃圾，集中打撈，大大提高工作效率；完成海漂垃圾的自動收集，無需投入人力，可同時適用于近海、遠海。

圖6 U型攔截裝置

2.2 瀝水、壓縮裝置

經(jīng)過U型攔截裝置攔截的垃圾匯集至船首，船首設(shè)置直徑為3米左右的帶孔瀝水裝置(圖3中5)，隨著瀝水裝置的進一步提升，垃圾伴隨的海水將經(jīng)過漏孔流出，經(jīng)過初步瀝水的垃圾將被打撈至垃圾壓縮系統(tǒng)(圖3中7)。

參考圖7，垃圾輸送裝置6的右端還設(shè)有壓縮裝置7，壓縮裝置7用于將垃圾壓縮，減小垃圾占用船體內(nèi)部的體積。壓縮裝置7包括開設(shè)在船體中的凹槽71，凹槽71的上側(cè)設(shè)有壓縮箱72，壓縮箱72可上下升降，壓縮箱72與垃圾輸送裝置6的輸送方向一致的兩側(cè)分別開設(shè)有垃圾入槽73和垃圾出槽74。壓縮箱72的下側(cè)設(shè)有使壓縮箱72升降的驅(qū)動裝置8(參考圖8)，驅(qū)動裝置8使壓縮箱72上升到最高位置時，垃圾入槽73和垃圾出槽74與凹槽71的上表面共面，便于垃圾進入到壓縮箱72中。

圖7 壓縮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖8 驅(qū)動裝置

2.3 供電裝置

作為智能化海漂垃圾打撈系統(tǒng)，能源自給需要重點考慮。參考圖9，船體的尾部設(shè)有供電裝置10，采用太陽能與風(fēng)能組合的方式進行供電。供電裝置10用于給驅(qū)動裝置8以及壓縮裝置7提供能量。供電裝置10包括太陽能板101，太陽能板101電連接有蓄電池102，蓄電池102與驅(qū)動裝置8和壓縮裝置7電連接。垃圾輸送裝置6的右側(cè)設(shè)有垃圾收集箱112，垃圾收集箱112的內(nèi)壁上設(shè)有控制裝置11，控制裝置11包括光電傳感器103，光電傳感器103連接有Wifi模塊104，Wifi模塊104電連接有控制器113，船體1上還設(shè)有信號接收器111。壓縮后的垃圾進入到垃圾收集箱112中，垃圾收集箱112的儲量將滿時，壓縮后的垃圾遮擋了光電傳感器103，光電傳感器103將信號傳遞給控制器113，控制器113控制Wifi模塊104發(fā)出信號，該信號被另一海漂垃圾打撈船上的信號接收器111接收，另一海漂垃圾打撈船的信號接收器111將信號反饋給此打撈船的控制器113，從而驅(qū)動此海漂垃圾打撈船向原先的海漂垃圾打撈船靠近，保證在垃圾較多時，多個船體也能對垃圾進行打撈。

圖9 海漂垃圾回收船的供電系統(tǒng)

3 單點系泊在海漂垃圾回收船上的應(yīng)用

海漂垃圾回收船借鑒深海采油裝備FPSO(浮式生產(chǎn)儲油船)相關(guān)技術(shù)(圖10)，采用單點系泊裝置約束船體，使船體始終處于迎浪狀態(tài)，船體本身對于波浪處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，使船體能夠隨風(fēng)浪變化圍繞系泊裝置自由旋轉(zhuǎn)，以減少浪對船體結(jié)構(gòu)的沖擊，受力情況相較于航行船舶要優(yōu)良的多。

圖10 FPSO及單點系泊系統(tǒng)

通過在船首設(shè)置球鼻以減少來浪對垃圾回收船的沖擊，設(shè)置高舷墻以阻擋甲板上浪，設(shè)置擋浪板，快速排去甲板上浪。在船首與系泊裝置連接處設(shè)置解鎖裝置，在波浪超過極限波浪時，可切斷連接，拖走海漂垃圾級回收船，通過以上設(shè)計，提升垃圾回收船的抗風(fēng)浪能力和生存能力，以便海漂垃圾回收船在確保安全的情況下大大簡化船體結(jié)構(gòu)。

海漂垃圾回收船可適用于水深較深的廣闊海域，用于吸收近海、遠海不同海域的海漂垃圾；海漂垃圾回收船生存能力強，具有較高的抗風(fēng)浪能力，當(dāng)風(fēng)暴潮來臨時，可斷開與系泊系統(tǒng)的連接，拖離危險區(qū)域；海漂垃圾回收船無動力系統(tǒng)和相關(guān)機械設(shè)備，無需專業(yè)水手，維護便捷。

4 結(jié) 語

面臨嚴(yán)重的海洋污染，如何采取合適的方法回收海漂垃圾已成為全球亟待解決的問題。本文在對海漂污染的組成與成分進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于近海、遠海的智能化單點系泊式海漂垃圾回收船，文中詳細介紹了組成回收系統(tǒng)的海漂垃圾攔截裝置、瀝水、壓縮裝置、供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對單點系統(tǒng)在垃圾回收船中的運用進行有效闡述，回收系統(tǒng)目前尚處于初步設(shè)計階段，項目的研究成功于環(huán)境保護具有重大的現(xiàn)實意義。