基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾過濾研究

張承華 孫一航 蔡林 周慶 李志堅(jiān)

摘 要：沿江沿海地帶沉底垃圾情況持續(xù)惡化，使得水質(zhì)惡化，其覆蓋、擾動等因素影響底棲生物的正常生長， 甚至導(dǎo)致其死亡，直接或間接對人類身體健康造成損害。同時夾雜著大量塑料垃圾和大塊碎石的泥沙用于吹填，導(dǎo)致泥沙沉降較慢、排水固結(jié)速度慢、短期固結(jié)強(qiáng)度低等，為吹填造陸帶來了較大難度。疏浚時垃圾進(jìn)入泥泵造成堵塞，使得工作效率低下，而且影響了疏浚質(zhì)量。由于我國疏浚工程發(fā)展迅速，國內(nèi)沿海疏浚需求總量巨大，因此，通過耙吸式挖泥船進(jìn)行沉底垃圾過濾，可有效提高疏浚效率，并減少了沉底垃圾，從而改善了生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：沉底垃圾 過濾裝置 鉸碎裝置 耙吸式挖泥船 生態(tài)環(huán)境

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，沉底垃圾情況持續(xù)惡化，在一些地方已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類生存的環(huán)境。資料顯示，2009年曾有七頭抹香鯨在意大利南部海岸擱淺死亡，解剖發(fā)現(xiàn)它們的胃、腸道中塞滿了塑料、繩索、漁網(wǎng)等海洋垃圾，部分內(nèi)臟器官已經(jīng)穿孔并壞死。部分海洋垃圾長期浸泡后會釋放藥物殘留及化學(xué)物質(zhì)，直接或間接對人類身體健康造成損害。

耙吸式挖泥船在施工的過程中，沉底垃圾伴隨泥沙在泥泵葉輪流道內(nèi)、泥泵葉輪同泵殼之間常常會有卡阻的情況，導(dǎo)致泥管無法進(jìn)行正常工作，嚴(yán)重時會造成設(shè)備損壞。傳統(tǒng)的解決方式就是停止工作后由輪機(jī)和甲板工作人員配合進(jìn)行清理，使得工作效率低下，但是海底塑料垃圾混在泥沙之中，很難進(jìn)行處理。同時疏浚的泥沙中夾雜著大量塑料垃圾和大塊碎石，以致吹填造陸過程泥沙沉降較慢、排水固結(jié)速度慢、短期固結(jié)強(qiáng)度低等，為吹填造陸帶來了較大難度，從而影響了疏浚質(zhì)量。本文通過耙吸式挖泥船進(jìn)行沉底垃圾過濾，通過一款鉸刀將漁網(wǎng)等大塊垃圾絞碎，可有效避免泥泵被碎石堵塞，防止輸泥管被漁網(wǎng)等雜物堵塞，提高疏浚質(zhì)量和工作效率的同時清理多種沉底垃圾。

1.現(xiàn)有的沉底垃圾清理現(xiàn)狀以及存在的問題

如今全世界對海洋垃圾污染的嚴(yán)重性有了更深刻的認(rèn)識，采取了大量的防治措施。傳統(tǒng)的收集海洋垃圾的方式莫過于打撈。大海廣闊無垠，且有洋流作用，海上垃圾位置隨著洋流不斷變化，海洋上的垃圾散布在各處，而并非聚集在一起，傳統(tǒng)的打撈方法勢會耗費(fèi)大量的人力物力，且效率低下。

除了傳統(tǒng)的打撈方法，來自荷蘭的Boyan Slat在他19歲時提出“巨型漏斗”裝置來攔截海洋垃圾。這個裝置利用洋流的運(yùn)動，使得在海洋表面的垃圾隨著洋流漂流到清理平臺中，并且可以使浮游生物通過。因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明，他于2014年獲得UNEP頒發(fā)的“地球衛(wèi)士獎”，但是這種清理方式對于海洋沉底垃圾清理存在局限。

2.基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾過濾

考慮充分利用塑料等垃圾的性質(zhì)和特點(diǎn)，耙合絞吸式挖泥船輸泥管內(nèi)泥漿的流動性和沖擊特性，本文通過研究一種適用于過濾塑料垃圾的耙吸式挖泥船，以普通的耙吸式船體為主，其中包含了耙頭、吸管、泥泵、泥倉和溢流堰等各部分組件，也是實(shí)現(xiàn)塑料垃圾過濾的基本組成部分，結(jié)合其獨(dú)特鉸碎裝置和過濾裝置，實(shí)現(xiàn)塑料垃圾等的有效過濾。

3.沉底垃圾的鉸碎過程

由于夾雜在泥沙中的沉底垃圾進(jìn)入耙頭后隨泥沙在輸泥管流動，為防止造成泥泵的堵塞，在泥泵之前加裝垃圾的鉸碎裝置，鉸碎裝置處設(shè)計(jì)的掛鉤可以將漁網(wǎng)等大片塑料垃圾鉤住，并將石塊等大塊硬質(zhì)物質(zhì)擊碎，螺旋鉸刀可以有效將鉤在掛鉤上的漁網(wǎng)等塑料垃圾鉸碎，防止其直接進(jìn)入泥泵，降低泥管中大塊網(wǎng)狀垃圾和大塊碎石的含量，有效防止泥泵被堵塞，提升泥管的輸送效率，此裝置位于耙吸管內(nèi)的泥泵之前，主要由鉤刀和絞刀兩部分組成。

（1）鉤刀部分。本作品設(shè)計(jì)的鉤刀部分由八個均勻陣列的硬質(zhì)合金鉤刀組成，鉤刀主要用于直接切碎大部分硬質(zhì)塑料垃圾和大塊石塊，其長期處于水中，要求其具有足夠的硬度、韌性和抗腐蝕性能。

（2）鉸刀部分。刀軸：用于固定鉸刀，為鉸刀提供軸力，故要求其具有較強(qiáng)的韌性和耐腐蝕性。鉸刀：由兩片刀葉組成，為螺旋槳狀。用于絞碎漁網(wǎng)等大塊塑料垃圾，防止進(jìn)入泥泵產(chǎn)生堵塞，為保證鉸刀的切割性能高，保證其鋒利程度，采用硬質(zhì)合金材料，要求其具有良好的耐磨性能和韌性。螺旋槳狀的設(shè)計(jì)使其可以提供泥泵以外的吸力，可以抵消鉤刀造成的對泥水的阻力。

4.鉸碎后的沉底垃圾過濾過程

本文研究的通過耙吸式挖泥船實(shí)現(xiàn)垃圾過濾在于過濾裝置部分，此裝置位于耙吸管尾部末端，是進(jìn)入泥倉之前的對于各種垃圾的一次全面過濾。在進(jìn)入泥倉處設(shè)有過濾裝置，可以將經(jīng)過鉸刀切碎后同泥漿進(jìn)入泥管的漁網(wǎng)等大塊塑料垃圾較為全面過濾，最后達(dá)到分離的效果，過濾裝置部分主要分為邊框?yàn)V網(wǎng)部分、錐形濾網(wǎng)部分、濾框加強(qiáng)體和倒置叩門部分。

（1）邊框?yàn)V網(wǎng)部分。邊框?yàn)V網(wǎng)用于過濾和儲存塑料等垃圾，要求其具有良好的耐磨性和通透性。鎳帶具有鐵磁性的金屬元素，它能夠高度磨光和抗腐蝕，是制造過濾網(wǎng)首選的原材料。鎳經(jīng)輾壓成波浪網(wǎng)形，以正確的角度彼此交叉疊合而成；多層折疊擴(kuò)張是以不同的密度、孔徑由粗到細(xì)的排列，使物體通過時多次改變流動方向，增大其效率。

（2）錐形濾網(wǎng)部分。錐形濾網(wǎng)主要用于分離泥管流入的塑料垃圾和泥漿，要求其具有良好的通透性能，為了便于分離，將濾網(wǎng)設(shè)有合適的傾斜度；為滿足濾網(wǎng)的輕度要求，同樣濾網(wǎng)也是采用多層擴(kuò)張鋁箔網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)為過濾器的專用濾材，經(jīng)輾壓成波浪網(wǎng)形，以正確的角度彼此交叉疊合而成；多層折疊擴(kuò)張是以不同的密度、孔徑由粗到細(xì)的排列，使物體通過時多次改變流動方向，增大其效率。

（3）濾框加強(qiáng)體部分。由于泥漿及垃圾對濾網(wǎng)的沖擊力較強(qiáng)，濾網(wǎng)難以滿足泥漿的承重和沖擊力。故沿著濾網(wǎng)加上一個加強(qiáng)體框，保證濾網(wǎng)不產(chǎn)生變形從而順利地過濾，加強(qiáng)體濾框可采用不銹鋼作為材料。

（4）倒置叩門部分

濾框儲存垃圾具有一定的容量，當(dāng)垃圾儲存滿載之后，需及時進(jìn)行清理，為方便儲存框內(nèi)垃圾的傾卸，在儲存框的底部設(shè)置門，當(dāng)垃圾滿載時，即可到指定位置進(jìn)行傾斜處理，保證工作的有序進(jìn)行。

5.沉底垃圾的分離原理

由于濾網(wǎng)受到泥和垃圾的垂直沖擊力，且泥管的流速相當(dāng)?shù)母?，對濾框容易由于沖擊力發(fā)生變形，隨著垃圾的增多，造成垃圾堆積和形成泥漿排泄的困難，為解決這個問題，在濾框內(nèi)增設(shè)一個錐形濾網(wǎng)，增加垃圾和泥與濾網(wǎng)的接觸面積，并將垃圾順利滑到邊框，讓泥漿順利排泄到泥倉。

（式中：i單位時間內(nèi)流體的沖量，F(xiàn)流體對濾網(wǎng)的沖力，M垃圾的質(zhì)量，m泥漿的質(zhì)量，t單位時間，a濾網(wǎng)與水平面的傾斜角度，f濾網(wǎng)對垃圾的摩擦力，T垃圾側(cè)向滑動力）

6.結(jié)束語

本文研究的基于耙吸式挖泥船的河床沉底垃圾過濾，是在傳統(tǒng)的耙吸式挖泥船的基礎(chǔ)上增添鉸刀、過濾裝置等特點(diǎn)，可以有效解決傳統(tǒng)耙吸式挖泥船泥泵容易堵塞、塑料垃圾帶來的二次污染。通過解決這兩項(xiàng)問題，利于提高挖泥船的裝載速率，提高吹填泥漿的沉淀速度、純度，在吹填造島的同時，將海底的一些長期無法分解的塑料垃圾除去，進(jìn)行有效處理。但是，在設(shè)想的基礎(chǔ)上，我們依舊有很多方面需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)：

（1）水下鉸刀、鉤刀的安裝難度，以及裝置在海中的可操作程度。

（2）鉸刀理論形狀的進(jìn)一步探討，使其達(dá)到在水中的切割最大化。

（3）不同的土質(zhì)，是否需要不同的過濾孔徑。

（4）垃圾的過濾程度不夠高，可以進(jìn)一步改進(jìn)。

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