半自動(dòng)滲透式水上垃圾收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張銳 王妍 邱思瑤

摘 要：目的：通過(guò)分析目前為止對(duì)水面垃圾的處理情況以及水上漂浮物造成的不同程度的污染問(wèn)題，嘗試做一個(gè)水上垃圾收集系統(tǒng)，回收水面垃圾。方法：了解現(xiàn)在已有的收集方式，將收集部分和轉(zhuǎn)運(yùn)部分做相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)其可行性、可操作性。結(jié)論：根據(jù)水上垃圾清理方式和相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出新的設(shè)計(jì)思路，該設(shè)計(jì)主要研究領(lǐng)域?yàn)楫a(chǎn)品造型、功能，并針對(duì)部分工作原理和結(jié)構(gòu)內(nèi)容進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：半自動(dòng);滲透式;水上垃圾;收集

0 引言

目前，水上漂浮物已經(jīng)給人類生活帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。水上垃圾的清理方式主要以人工清理為主，少部分半自動(dòng)工具為輔。在河流流域、湖泊流域泊岸，都會(huì)看見(jiàn)大大小小的垃圾停留于此，雖然安排了人工每天定時(shí)清理，但是工作量大，影響美觀的同時(shí)影響了水域質(zhì)量，危害環(huán)境。為了讓水面清理更加高效，使用工具收集水面垃圾是十分有必要的。本文通過(guò)思考現(xiàn)有的水上垃圾收集方法，分析其中的問(wèn)題并提出相應(yīng)的設(shè)想，探討其具體功能和相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以“浮筒”攔截水上漂浮物為參考，探討攔截漂浮垃圾收集方式的特點(diǎn)，以有泊岸的水域?yàn)榍疤?，攔截水上漂浮物，并有針對(duì)性地提出攔截方法和工作原理。

1 水上漂浮物調(diào)研

1.1 水上漂浮物產(chǎn)生原因與內(nèi)容

水上漂浮物產(chǎn)生原因：人類活動(dòng)密集且環(huán)保意識(shí)缺失，以至于在環(huán)保的工作上有較大的挑戰(zhàn)性，水上漂浮著的垃圾在很大程度上會(huì)影響水質(zhì)且污染空氣，并且存在難清理的問(wèn)題。

水上漂浮物的主要存在形式有：

（1）垃圾。水面垃圾是水質(zhì)污染的主要元兇之一，塑料瓶、塑料罐、瓜果蔬皮、枯枝落葉等在水上漂浮，既影響美觀，還會(huì)污染空氣和水質(zhì)，這些垃圾的危害在于長(zhǎng)期不清理會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。這些垃圾出現(xiàn)的頻率在不同地區(qū)體現(xiàn)不同，若是在水體周圍綠化發(fā)展好的地區(qū)，枯枝落葉比重大，塑料袋、塑料瓶和瓶罐的比重小?？傮w說(shuō)來(lái)，該類垃圾人為因素較大，但風(fēng)和地表帶入的情況也是存在的。

（2）浮油。指水面的汽柴油、食用油和機(jī)油等人類使用在工業(yè)上的油，它本不存在于水面上，由于居民生活和餐飲業(yè)的發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)的廢油排出，經(jīng)雨水污管和地表的徑流排入河水，也不排除人為傾倒。

（3）浮萍。一種在水面上瘋狂繁殖的漂浮植物，繁殖周期僅2～7天，一般水中養(yǎng)分充足時(shí)，其生長(zhǎng)速度極快，導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)不足，水質(zhì)急速下降。因此，一旦出現(xiàn)此種浮萍植物，必須及時(shí)清除，以絕后患。

（4）浮泥。浮泥是富含有機(jī)質(zhì)的底泥由于其內(nèi)部厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氣泡而將其帶到水面形成的，特別是夏秋季節(jié)，厭氧發(fā)酵作用較強(qiáng)，底泥上浮情況較嚴(yán)重。浮泥性狀較松散，觸碰后易分散開來(lái)，給清理帶來(lái)很大難度。

（5）其他。可能有動(dòng)植物活動(dòng)后制造的殘留物以及水上生物等，但由于其產(chǎn)生的副作用較小，因此被忽略。

1.2 水上漂浮物危害

（1）水面感官變差。水面感官變差是水面漂浮物給水體帶來(lái)的最直觀危害，其中包括視覺(jué)、嗅覺(jué)和心理三個(gè)方面。

（2）水體自凈能力變?nèi)酢Ｋw被垃圾自帶的浮油或者少量化學(xué)物質(zhì)大面積覆蓋，水面上形成薄薄的油膜，該油膜中自帶污染物且阻礙空氣進(jìn)入水中，導(dǎo)致水中缺氧，水性不能得到活躍的轉(zhuǎn)換，因此自凈能力下降。

（3）水體有機(jī)質(zhì)濃度增加。垃圾中自帶腐爛的有機(jī)物，當(dāng)有機(jī)物的濃度增大，會(huì)使水中的動(dòng)植物生命受到威脅。

（4）水體生態(tài)系統(tǒng)破壞。由于有機(jī)物濃度增加和浮萍等造成水中養(yǎng)分減少，因此整體水質(zhì)下降，水中的好氧生物和水生動(dòng)物都面臨著死亡威脅。

當(dāng)污染物進(jìn)入水中，相關(guān)科學(xué)家及媒體調(diào)研數(shù)據(jù)的相關(guān)報(bào)道表明，塑料垃圾對(duì)水的污染最為致命，主要表現(xiàn)為水中動(dòng)植物對(duì)塑料垃圾的吞食和水污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。塑料不可降解，可塑性強(qiáng)，因此人類廣泛使用，流入水中會(huì)對(duì)水生生物造成一定威脅，水中還有部分?jǐn)y帶病毒的化學(xué)塑料品，更是對(duì)生態(tài)平衡造成嚴(yán)重的破壞。

2 漂浮物收集方式

2.1 漂浮物收集方式現(xiàn)狀

（1）人工收集。也分為人工網(wǎng)兜打撈和圍欄牽引富集打撈，人工網(wǎng)兜主要是對(duì)固體垃圾進(jìn)行收集，圍欄牽引富集則可以打撈浮油、浮泥，其用法是：利用竹竿和圍油欄將特定水域圍合，再逐漸縮小范圍，此后再進(jìn)行打撈。這兩種方式均需要較多人的配合，難度較大。

（2）材料收集。目前選擇的材料主要是吸油氈，該材料具有親油疏水性狀，將其置入被浮油覆蓋的水中，它會(huì)有選擇性地將浮油吸入，吸滿后，將其取出擠壓，又可重復(fù)使用，它對(duì)汽柴油的吸附效果較好，對(duì)水生物的油脂類浮油吸入效果不明顯。

（3）機(jī)械收集。主要是通過(guò)機(jī)械船、凈化類產(chǎn)品、凈化器進(jìn)行打撈收集，其優(yōu)點(diǎn)是打撈速度快，也是目前大多數(shù)人選擇的水浮物清理方式。缺點(diǎn)是打撈不完全，能耗大，環(huán)保力度不大。

2.2 漂浮物收集方式存在的問(wèn)題與期望發(fā)展趨勢(shì)

目前，水上漂浮物的收集仍存在效率低下、人力要求較高的情況。針對(duì)較小的封閉式水域，一般采用人工網(wǎng)兜打撈和圍欄牽引富集的方式。針對(duì)較大的湖泊、河川，一般采用船只收集打撈和吸水凈化器等大型機(jī)械收集方式。市場(chǎng)上暫時(shí)還未出現(xiàn)收集效率高且使用便捷的水上打撈機(jī)器。針對(duì)水面固體漂浮物的收集，設(shè)計(jì)界有很多相關(guān)概念設(shè)計(jì)，雖然在功能要求和技術(shù)要求上過(guò)高，但是對(duì)于這種現(xiàn)象的解決方式有了相應(yīng)的見(jiàn)解?，F(xiàn)階段，考慮到成本和效率問(wèn)題，選用牽引富集的方式打撈垃圾的方式是最為合理的。未來(lái)是趨于智能化發(fā)展的，水面漂浮物的清理方式有著很大的發(fā)展空間。

2.3 漂浮物收集方式國(guó)內(nèi)外案例

案例一：海上垃圾桶（Seabin）設(shè)計(jì)是由來(lái)自澳大利亞的安德魯和皮特設(shè)計(jì)完成的。該設(shè)計(jì)將垃圾桶固定在船塢或碼頭上，通過(guò)岸上的水泵連接至該桶底部來(lái)提供動(dòng)能。接著，垃圾桶在水泵作用下產(chǎn)生的壓力差使得垃圾桶邊緣與海水形成一定的水位差，水位差將水吸入桶。與此同時(shí)，水會(huì)帶動(dòng)著垃圾一起飄入桶中，完成海上垃圾收集作業(yè)。此時(shí)，吸入桶內(nèi)的水由水泵的作用力排上岸，并沿著岸上排水管再次回歸大海，形成循環(huán)。此設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)方便，使用上也相當(dāng)便捷，更換垃圾袋便可持續(xù)工作，但也存在一定缺陷，由于其維持液位差需要很大的能源損耗，因此推廣起來(lái)有一定難度。