近岸海漂垃圾自驅動收集裝備的研制及應用

林思源，張振偉*，劉必勁, 袁和平

(1.廈門理工學院土木工程與建筑學院，福建 廈門 361024；2.浙江大學海南研究院，海南 三亞 572025；3.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024)

塑料以其廉價與方便，給人們生活帶來了便捷，但卻對海洋環(huán)境產生了惡劣的影響。預計到2050年，將有120億t的塑料垃圾進入自然界，這將對自然生態(tài)環(huán)境造成不可估量的影響[1]。據(jù)估計，現(xiàn)每年約有1 270萬t的塑料垃圾進入海洋，相當于每分鐘有一卡車的塑料垃圾被傾倒進海洋[2]。研究指出，有914種海洋物種受到海洋塑料污染的影響[3]。海洋塑料垃圾已經成為僅次于氣候變化的全球危機，為此，聯(lián)合國在全球啟動海洋廢棄物行動計劃與區(qū)域合作，并呼吁工業(yè)國率先帶頭減少塑料垃圾。

為更有效地治理海漂垃圾，人們設計和建造了多種收集裝置來清理海漂垃圾。國外，Pete Geglinski和Andrew Turton設計建造了“Seabin”垃圾桶[4]。該種垃圾桶可以固定在碼頭上，應用水泵從桶底產生水流，從而使垃圾桶邊緣和海水液面形成水位差，帶動周圍水體和漂浮物向“垃圾桶”內運動，完成漂浮垃圾的收集。荷蘭The Ocean Cleanup建造了依靠洋流和水流作用收集海漂垃圾的System 001/B[5]和Interceptor[6]，前者整體形狀為C形，配有3 m深的裙帶，用于攔截大洋漂浮垃圾；后者主要用于河流區(qū)域的漂浮垃圾收集。2014年，非營利組織海濱合作伙伴(Waterfront Partnership)設計完成內港水輪機海漂垃圾回收裝置，采用舊式水輪機和太陽能作為動力，收集河流中的漂浮垃圾[7]。位于華盛頓貝靈漢的Marina Accessories 公司生產出了Marina Trash Skimmer裝置，該裝置需安裝在漂浮碼頭上，由水泵產生水流后將漂浮垃圾收進垃圾箱內，而后由人工將收集到的垃圾轉運至岸上[8]。國內，劉必勁[9]研制了Duck Mouth型海漂垃圾收集裝備并布放于平潭大嶼島海域，該收集裝備以波浪、海流的沖擊力為動力進行漂浮垃圾收集，但只有波浪波高足夠大或者水流作用足夠強時才能帶動裝備的傳輸組件運動?？傮w上看，以上海漂垃圾收集裝備主要適用于大洋、河流或者內港，用于近岸區(qū)域的Duck Mouth型海漂垃圾收集裝備難以自動完成漂浮垃圾收集；其中，只有Duck Mouth型海漂垃圾收集裝備利用了波浪的沖擊力為動力來完成海漂垃圾的收集，但對波浪波高要求較高。為有利于近岸海域海漂垃圾的長期有效治理，避免海漂垃圾收集過程中人工效率低的問題，本文以波浪能/太陽能為動力源，吸收Duck Mouth型收集裝備的優(yōu)點，并通過振蕩浮子將波浪的運動轉化為機械能，克服其浪高需足夠大的問題，設計出近岸海漂垃圾自驅動收集裝備。

1 近岸海漂垃圾自驅動收集裝備的結構型式

海洋環(huán)境惡劣而復雜，海上裝備的整體可靠性是裝備研制的難點之一。Duck Mouth型收集裝備在平潭大嶼島附近海域投入了實際應用，積累了一定的技術資料。在設計近岸海漂垃圾自驅動收集裝備時，研究組吸收了Duck Mouth型收集裝備的優(yōu)點，并通過振蕩浮子將波浪的運動轉化為機械能，克服其浪高需足夠大的問題，設計出由V字型浮圍欄和收集系統(tǒng)兩大主體構成的近岸海漂垃圾自驅動收集裝備(圖1)。V字型浮圍欄的功能是將漂浮的垃圾匯集到收集系統(tǒng)，繼而在機械裝置作用下將垃圾提升、轉移到垃圾分揀框中。自驅動收集系統(tǒng)主要由HDPE材料制成的浮平臺及浮平臺上安裝的單向門、垃圾匯集框、波浪能收集系統(tǒng)(振蕩浮子液壓式和振蕩浮子棘輪式)、太陽能電池板、鏈式傳輸機構、耙爪機械手、電機驅動單元、垃圾分揀框和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等部件組成，具體如圖2所示。

圖1 近岸海漂垃圾自驅動收集裝備整體設計圖Fig.1 Overall design of the self-driven floating marine litter collection equipment

圖2 海漂垃圾自驅動收集系統(tǒng)組成部件圖Fig.2 Components of the self-driven floating marine litter collection system

在V字型浮圍欄和自然動力作用下，海漂垃圾匯集到垃圾匯集框內，而后垃圾抓取機構將其提升至垃圾分揀框內。垃圾分揀框內有垃圾收集袋，當垃圾較多時，可以直接更換垃圾收集袋。為了防止漂浮垃圾逃逸，在垃圾匯集框部分設置了單向門。垃圾抓取動作的執(zhí)行由懸掛的鏈式傳輸機構和耙爪機械手完成，電機或波浪能收集系統(tǒng)帶動轉軸旋轉，轉軸上的塑料鏈條組繞環(huán)形結構循環(huán)移動，掛在鏈條組上的耙爪式機械手跟隨鏈條組移動，將垃圾抓取后沿斜坡提升，直至斜坡最高點后落入垃圾分揀框內。維護人員可根據(jù)視頻監(jiān)控，遠程觀察垃圾收集情況，并不定期到平臺上對垃圾進行分揀、回收和無害化處理。

為了保證系統(tǒng)的綠色環(huán)保性和穩(wěn)定運行，裝置動力部分由太陽能和波浪能兩套系統(tǒng)并聯(lián)而成。晴朗天氣時由太陽能板發(fā)電，變壓后儲存到蓄電池，蓄電池為電動機提供電力，帶動耙抓機械手運動的電動機可以設置為間隔一定時間啟動的模式。陰雨天氣、風浪大時以波浪能驅動機械機構為主。波浪能裝置不產生電能，僅將波浪引起的運動轉化為帶動耙抓機構的機械運動。通過此設計，可以實現(xiàn)全天候自驅動垃圾收集。

2 近岸海漂垃圾自驅動收集裝備的應用

2.1 近岸海漂垃圾自驅動收集裝備的布置

2021年3月，研究組將海漂垃圾自驅動收集裝備布設于福建省連江縣海潮寺海灘近岸海域。連江縣是重要的漁業(yè)養(yǎng)殖基地，養(yǎng)殖過程中使用的泡沫浮標、塑料容器、木材及生活垃圾都是海漂垃圾的來源。福建省生態(tài)環(huán)境廳曾多次通報連江縣為海漂垃圾問題突出的海岸段。目前，連江縣采取人工清理的方法清理漁港及部分海岸區(qū)域的海漂垃圾，但對漂浮于海水中的垃圾尚缺乏有效的治理手段。主要原因是海域水面開闊，海漂垃圾體積小且運動受氣象條件影響大，從而造成人工收集效率較低。海潮寺海灘沙白浪凈，具有良好的旅游價值，是連江縣筱埕鎮(zhèn)重點開發(fā)區(qū)域——海潮寺濱海旅游景點的重要組成部分，但垃圾問題較為嚴重，影響了景點體驗感，故研究組將設計的海漂垃圾自驅動收集裝備布設于此。

海潮寺海灘位于黃岐半島南側突出部位，屬典型的岬灣海灘，岸線呈西北走向，海灘岸線長度約400 m，干灘最大寬度約28 m，具體如圖3所示。

圖3 海潮寺海灘及附近海岸布局圖Fig.3 Map of Haichaosi Beach and its adjacent coastal regions

裝備在該海灘近岸海域的的平面布置情況和現(xiàn)場工作照如圖4所示。

圖4 海漂垃圾自驅動收集裝備平面布置和工作照Fig.4 The set-up and photo of self-driven floating marine litter collection equipment

2.2 海灘海洋垃圾調查評估方法

研究組于2021年1月7日至8日進行了海潮寺海灘第一次海洋垃圾調查，共調查了15個樣方；9月10日對海潮寺海灘開展了第二次海洋垃圾調查，共調查了10個樣方。調查以10 m×10 m的區(qū)域作為樣方[10]，按照塑料類、橡膠類、泡沫聚苯乙烯類、玻璃陶瓷類、金屬類、其他人造物等6個種類(見表1)對樣方內海洋垃圾進行分類、稱重。垃圾稱重采用津鷹818型號電子秤，精度為±1.0 g。

表1 海洋垃圾分類表Table 1 Marine litter classification

調查區(qū)域內單位面積垃圾數(shù)量或單位面積垃圾質量(D)按照式(1)進行計算：

D=s/A。

(1)

式(1)中：s為垃圾的數(shù)量或質量，單位為個或g；A為調查樣方的面積，單位為m2。

為評估海潮寺海灘整體環(huán)境質量狀況，采用 Schulz M等[11]提出的評價方法，并根據(jù)海潮寺海灘海洋垃圾類別調查結果，選定“塑料飲料瓶”和“塑料/聚苯乙烯制成的所有對象總和”這兩種垃圾為評價指標，計算海潮寺海灘整體環(huán)境質量綜合評價指數(shù)，結果如表2所示。

表2 海潮寺海灘海洋垃圾綜合評價表Table 2 Comprehensive evaluation of marine litter at Haichaosi Beach

表2中，綜合評價指標的得分是根據(jù)評價指標數(shù)量多少來確定的，數(shù)量越多，得分越高，而得分越高，則海灘整體質量越差。海灘整體環(huán)境質量狀況綜合評價指數(shù)根據(jù)式(2)計算：

(2)

2.3 海灘海洋垃圾治理效果

表3給出了海潮寺海灘海漂垃圾自驅動收集裝備布放前后不同種類垃圾的數(shù)量、質量。由表3可見，第二次調查結果中的垃圾數(shù)量和質量均比第一次有了明顯的提升，垃圾總數(shù)由796個下降到202個，單位面積數(shù)量由每平方米0.53個下降為0.17個；垃圾總體質量由55 890 g下降為12 015 g，單位面積質量由37 g·m-2下降為12 g·m-2。采用公式(2)進行計算，發(fā)現(xiàn)第一次調查時海潮寺海灘海洋垃圾綜合評價指標為3.25，海灘環(huán)境質量居于較差和差之間；第二次調查時為2.00，海灘環(huán)境質量屬于中等情況。這表明，布設本研究設計的近岸海漂垃圾自驅動收集裝備后，有效地減少了海潮寺海灘的海洋垃圾。

表3 海潮寺海灘海洋垃圾的數(shù)量和質量Table 3 Quantity and mass of marine litter at Haichaosi Beach

3 結論

本文研制了以波浪能/太陽能為動力、由V字型浮圍欄和垃圾收集系統(tǒng)兩大部分組成的近岸海漂垃圾自驅動收集裝備，并將其布放于福建省連江縣海潮寺海灘近岸海域。應用結果表明，布放此裝置后，海潮寺海灘海洋垃圾的單位面積數(shù)量由原來的每平方米0.53 個下降為0.17 個，單位面積質量由37 g·m-2下降為12 g·m-2，綜合評價指標由3.25下降為2.00，海灘環(huán)境質量由較差/差上升為中等。這表明，本研究研制的近岸海漂垃圾自驅動收集裝備對海灘海洋垃圾的治理效果明顯，在有效提高海漂垃圾收集效率的同時，也避免了人工收集效率低、費時費力的缺點，并可實現(xiàn)近岸海漂垃圾的長期有效治理。