海洋垃圾处理装置设计与研究

王琦 翁炅洲

一、海洋生态环境对人类的重要性

海洋几乎覆盖了地球表面的3/4，孕育了世界上超过半数的生命，为地球制造着60%的氧气，对于地球来说，海洋是生命的摇篮。海洋以她博大的胸怀，为人类带来了宝藏和财富。海洋是地球生物多样性和生态系统服务的重要来源。

然而，随着人类海洋活动的增加，海洋生态安全却每况愈下。目前，全球40%的海洋受到人类活动的影响。海洋里出现了许多人们随手扔掉的废弃物，从海洋表面到海底乃至深海沉积物中都发现微塑料的存在，严重影响着海洋生态环境和海洋生物安全。随着全球人口的增长和陆地资源的日益短缺，人类比以往任何时候都更加依赖海洋生态系统，保护海洋生态环境的可持续发展已经成为全球共识。

二、国内外处理海洋垃圾现状

国内现状：我国是塑料生产与消费大国，2014年塑料产量和消费量已占全球塑料产量和消费的近1/4，2016年我国塑料制品年产高达7.72×10⁷，约占全球产量的28%，在海洋塑料垃圾应对方面备受国际关注，2015年美国学者在Science期刊上发表的文章声称，全球192个沿海国家每年向海洋输出4.80×10⁶-1.27×10⁷吨的塑料垃圾，并且列出我国是向海洋输出塑料垃圾最多的国家，而我国在该问题上没有特别重视，只仅仅在沿海地区设立的相关的软法。对于海洋垃圾的打捞工作，也仅仅是处于人工打捞的程度，而且缺乏相对专业的打捞工具。

国外现状：针对海洋垃圾问题，自2009年以来，欧盟部分成员国：美国、英国、韩国、加拿大和印度尼西亚等地对海洋垃圾制定了相关的法律和行动计划，使用较为专业的打捞船等。澳大利亚的设计师设计的海上垃圾桶。该垃圾桶是由大型纤维网制造而成，漂浮在码头附近的海面上收集垃圾。架设在船坞或者码头上附近的海上垃圾桶通过岸边水泵来提供动能。在水泵的转动下，垃圾桶边缘与周围海水平面形成一个高度差，使周围水体涌向“垃圾桶”内，带动海面漂浮垃圾进入垃圾桶，完成对附近海面垃圾的收集工作。同时，水泵的出口接入海水中，将海水重新排入大海，形成循环。“海上垃圾桶”的垃圾袋的拆装方便快捷，但必须固定在岸边，并且需要稳定的电源来维持工作。

随着海洋漂浮垃圾的持续增多，造成的影响也日益严重，各国政府对海洋漂浮垃圾越來越重视，在指定法律法规全力控制排放海洋漂浮垃圾的同时，纷纷采取各种方式清理、回收海洋漂浮垃圾，但在回收时存在部分问题：国内外大多数采用人工打捞，投入了大量的人力物力，不适于浅海水域。一些工程机械，只能清理沙滩上的废弃物，无法打捞海中垃圾。而专业船一般适用于深水作业，在海上漂浮物比较集中的浅海水域工作时易导致船只搁浅。漂浮物由于漂浮在海水表面，大多随着海水的运动而运动，其不稳定性和不确定性增加了打捞时的难度。

三、科学高效的海洋垃圾处理方式

通过了解国内外海洋垃圾处理的现状，再对海洋漂浮垃圾的特点提出针对性的设计方法，其中的设计过程包括：着重研究海洋漂浮垃圾的运动状态以及海洋潮汐的运动状态，重点分析海洋漂浮垃圾漂浮的运动状态及潮汐的涨落规律，逐步完成造型外观和结构的设计，最终通过模拟实验法，验证该设计方法的有效性，提高海洋漂浮垃圾收集的效率。

基于对市面上较为普遍的海洋漂浮垃圾收集方式进行调研分析，得出一些现存痛点：

A.受地形限制。机械打捞装置受地形限制，在漂浮垃圾较多的近海，不易于开展打捞工作。

B.不固定，随海水流动。总所周知，海水是流动的，海洋漂浮垃圾漂浮于海水表面，随着海水的运动而运动，有着不确定性和不稳定性。

C.打捞时人工成本，能源成本投入大。人工船打捞，要投入大量的人力成本，海洋垃圾桶要维持水泵的运转，要投入大量的电力成本。

D.难降解。海洋漂浮垃圾一般是由聚乙烯等高分子有机物材料，其具有分子结构稳定，不容易降解的特点。

经调研发现，海上漂浮垃圾大多数是由塑料、泡沫等漂浮物组成。由于其具有漂浮的特性，会随海水的流动而移动，因此会加大打捞的难度，而本项目也是利用漂浮垃圾的漂浮特点，最终实现海洋漂浮垃圾的收集。

针对以上的问题，结合海洋垃圾的各种特点，我们对做出海洋漂浮垃圾收集器做出了如下改造措施（如图1）。

本项目装置结构包括：①浮漂、②阻拦浮漂、③阻拦网、④牵引绳、⑤加重物、⑥卡扣、⑦滚轮、⑧主外壳、⑨加重底座

该漂浮收集装置，在白天海水未淹没陆地时，先将加重底座⑨和主外壳⑧预埋在海滩上，在晚上开始涨潮时卡扣⑥将浮漂①锁在海底防止其浮起，在漂浮垃圾随涨潮的海流，越过该装置。等到开始退潮时，卡扣⑥解锁使浮漂①升起并将阻拦网②拉至与海洋漂浮垃圾统一海平面，网上加重物⑤将网拉平，待海水逐步退去，而海洋漂浮垃圾被阻拦浮漂②与阻拦网③拦截于网的集中区域。退潮时，滚轮⑦利用牵引绳④慢慢将浮漂①和漂浮垃圾拉回装置。（如图2）。

该项目的社会效益在于有效降低了处理海洋漂浮垃圾的难度，同时利用潮汐的原理，绿色环保无污染，且能减少收集时的人工成本。该项目的实施对于改善人们生活环境和优化海洋生态有了积极意义。

四、结语

海洋在人类生活中扮演着极其重要的角色。随着海洋垃圾漂浮物的增多，人工打捞需要大量人力。如果我们用现有的机器清理海洋垃圾，可能会排放污染物污染环境，对海洋造成二次污染。该智能化海洋垃圾收集器利用了漂浮垃圾的漂浮特点，收集海洋漂浮物，实现零排放、零破坏环境，节约经济成本。该产品在我国具有广阔的市场，适合我国的现状，填补了产品空白。

参考文献

[1]王学志.近海垃圾自动收集船主体结构的设计与研究[D].青岛：青岛科技大学，2009：101.

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[3]刘彬.我国海洋塑料垃圾和微塑料排放现状及对策[J].环境科学研究，2020（01）：174-182.