半自動滲透式水上垃圾收集系統設計

張銳 王妍 邱思瑤

摘 要：目的：通過分析目前為止對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題，嘗試做一個水上垃圾收集系統，回收水面垃圾。方法：了解現在已有的收集方式，將收集部分和轉運部分做相應的機械結構設計，并進行相應的仿真實驗，檢驗其可行性、可操作性。結論：根據水上垃圾清理方式和相關技術發展現狀，提出新的設計思路，該設計主要研究領域為產品造型、功能，并針對部分工作原理和結構內容進行闡述。

關鍵詞：半自動;滲透式;水上垃圾;收集

0 引言

目前，水上漂浮物已經給人類生活帶來了嚴重的影響。水上垃圾的清理方式主要以人工清理為主，少部分半自動工具為輔。在河流流域、湖泊流域泊岸，都會看見大大小小的垃圾停留于此，雖然安排了人工每天定時清理，但是工作量大，影響美觀的同時影響了水域質量，危害環境。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。本文通過思考現有的水上垃圾收集方法，分析其中的問題并提出相應的設想，探討其具體功能和相應結構設計，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，以有泊岸的水域為前提，攔截水上漂浮物，并有針對性地提出攔截方法和工作原理。

1 水上漂浮物調研

1.1 水上漂浮物產生原因與內容

水上漂浮物產生原因：人類活動密集且環保意識缺失，以至于在環保的工作上有較大的挑戰性，水上漂浮著的垃圾在很大程度上會影響水質且污染空氣，并且存在難清理的問題。

水上漂浮物的主要存在形式有：

（1）垃圾。水面垃圾是水質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，還會污染空氣和水質，這些垃圾的危害在于長期不清理會導致水體富營養化。這些垃圾出現的頻率在不同地區體現不同，若是在水體周圍綠化發展好的地區，枯枝落葉比重大，塑料袋、塑料瓶和瓶罐的比重小。總體說來，該類垃圾人為因素較大，但風和地表帶入的情況也是存在的。

（2）浮油。指水面的汽柴油、食用油和機油等人類使用在工業上的油，它本不存在于水面上，由于居民生活和餐飲業的發展以及工業生產的廢油排出，經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，一般水中養分充足時，其生長速度極快，導致水體營養不足，水質急速下降。因此，一旦出現此種浮萍植物，必須及時清除，以絕后患。

（4）浮泥。浮泥是富含有機質的底泥由于其內部厭氧發酵產生氣泡而將其帶到水面形成的，特別是夏秋季節，厭氧發酵作用較強，底泥上浮情況較嚴重。浮泥性狀較松散，觸碰后易分散開來，給清理帶來很大難度。

（5）其他。可能有動植物活動后制造的殘留物以及水上生物等，但由于其產生的副作用較小，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的最直觀危害，其中包括視覺、嗅覺和心理三個方面。

（2）水體自凈能力變弱。水體被垃圾自帶的浮油或者少量化學物質大面積覆蓋，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入水中，導致水中缺氧，水性不能得到活躍的轉換，因此自凈能力下降。

（3）水體有機質濃度增加。垃圾中自帶腐爛的有機物，當有機物的濃度增大，會使水中的動植物生命受到威脅。

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

當污染物進入水中，相關科學家及媒體調研數據的相關報道表明，塑料垃圾對水的污染最為致命，主要表現為水中動植物對塑料垃圾的吞食和水污染對生態系統造成破壞。塑料不可降解，可塑性強，因此人類廣泛使用，流入水中會對水生生物造成一定威脅，水中還有部分攜帶病毒的化學塑料品，更是對生態平衡造成嚴重的破壞。

2 漂浮物收集方式

2.1 漂浮物收集方式現狀

（1）人工收集。也分為人工網兜打撈和圍欄牽引富集打撈，人工網兜主要是對固體垃圾進行收集，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，它會有選擇性地將浮油吸入，吸滿后，將其取出擠壓，又可重復使用，它對汽柴油的吸附效果較好，對水生物的油脂類浮油吸入效果不明顯。

（3）機械收集。主要是通過機械船、凈化類產品、凈化器進行打撈收集，其優點是打撈速度快，也是目前大多數人選擇的水浮物清理方式。缺點是打撈不完全，能耗大，環保力度不大。

2.2 漂浮物收集方式存在的問題與期望發展趨勢

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。針對較小的封閉式水域，一般采用人工網兜打撈和圍欄牽引富集的方式。針對較大的湖泊、河川，一般采用船只收集打撈和吸水凈化器等大型機械收集方式。市場上暫時還未出現收集效率高且使用便捷的水上打撈機器。針對水面固體漂浮物的收集，設計界有很多相關概念設計，雖然在功能要求和技術要求上過高，但是對于這種現象的解決方式有了相應的見解。現階段，考慮到成本和效率問題，選用牽引富集的方式打撈垃圾的方式是最為合理的。未來是趨于智能化發展的，水面漂浮物的清理方式有著很大的發展空間。

2.3 漂浮物收集方式國內外案例

案例一：海上垃圾桶（Seabin）設計是由來自澳大利亞的安德魯和皮特設計完成的。該設計將垃圾桶固定在船塢或碼頭上，通過岸上的水泵連接至該桶底部來提供動能。接著，垃圾桶在水泵作用下產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，水會帶動著垃圾一起飄入桶中，完成海上垃圾收集作業。此時，吸入桶內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。此設計不僅結構方便，使用上也相當便捷，更換垃圾袋便可持續工作，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，因此推廣起來有一定難度。