海洋垃圾處理裝置設計與研究

王琦 翁炅洲

一、海洋生態環境對人類的重要性

海洋幾乎覆蓋了地球表面的3/4，孕育了世界上超過半數的生命，為地球制造著60%的氧氣，對于地球來說，海洋是生命的搖籃。海洋以她博大的胸懷，為人類帶來了寶藏和財富。海洋是地球生物多樣性和生態系統服務的重要來源。

然而，隨著人類海洋活動的增加，海洋生態安全卻每況愈下。目前，全球40%的海洋受到人類活動的影響。海洋里出現了許多人們隨手扔掉的廢棄物，從海洋表面到海底乃至深海沉積物中都發現微塑料的存在，嚴重影響著海洋生態環境和海洋生物安全。隨著全球人口的增長和陸地資源的日益短缺，人類比以往任何時候都更加依賴海洋生態系統，保護海洋生態環境的可持續發展已經成為全球共識。

二、國內外處理海洋垃圾現狀

國內現狀：我國是塑料生產與消費大國，2014年塑料產量和消費量已占全球塑料產量和消費的近1/4，2016年我國塑料制品年產高達7.72×10⁷，約占全球產量的28%，在海洋塑料垃圾應對方面備受國際關注，2015年美國學者在Science期刊上發表的文章聲稱，全球192個沿海國家每年向海洋輸出4.80×10⁶-1.27×10⁷噸的塑料垃圾，并且列出我國是向海洋輸出塑料垃圾最多的國家，而我國在該問題上沒有特別重視，只僅僅在沿海地區設立的相關的軟法。對于海洋垃圾的打撈工作，也僅僅是處于人工打撈的程度，而且缺乏相對專業的打撈工具。

國外現狀：針對海洋垃圾問題，自2009年以來，歐盟部分成員國：美國、英國、韓國、加拿大和印度尼西亞等地對海洋垃圾制定了相關的法律和行動計劃，使用較為專業的打撈船等。澳大利亞的設計師設計的海上垃圾桶。該垃圾桶是由大型纖維網制造而成，漂浮在碼頭附近的海面上收集垃圾。架設在船塢或者碼頭上附近的海上垃圾桶通過岸邊水泵來提供動能。在水泵的轉動下，垃圾桶邊緣與周圍海水平面形成一個高度差，使周圍水體涌向“垃圾桶”內，帶動海面漂浮垃圾進入垃圾桶，完成對附近海面垃圾的收集工作。同時，水泵的出口接入海水中，將海水重新排入大海，形成循環。“海上垃圾桶”的垃圾袋的拆裝方便快捷，但必須固定在岸邊，并且需要穩定的電源來維持工作。

隨著海洋漂浮垃圾的持續增多，造成的影響也日益嚴重，各國政府對海洋漂浮垃圾越來越重視，在指定法律法規全力控制排放海洋漂浮垃圾的同時，紛紛采取各種方式清理、回收海洋漂浮垃圾，但在回收時存在部分問題：國內外大多數采用人工打撈，投入了大量的人力物力，不適于淺海水域。一些工程機械，只能清理沙灘上的廢棄物，無法打撈海中垃圾。而專業船一般適用于深水作業，在海上漂浮物比較集中的淺海水域工作時易導致船只擱淺。漂浮物由于漂浮在海水表面，大多隨著海水的運動而運動，其不穩定性和不確定性增加了打撈時的難度。

三、科學高效的海洋垃圾處理方式

通過了解國內外海洋垃圾處理的現狀，再對海洋漂浮垃圾的特點提出針對性的設計方法，其中的設計過程包括：著重研究海洋漂浮垃圾的運動狀態以及海洋潮汐的運動狀態，重點分析海洋漂浮垃圾漂浮的運動狀態及潮汐的漲落規律，逐步完成造型外觀和結構的設計，最終通過模擬實驗法，驗證該設計方法的有效性，提高海洋漂浮垃圾收集的效率。

基于對市面上較為普遍的海洋漂浮垃圾收集方式進行調研分析，得出一些現存痛點：

A.受地形限制。機械打撈裝置受地形限制，在漂浮垃圾較多的近海，不易于開展打撈工作。

B.不固定，隨海水流動?？偹苤?，海水是流動的，海洋漂浮垃圾漂浮于海水表面，隨著海水的運動而運動，有著不確定性和不穩定性。

C.打撈時人工成本，能源成本投入大。人工船打撈，要投入大量的人力成本，海洋垃圾桶要維持水泵的運轉，要投入大量的電力成本。

D.難降解。海洋漂浮垃圾一般是由聚乙烯等高分子有機物材料，其具有分子結構穩定，不容易降解的特點。

經調研發現，海上漂浮垃圾大多數是由塑料、泡沫等漂浮物組成。由于其具有漂浮的特性，會隨海水的流動而移動，因此會加大打撈的難度，而本項目也是利用漂浮垃圾的漂浮特點，最終實現海洋漂浮垃圾的收集。

針對以上的問題，結合海洋垃圾的各種特點，我們對做出海洋漂浮垃圾收集器做出了如下改造措施（如圖1）。

本項目裝置結構包括：①浮漂、②阻攔浮漂、③阻攔網、④牽引繩、⑤加重物、⑥卡扣、⑦滾輪、⑧主外殼、⑨加重底座

該漂浮收集裝置，在白天海水未淹沒陸地時，先將加重底座⑨和主外殼⑧預埋在海灘上，在晚上開始漲潮時卡扣⑥將浮漂①鎖在海底防止其浮起，在漂浮垃圾隨漲潮的海流，越過該裝置。等到開始退潮時，卡扣⑥解鎖使浮漂①升起并將阻攔網②拉至與海洋漂浮垃圾統一海平面，網上加重物⑤將網拉平，待海水逐步退去，而海洋漂浮垃圾被阻攔浮漂②與阻攔網③攔截于網的集中區域。退潮時，滾輪⑦利用牽引繩④慢慢將浮漂①和漂浮垃圾拉回裝置。（如圖2）。

該項目的社會效益在于有效降低了處理海洋漂浮垃圾的難度，同時利用潮汐的原理，綠色環保無污染，且能減少收集時的人工成本。該項目的實施對于改善人們生活環境和優化海洋生態有了積極意義。

四、結語

海洋在人類生活中扮演著極其重要的角色。隨著海洋垃圾漂浮物的增多，人工打撈需要大量人力。如果我們用現有的機器清理海洋垃圾，可能會排放污染物污染環境，對海洋造成二次污染。該智能化海洋垃圾收集器利用了漂浮垃圾的漂浮特點，收集海洋漂浮物，實現零排放、零破壞環境，節約經濟成本。該產品在我國具有廣闊的市場，適合我國的現狀，填補了產品空白。

參考文獻

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