浅谈水面垃圾清理装置

牛永华

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

中国共产党的十九大报告把生态文明建设和生态环境保护提升到前所未有的战略高度，人民美好生活需要日益广泛，对优美生态环境的要求日益增长。环保问题是世界问题，也是现阶段尚待解决的关键问题。建设生态文明既是我国作为最大发展中国家在可持续发展方面的有效实践，也是为全球环境治理提供的中国理念、中国方案和中国贡献。我国是一个处于严重干旱缺水的状态的国家，淡水资源人均占有量仅为有0.24 m3，而在这种情况之下，解决水污染问题，提升水资源的利用效率，不仅仅可以保护环境，也可以避免环境恶化，缓解水资源问题。

1 水面垃圾清理装置研究的必要性

我国现阶段可利用的淡水资源相对较少，分布也不均衡。水资源保护就显得尤为重要。通过对现阶段环境问题的分析来说，水资源受到的威胁越来越严重，而国内大小湖泊、江河湖海、邻近海水域均受到不同程度的水面垃圾污染问题。根据监测显示，现阶段我国全国大多数城市中的地下水也受到了不同程度的点状以及面状污染，并且呈现逐年加重的趋势。日益严重的水污染问题不仅仅降低了水体自身的净化功能，也使人们的生活现实中可利用的淡水资源量更少，并且还存在分布极不平衡的问题，因此对水资源的保护就尤为重要了。从当前环境问题来看，人类赖以生存的可利用水资源受到的威胁越来越大，国内大小湖泊江河以及近海水域等水面垃圾污染愈发严重。据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。

随着水面上漂浮物的逐年增加，在我国相继出现了各种水污染问题。太湖蓝藻全面爆发，无锡城中家家水臭，太湖水美的歌谣一去不复返。松花江大片的水资源受到污染，导致下游的哈尔滨停水四天。而在江苏省沐阳县因为上游存在不明污染团导致自来水停水44 h；在三峡蓄水以来，在仅仅四天的时间中打捞出来的漂浮物就已经装满了3 000多条编织袋，平均每袋垃圾越30～40 kg，而在库区的各区县打捞点中，在江面上捞出垃圾数量则更多；在长江上的漂浮物则是屡捞不绝，这种日益严重的水污染问题，不仅仅降低了水体的应用功能，也给人们的正常生活带来严重的影响，导致水资源短缺，形成恶性循环，给居民用水带来健康隐患，降低了饮水质量，威胁了人民群众的人身安全以及健康。

相关部门为了解决水面垃圾漂浮的问题，都是通过不定期的方式进行人工打捞，此种方式不仅仅耗费大量的劳动力，且劳动强度也相对较大，周期相对较长，但是实际效果不佳。水上垃圾清理机的出现，为水资源保护领域提供了全新的契机，提升了水面漂浮垃圾清理力度。

2 水面垃圾清理装置研究现状

为了清理漂浮的水面垃圾，出现了各种水面垃圾清理装置，按动力来源大致可分为依靠燃油驱动和人工驾驶两种方式[1]。湖泊和城市河道大多采用人工驾驶的方式清除水面垃圾，人工驾驶主要是采用半舱式或甲板机动驳船，由相关人员用网兜将水面垃圾捞出水面，这种作业方式劳动强度较大，工作效率非常低，清除效果并不理想，并且作业环境也存在一定的风险[2]。依靠燃油驱动的方式虽然能明显降低劳动强度、提高清除效率并具有一定的安全性，但也存在体积较大，运行成本较高，能耗大，易产生大气、噪声污染等问题，并且其不适用于面积较小、地形复杂多变的河道和湖泊的水面垃圾清理。

目前研究较多的还是水面垃圾自动打捞船，其能将漂浮的水面垃圾引导至船体收集装置附近，收集后提升在存储箱内，靠岸后直接装运或经压缩后运到垃圾处理场进行处理。水面垃圾自动打捞船一般由船体、收集装置、存储装置、动力装置组成。其中收集装置主要有喷水造流式、叶轮造流式、传送带式、翻斗收集铲式等方式，其主要目的是将附近的水面垃圾引导过来进行收集[3]。

传送带式收集装置置于自动打捞船的首端，并在浸入水面时与水面存在适当角度，传送带具有网格状结构，并设置防滑板，可以有效防止传送上去的水面垃圾再度滑落进水面。在作业状态下，将传送带首端浸没入水中，并根据实际情况调整至适当的角度和深度，转动传送带后，水面垃圾就会随传送带传送至打捞船的储存装置；在非作业状态下，可收起传送带，提升至水面上，以减少自动打捞船的运行阻力。这种方式成本较低，体积较小，打捞速度快，可以实现较长时间的连续作业，并具有较大的储存装置[4]，但在运行过程中能量消耗较大，并且没有造流引导效果，只能在打捞船航行状态下作业。

翻斗式收集铲式收集装置置于自动打捞船的首端，其中收集铲采用喇叭口和网格状结构，可以有效地增加清除范围，减少船只运行阻力。在作业情况下，将收集铲根据不同河流以不同浸深浸入水中，随着船只运行，水面垃圾漂浮进收集铲，待收集铲集满垃圾后，将收集铲提升并向后翻转，使垃圾倾倒入储存装置；在非作业情况下，可将收集铲收起，以减少船只的航行阻力。这种方式成本较低，打捞速度较快，能耗也较低，只需在倒船或集满的情况下动作，相较于传送带式收集装置其对玻璃瓶、易拉罐等光滑废弃物和原木等大体积废弃物收集效果较好，更为实用，但其跟传送带式收集装置一样没有造流引导效果，需要在打捞船航行状态下作业。2011年张玉新等设计了针对湖泊、池塘以及城市河道等场所使用的水面垃圾清理船执行机构，其中收集装置就采用了翻斗式收集铲[5]。

由于大多数漂浮的水面垃圾并不都分布在水域中心，再使用航行作业的方式已不能满足需要，此时，需采用造流装置或人工辅助来引导垃圾。其中喷水造流式收集装置适用于双船体船只，并设置在双船体中间，由造流装置和收集翻斗共同组成，其中造流装置又由导流板、喷水管和喷水嘴组成。在作业情况下，以适当的浸深将造流装置与收集翻斗放入水中后，启动水泵喷水造流，使前方漂浮的水面垃圾在水流的作用下，通过导流板进入收集翻斗内，并在收集翻斗集满垃圾后提升翻转翻斗，将垃圾倾倒入储存装置内[6]。这种收集装置所适用的双船体设计，不仅能减小打捞船在作业中的航行阻力，还能增加船只航行的稳定性，但双船体体型较大，不适于狭窄水域作业，并且造价也较高。

造流装置还有叶轮造流式装置，该装置也设置在双船体的中间，由导流板和导水叶轮组成，其浸水深度需要通过压载水来进行间接调整。在作业情况下，开启动力装置，转动导水叶轮造流，产生正向强烈水流，将前方漂浮的垃圾引导进入垃圾收集翻斗，当集满垃圾时，关闭闸门，提升收集翻斗并翻转，将垃圾倾倒入储存装置后继续收集[7]。该装置结构较复杂，导流板也会一定程度上对船只航行产生阻力，但其导流效果较好，可以直接将船只前方的水和水面垃圾引导过来，其中，造流的效果还很大程度上取决于叶轮方向、转速、叶片数量、叶型以及导流板的型号，例如卧式叶轮较立式叶轮的造流效果更好。

为了实现人与自然和谐为目标，加强对河流、湖泊水污染的重点控制、构建生态文明城市，亟待研究一种工作效率高、节能环保、节省人力物力、结构简单、易于操作的节能环保的水面污染物清理设施。

3 水面垃圾清理装置设计的注意事项

3.1 遵循的原则

在河流等水面上常见的均为生活垃圾，主要有泡沫饭盒、塑料袋、水生植物、卫生筷等其他不同类型的垃圾。在进行水面垃圾清理装置设计过程中，要综合作业水面特征，合理设置尺寸，可以对不同水面区域中的漂浮物进行清理，综合表面垃圾状况选择不同的经营模式，通过对不同垃圾的收集研究，确定垃圾收集方式，要通过智能化的、机械的操作，利用远程控制等方式提升水面垃圾清理装置的工作效率，降低劳动成本，进而提升水面垃圾清理的安全性，在进行水面垃圾清理装置设计过程中要保障其经济性能指标，维修简单便捷，且成本适宜。对此，在实践中，进行水面垃圾清理装置的设计过程中，要遵循继承性的基础原则、创新性的基础原则。

3.2 水面垃圾清理装置的设计要素

水面垃圾清理装置的基本功能就是产品造型设计的目的以及根本，在水面垃圾清理装置中最为关键的就是其功能作用，也是设计的本质目的。水面垃圾清理装置的创新性主要就是节能环保、垃圾回收的方式，应用合理的能源和材料，在减少水面垃圾的同时，降低污染。在回收的过程中，要尽可能的做到分类收集以及垃圾的循环应用，提升资源的利用效率与质量。

4 结语

目前，我国在水面垃圾清理装置这方面的研究也较多，随着对水面垃圾清理装置的设计与研究，其技术也逐渐成熟。随着我国经济的快速发展，对环境保护方面的日益重视，水面垃圾清理装置将会得到更环保、节能、便捷的发展。