单点系泊式海漂垃圾回收船的研制

(江苏海事职业技术学院，江苏南京 211170)

1 绪 论

海洋垃圾指的是在海洋和海岸环境中，具有持久性、人造的或经过工业加工的固体丢弃品。2015年，从美国佐治亚大学研究组在权威学术杂志《科学》上发表的数据结果可以看出，全球每年丢到海洋中的塑料垃圾达到了480万t～1270万t。比较之下，中国是全球垃圾流出量最多的国家，总量达到了132万t～353万t。根据国家海洋局下发的文件，即《2015 年中国海洋环境状况公报》当中，说明了我国海域海面漂浮垃圾的类型主要为聚苯乙烯泡沫塑料碎片、塑料袋和塑料瓶等，有些垃圾飘荡在海洋当中长达50年之久，而且大量集中在水产养殖区，在某些城市海域，塑料垃圾的数量竟然比浮游生物还多。这些骇人的海漂垃圾不仅造成严重的海洋污染问题，还会造成海岸、沙滩景观的破坏并且会妨碍船只的正常航行；其次，大量的海漂垃圾还会危害食品安全，给海洋生物造成严重的生态破坏。据各类媒体报道,海洋生物经常被块头较大的海漂垃圾缠绕或是撞伤， 而一些较小的垃圾碎片则常被海洋生物误食从而引起其体内的各种疾病,严重者甚至导致其死亡。据科学研究,海漂垃圾夹杂着各种藻类、细菌、水螅虫和藤壶等,这些生物作为入侵物种跟随着大洋上来往的船只被带到世界各地。怎样解决海漂垃圾已经成了全世界关注的焦点问题，如何高效率地回收海洋垃圾成为一个全新的课题和挑战。

目前，国内外对于海漂垃圾的收集广泛采用人工小船清理(图1)、水上垃圾拦截浮体清理等方法(图2)。各地通用的海漂垃圾清理方式仍然是传统的人工小船打捞模式，而环保部门一般会采用成立海洋垃圾打捞船队,或用给打捞船政策补贴的方式,是鼓励当地百姓使用自家船只来对海漂垃圾进行清理回收，来应对各沿海城市面临着的海漂垃圾问题。人工小船在灵活机动上略显优势,可以快速地打捞起部分海漂垃圾，但单靠传统的人工清理海洋垃圾显得极为耗时、耗力、且安全性较差，其应用范围也只是在内河和近海附近；水上垃圾拦截浮体主要应用在一些重点保护的滩涂、海漂垃圾问题突出的的海港沿岸，人口密集的地区及风景区等，其主要优点是布置相对简单，而主要缺点是只能死板地将垃圾挡在浮体的某一侧，这样会造成垃圾在浮体一侧来回漂荡，所以还得依托专业垃圾船进行配套清理。另外其缺点是打捞过程中消耗能量较多，对于一些零碎的海漂垃圾进行打捞的话，成本会随之加大。

图1 人工小船清理

图2 海漂垃圾拦截

针对以上问题，本文在改善传统人工小船清理海漂垃圾投入成本高、效率低、安全性差、耗时耗力等问题的基础上，设计开发一种新型海漂垃圾智能回收系统，该系统回收效率高、应用区域广、利用智能化系统代替人工清理模式，不仅节省人工成本，安全性还大大提高。

2 海漂垃圾回收系统的结构设计

海漂垃圾智能化打捞船如图3所示，主要包含1-主船体、2-垃圾回收系统、3-单点系泊系统、4-垃圾拦截装置、 5-沥水机、6-垃圾输送装置。船舶1由单点系泊系统3固定，船体的首部与海漂拦截装置4相连，可吸收大面积的海漂垃圾，垃圾集中处设有垃圾打捞沥水装置5，定期打捞至垃圾压缩系统7中进行压缩，压缩后的垃圾由传输系统6运至货舱， 货舱艏艉安装可利用的风能，货舱口由太阳能板铺设，太阳能电池板经线路连接有蓄电池，吸收的能源用于回收系统的能源。具体效果图见图4、图5。

图3 单点系泊式海漂垃圾回收船示意图1.主船体;2.垃圾回收系统;3.单点系泊系统;4.垃圾拦截装置;5.垃圾打捞沥水装置;6.垃圾输送装置；7.垃圾压缩系统

图4 单点系泊式海漂垃圾回收船三维效果图

图5 单点系泊式海漂垃圾回收船船首细节图

2.1 海漂垃圾拦截装置

海漂垃圾拦截装置(图3中4)由具有抗风浪性能的 HDPE 聚乙烯注塑组件模块和金属拦截网片组装(图6)的拼接结构设计，呈U型。随着海上风浪流的作用，海上废旧泡沫浮球、塑料瓶、木材、渔网碎片及陆源入海生活废弃物等海漂垃圾将最终被集中拦截至船首垃圾打捞沥水装置处，进行脱水压缩后运至货舱。

设置U型海漂拦截装置的技术优势：可吸收更大范围的海漂垃圾，集中打捞，大大提高工作效率；完成海漂垃圾的自动收集，无需投入人力，可同时适用于近海、远海。

图6 U型拦截装置

2.2 沥水、压缩装置

经过U型拦截装置拦截的垃圾汇集至船首，船首设置直径为3米左右的带孔沥水装置(图3中5)，随着沥水装置的进一步提升，垃圾伴随的海水将经过漏孔流出，经过初步沥水的垃圾将被打捞至垃圾压缩系统(图3中7)。

参考图7，垃圾输送装置6的右端还设有压缩装置7，压缩装置7用于将垃圾压缩，减小垃圾占用船体内部的体积。压缩装置7包括开设在船体中的凹槽71，凹槽71的上侧设有压缩箱72，压缩箱72可上下升降，压缩箱72与垃圾输送装置6的输送方向一致的两侧分别开设有垃圾入槽73和垃圾出槽74。压缩箱72的下侧设有使压缩箱72升降的驱动装置8(参考图8)，驱动装置8使压缩箱72上升到最高位置时，垃圾入槽73和垃圾出槽74与凹槽71的上表面共面，便于垃圾进入到压缩箱72中。

图7 压缩装置结构设计

图8 驱动装置

2.3 供电装置

作为智能化海漂垃圾打捞系统，能源自给需要重点考虑。参考图9，船体的尾部设有供电装置10，采用太阳能与风能组合的方式进行供电。供电装置10用于给驱动装置8以及压缩装置7提供能量。供电装置10包括太阳能板101，太阳能板101电连接有蓄电池102，蓄电池102与驱动装置8和压缩装置7电连接。垃圾输送装置6的右侧设有垃圾收集箱112，垃圾收集箱112的内壁上设有控制装置11，控制装置11包括光电传感器103，光电传感器103连接有Wifi模块104，Wifi模块104电连接有控制器113，船体1上还设有信号接收器111。压缩后的垃圾进入到垃圾收集箱112中，垃圾收集箱112的储量将满时，压缩后的垃圾遮挡了光电传感器103，光电传感器103将信号传递给控制器113，控制器113控制Wifi模块104发出信号，该信号被另一海漂垃圾打捞船上的信号接收器111接收，另一海漂垃圾打捞船的信号接收器111将信号反馈给此打捞船的控制器113，从而驱动此海漂垃圾打捞船向原先的海漂垃圾打捞船靠近，保证在垃圾较多时，多个船体也能对垃圾进行打捞。

图9 海漂垃圾回收船的供电系统

3 单点系泊在海漂垃圾回收船上的应用

海漂垃圾回收船借鉴深海采油装备FPSO(浮式生产储油船)相关技术(图10)，采用单点系泊装置约束船体，使船体始终处于迎浪状态，船体本身对于波浪处于相对静止状态，使船体能够随风浪变化围绕系泊装置自由旋转，以减少浪对船体结构的冲击，受力情况相较于航行船舶要优良的多。

图10 FPSO及单点系泊系统

通过在船首设置球鼻以减少来浪对垃圾回收船的冲击，设置高舷墙以阻挡甲板上浪，设置挡浪板，快速排去甲板上浪。在船首与系泊装置连接处设置解锁装置，在波浪超过极限波浪时，可切断连接，拖走海漂垃圾级回收船，通过以上设计，提升垃圾回收船的抗风浪能力和生存能力，以便海漂垃圾回收船在确保安全的情况下大大简化船体结构。

海漂垃圾回收船可适用于水深较深的广阔海域，用于吸收近海、远海不同海域的海漂垃圾；海漂垃圾回收船生存能力强，具有较高的抗风浪能力，当风暴潮来临时，可断开与系泊系统的连接，拖离危险区域；海漂垃圾回收船无动力系统和相关机械设备，无需专业水手，维护便捷。

4 结 语

面临严重的海洋污染，如何采取合适的方法回收海漂垃圾已成为全球亟待解决的问题。本文在对海漂污染的组成与成分进行充分调研的基础上，提出了一种适用于近海、远海的智能化单点系泊式海漂垃圾回收船，文中详细介绍了组成回收系统的海漂垃圾拦截装置、沥水、压缩装置、供电系统的结构设计，并对单点系统在垃圾回收船中的运用进行有效阐述，回收系统目前尚处于初步设计阶段，项目的研究成功于环境保护具有重大的现实意义。