近岸海漂垃圾自驱动收集装备的研制及应用

林思源，张振伟*，刘必劲, 袁和平

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院，福建 厦门 361024；2.浙江大学海南研究院，海南 三亚 572025；3.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024)

塑料以其廉价与方便，给人们生活带来了便捷，但却对海洋环境产生了恶劣的影响。预计到2050年，将有120亿t的塑料垃圾进入自然界，这将对自然生态环境造成不可估量的影响[1]。据估计，现每年约有1 270万t的塑料垃圾进入海洋，相当于每分钟有一卡车的塑料垃圾被倾倒进海洋[2]。研究指出，有914种海洋物种受到海洋塑料污染的影响[3]。海洋塑料垃圾已经成为仅次于气候变化的全球危机，为此，联合国在全球启动海洋废弃物行动计划与区域合作，并呼吁工业国率先带头减少塑料垃圾。

为更有效地治理海漂垃圾，人们设计和建造了多种收集装置来清理海漂垃圾。国外，Pete Geglinski和Andrew Turton设计建造了“Seabin”垃圾桶[4]。该种垃圾桶可以固定在码头上，应用水泵从桶底产生水流，从而使垃圾桶边缘和海水液面形成水位差，带动周围水体和漂浮物向“垃圾桶”内运动，完成漂浮垃圾的收集。荷兰The Ocean Cleanup建造了依靠洋流和水流作用收集海漂垃圾的System 001/B[5]和Interceptor[6]，前者整体形状为C形，配有3 m深的裙带，用于拦截大洋漂浮垃圾；后者主要用于河流区域的漂浮垃圾收集。2014年，非营利组织海滨合作伙伴(Waterfront Partnership)设计完成内港水轮机海漂垃圾回收装置，采用旧式水轮机和太阳能作为动力，收集河流中的漂浮垃圾[7]。位于华盛顿贝灵汉的Marina Accessories 公司生产出了Marina Trash Skimmer装置，该装置需安裝在漂浮码头上，由水泵产生水流后将漂浮垃圾收进垃圾箱内，而后由人工将收集到的垃圾转运至岸上[8]。国内，刘必劲[9]研制了Duck Mouth型海漂垃圾收集装备并布放于平潭大屿岛海域，该收集装备以波浪、海流的冲击力为动力进行漂浮垃圾收集，但只有波浪波高足够大或者水流作用足够强时才能带动装备的传输组件运动。总体上看，以上海漂垃圾收集装备主要适用于大洋、河流或者内港，用于近岸区域的Duck Mouth型海漂垃圾收集装备难以自动完成漂浮垃圾收集；其中，只有Duck Mouth型海漂垃圾收集装备利用了波浪的冲击力为动力来完成海漂垃圾的收集，但对波浪波高要求较高。为有利于近岸海域海漂垃圾的长期有效治理，避免海漂垃圾收集过程中人工效率低的问题，本文以波浪能/太阳能为动力源，吸收Duck Mouth型收集装备的优点，并通过振荡浮子将波浪的运动转化为机械能，克服其浪高需足够大的问题，设计出近岸海漂垃圾自驱动收集装备。

1 近岸海漂垃圾自驱动收集装备的结构型式

海洋环境恶劣而复杂，海上装备的整体可靠性是装备研制的难点之一。Duck Mouth型收集装备在平潭大屿岛附近海域投入了实际应用，积累了一定的技术资料。在设计近岸海漂垃圾自驱动收集装备时，研究组吸收了Duck Mouth型收集装备的优点，并通过振荡浮子将波浪的运动转化为机械能，克服其浪高需足够大的问题，设计出由V字型浮围栏和收集系统两大主体构成的近岸海漂垃圾自驱动收集装备(图1)。V字型浮围栏的功能是将漂浮的垃圾汇集到收集系统，继而在机械装置作用下将垃圾提升、转移到垃圾分拣框中。自驱动收集系统主要由HDPE材料制成的浮平台及浮平台上安装的单向门、垃圾汇集框、波浪能收集系统(振荡浮子液压式和振荡浮子棘轮式)、太阳能电池板、链式传输机构、耙爪机械手、电机驱动单元、垃圾分拣框和视频监控系统等部件组成，具体如图2所示。

图1 近岸海漂垃圾自驱动收集装备整体设计图Fig.1 Overall design of the self-driven floating marine litter collection equipment

图2 海漂垃圾自驱动收集系统组成部件图Fig.2 Components of the self-driven floating marine litter collection system

在V字型浮围栏和自然动力作用下，海漂垃圾汇集到垃圾汇集框内，而后垃圾抓取机构将其提升至垃圾分拣框内。垃圾分拣框内有垃圾收集袋，当垃圾较多时，可以直接更换垃圾收集袋。为了防止漂浮垃圾逃逸，在垃圾汇集框部分设置了单向门。垃圾抓取动作的执行由悬挂的链式传输机构和耙爪机械手完成，电机或波浪能收集系统带动转轴旋转，转轴上的塑料链条组绕环形结构循环移动，挂在链条组上的耙爪式机械手跟随链条组移动，将垃圾抓取后沿斜坡提升，直至斜坡最高点后落入垃圾分拣框内。维护人员可根据视频监控，远程观察垃圾收集情况，并不定期到平台上对垃圾进行分拣、回收和无害化处理。

为了保证系统的绿色环保性和稳定运行，装置动力部分由太阳能和波浪能两套系统并联而成。晴朗天气时由太阳能板发电，变压后储存到蓄电池，蓄电池为电动机提供电力，带动耙抓机械手运动的电动机可以设置为间隔一定时间启动的模式。阴雨天气、风浪大时以波浪能驱动机械机构为主。波浪能装置不产生电能，仅将波浪引起的运动转化为带动耙抓机构的机械运动。通过此设计，可以实现全天候自驱动垃圾收集。

2 近岸海漂垃圾自驱动收集装备的应用

2.1 近岸海漂垃圾自驱动收集装备的布置

2021年3月，研究组将海漂垃圾自驱动收集装备布设于福建省连江县海潮寺海滩近岸海域。连江县是重要的渔业养殖基地，养殖过程中使用的泡沫浮标、塑料容器、木材及生活垃圾都是海漂垃圾的来源。福建省生态环境厅曾多次通报连江县为海漂垃圾问题突出的海岸段。目前，连江县采取人工清理的方法清理渔港及部分海岸区域的海漂垃圾，但对漂浮于海水中的垃圾尚缺乏有效的治理手段。主要原因是海域水面开阔，海漂垃圾体积小且运动受气象条件影响大，从而造成人工收集效率较低。海潮寺海滩沙白浪净，具有良好的旅游价值，是连江县筱埕镇重点开发区域——海潮寺滨海旅游景点的重要组成部分，但垃圾问题较为严重，影响了景点体验感，故研究组将设计的海漂垃圾自驱动收集装备布设于此。

海潮寺海滩位于黄岐半岛南侧突出部位，属典型的岬湾海滩，岸线呈西北走向，海滩岸线长度约400 m，干滩最大宽度约28 m，具体如图3所示。

图3 海潮寺海滩及附近海岸布局图Fig.3 Map of Haichaosi Beach and its adjacent coastal regions

装备在该海滩近岸海域的的平面布置情况和现场工作照如图4所示。

图4 海漂垃圾自驱动收集装备平面布置和工作照Fig.4 The set-up and photo of self-driven floating marine litter collection equipment

2.2 海滩海洋垃圾调查评估方法

研究组于2021年1月7日至8日进行了海潮寺海滩第一次海洋垃圾调查，共调查了15个样方；9月10日对海潮寺海滩开展了第二次海洋垃圾调查，共调查了10个样方。调查以10 m×10 m的区域作为样方[10]，按照塑料类、橡胶类、泡沫聚苯乙烯类、玻璃陶瓷类、金属类、其他人造物等6个种类(见表1)对样方内海洋垃圾进行分类、称重。垃圾称重采用津鹰818型号电子秤，精度为±1.0 g。

表1 海洋垃圾分类表Table 1 Marine litter classification

调查区域内单位面积垃圾数量或单位面积垃圾质量(D)按照式(1)进行计算：

D=s/A。

(1)

式(1)中：s为垃圾的数量或质量，单位为个或g；A为调查样方的面积，单位为m2。

为评估海潮寺海滩整体环境质量状况，采用 Schulz M等[11]提出的评价方法，并根据海潮寺海滩海洋垃圾类别调查结果，选定“塑料饮料瓶”和“塑料/聚苯乙烯制成的所有对象总和”这两种垃圾为评价指标，计算海潮寺海滩整体环境质量综合评价指数，结果如表2所示。

表2 海潮寺海滩海洋垃圾综合评价表Table 2 Comprehensive evaluation of marine litter at Haichaosi Beach

表2中，综合评价指标的得分是根据评价指标数量多少来确定的，数量越多，得分越高，而得分越高，则海滩整体质量越差。海滩整体环境质量状况综合评价指数根据式(2)计算：

(2)

2.3 海滩海洋垃圾治理效果

表3给出了海潮寺海滩海漂垃圾自驱动收集装备布放前后不同种类垃圾的数量、质量。由表3可见，第二次调查结果中的垃圾数量和质量均比第一次有了明显的提升，垃圾总数由796个下降到202个，单位面积数量由每平方米0.53个下降为0.17个；垃圾总体质量由55 890 g下降为12 015 g，单位面积质量由37 g·m-2下降为12 g·m-2。采用公式(2)进行计算，发现第一次调查时海潮寺海滩海洋垃圾综合评价指标为3.25，海滩环境质量居于较差和差之间；第二次调查时为2.00，海滩环境质量属于中等情况。这表明，布设本研究设计的近岸海漂垃圾自驱动收集装备后，有效地减少了海潮寺海滩的海洋垃圾。

表3 海潮寺海滩海洋垃圾的数量和质量Table 3 Quantity and mass of marine litter at Haichaosi Beach

3 结论

本文研制了以波浪能/太阳能为动力、由V字型浮围栏和垃圾收集系统两大部分组成的近岸海漂垃圾自驱动收集装备，并将其布放于福建省连江县海潮寺海滩近岸海域。应用结果表明，布放此装置后，海潮寺海滩海洋垃圾的单位面积数量由原来的每平方米0.53 个下降为0.17 个，单位面积质量由37 g·m-2下降为12 g·m-2，综合评价指标由3.25下降为2.00，海滩环境质量由较差/差上升为中等。这表明，本研究研制的近岸海漂垃圾自驱动收集装备对海滩海洋垃圾的治理效果明显，在有效提高海漂垃圾收集效率的同时，也避免了人工收集效率低、费时费力的缺点，并可实现近岸海漂垃圾的长期有效治理。