半自动渗透式水上垃圾收集系统设计
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摘 要：目的：通过分析目前为止对水面垃圾的处理情况以及水上漂浮物造成的不同程度的污染问题，尝试做一个水上垃圾收集系統，回收水面垃圾。方法：了解现在已有的收集方式，将收集部分和转运部分做相应的机械结构设计，并进行相应的仿真实验，检验其可行性、可操作性。结论：根据水上垃圾清理方式和相关技术发展现状，提出新的设计思路，该设计主要研究领域为产品造型、功能，并针对部分工作原理和结构内容进行阐述。
关键词：半自动;渗透式;水上垃圾;收集
0 引言
目前，水上漂浮物已经给人类生活带来了严重的影响。水上垃圾的清理方式主要以人工清理为主，少部分半自动工具为辅。在河流流域、湖泊流域泊岸，都会看见大大小小的垃圾停留于此，虽然安排了人工每天定时清理，但是工作量大，影响美观的同时影响了水域质量，危害环境。为了让水面清理更加高效，使用工具收集水面垃圾是十分有必要的。本文通过思考现有的水上垃圾收集方法，分析其中的问题并提出相应的设想，探讨其具体功能和相应结构设计，以“浮筒”拦截水上漂浮物为参考，探讨拦截漂浮垃圾收集方式的特点，以有泊岸的水域为前提，拦截水上漂浮物，并有针对性地提出拦截方法和工作原理。
1 水上漂浮物调研
1.1 水上漂浮物产生原因与内容
水上漂浮物产生原因：人类活动密集且环保意识缺失，以至于在环保的工作上有较大的挑战性，水上漂浮着的垃圾在很大程度上会影响水质且污染空气，并且存在难清理的问题。
水上漂浮物的主要存在形式有：
（1）垃圾。水面垃圾是水质污染的主要元凶之一，塑料瓶、塑料罐、瓜果蔬皮、枯枝落叶等在水上漂浮，既影响美观，还会污染空气和水质，这些垃圾的危害在于长期不清理会导致水体富营养化。这些垃圾出现的频率在不同地区体现不同，若是在水体周围绿化发展好的地区，枯枝落叶比重大，塑料袋、塑料瓶和瓶罐的比重小。总体说来，该类垃圾人为因素较大，但风和地表带入的情况也是存在的。
（2）浮油。指水面的汽柴油、食用油和机油等人类使用在工业上的油，它本不存在于水面上，由于居民生活和餐饮业的发展以及工业生产的废油排出，经雨水污管和地表的径流排入河水，也不排除人为倾倒。
（3）浮萍。一种在水面上疯狂繁殖的漂浮植物，繁殖周期仅2～7天，一般水中养分充足时，其生长速度极快，导致水体营养不足，水质急速下降。因此，一旦出现此种浮萍植物，必须及时清除，以绝后患。
（4）浮泥。浮泥是富含有机质的底泥由于其内部厌氧发酵产生气泡而将其带到水面形成的，特别是夏秋季节，厌氧发酵作用较强，底泥上浮情况较严重。浮泥性状较松散，触碰后易分散开来，给清理带来很大难度。
（5）其他。可能有动植物活动后制造的残留物以及水上生物等，但由于其产生的副作用较小，因此被忽略。
1.2 水上漂浮物危害
（1）水面感官变差。水面感官变差是水面漂浮物给水体带来的最直观危害，其中包括视觉、嗅觉和心理三个方面。
（2）水体自净能力变弱。水体被垃圾自带的浮油或者少量化学物质大面积覆盖，水面上形成薄薄的油膜，该油膜中自带污染物且阻碍空气进入水中，导致水中缺氧，水性不能得到活跃的转换，因此自净能力下降。
（3）水体有机质浓度增加。垃圾中自带腐烂的有机物，当有机物的浓度增大，会使水中的动植物生命受到威胁。
（4）水体生态系统破坏。由于有机物浓度增加和浮萍等造成水中养分减少，因此整体水质下降，水中的好氧生物和水生动物都面临着死亡威胁。
当污染物进入水中，相关科学家及媒体调研数据的相关报道表明，塑料垃圾对水的污染最为致命，主要表现为水中动植物对塑料垃圾的吞食和水污染对生态系统造成破坏。塑料不可降解，可塑性强，因此人类广泛使用，流入水中会对水生生物造成一定威胁，水中还有部分携带病毒的化学塑料品，更是对生态平衡造成严重的破坏。
2 漂浮物收集方式
2.1 漂浮物收集方式现状
（1）人工收集。也分为人工网兜打捞和围栏牵引富集打捞，人工网兜主要是对固体垃圾进行收集，围栏牵引富集则可以打捞浮油、浮泥，其用法是：利用竹竿和围油栏将特定水域围合，再逐渐缩小范围，此后再进行打捞。这两种方式均需要较多人的配合，难度较大。
（2）材料收集。目前选择的材料主要是吸油毡，该材料具有亲油疏水性状，将其置入被浮油覆盖的水中，它会有选择性地将浮油吸入，吸满后，将其取出挤压，又可重复使用，它对汽柴油的吸附效果较好，对水生物的油脂类浮油吸入效果不明显。
（3）机械收集。主要是通过机械船、净化类产品、净化器进行打捞收集，其优点是打捞速度快，也是目前大多数人选择的水浮物清理方式。缺点是打捞不完全，能耗大，环保力度不大。
2.2 漂浮物收集方式存在的问题与期望发展趋势
目前，水上漂浮物的收集仍存在效率低下、人力要求较高的情况。针对较小的封闭式水域，一般采用人工网兜打捞和围栏牵引富集的方式。针对较大的湖泊、河川，一般采用船只收集打捞和吸水净化器等大型机械收集方式。市场上暂时还未出现收集效率高且使用便捷的水上打捞机器。针对水面固体漂浮物的收集，设计界有很多相关概念设计，虽然在功能要求和技术要求上过高，但是对于这种现象的解决方式有了相应的见解。现阶段，考虑到成本和效率问题，选用牵引富集的方式打捞垃圾的方式是最为合理的。未来是趋于智能化发展的，水面漂浮物的清理方式有着很大的发展空间。
2.3 漂浮物收集方式国内外案例
案例一：海上垃圾桶（Seabin）设计是由来自澳大利亚的安德鲁和皮特设计完成的。该设计将垃圾桶固定在船坞或码头上，通过岸上的水泵连接至该桶底部来提供动能。接着，垃圾桶在水泵作用下产生的压力差使得垃圾桶边缘与海水形成一定的水位差，水位差将水吸入桶。与此同时，水会带动着垃圾一起飘入桶中，完成海上垃圾收集作业。此时，吸入桶内的水由水泵的作用力排上岸，并沿着岸上排水管再次回归大海，形成循环。此设计不仅结构方便，使用上也相当便捷，更换垃圾袋便可持续工作，但也存在一定缺陷，由于其维持液位差需要很大的能源损耗，因此推广起来有一定难度。 案例二：该系统由两部分组成，首先，在潮水涨落引起水流作用，从而引起垃圾流动的前提下，利用具抗风浪性能的高密度聚乙烯（HDPE）注塑组件模块和金属拦截网片组装的拼接结构挡住垃圾的流动，其次，根据风向和海域海况的不同，将垃圾漂流带设计成不同大小的拦截平台，由水流作用将垃圾推向拦截平台的一端，然后通过回收分拣平台将垃圾集中回收处理。该设计的缺陷在于其需要大量耗能，并未起到真正的环保效果。
3 水上垃圾收集系统设计
3.1 设计目标
第一，水上垃圾的聚集;第二，水上漂浮物收集入桶;第三，持续收集并保证收集效率。为实现以上三个目标，笔者有以下思路，如表4所示：
总之，实现以上三个目标需要理论和实验依据作为支撑，因此功能和结构设计需要与实验同步进行。实验分为三组，如表5所示：
以上数据表明，“垃圾折叠”方式除了在叶轮的转动速度达到一定程度才能起到一定效果外，其他的目标项目实验效果较理想。
3.2 方案设计内容
工作原理：根据水流的流向特点做一个感应系统，根据感应系统指示，该收集系统内部转轮转动加剧水流运转，将垃圾“吸引”入桶，并做滤网收集垃圾，由旋转的速度感应垃圾桶内垃圾的容量是否装满，装满后需发出相应指示并提示人工卸载桶内垃圾。
收集步骤主要为：水流感应—水泵形成水位差—水流带动垃圾入桶—桶中搅动使水流通畅并带入垃圾向下堆积—桶提出清理干净—重复。
结构原理设计：（侧视图）
材料选用：滤网选用粗棉麻材质，桶体选用PVC材料（它通常是作为排水管使用的）。
颜色选择：顶部太阳能电池板选用白色和蓝色，桶体选用白色和绿色相结合，以顺应绿色环保所倡导的理念。
3.3 设计实践
由于该设计表达的主题是“节能与环保”，因此在外观设计上主要采用绿色。该设计除了能在一定程度上收集垃圾，还能提升水体的活性，是一项对水面友好的设计。
3.4 注意事项
地理环境：河流、湖泊、工业水域的排水口附近。
使用条件：动力能源由太阳能板提供，因此需要在白天使用。
适用范围：在栈道侧边的水域，每隔80米放置一个垃圾桶。
使用方法：将该收集装置置于水面，其自动与水面持平，打开出水口阀门，并按下启动键，使其产生漩涡，吸引垃圾。待到漩涡变小，且装置发出警报时，关闭出水口阀门，并关掉电源。取出垃圾对布袋进行清理，清理干净后放入桶中并重复以上步骤。
其中，步骤一是太阳能电池板接受太阳辐射为机器提供动能，运作后的机器在装满垃圾后，点击分离按钮，步骤二和步骤三是点击分离按钮后，机器自动分离，步骤四是将分离后桶里积满垃圾的布袋子取出更换。
4 结语
无论是国内还是国外，目前的水上垃圾收集系统存在的主要问题是：清洁功能单一、结构复杂、制造成本较高、能耗大。本文提到的回收系统装置可实现水上多种垃圾的有效收集，并能在一定程度上疏通水道。水上垃圾清洁器相对于与传统的垃圾打捞船相比具有明显的优势，该项目推动和促进了我国对水上环境的保护，具有很广阔的应用前景。在设计中思考产品的功能结构，其可操作性和价值意义，都有一定的上升空间，希望该系统能够为类似水上清洁装置设计提供一定的参考。
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