环生-专业03-可持续型水体漂浮污染物清除一体化装置

发布者：kjcx05发布时间：2020-07-07浏览次数：428

小型可视化操控可持续水体污染物清除一体化装置设计说明书

设计者：张文炳

指导教师：陶玲

（122cc太阳集成环境与生物工程学院）

作品内容简介

本项目以小型水体中污染物为处理对象，研发一种可以同时处理水面漂浮垃圾、水体植物和水底垃圾的清除装置。该装置由除草轮、船底通道、传送式滤网、动力系统、能源系统、辅助系统组成。装置通过浮块调节装置吃水深度，使前端除草轮能够接近水底。前段水面通过负压将水面垃圾吸入通道，除草轮运作使水草分离，同时将沉底的垃圾翻起。通道后端的动力系统，使通道内形成向船体后方的水流，使船头垃圾被吸入通道。可调节通道内水流速度和水面处负压，以便能够将污染物全部带离水体。垃圾被吸入通道后，通过船体中间的传送式滤网。垃圾被截留并输送出水面，最后传送到垃圾暂存系统。与现有装置比，本装置可同时处理水面和水体中的垃圾，可实现远程操控，自主进行垃圾收集，操作和控制简便；使用太阳能，不产生二次污染；垃圾经过统一的二次回收处理。装置小型化，适用于小型水体。该装置可极大的节省人力物力财力，兼具环境效益和经济效益。

1 作品背景

随着城市化加快，各种人工水体不断涌现，各城市人工景观水域和水生态修复建设工程也随之不断涌现。然而，我国城市河道特别是景观水体中经常出现污染物。

目前，水体垃圾和水生植物的清除方式主要有两种。一是人工打捞，即由工作人员手持网兜站在船上直接把水面漂浮物打捞上来，或者人工对水中植物进行切割采集等。这种方式需要较多的劳动力，工作条件差，耗时较多，效率较低。河道等小型水域进行每日垃圾清理和定期组织打捞的工作成本花费成本高昂，收集方式较为单一。二是机械式打捞，根据打捞方式的不同，水面垃圾或水生植物打捞装置主要分为传送带式、铲斗式、回转式和抓斗式等类型，但是从收集到的各类船的船体参数来看，打捞水面垃圾或水生植物的船只的型号都较大，具有不小的地域限制，不适合小型流域的垃圾收集。(如“方通号”水上清扫船船长7.4m，海洋清扫号平底船长宽高分别为30m、10m、2.3m)。

现有的水面垃圾和水生植物的打捞方式主要有以下问题，（1）现有的打捞机械不适合进入城市小型水体进行作业，小型水体主要采用人工方式进行清理，效率低下、作业危险性较高；（2）大型机械水面垃圾清扫船和水生植物的打捞装置并不通用，那在同一片水域如果同时产生了水面垃圾和大量繁殖水生植物的问题，就只能同时派两种清扫船作业，对人力、物力、财力都是浪费；（3）现有机械主要是燃油机械和电力机械，虽然续航有保证，但耗费大量化石能源，对环境不友好；（4）现有大型垃圾清理机械都需要有人在机械上操作，没有实现智能化；（5）大型清理机械不适用于小型人工水体。

针对以上问题，本项目拟研发一种小型可视化操控可持续水体污染物清除装置。该装置可以同时处理水面漂浮垃圾及水体植物，能够脱离人力实现远程操控，自主进行垃圾收集，使用清洁能源，不造成环境负担。垃圾经过统一的二次回收处理。该装置可以极大的节省了人力物力财力，兼具环境效益和经济效益，实现人与自然和谐共处。

2 设计方案

2.1 设计思路

本项目从垃圾清除、动力及能源、垃圾运输及暂存等方面对该装置进行设计。

（1）水面垃圾清除

对水面垃圾（如塑料袋、塑料水瓶、泡沫等）采用船头的微负压吸入方式进行收集；

（2）水体中垃圾清除

对水体中污染物（如过度生长的水草、被水底挂住的各类垃圾等），通过除草轮翻动水草或水底垃圾处的淤泥，使水草或垃圾与淤泥分离，再通过动力系统在船底形成向后的水流，将垃圾带离水体；

（3）垃圾运输

水体中的污染物通过船头的通道进入船底中部，在船底中部设置传送式滤网，由传送式滤网将垃圾从船底带到船体中进行暂时存放；传送式滤网能够保证装置连续工作；

（4）动力系统

船头的微负压和船底水流由船尾的动力系统提供，且动力系统能实现遥控控制；

（5）新能源系统

在船顶铺设太阳能光伏电路板，为装置提供电力；

（6）辅助系统

船底的空心浮块用来改变船体在水中的吃水深度，以便能清除不同水深处的垃圾；

船体中设置带滤网的垃圾暂存系统。

2.2 装置结构

该装置由除草轮、船底通道、传送式滤网、动力系统、能源系统、辅助系统组成。模型外形见图1。

（a）船体图

（b）船底图

图1 装置模型外形图

2.3装置工作过程

装置下水前，检查动力系统及能源系统是否正常工作，检查遥控模块是否正常，检查浮块是否能正常工作。

装置下水后，首先通过浮块调节装置吃水深度，使前端除草轮能够接近水底。前端除草轮运作，翻起水底的淤泥使水草分离，同时将沉底的垃圾翻起，连同水草一起送入阔口Y型通道附近。通道后端的动力系统，使通道内形成向船体后方的水流，能够使船头的水面垃圾、水草、水底垃圾一起被吸入通道。可根据水体中污染物状况调节动力系统，采用不同转速，可调节通道内水流速度和水面处的负压，以便能够将污染物全部带离水体。

垃圾被吸入通道后，通过船体中间的传送式滤网。垃圾被截留并输送出水面，最后传送到垃圾暂存系统。

3 关键技术问题

3.1 机械部分

前端通道Y型阔口设计，增大垃圾吸入面积，提高垃圾清理效率。如图2所示。

底部设计空心浮块，浮块为装置提供浮力，通过调节浮块内水位来控制装置吃水深度，如图3所示。

图2Y形通道入口图3 底部浮块

3.2 动力部分

本装置在除草、水流控制等方面均需要电机都提供动力。为防止电机长时间在水下工作，本装置全部电机都设计在水面之上，水面下的动力由皮带传动提供，如前端除草轮在水下除草，其动力由上方的电机通过皮带传动提供。这样设计考虑到电机的防水性能，提升设备的稳定性。如果把电机设计在水面之下，既提高了成本，又有电机进水的可能，不利于装置的后期维护。

3.3 电气控制

装置的除草部分与传送设备部分需要连续运行，这两部分只在装置上设计开关，需要使用时开启即可，如图4、图5。而装置的动力系统需要调控制装置的行进，因此设计了一个遥控模块，远程控制装置的运行，如图6、图7。可在船体中设置监控，通过5G联网，实现图像同步传送，达到可视化操作的目的。