清除河流和海洋中塑料垃圾的20项发明

从塑料粉碎机到航拍无人机,全球正在开发应对海洋塑料污染的新技术。

Plastic waste collected in the Great Pacific Garbage Patch by a prototype boom

“围塑栏”原型装置正在太平洋垃圾带收集塑料垃圾。图片来源:The Ocean Cleanup

海洋中的塑料多到不可思议——目前已知总量估计达5万亿件,约1.5亿吨。每年还有800万吨新的塑料进入海洋。新冠疫情导致口罩、手套等一次性塑料制品的使用量剧增,进入海洋的塑料只会越来越多。

河流是大量内陆废弃物进入海洋的主要途径,大多数塑料都是随着河水流入海洋的。一旦进入海洋,塑料就会在阳光以及风浪的机械性风化作用下分解,最终变成较小的碎片,即“微塑料”——但塑料难以降解的特性意味着这一过程可能需要数百年时间。与此同时,不论是大块塑料、还是微塑料都给海洋生物造成了严重伤害,使它们面临着被缠绕,以及(误食塑料后)被饿死的风险。塑料进入食物链后,还可能导致有毒物质进入动物体内——给动物以及食用这些动物的人类带来影响,而这种影响的实质目前还基本不可知。

全世界的发明家、科学家和企业家正在努力通过创新让我们摆脱这一困境。从塑料粉碎机到航拍无人机,再到微塑料溶解技术,他们正试图以一种聪明的方式去除海洋中的塑料——或者从源头上阻止塑料进入海洋。这些发明大多针对的是河流中的污染物,因为河流是塑料垃圾通往海洋的主要通道。然而,还有些发明更为大胆,它们着眼于直接从公海中捞取塑料的艰巨任务。

The Interceptor barge is one innovation helping to clear rivers of plastic waste before it enters the sea
拦截者驳船帮助清理河流中的塑料垃圾,防止其进入海洋。图片来源: The Ocean Cleanup

但技术真的能解决塑料危机吗?可以说,真正能摆脱这种局面的唯一途径首先是停止生产如此多的塑料,防止其进入环境中。这不仅意味着鼓励重复和回收利用,也需要大量减少生产那些只用一天、但在环境中存在数百年的一次性塑料,并最终结束所有不必要的塑料生产。政府、企业和消费者联合行动是实现这一目标的唯一途径。

但即便我们做到上述所有工作,带来的变化仍将是渐进式的——需要数年,甚至数十年时间才能显现出来。在此期间,大量的塑料仍将继续进入河流,流向海洋。因此在我们找到摆脱塑料的办法之前,以下20项发明可以减少塑料的影响,或许还能缓解一些已经造成的损害。

河流净塑

视频: The Ocean Cleanup

状似驳船的“拦截者”(The Interceptor)可以截留数千吨塑料,防止其进入海洋。这项技术由荷兰非政府组织“海洋清理”(The Ocean Cleanup)发明,其主体结构上连接着一条以一定角度横贯河流的屏障带,可将漂浮的塑料引入驳船中。塑料进入船内后沿着传送带进入“拦截者”的腹舱,在那里分类并准备回收。该装置使用太阳能供电,每天可清除超过50吨的塑料垃圾,目前已经在马来西亚、印度尼西亚和多米尼加共和国的三条河流中投入使用,但发明者的目标更高:他们希望最终在全球污染最严重1000条河流上部署“拦截者”,总共拦截数百万吨即将进入海洋的塑料。

2014年以来部署在巴尔的摩市港口的塑料收集器——“垃圾轮先生”(Mr. Trash Wheel)的理念与之类似。与“拦截者”相比,它的规模较小,可使用太阳能和水力供电。带着喜感的金鱼眼装饰的“垃圾轮先生”可将围栏收集的塑料垃圾吸进“嘴”里。2014年以来还有两台极具魅力的塑料粉碎机加入了垃圾轮“大家庭”。它们已经从巴尔的摩的河流中收集了近1500吨的塑料垃圾和碎片。

另一项发明采取更加抽象的方法来应对塑料污染问题。荷兰的气泡屏障(Great Bubble Barrier)借助横贯在河床上的一根带孔管道来拦截废弃物。管道中充满空气时会释放密集的气泡流,从而在河道上形成一道塑料几乎无法通过的墙。垃圾随后被引导到河岸上等待收集和回收利用。

The Great Bubble Barrier
气泡屏障示意图。制图:Jing Zhang / 中外对话海洋

荷兰艾塞尔河(River IJssel)的早期试验表明,气泡墙可阻止86%的垃圾,同时还可提升河流中的氧气含量,支持水生生物。目前阿姆斯特丹的一条运河中安装了永久性的气泡屏障,以阻止塑料进入艾塞尔河、北海以及全球海洋。

The Great Bubble Barrier
气泡屏障示意图。制图:Jing Zhang / 中外对话海洋

与此同时爱奇星(Ichthion)公司开发了一套名为阿祖尔(Azure)的装置,其目的很明确:拦截厄瓜多尔两条主要河流中的垃圾,防止其随着洋流流到以生物多样性著称的加拉帕戈斯群岛(Galapagos Islands)。这项发明也利用屏障将垃圾引至沿河的传送带,并存放在容器中。但阿祖尔的传送带系统还装备有摄像头,可以拍摄垃圾的图像,随后利用算法识别塑料的类型,从而帮助管理者了解如何最好地减少源头浪费。阿祖尔目前处于试验规模,但正式投入运营后预计每天将收集80吨垃圾。

监测计划

在港口城市厦门的九龙江沿岸,研究人员安装了三个摄像头:它们的工作是追踪塑料垃圾流向海洋的缓慢过程。这是厦门大学开展的一个项目,利用摄像头收集的大量可视数据来识别垃圾流向下游的移动方式,帮助研究人员每天预测塑料污染第二天可能流向的位置。然后将信息与城市共享,以便城市管理者在垃圾流入海洋之前开展有效的收集工作。这种预测性的摄像头监测方法只是厦门为识别进入河流的垃圾源头而制定的更广泛的计划的一部分。

厦门大学利用摄像头收集的大量可视数据来识别垃圾流向下游的移动方式

塑料监测的概念也推广到了其他城市。在英国伦敦的泰晤士河(the River Thames)、孟加拉国首都达卡的布里甘加河(the Buriganga River)、以及澳大利亚霍巴特市(Hobart)的雨水渠沿线,监测摄像头会时不时地拍下河道上漂过的垃圾的照片。这是澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation,CSIRO)发起的国际项目的一部分。截至目前,项目已经从这三个城市的水体中收集了6000多张照片,并利用人工智能训练计算机自动识别照片中的塑料污染,将其归到30种分类中。已经发现最常见的垃圾是食品包装和塑料瓶。此类细节信息至关重要:了解河流中多数垃圾的种类可以帮助城市更有的放矢地从源头上解决垃圾问题。

在有些地方,无人机已经成为追踪塑料的重要工具。菲律宾的研究人员和德国人工智能研究中心合作,利用无人机机队记录汇入污染严重的马尼拉湾的河流中的塑料污染。研究人员已经应用机器学习来分析所得视频,并与桥上安装的摄像机采集的影相结合起来侦测进入海湾中的垃圾。截至目前,这个由世界银行资助的项目已经确定了几个进入海湾之前塑料污染物聚集的热点区域。项目最终希望能够通过无人机绘制的地图和进一步的野外调查,为政府的干预措施提供信息,从源头上杜绝废物。


An image from one of the three cameras monitoring plastic pollution on the Jiulong River near Xiamen.
系统投入运营前几个月,厦门附近九龙江边一台塑料污染监测摄像机拍摄的图像。红色区域是计算机识别的漂浮垃圾。图片来源:张彩云

视觉监测技术只能侦测河流、湖泊和海洋表面的垃圾——不能发现沉在水中的塑料——也就是说只能揭示部分情况。尽管如此,它们仍为我们了解塑料垃圾挑战的规模提供了最佳的估计。例如,“省略地球”(Ellipsis Earth)的一个雄心勃勃的项目就吸引了全球关注:该组织广泛收集了无人机、卫星、潜艇、甚至闭路电视捕捉的全球各地的影像,并以自己的无人机机队拍摄的图像作为补充,建立了一个可以快速浏览并确定全球塑料垃圾的庞大的可视图像存储库,其塑料识别准确率目前达到了93%。该项目正在利用自己的成果建立一个全球污染热点地图——并与政府、非政府组织和教育机构共享信息,鼓励采取行动,解决塑料垃圾。

与此同时,欧洲航天局(the European Space Agency ,ESA)正在尝试利用卫星来缩小挑战范围。最近的研究显示,他们能够利用机器学习训练卫星,从空中视角识别塑料污染产生的独特光学信号,目前将塑料和其他类型的陆地碎片区分开的精准率为86%。这样一来,欧洲航天局就可以从几千米的高空跟踪塑料垃圾——从而以真正的全球视角来观察这一问题。尽管该技术仍处于早期阶段,目前合理的目标是绘制全球塑料垃圾地图,帮助我们应对挑战,并确定需要着力解决的问题。

小型解决方案

视频: Seabin Project

令人意外的是,一些规模较小的清理工作已成为解决方案的重要组成部分。发起于澳大利亚的海洋垃圾桶项目(Seabin Project)就是一例。目前该项目捕捉海洋垃圾的“垃圾桶”已经遍及世界各地的大小港口和码头。这些垃圾桶随潮汐移动,过滤海水并捕捉其中漂浮的垃圾。这是一个简单但有效的解决方案:截至目前,超过50个国家部署了800多个海洋垃圾桶,每个垃圾桶每年能够收集1.4吨垃圾。

荷兰公司RanMarine开发的“垃圾鲨鱼”(WasteShark)是一种独木舟大小的自动水上无人机,可以在大小港口和码头平静的水域中穿行,并在行进过程中收集漂浮的垃圾和油污。该设备每天可收集半吨垃圾,并将垃圾送回陆地以待重新利用。“垃圾鲨鱼”还配备了水质测量设备,可在活动过程中测量水质。同样,圣地亚哥环保组织“清澈海洋”(Clear Blue Sea)开发了一种名为弗雷德(FRED)的漂浮机器人早期原型机,用于捞取岸边的塑料垃圾。弗雷德采用双船体造型,利用传送带将海水里的垃圾吊起,可收集10毫米到1米长的各种物件。

加拿大发明的胡拉一号(Hoola one)能够清理沙滩上的沙子中混杂的微塑料。这个状似吸尘器的精巧装置把沙子吸起来,然后用一罐水把漂浮的微塑料和下沉的天然沙子分离开来,并将后者送回海滩。与此同时,微塑料被抽出并储存起来(机器可捕获最小粒度为0.05毫米的碎片)。截至目前,胡拉一号已经在夏威夷卡米洛海滩(Kamilo Beach)(全球污染最严重的海岸之一)进行测试。试验显示该装置每分钟可清洁三加仑沙子,并在短短几小时内吸取48公斤微塑料。

Hoola One

Hoola One
胡拉一号示意图。制图:Jing Zhang / 中外对话海洋

 

围住垃圾

2019年,太平洋海域部署了一条长600米的月牙形“围塑栏”,用来拦截全球五大巨型垃圾环流中最大的太平洋垃圾带(the Great Pacific Garbage Patch)中的塑料垃圾。 “海洋清理”组织建造的这条围塑栏是一系列旨在清除垃圾环流中数百万吨影响重大的塑料的设备原型机之一。该设备由一个固定在浮锚上的闭合围栏组成,浮锚可以帮助围塑栏抵御强洋流、海浪和海风,确保其始终以慢于周围海域的速度漂移,帮助其捕获流入栅栏中的垃圾。“海洋清理”利用这一发明在太平洋中创造了一条可以收集漂浮塑料的人造“海岸线”,而收集的塑料垃圾随后会被该地区的服务船收走。

该技术自2012年来一直在开发中,在经历几次技术故障后,终于在2019年收集了第一批海洋塑料。该团队在此基础上,正在开发新一代的围塑栏,并在北海投入试验。他们希望扩大规模,最终在全球五大海洋垃圾环流中都部署几个收集垃圾的围塑栏。他们相信到2040年,这一发明可以收集90%的海洋塑料垃圾。

a 600-metre-long crescent-shaped boom was deployed in the Pacific Ocean to scoop up plastic from the Great Pacific Garbage Patch
“海洋清理”开发的围塑栏原型装置于2019年投入测试,并在成功地清理着太平洋垃圾带中的垃圾。图片来源: The Ocean Cleanup

在海洋中使用围塑栏技术是一项雄心勃勃的任务,但该技术在河流中部署起来相对容易,并且已经在世界各地的河流中产生了不小的影响。例如希腊的基西菲斯河(Kissifos River)河口就设置了一个名为希腊战术回收系统(Tactical Recovery System Hellas)的围栏装置,用来捕获即将流入大海的漂浮垃圾,并将其引入水面上的网箱中。网箱都是机械操作,远程控制,装满后被运往陆地卸载垃圾。作为欧盟资助项目的一部分,收集起来的塑料随后被转化为可燃烧气体,为船只和港口各项活动提供动力。

在南非,一项名为“垃圾围栏项目”(The Litterboom Project)的倡议已在该国20条河流中部署了由管道组成的简易围栏。岸上的团队管理会定期将这一装置收集的垃圾拖走进行分类回收。截至目前,“垃圾围栏”已经阻止12万公斤塑料流入海洋。甚至技术含量非常低的方法也能发挥作用:在危地马拉,由空塑料瓶组成的横贯河道的漂浮栅栏——发明者称其为“生物围栏”——也成功减少了60%的塑料流向下游。

即将浮现

有些发明虽然尚未投入使用,但也很有前景。例如一支由中国和澳大利亚科学家组成的研究小组发现纳米技术未来有可能成功解决海洋中的塑料微粒问题。他们发明了一个只有头发直径那么细的微型碳磁线圈,上面涂有氮和锰,这三种成分结合起来会在水中产生高水平的活性氧,让微塑料降解为对环境危害较小的成分:盐类化合物、二氧化碳和水组成的无害混合物。科学家把这些线圈添加到含有微塑料碎片的水样本中,一半的微塑料在几个小时内消失。这些磁性线圈可以从水中取出,并在其他样本中重复使用。科学家们认为这一发明可用于污水处理厂,在污水流入河流和海洋之前清除其中的微塑料。

同样以微塑料为目标的还有一支由瑞典和黎巴嫩研究人员组成的团队,他们正在开发一种用在塑料上的纳米涂层。涂层的成分遇到阳光后会使塑料更容易破裂和分解。科学家们发现,该涂层用在微塑料上后,经过数周的阳光照射,塑料微粒的数量减少了65%。污水处理厂如果使用这种纳米涂层,再结合一定量的阳光甚至是模拟阳光的照射,就可以消除微塑料,在流入海洋之前使其化为乌有。