農(nóng)用廢棄薄膜處置系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王偉成　黃　迪　龔　振　董　玲（德州學(xué)院　機(jī)電工程學(xué)院，山東　德州　253023）

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農(nóng)用廢棄薄膜處置系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王偉成黃迪龔振董玲
（德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東德州253023）

本作品是一種農(nóng)用廢棄薄膜回收機(jī)的研究與設(shè)計(jì)，農(nóng)用地膜在帶來(lái)增產(chǎn)增收、反季節(jié)果蔬的同時(shí)，每年產(chǎn)生廢棄薄膜35.5萬(wàn)t。2014年兩會(huì)1號(hào)提案，引起了對(duì)農(nóng)用廢棄薄膜的廣泛關(guān)注。棄膜長(zhǎng)時(shí)間殘留在土壤中會(huì)造成作物減產(chǎn)、土地污染。農(nóng)用廢棄薄膜處置系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)研發(fā)廢膜深度回收機(jī)，創(chuàng)新再生產(chǎn)工藝流程，可以提高土壤中的殘留棄膜回收效率，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物資源化再利用，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值30億元。

農(nóng)用廢棄薄膜；處置系統(tǒng)設(shè)計(jì)；應(yīng)用前景；節(jié)能減排

1　背景

1.1國(guó)家對(duì)農(nóng)用塑料薄膜回收的鼓勵(lì)政策

2014年兩會(huì)期間，“一號(hào)提案”提出加強(qiáng)對(duì)廢舊農(nóng)膜的收購(gòu)力度，對(duì)農(nóng)民購(gòu)買可降解農(nóng)膜實(shí)施補(bǔ)貼?！豆腆w廢物污染環(huán)境防治法》中第十九條明確規(guī)定，“國(guó)家鼓勵(lì)科研、生產(chǎn)單位研究、生產(chǎn)易回收利用、易處置或者在環(huán)境中可降解的薄膜覆蓋物和商品包裝物。使用農(nóng)用薄膜的單位和個(gè)人，應(yīng)當(dāng)采取回收利用等措施，防止或者減少農(nóng)用薄膜對(duì)環(huán)境的污染”。但由于缺乏約束機(jī)制，使農(nóng)用廢棄薄膜大量殘留在土壤中，形成環(huán)境污染［1］。

1.2農(nóng)用塑料薄膜的使用和廢棄情況

據(jù)調(diào)查，我國(guó)當(dāng)前土地平均覆膜比例約為74%，地膜平均使用量約38.60kg/hm2。覆蓋面積已達(dá)88.87多萬(wàn)hm2，棚膜覆蓋面積362.67萬(wàn)hm2，農(nóng)膜覆蓋面積已位居世界首位。地膜使用后只有73.1%的地塊地膜被回收，地膜殘留量為14.28kg/hm2。1hm2地中最高地膜殘留達(dá)597kg。

2　農(nóng)用薄膜的雙面性及回收方式

2.1農(nóng)用薄膜對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響

農(nóng)用地膜覆蓋栽培技術(shù)廣泛用于蔬菜栽培、大田作物、果樹、林業(yè)、花卉及經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)中，農(nóng)用地膜可提高土壤溫度，保持土壤水分，維持土壤結(jié)構(gòu)，防止害蟲侵襲農(nóng)作物和某些微生物引起的病害，在短期內(nèi)增產(chǎn)增收。但農(nóng)田殘膜的機(jī)械阻隔作用及其帶來(lái)的土壤物理性質(zhì)的惡化，會(huì)導(dǎo)致作物出苗困難和幼苗成活率降低；殘膜滯留于農(nóng)田產(chǎn)生的物理阻隔作用導(dǎo)致土壤孔隙度和容重發(fā)生變化，還會(huì)導(dǎo)致土壤含水量降低和影響土壤養(yǎng)分的釋放，導(dǎo)致肥力下降。

2.2農(nóng)用廢棄薄膜在土壤中的分布及其殘留的形態(tài)

農(nóng)田殘膜主要以碎片形式分布于土壤淺層，并隨著覆膜年限的延長(zhǎng)逐年下移，下層土壤中的殘膜逐漸增多。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田殘膜的存在形態(tài)及其在土壤中的分布隨著覆膜時(shí)間和間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，大塊殘膜的比例逐漸減少。

2.3目前廢棄薄膜的回收方式

薄膜低廉的價(jià)格和廣泛的用途，造成了農(nóng)民對(duì)其毫無(wú)節(jié)制的使用。由此也導(dǎo)致了我國(guó)農(nóng)用廢棄薄膜浪費(fèi)嚴(yán)重，出現(xiàn)白色污染橫行霸道的局面。但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的回收技術(shù)有限，主要靠手工撿拾、耙犁篩選等方法進(jìn)行回收，且只能回收棚膜和殘留在0～10cm耕層的地膜，而占約93%的殘膜在土壤更深層根本不能被回收?；厥蘸笞罱K還是被掩埋或者焚燒。這不僅沒(méi)有從根本上解決廢棄農(nóng)膜帶來(lái)的污染浪費(fèi)問(wèn)題，而且極大地污染了大氣和土壤。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了“一體兩翼”的農(nóng)用廢棄薄膜處置系統(tǒng)，一體是指從農(nóng)用廢棄薄膜的源頭到再生產(chǎn)品的全回收、加工過(guò)程；兩翼是指政府政策扶持和科技創(chuàng)新，提高農(nóng)民回收的積極性，提高回收的效率和質(zhì)量。系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題是有效回收土壤中的殘留棄膜，創(chuàng)新再生產(chǎn)加工工藝，生產(chǎn)可降解的農(nóng)用薄膜，提高農(nóng)民回收廢棄薄膜的積極性。為解決這4個(gè)問(wèn)題，提出了以下設(shè)計(jì)方案。

3.1機(jī)械部分

機(jī)械設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　機(jī)械設(shè)計(jì)示意圖

該設(shè)計(jì)由機(jī)架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、集膜機(jī)構(gòu)組成：①機(jī)架，用于安裝其他部件，實(shí)現(xiàn)與農(nóng)用機(jī)的對(duì)接；②傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，車輪2、鏈條4、主動(dòng)鏈輪3、從動(dòng)鏈輪5；③分離機(jī)構(gòu)，土鏟（伸縮式）11、離心式葉輪7、鼓風(fēng)機(jī)8；④集膜機(jī)構(gòu)，管道9、篩孔集膜箱10。

設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問(wèn)題：①土鏟豎直入土深度40cm；②葉輪轉(zhuǎn)子和殼體定子間隙不能過(guò)大；③車輪和葉輪的傳動(dòng)比不能過(guò)小，以保證有一定的離心力。

3.2理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1土鏟安裝角度。安裝角度過(guò)大，則機(jī)器前行時(shí)阻力過(guò)大；角度過(guò)小，則入土深度不夠。鏟面受力情況如圖2所示，要使土料沿鏟面上行，必須滿足如下條件：

P?Gtan（α+φm）（1）

式（1）中，P為土壤阻力，G為土壤重力，α為土鏟傾角，ψm為摩擦角。經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)，傾斜角30°左右較為合適。

3.2.2葉輪轉(zhuǎn)速。葉輪轉(zhuǎn)速過(guò)小，土壤進(jìn)入集膜機(jī)管道時(shí)土和地膜不能完全分離；葉輪轉(zhuǎn)速過(guò)大，在離心力作用下土塊可能被甩入集膜機(jī)。以一臺(tái)農(nóng)用機(jī)以20kW的功率勻速耕地，速度為7.2km/h時(shí)為例，經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)，鏈輪的傳動(dòng)比為i35=1/4較為合適。

3.3工作原理及性能分析

回收機(jī)工作前，操縱伸縮式土鏟深入土地中。當(dāng)拖拉機(jī)牽引回收機(jī)前進(jìn)時(shí)，土沿鏟子面被推入葉輪殼體內(nèi)相鄰兩葉片間，隨轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)被帶入管道。在管道口下方安裝風(fēng)機(jī)，在土料下落過(guò)程中，在風(fēng)力作用下，細(xì)小土塊落到地面，較小的殘留地膜沿管道進(jìn)入集膜箱。集膜箱有細(xì)小篩孔，可以過(guò)濾掉進(jìn)入的塵土。

4　預(yù)計(jì)應(yīng)用發(fā)展前景

4.1應(yīng)用面廣

由于薄膜低廉的價(jià)格和廣泛的用途，現(xiàn)在農(nóng)田中已經(jīng)廣泛使用農(nóng)用薄膜。農(nóng)膜年使用量約150萬(wàn)t，年更新需求量已達(dá)到約70萬(wàn)t。而因?yàn)檗r(nóng)膜殘存帶來(lái)的惡劣影響，讓處理廢棄農(nóng)膜問(wèn)題刻不容緩。因此，該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于我國(guó)農(nóng)田。

4.2普及度高

該設(shè)計(jì)可以最大限度地回收農(nóng)用廢棄薄膜，并有效地解決農(nóng)膜殘留的狀況，可在各地農(nóng)田中實(shí)施，具有很高的普及度。

4.3收效大

若用原始的回收方式，僅能收取棚膜和7%的地膜。若采用該設(shè)計(jì)，可以增加地膜的回收量，同時(shí)減少對(duì)土地的污染，增加土地的使用年限。

4.4經(jīng)濟(jì)效益顯著

目前棚膜的回收率為80%左右，地膜的回收率為40%左右。農(nóng)用薄膜的回收率約為60%，而薄膜的生產(chǎn)成本約為1萬(wàn)元/t。若對(duì)農(nóng)膜進(jìn)行科學(xué)回收，每年約可節(jié)省農(nóng)用薄膜35.5萬(wàn)t，節(jié)約資金30億元。

［1］胡慧.農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中環(huán)境污染防治的政府責(zé)任研究［D］.湘潭：湘潭大學(xué)，2014.

Research and Design of the Farm Waste Film Disposal System

Wang WeichengHuang DiGong ZhenDong Ling
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Dezhou University，Dezhou Shandong 253023）

This work is a research and design of the farm waste film recycling machine，agricultural mulch while bringing increase production，anti-season vegetables，annual produce 355 000 tons of waste film.CPPCC proposal 1，2014，caused the wide attention of agricultural waste film.Long time residue in the soil will cause crop production，land pollution.Agricultural waste film disposal system design，through the development of waste recycling machine film depth and innovative reproduction process can improve the soil residual waste film recycling efficiency，realize solid waste resource utilization，and create economic value of 30 billion yuan.

agricultural waste film；disposal system design；application prospect；energy conservation and emissions reduction

TB332

A

1003-5168（2016）04-0146-02

2016-03-06

王偉成（1994-），男，本科在讀，研究方向：能源與動(dòng)力工程。