智能餐廚垃圾處理系統(tǒng)的設(shè)計★

萬松峰， 張意康

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院， 廣東 東莞 523808）

引言

依據(jù)住建部發(fā)布的《餐廚垃圾處理技術(shù)規(guī)范標準》，餐廚垃圾的定義為餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱。我國餐廚垃圾產(chǎn)量在逐年增加，2020 年餐廚垃圾產(chǎn)生總量達12 775 萬t，2021 年，餐廚垃圾的產(chǎn)生量持續(xù)增加。餐廚垃圾對環(huán)境和人群的危害已十分嚴重，是城市環(huán)境一個重要污染源，是城市主要的固體廢棄物。餐廚垃圾是有機廢物含量最多的組分，含水量多，有機物含量高，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，極易腐爛變質(zhì)而造成環(huán)境污染和生態(tài)風(fēng)險。餐廚垃圾易腐爛，散發(fā)出惡臭，滋生病原菌，如果處理不當，既會造成有用物質(zhì)的浪費，也會危害著生態(tài)環(huán)境和人類健康，因此對餐廚垃圾處置及資源化利用的研究已引起了世界各國的普遍關(guān)注。

我國餐飲豐富，餐廚垃圾類型眾多，且具有污染物和資源的雙重屬性。餐廚垃圾處理難度大，處理工藝相對復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模大。餐廚垃圾回收處理時間長，集中回收過程容易產(chǎn)生二次污染。我國對餐廚垃圾的處理起步晚，與發(fā)達國家相比在管理、技術(shù)和市場等方面均存在差距，我國餐廚垃圾處理主要有填埋、焚燒、飼料化、厭氧發(fā)酵等方式，但都存在著諸多缺點。為有效實現(xiàn)餐廚垃圾清運工作，減少末端處理總量，防止城市環(huán)境污染，以就地、減量、資源化為基本出發(fā)點，開展餐廚垃圾源頭減量處理模式與配套技術(shù)的探索意義重大。

餐廚垃圾以淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂類為主，如何有針對性地立足我國餐廚垃圾自身特點，探索開發(fā)出適用于中國餐廚垃圾處理的新技術(shù)和新思路是十分必要的。針對我國目前餐廚垃圾現(xiàn)狀，提出借助微生物菌種來分解餐廚垃圾產(chǎn)生有機肥，使其實現(xiàn)源頭處就地處理，控制發(fā)酵過程惡臭物質(zhì)釋放，有效避免二次污染。利用微生物間的協(xié)同作用，通過優(yōu)化餐廚垃圾生化降解工藝，動態(tài)控制處理條件，快速產(chǎn)生有機肥，實現(xiàn)餐廚垃圾的快速消納和資源化，為處理設(shè)備運行參數(shù)的設(shè)定及改良提供技術(shù)參考和理論指導(dǎo)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)總體方案

智能餐廚垃圾處理設(shè)備是以餐廚垃圾作為處理的原料，以市場需求為導(dǎo)向，基于微生物（菌種）發(fā)酵、智能控制和遠程監(jiān)控技術(shù)研發(fā)的高效降解餐廚垃圾的設(shè)備，實現(xiàn)垃圾處理無人化、自動化、智能化。

采用多菌種密封發(fā)酵技術(shù)，將餐廚垃圾產(chǎn)生的有機廢氣和臭氣有效分解，全程綠色無污染，僅干燥工藝有少量廢氣（氨氣、硫化氫、甲烷、醋酸等），廢氣隨水蒸氣經(jīng)生物凈化催化吸附裝置處理后排放，發(fā)酵后的殘渣經(jīng)篩選得到有機肥，實現(xiàn)餐廚垃圾的綠色節(jié)能高效無污染處理?；诙嗑N小型餐廚垃圾處理設(shè)備融合多學(xué)科技術(shù)，通過機械結(jié)構(gòu)、智能控制與多菌種的協(xié)同作用，構(gòu)建微生物（菌種）發(fā)酵環(huán)境，實現(xiàn)餐廚垃圾的智能處理，提高餐廚垃圾的降解率。該設(shè)備由微生物（菌種）發(fā)酵系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四部分組成，設(shè)備總體系統(tǒng)圖見圖1[1-2]。

圖1 設(shè)備總體系統(tǒng)圖

智能垃圾桶可通過預(yù)約自動上門回收餐廚垃圾，用戶通過掃描二維碼自動開蓋且稱重，當餐廚垃圾達到一定重量后，通過自動導(dǎo)航技術(shù)將餐廚垃圾送至垃圾處理設(shè)備處，自動完成垃圾的及時處理，監(jiān)控中心對設(shè)備實時監(jiān)控，系統(tǒng)整體運行圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)整體運行圖

2 工藝流程分析

微生物處理技術(shù)在國內(nèi)外逐漸興起，與其他傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，微生物處理技術(shù)具有較明顯的優(yōu)勢。微生物降解處理技術(shù)是將餐廚垃圾就地處理，對于餐廚垃圾的處理較徹底，垃圾總質(zhì)量會減少大約90%，殘留物還可以制成有機肥料，很大程度上實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，促進了資源的節(jié)約。

充分考慮到二次污染、資源利用率、處理規(guī)模、能源損耗等問題。在發(fā)酵艙中加入菌種和餐廚垃圾，餐廚垃圾通過發(fā)酵艙轉(zhuǎn)動，和菌種混合均勻后發(fā)酵。通過系統(tǒng)反饋精確控制溫濕度、壓強、發(fā)酵時間以及菌種量，實現(xiàn)對餐廚垃圾的高效降解。根據(jù)加熱、冷凝、發(fā)酵、干燥過程的熱交換和平衡分析，充分利用能量循環(huán)，實現(xiàn)垃圾處理過程的高效節(jié)能。通過低壓加熱使餐廚垃圾中多余的水分快速蒸發(fā)，水蒸氣和其他氣體通過分解吸附裝置經(jīng)檢測合格排出。發(fā)酵后的殘渣經(jīng)篩選即可得到有機肥，餐廚垃圾工藝流程圖如圖3。設(shè)備自動化智能化的運行可以提高餐廚垃圾處理的效率，降低設(shè)備操作人員的勞動強度，提升處理環(huán)境的舒適度。

圖3 餐廚垃圾處理工藝流程圖

3 系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計

設(shè)備的機械系統(tǒng)主要包括整體機架、智能AGV機器人、上料機構(gòu)、菌種加注裝置、發(fā)酵倉、攪拌機構(gòu)和廢氣（水蒸氣和其他有害氣體）處理裝置等，發(fā)酵艙通過底部的傳動機構(gòu)實現(xiàn)料倉的攪拌，整體機械結(jié)構(gòu)圖見圖4。太空生物發(fā)酵艙借鑒航天器的太空生存環(huán)境，設(shè)計了適應(yīng)多菌種生存、無阻滯、噴流爆炸式的混料系統(tǒng)。

圖4 機器人控制模塊軟件流程圖

餐廚垃圾通過AGV 機器人自動導(dǎo)航技術(shù)將垃圾送至上料機構(gòu)處，上料機構(gòu)再通過傳輸裝置將垃圾送入發(fā)酵艙并稱重，根據(jù)垃圾重量加入菌種，并根據(jù)發(fā)酵情況實時調(diào)整菌種加注量，根據(jù)混料原理設(shè)計發(fā)酵艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過發(fā)酵艙旋轉(zhuǎn)使垃圾與物料充分混合，根據(jù)設(shè)定，工藝垃圾發(fā)酵完成后通過發(fā)酵艙反方向旋轉(zhuǎn)將發(fā)酵殘余物倒出，完成一個處理循環(huán)。整體工作流程圖見圖5。

圖5 整體機械工作流程圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)備的控制系統(tǒng)主要包括中央控制模塊、AGV機器人控制模塊、電機控制模塊、壓力控制模塊、溫濕度控制模塊、油泵控制模塊、氣體測量模塊、液體測量模塊和遠程監(jiān)控模塊等，整體控制框架圖見圖6。中央控制模塊是整個系統(tǒng)的控制中心，中央控制系統(tǒng)負責(zé)部分模塊的控制和其他各模塊之間的通訊等，通過企業(yè)云實現(xiàn)遠程監(jiān)控和AGV 機器人自動導(dǎo)航，利用中央控制模塊自帶的電機控制模塊實現(xiàn)上料、菌種加注和混料等，利用IO 模塊實現(xiàn)其他機構(gòu)控制、溫濕度控制、壓力控制、氣體測量和液體測量等[3-5]。

圖6 整體控制框架圖

自動運行按鈕啟動后，通過遠程云控制AGV 機器人將垃圾送至自動上料處，上料系統(tǒng)感應(yīng)到有物料后自動將垃圾送入發(fā)酵艙并稱重，菌種加注系統(tǒng)根據(jù)垃圾重量加入菌種，控制發(fā)酵艙旋轉(zhuǎn)，使垃圾與物料充分混合，真空泵啟動使發(fā)酵艙的壓力達到設(shè)定值，加熱裝置啟動使發(fā)酵艙溫度達到設(shè)定值，根據(jù)實時監(jiān)控的發(fā)酵參數(shù)和氣體液體檢測值動態(tài)調(diào)整發(fā)酵時間和菌種加入量，通過人工智能系統(tǒng)實現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。發(fā)酵完成后將殘渣倒出形成綠色有機肥，完成一個控制系統(tǒng)循環(huán)，所有運行參數(shù)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，整體控制流程圖見圖7。

圖7 整體控制工作流程圖

5 結(jié)論

餐廚垃圾處理設(shè)備將餐廚垃圾就地發(fā)酵處理，避免了餐廚垃圾存儲、清運、處理時產(chǎn)生的二次污染，對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，尤其是在夏天臭味對居住區(qū)域生活帶來的影響；而且處理后的殘余也可以用于制作有機肥料，可以很好地實現(xiàn)資源的回收利用，使餐廚垃圾在源頭上得到了有效控制，實現(xiàn)餐廚垃圾處理的減量化、無害化、資源化。