防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

師敏， 杜垚森

（1.廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，各國(guó)之間的來(lái)往較為頻繁，中國(guó)作為世界第一大貿(mào)易國(guó)，全球第二大消費(fèi)市場(chǎng)，與其他國(guó)家的來(lái)往更為密集。而當(dāng)前國(guó)外一些國(guó)家的疫情形勢(shì)較為嚴(yán)峻，新型冠狀病毒在傳播的過(guò)程中不斷進(jìn)行變異，突變后的病毒傳播的速度更快，更易感染，因此我國(guó)外防輸入、內(nèi)防反彈的防疫壓力非常之大，疫情防控要較長(zhǎng)時(shí)期處于一種常態(tài)下進(jìn)行[1]。

在防疫常態(tài)化的環(huán)境下，口罩、一次性手套、防護(hù)服、鞋套、護(hù)目鏡等防疫廢棄物明顯增多。與此同時(shí)，為了安全、規(guī)范、有序地做好防疫廢棄物中的廢棄口罩收運(yùn)處置工作，阻斷病毒傳播渠道，各地政府紛紛要求全面設(shè)置廢棄口罩專用收集桶，加強(qiáng)收運(yùn)處置各環(huán)節(jié)管理，保障人民群眾身體健康和環(huán)境安全。每個(gè)居民小區(qū)、自然村、公共場(chǎng)所、機(jī)關(guān)企事業(yè)單位按照人員規(guī)模和行進(jìn)線路設(shè)置廢棄口罩專用收集桶，收集桶數(shù)量要達(dá)到一個(gè)以上，并在外殼上用醒目字體寫上“口罩回收垃圾桶”，避免與其他垃圾混合。這種方式雖然能夠有效地將廢棄口罩與其他垃圾分離，但是也存在一定的問(wèn)題，比如目前的口罩回收垃圾桶通常是采用普通垃圾桶，因此不具有密封、消毒、殺菌的功能，具有潛在的病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)單獨(dú)處理加大了環(huán)衛(wèi)工人的工作量，增加了回收費(fèi)用。

本文通過(guò)分析當(dāng)前防疫廢棄物回收處理的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，從防疫常態(tài)化的視角出發(fā)，研究設(shè)計(jì)了出一套防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)，為疫情防控常態(tài)化助力。

1 目前防疫廢棄物回收處理的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)

目前已有多種針對(duì)廢棄口罩回收的裝置，其中龍泉市起超醫(yī)療器械有限公司發(fā)明了一種一次性口罩安全回收裝置[2]，該裝置通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)使人在扔廢棄口罩時(shí)垃圾桶會(huì)對(duì)握把進(jìn)行消毒，防止交叉感染，并通過(guò)兩步操作使廢棄口罩掉落收集，起到防護(hù)作用，但是該裝置沒(méi)有廢棄口罩消毒功能。洛陽(yáng)魔盒物聯(lián)科技有限公司公開(kāi)了一種廢棄口罩消毒回收機(jī)，該回收機(jī)是采用在回收機(jī)內(nèi)部上端安裝紫外線燈的方式進(jìn)行消毒，利用紫外線破壞細(xì)菌病毒，達(dá)到消毒的目的，但是并未詳細(xì)闡明采用紫外線消毒，其殺菌率能夠達(dá)到多少，同時(shí)并未說(shuō)明廢棄口罩達(dá)到多少時(shí)才進(jìn)行消殺。江蘇某公司在2020年2月公開(kāi)了多種廢棄口罩回收箱：第一種廢棄口罩回收箱，具有雙側(cè)投遞口，可滿足多人投遞；第二種太陽(yáng)能智能口罩回收箱具有感應(yīng)投口，并在箱體內(nèi)部安裝臭氧發(fā)生器，進(jìn)行殺菌；第三種智能口罩回收箱同樣采用了臭氧殺菌，并新增防盜隔板進(jìn)行防盜。此外已有研究針對(duì)防疫廢棄物的新型垃圾桶設(shè)計(jì)構(gòu)思，該構(gòu)思的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在投遞口和密封方式上，比如用簡(jiǎn)易剪切刀破損口罩等潛在威脅物品，采用指紋鎖上鎖。

綜上所述，現(xiàn)有研究大多針對(duì)廢棄口罩的回收處理，對(duì)于防疫廢棄物安全無(wú)害化處理的揭示有限，因此，研究防疫廢棄物的無(wú)害化處理，有效阻斷病毒傳播，提高處理效率，降低處理費(fèi)用，滿足日益增多的防疫廢棄物處理需求，將會(huì)是當(dāng)前的研究方向。

2 防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本研究設(shè)計(jì)的防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)處理量為日均100 kg，該處理量是以某學(xué)院每周一次全員核酸檢測(cè)產(chǎn)生的防疫廢棄物為基準(zhǔn)。采用立方體單筒豎立布置的結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由兩大部分組成，分別為機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能控制系統(tǒng)，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括4個(gè)部分：破碎單元、消毒單元、收集單元、其他結(jié)構(gòu)部分，智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控單元和本地控制單元[3]，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本研究設(shè)計(jì)的防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)的動(dòng)力由太陽(yáng)能電池板連續(xù)提供，不需要額外接入電源，節(jié)約能源的同時(shí)，還提升了整個(gè)系統(tǒng)的可移動(dòng)性，不受外接電源位置的限制。設(shè)計(jì)完成后該系統(tǒng)集自動(dòng)破碎、自動(dòng)定量消毒、自動(dòng)控制回收、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)防疫廢棄物的自動(dòng)化、精細(xì)化和有序化收集處理。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)的處理量，且便于內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)單元的安裝與布置，機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)為內(nèi)外層豎直長(zhǎng)方體形。內(nèi)層為收集單元，外層為外殼，內(nèi)外層之間布置破碎單元的驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)、收集單元的驅(qū)動(dòng)出料電動(dòng)機(jī)、封口機(jī)構(gòu)、消毒液圓管及其控制閥。消毒液?jiǎn)卧獟熘糜谕鈿さ挠覀?cè)壁上。整個(gè)結(jié)構(gòu)高為1 m，寬為0.65 m，長(zhǎng)為0.85 m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，符合人體工程學(xué)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)總圖

2.2.1 收集單元

收集單元包括長(zhǎng)方體形狀的內(nèi)殼，用一塊內(nèi)殼分隔板將內(nèi)殼分為上下腔體結(jié)構(gòu)，分隔板上開(kāi)有長(zhǎng)方形漏料口，用于將破碎后的防疫廢棄物通過(guò)漏料口落入到內(nèi)殼的下腔體，內(nèi)殼下腔體的右側(cè)板下部開(kāi)有廢料出口，外殼右側(cè)板的下部開(kāi)有一落料口，廢料出口和落料口之間通過(guò)一根方形短筒連接，方形短筒伸出外殼，且其末端的落料口安裝有一扇可以打開(kāi)的廢料門。

為了避免工作人員在開(kāi)廢料門回收時(shí)造成二次污染，收集單元中設(shè)計(jì)了密封打包機(jī)構(gòu)，具體為在方形短筒中套一方形內(nèi)筒，內(nèi)筒中套有回收袋，方形內(nèi)筒的上方開(kāi)有可通過(guò)上加熱桿的開(kāi)口，與上加熱桿相對(duì)應(yīng)的下加熱塊安裝在方形內(nèi)筒的內(nèi)側(cè)壁。需要密封時(shí)，封口機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上加熱桿移動(dòng)，與下加熱塊接觸，將回收袋封口，如圖3所示。

圖3 收集單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

漏料口上安裝有兩扇對(duì)開(kāi)的落料門，一扇落料門上安裝有電磁鎖，另一扇落料門上安裝有吸附鐵，通常情況下兩扇落料門被電磁鎖鎖上，內(nèi)殼上下腔體均處于密閉狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 落料門俯視圖

下腔體中安裝有推板，推板的直線壓縮防疫廢棄物碎屑運(yùn)動(dòng)由出料直流電動(dòng)機(jī)提供，當(dāng)下腔體中的防疫廢棄物碎屑達(dá)到一定量時(shí)，出料電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)推板運(yùn)動(dòng)，將防疫廢棄物碎屑?jí)簩?shí)。為了使防疫廢棄物碎屑能夠更順利地進(jìn)入下腔體，內(nèi)殼上腔體下部?jī)?nèi)側(cè)壁安裝一圈導(dǎo)流板，導(dǎo)流板與內(nèi)殼內(nèi)側(cè)壁呈30°角，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)流板俯視圖

2.2.2 破碎單元

將防疫廢棄物破碎可以縮小廢棄物體積，使消毒更加徹底[4]。因此破碎是本研究設(shè)計(jì)的防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一。

本研究設(shè)計(jì)的破碎單元中實(shí)現(xiàn)廢棄物破碎的機(jī)構(gòu)是一對(duì)相互嚙合的圓柱輥刀，分別為主動(dòng)輥刀和從動(dòng)輥刀，如圖6所示。主動(dòng)輥刀與從動(dòng)輥刀一前一后平行安裝于內(nèi)殼上部，主動(dòng)輥刀通過(guò)同步帶將動(dòng)力傳遞給從動(dòng)輥刀，如圖7所示。在工作時(shí)，主動(dòng)輥刀和從動(dòng)輥刀相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輥刀和從動(dòng)輥刀上都具有均勻錯(cuò)列15°分布的輥刀片，通過(guò)輥刀片的相互嚙合進(jìn)行切割破碎。輥刀片材料選用高強(qiáng)度氮化鋼，對(duì)醫(yī)用口罩、防護(hù)服、口罩中的軟鋼絲、防護(hù)面罩、防護(hù)眼鏡等都有很好的破碎效果。工作時(shí)，主動(dòng)輥刀轉(zhuǎn)速為100 r/min，破碎能力為2 kg/min。

圖6 圓柱輥刀

圖7 破碎單元結(jié)構(gòu)

2.2.3 消毒單元消毒是防疫廢棄物無(wú)害化處理的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前常用的廢棄物消毒方式有紫外線、高溫、75%乙醇、3%～5%的酚或煤酚皂溶液、0.1%～0.2%苯扎溴銨、干粉消毒劑及含氯消毒劑[5]?？紤]到該防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)是置于戶外使用，為了最大程度地避免對(duì)人員傷害和對(duì)環(huán)境的破壞，我們采用低濃度的含氯消毒劑，同時(shí)選用密封性好、不易腐蝕、堅(jiān)固耐用的HDPE（高密度聚乙烯）材料作為消毒液箱材料。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎后的廢棄物100%消殺，本研究設(shè)計(jì)采用霧化消毒液的方式，降低消毒液的霧化滴度，使消毒液更易附著在破碎后的廢棄物上，并充分滲透到破碎廢棄物的材料內(nèi)部。

消毒液箱的形狀可以采用任意形狀，將其固定于外殼右側(cè)板上。消毒液箱的下方安裝霧化微型泵組，通過(guò)霧化微型泵組對(duì)消毒液霧化加壓。在外殼右側(cè)板上開(kāi)消毒液出口，將消毒液出口與消毒液箱下端的消毒液箱出口對(duì)準(zhǔn)，收集單元的內(nèi)殼上安裝消毒液霧化噴嘴，霧化噴嘴的位置處于破碎單元的輥刀下方，消毒液霧化噴嘴與消毒液箱出口通過(guò)一根消毒液圓管連接，消毒液圓管上安裝流量控制閥，用來(lái)控制消毒液流量。

2.2.4 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括內(nèi)殼的固定支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為了使內(nèi)殼得到穩(wěn)固支撐，內(nèi)殼的固定支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上下支撐結(jié)構(gòu)。上部支撐結(jié)構(gòu)為在外殼的內(nèi)壁上端安裝一塊矩形盤，矩形盤上開(kāi)有用來(lái)固定內(nèi)殼的凹槽，內(nèi)殼的上部裝有兩塊L形板，L形板下端的凸臺(tái)嵌合到內(nèi)殼的凹槽內(nèi)。下部支撐結(jié)構(gòu)為在外殼的底部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)計(jì)一支撐臺(tái)，通過(guò)支撐臺(tái)支撐內(nèi)殼。

頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一長(zhǎng)方形板，中央開(kāi)有一拋物口，頂蓋的上面開(kāi)有能夠鑲嵌太陽(yáng)能電池板的槽，并安裝頂蓋鎖。在通常情況下，頂蓋被鎖上，以避免工作人員以外的人隨意打開(kāi)，保護(hù)系統(tǒng)的安全性，也避免了系統(tǒng)內(nèi)部的防疫廢棄物暴露在空氣中，污染環(huán)境。

2.3 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程監(jiān)控和本地控制。

采用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控[6]，大區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)，智能運(yùn)維。報(bào)警聯(lián)動(dòng)，防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)損壞、移位、非正常工作（比如破碎單元不工作）等事件發(fā)生時(shí)，傳感器信號(hào)通過(guò)NBIOT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，平臺(tái)再將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心調(diào)度工作人員到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察和維護(hù)。

本地控制主要為電氣控制單元控制防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)的破碎、消毒、擠壓出料、封口動(dòng)作[7]。

電氣控制單元的電力由太陽(yáng)能電池板提供，紅外傳感器、質(zhì)量傳感器、破碎單元?jiǎng)幼鱾鞲衅?、滿料傳感器的感應(yīng)信號(hào)發(fā)送到控制模塊，控制模塊根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)控制消毒單元的微型泵組、消毒液控制閥、直流電動(dòng)機(jī)、出料電動(dòng)機(jī)、封口電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。

2.4 工作過(guò)程

防疫廢棄物通過(guò)拋棄口掉入內(nèi)殼，被內(nèi)殼內(nèi)側(cè)壁安裝的紅外傳感器感應(yīng)到，紅外傳感器將信號(hào)發(fā)送給破碎單元的直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輥刀和從動(dòng)輥刀開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輥刀與從動(dòng)輥刀對(duì)投入的防疫廢棄物進(jìn)行破碎。

當(dāng)破碎后的防疫廢棄物質(zhì)量達(dá)到質(zhì)量傳感器所設(shè)定的質(zhì)量時(shí)，消毒單元啟動(dòng)，微型泵組工作，消毒液控制閥打開(kāi)，消毒噴嘴進(jìn)行噴霧消毒，噴霧與碎廢棄物接觸20 min后，隔板上的漏料口打開(kāi)，已消毒的廢料從漏料口落入內(nèi)殼下面的腔體。出料電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其上的推板將廢料全部從內(nèi)殼下面的腔體中推出，落入回收袋中。

工作人員需要取出回收袋時(shí)，首先按動(dòng)控制面板上的封口按鈕，回收袋被封口，接著打開(kāi)廢料門，取出方形內(nèi)筒，將方形內(nèi)筒上套著的回收袋拿出，全程不與廢棄物接觸，最大限度地保護(hù)了工作人員的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從防疫廢棄物無(wú)害化處理出發(fā)，研究設(shè)計(jì)防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)，其中主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)中的破碎單元可以將防疫廢棄物破碎成碎片狀；消毒單元設(shè)計(jì)為霧化噴嘴消毒，使消毒液與碎廢棄物充分接觸，殺滅病毒和細(xì)菌。智能控制系統(tǒng)融入智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將本地控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析功能。本防疫廢棄物無(wú)害化自動(dòng)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、智能化程度高，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證破碎能力強(qiáng)、消毒能力強(qiáng)、日處理量高，能夠滿足當(dāng)前防疫常態(tài)化環(huán)境下日漸增多的防疫廢棄物無(wú)害化處理的需求，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。

圖8 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制方案