一種社區(qū)廚余垃圾分類(lèi)與回收利用裝置的設(shè)計(jì)

許雨寒 許 鋒 趙智堃 楊胡坤

（巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 238024）

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)速度不斷加快，城市人口數(shù)量正在不斷增加，城市生活垃圾帶來(lái)的環(huán)境治理問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。廚余垃圾的合理分類(lèi)與回收利用對(duì)環(huán)境保護(hù)、實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄物的回收利用具有重要的作用。目前，廚余垃圾大多采用焚燒的方式進(jìn)行處理，在對(duì)環(huán)境造成污染的同時(shí)，也對(duì)居民的身心健康造成嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)廚余垃圾的智能無(wú)害化處理及回收利用具有重要的社會(huì)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值［1］。

目前，我國(guó)市場(chǎng)上已出現(xiàn)了不同類(lèi)型的廚余垃圾處理設(shè)備，但總體看來(lái)，其設(shè)計(jì)制造較為粗獷，智能化、自動(dòng)化水平較低，人為干預(yù)的工作量大，尤其是在固體廢棄物處理方面，難以避免對(duì)環(huán)境造成傷害。針對(duì)這一問(wèn)題，本研究提出對(duì)廚余垃圾進(jìn)行固液分離［2］、液液分離、固態(tài)碳化［3］、污水處理［4］等處理，給廚余垃圾的處理技術(shù)帶來(lái)重大革新。因此，本研究具有較高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。

1 社區(qū)廚余垃圾分類(lèi)與回收利用裝置的功能要求與設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)的社區(qū)廚余垃圾分類(lèi)與回收利用裝置主要將垃圾進(jìn)行破碎、干濕分離、油水分離，并進(jìn)行初步碳化，本研究設(shè)計(jì)出的裝置要滿足以下2個(gè)要求。①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、便于清理、處理快捷、便于移動(dòng)；②能充分發(fā)揮機(jī)器的處理能力，將垃圾進(jìn)行合理分類(lèi)、恰當(dāng)處理，并有次序地排出，同時(shí)要保證程序穩(wěn)定、合理地進(jìn)行。

本研究的社區(qū)廚余垃圾分類(lèi)與回收利用裝置的設(shè)計(jì)方案如下。①利用電機(jī)帶動(dòng)螺旋軸從而帶動(dòng)垃圾的運(yùn)動(dòng)，在對(duì)垃圾進(jìn)行粉碎、碾壓和分離的同時(shí)，利用另一個(gè)電機(jī)來(lái)完成對(duì)廚余垃圾的碳化處理；②在整個(gè)垃圾處理過(guò)程中會(huì)用到干濕分離、固態(tài)碳化、液液分離與回收等技術(shù)；③垃圾處理的最后結(jié)果是污水直接灌注到污水管網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，所碳化的垃圾小塊在減少垃圾體積、便于直接掩埋的同時(shí)，還可作為肥料直接使用。

2 社區(qū)廚余垃圾分類(lèi)與回收利用裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

社區(qū)廚余垃圾處理系統(tǒng)由電機(jī)、擠壓絲杠、電熱絲、油水分離器、螺旋軸、垃圾碾碎腔、污水管和垃圾取出抽屜等部件組成（見(jiàn)圖1）。當(dāng)廚余垃圾倒進(jìn)進(jìn)料口后，在自身重力的影響下，廚余垃圾會(huì)緩慢地進(jìn)入到螺旋軸，并在電機(jī)的帶動(dòng)下，將垃圾在垃圾碾碎腔中碾成一定的小塊，垃圾小塊在螺旋軸的持續(xù)作用下會(huì)直接掉落在擠壓室的電熱絲上面，升溫后的電熱絲會(huì)將垃圾小塊進(jìn)行碳化，然后電機(jī)帶動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，將電熱絲旋轉(zhuǎn)90°，在自身重力的作用下，碳化后的垃圾小塊將直接掉落在垃圾取出抽屜中，然后在物聯(lián)網(wǎng)的控制下將垃圾自動(dòng)倒出。同時(shí)，還有對(duì)污水的處理。在垃圾碾碎腔中接一根污水管，污水管的另一頭連接著油水分離器，污水在油水分離器的處理下實(shí)現(xiàn)液相（水、泔水油）分離與收集，泔水油可用于制造潤(rùn)滑脂或柴油，所分離的污水將直接灌注到城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行處理。

圖1 廚余垃圾處理系統(tǒng)

該社區(qū)廚余垃圾處理裝置處理廚余垃圾的過(guò)程如圖2所示。

圖2 垃圾處理系統(tǒng)處理過(guò)程圖

2.1 進(jìn)給裝置

該系統(tǒng)的進(jìn)給裝置（見(jiàn)圖3）是由電機(jī)帶動(dòng)的螺旋軸，通過(guò)電機(jī)的帶動(dòng)，使掉落在螺旋軸上的廚余垃圾進(jìn)行一定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，選用該裝置的原因有以下5 方面。①結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低。螺旋軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)只由電機(jī)提供動(dòng)力，螺旋軸和擠壓腔的制造成本較低。②工作可靠，維護(hù)管理簡(jiǎn)單。螺旋軸的工作原理簡(jiǎn)單，設(shè)備的維護(hù)與檢修簡(jiǎn)單，不需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。③尺寸緊湊，斷面尺寸小，占地面積小。螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、橫截面尺寸小、密封性好、便于中間裝料和卸料，輸送方向可逆向，也可同時(shí)向相反的兩個(gè)方向輸送。輸送過(guò)程中還可對(duì)物料進(jìn)行攪拌、混合、加熱和冷卻等作業(yè)。④能實(shí)現(xiàn)密封輸送，可用于輸送易飛揚(yáng)、易燃及氣味強(qiáng)烈的物料，在減小對(duì)環(huán)境污染的同時(shí)，也可改善作業(yè)條件。⑤裝載卸載方便。水平螺旋輸送機(jī)可在其輸送線路上的任一點(diǎn)進(jìn)行裝載、卸載。但對(duì)于螺旋軸來(lái)說(shuō)，一直與廚余垃圾接觸將會(huì)使其極易磨損，需要定期檢查更換。綜合來(lái)說(shuō)，使用螺旋軸的利大于弊，所以進(jìn)給裝置仍選擇電機(jī)螺旋軸組合。

圖3 進(jìn)給裝置圖

2.2 油水分離器

油水分離器（見(jiàn)圖4）是利用水與燃油的密度差，在地球引力場(chǎng)的作用下使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使油液上升、水分下降，從而實(shí)現(xiàn)油水分離的目的，實(shí)現(xiàn)液相（水、泔水油）兩相分離與收集。泔水油可用于制造潤(rùn)滑脂或柴油，所分離出的污水將直接灌注到城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行處理。

圖4 油水分離器

使用油水處理器具有以下4 個(gè)方面優(yōu)勢(shì)。①杜絕地溝油危害社會(huì)大眾。不經(jīng)處理的含油廢水直接排入城市排水管道中，即會(huì)形成所謂的“地溝油”，存在著回流到餐桌、危害大眾健康的風(fēng)險(xiǎn)。而經(jīng)過(guò)處理的廢油不存在此問(wèn)題。②有利于節(jié)約能源。將油脂從廢水中分離出來(lái)，并進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化處理，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，也節(jié)約了能源。③防止管道堵塞。油脂比水輕，且不溶于水。其會(huì)在管道壁上沉積，并能粘上其他污染物，從而造成管道堵塞，對(duì)水源和環(huán)境造成破壞，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。④防止脂肪酸帶來(lái)的損害。溫度升高時(shí)，油脂加上空氣和污染物容易形成刺激性很強(qiáng)的油脂酸，對(duì)人體造成傷害。這種油脂酸也會(huì)對(duì)排水設(shè)備、給水設(shè)備和泵站造成嚴(yán)重的損害。

在使用油水分離器時(shí)，要對(duì)隔渣箱和污水管定期進(jìn)行清潔，保證水流平緩、通暢，以改善隔油效果。

2.3 碳化裝置

碳化裝置（見(jiàn)圖5）是利用電能將電熱絲升溫到一定的溫度（要防止溫度過(guò)高導(dǎo)致垃圾小塊粘在電熱絲上）。當(dāng)電熱絲上的垃圾達(dá)到一定量時(shí)，利用電機(jī)來(lái)帶動(dòng)活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，使電熱絲傾斜一定的角度，在重力的作用下，垃圾小塊會(huì)自動(dòng)滑進(jìn)垃圾取出抽屜中，在將垃圾倒出后，利用電熱絲重力以及與碳化室兩側(cè)的軸連接裝置和碳化室的磁力裝置，使電熱絲重新回到原來(lái)的位置。

圖5 碳化裝置

2.3.1 電熱絲分類(lèi)。電熱絲可分為鐵鉻鋁合金電熱絲和鎳鉻合金電熱絲。鐵鉻鋁合金電熱絲的主要元素是鐵、鉻、鋁，這也是鐵鉻鋁合金電熱絲非常耐高溫還兼具抗氧化性的原因。鐵鉻鋁合金的耐溫性非常好，即使是在1 400 ℃的環(huán)境中仍可使用。鐵鉻鋁合金中鋁的含量非常高，所以其電阻率也很高，可達(dá)到1.60 Ω·m，這可將電能高效地轉(zhuǎn)換為熱能。從價(jià)格上來(lái)說(shuō)，鐵鉻鋁合金比其他材料都要便宜，所以應(yīng)用比較廣泛。但鐵鉻鋁合金的缺點(diǎn)也比較明顯，如高溫脆性。高溫脆性使鐵鉻鋁合金的使用壽命不長(zhǎng)，且鐵鉻鋁合金一旦壞掉，就無(wú)法繼續(xù)使用了。鎳鉻合金的優(yōu)點(diǎn)有很多，如其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，即便遇到高溫環(huán)境，也可使電熱絲保持原形，其結(jié)構(gòu)不會(huì)因高溫而改變。鎳鉻合金的輻射率很高，也不會(huì)因摩擦而產(chǎn)生磁性。鎳鉻合金還具有耐腐蝕的特性，其使用壽命很長(zhǎng)。鎳鉻合金里面有著鎳元素，屬于比較稀缺的元素，導(dǎo)致鎳鉻合金電熱絲的造價(jià)比較高，所以鎳鉻合金電熱絲的售價(jià)也比其他材質(zhì)的電熱絲要高。綜上所述，在對(duì)電熱絲選擇時(shí)要考慮各方面因素，以及對(duì)電熱絲需要定期進(jìn)行垃圾清理和維護(hù)保修。

2.3.2 碳化裝置的意義。低碳的意義在于盡可能降低生活中所消耗的能量，從而減少碳元素，特別是二氧化碳的排放，減少污染，緩解生態(tài)惡化。本研究對(duì)節(jié)約能源、改善空氣以及回收利用三個(gè)階段進(jìn)行優(yōu)化，以促進(jìn)環(huán)境的改善。隨著人口的增長(zhǎng)，環(huán)境壓力也越來(lái)越大，在一段時(shí)間內(nèi)，垃圾的不正確處理是導(dǎo)致環(huán)境惡化的主要原因，因此想要從根本上促進(jìn)環(huán)境質(zhì)量的提升，要從垃圾處理著手，加快垃圾處理的低碳化進(jìn)程，及早解決環(huán)境問(wèn)題，提升居民生活質(zhì)量。

垃圾碳化技術(shù)將可燃垃圾體積減小95%以上，相比于直接填埋，該技術(shù)能夠節(jié)約80%以上的占地，同時(shí)還杜絕了垃圾在堆放過(guò)程中存在的發(fā)酵異味排放，以及有害液體滲漏對(duì)大氣及地下水的二次污染。垃圾碳化處理后的副產(chǎn)品“人造碳”中固定碳含量較高（約為90%），為一般燃煤的兩倍左右（一般燃煤中固定碳含量為55%），具有良好的可燃性，是一種新型高級(jí)燃料。同時(shí)，部分碳化后的垃圾可活化性非常強(qiáng)（可激活性達(dá)到75%），是做吸附活性碳的理想材料。同時(shí)，該裝置在進(jìn)行垃圾碳化過(guò)程中所產(chǎn)生的有毒有害氣體，可利用特殊手段將其收集起來(lái)，但有毒有害氣體目前還沒(méi)有更好的解決方法。

3 社區(qū)廚余垃圾分類(lèi)與回收利用裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與貢獻(xiàn)

本研究設(shè)計(jì)的社區(qū)廚余垃圾分類(lèi)與回收利用裝置結(jié)構(gòu)有3 個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。①基本考慮到廚余垃圾的形式與狀態(tài)，對(duì)油水分離、固液分離和固體碳化等操作可做到一體化。②該機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)不高、穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)便、便于清理，從而大大減少垃圾處理過(guò)程中所帶來(lái)的資金和資源問(wèn)題。③使用該裝置可大大減少垃圾掩埋和焚燒造成的環(huán)境污染，同時(shí)該裝置可對(duì)垃圾進(jìn)行初步處理，并將部分垃圾變成養(yǎng)料。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)廚余垃圾的處理，可采用不同的裝置、不同的結(jié)構(gòu)來(lái)完成整個(gè)過(guò)程。通過(guò)研究，可得到的結(jié)論如下。①?gòu)N余垃圾處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，將徹底解決社區(qū)廚余垃圾對(duì)居民居住環(huán)境造成的影響，并確保資源回收利用，相關(guān)技術(shù)將處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。②在完成對(duì)廚余垃圾分類(lèi)普及后，還可減少餐廚垃圾的填埋量，減輕衛(wèi)生填埋場(chǎng)的填埋壓力，并能夠提高廚余垃圾的資源利用率，將廚余垃圾變廢為寶，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的循環(huán)再利用。