許雨寒 許 鋒 趙智堃 楊胡坤
(巢湖學(xué)院機械工程學(xué)院,安徽 合肥 238024)
隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)速度不斷加快,城市人口數(shù)量正在不斷增加,城市生活垃圾帶來的環(huán)境治理問題也越來越嚴(yán)重。廚余垃圾的合理分類與回收利用對環(huán)境保護、實現(xiàn)對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行處理,在對環(huán)境造成污染的同時,也對居民的身心健康造成嚴(yán)重威脅。因此,對廚余垃圾的智能無害化處理及回收利用具有重要的社會價值及經(jīng)濟價值[1]。
目前,我國市場上已出現(xiàn)了不同類型的廚余垃圾處理設(shè)備,但總體看來,其設(shè)計制造較為粗獷,智能化、自動化水平較低,人為干預(yù)的工作量大,尤其是在固體廢棄物處理方面,難以避免對環(huán)境造成傷害。針對這一問題,本研究提出對廚余垃圾進行固液分離[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)帶來重大革新。因此,本研究具有較高的學(xué)術(shù)研究價值。
本研究設(shè)計的社區(qū)廚余垃圾分類與回收利用裝置主要將垃圾進行破碎、干濕分離、油水分離,并進行初步碳化,本研究設(shè)計出的裝置要滿足以下2個要求。①結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、便于清理、處理快捷、便于移動;②能充分發(fā)揮機器的處理能力,將垃圾進行合理分類、恰當(dāng)處理,并有次序地排出,同時要保證程序穩(wěn)定、合理地進行。
本研究的社區(qū)廚余垃圾分類與回收利用裝置的設(shè)計方案如下。①利用電機帶動螺旋軸從而帶動垃圾的運動,在對垃圾進行粉碎、碾壓和分離的同時,利用另一個電機來完成對廚余垃圾的碳化處理;②在整個垃圾處理過程中會用到干濕分離、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,還可作為肥料直接使用。
社區(qū)廚余垃圾處理系統(tǒng)由電機、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(見圖1)。當(dāng)廚余垃圾倒進進料口后,在自身重力的影響下,廚余垃圾會緩慢地進入到螺旋軸,并在電機的帶動下,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)作用下會直接掉落在擠壓室的電熱絲上面,升溫后的電熱絲會將垃圾小塊進行碳化,然后電機帶動活塞桿運動,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倒出。同時,還有對污水的處理。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現(xiàn)液相(水、泔水油)分離與收集,泔水油可用于制造潤滑脂或柴油,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程如圖2所示。
圖2 垃圾處理系統(tǒng)處理過程圖
該系統(tǒng)的進給裝置(見圖3)是由電機帶動的螺旋軸,通過電機的帶動,使掉落在螺旋軸上的廚余垃圾進行一定的進給運動,選用該裝置的原因有以下5 方面。①結(jié)構(gòu)比較簡單,成本較低。螺旋軸進給運動只由電機提供動力,螺旋軸和擠壓腔的制造成本較低。②工作可靠,維護管理簡單。螺旋軸的工作原理簡單,設(shè)備的維護與檢修簡單,不需要耗費大量的人力、物力和財力。③尺寸緊湊,斷面尺寸小,占地面積小。螺旋輸送機的結(jié)構(gòu)簡單、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,也可同時向相反的兩個方向輸送。輸送過程中還可對物料進行攪拌、混合、加熱和冷卻等作業(yè)。④能實現(xiàn)密封輸送,可用于輸送易飛揚、易燃及氣味強烈的物料,在減小對環(huán)境污染的同時,也可改善作業(yè)條件。⑤裝載卸載方便。水平螺旋輸送機可在其輸送線路上的任一點進行裝載、卸載。但對于螺旋軸來說,一直與廚余垃圾接觸將會使其極易磨損,需要定期檢查更換。綜合來說,使用螺旋軸的利大于弊,所以進給裝置仍選擇電機螺旋軸組合。
圖3 進給裝置圖
油水分離器(見圖4)是利用水與燃油的密度差,在地球引力場的作用下使之發(fā)生相對運動,使油液上升、水分下降,從而實現(xiàn)油水分離的目的,實現(xiàn)液相(水、泔水油)兩相分離與收集。泔水油可用于制造潤滑脂或柴油,所分離出的污水將直接灌注到城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)中進行處理。
圖4 油水分離器
使用油水處理器具有以下4 個方面優(yōu)勢。①杜絕地溝油危害社會大眾。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。而經(jīng)過處理的廢油不存在此問題。②有利于節(jié)約能源。將油脂從廢水中分離出來,并進行專業(yè)化處理,在保護環(huán)境的同時,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,對水源和環(huán)境造成破壞,從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。④防止脂肪酸帶來的損害。溫度升高時,油脂加上空氣和污染物容易形成刺激性很強的油脂酸,對人體造成傷害。這種油脂酸也會對排水設(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,要對隔渣箱和污水管定期進行清潔,保證水流平緩、通暢,以改善隔油效果。
碳化裝置(見圖5)是利用電能將電熱絲升溫到一定的溫度(要防止溫度過高導(dǎo)致垃圾小塊粘在電熱絲上)。當(dāng)電熱絲上的垃圾達到一定量時,利用電機來帶動活塞桿向下運動,使電熱絲傾斜一定的角度,在重力的作用下,垃圾小塊會自動滑進垃圾取出抽屜中,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的位置。
圖5 碳化裝置
2.3.1 電熱絲分類。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,可達到1.60 Ω·m,這可將電能高效地轉(zhuǎn)換為熱能。從價格上來說,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,且鐵鉻鋁合金一旦壞掉,就無法繼續(xù)使用了。鎳鉻合金的優(yōu)點有很多,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)不會因高溫而改變。鎳鉻合金的輻射率很高,也不會因摩擦而產(chǎn)生磁性。鎳鉻合金還具有耐腐蝕的特性,其使用壽命很長。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比較高,所以鎳鉻合金電熱絲的售價也比其他材質(zhì)的電熱絲要高。綜上所述,在對電熱絲選擇時要考慮各方面因素,以及對電熱絲需要定期進行垃圾清理和維護保修。
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。本研究對節(jié)約能源、改善空氣以及回收利用三個階段進行優(yōu)化,以促進環(huán)境的改善。隨著人口的增長,環(huán)境壓力也越來越大,在一段時間內(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程,及早解決環(huán)境問題,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,同時還杜絕了垃圾在堆放過程中存在的發(fā)酵異味排放,以及有害液體滲漏對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,是一種新型高級燃料。同時,部分碳化后的垃圾可活化性非常強(可激活性達到75%),是做吸附活性碳的理想材料。同時,該裝置在進行垃圾碳化過程中所產(chǎn)生的有毒有害氣體,可利用特殊手段將其收集起來,但有毒有害氣體目前還沒有更好的解決方法。
本研究設(shè)計的社區(qū)廚余垃圾分類與回收利用裝置結(jié)構(gòu)有3 個創(chuàng)新點。①基本考慮到廚余垃圾的形式與狀態(tài),對油水分離、固液分離和固體碳化等操作可做到一體化。②該機器結(jié)構(gòu)簡單、造價不高、穩(wěn)定可靠、操作簡便、便于清理,從而大大減少垃圾處理過程中所帶來的資金和資源問題。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,同時該裝置可對垃圾進行初步處理,并將部分垃圾變成養(yǎng)料。
對廚余垃圾的處理,可采用不同的裝置、不同的結(jié)構(gòu)來完成整個過程。通過研究,可得到的結(jié)論如下。①廚余垃圾處理器的設(shè)計與實現(xiàn),將徹底解決社區(qū)廚余垃圾對居民居住環(huán)境造成的影響,并確保資源回收利用,相關(guān)技術(shù)將處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。②在完成對廚余垃圾分類普及后,還可減少餐廚垃圾的填埋量,減輕衛(wèi)生填埋場的填埋壓力,并能夠提高廚余垃圾的資源利用率,將廚余垃圾變廢為寶,實現(xiàn)對資源的循環(huán)再利用。