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(hù)、實(shí)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(jìn)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(jì)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(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)帶來重大革新。因此，本研究具有較高的學(xué)術(shù)研究價值。

1 社區(qū)廚余垃圾分類與回收利用裝置的功能要求與設(shè)計方案

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(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(jī)器的處理能力，將垃圾進(jìn)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(jìn)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(jī)帶動螺旋軸從而帶動垃圾的運(yùn)動，在對垃圾進(jìn)行粉碎、碾壓和分離的同時，利用另一個電機(jī)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(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，還可作為肥料直接使用。

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

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，廚余垃圾會緩慢地進(jìn)入到螺旋軸，并在電機(jī)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(jìn)行碳化，然后電機(jī)帶動活塞桿運(yùn)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(shí)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(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程如圖2所示。

圖2 垃圾處理系統(tǒng)處理過程圖

2.1 進(jìn)給裝置

該系統(tǒng)的進(jìn)給裝置（見圖3）是由電機(jī)帶動的螺旋軸，通過電機(jī)的帶動，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，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(jìn)給運(yùn)動只由電機(jī)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(hù)管理簡單。螺旋軸的工作原理簡單，設(shè)備的維護(hù)與檢修簡單，不需要耗費(fèi)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(jī)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(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(jī)可在其輸送線路上的任一點(diǎn)進(jìn)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(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(yùn)動，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(jìn)行專業(yè)化處理，在保護(hù)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(jì)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(qiáng)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(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(dá)到一定量時，利用電機(jī)來帶動活塞桿向下運(yùn)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(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(dá)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(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，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(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(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。本研究對節(jié)約能源、改善空氣以及回收利用三個階段進(jìn)行優(yōu)化，以促進(jìn)環(huán)境的改善。隨著人口的增長，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(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(qiáng)（可激活性達(dá)到75%），是做吸附活性碳的理想材料。同時，該裝置在進(jìn)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。

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

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(diǎn)。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(jī)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(jìn)行初步處理，并將部分垃圾變成養(yǎng)料。

4 結(jié)語

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(shí)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(shí)現(xiàn)對資源的循環(huán)再利用。