一种社区厨余垃圾分类与回收利用装置的设计

许雨寒 许 锋 赵智堃 杨胡坤

（巢湖学院机械工程学院，安徽 合肥 238024）

0 引言

随着我国城镇化建设速度不断加快，城市人口数量正在不断增加，城市生活垃圾带来的环境治理问题也越来越严重。厨余垃圾的合理分类与回收利用对环境保护、实现对废弃物的回收利用具有重要的作用。目前，厨余垃圾大多采用焚烧的方式进行处理，在对环境造成污染的同时，也对居民的身心健康造成严重威胁。因此，对厨余垃圾的智能无害化处理及回收利用具有重要的社会价值及经济价值［1］。

目前，我国市场上已出现了不同类型的厨余垃圾处理设备，但总体看来，其设计制造较为粗犷，智能化、自动化水平较低，人为干预的工作量大，尤其是在固体废弃物处理方面，难以避免对环境造成伤害。针对这一问题，本研究提出对厨余垃圾进行固液分离［2］、液液分离、固态碳化［3］、污水处理［4］等处理，给厨余垃圾的处理技术带来重大革新。因此，本研究具有较高的学术研究价值。

1 社区厨余垃圾分类与回收利用装置的功能要求与设计方案

本研究设计的社区厨余垃圾分类与回收利用装置主要将垃圾进行破碎、干湿分离、油水分离，并进行初步碳化，本研究设计出的装置要满足以下2个要求。①结构简单、稳定可靠、便于清理、处理快捷、便于移动；②能充分发挥机器的处理能力，将垃圾进行合理分类、恰当处理，并有次序地排出，同时要保证程序稳定、合理地进行。

本研究的社区厨余垃圾分类与回收利用装置的设计方案如下。①利用电机带动螺旋轴从而带动垃圾的运动，在对垃圾进行粉碎、碾压和分离的同时，利用另一个电机来完成对厨余垃圾的碳化处理；②在整个垃圾处理过程中会用到干湿分离、固态碳化、液液分离与回收等技术；③垃圾处理的最后结果是污水直接灌注到污水管网系统中进行处理，所碳化的垃圾小块在减少垃圾体积、便于直接掩埋的同时，还可作为肥料直接使用。

2 社区厨余垃圾分类与回收利用装置的结构设计

社区厨余垃圾处理系统由电机、挤压丝杠、电热丝、油水分离器、螺旋轴、垃圾碾碎腔、污水管和垃圾取出抽屉等部件组成（见图1）。当厨余垃圾倒进进料口后，在自身重力的影响下，厨余垃圾会缓慢地进入到螺旋轴，并在电机的带动下，将垃圾在垃圾碾碎腔中碾成一定的小块，垃圾小块在螺旋轴的持续作用下会直接掉落在挤压室的电热丝上面，升温后的电热丝会将垃圾小块进行碳化，然后电机带动活塞杆运动，将电热丝旋转90°，在自身重力的作用下，碳化后的垃圾小块将直接掉落在垃圾取出抽屉中，然后在物联网的控制下将垃圾自动倒出。同时，还有对污水的处理。在垃圾碾碎腔中接一根污水管，污水管的另一头连接着油水分离器，污水在油水分离器的处理下实现液相（水、泔水油）分离与收集，泔水油可用于制造润滑脂或柴油，所分离的污水将直接灌注到城市污水管网系统中进行处理。

图1 厨余垃圾处理系统

该社区厨余垃圾处理装置处理厨余垃圾的过程如图2所示。

图2 垃圾处理系统处理过程图

2.1 进给装置

该系统的进给装置（见图3）是由电机带动的螺旋轴，通过电机的带动，使掉落在螺旋轴上的厨余垃圾进行一定的进给运动，选用该装置的原因有以下5 方面。①结构比较简单，成本较低。螺旋轴进给运动只由电机提供动力，螺旋轴和挤压腔的制造成本较低。②工作可靠，维护管理简单。螺旋轴的工作原理简单，设备的维护与检修简单，不需要耗费大量的人力、物力和财力。③尺寸紧凑，断面尺寸小，占地面积小。螺旋输送机的结构简单、横截面尺寸小、密封性好、便于中间装料和卸料，输送方向可逆向，也可同时向相反的两个方向输送。输送过程中还可对物料进行搅拌、混合、加热和冷却等作业。④能实现密封输送，可用于输送易飞扬、易燃及气味强烈的物料，在减小对环境污染的同时，也可改善作业条件。⑤装载卸载方便。水平螺旋输送机可在其输送线路上的任一点进行装载、卸载。但对于螺旋轴来说，一直与厨余垃圾接触将会使其极易磨损，需要定期检查更换。综合来说，使用螺旋轴的利大于弊，所以进给装置仍选择电机螺旋轴组合。

图3 进给装置图

2.2 油水分离器

油水分离器（见图4）是利用水与燃油的密度差，在地球引力场的作用下使之发生相对运动，使油液上升、水分下降，从而实现油水分离的目的，实现液相（水、泔水油）两相分离与收集。泔水油可用于制造润滑脂或柴油，所分离出的污水将直接灌注到城市污水管网系统中进行处理。

图4 油水分离器

使用油水处理器具有以下4 个方面优势。①杜绝地沟油危害社会大众。不经处理的含油废水直接排入城市排水管道中，即会形成所谓的“地沟油”，存在着回流到餐桌、危害大众健康的风险。而经过处理的废油不存在此问题。②有利于节约能源。将油脂从废水中分离出来，并进行专业化处理，在保护环境的同时，也节约了能源。③防止管道堵塞。油脂比水轻，且不溶于水。其会在管道壁上沉积，并能粘上其他污染物，从而造成管道堵塞，对水源和环境造成破坏，从而造成严重的经济损失。④防止脂肪酸带来的损害。温度升高时，油脂加上空气和污染物容易形成刺激性很强的油脂酸，对人体造成伤害。这种油脂酸也会对排水设备、给水设备和泵站造成严重的损害。

在使用油水分离器时，要对隔渣箱和污水管定期进行清洁，保证水流平缓、通畅，以改善隔油效果。

2.3 碳化装置

碳化装置（见图5）是利用电能将电热丝升温到一定的温度（要防止温度过高导致垃圾小块粘在电热丝上）。当电热丝上的垃圾达到一定量时，利用电机来带动活塞杆向下运动，使电热丝倾斜一定的角度，在重力的作用下，垃圾小块会自动滑进垃圾取出抽屉中，在将垃圾倒出后，利用电热丝重力以及与碳化室两侧的轴连接装置和碳化室的磁力装置，使电热丝重新回到原来的位置。

图5 碳化装置

2.3.1 电热丝分类。电热丝可分为铁铬铝合金电热丝和镍铬合金电热丝。铁铬铝合金电热丝的主要元素是铁、铬、铝，这也是铁铬铝合金电热丝非常耐高温还兼具抗氧化性的原因。铁铬铝合金的耐温性非常好，即使是在1 400 ℃的环境中仍可使用。铁铬铝合金中铝的含量非常高，所以其电阻率也很高，可达到1.60 Ω·m，这可将电能高效地转换为热能。从价格上来说，铁铬铝合金比其他材料都要便宜，所以应用比较广泛。但铁铬铝合金的缺点也比较明显，如高温脆性。高温脆性使铁铬铝合金的使用寿命不长，且铁铬铝合金一旦坏掉，就无法继续使用了。镍铬合金的优点有很多，如其内部结构非常稳定，即便遇到高温环境，也可使电热丝保持原形，其结构不会因高温而改变。镍铬合金的辐射率很高，也不会因摩擦而产生磁性。镍铬合金还具有耐腐蚀的特性，其使用寿命很长。镍铬合金里面有着镍元素，属于比较稀缺的元素，导致镍铬合金电热丝的造价比较高，所以镍铬合金电热丝的售价也比其他材质的电热丝要高。综上所述，在对电热丝选择时要考虑各方面因素，以及对电热丝需要定期进行垃圾清理和维护保修。

2.3.2 碳化装置的意义。低碳的意义在于尽可能降低生活中所消耗的能量，从而减少碳元素，特别是二氧化碳的排放，减少污染，缓解生态恶化。本研究对节约能源、改善空气以及回收利用三个阶段进行优化，以促进环境的改善。随着人口的增长，环境压力也越来越大，在一段时间内，垃圾的不正确处理是导致环境恶化的主要原因，因此想要从根本上促进环境质量的提升，要从垃圾处理着手，加快垃圾处理的低碳化进程，及早解决环境问题，提升居民生活质量。

垃圾碳化技术将可燃垃圾体积减小95%以上，相比于直接填埋，该技术能够节约80%以上的占地，同时还杜绝了垃圾在堆放过程中存在的发酵异味排放，以及有害液体渗漏对大气及地下水的二次污染。垃圾碳化处理后的副产品“人造碳”中固定碳含量较高（约为90%），为一般燃煤的两倍左右（一般燃煤中固定碳含量为55%），具有良好的可燃性，是一种新型高级燃料。同时，部分碳化后的垃圾可活化性非常强（可激活性达到75%），是做吸附活性碳的理想材料。同时，该装置在进行垃圾碳化过程中所产生的有毒有害气体，可利用特殊手段将其收集起来，但有毒有害气体目前还没有更好的解决方法。

3 社区厨余垃圾分类与回收利用装置结构设计的创新与贡献

本研究设计的社区厨余垃圾分类与回收利用装置结构有3 个创新点。①基本考虑到厨余垃圾的形式与状态，对油水分离、固液分离和固体碳化等操作可做到一体化。②该机器结构简单、造价不高、稳定可靠、操作简便、便于清理，从而大大减少垃圾处理过程中所带来的资金和资源问题。③使用该装置可大大减少垃圾掩埋和焚烧造成的环境污染，同时该装置可对垃圾进行初步处理，并将部分垃圾变成养料。

4 结语

对厨余垃圾的处理，可采用不同的装置、不同的结构来完成整个过程。通过研究，可得到的结论如下。①厨余垃圾处理器的设计与实现，将彻底解决社区厨余垃圾对居民居住环境造成的影响，并确保资源回收利用，相关技术将处于国内领先地位。②在完成对厨余垃圾分类普及后，还可减少餐厨垃圾的填埋量，减轻卫生填埋场的填埋压力，并能够提高厨余垃圾的资源利用率，将厨余垃圾变废为宝，实现对资源的循环再利用。