智能餐厨垃圾处理系统的设计★

2022-03-24万松峰张意康

机械管理开发 2022年1期

万松峰，张意康

（东莞职业技术学院智能制造学院，广东东莞 523808）

引言

依据住建部发布的《餐厨垃圾处理技术规范标准》，餐厨垃圾的定义为餐饮垃圾和厨余垃圾的总称。我国餐厨垃圾产量在逐年增加，2020 年餐厨垃圾产生总量达12 775 万t，2021 年，餐厨垃圾的产生量持续增加。餐厨垃圾对环境和人群的危害已十分严重，是城市环境一个重要污染源，是城市主要的固体废弃物。餐厨垃圾是有机废物含量最多的组分，含水量多，有机物含量高，营养物质丰富，极易腐烂变质而造成环境污染和生态风险。餐厨垃圾易腐烂，散发出恶臭，滋生病原菌，如果处理不当，既会造成有用物质的浪费，也会危害着生态环境和人类健康，因此对餐厨垃圾处置及资源化利用的研究已引起了世界各国的普遍关注。

我国餐饮丰富，餐厨垃圾类型众多，且具有污染物和资源的双重属性。餐厨垃圾处理难度大，处理工艺相对复杂，产业投资规模大。餐厨垃圾回收处理时间长，集中回收过程容易产生二次污染。我国对餐厨垃圾的处理起步晚，与发达国家相比在管理、技术和市场等方面均存在差距，我国餐厨垃圾处理主要有填埋、焚烧、饲料化、厌氧发酵等方式，但都存在着诸多缺点。为有效实现餐厨垃圾清运工作，减少末端处理总量，防止城市环境污染，以就地、减量、资源化为基本出发点，开展餐厨垃圾源头减量处理模式与配套技术的探索意义重大。

餐厨垃圾以淀粉、纤维素、蛋白质、脂类为主，如何有针对性地立足我国餐厨垃圾自身特点，探索开发出适用于中国餐厨垃圾处理的新技术和新思路是十分必要的。针对我国目前餐厨垃圾现状，提出借助微生物菌种来分解餐厨垃圾产生有机肥，使其实现源头处就地处理，控制发酵过程恶臭物质释放，有效避免二次污染。利用微生物间的协同作用，通过优化餐厨垃圾生化降解工艺，动态控制处理条件，快速产生有机肥，实现餐厨垃圾的快速消纳和资源化，为处理设备运行参数的设定及改良提供技术参考和理论指导具有十分重要的意义。

1 系统总体方案

智能餐厨垃圾处理设备是以餐厨垃圾作为处理的原料，以市场需求为导向，基于微生物（菌种）发酵、智能控制和远程监控技术研发的高效降解餐厨垃圾的设备，实现垃圾处理无人化、自动化、智能化。

采用多菌种密封发酵技术，将餐厨垃圾产生的有机废气和臭气有效分解，全程绿色无污染，仅干燥工艺有少量废气（氨气、硫化氢、甲烷、醋酸等），废气随水蒸气经生物净化催化吸附装置处理后排放，发酵后的残渣经筛选得到有机肥，实现餐厨垃圾的绿色节能高效无污染处理。基于多菌种小型餐厨垃圾处理设备融合多学科技术，通过机械结构、智能控制与多菌种的协同作用，构建微生物（菌种）发酵环境，实现餐厨垃圾的智能处理，提高餐厨垃圾的降解率。该设备由微生物（菌种）发酵系统、机械系统、控制系统和监控系统四部分组成，设备总体系统图见图1[1-2]。

图1 设备总体系统图

智能垃圾桶可通过预约自动上门回收餐厨垃圾，用户通过扫描二维码自动开盖且称重，当餐厨垃圾达到一定重量后，通过自动导航技术将餐厨垃圾送至垃圾处理设备处，自动完成垃圾的及时处理，监控中心对设备实时监控，系统整体运行图见图2。

图2 系统整体运行图

2 工艺流程分析

微生物处理技术在国内外逐渐兴起，与其他传统处理技术相比，微生物处理技术具有较明显的优势。微生物降解处理技术是将餐厨垃圾就地处理，对于餐厨垃圾的处理较彻底，垃圾总质量会减少大约90%，残留物还可以制成有机肥料，很大程度上实现了资源的循环利用，促进了资源的节约。

充分考虑到二次污染、资源利用率、处理规模、能源损耗等问题。在发酵舱中加入菌种和餐厨垃圾，餐厨垃圾通过发酵舱转动，和菌种混合均匀后发酵。通过系统反馈精确控制温湿度、压强、发酵时间以及菌种量，实现对餐厨垃圾的高效降解。根据加热、冷凝、发酵、干燥过程的热交换和平衡分析，充分利用能量循环，实现垃圾处理过程的高效节能。通过低压加热使餐厨垃圾中多余的水分快速蒸发，水蒸气和其他气体通过分解吸附装置经检测合格排出。发酵后的残渣经筛选即可得到有机肥，餐厨垃圾工艺流程图如图3。设备自动化智能化的运行可以提高餐厨垃圾处理的效率，降低设备操作人员的劳动强度，提升处理环境的舒适度。

图3 餐厨垃圾处理工艺流程图

3 系统机构设计

设备的机械系统主要包括整体机架、智能AGV机器人、上料机构、菌种加注装置、发酵仓、搅拌机构和废气（水蒸气和其他有害气体）处理装置等，发酵舱通过底部的传动机构实现料仓的搅拌，整体机械结构图见图4。太空生物发酵舱借鉴航天器的太空生存环境，设计了适应多菌种生存、无阻滞、喷流爆炸式的混料系统。

图4 机器人控制模块软件流程图

餐厨垃圾通过AGV 机器人自动导航技术将垃圾送至上料机构处，上料机构再通过传输装置将垃圾送入发酵舱并称重，根据垃圾重量加入菌种，并根据发酵情况实时调整菌种加注量，根据混料原理设计发酵舱内部结构，通过发酵舱旋转使垃圾与物料充分混合，根据设定，工艺垃圾发酵完成后通过发酵舱反方向旋转将发酵残余物倒出，完成一个处理循环。整体工作流程图见图5。

图5 整体机械工作流程图

4 控制系统设计

设备的控制系统主要包括中央控制模块、AGV机器人控制模块、电机控制模块、压力控制模块、温湿度控制模块、油泵控制模块、气体测量模块、液体测量模块和远程监控模块等，整体控制框架图见图6。中央控制模块是整个系统的控制中心，中央控制系统负责部分模块的控制和其他各模块之间的通讯等，通过企业云实现远程监控和AGV 机器人自动导航，利用中央控制模块自带的电机控制模块实现上料、菌种加注和混料等，利用IO 模块实现其他机构控制、温湿度控制、压力控制、气体测量和液体测量等[3-5]。

图6 整体控制框架图

自动运行按钮启动后，通过远程云控制AGV 机器人将垃圾送至自动上料处，上料系统感应到有物料后自动将垃圾送入发酵舱并称重，菌种加注系统根据垃圾重量加入菌种，控制发酵舱旋转，使垃圾与物料充分混合，真空泵启动使发酵舱的压力达到设定值，加热装置启动使发酵舱温度达到设定值，根据实时监控的发酵参数和气体液体检测值动态调整发酵时间和菌种加入量，通过人工智能系统实现工艺参数的优化。发酵完成后将残渣倒出形成绿色有机肥，完成一个控制系统循环，所有运行参数可以实现远程监控，整体控制流程图见图7。