垃圾分类技术综述
2022-03-24代亚平
代亚平
(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 广东广州 510000)
1 垃圾是什么
生活垃圾是人们经常接触的东西,是人类生产生活的产物,从人类的产生开始即开始产生垃圾。在早期原始时期,经济条件落后,生产水平低下,此时的生活垃圾还属于原始的、环境可以自己消耗的废弃物。然而经济水平发展,生产技术得到较大改进,大量物质合成产生新的材料和物品,生产生活中的垃圾种类繁多,材质来源广泛,此时,丢弃的垃圾再也无法在环境中自我消耗,从而使得丢弃的垃圾在环境中堆积,且越积越多,最后垃圾泛滥,成为污染环境的一种公害。
从字面意义看,垃圾是暂时失去利用价值、无法直接利用的废弃物,是生产生活中丢弃的不被需要的部分,是工业文明的产物和结果。实际上,垃圾“产量”高已经是城市环境管理中的重要问题,农村产生的垃圾的增长也逐渐成为破坏农村生态环境的重要制约因素。
早期,垃圾处理技术还未广泛利用,垃圾堆放是主要的手段,由于堆放总量过大,全国大部分的大中城市被城外的垃圾包围,不但影响城市的市容,而且污染环境,影响人类生存,成为严重的环境灾害。垃圾随意堆放,其渗滤的废水进入地下地表水及土壤,可挥发性物质进入大气中,污染土壤、水和大气,破坏植物的生长环境,且间接危害人体健康,且一些有害物质进入大气中直接被人类呼吸进体内,直接对人体产生危害。
随着垃圾对人类生活的影响日益凸显,人类与垃圾之间开始了斗智斗勇。直接堆放已经严重影响人类生活,人类已经开始关注家庭生活的品质,垃圾填埋场应运而生。垃圾填埋场的建设通常选择在偏远地带,四面环山,但随着城市规模的扩展,早期建设的垃圾填埋场已经不能满足日益增长的垃圾的需要,且占据了城市扩张的土地,加速了垃圾填埋场退出历史舞台。垃圾焚烧技术是一项彻底减量的技术,垃圾通过焚烧可以将有机成分转化为气体,产生有限的灰渣,通过对气体和灰渣进行无害化处理后可以加以利用。
2 进行垃圾分类的原因
垃圾是放错地方的宝贝。随着人们对垃圾成分的了解及资源日益匮乏的加剧,对垃圾的分类回收再利用的需求日益迫切,同时,随着垃圾产生量的增多,日益凸显的环境问题也不容小觑,逐渐成为了制约农村向城镇化发展的重要问题。通过对垃圾分类,不但可以改变城乡的环境,而且可以促进资源的回收再利用,提高城市建设质量,改善生态建设。因此,垃圾分类技术应运而生。垃圾分类的实施改变以往眉毛胡子一把抓的局面,根据垃圾的性质和再利用的特点对其进行分类,可以避免以往垃圾混乱难以处理,或者处理方法简单粗暴不符合可持续发展理念。
常见的垃圾分类包括不可回收和可回收垃圾,厨余垃圾和非厨余垃圾。垃圾分类的形式为常规的家庭、个人分类,还有统一收运处理前的集中分类。以集中分类为例,可以根据垃圾的性质,将垃圾分为湿垃圾、金属垃圾、塑料垃圾、灰渣等。在具体操作时,产生了各种技术和手段。具体来说,常见的分类方式包括针对有害垃圾的分类,如丢掉的血压计、废弃的电池、报废的温度计、丢弃的荧光灯、丢弃的油漆、失效的药品及其包装物、过期的杀毒剂等;针对易腐败垃圾的分类,如食堂、宾馆、饭店等产生的厨余垃圾,肉菜市场等产生的残余物;针对可回收物的分类,如废弃的金属、废弃的纸、废弃的包装、废旧的纺织物、废塑料、废弃电子电器产品等。以上各类均设置专门的存储容器,实现单独分类收集和收运。
3 垃圾分类的专利技术
3.1 相关专利申请量情况分析
对一些国家的专利申请量对比,从结果中可以得知,专利申请量排序依次为中国、日本、韩国、德国、美国、俄罗斯、法国。对2003—2021年期间各个国家的专利申请量变化趋势进行分析可知,中国的专利申请量基本呈逐年增加的趋势,从2008年开始,其申请量就远远大于其他国家;而日本关于垃圾分类的专利申请较早,随后每年申请量变化较小,基本呈稳定的趋势;其他国家的专利申请情况也基本呈稳定量小的趋势。
3.2 国内专利申请情况分析
通过检索,对垃圾分类的国内专利申请人进行分析可以看出,企业的申请量居首位,其次是个人,然后依次是大专院校、机关团体、科研单位。
从国内省市排名看,福建、湖北、四川、上海、北京、安徽、山东、浙江、广东、江西的相关专利申请量依次呈递增趋势,其与经济发展状况也有一定关联性。
3.3 技术路线
3.3.1 第一阶段
垃圾分类技术最早公布的专利申请为1936年,来自德国的JEAN ETIENNE FELIX CAMBESSUDES于1935年申请了一种涉及用于家庭垃圾分拣装置的改进[1],对家用垃圾进行分拣,改进装置设置用于夹持和排出软制品、用于回收废织物和纸张的收集器,还设置有旋转磁分离器,根据待分离对象的特性,设置针对性的分离装置的结构。1973年,来自美国的公司在荷兰申请了一种垃圾处理工艺[2],在空气分级机中将垃圾分类成两类,利用磁选机分离出重金属,利用振动器从残留物中筛选出玻璃,热解剩余的部分;通过裙式输送机将垃圾中的报纸和纸板进行分拣。该申请人陆续在美国、荷兰、德国、法国、日本、澳大利亚等国家申请了专利,同时,在多个国家获得了保护,这是关于垃圾分类的专利中第一次获得多国保护的专利,体现了该公司的专利布局和保护意识,以及在海外风险控制的意识。1974年,来自瑞典的申请人PLATMANUFAKTUR AB申请了一种固体废弃物分类的装置[3],将垃圾先粉碎,然后从中分离金属材料并进行分类收集。该申请人也陆续在瑞典、德国、日本、美国进行了专利申请。至此,上述专利申请都是着重在于对收集后的垃圾进行统一分选处理,部分专利也公开针对某种特定的物品进行针对性地处理和回收有用的成分,核心点仍然在于终端控制。且上述时间段内的专利申请主要在于分选回收垃圾中的金属、纸质等再生价值较大的成分。
3.3.2 第二阶段
1984年,来自美国的ERTLEY HOLMES E申请了一种用于废物回收的设施[4]的发明专利申请,将垃圾从源头分类,放入标准尺寸的袋中,并送往收集点,同时装入袋中,以保持对垃圾的分类,直到垃圾到达回收设施。上述申请首次提出从源头开始控制对垃圾进行分类回收,为后续的垃圾分类源头控制提供了参考和依据。该专利申请技术方案拉开了源头控制的序幕,从更高的层次为垃圾分类提供了思路,其源头控制的思路在于将垃圾装在不同的垃圾袋中,而回收设施是作为一种中转的结构。此后,陆续有申请关于源头控制的专利。直到1989年,来自美国的GOSSETTDIANNE申请了垃圾容器[5]的专利申请,是首件针对垃圾分类桶设计的方案,该容器包括垃圾桶和一体式分段框架组件,将框架组件附接到垃圾桶的定边缘,将垃圾袋固定到框架组件的每个分段的装置中,该结构的垃圾容器可以在一个垃圾桶中装载不同种类的垃圾,使得家庭或者办公场所的垃圾分类更加便利性。至此,对垃圾分类的研究开始从源头控制着手,致力于源头分类操作的便捷便利性,以及对垃圾桶结构的改造以符合不同场景和要求的需要。
直到1993年,来自中国的伊五桂申请了我国的第一个关于垃圾分类装置的实用新型专利——文明卫生箱[6],包括分选箱,通过活动隔板结构将其分隔成不同的存储空间,对垃圾进行分类堆放处理,并设置相应的排空结构,实现了垃圾清理的机械化。该申请人针对垃圾分类装置申请了不同的技术方案。此后,我国关于垃圾分类的专利申请陆续产生,主要是集中在垃圾分类桶的结构改进方面。
3.3.3 第三阶段
1998年,来自中国的唐压有提交了关于一种环保用具的实用新型专利申请,该种环保用具是一种会说话分类的清洁箱[7],在垃圾筒体上设置扬声器,红外感应探头与扬声器相连,红外感应探头感应的信号通过语音集成电路的转换形成语音,该语音通过音频放大电路进行放大,再通过处理后形成会说话的发声器。当行人需要扔垃圾时,首先经过红外感应探头进行感应,麦克风播音,提醒人们对手中的垃圾进行区分并实现分类,以提高环保意识。该专利申请通过在分类垃圾桶上集成一些智能因素,提高了垃圾分类的意识和分类效果,在垃圾分类装置的基础上,为智能控制提供了参考和依据。
随后,来自日本的YAMADEN SEISHI KK申请了一种资源回收利用通信网络控制系统[8],该控制系统的可回收利用的垃圾被回收,其控制系统是通过通信网络进行的,该装置包括一回收资源信息数据的底座的安装结构,安装盒指定信息用于指示垃圾类型和分类回收资源,收集量信息用于指示收集所回收的资源量,通信线连接部用于连接到通信网络,通过通信网络连接和回收资源装置回收可回收利用的资源垃圾。
此后,关于垃圾分类智能控制的申请量陆续增加,垃圾分类装置的智能性得以提高,为更好分类提供了技术支撑。例如,由广东而美星空环保科技有限公司申请的一种垃圾分类回收处理方法[9],包括首先获取得到二维码信息,再通过软件用户登录界面,识别主体的身份信息并且登录主体的账号,登录成功后可远程控制投放窗的启动打开,投放垃圾后,系统将投放垃圾的重量的数据上传到服务器,服务器根据重量换算积分并匹配到相应的用户。由佛山科学技术学院申请的一种基于机器学习的垃圾分类系统[10],摄像头首先获取得到垃圾的图像,该图像被图像识别模块进行识别并得到垃圾种类的信息,结果处理模块然后对得到的垃圾种类的信息进行处理并且将结果显示在屏幕上,并进行语音播报垃圾种类结构,然后控制打开对应的垃圾投放口投放垃圾。由江苏叁拾柒号仓智能科技有限公司申请的一种垃圾分类视觉识别算法及其智能盒[11],其中,识别模块的智能识别模型是Darknet垃圾图像的识别模型,主要负责收集图片和处理图片的是图片处理模块,该图片处理模块还用于视觉模块进行识别,以便于对处理后的垃圾图像进行识别,然后获得垃圾类型和置信度等数据,通信模块主要用于智能识别模块、信息处理模块,以及上层服务的各个模块之间的调用与控制,依次经过识别模块、图片处理模块和通信模块来组成一种包括对垃圾进行分类的视觉识别算法的体系,能够使垃圾分类箱优化为一种智能视觉识别的垃圾分类箱。又如,西安咏圣达电子科技有限公司申请的一种基于人工智能的视觉垃圾分类辅助系统、方法及装置[12],通过摄像头检测行人,对行人手中的垃圾进行识别,当行人由远及近,摄像头采集图像,通过识别算法的方式对携带的垃圾进行识别,并将识别的垃圾种类显示在屏幕上,展示垃圾分类的结果,通过屏幕动画指示完成对垃圾的投放。由厦门快商通科技股份有限公司申请的垃圾分类回收装置及垃圾分类回收监控系统[13],包括转动盖、生物特征采集部件、箱体、物品特征采集部件和控制机构,箱体呈开口设置,盖体可转动并且在垃圾箱关闭时可以遮挡开口,控制机构与物品特征采集部件、生物特征采集部件和转动盖连接,生物特征采集部件与控制器连接,通过采集用户的生物特征,将信息发送到控制机构,物品特征采集部件采集特征数据,该特征数据是垃圾由开口进入箱体的数据,然后将采集到的特征数据发送给控制机构,随后,控制机构根据采集的物品的特征数据和生物特征对垃圾进行分类回收,并且计算该使用者的垃圾分类的准确率。
4 结语
本文主要介绍垃圾、垃圾分类的原因和常规的类型,对垃圾分类技术相关的专利技术进行梳理,从简单的仅靠机械构件对垃圾进行集中分类,然后从源头上对垃圾分类的技术进行改进,直到近期对垃圾分类的各种智能手段进行研究,总结了垃圾分类系统和装置相关的技术路线,为相关领域的研究人员的研究提供一定的思路和参考。