小型餐廚廢棄物處置設施的研發設計

陳超

摘 ?要：為解決餐廚廢棄物的小型化、輕量化處理問題，通過引入某小型處置設施采購項目進行餐廚廢棄物處理工藝要求、基本處理流程的分析，采用高強度研磨器、熱過載保護器與密封結構進行廢棄物研磨工藝優化，圍繞攪拌器、攪拌容器兩部分進行連續反應釜內部反應條件控制，基于高溫發酵過程進行加熱器內部結構設計，并采用新型過濾分離材料進行油水分離機改進設計，最終實現餐廚垃圾處置設施的小型化、高性能、可靠性設計，滿足垃圾就地處置需求。將該項目研發設計經驗進行總結，能夠為同類項目中裝置設計及采購環節提供重要參考。

關鍵詞：餐廚廢棄物;結構設計;控制系統

近年來餐廚垃圾無害化處理與回收利用成為環保行業新興業務點，然而現有廢棄物處置設施因存在占地空間大、處置效率低、運行過程不穩定、續航能力差等普遍問題，嚴重影響環保政策普及效率。基于此，亟需對現有廢棄物處置設施進行小型化設計，滿足小規模、就地處置需求，為同類處置設施的應用推廣提供現實借鑒意義。

1 工藝流程研究

以某小型餐廚廢棄物就地處置設施采購項目為例，根據餐廚廢棄物基本成分與環保部門處置要求，其處理目標在于實現對餐廚廢棄物的破碎、脫渣及脫水處理[1]。具體來說，由專用運輸車輛將餐廚廢棄物集中收集、投放至進料口內，經由一級提升機運送至分流器內，完成物料分離處理，并分別輸送至5個一級反應釜內;在反應釜內完成物料處理，分別通過兩級絞龍、分揀裝置將未完全粉碎的固體物料剔除;剩余液體物料經由二級提升機進入二級反應釜，經由化合反應后完成產品生產;再將余下物料運送至粉碎機內，將沉淀物質粉碎成末，余下液態物料則經由三級提升機運送至分離器中，留待后續實現油水分離。基于上述流程，可基本實現對餐廚廢棄物的減量化處理，在此基礎上整合客戶要求與以往設計經驗進行設備結構方案的設計，整體處置設施由主體框架、固液分離機、破碎機、反應釜、加熱器、油水分離機等設備組成，并利用自動控制系統實現運行過程控制。

2 設備結構設計

2.1 破碎機設計

在餐廚廢棄物處置設施進料口下方設計一個破碎裝置，基于物理研磨工藝進行固體廢棄物的研磨、粉碎處理[2]。在破碎機結構與關鍵部件設計上，選用鎳鉻合金作為研磨器制造原料，提高研磨器切割強度，并有效改善其耐腐蝕效果;在感應馬達設計上，將其轉速設為1725r/min，支持破碎硬度大、纖維結構、粘性強的多種物料，可沿正、反兩個方向旋轉，延長研磨器使用壽命，并且在馬達內部設計一個熱過載保護器，起到保護馬達作用;在破碎機內部設有3層密封結構，中間層采用彈簧油封形式設計，用于同步防范進水、漏油;在研磨腔頂端連接部位增設一個橡膠墊圈，選用雙圓錐滾子軸承與密封圈形成組合結構，用于發揮減噪、降震作用。

2.2 反應釜設計

在連續攪拌反應釜結構設計上，主要由攪拌機、攪拌容器兩部分組成，其中攪拌機采用電動馬達、轉軸、密封裝置、攪拌組件及傳動機構連接形式設計，攪拌容器采用釜體、構件及換熱元件連接形式設計。釜體選用不銹鋼制成罐形結構，容器內襯銀，供物料反應;將夾套以鋼結構形式焊接在反應釜外壁上，將試劑注入夾套中，經由內壁起到傳熱作用，形成相對密閉空間，并經由管道與電磁閥連接，通過控制電磁閥實現對注入試劑每秒流量值的調控，用于調節容器內的反應溫度;將電動馬達作為攪拌器的驅動裝置，通過調節馬達功率實現對攪拌器運轉速率的控制，保證實現反應釜內物料的均勻攪拌。在完成反應釜結構設計的基礎上，在工藝運行過程中結合溫度變化與反應速率進行反應釜內惰性物料的及時處理，維持容器內物料的平衡狀態;在補充反應釜內物料時，選擇在反應釜入口處加裝一個溫度傳感器，保證入口處與釜內溫度處于平衡狀態，避免因加入物料過量或偏少影響到反應狀態。

2.3 加熱器設計

基于菌種生物降解法進行餐廚廢棄物處理，主要利用高溫發酵過程提高廢棄物發酵速率，使菌種進入活躍狀態、與餐廚廢棄物發生反應，借此有效縮短廢棄物降解時長、提高處理效率[3]。在加熱器結構設計上，待餐廚廢棄物從反應釜運出后進入加熱器中，滾筒內物料僅占筒體容積的2/3左右，將加熱空氣注入余下1/3空間中，利用氣體與廢棄物間的溫差形成強制對流條件，促成熱量交換與傳遞。在加熱器結構設計上，筒體內部沿縱向劃分為三層結構，底層放置菌種，上方設置不銹鋼網孔隔離鋼板，在鋼板上方設計多組刀片、以垂直狀態插入鋼板表面，用于承接上方餐廚廢棄物;筒體右側連通加溫度傳感器與加熱板，對連接管道轉彎處設有骨架密封結構，與筒體接口處設置擋風罩;筒體左側上方還設有液體過濾塞，依次連接球形噴淋管、溫濕度傳感器與除臭裝置，并通過與電磁閥連接實現設備溫度控制，最終經由過濾網孔將滾筒內空氣排出。

2.4 油水分離機設計

在過濾網正下方設計油水分離機，基于波紋板聚結法進行裝置內部結構設計。在新型波紋板材的開發設計上，主要根據液體、固體界面張力平衡原理在材料表面設計一個接觸角，將固體與氣體、液體與氣體、固體與液體之間的表面張力分別設為γsv、γlv和γsl，各界面接觸角設為θ，其中當θ>90°時即可有效發揮疏水作用，則接觸角與界面張力的關系可表示為：

將上述疏水材料制成的過濾網安裝在污水處理箱前端和內部，待油水混合物從加熱器中排出后，經由污水進口進入污水處理箱中，在攔截板上開設一排洗孔，使污水勻速流經油水分離網，將油直接送入油隔離層中，其余水則進入水隔離層中，借此有效延長油水分離時間，保證實現對混合污染物的高效分離。

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

在控制系統總體結構設計上，選用MCS-51單片機、AT89S51控制器實現具體控制功能。在核心單元與元件選型設計上，單片機內部包含8位CPU、128B數據存儲器RAM、4KB Flash ROM程序存儲器、4個8位并行I/O口、1個全雙工異步串行口、2個可編程16位定時器、1個看門狗定時器、中斷系統、26個特殊功能寄存器以及3個程序加密定位鎖;溫濕度控制系統由DHT11數字溫濕度傳感器采集溫濕度數據，用于檢測滾筒內的溫濕度數值;TFT顯示模塊設有液晶顯示器，用于實現萬溫濕度、重量數據的在線實時顯示;搭配三相交流電機中設置的Fuzzy-PID控制器進行轉速調節，實現閉合回路的變頻調速功能。

3.2 軟件設計

在系統軟件流程設計上，表現為：系統啟動、開始進料，電機啟動，分別完成重量、溫濕度數值的設置與檢測，將獲取傳感器參數與標準值進行比較，判斷是否加料或啟動噴淋裝置、風機及加熱裝置等，待系統運行時長超過24h后，控制系統停止運轉，完成整體控制流程的自動化。其中步進電機由加減速調節、正反轉控制、步進角測試三項程序實現控制功能，利用傳感器將采集的溫濕度數據顯示在觸摸屏端，通過與設定值比較判斷是否需觸發相應程序及功能，實現對加熱時長、溫度的控制，并依托安裝在出口部位的紅外傳感器進行排出物料的檢測，控制輸送電機及設備啟停。

4 結論

通過基于環保行動背景進行餐廚廢棄物處置設施研發設計方案的梳理，經由結構設計、硬件選型、軟件開發等環節完成設備試制與生產。該設備投入使用后，可實現連續24h的不間斷處理作業，一次可支持處理160L體積以上的廚余垃圾，具有處理周期短、處理效率高、無二次污染、易于拆裝等性能優勢，滿足安全穩定運行需求。將該項目中研發設計經驗進行總結，能夠為同類項目采購及處置設施投入生產提供良好示范價值。

參考文獻：

[1] 張欣.餐廚垃圾處理壓濾機控制系統設計[J].科技風，2021，（21）：3.

[2] 張耀亮，王春榮，盧明，等.餐廚垃圾臭氣控制技術的研究與探討[J].園林，2020，（06）：5.

[3] 劉建偉，田洪鈺，張波，等.餐廚垃圾處理站惡臭氣體處理工程設計與運行[J].應用化工，2020，（01）：5.