餐厨垃圾能源化系统实现“变废为宝”
2020-06-04 15:01:12 来源: 人民网

“看得见”可回收物的垃圾分拣机器人、餐厨垃圾“变身”充电宝、废弃“虾蟹壳”转化为有用资源......世界环境日来临之际,上海交通大学中英国际低碳学院科研团队日前正式推出三项硬核“低碳”成果。生活中随处可见的垃圾“摇身一变”,成了多样化资源。

手速快、目力好、节成本

超视觉垃圾分拣机器人“解放”人工作业

超视觉垃圾分拣机器人(上海交通大学供图)

无须身穿厚重工作服、埋头分垃圾的工人,取而代之的是不停往返的机械手,从大量垃圾中精准识别可回收物,通过特定输送轨道,有序放到相应的回收容器内......上海交通大学实验室里,一款超视觉垃圾分拣机器人正在“紧张”工作。

2019年起,全国多地全面启动生活垃圾分类工作,垃圾分类投放逐渐成为居民的“新时尚”。但目前来看,垃圾分类是一项工程量巨大、过程重复且枯燥的工作。要处理数量庞大的垃圾,需要工人长时间工作,对体力和精神力都具有较大考验。同时,生活垃圾来源广、组成复杂、性状不一,传统分拣技术仍具有一定局限性。如何提高垃圾分拣的准确率和效率,成为重要课题。

“一个超视觉垃圾分拣机器人可以高精度分拣多种不同品类的垃圾,有效分拣率可达95%,最高分拣速度5400次/小时,工作时间24小时/天。生产线上每套设备布置2个机械手,相当于替代了54个分拣工人的工作量。” 该项目负责人、上海交大中英国际低碳学院副教授李佳说。

“我们通过机器视觉中的三种主流识别传感系统,即CCD视觉、激光视觉、近红外视觉相耦合,综合判断目标物的外部特征(颜色、形状、纹理等)与内部特征(材质),达到垃圾的精准定位与细分判别;通过free-model的超视觉技术,实现各品类、各形状、各表面材料的样品识别,无需逐个注册样品3D模型,极大降低部署时间和成本;通过轨迹优化算法,让机械臂走最优路径,显著提升分拣节拍;同时配合机器人轨迹跟踪算法及抓、放算法的开发,实现垃圾的自动分拣,完全代替人工,提高处理效率。”李佳说。

据介绍,这款机器人由上海交大中英国际低碳学院固体废弃物资源化技术与智能装备团队研发。目前,这款机器人已进入产学研技术推广阶段,团队将与国内环保企业对接合作与共同开发,使超视觉垃圾分拣机器人更快进入市场应用。

垃圾原地“变”能源

餐厨垃圾能源化系统实现“变废为宝”

餐厨垃圾能源化系统(上海交通大学供图)

重量为40kg的餐厨垃圾,投入系统内的厌氧消化罐后,经过厌氧发酵产生沼气,随后转化为电力和热力,其输出的电能大约可供1000台手机充电......上海交通大学推出的分布式餐厨垃圾能源化系统,让厨余垃圾“摇身一变”,成了日常使用的电子设备“充电宝”。

据悉,这款系统采用了临近垃圾产生源头的原位处理方式,将所有处理和能源转化设备集中在一个长为6米的移动式集装箱内,克服了远距离运输的弊端。“按照特定的比例将厌氧微生物和餐厨垃圾混合后,在厌氧消化系统中,餐厨垃圾将会分解成沼气,随后沼气通过热电联产系统转变成电力和热力,而这些产生的电能就可以直接输出为附近人群提供手机充电以及其他服务。”该项目负责人、上海交大中英国际低碳学院副教授张景新说。

张景新介绍,就其应用性而言,餐厨垃圾可以通过该系统产生电能,且厌氧消化过程中产生的富含营养物质的消化物可进一步加工作为肥料。同时,团队通过对系统的调试和研究表明,整个系统产生的电能和热能能够满足其自身工作需要的电能热能。

“餐厨垃圾的组成成分影响着系统的发电量,当组分中碳氢化合物、蛋白质、脂肪的含量越高时,产生的沼气越多,从而产生的电能也越多。”张景新表示,经过模拟计算,该系统处理一吨的餐厨垃圾的发电量为200-400kWh,换算下来,能够为13000-26000台手机充电。

张景新补充说,厌氧消化系统可以有效减少有机废物和城镇温室气体的排放并产生更多的能源,提高资源利用效率。在实现废弃处理的同时,最小化自然资源、能源的消耗以及二次污染,将线性经济的概念转变为循环经济,建设可持续发展的特大城市模式。

据介绍,该系统由上海交大中英国际低碳学院有机废物资源化研究团队、新加坡国立大学合作研发,以双方联合承担的“超大城市的能源与环境可持续发展解决方案”Create-E2S2项目为基础。目前,系统已经在新加坡国立大学率先应用,有一套系统正在上海交通大学中英低碳学院试运行,旨在为城市发展中有机废物的能源化处理和扩大化商业化应用提供有力基础。

探秘“壳中玄机”

废弃“虾蟹壳”也可产出“大用途”

新技术处理虾蟹壳垃圾示意图(上海交通大学供图)

当前,螃蟹、小龙虾等水产已成为餐桌上最受欢迎的食材之一。人们在享用美食的同时,也产生了大量的虾蟹壳废弃物。据统计,全球每年约有800-1000万吨的虾蟹壳垃圾产生,大部分虾蟹壳被当作垃圾直接丢弃或填埋,在环境降解过程中,它们释放出大量二氧化碳和氮氧化物,在一定程度上助长了温室气体的额外排放。

上海交大中英国际低碳学院陈熙课题组、新加坡国立大学颜宁课题组合作,成功开创了一种温和、无污染的新技术来处理虾蟹壳垃圾。据悉,新技术采用高压二氧化碳为一种绿色酸试剂,在水中溶解虾蟹壳中的碳酸钙,去除率可达95%以上。另一方面,对于壳上蛋白质成分的去除,则通过180度高温水使蛋白质水解脱落。

有关负责人介绍,上述处理过程仅使用了二氧化碳和水两种试剂,几乎没有污染物产生,且成本低廉,两步处理后甲壳素的纯度可达90%以上。通过成分和碳排放计算,这项新技术比传统工艺能够减少碳排量80%,总体成本也为传统工艺的一半左右。

据悉,虾蟹壳中的主要成分包括碳酸钙、甲壳素和蛋白质,是天然可再生资源,蕴含亟待开发的巨大价值。例如,碳酸钙可被用作建筑材料、造纸填充剂等,蛋白质可以被用作动物饲料;甲壳素是世界上储量最大的生物质资源之一,是一种具有重要价值的高分子,有望替代或补充化石资源路径为现代社会提供重要化工和医用产品。

该项目组有效将虾蟹壳中的成分进行分离和提取,并开发了绿色、环保、经济的新技术,将提取的甲壳素成功转化为重要化学品,真正实现“变废为宝”。目前,团队已开发多种新型路径转化甲壳素制备20余种不同的含氮化学品。相关技术已申请专利,不久后将进行中试研究。海洋废弃虾蟹壳有望像石化资源一样,成为一种可制备多种化学品的平台资源,为未来含氮化学品的制备提供极具价值的新思路。(李依环)

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