随着社会经济的飞快发展，生活物质水平的不断提高，如何高效快速处理日常垃圾已成为了一个热门课题。根据调查，我国餐厨垃圾的日产量已超过2万t，其中家庭餐厨垃圾产量就达1.2万t^[1]。

目前，国内外垃圾处理的方法主要以传统的焚烧、填埋为主。新兴的堆肥、蚯蚓处理、甲烷发酵等还在小范围内试验。传统的处理方法因污染生活环境，占用大量土地资源，逐步被各国淘汰和禁止使用^[2]。新兴的堆肥法、蚯蚓处理和甲烷发酵法，对餐厨垃圾降解的利用率相对较低，同时滋生有害病菌，难以推广使用。利用生物降解餐厨垃圾的新技术，以其清洁性，高效性，已成为目前的主要发展方向之一^[3]。此外，废水的处理也极为重要，国内针对化工生产废水特性，研发了能够处理各种工业和餐厨垃圾废水的特殊耐盐菌种，解决了餐厨垃圾降解过程废水生化处理的技术问题，提高了微生物降解效率，进一步降低了餐厨垃圾的处理成本^[4-6]。

为了减少家庭餐厨垃圾对环境的污染，实现资源的合理优化使用，基于微生物菌种发酵原理和机械设计及自动化原理，研发设计了一种新型家用餐厨垃圾处理设备，通过使用该设备，使餐厨垃圾最终降解为二氧化碳、水和有机物。利用该设备机械结构与微生物菌种的有效衔接，极大提高餐厨垃圾的降解率。

1.   餐厨垃圾处理工艺流程

新型家用餐厨垃圾处理设备的工艺流程由加料、破碎、搅拌、固液分离、发酵和取料等工艺组成。加入菌种和餐厨垃圾时，餐厨垃圾通过切碎搅拌和菌种混合均匀后进行发酵，分解为二氧化碳、水和有机物，餐厨垃圾降解产生的污水在搅拌器搅拌过程中由阀门控制流入污水室进行处理。新型家用餐厨垃圾处理的工艺流程图，如图 1所示。

图  1  新型家用餐厨垃圾处理工艺流程图

Figure  1.  Flow chart of new home dining kitchen waste treatment process

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2.   设备总体设计

根据餐厨垃圾微生物降解工艺要求，研发新型家用餐厨垃圾处理设备。设备主要由传动装置、搅拌装置、加热装置以及控制系统组成等组成，总体装配结构如图 2所示。

图  2  新型垃圾处理设备图

1—外壳；2—控制面板；3—发酵桶；4—盖子；5—排气扇；6—空气过滤装置；7—破碎装置；8—保温棉；9—加热片；10—搅拌器；11—底座支撑；12—出料室；13—电机及减速器

Figure  2.  Diagram of new waste disposal equipment

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新型餐厨垃圾处理设备最大直径350 mm，高500 mm。滚筒内容积5 L。污水处理室容积0.35 L。设备电控系统总功率300 W，电源使用交流220 V转换成低压直流24 V进行供电。

设备还具有除臭功能。除臭通风装置包括除臭器和排气扇，发酵桶侧壁开孔，与外壳形成排气通道，除臭器设置于排气通道内，所述排气通道与壳体外部的排气扇外接，以使由空气进入孔进入发酵桶内的空气，经由排气通道排出。

2.1   搅拌机构设计

该设备降解餐厨垃圾采用的菌种是耗氧型菌种，影响菌种降解率的关键就是温度和供氧^[7]。新型家用餐厨垃圾采用间接的加热方式，通过电加热膜对发酵桶外壁进行加热。立式搅拌器采用混合式搅拌桨叶，搅拌轴顶部设有单边双层螺旋桨叶，底部设有刮刀片，所述单边双层螺旋桨叶和刮刀片的内外侧均开刃。这种组合既可以对餐厨垃圾进行搅拌，又可以防止发酵桶底部沉积形成搅拌死角，有利于提高餐厨垃圾处理效果。发酵桶的底部还设有骨架密封圈，用于密封发酵桶底部。

2.2   破碎机构设计

为使菌种和餐厨垃圾搅拌均匀，提高降解效率，在搅拌之前必须经过餐厨垃圾破碎处理^[8]，新型家用餐厨垃圾处理设备的破碎装置由固定座、破碎齿轮和电机3个部分组成，如图 3所示。餐厨垃圾从加料口加入时，粉碎电机高速旋转，带动破碎齿轮，将餐厨垃圾搅碎成细小颗粒，再通入下方的搅拌室，可以极大提高餐厨垃圾的降解效率。

图  3  破碎机构内部结构示意图

Figure  3.  Diagram of internal structure of crushing mechanism

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2.3   固液分离机构设计

餐厨垃圾降解时产生的污水必须及时分离，否则将大大影响餐厨垃圾的发酵和降解时间，降低餐厨垃圾的降解率^[9]。

如图 4所示，排料装置的电动阀门结构示意图。排料装置包括电动排料阀门、排料管道、小型电机和减速器，电动排料阀门设置于发酵桶底部与排料管道连通，小型电机及减速器的输出轴与电动排料阀门连接，用于控制电动排料阀门的开关。电动排料阀门的排料口为圆形，一半为带孔滤板，与阀体固定连接，另一半为实心板，与阀体中部的转动轴通过轴承与阀体固定连接，所述转动轴套接于阀体轴承中，小型电机及减速器通过驱动转动轴的转动来控制实心板的开度。

图  4  固液分离电动阀门图

Figure  4.  Solid liquid separation electric valve diagram

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3.   设备控制系统设计

3.1   控制原理

目前，餐厨垃圾控制系统主要有2类，一类是基于可编程逻辑控制器PLC进行设备控制系统设计，另一类是基于单片机控制器对设备控制系统进行设计。单片机由于使用方便、便于维护、灵活性好和具有一定的智能性等优点更为研究者喜爱。

新型家用餐厨垃圾处理设备采用单片微机控制，能进行复杂的逻辑控制，且可以实现参数显示和设定，实现多种模式进行控制，兼具稳定性强，抗干扰能力强，简单可靠等的特点^[10]，其控制原理如图 5所示。

图  5  控制原理图

Figure  5.  Control schematic

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3.2   控制流程

根据餐厨垃圾处理设备工作的工艺流程，制定该设备的控制流程图。设备控制系统主要包括温度以及时间控制。设备启动电源，处于待机状态，通过键盘设置时间、温度等参数值。设备内设置有温湿度传感器，分别对设备内的温湿度进行检测。控制流程如图 6所示。

图  6  温度控制流程图

Figure  6.  Temperature control flowchart

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3.3   控制系统

新型家用餐厨垃圾处理设备的控制系统通过温度传感器内部计时器，分别对电机、电动阀门、排气风扇和电加热膜进行控制，使用电脑利用软件Keil4编写单片微机控制程序，通过仿真器下载到多功能单片微机C8051F330芯片进行控制。设备采用正交试验，得出菌种降解餐厨垃圾时的最适宜温度是60~70 ℃，这为温度控制提供可靠的依据。通过选型，选择合适的电子元器件以及温度传感器，制作出控制面板，如图 7所示。

图  7  控制面板实物图

Figure  7.  Control panel physical diagram

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4.   样机试验与结果分析

4.1   餐厨垃圾组分

以上海应用技术大学第三食堂当天产生的餐厨垃圾作为实验研究对象，实验设置3个采样点。通过采样、检测餐厨垃圾的组成成分及各组成成分的含量，得到合理的实验数据。

通过新型餐厨垃圾处理设备搅拌将餐厨垃圾样本搅拌均匀。通过观察，餐厨垃圾的组成成分主要包括：谷类、面食、肉类和蔬菜等。抽取1 kg的餐厨垃圾作为本次实验使用的样本，使用电子秤对各组分进行称重，并计算各组分含量，见表 1。

表  1  餐厨垃圾各营养成分含量

Table  1.  The nutritional content of food and kitchen waste  %

采样点	水分	糖分	脂肪	蛋白质	盐分	其他
1	75.01	3.86	7.21	9.56	0.89	3.47
2	73.25	2.94	7.23	11.56	1.33	3.69
3	74.56	3.95	6.86	10.52	1.84	2.27
平均	74.27	3.58	7.10	10.55	1.35	3.14

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4.2   菌种介绍

本项目采用(多菌株)微生物菌种降解法，菌种是耗氧型菌种，在有氧和温度适宜的条件下，可以对餐厨垃圾各组分进行降解。在保证微生物降解技术的安全性的前提下，有效地将餐厨垃圾分解为水、二氧化碳和有机物。

4.3   样机

运用3D设计打印技术，打印出样机设备外壳，通过试验样机对新型家用餐厨垃圾处理设备的各项功能进行试验和验证，样机如图 8所示。

图  8  新型家用餐厨垃圾处理设备样机

Figure  8.  Prototype of new home dining kitchen waste treatment equipment

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4.4   垃圾降解率计算方案

设备在实际工况下运行时，设备内加入的餐厨垃圾和菌种的质量比为10:1；设定搅拌器的转速为5 r/min，设备处理垃圾的试验周期为24 h，设备搅拌采用间歇式运转，即转3 min停1 min。

检测微生物降解温度对新型餐厨垃圾设备处理垃圾的降解率, 温度范围分别在30~40 ℃、40~50 ℃、50~60 ℃、60~70 ℃和70~80 ℃时进行7 d的餐厨垃圾降解。每24 h读取设备数据1次，得到每天餐厨垃圾的减少量并计算餐厨垃圾降解率，垃圾降解率计算方法为^[11]

式中：μ为垃圾降解率，%；A为菌种的质量，kg；B为7 d后垃圾处理菌种和剩余垃圾的总质量，kg；C为连续7 d加入垃圾的总质量，kg。

4.5   试验结果与分析

设备正常工作条件下，每天定量加入菌种，木屑和餐厨垃圾，将不同温度范围下的A、B和C，代入降解率计算公式得到在各个温度范围内设备的垃圾降解率，数据如表 2所示。餐厨垃圾处理前后对比如图 9所示。

表  2  垃圾降解试验数据

Table  2.  Waste degradation test data  kg

试验时间	加入垃圾 质量	加入菌种的 质量	垃圾减少质量
			30~40 ℃	40~50 ℃	50~60 ℃	60~70 ℃	70~80 ℃
第1天	3	0.3	1.25	1.58	1.78	2.45	1.56
第2天	3	0.3	1.31	1.51	1.85	2.34	1.59
第3天	3	0.3	1.44	1.49	1.86	2.55	1.51
第4天	3	0.3	1.25	1.53	1.89	2.67	15.3
第5天	3	0.3	1.46	1.53	1.94	2.49	1.61
第6天	3	0.3	1.35	1.56	1.93	2.56	1.58
第7天	3	0.3	1.39	1.61	1.90	2.54	1.64

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图  9  垃圾处理前后对比图

Figure  9.  Before and after garbage treatment contrast chart

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由表 3中的数据可知，随着温度升高，菌种的活性增加，降解率也逐渐增加。温度超过70 ℃，菌种逐渐失去活性，垃圾降解率也急剧降低；温度在50~60 ℃时，降解效率最高。通过结果分析可知，设备在此实验温度范围内，设备与菌种的协同效果最好。

表  3  各个温度下的降解率试验数据

Table  3.  Test data of degradation rate at various temperatures

项目	温度/℃
	20~30	30~40	40~50	50~60	60~70
降解率/%	41.66	51.26	66.35	86.32	53.86

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5.   结语

针对餐厨垃圾难运输，易滋生病菌等问题，研发设计了一种新型家用餐厨垃圾处理设备，设备具有除臭、破碎、搅拌和加热等功能。设备的加热方式采用电热膜直接加热，通过保温棉进行绝热保温。设备内部整体结构简单，具有可拆性，便于加料、取料和清洗。新型家用餐厨垃圾处理设备体积小，成本低，解决了家庭日餐厨垃圾就地处理问题，符合国家环保节能的战略方针。通过设备样机的试验，将理论依据与试验数据进行分析，充分考虑温度对菌种降解餐厨垃圾的影响。将温度控制在60~70 ℃时，降解率达86.32%，有稳定的餐厨垃圾降解率。实验结果表明，新型家用餐厨垃圾处理设备机构设计合理，使用效果良好，符合国家高效降解餐厨垃圾的要求。