“看得見”可回收物的垃圾分揀機(jī)器人、餐廚垃圾“變身”充電寶、廢棄“蝦蟹殼”轉(zhuǎn)化為有用資源......世界環(huán)境日來臨之際，上海交通大學(xué)中英國際低碳學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)日前正式推出三項(xiàng)硬核“低碳”成果。生活中隨處可見的垃圾“搖身一變”，成了多樣化資源。
手速快、目力好、節(jié)成本
超視覺垃圾分揀機(jī)器人“解放”人工作業(yè)
無須身穿厚重工作服、埋頭分垃圾的工人，取而代之的是不停往返的機(jī)械手，從大量垃圾中精準(zhǔn)識別可回收物，通過特定輸送軌道，有序放到相應(yīng)的回收容器內(nèi)......上海交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，一款超視覺垃圾分揀機(jī)器人正在“緊張”工作。
2019年起，全國多地全面啟動生活垃圾分類工作，垃圾分類投放逐漸成為居民的“新時(shí)尚”。但目前來看，垃圾分類是一項(xiàng)工程量巨大、過程重復(fù)且枯燥的工作。要處理數(shù)量龐大的垃圾，需要工人長時(shí)間工作，對體力和精神力都具有較大考驗(yàn)。同時(shí)，生活垃圾來源廣、組成復(fù)雜、性狀不一，傳統(tǒng)分揀技術(shù)仍具有一定局限性。如何提高垃圾分揀的準(zhǔn)確率和效率，成為重要課題。
“一個(gè)超視覺垃圾分揀機(jī)器人可以高精度分揀多種不同品類的垃圾，有效分揀率可達(dá)95%，最高分揀速度5400次/小時(shí)，工作時(shí)間24小時(shí)/天。生產(chǎn)線上每套設(shè)備布置2個(gè)機(jī)械手，相當(dāng)于替代了54個(gè)分揀工人的工作量。” 該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交大中英國際低碳學(xué)院副教授李佳說。
“我們通過機(jī)器視覺中的三種主流識別傳感系統(tǒng)，即CCD視覺、激光視覺、近紅外視覺相耦合，綜合判斷目標(biāo)物的外部特征(顏色、形狀、紋理等)與內(nèi)部特征(材質(zhì))，達(dá)到垃圾的精準(zhǔn)定位與細(xì)分判別;通過free-model的超視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各品類、各形狀、各表面材料的樣品識別，無需逐個(gè)注冊樣品3D模型，極大降低部署時(shí)間和成本;通過軌跡優(yōu)化算法，讓機(jī)械臂走最優(yōu)路徑，顯著提升分揀節(jié)拍;同時(shí)配合機(jī)器人軌跡跟蹤算法及抓、放算法的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)垃圾的自動分揀，完全代替人工，提高處理效率。”李佳說。
據(jù)介紹，這款機(jī)器人由上海交大中英國際低碳學(xué)院固體廢棄物資源化技術(shù)與智能裝備團(tuán)隊(duì)研發(fā)。目前，這款機(jī)器人已進(jìn)入產(chǎn)學(xué)研技術(shù)推廣階段，團(tuán)隊(duì)將與國內(nèi)環(huán)保企業(yè)對接合作與共同開發(fā)，使超視覺垃圾分揀機(jī)器人更快進(jìn)入市場應(yīng)用。
垃圾原地“變”能源
餐廚垃圾能源化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”
重量為40kg的餐廚垃圾，投入系統(tǒng)內(nèi)的厭氧消化罐后，經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，隨后轉(zhuǎn)化為電力和熱力，其輸出的電能大約可供1000臺手機(jī)充電......上海交通大學(xué)推出的分布式餐廚垃圾能源化系統(tǒng)，讓廚余垃圾“搖身一變”，成了日常使用的電子設(shè)備“充電寶”。
據(jù)悉，這款系統(tǒng)采用了臨近垃圾產(chǎn)生源頭的原位處理方式，將所有處理和能源轉(zhuǎn)化設(shè)備集中在一個(gè)長為6米的移動式集裝箱內(nèi)，克服了遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)谋锥恕?ldquo;按照特定的比例將厭氧微生物和餐廚垃圾混合后，在厭氧消化系統(tǒng)中，餐廚垃圾將會分解成沼氣，隨后沼氣通過熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成電力和熱力，而這些產(chǎn)生的電能就可以直接輸出為附近人群提供手機(jī)充電以及其他服務(wù)。”該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交大中英國際低碳學(xué)院副教授張景新說。
張景新介紹，就其應(yīng)用性而言，餐廚垃圾可以通過該系統(tǒng)產(chǎn)生電能，且厭氧消化過程中產(chǎn)生的富含營養(yǎng)物質(zhì)的消化物可進(jìn)一步加工作為肥料。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)通過對系統(tǒng)的調(diào)試和研究表明，整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的電能和熱能能夠滿足其自身工作需要的電能熱能。
“餐廚垃圾的組成成分影響著系統(tǒng)的發(fā)電量，當(dāng)組分中碳?xì)浠衔?、蛋白質(zhì)、脂肪的含量越高時(shí)，產(chǎn)生的沼氣越多，從而產(chǎn)生的電能也越多。”張景新表示，經(jīng)過模擬計(jì)算，該系統(tǒng)處理一噸的餐廚垃圾的發(fā)電量為200-400kWh，換算下來，能夠?yàn)?3000-26000臺手機(jī)充電。
張景新補(bǔ)充說，厭氧消化系統(tǒng)可以有效減少有機(jī)廢物和城鎮(zhèn)溫室氣體的排放并產(chǎn)生更多的能源，提高資源利用效率。在實(shí)現(xiàn)廢棄處理的同時(shí)，最小化自然資源、能源的消耗以及二次污染，將線性經(jīng)濟(jì)的概念轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的特大城市模式。
據(jù)介紹，該系統(tǒng)由上海交大中英國際低碳學(xué)院有機(jī)廢物資源化研究團(tuán)隊(duì)、新加坡國立大學(xué)合作研發(fā)，以雙方聯(lián)合承擔(dān)的“超大城市的能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展解決方案”Create-E2S2項(xiàng)目為基礎(chǔ)。目前，系統(tǒng)已經(jīng)在新加坡國立大學(xué)率先應(yīng)用，有一套系統(tǒng)正在上海交通大學(xué)中英低碳學(xué)院試運(yùn)行，旨在為城市發(fā)展中有機(jī)廢物的能源化處理和擴(kuò)大化商業(yè)化應(yīng)用提供有力基礎(chǔ)。
探秘“殼中玄機(jī)”
廢棄“蝦蟹殼”也可產(chǎn)出“大用途”
當(dāng)前，螃蟹、小龍蝦等水產(chǎn)已成為餐桌上最受歡迎的食材之一。人們在享用美食的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的蝦蟹殼廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有800-1000萬噸的蝦蟹殼垃圾產(chǎn)生，大部分蝦蟹殼被當(dāng)作垃圾直接丟棄或填埋，在環(huán)境降解過程中，它們釋放出大量二氧化碳和氮氧化物，在一定程度上助長了溫室氣體的額外排放。
上海交大中英國際低碳學(xué)院陳熙課題組、新加坡國立大學(xué)顏寧課題組合作，成功開創(chuàng)了一種溫和、無污染的新技術(shù)來處理蝦蟹殼垃圾。據(jù)悉，新技術(shù)采用高壓二氧化碳為一種綠色酸試劑，在水中溶解蝦蟹殼中的碳酸鈣，去除率可達(dá)95%以上。另一方面，對于殼上蛋白質(zhì)成分的去除，則通過180度高溫水使蛋白質(zhì)水解脫落。
有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，上述處理過程僅使用了二氧化碳和水兩種試劑，幾乎沒有污染物產(chǎn)生，且成本低廉，兩步處理后甲殼素的純度可達(dá)90%以上。通過成分和碳排放計(jì)算，這項(xiàng)新技術(shù)比傳統(tǒng)工藝能夠減少碳排量80%，總體成本也為傳統(tǒng)工藝的一半左右。
據(jù)悉，蝦蟹殼中的主要成分包括碳酸鈣、甲殼素和蛋白質(zhì)，是天然可再生資源，蘊(yùn)含亟待開發(fā)的巨大價(jià)值。例如，碳酸鈣可被用作建筑材料、造紙?zhí)畛鋭┑?，蛋白質(zhì)可以被用作動物飼料;甲殼素是世界上儲量最大的生物質(zhì)資源之一，是一種具有重要價(jià)值的高分子，有望替代或補(bǔ)充化石資源路徑為現(xiàn)代社會提供重要化工和醫(yī)用產(chǎn)品。
該項(xiàng)目組有效將蝦蟹殼中的成分進(jìn)行分離和提取，并開發(fā)了綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的新技術(shù)，將提取的甲殼素成功轉(zhuǎn)化為重要化學(xué)品，真正實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。目前，團(tuán)隊(duì)已開發(fā)多種新型路徑轉(zhuǎn)化甲殼素制備20余種不同的含氮化學(xué)品。相關(guān)技術(shù)已申請專利，不久后將進(jìn)行中試研究。海洋廢棄蝦蟹殼有望像石化資源一樣，成為一種可制備多種化學(xué)品的平臺資源，為未來含氮化學(xué)品的制備提供極具價(jià)值的新思路。(李依環(huán))
