防疫廢棄物無害化自動處理系統的設計與研究

師敏， 杜垚森

（1.廊坊職業技術學院，河北 廊坊 065000；2.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

在經濟全球化的背景下，各國之間的來往較為頻繁，中國作為世界第一大貿易國，全球第二大消費市場，與其他國家的來往更為密集。而當前國外一些國家的疫情形勢較為嚴峻，新型冠狀病毒在傳播的過程中不斷進行變異，突變后的病毒傳播的速度更快，更易感染，因此我國外防輸入、內防反彈的防疫壓力非常之大，疫情防控要較長時期處于一種常態下進行[1]。

在防疫常態化的環境下，口罩、一次性手套、防護服、鞋套、護目鏡等防疫廢棄物明顯增多。與此同時，為了安全、規范、有序地做好防疫廢棄物中的廢棄口罩收運處置工作，阻斷病毒傳播渠道，各地政府紛紛要求全面設置廢棄口罩專用收集桶，加強收運處置各環節管理，保障人民群眾身體健康和環境安全。每個居民小區、自然村、公共場所、機關企事業單位按照人員規模和行進線路設置廢棄口罩專用收集桶，收集桶數量要達到一個以上，并在外殼上用醒目字體寫上“口罩回收垃圾桶”，避免與其他垃圾混合。這種方式雖然能夠有效地將廢棄口罩與其他垃圾分離，但是也存在一定的問題，比如目前的口罩回收垃圾桶通常是采用普通垃圾桶，因此不具有密封、消毒、殺菌的功能，具有潛在的病毒傳播風險，同時單獨處理加大了環衛工人的工作量，增加了回收費用。

本文通過分析當前防疫廢棄物回收處理的現狀和存在的問題，從防疫常態化的視角出發，研究設計了出一套防疫廢棄物無害化自動處理系統，為疫情防控常態化助力。

1 目前防疫廢棄物回收處理的研究現狀和趨勢

目前已有多種針對廢棄口罩回收的裝置，其中龍泉市起超醫療器械有限公司發明了一種一次性口罩安全回收裝置[2]，該裝置通過機械傳動使人在扔廢棄口罩時垃圾桶會對握把進行消毒，防止交叉感染，并通過兩步操作使廢棄口罩掉落收集，起到防護作用，但是該裝置沒有廢棄口罩消毒功能。洛陽魔盒物聯科技有限公司公開了一種廢棄口罩消毒回收機，該回收機是采用在回收機內部上端安裝紫外線燈的方式進行消毒，利用紫外線破壞細菌病毒，達到消毒的目的，但是并未詳細闡明采用紫外線消毒，其殺菌率能夠達到多少，同時并未說明廢棄口罩達到多少時才進行消殺。江蘇某公司在2020年2月公開了多種廢棄口罩回收箱：第一種廢棄口罩回收箱，具有雙側投遞口，可滿足多人投遞；第二種太陽能智能口罩回收箱具有感應投口，并在箱體內部安裝臭氧發生器，進行殺菌；第三種智能口罩回收箱同樣采用了臭氧殺菌，并新增防盜隔板進行防盜。此外已有研究針對防疫廢棄物的新型垃圾桶設計構思，該構思的創新點主要體現在投遞口和密封方式上，比如用簡易剪切刀破損口罩等潛在威脅物品，采用指紋鎖上鎖。

綜上所述，現有研究大多針對廢棄口罩的回收處理，對于防疫廢棄物安全無害化處理的揭示有限，因此，研究防疫廢棄物的無害化處理，有效阻斷病毒傳播，提高處理效率，降低處理費用，滿足日益增多的防疫廢棄物處理需求，將會是當前的研究方向。

2 防疫廢棄物無害化自動處理系統的設計

2.1 設計要點

本研究設計的防疫廢棄物無害化自動處理系統處理量為日均100 kg，該處理量是以某學院每周一次全員核酸檢測產生的防疫廢棄物為基準。采用立方體單筒豎立布置的結構形式，系統總體設計由兩大部分組成，分別為機械結構和智能控制系統，其中機械結構設計包括4個部分：破碎單元、消毒單元、收集單元、其他結構部分，智能控制系統設計包括遠程監控單元和本地控制單元[3]，系統的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

本研究設計的防疫廢棄物無害化自動處理系統的動力由太陽能電池板連續提供，不需要額外接入電源，節約能源的同時，還提升了整個系統的可移動性，不受外接電源位置的限制。設計完成后該系統集自動破碎、自動定量消毒、自動控制回收、遠程監控等功能為一體，能夠實現防疫廢棄物的自動化、精細化和有序化收集處理。

2.2 機械結構設計

為了提高防疫廢棄物無害化自動處理系統的處理量，且便于內部其他結構單元的安裝與布置，機械結構總體設計為內外層豎直長方體形。內層為收集單元，外層為外殼，內外層之間布置破碎單元的驅動直流電動機、收集單元的驅動出料電動機、封口機構、消毒液圓管及其控制閥。消毒液單元掛置于外殼的右側壁上。整個結構高為1 m，寬為0.65 m，長為0.85 m。結構設計緊湊，符合人體工程學。機械結構設計如圖2所示。

圖2 防疫廢棄物無害化自動處理系統機械結構總圖

2.2.1 收集單元

收集單元包括長方體形狀的內殼，用一塊內殼分隔板將內殼分為上下腔體結構，分隔板上開有長方形漏料口，用于將破碎后的防疫廢棄物通過漏料口落入到內殼的下腔體，內殼下腔體的右側板下部開有廢料出口，外殼右側板的下部開有一落料口，廢料出口和落料口之間通過一根方形短筒連接，方形短筒伸出外殼，且其末端的落料口安裝有一扇可以打開的廢料門。

為了避免工作人員在開廢料門回收時造成二次污染，收集單元中設計了密封打包機構，具體為在方形短筒中套一方形內筒，內筒中套有回收袋，方形內筒的上方開有可通過上加熱桿的開口，與上加熱桿相對應的下加熱塊安裝在方形內筒的內側壁。需要密封時，封口機構的傳動機構帶動上加熱桿移動，與下加熱塊接觸，將回收袋封口，如圖3所示。

圖3 收集單元結構設計圖

漏料口上安裝有兩扇對開的落料門，一扇落料門上安裝有電磁鎖，另一扇落料門上安裝有吸附鐵，通常情況下兩扇落料門被電磁鎖鎖上，內殼上下腔體均處于密閉狀態，如圖4所示。

圖4 落料門俯視圖

下腔體中安裝有推板，推板的直線壓縮防疫廢棄物碎屑運動由出料直流電動機提供，當下腔體中的防疫廢棄物碎屑達到一定量時，出料電動機帶動推板運動，將防疫廢棄物碎屑壓實。為了使防疫廢棄物碎屑能夠更順利地進入下腔體，內殼上腔體下部內側壁安裝一圈導流板，導流板與內殼內側壁呈30°角，如圖5所示。

圖5 導流板俯視圖

2.2.2 破碎單元

將防疫廢棄物破碎可以縮小廢棄物體積，使消毒更加徹底[4]。因此破碎是本研究設計的防疫廢棄物無害化自動處理系統的關鍵功能之一。

本研究設計的破碎單元中實現廢棄物破碎的機構是一對相互嚙合的圓柱輥刀，分別為主動輥刀和從動輥刀，如圖6所示。主動輥刀與從動輥刀一前一后平行安裝于內殼上部，主動輥刀通過同步帶將動力傳遞給從動輥刀，如圖7所示。在工作時，主動輥刀和從動輥刀相對轉動，主動輥刀和從動輥刀上都具有均勻錯列15°分布的輥刀片，通過輥刀片的相互嚙合進行切割破碎。輥刀片材料選用高強度氮化鋼，對醫用口罩、防護服、口罩中的軟鋼絲、防護面罩、防護眼鏡等都有很好的破碎效果。工作時，主動輥刀轉速為100 r/min，破碎能力為2 kg/min。

圖6 圓柱輥刀

圖7 破碎單元結構

2.2.3 消毒單元消毒是防疫廢棄物無害化處理的一個至關重要的環節。目前常用的廢棄物消毒方式有紫外線、高溫、75%乙醇、3%～5%的酚或煤酚皂溶液、0.1%～0.2%苯扎溴銨、干粉消毒劑及含氯消毒劑[5]。考慮到該防疫廢棄物無害化自動處理系統是置于戶外使用，為了最大程度地避免對人員傷害和對環境的破壞，我們采用低濃度的含氯消毒劑，同時選用密封性好、不易腐蝕、堅固耐用的HDPE（高密度聚乙烯）材料作為消毒液箱材料。為了實現對破碎后的廢棄物100%消殺，本研究設計采用霧化消毒液的方式，降低消毒液的霧化滴度，使消毒液更易附著在破碎后的廢棄物上，并充分滲透到破碎廢棄物的材料內部。

消毒液箱的形狀可以采用任意形狀，將其固定于外殼右側板上。消毒液箱的下方安裝霧化微型泵組，通過霧化微型泵組對消毒液霧化加壓。在外殼右側板上開消毒液出口，將消毒液出口與消毒液箱下端的消毒液箱出口對準，收集單元的內殼上安裝消毒液霧化噴嘴，霧化噴嘴的位置處于破碎單元的輥刀下方，消毒液霧化噴嘴與消毒液箱出口通過一根消毒液圓管連接，消毒液圓管上安裝流量控制閥，用來控制消毒液流量。

2.2.4 其他結構設計

其他結構設計主要包括內殼的固定支撐結構設計和頂蓋的結構設計。

為了使內殼得到穩固支撐，內殼的固定支撐結構設計為上下支撐結構。上部支撐結構為在外殼的內壁上端安裝一塊矩形盤，矩形盤上開有用來固定內殼的凹槽，內殼的上部裝有兩塊L形板，L形板下端的凸臺嵌合到內殼的凹槽內。下部支撐結構為在外殼的底部內側設計一支撐臺，通過支撐臺支撐內殼。

頂蓋結構設計為一長方形板，中央開有一拋物口，頂蓋的上面開有能夠鑲嵌太陽能電池板的槽，并安裝頂蓋鎖。在通常情況下，頂蓋被鎖上，以避免工作人員以外的人隨意打開，保護系統的安全性，也避免了系統內部的防疫廢棄物暴露在空氣中，污染環境。

2.3 智能控制系統設計

智能控制系統分為遠程監控和本地控制。

采用物聯網遠程監控[6]，大區域范圍內實時監控多個防疫廢棄物無害化自動處理系統，智能運維。報警聯動，防疫廢棄物無害化自動處理系統損壞、移位、非正常工作（比如破碎單元不工作）等事件發生時，傳感器信號通過NBIOT網絡發送到物聯網平臺，平臺再將數據發送到監控中心，由監控中心調度工作人員到現場實際勘察和維護。

本地控制主要為電氣控制單元控制防疫廢棄物無害化自動處理系統的破碎、消毒、擠壓出料、封口動作[7]。

電氣控制單元的電力由太陽能電池板提供，紅外傳感器、質量傳感器、破碎單元動作傳感器、滿料傳感器的感應信號發送到控制模塊，控制模塊根據相應的信號控制消毒單元的微型泵組、消毒液控制閥、直流電動機、出料電動機、封口電動機的動作。

2.4 工作過程

防疫廢棄物通過拋棄口掉入內殼，被內殼內側壁安裝的紅外傳感器感應到，紅外傳感器將信號發送給破碎單元的直流電動機，直流電動機啟動，驅動主動輥刀和從動輥刀開始轉動，主動輥刀與從動輥刀對投入的防疫廢棄物進行破碎。

當破碎后的防疫廢棄物質量達到質量傳感器所設定的質量時，消毒單元啟動，微型泵組工作，消毒液控制閥打開，消毒噴嘴進行噴霧消毒，噴霧與碎廢棄物接觸20 min后，隔板上的漏料口打開，已消毒的廢料從漏料口落入內殼下面的腔體。出料電動機驅動其上的推板將廢料全部從內殼下面的腔體中推出，落入回收袋中。

工作人員需要取出回收袋時，首先按動控制面板上的封口按鈕，回收袋被封口，接著打開廢料門，取出方形內筒，將方形內筒上套著的回收袋拿出，全程不與廢棄物接觸，最大限度地保護了工作人員的安全。

3 結語

本文從防疫廢棄物無害化處理出發，研究設計防疫廢棄物無害化自動處理系統，其中主要包括機械結構設計和智能控制系統設計。其中機械結構中的破碎單元可以將防疫廢棄物破碎成碎片狀；消毒單元設計為霧化噴嘴消毒，使消毒液與碎廢棄物充分接觸，殺滅病毒和細菌。智能控制系統融入智慧物聯網技術，將本地控制與遠程監控相結合，實現智能聯動、實時監測、統計分析功能。本防疫廢棄物無害化自動處理系統結構緊湊、智能化程度高，經實驗驗證破碎能力強、消毒能力強、日處理量高，能夠滿足當前防疫常態化環境下日漸增多的防疫廢棄物無害化處理的需求，具有推廣和應用價值。

圖8 物聯網遠程控制方案