一種基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能垃圾滲濾液處理系統(tǒng)

摘 要：設(shè)計了一種面向鄉(xiāng)村生活垃圾的智能垃圾滲濾液處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為垃圾暫存區(qū)、滲濾液處理區(qū)和最終儲存區(qū)三個模塊，各模塊采用模塊化設(shè)計，并配備自動控制和智能傳感設(shè)備。滲濾液處理區(qū)通過內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)和螺旋葉片實(shí)現(xiàn)垃圾高效脫水。系統(tǒng)還設(shè)計了白天夜間時間模式，保證垃圾處理效率的同時并節(jié)約能源。通過源頭減量和后續(xù)節(jié)能處理，系統(tǒng)可以有效減少滲濾液產(chǎn)生，為環(huán)境治理提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：垃圾滲濾液；高效脫水；鄉(xiāng)村垃圾

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）06-00-05

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快和人口聚集區(qū)域的擴(kuò)展，城市生活垃圾的產(chǎn)生量持續(xù)增長，垃圾廢液處理已成為當(dāng)前城市環(huán)境治理面臨的重要挑戰(zhàn)之一。“十三五”期間，全國規(guī)劃新增生活垃圾無害化處理能力51萬t/d[1]；步入“十四五”后，我國對于城市生活垃圾的處理提出了更高的要求，目標(biāo)是將全國城市生活垃圾的利用率提高到60%，分類收運(yùn)能力達(dá)到70萬t/d，焚燒處理能力達(dá)到80萬t/d，焚燒處理占比達(dá)到65%[2]。在垃圾帶來的污染中，濕垃圾中產(chǎn)生的廢液尤為突出。長期積累的垃圾廢液不僅容易腐敗產(chǎn)生惡臭氣體，更可能通過滲濾導(dǎo)致地下水質(zhì)量下降，給環(huán)境和公眾健康帶來更大的潛在威脅。而傳統(tǒng)的垃圾處理方式通常是直接傾倒或長期堆放，僅僅改變垃圾的物理位置，難以從源頭解決廢液問題。此外，傳統(tǒng)的廢液處理設(shè)施能力有限，無法實(shí)現(xiàn)垃圾的快速清理。

鑒于此，設(shè)計一種高效的垃圾廢液處理裝置具有重要意義。不僅可以有效解決廢液問題的源頭，緩解城市環(huán)境壓力，還能從源頭上處理垃圾，保障資源的可持續(xù)利用。本研究基于現(xiàn)有研究成果，設(shè)計了一種可行的垃圾廢液處理裝置原型，旨在探討通過技術(shù)手段更好地解決垃圾廢液問題，為城市環(huán)境治理提供有效參考。

1 研究背景

1.1 研究目的

為響應(yīng)中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳《環(huán)境整治提升五年行動方案（2021—2025年）》的號召，改善人居環(huán)境，創(chuàng)造更健康和舒適的生活環(huán)境，本文研究并開發(fā)一種高效處理垃圾廢液的裝置，以解決當(dāng)前垃圾處理中存在的問題，特別是垃圾分類不合理和垃圾處理不及時導(dǎo)致濕垃圾中的垃圾廢水長時間堆積形成的垃圾滲濾液。通過從源頭上解決垃圾處理中垃圾滲濾液的產(chǎn)生問題，彌補(bǔ)現(xiàn)有垃圾處理機(jī)制的不足；同時開發(fā)一種高效處理垃圾廢液的裝置，最大程度地減少垃圾滲濾液的產(chǎn)生，為后續(xù)處理提供便利，也為垃圾處理提供新的解決方案。

1.2 垃圾滲濾液處理現(xiàn)狀

目前，垃圾滲濾液處理方法主要分為生物處理法、物化處理法和膜處理法三類。根據(jù)知網(wǎng)引文數(shù)據(jù)庫[3]，這些方法的使用頻率從高到低依次為生物處理法、物理/化學(xué)法和膜處理工藝。

生物處理法是一種常見的垃圾滲濾液處理方法，利用微生物在需氧或厭氧條件下將有機(jī)物分解為二氧化碳，并且在此過程中完成自身的生長繁殖，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的去除。特別是對于含有高濃度有機(jī)物的滲濾液，生物處理法以其可靠性、簡單性和高成本效益而被廣泛應(yīng)用[4]。然而，運(yùn)用生物處理法處理垃圾滲濾液易產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，可能導(dǎo)致二次污染，且微生物在降解有機(jī)物的過程中需要一定的時間，會導(dǎo)致處理效率低，周期較長。

物理/化學(xué)法處理包括一系列凝聚/絮凝、吸附和化學(xué)氧化等過程，用于減少懸浮固體、膠體顆粒、漂浮物、顏色和有毒化合物。這些處理方法通常用于垃圾滲濾液的預(yù)處理或最終深度處理，以確保其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[5]。在使用化學(xué)藥劑進(jìn)行沉淀、絮凝過程中，不排除藥劑本身也包含一些有害物質(zhì)，處理或使用不當(dāng)可能會帶來更嚴(yán)重的污染。因?yàn)樵摲椒ǖ奶攸c(diǎn)，操作相對復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境要求嚴(yán)格，包括溫度、pH值等。

膜處理工藝在當(dāng)前的垃圾滲濾液工程項(xiàng)目中應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)包括裝配速度快、占地面積小、出水相對穩(wěn)定、操作運(yùn)行較簡單等特點(diǎn)。然而膜處理工藝的維護(hù)難度特別大，系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和需要定期檢查維護(hù)的耐污染的膜狀態(tài)，為膜處理工藝處理垃圾滲濾液增添了阻礙。不同類型的垃圾滲濾液可能含有不同種類和濃度的污染物，限制了膜處理工藝的適應(yīng)性，需要針對性設(shè)計和調(diào)整。

此外，社會各界依據(jù)現(xiàn)有的處理工藝仍在不斷進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新。例如，佛山水務(wù)環(huán)保股份有限公司研究了一種名為“混凝—沉淀—厭氧—好氧—MBR—臭氧—活性炭”的組合工藝[6，7]，用于處理長時間回灌的垃圾滲濾液。該工藝采用了多種環(huán)保技術(shù)，包括混凝沉淀、厭氧處理、好氧生物反應(yīng)、MBR膜技術(shù)、臭氧氧化以及活性炭吸附等[8]。

但即使目前的垃圾滲濾液處理方式不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，究其處理途徑皆在滲濾液產(chǎn)生后再進(jìn)行處理，并未在垃圾產(chǎn)生源頭處解決滲濾液產(chǎn)生問題。考慮到現(xiàn)有方式存在的不足，倘若在垃圾滲濾液的產(chǎn)生初期便對其進(jìn)行干預(yù)處理，便能夠有效減少后續(xù)過程中的能源消耗以及產(chǎn)出過程中的二次污染問題，大大降低處理成本并改善環(huán)境污染問題。因此，研究設(shè)計一種能在垃圾產(chǎn)生初期進(jìn)行滲濾液處理的裝置尤為重要。

2 滲濾液處理裝置的設(shè)計

2.1 裝置概述

本文設(shè)計了一套針對鄉(xiāng)村垃圾滲濾液處理的裝置，包括垃圾暫存區(qū)、滲濾液處理區(qū)與最終存儲區(qū)三部分，如圖1、圖2所示。

垃圾暫存區(qū)位于處理裝置的頂部，底部設(shè)置了開閉閥門，當(dāng)閥門打開時，垃圾通過管道進(jìn)入滲濾液處理區(qū)；滲濾液處理區(qū)內(nèi)部有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，外層裝有甩干裝置，內(nèi)層安裝有螺旋葉片，可以實(shí)現(xiàn)垃圾與垃圾袋的分離以及垃圾的攪拌轉(zhuǎn)送。當(dāng)垃圾達(dá)到閾值時，下方的閥門打開，垃圾進(jìn)入最底部的最終存儲區(qū)；最終存儲區(qū)位于地下，底部設(shè)有液壓升降平臺，可將儲存好的垃圾升至地面以便回收。此外，系統(tǒng)內(nèi)還安裝有傳感器和定時處理機(jī)制，以提高處理效率和保證處理質(zhì)量。

通過整體設(shè)計，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了垃圾的全自動、無人處理，既節(jié)約了人力成本，又保證了處理效率的提高。

圖1 各裝置名稱圖

圖2 裝置3D渲染圖

2.2 垃圾暫存區(qū)

暫存區(qū)設(shè)置于整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的上層，采用簡潔的桶形結(jié)構(gòu)設(shè)計。考慮到處理流程的連續(xù)性，其體積控制在適度范圍內(nèi)。

為實(shí)現(xiàn)垃圾的自動傳輸，暫存區(qū)底部設(shè)有可控開閉的活動閥門1（如圖3、圖4所示）。閥門1采用電磁驅(qū)動，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)時間自動開啟和關(guān)閉。當(dāng)垃圾數(shù)量達(dá)到一定閾值后，閥門1將在一定時間點(diǎn)打開；垃圾隨后將通過閥門1下方的管道系統(tǒng)，進(jìn)入后續(xù)處理模塊滲濾液處理區(qū)進(jìn)行處理。

該設(shè)計利用簡單而有效的桶槽式結(jié)構(gòu)，配合自動閥門控制，實(shí)現(xiàn)了垃圾的初步收集與定時傳輸；消除了人工搬運(yùn)環(huán)節(jié)、提高了處理效率；同時，管道傳輸也防止了垃圾直接外溢，從而保障整體系統(tǒng)的清潔運(yùn)行。

以上設(shè)計采用模塊化思想，通過自動控制手段實(shí)現(xiàn)垃圾的高效流轉(zhuǎn)，為后續(xù)處理奠定基礎(chǔ)，在保障運(yùn)行效率的同時也兼顧了系統(tǒng)的資源節(jié)約與環(huán)境友好屬性。

2.3 滲濾液處理區(qū)

滲濾液處理區(qū)是本系統(tǒng)重要模塊之一，其設(shè)計理念和工作原理如下：

由內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分別為內(nèi)膽和外框。外框內(nèi)壁設(shè)置有離心式抖動裝置，用于實(shí)現(xiàn)初步脫水。內(nèi)膽采用管式無軸螺旋結(jié)構(gòu)，這一設(shè)計相比傳統(tǒng)軸式結(jié)構(gòu)在處理粘性和易纏繞物料方面具有優(yōu)勢。內(nèi)膽內(nèi)安裝有螺旋葉片，葉片焊接在旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)壁上，具體構(gòu)造如圖5、圖6所示。內(nèi)膽內(nèi)采用螺旋葉片結(jié)構(gòu)，通過其攪拌推送作用，可以使垃圾在一定時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分脫水，脫水裝置的模型圖如圖7所示，從而降低濕度水平達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。為了提高垃圾與垃圾袋的分離效率，螺旋葉片上設(shè)有切割刀片結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)滾筒驅(qū)動，螺旋葉片可以對垃圾進(jìn)行有效攪拌和推送。在內(nèi)膽與外框之間設(shè)置有空氣層隔離，這有利于減少熱量傳導(dǎo)，保持內(nèi)膽內(nèi)溫度，從而促進(jìn)垃圾脫水過程。一旦垃圾脫水時間滿足要求，閥門2將自動打開（如圖2中指示），此時螺旋葉片繼續(xù)推送垃圾，使其轉(zhuǎn)入最終儲存區(qū)。該設(shè)計通過合理構(gòu)造和自動控制，實(shí)現(xiàn)了滲濾液處理區(qū)高效脫水的目的。

2.4 最終存儲區(qū)

最終儲存區(qū)是用于長期儲存已處理垃圾的關(guān)鍵模塊。該區(qū)設(shè)置于地下，采用封閉式設(shè)計。為實(shí)現(xiàn)垃圾回收的便利性，其底部安裝有液壓升降平臺。通過控制平臺升降，可以將儲存區(qū)內(nèi)垃圾升至地面，為后續(xù)回收工作提供技術(shù)支持。該設(shè)計可以完美地替代傳統(tǒng)提升機(jī)構(gòu)，以更加安靜高效的方式完成垃圾轉(zhuǎn)移任務(wù)。同時，儲存區(qū)內(nèi)還配備了雷達(dá)式填充率傳感器。該傳感器可實(shí)時監(jiān)測垃圾填充深度，一旦達(dá)到預(yù)設(shè)閾值（如箱內(nèi)面積80%填充），系統(tǒng)將自動通過信號傳輸網(wǎng)關(guān)向管理中心發(fā)送報警信息（模式圖如圖8所示）。管理中心隨后可以調(diào)度專業(yè)回收小組進(jìn)行定期清理維護(hù)工作。與人工定期巡查相比，自動監(jiān)控機(jī)制大大提高了回收效率。可實(shí)時監(jiān)測垃圾積聚情況，并且根據(jù)填充深度動態(tài)調(diào)整清理周期，既保證儲存能力，也避免浪費(fèi)人力資源；同時將處理信息數(shù)字化傳輸，也更利于后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和管理優(yōu)化。

以上設(shè)計充分發(fā)揮了智能傳感和控制技術(shù)在垃圾處理中的優(yōu)勢，有效解決了傳統(tǒng)方法在回收效率和人力成本控制等方面的不足，對提高整體系統(tǒng)運(yùn)行效率具有重要意義。

圖8 干垃圾存儲區(qū)模式圖

2.5 時間處理機(jī)制

垃圾暫存區(qū)位于系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的最上層，采用簡潔的桶形結(jié)構(gòu)，底部裝有可控開閉的活動閥門1。當(dāng)垃圾數(shù)量達(dá)到一定閾值時，閥門1將自動打開，實(shí)現(xiàn)垃圾的下移傳輸。垃圾進(jìn)入滲濾液處理區(qū)后，將通過內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)來完成脫水處理。外框內(nèi)壁設(shè)有離心式抖動裝置，實(shí)現(xiàn)初步脫水。內(nèi)膽采用管式螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋葉片上設(shè)有切割刀片，能夠有效分離垃圾與垃圾袋，進(jìn)一步提高脫水效率。通過螺旋葉片的攪拌推送，垃圾將在一定時間內(nèi)完成脫水要求，然后閥門2開啟，垃圾轉(zhuǎn)入最終儲存區(qū)。最終儲存區(qū)設(shè)置在地下，底部裝有液壓升降平臺以便回收利用。此外還配備了垃圾填充率傳感器，一旦達(dá)到預(yù)設(shè)閾值將自動報警，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控。

為提高處理效率并響應(yīng)低碳要求，系統(tǒng)設(shè)計白天與夜間兩個時間流程模式（如圖9所示）。其中，白天模式下各模塊工作間隔為1 h，夜間模式延長至2 h，旨在平衡處理效率和能耗。整套流程設(shè)計保證了垃圾一次性被完全清理，從而實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

2.6 新型處理裝置與傳統(tǒng)處理裝置的對比分析

通過對比分析，新型垃圾滲濾液處理裝置在多項(xiàng)關(guān)鍵污染物指標(biāo)上都表現(xiàn)出更為優(yōu)異的處理效果。無論是有機(jī)污染物（如COD和BOD）、營養(yǎng)物質(zhì)（如TN和TP），還是重金屬（如鉛、鎘、汞），新型裝置均顯示出更高的去除率。這表明新型裝置在垃圾滲濾液處理過程中具有顯著優(yōu)勢，更能有效地降低環(huán)境污染風(fēng)險。

3 研究意義

垃圾滲濾液問題日益嚴(yán)重，已成為當(dāng)前環(huán)境治理的重要課題。通過梳理國內(nèi)外垃圾滲濾液處理現(xiàn)狀可以看出，傳統(tǒng)處理方法存在若干不足，難以從根本上解決問題。設(shè)計一種能夠在垃圾產(chǎn)生初期進(jìn)行高效處理的裝置，對優(yōu)化垃圾處理流程和減輕環(huán)境壓力具有重要意義。

其一，可在源頭上減少垃圾滲濾液的產(chǎn)生量。相比后期處理，源頭減量更具成本效益和可持續(xù)性；其二，可完善垃圾分類處理流程。使垃圾分類處理更加系統(tǒng)化與細(xì)致，有利于垃圾資源化利用；其三，可降低后續(xù)處理難度。源頭減量后產(chǎn)生的滲濾液量和污染程度均會下降，更易于后續(xù)處理；其四，可開拓垃圾處理新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)。該裝置的研制可為相關(guān)企業(yè)提供技術(shù)支持，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級。并能可減輕環(huán)境壓力，有效減少滲濾液污染物排放，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的智能垃圾滲濾液處理系統(tǒng)將在源頭處有效減少垃圾滲濾液的產(chǎn)生，彌補(bǔ)傳統(tǒng)處理方式的不足。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各模塊通過自動控制實(shí)現(xiàn)垃圾高效流轉(zhuǎn)，特別是滲濾液處理區(qū)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和螺旋葉片實(shí)現(xiàn)垃圾高效脫水。系統(tǒng)還設(shè)計了白天夜間的時間模式，在保證處理效率的同時節(jié)約能源。此外，該系統(tǒng)將響應(yīng)國家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，為環(huán)境治理提供相關(guān)技術(shù)支撐。然而在后續(xù)過程中仍有一些值得進(jìn)一步優(yōu)化的方面，比如增加能源回收模塊，提升整體資源利用效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》（發(fā)改環(huán)資[2016]2851號）[R].

[2] 《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》（發(fā)改環(huán)資[2021]642號）[R].

[3] 丁曙東，鐘宇，苗鑫.垃圾滲濾液處理方法與工藝研究[J].廣東化工，2023，50（14）：148-150，160.

[4] 魏桃員，陳玉婷，何培弘，等.SBR工藝處理早期垃圾滲濾液的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2016，39（4）：107-113.

[5] Zouboulis A I，Chai X L，Katsoyiannis I A.The application of bioflocculant for the removal of humic acids from stabilized landfill leachates[J].Journal of Environmental Management，2004，70（1）：35-41.

[6] 陳方方，古創(chuàng)，姚春陽，等.厭氧/微濾工藝處理垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液[J].中國給水排水，2019，35（3）：117-120.

[7] 馮全祥，方藝民，李骎，等.生活垃圾滲濾液蒸發(fā)母液固化[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2023，57（11）：2277-2284.

[8] 楊培，楊立臣，胡曉娜，等.基于臭氧氧化的垃圾滲濾液深度處理工藝優(yōu)化及中試驗(yàn)證[J].水處理技術(shù)，2024，50（1）：94-99.

Design of an Intelligent Landfill Leachate Treatment System for Rural Domestic Refuse

LIU Xiao-yu， HUANG Hai-di

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou Shandong 253034，China）

Abstract： This paper designed an intelligent leachate treatment system for rural domestic waste. The system was divided into three modules： garbage temporary storage area， leachate treatment area， and final storage area. Each module featured a modular design and was equipped with automatic control and intelligent sensing equipment. The leachate treatment area achieved efficient waste dehydration through an inner and outer double-layer structure and spiral blades. Additionally， the system was designed with daytime and nighttime modes to save energy while ensuring processing efficiency. By reducing waste at the source and employing energy-saving treatment methods， the system could effectively reduce leachate production and provide technical support for environmental governance.

Key words： leachate; highly efficient dehydration; rural waste

收稿日期：2024-05-11

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（XZ202213857032）。

作者簡介：劉曉昱（2002- ），男，漢族，山東省濟(jì)寧市人，在讀本科，專業(yè)為房地產(chǎn)開發(fā)與管理。