“看得見”可回收物的垃圾分揀機器人、餐廚垃圾“變身”充電寶、廢棄“蝦蟹殼”轉化為有用資源......世界環境日來臨之際，上海交通大學中英國際低碳學院科研團隊日前正式推出三項硬核“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、節成本
超視覺垃圾分揀機器人“解放”人工作業
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械手，從大量垃圾中精準識別可回收物，通過特定輸送軌道，有序放到相應的回收容器內......上海交通大學實驗室里，一款超視覺垃圾分揀機器人正在“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“新時尚”。但目前來看，垃圾分類是一項工程量巨大、過程重復且枯燥的工作。要處理數量龐大的垃圾，需要工人長時間工作，對體力和精神力都具有較大考驗。同時，生活垃圾來源廣、組成復雜、性狀不一，傳統分揀技術仍具有一定局限性。如何提高垃圾分揀的準確率和效率，成為重要課題。
“一個超視覺垃圾分揀機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95%，最高分揀速度5400次/小時，工作時間24小時/天。生產線上每套設備布置2個機械手，相當于替代了54個分揀工人的工作量。” 該項目負責人、上海交大中英國際低碳學院副教授李佳說。
“我們通過機器視覺中的三種主流識別傳感系統，即CCD視覺、激光視覺、近紅外視覺相耦合，綜合判斷目標物的外部特征(顏色、形狀、紋理等)與內部特征(材質)，達到垃圾的精準定位與細分判別;通過free-model的超視覺技術，實現各品類、各形狀、各表面材料的樣品識別，無需逐個注冊樣品3D模型，極大降低部署時間和成本;通過軌跡優化算法，讓機械臂走最優路徑，顯著提升分揀節拍;同時配合機器人軌跡跟蹤算法及抓、放算法的開發，實現垃圾的自動分揀，完全代替人工，提高處理效率。”李佳說。
據介紹，這款機器人由上海交大中英國際低碳學院固體廢棄物資源化技術與智能裝備團隊研發。目前，這款機器人已進入產學研技術推廣階段，團隊將與國內環保企業對接合作與共同開發，使超視覺垃圾分揀機器人更快進入市場應用。
垃圾原地“變”能源
餐廚垃圾能源化系統實現“變廢為寶”
重量為40kg的餐廚垃圾，投入系統內的厭氧消化罐后，經過厭氧發酵產生沼氣，隨后轉化為電力和熱力，其輸出的電能大約可供1000臺手機充電......上海交通大學推出的分布式餐廚垃圾能源化系統，讓廚余垃圾“搖身一變”，成了日常使用的電子設備“充電寶”。
據悉，這款系統采用了臨近垃圾產生源頭的原位處理方式，將所有處理和能源轉化設備集中在一個長為6米的移動式集裝箱內，克服了遠距離運輸的弊端。“按照特定的比例將厭氧微生物和餐廚垃圾混合后，在厭氧消化系統中，餐廚垃圾將會分解成沼氣，隨后沼氣通過熱電聯產系統轉變成電力和熱力，而這些產生的電能就可以直接輸出為附近人群提供手機充電以及其他服務。”該項目負責人、上海交大中英國際低碳學院副教授張景新說。
張景新介紹，就其應用性而言，餐廚垃圾可以通過該系統產生電能，且厭氧消化過程中產生的富含營養物質的消化物可進一步加工作為肥料。同時，團隊通過對系統的調試和研究表明，整個系統產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的發電量，當組分中碳氫化合物、蛋白質、脂肪的含量越高時，產生的沼氣越多，從而產生的電能也越多。”張景新表示，經過模擬計算，該系統處理一噸的餐廚垃圾的發電量為200-400kWh，換算下來，能夠為13000-26000臺手機充電。
張景新補充說，厭氧消化系統可以有效減少有機廢物和城鎮溫室氣體的排放并產生更多的能源，提高資源利用效率。在實現廢棄處理的同時，最小化自然資源、能源的消耗以及二次污染，將線性經濟的概念轉變為循環經濟，建設可持續發展的特大城市模式。
據介紹，該系統由上海交大中英國際低碳學院有機廢物資源化研究團隊、新加坡國立大學合作研發，以雙方聯合承擔的“超大城市的能源與環境可持續發展解決方案”Create-E2S2項目為基礎。目前，系統已經在新加坡國立大學率先應用，有一套系統正在上海交通大學中英低碳學院試運行，旨在為城市發展中有機廢物的能源化處理和擴大化商業化應用提供有力基礎。
探秘“殼中玄機”
廢棄“蝦蟹殼”也可產出“大用途”
當前，螃蟹、小龍蝦等水產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，也產生了大量的蝦蟹殼廢棄物。據統計，全球每年約有800-1000萬噸的蝦蟹殼垃圾產生，大部分蝦蟹殼被當作垃圾直接丟棄或填埋，在環境降解過程中，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院陳熙課題組、新加坡國立大學顏寧課題組合作，成功開創了一種溫和、無污染的新技術來處理蝦蟹殼垃圾。據悉，新技術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95%以上。另一方面，對于殼上蛋白質成分的去除，則通過180度高溫水使蛋白質水解脫落。
有關負責人介紹，上述處理過程僅使用了二氧化碳和水兩種試劑，幾乎沒有污染物產生，且成本低廉，兩步處理后甲殼素的純度可達90%以上。通過成分和碳排放計算，這項新技術比傳統工藝能夠減少碳排量80%，總體成本也為傳統工藝的一半左右。
據悉，蝦蟹殼中的主要成分包括碳酸鈣、甲殼素和蛋白質，是天然可再生資源，蘊含亟待開發的巨大價值。例如，碳酸鈣可被用作建筑材料、造紙填充劑等，蛋白質可以被用作動物飼料;甲殼素是世界上儲量最大的生物質資源之一，是一種具有重要價值的高分子，有望替代或補充化石資源路徑為現代社會提供重要化工和醫用產品。
該項目組有效將蝦蟹殼中的成分進行分離和提取，并開發了綠色、環保、經濟的新技術，將提取的甲殼素成功轉化為重要化學品，真正實現“變廢為寶”。目前，團隊已開發多種新型路徑轉化甲殼素制備20余種不同的含氮化學品。相關技術已申請專利，不久后將進行中試研究。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品的平臺資源，為未來含氮化學品的制備提供極具價值的新思路。(李依環)
