上海高校“低碳天團”硬核成果 讓“垃圾”變成“寶”

人民網上海6月3日電（葛俊俊） 上海，作為我國首個進行垃圾分類立法的城市，從去年7月開始實施至今，已有10個月了。近日，上海市公布了2019年上海生活垃圾分類“年報”，數據顯示，可回收物、有害垃圾和濕垃圾分出量同比有明顯增長，而干垃圾處置量同比減少了17.5%。生活垃圾分類效果正在顯現。

在6月5日世界環境日即將到來之際，記者從上海交大獲悉，其中英國際低碳學院的三個研究團隊為垃圾分類工作帶來了硬核“低碳”成果，如“看得見”可回收物的垃圾分揀機器人助力垃圾分類、餐廚垃圾輸出電能給手機電腦充電、探索“殼中玄機”使廢棄蝦蟹殼“變身”有用資源，讓生活中隨處可見的垃圾搖身一變，成了多樣化資源。

超視覺垃圾分揀機器人 “解放”人工助力垃圾分類

這裡沒有身穿厚重工作服帶著手套、口罩，埋頭分垃圾的工人，取而代之的是不停往返的機械手以及穿插有序的輸送軌道，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的超視覺垃圾分揀機器人正在工作。

超視覺垃圾分揀機器人 

據了解，這款超視覺垃圾分揀機器人打破了國外技術壟斷，每小時可分揀垃圾5400次，大大節約了人工成本，它的“目力”很好，可以快速在大量垃圾中精准識別可回收物，助力全國垃圾分類工作，幫助環保企業技術升級。目前，這款機器人已進入產學研技術推廣階段，團隊將與國內環保頭部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。

生活垃圾來源廣、組成復雜、性狀不一。要處理數量龐大的垃圾，就意味著工人需要長時間進行工作，對工人的體力和精神力都是一項較大的考驗。“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，相當於替代了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介紹說。

“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），達到垃圾的精准定位與細分判別。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。”李佳表示。

隨著我國加速推行垃圾分類制度，全國垃圾分類工作由點到面、逐步啟動、成效初顯，46個重點城市先行先試，推進垃圾分類取得積極進展。李佳向記者算了一筆賬，以國內某中部省會城市為例，生活垃圾中，食品廢物約佔60%，紙類2%，塑料為10%，玻璃為1%﹔廢品價格中，紙類3500元/噸，塑料3000元/噸，玻璃800元/噸。其中塑料與紙類的價值最高。據此數據估算，每台設備每天正常工作20小時計算，每天可挑揀200噸垃圾，挑中率按照90%計算，可挑選紙類3.6噸，塑料類18噸，玻璃1.8噸。從而使垃圾減量約10%，減少了垃圾分類管理費用約1萬元（每噸400元計算），回收物料價值6.8萬元，每天為客戶提高收益共計7.8萬元。一年按照365天計算，將帶來可觀收益。

研發餐廚垃圾能源化系統 垃圾變身“充電寶”

都說垃圾是放錯了地方的資源，如何高效率的實現餐廚垃圾的資源化利用？每天餐桌上丟棄的餐廚垃圾又是怎樣搖身一變，為手機或者平板電腦供電的呢？

上海交大中英國際低碳學院有機廢物資源化研究團隊與新加坡國立大學合作研發的分布式餐廚垃圾能源化系統就能實現並解答這一切。重量為40kg的餐廚垃圾在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台手機充電。

移動式餐廚垃圾廢物能源化系統，所有控制單元和操作單元均集成在一個20ft的集裝箱內

該系統採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6m的移動式集裝箱內。其中，整個系統的核心是厭氧消化罐，在餐廚垃圾被泵入厭氧消化罐之前，需要經過研磨、混合等簡單操作來提高后續厭氧消化處理的效果。

“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介紹說。

餐廚垃圾產生的電能用於手機、平板電腦充電

“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。”張景新介紹說。同時，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，其產生的電能能夠為13000-26000台手機充電。

據統計，自2019年上海市全面實施垃圾分類政策后，上海市濕垃圾分出量為9200噸/日，清運量為8200噸/日，而處理量僅為5050噸/日。濕垃圾生產量的快速增長和回收資源化能力不足也成為影響城市生活環境的嚴峻問題。

“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並產生更多的能源，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。”張景新說。

探秘“殼中玄機”，廢棄蝦蟹殼產出大用途

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。

要對蝦蟹殼廢棄物的各個成分進行利用，首先要解決的是各組分提取分離的問題。從蝦蟹殼中提取甲殼素，已經有一套較為成熟的傳統工藝，通過使用鹽酸除去碳酸鈣、氫氧化鈉高溫除去蛋白質，從而獲得甲殼素組分。但是這套工藝使用了強腐蝕性的酸和鹼，對設備抗腐蝕性要求極高，並且產生大量酸鹼性工業廢水，環境危害較大、生產投入成本較高。在一些發達國家，出於環境保護方面的考量，該傳統工藝已被禁止使用，因此，開發一種綠色、環保、經濟的甲殼素提取方法是促進這類廢棄物利用的一個關鍵條先決條件。

從蝦殼提取甲殼素流程圖

中英國際低碳學院陳熙課題組和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。技術思路來源於模擬自然，對於碳酸鈣的分離，借鑒了自然界中鐘乳石的形成過程，鐘乳石中的碳酸鈣在長期的水和二氧化碳的作用下被溶解而改變形狀。

新技術採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，去除率達到95%以上。對於蛋白質的去除，類似煮肉湯的過程，通過180度高溫水使蛋白質水解脫落，整個過程隻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約一半。

目前，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台資源，為未來含氮化學品的制備提供了極具價值的新思路。