师敏， 杜垚森

（1.廊坊职业技术学院，河北 廊坊 065000；2.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

在经济全球化的背景下，各国之间的来往较为频繁，中国作为世界第一大贸易国，全球第二大消费市场，与其他国家的来往更为密集。而当前国外一些国家的疫情形势较为严峻，新型冠状病毒在传播的过程中不断进行变异，突变后的病毒传播的速度更快，更易感染，因此我国外防输入、内防反弹的防疫压力非常之大，疫情防控要较长时期处于一种常态下进行[1]。

在防疫常态化的环境下，口罩、一次性手套、防护服、鞋套、护目镜等防疫废弃物明显增多。与此同时，为了安全、规范、有序地做好防疫废弃物中的废弃口罩收运处置工作，阻断病毒传播渠道，各地政府纷纷要求全面设置废弃口罩专用收集桶，加强收运处置各环节管理，保障人民群众身体健康和环境安全。每个居民小区、自然村、公共场所、机关企事业单位按照人员规模和行进线路设置废弃口罩专用收集桶，收集桶数量要达到一个以上，并在外壳上用醒目字体写上“口罩回收垃圾桶”，避免与其他垃圾混合。这种方式虽然能够有效地将废弃口罩与其他垃圾分离，但是也存在一定的问题，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、杀菌的功能，具有潜在的病毒传播风险，同时单独处理加大了环卫工人的工作量，增加了回收费用。

本文通过分析当前防疫废弃物回收处理的现状和存在的问题，从防疫常态化的视角出发，研究设计了出一套防疫废弃物无害化自动处理系统，为疫情防控常态化助力。

1 目前防疫废弃物回收处理的研究现状和趋势

目前已有多种针对废弃口罩回收的装置，其中龙泉市起超医疗器械有限公司发明了一种一次性口罩安全回收装置[2]，该装置通过机械传动使人在扔废弃口罩时垃圾桶会对握把进行消毒，防止交叉感染，并通过两步操作使废弃口罩掉落收集，起到防护作用，但是该装置没有废弃口罩消毒功能。洛阳魔盒物联科技有限公司公开了一种废弃口罩消毒回收机，该回收机是采用在回收机内部上端安装紫外线灯的方式进行消毒，利用紫外线破坏细菌病毒，达到消毒的目的，但是并未详细阐明采用紫外线消毒，其杀菌率能够达到多少，同时并未说明废弃口罩达到多少时才进行消杀。江苏某公司在2020年2月公开了多种废弃口罩回收箱：第一种废弃口罩回收箱，具有双侧投递口，可满足多人投递；第二种太阳能智能口罩回收箱具有感应投口，并在箱体内部安装臭氧发生器，进行杀菌；第三种智能口罩回收箱同样采用了臭氧杀菌，并新增防盗隔板进行防盗。此外已有研究针对防疫废弃物的新型垃圾桶设计构思，该构思的创新点主要体现在投递口和密封方式上，比如用简易剪切刀破损口罩等潜在威胁物品，采用指纹锁上锁。

综上所述，现有研究大多针对废弃口罩的回收处理，对于防疫废弃物安全无害化处理的揭示有限，因此，研究防疫废弃物的无害化处理，有效阻断病毒传播，提高处理效率，降低处理费用，满足日益增多的防疫废弃物处理需求，将会是当前的研究方向。

2 防疫废弃物无害化自动处理系统的设计

2.1 设计要点

本研究设计的防疫废弃物无害化自动处理系统处理量为日均100 kg，该处理量是以某学院每周一次全员核酸检测产生的防疫废弃物为基准。采用立方体单筒竖立布置的结构形式，系统总体设计由两大部分组成，分别为机械结构和智能控制系统，其中机械结构设计包括4个部分：破碎单元、消毒单元、收集单元、其他结构部分，智能控制系统设计包括远程监控单元和本地控制单元[3]，系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

本研究设计的防疫废弃物无害化自动处理系统的动力由太阳能电池板连续提供，不需要额外接入电源，节约能源的同时，还提升了整个系统的可移动性，不受外接电源位置的限制。设计完成后该系统集自动破碎、自动定量消毒、自动控制回收、远程监控等功能为一体，能够实现防疫废弃物的自动化、精细化和有序化收集处理。

2.2 机械结构设计

为了提高防疫废弃物无害化自动处理系统的处理量，且便于内部其他结构单元的安装与布置，机械结构总体设计为内外层竖直长方体形。内层为收集单元，外层为外壳，内外层之间布置破碎单元的驱动直流电动机、收集单元的驱动出料电动机、封口机构、消毒液圆管及其控制阀。消毒液单元挂置于外壳的右侧壁上。整个结构高为1 m，宽为0.65 m，长为0.85 m。结构设计紧凑，符合人体工程学。机械结构设计如图2所示。

图2 防疫废弃物无害化自动处理系统机械结构总图

2.2.1 收集单元

收集单元包括长方体形状的内壳，用一块内壳分隔板将内壳分为上下腔体结构，分隔板上开有长方形漏料口，用于将破碎后的防疫废弃物通过漏料口落入到内壳的下腔体，内壳下腔体的右侧板下部开有废料出口，外壳右侧板的下部开有一落料口，废料出口和落料口之间通过一根方形短筒连接，方形短筒伸出外壳，且其末端的落料口安装有一扇可以打开的废料门。

为了避免工作人员在开废料门回收时造成二次污染，收集单元中设计了密封打包机构，具体为在方形短筒中套一方形内筒，内筒中套有回收袋，方形内筒的上方开有可通过上加热杆的开口，与上加热杆相对应的下加热块安装在方形内筒的内侧壁。需要密封时，封口机构的传动机构带动上加热杆移动，与下加热块接触，将回收袋封口，如图3所示。

图3 收集单元结构设计图

漏料口上安装有两扇对开的落料门，一扇落料门上安装有电磁锁，另一扇落料门上安装有吸附铁，通常情况下两扇落料门被电磁锁锁上，内壳上下腔体均处于密闭状态，如图4所示。

图4 落料门俯视图

下腔体中安装有推板，推板的直线压缩防疫废弃物碎屑运动由出料直流电动机提供，当下腔体中的防疫废弃物碎屑达到一定量时，出料电动机带动推板运动，将防疫废弃物碎屑压实。为了使防疫废弃物碎屑能够更顺利地进入下腔体，内壳上腔体下部内侧壁安装一圈导流板，导流板与内壳内侧壁呈30°角，如图5所示。

图5 导流板俯视图

2.2.2 破碎单元

将防疫废弃物破碎可以缩小废弃物体积，使消毒更加彻底[4]。因此破碎是本研究设计的防疫废弃物无害化自动处理系统的关键功能之一。

本研究设计的破碎单元中实现废弃物破碎的机构是一对相互啮合的圆柱辊刀，分别为主动辊刀和从动辊刀，如图6所示。主动辊刀与从动辊刀一前一后平行安装于内壳上部，主动辊刀通过同步带将动力传递给从动辊刀，如图7所示。在工作时，主动辊刀和从动辊刀相对转动，主动辊刀和从动辊刀上都具有均匀错列15°分布的辊刀片，通过辊刀片的相互啮合进行切割破碎。辊刀片材料选用高强度氮化钢，对医用口罩、防护服、口罩中的软钢丝、防护面罩、防护眼镜等都有很好的破碎效果。工作时，主动辊刀转速为100 r/min，破碎能力为2 kg/min。

图6 圆柱辊刀

图7 破碎单元结构

2.2.3 消毒单元消毒是防疫废弃物无害化处理的一个至关重要的环节。目前常用的废弃物消毒方式有紫外线、高温、75%乙醇、3%～5%的酚或煤酚皂溶液、0.1%～0.2%苯扎溴铵、干粉消毒剂及含氯消毒剂[5]。考虑到该防疫废弃物无害化自动处理系统是置于户外使用，为了最大程度地避免对人员伤害和对环境的破坏，我们采用低浓度的含氯消毒剂，同时选用密封性好、不易腐蚀、坚固耐用的HDPE（高密度聚乙烯）材料作为消毒液箱材料。为了实现对破碎后的废弃物100%消杀，本研究设计采用雾化消毒液的方式，降低消毒液的雾化滴度，使消毒液更易附着在破碎后的废弃物上，并充分渗透到破碎废弃物的材料内部。

消毒液箱的形状可以采用任意形状，将其固定于外壳右侧板上。消毒液箱的下方安装雾化微型泵组，通过雾化微型泵组对消毒液雾化加压。在外壳右侧板上开消毒液出口，将消毒液出口与消毒液箱下端的消毒液箱出口对准，收集单元的内壳上安装消毒液雾化喷嘴，雾化喷嘴的位置处于破碎单元的辊刀下方，消毒液雾化喷嘴与消毒液箱出口通过一根消毒液圆管连接，消毒液圆管上安装流量控制阀，用来控制消毒液流量。

2.2.4 其他结构设计

其他结构设计主要包括内壳的固定支撑结构设计和顶盖的结构设计。

为了使内壳得到稳固支撑，内壳的固定支撑结构设计为上下支撑结构。上部支撑结构为在外壳的内壁上端安装一块矩形盘，矩形盘上开有用来固定内壳的凹槽，内壳的上部装有两块L形板，L形板下端的凸台嵌合到内壳的凹槽内。下部支撑结构为在外壳的底部内侧设计一支撑台，通过支撑台支撑内壳。

顶盖结构设计为一长方形板，中央开有一抛物口，顶盖的上面开有能够镶嵌太阳能电池板的槽，并安装顶盖锁。在通常情况下，顶盖被锁上，以避免工作人员以外的人随意打开，保护系统的安全性，也避免了系统内部的防疫废弃物暴露在空气中，污染环境。

2.3 智能控制系统设计

智能控制系统分为远程监控和本地控制。

采用物联网远程监控[6]，大区域范围内实时监控多个防疫废弃物无害化自动处理系统，智能运维。报警联动，防疫废弃物无害化自动处理系统损坏、移位、非正常工作（比如破碎单元不工作）等事件发生时，传感器信号通过NBIOT网络发送到物联网平台，平台再将数据发送到监控中心，由监控中心调度工作人员到现场实际勘察和维护。

本地控制主要为电气控制单元控制防疫废弃物无害化自动处理系统的破碎、消毒、挤压出料、封口动作[7]。

电气控制单元的电力由太阳能电池板提供，红外传感器、质量传感器、破碎单元动作传感器、满料传感器的感应信号发送到控制模块，控制模块根据相应的信号控制消毒单元的微型泵组、消毒液控制阀、直流电动机、出料电动机、封口电动机的动作。

2.4 工作过程

防疫废弃物通过抛弃口掉入内壳，被内壳内侧壁安装的红外传感器感应到，红外传感器将信号发送给破碎单元的直流电动机，直流电动机启动，驱动主动辊刀和从动辊刀开始转动，主动辊刀与从动辊刀对投入的防疫废弃物进行破碎。

当破碎后的防疫废弃物质量达到质量传感器所设定的质量时，消毒单元启动，微型泵组工作，消毒液控制阀打开，消毒喷嘴进行喷雾消毒，喷雾与碎废弃物接触20 min后，隔板上的漏料口打开，已消毒的废料从漏料口落入内壳下面的腔体。出料电动机驱动其上的推板将废料全部从内壳下面的腔体中推出，落入回收袋中。

工作人员需要取出回收袋时，首先按动控制面板上的封口按钮，回收袋被封口，接着打开废料门，取出方形内筒，将方形内筒上套着的回收袋拿出，全程不与废弃物接触，最大限度地保护了工作人员的安全。

3 结语

本文从防疫废弃物无害化处理出发，研究设计防疫废弃物无害化自动处理系统，其中主要包括机械结构设计和智能控制系统设计。其中机械结构中的破碎单元可以将防疫废弃物破碎成碎片状；消毒单元设计为雾化喷嘴消毒，使消毒液与碎废弃物充分接触，杀灭病毒和细菌。智能控制系统融入智慧物联网技术，将本地控制与远程监控相结合，实现智能联动、实时监测、统计分析功能。本防疫废弃物无害化自动处理系统结构紧凑、智能化程度高，经实验验证破碎能力强、消毒能力强、日处理量高，能够满足当前防疫常态化环境下日渐增多的防疫废弃物无害化处理的需求，具有推广和应用价值。

图8 物联网远程控制方案