上海交大「低碳天團」硬核成果讓「垃圾」變成「寶」

「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，在6月5日世界環境日即將到來之際，上海交大中英國際低碳學院的三個研究團隊帶來硬核「低碳」成果，讓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——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的超視覺垃圾分揀機器人正在工作。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準識別可回收物，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。

手速快，每小時分揀垃圾5400次

垃圾分類是一項工程量巨大、過程重複且枯燥的工作，源頭分類任重道遠。通常收儲後，工人需要用手將可回收的物品從大量垃圾中揀選出來，不但不衛生，也存在一定的危險。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。

生活垃圾來源廣、組成複雜、性狀不一，傳統的礦物分選技術如篩分、跳汰分選、重力分選、渦電流分選等，均具有一定的局限性，組合流程複雜、優化難度大，且需要較多的人工參與，無法滿足垃圾分類的需求，急需有效的新技術作為補充。

如何才能提高垃圾分揀的準確率和效率？機器人技術和人工智慧是傳統垃圾處理的好幫手。只要有電，它們就能夠無止境地工作下去，十分適合大量、重複性、長時間作業。在減少資源浪費的同時又可以提高工人的工作質量和健康狀況。同時還將提高以二次原材料身份重新進入生產過程的回收廢物的速度和質量，從而減少對全新原材料的需求以及與這些原材料的製造和提取相關的汙染和碳排放。

「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。

目力好，打破國際技術壟斷精準識別可回收物

垃圾分揀機器人的開發涉及光學、機械、控制、軟體等多學科技術體系，其技術壁壘非常之高。當前國內垃圾分揀自動化水平普遍偏低，自動化分揀設備嚴重匱乏。國產垃圾分揀設備主要集中在中低端產品，高端分揀機器人市場被國外廠商壟斷。國外主流分揀機器人設備廠商依靠其技術壟斷，制定嚴重畸形的市場價格，單臺設備通常都在人民幣500萬到1000萬元之間。

李佳副教授團隊依託國家自然科學基金、國家863高科技計劃等項目，數年來產學研聯合攻關，相繼突破混雜物料圖像快速識別、高速精準面雷射空間定位、近紅外指紋材質識別、多維信息耦合聯用、機器人快速軌跡跟蹤等十餘項關鍵技術，實現了垃圾精細分揀機器人的核心技術國產化，開發出與國外產品基本處於同一個水平的產品，打破了垃圾智能分揀技術的國際壟斷。

「我們通過機器視覺中的三種主流識別傳感系統，即CCD視覺、雷射視覺、近紅外視覺相耦合，綜合判斷目標物的外部特徵（顏色、形狀、紋理等）與內部特徵（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，無需逐個註冊樣品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。

節成本，助力全國垃圾分揀、推進企業技術升級

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。2019年起，全國地級及以上城市全面啟動生活垃圾分類工作，到2020年底46個重點城市將基本建成垃圾分類處理系統，2025年底前全國地級及以上城市將基本建成垃圾分類處理系統。超視覺垃圾分揀機器人可以為全國垃圾分揀工作降低不少成本，也可通過垃圾回收，為環保企業增加收益。

李佳向記者算了一筆帳，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，每臺設備每天正常工作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。

而且在研發過程中，李佳副教授團隊積極與業界同行企業緊密合作，非常注重產學研結合和技術推廣，已將多項關鍵技術、關鍵部件用於這些企業的技術改造、產品升級，並產生了數千萬元的經濟效益。下一步，團隊將與國內環保頭部企業對接合作與共同開發，以期使超視覺垃圾分揀機器人更快的進入市場應用。

餐廚垃圾能源化系統將垃圾變身手機、電腦「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後，經過厭氧發酵產生沼氣，隨後轉化為電力和熱力，其輸出的電能大約可供1000臺手機充電。

該分布式餐廚垃圾能源化系統在上海交通大學與新加坡國立大學聯合承擔的重大國際合作項目「超大城市的能源與環境可持續發展解決方案」Create-E2S2項目的支持下，已經在新加坡國立大學率先應用，目前有一套系統正在上海交通大學中英低碳學院試運行，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了有力的基礎。

多處理單元組合，廢物原地變能源

餐廚垃圾的來源非常分散，傳統的做法是經過垃圾車收集後進行集中式處理。長距離的運輸帶來了高昂的成本，且運輸過程中車輛帶來的廢氣排放，垃圾散發的臭氣等一系列問題也影響著居民的生活環境和健康，而緩解這一問題的方法之一就是儘量減少餐廚垃圾的遠距離運輸。

團隊研發的分布式餐廚垃圾能源化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的移動式貨櫃內。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後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後，在厭氧消化系統中，餐廚垃圾將會分解成沼氣，隨後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。

能量利用效率高，實現系統自我供電

餐廚垃圾可以通過該分布式餐廚垃圾能源化系統產生電能，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。但其中，電能和熱能的轉化和利用效率高低是團隊研究者們十分關注的一個問題，這也直接決定著整個系統實用性和經濟性。

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。由於微生物作用需要保持在一定的最適溫度下，沼氣能源化產生的熱量將通過加熱水來使厭氧消化罐保持恆溫。同時，系統產生的電能也遠大於貨櫃內燈光、風扇、泵、攪拌器等其他設施的耗電量，剩餘的電能將被儲存在電池中，用於其他用途。

「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臺手機充電。

 

處理能力提升，推進系統廣泛應用

目前，在新加坡國立大學食堂附近應用該分布式餐廚垃圾能源化系統的結果表明，40kg餐廚垃圾足夠供1000臺手機充電。考慮到餐廚垃圾生產量的差異，團隊對系統在200kg和400kg的餐廚垃圾處理量的情況下進行實驗測試，提高系統的每日處理能力，以滿足該系統在不同的處理量下均能有良好的處理效果和能源化效率。

數據顯示，新加坡的溼垃圾回收率僅為18%。自2019年上海市全面實施垃圾分類政策後，上海市溼垃圾分出量為9200噸/日，清運量為8200噸/日，而處理量僅為5050噸/日。溼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汙染，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。

交大團隊探秘「殼中玄機」，廢棄蝦蟹殼產出大用途

各式各樣的海鮮水產已經成為餐桌上受大眾歡迎的食材，其中螃蟹、小龍蝦是受青睞的品種之一。一條金槍魚大約70%~80%的部分可食用，而甲殼類蝦蟹的可食用部分通常為40%~50%，其餘的重量大都集中在不可食用的殼上，人們在享用美食的同時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。

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。比如，碳酸鈣可以被用作建築材料、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；甲殼素天然地含有碳元素和氮元素，且結構較為均一，為多種多樣的含氮化學品的製備提供了一個天然的可再生資源平臺，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。

 

從自然界中獲啟示，突破甲殼素提取關鍵技術

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。

上海交大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汙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，借鑑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，整個過程只使用了二氧化碳和水兩種試劑，幾乎沒有汙染物產生，且成本低廉，兩步處理後甲殼素的純度可達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。

「變廢為寶」利用甲殼素「煉製」高附加值化學品

有了從蝦蟹殼中提取甲殼素的綠色技術後，就可以著手開發利用甲殼素製備重要化學品的技術。現代社會生活離不開各種各樣的化學品，尤其是含有氮元素的化學品。例如，用來捕集二氧化碳的吸收劑乙醇胺、用來製衣料的尼龍，都是含氮化學品。在醫藥領域，85%的最暢銷藥物都是含氮化合物。目前，含氮化學品的工業製備主要原料為不可再生化石資源（提供碳元素），而氮元素的來源是合成氨工藝。合成氨工藝是氮氣和大量氫氣在高溫高壓下的反應，能耗大、碳排高。假如能夠利用蝦蟹殼廢棄物中的甲殼素為單一原料，製備乙醇胺、含氮藥物等，不僅會縮短反應路徑、提高效率，而且會大大降低碳排放和總體能耗，是一項革新性的節能減排綠色工藝。

甲殼素轉化的關鍵技術是催化劑的開發。催化劑，被譽為化工界的「神奇魔術師」，能夠化腐朽為神奇，使新反應發生、反應條件更溫和、反應選擇性提高。課題組利用貴金屬納米催化劑一步轉化加氫甲殼素得到了乙醯乙醇胺化學品，它可以用於捕集二氧化碳、製作染料、藥物等。甲殼素轉化的另一個重要技術是預處理，甲殼素高分子存在很強的分子間和分子內作用力，本身是比較難轉化的，通過篩選建立了甲殼素的球磨預處理方法，採用一顆顆金屬小球的機械力，將甲殼素分子「打碎」之後再進行轉化，從而使反應可以在更溫和的條件下發生。通過結合預處理和硼酸催化劑體系，成功將甲殼素高分子轉化為了一種含氮呋喃化學品，而這種含氮中間體是合成抗癌藥物的重要原料。目前已開發多種新型路徑轉化甲殼素製備20餘種不同的含氮化學品。相關技術已申請專利，不久後將進行中試研究，海洋廢棄蝦蟹殼有望像石化資源一樣，成為一種可製備多種化學品的平臺資源，為未來含氮化學品的製備提供了極具價值的新思路。

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