垃圾分類技術(shù)綜述

代亞平

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 廣東廣州 510000）

1 垃圾是什么

生活垃圾是人們經(jīng)常接觸的東西，是人類生產(chǎn)生活的產(chǎn)物，從人類的產(chǎn)生開始即開始產(chǎn)生垃圾。在早期原始時期，經(jīng)濟條件落后，生產(chǎn)水平低下，此時的生活垃圾還屬于原始的、環(huán)境可以自己消耗的廢棄物。然而經(jīng)濟水平發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)得到較大改進，大量物質(zhì)合成產(chǎn)生新的材料和物品，生產(chǎn)生活中的垃圾種類繁多，材質(zhì)來源廣泛，此時，丟棄的垃圾再也無法在環(huán)境中自我消耗，從而使得丟棄的垃圾在環(huán)境中堆積，且越積越多，最后垃圾泛濫，成為污染環(huán)境的一種公害。

從字面意義看，垃圾是暫時失去利用價值、無法直接利用的廢棄物，是生產(chǎn)生活中丟棄的不被需要的部分，是工業(yè)文明的產(chǎn)物和結(jié)果。實際上，垃圾“產(chǎn)量”高已經(jīng)是城市環(huán)境管理中的重要問題，農(nóng)村產(chǎn)生的垃圾的增長也逐漸成為破壞農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的重要制約因素。

早期，垃圾處理技術(shù)還未廣泛利用，垃圾堆放是主要的手段，由于堆放總量過大，全國大部分的大中城市被城外的垃圾包圍，不但影響城市的市容，而且污染環(huán)境，影響人類生存，成為嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)害。垃圾隨意堆放，其滲濾的廢水進入地下地表水及土壤，可揮發(fā)性物質(zhì)進入大氣中，污染土壤、水和大氣，破壞植物的生長環(huán)境，且間接危害人體健康，且一些有害物質(zhì)進入大氣中直接被人類呼吸進體內(nèi)，直接對人體產(chǎn)生危害。

隨著垃圾對人類生活的影響日益凸顯，人類與垃圾之間開始了斗智斗勇。直接堆放已經(jīng)嚴(yán)重影響人類生活，人類已經(jīng)開始關(guān)注家庭生活的品質(zhì)，垃圾填埋場應(yīng)運而生。垃圾填埋場的建設(shè)通常選擇在偏遠地帶，四面環(huán)山，但隨著城市規(guī)模的擴展，早期建設(shè)的垃圾填埋場已經(jīng)不能滿足日益增長的垃圾的需要，且占據(jù)了城市擴張的土地，加速了垃圾填埋場退出歷史舞臺。垃圾焚燒技術(shù)是一項徹底減量的技術(shù)，垃圾通過焚燒可以將有機成分轉(zhuǎn)化為氣體，產(chǎn)生有限的灰渣，通過對氣體和灰渣進行無害化處理后可以加以利用。

2 進行垃圾分類的原因

垃圾是放錯地方的寶貝。隨著人們對垃圾成分的了解及資源日益匱乏的加劇，對垃圾的分類回收再利用的需求日益迫切，同時，隨著垃圾產(chǎn)生量的增多，日益凸顯的環(huán)境問題也不容小覷，逐漸成為了制約農(nóng)村向城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要問題。通過對垃圾分類，不但可以改變城鄉(xiāng)的環(huán)境，而且可以促進資源的回收再利用，提高城市建設(shè)質(zhì)量，改善生態(tài)建設(shè)。因此，垃圾分類技術(shù)應(yīng)運而生。垃圾分類的實施改變以往眉毛胡子一把抓的局面，根據(jù)垃圾的性質(zhì)和再利用的特點對其進行分類，可以避免以往垃圾混亂難以處理，或者處理方法簡單粗暴不符合可持續(xù)發(fā)展理念。

常見的垃圾分類包括不可回收和可回收垃圾，廚余垃圾和非廚余垃圾。垃圾分類的形式為常規(guī)的家庭、個人分類，還有統(tǒng)一收運處理前的集中分類。以集中分類為例，可以根據(jù)垃圾的性質(zhì)，將垃圾分為濕垃圾、金屬垃圾、塑料垃圾、灰渣等。在具體操作時，產(chǎn)生了各種技術(shù)和手段。具體來說，常見的分類方式包括針對有害垃圾的分類，如丟掉的血壓計、廢棄的電池、報廢的溫度計、丟棄的熒光燈、丟棄的油漆、失效的藥品及其包裝物、過期的殺毒劑等；針對易腐敗垃圾的分類，如食堂、賓館、飯店等產(chǎn)生的廚余垃圾，肉菜市場等產(chǎn)生的殘余物；針對可回收物的分類，如廢棄的金屬、廢棄的紙、廢棄的包裝、廢舊的紡織物、廢塑料、廢棄電子電器產(chǎn)品等。以上各類均設(shè)置專門的存儲容器，實現(xiàn)單獨分類收集和收運。

3 垃圾分類的專利技術(shù)

3.1 相關(guān)專利申請量情況分析

對一些國家的專利申請量對比，從結(jié)果中可以得知，專利申請量排序依次為中國、日本、韓國、德國、美國、俄羅斯、法國。對2003—2021年期間各個國家的專利申請量變化趨勢進行分析可知，中國的專利申請量基本呈逐年增加的趨勢，從2008年開始，其申請量就遠遠大于其他國家；而日本關(guān)于垃圾分類的專利申請較早，隨后每年申請量變化較小，基本呈穩(wěn)定的趨勢；其他國家的專利申請情況也基本呈穩(wěn)定量小的趨勢。

3.2 國內(nèi)專利申請情況分析

通過檢索，對垃圾分類的國內(nèi)專利申請人進行分析可以看出，企業(yè)的申請量居首位，其次是個人，然后依次是大專院校、機關(guān)團體、科研單位。

從國內(nèi)省市排名看，福建、湖北、四川、上海、北京、安徽、山東、浙江、廣東、江西的相關(guān)專利申請量依次呈遞增趨勢，其與經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r也有一定關(guān)聯(lián)性。

3.3 技術(shù)路線

3.3.1 第一階段

垃圾分類技術(shù)最早公布的專利申請為1936年，來自德國的JEAN ETIENNE FELIX CAMBESSUDES于1935年申請了一種涉及用于家庭垃圾分揀裝置的改進［1］，對家用垃圾進行分揀，改進裝置設(shè)置用于夾持和排出軟制品、用于回收廢織物和紙張的收集器，還設(shè)置有旋轉(zhuǎn)磁分離器，根據(jù)待分離對象的特性，設(shè)置針對性的分離裝置的結(jié)構(gòu)。1973年，來自美國的公司在荷蘭申請了一種垃圾處理工藝［2］，在空氣分級機中將垃圾分類成兩類，利用磁選機分離出重金屬，利用振動器從殘留物中篩選出玻璃，熱解剩余的部分；通過裙式輸送機將垃圾中的報紙和紙板進行分揀。該申請人陸續(xù)在美國、荷蘭、德國、法國、日本、澳大利亞等國家申請了專利，同時，在多個國家獲得了保護，這是關(guān)于垃圾分類的專利中第一次獲得多國保護的專利，體現(xiàn)了該公司的專利布局和保護意識，以及在海外風(fēng)險控制的意識。1974年，來自瑞典的申請人PLATMANUFAKTUR AB申請了一種固體廢棄物分類的裝置［3］，將垃圾先粉碎，然后從中分離金屬材料并進行分類收集。該申請人也陸續(xù)在瑞典、德國、日本、美國進行了專利申請。至此，上述專利申請都是著重在于對收集后的垃圾進行統(tǒng)一分選處理，部分專利也公開針對某種特定的物品進行針對性地處理和回收有用的成分，核心點仍然在于終端控制。且上述時間段內(nèi)的專利申請主要在于分選回收垃圾中的金屬、紙質(zhì)等再生價值較大的成分。

3.3.2 第二階段

1984年，來自美國的ERTLEY HOLMES E申請了一種用于廢物回收的設(shè)施［4］的發(fā)明專利申請，將垃圾從源頭分類，放入標(biāo)準(zhǔn)尺寸的袋中，并送往收集點，同時裝入袋中，以保持對垃圾的分類，直到垃圾到達回收設(shè)施。上述申請首次提出從源頭開始控制對垃圾進行分類回收，為后續(xù)的垃圾分類源頭控制提供了參考和依據(jù)。該專利申請技術(shù)方案拉開了源頭控制的序幕，從更高的層次為垃圾分類提供了思路，其源頭控制的思路在于將垃圾裝在不同的垃圾袋中，而回收設(shè)施是作為一種中轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。此后，陸續(xù)有申請關(guān)于源頭控制的專利。直到1989年，來自美國的GOSSETTDIANNE申請了垃圾容器［5］的專利申請，是首件針對垃圾分類桶設(shè)計的方案，該容器包括垃圾桶和一體式分段框架組件，將框架組件附接到垃圾桶的定邊緣，將垃圾袋固定到框架組件的每個分段的裝置中，該結(jié)構(gòu)的垃圾容器可以在一個垃圾桶中裝載不同種類的垃圾，使得家庭或者辦公場所的垃圾分類更加便利性。至此，對垃圾分類的研究開始從源頭控制著手，致力于源頭分類操作的便捷便利性，以及對垃圾桶結(jié)構(gòu)的改造以符合不同場景和要求的需要。

直到1993年，來自中國的伊五桂申請了我國的第一個關(guān)于垃圾分類裝置的實用新型專利——文明衛(wèi)生箱［6］，包括分選箱，通過活動隔板結(jié)構(gòu)將其分隔成不同的存儲空間，對垃圾進行分類堆放處理，并設(shè)置相應(yīng)的排空結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了垃圾清理的機械化。該申請人針對垃圾分類裝置申請了不同的技術(shù)方案。此后，我國關(guān)于垃圾分類的專利申請陸續(xù)產(chǎn)生，主要是集中在垃圾分類桶的結(jié)構(gòu)改進方面。

3.3.3 第三階段

1998年，來自中國的唐壓有提交了關(guān)于一種環(huán)保用具的實用新型專利申請，該種環(huán)保用具是一種會說話分類的清潔箱［7］，在垃圾筒體上設(shè)置揚聲器，紅外感應(yīng)探頭與揚聲器相連，紅外感應(yīng)探頭感應(yīng)的信號通過語音集成電路的轉(zhuǎn)換形成語音，該語音通過音頻放大電路進行放大，再通過處理后形成會說話的發(fā)聲器。當(dāng)行人需要扔垃圾時，首先經(jīng)過紅外感應(yīng)探頭進行感應(yīng)，麥克風(fēng)播音，提醒人們對手中的垃圾進行區(qū)分并實現(xiàn)分類，以提高環(huán)保意識。該專利申請通過在分類垃圾桶上集成一些智能因素，提高了垃圾分類的意識和分類效果，在垃圾分類裝置的基礎(chǔ)上，為智能控制提供了參考和依據(jù)。

隨后，來自日本的YAMADEN SEISHI KK申請了一種資源回收利用通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)［8］，該控制系統(tǒng)的可回收利用的垃圾被回收，其控制系統(tǒng)是通過通信網(wǎng)絡(luò)進行的，該裝置包括一回收資源信息數(shù)據(jù)的底座的安裝結(jié)構(gòu)，安裝盒指定信息用于指示垃圾類型和分類回收資源，收集量信息用于指示收集所回收的資源量，通信線連接部用于連接到通信網(wǎng)絡(luò)，通過通信網(wǎng)絡(luò)連接和回收資源裝置回收可回收利用的資源垃圾。

此后，關(guān)于垃圾分類智能控制的申請量陸續(xù)增加，垃圾分類裝置的智能性得以提高，為更好分類提供了技術(shù)支撐。例如，由廣東而美星空環(huán)?？萍加邢薰旧暾埖囊环N垃圾分類回收處理方法［9］，包括首先獲取得到二維碼信息，再通過軟件用戶登錄界面，識別主體的身份信息并且登錄主體的賬號，登錄成功后可遠程控制投放窗的啟動打開，投放垃圾后，系統(tǒng)將投放垃圾的重量的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)重量換算積分并匹配到相應(yīng)的用戶。由佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院申請的一種基于機器學(xué)習(xí)的垃圾分類系統(tǒng)［10］，攝像頭首先獲取得到垃圾的圖像，該圖像被圖像識別模塊進行識別并得到垃圾種類的信息，結(jié)果處理模塊然后對得到的垃圾種類的信息進行處理并且將結(jié)果顯示在屏幕上，并進行語音播報垃圾種類結(jié)構(gòu)，然后控制打開對應(yīng)的垃圾投放口投放垃圾。由江蘇叁拾柒號倉智能科技有限公司申請的一種垃圾分類視覺識別算法及其智能盒［11］，其中，識別模塊的智能識別模型是Darknet垃圾圖像的識別模型，主要負(fù)責(zé)收集圖片和處理圖片的是圖片處理模塊，該圖片處理模塊還用于視覺模塊進行識別，以便于對處理后的垃圾圖像進行識別，然后獲得垃圾類型和置信度等數(shù)據(jù)，通信模塊主要用于智能識別模塊、信息處理模塊，以及上層服務(wù)的各個模塊之間的調(diào)用與控制，依次經(jīng)過識別模塊、圖片處理模塊和通信模塊來組成一種包括對垃圾進行分類的視覺識別算法的體系，能夠使垃圾分類箱優(yōu)化為一種智能視覺識別的垃圾分類箱。又如，西安詠圣達電子科技有限公司申請的一種基于人工智能的視覺垃圾分類輔助系統(tǒng)、方法及裝置［12］，通過攝像頭檢測行人，對行人手中的垃圾進行識別，當(dāng)行人由遠及近，攝像頭采集圖像，通過識別算法的方式對攜帶的垃圾進行識別，并將識別的垃圾種類顯示在屏幕上，展示垃圾分類的結(jié)果，通過屏幕動畫指示完成對垃圾的投放。由廈門快商通科技股份有限公司申請的垃圾分類回收裝置及垃圾分類回收監(jiān)控系統(tǒng)［13］，包括轉(zhuǎn)動蓋、生物特征采集部件、箱體、物品特征采集部件和控制機構(gòu)，箱體呈開口設(shè)置，蓋體可轉(zhuǎn)動并且在垃圾箱關(guān)閉時可以遮擋開口，控制機構(gòu)與物品特征采集部件、生物特征采集部件和轉(zhuǎn)動蓋連接，生物特征采集部件與控制器連接，通過采集用戶的生物特征，將信息發(fā)送到控制機構(gòu)，物品特征采集部件采集特征數(shù)據(jù)，該特征數(shù)據(jù)是垃圾由開口進入箱體的數(shù)據(jù)，然后將采集到的特征數(shù)據(jù)發(fā)送給控制機構(gòu)，隨后，控制機構(gòu)根據(jù)采集的物品的特征數(shù)據(jù)和生物特征對垃圾進行分類回收，并且計算該使用者的垃圾分類的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)語

本文主要介紹垃圾、垃圾分類的原因和常規(guī)的類型，對垃圾分類技術(shù)相關(guān)的專利技術(shù)進行梳理，從簡單的僅靠機械構(gòu)件對垃圾進行集中分類，然后從源頭上對垃圾分類的技術(shù)進行改進，直到近期對垃圾分類的各種智能手段進行研究，總結(jié)了垃圾分類系統(tǒng)和裝置相關(guān)的技術(shù)路線，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員的研究提供一定的思路和參考。