通过测量静态角度来运输和处置固体废物

《Environmental Challenges》：Transport and discharge of solid waste by measuring static angles

静态摩擦角研究：分析不同材质市政固体废物在光滑丙烯酸和粗糙橡胶表面受含水率影响的滑动临界角。实验采用定制倾斜平台结合图像处理技术，量化木材、玻璃等5类废物在0-10%含水率下的θs值。结果显示木材θs增幅达76.2%（26.2°→46.2°），玻璃增幅203.6%（13.8°→42.0°），表面粗糙度与湿度共同作用显著影响防堵塞设计。

　　在当今城市化进程加速的背景下，城市固体废弃物（Municipal Solid Waste, MSW）的管理已成为一个日益严峻的挑战。随着全球人口的不断增长和城市化的扩展，预计到2050年，全球城市固体废弃物的产量将从2020年的约22亿吨增加到34亿吨。这种趋势在阿根廷的首都布宜诺斯艾利斯尤为明显，该城市的人均废弃物产生量高达1.15千克/天，是拉美地区最高的之一。随着废弃物产量的增加，传统的收集、分拣和处理系统面临巨大压力，频繁的流动中断、设备堵塞和运营成本上升成为亟需解决的问题。此外，MSW的异质性，包括有机物、纸张、塑料、玻璃、金属和园林废弃物等，使得运输过程更加复杂，增加了堵塞的风险。

为了更深入地理解废弃物在运输系统中的行为，研究团队设计了一项实验，重点分析了静态滑动角（θs）这一关键参数。θs被定义为废弃物样品开始滑动时的倾斜角度，标志着从静态摩擦向动态摩擦的转变。它不仅反映了材料与表面之间的相互作用，还为评估流动阻力提供了可测量的指标。在实验中，团队考察了不同MSW组分（如木材、金属、塑料、修剪废弃物和玻璃）在两种表面（光滑的丙烯酸和高摩擦性的橡胶）上的θs值，并特别关注了添加水分（AWM）对θs的影响。实验结果表明，随着水分含量的增加，θs呈现出显著的上升趋势，例如在丙烯酸表面，木材的θs从0%水分时的26.2°上升至2.5%水分时的46.2°，而玻璃则从13.8°上升至42.0°。高水分含量不仅增强了材料与表面的附着力，还可能导致样品完全无法移动，从而影响后续实验的进行。

这项研究采用了一种定制的倾斜平台装置，并结合图像处理技术，用于监测颗粒的运动并确定θs值。该装置通过一个步进电机驱动的蜗杆-丝杠机构，实现对测试表面的缓慢、均匀倾斜，倾斜速度为每秒0.066度。为了精确记录表面的倾斜角度，实验系统配备了Arduino控制的倾斜角度监测模块和ADXL345加速度计。同时，一个高分辨率的Mars 1300S相机被安装在平台上，用于捕捉颗粒的运动状态。相机固定在距离测试表面34厘米的位置，确保能够清晰地记录颗粒的移动轨迹。为了减少外部因素对实验结果的干扰，测试区域被黑色布料覆盖，以消除反射并保证均匀的照明。

图像分析采用了一套定制的MATLAB程序，该程序能够识别颗粒在固定背景上的运动情况，并据此计算θs值。程序通过分析像素强度的变化来判断颗粒是否发生位移，首先在初始图像中手动定义感兴趣区域，然后对每个颗粒进行分割和跟踪。θs被定义为颗粒开始移动时的中位数倾斜角度，这一方法能够有效量化材料与表面之间的相互作用。为了提高实验的统计显著性和可重复性，每个材料-表面组合均进行了多次重复实验，每次实验包含100至200个独立样本。

在实验中，研究团队特别关注了水分对θs的影响。水分含量的增加导致材料与表面之间的附着力显著增强，特别是在高水分条件下，某些材料（如木材）甚至完全无法移动。例如，在丙烯酸表面上，当水分含量达到5.0%时，木材样品完全静止，导致无法进一步测试。而在橡胶表面上，尽管水分含量较低，仍有3.0%的木材样品保持附着状态。这些结果表明，水分在MSW运输过程中扮演着至关重要的角色，它不仅改变了材料的摩擦特性，还可能引发堵塞等操作问题。

通过比较不同材料在不同表面上的θs值，研究团队发现表面粗糙度是影响θs的关键因素之一。在丙烯酸表面，玻璃的θs值最低，表明其与表面的摩擦力最小，而木材在丙烯酸表面上的θs值较高，说明其与表面的相互作用更为复杂。在橡胶表面上，所有材料的θs值均高于丙烯酸表面，这主要归因于橡胶的高摩擦特性。然而，有机材料（如修剪废弃物）在两种表面上的θs值非常接近，表明其摩擦特性可能受到材料本身的不规则结构影响，而非表面粗糙度。

集体实验进一步揭示了不同材料在混合条件下的相互作用对θs的影响。在集体实验中，测试表面被划分为六个独立区域，每个区域包含大致相等的材料质量，以模拟实际废弃物处理系统中的情况。实验结果表明，集体样品的θs值与个体样品的θs值存在差异，这主要归因于颗粒之间的相互作用机制，如颗粒嵌套、力链形成、桥接和局部塌陷等。这些机制改变了颗粒与表面之间的正常和切向力分布，从而影响了θs的测量。因此，即使在个体颗粒测试中，材料与表面之间的基本摩擦特性相似，集体实验中的θs值仍应被视为一种有效的参数，受测试模式的影响。

水分含量的增加显著改变了θs的值，特别是在木材和玻璃等材料上。对于木材，随着水分含量从0%增加到2.5%，θs几乎翻倍，表明水分对木材的摩擦特性有重要影响。在5%和10%的水分含量下，木材样品几乎完全静止，无法进行进一步的测试。而对于玻璃，水分含量从0%增加到5%时，θs值几乎翻倍，但即使在低水分含量下，玻璃样品也表现出一定的附着性。这些结果与现有文献中的研究一致，表明水分对材料的摩擦特性有显著影响，并且在实际应用中，这种影响必须被充分考虑。

实验还发现，不同材料在混合状态下的θs值可能受到其他因素的影响，如颗粒形状、质量分布和表面处理方式。例如，铁颗粒由于其螺旋形状，在集体实验中容易发生堵塞，因此未进行相关测试。此外，某些材料（如塑料）在水分含量较低时仍表现出一定的滑动能力，但在高水分条件下，其θs值显著上升。这些结果为优化废弃物处理系统的输送角度、分流设计和水分管理策略提供了重要的依据。

研究团队的实验结果表明，θs不仅是一个重要的摩擦参数，还可以作为预测废弃物流动和堵塞风险的实用指标。在实际应用中，较低的θs值意味着较低的流动阻力，从而提高运输效率；而较高的θs值则可能引发堵塞，影响系统运行。因此，了解θs的变化规律对于设计高效的废弃物处理系统至关重要。此外，实验数据还支持更精确的离散元方法（DEM）模拟，为废弃物流动的预测建模和虚拟原型设计提供了基础。

这项研究的结论强调了水分和表面粗糙度对MSW运输性能的双重影响。在实际操作中，水分含量的控制和表面处理的选择将直接影响废弃物的流动性和堵塞风险。因此，废弃物处理系统的设计需要综合考虑这些因素，以确保系统的高效运行和可持续发展。同时，研究团队还指出，未来的研究应进一步探索θs与可测量的运输指标（如流速、堵塞频率）之间的关系，并验证其在实际工程中的物理意义。此外，开发适应性表面处理技术，以优化不同水分条件下废弃物的流动性能，也是值得进一步研究的方向。

通过本研究，团队不仅提供了关于MSW运输行为的实证数据，还为优化废弃物处理设备的设计和操作提供了理论支持。这些数据有助于改进现有的输送系统，减少堵塞事件的发生，并提高整体的处理效率。此外，研究结果还可以应用于更复杂的模拟软件，为废弃物处理系统的虚拟优化和设计提供依据。最终，这项研究为基于证据的废弃物处理设备设计奠定了坚实的基础，有助于推动更高效、可持续的废弃物管理体系的发展。