本發(fā)明涉及廁所污水資源化處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種將廁所污水資源化處理的生態(tài)廁所系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

以下對本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)背景進行說明，但這些說明并不一定構(gòu)成本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。

目前城市廁所中的糞便一般經(jīng)過化糞池處理后直接排放至城市下水道，然后輸送至污水處理廠集中處理后最終排放到江河湖泊中。廁所污水中含有大量的氮磷等營養(yǎng)元素，將化糞處理后的廁所污水直接排放不僅造成氮磷等營養(yǎng)元素的流失浪費，進入水體的廁所污水還會造成水體富營養(yǎng)化，增加城市污水處理的成本和難度。此外，據(jù)國內(nèi)如廁統(tǒng)計，每人每次平均排泄物為145g，需4～12升自來水沖洗，即用99％的清潔水沖洗1％的污物，產(chǎn)生100％的生活污水，國內(nèi)668座城市有約107949座公廁，再加上居民沖廁用水，每年廁所用水就要消耗100多億噸自來水，相當(dāng)于50多座中型城市的年自來水用量，造成水資源的巨大浪費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種將廁所污水資源化處理的生態(tài)廁所系統(tǒng)，包括：衛(wèi)生間、厭氧發(fā)酵單元、生物炭單元、正滲透單元、蒸發(fā)冷凝單元和控制器；其中，

衛(wèi)生間包括用于分離糞便和尿液的糞尿分離器；分離出的糞便通過糞便排污管進入?yún)捬醢l(fā)酵單元，分離出的尿液通過尿液排污管進入?yún)捬醢l(fā)酵單元；

厭氧發(fā)酵單元用于分解衛(wèi)生間排出的糞便和尿液中的固形物和溶解性有機物，產(chǎn)生沼氣、沼液和沼渣；厭氧處理后的沼液在控制器的控制下流入生物炭單元；

生物炭單元包括互相連通的氨化池和生物炭濾池，氨化池用于氨化沼液中的氮元素，生物炭濾池用于去除氨化后的沼液中的氮磷元素；生物炭單元處理后的沼液在控制器的控制下流入正滲透單元；

正滲透單元在控制器的控制下對沼液進行膜處理，截留沼液中的有機物、無機物及病原微生物，使沼液中的水分轉(zhuǎn)移至正滲透膜的驅(qū)動液中，得到稀釋驅(qū)動液；

蒸發(fā)冷凝單元用于加熱所述稀釋驅(qū)動液，獲得蒸餾水和濃縮驅(qū)動液。

優(yōu)選地，生物炭濾池包括外池和內(nèi)池；外池的底部設(shè)有支撐過濾層，內(nèi)池置于所述支撐過濾層上；內(nèi)池中設(shè)有混合填料，所述混合填料包括生物炭和氧化鎂，生物炭與氧化鎂的質(zhì)量比為100:1～500:1。

優(yōu)選地，生物炭單元進一步包括：調(diào)節(jié)水池和花灑；其中，

調(diào)節(jié)水池設(shè)置在氨化池與生物炭濾池之間；

花灑與調(diào)節(jié)水池的出水口連接，用于將調(diào)節(jié)水池中的沼液噴灑至生物炭濾池中；與每個生物炭濾池對應(yīng)的花灑的數(shù)量為一個、兩個或更多個。

優(yōu)選地，厭氧發(fā)酵單元包括厭氧發(fā)酵箱；

所述厭氧發(fā)酵箱包括：依次連通的初步反應(yīng)池、第一二次反應(yīng)池、第二二次反應(yīng)池和上清液池，初步反應(yīng)池的頂部與第一二次反應(yīng)池的頂部連通，第一二次反應(yīng)池的底部與第二二次反應(yīng)池的底部連通，第二二次反應(yīng)池的頂部與上清液池的頂部連通；初步反應(yīng)池上設(shè)置有糞便進料口和沼氣收集口，初步反應(yīng)池以及第一、第二二次反應(yīng)池的底部設(shè)置有排渣口，上清液池上設(shè)置有與尿液排污管的出料口連通的尿液進料口和與生物炭單元連通的沼液出料口。

優(yōu)選地，正滲透單元包括：原水箱、原水提升泵、正滲透膜組件、驅(qū)動液水箱和驅(qū)動液泵；其中，

原水箱的進水口與生物炭濾池連接，原水箱的出水口與正滲透單元的原水進口連接；原水提升泵設(shè)置在原水箱和正滲透膜組件之間，用于將原水箱中的原水提升至正滲透膜組件中；

驅(qū)動液水箱的出水口與正滲透膜組件的驅(qū)動液進口連接，驅(qū)動液泵設(shè)置在驅(qū)動液水箱的出水口和正滲透膜組件的驅(qū)動液進口之間，用于將驅(qū)動液水箱中的驅(qū)動液提升至正滲透膜組件中；

正滲透膜組件的驅(qū)動液出口與蒸發(fā)冷凝單元連接。

優(yōu)選地，原水箱的出水口與正滲透膜組件的原水進口之間設(shè)置有原水排空閥。

優(yōu)選地，蒸發(fā)冷凝單元的驅(qū)動液出口與驅(qū)動液水箱的進水口連接。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的生態(tài)廁所系統(tǒng)進一步包括：太陽能集熱單元，用于：吸收太陽能，將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能并加熱流入蒸發(fā)冷凝單元的所述稀釋驅(qū)動液。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的生態(tài)廁所系統(tǒng)進一步包括：太陽能發(fā)電單元，用于：吸收太陽能，將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并為厭氧發(fā)酵單元、生物炭單元、正滲透單元、蒸發(fā)冷凝單元和太陽能集熱單元提供電能。

優(yōu)選地，混合填料中生物炭的投加量m₁滿足如下關(guān)系：

$m_1=(c_0-c_1)\×V\×\mathrm{\α}\×(\frac{1}{{\mathrm{ktq}}_e^2}+\frac{1}{q_e})$

式中，c₀為生物炭濾池進水中的氨氮濃度，單位為mg/L；c₁為生物炭濾池出水中的氨氮濃度，單位為mg/L；V為進入生物炭濾池的沼液體積，單位為L；α為變化系數(shù)，α取值為1～1.4；q_e為生物炭的平衡吸附容量，單位為mg/g；k為動力學(xué)常數(shù)，k＝1.1876；t為吸附時間，單位為h；

所述混合填料中氧化鎂的投加量m₂滿足如下關(guān)系：

m₂＝m₁×β

式中，β為投加系數(shù)，α取值為0.03～0.05。

根據(jù)本發(fā)明的將廁所污水資源化處理的生態(tài)廁所系統(tǒng)，利用生物炭吸附廁所污水中的營養(yǎng)元素，形成可以產(chǎn)生經(jīng)濟收益的生物炭緩釋肥；通過正滲透單元及蒸發(fā)冷凝單元從脫營養(yǎng)元素的尿液和沼液中提純水，獲得較為純凈的再生水，實現(xiàn)廁所污水資源的循環(huán)使用。本發(fā)明利用太陽能提供電能以及供給蒸發(fā)所需能量，能耗低，環(huán)保無污染。

附圖說明

通過以下參照附圖而提供的具體實施方式部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將變得更加容易理解，在附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的將廁所污水資源化處理的生態(tài)廁所系統(tǒng)的示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的厭氧發(fā)酵箱的俯視圖。

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的厭氧發(fā)酵箱的主視圖。

圖4為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的生物炭濾池的主視圖。

圖5為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的生物炭濾池的俯視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的示例性實施方式進行詳細描述。對示例性實施方式的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的將廁所污水資源化處理的生態(tài)廁所系統(tǒng)包括：衛(wèi)生間10、厭氧發(fā)酵單元20、生物炭單元30、正滲透單元40、蒸發(fā)冷凝單元50和控制器80。

本發(fā)明采用糞尿分離器實現(xiàn)糞便與尿液的分離，例如采用糞尿分離式便器將尿液和糞便直接分離。分離出的糞便通過糞便排污管(圖中未示出)進入?yún)捬醢l(fā)酵單元20，分離出的尿液通過尿液排污管(圖中未示出)進入?yún)捬醢l(fā)酵單元20。通過厭氧發(fā)酵單元20分解衛(wèi)生間排出的糞便和尿液中的固形物和溶解性有機物，產(chǎn)生沼氣、沼液和沼渣。

本發(fā)明中，厭氧發(fā)酵單元可以包括一個、兩個或更多個厭氧發(fā)酵箱21。圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的厭氧發(fā)酵箱的俯視圖，圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的厭氧發(fā)酵箱的主視圖。厭氧發(fā)酵箱21包括：依次連通的初步反應(yīng)池211、第一二次反應(yīng)池212、第二二次反應(yīng)池213和上清液池214，初步反應(yīng)池211的頂部與第一二次反應(yīng)池212的頂部連通，第一二次反應(yīng)池212的底部與第二二次反應(yīng)池213的底部連通，第二二次反應(yīng)池213的頂部與上清液池214的頂部連通。

初步反應(yīng)池211上設(shè)置有糞便進料口2111，如廁收集的糞便通過糞便排污管進入初步反應(yīng)池211，經(jīng)初步反應(yīng)池211處理后的混合物依次流入第一二次反應(yīng)池212和第二二次反應(yīng)池213，完成糞便中固形物和溶解性有機物的分解，分解過程中產(chǎn)生的沼渣通過設(shè)置在初步反應(yīng)池211以及第一、第二二次反應(yīng)池的底部的排渣口(圖中未示出)排出。沼渣中含有大量的氮磷等營養(yǎng)元素，可以用于制造生物炭緩釋肥；經(jīng)過前三個反應(yīng)池的厭氧處理之后，糞便中的固形物基本上被完全攔截，產(chǎn)生的沼液流入上清液池，經(jīng)厭氧分化后產(chǎn)生的甲烷、二氧化碳等以沼氣的形式經(jīng)設(shè)置在初步反應(yīng)池211上的沼氣收集口(圖中未示出)逸出，最終實現(xiàn)廁所系統(tǒng)的循環(huán)使用。由于尿液中的固形物含量較少，因此可以在上清液池214上設(shè)置與尿液排污管的出料口連通的尿液進料口(圖中未示出)，將分離后的尿液通過尿液排污管直接排入上清液池214。在控制器80的控制下，厭氧發(fā)酵單元處理后的沼液通過上清液池214上設(shè)置的與生物炭單元30連通的沼液出料口2141流入生物炭單元30。

厭氧發(fā)酵箱21的四個反應(yīng)池形成折流反應(yīng)池，通過多個折流使得折流液充分混合。與非折流式反應(yīng)池相比，折流液在折流反應(yīng)池中停留的時間更長，其中固體懸浮物和溶解性有機物的消化分解更徹底。本發(fā)明采用折流反應(yīng)池，能夠充分回收廁所污水中的氮磷鉀等營養(yǎng)元素，并延長廁所的清掏周期。

生物炭單元30包括互相連通的氨化池(圖中未示出)和生物炭濾池302。在氨化池中對沼液進行氨化處理，使其中的尿素充分分解。沼液可以在氨化池中自然腐熟氨化，為了加快氨化處理過程，縮短氨化處理周期，也可以采用其他工藝條件回收其中的氮磷鉀等元素，包括吹脫再吸附、沸石吸附、以及結(jié)晶法等。

氨化處理后的沼液進入填充生物炭填料的生物炭濾池302，進一步去除沼液中的氮磷元素。生物炭具有較大的比表面積和微孔結(jié)構(gòu)，表面官能團豐富，能對金屬和有機物產(chǎn)生吸附作用，去除沼液中的氮磷元素，降低沼液的環(huán)境風(fēng)險。為了盡量提高生物炭的吸附能力和吸附容量，可以向生物炭中投加部分可溶性鎂鹽，如氧化鎂、氯化鎂等，在生物炭表面形成大量的鎂氧化物。一方面這些鎂氧化物能夠通過形成磷酸鉀鎂沉淀來提取和固定鉀，另一方面這些鎂氧化物能夠與磷酸根和銨根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由此提取和固定磷、氮元素。當(dāng)生物炭與氧化鎂的質(zhì)量比為100:1～500:1時，生物炭濾池對沼液中氮磷鉀元素的截留效果較好，對氮元素的截留率為40％～70％，對磷酸鹽的截留率為60％～80％。

隨著生物炭表面吸附的物質(zhì)不斷增多，生物炭的吸附能力不斷降低，當(dāng)生物炭吸附飽和后，基本上無法再繼續(xù)吸附沼液中的其他物質(zhì)。為了便于更換生物炭濾池302中的填料，可以將生物炭濾池302設(shè)計成包括外池3021和內(nèi)池3022的雙層結(jié)構(gòu)。圖4為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的生物炭濾池的主視圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的生物炭濾池的俯視圖。外池3021的底部設(shè)有支撐過濾層3025，用于支撐內(nèi)池3022，內(nèi)池3022置于外池3021內(nèi)的支撐過濾層3025上。當(dāng)生物炭吸附飽和后，直接將內(nèi)池3022取出、更換其中的填料即可。吸附飽和后的生物炭填料中含有大量的氮磷鉀等營養(yǎng)元素，可以用于制造農(nóng)用肥料，提高廁所污水的經(jīng)濟效益。

在本發(fā)明的一些實施例中，內(nèi)池中設(shè)有混合填料，混合填料中生物炭的投加量m₁滿足如下關(guān)系：

$m_1=(c_0-c_1)\×V\×\mathrm{\α}\×(\frac{1}{{\mathrm{ktq}}_e^2}+\frac{1}{q_e})$

式中，c₀為生物炭濾池進水中的氨氮濃度，單位為mg/L；c₁為生物炭濾池出水中的氨氮濃度，單位為mg/L；V為進入生物炭濾池的沼液體積，單位為L；α為變化系數(shù)，α取值為1～1.4；q_e為生物炭的平衡吸附容量，單位為mg/g；k為動力學(xué)常數(shù)，k＝1.1876；t為吸附時間，單位為h；

混合填料中氧化鎂的投加量m₂滿足如下關(guān)系：

m₂＝m₁×β

式中，β為投加系數(shù)，α取值為0.03～0.05。

當(dāng)氨化處理后的沼液量較生物炭濾池302的處理能力大時、或者需要將多次氨化處理的沼液統(tǒng)一進行生物處理時，可以在氨化池與生物炭濾池之間設(shè)置調(diào)節(jié)水池。

為了使沼液與生物炭濾池中的填料均勻接觸，生物炭單元可以進一步包括花灑3023?；⒌囊欢伺c氨化池或調(diào)節(jié)水池的出水口連接，另一端位于生物炭濾池的上方，用于將氨化池的出水或者調(diào)節(jié)水池中的沼液噴灑至生物炭濾池中?；⒖梢允菄婎^，也可以是開孔的管道，本發(fā)明對此不做具體限定。根據(jù)生物炭濾池的容量和沼液流量的不同，與每個生物炭濾池對應(yīng)的花灑的數(shù)量為一個、兩個或更多個。

生物炭單元處理后的沼液在控制器的控制下流入正滲透單元40。正滲透單元在控制器的控制下對沼液進行膜處理，截留沼液中的有機物、無機物及病原微生物，使沼液中的水分轉(zhuǎn)移至正滲透膜的驅(qū)動液中，得到稀釋驅(qū)動液。優(yōu)選地，正滲透單元包括：原水箱(圖中未示出)、原水提升泵(圖中未示出)、正滲透膜組件(圖中未示出)、驅(qū)動液水箱(圖中未示出)和驅(qū)動液泵(圖中未示出)。原水箱的進水口與生物炭濾池302的出水口連接，原水箱的出水口與正滲透單元的原水進口連接。本發(fā)明中的原水是指生物炭濾池302的出水口排出的沼液。原水提升泵設(shè)置在原水箱和正滲透膜組件之間，用于將原水箱中的原水提升至正滲透膜組件中。驅(qū)動液水箱的出水口與正滲透膜組件的驅(qū)動液進口連接，驅(qū)動液泵設(shè)置在驅(qū)動液水箱的出水口和正滲透膜組件的驅(qū)動液進口之間，用于將驅(qū)動液水箱中的驅(qū)動液提升至正滲透膜組件中。正滲透膜組件的驅(qū)動液出口與蒸發(fā)冷凝單元連接。進入正滲透單元的原水和驅(qū)動液分別在正滲透膜組件的兩側(cè)流動，原水中的水分不斷透過膜進入驅(qū)動液中，使得原水不斷被濃縮，驅(qū)動液不斷被稀釋。

驅(qū)動液的溶質(zhì)可以采用溶解性無機鹽，如氯化鈉、硫酸鈉等，驅(qū)動液的溶質(zhì)可以是單一組分也可以根據(jù)實際需要選擇包含兩種或更多種組分的混合溶質(zhì)。驅(qū)動液濃度越高，滲透壓越大，對原水的濃縮效果越好，但是較高的濃度不利于提高驅(qū)動液在正滲透膜組件中的流動性。在本發(fā)明的一些實施例中，驅(qū)動液的濃度為1mol/L～2mol/L。濃縮后的原水中含有大量的氮磷等營養(yǎng)元素，可以用于制造農(nóng)用肥料，提高廁所污水的經(jīng)濟效益。

稀釋后的驅(qū)動液流入蒸發(fā)冷凝單元50。在蒸發(fā)冷凝單元50的加熱作用下，稀釋驅(qū)動液中的水分被蒸餾出來，獲得蒸餾水和濃縮驅(qū)動液。該蒸餾水可以回流至衛(wèi)生間的凈水箱，用于洗手或沖洗廁所，提高尿液廢水的利用價值，降低衛(wèi)生間的自來水需求，節(jié)約水資源。蒸發(fā)冷凝單元的驅(qū)動液出口可以與驅(qū)動液水箱的進水口連接，從而使?jié)饪s驅(qū)動液回流至驅(qū)動液水箱，循環(huán)使用，例如蒸發(fā)冷凝單元中的濃縮驅(qū)動液在重力作用下回流至驅(qū)動液水箱中，當(dāng)然，也可以通過驅(qū)動液提升泵將蒸發(fā)冷凝單元中的濃縮驅(qū)動液泵入驅(qū)動液水箱中。

原水箱的出水口與正滲透膜組件的原水進口之間可以設(shè)置原水排空閥(圖中未示出)。該原水排空閥是一個三通閥門，正常工作時，原水通過一個閥孔進入正滲透膜組件進行濃縮交換，交換完成后此閥孔封閉，另外一個閥孔打開，將濃縮后的原水排出。

根據(jù)本發(fā)明的生態(tài)廁所系統(tǒng)可以進一步包括太陽能集熱單元60。太陽能集熱單元60吸收太陽能，然后將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，利用該熱能加熱流入蒸發(fā)冷凝單元50的稀釋驅(qū)動液，降低生態(tài)廁所系統(tǒng)的能耗。

根據(jù)本發(fā)明的生態(tài)廁所系統(tǒng)可以進一步包括太陽能發(fā)電單元70，用于：吸收太陽能，將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并為厭氧發(fā)酵單元、生物炭單元、正滲透膜單元、蒸發(fā)冷凝單元和太陽能集熱單元提供電能。

雖然參照示例性實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于文中詳細描述和示出的具體實施方式，在不偏離權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所述示例性實施方式做出各種改變。