一种低能耗营养物全回收的水循环型生态厕所系统技术方案

本发明专利技术公开一种低能耗营养物全回收的水循环型生态厕所系统，属于生态环境领域。粪便和尿液在粪尿分离器中分别收集，前者进入好氧堆肥‑尿液结晶设施进行好氧堆肥，后者经尿液储存设施后再经提升泵进入生物电解‑双模电渗析设施，反应生成含盐量低的淡水、含盐量高的浓缩尿液和酸溶液，其中淡水经紫外线消毒设施消毒后作为回用水用于粪尿分离器清洗，浓缩尿液直接进入好氧堆肥—尿液结晶设施，在高温和大的固液接触面积下完成尿液营养盐快速结晶，酸溶液进入氨收集设施用来吸收好氧堆肥‑尿液结晶设施中产生的氨气以回收液态铵盐。最终，由该系统最终可获得富含营养物的有机肥料产品、液态铵盐和清洗用水，实现了低能耗下人体排泄物的资源化利用。

An ecological toilet system with low energy consumption and nutrient recovery

【技术实现步骤摘要】
一种低能耗营养物全回收的水循环型生态厕所系统
本专利技术属于生态环境领域，具体涉及一种集粪尿分离器、尿液浓缩-产酸装置、粪便堆肥-尿液结晶装置于一体的低能耗、营养物全回收的水循环型生态厕所系统。
技术介绍
我国水资源匮乏，水环境污染现状严峻，资源性缺水和水质性缺水并重，两者同时制约着经济与社会的可持续性发展。另外，人口密度的高速增长导致食物的需求量逐年增加，这就需要更多农业肥料的持续供应。农业肥料的生产严重依赖于一些非再生能源和有限的矿物资源，从而使化石燃料和P、K资源危机现状变得非常严峻。然而，传统厕所采用“水冲厕所-市政管网-污水处理厂-受纳水体”的末端收集集中处理的排水模式，导致社会中营养元素呈开路循环模式，其具有以下缺陷：1)以水为媒介来输送尿液和粪便等排泄物需要消耗大量清洁水资源，加剧了我国清洁水资源短缺现象；2)尿液、粪便同其它污水的混合排放不利于N、P和K等营养物的回收，增加了农业生产对工业化肥的需求，加剧了矿物资源和能源的紧缺及封闭水体的面源污染问题；3)不能将尿液和粪便中的有机质和营养物直接回归农田导致农田表层的土壤贫瘠化；4)增加了污水处理厂中N、P回收负荷且N、P的超标排放会引起受纳水体富营养化等生态环境问题。因此，开发一种节能环保型生态厕所势在必行。
技术实现思路
针对原有生态厕所存在的不足，本专利技术的目的在于构建一种集粪尿分离、营养物全回收和水循环于一体的生态厕所系统。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：该生态厕所系统包括粪尿分离器101、尿液浓缩-产酸装置102和粪便堆肥-尿液结晶装置103。首先通过符合人体工学的粪尿分离器实现了尿液和粪便的物理分离，并分别储存。随后，尿液通过生物电解-双膜电渗析设施得到浓缩尿液、淡水和酸溶液。浓缩尿液进入粪便堆肥-尿液结晶装置，尿液为粪便的好氧堆肥提供水分，堆肥过程产生的热量和大面积的固液接触促进尿液中的营养盐结晶；经紫外线消毒后的淡水回用于粪尿分离器的清洗，通过尿液产生的淡水循环使用实现生态厕所系统的零耗水；酸溶液用于粪便堆肥过程中产生氨气的收集，可实现液态氮的回收和减少外加酸的量。其中：所述粪尿分离器包括脚踏区压力传感器、粪便收集口、尿液收集口和回冲水孔。优选地以实际使用为目标，通过压力传感器及自动化设备的控制，可实现尿液和粪便物理分离与收集。本装置以消毒后的淡水通过冲水孔作为冲洗水清洗粪尿分离器，无需消耗清洁水资源，同时如厕过程人体的视觉和嗅觉友好且干净卫生。所述尿液浓缩-产酸装置包括尿液储存设施、生物电解-双模电渗析设施和紫外消毒设施。优选地利用生物电解-双膜电渗析设施来处理尿液储存设施中的尿液，尿液中有机物在阳极微生物的作用下被氧化为CO2并产生电子，电子经外电路运动到阴极，阴极的H2O得到电子发生还原反应，形成闭合回路并产生电流。在电流的驱动下，尿液中阴阳离子(NH4+、Na+、PO43-、K+、H+和OH-等)相继选择性透过双极膜、阴离子交换膜和阳离子交换膜，最终该设施形成浓缩尿液区、淡水区和酸溶液区。在该设施产生的电能驱动下，只需额外提供少许电能，大幅度减少了电能的消耗。同时，本装置无需添加任何化学药品且设备简单、操作方便。淡水区的淡水回流经过紫外消毒设施的消毒处理，可用于粪尿分离器的清洗，大大减少了清洁成本，并可以重复循环使用。所述粪便堆肥-尿液结晶装置包括了好氧堆肥-尿液结晶设施、氨气收集设施。优选地利用粪便储存设施中的粪便发生好氧堆肥过程形成的高温环境来灭活人体粪尿中常混有的大肠杆菌、病毒等致病微生物，上述生物电解-双模电渗析设施中产生的浓缩尿液中的水分为粪便堆肥提供合适的含水率，同时堆肥系统产生的热量为浓缩尿液的结晶提供能量，同时尿液和粪便大面积的固液接触促进了浓缩尿液中富含N、P和K等营养物质的结晶产物生成，最终得到固体复合有机肥料。另外一方面，本装置堆肥过程产生的氨气可利用尿液浓缩-产酸装置中所产生的酸在NH3气收集设施中进行回收。总之，本装置既不需要清洁的水资源，也不需要额外添加化学药剂，在低能耗的情况下又能实现粪尿中绝大部分营养元素的回收，为粪便和尿液的资源化利用提供一种新方法。本专利技术所设计的低能耗营养物全回收的水循环型生态厕所系统，与传统厕所和现有生态厕所相比具有以下优点：(1)视觉和嗅觉良好，采取符合人体工学的粪尿分离便器设计，将人体空间与储存空间完全隔开；(2)节水、低能耗且绝大部分营养物可完全回收；(3)产品肥效高，尿液中营养盐和粪便中有机质混合在一起，可得到优质有机营养肥。(4)本申请利用厕所环境的自然细菌产生脲酶，通过控制尿液储存设施的停留时间来充分水解尿液中的N、P和K，减少了药剂的添加。附图说明图1生态厕所系统的工作流程图。图2生态厕所系统示意图。图3粪尿分离器结构图。图4生物电解-双膜电渗析设施工作原理图。图中：101粪尿分离器；102尿液浓缩-产酸装置；103粪便堆肥-尿液结晶装置；202尿液储存设施；203生物电解-双膜电渗析设施；204紫外线消毒设施；205好氧堆肥—尿液结晶设施；206氨气收集设施；207提升泵；208冲洗泵；301尿液收集口；302压力传感器；303粪便收集口；304回冲水孔；404阳极；405双极膜；406阴离子膜；407阳离子膜；408阴极；409浓缩尿液出口；410淡水出口；411酸溶液出口。具体实施方式图1和图2分别为生态厕所系统的工作流程图和示意图，整体上该生态厕所由粪尿分离器101、尿液浓缩-产酸装置102和粪便堆肥-尿液结晶装置103三大部分组成。如厕时，尿液和粪便在粪尿分离器101中实现两者的分别收集，其中粪便经粪尿分离器101后端的粪便收集口303直接进入好氧堆肥-尿液结晶设施205，在搅拌的条件下实现粪便的好氧堆肥；尿液经粪尿分离器101前端的尿液收集口301流入尿液浓缩-产酸装置102的尿液储存设施202中，随后经提升泵207提升进入生物电解-双膜电渗析设施203，反应后可生成含盐量低的淡水、含盐量高的浓缩尿液和酸溶液，其中淡水进入紫外线消毒设施204进行消毒处理，消毒后的淡水作为回用水，经冲洗泵208提升后由回冲水孔304流入粪尿分离器101中，用于粪尿分离器101前端的尿液收集口301的清洗，浓缩尿液直接进入好氧堆肥—尿液结晶设施205，利用其产生的高温和大面积的固液接触来实现尿液中的营养盐的快速结晶，酸溶液进入氨气收集设施206用来吸收好氧堆肥-尿液结晶设施205中产生的氨气以回收液态铵盐。最终，由粪便堆肥-尿液结晶装置103分别获得富含营养物的有机肥料产品和液态铵盐。如图3所示的粪尿分离器101装置，如厕前，尿液收集口301和粪便收集口303均呈关闭状态；如厕时，人体双脚放置在压力传感器302区域后，触动开关，尿液收集口301和粪便收集口303均开启。尿液由尿液收集口301流入尿液储存装置202；粪便收集口303下方弹出放有易滑隔离纸的可翻转输送带，隔离纸上方覆盖有少量锯末，用于承托粪便并保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低能耗营养物全回收的水循环型生态厕所系统，其特征在于，该系统包括粪尿分离器(101)、尿液浓缩-产酸装置(102)和粪便堆肥-尿液结晶装置(103)；粪尿分离器(101)将粪便和尿液分离并分别收集，粪便直接进入粪便堆肥-尿液结晶装置(103)作为堆肥原料，尿液进入尿液浓缩-产酸装置(102)后分别得到淡水、浓缩尿液和酸溶液，其中淡水消毒后冲洗粪尿分离器，浓缩尿液引入粪便堆肥-尿液结晶装置(103)进行结晶回收，酸溶液用来吸收粪便堆肥-尿液结晶装置(103)中产生的氨气；其中：/n所述粪尿分离器(101)包括压力传感器(302)、粪便收集口(303)、尿液收集口(301)和回冲水孔(304)，压力传感器(302)用来感应人体双脚并控制粪便收集口(303)、尿液收集口(301)和的开启/闭合，粪便收集口(303)连接好氧堆肥-尿液结晶设施(205)，尿液收集口(301)连接尿液浓缩-产酸装置(102)中的尿液储存设施(202)，回冲水孔(304)与冲洗泵(208)连接；/n所述尿液浓缩-产酸装置(102)包括依次相连的尿液储存设施(202)、提升泵(207)、生物电解-双模电渗析设施(203)、紫外线消毒设施(204)和冲洗泵(208)；尿液经提升泵(207)由尿液储存设施(202)进入生物电解-双模电渗析设施(203)反应，产生的淡水经紫外线消毒设施(204)消毒后，被冲洗泵输送至粪尿分离器(101)；/n所述粪便堆肥-尿液结晶装置(103)包括相连接的好氧堆肥-尿液结晶设施(205)和氨气收集设施(206)；好氧堆肥-尿液结晶设施(205)和氨气收集设施(206)还各自与生物电解-双模电渗析设施(203)相连；好氧堆肥-尿液结晶设施(205)上方直接接收粪便收集口(303)落下的粪便，同时生物电解-双模电渗析设施(203)的浓缩尿液也进入好氧堆肥-尿液结晶设施(205)；另外，好氧堆肥-尿液结晶设施(205)产生的氨气与生物电解-双模电渗析设施(203)产生的酸溶液同时进入氨气收集设施(206)中，生成液态铵盐进行回收。/n...

【技术特征摘要】
1.一种低能耗营养物全回收的水循环型生态厕所系统，其特征在于，该系统包括粪尿分离器(101)、尿液浓缩-产酸装置(102)和粪便堆肥-尿液结晶装置(103)；粪尿分离器(101)将粪便和尿液分离并分别收集，粪便直接进入粪便堆肥-尿液结晶装置(103)作为堆肥原料，尿液进入尿液浓缩-产酸装置(102)后分别得到淡水、浓缩尿液和酸溶液，其中淡水消毒后冲洗粪尿分离器，浓缩尿液引入粪便堆肥-尿液结晶装置(103)进行结晶回收，酸溶液用来吸收粪便堆肥-尿液结晶装置(103)中产生的氨气；其中：
所述粪尿分离器(101)包括压力传感器(302)、粪便收集口(303)、尿液收集口(301)和回冲水孔(304)，压力传感器(302)用来感应人体双脚并控制粪便收集口(303)、尿液收集口(301)和的开启/闭合，粪便收集口(303)连接好氧堆肥-尿液结晶设施(205)，尿液收集口(301)连接尿液浓缩-产酸装置(102)中的尿液储存设施(202)，回冲水孔(304)与冲洗泵(208)连接；
所述尿液浓缩-产酸装置(102)包括依次相连的尿液储存设施(202)、提升泵(207)、生物电解-双模电渗析设施(203)、紫外线消毒设施(204)和冲洗泵(208)；尿液经提升泵(207)由尿液储存设施(202)进入生物电解-双模电渗析设施(203)反应，产生的淡水经紫外线消毒设施(204)消毒后，被冲洗泵输送至粪尿分离器(101)；
所述粪便堆肥-尿液结晶装置(103)包括相连接的好氧堆肥-尿液结晶设施(205)和氨气收集设施(206)；好氧堆肥-尿液结晶设施(205)和氨气收集设施(206)还各自与生物电解-双模电渗析设施(203)相连；好氧堆肥-尿液结晶设施(205)上方直接接收粪便收集口(303)落下的粪便，同时生物电解-双模电渗析设施(203)的浓缩尿液也进入好氧堆肥-尿液结晶设施(205)；另外，好氧堆肥-尿液结晶设施(205)产生的氨气与生物电解-双模电渗析设施(203)产生的酸溶液同时进入氨气收集设施(206)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋善庆，张浩东，肖景文，邢香，张亚楠，王利平，程雪剑，张昕雨，许沛璠，郭奕辰，蒋之栋，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32