一种生态厕所及粪污处理一体化系统的制作方法

本发明属于环保及新能源技术领域，具体涉及一种生态厕所及粪污处理一体化系统。

背景技术：

我国人口众多，粪便量越来越大，并随着农业生产的规模化作业，粪便的农用效率逐渐降低；由于环境防疫要求提高，粪便未经处理不能直接施肥。与此同时，曾在改善人类生活环境生活中起重要作用的水冲厕所已成为浪费和污染水资源的一个主要根源，不符合当前的科学发展观。

生态厕所是以减少水消耗为特点，以废物能转变为有用的资源、对环境不造成污染为特征，并且是无臭、安全卫生的厕所。其核心思想是水资源和营养物质在人类社会和经济的发展中以闭合循环的方式运行，并以安全、经济、可靠的方法来完成这一闭合循环，以达到保护和节约使用有限的水资源，同时实现营养物质资源化的目的。中国实用新型专利“一种移动式太阳能免水生态环保厕所”(授权公告号cn204676666u)中安装万向轮进行厕所移动，利用蓄粪箱对粪便进行收集集中处理和利用太阳能提供系统能量；中国发明专利申请“一种以亚临界水热液化为核心的多技术耦合生态厕所粪尿处理系统与方法”(申请公布号cn108585407a)中以亚临界水热液化技术核心，结合高温厌氧工艺、沼气回收利用以及组合膜工艺单元分离特性等技术实现系统热平衡、尿液转化为园林绿水以及粪便转为有机肥。

水热液化技术是指以水作介质和溶剂，在一定温度(100～370℃)和压力(0～20mpa)下，模拟自然界石油形成原理。生物质经过解聚、断键、重排、脱羧等作用短时间内(0～2h)转变为液态有机小分子的过程，经过分离后生产的液体燃料称为生物原油。利用水热技术将生态厕所产生的粪便转化为生物原油，实现粪便的资源化利用，粪便转化的生物原油热值为35.9～37.2mj/kg，可通过改性提质生产运输燃料和提取化学品。

技术实现要素：

针对目前厕所问题和粪污资源化利用问题，本发明的目的是，提供了一种生态厕所及粪污处理一体化系统，采用上述水热液化技术，对粪便进行高温高压的连续水热处理，从而转化得到油相、气体以及固体残渣。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种生态厕所及粪污处理一体化系统，包括分别整合在车载集装箱内部的前端厕所模块和后端连续水热处理模块；所述前端厕所模块包括黄水提升罐1、黄水收集罐2、气冲小便器3、气冲坐便器4、褐水收集罐5、褐水提升罐6、真空提升泵7和储料罐8；所述后端连续水热处理模块包括通过管道依次连接的螺杆泵9、液压进料单元10、反应器单元11和产物分离单元12。

其中，所述气冲小便器3、黄水收集罐2和黄水提升罐1通过管道依次连接；所述气冲坐便器4、褐水收集罐5和褐水提升罐6通过管道依次连接；所述黄水提升罐1和褐水提升罐6分别经一真空提升泵7管道连接至储料罐8的进料口。

所述储料罐8的出料口与螺杆泵9连接，将收集到的粪污输送至液压进料单元10后，进入反应器单元11进行连续水热处理，通过产物分离单元12得到油相、气体以及固体残渣。

所述系统进一步包括监控单元13，所述监控单元13采用在线监控设备，对后端连续水热处理模块的各项运行指标以及前端厕所模块的各项运行工况进行在线调控和监测。

所述后端连续水热处理模块的液压进料单元10进一步与餐厨垃圾存储罐、污废水管道、农作物秸秆存储罐连接，由反应器单元11对污废水藻类、粪便、农作物秸秆以及餐厨垃圾进行联合处理。

所述反应器单元11的连续水热反应的粪污的浓度范围在2％～30％。

采用微水和气冲联合的冲洗方式，每次用水量为0.2～0.5l。

真空提升泵7的负压作用对前端厕所模块产生的褐水在管道中进行粉碎和搅匀，真空提升泵7负压范围在-70～-40kpa。

反应器单元11采用的管式反应器，其内部物料以推流形式流动；两个管式反应器采用英寸管进行连接，连接部分能够内部测温；通过调节液压进料单元10的进料速度来控制反应时间；产物分离单元12采取多管道双接收罐。

所述油相为高热值的生物原油，产油率为23％～28％；气体主要为co2；固体残渣包括生物炭和金属离子，其中生物炭呈碱性，ph为8.0～13.0；水相中富含n、p元素。

所述系统进一步包括太阳能电池板和热交换器，所述太阳能电池板安装在车载集装箱的外部顶端，为系统中用电设备供电；所述热交换器设置在后端连续水热处理模块的液压进料单元10的供料管道与反应器单元11的产物排出管道之间，以及液压进料单元10的供料管道与产物分离单元12之间，把从反应器单元11到产物分离单元12这一段的产物排出管道的散热和产物分离单元12收集产物过程中释放的热量集中起来，采用套管对未进入反应器单元11的物料进行预加热。

热水解反应过程处于高温高压条件下，温度范围为100～400℃，压强范围为5～25mpa。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明具有可移动、节水、能源自给等特点，实现厕所粪污的资源化利用。

2、无害化。采用高温高压的热水解技术，可以杀死致病菌，对粪便(含卫生纸等其他废物)进行无害化处理；清洁能源产生，可实现再生原油的能源产出。

3.生物原油为高热值的燃料，可用于交通燃料等，气体co2是微藻和其他植物生长所需碳源，水热液化废水中n、p元素和toc含量很高，可以被提取制成肥料，用作花卉栽培、微藻培养等。水热液化固体残渣以生物炭和金属离子为主，其中，生物炭呈碱性，ph为8.2～13.0，主要含碳、氢、氧、氮等，可被用作土壤改良剂。

附图说明

图1为本发明生态厕所及粪污处理一体化系统的组成示意图。

其中的附图标记为：

1黄水提升罐

2黄水收集罐

3气冲小便器

4气冲坐便器

5褐水收集罐

6褐水提升罐

7真空提升泵

8储料罐

9螺杆泵

10液压进料单元

11反应器单元

12产物分离单元

13监控单元

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，一种生态厕所及粪污处理一体化系统，包括分别整合在车载集装箱内部的前端厕所模块和后端连续水热处理模块，以及监控单元13；所述前端厕所模块包括黄水提升罐1、黄水收集罐2、气冲小便器3、气冲坐便器4、褐水收集罐5、褐水提升罐6、真空提升泵7和储料罐8；所述后端连续水热处理模块包括通过管道依次连接的螺杆泵9、液压进料单元10、反应器单元11和产物分离单元12。

其中，所述气冲小便器3、黄水收集罐2和黄水提升罐1通过管道依次连接；所述气冲坐便器4、褐水收集罐5和褐水提升罐6通过管道依次连接；所述黄水提升罐1和褐水提升罐6分别经一真空提升泵7管道连接至储料罐8的进料口，进行前端厕所黄水和褐水的收集。

所述储料罐8的出料口与螺杆泵9连接，将收集到的粪污输送至液压进料单元10后，进入反应器单元11进行连续水热处理，通过产物分离单元12得到油相、气体以及固体残渣。

监控单元13采用在线监控设备(包括：温度传感器、流速传感器和压强传感器以及测试其他指标的传感器)对后端连续水热处理模块的各项运行指标(如：连续稳定运行中反应压强、反应温度、进料速率)以及前端厕所模块的各项运行工况(如负压状态、冲厕次数和真空泵的容量大小)进行在线调控和监测。

所述后端连续水热处理模块的液压进料单元10进一步与餐厨垃圾存储罐、污废水管道、农作物秸秆存储罐连接，由反应器单元11对污废水藻类、粪便、农作物秸秆以及餐厨垃圾进行联合处理。

所述反应器单元11的连续水热反应的粪污的浓度范围在2％～30％。

前端厕所模块设置褐水收集罐5和黄水收集罐2，独立收集褐水和黄水；安装真空提升泵7，采用微水和气冲联合的冲洗方式，每次用水量为0.2～0.5l，满足反应器单元11的耦合浓度并避免浪费水资源。真空提升泵7的负压作用对前端厕所模块产生的褐水在管道中进行了粉碎和搅匀，避免了后续的预处理，可以节约能耗。真空提升泵7负压范围在-70～-40kpa。

反应器单元11采用的管式反应器，其内部物料以推流形式流动，保证了连续水热处理过程中反应的均匀性；两个反应器采用英寸管进行连接，连接部分可以内部测温，保证反应的稳定进行。通过调节液压进料单元10的进料速度来控制反应时间。

产物分离单元12采取多管道双接收罐，可以有效防止连续水热液化过程中由于堵塞而导致压强升高、反应终止情形的发生；油相为高热值的生物原油，类似于石油作为能源可用于交通燃料等用途；气体主要为co2，可用作养藻或植物气体肥料；固体残渣以生物炭和金属离子为主，其中生物炭呈碱性，ph为8.0～13.0，可用作土壤改良剂；水相中富含n、p等元素。

优选地，所述生态厕所及粪污处理一体化系统进一步包括太阳能电池板和热交换器，所述太阳能电池板安装在车载集装箱的外部顶端，为系统中用电设备(如照明电器、排气扇、真空提升泵7和监控单元13)供电；所述热交换器设置在后端连续水热处理模块的液压进料单元10的供料管道与反应器单元11的产物排出管道之间，以及液压进料单元10的供料管道与产物分离单元12之间，把从反应器单元11到产物分离单元12这一段的产物排出管道的散热和产物分离单元12收集产物过程中释放的热量集中起来，采用套管对未进入反应器单元11的物料进行预加热，基本实现整套系统能源自足性。

本发明的生态厕所及粪污处理一体化系统把粪污热转化为生物原油实现粪污资源化利用；热水解反应过程处于高温高压条件下，温度范围为100～400℃，压强范围为5～25mpa，可以杀死粪污中致病菌和微生物，实现无害化处理。

实施例1：

生态厕所及粪污处理一体化系统放在某农村进行真实情况的测试：首先，如厕者如厕后按动启动按钮采用负压排水驱动力对粪便进行冲洗，并记录下冲厕次数，当冲厕次数为150次时则表明人流量达到了150人，粪便已被收集到储料罐8中，得到的粪便为均匀的浓度为12.5％的混合物料；之后利用螺杆泵9将粪便泵送到液压进料单元10，再通过液压进料单元10泵送到反应器单元11中，进料流速为50ml/min，利用监控单元13设置反应参数压强9.0mpa和温度300℃，连续水热处理系统达到稳态后，液压进料单元10一直输送物料，反应持续进行，运行时间为12小时，最后利用产物分离单元12收集气体和液态混合物，气体主要是co2，液态混合物经过分离和萃取之后得到生物原油和生物炭，产油率为26％dryweight(基于干物重)，热值为35.3mj/kg。

实施例2：

以浓度为15％的人粪和玉米秸秆的混合物料为原料进行一体化系统的后端连续水热处理模块的测试：首先将玉米秸秆进行机械粉碎过40目和含水率为85％的人粪进行按照一定的比例进行混合得到浓度为15％的混合物料，利用螺杆泵9将粪便泵送到液压进料单元10，再通过液压进料单元10泵送到反应器单元11，进料流速为40ml/min，利用监控单元13设置反应参数压强8.5mpa和温度290℃，连续水热处理系统达到稳态后，液压进料单元10一直输送物料，反应持续进行，运行时间为12小时，最后利用产物分离单元12收集气体和液态混合物，气体主要是co2，液态混合物经过分离和萃取之后得到生物原油和生物炭，产油率为23％dryweight(基于干物重)，热值为32.4mj/kg。

实施例3：

以浓度为20％的模拟粪便为原料进行一体化处理系统的测试：首先将200g配制好的模拟粪便进行一次如厕模拟，如厕后按动启动按钮采用负压排水驱动力对模拟粪便进行冲洗，一天进行120次的如厕模拟来表征厕所120人的流量规模；然后利用储料罐8收集模拟粪便，得到的粪便为均匀的浓度为14％的混合物料，之后利用螺杆泵9将物料泵送到液压进料单元10，再通过液压进料单元10泵送到反应器单元11，进料流速为45ml/min，利用监控单元13设置反应参数压强9.0mpa和温度300℃，连续水热处理系统达到稳态后，液压进料单元10一直输送物料，反应持续进行，运行时间为12小时，最后利用产物分离单元12收集气体和液态混合物，气体主要是co2，液态混合物经过分离和萃取之后得到生物原油和生物炭，产油率为28％dryweight(基于干物重)，热值为35.7mj/kg。

本发明请求保护的范围并不仅限于所述实施方式。凡与本实施例等效的技术方案均属于本发明的保护范围。