本发明属于化工及环保技术领域，具体涉及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及方法。
背景技术：
我国人口众多，随着生活水平的提高，由城市产生的粪便量越来越大，许多城市已经开始重视粪便的处理。过去粪便绝大部分被运往农业生产等作为肥料施用。随着农业生产的规模化作业，粪便的农用生产效率较低，加之化肥的大量使用，以及许多大城市卫生防疫的要求，粪便未经熟化不能直接施肥，因此粪便的受纳量日益减少。
粪便尿液中含有多种污染物及多种形态的无机氮、无机磷等物质，未经有效处理直接排放进入自然领域，极易造成自然水体的污染及富营养化，严重影响水体的生态平衡；粪便尿液中因含有丰富的有机质，往往是蚊、蝇、老鼠等疾病媒介的温床；粪便尿液中含有多种病原体，是引发流行传染病的重要原因之一；粪便尿液中大量有机质腐烂后易产生多种有害气体，是城市恶臭的主要来源之一。同时粪便、尿液是典型的错位资源，进行有效处理不仅能消除存在潜在的环境和健康风险，达到减量化、无害化、稳定化的处置需求，并可实现能源和资源的回收利用。
但是，目前国内粪便尿液的处理多采用生物法(好氧活性污泥法、高温快速堆肥等)，传统的处理技术无害化效率低、处理周期长，存在很大的环境和健康风险。
因此，亟需一种能够解决城市粪尿环境收纳率低、无害化不彻底、资源化利用效率低的问题的处理系统及工艺。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供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及方法，为粪尿无害化处置和资源化开辟新途径，实现了城市粪尿的无害化、稳定化和资源化处理，消除了粪尿存在的生态安全风险，改善了生态环境，同时对促进粪尿资源的可持续利用具有非常重要的意义。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的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，包括物料缓存罐、亚临界水热液化单元、干燥粒化单元、高温厌氧单元、沼气利用单元、组合膜工艺单元、固液分离装置、鸟粪石结晶单元、尿液缓存罐和气体处理单元；
物料缓存罐、亚临界水热液化单元、干燥粒化单元及高温厌氧单元通过管路依次连接，高温厌氧单元的气体出口与沼气利用单元连接；沼气利用单元产生的高温烟气依次经干燥粒化单元和高温厌氧单元利用后，回收至气体处理单元；尿液缓存罐、鸟粪石结晶单元、固液分离装置及组合膜工艺单元通过管路依次连接；组合膜工艺单元的浓缩物出口连接至物料缓存罐，液体出口外排园林绿化用水；
当粪类物质和尿液分开处理时，粪类物质收集于物料缓存罐中，尿液收集于尿液缓存罐中，高温厌氧单元的液体出口与组合膜工艺单元连接；
当粪类物质和尿液混合处理时，粪尿混合物收集于物料缓存罐中，高温厌氧单元的液体出口与尿液缓存罐连接。
优选地，还包括将亚临界水热液化单元与高温厌氧单元直接连通的管路，部分物料由该管路直接输送至高温厌氧单元，在高温厌氧单元中，投加有机营养物质，如淀粉、乙酸、甲醇等。
优选地，亚临界水热液化单元与沼气利用单元的热源进、出口连通，亚临界水热液化单元反应所需热量由沼气利用单元提供；或者：亚临界水热液化单元反应所需热量由高温厌氧单元和沼气利用单元组成的能源回收利用体系提供；或者，亚临界水热液化单元反应所需热量由沼气利用单元结合太阳能、电能组成的能源系统提供。
优选地，物料缓存罐中的气体与厕所通风产生的气体经风机被送至沼气利用单元中。
优选地，沼气利用单元为导热油锅炉或蒸汽锅炉，以实现对亚临界水热液化单元进行热输出；组合膜工艺单元的组合膜由纳滤膜、超滤膜和反渗透膜其中的两种或三种组成，或者采用其他能满足有机物与无机盐高效分离的工艺。
本发明还公开了基于上述的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处理粪尿的方法，当物料缓存罐中储存的待处理物料为粪类物质时，包括以下步骤：
1)粪类物质被输送至物料缓存罐进行预破碎、均质处理，使其含水率及粘度满足泵输条件，并调节ph值为7.5～12，获得均质物料；
2)将均质物料输送至亚临界水热液化单元，于180℃～260℃下处理后进入干燥粒化单元，经干燥粒化单元进行固液分离和固态物质的干燥粒化处理，产生的固态基质为有机肥；产生的分离水和冷凝水进入高温厌氧单元；
亚临界水热液化单元内反应条件为ph值为7.5～12，温度为180～260℃，将粪尿中病原体、残留药物及抗生素等存在生态安全威胁的物质，在分子水平分解为无生物活性的小分子物质，实现无害化、稳定化；
3)在高温厌氧单元中，分离水中的有机物于55±5℃下反应转化为ch4，ch4进入沼气利用单元；高温厌氧单元的反应出水进入组合膜工艺单元，经膜工艺滤过处理后，得到园林绿化用水；
4)沼气利用单元产生高温烟气被输送至干燥粒化单元，作为干燥粒化单元的热源，经干燥粒化单元降温的低温烟气作为高温厌氧单元的热源，烟气最终进入气体处理单元处理后达标排放；
5)重复步骤1)至步骤4)，直至待处理物料全部处理完毕。
优选地，当尿液缓存罐中储存有尿液时，包括以下步骤：
(1)尿液被输送至尿液缓存罐进行均质均量，然后进入鸟粪石结晶单元(8)，制得鸟粪石，之后进入固液分离装置，分离出能够作为缓释型肥料的鸟粪石；
(2)将固液分离装置分离出的液体输送至组合膜工艺单元，经膜工艺滤过处理得到尿液浓缩物和滤液，尿液浓缩物被输送至物料缓存罐中与粪类物质一并进行处理，滤液用作园林绿化用水。或者，固液分离装置分离液的后处理，采用化学氧化、电化学氧化及其他深度处理工艺，实现尿液的无害化及资源化处置。
优选地，工作时，物料缓存罐保持负压操作，物料缓存罐上层的臭气、厕所通风产生的臭气以及空气，经风机进入沼气利用单元，在沼气利用单元内通过燃烧进行臭气处理，生成co2和h2o。
当物料缓存罐中储存的待处理物料为粪尿混合物时，包括以下步骤：
1)粪尿混合物被输送至物料缓存罐进行预破碎、混合均质，使混合物料的含水率及粘度满足泵输条件，并调节ph值为7.5～12，获得均质物料；
2)将均质物料输送至亚临界水热液化单元，于180℃～260℃下处理后进入干燥粒化单元，经干燥粒化单元进行固液分离和固态物质的干燥粒化，产生的固态基质为有机肥，产生的分离液和冷凝水被输送至高温厌氧单元；分离液中有机物为小分子有机物，可生化性强，为高温厌氧单元的高效稳定运行提供了反应基质基础；
3)在高温厌氧单元中，分离液中的有机物于55±5℃下反应转化为ch4和反应出水，ch4进入沼气利用单元，ch4在沼气利用单元反应后产生高温烟气，高温烟气作为干燥粒化单元的热源，经干燥粒化单元降温的低温烟气作为高温厌氧单元的热源，烟气最终进入气体处理单元处理后达标排放；
4)高温厌氧单元的反应出水被输送至尿液缓存罐，经均质均量处理后进入鸟粪石结晶单元处理，然后进入固液分离装置，分离出能够作为缓释型肥料的鸟粪石；分离出的液体进入组合膜工艺单元，经膜工艺滤过处理后，得到尿液浓缩物和滤液，滤液用作园林绿化用水，尿液浓缩物被输送至物料缓存罐中，与后续输送至物料缓存罐中的粪尿混合物一并送入亚临界水热液化单元进行无害化处理；
在鸟粪石结晶单元中，通过化学法引入
5)重复步骤1)～步骤4)，直至待处理物料全部处理完毕。
优选地，物料缓存罐中的均质物料进入亚临界水热液化单元反应时，向亚临界水热液化单元中加入催化剂和氧化剂，反应后经干燥粒化单元进行固液分离和固态物质的干燥粒化处理，产生的固态基质为无机盐。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的公开的生态厕所粪尿处理系统，以亚临界水热液化为核心，通过亚临界水热液化单元直接与高温厌氧单元连通，使得亚临界水热液化单元的部分物料可以直接进入高温厌氧单元，有机物经由亚临界水热液化单元被分解为小分子有机物，具有良好的生化性，保证了高温厌氧单元的高效稳定运行，保证高温厌氧单元中ch4的产气量对物料中有机质量的需求。亚临界水热液化具有基于亚临界水特性，反应速度快，无害化彻底，能够将粪尿中的病原体、残留药物、抗生素等有害物质在分子水平被彻底分解为无生物活性的小分子，为粪尿的资源化利用提供了生物安全前提，同时结合高温厌氧单元、沼气利用单元实现了系统热平衡；基于固液分离装置优良的分离特性，确保了产水的园林绿化使用的生物安全性；经干燥粒化单元分离后还可以产生无害化有机肥或无机盐，尿液中氮磷通过鸟粪石结晶单元以鸟粪石形式回收，粪质、尿液中水经无害化处理后可作为园林绿化水使用，资源化利用。
进一步地，亚临界水热液化单元所需的热量由沼气利用单元提供，或者由高温厌氧单元和沼气利用单元组成能源利用系统，对亚临界水热液化单元提供热量输出，实现了工艺系统的能量自持。
本发明基于上述系统对粪尿进行处理的方法，当物料缓存罐中储存的是粪类物质，尿液缓存罐中储存的是尿液时，尿液依次经过尿液缓存罐、鸟粪石结晶单元、固液分离装置、组合膜工艺单元处理后，尿液浓缩物进入物料缓存罐与粪类物质一起经过亚临界水热液化单元、干燥粒化单元、高温厌氧单元处理后，再次经过组合膜工艺单元分离，分离后的液体可用作园林绿化用水，产生的尿液浓缩物再次经物料缓存罐进入亚临界水热液化单元进行无害化处理；粪类物质无害化稳定化为有机肥或无机盐，尿液中氮磷以鸟粪石形式回收，粪质、尿液中水经无害化处理后资源化利用为园林绿化水，气体经由气体处理单元处理，实现了气、液、固的无害化处置。具有处理迅速、占地面积小、能量利用效率高、运行成本低、资源化程度高、副产物生物安全性高、无害化彻底的优点；适用于城市、乡村粪尿物质的无害化处理。
本发明基于上述系统对粪尿进行处理的方法，当物料缓存罐中储存的是粪尿混合物时，粪尿混合物依次经过物料缓存罐、亚临界水热液化单元、干燥粒化单元、高温厌氧单元、尿液缓存罐、鸟粪石结晶单元、固液分离装置、组合膜工艺单元处理后，产生的尿液浓缩物再次经物料缓存罐进入亚临界水热液化单元进行无害化处理；粪类物质无害化稳定化为有机肥或无机盐，尿液中氮磷以鸟粪石形式回收，粪质、尿液中水经无害化处理后资源化利用为园林绿化水，气体经由气体处理单元处理，实现了气、液、固的无害化处置。
进一步地，将来自厕所通风、物料缓存罐产生的臭气同空气进入沼气利用单元，通过高温燃烧产物主要为co2和h2o，实现对臭气的高效、无害化处理。
进一步地，采用高温厌氧单元和沼气利用单元组成能源利用系统，对亚临界水热液化单元提供热量输出，实现了工艺系统的能量自持。
进一步，通过向亚临界水热液化单元中加入催化剂和氧化剂，可以更好地将粪尿中的病原体、残留药物、抗生素等有害物质，反应后经干燥粒化单元处理后，产生的固态基质为无机盐。
附图说明
图1为本发明的实施例1的系统结构示意图；
图2为本发明的实施例2的系统结构示意图；
图3为本发明的实施例3的系统结构示意图；
图4为本发明的实施例4的系统结构示意图。
其中，1为物料缓存罐；2为亚临界水热液化单元；3为干燥粒化单元；4为高温厌氧单元；5为沼气利用单元；6为组合膜工艺单元；7为固液分离装置；8为鸟粪石结晶单元；9为尿液缓存罐；10为气体处理单元。
具体实施方式
下面结合具体的附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开的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，包括物料缓存罐1、亚临界水热液化单元2、干燥粒化单元3、高温厌氧单元4、沼气利用单元5、组合膜工艺单元6、固液分离装置7、鸟粪石结晶单元8、尿液缓存罐9和气体处理单元10；
物料缓存罐1、亚临界水热液化单元2、干燥粒化单元3及高温厌氧单元4通过管路依次连接，高温厌氧单元4的气体出口与沼气利用单元5连接；沼气利用单元5产生的高温烟气依次经干燥粒化单元3和高温厌氧单元4利用后，回收至气体处理单元10；
尿液缓存罐9、鸟粪石结晶单元8、固液分离装置7及组合膜工艺单元6通过管路依次连接；组合膜工艺单元6的浓缩液出口连接至物料缓存罐1，组合膜工艺单元6的液体出口外排园林绿化用水；
当粪类物质和尿液分开处理时，粪类物质收集于物料缓存罐1中，尿液收集于尿液缓存罐9中，高温厌氧单元4的液体出口与组合膜工艺单元6连接；
当粪类物质和尿液混合处理时，粪尿混合物收集于物料缓存罐1中，高温厌氧单元4的液体出口与尿液缓存罐9连接。
亚临界水热液化单元2热源由高温厌氧单元4和沼气利用单元5组成的能源回收利用体系提供，实现系统能量自持。
还包括将亚临界水热液化单元2与高温厌氧单元4直接连通的管路，亚临界水热液化单元2部分物料直接进入高温厌氧单元4，保证高温厌氧单元中ch4的产气量对有机质量、温度50℃～60℃的需求。
亚临界水热液化单元2和干燥粒化单元3的分离液中有机物为小分子有机物，可生化性强，保证了高温厌氧单元4的高效稳定运行。
鸟粪石结晶单元8通过化学法引入
组合膜工艺单元6可采用纳滤膜、超滤膜和反渗透膜其中的两种或三种，使得组合膜工艺单元6具有优良的分离特性。经组合膜工艺单元6分离后的尿液浓缩物进入亚临界水热液化单元2进行无害化处置，确保了尿液中病原体、残留抗生素的无害化处置效率。
实施例1
参见图1，本发明的生态厕所粪尿处理系统，针对的情况为：粪类物质与尿液分别处理，即物料缓存罐1中储存的是粪类物质，尿液缓存罐9中储存的是尿液。
包括与厕所或粪尿池连通的物料缓存罐1、亚临界水热液化单元2、干燥粒化单元3、高温厌氧单元4、沼气利用单元5、组合膜工艺单元6、固液分离装置7、鸟粪石结晶单元8、尿液缓存罐9及气体处理单元10。
物料缓存罐1、亚临界水热液化单元2、干燥粒化单元3、高温厌氧单元4及沼气利用单元5通过管路依次连接，尿液缓存罐9、鸟粪石结晶单元8、固液分离装置7及组合膜工艺单元6通过管路依次连接，高温厌氧单元4与气体处理单元10连接；高温厌氧单元4与组合膜工艺单元6连接，组合膜工艺单元6与物料缓存罐1连接。
利用本实施例系统处理粪尿的方法具体为：
粪类物质、尿液浓缩物进入物料缓存罐1，进行预破碎、混合均质，使混合物料含水率及粘度满足泵输条件；物料缓存罐1中的均质物料进入亚临界水热液化单元2，亚临界水热液化单元2内反应条件为ph为7.5-12，温度为180℃～260℃，将粪尿中病原体、残留药物及抗生素等存在生态安全威胁的物质，在分子水平分解为无生物活性的小分子物质，实现无害化、稳定化；经亚临界水热液化单元2无害化的混合物料进入干燥粒化单元3，经干燥粒化单元3进行固液分离和固态物质的干燥粒化，产生的固态基质为无害化有机肥，产生的分离水和冷凝水进入高温厌氧单元4；高温厌氧单元4温度控制在50℃～60℃，在高温厌氧单元4中的厌氧产甲烷菌的作用下，将分离水和冷凝水中的有机物转化为ch4，ch4进入沼气利用单元5进行缓存、净化和综合利用；
尿液进入尿液缓存罐9进行均质均量，然后进入鸟粪石结晶单元8，使尿液中的n、p等元素形成鸟粪石，之后进入固液分离装置7进行固液分离，将固态的鸟粪石分离出来；固液分离装置7分离液和高温厌氧单元4出水进入组合膜工艺单元6，实现出水中含有残留病原体、有机污染物的尿液浓缩物的分离，组合膜工艺单元6分离后的出水可用作园林绿化用水，产生的尿液浓缩物由于富含残留病原体，经物料缓存罐1进入亚临界水热液化单元2，继续进行无害化处理，以此往复循环。
亚临界水热液化单元2热源由高温厌氧单元和沼气利用单元5组成的能源回收利用体系提供，实现系统能量自持。
亚临界水热液化单元2部分物料直接进入高温厌氧单元4，保证高温厌氧单元4中ch4产气量对有机质量、温度50℃～60℃的需求。
亚临界水热液化单元2和干燥粒化单元3的分离液中有机物为小分子有机物，可生化性强，保证了高温厌氧单元4的高效稳定运行。
鸟粪石结晶单元8通过化学法引入
组合膜工艺单元6可采用纳滤膜、超滤膜和反渗透膜其中的两种或三种，使得组合膜工艺单元6具有优良的分离特性。组合膜工艺单元6分离后的尿液浓缩物进入亚临界水热液化单元2进行无害化处置，确保了尿液中病原体、残留抗生素的无害化处置效率。
物料缓存罐1保持负压操作，上层臭气同来自厕所通风产生的臭气、空气经风机进入沼气利用单元5，在沼气利用单元5通过燃烧进行臭气处理，沼气作为清洁能源，燃烧产物主要为co2和h2o，对环境无危害。
沼气利用单元5采用导热油锅炉或蒸汽锅炉，实现低压高温热媒介质对亚临界水热液化单元2进行热输出；沼气利用单元5产生的高温烟气作为干燥粒化单元3的热源，经干燥粒化单元3降温的低温烟气作为高温厌氧单元4的热源，烟气最终进入气体处理单元10处理后达标排放；通过对沼气利用系统优化，实现了能量的梯级利用、能量自持。
固液分离装置7分离液的后处理，除了采用组合膜工艺单元6之外，也可采用化学氧化、电化学氧化及其他深度处理工艺，实现尿液的无害化及资源化处置。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处如图2所示，具体区别如下：
粪类物质、尿液浓缩物进入物料缓存罐进行预破碎、混合均质，使混合物料含水率及粘度满足泵输条件，调节ph为7.5～12。
在物料缓存罐1内的均质物料进入亚临界水热液化单元2时，向亚临界水热液化单元2中加入催化剂和氧化剂，控制温度为180℃～260℃，实现病原体等灭活，在分子水平彻底分解为co2。
沼气利用单元5产生的热量除了供给亚临界水热液化单元2所需热量外，部分沼气可用于发电、供热等用途。
经亚临界水热液化单元2无害化的混合物料进入干燥粒化单元3，经干燥粒化单元3进行固液分离和固态物质的干燥粒化，产生的固态基质为无机盐。
实施例3
参见图3，与实施例1和实施例2不同的是，本实施例针对的情况为：物料缓存罐1中储存的是粪尿混合物。
物料缓存罐1、亚临界水热液化单元2、干燥粒化单元3、高温厌氧单元4、尿液缓存罐9、鸟粪石结晶单元8、固液分离装置7及组合膜工艺单元6通过管路依次连接，组合膜工艺单元6与物料缓存罐1连接；高温厌氧单元4还分别与气体处理单元10、沼气利用单元5连接。
利用本实施例系统处理粪尿混合物的方法具体包括以下步骤：
1)粪尿混合物进入物料缓存罐1进行预破碎及混合均质，调节ph为7.5～12，使混合物料含水率及粘度满足泵输条件，获得均质物料；
2)物料缓存罐1中的均质物料进入亚临界水热液化单元2，调节ph为7.5～12，温度为180℃～260℃，实现病原体等灭活，在分子水平分解为无生物活性的小分子物质，实现无害化及稳定化；经亚临界水热液化单元2无害化的混合物料进入干燥粒化单元3，经干燥粒化单元3进行固液分离和固态物质的干燥粒化，产生的固态基质为无害化有机肥，产生的分离水和冷凝水进入高温厌氧单元4；
3)高温厌氧单元4温度控制在50℃～60℃，在高温厌氧单元4中的厌氧产甲烷菌的作用下，将分离水和冷凝水中的有机物转化为ch4，ch4进入沼气利用单元5进行缓存、净化和综合利用，ch4在沼气利用单元5反应后产生高温烟气，高温烟气作为干燥粒化单元3的热源，经干燥粒化单元3降温的低温烟气作为高温厌氧单元4的热源，烟气最终进入气体处理单元10处理后达标排放；
4)高温厌氧单元4的反应出水进入尿液缓存罐9进行均质均量，然后进入鸟粪石结晶单元8，使尿液中的n、p等元素形成鸟粪石，之后进入固液分离装置7进行固液分离，将固态的鸟粪石分离出来，分离出的液体进入组合膜工艺单元6，实现尿液中尿液浓缩物的分离，经组合膜工艺单元6分离后的液体可用作园林绿化用水，产生的尿液浓缩物经物料缓存罐1进入亚临界水热液化单元2继续进行无害化处理；
5)重复步骤1)～步骤4)，直至待处理物料全部处理完毕。
物料缓存罐1保持负压操作，上层臭气同来自厕所通风产生的臭气及空气经风机进入沼气利用单元5，在沼气利用单元5通过燃烧进行臭气处理，沼气作为清洁能源，燃烧产物主要为co2和h2o，对环境无危害。
沼气利用单元5采用导热油锅炉或蒸汽锅炉，实现低压高温热媒介质对亚临界水热液化单元2进行热输出；沼气利用单元5产生的高温烟气用于干燥粒化单元3的热源，经干燥粒化单元3降温的低温烟气作为高温厌氧单元4的热源，烟气最终进入气体处理单元10处理后达标排放；通过对沼气利用系统优化，实现了能量的梯级利用、能量自持。
固液分离装置7分离液的后处理，除了采用组合膜工艺单元6之外，也可采用化学氧化、电化学氧化及其他深度处理工艺，实现尿液的无害化及资源化处置。
实施例4
本实施例与实施例3的不同之处参见图4，具体区别如下：
在物料缓存罐1内的均质物料进入亚临界水热液化单元2时，向亚临界水热液化单元2中加入催化剂和氧化剂，控制温度为180℃～260℃，实现病原体等灭活，在分子水平彻底分解为co2。
沼气利用单元5产生的热量除了供给亚临界水热液化单元2所需热量外，部分沼气还可用于发电、供热等用途。
经亚临界水热液化单元2无害化的混合物料进入干燥粒化单元3，经干燥粒化单元3进行固液分离和固态物质的干燥粒化，产生的固态基质为无机盐。
综上所述，本发明以亚临界水热液化技术核心，实现无害化处置；同时结合高温厌氧工艺、沼气回收利用实现了系统热平衡；基于组合膜工艺单元的分离特性，确保了产水的园林绿化使用的生物安全性。粪类物质无害化稳定化为有机肥，尿液中氮磷以鸟粪石形式回收，粪质、尿液中水经无害化处理后资源化利用为园林绿化水，臭气经由高温燃烧处理，实现了气、液、固的无害化处置，具有良好的环境效益和经济效益。因此，本发明的粪尿处理系统及方法为粪尿无害化处置和资源化开辟了新途径，实现了粪尿的无害化、稳定化和资源化，消除了粪尿存在的生态安全风险，改善了生态环境，同时对促进粪尿资源的可持续利用具有非常重要的意义。具有处理迅速、占地面积小、能量利用效率高、运行成本低、资源化程度高、副产物生物安全性高、无害化彻底的优点；适用于城市、乡村粪尿物质的无害化处理。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。