所以过多的经处理的流出物废水也可以用于诸如其中非饮用水是 合适的并且其中不需要饮用水的农业灌溉之类的目的。
[0149] 图1C是电化学反应器的图像。图1D是10个阳极和11个阴极的电极阵列的图像。 下文中将更详细地描述这些装置。
[0150] 图1E是可以被集成到马桶设施的外壳中的、具有备份硅三结层压式太阳能收集 器的GPS跟踪光伏板的图像。
[0151] 图1F是填充有黑色废水的电化学反应器的图像。
[0152] 图1G是示出在4小时的太阳能光伏发电的电化学处理之后的废水的外观的图像。 在其他实施方式中，取决于诸如待加工的废水的量和电能生成的速率之类的因素，可以需 要更多或更少的时间。
[0153] 图1H是示出系统中的废水的流动的示意性流程图。
[0154] 图II是使用串联的附加的电化学反应器的太阳能马桶系统的实施方式的示意性 工艺流程图。在其他实施方式中，反应器布置基于处理条件可以是并联的、串联的或二者的 混合。该实施方式允许尿液和粪便的单独处理路径，以作为废物处理和产物回收的可选择 的方法。
[0155] 图1J是试运行（subpilot)的电化学反应器的示意图。
[0156] 在图1J的电化学反应器的操作中，样品等分试样在电解期间从溶液间歇地抽出。 溶液颜色的消失或漂白通过测量紫外/可见分光光度计的吸收率来监测。苯酚、水杨酸和 三氯生的浓度通过配备C18柱和紫外检测器的HPLC(安捷伦1100系列）来测量。HPLC混 合物的流动相包含45%的乙腈、55%的Milli-Q水以及0.lwt. %的乙酸。对于实际的真 正的废水样品而言，化学需氧量（COD)使用COD试剂瓶（Hach)来测量，在150°C下在酸性 溶液中利用重铬酸盐作为氧化剂进行2小时。当NaCl用作电解液时，在测量COD之前，将 AgN03 (Aldrich)添加到样品溶液中，以消除氯化物干扰。此外，其他测试基底的COD也被测 量以确定阳极氧化的电流效率。
[0157] 电解期间从水产生的分子氢（H2)通过四极质谱仪（MS，巴尔查斯）来检测。如图 1J所示，将反应器密封，并且反应器的顶部空间的气体利用蠕动泵提取并且经由涡轮泵被 推入具有70eV电子电离能量的四极质谱仪中（Pfeiffer;5. 0910-6托）。H2的产生速率从 H2在顶部空间的气体中的体积百分比来计算，该体积百分比被测量为假定其与通过MS测量 的总离子电流中的4的离子电流的百分比成正比。
[0158] 本发明提供了一种光伏发电的废水电解槽（PWEC)，其作为结合家庭废水中的环境 相关的污染物的电化学整治同时伴有氢气生成的双重功能的方法。PWEC的构思通过光伏 (PV)板驱动的现场废水处理而允许无电网或无地下城市基础设施的操作。因此，作为离网 技术的PWEC可以被并入水管理方案中，以便减少对容纳水的本体或废水处理厂的污染负 荷，同时通过废水再利用而提高水利用率并且减少能源生产的水消耗。
[0159] 当用于水分解的传统电解采用废水作为电解液时，废水电解槽（WEC)能够通过直 接的（异相的）或间接的（均相的）氧化途径来降解环境污染物。已知金属氧化物阳极上 的电化学水氧化产生物理吸附的羟自由基以及通过进一步转变被化学吸附到更高氧化态 的金属的活性氧（Comninellis，1994)。这种表面结合的活性氧物质（R0S)充当用于析氧或 用于水和颗粒污染物的异相氧化的中间物（Martinez-Huitle和Ferro,2006年）。此外， R0S也与存在于废水中的氯化物反应以产生活性氯类物质（RCS)，RCS包括作为有机或无机 污染物的间接氧化剂的游离氯类物质（Cl2,H0C1，C1CT)和氯自由基（C1 ?，Cl2 ?)(Panizza 和Ceris〇la，2009 ;Park等人，2009)。因此，有机化合物主要转化为二氧化碳和低分子量有 机酸，同时预期使形成细菌的菌落完全消毒。这种无外部化学物质的绿色化学可以完全通 过光伏板驱动，这使得PWEC是自持续式实践（self-sustainablepractice)。相对便宜的 多晶光伏板将太阳光转换成穿过阳极-阴极对的足够大的直流电OC)电位以氧化水（Park 等人，2008)。经由水氧化的阳极析氧通常辅以从水或质子的还原来产生氢气。通过污染物 和氯化物的R0S的消耗规避了由非化学当量的水分解产生的析氧（Choi等人，2012)。作为 PWEC的主要副产物的气态氢可以用于提供PWEC夜间运行的备用能量源或用于其他目的。
[0160] 硼掺杂的金刚石、SnOjPPbO2是公知的非活性电极，该非活性电极的在羟自由基 与电极表面之间的弱相互作用优先导致污染物的直接氧化（Costa和01ivi，2009)。尽管 文献中报道了用于污染物的氧化的优异的电流效率，但是，由于缺少对析氧的电催化活性， 因此这些非活性电极不适合制氢和能源储存的目的（Panizza等人，2005)。另一方面，基于 此02和11〇2的所谓尺寸稳定的阳极（DSA)已被广泛用于电解制氢以及电化学废物处理，这 归因于它们的用于析氧的高活性和间接的氧化能力（Martinez-Huitle和Ferro, 2006)。然 而，这些活性电极的商业应用已经受到相对高的材料成本限制。如本文所述，PWEC设计的 部件包括相继地涂覆有混合的半导体和廉价的不锈钢（SS，哈氏合金C-22)阴极的异质结 的金属氧化物阳极。在实施按规模增大（20升）的PWEC户外实验之前，从本地废水处理厂 收集的家庭废水在可控的实验室条件下被用于具有直流电位的小规模WEC中。去除化学需 氧量（COD)的工作参数的效果基于简单的动力学模型来研宄。实现了液体废物流的有效消 毒，示出了该小规模WEC可以提供合格质量的经消毒的循环水。
[0161] 马桶和废水处理系统设计的示例
[0162] 图2A是示出用于马桶和废水处理系统的一个实施方式的平面布置图的图，其示 出按顺序连接的各种处理单元和装置。
[0163] 图2B是示出马桶设施的一个实施方式的三维视图的图，其中处理系统被放置在 地平面以下并且处理后的水被泵送回到盥洗室天花板上的冲洗水存料罐。
[0164] 如图3A、图3B、图3C、图4A和图4B所示，各种其他构造可以用于提供根据本发明 的原理的人类废物处理系统。
[0165]图3A是已被更改成容纳本发明的马桶和废水系统的装运集装箱的图像。还示出 的是一个男人和一个女人，以便提供该实施方式的规模。
[0166] 图3B是示出马桶302、小便池304、水槽306的装运集装箱的内部隔间的图像。
[0167] 图3C是装运集装箱的另一个视图，其示出了位于装运集装箱顶表面（有效顶棚） 上的光伏太阳能电池308并且示出了每个隔间的后墙中的窗户310。
[0168] 虽然在图3A、图3B和图3C中所示的实施方式被建造在装运集装箱中，例如在用于 在海上运送货物的30英尺长的集装箱中，但是同样能够使用可以被预制并运输到预定位 置的其他结构，例如建在卡车拖车上的结构，诸如个人的流动厕所（P〇rt-a-potties)之类 的结构，或诸如其中房间仅设计成用于马桶用途、用于洗澡、用于洗衣用途或用于产生废水 的其他用途的预制住宅单元之类的结构。
[0169] 我们现在转向该系统的部件的更详细描述，以及在运行该系统时所获得结果的描 述。
[0170] 电化学反应器
[0171] 图5A、图5B和图5C示出了化学反应器的特征部，该化学反应器在进行本系统中运 行的光伏发电废水电解时是有用的。图5A是以分解图示出40升反应器设计的图。该反应 器采用交错配置的不锈钢阴极和硼掺杂的Ti02阳极。图5B是示出当40升反应器设计为 空的时的图。图5C是示出当40升反应器设计填充有废水并配备有5个阳极/6个阴极的 电极阵列时的图。该反应器具有入口和出口，入口位于底表面上以允许液体废物被引入到 槽中，出口用于除去位于槽的侧部上的经处理的液体。用于输送所生成的H2远离槽的出口 位于顶表面上。
[0172] 在反应器中的流动状态已被建模。内部混合流体流模型基于解决用于40升反应 器中的3D流动轨迹和流线的Navier-Stokes方程，当这些模型由于废水连续流入和流出反 应器而移动穿过反应器时跟踪流体的颗粒或小液包（smallpacket)。数值分析可以用于改 进设计。我们希望使停留时间分布的分布宽度最小化，并且由此利用最小的处理使来自反 应器的短路流（short-circuitingflow)最小化。这种分析可以帮助优化废水颗粒和可溶 组分与反应性电极表面的接触时间。
[0173] 图6A是示出模拟40升反应器中的流动特性的数值分析结果的图。在图6A中，液 体废物入口位于反应器的底表面上且出口位于反应器的接近顶部的侧部上。图6B是示出 当出口位置从图6A所示的位置改变时，即当出口位于比图6A所示的反应器侧部上的位置 低的位置时，模拟40升反应器中的流动特性的数值分析结果的正视图。图6C是示出模拟 如图6B所装配的40升反应器中的流动特性的数值分析结果的后视图的图。
[0174] 如果反应器用作流动反应器，则该反应器将具有受限的处理效率。当反应器在泵 开启时