满运转（参见图1B，其中入口在反应器的左上角且出口在右下角），通过化粪池中的 入口的体积％的增大将增加电化学反应器中的液体的量。这将诱使V:从反应器的顶部（空 气-液体交界处）穿过多孔壁排出。即使当％被加入反应器时泵是关闭的，不可忽略的量 的污水也将在未被处理的情况下直接排出。
[0175] 入口流和出口流的位置可以被改变以改进整体的反应器性能。例如，通过在设计 中包括圆角，可以实现改进的混合、流体流动特性，并且增加与电极表面的接触时间。
[0176] 对流动的另一个改进是将反应器入口移置到反应器的底部。因此，当人使用马桶 时，泵可以通过开关计时器被关闭几分钟。在这种情况下，％将到达反应器的底部并且将不 与靠近表面的经处理的液体混合。因此经处理的水的清洁体积％从反应器排出，而不与化 粪池的废物接触。
[0177] 已实施的但不存在于流动模拟和3维模型中的改进包括将泵的输出部放置在反 应器的顶部。这改进了混合并且可以使用低能量消耗的泵（12伏，1. 2安培对比110伏，1. 65 安培）。
[0178] 图7是用于实验室规模试验中的电化学电池的一个实施方式例的示意图。图7的 电化学电池具有容纳待处理的废水的外壳。所使用的电极包括不锈钢阴极和具有在钛金属 上的BiOx-TiOJl的阳极。该电池利用恒电位仪和Ag/AgCl(氯化银）参比电极来运行。在 电化学电池系统中，有机污染物的电化学氧化发生在阳极，而同时还原发生在阴极。从阴极 到水或质子的电子转移导致氢气产生。图7的电化学电池包括端口，该端口允许电池中的 流体被取样以用于化学分析。气体量管在废水的水平面上方的位置处被密封连接到电池以 允许所产生的气体被收集和分析。在操作中，收集到的气体是氢气。在目前的工作中，我们 已经证明了水中的多种化学污染物的完全氧化以及同时产生氢气。
[0179] 常规电源和直接光伏电力已用于驱动各种电化学反应。与常规金属电极（即，阳 极）相比，利用半导体电极获得的优势归因于直接产生反应类物质，例如半导体的表面处 的羟自由基。羟自由基的形成是将水氧化成氧气的第一步。另外，在第二氧化步骤中，羟自 由基的氧化产生了过氧化氢，这也是可以净化废水的强有力的氧化剂。
[0180] 表1列出了家庭废水的成分。
[0181]表 1
【主权项】
1. 一种自主式废水处理系统，所述自主式废水处理系统没有至城市废水处理系统的连 接，包括： 电化学电池，所述电化学电池具有至少一个阳极和至少一个阴极，所述电化学电池具 有配置成接收液体形式的输入的液体输入端口、配置成输送液体形式的输出的液体输出端 口以及配置成输送气体形式的输出的气体输出端口，所述电化学电池具有阳极电气终端和 阴极电气终端； 气体积聚装置，所述气体积聚装置配置成接收和储存来自所述电化学电池的气体输 出； 液体积聚装置，所述液体积聚装置配置成接收和储存来自所述电化学电池的液体输 出； 电力源，所述电力源没有至电网的连接，所述电力源配置成借助于所述阳极电气终端 和所述阴极电气终端向所述电化学电池提供电力，所述电力源具有配置成接收控制信号的 至少一个输入终端； 至少一个输入端口，所述至少一个输入端口配置成接收作为输入流的以尿液、粪便和 废水中的一种或更多种的形式的人为废物； 存料罐，所述存料罐具有至所述电化学电池的所述液体输入端口的可控输出连接，所 述存料罐配置成接收来自所述至少一个输入端口的所述输入流、保存所述接收的输入流中 的材料并且借助于所述液体输入端口转移如此保存的所述材料的一部分用于在所述电化 学电池中的处理；和 控制器，所述控制器具有配置成接收表示数据和指令中的一种或更多种的输入信号的 至少一个控制器输入端口，所述控制器具有配置成提供作为输出的控制信号的至少一个控 制器输出端口，所述控制器与所述电化学电池、所述气体积聚装置、所述液体积聚装置、所 述电力源和所述存料罐通信并且配置成控制它们。
2. 根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述电化学电池是光电化学电 池。
3. 根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述电力源包括光伏板。
4. 根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述电力源包括蓄电池。
5. 根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述气体积聚装置配置成储存氢 气。
6. 根据权利要求5所述的自主式废水处理系统，还包括配置成接收来自所述气体积聚 装置的氢气并且向所述电力源供应电力的氢-空气燃料电池。
7. 根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述控制器是在记录于机器可读 介质上的一组指令下工作的通用可编程计算机。
8. 根据权利要求1所述的自主式废水处理系统，其中所述系统还包括配置成测量所述 自主式废水处理系统或其部件的工作参数的测量设备。
9. 一种废水处理工艺，包括以下步骤： 提供没有至城市废水处理系统的连接的自主式废水处理系统，所述自主式废水处理系 统包括： 电化学电池，所述电化学电池具有至少一个阳极和至少一个阴极，所述电化学电池具 有配置成接收液体形式的输入的液体输入端口、配置成输送液体形式的输出的液体输出端 口以及配置成输送气体形式的输出的气体输出端口，所述电化学电池具有阳极电气终端和 阴极电气终端； 气体积聚装置，所述气体积聚装置配置成接收和储存来自所述电化学电池的气体输 出； 液体积聚装置，所述液体积聚装置配置成接收和储存来自所述电化学电池的液体输 出； 电力源，所述电力源没有至电网的连接，所述电力源配置成借助于所述阳极电气终端 和所述阴极电气终端向所述电化学电池提供电力，所述电力源具有配置成接收控制信号的 至少一个输入终端； 至少一个输入端口，所述至少一个输入端口配置成接收作为输入流的以尿液、粪便和 废水中的一种或更多种的形式的人为废物； 存料罐，所述存料罐具有至所述电化学电池的所述液体输入端口的可控输出连接，所 述存料罐配置成接收来自所述至少一个输入端口的所述输入流、保存所述接收的输入流中 的材料并且借助于所述液体输入端口转移如此保存的所述材料的一部分用于在所述电化 学电池中的处理；和 控制器，所述控制器具有配置成接收表示数据和指令中的一种或更多种的输入信号的 至少一个控制器输入端口，所述控制器具有配置成提供作为输出的控制信号的至少一个控 制器输出端口，所述控制器与所述电化学电池、所述气体积聚装置、所述液体积聚装置、所 述电力源和所述存料罐通信并且配置成控制它们； 接收以尿液、粪便和废水中的一种或更多种的形式的人为废物； 将所述接收的人为废物的一部分转移至所述电化学电池； 操作所述电化学电池以电化学处理所述人为废物；和 从所述电化学处理的人为废物回收经消毒的液体废物、气体产物和农业肥料产物中的 至少一种，从而整治所述接收的人为废物。
10. 根据权利要求9所述的废水处理工艺，其中所述废水包括来自洗澡和卫生、食品制 作、洗涤衣物和洗涤其他所有物的流出物中的一种或更多种。
11. 根据权利要求9所述的废水处理工艺，其中氯浓度在所述电化学电池中的所述接 收的人为废物中被控制。
12. 根据权利要求9所述的废水处理工艺，其中所述电化学电池通过生成与所述接收 的人为废物反应的活性氯类物质对所述接收的人为废物消毒。
13. 根据权利要求12所述的废水处理工艺，其中所述活性氯类物质是Cl 2、H0C1、C10' 氯自由基Cl ?和氯自由基Cl2 ?中的一种或更多种。
14. 根据权利要求12所述的废水处理工艺，其中操作所述电化学电池以电化学处理所 述人为废物的所述步骤导致氢气的生成。
15. 根据权利要求14所述的废水处理工艺，其中所述氢气被储存在所述气体聚积装置 中。
16. 根据权利要求14所述的废水处理工艺，其中所述氢气在配置成向所述电力源供应 电力的氢-空气燃料电池中被消耗。
17. 根据权利要求9所述的废水处理工艺，其中所述电化学电池还包括参比电极。
18. 根据权利要求17所述的废水处理工艺，其中所述电化学电池的工作电压被控制。
【专利摘要】一种用于整治废水和人类废物的废水处理系统和方法是自主式的并且没有至城市废水系统的连接和至电网的连接。家用马桶和废水处理系统可以通过作为电力源的光伏板来发电。该系统包括电化学电池，该电化学电池允许废物流在几小时内被消毒至无活的细菌菌落可以被培养的情况。该系统产生适用于系统冲洗或适用于其中非饮用水是可接受的用途的液体流。该系统可以生成作为能够用于产生电力的产物的氢气。该系统可以生成用作肥料的硝酸盐、尿素、氨和磷酸盐。经消毒的残留的有机固体也被彻底消毒以用于作为农业的有机土壤改良剂的潜在用途。
【IPC分类】C02F1-46
【公开号】CN104755431
【申请号】CN201380052639
【发明人】迈克尔·R·霍夫曼, 阿斯加尔·阿扬法, 赵康佑, 克莱门特·A·奇德, 权大中, 曲燕
【申请人】加州理工学院
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年10月8日
【公告号】US20140209479, WO2014058825A1