一种基于农村人畜粪便和生物质混合阴燃的智能厕所

摘要

本发明属于农村人畜粪便无害化处理和环境卫生技术领域，并公开了一种基于农村人畜粪便和生物质混合阴燃的智能厕所，包括尿粪分离便器、尿液收集容器、粪便存储搅拌箱、生物质存储箱、沙子存储箱、搅拌器、柱状阴燃反应容器、空气压缩机、电加热器和自动控制系统；第一绞龙连接生物质存储箱和粪便存储搅拌箱；第二绞龙连接沙子存储箱和粪便存储搅拌箱；第三绞龙连接粪便存储搅拌箱和柱状阴燃反应容器；空气管道连接空气压缩机和柱状阴燃反应容器；烟气管道连接柱状阴燃反应容器和尿液收集容器；第四绞龙连接柱状阴燃反应容器和尿液收集容器；本发明能够快速、经济、安全、彻底地实现农村人畜粪便无害化，并回收其中的无机营养元素作为绿色肥料。

说明书

技术领域

本发明属于农村人畜粪便无害化处理和环境卫生技术领域，更具体地，涉及一种智能厕所。

背景技术

人畜粪便若处置不当，严重危害中国农村地区的公共卫生及健康。由于农村的人口密度低、经济不发达，造价昂贵的集中式污水处理系统显然不可行。当前农村主要使用的厕所类型有化粪式和蹲坑式，这两种类型的厕所都面临着粪便堆积时间长、建造粗糙、和疏于管理等问题，造成了病菌的泄露以及地表水和地下水的严重污染。由于人畜粪便的含水量高达65-85％，采用焚烧或热解的处理方式需要消耗大量的能量来干燥粪便。因此，开发出一种快速、经济、安全、彻底的粪便无害化处理方法和系统迫在眉睫。

阴燃是一种无火焰的、异相的燃烧反应，通常发生在燃料表面。常见的阴燃反应包括烧烤木炭和香烟的燃烧等。当燃烧反应释放的热量大于损失的热量以及燃烧传播所需热量的总和时，可自持续阴燃条件就可以实现。在该条件下维持燃烧反应并不需要额外的能量输入，因此能耗很低。鉴于这个技术优势，加拿大西安大略大学和澳大利亚昆士兰大学的研究者率先于2013年在比尔及梅琳达·盖茨基金会的资助下，开始了利用可自持续阴燃来无害化处理粪便的研究，并于2015年在加拿大建成了一个阴燃厕所的示范装置(设计规模：20人)。该装置的粪便日处理时间为5小时，日能耗为4MJ。因为阴燃过程的燃烧温度在400℃以上，粪便杀菌率高达100％。

除了上述这些喜人的技术指标外，现有的阴燃厕所及其设计技术还存在如下的技术缺陷：(1)系统复杂，耗水量大；(2)目前只能处理健康粪便，对含水量大于90％的痢疾粪便的处理尚处在研发阶段；(3)为了实现可自持续阴燃，不得不对粪便进行部分干燥，使得含水量降低到50％左右，而干燥的过程消耗大量的能量；(4)设计规模不够灵活(10-20人/户)，且大于中国农村平均每户人口数(约3-5人)；(5)只针对人的粪便设计，无法对家禽、家畜的粪便作无害化处理；和(6)能量管理远未达到最优化，并且阴燃生成的气体产物未得到任何处理和控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于农村人畜粪便和生物质混合阴燃的智能厕所，能够快速、经济、安全、彻底地实现农村人畜粪便无害化，并回收其中的无机营养元素(如磷和钾等)作为绿色肥料。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于农村人畜粪便和生物质混合阴燃的智能厕所，其特征在于，包括尿粪分离便器、尿液收集容器、粪便存储搅拌箱、生物质存储箱、沙子存储箱、搅拌器、柱状阴燃反应容器、空气压缩机、电加热器和自动控制系统，其中，

所述尿粪分离便器分别连接所述尿液收集容器和粪便存储搅拌箱，以用于使尿液和人粪便分别进入所述尿液收集容器和粪便存储搅拌箱；

第一绞龙连接所述生物质存储箱和所述粪便存储搅拌箱，以用于将生物质存储箱内的生物质送入所述粪便存储搅拌箱内与人粪便形成燃料混合物；

第二绞龙连接所述沙子存储箱和所述粪便存储搅拌箱，以用于将沙子存储箱内的沙子送入所述粪便存储搅拌箱内；

所述搅拌器设置在所述粪便存储搅拌箱内，以用于搅拌燃料混合物和沙子；

第三绞龙连接所述粪便存储搅拌箱和所述柱状阴燃反应容器，以用于将所述粪便存储搅拌箱内的燃料混合物和沙子送入所述柱状阴燃反应容器内；

空气管道连接所述空气压缩机和所述柱状阴燃反应容器，以用于将空气导入所述柱状阴燃反应容器内；

所述电加热器设置在所述柱状阴燃反应容器内，以用于让燃料混合物阴燃烧成灰，所述沙子与灰形成沙灰混合物；

烟气管道连接所述柱状阴燃反应容器和所述尿液收集容器，以用于将所述柱状阴燃反应容器内产生的烟气送入所述尿液收集容器内对尿液消毒；

第四绞龙连接所述柱状阴燃反应容器和所述尿液收集容器，以用于将所述柱状阴燃反应容器内的灰和沙子送入所述尿液收集容器内对尿液消毒；

所述尿液收集容器上设置有烟气出口和沙灰混合物出口，以分别排出烟气和沙灰混合物；

所述自动控制系统分别连接所述搅拌器、电加热器、空气压缩机、第一绞龙、第二绞龙、第三绞龙和第四绞龙。

优选地，还包括家禽家畜粪便存储箱，第五绞龙连接所述家禽家畜粪便存储箱和所述粪便存储搅拌箱，以用于将家禽家畜粪便存储箱内的家禽家畜粪便送入所述粪便存储搅拌箱内，所述第五绞龙与所述自动控制系统连接。

优选地，还包括与所述自动控制系统连接的热电偶，所述热电偶设置在所述柱状阴燃反应容器内，以用于监测点火温度和阻燃峰值温度。

优选地，还包括与所述自动控制系统连接的温度记录装置，所述温度记录装置与所述热电偶也连接。

优选地，还包括与所述自动控制系统连接的流量控制装置，所述流量控制装置设置在所述空气管道，以用于控制进入所述柱状阴燃反应容器内的空气流量。

优选地，所述尿液收集容器上的烟气出口处设置有活性炭吸附装置，以用于净化烟气。

优选地，还包括设置在所述柱状阴燃反应容器内的空气均布装置，所述空气均布装置设置在所述电加热器的下方。

优选地，所述沙子与燃料混合物的质量比为1.5：1～7.5：1。

优选地，还包括与所述自动控制系统连接的第六绞龙，所述第六绞龙设置在所述沙灰混合物出口处，以用于送出沙灰混合物。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明采用湿粪便和干燥生物质混合的方式间接干燥，使混合物含水量提高至可自持续阴燃所允许的最高值(～50％)，从而省略了现有阴燃厕所的皮带运输干燥系统，免除了直接热干燥所需的能量输入，因此极大地简化了系统并降低了建造成本和运行能耗。

2)由于生物质的燃料特性普遍优于粪便，二者混合后的阴燃速度和峰值温度，与单一粪便相比，会有显著提高。因此，阴燃过程更加灵活、易控。

3)本发明适用于所有的人畜粪便，包括健康粪便和含水量极高的痢疾粪便。因此，粪便和生物质混合阴燃厕所可以用来无害化处理农村所有粪便，并实现其中无机营养元素的资源化回收利用。

4)本发明可以将粪便暂存在存储搅拌箱中，若使用人数较少时，可以将粪便积累到足够的处理量后再进行阴燃杀菌无害化处理(例如每天处理一次)。若使用人数较多或者需要处理家禽、家畜粪便时，可以根据需要延长阴燃时间。因此本发明系统规模十分灵活，既适用于单个农户分布式进行家庭粪便无害化处理，又适用于建造农村公厕，农村政府可以根据实际情况灵活管理规划。

5)本发明利用阴燃后生成的热烟气和灰沙混合物对尿液进行高温消毒，从而实现了系统能量管理最优化。

6)本发明具有处理速度快、杀菌彻底、投资小、工艺系统简单、运行成本和能耗低、适用性广、系统规模灵活、和优化能量管理等优点。在进一步推进农村“厕所革命”的进程中，拥有良好的推广应用前景。

附图说明

图1是基于人畜粪便和生物质混合阴燃的智能厕所的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1，一种基于农村人畜粪便和生物质混合阴燃的智能厕所，包括尿粪分离便器1、尿液收集容器16、粪便存储搅拌箱2、生物质存储箱4、沙子存储箱6、搅拌器9、柱状阴燃反应容器13、空气压缩机22、电加热器20和自动控制系统10，其中，

所述尿粪分离便器1分别连接所述尿液收集容器16和粪便存储搅拌箱2，以用于使尿液和人粪便分别进入所述尿液收集容器16和粪便存储搅拌箱2；

第一绞龙3连接所述生物质存储箱4和所述粪便存储搅拌箱2，以用于将生物质存储箱4内的生物质送入所述粪便存储搅拌箱2内与人粪便形成燃料混合物；

第二绞龙5连接所述沙子存储箱6和所述粪便存储搅拌箱2，以用于将沙子存储箱6内的沙子送入所述粪便存储搅拌箱2内；

所述搅拌器9设置在所述粪便存储搅拌箱2内，以用于搅拌燃料混合物和沙子；

第三绞龙14连接所述粪便存储搅拌箱2和所述柱状阴燃反应容器13，以用于将所述粪便存储搅拌箱2内的燃料混合物和沙子送入所述柱状阴燃反应容器13内；

空气管道连接所述空气压缩机22和所述柱状阴燃反应容器13，以用于将空气导入所述柱状阴燃反应容器13内；

所述电加热器20设置在所述柱状阴燃反应容器13内，以用于让燃料混合物阴燃烧成灰，所述沙子与灰形成沙灰混合物；

烟气管道连接所述柱状阴燃反应容器13和所述尿液收集容器16，以用于将所述柱状阴燃反应容器13内产生的烟气送入所述尿液收集容器16内对尿液消毒；

第四绞龙15连接所述柱状阴燃反应容器13和所述尿液收集容器16，以用于将所述柱状阴燃反应容器13内的灰和沙子送入所述尿液收集容器16内对尿液消毒；

所述尿液收集容器16上设置有烟气出口和沙灰混合物出口，以分别排出烟气和沙灰混合物；

所述自动控制系统10分别连接所述搅拌器9、电加热器20、空气压缩机22、第一绞龙3、第二绞龙5、第三绞龙14和第四绞龙15。

进一步，还包括家禽家畜粪便存储箱7，第五绞龙8连接所述家禽家畜粪便存储箱7和所述粪便存储搅拌箱2，以用于将家禽家畜粪便存储箱7内的家禽家畜粪便送入所述粪便存储搅拌箱2内，所述第五绞龙8与所述自动控制系统10连接。

进一步，还包括与所述自动控制系统10连接的热电偶12，所述热电偶12设置在所述柱状阴燃反应容器13内，以用于监测点火温度和阻燃峰值温度。

进一步，还包括与所述自动控制系统10连接的温度记录装置11，所述温度记录装置11与所述热电偶12也连接。

进一步，还包括与所述自动控制系统10连接的流量控制装置21，所述流量控制装置21设置在所述空气管道，以用于控制进入所述柱状阴燃反应容器13内的空气流量。

进一步，所述尿液收集容器16上的烟气出口处设置有活性炭吸附装置17，以用于净化烟气。

进一步，还包括设置在所述柱状阴燃反应容器13内的空气均布装置19，所述空气均布装置19设置在所述电加热器20的下方。

进一步，所述沙子与燃料混合物的质量比为1.5：1～7.5：1。

进一步，还包括与所述自动控制系统10连接的第六绞龙18，所述第六绞龙18设置在所述沙灰混合物出口处，以用于送出沙灰混合物。

柱状阴燃反应容器13、反应柱、电加热器20、空气均布装置19共同构成柱状阴燃反应器。

本发明的工艺过程是这样的：

1)如厕者的粪便和尿液通过一个能够将粪便和尿液分离的尿粪分离便器1分离后分别导入一个粪便存储搅拌箱2和一个尿液收集容器16。尿粪分离便器1中的粪便排口直径足够大，从而确保排入存储搅拌箱2时没有任何粪便粘附在便器上。因此，如厕后仅需要少量的水来冲洗便器中的尿液收集口，冲洗的水也一并导入尿液收集器16中。

2)导入到粪便存储搅拌箱2中的健康粪便含水量约为65-85％，痢疾粪便含水量约为90％，均高于粪便可自持续阴燃所能承受的最大含水量(～50％)。为实现可自持续阴燃，将定量的干燥生物质碎末(含水量约为20％)从生物质存储箱4中利用第一绞龙3导入粪便存储搅拌箱2。粪便和生物质碎末(粒径<5mm)的混合比例优先根据各自的含水量和混合物的目标含水量(～50％)确定。

3)如有需要，家禽家畜粪便可以从家禽家畜粪便存储器7中通过第五绞龙8导入粪便存储搅拌箱2。同时，根据步骤2)中的方法，将定量的干燥生物质从生物质存储箱4中利用第一绞龙3导入粪便存储搅拌箱2。本步骤不是阴燃的必须步骤，仅在用户需要进行禽畜粪便无害化处理时使用。

4)将沙子(粒径<3mm)从沙子存储箱6中通过第二绞龙5导入粪便混合搅拌箱2中，并与粪便/生物质的混合燃料均匀搅拌，以提高阴燃过程中的传热传质效率。沙子的质量可根据沙子和燃料混合物的质量比(通常在1.5-7.5的范围内，可选择3.5)确定。

5)将混合均匀的人粪便/生物质/沙子的混合物通过第三绞龙14导入柱状阴燃反应容器中。打开反应器底部的电加热器20来加热直接与其接触的混合物，并用热电偶12监测位于电加热器20上方1cm处的混合物的温度。待该处混合物温度达到400℃左右的着火温度时，将空气经过位于空气均布装置19导入柱状阴燃反应容器13点火，待热电偶12的温度达到峰值时，即可关掉电加热器20，阴燃反应释放的热量可以驱动反应向上自持续进行。在此步骤中，通入的空气由小型的空气压缩机22提供，其达西流速(由空气流量和阴燃反应柱的内径确定)通过流量控制装置21控制在1.5-3.5的范围内。通过可自持续阴燃，粪便和生物质的混合物被完全燃尽并且燃烧温度高于400℃，彻底杀灭了粪便中的细菌和虫卵，同时生成富含无机营养元素的灰和热烟气。

6)将粪便阴燃后生成的热烟气导入尿液收集容器16对尿液进行高温消毒，同时实现烟气的初步净化。通过尿液洗涤净化的烟气通过活性炭吸附装置17二次净化，确保不含任何有害成分后排入大气中。

7)将粪便阴燃后生成的灰和热沙子的混合物通过第四绞龙15导入到尿液收集容器16中，辅助热烟气对尿液进行高温消毒。消毒后的尿液会溶解灰中大部分的营养元素，在和沙子固液分离后，富含无机养分的、无臭味的尿液可以直接作为绿色废料施入农田，以降低农作物对化学肥料的需求量。分离后的沙子和部分残留灰渣通过第六绞龙18排出尿液收集容器16，自然干燥后重新循环利用。

上述步骤中，整个点火、阴燃处理粪便、和绞龙传送物料的过程均由自动控制系统实现，并可设置定时器在凌晨1：00-4：00之间(根据用户习惯自行设定)批量处理。需要说明的是，即使在阴燃处理粪便的过程中，用户也可以照常使用厕所。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。