基于水熱液化技術(shù)的生態(tài)廁所系統(tǒng)示范

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院

作者：孔德亮，劉志丹，郵箱：kdl2017@cau.edu.cn

【基本情況】

針對農(nóng)村、社區(qū)規(guī)模的廁所改造和糞污量大、處理不當(dāng)?shù)忍攸c，基于水熱液化技術(shù)的產(chǎn)油工藝包，構(gòu)建生態(tài)廁所系統(tǒng)并現(xiàn)場示范。生態(tài)廁所系統(tǒng)于2019 年初在北京市郊區(qū)建成，其規(guī)模可以滿足約300 戶（每戶3 人）如廁需求，經(jīng)過長時間運行性能的測試，表明系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。系統(tǒng)的核心技術(shù)是真空微水沖廁所耦合水熱液化技術(shù)：無下水管道鋪設(shè)、集中模塊化實現(xiàn)廁所糞污無害化、資源化利用。目前生態(tài)廁所系統(tǒng)已經(jīng)示范運行超過4 a，處理規(guī)模為100 kg/d，生物原油的產(chǎn)油率為28%（基于干質(zhì)量），生物原油的熱值為35.3 MJ/kg。此外，相比于傳統(tǒng)水沖廁所節(jié)約水資源約為2 759.4 m3/a。本系統(tǒng)適用于農(nóng)村地區(qū)、旅游景區(qū)、部隊等無下水管道的場所和區(qū)域。

作為在北京市郊區(qū)的生態(tài)廁所系統(tǒng)示范（圖1），該系統(tǒng)得到蓋茨基金會專家組的科技鑒定，認(rèn)為其具有顯著的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。蓋茨基金部門、孟加拉國衛(wèi)生部等進(jìn)行項目現(xiàn)場考察照片如圖2 所示。

圖1 生態(tài)廁所示范Figure 1 Demonstration of ecological toilets

圖2 項目現(xiàn)場考察Figure 2 Site instruction of the project

【技術(shù)/案例原理及技術(shù)路線】

生態(tài)廁所系統(tǒng)包括整合在車載集裝箱內(nèi)部的前端廁所模塊和后端連續(xù)水熱液化處理模塊，其系統(tǒng)技術(shù)原理如圖3 所示。

圖3 生態(tài)廁所技術(shù)原理示意Figure 3 Schematic of eco-toilet technology principle

（1）真空微水沖廁所。真空微水沖式廁所主要包括氣沖坐便器、氣沖小便器、負(fù)壓閥、收集罐、提升罐和真空泵組以及配套的按鈕和控制器等。廁所內(nèi)的糞污利用系統(tǒng)負(fù)壓抽到真空收集罐內(nèi)，再利用提升泵將真空收集罐形成-0.55～-0.60 kPa 的負(fù)壓，收集得到高濃度糞尿，用于后續(xù)資源化處理。

（2）進(jìn)料單元。進(jìn)料單元由儲料罐、螺桿泵和液壓輸送系統(tǒng)等組成，螺桿泵可以泵送高濃度物料，提高了出口壓力，使得糞污高效地泵送到液壓缸中；液壓系統(tǒng)采用智能化一鍵控制的自動化進(jìn)料方式，提高了系統(tǒng)的自動化程度以及實驗操作的安全系數(shù)；同時液壓進(jìn)料系統(tǒng)具有限位控制，避免造成液壓缸脫落。

（3）反應(yīng)器單元。反應(yīng)器部分由預(yù)加熱反應(yīng)器和保溫反應(yīng)器組成，呈“U”型分布。預(yù)加熱與保溫反應(yīng)器主體均為不銹鋼，反應(yīng)器的上下端采用英寸管道進(jìn)行連接。由進(jìn)料單元將糞污先輸送至預(yù)加熱反應(yīng)器，達(dá)到一定的溫度后再輸送至保溫反應(yīng)器進(jìn)行水熱液化反應(yīng)，系統(tǒng)反應(yīng)時間通過進(jìn)料流速和反應(yīng)器的體積進(jìn)行控制。

（4）產(chǎn)物分離單元。該部分主要由接受釜和保壓系統(tǒng)組成，通過墊片式背壓閥控制系統(tǒng)的反應(yīng)壓強(qiáng)和產(chǎn)物的持續(xù)出料，此外還有兩條出料路徑，這樣不僅可以穩(wěn)定輸出產(chǎn)物還可以防止堵塞引起的試驗終止。

（5）監(jiān)控單元。監(jiān)控單元包括進(jìn)料單元的進(jìn)料流速、反應(yīng)器加熱和控溫以及數(shù)據(jù)的采集等。可以對在整個試驗運行過程進(jìn)行全方位在線監(jiān)測與調(diào)控，更好地采集數(shù)據(jù)并提高其安全性。

【技術(shù)/案例特點】

（1）模塊移動化：本系統(tǒng)是集裝箱式的，把廁所和連續(xù)水熱液化反應(yīng)器放到集裝箱內(nèi)，前端廁所產(chǎn)生的糞便可以直接利用后端的連續(xù)水熱反應(yīng)器進(jìn)行處理，不需要通過管道進(jìn)行輸送，減少過程中產(chǎn)生的氣味和營養(yǎng)物質(zhì)的流失，其具有模塊化和可移動的特點。

（2）快速實現(xiàn)無害化和資源化利用：后端連續(xù)水熱液化反應(yīng)在高溫高壓的環(huán)境條件下進(jìn)行，一般為十幾分鐘到幾十分鐘，與傳統(tǒng)堆肥、厭氧發(fā)酵技術(shù)相比，能大幅節(jié)約時間并殺死糞污中的病原體和致病菌。廁所糞污轉(zhuǎn)化為生物原油、水相、氣相和固體產(chǎn)物等水熱液化產(chǎn)物，其中生物原油可用于交通燃料，氣體中含有90%以上的CO2，可以為微藻和其他植物生長提供所需碳源；水相中營養(yǎng)成分高，可以被提取制成肥料，用作花卉栽培、微藻培養(yǎng)等；固體產(chǎn)物常被用作土壤改良劑，從而實現(xiàn)糞污的無害化、資源化利用。

（3）節(jié)水降能：前端廁所采用的是真空微水沖廁所，沖水量僅為0.8 L/次，而傳統(tǒng)水沖廁所用水量為5 L/次。同時，后端水熱處理反應(yīng)器無需對原料進(jìn)行干燥，可以直接轉(zhuǎn)化廁所糞污，降低了能耗。

【長效運行模式與機(jī)制】

（1）運行模式：建立系統(tǒng)運行管理機(jī)構(gòu)，制定崗位人員培訓(xùn)方案、管理制度以及系統(tǒng)的應(yīng)急管理措施和安全管理預(yù)案，以確保系統(tǒng)在安全有序的環(huán)境條件下穩(wěn)定運行。

（2）運行機(jī)制：可通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的運行性能，調(diào)整運行工況，同時指導(dǎo)運行操作人員，維護(hù)生態(tài)廁所系統(tǒng)長時間穩(wěn)定和安全運行，保證系統(tǒng)對廁所糞污的無害化處理和資源化利用。

【經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會效益】

（1）經(jīng)濟(jì)效益。按照運行4 a、300 戶的村莊，每戶3 人和每天用廁2 次/人來計算，廁所年用水量可節(jié)約11 037.6 m3，北京市郊區(qū)現(xiàn)行水費為1.2 元/m3，則年節(jié)水費用約為13 245.12 元。

（2）環(huán)境效益。本技術(shù)提供了新的廁所改造模式，降低了糞污污染環(huán)境的風(fēng)險，實現(xiàn)了廁所糞污資源化利用，改善了人居環(huán)境。

（3）社會效益。研發(fā)出的生態(tài)廁所系統(tǒng)已成功在北京市郊區(qū)村莊進(jìn)行示范，該示范項目可為無下水管道廁所的改造和糞污的資源化處理提供參考。