CN102767304A - 一种移动式零碳能源环保小屋 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式零碳能源环保小屋，该环保小屋包括屋本体、污水处理装置、生活垃圾处理机、大屏幕信息显示器、太阳能电池板、风能发电装置、蓄电池组、控制器、路灯。与现有技术相比，本发明利用风光互补技术，从源头开始进行污水和废弃物的治理与循环利用。在不增加用户负担的前提下，大幅提高农村生活质量、改善人居民生环境和农村生态环境，且适用于新农村建设和富民安居工程，也适用于抗震救灾现场使用。

Description

一种移动式零碳能源环保小屋

技术领域

本发明涉及一种能源与环保装置，尤其是涉及一种移动式零碳能源环保小屋，是一种民生与环保结合的设备。

背景技术

零碳环保小屋主要解决的是环保领域中最难处理的农村面源污染问题，其中重点就是农村的分散型生活污水处理。2007年末，城镇人口为5.94亿(占45％)，乡村人口为7.28亿(占55％)。按每天每人的污水量0.2立方计算，全国城镇乡村全年排放的污水总量为949亿立方。中国的水资源总量2.8亿立方米，其中80％地表水、地下水被污染。严峻的问题是村镇及农村的污水处理率几乎为零。

污水同时伴随着缺水。到2010年，按中等旱年预计水缺口将达到60亿立方米。目前全国已有400多个城市(占2/3)存在缺水问题，440万农村人口饮水困难。

1、与新农村建设主要采用的沼气池工程、人工湿地工程比：

沼气池工程是将生活污水在源头就近就地将其处理。结合养殖业，每户农村住宅都可以修建一座污水净化沼气池。经过厌氧发酵处理产生甲烷气体，用于农村的照明、烹煮、取热等。用这方法来处理生活污水投资少、资金分散、见效快。但是，农村沼气池的最大特点是三分建七分管，受知识水平局限，很多农户常常疏于沼气池的日常管理，特别体现在对发酵的及时调控，很大程度上影响了沼气池效益的发挥。同时沼气池产生甲烷气体的前提是发展畜牧业，如果农户不再养殖了，一些质量完好的沼气池也不得不放弃使用。其三就是对洗涤类污水的忌讳，它将大大降低发酵效率，所以环保治理并不能改善农民的生活质量。

人工湿地工程充分利用自然界中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解来实现对污水的净化，在国外已经得到广泛应用。而我国自1988年建成第一座人工湿地至今，很少应用在农村污水处理方面。现阶段的人工湿地主要是针对农村污水处理规模小、分散的特点提出的廊道式人工湿地的设计原则和设计方法，通过对水力负荷率、孔隙率、渗透系数、滞留时间、水力坡度、床底坡度、面积参数、浸润线和长宽比等相关参数的系统研究，从水力学的角度对廊道式人工湿地系统进行优化设计。试验表明，廊道式人工湿地符合水力学要求，占地小，投资少、运行费用低，处理效率高，达到农田灌溉水质标准。但实际应用过程中也暴露出许多问题，比如易受气候温度条件影响，易受湿地植物种类影响，易受水力负荷、污染负荷的影响、管理不合理等，而最为严重的是容易产生堵塞现象。据美国环保局对100多个运行中人工湿地的调查，有将近一半的湿地系统在投入使用后的5年内出现了堵塞问题，其水力传导系数降低，除污效果变差，运行寿命缩短。

2、家用中水机ACFB与膜生物反应器技术MBR进行比较：

目前国际上欧美等国家热衷于发展膜生物反应器(MBR)。主要目标是应用于中水回用。事实是，基于上水过滤技术发展起来的MBR，在处理下水时比较适用的是灰水，对粪便类黑水几乎无能为力，或者运行维护成本极高。即使可用，目前的高投资高能耗高维护是进入家庭、特别是农村社区的障碍。所以MBR膜生物反应器仍然以工业废水、洗车污水、污水处理厂出水等为主要市场。

技术经济指标	ACFB反	MBR反应器
			单位投资额(千元/吨水)	5	20
单位运行费用(元/吨水)	0.4	1.20
			单位占地面积(平方米/	0.15	0.25
售后维护费用(元/年)	1,000	15,000
			气水比	10∶1	15∶1
A/O交替方式	有	无
			进水处理方法	间歇/连续	间歇

3、即使确定使用ACFB反应器技术，那么农村社区究竟是集中式污水处理厂为好还是分布式环保小屋为好？

农村社区一般规模在100～500户，现在以300户为测算依据。也就是日处理生活污水量为300立方。按现有建设1万m³/d的小型污水处理厂的模式(每m³占地2平方，每m³立方投资费用7000元测算)，面临的现实问题是：全国乡村每天排放的污水总量为1.456亿立方；建造48.53万个300m³/d的污水处理厂将占地43.7万亩以及需要投资总额9800亿人民币。

零碳环保小屋按房体1.0万(带厕所)、生活污水处理全套设备1.7万、污水调节池与管道工程1.2万，有机垃圾处理全套设备0.8万、500W垂直轴风力发电和740W光伏组件加12V100AH×4节蓄电池2.9万、加上运输安装和税收利润2.4万。整套小屋10万元，就单纯的污水处理和回用功能而言，只有6万元。

将一个300户的新农村社区的两种污水处理方式比较如下：

社区污水处理方	集中处理	分布处理
			处理站形式	社区污水处理站	环保小屋(10户)
日处理量，数量	300T/d，1套	10T/d，30套
			规模占地	1亩	利用绿化空地
单方投资	210万元+土地	180万元
			专业人数，10年	3人，108万	1人，36万
10年维护费用	100万元	20万元
			平均每户承担费	1.4万元	0.79万元
其它	专用建筑、管道工	可移动、消防救

显而易见，分布式的投资比集中式要少许多，而且集中式工程量大、管理复杂、维护费用高；而分布式环保小屋3天即可完成一套设备的安装调试，环保功能齐全、管理要求简单、维护费用低廉。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种从源头开始利用风光互补系统进行污水和废弃物的治理与循环利用，在不增加用户负担的前提下，大幅提高农村生活质量、促进农民饮水安全用水清洁、改善人居民生环境和农村生态环境的移动式零碳能源环保小屋。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种移动式零碳能源环保小屋，该环保小屋通过调节池与住户的污水管道相连接，其特征在于，该环保小屋包括屋本体、污水处理装置、生活垃圾处理机、大屏幕信息显示器、太阳能电池板、风能发电装置、蓄电池组、控制器、路灯，所述的污水处理装置、生活垃圾处理机、蓄电池组设置在屋本体内部，所述的太阳能电池板设置在屋顶，所述的大屏幕信息显示器设置在屋本体外侧，所述的污水处理装置的进水口均与调节池相连，所述的生活垃圾处理机的出水口与调节池连接，所述的太阳能电池板、风能发电装置与蓄电池组连接，该蓄电池组通过控制器给生活垃圾处理机、污水处理装置及路灯供电。

所述的屋本体为可移动式。

所述的调节池与多家农户的污水管道连接。

所述的多家农户为6～15家。

所述的蓄电池组通过控制器与生活垃圾处理机、污水处理装置、路灯和农户的用电接入口连接。

所述的控制器包括风光互补充电控制器、交直流电压转换控制器、设备负荷平衡与限时限量供电控制器。

所述的风能发电装置设置在路灯灯杆上或者屋顶上。

所述的环保小屋内设有可作为厕所或值班室使用的隔间。

与现有技术相比，本发明采取可移动小屋的形式，从源头开始进行污水和废弃物的治理与循环利用；同时通过独立的风能和太阳能互补清洁能源系统，解决路灯照明和环保设备供电问题；零运行费用不仅使农户免除电费负担，而且在市网断电时立即得到限时限量的独立供电，解决了上网、充电、看电视的民生困难；本发明以完善功能和降低成本为目标、大幅提高农村生活质量、促进农民饮水安全用水清洁、改善人居民生环境和农村生态环境。

本发明还具有以下优点：

1、环保节水。每天处理6～15家农户家庭卫浴间的粪便污水(黑水)和洗涤类生活污水(灰水)约10立方，处理后的干净水回用于小屋自备的公共厕所的冲厕，多余水浇地绿化，使每户家庭实现“常洗热水澡、水冲坐便器、冬天不出屋、污水零排放”的基本民生权利。

2、公共卫生。在环保节水基础上每户家庭可以配备太阳能热水器和二次供水净水器，使农村生活具有热水和净水环境的高质量城市水平。环保小屋所具有的零排放循环水公共厕所，可以改变农村随地大小便的劣习，为外来宾客提供方便，使农村社区整洁卫生环境优美。

3、清洁减排。以大容量的垃圾机为基本设备，将6～15家农户家庭厨房垃圾、有机杂物、碎化秸秆、牛羊粪便、瓜皮果壳等转化为有机肥料。解决了农村有机垃圾的分散处理难题，实现了废固物的循环经济，有机肥料也部分体现了经济效益。

4、低碳节能。以路灯形式增加的风光互补供电系统，不仅解决了乡村小区内公共路灯照明问题，而且供电于中水机、垃圾机和公共厕所。清洁能源减轻了农民负担，实现了设备零运行费用和低碳经济。

零碳能源环保小屋是将6～15户住家组成一个单元，以分布式小屋形式具有保温、可移动、安装容易、投资费用低的特点。零碳，就是采用风光互补独立供电系统和大容量高质量蓄电池组，既解决了农村路灯照明、又提供了环保设备的全部用电。能源，针对灾区、农村和边远地区无电或断电的现象，小屋以独立电网方式作为应急供电，向单元内住家提供限量供电。环保，就是从源头对污水和废弃物进行治理和循环利用。生活污水(包括黑水、含油废水)降解后达到《城市污水处理污染物排放标准》GB18918-2002的一级A标准，降解后中水回用于环保小屋附带的零排放循环水厕所，供外来人员使用；多余清水回用于住户冲厕或者养花洒地。家庭厨余垃圾、瓜果皮壳、切碎秸秆转化为有机肥料，收入作为环保小屋的维护费用。

零碳能源环保小屋的集成化技术已经应用于上海市崇明县的新农村建设和新疆地区的富民安居工程。零碳环保小屋真正实现了科技惠民，做到零碳民生又环保减排，是长远型建筑、临时型住宅和流动型车船的必备产品，也是环保经济产业化发展的方向。

零碳能源环保小屋可以根据当地的实际需求分为：带公厕的污水处理功能的环保小屋、带公厕的污水和垃圾处理功能的环保小屋、带公厕和路灯的具有风光互补系统的污水和垃圾处理功能的零碳环保小屋。这种分布式源头防污的民生环保产品适用于新农村建设和富民安居工程，也适用于抗震救灾现场使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种移动式零碳能源环保小屋，该环保小屋通过调节池与住户的污水管道相连接。环保小屋包括屋本体4、生活垃圾处理机2、污水处理装置3、蓄电池组5、太阳能电池板1、风能发电装置6、大屏幕信息显示器、路灯。污水处理装置3包括臭氧消毒过滤器。大屏幕信息显示器设置在屋本体外侧。生活垃圾处理机2、污水处理装置3、蓄电池组5设置在屋本体4内部。太阳能电池板1设置在屋顶。污水处理装置3的进水口均与调节池相连，生活垃圾处理机2的出水口与调节池连接，太阳能电池板1、风能发电装置6与蓄电池组5连接，该蓄电池组5通过控制器给生活垃圾处理机2、污水处理装置3及路灯供电。污水处理装置3的进水口与10家农户的下水管连接。蓄电池组5与农户的用电接入口连接，给农户供电。风能发电装置6设置在路灯杆7上，也可设置在屋顶上。蓄电池组5为路灯提供电源。环保小屋内还设有隔间8，该隔间8设为循环水公共厕所。经污水处理装置处理后的污水可用于冲厕、浇花、洗车等；小屋自带的循环水公共厕所冲厕后的污水再次回到调节池，实现循环处理使用。该隔间8还可设为管理间或值班室。本发明的控制器包括风光互补充电控制器、交直流电压转换控制器、设备负荷平衡与限时限量供电控制器可实现风光充电控制、交直流电压转换控制、环保设备负载用电平衡控制、农户限时限量供电控制等。

污水处理装置是内、外筒结构，内置密度接近于水的悬浮填料。内筒曝气，引起内、外筒的水压差，使填料随水流在反应器内循环，反应器内气、液、微生物三相混合充分，具有较高的容积负荷，减少了反应器容积。流化设计避免了堵塞，而且无需很高的推动力，可利用控制曝气强度、反应器内外筒的容积比和水力条件来控制反应器内的溶解氧浓度(DO)分布，使反应器内存在不同的溶解氧区域，造成厌氧、缺氧、好氧的不同区域，在好氧区以硝化为目的的自养硝化菌为优势菌属，在厌氧区以降解有机物和进行反硝化的异养菌为优势菌属，使生物膜在时间上交替处于A/O状态，使悬浮填料和活性污泥能在同一反应器中使两类不同性质的菌种(硝化菌和反硝化菌)同时工作，形成同步硝化反硝化，脱氮除磷工艺更加简化而效率却大大提高，明显地减少了水力停留时间。

利用曝气气泡在水流中造成强烈的湍流剪切，并形成高比例、高强度的微涡旋。这些涡旋的离心惯性效应大大增加了亚微观传质速率，使悬浮填料上生物膜及活性污泥菌胶团的生化反应生成物尽快从其周围移走，生化所消耗的氧与有机底物也尽快得到补充。这些涡旋抑制了活性污泥絮体与气泡的合并长大，使其处于高比表面积和有利的传质状态，从而形成了ACFB反应器内高分散、高传质的好氧生化反应环境，提高了氧利用率，节省了气量。

臭氧消毒过滤器中设有离子纤维膜，即一种复合功能化的纺织材料。功能体组元选择一种天然电气石和适量钛铝氧化物陶瓷粉，基体组元为聚酯或聚丙烯。这种复合材料优于单一的、仅含有一种主体功能及不稳定附带功能的材料，并具有较高的热力学稳定性、生物稳定性和自洁能力。由这种材料组合后在融体状态下混合抽丝成型，同时使用聚酯或聚丙稀为基体组元，成为应用性能好、功能性持久、可反复洗涤的负离子纤维膜。负离子纤维膜工作时，常压状态，通过0.5μm孔径的筒状膜来实现固液分离，无需污泥回流，省却了二沉池，保证了出水的悬浮固体达标。

采用粉末活性炭与悬浮填料生物膜组合工艺，即事先通过向污水处理装置投加粉末活性炭(PAC)，进而在悬浮填料表明形成生物活性炭(BAC)污泥，大大减少了调试周期，做到今天安装完毕明天即可试运行。

臭氧技术在后道消毒脱色工序中使用，对生活污水中表面活性剂的破环、降解有帮助。同时提高了溶氧量，副产物无毒无害，避免二次污染，是一种综合性的处理手段，这是其他工艺无法比拟的。

悬浮填料、活性污泥、微滤膜的三位一体化工艺使系统同时兼具生物膜法、活性污泥法、膜分离的特点，这样就使污水的降解时间比传统工艺缩短2/3时间，大大缩小了处理设备的体积。

风光互补解决所有设备负荷的动态平衡和启动期瞬间冲击电流、蓄电池容量的合理长效使用以及限时限量的独立供电系统，这些都是以前从未接触过的技术难题。

本项目的创新特点在于产品的二低二高(低成本、低能耗、高效率、高可靠性)。低成本，农民将来买的起；低能耗，农民现在用的起；高效率，设备体积小巧；高可靠性，使用安全放心。可以很好地解决面源的污染问题，从污染源头实现了节能减排，实现完全的低碳零排放，不仅改变了农村小区环境面貌、改善农村生活卫生状况，而且改变传统观念，提高了农民开展循环经济和生态保护的意识，对提高我国农村生态环境具有显著效益。并且它结合了风光互补新能源的开发与利用，可以很好的解决动力消耗问题，特别是针对边远乡村和游牧地区电网分布不足的情况。

本项目的关键技术为：

1、油水分离和黑水处理回用技术，特别是污水处理中的难题：氨氮类硝化反硝化、洗涤类破环降解技术；

2、有机垃圾的处理技术，重点是搅拌式垃圾处理的垃圾分类和水分去除以及搅拌棍断裂问题；

3、独立型风光互补供电系统的能量平衡控制技术，尤其是小型风力发电机的微风启动和发电效率；

4、蓄电池的使用寿命和成本，目前的方法是通过智能控制蓄电池的充电与放电限制来延长使用寿命；

5、小区内零排放循环水环保公厕，特别是在循环水条件下公厕的无臭无味难题，已有专门的发明专利予以解决；

6、一体化或者拆卸式小屋的结构，方便运输与安装的拆卸式房体直接涉及到产品流水线和分散型产业化的策略。

Claims (8)

1.一种移动式零碳能源环保小屋，该环保小屋通过调节池与住户的污水管道相连接，其特征在于，该环保小屋包括屋本体、污水处理装置、生活垃圾处理机、大屏幕信息显示器、太阳能电池板、风能发电装置、蓄电池组、控制器、路灯，所述的污水处理装置、生活垃圾处理机、蓄电池组设置在屋本体内部，所述的太阳能电池板设置在屋顶，所述的大屏幕信息显示器设置在屋本体外侧，所述的污水处理装置的进水口均与调节池相连，所述的生活垃圾处理机的出水口与调节池连接，所述的太阳能电池板、风能发电装置与蓄电池组连接，该蓄电池组通过控制器给生活垃圾处理机、污水处理装置及路灯供电。

2.根据权利要求1所述的一种移动式零碳能源环保小屋，其特征在于，所述的屋本体为可移动式。

3.根据权利要求1所述的一种移动式零碳能源环保小屋，其特征在于，所述的调节池与多家农户的污水管道连接。

4.根据权利要求3所述的一种移动式零碳能源环保小屋，其特征在于，所述的多家农户为6～15家。

5.根据权利要求1或4所述的一种移动式零碳能源环保小屋，其特征在于，所述的蓄电池组通过控制器与生活垃圾处理机、污水处理装置、路灯和农户的用电接入口连接。

6.根据权利要求5所述的一种移动式零碳能源环保小屋，其特征在于，所述的控制器包括风光互补充电控制器、交直流电压转换控制器、设备负荷平衡与限时限量供电控制器。

7.根据权利要求1所述的一种移动式零碳能源环保小屋，其特征在于，所述的风能发电装置设置在路灯灯杆上或者屋顶上。

8.根据权利要求1所述的一种移动式零碳能源环保小屋，其特征在于，所述的环保小屋内设有可作为厕所或值班室使用的隔间。

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