CN103735212A - 一种免冲水厕所及粪便原地处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免冲水厕所，其包括以下构件：坐便器或蹲便器12，其内盛有多个载球11；所述载球用于承载粪便并通过排放该载球将粪便排出该坐便器或蹲便器；搅拌混合器7，其用于接收来自所述坐便器或蹲便器12的粪便和载球，并将粪便与载球搅拌在一起；螺旋输送干燥器14，其包括封闭式外壳1和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，该螺旋输送叶片能在主轴3的带动下旋转，且该螺旋输送叶片2与所述封闭式外壳1之间构成螺旋通道17，该螺旋通道的两端分别设有干空气入口5、湿空气出口6、粪便入口15和干粪便渣出口16；所述粪便入口15与所述搅拌混合器7的出口相连。本发明还涉及一种免冲水的粪便处理方法。

Description

一种免冲水厕所及粪便原地处理方法

技术领域

本发明属于厕所设备和粪便处理方法领域。

背景技术

一般来说，现有的厕所可以分成（1）接入管网的水冲厕所系统，以及（2）不接入管网的独立厕所二大类。

目前全球60%的人口使用接入管网的水冲厕所系统。这个体系包括使用自来水或中水将坐便器或蹲便器中的粪便冲入下水管道，通过市政污水管网输送，最后进入污水处理厂处理。

水冲厕所系统面临的问题是：一方面，很少的粪便/尿液污染了几十倍的冲洗用水，再进而污染整个生活排水，使污水大量、持续产生；另一方面，污水处理厂面对巨量的污水，只能进行有限的处置就必须尽快排放，以腾空容量去处置持续不断进入的新的污水。据世界卫生组织统计，全球80%的生活污水没有得到适当处理最终排向江河湖海等自然水体，造成严重的环境问题及极大的公共卫生隐患。

全球约40%的贫困人口使用没有连接到管网系统的非冲水简易厕所，如旱厕所，蹲坑，甚至有相当一部分人口没有任何厕所而只能露天随地排便。

对这些非冲水简易厕所，粪便尿液存储于诸如化粪池一类的露天的、与生活水源无良好隔离的场所，由此引发的腹泻类疾病每年导致大约150万人死亡。

由此可见，现有的管网冲水厕所系统及非管网简易厕所都存在相当严重的问题，全球许多创新团队正在竞相考虑“便后立即就地对排泄物进行无害化处理”的方案，对粪便尿液进行脱水是需要一个优先考虑的问题，因为：人体排泄物（粪便/尿液）中的水分含量大于90%，如果能够进行脱水干燥，需要处理的固体废物的体积/重量将极大地缩减，使整个处理链的效率增加成本降低。同时，对干燥的粪便进行杀菌消毒以及保存要比液态容易的多。

但是，对于类似于粪便类的含水固体进行干燥并不容易！

干燥的方法一般来说有二种。一种是强制蒸发，即在常压下将粪便温度加热到100℃，以蒸发水分并杀菌，该相变过程消耗大量能量，其描述参数为气化潜热，在一个大气压（0.1MPa）下，100℃时的水的汽化潜热为2257.2kJ/kg，相比之下水的比热容为4.2kJ/kg，换句话说，水分气化消耗的能量是相同水量从0℃升高到100℃所需能量的5倍多。由于粪便中含水量很高，通常在90%以上，因此采用强制蒸发的方式来处理粪便能耗很高。第二种方法为自然蒸发，也称为风干，即在低于水的常压沸点（即100℃）的温度下，使空气流过粪便，由于粪便中的含水率高于空气中的含水率，按照扩散定律，水自然从浓度高处向浓度低处扩散，粪便中的水分缓慢向空气中扩散并逐步干燥。

强制蒸发的优点是设备简单且干燥迅速，其缺点是能耗大；自然蒸发的优点是：由于避免了气化潜热，所以干燥过程的能耗很低，其缺点是干燥缓慢。此外，自然蒸发并不能杀灭粪便中的微生物，需要加入具有微生物杀灭作用的化学试剂，但这种化学试剂的引入，往往会进一步向粪便中引入液体成分，且有可能对自然环境造成毒害。而强制干燥如果要确保100%地杀灭粪便中的微生物，则需要延长加热时间，这进一步增加了能耗。

可见，粪便的处理过程中，在低能耗和迅速干燥之间，存在着矛盾。且如何高效且低成本地100%地杀灭粪便中的微生物，也是个难题。

便后冲洗马桶消耗的水量至少超过粪便尿液总含水量的十多倍，对包含冲洗水的粪便污水进行蒸发脱水是难以实现的或者是极其不经济的，所以必须首先解决免冲水厕所问题。

在水冲厕所系统中，水主要承担了三项功能，（1）冲洗并保持便盆的清洁，（2）输送粪便尿液，（3）吸收臭味并隔离下水道气味；免冲水厕所必须能够使用其它手段来实现上述三项功能。

因此，本领域需要一种免冲水厕所和低能耗且迅速高效的粪便原地处理方法。最好该厕所及方法还能高效且低成本地100%地杀灭粪便中的微生物。

上述目标通过本发明的装置和方法实现。

发明概述

本发明的第一方面提供了一种免冲水厕所，其包括以下构件：

坐便器或蹲便器12，其内盛有多个载球11；所述载球用于承载粪便并通过排放该载球将粪便排出该坐便器或蹲便器；

搅拌混合器7，其用于接收来自所述坐便器或蹲便器12的粪便和载球，并将粪便与载球搅拌在一起；

螺旋输送干燥器14，其包括封闭式外壳1和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，该螺旋输送叶片能在主轴3的带动下旋转，且该螺旋输送叶片2与所述封闭式外壳1之间构成螺旋通道17，该螺旋通道的两端分别设有干空气入口5、湿空气出口6、粪便入口15和干粪便渣出口16；所述粪便入口15与所述搅拌混合器7的出口相连。

本发明的第二方面涉及一种免冲水的粪便处理方法，其包括以下步骤：

利用坐便器或蹲便器内的多个载球来承载粪便，并通过排放该载球来将粪便从坐便器或蹲便器排出至搅拌混合器；

在搅拌混合器中将粪便与多个载球搅拌在一起，使得每一载球表面粘载有一部分该粪便；然后，

将上述粪便与载球的混合物送入螺旋输送干燥器中，并在该螺旋输送干燥器的封闭式外壳与其内的螺旋输送叶片之间的螺旋通道中螺旋运动，同时，向该螺旋通道中通入空气，该空气以与粪便逆流或并流的方式对该粪便进行风干。

附图简述

图1是本发明的免冲水厕所的示意图。

图2是本发明中使用的载球的各种可能的形状示意图。

其中各附图标记含义如下：

1、外壳；2、螺旋输送叶片；3、主轴；4、旋转驱动装置（电机及减速器）；5、干空气入口；6、湿空气出口；7、搅拌混合器；8、筛分设备；9、载球返回通道；10、干粪便渣容器；11、载球；12、坐便器或蹲便器；13、湿空气后处理装置；14、螺旋输送干燥器；15、粪便入口；16、干粪便渣出口；17、螺旋通道。

发明详述

本发明第一方面涉及一种免冲水厕所，下面结合附图对其所包括的构件进行详细介绍。

本发明的免冲水厕所中，坐便器或蹲便器12与常规的坐便器或蹲便器并无二致，只是其中充满了众多载球11，用来承载粪便，且可通过将载球排出该坐便器或蹲便器来将粪便从坐便器或蹲便器中排出。这里，排出载球的过程就如同常规厕所的冲水过程。本文中，粪便是指大便和/或小便。所述粪便不仅限于人的粪便，也可以是动物粪便，例如来自禽畜养殖场的动物粪便。

搅拌混合器7位于坐便器或蹲便器12的下游，用于将粪便与载球进行混合。该搅拌混合器可以为带有搅拌桨的搅拌混合器，则粪便与载球进行混合后从搅拌混合器底部的出口排出。该搅拌混合器也可以常规的螺旋输送机，粪便与载球在螺旋叶片的作用下一边搅拌一边被输送，并从侧面的出口排出。优选地，该搅拌混合器为常规的螺旋输送机。

本发明的免冲水厕所中，螺旋输送干燥器以附图标记14来整体性地表示，其包括封闭式外壳1和置于该外壳内的螺旋输送叶片2，该螺旋输送叶片能在主轴3的带动下旋转，且该螺旋输送叶片2与所述封闭式外壳1之间构成螺旋通道17，该螺旋通道的两端分别设有干空气入口5、湿空气出口6、粪便入口15和干粪便渣出口16；所述粪便入口15与所述搅拌混合器7的出口相连。其中主轴3在旋转驱动装置4例如电机和减速器的驱动下旋转，并带动螺旋输送叶片2旋转。该螺旋输送叶片的直径与外壳的内径尽可能接近，以便减少叶片外缘与外壳内壁之间的缝隙。这样做的好处是使得粪便不致于从上一叶片边缘散落至下一叶片，防止粪便返混，且能使得空气在螺旋通道内的流径尽可能长，减少气体短路，使空气与粪便之间的接触尽可能充分。

本发明的免冲水厕所中，载球不仅仅用于承载和排出粪便，而且可以起到辅助干燥的作用。所述载球的表面或者光滑，或者具有多个凹坑或多个突起，或者所述载球具有中空结构，或者所述载球具有中空结构且内部填充有多孔材料，或以上各种情况的组合。图2中示出了几种可能的载球的形状，但载球还可以采用其他形状。其中，图2a为普通实心球；图2b为球表面带有众多突起物的实心球；图2c为球表面带有众多凹坑的实心球；图2d为带有众多开口的空心球，其内充满允许气流流过的多孔材料；图2e为带有众多开口的空心球，其内充满能够吸收保持水分的密实材料；图2f为带有众多开口的空心球；图2g为带有众多开口的外部空心球，其内部具有若干个内部实心球；图2h为带有众多开口的外部空心球，其内具有一个由密实材料制成的内部实心球；其中图2c至图2h中左图为立体视图，右图为截面视图。所述载球优选为球形，因为球形的载球便于流动和输送。但当载球直径较小时，此时称其为“颗粒”也许更合适，其也可为其他形状，例如不规则的形状。对载球的具体形状没有特别的限制，只要其便于流动和输送即可。载球的作用是与粪便充分混合，并在其表面上粘载一部分粪便，使得粪便与空气接触的表面积大大增加。对载球的材质也没有特殊要求，其可以为塑料球、金属球、陶瓷球、石球，等等，或其混合物。尽管本发明的厕所并不使用水，但优选地，载球的材质的密度要高于水，这样当粪便中尿液量很大时，载球不致于因浮在尿液上方而使其承载能力下降。载球可以为刚性球或为弹性球。

在本发明的免冲水厕所的优选实施方案中，其还包括筛分设备8，该筛分设备8位于所述螺旋输送干燥器14的干粪便渣出口16的下游，用于将载球与干燥后的干粪便渣筛分分离。优选地，该筛分设备为振动筛。

在本发明的免冲水厕所的优选实施方案中，其还包括：载球返回管道9，该载球返回管道9的两端分别连接至筛分设备8和搅拌混合器7，用于将筛分后的载球返回到所述搅拌混合器7中，以便重复使用。

在本发明的免冲水厕所的优选实施方案中，其还包括：干粪便渣容器10，该干粪便渣容器10用于存储筛分后的干粪便渣，并任选地通过高温来杀灭干粪便渣中的微生物。该高温可以设置为100℃以上，也可设定为120℃以上，甚至130℃以上，加热时间可以为10分钟以上，以提高微生物杀灭效率。该高温可以用电加热或者太阳能集热管来维持，优选用太阳能集热管，因为这样更节能。实验表明，在120℃的温度下加热10分钟，则可以确保微生物被100%地杀灭。

在本发明的免冲水厕所中，其中所述干空气入口5、湿空气出口6、粪便入口15和干粪便渣出口16的布置方式使得所述空气与所述粪便在所述螺旋通道17内的流动方向为逆流或并流，优选为逆流，因为逆流干燥效率更高。本发明中，干空气和湿空气是相对的概念，将未与本发明的粪便接触过的湿度相对低的空气称为干空气，将与本发明的粪便接触过并且湿度有所增加的空气称为湿空气。湿空气也可以具有一系列的湿度，例如，与粪便接触时间越长，则湿空气湿度越高。

在本发明的免冲水厕所的优选实施方案中，其还包括：设置在所述干空气入口5处或所述湿空气出口6处的风扇（图1中未示出），用于向螺旋通道17内鼓风或引风。该风扇可以以太阳能电池作为驱动力。在炎热的夏季或在热带亚热带地区，由于室外温度很高，户外空气就是很好的干空气来源。当然，风扇也可以用其他设备来代替，例如可以将上述干空气入口与烟道气管道连接，利用工业或民用烟道气来做所述干空气也是可行的选择。

在本发明的免冲水厕所的优选实施方案中，其还包括分别设置在所述干空气入口5和所述湿空气出口6处的湿度计；和/或，其还包括设置在所述湿空气出口6处的湿空气后处理装置13，该湿空气后处理装置13选自紫外线消毒灯或脱臭过滤器。其中，设置湿度计的作用是便于监测湿度，并可以据此调整干空气的进入量或者主轴的转速，以达到合意的粪便干燥程度和干燥时间。其中湿空气后处理装置用于对湿空气进行必要的后处理，例如采用紫外线消毒灯对湿空气进行消毒，或采用脱臭过滤器对湿空气进行脱臭，以满足环境排放的要求。

在本发明的免冲水厕所的优选实施方案中，所述螺旋输送干燥器的外壳外面可包有保温材料。

本发明的第二方面涉及一种免冲水的粪便处理方法，该方法中所使用的装置如上文所述，下面对该方法所包括的各步骤进行详细介绍。

首先，利用坐便器或蹲便器内的多个载球来承载粪便，并通过排放该载球来将粪便从坐便器或蹲便器排出至搅拌混合器；

然后，在搅拌混合器中将粪便与多个载球搅拌在一起，使得每一载球表面粘载有一部分该粪便。其中搅拌混合器、载球等设备如上文中所述；

然后，将上述粪便与载球的混合物送入螺旋输送干燥器中，并在该螺旋输送干燥器的封闭式外壳与其内的螺旋输送叶片之间的螺旋通道中螺旋运动，同时，向该螺旋通道中通入空气，该空气以与粪便逆流或并流的方式对该粪便进行风干。其中，在螺旋通道中，粪便一部分被均匀分布在螺旋输送叶片上，一部分粘载在众多载球上，一部分粘载外壳的内壁上，其与空气的接触面积将大大增加。从干空气入口吹入的空气，则沿着螺旋通道盘旋流动，吹过载球、外壳的内壁及螺旋输送叶片，带走分布在其上的粪便中的水分，同时干空气的湿度逐渐增加并最终从湿空气出口排出，这也实现了对干空气的充分利用。以上两点，极大地提高了风干效率。此外，随着粪便逐步干燥，其与螺旋输送叶片表面、内壁以及载球表面的附着力逐渐降低，随着后续的载球的碾压摩擦，干粪便渣与叶片表面，内壁及载球表面逐渐分离，越接近粪便出口，脱落的粪便越多，形成载球与脱离的干粪便渣的混合物，并实现了螺旋输送叶片、载球和外壳内壁的自清洁。

在本发明的方法的优选实施方案中，该粪便处理方法还包括对离开螺旋输送干燥器的载球和干粪便渣进行筛分的步骤。该筛分过程可以使用任何筛分设施来进行，例如传统的筛网。优选振动筛，其可在电机驱动下有规律振动，尤其适宜工业上使用。并任选地将筛分后的干粪便渣收集在干粪便渣容器中并用高温来杀灭其中的微生物。该高温可以设置为100℃以上，也可设定为120℃以上，甚至130℃以上，以提高微生物杀灭效率。该高温可以用电加热或者太阳能集热管来维持，优选用太阳能集热管，因为这样更节能。

在本发明的方法的优选实施方案中，该粪便处理方法还包括将筛分后的载球返回至所述搅拌混合器中；这可以实现载球的循环利用。

在本发明的方法的优选实施方案中，该粪便处理方法还包括用设置在所述干空气入口处或所述湿空气出口处的风扇用于向螺旋通道内鼓风或引风，由此来提供干空气。或者，也可以将工业和民用烟道气用作所述干空气，因烟道气温度更高，其干燥效果更佳。

本发明免冲水厕所和免冲水粪便处理方法的优点如下：

1、使用了众多易于流动的载球来承载并输送粪便，彻底摆脱了对冲水的依赖，进而摆脱了对供水管线的依赖。免冲水这一点使得本发明的免冲水厕所可在没有供水管线的地区或者缺水地区例如偏远农村或牧区独立使用，这将极大地改善农村地区的卫生条件。如果再使用太阳能电池板作为供电来源的话，则本发明的装置作为厕所时，可以完全脱落对于供水管线和供电电网的依赖而独立运行。此外，干燥后的粪便，经过高温杀灭微生物后，可以实现100%消毒，能作为有机肥料来使用。

2、使用了螺旋输送干燥器与载球的组合，粪便与空气的接触面积大大增加，且干空气得到了最充分的利用，故干燥效率高。

3、本发明的免冲水厕所具有自清洁效果。粪便，尤其是粘稠型粪便，因其水分含量低、可输送和可翻动性差、与空气接触面积小、易于与器壁粘附并在干燥过程中板结成块的特点，如何迅速干燥且如何清理厕所内的管道和器具一直是个难题，本发明用载球作为粪便的输送载体，并在输送过程中将其摊开在螺旋输送叶片、外壳内壁和载球本身上，解决了其输送和翻动问题，也有效地增大了其与空气的表面积，提高了其干燥效率。干燥后粘在叶片、外壳内壁和载球上的干粪便渣，在载球的碾磨和摩擦下，也很容易脱落并以粉末形式随载球输送，解决了粪便沾污器壁的问题，使得本发明的免冲水厕所具有自清洁能力。

4、能够同时实现低能耗与迅速干燥，这也是传统冲水型厕所完全不具备的能力，也是目前很多新型厕所采用干燥法来处理粪便时难以兼得的。本发明中，只需要用很少量的电能来推动主轴旋转，并在优选实施方案中驱动风扇或驱动振动筛，即可提供自然风干效果，避免了强制蒸发造成的高能耗。而且，上述电能也可以通过室外的太阳能电池板来提供，这进一步减少了对电网供电的依赖。

具体实施方式

实施例1-新型免冲水厕所

本发明的初衷是达到比尔及梅琳达盖茨基金会“创造下一代卫生设施”及“重新发明马桶计划”的要求，设计一种能够“能脱离管线运行，确实杀灭病原体；资源可回收利用；价格低廉易推广”的“下一代厕所”。该实施例中的新型厕所参见图1。

该新型厕所工作流程是：

1)在坐便器或蹲便器12中，用众多载球来承载粪便，并随着将载球排出坐便器或蹲便器，将粪便也同时排出，起到免冲水的作用；

2)将众多载球11与粪便在搅拌器7（其为螺旋输送机）中进行搅拌混合，使得每个载球都携带少量粪便，然后被送入螺旋输送干燥器14；

3)旋转驱动装置4驱动主轴3旋转并带动螺旋输送叶片2旋转，导致载球及携带的粪便在螺旋叶片2上滚动或者滑动并沿着轴向上升，同时将其携带的一部分粪便涂覆在叶片螺旋2上及外壳1的内壁上；

4)干空气从入口5进入，沿着螺旋通道17盘旋流动，吹过载球及外壳内壁及螺旋输送叶片，带走粪便中的水分，干空气的湿度逐渐增加并最终从湿空气出口6排出，并进入紫外线消毒段（该段未示出），经过消毒的湿空气最终排放在大气中；

5)随着粪便逐步干燥，其与螺旋输送叶片表面、外壳内壁以及载球表面的附着力逐渐降低，在后续来球的碾压摩擦作用下，干粪便渣与叶片表面，内壁及球表面逐渐分离，越接近粪便出口，脱落的干粪便渣越多，最后形成球与脱离的干粪便渣的混合物；

6)载球与干粪便渣的混合物进入筛分设备8，干净的载球沿载球返回通道9返回到搅拌混合器7，再次加入循环；而干粪便渣粉末通过筛网漏入承接容器10，进一步，加热并保温一端时间，以确实杀灭病原体、细菌和寄生虫卵等微生物，此时干燥的粪便成为良好的有机肥料。

Claims (10)

1.一种免冲水厕所，其包括以下构件：

坐便器或蹲便器（12），其内盛有多个载球（11）；所述载球用于承载粪便并通过排放该载球将粪便排出该坐便器或蹲便器；

搅拌混合器（7），其用于接收来自所述坐便器或蹲便器（12）的粪便和载球，并将粪便与载球搅拌在一起；

螺旋输送干燥器（14），其包括封闭式外壳（1）和置于该外壳内的螺旋输送叶片（2），该螺旋输送叶片能在主轴（3）的带动下旋转，且该螺旋输送叶片（2）与所述封闭式外壳（1）之间构成螺旋通道（17），该螺旋通道的两端分别设有干空气入口（5）、湿空气出口（6）、粪便入口（15）和干粪便渣出口（16）；所述粪便入口（15）与所述搅拌混合器（7）的出口相连。

2.根据权利要求1的免冲水厕所，其还包括筛分设备（8），该筛分设备（8）位于所述螺旋输送干燥器（14）的干粪便渣出口（16）的下游，用于将载球与干粪便渣筛分分离；且还任选地包括载球返回管道（9），该载球返回管道（9）的两端分别连接至筛分设备（8）和搅拌混合器（7），用于将筛分后的载球返回到所述搅拌混合器（7）中重复使用。

3.根据权利要求1的免冲水厕所，其还包括设置在所述干空气入口（5）处或所述湿空气出口（6）处的风扇，用于向螺旋通道（17）内鼓风或引风。

4.根据权利要求2的免冲水厕所，其还包括干粪便渣容器（10），该干粪便渣容器（10）用于存储筛分后的干粪便渣，并任选地通过高温来杀灭干粪便渣中的微生物。

5.根据权利要求1的免冲水厕所，其中所述干空气入口（5）、湿空气出口（6）、粪便入口（15）和干粪便渣出口（16）的布置方式使得所述空气与所述固体物料在所述螺旋通道（17）内的流动方向为逆流或并流。

6.根据权利要求1的免冲水厕所，其还包括分别设置在所述干空气入口（5）和所述湿空气出口（6）处的湿度计；和/或，其还包括设置在所述湿空气出口（6）处的湿空气后处理装置（13），该湿空气后处理装置（13）选自紫外线消毒灯或脱臭过滤器。

7.根据权利要求1的免冲水厕所，其中所述载球的表面或者光滑或者具有多个凹坑或多个突起，或者所述载球具有中空结构，或者所述载球具有中空结构且内部填充有多孔材料或能吸收保持水分的密实材料或更小的球体，或以上各种情况的组合。

8.一种免冲水的粪便处理方法，其包括以下步骤：

利用坐便器或蹲便器内的多个载球来承载粪便，并通过排放该载球来将粪便从坐便器或蹲便器排出至搅拌混合器；

在搅拌混合器中将粪便与多个载球搅拌在一起，使得每一载球表面粘载有一部分该粪便；然后，

将上述粪便与载球的混合物送入螺旋输送干燥器中，并在该螺旋输送干燥器的封闭式外壳与其内的螺旋输送叶片之间的螺旋通道中螺旋运动，同时，向该螺旋通道中通入空气，该空气以与粪便逆流或并流的方式对该粪便进行风干。

9.权利要求8的粪便处理方法，其还包括对离开螺旋输送干燥器的载球和干燥后的固体物料进行筛分的步骤；并任选地将筛分后的载球返回至所述搅拌混合器中；并任选地将筛分后的干粪便渣收集在干粪便渣容器中并用高温来杀灭其中的微生物。

10.权利要求8的粪便处理方法，其还包括对离开螺旋输送干燥器的湿空气进行消毒和/或脱臭的步骤。

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