CN108301475A - 一种改进的粪便源分离装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种改进的粪便源分离装置，包括分离便器、高压冲洗水管路和真空抽吸系统，在厕位墙壁上设置用于判断如厕体位的红外检测探头，根据如厕体位和如厕持续时间由PLC控制系统判定如厕类型，并在完成如厕后启动与之匹配的收集管路系统，防止小便大量混入大便而导致粪便源分离不彻底；本发明针对男女如厕时小便姿势的不同以及大小便如厕持续时间的差别，启动与之匹配的收集系统，防止小便大量混入大便而导致对后续粪便资源化处置设备产生不利影响；本发明中连接便器的管道系统为负压，粪便散发的臭味不会扩散，提高了公厕内的卫生条件；单次大便冲洗耗水量不超过0.5L，较传统大便器冲洗水箱用水量减少约80～90％。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种改进的粪便源分离装置与方法。
背景技术
现有的研究资料表明，人类尿液中含有大量的氮磷等营养物质，刚排出人体的尿液中氮元素主要以尿素的形式存在，其含量为8000～10000mg/L；磷元素主要以聚磷酸盐的形式存在，含量为700～2000mg/L。尿液是生活污水中氮磷等营养物质的主要来源。此外，粪便中同样富含氮磷营养盐和有机物。目前，采用鸟粪石沉淀法可对尿液中的氮磷进行高效回收，氮磷营养盐回收率可达95％以上；此外，可采用好氧堆肥的方式对粪便中高浓度的有机物进行稳定化，在该过程中同时可杀死病原菌，最终腐熟的堆肥产物可作为高品质的有机肥用于园林绿化和农业生产。以上方法均为成熟的粪便无害化、资源化处置技术方法，但其应用的前提是对尿液和粪便进行源分离收集。
因此，高效、稳定的对粪便进行源分离，并且尽量保证收集到的粪便内不引入外来的水量、表面活性剂、化学除臭剂等物质，对保证后续的粪便资源化利用具有重要意义。为了达到尿液与粪便源目标，发明人申请了专利“一种粪便源分离的装置与方法”(申请号：CN201810112103.5)，采用特制的大小便分离便器分别收集大便与尿液，如厕完毕并给出冲洗信号后，高压冲洗阀开启对便器进行短时冲洗，随后在真空抽吸系统的作用下将收集到的粪便抽吸至真空转换腔内，粪便在墙体内短暂停留后被输送至粪便处置系统，尿液收集区内的尿液则以重力自流的方式进行收集，通过尿液输送干管的自动排放阀定时将尿液输送至处理系统进行营养物质回收。该方法在减少水资源消耗、保障厕所环境卫生的基础之上，实现了尿液、粪便的源分离，为分类回收其中的营养元素和水资源提供基础。
然而，在该装置的试验应用过程中，由于男士小便时一般采取站立姿势，直接将小便排泄到位于便器后部的大便收集区，无法实现彻底的尿液粪便源分离目标，导致粪便在后续的资源化处置过程中由于含水率过高造成处理效果不佳乃至失败的风险。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改进的粪便源分离装置与方法，针对男女如厕时小便姿势的不同以及大小便如厕持续时间的差别，在厕位墙壁上增设检测探头以判断如厕排便类型，并启动与之匹配的收集系统，防止小便大量混入大便而导致对后续粪便资源化处置设备产生不利影响；采用特制的大小便分离便器分别收集大便与尿液，在如厕完毕后由检测探头给出冲洗信号后，高压冲洗阀开启对便器进行短时冲洗，随后在真空抽吸系统的作用下将收集到的粪便抽吸至真空转换腔内，粪便在墙体内短暂停留后被输送至粪便处置系统，尿液收集区内的尿液则以重力自流的方式进行收集，通过尿液输送干管的自动排放阀定时将尿液输送至处理系统进行营养物质回收。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种改进的粪便源分离装置，包括：
分离便器1，主要由便器主体踏板1-4、位于便器前方的尿液收集区1-1，位于便器后方的大便收集区1-2，位于大便收集区1-2上方的便器高压水冲器1-3和位于尿液收集区1-1上方的便器高压水冲器1-5组成；
高压冲洗水管路，与便器高压水冲器1-3和便器高压水冲器1-5连接，其中连接便器高压水冲器1-5的管路上设置电磁阀2-2，连接便器高压水冲器1-3的管路上设置电磁阀2-1；
真空抽吸系统，包括始端连接在大便收集区1-2下方的大便收集支管和始端连接在尿液收集区1-1下方的尿液收集支管，尿液收集支管分为两路，一路连接Y型三通1-9的第一端口并在连接管路上设置电磁阀3-2，另一路汇聚于尿液输送干管，在尿液输送干管末端设置自动排放阀9，通过自动排放阀9控制尿液流入处理系统，大便收集支管连接Y型三通1-9的第二端口，Y型三通1-9的第三端口连接真空转换腔4且在连接管路上设置真空抽吸阀3-1，真空转换腔4的底部设置排污阀5，真空泵6与带负压传感器的真空罐7相连，真空罐7通过真空管路连接真空转换腔4且在真空管路上设置真空控制阀8；收集到的大便经排污阀5控制排出，进入粪便处置系统；
其特征在于，
在厕位墙壁上设置用于判断如厕体位的红外检测探头，所述红外检测探头、电磁阀2-1、电磁阀2-2、电磁阀3-2、真空抽吸阀3-1、排污阀5、真空控制阀8和自动排放阀9均连接PLC控制系统，根据如厕体位和如厕持续时间由PLC控制系统判定如厕类型，并在完成如厕后启动与之匹配的收集管路系统，防止小便大量混入大便而导致粪便源分离不彻底。
所述尿液收集区1-1和大便收集区1-2之间存在鞍状隔离区，确保如厕过程中对粪便和尿液的分离收集；尿液收集支管接口直径为Φ15mm，大便收集支管接口直径为Φ32mm。
所述红外检测探头有三颗，位于分离便器1厕位上方的侧面墙壁上，其中，红外检测探头1-6位于尿液收集区1-1和大便收集区1-2之间的区域，相应于蹲位时的腿部位置，红外检测探头1-7和红外检测探头1-8位于尿液收集区1-1前方的位置，红外检测探头1-7相应于站立小便时的腿部位置，红外检测探头1-8高于红外检测探头1-7，相应于站立小便时的上肢区域，根据三颗红外检测探头的信号判断如厕体位。
所述红外检测探头1-6、红外检测探头1-7和红外检测探头1-8均采用红外对射检测探头，发射和接收装置分别设置在厕位两侧的墙壁上；红外检测探头1-6安装高度为分离便器1上方20cm，与便器鞍状隔离区顶点垂直；红外检测探头1-7安装高度20cm，红外检测探头1-8安装高度120cm，位于分离便器1前方15cm竖直安装。
本发明还提供了基于所述改进的粪便源分离装置的分离方法，包括如下步骤：
当红外检测探头1-7、1-8同时检测到信号且持续10s以上时，判定如厕类型为男士小便；此时冲洗信号发出后，真空抽吸阀3-1不启动，电磁阀3-2、自动排放阀9同时打开，电磁阀2-1开启冲洗大便收集区1-22～3s后关闭，延时10s后电磁阀3-2、自动排放阀9同时关闭；
当红外检测探头1-6检测到信号且信号持续时间小于60s时，判定为女士小便；此时冲洗信号发出后，自动排放阀9启动，电磁阀2-2开启冲洗尿液收集区1-12～3s后关闭，延时10s后自动排放阀9关闭；
当红外检测探头1-6检测到信号且信号持续时间大于60s时，判定如厕类型为大便；此时冲洗信号发出后，电磁阀2-1开启冲洗大便收集区1-22～4s后关闭，延时3s后真空控制阀8和真空抽吸阀3-1同时打开，3～5s后真空抽吸阀3-1自动关闭，电磁阀2-1再次开启2～3s，真空控制阀8关闭。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中连接便器的管道系统为负压，粪便散发的臭味不会扩散，提高了公厕内的卫生条件；
2、能准确判断如厕类型并精确启动与之匹配的收集管路系统，实现了尿液、粪便彻底的源分离目标。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明红外检测探头布置示意图。
图3是本发明红外检测探头检测为男士小便示意图。
图4是本发明红外检测探头检测为女士小便或男士大便示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种改进的粪便源分离装置，包括：
分离便器1，主要由便器主体踏板1-4、位于便器前方的尿液收集区1-1，位于便器后方的大便收集区1-2，位于大便收集区1-2上方的便器高压水冲器1-3和位于尿液收集区1-1上方的便器高压水冲器1-5组成，其中尿液收集区1-1和大便收集区1-2之间存在鞍状隔离区，确保如厕过程中对粪便和尿液的分离收集；
高压冲洗水管路，与便器高压水冲器1-3和便器高压水冲器1-5连接，其中连接便器高压水冲器1-5的管路上设置电磁阀2-2，连接便器高压水冲器1-3的管路上设置电磁阀2-1；
真空抽吸系统，包括始端连接在大便收集区1-2下方的大便收集支管和始端连接在尿液收集区1-1下方的尿液收集支管，尿液收集支管接口直径为Φ15mm，尿液收集支管分为两路，一路连接Y型三通1-9的第一端口并在连接管路上设置电磁阀3-2，另一路汇聚于尿液输送干管，在尿液输送干管末端设置自动排放阀9，通过自动排放阀9控制尿液流入处理系统。大便收集支管接口直径为Φ32mm，连接Y型三通1-9的第二端口，Y型三通1-9的第三端口连接真空转换腔4且在连接管路上设置真空抽吸阀3-1，真空转换腔4的底部设置排污阀5，真空泵6与带负压传感器的真空罐7相连，真空泵6采用双级旋片式真空泵，由真空罐7上的压力传感器联动控制，控制范围为-98KPa～-70KPa，高启低停。真空罐7容积为150～200L，耐受极限真空度为-101.3KPa，通过真空管路连接真空转换腔4且在真空管路上设置真空控制阀8，收集到的大便经排污阀5控制排出，进入粪便处置系统。真空转换腔4用于维持大便收集支管负压，使得臭味不扩散；确保大便收集支管与真空罐7之间不直接相连，防止抽吸工况下粪便进入真空罐7内，影响系统正常工作。真空转换腔4具有临时存储功能，以在一定程度上实现粪便与少量冲洗水的分离。
本发明在厕位上方的侧面墙壁上设置用于判断如厕体位的三颗红外检测探头，其中，红外检测探头1-6位于尿液收集区1-1和大便收集区1-2之间的区域，相应于蹲位时的腿部位置，红外检测探头1-7和红外检测探头1-8位于尿液收集区1-1前方的位置，红外检测探头1-7相应于站立小便时的腿部位置，红外检测探头1-8高于红外检测探头1-7，相应于站立小便时的上肢区域，根据三颗红外检测探头的信号判断如厕体位。
具体地，红外检测探头1-6、红外检测探头1-7和红外检测探头1-8均采用红外对射检测探头，发射和接收装置分别设置在厕位两侧的墙壁上；红外检测探头1-6安装高度为分离便器1上方20cm，与便器鞍状隔离区顶点垂直；红外检测探头1-7安装高度20cm，红外检测探头1-8安装高度120cm，位于分离便器1前方15cm竖直安装。
红外检测探头1-6、红外检测探头1-7、红外检测探头1-8、电磁阀2-1、电磁阀2-2、电磁阀3-2、真空抽吸阀3-1、排污阀5、真空控制阀8和自动排放阀9均连接PLC控制系统，根据如厕体位和如厕持续时间由PLC控制系统判定如厕类型，并在完成如厕后启动与之匹配的收集管路系统，防止小便大量混入大便而导致粪便源分离不彻底。
基于该粪便源分离装置，分离方法包括如下步骤：
当红外检测探头1-7、1-8同时检测到信号且持续10s以上时，判定如厕类型为男士小便；此时冲洗信号发出后，真空抽吸阀3-1不启动，电磁阀3-2、自动排放阀9同时打开，电磁阀2-1开启冲洗大便收集区1-22～3s后关闭，延时10s后电磁阀3-2、自动排放阀9同时关闭；
当红外检测探头1-6检测到信号且信号持续时间小于60s时，判定为女士小便；此时冲洗信号发出后，自动排放阀9启动，电磁阀2-2开启冲洗尿液收集区1-12～3s后关闭，延时10s后自动排放阀9关闭；
当红外检测探头1-6检测到信号且信号持续时间大于60s时，判定如厕类型为大便；此时冲洗信号发出后，电磁阀2-1开启冲洗大便收集区1-22～4s后关闭，延时3s后真空控制阀8和真空抽吸阀3-1同时打开，3～5s后真空抽吸阀3-1自动关闭，电磁阀2-1再次开启2～3s，真空控制阀8关闭。
通过以上程序，即可实现粪便的自动冲洗、收集。
综上，本发明针对男女如厕时小便姿势的不同以及大小便如厕持续时间的差别，在厕位墙壁上增设检测探头以判断如厕排便类型，并启动与之匹配的收集系统，防止小便大量混入大便而导致对后续粪便资源化处置设备产生不利影响；采用特制的大小便分离便器分别收集大便与尿液，在如厕完毕后由检测探头给出冲洗信号后，高压冲洗阀开启对便器进行短时冲洗，随后在真空抽吸系统的作用下将收集到的粪便抽吸至真空转换腔内，粪便在墙体内短暂停留后被输送至粪便处置系统，尿液收集区内的尿液则以重力自流的方式进行收集，通过尿液输送干管的自动排放阀定时将尿液输送至处理系统进行营养物质回收；本发明中连接便器的管道系统为负压，粪便散发的臭味不会扩散，提高了公厕内的卫生条件；单次大便冲洗耗水量不超过0.5L，较传统大便器冲洗水箱用水量减少约80～90％。
Claims (5)
1.一种改进的粪便源分离装置，包括：
分离便器(1)，主要由便器主体踏板(1-4)、位于便器前方的尿液收集区(1-1)，位于便器后方的大便收集区(1-2)，位于大便收集区(1-2)上方的便器高压水冲器(1-3)和位于尿液收集区(1-1)上方的便器高压水冲器(1-5)组成；
高压冲洗水管路，与便器高压水冲器(1-3)和便器高压水冲器(1-5)连接，其中连接便器高压水冲器(1-5)的管路上设置电磁阀(2-2)，连接便器高压水冲器(1-3)的管路上设置电磁阀(2-1)；
真空抽吸系统，包括始端连接在大便收集区(1-2)下方的大便收集支管和始端连接在尿液收集区(1-1)下方的尿液收集支管，尿液收集支管分为两路，一路连接Y型三通(1-9)的第一端口并在连接管路上设置电磁阀(3-2)，另一路汇聚于尿液输送干管，在尿液输送干管末端设置自动排放阀(9)，通过自动排放阀(9)控制尿液流入处理系统，大便收集支管连接Y型三通(1-9)的第二端口，Y型三通(1-9)的第三端口连接真空转换腔(4)且在连接管路上设置真空抽吸阀(3-1)，真空转换腔(4)的底部设置排污阀(5)，真空泵(6)与带负压传感器的真空罐(7)相连，真空罐(7)通过真空管路连接真空转换腔(4)且在真空管路上设置真空控制阀(8)；收集到的大便经排污阀(5)控制排出，进入粪便处置系统；
其特征在于，
在厕位墙壁上设置用于判断如厕体位的红外检测探头，所述红外检测探头、电磁阀(2-1)、电磁阀(2-2)、电磁阀(3-2)、真空抽吸阀(3-1)、排污阀(5)、真空控制阀(8)和自动排放阀(9)均连接PLC控制系统，根据如厕体位和如厕持续时间由PLC控制系统判定如厕类型，并在完成如厕后启动与之匹配的收集管路系统，防止小便大量混入大便而导致粪便源分离不彻底。
2.根据权利要求1所述改进的粪便源分离装置，其特征在于，所述尿液收集区(1-1)和大便收集区(1-2)之间存在鞍状隔离区，确保如厕过程中对粪便和尿液的分离收集；尿液收集支管接口直径为Φ15mm，大便收集支管接口直径为Φ32mm。
3.根据权利要求1所述改进的粪便源分离装置，其特征在于，所述红外检测探头有三颗，位于分离便器(1)厕位上方的侧面墙壁上，其中，红外检测探头(1-6)位于尿液收集区(1-1)和大便收集区(1-2)之间的区域，相应于蹲位时的腿部位置，红外检测探头(1-7)和红外检测探头(1-8)位于尿液收集区(1-1)前方的位置，红外检测探头(1-7)相应于站立小便时的腿部位置，红外检测探头(1-8)高于红外检测探头(1-7)，相应于站立小便时的上肢区域，根据三颗红外检测探头的信号判断如厕体位。
4.根据权利要求1或3所述改进的粪便源分离装置，其特征在于，所述红外检测探头(1-6)、红外检测探头(1-7)和红外检测探头(1-8)均采用红外对射检测探头，发射和接收装置分别设置在厕位两侧的墙壁上；红外检测探头(1-6)安装高度为分离便器(1)上方20cm，与便器鞍状隔离区顶点垂直；红外检测探头(1-7)安装高度20cm，红外检测探头(1-8)安装高度120cm，位于分离便器(1)前方15cm竖直安装。
5.基于权利要求1所述改进的粪便源分离装置的分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
当红外检测探头(1-7)、(1-8)同时检测到信号且持续10s以上时，判定如厕类型为男士小便；此时冲洗信号发出后，真空抽吸阀(3-1)不启动，电磁阀(3-2)、自动排放阀(9)同时打开，电磁阀(2-1)开启冲洗大便收集区(1-2)2～3s后关闭，延时10s后电磁阀(3-2)、自动排放阀(9)同时关闭；
当红外检测探头(1-6)检测到信号且信号持续时间小于60s时，判定为女士小便；此时冲洗信号发出后，自动排放阀(9)启动，电磁阀(2-2)开启冲洗尿液收集区(1-1)2～3s后关闭，延时10s后自动排放阀(9)关闭；
当红外检测探头(1-6)检测到信号且信号持续时间大于60s时，判定如厕类型为大便；此时冲洗信号发出后，电磁阀(2-1)开启冲洗大便收集区(1-2)2～4s后关闭，延时3s后真空控制阀(8)和真空抽吸阀(3-1)同时打开，3～5s后真空抽吸阀(3-1)自动关闭，电磁阀(2-1)再次开启2～3s，真空控制阀(8)关闭。
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