CN108360631B - 一种生态环保厕所的智慧控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种生态环保厕所的智慧控制系统，通过粪便分离装置将大便与小便分开，大便在真空抽吸系统的作用下被输送至堆肥反应器进行微生物转化，用于生产高品质的有机生物固体，以实现粪便的无害化、资源化；小便则进入尿液处理与营养物质回收系统，处理水经脱色、消毒后用于大便冲洗，厕所保洁等用途；在此基础上设置智慧控制系统，对每个厕位进行空气质量、光照度、厕位状态等参数进行监测，控制通风装置、照明装置启闭，维持厕位内舒适环境；对整个公厕的如厕人数、耗水量、耗电量等进行监测，利用无线传输模块将监测数据上传至数据分析平台，完成客流、能耗分析，监测公厕运行状态，并将结果展示于公厕外模拟显示屏，协助提高城市公厕运营、管理水平。

Description

一种生态环保厕所的智慧控制系统
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种生态环保厕所的智慧控制系统。
背景技术
在城市建设规模迅速扩大和配套设施建设持续完善的背景下，城市街道设置了大量公厕，这些公厕大多数都采用自来水冲洗粪便，随后排入市政污水管网并输送至城市污水厂进行处理。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。水冲厕所虽然能提高城市公厕的卫生水平，但该方法造成了大量水资源及氮磷等营养物质的浪费，这种运行方式有悖于我国提出建设资源节约、循环利用型社会的发展理念。基于此，用于对人粪便中污染物进行无害化、资源化的生态厕所开发与优化逐渐成为研究热点。
生态厕所(Bio-toilet)是环保厕所中的一类，是指具有不对环境造成污染，并且能充分利用各种资源，强调污染物自净和资源循环利用概念和功能的一类厕所。
生态厕所按其发展完善过程可分为：
第一代模仿型生态厕所，是在国外引进机的基础上模仿而成的，特征是粪尿直入主机，进行生物处理。
第二代改进型生态厕所,在第一代的基础上，根据国情改进成型的，特征是粪尿分离，大便直入主机，进行生物处理；小便引出主机进入其它系统处理排放。
第三代完善型生态厕所，在第二代的基础上，增加负压通风系统，充分改善了厕内的如厕环境。
目前的生态厕所利用率最多的是微生物菌种分解粪便的厕所，它利用其生长繁殖活动对粪便中可利用的大分子有机化合物进行生物降解并转化为菌体生物量，竞争性的抑制并杀死粪便中的病原性微生物，吸附、降解、转化粪便中产生的臭味物质，实现了粪便的无害化、资源化处理。然而，由于生态公厕运行过程中，处理系统卫生状况和操作管理人员的技术素质等问题，很难对生态环保公厕的运行特征全面掌握，难以发挥生态环保公厕的全部优势。
此外，随着移动互联网进程的深入加快，如何在生态公厕中融入智能控制手段，借助“大数据”与“云平台”分析方法对生态厕所运行状态进行监控，为厕所的精确维护提供参考依据，为优化区域生态厕所厕位布局提供决策依据，是未来市政厕所建设和管理的发展趋势。
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生态环保厕所的智慧控制系统，通过粪便分离装置将大便与小便分开，大便在真空抽吸系统的作用下被输送至堆肥反应器进行微生物转化，用于生产高品质的有机生物固体，以实现粪便的无害化、资源化；小便则进入尿液处理与营养物质回收系统，处理水经脱色、消毒后用于大便冲洗，厕所保洁等用途；在此基础上设置智慧控制系统，通过对每个厕位进行空气质量、光照度、厕位状态等参数进行监测，控制通风装置、照明装置启闭，维持厕位内舒适环境；对整个公厕的如厕人数、耗水量、耗电量等参数进行监测，利用无线传输模块将监测数据上传至数据分析平台，完成客流、能耗分析，用于监测公厕运行状态，并将结果展示于公厕外模拟显示屏，协助提高城市公厕运营、管理水平。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种生态环保厕所的智慧控制系统，所述生态环保厕所包括：
粪便分离系统，完成如厕后的尿液及粪便分离收集过程，尿液输送至尿液处置-冲洗水系统，粪便输送至粪便资源化处置系统；
尿液处置-冲洗水系统，从尿液中回收水资源，经过消毒、脱色、除臭工艺后储存至压力罐，用于大便冲洗及厕所保洁，经水资源回收后的尿液则进入营养物质回收流程，对其中的氮磷营养物质进行回收再利用；
粪便资源化处置系统，利用中高温好氧发酵装置对单独收集的粪便进行堆肥处理，在短时间内实现粪便中病原菌的杀灭和有机物的降解、稳定化，发酵产物能够直接用作有机肥；
真空抽吸系统，借助真空罐和真空抽吸管路使得连接便器的排污管道内维持负压，将大便吸入粪便资源化处置系统，减少冲洗大便的耗水量和臭味逸散，提高厕所的卫生条件；
其特征在于，所述智慧控制系统包括信息检测装置、执行装置以及包含可编程控制功能的中央控制设备14；
所述信息检测装置包括布置在每个蹲位侧壁的三颗具有计数功能的红外对射检测器，布置在蹲位顶部的红外光敏探测器7和气体检测器8，设置于粪便抽吸管路上的分离粪便计量箱9，布置在分离粪便计量箱9内的超声液位传感器 10和粪便浓度检测器11，设置于冲洗水管路上的补充新鲜水远传计量表13和管道水流倒流防止器12；
所述执行装置包括设置于粪便分离系统冲洗水管路上的冲洗水控制阀1、粪便抽吸管路上的控制阀2以及尿液收集管路上的控制阀3、3-1，以及单个厕位内设置的照明设施、新风设备；
借助三颗红外对射检测器，结合如厕时间实现如厕类型的精确判断，并在完成如厕后启动与之匹配的收集管路系统，将源分离粪便输送至相应的处理系统。
气体检测器8采用MQ135模块，对厕位内氨气、硫化物、烟雾臭味气体进行检测，当检测值超限时启动新风装置并进行延时关闭；红外光敏探测器7同时对光照度和人体热释红外进行检测，当光照度低于设定限度并且同时检测到人体热释红外时，自动控制灯具的开启，否则灯具关闭。
分离粪便计量箱9具有固定的形状与体积，结合超声液位传感器10检测的液位信息计算粪便排放体积，通过中央控制设备14的积分累计计算掌握一定时期内粪便排放体积；根据粪便浓度检测器11的检测结果，结合粪便排放量信息，计算得到排放粪便中干物质含量数据，为粪便资源化处置过程中碳源基质添加、含水率调节提供科学的依据。
所述中央控制设备14具有电能计量功能、数据无线传输功能。
由红外对射检测器、补充新鲜水远传计量表 13 和中央控制设备14对整个公厕的如厕人数、耗水量、耗电量等参数进行监测，利用无线传输模块将监测数据上传至数据分析平台，完成客流、能耗、水耗分析。
采用基于单个公厕的能耗、水耗及客流数据与平均水平的差异性结果，判定厕所的使用情况是否处于正常工作状态，用于对公厕运行状态进行远程监测，为厕所的精确、智慧维护提供决策依据。
基于对生态环保公厕投放区域内分时段、分地域的客流数据分析结果，获得区域内精确的厕位需求量，为公厕厕位布置做出正确决策提供依据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、冲厕用水零消耗：小便无需冲洗、单次大便冲洗耗水量不超过0.5L，采用尿液处理水进行冲厕，可实现厕所冲洗水的零消耗；此外，尿液处理水还可用于厕所保洁。
2、粪便的资源化：单独收集的大便经堆肥反应器发酵，可生产A级生物固体产品；小便内高浓度的氮磷营养盐可回收生产高品质的肥料(鸟粪石)。两类物质均具有很高的农用价值，就地用于园林绿化。
3、运行控制智慧化：装置无需人员值守，定期对设备进行巡检即可保证正常运转；此外，基于监测数据分析结果可掌握厕所运行状态和优化厕所管理。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图2是本发明智慧控制系统示意图。
图3是尿液处置-冲洗水系统流程图。
图4是粪便资源化处置系统流程图。
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，本发明的生态环保厕所，包括：
粪便分离系统，对如厕后的尿液及粪便进行分离收集，完成如厕后的尿液及粪便分离收集过程，尿液输送至尿液处置-冲洗水系统，粪便输送至粪便资源化处置系统；具体地，大便完后，通过冲洗按钮人工发出冲洗信号后，依次进行一次冲洗、大便抽吸、二次冲洗形成水封这三个步骤，随后抽吸管道将大便输送至粪便资源化处置系统；尿液则通过重力自流管路进入尿液处置-冲洗水系统，其中，一次冲洗耗水量0.2～0.3L，二次冲洗耗水量0.1～0.2L。
尿液处置-冲洗水系统，从分离收集的尿液中回收水资源，经过消毒、脱色、除臭工艺后储存至压力罐，用于大便冲洗及厕所保洁，经水资源回收后的尿液则进入营养物质回收流程，对其中的氮磷营养物质进行回收再利用。具体地，尿液处置-冲洗的处理流程为尿液预处理，然后经管道泵送往一级微滤，再进行二级微滤，由高压泵送往反渗透单元执行反渗透，再进行臭氧氧化，最后由管道泵送至隔膜压力储水罐。经过RO处理后的浓缩尿液能够直接进行农田、绿化回用，使用量不大于3m3/ha，或采用磷酸铵镁沉淀法，通过向尿液浓缩液中投加一定比例的镁盐和磷盐实现对尿液中氮磷营养物质的回收，尿液经资源回收、沉淀、臭氧氧化后排放至市政污水管网或者农田、绿地，其工作流程参照图3。
粪便资源化处置系统，利用中高温好氧发酵装置对单独收集的粪便进行堆肥处理，在短时间内实现粪便中病原菌的杀灭和有机物的降解、稳定化，发酵产物能够直接用作有机肥。具体地，采用带搅拌轴的卧式筒型好氧发酵仓进行处置，发酵仓筒体底部设置加热设备用来对填装完毕的混合物料进行加热，快速提升物料温度至最佳反应范围以缩短整个反应周期；反应器顶部设置通风设备定时对发酵内进行抽吸并形成负压工况，迫使空气进入发酵仓内为物料补充氧气；发酵仓筒体上部设置高压喷水设备定时进行水分补充以调节物料含水率维持在合理范围，其工作流程参照图4。
真空抽吸系统，借助真空罐和真空转换腔体使得连接便器的排污管道内维持负压，将大便吸入粪便资源化处置系统，减少冲洗大便的耗水量和臭味逸散，提高厕所的卫生条件。具体地，在真空泵和真空罐形成真空抽吸源，通过设置在粪便抽吸管道上的真空转换腔体来维持管路系统负压，使得臭味不扩散；确保抽吸管路与真空罐之间不直接相连，防止抽吸工况下粪便进入真空罐内，影响系统正常工作，所述真空转换腔具有临时存储功能，以在一定程度上实现粪便与少量冲洗水的分离。
其中，经过RO处理后的浓缩尿液能够直接进行农田、绿化回用，使用量不大于3m3/ha，或采用磷酸铵镁沉淀法，通过向尿液浓缩液中投加一定比例的镁盐和磷盐实现对尿液中氮磷营养物质的回收，尿液经资源回收、沉淀、臭氧氧化后排放至市政污水管网或者农田、绿地。
粪便资源化处置，采用带搅拌轴的卧式筒型好氧发酵仓进行处置，发酵仓筒体底部设置加热设备用来对填装完毕的混合物料进行加热，快速提升物料温度至最佳反应范围以缩短整个反应周期；反应器顶部设置通风设备定时对发酵内进行抽吸并形成负压工况，迫使空气进入发酵仓内为物料补充氧气；发酵仓筒体上部设置高压喷水设备定时进行水分补充以调节物料含水率维持在合理范围。粪便分离过程中，在真空泵和真空罐形成真空抽吸源，通过设置在粪便抽吸管道上的真空转换腔体来维持管路系统负压，使得臭味不扩散；确保抽吸管路与真空罐之间不直接相连，防止抽吸工况下粪便进入真空罐内，影响系统正常工作，所述真空转换腔具有临时存储功能，以在一定程度上实现粪便与少量冲洗水的分离。
本发明智慧控制系统，参照图1和图2，包括信息检测装置、执行装置以及包含可编程控制功能的中央控制设备14，中央控制设备14同时还具有电能计量功能、数据无线传输功能。
通过预设的PLC自动控制程序，仅需在如厕完成后人工给予冲洗信号，实现无人值守条件下真空系统的启闭，抽吸管路阀门的动作，尿液处理系统的运转，回收水资源的消毒、加压储存以及粪便资源化处置单元的温度、湿度调节保证堆肥反应的顺利进行。对每个厕位进行空气质量、光照度、厕位状态等参数进行监测，用于控制新风装置、照明装置启闭，维持厕位内舒适环境；对整个公厕的如厕人数、耗水量、耗电量等参数进行监测，利用无线传输模块将监测数据上传至数据分析平台，完成客流、能耗分析，用于监测公厕运行状态和优化公厕管理。
本发明中，信息检测装置包括布置在每个蹲位侧壁的三颗具有计数功能的红外对射检测器，布置在蹲位顶部的红外光敏探测器7和气体检测器8，设置于粪便抽吸管路上的分离粪便计量箱9，布置在分离粪便计量箱9内的超声液位传感器10和粪便浓度检测器11，设置于冲洗水管路上的补充新鲜水远传计量表 13和管道水流倒流防止器12。
执行装置包括设置于粪便分离系统冲洗水管路上的冲洗水控制阀1、粪便抽吸管路上的控制阀2以及尿液收集管路上的控制阀3、3-1，以及单个厕位内设置的照明设施、新风设备；
借助三颗红外对射检测器，结合如厕时间实现如厕类型的精确判断，并在完成如厕后启动与之匹配的收集管路系统，将源分离粪便输送至相应的处理系统。具体地：
在分离便器厕位上方的侧面墙壁上设置有呈三角形布置的红外对射检测器一4、红外对射检测器二5和红外对射检测器三6，发射和接收装置分别设置在厕位两侧的墙壁上；其中，红外对射检测器三6位于尿液收集区和粪便收集区之间的区域，安装高度为分离便器上方20cm，相应于蹲位时的腿部位置，红外对射检测器一4和红外对射检测器二5位于尿液收集区前方15cm的位置竖直安装，红外对射检测器二5安装高度20cm，相应于站立小便时的腿部位置，红外对射检测器一4高于红外对射检测器二5，安装高度120cm，相应于站立小便时的上肢区域，根据三颗红外对射检测器的信号判断如厕体位。
通过红外对射检测器的监测结果可判定如厕类型：当红外对射检测器一4和红外对射检测器二5同时检测到信号时，判定如厕类型为男士小便；当红外对射检测器三6检测到信号且信号持续时间小于60s时，判定为女士小便；当红外对射检测器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；具体地：
当判定如厕类型为男士小便，此时冲洗信号发出后，粪便抽吸管路上的控制阀2不动作，尿液收集管路上的控制阀3、3-1同时打开将尿液收集输送至处理系统，冲洗水控制阀1开启对便器进行冲洗3～5s后关闭，延时10s后尿液收集管路上的控制阀3、3-1同时关闭；当判定如厕类型为女士小便，此时冲洗信号发出后，尿液收集管路上的控制阀3开启将尿液收集输送至处理系统，延时 10s后控制阀3关闭，冲洗水控制阀1不动作；当判定如厕类型为大便，此时冲洗信号发出后，尿液收集管路上的控制阀3、3-1不动作，冲洗水控制阀1开启对便器进行冲洗3～5s后关闭，粪便抽吸管路上的控制阀2启动，通过真空抽吸管路将粪便吸入分离粪便计量箱9，延迟3～5s后控制阀2关闭；
由红外对射检测器、补充新鲜水远传计量表 13 和中央控制设备14对整个公厕的如厕人数、耗水量、耗电量等参数进行监测，利用无线传输模块将监测数据上传至数据分析平台，完成客流、能耗、水耗分析。
采用基于单个公厕的能耗、水耗及客流数据与平均水平的差异性结果，判定厕所的使用情况是否处于正常工作状态，用于对公厕运行状态进行远程监测，为厕所的精确、智慧维护提供决策依据。
基于对生态环保公厕投放区域内分时段、分地域的客流数据分析结果，获得区域内精确的厕位需求量，为公厕厕位布置做出正确决策提供依据。
气体检测器8采用MQ135模块，对厕位内氨气、硫化物、烟雾臭味气体进行检测，当检测值超限时启动新风装置并进行延时关闭；红外光敏探测器7同时对光照度和人体热释红外进行检测，当光照度低于设定限度并且同时检测到人体热释红外时，自动控制灯具的开启，否则灯具关闭。
利用红外对射计数器进行客流监测；基于单个公厕的电耗、水耗数据与平均水平的差异性结果，获得厕位的使用情况和是否正常工作等状态信息，为厕所的精确维护提供参考依据；基于多组公厕分时段、分地域的客流数据分析结果，获得区域内精确的厕位需求量，为公厕厕位布置做出正确决策提供依据。
分离粪便计量箱9具有固定的形状与体积，结合超声液位传感器10检测的液位信息计算粪便排放体积，通过中央控制设备14的积分累计计算掌握一定时期内粪便排放体积；根据粪便浓度检测器11的检测结果，结合粪便排放量信息，计算得到排放粪便中干物质含量数据，为粪便资源化处置过程中碳源基质添加、含水率调节提供科学的依据。
本发明生态环保智慧厕所可建成固定式的结构，也可加工成撬装式或者移动式形态。此外，由于生态厕所在使用功能上与传统厕所相同，增加的资源回收单元不仅可以与新型厕所组成一个有机整体，而且可以用在现有厕所的改造和更新上，资源回收单元与现有厕所可以很方便地结合起来，实现现有厕所的升级换代。
综上，本发明对生态环保厕所的每个厕位进行空气质量、光照度、厕位状态等参数进行监测，控制通风装置、照明装置启闭，维持厕位内舒适环境；对整个公厕的如厕人数、耗水量、耗电量等进行监测，利用无线传输模块将监测数据上传至数据分析平台，完成客流、能耗分析，监测公厕运行状态，并将结果展示于公厕外模拟显示屏，协助提高城市公厕运营、管理水平。

Claims (5)

1.一种生态环保厕所的智慧控制系统，所述生态环保厕所包括：
粪便分离系统，完成如厕后的尿液及粪便分离收集过程，尿液输送至尿液处置-冲洗水系统，粪便输送至粪便资源化处置系统；
尿液处置-冲洗水系统，从尿液中回收水资源，经过消毒、脱色、除臭工艺后储存至压力罐，用于大便冲洗及厕所保洁，经水资源回收后的尿液则进入营养物质回收流程，对其中的氮磷营养物质进行回收再利用；
粪便资源化处置系统，利用中高温好氧发酵装置对单独收集的粪便进行堆肥处理，在短时间内实现粪便中病原菌的杀灭和有机物的降解、稳定化，发酵产物能够直接用作有机肥；
真空抽吸系统，借助真空罐和真空抽吸管路使得连接便器的排污管道内维持负压，将大便吸入粪便资源化处置系统，减少冲洗大便的耗水量和臭味逸散，提高厕所的卫生条件；
其特征在于，所述智慧控制系统包括信息检测装置、执行装置以及包含可编程控制功能的中央控制设备(14)；
所述信息检测装置包括布置在每个蹲位侧壁的三颗具有计数功能的红外对射检测器，布置在蹲位顶部的红外光敏探测器(7)和气体检测器(8)，设置于粪便抽吸管路上的分离粪便计量箱(9)，布置在分离粪便计量箱(9)内的超声液位传感器(10)和粪便浓度检测器(11)，设置于冲洗水管路上的补充新鲜水远传计量表(13)和管道水流倒流防止器(12)；所述分离粪便计量箱(9)具有固定的形状与体积，结合超声液位传感器(10)检测的液位信息计算粪便排放体积，通过中央控制设备(14)的积分累计计算掌握一定时期内粪便排放体积；根据粪便浓度检测器(11)的检测结果，结合粪便排放量信息，计算得到排放粪便中干物质含量数据，为粪便资源化处置过程中碳源基质添加、含水率调节提供科学的依据；
所述执行装置包括设置于粪便分离系统冲洗水管路上的冲洗水控制阀(1)、粪便抽吸管路上的控制阀(2)以及尿液收集管路上的控制阀，以及单个厕位内设置的照明设施、新风设备；
借助三颗红外对射检测器，结合如厕时间实现如厕类型的精确判断，并在完成如厕后启动与之匹配的收集管路系统，将源分离粪便输送至相应的处理系统；
由红外对射检测器、新鲜水远传计量表(13)和中央控制设备(14)对整个公厕的如厕人数、耗水量、耗电量进行监测，利用无线传输模块将监测数据上传至数据分析平台，完成客流、能耗、水耗分析。
2.根据权利要求1所述的生态环保厕所的智慧控制系统，其特征在于，气体检测器(8)采用MQ135模块，对厕位内氨气、硫化物、烟雾臭味气体进行检测，当检测值超限时启动新风装置并进行延时关闭；红外光敏探测器(7)同时对光照度和人体热释红外进行检测，当光照度低于设定限度并且同时检测到人体热释红外时，自动控制灯具的开启，否则灯具关闭。
3.根据权利要求1所述的生态环保厕所的智慧控制系统，其特征在于，所述中央控制设备(14)具有电能计量功能、数据无线传输功能。
4.根据权利要求1所述的生态环保厕所的智慧控制系统，其特征在于，采用基于单个公厕的能耗、水耗及客流数据与平均水平的差异性结果，判定厕所的使用情况是否处于正常工作状态，用于对公厕运行状态进行远程监测，为厕所的精确、智慧维护提供决策依据。
5.根据权利要求1所述的生态环保厕所的智慧控制系统，其特征在于，基于对生态环保公厕投放区域内分时段、分地域的客流数据分析结果，获得区域内精确的厕位需求量，为公厕厕位布置做出正确决策提供依据。
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