商用自动感应翻式节水公厕

曾祥安 李艺炫 孙冰瑞 俞璇 王嘉怡 蔡小华

摘  要：根据目前公共场所蹲便器使用的市场分析及用水环保分析，现有的蹲便器存在蓄水需求大，容易使地板潮湿;开放式设计空间污渍易外溅，且会使杂物进入容器导致下水道堵塞等问题。因此，对统的蹲便器进行创新设计，将产生显著的经济效益和社会效益。为解决以上问题，本项目以人群密集的大型购物商城为推广方向，力求在拓展蹲便器的市场占有率的同时，打破传统蹲便器在空间利用率的局限，消除噪音，消除潮湿，优化循环用水功能，提高大型商城公厕的使用效率，改变民众对蹲便器的固定认知，着重解决人群密集场所如厕排队，如厕卫生脏乱差的问题。本团队针对性研发商用自动感应翻式节水公厕。项目重点如下：回收处理人体尿液、收集回用雨水及生活污水，从根源上节省冲厕用水量;运用雾化喷头预处理及感应器自动感应实现粪便自重力排污;隐藏式地下冲水结构设计实现无视觉化冲厕，隔绝异味，解决便池污渍外溅问题。

关键词：新型蹲便器;节能减排;翻转式蹲便器

公厕是商城建设的基础设施，是人们解决基本生理需求的必要场所，是体现了一个城市的文明程度的重要指标。而国内大部分场所，尤其在人群密集的商城、地铁、景区，公共厕所的建设仍存诸多不合理的问题。脏、乱、差，如厕难于上“青天”等词语成为一些场所公厕的代名词。加之传统公厕蹲便器效率低下，排水过度浪费，不仅影响了全民的健康，而且造成极大的水资源浪费。

从排水方式来说，传统的蹲便器分为前排式和后排式。前排式蹲便器排水孔在前面，小便尿液直接进入排水孔，其缺点是粪便离排污孔距离远， 用水量大， 且臭味较大。后排式蹲便器排水孔在后面，粪便可以落在排水孔或其附近，冲刷的水流从前向后，但用水仍然较多，且污渍容易外溅。同时，无论是哪一种蹲便器，都存在用户易滑倒、易卡脚等安全隐患。

为解决现有问题和推进厕所的改革创新，中共中央、国务院，决定将实施“厕所革命”、推進厕所粪污无害化处理和资源化利用作为乡村振兴和美丽乡村战略的重要实施策略[1]，其重要意义在于不仅促使了基础设施和环境卫生的改善，还改变了百姓旧有的观念，因为观念和意识是使厕所成为我们基础设施段短板的关键问题。为响应国家政策号召，满足人们需求，本团队提出一种商用自动感应翻式节水公厕，结构原理简单，便利高效，充分利用生活无水及清洁能源，节约大量水资源，具有重要的节能减排意义和推广价值。

技术路线

本团队研发的商用自动感应翻式节水公厕主要应用于人群密集的大型购物商城等场所，其主要由新型翻式蹲便器、雨水收集回用设施、尿液净化回收系统、生活污水净化回收系统组成。由于在大型购物商城中，人们对如厕的需求大大增加，随之产生的用水量增大，针对传统蹲厕水资源浪费问题，本团队使用电动机驱动翻转板，利用粪便自重力排污，减少冲厕用水的同时，降低平均如厕时间，更加适应人流量多的场所。并根据商城建屋顶面积大的建筑特点，将其制成集雨面，制成“天然漏斗”，可高效的收集雨水，并利用男厕小便池收集到的尿液具有无需尿液分离处理，净化成本低的特点，回收利用雨水、人体的尿液和生活污水，用于日常冲厕当中，使资源利用达到最大化。相较与传统商城的厕所而言，公厕巧妙利用建筑特性和新概念翻转冲厕方式，适应了用户在该环境下的需求，使公厕的利用效率推向一个新的高度，为大型商城的公厕建设提出新的概念，向社会推广绿色，环保，资源节约等理念。

设计方案--新型无水隐形公厕

新型翻式蹲便器

新型翻式蹲便器由蹲便器外壳、翻转板、雾状喷头、高压射流喷头，滚动轴承、红外感应器、翻转电机组成，如图所示。

1.蹲便器外壳

蹲便器外壳由陶瓷高温烧制而成，采用多层纳米易洁釉面，不易挂污更洁净。前后均打通孔，用于安装滚动轴承，下侧做成具有一定斜度的导粪腔，使落下的粪便在使用少量水源的情况下便沿着斜壁集中落入到排粪管。

2.翻转模块

蹲便器翻转板由翻转板、滚动轴承、反转电机组成。

（1）外形结构

翻转板的形状与内壁形状相同，尺寸略小于内壁。外形结构形似葫芦，设计符合用户使用习惯。翻转板的前后为圆柱形连杆，伸出蹲便器外壳之外，连杆的一侧与电机相连，且前后两侧均与轴承配合。为保证蹲便器的密闭性，翻转板的四周有凹槽可布置密封圈，使翻转板在反转过程种始终贴合陶瓷内壁。且翻转板旋转到水平位置时，翻转板与内壁形成较为紧密的配合，同时保证翻转板在承受各方向上的力时不会发生强制翻转和倾斜。

（2）材料

特制的翻转板采用特氟龙涂层，这种涂层是不粘涂料的鼻祖，具有耐热性、化学惰性和优异的绝缘稳定性及低摩擦性，是一种独一无二的工业涂料。通过添加特氟龙涂层，可使蹲便器表面光滑不粘，在如厕的时候，即可利用粪便尿液的重力特性，基本上完成自身清洁，并可以很大程度的减少粪便在翻转板上的残留量，同时该用料成本，对用户使用习惯、便器安装方法等要求较低，可大量的生产和应用。

（3）模块功能

由翻转板、滚动轴承、反转电机组成的蹲便器翻转板块实现了高效率的使用性。两侧均可暂存粪便的翻转板设计搭配滚动轴承可使翻转板翻转难度缩小，耗能降低。在一人使用后，翻转立刻可供下一人的使用，极大的缩减了如厕时间，解决了如今上厕排队的现象，且冲厕环节均在地下进行，无视觉冲水，低噪音运行。同时还解决了常见蹲便器常出现的水流射出蹲便器形成污渍问题，保证了地面的干燥、干净和整洁。

同时为保证用户使用安全，电机触发感应装置与红外感应器相联，用户如厕完成打开厕所门离开以后，电机才会感应触发，带动翻转板翻转。

3.雾化喷头

蹲便器四周有三个隐藏式出水口，内嵌可调铜质高压雾化喷嘴。使用水源均为二次回收水并混合一定植物提取液。

其工作流程与作用如下，开关电路与红外感应器相连，当感应器感应到用户进入厕所时，系统执行预处理命令。增压泵开始运转，在吸水井中抽取净化后的水源，混入植物提取液除臭剂，并对雾化喷嘴施加一定的压力，利用压力差将植物混合液从喷口压出，液滴均被雾化，均匀喷洒在翻转板和蹲便器内壁。

预处理的意义在于：一，预处理可使翻转板和蹲便器内壁处于湿润但不积水的状态，配合翻转板所采用的特氟龙涂料，方便后期翻转后板上粪便自然掉落，进一步减少粪便在翻转板上的残余量。二，植物提取液可通过吸附、催化氧化等反应达到除臭的作用[2]，给与用户更改好的如厕环境。

4.高压射流喷头

高压射流喷头位于导粪腔前后两侧。红外线感应人完成如厕后，翻转板翻转，粪便因自重而掉落到位于蹲便器主体下方的导粪腔。同时，高压射流喷头获得清洗命令。开始工作。增压泵再次运转，在水库中抽出已处理水资源，将高压力低流速的水转换为高压力高流速扇形射流，连续不断地作用在被清洗表面使残留垢物脱落。

雨水收集回用设施

雨水是宝贵的自然资源，且相对于中水而言，水质更佳，处理工艺更为简单，因此被看作是最有利用价值的水资源。以长沙为例。长沙属于亚热带季风气候，地处中纬度地区，位于湘江下游和长沙盆地边缘，气候温和、降雨充沛、四季分明。根据统计数值，长沙市年平均降水量为1403.7mm，夏初雨水较多。雨水是丰富的水资源。经小组调查，大部分商城都没有设置雨水收集系统，而是利用多年前建造的排水系统，直接将雨水排至地面或市政排水管网内，无论是内排水系统还是外排水系统，都造成严重的水资源浪费，还增加了水泥地面低洼积水的可能性，加大了市政排水管道的压力。

大型商城建筑特点是楼层较低，屋顶面积系数大，是作为收集雨水设施的不二之选，本团队针对该特点设计了配套的雨水收集设施，通过将屋顶制作成集雨面收集雨水来增加降水的使用价值。由于收集的水资源主要应用于各楼层厕所的冲洗，且自然降水落到建筑上方时会带有各种杂物和垃圾，因此必须对收集的水资源进行净化、沉淀。

雨水收集设施主要由弃流井、处理井、沉沙井、雨水收集区、吸水井组成。为了保证收集到优质雨水资源，雨水经管道后先流至位于雨水出户位置的弃流井，进行初步的弃流截污，用户通过弃流井中自带的流量计调节弃流量，从而可以过滤前期收集到较为浑浊的雨水。初次过滤的雨水流至处理井，处理井中安装有简单的过滤器和鼓风机，过滤掉容易堵塞管道的落叶等杂物，并检测处理后的水资是否达到雨水回用的的标准，决定是否回流重新处理。最后得到较为清洁的雨水顺着管道到达地底下沉沙井，过滤径流中的颗粒物质，最后存储于雨水集水区。

雨水收集区安装有消毒器和浮球阀门，在较为干旱，雨水收集不足的季节时，自动调节使用自来水补给吸水井，在多雨的季节，则将存储的雨水流至吸水井，保证做到优先使用雨水资源，再使用自来水来供应厕所冲洗。最后通过不同类型的水泵，供各楼层的厕所冲水使用。当浮球位置高于所设定的值时，系统将会启动闲时自动清洗模式。即时没有用户如厕，蹲便器下放的高压射流喷头也会持续工作，不断清洗残留在导粪腔上的粪便。

该雨水收集回用设施可以大量减少自来水的使用量，更有效的减少向排水系统的排放量，在降水量多的地区还能起到防洪减灾的作用，从冲厕用水的根源上解决传统如厕浪费自来水的问题。

尿液净化回收系统

尿液污水主要分为3种，以尿液为主的黄水;含粪便的棕水;粪便和尿液混合的黑水。棕水和黑水中有较多的病源微生物，且水分含量不高、回收效率低，故不考虑棕水、黑水的回收。黄水在污水中的占比最大，水分含量高，考虑到收集和分离的难易程度、投入成本以及处理难度，我们仅回收男厕小便池中的尿液。

目前我国常用的尿液处理方法有物理法、化学法、生物法，由于常用的处理手段会引入有局限性且会引入新的污染物，因此不考虑。通过对比得知，电化学法[3]处理尿液，可以将相关物质很好地沉淀，且分离出的水分接近于二次用水的标准可以被厕所循环利用，剩余的物质可以进行进一步处理城农业绿色肥料。以钛微孔管做阳极，不锈钢壁做阴极，通过外加电压使污水中发生电化学反应，将电解装置与镁源反应器组合联用，生成磷酸铵镁等沉淀，通过滤网附着在滤网上（或沉淀于沉淀池内），经收集处理后，进行相应的使用[4]，此装置水分回收率为70%，如10所示。

长沙国金中心位于湖南省长沙市五一商圈黄兴路与解放路交会处是超高層大型城市综合体，双子塔楼相邻而建，建筑特点鲜明，功能分区运行。我们将双子塔楼简化成如图11所示的两个平面模型，尿液由男士每层男厕的男士小便池中引出收集，最终汇集到处理池中以待处理。图中尿液（黄水）分离出的水分应该更改为在商场内部循环，利用输送泵将分离出的水送入厕所的冲水系统，仅分离出的固体运送出去因此蒸馏结晶处理过程应该在商场建筑中进行。

生活污水净化回收系统

生活污水即人们日常生活中所产生的用水，包括日常洗漱、淋浴、清洗、餐饮等所排出的水。生活污水虽然已经不是纯净的水资源，但城市生活污水中不含危害性物质，简单处理之后即可作为非饮用水再次进行循环利用。生活污水处理工艺较为成熟，处理方式及过程较为简单，处理成本低、效率高，是缓解城市污水处理压力、治理城市污水的重要方式。

以长沙国际金融中心为例，其作为集大型购物商场、高端写字楼、酒店于一体的超高层城市综合体，其中的生活污水主要来源于办公区和酒店部分的餐饮废水和洗浴废水。我们通过生活污水分散回收利用，建立污水回收通道，对建筑物内产生的污水进行收集和集中处理，然后利用处理后的非饮用水进行建筑冲厕，可以实现国际金融中心内的污水再利用，提高水资源利用率。

生活污水处理设备主要包括杂物沉淀池、化学反应池和填料流动池。生活污水经收集后进入杂物沉淀池，污水中的悬浮颗粒物经过物理沉淀沉淀至底部去除。之后再经过化学反应池，污水中的化学物质与絮凝剂发生絮凝反应，絮凝物经沉淀后即可与水体分离。填料流动池中含微生物，可以利用微生物的各种生命活动将污水中对生活污水中含的各种难处理物质分解，最终实现污水净化[4]。

可行性计算分析

（一）雨水弃水量和集水量的计算

根据《民用建筑节水标准》中5.2.4条规定雨水设计径流总量的公式，长沙年平均降水量h为1403.7mm，超过800mm，则适宜优先采用屋面雨水收集回用方式。从建筑物屋面收集到的雨水因降尘会含部分固体颗粒，需要经过雨水弃流装置弃流截污，除去初期污染严重的雨水。初期弃流雨水每年按65.3mm计算。屋面雨量径流系数 取0.6，长沙国际金融中心占地面积为7.44万平方米，计算取屋面汇水面积F为占地面积，为7.44万平方米。则

（二）尿液回收利用量计算

考虑到回收和分离的难易程度和成本，我们主要回收男士小便池的尿液，不考虑其他蹲便器的尿液。

根据统计数据，人类的排尿量约为A=0.3L/次每人。男性小便池冲水量约为B=1.3L/次，經过调查，长沙国金中心全年平均每日人流量为R=62700人次，假设有50%的人使用商场厕所，而男女厕所的人流量比可以达到1：2，所以使用男厕的人数比例为2/3，那么男士小便池的概率达到3/4，回收装置的回收率为预计为Ø=0.70[5]，

（三）生活污水回收可行性计算

长沙国金中心为例的建筑用水量计算主要包括商业部分用水、办公楼部分用水和酒店部分用水。其中商业部分用水主要用于厕所冲水，近似作为传统厕所用水量进行分析，所以在生活污水收集部分不作计算。生活污水回收量主要包括计算办公区用水和酒店部分用水。

办公区回收量计算

根据《民用建筑节水设计标准》，办公有效面积按办公建筑面积的60%进行计算，人均有效面积取6m2，办公节水定额Q1取33L/（人·天）。长沙国金中心办公建筑面积S为258000平方米，预计办公区生活污水回收量按70%计算，年用水天数n1取260天。计算办公区年用水量：

根据《民用建筑节水设计标准》，酒店中（员工及旅客）节水用水定额为290～400L/（人·天），在长沙国金中心计算中取用水定额Q2为290L/（人·天），酒店部分生活污水回收量按70%计算，酒店面积约为417500平方米，有效空间比取60%，人均有效面积取40m2，营业天数n2为365天。酒店部分年用水量为：

（四）可行性分析

1. 新型蹲便器用水量对比

市面上常见便器冲洗耗水量对比如下图所示，对于常规便器而言，1000人如厕的冲洗水量就已经达到了60000L/天，耗水量大、资源浪费严重。

新型翻转蹲便器采用雾化喷头预处理并配有高压射流喷头进行深入清洁，主要耗水量便在这两处。雾化喷头每次预处理用水量约为0.16L/min，雾化时间为两秒，共有三个;高压射流喷头冲水量约为2.9L/min，喷射时间为10秒，共有四个，对于1000人如厕所需的冲洗水量为：

1000×（0.16×3÷60×2+2.9×4÷60×10）=1949.33L

对照柱状图知，新型翻转便器耗水量远远小于市面上常见便器，大大节约了水资源和资金投入，更加清洁环保高效。

1000人如厕每天新型翻转蹲便器比常规便器节省的费用：

（60000-1949.33）×8.15÷1000=473.11元/天

2. 冲厕用水来源效益介绍

由于尿液的回收价值更高，所以优先使用尿液作为冲厕用水。如果冲厕用水由尿液回收的二次用水完全代替，将节约很多水资源和资金投入，假设收集的二次用水被冲厕用水完全消耗，而商业用水价格为8.15元/t，每年可节省水费为：

6407.94*8.15=5.22万元

雨水和生活污水节约水的成本计算同上。

综上所述，二次用水的来源主要为尿液、雨水、生活污水三个方面，流量以及节省费用如下表所示。比较可知，二次回收水已经能够完全覆盖传统厕所用水量。

3. 效益总结

经济效益方面，尿液、雨水和生活污水三个方面的二次收集水一年的收集量大约为1089328.54m3，节约的成本总计能够达到887.79万元;新型翻转蹲便器的用水量显著小于传统常规便器的用水量，相同条件下比传统常规便器能够节约473.11元/天。这些方面能够显著降低长沙共国金中心用水方面的成本资金投入，实现高效、绿色、创新、环保。

社会效益方面，新型翻转蹲便器解决了传统厕所卫生脏乱差、商场厕所排队时间长的问题，改善了如厕环境，对促进美丽公测建设、美丽生态文明建设起到了重要作用。新型翻转蹲便器还配备了较为完善的尿液回收及生活污水回收系统，优化了循环用水功能，循环利用水资源，改善了目前城市厕所耗水量大，城市水资源利用效率低的现状，缓解了城市污水处理压力，在治理城市污水方面做出了一定贡献。同时，巧妙地将翻转板与蹲便器相结合，加入了尿液回收利用的新型处理方式，为厕所废物处理方式提供了新思路，为行业发展开辟了新方向。

创新特色

商用自动感应翻式节水公厕在传统公厕的基础上进行创新，相较于传统公厕具有科学性和先进性。产品优点如下：

（1）新型污水隐形蹲便器巧妙借助粪便的重力，以机械翻转的方式，从结构上减少冲厕用水，节水效果更好，节能效率更高，对用户端产生极大的经济节约作用。

（2）隐匿式地下冲水结构，解决污渍外溅问题，并在旋转处增加密封条，有效避免尿液及粪便等异味溢出，降低蚊蝇生蛆引发感染传染病的风险，将洁污过程做到无视觉清洁，让如厕环境更加干净、舒适。

（3）自动感应装置避免了因为技术操作问题而导致的客户使用障碍，实现了各年龄段的普适化，同时在保证高效排便的情况下，节省人力，使商城如厕排队的现象得以解决，让方便更加方便，提升了用户的幸福指数。

（4） 利用商场特点，建立雨水收集回用装置以及生活污水收集装置对雨水和生活废水进行回收，并且采用尿液回收装置对尿液进行回收。将收集到的二次利用水作为冲厕用水再次利用，做到节水节能，环保高效，提高了水资源回收率与利用率。

结语

我们的团队产品解决了目前市场上传统公厕的噪音，潮湿，用水量大等问题。在一定程度上。翻转节水公厕可用更少的生活用水满足更大的使用需求，提高了大型公厕的使用效率，节约使用成本。翻转节水型公厕的创新研发将产生显著的经济效益和社会效益。当今，全球水资源紧缺，水资源匮乏已成为制约我国经济发展的重要因素。产品设计从节水出发，保证清洁质量的同时实现水资源的重复利用。通过技术创新，降低生活污染，增加能源利用的多样性实现了环境保护。产品创新思路符合我国可持续发展理念，达到节水减排的目的，缓解用水压力，使现有供水系统可以供给更多用户的用水，节约了建设资金和运行费用，为改善公厕环境，实现节水环保型社会提供了新思路。但是，目前产品未来发展研究仍存在技术难题。未来我们的产品研究致力于实现干旱缺水地区家庭化使用。产品设计将实现太阳能供电设想，和微型化家庭水资源回收利用系统。这需要整个系统的重新设计和布局。可以作为更加干旱缺水地区厕所的研究方向。

参考文献：

[1]沈峥，刘洪波，张亚雷.中国“厕所革命”的现状、问题及其对策思考;2018，10（02），45-48

[2]张颖，靳少培，姬亚芹，王秀艳.污水除臭技术的应用及研究现状[J].环境污染与防治，2013，35（01）：81-85+99.

[3]郝燕宇.源分离尿液的电化学处理回用系统集成装置及应用研究[D].大连交通大学，2018.

[4]李亮.村镇生活污水常用处理工艺简介与对比[J].水资源开发与管理，2017（06）：23-26.DOI：10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.006.

[5]郝燕宇.源分离尿液的电化学处理回用系统集成装置及应用研究[D].大连交通大学，2018.

通讯作者：蔡小华，1965.04，男，副教授，从事机械设计方法与理论、机械电子等研究。

基金项目：省教改项目，湘教通〔2021〕189号 工程训练融入工程图学系列课程的探索与实践（HNJG-2021-0335 ）。